專利名稱：超聲波在造紙中的應用的制作方法
本專利申請涉及在造紙過程中運用超聲能以獲取重大的效益。在此是將超聲能加到通常稱之為短白水系統(tǒng)，即一個或多個網(wǎng)前箱和該白水系統(tǒng)內(nèi)的白水槽和白水罐中的那部分生產(chǎn)過程中。白水是在金屬絲網(wǎng)部分分離出來，并用以將紙料稀釋到要求的稠度的。此外，還將超聲能加到清洗系統(tǒng)中，該系統(tǒng)是用來清洗金屬絲網(wǎng)和壓氈，以保持其徹底清潔，防止其阻塞，以便在造紙的那些生產(chǎn)過程中取得較高的、固定不變的脫水量。簡言之，這意味著改進紙的質量、增加紙的組分的出產(chǎn)量、減少蒸氣消耗并增加每臺造紙機的產(chǎn)量。
將超聲能加到白水系統(tǒng)中是為了防止在紙中形成纖維絮凝塊并防止微生物繁殖，微生物繁殖會導致形成粘漿團塊，粘漿團塊與纖維團塊結合就會引起生產(chǎn)中斷和停機刷洗從而損失生產(chǎn)時間。在某些情況下，當發(fā)現(xiàn)加入白水系統(tǒng)的某一生料中已有微生物污染時，就有必要在該生料中也加超聲能，以防止這一污染源的擴展。
過去有人曾在紙漿和造紙工業(yè)中利用過超聲能，但限于用在紙漿生產(chǎn)并局限在紙料制備系統(tǒng)，在造紙機前面很遠的地方加超聲能。
專利GBA1577664描述了利用超聲能除去樹脂的方法，它是從用特種木材制造的紙漿中除去很難處理的一種樹脂，這種樹脂沉積在造紙機的不同部件而引起了很大的問題。因此，該專利提出的問題是與本專利完全不同的，而且它是在造紙機前面很遠的地方加超聲能的。
Derwent文摘No.82-97003E/45，SU896130描述了一種方法，它是將超聲能加在篩濾紙漿的高稠度粗篩上，專門用來防止形成纖維結，也就是說，它是加在造紙機前面很遠的地方的。
Derwent文摘No.82-85514E/40，SU887610描述了在紙料制備中利用超聲能的方法，目的是改進紙料的染色，它也是在造紙機前面很遠的地方加超聲能的。該專利描述的是批次加工方法，它沒有預見能用在連續(xù)生產(chǎn)過程上。
Derwent文摘No.81-17053/D，SU746012描述的也是在紙料制備中間隙加工處理的方法，它是用超聲能幫助在紙料中加進石蠟分散劑和共聚物以便生產(chǎn)出具有改進機械強度和斥水性能的紙張。
另外，從Tappi雜志第77卷第3期獲悉，超聲能還可用來改善回收纖維紙料的脫墨，這種回收紙料是用激光打印過的紙做成的，激光打印的紙意味著有機調色劑是用高溫固結在紙面上的，因此非常難以除去。
在上述各項工藝方法中使用超聲能所要解決的問題與本專利迥然不同，所涉及的工藝過程也不相同，例如是用在將木材和再生纖維制造紙漿和制備紙料等遠離實際造紙過程的場合。
利用超聲能來解決本專利申請所涵蓋的問題是上述出版物所始料不及的，也不是本領域的專家能一目了然的。對經(jīng)濟的影響因纖維的絮凝作用所造成的紙張中的纖維分布不均是相當多的。統(tǒng)計的纖維重量的波動，當用面積為23.5平方毫米的紙團進行測試時為7-10％，而當用傳統(tǒng)的20000平方毫米的紙團測試時為0.5-0.8％。因此，如果能消滅或減少纖維的絮凝作用就可獲得巨大的效益，消滅或減少纖維絮凝作用本身還能以較小的單位面積重量而達到同樣的強度指標。對瑞典的紙張市場來說，單位面積的重量每減少1％，總的獲益潛力為350,625,000瑞典克朗。
由于消滅了粘漿團和纖維附聚團而減少中斷或停機清洗次數(shù)，可給瑞典造紙業(yè)每年帶來730,000,000瑞典克朗的直接利益，此外還有環(huán)境利益，這是因為不用污染環(huán)境的化學品來控制粘漿團。
由于金屬絲網(wǎng)工段和干燥工段改進了脫水而對利益產(chǎn)生的影響也很可觀。全部壓氈的連續(xù)清洗，可使在壓制工序以后干固體含量提高0.4-0.5％。干固體含量提高0.5％，相當于可能增加生產(chǎn)量2.21％，相當于給瑞典造紙工業(yè)提供每年620,000,000瑞典克朗的潛在獲益。設備描述

圖1為帶有空氣墊并裝有適于本發(fā)明使用的超聲振子1的網(wǎng)前箱的部分剖面輪廓簡圖。
圖2-5為裝有適于本發(fā)明使用的超聲振子1的幾種不同的液壓網(wǎng)前箱的部分剖面輪廓簡圖。
圖6為裝有適于本發(fā)明使用的超聲振子1的雙層液壓網(wǎng)前箱。
圖7為一種網(wǎng)前箱，其中空心滾筒已被裝有適于本發(fā)明使用的超聲振子1的浸入式單元所代替。
圖8、圖9為裝有適于本發(fā)明使用的超聲振子1的金屬絲網(wǎng)和壓氈清洗系統(tǒng)的實施例。
上述設施只是為說明本發(fā)明如何實施的例子，在本發(fā)明的領域內(nèi)還可能有其他的實施方法。絮凝作用的防止在造紙過程中，人們試圖用各種機械設備來防止從網(wǎng)前箱流向改良型金屬絲長網(wǎng)的纖維懸浮液中產(chǎn)生絮凝塊，以便在最終的紙張產(chǎn)品中纖維和填充物的分布盡可能地均勻。絮凝塊是由纖維和填充物構成的，但最初是由纖維形成的。紙漿的稠度愈高，勻漿程度愈高，纖維長度愈長，絮凝塊也就愈多，這就迫使紙的生產(chǎn)者在生產(chǎn)例如牛皮紙(sack paper)時使用非常低的稠度。絮凝塊的尺寸和形狀可很容易地用觀察紙張半透明光線的辦法來確定。紙的較暗部分就代表著絮凝塊，在它們之間有比較亮的部分。因此紙就由較大單位面積重量的較暗部分和較小單位面積重量的較亮部分所構成。紙的機械強度特性是隨著單位面積重量的高低而增減。這意味著紙的強度特性是受紙的較暗部分中間的較亮部分所左右的。在絮凝塊中，填充物和纖維的保持量，特別是細料的保持量較高，而在較亮部分，它們則傾向于隨著白水從造紙機的銅網(wǎng)部即金屬絲網(wǎng)和壓制工段排走。
因此，絮凝作用的減少，紙的生產(chǎn)者稱之為結構的改進，就會導致或者以同樣的單位面積纖維重量而制得強度特性更好的紙張，或者以單位面積中較少的纖維而制得具有同樣強度特性的紙張。因此，結構的改進就使提高纖維的出產(chǎn)量成為可能，而這本身就能更好地節(jié)省生料。絮凝塊中還含有更多的水分并會降低在金屬絲網(wǎng)以及壓制工段的脫水率，這本身就會導致增加在壓制工段被壓破的傾向，這是由于有較多的水要從紙張上分離從而使水流太快而引起的，水流太快就會把纖維撕開而脫離紙張，當液壓足夠大時就會造成一次中斷。為了減少中斷次數(shù)，就不得不在壓制中使用較低的壓力，這樣就會減少從壓制上段出來進入干燥工段的紙中的干固體物質的含量。這本身就會導致每噸的蒸汽消耗量增大，還會降低必要的生產(chǎn)速度，除非你加大干燥工段的能力?？偠灾?，改進的結構會帶來生料和能量的經(jīng)營管理改善，并使增加單位時間產(chǎn)量成為可能，這些都可使單位投資減少。當能做到既能利用全部可能性來生產(chǎn)出較小單位面積重量的紙，又仍能保持所生產(chǎn)的紙的同樣強度特性時，就可獲得最大的投資費減幅。
由此可見，結構的改進是在技術上同時也在經(jīng)濟上有重大的好處的。為實現(xiàn)這一目的，已開發(fā)設計出了各種不同的網(wǎng)前箱，通常是把網(wǎng)前箱裝配在旋轉的空心滾筒內(nèi)和/或者把直通流動區(qū)域做成交替重復的擴大和縮小，以引起紙料產(chǎn)生湍流，至少在理論上湍流應是能防止新絮凝塊的形成的。人們可能會說情況已有所改善，但問題仍未得到解決。
為取得上述的好處，加入15kHz-60kHz范圍的超聲能就可解決或顯著減少這些問題。在此，超聲能是在網(wǎng)前箱中被加到紙料中去的，安裝在鋁板上的超聲振子或者是粘結在當空氣墊用的網(wǎng)前箱上，對開式網(wǎng)前箱則最好粘結在其底部，對液壓式網(wǎng)前箱則圍繞其四周粘結(見圖1-6)。還可把超聲振子安裝在多個浸入式單元中再裝入網(wǎng)前箱內(nèi)(見圖7)，或者把不同的方法結合起來安裝。超聲振子要安裝得使超聲能能抵達網(wǎng)前箱中全部長寬高內(nèi)的紙料中，這可用幾排平行的振子結合起來來做到。用這樣的辦法來確信已給紙料中加入了足以解決問題的超聲能。
紙料是通過支管和擴散套而泵入網(wǎng)前箱的。當它流過擴散套后進入網(wǎng)前箱時，流速發(fā)生急劇降低，這可確保絮凝塊已被散開。絮凝塊重新形成是很快的，因此還須確保能防止其再生?，F(xiàn)有技術尚未能達到這一結果，盡管近幾十年來已試驗運用過多種不同的設計方案。
超聲能的分散作用是源于眾所周知的氣穴現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被用來進行不同部件的超聲清洗，例如撓性和輪轉凹版印刷用的anilox滾子或凹板滾子的清洗，在這里還可從凹版槽中清除掉已干的水基墨。當超聲穿越某種材料時，材料的分子會被誘發(fā)而沿波動傳播的方向縱向振動。振動引起壓力變化，在液體中就會導致氣穴出現(xiàn)，或形成直徑約0.1-0.2mm的許多小氣泡。當這些小氣泡與超聲一起放射出來時，它們會不斷地從超聲的壓縮和膨脹的循環(huán)中吸收能量并脹大到它們的極限尺寸，尺寸的大小取決于波長，到達極限尺寸后，它們迅速脹大并最終向內(nèi)破裂，這一過程只用不到一微秒的時間就完成了。破裂的氣泡會把能量傳給附近的介質，在纖維懸浮液中，這就意味著它能分散已有的絮凝塊，同時還能防止產(chǎn)生新的絮凝塊，此外還能增大原纖化作用。原纖化作用是否產(chǎn)生可用測量排水度的值來證實，已證實在加入超聲能前后的排水度是不一樣的。在瑞典專利申請9002006-6(468754)中也已記載了超聲能的分散作用，其中用此取得了改善印刷質量和節(jié)省用墨的效果。
加入超聲能可以防止絮凝塊的再生并分散掉已結成的絮凝塊。如果加入的超聲能遍布一定范圍的波長，其波長掃過該范圍，則將由于波長直接取決于頻率而引起不同頻率的波長會位于離超聲振子不同的距離，并將傳輸?shù)竭@些距離的倍數(shù)上的介質中去。這樣，超聲氣穴現(xiàn)象就會分布在整個纖維懸浮液中，并防止絮凝塊的再生。這種方法還對脫氣和減少泡沫有所助益。
在紙的生產(chǎn)中還使用別的化學品，例如助留劑，這是一種聚合物，通常是雙組份類型的，用它來改善金屬絲網(wǎng)工段中紙坯內(nèi)纖維和填充物的存留量，從而減少這些紙的組份在白水中的含量，并增加這些組份在離開金屬絲網(wǎng)工段進入壓制上段的紙坯中的含量。超聲能把這些化學品的每個成分分散開，這就加大了它們的反應速度并改進其出產(chǎn)量。此外，超聲能還會使它們分布得更均勻，這就可獲致用同樣多的助留劑而得到改進的留存量，或者用較少的助留劑而得到同樣的留存量。
纖維在機器部件上附聚，到一定時候就會脫落并最終造成生產(chǎn)中斷，是另一個可以運用超聲能的分散作用的領域。纖維附聚通常發(fā)生在有渦流的地方，例如超聲振子周圍、檢查門、框板附近等。在這些地方附近安裝超聲振子就可防止形成這樣的纖維附聚物。
造紙機的其它部分也可以利用超聲能的分散作用和清潔作用。例如壓氈和金屬絲網(wǎng)，其上沉積了瀝青和其它有機物和無機物會降低其脫水效果并縮短其使用壽命，可將它們穿過裝有超聲清洗浴的槽，槽中有時還可含有防止微生物生長的化學品。運用的實施例如圖8和圖9所示。
過去人們曾有這樣的看法認為紙料中存在著纖維素纖維、紙料的流量大和網(wǎng)前箱的容積大，這幾個條件使得不可能在紙張生產(chǎn)過程中采用超聲能，因為超聲能會很快被吸收掉，不可能在整個紙料容積中造成沖擊。事實已向人們展示，這不是真的。因此，在造紙過程中運用超聲能代表著一種完全新的思路，因而它是一種技術創(chuàng)新。超聲能會很快地分布在纖維懸浮液中。的確，纖維素纖維由于增加原纖化和減少或防止絮凝塊生成是吸收了一部分超聲能，但這是必要的和所要求的功能，它并不會阻止超聲能在整個網(wǎng)前箱容積內(nèi)分布。其理由在于細胞腔內(nèi)完全充滿了水而細胞壁也吸收了大量的水。這樣，整個纖維素懸浮液的容積就象液體一樣起作用，因此，只要加入足夠的超聲能量，超聲能是能夠在網(wǎng)前箱內(nèi)的整個紙料容積內(nèi)分布的。勻漿程度愈高、紙漿稠度愈大、以及紙料流速愈快，單位能量要求也愈大。
安裝在造紙機銅網(wǎng)部用以檢測結構和纖維重量的系統(tǒng)，也可用來進行紙料稠度、超聲能量和其它生產(chǎn)指標的優(yōu)化和控制，例如控制保持足夠的紙張單位面積重量(grammage)以滿足紙張性能特性的要求。生料(如紙漿)、化學品和能量的單位用量就可用迄今尚不可能的辦法來進行優(yōu)化，并有革命的可能性來獲得質量和效益的改善。
在造紙過程中，微生物在循環(huán)的紙料和水中繁殖歷來是個大問題。形成粘漿的需氧性和厭氧性微生物會在機器部件上和白水和紙料罐壁上形成粘漿累積。之所以有厭氧微生物繁殖的原因是需氧性微生物在它的下面造成了缺氧的條件，因為需氧性微生物會消耗掉所有可以得到的氧氣。厭氧繁殖，特別是能使硫酸鹽減少的細菌如脫磺弧菌屬的Desulfuricnas的繁殖會增加金屬的銹蝕，而且會直接影響到(紙的)白度，特別是當使用亞硫酸氫鋅或亞硫酸氫鈉來減少漂白時更會這樣。
微生物繁殖會引起粘漿在機器部件上積累，這些積累層遲早會象團塊一樣脫落下來，這些團塊是很難化解掉的。它們會例如通過翼輪泵或其它泵并通過擴散套和空心滾筒并引起粘漿斑點和生產(chǎn)中斷。團塊中包含的真菌和細菌是其它有機物和無機物的很多倍。在水和紙料系統(tǒng)中存在渦流有利于細菌繁殖和纖維團塊的形成，這會使情況惡化。
傳統(tǒng)上控制這些問題是依靠生物活性物質，如生物殺傷劑和生物穩(wěn)定劑(biostats)，還常與分散劑合并使用。一開始用過有機汞化合物或氯化的酚類，這些化學物質對外界環(huán)境造成許多環(huán)境公害，這就是為什么要求實行無毒控制的原因。要想提供一種物質，它既有化學活性又有生物活性，而同時又須對生物生命不發(fā)生影響，這肯定是很難或者是不可能的。
超聲能可以解決這個問題。在微生物生長的地方加上超聲能可以有效地防止在那里產(chǎn)生附聚團塊。超聲能可以從外部加入，就如為了其中的部件而加在網(wǎng)前箱上，以及加在金屬制的罐上，特別是不銹鋼罐上。如果是貼有瓷磚或加有涂層的混凝土罐，則就不得不用浸入式單元來加超聲能，在此情況下，安裝處至罐壁的距離應與能量水平相適配，以使氣穴作用有足夠的強度來解決這一問題，但不能強到能剝離瓷磚和涂層的程度。
在造紙過程中加入超聲能并不限于上述的例子，類似的問題還可結合其它裝置來解決，例如裝在均漿機(defloccu1ator)中以改進除氣，或用于使用水基產(chǎn)物的各種不同的涂膜臺或層合機以防止形成絮凝塊。本領域的專家會發(fā)現(xiàn)，此項技術可用于造紙機或涂膜機的許多不同的部分，在線或不在線使用均可，但這些應用都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。圖注圖1-41-超聲振子圖5 1-超聲振子2-帶有分步擴散套的管簇3-交叉散布器圖6 1-超聲振子2-交叉散布器3-管簇4-塑料薄膜圖7 1-超聲振子圖8 1-超聲振子2-注滿水的清洗槽，上有溢流管3-壓氈4-壓氈導輥5-抽真空箱6-上水管圖9 1-超聲振子2-注滿水的清洗槽，上有溢水管3-成形金屬絲網(wǎng)4-金屬絲網(wǎng)導輥5-漂清金屬絲網(wǎng)并向清洗槽注水的噴水管
權利要求
1.一種用以防止產(chǎn)生纖維絮凝塊、分散已形成的纖維絮凝塊；能增進原纖化、改善存留量和有兩組份的化學品的出產(chǎn)量；能防止在白水循環(huán)路線上的機器部件和其它部件上形成微生物或其它類型的積累層、防止金屬絲網(wǎng)和壓氈堵塞、防止涂膜臺或涂膜機內(nèi)發(fā)生絮凝作用；能減少紙料中的空氣含量、減少泡沫的方法，其特征在于，在紙料中、機器部件上、清洗槽和涂膜槽內(nèi)用在外部安裝的超聲振子或在內(nèi)部起作用的浸入式超聲單元加進頻率為15-60kHz的超聲能。
2.權利要求1的方法，其特征在于超聲能是借助于在網(wǎng)前箱外部安裝的超聲振子或在內(nèi)部起作用的浸入式超聲單元(如圖2或圖3)而加進去的，而且該超聲能是用來改進結構和存留量的。
3.權利要求1和2的方法，其特征在于超聲能量的水平是由安裝在流水線上的用以測量結構或絮凝塊尺寸的系統(tǒng)來控制的，其目的是要達到所要求的絮凝作用，同時該實測的絮凝塊還被用作所生產(chǎn)的紙或紙板的單位面積重量的定量優(yōu)化指標，而且還用作單位時間最大生產(chǎn)量的指標。
4.權利要求1的方法，其特征在于超聲能系加到白水循環(huán)路線上的機器部件或白水罐上，用以防止產(chǎn)生微生物性質的、有機或無機性質的積累層。
5.權利要求1的方法，其特征在于超聲能系加到專門的清洗槽中，用以防止壓氈和金屬絲網(wǎng)產(chǎn)生微生物性質的、有機或無機性質的堵塞。
6.權利要求1的方法，其特征在于超聲能系加到涂膜臺或層合臺中的涂層物質內(nèi)，用以防止涂層物質循環(huán)路線上產(chǎn)生各種各樣的絮凝物或在涂膜臺的機器部件上產(chǎn)生積累層。
7.權利要求1的方法，其特征在于超聲能系加到紙料內(nèi)，用以減少泡沫并改善除氣。
8.權利要求1-7的方法，其特征在于所加的超聲能是掃過15kHz-60kHz的頻率范圍的。
9.權利要求1-7的方法，其特征在于所加的超聲能具有15kHz-60kHz之間的一種或幾種頻率。
全文摘要
這是一種用以防止產(chǎn)生纖維絮凝塊、分散已形成的絮凝塊、更好地分布添加的化學品、增進原纖化、改善兩種組分化學品的反應和出產(chǎn)量、防止在白水循環(huán)路線上的機器部件和其它部件上形成微生物或其它類型的積累層、防止金屬絲網(wǎng)和壓氈堵塞、防止在涂膜設備上產(chǎn)生絮凝塊、減少紙料中的含氣量、減少泡沫的方法。這些效果是靠在外部安裝的超聲振子或在內(nèi)部起作用的浸入式超聲單元往紙料、機器部件、清洗槽或涂膜槽內(nèi)加進15-60kHz頻率的超聲能而取得的。優(yōu)選地是用在網(wǎng)前箱外部安裝的超聲振子或在內(nèi)部起作用的浸入式超聲單元來加超聲能。超聲能量的水平可用在線安裝的用以測量結構或絮凝塊尺寸的系統(tǒng)來控制，以達到所要求的絮凝作用。該實測的絮凝塊系用作所生產(chǎn)的紙或紙板的單位面積重量的定量優(yōu)化指標，還用作單位時間最大生產(chǎn)量的指標。
文檔編號D21F1/02GK1149898SQ95193438
公開日1997年5月14日 申請日期1995年4月12日 優(yōu)先權日1994年4月14日
發(fā)明者博·尼爾遜 申請人:博·尼爾遜