CN105705698B - 用于使微原纤化纤维素脱水的方法 - Google Patents

用于使微原纤化纤维素脱水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于使包含微原纤化纤维素的浆料脱水的方法，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料；使所述浆料经受第一机械压力以便使所述浆料脱水；和使所述浆料经受第二机械压力，其中第二压力高于所述第一压力。

Description

用于使微原纤化纤维素脱水的方法
技术领域
本发明涉及通过使包含微原纤化纤维素的浆料经受机械压力来使该浆料脱水的方法。
背景技术
微原纤化纤维素(MFC)是一种纳米原纤化多糖且又称为纳米纤维素，其是典型地由木材纤维素纤维制成的材料。其也可由微生物来源、农业纤维等制成。在微原纤化纤维素中，各微纤维已经部分或完全地彼此分开。
微原纤化纤维素具有非常高的结合水的能力，因此，使包含微原纤化纤维素的浆料的含水量减小是非常困难的。包含微原纤化纤维素的浆料的高的含水量经常阻碍MFC用于很多其中需要高固含量MFC的不同应用中。
目前，存在用于从包含微原纤化纤维素的浆料除去水的若干种不同方法。例如，可使用不同的干燥技术。不同的干燥技术的实例为蒸发或升华，例如喷雾干燥或冷冻干燥。但是，这些技术是相当需要能量的，因此，对于在大规模工艺中的使用，这些技术不是那么有效。此外，当使用不同的干燥技术除去水时，经常趋于发生微原纤化纤维素纤维的角质化。当形成纤维之间的键合时，角质化是不可逆的。当已经发生角质化时，纤维不可能在水中膨胀和溶胀，因此，损失了纤维原有的结合水的能力。可通过加入化学品来防止角质化，所述化学品以使纤维素纤维之间的键合形成受到限制或者防止纤维素纤维之间的键合形成的方式来对纤维进行物理防护(prevent)或改性。CA1208631A描述了通过加入防止纤维彼此结合并且还由此防止纤维角质化的添加剂来使干燥的微原纤化纤维素再分散的方法。
WO2012156880描述了通过使用电场来使微原纤化纤维素脱水。通过使用电场，有可能提高MFC的脱水。但是，这是相当缓慢、复杂且耗能的方法。
此前，用于从包含微原纤化纤维素的浆料除去水的机械脱水例如离心、沉降和过滤尚未非常成功，这主要是由于该浆料的特性。在某一干物质含量下，微原纤化纤维素处于凝胶形式。与凝胶挤压有关的一个问题是：当施加机械压力时，凝胶将通过所有可能的开口发生“泄漏”，即，不只是水会通过预定的开口移出。此外，如果在挤压期间使用丝网(wire)，微原纤化纤维素具有堵塞该丝网的可能性。过滤也是能够使用的方法。但是，非常难以通过过滤来从包含MFC的浆料除去水，这是由于：该浆料形成了致密的网，这通常需要过分地高的压力和长的过滤时间。
因此，需要用于使包含微原纤化纤维素的浆料脱水的经改善的方法。
发明内容
本发明的目的是提供用于以改善的方式对包含微原纤化纤维素的浆料进行脱水的方法。
通过根据权利要求1的方法实现了该目的以及其它目的和优点。本发明涉及用于使包含微原纤化纤维素的浆料脱水的方法，其中所述方法包括如下步骤：提供包含微原纤化纤维素和液体的浆料；使所述浆料经受第一机械压力以便使所述浆料脱水；使所述浆料经受第二机械压力以便使所述浆料进一步脱水，其中第二压力高于第一压力。已经表明：通过使包含微原纤化纤维素的浆料在后续的处理步骤中经受越来越高的机械压力，可以非常良好且有效的方式使该浆料机械脱水。
该方法可进一步包括使所述浆料经受第三机械压力的步骤，其中第三压力高于第二压力。通过以三个后续步骤处理该浆料，已经表明，脱水的效率能够甚至得到进一步提高。
优选地，在使所述浆料经受第一机械压力之前，将所述浆料传送(引导，conduct)至两个丝网(wire)之间。优选的是，当所述浆料位于两个丝网之间(例如通过使用双丝网脱水设备)时，使所述浆料经受机械压力。在其中使浆料经受机械压力的各后续处理步骤中使用双丝网脱水设备可为优选的。
优选地，通过使所述浆料穿过楔形间隙来使所述浆料经受第一、第二、和/或第三机械压力。随着浆料通过楔形间隙，该间隙使浆料经受越来越高的压力。已经表明，楔形间隙的使用是非常温和的工艺步骤，其已经被表明能够以非常有效的方式对包含微原纤化纤维素的浆料进行脱水。在第一脱水步骤中使用楔形间隙可为优选的。
通过使所述浆料在具有第一辊直径的辊上传送，可使所述浆料经受第一、第二、和/或第三机械压力。通过使所述浆料在具有第二辊直径的辊上传送，可使所述浆料进一步经受第二和/或第三机械压力，其中第二辊直径小于第一辊直径。使所述浆料在超过一个的具有第二辊直径的辊上传送可为优选的。发现，通过在辊上传送所述浆料，能够以良好的方式完成所述浆料的脱水。
优选地，将所述浆料传送至两个丝网之间，所述丝网是在辊上传送的。通过在辊上传送两个丝网，外部丝网(例如不与辊接触的丝网)上的压力将升高，而且，在该方式中，位于所述丝网之间的浆料将经受升高的压力。通过在具有第一大直径的辊上传送所述丝网，浆料将经受特定的机械压力。其后，通过在具有第二较小直径的第二辊上传送所述丝网，外部丝网上的压力将由于降低的辊直径而升高。在该方式中，浆料将经受比在第一辊上传送丝网时更高的压力。
此外，可能的是：通过将浆料传送至沉降式离心机来使浆料经受第一、第二、和/或第三机械压力；以及通过将浆料传送至螺杆式压机来使浆料经受第二和/或第三机械压力。
在使包含微原纤化纤维素的浆料经受第一机械压力之前，该浆料的干物质含量优选为约0.1-10重量％，而且，经脱水的包含微原纤化纤维素的浆料的干物质含量优选为约1-50重量％。
具体实施方式
本发明涉及用于使包含微原纤化纤维素和液体的浆料脱水的方法。由于微原纤化纤维素的特性(例如它的尺寸、尺寸分布和纤维键合)，通常非常难以使包含微原纤化纤维素的浆料发生脱水。
令人惊讶地，发现：通过使包含微原纤化纤维素的浆料在至少两个后续步骤中经受越来越高的机械压力，脱水可得到改善。因此，发现，可仅仅通过使浆料经受机械压力(即不使用诸如升高的温度、电渗透、电场等其它脱水方法)来对浆料进行脱水。
微原纤化纤维素的定义
微原纤化纤维素(MFC)也称为纳米纤维素。其为典型地由木纤维素纤维(由硬木或软木纤维这两者)制成的材料。其还可由微生物来源(例如发酵的海藻纤维)、农业纤维(例如麦秆浆、竹子或其它非木材纤维来源)制成。在微原纤化纤维素中，各微原纤维(microfibril)已经部分或完全地彼此分开。微原纤化纤维素原纤维(fibril)通常非常细(thin)(例如5-200nm的宽度)且长度经常为100nm-10μm。然而，微原纤维也可为较长的，例如10-200μm，由于宽的长度分布，可发现甚至2000μm的长度。
在MFC的定义中包括这样的纤维，所述纤维已经发生原纤化且具有在表面上的微原纤维和分离并位于浆料的水相中的微原纤维。
此外，纤维素晶须、微晶纤维素(MCC)、微米纤维素(MC)、纳晶纤维素(NCC)、纳米原纤化纤维素(NFC)或者再生的纤维素纤维和颗粒也包括在MFC的定义中。
原纤维还可为涂覆有聚合物的原纤维，即，经化学或物理改性的原纤维，因此是亲水性的或疏水性的。
能够以许多不同的方式产生微原纤化纤维素(MFC)。可对纤维素纤维进行机械处理以形成微原纤维。采用细菌或发酵来产生纳米纤维素或微原纤化纤维素是另一种选择。此外，可借助于将会破坏原纤维之间的键合、或甚至溶解纤维和原纤维的不同的化学品和/或酶，由纤维素产生微原纤维。产生微原纤化纤维素(MFC)的一个实例示于WO2007091942中，其描述了借助于磨浆并加入酶来产生MFC。
脱水的定义
关于浆料的脱水，其意指从浆料除去液体并从而提高浆料的干物质含量。
本发明涉及用于使包含微原纤化纤维素的浆料脱水的方法，其中所述方法包括如下步骤：提供包含微原纤化纤维素和液体的浆料；使所述浆料经受第一机械压力以便使所述浆料脱水；使所述浆料经受第二机械压力以便使所述浆料进一步脱水，其中第二压力高于第一压力。在第三步骤中，通过使所述浆料经受第三机械压力(其中第三机械压力高于第二压力)再次对浆料进行脱水可为有利的。取决于正在经受脱水步骤的浆料的干物质含量，为了得到具有期望的干物质含量的浆料而需要的步骤数量可变化。可使浆料经受超过三种不同的机械压力，其中，在每个后续步骤中的机械压力高于在先前步骤中的压力。使浆料经受四、五、六或七种后续的机械压力可为优选的。
已经表明，通过使包含微原纤化纤维素的浆料脱水、通过使所述浆料经受根据本发明的至少两个具有增加的压力的机械脱水步骤，微原纤化纤维不出现显著(substantial)的角质化。因此，对于该经脱水的微原纤化纤维素，当将该微原纤化纤维素重新分散于水中时可发生溶胀。当将微原纤化纤维素例如用作补强添加剂、增稠剂或者用作粘度调节剂时，这是非常重要的。此外，经脱水的微原纤化纤维素的结合能力也非常好，即，没有发现在结合能力方面的显著降低。此外，本发明的浆料脱水方法使得能够以非常能量有效的方式使浆料脱水。
所述浆料包含微原纤化纤维素以及液体。所述液体可为水(例如去离子水)、溶剂、以及不同溶剂和/或液体的混合物。所述溶剂可为醇，例如异丙醇、聚乙二醇、乙二醇或乙醇。溶剂(例如异丙醇)能够改变浆料的表面张力，而且，这将促进脱水。
所述浆料还可包含规则(regular)长度的纤维。但是，优选使用包含大量微原纤化纤维素的浆料。经常优选以80-100重量％、或80-90重量％的量包含微原纤化纤维素的浆料。在很多情况中，优选浆料包含100％的微原纤化纤维素，即，不存在更长尺寸的纤维。微原纤化纤维素的量取决于微原纤化纤维素的最终用途。
优选地，在使所述浆料经受第一机械压力之前，将所述浆料传送至两个丝网之间。优选的是，当浆料位于两个丝网之间(例如通过使用双丝网脱水设备)时，使浆料经受机械压力。在其中使浆料经受机械压力的各后续处理步骤中使用双丝网脱水设备可为优选的。已经表明，通过使浆料位于两个丝网之间(即，使用双丝网脱水设备)，使得能够根据本发明以非常良好的方式对包含微原纤化纤维素的浆料进行脱水。令人惊讶地，发现，通过在两个丝网之间传送浆料并且在此之后使浆料在后续步骤中经受越来越高的压力，可将干物质含量提高至相当高的水平，即，最高达50重量％的干物质含量。关于为何使用双丝网的效果如此之好，一个理论是：当使浆料缓慢地经受升高的压力时，浆料形成了倾向于保持在所述丝网之间的滤饼。
优选地，通过使浆料穿过楔形间隙来使浆料经受第一、第二、和/或第三机械压力。随着浆料通过楔形间隙，该间隙使浆料经受越来越高的压力。已经表明，楔形间隙的使用是非常温和的工艺步骤，其已经被表明能够以非常有效的方式对包含MFC的浆料进行脱水。在第一脱水步骤中使用楔形间隙可为优选的。楔形间隙中的压力优选地在0.1-1MPa之间变化。取决于进入楔形间隙的浆料的干物质含量以及自楔形间隙供给的浆料的所需干物质含量，使浆料在楔形间隙中经受所述压力1秒至10分钟。
通过使浆料在具有第一辊直径的辊上传送，可使浆料经受第一、第二、和/或第三机械压力。通过使浆料在具有第二辊直径的辊上传送，可使浆料进一步经受第二和/或第三机械压力，其中第二辊直径小于第一辊直径。使浆料在超过一个的具有第二辊直径的辊上传送可为优选的。优选地，将浆料传送至两个丝网之间，所述丝网是在辊上传送的。通过在辊上传送两个丝网，外部丝网(例如不与辊接触的丝网)上的压力将升高，而且，在该方式中，位于所述丝网之间的浆料将经受升高的压力。通过在具有第一大直径的辊上传送所述丝网，浆料将经受特定的机械压力。其后，通过在具有第二较小直径的第二辊上传送所述丝网，外部丝网上的压力将由于降低的辊直径而升高，这是因为，当辊的直径减小时，丝网之间的速度差增大。在该方式中，相比于在具有第一直径的辊上传送浆料的时候，浆料在第二辊上传送时将经受更高的压力。当在超过一个的辊上传送丝网时，交替地改变作为“外部”丝网的丝网是优选的。在该方式中，位于丝网之间的浆料在两侧上均经受升高的压力，这将改善浆料的脱水。第一辊的直径优选为40-140cm且在该辊上传送的丝网的张力优选为30-150N/cm。第二辊的直径优选为20-80cm且在该辊上传送的丝网的张力优选为30-150N/cm。
在脱水工艺期间，丝网的速度可为0.1-200m/分钟。所述速度根据浆料的干物质含量、浆料的微原纤化纤维素的性质以及各脱水步骤的压力而改变。
使用具有在2kPa下的326mm/s的水渗透率和约350CFM(立方英尺/分钟)的空气渗透率的丝网可为优选的。但是，取决于正在脱水的微原纤化纤维素的性质，也可使用其它的丝网数值。
此外，可能的是：通过将浆料传送至沉降式离心机来使浆料经受第一、第二、和/或第三机械压力；以及通过将浆料传送至螺杆式压机来使浆料经受第二和/或第三机械压力。发现，沉降式离心机的使用使得能够采用离心力来使固体物质与液体分离。取决于微原纤化纤维素的性质，在某一阶段，沉降式离心机可能无法进一步提高浆料的干物质含量。从而，发现，通过使浆料在螺杆式压机中经受第二和/或第三机械压力，可以非常有效的方式进一步提高浆料的干物质含量。可使用超过一个的沉降式离心机和/或螺杆式压机。
在使浆料经受第一机械压力之前，包含微原纤化纤维素的浆料的干物质含量优选为约0.1-10重量％。在使浆料经受根据本发明的脱水之前，可以任何已知的方式(例如通过使用重力分选台(gravity table))对浆料进行脱水。浆料的干物质含量不太低是重要的，因为应当使浆料保持在丝网之间。为了使浆料保持在丝网之间且不从侧面或者经由丝网流出，必须对浆料进行压缩。经脱水的包含微原纤化纤维素的浆料的干物质含量优选为约1-50重量％。尽管干物质含量升高，在水稀释后，微原纤化纤维素的性质(例如水溶胀性、再分散性和补强性)仍得以保持。
实施例
使包含微原纤化纤维素和水的稠度为3.5重量％的浆料经受机械脱水过程，其中：
●将所述浆料传送至重力分选台，在所述重力分选台中，将干物质含量提升至约8重量％，
●其后，将浆料传送至在两个丝网之间(即，在双丝网之间)，并且，使所述丝网传送通过楔形间隙，在所述楔形间隙中，使浆料经受第一机械压力，
●其后，在具有700mm的第一直径的第一辊上传送浆料，在所述第一辊处，使浆料经受第二机械压力，
●其后，在具有500mm的第二直径的第二辊上传送浆料，在所述第二辊处，使浆料经受第三机械压力。
经脱水的浆料达到31重量％的干物质含量，而且，在该脱水期间，可不发生值得注意的经由孔穴(cavity)等的有害的浆料损失。
考虑到本发明的以上详细描述，对于本领域技术人员而言，其它改进和变化将变得明晰。但是，应当明了，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，这样的其它改进和变化可被实现。

Claims (10)

1.用于使包含微原纤化纤维素的浆料脱水的方法，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料，
-使所述浆料经受第一机械压力以便使所述浆料脱水，和
-使所述浆料经受第二机械压力，其中第二压力高于第一压力，
其中仅通过使浆料经受机械压力使所述浆料脱水，
其中在使所述浆料经受所述第一机械压力之前，将所述浆料传送至两个丝网之间。
2.根据权利要求1的方法，其中所述方法进一步包括使所述浆料经受第三机械压力的步骤，其中第三压力高于所述第二压力。
3.根据权利要求2的方法，特征在于，通过使所述浆料传送通过楔形间隙来使所述浆料经受所述第一、第二、和/或第三机械压力。
4.根据权利要求2的方法，特征在于，通过使所述浆料在具有第一辊直径的辊上传送来使所述浆料经受所述第一、第二、和/或第三压力。
5.根据权利要求4的方法，特征在于，通过使所述浆料在具有第二辊直径的辊上传送来使所述浆料经受所述第二和/或第三机械压力，其中所述第二辊直径小于所述第一辊直径。
6.根据权利要求5的方法，特征在于，使所述浆料在超过一个的具有第二辊直径的辊上传送。
7.根据权利要求2或4-6中任一项的方法，特征在于，通过将所述浆料传送至沉降式离心机来使所述浆料经受所述第一、第二、和/或第三机械压力。
8.根据权利要求7中任一项的方法，特征在于，通过将所述浆料传送至螺杆式压机来使所述浆料经受所述第二和/或第三机械压力。
9.根据权利要求1-6中任一项的方法，特征在于，所述包含微原纤化纤维素的浆料在脱水前的干物质含量为0.1-10重量％。
10.根据权利要求1-6中任一项的方法，特征在于，经脱水的包含微原纤化纤维素的浆料的干物质含量为1-50重量％。
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