專利名稱：南方松硫酸鹽纖維的化學(xué)活化和精制的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及造紙，特別是涉及在使用處理過的材料制備紙幅材料之前對(duì)纖維素材料的處理。
正如本領(lǐng)域所熟知的那樣，紙張通常由木材制得。通常，工業(yè)上將造紙用木材分成兩類；即闊葉木和針葉木。針葉木纖維(tracheids)來自帶針狀葉的針葉樹，如松樹、云杉、洛杉磯冷杉和花旗松。闊葉木纖維來自各種落葉樹。
在闊葉木(HW)纖維和針葉木(SW)纖維之間明顯的差別包括(a)木材單根纖維素纖維的長度，(b)纖維的粗糙度和(c)纖維的挺度或壓潰性。
針葉木纖維的形態(tài)往往會(huì)限制由其所生產(chǎn)紙張潛在的應(yīng)用。在本發(fā)明中所使用的“紙張”包括紙幅或紙頁，對(duì)其尺寸或定量沒有任何限制。例如，HW或SW紙張可以用作“漂白紙板”(例如用于消費(fèi)品包裝)或“盒紙板”或“掛面紙板”(例如用于瓦楞紙箱)。紙張的適印性能是紙張最終使用主要考慮的問題。SW纖維眾人皆知的問題在于由其生產(chǎn)的紙張的適印性能，這是因?yàn)镾W纖維紙張往往是無規(guī)律多孔的、硬挺并且必須進(jìn)行特殊處理以獲得適合印刷的紙張表面。
本領(lǐng)域熟知的是，HW和SW必須經(jīng)受特殊的處理以便將木材轉(zhuǎn)化成用于形成紙幅的纖維漿料。針葉木更為豐富且更易恢復(fù)，如通過樹木耕作。針葉木通常較為廉價(jià)。因此，只要可能，在造紙中希望用SW纖維替代HW纖維。作為可能的替代品，通常對(duì)南方松或闊葉木和針葉木的混合物進(jìn)行研究，以便替代迄今為止利用闊葉木制備的最終產(chǎn)品。
迄今為止，一直試圖將SW纖維用于印刷紙張，業(yè)已提出用水解酶對(duì)成漿的纖維進(jìn)行處理。業(yè)已采用了酶處理纖維的精制，以便改變其尺寸、形狀、細(xì)纖維化程度等等。酶處理存在酶對(duì)處理?xiàng)l件敏感的問題，并且有失活和/或被帶入造紙?jiān)O(shè)備中的傾向。成本-效率的不理想也是長期存在的問題。
為了木漿的漂白或增亮，通常在堿性條件下進(jìn)行化學(xué)處理，如過氧化氫處理。使漂白最大化的條件通常與使氧化作用最大化的最佳條件并不相關(guān)。
此外，平滑度和勻度也是紙張適印性能的量度。在此作為紙張?zhí)匦运褂玫摹皠蚨取蓖ǔＪ窃谝欢ㄩg距如5-20毫米規(guī)模內(nèi)相對(duì)一致性的同義詞。通過從背面利用光線對(duì)其進(jìn)行觀察以及其它手段，可以判斷其勻度。此外，平滑度和勻度均影響纖維長度、形態(tài)和壓潰性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過如下處理將改變纖維素纖維，特別是針葉木纖維的形態(tài)(a)使纖維經(jīng)受在約1-9，優(yōu)選3-7的pH下進(jìn)行的金屬離子激活的過氧化物處理，和(b)使處理過的紙漿經(jīng)受精制處理，由此在許多方面使SW纖維轉(zhuǎn)化成與HW類似的纖維。已知所述的金屬離子激活的過氧化物處理對(duì)紙漿纖維素和半纖維素產(chǎn)生作用，導(dǎo)致纖維素纖維的氧化和氧化降解。只對(duì)紙漿進(jìn)行化學(xué)處理不足以獲得希望的纖維形態(tài)改進(jìn)，然而，隨后進(jìn)行的旨在取得一定程度的纖維精制的對(duì)經(jīng)化學(xué)處理的纖維的精制或類似的機(jī)械處理將需要明顯更少的精制能量(例如約少30-50％)即可達(dá)到精制所需的終點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明處理過的紙漿明顯縮短了纖維長度或纖維長度分布，由此當(dāng)通過勻度或組織進(jìn)行測(cè)量時(shí)，能夠使紙頁(紙幅)結(jié)構(gòu)具有更好的均勻性。此外，處理過的纖維在紙頁固化期間更易壓潰(collapsible)，由此帶來明顯改善的紙張表面性能如平滑度。在這些方面，就其在造紙中的應(yīng)用而言，根據(jù)本發(fā)明處理過的SW纖維其功能基本上等同于HW纖維。本發(fā)明的處理可以應(yīng)用于化學(xué)木漿(或紙漿混合物)，所述紙張何以具有不同的處理過程如制漿、漂白或酸水解，或?qū)⒛静募庸こ蛇m合供至造紙機(jī)的紙漿的各種處理的其它組合。
在一實(shí)施方案中，本發(fā)明可以應(yīng)用于已經(jīng)過精制(例如化學(xué)處理、酶處理、微纖維化和/或酸水解)的紙漿，以便增加紙漿的游離度或改善造紙過程中的脫水性和/或降低纖維素顆粒懸浮液粘度并改善流動(dòng)特性。
在另外的實(shí)施方案中，可以采用在pH 3-9，優(yōu)選pH 3-8下的次氯酸鹽處理并將次氯酸用作主活化劑，然后對(duì)處理過的紙漿進(jìn)行精制來獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
此外，可以單獨(dú)地將金屬離子激活的過氧化物或次氯酸處理應(yīng)用于精制的纖維以增加游離度/脫水性，或者應(yīng)用于微纖維化的纖維素材料以降低懸浮液粘度。此外，可以在從纖維素材料的初始蒸煮至(包括)紙漿懸浮液供入造紙機(jī)之間的任何不同的位置，采用任一實(shí)施方案作為控制紙漿懸浮液粘度的手段。本發(fā)明的后一方面可用于紙漿的溶解，以便例如生產(chǎn)粘膠絲(viscose)。在某些例子中，本發(fā)明的有利影響列于由處理過SW纖維或HW纖維和處理過SW纖維混合物形成的紙幅或紙頁的列表中。
在另一實(shí)施方案中，對(duì)于特定纖維部分的處理，本發(fā)明可以與纖維分級(jí)處理相結(jié)合。
采用本發(fā)明處理過的紙漿生產(chǎn)的紙張顯示出HW水平的撕裂強(qiáng)度，且抗張強(qiáng)度幾乎沒有變差。由于增加的游離度，因此還改善了紙頁內(nèi)纖維的結(jié)合。


本發(fā)明的上述特征在結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的詳細(xì)說明之后將變得更為清楚，其中圖1是描述當(dāng)對(duì)南方松紙漿進(jìn)行精制時(shí)歸因于本發(fā)明的節(jié)能的曲線圖；圖2是描述當(dāng)根據(jù)本發(fā)明對(duì)南方松紙漿進(jìn)行處理時(shí)所取得的纖維長度縮短的曲線圖；圖3是描述根據(jù)本發(fā)明的處理過的和未處理的針葉木漿之間纖維長度分布改變的曲線圖；圖4是描述未經(jīng)處理的松木纖維的顯微照相；圖5是描述根據(jù)本發(fā)明處理過的松木纖維的顯微照相；圖6是描述闊葉木漿、未經(jīng)處理的松木紙漿和處理過的松木紙漿的松厚性對(duì)平滑度關(guān)系的曲線圖；圖7是描述圖6所示紙漿的松厚性對(duì)游離度關(guān)系的曲線圖；圖8是描述圖6所示紙漿的撕裂度對(duì)游離度關(guān)系的曲線圖；圖9是描述未經(jīng)處理的闊葉木漿、未經(jīng)處理的松木紙漿以及闊葉木漿和針葉木漿的不同混合物的松厚性和平滑度關(guān)系的曲線圖；圖10是描述未經(jīng)處理的松木漿和采用低密度盤磨精制的根據(jù)本發(fā)明處理的紙漿纖維長度縮短的曲線圖；圖11是描述當(dāng)對(duì)處理過和未經(jīng)處理的松木漿進(jìn)行處理時(shí)，與用作本發(fā)明組成部分的盤磨精制有關(guān)的節(jié)能曲線圖；和圖12是描述在對(duì)未經(jīng)處理的紙漿和根據(jù)本發(fā)明處理的紙漿進(jìn)行精制時(shí)纖維長度下降和使用的能量之間關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種將針葉木纖維，特別是南方松纖維轉(zhuǎn)變成與闊葉木類似的纖維的方法。所述方法采用如下步驟(a)在約1-9的pH下使用包含過渡金屬離子和過氧化物的溶液處理包含纖維素和半纖維素的SW紙漿，處理時(shí)間足以使纖維素/半纖維素的大部分氧化并使纖維素纖維氧化降解，(b)對(duì)處理過的紙漿進(jìn)行精制處理。當(dāng)在造紙機(jī)上形成紙幅時(shí)，如此處理的紙漿顯示出許多類似闊葉木的性能，如形成紙幅的總體可成形性，所述紙幅具有與采用傳統(tǒng)造紙技術(shù)由闊葉木纖維形成的紙幅相似的表面性能。
在本發(fā)明的一實(shí)施方案中，采用硫酸鹽法，使得由針葉樹(特別是南方松樹)獲得的針葉木纖維轉(zhuǎn)化成紙漿，其中正如本領(lǐng)域所熟知的那樣，纖維在加熱的堿液中進(jìn)行處理從而使纖維從其木質(zhì)素粘結(jié)劑中分離出。盡管南方松纖維特別適合于采用本發(fā)明的處理，但已經(jīng)認(rèn)識(shí)到也可以采用由其它針葉樹得到的纖維。此外，本發(fā)明可以有利地采用SW和HW纖維的混合物，例如，包含約50-90重量％SW紙漿和約10-50重量％HW紙漿的混合物。
SW紙漿或SW和HW紙漿的混合物，在采用本發(fā)明進(jìn)行處理之前，可以包括在蒸煮步驟之后沒經(jīng)過任何常規(guī)處理的紙漿。然而，本發(fā)明可用于處理這樣的紙漿，其在蒸煮之后已經(jīng)受通常使用的紙漿處理，如用于除去hexauronic acid的酸水解、使用氧和/或過氧化物或臭氧對(duì)紙漿進(jìn)行氧化/漂白、和/或?qū)垵{進(jìn)行機(jī)械處理，即精制。在最為通常預(yù)期的處理中，經(jīng)受本發(fā)明處理的紙漿或紙漿混合物是經(jīng)過蒸煮并且至少已通過洗滌除去黑液的紙漿。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，在約40-120℃的溫度下使用過渡金屬-激活的過氧化物溶液對(duì)紙漿溶液進(jìn)行約10-60分鐘的處理。通常，較高的處理溫度將需要較短的停留時(shí)間，反之亦然。優(yōu)選的是，所述處理在70-90℃下進(jìn)行，停留時(shí)間在30-180分鐘。所述處理(連續(xù)或間歇)可在漂白塔、高密度塔、碎漿機(jī)(re-pulper tanker)或任何具有足夠混合和停留時(shí)間的合適的容器中進(jìn)行。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，且與其中避免或消除過渡金屬離子以避免由羥基自由基所引起的紙漿損壞或降解的傳統(tǒng)的紙漿過氧化物處理相反，以紙漿計(jì)，本發(fā)明的處理溶液包括約0.2-5重量％的過氧化氫和約0.002-0.1重量％的過渡金屬離子。鐵(III)鹽如三氯化鐵，或鐵(II)鹽如硫酸亞鐵和氯化亞鐵尤其適用作金屬離子源。其它金屬離子，如銅(II)、鈷(II)也可以使用。在所指出的任何情況下，為取得本發(fā)明有利的結(jié)果，僅僅需要痕量的過渡金屬離子，所述金屬離子的用量優(yōu)選為約0.002-0.01重量％。
此外，與其中過氧化物處理是在很高pH下進(jìn)行漂白的紙漿傳統(tǒng)的過氧化物處理相反，在本發(fā)明中，在約1-9的pH，優(yōu)選在約2-7的pH下進(jìn)行紙漿處理。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在約40-120℃和約1-9的pH下，使針葉木漿經(jīng)受本發(fā)明溶液的處理將導(dǎo)致長、硬挺且粗的硫酸鹽纖維(kraft fiber)的氧化和氧化紙漿的降解。在對(duì)纖維進(jìn)行所述化學(xué)處理之后，對(duì)處理過的紙漿進(jìn)行機(jī)械處理，例如采用傳統(tǒng)盤磨機(jī)進(jìn)行精制，從而就闊葉木漿而言，使纖維形態(tài)發(fā)生改變且紙張性能得以提高。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，也可以采用對(duì)紙漿提供等效精制的其它機(jī)械處理裝置。
利用以紙漿計(jì)1％的過氧化氫和以三氯化鐵形式添加的0.01％的鐵，在pH 4下對(duì)得自International Paper-Augusta紙漿廠的漂白南方硫酸鹽紙漿進(jìn)行處理。所述處理在80℃進(jìn)行1小時(shí)。利用PFI盤磨對(duì)處理過的和對(duì)比(未經(jīng)處理的)松木紙漿進(jìn)行精制。PFI游離度和平均纖維長度的數(shù)據(jù)列于表I中。
表I

如圖1所示，盤磨轉(zhuǎn)速(表示精制能量)與游離度發(fā)展的關(guān)系表明對(duì)紙漿實(shí)施鐵催化的過氧化氫處理大大地促進(jìn)了紙漿的精制，對(duì)于相同游離度的讀數(shù)大大地節(jié)省了能量。
圖2示出了通過精制縮短了纖維長度(長度-加權(quán)平均值)，并且表明在精制之前利用催化的過氧化氫處理，在隨后的精制之后纖維長度將大大縮短。而作為對(duì)比，未經(jīng)處理的紙漿(對(duì)比紙漿)通過PFI精制纖維長度幾乎沒有縮短。
圖3進(jìn)一步闡明了示于圖2中的纖維長度縮短。在圖3中，示出了在同樣的精制下，處理過的南方松木漿和未經(jīng)處理的南方松木漿(對(duì)比)的纖維長度分布曲線。由此可以看出，與對(duì)比例相比，所述處理將使纖維長度明顯地向更短范圍改變。
實(shí)施例2利用以紙漿計(jì)1％的過氧化氫，在pH為4的情況下，利用源自硫酸亞鐵0.006％的鐵(II)，對(duì)用于實(shí)施例1的漂白南方松紙漿進(jìn)行處理。所述處理在70℃進(jìn)行1小時(shí)。與實(shí)施例1相同，對(duì)處理過的紙漿和對(duì)比紙漿進(jìn)行PFI精制。由這些紙漿制備TAPPI手抄紙。
為闡明纖維形態(tài)(不只是纖維長度分布)和纖維壓潰性，獲得由處理過的針葉木漿和對(duì)比(未經(jīng)處理的)針葉木漿制得的手抄紙表面的SEM(掃描電子顯微術(shù))圖像，在4000轉(zhuǎn)的PFI精制下進(jìn)行比較。這些顯微照片描述于圖4(未經(jīng)處理的)(對(duì)比例)和圖5(處理過的)中，并且表明與對(duì)比例的纖維相比，處理過的松木纖維更容易壓潰或變平。壓潰(collapsed)且平坦的纖維適于制備具有優(yōu)異表面和印刷性能的紙張或紙板。另外，還可從處理過的手抄紙的SEM觀察到某些斷裂或切斷的纖維(纖維端部)，這表明纖維被縮短了。
實(shí)施例3
如上面實(shí)施例2所述，利用由0.006％鐵(II)催化的1％的過氧化氫，在pH為4的情況下對(duì)漂白南方松紙漿進(jìn)行處理。對(duì)處理過的紙漿進(jìn)行PFI精制，并制成手抄紙以便進(jìn)行紙張物理性能評(píng)估。結(jié)果列于表II中。
表II

根據(jù)此表，需要指出的是，在精制至約560CSF或更低的游離度(也使纖維縮短)之后，處理過的松木纖維顯示出了改善的松厚-平滑度。這也示于圖6中。圖7描述了在給定游離度的松厚性，其指出了將處理過的松木纖維精制至更低的游離度如400CSF(取決于脫水性能或紙機(jī)配料混合物的要求)的好處。
就機(jī)械性能而言，該處理將明顯地對(duì)撕裂強(qiáng)度產(chǎn)生影響，使其降低至闊葉木漿的水平(圖8)。當(dāng)在紙張配料中用處理過的松木纖維替換闊葉木纖維時(shí)這將是可接受的。撕裂強(qiáng)度的降低是由于纖維長度的明顯縮短和化學(xué)影響所造成的。
其它機(jī)械性能僅僅稍微地受到影響，并且仍然明顯高于闊葉木漿配料。有趣的是，如表II所示，處理過的松木纖維的彈性挺度甚至可以高于對(duì)比松木纖維的彈性挺度。
實(shí)施例4也將如上述實(shí)施例3的精制至560CSF的處理過的松木紙漿與游離度在一定范圍內(nèi)的闊葉木漿進(jìn)行混合，以便觀測(cè)混合配料的紙張性能，如松厚性和平滑度。結(jié)果列于表III中。
表III

圖9繪制了混合紙漿配料的松厚性-平滑度曲線(表III數(shù)據(jù))，以及100％松木漿和闊葉木漿的曲線(表II數(shù)據(jù))。顯而易見的是，處理過的松木紙漿可用來替換大部分的闊葉木漿。然而，在造紙廠中精確的闊葉木漿置換量可能多少還受其性質(zhì)、種類和工業(yè)盤磨機(jī)的最佳化的影響。
實(shí)施例5Voith LR 1盤磨機(jī)用來精制漂白南方松紙漿，所述紙漿已用由鐵(III)催化的1％的過氧化氫在pH為4下處理過。所述盤磨機(jī)的單位刃口負(fù)荷設(shè)在0.8Ws/m。由表IV和圖10可以看出，節(jié)能和纖維長度的縮短得到了證實(shí)。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)節(jié)纖維素纖維形態(tài)的方法，其包括下述步驟使所述纖維經(jīng)受在約1至約9的pH下進(jìn)行的金屬離子激活的過氧化物處理；和使處理過的纖維經(jīng)受精制處理。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬離子是過渡金屬離子。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬離子是鐵。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述pH在約3和約7之間。
5.權(quán)利要求1的方法，其中在約40℃-約120℃的溫度下使所述纖維經(jīng)受溶液處理。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述纖維經(jīng)受10分鐘至10小時(shí)的溶液處理。
7.權(quán)利要求1的方法，其中以紙漿計(jì)所述溶液中存在濃度為約0.2％-約5％的過氧化物。
8.權(quán)利要求1的方法，其中以紙漿計(jì)所述溶液中存在濃度為約0.002％-約0.1％的所述金屬離子。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述紙漿經(jīng)受所述溶液處理，處理時(shí)間足以至少對(duì)紙漿的纖維素和半纖維素產(chǎn)生明顯的作用，從而導(dǎo)致纖維素纖維的氧化和氧化降解。
10.一種具有改進(jìn)的形態(tài)的針葉木漿，其造紙性能與闊葉木漿的造紙性能在功能上基本相當(dāng)。
11.權(quán)利要求10的針葉木漿，其中與處理之前相比，所述針葉木漿的纖維在處理之后顯示出了明顯更短的纖維長度和分布以及提高的纖維壓潰性。
12.權(quán)利要求9的針葉木漿，其中相對(duì)于未經(jīng)處理的針葉木漿，所述紙漿被氧化降解。
13.權(quán)利要求10的針葉木漿，其中所述紙漿的加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度在約115和約590之間。
14.權(quán)利要求13的針葉木漿，其中所述紙漿的Kajaani平均纖維長度在約1.0毫米和約1.9毫米之間。
15.一種包含約50-90％闊葉木漿且其余為針葉木漿的紙漿，所述針葉木漿已經(jīng)經(jīng)受了在約2-9的pH下進(jìn)行的金屬離子激活的過氧化物處理和精制處理。
16.權(quán)利要求15的紙漿，其中所述金屬離子是過渡金屬離子。
17.權(quán)利要求15的紙漿，其中所述金屬離子是鐵離子，且所述pH在約3和約7之間。
18.權(quán)利要求15的紙漿，其中就在造紙中紙漿的效能而言，所述紙漿與闊葉木漿在功能上基本相當(dāng)。
19.權(quán)利要求11的針葉木漿，其中所述紙漿用來制備紙幅材料。
全文摘要
一種改變纖維素纖維，特別是針葉木纖維的形態(tài)的方法，其包括(a)使纖維經(jīng)受在約1－9，優(yōu)選3－7的pH下進(jìn)行的金屬離子激活的過氧化物處理，和(b)使處理過的紙漿經(jīng)受精制處理，由此在許多方面使SW纖維轉(zhuǎn)化成與HW類似的纖維。已知所述的金屬離子激活的過氧化物處理對(duì)紙漿纖維素和半纖維素產(chǎn)生作用，導(dǎo)致纖維素纖維的氧化和氧化降解。只對(duì)紙漿進(jìn)行化學(xué)處理不足以獲得希望的纖維形態(tài)改進(jìn)，然而，隨后進(jìn)行的旨在取得一定程度的纖維精制的對(duì)經(jīng)化學(xué)處理的纖維的精制或類似的機(jī)械處理將需要明顯更少的精制能量即可達(dá)到精制所需的終點(diǎn)并賦予紙漿其它希望的性能。另外，本發(fā)明還披露了改性SW纖維以及HW纖維和改性HW纖維的混合物的紙漿。
文檔編號(hào)C08B1/00GK1856616SQ200480027582
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
發(fā)明者譚征, 春·阮, 卡倫·L.·莫勒 申請(qǐng)人:國際紙業(yè)公司