FI126457B - Menetelmä fibrillisellun tuottamiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä fibrillisellun tuottamiseksi

Keksinnön kohde

Keksintö kohdistuu menetelmää fibrillisellun tuottamiseksi, jossa selluloosapohjaista kuitumateriaalia syötetään jauhatusrakoon fibrillien erottamiseksi.

Keksinnön taustaa

Lignoselluloosapitoisten kuitujen jauhatuksessa esim. kiekko- tai kartiojauhi-mella matalassa noin 3-4 %.n sakeudessa kuituseinän rakennetta löyhennetään ja kuitujen pinnasta irrotetaan fibrillejä eli ns. hienoaineita. Syntyneellä hienoaineella ja taipuisilla kuiduilla on edullinen vaikutus useiden paperilajien ominaisuuksiin. Sellukuitujen jauhatuksessa on kuitenkin tavoitteena säilyttää kuitujen pituus ja lujuus. Mekaanisen massan jälkijauhatuksessa tavoitteena on kuitujen osittainen fibrillointi ohentamalla paksua kuituseinää jauhamalla fibrillien irrottamiseksi kuidun pinnasta.

Lignoselluloosapitoiset kuidut ovat myös hajotettavissa kokonaan pienemmiksi osasikseen irrottamalla kuitujen seinämien rakenneosina toimivat fibril-lit, jolloin saatujen partikkelien kokoluokka pienenee huomattavasti. Näin saadun ns. fibrillisellun ominaisuudet poikkeavat huomattavasti normaalin sellumassan ominaisuuksista. Fibrillisellua voidaan myös käyttää paperin valmistuksessa lisäaineena ja saada lisättyä paperituotteen palstautumis-ja vetolujuutta, sekä lisätä paperin tiiviyttä. Fibrillisellu eroaa myös ulkomuodoltaan sellumassasta, sillä se on geelimäistä materiaalia, jossa fibrillit ovat vesidispersiona. Fibrillisellun ominaisuuksien vuoksi siitä on tullut haluttu raakamateriaali, jota sisältäville tuotteille olisi teollisuudessa useita käyttökohteita, mm. lisäaineena eri koostumuksissa.

Fibrillisellua pystytään eristämään sellaisenaan suoraan eräiden bakteerien (mm. Acetobacter xylinus) fermentaatioprosessista. Kaikista lupaavin potentiaalinen raaka-aine fibrillisellun suurimittakaavaista tuotantoa ajatellen on kuitenkin kasviperäinen selluloosakuituja sisältävä raaka-aine, erityisesti puu ja siitä valmistettu sellumassa. Fibrillisellun valmistus sellusta vaatii kuitujen hajotuksen edelleen fibrillien kokoluokkaan. Käsittelyssä selluloosakuitu-suspensio ajetaan korkeita leikkausvoimia materiaaliin tuottavan homo-genisointivaiheen läpi useita kertoja. Tämä voidaan saada aikaan ohjaamalla suspensiota toistuvasti suuressa paineessa kapeasta aukosta, jossa se saavuttaa suuren nopeuden. Voidaan käyttää myös jauhinkiekkoja, joiden välistä kuitususpensiota syötetään useita kertoja. Käytännössä fibrillisellun valmistus perinteisen kokoluokan sellukuidusta voidaankin toteuttaa nykyään vain laboratoriomittakaavan kiekkojauhimilla, joita on kehitetty elintarviketekniikan tarpeisiin. Tämä tekniikka vaatii useita peräkkäisiä jauhatuskertoja, esimerkiksi 2-5 kertaa, jotta päästään nanoselluloosan kokoluokkaan. Menetelmä on myös huonosti skaalattavissa teolliseen mittakaavaan. WO2011/064441 kuvaa menetelmän massan valmistamiseksi, jolloin valmistettu massa sisältää ainakin 30 painoprosenttia nanofibrilloitua selluloosamateriaalia kuivatusta massasta mitattuna, menetelmän käsittäessä raaka-aineen tuomisen järjestelmään, joka raaka-aine sisältää selluloosaa, ainakin yhden optisen kirkasteen annostelemisen järjestelmään jauhatusapuaineena, ja raaka-aineen jauhamisen annostellun optisen kirkasteen läsnä ollessa ainakin yhdessä esijauhatusvaiheessa tai fibrillaatiovaiheessa fibrilloidun selluloosamateriaalin muodostamiseksi. WO2010/092239 kuvaa menetelmän modifioidun nanofibrilloidun selluloosan valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistetaan selluloosamateriaalista kuituja sisältävä suspensio, absorboidaan selluloosajohdannainen tai polysakkaridi tai polysakkaridijohdannainen suspensiossa oleville mainituille kuiduille erityisolosuhteissa, ja altistetaan mainittua selluloosajohdannaista tai polysakkaridia tai polysakkaridijohdannaista sisältävä kuitususpensio mekaaniselle hajotukselle, jotta saadaan mainitulla selluloosajohdannaisella tai polysakkaridilla tai polysakkaridijohdannaisella modifioitua nanofibrilloitua selluloosaa. US2011/0008638 kuvaa selluloosananokuidun joka on saatavissa menetelmällä, jossa hapetetaan selluloosamateriaalia hapetusaineella (1) N-oksyyliyhdisteen ja (2) bromidista, jodidista ja niiden seoksista valittujen yhdisteiden läsnä ollessa hapetetun selluloosan saamiseksi, jauhetaan hapetettu selluloosa hienoksi märissä olosuhteissa hapetetun selluloosan muuttamiseksi nanokuiduiksi, ja jonka B-tyypin viskositeetti (60 rpm, 20°C) vesiliuoksessa 2% (paino/tilavuus) konsentraatiossa on 500-7000 mPa-s. FI105112 kuvaa puuhakkeista, ruohosta tai paperinvalmistukseen soveltuvasta mekaanisesta, puolikemiallisesta tai kemiallisesta massasta koostuvan kuitupitoisen materiaalin kuiduttamiseen soveltuvan laitteen. FI120733 kuvaa laitteen hienojakoisen kalsiumhydroksidin valmistamiseksi sammuttamalla kalsiumoksidia vedellä, joka laite käsittää a) vastaiskumyllyperiaatteella toimivan iskuhajottimen, joka käsittää syöttöaukolla varustetun kotelon, kotelon sisään sovitetun ensimmäisen roottorin, joka on varustettu siivillä, joissa on törmäyspinnat ja jotka muodostavat yhden tai useamman mainitun roottorin kanssa samankeskistä kehää, kotelon sisään sovitetun ensimmäisen roottorin kanssa samankeskisentoisen roottorin tai staattorin, joka roottori tai staattori on varustettu siivillä, joissa on törmäyspinnat ja jotka muodostavat yhden tai useamman, tyypillisesti vähintään kaksi, mainitun roottorin tai staattorin kanssa samankeskistä kehää, jotka on sijoitettu lomittain ensimmäisen roottorin kehän tai kehien kanssa. EP2377658 kuvaa menetelmän puulastuja sisältävän levyn valmistamiseksi puupohjaisesta lähtömateriaalista, jossa menetelmässä lähtömateriaali hajotetaan valittuun kokoon jatkuvatoimisella sekoittimella, joka toimii iskumyllyperiaatteella, jossa sekoittimessa on ainakin kaksi roottoria joissa on jauhinsiivet, ainakin yhden roottorin ollessa pyörivä ja jolloin ainakin osa siivistä on asetettu kulmaan roottorin säteittäiseen pyörimissuuntaan nähden. GB891152 kuvaa laiteen aineiden rakenteen muuttamiseksi jatkuvatoimisesti, jossa laitteessa on useita ensimmäisiä kammioita asetettuna yleisesti rengasmaiseen riviin, useita toisia kammioita säteittäisesti matkan päässä ensimmäisistä kammioista yleisesti rengasmaisessa rivissä oleellisesti samankeskisesti ensimmäisen rivin kanssa, kammioiden ollessa erotettuna värähtelevillä jäsenillä, ja välineet ainakin yhden kammiosarjan pyörittämiseksi yhdessä kummankin rivin yhteisen keskiön ympäri.

Keksinnön lyhyt yhteenveto

Keksinnön tarkoituksena on poistaa em. epäkohdat ja esittää menetelmä, jolla fibrillisellua voidaan valmistaa hyvällä kapasiteetilla ja myös korkeammassa sakeudessa. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle, jossa selluloosapohjaista kuitumateriaalia, jossa selluloosakuidun sisäisiä sidoksia on heikennetty kemiallisella modifioinnilla, syötetään jauhatusrakoon fibrillien erottamiseksi, on tunnusomaista, että kuitumateriaali syötetään useiden vastakkaisiin suuntiin pyörivien roottorien (R1, R2, R3...) läpi roottorien pyörimisakselin (RA) suhteen säteissuunnassa ulospäin siten, että materiaali joutuu vastakkaisiin suuntiin liikkuvien eri roottoreiden terien (1) vaikutuksesta toistuvasti leikkaus- ja iskuvoimien alaiseksi samalla fibrilloituen, jolloin fibrillointi tapahtuu iskuenergian avulla tiheiden toistuvien vaikutussuunnaltaan vaihtelevien iskujen sarjaa hyväksikäyttäen.

Suuri merkitys on sillä, että suspensiona oleva kuitumateriaali saa toistuvasti iskuja peräkkäisten roottorien terien eli ripojen törmätessä siihen aina vastakkaisista suunnista, kun terät kulkevat pyörimisnopeuden ja säteen (etäisyys pyörimisakseliin) määräämällä kehänopeudella vastakkaisiin suuntiin. Koska kuitumateriaali kulkeutuu säteissuunnassa ulospäin, se iskeytyy peräjälkeen vastakkaisista suunnista suurella kehänopeudella tulevien terien eli ripojen leveisiin pintoihin, eli se saa useita peräkkäisiä iskuja vastakkaisista suunnista. Myös terien eli ripojen leveiden pintojen reunoissa, jotka muodostavat terävälin aina seuraavan roottorin terän vastapäisen reunan kanssa, esiintyy leikkausvoimia jotka edesauttavat fibrilloitumista. Käsiteltävänä kuitumateriaalina on sellainen selluloosa, jossa kuidun sisäisiä sidoksia on jo heikennetty kemiallisella esikäsittelyllä. Selluloosa on tällöin kemiallisesti modifioitua selluloosaa. Tällaiseen selluloosaan, jota on jo labiloitu sopivasti ennen sen mekaanista käsittelyä, voidaan vaikuttaa yllättävän hyvin tiheästi toistuvilla vastakkaissuuntaisilla terien (ripojen) aikaansaamilla iskuilla, joita peräkkäisten roottorien sarja kykenee tuottamaan, ja terien (ripojen) reunoissa syntyvillä leikkausvoimilla kun kuidut siirtyvät yhden roottorin vaikutusalueelta seuraavan roottorin vaikutusalueelle.

Fibrillointi toimii lisäksi hyvin, kun kuitususpension pH on neutraalilla tai lievästi alkalisella alueella (pH 6-9, edullisesti 7-8). Myös korotettu lämpötila (yli 30 °C) edesauttaa fibrilloitumista. Normaali toimintaympäristö lämpötilan suhteen on käsittelyssä normaalisti 20-60 °C. Lämpötila on edullisesti välillä 35-50 °C.

Kunkin roottorin kehällä on useita teriä, jotka säteissuunnassa edellisen ja/tai seuraavan roottorin useiden terien kanssa saavat aikaan vastakkaisiin suuntiin pyörimisliikkeen johdosta siirtyessään toistuvasti useita kapeita terävälejä eli -rakoja, joissa kuidut joutuvat myös leikkausvoimien alaiseksi terien eli ripojen vastakkaisten reunojen ohittaessa suurella nopeudella toisensa vastakkaisiin suuntiin siirtyessään.

Voidaan todeta, että kussakin kahteen vastakkaiseen suuntaan pyörivän roottorin roottoriparissa syntyy kummankin roottorin yhden pyörähdyksen aikana lukuisa määrä kapeita terävälejä ja vastaavasti iskusuunnan vaihtoja, joiden toistumistiheys on verrannollinen terien eli ripojen lukumäärään kehällä. Terien eli ripojen kuitumateriaaliin aiheuttamien iskujen suunta vaihtuu siis suurella tiheydellä . Terävälien määrä pyörähdysten aikana ja toistumistiheys riippuu siitä, kuinka tiheästi terät on jaettu kummankin roottorin kehälle, sekä vastaavasti kummankin roottorin pyörimisnopeudesta. Tällaisten roottoriparien määrä on n-1, missä n on roottorien kokonaismäärä, koska yksi roottori muodostaa parin aina säteissuunnassa ulompana olevan roottorin kanssa lukuun ottamatta ulointa roottoria, jonka kautta käsitelty massa poistuu jauhatusprosessista.

Eri roottoreissa voi olla eri määrä teriä eli ripoja, esimerkiksi siten, että terien lukumäärä kasvaa ulommissa roottoreissa. Terien eli ripojen lukumäärä voi vaihdella muunkin kaavan mukaan.

Terien/ripojen tiheydellä kunkin roottorin kehällä sekä terien kulmilla säteissuunnan suhteen sekä roottorien pyörimisnopeuksilla voidaan vaikuttaa jauhatustehoon (jauhatuksen intensiteettiin) sekä jauhettavan kuitumateriaalin läpimenoaikaan.

Suurella taajuudella eri suunnista tuleviin iskuihin perustuva fibrillointimenetelmä sopii erityisen hyvin sellaisille selluloosapohjaisille kuitumateriaaleille, joissa selluloosan sisäisiä sidoksia on heikennetty kemiallisella esikäsittelyllä, jolloin menetelmällä voi valmistaa fibrillisellua. Esikäsitelty selluloosa voi tällöin olla karboksimetyloitua, hapetettua (esim. N-oksyylivälitteinen hapetus) tai kationoitua.

Vielä yksi menetelmällä saavutettavissa oleva etu on se, että sillä voidaan jauhaa kuitumateriaalia myös suuremmissa sakeuksissa (2-4 %) verrattuna esim. homogenisaattoriin, koska samaa materiaalia useita kertoja jauhettaessa tapahtuva geeliytyminen ei vaadi materiaalin laimentamista. Periaate mahdollistaa jopa tätä suurempienkin sakeuksien käytön, jolloin terien/ripojen tiheys voidaan sovittaa vastaamaan kulloinkin käytettyä sakeutta.

Menetelmä on edullinen myös siinä mielessä, että se on helposti skaalattavissa suuremmaksi esimerkiksi roottorien lukumäärää kasvattamalla.

Piirustusten kuvaus

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää keksinnössä käytettyä laitetta roottorien pyörimisakseliin yhtyvässä leikkaustasossa A-A, kuva 2 esittää kuvan 1 laitetta osittaisena vaakaleikkauksena, kuva 3 esittää keksinnössä käytettyä toisen suoritusmuodon mukaista laitetta roottorien pyörimisakseliin yhtyvässä leikkaustasossa A-A, kuva 4 esittää kuvan 3 laitetta osittaisena vaakaleikkauksena, ja kuvat 5-7 esittävät näytteitä laitteella jauhetuista materiaaleista. Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Fibrillisellulla tarkoitetaan tässä hakemuksessa selluloosapohjaisesta kuitu-raaka-aineesta erotettuja selluloosamikrofibrillejä tai mikrofibrilli-kimppuja. Näille fibrilleille on ominaista korkea muotosuhde (pituus/halkaisija): niiden pituus voi ylittää 1 pm, kun taas halkaisija jää tyypillisesti alle 200 nm. Pienimmät fibrillit ovat ns. elementaarifibrillien kokoluokkaa, jossa halkaisija on tyypillisesti 2-12 nm. Fibrillien mitat ja kokojakautuma riippuu jauhatusmene-telmästä ja -tehokkuudesta. Fibrillisellu voidaan karakterisoida selluloosa-pohjaiseksi materiaaliksi, jossa partikkeleiden (fibrillien tai fibrillikimppujen) mediaanipituus on enintään 10 pm, esimerkiksi välillä 0,2 -10 pm, edullisesti enintään 1 pm ja partikkeleiden halkaisija on alle 1 pm, vaihdellen sopivim-min välillä 2 nm - 200 nm. Fibrillisellulle on ominaista suuri ominaispinta-ala ja vahva kyky muodostaa vetysidoksia. Fibrillisellu on vesidispersiossa ulkonäöltään tyypillisesti joko vaaleaa tai lähes väritöntä, geelimäistä materiaalia. Fibrillisellu voi kuituraaka-ainesta riippuen sisältää myös jonkin verran muita puun ainesosia kuten hemiselluloosaa tai ligniiniä. Fibrillisellusta usein käytettyjä rinnakkaisnimiä on nanofibrilloitu selluloosa eli ”nanofibrillated cellulose” (NFC), josta usein on käytetty vain yksinkertaista nimitystä ”nano-selluloosa”, ja mikrofibrilloitu selluloosa eli ”microfibrillated cellulose” (MFC).

Termillä ”jauhaminen” tai ”fibrillointi” tarkoitetaan tässä hakemuksessa yleisesti materiaalin pienentämistä mekaanisesti partikkeleiden kohdistetun työn avulla, joka voi olla hiertämistä, murskaamista tai leikkaamista tai näiden yhdistelmää tai muuta vastaavaa partikkelikokoa pienentävää toimintaa. Jau-hatustyön viemä energia ilmaistaan yleensä termein energia/käsitelty raaka-ainemäärä, yksikkönä esim. kWh/kg, MWh/tonni tai näihin verrannolliset yksiköt.

Jauhatus suoritetaan matalassa sakeudessa kuituraaka-aineen ja veden seokselle, kuitususpensiolle. Eräässä suoritusmuodossa kuitumateriaalia syötetään vähintään 1 % sakeudessa, edullisesti 2-4% sakeudessa. Jauhatuksessa olevasta kuituraaka-aineen ja veden seoksesta käytetään jäljempänä myös nimitystä massa. Jauhatuksessa oleva kuituraaka-aine voi tarkoittaa kokonaisia kuituja, niistä erottuneita osia, fibrillikimppuja ja fibrilleitä, ja tyypillisesti massa on näiden elementtien seos, jossa ainesosien suhteet riippuvat jauhatusvaiheesta.

Erityisesti tässä hakemuksessa esitetyssä tapauksessa ”jauhatus” tai ”fibrillointi” tapahtuu iskuenergian avulla tiheiden toistuvien ja vaikutussuunnaltaan vaihtelevien iskujen sarjaa hyväksikäyttäen.

Kuvassa 1 esitetty laite käsittää useita vastakkaisiin suuntiin pyöriviä roottoreita R1, R2, R3..., jotka on sijoitettu sisäkkäin samankeskisesti niin, että ne pyörivät yhteisen pyörimisakselin RA ympäri. Laitteessa on sarja samaan suuntaan pyöriviä roottoreita R1, R3... sekä vastakkaiseen suuntaan pyöriviä roottoreita R2, R4..., jolloin roottorit on järjestetty pareittain niin, että yhtä roottoria seuraa ja/tai edeltää säteissuunnassa aina vastakkaiseen suuntaan pyörivä roottori. Yhteen suuntaan pyörivät roottorit R1, R3... on yhdistetty samaan mekaaniseen pyörityselimeen 5. Vastakkaiseen suuntaan pyörivät roottorit R2, R4... on yhdistetty myös samaan mutta edelliseen nähden vastakkaiseen suuntaan pyörivään mekaaniseen pyörityselimeen 4. Molemmat pyörityselimet 4, 5 on yhdistetty omaan käyttöakseliinsa, joka on tuotu alhaalta. Käyttöakselit voivat sijaita samankeskisesti pyörimisakselin RA suhteen, esimerkiksi niin että ulompi käyttöakseli on kiinnitetty alempana olevaan pyörityselimeen 4 ja sen sisälle sijoitettu ja sen suhteen vapaasti pyörivä sisempi käyttöakseli on kiinnitetty ylempään pyörityselimeen 5.

Kuvassa ei ole esitetty laitteen kiinteää koteloa, jonka sisälle roottorit on sijoitettu pyöriväksi. Kotelossa on syöttöyhde, jonka kautta materiaalia voidaan syöttää ylhäältä sisimmän roottorin R1 sisäpuolelle, ja poistoyhde, joka sijaitsee sivussa suuntautuen suunnilleen tangentiaalisesti ulospäin roottoreiden kehiin nähden. Kotelossa on alhaalla myös läpiviennit käyttöakseleille. Käytännössä roottorit muodostuvat geometrinen pyörimisakseli RA keskipisteenä kulkevalle ympyrän kehälle tietyin välein sijoitetuista siivistä eli teristä 1, jotka suuntautuvat säteen suuntaan. Samassa roottorissa siipien 1 väliin muodostuu läpivirtausväyliä 2, joiden kautta jauhettava materiaali pääsee säteissuunnassa ulospäin. Kahden peräkkäisen roottorin R1, R2; R2, R3; R3, R4 jne. väliin muodostuu roottorien vastakkaiseen suuntaan tapahtuvan pyörimisliikkeen aikana toistuvasti ja suurella tiheydellä useita terävälejä eli -rakoja, joista kuvassa 2 on kuvattu säteissuunnassa neljännen ja viidennen roottorin R4, R5 terien 1 välissä viitenumerolla 3. Saman roottorin terät 1 muodostavat kapeita rakoja eli terävälejä 3 säteissuunnassa edellisen (pienempisäteisen ympyrän kehällä sijaitsevan) roottorin terien 1 kanssa ja säteissuunnassa seuraavan (suurempisäteisen ympyrän kehällä sijaitsevan) roottorin terien 1 kanssa. Vastaavasti syntyy kahden peräkkäisen roottorin välillä suuri määrä iskusuuntien vaihtoja ensimmäisen roottorin terien kulkiessa ympyrän kehän suunnassa ensimmäiseen suuntaan ja seuraavan roottorin terien kulkiessa samankeskisen ympyrän kehän suunnassa päinvastaiseen suuntaan.

Ensimmäinen sarja roottoreita R1, R3, R5 on sijoitettu samaan mekaaniseen pyörityselimeen 5, joka koostuu vaakasuorasta alakiekosta ja vaakasuorasta yläkiekosta, jotka on yhdistetty toisiinsa ensimmäisen, säteissuunnassa sisimpänä olevan roottorin R1 terien 1 kautta. Yläkiekkoon on puolestaan kiinnitetty muiden tämän ensimmäisen sarjan roottorien R3, R4 terät 1 alaspäin suuntautuviksi. Tässä sarjassa saman roottorin terät 1, lukuun ottamatta sisintä roottoria R1, on yhdistetty alapäästään vielä yhdysrenkaalla. Toinen sarja roottoreita R2, R4, R6 on sijoitettu toiseen mekaaniseen pyörityselimeen 4, joka on em. alakiekon alapuolella sijaitseva vaakasuora kiekko, johon sarjan roottorien terät 1 on kiinnitetty ylöspäin suuntautuviksi. Tässä sarjassa saman roottorin terät 1 on yhdistetty yläpäästään yhdysrenkaalla. Em. yhdysrenkaat ovat samankeskisiä pyörimisakselin RA suhteen. Alakiekot on keskitetty samankeskisiksi vielä kiekkojen vastakkaisissa pinnoissa olevien rengasmaisen uran ja siihen sijoittuvan rengasmaisen kohouman avulla, jotka myös sijaitsevat samankeskisesti pyörimisakselin RA suhteen yhtä etäällä siitä.

Kuvasta 1 näkyy, että siivet eli terät 1 ovat pyörimisakselin RA suuntaisia pitkänomaisia kappaleita, joiden korkeus on suurempi kuin leveys I (dimensio säteissuunnassa). Vaakaleikkaukseltaan terät ovat nelikulmion muotoisia, kuvassa 2 suorakulmion muotoisia. Kuitumateriaali kulkeutuu poikittain terien pituussuuntaan nähden keskeltä ulospäin, ja terien 1 säteissuunnassa sijaitsevien pintojen reunassa olevat särmät muodostavat pitkiä ja kapeita terän pituussuuntaan ulottuvia terävälejä 3 toisen roottorin terien 1 vastaavien särmien kanssa.

Roottorit R1, R2, R3... ovat näin tavallaan pyörimisakselin suhteen samankeskisten pyörähdyskappaleiden muotoisia läpivirtausroottoreita, joiden kuitumateriaalia käsittelevä osa muodostuu pyörimisakselin RA suuntaan ulottuvista pitkänomaisista siivistä eli teristä 1 ja niiden väliin jäävistä läpivirtausväylistä 2.

Kuvasta 1 näkyy myös, että roottorien terien 1 korkeudet h1, h2, h3... kasvavat vähitellen ensimmäisestä eli sisemmästä roottorista R1 alkaen ulospäin. Tämän johdosta myös roottorin terien 1 rajaamien läpivirtausväylien 2 korkeudet kasvavat samaan suuntaan. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kun säteissuuntaisen virtauksen virtauspoikkipinta-ala kasvaa ulospäin roottorien kehien pituuden kasvaessa, korkeuden kasvu lisää myös tätä poikkipinta-alaa. Yksittäisen kuidun kulkunopeus siis hidastuu ulospäin jos tilavuusvirtauksen ajatellaan olevan vakio. Käsiteltävä materiaali kulkeutuu roottorien pyörimisliikkeestä johtuvan keskipakovoiman vaikutuksesta roottorien läpi tietyllä viipymisajalla.

Kuten kuvasta 2 on helposti pääteltävissä, roottoriparin yhdellä kokonais-pyörähdyksellä (asemasta, jossa tietyt terät 1 ovat kohdakkain, asemaan, jossa samat terät 1 ovat taas kohdakkain) syntyy useita terävälejä 3 kehän suunnassa peräkkäisten terien 1 kohdatessa pyörähdyksen aikana toisen roottorin peräkkäisiä teriä 1. Tämän seurauksena väylien 2 kautta ulommaksi säteissuunnassa siirtyvä materiaali joutuu jatkuvasti leikkaus - ja iskuvoimien alaiseksi eri roottorien teräväleissä 3 ja roottorin kehällä terien 1 välisissä läpivirtausväylissä 2, kun materiaali siirtyy roottorin alueelta sitä ulomman roottorin alueelle, samalla kun terien kehänsuuntainen liike ja sen suunnanmuutokset eri suuntiin pyörivien roottoreiden johdosta estää materiaalin läpivirtauksen liian nopeasti roottorien läpi ulos keskipakovoiman vaikutuksesta.

Terävälejä 3 ja vastaavasti terien 1 toistensa ohittamisia ja vastaavasti iskusuunnan muutoksia kahdessa säteissuunnassa peräkkäisessä roottorissa syntyy taajuudella [1/s], joka on 2 x fr x ηι x n2 , jossa ni on ensimmäisen roottorin terien 1 lukumäärä kehällä, n2 on toisen roottorin terien lukumäärä kehällä, ja fr on pyörimisnopeus kierrosta/s. Kerroin 2 johtuu siitä, että roottorit pyörivät samalla pyörimisnopeudella vastakkaisiin suuntiin. Yleisemmässä muodossa kaava on muotoa (fr( 1) + fr(2)) x ni x n2, jossa fr(1) on ensimmäisen roottorin pyörimisnopeus ja fr(2) on toisen roottorin pyörimisnopeus vastakkaiseen suuntaan.

Kuvasta 2 näkyy vielä, kuinka terien 1 lukumäärä eri roottoreissa voi olla erilainen. Kuvassa terien 1 lukumäärä/roottori kasvaa sisimmästä roottorista alkaen, lukuun ottamatta viimeistä roottoria R6, jossa se on pienempi kuin edellisessä roottorissa R5. Pyörimisnopeuksien (rpm) ollessa samat roottorin sijainnista ja pyörimissuunnasta riippumatta tämä merkitsee sitä, että taajuus jolla terät 3 ohittavat tietyn kohdan ja vastaavasti terävälien 3 muodostumistaajuus kasvaa laitteen säteissuunnassa sisältä ulospäin.

Kuvissa 3 ja 4 on esitetty periaatteeltaan ja rakenteeltaan kuvien 1 ja 2 kaltainen laite. Erona on, että kaksi viimeistä roottoria R5 ja R6, jotka pyörivät keskenään eri suuntiin, on varustettu terillä 1, jotka ovat kulmassa säteen r suuntaan nähden, kun muissa roottoreissa terät ovat säteen r suuntaisia. Viimeistä edellisessä roottorissa R5 terien 1 ne pinnat, jotka rajaavat läpivirtausväyliä 2, ovat kulmassa a1 säteen r kanssa pyörimissuunnan puolella, eli niiden ulompi reuna on kehän suunnassa edellä sisempää reunaa. Myös viimeisessä roottorissa R6 on terät on käännetty säteen suhteen kulmaan a2 pyörimissuuntaan päin. Eri roottorien teräkulmat ovat samansuuruiset, mutta ne voivat olla myös erisuuruiset. Kulmat α1, a2 voivat olla välillä 30-60° Kuvassa 4 kulmat α1, a2 ovat 45° Terien 1 kulma-asennon johdosta ne ovat vaakaleikkauksessa suunnikkaan muotoisia. Eräässä suoritusmuodossa ainakin yhdessä roottorissa (R5, R6) suurin osa teristä, edullisesti kaikki terät (1) ovat kääntyneet säteen (r) suunnan suhteen kulmaan (α1, a2) pyörimissuuntaan.

Kun terät 1 ovat edellä kuvatulla tavalla kääntyneet pyörimissuuntaan, niillä voidaan pidättää paremmin käsiteltävää kuitumateriaalia roottorien terien alueella ja lisätä viipymäaikaa ja käsittelytehoa. Myös muissa roottoreissa voidaan teriä asettaa kulmaan säteen kanssa niin, että kulma syntyy pyörimissuunnan puolelle. Kulmat voivat myös vaihdella eri roottoreissa, esimerkiksi niin, että kulma kasvaa ulommaksi mentäessä. Sisemmissä roottoreissa voi olla pienempi kulma kuin ulommissa roottoreissa. Tämä tilanne on tavallaan myös kuvassa 4, koska siinä kulma säteen r kanssa on 0 kaikissa muissa roottoreissa paitsi em. kahdessa viimeisessä roottorissa.

Kuvissa 1 ja 3 terien ulottuvuus I säteen r suunnassa on 15 mm ja terävälin 3 mitta e samassa suunnassa on 1,5 mm. Mainitut arvot voivat vaihdella, esimerkiksi 10-20 mm ja 1,0 - 2,0 mm. Mitoitukseen vaikuttaa esimerkiksi käsiteltävän materiaalin sakeus.

Laitteen halkaisija d laskettuna uloimman roottorin R6 ulkoreunasta voi vaihdella halutun kapasiteetin mukaan. Kuvissa 1 ja 3 halkaisija on 500 mm, mutta halkaisija voi olla suurempikin, esimerkiksi yli 800 mm. Kun halkaisijaa kasvatetaan, tuotantokapasiteetti kasvaa suuremmassa suhteessa kuin halkaisijoiden suhde.

On havaittu, että roottorien pyörimisnopeuden lasku heikentää fibrilloitumista. Samoin virtausnopeuden (tuotannon) lasku parantaa selvästi fibrilloitumista, eli mitä pidemmällä viipymäajalla käsiteltävä materiaali on terien eli ripojen iskuvoimien ja leikkausvoimien vaikutuksen alaisena, sitä parempi fibrillointitulos on.

Edellä kuvatussa prosessissa käsiteltävänä materiaalina, josta tehdään fibrillisellua, käytetään veden ja selluloosapohjaisen kuitumateriaalin seosta, jossa kuidut on erotettu toisistaan edeltävissä mekaanisen massan tai kemiallisen massan valmistusprosesseissa, joissa lähtöaineena on sopi-vimmin puuraaka-aine. Fibrillisellun valmistuksessa voidaan käyttää myös muista kasveista peräisin olevia selluloosakuituja, joiden rakenteesta on erotettavissa selluloosafibrilleitä. Jauhettavan matalasakeuksisen massan sopiva sakeus on 1,5 - 4,5 %, erityisesti vähintään 2 %, sopivimmin 2 - 4 % (paino/paino) vesiväliaineessa. Massa on tällöin riittävän laimeaa, jotta lähtöainekuidut voidaan syöttää tasaisesti ja riittävän turvonneina niiden avaamiseksi ja fibrillien erottamiseksi. On myös mahdollista, että materiaalina on jo kerran tai useammin saman prosessin läpi mennyt kuitumateriaali, jossa fibrillejä on jo erottunut. Materiaalin ollessa jo osittain geeliytynyttä edeltävien käsittelykertojen johdosta materiaalia voidaan ajaa samassa (geelimäisen olomuodon kannalta) suhteellisen korkeassa sakeudessa. On kuitenkin huomattava, että menetelmän tarjoamien muunnos-mahdollisuuksien johdosta (mm. terätiheys, pyörimisnopeudet ja vastaavasti kehänopeudet, iskutiheydet jne.) käsiteltävän massan sakeus voi olla laajalla välillä, 1-10%.

Tietyssä sakeudessa vedessä olevaa kuitumateriaalia syötetään edellä kuvatulla tavalla roottorien R1, R2, R3... läpi kunnes se on geeliytynyt ja saavuttanut fibrillisellulle ominaisen viskositeetin. Tarvittaessa käsittely toistetaan yhden tai useamman kerran ajamalla materiaali uudestaan roottorien läpi, tai toisen samantyyppisen roottorisarjan läpi, jolloin kaksi tai useampi edellä kuvatun roottoriston käsittävä laite voi olla kytkettynä sarjaan.

Syötettävän massan selluloosapohjaiset kuidut ovat edullisesti entsymaattisesti tai kemiallisesti esikäsiteltyjä, esimerkiksi hemiselluloosan määrän pienentämiseksi. Selluloosakuidut ovat myös kemiallisesti modifioituja, jolloin selluloosamolekyyleissä on alkuperäiseen selluloosaan verrattuna muita funktionaalisia ryhmiä ja selluloosakuidun sisäiset sidokset ovat tämän johdosta heikentyneet, eli selluloosa on labiloitua. Tällaisia ryhmiä on mm. karboksyyliryhmät tai kvaternäärinen ammonium (kationinen selluloosa). Karboksyyliryhmiä saadaan selluloosamolekyyleihin tunnetusti mm. N-oksyylivälitteisellä selluloosan hapetuksella, josta yksi esimerkki on ”ΤΕΜΡΟ’’-kemikaalilla suoritettu hapetus. Kuituraaka-aineena voi olla myös karboksimetyloitu selluloosa.

Lopputuotteena riittävän usean jauhatuskerran jälkeen saatu fibrillisellususpensio on ominaisuuksiltaan voimakkaasti leikkausoheneva geeli. Tyypillisesti sen viskositeettia mitataan Brookfield-viskometrilla. Kui tujen täydellinen fibrilloituminen tapahtuu energiankulutuksen funktiona ja fibrillisellun sisältämiä hajoamattomia kuituseinän palasten osuutta mitataan esimerkiksi Fiberlab-laitteella.

Jauhatuksella keksinnön mukaisella menetelmällä, tarvittaessa toistamalla jauhatus eli syöttämällä sama kuitumateriaali kaksi tai useampi kerta laitteen läpi tai peräkkäin sarjassa olevien laitteiden läpi, voidaan saada fibrillisellua, jonka vesipohjaisen dispersion viskositeetti kasvaa ominaisenergian (energiankulutuksen) funktiona, eli jauhatukseen käytetyn ominaisenergian kasvaessa. Tuotteen viskositeetilla ja menetelmässä käytetyllä ominaisenergialla on siis positiivinen korrelaatio. On myös havaittu, että jauhatuksella saadaan fibrillisellua, jonka sameus ja kuitupartikkelien määrä alenee ominaisenergian (energiankulutuksen) funktiona.

Tyypillisesti menetelmässä pyritään lopputuotteena saamaan fibrillisellua, jonka Brookfield-viskositeetti 0,8 % sakeudessa mitattuna on vähintään 1000 mPa-s., edullisesti vähintään 5000. Kysymyksessä voi olla esimerkiksi ennen jauhatusta katalyyttisesti hapetettu massa (karboksyyliryhmiä sisältävä selluloosa), esimerkiksi N-oksyylivälitteisesti (kuten TEMPO-katalyytti) hapetettu, joka toteuttaa em. arvon. Hapetettu massa lähtöaineena pyritään edullisesti fibrilliselluun, jonka Brookfield-viskositeetti 0,8 % sakeudessa mitattuna on vähintään 10000 mPa-s, esimerkiksi välillä 10000 -20000. Saaduille vesipohjaisille fibrilliselludispersioille on korkean viskositeetin ohella ominaista myös ns. ”shear thinning”, leikkausohenevuus, eli viskositeetti laskee leikkausnopeuden kasvaessa.

Lisäksi pyritään fibrilliselluun, jolla on tyypillisesti alle 80 NTU:n, edullisesti 20-60 NTU:n sameus 0,1 p-% sakeudessa (vesiväliaine) nefelometrialla mitattuna.

Lisäksi pyritään leikkausohenevaan fibrilliselluun, jolla on nollaleikkausviskositeetti (shear stress viscosity; vakioviskositeetin ”tasanne” pienillä leikkausjännityksillä) alueella 2000 - 50000 Pa s ja myötöjännitys (yield stress; leikkausjännitys jossa leikkausohenevuus alkaa) alueella 3-30 Pa, edullisesti alueella 6-15 Pa, mitattuna 0,5 p-% sakeudessa (vesiväliaine).

Edellisissä määrittelyissä olevat sakeudet tarkoittavat sakeuksia joissa mittaukset suoritetaan, eivätkä ne ole välttämättä menetelmällä saadun tuotteen sakeuksia.

Seuraavassa selostetaan keksinnölle suoritettuja koeajoja. Lähtömassa oli standardimenetelmällä TEMPO hapetettu valkaistu koivusellu. Lähtömassan varaus määritettiin konduktometrisellä titrauksella ja se oli 1,2 mmol/g.

Laitteet: A: ”Atrex”-sekoitin, malli G30, halkaisija 500 mm, 6 roottorikehää, käytetty pyörimisnopeus 1500 rpm (roottorit pyörivät vastakkaisiin suuntiin).

M: Masuko Supermasscolloider, malli MKZA10-15J F: Fluidisator, Microfluidics M110Y

Tapa-sarakkeessa on laitetta tarkoittavan kirjaimen jälkeen jauhatussakeus prosentteina ja sen jälkeen läpiajokertojen lukumäärä pisteellä erotettuna, jos useampia kuin yksi.

Tulokset on esitetty seuraavassa taulukossa. Sameusarvot on saatu nefelometrialla 0,1% sakeudessa olevasta näytteestä. Viskositeetti on Brookfield-viskositeetti, joka on määritetty 0,8 % sakeudessa, pyörimisnopeus 10 rpm. näyte tapa sameus (NTU) viskositeetti (mPa-s) 1019 TA 1.2 35 10984 1020 TA 1.4 32 33454 1021 TA 2.2 57 10481 1022 TA 2.4 13 45630 1023 TM 1 48 36086 1024 TM 2 41 40189 1025 TF1 19 60982 1026 TF2 16 49075

Sameuden ja viskositeetin mittausmenetelmät on esitetty lyhyesti seuraavassa.

Sameus:

Sameus voidaan mitata kvantitatiivisesti optisilla menetelmillä, jotka toimivat kahdella eri fysikaalisella mittausmenetelmällä: valon vaimentumisen mittaus näytteessä (turbidimetria) ja näytteestä partikkeleiden johdosta sironneen valonsäteilyn mittaus (nefelometria).

Fibrillisellu on oleellisesti läpinäkyvä (transparentti) vesiväliaineessa. Enemmän fibrilloituneilla materiaaleilla on pienempi sameus NTU-yksikköinä (nephelometric turbidity units) ilmaistuna. Sameuden mittaus sopii siis erityisen hyvin fibrillisellun karakterisointiin. Mittauksissa käytettiin HACH P2100 -laitetta. Näyte valmistettiin sekoittamalla 0,5 g kuiva-ainemäärää vastaava tuotemäärä veteen niin, että kokonaismääräksi tuli 500 g, minkä jälkeen näyte jaettiin eri mitta-astioihin määritystä varten.

Viskositeetti:

Fibrillisellun viskositeetti mitattiin Brookfield RVDV-III -rotaatioviskosimetrillä valitsemalla anturi “vane spindle” (numero 73). Tuotetta laimennettiin vedellä 0,8 p-% sakeuteen ja näytettä sekoitettiin 10 min ennen mittausta. Lämpötila säädettiin alueelle 20 °C ± 1 °C.

Kuvissa 5-7 on esitetty valomikroskooppikuvat koeajoissa saaduista näytteistä 1022, 1023 ja 1025. Kuten kuvista näkyy, keksinnön mukaisella menetelmällä fibrilloitu tuote (laite A), näyte 1022, ei eroa ulkoisesti tunnetuilla referenssimenetelmillä saaduista näytteistä 1023 ja 1025.

Menetelmällä saatua fibrillisellua voidaan käyttää sen Teologisten ominaisuuksien, fibrillien lujuusominaisuuksien, sekä siitä tehtyjen tuotteiden läpikuultavuuden johdosta monissa käyttökohteissa, kuten Teologisena säätöaineena ja viskositeetin säätäjänä sekä eri rakenteiden osina, kuten esim. lujitteena. Fibrillisellulla on käyttöä mm. öljykentillä Teologisena säätöaineena ja tiivistysaineena. Samoin fibrillisellua voidaan käyttää eri lääketieteellisten ja kosmeettisten valmisteiden lisäaineena, lujitteena komposiittimateriaaleissa, sekä paperituotteiden ainesosana. Tämän luettelon ei ole tarkoitus olla tyhjentävä, vaan fibrillisellua voidaan käyttää myös muissa käyttökohteissa mikäli se havaitaan ominaisuuksiltaan niihin sopivaksi.

Claims (11)

1. Menetelmä fibrillisellun tuottamiseksi, jossa selluloosapohjaista kuitumateriaalia, jossa selluloosakuidun sisäisiä sidoksia on heikennetty kemiallisella modifioinnilla, syötetään jauhatusrakoon fibrillien erottamiseksi, tunnettu siitä, että kuitumateriaali syötetään useiden vastakkaisiin suuntiin pyörivien roottorien (R1, R2, R3...) läpi roottorien pyörimisakselin (RA) suhteen säteissuunnassa ulospäin siten, että materiaali joutuu vastakkaisiin suuntiin liikkuvien eri roottoreiden terien (1) vaikutuksesta toistuvasti leikkaus- ja iskuvoimien alaiseksi samalla fibrilloituen, jolloin fibrillointi tapahtuu iskuenergian avulla tiheiden toistuvien vaikutussuunnaltaan vaihtelevien iskujen sarjaa hyväksikäyttäen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuitumateriaalia syötetään vähintään 1 % sakeudessa, edullisesti 2-4% sakeudessa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syötettävä kuitumateriaali on osaksi geeliytynyttä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosa on N-oksyylivälitteisesti hapetettua selluloosaa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosa on karboksimetyloitua selluloosaa.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosa on kationoitua selluloosaa.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapohjaista kuitumateriaalia käsitellään syöttämällä sitä roottorien (R1, R2, R3...) läpi kunnes se on saavuttanut Brookfield-viskositeetin vähintään 1000 mPa-s, edullisesti vähintään 5000 mPa-s. 0,8 % sakeudessa mitattuna.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapohjaista kuitumaterialia käsitellään syöttämällä sitä roottorien (R1, R2, R3...) läpi kunnes se on saavuttanut sameusarvon alle 80 NTU, edullisesti 20-60 NTU mitattuna 0,1 % sakeudessa.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapohjaista kuitumateriaalia käsitellään syöttämällä sitä roottorien (R1, R2, R3...) läpi kunnes se on saavuttanut nollaleikkausviskositeetin 2000 - 50000 Pa s ja myötöjännityksen 3-30 Pa, edullisesti 6-15 Pa, mitattuna 0,5 % sakeudessa.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että roottoreissa on teriä (1), jotka ovat säteen (r) suunnan suhteen kulmassa (α1, a2) pyörimissuuntaan.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yhdessä roottorissa (R5, R6) suurin osa teristä, edullisesti kaikki terät (1) ovat kääntyneet säteen (r) suunnan suhteen kulmaan (α1, a2) pyörimissuuntaan. Patentkrav: