具有高亮度和低碎屑的非木纸浆的制作方法

具有高亮度和低碎屑的非木纸浆


背景技术：

1.纸浆是一种通过化学和/或机械方式将纤维素纤维与木质纤维源或非木质纤维源分离而制备的木质纤维素纤维材料。通常，制浆过程，无论是通过机械、化学还是机械和化学的组合，都会将原料还原成其组分纤维。除了将生物质分离成纤维之外，制浆还从纤维中去除一部分木质素，同时保留纤维素和半纤维素部分。化学制浆通过将木质素降解成小的水溶性分子来实现这一点，这些小分子可以从纤维素和半纤维素纤维中洗去，而无需解聚它们。木质素的去除有利于增加纸浆的亮度。
2.与非木质生物质相比，来源于木质生物质的纤维通常含有更高浓度的木质素。因此，用于木质生物质的制浆工艺，特别是用于生产高亮度木质纸浆的工艺，通常是高度化学密集的。当应用于非木质生物质时，相同的工艺通常导致纤维素和半纤维素的显著解聚，从而导致纸浆过弱。因此，通常需要替代的制浆工艺来制备具有足够强度和亮度的非木纸浆。
3.虽然已经开发出化学密集型制浆工艺的某些替代形式用于制造非木纸浆，但本领域仍然需要生产具有所需性能的纸浆的方法，该性能诸如相对长的纤维长度、低粗度、低细屑度、良好的分散性和高亮度。这对于具有包含表皮层的叶或茎的非木材来说尤其如此，由于它们的非纤维性质，使用传统工艺进行制浆是具有挑战性的。


技术实现要素：

4.本发明提供了用于制浆非木材的新方法以及由此生产的新纸浆。本发明的非木纸浆具有几个有益的性质，诸如相对长的纤维长度、低粗度、低细屑度、良好的分散性、高亮度或低碎片度。为了获得有益的性质，非木质生物质通常在制浆前进行处理，机械制浆，并任选地漂白。在某些情况下，生物质可以在制浆前被压缩和浸渍。压缩和浸渍可以用于切割生物质，提取一部分水溶性固体，并去除一部分表皮。
5.通常，通过压缩和浸渍对生物质进行处理产生蔗渣，通过添加化学品如碱和过氧化氢将该蔗渣机械制浆。化学品可以在机械精炼机制浆的一个或多个阶段之前或期间添加到蔗渣中。在制浆化学品包含氧基组合物如过氧化氢的那些情况下，可以将稳定剂在替换机械精炼机制浆之前或期间施加到蔗渣。
6.因此，在某些实施方案中，本发明提供了一种压缩和浸渍生物质以在精炼机处或其下游引入化学品之前去除一部分水溶性固体和一部分表皮的方法。压缩和浸渍也可以用于将生物质切割成合适的尺寸。然而，在其他情况下，可能期望在压缩和浸渍之前将生物质切割成一定尺寸。
7.在其他实施方案中，本发明提供了一种制造非木纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：压缩和浸渍非木质生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮，从而产生蔗渣，机械精炼所述蔗渣，其中在机械精炼机制浆期间或之后立即添加至少一种碱性过氧化物化学品。在精炼机处或其下游引入化学品可以与在精炼之前向蔗渣施用化学品，特别是碱性过氧化物化学品相结合。在一个特别优选的实施方案中，本发明的纸浆是通过用碱性过氧化物溶液预处理蔗渣，随后进一步添加碱性过氧化物溶液进行精炼而制备的。
8.在另一个实施方案中，本发明提供了一种制造非木材纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：提供非木质生物质；压缩和浸渍所述生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮，从而产生蔗渣；用苛性碱溶液浸渍所述蔗渣并在第一反应时间内保持所述浸渍，以产生浸渍的蔗渣；在第一精炼条件下精炼所浸渍的蔗渣以产生原浆；以及漂白所述原浆以产生次级纸浆。
9.在另外的实施方案中，本发明提供了一种制造非木纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：提供非木质生物质；压缩和浸渍所述生物质以产生蔗渣，所述蔗渣具有至少约35％的稠度，基于所述生物质的干重计小于约10重量％的水溶性固体，以及约20mm或更小的标称尺寸；用第一碱性过氧化物溶液浸渍所述蔗渣并在第一反应时间内保持所述浸渍，以产生浸渍的蔗渣；在第一精炼条件下精炼所浸渍的蔗渣以产生原浆；以及将第二碱性过氧化物溶液添加到所述原浆中以产生漂白纸浆。任选地，漂白纸浆可以被精炼以产生可以用于制造湿法成网纸制品的次级纸浆。
10.在其他实施方案中，本发明提供了一种制造非木纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：提供来源于天门冬科(asparagaceae)植物的非木质生物质；压缩和浸渍所述生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮，从而产生蔗渣；用水稀释所述蔗渣以产生在20％至40％范围内的蔗渣稠度；用螺旋压榨机压缩稀释的蔗渣；用第一氢氧化钠碱性过氧化物溶液浸渍压缩的蔗渣并在第一反应时间内保持所述浸渍，以产生浸渍的蔗渣；将所浸渍的蔗渣进料到精炼机中，所述精炼机包括封装在具有入口和出口的外壳中的精炼盘；在第一精炼条件下精炼所浸渍的蔗渣以产生原浆；通过所述出口将所述原浆排出精炼室，并将第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液添加到排出的原浆中；清洗所述原浆以产生清洗的原浆，所清洗的原浆具有基于清洗的原浆的干重计小于约5重量％的碎屑，将所清洗的原浆输送至漂白容器；以及将第三氢氧化钠碱性过氧化物溶液添加到所述漂白容器中的所清洗的原浆中，以产生漂白的原浆。
附图说明
11.图1是根据本发明的一个实施方案的用于生产非木纸浆的工艺的工艺流程图；
12.图2是示出在纸浆制造过程期间去除的水溶性提取物(wse)的量的图；
13.图3是示出水溶性提取物(wse)对纸浆白度的影响的图，在漂白的第一阶段、第二阶段和第三阶段后测量了具有不同wse程度的纸浆的白度；
14.图4是示出碎屑对纸浆亮度的影响的图，在漂白的第一阶段和第二阶段后测量了具有不同碎屑程度的纸浆的亮度；
15.图5示出了在制浆之前切割生物质对纤维长度分布的影响；并且
16.图6a和图6b是在500x的放大倍数下拍摄的扫描电子显微镜(sem)图像。
17.定义
18.如本文所用，术语“生物质”通常是指来源于非木本植物的有机物，并且包括整个植物和植物器官(即叶、茎、花、根等)。
19.如本文所用，术语“蔗渣”通常是指已经过加工步骤(例如压榨、碾磨、压缩或浸渍)以去除一部分生物质水溶性固体的生物质。在某些实施方案中，通过使用螺塞或其他形式的压缩螺杆对生物质进行压缩和浸渍以提取一部分生物质水溶性固体来制备蔗渣。
20.如本文所用，术语“纸浆”通常是指来源于生物质的多种纤维素纤维，该纤维具有细长形状，其中表观长度超过表观宽度。通常，根据本发明制备的纸浆可分散在水中，具有可测量的游离度，并且可用于形成手抄纸。
21.如本文所用，术语“细屑”通常指长宽比为约1至约100的水不溶性纤维状纤维素材料，并且其中水不溶性纤维状材料的长度小于约0.2mm。在某些实施方案中，根据本发明制备的纸浆中存在的细屑的量可以为约2.0％或更少，诸如约1.5％或更少，诸如约1.0％或更少，诸如约0.5％至约2.0％。基于长度加权，纸浆的细屑含量可以使用optest纤维质量分析仪-360(optest equipment,inc.,hawkesbury,on)测量，如以下测试方法部分所述。通常，基于长度加权的细屑百分比是细屑长度的总和除以样品中纤维和细屑的总长度。
22.如本文所用，术语“亮度”通常是指根据iso 2470-1:2016测量的纸浆样品的光学亮度。亮度通常以百分比(％)表示。
23.如本文所用，术语“碎屑”通常是指配有狭缝尺寸为100μm(0.004英寸)的筛网的masterscreen
tm
设备上保留的固体的重量百分比。给定的纸浆样品中的碎屑量通常按照以下测试方法部分所述进行测量。
24.如本文所用，术语“孔隙率”通常是指样品的透气性。孔隙率通常按照以下测试方法部分所述进行测量，并且通常以每单位时间每单位面积的体积为单位，诸如立方英尺/分钟(cfm)。对于给定的纸浆样品，孔隙率通常通过将纸浆分散在水中以形成手抄纸(如下以下测试方法部分所述)，并然后测量手抄纸的孔隙率来测量。
25.如本文所用，术语“拉伸指数”通常是指样品的拉伸强度，单位为克力/25.4mm，除以绝干基重，单位为克/平方米。对于给定的纸浆样品，拉伸指数通常通过将纸浆分散在水中以形成手抄纸(如以下测试方法部分所述)，并然后测量手抄纸的拉伸和基重来测量。
26.如本文所用，术语“厚度”是浆板的代表性厚度，并且通常按照以下测试方法部分所述进行测量。厚度通常以毫米或微米为单位。
27.如本文所用，术语“游离度”是指根据tappi标准t 227om-94测定的加拿大标准游离度(csf)。游离度通常以毫升(ml)为单位。
28.如本文所用，术语“纤维长度”通常是指如以下测试方法部分所述使用型号为fqa-360的optest纤维质量分析仪(optest equipment,inc.,hawkesbury,on)测量的纤维的长度加权平均纤维长度(lwafl)。纤维长度通常以毫米为单位。
29.如本文所用，术语“粗度”通常是指如以下测试方法部分所述使用optest纤维质量分析仪-360(optest equipment,inc.,hawkesbury,on)测量的每单位长度的纤维的重量。粗度通常以每单位长度的质量为单位，诸如毫克/100米(mg/100米)。
30.如本文所用，术语“超长纤维分数”通常是指长度(数均纤维长度)大于6.0mm的纤维的百分比，并且通常如以下测试方法部分所述使用optest纤维质量分析仪-360(optest equipment,inc.,hawkesbury,on)测定。
31.如本文所用，术语“分散指数”通常是指长度加权平均纤维长度(lw)与数均纤维长度(ln)的比率。该比率表示给定纸浆的纤维长度分布。通常如以下测试方法部分所述使用optest纤维质量分析仪-360(optest equipment,inc.,hawkesbury,on)来测定长度加权平均纤维长度(lw)比数均纤维长度(ln)。
32.如本文所用，当提及生物质或蔗渣的尺寸时，术语“标称尺寸”通常是指至少约
70％的生物质或蔗渣通过的给定筛网的尺寸。通常，筛网是能够根据尺寸筛分材料的构件。筛网的实例包括穿孔板、圆筒或类似物，或丝网或织物。蔗渣和生物质的筛选和分级的优选方法在以下测试方法部分中进行了描述。
具体实施方式
33.本发明涉及来源于非木本植物的纸浆及其制备方法。在特别优选的实施方案中，本发明提供了具有改进的性能如高亮度、相对长的纤维长度、低细屑度、高孔隙率或低量的超长纤维的纸浆，当纸浆用于制造湿法成网纸制品时，这些性能可以抑制纸浆在水中的分散并导致拉丝或结块。
34.通常，本发明的纸浆由一种或多种非木本植物制备。纸浆可以包括来源于单一植物物种的纤维，或者另选地来源于两种或更多种不同植物物种的纤维。可用于本发明的生物质可以包括刚收获的非木本植物、部分干燥的非木本植物、完全干燥的非木本植物或其组合。生物质可以基本上由植物的地上部分，更特别地植物的冠部以上的部分，并且还更优选地植物的叶组成。
35.在某些优选的实施方案中，纸浆由一种或多种天门冬科的非木本植物制备，合适的非木本植物可以包括但不限于一种或多种龙舌兰属植物，诸如蓝色龙舌兰(a.tequilana)、剑麻(a.sisalana)和黄条龙舌兰(a.fourcroyde)，以及一种或多种草丝兰属植物，诸如h丝薇香草丝兰、小花红丝兰、夜行性草丝兰、江氏草丝兰、薄叶草丝兰、恩氏草丝兰和钝叶草丝兰。在特别优选的实施方案中，本发明的纸浆由一种或多种草丝兰属植物制备，诸如丝薇香草丝兰、小花红丝兰、夜行性草丝兰、江氏草丝兰、薄叶草丝兰、恩氏草丝兰和钝叶草丝兰。
36.纸浆可以通过处理生物质，特别是植物的非种子部分，更特别是叶，并且还更特别是植物的冠部以上的叶，从生物质中提取水溶性固体以产生蔗渣，用化学品浸渍蔗渣并机械地精炼浸渍的蔗渣以产生原浆而由非木本植物制备。可以对原浆进行进一步加工，诸如筛选和漂白，以产生适用于多种最终用途的漂白纸浆。在某些情况下，在精炼之前，可以通过压缩和浸渍从非木质生物质中去除水溶性固体。压缩和浸渍也可以用于从生物质中去除表皮，以及在精炼之前将生物质切割成一定尺寸。
37.在特别优选的实施方案中，通过机械制浆工艺制备纸浆，其中在机械精炼机制浆的一个或多个阶段之前或期间，将碱性过氧化物化学品添加到蔗渣中。过氧化氢和碱可以以如将在下文中更详细地公开的各种形式与各种量的不同过氧化物稳定剂一起添加，并且可以在精炼机中的原纤化之前或期间施加到蔗渣。合适的过氧化物稳定剂包括具有与金属形成络合物的能力的化合物，诸如pct公布号wo2005042830a1中公开的那些，该公布的内容以与本发明一致的方式并入本文。特别有用的稳定剂包括乙二胺四乙酸(edta)、二亚乙基三胺五乙酸(dtpa)和次氮基三乙酸(nta)。在其他情况下，硅酸盐和硫酸盐可以是合适的稳定剂。稳定剂可以单独使用，或者根据需要组合使用。
38.在某些情况下，根据本发明制备的纸浆可以被漂白以增加其光学性能，特别是亮度。例如，在某些实施方案中，本发明提供了来源于草丝兰属植物的非木纸浆，该非木纸浆具有75％或更高，诸如约77％或更高，诸如约79％或更高，诸如约75％至约92％的亮度。漂白可以使用任何一种众所周知的纸浆漂白工艺进行。在特别优选的实施方案中，漂白在不
使用元素氯的情况下并且更优选地不使用含氯化合物的情况下进行。漂白可以在单个阶段中进行，或者可以在多个阶段中进行。在一个特别优选的实施方案中，漂白过程包括至少一个非氯漂白阶段，尽管可以使用任何一个或多个常规的非氯漂白阶段或顺序，包括使用氧气(包括氧气脱木素)、臭氧、过氧化物、亚硫酸氢盐等的那些步骤或顺序。
39.尽管在某些实施方案中，漂白纸浆以改善一种或多种光学性能可能是优选的，但是本发明不限于此，并且本发明的纸浆可以是未漂白的，并且具有小于约75％，诸如约50％至约75％，诸如约55％至约70％的亮度。
40.虽然本发明的纸浆产品是由非木质纤维生产的并且通过机械制浆生产的，但是不存在现有技术的非木材机械纸浆的相同的游离度问题。实际上，在某些情况下，本发明的纸浆产品具有相对高的游离度，诸如至少约400ml csf，诸如至少约450ml csf，诸如至少约500ml csf，诸如约400至约700ml csf，诸如约450至约600ml csf的游离度。通常，“游离度”是指纸浆的排水速率，或者纸浆将如何“自由地”失去其水分。游离度在造纸中很重要，因为如果游离度太低，则不可能在造纸机上去除足够的水来获得良好的片材结构和强度。通常，机械纸浆，特别是机械非木纸浆，由于当湿法形成为片材时抑制纸浆排水的高细屑度而具有低游离度。
41.本发明的纸浆产品通常以湿搭接的形式提供，或者以干燥的形式如片材、捆包或轧制的形式提供，并且与其他纤维产品如用于包装、薄页纸、书籍、杂志、信件等的那些纤维产品不同。浆板的厚度可以在约0.05至0.50cm，诸如约0.10至约0.25cm的范围内。根据本发明制备的纸浆的绝干基重可以在约200至约1,000克/平方米的范围内。
42.本发明的纸浆产品通常经受进一步加工，以将纤维转化成消费者使用的最终产品。例如，纸浆产品可以以片材形式提供，该片材可以在搅拌下分散在水中，泵送到流浆箱并湿法成网以形成纤维网。
43.在图1中示出了根据本发明的用于制备纸浆的一种非限制性方法。该方法通常包括提供生物质10并使用切割设备20将生物质10切割成一定尺寸。如下文更详细讨论的，切割可以通过多种方式实现，并且通常导致切割的生物质具有约20mm或更小，诸如至少约10mm或更小的标称尺寸。除了切割之外，优选地在制浆之前对生物质进行处理以提取一部分水溶性提取物。在某些情况下，诸如图1所示，切割的生物质30可以通过设计用于压缩和机械处理生物质的压榨机40，诸如栓塞螺杆或其他形式的压缩螺杆。
44.当切割的生物质30通过压榨机40时，一部分水溶性提取物47被去除。溶剂45如水可以被引入到压榨机40中，以促进水溶性固体的提取。在某些情况下，在制浆之前，通过第一压缩步骤从生物质中去除至少约40％的水溶性固体，更优选地至少约50％，还更优选地至少约60％，并且还更优选地至少约70％，诸如约40％至约95％的水溶性固体。在某些实施方案中，可以优选的是，在切割的生物质30通过螺旋装置40后，从所切割的生物质中去除至少约85％的水溶性固体，并且更优选地去除至少90％的水溶性提取物，以提高所得漂白纸浆的亮度。
45.继续参考图1，使用螺旋压榨机60对提取的生物质50进行第二次压缩，任选地浸渍，并且在离开螺旋压榨机60后，用第一碱性过氧化物溶液55浸渍压缩的生物质。在第一精炼条件下，使用添加第二碱性过氧化物溶液的精炼机80对浸渍的蔗渣70进行制浆，以产生原浆90。在特别优选的实施方案中，第一精炼条件使得原浆具有约50％或更高的亮度。因
此，可以选择第一精炼条件，以将生物质原纤化成纸浆并增加纸浆的亮度。以这种方式，第一精炼条件可以使得纸浆的初次漂白发生在精炼阶段。例如，原浆可以在产生具有至少约50％的亮度的原浆的条件下进行精炼。
46.在精炼之后，原浆可以被稀释，并在二次漂白之前进行清洗或筛选以进一步去除碎屑。例如，如图1所示，表皮碎屑105可以通过使纸浆通过除渣器100而从原浆90中去除。然后可以将清洗的原浆110转移到漂白塔120，并通过添加第三碱性过氧化物溶液125进行漂白以产生漂白纸浆130。
47.在某些实施方案中，可以优选的是，在处理，诸如压缩和浸渍或制浆之前，将生物质切割成一定尺寸。例如，生物质可以在压缩和浸渍之前立即使用刀或其他切割机构切割成一定尺寸并清洗，或者可以在使用设计用于生产所需尺寸的生物质的收割设备收割时切割成一定尺寸。
48.在特定的实施方案中，可以在使用草料收割机收割时将生物质切割成一定尺寸。草料收割机通常包括割台和刀轮或滚筒。在优选的实施方案中，生物质通过收割机割台，使用往复式刀片、圆盘或旋转割草机或大型锯状刀片直接切割。割台被构造为使得切割高度高于植物的冠部，诸如地面上方约10至约30cm。生物质从割台被进料至刀轮。刀轮配备有固定在其上的若干刀片，这些刀片将青贮饲料切碎并从收割机的滑槽中吹出到与收割机相连或与并排行驶的另一辆车相连的货车中。刀片的构型、连接至刀轮的刀片的数量和刀轮的速度决定了生物质的切割尺寸。在一个实施方案中，选择生物质尺寸以使得标称切碎长度为5至约50mm，诸如5至约30mm，诸如约5至约20mm。应当注意的是，标称切碎长度由收割机设定，材料的实际切碎长度可以有所不同，具体取决于进料至刀轮中的生物质的取向一致性以及其他因素。
49.在其他情况下，可以在收获后使用机械粉碎工艺将生物质切割成一定尺寸，该机械粉碎工艺诸如锤磨机、旋转粉碎机、旋转粉碎机、剪切切碎机、刀磨机、桶磨机、木片切削机或减小生物质的标称尺寸的任何其他装置。在一个特别优选的实施方案中，生物质经受第一切割阶段，诸如通过切削机，并然后使用锤磨机进一步切割。例如，所收获的生物质可以被修改为这样的形式，所述形式可以通过锤磨机操作使用诸如筒式研磨机、卧式研磨机/切碎机或简单木片切削机等更容易地处理。这些第一阶段系统通常具有大型旋转滚筒和大型钝锤，可以将材料快速剪切或切碎成密度较低的、松散的形式，这种形式可以很容易地碾磨成所期望的尺寸。第一阶段研磨通常使用大筛网，以防止过大的材料从研磨室中离开。这些筛网可以具有尺寸范围为约5至约15cm的开口。切削机通常使用旋转滚筒以及平行于滚筒轴的固定刀片。切割的生物质的尺寸通常由进料速率控制。一旦完成第一阶段研磨或切削，即可使用锤磨机将生物质碾磨至所期望的粒度。锤磨机使用具有突出金属棒(即，锤子)的大型旋转滚筒，以高速冲击材料从而粉碎和撕裂材料颗粒。通常，金属棒从滚筒上自由摆动，但是固定锤在锤磨机设计中也是常见的。离开锤磨机的生物质的尺寸可以为5至约50mm，诸如5至约30mm，诸如约5至约20mm。
50.切割生物质，特别是在生物质被制浆或漂白之前，会改善所得纸浆的一种或多种物理性质。例如，切割生物质可以减少纸浆中长纤维的部分，使纸浆更容易分散并且更适合用于制造湿法成网纸制品，特别是湿法成网薄页纸制品。在某些情况下，长纤维部分的减少可以在纤维长度没有显著减少的情况下实现，使得纸浆可以具有约1.75mm或更大，诸如约
1.80mm或更大，诸如约2.0mm或更大，诸如约1.75至约2.50mm的纤维长度。下表1显示了在制浆前进行切割和不进行切割制备的草丝兰属纸浆以及常规的北方软木牛皮纸浆的纸浆纤维长度的比较。
51.表1
52.纸浆的描述超长纤维(％)纤维长度3-6mm(％)未切割的0.817.55用机械切削机切割成一定尺寸0.085.73用收割机切割成一定尺寸0.053.52northern softwood kraft纸浆0.018.09
53.在制浆之前切割生物质也可以减少具有超长纤维长度的纸浆纤维的部分，即纤维长度为6.0mm或更长的纸浆纤维的部分。例如，根据本发明制备的纸浆可以包含小于约0.25％，更优选地小于约0.20％，并且还更优选地小于约0.15％的超长纤维。下表2显示了根据本发明通过切割草丝兰属生物质制备的纸浆的超长纤维分数与没有切割草丝兰属生物质制备的纸浆的比较。
54.表2
[0055][0056]
在另外的情况下，在制浆之前切割生物质减少或缩小了纤维长度的分布，使得分散指数为约2.00或更小，更优选地约1.90或更小，还更优选地约1.85或更小，诸如约1.50至约2.00，诸如约1.50至约1.90，诸如约1.50至约1.85，诸如约1.50至约1.80。在特别优选的实施方案中，本发明的纸浆具有小于约1.80的分散指数，以确保纤维的长度相对均匀，从而改善纸浆在水中的分散，并在形成湿法成网纸制品时减少纤维结块和拉丝。
[0057]
虽然切割纤维通常会降低纸浆的分散指数和超长纤维分数，但本发明的纸浆可以具有相对较低的细屑度。例如，在某些实施方案中，根据本发明制备的纸浆可以包含小于约2.0％的细屑，诸如小于约1.5％的细屑，诸如小于约1.0％的细屑，诸如约0.10％至约2.0％的细屑。通常，低细屑度使得水能够容易地从纸浆中排出，使得本发明的纸浆具有大于约400ml，并且更优选地大于约450ml，诸如约400至约600ml的加拿大标准游离度(csf)。
[0058]
切割或未切割的生物质优选地在制浆前进行处理，以去除至少一部分生物质表皮和至少一部分水溶性固体。优选地，表皮和水溶性固体的去除使用单个单元操作同时进行。
[0059]
通常，生物质表皮来源于生物质叶的角质层，并且可能包括额外的纤维素表皮层。表皮可以包含纤维素、角质、胶膜、多糖、脂类和蜡。表皮可能是疏水性的，并且可能具有纸制品中不希望有的颜色或手感。例如，表皮可能呈棕色或黄色，并且手感粗糙。不受任何特定理论的束缚，据信，表皮与生物质的分离以及随后的去除提高了制浆过程中使用的碱性
化学品以及漂白过程中使用的碱性过氧化物的有效性，从而导致纸浆质量和亮度的提高。
[0060]
因此，在某些情况下，在制浆之前去除一部分表皮可以提高制浆和漂白的效率，并且可以提高纸浆的物理性能和亮度。此外，表皮的去除可以改善由纸浆制成的纸制品的物理性能。例如，在制浆之前去除表皮可以改善由所得纸浆制成的薄页纸制品的手感和柔软度。在其他情况下，去除表皮可能会降低由所得纸浆制成的制品的掉毛量(amount of linting)，因为在形成纸制品时，疏水性表皮不太适合与纤维素纤维粘结。
[0061]
除了去除表皮之外，通常优选的是，在制浆和/或漂白之前去除一部分生物质水溶性固体。从生物质中去除水溶性提取物可以提高制浆和/或漂白的效率。例如，已经证明，去除大部分生物质水溶性提取物，诸如至少约85％，并且还更优选地至少约90％的水溶性提取物，提高了所得漂白纸浆的亮度。在某些情况下，本发明提供了在漂白之前从纸浆中去除至少85％，诸如至少约90％，诸如至少约95％的水溶性提取物。通过在漂白之前去除水溶性提取物，漂白纸浆可以具有约80％或更高的亮度。图3显示了水溶性提取物对漂白和所得的纸浆亮度的影响。
[0062]
用于在制浆前处理生物质诸如去除一部分水溶性固体或表皮的装置的非限制性实例包括设计用于压缩和机械处理生物质的螺杆装置，诸如栓塞螺杆或其他形式的压缩螺杆。可用于本发明的可商购获得的栓塞螺杆进料器的一个实例为impressafiner
tm
(andritz,inc.,alpharetta,ga)，它是高压缩、类似挤出机的螺杆装置。其他有用的装置包括ajax lynflow
tm
栓塞密封螺旋进料器(ajax equipment ltd.,bolton,uk)和feedmax
tm
栓塞螺旋进料器(valmet corp.,duluth,ga)。
[0063]
优选地，使用压缩比能够为至少2:1，更优选地至少约2.5:1，还更优选地至少约3:1，诸如2:1至约5:1(包括其间的所有压缩比)的装置压缩生物质，以制备用于制浆的生物质。压缩比被定义为压缩区的入口体积与压缩区的出口体积的关系。此类压缩比允许对生物质进行足够的加压，以提取水溶性固体并确保制浆过期间适当的化学吸收。
[0064]
用于压缩的装置可以进一步用于浸渍，或者单独的装置可以用于浸渍阶段。浸渍使用机械处理来软化生物质并将其分离成纤维，并去除表皮。浸渍也可以增加生物质能够在后续制浆步骤期间吸收化学品的表面积。
[0065]
表皮和水溶性提取物的去除可以在压力下进行。在某些实施方案中，切割生物质的压缩和浸渍可以在至少约0.2巴，诸如至少约0.5巴，诸如至少约1.0巴，诸如约0.2至约2.0巴，诸如约0.5至约1.5巴的压力下进行。此外，切割的生物质可以在压缩和浸渍期间被加热，诸如通过添加蒸汽，使得切割的生物质的温度为至少约100℃，诸如至少约110℃，诸如至少约120℃，诸如约100℃至约125℃。
[0066]
压缩和浸渍条件通常是这样的，即在制浆之前除去大部分表皮。以这种方式，基于蔗渣的干重计，蔗渣的碎屑含量在制浆之前可以为约10重量％或更少，诸如约8重量％或更少，诸如小于约6重量％。以类似的方式，水溶性提取物可以显著减少，使得在制浆之前通过第一压缩步骤从生物质中去除至少约40％的水溶性固体，更优选地至少约50％，还更优选地至少约60％，并且还更优选地至少约70％，诸如约40％至约95％的水溶性固体。
[0067]
提取的甘蔗渣通过添加或不添加化学品如碱性化学品的机械精炼转化成纸浆。在某些实施方案中，可能优选在提取的蔗渣已经浸渍以形成纤维但仍处于压缩状态之后添加化学品。一旦引入了化学品，就可以释放压缩力，使化学品被拉入浸渍纤维的细胞中，从而
形成压缩的、浸软的和浸渍的蔗渣。通过仅在浸渍后并同时在压缩下引入化学品，被洗涤和脱水的木质纤维素材料吸收的化学品的体积大于在单独压缩后或单独浸渍后添加化学物质的已知方法。
[0068]
在某些实施方案中，使用本领域已知的碱性过氧化物机械制浆(apmp)工艺进行制浆。合适的apmp工艺描述在例如美国专利号4,270,976和8,048,263中，该专利的内容以与本发明一致的方式通过引用并入本文。通常，apmp工艺包括在精炼机中的原纤化之前或期间向蔗渣中添加各种形式的过氧化氢和碱，以及各种量的不同过氧化物稳定剂。
[0069]
在一个特别优选的实施方案中，将蔗渣用第一碱性过氧化物溶液浸渍。浸渍优选在压缩和浸渍装置中进行第一反应时间。然后将浸渍的蔗渣进料到具有入口和位于外壳内的转盘的蒸煮器中。将第二碱性过氧化物溶液在被进料到蒸煮器中时添加到浸渍的蔗渣中。第二碱性过氧化物溶液和浸渍的蔗渣在蒸煮器中通过蒸煮器外壳内的转盘混合第二反应时间，以将浸渍的蔗渣精炼成原浆。
[0070]
蒸煮器步骤可以以连续或分批模式操作。如果使用连续模式，则可以操作单个蒸煮器或串联或并联的多个蒸煮器。如果使用分批模式，则多个蒸煮器交替操作，以适应浸渍的蔗渣向蒸煮器的连续转移和来自蒸煮器的原浆的连续进料。
[0071]
蒸煮器可以在约120至约190℃的温度下操作。蒸煮器可以是水平的、垂直的或倾斜的定向。此外，蒸煮器可以以顺流或逆流，或者顺流和逆流的组合模式操作。在这种情况下，蒸煮器内的顺流意味着生物质的流动方向与任何添加的碱性过氧化物溶液的流动方向相同。此外，蒸煮器可以在高稠度或低稠度下操作。在特别优选的实施方案中，蒸煮器容器在高稠度下操作，诸如至少约20％，诸如至少约30％，诸如约35％至约45％的稠度下操作。在蒸煮器容器以高稠度操作的那些实施方案中，液体与生物质的比率可以在约2.0至约5.0的范围内。
[0072]
原浆可以在允许碱性过氧化物化学品和原浆之间持续反应的条件下从蒸煮器中排出。例如，纸浆可以被排放到保留容器中，并在至少约80
°
f的温度下保留一个小时或更长时间。在某些情况下，纸浆可以在排放时保持相对高的稠度，使得原浆可以在被稀释之前在相对高的稠度下经受第一阶段的漂白，以便于在二次漂白之前进行清洗。例如，原浆可以保持在至少约20％，诸如至少约30％，诸如约35％至约45％的稠度，并且与碱性过氧化物化学品反应以产生具有约50％至约60％的亮度的原浆。在其他情况下，纸浆可以在排出时被稀释，并且原浆的漂白可以以低于蒸煮器稠度的稠度进行。
[0073]
在某些情况下，为了允许碱性过氧化物化学品和原浆之间的持续反应，在原浆被混合并转移到漂白塔进行二次漂白的同时，可以通过使用添加有水的混合螺杆来保持原浆排出期间的温度条件。如果原浆被直接排放到漂白塔中，则原浆的温度也可以在漂白塔内通过添加液体或气体，或者通过使用传热部件进行热调节。
[0074]
在某些情况下，可以在大气条件下通过转移螺杆、斜槽等将原浆从蒸煮器转移到漂白塔。在蒸煮器包括加压外壳的情况下，原浆可以经由喷放阀排放到漂白塔。
[0075]
可以保持蒸煮器条件，使得原浆在被排放到漂白塔之前具有高于约80℃，诸如约80℃至约85℃的温度和大于约8.5，并且更优选地大于约9.0，并且还更优选地大于约9.5的ph。一旦原浆被排出，纸浆就可以被淬灭，诸如通过冷却。例如，当原浆转移到漂白塔或被漂白塔接收时，原浆可以被冷却到低于约80℃。
[0076]
通常，在二次漂白阶段对原浆进行额外的漂白。在第一漂白阶段之后，可以将原浆稀释，清洗以去除碎屑，并进行额外的漂白，以产生具有约80％或更高的亮度的漂白纸浆。在其他情况下，原浆的稠度可以不变，并且漂白的原浆可以在二次漂白之前进行高稠度精炼。在另外的情况下，漂白的原浆可以在二次漂白之前进行高稠度和低稠度精炼。例如，在一个实施方案中，漂白的原浆可以被精炼，并然后使用双流、非加压的精炼机以低稠度，诸如约3.0％至约5.0％的稠度进行第二次稀释和精炼。
[0077]
二次漂白优选在不使用氯或含氯化合物的情况下进行。更优选地，使用非氯氧化剂，诸如过氧化物、氧气和/或臭氧，并添加氰胺或氰胺盐进行二次漂白。当二次漂白包括过氧化物作为漂白剂时，该方法还可以包括一种或多种稳定剂或络合物形成剂，以避免过氧化物的分解。如果在漂白之前通过洗涤去除原浆中的重金属盐，则可以省略稳定剂或络合剂形成剂的添加。
[0078]
在清洗之后，可以对清洗后的纸浆进行二次漂白。二次漂白可以在中等或高稠度下进行，并且可以由一个、两个或三个漂白阶段组成，这取决于成品纸浆的所需亮度。通常，中等稠度漂白是在低于约16％，诸如约8％至约16％，诸如约8％至约12％的纸浆稠度下进行的。另一方面，高稠度漂白可以在约16％，诸如约16％至约30％，诸如约16％至约22％的纸浆稠度下进行。
[0079]
在某些优选的实施方案中，二次漂白可以在约10％的稠度下分两个阶段进行，使用碱性过氧化物溶液，其中含有或不含有过氧化物稳定剂：硅酸钠和dtpa。在其他实施方案中，二次漂白可以分两个阶段进行，其中第一阶段在约10％的稠度下进行，并且第二阶段在约20％的稠度下进行，并且两个阶段都使用碱性过氧化物溶液进行，该碱性过氧化物溶液含有或不含有过氧化物稳定剂：硅酸钠和dtpa。在另外的实施方案中，二次漂白可以在单个高稠度阶段进行，诸如在约20％的浓度下进行。无论阶段的数量或纸浆的稠度如何，总过氧化物剂量可以在约8％至约12％的范围内，并且苛性碱与过氧化物的比率可以在约0.4至约0.6的范围内。
[0080]
二次漂白可以在约80℃至约85℃的温度下进行，并且总停留时间可以在约1至约5小时的范围内。漂白纸浆的最终ph可以为约9至约11，更优选地约9至约10。
[0081]
漂白纸浆可以被进料到进一步的加工步骤，该步骤可以涉及多个操作，包括但不限于机械精炼、筛选和洗涤，以生产适合于最终用途(诸如湿法成网纸制品的制造)的二次漂白纸浆。例如，然后可以将精炼的漂白纸浆脱水、干燥并形成为片材，该片材可以在随后的步骤中分散以用于湿法成网纸制品的形成。
[0082]
作为一种选择，根据本发明制备的漂白和未漂白的纸浆可以形成为干燥的片材或卷。纸浆可以用水稀释，从而产生可以经由冲浆泵泵送到流浆箱的稀释的纸浆。稀释的纸浆可以以约0.1％至约5％的固体，诸如约0.5％至约3％的固体，诸如约1重量％至约2.5重量％的固体的稠度供应至流浆箱。
[0083]
稀释的纸浆可以从流浆箱喷射到网上，并部分脱水以形成部分脱水的浆板。该网可以是环形行进的多孔连续金属筛网或塑料网。该网可以是例如扁长网造纸机、双网成形器或这些的任何组合。低真空箱和吸水箱可以以传统方式与网一起使用。在网上脱水后，浆板的稠度可以在约2％至约35％的固体，诸如约10％至约30％的固体的范围内。
[0084]
部分脱水的浆板可以被输送到湿压榨部。额外的水可以在湿压榨部被压榨并从纸
浆中抽真空。湿压榨部可以利用压区系统从纸浆中去除水，该压区系统借助于支撑浆板并可以吸收压榨水的压榨毛毯由辊相互挤压形成。真空箱可以任选地用于对压榨毛毯施加真空以去除水分，使得当毛毯在下一个循环中返回到压区时，它不会向片材添加水分。湿压榨部可以将部分脱水的浆板的稠度增加至约40％的固体或更高，诸如约50％的固体或更高。
[0085]
压榨纸浆可以通过热干燥部进行干燥。浆板可以在热干燥部中在超过100℃的温度下进行干燥，以去除更多的水。热干燥器可以包括例如一系列内部蒸汽加热的圆筒，当纸浆在加热的圆筒上前进时，该圆筒蒸发纸浆的水分。通常，热干燥器将压榨纸浆的稠度增加至约80％或更高，诸如约90％或更高，诸如约80重量％至约95重量％。
[0086]
离开热干燥器的干燥纸浆可以是连续干燥浆板的形式，其可以被组合成片材、捆包、卷或其他形式。在某些实施方案中，所得浆板的水分含量小于约30％，更优选地小于20％，并且还更优选地小于约10％。浆板可以以任何给定的基重生产，然而，在某些实施方案中，浆板可以具有至少约150克/平方米(gsm)，诸如约150至约600gsm，并且更优选地约200至约500gsm的基重。
[0087]
浆板在片材形成期间分散在水中并排水的能力是非常重要的，因为如果不能进行充分的排水，则必须降低造纸机的速度，否则湿法成网的纸幅将不能在多孔表面上保持在一起。该排水参数的量度是游离度，并且更具体地说是加拿大标准游离度(csf)。因此，在某些实施方案中，根据本发明制备的纸浆的加拿大标准游离度(csf)大于约400ml，并且更优选地大于约450ml，诸如约400至约600ml。
[0088]
根据本发明生产的纸浆可以具有一种或多种改进的物理性能，这使得它们非常适合用于制造湿法成网纸制品，并且更具体地说是湿法成网薄页纸制品。本发明的纸浆可以根据需要与其他木纸浆和非木纸浆共混，以形成具有所需属性的湿法成网产品。共混纸浆可以包括通过几种公知方法中的任何一种生产的木浆纤维，该方法诸如化学方法(亚硫酸盐、牛皮纸)、热方法、机械方法或这些方法的组合。在某些情况下，本发明的纸浆可以替代传统造纸配料中的一种或多种纸浆，特别是木纸浆。例如，本发明的纸浆可以替代漂白的软木牛皮纸(nbsk)纸浆纤维。在此类情况下，所得产品可以具有增加的强度，诸如纵向拉伸强度，这可以通过调节本发明纤维的精炼来改进。
[0089]
在某些实施方案中，本发明提供了一种非木纸浆，特别是通过如本文所述的机械制浆制备的草丝兰属纸浆，该非木纸浆具有至少约1.75mm，并且更优选地至少约1.80mm，并且还更优选地至少约2.00mm，诸如约1.75至约2.50mm的纤维长度。在上述纤维长度下，纸浆可以具有小于约0.25％，更优选地小于约0.20％，并且还更优选地小于约0.15％的超长纤维分数。
[0090]
在其他实施方案中，非木纸浆具有相对低的细屑度和高游离度，诸如细屑含量小于约2.0％，更优选地小于约1.5％，并且还更优选地小于约1.0％，诸如约0.5至约2.0％。除了具有低细屑含量之外，非木纸浆还可以具有约400ml或更大，诸如约450ml或更大，诸如约500ml或更大的游离度。
[0091]
在其他实施方案中，本发明提供了一种非木纸浆，所述非木纸浆具有约80％或更高，诸如约81％或更高，诸如约82％或更高，诸如约80％至约92％，诸如约80％至约90％，诸如约80％至约85％的亮度。在上述亮度水平下，纸浆可以具有约1.0重量％或更少，诸如约0.90重量％或更少，诸如约0.80重量％或更少，诸如约0至约0.80重量％的碎屑含量。在这
种情况下，碎屑的重量百分比通常相对于干纸浆的重量。
[0092]
在另外的实施方案中，本发明提供了一种非木纸浆，该非木纸浆包含小于约5.0重量％的水溶性提取物，更优选地小于约3.0重量％的水溶性提取物，并且还更优选小于约2.0重量％的水溶性提取物。在将非木质生物质加工成纸浆期间去除水溶性提取物可以改善纤维的漂白，使得漂白的非木材纸浆既具有小于约5.0重量％的低量水溶性提取物，又具有高亮度，诸如至少80％或更高，诸如约80％至约92％的亮度。
[0093]
在其他实施方案中，本发明提供了一种具有高孔隙率，特别是在相对低的拉伸指数下具有高孔隙率的非木纸浆。例如，根据本发明制备的纸浆可以具有约20至约50的拉伸指数和约100cfm或更大的孔隙率，诸如约100至约450cfm的孔隙率。
[0094]
在根据本发明制备的纸浆，特别是未漂白的纸浆中通常观察到的孔隙率的改善可以归因于纸浆纤维的横截面形状。例如，如图6a所示的扫描电子显微镜(sem)图像所示，本发明的未漂白纤维具有圆形横截面形状，具有开放的、未塌陷的内腔。纤维的形状使得片材具有大量的空隙空间，这有利于空气通过片材。另一方面，如图6b所示，本发明的漂白纤维具有更平坦、更矩形的横截面，具有更少的开放的、未塌陷的内腔。这些纤维形成了更致密的片材，具有改善的纤维-纤维结合和增加的拉伸强度，但孔隙率较低。
[0095]
测试方法
[0096]
纸浆手抄纸
[0097]
纸浆的手抄纸是使用valley ironwork实验室手抄纸成形器制备的，尺寸为8.5英寸
×
8.5英寸。将纸浆与蒸馏水混合，以25g纸浆(基于干重)比2l水的比例形成浆料。使用965583型l&w粉碎机以2975
±
25rpm的速度对纸浆/水混合物进行粉碎5分钟。在粉碎后，通过添加4l水来进一步稀释混合物。使用湿法成网手抄纸成形机来形成基重为60克/平方米(gsm)的手抄纸。将手抄纸压在网上，与吸墨纸一起放入压榨机中，并且在每平方英寸75磅的压力下压制一分钟，在蒸汽干燥器上干燥两分钟，并且最后在烘箱中干燥。将手抄纸切成7.5平方英寸，并进行测试。
[0098]
纤维性能
[0099]
纤维性能如长度、粗度、细屑百分比和超长纤维分数通常根据制造商的说明使用optest纤维质量分析仪-360(optest equipment,inc.,hawkesbury,on)来测定。样品通常是通过首先精确称量纸浆样品来制备的。样品质量可以在约10至约50mg(绝干)的范围内，并且可以取自手抄纸或浆板。将称重的样品稀释至已知的稠度(约2至约10mg/l)。将稀释样品的等分试样(通常为200ml)进一步稀释至600ml的最终体积，并放置在分析仪中。然后根据制造商的说明对样品进行分析，并记录分析仪的输出，诸如长度加权平均纤维长度、粗度、长度加权细屑，以及示出给定样品的各种纤维性能分布的直方图。通常，每个报告的纤维性能是三次重复的平均值。
[0100]
纤维质量分析仪的输出用于计算超长纤维(vlf)分数，即6-14.95mm的纤维计数之和除以总纤维计数。通常，仪器输出的bin数据用于确定vlf，该数据提供在给定纤维长度范围内计数的单根纤维的数量。所计数的单根纤维的总数(n)和所计数的具有6mm或更大的长度的单根纤维的总数(n)由bin数据确定。the％vlf＝n/n*100。
[0101]
纤维质量分析仪的输出也用于计算长度加权平均纤维长度(lw)与数均纤维长度(ln)的比。lw和ln由fqa软件使用以下等式计算：
[0102][0103]
其中n和l由仪器在分析样品的过程中确定。长度加权平均纤维长度(lw)与数均纤维长度(ln)的比表示样品的纤维长度分布。较高的比率表示较宽的纤维长度分布。值为1表示样品中的所有纤维都具有相同的长度。
[0104]
使用fqa仪器测量纤维粗度，并在不去除细屑的情况下“原样”测量。使用tappi方法t-240或等效方法测定纸浆样品的稠度，并记录稠度(％)，精确到0.01％。基于测得的稠度，计算并称量产生约0.015g烘干纸浆所需的未干燥样品的量，并记录重量，精确到0.0001g。将称重的未干燥的纸浆转移到英国纸浆粉碎机或等效的纸浆粉碎机中，并且将样品的总体积用去离子水稀释到2升，并根据制造商的说明粉碎15,000转。将粉碎的样品用去离子水进一步稀释至总体积为5升
±
50ml，并记录体积，精确到10ml。通过搅拌来搅动稀释的样品，并将约600克称量到干净的烧杯中。记录称量到烧杯中的样品的质量，精确到0.1g。然后如以下等式所示计算待分析的纸浆样品的烘干重量，并根据制造商的说明进行纤维分析。
[0105][0106]
厚度
[0107]
通常，按照tappi t 205sp-02中所述，对手抄纸进行干燥并准备测试。浆板可以原样进行测试。使用l&w型号代码se 050千分尺或等效工具测量厚度。千分尺具有面积为2.0cm2、下降速度为1.0mm/秒并且压力为50kpa的圆形压力脚。通常，厚度报告为五个样品的平均值。
[0108]
基重
[0109]
通常，按照tappi t 205sp-02中所述，对手抄纸进行干燥并准备测试。浆板可以原样进行测试。通常通过首先使用适当的切割工具将样品切割成约19.05x19.05cm的样品尺寸来测量绝干基重。然后将切割的样品放在预热至105
±
2℃的烘箱中的天平上。一旦样品的重量稳定，就记录重量，精确到0.01克。绝干基重等于测量的重量(w)乘以27.56。
[0110]
孔隙率
[0111]
根据制造商的说明，使用textest fx 3300透气性仪器(textest ag,schwerzenbach,switzerland)测量孔隙率。通常，孔隙率是通过形成如本文所述的特定纸浆的手抄纸，并然后测试所得手抄纸来测量的。当测量手抄纸的孔隙率时，测试压力为2,500pa，并且测试头尺寸为38cm2。测试在tappi条件(50
±
2％相对湿度和72
±
1.8℉)下进行，并在测试前对样品进行过夜预处理。测试样品尺寸优选为至少19.05x19.05cm。
[0112]
拉伸
[0113]
通常，拉伸是通过形成如本文所述的特定纸浆的手抄纸，并然后测试所得手抄纸来测量的。通常，按照tappi t 205sp-02中所述，对手抄纸进行干燥并准备测试。样品在如tappi t 402所述的tappi条件(50
±
2％相对湿度和72
±
1.8℉)下进行预处理和测试。基本上如tappi t 494om-01中所述，使用mts systems sintech 11s，序列号6233拉伸测试仪器进行拉伸测试。数据采集软件为mtswindows 3.10版(mts systems corp.,
research triangle park,nc)。通常，测量五个样品的拉伸强度并取平均值。拉伸强度通常以每单位样品宽度的克力为单位，诸如g/25.4mm。
[0114]
碎屑
[0115]
碎屑通常使用pulmac systems international(williston,vt)的masterscreen
tm
进行测量。masterscreen
tm
是一种低稠度筛选装置，设计用于将纤维与污染物机械分离。masterscreen
tm
配有狭槽尺寸为100μm(0.004英寸)的屏幕(零件号3390p)。t-274中一般描述了使用masterscreen型仪器来筛选纸浆。
[0116]
大约5.0绝干克的纤维用于分析。样品可以取自手抄纸、浆板或湿搭接纸浆。在测试前，将5.0g样品与2l水混合，并使用台式粉碎机以15,000转粉碎。在已知样品的纤维长度超过2mm的某些情况下，可以向稀释的样品中添加阳离子剥离剂如阳离子油烯基咪唑啉，以防止结块或拉丝。在添加剥离剂的那些情况下，通常以160千克剥离剂/绝干公吨纤维的量添加。根据制造商的说明对样品进行筛选，并将不合格品收集在配有150目不锈钢筛网的收集杯中。在初始循环之后运行洗涤循环，以确保由滤网保留的所有碎屑被捕获。最后，用水冲洗收集杯，并将冲洗液收集在烧杯中。使用预称重的过滤垫在真空下过滤烧杯中收集的不合格品和洗涤液。碎屑被收集在过滤垫上，该过滤垫在预热至105℃的烘箱中干燥过夜。将干燥的过滤垫称量，精确到0.01g，并计算碎屑的重量百分比。通常，碎屑以重量％表示，并且是三个样品的平均值。
[0117]
水溶性固体
[0118]
可以使用加速溶剂提取系统(ase)诸如dionex
tm
ase
tm
350(thermo fisher scientific,waltham,ma)来测定总生物质水溶性固体。将大约10克收获的生物质在烘箱中干燥至恒重，通常在125℃下干燥4小时。在干燥后，准确称量大约0.2克绝干生物质，并记录重量(wb)，精确到0.001克。使用水作为溶剂，使用下表3中列出的条件提取生物质。生物质与溶剂的比率通常为100:1，并进行两个连续的水提取循环。
[0119]
表3
[0120]
压力(psi)1500温度(℃)40静态时间(分钟)5循环(次数)2
[0121]
在提取过程结束时，收集液相，在大约80℃的温水浴中真空干燥，并记录干燥材料的重量(wi)，精确到0.001g。水溶性固体的总重量(we)由从提取过程中回收的固体的重量(wi)计算。然后使用以下等式来确定总水溶性固体占绝干生物质的百分比：
[0122][0123]
尺寸分类
[0124]
生物质和蔗渣的相对尺寸以及标称尺寸是使用基本上如tappi useful method 21中所述的tmi chip class
tm
型号71-01(testing machines inc.,new castle,de)使用williams筛析法来确定的，该方法以重量百分比表示保留在一系列具有不同尺寸的筛网上的生物质或蔗渣的相对比例，如下表4所示。
[0125]
表4
[0126][0127]
williams筛分法测量保留在给定筛网上的生物质或蔗渣的纵向或横向尺寸。关于碎片均匀性的两个重要值可以从上述筛选分数数据中获得。第一个值是至少70％的生物质或蔗渣通过的筛网尺寸，即标称尺寸。第二个是每个筛网上碎片的相对分布以及分布最大化时的筛网的相对位置。
[0128]
实施例
[0129]
本发明实施例
[0130]
本发明的纸浆是使用碱性过氧化物机械工艺由丝薇香草丝兰生物质制备的。下表5中汇总了用于制备示例性纸浆的处理步骤。
[0131]
表5
[0132][0133]
使用配备有切割头的收割机将生物质切割成一定尺寸，该切割头被设计成将生物质切割成约10mm的标称长度。使用圆盘刀对收获的生物质进行切割，并使用3/4”筛网对切割的生物质进行筛选。然后将切割的生物质用水稀释至约40％的稠度，并将其进料到压缩比为2:1的andritz 560impressafiner，以在制浆之前提取一部分水溶性固体。随后对提取的生物质进行洗涤、水力筛分，脱水并第二次通过压缩比为2:1的andritz 560impressafiner，以产生蔗渣。所得蔗渣的尺寸分布总结在下表6中。
[0134]
表6
[0135][0136]
使用进料螺杆和鼓风机将蔗渣进料到加压的高稠度精炼机中。在鼓风机处添加浸渍溶液(2％过氧化氢、1.5％氢氧化钠、1％硅酸钠和0.1％dtpa)，以在高稠度精炼之前允许至少30min的保留时间。
[0137]
浸渍的生物质在andritz 36-1cp加压单盘精炼机中纤维化，该精炼机在30-35psi的压力和1800rpm的圆盘转速下操作。精炼稠度在25％至45％的范围内。
[0138]
在高稠度精炼之后，将纸浆喷放到旋风分离器中并排出。喷放管道漂白是通过在喷放管道入口处添加含有3％过氧化氢、2％氢氧化钠、2％硅酸钠和0.2％dtpa的漂白溶液来进行的。保留时间不少于1小时。
[0139]
在使用碱性过氧化物漂白溶液的单阶段漂白之前，在4.25％的进料稠度下对原浆进行双流低稠度精炼。漂白通常在约20％-25％的稠度下进行。将漂白纸浆稀释，将ph值调节至约7.0，通过一系列设备如压力筛、水力旋流器除渣器、微孔筛和双网压榨机进行增稠和清洗。漂白纸浆的纤维和拉伸强度性质总结在下表7和8中。
[0140]
表7
[0141][0142]
表8
[0143][0144]
为了进一步评估本发明纸浆的物理性质，对样品进行不同程度的精炼，并形成为本文所述的手抄纸。如本文所述，对手抄纸进行拉伸和孔隙率测试。拉伸和孔隙率测试的结果总结在下表9中。
[0145]
表9
[0146][0147]
比较实施例1
[0148]
丝薇香草丝兰纸浆的比较样品是使用常规的苏打-蒽醌制浆方法制备的。在约175℃的最高温度下，将丝薇香草丝兰生物质以约7的液体与干纤维比(稠度为约12.5％)用氢氧化钠(烘箱干燥生物质的20重量％)和蒽醌(烘箱干燥生物质的干重的0.3重量％)处理35或40分钟。对所得纸浆进行洗涤和清洗，但不漂白。未漂白纸浆的纤维和拉伸强度性质汇总于下表10中。
[0149]
表10
[0150][0151]
比较实施例2
[0152]
丝薇香草丝兰纸浆的比较样品是使用化学机械制浆工艺制备的，该工艺利用具有机械脱纤维的生物质的酸催化水解以产生纸浆，基本上如美国专利号7,396,434中所述。对纸浆进行洗涤和清洗，但不漂白。未漂白纸浆的纤维和拉伸强度性质汇总于下表11中。
[0153]
表11
[0154][0155][0156]
比较实施例3和4
[0157]
丝薇香草丝兰纸浆的比较样品是使用可购自taizen america(macon,ga)的三阶段非木材制浆工艺制备的。制浆工艺包括机械作用以及化学处理，以使植物材料脱纤维并产生纸浆。通常，使用闸刀式切纸机将纤维切割成约20mm的标称尺寸。将切割的纤维输送至机械磨碎机，并用水稀释至约40％的稠度。将磨碎的纤维输送至碎纸机，并将稠度调节至约30％。将粉碎的纤维机械制浆，向第一碎纸筒中添加7％naoh，并且向第二碎纸筒中添加5％h2o2。对所得纸浆进行洗涤和筛选。未漂白纸浆的纤维和拉伸强度性质汇总于下表12中。
[0158]
进一步漂白如上所述制备的纸浆。漂白纸浆的纤维和拉伸强度性质汇总于下表12中。
[0159]
表12
[0160][0161]
虽然本发明已经就其具体实施方案进行了详细描述，但是将领会的是，本领域技术人员在获得前述内容的理解后可以容易地设想出这些实施方案的替代形式、变型形式和等同方案。因此，本发明的范围应被评估为所附权利要求及其任何等同物以及以下实施方案的范围：
[0162]
实施方案1：一种制造非木纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：提供来源于天门冬科植物的非木质生物质；压缩和浸渍所述生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮，从而产生蔗渣；用苛性碱溶液浸渍所述蔗渣并在第一反应时间内保持所述浸渍，以产生浸渍的蔗渣；在第一精炼条件下精炼所浸渍的蔗渣以产生原浆；以及漂白所述原浆以产生次级纸浆。
[0163]
实施方案2：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述生物质来源于一种或多种草丝兰属植物。
[0164]
实施方案3：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述纸浆来源于一种或多种选自以下的植物：丝薇香草丝兰、小花红丝兰、夜行性草丝兰、江氏草丝兰、薄叶草丝兰、恩氏草丝兰和钝叶草丝兰。
[0165]
实施方案4：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中压缩和浸渍所述生物质的步骤通过压缩比为至少2:1的栓塞螺杆进行。
[0166]
实施方案5：如前述实施方案中任一项所述的方法，所述方法还包括在压缩和浸渍所述生物质的所述步骤之前，将所述生物质切割成在约5.0至约20mm范围内的标称尺寸的步骤。
[0167]
实施方案6：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中压缩和浸渍所述生物质的所述步骤切割所述生物质，使得所述蔗渣的标称尺寸小于约10mm。
[0168]
实施方案7：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述蔗渣的干重计，所述蔗渣具有小于约15重量％的碎屑含量。
[0169]
实施方案8：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述蔗渣的干重计，所述蔗渣的水溶性固体含量为约8重量％或更少。
[0170]
实施方案9：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述苛性碱溶液包含过氧化物、氢氧化钠、硅酸钠和二亚乙基三胺五乙酸(dtpa)。
[0171]
实施方案10：如前述实施方案中任一项所述的方法，所述方法还包括清洗所述原
浆以产生清洗的原浆的步骤，基于所述原浆的干重计，所清洗的原浆具有小于约5重量％的碎屑。
[0172]
实施方案11：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述漂白步骤包括将所述原浆输送到漂白容器并添加第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液。
[0173]
实施方案12：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述次级纸浆的干重计，所述次级纸浆包含约1.0重量％或更少的碎屑。
[0174]
实施方案13：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述次级纸浆具有大于约75％的亮度。
[0175]
实施方案14：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述次级纸浆具有约1.70至约2.50mm的纤维长度、约4.0mg/100至约10.0mg/100m的粗度和约100至约450cfm的孔隙率。
[0176]
实施方案15：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述次级纸浆具有约400至约600ml的游离度。
[0177]
实施方案16：如前述实施方案中任一项所述的方法，其中所述次级纸浆具有小于约2.0％的细屑含量和约400ml或更大的游离度。
[0178]
实施方案17：如前述实施方案中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：收割来源于天门冬科植物的非木质生物质以产生具有第一标称尺寸的收割的生物质，并切割所收割的生物质以产生具有第二标称尺寸的切割的生物质，其中所述第二标称尺寸为约20mm或更小，并且所述第二标称尺寸小于所述第一标称尺寸。
[0179]
实施方案18：如实施方案17所述的方法，其中切割所收割的生物质以产生具有第二标称尺寸的切割的生物质的步骤与压缩和浸渍所述生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮在同一步骤中进行。

技术特征：
1.一种制造非木纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：a.提供来源于天门冬科植物的非木质生物质；b.压缩和浸渍所述生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮，从而产生蔗渣；c.用苛性碱溶液浸渍所述蔗渣并在第一反应时间内保持所述浸渍以产生浸渍的蔗渣；d.在第一精炼条件下精炼所浸渍的蔗渣以产生原浆；以及e.漂白所述原浆以产生次级纸浆。2.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质来源于一种或多种草丝兰属植物。3.如权利要求2所述的方法，其中所述一种或多种植物选自丝薇香草丝兰、小花红丝兰、夜行性草丝兰、江氏草丝兰、薄叶草丝兰、恩氏草丝兰和钝叶草丝兰。4.如权利要求1所述的方法，其中压缩和浸渍所述生物质的步骤通过压缩比为至少2:1的栓塞螺杆进行。5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在压缩和浸渍所述生物质的所述步骤之前，将所述生物质切割成在约5.0至约20mm范围内的标称尺寸的步骤。6.如权利要求1所述的方法，其中压缩和浸渍所述生物质的所述步骤切割所述生物质，使得所述蔗渣的标称尺寸小于约10mm。7.如权利要求1所述的方法，其中基于所述蔗渣的干重计，所述蔗渣具有小于约15重量％的碎屑含量。8.如权利要求1所述的方法，其中基于所述蔗渣的干重计，所述蔗渣的水溶性固体含量为约8重量％或更少。9.如权利要求1所述的方法，其中所述苛性碱溶液包含过氧化物、氢氧化钠、硅酸钠和二亚乙基三胺五乙酸(dtpa)。10.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括清洗所述原浆以产生清洗的原浆的步骤，基于所述原浆的干重计，所清洗的原浆具有小于约5重量％的碎屑。11.如权利要求1所述的方法，其中所述漂白步骤包括将所述原浆输送到漂白容器并添加第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液。12.如权利要求1所述的方法，其中基于所述次级纸浆的干重计，所述次级纸浆包含约1.0重量％或更少的碎屑。13.如权利要求1所述的方法，其中所述次级纸浆具有大于约75％的亮度。14.如权利要求1所述的方法，其中所述次级纸浆具有约1.70至约2.50mm的纤维长度、约4.0mg/100至约10.0mg/100m的粗度和约100至约450cfm的孔隙率。15.如权利要求1所述的方法，其中所述次级纸浆具有约400至约600ml的游离度。16.如权利要求1所述的方法，其中所述次级纸浆具有小于约2.0％的细屑含量和约400ml或更大的游离度。17.如权利要求1所述的方法，其中所述次级纸浆具有约0.10％或更低的超长纤维(vfl)含量。18.一种制造非木纸浆的方法，所述方法包括以下步骤：a.提供来源于天门冬科植物的非木质生物质；b.压缩和浸渍所述生物质以提取水溶性固体并去除一部分生物质表皮，从而产生蔗
渣；c.用第一氢氧化钠碱性过氧化物溶液浸渍所述蔗渣并在第一反应时间内保持所述浸渍以产生浸渍的蔗渣；d.将所浸渍的蔗渣进料到精炼机，所述精炼机包括封装在具有入口和出口的外壳中的精炼盘；e.在第一精炼条件下精炼所浸渍的蔗渣以产生原浆；f.通过所述出口将所述原浆排出精炼室，并将第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液添加到所排出的原浆中；g.清洗所述原浆以产生具有小于约5％的碎屑的清洗的原浆；h.将所清洗的原浆输送到漂白容器；以及i.将第三氢氧化钠碱性过氧化物溶液添加到所述漂白容器中的所清洗的原浆中，以产生漂白的原浆。19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一氢氧化钠碱性过氧化物溶液包含基于所述蔗渣的干重计至少约2％的过氧化物、至少约1.5％的氢氧化钠和至少约1％的稳定剂，所述第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液包含基于所述原浆的干重计至少约3％的过氧化物、至少约2％的氢氧化钠和至少约2％的稳定剂，并且所述第三氢氧化钠碱性过氧化物溶液包含基于所清洗的原浆的干重计至少约5％的过氧化物和4％的氢氧化钠。20.如权利要求18所述的方法，其中所述生物质来源于一种或多种草丝兰属植物。21.如权利要求20所述的方法，其中所述一种或多种植物选自丝薇香草丝兰、小花红丝兰、夜行性草丝兰、江氏草丝兰、薄叶草丝兰、恩氏草丝兰和钝叶草丝兰。22.如权利要求1所述的方法，其中压缩和浸渍所述生物质的步骤通过压缩比为至少2:1的栓塞螺杆进行。23.如权利要求18所述的方法，其中所述精炼机外壳包括超大气压外壳，并且所述精炼步骤包括将稠度为约20％至约60％的所浸渍的蔗渣进料至所述精炼机，并在至少约240kp的压力下进行精炼。24.如权利要求23所述的方法，其中当添加所述第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液时，所述原浆温度为至少约80℃。25.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括在添加所述第二氢氧化钠碱性过氧化物溶液后将所述氢氧化钠碱性过氧化物溶液和所述原浆混合的步骤。26.如权利要求25所述的方法，其中将所述氢氧化钠碱性过氧化物溶液和所述原浆混合至少一小时。27.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括洗涤所漂白的原浆、增稠所漂白的原浆以及向所洗涤和增稠的漂白原浆中添加第四氢氧化钠碱性过氧化物溶液的步骤。

技术总结
公开了非木纸浆，所述非木纸浆具有大于约1.70mm的纤维长度和约80％或更高的亮度。在不损失纤维长度或纸浆产率的情况下实现了相对高的亮度。高亮度和相对长的纤维长度使得所述纸浆非常适合于制造湿法成网纤维产品，特别是湿法成网薄页纸制品。所述纸浆可以由天门冬科植物通过机械制浆制备，并且更优选地通过使用氢氧化钠碱性过氧化物溶液的化学机械制浆制备，其中在漂白前清洗所述原浆以减少碎屑。优选地，所清洗的原浆在漂白前具有小于约5重量％的碎屑。量％的碎屑。量％的碎屑。


技术研发人员：Z
受保护的技术使用者：金伯利-克拉克环球有限公司
技术研发日：2021.11.05
技术公布日：2023/8/9