CN110892111B - 具有增强特性的微纤化纤维素及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

通过将超声波能量施加于脱水的、部分干燥和干燥的微纤化纤维素的组合物或者微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的液体组合物，将脱水的、部分干燥和干燥的微纤化纤维素的组合物以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物再分散和解聚为包含它们的这种液体组合物的方法。制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的水性悬浮液的方法适用于造纸或涂布纸、以及填充和涂布由这种水性悬浮液制得的纸的方法。

Description

具有增强特性的微纤化纤维素及其制备方法
技术领域
本发明涉及通过将超声波能量施加于脱水的、部分干燥和干燥的微纤化纤维素的组合物或者微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的液体组合物，将脱水的、部分干燥和干燥的微纤化纤维素的组合物以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物再分散和解聚为包含它们的这种液体组合物的方法。本发明还涉及制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的水性悬浮液的方法适用于造纸或涂布纸、以及填充和涂布由这种水性悬浮液制得的纸的方法。
背景技术
微纤化纤维素以及任选的无机颗粒材料，例如碱土金属碳酸盐(例如，碳酸钙)或高岭土，在许多应用中得到广泛使用。这些包括微纤化纤维素的生产，以及可选的含矿物质的组合物的生产，这些组合物可用作造纸和/或纸涂料中的填料。在纸和涂布纸产品中，通常添加这种填料以代替纸和/或涂布纸产品的其他较昂贵的成分的一部分。还可以添加填料，以改变纸和/或涂布纸产品的物理、机械和/或光学要求。显然，可以包含的填料数量越多，节省成本的潜力就越大。但是，必须根据最终纸产品或涂布纸产品的物理、机械和光学要求平衡添加的填料量和相关的成本节省。因此，持续需要开发用于纸和纸涂料的改进的填料，其可以在高负载水平下使用而不会不利地影响这种纸和/或涂布纸产品的物理、机械和/或光学要求。还需要开发经济地制备这种填料的方法。
本发明寻求提供用于纸和/或涂布纸产品的替代和/或改进的填料，其可以以相对高的负载水平结合到纸和/或涂布纸产品中，同时保持或甚至改善纸和/或涂布纸产品的物理、机械和/或光学性能。本发明还试图提供一种制备这种填料的经济方法。这样，本发明人惊奇地发现，包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的填料可以通过经济的方法制备，并且可以以相对较高的含量装载到纸产品和/或涂布纸产品中，同时维持甚至改善最终纸制品的物理、机械和/或光学性能。令人惊讶地发现，将超声波能量施加到包含至少一种无机颗粒材料的微纤化纤维素的悬浮液或微纤化纤维素悬浮液中有效地制备具有改善的拉伸强度和/或增强的粘度特性的这种悬浮液。
此外，本发明试图解决工业规模经济地制备微纤化纤维素以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的问题。当前将纤维素材料以及微纤化纤维素和无机颗粒材料微纤化的方法需要相对大量的能量，这部分是由于原料和含微纤化的产物的粘度较高，并且迄今为止，在工业规模上制备微纤化纤维素的商业上可行的方法迄今还难以捉摸。
另外，本发明试图解决任选地在无机颗粒材料以外的添加剂的存在下和/或在无机颗粒材料的组合的存在下，将脱水的、部分干燥或基本上干燥的微纤化纤维素的组合物或微纤化纤维素和无机颗粒物质的组合物再分散在液体介质中的问题。无机颗粒材料的添加剂和/或组合可以例如增强再分散的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的机械和/或物理性能。本发明进一步涉及包含再分散的微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的组合物，以及再分散的微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料在制品、产品或组合物中的用途。该问题的解决方案是将超声波能量施加于如本文所述的微纤化纤维素的组合物或微纤化纤维素和至少一种无机颗粒材料的组合物的再分散。
发明概述
根据第一方面，本发明涉及一种再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向具有至少一个进口和出口的罐中添加一定数量的合适的分散液体(例如水)，其中所述罐还包括混合器和连接到所述出口的泵；
(b)通过所述至少一个入口向所述罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
(c)使用所述混合器在所述罐中混合分散液体和所述脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以部分解聚并再分散所述微纤化纤维素，从而形成可流动浆料；
(d)使用该泵将所述可流动浆料泵送到流通池的入口，其中所述流通池包括一个或多个串联的超声探头和至少一个出口；
(e)通过所述超声探头在19至100kHz的频率范围内向所述浆料连续施加至少200kWh/t的超声波能量；
(f)在合适的容纳容器中从所述流通池的至少一个出口收集具有增强的拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
根据第二方面，本发明涉及一种再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向具有至少一个进口和出口的罐中添加一定数量的合适的分散液体，其中所述罐还包括混合器和连接到所述出口的泵；
(b)通过所述至少一个入口向所述罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
(c)使用所述混合器在所述罐中混合分散液体和所述脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以部分解聚并再分散所述微纤化纤维素，从而形成可流动浆料；
(d)使用该泵将所述可流动浆料泵送到流通池的入口，其中流通池包括一个或多个串联的超声探头和第一出口；并且其中所述流通池的第二出口连接到所述罐的第二入口，从而提供连续的再循环回路，以向所述浆料连续施加所需时间段和/或总能量输入范围的超声波能量；
(e)通过所述超声探头在19至100kHz的频率范围内向所述浆料连续施加至少200kWh/t的超声波能量；
(f)在合适的容纳容器中从流通池的第一出口收集具有增强的拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
根据第三方面，本发明涉及第一和第二方面的方法，其中脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素组合物还包含至少一种无机颗粒材料。
在本发明的第一、第二或第三方面的实施方案中，累积超声波能量输入可以为约1,000kWh/t至约10,000kWh/t，或在约1,000kWh/t至约2,000kWh/t之间，或在约2,000kWh/t至约3,000kWh/t之间。
在本发明的第一、第二或第三方面的实施方案中，流通池包括冷却套，用于将所述微纤化纤维素的悬浮液的温度维持在约1℃至约80℃的范围内，或在约20℃至约50℃的范围内，或在室温下，或为约20℃。
在本发明的第一、第二或第三方面的实施方案中，流通池在第二出口处包括可调节阀以产生约0巴至约10巴、或约0至约4巴、优选约3巴的再循环液体的背压。
在本发明的第一、第二或第三方面的实施方案中，所述流通池还包括一个或多个增幅器以机械地增大或减小所述至少一个超声探头的幅度。
在本发明的第一、第二或第三方面的实施方案中，所述微纤化纤维素的液体组合物是约0.5％至约10％、或约0.5％至5％的纤维固体，并且在第三方面的实施方案中，所述微纤化纤维素和无机颗粒材料的液体组合物是约0.5％至约10％、或约0.5％至5％的纤维固体。
在本发明的第一、第二和第三方面的实施方案中，施加超声波能量约1至约120分钟，或约1至约90分钟，或约1至约75分钟，或约1至约60分钟，或约1至约45分钟，或约1至约30分钟。
在本发明的第一、第二或第三方面的实施方案中，微纤化纤维素可以是颗粒状，并且在第三方面中，微纤化纤维素和无机颗粒材料可以是颗粒状。
在本发明的第一、第二和第三方面的实施方案中，可以施加超声波能量直到实现指定的累积能量输入。在另外的实施方案中，累积能量输入可大于200kWh/t，大于400kWh/t，或大于500kWh/t，或大于1,000kWh/t，或大于1,500kWh/t，或大于2,000kWh/t，或大于2,500kWh/t，或大于3,000kWh/t，或大于4,000kWh/t，或大于5,000kWh/t，或大于6,000kWh/t，或大于7,000kWh/t，或在200kWh/t至10,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至5,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至4,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至3,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至2,000kWh/t。
在本发明的第二和第三方面的实施方案中，再循环回路可包括高剪切混合器。
在本发明的第一、第二和第三方面的实施方案中，通过说明书中公开的方法，微纤化纤维素的悬浮液以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液的FLT指数可到达7.5Nm/g或更高，7.5Nm/g或更高，8Nm/g或更高，8.5Nm/g或更高，9Nm/g或更高，9.5Nm/g或更高，10Nm/g或更高，10.5Nm/g或更高，11Nm/g或更高，11.5Nm/g或更高，12Nm/g或更高，12.5Nm/g或更高，13Nm/g或更高，13.5Nm/g或更高，14Nm/g或更高，14.5Nm/g或更高，或15Nm/g或更高。
在本发明的第一、第二和第三方面的实施方案中，相比于不将超声波能量处理施加于浆料或悬浮液而制备的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液，FLT指数可改善约5％，约6％，约7％，约7.5％，约8％，约9％，约10％，约12.5％，约15％，或约20％或更高。
在本发明的第一、第二和第三方面的实施方案中，相比于不将超声波能量处理施加于浆料或悬浮液而制备的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液，粘度可改善约5％，约6％，约7％，约7.5％，约8％，约9％，约10％，约12.5％，约15％，约20％或更高。
在本发明的第一、第二和第三方面的实施方案中，所述微纤化纤维素可由化学纸浆、或化学机械纸浆、或机械纸浆、或再生纸浆、或碎纸浆、或造纸厂废料流、或造纸厂废料、或它们的组合来制备。
在本发明的第三方面的实施方案中，无机颗粒材料可包括碱土金属碳酸盐或硫酸盐，例如碳酸钙、碳酸镁、白云石、石膏、含水钙矾石粘土例如高岭土、埃洛石或球状粘土、无水(煅烧)钙矾石粘土例如偏高岭土或完全煅烧高岭土、滑石、云母、珍珠岩、或硅藻土、或其组合。在某些实施方案中，碳酸钙和/或高岭土是特别优选的。
在本发明的第一和第二方面的实施方案中，通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的微纤化纤维素的悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、消费品、化妆品、药理产品和食品的方法。
在本发明的第三方面的实施方案中，通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、消费品、化妆品、药理产品和食品的方法。
根据第四方面，本发明涉及一种再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向闭合的罐中添加一定数量的合适的分散液体(例如水)，其中罐包括入口和出口，所述入口和出口连接到包括第一入口和第一出口的泵，并且流通池包括第二入口和第二出口，并且还包括至少一个超声探头，从而形成闭合的再循环回路；
(b)向罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
其中步骤(b)的包含微纤化纤维素的液体组合物通过再循环回路连续再循环；
(c)通过所述超声探头在20至100kHz的频率范围内向所述微纤化纤维素的液体组合物间断或连续施加至少200kWh/t的超声波能量，从而形成具有拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
根据第五方面，本发明涉及再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向闭合的罐中添加一定数量的合适的分散液体(例如水)，其中罐包括入口和出口，所述入口和出口连接到包括第一入口和第一出口的泵，并且流通池包括第二入口和第二出口，并且还包括至少一个超声探头，从而形成闭合的再循环回路；
(b)向罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
其中步骤(b)的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的液体组合物通过再循环回路连续再循环；
(c)通过所述超声探头在20至100kHz的频率范围内向所述微纤化纤维素和无机颗粒材料的液体组合物间断或连续施加至少200kWh/t的超声波能量，从而形成具有拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的再分散的悬浮液。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，累积能量输入可大于200kWh/t，大于400kWh/t，或大于500kWh/t，或大于1,000kWh/t，或大于1,500kWh/t，或大于2,000kWh/t，或大于2,500kWh/t，或大于3,000kWh/t，或大于4,000kWh/t，或大于5,000kWh/t，或大于6,000kWh/t，或大于7,000kWh/t，或在200kWh/t至10,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至5,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至4,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至3,000kWh/t之间，或在约200kWh/t至2,000kWh/t之间。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，流通池包括冷却套，用于将所述微纤化纤维素的悬浮液的温度维持在约1℃至约80℃的范围内，或在约20℃至约50℃的范围内，或在室温下，或为约20℃。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，流通池在第二出口处包括可调节阀以产生约0巴至约10巴、或约0至约4巴、优选约3巴的再循环液体的背压。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，所述流通池还包括一个或多个增幅器以机械地增大或减小所述至少一个超声探头的幅度。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，所述微纤化纤维素的液体组合物是约0.5％至约10％、或约0.5％至5％的纤维固体，并且在第三方面的实施方案中，所述微纤化纤维素和无机颗粒材料的液体组合物是约0.5％至约10％、或约0.5％至5％的纤维固体。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，施加超声波能量约1至约120分钟，或约1至约90分钟，或约1至约75分钟，或约1至约60分钟，或约1至约45分钟，或约1至约30分钟。
在本发明的第四方面的实施方案中，微纤化纤维素可以是颗粒状，并且在第五方面中，微纤化纤维素和无机颗粒材料可以是颗粒状。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，再循环回路可包括高剪切混合器。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，通过说明书中公开的方法，微纤化纤维素的悬浮液以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液的FLT指数可到达7.5Nm/g或更高，7.5Nm/g或更高，8Nm/g或更高，8.5Nm/g或更高，9Nm/g或更高，9.5Nm/g或更高，10Nm/g或更高，10.5Nm/g或更高，11Nm/g或更高，11.5Nm/g或更高，12Nm/g或更高，12.5Nm/g或更高，13Nm/g或更高，13.5Nm/g或更高，14Nm/g或更高，14.5Nm/g或更高，或15Nm/g或更高。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，相比于不将超声波能量处理施加于浆料或悬浮液而制备的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液，FLT指数可改善约5％，约6％，约7％，约7.5％，约8％，约9％，约10％，约12.5％，约15％，或约20％或更高。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，相比于不将超声波能量处理施加于浆料或悬浮液而制备的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液，粘度可改善约5％，约6％，约7％，约7.5％，约8％，约9％，约10％，约12.5％，约15％，约20％或更高。
在本发明的第四或第五方面的实施方案中，所述微纤化纤维素可由化学纸浆、或化学机械纸浆、或机械纸浆、或再生纸浆、或碎纸浆、或造纸厂废料流、或造纸厂废料、或它们的组合来制备。
在本发明的第五方面的实施方案中，无机颗粒材料可包括碱土金属碳酸盐或硫酸盐，例如碳酸钙、碳酸镁、白云石、石膏、含水钙矾石粘土例如高岭土、埃洛石或球状粘土、无水(煅烧)钙矾石粘土例如偏高岭土或完全煅烧高岭土、滑石、云母、珍珠岩、或硅藻土、或其组合。在某些实施方案中，碳酸钙和/或高岭土是特别优选的。
在本发明的第四方面的实施方案中，通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的微纤化纤维素的悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、消费品、化妆品、药理产品和食品的方法。
在本发明的第五方面的实施方案中，通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、消费品、化妆品、药理产品和食品的方法。
根据第六方面，本发明涉及一种制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的方法，该方法包括下列步骤：在存在或不存在研磨材料的情况下，在水性环境中将包含纤维素和无机颗粒材料的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素材料和无机颗粒材料的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液经历超声，以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。
根据第七方面，本发明涉及一种制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的方法，该方法包括下列步骤：在存在研磨材料的情况下，在水性环境中将包含纤维素的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素材料的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经历超声，以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液。
根据第八方面，本发明涉及一种制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的方法，该方法包括下列步骤：在存在或不存在研磨材料的情况下，在水性环境中将包含纤维素和无机颗粒材料的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素材料和无机颗粒材料的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液经历脱水步骤(或去水或干燥步骤)，以制备部分干燥或干燥(例如基本干燥)的微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物，因此，当部分干燥或基本上干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物被重构(或压制成)为水性浆料时，该水性浆料被再分散(包括超声处理步骤)以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。
根据第九方面，本发明涉及一种制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的方法，该方法包括下列步骤：在存在或不存在研磨材料的情况下，在水性环境中将包含纤维素的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素材料的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经历脱水步骤(或去水或干燥步骤)，以制备部分干燥或干燥(例如基本干燥)的微纤化纤维素的组合物，因此，当部分干燥或基本上干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物被重构(或压制成)为水性浆料时，该水性浆料被再分散(包括超声处理步骤)以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。
根据第十方面，本发明涉及包含微纤化纤维素的水性悬浮液，其适合用作通过根据第六或第八方面的方法获得的纸或纸涂料中的填料。
根据第十一方面，本发明涉及包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，其适合用作根据第七或第九方面的纸或纸涂料中的填料。
根据第十二方面，本发明涉及一种造纸组合物，包含第六或第八方面的水性悬浮液。
根据第十三方面，本发明涉及一种造纸组合物，包含第七或第九方面的水性悬浮液。
根据第十四方面，本发明涉及由第十二或第十三方面的造纸组合物制备的纸产品。
根据第十五方面，本发明涉及一种纸涂料组合物，包含：包含第六方面或第八方面的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液以及其他任选的添加剂。
根据第十六方面，本发明涉及一种纸涂料组合物，包含：包含第七或第九方面的微纤化纤维素的水性悬浮液和其他任选的添加剂。
根据第十七方面，本发明涉及一种纸产品，例如纸板，其涂布有包含第六或第八方面的微纤化纤维素和无机颗粒材料的纸涂料组合物。
根据第十八方面，本发明涉及一种纸产品，例如纸板，其涂布有包含第七或第九方面的微纤化纤维素的纸涂料组合物。
根据第十九方面，本发明涉及一种用于制备纸产品的方法，包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)由步骤(i)中的纸浆、根据本发明的第一或第二方面的水性悬浮液和其他任选的添加剂来制备造纸组合物；和(iii)由所述造纸组合物形成纸产品。
根据第二十方面，本发明涉及一种用于制备纸产品的方法，包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)由步骤(i)中的纸浆、根据本发明的第七或第九方面的水性悬浮液和其他任选的添加剂来制备造纸组合物；和(iii)由所述造纸组合物形成纸产品。
根据第二十一方面，本发明涉及一种用于制备纸产品的综合方法，包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)根据本发明的第六或第八方面的方法，将所述包含纤维素的纤维基质的一部分微纤化以制备包含微纤化的和无机颗粒材料的水性悬浮液；(iii)由步骤(i)中的纸浆、步骤(ii)中制备的水性悬浮液和其他任选的添加剂来制备造纸组合物；和(iv)由所述造纸组合物形成纸产品。
根据第二十二方面，本发明涉及一种用于制备纸产品的综合方法，包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)根据本发明的第七或第九方面的方法，将所述包含纤维素的纤维基质的一部分微纤化以制备包含微纤化纤维素的水性悬浮液；(iii)由步骤(i)中的纸浆、步骤(ii)中制备的水性悬浮液和其他任选的添加剂来制备造纸组合物；和(iv)由所述造纸组合物形成纸产品。
根据第二十三方面，本发明涉及一种用于制备纸产品的综合方法，包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)根据本发明的第六或第八方面的方法，将所述包含纤维素的纤维基质的一部分微纤化以制备包含微纤化的和无机颗粒材料的水性悬浮液；(iii)由步骤(i)中的纸浆、步骤(ii)中制备的水性悬浮液和其他任选的添加剂来制备造纸组合物；和(iv)由所述造纸组合物形成纸产品。
根据第二十四方面，本发明涉及包含根据本发明第六或第八方面的微纤化纤维素的水性悬浮液作为造纸组合物中的填料的用途。
根据第二十六方面，本发明涉及在包含根据本发明第六或第八方面的微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液在造纸组合物中的用途。
附图简述
图1是根据本发明的方法用研磨的碳酸钙(GCC)制备的微纤化纤维素的SEM显微照片。
图2显示暴露于超声波浴对微纤化纤维素(MFC)粘度的影响。
图3显示暴露于超声探头对FLT指数(Nm/g)的影响。
图4显示暴露于超声探针对微纤化纤维素(MFC)粘度的影响。
图5显示暴露于脉冲超声对微纤化纤维素(MFC)的影响。
图6显示陶瓷介质污染对暴露于超声的微纤化纤维素(MFC)的影响。
图7显示超声处理对50％的纸浆(POP)压榨饼的影响。
图8显示高剪切和超声处理对无矿物质带状压榨饼的影响。
图9显示超声处理对高固体的干磨的带状压榨饼的影响。
图10显示超声处理对高固体的干磨的带状压榨饼的影响。
图11A、B和C显示超声探头(超声发生器)的各种能量输入下的压力水平对微纤化纤维素的FLT指数(拉伸强度的量度)、d50粒度、以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的超声再分散(之前已经干燥和造粒，然后重新配制)中的平均功耗的影响。
图12A、B和C分别显示在微纤化纤维素和无机颗粒材料的再分散中(之前已经干燥和造粒，然后重新配制)，超声探头(超声发生器)的各种能量输入下的温度水平对FLT指数、粘度和超声处理的平均功耗的影响。
图13A和B分别显示在超声探头(超声发生器)的各种能量输入处施加微纤维化和无机颗粒材料的组合物进行超声再分散之前，使用实验室高剪切混合器进行处理以减少先前干燥、造粒和重新配制的不同浓度的微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物对FLT指数和粘度的影响。
图14A、B和C显示对于两种浓度的微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料，研磨纤维素纤维和无机颗粒材料的液体浆料以制备从未脱水或干燥的微纤化纤维素、然后在超声探头(超声发生器)的各种能量输入和处理时间进行浆料的超声后处理的连续过程分别对微纤化纤维素的FLT指数、d50粒度和超声发生器(超声发生器)的平均功耗的影响。
图15A、B和C分别显示在使用超声探头(超声发生器)处理之前，使用碎浆机和精制机再分散(压制)三种不同的纤维固体含量的干燥和造粒的微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物对微纤化纤维素的FLT指数、粘度和d50粒度的影响。
图16A和B显示分别通过在搅拌的介质磨碎机中研磨和在搅拌的介质磨碎机中研磨、接着通过均质机、然后在各种能量输入处进行超声处理而制备的不含无机颗粒材料的微纤化纤维素组合物的超声处理对微纤化纤维素的FLT指数和d50粒度的影响。
发明详述
包含纤维素的纤维基质
包含纤维素的纤维基质可以衍生自任何合适的来源，例如木材、草(例如，甘蔗、竹子)或碎布(例如，纺织品废料、棉花、大麻或亚麻)。包含纤维素的纤维基质可以是纸浆的形式(即，纤维素纤维在水中的悬浮液)，可以通过任何适当的化学或机械处理或其组合来制备。例如，纸浆可以是化学纸浆，或化学机械纸浆，或机械纸浆，或再生纸浆，或造纸厂碎裂物，或造纸厂废料流，或造纸厂废料或其组合。可以将纤维素纸浆打浆(例如，在Valley打浆机中)和/或以其他方式精制(例如，在锥形或板式精制机中处理)至任何预定的游离度，在本领域中以加拿大标准游离度(CSF)表示为cm3。CSF是指纸浆的游离度或排水率的值，该值是由纸浆的悬浮液可被排出的速率测量的。例如，纤维素纸浆在微纤化之前可以具有约10cm3或更高的加拿大标准游离度。纤维素纸浆可具有的CSF为约700cm3或更小，例如等于或小于约650cm3、或等于或小于约600cm3、或等于或小于约550cm3、或等于或小于约500cm3、或等于或小于约450cm3、或等于或小于约400cm3、或等于或小于约350cm3、或等于或小于约300cm3、或等于或小于约250cm3、或等于或小于约200cm3、或等于或小于约150cm3、或等于或小于约100cm3、或等于或小于约50cm3。然后可以通过本领域公知的方法对纤维素纸浆进行脱水，例如，可以将纸浆通过筛网进行过滤，以获得包含至少约10％固体、例如至少约15％固体、或至少约20％固体、或至少约30％固体、或至少约40％固体的湿片。纸浆可以以未精制的状态使用，也就是说，不被打浆或脱水或以其他方式精制。
可以将包含纤维素的纤维基质以干燥状态添加到研磨容器或均质机中。例如，可以将干碎纸直接添加到研磨机容器中。研磨机容器中的水性环境然后将促进纸浆的形成。
无机颗粒材料
无机颗粒材料可以例如是碱土金属碳酸盐或硫酸盐，例如碳酸钙、碳酸镁、白云石、石膏、含水钙矾石粘土例如高岭土、埃洛石或球状粘土、无水(煅烧)钙矾石粘土例如偏高岭土或完全煅烧高岭土、滑石、云母、珍珠岩、或硅藻土、或氢氧化镁、或三水合铝，或其组合。
用于根据本发明的第一方面的方法中的优选的无机颗粒材料是碳酸钙。此后，可倾向于根据碳酸钙以及相对于加工和/或处理碳酸钙的方面来讨论本发明。本发明不应被解释为限于这些实施方案。
用于本发明的颗粒碳酸钙可以通过研磨从天然来源获得。通常通过将矿物源(如白垩、大理石或石灰石)压碎然后进行研磨来获得研磨的碳酸钙(GCC)，然后可进行粒度分类步骤，以获得具有所需细度的产品。其他技术，例如漂白、浮选和磁分离也可以用于获得具有期望的细度和/或色度的产品。可以将颗粒固体材料自发地进行研磨，即，通过在固体材料本身的颗粒之间进行磨耗来进行研磨，或者可替代地，在包含与待研磨的碳酸钙不同的材料的颗粒的颗粒研磨介质的存在下进行。这些过程可以在分散剂和杀生物剂存在或不存在的情况下进行，可以在该过程的任何阶段添加它们。
沉淀的碳酸钙(PCC)可以用作本发明中颗粒碳酸钙的来源，并且可以通过本领域中任何已知的方法来生产。TAPPI Monograph Series No 30,“Paper Coating Pigments”,34-35页描述制备沉淀的碳酸钙的三种主要商业方法，该方法适用于制备造纸工业中使用的产品，但也可用于本发明的实践中。在所有三个方法中，首先煅烧碳酸钙原料(例如石灰石)以生产生石灰，然后将生石灰在水中熟化以生成氢氧化钙或石灰乳。在第一方法中，将石灰乳直接用二氧化碳气体碳酸化。该方法的优点是不形成副产物，并且相对容易控制碳酸钙产物的性质和纯度。在第二方法中，石灰乳与纯碱接触，通过两次分解产生碳酸钙沉淀和氢氧化钠溶液。如果该方法在商业上使用，则氢氧化钠可以与碳酸钙基本上完全分离。在第三种主要的商业方法中，首先将石灰乳与氯化铵接触，得到氯化钙溶液和氨气。然后使氯化钙溶液与纯碱接触，以通过两次分解沉淀出的碳酸钙和氯化钠溶液来生产。取决于所使用的特定反应过程，可以将晶体制成各种不同的形状和大小。PCC晶体的三种主要形式是文石、菱面体和偏斜面体，包括其混合物，所有这些都适用于本发明。
碳酸钙的湿法研磨涉及形成碳酸钙的液体悬浮液，然后任选在合适的分散剂存在下将其研磨。可以参考例如EP-A-614948(其内容通过引用整体并入本文)以获取关于碳酸钙的湿法研磨的更多信息。
在某些情况下，可以包括少量其他矿物，例如，也可以存在高岭土、煅烧高岭土、硅灰石、铝土矿、滑石或云母中的一种或多种。
当从天然来源获得本发明的无机颗粒材料时，可能某些矿物杂质会污染地面材料。例如，天然存在的碳酸钙可以与其他矿物质结合存在。因此，在一些实施方案中，无机颗粒材料包括一定量的杂质。然而，通常，本发明中使用的无机颗粒材料将包含小于约5重量％、优选小于约1重量％的其他矿物杂质。
在本发明的方法的微纤化步骤期间使用的无机颗粒材料将优选具有粒度分布，其中至少约10重量％的颗粒的“当量球直径”(e.s.d.)小于2μm，例如至少约20重量％、或至少约30重量％、或至少约40重量％、或至少约50重量％、或至少约60重量％、或至少约70重量％、或至少约80重量％、或至少约90重量％、或至少约95重量％、或约100％的颗粒的e.s.d.小于2μm。
除非另有说明，否则本文所指的无机颗粒材料的粒度性质是通过使用美国佐治亚州诺克罗斯市Micromeritics Instruments Corporation(电话：+1770 662 3620；网站：www.micromeritics.com)提供的Sedigraph 5100机(在本文中称为“MicromeriticsSedigraph 5100单元”)以完全分散的条件将颗粒材料在水性介质中沉降而以众所周知的方式测量的。这种机器提供具有一定尺寸的颗粒的累积重量百分比的测量值和曲线图，在本领域中称为“当量球直径”(e.s.d.)，小于给定的e.s.d.值。平均粒度d50是以此方式确定的颗粒e.s.d.的值，在该方式中50重量％的颗粒的当量球直径小于d50值。
可选择地，在所述的地方，本文中所指的无机颗粒材料的粒度特性是通过使用由Malvern Instruments Ltd.提供的Malvern Mastersizer S机通过激光散射领域中采用的众所周知的常规方法(或通过其他产生基本相同结果的方法)测量的。在激光散射技术中，基于Mie理论的应用，可以使用激光束的衍射来测量粉末、悬浮液和乳剂中的颗粒尺寸。这样的机器提供具有一定尺寸的颗粒的累积表观密度百分比的测量值和曲线图，在本领域中称为“当量球直径”(e.s.d.)，小于给定的e.s.d.值。平均粒度d50是以此方式确定的颗粒e.s.d.的值，在该方式中50表观密度％的颗粒的当量球直径小于d50值。
在另外的实施方案中，在本发明方法的微纤化步骤中使用的无机颗粒材料优选具有粒度分布，如使用Malvern Mastersizer S机所测量的，其中至少约10表观密度％的颗粒的e.s.d.小于2μm，例如至少约20表观密度％、或至少约30表观密度％、或至少约40表观密度％、或至少约50表观密度％、或至少约60表观密度％、或至少约70表观密度％、或至少约80表观密度％、或至少约90表观密度％、或至少约95表观密度％、或约100％的颗粒的的e.s.d.小于2μm。
除非另有说明，否则微纤化纤维素材料的粒度特性是通过激光散射领域中使用的众所周知的常规方法(或通过其他产生基本相同结果的方法)，使用由MalvernInstruments Ltd.提供的Malvern Mastersizer S机测量的。
下面提供使用Malvern Mastersizer S机来用于表征无机颗粒材料和微纤化纤维素的混合物的粒度分布的方法细节。
用于根据本发明的第一方面的方法的另一种优选的无机颗粒材料是高岭土粘土。此后，说明书的这一部分可倾向于就高岭土以及与加工和/或处理高岭土的方面进行讨论。本发明不应被解释为限于这些实施方案。因此，在一些实施方案中，高岭土以未经处理的形式使用。
在本发明中使用的高岭土粘土可以是衍生自天然来源(即，原始的天然高岭土粘土矿物)的加工材料。加工的高岭土粘土通常可含有至少约50重量％的高岭石。例如，大多数商业加工的高岭土粘土包含大于约75重量％的高岭石，并且可含有大于约90％、在一些情况下大于约95重量％的高岭石。
本发明中使用的高岭土粘土可以通过本领域技术人员熟知的一种或多种其他方法由天然的天然高岭土粘土矿物制备，例如通过已知的精制或选矿步骤。
例如，可以用还原性漂白剂如亚硫酸氢钠对粘土矿物进行漂白。如果使用亚硫酸氢钠，则可以在亚硫酸氢钠漂白步骤之后将漂白的粘土矿物任选地脱水和任选地洗涤、并且再次任选地脱水。
可以通过例如絮凝、浮选或本领域公知的磁分离技术来处理粘土矿物以除去杂质。可替代地，在本发明的第一方面中使用的粘土矿物可以未经处理为固体形式或作为水性悬浮液。
用于本发明的制备颗粒高岭土粘土的方法还可包括一个或多个粉碎步骤，例如研磨或磨碎。粗高岭土的光粉碎用于对其进行适当的分层。可以通过使用塑料(例如尼龙)、砂子或陶瓷的研磨或研磨助剂的珠或颗粒来进行粉碎。粗糙高岭土可以采用众所周知的方法进行精制以除去杂质并改善物理性能。高岭土粘土可以通过已知的粒度分类方法进行处理，例如筛分和离心(或两者)，以获得具有所需d50值或粒度分布的颗粒。
微纤化过程
根据本发明的第一方面，提供一种制备用作纸或纸涂料中的填料的组合物的方法，该方法包括在无机颗粒材料存在下将包含纤维素的纤维基质微纤化的步骤。根据本发明方法的特定实施方案，微纤化步骤在充当微纤化剂的无机颗粒材料的存在下进行。微纤化是指这样一种方法，其中与预微纤化的纸浆的纤维相比，纤维素的微原纤作为单个物质或较小的聚集体被释放或部分释放。适用于造纸的典型纤维素纤维(即预微纤化的纸浆)包括成百上千个单个纤维素微纤维的较大聚集体。通过使纤维素微纤化，特定特性和性能，包括但不限于本文所述的特征和性能，赋予微纤化纤维素和包括微纤化纤维素的组合物。
图1描述根据本发明方法制备的示例性微纤化纤维素。图1是在总干重为5.0％的纸浆上用GCC(60wt％<2μm粒度，通过Sedigraph)制备的微纤化纤维素(d50为80μm)的SEM显微照片。介质(Carbolite 16/20)的表观密度浓度(MVC)为50％。在纤维上表示的能量输入为2500kWh/t。
微纤化步骤可以在任何合适的设备中进行，包括但不限于精制机。在一个实施方案中，微纤化步骤是在湿法研磨条件下在研磨容器中进行的。在另外的实施方案中，微纤化步骤在均质机中进行。这些实施方案中的每一个将在下面更详细地描述。
·湿法研磨
研磨适当地以常规方式进行。研磨可以是在有颗粒研磨介质的情况下进行的研磨过程，或者可以是自体研磨过程，即在没有研磨介质的情况下进行的。研磨介质是指除无机颗粒材料以外的与包含纤维素的纤维基质共同研磨的介质。
当存在时，颗粒研磨介质可以是天然或合成材料。研磨介质可以例如包括任何硬矿物、陶瓷或金属材料的球、珠或丸。这样的材料可以包括例如氧化铝、氧化锆、硅酸锆、硅酸铝或富莫来石材料，其是通过在约1300℃至约1800℃范围内的温度下煅烧高岭土粘土制成的。例如，在一些实施方案中，优选
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研磨介质。可替代地，可以使用合适粒度的天然沙子颗粒。
通常，选择用于本发明的研磨介质的类型和粒度可取决于性质，例如待研磨材料的进料悬浮液的粒度和化学组成。优选地，颗粒研磨介质包含平均直径在约0.1mm至约6.0mm的范围内、更优选在约0.2mm至约4.0mm的范围内的颗粒。研磨介质(或介质)的存在量可以为加料的最高约70表观密度％。研磨介质的存在量可以为加料的至少约10表观密度％，例如加料的至少约20表观密度％，或加料的至少约30表观密度％，或加料的至少约40表观密度％，或加料的至少约50表观密度％，或加料的至少约60表观密度％。
研磨可以一个或多个阶段进行。例如，可将粗糙无机颗粒材料在研磨机容器中研磨至预定的粒度分布，然后添加包含纤维素的纤维材料，并继续研磨直至已经获得所需水平的微纤化。根据本发明的第一方面使用的粗糙无机颗粒材料最初可具有粒度分布，其中小于约20重量％的颗粒的e.s.d.小于2μm，例如小于约15重量％、或小于约10重量％的颗粒的e.s.d.小于2μm。在另外的实施方案中，根据本发明的第一方面使用的粗糙无机颗粒材料最初可以具有使用Malvern Mastersizer S机测量的粒度分布，其中小于约20表观密度％的颗粒的e.s.d.小于2μm，例如小于约15表观密度％、或小于约1表观密度％的颗粒的e.s.d.小于2μm。
在没有或没有研磨介质的情况下，粗糙无机颗粒材料可以是湿的或干的。在湿法研磨阶段的情况下，粗糙无机颗粒材料优选在研磨介质存在下在水性悬浮液中研磨。在这种悬浮液中，粗糙无机颗粒材料的存在量可优选为悬浮液的约5％至约85重量％；更优选为悬浮液的约20％至约80重量％。最优选地，粗糙无机颗粒材料的存在量可以为悬浮液的约30％至约75重量％。如上所述，可以将粗糙无机颗粒材料研磨成这样的粒度分布，使得至少约10重量％的颗粒的e.s.d.小于2μm，例如至少约20重量％、或至少约30重量％、或至少约40重量％、或至少约50重量％、或至少约60重量％、或至少约70重量％、或至少约80重量％、或至少约90重量％、或至少约95重量％、或约100重量％的颗粒的e.s.d.小于2μm，之后添加纤维素纸浆，并将这两种成分共研磨以使纤维素纸浆的纤维微纤化。
在另外的实施方案中，可以将粗糙无机颗粒材料研磨成使用MalvernMastersizer S机测量的这样的粒度分布，使得至少约10表观密度％的颗粒的e.s.d.小于2μm，例如至少约20表观密度％、或至少约30表观密度％or至少约40表观密度％、或至少约50表观密度％、或至少约60表观密度％、或至少约70表观密度％、或至少约80表观密度％、或至少约90表观密度％、或至少约95表观密度％、或约100表观密度％的颗粒的e.s.d.小于2μm，之后添加纤维素纸浆，并将这两种成分共研磨以使纤维素纸浆的纤维微纤化。
在一个实施方案中，在共研磨过程中，无机颗粒材料的平均粒度(d50)降低。例如，无机颗粒材料的d50可以降低至少约10％(通过Malvern Mastersizer S机测量)，例如无机颗粒材料的d50可以降低至少约20％、或降低至少约30％、或降低至少约50％、或降低至少约50％、或降低至少约60％、或降低至少约70％、或降低至少约80％、或降低至少约90％。例如，在共研磨之前d50为2.5μm的无机颗粒材料和在共研磨之后d50为1.5μm的无机颗粒材料的粒度将减少40％。在实施方案中，在共研磨过程中，无机颗粒材料的平均粒度没有显着降低。“没有显着降低”是指无机颗粒材料的d50减少小于约10％，例如，无机颗粒材料的d50减少小于约5％。
可以在无机颗粒材料的存在下将包含纤维素的纤维基质微纤化，以获得通过激光散射测得的d50在约5至约500μm范围内的微纤化纤维素。可以在无机颗粒材料的存在下将包含纤维素的纤维基质微纤化，以获得d50等于或小于约400μm的微纤化纤维素，例如d50等于或小于约300μm、或等于或小于约200μm、或等于或小于约150μm、或等于或小于约125μm、或等于或小于约100μm、或等于或小于约90μm、或等于或小于约80μm、或等于或小于约70μm、或等于或小于约60μm、或等于或小于约50μm、或等于或小于约40μm、或等于或小于约30μm、或等于或小于约20μm、或等于或小于约10μm。
可以在无机颗粒材料的存在下将包含纤维素的纤维基质微纤化，以获得模态纤维粒度范围为约0.1-500μm和模态无机颗粒材料粒度范围为0.25-20μm的微纤化纤维素。可以在无机颗粒材料的存在下将包含纤维素的纤维基质微纤化，以获得模态纤维粒度为至少约0.5μm的微纤化纤维素，例如至少约10μm、或至少约50μm、或至少约100μm、或至少约150μm、或至少约200μm、或至少约300μm、或至少约400μm。
可以在无机颗粒材料的存在下将包含纤维素的纤维基质微纤化，以获得由Malvern测得的纤维陡度等于或大于约10的微纤化纤维素。纤维陡度(即纤维的粒度分布的陡度)由以下公式确定：
陡度＝100x(d30/d70)
微纤化纤维素可具有等于或小于约100的纤维陡度。微纤化纤维素可具有等于或小于约75、或等于或小于约50、或等于或小于约40、或等于或小于约30的纤维陡度。微纤化纤维素可具有约20至约50、或约25至约40、或约25至约35、或约30至约40的纤维陡度。
适当地在研磨容器中进行研磨，例如滚磨机(例如，棒、球和自发的)、搅拌研磨机(例如SAM或lsaMill)、塔式研磨机、搅拌的介质磨碎机(SMD)或包括旋转的平行研磨板(待研磨的进料在其间进料)的研磨容器。
在一个实施方案中，研磨容器是塔式研磨机。塔式研磨机可包括一个或多个研磨区上方的静态区。静态区是位于塔式研磨机内部顶部的区域，在该区域中进行的研磨很少或没有进行研磨，并且包括微纤化纤维素和无机颗粒材料。静态区是其中研磨介质的颗粒沉降到塔式研磨机的一个或多个研磨区中的区域。
塔式研磨机可包括一个或多个研磨区上方的分类器。在实施方案中，分类器安装在顶部，并且位于静态区域附近。分类器可以是水力旋流器。
塔式研磨机可包括在一个或多个研磨区上方的筛网。在实施方案中，筛网位于静态区和/或分类器附近。筛网的尺寸可以设置成使研磨介质与包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的产物水性悬浮液分离，并增强研磨介质的沉降。
在实施方案中，研磨是在活塞流条件下进行的。在活塞流条件下，通过塔的流量使得通过塔的研磨材料的混合受到限制。这意味着沿着塔式研磨机的长度的不同点，水性环境的粘度会随着微纤化纤维素的细度的增加而变化。因此，实际上，可以认为塔式研磨机中的研磨区包括一个或多个具有特征粘度的研磨区。本领域技术人员将理解，相对于粘度，相邻的研磨区之间不存在尖锐的边界。
在实施方案中，在磨机顶部靠近一个或多个研磨区上方的静态区或分类器或筛网处添加水，以降低在磨机中的这些区域中包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的粘度。通过在磨机的这一点上稀释产物微纤化纤维素和无机颗粒材料，已经发现，防止研磨介质带入静态区和/或分类器和/或筛网的方法得到改善。此外，通过塔的有限混合允许以较低的固体在塔的下方进行处理，并在顶部进行稀释，同时稀释水的回流有限地从塔向下回流到一个或多个研磨区。可以添加任何合适量的水，其有效稀释包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的产物水性悬浮液的粘度。水可以在研磨过程中以规则的间隔或以不规则的间隔连续添加。
在另外的实施方案中，可以通过沿着塔式研磨机的长度方向设置的一个或多个注水点将水添加到一个或多个研磨区，或者每个注水点位于与一个或多个研磨区相对应的位置。有利地，沿着塔架在各个点处加水的能力允许进一步调节沿着磨机的任何或所有位置处的研磨条件。
塔式研磨机可包括垂直叶轮轴，该垂直叶轮轴在其整个长度上均配备有一系列叶轮转子盘。叶轮转子盘的作用在整个磨机中产生了一系列离散的研磨区。
在另外的实施方案中，研磨是在筛网的研磨机中进行的，优选在搅拌的介质磨碎机中进行。筛网的研磨机可包括标称孔径为至少约250μm的一个或多个筛网，例如一个或多个筛网可具有至少约300μm、或至少约350μm、或至少约400μm、或至少约450μm、或至少约500μm、或至少约550μm、或至少约600μm、或至少约650μm、或至少约700μm、或至少约750μm、或至少约800μm、或至少约850μm、或至少约900μm、或至少约1000μm的标称孔径。
上面刚提到的筛网尺寸适用于上述塔式研磨机的实施方案。
如上所述，可以在存在研磨介质的情况下进行研磨。在实施方案中，研磨介质是包含平均直径在约1mm至约6mm的范围内、例如约2mm、或约3mm、或约4mm、或约5mm的颗粒的粗糙介质。
在另外的实施方案中，研磨介质的比重为至少约2.5，例如至少约3、或至少约3.5、或至少约4.0、或至少约4.5、或至少约5.0、或至少约5.5、或至少约6.0。
在另外的实施方案中，研磨介质包括平均直径在约1mm至约6mm范围内并且比重至少为2.5的颗粒。
在另外的实施方案中，研磨介质包括平均直径约为3毫米并且比重约为2.7的颗粒。
如上所述，研磨介质(或介质)的存在量可至多为加料的约70表观密度％。研磨介质的存在量可为加料的至少约10表观密度％，例如加料的至少约20表观密度％、或加料的至少约30表观密度％、或加料的至少约40表观密度％、或加料的至少约50表观密度％、或加料的至少约60表观密度％。在一个实施方案中，研磨介质的存在量为加料的约50表观密度％。
“加料”是指进料到研磨机容器的进料的组合物。加料包括水、研磨介质、和包含纤维素和无机颗粒材料的纤维基质、以及本文所述的任何其他可选的添加剂。
使用相对粗糙和/或稠密的介质的优点是提高(即更快)的沉积速率，并减少了通过静态区和/或分类器和/或筛网的介质滞留量。
使用相对粗糙研磨介质的另一个优点是，在研磨过程中无机颗粒材料的平均粒度(d50)可不会显着降低，使得赋予研磨系统的能量主要消耗在包含纤维素的纤维基质的微纤化中。
使用相对粗糙的筛网的另一个优点是可以在微纤化步骤中使用相对粗糙或密集的研磨介质。另外，使用相对粗糙的筛网(即，具有至少约250μm的标称孔径)可以处理相对较高固含量的产品并将其从研磨机中取出，这允许以经济可行的方法处理较高固体含量的进料(包含纤维基质，包含纤维素和无机颗粒材料)。如下所述，已经发现，就能量充足性而言，具有高初始固体含量的进料是合乎需要的。此外，还发现在较低的固体含量下(以给定的能量)制备的产物具有较粗的粒度分布。
如上面“背景技术”部分中所讨论的，本发明试图解决工业规模经济地制备微纤化纤维素的问题。
因此，根据一个实施方案，包含纤维素的纤维基质和无机颗粒材料以初始固体含量为至少约4wt.％存在于水性环境中，其中至少约2重量％是包含纤维素的纤维基质。初始固体含量可以为至少约10wt.％、或至少约20wt.％、或至少约30wt.％、或至少约至少40wt.％。至少约5重量％的初始固体含量可以是包含纤维素的纤维基质，例如至少约10％、或至少约15％、或至少约20重量％的初始固体含量可以是包含纤维素的纤维基质。
在另外的实施方案中，研磨是在级联的研磨容器中进行的，其中一个或多个可以包括一个或多个研磨区。例如，可以在两个或多个研磨容器的级联中，例如在三个或多个研磨容器的级联中，或者四个或多个研磨容器的级联中，或者五个或更多个研磨容器的级联中，或者六个或更多个研磨容器的级联中，或者七个或更多个研磨容器的级联中，或者八个或更多个研磨容器的级联中，或者九个或更多研磨容器的级联中，或最多包括十个研磨容器的级联中，研磨包含纤维素的纤维基质和无机颗粒材料。研磨容器的级联可以可操作地串联或并联连接或串联和并联的组合。级联中的一个或多个研磨容器的输出和/或输入可进行一个或多个筛选步骤和/或一个或多个分类步骤。
在微纤化过程中消耗的总能量可以在级联的每个研磨容器之间平均分配。可替代地，能量输入可在级联的一些或全部研磨容器之间变化。
本领域技术人员将理解，在每个容器上消耗的能量可在级联的容器之间改变，取决于每个容器中微纤化的纤维基质的量、以及任选地每个容器中的研磨速度、每个容器中的研磨持续时间、每个容器中的研磨介质的类型以及无机颗粒材料的类型和量。为了控制微纤化纤维素和无机颗粒材料的粒度分布，可以在级联的每个容器中改变研磨条件。例如，研磨介质的大小可以在级联的连续容器之间变化，以减少无机颗粒材料的研磨并以包含纤维素的纤维基质的研磨为目标。
在一个实施方案中，研磨是在闭路中进行的。在另外的实施方案中，研磨是在开放回路中进行的。研磨可以以批处理方式进行。研磨可以以再循环批处理模式进行。
如上所述，研磨回路可包括预研磨步骤，其中将粗糙无机颗粒在研磨机容器中研磨至预定的粒度分布，此后将包含纤维素的纤维材料与预研磨的无机颗粒材料混合，并在相同或相同的条件下继续研磨，直至已获得所需的微纤化水平。
由于待研磨的材料的悬浮液可以具有相对较高的粘度，因此优选在研磨之前可将合适的分散剂添加到悬浮液中。分散剂可以是例如水溶性缩合磷酸盐、聚硅酸或其盐、或聚电解质，例如平均分子量不大于80,000的聚(丙烯酸)或聚(甲基丙烯酸)的水溶性盐。基于干燥的无机颗粒固体材料的重量，分散剂的用量通常在0.1至2.0重量％的范围内。悬浮液可以在4℃至100℃范围内的温度下适当地研磨。
在微纤化步骤期间可以包括的其他添加剂，包括：羧甲基纤维素、两性羧甲基纤维素、氧化剂、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)、TEMPO衍生物和木材降解酶。
待研磨的材料的悬浮液的pH可以为约7或大于约7(即碱性)，例如，悬浮液的pH可以为约8、或约9、或约10、或约11。待研磨的材料的悬浮液的pH可小于约7(即酸性)，例如，悬浮液的pH可为约6、或约5、或约4、或约3。可以通过添加适量的酸或碱来调节待研磨的材料的悬浮液的pH。合适的碱包括碱金属氢氧化物，例如NaOH。其他合适的碱是碳酸钠和氨。合适的酸包括无机酸例如盐酸和硫酸，或有机酸。示例性的酸是正磷酸。
待共研磨的混合物中无机颗粒材料和纤维素纸浆的量基于无机颗粒材料的干重和纸浆中干纤维的量可以以约99.5:0.5至约0.5:99.5的比例变化，例如，基于无机颗粒材料的干重和纸浆中干纤维的量约99.5:0.5至约50:50的比例。例如，无机颗粒材料和干纤维的量的比例可以为约99.5:0.5至约70:30。在实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的比例为约80:20，或例如约85:15、或约90:10、或约91:9、或约92:8、或约93:7、或约94:6、或约95:5、或约96:4、或约97:3、或约98:2、或约99:1。在优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约95:5。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约90:10。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约85:15。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约80:20。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约50:50。
基于无机颗粒填料的总干重，在典型的研磨过程中获得所需的水性悬浮液组合物的总能量输入通常可以在约100至1500kWht-1之间。总能量输入可小于约1000kWht-1，例如小于约800kWht-1、小于约600kWht-1、小于约500kWht-1、小于约400kWhf1、小于约300kWht-1或小于约200kWht-1。这样，本发明人惊奇地发现，当在无机颗粒材料的存在下将纤维素纸浆共研磨时，其可以在相对低的能量输入下微纤化。显而易见，包含纤维素的纤维基质中每吨干纤维的总能量输入将小于约10,000kWht-1，例如小于约9000kWht-1、或小于约8000kWht-1、或小于约7000kWht-1、或小于约6000kWht-1、或小于约5000kWht-1、例如小于约4000kWht-1、小于约3000kWhr1、小于约2000kWht-1、小于约1500kWht-1、小于约1200kWhr1、小于约1000kWht-1、或小于约800kWht-1。输入的总能量取决于被微纤化的纤维基质中的干纤维的量、以及任选的研磨的速度和研磨的持续时间。
·均质化
可以在湿条件下，在无机颗粒材料存在下，通过将纤维素纸浆和无机颗粒材料的混合物加压(例如，至约500巴的压力)、然后通过低压区的方法，对包含纤维素的纤维基质进行微纤化。混合物通过低压区的速率足够高，而低压区的压力足够低，以致引起纤维素纤维的微纤化。例如，可以通过迫使混合物通过具有狭窄的入口孔和更大的出口孔的环形开口来实现压降。随着混合物加速进入更大的表观密度(即，较低的压力区域)，压力急剧降低会引起气穴，从而引起微纤化。在实施方案中，可以在均质机中，在湿条件下，在无机颗粒材料的存在下，使包含纤维素的纤维基质实现微纤化。在均质机中，将纤维素纸浆-无机颗粒材料混合物加压(例如，至约500巴的压力)，并使其通过小喷嘴或小孔。可以将混合物加压至约100至约1000巴，例如至等于或大于300巴、或等于或大于约500、或等于或大于约200巴、或等于或大于约700巴的压力。均质化使纤维经受高剪切力，使得当加压的纤维素纸浆离开喷嘴或孔口时，空化导致纸浆中的纤维素纤维微纤化。可以添加额外的水以提高悬浮液通过均质机的流动性。可以将所得的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液进料到均质机的入口中，以多次通过均质机。在优选的实施方案中，无机颗粒材料是天然板状矿物，例如高岭土。这样，均质化不仅促进纤维素纸浆的微纤化，而且还促进板状颗粒材料的分层。
板状颗粒材料(例如高岭土)应该理解为形状因数为至少约10，例如至少约15、或至少约20、或至少约30、或至少约40、或至少约50、或至少约60、或至少约70、或至少约80、或至少约90、或至少约100。如本文所用，形状因数是使用美国专利No.5,576,617中所述的电导率方法、设备和方程式测量的，具有变化的尺寸和形状的颗粒群的粒径与颗粒厚度之比的量度，其通过引用并入本文。
板状无机颗粒材料(例如高岭土)的悬浮液可在不存在包含纤维素的纤维基质的情况下，在均质机中处理至预定的粒度分布，之后将包含纤维素的纤维材料添加到无机颗粒材料的水性浆料中，并如上所述在均质机中处理混合的悬浮液。继续均质化过程，包括一次或多次通过均质机，直到已经获得所需的微纤化水平。类似地，可以在研磨机中将板状无机颗粒材料处理至预定的粒度分布，然后与包含纤维素的纤维材料组合，然后在均质机中加工。
示例性均质机是Manton Gaulin(APV)均质机。
在已经进行微纤化步骤之后，可以将包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液进行筛网，以除去一定尺寸以上的纤维并除去任何研磨介质。例如，可以使用具有选定的标称孔径的筛网对悬浮液进行筛网，以除去不通过筛网的纤维。标称孔径是指方形孔径相对两侧的标称中心间距或圆形孔径的标称直径。筛网可以是标称孔径为150μm的BSS筛网(根据BS 1796)，例如标称孔径为125μm、或106μm、或90μm、或74μm、或63μm、或53μm、45μm、或38μm。在一个实施方案中，使用标称孔径为125μm的BSS筛网筛分水性悬浮液。然后可以任选地将水性悬浮液脱水。
水性悬浮液
根据上述方法制备的本发明的水性悬浮液适用于造纸或涂布纸的方法。
这样，本发明涉及包含、由下列组成、或基本由下列组成的水性悬浮液：微纤化纤维素、和无机颗粒材料、以及其他任选的添加剂。水性悬浮液适用于造纸或涂布纸的方法。其他任选的添加剂包括分散剂、杀生物剂、助悬剂、盐和其他添加剂，例如淀粉或羧甲基纤维素或聚合物，其可以在研磨期间或之后促进矿物颗粒与纤维的相互作用。
无机颗粒材料可具有这样的粒度分布，使得至少约10重量％、例如至少约20重量％、例如至少约30重量％、例如至少约40重量％、例如至少约50重量％、例如至少约60重量％、例如至少约70重量％、例如至少约80重量％、例如至少约90重量％、例如至少约95重量％、或例如约100％的颗粒的e.s.d.小于2μm。
在另外的实施方案中，无机颗粒材料可具有通过Malvern Mastersizer S机测量的这样的粒度分布，使得至少约10表观密度％、例如至少约20表观密度％、例如至少约30表观密度％、例如至少约40表观密度％、例如至少约50表观密度％、例如至少约60表观密度％、例如至少约70表观密度％、例如至少约80表观密度％、例如至少约90表观密度％、例如至少约95表观密度％、或例如约100表观密度％的颗粒的e.s.d.小于2μm。
待共研磨的混合物中无机颗粒材料和纤维素纸浆的量可基于无机颗粒材料的干重和纸浆中干纤维的量可以以约99.5:0.5至约0.5:99.5的比例变化，例如，基于无机颗粒材料的干重和纸浆中干纤维的量约99.5:0.5至约50:50的比例。例如，无机颗粒材料和干纤维的量的比例可以为约99.5:0.5至约70:30。在实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的比例为约80:20，或例如约85:15、或约90:10、或约91:9、或约92:8、或约93:7、或约94:6、或约95:5、或约96:4、或约97:3、或约98:2、或约99:1。在优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约95:5。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约90:10。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约85:15。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约80:20。在其他优选的实施方案中，无机颗粒材料和干纤维的重量比为约50:50。
在实施方案中，组合物不包含太大而无法通过标称孔径为150μm的BSS筛(根据BS1796)的纤维，例如标称孔径为125μm、106μm、或90μm、或74μm、或63μm、或53μm、45μm、或38μm。在一个实施方案中，使用标称孔径为125μm的BSS筛网筛分水性悬浮液。
因此，应当理解，如果将磨碎的或均质的悬浮液处理以去除选定尺寸以上的纤维，在研磨或均质后液体悬浮液中微纤化纤维素的量(即重量％)可小于纸浆中的干纤维的量。因此，进料到研磨机或均质机中的纸浆和无机颗粒材料的相对量可以根据除去选定尺寸以上的纤维之后在水性悬浮液中所需的微纤化纤维素的量来调节。
在实施方案中，所述无机颗粒材料是碱土金属碳酸盐，例如碳酸钙。无机颗粒材料可以是研磨的碳酸钙(GCC)或沉淀的碳酸钙(PCC)，也可以是GCC和PCC的混合物。在另外的实施方案中，无机颗粒材料是天然的片状矿物，例如高岭土。无机颗粒材料可以是高岭土和碳酸钙的混合物，例如高岭土和GCC的混合物，或者高岭土和PCC的混合物，或者高岭土、GCC和PCC的混合物。
在另外的实施方案中，处理水性悬浮液以除去至少一部分或基本上所有的水，从而形成部分干燥或基本上完全干燥的产品。例如，可以从水性悬浮液中除去至少约10表观密度％的水性悬浮液中的水，例如可以除去至少约20表观密度％、或至少约30表观密度％、或至少约40表观密度％、或至少约50表观密度％、或至少约60表观密度％、或至少约70表观密度％、或至少约80表观密度％、或至少约90表观密度％、或至少约100表观密度％的水性悬浮液中的水。可以使用任何合适的技术从水性悬浮液中除去水，包括例如在加压或不加压下通过重力或真空辅助排水、或通过蒸发、或通过过滤、或通过这些技术的组合。部分干燥或基本上完全干燥的产品将包含微纤化纤维素和无机颗粒材料以及在干燥之前可已添加到水性悬浮液中的任何其他可选的添加剂。可以将部分干燥或基本上完全干燥的产品存储或包装以供销售。如本文所述，可以将部分干燥或基本上完全干燥的产品任选地再水化并掺入造纸组合物和其他纸产品中。
超声处理
简而言之，声波处理、超声处理或超音波处理(除非另有说明，在本文中可互换使用)是用超声波(＞20kHz，例如20至100kHz)声波辐照液体样品，其导致液体的搅动。声波传播到液体介质中，从而导致交替的高压(压缩)和低压(反射)循环。在稀疏过程中，高强度的声波会在液体中产生小的真空气泡或空隙，然后在压缩过程中剧烈破裂(空化)，从而产生很高的局部温度并产生搅动。这些事件的组合导致高剪切力，该剪切力能够将材料分解或还原成较小的成分，从而使材料乳化。该处理可以根据所选的操作参数改变材料的物理性质。
超声处理可用于再分散和解聚含有脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的组合物。超声波的主要应用包括均质化(混合)、分散、解团聚、湿磨和研磨(例如纳米材料)、乳化和细胞崩解。超声也通过材料的搅拌来帮助材料的混合。尽管本发明不限于使用任何特定的超声处理设备，但是最通常通过使用超声浴或超声探头(或换能器)来进行超声处理。本领域已知的合适装置还包括但不限于超声均质机、超声箔和超声变幅杆。可从Hielscher Ultrasonics GmbH(Oderstr.53 D-14513 Teltow,Germany and 530 RingwoodAve.Lembo&Gray Bldg.Wanaque,NJ 07465,USA)获得商业规模的超声装置。合适的超声波探头被上述制造商不同地称为超声波探头和伴生电极。
在本说明书的一些实施例中报道的试验中，使用了Hielscher的中试规模的超声波探头(超声)。在此类试验中，该装置与3L/min渐进腔(seepex)泵一起使用。
在以下某些示例中报告的试验中，试验是在进料罐和超声流通池(这是超声探头(超声探头，即将超声波能量引导至孔径的装置)所在的位置)之间以再循环模式进行的。对于所报道的试验，进料罐中的起始表观密度为2.5L。在超声处理0、1、2、4和10分钟后收集250毫升样品。所有这些试验中的流速均保持在约1.5L/min。此外，使用增幅器(B4-1.8和B4-2.2)和超声波探头(BS4d22和BS4d40)的各种组合，可以确定几种加工配置，以确定各种微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料进料产品的加工配置。超声波探头用于将换能器产生的超声波能量直接传递到待超声处理的介质/浆料上。增幅器用于机械地增加(或减小)超声波发生器产生的振幅。
超声诱导的气蚀对材料的任何影响都可以通过参数组合来控制，这些参数包括不同的频率、位移或振动幅度、暴露于方法的时间以及方法的执行方式(例如脉冲或连续施用)。所使用的频率通常在约20至约100kHz或约25至约55kHz的范围内。所使用的振幅通常在约22至约50μm的范围内。可以使用0至10巴、或0至4巴、优选约3巴的操作压力。20℃至50℃的温度是合适的。发现微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的浆液的超声处理的最佳条件是20℃、3巴压力和1.5重量％的纤维固体。使用超声浴、超声探头或其他设备的选择也会影响过程的最终结果。
关于本发明，已经发现本发明的包含微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液(统称为“水性悬浮液”)的超声处理可增强材料的物理性能。例如，如本说明书中实施例部分所示，包含微纤化纤维素、或包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的超声处理吃惊地和出乎意料地导致材料的粘度和/或拉伸强度提高。本发明材料的物理性质的增强和增强程度取决于所使用的操作参数。根据本说明书的教导，本领域的普通技术人员将能够辨别适合于实现期望结果的参数，而无需过度实验。
在本发明的一个方面，本发明的水性悬浮液的超声处理包括制备具有增强的粘度和/或拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的超声的悬浮液，该方法包括下列步骤：在无机颗粒材料的存在下，在水性环境中使包含纤维素的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液经历超声处理以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。微纤化步骤可包括在存在无机颗粒材料的情况下研磨包含纤维素的纤维纳米纤维，并且还可以包括在不存在无机颗粒材料的情况下研磨包含纤维素的纤维基质，并且还可包括在不存在包含纤维素的纤维基质的情况下研磨所述无机颗粒材料以获得具有所需粒度的无机颗粒材料的初始步骤。
在一个实施方案中，如上所讨论，研磨介质也可用于制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。
可以使用超声探头或超声水浴、超声均质机、超声箔或超声变幅杆对包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液进行超声处理。这种设备的使用是本领域普通技术人员已知的。
在本发明的实施方案中，本发明的方法可以进一步包括在超声处理步骤之前或之后的高剪切混合，均质化或精制中的一种或多种，所有这些都是本领域普通技术人员已知的，并且考虑到本说明书的教导，可以将它们并入本发明的方法而无需过度的实验。
脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素组合物(任选含有无机颗粒材料) 的再分散
在实施方案中，超声处理有利地用于再分散先前脱水的、部分干燥或基本干燥的微纤化纤维素的组合物、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物。脱水和干燥后，可以将脱水的、部分干燥或基本干燥的微纤化纤维素的组合物、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物造粒。借助于本说明书中描述的类型的超声装置，将这种脱水的、部分干燥的或基本上干燥的以及任选的成粒的微纤化纤维素的组合物、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物重新悬浮。
在实施方案中，超声处理用作微纤化纤维素浆料或微纤化纤维素和无机颗粒材料组合物的后处理步骤，以改善此类浆料的一种或多种物理性质，例如增强的拉伸强度和增强粘度。
在实施方案中，本发明已经发明一种再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向具有至少一个进口和出口的罐中添加一定数量的合适的分散液体，其中所述罐还包括混合器和连接到所述出口的泵；
(b)通过所述至少一个入口向所述罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
(c)使用所述混合器在所述罐中混合分散液体和所述脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以部分解聚并再分散所述微纤化纤维素，从而形成可流动浆料；
(d)使用该泵将所述可流动浆料泵送到流通池的入口，其中所述流通池包括一个或多个串联的超声探头和至少一个出口；
(e)通过所述超声探头在19至100kHz的频率范围内向所述浆料连续施加至少200kWh/t的超声波能量；
(f)在合适的容纳容器中从所述流通池的至少一个出口收集具有增强的拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
在替换的实施方案中，该方法可包括所述流通池的第二出口连接到所述罐的第二入口，从而提供连续的再循环回路，以向所述浆料连续施加所需时间段和/或总能量输入范围的超声波能量。因此，该方法可替代地作为通过包括至少一个超声探头的流通池的单次实践来实施，或者可以通过使包含微纤化纤维素的浆料、或包含微纤化纤维素和至少一种无机颗粒材料的浆料通过上述的包括循环池的至少至少一个超声探针的循环回路以再循环而以连续方式来实施。在优选的实施方案中，所述分散液体是水。
在实施方案中，累积超声波能量输入可以调节为至少约200kWh/t、至少约300kWh/t、至少约400kWh/t、至少约500kWh/t、至少约600kWh/t、至少约700kWh/t、至少约800kWh/t、至少约900kWh/t、至少约1,000kWh/t、至少约1,100kWh/t、至少约1,200kWh/t、至少约1,300kWh/t、至少约1,400kWh/t、至少约1,500kWh/t、至少约1,600kWh/t、至少约1,700kWh/t、至少约1,750kWh/t、至少约1,800kWh/t、至少约1,900kWh/t、至少约2,000kWh/t、至少约2,100kWh/t、至少约2,200kWh/t、至少约2,300kWh/t、至少约2,400kWh/t、至少约2,500kWh/t、至少约3,000kWh/t、至少约3,500kWh/t、至少约4,000kWh/t、至少约4,500kWh/t、至少约5,000kWh/t、至少约5,500kWh/t、至少约6,000kWh/t、至少约6,500kWh/t、至少约7,000kWh/t、至少约7,500kWh/t、至少约8,000kWh/t、至少约8,500kWh/t、至少约9,000kWh/t、至少约9,500kWh/t或至少约10,000kWh/t。
在实施方案中，流通池包括冷却套，用于将所述微纤化纤维素的悬浮液的温度维持在约1℃至约80℃的范围内，在20℃至约50℃的范围内，或在室温下，或为约20℃。
在实施方案中，所述流通池在所述第二出口处包括可调节阀以产生约0巴至约10巴、或约0至约4巴的再循环液体的背压。
在实施方案中，流通池还包括一个或多个增幅器以机械地增大或减小所述至少一个超声探头的幅度。本领域技术人员将理解如何使用增幅器来调节从超声探头发射的超声波能量的幅度。
在实施方案中，液体组合物，优选水性浆料，是至少约0.5至约5％、或至少约0.5至约6％纤维固体、或至少约0.5至约7、或至少约0.5至约8％、或至少约0.5至约9％、或至少约0.5至约10％、或约1.5％纤维固体、或约1.6％纤维固体、或约1.7％纤维固体、或约1.8％纤维固体、或约1.9％纤维固体、或约2％纤维固体、或约2.5％纤维固体、或约3％纤维固体、或约3.5％纤维固体、或约4％纤维固体、或约4.5、或约5％纤维固体、或约6％纤维固体、或约7％纤维固体、或约8％纤维固体、或约9％纤维固体％、或约10％纤维固体。
在一些实施方案中，微纤化纤维素组合物是颗粒状。
在其他实施方案中，包含无机颗粒材料的微纤化纤维素组合物是颗粒状。
在实施方案中，施加超声波能量约1至约120分钟、或约30分钟、或约45分钟、或约60分钟、或约75分钟、或约90分钟、或约120分钟。
在实施方案中，所述再循环回路还包括高剪切混合器。
本领域技术人员将理解，可以通过本说明书先前描述的FLT指数来证明微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液的拉伸强度的改善。
在实施方案中，与没有通过本说明书中描述的方法对此类悬浮液进行超声处理的微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液相比，通过本说明书中描述的方法对这种悬浮液进行超声处理而制成的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液中FLT指数得到改善。通过说明书中公开的方法可以实现FLT指数为7.5Nm/g或更高、7.5Nm/g或更高、8Nm/g或更高、8.5Nm/g或更高、9Nm/g或更高、9.5Nm/g或更高、10Nm/g或更高、10.5Nm/g或更高、11Nm/g或更高、11.5Nm/g或更高、12Nm/g或更高、12.5Nm/g或更高、13Nm/g或更高、13.5Nm/g或更高、14Nm/g或更高、14.5Nm/g或更高或15Nm/g或更高。
在实施方案中，可以实现FLT指数为约5％、约6％、约7％、约7.5％、约8％、约9％、约10％、约12.5％、约15％或约20％或更高。
在实施方案中，与未施加超声波能量处理到浆料或悬浮液而制得的微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液相比，可以实现粘度提高约5％、约6％、约7％、约7.5％、约8％、约9％、约10％、约12.5％、约15％或约20％或更高。
在实施方案中，包含微纤化纤维素的液体组合物再循环约30至约120分钟、或约30至约90分钟、或约30至约75分钟、或约30至约60分钟、或约30至约45分钟、或约30分钟。
在本发明的一方面，再分散的微纤化纤维素悬浮液通过本说明书中公开的方法而制备。
在实施方案中，该方法还包括在超声处理步骤之前或之后的高剪切混合、均质化和精制中的一种或多种。
在实施方案中，发明人已经发明一种再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向闭合的罐中添加一定数量的合适的分散液体，其中罐包括入口和出口，所述入口和出口连接到包括第一入口和第一出口的泵，并且流通池包括第二入口和第二出口，并且还包括至少一个超声探头(超声)，从而形成闭合的再循环回路；
(b)向罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
其中步骤(b)的包含微纤化纤维素的液体组合物通过再循环回路连续再循环；
(c)通过所述超声在20至100kHz的频率范围内向所述微纤化纤维素的液体组合物间断或连续施加至少200kWh/t的超声波能量，从而形成具有增强的拉伸强度和/或增强的粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
在另外的实施方案中，用于再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素组合物的上述方法可包括至少一种无机颗粒材料。可以将至少一种无机颗粒材料添加到所述微纤化纤维素的液体组合物中，或者由于在本说明书先前所述的纤化过程中纤维素纤维与无机颗粒材料的共处理而存在。
在本方法的优选实施方案中，所述微纤化纤维素的液体组合物是水性悬浮液。
该方法的超声处理步骤可以用包含在流通池中的至少一个超声探头(超声)来进行，该流通池包括形成闭合的再循环回路的一部分。闭合的再循环回路包括闭合的罐，用于添加合适的分散液体，优选水。罐连接到合适泵的入口。泵的出口连接到包括至少一个超声的流通池的入口。流通池的出口通过管子连接至闭合混合罐的第二入口，从而形成用于使包含微纤化纤维素和任选至少一种无机颗粒材料的液体组合物再循环的再循环回路。
在某些实施方案中，所述微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的液体组合物可包含其他可选的添加剂。任选的添加剂可以是例如助留剂，或造纸组合物中使用的其他添加剂，例如施胶剂，其可以是例如长链烷基烯酮二聚体、蜡乳液或琥珀酸衍生物。该组合物还可包含染料和/或荧光增白剂。该组合物还可包含干和湿强度助剂，例如淀粉或表氯醇共聚物。其他任选的添加剂包括分散剂、杀生物剂、助悬剂、盐和其他添加剂，例如淀粉或羧甲基纤维素或聚合物，其可以在研磨期间或之后促进矿物颗粒和纤维的相互作用。
所述微纤化纤维素、任选的至少一种或多种无机颗粒材料的液体组合物通过再循环回路连续再循环。在所述微纤化纤维素和任选的至少一种或多种无机颗粒材料的液体组合物的再循环期间，通过超声装置施加超声波能量。在优选的实施方案中，超声装置是本领域中众所周知的超声。示例性的超声可以从例如Hielscher Ultrasonics GmbH(Oderstr.53 D-14513 Teltow,Germany and 530 Ringwood Ave.Lembo&GrayBldg.Wanaque,NJ 07465,USA)获得。
可以通过流通池内的超声探头(超声)连续或间歇地施加超声波能量。超声波能量可以以下列累积量来施加：至少约200kWh/t、至少约300kWh/t、至少约400kWh/t、至少约500kWh/t、至少约600kWh/t、至少约700kWh/t、至少约800kWh/t、至少约900kWh/t、至少约1,000kWh/t、至少约1,100kWh/t、至少约1,200kWh/t、至少约1,300kWh/t、至少约1,400kWh/t、至少约1,500kWh/t、至少约1,600kWh/t、至少约1,700kWh/t、至少约1,750kWh/t、至少约1,800kWh/t、至少约1,900kWh/t、至少约2,000kWh/t、至少约2,100kWh/t、至少约2,200kWh/t、至少约2,300kWh/t、至少约2,400kWh/t、至少约2,500kWh/t、至少约3,000kWh/t、至少约3,500kWh/t、至少约4,000kWh/t、至少约4,500kWh/t、至少约5,000kWh/t、至少约5,500kWh/t、至少约6,000kWh/t、至少约6,500kWh/t、至少约7,000kWh/t、至少约7,500kWh/t、至少约8,000kWh/t、至少约8,500kWh/t、至少约9,000kWh/t、至少约9,500kWh/t或至少约10,000kWh/t。
在实施方案中，流通池包括冷却套，用于将所述微纤化纤维素的悬浮液的温度维持在约1℃至约80℃的范围内，或在约20℃至约50℃的范围内，或在室温下，或优选为约20℃。
在实施方案中，所述流通池在所述第二出口处包括可调节阀以产生约0巴至约10巴、或约0至4巴、优选约3巴的再循环液体的背压。
在实施方案中，流通池还包括一个或多个增幅器以机械地增大或减小所述至少一个超声探头的幅度。本领域技术人员将理解如何使用增幅器来调节从超声探头发射的超声波能量的幅度。
在实施方案中，液体组合物，优选水性浆料，是至少约0.5％至约5％、或至少约0.5％至约6％纤维固体、或至少约0.5％至约7、或至少约0.5至约8％、或至少约0.5至约9％、或至少约0.5％至约10％、或约1.5％纤维固体、或约1.6％纤维固体、或约1.7％纤维固体、或约1.8％纤维固体、或约1.9％纤维固体、或约2％纤维固体、或约2.5％纤维固体、或约3％纤维固体、或约3.5％纤维固体、或约4％纤维固体、或约4.5、或约5％纤维固体、或约6％纤维固体、或约7％纤维固体、或约8％纤维固体、或约9％纤维固体％、或约10％纤维固体。
在实施方案中，超声处理有利地用于再分散先前脱水的、部分干燥或基本干燥的微纤化纤维素的组合物、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物。脱水和干燥后，可以将脱水的、部分干燥或基本干燥的微纤化纤维素的组合物、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物造粒。借助于本说明书中描述的类型的超声装置，将这种脱水的、部分干燥的或基本上干燥的以及任选的成粒的微纤化纤维素的组合物、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物重新悬浮。
在实施方案中，施加超声波能量约1至约120分钟、或约30分钟、或约45分钟、或约60分钟、或约75分钟、或约90分钟、或约120分钟。
本领域技术人员将理解，可以通过本说明书先前描述的FLT指数来证明微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液的拉伸强度的改善。
在实施方案中，与没有通过本说明书中描述的方法对此类悬浮液进行超声处理的微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液相比，通过本说明书中描述的方法对这种悬浮液进行超声处理而制成的微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的悬浮液中FLT指数得到改善。通过说明书中公开的方法可以实现FLT指数为7.5Nm/g或更高、7.5Nm/g或更高、8Nm/g或更高、8.5Nm/g或更高、9Nm/g或更高、9.5Nm/g或更高、10Nm/g或更高、10.5Nm/g或更高、11Nm/g或更高、11.5Nm/g或更高、12Nm/g或更高、12.5Nm/g或更高、13Nm/g或更高、13.5Nm/g或更高、14Nm/g或更高、14.5Nm/g或更高或15Nm/g或更高。
在本发明的实施方案中，相对于未经历超声处理的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的拉伸强度增强至少5％、至少10％、至少20％、至少50％、至少100％或至少200％。
在本发明的实施方案中，相对于未经历超声处理的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的粘度增强至少5％、至少10％、或至少20％、至少50％、至少100％。
在本发明的实施方案中，包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液经历超声处理至少30秒、至少1分钟、至少2分钟、至少5分钟、至少10分钟和至少20分钟或更长。时间长度可以由本领域的普通技术人员基于本说明书的教导来确定。
在本发明的实施方案中，包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液以至多每吨干纤维1000kwh、至多每吨2000kwh、每吨干纤维2500kwh、至多每吨干纤维5000kwh、和至多每吨干纤维10000kwh的能量补偿率进行超声处理。如本申请的实施例中所述，发现超声处理对于再分散和解聚已经脱水的、部分干燥的或基本干燥和造粒的微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物更有效。在其他实施方案中，通过超声处理微纤化纤维素的浆料以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的浆料的再分散会在200kWh/t至10,000kWh/t的能量输入下、特别是在1000kWh/t至2000kWh/t的能量输入下产生产品质量的改善。
在实施方案中，使用中试规模的搅拌的介质磨碎机(Supermill)制备的不含矿物质的微纤化纤维素(例如桦木)的超声处理，产生的产品的规格与通过例如Supermill的研磨方法制得的微纤化纤维素相当，然后以约1500kWh/t进行超声处理后进行均质化步骤。
在某些实施方案中，可以通过使超声发生器以连续模式或脉冲模式或两者的组合运行来超声处理包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。即，按照期望的图案或随机地执行交替的长脉冲和短脉冲的情况。
在优选实施方案中，可以在超声处理之前将包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液形成为半(部分)干燥的产品。带状压榨饼是适用于本发明的半干燥产品的一个实例。在某些实施方案中，带压滤饼可以进一步在空气吹扫干燥机和研磨机如Atritor干燥机中进行处理。为了例如易于处理和/或运输，通常将产品转化为半干产品。在使用半干产品作为起始材料的情况下，超声处理不仅为材料提供增强的物理性能，而且在称为“再润湿”的过程中有助于将材料分配到溶液中。
包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的超声处理不限于任何特定或特定的超声处理参数，因为在被超声处理的设备和材料的物理和实际极限内，一个参数的变化可以补偿另一个参数的变化。例如，延长超声处理时间可以至少部分地补偿使用减小的幅度。
在优选实施方案中，超声处理的幅度最大为所用超声发生器的物理极限，幅度最高为60％、最高80％、最高100％、最高200％或更高。所使用的特定设备的振幅的所述物理上限是本领域普通技术人员已知的。
包含纤维素的纤维基质的形式可以是纸浆，例如化学纸浆、化学机械纸浆、机械纸浆、再生纸浆、碎纸浆、造纸厂废料流、或造纸厂的废料、或其组合。
无机颗粒材料可以是碱土金属碳酸盐或硫酸盐，例如碳酸钙、碳酸镁、白云石、石膏、含水钙矾石粘土例如高岭土、埃洛石或球状粘土、无水(煅烧)钙矾石粘土例如偏高岭土或完全煅烧高岭土、滑石、云母、珍珠岩、或硅藻土、或其组合。在优选的实施方案中，所述无机颗粒材料是碱土金属碳酸盐，例如碳酸钙或高岭土或其组合。
研磨容器可以是塔式研磨机或搅拌的介质磨碎机。
在实施方案中，通过本发明方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液适用于造纸或涂布纸的方法，也适用于通常使用微纤化纤维素的其他方法和材料的其他用途，其示例在下面的“其他用途”部分中进行了详细说明。
在本发明的另一方面，可以在不使用无机颗粒材料的情况下制备纤维素悬浮液。在这些情况下，可以使用上文和下文所述的研磨介质代替无机颗粒材料。在这方面，本发明的纤维素悬浮液的超声处理包括制备包含具有增强的粘度和拉伸强度特性的微纤化纤维素的水性悬浮液，该方法包括在水性环境中将包含纤维素的纤维基质微纤化以制备包含微纤化纤维素的水性悬浮液的步骤，并且进一步包括对包含微纤化纤维素的水性悬浮液进行超声处理以产生具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液。微纤化步骤可包括在研磨介质存在的情况下研磨包含纤维素的纤维基质，研磨介质具有期望的粒径。在微纤化步骤之后，可以部分或全部除去研磨介质。
可以使用超声探头或超声水浴、超声均质机、超声箔或超声变幅杆对包含微纤化纤维素的水性悬浮液进行超声处理。这种设备的使用是本领域普通技术人员已知的。
这样的探头是本领域普通技术人员已知的。鉴于本说明书的教导，本领域普通技术人员将能够在没有过度实验的情况下辨别出适当的参数。
在本发明的实施方案中，本发明的方法可以进一步包括在超声处理步骤之前或之后的高剪切混合、均质化或精制中的一种或多种，鉴于本说明书的教导，所有这些均是本领域普通技术人员已知的，并且可以在不进行过多实验的情况下将其并入本发明的方法中。
在本发明的实施方案中，相对于未经历超声处理的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的拉伸强度增强至少5％、至少10％、至少20％、至少50％、至少100％或至少200％。
在本发明的实施方案中，相对于未经历超声处理的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的粘度增强至少5％、至少10％、或至少20％、至少50％、至少100％。
在本发明的实施方案中，包含微纤化纤维素的水性悬浮液经历超声处理至少30秒、至少1分钟、至少2分钟、至少3分钟、至少4分钟、至少5分钟、至少10分钟和至少20分钟或更长。时间长度可以由本领域的普通技术人员基于本说明书的教导来确定。
在本发明的实施方案中，包含微纤化纤维素的水性悬浮液以至多每吨干纤维1000kwh、至多每吨1500kwh、至多每吨2000kwh、至多每吨干纤维2500kwh、至多每吨干纤维5000kwh、和至多每吨干纤维10000kwh的能量补偿率进行超声处理。
可以通过使超声发生器以连续模式或脉冲模式或两者的组合运行来超声处理包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的水性悬浮液。即，按照期望的图案或随机地执行交替的长脉冲和短脉冲的情况。
可以在超声处理之前将包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的水性悬浮液形成半(部分)干燥的产品。带状压榨饼是适用于本发明的半干燥产品的一个实例。另一个实施方案是带状压榨饼，然后在空气吹扫机例如Atritor干燥机中进一步干燥。为了例如易于处理和/或运输，通常将产品转化为半干产品。在使用半干产品作为起始原料的情况下，超声处理不仅为原料提供增强的物理性能，而且还有助于将原料分配到溶液或悬浮液中。
包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的水性悬浮液的超声处理不限于任何特定或特定的超声处理参数，因为一个参数的变化可以在物理和实际极限内补偿另一个参数的变化。例如，延长超声处理时间可以至少部分地补偿减小的幅度。
在优选实施方案中，超声处理的幅度最大为所用超声发生器的物理极限，幅度最高为60％、最高80％、最高100％、最高200％或更高。所使用的特定设备的振幅的所述物理上限是本领域普通技术人员已知的。
包含纤维素的纤维基质的形式可以是纸浆，例如化学纸浆、化学机械纸浆、机械纸浆、再生纸浆、碎纸浆、造纸厂废料流、或造纸厂的废料、或其组合。
在实施方案中，通过本发明的方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和任选的无机颗粒材料的水性悬浮液适用于造纸或涂布纸的方法，适用于通常使用微纤化纤维素的其他方法和材料中的其他用途，也适用于通常使用微纤化纤维素的其他方法和材料中的其他用途，其示例在下面的标题部分中详细介绍其他用途。”
纸产品及其制备方法
包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液可将其掺入造纸组合物中，而造纸组合物又可用于制备纸产品。结合本发明使用的术语纸产品应理解为是指所有形式的纸，包括板，例如白衬板和挂面纸板、纸板、纸板、涂布板等。可以根据本发明制造多种类型的涂布或未涂布的纸，包括适用于书籍、杂志、报纸等的纸以及办公用纸。可以根据需要对纸张进行压光或超级压光。例如，可以根据本方法制造用于轮转凹版印刷和胶版印刷的超级压光杂志纸。也可以根据本方法制造适用于轻质涂料(LWC)、中质涂料(MWC)或机加工颜料着色(MFP)的纸。
具有适合食品包装等的阻隔性的涂布纸和纸板也可以根据本方法来制造。在典型的造纸过程中，通过本领域众所周知的任何合适的化学或机械处理或其组合来制备含纤维素的纸浆。纸浆可以源自任何合适的来源，例如木材、草(例如甘蔗、竹子)或碎布(例如纺织废料、棉花、大麻或亚麻)。可以根据本领域技术人员众所周知的方法对纸浆进行漂白，并且适用于本发明的那些方法将是显而易见的。可以将漂白的纤维素纸浆打浆，精制或两者兼用至预定的游离度(本领域中报告为以加拿大标准游离度(CSF)为单位cm3)。然后从经漂白和打浆的纸浆中制备合适的纸浆。
除微纤化纤维素和无机颗粒材料的液体悬浮液外，本发明的造纸组合物通常还包含纸浆和本领域已知的其他常规添加剂。基于造纸组合物的总干含量，本发明的造纸组合物可包含至多约50重量％的源自包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的无机颗粒材料。例如，基于造纸组合物的总干含量，造纸组合物可包含至少约2重量％、或至少约5重量％、或至少约10重量％、或至少约15重量％、或至少约20重量％、或至少约25重量％、或至少约30重量％、或至少约35重量％、或至少约40重量％、或至少约45重量％、或至少约50重量％、或至少约60重量％、或至少约70重量％、或至少约80重量％的源自包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的无机颗粒材料。微纤化纤维素材料的纤维陡度可以大于约10，例如，从约20至约50、或从约25至约40、或从约25至35、或从约30至约40。基于包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的干重，造纸组合物还可包含非离子、阳离子或阴离子助留剂或微粒助留系统，其量为约0.1至2重量％。它还可以包含上浆剂，其可以是例如长链烷基烯酮二聚体、蜡乳液或琥珀酸衍生物。该组合物还可包含染料和/或荧光增白剂。该组合物还可包含干和湿强度助剂，例如淀粉或表氯醇共聚物。
在一个实施方案中，本发明涉及纸制品的制造方法，包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)在步骤(i)中由纸浆制备造纸组合物，本发明的水性悬浮液包含微纤化纤维素和无机颗粒材料以及其他任选的添加剂(例如助留剂，以及如上所述的其他添加剂)；和(iii)由所述造纸组合物形成纸产品。如上所述，通过将干燥状态的例如干碎纸或废物形式的包含纤维素的纤维纤维直接添加到研磨机容器中，形成纸浆的步骤可以在研磨机容器或均质机中进行。研磨机容器或均质机中的水性环境将有助于纸浆的形成。研磨机容器或均质机中的水性环境将有助于纸浆的形成。
在一个实施方案中，可以向步骤(ii)中制备的造纸组合物中添加另外的填料组分(即除无机颗粒材料以外的填料组分，其与包含纤维素的纤维混合物共研磨)。示例性的填料组分是PCC、GCC、高岭土或其混合物。示例性的PCC是斜面体PCC。在实施方案中，造纸组合物中无机颗粒材料与附加填料组分的重量比为约1:1至约1:30、例如约1:1至约1:20、例如约1:1至约1:15、例如约1:1至约1:10、例如约1:1至约1:7、例如约1:3至约1:6、或约1:1、或约1:2、或约1:3、或约1:4、或约1:5。与仅包含无机颗粒材料(例如PCC)作为填料的纸产品相比，由这种造纸组合物制成的纸产品可表现出更高的强度。与其中分别制备(例如，研磨)无机颗粒材料和包含纤维素的纤维母料并混合以形成造纸组合物的纸制品相比，由这种造纸组合物制得的纸产品可表现出更高的强度。同样地，由根据本发明的造纸组合物制备的纸产品可以表现出与包含较少的无机颗粒材料的纸产品相当的强度。换句话说，纸产品可以由根据本发明的造纸组合物在较高的填料填充量下制备而不会损失强度。
由造纸组合物形成最终纸产品的步骤是常规的并且是本领域众所周知的，并且通常包括形成具有目标基重的纸张，这取决于所制造的纸张的类型。
通过本发明的方法可以实现另外的经济效益，其中用于制备水性悬浮液的纤维素纤维可以衍生自用于制备造纸组合物和最终纸制品的相同的纤维素纸浆。这样，并且根据上述本发明的一个方面，本发明涉及一种用于制造纸产品的集成方法，该方法包括：(i)获得或制备包含适于制备纸产品的纸浆形式的纤维素的纤维基质；(ii)根据本发明的第一方面，使所述包含纤维素的纤维纤维的一部分微纤化，以制备包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液；(iii)由步骤(i)中的纸浆、步骤(ii)中制备的水性悬浮液和其他任选的添加剂来制备造纸组合物；和iv)由所述造纸组合物形成纸产品。
因此，由于已经出于制备造纸组合物的目的而制备了用于制备水性悬浮液的纤维素基体，因此形成水性悬浮液的步骤不一定需要单独的制备包含纤维素的纤维纤维素的步骤。
令人惊讶地发现，使用本发明的水性悬浮液制备的纸产品表现出改善的物理和机械性能，同时使无机颗粒材料能够以较高的负载水平掺入。因此，可以以相对较低的成本制备改进的纸。例如，与不含任何微纤化纤维素的纸产品相比，发现由包含本发明的水性悬浮液的造纸组合物制备的纸产品显示出改善的无机颗粒材料填料的保持性。还发现由包含本发明的水性悬浮液的造纸组合物制备的纸产品显示出改善的断裂强度和拉伸强度。此外，已经发现，与包含相同量的填料但不包含微纤化纤维素的纸相比，掺入微纤化纤维素可降低孔隙率。这是有利的，因为高的填料负载水平通常与较高的孔隙率值相关，并且不利于可印刷性。
纸涂料组合物和涂布方法
本发明的水性悬浮液可以在不添加其他添加剂的情况下用作涂料组合物。然而，任选地，可以添加少量的增稠剂，例如羧甲基纤维素或碱溶胀性丙烯酸增稠剂或相关的增稠剂。
如果需要，根据本发明的涂料组合物可以包含一种或多种任选的另外的组分。如果存在的话，这些另外的组分适当地选自用于纸涂料组合物的已知添加剂。这些任选的添加剂中的一些可以在涂料组合物中提供一种以上的功能。已知类别的可选添加剂的示例如下：
(a)一种或多种其他颜料：本文所述的组合物可以用作纸涂料组合物中的唯一颜料，或可以彼此结合使用，也可以与其他已知颜料(例如硫酸钙、缎白以及所谓的“塑料颜料”)结合使用。当使用颜料的混合物时，总的颜料固体含量优选以涂料组合物的干燥组分的总重量的至少约75重量％的量存在于组合物中；
(b)一种或多种粘合剂或共粘合剂：例如胶乳，其可以任选地被羧化，包括：苯乙烯-丁二烯橡胶胶乳；丙烯酸聚合物胶乳；聚乙酸乙烯酯胶乳；或苯乙烯丙烯酸共聚物胶乳、淀粉衍生物、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇和蛋白；
(c)一种或多种交联剂：例如至多约5重量％的水平；例如乙二醛、三聚氰胺甲醛树脂、碳酸锆铵；一种或多种干或湿采摘改良添加剂：例如至多约2重量％的水平，例如三聚氰胺树脂、聚乙烯乳液、脲醛、三聚氰胺甲醛、聚酰胺、硬脂酸钙、苯乙烯马来酸酐等；一种或多种干磨或湿磨改进和耐磨添加剂：例如至多约2重量％的含量，例如乙二醛基树脂、氧化聚乙烯、三聚氰胺树脂、脲醛、三聚氰胺甲醛、聚乙烯蜡、硬脂酸钙等；一种或多种耐水添加剂：例如至多约2重量％的水平，例如氧化聚乙烯、酮树脂、阴离子胶乳、聚氨酯、SMA、乙二醛、三聚氰胺树脂、脲醛、三聚氰胺甲醛、聚酰胺、硬脂酸酯和可用于此功能的其他商业上的材料；
(d)一种或多种保水助剂：例如至多约2重量％的水平，例如羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、PVOH(聚乙烯醇)、淀粉、蛋白、聚丙烯酸酯、树胶、藻酸盐、聚丙烯酰胺膨润土和为此类应用而出售的其他市售产品；
(e)一种或多种粘度调节剂和/或增稠剂：例如至多约2重量％的水平；例如丙烯酸类缔合增稠剂、聚丙烯酸酯、乳液共聚物、双氰胺、三醇、聚氧乙烯醚、尿素、硫酸化蓖麻油、聚乙烯吡咯烷酮、CMC(羧甲基纤维素，例如羧甲基纤维素钠)、海藻酸钠、黄原胶、硅酸钠、丙烯酸共聚物、HMC(羟甲基纤维素)、HEC(羟乙基纤维素)等；
(f)一种或多种润滑/压延助剂：例如至多约2重量％的水平，例如硬脂酸钙、硬脂酸铵、硬脂酸锌、蜡乳液、蜡、烷基烯酮二聚体、二醇；一种或多种保持光泽油墨的添加剂：例如至多约2重量％的水平，例如氧化聚乙烯、聚乙烯乳液、蜡、酪蛋白、瓜尔胶、CMC、HMC、硬脂酸钙、硬脂酸铵、海藻酸钠等；
(g)一种或多种分散剂：分散剂是一种化学添加剂，当以足够的量存在时，能够根据常规处理要求作用于颗粒状无机材料的颗粒上，以防止或有效限制颗粒的絮凝或结块至所需程度。分散剂可以以至多约1重量％的水平存在，并且包括例如聚电解质，例如聚丙烯酸酯和包含聚丙烯酸酯种类的共聚物，尤其是聚丙烯酸酯盐(例如钠和铝，任选地具有II族金属盐)，六偏磷酸钠，非离子型多元醇，多磷酸，缩合磷酸钠，非离子型表面活性剂，链烷醇胺和其他通常用于此功能的试剂。分散剂可以例如选自通常用于无机颗粒材料的加工和研磨的常规分散剂材料。这种分散剂将被本领域技术人员很好地认识。它们通常是能够提供阴离子种类的水溶性盐，其有效量可以吸附在无机颗粒的表面上，从而抑制颗粒的聚集。未溶剂化的盐适当地包括碱金属阳离子，例如钠。在某些情况下，可以通过使水性悬浮液略呈碱性来辅助溶剂化。合适的分散剂的实例包括：水溶性缩合磷酸盐，例如聚偏磷酸盐[钠盐的一般形式：(NaPO3)X]，例如偏磷酸四钠或所谓的“六偏磷酸钠”(Graham's盐)；聚硅酸的水溶性盐；聚电解质；丙烯酸或甲基丙烯酸的均聚物或共聚物的盐，或丙烯酸其他衍生物的聚合物的盐，其重均分子量宜小于约20,000。特别优选六偏磷酸钠和聚丙烯酸钠，后者的重均分子量在约1,500至约10,000的范围内；
(h)一种或多种消泡剂和消泡剂：例如以至多约1重量％的水平使用，例如表面活性剂、磷酸三丁酯、脂肪聚氧乙烯酯加脂肪醇、脂肪酸皂、硅酮乳液和其他含硅酮组合物、矿物油中的蜡和无机微粒的混合物；为实现这一功能而商业出售的乳化烃和其他化合物的混合物；
(i)一种或多种荧光增白剂(OBA)和荧光增白剂(FWA)：例如至多约1重量％的水平，例如二苯乙烯衍生物；
(j)一种或多种染料：例如至多约0.5重量％的水平；
(k)一种或多种杀生物剂/腐败控制剂：例如至多约1重量％的水平，例如氧化性杀生物剂，例如氯气、二氧化氯气体、次氯酸钠、次溴酸钠、氢气、过氧化物、过氧乙酸、溴化铵/次氯酸钠或非氧化性杀菌剂，例如GLUT(戊二醛，CAS No 90045-36-6)、ISO(CIT/MIT)(lsothiazolinone，CAS Np 55956-84-9&96118-96-6)、ISO(BIT/MIT)(lsothiazolinone)、ISO(BIT)(异噻唑啉酮，CAS编号2634-33-5)、DBNPA，BNPD(Bronopol)、NaOPP、CARBAMATE、THIONE(Dazomet)、EDDM-二甲醇(0形式)、HT-三嗪(N形式)、THPS-四(0-甲醛)、TMAD-二脲(N-甲醛)、偏硼酸盐、十二烷基苯磺酸钠、硫氰酸盐、有机硫、苯甲酸钠和其他为此功能而商业出售的化合物，例如，Nalco出售的杀生物剂聚合物；
(I)一种或多种流平助剂和夜用助剂：例如至多约2重量％的水平，例如非离子多元醇、聚乙烯乳液、脂肪酸、酯和醇衍生物、醇/环氧乙烷、硬脂酸钙以及为此功能在商业上出售的其他化合物；
(m)一种或多种抗油脂性的添加剂：例如，至多约2重量％的水平，例如氧化聚乙烯、胶乳、SMA(苯乙烯马来酸酐)、聚酰胺、蜡、海藻酸盐、蛋白质、CMC和HMC。
如果需要，上述添加剂和添加剂类型中的任何一种都可以单独使用或彼此混合使用，也可以与其他添加剂混合使用。
对于所有上述添加剂，所引用的重量百分比是基于组合物中存在的无机颗粒材料(100％)的干重。当添加剂以最小量存在时，该最小量可以为基于颜料干重的约0.01重量％。
使用技术人员众所周知的标准技术进行涂覆过程。涂覆过程还可以涉及对涂覆的产品进行压光或压光。
涂布纸和其他片材的方法以及执行该方法的设备已被广泛地公开并且是众所周知的。这样的已知方法和设备可以方便地用于制备涂布纸。例如，在1994年5月的纸浆和Paper International的第18页及以后的文章中综述了这种方法。可以在片材成型机上涂布片材，即在涂布机或涂布机上“在机上”或“机外”。在涂覆方法中使用高固含量的组合物是合乎需要的，因为它留下较少的水以随后蒸发。然而，如本领域所公知的，固体含量不应过高以至于引入高粘度和流平性问题。可以使用以下设备进行涂覆的方法，该设备包括：(i)用于将涂料组合物施涂到待涂覆的材料上的应用；和(ii)用于确保施加正确水平的涂料组合物的计量装置。当过量的涂料组合物施涂到施涂器上时，计量装置在其下游。可替代地，可以通过计量装置例如薄膜压机将正确量的涂料组合物施涂到施涂器上。在涂布和计量时，纸幅支撑物的范围从背衬辊，例如通过一个或两个施加器，到什么都没有(即仅张紧)。在最终清除多余的涂料之前，涂料与纸张的接触时间即为保压时间-可能短，长或可变。
通常通过在涂布站的涂布头添加涂层。根据所需的质量，纸张等级为无涂层、单涂层、双涂层甚至三涂层。当提供多于一层的涂层时，初始涂层(预涂层)可以具有较便宜的配方，并且任选地在涂层组合物中具有较粗的颜料。在纸张两面进行涂料的涂布机将具有两个或四个涂布头，具体取决于在两面涂布的涂料层数。大多数涂布机一次只能涂布一面，但有些辊涂机(例如，薄膜压机、浇口辊和施胶机)一次涂布两面。
可以使用的已知涂布机的实例包括但不限于气刀涂布机、刮刀涂布机、棒式涂布机、棒式涂布机、多头涂布机、辊式涂布机、辊式或刮刀式涂布机、流延涂布机、实验室涂布机、凹版涂布机、亲吻涂布机、液体涂布系统、反向辊涂机、幕涂机、喷涂机和挤出涂布机。
可以将水添加到包含涂料组合物的固体中以产生一定浓度的固体，该浓度优选使得当将组合物涂布到片材上至所需的目标涂料重量时，该组合物具有适合于使该组合物流变的能力。被涂覆以介于1和1.5巴之间的压力(即，叶片压力)。
压光是众所周知的方法，其中通过使涂布的纸张在压光辊隙或辊之间通过一次或多次，来改善纸张的平滑度和光泽度，并减少表观密度。通常，使用弹性体涂覆的辊来压制高固体成分。可以施加升高的问题。可以施加一个或多个(例如，至多约12，或者有时更高)通过辊隙。
与不包含根据本发明制备的微纤化纤维素的涂布纸产品相比，根据本发明制备的并且在涂料中包含荧光增白剂的涂布纸产品可以表现出根据ISO标准11475测量的亮度至少大2个单位，例如大至少3个单位。与不包含根据本发明制备的微纤化纤维素的涂布纸产品相比，根据本发明制备的涂布纸产品可以表现出根据ISO标准8971-4(1992)测量的Parker Print至少约0.7μm Surf平滑度，至少0.5μm更平滑，例如至少约0.6μm更平滑或更平滑。
在不存在可研磨的无机颗粒材料的情况下的微纤化
在另一方面，本发明涉及一种用于制备包含微纤化纤维素的水性悬浮液的方法，该方法包括以下步骤：在存在研磨介质(在完成研磨后将其除去)的情况下，通过研磨在水性环境中使包含纤维素的纤维基质微纤化，其中在塔式研磨机或筛网研磨机中进行研磨，并且其中在不存在可研磨的无机颗粒材料的情况下进行研磨。
可研磨的无机颗粒材料是在存在研磨介质的情况下将被研磨的材料。
颗粒研磨介质可以是天然或合成材料。研磨介质可以例如包括任何硬矿物、陶瓷或金属材料的球、珠或丸。这样的材料可以包括例如氧化铝、氧化锆、硅酸锆、硅酸铝或富莫来石材料，其是通过在约13000℃至约18000℃范围内的温度下煅烧高岭土粘土而制得的。例如，在一些实施方案中，优选
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研磨介质。可替代地，可以使用适当粒度的天然沙粒。
通常，选择用于本发明的研磨介质的类型和粒度可取决于性质，例如待研磨材料的进料悬浮液的粒度和化学组成。优选地，颗粒研磨介质包括平均直径在约0.5mm至约6mm范围内的颗粒。在一个实施方案中，颗粒的平均直径至少为3毫米。
研磨介质可包含比重至少为2.5的颗粒。研磨介质可包括比重为至少约3、或至少约4、或至少约5或至少约6的颗粒。.
研磨介质(或介质)的存在量可以为进料的至多约70表观密度％。研磨介质的存在量可以为进料的至少约10表观密度％，例如进料的至少约20表观密度％、或进料的至少约30表观密度％、或进料的至少约40表观密度％、或进料的至少约50表观密度％、或进料的至少约60表观密度％。
包含纤维素的纤维基质可以被微纤化，以获得通过激光散射测量的d50在约5μm至约500μm范围内的微纤化纤维素。包含纤维素的纤维基质可以被微纤化，以获得d50等于或小于约400μm的微纤化纤维素，例如等于或小于约300μm、或等于或小于约200μm、或等于或小于约150μm、或等于或小于约125μm、或等于或小于约100μm、或等于或小于约90μm、或等于或小于约80μm、或等于或小于约70μm、或等于或小于约60μm、或等于或小于约50μm、或等于或小于约40μm、或等于或小于约30μm、或等于或小于约20μm、或等于或小于约10μm。
包含纤维素的纤维基质可以被微纤化，以获得模态纤维粒度的范围为约0.1-500μm的微纤化纤维素。包含纤维素的纤维基质可以被微纤化，以获得模态纤维粒度的范围为至少约0.5μm的微纤化纤维素，例如至少约10μm、或至少约50μm、或至少约100μm、或至少约150μm、或至少约200μm、或至少约300μm、或至少约400μm。
包含纤维素的纤维基质可以被微纤化，以获得由Malvern测得的纤维陡度等于或大于约10的微纤化纤维素。纤维陡度(即纤维的粒度分布的陡度)由以下公式确定：
陡度＝100x(d30/d70)
微纤化纤维素可具有等于或小于约100的纤维陡度。微纤化纤维素可具有等于或小于约75、或等于或小于约50、或等于或小于约40、或等于或小于约30的纤维陡度。微纤化纤维素可具有约20至约50、或约25至约40、或约25至约35、或约30至约40的纤维陡度。
在一个实施方案中，研磨容器是塔式研磨机。塔式研磨机可包括一个或多个研磨区上方的静态区。静态区是位于塔式研磨机内部顶部的区域，在该区域中进行的研磨很少或没有进行研磨，并且包括微纤化纤维素和无机颗粒材料。静态区是其中研磨介质的颗粒沉降到塔式研磨机的一个或多个研磨区中的区域。
塔式研磨机可包括一个或多个研磨区上方的分类器。在实施方案中，分类器安装在顶部，并且位于静态区域附近。分类器可以是水力旋流器。
塔式研磨机可包括在一个或多个研磨区上方的筛网。在实施方案中，筛网位于静态区和/或分类器附近。筛网的尺寸可以设置成使研磨介质与包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的产物水性悬浮液分离，并增强研磨介质的沉降。
在实施方案中，研磨是在活塞流条件下进行的。在活塞流条件下，通过塔的流量使得通过塔的研磨材料的混合受到限制。这意味着沿着塔式研磨机的长度的不同点，水性环境的粘度会随着微纤化纤维素的细度的增加而变化。因此，实际上，可以认为塔式研磨机中的研磨区包括一个或多个具有特征粘度的研磨区。本领域技术人员将理解，相对于粘度，相邻的研磨区之间不存在尖锐的边界。
在实施方案中，在磨机顶部靠近一个或多个研磨区上方的静态区或分类器或筛网处添加水，以降低在磨机中的这些区域中包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的粘度。通过在磨机的这一点上稀释产物微纤化纤维素和无机颗粒材料，已经发现，防止研磨介质带入静态区和/或分类器和/或筛网的方法得到改善。此外，通过塔的有限混合允许以较低的固体在塔的下方进行处理，并在顶部进行稀释，同时稀释水的回流有限地从塔向下回流到一个或多个研磨区。可以添加任何合适量的水，其有效稀释包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的产物水性悬浮液的粘度。水可以在研磨过程中以规则的间隔或以不规则的间隔连续添加。
在另外的实施方案中，可以通过沿着塔式研磨机的长度方向设置的一个或多个注水点将水添加到一个或多个研磨区，或者每个注水点位于与一个或多个研磨区相对应的位置。有利地，沿着塔架在各个点处加水的能力允许进一步调节沿着磨机的任何或所有位置处的研磨条件。
塔式研磨机可包括垂直叶轮轴，该垂直叶轮轴在其整个长度上均配备有一系列叶轮转子盘。叶轮转子盘的作用在整个磨机中产生了一系列离散的研磨区。
在另外的实施方案中，研磨是在筛网的研磨机中进行的，优选在搅拌的介质磨碎机中进行。筛网的研磨机可包括标称孔径为至少约250μm的一个或多个筛网，例如一个或多个筛网可具有至少约300μm、或至少约350μm、或至少约400μm、或至少约450μm、或至少约500μm、或至少约550μm、或至少约600μm、或至少约650μm、或至少约700μm、或至少约750μm、或至少约800μm、或至少约850μm、或至少约900μm、或至少约1000μm的标称孔径。
上面刚提到的筛网尺寸适用于上述塔式研磨机的实施方案。
如上所述，在存在研磨介质的情况下进行研磨。在实施方案中，研磨介质是包含平均直径在约1mm至约6mm(例如约2mm、或约3mm、或约4mm、或约5mm)范围内的颗粒的粗糙介质。
在另外的实施方案中，研磨介质的比重为至少约2.5，例如至少约3、或至少约3.5、或至少约4.0、或至少约4.5、或至少约5.0、或至少约5.5、或至少约6.0。
如上所述，研磨介质(或介质)的存在量可至多为加料的约70表观密度％。研磨介质的存在量可为加料的至少约10表观密度％，例如加料的至少约20表观密度％、或加料的至少约30表观密度％、或加料的至少约40表观密度％、或加料的至少约50表观密度％、或加料的至少约60表观密度％。
在一个实施方案中，研磨介质的存在量为加料的约50表观密度％。“加料”是指进料到研磨机容器的进料的组合物。加料包括水、研磨介质、包含纤维素的纤维基质和任何其他可选的添加剂(本文所述除外)。
使用相对粗糙和/或稠密的介质的优点是提高(即更快)的沉积速率，并减少了通过静态区和/或分类器和/或筛网的介质滞留量。
使用相对粗糙研磨介质的另一个优点是在微纤化步骤中可以使用相对粗糙或稠密的研磨介质。另外，使用相对粗糙的筛网(即，具有至少约250μm的标称孔径)允许处理相对较高固含量的产品并将其从研磨机中取出，这允许以经济可行的方法处理较高固体含量的进料(包含纤维基质、包含纤维素和无机颗粒材料)。如下所述，已经发现，就能量充足性而言，具有高初始固体含量的进料是合乎需要的。此外，还发现在较低的固体含量下(以给定的能量)制备的产物具有较粗的粒度分布。
如上面“背景技术”部分中所讨论的，本发明试图解决工业规模经济地制备微纤化纤维素的问题。
因此，依照一个实施方案，包含纤维素的纤维基质以初始固体含量为至少约1wt％存在于水性环境中。包含纤维素的纤维基质可以以初始固体含量为至少约2wt％存在于水性环境中，例如至少约3wt％或至少约4wt％。典型地初始固体含量将不大于约10wt％。
在另外的实施方案中，研磨是在级联的研磨容器中进行的，其中一个或多个可以包括一个或多个研磨区。例如，可以在两个或多个研磨容器的级联中，例如在三个或多个研磨容器的级联中，或者四个或多个研磨容器的级联中，或者五个或更多个研磨容器的级联中，或者六个或更多个研磨容器的级联中，或者七个或更多个研磨容器的级联中，或者八个或更多个研磨容器的级联中，或者九个或更多研磨容器的级联中，或最多包括十个研磨容器的级联中，研磨包含纤维素的纤维基质。研磨容器的级联可以可操作地串联或并联连接或串联和并联的组合。级联中的一个或多个研磨容器的输出和/或输入可进行一个或多个筛选步骤和/或一个或多个分类步骤。
在微纤化过程中消耗的总能量可以在级联的每个研磨容器之间平均分配。可替代地，能量输入可在级联的一些或全部研磨容器之间变化。
本领域技术人员将理解，在每个容器上消耗的能量可在级联的容器之间改变，取决于每个容器中微纤化的纤维基质的量、以及任选地每个容器中的研磨速度、每个容器中的研磨持续时间和每个容器中的研磨介质的类型。为了控制微纤化纤维素的粒度分布，可以在级联的每个容器中改变研磨条件。
在实施方案中，研磨是在闭路中进行的。在另外的实施方案中，研磨是在开路中进行的。
由于待研磨的材料的悬浮液可以具有相对较高的粘度，因此优选在研磨之前可将合适的分散剂添加到悬浮液中。分散剂可以是例如水溶性缩合磷酸盐、聚硅酸或其盐、或聚电解质，例如平均分子量不大于80,000的聚(丙烯酸)或聚(甲基丙烯酸)的水溶性盐。基于干燥的无机颗粒固体材料的重量，分散剂的用量通常在0.1至2.0重量％的范围内。悬浮液可以在4℃至100℃范围内的温度下适当地研磨。
在微纤化步骤期间可以包括的其他添加剂，包括：羧甲基纤维素、两性羧甲基纤维素、氧化剂、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)、TEMPO衍生物和木材降解酶。
待研磨的材料的悬浮液的pH可以为约7或大于约7(即碱性)，例如，悬浮液的pH可以为约8、或约9、或约10、或约11。待研磨的材料的悬浮液的pH可小于约7(即酸性)，例如，悬浮液的pH可为约6、或约5、或约4、或约3。可以通过添加适量的酸或碱来调节待研磨的材料的悬浮液的pH。合适的碱包括碱金属氢氧化物，例如NaOH。其他合适的碱是碳酸钠和氨。合适的酸包括无机酸例如盐酸和硫酸，或有机酸。示例性的酸是正磷酸。
基于无机颗粒填料的总干重，在典型的研磨过程中获得所需的水性悬浮液组合物的总能量输入通常可以在约100至1500kWht-1之间。总能量输入可小于约1000kWht-1，例如小于约800kWht-1、小于约600kWht-1、小于约500kWht-1、小于约400kWht-1、小于约300kWht-1或小于约200kWht-1。这样，本发明人惊奇地发现，当在无机颗粒材料的存在下将纤维素纸浆共研磨时，其可以在相对低的能量输入下微纤化。显而易见，包含纤维素的纤维基质中每吨干纤维的总能量输入将小于约10,000kWht-1，例如小于约9000kWht-1、或小于约8000kWht-1、或小于约7000kWht-1、或小于约6000kWht-1、或小于约5000kWht-1、例如小于约4000kWht-1、小于约3000kWhr1、小于约2000kWht-1、小于约1500kWht-1、小于约1200kWhr1、小于约1000kWht-1、或小于约800kWht-1。输入的总能量取决于被微纤化的纤维基质中的干纤维的量、以及任选的研磨的速度和研磨的持续时间。
关于本发明，已经发现本发明的包含微纤化纤维素的水性悬浮液(统称为“水性悬浮液”)的超声处理增强材料的物理性能。例如，如本说明书中实施例部分所示，包含微纤化纤维素的水性悬浮液的超声处理吃惊地和出乎意料地导致材料的粘度和/或拉伸强度提高。本发明材料的物理性质的增强和增强程度取决于所使用的操作参数。根据本说明书的教导，本领域的普通技术人员将能够辨别适合于实现期望结果的参数，而无需过度实验。
在一个方面，本发明的水性悬浮液的超声处理包括制备具有增强的粘度和/或拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的超声的悬浮液，该方法包括下列步骤：在水性环境中使包含纤维素的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经历超声处理以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液。
在一个实施方案中，如上所讨论，研磨介质也可用于制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液。
可以使用超声探头或超声水浴、超声均质机、超声箔或超声变幅杆对包含微纤化纤维素的水性悬浮液进行超声处理。这种设备的使用是本领域普通技术人员已知的。
在本发明的实施方案中，本发明的方法可以进一步包括在超声处理步骤之前或之后的高剪切混合，均质化或精制中的一种或多种，所有这些都是本领域普通技术人员已知的，并且考虑到本说明书的教导，可以将它们并入本发明的方法而无需过度的实验。
在实施方案中，超声处理有利地用于再分散先前脱水的、部分干燥或基本干燥的微纤化纤维素的组合物。脱水和干燥后，可以将干燥或部分干燥的微纤化的组合物造粒。借助于本说明书中描述的类型的超声装置，将这种干燥或部分干燥以及任选的成粒的微纤化纤维素的组合物重新悬浮。
在实施方案中，超声处理用作微纤化纤维素浆料的后处理步骤，以改善此类浆料的一种或多种物理性质，例如增强的拉伸强度和增强粘度。
在本发明的实施方案中，相对于未经历超声处理的包含微纤化纤维素的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的拉伸强度增强至少5％、至少10％、至少20％、至少50％、至少100％或至少200％。
在本发明的实施方案中，相对于未经历超声处理的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的粘度增强至少5％、至少10％、或至少20％、至少50％、至少100％。
在本发明的实施方案中，包含微纤化纤维素的水性悬浮液经历超声处理至少30秒、至少1分钟、至少2分钟、至少5分钟、至少10分钟和至少20分钟或更长。时间长度可以由本领域的普通技术人员基于本说明书的教导来确定。
在本发明的实施方案中，包含微纤化纤维素的水性悬浮液以至多每吨干纤维1000kwh、至多每吨2000kwh、每吨干纤维2500kwh、至多每吨干纤维5000kwh、和至多每吨干纤维10000kwh的能量补偿率进行超声处理。如本申请的实施例中所述，发现超声处理对于再分散和解聚已经脱水的、干燥和造粒的微纤化纤维素、或微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物更有效。在其他实施方案中，通过超声处理微纤化纤维素的浆料以及微纤化纤维素和无机颗粒材料的组合物的浆料的再分散会在1000kWh/t至2000kWh/t的能量输入下产生产品质量的改善。
在实施方案中，使用中试规模的搅拌的介质磨碎机(Supermill)制备的不含矿物质的微纤化纤维素(例如桦木)的超声处理，产生的产品的规格与通过例如Supermill的研磨方法制得的微纤化纤维素相当，然后以约1500kWh/t进行超声处理后进行均质化步骤。
在某些实施方案中，可以通过使超声发生器以连续模式或脉冲模式或两者的组合运行来超声处理包含微纤化纤维素的水性悬浮液。即，按照期望的图案或随机地执行交替的长脉冲和短脉冲的情况。
在优选实施方案中，可以在超声处理之前将包含微纤化纤维素的水性悬浮液形成为半干燥的产品。带状压榨饼是适用于本发明的半干燥产品的一个实例。在某些实施方案中，带压滤饼可以进一步在空气吹扫干燥机和研磨机如Atritor干燥机中进行处理。为了例如易于处理和/或运输，通常将产品转化为半干产品。在使用半干产品作为起始材料的情况下，超声处理不仅为材料提供增强的物理性能，而且在称为“再润湿”的过程中有助于将材料分配到溶液中。
包含微纤化纤维素的水性悬浮液的超声处理不限于任何特定或特定的超声处理参数，因为在被超声处理的设备和材料的物理和实际极限内，一个参数的变化可以补偿另一个参数的变化。例如，延长超声处理时间可以至少部分地补偿使用减小的幅度。
在优选实施方案中，超声处理的幅度最大为所用超声发生器的物理极限，幅度最高为60％、最高80％、最高100％、最高200％或更高。所使用的特定设备的振幅的所述物理上限是本领域普通技术人员已知的。
包含纤维素的纤维基质的形式可以是纸浆，例如化学纸浆、化学机械纸浆、机械纸浆、再生纸浆、碎纸浆、造纸厂废料流、或造纸厂的废料、或其组合。
研磨容器可以是塔式研磨机或搅拌的介质磨碎机。
在实施方案中，通过本发明方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液适用于造纸或涂布纸的方法，也适用于通常使用微纤化纤维素的其他方法和材料的其他用途，其示例在下面的“其他用途”部分中进行了详细说明。
其他用途
可以在众多应用中使用具有增加的粘度和/或拉伸强度特性的微纤化纤维素或微纤维化的纤维素和无机颗粒材料的本发明的组合物、以及具有增加的粘度和/或拉伸强度的微纤化纤维素的组合物。例如，如上所述，本发明的组合物可用于纸，纸板和纸涂料；油漆和其他涂料，例如流变改性剂；墨水；和作为增稠剂、稳定剂和均质剂，用于例如食品和食品添加剂、药物、化妆品、防晒剂、粘合剂、密封剂、消费化学品，例如但不限于洗涤剂、织物柔软剂和其他家用产品；油田化学品，例如缓蚀剂和阻垢剂、以及石油副产品中的成分；以及复合材料，例如墙板和天花板。本发明的组合物也适用于水泥板，石膏板/灰泥板；结构绝缘板和纤维板的绝缘芯；各种规格的纤维板(包括定向刨花板)；水泥和混凝土；隔音质感和砖石涂料；抗菌和阻燃墙板；密封胶，粘合剂和填缝剂；绝缘体；部分或全部更换石棉；和泡沫，其中本发明的组合物可以例如提供强度、表观密度和质地。
实施例
现在将参考以下实施例仅通过说明的方式描述本发明的实施方案。
我们使用以下方法表征矿物(GCC或高岭土)和微纤化纤维素纸浆纤维的混合物的粒度分布。
-碳酸钙
将足以提供3g干材料的共研磨浆料的样品称量到烧杯中，用去离子水稀释至60g，并与5cm3活性为1.5w/v％的聚丙烯酸钠溶液混合。在搅拌下再加入去离子水至最终重量80g。
-高岭土
将足以提供5g干材料的共研磨浆料的样品称量到烧杯中，用去离子水稀释至60克，然后与5cm3的1.0重量％碳酸钠和0.5重量％六偏磷酸钠溶液混合。在搅拌下进一步添加去离子水至最终重量80g。
然后将浆料以1cm3的等分试样添加到与Mastersizer S相连的样品制备装置中的水中，直至显示出最佳的遮蔽程度(通常为10-15％)。然后进行光散射分析程序。选择的仪器范围为300RF:0.05-900，并且光束长度设置为2.4mm。
对于包含碳酸钙和纤维的共研磨样品，使用碳酸钙的折射率(1.596)。对于高岭土和纤维的共研磨样品，使用高岭土的RI(1.5295)。
粒度分布是根据Mie理论计算得出的，并且输出为基于微分表观密度的分布。两个不同峰的存在被解释为是由矿物(较精细的峰)和纤维(较粗糙的峰)引起的。
将较精细的矿物峰拟合到测得的数据点，并从分布中数学上减去该峰，以留下纤维峰(该峰转换为累积分布)。类似地，从原始分布中数学上减去纤维峰，以留下矿物峰(也转换为累积分布)。然后将这两个累积曲线用于计算平均粒度(d50)和分布的陡度(d30/d70 x100)。使用微分曲线测得矿物和纤维部分的模态粒度。
实施例1
将400cm3的水和750g的大理石粉(10wt％<2μm粒度，Sedigraph)引入到研磨容器中，并添加1.5kg陶瓷研磨介质(
Figure BDA0002241227470000571
16/20，可从CARBO Ceramics Inc.获得)。将混合物以950rpm搅拌60分钟。从浆料中分离出介质，并且取出少量样品以检查粒度(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000572
)为57wt％<2μm。
每个实施例使用相同的研磨机。该研磨机是立式研磨机，包括内径为14.5cm的圆柱形研磨容器和具有圆形横截面且直径为1.8cm的垂直叶轮轴。轴上装有X形设计的4个叶轮。叶轮的横截面为圆形，并且直径为1.8厘米。叶轮从垂直轴的中心到叶轮尖端的长度为6.5厘米。
实施例2
将400cm3的水和750g的大理石粉(11-15wt％<2μm粒度，Sedigraph)引入到研磨容器中，并添加1.5kg陶瓷研磨介质(
Figure BDA0002241227470000581
16/20，可从CARBO Ceramics Inc.获得)。将混合物以950rpm搅拌30分钟。取出少量样品并测量产物的粒度(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000582
)为57wt％<2μm。通过筛网过滤在Valley打浆机中打浆成加拿大标准游离度(CSF)的漂白软木纸浆的等分试样，以获得固体含量为20重量％的湿纸，包含37.5干g纤维。将该片材添加到研磨机中，并以950rpm继续研磨30分钟。在研磨过程中添加了200cm3的水。从浆料中分离介质，并使用网目号为400的BSS筛子除去大于38μm的纤维。测量填料组合物的粒度(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000583
)，结果为48wt％<2μm。
实施例3
重复实施例2中所述的程序，这次继续第二研磨阶段60分钟。在研磨过程中添加200cm3的水。测量产物的粒度分布，其值为42wt％<2μm。
实施例4
重复实施例2中所述的程序，这次继续第二研磨阶段120分钟。在研磨过程中添加650cm3的水。测量产物的粒度分布，其值为40wt％<2μm。
实施例5
重复实施例2中所述的程序，这次继续第二研磨阶段260分钟。在研磨过程中添加1270cm3的水。测量产物的粒度分布，其值为40wt％<2μm。
实施例6
重复实施例2中所述的步骤，这次继续第二研磨阶段380分钟。在研磨过程中添加1380cm3的水。测量产物的粒度分布，其值为57wt％<2μm。
实施例7-产品作为纸填料的评估
将根据上述实施例制备的一些产物作为纸质手抄纸中的填料进行测试。使用一批漂白的化学软木纸浆，将其在Valley打浆机中打浆，得到的CSF为520cm3。崩解并稀释至2％的原浆后，将纤维稀释至0.3wt％的稠度以用于制片。
将填料浆料与助留剂(Ciba Percol 292，配料的0.02wt％)一起添加。根据标准方法，例如TAPPI T205或SCAN C 26:76(M 5:76)，使用英国手抄纸模具将手抄纸制成基重为80gm-2。
填料的保留值列于下表1中，并且表明共研磨填料具有比对照填料更好的保留率。
表1.首过保留值
Ex.1对照 Ex.2共研磨 Ex.3共研磨
51％ 63％ 63％
进行两次单独的制纸研究，并且结果列于下表2和3中。纸张性能在30wto/o负载下进行插值，并根据标准测试方法(例如TAPPI T220或SCAN C28:76(M 8:76))进行测量。
·破裂强度：符合SCAN P 24的Messemer Buchnel破裂测试仪。
·拉伸强度：符合SCAN P 16的Testometrics拉伸测试仪。
·Bendtsen孔隙率：使用Bendtsen模型孔隙率测试仪根据SCAN P21、SCAN P60、BS4420和Tappi UM 535进行测量。
·表观密度：这是根据SCAN P7测量的表观密度的倒数。
·ISO亮度：根据ISO 2470:1999E，通过配有8号滤光片(457nm波长)的ElrephoDatacolour 3300亮度计测量手抄纸的ISO亮度。
·不透明度：纸张样品的不透明度是通过Elrepho Datacolor 3300光谱光度计使用适合于不透明度测量的波长来测量的。标准测试方法是ISO 2471。首先，在黑腔(Rinfinity)上堆叠至少十张纸来测量反射的入射光的百分比。然后将一叠纸替换为一张纸，然后对黑盖上的单张纸的百分比反射率进行第二次测量(R)。然后根据以下公式计算不透明度百分比：不透明度百分比＝100x R/Rinfinity。
表2
Figure BDA0002241227470000601
表3
Figure BDA0002241227470000602
实施例8
使用高能混合器将4干燥公斤的
Figure BDA0002241227470000611
57高岭土填料分散在6000cm3的水中。pH为4.8。将其用作储备悬浮液用于进一步的实验。测量粒度分布(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000612
)，并且得出的值为57wt％<2μm和38wt％<1μm。
实施例9
将上述2kg高岭土储备悬浮液在500巴的压力下通过Manton Gaulin(APV)均质机处理5次。所得产品用作进一步造纸测试的参考。测量粒度分布(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000613
)，并且得出的值为62wt％<2μm和43wt％<1μm。
实施例10
将另外2公斤高岭土悬浮液储备液放在高能混合器上。在Valley打浆机上将漂白的针叶木纸浆的悬浮液打浆至CSF为520cm3，并在标准稠度测试仪上进行过滤，得到干固体含量为15％的湿纸。将133.5g的这种湿纸浆添加到高岭土悬浮液中，搅拌直至纤维与高岭土充分混合，以使干纸浆在干高岭土上的含量为2.5wt％。还添加440cm3的水以改善流动性。然后在与实施例9相同的条件下，使33wt％固体含量的该悬浮液通过Gaulin均质器。测量产物的粒度分布(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000614
)，并且得出的值为62wt％<2μm和45wt％<1μm。
实施例11
重复实施例10中描述的程序，这次将267g湿纸浆添加到2kg高岭土悬浮液中，以在干高岭土上得到5wt％的干纸浆水平。悬浮液也用440cm3的水稀释至约30wt％的固体含量，并使用与实施例9和10相同的条件通过均化器处理悬浮液。测量粒度分布(使用Micromeritics
Figure BDA0002241227470000615
)并给出数值为58.5wt％<2μm和42wt％<1μm。
实施例12-产物作为纸质填料的评估
将根据上述实施例制备的产品作为纸质手抄纸中的填料进行测试。使用一批漂白的化学软木纸浆，将其在Valley打浆机中打浆，得到的CSF为520cm3。崩解并稀释至2％的原浆后，将纤维进一步稀释至0.3wt％的稠度用于制片。将填料浆料与助留剂(Ciba Percol292，配料的0.02wt％)一起添加。使用英国手抄纸模具将手抄纸制成基重为80gm-2。
填料的保留值在下表4中列出，并且表明共处理的填料比对照填料具有更好的保留能力。
表4.首过保留值
Ex.9对照 Ex.10共处理 Ex.11共处理
54％ 66％ 71％
进行制纸研究，并且结果在下表5中给出。纸张性能在30wt％负载下进行插值。
表5
Figure BDA0002241227470000621
实施例13
将400g未精制的漂白软木牛皮纸浆(Botnia Pine RM90)浸入20升水中6小时，然后在机械混合器中冲洗。然后将如此获得的纸浆倒入实验室的Valley打浆机中，并在负载下精制28分钟，以得到打浆至525cm3加拿大标准游离度(CSF)的精制纸浆样品。通过打浆而不是完全精制来制备第二样品。游离度结果和精制时间在下表6中给出：
表6.精制条件
精制时间,min CSF,cm<sup>2</sup>
纸浆样品A 0 705
样品B 28 525
然后使用稠度测试仪(Testing Machines Inc.)将这些纸浆中的每一种脱水，以得到固体含量为13至18wt％的湿纸浆垫。然后将其用于共研磨实验，如下所述：
将630g的粒度(通过Sediggraph测量)为60％<2μm e.s.d的研磨大理石的称重放入研磨容器中。干重为233克。添加来自上述脱水阶段的湿纸浆，得到11.6g(干重)纸浆。将纸浆与矿物薄片充分混合，然后与1485g
Figure BDA0002241227470000631
16/20介质和所需的水充分混合，以使介质体积、浓度(MVC)为50％，并且浆料固体含量为35wt％。将样品以1000RPM的速度研磨，直到已经将能量输入2500和5000kWh/t(以干纤维表示)赋予样品为止。然后将容器从研磨机中移出，并使用孔径为600μm的筛网分离介质。
使用滤纸破裂增加(FPBI)测试(如下所述)比较由纸浆样品A(未精制)和B(精制为525cm3)制成的产物。结果总结在表7中。
表7.过滤纸破裂增加
Figure BDA0002241227470000632
Figure BDA0002241227470000641
-过滤纸破裂试验
开发该测试以预测包含根据以上实施例13制备的MFC的共研磨浆料的纤维增强能力。
使用15cm直径的滤纸(No.597，Schleicher&Schuell)。片材的重量选择为彼此之间不超过0.02g。单张纸的典型干重为1.4g。
如上所述制备共研磨矿物和纸浆的悬浮液，并用水稀释至固体含量为0.25％。将上面选择的一张过滤纸用水润湿，然后放在标准稠度测试设备(TMI Testing MachinesInc.,Ronkonkoma,NY)的网上。使用施加的真空通过过滤纸仔细过滤150cm3、200cm3、250cm3和300cm3的悬浮液等分试样，如果滤液浑浊，则将其重新通过垫子以确保有效保留活性成分。然后将滤纸及其保留的固体在钢制干燥盘上于50％RH和23℃下干燥，并用塑料干燥环(Testing Machines Inc.)分离。
使用Messemer Buchel自动破裂测试仪测试干燥后的纸张的破裂强度。在每张纸上获得5次测量并取平均值。然后将片在100℃下干燥1小时，置于密封的去皮重的容器中，并称重至3dp。然后将片在100℃下干燥1小时，放置在密封的皮重中。由薄板重量相对于爆破压力的曲线构成，从中插入重量为2.0g的爆破压力(a kPa)。过滤纸本身的平均破裂压力(bkPa)也是在相同的温度和湿度条件下，在3张选定的纸上测得的。然后通过以下公式计算爆裂压力的增加：
过滤纸破裂增加(FPBI)＝(a–b)/bx100.
作为对照，只有水通过了过滤纸盘。这也对爆裂产生积极的影响，但远小于存在MFC的情况(见表7)。
使用Malvern Mastersizer(Malvern Instruments，UK)还对上述样品的粒度进行了表征。结果以纸浆部分的平均大小(d50)记录。还记录了纤维部分的粒度陡度。这些数据也列在表7中。
在手抄纸研究中进一步比较了纸浆A和B制成的样品。这些填充剂的主纸浆是用相同的Botnia RM90批次制成的，该批次经打浆后的CSF为520cm3，与样品B相似。助留剂为Percol 292(Ciba)，占配料固体总量的0.06wt％。手抄纸的制备标准为80gm-2，并测试其破裂强度和拉伸强度、表观密度、Bendtsen孔隙率、457nm处的反射率(ISO亮度)和不透明度。获得3个负载，并将结果插值到30wt％的负载水平(见表8)。填料名称参见表7。
表8中的结果表明，共研磨填料具有所有所需的性能，同时又提高了强度，降低了孔隙率并增加了不透明度而又不损害亮度。强度的增加足以使填料的负载量从使用标准GCC填料的25wt％增加到使用共研磨填料的33wt％。
表8.手抄纸结果
Figure BDA0002241227470000651
实施例14
将400g未精制的漂白软木牛皮纸浆(Botnia Pine RM90)浸入20升水中6小时，然后在机械混合器中冲洗。然后将如此获得的纸浆倒入实验室的Valley打浆机中，并在负载下精制28分钟，以获得打浆至525cm3加拿大标准游离度(CSF)的精制纸浆样品。然后使用稠度测试仪(Testing Machines Inc.)将纸浆脱水，以得到固体含量为19.1wt％的湿纸浆垫。然后将其用于共研磨实验，如下所示：
将651g的Carbital 60HSTM的浆料(固体含量为77.9重量％)称重到研磨罐中。然后加入66.5克湿纸浆，并与碳酸盐混合。然后加入1485g
Figure BDA0002241227470000661
16/20研磨介质，接着加入147g水，使介质体积浓度为50％。将混合物以1000rpm的速度一起研磨，直到已经消耗10,000kWh/t的能量输入(以纤维表示)为止。使用600μm BSS筛网将产物与介质分离。所得浆料的固体含量为59.4重量％，并且Brookfield粘度(100rpm)为10,000mPa.s。通过在450℃下灰化分析产物的纤维含量，并使用Malvern Mastersizer测量矿物和纸浆部分的大小。
实施例15
将352g的Carbital 60HSTM的浆料(固体含量为77.9wt％)称重到研磨罐中。然后加入71.8克湿纸浆并与碳酸盐混合。然后加入1485克Carbolite 16/20研磨介质，然后加入296克水以使介质体积浓度为50％。将混合物以1000rpm的速度一起研磨，直到已经消耗10,000kWh/t的能量输入(以纤维表示)为止。使用600μm BSS筛网将产物与介质分离。所得浆料的固体含量为41.9重量％，并且Brookfield 100rpm粘度为5000mPa.s。通过在450℃下灰化分析产物的纤维含量，并使用Malvern Mastersizer测量矿物和纸浆部分的大小。
实施例16
将287克Carbital 60HSTM的浆料(固体含量为77.9重量％)称重到研磨罐中。然后加入87.9克湿纸浆并与碳酸盐混合。然后加入1485克Carbolite 16/20研磨介质，然后加入311克水以使介质体积浓度为50％。将混合物以1000rpm一起研磨，直到已经消耗10,000kWh/t的能量输入(以纤维表示)为止。使用600μm BSS筛网将产物与介质分离。所得浆料的固体含量为36.0重量％，并且Brookfield 100rpm粘度为7000mPa.s。通过在450℃下灰化分析产物的纤维含量，并使用Malvern Mastersizer测量矿物和纸浆部分的大小。
表9.颜料的物理性质
Figure BDA0002241227470000671
表9表明，除了将纤维研磨成细粒度之外，GCC的细度和psd陡度也增加了，以匹配较精细的对照颜料Carbital 90TM和Carbopaque 90TM。
将上述参考文献和共研磨颜料制成涂料，并根据以下实施例进行涂料研究。
实施例17(对照)
将129g的Carbital 60HS(＝100g干)称量到烧杯中，使用实验室搅拌器混合，然后加入14g的50％苯乙烯-丁二烯-丙烯腈乳胶(DL920，陶氏化学)的悬浮液，以得到每100份碳酸钙(pph)7份乳胶(pph)的粘结剂剂量。然后加入0.3g干燥的羧甲基纤维素(Finnfix 10,CP Kelco)作为12％溶液，随后加入0.5g的荧光增白剂(Blankophor P,Kemira)溶液。用NaOH将pH调节至8.7。使用增加的9pph乳胶剂量制备第二颜色。
实施例18(对照)
将129.7g的Carbital 90HS(＝100g干)称量到烧杯中，使用实验室搅拌器混合，然后加入16g的50％苯乙烯-丁二烯-丙烯腈乳胶(DL920，陶氏化学)的悬浮液，以得到每100份碳酸钙(pph)8份乳胶(pph)的粘结剂剂量。然后加入0.3g干燥的羧甲基纤维素(Finnfix10,CP Kelco)作为12％溶液，随后加入0.5g的荧光增白剂(Blankophor P,Kemira)溶液。用NaOH将pH调节至8.9。使用增加的10pph乳胶剂量制备第二颜色。
实施例19(对照)
将139g的Carbopaque 90(＝100g干)称量到烧杯中，使用实验室搅拌器混合，然后加入16g的50％苯乙烯-丁二烯-丙烯腈乳胶(DL920，陶氏化学)的悬浮液，以得到每100份碳酸钙(pph)8份乳胶(pph)的粘结剂剂量。然后加入0.3g干燥的羧甲基纤维素(Finnfix 10,CP Kelco)作为12％溶液，随后加入0.5g的荧光增白剂(Blankophor P,Kemira)溶液。用NaOH将pH调节至8.6。使用增加的10pph乳胶剂量制备第二颜色。
实施例20(对照)
将129.7g的Carbital 90HS(＝100g干)称量到烧杯中，然后将2.5g平均粒径为1000纳米(制造商的值)的市售粉末状纤维素用于纸张涂布(Arbocel MF40,J.Rettenmaier&Sohne,Holzmuhle,Germany)，加入后用实验室搅拌器混合。当粉末完全分散后，添加15克的50％苯乙烯-丁二烯-丙烯腈乳胶(DL920，陶氏化学)的悬浮液，以得到每100份碳酸钙(pph)7.5份乳胶(pph)的粘结剂剂量。然后加入0.3g干燥的羧甲基纤维素(FinnflX 10,CP Kelco)作为12％溶液，然后加入0.5g的荧光增白剂溶液(Blankophor P,Kemira)。用NaOH将pH调节至8.6。
实施例21
将173.4g根据实施例14制备的产物(＝103g干)称量到烧杯中，使用实验室搅拌器混合，然后加入14g的50％苯乙烯-丁二烯-丙烯腈胶乳(DL920，陶氏化学)的悬浮液，以得到每100份干碳酸钙(pph)7份乳胶(pph)的粘结剂剂量。然后加入0.3g干燥的羧甲基纤维素(FinnflX 10,CP Kelco)作为10％溶液，随后加入0.5g的荧光增白剂溶液(Blankophor P,Kemira)。用NaOH将pH调节至8.8。使用增加的9pph乳胶剂量制备第二颜色。
实施例22
将250.6g根据实施例15制备的产物(＝105g干)称量到烧杯中，使用实验室搅拌器混合，然后加入14g的50％苯乙烯-丁二烯-丙烯腈胶乳(DL920，陶氏化学)的悬浮液，以得到每100份干碳酸钙(pph)7份乳胶(pph)的粘结剂剂量。然后加入0.3g干燥的羧甲基纤维素(FinnflX 10,CP Kelco)作为10％溶液，随后加入0.375g的荧光增白剂溶液(BlankophorP,Kemira)。用NaOH将pH调节至8.6。使用增加的9pph乳胶剂量制备第二颜色。
使用带有刮刀计量的实验室卷筒纸涂布机(Dow涂布机)将颜色涂布到物质为70gm·2的机械原纸上。通过稀释颜色直到获得最高的涂层重量来调节涂层重量，随后增加刮刀负荷以降低涂层重量。所生产的纸样品的涂层重量值为约8gm·2至12gm-2。速度为约10m min-1。
然后将涂布纸样品切成条，并在50％RH和23℃下调理24小时，然后使用DatacolorElrepho 3300分光光度计测试亮度。在入射光束中有无紫外线成分的情况下，在457nm处进行了反射率测量。具有和不具有UV的反射率值之间的差记录为荧光。使用Parker PrintSurf仪器在1000kPa的压力下通过漏气法测量涂布纸的平滑度。将每个值相对于通过灰分测量的涂层重量作图。然后将结果插值到10gm-2的常见涂层重量，并列在表11中。
表10.涂层颜色特性
Figure BDA0002241227470000691
Figure BDA0002241227470000701
表11.10gm-2下的纸张特性
Figure BDA0002241227470000702
表11中的结果表明，本发明提供增加的亮度、荧光和增加的平滑度。
实施例23
将630g的粒度(由Sediggraph测量)为60％<2μm e.s.d的研磨的大理石的浆料称重称入研磨容器中。干重为233克。加入54克打浆后的CSF为525cm3的湿桉树纸浆(见表12)，相当于干重11.6克。将纸浆与矿物粒度充分混合，然后加入1485g Carbolite 16/20介质和16cm3水。这相当于50％的介质体积浓度(MVC)和35wt％的滤液固体含量。样品以1000RPM的速度研磨，直到已经将能量输入2500和5000kWh/t(以干纤维表示)赋予样本为止。温度达到55℃。然后将容器从研磨机中移出，并使用孔径为600μm的筛网分离介质。
实施例24
重复实施例23中所述的过程，这次使用的是将打浆后的牛皮纸软木纸浆(BotniaPine RM90)打浆至520cm3CSF。
实施例25
重复实施例23中描述的过程，这次使用CSF为700cm3的崩解热机械纸浆样品。
实施例26
重复实施例23中描述的过程，这次使用的是将打浆后的金合欢纸浆的样品打浆至CSF为520cm3。
实施例27
重复实施例23中描述的过程，这次使用的是打浆至CSF为520cm3的硬木(桦木)纸浆样品。
使用上述过滤纸破裂试验测定根据以上实施例23-27制备的含有MFC的共研磨浆料的纤维增强能力。结果在下面的表12中给出。
使用Malvern Mastersizer(Malvern Instruments，UK)，还对上面生产的样品的粒度进行了表征。将结果记录为GCC和纸浆级分的平均(d50)大小。还记录了纤维部分的粒度陡度。这些数据也列在表12中。
这些结果表明，当用GCC进行共研磨时，所有纸浆类型均产生强度增加。
表12.使用过滤纸测试评估产品
Figure BDA0002241227470000721
实施例28
将400g未精制的漂白软木牛皮纸浆(Botnia Pine RM90)浸入20升水中6小时，然后在机械混合器中冲洗。然后将如此获得的纸浆倒入实验室的Valley打浆机中，并在负载下精制28分钟，以获得打浆至525cm3加拿大标准游离度(CSF)的精制纸浆样品。
然后使用稠度测试仪(Testing Machines Inc.)将纸浆脱水，以得到固体含量为19.1重量％的湿纸浆垫。然后将其用于研磨实验，如下所述。
实施例29
将584g的粒度(由Sediggraph测量)为60％<2μm e.s.d的研磨的大理石浆料称重放入研磨容器中。干重为231克。添加上述(实施例28)的脱水阶段的湿纸浆，得到11.6g(干重)纸浆。将该纸浆与矿物浆料充分混合，然后添加1485g Carbolite 16/20介质和所需的水以使介质体积浓度(MVC)为50％，浆料固体含量为35wt％。将样品以1000RPM的速度研磨，直到已经将能量输入2500kWh/t和5000kWh/t(以干纤维表示)赋予样本为止。然后将容器从研磨机中移出，并使用孔径为600μm的筛网分离介质。通过在450℃下灰化分析产品的纤维含量，并使用Malvern Mastersizer测量矿物和纸浆部分的大小(参见表13)。
实施例30
将176g的粒度(由Sediggraph测量)为60％<2μm e.s.d的磨碎的大理石浆料称重到研磨容器中。干重为65克。添加来自上述脱水阶段的湿纸浆，得到8.5g(干重)的纸浆。将该纸浆与矿物浆料充分混合，然后加入1485g Carbolite 16/20介质和所需的水，以使介质体积浓度(MVC)为50％，浆料固体含量为12.5wt％。将样品以1000RPM研磨，直到已经将3750和5000kWh/t(以干纤维表示)的能量输入赋予样品为止。然后将容器从研磨机中移出，并使用孔径为600μm的筛网分离介质。通过在450℃下灰化分析产品的纤维含量，并使用MalvernMastersizer测量矿物和纸浆部分的大小(参见表13)。
表13.
Figure BDA0002241227470000731
Figure BDA0002241227470000741
实施例31
-手抄纸评估
在手抄纸研究中比较实施例29和30中制备的样品。对照填料与研磨实验中使用的60％<2μm研磨的大理石相同。这些填料的主纸浆是用同一批Botnia RM90浆打成的，其CSF为520cm3。助留剂为Percol 292(Ciba)，占配料固体总量的0.06wt％。制备80gm-2的手抄纸，并测试其破裂强度和拉伸强度、表观密度、Bendtsen孔隙率、457nm处的反射率(ISO亮度)和不透明度。获得三个负载，并将结果(表14)插入到30wt％的负载水平。
表14.手抄纸结果
Figure BDA0002241227470000742
Figure BDA0002241227470000751
以上结果表明，共研磨填料具有所有所需的性能，同时又增加了强度，降低了收缩率并增加了不透明度而又不损害亮度。使用来自实施例30的包含11.7％共研磨纤维的填料，强度的增加足以使填料的负载从使用标准GCC填料的wt％增加到40wt％而不会破坏强度。
实施例32
将321g的72重量％的填料高岭土(WP，lmerys)浆料称重到研磨罐中。然后将105.9g固体含量为10.9wt％的湿未漂白北美牛皮纸松纸浆与另外266cm3的水混合在一起。添加1485g Carbolite 16/20介质，并使用以干矿物+纸浆表示的250kWh/l的功输入以1000rpm的速度研磨混合物。在950℃下灼烧后，在700μm筛网上分离后干燥产物的纤维含量为3.9wt％。使用Malvern Mastersizer估计纤维的平均粒度(d50)为83μm。
实施例33
将206g的72wt％的填料高岭土(WP.lmerys)浆料称重到研磨罐中。然后将108.7g固含量为10.9wt％的湿未漂白北美牛皮纸松纸浆与另外326cm3的水混合在一起。添加1485g Carbolite 16/20介质，并使用以矿物+纸浆表示的400kWh/l的功输入以1000rpm的速度研磨混合物。在700μm筛网上分离后，干燥产物的纤维含量为6.2重量％。使用MalvernMastersizer估计纤维的平均粒度(d50)为95μm。
用于该研究的主纸浆是与实施例32和33中使用的同一批未漂白的北美牛皮纸浆。这是从制造商处获得的，按需要用水稀释。助留剂为Percol 292(Ciba)，占配料固体总量的0.14wt％。
手工抄纸的目标重量为160gm·2，目标填料负载量为5wt％。将片材压制两次，并使用加热的鼓式干燥机干燥，并在50％RH和23℃下调理12小时。将WP高岭土浆料的样品用作对照。
用灰分测试该片材的拉伸强度和粘土含量。结果在下面的表15中列出：
表15.衬板结果
填料 负载wt％ 抗张指数(Nm g<sup>-1</sup>)
未填充 0 33.0
WP对照 4.4 23.1
Ex 32 3.9 31.1
Ex 33 3.7 29.4
以上结果表明，在基于未漂白牛皮纸浆的挂面纸板配料中，共研磨高岭土填料的弱化作用远小于未改性高岭土。
实施例34
将400克未精制的漂白软木牛皮纸浆浸入20升水中6小时，然后在机械搅拌机中冲洗。然后将如此获得的纸浆倒入实验室的Valley打浆机中，并在负载下精制28分钟，以获得打浆至525cm3加拿大标准游离度(CSF)的精制纸浆样品。
然后使用稠度测试仪(Testing Machines Inc.)将纸浆脱水，以得到固体含量为13至18重量％的湿纸浆垫。然后将其用于共研磨实验，如下所示：
实施例35
通过将750g干燥的英国高岭土(Intramax 60)与540cm3水和1.9g40％聚丙烯酸酯分散剂(Accumer 9300，Rohm&Haas)溶液混合，制成浆料。使用NaOH将pH调节至7，并且最终固体为57.2重量％。然后将浆料转移到研磨罐中，并将37.5干克上述制备的湿纸浆(实施例34)与之混合。用NaOH将pH调节至9，并添加1500g的Carbolite 16/20研磨介质。将混合物一起研磨60分钟，并根据需要添加水以保持流动性。60分钟后，温度达到55℃。然后使用孔径为700μm的筛网将研磨产物与介质分离。输入的能量测量为147kWh/t，最终固体含量为45.8wt％，pH值为9.2，干燥产品的纤维含量占总产品的4.95wt％。使用MalvernMastersizer以44μm(e.s.d)测量纤维组分的模态粒度。
实施例36
将750g干燥的Intramax 60作为如上所述制备(实施例34)的57重量％的浆料称重到研磨罐。加入37.5干克的湿纸浆，然后使用10％正磷酸将pH调节至4.0。然后添加1500gCarbolite 16/20介质，研磨混合物60分钟，然后温度达到54℃。工作输入为140kWh/t。如前所述分离浆料，最终固体为42重量％。pH为5.3。测得该产品的纤维含量为4.0重量％。出乎意料的是，使用Malvern Mastersizer在0.50μm(e.s.d)下测量纤维组分的模态粒度，几乎比pH 9精细了一个数量级。这一意想不到的发现表明，酸性条件下的研磨比碱性条件下的研磨有效得多。
实施例37
将750克干大理石粉放入装有400cm3水的研磨罐中，并以120kWh/t的工作输入研磨57分钟。通过Sedigraph显示该产物具有58重量％的<2μm esd的颗粒。然后将37.5干克的湿纸浆(在实施例34中制备)混合，并且在添加800cm3的另外的水和另外的313kWh/t的消耗的情况下，将研磨继续进行另外的2小时。最终温度为74℃，固体含量为37.4wt％，在700μm筛网上分离后干燥产物的纤维含量为4.4wt％。使用Malvern Mastersizer估计纤维的模态粒度为50μm。
实施例38
将750g干固体含量为34％的Optical HB(斜面体PCC)浆料与37g干重量的湿纸浆(在实施例34中制备)、200cm3的水和1500g Carbolite 16/20介质混合。使用154kWh/t将混合物研磨1小时。最终温度为53℃，并且在分离介质之后，灰尘的固体含量为41重量％，干燥的产物的纤维含量为5.3重量％。通过Malvern Mastersizer，纤维组分的模态粒度在100至200μm之间。
实施例39
-新闻纸研究
这些填料在手抄纸研究中作了进一步比较。用于这些填料的主纸浆是通过将北欧的热机械纸浆样品溶解而制备的。由于收到的纸浆的CSF为50cm3，因此不做进一步的精制。助留剂为Percol 292(Ciba)，以总配料固体含量的0.02wt％添加。制备的手抄纸为50gm-2，并测试其破裂强度和拉伸强度、表观密度、Bendtsen孔隙率、457nm处的反射率(ISO亮度)和不透明度。获得了三个负载，并将结果(参见表16)内插到10wt％的负载水平。
这些结果表明，与对照填料相比，共研磨填料，尤其是Intramax填料，具有更高的强度和更低的孔隙率，这是所有理想的性能。亮度和不亮度仅略微降低。使用Intramax时，强度的增加足以使使用共研磨填料的填料的负载量从0wt％增加到至少8wt％，而不会损失强度。填充的纸将具有较低的孔隙率，并增加了亮度和不透明度。
表16.手抄纸结果:新闻纸,10wt％填料负载
Figure BDA0002241227470000781
Figure BDA0002241227470000791
实施例40
-超级压光杂志纸研究
使用与新闻纸研究中相同的纸浆进行手抄纸研究。工时表为55gm-2，填料填充量为30至40wt％。由于较高的负载量，助留剂的剂量增加至Percol 292的0.07wt％。测试了手抄纸的破裂和拉伸强度、表观密度、Bendtsen孔隙率、457nm处的反射率(ISO亮度)和不透明度。获得了三个负载，并将结果(参见表17)内插到32wt％的负载水平。
表17.手抄纸结果:SC杂志,32wt％填料负载
Figure BDA0002241227470000792
这些结果表明，使用共研磨填料可以获得更高的强度，更低的孔隙率以及类似的亮度和不透明度。在Intramax的情况下，负载量可以从30wt％增加到至少36wt％，而不会降低强度，同时降低了孔隙率并增加了亮度和不透明度。
实施例41
-手抄纸研究
用于该研究的主纸浆是一批漂白的化学牛皮纸软木纸浆，将其以2％的稠度倾斜，并用Valley搅拌器打浆至CSF为520cm3。助留剂为Percol 292(Ciba)，以总配料固体含量的0.02wt％添加。
使用偏二面体沉淀的碳酸钙(Optical HB，lmerys)以25(组A)和32wt％(组B)的负载量制备两组片材。以实施例37的25重量％光学HB+7重量％共研磨GCC的负载制备另一组片材(组C)，使得总负载为32重量％。在25wt％的光学HB+7wt％的60％＜2μm的标准GCC的负载下制成对照组(组D)。使用来自实施例37的光学HB和共研磨GCC的50/50共混物制成最终组(组E)，使得总负载为31重量％。
.将手抄纸制备为80gm-2，压制两次，然后使用加热的鼓式干燥机干燥，并在50％RH和23℃下调节12小时。测试了这些片材的拉伸强度、表观密度、Bendtsen孔隙率、457nm处的反射率(ISO亮度)和不透明度。结果在下面的表18中列出：
这些结果表明，与仅使用PCC相比，共研磨GCC填料可用于进一步增加PCC填充板材的填料负载，而强度损失更低。在较高的负载下，可以保持光学性能并降低孔隙率，而不会严重损失表观密度。
表18.PCC充值结果
Figure BDA0002241227470000801
Figure BDA0002241227470000811
实施例41
使用配备有内径为14.5cm的圆柱形，无挡板的研磨容器的实验室立式搅拌介质研磨机制备样品。磨机配备有垂直叶轮，该叶轮具有直径为1.8cm的圆形横截面轴。轴配备有4个以X形布置在轴底部的叶轮臂。叶轮臂的横截面为圆形，直径为1.8厘米，从轴轴线中心线到尖端的长度为6.5厘米。
研磨介质(Carbolite,Carbo Ceramics Inc.,USA)尺寸为16/20目和比重为2.7。
研磨的碳酸钙(GCC)(lntracarb 60,IMERYS Minerals,Belgium)的沉积物粒度为60％<2μm。
纸浆是经漂白的牛皮纸软木(Botnia Pine RM90)打浆至520cm3CSF。
实验室研磨是基于1.5千克的研磨介质，500/0的介质体积浓度(MVC)，纸浆含量占总固体含量的5wt％，能量输入2500kWM纸浆和叶轮转速1000rpm进行的。研磨以批处理模式在一定范围的固体含量下进行。
在每次研磨结束时，将研磨室从研磨机中取出，并将内含物取出。然后将研磨介质与磨机外部的产品分离。
每种研磨的条件和所得的产品性能如下表19所示。8100粘度是在Brookfield粘度计(Brookfield Viscometers Ltd,Brookfield Technical Centre,Stadium Way,Harlow,Essex CM19 5GX，英国)上以100rpm测得的粘度。
表19.
Figure BDA0002241227470000821
这些数据表明:
·以最高研磨固体含量生产的样品具有：最高粘度，最高纸浆含量，最细的MFC尺寸和最高(最佳)过滤纸破裂增加测试。
·以较低研磨固体含量生产的样品具有较低的粘度，较低的纸浆含量，较粗的MFC尺寸和较低的过滤纸破损增加测试。
·与典型的GCC产品(其中典型的B100粘度<200mPas)相比，所有样品均具有高粘度。
实施例42
试图制备配备标准250um筛网(www.metso.com)的全尺寸SMD共研磨产品。研磨介质、GCC和纸浆与实施例41相同，不同之处在于纸浆未精制。研磨介质进料为5吨。操作条件也与实施例41中所用的相似；50％MVC，纸浆含量为总固体的5wt％，纸浆的2500kWh/t的能量输入和各种叶轮转速，以提供与实验室工厂相似的叶尖速度。研磨以连续的开放回路模式进行。
最初，尝试如实施例41中那样以35重量％的总固体进行研磨。但是，在这些条件下不可能生产任何产品。高粘度产品不会流过筛网并流出磨机。取而代之的是在工厂中积累的材料。将研磨固体降低至小于20wt.％，以获得通过研磨机的可接受流，并且在这些条件下，产品的纸张性能没有表现出与较高固体研磨相同的改善。
例如，实施例41中的样品1是在实验室分批研磨中制成的(固体含量为50％，纸浆含量为总固体的5％，纸浆的能量输入为2500kWh/t，叶轮转速为1000rpm)，固体含量为35％。样品6和7在配备类似标准250μm筛网的全尺寸SMD上在相似的条件下生产，不同之处在于将固体降低至<20％，以实现通过磨机的流量。
表20.
Figure BDA0002241227470000831
这些数据显示
与对照相比，实验室生产的和全尺寸生产的MFC都可以增加填料的装填量。
但是，在实验室分批研磨中生产的MFC(固体含量为35％)比在SMD中生产的样品(其中必须降低固体含量以允许流经工厂)中的纤维峰峰值更细，并且填料负载更高。
注意：无法在高固体含量条件下操作SMD。
实施例43
使用配备有内径为87cm的圆柱形研磨容器的中型立式搅拌介质研磨机制备样品。该磨机配备有具有圆形横截面轴的垂直叶轮。轴配备有4个以X形布置在轴底部的叶轮臂。叶轮臂的横截面为圆形，从轴轴线中心线到尖端的距离为30cm。
研磨机以批处理模式运行。GCC和纸浆与实施例41相同。测试在50％MVC和39％固体含量下进行，纸浆含量为总固体含量的5％。研磨机的转速为285。纸浆保持不变。进行了两组测试。第一种使用与实施例41相同的16/20研磨介质，第二种使用相同密度的3mm介质。两种测试的纤维d50和模态矿物粒度如表21所示。
表21.
Figure BDA0002241227470000841
这些数据表明，纤维的研磨行为与较粗的介质相似，尤其是在较低的能量输入下。但是，使用较粗糙的介质可以显着减少矿物研磨。
实施例44
这些试验是在与实施例43相同的试验研磨机上进行的。GCC和纸浆与实施例41和42相同。
在以下条件下以不打散的纸浆分批制备样品。总固体含量为10％，纸浆占总固体含量的百分比为20％；MVC 50％；285rpm；3毫米介质；能量输入3500kWh/t纸浆。所得样品(样品8)的纤维d50为102μm。
在另一项测试中，使用了相同的条件，但在这种情况下，研磨机配置为带有250μm筛网的循环批处理模式。由于产品的粘度高，因此无法获得流速，无法获得任何产品。
在进一步的测试中，使用配置为循环间歇模式的研磨机制备样品，并使用1mm筛网，并获得60l/min的高流速。所得样品(样品9)的纤维d50为107μm。
按照与实施例42中相同的步骤，在手抄纸评估中使用了两个样品。结果总结在表22中。
表22.
Figure BDA0002241227470000851
这些数据表明，尽管产品具有高粘度，但使用粗糙的介质并因此使用粗糙的筛网仍可以制备出具有商业可行性的再循环批次(或连续)配置的共研磨产品。
实施例45
测试在中型规模的塔式研磨机(Hosokawa Alpine ANR 250型)中进行。这是一台立式搅拌介质研磨机，具有无挡板的圆柱形研磨室和垂直叶轮轴，在整个长度上均配有一系列叶轮转子盘。研磨机中约有三分之二充满了研磨介质。在操作中，进料在底部进入磨机并经过研磨区，然后上升到静态区，在此静态介质中研磨介质开始从产品中沉降出来。然后，产品通过分类器轮离开研磨机，该分类器轮用于将研磨机中的任何其他研磨介质保留下来。
在以下条件下，使用未打浆的纸浆，以开环连续配置制备共研磨产品。总固体12.4重量％；纸浆占固体总含量的20％；平均MVC 22％；500rpm；2-2.5mm比重的介质约6；能量输入3200kWh/t纸浆。进入磨机的流量1.7I/min。
由于将研磨介质带入产品中，因此无法在这些条件下进行最初的尝试。(由于介质残留，先前使用1mm介质的尝试也失败了)。
在紧靠分类器砂轮之前，将离开磨机的产品固体含量降低至8.1wt％，随后加水约1I/min。在这些条件下，所有介质都保留在磨机中。
所得样品(样品10)的纤维d50为145μm，模态纤维粒度为89μm，并在手抄纸评估中使用与实施例42相同的方法进行评价。结果总结在表23中。
表23.
Figure BDA0002241227470000861
这些数据表明，即使在产品粘度高的情况下，在塔式研磨机中的分级器砂轮之前立即使用粗糙的致密介质和加水也可以以商业上可行的配置制备共研磨。
实施例46
样品是使用实验室立式搅拌式介质研磨机制备的，该研磨机配有内径为14.5厘米的圆柱形无挡板研磨容器。磨机配备有垂直叶轮，该叶轮的直径为1.8厘米的圆形横截面轴。轴配备有4个以X形布置在轴底部的叶轮臂。叶轮臂的横截面为圆形，直径为1.8厘米，从轴轴线中心线到尖端的长度为6.5厘米。
研磨介质(Carbolite,Cart>o Ceramics Inc.,USA)的尺寸为16/20目和比重为2.7。
纸浆是打浆至520cm3CSF的漂白牛皮纸软木(Botnia Pine RM90)。
实验室研磨是基于1.5千克的研磨介质，可能变化的50％的介质体积浓度(MVC)，纸浆水平涵盖高达10wt.％的稠度范围，能量输入高达20,000kWh/t的纸浆，使用1000rpm的叶轮速度进行研究。研磨以批处理模式在一定范围的固体含量下进行。
在每次研磨结束时，将从研磨机中取出研磨室，并除去物料。研磨介质与研磨机外部的产品分离。
MFC产品的特点是使用Malvern光散射装置进行粒度测定，使用Brookfield粘度计(Brookfield Viscometers Ltd,Brookfield Technical Centre,Stadium Way,Harlow,Essex CM19 5GX，英格兰)以100rpm的粘度测定B100粘度，并使用过滤纸破损增加试验和实施例7的手抄纸方法，所不同的是不使用填料，否则填料为Intracarb 60(lmerys,Belgium)。
期望生产的MFC可以提供更多的过滤纸破损试验和更坚固的手抄纸。可以预见，较高的密实度和较高的能量处理有利于较细的MFC，并且对于纸张强度性能可能存在最佳的MFC尺寸。通过以高密度进行加工，可会最有效地获得最佳性能。
实施例47
样品是使用配备有内径为87cm的圆柱形研磨容器的中型立式搅拌介质研磨机制备的。该磨机配备有具有圆形横截面轴的垂直叶轮。轴配备有4个以X形布置在轴底部的叶轮臂。叶轮臂的横截面为圆形，从轴轴线中心线到叶尖的距离为30厘米长。
研磨机以批处理模式运行。纸浆与实施例46相同。在实施例46的最佳条件下进行测试。研磨机rpm为约285。纸浆不打散。进行两组测试。第一种使用实施例46中的16/20研磨介质，第二种使用相同密度的3mm介质。
可以设想，两种研磨介质都将提供类似的psd MFC，并且这些MFC样品将允许生产强度更高的手抄纸。
实施例48
在与实施例42相同的试验研磨机中进行试验。纸浆与实施例45相同。研磨介质为3毫米。
在实施例45的最优化条件下，以分批方式制备MFC样品。将确定所得样品的MFCpsd属性。
在另一项测试中，将使用相同的条件，但在这种情况下，研磨机将配置为使用250um筛网的离心脱水模式。由于产品的高粘度，流速可能无法接受，并且将无法获得任何产品。
在进一步的测试中，将样品配置为以透析模式配置的研磨机，并使用1mm的筛网，并有望获得高流速。
使用实施例45的方法对所生产的MFC进行表征和评价。
预期数据将显示，使用粗糙的介质并因此使用粗糙的筛网，可以在商业上可行的再循环分批(或连续)配置下，以高密度和低能量制备高密度的psd MFC，尽管产品粘度高。
实施例49
测试在中型规模的塔式研磨机(Hosokawa Alpine ANR 250型)中进行。这是一台立式搅拌介质研磨机，具有无挡板的圆柱形研磨室和垂直叶轮轴，在整个长度上均配有一系列叶轮转子盘。研磨机中约有三分之二充满了研磨介质。在操作中，进料在底部进入磨机并经过研磨区，然后上升到静态区，在此静态介质中研磨介质开始从产品中沉降出来。然后，产品通过分类器轮离开研磨机，该分类器轮用于将研磨机中的任何其他研磨介质保留下来。
在实施例46的最佳条件下，以回路连续结构制备MFC样品，并使用未打浆的纸浆。使用比重约6的2-2.5mm研磨介质。能量输入范围为2000-15000kWh/t纸浆。
预期由于MFC的高粘度，由于将研磨介质带入产品中，因此在这些条件下进行的最初尝试将不会成功。
随后立即在分类器轮之前加水，以将离开研磨机的产品固体减少到不带走介质的水平。在这些条件下，所有介质都保留在磨机中。
使用实施例46的方法对所生产的MFC进行表征和评价。
所得样品将具有细纤维psd。对手抄纸进行的评估表明，所生产的MFC使手抄纸的破裂强度增加。
这些数据表明，即使在产品粘度高的情况下，在塔式研磨机中的分级器轮之前立即使用粗糙的致密介质和加水，仍可以将MFC制备成商业上可行的构造。
MFC的超声处理
实施例50
超声浴对各种微纤化纤维素、微纤化纤维素和无机颗粒材料产品形式的影响。
第一项研究是研究使用实验室Fisher牌FB11005超声波水浴对各种微纤化纤维素和无机颗粒材料产品形式的影响。微纤化纤维素和无机颗粒材料的产品形式为50POP(纸浆百分比)IC60/Botnia(即比例为1:1)混合物，其形式为浆料、带状压榨饼和高固体含量干燥的50％(重量)产品。IC60是一种精细研磨的碳酸钙，可从Imerys Minerals Limited以Intracarb 60的形式获得。稀释样品以制成6.25重量％固体的20％POP悬浮液(纸浆百分比-POP或纸浆百分比是指纸浆或原纤维而不是无机颗粒材料的样品干重的百分比)。每个样品在超声浴中经受不同的时间，然后在实验室的Silverson混合器上以7500rpm的速度经受1分钟；随后进行FLT(Nm/g：拉伸强度的测量)和粘度测量。
FLT指数是一项拉伸试验，旨在评估微纤化纤维素和再分散的微纤化纤维素的质量。通过添加在生产微纤化纤维素/无机材料复合物中使用的任何无机颗粒，将测试材料的POP调整为20％(对于不含无机颗粒的微纤化纤维素，则使用60wt.％<2um GCC碳酸钙)。使用定制的布氏过滤设备由这种材料形成220gsm的薄片。调节所得片材，并使用工业标准拉伸测试仪测量其拉伸强度。
图2显示了对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的粘度的影响。可以看出，在最初的5分钟内，观察到粘度有少量增加。表24-27显示了超声浴处理后的微纤化纤维素和无机颗粒材料组合物的强度性能。可以看出，通过FLT指数法测量的材料的强度没有显着变化。不推荐使用超声浴来重新分散微纤化纤维素和无机颗粒材料组合物以提高质量。低功率输入不会影响强度特性，但会稍微影响粘度。
表24–浆料性能
Figure BDA0002241227470000901
表25–带状压榨饼性能
Figure BDA0002241227470000902
表26–高固含量干50wt％性能
Figure BDA0002241227470000911
表27–高固含量干60wt％性能
Figure BDA0002241227470000912
实施例51
超声波探头对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的影响。
该实验旨在探讨超声探头对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的影响。所使用的超声波探头是带有“Probe horn CV33”的“Sonics Vibracell VCX500 500 Watt型”，用于粒度测量之前的矿浆分散。探头(喇叭)经过专门设计，可在40％的振幅下工作，但为此和进一步的实验，它的工作频率可高达100％。
将总固含量为1.7wt.％的50％POP IC60/Botnia(1：1比例)粉末用IC60研磨的碳酸钙(固含量为70wt.％)粉末稀释至20％POP。这使得样品的总固体为4.24重量％。
将超声波探头浸入到浆料中，并以不同的幅度经受超声波的不同时间。图3和图4突出显示了FLT指数(Nm/g：拉伸强度的测量值)和粘度的增加。从图中可以看出，振幅越高，拉伸强度的增加越大。在100％振幅下，与原始浆料相比，FLT指数可在30秒内增加20％。与原始浆料相比，超声波可在2分钟内增加33％。与进料浆料相比，超声可在2分钟后振幅降低65％，FLT指数增加14％。
实施例52
脉冲超声对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的影响。
超声探头可以连续模式或脉冲模式操作。本实验就是要看这种效果。微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料如上述实施例51制备并受到脉冲超声的影响。图5显示，使用脉冲操作模式可以提高FLT指数。使用超声探头增强微纤化纤维素和无机颗粒材料可提高产品质量。优选地，使用高振幅并以连续模式运行可以实现微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料性能的显着提高。
实施例53
陶瓷研磨介质对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料内超声效率的影响。
微纤化纤维素和无机颗粒材料产品的生产是通过在陶瓷研磨介质存在下对纤维素和矿物进行湿磨而实现的。进行该实验以研究存在一些陶瓷研磨介质的超声处理的效果。在上述实施例51和52中制备的微纤化纤维素和无机颗粒材料的浆料中掺有10个陶瓷研磨介质珠(～3mm尺寸)。材料以100％的振幅经受各种能量输入。图6显示样品中培养基的存在对FLT指数的增加没有有害影响。在这些条件下，陶瓷研磨介质的存在对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的超声处理没有影响。
实施例54
超声波探头的作用是微纤化纤维素和无机颗粒材料、50％POP带状压榨饼。
50％POP IC60/Botnia带压滤饼是该研究的原料。使用IC60研磨的碳酸钙浆料将带状压榨饼稀释至POP(固体含量为6.25wt.％)20％。样品被制成并经受：
i)在Silverson混合机上进行1分钟的高剪切混合：对照
ii)在100％振幅下进行多次超声检查。
图7显示，使用超声波探头可以将带状压榨饼重新分散在水中，并且可以达到和超过对照FLT指数。
实施例55
超声探头对微纤化纤维素无矿物质(原纤化过程中不使用无机颗粒材料)带状压榨饼的影响。
为了进一步探索带状压榨饼的再分散，评估了无矿物版本。使用IC60研磨的碳酸钙浆料将带状压榨饼稀释至POP(固体含量为6.25wt.％)至20％。样品被制成并经受：
i)在Silverson混合机上进行1分钟的高剪切混合：对照
ii)在100％振幅下进行多次超声检查。
图8再次突出表明，超声波可以单独实现高剪切混合产生的样品特性。高剪切混合与超声相结合可以提高拉伸强度。
实施例56
超声波探头对60wt.％的高固含量干燥微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的影响。
通过使用超声波对通过干燥带状压榨饼生产的显影产品进行了评估。这种50％POP IC60/Botnia 60wt.％固体物质需要3至4分钟的高剪切Silverson混合才能达到9Nm/g的FLT指数。
这项研究探索了
i)使用超声波作为高能混合的预光标
ii)使用超声作为辅助手段来改善FLT值
图9表明，在高剪切混合后，利用超声波能量的效果更有效。图10展示了高剪切混合和超声相结合的好处。超声的使用被证明是在有或没有高剪切混合的情况下重新分散干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料产品的有效方法。
实施例50-56的结果表明，在微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料生产中添加超声波处理至少具有以下出乎意料的结果：
如果最好通过探针或超声水浴进行应用，则可以通过超声处理显着提高微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料淀粉的性能
振幅越高，FLT指数越高
微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料中的陶瓷污染物不会对超声波有效影响浆料性能的能力产生不利影响
微纤化纤维素或微纤化纤维素和无机颗粒材料的压滤饼非常适合超声处理，以使其重新分散
超声波可以代替高剪切再分散或改善程序
固体含量较高的材料可以使用超声波进行重新分散。
实施例57
进行了以下试验，以评估已原纤化，然后脱水、干燥和制粒以产生约50％固体浓度的微纤化纤维素和无机颗粒材料的性能。然后将干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料组合物调低至0.7％至3.4％之间的各种纤维浆料浓度。原纤化纤维素和无机颗粒材料(矿物)产品是通过将50％POP的Botnia纸浆/研磨碳酸钙IC60的混合物(即1:1重量比)以粉末形式原纤化而制成的纸浆(POP)水性组合物的50％。所使用的造粒产品的总固体为50重量％。超声处理试验的工作压力从0到4巴变化，以确定超声处理的最佳压力。试验在不同温度(20℃至50℃)下进行，以确定最佳工艺温度。将各种流量的冷却水泵入流通池冷却套中，并用于将工作温度保持在所需水平。
将微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料在搅拌的介质磨碎机中进行研磨。通过两个筛网阶段分别通过250微米和120微米的开槽筛网对淀粉进行筛网。使用带式压榨机将微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料脱水，然后在空气吹扫的Atritor干燥机和粉碎机中进一步干燥(可从Atritor Limited，12The Stampings，Blue Ribbon Park，Coventry，英格兰西米德兰兹郡获得)。Atritor粉碎机是一种气流扫描式粉碎机或干燥机，具有引入热气流以干燥和研磨材料的能力，以便处理和干燥试验中使用的微纤化纤维素和无机颗粒材料(例如碳酸钙)组合物。其他等效的空气吹扫干燥机和研磨机是本领域普通技术人员已知的。
带式压榨机的进料固体为50重量％POP浆料的2重量％。在0.5千克/升的表观密度下，进入Atritor干燥机和研磨机的固体进料为30重量％。研磨机的入口温度设定在150-170℃。空气出口温度为68-75℃。干燥的微纤化的和无机颗粒材料产物的产物固体含量为50重量％。然后将干燥的物料进料到入口和出口温度为16°的Kahl造粒机中，从而制粒。
试验中使用的超声单元是可从Hielscher Ultrasonics GmbH获得的HielscherUIP1000hd工业规模超声处理器(Oderstr.53D-14513 Teltow,Germany and530RingwoodAve.Lembo&GrayBldg.Wanaque,NJ07465,USA)。
将测试材料从进料罐再循环到超声波流通池。进料罐中的容积为2.5升。所有试验期间的流速均保持在约1.5L/min。使用螺杆泵。在0、1、2、4和10分钟后采集250毫升样品。
从试验中收集的所有样品均使用TAPPI污垢计数法评估，这些样品使用制成的颗粒状微纤化纤维素和无机颗粒材料作为饲料，并进行了笔尖评估。碎粒是微纤化纤维素和无机颗粒材料拉伸(FLT)片材中的团聚体，加工后不会分解或解聚。
根据超声波供应商的建议，所有试验均使用最大的增幅器(B4-2.2)和BS4d22超声进行。
一旦确定了最佳压力和温度，就在不同的纤维固体含量(即0.7％、1.5％、2.5％和3.3％)下进行了试验。因此，确定了用于超声处理的最佳纤维固体。
实施例58:优化试验–压力影响.
这些试验是使用手工制作的颗粒(低能量)进行的。使用在空气扫过的Atritor干燥机和磨机中干燥的微纤化纤维素和无机颗粒材料制成颗粒。测试了微纤化纤维素和无机颗粒材料的固含量为50％，POP为50％(Botnia纸浆/研磨碳酸钙IC60)。目的是使用超声处理重新分散和解聚聚成粒状的微纤化纤维素和无机颗粒材料(除非另有说明)，并在脱水、干燥和制粒之前，恢复FLT指数和初始浆料的产品质量。将制成的粒料稀释至总固体含量为6.6％(纤维固体含量为3.3％)，并在不同压力(0至4巴)下以再循环模式进行超声处理试验。这些试验的结果显示在图11A至C中。
在较高压力下加工时，总的FLT指数没有显着差异。但是从比例的角度来看，重要的是要确保在处理微纤化纤维素和无机颗粒材料的过程中，超声单元能吸收尽可能多的能量。平均压力与处理时间的关系图显示最佳压力为3巴。
实施例59:优化试验–温度的影响
这些试验是使用手工制作的粒料(低能量输入)进行的。将制成的粒料稀释至总固体含量为6.6％(纤维固体含量为3.3％)，并在不同温度(20℃至50℃)下以再循环模式进行超声处理。通过调节流通池水套中的冷却水流量来控制处理温度。这些试验的结果示于图12A至C。
在所评估的不同温度下，FLT指数没有显着差异。在较低的温度下运行会导致超声波单元产生更高的功耗，这是可取的。因此，证明了超声处理微纤化纤维素时的最佳温度为20℃。
实施例60:使用经过实验室剪切的产品进行试制高剪切混合器.
使用实验室Silverson高剪切混合器将如实施例57中所述的造粒微纤化纤维素和无机颗粒材料制成。修整期间使用了约200kWh/t的能量。试验以再循环模式进行。与以前的试验不同，在开始超声试验之前，高剪切产物在30分钟内没有再循环。高剪切产物在不同的纤维固体中进行超声处理，请参见图13A和B。
与先前报道的试验相似，最佳能量约为2000kWh/t。如图所示。以较低的固体含量(0.7％和1.5％)超声处理的13A和B给出了FLT指数和粘度最佳的产品。
实施例61:使用连续的地面微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料进行后处理试验.
获得了微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的压力筛网(即永不脱水或干燥的产品)。进行了试验以确定超声处理在研磨过程后对微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的后处理的有效性。试验数据显示在图14A至C中。
在这些试验中，FLT和粘度都有所增加，这表明产品质量得到了改善。在给定的能量输入下，以较低的固体含量处理可获得更好的产品。提供可接受的产品改进所需的能量很高，即超过1000kWh/t，尽管产品性能得到了提高，但超声波技术在微纤化纤维素和无机颗粒材料浆料的后处理中的能量消耗更大。
实施例62:使用精制机产品的后处理.
使用中试碎浆机将按照实施例57的方法制粒的微纤化纤维素和无机颗粒材料制粒，然后使用中试精制机进行精制。收集了精制机的产品，并进行了试验以研究超声处理的效果。在3种固体含量下进行了试验-1.5％、2.5％和3.3％纤维固体含量。数据记录在图15A至C中。
FLT指数和粘度的增加表明产品质量的提高。将FLT提高1.0所需的能量为约2000kWh/t。使用超声的精制机产品的后处理非常耗能。
实施例63:不含矿物质的微纤化纤维素和不含矿物质的微纤化纤维素的后处理要经过均质机以及超声波处理步骤.
无矿物质(100％POP/桦木纸浆微纤化纤维素)是使用高密度氧化锆介质(比重为6)在试验性的搅拌的介质磨碎机(Supermill)研磨机中生产的。将主要由纤维素(有机物)组成的不含矿物质的产品通过中试均质机，以生产出纤化度更高、不含矿物质的微纤化纤维素。然后进行试验，以确定在有无均质化步骤的情况下，超声处理对无矿物质微纤化地面产品的影响。这些试验的数据记录在图16A和B中。
图16A和B中的数据表明，可以使用超声处理且不进行均质化步骤而由无矿物质的研磨机产品(桦木)生产微纤化纤维素。经受均质化步骤的微纤化纤维素的FLT大于15Nm/g。图16A和B中报道的试验在将无矿物质的地面产品超声处理至多约1500kWh/t之后，制得了具有FLT指数和d50粒度的，经过均质化的地面微纤化纤维素的地面微纤化纤维素。
本发明的其他实施方案。
上面提出的实施例和下面提出的实施方案是发明人在本文中公开的本发明的许多实施方案的说明，而不是要限制本发明。
实施方案1.一种制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的方法，该方法包括以下步骤：在存在无机颗粒材料的情况下在水性环境中使包含纤维素的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液经历超声以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液。
实施方案2.根据实施方案1所述的方法，其中微纤化步骤包括在研磨容器中在存在无机颗粒材料的情况下研磨包含纤维素的纤维基质。
实施方案3.根据实施方案2所述的方法，还包括在不存在包含纤维素的纤维基质的情况下研磨无机颗粒材料以获得具有所需粒度的无机颗粒材料的初始步骤。
实施方案4.根据实施方案1所述的方法，其中所述超声处理是用选自超声探头、超声水浴、超声均质机、超声箔和超声变幅杆的一个或多个装置进行的。
实施方案5.根据实施方案1所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的拉伸强度增强至少5％。
实施方案6.根据实施方案1所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的拉伸强度增强至少10％。
实施方案7.根据实施方案1所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的拉伸强度增强至少20％。
实施方案8.根据实施方案1所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液以每吨干纤维至多1000kWh(kWht-1)的能量消耗来经历超声。
实施方案9.根据实施方案1所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液以每吨干纤维至多1500kWh的能量消耗来经历超声。
实施方案10.根据实施方案1所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液以每吨干纤维至多2500kWh的能量消耗来经历超声。
实施方案11.根据实施方案1所述的方法，其中所述超声以连续模式运行。
实施方案12.根据实施方案1所述的方法，其中所述超声以脉冲模式运行。
实施方案13.根据实施方案1所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液在超声处理之前被制成半干产品。
实施方案14.根据实施方案13所述的方法，其中在超声处理之前，将所述半干产品制成带压滤饼。
实施方案15.根据实施方案1所述的方法，其中相对于未经历超声的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液，具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液的粘度提高至少5％。
实施方案16.根据实施方案1所述的方法，其中所述超声以高达60％的幅度来执行。
实施方案17.根据实施方案1所述的方法，其中所述超声以高达80％的幅度来执行。
实施方案18.根据实施方案1所述的方法，其中所述超声以高达100％的幅度来执行。
实施方案19.根据实施方案1所述的方法，其中包含纤维素的纤维基质为纸浆的形式，例如化学纸浆、或化学机械纸浆、或机械纸浆、或再生纸浆、或碎纸浆、或造纸厂废料流、或造纸厂废料、或它们的组合。
实施方案20.根据实施方案1所述的方法，其中所述无机颗粒材料是碱土金属碳酸盐或硫酸盐，例如碳酸钙、碳酸镁、白云石、石膏、含水钙矾石粘土例如高岭土、埃洛石或球状粘土、无水(煅烧)钙矾石粘土例如偏高岭土或完全煅烧高岭土、滑石、云母、珍珠岩、或硅藻土、或其组合。
实施方案21.根据实施方案1所述的方法，其中所述无机颗粒材料是碱土金属碳酸盐，例如碳酸钙。
实施方案22.根据实施方案1所述的方法，其中所述无机颗粒材料是高岭土。
实施方案23.根据实施方案2所述的方法，其中研磨容器选自塔式研磨机和搅拌的介质磨碎机。
实施方案24.根据实施方案1所述的方法，其中通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、消费品、化妆品、药理产品和食品的方法。
实施方案25.根据实施方案1所述的方法，其中所述方法还包括在超声步骤之前或之后的高剪切混合、均质化和精制中的一种或多种.
实施方案26.一种制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的方法，该方法包括以下步骤：在水性环境中使包含纤维素的纤维基质微纤化，以制备包含微纤化纤维素的水性悬浮液，并且还包括使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经历超声以制备具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液。
实施方案27.根据实施方案26所述的方法，其中所述超声处理是用选自超声探头、超声水浴、超声均质机、超声箔和超声变幅杆的一个或多个装置进行的。
实施方案28.根据实施方案26所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的拉伸强度增强至少5％。
实施方案29.根据实施方案26所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的拉伸强度增强至少10％。
实施方案30.根据实施方案26所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的拉伸强度增强至少20％。
实施方案31.根据实施方案26所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素的水性悬浮液以每吨干纤维至多1000kWh的能量消耗来经历超声。
实施方案32.根据实施方案26所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素的水性悬浮液以每吨干纤维至多1500kWh的能量消耗来经历超声。
实施方案33.根据实施方案26所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素的水性悬浮液以每吨干纤维至多2500kWh的能量消耗来经历超声。
实施方案34.根据实施方案26所述的方法，其中所述超声以连续模式运行。
实施方案35.根据实施方案26所述的方法，其中所述超声以脉冲模式运行。
实施方案36.根据实施方案26所述的方法，其中所述包含微纤化纤维素的水性悬浮液在超声处理之前被制成半干产品。
实施方案37.根据实施方案36所述的方法，其中在超声处理之前，将所述半干产品制成带压滤饼。
实施方案38.根据实施方案26所述的方法，其中相对于不经历超声的包含微纤化纤维素的水性悬浮液，所述具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液的粘度增强至少5％。
实施方案39.根据实施方案26所述的方法，其中所述超声以高达60％的幅度来执行。
实施方案40.根据实施方案26所述的方法，其中所述超声以高达80％的幅度来执行。
实施方案41.根据实施方案26所述的方法，其中所述超声以高达100％的幅度来执行。
实施方案42.根据实施方案26所述的方法，其中包含纤维素的纤维基质为纸浆的形式，例如化学纸浆、或化学机械纸浆、或机械纸浆、或再生纸浆、或碎纸浆、或造纸厂废料流、或造纸厂废料、或它们的组合。
实施方案43.根据实施方案26所述的方法，其中通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素的水性悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、消费品、化妆品、药理产品和食品的方法。
实施方案44.根据实施方案26所述的方法，其中所述方法还包括在超声步骤之前或之后的高剪切混合、均质化和精制中的一种或多种。
实施方案45.一种再分散脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a)向闭合的罐中添加一定数量的合适的分散液体，其中罐包括入口和出口，所述入口和出口连接到包括第一入口和第一出口的泵，并且流通池包括第二入口和第二出口，并且还包括至少一个超声探头，从而形成闭合的再循环回路；
(b)向罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素，以产生所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
其中步骤(b)的包含微纤化纤维素的液体组合物通过再循环回路连续再循环；
(c)通过所述超声探头在20至100kHz的频率范围内向所述微纤化纤维素的液体组合物间断或连续施加至少200kWh/t的超声波能量，从而形成具有拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
实施方案46.实施方案45所述的方法，其中脱水的、部分干燥的或基本干燥的微纤化纤维素组合物还包含至少一种无机颗粒材料。
实施方案47.实施方案45或46所述的方法，其中所述分散液体是水。
实施方案48.实施方案47所述的方法，其中超声波能量输入为约1,000kWh/t至10,000kWh/t。
实施方案49.实施方案45或46所述的方法，其中所述流通池具有冷却套，用于将所述微纤化纤维素的悬浮液的温度维持在约1℃至约80℃的范围内。
实施方案50.实施方案49所述的方法，其中所述温度是室温。
实施方案51.实施方案49所述的方法，其中所述温度为20℃。
实施方案52.实施方案45或46所述的方法，其中所述流通池在所述第二出口处包括可调节阀以产生约0巴至约10巴的再循环液体的背压。
实施方案53.实施方案52所述的方法，其中所述压力是3巴。
实施方案54.实施方案45或46所述的方法，其中流通池具有一个或多个增幅器以机械地增大或减小所述至少一个超声探头的幅度。
实施方案55.实施方案45或46所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是约0.5％至5％的纤维固体。
实施方案56.实施方案55所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是约1.5％的纤维固体。
实施方案57.实施方案55所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是约1.8％的纤维固体。
实施方案58.实施方案55所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是约2.5％的纤维固体。
实施方案59.实施方案45所述的方法，其中所述微纤化纤维素是颗粒状。
实施方案60.实施方案46所述的方法，其中包含无机颗粒材料的微纤化纤维素组合物是颗粒状。
实施方案61.实施方案45或46所述的方法，其中施加超声波能量约1至约120分钟。
实施方案62.实施方案61所述的方法，其中施加超声波能量约30分钟。
实施方案63.实施方案45或46所述的方法，其中所述再循环回路还包括高剪切混合器。
实施方案64.实施方案45或46所述的方法，其中所述微纤化纤维素的悬浮液的FLT指数为7.5Nm/g或更高。
实施方案65.实施方案45或46所述的方法，其中所述微纤化纤维素的悬浮液的FLT指数为8.0Nm/g或更高。
实施方案66.实施方案45或46所述的方法，其中所述微纤化纤维素的悬浮液的FLT指数为8.5Nm/g或更高。
实施方案67.实施方案45或46所述的方法，其中微纤化纤维素的悬浮液的FLT指数为10.0Nm/g或更高。
实施方案68.实施方案45或46所述的方法，其中包含微纤化纤维素的液体组合物再循环约30至约120分钟。
实施方案69.实施方案45或46所述的方法，其中包含微纤化纤维素的液体组合物再循环约30分钟。
实施方案70.通过实施方案45或46所述的方法制备的再分散的微纤化纤维素悬浮液。

Claims (39)

1.一种再分散脱水的、部分干燥的或干燥的微纤化纤维素的方法，该方法包括以下步骤：
(a) 向至少具有第一进口和第二进口和出口的罐中添加一定数量的合适的分散液体，其中所述罐还包括混合器和连接到所述出口的泵；
(b) 通过所述第一进口向所述罐中添加足够量的数量的脱水的、部分干燥的或干燥的微纤化纤维素，以产生0.5%至5%纤维固体的所需固体浓度的微纤化纤维素的液体组合物；
(c) 使用所述混合器在所述罐中混合分散液体和所述脱水的、部分干燥的或干燥的微纤化纤维素，以部分解聚并再分散所述微纤化纤维素，从而形成可流动浆料；
(d) 使用所述泵将所述可流动浆料泵送到流通池的入口，其中所述流通池包括再循环回路、一个或多个串联的超声探头以及至少第一出口和第二出口；其中所述流通池的第二出口连接到所述罐的第二入口，从而提供连续的再循环回路，以向所述浆料连续施加所需时间段和/或总能量的超声波能量；其中所述流通池在所述第二出口处包括可调节阀以产生再循环后的浆料的背压，并且其中包含步骤(c)的微纤化纤维素的液体组合物在0-4巴的操作压力和20℃至50℃的温度下通过再循环回路持续再循环；
(e) 通过所述超声探头在19至100 kHz的频率范围内以及超声发生器的物理极限的最高60%下向所述浆料连续施加1至120分钟 200至10,000 kWh/t的超声波能量；或者
通过所述超声探头在19至100 kHz的频率范围内以及超声发生器的物理极限的最高100%下向所述浆料连续施加1至120分钟 200至10,000 kWh/t的超声波能量；
(f) 在合适的容纳容器中从所述流通池的所述第一出口收集具有增强的拉伸强度和/或粘度特性的包含微纤化纤维素的再分散的悬浮液。
2.权利要求1所述的方法，其中所述脱水的、部分干燥的或干燥的微纤化纤维素组合物还包含至少一种无机颗粒材料。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述分散液体是水。
4.权利要求1或2所述的方法，其中所述超声波能量输入为1,000 kWh/t至2,000 kWh/t。
5.权利要求1或2所述的方法，其中所述超声波能量输入为200 kWh/t至400 kWh/t。
6.权利要求1或2所述的方法，其中所述流通池具有冷却套，用于将所述微纤化纤维素的悬浮液的温度维持在20℃至50℃的范围内。
7.权利要求6所述的方法，其中所述温度是室温。
8.权利要求6所述的方法，其中所述温度为20℃。
9.权利要求1所述的方法，其中所述再循环后的浆料的背压是3巴。
10.权利要求1或2所述的方法，其中所述流通池还包括一个或多个增幅器以机械地增大或减小所述至少一个超声探头的幅度。
11.权利要求1或2所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是0.5%至1%的纤维固体。
12.权利要求1或2所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是1.5%的纤维固体。
13.权利要求1或2所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是1.8%的纤维固体。
14.权利要求1或2所述的方法，其中所述微纤化纤维素的液体组合物是2.5%的纤维固体。
15.权利要求1所述的方法，其中所述微纤化纤维素是颗粒状。
16.权利要求2所述的方法，其中包含无机颗粒材料的微纤化纤维素组合物是颗粒状。
17.权利要求1所述的方法，其中施加超声波能量30分钟。
18.权利要求1或2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现指定的超声波能量输入大于200 kWh/t。
19.权利要求1所述的方法，其中施加超声波能量直到实现指定的累积超声波能量输入大于400 kWh/t。
20.权利要求2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现指定的累积能量输入。
21.权利要求1或2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现累积超声波能量输入为500 kWh/t。
22.权利要求1或2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现累积超声波能量输入为1,000 kWh/t。
23.权利要求1或2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现累积超声波能量输入为1,500 kWh/t。
24.权利要求1或2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现累积超声波能量输入为2,000 kWh/t。
25.权利要求1或2所述的方法，其中施加超声波能量直到实现累积超声波能量输入为2,500 kWh/t。
26.权利要求1或2所述的方法，其中所述再循环回路还包括高剪切混合器。
27.权利要求1所述的方法，其中包含微纤化纤维素的液体组合物再循环30至120分钟。
28.权利要求27所述的方法，其中包含微纤化纤维素的液体组合物再循环30分钟。
29.权利要求2所述的方法，其中包含微纤化纤维素的液体组合物再循环30至120分钟。
30.权利要求29所述的方法，其中包含微纤化纤维素的液体组合物再循环30分钟 。
31.权利要求1或2所述的方法，其中超声以脉冲模式运行。
32.权利要求1或2所述的方法，其中在超声之前，将所述部分干燥的产物成型为带压滤饼。
33.权利要求1所述的方法，其中所述微纤化纤维素可由化学纸浆、或化学机械纸浆、或机械纸浆、或再生纸浆、或碎纸浆、或造纸厂废料、或它们的组合来制备。
34.权利要求2所述的方法，其中所述无机颗粒材料是碱土金属碳酸盐或硫酸盐、含水钙矾石、无水煅烧钙矾石粘土、完全煅烧高岭土、滑石、云母、珍珠岩、或硅藻土、或其组合。
35.权利要求2所述的方法，其中所述微纤化纤维素可由化学纸浆、或化学机械纸浆、或机械纸浆、或再生纸浆、或碎纸浆、或造纸厂废料、或它们的组合来制备。
36.权利要求2所述的方法，其中所述无机颗粒材料是碱土金属碳酸盐。
37.权利要求2所述的方法，其中所述无机颗粒材料是高岭土。
38.权利要求1或2所述的方法，其中通过该方法获得的具有增强的粘度和拉伸强度特性的包含微纤化纤维素和无机颗粒材料的水性悬浮液适用于造纸或涂料纸、油漆和涂料、油墨、油田化学品、复合材料、药理产品和食品的方法。
39.权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在超声步骤之前或之后的高剪切混合、均质化和精制中的一种或多种。
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