Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff aus Faserstoffen, bei dem Organosiliciumverbindungen dem chemischen Aufschlußverfahren zugesetzt werden.

Die in Faserstoffen, wie Holz enthaltenen Cellulosefasern und Hemicellulosefasern werden durch Lignin, ein Polymer, aufgebaut aus Hydroxyphenylpropaneinheiten, zusammengehalten. Bei der Gewinnung von Zellstoff, einer mehr oder minder verunreinigten Cellulose, wird Lignin von der Cellulose getrennt. Das weitaus wichtigste Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff aus Faserstoffen ist das als alkalischer sulfatprozeß oder Kraftprozeß bezeichnete Verfahren, bei dem Lignin durch eine wäßrige Aufschlußlösung, welche als Hauptkomponenten NaOH und Na₂S enthält, aus dem Faserstoff herausgelöst wird.

Zur Steigerung der Zellstoffausbeute können in chemischen Aufschlußverfahren organische Tenside zugesetzt werden. Beispielsweise ist aus US-A-3,909,345 der Einsatz von Ethylenoxid/Propylenoxid-Blockcopolymeren und aus US-A-5,250,152 der Einsatz von ethoxylierten Alkoholen und ethoxylierten Dialkylphenolen im alkalischen Sulfatprozeß bekannt.

GB-A-951 325 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff, bei dem die Faserstoffe mit einer chemischen Aufschlußlösung in Gegenwart von Organopolysiloxan- bzw. Organosilanverbindungen umgesetzt werden.

Es bestand die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff aus Faserstoffen durch ein chemisches Aufschlußverfahren bereitzustellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Zellstoff aus Faserstoffen, bei dem die Faserstoffe mit einer chemischen Aufschlußlösung in Gegenwart von Organosiliciumverbindungen umgesetzt werden, die ausgewählt werden aus Organopolysiloxanverbindungen, welche aus Einheiten der allgemeinen Formeln (I) bis (VII)

        R₃SiO_½     (I),



        R₂SiO     (II),



        RSiO_3/2     (III),



        SiO_4/2     (IV),



        R₂R'SiO_½     (V),



        RR'SiO     (VI),



        R'SiO_3/2     (VII),

aufgebaut sind, worin

R

einwertige Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen,

R'

einwertige Reste der allgemeinen Formeln (VIII), (IX), (X) oder (XI)

R¹

zweiwertige C₁- bis C₁₈-Kohlenwasserstoffreste,

R²

Wasserstoffatome oder einwertige C₁- bis C₆-Alkylreste,

R³

Wasserstoffatome, einwertige C₁- bis C₆-Acylreste, C₁-bis C₆-Kohlenwasserstoffreste, oder OSO₃X,

X

Wasserstoffatome, Alkali- oder gegebenenfalls mit C₁-bis C₁₈-Kohlenwasserstoffresten substituierte Ammoniumionen,

Z

Glycosidylreste, aufgebaut aus 1 bis 10 Monosaccharideinheiten,

a

die Werte 1, 2, 3, 4 oder 5,

b

ganzzahlige Werte von 0 bis 200,

c

die Werte 0 oder 1 und

d

die Werte 0, 1, 2, 3 oder 4 bedeuten, mit der Maßgabe, daß die Organopolysiloxanverbindungen mindestens eine Einheit der allgemeinen Formeln (V) bis (VII) aufweisen oder

R'

einwertige Reste der vorstehenden allgemeinen Formel (VIII) bedeutet und

R

die vorstehenden Bedeutungen aufweist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird für einen bestimmten Restligningehalt im Zellstoff weniger Aufschlußlösung benötigt. Ein Maß für den Restligningehalt im Zellstoff ist die Kappazahl, die dem Verbrauch an Millilitern 0,1 normaler (3,161 g/l) Kaliumpermanganatlösung pro Gramm Zellstoff entspricht.

Die Verringerung an Aufschlußlösung bewirkt eine Erhöhung der Zellstoffausbeute bezogen auf eingesetzten Faserstoff, da weniger Kohlehydrate, insbesondere Hemicellulosen herausgelöst werden, und somit auch weniger Nebenprodukte entstehen.

Eine bestimmte Kappazahl kann bei Verwendung der Organosiliciumverbindungen auch erreicht werden, indem die Kochzeit verkürzt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kappazahl unter konstanten Aufschlußbedingungen erniedrigt.

Da die Aufschlußlösung nun besser wirkt, weist der Zellstoff eine geringere Menge an gröberen, nicht aufgeschlossenen Faserrohstoffen ("rejects") auf.

Generell führen Organosiliciumverbindungen zu einer höheren Zellstoffausbeute und geringeren Mengen an nicht aufgeschlossenen Faserstoffen.

Ferner verbessern die Organosiliciumverbindungen die Festigkeitswerte von Zellstoff und vermindern den Celluloseabbau.

Bevorzugte Organosiliciumverbindungen sind organische Siloxane und Silane, welche eine organische polare Gruppe und einen hydrophoben Siloxan- oder Silanteil aufweisen und dadurch grenzflächenaktive Eigenschaften an den Phasengrenzen flüssig/flüssig, flüssig/gasförmig und flüssig/fest aufweisen.

Wenn in den allgemeinen Formeln (VIII) bis (XI) b einen Wert von mindestens 2 aufweist kann a innerhalb des Formelbereichs [O(CR²)_a]_b eines Restes unterschiedliche Werte annehmen. Beispielsweise kann der Formelbereich [O(CR²)_a]_b ein Polyethylenglykol/Polypropylenglykol Blockcopolymeres sein.

Beispiele für Kohlenwasserstoffreste R sind Alkylreste, wie der Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, isoButyl-, tert.-Butyl-, n-Pentyl-, iso-Pentyl-, neo-Pentyl-, tert.-Pentylrest; Hexylreste, wie der n-Hexylrest; Heptylreste, wie der n-Heptylrest; Octylreste, wie der n-Octylrest und iso-Octylreste, wie der 2,2,4-Trimethylpentylrest; Nonylreste, wie der n-Nonylrest; Decylreste, wie der n-Decylrest; Dodecylreste, wie der n-Dodecylrest; Octadecylreste, wie der n-Octadecylrest; Alkenylreste, wie der Vinyl-, Allyl- und der 5-Hexen-1-ylrest; Cycloalkylreste, wie Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cycloheptylreste und Methylcyclohexylreste; Arylreste, wie der Phenyl-, Naphthyl- und Anthryl-und Phenanthrylrest; Alkarylreste, wie o-, m-, p-Tolylreste, Xylylreste und Ethylphenylreste; Aralkylreste, wie der Benzylrest, der alpha- und der β-Phenylethylrest.

Vorzugsweise sind mindestens 90 Mol-% der Reste R Methyl-, Ethyl- oder Phenylreste, insbesondere Methylreste.

Beispiele für die zweiwertigen Reste R¹ sind gesättigte gerad- oder verzweigtkettige oder cyclische Alkylenreste wie der Methylen- und Ethylenrest sowie Propylen-, Butylen-, Pentylen-, Hexylen-, 2-Methylpropylen-, Cyclohexylenreste, oder ungesättigte Alkylen- oder Arylenreste wie der Hexenylenrest und Phenylenreste.

Beispiele für die einwertigen Alkylreste R² und R³ sind bei den vorstehenden Beispielen für R aufgeführt.

Beispiele für die Kohlenwasserstoffreste an den Ammoniumionen in X sind die für R genannten Kohlenwasserstoffreste.

Beispiele für die C₁- bis C₆-Acylreste R³ sind der Acetyl-, Propionyl- und n-Butyrylest.

Beispiele für Monosaccharide, aus denen die Glycosidreste Z aufgebaut sein können, sind Hexosen und Pentosen, wie Glucose, Fructose, Galactose, Mannose, Talose, Allose, Altrose, Idose, Arabinose, Xylose, Lyxose und Ribose, wobei Glucose besonders bevorzugt ist. Vorzugsweise enthalten die Glycosidreste Z eine oder zwei Monosaccharideinheiten.

Vorzugsweise bedeutet a die Werte 2 oder 3. Vorzugsweise bedeutet b ganzzahlige Werte von 3 bis 100, insbesondere 10 bis 70.

Vorzugsweise weisen 2 bis 50 % insbesondere 5 bis 20 % der Einheiten der Organopolysiloxanverbindung die allgemeinen Formeln (V) bis (VII) auf.

Vorzugsweise sind mindestens 95 %, insbesondere mindestens 99 % der Einheiten der Organopolysiloxanverbindung Einheiten der allgemeinen Formeln (II), (VI) und (I). Weiterhin ist bevorzugt, daß die Organopolysiloxanverbindung eine durchschnittliche Viskosität von 20 bis 500 000 mPa.s, insbesondere von 200 bis 60 000 mPa.s bei 25°C aufweist.

Es kann eine organosiliciumverbindung, es können auch Gemische mehrerer Organosiliciumverbindungen eingesetzt werden.

Vorzugsweise werden auf 100 Gewichtsteile trockene Faserstoffe 0,001 bis 1, insbesondere 0,01 bis 0,1 Gewichtsteile Organosiliciumverbindungen eingesetzt.

Als chemische Aufschlußverfahren können beispielsweise angewandt werden:

• 1) das Sulfitverfahren
  Beim Sulfitaufschluß werden Hackschnitzel mit Lösungen von Hydrogensulfiten gekocht. Je nachdem, ob die Hydrogensulfit-Lösungen überschüssiges Schwefeldioxid enthalten oder nicht, bezeichnet man die Verfahren als saure Bisulfit-Verfahren oder nur als Bisulfit-Verfahren. Als Überbegriff hat sich "Sulfitverfahren" eingebürgert.
• 2) das Sulfatverfahren
  Beim Sulfatverfahren besteht die Aufschlußlösung, auch als Weißlauge bezeichnet, aus den Hauptkomponenten NaOH und Na₂S.

Vorzugsweise wird nach dem Sulfatverfahren gearbeitet.

Wenn das alkalische Sulfatverfahren angewendet wird, sind im Verfahren vorzugsweise pro 100 Gewichtsteile trockenes Holz 10 bis 35, insbesondere 20 bis 30 Gewichtsteile Na₂O in Form von NaOH vorhanden. Vorzugweise sind im Verfahren pro 100 Gewichtsteile trockenes Holz 3 bis 15, insbesondere 6 bis 10 Gewichtsteile Na₂S vorhanaen. Vorzugsweise wird das Verfahren bei 0,1 bis 3 MPa, insbesondere bei 0,5 bis 1,5 MPa durchgeführt.

Die chemischen Verfahren können absatzweise oder kontinuierlich in einem Zellstoffkocher durchgeführt werden.

Die Verweilzeit der Mischung im Zellstoffkocher beträgt vorzugsweise 10 min bis 7 h.

Als Faserstoffe können beispielsweise eingesetzt werden alle pflanzlichen Rohstoffe (Faserpflanzen), die einen hinreichenden Cellulose-Gehalt besitzen und sich genügend leicht verarbeiten lassen.

Vorzugsweise werden Hölzer eingesetzt, wobei man in vielen Ländern heute auch in großem Umfang die in den Sägewerken anfallenden Holzabfälle als Rohstoff verwendet. Daneben spielen jedoch auch gewisse Einjahrespflanzen und Gräser eine untergeordnete Rolle.

Das Holz wird in Form von beispielsweise Hackschnitzeln, Spänen oder Holzmehl eingesetzt.

In den nachfolgenden Beispielen sind, falls jeweils nicht anders angegeben,

• a) alle Mengenangaben auf das Gewicht bezogen;
• b) alle Drücke 0,10 MPa (abs.);
• c) alle Temperaturen 20° C
• d) EO Ethylenethereinheit (-CH₂-CH₂-O-).

Als Organosiliciumverbindung wurde ein polyglykoletherfunktionelles wasserlösliches Silicontensid (Pulpsil® 950 S von Wacker-Chemie GmbH, München) eingesetzt. Pulpsil® 950 S wird durch Umsetzung der Organosiloxanverbindung der Formel (XIII)

        (H₃C)₃SiO[(H₃C)₂SiO]₇₅[HCH₃SiO]₅Si(CH₃)₃     (XIII),

mit dem Allylpolyglykol der Formel (XIV)

        H₂C=CH-CH₂-O[CH₂CH₂O]₂₅[CH₂CH(CH₃)O]₂₅H     (XIV),

in Gegenwart eines Platinkatalysators hergestellt. Die dabei entstehende Organosiliciumverbindung wird durch die Formel (XV)

        (H₃C)₃SiO[(H₃C)₂SiO]₇₅[Y(CH₃)SiO]₅Si(CH₃)₃,     (XV),

wobei Y die Formel (XVI)

        -(H₂C)₃O[CH₂CH₂O]₂₅[CH₂CH(CH₃)O]₂₅H     (XVI),

aufweist, gekennzeichnet.

Ein kontinuierlicher Zellstoffkocher mit einer Kapazität von 270 to Trockenholzsubstanz in Form von Sägespänen pro Tag wurde bei 172°C und 0,95 MPa betrieben. Die Verweilzeit der Mischung im Kocher betrug 15 Minuten. Im Verfahren waren pro 100 Gewichtsteile Trockenholz 28 Gewichtsteile Na₂O und 7 Gewichtsteile Na₂S vorhanden. Der erhaltene Zellstoff wies eine Kappazahl von etwa 52 auf.

Nach 36 Stunden wurden kontinuierlich zusätzlich 0,022 Gewichtsteile der vorstehenden Organosiliciumverbindung pro 100 Gewichtsteile Trockenholzsubstanz in die Aufschlußlösung unmittelbar vor dem Kocher gegeben. Die Kappazahl des Zellstoffs sank daraufhin auf etwa 48.

Anschließend wurde die Menge an Na₂O auf 25 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Trockenholz gesenkt. Der erhaltene Zellstoff wies wieder eine Kappazahl von etwa 52 auf.

Die nachfolgend beschriebenen Zellstoffaufschlußversuche in Gegenwart von Organosiliciumverbindungen im Labor demonstrieren ebenfalls deren Wirksamkeit bei der Herstellung von Zellstoff.

• * Laborkocher:
  Zellstoffkocher, in welchem gleichzeitig 6 Autoklaven mit je einem Volumen von 2,5 l unter gleichen Bedingungen betrieben werden können.
• * Holzarten:
  • Nadelholz: Kiefer ("Scot spine", pinus silvestris) aus Ostfinnland;
  • Laubholz: Birke ("Betula birch") aus einer finnischen Zellstoffmühle
• * Einwaage an Holzschnitzel:
  300 g gemäß Prüfmethode SCAN-CM 39 : 88 Holzschnitzel (bezogen auf Trockengewicht)
• * effektives Alkali:
  (als NaOH in %, bezogen auf Trockengewicht an Holzschnitzel)
  20 % bei Laubholz bzw. 21 % bei Nadelholz (gemäß Prüfmethode SCAN-N 2 : 88)
• * Sulfidität: 32 %
  (gemäß Prüfmethode SCAN-N 2 : 88)
• * Kochlauge/Holz-Verhältnis:
  5 : 1, einschließlich des Wassergehalts der Holzschnitzel
• * Zugabenenge an oberflächenaktiven Verbindungen:
  0,04 % bezogen auf Trockengewicht an Holzsubstanz
• * Aufheizzeit:
  Die Zeit, die benötigt wird, um von 80 °C auf 161 °C bei Laubholz bzw. 173 °C bei Nadelholz zu kommen; die exakten Angaben sind in der Tabelle aufgeführt.
• * Verweilzeit:
  Die Zeit, bei der der Aufschluß der Holzschnitzel in dem Autoklaven des Zellstoffkochers nach Erreichen der Endtemperatur von 161 °C bei Laubholz und 173 °C bei Nadelholz stattfindet; die exakten Angaben sind in der Tabelle aufgeführt.

Die nach der Anlieferung zunächst eingefrorenen Holzschnitzel wurden innerhalb von 48 h wieder aufgetaut.

Danach wurden sie über eine sorgfältige Siebung in verschiedene Fraktionen ausgetrennt, und deren Trockengewicht wurde nach SCAN-CM 39 : 88 (24 h, 105 °C) bestimmt. Für den anschließenden Aufschluß der Holzschnitzel wurde jeweils eine definierte Zusammensetzung aus den Fraktionen der Siebung herangezogen.

Dazu wurden je 300 g Holzschnitzel - bezogen auf Trockengewicht - in den Autoklaven vorgelegt und mit Weißlauge (der eigentlichen Kochlauge als Aufschlußlösung, welche als Hauptkomponenten NaOH und Na₂S enthält) und Schwarzablauge (dem Filtrat aus der Zellstoffwäsche, welches in verdünnter Form NaOH und Na₂S enthält) von einer finnischen Zellstoffmühle versetzt, um die vorstehend erwähnten Aufschlußbedingungen einzustellen (effektives Alkali, Flüssigkeit/Holz-Verhältnis, Sulfidität).

Danach wurden 0,04 % der in der Tabelle angegebenen oberflächenaktiven Verbindungen als 2 %ige Lösungen in destilliertem Wasser zugegeben.

Nach Beendigung der Verkochung wurde der Zellstoff aus den jeweils 6 Autoklaven gewaschen (16 h mit ca. 45 °C warmem Wasser), zentrifugiert und homogenisiert.

Es folgte die Bestimmung der Gesamtausbeute an Zellstoff, bevor 10 Min. lang in einem Wennberg-Zerfaserer aufgeschlagenen und nach erneutem Sieben über einem Sieb mit 0,35 mm Maschenweite (Manttä-Sieb) der Anteil an unaufgeschlossenen Faserstoffen (rejects) bestimmt wurde.

Die Angabe an gesiebter Zellstoffausbeute (Gesamtausbeute minus rejects) erfolgte in Prozent, bezogen auf ofengetrocknete Einwaage an Holzschnitzel.

Als Organosiliciumtenside wurden folgende Produkte verwendet:

• 1. Siliconöl Wacker® LO66 (von Wacker-Chemie GmbH, München)
  Siliconöl Wacker® LO66 wird durch Umsetzung der Organosiliciumverbindung der Formel (XVII)
  
          H₃CSiO[Si(CH₃)HO]_1,4SiCH₃     (XVII),
  
  mit dem Allylpolyglykol der Formel (XVIII)
  
          H₂C=CH-CH₂O[CH₂CH₂O]_6,5CH₃     (XVIII),
  
  in Gegenwart eines Platinkatalysators hergestellt. Die dabei entstehende Organosiliciumverbindung wird durch die Formel (IXX)
  
          H₃CSiO[Si(CH₃)YO]_1,4SiCH₃     (IXX),
  
  wobei Y die Formel (XX)
  
          (CH₂)₃O[CH₂CH₂O]_6,5CH₃     (XX),
  
  aufweist, gekennzeichnet.
• 2. Wacker® SPG 120 VP (von Wacker-Chemie GmbH, München)
  Wacker® SPG 120 VP stellt eine 50 % ige Lösung eines siloxanmodifizierten Glycosids in Wasser/Isopropanol dar, wobei der Wirkstoff durch Umsetzung der organosiloxanverbindung der Formel (XVII) mit dem Allylpolyglykol der Formel (XXI)
  
          H₂C=CH-CH₂O[CH₂CH₂O]₁-(Glycosidyl)_1,8     (XXI),
  
  in Gegenwart eines Platinkatalysators hergestellt wird.
  Die dabei entstehende Organosiliciumverbindung wird durch die Formel (IXX), wobei Y die Formel (XXII)
  
          (CH₂)₃O(CH₂CH₂O)₁(Glycosidyl)_1,8     (XXII),
  
  aufweist, gekennzeichnet.
  Zum Vergleich wurden die in US-A-5,250,152 beschriebenen organischen Tenside B1 und B2 herangezogen.
• 3. Organisches Tensid B1:
  Das organische Tensid B1 stellt eine 1:1-Mischung aus ethoxyliertem Isostearylalkohol (Isostearyl (EO) ₁₀OH) und ethoxyliertem Oleylalkohol (Oleyl[EO]₂₀OH) dar.
• 4 . Organisches Tensid B2:
  Das organische Tensid B2 stellt eine 1:1-Mischung aus Di-n-nonylphenolethoxylaten mit unterschiedlichen EO-Anteilen dar. Die beiden Phenolderivate werden mit den Formeln (XXIII) und (XXIV) gekennzeichnet.

Mit den Organosiliciumtensiden und den rein organischen Tensiden B1 und B2 wurden 3 Zellstoff-Aufschlußversuche in dem vorstehend beschriebenen Zellstoffkocher bei unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt.

Bei all den Verkochungen führte der Aufschluß mit dem Silicontensid SPG 120 VP zu den höchsten, gesiebten Zellstoffausbeuten.

Daneben führten die Laborversuche mit LO66 zu Zellstoffqualitäten mit den niedrigsten Kappazahlen und relativ geringen "rejects".