Способ обработки бумажного продукта

Способ обработки бумажного продукта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Данное изобретение относится к способам и системам для изготовления бумажных продуктов и к продуктам, изготавливаемым с помощью таких способов и систем.

Уровень техники

Бумага, упоминаемая в настоящем документе, относится к широкому множеству листовых материалов на основе целлюлозы, используемых для письма, печати, упаковывания и других применений. Бумагу можно использовать, например, но не ограничиваясь этим, в следующих применениях: в качестве бумажных денег, банковских билетов, акционерных и облигационных сертификатов, чеков и т.п.; в книгах, журналах, газетах и бумаге для художественной печати; для упаковывания, например, картон, гофрированный картон, бумажные пакеты, конверты, шелковая бумага, коробки; в бытовых продуктах, таких как туалетная бумага, салфетки, бумажные полотенца и бумажные носовые платки; в бумажных сотах, используемых в качестве основного материала в композитных материалах; в строительных материалах; в качестве строительного картона; в одноразовой одежде; и в различных промышленных применениях, включающих наждачную бумагу, шлифовальную бумагу, промокательную бумагу, лакмусовую бумагу, универсальную индикаторную бумагу, хроматографию на бумаге, сепараторы аккумуляторов и конденсаторные диэлектрики.

Бумагу обычно изготавливают измельчением целлюлозного материала с образованием пульпы, содержащей целлюлозные волокна, объединением целлюлозных волокон с образованием влажного полотна и сушкой полотна. В готовой бумаге волокна удерживаются вместе механическим сцеплением и водородными связями. Измельчение можно проводить рядом способов, например: с использованием химического процесса (например, крафт-процесса), механического процесса (древесное волокно) или термомеханического процесса (TMP). Стадии объединения и высушивания обычно проводят с использованием высокоскоростной бумагоделательной машины.

Наиболее распространенным источником целлюлозных волокон является древесная масса из деревьев. Пульпу также получают из утилизированной ("переработанной") бумаги. Также используют материалы растительных волокон, такие как хлопок, конопля, лен и рис. Другие недревесные источники волокон включают, но не ограничиваются ими, сахарный тростник, жмых, солому, бамбук, кенаф, джут, кудель и хлопок. В бумагу можно включать большое разнообразие синтетических волокон, таких как полипропилен и полиэтилен, а также других ингредиентов, таких как неорганические наполнители, в качестве средств для придания желательных физических свойств.

Для многих применений желательно, чтобы бумага имела высокую прочность и сопротивление разрыву, даже в очень тонких листах, например, когда бумагу используют для упаковывания, в промышленных применениях, в качестве денег и в других применениях, которые требуют прочности и долговечности. Также, как правило, является желательным, чтобы бумага обладала хорошими печатными свойствами, причем конкретные характеристики в некоторой степени зависят от процесса печати, в котором бумагу используют.

Сущность изобретения

Изобретение основано, частично, на открытии, что путем облучения волокнистых материалов на соответствующих уровнях, физические характеристики волокнистого материала можно благоприятным образом изменять. Например, можно изменять молекулярную массу, уровень поперечного сшивания, участки прививки и/или функциональные группы по меньшей мере целлюлозных частей материалов. Более того, можно благоприятным образом влиять на физические свойства, такие как прочность на разрыв и сдвиговая прочность волокнистого материала. Относительно высокие дозы ионизирующего излучения можно использовать для уменьшения молекулярной массы по меньшей мере целлюлозных частей волокнистого материала, способствуя преобразованию волокнистого материала в пульпу, которая пригодна для применения в изготовлении бумаги. Относительно более низкие дозы ионизирующего излучения можно использовать для увеличения молекулярной массы бумажного продукта, усиления его прочности на разрыв и других механических свойств. Ионизирующее излучение также можно использовать для контроля функционализации волокнистого материала, т.е., функциональных групп, которые присутствуют на материале или в нем.

В одном аспекте изобретение относится к способам получения целлюлозного или лигноцеллюлозного материала для применения в производстве бумаги. Некоторые способы включают обработку целлюлозного или лигноцеллюлозного сухого сырья, имеющего первую среднюю молекулярную массу, ионизирующим излучением в дозе по меньшей мере 2,5 Мрад для снижения средней молекулярной массы сырья до заданного уровня. Заданный уровень выбирают так, чтобы обработанное сырье было пригодно для использования в качестве пульпы в процессе производства бумаги или при ее формировании.

Некоторые варианты осуществления включают один или несколько из представленных ниже признаков. Способы дополнительно включают проведение процесса формирования пульпы из обработанного сырья. Кроме того, способы включают проведение процесса механической дезинтеграции обработанного сырья. Кроме того, способы могут включать применение звуковой энергии к обработанному сырью.

В некоторых вариантах осуществления сырье может включать древесную стружку, и доза ионизирующего излучения может составлять от приблизительно 2,5 до приблизительно 10 Мрад. Обработка может включать обработку облучением гамма-лучами и/или облучением пучком электронов. В некоторых вариантах осуществления, электроны в пучке электронов могут иметь энергию по меньшей мере 0,25 МэВ.

В другом аспекте изобретение относится к способам получения облученного бумажного продукта. Некоторые способы включают облучение бумажного продукта, включающего первый углеводсодержащий материал, имеющий первую молекулярную массу, ионизирующим излучением для получения облученного бумажного продукта, включающего второй углеводсодержащий материал, имеющий вторую молекулярную массу, превышающую первую молекулярную массу.

В другом аспекте изобретение относится к гашению облученного бумажного продукта. Бумажный продукт включает первый углеводсодержащий материал, который облучен ионизирующим излучением в дозе по меньшей мере 0,10 Мрад для повышения молекулярной массы бумажного продукта.

В другом аспекте изобретение относится к облучению бумажного продукта, включающего первый углеводсодержащий материал, ионизирующим излучением по меньшей мере 0,10 Мрад для повышения молекулярной массы бумажного продукта, с последующим гашением облученного бумажного продукта.

Некоторые варианты осуществления включают один или несколько из следующих признаков. Доза ионизирующего излучения может составлять по меньшей мере 0,10 Мрад, например, по меньшей мере 0,25 Мрад. Дозу ионизирующего излучения можно контролировать, чтобы она была на уровне от приблизительно 0,25 до приблизительно 5 Мрад. Обработка может включать облучение гамма-излучением, и/или облучение пучком электронов. Электроны в пучке электронов могут иметь энергию по меньшей мере 0,25 МэВ, например, от приблизительно 0,25 МэВ до приблизительно 7,5 МэВ. Кроме того, способы могут включать гашение обработанного бумажного продукта. Например, гашение можно проводить в присутствии газа, выбранного для реакции с радикалами, присутствующими в обработанном бумажном продукте.

В другом аспекте изобретение относится к способам получения облученного бумажного продукта, которые включают обработку материала углеводсодержащей пульпы ионизирующим излучением, так, чтобы средняя молекулярная масса материала углеводсодержащей пульпы возрастала.

Некоторые варианты осуществления этих способов могут включать один или несколько из следующих признаков. Обработку можно проводить в процессе формирования бумажного продукта. Формирование может включать объединение материала пульпы во влажное бумажное полотно. Обработку можно проводить на влажном бумажном полотне или перед формированием влажного бумажного полотна. Кроме того, формирование может включать высушивание влажного бумажного полотна, и обработку можно проводить после высушивания.

В следующем аспекте изобретение относится к бумаге, содержащей облученный лигноцеллюлозный материал, где облученный лигноцеллюлозный материал включает по меньшей мере приблизительно 2 процента по массе лигнина, например, по меньшей мере приблизительно 2,5, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0 или по меньшей мере приблизительно 10,0 процентов по массе лигнина.

В некоторых случаях, облученный лигноцеллюлозный материал включает поперечные сшивки, и поперечные сшивки имеются по меньшей мере в лигниновой части облученного лигноцеллюлозного материала.

Также изобретение относится к способу изготовления бумаги, причем способ включает комбинирование целлюлозного или лигноцеллюлозного материала с лигнином и формирование из этой комбинации бумаги. Также изобретение относится к формированию бумаги из исходного материала, получаемого комбинированием целлюлозного или лигноцеллюлозного материала с лигнином.

В некоторых случаях облучают целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, и/или облучают комбинацию, а затем формируют в бумагу, и/или облучают формированную бумагу. В некоторых случаях исходный материал является облученным.

Также изобретение относится к пульпе и бумажным продуктам, сформированным путем облучения целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов, например, с использованием способов, описанных в настоящем документе.

В одном аспекте изобретение относится к материалам пульпы, включающим обработанный целлюлозный или лигноцеллюлозный волокнистый материал, имеющий среднюю молекулярную массу менее 500000 и содержащий функциональные группы, не присутствующие во встречающихся в природе целлюлозных или лигноцеллюлозных волокнистых материалах, из которых получен обработанный материал. Например, в некоторых вариантах осуществления, функциональные группы включают енольные группы и/или группы карбоновых кислот или их соли или сложные эфиры. Функциональные группы также можно выбирать из группы, состоящей из альдегидных групп, нитрозогрупп, нитрильных групп, нитрогрупп, групп кетонов, аминогрупп, алкиламиногрупп, алкильных групп, хлоралкильных групп, хлорфторалкильных групп и групп карбоновых кислот. В некоторых случаях встречающиеся в природе целлюлозные или лигноцеллюлозные волокнистые материалы могут включать древесную стружку. В некоторых случаях, бумажный продукт формируют из материала пульпы.

В другом аспекте изобретение относится к бумажным продуктам, которые включают обработанный целлюлозный или лигноцеллюлозный волокнистый материал, причем обработанный целлюлозный или лигноцеллюлозный волокнистый материал содержит функциональные группы, не присутствующие во встречающемся природе целлюлозном или лигноцеллюлозном волокнистом материале, из которого получен обработанный материал.

Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал можно выбирать из группы, состоящей из макулатуры, древесины, прессованной древесины, древесных опилок, силоса, трав, рисовой шелухи, жмыха, хлопка, джута, конопли, льна, бамбука, сизаля, абаки, соломы, сердцевин кукурузных початков, кукурузной соломы, проса, люцерны, сена, рисовой шелухи, кокосовых волокон, хлопка, морской травы, водорослей и их смесей.

В другом аспекте получение целлюлозного или лигноцеллюлозного материала включает облучение целлюлозного или лигноцеллюлозного материала ионизирующим излучением до выбранной температуры; охлаждение облученного материала до температуры ниже выбранной температуры; и повторное облучение охлажденного материала ионизирующим излучением.

В некоторых вариантах осуществления, целлюлозный или лигноцеллюлозный материал включает бумажный продукт и/или исходный материал для получения пульпы.

В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает обработку поверхности облученного целлюлозного материала покрытием или красителем.

В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает прививку материала к участкам прививки целлюлозного материала, который является облученным, с получением функционализированного целлюлозного материала, имеющего множество участков прививки.

В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает облучение целлюлозного материала для получения функционализированного целлюлозного материала, имеющего множество участков прививки, и прививку материала к участкам прививки.

В некоторых вариантах осуществления материал, привитый к участкам прививки, включает реактивный краситель.

В другом аспекте изготовление бумажного продукта включает облучение комбинации, включающей целлюлозный материал, и прививку прививаемого агента таким образом, чтобы прививаемый агент связывался с целлюлозным материалом.

В некоторых вариантах осуществления прививаемый агент ковалентно связывается с целлюлозным материалом.

В другом аспекте обработка бумаги или исходного материала для бумаги включает образование множества отрицательно заряженных ионов; ускорение отрицательно заряженных ионов до первой энергии; удаление множества электронов по меньшей мере из некоторых отрицательно заряженных ионов с получением положительно заряженных ионов; ускорение положительно заряженных ионов до второй энергии; и направление падения положительно заряженных ионов на бумагу или исходный материал для бумаги.

В другом аспекте обработка бумаги или исходного материала для бумаги включает получение множества заряженных частиц; ускорение заряженных частиц путем направления каждой из заряженных частиц, чтобы они многократно проходили через резонатор ускорителя, включающий переменное электрическое поле; и облучение бумаги или исходного материала для бумаги ускоренными заряженными частицами.

В другом аспекте обработка бумаги или исходного материала для бумаги включает получение множества заряженных частиц; ускорение множества заряженных частиц путем направления заряженных частиц, чтобы они проходили либо через резонатор ускорителя, включающий множество электродов с различными потенциалами, либо через ускоритель, содержащий множество световодов, где каждый световод имеет электромагнитное поле; и облучение бумаги или исходного материала для бумаги ускоренными заряженными частицами.

Термин "сухое сырье", используемый в настоящем документе, относится к сырью (например, к древесной стружке или другому целлюлозному или лигноцеллюлозному волокнистому материалу), имеющему содержание влаги менее 25%.

Полное описание каждой из следующих патентных заявок США включено в настоящий документ в качестве ссылок: предварительные заявки США с серийными №№ 61/049,391; 61/049,394; 61/049,395; 61/049,404; 61/049,405; 61/049,406; 61/049,407; 61/049,413; 61/049,415; и 61/049,419, все из которых поданы 30 апреля 2008 года; предварительные заявки США с серийными №№ 61/073,432; 61/073,436; 61/073,496; 61/073,530; 61/073,665; и 61/073,674, все из которых поданы 18 июня 2008 года; предварительная заявка США с серийным № 61/106,861, поданная 20 октября 2008 года; предварительные заявки США с серийными №№ 61/139,324 и 61/139,453, обе из которых поданы 19 декабря 2008 года, и патентные заявки США с серийными №№ 12/417,707; 12/417,720; 12/417,840; 12/417,699; 12/417,731; 12/417,900; 12/417,880; 12/417,723; 12/417,786; и 12/417,904, все из которых поданы 3 апреля 2009 года.

В любом из способов, описанных в настоящем документе, радиационное излучение можно применять из устройства, которое находится в хранилище.

Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют то же значение, которое обычно подразумевают специалисты в области, к которой относится это изобретение. Несмотря на то, что на практике или при тестировании настоящего изобретения можно использовать способы и материалы, сходные или эквивалентные способам или материалам, описанным в настоящем документе, пригодные способы и материалы описаны ниже. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, включены в качестве ссылок в полном объеме. В случае противоречия, следует руководствоваться настоящим описанием. Кроме того, данные материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из представленного ниже подробного описания и формулы изобретения.

Описание чертежей

На ФИГ.1A представлено схематическое изображение системы для получения пульпы.

На ФИГ.1B представлено схематическое изображение подсистемы для предварительной обработки из системы для получения пульпы, представленной на ФИГ.1A.

На ФИГ.2 представлено схематическое изображение системы для изготовления бумаги.

На ФИГ.3 представлена диаграмма, на которой проиллюстрировано изменение молекулярной и/или надмолекулярной структуры волокнистого материала.

На ФИГ.4 представлен перспективный вид в сечении гамма-облучателя в бетонном хранилище.

На ФИГ.5 представлен увеличенный вид в перспективе области R с ФИГ.4.

На ФИГ.6 представлена схематическая диаграмма DC-ускорителя.

На ФИГ.7 представлен схематический вид системы для обработки ультразвуком технологического потока целлюлозного материала в жидкой среде.

На ФИГ.8 представлен схематический вид устройства для облучения, имеющего два преобразователь, соединенных с одним рупором.

На ФИГ.9 представлен схематический поперечный вид гибридного устройства для обработки пучком электронов/ультразвуком.

На ФИГ.10 представлено схематическое изображение источника ионизации полем.

На ФИГ.11 представлено схематическое изображение электростатического сепаратора ионов.

На ФИГ.12 представлено схематическое изображение генератора ионизации полем.

На ФИГ.13 представлено схематическое изображение термоионного эмиссионного источника.

На ФИГ.14 представлено схематическое изображение источника ионов со сверхвысокочастотным разрядом.

На ФИГ.15 представлено схематическое изображение рециркуляционного ускорителя.

На ФИГ.16 представлено схематическое изображение статического ускорителя.

На ФИГ.17 представлено схематическое изображение динамического линейного ускорителя.

На ФИГ.18 представлено схематическое изображение ускорителя Ван-де-Граафа.

На ФИГ.19 представлено схематическое изображение изогнутого тандемного ускорителя.

Подробное описание

Как рассмотрено выше, изобретение основано, частично, на открытии, что при облучении волокнистых материалов, т.е., целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов, на соответствующих уровнях, может изменяться молекулярная структура по меньшей мере целлюлозной части волокнистого материала. Например, изменение молекулярной структуры может включать изменение любого одного или нескольких из средней молекулярной массы, средней кристалличности, площади поверхности, полимеризации, пористости, степени ветвления, привитой сополимеризации и размера домена целлюлозной части. Эти изменения молекулярной структуры, в свою очередь, могут привести к благоприятным изменениям физических характеристик, которыми обладают волокнистые материалы. Более того, могут благоприятным образом изменяться функциональные группы волокнистого материала.

Например, следующие свойства могут быть усилены на 10, 20, 30, 40, 50, 75 или даже 100% относительно этих свойств до облучения:

TAPPI T494 om-06, прочность на растяжение бумаги и картона (с использованием величины константы устройства для растяжения), включая прочность на разрыв и разрывную длину;

Метод TAPPI T 414 om-04, внутреннее сопротивление разрыву бумаги (метод по типу метода Элмендорфа);

Метод TAPPI T 403 om-02, разрывная прочность бумаги; и

Метод TAPPI T 451 cm-84, эластические свойства бумаги (Clark Stiffness).

Различные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, их применение и употребление, описаны в патентах US №№ 7307108, 7074918, 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105; и в различных патентных заявках US, включая "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", PCT/US2006/010648, подана 23 марта 2006 года, и "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", публикация патентной заявки US № 2007/0045456. Все указанные выше документы включены в настоящий документ в качестве ссылок в полном объеме. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал может включать, например, бумажные отходы, древесину, картон, древесные опилки, силос, травы, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, сердцевины кукурузных початков, кукурузную солому, просо, люцерну, сено, рисовую шелуху, кокосовые волокна, хлопок, морскую траву, водоросли и смеси любых из них.

Для уменьшения молекулярной массы волокнистого материала, способствующего преобразованию волокнистого материала в пульпу, которая пригодна для изготовления бумаги, можно использовать относительно высокие дозы ионизирующего излучения. Таким образом, облучение можно использовать для предварительной обработки сырья и, таким образом, способствования химическому, механическому или термомеханическому процессу получения пульпы, или в некоторых случаях его можно использовать для замены по меньшей мере части общепринятого процесса получения пульпы. Относительно высокие дозы также можно использовать по отношению к выбранным областям бумажного продукта или исходного материала (например, влажного бумажного полотна) для формирования определенных областей, в которых бумага является ослабленной, например, для создания зон разрыва.

Относительно более низкие дозы ионизирующего излучения можно использовать на одной или нескольких стадиях процесса производства бумаги и/или по отношению к готовому бумажному продукту, для повышения молекулярной массы и уровня поперечного сшивания бумажного продукта.

Ионизирующее излучение также можно использовать для контроля функционализации волокнистого материала, т.е., функциональных групп, которые присутствуют на материале или в материале, и которые могут повысить растворимость и/или способность к диспергированию в процессе получения пульпы, и могут благоприятно повлиять на свойства поверхности бумажного продукта, например, восприимчивость поверхности к покрытиям, чернилам и красителям.

Каждый из этих процессов подробно рассмотрен ниже.

Стадии облучения, рассмотренные выше, можно комбинировать различным образом. Некоторые примеры процессов, включающих облучение, включают следующее:

(a) Облучение только высокой дозой ионизирующего излучения, для снижения молекулярной массы и облегчения получения пульпы. Облучение можно проводить до или в процессе получения пульпы.

(b) Облучение только низкой дозой ионизирующего излучения для увеличения молекулярной массы, и традиционного получения пульпы. Облучение можно проводить на любой стадии процесса производства бумаги, или на готовой бумаге.

(c) Облучение высокой дозой ионизирующего излучения, для снижения молекулярной массы и облегчения процесса образования пульпы, с последующим облучением излучением в низкой дозе, для увеличения молекулярной массы.

(d) Облучение в условиях, которые благоприятным образом изменяют функциональные группы, присутствующие в материале. Это можно осуществлять в процессе одной из стадий, рассмотренных выше, или в качестве отдельной стадии, как подробно рассмотрено ниже.

(e) Облучение выбранных областей бумаги или исходного материала для бумаги относительно высокой дозой радиационного излучения для получения определенных ослабленных областей. Эту стадию можно проводить отдельно, или в комбинации с любой из стадий, рассмотренных в (a)-(d), выше.

(f) Многократное облучение для достижения данной конечной дозы, например, доставки дозы 1 Мрад, повторяющейся 10 раз, для обеспечения конечной дозы 10 Мрад. Это может предотвратить перегревание облученного материала, в частности, если материал охлаждают между дозами.

Облучение для уменьшения молекулярной массы

Ионизирующее излучение можно использовать для целлюлозного или лигноцеллюлозного волокнистого материала, который пригоден для применения в производстве бумаги (например, для древесной стружки), до или после получения пульпы, в дозе, которая является достаточной для конвертирования исходного материала в пульпу. Иными словами, облучение дозой ионизирующего излучения, которая выбрана для конвертирования или для способствования конвертированию исходного материала в пульпу, можно использовать вместо общепринятых способов получения пульпы, таких как химическое, механическое и термомеханическое образование пульпы.

В этом случае, дозу выбирают таким образом, чтобы молекулярная масса исходного материала снижалась до степени, сходной со степенью, посредством которой молекулярную массу уменьшают путем общепринятого получения пульпы. Например, в случае конвертирования древесной стружки в пульпу, дозу, главным образом, можно выбирать для снижения молекулярной массы от исходной молекулярной массы (1 миллион или более) до приблизительно 20000-500000. Оптимальная доза зависит от используемого сырья, однако, как правило, она находится в диапазоне от 10 Мрад до 1000 Мрад, например, от 25 Мрад до 500 Мрад, для общепринятого бумажного сырья, такого как материалы на основе древесины.

Преимущественно, в некоторых вариантах осуществления, не обязательно удалять лигнин из пульпы, как традиционно происходит в процессе получения пульпы. Это имеет место, например, если бумагу облучают низкой увеличивающей молекулярную массу дозой ионизирующего излучения в процессе или после процесса изготовления бумаги, как рассмотрено ниже. В этом случае, фактически может быть полезным остаточный лигнин, поскольку лигнин действует в качестве наполнителя, эффективно снижая количество требуемого целлюлозного материала, и он может подвергаться поперечному сшиванию при облучении в низкой дозе.

В других вариантах осуществления, вместо замены общепринятого получения пульпы облучением, ионизирующее излучение можно использовать до или в процессе общепринятого процесса получения пульпы, для облегчения или усиления процесса образования пульпы. Например, древесную стружку можно облучать относительно высокой дозой ионизирующего излучения перед началом процесса образования пульпы. При необходимости, после облучения древесную стружку можно подвергать механической переработке перед химическим образованием пульпы, такой как дополнительное рубка, дробление или растирание. Облучение и, опционально, механическое образование пульпы из облученного сырья могут инициировать разрушение сырья, в некоторых случаях, позволяя проведение химического образования пульпы в менее жестких условиях, например, с использованием меньшего количества химических реагентов, меньшей энергии и/или меньшего количества воды.

Ионизирующее излучение также можно использовать в процессе переработки макулатуры для повторного образования пульпы из макулатуры для применения в качестве исходного материала в продукции вторичной бумаги. В этом случае, дозу доставляемого ионизирующего излучения выбирают так, чтобы она была достаточной для разрушения водородных и механических связей в бумаге без неблагоприятного действия на целлюлозные и/или лигноцеллюлозные волокна в бумаге. Доза ионизирующего излучения может быть, например, приблизительно на 20%-30% меньшей, чем доза, используемая, когда исходным материалом является древесная стружка.

На ФИГ.1A представлена система для конвертирования целлюлозного или лигноцеллюлозного исходного материала, древесных бревен в показанном примере, в пульпу, пригодную для использования в производстве бумаги. Система 100 включает подсистему 110 для подготовки исходного материала, подсистему 114 для предварительной обработки, подсистему 118 для основной переработки, и подсистему 122 для последующей переработки. В подсистему 110 для подготовки исходного материала подается исходный материал в сырой форме (например, бревна), и в ней исходный материал физически подготавливается для последующих процессов (например, уменьшение размера материала и начало гомогенизации материала). В представленном примере, это осуществляют путем удаления коры и рубки бревен. Исходные материалы со значительными целлюлозными и лигноцеллюлозными компонентами могут иметь высокую среднюю молекулярную массу и кристалличность, которые затруднять изготовление пульпы.

В подсистему 114 для обработки подается сырье (например, древесная стружка) из подсистемы 110 для подготовки сырья и в ней сырье подготавливается для использования в основных процессах производства, например, путем уменьшения средней молекулярной массы и кристалличности сырья, и изменения типа и степени функционализации сырья. Это осуществляют в представленном ниже примере, путем облучения относительно высокой дозой ионизирующего излучения, с последующим встроенным в линию процессом (акустической) обработки ультразвуком. Обработка ультразвуком подробно рассмотрена ниже. Конвейерная лента переносит сырье от подсистемы 110 для подготовки исходного материала в подсистему 114 для предварительной обработки.

Как показано на ФИГ.1B, в подсистеме 114 для предварительной обработки сырье облучается, например, с использованием излучателей 492 пучка электронов, смешивается с водой, образуя суспензию, и подвергается воздействию ультразвуковой энергии. Как рассмотрено выше, облучение сырья изменяет молекулярную структуру (например, снижает среднюю молекулярную массу и кристалличность) сырья. Смешение облученного сырья в суспензию и воздействие на суспензию ультразвуковой энергией далее изменяет молекулярную структуру сырья. Применение радиационного облучения и обработки ультразвуком последовательно может иметь синергические эффекты, поскольку комбинация способов может обеспечить более существенные изменения молекулярной структуры (например, снижение средней молекулярной массы и кристалличности), чем любой из способов может эффективно обеспечить самостоятельно. Без связи с теорией, в дополнение к уменьшению полимеризации сырья путем разрушения внутримолекулярных связей между сегментами целлюлозных и лигноцеллюлозных компонентов сырья, облучение может делать общую физическую структуру сырья более хрупкой. После смешивания хрупкого сырья в суспензию, применение ультразвуковой энергии дополнительно изменяет молекулярную структуру (например, снижает среднюю молекулярную массу и кристалличность), а также снижает размер частиц сырья.

Конвейерная лента 491, несущая сырье в подсистему для предварительной обработки, распределяет сырье на множество потоков исходного материала (например, пятьдесят потоков исходного материала), каждый из которых ведет к отдельным излучателям 492 пучка электронов. Предпочтительно, сырье облучают, когда оно находится в сухом состоянии. Например, сырье может иметь содержание влаги менее 25%, предпочтительно, менее 20%, менее 15% или менее 10%. Каждый поток исходного материала переносится на отдельной конвейерной ленте к присоединенному к ней излучателю пучка электронов. Каждая конвейерная лента для облучения исходного материала может иметь ширину приблизительно один метр. Перед достижением пучком электронов излучателя, в каждой конвейерной ленте может быть индуцирована локализованная вибрация для равномерного распределения сухого сырья вдоль поперечной ширины конвейерной ленты.

Излучатель 492 пучка электронов (например, устройства для облучения пучком электронов, коммерчески доступные от Titan Corporation, San Diego, CA), в одном примере, адаптирован для применения дозы электронов 100 килогрэй с мощностью 300 кВт. Излучатели пучков электронов представляют собой устройства со сканирующим пучком с шириной сектора 1 метр, соответствующей ширине конвейерной ленты. В некоторых вариантах осуществления используют пучки электронов с большой фиксированной шириной пучка. Ряд факторов, включая ширину ленты/пучка, желаемую дозу, плотность сырья и используемую мощность, определяет количество излучателей пучка электронов, требуемых на установке для переработки 2000 тонн сухого сырья в сутки.

В некоторых вариантах осуществления в системе для предварительной обработки отсутствует обработка ультразвуком. В некоторых вариантах осуществления, в дополнение к обработке ультразвуком или вместо обработки ультразвуком, используют дополнительную механическую переработку, например, дополнительную рубку.

В некоторых случаях, продукт подсистемы 118 для первичной переработки является непосредственно пригодным в качестве пульпы, однако в других случаях он требует дополнительной переработки, осуществляемой подсистемой 122 для последующей переработки. Подсистема 122 для последующей переработки обеспечивает химическое образование пульпы из продукта системы для основной переработки (например, варки под давлением и расщепления, в показанном примере). Если бумага, которую изготавливают из пульпы, является отбеленной, например, если бумага представляет собой отбеленную печатную бумагу, проводят стадию отбеливания. Для пульпы, подлежащей использованию для неотбеленной бумаги, эта стадия может отсутствовать. В некоторых вариантах осуществления в подсистеме 122 для последующей переработки используются другие процессы образования пульпы, такие как термомеханическое образованием пульпы, вместо химического образования пульпы. Как показано, в некоторых случаях, подсистема 122 для последующей переработки может производить обработанную воду для рециркуляции в качестве технической воды в других подсистемах, и/или она может производить сгораемые отходы, которые можно использовать в качестве топлива для котлов, генерирующих пар и/или электричество.

Облучение для увеличения молекулярной массы

Относительно низкие дозы ионизирующего излучения могут осуществлять поперечное сшивание, прививку или иное увеличение молекулярной массы углеводсодержащего материала, такого как целлюлозный или лигноцеллюлозный материал (например, целлюлоза). В некоторых вариантах осуществления, исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) бумажного продукта или исходного материала для бумажного продукта составляет от приблизительно 20000 до приблизительно 500000, например, от приблизительно 25000 до приблизительно 100000. Среднечисленная молекулярная масса после облучения превышает исходную среднечисленную молекулярную массу, например, по меньшей мере приблизительно на 10%, 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 300% или до 500%. Например, если исходная среднечисленная молекулярная масса находится в диапазоне от приблизительно 20000 до приблизительно 100000, среднечисленная молекулярная масса после облучения составляет, в некоторых случаях, от приблизительно 40000 до приблизительно 200000.

Новые способы можно использовать для благоприятного изменения свойств бумаги на основе целлюлозы путем применения радиационного излучения на одной или нескольких выбранных стадиях процесса производства бумаги. В некоторых случаях, облучение может повысить прочность и сопротивление разрыву бумаги, путем повышения прочности целлюлозных волокон, из которых изготовлена бумага. Кроме того, обработка целлюлозного материала радиационным излучением может стерилизовать материал, что может снизить тенденцию бумаги к стимулированию роста плесени, мучнистой росы или сходных с ними. Облучение, как правило, проводят контролируемым и предопределенным образом для обеспечения оптимальных свойств для конкретного применения, таких как прочность, путем выбора типа или типов используемого радиационного излучения и/или дозы или доз применяемого радиационного излучения.

Низкую дозу ионизирующего излучения можно применять для увеличения молекулярной массы, например, после образования пульпы и до объединения измельченных в пульпу волокон в полотно; к влажному волокнистому полотну; к бумажному полотну в процессе или после высушивания; или к высушенному бумажному полотну, например, до, в процессе или после последующих стадий переработки, таких как проклеивание, нанесение покрытия и каландрование. Как правило, предпочтительно, чтобы радиационное излучение применялось к полотну, когда оно имеет относительно низкое содержание влаги. В примере, показанном на ФИГ.2, облучение можно проводить в процессе вы