CN103025765A - 生产微纤维素的新型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产微纤维素的方法,该方法包括:在至少140℃的温度下,和基于纤维素的干重,在至少8%的稠度下,使纤维状纤维素材料进行酸水解,其中所添加的酸量为0.2-2%,优选0.5-1.5%,基于纤维素的干重。

Description

生产微纤维素的新型方法
发明领域
本发明涉及通过弱酸水解纤维状纤维素材料制备微纤维素的改进方法。
发明背景
微纤维素(也称为例如平整(level-off)DP纤维素和微晶纤维素)是在许多工业应用中,例如在食品,药物,化妆品,纸张和纸板以及许多其他应用中的通用产品。也可在生产微纤维素衍生物,例如粘胶纤维素,CMC,纳米纤维素和各种复合产品中使用微纤维素。
在生产微纤维素的专利文献中提出了数种方法。
US2978446公开了通过酸水解和机械处理,生产平整DP(聚合度)纤维素。在2.5当量浓度的盐酸(HCl)中,在沸腾下水解纤维素。酸浓度因此是9%和温度为约105℃。没有规定浆的稠度和所添加的酸量。水解的纤维素要求在含水介质内机械粉碎。
US3278519公开了在105℃下,通过用2.5当量浓度的HCl水解或者在250°F(121℃)下,采用0.5%HCl水解纤维素,生产平整DP纤维素的类似方法。没有规定浆的稠度和所添加的酸量。
US3954727披露了在120-160℃的温度下,通过用稀硫酸水解纤维素,生产微纤维素的方法。纤维素加入其中的稀硫酸的浓度为1%和纤维素-酸块具有5%的浓度。因此,浆的稠度低,和基于纤维素的干重,酸的用量高。
US7037405公开了一种方法,其中生浆材料与酸接触,并在升高的温度下加热,然后机械处理。提及合适的酸浓度为混合物的1-5%,合适的浆稠度为3-50%,合适的温度范围为80-120℃,和合适的反应时间为30min-4h。在酸水解之后,机械处理浆混合物以供纤维粉碎。优选地,机械粉碎工艺步骤将剪切结晶纤维素颗粒成范围为约1-10微米大小的微米尺寸。US7037405的方法的缺点为复杂的生产工艺。在酸水解之后要求机械粉碎。这一阶段要求生产昂贵的精炼器(refiner)单元和5-100kWh/t的高的细化(refining)能量。
US6228213披露了通过添加酸溶液到纤维素中,和将纤维素与酸溶液喂料穿过挤出机,生产微晶纤维素的方法,其中纤维素经历酸水解并形成微晶纤维素。在水解过程中,挤出机机筒的温度为80-200℃。由于挤出机的温度和因挤出机的模头或螺杆产生的压力导致纤维素在挤出机内熔融,这便于纤维素与酸之间更加紧密的接触。挤出机螺杆的压缩比介于1.5:1-3:1,优选约3:1。采用挤出机的缺点是它们昂贵,维护成本相当高,且它们要求高的机械能输入,估计为至少100kWh,典型地至少150kWh/吨干燥纤维素(不包括热能输入)。
US5543511公开了在100-200℃下,利用氧气和/或二氧化碳,使用部分水解,生产平整-DP纤维素的方法。
US4427778公开了通过酶水解,生产平整-DP纤维素的方法。
在溶解浆的生产中,例如在酸性亚硫酸氢盐蒸煮中,和在牛皮纸工艺中作为预水解步骤,使用酸水解。在例如Rydholm,S.E.,PulpingProcesses,第649-672页中公开了酸性亚硫酸氢盐蒸煮。US5589033公开了对于软木来说,在100-160℃下,和对于硬木来说,在120-180℃下,经10-200分钟,含木质素的纤维素材料(即,刨花)的预水解牛皮纸工艺。预水解步骤之后紧跟着中和和碱性牛皮纸蒸煮。最后的产品是具有高α纤维素纯度的浆且可用作溶解浆。取决于木材原材料,溶解浆具有纤维长度典型地为0.5mm-2.5mm的纤维结构。因此,物理尺寸比微纤维素大得多。
鉴于以上所述的生产微纤维素的方法,需要甚至更加有效和经济的生产微纤维素方法。
发明概述
根据本发明,令人惊奇地发现,在至少8%的高稠度和至少140℃的高温下,通过温和的酸水解,由纤维状纤维素材料能生产具有窄粒度分布的高质量的微纤维素。可通过改变温和的酸水解条件,容易地控制粒度分布。
附图简述
图1示出了在160℃和0.5%的酸剂量下,根据本发明生产的微纤维素的粒度分布曲线,
图2示出了在175℃和0.5%的酸剂量下,根据本发明生产的微纤维素的粒度分布曲线,
图3示出了在140℃和0.5%的酸剂量下,根据本发明生产的微纤维素的粒度分布曲线,
图4示出了在140℃和1.5%的酸剂量下,根据本发明生产的微纤维素的粒度分布曲线,和
图5示出了在120℃和1.5%的酸剂量下生产的微纤维素的粒度分布曲线,该图不代表本发明。
发明详述
根据本发明,提供生产微纤维素的方法,该方法包括:在至少140℃的温度下,和基于纤维素的干重,在至少8%的稠度下,使纤维状纤维素材料进行酸水解,其中所添加的酸量为0.2-2%,优选0.5-1.5%,基于纤维素的干重。
本说明书中所使用的术语“微纤维素”包括微晶纤维素MCC,但还涉及没有完全结晶,而是可含有一些无定形区域的类似产品。本发明的微纤维素典型地具有约0-10%,优选0.5-7%,更优选1-5重量%的半纤维素含量,这通过典型的碳水化合物分析方法测量(通过酸的甲醇解和气相色谱法,测定木材和浆纤维内的半纤维素和果胶。1996.Nordicpulp and paper research journal nro4,1996.p.216-219)。
用于水解的合适的酸是有机和无机酸。有机酸可以是例如甲酸或乙酸。优选的酸是无机酸,例如硫酸,盐酸,硝酸,硫酸氢钠(sodiumbisulphate),或亚硫酸氢钠。也可使用两种或更多种这些酸的混合物。优选的无机酸是硫酸。
优选地,在反应器内,在没有基本压缩的情况下进行水解,其中反应器的压缩比优选低于1.5:1,更优选低于1.2:1。
水解温度优选为140-185℃,更优选150-180℃,和最优选155-175℃。
在水解过程中纤维素材料的稠度优选8-50%,更优选15-50%,甚至仍然更优选20-50%,和最优选25-45%,基于纤维素的干重。
水解时间优选5-180分钟,更优选15-150分钟。
优选地,提供在水解过程中机械能的输入,优选最多20kWh/吨干燥纤维素,更优选最多10kWh/吨干燥纤维素,和最优选1-5kWh/吨干燥纤维素,以确保均匀的化学和温度分布,且没有纤维素基体的基本机械切割和机械机械纤维分离。
根据本发明,纤维状纤维素材料和酸彼此接触,优选通过混合彼此接触。
在水解之后,可视需要中和所得微纤维素-水解物混合物,或者可分离微纤维素与水解物。可洗涤分离的微纤维素,和可中和分离或洗涤过的微纤维素。此外,可中和酸水解物。例如,碳酸钠,碳酸氢钠,氢氧化钾,氢氧化镁或氢氧化钠可用于中和。水解物富含半纤维素水解产物,例如木糖和葡萄糖,且可用于生产乙醇。
已观察到,可在没有随后的粉碎步骤情况下,在至少8%的稠度下,和在至少140℃的温度下,通过温和的酸水解,由纤维状纤维素材料生产平均粒度为约8-100微米,优选10-60微米,更优选15-30微米的微纤维素材料,所述平均粒度通过本说明书中随后描述的工序测定。本发明的基本特征是纤维素材料的高稠度,基于纤维素的干重,优选为至少20%。高稠度增加化学品的浓度,这对反应速度具有有利的影响。另外,加热需求降低。
在本发明的方法中用作起始材料的纤维状纤维素材料可以是在特定条件下可水解的任何纤维素材料。纤维状纤维素材料不一定必须是纯的纤维素材料,它也可以含有其他材料,例如木质素。
纤维状纤维素起始材料中的木质素含量优选最多5%,更优选最多2%,最优选最多1%。
纤维状纤维素起始材料典型地具有约3-15%,优选5-10重量%的半纤维素含量,这通过典型的碳水化合物分析方法测量(通过酸甲醇解和气相色谱法,测定木材和浆纤维内的半纤维素和果胶。1996.Nordicpulp and paper research journal nro4,1996.p.216-219)。
纤维状纤维素原材料中的纤维长度优选为5-0.2mm。对于非木材纤维状纤维素材料,例如棉来说,纤维长度可以大于5mm。
纤维状纤维素材料可以衍生于木材植物材料,例如软木或硬木。
优选的纤维状纤维素材料是漂白或未漂白的化学浆,例如牛皮纸浆,苏打-AQ浆,亚硫酸盐浆,中性亚硫酸盐浆,酸性亚硫酸盐浆或有机溶胶浆。浆可以是软木或硬木浆。浆可以是在蒸煮之后立即获得的浆或者是在蒸煮之后脱木质素的浆或者是脱木质素和漂白过的浆。优选的脱木质素的浆是O2脱木质素的浆。优选的浆是完全漂白的浆。
根据本发明,也可使用由非木材木质纤维素植物材料,例如棉、草、甘蔗渣、谷类作物的杆、亚麻、大麻、剑麻、马尼拉麻或竹子获得的纤维状纤维素材料。通常用碱物质处理这些植物材料,使木质纤维素材料断裂成纤维素、木质素和半纤维素,接着从混合物中分离纤维素。一些贫木质素的植物材料,例如棉绒或棉纺织品不一定要求用碱物质处理。后面的这些材料可含有大于90%纤维状材料中的棉纤维。
纤维状纤维素材料,例如化学浆优选具有低于40κ值,更优选低于30κ值,和最优选低于10κ值的木质素含量。
根据本发明的优选实施方案,所生产的微纤维素具有窄的粒度分布,其中平均粒度(D50)为10-60微米,更优选15-30微米,且优选粒度分布(D90)是这样的,以便至少90%体积的颗粒具有低于100微米的尺寸。粒度是按照本发明书以下描述的工序,该工序包括超声处理,后者可能引起样品的解聚或崩解。
由本发明的方法得到的微纤维素材料典型地具有8-100微米、优选10-60微米,更优选15-30微米的平均粒度。这通过在本说明书中随后描述的工序,在没有任何机械处理的情况下测定。如果要求更细的粒度,则可细化该结构。因此,视需要,可通过使用合适的装置,例如摩擦粉碎机,细化(refine)由水解获得的微纤维素材料到较小的粒度,其中通过粉碎石(例如,Masuko粉碎机),高剪切混合器或喷射磨或均化器进行细化。
本发明方法的优势是,最终微纤维素的纯度适度地高,且可容易地洗涤产品,除去低分子量碳水化合物。洗涤过的微纤维素中纤维素的纯度可以甚至超过97%。
微纤维素的产率取决于水解条件,例如温度,酸量和水解时间以及稠度。典型产率为至少80%,优选至少85%,和产率可以甚至大于或等于90%。
根据本发明,可在其中纤维素-酸混合物没有进行任何基本压缩的任何合适的设备,例如配备有混合器或螺杆传输机的容器内生产微纤维素。后者可以是连续的垂直或半垂直的装置,例如M&D蒸煮器,垂直螺杆蒸煮器/具有螺杆传输机的反应器类型。压缩比如果有的话,典型地低于1.5:1,更优选低于1.2:1。其他装置可以是连续漂白塔或下流式连续蒸煮器,例如Kamyr型的下流式连续蒸煮器。
实验部分
下述生产微纤维素的实施例描述了根据本发明的工序。采用由HaatoOy制造的空气-浴-蒸煮器,进行蒸煮实验。空气-浴-蒸煮器由六个独立的高压釜单元组成,所述的所有高压釜全部具有2.5升的体积。采用热空气加热这些单元。采用电阻器加热空气和采用风扇循环加热的空气。
按照下述方式进行所有的蒸煮实验。将纤维素材料,浆或其他放入高压釜单元中。在装载到高压釜单元内之前,将成捆的片材形式的浆切割成边缘为约1-2cm的正方形小片。在装载到高压釜单元内之前,干燥新鲜的纤维素材料,例如未漂白的浆到45-50%的稠度,然后采用Kenwood家用混合器均化5分钟。在纤维素材料之后,剂量称取酸溶液。首先预混酸与去离子水,并在浆上均匀地倾倒含水酸溶液。密闭高压釜单元的盖子,并加热该单元到80℃。在每一试验中,预热段花费约20分钟。当达到80℃的起始温度时,开始真正的加热段。按照控制的方式,采用2℃/min的加热速度加热高压釜的单元,直到达到蒸煮温度目标,因此加热到例如160℃花费40分钟和加热到175℃花费47.5分钟。当达到目标蒸煮温度时,蒸煮时间启动。在整个蒸煮时间期间,在目标温度值下保持温度。当蒸煮时间完成时,立即取出高压釜单元,并采用冷水(温度约10℃)冷却。
打开冷却的高压釜,并将纤维素混合物放入到过滤袋(90目)内。采用旋转式脱水机(制造商UPO。干燥时间2min,速度约2800rpm),除去混合物内过量的酸溶液。在旋转式脱水机处理之后的稠度为45-50%。然后,通过首先轻轻地混合混合物5分钟,和采用旋转式脱水机干燥混合物到45-50%的稠度,用3升去离子水洗涤纤维素材料。反复采用去离子水的洗涤步骤2次,在最后(第三)的含水混合物内的pH为约6-7,和洗涤被视为完成。
称重洗涤过的纤维素材料。取三个样品,每个约20g,结合并称重。在烘箱(105°C,24h)内干燥结合的样品。利用样品的湿度值,计算干燥纤维素材料的总量(绝对值)。利用洗涤过的产品中干燥纤维素材料和起始时干燥纤维素材料的含量,计算工艺产率。
通过采用配有湿法分散单元Hydro2000MU的Mastersizer2000(由Malvern Instruments Ltd制造)的激光衍射,测定纤维素的粒度。根据下述工序,进行测定:
将纤维素材料的样品分散在500ml蒸馏水中。调节样品浓度,其方式使得模糊度(obscuration)为10%。调节分散单元中的泵/搅拌速度到1500rpm。在粒度测量之前,用超声处理样品60秒。在3次按序测量中,在60秒的时间间隔内测量粒度。计算三次测量的平均值。每一次在样品之前测量背景。每一背景和每一样品测量的测量时间为5秒。使用Fraunhofer参数进行测量。通过Malvern Instruments和ISO-13320-1(1:1999),粒度分析-激光衍射的一般原理,在Master粒度仪2000操作说明书MRK561(用于激光衍射测量的湿法方法开发)中列出了激光衍射测量的更多数据。
实施例1  完全白的浆的酸水解,酸剂量(干燥浆的)0.5%,蒸煮温度160℃
采用完全漂白的软木浆,进行一系列的水解实验。浆为成捆的片材(干物质92.4%)。以下描述了实验1-1的工序。按照类似的方式进行所有实验。
将浆小片324.7g(成捆的片材,干物质92.4%,干燥浆300g)放入空气-浴-蒸煮器的高压釜单元内。预混硫酸15.3ml(浓度1mol/l,绝对硫酸量1.50g)和水660ml,并添加到浆小片上。该混合物的稠度为30%。浆的硫酸剂量(干燥浆的无水酸(absolute acid))为0.5%。
密闭高压釜单元并开始加热。蒸煮器首先在20分钟内被加热到80℃,然后开始加热段。采用2℃/min的速度,加热混合物到160℃。当温度达到160℃时,启动蒸煮时间。在30分钟蒸煮之后,立即取出高压釜单元,并在水浴中冷却。水浴温度为10℃。将反应产物从高压釜单元转移到过滤袋(90目)内并采用旋转式脱水机(制造商UPO,干燥时间2min,速度约2800rpm)干燥,并根据以上提及的洗涤工序洗涤。洗涤过的材料量为573.3g。材料的稠度为47.2%。干燥材料的含量为270.6g,和工艺产率因此是90.2%。表1中列出了实施例1的参数和结果。
表1
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 反应温度 稠度 产率 平均粒度
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm)
1-1 0.5 30 160 30 90 24
1-2 0.5 90 160 30 87 21
1-3 0.5 150 160 30 83 18
采用分散单元Hydro2000MU,利用Malvern Mastersizer2000,测定粒度分布。图1中列出了实验1-1的粒度分布曲线。
实施例1的实验结果表明,在没有任何机械处理的情况下,在160℃下具有低酸浓度的水解得到平均粒度为约20微米的良好质量的均匀微纤维素。采用小于或等于90分钟的蒸煮时间情况下,该产率良好,且在高于90分钟的蒸煮时间的情况下,开始轻微下降。
实施例2  完全漂白的浆的酸水解,酸剂量1.5%,蒸煮温度160℃
采用完全漂白的软木浆,湿度10%,进行一系列水解实验。表2中列出了实施例2的参数和结果。
表2
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 反应温度 稠度 产率 平均粒度
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm)
2-1 1.5 30 160 30 85 18
2-2 1.5 90 160 30 82 19
2-3 1.5 150 160 30 78 16
粒度分布曲线类似于实施例1的那些。结果表明,可在不需要机械处理的情况下,生产平均粒度低于20微米的微纤维素。结果表明,在蒸煮时间增加的情况下,粒度轻微下降,但产率基本下降。与实施例1相比,平均粒度较低,但产率也较低。
实施例3  完全漂白浆的酸水解,酸剂量0.5%,蒸煮温度175℃
采用完全漂白的软木浆,湿度10%,进行一系列水解实验。表3中列出了实施例3的参数和结果。在图2中列出了实验3-1的粒度分布曲线。
表3
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 温度 稠度 产率 平均粒度
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm)
3-1 0.5 15 175 30 86 21
3-2 0.5 30 175 30 86 20
3-3 0.5 90 175 30 76 18
表3的结果表明在采用小于或等于30分钟的蒸煮时间情况下,可在良好的产率下生产平均粒度为约20微米的微纤维素。采用90分钟的蒸煮时间情况下,观察降低的工艺产率。
实施例4  完全漂白浆的酸水解,酸剂量1.5%,蒸煮温度175℃
采用完全漂白的软木浆,湿度10%,进行一系列水解实验。表4中列出了实施例4的参数和结果。
表4
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 温度 稠度 产率 平均粒度
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm)
4-1 1.5 15 175 30 80 19
4-2 1.5 30 175 30 77 19
4-3 1.5 90 175 30 71 17
结果表明,可在15分钟的蒸煮时间内生产粒度低于20微米的良好质量的微纤维素。作为反应时间的函数,工艺产率开始下降。在高的蒸煮温度下,短的反应时间是有益的。
实施例5  完全漂白浆的酸水解,蒸煮时间90min,蒸煮温度140℃
采用完全漂白的软木浆(湿度10%),进行两个水解实验。表5中列出了实施例5的参数和结果。图3中列出了实验5-1的粒度分布曲线,和在图4中列出了实验5-2的曲线。
表5
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 温度 稠度 产率 平均粒度
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm)
5-1 0.5 90 140 30 92 50
5-2 1.5 90 140 30 89 30
结果表明,在140℃的温度下,1.5%的硫酸浓度对在良好工艺产率情况下良好质量的微纤维素来说是充足的。在0.5%的酸浓度情况下,工艺产率是良好的,但实验5-1的粒度分布曲线表明在产品内存在直径大于100微米的颗粒群。
实施例6  未漂白松树浆的酸水解,酸剂量0.5%,温度160℃
在蒸煮段之后,采用软木浆进行一系列水解实验。表6中列出了实施例6的参数和结果。
表6
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 温度 稠度 产率 平均粒度
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm)
6-1 0.5 30 160 30 93 40
6-2 0.5 90 160 30 89 32
6-3 0.5 150 160 30 83 21
结果表明,可使用新鲜的松树浆作为原材料,生产高质量的微纤维素。工艺产率在实验6-1和6-2中是良好的,和在实验6-3中是适中的。平均粒度在实验6-3中是最低的。
实施例7  未漂白软木浆的酸水解,酸剂量1.5%,蒸煮时间30min
采用未漂白的软木浆,进行两个水解实验。表7中列出了实施例7的参数和结果。
表7
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 温度 稠度 产率
(%) (min) (℃) (%) (%)
7-1 1.5 30 160 30 91
7-2 1.5 30 175 30 85
结果表明,未漂白的软木浆是生产微纤维素的合适原材料。30分钟的蒸煮时间是充足的。
实施例8  对比例完全漂白的浆的酸水解,温度120℃
采用完全漂白的软木浆(湿度10%),进行一系列水解实验。表8中列出了实施例8的参数和结果。图5中列出了实验8-5的粒度分布。
表8
实验 硫酸剂量 蒸煮时间 温度 稠度 产率 平均粒度 粒度,90%
(%) (min) (℃) (%) (%) (μm) (μm)
8-1 1.5 150 120 20 97 56 164
8-2 2.0 150 120 20 97 49 134
8-3 1.5 90 120 30 97 55 154
8-4 2.0 90 120 30 97 44 112
8-5 1.5 150 120 30 96 45 115
8-6 2.0 150 120 30 91 41 102
结果表明,当在120℃下甚至长时间蒸煮浆时,微纤维素的产率不是非常良好。超过10%的颗粒的粒度超过100微米,和因此可能需要细化以供得到用于微纤维素应用的充足材料。

Claims (14)

1.生产微纤维素的方法,该方法包括:在至少140℃的温度下,和基于纤维素的干重,在至少8%的稠度下,使纤维状纤维素材料进行酸水解,其中所添加的酸量为0.2-2%,优选0.5-1.5%,基于纤维素的干重。
2.权利要求1的方法,其中所添加的酸是无机酸,优选硫酸,盐酸,硝酸,硫酸氢钠或硫酸氢钠。
3.权利要求1或2的方法,其中在反应器内,在没有基本压缩的情况下进行水解,其中反应器的压缩比优选低于1.5:1,更优选低于1.2:1。
4.权利要求1-3任何一项的方法,其中温度在140和185℃之间,优选在150和180℃,更优选在155和175℃之间。
5.权利要求1-4任何一项的方法,其中纤维素的稠度为8-50%,优选15-50%,更优选20-50%,和最优选25-45%,基于纤维素的干重。
6.权利要求1-5任何一项的方法,其中水解时间为5-180分钟,优选15-150分钟。
7.权利要求1-6任何一项的方法,其中进行在水解过程中的机械能输入,优选最多20kWh/吨干燥纤维素,更优选最多10kWh/吨干燥纤维素,和最优选在1和5kWh之间/吨干燥纤维素,以确保均匀的化学和温度分布,且没有纤维素基体的基本的机械切割和机械纤维分离。
8.权利要求1-7任何一项的方法,其中彼此混合纤维状纤维素材料和酸。
9.权利要求1-8任何一项的方法,其中中和所得微纤维素-水解物混合物,或者分离微纤维素与水解物,任选地洗涤分离过的微纤维素,和中和分离或洗涤过的微纤维素,或者中和分离过的水解物。
10.权利要求1-9任何一项的方法,其中纤维状纤维素材料衍生于木材植物材料,例如软木或硬木。
11.权利要求1-10任何一项的方法,其中纤维状纤维素材料包括漂白或未漂白的化学浆,例如牛皮纸浆,碱法-AQ浆,亚硫酸盐浆,中性亚硫酸盐浆,酸性亚硫酸盐浆或有机溶胶浆。
12.权利要求1-9任何一项的方法,其中纤维状纤维素材料衍生于非木材植物材料,例如棉、草、甘蔗渣、谷类作物的杆、亚麻、大麻、剑麻、马尼拉麻或竹子。
13.权利要求1-12任何一项的方法,其中纤维状纤维素材料,例如化学浆具有低于40κ值,优选低于30κ值,更优选低于10κ值的木质素含量。
14.权利要求1-13任何一项的方法,其中所生产的微纤维素的平均粒度为8-100微米,优选10-60微米,和更优选粒度分布使得至少90%体积的颗粒的尺寸低于100微米。
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