Brevet FR2360712A1 — publié le 19780303

La présente invention concerne un procédé de fabrication, sur une échelle industrielle, de pulpe de raffinage mécanique de haute qualité, à partir d'un matériau fibreux contenant de la ligno-cellulose qui, avant le raffinage, a été ramollie par un procédé thermique et chimique. Comme exemple de domaines d'application de cette invention, on peut mentionner la fabrication d-tenveloppes, de sacs en papier, de papier pour l'impression, de carton et de différents produits absorbants. I1 est connu que le défibrage de matériau à base de bois de types variés est facilité lorsque la matériau fibreux a été préchauffé durant un certain temps à laide de vapeur, de préférence à température et pression accrues. Un procédé basé sur ce principe, appele le procédé de fabrication de pulpe thermo-mécanique, produit des pulpes pouvant être utilisées, par exemple, pour du papier pour l'impression, des tissus, de la peluche, du carton, etc. Ces pulpes de raffinage sont généralement obtenues avec un rendement élevé ( > 95 %) et une bonne brillance (55 - 60 %). Cependant, afin de pouvoir, à l'aide dâ ce procédé, obtenir des pulpes présentant ces propriétés, il faut que la température de préchauffage soit relativement basse ( z 140"C), et le temps de préchauffage court ( Ie ramollissement du matériau fibreux résultant de ce prétraitement est limité. La valeur de la résistance pouvant être obtenue pour ces pulpes est sensiblement plus faible que pour les pulpes dites chimiques. Cependant, on n'utilise seulement que 50 à 60 % de matériau à base de bois pour la fabrication de ces dernières pulpes.Ces procédées produisent des fibres flexibles et minces, dont la résistance peut etre préservée de fa çon satisfaisante, dans une feuille de papier, après un léger broyage ou calandrage classique. On connais plusieurs procédés de fabrication de pulpe ayant des teneurs comprises dans le domaine 60 - 95 % > et qui sont définis entant que procédes semi-chimiques (rendement: 60 - 80 Sfo), ou procédés chimico-mécaniques (rendement : 80 - 95 %). Ces procédés sont caractérisés en ce que le-procédé normal de cuisson (cuisson de pulpe de soude, de sulfate, de sulfite, etc.) est interrompu lorsquton atteint le rendement ou la teneur désiré, les copeaux de pulpe légèrement ramollis étant ensuite raffinés. Le niveau d'énergie, pour le raffinage, augmente en général en meme temps que le rendement, dans le procédé de cuisson. La quantité d'énergie dépensée est plus faible que dans la fabrication de pulpe de raffinage mécanique. Les propriétés de la fibre semi-chimique sont similaires à celles de la fibre chimique à faible rendement, mais, pour des rendements élevés, elles se caractérisent par une aptitude réduite à la liaison, une flexibilité faible, et une faible pureté (teneur élevée en fragments). Cette pulpe est utilisée presque exclusivement pour fabriquer des matières de remplissage, du type gaufrage, pour lesquelles la faible flexibilité des fibres et la haute teneur en fragments ne présentent qu'une importance mineure. Les procédés chimico-mécaniques ont éte en premier lieu développés pour rendre possible la fabrication de pulpe de raffinage mécanique obtenue à partir de. bois qui conviennent moins à la fabrication de pulpe de raffinage, par exemple différents types de bois durs. Le pretraitement des copeaux a si réduit que, dans des cas favorables, la pulpe fabriquée est de même nature que la pulpe mécanique obtenue à partir de bois tendre et pouvant être utilisée comme pulpe mélangée, dans le papier pour l'impression. Une pulpe pour papier d'impression doit présenter de bonnes qualités de dispersion de la lumière, en plus de certaines propriétés de résistance, afin de pouvoir former une feuille opaque.Un prétraitement chimique accru augmente la résistance, mais réduit la dispersion lumineuse. En conséquence, le prétraitement chimique de ramollissement å été limité, de telle façon que les propriétés optiques de la pulpe obtenue ne soient pas trop diminuées. La quantité d'energie consommée, lors du raffinage ultérieur, était plus faible que dans le cas d'une fabrication sans prétraitement chimique. Il a été nécessaire de réduire la dé- pense en énergie pour le raffinage, car autrement, les propriétés de dessèchement de la pulpe auraient été tellement diminuées qu'il aurait été pratiquement impossible d'utiliser la pulpe dans une machine à fabriquer du papier.La pulpe ne possèdaippas les propriétés de résistance suffisantes pour pouvoir btre utilisée dans des produits en papier de haute qualité. Afin de pouvoir produire des pulpes de raffinage pures (sensiblement exemptes de fragments) avec un rendement élevé (- > 90 %) et ayant les memes propriétés de résistance que les pulpes chimiques, et des propriétés de déshy- dratation permettant leur utilisation dans une machine à fabriquer en papier, on doit utiliser une combinaison de ramollissement chimique et thermique, suivie par un raffinage réglé en conséquence. La présente invention concerne une combinaison de traitement de ramollissement chimique et athermique, et un raffinage avec une dépense relativement élevée en énergie qui s'est avéré produire des pulpes présentant des propriétés de résistance extrêmement bonnes, et des teneurs en fragments généralement plus faibles que les pulpes chimiques Par conséquent, dans de nombreuses applications, il nlest pas nécessaire d'effectuer un criblage et une épuration par centrifugation de la pulpe. Afin d'obtenir ces valeurs élevés de résistance sans diminuer de façon trop importante les propriétés de déshydratation de la pulpe, il faut effectuer le ramollissement des copeaux de façon si efficace que le bois puisse être facilement défibré sans que soit augmentée de façon trop importante la proportion de matériau désagregé résultant. Par défibrage, on entend la des sintégration des copeaux en fibres individuelles.Ensuite, les fibres défibrées doivent être traitées afin d'obtenir une flexibilité qui est supérieure à celle que l'on obtient lors de la fabrication de pulpes thermo-mecaniques. chimicomécaniques et semi-mécaniques. La dépense d'énergie nécessaire, lors du raffinage, pour obtenir la grande flexibilité de fibre désirée, est en consk- quence relativement plus élevée, pour chaque capacité de déshydratation, que dans les procédés connus de fabrication d'autres types de pulpes. On a trouvé que l'on peut obtenir un ramollissement efficace du matd- riau à base de bois en imprégnant les copeaux avec des agents chimiques ramollissants en lignine, sous la forme de solutions légèrement alcalines, pH 7 à 12, de préférence 9 à 12, ce qui permet d'effectuer un prétraitement thermique à haute température (135 - 200"C). La quantité de bois perdu par dissolution ne dépasse pas 10 %, si la durée du prétraitement thermique est choisie entre 1 et 30 minutes. Comme agents de prétraltement chimique approprios, on peut citer, par exemple, Na2SO3, NaOH, et Na2CO3, seuls ou en combinaisons. De préférence, on effectue l'imprégnation avant le pré- chauffage. De préférence, la pression et la température pendant l'imprégnation sont inférieures ou égales à la pression et à la température pendant le prétraitement. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins, sur lesquels - la Figure 1 montre la capacité de déshydratation de la pulpe, en fonction de la dépense en énergie - la Figure 2 illustre la résistance à la traction de la pulpe en fonction du rendement, la quantité de Na2SO3 ajoutée étant un paramètre - la Figure 3 montre la teneur en fragments en fonction de la capacité de déshydratation; - la Figure 4 montre la fraction de longues fibres dans la pulpe en fonction de la capacité de déshydratation - la Figure 5 montre la résistance à la traction de la pulpe en fonction de la capacité de déshydratation - la Figure 6 montre la quantité de Na2SO3 absorbé dans la pulpe en fonction de la quantité ajoutée ; et, - la Figure 7 montre la résistance à la traction de la pulpe en tant que fonction de la teneur en soufre de la pulpe, et, respectivement, du degré de sulfonation. Lors du raffinage de la fibre ramollie chimiquement et thermiquement, le traitement, dans des conditions optimales, peut être mis en oeuvre de façon à ce qu'on obtienne une pulpe présentant une pureté exceptionnelle (faible teneur en fragments), bien que la proportion de fibres soit supérieure à celle obtenue, par exemple, dans la fabrication classique de pulpe thermo-mécanique, Figures 3 et 4, respectivement. La fibre ramollie chimiquement et thermiquement peut être traitée et raffinée jusqu'à présenter une flexibilité élevée sans comporter de matériau désagrégé à un degré obtenu, par exemple, dans le traitement de copeaux ramollis seulement chimiquement, lors de la fabrication de pulpe thermo-mécanique.Etant donné que la proportion de matériau désagrégé détermine à un degré élevé les propriétés de déshydratation de la pulpe, il est possible, après le traitement de ramollissement décrit ci-dessus, de traiter les fibres avec une plus grande quantité d'énergie et à une flexibilité plus élevée que, par exemple, dans le procédé de pulpe thermo-mécanique, et d'obtenir encore les mimes propriétés de déshydratation pour les deux types de pulpes.En conséquence, le raffinage doit wetre mis en oeuvre avec une dépense d'énergie qui, en rapport avec la capacité de déshydratation de la pulpe de raffinage fabriquée, tombe dans le domaine ABCD, de préférence à l'intérieur du domaine EBCF, des courbes de la Figure 1, qui montre la capacité de déshydratation de la pulpe mesurée en CSF (égouttage, standard canadien) en fonction de la dépense en énergie, mesurée en kWh par tonne de pulpe ab solument sèche. La courbe AD représente la dépense d'énergie en rapport avec la capacité de déshydratation, en-dessous de laquelle se situe la dépense énergétique pour la fabrication d'une pulpe classique thermo-mécanique. Les possibilités de préserver la résistance de la fibre, dans une feuille de papier, augmentent en meme temps que s'accroît la flexibilité de la fibre. La grande flexibilité de la fibre de pulpe chimique ainsi obtenue, dans laquelle près de la moitié de la pulpe de fibre native a été éliminée par la cuisson, permet de fabriquer des papiers sous forme de feuilles, etc., qui sont notamment caractérisées par une résistance et une densité élevées. Ces memes propriétés se retrouvent dans la pulpe de raffinage fabriquée à l'aide de copeaux ramollis. comme décrit ci-dessus, et raffinés dans des conditions optimales et avec une forte dépense en énergie. Afin"d'obtenir un raffinage efficace, le matériau est, de préférence, chargé dans la raffineuse à une concentration en fibres de 15 à 35 qlo, et à une pression et une température inférieures à celles du préchauffage, par exemple 100-120 'C et la pression de vapeur correspondante, ce qui permet d'utiliser une raffineuse ouverte et de réaliser un raffinage en une étape. Cependant, pour certaines qualités de pulpes, la consommation d'énergie est teIlement importante que le raffinage doit etre exécuté en deux étapes. Cependant, il est possible, lors d'un raffinage en plusieurs étapes, de maintenir la pression et la température de préchauffage, dans la première étape de raffinage. Lors d'un raffinage en plusieurs étapes, on exécute le raffinage, après la première étape, à la pression atmosphérique et à une température inférieure à 100 'C. Dans les conditions prescrites, il est possible de traiter les fibres avec une grande efficacité. On peut les traiter de façon à ce qu'elles présentent une forte flexibilité,permettant d'obtenir des feuilles de papier dont les propriétés de résistance et de densité sont équivalentes à celles des feuilles en papier obtenues à l'aide de fibres chimiques. Exemple: Des copeaux de bois de spruce ont été traités par imprégnation avec des solutions de Na2SO3 à diverses teneurs de Na2SO3 et un pH de 10. Après l'imprégnation, on a prétraité les copeaux à la vapeur, pendant 10 minutes, à une température maximale de 135 et 170 OC, respectivement. Le raffinage ultérieur a été effectué dans une raffineuse ouverte, à une température légèrement supérieure à 100 'C. A la Figure 2, on a représenté les propriétés de résistance de la pulpe ainsi fabriquée,mesuréessous la forme de la résistance à la traction fonction de la teneur, avec, comme paramètre, la quantité de Na2SO ajoutée. La pulpe a été raffinée jusqu'à une capacité de déshydratation de 400 ml CSF. L'examen de la Figure 2 montre que les propriétés de résistance ont été améliorées avec des additions croissantes de - Na2S03. Cependant, pour l'addition la plus forte en sulfite (18 %) et la température de préchauffage la plus élevée (170"C), la résistance a augmenté de façon non significative, et aux dépens du rendement. I1 semble qu'une addition de 12 % de Na2SO3 soit la plus forte addition présentant de l'intérêt, en combinaison avec une haute température de préchauffage, pour maintenir un rendement élevé. A la Figure 5, on a montré le développement de la résistance à la traction de la pulpe dans un domaine d'égouttage inférieur, pour trois prétraitements différents. Après imprégnation avec, respectivement, 6 % et 12 % de Na2SO3, les copeaux ont été chauffés à la vapeur pendant 10 minutes, à une température maximale de 135"C et 170 OC, respectivement. A titre comparatif, on a indiqué également la résistance à la traction pour une pulpe thermo-mécanique fabriquée de façon classique. Une propriété caractéristique de la pulpe fabriquée selon cette invention réside dans sa teneur très faible en fragments, meme à une capacité de déshydratation élevée, comme cela ressort de l'examen de la Figure 3, qui montre la teneur en fragments , mesurée en pourcentage de mini-fragments, en fonction de la capacité de déshydratation,mesurée en ml CSF. A titre comparatif, on a indiqué les valeurs correspondantes pour une pulpe fabriquée selon un procédé de raffinage thermo-mécanique classique. Seule, une partie de l'addition de Na2 SO3 est absorbée dans la fibre de la pulpe. La Figure 6 montre la différence entre les quantités ajoutées et absorbées. Par conséquent, il est possible, grâce au procédé selon cette invention, de recycler une grande partie du sulfite,provenant du lavage de la pulpe, au récipient d'imprégnation. La quantité d'addition, dans la pulpe, d'agents chimiques ramollissant la lignine, peut également etre mesurée sous la forme de la teneur en soufre dans la pulpe absolument sèche, après lavage, et sous la forme du taux de sulfonation, respectivement. Le taux de sulfonation désigne la teneur en groupes acides lourds dans la pulpe, et il peut être déterminé en mesurant la quantité en ions Na+ qui peut être absorbée par une pulpe saturée en ions H par traitement avec de l'acide chlorhydrique 0,1 N, cette pulpe étant ensuite lavée. La Figure 7 montre que la résistance à la traction de la pulpe, mesurée en kg à CSF 400 ml > augmente en meme temps qu'augmentent la teneur en soufre dans la pulpe et, respectivement, le taux de sulfonation, mesuré en milli-équivalents par gramme de pulpe absolument sèche. La température de préchauffage est, respectivement, de 135çC et de 170 C. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication, à partir d'un matériau à base de bois, d'une pulpe de raffinage thermo-mécanique modifiée chimiquement, avec un rendement supérieur à 90 % et une teneur-élevée en fibres longues, dans laquelle les fibres possèdent une forte aptitude à la liaison et une grande flexibilité, ce procédé consistant en premier lieu à ramollir le matériau à base de bois par traitement à l'aide d'agents chimiques ramollissant la lignine, en combinaison avec un préchauffage à haute température, ce procédé étant caractérisé en ce que le- matériau est ensuite raffiné, ce raffinage étant exécuté avec une dépense d'énergie qui, en relation avec la capacité de déshydratation de la pulpe fabrique, se situe entre 500 et 2500 kWh par tonne de pulpe absolument sèche. 2 - Procédé selon la revendication !. caractérisé en ce que le matériau est introduit dans la raffineuse à une pression et une température plus faibles que la pression et la température de préchauffage. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau à base de bois est préchauffé à 135 - 200"C pendant 1 à 30 minutes, et en ce que la température, lors de l'introduction dans la raffineuse, est de 100 à 1200C. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 3, caractérisé en ce que le ramollissement chimique est obtenu par imprégnation avec 2 à ]2 % de Na2SO3, à un pH de 7 b 12. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que limpré- gnation est effectuée avec 4 à 8 de Na,SO à un pH de 9 à 12. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ramollissement chimique et le préchauffage sont effectués à la même température et la meme pression. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 > caractérisé en ce que le ramollissement chimique est effectué avant le préchauffage, à une température inférieure à la température de préchauffage. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une partie des agents chimiques ajoutés, ramollissant la lignine, qui n'est pas absorbée par le bois, est lavée pour en éliminer la pulpe, puis recyclée dans 11 étape de prétraitement.