专利名称：由竹子制造纸浆的方法
技术领域：
本发明涉及用竹材生产适合于制造高强度纸产品的制造竹浆的方法。更具体地说，本发明涉及通过撕碎、洗涤和湿去髓，为使竹材在高温高压下进行蒸煮作准备的方法。
世界上有许多种类的竹子。最普通的，而且含有相当长纤维的一种竹子是龙头竹(BambusaVulgaris)。这种典型的竹子含有大约10%髓、大约8%的竹节和二氧化硅。这些竹节有碍于使竹子成为直线段。真纤维含量大约等于60%，且含有大约22%导管分子，导管分子是输送液体养分的导管或管道。导管分子的造纸价值是很低的。真纤维成分是在蒸煮后形成纸浆的优质纤维部分。
龙头竹的化学成分同典型的松木纤维源没有多大的区别。下表1提供了龙头竹和三种松木的典型分析数据。
表1松木纤维组分龙头竹SalignaElliottiAugustifol纤维素49.254.655.558.3木碳素14.525.526.628.5聚戊糖22.316.47.16.1在下列溶剂中的可溶量NaOH1%33.414.816.910.6热水15.01.63.82.5乙醇/苯5.21.46.70.9灰分1.80.30.30.3
此外，龙头竹的有效纤维长度相似于典型的松木源。但是，一个很大的差别是竹类具有较高的蜡含量和酚含量，所以它需要不同于松木所适用的处理和蒸煮方法。此蜡成分保护竹子在生长时免受水分和虫害的侵蚀，为了生产优质纸浆，必须将蜡成分除去。
削竹是为竹材蒸煮作准备的典型方法。这是一种广泛用于制造松木纸浆的方法。削片机是一部装有一系列刀片的机器，它把许多较大的竹杆切割成竹片。竹片的尺寸约0.32cm厚、约1.9cm长和宽。和削片机不同，撕碎机产生细长的碎片。虽然撕碎机对木材是无用的，但是它对竹材却非常有用。竹材基本上是一系列具有大约1至3cm壁厚的空心段。撕碎的竹片包括10至25cm或更长的细长碎片。结果是撕碎后较削片后具有更长的纤维。削片操作切断了许多纤维，因此在成品纸浆中结果形成大量较短的纤维。撕碎操作不会切断纤维。在最初的加工阶段中不会损坏纤维。此外，撕碎产生的纤维可以在蒸煮前进一步加工。在许多先有技术的处理中，在切削之后将已切削的竹材直接流送至浸渍和(或)蒸煮处理。但是，在本发明发明者以前的方法中，是将已切削的竹材接着进行撕碎和去髓加工。可是在新方法中，对竹材只进行撕碎，然后将其传送到如美国专利3，992，745所介绍的Peadco洗涤器中，接着用例如美国专利3688，345所介绍的Peadco去髓机进行湿去髓。结果蒸煮长的给料纤维时纤维损伤较少，它可去除大量非纤维材料，而且可以用较快的速度进行蒸煮。由于采用黑液和蒸煮的化学药品溶液可使蒸煮的纤维很快浸透，所以蒸煮进行的速度较快。
这种特殊的竹材预蒸煮处理最好结合蒸煮工艺使用，该预蒸煮处理包括在超大气压力的情况下用黑液或蒸煮化学药品进行第一段时间的处理工序，进一步添加蒸煮化学药品，随后压力快速降低至少约0.5Kg/cm、以及在此较低的，但仍然是超大气压的压力下进行第二段时间的处理。这种添加蒸煮化学药品以后，接着进行快速降压的程序可以重复许多次。每次快速降压使纤维内含的水转化为蒸汽，因此而使纤维束展开，并且也使添加的蒸煮化学药品集中在纤维上。当这种蒸煮程序与上述的预处理程序结合起来使用时，所得到的纸浆相似于木材长纤维源的纸浆。
总之，本发明涉及竹材在蒸煮前的准备工作撕碎竹材、洗涤已撕碎的竹材(去除可溶解物、污物和其他夹附物质)，以及对洗涤和撕碎竹材进行湿去髓。然后在第一个蒸煮步骤中采用黑液和任选的蒸煮化学药品进行高温高压的蒸煮，而在以后的步骤中则采用化学药品进行蒸煮。在每个蒸煮步骤之间，施加于竹材纤维上的压力都有一个快速减压的过程。并且，在以后的蒸煮步骤中，每次添加蒸煮用化学药品正好是在快速降压之前。这为纤维较好的展开提供了条件，而且使添加的化学药品集中在新暴露的纤维表面上。总之所述竹纤维的蒸煮方法包括在第一室中使竹纤维与蒸汽和黑液以第一段时间接触。从第一室移去竹纤维，并向该处添加蒸煮化学药品。把竹纤维上的压力快速降低至少0.5Kg/cm2，使竹纤维在第二室中保持第二段时间，从第二室移去竹纤维，并将竹纤维上的压力降到大气压。其中所述的蒸煮化学药品的pH值大约为8至14。它们选自氢氧化钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、碳酸钠、漂白剂及其混合物等。
另一种竹浆的制造方法包括(a)撕碎竹杆以产生撕碎的竹纤维;
(b)用水洗涤已撕碎的竹纤维，藉此至少可除去部分可溶物和不可溶的杂质，并使已撕碎的纤维润湿;
(c)进一步添加水，以除去二氧化硅，并使湿纤维去髓;
(d)将已湿去髓的纤维流到连续蒸煮机的第一室;
(e)将蒸汽和黑液溶液添加到第一室;
(f)用第一段时间加热第一室中的纤维，以便用水和黑液浸透该纤维;
(g)从第一室移去部分已蒸煮的纤维，并向该室加入化学蒸煮溶液;
(h)将上述部分已蒸煮纤维上的压力快速降低至少0.5Kg/cm2，并使上述部分已蒸煮的纤维流到连续蒸煮机的第二室;
(i)进一步以第二段时间蒸煮第二室中的上述部分已蒸煮纤维;
(j)从第二室除去已蒸煮的纤维，并快速降低它上面的压力至大气压;
(k)洗涤和筛选上述已蒸煮的纤维，以除去其中过小与过大的碎片和可溶物。
上述方法中第一室温度需保持至少约175℃，压力至少约8Kg/cm2表压，第二室温度至少保持约170℃，压力至少约7Kg/cm2表压。而蒸煮化学药品包括含浓度至少约100g/l氢氧化钠的苛性碱溶液。另外，在第一室中进行浸渍处理的纤维中的水分至少为60%(重量)。还有，纤维在第一室中的停留时间是它在第二室中停留时间的大约50-70%，纤维在第一室和第二室中的总停留时间约为30至60分钟。
附图
是实施本发明方法的最佳方法的示意图。
竹浆的质量直接与薄壁细胞和竹节的去除程度有关。薄壁细胞是海绵状的，而且有高的液体吸附潜力。它们使植物的液体养分贮藏起来，直至被植物耗尽。竹节是将竹杆分成一段一段的部分。水和各种养分通过竹杆向上移动。竹节容许水和养分通过，但却排除二氧化硅、各种矿物质和其他无机物。本发明的目的是在最初的处理部分中去除薄壁细胞和竹节。由此而初步保存了用以处理的竹纤维的微细结构。这非常相似于软木的微细结构，而软木具有一种初生壁和三种不同的次生壁层。
大部分制造竹浆的方法为间歇法。如果竹材的准备工作不适当的话，间歇法和连续法将产生大致相同的效果。迄今，大部分改善竹浆的试验都集中于蒸煮阶段。间歇法已经转变为连续法。处理时间、温度和压力也已一次又一次地改变。蒸煮的化学药品和它们的比例也已改变。但是，如果不在蒸煮前适当地准备好竹纤维，则蒸煮没有明显的改进。下面将参考附图更详细地介绍本发明的方法。
根据附图，首先必须将竹纤维撕碎。将竹纤维直接输送到撕碎机，例如卧式多锤撕碎机。此装置包括重型滚筒、锤子、底刀座和网格或篦子筛。首先可以将较小直径(例如小于1英寸)的竹材输送到切割机，该切割机将产生最长为2英寸的产品，可以用较小的撕碎机撕开切片。这样可以使用费用低的小型撕碎机。
于是将撕碎的大约10至25cm或更长的细长碎片竹材输送到洗涤机，以除去可溶解物、岩石、砂和其外来物质。虽然可以使用许多类型的洗涤机，但是最好使用能够连续浸没和清洗已撕碎竹材的洗涤机。美国专利3，992，745所介绍的洗涤机是一种非常有效的洗涤机，在美国专利4，635，322中介绍了它的一种改进形式，这是一种U形洗涤机，纤维输入U形的一端，并从U形另一端排出。该洗涤机的每一端都装有齿的滚筒，这些滚筒不断浸没和操作纤维。在U型环处，有一个加深的曲面，由该处可以排除洗涤机中集聚的岩石、污物和其他物质。该纤维由洗涤机的出口端排出，并且从洗涤机流入针状给料器，通过它把已撕碎的竹材送入湿去髓机。继续不断地向洗涤机添加淡水，以补充损失的水分。
美国专利3，688，345所介绍的是一种较理想的湿去髓机，它改进后的一种型式公开于美国专利4，641，792中。该去髓机有一个中心滚筒，其周围被一个多孔筐包围。该滚筒装有刀具，这些刀具按照能使进料纤维产生向下作螺旋形运动的方式配置。刀头对着筐的多孔壁操作纤维。同时把水注入去髓机。刀具的作用、水的离心力和被旋转滚筒推向筐的空气的离心力等的综合作用减小了纤维束的大小，并且迫使薄壁组织、竹节、砂子和短纤维穿过筐壁。水也能够带走纤维中的可溶解的组分。大约3至5cm长的纤维离开去髓机，这样存在的纤维具有大约78%至85%的水含量。这样的纤维随时可以加入蒸煮机，并且最好进入连续式的蒸煮机。向湿去髓机添加水以保持连续的水流通过筐子，并且使纤维中的含水量大约保持在10%至14%，当纤维正在去髓机中进行操作时。
有效的蒸煮方法是一种包括多次吹风步骤的蒸煮法。所谓多次吹风指的是一种操作工艺，纤维藉此而进行多次高温高压的处理步骤。在每个步骤之间，有一个快速降压到较低超大气压的过程。该快速降压可起到展开纤维的作用。如果必须向蒸煮过程中添加任何东西，那未必须在每次快速降压之前立刻添加蒸煮的化学药品。有效处理的高温操作温度大致在150℃至200℃的温度范围内，最好大致在170℃至180℃。压力是在此温度下的水蒸汽压力。在快速降压的过程中，压力至少降低约0.5Kg/cm2。虽然在高温高压下通常进行的是黑液浸渍步骤和蒸煮步骤，但是还有蒸煮化学药品的添加、快速降压、用添加的蒸煮化学药品进行蒸煮，随后放浆到大气压力的步骤、而添加蒸煮化学药品的补充步骤和快速降压、以及随后的蒸煮步骤可以合并在放浆步骤之前。而且在一个或更多个快速降压步骤之前和放浆到大气压力之前，纤维还可以进行磨浆步骤。磨浆有助于使纤细束断裂。于是所得的浆液制备成如造纸用的任何其他纸浆。这些包括洗涤、筛分、离心和任意漂白的步骤。这些步骤的使用将取决于待生产的纸张产品。
下面的一些实例将对本发明作进一步的介绍。
实例1此实例根据本发明生产竹浆的制备方法介绍了竹材的处理。
采用卧式多锤撕碎机撕碎长杆的龙头竹(大约10米)。以每小时8吨的速度将竹材撕碎。把撕碎的竹材输送到针状给料器以及进入Peadco洗涤机。在Peadco洗涤机中的停留时间约为1分钟。洗涤过的竹纤维从Peadco洗涤机的出口处落入Peadco湿去髓机。纤维离开Peadco湿去髓机，并且用螺旋给料器输送到圆筒形蒸煮机。该圆筒形蒸煮机的内径为45英寸，长为30英尺。靠每分钟1转的螺旋转速使纤维通过圆筒形蒸煮机。
将纤维、黑液和180℃的蒸汽一起添加到圆筒形的蒸煮机中。添加黑液以使水/纤维的比例为2.15∶1。黑液的成分如下氢氧化钠0.2%碳酸钠6-7%木质素5-8%二氧化硅1.5%在第一蒸煮机中停留12.5分钟后，移去纤维，添加10%(重量)的氢氧化钠以产生12.5%比率的氢氧化钠/纤维。于是，在磨浆机中分离纤维，并且压力快速降低约1.0Kg/cm2。接着，纤维流入与第一蒸煮机大小相同的第二圆筒形的蒸煮机中。纤维在第二蒸煮机中停留的时间为22.5分钟。此后，对纤维进行磨浆并且压力降低到大气压力。然后对纤维进行洗涤和离心处理。纤维成品率为55%而且K值为29/30。此纸浆适合于制造牛皮纸。
实例2除了氢氧化钠与纤维之比等于15%之外，重复实例1的方法。成品率为50%而且K值等于16/18。G.E.亮度为40。采用三个阶段的工序漂白这种纸浆。最终G.E.亮度为84/86。这种纸浆用来制造书写纸。
实例3此实例介绍了用传统的削片法处理竹材以生产竹浆。
将长竹杆削成约1.9cm长和宽和0.32cm厚的竹片。将这些竹片放在立式蒸煮机中，并且在170℃加热4小时15分。水与纤维的比例等于4∶1，氢氧化钠对纤维的百分数为21%。蒸煮后，使纤维放浆到大气压。纸浆的性能列于实例4的表Ⅱ内。
实例4此实例表示实例1竹浆、实例3竹浆和普通木浆性能的比较。下表Ⅱ给出了这些性能的比较。
表Ⅱ性能实例1实例3木浆原始打浆度ml.C.S.F.720700730打浆度性质ml.C.S.F.450450450撕裂因子221150126耐破因子624882抗张强度Km8.17.09.6TXR指数179010501209木浆是由软木源制成的普通长纤维木浆。此表示出根据此专利申请对纤维进行新式处理的竹浆性能优于削片处理的竹浆性能，并且在许多性能方面相似于木浆。
权利要求
1.一种适合于生产高强度制品的竹浆制造方法，包括用下面的步骤处理所述的竹材撕碎所述的竹材以产生细长的纤维片、洗涤撕碎的竹材、在去髓过程中用添加水使已洗涤和已撕碎的竹材进行去髓、以及在高温高压下蒸煮已去髓的竹纤维。
2.按照权利要求1所述的适合于生产高强度制品的竹浆制造方法，其中所述的竹纤维的蒸煮包括在第一室中使所述的竹纤维与蒸汽和黑液以第一段时间接触，从所述的第一室移去所述的竹纤维并向该处添加蒸煮化学药品，把在所述竹纤维上的压力快速降低至少0.5Kg/cm2，把所述的竹纤维在第二室中保持第二段时间，从所述的第二室移去所述的竹纤维以及将在竹纤维上的压力降低到大气压力。
3.按照权利要求2所述的适合于生产高强度制品的竹浆的制造方法，其中所述蒸煮化学药品的pH大约为8至14。
4.按照权利要求3所述的适合于生产高强度制品的竹浆制造方法，其中所述的蒸煮化学药品选自由氢氧化钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、碳酸钠、漂白剂及其混合物所组成的系列。
5.一种适合于生产高强度制品的竹浆制造方法包括(a)撕碎竹杆以产生撕碎的竹纤维;(b)用水洗涤撕碎的竹纤维以便至少去除部分可溶物和不可溶的杂质，而且使撕碎的纤维润湿;(c)添加更多数量的水使所述的湿纤维去髓，从而除去较可溶的二氧化硅;(d)将所述的湿去髓的纤维流到连续蒸煮机的第一室;(e)将蒸汽和黑液溶剂添加到所述的第一室;(f)用第一段时间加热所述第一室中的纤维，以便用水和黑液浸透所述的纤维;(g)从所述的第一室移去部分已蒸煮的纤维，并且向该室添加化学蒸煮的溶液;(h)将上述部分已蒸煮纤维上的压力快速降低至少0.5Kg/cm2，而且使所述的部分蒸煮的纤维流到连续蒸煮机的第二室;(i)在所述的第二室内使所述部分蒸煮的纤维进一步进行第二段时间的蒸煮。(j)从所述的第二室移去已蒸煮的纤维，并且将它上面的压力快速降低到大气压力;(k)洗涤和筛选所述的已蒸煮纤维，由此除去尺寸不足的和过大的碎片以及可溶解的组分。
6.按照权利要求5所述的适合于生产高强度制品的竹浆的制造方法，其中使第一室保持在至少约175℃温度和至少约8Kg/cm2表压的压力，使第二室保持至少约170℃温度和至少约7Kg/cm2表压的压力。
7.按照权利要求6所述的制造具有高强度制品的竹浆的方法，其中所述的蒸煮化学药品由浓度至少约每升100克氢氧化钠的苛性碱溶液组成。
8.按照权利要求5所述的制造具有高强度制品的竹浆的方法，其中在所述的第一室进行浸渍处理的纤维的水分含量至少为60%(重量)。
9.按照权利要求8所述的适合于生产高强度制品的竹浆制造方法，其中所述纤维在所述第一室中的停留时间大约为该纤维在所述第二室中停留时间的50%至70%。
10.按照权利要求9所述的适合于生产高强度制品的竹浆制造方法，其中所述纤维在所述第一室和所述第二室中的总停留时间约为30至60分钟。
全文摘要
一种由竹材制造纸浆的方法，只要在蒸煮前，对竹材进行撕碎、洗涤和湿去髓等过程，就可使竹材形成合适的纸浆，然后对纤维进行化学蒸煮，即最好利用在湿过热纤维中含有的能量，通过快速降压的过程进行化学蒸煮，以使纤维展开。
文档编号D01B1/42GK1030624SQ8710797
公开日1989年1月25日 申请日期1987年11月20日 优先权日1987年7月13日
发明者爱德华多·霍埃尔·比利亚维森西奥 申请人:过程评估及发展公司