纸浆组合物的制作方法

纸浆组合物的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种由农业可再生纤维(ARF)制得的纸浆组合物，其具有低κ数，并具有足以用于造纸的出乎意料的品质(例如高强度参数和高游离度)。本发明的另一方面涉及一种ARF纸浆，其具有60%或更高的ISO白度和足以用于造纸的出乎意料的品质(例如高强度参数和高游离度)。本发明的另一方面涉及一种纸浆组合物，其由包括使用高浓度的蒽醌(AQ)的制浆方法制得。所述制浆方法可使用木材或非木材纤维(例如蔗渣和玉米秸秆)来提供具有良好造纸品质的纸浆。
【专利说明】纸浆组合物
【技术领域】
[0001]本公开涉及新的纸浆组合物及其制备方法。
【背景技术】
[0002]纸浆为通过从木材或非木材纤维源以化学或机械方式分离纤维素纤维而制得的木质纤维素纤维材料。
[0003]“制浆”通常指将本体纤维源材料还原至其组分纤维。用于制备纸浆的木材和其他植物材料通常含有三种主要组分(除了水之外):纤维素纤维(造纸所需)、木质素(将纤维素纤维粘结在一起的三维聚合物)和半纤维素(较短的支化碳水化合物聚合物)。制浆的目的是将纤维源(其为小木片、茎杆或其他植物部分)的本体结构分解成组成纤维。
[0004]化学制浆通过如下方式实现:将木质素降解成小的水溶性分子，其可从纤维素或半纤维素纤维中洗去而不使纤维素或半纤维素纤维解聚。使纤维素解聚弱化纤维，并降低所获得的纸浆的强度。尽管纸浆中的木质素可提高强度，但是具有高脱木质素程度的纸浆可使漂白过程容易。
[0005]通常，在不使用多个脱木质素过程和/或无不可接受地破坏或弱化纸浆中的纤维素的情况下，现有的制浆方法不提供K足够降低的纸浆。因此，需要一种改进的制浆方法，其可获得具有期望特性的纸浆，并同时消除目前技术的必须步骤中的许多步骤。
[0006]另外，农业可再生纤维(ARF)是使用木材作为纤维源的一种环境友好的替代方案。ARF代表非木材纤维的经济上有前途的来源。然而，由于农业残余物的易碎性质，目前市场上可得的ARF纸浆对于许多工业用途(例如制造印刷书写级纸张)强度不够。因此，需要高品质的一致的ARF纸浆。

【发明内容】

[0007]本公开的一个方面涉及一种纸浆组合物，其由木材纤维或ARF制得，具有约15或更低的未漂白K数(Kappa number)和足以用于造纸的强度参数。
[0008]本公开的另一方面涉及一种纸浆组合物，其由制浆方法制得，所述制浆方法包括以足以形成第一纸浆的蒸煮时间和蒸煮条件蒸煮(COOk)包含纤维、水、碱和脱木质素选择性提高化学品的第一混合物，所述第一纸浆具有约15或更低的期望K数和足以用于造纸的强度参数。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1:对于高H-因子和低H-因子处理，用于蒸煮处理中的蒽醌(AQ)浓度对所获得纸浆的K数的影响。
[0010]图2:本公开的一个实施方案的制浆方法的流程图。
【具体实施方式】[0011]本公开的一个方面涉及一种纸浆组合物，其由木材纤维或ARF制得，具有约15或更低的未漂白K数和足以用于造纸的强度参数。
[0012]木材纤维包括获自木材(例如软木和硬木)的纤维。
[0013]ARF包括获自农业生产的纤维。ARF的例子包括但不限于蔗渣、小麦秸杆、稻杆、玉米秸杆(茎、叶和壳)、大豆残余物、椰子组织、棉杆、葵篮、洋麻、工业大麻、种子亚麻杆、织物亚麻杆、剑麻、晚芦荟(hesperaloe)、黑麦草和它们的混合物。在一个实施方案中，ARF为蔗渣或玉米秸杆。
[0014]K数反映硬度、可漂白性或纸浆的脱木质素的程度。通常，K数为约5或更低的纸浆可由二氧化氯(无元素氯(ECF)技术)或在无氯化合物(完全无氯(TCF)技术)的情况下漂白，以提供具有期望白度(例如小于50%的ISO白度、约65%或更高、84%或更高、约88%或更高、约80至约90%、或约90%或更高的ISO白度)。通常，需要花费超过一个制浆步骤(有时称为蒸煮或脱木质素)来降低K数而同时保持纸浆的强度参数。具有更高K数的纸浆会使得ECF或TCF漂白困难，从而需要氧脱木质素和/或臭氧，和/或多得多的过氧化物。或者，具有更高K数的纸浆可由氯漂白。因此，能够提供具有足够低的K数和足够高的强度参数的纸浆的一步制浆方法是本领域所需的。
[0015]本领域已开发测量脱木质素程度的许多方法，但大多数为高锰酸盐测试的变体。当量高锰酸盐测试可提供高锰酸盐或“ K数”，其为在指定条件下由I克烘箱干燥的纸浆所消耗的十分之一当量(0.1N)高锰酸钾溶液的立方厘米数。例如，其可通过TAPPI标准测试T-236测定。可接受的K数范围取决于纸浆的预期用途而不同(例如，棕纸板的K数要求可为约50至约90，而白纸浆的要求可小于5)。
[0016]断裂长度、撕裂指数和耐破指数为用于制造制品(例如纸料或纸产品)的纸浆的强度参数的例子。通常，期望较高的纸浆强度参数来提供由其制得的制品的较高强度。相比于获自非木材纤维(例如ARF，如蔗渣)的纸浆，获自木材纤维的纸浆通常表现出具有更好的强度参数。然而，本文公开的纸浆组合物的强度参数中的一些(例如断裂长度)出乎意料地类似于或优于由木材制得的纸浆(参见例如实施例9，表2)。
[0017]足以用于造纸的纸浆的强度参数的例子包括但不限于至少约5.50km的断裂长度、至少约6.0OmN.m2/g的撕裂指数、至少约3.0OkPa.m2/g的耐破指数以及它们的组合。
[0018]在一个实施方案中，纸浆组合物具有约15或更低、约10或更低、或约5或更低的K数。
[0019]在另一实施方案中，纸浆组合物也具有高的游离度(freeness)。
[0020]本文所用的术语“游离度”指“纸浆游离度”，表示纸浆的排水速率，或纸浆排出其水的自由程度。游离度在造纸中的重要性在于，如果游离度过低，则不可能在造纸机上去除足够的水而获得良好的片结构和强度。通常，机械纸浆由于施加至原料的苛刻作用而具有低游离度，该苛刻作用产生堵塞排水纸垫的细屑和颗粒。使用全茎杆(韧皮和芯)非木材纤维源材料的许多化学制浆方法存在由于芯部分的特性而导致的差游离度的问题。
[0021]一些实施方案不存在现有技术方法的游离度问题。实际上，本公开的一些方法制备具有高游离度的纸浆组合物。特别地，对于本发明的方法，纸浆游离度为至少约400、425、450、475、500、525或550mL CSF，或至少约500mL CSF0因此，如本文所用，术语“高游离度”指至少约400mLCSF和以上的游离度。[0022]在某些实施方案中，本文公开的纸浆组合物具有至少约400、425、450、475、500、525或550mL CSF的游离度。
[0023]本公开的另一方面涉及纸浆组合物，其由ARF制得并且强度参数足以用于造纸。
[0024]有许多测量纸浆白度的方法。该参数通常为反射率的量度，且其值通常表示为某种标度的百分比。在本文使用国际标准组织(International StandardsOrganization, ISO)白度测试。在某些实施方案中，本公开的纸衆组合物具有小于50%的ISO白度。在某些实施方案中，本公开的纸浆组合物应该具有约60%或更高的ISO白度(适合用于制造印刷和书写级纸)。
[0025]在一个实施方案中，纸浆组合物具有约60%或更高、约70%或更高、约80%或更高、约84%或更高、约88%或更高、约80%至约90%，或约90%或更高的ISO白度。
[0026]本公开的另一方面涉及一种纸浆组合物，其由制浆方法制得，该制浆方法包括以足以形成第一纸浆的蒸煮时间和蒸煮条件蒸煮包含纤维、水、碱和脱木质素选择性提高化学品的第一混合物，所述第一纸浆具有约15或更低的期望K数和足以用于造纸的强度参数。蒸煮步骤可包括单个蒸煮步骤以获得期望的纸浆。
[0027]在一个实施方案中，所述制浆方法中所用的纤维为ARF。在另一实施方案中，ARF为蔗渣或玉米秸杆。
[0028]在另一实施方案中，所述制浆方法中所用的纤维为木材纤维，例如硬木纤维或软木纤维。
[0029]足以用于造纸的强度参数的例子包括但不限于至少约5.50km的断裂长度、至少约6.0OmN.m2/g的撕裂指数、至少约3.0OkPa.m2/g的耐破指数以及它们的组合,其中在蒸煮之前原料具有约60或更高的K数。
[0030]第一混合物中的碱的浓度可为纤维进料(烘箱干燥)的约10重量％至30重量％、约15重量％至约25重量％、约20重量％至约22重量％、约20重量％至约22.5重量％、约20重量％、约21重量％、约22重量％、约22.5重量％、约24重量％或约27重量％。碱的例子有但不限于氢氧化钠或氢氧化钾，其也可含有硫化合物。如本文所用，“0D”和“0.D.”为烘箱干燥。合适的碱添加剂的其他例子包括氨和乙醇胺或它们的衍生物。
[0031]脱木质素选择性提高化学品的例子包括但不限于蒽醌(AQ)或其衍生物。第一混合物中AQ或其衍生物的浓度可为OD纤维进料的约0.2重量％至约1.0重量％、至少约0.1重量％、至少约0.17重量％、至少约0.2重量％、至少约0.25重量％、至少约0.27重量％、至少约0.3重量％、至少约0.35重量％、至少约0.4重量％、至少约0.45重量％、至少约0.5重量％、至少约0.55重量％、至少约0.6重量％、至少约0.65重量％、至少约0.7重量％、至少约
0.75重量％、至少约0.8重量％或至少约0.85重量％。
[0032]第一混合物的液体/干燥纤维比(L/W)为相比完全干燥的纤维的总液体量，例如施用至单位重量的烘箱干燥的蒸煮器(digester)进料的液体重量。其包括蒸煮涉及的所有液体，并可为约4、5、6、7、8或9至约10、约7或约8。
[0033]本文用于表示“反应稠度”、“混合物稠度”和“纸浆稠度”的术语“稠度”表示反应混合物、混合物或纸浆浆料的百分比(%)固体，例如在纸浆/水浆料中的纤维(通常为纸浆而非粗纤维)的重量％。
[0034]蒸煮条件可为在蒸煮温度和蒸煮压力下。蒸煮温度可为约120°C至约200°C、约150°C 至约 190°C、或约 165°C 至约 185°C、约 175°C、低于约 175°C、不高于 175°C、约 165°C、低于约165°C或不高于165 °C。蒸煮压力可为约60psi/g至约150psi/g、120psi/g至约150psi/g 或约 130psig 至约 140psig。
[0035]在蒸煮条件下足以形成第一纸浆的蒸煮时间取决于条件，并且在最高蒸煮温度下可为约15分钟至约180分钟、约15分钟至约120分钟、约15分钟至约90分钟、约30至约90分钟、约30至约60分钟、约53分钟、约50分钟、约40分钟、约35分钟或约34分钟。
[0036]在某些实施方案中，在第一蒸煮时间期间将第一混合物从较低温度加热至期望温度，并在期望温度下保持第二蒸煮时间。例如，期望温度可为约90°C至约200°C、约120°C至约 200°C、约 150°C至约 190°C、或约 165°C至约 185°C、约 185°C、约 175°C或约 165°C。较低温度可为约室温、约90°C、约120°C、约150°C或约165°C。第一蒸煮时间可为约I分钟至约120分钟、约I分钟至约90分钟、约I分钟至约60分钟、约5分钟至约120分钟、约5分钟至约90分钟、约5分钟至约60分钟或约60分钟。第二蒸煮时间可为约15分钟至约180分钟、约15分钟至约120分钟、约15分钟至约90分钟、约30至约90分钟、约30至约60分钟、约53分钟、约50分钟、约40分钟、约35分钟或约34分钟。在某些实施方案中，蒸煮条件为在约130psi/g至约140psi/g的蒸煮压力下，且期望温度为约175°C。较低温度为约90°C，第一蒸煮时间为60分钟，且第二蒸煮时间为约40分钟。
[0037]在某些实施方案中，蒸煮温度为约120°C至约200°C，且蒸煮时间为约15、20或30至约45、50、60、70、80或90分钟。在某些实施方案中，蒸煮温度为约150°C至约190°C，且蒸煮时间为约30至60分钟。在某些实施方案中，蒸煮温度为约165°C至约185°C，且蒸煮时间为约35至约45分钟。
[0038]在某些实施方案中，第一混合物的温度降低至期望温度下的蒸煮器模拟。例如，具有除了 ARF之外的第一混合物的每种成分的第二混合物可在期望温度下制得，然后将ARF添加至第二混合物中以形成第一混合物。期望温度下的蒸煮时间可为约15分钟至约180分钟、约15分钟至约120分钟、约15分钟至约90分钟、约30至约90分钟、约30至约60分钟、约53分钟、约50分钟、约40分钟、约35分钟或约34分钟。
[0039]在现有技术中，由第一蒸煮步骤制得的纸浆通常具有较高的K数，或者已损坏或破坏纤维素的期望性质。例如，由本领域已知的蔗渣制得的纸浆通常具有约20或更高的K数。这种纸浆必须进一步脱木质素以降低K数(例如氧脱木质素和/或臭氧处理)，和/或通过氯漂白。这种脱木质素和/或氯处理可能损害所获得的纸浆的强度和其他参数以及增加加工成本。
[0040]第一纸浆的K数为约5或更低、约7或更低、约10或更低或约15或更低。κ数为5或更低的第一纸浆可由TCF或ECF漂白，以获得适于制备具有期望白度(例如小于50%、约60%或更高、约70%或更高、约80%或更高、约84%或更高、约88%或更高、约80至约90%或约90%或更高的ISO白度)的纸张的纸浆。
[0041]在某些实施方案中，第一纸浆的K数随应用于蒸煮过程的AQ的量的增加而减小(图1)。
[0042]H-因子表示木质素溶解的相对速度。其取决于蒸煮时间和温度。由于脱木质素的温度依赖性，H-因子对温度的依赖性极强。甚至蒸煮温度的几度的差异也可产生纸浆品质的显著差异。已对H-因子进行了限定，从而在100°C下I小时等同于H-因子I。通常，蒸煮过程中较高的H-因子更有可能提供第一纸浆的较低的K数。
[0043]H-因子可由
【权利要求】
1.一种纸浆组合物，所述纸浆组合物包含: 来自农业可再生纤维源的纤维，其中所述纸浆组合物具有约15或更低的未漂白K数、高游离度、至少约5.50km的断裂长度、至少约6.0OmN.m2/g的撕裂指数和至少约3.0OkPa.m2/g的耐破指数。
2.根据权利要求1所述的纸浆组合物，其中所述K数为约10或更低。
3.根据权利要求1所述的纸浆组合物，其中所述K数为约5或更低。
4.根据权利要求1所述的纸浆组合物，其中所述农业可再生纤维源为蔗渣或玉米秸杆。
5.根据权利要求2所述的纸浆组合物，其中所述农业可再生纤维源为蔗渣或玉米秸杆。
6.根据权利要求3所述的纸浆组合物，其中所述农业可再生纤维源为蔗渣或玉米秸杆。
7.一种纸浆组合物，所述纸浆组合物包含来自农业可再生纤维源的纤维，其中所述纸浆组合物具有约15或更低的未漂白K数、高游离度和足以用于造纸的强度参数。
8.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述纸浆组合物具有至少约5.50km的断裂长度、至少约6.0OmN.m2/g的撕裂指数和至少约3.0OkPa.m2/g的耐破指数。
9.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为小于50%IS0。
10.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约70%或更高。
11.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约80%或更高。
12.根据权利要求8所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约80%或更高。
13.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约88%或更高。
14.根据权利要求8所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约88%或更高。
15.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约90%或更高。
16.根据权利要求8所述的纸浆组合物，其中所述ISO白度为约90%或更高。
17.根据权利要求7所述的纸浆组合物，其中所述ARF为蔗渣或玉米秸杆。
18.根据权利要求8所述的纸浆组合物，其中所述ARF为蔗渣或玉米秸杆。
19.根据权利要求12所述的纸浆组合物，其中所述ARF为蔗渣或玉米秸杆。
20.根据权利要求14所述的纸浆组合物，其中所述ARF为蔗渣或玉米秸杆。
21.根据权利要求16所述的纸浆组合物，其中所述ARF为蔗渣或玉米秸杆。
22.—种纸浆组合物，所述纸浆组合物由包括如下的制浆方法制备: 提供包含如下物质的反应产物的第一混合物: 纤维， 水， 浓度为干燥纤维的约0.1重量％或更高的蒽醌或其衍生物，和 碱， 其中所述混合物具有约4至约10的液体/干燥纤维比和约60或更高的初始K数；以及 在足以形成具有约15或更低的K数、高游离度和足以用于造纸的强度参数的第二混合物的蒸煮时间和蒸煮条件下使所述混合物反应。
23.根据权利要求22所述的纸浆组合物，其中所述足以用于造纸的强度参数选自至少约5.50km的断裂长度、至少约6.0OmN.m2/g的撕裂指数、至少约3.0OkPa.m2/g的耐破指数或它们的组合。
24.根据权利要求23所述的纸浆组合物，其中所述蒸煮条件和蒸煮时间提供约200或更高的H-因子。
25.根据权利要求24所述的纸浆组合物，其中所述H-因子为约1000或更高。
26.根据权利要求23所述的纸浆组合物，其中所述第二混合物具有约10或更低的K数。
27.根据权利要求23所述的纸浆组合物，其中所述第二混合物具有约5或更低的K数。
28.根据权利要求23所述的纸浆组合物，其中所述纤维包含农业可再生纤维。
29.根据权利要求28所述的纸浆组合物，其中所述农业可再生纤维包含蔗渣或玉米秸杆。
30.根据权利要求23所述的纸浆组合物，其中所述纤维包含木材纤维。
31.根据权利要求31所述的纸浆组合物，其中所述木材纤维包含松木纤维。
32.根据权利要求23所述的纸浆组合物，其中所述制浆方法还包括漂白所述第二混合物。
33.根据权利要求28所述的纸浆组合物，其中所述纸浆具有小于50%的ISO白度。
34.根据权利要求28所述的纸浆组合物，其中所述纸浆具有约70%或更高的ISO白度。
35.根据权利要求28所述的纸浆组合物，其中所述纸浆具有约80%或更高的ISO白度。
36.根据权利要求28所述的纸浆组合物，其中所述纸浆具有约85%或更高的ISO白度。
37.根据权利要求28所述的纸浆组合物，其中所述纸浆具有约90%或更高的ISO白度。
【文档编号】D21C9/10GK103764906SQ201280042291
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2011年8月30日
【发明者】B·A·霍金斯, F·马丁 申请人:嘉吉公司