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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Pulpen gerichtet, die zur Herstellung
von Lyocell-Formkörpern
geeignet sind, die Überzüge (Filme),
Fasern und nicht gewebte Vliesstoffe umfassen, und auf Verfahren
zur Herstellung solcher Pulpen, die zur Herstellung der Lyocell-Formkörper geeignet
sind, auf Lyocell-Formkörper, die
aus den Pulpen hergestellt sind, sowie auf Verfahren zur Herstellung
der Lyocell-Formkörper.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von "Jung"-Holz (oftmals auch
als "Kernholz", "Jugendholz", "Holz mit einer geringen
relativen Dichte" oder
in einigen Fällen
als "Durchforstungsholz" bezeichnet) gerichtet.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Cellulose
ist ein D-Glucose-Polymer sowie ein struktureller Bestandteil von
Pflanzenzellwänden.
Diese Zellen werden als Fasern bezeichnet. Cellulosefasern kommen
in den Baumstämmen,
aus welchen sie extrahiert, in Pulpe umgewandelt und anschließend verwendet
werden, um eine Vielzahl an Produkten herzustellen, besonders reichlich
vor.
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Als
Reyon wird eine faserartige Form von gewonnener Cellulose bezeichnet,
die in der Textilindustrie in großem Umfang verwendet wird,
um Bekleidungsartikel herzustellen. Seit über einem Jahrhundert sind durch
die Viskose- und Kupferoxid-Ammoniak-Verfahren kernige Reyonfasern
hergestellt worden. Das letztere Verfahren wurde zuerst 1890 patentiert
und das Viskose-Verfahren
zwei Jahre später.
In dem Viskose-Verfahren wird Cellulose zunächst in eine merzerisierende
stärkende Ätznatronlösung eingetaucht,
um eine Alkalicellulose zu bilden. Die Cellulose wird anschließend mit Schwefelkohlenstoff
umgesetzt, um Cellulosexanthogenat zu bilden, welches anschließend in
verdünnter Ätznatronlösung gelöst wird.
Nach der Filtration und Entlüftung
wird die Xanthogenatlösung
aus untergetauchten Spinndüsen
in ein Regenerierungsbad von Schwefelsäure, Natriumsulfat und Zinksulfat
extrudiert, um kontinuierliche Filamente zu bilden. Die sich ergebende Viskose
Reyon wird zur Zeit in Textilien verwendet und wurde früher in großem Umfang
zum Verstärken
von Gummiartikeln, wie beispielsweise Reifen und Antriebsriemen
verwendet.
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Cellulose
ist auch in einer Lösung
von Ammoniakkupferoxid löslich.
Diese Eigenschaft bildet die Grundlage zur Herstellung von Kupferoxid-Ammoniak-Reyon. Die Celluloselösung wird
durch untergetauchte Spinndüsen
in eine Lösung
von 5 % Ätznatron
oder verdünnter
Schwefelsäure
gepreßt,
um die Fasern zu bilden, welche anschließend entkupfert und gewaschen
werden. Kupferoxid-Ammoniak-Reyon ist in Fasern mit sehr niedrigen
Denier erhältlich
und wird nahezu ausschließlich
in Textilien verwendet.
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Die
vorhergehenden Verfahren zur Herstellung von Reyon erfordern sowohl,
dass die Cellulose chemisch derivatisiert als auch komplexiert wird,
um sie löslich
zu machen und daher in Fasern gesponnen werden kann. In dem Viskose-Verfahren
wird die Cellulose derivatisiert, während die Cellulose in dem
Kupferoxid-Ammoniak-Reyon-Verfahren komplexiert wird. In beiden
Verfahren muss die derivatisierte oder komplexierte Cellulose regeneriert
werden, und die zum Anlösen
verwendeten Reagenzien müssen
entfernt werden. Die Derivatisierungs- und Regenerationsschritte
bei der Herstellung von Reyon tragen wesentlich zu den Kosten dieser Form
von Cellulosefaser bei. Folglich sind in den letzten Jahren Versuche
zur Ermittlung von Lösungsmitteln unternommen
worden, die nicht derivatisierte Cellulose lösen können, um eine Spinnlösung von
nicht derivatisierter Cellulose zu bilden, aus welcher Fasern gesponnen
werden können.
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Eine
Klasse von organischen Lösungsmitteln,
die zum Lösen
von Cellulose geeignet ist, sind Amin-N-Oxide, insbesondere die
tertiären
Amin-N-Oxide. Zum Beispiel offenbart Graenacher in
U.S. Patent Nr. 2,179,181 eine Gruppe
von Aminoxid-Materialien, die als Lösungsmittel geeignet sind.
Johnson beschreibt in
U.S. Patent
Nr. 3,447,939 die Verwendung von wasserfreiem N-Methylmorpholin-N-Oxid
(NMMO) und anderen Amin-N-Oxiden als Lösungsmittel für Cellulose
sowie für
viele andere natürliche
und synthetische Polymere. Franks et al. handelt in
U.S. Patent Nr. 4,145,532 und
4,196,282 die Schwierigkeiten
des Lösens
von Cellulose in Aminoxid-Lösungsmitteln
und des Erreichens höherer
Cellulose-Konzentrationen ab.
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Lyocell
ist eine anerkannte allgemeine Bezeichnung für eine Cellulosefaser, die
aus einer organischen Lösung
ausgefällt
wird, wobei keine Substitution von Hydroxylgruppen stattfindet und
keine chemischen Zwischenprodukte gebildet werden. Verschiedene
Hersteller stellen zur Zeit Lyocell-Fasern hauptsächlich zur
Verwendung in der Textilindustrie her. Zum Beispiel stellt Acordis,
Ltd. zur Zeit eine Lyocell-Faser her, die Tencel®-Faser
genannt wird, und verkauft diese.
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Gegenwärtig erhältliche
Lyocell-Fasern werden aus Holzpulpen hergestellt, die zur Entfernung
von Nicht-Cellulosebestandteilen, insbesondere Hemicellulose, weitgehend
veredelt worden sind. Diese hochveredelten Pulpen werden als Pulpen
von Lösungsqualität oder als
Pulpen mit hohem alpha-Gehalt (oder hohem α-Gehalt) bezeichnet, wobei sich
die Bezeichnung alpha (oder α)
auf den prozentualen Anteil an Cellulose bezieht. Daher enthält eine
Pulpe mit hohem alpha-Gehalt einen hohen prozentualen Anteil an
Cellulose und einen entsprechend niedrigen prozentualen Anteil an
anderen Bestandteilen, insbesondere Hemicellulose. Die Veredelung,
die erforderlich ist, um eine Pulpe mit hohem alpha-Gehalt zu erzeugen,
trägt wesentlich
zu den Kosten von Lyocell-Fasern und daraus hergestellten Produkten
bei.
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Da
das herkömmliche
Kraft-Verfahren verbleibende Hemicellulosen gegenüber weiterem
alkalischen Angriff stabilisiert, ist es nicht möglich, durch anschließende Behandlung
von Kraft-Pulpe in den herkömmlichen
Bleichschritten annehmbare Pulpen mit hohem alpha-Gehalt für Lyocell-Produkte zu erhalten.
Um durch das Kraft-Verfahren Pulpen mit hohem alpha-Gehalt herzustellen,
ist es notwendig, die Holzschnitzel vor dem Schritt des alkalischen
Aufschlussverfahrens in einer Säurephase
vorzubehandeln. Eine wesentliche Menge an Material, vor allem an
Hemicellulose, in der Größenordnung
von 10 % oder mehr der ursprünglichen
Holzsubstanz, wird in dieser Säurephasen-Vorbehandlung
angelöst,
und auf diese Weise sinken die Verfahrensausbeuten. Unter diesen
Bedingungen ist Cellulose weitgehend widerstandsfähig gegenüber Angriffen,
aber die verbleibenden Hemicellulosen werden zu einer weitaus kürzeren Kettenlänge abgebaut
und daher in der anschließenden
Kraft-Kochung durch eine Vielzahl von Hemicellulose-Hydrolysereaktionen
oder durch Lösen weitgehend
entfernt. Der Nachteil von herkömmlichen
Pulpen mit hohem alpha-Gehalt, die für Lyocell verwendet werden,
ist der sich ergebende Verlust an Ausbeute, der von dem Erfordernis,
Hemicellulosen zu entfernen, herrührt.
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Angesichts
des finanziellen Aufwands zur Herstellung kommerzieller Pulpen mit
hohem alpha-Gehalt ist es wünschenswert,
Alternativen zu herkömmlichen
Pulpen mit hohem alpha-Gehalt zur Herstellung von Lyocell-Produkten
zu haben. Darüber
hinaus möchten
Hersteller die Kapitalinvestitionen, die zur Herstellung solcher
Pulpenarten notwendig sind, durch Verwendung bestehender Großanlagen
minimieren. Daher besteht ein Bedarf nach verhältnismäßig kostengünstigen Pulpen mit niedrigem
alpha-Gehalt (z.B. mit hoher Ausbeute, hohem Hemicellulose-Anteil),
die Merkmale aufweisen, die sie für die Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet
machen.
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In
U.S. Patent Nr. 6,210,801 ist
offenbart, dass Pulpen mit niedriger Viskosität und hohem Hemicelluloseanteil
für die
Herstellung von Lyocell-Formkörpern
geeignet sind. Die Pulpe wird durch Vermindern der Viskosität der Cellulose
hergestellt, ohne dass dabei der Hemicellulosegehalt wesentlich
vermindert wird. Solche Verfahren verwenden eine Säure oder
ein Säureersatzmittel
oder andere hierin beschriebene Verfahren.
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Während die
in dem '801 Patent
beschriebenen Verfahren zur Senkung des durchschnittlichen Polymerisationsgrades
(P.G.) von Cellulose ohne wesentliche Senkung des Hemicellulosegehaltes
effektiv sind, bestand ein weiterer Bedarf für ein Verfahren, welches keinen
separaten Schritt zur Senkung der Kupferzahl erfordert und welches
für Pulpenwalkmaschinen
leicht anwendbar ist, die Sauerstoffreaktoren, mehrfache alkalische
Schritte und/oder alkalische Bedingungen aufweisen, die für eine wesentliche
P.G.-Verminderung von gebleichter oder halbgebleichter Pulpe geeignet
sind. Umweltbedingte Belange haben auch ein großes Interesse daran erzeugt,
Bleichmittel zu verwenden, die die Verwendung von Chlorverbindungen
senken. In den letzten Jahren ist Sauerstoff als delignifizierendes
Mittel in kommerziellem Maßstab
verwendet worden. Beispiele für
Ausrüstung
und Geräte,
die zum Ausführen
eines Sauerstoff-Delignifizierungsverfahrens geeignet sind, sind
in
U.S. Patent Nr. 4,295,927 ;
4,295,925 ;
4,298,426 und
4,295,926 beschrieben. In
U.S. Patent Nr. 6,331,354 ist
eine Pulpe mit einem hohen Hemicellulosegehalt und niedriger Viskosität offenbart,
der zur Bildung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist. Die Pulpe
wurde aus einer alkalischen Pulpe durch Behandeln der alkalischen
Pulpe mit einem Oxidationsmittel in einem Reaktor für mittlere
bis hohe Konsistenz hergestellt, um den P.G. der Cellulose ohne
wesentliches Vermindern des Hemicellulosegehaltes oder Erhöhen der
Kupferzahl zu senken.
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Weitere
Bemühungen
zum Senken der Herstellungskosten von Lyocell-Formkörpern haben zu dem
U.S. Patent 6,605,350 geführt. Die '274-Anmeldung beschreibt
Pulpen, die aus Sägemehl
und anderem Holz von niedriger Faserlänge unter Verwendung einer ähnlichen
Prozedur wie derjenigen des '554-Patentes
hergestellt sind. Diese Pulpen weisen einen hohen Hemicellulosegehalt
und eine niedrige Viskosität
auf, was sie für
die Bildung von Lyocell-Formkörpern
besonders geeignet macht.
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Die
Holzverarbeitungsindustrie erzeugt weiterhin im normalen Ablauf
der alltäglichen
Forstwirtschafts-Unternehmensführung
und Holzverarbeitung riesige Mengen an Abfallprodukten. Diese Abfallprodukte werden
größtenteils
nicht genutzt. Der Bedarf, Rohstoffquellen durch Verwendung von
Holzabfallprodukten über
neue Wege zu erhalten, stellt eine einzigartige Gelegenheit dar.
Es ist vorteilhaft, eine preiswerte Pulpe zu entwickeln, die für die Herstellung
von Lyocell-Formkörpern
aus all diesem nicht genutzten Holz geeignet ist, nämlich dem
Kernholz oder Jung- oder Jugendholz, wie beispielsweise Durchforstungsholz,
welches hier im Folgenden als Holz mit niedriger relativer Dichte
bezeichnet wird. Daher wird eine preiswerte Alternative zu den hochveredelten
Pulpen mit hohem alpha-Gehalt dargestellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt ein Lyocell-Produkt bereit, das mindestens 7 Gewichts-%
Hemicellulose und Cellulose umfasst, wobei die Pulpe, die zur Herstellung
des Produktes verwendet wird, eine Viskosität von weniger als 0,032 Pa·s (32
cP), eine Kupferzahl von weniger als 2, eine gewichtsgemittelte
Faserlänge
von weniger als 2,7 mm; und eine Rauhigkeit von weniger als 23 mg/100
m aufweist. Lyocell-Produkte können
zum Beispiel Fasen, Überzüge oder
nichtgewebte Vliesstoffe sein.
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Ein
Verfahren zur Herstellung des Lyocell-Formkörpers umfasst das Lösen einer
Pulpe in einem Lösungsmittel,
um eine Celluloselösung
zu bilden; Bilden eines Lyocell-Formkörpers aus der Lösung; und
Regenerieren des Formkörpers,
wobei die Pulpe mindestens 7 Gewichts-% Hemicellulose, eine Viskosität von weniger
als 0,032 Pa·s
(32 cP); eine Kupferzahl von weniger als 2; eine gewichtsgemittelte
Faserlänge
von weniger als 2,7 mm und eine Rauhigkeit von weniger als 23 mg/100
m aufweist. Das Verfahren kann Meltblowing, ein Zentrifugalspinnverfahren,
Spunbonding oder eine Trocken-Nass-(dry-jet
wet)-Methode verwenden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung einer Pulpe umfasst das Aufschließen von
Feuchtmaterial mit einer relativen Dichte von weniger als 0,41 unter
Verwendung eines Alkali-Aufschlussverfahrens; sowie Bleichen der Pulpes,
um die Viskosität
der Pulpe auf 0,032 Pa·s
(32 cP) oder weniger zu vermindern. Die gebleichte Pulpe weist mindestens
7 Gewichts-% Hemicellulose, eine Kupferzahl von weniger als 2, eine
gewichtsgemittelte Faserlänge
von weniger als 2,7 mm und eine Rauhigkeit von weniger als 23 mg/100
m auf.
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Die
Verwendung von Holz mit niedriger relativer Dichte kann für eine vorgegebene
Kappa-Zahl zu ungebleichtem Holz mit einer niedrigeren Viskosität führen. Die
Verwendung von Holz mit niedrigen relativen Dichtewerten vermindert
die Temperatur des Bleichschrittes und die Chemikaliendosierung,
die in der Bleichanlage benötigt
werden, um Pulpe mit annehmbaren Lyocell-Spezifikationen aufzuweisen.
Holz mit niedriger relativer Dichte führt zu einem sehr niedrigen
Grad an Viskosität,
ohne dass dabei die Kupferzahl der Pulpe oder die Carbonylkonzentration
in der Pulpe über
einen annehmbaren Grad erhöht
wird. Das Verfahren verwendet vor dem Aufschließen keine Säurephasen-Vorbehandlung, und
die anschließenden
Bleichbedingungen führen
zu keiner wesentlichen Abnahme des Hemicellulosegehalts.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorhergehenden Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser
Erfindung erkennt man leicht, da diese unter Bezugnahme auf die
folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden
werden, wobei:
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1 ein
Flussdiagramm darstellt, welches eine Ausführungsform eines Verfahrens
zur Herstellung einer Pulpe veranschaulicht; und
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2 ein
Flussdiagramm darstellt, welches eine Ausführungsform eines Verfahrens
zur Herstellung eines Lyocell-Formkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird ein geeignetes Verfahren
zur Herstellung von Lyocell veranschaulicht, wobei Pulpe aus Holz
mit niedriger relativer Dichte gelöst wird. Das Verfahren kann
so aufgefasst werden, dass es zwei breite Veredelungsbereiche umfasst,
wobei das Aufschließen
als Block 126 und das Bleichen als Block 128 dargestellt
ist.
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In
Block 100 wird ein Pulpenkocher mit Holzschnitzeln mit
niedriger relativer Dichte beladen oder beschickt. Die relative
Dichte stellt gemäß The Handbook
of Pulping and Papermaking, 2. Ausgabe, von Christopher J. Biermann,
das (einheitslose) Verhältnis
der Dichte von festem Holz zur Dichte von Wasser bei derselben Temperatur
dar. Wie hierin verwendet, ist die relative Dichte die durchschnittliche
relative Dichte jeder beliebigen Population von Holzausgangsmaterial.
Die Dichte des festen Holzes kann unter Verwendung von grünem Volumen,
von ofengetrocknetem Volumen oder von Zwischenvolumina bestimmt
werden. Die Holzschnitzel, die beim Ausüben der Erfindung verwendet
werden können,
können
aus einer beliebigen Cellulosequelle hergestellt werden. Im Gegensatz
zur herkömmlichen
Denkweise hat man herausgefunden, dass Holz mit niedriger relativer
Dichte zur Verwendung als Cellulosequelle zur Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet
ist. Ein geeigneter Bereich von Holz mit niedriger relativer Dichte,
der für
die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist ein beliebiges Holzmaterial
mit einer relativen Dichte von etwa gleich oder weniger als 0,41. Holz
mit niedriger relativer Dichte führt
zu einer niedrigeren Viskosität
von ungebleichter Pulpe, wovon man annimmt, dass die Verwendung
bleichender Chemikalien in der Bleichanlage vermindert ist. Typische
Quellen für
Holz mit niedriger relativer Dichte können von "Durchforstungsholz" und "Jugend"-Holz stammen. Jugend-Holz ist gemäß Biermann
als die ersten 10 Jahresringe, die das Kernholz umgeben, definiert.
Andere definieren es jedoch als Holz, das in der Nähe des Kernholzes
des Baums gebildet wird, welches oft durch breite Jahresringe, niedrigere
Dichte und kürzere
Fasern charakterisiert ist. In einigen Fällen kann sich das Jugend-Holz
auf 15 Ringe oder mehr erstrecken. Die relative Dichte nimmt mit
der zunehmenden Höhe
des Baumes zu, so dass die relative Dichte bei 4,8 m, 9,8 m oder
14,6 m (16 Fuß,
32 Fuß oder
48 Fuß)
stufenweise höher
ist als am unteren Stammende des Baumes. In einigen Ausführungsformen
beträgt
die relative Dichte weniger als 0,41 und kann weniger als 0,38,
0,36, 0,34, 0,32 oder 0,30 oder weniger betragen.
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Pulpenkocher
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung können jeden beliebigen Pulpenkocher umfassen,
der geeignet ist, Holz mit niedriger relativer Dichte aufzuschließen. Ein
Beispiel eines geeigneten Pulpenkochers ist ein kontinuierlicher
Pulpenkocher, der oft als "Kamyr"-Pulpenkocher bezeichnet
wird. (Es ist anzumerken, dass Kamyr der Name einer Firma ist, die
solche Pulpenkocher entwickelt und gebaut hat, und dass die Bezeichnung
Kamyr nur lose mit einem kontinuierlichen Pulpenkocher in Zusammenhang
steht. Kamyr existiert nicht mehr als Firma. Solche kontinuierlichen
Pulpenkocher werden von Kvaerner geliefert.) Diese Pulpenkocher
sind in der Pulpen- und Papierindustrie für mehrere Jahre verwendet worden,
wobei der erste 1950 in Schweden eingeführt wurde. Im Laufe der Jahre
sind an diesen Pulpenkochern Modifizierungen durchgeführt worden,
um ihren Betrieb zu verbessern. Das System des Pulpenkochers kann
entweder ein Ein-Gefäß- oder
ein Zwei-Gefäß-System
sein.
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"Kamyr"-Pulpenkocher werden üblicherweise
beim Kraft- oder Alkali-Aufschlussverfahren
von Holz verwendet, können
aber auch in halbchemischen Aufschlussverfahren verwendet werden.
Weitere kontinuierliche Pulpenkocher, wie beispielsweise der M&D-Pulpenkocher
und der Pandia-Pulpenkocher sind ebenso zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet. Die vorliegende Erfindung kann auch unter Verwendung eines
beliebigen diskontinuierlichen Pulpenkochers oder anderen kontinuierlichen
Pulpenkochern ausgeübt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 1 liegen innerhalb. des Aufschlussverfahrens,
Block 126 mehrere Prozessschritte vor, die als Blöcke 100–116 dargestellt
sind. Beschicken oder Beladen mit Schnitzeln findet, wie oben erörtert, in
Block 100 statt. Die Holzschnitzel können vor der Kochung mit Dampf
vorbehandelt werden, Block 102. Dampf bei atmosphärischem
Druck wärmt
die Schnitzel vor und vertreibt Luft, sodass das Eindringen von
Lauge verstärkt
wird. Nachdem der Prozessschritt des Vorbehandelns mit Dampf beendet
ist, kann Kochlauge, bezeichnet als Weißlauge, welche die Chemikalien
zum Aufschluss enthält,
zu den Schnitzeln zugegeben werden, Block 104. Der Pulpenkocher
wird anschließend
mit Weißlauge
und Schnitzeln beschickt. Beim Kraft-Aufschluss sind die wirksamen
chemischen Verbindungen NaOH und Na2S. Andere
Chemikalien können
hinzugefügt
werden, um wünschenswerte
Effekte beim Aufschlussverfahren zu beeinflussen oder zu vermitteln.
Diese zusätzlichen
Chemikalien sind einem Fachmann wohlbekannt. Die vorliegende Erfindung stellt
eine niedrigere Viskosität
der ungebleichten Pulpe aus Holz mit verhältnismäßig niedriger relativer Dichte bereit
im Vergleich dazu, wenn es aus Holz mit einer höheren relativen Dichte bestehen
würde,
d.h. die relative Dichte bezieht sich auf die Kappa-Zahl.
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Das
Imprägnieren,
Block 106, ist der Zeitraum, während dessen die Chemikalien
das Holzmaterial mit niedriger relativer Dichte imprägnieren
können.
Ein gutes Eindringen der Lauge unterstützt eine gleichmäßige Kochung
der Schnitzel.
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"Kochung" findet in Blöcken 108 und 110 statt.
Im Anschluss an den Gleichstrom-Flüssigkeitskontakt-Prozessschritt,
Block 108, erfolgt der Gegenstrom-Flüssigkeitskontakt-Prozessschritt,
Block 110. Die Kochung des Holzes mit niedriger relativer
Dichte findet während
dieser zwei Prozessschritte statt. Entweder in Block 108 oder 110 können die
Kochlauge und Schnitzel erwärmt
werden.
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Das
Waschen im Pulpenkocher, Block 112, wird durch Einbringen
von Waschlauge in den unteren Teil des Pulpenkochers durchgeführt und
im Gegenstrom zu der gekochten Pulpe bewegt. Die Kochung ist größtenteils
beendet, wenn die Pulpe auf die kühlere Waschlauge trifft.
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Nach
Beendigung des Kochprozessschrittes und des Waschens im Pulpenkocher
wird der Pulpenkocherinhalt ausgeblasen, Block 112. Das
Ausblasen des Pulpenkochers umfasst das Übertreiben der Holzschnitzel
und der Lauge bei atmosphärischem
Druck. Das Übertreiben
findet mit einer ausreichenden Menge an Druck statt, um die Faserauftrennung
zu bewirken. Gegebenenfalls kann der Ausblastank mit Ausrüstung zur
Wärmerückgewinnung
ausgestattet sein, um Betriebsaufwendungen zu reduzieren.
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In
Block 114 wird die Pulpe von dem Ausblastank zu externen
Wäschern
für gebleichte
Pulpe geführt. Die
Abtrennung der Schwarzlauge von der Pulpe findet bei den Wäschern für gebleichte
Pulpe statt.
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In
einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung von Pulpe aus Holz mit niedriger
relativer Dichte, welches bei der Herstellung von Lyozell-Formkörpern verwendet
werden sollte, beträgt
die Zeit, welche für
das Imprägnieren
in Block 106 vorgesehen ist, etwa 35 Minuten. Die anfängliche
prozentuale Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 8,5. Die prozentuale
Menge an effektivem Alkali bei 5 Minuten beträgt etwa 1,6. Die prozentuale
Sulfidität
beträgt
etwa 29. Das Laugenverhältnis
beträgt
etwa 4. Die Ausgangstemperatur beträgt etwa 110 °C. Die verbleibenden
Gramm pro Liter an effektivem Alkali betragen etwa 9,63. Die verbleibende
prozentuale Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 3,85. Der pH-Wert beträgt etwa
12,77 und der H-Faktor beträgt
etwa 2.
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In
einer Ausführungsform
des Gleichstromprozessschrittes, Block 108, beträgt die prozentuale
Menge an effektivem Alkali etwa 4,2. Nach Biermann ist Effektivalkali
als diejenigen Bestandteile definiert, die Laugen unter Aufschlussbedingungen
tatsächlich
produzieren. Die prozentuale Sulfidität beträgt etwa 29. Nach Biermann ist
die Sulfidität
das Verhältnis
von Natriumsulfid zu effektivem Alkali, welches in Prozent ausgedrückt ist.
Die Zeitdauer der Laugenzugabe beträgt etwa 1 Minute. Die Temperaturen
können
sprungartig auf die endgültige
Kochtemperatur erhöht
werden, wobei das Verfahren bei einer oder mehreren Temperaturen
gestoppt werden kann. Die erste Temperaturstufe beträgt etwa
154 °C.
Die Zeitdauer bis zum Erreichen der Temperatur beträgt etwa
9 Minuten und die Zeitdauer, während
dessen die Temperatur beibehalten wird, beträgt etwa 5 Minuten. Eine zweite
und höhere
Kochtemperatur beim Gegenstrom-Prozessschritt wird bei 170 °C bereitgestellt.
Die Zeitdauer bis zum Erreichen der zweiten Temperatur beträgt etwa
51 Minuten und die Zeitdauer, während
dessen die Temperatur beibehalten wird, beträgt etwa 3 Minuten. Das effektive
Alkali, das nach einem Kochprozeßschritt verbleibt, wird Restalkali
genannt. Die im Anschluss an den Gegenstrom-Prozessschritt verbleibenden Gramm pro
Liter an effektivem Alkali betragen etwa 9,42. Die verbleibende
prozentuale Menge an effektivem Alkali beträgt etwa 3,77. Der pH-Wert beträgt etwa
12,92 und der H-Faktor beträgt
etwa 649.
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In
einer Ausführungsform
des Gegenstrom-Prozessschrittes, Block 110, beträgt die prozentuale
Menge an effektivem Alkali etwa 8. Die prozentuale Sulfidität beträgt etwa
29,2. In dem Gegenstromschritt besteht auch die Möglichkeit
für ein
sprungartiges Erhöhen
auf zwei unterschiedliche Temperaturen. In einer Ausführungsform
liegen die Temperaturen der ersten und zweiten Kochung jedoch beide
bei etwa 171 °C.
Die Zeitdauer bis zum Erreichen der Temperatur beträgt etwa
54 Minuten und die Zeitdauer, während
dessen die Temperatur beibehalten wird, beträgt etwa 162 Minuten. Die Gramm
pro Liter an effektivem Alkali betragen etwa 16,0. Die Verdrängungsrate
beträgt
etwa 93 ml pro Minute. Das Verdrängungsvolumen
beträgt
etwa 20 Liter. Die hier angegebenen Volumina sind verhältnismäßig klein,
da das Verfahren an einem Ofenreaktor im Labormaßstab getestet wurde. Mit den
hierin bereitgestellten Parametern und ohne unverhältnismäßigen experimentellen
Aufwand kann das Verfahren jedoch auf eine beliebige Rate skaliert
werden. Die verbleibenden Gramm pro Liter an effektivem Alkali betragen
etwa 9,95. Die verbleibende prozentuale Menge an effektivem Alkali
beträgt
etwa 3,98. Der pH-Wert beträgt
etwa 12,74 und der H-Faktor beträgt
etwa 3877. In einer Ausführungsform
beträgt
die gesamt Zeitdauer etwa 319 Minuten, und die prozentuale Menge
an effektivem Alkali für die
Gesamtkochung beträgt
etwa 22,3.
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In
einer Ausführungsform
beträgt
die Viskosität
der gebleichten Pulpe nach dem Waschen etwa 0,153 Pa·s (153
cP). Die Gesamtausbeute an ofengetrocknetem Holz beträgt etwa
41,04.
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Im
Anschluss an das Aufschlussverfahren, das in 1 allgemein
als Referenzzahl 126 veranschaulicht ist, wird die ungebleicht
Pulpe, die aus dem Holz mit niedriger relativer Dichte hergestellt
ist, zum Vermindern ihrer Viskosität gebleicht. Das Bleichverfahren
führt zu
keiner wesentlichen Verminderung des Hemicellulosegehalts der Pulpe.
Das erfindungsgemäße Verfahren
stellt einen gebleichten Kunstfaserzellstoff her, welcher zur Herstellung
von Lyocell-Formkörpern
geeignet ist. Das Bleichen der chemischen Pulpen umfasst die Entfernung
von Lignin mit gleichzeitiger Abnahme an Pulpenfaserlänge und
-viskosität.
Das Bleichverfahren führt
jedoch zu keiner wesentlichen Verminderung des Hemizellulosegehaltes
der Pulpe. Das Bleichen von ungebleichter Pulpe, die aus Holz mit
niedriger relativer Dichte hergestellt ist, kann weniger Chemikalien
erfordern als die herkömmlichen,
hochveredelten Pulpen mit hohem alpha-Gehalt, welche zur Zeit für Lyocell
verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
kann die ungebleichte Pulpe mit niedriger relativer Dichte, die
erfindungsgemäß hergestellt
wurde, in verschiedenen Schritten in der Bleichanlage mit verschiedenen
Chemikalien behandelt werden. Die Schritte werden in Gefäßen oder
Türmen
von herkömmlicher
Ausgestaltung ausgeführt.
Eine typische Bleichabfolge ist ODE
pD. Die
Prozessschritte, die in der Bleichanlage stattfinden, werden durch
die Referenzzahl
128 in
1 gemeinsam
dargestellt. Weitere Ausführungsformen
des Nachbleichens der Pulpe nach dem Aufschluss sind in
U.S. Patent Nr. 6,331,354 und
U.S. Anmeldung Nr. 09/842,274 beschrieben.
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Der
erste Bleichschritt ist ein O-Schritt, Block
116. Der O-Schritt
umfasst Bleichen mit Sauerstoff. Nach Biermann betrachten jedoch
einige das Sauerstoffbleichen als Ausweitung des Aufschlussverfahrens.
Sauerstoffbleichen stellt die Delignifizierung von Pulpen unter
Verwendung von Sauerstoff unter Druck dar. Der Sauerstoff wird für die Entfernung
von Lignin als weniger spezifisch als die Chlorverbindungen gehalten.
Sauerstoffbleichen findet in einem Sauerstoffreaktor statt. Geeignete
Sauerstoffreaktoren, die das Verfahren ausführen können, sind in
U.S. Patenten Nr. 4,295,925 ;
4,295,926 ;
4,298,426 ; und
4,295,927 beschrieben. Der Reaktor
kann bei hoher Konsistenz arbeiten, wobei die Konsistenz des Zustroms
zu dem Reaktor größer als
20 % ist. Alternativ kann der Reaktor bei einer mittleren Konsistenz
arbeiten, wobei die mittlere Konsistenz im Bereich zwischen 8 %
und 20 % liegt. Bevorzugt kann der Sauerstoffdruck den zugelassenen
Höchstdruck
für den
Reaktor erreichen, wenn ein Sauerstoffreaktor für hohe Konsistenz verwendet
wird. Stärker
bevorzugt ist der Sauerstoffdruck jedoch größer als 0 bis 568 kPa Gauge
(0 bis 85 psig (pounds per square inch, gauge scale) (Pfund pro Quadratzoll,
Eichmaßstab).
In Reaktoren für
mittlere Konsistenz kann der Sauerstoff in einer Menge von größer als
0 bis 50 g/kg (0 bis 100 Pfund pro Tonne) der Pulpe vorliegen, es
ist jedoch stärker
bevorzugt, dass er in einer Menge vorliegt, die 25 bis 40 g/kg (50
bis 80 Pfund pro Tonne) der Pulpe beträgt. Die Temperatur des O-Schrittes
reicht von 100 °C
bis 140 °C.
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In
einer Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens einer Pulpe, welches zur Verwendung bei
der Herstellung von Lyocell-Formkörpern geeignet ist, findet
ein D-Schritt, Block 118, im Anschluss an den O-Schritt,
Block 116, statt. Der D-Schritt umfasst das Bleichen der
Pulpe, die aus dem Sauerstoffreaktor kommt, mit Chlordioxid. Chlordioxid
ist für
die Ligninentfernung selektiver als Sauerstoff. Die Menge an Chlordioxid,
die in diesem Schritt verwendet wird, reicht von 20 bis 30 Pfund/Tonne,
welche niedriger sein kann als in einer herkömmlichen Bleichanlage, die
Pulpe aus Holzschnitzeln veredelt, wobei die Holzschnitzel eine
relative Dichte aufweisen, die nicht innerhalb des niedrigen relativen
Dichtebereiches dieser Erfindung liegt. Die Temperatur des D-Schrittes reicht
von 50 °C
bis 85 °C.
-
In
einer Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens einer Pulpe, die zur Herstellung von
Lyocell-Formkörpern
geeignet ist, erfolgt im Anschluss an den D-Schritt, Block 118,
ein EP-Schritt, Block 120. Der EP-Schritt stellt den durch Wasserstoffperoxid
verstärkten
Extraktionsschritt dar, wobei Lignin aus der Pulpe unter Verwendung
von Ätznatron
in einer Menge, die von 10 bis 25 g/kg (20 bis 50 Pfund/Tonne) reicht,
entfernt wird. Die Menge an Wasserstoffperoxid reicht von 10 bis
30 g/kg (20 bis 60 Pfund/Tonne), welche niedriger sein kann als
bei einer herkömmlichen
Bleichanlage, die Pulpe aus Holzschnitzeln mit einer Dichte veredelt, die
nicht innerhalb des niedrigen relativen Dichtebereichs dieser Erfindung
in Betracht kommt. Die Temperatur des EP-Schrittes
reicht von 75 bis 95 °C.
-
In
einer Ausführungsform
findet im Anschluss an den EP-Schritt, Block 120,
ein zweiter D-Schritt, Block 122, statt. Die Menge an Chlordioxid,
die in diesem Schritt verwendet wird, reicht von 5 bis 15 g/kg (10
bis 30 Pfund/Tonne), was niedriger sein kann als bei einer herkömmlichen
Bleichanlage, die Pulpe aus Holzschnitzeln mit einer herkömmlichen
relativen Dichte veredelt, die nicht innerhalb des niedrigen relativen
Dichtebereichs dieser Erfindung liegt. Die Temperatur des D-Schrittes
reicht von 60 °C
bis 90 °C.
-
Eine
Ausführungsform
einer Pulpe, die aus Holz mit niedriger relativer Dichte hergestellt
ist, weist einen Hemicellulose-Gehalt von mindestens 7 % Hemicellulose,
eine Pulpenviskosität
von weniger als 0,032 Pa·s
(32 cP), eine Kupferzahl von weniger als 2,0 und in einigen Fällen von
weniger als 1,3 (TAPPT T430), eine gewichtsgemittelte Faserlänge von
weniger als 2,7 mm und eine Rauhigkeit von weniger als 23 mg/100 m
auf. Weitere Ausführungsformen
von Pulpen, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurden, weisen einen Gesamtgehalt von Kupfer,
Mangan und Eisen von weniger als 2 ppm, eine Gesamtmetallbeladung
von weniger als 300 ppm und einen Siliciumgehalt von weniger als
50 ppm auf. Lyocell-Formkörper,
die aus den Pulpen der Erfindung hergestellt wurden, weisen einen
entsprechend hohen Hemicellulose-Gehalt von mindestens 7 Gewichts-%
und Cellulose auf.
-
Hemicellulose
wird durch eine Untersuchung des Zuckergehaltes auf Grundlage der
TAPPI-Norm T249 hm-85 gemessen.
-
Verfahren
zum Messen der Pulpenviskosität,
wie z.B. TAPPT T230, sind im Fachbereich bekannt. Die Kupferzahl
stellt ein Maß für den Carboxylgehalt
der Pulpe dar. Die Kupferzahl stellt einen empirischen Test dar,
der zum Messen des Reduktionswertes von Cellulose verwendet wird.
Die Kupferzahl wird als die Anzahl an Milligramm metallischem Kupfer
ausgedrückt,
welche in einem alkalischen Medium durch ein vorgegebenes Gewicht
von Cellulose-haltigem Material von Kupferdihydroxid zu Kupfer(I)oxid
reduziert wird. Das Ausmaß,
mit welchem sich die Kupferzahl während des Bleichprozessschrittes
verändert,
wird durch Vergleichen der Kupferzahl der ungebleichten Pulpe, die
in die Bleichanlage eintritt, mit der Kupferzahl der gebleichten
Pulpe nach der Bleichanlage bestimmt. Eine niedrige Kupferzahl ist
zur Bildung einer Spinnlösung
wünschenswert,
da im Allgemeinen angenommen wird, dass eine höhere Kupferzahl Celluloseabbau
und Lösungsmittelzersetzung
während
und nach dem Lösen
der gebleichten Pulpe verursacht.
-
Die
gewichtsgemittelte Faserlänge
(GMFL) wird geeigneterweise mit einer FQA-Maschine, Modell Nr. LDA93-R9704,
mit der Software Version 2.0 gemessen, welche durch die Optest Company
von Hawkesbury, Ontario, Kanada, hergestellt wird.
-
Die
Rauhigkeit wird unter Verwendung des Weyerhäuser Standardverfahrens WM
W-FQA gemessen.
-
Übergangsmetalle
sind in Pulpe ungewünscht,
da sie den Abbau von Cellulose und die Zersetzung von NMMO in dem
Lyocell-Verfahren beschleunigen. Beispiele von Übergangsmetallen, die im Allgemeinen
in gebleichten Pulpen nachgewiesen werden, umfassen Eisen, Kupfer
und Mangan. Bevorzugt beträgt
der Gesamtmetallgehalt dieser drei Metalle in den Pulpen der Erfindung
in dem Weyerhäuser
Test Nr. AM5-PULP-1/6010 weniger als 20 ppm.
-
Darüber hinaus
weisen Pulpen in dem Weyerhäuser
Test Nr. AM5-PULP-1/6010
eine Gesamtmetallbeladung von weniger als 300 ppm auf. Die Gesamtmetallbeladung
bezieht sich auf die Gesamtmenge von Nickel, Chrom, Mangan, Eisen
und Kupfer, welche in Einheiten von Teilchen pro Million (parts
per million (ppm)) ausgedrückt
wird.
-
Sobald
die Pulpe zum Vermindern ihrer Viskosität gebleicht worden ist, ohne
dass im Wesentlichen ihre Kupferzahl erhöht oder der Hemicellulose-Gehalt
erniedrigt wurde, kann die Pulpe entweder in Wasser gewaschen und
in ein organisches Lösungsmittelbad,
wie beispielsweise N-Methyl-morpholin-N-oxid (NMMO) überführt werden,
um die Pulpe vor der Bildung der Lyocell-Formkörper zu lösen. Alternativ kann die gebleichte,
gewaschene Pulpe getrocknet und zum Aufbewahren und/oder Versenden
in beispielsweise einer Rolle, einer Folie oder einem Ballen in
Bruchstücke
aufgeschlagen werden.
-
Um
Lyocell-Produkte aus Holzpulpen mit niedriger relativer Dichte herzustellen,
wird die Pulpe zunächst
in einem Aminoxid, bevorzugt einem tertiären Aminoxid, gelöst. Typische
Beispiele von Aminoxid-Lösungsmitteln,
die in der Technik der vorliegenden Erfindung geeignet sind, und
in
U.S. Patent Nr. 5,409,532 dargelegt.
Das bevorzugte Aminoxid-Lösungsmittel
ist NMMO. Weitere typische Beispiele für in der Technik der vorliegenden
Erfindung geeignete Lösungsmittel
umfassen Dimethylsulfoxid (D.M.S.O.), Dimethylacetamid (D.M.A.C.),
Dimethylformamid (D.M.F.) und Caprolactanderivate. Die gebleichte
Pulpe wird durch ein beliebiges bekanntes Mittel, wie dasjenige,
das in
U.S. Patenten Nr. 5,534,113 ;
5,330,567 ; und
4,246,221 dargelegt ist, in einem
Aminoxid-Lösungsmittel
gelöst.
Die Pulpenlösung
wird Spinnlösung
genannt. Die Spinnlösung
wird verwendet, um Lyocell-Fasern, -Überzüge und nichtgewebte Vließstoffe
oder andere Produkte durch eine Vielzahl von Methoden herzustellen,
die Melt Blowing, Spun-Bonding,
Zentrifugalspinnverfahren, Trocken-Nass (Dry-Jet Wet)-Verfahren
oder ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren umfassen. Beispiele
einiger dieser Methoden sind in
U.S.
Patenten Nr. 6,235,392 ;
6,306,334 ;
6,210,802 ; und
6,331,354 beschrieben. Beispiele von
Methoden zum Herstellen von Überzügen sind
in
U.S. Patenten Nr. 5,401,447 und
5,277,857 dargelegt. Melt
Blowing, Zentrifugalspinnverfahren und Spun-Bonding, welche verwendet
werden, um Lyocell-Fasern und nichtgewebte Vliesstoffe herzustellen,
sind in
U.S. Patenten Nr. 6,235,392 und
6,306,334 beschrieben. Trocken-Nass-Verfahren sind in
U.S. Patenten Nr. 6,235,392 ;
6,306,334 ;
6,210,802 ;
6,331,354 ;
4,142,913 ;
4,144,080 ;
4,211,574 ; und
4,246,221 ausführlicher beschrieben.
-
Es
wird eine Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung von Lyocell-Produkten, einschließlich Fasern, Überzügen und
nichtgewebten Vliesstoffen aus Spinnlösung, die aus Pulpe stammt,
bereitgestellt, wobei die Pulpe aus Holz mit niedriger relativer
Dichte hergestellt ist, und wobei die Pulpe mindestens 7 % Hemicellulose,
eine Viskosität
von weniger als 0,032 Pa·s
(32 cP), eine Kupferzahl von weniger als 2, eine gewichtsgemittelte
Faserlänge
von weniger als 2,7 mm und eine Rauhigkeit von weniger als 23 mg/100
m aufweist. Das Verfahren umfasst das Extrudieren der Spinnlösung durch
eine Düse,
um eine Vielzahl von Filamenten zu bilden, Waschen der Filamente
zum Entfernen des Lösungsmittels,
Regenerieren der Filamente mit einem Nicht-Lösungsmittel
einschließlich
Wasser oder Alkohol, und Trocknen der Filamente.
-
2 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Bildung von Lyocell-Fasern aus Pulpen, die
aus Holz mit niedriger relativer Dichte gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden. Ausgehend von Holzpulpe mit niedriger relativer
Dichte in Block 200 wird die Pulpe mechanisch zerkleinert,
z.B. in einem Reißwolf
in Block 202. Die Pulpe wird mit einem Aminoxid-Wasser-Gemisch
gelöst,
um eine Spinnlösung
zu bilden, Block 204. Die Pulpe kann mit einem Nicht-Lösungsmittel-Gemisch
von etwa 40 % NMMO und 60 % Wasser befeuchtet werden. Das Gemisch
kann in einem zweiarmigen Sigma-Flügelmischer gemischt werden
und es kann ausreichend Wasser herausdestilliert werden, so dass
etwa 12 bis 14 % basierend auf NMMO übrig bleibt, damit eine Cellulose-Lösung gebildet
wird, Block 208. Alternativ kann zunächst NMMO mit geeignetem Wassergehalt
verwendet werden, sodass kein Vakuumdestillationsblock 208 benötigt wird.
Dies stellt eine zweckmäßige Art
und Weise dar, um Spinnlösungen
im Labor herzustellen, wobei kommerziell erhältliches NMMO mit einer Konzentration
von etwa 40 bis 60 % mit dem Laborreagenz NMMO, welches nur etwa
3 % Wasser aufweist, gemischt werden kann, um ein Cellulose-Lösungsmittel
mit 7–15
% Wasser zu erzeugen. Die Feuchtigkeit, die üblicherweise in der Pulpe vorliegt,
sollte dazu dienen, das Wasser, welches in dem Lösungsmittel vorliegt, einzustellen.
Es wird auf die Artikel von Chanzy, H., und A. Peguy, Journal of
Polymer Science, Polymer Physics Ausg. 18: 1137–1144 (1980) und Navard, P.
und J.M. Haudin, British Polymer Journal, S. 174 (Dez. 1980) Bezug
genommen, welche die Laborherstellung von Cellulosespinnlösungen in
NMMO- und Wasser-Lösungsmitteln
beschreiben.
-
Die
gelöste,
gebleichte Pulpe (nunmehr Spinnlösung
genannt) wird in einem Verfahren, welches Spinnen genannt wird,
durch Öffnungen
einer Extrusionsdüse
gepresst, Block 210, um Cellulosefilamente herzustellen,
die anschließend
mit einem Nicht-Lösungsmittel,
Block 202, regeneriert werden. Spinnen zur Bildung von
Lyocell-Formkörpern
einschließlich
Fasern, Überzügen und
nichtgewebten Vliesstoffen, kann Melt Blowing, Zentrifugalspinnen,
Spun-Bonding und Trocken-Nass-Methoden umfassen. Schließlich werden
die Lyocell-Filamente oder -Fasern gewaschen, Block 214.
-
Das
Lösungsmittel
kann entweder entsorgt oder wiederverwendet werden. Aufgrund seiner
hohen Kosten ist es im Allgemeinen unerwünscht, das Lösungsmittel
zu entsorgen. Die Regeneration des Lösungsmittels weist den Nachteil
auf, dass das Regenerationsverfahren gefährliche, potenziell explosive
Bedingungen mit sich bringt.
-
Die
folgenden Beispiele veranschaulichen lediglich die beste Ausführungsform,
die nunmehr für
das Ausüben
der Erfindung vorgesehen ist, sie sollten jedoch nicht dahingehend
ausgelegt werden, dass sie die Erfindung einschränken.
-
BEISPIEL 1
-
Ein
kommerzielles, kontinuierlich ausgeweitetes Delignifizierungsverfahren
wurde im Labor unter Verwendung eines speziell gebauten Reaktorgefäßes mit
dazugehöriger
Hilfsausrüstung
einschließlich
Umlaufpumpen, Akkumulatoren und Direktwärmeaustauschern, etc. nachgebildet.
Reaktortemperaturen wurden durch indirektes Erwärmen und kontinuierliche Zirkulation
von Kochlauge reguliert. Das Reaktorgefäß wurde mit einer üblichen
Menge an gleichwertigem feuchtigkeitsfreiem Holz beladen. Ein optionaler
Schritt des atmosphärischen
Vorbehandelns mit Dampf kann vor der Kochung ausgeführt werden.
Eine Menge an Kochlauge, die von a 50 % bis 80 % der Gesamtmenge
reicht, wurde anschließend
zusammen mit Verdünnungswasser auf
den Pulpenkocher aufgesetzt, um das vorgegebene Lauge zu Holz-Verhältnis zu
erreichen. Der Reaktor wurde anschließend auf Imprägnierungstemperatur
und -druck gebracht und für
die vorgegebene Zeit bei dieser Temperatur und diesem Druck belassen.
Im Anschluss an den Imprägnierungszeitraum
wurde ein zusätzlicher
Anteil der Gesamtkochlauge zu dem Reaktorgefäß zugegeben, welcher von etwa
5 % bis 15 % der Gesamtmenge reicht. Der Reaktor wurde anschließend auf
Kochtemperatur gebracht und für
die vorgegebene Zeitdauer dort belassen, um den Gleichstromabschnitt
der Kochung nachzubilden.
-
Im
Anschluss an den Gleichstromabschnitt der Kochung wurde der Rest
der Kochlauge mit einer bestimmten Rate zu dem Reaktorgefäß hinzugefügt. Die
Rate ist von der vorgegebenen Zeitdauer und dem Anteil der Kochlauge,
die für diesen
Schritt der Kochung verwendet wird, abhängig. Der Reaktor wurde auf
eine vorgegebene Kochtemperatur reguliert und während der Simulation des Gegenstromabschnitts
der Kochung bei dieser Temperatur belassen.
-
Verbrauchte
Kochlauge wurde mit derselben vorgegebenen Rate aus dem Reaktor
in einen externen Sammelbehälter
abgezogen. Am Ende der Kochung wurde der Druck im Reaktorgefäß langsam
abgebaut, und das Reaktorgefäß wurde
stehen gelassen, bis es auf eine Temperatur unterhalb des Flammpunktes
abgekühlt
war. Das Reaktorgefäß wurde
geöffnet,
und die aufgekochten Holzschnitzel wurden gesammelt, die Lauge wurde
abgegossen, sie wurden gewaschen, sortiert und zur Untersuchung
bereitgestellt. Es wurden drei Kochungen von Holzschnitzeln mit
niedriger relativer Dichte zusammen mit drei Kochungen von Holz,
das keine niedrige relative Dichte aufweist, zubereitet.
-
BEISPIEL 2
-
PARAMETER DES AUFSCHLUSSVERFAHRENS FÜR HOLZ MIT
NIEDRIGER RELATIVER DICHT
-
Eine
Kochung für
Holzschnitzel mit niedriger relativer Dichte wies die folgenden
Parameter auf. TABELLE 1
Holzschnitzel
S.G. | 0,410 |
Vorbehandeln
mit Dampf bei 110 °C,
Minuten | 5 |
Imprägnierung: | |
Zeit,
Minuten | 35 |
%
Effektivalkali, anfänglich | 8,5 |
%
EA, Sekunde bei 5 Minuten | 1,6 |
%
Sulfidität | 29 |
Laugenverhältnis | 4 |
Temperatur – Grad C | 110 |
Rest,
G/L EA | 9,63 |
Rest,
% EA | 3,85 |
pH-Wert | 12,77 |
H-Faktor | 2 |
Druckausgleichzeit,
Minuten | 3 |
Gleichstrom: | |
%
Effektivalkali | 4,2 |
%
Sulfidität | 29 |
Zeit
zum Zugeben der Lauge, Minuten Holz | 1 |
Temperatur – Grad C | 154 |
Zeit
bis, Minuten | 9 |
Zeit
während,
Minuten | 5 |
Temperatur – Grad C | 170 |
Zeit
bis, Minuten | 51 |
Zeit
während,
Minuten | 3 |
Rest,
G/L EA | 9,42 |
Rest,
% EA | 3,77 |
pH-Wert | 12,92 |
H-Faktor | 649 |
Gegenstrom: | |
%
Effektivalkali | 8 |
%
Sulfidität | 29,2 |
Temperatur – Grad C | 171 |
Zeit
bis, Minuten | 54 |
Zeit
während,
Minuten | 0 |
Temperatur – Grad C | 171 |
Zeit
bis, Minuten | 0 |
Zeit
während,
Minuten | 162 |
EA,
G/L – Stärke | 16,0 |
Verdrängungsrate,
CC/M | 93 |
Verdrängungsvolumen,
Liter | 20,00 |
Rest,
G/L EA | 9,95 |
Rest,
% EA | 3,98 |
pH-Wert | 12,74 |
H-Faktor | 3877 |
Gesamtzeit,
Minuten | 319 |
%
Effektivalkali – Gesamtkochung | 22,3 |
Abgenommene
Produkte, % bezogen auf O.D. Holz | 41,01 |
Ausschuss,
% bezogen auf O.D. Holz | 0,03 |
Gesamtausbeute,
% bezogen auf O.D. | 41,04 |
Kappazahl,
10 Minuten | 16,80 |
-
BEISPIEL 3
-
BLEICHVERFAHREN FÜR HOLZ MIT NIEDRIGER RELATIVER
DICHTE
-
Die
durch das Verfahren von Beispiel 2 hergestellte Pulpe wurde gemäß der folgenden
Prozedur gebleicht.
-
O-Schritt
-
Inwoods
Holzschnitzel mit niedriger relativer Dichte wurden in einer alkalischen
Kraft-Pulpe mit einer Kappa-Zahl von 16,8 (TAPPT Norm T236 cm-85)
und einer Viskosität
von 0,239 Pa·s
(239 cP) (TAPPT T230) aufgeschlossen. Die ungebleichte Pulpe wurde
in einem Druckgefäß mit Hochkonsistenz-Mischleistungsfähigkeit
mit Sauerstoff behandelt. Das Gefäß wurde auf etwa 120 °C vorgewärmt. Eine
Menge von Natriumhydroxid (NaOH), die 50 g/kg (100 Pfund pro Tonne)
Pulpe entspricht, wurde zu der alkalischen Pulpe hinzugefügt. Das
Reaktionsgefäß wurde
anschließend
verschlossen, und der Druck wurde durch Einbringen von Sauerstoff in
das Druckgefäß auf 414
kPa Gauge (60 psig (pounds per square inch, gauge scale) (Pfund
pro Quadratzoll, Eichmaßstab)
erhöht.
Wasser lag in dem Gefäß in einer
ausreichenden Menge vor, um eine Konsistenz von 10 % bereitzustellen.
-
Nach
45 Minuten wurde das Rühren
beendet, und die Pulpe wurde aus dem Druckgefäß entfernt und gewaschen. Die
sich ergebende Viskosität
der gewaschenen Pulpe betrug 0,0353 Pa·s (35,3 cP) und wies eine Kappa-Zahl
von 3,8 auf.
-
D-Schritt
-
Der
D-Schritt behandelte die Pulpe, die in dem O-Schritt veredelt wurde,
durch dreimaliges Waschen mit destilliertem Wasser, Entstauben der
Pulpe mit einem Staubabscheider und anschließendes Überführen der Pulpe in einen Polypropylensack.
Die Konsistenz der Pulpe in dem Polypropylensack wurde durch Zugabe von
Wasser auf 10 % eingestellt. Chlordioxid, welches einer Menge entspricht,
die 14,2 g/kg (28,4 Pfund pro Tonne) der Pulpe entspricht, wurde
durch Lösen
des Chlordioxids in dem Wasser, welches verwendet wurde, um die
Konsistenz der Pulpe in dem Sack einzustellen, in die verdünnte Pulpe
eingebracht. Der Sack wurde abgedichtet und gemischt und anschließend bei
75 °C für 30 Minuten
in einem Wasserbad belassen. Die Pulpe wurde entfernt und mit entionisiertem
Wasser gewaschen.
-
EP-Schritt
-
Die
gewaschene Pulpe aus dem D-Schritt wurde anschließend in
einen frischen Polypropylensack gegeben und Ätznatron wurde mit der Hälfte der
Menge an Wasser, die notwendig ist, um eine Konsistenz von 10 %
bereitzustellen, eingebracht. Wasserstoffperoxid wurde mit der anderen
Hälfte
des Verdünnungswassers gemischt
und in den Sack gegeben. Die Beladung mit Wasserstoffperoxid entsprach
40 Pfund pro Tonne der Pulpe. Der Sack wurde abgedichtet und gemischt
und für
55 Minuten bei 88 °C
in einem Wasserbad belassen. Nach dem Entfernen der Pulpe aus dem
Sack und Waschen mit Wasser wurde der Vlies filtriert und anschließend in
den Polypropylensack wieder eingebracht und per Hand zerlegt.
-
D-Schritt
-
Chlordioxid
wurde zusammen mit dem Verdünnungswasser,
welches notwendig ist, um eine Konsistenz von 10 % bereitzustellen
ein zweites Mal in einer Menge in die Pulpe eingebracht, die 9,5
g/kg (19 Pfund pro Tonne) der Pulpe entspricht. Der Sack wurde abgedichtet
und gemischt und anschließend
für 3 Stunden bei
88 °C in
einem Wasserbad belassen. Die behandelte Pulpe wies eine Kupferzahl
von etwa 0,9 auf, welche mittels der TAPPT Norm 430 gemessen wurde,
und wies einen Hemicellulose-(Xylan- und Mannan-)Gehalt von 12,7
% auf.
-
BEISPIEL 4
-
Holz
mit niedriger relativer Dichte, welches eine relative Dichte von
0,410 aufweist, wurde unter Verwendung des Kraft-Verfahrens aufgeschlossen
und anschließend
gebleicht und zum Vermindern seiner Viskosität mit verschiedenen Mengen
an Sauerstoff behandelt. Die Bestandteile in den Pulpen, die unter
Verwendung der Inwoods-Holzschnitzel mit niedriger relativer Dichte
hergestellt wurden, sind 7,2 % Xylane und 5,5 % Mannane.
-
Tabelle
2 zeigt die Ergebnisse für
drei verschiedene Kochbedingungen. Während ungebleichte Pulpe WAFL
bereitgestellt wird, ist es offensichtlich, dass gemäß den Bedingungen
der vorliegenden Erfindung das Bleichen der ungebleichten Pulpe
zum Vermindern ihrer Viskosität
ohne wesentliches Vermindern des Hemicellulose-Gehaltes zu keinem
spürbaren
Anstieg an gebleichter Pulpe WAFL führt und tatsächlich niedriger sein
mag als die ungebleichte Pulpe WAFL. TABELLE 2
| Inwoods-Holzschnitzel Kochung
A | Inwoods-Holzschnitzel Kochung
B | Inwoods-Holzschnitzel Kochung
C |
Relative
Schnitzeldichte | 0,410 | 0,410 | 0,410 |
Kappa-Zahl
der ungebleichten Pulpe | 24,4 | 20,1 | 16,8 |
Ausbeute
% | 43,2 | 41,4 | 41,0 |
Viskosität der ungebleichten
Pulpe Pa·s (cP),
Kugelfall | 0,414
(414) | 0,235
(235) | 0,153
(153) |
Ungebleichte
Pulpe WAFL (mm) | 2,70 | 2,70 | 2,69 |
Rauhigkeit
der ungebleichten Pulpe (mg/100 m) | 18,3 | 17,9 | 17,6 |
O2
Pulpenviskosität Pa·s (cP)
(30 g/kg NaOH) (100 Pfund/Tonne NaOH) | 0,055
(55) 7,6 Kappa | 0,034
(34) 6,0 Kappa | 0,028
(28) 3,8 Kappa |
O2
Pulpenviskosität Pa·s (cP)
(30 g/kg NaOH) (60 Pfund/Tonne NaOH) | 0,080
(80) 6,0 Kappa | 0,063
(63) 7,5 Kappa | 0,049
(49) 5,6 Kappa |
Rauhigkeit
der gebleichten Pulpe (mg/100 m) | 32,4 | | 21,8 |
Gebleichte
Pulpenfasern/g × 106 | 4,8 | | 4,6 |
Viskosität der gebleichten
Pulpe Pa·s
(cP) | 0,0318
(31,8) | | 0,0295
(29,5) |
Strukturviskosität der gebleichten
Pulpe | 4,1 | | 4,2 |
Gebleichte
Pulpe Cu (ppm) | 0,6 | | < 0,6 |
Gebleichte
Pulpe Fe (ppm) | 12 | | 14,3 |
Gebleichte
Pulpe Mn (ppm) | 1,5 | | 3,6 |
Gebleichte
Pulpe Cr (ppm) | < 0,4 | | < 0,3 |
Gebleichte
Pulpe Si (ppm) | 41 | | 31 |
-
VERGLEICHSBEISPIEL 5
-
PARAMETER DES AUFSCHLUSSVERFAHRENS FÜR HOLZ OHNE
NIEDRIGE RELATIVE DICHTE
-
Herkömmliche
Tolleson-Holzschnitzel, die aus Holz mit einer relativen Dichte
von 0,495 hergestellt wurden, wurden unter Verwendung des Kraft-Verfahrens
aufgeschlossen und anschließend
zum Vermindern seiner Viskosität
mit unterschiedlichen Mengen an Sauerstoff behandelt. Tabelle 3
zeigt die Aufschlussbedingungen für eine Kochung von Tolleson-Holzschnitzeln. TABELLE 3
Holzschnitzel
S.G. | 0,495 |
Vorbehandeln
mit Dampf bei 110 °C,
Minuten | 5 |
Imprägnierung: | |
Zeit,
Minuten | 35 |
%
Effektivalkali, anfänglich | 8,5 |
%
EA, Sekunden bei 5 Minuten | 1,6 |
%
Sulfidität | 30,5 |
Laugenverhältnis | 4 |
Temperatur – Grad C | 110 |
Rest,
G/L EA | 9,17 |
Rest,
% EA | 3,67 |
pH-Wert | 13,24 |
H-Faktor | 2 |
Druckausgleichszeit,
Minuten | 2 |
Gleichstrom: | |
%
Effektivalkali | 4,2 |
%
Sulfidität | 30,5 |
Zeit
zum Zugeben der Lauge, Minuten | 1 |
Temperatur – Grad C | 157 |
Zeit
bis, Minuten | 14 |
Zeit
während,
Minuten | 0 |
Temperatur – Grad C | 170 |
Zeit
bis, Minuten | 54 |
Zeit
während,
Minuten | 0 |
Rest,
G/L EA | 8,31 |
Rest,
% EA | 3,32 |
pH-Wert | 13,07 |
H-Faktor | 680 |
Gegenstrom: | |
%
Effektivalkali | 8 |
%
Sulfidität | 30,0 |
Temperatur – Grad C
Holz | 171 |
Zeit
bis, Minuten | 54 |
Zeit
während,
Minuten | 0 |
Temperatur – Grad C | 171 |
Zeit
bis, Minuten | 0 |
Zeit
während,
Minuten | 162 |
EA/,
G/L – Stärke | 20,4 |
Verdrängungsrate,
CC/M | 73 |
Verdrängungsvolumen,
Liter | 15,87 |
Rest.
G/L EA | 9,72 |
Rest,
% EA | 3,89 |
PH-Wert | 13,18 |
H-Faktor | 3975 |
Gesamtzeit,
Minuten | 319 |
%
Effektivalkali – Gesamtkochung | 22,3 |
Abgenommene
Produkte, % bezogen auf O.D. Holz | 44,23 |
Ausschluss,
% bezogen auf O.D. Holz | 0,13 |
Gesamtausbeute,
% bezogen auf O.D. | 44,36 |
Kappa-Zahl,
10 Minuten | 17,75 |
-
Tabelle
4 zeigt die Ergebnisse von drei verschiedenen Kochungen unter Verwendung
von herkömmlichen
Tolleson-Holzschnitzeln, die aus Holz ohne niedrige relative Dichte
hergestellt sind. Bestandteile in den Pulpen, die unter Verwendung
der Tolleson-Holzschnitzel ohne niedrige relative Dichte hergestellt
wurden, sind 6,5 % Xylose; 6,6 % Mannose; 5,7 % Xylane; und 5,9
% Mannane. TABELLE 4
| Tolleson-Holzschnitzel Kochung
A | Tolleson-Holzschnitzel Kochung
B | Tolleson-Holzschnitzel Kochung
C |
Relative
Schnitzeldichte | 0,495 | 0,495 | 0,495 |
Kappa-Zahl
der ungebleichten Pulpe | 26,9 | 20,8 | 17,8 |
Ausbeute
% | 46,6 | 46,1 | 44,4 |
Viskosität der ungebleichten
Pulpe Pa·s (cP),
Kugelfall | (0,633)
633 | (0,358)
358 | (0,243)
243 |
Ungebleichte
Pulpe WAFL (mm) | 4,13 | 4,14 | 4,19 |
| Tolleson-Holzschnitzel Kochung
A | Tolleson-Holzschnitzel Kochung
B | Tolleson-Holzschnitzel Kochung
C |
Rauhigkeit
der ungebleichten Pulpe (mg/100 m) | 26,1 | 24,4 | 24,3 |
O2
Pulpenviskosität Pa·s (cP)
(50 g/kg NaOH) (100 Pfund/Tonne NaOH) | 0,096
(96) 6,4 Kappa | 0,043
(43) 6,9 Kappa | 0,041
(41) 4,7 Kappa |
O2
Pulpenviskosität Pa·s (cP)
(30 g/kg NaOH) (60 Pfund/Tonne NaOH) | 0,180
(180) 8,3 Kappa | 0,088
(88) 5,5 Kappa | 0,070
(70) 6,2 Kappa |
Rauhigkeit
der gebleichten Pulpe (mg/100 m) | 24,9 | | 27,5 |
Gebleichte
Pulpenfasern/g × 106 | 3,8 | | 2,8 |
Viskosität der gebleichten
Pulpe Pa·s
(cP) | 0,0285
(28,5) | | 0,0242
(24,2) |
Strukturviskosität der gebleichten
Pulpe | 4,3 | | 4 |
Gebleichte
Pulpe Cu (ppm) | < 0,6 | | < 0,7 |
Gebleichte
Pulpe Fe (ppm) | 11,5 | | 16 |
Gebleichte
Pulpe Mn (ppm) | 5 | | 6 |
Gebleichte
Pulpe Cr (ppm) | < 0,4 | | 0,3 |
Gebleichte
Pulpe Si (ppm) | ≥ 1 | | 32 |
-
Man
kann erkennen, dass die Viskosität
der Pulpen, die aus den Inwoods-Holzschnitzeln
mit niedriger relativer Dichte hergestellt wurden, niedriger ist
als die Viskosität
der Pulpen, die aus den Tolleson-Holzschnitzeln ohne niedrige relative
Dichte hergestellt wurden.
-
Man
kann erkennen, dass die Viskosität
der Pulpen, die aus den Inwoods-Holzschnitzeln
mit niedriger relativer Dichte hergestellt wurden, niedriger ist
als die Viskosität
der Pulpen, die aus den Tolleson-Holzschnitzeln ohne niedrige relative
Dichte hergestellt wurden.