ВОЛОКНИСТЫЙ ПРОДУКТ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТОГО СЕТЧАТОГО МАТЕРИАЛА
FIBROUS PRODUCT AND METHOD OF PRODUCING FIBROUS WEB

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения получения волокнистого сетчатого материала, такого как картон.
В соответствии с указанным способом из волокнистой пульпы, используя технологию формования из пены, получают слой волокнистого материала, который затем высушивают.
Настоящее изобретение относится также к волокнистому продукту в соответствии с ограничительной частью пункта 13 формулы изобретения.
Уровень техники
Прочность на изгиб является одним из наиболее важных свойств картона. В частности, упаковочный картон должен быть прочным и жестким, чтобы упаковка выдерживала транспортировку до конечного потребителя. Картон должен обеспечивать высокую прочность и жесткость, что противоречит цели снижения количества сырьевых материалов.
Ранее достаточную жесткость обеспечивали, используя сорта картона, обладающие достаточно высокой грамматурой. Были предприняты попытки получения различных сортов бумаги и картона посредством уменьшения количества волокон и их замены, например, наполнителями, которые создают проблемы при достижении прочности и жесткости.
Кроме того, для снижения расхода сырьевых материалов были разработаны слоистые структуры, в которых применена форма двутаврового профиля. В такой структуре на лицевой и задней поверхностях объемного среднего слоя находится более прочно связанный слой, который плотнее среднего слоя. Чем больше расстояние между поверхностными слоями, тем сильнее эффект структуры с двутавровым профилем. При сгибании картона происходит растяжение выпуклой стороны картона и, соответственно, сжатие вогнутой стороны.
Возникает сила, противодействующая растяжению и сжатию, которая зависит от толщины, эластичности и плотности слоев.
Ранее объемный средний слой получали из механической пульпы, которую подвергали незначительному размолу.
Проблема заключалась в том, что чем более объемным/пористым является полученный средний слой, тем меньше количество связей между волокнами в нем и тем меньше его внутренняя прочность. Кроме того, более слабый размол снижает образование связей между волокнами из-за снижения удельной поверхности и количества фибрилл, обладающих способностью к схватыванию, что приводит к снижению внутренней прочности среднего слоя.
Низкая прочность связи может приводить к множеству различных проблем на стадиях обрезки, отделки, обработки и печати. Например, применение вязких печатных чернил при офсетной печати приводит к растягиванию в z-направлении, что может вызывать расслоение картона, т.е. растрескивание в z-плоскости. Таким же образом, низкая прочность связи приводит к увеличению количества пыли на стадиях обрезки и обработки, а также при более поздней очистке продуктов.
Объемная структура также может быть получена посредством формования из пены вместо формования из воды. Формование из пены описано, например, в публикациях US 5164045 и WO 991573.
В данном случае волокна по существу не ориентированы в машинном направлении, вместо этого их ориентация больше варьируется в плоскости x-y и в направлении z картона. Следовательно, связывание также распределено во всех направлениях, и в направлении z достигают относительно более высокую прочность.
Однако формование из пены не обеспечивает увеличение количества связей при данной степени размола, поэтому для повышения прочности необходимо использовать добавки. Существующий способ повышения прочности заключается в применении упрочняющих химических веществ, которые, однако, обладают отрицательными свойствами, такими как высокая стоимость и потенциальное неблагоприятное действие на химические свойства в мокрой части оборудования, а также их слабый эффект и низкое удерживание.
Сущность изобретения
Техническая проблема
Задача настоящего изобретения заключается в решении по меньшей мере некоторых проблем, связанных с известной технологией, и в разработке нового способа производства картона высокого качества, обладающего высокой жесткостью, с применением небольшого количества сырьевых материалов.
Решение проблемы
Настоящее изобретение основано на идее, что часть или вся пульпа для слоя волокнистого материала, подлежащая формованию из пены, представляет собой механическую или химико-механическую пульпу или их смесь, которую озонируют перед формованием из пены.
Следовательно, картонный продукт или аналогичный волокнистый продукт, в частности волокнистый продукт, который высушивают на бумагоделательной или картоноделательной машине, содержит по меньшей мере один слой высушенной пены, который частично или полностью состоит из озонированной механической или химико-механической волокнистой пульпы или их смеси.
В частности, улучшена способность к схватыванию (химико)механической пульпы высокообъемного внутреннего слоя многослойного картона посредством озонирования, что обеспечивает возможность повышения удельного объема картона посредством формования из пены и сохранения соответствующих важных свойств прочности, таких как прочность к расслаиванию, и минимального образования пыли при обрезке.
Более конкретно, способ согласно настоящему изобретению характеризуется главным образом тем, что указано в характеристической части пункта 1 формулы изобретения.
В свою очередь, волокнистый продукт согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что указано в характеристической части пункта 13 формулы изобретения.
Полезный эффект изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает достижение значительных преимуществ. Соответственно, с применением технологии формования из пены могут быть улучшены свойства существующих упаковочных, бумажных и картонных продуктов и обеспечено получение различных очень пористых, легких и гладких продуктов. Формование из пены снижает расход воды и энергии, а также обеспечивает экономию исходных материалов.
Существенное улучшение удельного объема и потенциальное преимущество озонирования могут быть достигнуты посредством комбинирования озонирования с формованием внутреннего слоя из пены, что обеспечивает возможность уменьшения количества упрочняющих химических веществ в волокнистой сетчатой структуре (например, крахмала или альтернативного адгезивного полимера, добавляемого в мокром конце оборудования, в сетчатый материал или в клеильный пресс) и/или снижения расхода упрочняющей пульпы (например, химической неизмельченной/измельченной пульпы, микрофибриллированной пульпы или нанопульпы).
Озонирование длинноволокнистой (химико)механической пульпы, такой как еловая или сосновая пульпа, улучшает способность к схватыванию, и при формовании из пены из нее может быть получен объемный внутренний слой, обладающий хорошей способностью к формованию, который используют для многослойного картона. Озонирование способствует также удалению экстрактивных веществ древесины при получении пульпы, что является преимуществом при подготовке пульпы для конечных применений, в которых свойства запаха/вкуса являются критичными, таких как упаковка жидкостей, сигарет или особых категорий продуктов питания, таких как шоколад.
Комбинирование озонирования и формования из пены (химико)механической пульпы из мягкой древесины обеспечивает возможность повышения конкурентоспособности пульпы из мягкой древесины по сравнению с пульпой из твердой древесины для применения в качестве сырьевого материала при получении многослойного картона.
Краткое описание чертежей
Ниже описаны предпочтительные варианты реализации со ссылкой на сопроводительные чертежи, среди которых:
на фиг. 1 изображена технологическая блок-схема в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения, а на фиг. 2 представлены результаты испытаний озонирования, проведенных на отбеленных химико-механических пульпах, в которых выполнено сравнение предложенной технологии с известными способами, в которых сделана попытка улучшения свойств пульпы посредством применения упрочняющих химических веществ, наноцеллюлозы и упрочняющей целлюлозы соответственно.
Варианты реализации изобретения
Следует отметить, что далее представлено описание настоящей заявки в соответствии с новой технологией, в частности со ссылкой на картонное производство, но оно не предназначено для ограничения настоящего описания и технологии только картонными продуктами. Следует понимать, что настоящее изобретение также применимо к получению бумажных продуктов, таких как многослойные бумажные продукты, и аналогичных волокнистых продуктов.
В соответствии с предложенной технологией разработан способ получения волокнистого сетчатого материала, где слой волокнистого материала получают из озонированной волокнистой пульпы посредством формования из пены, и указанный слой волокнистого материала высушивают и обычно формуют как часть многослойного продукта. Так, в одном предпочтительном варианте реализации волокнистый слой создают посредством формования из пены, и указанный слой располагают между двумя другими слоями, например, из него формируют слой картонного продукта, такой как внутренний слой коробочного картона.
В одном из вариантов реализации волокнистая пульпа, подлежащая формованию из пены, состоит исключительно из озонированной пульпы, но существует также возможность ее комбинирования с обычной, неозонированной механической пульпой, химико-механической пульпой, химической пульпой, или микрофибриллированной пульпой, или их комбинацией, или смесью.
В одном из вариантов реализации озонированная волокнистая пульпа представляет собой механическую или, в частности, химико-механическую пульпу, полученную из твердой древесины, или мягкой древесины, или их смеси.
Твердая древесина может быть твердой древесиной любых подходящих видов, таких как береза, осина, тополь, эвкалипт, смешанные тропические виды с твердой древесиной, ольха или их смесь. Мягкая древесина, в свою очередь, может представлять собой, например, древесину ели, или сосны, или их смеси.
Процентное содержание мягкой древесины в исходном материале механической и, в частности, химико-механической пульпы, которая состоит из твердой древесины и мягкой древесины, в одном из вариантов реализации составляет 20-100%, в частности 50-100%, наиболее целесообразно 75-100% (сухой массы).
Если исходный материал содержит мягкую древесину, то настоящее изобретение обеспечивает достижение интересных дополнительных преимуществ. В соответствии с предложенным способом преимущество формования из пены относится главным образом к длинным волокнам, которые при традиционном формовании обусловливают слабую структуру.
В предложенном способе источником волокнистого материала также могут быть однолетние растения, включая солому, тростник, двукисточник тростниковидный, бамбук, сахарный тростник и травы.
Кроме обработанной озоном пульпы при получении волокнистого продукта могут быть использованы другие волокна, такие как вторично перерабатываемые картонные волокна или бумажные волокна, картонные отходы или бумажные отходы, или синтетические волокна, или микрофибриллированная пульпа, или синтетические волокна, или их смеси.
Один из предпочтительных вариантов реализации новой технологии изображен на фиг. 1, которая представляет собой технологическую блок-схему, где сырьем является волокнистая пульпа, такая как механическая или химико-механическая волокнистая пульпа 1.
Как уже было описано, в предпочтительном варианте реализации пульпа состоит из длинноволокнистой пульпы. Ее источником может быть, в частности, мягкая древесина, такая как древесина ели или сосны. Пульпу 1 подают на стадию 2 озонирования. При озонировании в условиях, известных per se, пульпу обрабатывают озоном, в частности газообразным озоном с получением озонированной пульпы 3.
Озон на стадии 2 может быть использован для обработки пульпы, такой как химико-механическая пульпа, как часть стадии отбеливания, самостоятельно или вместе с кислородом и пероксидом водорода, перуксусной кислотой или диоксидом хлора.
Озон представляет собой известный эффективный окислитель и эффективный химический агент для разрушения лигнина древесины, а также отбеливающий агент.
Озон может быть введен в пульпу высокой, средней или низкой плотности. В процессах обработки пульпы различной плотности используют разные технологические параметры, такие как температура, давление, pH и содержание озона.
В одном из вариантов реализации озонирование проводят при плотности сухого вещества примерно 1-50%, при температуре примерно 5-90°C и используя примерно 0,1-5%, в частности примерно 0,1-2,5%, обычно менее 2% озона на сухую массу пульпы. Как правило, технологические условия включают прессование. В другом варианте реализации пульпу обрабатывают при средней плотности (5-15% сухого вещества) или при высокой плотности (более 15% и до 40% сухого вещества).
Как правило, перед обработкой пульпу подкисляют. Предпочтительно, значение pH водной фазы волокнистой массы доводят до кислотного диапазона, составляющего, например, примерно 1-6,5, в частности примерно 1,5-6. После этого в контакт с пульпой может быть приведен озон посредством прессования пульпы до более высокого содержания твердых веществ (примерно 35-50%), после чего ее приводят в контакт с газом при небольшом избыточном давлении, например примерно 1,5-5 бар, в частности примерно 1,6-2,5 бар. Используемое оборудование может представлять собой барабанный смеситель.
В альтернативном варианте реализации подкисленную пульпу приводят в непосредственный контакт с газообразным озоном, например, в смесителе или в смесителях, соединенных последовательно, при этом давление обычно составляет более 5 бар, например примерно 7-20 бар, в частности примерно 10-15 бар.
Температура озонирования более предпочтительно составляет примерно 10-40°C, в частности, процесс проводят при комнатной температуре, т.е. примерно 15-25°C.
Как правило, остаточный озон, оставшийся в остаточном газе после отбеливания, разрушается с образованием кислорода. После этого газ возвращают в окружающую среду или используют повторно, например, при получении кислорода/озона.
В одном из вариантов реализации отходящие газы возвращают в цикл для повторного использования, например, при кислородной делигнификации.
2
В результате озонирования 2 происходит улучшение способности пульпы к схватыванию. Как правило, прочность в направлении z представляет собой надежную меру способности к схватыванию, и современные технологии ориентированы на достижение прочности по меньшей мере 200 кПа, в частности примерно 200-600 кПа. Таким же образом, значение стойкости к расслаиванию (Скотта-Бонда) должно составлять примерно 100-500 Дж/м.
Озонированная пульпа может быть высушена и упакована в тюки (пункт 4). После этого упакованная в тюки пульпа может храниться 6 в течение требуемого периода времени, после чего, как и в случае обычной промышленной пульпы, она может быть транспортирована в требуемое место применения, где ее распускают в воде и подают в систему 7 для пульпы и добавок картоноделательной (или бумагоделательной) машины.
Однако существует также возможность подачи невысушенной пульпы в систему 7 для пульпы и добавок непосредственно со стадии озонирования, например, с помощью насоса (5).
В картоноделательной или бумагоделательной машине пульпу, которую распустили в воде или загрузили во влажном состоянии, используют в составе пульповой смеси, подлежащей формованию из пены для производства 8.
Пульповая смесь, подлежащая формованию из пены, может содержать только озонированную пульпу или может содержать смесь механической пульпы, химико-механической пульпы, химической пульпы, микрофибриллированной пульпы, вторично используемых картонных или бумажных волокон, или картонных или бумажных отходов, или синтетических волокон в смесях с любыми соотношениями; как правило, процентное содержание озонированной пульпы относительно всех волокон в случае смесей составляет по меньшей мере 10%, в частности примерно 20-95%, наиболее целесообразно 30-90% в пересчете на сухую пульпу. Пульпа, подлежащая формованию из пены, может содержать минеральные наполнители в количестве 0-30% по массе (в пересчете на сухие волокна). Пульповая смесь, подлежащая формованию из пены, также может содержать 0-30% по массе синтетических волокон. Пульпа, подлежащая формованию из пены, также может содержать добавки. Как упомянуто выше, помимо поверхностно-активных веществ в пульпе также могут быть использованы добавки, такие как латексы, связующие вещества, красители, ингибиторы коррозии, агенты для регулирования pH, вспомогательные удерживающие агенты, агенты для проклейки бумажной массы и другие агенты, принятые в производстве картона. Их количество составляет максимум 20% относительно сухой массы волокон.
В одном из вариантов реализации композицию, подходящую для формования, получают смешиванием волокнистой суспензии, имеющей плотность примерно 0,5-7% по массе (содержание волокон относительно массы суспензии), с пеной, полученной из воды и поверхностно-активного вещества, имеющей содержание воздуха примерно 10-90% по объему, например 20-80% по объему, при этом получают вспененную волокнистую суспензию с содержанием волокон примерно 0,1-3% по массе. Полученная суспензия может быть подана на сетку машины для формирования сетчатого материала.
Используемое поверхностно-активное вещество может быть неионогенным, анионным, катионным или амфотерным. Подходящее количество поверхностно-активного вещества составляет примерно 150-1000 ppm по массе. Примеры анионных поверхностно-активных веществ представляют собой альфа-олефинсульфонаты, а пример неионогенных поверхностно-активных веществ, в свою очередь, представляет собой ПЭГ-6 лаурамид. Конкретные примеры включают додецилсульфат Na.
В процессе образования пены требуемый размер пузырьков варьируется, но обычно составляет меньше средней длины волокна в волокнистом материале. Обычно размер (диаметр) пузырьков составляет примерно 10-300 мкм, например 20-200 мкм, обычно примерно 20-80 мкм.
В процессе формования из пены существует возможность комбинирования известными per se способами применения вакуума и высушивания, происходящего на сетке машины.
Посредством формования из пены вспененной волокнистой суспензии, которая состоит из озонированных волокон, получают объемный внутренний слой, обладающий хорошей способностью к формованию. Поэтому указанную пену помещают, например, с помощью технологии получения многослойной сетчатой структуры, между двумя поверхностными слоями.
Однако существует также возможность получения многослойной структуры посредством нанесения слоев друг на друга из расположенных последовательно питающих сопл.
2
2
Грамматура слоев может варьироваться в широких диапазонах. Как правило, масса поверхностных слоев составляет примерно 10-100 г/м, а плотность среднего слоя составляет примерно 10-300 г/м. Посредством формования из пены можно сохранять относительно низкую грамматуру среднего слоя, даже если толщина указанного слоя является достаточной для обеспечения жесткости продукта, среди прочего, для упаковочных применений.
2
Следовательно, грамматура полученного волокнистого продукта может варьироваться в широких диапазонах, например 30-500 г/м, но и указанные значения не являются абсолютными пределами.
Результаты
Обработка озоном может обеспечивать получение крупнозернистой механической пульпы или пульповых фракций с превосходной внутренней прочностью. Озон взаимодействует на поверхностях волокон, увеличивая количество функциональных групп, что способствует образованию связей между волокнами.
Поскольку при обработке озоном удельная поверхность пульпы на практике остается постоянной, то садкость также остается постоянной даже при увеличении прочности связей. Следовательно, нет необходимости ни в низкой садкости, ни в применении большого количества мелких частиц для достижения хорошего связывания, при этом плотность листа также не является высокой. Следовательно, обработка озоном обеспечивает достаточную прочность связывания при более высокой садкости и снижает количество мелких частиц. Озон также не влияет на гибкость волокон в отличие от размола. Следовательно, обработка озоном обеспечивает возможность достижения более высокой внутренней прочности при минимальном ухудшении удельного объема или, альтернативно, достаточной внутренней прочности при большем удельном объеме.
Если задача заключается в получении большего объема с одновременным сохранением достаточной внутренней прочности, то полученная механическая пульпа должна быть достаточно крупнозернистой (иметь высокую садкость) для обеспечения достаточного удельного объема. Затем может быть использована обработка озоном для достижения достаточных прочностных свойств.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение значительных улучшений прочностных свойств, достигнутых с применением настоящего изобретения.
На указанной фигуре показаны результаты сравнительных испытаний, в которых проводили сравнение пульпы согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения (на фигуре «Обработанная озоном БХТММ» (беленая химическая термомеханическая масса)) с пульпами, модифицированными традиционными упрочняющими химическими веществами («Daico»), наноцеллюлозой («NFC1», «NFC2» и «NFC3») и соответствующей упрочняющей целлюлозой («рафинированная крафт-пульпа»). Обработанные пульпы представляют собой отбеленные химико-механические пульпы. Прочность по Скотту-Бонду выражена как функция от удельного объема.
3
2
Результаты демонстрируют, что озонирование улучшает прочностные свойства механической пульпы, не снижая удельный объем. При одинаковом удельном объеме, составляющем 3,0-3,7 см/г, предложенная технология обеспечивает улучшение энергии расслаивания Скотта-Бонда (Дж/м) на по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, наиболее целесообразно по меньшей мере 20%, по сравнению со значениями, достигнутыми с применением традиционной технологии, в частности с применением полимерных упрочняющих веществ, наноцеллюлозы или упрочняющей целлюлозы. При сравнении основывались на том факте, что каждое стандартное упрочняющее вещество добавляли в количестве 10%, расчет основан на сухой массе волокон механической пульпы.
Характеристики достигнутого сочетания прочности/удельного объема являются уникальными, например, в сравнении с результатами, полученными с применением упрочняющих химических веществ, наноцеллюлозы и упрочняющей целлюлозы. Влияние озонирования на свойства пульп исследованы в литературных источниках (см. Hostachy J-C, 64th Appita Annual Conference and Exhibition, Appita Inc., 2010, cc. 349-351; Lecourt et al., International Mechanical Pulping Conference 2007, Tappi Press 2007, cc. 494 -507, и Long et al. Tappi Pulping / Process and Product Quality Conference, Tappi Press, 2000, c. 8), но нет ни одного упоминания относительно применимости озонирования для рассматриваемого объекта, не говоря уже о том факте, что в литературе нет ссылок на неожиданные и ценные результаты, достигнутые с применением предложенного решения.
Как описано выше, озонирование, помимо связывания волокон в пене, может также обеспечивать удаление экстрактивных веществ древесины в процессе получения пульпы. Это является явным преимуществом при получении пульпы, например, для конечных применений, в которых критичны свойства запаха/вкуса. Указанные применения включают упаковку жидкостей, а также торговые и складские упаковки для пищевых продуктов и особых категорий продуктов, таких как шоколад и сигареты, которые восприимчивы к прочности и другим свойствам упаковки.
Несмотря на то, что изложенное выше описание относится, в частности, к применению озонированной механической или химико-механической пульпы или их смеси в сформованном из пены слое, что представляет собой предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, следует понимать, что озонированная пульпа также может содержать или даже состоять из химической пульпы или из смеси химической и механической и/или химико-механической пульпы.
Промышленная применимость
Как описано выше, комбинирование озонирования и формования из пены обеспечивает возможность достижения, среди прочего, значительного улучшения удельного объема и в то же время уменьшения применения упрочняющих химических веществ для упрочнения волокнистой сетчатой структуры.
Изготовленные продукты подходят, например, для тех конечных применений, в которых упаковка должна быть легкой и прочной и свойства которых гарантируют отсутствие изменения вкуса и запаха продуктов, таких как торговые или складские упаковки продуктов питания, шоколада и сигарет.
Особенно предпочтительные применения представляют собой упаковки и упаковочные преформы для продуктов питания, в частности упаковки и упаковочные преформы из длинноволокнистой пульпы.
Список условных обозначений
На чертежах использованы следующие условные обозначения:
1 пульпа
2 озонирование
3 озонированная пульпа
4 высушивание и упаковка пульпы в тюки
5 подача насосом
6 необязательное хранение и транспортировка
7 система для пульпы и добавок картоноделательной машины
8 получение вспененной пульпы
9 формование из пены
10 высушивание волокнистого сетчатого материала, например картона
Список литературы
Патентная литература
US 5164045 WO 9915730
Непатентная литература
th
Hostachy J-C., "Use of ozone in chemical and high yield pulping processes - Latest innovations maximizing efficiency and environmental performace", Appita Annual Conference - Appita 64 - 64 Appita Annual Conference and Exhibition, Incorporating the 2010 Pan Pacific Conference -Conference Technical Papers, под ред. Appita Inc., 201, cc. 349-351.
Lecourt et al. "Saving energy by application of ozone in the thermomechanical pulping process", в International Mechanical Pulping Conference 2007, под ред. TAPPI Press, 2007, cc. 494-507.
Long et al. "Kinetic Study of Ozone Treatment on Mechanical Pulp", в TAPPI Pulping/Process and Product Quality Conference, под ред. TAPPI Press, 2000, 8 c.