制造微原纖化纖維素的方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及制造微原纖化纖維素(MFC)的方法。本發(fā)明也包括通過所述方法得到的MFC的用途。對(duì)于本發(fā)明，“微原纖化纖維素”或者“MFC”也涵蓋所謂的納米原纖化纖維素(NFC)。
[0002]這里將微原纖化纖維素(MFC)定義為由纖維素原纖維構(gòu)成的纖維材料，其非常細(xì)(thin)，直徑約為5至lOOnm，平均約20nm，和原纖維長度約為20nm至200 μ m，不過通常為10nm至100 μ m。納米原纖化纖維素(NFC)為特定種類的MFC，其纖維尺寸處于所述原纖維尺寸范圍的低端。在MFC中，個(gè)體微原纖維部分地或者全部地彼此分開。已經(jīng)被原纖化和在表面上具有微原纖維的纖維以及被分離并位于紙漿的水相中的微原纖維包括在定義MFC中。MFC具有非常大的開放活性表面區(qū)域，通常為約l_300m2/g，和可用于大范圍的使用端，尤其是在造紙領(lǐng)域中。
[0003]制造MFC的現(xiàn)有技術(shù)方法包括通過磨楽(精制，ref ine)、研磨、打楽和均化來機(jī)械破碎，和磨漿，例如通過擠出機(jī)。這些機(jī)械措施可通過作為預(yù)備步驟的化學(xué)或者化學(xué)酶處理而增強(qiáng)。
[0004]美國專利4，341，807描述了通過以下制造MFC:使纖維懸浮液重復(fù)通過小直徑的孔，從而使液體懸浮液經(jīng)歷壓力降。起始懸浮液含有0.5-10wt-%纖維素。產(chǎn)物為MFC的均勻的形成了凝膠的懸浮液。
[0005]WO 2007/091942 Al描述了一種方法，其中首先將化學(xué)漿磨漿，然后用一種或者多種木材降解酶處理，并最終均化以產(chǎn)生作為最終產(chǎn)物的MFC。據(jù)教導(dǎo)，紙漿的稠度優(yōu)選為0.4-10%。優(yōu)點(diǎn)據(jù)說是避免在高壓流化器或者均化器中的堵塞。
[0006]上面的兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)涉及通過使用稀釋懸浮液的所謂的低稠度(LC)磨漿。相反，WO 2012/097446 Al描述了通過化學(xué)或者機(jī)械纖維的多通高稠度(HC)磨漿制造NFC的方法。在所述文獻(xiàn)中，HC是指超過20wt-%的排出稠度。產(chǎn)物包含自由單絲和結(jié)合至纖維核的單絲的群體，所述單絲由纖維核產(chǎn)生。纖維直徑從普通造紙纖維的約8-45 μπι降低至小于10nm的納米尺度。優(yōu)點(diǎn)是得到具有高縱橫比(即，原纖維長度:其直徑)的NFC，其得到產(chǎn)物的改善的內(nèi)在強(qiáng)度。
[0007]WO 2012/072874 Al教導(dǎo)了制造NFC的多步驟方法，其中用第一磨漿機(jī)磨漿纖維素，將產(chǎn)物分成接受級(jí)份和拒絕級(jí)份，從接受級(jí)份除去水，并最終用第二磨漿機(jī)磨漿接受級(jí)份以得到凝膠狀產(chǎn)物，纖維直徑為2-200nm。在第一磨漿步驟，材料稠度為低于10%，但是通過除去水而提高至約15%或者甚至20%以增強(qiáng)其洗滌。為了第二磨漿，將紙漿稀釋回到低于10%的稠度。
[0008]US 3，382，140教導(dǎo)了高稠度造紙漿的制備，其中首先將得自硫酸鹽法制漿的紙漿脫水以得到非流體或者半固體物質(zhì)，其為不可栗送的。然后將稠度為20-30 %的經(jīng)脫水的物質(zhì)磨漿，稀釋至常規(guī)造紙稠度和形成紙幅。未提及MFC的制造，和所述物質(zhì)直接用作造紙供料的教導(dǎo)也沒有暗示MFC，MFC已知在這種供料中僅作為少量添加劑。
[0009]在WO 2011/114004中，描述了基于使用離子液體(即，熔鹽)的處理的原纖化木質(zhì)纖維素材料的不同方法，其基本完整地保持纖維。將包含咪唑鑰型陽離子的鹽作為這種液體的實(shí)例提及。所述方法據(jù)說弱化在原纖維或者管胞之間的結(jié)合和將原纖維或者管胞與纖維壁分離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]使用錘或者球磨機(jī)的常規(guī)低稠度磨漿的問題是對(duì)于在所述方法的最初階段之后的繼續(xù)原纖化而言，大量能量被消耗。通過使用化學(xué)品或者酶的半結(jié)晶木質(zhì)纖維素的部分水解將有幫助，但是缺點(diǎn)是纖維素原纖維的降解，收率的損失和酶處理的高成本。
[0011]可使用微流化器或者均化器替代用錘或者球磨機(jī)磨漿。然而，原纖化方法需要紙漿懸浮液的預(yù)處理和相對(duì)低濃度以順暢地和能量有效地操作。
[0012]LC原纖化的常見缺點(diǎn)是所得懸浮液是稀的并因此運(yùn)輸至進(jìn)行使用的另一地點(diǎn)是昂貴的。另一方面，HC原纖化(例如描述在US 3，382，140中)具有相對(duì)高的能量消耗，磨漿機(jī)的最初運(yùn)行能力差，并因此已知的HC方法在經(jīng)濟(jì)上不可行。
[0013]通常，現(xiàn)有方法的問題是生產(chǎn)率的限制和擴(kuò)大方法規(guī)模的困難。對(duì)于磨漿，另外的問題是纖維的切割，從而導(dǎo)致低縱橫比(纖維長度:纖維直徑)和纖維強(qiáng)度損失。對(duì)于基于均化器的原纖化，擴(kuò)大規(guī)模將需要多組原纖化單元以及稠度增強(qiáng)器，其進(jìn)一步使得所述方法難以擴(kuò)大規(guī)模。
[0014]本發(fā)明解決的問題是提供了制造原纖化纖維素或者木質(zhì)纖維素的方法，其可擴(kuò)大規(guī)模并且具有降低的總體能量消耗。目的還在于在提高的稠度得到MFC以降低產(chǎn)物的運(yùn)輸成本，促進(jìn)存儲(chǔ)和包裝以及產(chǎn)物的高的縱橫比以使其可用作紙或者板和各種復(fù)合材料的增強(qiáng)添加劑。
[0015]本發(fā)明的方案是通過以下步驟制造微原纖化纖維素(MFC):
[0016](a)在小于12.5%的稠度下機(jī)械原纖化纖維漿懸浮液；
[0017](b)將得自步驟(a)的經(jīng)原纖化的紙漿脫水至至少12.5%的稠度；和
[0018](c)在12.5至20%的稠度下使來自步驟(b)的經(jīng)脫水的紙漿經(jīng)歷進(jìn)一步原纖化。
[0019]可將本發(fā)明的要旨說成是逐步原纖化懸浮液，使得第一原纖化在低稠度下進(jìn)行和后續(xù)原纖化在高稠度范圍進(jìn)行。
[0020]對(duì)于本發(fā)明，將低稠度(LC)定義成表示小于12.5wt_%、通常I至10wt_%的懸浮液稠度。在優(yōu)選實(shí)施方案中，稠度可為2至8wt-%、優(yōu)選3至5wt-%。高稠度(HC)是指
12.5至20wt-%、典型地15至20wt-%的懸浮液稠度。可將在本領(lǐng)域中有時(shí)提及的中等稠度(MC)根據(jù)所述12.5wt-%分界線解釋為屬于LC和HC類別。
[0021]作為有用的變型，本發(fā)明也包括通過以下步驟制造微原纖化纖維素(MFC):
[0022](a)將纖維漿懸浮液原纖化，
[0023](b)使得自步驟(a)的經(jīng)原纖化的紙漿脫水，
[0024](c)采用對(duì)于各原纖化步驟(a)而言提高的紙漿稠度，將所述原纖化和脫水步驟(a)和(b)重復(fù)一次或者多次，和
[0025](d)使來自最終脫水步驟(b)的經(jīng)脫水的紙漿經(jīng)歷最終原纖化步驟。
[0026]在上面的變型中，紙漿稠度逐漸提高，和在所述方法的過程中優(yōu)選通過在LC和HC范圍之間的12.5%的界限。
[0027]令人驚奇地，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在LC范圍(S卩，小于12.5%和優(yōu)選小于10%)的較粗紙漿懸浮液的最初原纖化之后，稠度可在隨后的步驟通過脫水提高至12.5至20%的范圍，優(yōu)選提高至15至20%的范圍。然后將這種濃縮懸浮液用HC原纖化設(shè)備(例如，HC磨漿機(jī)或者擠出機(jī))原纖化。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，纖維-纖維摩擦更強(qiáng)烈地發(fā)生并導(dǎo)致具有較高量的高縱橫比MFC的原纖化。
[0028]如果在低稠度下的磨漿在串聯(lián)的數(shù)個(gè)磨漿機(jī)中進(jìn)行，那么第一磨漿機(jī)可大量地負(fù)載(load)，第二磨漿機(jī)較少，以此類推，直到負(fù)載不能進(jìn)行。這是因?yàn)槔w維材料變得較細(xì)，和較少磨漿負(fù)載可施用至原料。因?yàn)槊總€(gè)磨漿機(jī)具有所謂的無負(fù)載能量要求(無負(fù)載，用水測(cè)量的能量要求)；對(duì)于相同的效果，可施加在纖維上的能量越少，需要的能量就越多。這種缺點(diǎn)將根據(jù)本發(fā)明通過提高原料稠度而克服(通過提高稠度，更多磨漿能量進(jìn)入原纖化)。
[0029]相比之下，在恒定低稠度的一系列磨漿步驟將需要逐漸提高的能量以實(shí)現(xiàn)繼續(xù)原纖化，因此效率非常低下。無預(yù)備LC原纖化的HC磨漿類似地為耗能的和效率低下的。然而，本發(fā)明提供了具有降低的能量消耗和改善的MFC產(chǎn)物的最佳方案。
[0030]目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有較好機(jī)械性質(zhì)的高縱橫比MFC，較少纖維切割，和更適于需要撕裂強(qiáng)度的產(chǎn)品和復(fù)合材料的產(chǎn)物。
[0031]另一益處是，與現(xiàn)有技術(shù)中公開的傳統(tǒng)MFC制造相比，得到較少量的細(xì)粒。此外，實(shí)現(xiàn)較好的收率和較少的在水相中的糖含量。
【附圖說明】
[0032]圖1和2是本發(fā)明的可能的實(shí)施方案的示意圖。
[0033]圖3a和3b顯示使用本發(fā)明方法得到的纖維的顯微照片。在圖(a)中的條為100 μ m和在圖(b)中的條為200 μ m。
【具體實(shí)施方式】
[0034]根據(jù)本發(fā)明的制造微原纖化纖維素(MFC)的優(yōu)選方法包括以下步驟:(a)在小于
12.5wt_%的LC下機(jī)械原纖化纖維漿懸浮液，(b)使得自所述原纖化步驟的經(jīng)原纖化的紙漿脫水至至少12.5wt-%的HC，以及使來自脫水步驟的經(jīng)脫水的紙漿經(jīng)歷進(jìn)一步原纖化。
[0035]本發(fā)明方法在可商購設(shè)備上運(yùn)行和可擴(kuò)大規(guī)模用于批量生產(chǎn)。適合的方法已經(jīng)例如在 Papermaking Part I, Stock Preparat1n and Wet End, Volume 8, Editor:HannuPaulapuro, 2008中討論。所述方法也增強(qiáng)在HC原纖化步驟中的運(yùn)行能力并由此降低能量消耗。所得產(chǎn)物是均勻的，纖維具有高縱橫比和細(xì)粒量低。與通過使用傳統(tǒng)方法得到的產(chǎn)物相比，所述產(chǎn)物還具有高固體含量和很可能還具有降低的水保持能力。
[0036]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一原纖化步驟(a)為在低于12.5wt%、優(yōu)選至多l(xiāng)Owt-%的稠度下的低稠度(LC)原纖化，和所述進(jìn)一步原纖化步驟(c)為在12.5至20wt-%、優(yōu)選15至20wt-%的稠度下的高稠度(HC)原纖化。在第一原纖化步驟中的低稠度降低纖維的絮凝。LC原纖化步驟還降低在HC原纖化中的能量消耗。脫水提高最終產(chǎn)物的固體含量和降低的體積在運(yùn)輸中是顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。
[0037]在將紙漿脫水至高稠度之前，可進(jìn)行一個(gè)或者多個(gè)低稠度原纖化步驟。優(yōu)選地，稠度在每個(gè)低稠度原纖化步驟之間提高，使得磨漿能量在每個(gè)磨漿步驟中進(jìn)入原纖化?？蓪⒑械凸腆w含量的水級(jí)份循環(huán)返回至一個(gè)或者多個(gè)低稠度原纖化步驟。
[0038]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述第一原纖化步驟(a)為磨漿和所述進(jìn)一步原纖化步驟(C)為磨漿或者擠出。這導(dǎo)致纖維具有高縱橫比。
[0039]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將紙漿磨漿至超過45SR°或者更優(yōu)選超過60SR°，和最優(yōu)選高于80SR°。該步驟優(yōu)選在低或者中等濃度下進(jìn)行。磨楽紙楽至較高SR°導(dǎo)致較低能量消耗和在HC原纖化期間較好的機(jī)器運(yùn)行性能。
[0040]實(shí)踐本發(fā)明的另一優(yōu)選方式是通過以下步驟制造微原纖化纖維素(MFC):
[0041](a)使纖維漿懸浮液原纖化，
[0042](b)將得自步驟(a)的經(jīng)原纖化的紙漿脫水，
[0043](c)使用對(duì)于每個(gè)