专利名称：一种由棉杆化学浆制备成品纸的方法
技术领域：
本发明涉及一种由棉杆化学浆制备成品纸的方法，属于造纸制浆技术领域。
背景技术：
纸浆的白度是纸浆的主要质量指标。纸浆的漂白方法，最早是手工业生产时代的氧漂。直到1774年瑞典化学家K.W，Sheele发现氯气及其强有力的漂白作用以后，才将加氯漂白技术用于纺织和造纸。刚开始使用氯气漂白技术时的漂白结果并不好，成品损伤严重。
法国化学家Berthollet发现氢氧化钾(KOH)吸收氯气后的漂液效果较好，对成品的损伤很少。1789年开始次氯酸钾(KCIO)用于漂白纺织品。几年后，另一位法国化学家Labarraque发现用氢氧化钠(NaOH)代替氢氧化钾(KOH)能制得相似的漂液。
1798年苏格兰化学家C.Tennant发现用石灰乳吸收氯气可制成次氯酸钙用于漂白后，造纸工业才得到了成本低廉的漂白剂。但液态的漂液运输很不方便，1799年，C.Tennant制得固体状态的漂白粉，一跃而成为纺织和造纸工业独一无二的漂白剂。次氯酸钙用作纸浆的漂白剂是1800年开始的。1804年美国Gilpin造纸厂是北美第一家用漂白粉漂白的造纸厂，漂白在打浆机中浆浓3-4％下进行。1895年德国Bellmer兄弟改革了漂白设备，制成了沿用至今的贝尔麦漂白池，这种设备的漂白浆浓可提高到7％，因此，大大提高了漂白效率。
1903年，Rolm-Haas公司提出应用低亚硫酸盐(连二硫酸盐)作漂白剂。1905年德国提出了用过氧化氢和氯多段漂白磨木浆。1919年开始用液氯在造纸厂制备次氯酸钙漂液。1920年开始了次氯酸盐多段漂白。1921年美国Newton Falls造纸公司开始采用第一台高浓(15-25％)漂白池(Wolf卧式漂白池)。1925年出现了立式高浓连续漂白装置。1930年开始用元素氯进行连续氯化作为漂白的第一阶段，由此第一次得到了白度为70％的全漂硫酸盐木浆。1937年瑞典第一次在碱性介质中用二氧化氯ClO2作为预漂纸浆的漂白剂。1938年瑞典第一次在酸性介质中用用ClO2作为预漂纸浆的漂白剂。1940年，过氧化物用来漂白机械浆已经达到完善的地步。1946年ClO2正式用于多段漂白生产系统，因此到1950年，硫酸盐木浆的白度可以漂至90％以上。1952年，苏联木材化学专家NiKitin和AKim发现元素氧有漂白作用，但因碳水化合物降解严重而未能用于生产，1964年法国科学家Robert等人发现镁盐在氧漂时有保护碳水化合物的作用，因此，1968年在美国、法国和瑞典就出现了连续氧漂的实验工厂。1970年南非Enstra造纸厂建成了世界上第一个日产220吨纸浆的氧漂车间。1972年美国Scott造纸公司Muskegon纸浆厂建成日产12吨纸浆的臭氧漂白中试车间。1975年，Scott公司申请了无氯漂白的专利，并在1975年建成了世界上第一个日产500吨的CEDED置换漂白车间。
从纸浆漂白技术发展的历史来看，首先是发展了含氯漂白，包括氯化(工艺代号C)、次氯酸盐漂白(工艺代号H)和二氧化氯漂白(工艺代号D)技术；现在则正在发展含氧漂白，包括氧碱漂白(工艺代号O)、过氧化氢漂白(工艺代号P)、臭氧漂白(工艺代号Z)和过醋酸漂白(工艺代号Pa)技术等。
硫酸盐法制浆适应性大，能利用各种材种，工艺成熟，可生产高强度的纸浆。因此，它一直是世界各国所采用的最主要的制浆方法。但硫酸盐法生产的纸浆白度较低，漂白工艺要求较高。为了提高硫酸盐浆的白度，通常采用多段漂白技术；其中，最为常用的是氯化(工艺代号C)、碱处理(工艺代号E)、次氯酸盐漂白(工艺代号H)三段漂白工艺，即CEH三段漂白工艺。在纸浆多段漂白过程中，氯化和碱处理(亦称碱抽提)是作为纸浆中残余木素大量脱除的阶段，纸浆的白度并没有得到多少提高，因此，氯化和碱处理不可能单独用来作为漂白过程。但是，氯化和碱处理的适当与否，将直接影响到其后的漂白阶段。
在典型的纸浆多段漂白工艺——CEH三段漂白工艺中，碱处理工艺的主要作用是，用碱性介质将氯化处理后纸浆中存在的一部分难溶的和有色的氯化木质素溶解除去。在该反应过程中，同样使得氯化木质素在碱处理阶段溶解。
由于造纸工业的迅速发展，导致了造纸工业原料空前紧张，因此，开发新的造纸制浆原料显得尤为重要，我国新疆、甘肃、山西、山东、河南、陕西都有着十分丰富的棉杆资源可用于造纸。但是对于棉杆纸浆而言，其纸浆白度往往不理想，所以，为了有效利用棉杆资源，有必要研究新的棉杆制浆方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由棉杆化学浆制备成品纸的方法。
本发明所述的棉杆化学浆是以棉杆为纤维原料通过碱法制浆得到的。
上述碱法制浆漂白之前包括将棉杆备料处理、浸渍处理、通过一次蒸煮或二次蒸煮、得到粗浆、经洗浆然后进行漂白。
所述的备料处理是将棉杆在使用前应去除根部，并进行压溃或破碎处理。
上述备料处理在压溃或破碎处理后，优选进一步将皮与杆分离，将皮和杆分别进行制浆生产。
由于成分结构的不同，使用棉杆皮的用碱量小于单独使用去皮棉杆的用碱量，因而，分离处理可以避免因二者在成分上的不同，导致的成浆得率低；不去皮棉杆在蒸煮时，比棉杆皮用碱量大，所以，不分离会导致棉杆皮降解严重或去皮棉杆本身蒸解不足，这些均会导致的成浆得率低。
所述的浸渍处理是将备料处理后的棉杆用浸渍液浸渍，使液比达到1∶(4-5.5)，在常压下于85摄氏度以上保温并混合10分钟以上，其中在85-95度的条件保温和混合10-40分钟为好。
所述的浸渍液中碱的含量为25-35克/升，绝干原料量与浸渍液总液量的重量比为1∶2.5-3.6；浸渍处理所用黑液浓度为11-14°Be′(20℃时)，优选为12-14°Be′(20℃时)，固形物浓度14-20％，优选为16-20％。所说的浸渍液为含有一定碱浓的黑液，是碱与黑液的混合液，黑液的温度可控制在80-95℃之间，黑液中加入的碱可为烧碱(NaOH)，加入量控制在25-36克/升，优选为28-32克/升。黑液可直接采用制备草浆的蒸煮过程中产生的废液，这样在大液比的条件下(液比达到1∶4-5.5)重复循环使用制备草浆中产生的黑液，提高黑液的提取浓度，减少黑液的排放量，从而达到集中治理、减轻环境污染和节水的目的，同时也保证了液相蒸煮，锅内循环、置换和热洗涤的实现。
本阶段浸渍处理所用黑液浓度为11-14°Be′(20℃时)，优选为12-14°Be′(20℃时)，固形物浓度14-20％，优选为16-20％。其中，PH值为11-14，优选11.8-13.3，残碱量为8-12克/升，优选为8-10克/升，COD为150000-180000mg/l，优选为160000-180000mg/l。
上述经过浸渍的棉杆原料中综纤维素重量百分含量为60-70％，总木素重量百分含量为12-20％，聚戊糖重量百分含量为20-25％，得率为86-92％。
所说的得率是按100克纤维原料浸渍处理后，再烘干称重与100克原料的比值。
本发明方法中，漂白前的蒸煮可以是一次蒸煮。
一次蒸煮的过程为将棉杆原料放入蒸煮器内，火碱浓度400g/L，配碱浓度78.8g/L，空运转20min后，向蒸煮器内通入水蒸汽，一次升温40min，使蒸煮器内的压力达到0.3-0.4Mpa后，小放气至蒸煮器内的压力为0-0.02Mpa，再次通入水蒸气，使蒸球内的压力达到0.3-0.4Mpa，在0.3-0.4Mpa的压力条件下进行二次升温，二次升温时间为40分钟，在0.3-0.4Mpa的压力下保温时间75-95min，然后喷放25min，排液。
一次蒸煮后，黑液残碱14.88-16.43g/L，硬度K值为10.5-12.7，水平带叩解度23-26，水平带湿重2.0-2.5，水平带硬度14，水平带残碱0.08，圆网叩解度25-28，圆网湿重1.9-2.0，圆网硬度12.6-13。
本发明方法中，漂白前的蒸煮也可以是二次蒸煮，其配碱操作为火碱浓度400g/L，配碱浓度47.2-51.6g/L，一次用碱量为17％，压排黑液量5-7m3，二次加碱量0.8-0.95m3，二次用碱量10％；二次蒸煮操作过程为将棉杆原料装入蒸煮器中，一次空运转10min，一次升温时间30min，一次小放气10min，二次升温40min，净压排黑液90min，二次加碱20min后进行三次升温40-60min，二次保温时间100-130min，喷放15-20min。
蒸煮残碱17.8-21.21g/L，硬度K值为12.2-15，水平带叩解度22-25，水平带湿重2.1-2.7，水平带硬度10.5-13.3，水平带残碱0.04-0.2，漂前叩解度24-25，漂前湿重2.0-2.7，漂前硬度10.1-11.7。
无论是采用一次蒸煮还是二次蒸煮，蒸煮黑液应具有以下指标一次水平带COD为144530mg/L，pH值为13，波美度(15℃)11.604，固含量为14.57％，粘度为5.4cps/19.2℃，酸不溶物51700mg/L；二次一级COD为181390-187210mg/L，pH值为13.05-13.44，波美度(15℃)14.078-14.656，固含量为18.55-19.19％，粘度为7.7-8.5cps/(18.3-19.0℃)，酸不溶物66000-78700mg/L；二次水平带COD为154230-157140mg/L，pH值为13.11-13.15，波美度(15℃)12.052-12.078，固含量为15.61-16.09％，粘度为4.7-5.5cps/18.0℃，酸不溶物64700-70000mg/L；一次中段水COD为853.6mg/L，SS为530mg/L；二次中段水COD为582-853.6mg/L，SS为450-460mg/L。
本发明方法中漂白过程为CEH三段漂白，其管道漂通氯量60-80kg/吨浆，管道漂通碱量9-13kg/吨浆，H段漂前硬度控制为4.1-5.0K，漂前浆浓为4.5-5.0％，漂液浓度为30g/L，每方浆料的漂液加入量0.06-0.1m3，漂白时间130-210min，漂率为3.0-7.0％，漂池白度74.6-78.5％，漂后残氯0.17-0.31g/L，最终白度可达到为78.9-82.0％。
在进行多段漂白之前，向纸浆中加入嗜热脂肪芽孢杆菌进行漂前预处理，其加入量为5-50g/m3，即每立方纸浆中加入5-50g的嗜热脂肪芽孢杆菌，菌种编号为AS 1.999。
漂白后得到的棉杆浆强度指标一次蒸煮打浆叩解度为31-47°SR，湿重1.6-2.6g，定量59.3-60.1g/m2，松厚度1.871-2.248cm3/g，裂断长3.768-4.986Km，耐折度11-22次，撕裂度742-774mN。
二次蒸煮打浆叩解度为29-46°SR，湿重1.6-2.7g，定量58.5-60.3g/m2，松厚度1.800-2.193cm3/g，裂断长3.529-5.320Km，耐折度5-20次，撕裂度225-286mN。
漂白后最终纸浆白度可达到78％以上。
传统观点认为用棉杆制浆，所得到的浆质量不理想，浆得率低，用碱量大，且由其制得的成品纸质量不高；本发明研究人员通过对棉杆原料进行预处理、对蒸煮条件、漂白条件进行改进，得到了性能指标理想的棉杆化学浆，从而摒弃了棉杆不能制得好浆的传统偏见。
使用本发明方法制备的棉杆化学浆，漂白性能良好，可达到麦草漂白浆的指标，完全满足漂白化学浆的制备要求。
本发明方法制备的棉杆化学浆用于配抄成品纸，各项指标没有明显变化，完全可以用于替代杨木浆，缓解了木材资源的短缺，对棉杆资源的有效利用提供了有价值的方法。
具体实施例方式实施例1棉杆浆蒸煮成本分析
试验共生产7球，产量11.0644吨，耗绝干棉杆量29.32吨，收获率37.74％。
实验例1一次蒸煮操作记录数据表
二次蒸煮操作记录数据表
棉杆皮纤维平均长度为2.0mm，平均直径20um；木质芯纤维的平均长度是0.74mm，平均直径是16um；棉杆韧皮部含果胶质较多，在过程中可看出，果胶质降解物大量存在于浆料中，检测硬度时根本不需加淀粉指示剂；因此，棉杆使用前最好储存半年以上，以利自然发酵，节约蒸煮用碱。
棉杆直接蒸煮时碱液不易渗透，原料进行压溃或破碎处理，有利于提高碱液的渗透能力，使蒸煮更加均匀，也将大大减少了粗渣或纤维束。本实施例用棉杆已经充分压溃打碎，因此碱液浸渍效果好；通过本实施例可看出，棉杆备料对成浆质量具有很大的影响；棉杆根部难蒸解，提高用碱量也不能成浆，基本在大跳筛处除去，而棉杆皮等易蒸解组分则降解严重，降低成浆得率，这可以从成浆湿重较低体现出来；因此，为保证浆料质量及得率，可适当降低用碱量。
实验例2进入漂池前，4漂池的浆料分别加入5g/m3、10g/m3、20g/m3、50g/m3嗜热脂肪芽孢杆菌AS 1.999，在搅拌均匀状态下保持8、4、2、1小时，然后进行漂白，漂白数据如下
1号池为一次蒸煮浆料，其余为二次蒸煮浆料，漂后纸浆白度为78.9％、79.7％、82.0％、80.2％。
实验例3棉杆蒸煮黑液指标检测表黑液
中段水
棉杆制浆黑液COD、波美度、固含量等指标都较芦竹、麦草指标高，而中段水COD、SS很低，说明棉杆浆黑液提取效果好，有利于黑液提取降低清水用量。
实验例4强度指标数据一次蒸煮实验室打浆
二次蒸煮实验室打浆
纤维分析数据表
1、纤维频率分布(％)，棉杆一次蒸煮浆实验室磨浆
2、纤维形态分析
3、纤维频率分布(％)3#车间棉杆二次蒸煮浆实验室磨浆
4、纤维形态分析
从纤维分析数据来分析一次蒸煮的棉秆浆在叩解度达到40°SR以后，0.42mm以下纤维含量明显增加，0.42-0.82mm之间的纤维含量明显减少，此后打浆对纤维的切断作用加强，浆料的强度指标下降，在打浆曲线中也有同样的结果，浆料在叩解度40°SR左右时强度指标最好。在较低叩解度范围内，浆料的纤维长度下降幅度较小，从打浆曲线中也可看出浆料的湿重变化不明显，这也说明棉杆浆料易打浆，纤维的吸水润胀性能好，纤维容易分丝帚化，浆料的强度指标较好。
本次试验二次蒸煮浆料与一次蒸煮浆料相比，撕裂度变化极大，与以往数次打浆结果不同，该组数据有待于进一步验证。
比较例1-3为棉杆浆配抄铜板纸实验，在试验过程中，进行了棉杆浆20％、30％、40％三个配比的配抄试验，同时稳定针叶浆31％、草浆29％的用量，将棉杆浆与杨木浆进行对比；浆内淀粉、CaCO3以及其他各种助剂用量保持不变。
比较例1生产工艺按照128g/m2铜版纸进行，浆料配比为
打浆工艺要求
检测结果
根据以上结果可以知道，由于棉杆浆纤维较柔软，容易打浆。
从打浆曲线得知，棉杆浆易分丝、帚化，纤维之间结合强度好，叩解度在40°SR左右的时候，棉杆浆有最佳的强度指标。
比较例2
纸机工艺参数
成纸指标数据
由上表数据可见，浆料部分代替杨木浆后，成纸耐折度提高，其余指标变化不大，纸页在四色海德堡印刷机上试印效果良好，无不良效果产生，印刷图案清晰。
比较例3棉杆配抄静电复印纸，生产工艺按照60克/m2静电复印纸进行。
配料
阳离子淀粉(KG/T浆)8AKD(KG/T浆)10-12碳酸钙(KG/T浆)150用66％的棉杆浆完全代替杨木浆，草浆自制，其他生产工艺保持不变，纸机车速控制在138-140m/min，对比前后的成纸指标。成纸指标如下表
棉杆浆用于静电复印纸完全代替杨木浆后，成纸指标没有明显变化。
权利要求
1.一种由棉杆化学浆制备成品纸的方法，其特征在于，所述的棉杆化学浆是以棉杆为纤维原料通过碱法制浆得到的，包括将棉杆备料处理、浸渍处理、通过一次蒸煮或二次蒸煮、得到粗浆、经洗浆然后进行漂白，得到棉杆化学浆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的备料处理是将棉杆在使用前应去除根部，并进行压溃或破碎处理；所述备料处理在压溃或破碎处理后，优选进一步将皮与杆分离，将皮和杆分别进行制浆生产。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的浸渍处理是将备料处理后的棉杆用浸渍液浸渍，使液比达到1∶(4-5.5)，在常压下于85摄氏度以上保温并混合10分钟以上，其中在85-95度的条件保温和混合10-40分钟为好；所述的浸渍液中碱的含量为25-35克/升，绝干原料量与浸渍液总液量的重量比为1∶2.5-3.6；浸渍处理所用黑液浓度为11-14°Be′(20℃时)，优选为12-14°Be′(20℃时)，固形物浓度14-20％，优选为16-20％，所说的浸渍液为含有一定碱浓的黑液，是碱与黑液的混合液，黑液的温度可控制在80-95℃之间，黑液中加入的碱可为烧碱(NaOH)，加入量控制在25-36克/升，优选为28-32克/升。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述浸渍处理所用黑液浓度为11-14°Be′，优选为12-14°Be′，固形物浓度14-20％，优选为16-20％；其中，PH值为11-14，优选11.8-13.3，残碱量为8-12克/升，优选为8-10克/升，COD为150000-180000mg/l，优选为160000-180000mg/l；经过浸渍的棉杆原料中综纤维素重量百分含量为60-70％，总木素重量百分含量为12-20％，聚戊糖重量百分含量为20-25％，得率为86-92％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的一次蒸煮的过程为将棉杆原料放入蒸煮器内，火碱浓度400g/L，配碱浓度78.8g/L，空运转20min后，向蒸煮器内通入水蒸汽，一次升温40min，使蒸煮器内的压力达到0.3-0.4Mpa后，小放气至蒸煮器内的压力为0-0.02Mpa，再次通入水蒸气，使蒸球内的压力达到0.3-0.4Mpa，在0.3-0.4Mpa的压力条件下进行二次升温，二次升温时间为40分钟，在0.3-0.4Mpa的压力下保温时间75-95min，然后喷放25min，排液；一次蒸煮后，黑液残碱14.88-16.43g/L，硬度K值为10.5-12.7，水平带叩解度23-26，水平带湿重2.0-2.5，水平带硬度14，水平带残碱0.08，圆网叩解度25-28，圆网湿重1.9-2.0，圆网硬度12.6-13。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的二次蒸煮，其配碱操作为火碱浓度400g/L，配碱浓度47.2-51.6g/L，一次用碱量为17％，压排黑液量5-7m3，二次加碱量0.8-0.95m3，二次用碱量10％；二次蒸煮操作过程为将棉杆原料装入蒸煮器中，一次空运转10min，一次升温时间30min，一次小放气10min，二次升温40min，净压排黑液90min，二次加碱20min后进行三次升温40-60min，二次保温时间100-130min，喷放15-20min；蒸煮残碱17.8-21.21g/L，硬度K值为12.2-15，水平带叩解度22-25，水平带湿重2.1-2.7，水平带硬度10.5-13.3，水平带残碱0.04-0.2，漂前叩解度24-25，漂前湿重2.0-2.7，漂前硬度10.1-11.7。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，蒸煮黑液应具有以下指标一次水平带COD为144530mg/L，pH值为13，波美度(15℃)11.604，固含量为14.57％，粘度为5.4cps/19.2℃，酸不溶物51700mg/L；二次一级COD为181390-187210mg/L，pH值为13.05-13.44，波美度(15℃)14.078-14.656，固含量为18.55-19.19％，粘度为7.7-8.5cps/(18.3-19.0℃)，酸不溶物66000-78700mg/L；二次水平带COD为154230-157140mg/L，pH值为13.11-13.15，波美度(15℃)12.052-12.078，固含量为15.61-16.09％，粘度为4.7-5.5cps/18.0℃，酸不溶物64700-70000mg/L；一次中段水COD为853.6mg/L，SS为530mg/L；二次中段水COD为582-853.6mg/L，SS为450-460mg/L。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述漂白过程为CEH三段漂白，其管道漂通氯量60-80kg/吨浆，管道漂通碱量9-13kg/吨浆，H段漂前硬度控制为4.1-5.0K，漂前浆浓为4.5-5.0％，漂液浓度为30g/L，每方浆料的漂液加入量0.06-0.1m3，漂白时间130-210min，漂率为3.0-7.0％，漂池白度74.6-78.5％，漂后残氯0.17-0.31g/L，最终白度可达到为78.9-82.0％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在进行多段漂白之前，向纸浆中加入嗜热脂肪芽孢杆菌进行漂前预处理，其加入量为5-50g/m3，即每立方纸浆中加入5-50g的嗜热脂肪芽孢杆菌，菌种编号为AS 1.999。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，漂白后得到的棉杆浆强度指标一次蒸煮打浆叩解度为31-47°SR，湿重1.6-2.6g，定量59.3-60.1g/m2，松厚度1.871-2.248cm3/g，裂断长3.768-4.986Km，耐折度11-22次，撕裂度742-774mN；二次蒸煮打浆叩解度为29-46°SR，湿重1.6-2.7g，定量58.5-60.3g/m2，松厚度1.800-2.193cm3/g，裂断长3.529-5.320Km，耐折度5-20次，撕裂度225-286mN；漂白后最终纸浆白度可达到78％以上。
全文摘要
本发明提供了一种由棉杆化学浆制备成品纸的方法，所述的棉杆化学浆是以棉杆为纤维原料通过碱法制浆得到，包括将棉杆备料处理、浸渍处理、通过一次蒸煮或二次蒸煮、得到粗浆、经洗浆然后进行漂白。本发明通过对棉杆原料进行预处理、对蒸煮条件、漂白条件进行改进，得到了性能指标理想的棉杆化学浆，从而摒弃了棉杆不能制得好浆的传统偏见，制备的棉杆化学浆，漂白性能良好，可达到麦草漂白浆的指标，完全满足漂白化学浆的制备要求，用于配抄成品纸，各项指标没有明显变化，完全可以用于替代杨木浆，缓解了木材资源的短缺，对棉杆资源的有效利用提供了有价值的方法。
文档编号D21H11/02GK1718916SQ20051008500
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月19日 优先权日2004年7月23日
发明者曹振雷, 孙立军, 宋明信, 杨吉慧, 李洪法, 陈松涛 申请人:山东泉林纸业有限责任公司