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Dokumentenidentifikation DE69212475T2 05.12.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0586577
Titel ZELLSTOFFE MIT AUSGEWÄHLTER MORPHOLOGIE ZUR HERSTELLUNG VON PAPIER MIT VERBESSERTER FESTIGKEIT
Anmelder The Procter & Gamble Co., Cincinnati, Ohio, US
Erfinder VINSON, Kenneth Douglas, Cincinnati, OH 45215, US;
ERSPAMER, John Paul, Bartlett, TN 38134, US
Vertreter Patentanwälte Rau, Schneck & Hübner, 90402 Nürnberg
DE-Aktenzeichen 69212475
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 26.05.1992
EP-Aktenzeichen 929132710
WO-Anmeldetag 26.05.1992
PCT-Aktenzeichen US9204337
WO-Veröffentlichungsnummer 9221816
WO-Veröffentlichungsdatum 10.12.1992
EP-Offenlegungsdatum 16.03.1994
EP date of grant 24.07.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.12.1996
IPC-Hauptklasse D21H 11/00

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft allgemein Zellulose-Papiermassen; und betrifft insbesondere Zellulose-Papiermassen mit unterschiedlichen Fibrillierungsgraden und anderen ausgewählten verbesserten physikalischen Formen und Gestalten.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Zellulose-Papiermassen, die Fasern enthalten, die den Papierbahnen verbesserte Festigkeit verleihen, werden in zunehmendem Maße verlangt. Fasern, die verbesserte Festigkeit verleihen, geben dem Papierhersteller die Möglichkeit, das Gewicht herabzusetzen oder faseriges oder nicht-faseriges Füllmaterial aufzunehmen, um die Kosten herabzusetzen und/oder andere Eigenschaften des Papiers zu erweitern, wie etwa optische Eigenschaften oder mit dem Tastsinn erfaßbare Eigenschaften. Da weiters der Weltbestand an natürlicher Faser in zunehmendem Maße beschränkter und teurer wird, wurde es außerdem notwendig, zur Herstellung von Papierprodukten weniger teure und reichlicher zur Verfügung stehende Zellulosequellen heranzuziehen. Dadurch entstand ein größeres Interesse an der Papierherstellung aus Faserquellen, die traditionell von niedrigerer Qualität sind, wie etwa Fasern mit hohem Lignin-Gehalt und Hartholzfasern sowie Fasern aus rezy kliertem Papier. Leider führen Fasern aus solchen Quellen oft zu vergleichsweise starker Herabsetzung der Festigkeitseigenschaften des Papiers im Vergleich zu üblichem jungfräulichen chemischen Zellstoffeintrag.

Aus den oben erwähnten Gründen sind Verfahren zur Erhöhung des Festigkeitspotentials faseriger Papiermassen in der Regel von großem Interesse. Eine allgemein bekannte Methode zur Steigerung der Reißfestigkeit von Papier, das aus Zellulose-Papiermasse hergestellt ist, besteht in der mechanischen Mahlung der Papiermasse vor der Papierherstellung. Während eine zusätzliche Mahlung die Reißfestigkeit steigert, setzt sie jedoch auf jeden Fall die Geschwindigkeit herab, mit welcher Wasser durch eine Matte der Zellulosefaser-Zusammensetzung abläuft. Dieses verschlechterte Ablaufverhalten kann die Leistungsfähigkeit von Hochgeschwindig keits-Papiermaschinen herabsetzen, indem das Abtrennen der Wasserhauptmenge und die anschließende Trocknung der wandernden Papierbahn verzögert werden.

Ein anderes Verfahren zur Steigerung des Papierfestigkeit spotentials liegt im Zusatz chemischer Festigkeitsadditive (Z.B. Harze, Latices, Binder, etc.) zu dem Papiermasse-Eintrag, um die natürliche Bindung zu verstärken, die während des Papiermachervorgangs zwischen den Zellulosefasern stattfindet. Obwohl solche Festigkeitsadditive vergleichsweise erfolgreich sind, können sie doch in beträchtlichem Ausmaß zu den Rohmaterialkosten bei der Papierherstellung beitragen und werden oft auch von einer Herabsetzung in der Effizienz des Papierherstellungsvorgangs selbst begleitet.

Der bekannte Stand der Technik lehrt auch, Zellulosefasern zu fraktionieren, um die zur Herstellung bestimmter Papierarten am besten geeigneten Fraktionen zu gewinnen. Vgl. zum Beispiel US-A-3,085.927, Pesch, ausgegeben am 16.April 1963. Pesch lehrt die Schleudertrennung von heterogenen Mischungen von Frühholzund Sommerholzfasern in Fraktionen, die vorwiegend aus jeweils einer einzelnen Faserart zusammengesetzt sind. Zusätzlich dazu kann die Schleudertrennung nach Pesch, die zwischen Fasern mit unterschiedlichem augenscheinlichen spezifischen Gewicht unterscheidet, zu einem Frühholz-Zeilstoff mit höherer Reißfestigkeit führen. Obwohl ein solches Verfahren einigermaßen wirksam eine Steigerung der Reißfestigkeit erreicht, wird doch die Reißfestigkeit bei einem gegebenen Grad von Ablaufwiderstand nicht deutlich verbessert.

Ein anderes Beispiel des Standes der Technik ist die US-A-3,791.917, Bolton, ausgegeben am 12.Februar 1974. Bolton lehrt, daß geschichtetes Kraftpapier mit verbesserten Eigenschaften dadurch hergestellt werden kann, daß Fasern nach ihrer Länge klassifiziert werden und daß jede Längenklassifikation ihrer eigenen Schicht in der Struktur zugeteilt wird. Klassifizierungsverfahren bei welchen die Fasern nach ihrer Länge aufgetrennt werden, bewirken die Gewinnung einer Fraktion mit hoher Festigkeit, d.h. die Fraktion mit langer Faser. Lange Fasern verursachen jedoch bei der Papierherstellung Schwierigkeiten wegen ihrer größeren Neigung, sich zu verfilzen, was zur Bildung von Flocken führt, die das Aussehen des Papiers beeinträchtigen und jene Eigenschaften vermindern, die auf Gleichmäßigkeit empfindlich sind.

Die US-A-4,923.565 beschreibt die enzymatische Behandlung von rezykliertem Papierzellstoff zur Gewinnung einer rascher entwässernden Papiermasse, ohne nachteilige Wirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Papiers zu verursachen.

Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine Zellulose-Papiermasse zur Verfügung zu haben, die einen höheren Grad an Einheitlichkeit und Reißfestigkeit bei einem speziellen Grad von Ablaufwiderstand aufweist. Es wäre weiters wünschenswert, Verbesserungen in der Festigkeit zu erreichen, ohne teure Chemikalien zu der Papiermasse zusetzen zu müssen. Schließlich wäre es wünschenswert, die Verbesserung in der Festigkeit ohne gleichzeitige deutliche Zunahme der Faserlänge zu erreichen.

Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, eine Zellulose- Zellstoffmasse mit verbesserter Festigkeit zur Verfügung zu stellen.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Zellulose- Papiermasse zur Verfügung zu stellen, die eine höhere Papierfestigkeit bei einem bestimmten Grad von Ablaufwiderstand im Vergleich zu üblichen Zellulose-Papiermassen bietet.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Zellulose- Papiermasse zur Verfügung zu stellen, die bei einem speziellen Ablaufgrad und bei einer speziellen Faserlänge eine verbesserte Papierfestigkeit im Vergleich zu üblichen Zellulose-Papiermassen bietet.

Diese und andere Ziele werden durch Verwendung der vorliegenden Erfindung erreicht, wie aus der folgenden Offenbarung zu ersehen ist.

Alle Prozentangaben, Verhältnisse und Proportionen hierin sind, sofern es nicht anders angegeben ist, auf das Gewicht bezogen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen geoffenbart ist, ist eine Zellulose-Papiermasse mit verbessertem Papierfestigkeitspotential, die aus Holzfasern mit ausgewählter Morphologie besteht und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen normalisierten Festigkeitswert aufweist, der mit der mittleren Faserlänge zusammenhängt, von der Gleichung:

in welcher NSV der normalisierte Festigkeitswert (g/cm/sec) ist, L die mittlere Faserlänge (1,0-3,5 mm) ist und I der dimensionslose Fibrillierungsindex mit 0 ≤ I ≤ 1,0 ist.

Bevorzugter umfaßt die verbesserte Zellulose-Papiermasse, die aus Holzfasern besteht, einen normalisierten Festigkeitswert, der mit der mittleren Faserlänge zusammenhängt, von der Gleighung:

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Fließdiagramm, das ein Sortierverfahren darstellt, bei welchem eine Aufschlämmung aus faserigem Zellstoff in zwei Faserfraktionen mit unterschiedlicher Faserlänge aufgetrennt wird.

Fig. 2 ist ein Fließdiagramm der Faserfraktionierung, das ein Verfahren zur Auftrennung von Fasern in Fraktionen mit unter schiedlicher spezifischer Oberfläche darstellt, wobei hydraulische Zyklone verwendet werden.

Fig. 3 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, bei welcher sowohl ein Sieb als auch ein hydraulischer Zyklon eingebaut sind.

Fig. 4 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, welches eine Verfahrensanordnung darstellt, die zur Herstellung von Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Fig. 5 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, welches eine andere Verfahrensanordnung darstellt, die zur Gewinnung von Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfindung imstande ist.

Fig. 6 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, welches eine andere Verfahrensanordnung darstellt, die zur Gewinnung von Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfindung imstande ist.

Fig. 7 ist ein Fließdiagramm, das eine andere Verfahrensmethode erläutert, mit welcher Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden können.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Wasserkläranlage, die zur Abtrennung der Feststoffe aus Aufschlämmungen, die feine Fraktionen enthalten, verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Zellulose-Papiermasse, bei der die Möglichkeit zur Erzielung höherer Festigkeitsgrade in Papierstrukturen bei einer speziellen Wasserablaufrate besteht. Diese bisher unerreichbaren Festigkeitsgrade werden durch Auswahl von Fasern mit bevorzugter Morphologie aus Zellulose-Papiermassequellen mit unterschiedlichen Fibrillierungsgraden ermöglicht.

Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Morphologie" auf die verschiedenen physikalischen Formen von Holzfasern, inklusive solcher Eigenschaften wie Faserlänge, Faserbreite, Zellwanddicke, Grobfaserigkeit, Fibrillierungsgrad und ähnlicher Eigenschaften, die sowohl auf der Basis von massegemittelten Eigenschaften als auch auflokaler oder distributiver Basis bestimmt sind. Der Ausdruck "ausgewählte Morphologie" bezieht sich auf Fasern, die aus der allgemeinen Faserklasse ausgewählt wurden, um verbesserte Leistung hinsichtlich Reißfestigkeit und Ablaufrate beizustellen.

Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Fibrillierung" auf die Plastifizierung und Flexibilisierung der Fasern, sowohl intern innerhalb der Ultrastruktur der Fasern, als auch extern an der Faseroberfläche. Das Ausmaß der Fibrillierung bei Graden, wie sie für die vorliegende Erfindung relevant sind, wird entweder durch das Festigkeitspotentional der Zellubsefasern oder durch die Geschwindigkeit angegeben, mit welcher Wasser aus wässerigen Aufschlämmungen der Zellulose-Papiermasse abläuft, oder durch eine Kombination von Festigkeit und Ablaufgeschwindigkeit. Für die vorliegende Erfindung sind drei Fibrillierungsangaben von Bedeutung: nicht-fibrilliert, optimal fibrilliert und teilweise fibrilliert.

Wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Ausdruck "nichtfibrillierte" Fasern jenen Zustand, in welchem die Fasern nur einen minimalen Fibrillierungsgrad aufweisen. Für Zwecke der vorliegenden Erfindung werden Fasern als nicht-fibrilliert klassifiziert, wenn ihre Ablaufgeschwindigkeit mit ihrer mittleren Faserlänge durch die Gleichung:

PFR < 5,56 - (0,55 x L)

in Beziehung gebracht wird, worin PFR der Papiermasse-Filtrationswiderstand (sec) ist und L die mittlere Faserlänge (mm) ist.

Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "optimal fibrilliert" auf Fasern in jenem Zustand, wo jede zusätzliche Fibrillierung der Fasern den normalisierten Festigkeitswert (NSV) herabsetzt. Wenn eine Faserprobe einen PFR-Wert oberhalb jenes Wertes hat, der dem nicht-fibrillierten Zustand entspricht, kann weiters dadurch kategorisiert werden, daß eine Probe desselben einer schwachen Mahlung in einer Laboratoriums- PFI-Mühle unterworfen und der NSV vor und nach der Mahlung verglichen wird. Die PFI-Mühle ist ein Holländer vom Typ mit glattem Grundwerk; die Arbeitsmethode ist im Standard C.7 der Canadian Pulp and Paper Association beschrieben. Wenn der NSV durch die zusätzliche Mahlung herabgesetzt wird, wird die Faserprobe als solche im Zustand optimaler Fibrillierung erachtet. Wenn der NSV durch zusätzliche Mahlung erhöht wird, dann wird die Probe als in einem Zustand teilweiser Fibrillierung erachtet.

Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "teilweise Fibrillierung" auf jenen Zustand, wo die Fasern einen Fibrillierungsgrad von höher als nicht-fibrilliert, jedoch weniger als optimal fibrilliert aufweisen. Der Grad der partiellen Fibrillierung ist durch den Fibrillierungsindex 1 gekennzeichnet (das Verfahren zur Berechnung von I wird später besprochen).

Normalisierter Festipkeitswert (NSV)

Der Ausdruck normalisierter Festigkeitswert (NSV), wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein Verhältnis von Papierfestigkeit zu Ablauf, sodaß:

NSV = T/PFR,

worin T die Zugfestigkeit (g/cm) von leichtgewichtigen Handblättern ist und PFR die Ablaufgeschwindigkeit (sec) ist.

Reißfestigkeit (T)

Der Ausdruck "Reißfestigkeit", abgekürzt als "T" in den hierin enthaltenen algebraischen Gleichungen, bezieht sich auf die Reißfestigkeit von leichtgewichtigen Handblättern, die aus den Zellulose-Papiermassen, wie nachstehend beschrieben, hergestellt sind.

Die Reißfestigkeit wird unter Verwendung von 2,54 Zentimeter (ein Inch) breiten Streifen gemessen, die aus leichtgewichtigen Handblättern geschnitten sind. Der Meßbereich des Probestückes zwischen Reißfestigkeitsklammern beträgt zu Beginn 10,16 Zentimeter (4 Inch) und es wird ein elektronischer Prüfer (z.B. ein Thwing Albert Intelect II Model 1450-24-A) verwendet, um die Probestücke bei einer konstanten Elongationsrate von 1,27 cm/Min. (0,5 in/min) zu dehnen. Probestücke werden bei 50%iger relativer Feuchtigkeit und 22,78ºC (73ºF) vor der Unter suchung konditioniert und die Ergebnisse werden hinsichtlich Variationen im Flächengewicht auf einen Wert von 16,5 lb/3000 sq.ft. (26,9 g/m²) korrigiert.

Die Handblätter, an welchen diese Tests vorgenommen werden sollen, sind speziell darauf ausgerichtet, um leichtgewichtige Tissue-Papiere mit niedriger Dichte zu simulieren. Das Handblattverfahren ist ähnlich jenem, das in TAPPI Standard T 205 os-71 beschrieben ist, mit Ausnahme dessen, daß ein niedrigeres Flächengewicht verwendet wird. Zusätzlich dazu sind das Verfahren zur Übertragung der Bahn von dem Formungssieb und das Verfahren zur Trocknung des Papiers modifiziert. Die Modifikationen der Industrie-Standardmethode sind nachstehend beschrieben.

Die zugesetzte Menge an Papiermasse wird so eingestellt, daß sie zu einem konditionierten Flächengewicht von 26,9 g/m² führt.

Das Verfahren zur Übertragung der Bahn ist wie folgt: Zuerst wird die Bahn auf einem Kunststoff-Maschengewebe (84X76-M der Appleton Wire Company oder ein Äquivalent dazu) gebildet. Die Orientierung des Gewebes sollte so sein, daß das Blatt an jener Seite gebildet wird, die erkennbare Fäden in einer Richtung aufweist (die andere Seite des Gewebes ist in beiden Richtungen glatt). Für die vorliegende Arbeit wird eine Formatbegrenzungsbox mit 30,48 cm mal 30,48 cm (12 Inch mal 12 Inch) in den hierin beschriebenen Tests verwendet (obwohl äquivalente Größen ebenso verwendbar wären). Die Handblattform ist so ausgestattet, daß sie das Gewebe während der Blattbildung zurückhält und dann dessen Freigabe erlaubt, wobei die nasse Bahn an der Oberfläche intakt ist. Überschüssiges Wasser wird dadurch entfernt, daß das Gewebe, mit der nassen Bahn an seiner Oberfläche, einem Vakuum von 8,89 bis 11,43 cm (3,5 bis 4,5 Inch) Quecksilber ausgesetzt wird. Das Vakuum wird dadurch aufgebracht, daß das Gewebe über einen Vakuumschlitz mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,3048 Meter pro Sekunde (1 Fuß pro Sekunde) gezogen wird. Die Fortbewegungsrichtung wird so ausgewählt, daß das Formungsgewebe senkrecht zu der Richtung der erkennbaren Fasern gezogen wird. Die so hergestellte Bahn wird mit Hilfe eines Vakuums von 24,13 bis 26,67 cm (9,5 bis 10,5 Inch) Quecksilber über dem Vakuumschlitz auf ein 36 x 30 Polyester-Trägergewebe (z.B. ein 36-C von Appleton Wire oder ein Äquivalent dazu) übertragen. Die Bewegungsrichtung der Bahn ist in beiden Vakuumschritten die gleiche und das 36 x 30-Gewebe wird so verwendet, daß die Richtung mit 36 Fasern als Bewegungsrichtung verwendet wird.

Die nasse Bahn und das Polyester-Gewebe werden gemeinsam auf einer erhitzten Trockentrommel aus rostfreiem Stahl getrocknet, die 45,72 cm (18 Inch) breit ist und einen Durchmesser von 30,48 cm (12 Inch) hat. Die Trommel wird auf einer Oberflächentemperatur von 110ºC (230ºF) gehalten und mit einer Geschwindigkeit von 0,85 bis 0,95 Umdrehungen pro Minute gedreht. Die nasse Bahn und das Polyester-Gewebe werden zwischen die Trockneroberfläche und einen die Oberfläche bedeckenden Filz eingelegt und bewegen sich mit gleicher Geschwindigkeit wie die Trommel. Ein Filz der Dicke von 0,3175 cm (1/8"), der Art #1044, Commonwealth Felt Company, 136 West Street Northhampton, MA 01060 (oder ein Äquivalent dazu) wird verwendet. Der Filz wird so herumgewickelt, daß er 63 % des Trocknerumfangs bedeckt. Die nasse Bahn wird auf diese Weise zweimal getrocknet, wobei die Bewegungsrichtung ab dem Übertragungsschritt jeweils beibehalten wird. Der erste Trocknungsschritt ist dann beendet, wenn das Gewebe der Trockneroberfläche am nächsten ist; der zweite Schritt dann, wenn die Bahn der Oberfläche am nächsten ist.

Da dieses Verfahren der Handblatt-Herstellung die Möglichkeit der Schaffung einer geringen Anisotropie in sich birgt, werden alle Untersuchungen an beiden Richtungen vorgenommen und das Ergebnis zur Bildung eines einzigen Werts gemittelt.

Fibrillierungsindex (I)

Das Ausmaß der Fibrillierung ist durch den Fibrillierungsindex 1 gekennzeichnet. Für nicht-fibrillierte Fasern, wie sie oben definiert sind, ist I gleich 0. Für optimal fibrillierte Fasern, wie sie oben definiert sind, ist 1 gleich 1,0. Für teilweise fibrillierte Fasern, wie sie oben definiert sind, gilt 0 < I < 1,0. Der Fibrillierungsindex wird wie folgt bestimmt.

I = [PFR - (5,26 - 0,55xL]/[PFR@MOF - (5,26 - 0,55xL]

worin I der Fibrillierungsindex (dimensionslos) ist; PFR der Papiermasse-Filtrationswiderstand des Probenstückes (sec) ist; PFR @ MOF der PFR (sec) bei der minimalen optimalen Fibrillierung ist; und L die mittlere Faserlänge (mm) ist.

Minimale odtimale Fibrillierung (MOF)

Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck minimale optimale Fibrillierung auf den Zustand der Fasern, der bei dem niedrigsten PFR vorliegt, bei welchem das Kriterium für den Zustand optimaler Fibrillierung erfüllt ist. Teilweise fibrillierte Fasern, die Mahlungsschritten unterworfen worden sind, zeigen das Verhalten eines ansteigenden NSV; der Punkt, bei welchem der NSV sich nicht weiter steigern läßt, wird als der Punkt der minimalen optimalen Fibrillierung bezeichnet.

Padiermasse-Filtrationswiderstand (PFR)

Der PFR ist, wie die Canadische Standard-Freiheit (CSF), ein Verfahren zur Messung der Ablaufgeschwindigkeit von Papiermasse-Aufschlämmungen. Es wird angenommen, daß der PFR eine bessere Methode zur Kennzeichnung von Fasern im Hinblick auf deren Ablaufeigenschaften darstellt. Für Zwecke der Abschätzung kann der CSF mit dem PFR durch folgende Formel in Zusammenhang gebracht werden:

PFR = 11270/CSF - 10,77,

worin der PFR in Sekunden-Einheiten ist und der CSF in Milliliter-Einheiten angegeben ist. Da diese Beziehung fehleranfällig ist, sollte sie nur zum Zweck der Abschätzung verwendet werden. Ein genaueres Verfahren zur Messung des PFR ist wie folgt.

Der PFR wird dadurch gemessen, daß drei aufeinanderfolgende aliquote Anteile einer Aufschlämmung von 0,1 % Konsistenz aus einem Dosiergefäß entnommen und durch ein mit dem Ablauf des Dosiergefäßes verbundenes Sieb filtriert werden. Die zum Auffangen jedes aliquoten Anteils erforderliche Zeit wird festgehalten und das Sieb wird während der Filtrationen weder entfernt noch gereinigt.

Das Dosiergefäß (erhalten von Special Machinery Corporation, 546 Este Avenue, Cincinnati, OH 45232, #C-PP-318) ist mit einem PFR-Zusatz (ebenfalls von Special Machinery Corporation #4A-PP-103, Teil #8) versehen. Der PFR-Zusatz wird mit einem reinen Sieb (einem kreisrund ausgestanzten Stück (2,858 cm (1 1/8")) von derselben Art, wie es als Sieb zur Handblatt-Herstellung verwendet wird (Appleton Wire 48x76m), bestückt und wird mit der Blattseite nach "oben" in die Testvorrichtung eingesetzt.

Eine Aufschlämmung von desintegriertem Zellstoff mit einer Konsistenz von 0,10 % wird in dem Dosiergefäß mit einem Volumen von 19 Liter hergestellt, wobei der PFR-Zusatz in Position ist. Ein Kolben mit einem Volumen von 100 ml wird unter dem Auslaß des PFR-Zusatzes aufgestellt. Das Auslaßventil des Dosiergefäßes wird geöffnet und eine Stoppuhr eingestellt, das Ventil wird geschlossen und die Stoppuhr angehalten, wenn 100 ml in dem Kolben aufgefangen sind (zusätzliche Flüssigkeit wird möglicherweise nach Verschließen des Ventils in den Kolben ablaufen). Die Zeit wird bis zu den nächsten 0,10 Sekunden festgehalten und als "A" bezeichnet.

Das Filtrat wird verworfen, der Kolben neuerlich aufgestellt und es wird ein weiterer Anteil von 100 ml nach dem gleichen Verfahren ohne Entfernung oder Reinigung des Siebs zwischen den Filtrationen aufgefangen. Dieses Zeitintervall wird als "B" festgehalten.

Das Filtrat wird wieder verworfen, der Kolben wird neuerlich aufgestellt und ein weiterer Anteil von 100 ml wird nach dem gleichen Verfahren ohne Entfernung oder Reinigung des Siebs zwischen den Filtrationen aufgefangen. Dieses Zeitintervall wird als "C" festgehalten.

Dann wird PFR unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

worin A, B und C die festgehaltenen Zeitintervalle sind und E eine Funktion der Temperatur ist, die zur Korrektur des PFR auf jenen Wert dient, der bei 23,89ºC (75ºF) beobachtet werden würde:

E = 1 + (0,013 x (TF - 75)),

worin TF die Temperatur der Aufschlämmung, auf den nächsten Grad F im Dosiergefäß nach Abnahme des letzten aliquoten Anteils gemessen, ist.

Mittlere Faserlänge (L)

Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "mittlere Faserlänge", der als "L" abgekürzt in den hierin enthaltenden algebraischen Gleichungen verwendet wird, auf die gewichtete mittlere Faserlänge, gemessen und berechnet mit einem Analysator auf optischer Basis, hergestellt von Kajaani (Modell FS-100, ausgerüstet mit einer 0,4 mm Kapillare). Der Analysator von Kajaani berechnet zwei mittlere Faserlängen und stellt sie dar. Die "arithmetische mittlere Faserlänge" wird nach der Formel nili/ ni berechnet, worin ni die Anzahl der Fasern in der Klasse i und li die mittlere Länge der Fasern in der Klasse i sind. Dieser Mittelwert wird in der Industrie nicht allgemein als genaue Messung der Faserlänge anerkannt. Es wird durch ihn der Beitrag der kurzen Fasern überbetont. Die andere mittlere Faserlänge wird als die "gewichtete mittlere Faserlänge" bezeichnet. Dieser Mittelwert ist in der Industrie das am meisten verwendete Maß für die Faserlänge. Er wird durch das Gerät von Kajaani unter Verwendung der Formel nili²/ nili berechnet. Diese gewichtete mittlere Faserlänge wird in den in dieser Beschreibung enthaltenen Formeln immer dort verwendet, wo die Faserlänge L angegeben ist.

Im wesentlichen betrifft die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen geoffenbart ist, eine Zellulose-Papiermasse mit verbessertem Papierfestigkeitspotential, umfassend Holzfasern mit ausgewählter Morphologie und dem Kennzeichen eines normalisierten Festigkeitswerts, welcher auf die mittlere Faserlänge bezogen ist, nach der Gleichung:

in welcher NSV der normalisierte Festigkeitswert (g/cm/sec), L die mittlere Faserlänge (1,0-3,5 mm) und I der dimensionslose Fibrillierungsindex sind.

Bevorzugter umfaßt die verbesserte Zellulose-Papiermasse Holzfasern mit einem normalisierten Festigkeitswert, bezogen auf die mittlere Faserlänge, nach der Gleichung:

Am bevorzugtesten ist es, wenn die verbesserte Zellulose- Papiermasse Holzfasern umfaßt, die einen normalisierten Festigkeitswert haben, der sich auf die mittlere Faserlänge nach der Gleichung:

bezieht.

Die Faserlänge ist eine bedeutende Variable in der Papierherstellung. Wenn Fasern zu kurz sind, kann das Papier im Hinblick auf die Energieabsorptionseigenschaften, wie etwa Reißfestigkeit oder Bruchfestigkeit oder Reißdehnung, unbefriedigend sein. Wenn die Fasern zu lang sind, neigen sie zur Flockenbildung, was Wolkenbildung in dem Papier und eine Verminderung der wesentlicben Eigenschaften, wie etwa Reißfestigkeit, bewirken kann.

Ein bevorzugter Bereich der gewichteten mittleren Faserlänge für teilweise und optimal fibrillierte Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in dem Bereich von etwa 1,0 bis etwa 2,2 mm. Bevorzugter beträgt die mittlere Faserlänge etwa 1,3 bis etwa 2,0 mm.

Für Zellulose-Papiermassen, die als nicht-fibrilliert klassifiziert sind (I = 0), liegt der bevorzugte Bereich der mittleren Faserlänge zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zwischen etwa 1,0 bis etwa 3,5 mm.

Obwohl der NSV der Schlüsselparameter bei der Charaktensierung des Festigkeitspotentials der Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung ist, ist auch das Reißfestigkeitspotential ein wesentlicher Parameter. Der Ausdruck "Reißfestigkeitspotential" (T), wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf die Reißfestigkeit von leichtgewichtigen Handblättern, die aus Holzfasern gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt sind. Übermäßige Reißfestigkeit kann manchmal zu einer Härte des Papiers bei Anwendungen, wie etwa als Tissue-Papier, führen, wogegen unzureichende Festigkeit nicht immer durch Mahlung verbessert werden kann.

Vorzugsweise liegt das Reißfestigkeitspotential von erfindungsgemäßen Zellulose-Papiermassen, die als teilweise fibrilliert eingestuft sind, zwischen etwa 472,44 g/cm (1200 g/Inch) und etwa 157,48 g/cm (4000 g/Inch). Bevorzugter beträgt das Reiß festigkeitspotential etwa 472,44 (1200) bis etwa 984,25 g/cm (2500 g/Inch) und am bevorzugtesten beträgt das Reißfestigkeitspotential etwa 629,92 (1600) bis etwa 885,83 g/cm (2250 g/Inch).

Für Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfindung, die als optimal fibrilliert eingestuft werden (d.h. I = 1,0), liegt das Reißfestigkeitspotential etwas höher. Ein bevorzugtes Reißfestigkeitspotential beträgt 590,55 g/cm (1500 g/Inch) bis etwa 1968,5 g/cm (5000 g/Inch). Bevorzugter beträgt das Reißfestigkeitspotential etwa 590,55 (1500) bis etwa 1377,95 g/cm (3500 g/Inch) und am bevorzugtesten beträgt das Reißfestigkeitspotential etwa 787,4 (2000) bis etwa 1279,53 g/cm (3250 g/Inch).

Für Zellulose-Papiermassen gemäß der vorliegenden Erfin- dung, die als nicht-fibrilliert eingestuft werden (d.h. I=0), beträgt das Reißfestigkeitspotential etwas weniger. Vorzugsweise wird das Reißfestigkeitspotential im Bereich von etwa 196,85 g/cm (500 g/Inch) bis etwa 787,4 g/cm (2000 g/Inch) gehalten und noch bevorzugter wird das Reißfestigkeitspotential im Bereich von etwa 295,28 g/cm (750 g/Inch) bis etwa 590,55 g/cm (1500 g/Inch) gehalten.

Der Ausdruck Zellulose-Papiermasse, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auffaseriges Material, das von Holz stammt und zur Herstellung von Papier oder anderen Arten von Produkten auf Zellulosebasis verwendet wird. Zellulose-Holzfasern von einer Vielfalt von Quellen kann zur Herstellung von Zellulose-Papiermassen verwendet werden, die der Spezifikation der vorliegenden Erfindung entsprechen. Diese schließen chemische Zellstoffe ein, die Zellstoffe darstellen, die zum Zweck der Abtrennung im wesentlichen des gesamten aus der Holzsubstanz stammenden Lignins gereinigt wurden. Diese chemischen Zellstoffe umfassen solche, die entweder durch Sulfit- oder Kraft-(Sulfat)-Prozesse hergestellt wurden. Verwendbare Holzfasern können auch von mechanischen Zellstoffen stammen, wie etwa gemahlenen Zellstoffen, thermomechanischen Zellstoffen und chemithermomechanischen Zellstoffen, die alle eine deutliche Menge des aus der Holzsubstanz stammenden Lignins zurückhalten. Sowohl Hartholz-Zellstoffe als auch Weichholz-Zellstoffe sowie Mischungen der beiden können verwendet werden. Der Ausdruck Hartholz-Zellstoff, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen faserigen Zellstoff, der von der holzigen Substanz von Laubbäumen stammt; wogegen Weichholz-Zellstoffe faserige Zellstoffe sind, die von der holzigen Substanz von Nadelbäumen stammen. Ebenso für die vorliegende Erfindung verwendbar sind Fasern, die aus rezykliertem Papier stammen, wobei sie alle oder beliebige der oben genannten Kategorien sowie andere nicht-faserige Materialien, wie etwa Füllstoffe und Klebmittel, die zur Erleichterung der ursprünglichen Papierherstellung verwendet wurden, enthalten können.

Der Ausdruck rezykliertes Papier bezieht sich im allgemeinen auf Papier, das mit der Absicht gesammelt wurde, dessen Fasern in Freiheit zu setzen und sie wieder zu verwenden. Dieses Papier kann ein Vor-Konsum-Papier sein, wie etwa ein solches, das aus dem Abfall einer Papierfabrik oder Druckerei stammt, oder ein Nach-Konsum-Papier, das aus Haus- oder Bürosammlungen stammt. Rezyklierte Papiere werden von den Händlern zur Erleichterung ihrer Wiederverwertung in verschiedene Klassen eingeteilt. Eine Klasse von besonderem Wert für die vorliegende Erfindung ist entweder weißes oder gefärbtes Hochqualitätspapier oder Schreibpapier. Diese Papiere bestehen im allgemeinen aus chemischen Zellstoffen und haben in der Regel ein Verhältnis von Hartholz zu Weichholz von etwa 1:1 bis 2:1. Beispiele für Hochqualitäts- oder Schreibpapiere umfassen Banknotenpapier, Buchdruckpapier, Xeropapier und dergleichen. Eine andere Qualität von rezykliertem Papier, das für die vorliegende Erfindung verwendbar ist, sind alte Zeitungen. Alte Zeitungen umfassen in der Regel praktisch alle Weichholzfasern, wobei im allgemeinen mehr als 70 % mechanischer Zellstoff sind.

Die Figuren 1 bis 3 erläutern Faserfraktionierverfahren, die im Stand der Technik geoffenbart sind. Leider bewirken die Fraktionierverfahren des Standes der Technik nicht in wirksamer Weise die Gewinnung von Fasern, die zu den spezifischen Zellulose-Papiermassen der vorliegenden Erfindung zusammengefügt werden können.

Fig. 1 ist ein Fließdiagramm eines Siebverfahrens, bei welchem eine faserige Papiermasse-Aufschlämmung 1 durch ein Sieb 2 in zwei Faserfraktionen mit unterschiedlicher Faserlänge aufgetrennt wird. Die Aufschlämmung 3 enthält Fasern einer mittleren Faserlänge, die größer ist als jene der Aufschlämmung 1, während die Aufschlämmung 4 Fasern mit einer mittleren Faserlänge enthält, die geringer ist als jene der Fasern von Aufschlämmung 1. Es gibt mehrere Literaturstellen des Standes der Technik hinsichtlich des Siebens von faserhaltigen Aufschlämmungen Vgl. zum Beispiel die US-A-4,938.843, Lindhal, ausgegeben am 4. Juli 1990, wo gezeigt ist, wie ein Sieb in der in Fig. 1 dargestellten Weise verwendet werden kann.

Fig. 2 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung in einem Verfahren zur Auftrennung von Fasern unter Verwendung hydraulischer Zyklone. Die Anordnung in Fig. 2 beruht auf der in der US-A-3,301.745, Coppick et al., ausgegeben am 26. April 1963, geoffenbarten Anordnung. Eine faserige Papiermasse-Aufschlämmung 1 wird in einen Zyklon 5 eingebracht und in eine Aufschlämmung 6, die Fasern mit höherer spezifischer Oberfläche als die Fasern der Aufschlämmung 1 enthält, und eine Aufschlämmung 7, die Fasern mit niedrigerer spezifischer Oberfläche als die Fasern von Aufschlämmung 1 enthält, aufgetrennt. Ein Teil der Aufschlämmung 7 kann zurückgewonnen werden, indem er in einen zweiten Zyklon 8 eingebracht wird und dort in eine Teilaufschlämmung 9 mit hoher spezifischer Oberfläche und eine Teilaufschlämmung 10 mit niedriger spezifischer Oberfläche getrennt wird, worauf die Aufschlämmung 9 mit der Aufschlämmung 6 vermischt wird.

Fig. 3 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, bei der sowohl ein Sieb als auch ein hydraulischer Zyklon eingesetzt werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in der oben erwähnten US-A-4,938.843 geoffenbart Eine faserige Papiermasse- Aufschlämmung 1 wird zuerst auf ein Sieb 2 aufgebracht und in eine Aufschlämmung 3 mit langen Fasern und eine Aufschlämmung 4 mit kurzen Fasern aufgetrennt. Die Aufschlämmung 4 mit kurzen Fasern wird dann in einen hydraulischen Zyklon 11 eingebracht, wo sie in eine Aufschlämmung 12, die Fasern mit höherer spezifischer Oberfläche als jener der Fasern von Aufschlämmung 4 enthält, und eine Aufschlämmung 13, die Fasern mit geringerer spezifischer Oberfläche als jener der Fasern von Aufschlämmung 4 enthält, aufgetrennt wird. Die Fasern der Aufschlämmung 3 und die der Aufschlämmung 12 werden dann vereinigt, um die Aufschlämmung 14 zu bilden, deren Fasern eine Mischung von relativ langen Fasern und Fasern mit relativ hoher spezifischer Oberfläche darstellen.

Obwohl es nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung auf eine bestimmte Folge von Verfahrensschritten zu begrenzen, werden im folgenden mehrere Verfahren zur Herstellung von Zellulose-Papiermassen erläutert, die den Spezifikationen der vorliegenden Erfindung entsprechen. Diese umfassen Verfahren zur Fraktionierung von Fasern durch eine Kombination von Größe und Gestalt. Ebenso umfaßt sind bestimmte Methoden, bei welchen ein mechanischer Vorbehandlungsschritt vor der Fraktionierung der Fasern nach Größe und Gestalt eingesetzt wird.

Die Figuren 4 bis 7 erläutern verschiedene Anordnungen von Verfahrensschritten, von welchen alle unter bestimmten Bedingungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zellulose-Papiermassen verwendet werden können. Die Verfahren, die in den Anlageanordnungen der Figuren 4 bis 6 erläutert sind, können vom Stand der Technik dadurch unterschieden werden, daß sie Fraktioniersequenzen offenbaren, bei denen sowohl Schritte zur Abtrennung von Feinteilen als auch Schritte zur Fraktionierung nach der spezifischen Faseroberfläche vorgesehen sind. Fig. 7 erläutert noch eine weitere Verfahrensfolge, bei welcher auf die Fasern vor ihrer Fraktionierung mechanische Energie aufgebracht wird. Mit sorgfältiger Auswahl der Zellulose-Rohfaser und des Verfahrens zur Aufbringung mechanischer Energie kann es möglich sein, die Zyklon- Schritte der Figuren 4 bis 6 wegzulassen, wodurch das Verfahren zu jenem Verfahren, das in Fig. 7 detailliert dargestellt ist, vereinfacht werden kann und immer noch die in der vorliegenden Erfindung angegebenen Festigkeitsgrade erreicht werden können.

Es folgt eine detailliertere Beschreibung der in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Verfahren.

Fig. 4 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, das eine Verfahrensanordnung erläutert, die zur Herstellung von erfindungsgemäßen Zellulose-Papiermassen verwendet werden kann. Eine faserige Papiermasseaufschlämmung 1 wird zuerst zu einem Sieb 15 gebracht und dort in eine Aufschlämmung 16, die eine Faserfraktion enthält, und eine Aufschlämmung 17, die einen Feinanteil enthält, aufgetrennt. Die Aufschlämmung 16, die die Faserfraktion enthält, wird dann zu einem Sieb 18 geführt, das die Bildung einer Aufschlämmung 19, die eine Fraktion mit langen Fasern enthält, und einer Aufschlämmung 20, die eine Fraktion mit kurzen Fasern enthält, bewirkt. Die Aufschlämmung 19, die die Fraktion mit langen Fasern enthält, wird als nächstes in einen Zyklon 21 eingebracht, der sie weiters in eine Aufschlämmung 22, diefasern mit relativ hoher spezifischer Oberfläche enthält, und eine Aufschlämmung 23, die Fasern mit relativ niedriger spezifischer Oberfläche enthält, auftrennt. Gegebenenfalls kann eine weitere Zyklonstufe, dargestellt durch Zyklon 24, verwendet werden, um eine Fraktion 25 mit relativ hoher spezifischer Oberfläche und eine Fraktion 26 mit relativ niedriger spezifischer Oberfläche aus der Aufschlämmung 20 zu bilden. Die Aufschlämmung 22 enthält Fasern mit Eigenschaften, die in angehäuftem Zustand den Kriterien der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Zellulose-Papiermassen entsprechen. Die Aufschlämmungen 23 und 25 können zu jedem Punkt stromaufwärts der Zyklon-Stufen zurückgeführt werden, um deren Fasern mit einem der drei Auslaß-Aufschlämmungsströme 17, 22 und 26 zurückzugewinnen.

Fig. 5 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, das eine andere Verfahrensanordnung erläutert, durch welche Zellulose-Papiermassen gewonnen werden können, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen. Eine faserige Papiermasse- Aufschlämmung 1 wird zuerst zu einem Sieb 15 geführt und in eine Aufschlämmung 16, die eine Faserfraktion enthält, und eine Aufschlämmung 17, die eine Feinteilfraktion enthält, aufgetrennt. Die Aufschlämmung 16, die die Faserfraktion enthält, wird dann in einen Zyklon 27 eingebracht, der die Schaffung einer Aufschlämmung 28, die eine Fraktion mit hoher spezifischer Oberfläche enthält, und einer Aufschlämmung 29, die eine Fraktion mit niedriger spezifischer Oberfläche enthält, bewirkt. Die Aufschlämmung 28 enthält Fasern, die in angehäuftem Zustand den Kriterien der erfindungsgemäßen Zellulose-Papiermassen entsprechen.

Fig. 6 ist ein Fließdiagramm einer Faserfraktionierung, das eine weitere Verfahrensanordnung erläutert, mit der es möglich ist, Zellulose-Papiermassen zu erhalten, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen. Eine faserige Papiermasse- Aufschlämmung 1 wird zuerst zu einem Behälter 30 gebracht, bis dieser voll ist. Der Inhalt des Behälters 30 wird dann durch eine Leitung 31 zu einem hydraulischen Zyklon 32 geführt und dort in eine Aufschlämmung 33, die eine Fraktion mit hoher spezifischer Oberfläche enthält, und eine Aufschlämmung 34, die eine Fraktion mit niedriger spezifischer Oberfläche enthält, aufgetrennt. Die Aufschlämmung 33 wird zu einem Sieb 35 gebracht, das die Schaffung einer Faserfraktion, die in der Aufschlämmung 36 enthalten ist, und einer Feinteilfraktion, die in der Aufschlämmung 37 enthalten ist, bewirkt. Die Faserfraktion 36 wird durch die Leitung 38 zum Behälter 30 zurückgeführt. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis die Fasern der Aufschlämmung 36 den gewünschten Festigkeitseigenschaften entsprechen, zu welchem Zeitpunkt die Aufschlämmung 36 durch eine Auslaßleitung 39 abgeführt wird, statt zu dem Behälter 30 zurückgeführt zu werden. Die Eigenschaften der Fasern in der Aufschlämmung 36, die durch die Leitung 39 abgeführt wird, sind so, daß sie in angehäuftem Zustand den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen. Unterdessen wird die Restaufschlämmung 34 aus Zyklon 32 im Behälter 40 gesammelt. Nach Beendigung des ansatzweisen Verfahrens, das die endgültige Aufschlämmung 36 ergibt, wird der Inhalt des Behälters 40 zu einem hydraulischen Zyklon 42 geführt, der die Schaffung einer Fraktion mit hoher spezifischer Oberfläche, die in der Aufschlämmung 43 enthalten ist, und einer Fraktion mit niedriger spezifischer Oberfläche, die in der Aufschlämmung 44 enthalten ist, bewirkt. Die Aufschlämmung 44 wird zum Behälter 40 zurückgeführt. Dieses Verfahren wird solange fortgesetzt, bis das Festigkeitspotential der Fasern in der Aufschlämmung 44 auf einen bestimmten Schwellenwert absinkt, zu welchem Zeitpunkt die Fasern in einer Auslaßleitung 45 abgeführt, statt zum Behälter 40 zurückgeführt zu werden. Die Restfasern, die in der Aufschlämmung 43 enthalten sind, werden zum Behälter 30 zurückgeführt. Nach Beendigung des absatzweisen Verfahrens, das zur Produktion der Auslaßaufschlämmung 44 durch die Leitung 45 führt, wird der Behälter 30 mit zusätzlicher faseriger Papiermasse-Aufschlämmung 1 ergänzt, bis er angefüllt ist und die ansatzweisen Verfahren wiederholt werden.

Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Verfahren darstellt, mit dessen Hilfe erfindungsgemäße Zellulose- Papiermassen erhalten werden können. Die faserige Papiermasse- Aufschlämmung 1 wird zuerst zu einer Vorrichtung 46 geführt, die auf die Fasern in der Aufschlämmung 1 mechanische Energie aufbringt. Die modifizierte Aufschlämmung 47 wird dann zu einem Sieb 48 gebracht, welches sie in eine Aufschlämmung 49, die lange Fasern enthält, und eine Aufschlämmung 50, die kurze Fasern enthält, auftrennt. Die Fasern der Aufschlämmung 49 haben Eigenschaften, durch welche sie in angehäuftem Zustand den Kriterien der erfindungsgemäßen Zellulose-Papiermassen entsprechen.

Die Vorrichtung 46, die in Fig. 7 zur mechanischen Vorbehandlung der Fasern verwendet wird, kann aus einer oder mehreren verschiedenen Vorrichtungen, die im Stand der Technik als Refiner oder Mixer bezeichnet werden, bestehen. Beispiele solcher Vorrichtungen sind Rotationsholländer, Doppel scheibenrefiner, konische Ref iner, Zerfaserer und Hochkonsistenz-Mixer, wie etwa der Frotapulper, der von Kamyr in Glens Falls, New York, hergestellt wird. Diese Vorrichtungen verleihen den Fasern eine Fibrillierung und/oder Kräuselung, um deren Ablaufeigenschaften zu verändern.

Die Arbeitsabläufe der Siebe und Zyklone in den Figuren 4 bis 7 sind im wesentlichen die gleichen, wie sie für den Stand der Technik beschrieben sind. Als solche sind große Wassermengen zur Bildung der Aufschlämmungen in jeder Stufe des Verfahrens erforderlich. Da die Wiederverwendung des Wassers normalerweise in jedem der in den Figuren 4 bis 7 beschriebenen Verfahren wünschenswert ist, ist ein Verfahren zur Wiedergewinnung der Feinteile zur Gewinnung des verwertbaren Wassers, ohne die Feinteile in das Verfahren zurückzuführen, notwendig. Die die Feinteilfraktion enthaltenden Aufschlämmungen werden beispielhaft durch die Aufschlämmung 17 von Fig. 4, die Aufschlämmung 17 von Fig. 5, die Aufschlämmung 37 von Fig. 6 und die Aufschlämmung 50 von Fig. 7 dargestellt. Fig. 8 erläutert einen Wasserklärschritt, der in Kombination mit den oben beschriebenen Verfahren zur Gewinnung von Zellulose-Papiermassen, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen, verwendet werden kann. Die Wasserkläranlage von Fig. 8 kann von einer der vielen in der Literatur erwähnten Arten sein. Eine verwendbare Kläranlage arbeitet auf dem Prinzip der Lufteinleitung zur Schaffung von Luftblasen, die sich an die Feststoffteilchen anheften und bewirken, daß diese an die Oberfläche aufsteigen, wo sie abgezogen werden können. Dadurch bleibt praktisch Feststoff-freies Wasser zurück, das zur Bildung von Aufschlämmungen wiederverwertet werden kann, ohne daß Feinmaterial in die in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Fraktionierverfahren zurückgeführt wird. In Fig. 8 wird die Aufschlämmung 51, die eine Feinteile enthaltende Aufschlämmung ist, mit Luft gemischt, die durch die Leitung 52 eingeführt wird. Die Mischung wird in einen Stillhaltebehälter 53 eingebracht, wo es den Feststoffen ermöglicht wird, zur Oberfläche aufzusteigen, von wo sie in Form einer verdickten Aufschlämmung 54 abgezogen werden und im wesentlichen Feststoff-freies Wasser, das durch die Leitung 55 abgezogen werden kann, zurücklassen.

Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen oder die vorliegende Erfindung auf andere Weise zu beschränken, wird die folgende Erklärung für die unerwarteten Ergebnisse gegeben, die durch die Praktizierung der oben genannten Verfahren zur Herstellung von Zellulose-Papiermassen, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen, erreicht werden. Feinfibrilläre und nicht-fibrilläre Anteile haben eine relativ große Wirkung auf die Beschränkung des Ablaufs von Zellulose-Papiermassen, ohne eine gleichzeitige Verbesserung in der Papierfestigkeit zu bieten. Im Gegensatz dazu neigen Fasern mit relativ hoher spezifischer Oberfläche dazu, eine verbesserte Festigkeit bei einer geringeren als der begleitenden Verschlechterung im Entwässern zu bewirken. Durch Auswahl der morphologischen Formen der Holzfasern als Fasern mit hoher spezifischer Oberfläche, jedoch Ausschluß von Fasern mit hoher spezifischer Oberfläche von kurzer Faserlänge können neue Festigkeitsgrade als eine Funktion des Ablaufs erreicht werden. Andererseits kann bei ausreichender Fibrillierung der Ausschluß von Fasern mit hoher spezifischer Oberfläche von kurzer Faserlänge allein eine ausreichende Bedingung sein, um diese neuen Festigkeitsgrade zu erreichen.

Die erfindungsgemäßen Zellulose-Papiermassen sind zur Verwendung in einer großen Vielzahl von Papieren und Papierherstellungsverfahren geeignet. Die Zellulose-Papiermassen sind besonders zur Verwendung bei der Herstellung von Papieren mit Dichten von < 0,15 g/cm³ geeignet. Papiere mit so geringer Dichte (d.h. < 0,15 g/cm³) und niedrigem Flächengewicht (d.h. < 30 g/m²) sind besonders zur Verwendung als Tissue-Papier und Papierhandtücher geeignet. [Die hierin angegebenen Dichtewerte werden durch Messung der scheinbaren Dicke unter Verwendung einer Platte bestimmt, die eine Fläche von 12,9 cm² (2 Quadratinch) hat und eine Kraft von 32,5 Gramm pro 6,45 cm² (1 Quadratinch) ausübt. Ein Stapel von fünf Papierlagen wird gemessen und das Ergebnis durch fünf dividiert, um die Dicke einer einzigen Lage zu bestimmen. Die Dichte wird dann aus der scheinbaren Dicke und dem Flächengewicht berechnet.] Solche Papiere haben eine relativ niedrige Kapazität bei der Zurückhaltung von Feinteilen, was zu einer relativ hohen Feststoffkonzentration im Wassersystem der Papiermaschine führt. Zusätzlich dazu ist es schwierig, die erforderliche Festigkeit in solchen Papieren zu erreichen, da eine aus der niedrigen Dichte resultierende geringe Kontaktfläche von Faser zu Faser besteht.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung werden beide oben genannten Beschränkungen vermieden. Da die erfindungsgemäßen Papiermassen weitgehend frei von Feinteilen sind, stellt ihre Retention kein Problem dar. Zusätzlich dazu bewirken die erfindungsgemäßen Papiermassen eine verbesserte Festigkeit, wodurch die nachteiligen Wirkungen vermieden werden, die aus der niedrigen Kontaktfläche von Faser zu Faser bei Papieren mit niedriger Dichte herrühren.

Die folgenden Beispiele erläutern die Umsetzung der vorliegenden Erfindung in die Praxis, sind jedoch nicht zur Begrenzung der Erfindung gedacht.

Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert ein Verfahren zur Herstellung verbesserter Zellulose-Papiermassen, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen, durch ein Verfahren, das im wesentlichen aus der Abtrennung von Feinteilen und hydraulischen Zyklonen besteht. Das Verfahren, das zur Herstellung der Zellulose-Papiermassen in diesem Beispiel verwendet wird, ist in Fig. 6 erläutert.

Das folgende ist eine detailliertere Beschreibung des in Fig. 6 dargestellten Verfahrens:

1. Die Behälter 30 und 40 haben jeweils eine Kapazität von 3,78 m³ (1000 Gallonen).

2. Die Aufschlämmung 1 enthält Fasern, die von Ponderosa Fibers aus deren Fabrik in Oshkosh erhalten wurden. Der Zellstoff, wie er erhalten wird, liegt in der Form eines nassen Vlieses mit einer Konsistenz von etwa 50 % Feststoffen vor. Der Zellstoff ist ein gereinigter Altpapiereintrag aus Hochqualitätsbzw. Schreibpapier.

3. Die Zyklonstationen 32 und 42 weisen 10 Zyklone mit einem Durchmesser von 7,62 cm (3 Inch), erhalten von der CE Bauer Company, in paralleler Anordnung auf. Die Zyklone werden mit 517 kPa (75 psi) Einlaßdruck und 68,95 kPa (10 psi) Rückdruck an der Überströmseite betrieben. Der Unterlauf wird an die Atmosphäre durch einen unteren Abschnitt mit 0,48 cm (3/16 Inch) abgelassen.

4. Das Sieb 35 ist ein CE Bauer Micrasieve. Das Micrasieve ist eine Einheit mit 60,96 cm (24 inch) und ist ausgestattet mit einem 100 Mikrometer Schlitzsieb.

5. Bei der Betriebsweise zur Herstellung der Aufschlämmung 33 wird Wasser an den Zykloneinlässen zugesetzt, um die Konsistenz zu Beginn der ansatzweisen Verfahrensführung auf etwa 1,2 % zu halten. Die gesamte Ansatzzeit beträgt 44 Minuten und die Konsistenz fällt kontinuierlich während des Betriebs ab; am Ende der Zykluszeit beträgt die Konsistenz beim Eintritt in die Zyklonstation 32 etwa 0,5 %. Ein Zellstoffeintrag von etwa 113,4 kg (250 Pfund) Zellstoff im Behälter 30 wird auf eine Ansatzgröße von etwa 7,26 kg (16 Pfund), die durch die Leitung 39 austritt, herabgesetzt.

6. Beim Betrieb zur Herstellung der Aufschlämmung 44 wird Wasser an den Zykloneinlässen zugesetzt, um die Konsistenz zu Beginn einer ansatzweisen Arbeitsführung auf etwa 1,2 % zu halten. Die gesamte Ansatzzeit beträgt 26 Minuten und die Konsistenz wird während des Verlaufs des Betriebs kontinuierlich abgesenkt; am Ende der Zykluszeit beträgt die in den Zyklon 42 eintretende Konsistenz etwa 0,25 %. Ein Zellstoffeintrag von etwa 113,4 kg (250 Pfund) Zellstoff im Behälter 40 wird auf eine Ansatzgröße von etwa 3,63 kg (8 Pfund), die durch die Leitung 45 abgeht, herabgesetzt.

7. Die Abfolge von Fig. 6 wird in diesem Beispiel verändert, um drei Ansätze der Aufschlämmung 44 herzustellen, die durch die Leitung 45 abgeht, bevor das Verfahren zur Herstellung eines Ansatzes der Aufschlämmung 36 fortgesetzt wird. Das ist einer Rückführung des Inhalts des Behälters 40 zum Behälter 30 äquivalent, nachdem der erste und der zweite Ansatz der Aufschlämmung 44 in jeder Periode hergestellt wurden.

Die Leistungsdaten hinsichtlich der Zellulose-Papiermasse, die durch das oben beschriebene Verfahren gewonnen wird, sind die kumulativen Ergebnisse von Mischungen von 150 Ansätzen der Aufschlämmung 36, die durch die Leitung 39 austritt. Die entstehende Zellulose-Papiermasse verhielt sich in folgender Weise.

Die Reißfestigkeit von leichtgewichtigen Handblättern, die aus Zellulose-Papiermasse gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, beträgt 736,61 g/cm (1871 g/Inch). Der PFR der Zellulose-Papiermasse beträgt 6,5 sec. Der entstehende NSV wird mit 101,18 g/cm/sec (257 g/Inch/sec) berechnet. Die gewichtete mittlere Faserlänge nach Kajaani beträgt 1,71 mm.

Der maximale PFR für nicht-fibrillierte Fasern dieser Länge wird mit 5,56 - (0,55 x 1,71) berechnet, was 4,6 beträgt. Da der beobachtete PFR höher ist als dieser Wert, wird angenommen, daß die Zellulose-Papiermasse entweder teilweise oder optimal fibrilliert ist.

Die Probe wird in einem Intervall von 500-4000 Umdrehungen in der PFI-Mühle gemahlen und es wird eine anfängliche Steigerung des NSV beobachtet, worauf eine Abnahme desselben folgt. Das erlaubt die Einteilung der Zellulose-Papiermasse als teilweise fibrilliert. Weiters wird der durch Mahlen in der PFI-Mühle erreichte maximale NSV bei einem PFR von 8,6 Sekunden erreicht. Das erlaubt die Berechnung des Fibrillierungsindex I wie folgt.

I = (6,5 - 4,6)/(8,6 - 4,6) I = 0,47

Der Schwellen-NSV, der den Anforderungen dieser Spezifikation entspricht, wird wie folgt berechnet.

Schwellen-NSV
Schwellen-NSV

Da der beobachtete NSV von 101,18 g/cm/sec (257 g/Inch/sec) den Schwellen-NSV von 78,35 g/cm/sec (199 g/Inch/sec) übersteigt, entspricht die in diesem Beispiel hergestellte Zellulose-Papiermasse den Anforderungen der vorliegenden Erfindung.

Handblätter, die nach dem hierin angegebenen Verfahren hergestellt sind, werden mit einer Dichte von 0,11 g/cm³ gemessen.

Zusätzlich dazu wird die Zellulose-Papiermasse, die nach diesem Beispiel hergestellt ist, zu wegwerfbaren Papierhandtüchern verarbeitet, indem zuerst eine einzelne Papierschicht auf einer Papiermaschine hergestellt wird, die dann durch Laminierung zu einem zweilagigen Handtuchmaterial verarbeitet wird. Die Zellulose-Papiermasse zeigte eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit und lieferte bei dem Handtuchmaterial eine ausgezeichnete Festigkeit.

Beispiel 2

Dieses Beispiel erläutert verbesserte Zellulose-Papiermassen, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen, wobei sie nach einem Verfahren hergestellt wurden, das im wesentlichen aus mechanischer Vorbehandlung und anschließendem Sieben besteht. Das zur Herstellung der Zellulose-Papiermassen in diesem Beispiel verwendete Verfahren ist in Fig. 7 erläutert.

Im folgenden ist eine detailliertere Beschreibung des in Fig. 7 dargestellten Verfahrens angegeben:

1. Aus Fasern aus Nördlichem-Weichholz-Kraft-Zellstoff, erhalten von der Papierfabrik Grande Prairie der Procter & Gamble Company wird eine Aufschlämmung 1 hergestellt.

2. Die Vorrichtung 46 ist ein Laboratoriumsholländer von Noble and Wood, Modell Nr. SO-81236. Der Noble-and-Wood-Holländer wird mit einer Ansatzgröße von 1,59 kg (3,5 Pfund) Zellstoff, bezogen auf knochentrocken, betrieben. Dieser Zellstoff wird in 0,05 m³ (14 Gallonen) Wasser aufgeschlämmt und in den Holländer eingebracht. Die Ladung wird erfaßt und die Probe wird während einer Ansatzzeit von 30 Minuten gemahlen.

3. Die Aufschlämmung 47 wird auf das Sieb 48 (ein SWECO- Sieb mit 76,2 cm (30 Inch)) gegeben. Sobald eine Beladung von 1,59 kg (3,5 Pfund) (Basis knochentrocken) von Fasern aus der Aufschlämmung 47 auf das Sieb 48 gegeben ist, wird Wasser kontinuierlich an der Oberseite des SWECO aufgebracht, um die Aufschlämmung in fluidisiertem Zustand zu halten. Das SWECO ist mit einem 60 mesh-Sieb ausgerüstet. Es wird während eines Zeitraums von 4 Stunden betrieben. Die Faser wird von der Oberseite des Siebs als Aufschlämmung 49 abgezogen (Fig. 7). Der verbleibende Strom der Feinteile (Aufschlämmung 50) wird durch das Sieb gewaschen und verworfen.

Die Fasern der Aufschlämmung 49 wurden untersucht und die folgenden Ergebnissen wurden erhalten.

Die Reißfestigkeit von leichtgewichtigen Handblättern, die aus der aus der Aufschlämmung 49 gewonnenen Zellulose-Papiermasse hergestellt wurden, wird mit 1277 g/cm (3244 g/Inch) gemessen. Der PFR wird mit 10 sec gemessen; der berechnete NSV beträgt 127,56 g/cm/sec (324 g/Inch/sec). Die gewichtete mittlere Faserlänge nach Kajaani beträgt 1,97 mm.

Der maximale PFR für nicht-fibrillierte Fasern dieser Länge wird mit (5,56 - (0,55 x 1,97)) berechnet, was einem Wert von 4,48 entspricht. Da der beobachtete PFR diesen Wert übersteigt, wird angenommen, daß die Zellulose-Papiermasse entweder teilweise oder optimal fibrilliert ist.

Die Probe wird auf einer Laboratoriums-PFI-Mühle über den Bereich von 500-1000 Umdrehungen gemahlen. Es zeigte sich, daß der NSV sofort bei jedem zusätzlichem Mahlgrad abnahm. Daher wurde die Zellulose-Papiermasse als optimal fibrilliert mit I = 1,0 kategorisiert.

Der Schwellen-NSV, der den Kriterien dieser Erfindung entspricht, wird wie folgt berechnet:

Schwellen-NSV
Schwellen-NSV

Da der beobachtete NSV (d.h. 127,56 g/cm/sec (324)) diesen Schwellenwert übersteigt, entspricht die gemäß diesem Beispiel hergestellte Zellulose-Papiermasse den Kriterien der vorliegenden Erfindung.

Beispiel 3

Dieses Beispiel erläutert verbesserte Zellulose-Papiermassen, die den Kriterien der vorliegenden Erfindung entsprechen, wobei sie nach einem Verfahren hergestellt wurden, das im wesentlichen aus der Abtrennung von Feinteilen und hydraulischen Zyklonen besteht, wobei die Faser dahingehend eingestellt wird, daß sie in nicht-fibrilliertem Zustand vorliegt. Das zur Herstellung der Zellulose-Papiermassen in diesem Beispiel verwendete Verfahren ist in Fig. 5 erläutert.

Im folgenden wird eine detailliertere Beschreibung des in Fig. 5 dargestellten Verfahrens angegeben:

1. Aus Fasern von Nördlichem-Weichholz-Kraft-Zellstoff, erhalten von der Papierfabrik Grande Prairie der Procter & Gamble Company wird die Aufschlämmung 1 hergestellt.

2. Die Aufschlämmung 1 wird auf ein Sieb 15 aufgebracht (ein SWECO-Sieb mit 76,2 cm (30 Inch)). Sobald eine Beladung von 0,65 kg (1,43 lb) (Basis knochentrocken) der Fasern von Aufschlämmung 1 auf das Sieb 15 aufgebracht ist, wird kontinuierlich Wasser an der Oberseite des SWECO zugeführt, um die Aufschlämmung fluidisiert zu halten. Das SWECO ist mit einem 60 mesh-Sieb ausgerüstet. Es wird während eines Zeitraums von 4 Stunden betrieben. Die Faser wird von der Oberseite des Siebs als Aufschlämmung 16 abgeführt. Der verbleibende Strom der Feinteile (Aufschlämmung 17) wird durch das Sieb gewaschen und verworfen.

3. Die Aufschlämmung 16 wird dann zum Zyklon 27 geführt (ein Zyklon Modell PC 051319 (1,27 cm (0,5 Inch), hergestellt von der Krebs Engineering Company). Der Zyklon 27 wird mit einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit von 6 Liter pro Minute betrieben, wobei die Einlaßkonsistenz bei etwa 0,2 % gehalten wird. Die Aufschlämmung 28 wird in ihrer Konsistenz eingestellt und neuerlich für zwei zusätzliche Durchgänge durch den Zyklon 27 hindurchgeführt. Die drei Restansätze, die die Aufschlämmung 29 enthalten, werden vereinigt und verworfen.

Die Fasern der endgültigen Aufschlämmung 28 werden auf ihre Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit den folgenden Ergebnissen untersucht:

Die Reißfestigkeit von leichtgewichtigen Handblättern, die aus der Zellulose-Papiermasse aus der Aufschlämmung 28 hergestellt wurden, wird mit 396,46 g/cm (1007 g/Inch) gemessen. Der PFR wird mit 3,9 Sekunden gemessen; daher wird der NSV mit 100,79 g/cm/sec (256 g/Inch/sec) berechnet. Die gewichtete mittlere Faserlänge nach Kajaani beträgt 2,63 mm.

Der maximale PFR, der nicht-fibrillierten Fasern entspricht, wird mit (5,56 - (0,55 x 2,63)) berechnet, was gleich ist dem Wert 4,11. Da der beobachtete PFR (3,9) niedriger als dieser Wert ist, wird die Zellulose-Papiermasse der Aufschlämmung 28 als nicht-fibrilliert mit I = 0,0 erachtet.

Der Schwellen-NSV, der den Kriterien dieser Spezifikation entspricht, kann wie folgt berechnet werden:

Schwellen-NSV

Da der beobachtete NSV (d.h. 100,79 g/cm/sec (256 g/Inch/sec)) größer ist als dieser Wert, entspricht die in diesem Beispiel hergestellte Zellulose-Papiermasse den Kriterien der vorliegenden Erfindung.


Anspruch[de]

1. Eine Zellulose-Papiermasse mit verbessertem Papierfestigkeitspotential, wobei die genannte Zellulose-Papiermasse, als den Faserbestandteil der Papiermasse, Holzfasern mit einem normalisierten Festigkeitswert NSV (g/cm/sec) gleich T/PFR umfaßt, worin T (g/cm) das Reißfestigkeitspotential der Holzfasern ist, wenn sie zu leichtgewichtigen Handblättern verarbeitet sind, und PFR (sec) die Ablaufrate der die Holzfasern enthaltenden Zellulose-Papiermasse ist, wobei der genannte normalisierte Festigkeitswert mit der mittleren Faserlänge L (mm) der Holzfasern und dem dimensionslosen Fibrillierungsindex 1 der die Holzfasern enthaltenden zellulose-Papiermasse nach der Gleichung

in Beziehung steht und die mittlere Faserlänge L zwischen 1,0 und 3,5 mm variiert und der Fibrillierungsindex 1 zwischen 0 und 1 variiert.

2. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 1, in welcher die genannten Holzfasern eine mittlere Faserlänge von etwa 1,0 mm bis etwa 2,2 mm aufweisen.

3. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 2, in welcher die genannten Holzfasern eine mittlere Faserlänge von etwa 1,3 mm bis etwa 2,0 mm aufweisen.

4. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 3, in welcher die genannten Holzfasern ein Reißfestigkeitspotential von 472,44 g/cm (1200 g/Inch) bis etwa 984,25 g/cm (2500 g/Inch) aufweisen.

5. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 4, in welcher die genannten Holzfasern ein Reißfestigkeitspotential von etwa 629,92 g/cm (1600 g/Inch) bis etwa 885,82 g/cm (2250 g/Inch) aufweisen.

6. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 4, in welcher die genannten Holzfasern aus Fasern von rezykliertem Papier bestehen.

7. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 6, in welcher die genannten rezyklierten Papierfasern aus Fasern von rezykliertem Schreibpapier bestehen.

8. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 6, in welcher die genannten rezyklierten Papierfasern aus Fasern von rezykliertem Zeitungspapier bestehen.

9. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 3, in welcher I = 1 und die genannten Holzfasern eine Reißfestigkeit von etwa 590,55 g/cm (1500 g/Inch) bis etwa 1377,95 g/cm (3500 g/Inch) aufweisen.

10. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 9, in welcher die genannten Holzfasern ein Reißfestigkeitspotential von etwa 787,40 g/cm (2000 g/Inch) bis etwa 1279,53 g/cm (3250 g/Inch) aufweisen.

11. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 9, in welcher die genannten Holzfasern aus rezyklierten Papierfasern bestehen.

12. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 11, in welcher die genannten rezyklierten Papierfasern aus Fasern von rezykliertem Schreibpapier bestehen.

13. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 11, in welcher die genannten rezyklierten Papierfasern aus Fasern von rezykliertem Zeitungspapier bestehen.

14. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 1, in welcher I = 0 und in welcher die genannten Holzfasern ein Reißfestigkeitspotential von etwa 196,85 g/cm (500 g/Inch) bis etwa 787,40 g/cm (2000 g/Inch) aufweisen.

15. Die Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 14, in welcher die genannten Holzfasern ein Reißfestigkeitspotential von etwa 295,28 g/cm (750 g/Inch) bis etwa 590,55 g/cm (1500 g/Inch) aufweisen.

16. Papier, das aus der Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 1 hergestellt ist.

17. Das Papier nach Anspruch 16, wobei das genannte Papier eine Dichte von weniger als etwa 0,15 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist.

18. Papier, das aus der Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 6 hergestellt ist.

19. Das Papier nach Anspruch 18, wobei das genannte Papier eine Dichte von weniger als etwa 0,15 Gramm pro Kubikzentimeter aufweist.

20. Papier, das aus der Zellulose-Papiermasse nach Anspruch 9 hergestellt ist.







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