Verfahren zur Zerfaserung von Lignin-Zellulose-Haterial. hie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerfaserung von Libmin-Zellulose-Material, nini Beispiel Holz.
Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, ein einfaches und billiges Verfahren zur Zerfaserung von Lignin-Zellulose-3#late- rial, zum Beispiel Holz; zu schaffen, um Mine Masse. zum Beispiel zur Herstellung von Papier und Pappe, zu erhalten.
Das Verfahren wird gemäss der Erfin- (lting in der Weise ausgeführt, dass das Ma terial auf über 100 C erhitzt wird und dar auf bei dieser Temperatur in Gegenwart von Feuchtigkeit. zum Beispiel Wasser oder Wasserdampf, unter Vermeidung eines vor bcrgehenden Weichmachens durch Koch- hehandlun- in wässerigen Mitteln zerfasert wird.
Da.,: Verfahren kann in der Weise aus geführt -werden, class Holz oder anderes Li"iiin-Zellulose-@Iaterial auf solche Tempe ratur erhitzt wird, dass der Stoff oder die Stoffe des Materials, die als Bindemittel zwischen den Fasern des Materials dienen, derart geschmolzen oder aufgeweicht werden, dass ihre Fähigkeit, die Fasern zu verbinden, verlorengeht oder - zum mindesten herab gesetzt wird, wodurch die nachfolgende Zer- faserung erleichtert wird.
Das Material, welches in der oben ge nannten Weise erhitzt wird, um das Binde- mittel oder die Bindemittel zu erweichen oder zu schmelzen, kann in dem weichen oder ge schmolzenen Zustande in einer Zerfaserungs- vorrichtung zerfasert werden, die in dem Be hälter oder Kessel angeordnet ist, in dem die genannte Erwärmung ausgeführt wird, oder in direkter Verbindung mit demselben steht.
Das Material, das in der genannten Weise erhitzt und zerfasert wird, kann darauf einer chemischen Behandlung nach einer bekann ten Art unterworfen werden, um die Lignin- stoffe in dem gewünschten Grad aufzulösen.
Die Holzfasern höhenstehender Pflanzen bestehen aus Ligninzellulose. Soweit es bis her festzustellen möglich gewesen ist, scheint der Ligninstoff nicht chemisch mit der Zellu lose der Fasern verbunden zu sein, sondern vielmehr als getrennter Bestandteil vorhan den zu sein. Er dient als Bindeglied zwi schen den Fibrillen der Faserwandungen in ähnlicher Weise, wie ein Mörtel die Mauer steine einer Häuserwand verbindet. Die Fa sern ihrerseits werden durch einen Film, eine Zwischensubstanz, die sogenannte Mittel lamelle, zusammengehalten, deren genaue Zu- sammensetzung nicht bekannt ist.
Bisher wurde sie als identisch mit dem Ligninstoff der Fasern oder doch als nah verwandt mit diesem angesehen.
Die Ergebnisse von Versuchen zeigen aber, dass die Eigenschaften der Mittellamelle in gewisser Beziehung nicht genau die glei chen sind wie diejenigen der Ligninsubstanz, die noch in Holzstoffen vorhanden ist. Es wurde gefunden, dass durch Erhitzung auf eine Temperatur wenig über 100 C die Mittellamelle so viel von ihrer Eigenschaft, die Fasern zusammenzukitten, verliert, dass das Holzmaterial bei derartigen Tempera turen leicht zerfasert werden kann, insbeson dere bei Anwesenheit von Feuchtigkeit.
Bei solchen verhältnismässig niedrigen Temperaturen hat anderseits die Bindung zwischen den Fädchen in den Wandungen der Fasern nicht so viel von ihrer Stärke verloren, dass die Wandungen der einzelnen Fasern während der Zerfaserung des Mate rials zerrissen werden. Um die Wandung der Fasern ohne zu grosse mechanische Zer störung der Fädchen zerreissen zu können, ist es nötig, das Material beträchtlich höher zu erhitzen, auf jeden Fall über 200 C.
Obwohl bei der Zerfaserung von Holz material bei Temperaturen, die wenig über <B>100'</B> C liegen, gute Ergebnisse erzielt wor den sind, wurde gefunden, dass noch beträcht lich bessere Ergebnisse bei höheren Tempe raturen erhalten werden. Die Zerfaserung von Nadelhölzern wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 120' bis ,182 C aus geführt. Die besten Ergebnisse wurden bei Temperaturen zwischen 150 und 172 C er halten, wobei die Zerfaserung von harten Hölzern bei etwas geringeren Temperaturen vorgenommen werden kann.
Die besten Er- gebnisse wurden hierbei zwischen 138' und 172 C erreicht.
Obgleich man auf Grund von Beobach tungen bei Versuchen annehmen kann, dass der Ligninstoff der Mittellamelle seine Ver bindungseigenschaften bei geringeren Tem peraturen verliert, als dies für den Lignin- stoff zutrifft, der die Fibrillen der Faser wände verbindet, können keine Beweise dafür gegeben werden, dass diese beiden Stoffe in chemischer Beziehung verschieden sind.
Da beide Stoffe allgemein unter dem Ausdruck "Ligninstoff des Holzes" zusammengefasst werden, muss besonders auf den oben ge nannten Unterschied in physikalischer Be ziehung hingewiesen werden, um zu klären, welche Wirkungen bei dem Erhitzen ein treten.
Bei dem vorliegenden Zerfaserungsver- fahren besteht die durch das Erhitzen des Materials auf Temperaturen über 100 C in Gegenwart von Feuchtigkeit, zum Beispiel Wasser oder Dampf oder beiden angestrebte Wirkung darin, den Stoff in der Mittel lamelle zu erweichen oder zu schmelzen, und zwar in der gleichen Weise -wie Wachs oder ähnliche Stoffe erweicht oder geschmolzen werden, indem man sie auf Temperaturen erhitzt, die über ihrem Schmelzpunkt liegen.
Obwohl es nicht bekannt ist, ob der Stoff der Mittellamelle wirklich bei erhöhten Tem peraturen schmilzt oder nicht, ist die bei dem Lignin-Zellulose-Material erhaltene Wirkung so, als ob tatsächlich ein Schmelzen statt fände.
Die Annahme, dass Wasser bei höheren Temperaturen das Erweichen oder Schmelzen der Mittellamelle begünstigt, mag richtig oder nicht richtig sein. Da aber durch eine solche Behandlung die einzelnen Fasern ge schmeidiger und weniger steif als in einem vollkommen trockenen Zustand sind, soll Feuchtigkeit zum mindesten in geringem Ausmass bei der Zerfaserung des Materials vorhanden sein.
Es ist besonders typisch für die vorhan denen Verhältnisse, .dass eine Erhitzung von zehn, Minuten gegeia eine solche -von einer Minute keine beträchtlichen Unterschiede in bezug auf die Ergebnisse zeitigt, voraus gesetzt natürlich, dass gleiche Endtempera- turen angewendet werden.
Nach einer ausgedehnten Behandlung von Ligiiin-Zellulose-Materialien bei höheren Temperaturen und Anwesenheit von Wasser oder Dampf oder beiden, haben die Mate rialien durch das Ausziehen harzartiger und Gummiartiger Stoffe und anderer, im Was ser löslicher Bestandteile an Gewicht ver loren. Durch Hydrolyse wird der Betrag der im Wasser löslichen Substanzen vergrössert, und im gewissen Grad werden umsomehr wasserlösliche Substanzen ausgezogen, je länger eine derartige Behandlung des Mate rials dauert. Wenn Lignin-Zellulose-Mate- rial gekocht und mit Wasser bei Tempera turen über 1.00 C ausgezogen wird, verliert.
das Material ungefähr<B>10%</B> an Gewicht gegenüber dem ursprünglichen trockenen Material.
Durch wissenselia ftliche Untersuchungen und durch die Praxis ist bekannt geworden, dass nach dem Dämpfen oder Kochen mit Wasser während einer ziemlich langen Zeit, zum Beispiel einer Stunde oder mehr, Lignin- Zellulose-Materialien durch mechanische Mit tel und Verfahren, wie Schleifen oder Schla gen, leichter zerfasert oder zerrissen werden können, als Materialien, die nicht in der artiger Weise behandelt wurden.
Es ist aber nicht bekannt. geworden, dass bei erhöhten Temperaturen, vorzugsweise zwischen<B>132'</B> und<B>182'</B> C. die Mittellamelle ohne längere Erhitzung in einem solchen Mass aufgeweicht wird, dass das Material mit einfachen Mitteln zerfasert werden kann, ohne dass die Faser wandungen selbst zerstört werden.
Die Zerfaserung von Lignin-ZPllulose- Material, zum Beispiel Holz, kann beispiels weise in folgender Weise ausgeführt werden: Das Material wird durch Rührschaufeln oder durch Schleifen in Stücke von einer Länge in Richtung der Fasern von ungefähr 25 mm und in andern Richtungen von un gefähr 12 bis 25 mm aufgeteilt. Das Mate rial, dessen Feuchtigkeitsgehalt vorzugsweise nicht 60 Gewichtsprozent überschreiten sollte, wird dann in einen Behälter ein geführt,
zum Beispiel mit Hilfe einer fort laufend arbeitenden Fördervorrichtung. Im Behälter wird es der Wirkung von Dampf unter einem Druck von vorzugsweise 4 atm oder höher ausgesetzt. Der Dampfdruck sollte nicht geringer als 3 atm sein. Seine Höhe richtet sich nach der Art des Mate rials des gewünschten Faserbreies. Die Dampftemperatur soll vorzugsweise 5,5 bis 11 C höher sein als die Temperatur, bei der die Zerfaserung vor sich gehen soll.
Der Dampf tritt in die Poren des Mate rials ein und kondensiert im Innern .der selben. Da die Wärmeübertragung von dem Dampf auf das Material bei der Konden sationstemperatur vor sich geht, findet eine .#chnelle Erhitzung statt, und die benötigte Zeit liegt nicht über 20 bis 4:0 Sekunden, sie hängt von dem ursprünglichen Feuchtigkeits- gehalt und der ursprünglichen Temperatur des Materials ab.
Material, das einen anfäng lichen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, der höher als<B>50%</B> ist und eine -Temperatur unter dem Gefrierpunkt des Wassers aufweist, benötigt eine längere Zeit, bis seine Temperatur in dem gewünschten Mass erhöht ist.
Nach dem Erhitzen soll die Zerfaserung sobald als möglich stattfinden, um ungün stige Einwirkungen auf das Material bei der erhöhten Temperatur zu vermeiden. Wenn die ungünstigen Wirkungen einer längeren Erwärmung des Materials von geringer Be einflussung auf die Eigenschaften des End produktes sind, kann die Zerfaserung so lange hinausgeschoben werden, als es aus technischen oder mechanischen Gründen not wendig ist.
Die Erhitzung des Materials durch die Kondensation des Dampfes erhöht den Feuch tigkeitsgehalt. Da die Dampfmenge, die zur Erhitzung des Materials benötigt wird, zwi schen einem halben kg oder weniger bis zu zwei kg pro kg trockenes Material ,"chwankenkann, wobei die Menge von dem ursprünglichen Zustande oder- vom Material abhängt, kann der Feuchtigkeitsgehalt des Materials nach Beendigung des Erhitzens zwischen 55 und 7,5% liegen.
Gemäss der beschriebenen Arbeitsweise findet die Zerfaserung in Gegenwart von nur geringen Wassermengen statt. Es ist jedoch auch möglich, um die Auslaugung des Ma terials nach der Zerfaserung zu erleichtern, das Verfahren in Gegenwart von solchen Wassermengen auszuführen, dass die Masse eine mehr oder weniger dickflüssige Flüssig keit bildet. In dieser Weise kann es vorteil haft sein, die Zerfaserung in Gegenwart von starken Wassermengen auszuführen, um, wenn gewünscht wird, einen Teil der Be standteile des Materials chemisch aufzulösen.
Dies kann dadurch bewirkt werden, dass im Wässer bestimmte geeignete Chemikalien, zum Beispiel Alkalien, bestimmte Schwefel- ogydverbindungen in Anwesenheit von Cal ciumsalzen oder dergleichen, Reduziermitteln oder Bleichmitteln usw. aufgelöst werden. Durch diese Mittel ist es möglich, einen leicht farbigen Wasserbrei zu erhalten. Diese Arbeitsweise kann auch angewendet werden, wenn es wünschenswert ist, gewisse im Material vorhandene Bestandteile, zum Bei spiel Gerbsäuren und dergleichen, auszu ziehen.
Eine andere Art der Zerfaserung von Lignin-Zellulose-Material :bei hohen Tempe raturen besteht darin, das Verfahren in Gegenwart von geringen Wassermengen, zum Beispiel 7 kg Wasser auf 1 kg trockenes Material, in der beschriebenen Weise zu be ginnen, wonach die Zerfaserung in Gegen wart grösserer Wassermengen, zum Beispiel im Bereich von 10 bis 100 Teilen Wasser auf einen Teil trockenes Material, fortgesetzt wird.
Die für die Zerfaserung des erhitzten Materials benötigte Kraft wird umao ge ringer sein, je geringer die vorhandene Wassermenge ist.
Wenn die vorhandene Wassermenge 7 kg nicht überschreitet, zum Beispiel 1 bis 3 kg pro kg Material beträgt, hat die Mischung insbesondere nach beendeter Zerfaserung- -das Aussehen einer ziemlich trockenen Paste und besitzt keine so grosse Viskosität, dass sie mit Erfolg in Zer- faserungs- oder Schleifvorrichtungen, wie Schlag- oder Schleifmaschinen (Jordan-Ma.- schinen, Scheibenwerke) behandelt werden könnte, da derartige Vorrichtungen eine Wassermenge verlangen, die 1.2 bis 40 kg pro kg trockenes Material beträgt.
Ander seits kann die Zerfaserung des Materials mit Vorrichtungen, wie Kollergängen, Kugel oder Stabmühlen oder dergleichen ausgeführt werden, wenn das Material in einem ziemlich trockenen Zustand ist.
Vorrichtungen der .genannten Art und anderer Arten, die gewöhnlich bei der Her stellung oder Behandlung von Faserstoffen für die Papier-, Pappe- und dergleichen Industrien benutzt werden, arbeiten nach einem Prinzip, gemäss dem die Teilchen des Materials mehr oder weniger zwischen zwei Flächen aus hartem Stoff, die relativ zuein ander bewegt werden, zermahlen oder zer drückt werden.
Obwohl gute Ergebnisse mit Vorrichtun gen der benannten Arten erhalten werden können, wurde gefunden, dass das Material, das in der genannten Weise erhitzt wurde, mit grossem Erfolg in einer Vorrichtung be handelt werden kann, die eine völlig ver schiedene Wirkung auf das Material ausübt.
In dieser Vorrichtung wird das Material durch Zentrifugalbewegung einer lebhaften Durcheinanderbewegung und Knetbewegung unterworfen, derart, dass die Zerfaserung hauptsächlich infolge innerer Reibung zwi- sehen den Teilchen des Materials erfolgt.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel einer derartigen Vorrichtung, die be sonders für die Ausführung der Zerfaserung g o emäss der Erfindung geeignet ist, dar gestellt.
Fig. 1 und 2 zeigen die Vorrichtung in Quer- und Längsschnitt, und zwar Fig. 1 gemäss der Linie I-I der Fig. \?, und Fig. 2 gemäss .der Linie 11-II der Fig. 1. Die Vorrichtung weist einen zylin-. drischen - Kessel ' auf, der . durch Seiten- wände 3 und 4 abgeschlossen ist. Innerhalb des Kessels 2 liegt konzentrisch mit der Achse desselben eine Einrichtung, die von aussen gedreht werden kann.
Diese Einrich tung, die dem rotierenden Teil eines Schlag werkes einer Hammermühle ähnlich ist, weist eine Welle 5 und bewegliche Schaufeln 6 auf, Die Schaufeln sind auf Achsen 7 befestigt, die parallel zur Welle 5 in Naben,8 liegen, die ihrerseits auf der Welle 5 befestigt sind. Die Innenwandung des zylindrischen Kes sels \? ist mit stangenartigen Organen 9 ver- ehen, die verhindern sollen, dass das ein geschlossene Material der Bewegung des rotierenden Teils folgt.
Das Material wird bei der Drehbewegung gegen die Wandung des Kessels und dann gegen und zwischen die Schaufeln 6 geworfen, so dass eine gün stige Durcheinanderbewegung des Materials eintritt. Die Wirkung der Vorrichtung ist ähnlich der einer Teigknetmaschine. Die Zerfaserung wird im wesentlichen durch die Reib- oder Knetwirkung der rotierenden Schaufeln 6 und durch innere Reibung zwi schen den Teilen des Materials, die durch die lebhafte Durcheinanderbewegung des selben entsteht, erzielt.
Es ist nicht unbedingt notwendig, dass die Schaufeln des rotierenden Teils beweg lich sind. Indessen ist dies erwünscht, da die Wirkung der Schaufeln auf das Material durch bewegliche Anordnung milder ist, als wenn die Schaufeln unbeweglich an dem rotierenden Teil festsitzen.
Um eine noch grössere Zerfaserungswir- kung zu erhalten, kann der Kessel mit zwei oder mehr rotierenden Einrichtungen der be- #chriebenen Art versehen sein.
Schleif- und Zerfaserungsvorrichtungen für Lignin-Zellu- lose-Materialien der bisher bekannten Arten, insbesondere des Jordan- oder Holländer Typs, benötigen eine grosse Antriebskraft für die Durchführung des Zerfaserungsvor- ga.nges, da einerseits die Schleifflächen in so dichtem Kontakt miteinander sind, dass .rosse Energiebeträge nicht für die Zerfase- rung benutzt, sondern in Wärme infolge Rei bung zwischen den genannten Flächen um- gesetzt werden,
und da ferner beträchtliche Energiebeträge durch die innere Reibung in der grossen Wassermasse verloren gehen, die gewöhnlich in derartigen Vorrichtungen vorhanden ist, wobei die Reihung ein Er gebnis der durch die beweglichen Teile er zeugten Ströme ist. Die oben beschriebene Zerfaserungsvorrichtung verbraucht keine Energie infolge unmittelbarer Reibung zwi- sehen beweglichen und festen Teilen, ausser der nicht vermeidbaren Reibungsverluste, die in' Lagern und Stopfbüchsen auftreten. Ausserdem ist eine Leistungsersparnis er zielbar, wenn die Zerfaserung bei Vorhanden sein eines geringen Wasserbetrages durch geführt wird.
Versuche haben gezeigt, dass Astknoten und andere feste Teile des Holzes leicht durch das neue Verfahren zerfasert werden, insbesondere wenn dies in einer Vorrichtung der beschriebenen Art ausgeführt wird. Dies kommt daher, weil die Stoffe, die die Fasern der dichten Astteile des Holzes miteinander verbinden, genau so leicht aufgeweicht wer den, wie diejenigen der mehr porösen Teile des Holzes, wie zum Beispiel des Frühlings und Sommerholzes. Wenn Fichtenzweige von 12 bis 35 mm im Durchmesser, die in Längen von 25 bis 7-5 mm geschnitten sind, und Holzteile aus dem Stamm des Baumes unter denselben Bedingungen zerfasert werden, wurde ein Unterschied bei der Zerfaserung nicht bemerkt.
Wenn das Fasermaterial für die Herstel lung von Wandplatten benutzt werden soll, kann der Zerfaserungsprozess früher unter brochen werden, als wenn die Fasern für die Herstellung von Papier, Kartonpappe oder dergleichen dienen sollen. Wenn nötig, kön nen Teile, die nicht zerfasert sind, durch Absieben ausgeschieden und in die Zerfase- rungsvorrichtung zurückgebracht werden.
Nach Beendigung der Zerfaserung wird der Faserbrei aus der Vorrichtung abgezogen. Dies kann dadurch bewirkt werden, da.ss das zerfaserte Material nach einer Öffnung in der Vorrichtung befördert wird, wo es durch den Überdruck nach aussen geblasen wird. Eine bessere Arbeitsweise besteht darin, das zerfaserte Material in .dem untern Teil der Vorrichtung mit Wasser zu mischen und die Mischung durch eine Öffnung, deren Grösse vorzugsweise einstellbar ist, abzuziehen.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf die beschriebenen Ausführungsformen be schränkt, sondern kann in verschiedenster Hinsicht ausgeführt werden, ohne dass man sich von dem Prinzip derselben entfernt.