Brevet FR2324793A1 — publié le 19770415

La présente invention concerne un procédé de préparation de pâte à papier (ou procédé de trituration) et elle concerne plus particulièrement un procédé de trituration avec un rendement très élevé. On connaît dans la technique plusieurs procédés de trituration qui sont généralement classés comme trituration mécanique avec raffinage (TMR), trituration chimico-mécanique (TCM) et trituration thermomécanique (TTM). Un aspect de la présente invention concerne une trituration chimico-mécanique, alors que dans un autre aspect, elle concerne une trituration chimicothermo-mécanique (TCTM). La trituration chimico-mécanique comprend plusieurs procédés différents, comme par exemple les procédés au bisulfite, au sulfite neutre et à la soude. En général chacun de ces procédés est utilisé pour produire des types particuliers de pâtes ; chaque procédé possède ses propres inconvénients. Le procédé au sulfite neutre est généralement utilisé pour produire des pâtes à partir de bois de feuillus, pâtes qui ont une bonne rigidité qui les rend appropriées pour préparer des produits ondulés ou similaires. I1 n'est généralement pas utilisé pour produire des pâtes pour papiers de qualité impression. Le procédé au bisulfite est un procédé relativement récent et produit des pâtes que l'on peut utiliser dans l'impression des journaux, les papiers fins et les papiers de toilette. En bref, le procédé au bisulfite utilise une liqueur de cuisson ayant un pH de 4 à 6 ; le bois est cuit à une température de 150 à 1700c pendant une période d'environ I à 2 heures, et moins quand la cuisson est effectuée en phase vapeur. Le procédé est un gros consommateur d'énergie et la pâte produite a de bonnes propriétés de liaison donnant des papiers de qualité impression avec une opacité raisonnablement acceptable. Selon un large aspect de la présente invention, dans un procédé de trituration qui comprend les étapes consistant à soumettre du bois résineux sous forme de copeaux a un traitement chimique et à raffiner ensuite les copeaux traités, on obtient une amélioration en ce que l'étape de traitement consiste à traiter les copeaux avec du sulfite acide ayant un pH compris entre environ 1,5 et environ 2,5. Dans un autre aspect de la présente invention, il est fourni un procédé de trituration comprenant les étapes consistant à former des copeaux de bois résineux, à traiter lesdits copeaux de bois avec du sulfite acide ayant un pH compris entre 1,5 et 2,5, à lessiver lesdits copeaux de bois et à soumettre les copeaux de bois lessivés à une opération de raffinage thermomécanique. Les copeaux de bois résineux utilisés dans l'opération de trituration selon le procédé de la présente invention sont utilisés sous forme de copeaux de bois comprimés de manière classique. On utilise de préférence des copeaux de bois sous forme de lamelles ou de paillettes, pour une pénétration plus rapide de la liqueur. Lorsqu'on l'utilise ici, le terme "copeaux" se rapporte à l'un quelconque des types précédents. Avant de subir l'étape de traitement chimique, les copeaux subissent un prétraitement classique par de la vapeur d'eau pour éliminer l'air des copeaux. Cette étape est classique dans la technique et il est nul besoin de la décrire ici. Dans un autre aspect de la présente invention, les copeaux sont immergés dans la solution de sulfite acide et l'on effectue le traitement chimique en phase liquide en cuisant le mélange pendant un temps désiré, comme on le décrira plus en détail ci auprès. Dans un autre aspect de la présente invention, les copeaux sont immergés dans la solution de sulfite acide et totalement imprégnés1 puis on égoutte l'excès de liqueur et l'on effectue l'étape de traitement chimique en phase vapeur. Dans l'aspect selon lequel on traite les copeaux en phase liquide, on peut utiliser un équipement de traitement classique. On peut effectuer le procédé en continu ou en discontinu. De préférence, quand on effectue le procédé en phase liquide, on immerge les copeaux dans la solution de sulfite acide et on effectue le traitement-chimique en cuisant les copeaux jusqu'à une température finale d'au moins 1000C, et de préférence jusqu'à une température comprise entre 1100C et 1300C. La durée totale jusqu'à la température désirée de cuisson est d'au moins 20 mn de préférence de 20 mn à 90 mn, la température de cuisson étant programmée linéairement pour atteindre un maximum à la fin de la période de traitement. En phase vapeur, l'imprégnation des copeaux se fait plus rapidement et en conséquence on effectue le traitement en immergeant les copeaux dans la solution de sulfite acide ; en égouttant l'excès de solution une fois que les copeaux sont totalement imprégnés ; et on effectue le traitement chimique en phase vapeur en cuisant les copeaux jusqu'à une température finale d'au moins 1100C, de préférence jusqu'à une température comprise entre 1100C et 1300C. La durée totale jusqu'à la température désirée de cuisson est d'au moins 10 mn ; de préférence de 10 mn à 45 mn, la température de la cuisson étant programmée linéairement pour atteindre un maximum à la fin de la période de traitement. Dans un mode de réalisation préféré, les copeaux sont pré- traités à la vapeur d'eau pour éliminer l'air des copeaux avant de subir l'étape de prétraitement chimique dans une solution de liqueur de sulfite acide ; le rapport de la liqueur aux copeaux est de préférence 5.1 et le pH de la solution est compris entre 1,5 et 2,0. I1 est entendu que, quand on utilise le procédé au sulfite acide décrit précédemment,, les conditions de température et la durée de la cuisson sont liées l'une à l'autre et peuvent être quelque peu supérieures ou inférieures aux chiffres indiqués, selon le type des copeaux de bois résineux, leur forme, c'est-à-dire s'ils sont sous forme de lamelles, de paillettes, etc..., et selon l'appoint de la solution de sulfite acide. Dans des conditions de température relativement faibles, on évite de préférence les possibilités de réactions de condensation. Aux températures supérieures, la lignine du bois peut devenir une substance "cassante" donnant des propriétés indésirables à la pâte à papier. On a trouvé que le présent procédé qui rend la lignine viscoélastique aux températures indiquées, donne des pâtes à papier ayant des propriétés supérieures. En utilisant le procédé au sulfite acide décrit précéaemment, on a trouvé que la température de ramolissement des copeaux de bois est diminuée de 10 à 20"C. Ceci permet d'effectuer l'étape de raffinage avec application d'une énergie spécifique inférieure, en donnant des pâtes à papier de résistance supérieure. L'expression "rendement très élevé est utilisé pour désigner les procédés de trituration qui donnent un rendement en pâte postraffinée supérieur à 90 %. En général, le rendement de la présente invention est compris entre 90 et 95 t. Les pâtes chimico-mécaniques classiques possèdent généralement l'avantage que leurs propriétés de résistance sont supérieures d'environ 30 à à celles des pâtes mécaniques raffinées, si on les compare pour la même énergie spécifique. En d'autres termes, quand on les compare sur une base d'une résistance mécanique équivalente, les pâtes mécaniques raffinées nécessitent 25 % de plus d'énergie pour donner des pâtes ayant les mêmes propriétés de résistance. Cependant, les pâtes chimico-mécaniques ont une opacité légèrement inférieure d'environ 2 à 3 % et ont un rendement inférieur à environ 2 % à celui des pâtes mécaniques raffinées. Cependant elles présentent une plus grande intégrité de fibres que les pâtes mécaniques raffinées. Les pâtes à papier produites selon le procédé de la présente invention ont une opacité à une longueur de rupture donnée supérieure à celle des pâtes au bisulfite. Un autre avantage du procédé de la présente invention est que les copeaux de bois traités peuvent être raffinés dans un raffineur à décharge atmosphérique et que la pâte résultante a des propriétés de liaison meilleures. Les pâtes produites selon le procédé TCTM ont également des avantages importants par rapport à celles obtenues dans la technique antérieure. En général, quand on compare des pâtes à papier produites par les procédés TTM et TCM, à la même énergie spécifique, les pâtes à papier chimico-mécaniques ont une meilleure liaison qui conduit à une augmentation résultante des propriétés qui en dépendent, ctest-à-dire la résistance à l'éclatement, la longueur de rupture, etc... D'autre part, les pâtes thermomécaniques possèdent de plus longues fibres et ont donc de meilleures propriétés en ce qui concerne la déchirure, etc... Dans les deux cas, ladifférence est de l'ordre de 40 %. Les pâtes produites par le procédé TCTM selon la présente invention, résolvent certains des inconvénients associés aux procédés TCM et TTM. Les pâtes produites par le procédé TCTM ont une longueur de rupture supérieure et une résistance à la déchirure supérieure par rapport aux pâtes produites par les procédés TCM et TTM. En outre, la pâte a un volume par unité de poids élevé avec pratiquement pas de refus d'épuration. En outre, la blancheur de la pâte telle qu'obtenue par le procédé TCTM est telle que pour de nombreuses utilisations il n'est pas nécessaire d'utiliser un agent de blanchiment. En outre encore, les refus d'épuration sont un facteur important dans l'opération de trituration. En général, les pâtes TMR ont des refus d'épuration de 1 à 3 % ; les pâtes TCM des refus de l'ordre de 0,3 % et les pâtes TTM des refus de l'ordre de 0,6 %. Les pâtes produites selon le procédé TCTM décrit cidessus ont des refus d'épuration de l'ordre de 0,1 % qui sont négligeables. On pense que l'invention sera mieux comprise en se référant aux exemples suivants. EXEMPLE 1 On effectue le prétraitement de 100 kg de sec absolu de copeaux d'épicéa noir purgés à la vapeur d'eau, sous forme de lamelles, avec une solution de sulfite acide contenant 5,0 % de SO2 total, 3,46 % de S02 libre et 1,54 e de S02 combiné. Le pH de la solution est 1,7, et l'on programme linéairement la température de réaction pour qu'elle atteigne un maximum de 1100C en 90 mn. On lessive ensuite les copeaux ainsi traités et on les raffine dans un raffineur à décharge ouverte à l'atmosphère, à un niveau d'énergie spécifique de 2,15 kWh/kg de sec absolu. Le tableau I compare les propriétés de ces copeaux raffinés traités à celles de copeaux rafflnés non traités. On notera que l'on obtient des rendements nettement supérieurs à 90 % quand on traite les copeaux avec une liqueur au sulfite acide et qu'on les chauffe à une température de 1100C avec une durée de montée en température de 90 mn. L'examen des copeaux montre qu'une imprégnation uniforme s'est produite. Les pâtes à rendement très élevé présentent des valeurs de bouffant et du coefficient de diffusion comparables à celles d'une pâte à papier mécanique témoin provenant d'un raffineur, et en outre elles sont nettement plus résistantes et contiennent moins de matériau -de refus d'épuration que la pâte mécanique témoin, même quand elles sont produites avec 25 % de moins d'énergie de raffinage spécifique. TABLEAU I Traité Non traité % de rendement 93,7 95 Energie spécifique kWh/kg de sec absolu 2,15 2,9 Egouttage, ml 208 120 Force, g/m2 59,5 57,4 Bouffant cm3/g 2,61 2,92 Facteur d'éclatement 28,8 17,1 Facteur de déchirure 68 58 Longueur de rupture, m 4482 3552 % d'allongement 2,16 1,85 Indice de ténacité, g cm 557 375 Travail sur feuille humide jusqu'à rupture, à 19 % de solides, en g cm/cm2 2,90 2,30 Blancheur 8-457 WS 53,2 56,2 Efficacité visuelle 10-FMY/C WS 64,2 68,1 Opacité Tappi PC 10-FMY/C 94,1 95,6 Coefficient de diffusion, cm2/g, 1-681 528 674 Coefficient d'absorption, cm2/g, 1-681 20,62 19,77 % de refus Somerville 0,85 0,88 Classification R14 8,4 0,9 14/28 22,6 15,0 28/48 26,5 29,1 48/100 13,8 16,1 100/200 7,5 8,9 P-200 21,2 30,0 EXEMPLE 2 Dans cet exemple, on utilise une installation pilote et on se réfère à l'article de Evans, J.C.W., "New Pilot Plant Offers Extensive Facilities for Chip Refining", Pulp and Paper, 146 (Octobre 1975). On pompe dans l'accumulateur prérefroidi une solution froide contenant 16,3 kg de bisulfite de sodium dans 341 1 d'eau ; on introduit 6,8 kg d'anhydride sulfureux dans la solution de bisulfite à l'aide d'un tube de barbotage inséré dans la partie supérieure de l'accumulateur. Les concentrations d'anhydride sulfureux total , libre et combiné sont respectivement 4,86 %, 3,42 % et 1,46 %. Le tableau II donne une description des conditions de trituration de l'Exemple 2. On introduit les copeaux dans un digesteur que l'on a- pré- chauffé avec de la vapeur d'eau pendant 10 mn à 170 kPa. Après fermeture hermétique du digesteur, on purge les copeaux trois fois avec de la vapeur d'eau saturée à une pression de 239 kPa pendant des périodes de 3 mn. Puis on introduit de la liqueur par pompage dans le digesteur pour obtenir un rapport de la liqueur au bois de 5:1, et on la chauffe indirectement jusqu'à 1100C en 90 mn. Lorsqu'on atteint 1100C, on retire la liqueur. On raffine des portions des copeaux cuits, à divers niveaux d'énergie de raffinage spécifique- dans le système de raffinage thermomécani-que et dans le raffineur à évacuation atmosphérique. De plus, on prépare également des pâtes temoins thermomécaniques et des pâtes mécaniques préparées au raffineur à décharge atmosphérique, à partir de copeaux non traités, sur un certain intervalle d'énergies de raffinage spécifiques. Comme on peut le voir, on utilise quatre opérations distinctes de trituration : TMR copeaux sous forme de lamelles, non traités et raffinés dans un raffineur à décharge atmosphérique) TCM (coPeaux sous forme de lamelles cuits et raffines dans un raffineur à décharge atmosphérique) ; TTM (copeaux non traités sous forme de lamelles, dans un système de raffinage thermomécanique) ; et TCTM (copeaux sous forme de lamelles raffinés et cuits, dans un système de raffinage thermomécanique). Le tableau III donne les propriétés caractéristiques des pâtes obtenues dans cet exemple. TABLEAU II Désignation Concentration de SO2 Consommation Soufre Rendement Type du Energie EDTA de l'essai Total Libre Combiné totale de SO2 (% par après du raf- cumula- (% par rap (%) (%) (%) (% par rap- rapport cuisson fineur tive port à la port à la (%) le 2e (MJ/kg) pâte au sec pâte au sec pâte au passe passe absolu) absolu) sec absolu) TMR (1) - - - - 0,01 - 401 - 3,41 - 401 5,38 - 401 5,75 TMR (2) - - - - - - 401 - 4,18 - 401 5,49 - 401 6,22 TCM 4,86 3,40 1,40 8,9 0,40 96,7 401 - 2,77 - 401 4,58 - 401 5,37 401 - 2,98 0,04 - 401 4,95 TTM - - - - - - 418 - 4,55 - 401 6,70 - 401 7,29 - 401 8,07 TCTM 4,85 3,44 1,41 10,8 0,40 91,6 418 - 3,66 0,007 - 401 5,47 - 401 6,13 - 401 7,05 - TABLEAU III Propriétés des pâtes raffinées à 7 r4J/kg Type Longueur Bouffant Indice Coefficient Refus Blancheur de de ruptu- de dé- de diffusion Somer- Elrepho pâte re chirure spécifique ville (cm) (cm3/g) (mN.m2 / (cm2/g) (%) (%) s) TMR 3,3 2,9 5,6 580 2,2 59 TCM 4,6 2,6 6,8 530 0,2 63 TTM 3,1 3,0 9,7 560 0,6 61 TCTM 5,8 3,3 11,0 480- 0,1 63 mN = m normaux (température et passion normales) Pour une énergie spécifique de fonctionnement type de 7 MJ/kg, les propriétés de résistance de la pâte chimico-mécanique, telles que mesurées par la longueur de rupture et l'indice de déchirure, sont environ 40 et 20 % supérieures respectivement à celles de la pâte mécanique obtenue dans un raffineur, Inversement, des pâtes chimico-mécaniques de résistance équivalente à celle de la pâte mécanique au raffineur nécessiteraient environ 20 % de moins d'énergie spécifique, et si on se base sur des mesures d'égouttage, elles s'égoutteraient nettement plus vite. Comme mentionné précédemment, les pâtes du procédé TCTM possèdent plusieurs avantages importants. On compare leurs propriétés à celles d'autres pâtes à rendement élevé, avec un égouttage de 300 mm, comme indiqué dans le tableau IV. Dans ce tableau, les valeurs obtenues pour les procédés au bisulfite, au sulfite neutre, au sulfite et à la soude sont obtenues dans des essais préalables. TABLEAU IV Propriétés mécaniques des pâtes chimico-mécaniques pour un égouttage de 300 (Canadian Standard Freeness) Type de cuisson Sulfite Bisulfite Sulfite Sulfite Soude acide neutre TCTM Rendement (%) 96 87 87 89 90 Indice de déchiru 2 re (nM.m2/g) 11,0 4,6 5,1 6,0 2,1 Longueur de rupture (km) 6,9 6,0 9,2 5,0 2,2 Bouffant (cm3/g) 2,90 1,87 1,63 2,23 2,16 Opacité d'impres sion (e) 92 90 NDe ND 95 Refus (%) 0,2 2,4 3,9 12,5 ND ND = non déterminé Les pâtes à rendement très élevé préparées par raffinage avec un agent séquestrant (EDTA = acide éthylène éthylènediaminetétracétique) nécessitent seulement moitié moins d'hydrosulfite de sodium pour obtenir la même blancheur que les pâtes mécaniques correspondantes-.La pâte chimico-mécanique est blanchie avec seulement 0,5 % d'hydrosulfite de sodium par rapport à la pâte au sec absolu pour obtenir une blancheur optimale de 66,8 %, alors que la pâte mécanique au raffineur nécessite deux fois la charge pour obtenir une blancheur correspondante. La pâte TCTM préparée avec 1'EDTA présente une réaction optimale similaire à une charge de 0,5 % d'hydrosulfite de sodium par rapport à la pâte au sec absolu. En résumé de ce qui précède, les pâtes-chimico-mécaniques obtenues selon le procédé au sulfite acide décrit précédemment sont environ 40 % plus résistantes que les pâtes mécaniques au raffineur correspondantes, s'égouttent plus facilement, ont une blancheur qui est supérieure d'environ 4 %, ont un coefficient de diffusion inférieur de 16 %, et ont une opacité inférieure de 1 à 3 %, avec une application équivalente d'énergie spécifique. Inversement, pour une résistance équivalente de la pâte, les exigences d'énergie spécifique de raffinage / pour les pâtes produites par le procédé au sulfite'acide sont inférieures de 20 % à celles des pâtes mécaniques au raffineur. En outre, les pâtes de la présente invention sont mieux liées que les pâtes thermomécaniques correspondantes et ont un indice d'éclatement et une longueur de rupture supérieurs d'environ 40 %. Le procédé TCTM produit des pâtes ayant des résistances mécaniques, qu'il s'agisse de la longueur de rupture et de l'indice de déchirure, nettement supérieures à celles des pâtes produites par les procédés TMR, TCM ou TTM, ces résistances étant comparables aux résistances des pâtes semi-chimiques à un rendement d'environ 70 %. I1 est entendu que les exemples précédents sont simplement illustratifs et que l'invention ne leur est pas limitée. REVENDICATIONS 1. Procédé amélioré de préparation de pâte à papier, comprenant les étapes consistant à soumettre des copeaux de bois résineux prétraités à la vapeur d'eau à un prétraitement chimique en phase liquide ou en phase vapeur et à raffiner ensuite les copeaux traités dans un système de raffinage atmosphérique et/ou thermomécanique, caractérisé en ce que ledit traitement chimique consiste à cuire les copeaux avec du sulfite acide ayant un pH compris entre 1,5 et 2,5. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de cuisson finale est au moins 1000C et est de préférence comprise entre 1100C et 1300C, et que la période de montée en température de la réaction de -cuisson est d'au moins 10 mn, et de préférence comprise entre 10 mn et 90 mn.