以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法

专利名称：以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法。更具体而言，本发明涉及一种能从玉米秆制造环保的半化学机械纸浆的制造方法以及制造特殊的纸张。
背景技术：
随着国民收入的增长，韩国已经成为世界第七大的纸(包括出版物、报纸、印刷纸板、牛皮纸、散装纸等)消费国以及世界第九大的纸生产国。然而，用于造纸的大部分纸浆需要从海外进口。
为努力满足纸浆材料的需要，森林资源贫乏的国家，例如中国，中东国家以及印度正在开发将草本的农业废料或竹材变成纸浆材料的技术。即使制糖后丢弃的甘蔗渣也已经开发变成纸浆材料。
因为制浆工业的发展导致森林资源的破坏，所以需要开发一种新的纸浆材料。为达成这一目标，应当加工和处理存在于各种植物中的纤维素，从而提高它们作为纸材料的价值。森林资源丰富的国家从木材分离纤维状纤维素从而生产纸浆和溶解纸浆。因此，世界上超过90％的纸浆是由木材制造的。然而，由于用于制浆的植物分布不均匀及森林资源的缺乏，韩国必须找到新的对策。
农场内种植玉米作为食物，但是大部分的玉米秆甚至不作为饲料就被丢弃。考虑到利用资源和增加农民收入，可以将玉米秆加工和处理成纸浆或其他的材料，同时也促进韩国纸业的发展。
每年，全世界产生7.5亿吨的玉米秆。仅在美国，每年产生大约1.5亿吨的玉米秆。然而，至今玉米秆仍然没有用于制浆和造纸工业。
按照制浆方法，纸浆可以分为机械纸浆，半化学纸浆和化学纸浆。机械纸浆是在有水的条件下机械研磨溶解木材而得到的。用该方法制浆，其原料为具有长纤维的针叶树，例如云杉，冷杉，松树和黑松。半化学纸浆是用中性的亚硫酸盐溶液蒸煮木材并且通过机械处理将其溶解而得到的。用该方法制浆，原料为轻质和软质树木，例如白杨、柳树、菩提树、山毛榉、橡树、赤杨树和灰树。化学纸浆是向纤维材料中添加亚硫酸和亚硫酸盐混合溶液并且将其蒸煮而得到的。具有低树脂含量的树木因为容易化学处理，所以作为化学纸浆的原料。
关于之前对玉米秆的研究，如被授予专利权的专利号为No.1,639,152的美国专利，该专利公开了一种制浆方法，但该方法不能进行定量试验。该方法通过微生物发酵从玉米秆中分离纤维材料，并用苏打，石灰和亚硫酸盐提取出纸浆，作为木材替代品、建筑纸板、绝缘材料等等。虽然该专利简单地揭示了可以通过化学品如苏打、石灰、亚硫酸盐等将玉米秆蒸煮和溶解，从而制造报纸用纸，但是该专利并没有提及关于玉米秆蒸煮溶液的详细组成、加入组分的数量、蒸煮温度或蒸煮时间。
专利号为No.1,845,487的美国专利公开了一种通过用稀硫酸或硫酸在10磅压力下蒸煮和溶解具有很少的木质素含量以及很高多缩戊糖(戊糖)含量的植物来制备纤维素的方法，以及用1％的硫酸溶液除去玉米秆中水溶性的物质，经过加热和压榨切碎或磨成粉末的制浆方法。
专利号为No.5,944,953的美国专利公开了一种同时运用机械和化学手段将玉米秆和麦秆中的纤维分离出来的制浆方法。该方法提及使用苏打(NaOH)，石灰苏打(CaO2，NaOH)和中性亚硫酸盐(Na2SO2，NaOH)。尽管没有指出详细的用量，然而其描述了通过用10-15wt％(基于玉米秆的干重)的KOH和1-5wt％(基于玉米秆的干重)的K2SO3在90℃下精炼玉米30-60分钟，提炼玉米秆制浆的方法。
俄国专利号为No.213995描述一般的草本植物制浆方法。该专利没有提及溶解加工过程中的溶液成分、蒸煮温度或时间。

发明内容
本发明的目的是提供一种以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法。该方法使用很少的化学药品，是一种环保的制浆方法，并且还提供了使用玉米秆制造特殊的韩国纸浆和用该纸浆制造特殊纸张的方法。
以下是本发明的详细说明。
本发明中以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法包括(1)将玉米秆切割为1cm×1cm到5cm×5cm大小的预处理步骤；(2)添加0.05-3.0wt％的氢氧化钠和0.2-5wt％的亚硫酸钠混合物(上述百分比基于预处理的玉米秆的总重量，在25-45℃和3-10kg/cm2的压强下加热加压的化学处理步骤；(3)用精炼机纤维分离化学处理过的玉米秆的第一次精炼步骤；(4)添加5-20wt％的过氧化氢和7-30wt％的硅酸钠(该百分比基于预处理玉米秆的总重量)进行精炼和漂白的第二次精炼步骤。
关于优选实施方式，在下文中将进一步详细的描述。
发明中以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法，其特征在于(1)将玉米秆切割为1cm×1cm到5cm×5cm大小的预处理步骤；(2)添加0.05-3.0wt％的氢氧化钠和0.2-5wt％的亚硫酸钠混合物(该百分比基于预处理的玉米秆的总重量)在25-45℃和3-10kg/cm2的压力下加热加压的化学处理步骤；(3)用精炼机纤维分离化学处理过的玉米秆的第一次精炼步骤；和(4)添加5-20wt％的过氧化氢和7-30wt％的硅酸钠(该百分比基于预处理的玉米秆的总重量)同时将它们漂白的第二次精炼步骤。
在预处理步骤(1)中，将玉米秆切割为1cm×1cm到5cm×5cm大小是为了随后的化学处理步骤和精炼步骤。典型地，可以用粉碎机或研磨机进行切割。一般而言，玉米秆大约6英尺长并且其叶片距离底部大约2英尺或更高。因而，距离底部大约3英尺的玉米秆就可以用于制浆，但是本发明并非限定于此。仅仅考虑玉米秆部分而言，仅在美国每年就产生大约4500-5250万吨适用于制浆的玉米秆。在世界范围内，适用于制浆的玉米秆年产量估计为2.25-2.625亿吨。在玉米秆预处理步骤中，玉米秆的大小最好被预处理在1cm×1cm到5cm×5cm的范围内，然而这一点并非特别重要。如果玉米秆的大小在1cm×1cm以下，将增加能量消耗。相反，如果其超过5cm×5cm，随后的化学处理步骤将花费更多时间。
在化学处理步骤(2)中，0.05-3.0wt％的氢氧化钠和0.2-5wt％的亚硫酸钠的混合溶液(该百分比基于预处理的玉米秆的总重量)添加到预处理后的玉米秆中并在25-45℃和3-10kg/cm2压强下加热加压。经过该步骤，获得半化学机械纸浆。如果氢氧化钠的加入量低于0.05wt％(基于预处理的玉米秆的总重量)，就很难提取纤维。反之，如果其用量超过3.0wt％(基于预处理的玉米秆的总重量)，纤维数量将减少。如果亚硫酸钠的加入量少于0.2wt％(基于预处理的玉米秆的总重量)，纤维的挠性就会降低。反之，如果其用量超过5wt％，纤维数量将会减少。在此过程中可以用螺旋压力机等进行加压。
在第一次精炼步骤(3)中，将化学处理过的玉米秆用精炼机纤维分离。在该步骤中，可以提取出像树脂这样的物质并将它们除去，并且可以软化木质素从而改善最终纸浆的纤维长度和机械性能。
在第二精炼步骤(4)中，5-20wt％的过氧化氢和7-30wt％的硅酸钠(该百分比基于预处理玉米秆总重量)添加到玉米秆中从而对其进行精炼和漂白。在该步骤中，进一步改善了其机械性能并使其变得一致。而且，通过漂白也可以获得高质量纸浆。如果过氧化氢的加入量低于5wt％(基于预处理玉米秆总重量)，漂白将不充分。反之，如果超过20wt％(基于预先处理玉米秆总重量)，可能会损害纤维。如果硅酸钠的加入量少于7wt％(基于预处理玉米秆总重量)，过氧化氢的分解可能不充分。反之，如果超过30wt％，过量加入并不能使效果增加多少。
在预处理步骤(1)之后，将玉米秆加热到50-80℃。在该温度范围下的热处理可以在改善纸浆提取效率的同时减少化学品的使用量。如果热处理在50℃以下进行，机械制浆将是不充分的。反之，如果在温度高于80℃的条件下进行热处理，将是不经济的。热处理可以在一般的储槽内进行。
最佳实施方式在下文中，将通过实施例对本发明进行进一步的详细描述。但是，下列实施例仅仅是用于理解本发明，它们不应当被看作是对本发明的限定。
实施例11kg精选的玉米秆用粉碎机粉碎为3cm×3cm大小的碎片。将获得的碎片放进螺旋压榨机中。添加10g的氢氧化钠(基于玉米秆碎片重量的0.1wt％)并在35℃和常压下进行精炼，从而获得半化学机械纸浆。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为85-130ml，抗拉强度为1.5-3.0kgf，断裂长度为2.0-3.0km，撕裂强度为17-20g。因而，证明该纸浆适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例2以与实施例1相同的方法制造半化学机械纸浆，不同之处在于氢氧化钠的用量为140g，压强为7kg/cm2。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为85-120ml，抗拉强度为1.0-3.0kgf，断裂长度为2.0-3.0km，撕裂强度为17-20g。因而，证明该纸浆适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例31kg精选的玉米秆用粉碎机粉碎为3cm×3cm大小的碎片。将获得的碎片放进螺旋压榨机中。添加60g的亚硫酸钠(基于玉米秆碎片重量的0.6wt％)，在35℃和常压条件下进行精炼，从而获得半化学机械纸浆。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为85-130ml，抗拉强度为1.5-3.0kgf，断裂长度为2.0-3.0km，撕裂强度为17-20g。因而，证明该纸浆适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例4以与实施例3相同的方法制造半化学机械纸浆，不同之处在于亚硫酸钠的用量为90g，压强为7kg/cm2。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为85-120ml，抗拉强度为1.5-3.0kgf，断裂长度为2.0-3.0km，撕裂强度为17-20g。因而，证明该纸浆适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例51kg精选的玉米秆用粉碎机粉碎为3cm×3cm大小的碎片。将获得的碎片放进螺旋压榨机中。添加60g的亚硫酸氢钠(基于玉米秆碎片重量的0.6wt％)，在35℃和常压下进行精炼，从而获得半化学机械纸浆。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为85-130ml，抗拉强度为1.5-3.0kgf，断裂长度为2.0-3.0km，撕裂强度为17-20g。因而，证明该纸浆适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例6以与实施例5相同的方法制造半化学机械纸浆，其不同之处在于亚硫酸氢钠的用量为90g。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为85-120ml，抗拉强度为1.5-3.0kgf，断裂长度为2.0-3.0km，撕裂强度为17-20g。因而，证明该纸浆适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例71kg精选的玉米秆用粉碎机粉碎为3cm×3cm大小的碎片。将获得的碎片放进螺旋压榨机中。添加20g的氢氧化钠和30g的亚硫酸钠，在35℃下进行精炼。然后，添加15g的过氧化氢和200g的硅酸钠用于精炼和漂白，从而获得半化学机械纸浆。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为95-105ml，抗拉强度为2-4kgf，断裂长度为2.5-3.0km，撕裂强度为19-25g。白度为55-72％，不透明度为94-98。因而，其证明其适用于制造印刷纸或其他的纸。
实施例8以与实施例7相同的方法制造半化学机械纸浆，不同之处在于将玉米秆碎片放进储槽和在60℃下进行预处理。
测定半化学机械纸浆的物理性能。其游离度(CSF)为95-100ml，抗拉强度为2-3kgf，断裂长度为2.5-3.0km，撕裂强度为19-20g。白度为61-67％，不透明度为96-98。因而，其被证明适用于制造印刷纸或其他的纸。
工业实用性由上述说明书可见，本发明提供了一种用玉米秆制造半化学纸浆的方法，玉米秆可以无限获得而不毁坏森林，并且其尚未被用于制浆。用玉米秆制造半化学机械纸浆，使用常规机械纸浆设备没有特别的困难。考虑到世界范围内已有大量的森林被毁坏用于造纸，本发明所提供的用玉米秆制造半化学纸浆的方法同时也保护了森林。
优选实施方式对本发明已经进行了详细的描述，本领域的熟练技术人员应当理解不偏离以下权利要求项中陈述的精神和范围的各种变换和替换。
权利要求
1.一种用玉米秆制造半化学纸浆的方法，其特征在于包括(1)将玉米秆切割为1cm×1cm至5cm×5cm大小的预处理步骤，和(2)对预处理的玉米秆用0.05-15wt％(基于玉米秆的总重量)的氢氧化钠(蒸汽溶液)，在25-85℃下和在常压或3-10kg/cm2的压强下进行精炼的精炼步骤。
2.一种用玉米秆制造半化学纸浆的方法，其特征在于包括(1)将玉米秆切割为1cm×1cm至5cm×5cm大小的预处理步骤，和(2)对预处理的玉米秆用0.5-10wt％(基于玉米秆的总重量)的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠(蒸汽溶液)，在25-85℃下和常压或3-10kg/cm2的压强下进行精炼的精炼步骤。
3.一种用玉米秆制造半化学纸浆的方法，其特征在于包括(1)将玉米秆切割为1cm×1cm到5cm×5cm大小的预处理步骤；(2)添加0.05-3.0wt％(基于玉米秆的总重量)的氢氧化钠和0.2-5wt％(基于玉米秆的总重量)的亚硫酸钠混合物，在25-45℃和3-10kg/cm2的压强下加热加压的化学处理步骤；(3)用精炼机对玉米秆进行化学处理的第一次精炼步骤；和(4)添加5-20wt％(基于玉米秆的总重量)的过氧化氢和7-30wt％(基于玉米秆的总重量)的硅酸钠进行漂白、精炼的第二次精炼步骤。
4.根据权利要求1所述的用玉米秆制造半化学纸浆的方法，其特征在于在预处理步骤(1)之后，还有一个将玉米秆加热到50-80℃的热处理步骤。
全文摘要
提供一种以玉米秆为原料的半化学机械纸浆的制造方法，该方法通过减少使用化学药品能够提供一种环保的纸浆，并提供用玉米秆制造新的韩国纸浆并能由此制造特殊纸的方法。该方法包括下列步骤将玉米秆粉碎为碎片，在碱性溶液(例如氢氧化钠)条件下对粉碎的碎片加热加压，然后通过添加氧化剂例如过氧化氢对其进行精炼和漂白。
文档编号D21H11/12GK1934314SQ200580000608
公开日2007年3月21日 申请日期2005年5月12日 优先权日2005年3月17日
发明者柳海日 申请人:柳海日, 洪赫