CN103339322A

CN103339322A - 纤维素纤维组合物

Info

Publication number: CN103339322A
Application number: CN2011800583372A
Authority: CN
Inventors: 马丁·查尔斯·俄奈基
Original assignee: Zeoip Pte Ltd
Current assignee: Zeoip Pte Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-10-02
Also published as: US20140352903A1; EP2633119A4; JP2013540913A; AU2011320014A1; MX2013004607A; BR112013010074A2; AP2013006888A0; WO2012054968A1; ZA201303724B; CA2815386A1; EP2633119A1

Abstract

一种包括具有0.25至0.40mm的长度加权平均纤维长度(“LWAFL”)的纤维的纤维素组合物。

Description

纤维素纤维组合物

技术领域

本发明涉及纤维素组合物，其作为用于物体的结构建筑组分是有用的，这些物体包括但不限于建筑物、家具、汽车零件、棺木、橱柜和箱子、电子器件外壳、结构建筑支柱、横梁、板材、片材、单板、椅子、乐器和玩具。

背景技术

在纸浆和纸加工业中所产生的大量废料通常被处理至垃圾填埋场。然而，由于与土地可用性和土地/土壤污染相关的环境限制，至垃圾填埋场的处理正变成日益凸显的问题。正因如此，对减少处理至垃圾填埋场的废料的量有明显的压力，减少的一个方式是回收。

回收纸和织物材料需要将此类材料分解成纤维或类纤维材料，然后可以将它们重整为材料以提供纸或类纸产品。作为重整材料以提供纸和类纸产品的替代方案，先前已研发出用纤维素纤维生产模制件的回收方法，其中模制件的比重接近纯纤维素的比重，1.5。该方法涉及在形成纤维-水混合物之前于水的存在下将纤维素纤维精细地切碎并研磨成微纤维，该混合物中纤维素纤维含量按重量计为约1％-15％。该方法随后还涉及将纤维素纤维与水的混合物成形并干燥成模制件。美国专利号6,379,594提出了该方法和利用该方法生产的模制件的细节。

人们不断努力生产来源于纸浆和纸加工废料以及植物纤维的、具有高承载能力和用作结构组分的能力的纤维素基组合物。

发明内容

本发明提供一种包括具有0.25至0.40mm的长度加权平均纤维长度(“LWAFL”)的纤维的纤维素组合物。

优选地，0.28至0.38mm。

本发明还提供一种纤维素组合物，包括，按重量计：

(a)15％至25％的0.001mm至0.2mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(b)40％至60％的0.2mm至0.5mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(c)8％至35％的0.5mm至1.2mm长度加权平均纤维长度的纤维和

(d)小于3％的1.2mm至2.0mm长度加权平均纤维长度的纤维。

长度加权平均纤维长度(“LWAFL”)提供由单独纤维的长度加权得到的、纤维样品中纤维的平均长度的测量。LWAFL强调样品中的较长纤维且较少强调较短纤维和细料。有时LWFAFL仅仅是指加权平均纤维长度或“WAFL”。LWAFL可以与样品中纤维的平均长度的其它度量相比较，如算术或数值平均值(AFL)和重量加权平均纤维长度(WWAFL)。通过以下计算获得这些平均值：

AFL = \frac{Σ (l_{x} \cdot n_{x})}{N}

其中：

LWAFL = \frac{Σ (l_{X}^{2} \cdot n_{x})}{Σ (l_{x} \cdot n_{x})}

x＝面元#

l＝面元中值长度

n＝面元纤维计数

N＝计数的纤维的总数

WWAFL = \frac{Σ (l_{X}^{3} \cdot n_{x})}{Σ (l_{X}^{2} \cdot n_{x})}

优选地，组合物具有600％至2000％，更优选700％至1300％的保水值(WRV)。

保水值(WRV)定义为参与纤维材料的溶胀的水量和施加离心力时没有释放的水量。WRV也与牛皮纸纤维的粘合能力密切相关。通过将一个湿润的纤维垫放入一个在底部具有烧结玻璃过滤器的离心管来实施测定WRV的测试。将离心机加速至3000g15分钟以从纤维的外表面和内腔除去水。相信剩余的水与泡孔壁内部的亚微观孔隙有关。称重经离心的纤维，在105℃下干燥，然后重新称重。然后，可以用水质量与干质量的比率来计算WRV。图1中示意性地示出用于测量WRV的装置。

在一个实施例中，该组合物包括，按重量计：

(a)15％至25％的0.001mm至0.2mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(b)45％至55％的0.2mm至0.5mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(c)20％至约30％的0.5mm至1.2mm长度加权平均纤维长度的纤维和

(d)小于1％的1.2mm至2.0mm长度加权平均纤维长度的纤维。

该纤维素组合物可以是湿润状态或干燥状态。

在一个实施例中，以球粒、颗粒或粉末的形式干燥纤维素组合物。在干燥状态中，纤维素组合物可以便利地储存和运输。

干燥的球粒、颗粒或粉末可以与水混合以形成可模制的、精细的纸浆，可以干燥该纸浆以生成用作结构组分的材料。

可模制的、精细的纸浆可以使用包括但不限于喷射模制、注塑模制、挤出或三步模制的任何合适的方法来模制。可以随后干燥经模制的物品或生坯物品以形成产品。

由根据本发明的组合物生产的产品的密度可以为0.5g/cm³至1.5g/cm³。产品的拉伸模量可以为3500MPa至10800MPa且拉伸强度可以为27MPa至115MPa。

可以将功能添加剂(如用于着色的染料和颜料、用于防水的树脂和蜡、石灰、包括泡碱硅酸盐的阻燃剂、胶、导电的金属粉末和石墨、用于挠曲和防水的乳胶、填料和用于获得增强的拉伸强度的长度为1.5至6.0mm的非常长的纤维)加至与水混合的干燥纤维素粉末/颗粒/球粒的浆料，因此不需要添加任何功能添加剂或施加压力以干燥并硬化浆料。

在一个实施例中，组合物可以通过包括但不限于超摩擦研磨、高压均质化、低温研磨、挤出、蒸气喷发、超声波处理、酶-纤维分离、高浓度(consistency)/中浓度/低浓度精炼、化学处理或白水细料回收的加工方法的任何一个或组合来制备。

可以分别制备组合物的组分并将其混合到一起。在一个实施例中，可以按所需比例制备并混合具有不同纤维长度分布的两种或多种中间组合物以形成上面定义的组合物。

在制备本文描述的组合物时，可以使用各种原料，其包括但不限于从废料流回收的短/超短纤维素纤维/细料，例如，回收的纸、从纸和纸浆加工于白水中回收的细料和回收的棉纤维。此外的原料也可以包括在纸浆和纸加工中所使用的任何纤维素纤维和具有高纤维素含量的各种植物纤维，例如大麻、亚麻、棉花、马尼拉麻、剑麻和黄麻。

本发明还提供由本文描述的组合物制成的产品

附图说明

现在将参照附图描述各实施例，其中：

图1是用于测量纤维样品的保水值(WRV)的装置的示意图；

图2-6描绘按指定标度的、来源于废纸的湿纸浆组合物的Norval Wilson染色的显微图像；

图7描绘按指定标度的、来源于大麻纤维素的湿纸浆组合物的NorvalWilson染色的显微图像；并且

图8-13是图2-7中所示出的湿纸浆组合物的纤维长度分布的图。

具体实施方式

各实施例提供由具有不同的特定长度、高原纤化度和高保水能力的纤维制成的纤维素组合物。可以随后模制并干燥这些组合物以生成最终的高强度的类木材或类角状物品，因此它们可以用作负荷承载产品。

组合物包括具有0.25至0.40mm，优选0.28至0.38mm的长度加权平均纤维长度(“LWAFL”)的纤维。组合物中的纤维长度以倾斜的钟形曲线进行分布，组合物包括，按重量计：

(a)15％至25％的0.001mm至0.2mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(b)40％至60％(优选45％至55％)的0.2mm至0.5mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(c)8％至35％(优选20％至30％)的0.5mm至1.2mm长度加权平均纤维长度的纤维和

(d)小于3％(优选小于1％)的1.2mm至2.0mm长度加权平均纤维长度的纤维。

因此，组合物由与短长度纤维(0.2-1.2mm的纤维长度)混合的大量的细料(纤维长度＜0.2mm)构成。

此外，组合物具有由600％-2000％，优选700-1300％的高保水值(WRV)表示的高原纤化度。

组合物通过包括但不限于超摩擦研磨、高压均质法、低温研磨、挤出、蒸气喷发、超声波处理、酶-纤维分离、高浓度/中浓度/低浓度精炼、化学处理或白水细料回收的加工方法的任何一个或组合来制备。

可以分别制备组合物的组分并将其混合到一起。在一些实施例中，按所需比例制备并混合具有不同纤维长度分布的两种或多种中间组合物以形成组合物。

制备组合物时可以使用各种原料，包括但不限于从废料流回收的短/超短纤维素纤维/细料，例如，回收的纸、从纸和纸浆加工于白水中回收的细料和回收的棉纤维。此外的原料也可以包括纸浆和纸加工中所使用的任何纤维素纤维和具有高纤维素含量的各种植物纤维，例如大麻、亚麻、棉花、马尼拉麻、剑麻和黄麻。

可以以球粒、颗粒或粉末的形式干燥组合物以便运输和/或储存。依据这些形式，组合物可以重新湿润以形成可模制的、精细的浆料。作为替代，组合物可以由浆料制备并且可以在模制过程中直接使用。作为浆料的组合物可以通过本领域技术人员已知的任何模制操作来模制，例如，喷射模制、注塑模制、挤出或三步模制。经模制的物品或生坯物品可以随后干燥形成产品。

有利地，可以使用组合物生成被用作结构材料的具有合适硬度、强度和延展性的材料，而在从组合物加工和制造物品(包括非常大的物品)期间仍保持容易被处理的能力。此外，这些组合物不需要过大的能量来生产，由此是经济可行的。

因此，当经模制和干燥后，组合物可以用于生成结构和工业组件，如棺木、电子器件外壳、结构建筑支柱、横梁、板材、片材、单板、盒子、椅子、橱柜、箱子和其它家具、汽车零件和玩具。

应理解的是，由于在例如木质素含量、灰含量、OH结合力和缠结/原纤化程度以及纤维加工参数的选择方面原料的组合物的变化，因而由组合物生产的最终产品的物理性能将会变化。例如，密度可以从0.5到1.5g/cm³变化，拉伸模量可以从3500到10800MPa变化并且拉伸强度可以从27到115MPa变化。

实例

纤维配料和原纤化程度

使基于废纸、从Amcor回收的RCW80去除油墨的废纸的五个样品(A-E)和基于大麻纤维素、来自西班牙Celesa的Hempcell B的一个样品(F)在高浓度22″精炼机中经受研磨。浆料中的纤维(固体)含量为16wt％且通过精炼机的浆料的流量为约200L/min。这些样品的比能量(从精炼机的电动机向纤维传输的能量的量值)输入为：

比边缘载荷(穿过精炼机磨片的杆边缘一米施加的并在一秒内传输至浆料的能量的量)在精炼过程开始时为4-8Ws/m，且这种载荷到该过程结束时逐步减少至1-4Ws/m之间。

加工纤维直到平均纤维长度的伸展匹配已知的“钟形曲线”为止。依据经验且得知这些过程输入，在加工的某个时期之后出现这种匹配。然而，可以采样这些纤维以确定它们具有这种纤维长度的分布。

在含有分散的纤维样品的已制备的滑片上使用光学显微镜和Norval Wilson染色并取得如图2-7中描绘的这些样品的图像。由这些图可见，观察到六个样品的高原纤化度且大部分纤维被破坏并被切成非常小的碎片。

悬浮特性：形态特性和抗脱水性以及溶胀行为

在上述的研磨过程之后，将0.2g(干重量)的每个样品A-F在水中通过预悬浮、搅拌、且随后添加水至5000ml而进行大幅度稀释。从该悬浮液取出25ml(相当于1.0mg(干重量)的纤维材料)并拍照。随后使用FibreLab 3.0″设备分析(双重测定)照片以确定分离且悬浮的纤维的纤维-形态特性和分布参数，包括纤维长度。下表1中提供纤维长度的结果。

表1-纤维长度

表1中的结果示出所有样品(A-F)都含有极度缩短的纤维。由于细料(＜0.2mm)的存在而使经测量的纤维长度的算术平均值稍微偏斜。这可以通过加权长度和质量，即通过参照LFAFL或WWAFL来进行数学校正(降低)。

实际上，长度加权平均纤维长度(LFAFL)通常用于纤维材料彼此之间的比较。依据表1中所有样品的LFAFL值，可见基于废纸(A-E)的所有样品获得相似的值，基于大麻纤维素(F)的样品获得稍微短的值。

下面表2中所示出的结果是在一定长度范围内的纤维长度分布的估值。处理之后的所有六个样品(A-F)的大部分纤维为0.2-0.5mm，这被认为是短纤维或纤维碎片范围。这也在图8-13中图解地示出。这些图的每一个(对于相应的样品)包含两幅图。图8-13的每一个的上面的图示出具有长度＜0.06mm的纤维的分布，而这些图的每一个的下面的图示出具有长度＞0.1mm的纤维的分布。

表2-纤维长度的分布(长度范围内的长度加权平均长度)按重量计％

通过测定基于算术平均纤维长度(AFL)的每个样品中细料(纤维＜0.2mm)的分数来进一步研究磨碎的样品的细料含量。每个样品的该分数与下表3中所示出的细料的长度加权分数(如表2)相比较。由表3可见，所有样品(A-F)的细料含量都非常高。大麻纤维素样品F比废纸样品(A-E)明显含有更多的精细材料。

表3-精细材料含量

使用Fibrelab设备进一步测量直径、壁厚和计算的(曲率)参数示出了来源于废纸的样品A-E具有相似的值，而来源于大麻纤维素的样品F具有较小的纤维尺寸和较小的曲率。该结果与测定的纤维长度并且与存在的纤维碎片相符合。

表4-进一步的纤维数据

根据Zellcheming情况报道IV/33/57测定保水能力(WRC)

在抽样测定所有样品A-F的保水能力(WRC)之前通过混合来使它们(在上述的研磨之后)均匀化。

在非真空下于G2熔块上使纤维材料的样品脱水(至固体含量约25wt％)并将其转移至膨胀管(根据DIN53814)。填充膨胀管至约三分之二容量(导致固体含量约0.150wt％)。用塞子密封膨胀管并使其经受3000g的离心力15分钟。进行六个平行测定。

通过离心分离从纤维材料除去不参与纤维溶胀的水。通过在105℃下干燥纤维材料直至达到恒定质量固体含量来重量分析式地测定溶胀水和保水能力。表5中示出了结果。

表5-保水能力

样品		A	B	C	D	E	F
								保水能力	％	841	742	1532	774	1138	1052

保水能力的值尤其与可商购的、强力磨碎的纤维素相比极其高且非典型。较高的WRC通常等同于密度更大的材料，当将其模制并干燥成最终产品时，得到具有较低的撕裂或拉伸强度但具有较高的负荷承载能力和杨氏模量的产品。保水能力的优选范围通常为700％与1200％之间，若高于该范围，则低撕裂强度使其难于形成片材，如样品C所发现的。

材料性能：物理/强度性能

如上所述，根据下表8将样品A至F磨碎并使其与水在混合器中混合得到范围为0.3至0.4wt％(3至4g/L)的固体浓度。

表8

目的是根据快速-科腾(Rapid-Kothen)法(根据ISO 5269-2)生产具有80±2g/m²平均克重m_A的、用于后续强度测试的测试用片材。值得注意的是，由于所有样品的非常低的脱水能力，因而必须通过减小圆筒中填充水的体积并改变滴落和抽吸的周期以适应用于形成每个样品A至F的片材所需的条件来适应ISO 5269-2测试规范。

在生产用于每个样品的测试用片材之后，使测试用片材适应标准气候条件(23℃/50％相对空气湿度)。

根据DIN EN ISO 536测定合适的测试用片材的克重十次。表9中示出了克重测试的结果。

表9-样品克重

样品		A	B	C	D	E	F
								克重	g/m²	79.3	81.2	74.4	81.0	78.5	77.6

由于材料的特性而难于生产具有均匀克重的测试用片材。尤其是样品C的实例，其中尽管反复校正仍不能实现目标值(80±2g/m²)。这归因于样品非常高的保水能力(WRC)。为了补偿测试用片材之间的非均匀性克重，强度值已参照克重进行校正。

使测试用片材经受厚度和表观片材密度测试，表10中示出了它们的结果。

表10-片材厚度和表观片材密度

由于高比例的非常短、精细的纤维，使所得到的克重下的厚度小且密度非常高。这对应于用非常短的纤维达到的在高堆积密度下的正常行为。

根据DIN EN ISO 1924-2使测试用片材经受拉伸测试，下表11中示出了它们的结果。

由该测试测定的断裂力、伸长率、断裂长度和杨氏模量的值没有参照克重进行校正，而是参照断裂长度进行校正(表示为拉伸指数)：

表11-拉伸测试结果

样品		A	B	C	D	E	F
								断裂力	N	81.1	85.5	71.8	84.3	74.5	77.5
伸长率	％	3.0	3.0	2.2	3.3	2.3	3.5
								断裂长度	m	7050	7250	6500	7100	6500	6700
拉伸指数	Nm/g	69.1	71.0	63.7	69.7	63.7	65.9
								杨氏模量	Gpa	7.85	7.77	7.88	7.48	7.92	7.92

依据表11的结果，表示为拉伸指数的拉伸强度与磨碎的纤维素的拉伸强度相对应。虽然样品的拉伸强度值不同，但样品的杨氏模量只有很少的变化，杨氏模量高。每个样品的高杨氏模量表示出样品可以弹性地承受长时期的拉伸载荷。不希望受到理论的束缚，预期这归因于纤维的大量原纤化以及原纤化纤维之间的后续连接。

根据DIN EN 21974将测试用片材切成条状并经受抗撕裂测试。表12中示出了结果。抗撕裂性没有根据克重进行校正，仅根据撕裂指数进行校正。

表12-抗撕裂性

在“标准”纤维素上测量的所有样品的撕裂强度是非常低水平的，即抗撕裂性差。这可以主要归因于非常短的纤维。

在接下来的权利要求和前述的说明书中，除非由于表达语言或必要含义的上下文需要而另有说明，单词“包括(comprise)”或诸如“包括有(comprises)”或“包括着(comprising)”等变化均以开放性意义使用，即，指明所陈述性特征的存在而并不排除在各种实施例中存在或添加其他特征。

应当理解的是，在澳大利亚或任何其它国家，若本文引用任何现有技术公开文件，则这种引用不构成对该公开文件形成本领域公知常识一部分的认可。

Claims

1.一种包括具有0.25至0.40mm的长度加权平均纤维长度(“LWAFL”)的纤维的纤维素组合物。

2.根据权利要求1所述的纤维素组合物，所述组合物包括，按重量计：

(a)15％至25％的0.001mm至0.2mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(b)40％至60％的0.2mm至0.5mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(c)8％至35％的0.5mm至1.2mm长度加权平均纤维长度的纤维以及

(d)小于3％的1.2mm至2.0mm长度加权平均纤维长度的纤维。

3.一种纤维素组合物，包括按重量计：

(a)15％至25％的0.001mm至0.2mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(b)40％至60％的0.2mm至0.5mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(c)8％至35％的0.5mm至1.2mm长度加权平均纤维长度的纤维以及

(d)小于3％的1.2mm至2.0mm长度加权平均纤维长度的纤维。

4.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中所述组合物具有600％至2000％的保水值(WRV)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中所述组合物包括，按重量计：

(a)15％至25％的0.001mm至0.2mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(b)45％至55％的0.2mm至0.5mm长度加权平均纤维长度的纤维；

(c)20％至约30％的0.5mm至1.2mm长度加权平均纤维长度的纤维以及

(d)小于1％的1.2mm至2.0mm长度加权平均纤维长度的纤维。

6.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中所述纤维素组合物是以球粒、颗粒或粉末形式存在。

7.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中所述组合物还包括一种或多种功能添加剂。

8.根据权利要求7所述的纤维素组合物，其中所述功能添加剂选自用于着色的染料和颜料，用于防水的树脂和蜡，石灰，包括泡碱、硅酸盐的阻燃剂，胶，导电的金属粉末和石墨，用于挠曲和防水的乳胶，填料，和用于获得增强的拉伸强度的、长度为1.5-6.0mm的非常长的纤维。

9.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中所述组合物通过包括超摩擦研磨、高压均质化、低温研磨、挤出、蒸气喷发、超声波处理、酶-纤维分离、高浓度/中浓度/低浓度精炼、化学处理或白水细料回收的加工方法中的任何一个或组合来制备。

10.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中分离地制备所述组合物的组分并将其混合到一起。

11.根据权利要求10所述的纤维素组合物，其中按所要求的比例制备并混合具有不同纤维长度分布的两种或多种中间组合物以形成所述组合物。

12.根据前述权利要求中任一项所述的纤维素组合物，其中制备所述组合物时使用的原料包括一种或多种从废料流回收的短/超短纤维素纤维/细料、回收的纸、从纸和纸浆加工于白水中回收的细料和回收的棉纤维、在纸浆和纸加工中使用的任何纤维素纤维和具有高纤维素含量的植物纤维如大麻、亚麻、棉花、马尼拉麻、剑麻和黄麻。

13.一种由根据前述权利要求中任一项所述的组合物制成的产品。

14.根据权利要求13所述的产品，其中所述产品的密度为0.5克每立方厘米至1.5克每立方厘米。

15.根据权利要求13或14所述的产品，其中所述产品的拉伸模量为3500MPa至10800MPa。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的产品，其中所述产品的拉伸强度为27MPa至115MPa。