CN103189567B - 促进水去除的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及促进包含微纤化纤维素组合物中水去除的方法。根据本发明，在包含微纤化纤维素的组合物中，提供具有低分子量且分子量低于10000的阳离子聚电解质。
Description
技术领域
本发明涉及权利要求1的序言中所定义的用于促进含有微纤化纤维素的组合物中的水去除的方法。
背景技术
从现有技术，可知制造纸浆（pulp）和纸制品的不同方法。
此外，从现有技术，可知通过与造纸相关的不同填充剂和涂层剂，例如颜料，提高纸制品性能。已知造纸业的宗旨在于为纸制品提供可能最好的性能。
另一方面，从现有技术，可知制造微纤化纤维素以及将其应用于制造纸浆和纸制品。在有关微纤化纤维素的研究中，已发现，除了其他方面，微纤化纤维素提高纸的强度。相对于材料重量，微纤化纤维素具有大的比表面积且因此具有大的结合面积。利用微纤化纤维素提高纸特性的问题在于其具有高保水性且因此具有高含水量。输送具有高含水量的微纤化纤维素既不经济也不生态。另外，从微纤化纤维素或含有微纤化纤维素的纸浆和纸中去除水是困难的且局限于某一水平的干物质含量。
发明目的
本发明的目的在于解决上述与纸制品制造相关的问题并公开促进包含微纤化纤维素的组合物中的水去除的新型方法。
发明内容
本发明方法的特征如权利要求中所述。
本发明基于促进包含微纤化纤维素的组合物中的水去除的方法。根据本发明，在包含微纤化纤维素的组合物中提供具有低分子量且分子量低于10000的阳离子聚电解质，以促进水从该组合物中去除。
优选地，以水悬浮液的形式提供包含微纤化纤维素的组合物。组合物可包含的微纤化纤维素范围为大于0%至小于100%。
尤其地，本发明基于利用小的阳离子聚电解质，并因此基于促进水从含有微纤化纤维素的组合物中去除。众所周知，大的聚电解质可促进在包含微纤化纤维素的组合物中形成常不利于水去除的网状物（network）。结合本发明，可惊奇地发现，可通过利用足够小的阳离子聚电解质，促进水的去除。优选地，添加小的阳离子聚电解质影响含有微纤化纤维素的组合物所形成的网状物的结构和表面化学性质。这样，可更容易地去除水。
在本发明的一个实施方式中，利用预定的水去除技术，从提供有阳离子聚电解质、包含微纤化纤维素的组合物中去除水。在一个实施方式中，水去除技术可选自：过滤、增稠、沉淀、加压、重力法、负压法、过压法、基于真空的方法以及其各种组合。
在上下文中的微纤化纤维素指的是由微纤丝即一组源自纤维素原料的分离的纤维素微纤丝或微纤丝束组成的纤维素。纤维素纤维包含微纤丝，所述微纤丝是纤维素纤维的细丝状成分。通过纤丝化使纤维素纤维呈纤维状。微纤丝的纵横比通常较高；单个微纤丝的长度可大于1微米，且平均直径通常小于20纳米。微纤丝束的直径可更大，但通常小于1微米。最小的微纤丝与所谓的基本纤丝类似，其直径通常为2至4纳米。微纤丝或微纤丝束的尺寸和结构取决于原料和制造方法。
微纤化纤维素可由任何植物原料形成，例如木质原料如硬木原料或软木原料，或其他的包含纤维素的植物原料。植物原料可包括如农业废料、草、秸秆、树皮、颖果、皮、花、蔬菜、棉花、玉米、小麦、燕麦、黑麦、大麦、大米、亚麻、大麻、马尼拉麻、剑麻、洋麻、黄麻、苎麻、甘蔗渣、竹或芦苇，或其不同组合。
微纤化纤维素还可包括半纤维素、木质素和/或提取剂，其量取决于所采用的原料。借助适用于所述目的的设备，如研磨机、粉碎机、均质机、流化装置、微小或大的流化装置、低温压碎和/或超声粉碎机，从上述包含纤维素的原料中分离出微纤化纤维素。还可利用微生物，例如醋酸杆菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）、假单胞菌属（Pseudomonas）或产碱杆菌（Alcailgenes），优选地醋酸杆菌属，且更优选地木醋杆菌种（Acetobacterxylinum）或巴氏醋杆菌种（Acetobacterpasteurianus），通过发酵工艺，直接获得微纤化纤维素。微纤化纤维素的原料还可包括如被囊类（拉丁语：tunicata），以及属于囊泡藻界（拉丁语：chromalveolata）类的有机物，例如卵菌（拉丁语：oomycete），它们可产生纤维素。
在一个实施方式中，微纤化纤维素可为任何化学或物理改性的且由微纤丝或微纤丝束组成的纤维素衍生物。化学改性可基于如纤维素分子的羧甲基化、氧化、酯化和醚化反应。还可通过将阴离子材料、阳离子材料或非离子材料或其组合物理吸附至纤维素表面，进行改性。可在制造微纤化纤维素之前、期间或之后，实施改性。
可通过本领域本身所熟知的任何方法，从纤维素基原料形成微纤化纤维素。在一个实施方式中，通过纤丝化，从干燥的和/或浓缩的纤维素原料形成包含微纤化纤维素的混合组合物。在一个实施方式中，对纤维素原料进行浓缩。在一个实施方式中，对纤维素原料进行干燥。在一个实施方式中，对纤维素原料进行干燥并浓缩。在一个实施方式中，对纤维素原料进行化学预处理，以便更容易破碎，即不稳定，借此，从化学上不稳定的纤维素原料形成包含微纤化纤维素的混合组合物。例如，N-烃氧基（例如，2,2,6,6-四甲基-1-哌啶N-氧化物）介导的氧化反应提供极不稳定的原料，该原料异常容易地破碎成微纤化纤维素。这种类型的化学预处理被描述在例如专利申请WO09/084566以及JP20070340371中。
微纤化纤维素的纤丝为相对于直径非常长的纤维。微纤化纤维素具有大的比表面积。因此，微纤化纤维素能形成许多结合体（bond）并结合许多颗粒。此外，微纤化纤维素具有良好的强度特性。
在一个实施方式中，微纤化纤维素至少部分为或主要为纳米纤维素。纳米纤维素至少主要由纳米尺寸级（nanosize-class）纤丝组成，其直径少于100纳米，但是长度在微米尺寸级（μm-sizeclass）内或更小。可选择地，微纤化纤维素还可指纳米纤化纤维素、纳米纤丝纤维素、纤维素的纳米纤维、纳米级纤丝化纤维素、微纤丝纤维素或纤维素的微纤丝。优选地，上下文中的微纤化纤维素不指所谓的纤维素纳米晶须或微晶纤维素（MCC）。
在一个实施方式中，可以分散体形式，例如，凝胶或凝胶状形式，或稀释的分散体形式，或悬浮液形式，即水悬浮液，提供包含微纤化纤维素的组合物。
在一个实施方式中，组合物可主要由微纤化纤维素组成。
在本发明的一个实施方式中，组合物为包含微纤化纤维素的纤维混合物。除了微纤化纤维素外，纤维混合物还包含其他合适的纤维和/或不同的添加剂和/或填料。在一个实施方式中，可由任何植物原料形成所述纤维混合物中的纤维。
在本发明的一个实施方式中，将阳离子聚电解质添加至包含微纤化纤维素的组合物。在一个实施方式中，将阳离子聚电解质添加至包含微纤化纤维素的纤维混合物。
在一个实施方式中，首先将阳离子聚电解质添加至纤维组合物，然后将微纤化纤维素添加至该组合物，形成纤维混合物。
在本发明的一个实施方式中，将阳离子聚电解质添加至包含微纤化纤维素的组合物，例如水悬浮液，并将因此形成的组合物添加至纤维组合物，形成纤维混合物。
在上下文中，纤维组合物指的是任何基于纤维的组合物或纸浆，其可由任何植物原料，例如，木质原料，如硬木原料或软木原料，或其他包含纤维例如纤维素纤维的植物原料形成。纤维组合物可为通过化学方法形成的纤维基纸浆，其中纤维彼此分离并利用化学方法通过化学剂除去大部分木质素，所述化学方法可为例如硫酸盐法、亚硫酸盐法、苏打法、基于有机溶剂的方法或本领域本身所熟知的其他化学处理方法。纤维组合物可为通过机械方法例如TMP、PGW、CTMP等等形成的纤维基纸浆。
在本发明的一个实施方式中，基本上在一个步骤中进行水去除处理，以从包含微纤化纤维素的组合物中去除水。
在本发明的一个实施方式中，在至少两个步骤中进行水去除处理，以从包含微纤化纤维素的组合物中去除水。在一个实施方式中，在两个步骤中进行水去除处理。在一个实施方式中，在多于两个的步骤中进行水去除处理。
在本发明的一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质为包含至少一种具有低分子量且分子量低于10000的阳离子聚电解质的混合物。在一个实施方式中，阳离子聚电解质混合物包含一种阳离子聚电解质，在一个实施方式中，阳离子聚电解质混合物包含多于一种的阳离子聚电解质。此外，所述混合物可包含其他合适的材料组分。
在本发明的一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质基本上是水溶性的。
在一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质具有高的电荷密度，例如＞4meq/g。
在本发明的一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质具有在0.3和1之间的DS，即取代度，换句话说，全部单体序列（sequence）的带电单体序列部分。
在一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质具有高的甲基含量。
在本发明的一个实施方式中，阳离子聚电解质选自群组：聚凝胺、阳离子淀粉以及它们的不同混合物。还可利用其他的适用于所述目的的阳离子聚电解质化学剂。在一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质为单独的聚凝胺，或在含另一个聚电解质和/或合适材料组分的混合物中的聚凝胺。聚凝胺为聚[(二甲基亚氨基)-1,3-丙二基(二甲基亚氨基)-1,6-己二基溴化物(1:2)]（poly[(dimethyliminio)-1,3-propanediyl(dimethyliminio)-1,6-hexanediylbromide(1:2)]）。在一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质为单独的阳离子淀粉或在含另一个聚电解质和/或合适材料组分的混合物中的阳离子淀粉。在一个实施方式中，阳离子化学剂可为具有低分子量且分子量低于10000的任何阳离子化学剂。在一个实施方式中，所采用的阳离子聚电解质为线性阳离子聚电解质。
在本发明的一个实施方式中，利用了相对于微纤化纤维素的量化学计量过量的阳离子聚电解质。
在本发明的一个实施方式中，所述方法被用于制造纤维悬浮液，该悬浮液包含微纤化纤维素且通过本发明方法从中去除水。
在本发明的一个实施方式中，所述方法被用于制造纸浆。
在本发明的一个实施方式中，所述方法被用于制造纸。本发明方法可适用于制造不同的纸制品，其中纸制品由纤维基材料形成。上下文中的纸制品指的是任何基于纤维的纸、板或纤维产品或同等产品。纸制品可由化学纸浆、机械纸浆、化学-机械纸浆、再生纸浆、纤维纸浆和/或植物纸浆形成。纸制品可包含合适的填料和添加剂，以及不同的表面处理和涂层剂。
在本发明的一个实施方式中，所述方法被用于制造包含微纤化纤维素的产品，例如用于制造不同的组合物和混合物，优选地，用于制造增稠的组合物和混合物，用于制造不同的薄膜，用于制造不同的组合产品，或用于同等情况。在一个实施方式中，所述方法被用于制造主要包含微纤化纤维素的产品，例如用于制造增稠的微纤丝纤维素悬浮液或用于制造由微纤化纤维素形成的薄膜。
相比现有技术，本发明具有重要优势。
根据本发明，可促进水从含有微纤化纤维素的组合物中去除，即可以增加水去除程度和组合物的干物质含量，并可加快水的去除。
本发明节约了能源、原料和劳动力支出。此外，就运输而言本发明具有显著的经济效益。另外，在不同应用中，本发明更好地利用了微纤化纤维素。
可容易地将本发明方法应用于工业领域。
附图说明
图1示出了聚凝胺的结构，
图2示出了实施本发明其中一个方法的简化流程图，
图3示出了添加阳离子聚电解质以及时间对微纤化纤维素固体物质含量的影响，以及
图4示出了添加微纤化纤维素和阳离子聚电解质对从松树牛皮纸浆去除水的时间的影响。
具体实施方式
借助所附实施例并参照附图，更详细地描述本发明。
实施例1
图2以简图形式示出了本发明其中一个方法的步骤。
在图2所示的方法中，形成了从中去除水的包含微纤化纤维素的纤维产品。首先将微纤化纤维素2添加至纤维组合物1，然后加入阳离子聚电解质3。所采用的阳离子聚电解质为聚凝胺，它的结构显示在图1中，且其具有低分子量且分子量低于10000。通过基于微滤的两步水去除装置4a、4b，从由此形成的纤维混合物中去除水。利用已去除水的纤维混合物制造纤维悬浮液5或纸浆6或利用其制造包含微纤化纤维素的产品7。
实施例2
形成包含微纤化纤维素的悬浮液组合物，其干物质含量为0.2%。
从悬浮液形成2个不同系列的样品，其中第一个样品A不添加阳离子聚电解质而第二个样品B添加10毫克/克作为阳离子聚电解质的聚凝胺。聚凝胺的化学结构被显示在图1中。样品的pH约为8。
利用5微米薄膜和0.5巴（bar）的超压力对所述样品进行微滤，以通过死端过滤将水去除。样品A中的干物质含量约为2%。对样品B，在相似条件下，获得的干物质含量约为30%。可发现，样品B的水去除速率也增加。图3示出了添加阳离子聚电解质对微纤化纤维素固体物质含量的影响。
实施例3
将包含微纤化纤维素和9毫克/克阳离子聚电解质的实施例2的样品B组合物以0至6%添加至纸浆。所采用的纸浆为松树牛皮纸浆，纸浆稠度为0.3%且pH约为8。可发现，相比将微纤化纤维素添加至纸浆而未将阳离子聚电解质添加至纸浆的情况或既没将微纤化纤维素添加至纸浆也没将阳离子聚电解质添加至纸浆的情况，提高了水从纸浆的去除。
图4示出了添加微纤化纤维素和/或阳离子聚电解质对水从松树牛皮纸浆去除的时间的影响。图示出，除微纤化纤维素之外，当将阳离子聚电解质添加至纸浆，水去除的时间减少。
借助负压过滤以及200目筛利用0.15巴的压力差进行水去除。所述过滤为死端型过滤。
另外，在试验中可发现，相比未添加微纤化纤维素的传统纸浆，当将样品B组合物添加至纸浆时，湿强度增加。
在试验中，可发现，聚电解质的阳离子性质和最佳分子量可促进水的去除。
本发明方法作为不同的实施方式适合用于制造大多数不同类型的纤维素基产品。
本发明不仅仅局限于上面提到的实施例；相反地，在权利要求书限定的本发明思想的范围内，许多变化是可能的。
Claims (17)
1.促进包含微纤化纤维素的组合物中的水去除的方法，其特征在于在所述包含微纤化纤维素的组合物中，提供具有低分子量且分子量低于10000的阳离子聚电解质。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于利用预定的水去除技术，从所述包含微纤化纤维素的组合物中去除水。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所述组合物为包含微纤化纤维素的纤维混合物。
4.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于将阳离子聚电解质添加至所述包含微纤化纤维素的组合物。
5.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于首先将所述阳离子聚电解质添加至纤维组合物，然后将微纤化纤维素添加至所述组合物。
6.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于将所述阳离子聚电解质添加至所述包含微纤化纤维素的组合物，然后将它添加至纤维组合物。
7.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于在一个步骤中进行水去除处理，以从所述包含微纤化纤维素的组合物中去除水。
8.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于在至少两个步骤中进行水去除处理，以从所述包含微纤化纤维素的组合物中去除水。
9.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所采用的阳离子聚电解质为包含至少一种具有低分子量且分子量低于10000的阳离子聚电解质的混合物。
10.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所采用的阳离子聚电解质是水溶性的。
11.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所采用的阳离子聚电解质具有0.3和1之间的DS。
12.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所述阳离子聚电解质选自：聚凝胺、阳离子淀粉以及它们的混合物。
13.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于利用相对于微纤化纤维素的量化学计量过量的所述阳离子聚电解质。
14.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所述方法被用于制造纤维悬浮液。
15.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所述方法被用于制造纸浆。
16.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所述方法被用于制造纸。
17.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于所述方法被用于制造包含微纤化纤维素的产品。
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