БУМАЖНЫЕ ПРОДУКТЫ И СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКИХ ПРОДУКТОВ
PAPER PRODUCTS AND METHODS AND SYSTEMS FOR MAKING SUCH PRODUCTS

Область техники
Данное изобретение относится к способам и системам для изготовления бумажных продуктов и к продуктам, изготавливаемым с помощью таких способов и систем.
Уровень техники
Бумага, упоминаемая в настоящем документе, относится к широкому множеству листовых материалов на основе целлюлозы, используемых для письма, печати, упаковывания и других применений. Бумагу можно использовать, например, но не ограничиваясь этим, в следующих применениях: в качестве бумажных денег, банковских билетов, акционерных и облигационных сертификатов, чеков и т.п.; в книгах, журналах, газетах и бумаге для художественной печати; для упаковывания, например, картон, гофрированный картон, бумажные пакеты, конверты, шелковая бумага, коробки; в бытовых продуктах, таких как туалетная бумага, салфетки, бумажные полотенца и бумажные носовые платки; в бумажных сотах, используемых в качестве основного материала в композитных материалах; в строительных материалах; в качестве строительного картона; в одноразовой одежде; и в различных промышленных применениях, включающих наждачную бумагу, шлифовальную бумагу, промокательную бумагу, лакмусовую бумагу, универсальную индикаторную бумагу, хроматографию на бумаге, сепараторы аккумуляторов и конденсаторные диэлектрики.
Бумагу обычно изготавливают измельчением целлюлозного материала с образованием пульпы, содержащей целлюлозные волокна, объединением целлюлозных волокон с образованием влажного полотна и сушкой полотна. В готовой бумаге волокна удерживаются вместе механическим сцеплением и водородными связями. Измельчение можно проводить рядом способов, например: с использованием химического процесса (например, крафт-процесса), механического процесса (древесное волокно) или термомеханического процесса (TMP). Стадии объединения и высушивания обычно проводят с использованием высокоскоростной бумагоделательной машины.
Наиболее распространенным источником целлюлозных волокон является древесная масса из деревьев. Пульпу также получают из утилизированной ("переработанной") бумаги. Также используют материалы растительных волокон, такие как хлопок, конопля, лен и рис. Другие недревесные источники волокон включают, но не ограничиваются ими, сахарный тростник, жмых, солому, бамбук, кенаф, джут, кудель и хлопок. В бумагу можно включать большое разнообразие синтетических волокон, таких как полипропилен и полиэтилен, а также других ингредиентов, таких как неорганические наполнители, в качестве средств для придания желательных физических свойств.
Для многих применений желательно, чтобы бумага имела высокую прочность и сопротивление разрыву, даже в очень тонких листах, например, когда бумагу используют для упаковывания, в промышленных применениях, в качестве денег и в других применениях, которые требуют прочности и долговечности. Также, как правило, является желательным, чтобы бумага обладала хорошими печатными свойствами, причем конкретные характеристики в некоторой степени зависят от процесса печати, в котором бумагу используют.
Сущность изобретения
Изобретение основано, частично, на открытии, что путем облучения волокнистых материалов на соответствующих уровнях, физические характеристики волокнистого материала можно благоприятным образом изменять. Например, можно изменять молекулярную массу, уровень поперечного сшивания, участки прививки и/или функциональные группы по меньшей мере целлюлозных частей материалов. Более того, можно благоприятным образом влиять на физические свойства, такие как прочность на разрыв и сдвиговая прочность волокнистого материала. Относительно высокие дозы ионизирующего излучения можно использовать для уменьшения молекулярной массы по меньшей мере целлюлозных частей волокнистого материала, способствуя преобразованию волокнистого материала в пульпу, которая пригодна для применения в изготовлении бумаги. Относительно более низкие дозы ионизирующего излучения можно использовать для увеличения молекулярной массы бумажного продукта, усиления его прочности на разрыв и других механических свойств. Ионизирующее излучение также можно использовать для контроля функционализации волокнистого материала, т.е., функциональных групп, которые присутствуют на материале или в нем.
В одном аспекте изобретение относится к способам получения целлюлозного или лигноцеллюлозного материала для применения в производстве бумаги. Некоторые способы включают обработку целлюлозного или лигноцеллюлозного сухого сырья, имеющего первую среднюю молекулярную массу, ионизирующим излучением в дозе по меньшей мере 2,5 Мрад для снижения средней молекулярной массы сырья до заданного уровня. Заданный уровень выбирают так, чтобы обработанное сырье было пригодно для использования в качестве пульпы в процессе производства бумаги или при ее формировании.
Некоторые варианты осуществления включают один или несколько из представленных ниже признаков. Способы дополнительно включают проведение процесса формирования пульпы из обработанного сырья. Кроме того, способы включают проведение процесса механической дезинтеграции обработанного сырья. Кроме того, способы могут включать применение звуковой энергии к обработанному сырью.
В некоторых вариантах осуществления сырье может включать древесную стружку, и доза ионизирующего излучения может составлять от приблизительно 2,5 до приблизительно 10 Мрад. Обработка может включать обработку облучением гамма-лучами и/или облучением пучком электронов. В некоторых вариантах осуществления, электроны в пучке электронов могут иметь энергию по меньшей мере 0,25 МэВ.
В другом аспекте изобретение относится к способам получения облученного бумажного продукта. Некоторые способы включают облучение бумажного продукта, включающего первый углеводсодержащий материал, имеющий первую молекулярную массу, ионизирующим излучением для получения облученного бумажного продукта, включающего второй углеводсодержащий материал, имеющий вторую молекулярную массу, превышающую первую молекулярную массу.
В другом аспекте изобретение относится к гашению облученного бумажного продукта. Бумажный продукт включает первый углеводсодержащий материал, который облучен ионизирующим излучением в дозе по меньшей мере 0,10 Мрад для повышения молекулярной массы бумажного продукта.
В другом аспекте изобретение относится к облучению бумажного продукта, включающего первый углеводсодержащий материал, ионизирующим излучением по меньшей мере 0,10 Мрад для повышения молекулярной массы бумажного продукта, с последующим гашением облученного бумажного продукта.
Некоторые варианты осуществления включают один или несколько из следующих признаков. Доза ионизирующего излучения может составлять по меньшей мере 0,10 Мрад, например, по меньшей мере 0,25 Мрад. Дозу ионизирующего излучения можно контролировать, чтобы она была на уровне от приблизительно 0,25 до приблизительно 5 Мрад. Обработка может включать облучение гамма-излучением, и/или облучение пучком электронов. Электроны в пучке электронов могут иметь энергию по меньшей мере 0,25 МэВ, например, от приблизительно 0,25 МэВ до приблизительно 7,5 МэВ. Кроме того, способы могут включать гашение обработанного бумажного продукта. Например, гашение можно проводить в присутствии газа, выбранного для реакции с радикалами, присутствующими в обработанном бумажном продукте.
В другом аспекте изобретение относится к способам получения облученного бумажного продукта, которые включают обработку материала углеводсодержащей пульпы ионизирующим излучением, так, чтобы средняя молекулярная масса материала углеводсодержащей пульпы возрастала.
Некоторые варианты осуществления этих способов могут включать один или несколько из следующих признаков. Обработку можно проводить в процессе формирования бумажного продукта. Формирование может включать объединение материала пульпы во влажное бумажное полотно. Обработку можно проводить на влажном бумажном полотне или перед формированием влажного бумажного полотна. Кроме того, формирование может включать высушивание влажного бумажного полотна, и обработку можно проводить после высушивания.
В следующем аспекте изобретение относится к бумаге, содержащей облученный лигноцеллюлозный материал, где облученный лигноцеллюлозный материал включает по меньшей мере приблизительно 2 процента по массе лигнина, например, по меньшей мере приблизительно 2,5, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0 или по меньшей мере приблизительно 10,0 процентов по массе лигнина.
В некоторых случаях, облученный лигноцеллюлозный материал включает поперечные сшивки, и поперечные сшивки имеются по меньшей мере в лигниновой части облученного лигноцеллюлозного материала.
Также изобретение относится к способу изготовления бумаги, причем способ включает комбинирование целлюлозного или лигноцеллюлозного материала с лигнином и формирование из этой комбинации бумаги. Также изобретение относится к формированию бумаги из исходного материала, получаемого комбинированием целлюлозного или лигноцеллюлозного материала с лигнином.
В некоторых случаях облучают целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, и/или облучают комбинацию, а затем формируют в бумагу, и/или облучают формированную бумагу. В некоторых случаях исходный материал является облученным.
Также изобретение относится к пульпе и бумажным продуктам, сформированным путем облучения целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов, например, с использованием способов, описанных в настоящем документе.
В одном аспекте изобретение относится к материалам пульпы, включающим обработанный целлюлозный или лигноцеллюлозный волокнистый материал, имеющий среднюю молекулярную массу менее 500000 и содержащий функциональные группы, не присутствующие во встречающихся в природе целлюлозных или лигноцеллюлозных волокнистых материалах, из которых получен обработанный материал. Например, в некоторых вариантах осуществления, функциональные группы включают енольные группы и/или группы карбоновых кислот или их соли или сложные эфиры. Функциональные группы также можно выбирать из группы, состоящей из альдегидных групп, нитрозогрупп, нитрильных групп, нитрогрупп, групп кетонов, аминогрупп, алкиламиногрупп, алкильных групп, хлоралкильных групп, хлорфторалкильных групп и групп карбоновых кислот. В некоторых случаях встречающиеся в природе целлюлозные или лигноцеллюлозные волокнистые материалы могут включать древесную стружку. В некоторых случаях, бумажный продукт формируют из материала пульпы.
В другом аспекте изобретение относится к бумажным продуктам, которые включают обработанный целлюлозный или лигноцеллюлозный волокнистый материал, причем обработанный целлюлозный или лигноцеллюлозный волокнистый материал содержит функциональные группы, не присутствующие во встречающемся природе целлюлозном или лигноцеллюлозном волокнистом материале, из которого получен обработанный материал.
Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал можно выбирать из группы, состоящей из макулатуры, древесины, прессованной древесины, древесных опилок, силоса, трав, рисовой шелухи, жмыха, хлопка, джута, конопли, льна, бамбука, сизаля, абаки, соломы, сердцевин кукурузных початков, кукурузной соломы, проса, люцерны, сена, рисовой шелухи, кокосовых волокон, хлопка, морской травы, водорослей и их смесей.
В другом аспекте получение целлюлозного или лигноцеллюлозного материала включает облучение целлюлозного или лигноцеллюлозного материала ионизирующим излучением до выбранной температуры; охлаждение облученного материала до температуры ниже выбранной температуры; и повторное облучение охлажденного материала ионизирующим излучением.
В некоторых вариантах осуществления, целлюлозный или лигноцеллюлозный материал включает бумажный продукт и/или исходный материал для получения пульпы.
В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает обработку поверхности облученного целлюлозного материала покрытием или красителем.
В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает прививку материала к участкам прививки целлюлозного материала, который является облученным, с получением функционализированного целлюлозного материала, имеющего множество участков прививки.
В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает облучение целлюлозного материала для получения функционализированного целлюлозного материала, имеющего множество участков прививки, и прививку материала к участкам прививки.
В некоторых вариантах осуществления материал, привитый к участкам прививки, включает реактивный краситель.
В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает облучение комбинации, включающей целлюлозный материал, и прививку прививаемого агента таким образом, чтобы прививаемый агент связывался с целлюлозным материалом.
В некоторых вариантах осуществления прививаемый агент ковалентно связывается с целлюлозным материалом.
В другом аспекте обработка бумаги или исходного материала для бумаги включает образование множества отрицательно заряженных ионов; ускорение отрицательно заряженных ионов до первой энергии; удаление множества электронов по меньшей мере из некоторых отрицательно заряженных ионов с получением положительно заряженных ионов; ускорение положительно заряженных ионов до второй энергии; и направление падения положительно заряженных ионов на бумагу или исходный материал для бумаги.
В другом аспекте обработка бумаги или исходного материала для бумаги включает получение множества заряженных частиц; ускорение заряженных частиц путем направления каждой из заряженных частиц, чтобы они многократно проходили через резонатор ускорителя, включающий переменное электрическое поле; и облучение бумаги или исходного материала для бумаги ускоренными заряженными частицами.
В другом аспекте обработка бумаги или исходного материала для бумаги включает получение множества заряженных частиц; ускорение множества заряженных частиц путем направления заряженных частиц, чтобы они проходили либо через резонатор ускорителя, включающий множество электродов с различными потенциалами, либо через ускоритель, содержащий множество световодов, где каждый световод имеет электромагнитное поле; и облучение бумаги или исходного материала для бумаги ускоренными заряженными частицами.
Термин "сухое сырье", используемый в настоящем документе, относится к сырью (например, к древесной стружке или другому целлюлозному или лигноцеллюлозному волокнистому материалу), имеющему содержание влаги менее 25%.
Полное описание каждой из следующих патентных заявок США включено в настоящий документ в качестве ссылок: предварительные заявки США с серийными №№ 61/049,391; 61/049,394; 61/049,395; 61/049,404; 61/049,405; 61/049,406; 61/049,407; 61/049,413; 61/049,415; и 61/049,419, все из которых поданы 30 апреля 2008 года; предварительные заявки США с серийными №№ 61/073,432; 61/073,436; 61/073,496; 61/073,530; 61/073,665; и 61/073,674, все из которых поданы 18 июня 2008 года; предварительная заявка США с серийным № 61/106,861, поданная 20 октября 2008 года; предварительные заявки США с серийными №№ 61/139,324 и 61/139,453, обе из которых поданы 19 декабря 2008 года, и патентные заявки США с серийными №№ 12/417,707; 12/417,720; 12/417,840; 12/417,699; 12/417,731; 12/417,900; 12/417,880; 12/417,723; 12/417,786; и 12/417,904, все из которых поданы 3 апреля 2009 года.
В любом из способов, описанных в настоящем документе, радиационное излучение можно применять из устройства, которое находится в хранилище.
Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют то же значение, которое обычно подразумевают специалисты в области, к которой относится это изобретение. Несмотря на то, что на практике или при тестировании настоящего изобретения можно использовать способы и материалы, сходные или эквивалентные способам или материалам, описанным в настоящем документе, пригодные способы и материалы описаны ниже. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, включены в качестве ссылок в полном объеме. В случае противоречия, следует руководствоваться настоящим описанием. Кроме того, данные материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.
Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из представленного ниже подробного описания и формулы изобретения.
Описание чертежей
На ФИГ.1A представлено схематическое изображение системы для получения пульпы.
На ФИГ.1B представлено схематическое изображение подсистемы для предварительной обработки из системы для получения пульпы, представленной на ФИГ.1A.
На ФИГ.2 представлено схематическое изображение системы для изготовления бумаги.
На ФИГ.3 представлена диаграмма, на которой проиллюстрировано изменение молекулярной и/или надмолекулярной структуры волокнистого материала.
На ФИГ.4 представлен перспективный вид в сечении гамма-облучателя в бетонном хранилище.
На ФИГ.5 представлен увеличенный вид в перспективе области R с ФИГ.4.
На ФИГ.6 представлена схематическая диаграмма DC-ускорителя.
На ФИГ.7 представлен схематический вид системы для обработки ультразвуком технологического потока целлюлозного материала в жидкой среде.
На ФИГ.8 представлен схематический вид устройства для облучения, имеющего два преобразователь, соединенных с одним рупором.
На ФИГ.9 представлен схематический поперечный вид гибридного устройства для обработки пучком электронов/ультразвуком.
На ФИГ.10 представлено схематическое изображение источника ионизации полем.
На ФИГ.11 представлено схематическое изображение электростатического сепаратора ионов.
На ФИГ.12 представлено схематическое изображение генератора ионизации полем.
На ФИГ.13 представлено схематическое изображение термоионного эмиссионного источника.
На ФИГ.14 представлено схематическое изображение источника ионов со сверхвысокочастотным разрядом.
На ФИГ.15 представлено схематическое изображение рециркуляционного ускорителя.
На ФИГ.16 представлено схематическое изображение статического ускорителя.
На ФИГ.17 представлено схематическое изображение динамического линейного ускорителя.
На ФИГ.18 представлено схематическое изображение ускорителя Ван-де-Граафа.
На ФИГ.19 представлено схематическое изображение изогнутого тандемного ускорителя.
Подробное описание
Как рассмотрено выше, изобретение основано, частично, на открытии, что при облучении волокнистых материалов, т.е., целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов, на соответствующих уровнях, может изменяться молекулярная структура по меньшей мере целлюлозной части волокнистого материала. Например, изменение молекулярной структуры может включать изменение любого одного или нескольких из средней молекулярной массы, средней кристалличности, площади поверхности, полимеризации, пористости, степени ветвления, привитой сополимеризации и размера домена целлюлозной части. Эти изменения молекулярной структуры, в свою очередь, могут привести к благоприятным изменениям физических характеристик, которыми обладают волокнистые материалы. Более того, могут благоприятным образом изменяться функциональные группы волокнистого материала.
Например, следующие свойства могут быть усилены на 10, 20, 30, 40, 50, 75 или даже 100% относительно этих свойств до облучения:
TAPPI T494 om-06, прочность на растяжение бумаги и картона (с использованием величины константы устройства для растяжения), включая прочность на разрыв и разрывную длину;
Метод TAPPI T 414 om-04, внутреннее сопротивление разрыву бумаги (метод по типу метода Элмендорфа);
Метод TAPPI T 403 om-02, разрывная прочность бумаги; и
Метод TAPPI T 451 cm-84, эластические свойства бумаги (Clark Stiffness).
Различные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, их применение и употребление, описаны в патентах US №№ 7307108, 7074918, 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105; и в различных патентных заявках US, включая "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", PCT/US2006/010648, подана 23 марта 2006 года, и "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", публикация патентной заявки US № 2007/0045456. Все указанные выше документы включены в настоящий документ в качестве ссылок в полном объеме. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал может включать, например, бумажные отходы, древесину, картон, древесные опилки, силос, травы, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, сердцевины кукурузных початков, кукурузную солому, просо, люцерну, сено, рисовую шелуху, кокосовые волокна, хлопок, морскую траву, водоросли и смеси любых из них.
Для уменьшения молекулярной массы волокнистого материала, способствующего преобразованию волокнистого материала в пульпу, которая пригодна для изготовления бумаги, можно использовать относительно высокие дозы ионизирующего излучения. Таким образом, облучение можно использовать для предварительной обработки сырья и, таким образом, способствования химическому, механическому или термомеханическому процессу получения пульпы, или в некоторых случаях его можно использовать для замены по меньшей мере части общепринятого процесса получения пульпы. Относительно высокие дозы также можно использовать по отношению к выбранным областям бумажного продукта или исходного материала (например, влажного бумажного полотна) для формирования определенных областей, в которых бумага является ослабленной, например, для создания зон разрыва.
Относительно более низкие дозы ионизирующего излучения можно использовать на одной или нескольких стадиях процесса производства бумаги и/или по отношению к готовому бумажному продукту, для повышения молекулярной массы и уровня поперечного сшивания бумажного продукта.
Ионизирующее излучение также можно использовать для контроля функционализации волокнистого материала, т.е., функциональных групп, которые присутствуют на материале или в материале, и которые могут повысить растворимость и/или способность к диспергированию в процессе получения пульпы, и могут благоприятно повлиять на свойства поверхности бумажного продукта, например, восприимчивость поверхности к покрытиям, чернилам и красителям.
Каждый из этих процессов подробно рассмотрен ниже.
Стадии облучения, рассмотренные выше, можно комбинировать различным образом. Некоторые примеры процессов, включающих облучение, включают следующее:
(a) Облучение только высокой дозой ионизирующего излучения, для снижения молекулярной массы и облегчения получения пульпы. Облучение можно проводить до или в процессе получения пульпы.
(b) Облучение только низкой дозой ионизирующего излучения для увеличения молекулярной массы, и традиционного получения пульпы. Облучение можно проводить на любой стадии процесса производства бумаги, или на готовой бумаге.
(c) Облучение высокой дозой ионизирующего излучения, для снижения молекулярной массы и облегчения процесса образования пульпы, с последующим облучением излучением в низкой дозе, для увеличения молекулярной массы.
(d) Облучение в условиях, которые благоприятным образом изменяют функциональные группы, присутствующие в материале. Это можно осуществлять в процессе одной из стадий, рассмотренных выше, или в качестве отдельной стадии, как подробно рассмотрено ниже.
(e) Облучение выбранных областей бумаги или исходного материала для бумаги относительно высокой дозой радиационного излучения для получения определенных ослабленных областей. Эту стадию можно проводить отдельно, или в комбинации с любой из стадий, рассмотренных в (a)-(d), выше.
(f) Многократное облучение для достижения данной конечной дозы, например, доставки дозы 1 Мрад, повторяющейся 10 раз, для обеспечения конечной дозы 10 Мрад. Это может предотвратить перегревание облученного материала, в частности, если материал охлаждают между дозами.
Облучение для уменьшения молекулярной массы
Ионизирующее излучение можно использовать для целлюлозного или лигноцеллюлозного волокнистого материала, который пригоден для применения в производстве бумаги (например, для древесной стружки), до или после получения пульпы, в дозе, которая является достаточной для конвертирования исходного материала в пульпу. Иными словами, облучение дозой ионизирующего излучения, которая выбрана для конвертирования или для способствования конвертированию исходного материала в пульпу, можно использовать вместо общепринятых способов получения пульпы, таких как химическое, механическое и термомеханическое образование пульпы.
В этом случае, дозу выбирают таким образом, чтобы молекулярная масса исходного материала снижалась до степени, сходной со степенью, посредством которой молекулярную массу уменьшают путем общепринятого получения пульпы. Например, в случае конвертирования древесной стружки в пульпу, дозу, главным образом, можно выбирать для снижения молекулярной массы от исходной молекулярной массы (1 миллион или более) до приблизительно 20000-500000. Оптимальная доза зависит от используемого сырья, однако, как правило, она находится в диапазоне от 10 Мрад до 1000 Мрад, например, от 25 Мрад до 500 Мрад, для общепринятого бумажного сырья, такого как материалы на основе древесины.
Преимущественно, в некоторых вариантах осуществления, не обязательно удалять лигнин из пульпы, как традиционно происходит в процессе получения пульпы. Это имеет место, например, если бумагу облучают низкой увеличивающей молекулярную массу дозой ионизирующего излучения в процессе или после процесса изготовления бумаги, как рассмотрено ниже. В этом случае, фактически может быть полезным остаточный лигнин, поскольку лигнин действует в качестве наполнителя, эффективно снижая количество требуемого целлюлозного материала, и он может подвергаться поперечному сшиванию при облучении в низкой дозе.
В других вариантах осуществления, вместо замены общепринятого получения пульпы облучением, ионизирующее излучение можно использовать до или в процессе общепринятого процесса получения пульпы, для облегчения или усиления процесса образования пульпы. Например, древесную стружку можно облучать относительно высокой дозой ионизирующего излучения перед началом процесса образования пульпы. При необходимости, после облучения древесную стружку можно подвергать механической переработке перед химическим образованием пульпы, такой как дополнительное рубка, дробление или растирание. Облучение и, опционально, механическое образование пульпы из облученного сырья могут инициировать разрушение сырья, в некоторых случаях, позволяя проведение химического образования пульпы в менее жестких условиях, например, с использованием меньшего количества химических реагентов, меньшей энергии и/или меньшего количества воды.
Ионизирующее излучение также можно использовать в процессе переработки макулатуры для повторного образования пульпы из макулатуры для применения в качестве исходного материала в продукции вторичной бумаги. В этом случае, дозу доставляемого ионизирующего излучения выбирают так, чтобы она была достаточной для разрушения водородных и механических связей в бумаге без неблагоприятного действия на целлюлозные и/или лигноцеллюлозные волокна в бумаге. Доза ионизирующего излучения может быть, например, приблизительно на 20%-30% меньшей, чем доза, используемая, когда исходным материалом является древесная стружка.
На ФИГ.1A представлена система для конвертирования целлюлозного или лигноцеллюлозного исходного материала, древесных бревен в показанном примере, в пульпу, пригодную для использования в производстве бумаги. Система 100 включает подсистему 110 для подготовки исходного материала, подсистему 114 для предварительной обработки, подсистему 118 для основной переработки, и подсистему 122 для последующей переработки. В подсистему 110 для подготовки исходного материала подается исходный материал в сырой форме (например, бревна), и в ней исходный материал физически подготавливается для последующих процессов (например, уменьшение размера материала и начало гомогенизации материала). В представленном примере, это осуществляют путем удаления коры и рубки бревен. Исходные материалы со значительными целлюлозными и лигноцеллюлозными компонентами могут иметь высокую среднюю молекулярную массу и кристалличность, которые затруднять изготовление пульпы.
В подсистему 114 для обработки подается сырье (например, древесная стружка) из подсистемы 110 для подготовки сырья и в ней сырье подготавливается для использования в основных процессах производства, например, путем уменьшения средней молекулярной массы и кристалличности сырья, и изменения типа и степени функционализации сырья. Это осуществляют в представленном ниже примере, путем облучения относительно высокой дозой ионизирующего излучения, с последующим встроенным в линию процессом (акустической) обработки ультразвуком. Обработка ультразвуком подробно рассмотрена ниже. Конвейерная лента переносит сырье от подсистемы 110 для подготовки исходного материала в подсистему 114 для предварительной обработки.
Как показано на ФИГ.1B, в подсистеме 114 для предварительной обработки сырье облучается, например, с использованием излучателей 492 пучка электронов, смешивается с водой, образуя суспензию, и подвергается воздействию ультразвуковой энергии. Как рассмотрено выше, облучение сырья изменяет молекулярную структуру (например, снижает среднюю молекулярную массу и кристалличность) сырья. Смешение облученного сырья в суспензию и воздействие на суспензию ультразвуковой энергией далее изменяет молекулярную структуру сырья. Применение радиационного облучения и обработки ультразвуком последовательно может иметь синергические эффекты, поскольку комбинация способов может обеспечить более существенные изменения молекулярной структуры (например, снижение средней молекулярной массы и кристалличности), чем любой из способов может эффективно обеспечить самостоятельно. Без связи с теорией, в дополнение к уменьшению полимеризации сырья путем разрушения внутримолекулярных связей между сегментами целлюлозных и лигноцеллюлозных компонентов сырья, облучение может делать общую физическую структуру сырья более хрупкой. После смешивания хрупкого сырья в суспензию, применение ультразвуковой энергии дополнительно изменяет молекулярную структуру (например, снижает среднюю молекулярную массу и кристалличность), а также снижает размер частиц сырья.
Конвейерная лента 491, несущая сырье в подсистему для предварительной обработки, распределяет сырье на множество потоков исходного материала (например, пятьдесят потоков исходного материала), каждый из которых ведет к отдельным излучателям 492 пучка электронов. Предпочтительно, сырье облучают, когда оно находится в сухом состоянии. Например, сырье может иметь содержание влаги менее 25%, предпочтительно, менее 20%, менее 15% или менее 10%. Каждый поток исходного материала переносится на отдельной конвейерной ленте к присоединенному к ней излучателю пучка электронов. Каждая конвейерная лента для облучения исходного материала может иметь ширину приблизительно один метр. Перед достижением пучком электронов излучателя, в каждой конвейерной ленте может быть индуцирована локализованная вибрация для равномерного распределения сухого сырья вдоль поперечной ширины конвейерной ленты.
Излучатель 492 пучка электронов (например, устройства для облучения пучком электронов, коммерчески доступные от Titan Corporation, San Diego, CA), в одном примере, адаптирован для применения дозы электронов 100 кГр (килогрэй) с мощностью 300 кВт. Излучатели пучков электронов представляют собой устройства со сканирующим пучком с шириной сектора 1 метр, соответствующей ширине конвейерной ленты. В некоторых вариантах осуществления используют пучки электронов с большой фиксированной шириной пучка. Ряд факторов, включая ширину ленты/пучка, желаемую дозу, плотность сырья и используемую мощность, определяет количество излучателей пучка электронов, требуемых на установке для переработки 2000 тонн сухого сырья в сутки.
В некоторых вариантах осуществления в системе для предварительной обработки отсутствует обработка ультразвуком. В некоторых вариантах осуществления, в дополнение к обработке ультразвуком или вместо обработки ультразвуком, используют дополнительную механическую переработку, например, дополнительную рубку.
В некоторых случаях, продукт подсистемы 118 для первичной переработки является непосредственно пригодным в качестве пульпы, однако в других случаях он требует дополнительной переработки, осуществляемой подсистемой 122 для последующей переработки. Подсистема 122 для последующей переработки обеспечивает химическое образование пульпы из продукта системы для основной переработки (например, варки под давлением и расщепления, в показанном примере). Если бумага, которую изготавливают из пульпы, является отбеленной, например, если бумага представляет собой отбеленную печатную бумагу, проводят стадию отбеливания. Для пульпы, подлежащей использованию для неотбеленной бумаги, эта стадия может отсутствовать. В некоторых вариантах осуществления в подсистеме 122 для последующей переработки используются другие процессы образования пульпы, такие как термомеханическое образование пульпы, вместо химического образования пульпы. Как показано, в некоторых случаях, подсистема 122 для последующей переработки может производить обработанную воду для рециркуляции в качестве технической воды в других подсистемах, и/или она может производить сгораемые отходы, которые можно использовать в качестве топлива для котлов, генерирующих пар и/или электричество.
Облучение для увеличения молекулярной массы
Относительно низкие дозы ионизирующего излучения могут осуществлять поперечное сшивание, прививку или иное увеличение молекулярной массы углеводсодержащего материала, такого как целлюлозный или лигноцеллюлозный материал (например, целлюлоза). В некоторых вариантах осуществления, исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) бумажного продукта или исходного материала для бумажного продукта составляет от приблизительно 20000 до приблизительно 500000, например, от приблизительно 25000 до приблизительно 100000. Среднечисленная молекулярная масса после облучения превышает исходную среднечисленную молекулярную массу, например, по меньшей мере приблизительно на 10%, 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 300% или до 500%. Например, если исходная среднечисленная молекулярная масса находится в диапазоне от приблизительно 20000 до приблизительно 100000, среднечисленная молекулярная масса после облучения составляет, в некоторых случаях, от приблизительно 40000 до приблизительно 200000.
Новые способы можно использовать для благоприятного изменения свойств бумаги на основе целлюлозы путем применения радиационного излучения на одной или нескольких выбранных стадиях процесса производства бумаги. В некоторых случаях, облучение может повысить прочность и сопротивление разрыву бумаги, путем повышения прочности целлюлозных волокон, из которых изготовлена бумага. Кроме того, обработка целлюлозного материала радиационным излучением может стерилизовать материал, что может снизить тенденцию бумаги к стимулированию роста плесени, мучнистой росы или сходных с ними. Облучение, как правило, проводят контролируемым и предопределенным образом для обеспечения оптимальных свойств для конкретного применения, таких как прочность, путем выбора типа или типов используемого радиационного излучения и/или дозы или доз применяемого радиационного излучения.
Низкую дозу ионизирующего излучения можно применять для увеличения молекулярной массы, например, после образования пульпы и до объединения измельченных в пульпу волокон в полотно; к влажному волокнистому полотну; к бумажному полотну в процессе или после высушивания; или к высушенному бумажному полотну, например, до, в процессе или после последующих стадий переработки, таких как проклеивание, нанесение покрытия и каландрование. Как правило, предпочтительно, чтобы радиационное излучение применялось к полотну, когда оно имеет относительно низкое содержание влаги. В примере, показанном на ФИГ.2, облучение можно проводить в процессе высушивания и конечной обработки, например, между процессами проклеивания, высушивания, прессования и каландрования, или в ходе последующей переработки, например, в готовую бумагу в форме рулона, рулона с разрезами или листа.
Как отмечалось выше, в некоторых вариантах осуществления радиационное излучение применяют более чем в одной точке процесса производства. Например, ионизирующее излучение можно использовать в относительно высокой дозе для формирования или облегчения формирования пульпы, а затем позднее в относительно более низкой дозе для увеличения молекулярной массы волокон в бумаге. Как подробно описано ниже, радиационное излучение также можно применять к готовой бумаге так, чтобы благоприятно повлиять на функциональные группы, присутствующие в бумаге и/или на поверхности бумаги. Облучение в высокой дозе можно применять к готовой бумаге в выбранных областях бумажного полотна для создания областей локального ослабления, например, для обеспечения зон разрыва.
С практической точки зрения, при использовании существующей технологии, обычно наиболее желательным является встраивание стадии облучения в процесс производства бумаги либо после образования пульпы и перед подачей пульпы в бумагоделательную машину, либо после выхода полотна из бумагоделательной машины, как правило, после высушивания и проклеивания. Однако, как отмечалось выше, облучение можно проводить на любой необходимой стадии процесса.
При необходимости, в пульпу можно добавлять различные добавки для поперечного сшивания для усиления поперечного сшивания в ответ на облучение. Такие добавки включают материалы, которые сами являются поперечно-сшиваемыми, и материалы, которые способствуют поперечному сшиванию. Добавки для поперечного сшивания включают, но не ограничиваются ими, лигнин, крахмал, диакрилаты, дивиниловые соединения и полиэтилен. В некоторых вариантах осуществления, такие добавки включены в концентрации от приблизительно 0,25% до приблизительно 2,5%, например, от приблизительно 0,5% до приблизительно 1,0%.
Облучение для влияния на функциональные группы материала
После обработки одним или несколькими типами ионизирующего излучения, такими как фотонное излучение (например, рентгеновские лучи и гамма-лучи), облучение пучком электронов или частиц, тяжелее электронов, которые положительно или отрицательно заряжены (например, протоны или ионы углерода), любые из углеводсодержащих материалов или смесей, описанных в настоящем документе, становятся ионизированными; т.е., они включают радикалы на уровнях, которые поддаются детекции с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. После ионизации, любой материал, который является ионизированным, можно гасить для снижения уровня радикалов в ионизированном материале, например, так, чтобы радикалы более не поддавались детекции с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Например, радикалы можно гасить, прикладывая достаточное давление на ионизированный материал и/или контактирования ионизированного материала с текучей средой, такой как газ или жидкость, которая реагирует (гасит) с радикалами. Различные газы, например, азот или кислород, или жидкости можно использовать по меньшей мере для способствования гашению радикалов и функционализации ионизированного материала желаемыми функциональными группами. Таким образом, облучение с последующим гашением можно использовать для получения пульпы или бумаги с желаемыми функциональными группами, включая, например, одну или несколько из следующих: альдегидные группы, енольные группы, нитрозогруппы, нитрильные группы, нитрогруппы, группы кетонов, аминогруппы, алкиламиногруппы, алкильные группы, хлоралкильные группы, хлорфторалкильные группы и/или группы карбоновых кислот. Эти группы повышают гидрофильность области материала, где они присутствуют. В некоторых вариантах осуществления, бумажное полотно облучают и гасят до или после стадий переработки, таких как нанесение покрытия и каландрования, для влияния на функциональность внутри и/или на поверхности бумаги и, тем самым, влияния на восприимчивость к чернилам и другие свойства бумаги. В некоторых вариантах осуществления, бумажное сырье облучают относительно высокой дозой ионизирующего излучения для облегчения образования пульпы, а затем гасят для повышения стабильности ионизированного материала в пульпе.
На ФИГ.3 проиллюстрировано изменение молекулярной и/или надмолекулярной структуры волокнистого материала, такого как бумажное сырье, исходный материал для бумаги (например, влажное бумажное полотно) или бумага, путем предварительной обработки волокнистого материала ионизирующим излучением, таким как электроны или ионы с энергией, достаточной для ионизации сырья, для обеспечения первого уровня радикалов. Как показано на ФИГ.3, если ионизированный материал остается в атмосфере, он окисляется, например, до такой степени, что образуются группы карбоновых кислот путем реакции с атмосферным кислородом. В некоторых случаях для некоторых материалов, такое окисление является желательным, поскольку оно может способствовать дальнейшему снижению молекулярной массы углеводсодержащего материала (например, если облучение используют для облегчения образования пульпы). Однако поскольку радикалы могут "жить" в течение некоторого времени после облучения, например, более 1 суток, 5 суток, 30 суток, 3 месяцев, 6 месяцев или даже более 1 года, свойства материала могут продолжать меняться с течением времени, что, в некоторых случаях, может быть нежелательным.
Детекция радикалов в облученных образцах с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и время жизни радикалов в таких образцах рассмотрены в Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 и in Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999). Как представлено на ФИГ.3, ионизированный материал можно гасить для функционализации и/или стабилизации ионизированного материала.
В некоторых вариантах осуществления, гашение включает прикладывание давления к ионизированному материалу, например, путем механической деформации материала, например, прямым механическим сжатием материала в одном, двух или трех измерениях, или прикладывая давление к текучей среде, в которую материал погружен, например, изостатическое прессование. В случаях бумаги, которая является ионизированной, давление можно прикладывать, например, пропуская бумагу через зазор. В таких случаях, деформация материала сама по себе дает радикалы, которые часто захватываются в кристаллические домены, достаточно близко для того, чтобы радикалы могли рекомбинировать или реагировать с другой группой. В некоторых случаях, давление применяют вместе с применением нагревания, такого как количество тепла, достаточное для повышения температуры материала до уровня выше температуры плавления или до температуры размягчения компонента ионизированного материала, такого как лигнин, целлюлоза или гемицеллюлоза. Нагревание может увеличить подвижность молекул в материале, что может способствовать гашению радикалов. Когда для гашения используют давление, давление может превышать 1000 фунт/кв. дюйм (6,9 МПа), например, превышать приблизительно 1250 фунт/кв. дюйм (8,6 МПа), 1450 фунт/кв. дюйм (10 МПа), 3625 фунт/кв. дюйм (25,2 МПа), 5075 фунт/кв. дюйм (35 МПа), 7250 фунт/кв. дюйм (50 МПа), 10000 фунт/кв. дюйм (69 МПа) или даже более 15000 фунт/кв. дюйм (103,4 МПа).
В некоторых вариантах осуществления, гашение включает контактирование ионизированного материала с текучей средой, такой как жидкость или газ, например, газ, способный реагировать с радикалами, такой как ацетилен или смесь ацетилена в азоте, этилен, хлорированные этилены или хлорфторэтилены, пропилен или смеси этих газов. В других конкретных вариантах осуществления, гашение включает контактирование ионизированного материала с жидкостью, например, с жидкостью, растворимой в ионизированном материале, или по меньшей мере способной проникать в ионизированный материал и реагировать с радикалами, такими как диен, например 1,5-циклооктадиен. В некоторых конкретных вариантах осуществления, гашение включает контактирование ионизированного материала с антиоксидантом, таким как витамин E. При необходимости, материал может включать антиоксидант, диспергированный в нем, и гашение может происходить вследствие контактирования антиоксиданта, диспергированного в материале, с радикалами.
Возможны другие способы гашения. Например, для гашения любого ионизированного материала, описанного в настоящем документе, можно использовать любой способ гашения радикалов в полимерных материалах, описанный в публикации патентной заявки US № 2008/0067724, Muratoglu et al., и в патенте US № 7166650, Muratoglu et al., описания которых включены в настоящий документ в качестве ссылок в полном объеме. Более того, для гашения любого ионизированного материала можно использовать любой агент для гашения (описанный в качестве "сенсибилизирующего агента" в указанных выше описаниях Muratoglu) и/или любой антиоксидант, описанный в любой из ссылок Muratoglu.
Функционализацию можно усилить с использованием тяжелых заряженных ионов, таких как любые из более тяжелых ионов, описанных в настоящем документе. Например, при необходимости усилить окисление, для облучения можно использовать заряженные ионы кислорода. Если являются желательными функциональные группы азота, можно использовать ионы азота или любой ион, который включает азот. Аналогично, если являются желательными группы серы или фосфора, при облучении можно использовать ионы серы или фосфора.
В некоторых вариантах осуществления, после гашения любой из гашеных ионизированных материалов, описанных в настоящем документе, можно далее обрабатывать одним или несколькими из радиационного облучения, такого как ионизирующее или неионизирующее излучение, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления для дополнительного изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры.
В некоторых вариантах осуществления, перед гашением волокнистый материал облучают в атмосфере инертного газа, например, гелия или аргона.
Расположение функциональных групп можно контролировать, например, путем выбора конкретного типа и дозы ионизирующих частиц. Например, гамма-излучение имеет тенденцию к влиянию на функциональность молекул в бумаге, в то время как облучение пучком электронов имеет тенденцию к тому, чтобы предпочтительно влиять на функциональность молекул на поверхности.
В некоторых случаях, функционализацию материала можно проводить одновременно с облучением, а не в качестве отдельной стадии гашения. В этом случае, на тип функциональных групп и степень окисления можно влиять различными путями, например, контролируя окружение газом материала, подлежащего облучению, через который проходит облучающий пучок. Пригодные газы включают азот, кислород, воздух, озон, диоксид азота, диоксид серы и хлор.
В некоторых вариантах осуществления, функционализация приводит к образованию в волокнистом материале енольных групп. Когда волокнистый материал представляет собой бумагу, это может усилить восприимчивость бумаги к чернилам, клеям, покрытиям и т.п., и может обеспечить участки прививки. Енольные группы могут способствовать снижению молекулярной массы, особенно в присутствии добавленного основания или кислоты. Таким образом, присутствие таких групп может способствовать образованию пульпы. Как правило, в готовом бумажном продукте значение pH является достаточно близким к нейтральному, так что группы не приводят к неблагоприятному снижению молекулярной массы.
Облучение пучком частиц в текучих средах
В некоторых случаях, целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы можно подвергать облучению пучком частиц в присутствии одной или нескольких дополнительных текучих сред (например, газов и/или жидкостей). Воздействие на материал пучка частиц в присутствии одной или нескольких дополнительных текучих сред может повысить эффективность обработки.
В некоторых вариантах осуществления, материал подвергается облучению пучком частиц в присутствии текучей среды, такой как воздух. Частицы, ускоренные в одном или нескольких типах ускорителей, описанных в настоящем документе (или в ускорителе другого типа), выходят из ускорителя через выходное отверстие (например, тонкую мембрану, такую как металлическая фольга), проходят через объем пространства, занимаемого текучей средой, а затем падают на материал. В дополнение к прямой обработке материала, некоторые из частиц образуют дополнительные химические частицы путем взаимодействия с частицами текучей среды (например, ионы и/или радикалы, генерируемые различными составляющими воздуха, такими как озон и оксиды азота). Эти образовавшиеся химические частицы также могут реагировать с материалом, и могут действовать в качестве инициаторов различных реакций разрушения химических связей в материале. Например, любой образовавшийся окислитель может окислять материал, что может приводить к уменьшению молекулярной массы.
В некоторых вариантах осуществления, на путь пучка частиц до попадания пучка на материал можно селективно подавать дополнительные текучие среды. Как рассмотрено выше, реакции между частицами пучка и частицами поданных текучих сред могут образовывать дополнительные химические частицы, которые реагируют с материалом и могут способствовать функционализации материала, и/или в ином случае селективно изменять определенные свойства материала. Одну или несколько дополнительных текучих сред можно направлять на путь пучка, например, из подводящей трубы. Направление и скорость потока текучей среды(сред), которую подают, можно выбирать в соответствии с желаемой мощностью и/или направлением облучения для контроля эффективности обработки в целом, включая как эффекты, которые являются следствием обработки частицами, так и эффекты, которые являются следствием взаимодействия динамически образовавшихся частиц из поданной текучей среды с материалом. В дополнение к воздуху, иллюстративные текучие среды, которые можно подавать в пучок ионов, включают кислород, азот, один или несколько благородных газов, один или несколько галогенов и водород.
Охлаждение облученных материалов
В процессе обработки материалов, рассмотренных выше, ионизирующим излучением, особенно при высоких уровнях доз, таких как уровни более 0,15 Мрад в секунду, например, 0,25 Мрад/c, 0,35 Мрад/c, 0,5 Мрад/с, 0,75 Мрад/c или даже более 1 Мрад/с, материалы могут сохранять значительные количества тепла, так что температура материалов повышается. В то время как, в некоторых вариантах осуществления, повышенные температуры могут быть преимущественными, например, когда является желаемой более высокая скорость реакции, является преимущественным контроль нагревания для сохранения контроля над химическими реакциями, инициируемыми ионизирующим излучением, такими как поперечное сшивание, разделение цепей и/или привитая сополимеризация, например, для сохранения управления процессом.
Например, в одном способе материал облучают при первой температуре ионизирующим излучением, таким как фотоны, электроны или ионы (например, однозарядные или многозарядные катионы или анионы), в течение достаточного времени и/или при достаточной дозе для повышения температуры материала до второй температуры, превышающей первую температуру. Затем облученный материал охлаждают до третьей температуры ниже второй температуры. При необходимости, охлажденный материал можно обрабатывать один или несколько раз радиационным излучением, например, ионизирующим излучением. При необходимости, после и/или в процессе каждой обработки радиационным облучением материал можно охлаждать.
Охлаждение в некоторых случаях может включать контактирование материала с текучей средой, такой как газ, при температуре ниже первой или второй температуры, такой как газообразный азот при приблизительно 77 K (-196°С). В некоторых вариантах осуществления, можно использовать даже воду, такую как вода при температуре ниже номинальной комнатной температуры (например, 25 градусов Цельсия).
Типы радиационного излучения
Радиационное облучение можно осуществлять с помощью 1) тяжелых заряженных частиц, таких как альфа-частицы или протоны, 2) электронов, образованных, например, при бета-распаде или в ускорителях электронных пучков, или 3) электромагнитного радиационного излучения, например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. Различные формы радиационного излучения ионизируют целлюлозный или лигноцеллюлозный материал через конкретные взаимодействия, определяемые энергией радиационного излучения.
Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют вещество через кулоновское рассеяние; более того, эти взаимодействия генерируют энергетические электроны, которые могут далее ионизировать вещество. Альфа-частицы идентичны ядру атома гелия и образуются путем альфа-распада различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, нескольких актиноидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.
Электроны взаимодействуют путем кулоновского рассеяния и торможения радиационного излучения, вызываемого изменениями скорости электронов. Электроны могут генерироваться радиоактивными ядрами, которые претерпевают бета-распад, такими как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно, в качестве источника электронов можно использовать электронную пушку с использованием термоионной эмиссии.
Электромагнитное радиационное излучение воздействует через три процесса: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование пар. Преобладающее воздействие определяется энергией падающего радиационного излучения и атомного числа материала. Сумма взаимодействий, приводящих к поглощению радиационного излучения в целлюлозном материале, может быть выражена с помощью массового коэффициента поглощения.
Электромагнитное излучение подразделяют на гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволны или радиоволны, в зависимости от длины волны.
60
Например, для облучения материалов можно использовать гамма-излучение. Как показано на ФИГ.4 и 5 (увеличенный вид области R), гамма-излучатель 10 включает источники 408 гамма-излучения, например, таблетки Co, рабочий стол 14 для содержания материалов, подлежащих облучению, и накопитель 16, например, изготовленный из множества железных пластин, все из которых находятся в камере 20 с бетонной защитой (хранилище), которая включает вход 22 в виде лабиринта позади освинцованной двери 26. Накопитель 16 включает множество каналов 30, например, шестнадцать или более каналов, позволяющих источникам гамма-излучения проходить на своем пути через накопитель вблизи рабочего стола.
В процессе работы, образец, подлежащий облучению, помещают на рабочий стол. Облучатель адаптирован для того, чтобы доставлять желаемый уровень дозы, и чтобы с экспериментальным блоком 31 было соединено управляющее оборудование. Затем оператор покидает защитную камеру, проходя через вход в виде лабиринта и через освинцованную дверь. Оператор занимает контрольную панель 32, инструктируя компьютер 33 к приведению источников 12 радиационного излучения в рабочее положение с использованием цилиндра 36, присоединенного к гидравлическому насосу 40.
Гамма-излучение имеет преимущество значительной глубины проникновения в различные материалы образца. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, талия и ксенона.
Источники рентгеновских лучей включают столкновение электронного пучка с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или компактные источники света, такие как источники света, коммерчески производимые Lyncean Technologies, Inc., of Palo Alto, CA.
Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы.
Источники инфракрасного радиационного излучения включают керамические лампы с окном из сапфира, цинка или селенидов.
Источники микроволн включают клистроны, источники Slevin RF-типа, или источники атомных пучков, в которых используется газообразный водород, кислород или азот.
В некоторых вариантах осуществления, в качестве источника радиационного излучения используют пучок электронов. Пучок электронов имеет преимущество высоких уровней доз (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительности, меньшей защитной изоляции и меньшего количества изолирующего оборудования. Кроме того, электроны, имеющие энергию 4-10 МэВ, могут иметь глубину проникновения от 5 до 30 мм или более, например, 40 мм.
Электронные пучки можно генерировать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. Электроны могут быть пригодны в качестве источника ионизирующего излучения, например, для относительно тонких стоп материалов, например, менее чем приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см), например, менее чем 0,4 дюйма (1,02 см), 0,3 дюйма (0,76 см), 0,2 дюйма (0,51 см) или менее чем 0,1 дюйма (0,25). В некоторых вариантах осуществления, энергия каждого электрона в электронном пучке составляет от приблизительно 0,25 МэВ до приблизительно 7,5 МэВ (мегаэлектронвольт), например, от приблизительно 0,5 МэВ до приблизительно 5 МэВ, или от приблизительно 0,7 МэВ до приблизительно 2 МэВ. Устройства для облучения пучком электронов могут быть коммерчески приобретены от Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Бельгия, или the Titan Corporation, Сан-Диего, CA. Типичная энергия электронов может составлять 1, 2, 4,5, 7,5 или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для облучения пучком электронов может составлять 1, 5, 10, 20, 50, 100, 250 или 500 кВт. Эффективность деполимеризации суспензии сырья зависит от используемой энергии электронов и применяемой дозы, в то время как время воздействия зависит от мощности и дозы. Типичные дозы могут иметь значения 1, 5, 10, 20, 50, 100 или 200 кГр.
При выборе оптимальных характеристик мощности устройства для облучения пучком электронов учитываются затраты на работу, капитальные затраты, амортизационные затраты и зона размещения устройства. При выборе оптимальных уровней экспозиционной дозы облучения пучком электронов учитываются расход энергии и вопросы экологии, безопасности и здоровья (ESH). Как правило, генераторы содержат в хранилище, например, из свинца или бетона.
Устройство для облучения пучком электронов может генерировать либо фиксированный луч, либо сканирующий луч. Преимущественным может быть сканирующий луч с большой длиной развертки сканирования и высокими скоростями сканирования, поскольку это может эффективно заменить большую ширину фиксированного луча. Кроме того, доступна длина развертки 0,5 м, 1 м, 2 м или более.
2
3
4
5
6
7
4
7
5
6
16
17
18
19
20
21
18
22
19
21
В вариантах осуществления, в которых облучение проводят с помощью электромагнитного излучения, электромагнитное излучение может иметь, например, энергию на фотон (в электроновольтах) более 10 эВ, например, более 10, 10, 10, 10 или даже более 10 эВ. В некоторых вариантах осуществления, электромагнитное излучение имеет энергию на фотон между 10 и 10, например, между 10 и 10 эВ. Электромагнитное излучение может иметь частоту, например, более 10 Гц, более 10 Гц, 10, 10, 10 или даже более 10 Гц. В некоторых вариантах осуществления, электромагнитное излучение имеет частоту между 10 и 10 Гц, например, между 10 и 10 Гц.
Одним из типов ускорителей, которые можно использовать для ускорения ионов, продуцируемых с использованием источников ионов, рассмотренных выше, является Dynamitron (доступный, например, от Radiation Dynamics Inc., в настоящее время являющийся элементом IBA, Louvain-la-Neuve, Бельгия). Схема ускорителя Dynamitron 1500 представлена на ФИГ.6. Ускоритель 1500 включает инжектор 1510 (который включает источник ионов) и ускоряющую колонну 1520, которая включает множество кольцевых электродов 1530. Инжектор 1510 и колонна 1520 содержатся в корпусе 1540, который вакуумируется вакуумным насосом 1600.
Инжектор 1510 генерирует пучок ионов 1580 и подает пучок 1580 в ускоряющую колонну 1520. Кольцевые электроды 1530 поддерживаются при различных электрических потенциалах, так что ионы ускоряются по мере того, как они проходят через зазоры между электродами (например, ионы ускоряются в зазорах, но не в электродах, где электрические потенциалы являются единообразными). По мере прохождения ионов с верхней части колонны 1520 в направлении нижней части колонны, представленной на ФИГ.6, средняя скорость ионов возрастает. Расстояние между последующими кольцевыми электродами 1530, как правило, возрастает, таким образом, обеспечивая более высокую среднюю скорость ионов.
После пересечения ускоренными ионами длины колонны 1520, ускоренный пучок 1590 ионов выходит из корпуса 1540 через направляющую трубу 1555. Длину направляющей трубы 1555 выбирают так, чтобы обеспечить помещение надлежащего экранирования (например, экранирования бетоном) рядом с колонной 1520, изолируя колонну. После прохождения через трубу 1555, пучок 1590 ионов проходит через сканирующий магнит 1550. Сканирующий магнит 1550, который контролируется внешним логическим устройством (не показано), может направлять ускоренный пучок 1590 ионов контролируемым образом через двухмерную плоскость, ориентированную перпендикулярно центральной оси колонны 1520. Как показано на ФИГ.6, пучок 1590 ионов проходит через окно 1560 (например, окно с металлической фольгой или экран), а затем он направляется на столкновение с выбранными областями образца 1570 сканирующим магнитом 1550.
В некоторых вариантах осуществления, электрические потенциалы, применяемые к электродам 1530, представляют собой статические потенциалы, сгенерированные, например, DC-источниками напряжения. В некоторых вариантах осуществления, некоторые или все из электрических потенциалов, прикладываемых к электродам 1530, представляют собой переменные потенциалы, генерируемые источниками переменного напряжения. Пригодные переменные источники больших электрических потенциалов включают источники усиленного поля, например, такие как клистроны. Таким образом, в зависимости от природы потенциалов, прикладываемых к электродам 1530, ускоритель 1500 может действовать либо в импульсном, либо в непрерывном режиме.
2+
+
3+
4+
Для достижения выбранной энергии ионов на выходе из колонны 1520, длину колонны 1520 и потенциалы, прикладываемые к электродам 1530, выбирают, исходя из факторов, хорошо известных в данной области. Однако следует отметить, что для уменьшения длины колонны 1520 можно использовать многозарядные ионы вместо однозарядных ионов. Таким образом, ускоряющий эффект выбранной разности электрических потенциалов между двумя электродами является более высоким для иона, несущего заряд величиной 2 или более, чем для иона, несущего заряд величиной 1. Таким образом, произвольный ион X можно ускорять до конечной энергии E на протяжении более короткой длины, чем соответствующий произвольный ион X. Ионы с тройным или четверным зарядом (например, X и X) можно ускорять до конечной энергии E на еще более коротких расстояниях. Таким образом, длина колонны 1520 может быть значительно уменьшена, когда пучок 1580 ионов включает, главным образом, многозарядные типы ионов.
Для ускорения положительно заряженных ионов, разности потенциалов между электродами 1530 колонны 1520 выбирают так, чтобы направление повышения силы поля на ФИГ.6 было нисходящим (например, в направлении нижней части колонны 1520). Напротив, когда ускоритель 1500 используют для ускорения отрицательно заряженных ионов, разность электрических потенциалов между электродами 1530 является обратной в колонне 1520, и направление возрастания силы поля на ФИГ.6 является восходящим (например, в направлении верхней части колонны 1520). Изменение конфигурации электрических потенциалов, прикладываемых к электродам 1530, является несложным, так что ускоритель 1500 можно преобразовывать относительно быстро с ускорения положительных ионов на ускорение отрицательных ионов, или наоборот. Аналогично, ускоритель 1500 можно быстро конвертировать с ускорения однозарядных ионов на ускорение многозарядных ионов, и наоборот.
Дозы
В некоторых вариантах осуществления, облучение высокой дозой для снижения молекулярной массы (с любым источником радиационного излучения или комбинацией источников) проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере 2,5 Мрад, например, по меньшей мере 5, 7,5, 10,0, 100 или 500 Мрад. В некоторых вариантах осуществления, облучение проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере между 3,0 Мрад и 100 Мрад, например, между 10 Мрад и 100 Мрад или между 25 Мрад и 75 Мрад. Если используют гамма-излучение, доза, как правило, является более близкой к верхнему пределу этих диапазонов, а если используют облучение пучком электронов, доза, в некоторых вариантах осуществления, может быть более близкой к нижнему пределу. Уровни дозы также могут быть более близкими к нижнему пределу для некоторых целлюлозных материалов, которые уже имеют относительно низкую молекулярную массу, например, для утилизированной макулатуры.
В некоторых вариантах осуществления, облучение низкой дозой для увеличения молекулярной массы (с любым источником радиационного излучения или комбинацией источников) проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере 0,05 Мрад, например, по меньшей мере 0,1, 0,25, 1,0, 2,5, или 5,0 Мрад. В некоторых вариантах осуществления, облучение проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере между 1,0 Мрад и 2,5 Мрад. Другие пригодные диапазоны включают между 0,25 Мрад и 4 Мрад, например, между 0,5 Мрад и 3 Мрад, и между приблизительно 1,0 Мрад и приблизительно 2,5 Мрад.
Дозы, рассмотренные выше, как высокие, так и низкие, также пригодны для функционализации материала, причем степень функционализации, как правило, является более высокой при более высокой дозе.
В некоторых вариантах осуществления, облучение проводят при уровне дозы между 5,0 и 1500,0 килорад/час, например, между 10,0 и 750,0 килорад/час или между 50,0 и 350,0 килорад/час. Когда является желательным высокий выход, например, при высокоскоростном процессе производства бумаги, облучение можно применять, например, при от 0,5 до 3,0 Мрад/с или даже быстрее, с использованием охлаждения для того, чтобы избежать перегревания облученного материала.
В некоторых вариантах осуществления, в которых облучают бумагу, покрытие бумаги включает смолу, которая является поддающейся поперечному сшиванию, например, диакрилат или полиэтилен. По существу, смола подвергается поперечному сшиванию при облучении углеводсодержащего материала для увеличения его молекулярной массы, что может обеспечить синергический эффект в отношении оптимизации сопротивления истиранию и других свойств поверхности бумаги. В этих вариантах осуществления, дозу облучения выбирают так, чтобы она была достаточно высокой, чтобы повысить молекулярную массу целлюлозных волокон, т.е., по меньшей мере от приблизительно 0,25 до приблизительно 2,5 Мрад, в зависимости от материала, и чтобы одновременно она была достаточно низкой, чтобы избежать неблагоприятного воздействия на покрытие бумаги. Верхний предел дозы может варьировать, в зависимости от состава покрытия, однако в некоторых вариантах осуществления предпочтительная доза составляет менее чем приблизительно 5 Мрад.
В некоторых вариантах осуществления используют два или более источников радиационного излучения, таких как два или более источников ионизирующего излучения. Например, образцы можно обрабатывать, в любом порядке, пучком электронов, а затем гамма-излучением и УФ-излучением, имеющим длину волны от приблизительно 100 нм до приблизительно 280 нм. В некоторых вариантах осуществления, образцы обрабатывают тремя источниками ионизирующего излучения, такими как пучок электронов, гамма-излучение и энергетическое УФ-излучение.
Звуковая энергия
Радиационное облучение можно использовать в комбинации с акустической энергией, например, звуковой или ультразвуковой энергией, для повышения выхода материала и/или улучшения его характеристик, и/или для минимизации расхода энергии. Например, акустическую энергию можно использовать в комбинации с облучением высокой дозой для усиления процесса образования пульпы.
Вновь ссылаясь на ФИГ.1A, в системе 114 для предварительной обработки, исходный материал, который используют для образования пульпы, например, древесную стружку, можно подвергать встроенной стадии обработки ультразвуком с использованием акустической энергии.
На ФИГ.7 представлена общая система, в которой поток 1210 целлюлозного материала (например, сырье для получения пульпы) смешивается с потоком 1212 воды в емкости 1214 с образованием технологического потока 1216. Первый насос 1218 выводит технологический поток 1216 из емкости 1214 в направлении проточной ячейки 1224. Ультразвуковой преобразователь 1226 передает ультразвуковую энергию технологическому потоку 1216 по мере того, как технологический поток проходит через проточную ячейку 1224. Второй насос 1230 выводит технологический поток 1216 из проточной ячейки 1224 в направлении последующей переработки.
Емкость 1214 включает первый приемник 1232 и второй приемник 1234, в сообщении по текучей среде с объемом 1236. Конвейер (не показан) доставляет поток 1210 целлюлозного материала в емкость 1214 через первый приемник 1232. Поток 1212 воды попадает в емкость 1214 через второй приемник 1234. В некоторых вариантах осуществления, поток 1212 воды попадает в объем 1236 по касательной линии, что обеспечивает завихряющийся поток в объеме 1236. В некоторых вариантах осуществления, поток 1210 целлюлозного материала и поток 1212 воды может подаваться в объем 1236 вдоль противоположных осей для усиления перемешивания в объеме.
3
3
Клапан 1238 контролирует течение потока 1212 воды через второй приемник 1232 для получения желаемого соотношения целлюлозного материала и воды (например, приблизительно 10% целлюлозного материала, масса к объему). Например, 2000 тонн/сутки целлюлозного материала можно комбинировать с от 1 миллиона до 1,5 миллионов галлонов/сутки (от 3800 до 5700 м/сутки), например, 1,25 миллионов галлонов/сутки (4700 м/сутки), воды.
3
3
Перемешивание целлюлозного материала и воды в емкости 1214 контролируется размером объема 1236 и скоростями потока целлюлозного материала и воды в объем. В некоторых вариантах осуществления, объем 1236 имеет размер, обеспечивающий минимальное время нахождения целлюлозного материала и воды при перемешивании. Например, когда через емкость 1214 протекает 2000 тонн/сутки целлюлозного материала и 1,25 миллионов галлонов/сутки (4700 м/сутки) воды, объем 1236 может составлять приблизительно 32000 галлонов (120 м) для достижения минимального времени нахождения при перемешивании, составляющего приблизительно 15 минут.
Емкость 1214 включает смеситель 1240 в сообщении по текучей среде с объемом 1236. Смеситель 1240 перемешивает содержимое объема 1236, полностью диспергируя целлюлозный материал в воде объема. Например, смеситель 1240 может представлять собой вращающуюся лопасть, расположенную в емкости 1214. В некоторых вариантах осуществления, смеситель 1240 диспергирует целлюлозный материал в воде по существу гомогенно.
Кроме того, емкость 1214 включает выход 1242 в сообщении по текучей среде с объемом 1236 и технологическим потоком 1216. Смесь целлюлозного материала и воды в объеме 1236 вытекает из емкости 1214 через выход 1242. Выход 1242 расположен вблизи дна емкости 1214 для обеспечения выталкивания под действием силы тяжести смеси целлюлозного материала и воды из емкости 1214 в технологический поток 1216.
Первый насос 1218 (например, любой из нескольких насосов с вихревым рабочим колесом, изготовленных Essco Pumps & Controls, Los Angeles, California) перемещает содержимое технологического потока 1216 в направлении проточной ячейки 1224. В некоторых вариантах осуществления, первый насос 1218 встряхивает содержимое технологического потока 1216, так чтобы смесь целлюлозного материала и воды была по существу гомогенной на входе 1220 в проточную ячейку 1224. Например, первый насос 1218 перемешивает технологический поток 1216, создавая турбулентный поток вдоль технологического потока между первым насосом и входом 1220 проточной ячейки 1224.
Проточная ячейка 1224 включает реакторный объем 1244 в сообщении по текучей среде со входом 1220 и выходом 1222. В некоторых вариантах осуществления, объем реактора 1244 представляет собой трубу из нержавеющей стали, способную выдерживать повышенные давления (например, 10 бар). Дополнительно или альтернативно, объем реактора 1244 имеет прямоугольное поперечное сечение.
Кроме того, проточная ячейка 1224 включает теплообменник 1246 в тепловом контакте по меньшей мере с частью объема реактора 1244. Охлаждающая текучая среда 1248 (например, вода) вливается в теплообменник 1246 и поглощает тепло, генерируемое во время обработки технологического потока 1216 ультразвуком в объеме реактора 1244. В некоторых вариантах осуществления, скорость потока и/или температура охлаждающей текучей среды 1248 в теплообменнике 1246 контролируются для поддержания приблизительно постоянной температуры в объеме реактора 1244. В некоторых вариантах осуществления, температура объема реактора 1244 поддерживается при 20-50°C, например, 25, 30, 35, 40 или 45°C. Дополнительно или альтернативно, в других частях всего процесса может быть использовано тепло, перенесенное на охлаждающую текучую среду 1248 из объема реактора 1244.
Переходный отсек 1226 обеспечивает сообщение по текучей среде между объемом реактора 1244 и бустером 1250, соединенным (например, механически соединенным с использованием фланца) с ультразвуковым преобразователем 1226. Например, переходный отсек 1226 может включать фланец и систему уплотнительных колец, расположенных так, чтобы создавать вакуум-плотное соединение между объемом реактора 1244 и бустером 1250. В некоторых вариантах осуществления, ультразвуковой преобразователь 1226 представляет собой высокомощный ультразвуковой преобразователь, изготовленный Hielscher Ultrasonics of Teltow, Германия.
В рабочем состоянии, генератор 1252 доставляет электричество к ультразвуковому преобразователю 1252. Ультразвуковой преобразователь 1226 включает пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрическую энергию в звук в ультразвуковом диапазоне. В некоторых вариантах осуществления, материалы обрабатывают ультразвуком с использованием звука, имеющего частоту от приблизительно 16 кГц до приблизительно 110 кГц, например, от приблизительно 18 кГц до приблизительно 75 кГц или от приблизительно 20 кГц до приблизительно 40 кГц (например, звука, имеющего частоту от 20 кГц до 40 кГц). Ультразвуковая энергия доставляется в рабочую среду через бустер 1248. Ультразвуковая энергия, проходящая через бустер 1248 в объеме реактора 1244, создает серию сжатий и разрежений технологического потока 1216 с интенсивностью, достаточной для обеспечения кавитации технологического потока 1216. Кавитация дезагрегирует целлюлозный материал, диспергированный в технологическом потоке 1216. Кавитация также приводит к созданию свободных радикалов в воде технологического потока 1216. Эти свободные радикалы действуют, далее разрушая целлюлозный материал в технологическом потоке 1216.
3
3
3
Как правило, на технологический поток 16, текущий со скоростью приблизительно 0,2 м/с (приблизительно 3200 галлонов/мин), воздействуют ультразвуковой энергией, составляющей от 5 до 4000 МДж/м, например, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 2000 или 3000 МДж/м. После воздействия ультразвуковой энергии в объеме реактора 1244, технологический поток 1216 покидает проточную ячейку 1224 через выходной канал 1222. Второй насос 1230 перемещает технологический поток 1216 на последующую переработку (например, любой из нескольких насосов с вихревым рабочим колесом, изготовленных Essco Pumps & Controls, Los Angeles, California).
Несмотря на то, что были описаны некоторые варианты осуществления, возможны другие варианты осуществления.
В качестве примера, хотя технологический поток 1216 был описан в качестве единого пути течения, возможны другие схемы. Например, в некоторых вариантах осуществления технологический поток 1216 включает множество параллельных путей течения (например, с течением со скоростью 10 галлонов/мин (38 л/мин)). Дополнительно или альтернативно, множество параллельных путей течения технологического потока 1216 протекают в отдельных проточных ячейках и обрабатываются ультразвуком параллельно (например, с использованием множества ультразвуковых преобразователей по 16 кВт).
В качестве другого примера, хотя один ультразвуковой преобразователь 1226 был описан как соединенный с проточной ячейкой 1224, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления, в проточной ячейке 1224 расположено множество ультразвуковых преобразователей 1226 (например, в проточной ячейке 1224 может быть расположено десять ультразвуковых преобразователей). В некоторых вариантах осуществления, звуковые волны, сгенерированные множеством ультразвуковых преобразователей 1226 отрегулированы по времени (например, синхронизированы, чтобы они находились в разных фазах друг с другом) для усиления кавитационного действия на технологический поток 1216.
В качестве другого примера, хотя была описана единичная проточная ячейка 1224, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления, второй насос 1230 перемещает технологический поток во вторую проточную ячейку, где второй бустер и ультразвуковой преобразователь далее обрабатывают ультразвуком технологический поток 1216.
В качестве другого примера, хотя объем реактора 1244 был описан как закрытый объем, в некоторых вариантах осуществления объем реактора 1244 является открытым для окружающих условий. В таких вариантах осуществления, предварительную обработку ультразвуком можно проводить по существу одновременно с другими способами предварительной обработки. Например, ультразвуковую энергию можно подводить к технологическому потоку 1216 в объеме реактора 1244 одновременно с подачей в технологический поток 1216 электронных пучков.
2
2
2
2
2
2
В качестве другого примера, хотя описан поточный способ, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления, обработку ультразвуком можно проводить в циклическом способе. Например, объем можно заполнять 10% (масса по объему) смесью целлюлозного материала в воде и подвергать воздействию звука с интенсивностью от приблизительно 50 Вт/см до приблизительно 600 Вт/см, например, от приблизительно 75 Вт/см до приблизительно 300 Вт/см или от приблизительно 95 Вт/см до приблизительно 200 Вт/см. Дополнительно или альтернативно, смесь в объеме можно обрабатывать ультразвуком в течение от приблизительно 1 часа до приблизительно 24 часов, например, от приблизительно 1,5 часов до приблизительно 12 часов, или от приблизительно 2 часов до приблизительно 10 часов. В некоторых вариантах осуществления, материал обрабатывают ультразвуком в течение заданного периода времени, а затем позволяют стоять в течение второго заданного периода времени перед повторной обработкой ультразвуком.
Далее как показано на ФИГ.8, в некоторых вариантах осуществления, два электроакустических преобразователя механически соединены с одним рупором. Как показано, пара пьезоэлектрических преобразователей 60 и 62 присоединена к щелевому прямоугольному рупору 64 соответствующими промежуточными соединительными рупорами 70 и 72, последние из которых также известны как вспомогательные рупоры. Механическая вибрация, обеспечиваемая преобразователями, отвечающими на высокочастотную электрическую энергию, воздействующую на них, передается соответствующим соединительным рупорам, которые могут быть сконструированы так, чтобы обеспечивать механическое усиление, например, с соотношением от 1 до 1,2. Рупоры представлены с соответствующими крепежными фланцами 74 и 76 для поддержания системы преобразователей и рупоров в стационарном корпусе.
Вибрация, передаваемая от преобразователей через соединительные или вспомогательные рупоры, передается входной поверхности 78 рупора и передается через рупор на расположенную напротив поверхность выхода 80, которая, в процессе работы, находится в вынужденном контакте с обрабатываемым объектом (не показано), в котором создают вибрацию.
Высокочастотная электрическая энергия, обеспечиваемая источником 82 энергии, подается к каждому из преобразователей, электрически соединенных параллельно, через компенсационный трансформатор 84 и соответствующие последовательно соединенные конденсаторы 86 и 90, причем один конденсатор соединен последовательно путем электрического соединения с каждым из преобразователей. Компенсационный трансформатор также известен как "balun", что означает "симметрирующее устройство". Компенсационный трансформатор включает магнитный сердечник 92 и пару идентичных катушек 94 и 96, также называемых первичной катушкой и вторичной катушкой, соответственно.
В некоторых вариантах осуществления, преобразователи включают коммерчески доступные пьезоэлектрические преобразователи, такие как Branson Ultrasonics Corporation моделей 105 или 502, каждая из которых сконструирована для работы при 20 кГц и максимальной мощности 3 кВт. Разность потенциалов при включении питания для обеспечения максимальной динамической амплитуды на поверхности выхода преобразователя составляет 930 среднеквадратичных вольт. Электрический ток через преобразователь может варьировать между нулем и 3,5 ампер, в зависимости от сопротивления нагрузки. При 930 среднеквадратических вольт колебания на выходе составляют приблизительно 20 микрометров. Максимальное отклонение конечного напряжения для одной и той же динамической амплитуды, таким образом, может составлять 186 вольт. Такое отклонение в напряжении может приводить к большим блуждающим токам между преобразователями. Симметрирующее устройство 430 обеспечивает уравновешенное состояние путем обеспечения равного тока через преобразователи, таким образом, устраняя возможность блуждающих токов. Размер проволоки в катушке необходимо выбирать для тока максимальной нагрузки, указанного выше, и максимальная разность потенциалов, возникающая на входе катушки, составляет 93 вольт.
TM
TM
В качестве альтернативы применению ультразвуковой энергии можно использовать высокочастотные ротор-статорные устройства. Этот тип устройства генерирует микрокавитационные силы с большой силой сдвига, которые могут дезинтегрировать материал при контакте с такими силами. Два типа коммерчески доступных высокочастотных ротор-статорных устройств для диспергирования представляют собой устройства Supraton, изготавливаемые Krupp Industrietechnik GmbH и поставляемые на рынок Dorr-Oliver Deutschland GmbH of Connecticut, и устройства Dispax, изготавливаемые и поставляемые на рынок Ika-Works, Inc. of Cincinnati, Ohio. Работа такого микрокавитационного устройства рассмотрена в патенте US № 5370999, Stuart.
Хотя ультразвуковой преобразователь 1226 описан как включающий один или несколько пьезоэлектрических активных элементов для генерирования ультразвуковой энергии, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления, ультразвуковой преобразователь 1226 включает активные элементы, изготовленные из других типов магнитострикционного материала (например, черных металлов). Конструкция и работа такого высокомощного ультразвукового преобразователя рассмотрена в патенте US № 6624539, Hansen et al. В некоторых вариантах осуществления, ультразвуковая энергия переносится на технологический поток 16 посредством электрогидравлической системы.
Хотя ультразвуковой преобразователь 1226 описан, как использующий электромагнитный ответ магнитострикционных материалов для генерирования ультразвуковой энергии, возможны другие схемы. В некоторых вариантах осуществления, на технологический поток 16 можно воздействовать акустической энергией в виде интенсивной ударной волны с использованием подводного разряда. В некоторых вариантах осуществления, ультразвуковая энергия переносится на технологический поток 16 через термодинамическую систему. Например, акустические волны с высокой плотностью энергии можно генерировать, применяя потенциал через замкнутый объем электролита, тем самым нагревая замкнутый объем и вызывая повышение давления, которое впоследствии передается через распространяющую звук среду (например, технологический поток 1216). Схема и работа такого термогидравлического преобразователя рассмотрена в патенте US 6383152, Hartmann et al.
В некоторых вариантах осуществления может быть преимущественным комбинирование устройств для облучения и обработки ультразвуком в единое гибридное устройство. С использованием такого гибридного устройства можно проводить несколько процессов рядом или даже одновременно, что имеет преимущество увеличения производительности предварительной обработки и потенциальной экономии затрат.
Например, рассматриваются процессы облучения пучком электронов и обработки ультразвуком. Каждый отдельный процесс эффективен в отношении снижения средней молекулярной массы целлюлозного материала на порядок или более, и на несколько порядков при последовательном осуществлении.
Процессы как облучения, так и обработки ультразвуком, можно использовать с использованием гибридного устройства для обработки пучком электронов/ультразвуком, как проиллюстрировано на ФИГ.8. Гибридное устройство 2500 для обработки пучком электронов/ультразвуком изображено над пустой ванной (глубина ~3-5 см) для суспензии целлюлозного материала 2550, диспергированного в водной окислительной среде, такой как пероксид водорода или пероксид карбамида. Гибридное устройство 2500 имеет источник 2510 энергии, который питает как излучатель 2540 электронного пучка, так и рупоры 2530 для обработки ультразвуком.
Излучатель 2540 электронного пучка генерирует пучки электронов, которые проходят через устройство 2545 для нацеливания пучка электронов для попадания на суспензию 2550, содержащую целлюлозный материал. Устройство для нацеливания пучка электронов может представлять собой сканер, который пропускает луч на протяжении диапазона вплоть до приблизительно 6 футов в направлении, приблизительно параллельном поверхности суспензии 2550.
На любой стороне излучателя 2540 электронного пучка находятся рупоры 2530 для обработки ультразвуком, которые доставляют энергию ультразвуковой волны к суспензии 2550. Рупоры 2530 для обработки ультразвуком заканчиваются съемной насадкой 2535, которая контактирует с суспензией 2550.
Рупоры 2530 для обработки ультразвуком имеют риск повреждения вследствие длительного остаточного воздействия облучения пучком электронов. Таким образом, рупоры могут быть защищены стандартным экраном 2520, например, изготовленным из свинца или содержащим тяжелый металл сплава, такого как металл Липовича, который является непроницаемым для излучения пучка электронов. Однако должны быть предприняты меры предосторожности, чтобы убедиться, что присутствие экрана не влияет на ультразвуковую энергию. Съемные наконечники 2535, которые сконструированы из того же материала, что и рупоры 2530, и присоединены к рупорам 2530, контактируют с целлюлозным материалом 2550 в процессе переработки и, как ожидается, могут быть повреждены. Таким образом, съемные наконечники 2535 сконструированы так, чтобы их было легко заменить.
Следующим преимуществом такого одновременного процесса обработки пучком электронов и ультразвуком состоит в том, что эти два процесса имеют взаимодополняющие результаты. В случае облучения пучком электронов отдельно, недостаточная доза может приводить к поперечному сшиванию определенных из полимеров в целлюлозном материале, которое снижает эффективность процесса деполимеризации в целом. Также для достижения степени деполимеризации, сходной со степенью деполимеризации, достигаемой с использованием облучения пучком электронов и обработки ультразвуком по отдельности, можно использовать более низкие дозы облучения пучком электронов и/или облучения ультразвуком.
Устройство для облучения пучком электронов также можно комбинировать с одним или несколькими из высокочастотных ротор-статорных устройств, которые можно использовать в качестве альтернативы устройствам для обработки ультразвуком, и они выполняют сходную функцию.
60
Также возможны другие комбинации устройств. Например, устройство для облучения ионизирующим излучением, которое генерирует гамма-излучение, испускаемое, например, из таблеток Co, можно комбинировать с источником электронного пучка и/или источником ультразвуковой волны. В этом случае требования к экранированию могут быть более строгими.
Генерирование ионов
Для генерирования ионов, пригодных для пучков ионов, которые можно использовать при обработке целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, можно использовать различные способы. После генерирования ионов, они, как правило, ускоряются в одном или нескольких типах ускорителей, а затем направляются на столкновение с целлюлозными или лигноцеллюлозными материалами.
(i) Ионы водорода
Ионы водорода можно генерировать в источнике ионов с использованием множества различных способов. Как правило, ионы водорода подаются в ионизирующую камеру источника ионов, и ионы образуются путем воздействия энергии на молекулы газа. В процессе работы, такие камеры могут продуцировать большие ионные токи, пригодные для использования в последующем ускорителе ионов.
E
E
X
E
X
E
X
В некоторых вариантах осуществления, ионы водорода генерируются путем ионизации поля газообразного водорода. Схема источника ионизации полем представлена на ФИГ.10. Источник 1100 ионизации полем включает камеру 1170, где происходит ионизация молекул газа (например, молекул газообразного водорода). Молекулы 1150 газа попадают в камеру 1170 путем течения вдоль направления 1155 в подводящей трубе 1120. Источник 1100 ионизации полем включает электрод 1110 для ионизации. В ходе работы, к электроду 1110 прикладывают большой потенциал V (относительно обычного потенциала для заземления системы). Молекулы 1150, которые циркулируют в области, соседней с электродом 1110, ионизируются электрическим полем, которое появляется в результате потенциала V. Также в процессе работы прикладывается потенциал вытягивания V к устройствам 1130 для вывода. Вновь образующиеся ионы мигрируют в направлении устройств 1130 для вывода под влиянием электрических полей потенциалов V и V. В действительности, вновь образованные ионы подвергаются действию сил отталкивания в отношении ионизирующего электрода 1110, и сил притяжения в отношении устройства 1130 для вывода. В результате, некоторые из вновь образованных ионов поступают в отводящую трубу 1140, и распространяются в направлении 1165 под влиянием потенциалов V и V.
E
+
В зависимости от знака потенциала V (относительно обычного потенциала заземления), могут образовываться как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Например, в некоторых вариантах осуществления, положительный потенциал можно прикладывать к электроду 1110, а отрицательный потенциал можно прикладывать к устройству 1130 для вывода. Положительно заряженные ионы водорода (например, протоны H), которые образуются в камере 1170, отгоняются от электрода 1110 в направлении устройства 1130 для вывода. В результате, поток 1160 разряженных частиц включает положительно заряженные ионы водорода, которые транспортируются в систему инжектора.
-
В некоторых вариантах осуществления, отрицательный потенциал можно прикладывать к электроду 1110, а положительный потенциал можно прикладывать к устройству 1130 для вывода. Отрицательно заряженные ионы водорода (например, гидрид ионы H), которые образуются в камере 1170, отгоняются от электрода 1110 в направлении устройства 1130 для вывода. Поток 1160 разряженных частиц включает отрицательно заряженные ионы водорода, которые затем транспортируются в систему инжектора.
В некоторых вариантах осуществления, как положительные, так и отрицательные, ионы водорода можно получать путем прямого нагревания газообразного водорода. Например, газообразный водород можно направлять, чтобы он входил в нагревающую камеру, которая является вакуумированной для удаления остаточного кислорода и других газов. Затем газообразный водород можно нагревать с помощью нагревательного элемента для генерирования ионных частиц. Пригодные нагревающие элементы включают, например, электроды дугового разряда, нити накала, нагревательные спирали и множество других элементов теплообмена.
S
В некоторых вариантах осуществления, когда ионы водорода продуцируются посредством либо полевой эмиссии, либо нагревания, могут продуцироваться различные типы ионов водорода, включая как положительно и отрицательно заряженные типы ионов, так и однозарядные и многозарядные типы ионов. Различные типы ионов можно отделять друг от друга с помощью одного или нескольких электростатических и/или магнитных сепараторов. На ФИГ.11 представлена схема электростатического сепаратора 1175, который адаптирован для разделения множества частиц ионов водорода друг от друга. Электростатический сепаратор 1175 включает пару параллельных электродов 1180, к которым прикладывается потенциал V из источника напряжения (не показан). Поток 1160 частиц, проходящий в направлении, указанном стрелкой, включает множество положительно и отрицательно заряженных, и однозарядных и многозарядных типов ионов. По мере прохождения различных ионов через электроды 1180, электрическое поле между электродами отклоняет траектории ионов в соответствии с величиной и знаком типов ионов. На ФИГ.11, например, электрическое поле направлено от нижнего электрода к верхнему электроду в области между электродами 1180. В результате, положительно заряженные ионы отклоняются вдоль восходящей траектории на ФИГ.11, а отрицательно заряженные ионы отклоняются вдоль нисходящей траектории. Каждый из пучков 1162 и 1164 ионов соответствует положительно заряженным типам ионов, причем тип ионов в пучке 1162 ионов имеет больший положительный заряд, чем тип ионов в пучке 1164 (например, вследствие большего положительного заряда ионов в пучке 1162, пучок отклоняется в большей степени).
Аналогично, каждый из пучков 1166 и 1168 ионов соответствует отрицательно заряженному типу ионов, причем тип ионов в пучке 1168 ионов имеет больший отрицательный заряд, чем тип ионов в пучке 1166 ионов (и, тем самым, он в большей степени отклоняется электрическим полем между электродами 1180). Пучок 1169 включает нейтральные частицы, исходно присутствующие в пучке 1160 частиц; на нейтральные частицы электрическое поле между электродами 1180 влияет в меньшей степени, и, таким образом, они проходят через электроды без отклонения. Каждый из отдельных потоков частиц попадает в направляющие трубы 1192, 1194, 1196, 1198 и 1199, и может быть доставлен в систему инжектора для последующего ускорения частиц, или направлен так, чтобы падать непосредственно на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Альтернативно или дополнительно, любой или все из разделенных потоков частиц могут быть блокированы для препятствования достижения типами ионов и/или атомов целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. В качестве другой альтернативы, с использованием известных способов определенные потоки частиц можно объединять, а затем направлять в систему инжектора и/или направлять непосредственно, чтобы падать на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал.
Как правило, также в сепараторах пучка частиц для отклонения заряженных частиц в дополнение электрическим полям, или вместо них, могут использоваться магнитные поля. В некоторых вариантах осуществления, сепараторы пучка частиц включают несколько пар электродов, где каждая пара электродов генерирует электрическое поле, которое отклоняет частицы, проходящие через него. Альтернативно или дополнительно, сепараторы пучка частиц могут включать один или несколько магнитных дефлекторов, которые адаптированы для отклонения заряженных частиц согласно величине и знаку зарядов частиц.
(ii) Ионы благородных газов
Атомы благородных газов (например, атомы гелия, атомы неона, атомы аргона) образуют положительно заряженные ионы при действии на них относительно сильных электрических полей. Таким образом, способы получения ионов благородных газов, как правило, включают генерирование высокоинтенсивного электрического поля, а затем подачу атомов благородных газов в область поля для обеспечения ионизации полем атомов газа. Схема генератора ионизации полем для ионов благородных газов (а также для других типов ионов) представлена на ФИГ.12. Генератор 1200 ионизации полем включает сужающийся электрод 1220, расположенный в камере 1210. Вакуумный насос 1250 находится в сообщении по текучей среде с внутренней стороной камеры 1210 через входной канал 1240, и в процессе работы он снижает давление фоновых газов в камере 1210. Один или несколько атомов благородных газов 1280 впускаются в камеру 1210 через впускную трубу 1230.
T
В процессе работы, к сужающемуся электроду 1220 прикладывают относительно высокий положительный потенциал V (например, положительный относительного общего внешнего заземления). Атомы благородных газов 1280, которые попадают в область пространства, окружающего концевую часть электрода 1220, ионизируются сильным электрическим полем, простирающимся от концевой части; атомы газа теряют электрон на концевой части, и образуют положительно заряженные ионы благородного газа.
Положительно заряженные ионы благородных газов ускоряются от концевой части, и определенная фракция ионов газа 1290 проходит через устройство 1260 для выведения и выходную камеру 1210, в оптическую колонну, которая включает линзу 1270, которая далее отклоняет и/или фокусирует ионы.
T
Электрод 1220 сужается для повышения величины локального электрического поля вблизи вершины концевой части. В зависимости от остроты сужения и величины потенциала V, область пространства в камере 1210, в которой происходит ионизация атомов благородных газов, можно относительно строго контролировать. В результате, после выводящего устройства 1260 можно получить относительно хорошо коллимированный пучок ионов благородного газа 1290.
Как рассмотрено выше в отношении ионов водорода, конечный пучок ионов благородного газа 1290 может транспортироваться через оптическую колонну заряженных частиц, которая включает различные оптические элементы для отклонения и/или фокусирования пучка ионов благородного газа. Этот пучок ионов благородного газа также может проходить через электростатический и/или магнитный сепаратор, как рассмотрено выше применительно к ФИГ.11.
Ионы благородных газов, которые образуются в генераторе 1200 ионизации полем, включают ионы гелия, ионы неона, ионы аргона и ионы криптона. Кроме того, генератор 1200 ионизации полем можно использовать для формирования ионов других газообразных химических веществ, включая водород, азот и кислород.
Ионы благородных газов могут иметь конкретные преимущества относительно других типов ионов при обработке целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Например, в то время как ионы благородных газов могут реагировать с целлюлозными или лигноцеллюлозными материалами, нейтрализованные ионы благородных газов (например, атомы благородных газов), которые продуцируются в таких реакциях, как правило, являются инертными, и далее не реагируют с целлюлозным или лигноцеллюлозным материалом. Более того, нейтральные атомы благородных газов не остаются погруженными в целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, а вместо этого диффундируют из материала. Благородные газы являются нетоксичными, и их можно использовать в больших количествах без неблагоприятных последствий как для здоровья человека, так и для окружающей среды.
(iii) Ионы углерода, кислорода и азота
Ионы углерода, кислорода и азота, как правило, могут продуцироваться ионизацией полем в такой системе, как источник 1100 ионизации полем или генератор 1200 ионизации полем. Например, молекулы газообразного кислорода и/или атомы кислорода (например, образованные нагреванием газообразного кислорода) могут подаваться в камеру, где молекулы и/или атомы кислорода подвергаются ионизации полем с образованием ионов кислорода. В зависимости от знака потенциала, прикладываемого к электроду для ионизации полем, могут образовываться положительно и/или отрицательно заряженные ионы. Предпочтительно, желаемый тип ионов может быть выбран из различных типов ионов и нейтральных атомов и молекул с помощью электростатического и/или магнитного сепаратора частиц, как показано на ФИГ.11.
В качестве другого примера, молекулы газообразного азота могут подаваться в камеру либо источником 1100 ионизации полем, либо генератором 1200 ионизации полем, и ионизироваться с образованием положительно и/или отрицательно заряженных ионов азота посредством относительно сильного электрического поля в камере. Затем желаемый тип ионов можно отделять от других ионных и нейтральных частиц с помощью электростатического и/или магнитного сепаратора, как показано на ФИГ.11.
Для образования ионов углерода, атомы углерода могут поступать в камеру либо источника 1100 ионизации полем, либо генератора 1200 ионизации полем, где атомы углерода могут ионизироваться с образованием положительно и/или отрицательно заряженных ионов углерода. Желаемый тип ионов можно отделять от других ионных и нейтральных частиц с помощью электростатического и/или магнитного сепаратора, как показано на ФИГ.11. Атомы углерода, которые подаются в камеру либо источника 1100 ионизации полем, либо генератора 1200 ионизации полем, могут продуцироваться путем нагревания мишени на основе углерода (например, графитовой мишени) для обеспечения теплового испускания атомов углерода из мишени. Мишень может быть помещена относительно близко к камере, так чтобы испускаемые атомы углерода входили в камеру непосредственно после испускания.
(iv) Более тяжелые ионы
Ионы более тяжелых атомов, таких как натрий и железо, можно генерировать рядом способов. Например, в некоторых вариантах осуществления, тяжелые ионы, такие как ионы натрия и/или ионы железа, генерируют путем термоионной эмиссии из материала мишени, который включает натрий и/или железо, соответственно. Пригодные материалы мишеней включают материалы, такие как силикаты натрия и/или силикаты железа. Материалы мишеней, как правило, включают другие инертные материалы, такие как бета-оксид алюминия. Некоторые материалы мишеней представляют собой цеолитовые материалы, и включают каналы, образованные в них для обеспечения выхода ионов из материала мишени.
На ФИГ.13 представлен термоионный эмиссионный источник 1300, который включает нагревательный элемент 1310, который контактирует с материалом 1330 мишени, оба из которых расположены внутри вакуумированной камеры 1305. Нагревающий элемент 1310 контролируется контролером 1320, который регулирует температуру нагревающего элемента 1310 для контроля тока ионов, образующихся из материала 1330 мишени. Когда к материалу 1330 мишени применяют достаточное количество тепла, термоионное испускание из материала мишени генерирует поток ионов 1340. Ионы 1340 могут включать положительно заряженные ионы материалов, таких как атомные частицы натрия, железа и другие относительно тяжелые атомные частицы (например, ионы других металлов). Затем ионы 1340 могут коллимироваться, фокусироваться и/или иным образом отклоняться электростатическими и/или магнитными электродами 1350, которые также могут доставлять ионы 1340 в инжектор.
Термоионная эмиссия для формирования ионов относительно тяжелых типов атомов также рассмотрена, например, в патенте US № 4928033, под названием "Thermionic Ionization Source", полное содержание которого включено в настоящий документ в качестве ссылки.
В некоторых вариантах осуществления, относительно тяжелые ионы, такие как ионы натрия и/или ионы железа, могут продуцироваться посредством сверхвысокочастотного разряда. На ФИГ.14 представлена схема источника 1400 сверхвысокочастотного разряда, который продуцирует ионы из относительно тяжелых атомов, таких как натрий и железо. Источник 1400 разряда включает генератор 1410 микроволнового поля, трубу световода 1420, концентратор 1430 поля и ионизационную камеру 1490. В ходе работы, генератор 1410 поля продуцирует микроволновое поле, которое проходит через световод 1420 и концентратор 1430; концентратор 1430 увеличивает силу поля путем пространственного ограничения поля, как показано на ФИГ.14. Микроволновое поле попадает в ионизационную камеру 1490. В первой области внутри камеры 1490 соленоид 1470 продуцирует сильное магнитное поле 1480 в области пространства, которая также включает микроволновое поле. Источник 1440 доставляет атомы 1450 в эту область пространства. Концентрированное микроволновое поле ионизирует атомы 1450, и магнитное поле 1480, сгенерированное соленоидом 1470, ограничивает ионизированные атомы с образованием локализованной плазмы. Часть плазмы выходит из камеры 1490 в качестве ионов 1460. Затем ионы 1460 могут отклоняться и/или фокусироваться одним или несколькими электростатическими и/или магнитными элементами, и доставляться в инжектор.
Атомы 1450 материалов, таких как натрий и/или железа, могут генерироваться, например, тепловой эмиссией из материала мишени. Пригодные материалы мишеней включают материалы, такие как силикаты и другие стабильные соли, включая материалы на основе цеолита. Пригодные материалы мишеней также могут включать металлы (например, железо), которые могут быть нанесены на инертный материал подложки, такой как материал стекла.
Источники сверхвысокочастотного разряда также рассмотрены, например, в следующих патентах US: патент US № 4409520, под названием "Microwave Discharge Ion Sources" и патент US № 6396211, под названием "Microwave Discharge Type Electrostatic Accelerator Having Upstream and Downstream Acceleration Electrodes". Полное содержание каждого из представленных выше патентов включено в настоящий документ в качестве ссылки.
Источники пучка частиц
Источники пучка частиц, которые генерируют пучки для применения в облучении целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, как правило, включают три группы компонентов: инжектор, который генерирует или получает ионы и подает ионы в ускоритель; ускоритель, который получает ионы из инжектора и повышает кинетическую энергию ионов; и сопряженные с выведением элементы, которые манипулируют пучком ускоренных ионов.
(i) Инжекторы
Инжекторы могут включать, например, любой из источников ионов, рассмотренных в предшествующих разделах, который может предоставлять поток ионов для последующего ускорения. Также инжекторы могут включать различные типы электростатических и/или магнитных оптических элементов для частиц, включая линзы, дефлекторы, коллиматоры, фильтры и другие такие элементы. Эти элементы можно использовать для обработки пучка ионов перед вхождением в ускоритель; т.е., эти элементы можно использовать для контроля характеристик распространения ионов, которые поступают в ускоритель. Также инжекторы могут включать предварительно ускоряющие электростатические и/или магнитные элементы, которые ускоряют заряженные частицы до выбранного порога энергии перед поступлением в ускоритель. Пример инжектора представлен в Iwata, Y. et al.
(ii) Ускорители
Одним типом ускорителей, который можно использовать для ускорения ионов, продуцируемых с использованием источников, рассмотренных выше, является Dynamitron (доступный, например, от Radiation Dynamics Inc., в настоящее время элемент IBA, Louvain-la-Neuve, Бельгия). Схема ускорителя Dynamitron 1500 представлена на ФИГ.6 и рассмотрена выше.
Другой тип ускорителей, который можно использовать для ускорения ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, является ускоритель Rhodotron (доступный, например, от IBA, Louvain-la-Neuve, Бельгия). Как правило, ускорители типа Rhodotron включают один рециркуляционный резонатор, через который ионы, подвергаемые ускорению, многократно проходят. В результате, ускорители Rhodotron ускорители могут работать в непрерывном режиме при относительно высоких постоянных токах ионов.
На ФИГ.15 представлена схема ускорителя Rhodotron 1700. Ускоритель 1700 включает инжектор 1710, который подает ускоренные ионы в рециркуляционный резонатор 1720. Источник 1730 электрического поля расположен во внутренней камере 1740 резонатора 1720, и он генерирует колебательное радиальное электрическое поле. Частоту колебаний радиального поля выбирают так, чтобы она соответствовала времени однократного прохождения инжектированных ионов через рециркуляционную полость 1720. Например, положительно заряженный ион инъецируется в полость 1720 инжектором 1710, когда радиальное электрическое поле в полости имеет нулевую амплитуду. По мере прохождения ионов через камеру 1740, амплитуда радиального поля в камере 1740 возрастает до максимальной величины, а затем вновь снижается. Радиальное поле направлено внутрь камеры 1740, и ион ускоряется радиальным полем. Ион проходит через отверстие в стенке внутренней камеры 1740, пересекает геометрический центр резонатора 1720, и выходит через другое отверстие в стенке внутренней камеры 1740. Когда ион находится на входе в резонатор 1720, амплитуда электрического поля внутри резонатора 1720 снижается до нуля (или практически до нуля). Когда ион выходит из внутренней камеры 1740, амплитуда электрического поля в резонаторе 1720 начинает вновь возрастать, однако теперь поле ориентировано радиально наружу. Величина поля во время второй половины пути иона через резонатор 1720 снова достигает максимума, а затем начинает снижаться. В результате, положительный ион вновь ускоряется электрическим полем, как только ион завершает вторую половину первого прохождения через резонатор 1720.
При достижении стенки резонатора 1720, величина электрического поля в резонаторе 1720 равна нулю (или практически равна нулю), и ион проходит через отверстие в стенке и встречает один из отклоняющих пучок магнитов 1750. Отклоняющие пучок магниты по существу изменяют траекторию иона на обратную, как показано на ФИГ.15, направляя ион на повторное вхождение в резонатор 1720 через другое отверстие в стенке камеры. Когда ион повторно входит в резонатор 1720, амплитуда электрического поля в нем снова начинает возрастать, но теперь оно опять ориентировано радиально внутрь. Второе и последующие прохождения иона через резонатор 1720 происходят сходным образом, так что ориентация электрического поля всегда совпадает с направлением движения иона, и ион ускоряется при каждом прохождении (и каждую половину пути) через резонатор 1720.
Как показано на ФИГ.15, после шести прохождений через резонатор 1720, ускоренный ион выходит из резонатора 1720 в качестве части ускоренного пучка 1760 ионов. Ускоренный пучок ионов проходит через один или несколько электростатических и/или магнитных оптических элементов 1770 частиц, которые включают линзы, коллиматоры, дефлекторы пучка, фильтры и другие оптические элементы. Например, под контролем внешнего логического устройства, элементы 1770 могут включать электростатический и/или магнитный дефлектор, который направляет ускоренный пучок 1760 через двухмерную плоскую область, ориентированную перпендикулярно направлению прохождения пучка 1760.
Ионы, инжектируемые в резонатор 1720, ускоряются при каждом прохождении резонатора 1720. Как правило, таким образом, для получения ускоренных пучков, имеющих различную среднюю энергию ионов, ускоритель 1700 может включать более одного сопряженного выхода. Например, в некоторых вариантах осуществления, один или несколько отклоняющих магнитов 1750 могут быть модифицированы так, чтобы позволить части ионов достигать магнита для выведения из ускорителя 1700, а часть ионов возвращалась в камеру 1720. Таким образом, из ускорителя 1700 можно получить множество ускоренных выходящих пучков, причем каждый пучок соответствует средней энергии ионов, которая связана с количеством прохождений через резонатор 1720 для ионов в пучке.
Ускоритель 1700 включает 5 отклоняющих магнитов 1750, и после инжекции в резонатор 1720 ионы делают 6 прохождений через резонатор. Однако, как правило, ускоритель 1700 может включать любое количество отклоняющих магнитов, и после инжекции в резонатор 1720 ионы могут осуществлять соответствующее количество прохождений через резонатор. Например, в некоторых вариантах осуществления, ускоритель 1700 может включать по меньшей мере 6 отклоняющих магнитов, и ионы могут осуществлять по меньшей мере 7 прохождений через резонатор (например, по меньшей мере 7 отклоняющих магнитов и 8 прохождений через резонатор, по меньшей мере 8 отклоняющих магнитов и 9 прохождений через резонатор, по меньшей мере 9 отклоняющих магнитов и 10 прохождений через резонатор, по меньшей мере 10 отклоняющих магнитов и 11 прохождений через резонатор).
Как правило, электрическое поле, образованное источником 1730 поля, обеспечивает возрастание при однократном прохождении через резонатор инжектированного иона, составляющее приблизительно 1 МэВ. Однако, как правило, является возможным более высокое возрастание при однократном прохождении путем обеспечения электрического поля в резонаторе 1720 с более высокой амплитудой. В некоторых вариантах осуществления, например, возрастание при однократном прохождении через резонатор составляет приблизительно 1,2 МэВ или более (например, 1,3 МэВ или более, 1,4 МэВ или более, 1,5 МэВ или более, 1,6 МэВ или более, 1,8 МэВ или более, 2,0 МэВ или более, 2,5 МэВ или более).
Возрастание при однократном прохождении через резонатор также зависит от величины заряда, который несет инжектированный ион. Например, ионы, несущие множество зарядов, претерпевают более высокое возрастание при однократном прохождении через резонатор, чем ионы, несущие единичные заряды, для того же электрического поля в резонаторе. В результате, возрастание при однократном прохождении через резонатор в ускорителе 1700 можно далее повышать путем инжекции ионов, имеющих множество зарядов.
В представленном выше описании ускорителя 1700, положительно заряженный ион инжектировался в резонатор 1720. Ускоритель 1700 также может ускорять отрицательно заряженные ионы. Для этого, отрицательно заряженные ионы подвергают инжекции так, чтобы направление их траекторий было не в фазе с направлением радиального электрического поля. Таким образом, инжекция отрицательно заряженных ионов происходит таким образом, что на каждой половине пути через резонатор 1720, направление траектории каждого иона является противоположным направлению радиального электрического поля. Достижение этого вовлекает простую коррекцию времени, за которое происходит инжекция отрицательно заряженных ионов в резонатор 1720. Таким образом, ускоритель 1700 способен одновременно ускорять ионы, имеющие ту же приближенную массу, но противоположные заряды. Более часто, ускоритель 1700 способен одновременно ускорять различные типы как положительно, так и отрицательно заряженных (и как однозарядных, так и многозарядных) ионов при условии, что время прохождения ионов через резонатор 1720 является относительно сходным. В некоторых вариантах осуществления, ускоритель 1700 может включать множество сопряжений с выходом, обеспечивая различные типы ускоренных пучков ионов, имеющих сходные или отличающиеся энергии.
Также для ускорения ионов для облучения целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать другие типы ускорителей. Например, в некоторых вариантах осуществления, ионы можно ускорять до относительно высокой средней энергии в ускорителях на базе циклотрона и/или синхротрона. Конструкция и работа таких ускорителей хорошо известны в данной области. В качестве другого примера, в некоторых вариантах осуществления, для генерирования и/или ускорения ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать источники ионов типа Пеннинга. Схема источника типа Пеннинга рассмотрена в разделе 7.2.1 Prelec (1997).
Также для ускорения ионов широко используют статические и/или динамические ускорители различных типов. Статические ускорители, как правило, включают множество электростатических линз, которые поддерживаются при различных DC-напряжениях. Путем выбора соответствующих значений напряжений, прикладываемых к каждому из элементов линз, ионы, поступающие в ускоритель, можно ускорять до выбранной конечной энергии. На ФИГ.16 представлена упрощенная схема статического ускорителя 1800, который адаптирован для ускорения ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала 1835. Ускоритель 1800 включает источник 1810 ионов, который продуцирует ионы и подает ионы в ионную колонну 1820. Ионная колонна 1820 включает множество электростатических линз 1825, которые ускоряют ионы, сгенерированные источником 1810 ионов, продуцируя пучок 1815 ионов. DC-напряжения прикладывают к линзам 1825; потенциалы линз остаются приблизительно постоянными в ходе работы. Как правило, электрический потенциал в каждой линзе является постоянным, и ионы пучка 1815 ионов ускоряются в зазорах между различными линзами 1825. Ионная колонна 1820 также включает отклоняющую линзу 1830 и коллимирующую линзу 1832. Эти две линзы действуют, направляя пучок 1815 ионов в выбранную область целлюлозного или лигноцеллюлозного материала 1835 и фокусируя пучок 1815 ионов на целлюлозном или лигноцеллюлозном материале.
Хотя на ФИГ.16 представлен конкретный вариант осуществления статического ускорителя, множество других вариантов являются возможными и пригодными для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. В некоторых вариантах осуществления, например, относительное расположение отклоняющей линзы 1830 и коллимирующей линзы 1832 по ионной колонне 1820 можно менять местами. Также в ионной колонне 1820 могут присутствовать дополнительные электростатические линзы, и ионная колонна 1820 может, кроме того, включать магнитостатические оптические элементы. В некоторых вариантах осуществления, в ионной колонне 1820 может присутствовать большое количество дополнительных элементов, включая дефлекторы (например, квадрупольные, гексапольные и/или октопольные дефлекторы), фильтрующие элементы, такие как отверстия для удаления нежелательных частиц (например, нейтральных частиц и/или определенных типов ионов) из пучка 1815 ионов, устройства для вывода (например, для установления пространственного профиля для пучка 1815 ионов), и другие электростатические и/или магнитостатические элементы.
Динамические линейные ускорители - часто называемые LINAC - также можно использовать для генерирования пучка ионов, который можно использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Как правило, динамические линейные ускорители включают ионную колонну с линейной серией радиочастотных резонаторов, каждый из которых продуцирует интенсивное колебательное радиочастотное (RF) поле, которое синхронизировано по времени с инжекцией и прохождением ионов в ионную колонну. В качестве примера, для генерирования RF-полей в резонаторах можно использовать устройства, такие как клистроны. Путем совмещения колебаний поля со временем инжекции ионов, RF-резонаторы могут ускорять ионы до высоких энергий без сохранения пиковых потенциалов в течение длительных периодов времени. В результате, LINAC как правило, не имеют тех же требований к экранированию, что и DC-ускорители, и, как правило, имеют более короткую длину. LINAC, как правило, действуют с частотами 3 ГГц (S-полоса, как правило, ограничена до относительно низкой мощности) и 1 ГГц (L-полоса, способная значительно повышать работу на мощности). Типичные LINAC имеют общую длину 2-4 метра.
Схема динамического линейного ускорителя 1850 (например, LINAC) представлена на ФИГ.17. LINAC 1850 включает ионный источник 1810 и ионную колонну 1855, которая включает три ускоряющих резонатора 1860, дефлектор 1865 и фокусирующую линзу 1870. Дефлектор 1865 и фокусирующая линза 1870 функционируют, направляя и фокусируя пучок 1815 ионов на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал 1835 после ускорения, как рассмотрено выше. Ускоряющие резонаторы 1860 изготовлены из проводящего материала, такого как медь, и функционируют в качестве световода для ускоренных ионов. Клистроны 1862, соединенные с каждым из резонаторов 1860, генерируют динамические RF-поля, которые ускоряют ионы в резонаторах. Клистроны 1862 индивидуально адаптируют для продукции RF-полей, которые, вместе, ускоряют ионы в пучке 1815 ионов до конечной выбранной энергии перед попаданием на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал 1835.
Как рассмотрено выше применительно к статическим ускорителям, возможны многие варианты динамического ускорителя 1850, и их можно использовать для генерирования пучка ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления, также в ионной колонне 1855 могут присутствовать дополнительные электростатические линзы 1855, и ионная колонна 1855 может дополнительно включать магнитостатические элементы. В некоторых вариантах осуществления, в ионной колоне 1855 может присутствовать большое количество дополнительных элементов, включая дефлекторы (например, квадрупольные, гексапольные и/или октопольные дефлекторы), фильтрующие элементы, такие как отверстия для удаления нежелательных частиц (например, нейтральных частиц и/или определенных типов ионов) из пучка 1815 ионов, устройства для вывода (например, для установления пространственного профиля для пучка 1815 ионов), и другие электростатические и/или магнитостатические элементы. В дополнение к конкретным статическим и динамическим ускорителям, рассмотренным выше, другие пригодные системы ускорителей включают, например: системы типа DC-трансформатор с изолированной магнитной сеткой (ICT), доступные от Nissin High Voltage, Япония; LINACS S-полосы, доступные от L3-PSD (США), Linac Systems (France), Mevex (Канада) и Mitsubishi Heavy Industries (Япония); LINACS L-полосы, доступные от Iotron Industries (Канада); и ускорители на основе ILU, доступные от Budker Laboratories (Россия).
В некоторых вариантах осуществления, для генерирования и/или ускорения ионов для последующей обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать ускорители Ван-де-Граафа. На ФИГ.18 представлен вариант осуществления ускорителя 1900 Ван-де-Граафа, который включает электрод 1902 в сферической оболочке и изоляционный ремень 1906, который рециркулирует между электродом 1902 и основанием 1904 ускорителя 1900. В ходе работы, ремень 1906 проходит над роликами 1910 и 1908 в направлении, показанном стрелкой 1918, и несет заряд в электрод 1902. Заряд снимается с ремня 1906 и переносится на электрод 1902, так чтобы величина электрического потенциала на электроде 1902 возрастала до тех пор, пока электрод 1902 не разрядится посредством искры (или, альтернативно до тех пор, пока зарядный ток не уравновесится с током нагрузки).
Ролик 1910 заземлен, как показано на ФИГ.18. Коронный разряд поддерживается между серией точек или тонкой проволокой на одной стороне ремня 1906. Проволока 1914 адаптирована для поддержания коронного разряда в ускорителе 1900. Проволоку 1914 поддерживают при положительном потенциале, так что ремень 1906 перехватывает положительные ионы, двигающиеся от проволоки 1914 к ролику 1910. Поскольку ремень 1906 двигается в направлении стрелки 1918, перехваченные заряды переносятся на электрод 1902, где они удаляются с ремня 1906 острием 1916 иглы и транспортируются на электрод 1902. В результате, на поверхности электрода 1902 накапливаются положительные заряды; эти заряды могут разряжаться с поверхности электрода 1902, и их можно использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. В некоторых вариантах осуществления, ускоритель 1900 может быть адаптирован для обеспечения отрицательно заряженных ионов с помощью рабочей проволоки 1914 и острия 1916 иглы с отрицательным потенциалом относительно заземленного ролика 1910.
Как правило, ускоритель 1900 можно адаптировать для обеспечения широкого множества различных типов положительных и отрицательных зарядов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Иллюстративные типы зарядов включают электроны, фотоны, ионы водорода, ионы углерода, ионы кислорода, ионы галогена, ионы металла и другие типы ионов.
В некоторых вариантах осуществления, для генерирования пучка ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать тандемные ускорители (включая изогнутые тандемные ускорители). Пример изогнутого тандемного ускорителя 1950 представлен на ФИГ.19. Ускоритель 1950 включает ускоряющую колонну 1954, отделитель 1956 зарядов, дефлектор 1958 пучка и источник 1952 ионов.
В ходе работы, источник 1952 ионов генерирует пучок 1960 отрицательно заряженных ионов, которые направляются на вхождение в ускоритель 1950 через входное отверстие 1964. Как правило, источник 1952 ионов может представлять собой источник ионов любого типа, который генерирует отрицательно заряженные ионы. Например, пригодные источники ионов включают источник отрицательных ионов с распылением цезия (SNICS), RF-источник ионизации в газоразрядной камере или источник ионов с тороидным объемом (TORVIS). Каждый из представленных выше источников ионов доступен, например, от National Electrostatics Corporation (Middleton, WI).
После попадания внутрь ускорителя 1950, отрицательные ионы в пучке 1960 ускоряются ускоряющей колонной 1954. Как правило, ускоряющая колонна 1954 включает множество ускоряющих элементов, таких как электростатические линзы. Разность потенциалов, применяемую в колонне 1954 для ускорения отрицательных ионов, можно генерировать с использованием различных типов устройств. Например, в некоторых вариантах осуществления, (например, ускорители Pelletron), потенциал генерируется с использованием зарядного устройства Pelletron. Устройства Pelletron включают несущий заряд ремень, который образован из множества металлических (например, стальных) цепных связей или шариков, которые соединены изоляционными соединительными вставками (например, образованными из материала, такого как нейлон). В ходе работы ремень рециркулирует между парой роликов, один из которых поддерживается на потенциале заземления. По мере того как ремень перемещается между заземленным роликом и противоположным роликом (например, терминальным роликом), металлические шарики положительно заряжаются путем индукции. При достижении терминального ролика, положительный заряд, накопленный на ремне, снимается, и шарики отрицательно заряжаются, по мере того как они покидают терминальный ролик и возвращаются к заземленному ролику.
Устройство Pelletron генерирует большой положительный потенциал в колонне 1954, который используется для ускорения отрицательных ионов пучка 1960. После ускорения в колонне 1954, пучок 1960 проходит через отделитель 1956 зарядов. Отделитель 1956 зарядов может быть выполнен в качестве тонкой металлической фольги и/или трубки, содержащей газ, который, например, отделяет электроны от отрицательных ионов. Таким образом, отрицательно заряженные ионы конвертируются в положительно заряженные ионы, которые выходят из отделителя 1956 зарядов. Траектории выхода положительно заряженных ионов изменяются так, что положительно заряженные ионы возвращаются через ускоряющую колонну 1954, подвергаясь второму ускорению в колонне перед выходом в качестве положительно заряженного пучка 1962 ионов из выходного отверстия 1966. Затем положительно заряженный пучок 1962 ионов может быть использован для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала согласно различным способам, описанным в настоящем документе.
Вследствие изогнутой геометрии ускорителя 1950, ионы ускоряются до кинетической энергии, которая соответствует удвоенной разности потенциалов, генерируемой зарядным устройством Pelletron. Например, в ускорителе Pelletron 2 МВ, гидридные ионы, которые подаются из источника 1952 ионов могут ускоряться до промежуточной энергии 2 МэВ в процессе первого прохождения через колонну 1954, конвертироваться в положительные ионы (например, протоны), и ускоряться до конечной энергии 4 МэВ в ходе второго прохождения через колонну 1954.
В некоторых вариантах осуществления, колонна 1954 может включать элементы в дополнение к зарядному устройству Pelletron, или альтернативно ему. Например, колонна 1954 может включать статические элементы ускорения (например, DC-электроды) и/или динамические ускоряющие резонаторы (например, резонаторы типа LINAC с генераторами импульсного RF-поля для ускорения частиц). Потенциалы, прикладываемые к различным ускоряющим устройствам, выбирают так, чтобы ускорять отрицательно заряженные ионы пучка 1960.
Иллюстративные тандемные ускорители, включая как изогнутые, так и неизогнутые ускорители, доступны, например, от National Electrostatics Corporation (Middleton, WI).
В некоторых вариантах осуществления, для генерирования пучков ионов, которые пригодны для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, можно использовать комбинации двух или более из различных типов ускорителей. Например, изогнутый тандемный ускоритель можно использовать в комбинации с линейным ускорителем, ускорителем Rhodotron, Dynamitron, статическим ускорителем, или ускорителем любого другого типа для генерирования пучка ионов. Ускорители можно использовать последовательно, причем выходящий пучок ионов из ускорителя одного типа направляется на вход ускорителя другого типа для дополнительного ускорения. Альтернативно, для генерирования множества пучков ионов можно использовать множество ускорителей параллельно. В некоторых вариантах осуществления, для генерирования ускоренных пучков ионов можно использовать множество ускорителей одного типа параллельно и/или последовательно.
В некоторых вариантах осуществления, для генерирования пучков ионов, имеющих различные составы, можно использовать множество сходных и/или различных ускорителей. Например, для генерирования пучка ионов одного типа можно использовать первый ускоритель, в то время как для генерирования пучка ионов второго типа можно использовать второй ускоритель. Затем каждый из пучков ионов можно далее ускорять в другом ускорителе, или можно использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, для генерирования пучков ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать один ускоритель. Например, любой из ускорителей, рассмотренных в настоящем документе (а также другие типы ускорителей), можно модифицировать для генерирования множества выходящих пучков ионов путем деления исходного тока ионов, подаваемого в ускоритель из источника ионов. Альтернативно или дополнительно, любой пучок ионов, генерируемый любым из ускорителей, описанных в настоящем документе, может включать только один тип ионов или множество различных типов ионов.
Как правило, когда для продукции одного или нескольких пучков ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала используют несколько различных ускорителей, множество различных ускорителей могут быть расположены в любом порядке относительно друг друга. Это обеспечивает значительную гибкость в отношении генерирования одного или нескольких пучков ионов, каждый из которых имеет тщательно подобранные свойства для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала (например, для обработки различных компонентов в целлюлозном или лигноцеллюлозном материале).
Ускорители ионов, описанные в настоящем документе, также можно использовать в комбинации с любой из других стадий обработки, описанных в настоящем документе. Например, в некоторых вариантах осуществления, электроны и ионы можно использовать в комбинации для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Электроны и ионы можно генерировать и/или ускорять по отдельности, и использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала последовательно (в любом порядке) и/или одновременно. В некоторых вариантах осуществления, пучок электронов и ионов можно генерировать в обычном ускорителе и использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Например, многие из ускорителей ионов, описанные в настоящем документе, могут быть адаптированы для генерирования пучка электронов в качестве альтернативы пучку ионов, или дополнительно к нему. Например, ускорители Dynamitron, ускорители Rhodotron и LINAC могут быть адаптированы для генерирования пучка электронов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала.
Более того, обработку целлюлозного или лигноцеллюлозного материала пучком ионов можно комбинировать с другими способами, такими как обработка ультразвуком. Как правило, обработку на основе обработки ультразвуком проводят до, в процессе или после обработки ионами. Другие способы обработки, такие как обработка пучком электронов, также можно проводить в любой комбинации и/или в любом порядке с обработкой ультразвуком и обработкой пучком ионов.
Добавки в бумагу
К волокнистым материалам, бумаге или к любым другим материалам и продуктам, описанным в настоящем документе, можно добавлять одну из представленных ниже добавок. Добавки включают наполнители, такие как карбонат кальция, пластмассовые пигменты, графит, волласчонит, слюду, стекло, стекловолокно, диоксид кремния и тальк; неорганические ингибиторы горения, такие как тригидрат оксида алюминия или гидроксид магния; органические ингибиторы горения, такие как хлорированные и бромированные органические соединения; углеродное волокно; или металлическое волокно или порошки (например, алюминий, нержавеющая сталь). Эти добавки могут усилить, расширить или изменить электрические, механические свойства или свойства совместимости. Другие добавки включают лигнин, отдушки, связующие вещества, антиоксиданты, замутнители, термостабилизаторы, красители, такие как красящие вещества и пигменты, полимеры, например, деградируемые полимеры, фотостабилизаторы и биоциды. Иллюстративные деградируемые полимеры включают полигидроксикислоты, например, полилактиды, полигликолиды и сополимеры молочной кислоты и гликолевой кислоты, поли(гидроксимасляную кислоту), поли(гидроксивалериановую кислоту), сополимер лактида и e-капролактона, сополимер гликолида и e-капролактона, поликарбонаты, поли(аминокислоты), поли(гидроксиалканоат)ы, полиангидриды, сложные полиортоэфиры и смеси этих полимеров.
Когда описанные добавки включены, они могут присутствовать в количествах, вычисленных в расчете на сухую массу, составляющих от менее 1 процента вплоть до 80 процентов в расчете на общую массу волокнистого материала. Более конкретно, количества находятся в диапазоне от приблизительно 0,5 процента до приблизительно 50 процентов по массе, например, 5 процентов, 10 процентов, 20 процентов, 30 процентов или более, например, 40 процентов.
Любые добавки, описанные в настоящем документе, могут быть инкапсулированными, например, высушенными распылительной сушкой, или микроинкапсулированными, например, для защиты добавок от нагревания или влажности в процессе хранения.
Подходящие покрытия включают любые из множества покрытий, используемых в бумажной промышленности для обеспечения конкретных характеристик поверхности, включая рабочие характеристики, требуемые для конкретных применений при печати.
Как указано выше, в бумагу можно включать различные наполнители. Например, можно использовать неорганические наполнители, такие как карбонат кальция (например, преципитированный карбонат кальция или природный карбонат кальция), аргонитовая глина, орторомбические глины, кальцитовые глины, ромбоэдрические глины, каолиновая глина, бентонитовая глина, дикальцийфосфат, трикальцийфосфат, пирофосфат кальция, нерастворимый метафосфат натрия, преципитированный карбонат кальция, ортофосфат магния, тримагнийфосфат, гидроксиапатиты, синтетические апатиты, оксид алюминия, ксерогель на основе диоксида кремния, алюминосиликатные комплексы металлов, алюмосиликаты натрия, силикат циркония, диоксид углерода или комбинации неорганических добавок. Наполнители могут иметь, например, размер частиц более 1 микрометра, например, более 2 микрометров, 5 микрометров, 10 микрометров, 25 микрометров или даже более 35 микрометров.
Также можно использовать наполнители нанометрового диапазона отдельно или в сочетании с волокнистыми материалами любого размера и/или формы. Наполнители могут быть в форме, например, частиц, пластины или волокна. Например, можно использовать глины нанометрового размера, кремниевые и углеродные нанотрубки и кремниевые и углеродные нанопровода. Наполнитель может иметь поперечный размер менее 1000 нм, например, менее 900, 800, 750, 600, 500, 350, 300, 250, 200 или 100 нм или даже менее 50 нм.
В некоторых вариантах осуществления, наноглина представляет собой монтмориллонит. Такие глины доступны от Nanocor, Inc. и Southern Clay Products, и они описаны в патентах US №№ 6849680 и 6737464. Глины можно подвергать поверхностной обработке перед примешиванием, например, в смолу или волокнистый материал. Например, глину можно подвергать поверхностной обработке, чтобы ее поверхность имела ионные свойства, например, катионные или анионные.
Также можно использовать агрегированные или агломерированные наполнители нанометрового диапазона, или наполнители нанометрового диапазона, которые собираются в надмолекулярные структуры, например, самоагрегированные надмолекулярные структуры. Агрегированные или агломерированные наполнители могут иметь открытую или закрытую структуру, и они могут иметь различные формы, например решетчатую, трубчатую или сферическую.
Содержание лигнина
Бумага может содержать лигнин, например, вплоть до 1, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10, 15, 20 или даже 25% по массе лигнина.
Это содержание лигнина может быть результатом присутствия лигнина в лигноцеллюлозном материале(ах), используемом для изготовления бумаги. Альтернативно или дополнительно, лигнин можно добавлять в бумагу в качестве добавки, как упоминалось выше. В этом случае, лигнин можно добавлять в качестве твердого вещества, например, в качестве порошка или другого материала в виде частиц, или его можно растворять или диспергировать и добавлять в жидкой форме. В последнем случае, лигнин можно растворять в растворителе или системе растворителей. Растворитель или система растворителей может быть в виде одной фазы или двух или более фаз. Системы растворителей для целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов включают системы DMSO-соль. Такие системы включают, например, DMSO в комбинации с солью лития, магния, калия, натрия или цинка. Соли лития включают LiCl, LiBr, LiI, перхлорат лития и нитрат лития. Соли магния включают нитрат магния и хлорид магния. Соли калия включают йодид и нитрат калия. Примеры солей натрия включают йодид и нитрат натрия. Примеры солей цинка включают хлорид и нитрат цинка. Любая соль может быть безводной или гидратированной. Типичное содержание соли в DMSO составляет между приблизительно 1 и приблизительно 50 процентами, например, между приблизительно 2 и 25, между приблизительно 3 и 15 или между приблизительно 4 и 12,5 процентами по массе.
В некоторых случаях, лигнин может подвергаться поперечному сшиванию в бумаге в процессе облучения, дополнительно усиливая физические свойства бумаги.
Типы бумаги
Бумагу часто охарактеризовывают по массе. Масса, приписываемая бумаге, представляет собой массу стопы, 500 листов, различных "основных размеров" перед тем как бумагу нарезают до размера, продаваемого потребителям. Например, стопа 20-фунтовой (9-кг) бумаги размером 8,5"×11" имеет массу 5 фунтов (2,3 кг), поскольку она является нарезанной из более крупного листа на фрагменты. В США бумага для печати, как правило, представляет собой бумагу массой 20 фунтов (9 кг), 24 фунта (10,9 кг) или самое большее 32 фунта (14,5 кг). Переплетный материал, как правило, имеет массу 68 фунтов (30,8 кг) и 110 фунтов (50 кг) или более.
2
В Европе массу выражают в граммах на квадратный метр (г/м или просто г). Обычно бумага для печати имеет массу между 60 г и 120 г. Что-либо тяжелее 160 г считают картоном. Таким образом, масса стопы зависит от размеров бумаги, например, одна стопа размером A4 (210 мм × 297 мм) (приблизительно 8,27"×11,7") имеет массу 2,5 килограмма (приблизительно 5,5 фунтов).
3
3
3
3
3
3
Плотность бумаги находится в диапазоне от 250 кг/м (16 фут/фунт) для шелковой бумаги до 1500 кг/м (94 фут/фунт) для некоторой специализированной бумаги. В некоторых случаях, плотность бумаги для печати составляет приблизительно 800 кг/м (50 фут/фунт).
Способы, описанные в настоящем документе, пригодны для использования с бумагой любого класса, а также с другими типами бумаги, такими как гофрированный картон, строительный картон и другие бумажные продукты. Способы, описанные в настоящем документе, можно использовать для обработки бумаги, которую используют, например, в любом из следующих применений: в качестве марок; в качестве бумажных денег, банковских билетов, ценных бумаг, чеков и т.п.; в книгах, журналах, газетах и в бумаге для художественной печати; для упаковывания, например, строительный картон, гофрированный картон, бумажные пакеты, конверты, шелковая оберточная бумага, коробки; в бытовых продуктах, таких как туалетная бумага, салфетки, бумажные полотенца и бумажные носовые платки; в бумажных сотах, используемых в качестве основного материала в композитных материалах; в качестве строительных материалов; в качестве плотной цветной бумаги; в качестве одноразовой одежды; и в различных промышленных применениях, включая наждачную бумагу, шлифовальную бумагу, промокательную бумагу, лакмусовую бумагу, универсальную индикаторную бумагу, бумажную хроматографию, сепараторы батарей и конденсаторные диэлектрики. Бумага может представлять собой однослойную или многослойную бумагу.
Бумага может быть изготовлена из любого желаемого типа волокон, происходящих из дерева и макулатуры, а также из волокон, происходящих из других источников. Растительные волокнистые материалы, такие как хлопок, конопля, лен и рис, можно использовать отдельно или в комбинации с друг с другом или с происходящими из древесины волокнами. Другие недревесные источники волокон включают, но не ограничиваются ими, сахарный тростник, жмых, солому, бамбук, кенаф, джут, лен и хлопок. В бумагу может быть включено большое количество синтетических волокон, таких как полипропилен и полиэтилен, а также других ингредиентов, таких как неорганические наполнители, в качестве средств для обеспечения желаемых физических свойств. Может быть желательным включение этих недревесных волокон в бумагу, используемую для специализированных применений, таких как бумажные деньги, тонкая бумага для принтеров, бумага для художественной печати и других применений, требующих особенной прочности или эстетических характеристик.
Бумагу можно облучать до или после печати. Облучение можно использовать для маркирования бумаги, например путем повышения количества групп карбоновых кислот в облученной области. Это может быть полезным, например, при маркировании денег.
Технологическая вода
В процессах, описанных в настоящем документе, когда в каком-либо из процессов используют воду, она может представлять собой бытовые сточные воды, например, городские сточные воды, или фекальные воды. В некоторых вариантах осуществления, сточную или фекальную воду стерилизуют перед применением. Стерилизацию можно проводить любым желаемым способом, например, посредством облучения, паровой или химической стерилизации.
Примеры
Представленные ниже примеры предназначены для иллюстрации и не ограничивают изобретения, заявленные в формуле изобретения.
Пример 1 - Способы определения молекулярной массы целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов посредством гель-проникающей хроматографии
В этом примере проиллюстрировано, как определяют молекулярную массу материалов, рассмотренных в настоящем документе. Целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы для анализа обрабатывали следующим образом:
3
3
2
Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистого отбеленного крафт-картона, имеющего объемную плотность 30 фунт/фут (0,48 г/см) получали от International Paper. Материал складывали до плоского состояния, а затем подавали в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения было оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливали на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства для измельчения материал напоминал конфетти (см. выше). Похожий на конфетти материал подавали в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имело отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливали приблизительно на 0,020 дюйма (0,05). Резательное устройство с вращающимся ножом дробило похожие на конфетти фрагменты краями лезвий. Материал, полученный после первого дробления, снова подавали в ту же описанную выше установку, и сито заменяли на сито с отверстиями 1/16 дюйма (0,16 см). Материал дробили. Материал, полученный после второго дробления, снова подавали в ту же описанную выше установку, и сито заменяли на сито с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Этот материал дробили. Полученный волокнистый материал имел площадь поверхности BET 1,6897±0,0155 м/г, пористость 87,7163 процентов и объемную плотность (при 0,53 фунта на кв. дюйм абс. (3,7 кПа)) 0,1448 г/мл. Средняя длина волокон составляла 0,824 мм, и средняя ширина волокон составляла 0,0262 мм, давая среднее L/D 32:1.
Материалы образцов, представленные в следующих таблицах 1 и 2, включают крафт-бумагу (P), пшеничную солому (WS), люцерну (A) и просо (SG). Число "132" в ID образца относится к размеру частиц материала после дробления через сито с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Число после дефиса относится к дозировке радиационного излучения (Мрад) и "US" относится к ультразвуковой обработке. Например, ID образца "P132-10" относится к крафт-бумаге, которую подвергали дроблению до размера частиц калибра 132 и облучали дозой 10 Мрад.
<b>Таблица 1</b><b>Пиковая средняя молекулярная масса облученной крафт-бумаги</b>
<b>Источник образца</b>
<b>ID образца</b>
<b>Дозировка</b><sup>1</sup><b>(Мрад)</b>
<b>Ультразвук</b><sup>2</sup>
<b>Средняя ММ ± Стандартное отклонение</b>
Крафт-бумага
P132
0
Нет
32853±10006
P132-10
10
"
61398±2468**
P132-100
100
"
8444±580
P132-181
181
"
6668±77
P132-US
0
Да
3095±1013
**Низкие дозы облучения, по-видимому, повышают молекулярную массу некоторых материалов
<sup>1</sup>Уровень дозировки = 1 Мрад/ч
<sup>2</sup>Обработка в течение 30 минут ультразвуком 20 кГц с использованием рупора 1000 Вт в условиях рециркуляции, где материал диспергирован в воде.
<b>Таблица 2</b><b>Пиковая средняя молекулярная масса облученных материалов</b>
<b>ID образца</b>
<b>№ пика</b>
<b>Дозировка</b><sup>1</sup><b> (Мрад)</b>
<b>Ультразвук</b><sup>2</sup>
<b>Средняя ММ ± Стандартное отклонение</b>
WS132
1
0
Нет
1407411±175191
2
"
"
39145±3425
3
"
"
2886±177
WS132-10*
1
10
"
26040±3240
WS132-100*
1
100
"
23620±453
A132
1
0
"
1604886±151701
2
"
"
37525±3751
3
"
"
2853±490
A132-10*
1
10
"
50853±1665
2
"
"
2461±17
A132-100*
1
100
"
38291±2235
2
"
"
2487±15
SG132
1
0
"
1557360±83693
2
"
"
42594±4414
3
"
"
3268±249
SG132-10*
1
10
"
60888±9131
SG132-100*
1
100
"
22345±3797
SG132-10-US
1
10
Да
86086±43518
2
"
"
2247±468
SG132-100-US
1
100
"
4696±1465
*Пики объединяются после обработки**Низкие дозы облучения, по-видимому, повышают молекулярную массу некоторых материалов
<sup>1</sup>Уровень дозировки = 1 Мрад/ч
<sup>2</sup>Обработка в течение 30 минут ультразвуком 20 кГц с использованием рупора 1000 Вт в условиях рециркуляции, где материал диспергирован в воде.
Гель-проникающую хроматографию (GPC) используют для определения распределения молекулярной массы полимеров. В ходе анализа GPC, раствор образца полимера пропускают через колонну, заполненную пористым гелем, улавливающим небольшие молекулы. Образец разделяется на основе размера молекул, причем более крупные молекулы элюируются быстрее молекул меньших размеров. Время удержания каждого компонента наиболее часто определяют с помощью индекса рефракции (RI), рассеяния света при испарении (ELS) или ультрафиолетового излучения (UV) и сравнивают с калибровочной кривой. Затем полученные данные используют для вычисления распределения молекулярной массы для образца.
n
w
Распределение молекулярной массы используют для охарактеризации синтетических полимеров вместо индивидуальной молекулярной массы. Для характеризации этого распределения используют статистические средние значения. Наиболее распространенным из этих средних значений являются "среднечисленная молекулярная масса" (M) и "средневзвешенная молекулярная масса" (M). Способы вычисления этих величин описаны, например, в примере 9 WO 2008/073186.
w
n
Индекс полидисперсности или PI определяют как отношение M/M. Чем более высоким является PI, тем более широким или более дисперсным является распределение. Наиболее низкое значение, которое может иметь PI, составляет 1. Оно соответствует монодисперсному образцу; т.е. полимеру, в котором все молекулы в распределении имеют одинаковую молекулярную массу.
P
Пиковое значение молекулярной массы (M) является другим описательным признаком, определяемым как мода распределения молекулярной массы. Оно означает молекулярную массу, которая наиболее распространена в распределении. Эта величина также дает представление о распределении молекулярной массы.
Большинство измерений GPC проводят относительно различных стандартов полимеров. Точность результатов зависит от того, насколько близко характеристики анализируемого полимера совпадают с характеристиками используемого стандарта. Ожидаемая ошибка воспроизводимости между различными сериями определений, калиброванными по отдельности, составляет приблизительно 5-10% и является характерной для ограниченной точности определений GPC. Таким образом, результаты GPC являются наиболее пригодными, когда проводят сравнение между распределениями молекулярной массы различных образцов в ходе одной серии определений.
Для лигноцеллюлозных образцов перед анализом GPC требовалась подготовка. Сначала приготавливали насыщенный раствор (8,4% по массе) хлорида лития (LiCl) в диметилацетамиде (DMAc). Приблизительно 100 мг образца добавляли приблизительно к 10 г свежеприготовленного насыщенного раствора LiCl/DMAc, и смеси нагревали приблизительно до 150°C-170°C при перемешивании в течение 1 часа. Полученные растворы имели цвет, главным образом, от светло-желтого до темно-желтого. Температуру растворов снижали приблизительно до 100°C, и их нагревали в течение дополнительных 2 часов. Затем температуру растворов снижали приблизительно до 50°C, и растворы образцов нагревали в течение приблизительно от 48 до 60 часов. Следует отметить, что образцы, облученные при 100 Мрад, легче солюбилизировались по сравнению с их необработанными аналогами. Кроме того, раздробленные образцы (обозначенные числом 132) имели немного более низкую среднюю молекулярную массу по сравнению с ненарезанными образцами.
Полученные растворы образцов разбавляли 1:1 с использованием DMAc в качестве растворителя и фильтровали через 0,45-мкм фильтр PTFE. Затем отфильтрованные растворы образцов анализировали с помощью GPC. Пиковая средняя молекулярная масса (Mp) образцов, при определении гель-проникающей хроматографией (GPC), обобщенно представлена в таблицах 1 и 2, как указано выше, в условиях анализа, представленных в таблице 3. Каждый образец приготавливали в двух экземплярах, и каждый препарат образца анализировали в двух параллелях (две инъекции), всего с четырьмя инъекциями на образец. Для получения калибровочной кривой для шкалы молекулярной массы приблизительно от 580 до 750000 Дальтон использовали полистироловые стандарты PS1A и PS1B EasiCal.
<b>Таблица 3</b><b>Условия анализа GPC</b>
<b>Устройство:</b>
Water Alliance GPC 2000 Plgel 10μ Mixed-B
<b>Колонны(3):</b>
С/Н: 10М-МВ-148-83; 10М-МВ-148-84; 10М-МВ-174-129
<b>Подвижная фаза (растворитель):</b>
0,5% LiCl в DMAc (1,0 мл/мин)
<b>Температура колонки/детектора:</b>
70°С
<b>Температура инжектора</b>
70°С
<b>Размер петли образца:</b>
323,5 мкл
Пример 2 - Переработка образцов картона пучком электронов
Образцы коричневого картона толщиной 0,050 дюймов (0,13 см) обрабатывали пучком электронов с использованием дугообразного ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 4 описаны номинальные параметры для TT200. В таблице 5 описаны номинальные дозы (в Мрад) и истинные дозы (в кГр), доставляемые к образцам.
<b>Таблица 4</b><b>Параметры Rhodotron TT 200</b>
<b>Пучок</b>
Генерируемый пучок:
Ускоренные электроны
Энергия пучка:
Номинал (максимум): 10 МэВ (+0 кэВ - 250 кэВ)
Рассеивание энергии при 10 МэВ
Полная ширина на уровне полумаксимума (FWHM) 300 кэВ
Мощность пучка при 10 МэВ
Гарантированный рабочий диапазон от 1 до 80 кВт
<b>Потребление энергии</b>
Состояние готовности (вакуум и охлаждающий ON):
<15 кВт
При мощности пучка 50 кВт:
<210 кВт
При мощности пучка 80 кВт:
<260 кВт
<b>Система RF</b>
Частота:
107,5±1 МГц
Тип тетрода:
Thomson TH781
<b>Сканирующий рупор</b>
Номинальная длина сканирования (измеренная при 25-35 см от окна):
120 см
Диапазон сканирования:
От 30% до 100% от номинальной длины сканирования
Номинальная частота сканирования (при максимальной длине сканирования)
100 Гц ± 5%
Единообразие сканирования (на протяжении 90% номинальной длины сканирования)
±5%
<b>Таблица 5</b><b>Дозировки, доставляемые образцам</b>
<b>Общая дозировка (Мрад)</b><b>(Число, ассоциированное с ID образца)</b>
<b>Доставляемая доза (кГр)</b><sup>1</sup>
1
9,9
3
29,0
5
50,4
7
69,2
10
100,0
15
150,3
20
198,3
30
330,9
50
529,0
70
695,9
100
993,6
<sup>1</sup> Например, 9,9 кГр доставляли за 11 секунд при токе пучка 5 мА и линейной скорости 12,9 футов/минута. Время охлаждения между обработками в дозе 1 Мрад составляло приблизительно 2 минуты.
Образцы картона, обработанные в дозе менее 7 Мрад, были более жесткими на ощупь, чем необработанные контроли, однако в остальном визуально выглядели идентично контролям. Образцы, обработанные при приблизительно 10 Мрад, имели сравнимую жесткость с контролями на ощупь, в то время как образцы, обработанные более высокими дозами, были более гибкими при манипулировании. Выраженная деградация материала была визуально заметна для образцов, обработанных в дозе более 50 Мрад.
Другие варианты осуществления
Понятно, что хотя изобретение описано с помощью его подробного описания, представленное выше описание предназначено для иллюстрации, а не для ограничения объема изобретения, которое определяется объемом прилагаемой формулы изобретения. Другие аспекты, преимущества и модификации находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения.