CN103534408A - 处理微原纤化纤维素的方法和根据所述方法处理的微原纤化纤维素 - Google Patents

处理微原纤化纤维素的方法和根据所述方法处理的微原纤化纤维素 Download PDF

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Abstract

本发明涉及脱水包含微原纤化纤维素的浆液的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供包含微原纤化纤维素和液体的浆液，使所述浆液经受电场，从而诱导浆液的液体流动并使微原纤化纤维素与液体分离。本发明还涉及根据所述方法脱水的微原纤化纤维素。

Description

处理微原纤化纤维素的方法和根据所述方法处理的微原纤化纤维素
技术领域
本发明涉及通过使包含微原纤化纤维素的浆液经受电场，将所述浆液脱水的方法。
背景技术
微原纤化纤维素(MFC)也被称为纳米纤维素，是通常由木质纤维素纤维制造的物质。它也可由微生物源、农业纤维、溶解的纤维素或者CMC等制造。在微原纤化纤维素中，各个微原纤维彼此之间已经部分或者完全分开。
微原纤化纤维素具有非常高的水结合能力，并因此非常难以降低包含微原纤化纤维素的浆液的水含量。包含微原纤化纤维素的浆液的高水含量也阻止MFC在需要具有高固体的MFC的许多不同的应用中的使用。
如今，存在数种不同的从包含微原纤化纤维素的浆液除水的方法。例如，可使用不同的干燥技术。不同的干燥技术的实例为冷冻干燥、喷雾干燥和超临界。然而，这些技术相当需要能量，并因此在大规模工艺的使用中不具有成本效率。此外，当用不同的干燥技术除水时，经常倾向于发生微原纤化纤维素纤维的角质化或者超角质化。当纤维之间不可逆结合时形成角质化。当角质化发生时，纤维在水中不可能膨胀和溶胀，并因此失去纤维的原始水结合能力。角质化可通过添加化学品防止，其用以下方式物理地防止或者改变纤维，即，使得纤维素纤维之间的结合的形成被限制或者防止。CA1208631A描述了通过添加添加剂重新分散干燥的微原纤化纤维素的方法，所述添加剂将防止原纤维彼此结合并因此也防止纤维的角质化。
另外，Luchache等人在Annals of the University of Craiova,ElectricEngineering series,No.32,2008；ISSN1842-4805中披露了纸浆和造纸废渣的脱水。
也可使用机械处理以从包含微原纤化纤维素的浆液除水。然而，由于微原纤化纤维素的小纤维尺寸和尺寸分布，它们通常不是很成功。而且，由于浆液形成的致密网络，包含微原纤化纤维素的浆液的过滤是困难的。而且，在微原纤化纤维素纤维之间的结合也相当强，并且这也将使得机械脱水效率不高。
因此需要用于脱水包含微原纤化纤维素的浆液，同时不导致微原纤化纤维素纤维的角质化或者超角质化的改善的方法。
发明内容
通过根据第一方面提供使包含微原纤化纤维素的浆液脱水的方法，本发明解决了上述问题中的一个或者多个，其中所述方法包括以下步骤：
-提供包含微原纤化纤维素和液体的浆液，
-使所述浆液经受电场，从而诱导所述浆液的液体流动，和
-使所述微原纤化纤维素与所述液体分离。
根据第二方面，本发明还提供了根据第一方面脱水的微原纤化纤维素。
根据第三方面，本发明还提供了可通过根据第一方面的方法得到的微原纤化纤维素。
根据第四方面，本发明还提供了根据第二或者第三方面的微原纤化纤维素在强度添加剂、增稠剂、粘度改性剂、流变改性剂、清洁粉末、洗涤粉末、洗涤剂、泡沫组合物、屏障、膜、食品、药物组合物、美容产品、纸或者纸板产品、涂料、卫生/吸收产品、乳液/分散剂、钻井泥浆、复合材料中，在水纯化中，在滤器中，在太阳能电池中，在电池中，在电子电路(其可为柔性的、印刷的或者涂覆的)中的用途，或者用于在制造再生纤维素或者纤维素衍生物中增强纤维素的反应性。
因此，本发明的一个目的是以改善的方式提供使包含微原纤化纤维素的浆液脱水的方法。
本发明的另一目的是提供具有改善的性质的脱水的微原纤化纤维素。
这些目的以及其它目的和优点通过根据第一方面的方法实现，所述方法也反映在所附的权利要求1中。已经显示，电场的使用将显著改善包含微原纤化纤维素的浆液的脱水。
所述脱水可通过电渗(或者毛细管电泳)进行。另外，这种脱水也可包括超声处理。在所述脱水后也可实施下述方法中的任何一种或者其组合，以进一步干燥物质：
1)通过蒸发的干燥方法
2)因为增加的固体，冷冻干燥
3)也可在脱水物质的干燥中添加脱角质化添加剂
4)脱水的物质也可部分地被进一步干燥，以得到行为像固体粒子并因此在商业应用中更易于使用，同时仍容易混合并分散至其它组分(基本上维持单独纤维)或者容易地按原样使用的物质。
优选地，使用电压为10-100V的电场。提高电压通常增加水提取速度。最佳值是当产生的电场的电流强度和电压梯度处于最大可允许水平时。
也可将压力施加至浆液以进一步改善浆液的脱水。可在电场已经施加并且浆液的脱水已经开始后施加压力。这是因为，在施加压力之前提高浆液的干物质含量可为优选的。然而，它当然取决于所处理的浆液的干物质含量。
施加的压力优选为机械压力，例如使用例如辊隙或者毡进行压缩。
在脱水之前包含微原纤化纤维素的浆液的干物质含量优选为约1-10重量%。在根据所述方法处理后，经脱水的包含微原纤化纤维素的浆液的干物质含量优选为约5-50重量%。
在脱水期间浆液的温度优选高于30℃并优选低于100℃。
浆液也可包含纳米粒子、盐和/或表面活性剂，其被电场刺激并改善液体流动。以此方式，提高浆液的脱水。
本发明还涉及根据上述第一方面的方法脱水的微原纤化纤维素。已经显示，通过借助于电场脱水包含微原纤化纤维素的浆液，不发生微原纤化纤维素纤维的角质化或者非常有限地发生微原纤化纤维素纤维的角质化。
具体实施方式
本发明涉及使包含微原纤化纤维素的浆液脱水的方法。由于微原纤化纤维素纤维的特征，例如它的尺寸、尺寸分布和纤维结合，通常非常难以使包含微原纤化纤维素的浆液脱水。
已经显示，通过使包含微原纤化纤维素纤维的浆液经受电场，可显著改善脱水。一种为何如此表现良好的理论是，电场诱导浆液的液体流动并因此拉动水分子远离微原纤化纤维素纤维，而非像机械处理那样推动微原纤化纤维。拉动水分子也可使得以非常有效率的方式除去被微原纤化纤维吸收的水分子。因此非常容易使浆液的微原纤化纤维素纤维与液体分离。
已经显示，通过使浆液经受电场而使包含微原纤化纤维素的浆液脱水，不发生微原纤化纤维的明显角质化。因此当微原纤化纤维素与水再次接触时，根据本发明方法脱水的微原纤化纤维素可溶胀。当微原纤化纤维素例如用作强度添加剂、增稠剂或者作为粘度改性剂时，这是非常重要的。而且，经脱水的微原纤化纤维素的结合能力也非常好，即，未发现结合能力的显著降低。
根据独立权利要求，本发明的第一方面的优选实施方案是显而易见的，并且下面进一步阐述其主题。
脱水优选通过使用电渗进行。电渗流动经常缩写为EOF，其与电渗(electro-osmosis)或者电内渗(electro-endosmosis)同义。电渗是由施加的电压或者电场诱导的液体如水经过多孔材料、毛细管、膜、微通道，或者任何其它流体管的运动。通过电场产生的电压优选为10-100V。
通过如第一方面中所述除去液体，使浆液的液体与微原纤化纤维素分离。优选地，它可通过不同的过滤技术进行。
所述浆液包含微原纤化纤维素和液体。所述液体可为水、溶剂和不同的溶剂和/或液体的混合物。溶剂可为醇，例如异丙醇、聚乙二醇、乙二醇或者乙醇。溶剂如异丙醇可改变浆液的表面张力并且这将促进脱水。溶剂也可为具有至少一个酮基的溶剂，并且这可优选为丙酮。所述液体也可为离子液体。所述浆液也可包含纳米粒子、盐和/或表面活性剂，其被电场刺激并将改善液体在电场中的迁移和运动，即，流动，并因此也改善脱水。
所述浆液也可包含具有规则长度的纤维。所述浆液也可包含填料，例如PCC、高岭土或者碳酸钙。在浆液中的微原纤化纤维素的量可为20-90重量%，规则尺寸的纤维如牛皮纸、硬木和/或软木纤维的量可为10-80重量%。如果在浆液中存在较大量填料和较长纤维，那么通过使用本发明脱水方法，可获得具有非常高的干物质含量的浆液。由于长纤维和/或填料的存在将使得更容易使浆液脱水，可实现高达90重量%的干物质含量。
然而，优选的是使用包含高微原纤化纤维素量的浆液。经常是优选的是浆液包含80-100重量%，或者80-90重量%的量的微原纤化纤维素。在许多情况中，优选的是浆液包含100%的微原纤化纤维素，即，不存在较长尺寸的纤维。微原纤化纤维素的量取决于微原纤化纤维素的最终用途。
使所述浆液与电场组合地经受提高的压力也可为有利的。已经显示，电场和压力的组合将显著改善包含微原纤化纤维素的浆液的脱水。优选的是在电场脱水开始后，即，当浆液的固体含量已经提高，优选提高至约4重量%时，施加压力。如果在施加压力时浆液的固体含量太低，那么微原纤化纤维素与水一起被挤压经过脱水设备的开口，并且不发生水/微原纤化纤维素分离。当浆液的固体含量提高时，粘度也提高并且可向浆液施加压力并能够提高浆液的脱水。
压力优选为以任何可能的方式施加的机械压力。例如，在脱水中，可使用辊隙或者毡向浆液施加机械压力。也可将电场处理与其它种类的处理组合，以提高脱水。除了提高压力之外，其它处理的实例为基于声音和真空的系统。
在脱水之前包含微原纤化纤维素的浆液的干物质含量优选为约1-50重量%。它也可具有约1-30重量%或者约1-10重量%。
在根据所述方法处理后，优选地，经脱水的包含微原纤化纤维素的浆液的干物质含量为约5-50重量%，更优选为高于20重量%。因此可以以非常具有能量效率的方式得到具有非常高的干物质含量的包含微原纤化纤维素的浆液。即使干物质含量增加，在水稀释后微原纤化纤维素的性质(例如，水溶胀性质和强度)被维持。
浆液的温度在脱水之前可低于30℃，并且在脱水期间提高，但是保持低于100℃。然而，低温，例如室温也是可以的。温度应优选保持低于沸点。提高的温度可改善脱水。这是由于水的粘度被降低。
本发明还涉及如上所述根据第一方面脱水的微原纤化纤维素。已经显示，通过借助于电场将包含微原纤化纤维素的浆液脱水，不发生微原纤化纤维素纤维的角质化或者非常有限地发生微原纤化纤维素纤维的角质化。因此与使用例如干燥技术相比，可以以快速和非常能量效率的方式产生具有改善的性质的微原纤化纤维素。
微原纤化纤维素纤维通常非常细(～20nm)并且长度经常为100nm至10μm。然而，微原纤维也可更长，例如为10-200μm，但是由于宽的长度分布，可发现甚至2000μm的长度。在MFC的定义中包括已被原纤化和在表面上具有微原纤维的纤维以及被分离和位于浆液水相中的微原纤维。而且，在MFC的定义中也包括晶须(whiskers)。
所述微原纤化纤维素通常由木质纤维素纤维制造，可使用硬木和软木纤维。它也可由微生物源、农业纤维如麦秆浆粕或者其它非木纤维源制造。
通过使用这种在本发明的第一方面中阐述的电场，另外还减少细菌的数目，因为它们的细胞壁将破裂。第一方面的方法由于除去离子，所以还从微生物除去离子和水。这意味着这种离子去除和水去除将具有杀灭/抗微生物效果。
本发明的各个方面的优选特征如对于其它方面中的每个所述，并加以必要之变动。将本申请提及的现有技术文献结合至法律所允许的最宽范围。在以下实施例中结合附图进一步描述本发明，其唯一目的是说明本发明并且无论如何不以任何方式限制本发明范围。
附图说明
图1披露脱水装置示意图(左面)和具有孔的阴极板。
图2披露在恒定施加电压20V时，电流和收集的水的质量对时间的依赖性。
图3披露低电导率MFC的脱水。
图4披露了在不同的电压时，在低电导率MFC的脱水期间收集的水质量的时间依赖性。
实施例
1.实验装置
为了研究MFC分散体脱水，组装实验装置，其示意图在图1上。它由装配到不锈钢漏斗上的具有内直径46mm的塑料管组成。在管的下端，具有也由不锈钢制造的具有孔的板，其用作下电极，通常为阴极。将滤纸置于板上，将MFC分散体加载至滤器上。在顶部或者MFC柱上，还有一个滤纸，在滤纸后，放置上部电极(阳极)。
最好的结果用铂电极实现–未观察到电极腐蚀或者污染所导致的工艺变化。
图1的装置构成具有所研究的MFC的隔室；将DC电压从电源施加至隔室中。从漏斗出现的水汇集至烧杯中，其位于天平的顶部；在实验期间记录从MFC提取的水的质量。实验通常以两种模式进行：电压U恒定或者电流i恒定。
在恒定施加电压20V时电流和收集的水的质量对时间的依赖性在图2中示出。压力的增加导致电流和收集的水的增量增加。
因此意料不到地发现，可使用电渗脱水；如果在开始时(或多或少)仅使用电渗，由于脱水，粘度将足够地增加–使得可施加机械压力(如图2中所反映)。
图3披露低电导率MFC的脱水。
图4披露在不同的电压时，在低电导率MFC的脱水期间收集的水质量的时间依赖性。电压增加导致脱水速度(初始斜率)和过程饱和值的增加。
实施例2
参照MFC(初始MFC)-干物质含量(IR)1.7%
基于干物质的盐/金属含量；
Al9.5mg/g
Fe16mg/g
Ca1200mg/kg
Cu5.5mg/kg
K310mg/kg
Mg210mg/kg
Mn1.1mg/kg
Na1400mg/kg
Ni1.6mg/kg
Pb1.1mg/kg
Si76mg/kg
Zn5.9mg/kg
脱水操作1–仅除水；
将滤纸、MFC和第二滤纸先后置于阴极上。然后，将阳极置于这些的顶部。压力(阳极的重量)为750kPa。在短时间(2分钟)后，添加另外的重量(压力至2400Pa)。在脱水期间的电压为100V和时间640s。将操作重复3次并增加压力(最后一次为4.6×105Pa)。
脱水MFC(电渗MFC)–结果在下面给出：
基于干物质的盐/金属含量30.5%
Al8.5mg/kg
Fe11mg/kg
Ca30mg/kg
Cu0.69mg/kg
K85mg/kg
Mg5.7mg/kg
Mn0.24mg/kg
Na12mg/kg
Ni0.68mg/kg
Pb<0.4mg/kg
Si13mg/kg
Zn1.5mg/kg
实施例3
参照MFC(初始MFC)-干物质含量(IR)1.7%
基于干物质的盐/金属含量；
Al9.5mg/g
Fe16mg/g
Ca1200mg/kg
Cu5.5mg/kg
K310mg/kg
Mg210mg/kg
Mn1.1mg/kg
Na1400mg/kg
Ni1.6mg/kg
Pb1.1mg/kg
Si76mg/kg
Zn5.9mg/kg
脱水操作2–除水并用丙酮洗涤
将MFC脱水5分钟(如在上面的操作1，即实施例2中)。然后，切断电流并添加丙酮(与前面的步骤中除去的水约相同的量)。然后，开始脱水并持续约10分钟。
脱水的MFC(使用丙酮的电渗MFC)–结果在下面给出：
基于干物质的盐/金属含量23.5%
Al4.6mg/kg
Fe10mg/kg
Ca10mg/kg
Cu0.68mg/kg
K40mg/kg
Mg7.1mg/kg
Mn0.13mg/kg
Na14mg/kg
Ni0.50mg/kg
Pb<0.4mg/kg
Si13mg/kg
Zn1.5mg/kg
实施例4–温度试验
使用与上述相同的装置，实施温度试验。
温度90-95℃-在60s内脱水=约16g水
温度21℃-在60s内脱水=约13.5g水
因此，使用较高温度是有利的以改善脱水。因此，脱水所需的能量在较高温度低得多。
实施例5
进行了另一试验，其中甚至除去了更多的离子。
在开始时，总量为20g湿MFC。
1)用电渗除去约11g水
a.水的金属含量
i.Ca14mg/l
ii.K2.7mg/1
iii.Na26mg/l
iv.Si1.3mg/1
2)添加约10g蒸馏水
3)除去约10g水
a.水的金属含量
i.Ca8mg/l
ii.K0.56mg/l
iii.Na0.78mg/l
iv.Si0.22mg/1
4)添加约10g蒸馏水
5)除去约9g水
a.水的金属含量
i.Ca7.4mg/l
ii.K0.56mg/l
iii.Na0mg/l(低于检测限)
iv.Si0.076mg/l
6)蒸馏水(如参照)
a.水的金属含量
i.Ca0.079mg/l
ii.K0(低于检测限)
iii.Na0(低于检测限)
iv.Si0(低于检测限)
根据本发明的上面的详细描述，其它的修饰和变化对于本领域技术人员而言将变得显而易见。然而，明显的是，可实施这种其它修饰和变化，但不脱离本发明的主旨和范围。

Claims (13)

1.包含微原纤化纤维素的浆液的脱水方法，其中所述方法包括以下步骤：
-提供包含微原纤化纤维素和液体的浆液，
-使所述浆液经受电场，从而诱导所述浆液的液体流动，和
-使所述微原纤化纤维素与所述液体分离。
2.权利要求1的方法，其特征在于所述脱水通过电渗进行。
3.前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于使用电压为10-100V的电场。
4.前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于也施加压力以使所述浆液脱水。
5.权利要求4的方法，其特征在于所述压力在所述电场已经施加并且所述脱水已经开始之后施加。
6.权利要求4-5中的任一项的方法，其特征在于所述压力为机械压力。
7.前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于在脱水之前所述包含微原纤化纤维素的浆液的干物质含量为约1-50重量%。
8.前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于经脱水的包含微原纤化纤维素的浆液的干物质含量为约5-50重量%。
9.前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于在脱水期间所述浆液的温度为高于30℃并低于100℃。
10.前述权利要求中的任一项的方法，其特征在于所述浆液包含纳米粒子、吸收剂、盐、游离糖和/或表面活性剂，其被电场刺激。
11.微原纤化纤维素，其根据权利要求1-10中的任一项的方法脱水。
12.微原纤化纤维素，其可通过权利要求1-10中的任一项的方法得到。
13.权利要求11或者12的微原纤化纤维素在强度添加剂、增稠剂、粘度改性剂、流变改性剂、清洁粉末、洗涤粉末、洗涤剂、泡沫组合物、屏障、膜、食品、药物组合物、美容产品、纸或者纸板产品、涂料、卫生/吸收产品、乳液/分散剂、钻井泥浆、复合材料中，在水纯化中，在滤器中，在太阳能电池中，在电池中，在电子电路中的用途或者用于在制造再生纤维素或者纤维素衍生物中增强纤维素反应性。
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