СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИ ИЛИ КАРТОНА Российский патент 2021 года по МПК D21H11/18 D21H17/21 D21H17/33 D21H17/44 D21H21/20 

Настоящее изобретение относится к способу производства бумаги, картона и т.п. в соответствии с вводной частью независимого пункта прилагаемой формулы изобретения.

При изготовлении бумаги и картона твердые частицы волокнистого сырья, такие как частицы неорганического минерального наполнителя, очень тонкие волокна, технологические добавки и т.д. фиксируются в волокнистом полотне. Этот процесс называют удерживанием. С точки зрения рентабельности и качества, достаточное и равномерное удерживание различных компонентов волокнистого сырья в получаемом полотне является благоприятным, поскольку способствует снижению потери добавок и повышению качества производимой бумаги. Удерживание становится более важным при использовании в производстве бумаги и картона рециркулированных волокон, масштабы которого все более расширяются. Волокнистое сырье, содержащее значительную долю рециркулированных волокон, обычно характеризуется меньшей средней длиной волокна и большим количеством твердой фазы, которая может быть классифицирована как мелкие фракции. Кроме этого, волокнистое сырье на основе рециркулированных волокон может содержать значительное количество мешающих веществ. Удерживание коротких волокон, мелких фракций и/или других веществ небольшого размера требует больших усилий и серьезного внимания.

Имеются различные удерживающие агенты, которые добавляют в волокнистое сырье с целью улучшения удерживания добавок, очень тонких волокон, мешающих веществ и т.д. целлюлозными волокнами и их фиксации в получаемом полотне. Удерживающие агенты обычно представляют собой синтетические или полусинтетические полимерные соединения. Использование синтетических полимеров ведет к увеличению затрат, что не является предпочтительным при производстве дешевых сортов бумаги и картона. Следует отметить, что в таких более дешевых сортах в качестве исходного материала часто используются рециркулированные волокна и/или другие менее совершенные волокнистые материалы. Следовательно, имеется потребность в новых эффективных удерживающих системах, конкурентоспособных с экономической точки зрения, обеспечивающих хорошее качество конечного продукта и пригодных для использование с коротковолокнистым сырьем, содержащим большое количество мелких фракций.

Ввиду влияния полимерной промышленности на окружающую среду и продолжающихся дискуссий о возможном неблагоприятном экологическом воздействии экстенсивного использования полимеров, также имеется растущая потребность в решениях, альтернативных использованию синтетических полимерных соединений. Растет желание сократить использование синтетических химикатов также при производстве бумаги и картона, усовершенствовать экологические аспекты и долговечность целлюлозных продуктов путем использования альтернативных химикатов и добавок на основе природных веществ, которые, предпочтительно, также подвержены биоразложению.

Образование пыли также представляет собой проблему как при производстве бумаги и картона, так и при их переработке и в процессе нанесения печати. Пыль содержит мелкие частицы, которые могут быть как органическими, например, очень тонкие волокна, так и неорганическими, например, частицы наполнителя. Мелкие частицы пыли быстро накапливаются на открытых поверхностях и в полостях промышленного оборудования, впоследствии превращаются в грязь и нуждаются в регулярном удалении. Особенно неблагоприятно, что пыль мешает функционированию оптических или иных измерительных устройств, что может вести к искажению данных о продукции и/или нарушению технологического регламента. Кроме этого, пыль может ускорять износ технологического оборудования. Например, пыль между цилиндром и лезвием шабера может вызывать эрозионное изнашивание лезвия или нарушение сушильной ткани. Органическая пыль также может создавать риск возгорания, особенно в зонах с повышенной температурой.

До сих пор для уменьшения образования пыли применяли различные противопылевые агенты, добавляемые в волокнистое сырье или наносимые на полученное полотно, однако, все еще имеется потребность в новых эффективных способах, позволяющих несложным образом уменьшить образование пыли в ходе производства бумаги или картона.

Целью настоящего изобретения является сведение к минимуму или даже устранение недостатков, свойственных известному уровню техники.

Одной из целей изобретения является обеспечение способа, позволяющего достичь эффективного и равномерного удерживания компонентов волокнистого сырья.

Другой целью изобретения является улучшение удерживания компонентов волокнистого сырья при одновременном сохранении, по меньшей мере, способности к дренированию.

Другой целью изобретения является обеспечение способа, позволяющего уменьшить образование пыли при производстве бумаги или картона.

Эти цели достигаются благодаря изобретению, отличительные особенности которого представлены ниже в описывающих частях независимых пунктов формулы изобретения.

Типичный способ производства бумаги, картона и т.п. определен в п. 1 формулы изобретения. Этот способ включает, по меньшей мере, следующие стадии, на которых:

– получают волокнистое сырье, содержащие лигноцеллюлозные волокна, и добавляют в волокнистое сырье удерживающую систему, содержащую катионный синтетический полимер,

– формируют из волокнистого сырья волокнистое полотно и сушат его, при этом,

в волокнистое сырье в качестве компонента удерживающей системы добавляют микрофибриллированную целлюлозу последовательно с катионным синтетическим полимером.

Неожиданно было обнаружено, что микрофибриллированная целлюлоза, особенно содержащая микрофибриллированную недревесную целлюлозу, улучшает удерживание при использовании совместно с катионным синтетическим полимером в качестве компонента удерживающей системы. Благодаря использованию микрофибриллированной целлюлозы становится возможным уменьшение количества катионного синтетического полимера и, при этом, все же достижение такого же или даже улучшенного удерживания. Таким образом, можно обеспечить более рациональную альтернативу, которая может быть использована для улучшения удерживания наполнителей, мелких фракций и/или других добавок. Кроме этого, неожиданно оказалось, что определенное сочетание компонентов удерживающей системы, устанавливаемое настоящим изобретением, также может улучшить дренаж волокнистого сырья.

В контексте настоящей заявки термин «микрофибриллированная целлюлоза» означает свободные, иногда полукристаллические структуры из целлюлозных элементарных волокон или свободные пучки целлюлозных элементарных волокон с размером в нанодиапазоне. Микрофибриллированная целлюлоза характеризуется диаметром 2–60 нм, предпочтительно, 4–50 нм, более предпочтительно, 5–40 нм и длиной в несколько микрометров, предпочтительно, менее 500 мкм, более предпочтительно, 2–200 мкм, еще более предпочтительно, 10–100 мкм, наиболее предпочтительно, 10–60 мкм. Микрофибриллированная целлюлоза часто включает пучки из 10–50 элементарных волокон. Микрофибриллированная целлюлоза может иметь высокую степень кристалличности и высокую степень полимеризации, например, степень полимеризации, т.е. количество мономерных звеньев в полимере, может составлять 100–3000. Кроме этого, микрофибриллированная целлюлоза в форме суспензии может характеризоваться модулем упругости, например, в диапазоне 10–105 Па.

Микрофибриллированная целлюлоза, которую используют в качестве компонента удерживающей системы, включает микрофибриллированную целлюлозу, полученную из недревесных источников, предпочтительно, включает микрофибриллированную паренхимальную целлюлозу. Микрофибриллированная целлюлоза может быть получена из овощей, например, свекловичной пульпы, картофельной пульпы, маниоковой пульпы, батата; из фруктов, например, кожуры цитрусовых; сердцевины растений, например, жома сахарного тростника, сердцевины кукурузных початков, сердцевины бамбука; и их смесей. Было установлено, что микрофибриллированная недревесная целлюлоза легко поддается обработке в условиях, преобладающих при производстве бумаги, картона и т.п. Кроме этого, микрофибриллированная недревесная целлюлоза дает хорошие результаты при использовании в качестве компонента удерживающей системы, которая также включает синтетический катионный полимер.

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, микрофибриллированная целлюлоза может включать микрофибриллированную целлюлозу, полученную из древесины твердых пород или древесины мягких пород или их смесь. Предпочтительно, для получения микрофибриллированной целлюлозы используют древесину твердых пород. Целлюлозные волокна древесины твердых пород могут быть выбраны из березовых волокон, эвкалиптовых волокон, акациевых волокон, осиновых волокон, кленовых волокон, тополевых волокон, волокон робинии или любой их смеси. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза включат микрофибриллированную целлюлозу, полученную из отбеленных березовых волокон. Древесные целлюлозные волокна могут быть подвергнуты обработке любым обычным способом превращения в пульпу и могут быть отбеленными или неотбеленными.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза включает и микрофибриллированную целлюлозу из недревесных источников, и микрофибриллированную целлюлозу из древесины твердых пород, древесины мягких пород или их смесей. Предпочтительно, количество микрофибриллированной целлюлозы из недревесных источников больше, чем количество микрофибриллированной целлюлозы из древесины твердых пород, древесины мягких пород или их смесей.

В контексте настоящего документа термин «микрофибриллированная паренхимальная целлюлоза» означает микрофибриллированную целлюлозу, полученную путем фибриллирования растительного богатого целлюлозой материала, содержащего, по существу, структуры первичных оболочек клетки, т.е. паренхимальные клетки. Так, микрофибриллированная целлюлоза содержит целлюлозные элементарные волокна, источником которых являются структуры первичных оболочек клетки, т.е. паренхимальные клетки. В данном контексте паренхима понимается как основная ткань растений, содержащая клетки с тонкими первичными оболочками. Кора и сердцевина стебля, внутренние слои листьев, мягкие части овощей и фруктов образованы из паренхимы. Клетки паренхимы остаются живыми при созревании и выполняют различные функции, такие как хранение воды, замена поврежденной ткани и физическая опора для растения. Паренхимальную целлюлозу, которую подвергают микрофибрилляции, получают из недревесных источников, которые, предпочтительно, включают тонкие и гибкие первичные оболочки клеток и лишены структур вторичных оболочек клеток. Микрофибриллированная паренхимальная целлюлоза может быть получена из овощей, например, свекловичной пульпы, картофельной пульпы, маниоковой пульпы, батата; из фруктов, например, кожуры цитрусовых; сердцевины растений, например, жома сахарного тростника, сердцевины кукурузных початков, сердцевины бамбука; и их смесей.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза в составе удерживающей системы включает, главным образом или по существу, микрофибриллированную недревесную целлюлозу. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза включает, главным образом или по существу, микрофибриллированную паренхимальную целлюлозу. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза представляет собой микрофибриллированную паренхимальную целлюлозу.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза, которая включает или состоит из микрофибриллированной паренхимальной целлюлозы, характеризуется:

– вязкостью по Брукфилду, по меньшей мере, 10 Па∙с, предпочтительно, по меньшей мере, 100 Па∙с, измеренной при концентрации 1,0% вес. и скорости сдвига 100 об/мин, и/или

– величиной мутности менее 1000 NTU (нефелометрических единиц мутности), предпочтительно, в диапазоне 100–700 NTU, измеренной при концентрации 0,1% вес., и/или

– суммарным зарядом –0,001 – –1,99 мэкв/г, предпочтительно, –0,01 – –1,50 мэкв/г, более предпочтительно, –0,05 – –1,0 мэкв/г при рН 7,5.

Вообще, большая вязкость и малая мутность указывают на достаточно хорошую степень фибрилляции микрофибриллированной целлюлозы, содержащей или состоящей из микрофибриллированной паренхимальной целлюлозы. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза, содержащая или состоящая из микрофибриллированной паренхимальной целлюлозы, характеризуется вязкостью по Брукфилду, лежащей в диапазоне 0,01–10000 Па∙с, предпочтительно, 10–10000 Па∙с, более предпочтительно, 100–10000 Па∙с, еще более предпочтительно, 200–850 Па∙с, измеренной при концентрации 1,0% вес. и скорости сдвига 100 об/мин с использованием вискозиметра Брукфилда DV3T (Brookfield Engineering Laboratories, Middleboro, США), оборудованного лопастной геометрией (V–72).

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, вязкость по Брукфилду микрофибриллированной целлюлозы, содержащей или состоящей из микрофибриллированной паренхимальной целлюлозы, может лежать в диапазоне 500–2000 Па∙с, предпочтительно, 800–1400 Па∙с, более предпочтительно, 900–1300 Па∙с, измеренной при концентрации 1,0% вес. вискозиметром Брукфилда DV3T (Brookfield Engineering Laboratories, Middleboro, США), оборудованным лопастной геометрией (V–72), при 50 об/мин.

Микрофибриллированную целлюлозу, обычно, независимо от ее происхождения, используют при степени густоты 0,5–4% вес., предпочтительно, 1–2% вес. При такой степени густоты микрофибриллированная целлюлоза нормально разжижается при сдвиге, что означает, что она может быть подана насосом для транспортировки в ходе промышленных процессов. Микрофибриллированная целлюлоза может быть разбавлена путем диспергирования до нужной степени густоты в обычном разбивателе целлюлозы. Можно использовать, например, микрофибриллированную целлюлозу со степенью густоты от 10 до 25% вес., предпочтительно, от 10 до 15% вес., которую диспергируют с водой до нужной степени густоты в разрывателе целлюлозы.

Микрофибриллированная целлюлоза удерживающей системы может быть добавлена в волокнистое сырье как однократная доза или за несколько доз в разных точках технологического процесса. Микрофибриллированная целлюлоза может быть добавлена за 1–5 доз. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, часть микрофибриллированной целлюлозы удерживающей системы, предпочтительно, все ее количество добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., предпочтительно, 2–6% вес., более предпочтительно, 3–5% вес. Было обнаружено, что добавление микрофибриллированной целлюлозы в густое сырье способствует повышению эффективности удерживающей системы, особенно удерживанию фракции тонких волокон и/или неорганических наполнителей. Также установлено, что одновременно может быть улучшено дренирование волокнистого сырья.

Микрофибриллированная целлюлоза может быть добавлена в волокнистое сырье в общем количестве 1–50 кг, предпочтительно, 1–30 кг, более предпочтительно, 5–30 кг, еще более предпочтительно, 10–30 кг в пересчете на сухой материал на тонну сухого твердого вещества волокнистого сырья. Предпочтительно, по меньшей мере, 20%, более предпочтительно, по меньшей мере, 50%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 70% или, по меньшей мере, 90% общего количества микрофибриллированной целлюлозы добавляют в густое сырье. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, всю микрофибриллированную целлюлозу добавляют в густое сырье.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, волокнистое сырье, содержащее микрофибриллированную целлюлозу, т.е., волокнистое сырье после добавления микрофибриллированной целлюлозы подвергают механической обработке на стадии, в ходе которой к волокнистому сырью прикладывают усилие сдвига при помощи механического устройства. Пригодное механическое устройство может представлять собой, например, дефибратор, рафинер, мешалку с большими сдвиговыми усилиями, мельницу, дробилку, роторно–статорную мешалку, роторно–роторную мешалку или ультразвуковой измельчитель. Когда волокнистое сырье и микрофибриллированную целлюлозу одновременно подвергают механической обработке, такой как рафинирование, поверхность волокон активируется, обеспечивая максимальное взаимодействие. Волокнистое сырье, подвергаемое механической обработке, помимо микрофибриллированной целлюлозы может содержать и другие добавки, такие как упрочняющие агенты или дренирующие агенты. Эти добавки могут быть анионными или катионными. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, добавка представляет собой катионный крахмал, улучшающий дренирование.

Количественно механическая обработка, которой подвергают волокнистое сырье, содержащее микрофибриллированную целлюлозу, характеризуется удельным энергопотреблением, которое может лежать в диапазоне 5–350 кВт/т, предпочтительно, 20–250 кВт/т. Механическая обработка, например, рафинирование, размол, измельчение или расщепление может быть осуществлена за одну стадию или за несколько последовательных стадий. Было установлено, что механическая обработка может способствовать улучшению дренирования волокнистого сырья.

В качестве альтернативы, волокнистое сырье, содержащее микрофибриллированную целлюлозу и, по меньшей мере, часть катионного синтетического полимера удерживающей системы, подвергают механической обработке, как описано выше.

Катионный синтетический полимер удерживающей системы может быть выбран из группы, состоящей из полиакриламида, полиэтиленоксида (РЕО), гомо– и сополимеров хлорида диаллилдиметиламмония (DADMAC), полиамина, полиэтиленимина (PEI), поливиниламина (PVAm) и полидициандиамидной полимерной смолы. Например, катионный синтетический полимер удерживающей системы может представлять собой высокомолекулярный полиэтиленоксид или низкомолекулярный полимер с большой плотностью заряда, такой как гомо– или сополимер хлорида диаллилдиметиламмония (DADMAC). Также возможно использование сочетания двух или нескольких катионных синтетических полимеров. Катионный синтетический полимер может быть линейным или разветвленным либо может представлять собой гребенчатый или звездчатый полимер.

Предпочтительно, катионный синтетический полимер удерживающей системы является катионным полиакриламидом. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, катионный синтетический полимер, используемый в удерживающей системе, может представлять собой катионный полиакриламид со средним молекулярным весом 4000000–18000000 Да, предпочтительно, 4000000–12000000 Да, более предпочтительно, 7000000–10000000 Да и/или характеризующийся плотностью заряда 0,2–2,5 мэкв/г, предпочтительно, 0,5–1,5 мэкв/г, более предпочтительно, 0,7–1,2 мэкв/г. Было установлено, что определенный средний молекулярный вес и/или плотность заряда обеспечивают достаточно хорошее взаимодействие не только с компонентами волокнистого сырья, но также и с микрофибриллированной целлюлозой, являющейся другим компонентом удерживающей системы. Благодаря хорошему взаимодействию становится возможным уменьшить, если нужно, количество катионного синтетического полимера. Кроме этого, волокнистое сырье приобретает свойство улучшенного удерживания и дренирования в ходе изготовления бумаги или картона.

В контексте настоящей заявки понимается, что катионный синтетический полимер также может иметь локальный анионный заряд при условии, что общий заряд полимера остается катионным.

Компоненты удерживающей системы, включающие микрофибриллированную целлюлозу и катионный синтетический полимер, добавляют в волокнистое сырье последовательно. Предпочтительно, по меньшей мере, часть микрофибриллированной целлюлозы добавляют в волокнистое сырье до добавления, по меньшей мере, части катионного синтетического полимера. Более предпочтительно, микрофибриллированную целлюлозу и, по меньшей мере, 50% общего количества катионного синтетического полимера удерживающей системы добавляют в густое сырье в указанном порядке, а оставшееся количество катионного синтетического полимера добавляют в жидкое сырье. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, время между последовательным добавлением этих компонентов составляет, максимум, 30 с.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, волокнистое сырье может быть подвергнуто механической обработке или, по меньшей мере, одной стадии приложения сдвиговых усилий между последовательным добавлением компонентов удерживающей системы, включающих микрофибриллированную целлюлозу и катионный синтетический полимер. Например, по меньшей мере, часть микрофибриллированной целлюлозы добавляют в волокнистое сырье, волокнистое сырье подвергают обработке на стадии приложения сдвиговых усилий, затем в волокнистое сырье добавляют, по меньшей мере, часть катионного синтетического полимера.

Катионный синтетический полимер удерживающей системы может быть добавлен в волокнистое сырье как однократная доза или за несколько доз в разных точках технологического процесса. Катионный синтетический полимер может быть добавлен за 1–5 доз, предпочтительно, 2–4 дозы. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, часть катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., предпочтительно, 2–6% вес., более предпочтительно, 3–5% вес. Было обнаружено, что добавление катионного синтетического полимера в густое сырье обеспечивает неожиданное улучшение удерживания и дренирования волокнистого сырья.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, первая часть катионного синтетического полимера может быть добавлена в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., предпочтительно, 2–6% вес., более предпочтительно, 3–5% вес., а вторую часть катионного синтетического полимера добавляют в жидкое сырье со степенью густоты <2% вес., предпочтительно, 0,2–1,99% вес., более предпочтительно, 0,3–1,5% вес. Неожиданно было обнаружено, что добавление, по меньшей мере, части катионного синтетического полимера в густое сырье обеспечивает существенное улучшение как удерживания в сеточной части, так и дренирования волокнистого сырья.

Было установлено, что добавление катионного синтетического полимера за две и более доз, особенно, добавление в густое сырье и в жидкое сырье, дает возможность использования меньшего количества синтетического полимера при одновременном сохранении или улучшении удерживания и дренирования. Без связи с какой–либо теорией полагают, что добавление за две или более доз оказывает благоприятное влияние на хлопьеобразование и, таким образом, улучшает и удерживание, и дренирование.

Катионный синтетический полимер удерживающей системы может быть добавлен в волокнистое сырье в общем количестве 0,1–2 кг/т, предпочтительно, 0,2–1,5 кг/т. Предпочтительно, по меньшей мере, 45%, более предпочтительно, по меньшей мере, 60%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 80% общего количества катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье. В качестве альтернативы, самое большее, 55%, более предпочтительно, самое большее, 40%, еще более предпочтительно, самое большее, 20% общего количества катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье.

Волокнистое сырье содержит целлюлозные волокна, которые могут быть получены любым известным способом превращения в пульпу. Например, волокнистое сырье может содержать целлюлозные волокна, полученные путем механического разбивания, хемотермомеханической обработки или путем репульпирования рециркулированных или вторичных волокон.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, волокнистое сырье содержит волокна, источником которых является старый упаковочный гофрокартон (OCC – old corrugated containerboard) и/или рециркулированный волокнистый материал. ОСС может включать использованные рециркулированные волокна неотбеленной или отбеленной крафт–целлюлозы, волокна полуцеллюлозной пульпы древесины твердых сортов, волокна травяной пульпы или любую их смесь. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, волокнистое сырье содержит, по меньшей мере, 20% вес., предпочтительно, по меньшей мере, 50% вес. волокон, источником которых является ОСС или рециркулированный волокнистый материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения волокнистое сырье может содержать даже >70% вес., иногда даже >80% вес. волокон, источником которых является ОСС или рециркулированный волокнистый материал.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, микрофибриллированная целлюлоза может быть добавлена в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес. и использована в качестве противопылевого агента. Способ снижения пылеобразования при производстве бумаги, картона и т.п. включает, по меньшей мере, стадии получения волокнистого сырья, содержащего лигноцеллюлозные волокна, формирование из волокнистого сырья волокнистого полотна и его сушку, при этом, противопылевой агент, содержащий микрофибриллированную целлюлозу, добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес. Неожиданно было обнаружено, что добавление микрофибриллированной целлюлозы в волокнистое сырье эффективным образом приводит к снижению пылеобразования при производстве бумаги или картона. Иногда возможно достичь улучшения удерживания и, в то же время, снижения пылеобразования. Противопылевой агент может содержать, по меньшей мере, 85% вес., предпочтительно, по меньшей мере, 90% вес., более предпочтительно, по меньшей мере, 95% вес., еще более предпочтительно, по меньшей мере, 97% вес. микрофибриллированной целлюлозы. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, количество микрофибриллированной целлюлозы в противопылевом агенте может лежать в диапазоне 50–99% вес., предпочтительно, 85–99% вес., более предпочтительно, 90–99% вес., еще более предпочтительно, 95–99% вес. Процентное содержание рассчитано относительно сухого твердого вещества противопылевого агента в целом.

Источником микрофибриллированной целлюлозы в составе противопылевого агента может быть древесина твердых или мягких сортов или любая их смесь, как описано выше. В качестве альтернативы, микрофибриллированная целлюлоза в составе противопылевого агента может происходить из недревесных источников. Микрофибриллированная целлюлоза в составе противопылевого агента может представлять собой микрофибриллированную недревесную целлюлозу и/или микрофибриллированную паренхимальную целлюлозу. Например, источником микрофибриллированной целлюлозы в составе противопылевого агента могут быть овощи, например, свекловичная пульпа, картофельная пульпа, маниоковая пульпа, батат; фрукты, например, кожура цитрусовых; сердцевина растений, например, жом сахарного тростника, сердцевина кукурузных початков, сердцевина бамбука; и их смеси, как описано выше.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, противопылевой агент состоит из микрофибриллированной целлюлозы. Это означает, что противопылевой агент состоит только из микрофибриллированной целлюлозы и воды и не содержит других компонентов.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, противопылевой агент, содержащий микрофибриллированную целлюлозу, добавляют в густое сырье со степенью густоты, лежащей в диапазоне 2–6% вес., предпочтительно, 3–5% вес. Без связи с какой–либо теорией полагают, что при добавлении в густое сырье микрофибриллированная целлюлоза может взаимодействовать с различными мелкими компонентами волокнистого сырья, особенно в случае механической обработки, и приводить к уменьшению пылеобразования на последующих стадиях процесса. Противопылевой агент может быть добавлен в волокнистое сырье как однократная доза или за несколько доз в разных точках технологического процесса. Например, противопылевой агент может быть добавлен за 1–5 отдельных последовательных доз. Волокнистое сырье, содержащее противопылевой агент, т.е., волокнистое сырье после добавления противопылевого агента, содержащего микрофибриллированную целлюлозу, может быть подвергнуто механической обработке, как описано выше, в ходе которой к волокнистому сырью прикладывают сдвиговые усилия при помощи механического устройства.

Противопылевой агент может быть добавлен в волокнистое сырье в количестве, соответствующем количеству добавленной микрофибриллированной целлюлозы, лежащему в диапазоне 1–100 кг, предпочтительно, 5–70 кг, более предпочтительно, 15–50 кг в пересчете на сухой материал на тонну сухого твердого вещества волокнистого сырья.

Способ снижения пылеобразования при производстве бумаги, картона и т.п. применим к волокнистому сырью, описанному выше. Волокнистое сырье может включать, например, лигноцеллюлозные волокна, полученные путем механического разбивания, химической обработки, хемотермомеханической обработки или путем репульпирования рециркулированных или вторичных волокон. Волокнистое сырье может включать отбеленные или неотбеленные натуральные волокна, индивидуально или в сочетании с волокнами, источником которых является ОСС или рециркулированный волокнистый материал. Этот способ особенно хорошо подходит для случаев, когда волокнистое сырье содержит, по меньшей мере, 10% вес., предпочтительно, по меньшей мере, 15% вес., более предпочтительно, по меньшей мере, 20% вес. очень тонких волокон. Количество очень тонких волокон в волокнистом сырье может лежать в диапазоне 1–30% вес., предпочтительно, 10–30% вес.

Когда противопылевой агент, содержащий микрофибриллированную целлюлозу, добавляют в густое сырье, можно также добавить в волокнистое сырье упрочняющие агенты и удерживающие агенты дополнительно к противопылевому агенту. Упрочняющие агенты и/или удерживающие агенты могут быть добавлены в густое сырье или в жидкое сырье. В качестве удерживающих агентов также возможно использование тех же катионных синтетических полимеров, описанных выше.

Микрофибриллированная целлюлоза пригодна для использования в качестве противопылевого агента при производстве различных сортов типографской бумаги, мешочной бумаги, картона и тонкой бумаги.

ПРИМЕРЫ

Некоторые варианты осуществления изобретения раскрыты в нижеследующих примерах, не имеющих ограничительного характера.

Пример удерживания 1

Параметры удерживающих систем, содержащих микрофибриллированную целлюлозу и катионный синтетический полимер, оценивали при помощи лабораторной бумагоделательной машины с использованием рециркулированных волокон полученной сухим способом на вальцовой машине бумаги. Волокнистое сырье готовили порциями, замачивая, примерно, 75 кг сухой бумаги в 3 м³ местной водопроводной воды.

Подготовленное сырье подвергали смешиванию, перекачиванию насосом и мягкому измельчению (сходному со стадией дефлокуляции) при исходной степени густоты 2,25% вес. в рафинере Esser–Wysch 13А, обеспечивая энергию воздействия на волокнистое сырье, примерно, 4 кВт/т.

Целевыми параметрами оборотной воды были следующие: электропроводность 8000 мСм/см; содержание кальция 800 частей Са²⁺ на миллион; заряд 1500 мэкв/л. Содержание анионного брака регулировали путем добавления пропионата кальция (Caldic, Espoo, Финляндия), Na₂SO₄ (Algol, Espoo, Финляндия) и анионной карбометилцеллюлозы Staflo Exlo (Akzo Nobel, Gothenburg, Швеция). Эти добавки вносили до измельчения волокнистого сырья следующим образом: сначала 3,72 г/л пропионата кальция добавляли до достижения электропроводности 3500 мСм/см, затем добавляли 4,67 г/л Na₂SO₄ и 3,5 мг/л карбоксимелитцеллюлозы в указанном порядке.

Подготовленное волокнистое сырье подавали в лабораторную бумагоделательную машину и разбавляли оборотной водой до степени густоты напорного ящика. Объем оборотной воды составлял, примерно, 8,5 м³ на обрабатываемую в разбивателе порцию: разбиватель 2 м³; четыре смесительных чана 5 м³; циркуляция оборотной воды около 1,5 м³. В сеточной части из волокнистого сырья формировали полотно со скоростью 30 м/мин с прохождением четырех вакуумных камер, одного вакуумного вала и двух пережимов, 50 МПа и 70 МПа, и 11 сушильных цилиндров со средним воздействием 120 кВт при производительности около 90 кг/ч.

Схема лабораторной установки показана на фиг. R1. На фиг. R1 показаны возможные точки дозирования химикатов. Густое сырье со степенью густоты >2% вес. подавали из машинных бассейнов 1, 2 в рафинер 4 с низкой степенью густоты. Первая точка D1 дозирования компонента удерживающей системы располагалась до насоса 3, вторая точка D2 дозирования находилась после рафинера 4. Первая и вторая точки D1, D2 дозирования предназначались для введения компонентов в густое сырье.

После рафинера 4 густое сырье разбавляли оборотной водой с получением жидкого сырья путем подачи насосом оборотной воды из резервуара 5 оборотной воды и смешивания с жидким сырьем. После этого жидкое сырье подавали насосом 6 в напорный ящик 7. Степень густоты полученного жидкого сырья составляла 0,45–0,55% вес. Последующие точки D8, D9 дозирования располагались после стадии разбавления и до напорного ящика 7 и сеточной части 8. Обычно, удерживающие агенты добавляют в жидкое сырье в точках D8 и D9 дозирования или в непосредственной близости от них.

В примере удерживания 1 удерживающая система содержала микрофибриллированную целлюлозу (microfibrillated cellulose – MFC) на основе сахарной свеклы с содержанием сухого вещества 12% вес., а также катионный синтетический полимер (Fennopol K3400, Kemira Oyj). Крое этого, в волокнистое сырье добавляли удерживающий/дренирующий агент: анионный золь кремниевой кислоты (ECA NP2180, AkzoNobel Ab).

Добавленные количества микрофибриллированной целлюлозы и катионного синтетического полимера, а также точки их дозирования, указаны в таблице 1.

В таблице 1 приведена скорость дренирования волокнистого сырья, выраженная как дренирующая способность, которую измеряли при помощи модифицированного устройства CSF с закрытым нижним соплом, в мл/10 с, а также величина Шоппера–Ригера (Schopper–Rieger), которую измеряли непосредственно для волокнистого сырья, используя 4–4,65 г/л сырья, в °SR. Общее удерживание воды, FPR, определяли на основании степени густоты напорного ящика (headbox – HB) и сеточной воды (wire water – WW) в % вес.

Таблица 1: Количество использованной MFC и других химикатов, точки дозирования и результаты удерживания

№ MFC
кг/т P. Синтет. полимер
кг/т P. Fennozil 2180
кг/т P. Дренирование FPR
% мл/10 с °SR Сравнительный 0,0 0,2 8 2,0 9 260,0 85,5 87,4 19 10,0 1 0,2 8 2,0 9 210,0 87,0 87,4 20 20,0 1 0,2 8 2,0 9 200,0 87,0 86,7 21 30,0 1 0,2 8 2,0 9 200,0 87,5 86,9 27 20,0 1 0,3 и 0,2 2 и 8 2,0 9 250,0 81,5 93,5 28 20,0 1 0,6 и 0,2 2 и 8 2,0 9 280,0 76,0 94,6 35 20,0 1 0,3 2 2,0 9 230,0 83,0 92,8 36 20,0 1 0,6 2 2,0 9 250,0 74,5 92,8

P. = Точка дозирования, см. фиг. 1

Из таблицы 1 явствует, что в экспериментах 27 и 28, в которых микрофибриллированную целлюлозу добавляли в точке 1, а катионный синтетический полимер добавляли в точках 2 и 8, дренирование и удерживание FPR были значительно лучше, чем в эксперименте 20 или в сравнительном примере. Также понятно, что увеличение добавляемой дозы полимера вызывает очевидное улучшение дренирования (эксперимент 28). С другой стороны, аналогичные результаты в отношении дренирования и удерживания были получены при меньшей дозе (эксперимент 27 по сравнению с 36). Это означает, что добавление катионного синтетического полимера и в густое, и в жидкое сырье одновременно улучшает удерживание и дренирование, когда количество добавляемой микрофибриллированной целлюлозы постоянно.

Если сравнить друг с другом случаи однократного добавления синтетического полимера, можно видеть, что добавление в точке 2, т.е., в густое сырье, дает лучшие результаты в отношении удерживания.

Пример удерживания 2

Пример удерживания 2 проводили так же, как пример удерживания 1, но использовали другой сорт рециркулированных волокон полученной сухим способом на вальцовой машине бумаги. Готовили же волокнистое сырье аналогичным образом.

Подготовленное сырье подвергали смешиванию, перекачиванию насосом и мягкому измельчению (сходному со стадией дефлокуляции) при исходной степени густоты 2,25% вес. в рафинере Esser–Wysch 13А, обеспечивая энергию воздействия на волокнистое сырье, примерно, 17 кВт/т.

Целевыми параметрами оборотной воды были следующие: электропроводность 3500 мСм/см; содержание кальция 100 частей Са²⁺ на миллион; заряд 200 мэкв/л. Содержание анионного брака регулировали путем добавления пропионата кальция (Caldic, Espoo, Финляндия), Na₂SO₄ (Algol, Espoo, Финляндия) и анионной карбометилцеллюлозы Staflo Exlo (Akzo Nobel, Gothenburg, Швеция). Эти добавки вносили до измельчения волокнистого сырья следующим образом: сначала 0,46 г/л пропионата кальция добавляли до достижения электропроводности 3500 мСм/см, затем добавляли 2,5 г/л Na₂SO₄ и 3,5 мг/л карбоксимелитцеллюлозы в указанном порядке.

Подготовленное сырье подавали в лабораторную бумагоделательную машину и разбавляли, как описано в примере удерживания 1.

Удерживающая система и другие химикаты в примере удерживания 2 были такими же, как в примере удерживания 1.

Добавленные количества микрофбриллированной целлюлозы и катионного синтетического полимера, а также точки их дозирования, приведены в таблице 2. Результаты удерживания определены так же, как в примере удерживания 1.

Из таблицы 2 явствует, что эксперимент 10 с добавлением катионного синтетического полимера в двух точках 2 и 8 дал более высокие результаты в отношении удерживания FPR, чем эксперимент 3 или сравнительный пример. Дренирование оставалось на одном уровне для всех экспериментальных точек, т.е., значительного ухудшения не наблюдалось.

Таблица 2: Количество использованной MFC и других химикатов, точки дозирования и результаты удерживания

№ MFC
кг/т Р. Синтет. полимер
кг/т P. Fennozil 2180
кг/т P. Дренирование FPR
% мл/10 с °SR Сравнительный 0,0 0,2 8 2,0 9 240,0 82,0 85,8 2 10,0 1 0,2 8 2,0 9 250,0 87,0 90,4 3 20,0 1 0,2 8 2,0 9 230,0 86,0 88,7 4 30,0 1 0,2 8 2,0 9 210,0 91,0 85,6 10 20,0 1 0,3 и 0,2 2 и 8 2,0 9 220,0 87,0 90,4 11 20,0 1 0,6 и 0,2 2 и 8 2,0 9 220,0 87,0 87,6

P. = Точка дозирования, см. фиг. 1

Пример противопылевого действия 1

Параметры противопылевого агента, содержащего микрофибриллированную целлюлозу, определяли с использованием лабораторной бумагоделательной машины. Общая производительность изготовления сухой бумаги составила 90 кг/ч.

В ходе экспериментов противопылевой агент, который содержал микрофибриллированную целлюлозу (microfibrillated cellulose – MFC) на основе сахарной свеклы с содержанием сухого вещества 12% вес., добавляли в количестве, дающем содержание микрофибриллированной целлюлозы 30 кг/т. В сравнительных примерах противопылевой агент не добавляли. В остальном условия в экспериментах и сравнительных примерах был одинаковыми.

Эксперименты проводили с использованием различного волокнистого сырья, А и В. Волокнистое сырье А соответствовало центрально–европейскому качеству и содержало около 25% очень тонких волокон. Волокнистое сырье В содержало фракцию более длинных (веймутова сосна) волокон древесины мягких сортов.

Результаты определения размера методом динамического рассеяния света указывали на уменьшение количества/доли небольших частиц в пыли, образуемой влажным полотном на металлическом скрепере первого сушильного цилиндра. Полученные результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3: Результаты примера противопылевого действия 1

Доза MFC, кг/т Частицы <50 мкм, % Частицы <100 мкм, % Частицы <150 мкм, % Частицы >1500 мкм, % Сравнительный 0 14,4 30,7 42,3 0,3 Сравнительный 0 16,8 35,8 47,8 0,1 эксп. 1 30 12,1 26,5 38,7 нет данных

Пример противопылевого действия 2

Противопылевой эффект, достигаемый посредством изобретения, наглядно представили при помощи следующих, приведенных на фигурах, фотографий:

Фиг. 1: чистая контактная пластина сушильного цилиндра, первый прогон.

Фиг. 2: пластина, показанная на фиг. 1, через 15 мин работы при использовании волокнистого сырья, содержащего рециркулированные волокна, без противопылевого агента, включающего микрофибриллированную целлюлозу.

Фиг. 3: чистая контактная пластина сушильного цилиндра, второй прогон.

Фиг. 4: пластина, показанная на фиг. 3, через 15 мин работы во втором прогоне при использовании волокнистого сырья, содержащего рециркулированные волокна и противопылевой агент, включающий микрофибриллированную целлюлозу. Доза микрофибриллированной целлюлозы составила 20 кг/т. Волокнистое сырье содержало также 3 кг/т катионного упрочняющего полимера.

Фиг. 5: чистая контактная пластина сушильного цилиндра, третий прогон.

Фиг. 6: пластина, показанная на фиг. 5, через 15 мин работы в третьем прогоне при использовании волокнистого сырья, содержащего рециркулированные волокна и противопылевой агент, включающий микрофибриллированную целлюлозу. Доза микрофибриллированной целлюлозы составила 30 кг/т, волокнистое сырье отличалось от волокнистого сырья, использованного в первом и втором прогонах.

Фиг. 7: чистая контактная пластина сушильного цилиндра, четвертый прогон.

Фиг. 8: пластина, показанная на фиг. 7, через 15 мин работы в четвертом прогоне при использовании волокнистого сырья, содержащего рециркулированные волокна, без противопылевого агента, включающего микрофибриллированную целлюлозу.

Из представленных фигур явствует, что количество мелкодисперсной пыли на пластине явно уменьшается, когда в сырье присутствует противопылевой агент, содержащий микрофибриллированную целлюлозу.

Хотя изобретение описано со ссылкой на варианты его осуществления, которые в настоящее время представляются наиболее практичными и предпочтительными, принимается во внимание, что изобретение не должно ограничиваться описанными выше вариантами его осуществления, напротив, подразумевается, что изобретение охватывает также различные модификации и эквивалентные технические решения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к способу производства бумаги или картона. Способ производства бумаги или картона, включающий стадии, на которых получают волокнистое сырье, содержащее лигноцеллюлозные волокна и добавляют в волокнистое сырье удерживающую систему, содержащую катионный синтетический полимер, формируют из волокнистого сырья волокнистое полотно и сушат его, при этом микрофибриллированную целлюлозу, содержащую микрофибриллированную недревесную целлюлозу, полученную из овощей, фруктов, сердцевины растений и их смеси, добавляют в волокнистое сырье в качестве компонента удерживающей системы последовательно с катионным синтетическим полимером, где первую часть катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., а вторую часть катионного синтетического полимера добавляют в жидкое сырье. Техническим результатом изобретения является обеспечение способа, позволяющего достичь эффективного и равномерного удерживания компонентов волокнистого сырья при одновременном сохранении, по меньшей мере, способности к дренированию, уменьшить образование пыли при производстве бумаги или картона. 17 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл.

1. Способ производства бумаги или картона, включающий стадии, на которых:

– получают волокнистое сырье, содержащее лигноцеллюлозные волокна, и добавляют в волокнистое сырье удерживающую систему, содержащую катионный синтетический полимер,

– формируют из волокнистого сырья волокнистое полотно и сушат его,

отличающийся тем, что

микрофибриллированную целлюлозу, содержащую микрофибриллированную недревесную целлюлозу, полученную из овощей, фруктов, сердцевины растений и их смеси, добавляют в волокнистое сырье в качестве компонента удерживающей системы последовательно с катионным синтетическим полимером,

где первую часть катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., а вторую часть катионного синтетического полимера добавляют в жидкое сырье.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микрофибриллированная целлюлоза включает микрофибриллированную целлюлозу, источником которой является древесина твердых или мягких сортов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микрофибриллированная целлюлоза получена из овощей, выбранных из свекловичной пульпы, картофельной пульпы, маниоковой пульпы, батата; из фруктов, выбранных из кожуры цитрусовых; сердцевины растений, выбранных из жома сахарного тростника, сердцевины кукурузных початков, сердцевины бамбука; и их смесей.

4. Способ по п. 1, 2 или 3 отличающийся тем, что по меньшей мере часть микрофибриллированной целлюлозы добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., предпочтительно 2–6% вес., более предпочтительно 3–5% вес.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микрофибриллированная целлюлоза представляет собой микрофибриллированную паренхимальную целлюлозу.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микрофибриллированная целлюлоза получена путем фибриллирования растительного богатого целлюлозой материала, содержащего, по существу, структуры первичных оболочек клетки.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов 1–6, отличающийся тем, что микрофибриллированную целлюлозу добавляют в волокнистое сырье в общем количестве 1–50 кг, предпочтительно 1–30 кг, еще более предпочтительно 10–30 кг в пересчете на сухой материал на тонну сухого твердого вещества волокнистого сырья.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов 1–7, отличающийся тем, что катионный синтетический полимер выбран из группы, состоящей из полиакриламида, полиэтиленоксида (РЕО), гомо– и сополимеров хлорида диаллилдиметиламмония (DADMAC), полиамина, полиэтиленимина (PEI), поливиниламина (PVAm) и полидициандиамидной полимерной смолы.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов 1–8, отличающийся тем, что катионный синтетический полимер является катионным полиакриламидом со средним молекулярным весом 4000000–18000000 Да, предпочтительно 4000000–12000000 Да, более предпочтительно 7000000–10000000 Да и/или характеризуется плотностью заряда 0,2–2,5 мэкв/г, предпочтительно 0,5–1,5 мэкв/г, более предпочтительно 0,7–1,2 мэкв/г.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов 1–9, отличающийся тем, что, по меньшей мере, первую часть катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье со степенью густоты ≥2% вес., предпочтительно 2–6% вес., более предпочтительно 3–5% вес.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере 45%, более предпочтительно по меньшей мере 60%, еще более предпочтительно по меньшей мере 80% общего количества катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что первую часть катионного синтетического полимера добавляют в густое сырье со степенью густоты 2–6% вес., более предпочтительно 3–5% вес., а вторую часть катионного синтетического полимера добавляют в жидкое сырье со степенью густоты 0,2–1,99% вес., более предпочтительно 0,3–1,5% вес.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что микрофибриллированную целлюлозу и по меньшей мере 50% общего количества катионного синтетического полимера удерживающей системы добавляют в густое сырье в указанном порядке, а оставшееся количество катионного синтетического полимера добавляют в жидкое сырье.

14. Способ по любому из предшествующих пп. 1–12, отличающийся тем, что по меньшей мере часть микрофибриллированной целлюлозы добавляют в волокнистое сырье до добавления катионного синтетического полимера.

15. Способ по любому из предшествующих пп. 1–14, отличающийся тем, что катионный синтетический полимер добавляют в общем количестве 0,1–2 кг/т, предпочтительно 0,2–1,5 кг/т.

16. Способ по любому из предшествующих пп. 1–15, отличающийся тем, что волокнистое сырье содержит целлюлозные волокна, полученные путем механического разбивания, хемотермомеханической обработки или путем репульпирования рециркулированных или вторичных волокон.

17. Способ по любому из предшествующих пунктов 1–16, отличающийся тем, что волокнистое сырье после добавления микрофибриллированной целлюлозы подвергают механической обработке, в ходе которой к волокнистому сырью прикладывают сдвиговые усилия при помощи механического устройства.

18. Способ по любому из предшествующих пунктов 1–17, отличающийся тем, что волокнистое сырье подвергают механической обработке, количественно лежащей в диапазоне 5–350 кВт/т, предпочтительно 20–250 кВт/т, определяемом как удельное энергопотребление.