CN113445347B - 生产纳米纤丝化纤维素的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产纳米纤丝化纤维素的方法和装置(1)，其中，对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝。该方法包括：在一个或多个精磨机(5)中的至少一个精磨区域(20)中对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝；将待精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)中的至少一个开口(12、19)供给到至少一个精磨机的至少一个精磨区域，并且/或者将在至少一个精磨机的至少一个精磨区域中经过了精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)中的至少一个开口(12、19)从该至少一个精磨区域中排出，并且操作所述至少一个精磨机以在精磨中生产小于3J/m的比边缘载荷(SEL)。

Description

生产纳米纤丝化纤维素的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种生产纳米纤丝化纤维素(nanofibrillar cellulose)的方法，其中，对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝。
本发明还涉及一种用于生产纳米纤丝化纤维素的装置，该装置包括一个或多个精磨机，用于对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝。
背景技术
纳米纤丝化纤维素是指从含有木质纤维素的纤维原料(如木材)中分离出的纤维素微纤丝或微纤丝束。纳米纤丝化纤维素的特征在于较大的比表面积和较强的氢键形成能力。在水分散体中，纳米纤丝化纤维素为无色凝胶状材料。纳米纤丝化纤维素可以例如在新的生物基产品制造中用作添加剂。
通常，通过精磨生产纳米纤丝化纤维素需要对含有木质纤维素的纤维材料进行高度磨解、即高度精磨。磨解或精磨通常是指通过施加到材料颗粒上的功来机械地粉碎材料，该功可以是磨解、精磨、压碎或剪切、或这些功的任意组合、或另一种相应的减小颗粒尺寸的动作。精磨是纤维材料和水的混合物(也称为例如纤维悬浮液、纤维浆或浆)在低浓度下进行的。除了对含有木质纤维素的纤维材料进行机械处理之外，纳米纤丝化纤维素的生产还可以包括对含有木质纤维素的纤维材料进行化学或酶促处理。
与通过精磨生产纳米纤丝化纤维素有关的问题是在精磨中使用的能量过多。精磨所消耗的能量通常以能量每加工原料量来表示，典型的单位是MWh/T、即MWh/ton，或与之成比例的单位。如上所述，纳米纤丝化纤维素是凝胶状材料，由此具有高表观粘度，因而影响精磨机刀片元件的摩擦力非常高，进而导致在生产纳米纤丝化纤维素时的高能耗。高能耗增加了纳米纤丝化纤维素的生产成本，从而例如限制了经济上可行的纳米纤丝化纤维素的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产纳米纤丝化纤维素的新方法和装置。
本发明的特征在于一种生产纳米纤丝化纤维素的方法，其中，对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝，所述方法包括：在一个或多个至少一个精磨机中的至少一个精磨区域中对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝，所述至少一个精磨区域形成于包括精磨表面的基本相对布置的精磨元件之间，并且所述精磨通过使所述精磨元件中的至少一个精磨元件能够相对于基本相对布置的至少一个精磨元件旋转来进行，将待精磨的纤维材料通过所述至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口供给到所述至少一个精磨机的至少一个精磨区域，并且/或者将在所述至少一个精磨机的至少一个精磨区域中经过了精磨的纤维材料通过所述至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口从所述至少一个精磨区域(20)中排出，并且操作所述至少一个精磨机，以在精磨中产生小于3J/m的比边缘载荷。
本发明基于这种理念，即通过精磨生产纳米纤丝化纤维素，使得待精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口被供给至至少一个精磨机的至少一个精磨区域，并且/或者将在至少一个精磨机的至少一个精磨区域中经过了精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口从该至少一个精磨区域中排出，并操作所述至少一个精磨机以在精磨中产生小于3J/m的比边缘载荷。
本发明的优点在于，与常规的纳米纤丝化纤维素的精磨相比，待精磨的纤维材料在精磨区域中的行程长度更小或更短，其中，纤维材料通过精磨区域的一端供给至该精磨区域，精磨后的纤维材料通过相对端从该精磨区域中排出。这具有这样的效果，即尽管纳米纤丝化纤维素的表观粘度很高，但是影响精磨机的刀片元件的精磨表面的总摩擦力仍然是合理的，这与在精磨中应用的非常适度的比边缘载荷一起，在生产纳米纤丝化纤维素时提供了低能耗。
以下公开了本发明的一些实施例。
附图说明
在下文中，将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中
图1示意性地示出了用于生产纳米纤丝化纤维素的装置；
图2以横截面示意性地示出了适于生产纳米纤丝化纤维素的锥形精磨机的侧视图；
图3示意性地示出了适于图2的精磨机的扇形刀片元件的平面俯视图；
图4示意性地示出了生产纳米纤丝化纤维素的方法；以及
图5以横截面示意性地示出了适于生产纳米纤丝化纤维素的另一种锥形精磨机的侧视图。
为了清楚起见，附图以简化的方式示出了本发明的一些实施例。类似的附图标记在附图中标识类似的元件。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于生产纳米纤丝化纤维素的装置1。纳米纤丝化纤维素是指从含有木质纤维素的纤维原料(例如木材)中分离出的纤维素微纤丝或微纤丝束。纳米纤丝化纤维素的常用同义词是例如纳米纤维化纤维素(NFC)、纳米纤维素、微纤丝纤维素、纤维素纳米纤维、纳米级纤维素、微纤维化纤维素(MFC)或纤维素微纤丝。在本文中，术语纳米纤丝化纤维素是指在一维或多维上的颗粒尺寸、即微纤丝或微纤丝束的尺寸通常但不限于小于100纳米的纤维素(ISO/TC 229纳米技术，创建日期：2005年)。
用于生产纳米纤丝化纤维素的装置1包括预处理阶段2、精磨阶段3和后处理阶段4。
预处理阶段2包括通过将含有木质纤维素的纤维原料和水混合而由含有木质纤维素的纤维原料制备纤维悬浮液、即纤维浆或浆。用于生产纳米纤丝化纤维素的纤维原料通常是原生纤维材料、例如漂白的化学浆。因此，纤维悬浮液的制备可以例如包括至少一个用于将含有木质纤维素的纤维原料浆化的碎浆机，以便获得要进一步供给至精磨阶段3的基本低浓度的纤维悬浮液。纤维悬浮液的浓度通常不大于6％、优选为约2％至4％。如果用于生产纳米纤丝化纤维素的含有木质纤维素的纤维原料是除漂白的化学浆以外的物质，则可能必须提纯纤维原料。因此，预处理阶段2可以包括各种提纯设备。另外，在预处理阶段2可以将不同种类的添加剂(例如酶)添加到纤维悬浮液中。此外，可以包括稀释阶段，用于稀释纤维悬浮液以获得所需的浓度。
将含有木质纤维素的纤维材料悬浮液从预处理阶段2供应至精磨阶段3。精磨阶段3包括至少一个精磨机、即一个或多个精磨机。通常，在精磨中，目的是使含有木质纤维素的纤维材料经受机械加工或处理作用、即精磨作用，以影响待精磨的纤维材料中的纤维性能和/或纤维长度。在纳米纤丝化纤维素的生产中，目的是特别对含有木质纤维素的纤维材料精磨，以将纳米纤丝从纤维材料中分离。
根据精磨阶段的一个实施例，精磨阶段仅包括一个精磨机，并且在生产纳米纤丝化纤维素时，待精磨的纤维材料在该单个精磨机中经受多次、即一次或多次的精磨作用。因此，当生产纳米纤丝化纤维素时，由精磨机精磨过至少一次的纤维材料可以通过该单个精磨机循环至少一次。
根据精磨阶段的一个实施例，精磨阶段包括至少一组精磨机，每组精磨机包括至少两个彼此串联的连续精磨机。该组精磨机中的精磨机可以具有相似或不同的精磨特性、即精磨表面性能。在每组精磨机中，待精磨的纤维材料在每个精磨机中至少要经受一次精磨作用。换言之，待精磨的纤维材料经受至少与该组精磨机中的精磨机数量相对应的次数的精磨作用。当生产纳米纤丝化纤维素时，已经穿过该组精磨机至少一次的纤维材料还可以通过该组精磨机循环至少一次。
或者，精磨阶段3可以包括彼此平行设置的两个或更多个单个精磨机，或者两组或更多组的至少两个彼此平行设置的精磨机。
只要纳米纤丝化纤维素的精磨程度已经达到所需或预期，就在精磨阶段3中精磨待精磨的纤维材料。
在精磨阶段3之后是后处理阶段4，精磨后的纤维材料被供给至后处理阶段4用于进一步加工。进一步加工可以例如包括一个或多个提纯设备(例如清洗机或清洁器)，用于提纯精磨后的纤维材料，和/或一个或多个筛网，用于将精磨后的纤维材料分类为不同的部分。后处理阶段4还可包括脱水设备，例如一个或多个盘式过滤器和/或螺旋压滤机。
图2是根据本文公开的方案的锥形精磨机5的示意性横截面侧视图，锥形精磨机5是适于通过对含有木质纤维素的纤维材料(例如木材)精磨来生产纳米纤丝化纤维素的精磨机的示例。图2中示出的精磨机5包括框架6和支撑在框架6上的静止的固定精磨元件7、即精磨机5的定子7。定子7包括多个定子刀片元件8、即一个或更多个定子刀片元件8，定子刀片元件8包括刀片节段(blade segment,磨片)9和位于其间的刀片沟槽10。一些定子刀片节段9和定子刀片沟槽10中的一部分在图3中示意性示出。
因此，定子刀片元件8是使待精磨的纤维材料经受定子7的精磨作用的元件，除非采用将刀片元件8支撑到精磨机5的框架6上的独立主体元件，否则精磨机5的框架6为刀片元件8提供支撑体。刀片元件8的刀片节段9和刀片沟槽10形成或提供相应的刀片元件8的精磨表面11，刀片元件8的精磨表面11形成定子7的精磨表面11。因此，为了清楚起见，在本文中使用相同的附图标记“11”来表示单个刀片元件8的精磨表面以及定子7的整个或完整的精磨表面。
因此，定子7可以包括沿定子7的整个周向延伸的单个刀片元件8，由此，该单个刀片元件8提供定子7的完整的精磨表面11。或者，定子7可以包括在定子7的周向方向上彼此相邻地附接的多个初始分开的刀片元件8、即扇形刀片元件，由此，每个单个扇形刀片元件提供定子7的完整精磨表面的仅一部分，所有扇形刀片元件一起提供定子7的完整精磨表面。
形成或提供定子7的精磨表面11的刀片元件8还包括在刀片元件8的厚度方向上延伸穿过刀片元件8的开口12，因此，开口12延伸穿过刀片元件8的精磨表面11。开口12使含有木质纤维素的纤维材料能够流动穿过相应的一个或多个刀片元件8，从而流动穿过定子7的精磨表面11。
精磨机5还包括能够旋转的精磨元件13、即精磨机5的转子13。转子13包括主体14或轮毂14，以及多个转子刀片元件15、即一个或多个转子刀片元件15，该转子刀片元件包括刀片节段16和位于其间的刀片沟槽17。在图3中也示意性地示出了一些转子刀片节段16和转子刀片沟槽17。
因此，转子刀片元件15是使待精磨的纤维材料经受转子13的精磨作用的元件，轮毂14为刀片元件15提供支撑。刀片元件15的刀片节段16和刀片沟槽17形成或提供相应刀片元件15的精磨表面18，刀片元件15的精磨表面18形成转子13的精磨表面18。因此，为了清楚起见，在本文中使用相同的附图标记“18”来表示单个刀片元件15的精磨表面以及转子13的整个或完整的精磨表面。
因此，转子13可以包括沿转子13的整个周向延伸的单个刀片元件15，由此，该单个刀片元件15提供转子13的完整的精磨表面18。或者，转子13可以包括在转子13的周向方向上彼此相邻地附接的多个初始分开的刀片元件15、即扇形刀片元件，由此，每个单个扇形刀片元件提供转子13的完整精磨表面的仅仅一部分，所有扇形刀片元件一起提供转子13的完整精磨表面。
形成或提供转子13的精磨表面18的刀片元件13还包括在刀片元件15的厚度方向上延伸穿过刀片元件15的开口19，因此，开口19延伸穿过刀片元件的精磨表面18。开口19使含有木质纤维素的纤维材料能够流动穿过相应的一个或多个刀片元件15，从而流动穿过转子13的精磨表面18。
转子13被设置为与定子7基本相对布置，使得在定子7与转子13之间、即在定子7的刀片元件8和转子13的刀片元件15之间存在刀片间隙20、即精磨区域20。刀片间隙20在定子7和转子13的直径较小的端部处具有第一端20'，在定子7和转子13的直径较大的端部处具有第二端20”。
转子13的主体14通过轴21连接至驱动马达22，使得转子13可以通过轴21和马达22沿例如箭头RD的方向绕定子7旋转。因此，箭头RD表示转子13的预期旋转方向RD。例如，可以通过以精磨领域的技术人员通常已知的方式控制驱动马达22的驱动输出功率来控制转子13的转速。
精磨机5还包括加载装置23，该装置可以用于使附接至轴21的转子13在精磨机5的轴向方向A上来回移动，以调节刀片间隙20的尺寸或位于定子7的刀片元件8与转子13的刀片元件15之间的精磨区域20的尺寸，即，以调节定子7的刀片元件8和转子13的刀片元件15之间的自由距离。当调节精磨区域20的尺寸时，根据定子7和转子13的锥形结构的上升角(angle of ascent)，转子13在精磨机5的轴向方向A上进行运动，并且精磨区域20的尺寸在精磨机5的轴向方向A和径向方向R之间以一定角度进行变化。
加载装置23的操作由控制单元24控制，控制单元24能够配置为通过控制加载装置23使转子13相对于定子7移动来调节精磨区域20的尺寸。精磨领域的技术人员通常知道不同的可适用加载装置23和相应的控制单元24的结构和操作。
精磨机5还包括进料通道25，用于将含有木质纤维素的纤维材料供给到精磨机5中，如附图标记F所示的箭头示意性示出。此外，精磨机5包括出料通道26，用于将经过了精磨的含有木质素纤维素的纤维材料从精磨机5中排出，如附图标记D所示的箭头示意性示出。出料通道26连接到保持在定子7的刀片元件8与精磨机5的框架6之间的中间空间27。
图3示意性地示出了适于在转子13中使用并且包括精磨表面18的扇形刀片元件15的平面俯视图。精磨表面18包括刀片节段16和位于其间的刀片沟槽17。刀片节段16为待精磨的纤维材料提供精磨作用，刀片沟槽17在精磨表面18上输送待精磨的材料。在图3中，还以虚线重叠地(super-imposed)示出了与转子刀片元件15相对布置的定子刀片元件8的一些刀片节段9和一些刀片沟槽10的一些部分。
下面特别参照图2和图3更详细地解释根据用于生产纳米纤丝化纤维素的实施例的精磨操作。
将包括待精磨的含有木质纤维素的纤维材料的纤维悬浮液经由进料通道25以箭头F所示的方式供给到精磨机5中。待精磨的纤维材料以箭头FF示意性示出的方式通过在转子13中穿过刀片元件15形成的开口19进入转子13与定子7之间的精磨区域20，在其中对纤维材料进行精磨。经过了精磨的材料也以箭头FF示意性示出的方式通过在定子7中穿过刀片元件8形成的开口12进入精磨机5的框架6与定子刀片元件8之间的中间空间27。如箭头D示意性示出，将精磨后的材料从中间空间27中移出，并经由出料通道26从精磨机5中排出。
在图2的实施例中，精磨区域20在其端部20'、20”处是完全关闭的。如果精磨区域20在其端部20'、20”处未关闭，则一部分要供给到精磨机5中的纤维材料可能会从精磨区域20的第一端20'传递至精磨区域20中，相应地，一部分经过了精磨的材料也可能从精磨区域20的第二端20”离开精磨区域20，由此提供与中间空间27的连接。
此外，在精磨过程中，操作精磨机5以在精磨中产生小于3J/m的比边缘载荷SEL、优选小于1J/m的比边缘载荷SEL。
在上述公开的生产纳米纤丝化纤维素的方法的实施例中，通过在精磨机5的设置于基本相对布置的精磨元件7、13之间的精磨区域20中对纤维材料精磨来对其进行机械加工。使转子13相对于基本相对布置的定子7旋转来进行精磨，从而使进入精磨区域20的纤维材料在精磨区域20中经受精磨作用以分离纳米纤丝。将待精磨的纤维原料通过转子13的精磨表面18中的开口19供给至精磨区域20，并且将在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料通过定子7的精磨表面11中的开口12从精磨区域20中排出。此外，操作精磨机5以在精磨中产生小于3J/m、优选小于1J/m的比边缘载荷。
可以采取精磨领域的技术人员已知的方式、基于驱动马达22的驱动输出功率、定子刀片节段9和转子刀片节段16的刀刃长度以及转子13的旋转速度来确定比边缘载荷，比边缘载荷描述了精磨强度、即能量如何应用于待精磨的纤维材料。
在上述公开的实施例中，待精磨的纤维材料由此通过转子刀片元件15的精磨表面18中的开口19被供给至精磨区域20，并且精磨后的纤维材料通过定子刀片元件8的精磨表面11中的开口12从精磨区域20中排出。这具有这种效果，即与常规的纳米纤丝化纤维素的精磨相比，本解决方案中待精磨的纤维材料在精磨区域中的行程长度更小或更短，其中，纤维材料通过精磨区域的一端供给至精磨区域，并且精磨后的纤维材料从精磨区域的另一端从精磨区域中排出。与常规的纳米纤丝化纤维素的精磨相比，根据本解决方案的待精磨的纤维材料在精磨区域中的较短行程长度具有这样的效果，即尽管纳米纤丝化纤维素的表观粘度高，但是影响精磨机5的刀片元件的精磨表面的总摩擦力仍然是合理的。这与在精磨中应用的非常适度的比边缘载荷一起，使得在生产纳米纤丝化纤维素时的能耗保持较低。
根据一个实施例，通过调节精磨区域20的尺寸来操作精磨机5以产生期望的比边缘载荷SEL。根据该实施例，加载装置23由控制单元24控制，以便控制精磨区域20的尺寸，从而影响精磨中应用的比边缘载荷SEL。
根据一个实施例，精磨机5被操作成通过调节转子13的旋转速度来产生期望的比边缘载荷SEL。根据该实施例，控制驱动马达22以控制转子13的旋转速度，从而影响在精磨中应用的比边缘载荷SEL。例如，可以控制转子13的旋转速度，以获得通常为1-80m/s、优选为5-50m/s、更优选为10-35m/s的切割速度。
根据一个实施例，可以应用精磨区域20的尺寸调节和转子13的旋转速度调节，以便影响在精磨中应用的比边缘载荷SEL。
根据一个实施例，待精磨的纤维材料在精磨中经受的比能耗小于2MWh/T、优选小于1MWh/T并且更优选小于0.5MWh/T。根据该实施例，控制驱动马达22的驱动输出功率以提供预期的比能耗，其可以取决于含有木质纤维素的纤维原料的纤维类型和/或纳米纤丝化纤维素的预期精磨度。
参考纳米纤丝化纤维素的预期精磨度，可以将低质量的纳米纤丝化纤维素定义为这样的纳米纤丝化纤维素，其中，至少60％的颗粒满足上述公开的纳米纤丝化纤维素的定义，可以将高质量的纳米纤丝化纤维素定义为这样的纳米纤丝化纤维素，其中，至少90％的颗粒满足上述公开的纳米纤丝化纤维素的定义。
根据一个实施例，待精磨的纤维材料经受至少五次精磨作用。换言之，相同的待精磨纤维材料需经受至少五次精磨作用，以便得到具有所需精磨度的精磨后的纤维材料、即包括所需量的纳米纤丝的精磨后的纤维材料，该纳米纤丝在一维或多维上的典型颗粒尺寸通常(但不限于)低于100纳米。相同的纤维材料要经受至少五次精磨作用可以在一个精磨机或一组精磨机中进行，如上文鉴于图1所述。
根据该方法的一个实施例，至少一部分待精磨的纤维材料经受至少五次精磨作用，由此根据该装置的实施例，至少一部分待精磨的纤维材料被设置为由一个或多个精磨机精磨至少五次。
根据该方法的一个实施例，将至少一部分待精磨的纤维材料通过同一个精磨机循环至少五次，以使待精磨的纤维材料经受至少五次精磨作用，从而，根据该装置的一个实施例，至少一部分待精磨的纤维材料被设置为由同一个精磨机精磨至少五次，以使待精磨的纤维材料经受至少五次精磨作用。
精磨阶段3可以采取分批的方式或者采取连续的方式进行操作。当连续操作时，可以利用待精磨的未精磨纤维材料来替换一部分经过了至少一次精磨的纤维材料，并且可以供给经过了至少一次精磨的纤维材料的替换部分用于进一步处理，例如进入后处理阶段4。由此，根据该装置的一个实施例，至少一部分经过了至少一次精磨的纤维材料被设置为以待精磨的未精磨纤维材料替换，并且经过了至少一次精磨的纤维材料的替换部分被供给用于进一步处理，例如进入后处理阶段4。经过了至少一次精磨的纤维材料的替换部分不一定满足纳米纤丝化纤维素的要求，因此可以应用于某些其他最终用途。替换部分可以例如是精磨阶段3的容量的5％至10％。
在上述图2和图3的示例中，待精磨的纤维材料通过转子刀片元件15中的开口19被供给至精磨区域20，并且在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料通过定子刀片元件8中的开口12从精磨区域20中排出。
根据精磨机的替代实施例，待精磨的纤维材料可以通过设置在定子刀片元件8中的开口12被供给至精磨区域20，并且在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料可以通过转子刀片元件15中的开口19从精磨区域20中排出。
根据精磨机的另一替代实施例，待精磨的纤维材料可以通过设置在定子刀片元件8中的开口12以及设置在转子刀片元件15中的开口19被供给至精磨区域20，并且在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料可以通过精磨区域20的至少一端20'、20”从精磨区域20中排出。
根据精磨机的另一替代实施例，待精磨的纤维材料可以通过精磨区域20的至少一端20'、20”被供给至精磨区域20，并且在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料可以通过设置在定子刀片元件8中的开口12以及通过转子刀片元件15中的开口19从精磨区域20中排出。
根据精磨机的另一些替代实施例，仅定子刀片元件8包括延伸穿过相应的刀片元件8的开口12，或仅转子刀片元件15包括延伸穿过相应的刀片元件15的开口19，并且通过开口12或开口19将待精磨的纤维材料供给至精磨区域20，或者通过开口12或开口19将在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料从精磨区域20中排出。在这种精磨机中，在精磨区域20中经过了精磨的纤维材料通过精磨区域20的至少一端20'、20”从精磨区域20中排出，或者将待精磨的纤维材料通过精磨区域20的至少一端20'、20”供给至精磨区域20。换言之，在这种精磨机中，相对布置的精磨元件中的仅一个设有包括开口的刀片元件，相对的精磨元件设有实心或均匀的刀片元件，不包括用于纤维材料流动的任何开口。
图5以横截面示意性地示出了适于生产纳米纤丝化纤维素的另一种锥形精磨机5的侧视图。图5的精磨机5与图2的精磨机基本相似，但是在图5的精磨机5中，精磨机5的两端均具有进料通道25，即，一个进料通道25位于精磨机5直径较小的端部，另一个进料通道25位于精磨机5直径较大的端部。精磨机5的进料通道25被设置成在转子13的两端将待精磨的材料供给或供应至转子13的内部容积，并且进一步通过转子刀片元件15中的开口19进入精磨区域20中。另外，图5的精磨机5的结构和操作与上述鉴于图2的精磨机5所公开的结构和操作相似。为了清楚起见，在图5中省略了精磨机5的框架6、驱动马达22、加载装置23和控制单元24。
图2、图3和图5示例中的锥形精磨机5包括单个定子7和单个转子13。但是，单个精磨机中的定子和转子的数量可以变化，只要在至少两个精磨元件之间设有至少一个精磨区域，其中至少一个精磨元件被设置为相对于有助于提供所述精磨区域的至少一个其他的精磨元件旋转。因此，单个精磨机还可包括两个或更多个精磨区域，这取决于应用于精磨机中的定子和转子的数量。因此，例如，可以通过在两个转子之间设置单个定子或在两个定子之间设置单个转子来提供具有两个精磨区域20的精磨机，这对于精磨领域的技术人员通常是已知的。
通常，在本文公开的通过对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝来生产纳米纤丝化纤维素的方法中，纤维材料在一个或多个精磨机中的至少一个精磨区域中被精磨以分离纳米纤丝，该至少一个精磨区域形成于包括精磨表面的基本相对布置的精磨元件之间。通过使至少一个精磨元件相对于至少一个基本相对布置的精磨元件旋转来进行精磨，从而使进入精磨区域的纤维材料在精磨区域中经受精磨作用以分离纳米纤丝。待精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口被供给到至少一个精磨区域，并且/或者在至少一个精磨区域中经过了精磨后的纤维材料通过至少一个精磨元件的精磨表面中的开口、从该至少一个精磨区域中排出。此外，所述至少一个精磨机被操作以在精磨中产生小于3J/m的比边缘载荷。优选地，该至少一个精磨机被操作以在精磨中产生小于1J/m的比边缘载荷。图4示意性地公开了根据本文所公开的解决方案的用于制造纳米纤丝化纤维素的方法。
此外，通常，在本文公开的通过对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝来生产纳米纤丝化纤维素的装置中，该装置包括一个或多个精磨机以对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝。每个或多个精磨机包括至少一个精磨区域，其形成在包括精磨表面的基本相对布置的精磨元件之间，其中至少一个精磨元件被设置为能够相对于至少一个基本相对布置的精磨元件旋转。此外，在至少一个精磨机中，至少一个精磨元件的精磨表面包括至少一个开口，用于将待精磨的纤维材料通过该至少一个开口供给到至少一个精磨区域，并且/或者至少一个精磨机的至少一个精磨元件的精磨表面包括至少一个开口，用于将在至少一个精磨区域中经过了精磨的纤维材料通过该至少一个开口从该至少一个精磨区域中排出。此外，所述至少一个精磨机被设置为被操作以在精磨中产生小于3J/m的比边缘载荷。优选地，至少一个精磨机被操作以在精磨中产生小于1J/m的比边缘载荷。
在上述公开的精磨的所有实施例中，待精磨的纤维材料在至少一个精磨机5的精磨区域20中的行程长度小于在纳米纤丝化纤维素的常规精磨中的行程长度，其中，纤维材料通过精磨区域的一端被供给至精磨区域，精磨后的纤维材料通过精磨区域的相对端从该精磨区域中排出。如上所述，在本文公开的解决方案中，尽管纳米纤丝化纤维素的表观粘度高，但影响至少一个精磨机的刀片元件的精磨表面的总摩擦力仍然是合理的，从而导致在生产纳米纤丝化纤维素时的基本低能耗。
根据该方法的一个实施例，待精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口被供给到至少一个精磨区域中，并且/或者在至少一个精磨区域中经过了精磨的纤维材料通过至少一个精磨元件的精磨表面中的至少一个开口从该至少一个精磨区域中排出。根据该实施例，在该装置中，每个精磨机的至少一个精磨元件的精磨表面包括至少一个开口，用于将待精磨的纤维材料通过该至少一个开口供给到至少一个精磨区域，并且/或者每个精磨机的至少一个精磨元件的精磨表面包括至少一个开口，用于将在至少一个精磨区域中经过了精磨的纤维材料通过该至少一个开口从该至少一个精磨区域中排出。
此外，可以通过适当地选择定子刀片元件8的精磨表面11和转子刀片元件15的精磨表面18的特性，换言之，通过定子刀片元件8的精磨表面11和转子刀片元件15的精磨表面18的刀片节段–刀片沟槽构造的适当设计，来影响纳米纤丝化纤维素的生产或制造以及在纳米纤丝化纤维素的生产或制造中应用的比边缘载荷SEL。通过适当地选择刀片节段-刀片沟槽构造，精磨机可以被配置为使得精磨机能够被操作以在精磨中产生小于3J/m、优选小于1J/m的比边缘载荷。
在下文中，考虑了用于转子刀片元件15或扇形部15的精磨表面18的一些属性，但是用于定子刀片元件8或扇形部8的精磨表面11的相应属性是相似的，除非另有具体说明。
参照图3，根据一个实施例，精磨表面18的间距P、即单个刀片节段16和与刀片节段16相邻的单个刀片沟槽17的共同宽度最大为3mm。最大3mm的间距P提供了非常密集的刀片节段-刀片沟槽构造，由此精磨机中的定子刀片元件8的刀片节段9和转子刀片元件15的刀片节段16所提供的刀刃长度非常大。这与上述公开的定子刀片元件8和转子刀片元件15的构造中的开口12、19相同，具有使待精磨的纤维材料的磨解程度、即精磨程度非常高的效果，以便形成纤维素微纤丝或微纤丝束，同时使比边缘载荷SEL能够保持相当低。根据磨解程度，分离的纤维素微纤丝或微纤丝束的粒度为几纳米(nm)或微米(μm)。分离的纤维素微纤丝或微纤丝束的平均长度可以例如为0.2-200μm，并且平均直径可以例如为2-1000nm。
根据一个实施例，各个刀片节段9、16的宽度W9、W16至多为刀片元件的间距P的一半。根据该实施例，并再次参照图3，这因而意味着各个刀片节段9、16的宽度W9、W16最多等于刀片沟槽10、17的宽度W10、W17。该实施例的效果是，刀片元件8、15中的刀片沟槽10、17的容积足够大，以防止刀片元件8、15的精磨表面11、18堵塞。
根据一个实施例，刀片节段9、16的高度通常至多为10mm，但是在非常密集的节段-凹槽模式下高度低于10mm，例如低于5mm，甚至低于3mm。通常，节段高度在操作过程中会降低，但是在本文公开的解决方案中，由于待精磨的纤维材料和/或经过了精磨的纤维材料被引导流动穿过开口12、19，因而凹槽容积实际上并没有限制液压容量，所以即使是低高度也可以不牺牲液压容量。
刀片元件8、15的间距和刀片元件8、15中的开口12、19的总开口面积可被组合选择，以使得转子13每转一次，精磨机中的刀片节段9、16的共有刀刃长度优选地是至少50km。
根据一个实施例，相对布置的刀片元件8、15中的刀片节段9、16彼此交叉。再次参照图3，该图示出了转子刀片元件15的精磨表面18以及其中的刀片节段16和刀片沟槽17，可以看出刀片节段16和刀片沟槽17相对于轴向方向A被设置在大约30°的刀片节段角度α16处，如图3中的点划线所示。通常，转子刀片元件15中的刀片节段角度α16可以为0°至75°，例如10°至50°。在定子刀片元件8中，刀片节段9、从而还有刀片沟槽10依次被设置在相对于轴向方向A大约0°至75°的刀片节段角度α9处，相对于转子刀片元件15中的刀片节段16和刀片沟槽17处于相反的方向。在图3中用虚线示意性地示出了定子刀片元件8中的刀片节段9和刀片沟槽10相对于转子刀片元件15中的刀片节段16和刀片沟槽17的方向的取向。通常，定子刀片元件8中的刀片节段角度α9可以为例如5°至40°。
相对布置刀片元件8、15中的刀片节段9、16的交叉取向确保足够强的剪切力被集中在准备由相对布置的刀片节段9、16加以精磨的纤维材料上。为了获得该效果，相对布置的刀片元件8、15的精磨表面11、18中的刀片节段9、16之间的角度、即相交角度α9+α16可在10°至100°之间变化。
此外，除了锥形精磨机之外，本文公开的解决方案还可以通过一个或多个盘形精磨机来实现，盘形精磨机包括在精磨机的径向方向、即与精磨机的轴向方向基本垂直的方向上延伸的盘形精磨元件。在盘形精磨机中，在精磨机的轴向方向上调节精磨区域的尺寸，并且当调节精磨区域的尺寸时，准备在盘形精磨机中移动的精磨元件也可以是静止精磨元件或能够旋转的精磨元件。盘形精磨机还可具有任意数量的定子和/或转子。不同的盘形精磨机的基本结构和操作原理对于精磨机领域的技术人员是已知的，因此在此不更详细地公开。
此外，除了锥形精磨机和盘形精磨机之外，本文公开的解决方案也可以通过一个或多个圆柱形精磨机来实现，圆柱形精磨机包括在精磨机的轴向方向上延伸的圆柱形精磨元件。在圆柱形精磨机中，通常通过调节静止精磨元件的直径来进行精磨区域尺寸的调节，由此，静止精磨元件的运动以及精磨区域尺寸的改变都在精磨机的径向方向R上进行。因此，在圆柱形精磨机中，加载装置可以设置为与定子可操作地连接，以使定子的直径响应于由控制单元施加到加载装置的相应控制信号而改变，从而使定子或转子刀片元件朝向转子或定子刀片元件移动。然而，类似的调节原理也可以应用在锥形精磨机中。圆柱形精磨机还可以具有任意数量的定子并且/或者转子。不同的圆柱形精磨机的基本结构和工作原理对于精磨机领域的技术人员也是已知的，因此在此不更详细地公开。
对本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明的构思可以采取各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种生产纳米纤丝化纤维素的方法，其中，对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝，所述方法包括：
在至少一个精磨机(5)中的至少一个精磨区域(20)中对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝，所述至少一个精磨区域(20)形成于包括精磨表面(11、18)的相对布置的精磨元件(7、13)之间，并且所述精磨通过使所述精磨元件(7、13)中的至少一个精磨元件(13)能够相对于相对布置的至少一个精磨元件(8)旋转来进行，
将待精磨的纤维材料通过所述至少一个精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)中的至少一个开口(12、19)供给到所述至少一个精磨机(5)的至少一个精磨区域(20)，并且/或者将在所述至少一个精磨机(5)的至少一个精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过所述至少一个精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)中的至少一个开口(12、19)从所述至少一个精磨区域(20)中排出，并且
在精磨中通过调节所述至少一个精磨机(5)的精磨区域(20)的尺寸和调节所述至少一个精磨机(5)的至少一个能够旋转的精磨元件(13)的旋转速度中的至少一项，来操作所述至少一个精磨机(5)以提供小于3J/m的比边缘载荷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，操作所述至少一个精磨机(5)以在精磨中产生小于1J/m的比边缘载荷。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在精磨中，使待精磨的纤维材料的比能耗小于2MWh/T。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将待精磨的纤维材料通过一个所述精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)中的至少一个开口(12、19)供给至所述精磨区域(20)，并将在所述精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过相对布置的精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)中的至少一个开口(12、19)从所述精磨区域(20)中排出，或者将待精磨的纤维材料通过能够旋转的精磨元件(13)的精磨表面(18)中的至少一个开口(19)供给至所述精磨区域(20)，并将在所述精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过相对布置的静止精磨元件(7)的精磨表面(11)中的至少一个开口(12)从所述精磨区域(20)中排出。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将待精磨的纤维材料通过静止精磨元件(7)的精磨表面(11)中的至少一个开口(12)供给至所述精磨区域(20)，并将在所述精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过相对布置的能够旋转的精磨元件(13)的精磨表面(18)中的至少一个开口(19)从所述精磨区域(20)中排出。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使至少一部分待精磨的纤维材料经受至少五次精磨作用。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使至少一部分待精磨的纤维材料通过同一个精磨机(5)循环至少五次，以使待精磨的纤维材料经受至少五次精磨作用。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用待精磨的未精磨纤维材料替换一部分经过了至少一次精磨的纤维材料，并供给经过了至少一次精磨的纤维材料的替换部分用于进一步处理。
9.一种用于生产纳米纤丝化纤维素的装置(1)，该装置包括至少一个精磨机(5)，用于对含有木质纤维素的纤维材料精磨以分离纳米纤丝，在所述装置(1)中，
所述至少一个精磨机(5)中的每一个均包括至少一个精磨区域(20)，所述至少一个精磨区域形成于包括精磨表面(11、18)的相对布置的精磨元件(7、13)之间，所述精磨元件(7、13)中的至少一个精磨元件(13)被设置为能够相对于至少一个相对布置的精磨元件(7)旋转；
所述至少一个精磨机(5)的至少一个精磨元件(7，13)的精磨表面(11，18)包括至少一个开口(12、19)，用于将待精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(12、19)供给到所述至少一个精磨区域(20)，并且/或者用于将在所述至少一个精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(12、19)从所述至少一个精磨区域(20)中排出；并且
所述装置(1)被设置为在精磨中通过调节所述至少一个精磨机(5)的精磨区域(20)的尺寸和调节所述至少一个精磨机(5)的至少一个能够旋转的精磨元件(13)的旋转速度中的至少一项，来提供小于3J/m的比边缘载荷。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述至少一个精磨机(5)被设置成被操作以在精磨中提供小于1J/m的比边缘载荷。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述装置(1)被设置成在精磨中使待精磨的纤维材料的比能耗小于2MWh/T。
12.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述至少一个精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)包括至少一个开口(12、19)，用于将待精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(12、19)供给至所述精磨区域(20)，相对布置的精磨元件(7、13)的精磨表面(11、18)包括至少一个开口(12、19)，用于将在所述精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料从所述精磨区域(20)中排出。
13.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，
所述至少一个精磨机(5)包括：能够旋转的精磨元件(13)，所述能够旋转的精磨元件包括位于所述精磨表面(18)中的至少一个开口(19)，用于将待精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(19)供给至所述精磨区域(20)；相对布置的静止精磨元件(7)，所述相对布置的静止精磨元件包括位于所述精磨表面(11)中的至少一个开口(12)，用于将在所述精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(12)从所述精磨区域(20)中排出，或者，
所述至少一个精磨机(5)包括：静止精磨元件(7)，所述静止精磨元件包括位于所述精磨表面(11)中的至少一个开口(12)，用于将待精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(12)供给至所述精磨区域(20)；相对布置的能够旋转的精磨元件(13)，所述相对布置的能够旋转的精磨元件包括位于所述精磨表面(18)中的至少一个开口(19)，用于将在所述精磨区域(20)中经过了精磨的纤维材料通过所述至少一个开口(19)从所述精磨区域(20)中排出。
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