采用玉米秸桿和其他非木本纖維材料的制漿工藝制造技術

一種適于從非木本纖維材料造紙的制漿工藝。具有代表性的非木本纖維材料包括玉米秸稈和麥秸。該工藝包括如下步驟：提供非木本纖維材料；采用堿性制漿溶液在至少常壓下蒸煮（３８，４０）非木本纖維材料；采用酸溶液降低非木本纖維材料ｐＨ值（５８）達到酸性ｐＨ值；用臭氧（２１４）處理具有酸性ｐＨ值的非木本纖維材料；以及用漂白溶液處理非木本纖維材料形成紙漿。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

一般說，本專利技術涉及非木本材料的制漿工藝。更具體地說，本專利技術涉及采用玉米秸稈和其他非木本纖維原料生產優質紙漿的簡單而環境友好的制漿工藝。
技術介紹
具有該行業普通知識的人們都知道樹木和其他木本植物并非唯一的造紙用纖維來源。有許多一年生和多年生非木本植物可以產生具有足夠強度和長度的纖維，用于生產合格的紙張。在該行業內，這些非木本植物通常被稱為“農業廢棄物”或“纖維作物”。這些種類的植物的實例如下農業廢棄物 纖維作物麥秸 洋麻(槿麻)稻秸 工業用大麻玉米稈 劍麻蔗渣(甘蔗) 紡織用亞麻稈黑麥稈 Hesperaloe籽用亞麻稈(seed flax straw)亞麻稿稈這些纖維來源的主要優點之一是，它們是替代樹木的環境友好的纖維來源。實際上，某些發展中國家和缺乏森林資源的國家，目前已廣泛采用非木本植物作為造紙纖維的主要來源。但是，大部分情況下，北美的非木本纖維業發展滯后，這是由于以每噸計非木本纖維紙漿通常比木漿貴。近來，幾種因素從行業層面上明顯提升了對這些非木本纖維來源的興趣。這些因素中包括停止使用樹木的環保方面的壓力；預計到2010年世界纖維會短缺，需要尋找替代的纖維來源；大量的農業廢棄物(例如玉米秸稈和麥秸)被燒掉；從簡單的纖維來源生產多種產品(油類、紡織纖維、造紙纖維、板材纖維、塑料、食物)的可能性為農業可持續發展提供了極好的機遇。但是，對非木本纖維來源的有效利用存在某些必須克服的重大難題，包括如下方面(1)非木本作物必須每年收割和儲存，因此對生長季節、收獲條件等很敏感；(2)與樹木相較，非木本作物的松密度低，因此難以儲存和運輸；(3)與樹木相較，非木本作物可能需要更大量的除草劑和農藥；(4)由于運輸方面的制約，非木本作物一般要求小型的制漿和造紙廠，而小型造紙廠通常難以建立有效的化學回收系統；以及(5)許多但并非全部非木本作物的纖維比木材纖維更短、更微小或更脆。農業廢棄物代表著有經濟前景的非木本纖維來源。農業廢棄物的低松密度和高運輸成本意味著非木本作物造紙廠的產能是50～350t/d的紙漿。而這種“小型造紙廠”生產的紙漿必須能與效率極高的產能1000～3000t/d的“巨型造紙廠”所產木漿相競爭。為了使這種情況更具可比性，一般不能簡單地按比例縮小木漿生產工藝，而要靠大生產量證明設備高投資的合理性。為了獲得成功，非木漿小型造紙廠必須采用在小規模下具有成本效益和環境友好的工藝。這樣的工藝從概念上講要符合下列標準(1)這種工藝應該最大限度減少加工步驟或工序；(2)這種工藝應該最大限度減少設備； (3)其設備應該盡可能簡單和低成本；(4)這種工藝應該通過如下步驟最大限度減少用水量(a)盡可能使更多的濾液物流在內部重復利用，(b)最大限度減少所需的稀釋或增稠次數，(c)最大限度減少所需的洗滌次數，以及(d)最大限度減少所需的pH變化次數；(5)這種工藝應該在合理劑量下使用易得化學品；(6)這種工藝應該是無臭味的，且選擇無氯工藝；并且(7)這種工藝應該采用允許全部內在濾液重復利用的化學品。根據農業廢棄物的易碎性和印刷紙及書寫紙市場的質量要求，成功的小型造紙工藝還應該符合下列要求(1)在一體化的制漿造紙廠，最終紙漿應該使各種紙張具有的亮度在ISO值的70％～90％，而高端和外銷級紙漿具有的亮度在ISO值的85％～90％；(2)紙漿應該具有適當的強度性質，即纖維經受的破壞程度最小；(3)紙漿濾過速率(游離度)應該足夠高，使其可在典型造紙機中形成紙漿并脫水；(4)這種工藝應該能大量脫除非木本植物中發現的髓細胞、薄壁細胞、細小纖維和其他非纖維物質，這些物質使紙漿變“臟”并放慢排水。因此，在減少進入造紙纖維的非木質原料時遇到的重大挑戰是找到符合前述標準用于小型造紙廠的制漿方法。“制漿”一詞一般定義為使纖維原料本體成為組分纖維。關鍵是這種過程不要破壞纖維(降低強度)或過分損失適于造紙的纖維(術語為“得率損失”)。業內一般都知道幾種制漿工藝，包括(1)化學制漿——這種制漿工藝要使用大劑量化學品溶解原料纖維中具有的木素(膠質)。這種溶解在蒸煮器內進行，將化學品與原料混合然后，加熱到中至高溫(100～170℃)和高壓(2～15大氣壓)。標準蒸煮工藝大約進行1～8小時。在蒸煮結束時，從含有已溶解木素和廢化學品的母液中洗滌并分離出所需纖維。已開發出完善的系統來進行母液增稠與燃燒，以便從木素中回收熱能和使化學品再生繼續用于蒸煮工序。完全化學處理的紙漿其特點是純度高(纖維素含量高，半纖維素和木素含量低)，有適宜的清潔度和適宜的強度。通過其后的漂白，可以生產出印刷紙和書寫紙要求的高亮度紙漿。但由于是化學溶解，通常該工藝得率低(30％～50％)。另外，完全化學處理的工藝需要高投資和高操作費用。因此，標準的全化學制漿工藝一般不適宜非木本纖維制漿的小型制漿廠。(2)機械制漿——這類制漿工藝中，采用機械強力使原料破碎成纖維。通常，將原料放在旋轉的磨漿板之間并切斷它們。在磨漿之前可以加熱使纖維軟化。這類工藝的得率一般較高(65％～95％)，但是漿料的質量一般不及化學漿料。因為其纖維表面仍留有大量木素，使粘結點被切斷導致強度下降。因為木素留在纖維壁上，紙張韌性也降低了。總之，機械漿料只在低端紙張產品如新聞紙或目錄紙中有用。但是，由于它無需大量化學品，不存在化學品回收問題。另外，投資和操作費用易于控制。但是，鑒于對紙漿、繼之對紙張和上述質量有限制，許多非木本纖維的脆性限制了單純機械制漿工藝對非木本纖維制漿的應用。(3)化學-機械制漿——這類工藝采用上述兩種工藝的有關方面。先用少量化學品浸漬原料以軟化木素，然后通過機械處理完成分離。一般要加熱來改善制漿。采用這類組合工藝可以不大量使用化學品而獲得優良的纖維性能。另外，投資和操作費用幾乎與單純的機械制漿一樣低。化學-機械制漿工藝獲得的紙漿可用于低到中等質量的紙張，通過補充加工也可以用于某些高端產品。但是，業內并未述及適于非木本纖維制漿的化學-機械制漿工藝。
技術介紹
的專利包括美國專利4,756,799和4,900,399(兩者皆為Bengtsson等人所專利技術)，其中描述了采用一段或兩段浸漬過程制造漂白的化學-機械纖維紙漿和半機械纖維紙漿的方法。但是這些專利特別說明是從木材生產紙漿。所述方法特別要求木材在標準雙轉盤磨漿機中進行機械加工之前予以預熱。因此，不認為這些美國專利中所述方法的步驟特別適于非木本材料的制漿工藝。Gould等人的美國專利4,997,488、Gould的美國專利4,806,475、Gould等人的美國專利4,774,098和Gould的美國專利4,649,113，描述了用堿性過氧化物處理非木質的木素纖維素及通過這種處理后生產的產品。但是，這些專利主要針對的是從非木本材料纖維素生產營養添加物、培養基或其他配料，用于家畜飼養、人類食用以及微生物培養基的培育。所述的差異在于，這些專利所述方法是針對從纖維素生產可以促進動物新陳代謝的物質。盡管上述的美國專利已經公開，但是并沒有提出符合上述標準的非木本纖維原料的制漿工藝。實際上，對非木本材料最合理的方法是在確定適宜生長地區的中心建設小型造紙廠。如上所述，這種造紙廠應該采用簡單的工藝，以低操作費用和低投資，保持其規模經濟性相當于大本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適合于從非木本纖維原料造紙的制漿工藝，其工藝包括：（ａ） 提供一種非木本纖維原料；（ｂ） 采用一種堿性制漿溶液在至少常壓下萃取非木本纖維原料；（ｃ） 采用酸溶液降低非木本纖維原料的ｐＨ值達到酸性ｐＨ值；（ｄ） 采用臭氧處 理具有酸性ｐＨ值的非木本纖維原料；以及（ｅ） 采用漂白溶液處理非木本纖維原料形成紙漿。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：羅伯特W赫特，小梅德威克V伯德，
申請(專利權)人：北卡羅來納州立大學，赫特咨詢公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]