专利名称：制备玉米杆浆及由玉米杆浆制备纸产品的方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种用于分离玉米植物的一部分并从该植物中生产纸浆以制备纸产品的方法。更具体地，本发明涉及一种收割玉米植物的一部分的方法，也就是收割玉米植物的自地面上至约植物耳穗部分的方法。此外，本发明涉及一种通用的制浆方法，该方法包括机械、半化学和化学方法中的至少一种，以生产适用于各种纸产品的纸浆，并且从该纸浆中生产各种纸产品。
相关技术讨论树木为纸和纸板产品工业提供了主要的纤维供应来源。针叶木是非常适合于机械制浆的种类。当纸产品的强度很重要时，使用针叶木的化学浆。阔叶木的纤维比针叶木短得多，典型地不适合机械制浆而适合化学和半化学制浆。当表面平滑度和光学性能很重要时，在纸产品中使用阔叶木化学浆。木质纤维是很昂贵的，因为它会导致制浆时的高化学品投料量、蒸煮和精炼时的高能量输入、和高成本的化学品回收系统。此外，木质纤维的环境影响是不利的。
农业残余物如玉米杆提供了一种有希望的纤维替代来源。特别是它们可作为制备纸产品的重要原材料，所述纸产品包括用于印刷、书写、顶层挂面纸板、衬垫、薄纸和其它特殊级别纸。此外，环境关注提升了使用农业纤维的兴趣。开发用于制备纸产品的基于农业的资源对提高农场收益率和减少因燃烧和土地处理而产生的环境污染是很重要的。现在，使用农业植物来制备纸产品还不受重视。在美国尤其如此，这里每年可利用约284百万吨的总农业残余物，包括150百万吨玉米杆。在主要的纸浆和纸生产国家，把玉米杆作为造纸的一种纤维来源并不普及，因为那里有足够和可靠的制浆木材供应，可满足大型资本密集型纸浆厂的原材料需求。基于农业残余物的大型纸浆厂需要大量提供体积很大的原材料，因而会产生运输问题。此外，农业残余物是季节性的，因而会产生储存问题。在收割时分离玉米杆残余物的适当部分会减少运输和储存问题。基于玉米杆的纸浆厂应是小型的和地区型的。任选地，可使用大型工厂，这取决于玉米杆的可获得性和后勤供应。
包括非木材制浆和造纸的相关技术包括授予Hurter等人的美国专利6,302,997。该专利描述了用于造纸的非木材制浆方法。该方法使用玉米饲料(杆、叶和壳)，其含有低质量的纤维和大量碎屑。因而，在相关技术中出现了农场和工厂的运输和储存问题。此外，髓、叶和壳含有少量的优质纤维。因此，管状磨床、运输机、水力制浆机、泵、磁力分离器和脱水筛必须处理巨大体积的多余材料。
因而，纸浆收率为39.6％，这是相当低的，归因于在下游处理中通常会被除去的大量低质量纤维的存在。这种低质量纤维消耗了化学品而不对在质量和数量上给纸浆带来任何好处，同时工厂面临因大量废弃物而产生的巨大处理问题。相关技术使用常规的碱性蒸煮方法。增加酸处理步骤、臭氧漂白步骤和过氧化物-漂白步骤使这种方法昂贵而复杂。这种方法还包括过氧化氢漂白时的高剂量化学品。尽管在前述美国专利中公开了令人感兴趣的方法步骤，该发明还有许多缺点，例如1)处理含材料如髓、叶和壳的玉米饲料，所述材料具有极低的纤维价值；2)把多余的物质运送至工厂产生了大量废弃材料的运输、储存和处理问题；3)低的纸浆收率；4)在酸阶段、漂白阶段和调整pH时的高化学品消耗；5)该方法包括额外的步骤，会增加资本成本和操作费用；和6)该方法在碱法蒸煮时节约能量但通过精炼会消耗更多的能量。
本发明关注具有优势方法的非木材造纸。通过在农场建立收割、挤压和排水工序，并且允许货物的集中地点和储存。或者，它将在玉米生长地区的中心建立小型工厂，在那些地区农场主们将拥有他们自己的储存设备，并且会按工厂制订的计划把材料运输至工厂。理想地，工厂储存不应超过约15天以在空间上优化工厂。工厂应使用简单且环境良性的方法以及低的资金和操作成本以与较大的基于木材的工厂竞争。目前这些方法并未在本领域被利用。
发明概述因而，本发明涉及生产纸浆和从浆中生产纸产品的方法，该方法基本上避免了相关技术的限制和缺点所带来的一个或多个问题。例如，生产适用于造纸、制造顶层白色衬垫、制造衬垫和制造其他特种纸的纸浆的方法。该方法包括收割方法，用于在野外分离最适合用作纤维来源的玉米杆部分；在有或没有蒽醌和/或其他催化剂的情况下，把所选择的玉米杆部分用碱性制浆溶液蒸煮；以及用不含氯元素的漂白溶液处理纸浆从而产生适于造纸的漂白纸浆。本发明的一个优点是提供一种玉米杆收割方法，可收割玉米杆植物的约耳穗以下的底部部分，这部分主要包含优质纤维和较少的髓，把植物的剩余部分留在田野里以供传统的农田使用。
本发明的另一个优点是使用改良的木材切割器切割所选择的玉米杆段。
本发明的另一个优点是将切割过的叶和髓与切割过的茎气动分离。
本发明的另一个优点是在收割至蒸煮的过程中减少玉米杆的处理步骤。
本发明的另一个优点是在蒸煮器中接受高达15％的髓以简化分离过程。
本发明的另一个优点是提供一种需要最少数量的处理步骤的玉米杆制浆方法。
本发明的另一个优点是提供一种在小至中等规模水平具有成本效率和环境良性的玉米杆制浆方法。
本发明的另一个优点是提供一种使用最少量的易于得到且便宜的设备的玉米杆收割和制浆方法。
本发明的另一个优点是提供一种在收割过程中的玉米杆处理系统，从玉米杆植物的约耳穗以下的底部部分与植物的剩余部分分离，剩余部分还可被农场主用于传统的农田利用。
本发明的另一个优点是在收割过程中制作干燥玉米杆的紧压正方形大包，从而减少体积以避免运输和储存问题。
本发明的另一个优点是为所选择的玉米杆的运输和储存建立一个管理系统。
本发明的另一个优点是把玉米杆从收集地点运输到工厂。
本发明的另一个优点是在收割过程中，把玉米杆植物的废弃部分留在田野里以供调节土壤和其他传统农田用途。
本发明的另一个优点是在收割和紧压打包过程中减少玉米杆内的污染物，从而减少在化学浸渍和蒸煮步骤之前的洗涤阶段的热水需求量。
本发明的另一个优点是切割玉米杆，然后在螺杆进料器中用热水洗涤并压缩，在进入蒸煮器前在螺杆进料器中用蒸煮化学品浸渍。
本发明的还一个优点是使用压缩步骤，以从材料中去除水和可溶于热水的浸出物，同时还增加蒸煮器的输入量。
本发明的还一个优点是在压缩步骤后立即加入蒸煮化学品，从而在连续蒸煮器中得到已分解原材料的更好化学品浸渍。
本发明的另一个优点是使用压缩步骤以增加蒸煮器输入并且增加液体对材料的浸渍。
本发明的另一个优点是使用标准造纸厂设备处理蒸煮过的纤维。
本发明的另一个优点是在约110至160℃范围的低温下，用约30至180分钟的保留时间蒸煮原材料。
本发明的另一个优点是在洗涤和压缩步骤后立即增加预处理步骤，其中纤维保护剂如MgCl2或MgCO3及类似物将会在约60至100℃的温度范围内被浸渍约30至60分钟的一段时间。
本发明的另一个优点是通过用纤维保护剂导入预浸渍阶段，使玉米杆化学浆中的半纤维素含量最大化。
本发明的另一个优点是在造纸过程中，通过与针叶木牛皮纸浆混合并使用湿部化学来利用玉米杆浆中的半纤维素含量。
本发明的另一个优点是发现玉米杆浆在典型造纸/造板供料中的协同效应。
本发明的另一个优点是在有或没有催化剂如蒽醌及类似物存在的情况下，使用较少的化学品如8至20％的活性碱。
本发明的另一个优点是在不含氯元素的漂白过程中使用较少的化学品。
本发明的另一个优点是应用二氧化氯、碱性提取物、过氧化物、臭氧和氧漂白阶段以获得到约80至95％的亮度。
本发明的另一个优点是在蒸煮液体或漂白液体中避免基于硫的化学品以保持对环境良性的制浆和漂白过程的责任。
本发明的另一个优点是在漂白后把纤维分级为长纤维(主要来自玉米杆外壳)和短纤维(主要来自髓)。
本发明的另一个优点是使用玉米杆浆制造各种级别的纸，甚至不必把纤维分级为长纤维碎片和短纤维碎片。
本发明的另一个优点是在与经漂白的针叶木牛皮纸浆(进行或不进行预先精炼)和填充物的混合物中使用化学浆的灵活性。
本发明的另一个优点是长纤维碎片将被精炼至约250-500mlCSF，然后在造纸步骤前被加入到短纤维碎片中。
本发明的另一个优点是玉米杆制浆方法，它通过减少洗涤阶段的次数、把稀释和增稠阶段的次数最小化、尽可能多地循环内部水而使用水量最小化。
本发明的另一个优点是通过如下步骤改善从经漂白的玉米杆浆中制得的纸的质量加入约5至20％的经漂白的针叶木牛皮纸浆、约5至60％的无机填充物、约0.25至4％的淀粉、约0.025至0.5％的上浆剂、阳离子、阴离子和/或两性助留剂及类似物。
本发明的另一个优点是，在与经漂白的针叶木牛皮纸(进行或不进行预先精炼)和填充物的混合物中在进行或不进行精炼的情况下使用玉米杆化学浆。
本发明的另一个优点是，在与经漂白的针叶木牛皮纸浆、经漂白的阔叶木化学浆及填充物的混合物中使用经漂白的玉米杆化学浆。
本发明的另一个优点是在与阔叶木CTMP(化学-热机械浆)和/或BCTMP(经漂白的化学-热机械浆)及填充物的混合物中使用经漂白的玉米杆化学浆。
本发明的另一个优点是在与经漂白的玉米杆化学-热机械浆(CTMP/BCTMP)、经漂白的阔叶木机械浆、经漂白的针叶木牛皮纸浆及填充物的混合物中使用经漂白的玉米杆化学浆。
本发明的另一个优点是在与阔叶木化学浆和/或经漂白的阔叶木机械浆、经漂白的针叶木牛皮纸浆及填充物的混合物中使用经漂白的玉米杆机械浆。
本发明的另一个优点是在与未漂白的针叶木牛皮纸浆和/或未漂白的针叶木半化学(牛皮纸)纸浆的混合物中使用未漂白的玉米杆化学和/或半化学浆以制备包装级别纸。
本发明的另一个优点是在多层纸的外层应用经漂白的玉米杆化学浆与经漂白的针叶木牛皮纸浆(0至10％)及填充物(10至60％)的混合物。该纸的内层可包含低质量的纤维如再生纤维、次等原始纤维、含提取物的纸浆以及不适合暴露在纸表面的纸浆。
本发明的另一个优点是通过把经漂白的玉米杆化学浆与经漂白的针叶木牛皮纸浆(0至10％)、填充物(0至60％)、以及非常少量的淀粉、上浆剂和助留剂混合起来，从而把经漂白的玉米杆化学浆应用在顶部衬垫中。
本发明的另一个优点是在使用由阔叶木浆、针叶木浆和填充物组成的材料供应的现有工厂中使用经漂白的玉米杆化学浆，从而通过玉米杆浆的高纤维结合性能增强纸的强度特性。
本发明的另一个优点是使用经漂白的玉米杆化学浆以增加填充物在纸中的保持力而不损失纸的强度特性。
本发明的另一个优点是把未漂白的玉米杆化学浆和未漂白的化学或半化学针叶木牛皮纸浆同时使用，从而增加纸如袋纸、包装纸等的强度特性。
本发明的其它特征和优点将列于下面的描述中，并且从该描述中部分会变得显而易见，或可通过实施本发明学习到。本发明的目的和其它优点可通过在书面描述、权利要求书及附图中特别指出的结构实现并获得。
附图简述附图被包括以提供对本发明的进一步理解，被包含并构成本发明的一部分，阐明了本发明的实施方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是描述玉米杆浆的化学制浆过程的流程图。
图2是描述玉米杆浆的机械制浆和高收率制浆过程的流程图。
图3是描述从玉米杆浆制造纸的过程的流程图。
图示实施方案详述现在美国的造纸业所处的状况与钢铁业多年前所处的状况一样。小型现代化钢铁厂比大型工厂更有效率。因而，现在是寻找技术来发展小型高效制浆和造纸厂的时候了。也是寻找便宜的纤维来源以面对来自高收率的种植树木如桉树、金合欢等竞争的时候了。农业剩余物如玉米饲料作为一种便宜的纤维来源可与桉树和金合欢竞争。潜在的世界范围的玉米饲料供应量每年约超过750百万吨，而仅美国每年就可提供约150百万吨。
本发明强调了造纸业转向小型工厂方法和使用农业剩余物如玉米杆及类似物作为纤维来源的需要。该方法是压缩浸渍和化学方法的结合，可产生高质量纸浆。
术语农业剩余物用于确定从植物上分离掉主要农作物后还留在农田里的材料。例如，玉米杆是一种农业剩余物，因为在收割完主要产物玉米后它还留在农田里。目前剩余物玉米杆具有极小或不具有商业价值。当然，其它农业剩余物也可被利用并且已被预期使用。
本发明提供一种具有成本效率和环境良性的方法。例如，一个阶段的压缩浸渍和制浆和三至七个后续阶段的漂白把所选择的玉米杆部分转变为高质量、高度光泽的造纸纸浆，具有优良的强度、清洁度及排水率。本方法利用玉米杆植物在其约耳穗以下的一部分，如在玉米杆植物底部大约2至3ft(没有叶和壳)。这些部分在不使用任何类型的机械或化学除髓时含有高达约15％的髓，因而会产生强度特性的纸浆，该特性在实验室规模试验时类似于和/或优于阔叶木浆的特性。此外，对于所选择的玉米杆部分可实现总纸浆收率为约46-50％，这等于或高于阔叶木浆的总收率值。阔叶木浆方法使用较苛刻的制浆条件和较昂贵的制浆和漂白工艺。本发明的方法建立了使用低化学品投入量、低温和低压时的高收率。
玉米杆处理阶段本发明的方法包括一个独特的收割过程，此过程分离玉米杆植物的一部分，即植物的自地面至约耳穗的部分。例如所分离的部分可以是玉米杆植物的约底部2至3ft。当然，这取决于植物的特性。所分离的玉米杆部分被压紧为一个大包。例如，它们被压紧为一个正方形或长方形的大包，在农场中储存直到预定时间，然后被运输至工厂。
在制浆时使用包括叶和壳的整个玉米杆会产生低收率且消耗更多化学品而不会有任何实际利益。
在化学-热-机械制浆时常用而在化学制浆中从不使用的压缩浸渍物步骤已用于不同的目的。
本发明在制浆时使用的碱性制浆步骤比阔叶木制浆方法中使用的要温和。制浆步骤既使用间歇过程，也使用连续过程。例如，潘迪亚(Pandia)型连续蒸煮器适合用于玉米杆的碱性制浆。蒸煮器中的浆含有少量木素，例如8至10卡帕。此外，通过使用比阔叶木制浆过程较少的步骤，此浆可被漂白至高亮度且获得相似收率。
本发明的方法可用以下顺序实施，然而，还已预期该顺序可发生改变。
玉米杆的收割、储存和运输在此过程中，收割者除去玉米杆植物的一部分。例如，收割者刚好自耳穗以下切割玉米杆。第一次切割可用于土壤调节、动物草垫和其它传统的农田用途。第二次切割除去玉米杆植物约耳穗以下的部分。这部分的含水量为约10至20％，压紧为一个大包。典型地，它被压紧为长方形或正方形的大包，然后被运输到储存设备中。大包被储存于干燥空气中以避免真菌及类似物。
相对于制浆厂半径为约50英里范围内的每个农场主把压紧的大包储存在农场中直至预定时间再把材料送到工厂。这使工厂保存压紧大包的存货清单时间减少，例如保存约2周。当然大包的储存时间可以更长或更短。这种类型的管理可减少工厂所在地的储存要求。工厂可向农场主付储存时间费用，或者可以与农场主建立一些其它形式的契约关系。
原材料处理本方法的下一步骤是安排原材料进入蒸煮器。在这个过程中被紧压成大包的玉米杆部分会被松开，并被砍碎为约25至40mm大小。已砍碎的材料被安排，例如倒在一个倾斜运输带的较低部分上。可以将运输带安装在充有恒速循环的热水的钢罩里。运输机可将在液体中的玉米杆从运输机的一端运输至运输机的另一端。这是玉米杆的润湿过程。在此过程中，灰尘和/或其它附着于玉米杆部分的外来物质被松开并通过热水可溶性材料分离进入水介质中。运输机的上端可稍微倾斜，另一个运输机可以约30度的斜度安装在钢罩中。运输带通向料斗。然而，带的构造可以是通向料斗的任何合适构造。例如，斜度可小于或大于30度。当玉米杆沿运输带被运输时，就对其进行就地清洗工艺。例如，将连续的热水喷到沿运输带被运输的材料上，以洗去残余的灰尘和其它外来物质。在运输带的反向末端，可能被热水饱和的已清洗材料被安排进入料斗。材料可用螺塞进料器或任何其它合适技术加入到料斗内。
制浆过程螺塞进料器对来自进料器的玉米杆进行压缩，除去过量的水和可溶于热水的提取物。在螺塞进料器的末端，已压缩的玉米杆与蒸煮液接触，从而当它进入蒸煮器时提供更好的蒸煮液渗透。在此区域控制蒸煮液流，以使液体与玉米杆的比率为约3∶1至7∶1。
当使用纤维素保护剂进行预处理时，在加入蒸煮液之前应在制浆过程中加上一个附加步骤。
可使用各种不同的蒸煮器例如潘迪亚蒸煮器及类似物。潘迪亚蒸煮器是一种水平的连续蒸煮器，非常适于从所有不同的非木质纤维原材料中生产纸浆，并为高收率处理提供极好结果。
当使用连续的潘迪亚蒸煮器时，它可包含两至三个水平管。第一个管末端的温度可升至约120至170℃，在第二个管中温度为约120至170℃以继续蒸煮，在第三个管中温度为约100至110℃以使它在吹入出料槽之前冷却下来。在第一个水平管中的升温时间可在约20至40分钟之间变化，在第二个管中的蒸煮时间可在约20至90分钟之间变化，而在第三个水平管中的冷却时间可在约10至15分钟之间变化。任选地，出料槽可包括一种激发剂，用于在热的废液介质中使蒸煮过的纤维脱纤维。
在分批过程中，用螺塞进料器压紧松散的玉米杆以达到最大的装填量。装填物充满旋转的和/或静止的蒸煮器，液体与固体的比率为约3∶1至7∶1。蒸煮温度在约120至170℃之间变化，所用时间在约30至120分钟之间。把温度从进料温度升至蒸煮温度的升温时间在约15至60分钟之间变化。蒸煮后，蒸煮器的温度降至约100至110℃，把纸浆释放到出料槽中。在出料槽中，加入激发剂以在热的废液介质中使蒸煮过的纤维脱纤维。
蒸煮液包括约2至20％的活性碱。可使用约12至15％的活性碱(按烘箱干燥的玉米杆计)蒸煮溶液以获得可漂白级别的玉米杆浆，收率范围为约45至50％。要获得收率范围为约60至70％的衬垫浆，活性碱度可在约6至10％的范围内，要获得收率范围为约80至95％的瓦楞夹心原纸，活性碱可在约2至4％的范围内。蒸煮液可包含催化剂蒽醌和/或其它类似试剂的任意组合。
纤维处理步骤对于化学浆，可把激发剂安置在底部以在热液体存在的情况下实现脱纤维。脱纤维过程可分离纤维以进行彻底的纸浆洗涤，纤维可能需要被进一步精炼以用于造纸。化学浆特别是高收率化学浆，也就是收率为约60至70％，在蒸煮处理后被精炼以释放单根纤维。对于所获得的用作瓦楞夹心原纸的收率为约80至95％的超高收率纸浆，纸浆被精炼以分离单根纤维。
筛分、洗涤和清洗阶段纸浆在出料槽中被分解之后，在将纸浆送去洗涤阶段之前，纸浆会被通过一个粗筛以除去未蒸煮的和/或半蒸煮的和/或纤维块。黑色液体可在筛分和洗涤阶段被分离，然后送至一个化学品回收锅炉进行循环。要求对化学浆彻底洗涤以回收处理化学品并清洗纸浆。粗浆可用现有的工业洗涤机进行洗涤。玉米杆浆的筛分和清洗优选在漂白之前进行。这样可节省漂白化学品并改善纸浆的漂白率。
漂白漂白溶液如二氧化氯、碱性过氧化氢和碱性提取溶液的适当应用可用于除去残余木素，并把纸浆的亮度升高到预定水平。漂白条件如温度、时间及漂白液体浓度，典型地取决于纸浆中的木素含量和具体漂白剂的最优条件。
例如，当在一个封闭系统中使用二氧化氯或碱性过氧化物作为漂白剂时，所用的温度范围为约60至约90℃之间。典型地，漂白过程持续约30至120分钟，其中包括调整纸浆温度至所需温度水平所需要的时间。漂白温度维持约30至120分钟。三步漂白顺序(下文中为“DED”)可把玉米杆浆的亮度升高到约80至85％ISO水平，加用更多漂白阶段如过氧化物、臭氧或氧漂白阶段中的一种可把亮度升高到约86至95％ISO。
造纸经漂白的纸浆是主要来自玉米杆外壳的长纤维和主要来自髓的短纤维的混合物。在造纸之前精炼此混合物将产生更多细小纤维，导致排水问题，因为细小纤维保持的水比纤维多。
短纤维不需要精炼，然而长纤维可能需要或不需要精炼以增进结合特性。经漂白的纤维可被分级为长纤维碎片和短纤维碎片。把长纤维碎片精炼然后在造纸之前与短纤维碎片混合。
在替换方法中，当经漂白的玉米杆浆与经漂白的针叶木牛皮纸浆和/或经漂白的阔叶木牛皮纸浆混合用于造纸时，分级并非必需。因为玉米杆浆更柔软、更纤细、精炼所需的能量更少，所以在与针叶木牛皮纸浆和/和阔叶木牛皮纸浆的混合过程中的机械作用会导致某种程度的精炼并增进纤维-纤维结合特性。玉米杆浆(经漂白或未经漂白的)可与针叶木牛皮纸浆(经漂白或未经漂白的，且进行或未进行精炼的)以各种程度混合，这取决于最终产物。
经漂白的纸浆被用于制备纸，如印刷和书写纸、影印纸、顶部白色挂面纸板、薄纸、原纸、不含木材的纸、涂层纸、多层纸/纸板、特种纸以及类似物。通过与针叶木牛皮纸浆(5至20％)混合，玉米杆的CTMP和BCTMP可用于制备新闻用纸。经漂白的玉米杆CTMP可与玉米杆漂白过的化学浆混合用于制备书写及印刷级别用纸。高收率半化学玉米杆纸可与高收率针叶木牛皮纸浆混合以生产袋纸、包装纸、包装纸板、硬纸盒板等。可用玉米杆生产溶解纸浆和源于半纤维素的有用副产物。
印刷和书写纸、影印纸以及顶部白色挂面纸板可包含约5至20％的经漂白的针叶木牛皮纸浆，具有约5至60％的填料量。填料可包括碳酸钙、粘土、滑石、高岭土、二氧化钛及类似物的任意组合。除了填料之外，上浆剂、干燥的增强剂、湿的增强树脂及助留剂的任意组合也可用于造纸过程中。上浆剂可包括松香乳剂、烯基琥珀酸酐(ASA)、烷基乙烯酮二聚物及类似物的任意组合。干燥的增强剂可包括淀粉、树胶、可溶纤维素衍生物及类似物的任意组合。湿的增强树脂可包括聚乙烯醇、胶乳及类似物的任意组合。助留剂可包括聚丙烯酰胺、聚乙烯胺及类似物的任意组合。
实施例下面所列的实施例说明了与阔叶木浆相比玉米杆浆和纸的质量。按照发明人建立的技术和方法，对实施例的某些方面加以描述，以顺利用于实施本发明。通过应用发明人的标准实验室操作产生实施例。所列实施例并不意味着限制，在不背离本发明的范围的情况下可进行许多的改变、修改或替换。
实施例1把玉米杆部分从叶和其他不需要的材料里手工分离。然后把玉米杆茎机械破碎为小块。用两个反向旋转的切碎齿板(devil teeth plates)实现机械分离。系统分离了外壳，但大量的髓仍与外壳保留在一起。注意，可使用任何其它合适的机械分离工具。
使用以上过程中得到的髓和外壳进行制浆实验。髓的数量占玉米杆除去叶、球果和耳穗后总量的约23％。在少数实验室规模的实验中，玉米杆外壳被完全分离掉，在一些情况下15％的髓被加入外壳以检验髓对手抄纸特性的效果。在实验中，用热水在碎浆机中清洗玉米杆块，并在空气中干燥以获得所需要的玉米杆稠度。经清洗的玉米杆的稠度是有益的，用于调整蒸煮化学品的量、调整液体对玉米杆的比率以及得知纸浆收率。
在本系列实验中，所用的升温时间为约60分钟，蒸煮时间为约60分钟，蒸煮温度为约150℃。使用苏打法进行蒸煮。以活性碱表示的氢氧化钠量在约12％至15％之间变化，以获得合意的纸浆。表1、2和3显示了蒸煮液中活性碱的量、筛选纸浆的收率、纸浆排水度(CSF)以及手抄纸的机械和光学特性。
表1从被PFI磨粉机精炼的无髓玉米杆中得到的已筛选纸浆的手抄纸特性
表2从经PFI磨粉机精炼过的含约15％髓的玉米杆中得到的已筛选纸浆的手抄纸特性
表3从含约23％的未打碎的髓的玉米杆中得到的已筛选纸浆的手抄纸特性
从含约15％的髓的玉米杆中得到的纸浆的特性质量稍低于从不含髓的玉米杆中得到的纸浆的特性质量。手抄纸特性与阔叶木浆接近。这些结果表明含一定量髓的玉米杆适于生产优质浆。可轻松避免将髓与外壳机械分离所带来的巨大任务和成本。可将外壳与髓分离的现有方法是锤式粉碎。这种方法会产生大量的细小纤维和灰尘，这将造成环境污染、损害纤维质量并且增加优质纤维的丢失。开发可用环境良性方法有效分离外壳而不会剪断和损失优质纤维的新机械将会是非常昂贵的。把玉米杆外壳从髓中分离出来是根本不必要的，就像在实验室规模实验中显示的那样，其表示在表1、2和3中。在相似的纸浆收率下，用Tappi标准方法测得的纸浆的卡帕值在约8至12之间，与牛皮纸针叶木浆(卡帕值为约27至30)和阔叶木浆(卡帕值为约18至22)相比这是非常低的。因而，与针叶木和阔叶木浆所需要的那些漂白化学品相比，玉米杆浆需要的量比它们所需要量的一半还少。
实施例2从植物的底部以上，粗玉米杆材料主要包括外壳，并包括节和髓。它包括玉米杆植物约耳穗以下的较低部分，例如约玉米杆底部的2至3ft。它由厚外壳和相对少量的髓组成。在玉米杆较低部分的叶可在砍断后容易地除去。由于已砍碎的玉米杆和叶的密度差别，可通过吹气把叶除去或分离。如实施例1所示，由于玉米杆较低部分存在少量的髓，纤维质量没有受到显著影响。
在本实验中，用约14％的活性碱对上述1.27kg(按烘箱干燥计)经选择的玉米杆进行蒸煮。液体与玉米杆的比率为约7∶1，蒸煮温度为约150℃，蒸煮时间为约60分钟，升温时间为约60分钟以把温度从约80℃升至150℃，进行以上操作。已筛选纸浆的收率为约46％。用0.008英寸的狭缝型筛网筛分纸浆，用200目筛网使浆脱水以除去浆中的细小纤维。这种蒸煮所得的浆用(CT-D1)表示，并进行漂白率测试。两个经漂白的纸浆样品被处理以制备手抄纸，从而确定机械和光学特性。
六个样品，每个约10g，在下表4中用CT-d-1-1、CT-d-1-2、CT-d-1-3、CT-d-1-4、CT-d-1-5、CT-d-1-6表示。这些样品在(D1)阶段用不同的二氧化氯浓度漂白，然后在提取阶段(E)使用相似的氢氧化钠浓度，并且在(D2)阶段使用相似的二氧化氯浓度。此外，在所有三种情况下，使用过氧化氢(P)阶段的相似的化学品组成对六个样品中的三个进一步漂白。漂白条件、化学品浓度、和不同漂白阶段所用的化学品以及最终亮度展示于表4中。
表4漂白条件和所得最终亮度
结果显示当使用少量的化学品时，玉米杆浆可获得高的亮度水平。此结果是因为纸浆中木素含量较低，对应针叶木和阔叶木化学品浆的三分之一。与木材相比，玉米杆需要较少的蒸煮化学品、较低的蒸煮温度和较少的蒸煮时间。当使用玉米杆的较低部位的经选择部分时，玉米杆处理成本将与木材的成本相似。此外，因为玉米杆成本低，储存和运输成本可被最小化，在工厂中玉米杆的最终成本会比木材的小得多。
下面描述了关于玉米杆浆的漂白对手抄纸的机械和光学特性的影响。
表5经漂白的玉米杆浆的特性
经漂白的玉米杆浆的加拿大标准排水度(CSF)在约540ml的范围内。通过在PFI磨粉机内以仅1000转进行精炼后，这些CSF值可降至约330ml，此转速少于经漂白的桉树(阔叶木)化学品浆所需要那些转速的十分之一。这意味着在减少精炼能量消耗方面玉米杆浆具有极大优势。
加用一个过氧化物步骤可把纸浆的亮度从约82.4％升至约87.2％，但手抄纸的强度特性显著下降。结果是，必须评估终产品的亮度要求以选择漂白顺序和阶段数量。例如，书写和印刷纸含有约15至25％的碳酸钙作为填料，以改善纸的表面光滑度、印刷不透明性和亮度。使用湿部化学可轻易操纵纸的湿网强度和干强度。
实施例3在试验规模的蒸煮中，约21.56kg已砍碎的玉米杆(按烘箱干燥计)被装入一个旋转蒸煮器中。在蒸煮器中产生真空以允许液体(蒸煮溶液)更好地浸渍入玉米杆中。蒸煮器旋转约30分钟，以使温度从环境温度升至约80℃以进行良好浸渍。升温时间为约30分钟，以允许温度从约80℃升至约150℃，在约150℃下蒸煮时间为约60分钟。蒸煮液包括约14％的活性碱。在蒸煮过程结束时，连接在蒸煮器与出料槽之间的管线，缓慢释放压力使压力下降至相应温度为约100至105℃。此时阀门被完全打开，以利用压力差把所有纸浆从蒸煮器中吹入出料槽。出料槽包括在底部的筛网，以在把纸浆转移到出料槽后便于用热水洗涤纸浆。纸浆用热水洗涤，然后转移至一个狭缝宽为0.008英寸的大筛网上。筛网除去率低于约0.07％。然后纸浆被加压脱水至固含量为约30％。然后，把脱水后的浆破碎并保存在冷室中供将来使用。已筛选纸浆收率为约46.5％，与实验室规模研究相似。三个样品，每个约30g(按烘箱干燥计)，用PFI磨粉机以400、700和1000转进行精炼。按照TAPPI标准方法制备手抄纸并进行测试。表6显示了用PFI磨粉机分别以400、700和1000转精炼三个样品所得的结果。
表6试验规模制浆得到的已筛选的未漂白纸浆的物理、机械和光学特性
手抄纸展示了极好的机械特性，其张力指数为82N-m/g，撕裂指数为4.5mN.m2/g，爆炸指数为5.5kPa.m2/g。很重要的是，注意在实验室规模制浆时，将玉米杆用热水充分洗涤，髓含量是手工调整的。然而，在试验规模的试验中，因为所用的材料数量巨大，我们不能洗涤和调整髓含量。结果是，与实验室规模蒸煮所用的玉米杆相比，试验规模蒸煮所用的玉米杆可能包含更高百分率的灰尘和髓。这是与实验室规模纸浆相比，会得到稍微低质的纸浆和低初始亮度的一个原因。如果纸浆是在制浆工厂生产并且进行了全套洗涤、筛分和清洗系统的话，这些问题可得到解决。
实施例4在此实施例中，把经漂白的玉米杆浆的特性与经同样漂白的牛皮纸阔叶木浆相比。此外，使用填料如沉淀碳酸钙、淀粉、上浆剂、助留剂等制备了两套每平方米克重为约75g/m2的复印纸，以观察特性。从表中可以看出，与桉树和白杨树纸浆相比，玉米杆浆具有明显更高的张力和爆炸指数值。然而，桉树的撕裂值明显高于玉米杆浆。结果显示于表7中。
表7经漂白的玉米杆浆、经漂白的牛皮桉树纸浆和经漂白的牛皮白杨树纸浆的机械和光学特性
注释-1BD-2(DEDP)，填料6.6％手抄纸每平方米克重75g/m2，类似于复印纸，是用86.6％的玉米杆、6.6％的经漂白的针叶木牛皮纸浆和6.6％的沉淀碳酸钙作为填料制备而得。在手抄纸制备过程中，使用20kg/ton(按烘箱干燥计)的阳离子马铃薯淀粉、2kg/ton的AKD上浆剂和阳离子与阴离子的助留剂。
注释-2BD-2(DEDP)，填料15.1％手抄纸每平方米克重75g/m2，类似于复印纸，是用77.4％的玉米杆、7.5％的经漂白针叶木牛皮纸浆和15.1％的沉淀碳酸钙作为填料制备而得。在手抄纸制备过程中，使用了20kg/ton(按烘箱干燥计)的阳离子马铃薯淀粉、2kg/ton的AKD上浆剂和阳离子与阴离子助留剂。
这两个实验表明，通过在造纸过程中正确使用湿部化学，从玉米杆浆中制得的纸可得到显著改善。因为在纤维基质中结合了填料(沉淀碳酸钙)，手抄纸的不透明性(印刷和书写级别纸的一个重要要求)得到了极大改善。
实施例5在此实施例中，用试验规模造纸机器从经漂白的玉米杆浆和经漂白的混合阔叶木牛皮纸浆中制备的纸的物理、光学和机械特性被说明以进行比较。用试验规模蒸煮器进行玉米杆浆的制浆，然后对纸浆进行洗涤、筛分、脱水和漂白。玉米杆浆的亮度范围在88至90％之间，如实施例2所示。
制备玉米杆纸的配料如下经漂白的玉米杆化学浆60％；经漂白的北方针叶木牛皮纸浆(工业级别)20％；填料(沉淀碳酸钙)20％；淀粉0.5％(按烘箱干燥的纤维计)；Hercon胶料79AKD(0.5％)0.2％(按烘箱干燥的纤维计)以及Nalco7520助留剂(0.1％)0.05％(按烘箱干燥的纤维计)。经漂白的玉米杆浆(从未干燥)在水力制浆机中与针叶木牛皮纸浆混合。不要求进行精炼，而仅激发水力制浆机将排水度下降至约400ml。把填料和淀粉加入纸机贮浆池中。把上浆剂和助留剂计量加入纸机贮浆池中。
制备阔叶木纸的配料如下经漂白的混合阔叶木浆(工业级别)60％；经漂白的北方针叶木牛皮纸浆(工业级别)20％；填料(沉淀碳酸钙)20％；淀粉0.5％；Hercon胶料79AKD(0.5％)0.2％以及Nalco7520助留剂(0.1％)0.05％。
阔叶木和针叶木牛皮纸湿浆板在水力制浆机中进行混合，在3.71％的稠度下精炼至470ml CSF水平。把填料和淀粉加入纸机贮浆池中。上浆剂和助留剂计量加入纸机贮浆池中。结果表示在表8、9、10和11中。
表8在试验造纸机内制备的纸的测试结果表
表8显示玉米杆浆的密度大于木材浆。玉米杆浆的亮度比木浆高约1点，但印刷不透明性比木浆低了超过2点。木浆的散射系数和吸收系数都稍高于玉米杆浆。散射系数与纸的结合性能呈负相关。玉米杆浆的孔隙率是171sec/100ml，相比之下，木浆为7.1sec/100ml。这表示木浆会比玉米杆浆产生更多孔隙的结构。
表9在试验造纸机内制备的纸的测试结果
表9显示玉米杆浆的CIE白度比木浆高约4点，CIE色调比木浆低。玉米杆浆与木浆的亮度、不透明度、散射系数、吸收系数相似。LL*表示亮度从黑色的零升至全白色的100，玉米杆浆和木材浆纸的这个特性是相似的；aa*表示当其为正时代表红色，玉米杆浆的这个特性高于木浆；b，b*表示当其为正时代表黄色，木浆的这个特性高于玉米杆浆。
表10在试验造纸机内制备的纸的测试结果
表10显示在纵向(MD)和横向(CD)上木浆和玉米杆浆的强度特性的对比。玉米杆浆的所有强度特性均比木浆高40％至300％。玉米杆浆在纵向的张力强度特性比木浆高约50％，在横向高122％。玉米杆浆在MD和CD方向的伸长值分别比阔叶木浆高50％和100％。玉米杆浆在MD方向的TEA(张力能量吸收)值比阔叶木浆高130％，在CD方向高200％。类似地，玉米杆浆在MD方向的撕裂指数比阔叶木浆高55％，在CD方向高36％。通常，纸的弱结合特性归因于填料。尽管玉米杆浆保留了22％的填料，而相比之下，阔叶木浆保留了17％的填料，玉米杆浆还是比木浆更强。试验造纸机器的试验还显示，与木浆相比，玉米杆浆可更有效地把填料保留在纤维基质中。
表11在试验造纸机内制备的纸的测试结果
注释*a在MIT折叠时使用0.5kg重量而不是1kg重量。
表11显示玉米杆和阔叶木浆的Sheffield光滑度、爆炸指数、Taber刚度和双叠数。在毛毡方向，玉米杆浆和阔叶木浆的Sheffield光滑度相似，但在线方向，玉米杆浆比阔叶木浆更光滑。玉米杆浆的爆炸强度比阔叶木浆高100％。玉米杆浆在MD和CD方向的双叠数分别为41和19，相比之下，木浆为23*和8*。因为木浆太脆弱而不能在1kg张力下折叠，所以使用0.5kg张力。如果在1kg张力下测量，8*实际上相当于折1次，而23*相当于仅折8次。
造纸机器试验清楚地显示，用与阔叶木纸同样的条件制得的玉米杆纸在强度特性方面明显优于阔叶木纸，在光学特性上彼此相近似。
可以理解在不背离本发明范围的情况下，本发明的各种细节可被改变。而且，在各个实施例中的上述描述仅是为了说明的目的而不是为了进行限制。在不背离本发明的精神或范围的情况下可对本发明进行各种修改。因此，目的在于本发明涵盖本发明的修改和变化，只要这些修改和变化在附加的权利要求书及其等价物的范围内。
权利要求
1.一种从农业残余物中生产纸浆的方法，包括收割玉米杆植物的一部分，其中收割包括将玉米杆植物的约至少一个耳穗以下的部分从玉米杆上除去；干燥玉米杆部分；砍碎玉米杆部分；洗涤被砍碎的玉米杆部分；在螺杆进料器中压缩经洗涤的玉米杆部分以除去水；在预定条件下用碱性制浆溶液从压缩的玉米杆部分中提取纸浆；使纸浆纤维化；洗涤纸浆；和用漂白溶液处理经纤维化和洗涤的纸浆，其中漂白溶液可除去残余的木素和颜色以增加亮度到大于约70％IS0。
2.如权利要求1所述的方法，其中利用了振动、固定式蒸煮器和特级分批蒸煮器中的至少一个的分批过程。
3.如权利要求1所述的方法，其中利用潘迪亚蒸煮器和Kymer蒸煮器中的至少一个的连续处理。
4.如权利要求1所述的方法，其中在碱性溶液中蒸煮玉米杆是在约120℃至160℃的温度范围内进行约30分钟至120分钟。
5.如权利要求4所述的方法，其中碱性溶液包括碱性氢氧化物溶液，其包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵和氢氧化钙中的至少一种。
6.如权利要求4所述的方法，其中碱性溶液还包括碳酸钠和碳酸氢钠中的至少一种。
7.如权利要求6所述的方法，其中碱性溶液还包括氢氧化钠。
8.如权利要求7所述的方法，其中碱性溶液还包括蒽醌。
9.如权利要求7所述的方法，其中氢氧化钠浓度在约2％至18％活性碱的范围内，蒽醌的浓度在约0.0％至0.5％的范围内。
10.如权利要求7所述的方法，其中可能使用一个如下预处理步骤，该步骤包括在约60至约100℃的温度下将玉米杆材料与纤维素保护剂如MgCl2、CaCO3压缩约30至约60分钟，以在玉米杆的碱性蒸煮过程中保护半纤维素。
11.如权利要求1所述的方法，其中漂白溶液包括二氧化氯。
12.如权利要求1所述的方法，其中用漂白溶液处理经纤维化和洗涤的纸浆是在从约50至100℃的温度范围内进行约30至120分钟。
13.如权利要求1所述的方法，其中碱性制浆溶液包括浓度范围为约1％至3％的氢氧化钠。
14.如权利要求1所述的方法，其中二氧化氯-碱性提取-二氧化氯(DED)漂白顺序可提高纸浆亮度至约80-85％ISO。
15.如权利要求14所述的方法，其中在DED顺序之后，过氧化氢漂白溶液(P)、臭氧溶液(Z)和氧溶液(O)中的一个被使用以提高纸浆亮度至约86至95％ISO。
16.如权利要求15所述的方法，其中二氧化氯漂白溶液包括二氧化氯，其剂量等于纸浆的卡帕因子，范围为约0.01至0.5。
17.如权利要求16所述的方法，其中过氧化氢漂白溶液包括占烘箱干燥的纸浆重量约1至3％的过氧化氢；占烘箱干燥的纸浆重量约1至3％的氢氧化钠；占烘箱干燥的纸浆重量约1至3％的硅酸钠；占烘箱干燥的纸浆重量约0.02至0.06％的硫酸镁；和痕量的螯合剂。
18.如权利要求17所述的方法，还包括一个漂白阶段，以改善玉米杆浆的亮度，其中漂白阶段使用漂白剂如约0.05至5％的臭氧(按烘箱干燥的纸浆重量计)和约0.1至2％的氧(按烘箱干燥的纸浆重量计)。
19.一种从农业残余物中生产纸的方法，包括从农业残余物中精炼纸浆；混合来自农业残余物的纸浆；清洗；筛分；和在造纸机中轧制，其中来自农业残余物的纸浆是玉米杆浆。
20.如权利要求19所述的方法，其中玉米杆浆的排水度水平为至少250ml或更高。
21.如权利要求19所述的方法，其中玉米杆浆的卡帕值在约7至80的范围内。
22.如权利要求19所述的方法，其中玉米杆浆的卡帕值在约2至7的范围内。
23.如权利要求19所述的方法，其中玉米杆浆的卡帕值低于约2。
24.如权利要求19所述的方法，其中在与木浆混合之前，玉米杆浆不进行精炼和/或精炼至250-500mlCSF就可被使用，以提供符合纸产品最终用途的特性。
25.如权利要求19所述的方法，其中玉米杆浆可被分级为长纤维碎片和短纤维碎片并再混合，这取决于最终用途的特性，以使玉米杆浆的性能最佳。
26.如权利要求19所述的方法，其中通过将经漂白的玉米杆浆与一种或多种纸浆和/或添加剂混合，可生产书写和印刷纸、影印纸、特种纸和信封纸，所述纸浆和/或添加剂选自经漂白的针叶木化学浆；经漂白的阔叶木化学浆0-20％；填料(沉淀或研磨的碳酸钙、粘土、高岭土、滑石、二氧化钛等)0-30％；干燥的增强化学品(淀粉或其它聚合物材料)0-4％；上浆剂(松香乳剂、AKD、ASA或其它)0.05-5％；和阳离子和/或阴离子的聚合物助留剂(淀粉、聚丙烯酰胺、聚氮丙啶、硅胶、膨润土、有机微粒等)0-5％。
27.如权利要求19所述的方法，其中通过将经漂白的玉米杆浆与一种或多种添加剂混合，可生产顶部白色衬垫，所述添加剂选自经漂白的针叶木化学浆0-30％；经漂白的阔叶木化学浆；0-30％；填料(沉淀或研磨的碳酸钙、粘土或高岭土)0-20％；干燥的增强剂(淀粉或其它聚合物材料)0-4％；上浆剂(松香乳剂、AKD、ASA或其它)0.05-2％；和助留剂(淀粉、聚丙烯酰胺、聚氮丙啶、硅胶、膨润土、有机微粒等)0-5％。
28.如权利要求19所述的方法，其中通过将经漂白的玉米杆浆与一种或多种添加剂混合，可生产用于牛奶、果汁和其它饮料的纸盒包装，所述添加剂选自经漂白的针叶木化学浆0-20％；上浆剂(松香乳剂、AKD、ASA或其它)0.01-5％；和助留剂(淀粉、聚丙烯酰胺、聚氮丙啶、硅胶、膨润土、有机微粒等)0-5.5％。
29.如权利要求19所述的方法，其中在不使用或使用未漂白的针叶木化学或半化学浆的情况下，可从未漂白的玉米杆化学或半化学浆中生产挂面纸板。
30.如权利要求19所述的方法，其中从混有高收率阔叶木浆的高收率玉米杆浆中生产瓦楞夹心原纸。
31.如权利要求19所述的方法，其中将经漂白的玉米杆浆与一种或多种添加剂混合，可生产薄纸、湿强度纸和工业用纸，所述添加剂选自经漂白的针叶木化学浆0-30％；经漂白的阔叶木化学浆0-20％；上浆剂(松香乳剂、AKD、ASA或其它)0.01-5％；和助留剂(淀粉、聚丙烯酰胺、聚氮丙啶、硅胶、膨润土、有机微粒等)0-5.5％。
32.如权利要求19所述的方法，其中通过将经漂白的玉米杆浆与一种或多种添加剂混合，可生产影印纸、特种纸和信封纸，所述添加剂选自经漂白的针叶木化学浆0-30％；经漂白的阔叶木化学浆0-20％；填料(沉淀或研磨的碳酸钙、粘土或高岭土)0-40％；干燥的增强剂(淀粉或其它聚合物材料)0-5％；上浆剂(松香乳剂、AKD、ASA或其它)0.01-5％；和助留剂(淀粉、聚丙烯酰胺、聚氮丙啶、硅胶、膨润土、有机微粒等)0-5.5％。
全文摘要
本发明公开了一种从农业残余物中生产纸浆的新方法，包括收割植物杆的某些部分。所收割的植物杆被打包、运输和储存。在工厂里，植物杆被砍碎并进入制浆程序。纸浆与其它基于木材的纸浆混合或不与其不混合，用于制造各种纸。
文档编号D21B1/00GK1697901SQ200480000325
公开日2005年11月16日 申请日期2004年6月3日 优先权日2003年6月18日
发明者元种鸣, 柳海日, 阿齐兹·艾哈迈德 申请人:玉米浆及纸制品公司