DE60303900T2

DE60303900T2 - Verwendung von Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht zur Herstellung von Lyozellprodukte

Info

Publication number: DE60303900T2
Application number: DE60303900T
Authority: DE
Inventors: James E. Perry Sealey; Kent Sumner Robarge; Jr. W. Harvey Enumclaw Persinger; Mengkui Tacoma Luo
Original assignee: Weyerhaeuser Co
Current assignee: Weyerhaeuser Co
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: US20030186054A1; CA2453276A1; JP2004211280A; EP1435404A1; KR20040062397A; MXPA04000072A; ES2259751T3; US6686039B2; JP4015109B2; ZA200309833B; TW200413582A; TWI251040B; BR0305986A; EP1435404B1; KR100547710B1; CN1517490A; CA2453276C; DE60303900D1; BR0305986B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Zellstoffe, die zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern einschließlich Folien, Fasern und nicht-gewebten Vliesstoffen geeignet sind, und Verfahren zur Herstellung solcher Zellstoffe, die für die Herstellung der Lyocell-Formkörper geeignet sind, die Lyocell-Formkörper, die aus den Zellstoffen hergestellt sind, und Verfahren zur Herstellung der Lyocell-Formkörper. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von „jungem" Holz (häufig als „Kernholz", „jugendliches Holz", „Holz mit niedrigerem spezifischem Gewicht" oder in manchen Fällen als „Dünnholz" bezeichnet).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zellulose ist ein Polymer von D-Glukose und ein Bestandteil der Struktur von pflanzlichen Zellwänden. Diese Zellen werden als Fasern bezeichnet. Zellulose-Fasern liegen besonders reichlich in Baumstämmen vor, aus denen sie extrahiert, zu Zellstoff umgewandelt und anschließend zur Herstellung von zahlreichen Produkten eingesetzt werden.
Rayon ist der Name einer faserartigen Form von regenerierter Zellulose, die in der Textilindustrie in großem Umfang zur Herstellung von Bekleidungsstücken verwendet wird. Während über eines Jahrhunderts wurden starke Rayonfasern durch das Viskose- und Cuprammonium-Verfahren hergestellt. Das letztere Verfahren wurde 1890 erstmals patentiert und das Viskoseverfahren zwei Jahre später. Bei dem Viskoseverfahren wird Zellulose erst in eine Lösung kaustischer Soda von merzerisierender Stärke eingeweicht, um eine Alkalizellulose zu bilden. Die Zellulose wird dann mit Kohlenstoffdisulfid unter Bildung von Zellulosexanthat umgesetzt, welches dann in verdünnter kaustischer Sodalösung aufgelöst wird. Nach Filtrieren und Entlüften wird die Xanthatlösung aus eingetauchten Spinndüsen in ein Regenerierungsbad aus Schwefelsäure, Natriumsulfat, Zinksulfat und Glukose extrudiert, um kontinuierliche Fasern zu bilden. Das resultierende Viskoserayon wird gegenwärtig in Textilien verwendet und wurde früher verbreitet zur Verstärkung von Kautschukartikeln wie Reifen und Antriebsriemen verwendet.
Zellulose ist auch in einer Lösung von ammoniakalischem Kupferoxid löslich. Diese Eigenschaft bildet die Grundlage für die Herstellung von Cuprammonium-Rayon. Die Zelluloselösung wird durch eingetauchte Spinndüsen in eine Lösung von 5% kaustischer Soda oder verdünnter Schwefelsäure getauchten gepresst, um Fasern zu bilden, die anschließend entkupfert und gewaschen werden. Cuprammonium-Rayon ist in Fasern mit sehr niedrigen Denierzahlen erhältlich und wird fast ausschließlich in Textilien eingesetzt.
Die vorstehenden Verfahren zur Herstellung von Rayon erfordern beide, dass die Zellulose chemisch derivatisiert oder komplexiert wird, um sie löslich und damit zum Spinnen zu Fasern geeignet zu machen. Bei dem Viskoseverfahren wird die Zellulose derivatisiert, während beim Cuprammonium-Rayon-Verfahren die Zellulose komplexiert wird. Bei beiden Verfahren muss die derivatisierte oder komplexierte Zellulose regeneriert werden und die Reagenzien, die zur Auflösung verwendet wurden, müssen entfernt werden. Die Derivatisierungs- und Regenerierungsstufen bei der Herstellung von Rayon tragen beträchtlich zu den Kosten dieser Form der Zellulosefaser bei. Dementsprechend wurden in den letzten Jahren Versuche unternommen, um Lösungsmittel zu finden, die dazu geeignet sind, nicht-derivatisierte Zellulose unter Bildung einer Mutterlauge von nicht-derivatisierter Zellulose aufzulösen, aus der Fasern gesponnen werden können.
Eine Klasse organischer Lösungsmittel, die zum Auflösen von Zellulose geeignet sind, sind Amin-N-Oxide, insbesondere die tertiären Amin-N-Oxide. Beispielsweise beschreibt Graenacher im US-Patent Nr. 2,179,181 eine Gruppe von Aminoxid-Materialien, die als Lösungsmittel geeignet sind. Johnson beschreibt in US-Patent Nr. 3,447,939 die Verwendung von wasserfreiem N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMO) und anderen Amin-N-Oxiden als Lösungsmittel für Zellulose und viele andere natürliche und synthetische Polymere. Franks et al. befassen sich in den US-Patenten Nr. 4,145,532 und 4,196,282 mit den Schwierigkeiten des Auflösens von Zellulose in Aminoxid-Lösungsmitteln und der Erzielung von höheren Zellulosekonzentrationen.
Lyocell ist eine anerkannte generische Bezeichnung für eine Zellulose-Faser, die aus einer organischen Lösung, in der keine Substitution von Hydroxylgruppen erfolgt und keine chemischen Zwischenprodukte gebildet werden, ausgefällt wurde. Einige Hersteller erzeugen gegenwärtig Lyocell-Fasern, hauptsächlich für die Verwendung in der Textilindustrie. Beispielsweise stellt Acordis, Ltd. gegenwärtig Lyocell-Fasern her und vertreibt sie unter der Bezeichnung Tencel^®-Faser.
Gegenwärtig verfügbare Lyocell-Fasern werden aus Holz-Zellstoffen hergestellt, die intensiv behandelt wurden, um andere Bestandteile als Zellulose, insbesondere Hemizellulose, zu entfernen. Diese stark behandelten Zellstoffe werden als Zellstoffe der Auflösungsgüteklasse oder Zellstoffe mit hohem Alpha (oder hohem α) bezeichnet, wobei der Ausdruck „Alpha" (oder α) den Prozentsatz an Zellulose bezeichnet. Somit enthält ein Zellstoff mit hohem Alpha einen hohen Prozentsatz an Zellulose und einen dementsprechend niedrigen Prozentsatz an anderen Bestandteilen, insbesondere Hemizellulose. Die erforderliche Behandlung, um einen Zellstoff mit hohem Alpha zu erzeugen, trägt zu den Kosten der Lyocell-Fasern und der daraus hergestellten Produkte bei.
Da das herkömmliche Kraft-Verfahren verbleibende Hemizellulosen gegenüber einem weiteren alkalischen Angriff stabilisiert, ist es nicht möglich, durch anschließende Behandlung von Kraft-Zellstoff in der Bleichanlage akzeptable Zellstoffe mit hohem Alpha für Lyocell-Produkte zu erhalten. Um durch das Kraft-Verfahren Zellstoffe mit hohem Alpha herzustellen ist es notwendig, die Holzspäne vor der alkalischen Aufschlussstufe in einem sauren Medium vorzubehandeln. Eine beträchtliche Materialmenge, vorrangig Hemizellulose, in der Größenordnung von 10% oder mehr der ursprünglichen Holzsubstanz, wird durch diese Vorbehandlung in saurer Phase gelöst und somit sinkt die Ausbeute des Verfahrens. Unter diesen Bedingungen ist die Zellulose weitgehend resistent gegenüber Angriffen, aber die verbleibenden Hemizellulosen werden auf eine viel geringere Kettenlänge abgebaut und sie können daher zu einem großen Ausmaß beim anschließenden Kraft-Kochen durch zahlreiche Hemizellulose-Hydrolyse-Reaktionen oder durch Auflösen entfernt werden. Der Nachteil herkömmlicher Zellstoffe mit hohem Alpha, die für Lyocell verwendet werden, ist der daraus resultierende Ausbeuteverlust, dass Hemizellulosen entfernt werden müssen.
In Anbetracht der Kosten der Herstellung kommerzieller Zellstoffe mit hohem Alpha wäre es wünschenswert, Alternativen zu den herkömmlichen Zellstoffen mit hohem Alpha für die Herstellung von Lyocell-Produkten zu haben. Außerdem würden die Hersteller gerne die Kapitalinvestition, die erforderlich ist, um solche Zellstoffarten herzustellen, minimieren, indem vorhandene Kapitalanlagen eingesetzt werden. Somit besteht ein Bedarf an relativ kostengünstigen Zellstoffen mit niedrigem Alpha (zum Beispiel mit hoher Ausbeute, hohem Hemizellulosegehalt), die Eigenschaften aufweisen, die sie für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet machen.
In dem US-Patent Nr. 6,210,801 der Inhaberin der vorliegenden Anmeldung wird Zellstoff mit niedriger Viskosität und hohem Hemizellulosegehalt offenbart, der für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Der Zellstoff wird durch Verringerung der Viskosität der Zellulose ohne wesentliche Verringerung des Hemizellulosegehalts hergestellt. Bei solchen Verfahren werden eine Säure oder ein Säureersatzstoff oder andere darin beschriebene Methoden eingesetzt.
Während die in dem '801 Patent beschriebenen Methoden wirkungsvoll sind, um den durchschnittlichen Polymerisationsgrad (D.P.) von Zellulose zu verringern ohne den Hemizellulosegehalt wesentlich zu verringern, besteht weiter ein Bedarf nach einem Verfahren, das keinen separaten Kupferzahlverringerungsschritt erfordert und das leicht an Zellstoffmühlen, die Sauerstoffreaktoren, mehrfache alkalische Stufen und/oder alkalische Bedingungen, die für eine wesentliche D.P.-Verringerung von gebleichtem oder halb-gebleichten Zellstoff geeignet sind, aufweisen, angepasst werden konnte. Umweltaspekte haben ebenfalls ein hohes Interesse an der Verwendung von Bleichmitteln, die die Verwendung von Chlorverbindungen reduzieren, hervorgerufen. In den letzten Jahren erfolgte die Verwendung von Sauerstoff als delignifizierendes Mittel in kommerziellem Maßstab. Beispiele für Ausstattung und Apparaturen, die für die Durchführung eines Sauerstoffstufen-Delignifizierungsverfahrens geeignet sind, werden in den US-Patenten Nr. 4,295,927; 4,295,925; 4,298,426; und 4,295,926 beschrieben. In US-Patent Nr. 6,331,554 der Inhaberin der vorliegenden Anmeldung wird ein Zellstoff mit hohem Hemizellulosegehalt und niedriger Viskosität offenbart, der für die Bildung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Der Zellstoff wird aus einem alkalischen Zellstoff hergestellt, indem der alkalische Zellstoff mit einem Oxidationsmitteln in einem Reaktor mit mittlerer bis hoher Konsistenz behandelt wird, um die D.P. der Zellulose zu verringern ohne den Hemizellulosegehalt wesentlich zu verringern oder die Kupferzahl zu erhöhen.
Weitere Anstrengungen, um die Kosten der Herstellung von Lyocell-Formkörpern zu verringern, führte zu der US-Patentanmeldung Nr. 2002/155292. In der Anmeldung 2002/155292 beschreibt die Inhaberin der vorliegenden Erfindung Zellstoffe, die aus Sägemehl und anderem Holz mit niedriger Faserlänge unter Anwendung einer ähnlichen Vorgehensweise wie derjenigen des '554 Patents hergestellt sind. Diese Zellstoffe weisen einen hohen Hemizellulosegehalt und eine niedrige Viskosität auf, wodurch sie insbesondere für die Bildung von Lyocell-Formkörpern geeignet sind.
Die Holzindustrie erzeugt weiterhin gewaltige Mengen an Nebenprodukten im normalen Ablauf der alltäglichen forstwirtschaftlichen Verwaltung und der Holzverarbeitung. Diese Nebenprodukte werden größtenteils nicht ausgenutzt. Das Erfordernis, Rohstoffe zu sparen, indem Holznebenprodukte auf neue Weise ausgenutzt werden, stellt eine einzigartige Gelegenheit dar. Es wäre von Vorteil, einen kostengünstigen Zellstoff zu entwickeln, der zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern aus diesem nicht-ausgenutzten Holz, nämlich aus dem Kernholz oder jungen oder jugendlichen Holz, wie beispielsweise Dünnholz, im Folgenden hierin als Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht bezeichnet, geeignet ist. Es bietet sich somit eine kostengünstige Alternative zu den stark behandelten Zellstoffen mit hohem Alpha.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Zellstoff mit wenigstens 7 Gew.-% Hemizellulose; einer Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP; einer Kupferzahl von weniger als oder etwa 2; einer gewichtsmittleren Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und einer Rauigkeit von weniger als oder etwa 23 mg/100 m. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Auflösen eines Zellstoffs in einem Lösungsmittel unter Bildung einer Zelluloselösung; Bilden eines Lyocell-Formkörpers aus der Lösung; und Regenerieren des Formkörpers, wobei der Zellstoff wenigstens 7 Gew.-% Hemizellulose, eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2; eine gewichtsmittlere Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Rauigkeit von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. Bei dem Verfahren kann ein Schmelzblaseverfahren, zentrifugales Spinnen, Spinnvliesbinden oder ein Trockennass-Prozess eingesetzt werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zellstoffs bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Aufschließen von nassem Material mit einem spezifischen Gewicht von weniger als oder etwa 0,41 unter Verwendung eines alkalischen Aufschlussverfahrens; und Bleichen des Zellstoffs, um die Viskosität des Zellstoffs auf etwa 32 cP oder weniger zu verringern. Der gebleichte Zellstoff weist wenigstens 7 Gew.-% Hemizellulose, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2, eine gewichtsmittlere Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Rauigkeit von weniger als oder etwa 23 mg/100 m auf.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Lyocell-Produkt bereitgestellt. Das Lyocell-Produkt weist wenigstens 7 Gew.-% Hemizellulose und Zellulose auf, wobei der zur Herstellung des Produkts verwendete Zellstoff eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2, eine gewichtsmittlere Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Rauigkeit von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. Lyocell-Produkte können beispielsweise Fasern, Folien oder nicht-gewebte Vliesstoffe sein.
Die Verwendung von Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht kann zu einer niedrigeren Braunstoffviskosität für eine bestimmte Ziel-kappa-Zahl führen. Die Verwendung von Holz mit niedrigeren spezifischen Gewichtswerten verringert die Temperatur der Bleichstufe und die in der Bleichanlage benötigte Chemikaliendosis, um Zellstoff mit annehmbaren Lyocell-Eigenschaften zu produzieren. Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht führt zu sehr niedrigen Viskositätswerten, ohne dass die Kupferzahl des Zellstoffs oder die Konzentration an Carbonyl in dem Zellstoff über annehmbare Werte hinaus ansteigt. Bei dem Verfahren erfolgt keine Vorbehandlung in saurer Phase vor dem Aufschluss und die anschließenden Bleichbedingungen führen nicht zu einer wesentlichen Verringerung des Hemizellulosegehalts.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser Erfindung werden besser verständlich, wenn die Erfindung durch Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, worin:
1 ein Flussdiagramm ist, welches eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Zellstoffes veranschaulicht; und
2 ein Flussdiagramm ist, welches eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Lyocell-Formkörpers veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird mit Bezug auf 1 ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines Lyocell-Auflösungszellstoffs aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht veranschaulicht. Das Verfahren kann so angesehen werden, dass es zwei breite Verfahrensbereiche einschließt, Aufschließen wie als Block 126 dargestellt und Bleichen wie als Block 128 dargestellt.
In Block 100 werden Holzspäne mit niedrigem spezifischem Gewicht in einen Digestor beladen oder zugegeben. Spezifisches Gewicht ist gemäß „The Handbook of Pulping and Papermaking", 2. Ausgabe, von Christopher J. Biermann das (einheitslose) Verhältnis der Dichte des festen Holzes zu der Dichte von Wasser bei derselben Temperatur. Wie hierin verwendet ist das spezifische Gewicht das durchschnittliche spezifische Gewicht einer beliebigen Gruppe von Holzrohstoffmaterial. Die Dichte von festem Holz kann unter Verwendung des Volumens in grünem Zustand (green volume), des Volumens in ofentrockenem Zustand oder von intermediären Volumina bestimmt werden. Die für die Durchführung der Erfindung verwendeten Holzspäne können aus einer beliebigen Zellulosequelle hergestellt sein. Entgegen der herkömmlichen Annahme wurde herausgefunden, dass Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht als Zellulosequelle für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Ein geeigneter Bereich von Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht, das für die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist beliebiges Holzmaterial mit einem spezifischen Gewicht von weniger als 0,41. Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht führt zu einer niedrigeren Viskosität des Braunstoff-Zellstoffs, wobei man annimmt, dass dadurch die Verwendung von Bleichchemikalien in der Bleichanlage verringert wird. Beispielhafte Quellen für Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht können aus „Dünnholz" und „jugendlichem" Holz gewonnen werden. Jugendliches Holz ist gemäß Biermann als die ersten 10 Wachstumsringe definiert, welche das Mark umgeben. Andere definieren es jedoch als Holz, welches in der Nähe des Marks des Baumes gebildet ist, häufig charakterisiert durch breite Wachstumsringe, geringere Dichte und kürzere Fasern. Unter gewissen Umständen kann sich das jugendliche Holz jedoch auf 15 Ringe oder weiter ausdehnen. Das spezifische Gewicht steigt mit der zunehmenden Höhe des Baumes an, so ist das spezifische Gewicht bei 4,88 m (16 Fuß), 9,75 m (32 Fuß) oder 14,63 m (48 Fuß) zunehmend größer als am Stumpf des Baumes. In manchen Ausführungsformen wird das spezifische Gewicht kleiner als 0,41 sein und es könnte kleiner als 0,38, 0,36, 0,34, 0,32 oder 0,30 oder kleiner sein.
Digestoren für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung können einen beliebigen Digestor einschließen, der dazu geeignet ist, Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht aufzuschließen. Ein Beispiel für einen geeigneten Digestor ist ein kontinuierlicher Digestor, der häufig als „Kamyr"-Digestor bezeichnet wird. (Es ist anzumerken, dass Kamyr der Name eines Unternehmens ist, das solche Digestoren entworfen und gebaut hat und daher steht die Bezeichnung Kamyr in lockerem Zusammenhang mit einem kontinuierlichen Digestor. Kamyr besteht als Unternehmen nicht mehr. Solche kontinuierlichen Kocher werden von Kvaemer geliefert.) Diese Digestoren sind über mehrere Jahre in der Zellstoff- und Papierindustrie verwendet worden, wobei der erste 1950 in Schweden eingerichtet wurde. Im Lauf der Jahre wurden Modifikationen an diesen Digestoren durchgeführt, um ihren Betrieb zu verbessern. Bei dem Digestor-System kann es sich entweder um ein Einbehälter- oder ein Zweibehälter-System handeln.
„Kamyr"-Digestoren werden typischerweise in Kraft-Aufschlüssen oder alkalischen Holzaufschlüssen verwendet, sie können aber auch in halb-chemischen Aufschlussverfahren verwendet werden. Andere kontinuierliche Digestoren, wie beispielsweise der M & D-Digestor und der Panda-Digestor sind ebenfalls für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch unter Verwendung eines beliebigen chargenweisen Digestores oder eines anderen kontinuierlichen Digestors durchgeführt werden.
Bezugnehmend auf 1 umfasst das Aufschlussverfahren, Block 126, verschiedene Vorgänge, dargestellt als Blöcke 100–116. Das Beladen oder Zugeben von Spänen wie oben erläutert erfolgt in Block 100. Die Holzspäne können vor dem Kochen mit Dampf vorbehandelt werden, Block 102. Dampf mit Atmosphärendruck wärmt die Späne vor und treibt Luft aus, so dass das Eindringen von Flüssigkeit verbessert wird. Nachdem der Vorgang des Vorbehandelns mit Dampf abgeschlossen ist, kann Kochflüssigkeit, als weiße Lauge bezeichnet, welche die Aufschlusschemikalien enthält, zu den Spänen hinzugefügt werden, Block 104. Die weiße Lauge und die Späne werden dann in den Kocher zugegeben. Bei dem Kraft-Aufschluss sind die aktiven chemischen Verbindungen NaOH und Na₂S. Andere Chemikalien können hinzugefügt werden, um das Aufschlussverfahren zu beeinflussen oder ihm wünschenswerte Effekte zu verleihen. Diese zusätzlichen Chemikalien sind dem Fachmann bekannt. Die vorliegende Erfindung führt zu einer niedrigeren Viskosität des Braunstoff-Zellstoffs aus Holz mit relativ niedrigerem spezifischen Gewicht, als bei einer Zusammensetzung aus Holz mit einem höheren spezifischen Gewicht, d.h. das spezifische Gewicht steht im Verhältnis zur kappa-Zahl.
Das Imprägnieren, Block 106, ist der Zeitraum, während dem die Chemikalien das Holzmaterial mit niedrigem spezifischem Gewicht imprägnieren können. Ein gutes Eindringen von Lauge trägt dazu bei, ein einheitliches Kochen der Späne zu gewährleisten.
„Kochen" erfolgt in den Blöcken 108 und 110. Im Anschluss an den Gleichstrom-Laugenkontakt-Vorgang, Block 108, erfolgt der Gegenstrom-Laugenkontakt-Vorgang, Block 110. Das Kochen des Holzes mit niedrigem spezifischem Gewicht erfolgt während dieser beiden Vorgänge. In jedem der Blöcke 108 oder 110 können die Kochlauge und die Späne auf Temperatur gebracht werden.
Das Digestor-Waschen, Block 112, erfolgt, indem Waschlauge in den Boden des Digestors eingebracht wird, und in Gegenstromrichtung zu dem gekochten Zellstoff geleitet wird. Das Kochen erfolgt größtenteils wenn der Zellstoff mit der kühleren Waschlauge zusammentrifft.
Bei Beendigung des Kochvorgangs und des Digestor-Waschens wird der Digestorinhalt ausgeblasen, Block 112. Das Ausblasen des Digestors schließt ein Freisetzen der Holzspäne und der Lauge bei Atmosphärendruck ein. Die Freisetzung erfolgt mit einer ausreichend großen Kraft, um die Trennung der Fasern zu bewirken. Falls gewünscht, kann der Ausblasetank mit einer Wärmegewinnungsausstattung ausgestattet sein, um die Betriebskosten zu verringern.
In Block 114 wird der Zellstoff von dem Ausblasetank zu externen Braunstoff-Waschvorrichtungen geleitet. Die Trennung von schwarzer Lauge von dem Zellstoff erfolgt bei den Braunstoff-Waschvorrichtungen.
In einer Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Zellstoffs aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht, das bei der Herstellung von Lyocell-Formkörpern verwendet werden soll, beträgt die gewährte Zeit für die Imprägnierung in Block 106 etwa 35 Minuten. Der anfängliche Anteil an wirksamem Alkali beträgt etwa 8,5 Prozent. Der Anteil an effektivem Alkali nach 5 Minuten beträgt etwa 1,6 Prozent. Die Sulfidität beträgt etwa 29 Prozent. Das Laugenverhältnis beträgt etwa 4. Die anfängliche Temperatur beträgt etwa 110°C. Die verbleibende Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 9,63 g pro Liter. Der verbleibende Anteil am effektiven Alkali beträgt etwa 3,85 Prozent. Der pH-Wert ist etwa 12,77 und der H-Faktor ist etwa 2.
In einer Ausführungsform des Gleichstromvorgangs, Block 108, beträgt der Anteil am effektiven Alkali etwa 4,2 Prozent. Gemäß Biermann ist das effektive Alkali der Bestandteil, der tatsächlich unter den Aufschlussbedingungen Alkali produziert. Die Sulfidität beträgt etwa 29 Prozent. Gemäß Biermann ist die Sulfidität das Verhältnis von Natriumsulfid zu dem aktiven Alkali, ausgedrückt in Prozent. Die Laugenzugabezeit beträgt etwa 1 Minute. Die Temperaturen können auf die endgültige Kochtemperatur erhöht werden, mit einer Verweilzeit bei einer oder mehreren Temperaturen. Das erste Temperaturplateau liegt bei etwa 154°C. Die Zeit, um die Temperatur zu erreichen, beträgt etwa 9 Minuten und die Zeit bei der Temperatur beträgt etwa 5 Minuten. Eine zweite und höhere Kochtemperatur in dem Gleichstromvorgang ist bei 170°C vorgesehen. Die Zeit, um die zweite Temperatur zu erreichen, beträgt etwa 51 Minuten und die Zeit bei der Temperatur beträgt etwa 3 Minuten. Das effektive Alkali, welches nach einem Kochvorgang verbleibt, wird als verbleibendes Alkali bezeichnet. Die verbleibende Menge an effektivem Alkali nach dem Gleichstromvorgang liegt bei etwa 9,42 Gramm pro Liter. Das verbleibende effektive Alkali beträgt etwa 3,77 Prozent. Der pH-Wert beträgt etwa 12,92 und der H-Faktor ist etwa 649.
In einer Ausführungsform des Gleichstromvorgangs, Block 110, beträgt das effektive Alkali etwa 8 Prozent. Die Sulfidität beträgt etwa 29,2 Prozent. Es ist auch eine Erhöhung auf zwei unterschiedliche Temperaturen in dem Gegenstromschritt möglich. In einer Ausführungsform liegen die erste und die zweite Kochtemperatur jedoch beide bei etwa 171°C. Die Zeit, um die Temperatur zu erreichen beträgt etwa 54 Minuten und die Zeit bei der Temperatur beträgt etwa 162 Minuten. Die Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 16,0 Gramm pro Liter. Die Verdrängungsgeschwindigkeit beträgt etwa 93 ml pro Minute.
Das Verdrängungsvolumen beträgt etwa 20 Liter. Die hier angegebenen Volumina sind relativ klein, da das Verfahren in einem Versuchsreaktor im Labormaßstab getestet wurde. Mit den hier angegebenen Parametern kann das Verfahren jedoch ohne übermäßiges Experimentieren auf ein beliebiges Maß vergrößert werden. Die verbleibenden Gramm pro Liter an effektivem Alkali liegen bei etwa 9,95. Der Anteil an verbleibendem effektivem Alkali beträgt etwa 3,98 Prozent. Der pH-Wert ist etwa 12,74 und der H-Faktor ist etwa 3877. In einer Ausführungsform beträgt die Gesamtzeit etwa 319 Minuten und das effektive Alkali für das gesamte Kochen beträgt etwa 22,3 Prozent.
In einer Ausführungsform liegt die Viskosität des Braunstoff-Zellstoffs nach dem Waschen bei etwa 153 cP. Die Gesamtausbeute aus ofengetrocknetem Holz beträgt etwa 41,04.
Nach dem Aufschlussverfahren, allgemein als Referenznummer 126 in 1 dargestellt, wird der aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellte Braunstoff-Zellstoff gebleicht, um seine Viskosität zu verringern. Das Bleichverfahren führt nicht zu einer wesentlichen Verringerung des Hemizellulosegehalts des Zellstoffs. Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt einen gebleichten Auflösezellstoff, der für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Bleichen von chemischen Zellstoffen schließt die Entfernung von Lignin, begleitet von einer Verringerung der Faserlänge und Viskosität des Zellstoffs, ein. Das Bleichverfahren bewirkt jedoch keine wesentliche Verringerung des Hemizellulosegehalts des Zellstoffs. Bei dem Bleichen von aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestelltem Braunstoff-Zellstoff sind möglicherweise weniger Chemikalien erforderlich als bei den herkömmlichen stark behandelten Zellstoffen mit hohem Alpha, die gegenwärtig für Lyocell verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann der erfindungsgemäß hergestellte Braunstoff-Zellstoff mit niedrigem spezifischem Gewicht mit verschiedenen Chemikalien in unterschiedlichen Stufen der Bleichanlage behandelt werden. Die Stufen werden in Behältern oder Türmen mit herkömmlicher Bauweise durchgeführt. Eine beispielhafte Bleichabfolge ist ODE_pD. Die in der Bleichanlage ablaufenden Vorgänge werden gemeinsam durch Referenznummer 128 in 1 dargestellt. Andere Ausführungsformen des Nachbleichens des Zellstoffs nach dem Aufschluss sind in US-Patent Nr. 6,331,354 und in der US-Patentanmeldung Nr. 2002/155292 beschrieben.
Die erste Stufe des Bleichens ist eine O-Stufe, Block 116. Die O-Stufe umfasst Bleichen mit Sauerstoff. Gemäß Biermann sehen manche das Sauerstoffbleichen jedoch als Erweiterung des Aufschlussverfahrens an. Sauerstoffbleichen ist die Delignifizierung von Zellstoffen unter Verwendung von Sauerstoff unter Druck. Sauerstoff wird als weniger spezifisch für die Entfernung von Lignin angesehen als Chlorverbindungen. Bleichen mit Sauerstoff erfolgt in einem Sauerstoffreaktor. Geeignete Sauerstoffreaktoren, die dazu geeignet sind, das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen, sind in den US-Patent Nr. 4,295,925; 4,295,926; 4,298,426; und 4,295,927 beschrieben. Der Reaktor kann bei einer hohen Konsistenz betrieben werden, wobei die Konsistenz des Zugabestroms des Reaktors größer ist als 20%, oder er kann bei einer mittleren Konsistenz betrieben werden, wobei die mittlere Konsistenz im Bereich von 8% bis zu 20% liegt. Wenn ein Hochkonsistenz-Sauerstoffreaktor verwendet wird, kann der Sauerstoffdruck vorzugsweise die Maximaldruckbelastbarkeit des Reaktors erreichen, er ist aber weiter bevorzugt größer als 0 bis etwa 0,6 MPa Überdruck (85 psig). In Mittelkonsistenzreaktoren kann der Sauerstoff in einer Menge im Bereich von mehr als 0 bis etwa 50 g/kg (100 Pfund pro Tonne) des Zellstoffs vorhanden sein, er macht aber weiter bevorzugt etwa 25 (50) bis etwa 40 g/kg (80 Pfund pro Tonne) des Zellstoffs aus. Die Temperatur der O-Stufe liegt im Bereich von etwa 100°C bis etwa 140°C.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Zellstoffs, der dazu geeignet ist, für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern verwendet zu werden, folgt auf die O-Stufe, Block 116, eine D-Stufe, Block 118. Die D-Stufe umfasst das Bleichen des Zellstoffs, der aus dem Sauerstoffreaktor kommt, mit Chlordioxid. Chlordioxid ist selektiver als Sauerstoff für die Entfernung von Lignin. Die in dieser Stufe verwendete Menge an Chlordioxid liegt im Bereich von etwa 10 (20) bis etwa 15 g/kg (30 lb/Tonne), was möglicherweise niedriger ist als bei einer herkömmlichen Bleichanlage, die Zellstoff aus Holzspänen mit einem spezifischen Gewicht herstellt, das nicht innerhalb des niedrigen spezifischen Gewichtsbereichs dieser Erfindung liegt. Die Temperatur der D-Stufe liegt im Bereich von etwa 50°C bis etwa 85°C.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Zellstoffs, der dazu geeignet ist, für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern verwendet zu werden, folgt auf die D-Stufe, Block 118, eine E_p-Stufe, Block 120. Die E_p-Stufe ist die durch Wasserstoffperoxid verstärkte Extraktionsstufe, bei der Lignin aus dem Zellstoff entfernt wird, unter Verwendung von Lauge in einer Menge im Bereich von etwa 10 (20) bis etwa 25 g/kg (50 lb/Tonne). Die Menge an Wasserstoffperoxid liegt im Bereich von etwa 10 (20) bis etwa 30 g/kg (60 lb/Tonne), was weniger sein kann als bei einer herkömmlichen Bleichanlage, die Zellstoff aus Holzspänen mit einem spezifischen Gewicht verarbeitet, das nicht innerhalb des niedrigen spezifischen Gewichtsbereichs dieser Erfindung liegt. Die Temperatur der E_p-Stufe liegt im Bereich von etwa 75 bis etwa 95°C.
In einer Ausführungsform folgt auf die E_p-Stufe, Block 120, eine zweite D-Stufe, Block 122. Die Menge an Chlordioxid, die in dieser Stufe verwendet wird, liegt im Bereich von 5 (10) bis etwa 15 g/kg (30 lb/Tonne), was weniger sein kann als in einer herkömmlichen Bleichanlage, die Zellstoff aus Holzspänen mit einem herkömmlichen spezifischen Gewicht verarbeitet, das nicht innerhalb des niedrigen spezifischen Gewichtsbereichs dieser Erfindung liegt. Die Temperatur der D-Stufe liegt im Bereich von etwa 60°C bis etwa 90°C. Eine Ausführungsform eines Zellstoffs, der aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt ist, weist einen Hemizellulosegehalt von wenigstens 7% Hemizellulose, eine Zellstoffviskosität von weniger als 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als 2,0 und unter gewissen Umständen weniger als 1,3 (TAPPI T430), eine gewichtsmittlere Faserlänge von weniger als 2,7 mm und eine Rauigkeit von weniger als 23 mg/100 m auf. Andere Ausführungsformen von Zellstoffen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, weisen einen Gesamtgehalt an Kupfer, Mangan und Eisen von weniger als 2 ppm, eine Gesamtmetallmenge von weniger als 300 ppm, und einen Silikongehalt von weniger als 50 ppm auf. Lyocell-Formkörper, die aus den Zellstoffen der Erfindung hergestellt sind, werden einen entsprechend hohen Hemizellulosegehalt von wenigstens 7 Gew.-% und Zellulose aufweisen.
Hemizellulose wird durch einen Zuckergehalt-Assay auf Grundlage von TAPPI-Standard T249 hm-85 gemessen.
Verfahren zur Messung der Zellstoffviskosität sind im Fachbereich bekannt, wie beispielsweise TAPPI T230. Die Kupferzahl ist ein Maß für den Carboxylgehalt des Zellstoffs. Die Kupferzahl ist ein empirischer Test, der verwendet wird, um den reduzierenden Wert der Zellulose zu messen. Die Kupferzahl wird als die Anzahl an Milligramm metallischem Kupfer ausgedrückt, die in alkalischem Medium durch eine bestimmte Masse an Zellulosematerial von Kupferhydroxid zu Kupferoxid reduziert werden. Das Ausmaß, in dem sich die Kupferzahl während des Bleichvorgangs verändert, wird bestimmt, indem die Kupferzahl des Braunstoff-Zellstoffs, der in die Bleichanlage eintritt, und die Kupferzahl des gebleichten Zellstoffs nach der Bleichanlage verglichen werden. Eine niedrigere Kupferzahl ist wünschenswert, da allgemein angenommen wird, dass eine höhere Kupferzahl eine Zersetzung von Zellulose und Lösungsmittel während und nach dem Auflösen des gebleichten Zellstoffs unter Bildung einer Spinnlösung verursacht.
Die gewichtsmittlere Faserlänge (WAFL) wird geeigneterweise durch eine FQA-Maschine, Modell Nr. LDA93-R9704 mit Softwareversion 2.0, hergestellt von der Optest Company of Hawkesbury, Ontario, Kanada, gemessen.
Die Rauigkeit wird unter Verwendung des Weyerhäuser-Standardverfahrens WM W-FQA gemessen.
Übergangsmetalle sind in Zellstoff nicht wünschenswert, da sie die Zersetzung von Zellstoff und NMMO in dem Lyocell-Verfahren beschleunigen. Beispiele für Übergangsmetalle, die üblicherweise in gebleichten Zellstoffen vorgefunden werden, schließen Eisen, Kupfer und Mangan ein. Bevorzugt beträgt der Gesamtmetallgehalt dieser drei Metalle in den Zellstoffen der Erfindung weniger als etwa 20 ppm gemäß Weyerhäuser-Test Nr. AM5-PULP-1/6010.
Außerdem weisen die Zellstoffe der Erfindung eine Gesamtmetallmenge von weniger als 300 ppm gemäß Weyerhäuser-Test Nr. AM5-PULP-1/6010 auf. Die Gesamtmetallmenge bezieht sich auf die Gesamtmenge ausgedrückt in Einheiten von parts per million (ppm) an Nickel, Chrom, Mangan, Eisen und Kupfer.
Wenn der Zellstoff gebleicht wurde, um seine Viskosität zu verringern ohne seine Kupferzahl wesentlich zu erhöhen oder den Hemizellulosegehalt zu verringern, so kann der Zellstoff zur Auflösung vor der Herstellung von Lyocell-Formkörpern entweder in Wasser gewaschen und in ein Bad aus organischem Lösungsmittel, wie beispielsweise N-Methyl-morpholin-N-oxid (NMMO), übertragen werden. Alternativ kann der gebleichte gewaschene Zellstoff getrocknet und in Bruchstücke zerbrochen werden, für die Lagerung und/oder den Transport zum Beispiel in einer Rolle, Bahn oder Ballen.
Um Lyocell-Produkte aus den Zellstoffen aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht herzustellen, wird der Zellstoff zunächst in einem Aminoxid, vorzugsweise in einem tertiären Aminoxid, gelöst. Repräsentative Beispiele für Aminoxid-Lösungsmittel, die bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind in US-Patent Nr. 5,409,532 dargelegt. Das bevorzugte Aminoxid-Lösungsmittel ist NMMO. Andere repräsentative Beispiele für Lösungsmittel, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, schließen Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAC), Dimethylformamid (DMF) und Caprolactam-Derivate ein. Der gebleichte Zellstoff wird in einem Aminoxidlösungsmittel durch beliebige bekannte Mittel aufgelöst, wie sie beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5,534,113; 5,330,567 und 4,246,221 dargelegt sind. Die Zellstofflösung wird als Spinnlösung bezeichnet. Die Spinnlösung wird verwendet, um Lyocell-Fasern, Folien und nicht-gewebte Produkte oder andere Produkte durch eine Vielfalt von Techniken, einschließlich Schmelzblasen, Spinnvliesbinden, zentrifugales Spinnen, Trockennass-Verfahren oder ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren herzustellen. Beispiele für einige dieser Techniken sind in den US-Patenten Nr. 6,235,392; 6,306,334; 6,210,802 und 6,331,354 beschrieben. Die Zellstoff-Lösung wird als Spinnlösung bezeichnet. Die Spinnlösung wird zur Herstellung von Fasern, Folien und nicht-gewebten Stoffen oder anderen Produkten, durch eine Vielzahl von Techniken einschließlich Schmelzblasen, Spinnvliesbinden, zentrifugales Spinnen, Trockennass-Verfahren oder beliebige andere geeignete Verfahren verwendet. Beispiele für einige dieser Techniken sind in den US-Patenten Nr. 6,235,392; 6,306,334; 6,210,802 und 6,331,354 beschrieben. Beispiele für Techniken zur Herstellung von Folilen sind in den US-Patenten Nr. 5,401,447 und 5,277,857 dargelegt. Schmelzblasen, zentrifugales Spinnen und Spinnvliesbinden, die eingesetzt werden, um Lyocell-Fasern und nicht-gewebte Vliesstoffe herzustellen, sind in den US-Patenten Nr. 6,235,392 und 6,306,334 beschrieben. Trockennass-Techniken sind ausführlicher in den US-Patenten Nr. 6,235,392; 6,306,334; 6,210,802; 6,331,354 und 4,142,913; 4,144,080; 4,211,574; und 4,246,221 beschrieben.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von Lyocell-Produkten einschließlich Fasern, Folien und nicht-gewebten Vliesstoffen aus Spinnlösung, die aus Zellstoff gewonnen ist, wird bereitgestellt, wobei der Zellstoff aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt ist, der Zellstoff wenigstens 7% Hemizellulose, eine Viskosität von weniger als oder etwa 32 cP, eine Kupferzahl von weniger als oder etwa 2, eine gewichtsmittlere Faserlänge von weniger als oder etwa 2,7 mm und eine Rauigkeit von weniger als oder etwa 23 mg/100 m aufweist. Das Verfahren schließt das Extrudieren der Spinnlösung durch eine Düse unter Bildung einer Vielzahl von Filamenten, Waschen der Filamente, um das Lösungsmittel zu entfernen, Regenerieren der Filamente mit einem nicht-Lösungsmittel, einschließlich Wasser oder Alkohol, und Trocknen der Filamente ein.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Bildung von Lyocell-Fasern aus den Zellstoffen, die erfindungsgemäß aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt sind. Ausgehend von Zellstoff aus Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht in Block 200 wird der Zellstoff physikalisch zerbrochen, zum Beispiel durch einen Schredder in Block 202. Der Zellstoff wird mit einem Aminoxid-Wassergemisch unter Bildung einer Spinnlösung gelöst, Block 204. Der Zellstoff kann mit einem nicht-Lösungsmittel-Gemisch aus etwa 40% NMMO und 60% Wasser benetzt werden. Das Gemisch kann in einem doppelarmigen sigma-Blatt-Mischer gemischt werden und es kann ausreichend Wasser abdestilliert werden, so dass etwa 12–14% bezogen auf NMMO übrig bleiben, so dass eine Zelluloselösung gebildet wird, Block 208. Alternativ kann NMMO mit einem geeigneten Wassergehalt anfänglich verwendet werden, damit der Vakuumdestillationsblock 208 nicht erforderlich ist. Dies ist ein bequemer Weg, um Spinnlösungen im Labor herzustellen, wobei kommerziell erhältliches NMMO mit einer Konzentration von etwa 40–60% mit Laborreagenz-NMMO mit nur etwa 3% Wasser vermischt werden kann, um ein Zellulose-Lösungsmittel mit 7–15% Wasser herzustellen. Normalerweise in dem Zellstoff vorhandene Feuchtigkeit sollte bei der Einstellung des in dem Lösungsmittel vorhandenen Wasser berücksichtigt werden. Es wird auf die Artikel von Chancy, H., und A. Peguy, Journal of Polymer Science, Polymer Physics Ed. 18:1137–1144 (1980) und Navard, P., und J. M. Haudin, British Polymer Journal, S. 174 (Dez. 1980) verwiesen für die Laborherstellung von Zelluloselösungen in NMMO und Wasserlösungsmitteln.
Der gelöste gebleichte Zellstoff (nun als Spinnlösung bezeichnet) wird in einem als Spinnen bezeichneten Verfahren, Block 210, durch Extrusionsöffnungen gepresst, um Zellulosefilamente herzustellen, die anschließend mit einem Nicht-Lösungsmittel regeneriert werden, Block 202. Das Spinnen unter Bildung von Lyocell-Formkörpern, einschließlich Fasern, Folien und nicht-gewebten Vliesstoffen, kann Schmelzblasen, zentrifugales Spinnen, Spinnvliesbinden und Trockennass-Techniken einschließen. Schließlich werden die Lyocell-Filamente oder -fasern gewaschen, Block 214.
Das Lösungsmittel kann entweder verworfen oder wiederverwendet werden. Aufgrund seiner hohen Kosten ist es allgemein nicht wünschenswert, das Lösungsmittel zu verwerten. Ein Nachteil der Rückgewinnung des Lösungsmittels besteht darin, dass das Regenerierungsverfahren gefährliche, möglicherweise explosive Bedingungen beinhaltet.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen lediglich die beste Weise, die nun für die Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen wird, sie sollten jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung ausgelegt werden.
BEISPIEL 1
Ein kommerzielles kontinuierliches, erweitertes Delignifizierungsverfahren wurde im Labor simuliert, wobei ein speziell hergestellter Reaktorbehälter mit verbundener Hilfsausstattung, einschließlich Kreislaufpumpen, Beschleunigern und direkten Wärmeaustauschern etc. verwendet wurde. Die Reaktortemperaturen wurden durch indirektes Erwärmen und kontinuierliche Zirkulation der Kochlauge kontrolliert. Das Reaktorgefäß wurde mit einer Standardmenge an äquivalentem feuchtigkeitsfreiem Holz beladen. Ein optionaler atmosphärischer Dampfvorbehandlungsschritt kann vor dem Kochen durchgeführt werden. Eine Menge an Kochlauge im Bereich von etwa 50% bis 80% der Gesamtmenge wurde anschließend zusammen mit Verdünnungswasser in den Kocher beladen, um das Zielverhältnis von Lauge zu Holz zu erreichen. Der Reaktor wurde anschließend auf Imprägnierungstemperatur und Druck gebracht und für die Zielzeit belassen. Nach dem Imprägnierungszeitraum wurde ein weiterer Teil der Gesamtkochflüssigkeit zu dem Reaktorgefäß hinzugefügt, der im Bereich von etwa 5% bis 15% der Gesamtmenge lag. Der Reaktor wurde anschließend auf Kochtemperatur gebracht und dort für den Zielzeitraum belassen, um den Gleichstromteil des Kochens zu simulieren.
Im Anschluss an den Gleichstromteil des Kochens wurde der Rest der Kochlauge mit einer festen Geschwindigkeit zu dem Reaktorgefäß hinzugefügt. Die Geschwindigkeit ist abhängig von dem beabsichtigten Zeitraum und dem für diesen Schritt des Kochens verwendeten Anteil der Kochlauge. Der Reaktor wurde auf eine Zielkochtemperatur eingestellt und während der Simulation des Gegenstromteils des Kochens dabei belassen. Verbrauchte Kochlauge wurde mit derselben festen Geschwindigkeit aus dem Reaktor in einen externen Sammelbehälter entnommen. Am Ende des Kochens wurde der Reaktorbehälter langsam belüftet und unter den Flammpunkt abkühlen gelassen. Der Reaktorbehälter wurde geöffnet und die gekochten Holzspäne wurden gesammelt, Lauge wurde abgelassen, gewaschen, selektiert und für die Untersuchung bereit gemacht. Es wurden drei Kochansätze von Holzspänen mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt, zusammen mit drei Kochansätzen von Holz mit nicht-niedrigem spezifischem Gewicht.
BEISPIEL 2
PARAMETER DES AUFSCHLUSSVERFAHRENS FÜR HOLZ MIT NIEDRIGEM SPEZIFISCHEM GEWICHT
Ein Kochansatz für Holzspäne mit niedrigem spezifischem Gewicht wies die folgenden Parameter auf. TABELLE 1
BEISPIEL 3
BLEICHVERFAHREN FÜR HOLZ MIT NIEDRIGEM SPEZIFISCHEM GEWICHT
Der durch das Verfahren von Beispiel 2 hergestellte Zellstoff wurde gemäß der folgenden Vorgehensweise gebleicht:
O-Stufe
Inwoods Holzspäne mit niedrigem spezifischem Gewicht wurden zu einem alkalischen Kraft-Zellstoff mit einer kappa-Zahl von 16,8 (TAPPI Standard T236 cm-85) und einer Viskosität von 239 cP (TAPPI T230) aufgeschlossen. Der Braunstoff-Zellstoff wurde mit Sauerstoff in einem Druckbehälter mit Hochkonsistenz-Mischeigenschaften behandelt. Der Behälter wurde auf etwa 120°C vorgewärmt. Eine zu 50 g/kg (100 Pfund pro Tonne) an Zellstoff äquivalente Menge an Natriumhydroxid (NaOH) wurde zu dem alkalischen Zellstoff hinzugefügt. Der Reaktionsbehälter wurde anschließend verschlossen und der Druck wurde auf 0,42 MPa Überdruck (60 psig) erhöht, indem Sauerstoff in den Druckbehälter eingeführt wurde. Wasser war in dem Gefäß in einer ausreichenden Menge vorhanden, um eine 10%-ige Konsistenz bereitzustellen.
Nach 45 Minuten wurde das Rühren gestoppt und der Zellstoff wurde aus dem Druckbehälter entnommen und gewaschen. Die resultierende Viskosität des gewaschenen Zellstoffs betrug 35,3 cP und er wies eine kappa-Zahl von 3,8 auf.
D-Stufe
In der D-Stufe wurde der in der O-Stufe verarbeitete Zellstoff durch dreimaliges Waschen mit destilliertem Wasser und Nadelzerflusen (pin fluffing) des Zellstoffs behandelt und anschließend wurde der Zellstoff in eine Polypropylentasche überführt. Die Konsistenz des Zellstoffs in der Polypropylentasche wurde durch Zugabe von Wasser auf 10% eingestellt. Chlordioxid entsprechend einer zu 14,2 g/kg (28,4 Pfund pro Tonne) an Zellstoff äquivalenten Menge wurde in den verdünnten Zellstoff eingebracht, indem das Chlordioxid in dem Wasser, das verwendet wurde, um die Konsistenz des Zellstoffs in der Tasche einzustellen, verdünnt wurde. Die Tasche wurde verschlossen und gemischt und anschließend für 30 Minuten bei 75°C in einem Wasserbad gehalten. Der Zellstoff wurde entnommen und mit entionisiertem Wasser gewaschen.
E_p-Stufe
Der gewaschene Zellstoff aus der D-Stufe wurde anschließend in eine frische Polypropylentasche gegeben und es wurde Lauge mit der Hälfte der Menge an Wasser hinein gegeben, die erforderlich war, um eine Konsistenz von 10% bereitzustellen. Wasserstoffperoxid wurde mit der anderen Hälfte des Verdünnungswassers gemischt und zu der Tasche zugegeben. Die Wasserstoffperoxid-Menge war äquivalent zu 20 g/kg (40 Pfund pro Tonne) an Zellstoff. Die Tasche wurde verschlossen und gemischt und für 55 Minuten bei 88°C in einem Wasserbad gehalten. Nach Entnehmen des Zellstoffs aus der Tasche und Waschen des Zellstoffs mit Wasser wurde das Vlies filtriert und anschließend zurück in die Polypropylentasche gegeben und von Hand zerbrochen.
D-Stufe
Chlordioxid wurde ein zweites Mal zu dem Zellstoff zugegeben, in einer Menge äquivalent zu 9,5 g/kg (19 Pfund pro Tonne) an Zellstoff, mit dem erforderlichen Verdünnungswasser, um eine Konsistenz von 10% bereitzustellen. Die Tasche wurde verschlossen und gemischt und anschließend für 3 Stunden bei 88°C in einem Wasserbad gehalten. Der behandelte Zellstoff wies eine Kupferzahl von etwa 0,9 auf, gemessen durch TAPPI Standard T430, und er wies einen Hemizellulose (Xylan- und Mannan-)-Gehalt von 12,7% auf.
BEISPIEL 4
Holz mit niedrigem spezifischem Gewicht mit einem spezifischen Gewicht von 0,410 wurde unter Verwendung des Kraft-Verfahrens aufgeschlossen und anschließend gebleicht und mit unterschiedlichen Mengen an Sauerstoff behandelt, um seine Viskosität zu verringern. Bestandteile in den Zellstoffen, die unter Verwendung von Inwood-Holzpänen mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt sind, sind 7,2% Xylane und 5,5% Mannane.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse für drei unterschiedliche Kochbedingungen. Bei der Bereitstellung von Braunstoff-Zellstoff WAFL ist erkennbar, dass das Bleichen des Braunstoff-Zellstoffs zur Verringerung seiner Viskosität ohne wesentliche Verringerung des Hemizellulosegehalts bei den erfindungsgemäßen Bedingungen nicht zu irgendeiner merklichen Zunahme der WAFL des gebleichten Zellstoffs führt, und dass diese tatsächlich niedriger sein kann als die WAFL des Braunstoff-Zellstoffs. TABELLE 2
VERGLEICHSBEISPIEL 5:
PARAMETER DES AUFSCHLUSSVERFAHRENS FÜR HOLZ MIT NICHT-NIEDRIGEM SPEZIFISCHEM GEWICHT
Ein herkömmlicher Tolleson-Holzspan, hergestellt aus Holz mit einem spezifischen Gewicht von 0,495, wurde unter Verwendung eines Kraft-Verfahrens aufgeschlossen und anschließend mit verschiedenen Mengen an Sauerstoff behandelt, um seine Viskosität zu verringern. Tabelle 3 zeigt die Aufschlussbedingungen für einen Kochansatz von Tolleson-Holzspänen. TABELLE 3
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse von drei unterschiedlichen Kochansätzen unter Verwendung eines herkömmlichen Tolleson-Holzspans, hergestellt aus Holz mit nicht- niedrigem spezifischem Gewicht. Die Bestandteile in den Zellstoffen, die unter Verwendung von Tolleson-Holzspänen mit nicht-niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt sind, sind 6,5% Xylose; 6,6% Mannose; 5,7% Xylane und 5,9% Mannane. TABELLE 4
Es ist erkennbar, dass die Viskosität der Zellstoffe, die aus Inwood-Holzspänen mit niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt sind, niedriger ist als die Viskosität von Zellstoffen, die aus den Tolleson-Holzspänen mit nicht-niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt sind.
Es ist erkennbar, dass die Viskosität der Zellstoffe, die aus den Inwood-Holzspänen mit spezifischem Gewicht hergestellt sind, niedriger ist als die Viskosität der Zellstoffe, die aus den Tolleson-Holzspänen mit nicht-niedrigem spezifischem Gewicht hergestellt sind.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde, können selbstverständlich verschiedene Veränderungen daran durchgeführt werden, ohne von dem Sinn und Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims

Zellstoff, umfassend: wenigstens 7 Gew.-% Hemizellulose; eine Viskosität von weniger als 32 cP; eine Kupferzahl von weniger als 2; eine gewichtsmittlere Faserlänge von weniger als 2,7 mm; und eine längenbezogene Masse von weniger als 23 mg/100 m, wobei der Zellstoff aus einem Holzmaterial mit einer spezifischen Dichte von weniger als 0,41 abgeleitet ist.
Zellstoff nach Anspruch 1, welcher weiterhin einen Gesamtgehalt an Kupfer, Mangan und Eisen von weniger als 20 ppm aufweist.
Zellstoff nach Anspruch 1, welcher weiterhin einen Metallgehalt von insgesamt weniger als 300 ppm aufweist.
Zellstoff nach Anspruch 1, welcher weiterhin einen Siliziumgehalt von weniger als 50 ppm aufweist.