CN103757976B - 一种改性微纤化纤维素产品的生产工艺 - Google Patents

一种改性微纤化纤维素产品的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于改性微纤化纤维素产品工业生产的新型工艺路线，其技术关键在于将常规的“改性微纤化纤维素”产品制备中的“化学改性”步骤前置，与其“纤维解离”生产步骤整合，建立适合于改性微纤化纤维素产品工业规模生产的“纤维解离-改性一体化生产技术”。使目前常规的微纤化纤维素生产过程中改性反应浓度从1％-2％，提升到10％-30％，从而达到大幅度降低常规工艺路线中的改性反应器容积、显著提高改性反应效率的目的。改进后的工艺，与目前的改性微纤化纤维素产品制备工艺相比，改性缓冲塔反应物浓度提高约10-30倍，在相同产能条件下，反应器容积减小至原有工艺的1/10-1/30；理论改性反应速率提高10-30倍，实际反应时间缩短1/2以上。

Description

一种改性微纤化纤维素产品的生产工艺
技术领域
本发明属于植物纤维素资源利用领域中，一种新型植物纤维素制品生产技术。
背景技术
植物纤维资源作为一种可再生的天然材料，在国家经济建设领域中始终发挥着重要的作用。
1983年，佐治亚理工学院的AlbinF.Turbak教授最初完成微纤化纤维素(Microfibrillatedcellulose，MFC)的制备工作，是一种利用木材漂白化学浆或溶解浆为原料，经强烈的机械剪切处理后获得的纳米纤维素产品，其分散液在0.5％-2％浓度范围呈稳定的半透明凝胶状，具有胶体溶液的外观特性和明显的触变性。其特有的高比表面积和表面活性、高长径比等表面特性和形态特征，导致MFC水分散液黏度值随着浓度的提高急剧增加，通常在浓度5％左右时，即成为类似凝胶态物质，进一步脱水干燥和完成改性反应都很困难。这种基本特性决定了MFC的储存、运输以及不同应用领域所需要的MFC后续加工改性等工作，均须在低浓水相反应条件下进行，由此引发的反应效率低、产品转化率低以及储存、运输困难等诸多问题，限制了改性微纤化纤维素产品广泛的、规模化的实际应用，成为制约其工业化进程的瓶颈。
发明内容
本发明针对以上问题，提出一套适合于微纤化纤维素(MFC)产品工业化生产的“纤维解离-改性一体化生产技术”，其技术关键在于将常规的“改性微纤化纤维素”产品制备中的“化学改性”步骤前置，与其“纤维解离”生产步骤整合，建立适合于改性微纤化纤维素产品工业规模生产的“纤维解离-改性一体化生产技术”。在高反应物浓度、高剪切应力条件下同步完成微纤化纤维素(MFC)的纤维解离-改性等制备步骤，能有效提高改性效率和反应试剂利用率，并简化生产过程。
其生产步骤如下：
(1)生产原料：本发明适用于利用各种植物纤维原料，如：针叶木、阔叶木，棉、麻、稻麦草秸秆中的一种或多种，使用时，将植物纤维原料预先切片或切断，筛分保留其中尺寸介于15×15×8(mm)——30×30×8(mm)之间的部分，风干后测定水分备用；或直接使用植物纤维原料经化学法或机械法制备的纸浆板，撕碎疏解，平衡水分12小时，测定水分备用；
(2)碱活化：添加绝干原料重量5％～30％的烧碱；固液比(kg/L)1∶2-1∶4；在盘磨机(针对木片)或纤维捏合机(针对纸浆)，在50℃-80℃温度范围内磨解或捏合30分钟，直至木片、茎秆等植物纤维原料初步解离为纤维束，使浆料pH值的范围在9-12时，完成碱活化；
(3)纤维解离与改性同步处理：添加绝干原料重量50％-80％的改性试剂，加入水调节碱化后的纤维或纸浆的浓度为10％-30％，在精磨机中进一步磨解、混合，直到浆料打浆度在85°SR以上，则同步完成细纤维化与阳离子化改性反应；选择纤维或纸浆浓度在10％-30％之间是关键，因为纤维或者纸浆浓度低于10％时，不利于有效降低反应器体积，高于30％后，导致反应物混合效果下降，不利于产品质量提高；
(4)改性反应缓冲塔：经过上述处理后得到的浆料与改性试剂充分混合后，进入缓冲塔，保持50℃-80℃温度，停留1.0-2.5h，进一步完成改性反应；
(5)均质化：经过改性和充分细纤维化的纸浆，加水稀释至1％-2％质量浓度后，进入胶体磨或高压均质机反复循环处理，获得直径为10-99nm，长度为100-9999nm的改性微纤化纤维素制品，根据反应条件和使用需要不同，所制备的微纤化纤维素阳电荷密度为200-1700μeq/g，最后经冷冻干燥后得到产品。
本发明的效果是：与常规改性制备工艺相比，缓冲塔反应物浓度提高约10-30倍，因此在相同产量条件下，反应器容积减小至1/10-1/30；而且，理论上改性反应速率提高10-30倍，实际反应时间缩短1/2以上。
附图说明：
图1是现有技术生产改性微纤化纤维素产品的生产工艺的流程图。
图2是本发明生产改性微纤化纤维素产品的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面对本发明的生产工艺做进一步详述：
以500kg/d阔叶木漂白化学浆为原料的阳离子化改性微纤化纤维素产品生产过程为例，具体实施方式如下：
实施例1：
(1)生产原料准备：以500kg阔叶木漂白化学浆为原料，风干后测定水分备用；
(2)碱活化：添加25kg的烧碱和适量清水，使纤维原料质量和添加水分体积的固液比分别保持在1∶2；在纤维捏合机中捏合30min，保持温度50℃，直至浆料pH值为9，完成碱性活化；
(3)纤维解离与改性同步处理：活化后的纸浆纤维中添加250kg的改性试剂缩水甘油基三甲基氯化铵，加入水调节浆料浓度为10％，在精磨机中进一步磨解、混合，直至浆料打浆度为85°SR，则同步完成细纤维化与改性反应；
(4)缓冲塔：将上述包含浆料和改性剂的混合物送入3m3缓冲塔，分别保持温度范围50℃-80℃，停留1.0h，进一步完成改性反应；
(5)均质化：经过改性和充分细纤维化的纸浆，稀释至1％浓度后，进入高压均质机，分别经6次循环，制备得到直径数分别为20-90nm，长度分别为600-9000nm的改性微纤化纤维素制品，阳电荷密度约为200μeq/g，经冷冻干燥后得到产品。
实施例2：
(1)生产原料准备：以500kg阔叶木漂白化学浆为原料，风干后测定水分备用；
(2)碱活化：添加90kg的烧碱和适量清水，使纤维原料质量和添加水分体积的固液比分别保持在1∶3；在纤维捏合机中捏合30min，保持温度70℃，直至浆料pH值为10，完成碱性活化；
(3)纤维解离与改性同步处理：活化后的纸浆纤维中添加325kg的改性试剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，用水调节浆料浓度为20％，在精磨机中进一步磨解、混合，直至浆料打浆度89°SR，则同步完成细纤维化与改性反应；
(4)缓冲塔：将上述包含浆料和改性剂的混合物送入3m3缓冲塔，分别保持温度范围50℃-80℃温度，停留2h，进一步完成改性反应；
(5)均质化：经过改性和充分细纤维化的纸浆，稀释至2％浓度后，进入高压均质机，分别经7次循环，制备得到直径数分别为30-70nm，长度分别为400-7560nm的改性微纤化纤维素制品，阳电荷密度约1000μeq/g，经冷冻干燥后得到产品。
实施例3：
(1)生产原料准备：以500kg阔叶木漂白化学浆为原料，风干后测定水分备用；
(2)碱活化：添加150kg的烧碱和适量清水，使纤维原料质量和添加水分体积的固液比分别保持在1∶4；在纤维捏合机中捏合30min，保持温度80℃，直至浆料pH值12，完成碱性活化；
(3)纤维解离与改性同步处理：活化后的纸浆纤维中添加约400kg的改性试剂缩水甘油基三甲基氯化铵，用水调节浆料浓度为30％，在精磨机中进一步磨解、混合，直到浆料打浆度为86°SR，则同步完成细纤维化与改性反应；
(4)缓冲塔：将上述包含浆料和改性剂的混合物送入3m3缓冲塔，分别保持50℃-80℃温度，停留2.5h，进一步完成改性反应；
(5)均质化：经过改性和充分细纤维化的纸浆，稀释至2％浓度后，进入高压均质机，分别经8次循环，制备得到直径数分别为10-60nm，长度分别3000-9000nm的改性微纤化纤维素制品，阳电荷密度约为1700eq/g，经冷冻干燥后得到产品。

Claims (3)

1.一种改性微纤化纤维素产品的生产工艺，其特征在于：
包括如下步骤：
(1)准备原料：将植物纤维原料预先切片或切断，筛分保留其中尺寸介于15×15×8(mm)——30×30×8(mm)之间的部分，风干后测定水分备用，或直接用植物纤维经过化学法或机械法制备的纸浆板，撕碎疏解，平衡水分备用；
(2)碱活化：添加绝干原料重量5％～30％的氢氧化钠，固液比(kg/L)，1∶2-1∶4；用盘磨机或纤维捏合机，在50℃-80℃范围内磨解或捏合30分钟，直至植物纤维原料或者纸浆初步解离为纤维束，并使浆料pH值在9-12时，完成碱性活化；
(3)纤维解离与改性同步处理：在碱活化后并初步解离的浆料中添加绝干原料重量50％-80％的具有三甲基氯化铵基团的阳离子改性试剂，然后加水调节浆料浓度为10％-30％；在精磨机中进一步磨解、混合，磨浆到浆料打浆度在85°SR以上，则同步完成浆料的细纤维化与改性反应；
(4)改性反应缓冲塔：步骤(3)得到的浆料进入缓冲塔，保持50℃-80℃温度，停留1.5-3.5h，进一步完成改性反应；
(5)均质化：经过改性和充分细纤维化的纸浆，稀释至浓度为1％-2％后，进入胶体磨或高压均质机反复循环处理，最后经冷冻干燥得到产品。
2.根据权利要求1所述的一种改性微纤维化纤维素产品的生产工艺，其特征在于：所述的植物纤维原料选自针叶木、阔叶木、棉、麻、稻麦草秸秆中一种或多种。
3.根据权利要求1-2之一所述的一种改性微纤化纤维素产品的生产工艺，其特征在于：制得的改性微纤化纤维素制品直径是10-99nm，长度是100-9999nm，阳电荷密度为200-1700μeq/g。
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