Mekaniske masser NTNU. Forelesning i fag TKP4125 Treforedling, grunnkurs. Våren

Transkript

1 Mekaniske masser Forelesning i fag TKP4125 Treforedling, grunnkurs Våren 2006 NTNU

2 2 Mekanisk masse Mekanisk energi brukes for å skille fibrene fra hverandre Høyt energiforbruk, kwh/tonn Bruker ikke kjemikalier til defibreringen Inneholder mye finstoff (partikler <200 mesh/74 µm) Ikke-bindende (partikulært) fra midtlamell og primærvegg Bindende (fibrillært) fra sekundærvegg Inneholder mye skadde fiber og fiberbiter Fibrene er fibrillert ( utviklet ) med et rufsete utseende Høyt utbytte, 95-98% Slipmasse TMP

3 3 Fordeler ved mekanisk masse Høyt utbytte (>90%) Høy lysspredning og opasitet lave flatevekter Lav arkdensitet høy bulk og stivhet Slett arkoverflate gode trykkegenskaper God dimensjonsstabilitet pga. høyt lignininnhold Lave kapital- og produksjonskostnader

4 4 Ulemper med mekanisk masse Meget energikrevende Dårlig aldringsstabilitet Lav arkstyrke (særlig rivstyrke) ikek egnet til emballasje Harpiks Vanskelig å bleke til full lyshet

5 5 Terminologi GW, SGW, GWP: Slipmasse (steinslipmasse) Sliping av stokker (kubb) ved atmosfæretrykk, T < 100 C TGW: Termoslipmasse Sliping av stokker (kubb) ved T 100 C PGW, PGW-S: Trykkslipmasse Sliping av stokker (kubb) ved T > 100 C, trykksatt RMP: Raffinørmasse Samlebetegnelse på alle masser framstilt i raffinør Ofte begrenset til masse raffinert ved atmosfæretrykk TMP: Termomekanisk masse Masse raffinert ved T > 100 C, trykksatt

6 6 Karakterisering av mekanisk masse Arkstyrke (slit, riv) Lyshet (Overflatejevnhet) Freeness Fiberlengdefordeling

7 7 Freeness Massens avvanningshastighet Enhet: ml CSF (Canadian Standard Freeness) Avhenger av fiberlengdefordeling, finstoffinnhold og fibrilleringsgrad (grad av rufsethet ) Korrelerer bra med massens arkegenskaper Viktig for papirmaskinens hastighet og kjørbarhet i våtenden Brukes ofte som kvalitetsmål/styringsparameter

8 8 Schopper-Riegler Freeness brukes som regel for å karakterisere mekaniske masser I Europa brukes gjerne Schopper-Riegler avvanningsmotstand for kjemiske masser Schopper-Riegler brukes også for f.eks. returmasse i Tyskland Det er en invers sammenheng mellom ml CSF og SR

9 9 Freeness og masseegenskaper Masser med høy freeness er lite bearbeidet Lite fibrillerte, lavt innhold av finstoff Masser med høy freeness drenerer raskt Gir god avvanning på papirmaskinen Masser med høy freeness har som regel lavere arkstyrke Lite finstoff og fibriller gir dårligere binding mellom fibre

10 10 Energiforbruk kwh/tonn TMP 2500 Slip Freeness

11 11 Fiberlengdefordeling Finstoff bidrar til fiberbinding og lysspredning Fibrillerte fiber binder godt sammen i arket Fibre med ~30% lignin er relativt stive og sveller dårlig Fiberlengdefordelingen er en viktig parameter for å karakterisere mekaniske masser

12 12 Fiberlengdefordeling analyse Klassisk metode: Bauer McNett-fraksjonering Masseprøven tilsettes i øverste kammer, vann tilsettes med røring, gradvis finere silplater Normale silplategraderinger: 14 (evt. 15) mesh 28 (evt. 30) mesh 48 (evt. 50) mesh 100 mesh 200 mesh Mesh: Tråder pr. tomme

13 13 Fiberfraksjoner BMcN-fraksjon Silåpning Klassifisering Fraksjonen som holdes igjen av en 14 (15) mesh silplate i Bauer McNett-apparaturen Fraksjonen som holdes igjen av en 28 (30) mesh silplate i Bauer McNett-apparaturen Fraksjonen som holdes igjen av en 48 (50) mesh silplate i Bauer McNett-apparaturen Fraksjonen som holdes igjen av en 100 mesh silplate i Bauer McNett-apparaturen Fraksjonen som holdes igjen av en 200 mesh silplate i Bauer McNett-apparaturen Fraksjonen som passerer en 200 mesh silplate i Bauer McNett-apparaturen 1,19 mm Grovfiber 0,595 mm Langfiber Intakte fiber 0,297 mm 0,149 mm 0,074 mm Mellomfraksjon Finstoff Intakte fiber og fiberknipper Fiberbiter Avskrellet materiale fra fiberveggen

14 14 Lyshet Måles som mengde reflektert diffust lys relativt til en hvitstandard Eksempler på lyshetsverdier TMP, ublekt: %ISO Granved, slipmasse: %ISO Ubestrøket magasinpapir: %ISO Kontorpapir: ca. 85% ISO Fullblekt kjemisk masse: %ISO

15 15 Bruksområder for mekanisk masse Avispapir Lavkostprodukt % mek.masse, ml CSF Magasinpapir Noe foredlet sml. avis SC (superkalandrert): 60-80% mek.masse, ml CSF LWC (bestrøket): 45-70% mek.masse, ml CSF, bestrøket Kartong Bør ha stive fibre for å gi god bulk (lav densitet) TMP el. CTMP, ml CSF Mykpapir Bør inneholde lite finstoff 0-60% mek.masse, TMP (ca. 150 ml CSF) eller CTMP (ca. 600 ml CSF) Fluffmasse Stive fibre, lite finstoff, lite harpiks 75% mek.masse, ml CSF

16 Framstilling av mekaniske masser NTNU

17 17 Slipmasse Stokker kuttes til ca. 1.5 meter lengde ( kubb ) Presses mot roterende slipestein Grad av mekanisk bearbeiding avgjøres av Slipetrykk/matehastighet Steinens kornstørrelse Steinens skarphet Fibrene går fra steinen ned i trauet og videre i prosessen

18 18 Grovrejekt Slipmasse inneholder fiberbunter og vedbiter som ikke er tilstrekkelig defibrert Siles fra og etterbehandles i hammermølle eller raffinør

19 19 Slipesteinen og steinskjerping En moderne slipestein består av keramiske segmenter boltet på en betongkjerne Ved bruk vil slipekornene rundes av og sløves Fører til økt energiforbruk for å nå samme freeness Slipesteinen skjerpes med jevne mellomrom Får fram friske korn Kan delvis erstattes av høytrykksspyling for å fjerne harpiks o.l.

20 20 Trykksliping Sliping under trykksatte betingelser Energi kan delvis gjenvinnes som damp Høyere langfiberandel Bedre styrke

21 21 Raffinørmasser Framstilles fra flis i en skiveraffinør Opprinnelig utviklet for framstilling av fiberplater Flisa mates inn i senter av kontraroterende skiver Normalt en roterende, en stasjonær, men også dobbeltroterende raffinører forekommer Brytes opp til fiber og bearbeides på vei ut til periferien

22 22 Trykksatt raffinering, TMP Klart den vanligste prosessen Gir økt andel av spillvarmen som damp (gjenvinnbar energi) Høyere langfiberandel enn slipmasse Sterkere masse Dårligere overflateegenskaper Kan bruke flis som råstoff Større problemer med furu sml. slip-prosessen Høyt energiforbruk for å nå samme freeness

23 23 Prosessbetingelser Forvarmingstid Tradisjonelt: 2-3 min., bar damptrykk Alternativt: 30 min., 90 C, deretter 2-3 sek. nær raffinørens innløpstemperatur Raffineringstemperatur/damptrykk Hustrykk 3-5 bar ( C) Antatt temperatur mellom skivene C Andre regulerbare parametre Spevann Malespalt energiforbruk

24 24 Raffinørskivene Hjertet i raffinørprosessen Forhøyningene i skivene kalles bommer eller kniver Avstand mellom platene er 0.1mm Skivemønster er under stadig utvikling

25 25 Forvarming og fiberseparasjon Fiberseparasjon bør skje omtrent mellom P og S2 For sterk forvarming og mykgjøring av ligninet gir fiberseparasjon i ML og en fiber som er dekket av lignin og dårlig fibrillert Dårlig binding Mørk farge For lite forvarming og mykgjøring gir fiberseparasjon i S2 og for stor andel skadde fibre Lav styrke Harde løvvedslag (bjørk, bøk, eukalyptus) er ikke egnet som råstoff For omfattende fiberskader Normalt råstoff: Barved Noen løvtrær (eks. osp) kan brukes

26 26 Latency Etter raffinøren er fibrene krøllet av den mekaniske behandlingen Bråkjøling fører til at den krøllete formet opprettholdes Fører til lavere arkstyrke Ved dispergering i varmt vann ( latencybehandling ) vil ligninet mykgjøres og fiberen retter seg ut Det latente styrkepotensialet frigis Slipmasse har ikke latency pga. oppholdet i trauet Kjemisk fiber har ikke latency pga. det lave lignininnholdet

27 27 Flis og grovfiber Etter raffineringen inneholder massen en del flis ( spet ; ikke defibrerte fiberbunter) og fiber som ikke har blitt tilstrekkelig utviklet ( grovfiber ) Disse separeres fra i et sileri Fortykkes Raffineres på nytt i en rejektraffinør Tilbakeføres til hovedlinja

28 28 Kjemimekaniske masser Framstilles ved en kombinasjon av kjemisk forbehandling og mekanisk defibrering Mykgjør ligninet, noe av ligninet løses ut fra fiberen Ligninets mykningstemperatur synker med økende forbehandling Ved omfattende forbehandling vil ligninet bli hydrofilt og bidra til fibersvellingen Normalt brukes alkali, sulfitt eller en kombinasjon av disse Det finnes svovelfrie prosesser f.eks. basert på peroksid

29 29 Egenskapsendringer Rivindeks (Nm 2 /kg) Slitindeks (knm/kg) E-modul (N/m 2 ) Utbytte, % Utbytte, % Utbytte, %

30 30 Hvorfor kjemimekanisk? For å kunne lage mekaniske masser fra løvved For å forbedre enkelte egenskaper Styrke Absorpsjonsevne Flisinnhold Renhet For å kunne lage armeringsmasse i høye utbytter

31 31 Terminologi CTMP: Kjemitermomekanisk masse Først kjemikalieimpregnering, deretter trykksatt raffinering Mild forbehandling, svak mykgjøring av ligninet Utbytte 90-95% CMP: Kjemimekanisk masse Kjemikalieimpregnering fulgt av atmosfærisk raffinering Moderat forbehandling, endel mykgjøring av ligninet Utbytte 80-90% BC(T)MP: Blekt C(T)MP Blekt i et eget bleketrinn etter raffineringen APMP: Alkaline Peroxide Mechanical Pulp En type BCTMP framstilt ved forbehandling med peroksid. Ikke etterbleking NSSC: Nøytralsulfitt halvkjemisk masse Omfattende forbehandling/lett koking med sulfittløsning, deretter atmosfærisk raffinering Utbytte 70-85%

32 32 Bruksområder Trykkpapir Billig erstatning for barvedsulfatmasse som forsterkningsfiber Billig erstatning for løvvedsulfatmasse i rimelige kvaliteter som kopipapir Finpapir Bedre lyshet og lyshetsstabilitet enn mekaniske masser Dårligere lyshet og lyshetsstabilitet enn kjemisk masse Mykpapir, fluffmasser Meget godt egnet pga. lavt finstoffinnhold og lavt harpiksinnhold Kartong Meget godt egnet pga. lavt finstoffinnhold og høy fiberstivhet Fluting ( bølgen i bølgepapp) NSSC er spesielt godt egnet til fluting pga. meget høy bøyestivhet

33 33 Prosessbetingelser Prosess Raffinering Vedslag Impregnering Forvarming Utbytte Barved 1-5% Na 2 SO min C 91-96% CTMP Trykksatt Løvved 0-3% Na 2 SO 3 1-7% NaOH 0-5 min C 89-95% CMP Trykksatt eller atmosfærisk Barved 12-20% Na 2 SO min C Løvved 10-15% Na 2 SO min C 87-91% 80-88%

34 34 Fiberseparasjon Mykgjøringen gir en større andel uskadde fibre enn for TMP Det lave finstoffinnholdet og den relativt intakte fiberen fører til et høyt energiforbruk for å nå lav freeness Høyere energiforbruk enn ved TMP-raffinering for lavfreenesskvaliteter

35 35 Sammendrag Mekaniske masser har høyt utbytte og lav styrke/lyshet Framstilles ved mekanisk defibrering Egnet til billige papirkvaliteter Gir meget slett papiroverflate, godt egnet til trykking Hovedmetoder: Slip og TMP Kjemimekaniske masser har spesielle egenskaper Framstilles ved en kombinasjon av kjemikaliebehandling og mekanisk defibrering