CN100341932C - 堆积密度提高的纤维素醚混合物及制法，建筑材料中的用途 - Google Patents

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Abstract

介绍了纤维素醚混合物，该混合物包括:a)纤维素醚，b)占干纤维素醚重量0.1-10%、选自淀粉、淀粉醚、瓜尔胶、瓜尔醚和黄原胶的添加剂，c)任选占干纤维素醚重量0.05-1%的聚丙烯酰胺，以及d)任选其他添加剂，其特征在于添加剂b)是以水溶液或粉末的形式、聚丙烯酰胺c)是以水溶液的形式计量加入含湿量范围为湿纤维素醚重量的25%-75%水润湿纤维素醚中的，并加以混合，还可以再加水。还描述了生产堆积密度提高的纤维素醚的方法以及作为添加剂在像瓷砖粘合剂或水泥组合物和灰浆组合物这样的建筑材料中的用途。

Description

堆积密度提高的纤维素醚混合物及制法，建筑材料中的用途
本专利阐述了堆积密度提高的纤维素醚混合物，其在建筑材料中的用途，以及堆积密度提高的纤维素醚混合物的生产方法。
纤维素醚因性能优异而得到广泛应用，如用作增稠剂、胶粘剂、粘结剂、分散剂、保水剂、防腐剂、稳定剂，还用作悬浮剂、乳化剂和成膜剂。
众所周知，纤维素醚是对纤维素进行碱煮解，然后用甲基氯、环氧乙烷和环氧丙烷等醚化剂进行醚化而制成的。但是适合于工业应用的产品只能通过对反应所得粗纤维素衍生物加以洗涤、压缩、研磨和干燥来生产。尤其值得一提的是，纤维素衍生物的压缩、研磨和干燥需要相当数量的设备，涉及高资本投入。
因此，甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素和甲基纤维素以及这些产品的衍生物在某些情况下不可能或很难达到使用所需的细度和堆积密度。当产品存在高度甲基化和/或低度羟烷基化问题时尤其如此。
要求纤维素醚具有高堆积密度的原因包括确保其易于通过混合而与水泥或石膏结合。提高堆积密度还给包装和运输带来了好处，因为当质量一定时，要运输的纤维素醚的体积小了。
在纤维素醚化学中，烷基取代度通常是用DS来描述的。DS为每个脱水葡萄糖单元被取代的羟基的平均数。例如甲基取代度被规定为DS(甲基)或DS(M)。
羟烷基取代度通常用MS描述。MS为一摩尔脱水葡萄糖单元上以醚形式结合的醚化剂的平均摩尔数。例如，使用像环氧乙烷这样的醚化剂所产生的醚化度被规定为MS(羟乙基)或MS(HE)。同样，使用醚化剂环氧丙烷所产生的醚化被规定为MS(环氧丙基)或MS(HP)。
人们早就知道纤维素醚与其他添加剂或辅剂结合可以产生产业用配方所要求的特殊性能。
US4654085描述了多组分添加剂，其组成包括淀粉醚和聚丙烯酰胺。各组分比例规定如下：纤维素醚∶淀粉醚∶聚丙烯酰胺为95-75∶20-5∶1。
在US4654085中，添加剂以粉末的形式添加到纤维素醚中，而纤维素醚同样是粉末状的，因此不影响纤维素醚的堆积密度和细度。
DE-A10 041 311描述了纤维素醚改性方法，其特征在于将微湿的纤维素醚以水溶液或有机悬浮液形式与添加剂或添加剂混合物混合，然后对所产生的混合物加以干燥。
在DE-A 10041311中，添加剂不是以粉末的形式添加的，而且也不使用淀粉醚。
EP-A1 127 910和EP-A1 127 895描述了纤维素衍生物的联合研磨/干燥方法。这两件申请都描述了在联合研磨/干燥前在研磨的材料中添加淀粉醚添加剂的可能性。但无论是EP-A1 127 910还是EP-A1 127 895都没有就以什么样的添加量为好、添加剂的添加该如何进行以及使用何种淀粉醚为好作出任何说明。
侧基用Zei sel法测定(文献：G.Bartelmus和R.Ketterer，Z.Anal.Chem.286(1977)161-190)。
因此，本发明的目的在于提供堆积密度提高的纤维素醚混合物和可以通过简单的方法提高纤维素醚堆积密度的方法，同时在需要的场合还可以影响粉末的细度，从而产生更细的产品。达到这一目的方法可以是：使水润湿状态的纤维素醚(如粗纤维素醚经洗涤后)与淀粉醚混合，并通过加水和混合使所得混合物达到后道工序所需的含湿要求。如果需要，还可以添加聚丙烯酰胺添加剂来产生协同效应。淀粉醚的用量占干燥的纤维素醚重量的0.1-10％，所用的聚丙烯酰胺占干燥的纤维素醚的0.05-1.0％。在此添加的淀粉醚为水溶液形式，以粉末状为好，而聚丙烯酰胺则是作为水溶液计量加入的。然后对已经用添加剂进行上述处理的纤维素醚加以干燥和研磨，研磨和干燥也可以在同一工序中进行。
因此本发明提供的纤维素醚混合物包括
a)纤维素醚，
b)一种占干燥的纤维素醚重量0.1-10％，选自淀粉、淀粉醚、瓜尔胶、瓜尔醚和黄原胶的添加剂，
c)任选占干纤维素醚重量0.05-1％的聚丙烯酰胺，和
d)任选其他添加剂，
其特征在于添加剂b)是以水溶液的形式计量加入的，或以粉末形式计量加入为好，而且聚丙烯酰胺c)是以水溶液的形式计量加入的，通过混合和任选进一步加水，与未经淀粉添加剂及任选的聚酰胺添加剂处理的产品相比，本发明的这种混合物意外地显示出大为提高的堆积密度，适当的时候还具有大为提高的细度。形成含湿量范围为占纤维素醚重量25％-75％的水湿润纤维素醚。
在本发明中，我们惊奇地发现，将淀粉醚和聚丙烯酰胺(如果需要的话)加入到湿纤维素醚中，可以明显地影响产品的堆积密度和细度。此外，为获得良好的性能，可以按照(例如)US 4 654 085所述的方法，再将粉末状的添加剂掺加到已经用添加剂处理过的纤维素醚中，用量达到已经掺入湿润的纤维素醚的淀粉醚和聚丙烯酰胺的量，以形成多组分添加剂，关于要使用的量，可以将已经添加到湿纤维素醚中的淀粉醚和聚丙烯酰胺的量考虑在内。
根据本发明方法，将含水纤维素醚，例如粗纤维素醚在洗涤之后得到的纤维素醚，与淀粉醚混合，并在需要时通过进一步加水和混合，使其含湿量满足后道操作工序要求。
在此所用的纤维素衍生物以甲基纤维素衍生物为好，甲基纤维素或甲基羟烷基纤维素则更好。使用效果最理想的甲基羟烷基纤维素为甲基羟乙基纤维素或甲基羟丙基纤维素。
就甲基羟烷基纤维素而言，DS(甲基)为0.9-3、MS(羟烷基)为0.05-4。以DS(甲基)1.4-2.3、MS(羟烷基)0.05-1.0为好。以DS(甲基)为1.7-2.0，MS(羟烷基)0.1-0.2最好。尤其宜使用甲基羟乙基纤维素。
就甲基纤维素而言，以DS(甲基)1.4-2.3为好，DS(甲基)1.7-2.0最好。
洗涤和过滤后，水润湿滤饼的含湿量为湿纤维素醚的重量的25％-75％。使用那些含湿量为45重量％-65wt％的水润湿滤饼较好。它们与淀粉醚水溶液混合，或与干淀粉醚粉末混合为好，如果需要的话，可以在此次混合或随后的再次混合中进一步加水，以调整混合物颗粒的含湿量。再次加水在混入淀粉醚后进行为好。
用这种方法形成的混合物的含湿量(颗粒的含湿量)通常占混合物总重量的45-80％，以60-75％为好，65-75％则更好。就添加剂b)而言，最好采用淀粉醚。
在本发明中使用的淀粉醚为羟烷基淀粉，尽管还可以使用烷基羟烷基淀粉或羧甲基羟烷基淀粉。使用羟甲基、羟乙基或羟丙基淀粉这样的羟烷基淀粉为好，例如MS(羟烷基)为0.3-0.9的羟烷基淀粉，MS(羟烷基)为0.4-0.6的羟烷基淀粉则更好。在羟烷基淀粉中，羟丙基淀粉特别好。
这种淀粉醚是淀粉与醚化剂在碱性催化剂存在情况下反应生成的。为了提高所产生的淀粉醚的粘度，可以使用双官能团或多官能团交联剂，如3-氯1，2-环氧丙烷。
采用粘度在60mPas以上(用Brookfield法在25℃温度下测得的、浓度为5重量％的淀粉醚水溶液的粘度)的淀粉醚为好。以使用粘度在600mPas以上的高粘度淀粉醚为好。最好使用交联剂制成的高粘度淀粉醚。
淀粉醚的用量占干纤维素醚重量的0.1-1.0％。以0.5-8％为好，1.5-2.5％最好。此淀粉醚以粉末的形式添加到水润湿纤维素醚中，并与之混合为好。
如果不使用淀粉醚，还可以用淀粉、瓜尔胶、瓜尔衍生物，如羟丙基瓜尔胶或黄原胶作为添加剂，在造粒阶段加入。
此外，通过添加聚丙烯酰胺添加剂还有可能产生协同效应。聚丙烯酰胺的用量占干纤维素醚重量的0.01-1.0％。聚丙烯酰胺加入量以0.1-0.6重量％为好。聚丙烯酰胺以水溶液的形式在计量加入淀粉醚之前、期间或之后添加。在计量加入淀粉醚之后添加聚丙烯酰胺为好。聚丙烯酰胺以水溶液的形式、以占水溶液总重量的0.5-10％的浓度计量加入，浓度达到2-7重量％的水溶液则更好。
就聚丙烯酰胺而言，可以使用阴离子、非离子或阳离子聚丙烯酰胺。使用丙烯酸钠含量低于20重量％、粘度低于1000mpas(25℃，在10wt％氯化钠溶液中的浓度为1重量％的溶液，用Brookfield法测定)的阴离子聚丙烯酰胺为好。
与非本发明的纤维素醚相比，添加淀粉醚使所得产物的堆积密度提高了20g/l以上，提高40g/l以上为好，提高60g/l以上更好，尤以提高80g/l以上为好。用仅占干纤维素醚重量0.5％的少量淀粉醚就能使堆积密度提高，而淀粉醚用量达到1.0-5.0wt％还能使细度提高。在这种情况下，相对于未用淀粉醚进行控制的产品而言，通过0.063mm细筛的比例提高25％以上，提高50％更好。
若淀粉醚和聚丙烯酰胺均加入的话，与非本发明纤维素醚相比，所得产物的堆积密度提高20g/l以上，提高40g/l以上为好，提高60g/l以上更好，尤以提高80g/l以上为好。在方法条件保持不变的情况下，产物的细度也有明显提高。细度的提高可以用通过0.063mm细筛的材料比例有所提高来证明。相对于未用淀粉醚和聚丙烯酰胺进行控制(实施例9-2或实施例10-1)的产物而言，通过0.063mm细筛的材料比例提高50％以上，提高100％以上更好。相对于未使用淀粉醚而使用聚丙烯酰胺进行控制(实施例9-5或实施例10-3)的产物而言，通过0.063mm细筛的材料比例提高20％以上，提高40％以上为好。
如果需要的话，可以在水润湿纤维素醚中加入(举例来说)水溶液形式的其他添加剂，如乙二醛和/或缓冲混合物。用这种方法可以得到延迟溶解产品。延迟溶解纤维素衍生物的制备方法早以为专业人士所知。
本发明还提供堆积密度提高的纤维素醚混合物的制造方法，其特征在于
a)在含湿量占混合物总重量25-75％的水润湿纤维素醚中，以水溶液，或最好以粉末的形式，计量加入占干纤维素醚重量0.1-10％的选自淀粉、淀粉醚、瓜尔胶、瓜尔醚和瓜尔胶的添加剂，
b)如果需要，以水溶液的形式，计量加入占干纤维素醚重量0.01-1％的聚丙烯酰胺，和
c)如果需要，计量加入其他添加剂并混合，在需要时在加水，然后对混合物加以研磨和干燥。
在各种情况下，水要加到混合物颗粒的含湿量占混合物总重量的45-80％为止，以60-75％为好，65-75％则非常好。
对纤维素醚加以干燥和研磨，研磨和干燥可以在同一工序中进行。在此，干燥和研磨或联合研磨/干燥可以按照以往的方法方法进行。研磨和干燥组合在同一工序中进行为好。如果需要，可以按照以往的方法再次进行研磨加工，以进一步降低产品的尺寸。
另外，可以改变研磨和干燥或组合的研磨/干燥方法条件，以便在产品细度不变的情况下减少使产品尺寸降低所需的能量。
本发明还提供本发明混合物在建筑材料方面的用途。
本发明混合物可作为添加剂，用于瓷砖粘合剂、像水泥灰浆或石膏灰浆这样的灰浆、填充物、挤出成形的粘结材料及其他建筑材料。
为了获得建筑材料专用产品，需要时可再加入粉末添加剂，举例来说如US-A 4 654 085所述。
实施例
研磨/干燥联合单元：
实施例1到12所用的研磨/干燥联合单元和研磨/干燥联合操作说明如下：
研磨单元由无筛高速气流旋转研磨机(直径450mm，5个研磨轨道，3650rpm)组成。研磨机下游是一台旋风分离器和一台袋式过滤器。清洁气体一侧装有一台风扇，它将无尘气流送进热交换器，在那里传送气体被过热加热到干燥所需的温度。
计量螺杆根据第一和第二研磨轨道的容量将颗粒计量加入研磨器。计量螺杆上游的多孔板将来料分送到直径约10mm的各凹槽。
除去过量的传送气。
送入的传送气的温度在常压下为200-240℃。研磨后传送气的温度为120-130℃。循环气体流量为每小时(研磨器下游)1000-1200立方米(操作条件下测定)。
颗粒的产量已设定，因而干燥产品的产量约为每小时18千克。
测试方法：除非另作说明，甲基羟乙基纤维素和甲基羟丙基纤维素的所述粘度是它们在无水纤维素中形成的浓度为2重量％的溶液在20℃和2.55s-1剪切速率下测得的粘度(测试仪：Haake Rotovisko VT 550)。
实施例1-4
在Ldige公司产300升犁铧剪切混合器中，将29kg一批的湿甲基羟乙基纤维素(固体含量为45重量％，22000mPas，DS(M)1.8，MS(HE)0.1)在50-30℃下与淀粉醚粉末(羟丙基淀粉，MS(HP)0.5，5重量％浓度的水溶液的Brookfield粘度：25℃时为1200mPas，使用转子4，转速为100rpm的锭子，重量基于干MHEC：见表1)彻底混合，并用水进行喷淋，以便使所得颗粒具有表1(颗粒含湿量)所示的含湿量(基于总重量)。然后在如上所述的研磨/干燥联合装置中碾碎，同时干燥。
                                      表1
 实施例   HPS重量％   颗粒含湿量重量％   堆积密度g/l   通过细筛的比例＜0.063mm重量％   改变细筛后通过的比例0.063mm   比较例/本发明
 1   0   71.5   170   32   -   比较例
 2   0   74.5   165   29   -   比较例
 3   2   72   256   52   +62.5％相对于实施例1   本发明
 4   2   73.5   262   57   +96.5％相对于实施例2   本发明
在可比条件下，用本发明方法(实施例3和4)所生产的产品与比较例C1和C2(没有添加羟丙基淀粉)相比，堆积密度明显提高，筛分线上细颗粒的比例明显提高。
实施例5-7
在Ldige公司产300升犁铧剪切混合器中，将29kg一批的湿甲基羟乙基纤维素(固体含量为45重量％，22000mPas，DS(M)1.8，MS(HE)0.1)在50-30℃下与淀粉醚粉末(羟丙基淀粉，MS(HP)0.5，5重量％浓度的水溶液的Brookfield粘度：25℃时为1200mPas，使用转子4，转速为100rpm的锭子，重量基于干MHEC：见表2)彻底混合，并用水进行喷淋，以便使所得颗粒具有表2(颗粒含湿量)所示的含湿量(基于总重量)。然后碾碎，同时干燥(见上面)。
                                  表2
  实施例   HPS，重量％   颗粒含湿量，重量％   堆积密度，g/l   通过细筛的比例＜0.063mm，重量％   比较例/本发明
  5   0.5   75   191   29   本发明
  6   5   73.5   296   74   本发明
  7   10   72.5   278   36   本发明
用本发明方法所生产的产品与比较例1和2(没有添加羟丙基淀粉)相比，堆积密度明显提高，此外，实施例6的细度与比较例2(没有添加羟丙基淀粉)相比明显提高(+155％)。
实施例8-10
在Ldige公司产300升犁铧剪切混合器中，将33kg的湿甲基羟乙基纤维素(固体含量为43重量％，32000mPas，DS(M)1.8，MS(HE)0.1)在50-30℃下与淀粉醚粉末(羟丙基淀粉，MS(HP)0.5，5重量％浓度的水溶液的Brookfield粘度：25℃时为1200mPas，使用转子4，转速为100rpm的锭子，重量基于干MHEC：见表3)彻底混合，并用水进行喷淋，再计量加入5重量％聚丙烯酰胺水溶液(在10重量％氯化钠溶液中1重量％溶液的Brookfield粘度：25℃时为500mPas，使用转子1，转速10rpm的锭子，在PAAm中含约10重量％的丙烯酸钠，用量(基于干MHEC的重量的活性物质含量)：见表3)并进行混合，从而使所得颗粒(颗粒含湿量)具有如表3所示的含湿量。将颗粒碾碎并同时干燥(见上面)。
                                          表3
  实施例   HPS重量％   PAAm重量％   颗粒含湿量重量％   堆积密度g/l   通过细筛的比例＜0.063mm重量％  过筛比例的变化0.063mm   比较例/本发明
  8   0   0.3   73   174   51  -   比较例
  9   0.5   0.3   74   253   65  +124％相对于实施例2   本发明
  10   2.0   0.3   72   275   71  +122％相对于实施例1   本发明
在可比较的条件下，实施例9和10(按照本发明方法实施)所给出的产品的堆积密度显著提高，而且细筛线上的细颗粒比例显著提高。添加聚丙烯酰胺添加剂后，与实施例1(未用聚丙烯酰胺)相比，比较例8所给出的产品的细度确有提高，但堆积密度没有实质性的提高。另一方面，与只添加羟丙基淀粉的实施例(实施例5和3)相比，添加羟丙基淀粉和聚丙烯酰胺添加剂的实施例(实施例9和10)在可比较的颗粒含湿量保持不变的情况下，堆积密度和细度有了进一步提高。
实施例11-12
按照实施例8至10的步骤，但此次淀粉醚是以5重量％的水溶液的形式添加到湿甲基羟乙基纤维素中并彻底混合。计量加入水和5wt％聚丙烯酰胺溶液并加以混合，从而使颗粒的含湿量如表4所示。将颗粒碾碎，同时干燥。
                                表4
  实施例   HPS重量％   PAAm重量％   颗粒含湿量重量％   堆积密度g/l   通过细筛的比例＜0.063mm重量％   比较例/本发明
  11   1   0.3   72   254   64   本发明
  12   2   0.3   73   303   73   本发明
实施例13至14
在Ldige公司产300升犁铧剪切混合器中，将37kg的湿甲基羟丙基纤维素(固体含量为40重量％，13000mPas，DS(M)1.9，MS(HP)1.0)在50-30℃下与淀粉醚粉末(羟丙基淀粉，MS(HP)0.5，5重量％水溶液的Brookfield粘度：25℃时为1200mPas，使用转子4，转速为100rpm的锭子，基于干MHEC的用量：见表5)彻底混合，并用水进行喷淋，以便使所得颗粒(颗粒含湿量)具有表5所示的含湿量(基于总重量)。然后在上述研磨/干燥联合装置中将颗粒碾碎，同时干燥，但此次在2000rpm的旋转速度下操作。另外在洗涤器的袋式过滤器和热交换器之间插入气流，从而在传送气中积存水蒸汽。同时在循环系统中计量加入20m3/h的氮气。在这种情况下所用的传送气为氮气，该气体在热交换器中加热到155-175℃。循环气体流量和研磨器下游气体的温度对应于上述数值。干MHPC产量约为15kg/h。
                                表5
  实施例   HPS重量％   颗粒含湿量重量％   堆积密度g/l   通过细筛的比例＜0.063mm重量％   比较例/本发明
  13   0   65.4   257   12   比较例
  14   2.0   65.3   353   33   本发明
与比较例C13(没有羟丙基淀粉添加剂)相比，在可比较的条件下，用本发明方法(实施例14)，即使采用MHPC并在氮气流中干燥，所得到的产品的堆积密度和细筛线上细颗粒的比例也有明显提高。
实施例15至18
将干粉状的甲基羟乙基纤维素(含湿量：2.3重量％，22000mPas，DS(M)1.8，MS(HE)0.1)与干淀粉醚粉末彻底混合。所用的淀粉醚与实施例3和4中的相同。表6列出了作为淀粉醚用量的函数的堆积密度。
                      表6
 实施例     HPS重量％   堆积密度g/l     比较例/本发明
 15     0   200     比较例
 16     2.0   208     比较例
 17     5.0   215     比较例
 18     10.0   223     比较例
粉状甲基羟乙基纤维素与淀粉醚粉末的干混合物仅使堆积密度略有提高。同样，在此添加2重量％淀粉醚作为添加剂仅使堆积密度提高8g/l。另一方面，根据实施例3或4所示的本发明方法，添加2重量％淀粉醚作为添加剂能使堆积密度提高80g/l以上。

Claims (4)

1.纤维素醚混合物，它包括：
a)纤维素醚，
b)一种占干纤维素醚重量0.1-10％的选自淀粉、淀粉醚、瓜尔胶、瓜尔醚和黄原胶的添加剂，
c)占干纤维素醚重量0.05-1％的聚丙烯酰胺，该聚丙烯酰胺为丙烯酸钠含量低于20重量％的阴离子聚丙烯酰胺，且粘度小于1000mPas，该粘度在25℃用Brookfield法测定，使用在10重量％氯化钠溶液中的浓度为1重量％的溶液，和
d)任选的其他添加剂，
其特征在于，所述的纤维素醚混合物按包括下述步骤的方法制备：以水溶液或粉末的形式计量加入添加剂b)，以水溶液的形式计量加入聚丙烯酰胺c)，形成含湿度为湿纤维素醚重量的25％-75％的水润湿纤维素醚，
混合a)、b)、c)和d)，还可以进一步加水，
同时研磨和干燥所述的纤维素醚混合物，
所述纤维素醚混合物的堆积密度比在没有研磨的情况下混合制备的对比纤维素醚混合物高40g/l以上，所述对比纤维素醚混合物所含a)、b)、c)和d)的量等于所述纤维素醚混合物。
2.权利要求1所述的纤维素醚混合物，其特征在于纤维素醚为甲基纤维素或甲基羟烷基纤维素。
3.权利要求1所述的纤维素醚混合物，其特征在于添加剂b)是以粉末的形式计量加入的。
4.权利要求1所述的纤维素醚混合物，其特征在于用选自羟烷基淀粉、烷基羟烷基淀粉和羧甲基羟烷基淀粉的淀粉醚作为添加剂b)。
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