KR20210105357A - 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량을 증가시키기 위한 프로세스 및 시스템 - Google Patents

마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량을 증가시키기 위한 프로세스 및 시스템 Download PDF

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한스 헨릭 외브레뵈
파르 세이드 알리 무사비
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보레가드 에이에스
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Abstract

본 발명은 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)를 포함하는 현탁액으로부터/현탁액 중의 용매를 적어도 부분적으로 제거 또는 교환하기 위한 프로세스 및 시스템, 구체적으로는 비교적 높은 용매(물) 함량을 갖는 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 상대적으로 더 낮은 용매 함량으로 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 프로세스 및 시스템, 관한 것이다. 따라서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 중에 특히 0.1 % 중량비("w/w") 범위의 제 1 고형물 함량으로부터 6 % w/w, 바람직하게는 1 % 중량비("w/w") 내지 5% w/w로, 5 % w/w를 초과하는 제 2 고형물 함량, 바람직하게는 5 % w/w - 50% w/w의 고형물 함량, 더 바람직하게는 5 % w/w - 25% w/w의 고형물 함량으로 증가한다. 별개의 양태에서, 제 1 용매의 적어도 부분적 제거 후의 용매 교환 단계도 본 발명의 일부이다.

Description

마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량을 증가시키기 위한 프로세스 및 시스템
본 발명은 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거, 구체적으로는 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매, 특히 물의 적어도 부분적으로 제거하기 위한 프로세스에 관한 것이며, 여기서 현탁액은 비교적 높은 용매 함량, 특히 물 함량으로부터 상대적으로 더 낮은 용매 함량으로 변한다. 따라서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은, 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 중에, 특히 0.1% 중량비("w/w") 내지 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w 내지 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w 내지 3.5% w/w의 범위의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 1 고형물 함량으로부터 5% w/w 이상의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 2 고형물 함량, 바람직하게는 5% w/w - 50% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량, 더 바람직하게는 6% w/w - 30% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량, 더 바람직하게는 7% w/w - 20% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량으로 증가하며, 제 2 고형물 함량은 제 1 고형물 함량보다 높다.
본 발명은 또한 MFC를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하기 위한 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은0.1% 중량비("w/w") 내지 6% w/w 범위의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량을 갖는 마이크로피브릴화 셀룰로오스, 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 수용하기 위한 기판을 포함하고, 상기 기판은 적어도 부분적으로 개구부를 가지며, 또한 상기 시스템은, 상기 기판 상에 수용된 상태에서, 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 주위 압력보다 낮은 압력에 노출시키기 위한 적어도 하나의 장치를 포함한다.
마이크로피브릴화 셀룰로오스(특히"망상" 셀룰로오스 또는 "초미세" 셀룰로오스, 또는 "셀룰로오스 나노피브릴"로 알려져 있고, 이하에서는 "MFC"라 함)는 셀룰로오스 기반의 생성물이고, 예를 들면, US 4 481 077, US 4 374 702 및 US 4 341 807에 기술되어 있다. US 4 374 702("Turbak")에 따르면,마이크로피브릴화 셀룰로오스는 셀룰로오스 섬유에 비해 길이 스케일이 감소되고, 보수성(water retention)이 향상되고, 점탄성 특성이 조절가능하다. 개선된 특성 및/또는 특정 용도로 조정된 특성을 갖는 MFC는 특히 WO 2007/091942 및 WO 2015/180844로부터 알려져 있다.
마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)는 셀룰로오스로부터 유래된 귀중한 생성물이며, 일반적으로 셀룰로오스 섬유를 기하학적 컨스트레인트(constraint)에 (반복적으로) 통과시킴으로써 피브릴 및 마이크로피브릴/나노피브릴을 형성하도록 전개시켜 풀어내는 프로세스로 제조된다. 예를 들면, MFC는, WO 2015/180844에 개시되어 있는 바와 같이, 셀룰로오스의 액체 조성물(현탁액)을 소직경 오리피스에 통과시킴으로써 제조될 수 있으며, 여기서 이 조성물은 적어도 1000 psig의 압력 강하 및 고속 전단 작용을 받고, 그 후에 고속 감속 충격을 받는다. 상기 조성물의 상기 오리피스에의 통과는 셀룰로오스 조성물이 실질적으로 안정한 조성물로 될 때까지 반복된다. 이 프로세스는 셀룰로오스를 마이크로피브릴화 셀룰로오스로 변환시키며, 이 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 셀룰로오스 출발 재료의 실질적인 화학 변화없이 귀중한 물리적 특성(겔 형성 능력, 식소트로피 특성(thixotropic property), 높은 보수성 값 WRV 등)을 갖는다.
마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제조하기 위한 다른 프로세스는 US 5 385 640("Weibel")에 기재되어 있다. Weibel은 섬유상 셀룰로오스 재료를 분산된 3차 레벨의 구조로 정제함으로써 이러한 구조적 변화에 수반된 원하는 특성을 달성하기 위한 비교적 단순하고 저렴한 수단을 제공한다. 이러한 방식으로 제조된 셀룰로오스 섬유는 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 하위 그룹인 "마이크로디노미네이티드 셀룰로오스(MDC; microdenominated cellulose)"라고 부른다. 여기서, 섬유상 셀룰로오스의 액체 조성물을 고전단 영역에 반복적으로 통과시킴으로써 마이크로피브릴화 셀룰로오스가 얻어지며, 고전단 영역은 2 개의 마주보는 표면에 의해 형성되며, 이 표면 중 하나는 복수의 조건 하에서 충분한 시간 동안 다른 표면에 대해 회전하여 조성물을 실질적으로 안정화시키고, 조성물에 보수성을 부여하고, 이 보수성은 셀룰로오스 조성물의 고전단 영역에의 반복적 통과에 따라 일관된 증가를 보여준다. 이 프로세스는 점도의 추가적 증가가 얻어지지 않을 때까지 점도를 증가시켜 겔 구조를 유발한다. 이러한 처리 후, 균질의 MFC가 얻어지고, 이와 같이 셀룰로오스로부터 마이크로셀룰로오스로의 변환이 완료된다.
일반적으로, MFC의 수송 전, 특히 대량의 MFC의 사용장소로의 수송 전에 마이크로피브릴화 셀룰로오스로부터 용매를 제거할 필요가 있다. 특히, 물이 용매인 경우, 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 물류 및 보관 비용을 최소화하기 위해 사용장소로의 수송 전에 적어도 부분적으로 탈수할 필요가 있다. 그러나, 예를 들면, 식품 산업이나 페인트 산업에서 고객에게 가치가 있도록 하기 위해, 마이크로피브릴화 셀룰로오스는, 사용장소에서 최종적으로 원하는 용매 함량을 조정할 때, 특성이 상당히 손실되지 않는 용매 함량으로 제공 및 수송되어야 한다. 특히, MFC를 포함하는 현탁액으로부터 용매의 부분적 제거 및/또는 교환의 단계/프로세스는 (수송 전에 및/또는 용매의 제거 전에) 최초로 얻어지는 마이크로피브릴화 셀룰로오스에 비해 각각 겔상 구조의 점도의 상당한 손실을 일으켜서는 안된다. 이러한 용매(물)의 제거가 마이크로피브릴의 응집을 방지하는 방식으로 수행되지 않는 경우, 사용장소에서 MFC의 성능 특성의 일부는 저하되거나 상실될 수 있다.
마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 제거하기 위해 사용되는 종래의 프로세스는, 특히, 액체 질소(동결용)를 사용하는 겔의 동결 건조 및 승화에 의한 건조를 포함한다. 이들 프로세스는 실험실 단계에서 적절히 구현될 수 있으나, 액체 질소의 고비용 및 승화를 위해 필요한 고진공으로 인해 대량의 액체로부터 MFC를 효과적으로 분리하기 위한 상업적 구현을 위해서는 이들 프로세스가 억제된다. 처리 시간이 긴 것도 작업 비용을 증가시킨다. MFC로부터 용매(물)를 제거하기 위한 다른 프로세스는 WO 2005/028752에 기재되어 있다. 여기서, MFC의 현탁액은 먼저 압축 수단에 의해 탈수되고, 다음에 MFC는 60℃ 내지 120℃의 온도에서 작동하는 전통적인 건조 오븐 내에서 건조된다.
당 기술분야에서 공지된 바와 같이 용매/물 제거는, "농축된" 현탁액이 재구성(동일하거나 상이한 용매를 사용한 희석) 후에 희석 후에 특정의 특성을 갖는 MFC 최종 생성물로 반드시 이어지지 않을 수도 있다는 점에서, 항상 재현가능한 것은 아닐 수도 있다. 경우에 따라, 용매를 제거하면, 예를 들면, MFC의 용매/물의 보유 특성과 같은 MFC 특성이 저하될 수 있다.
전술한 바와 같이, MFC는 특히 (비교적) 높은 용매/물 보유 능력을 특징으로 한다. 그러나, 높은 용매/물 보유 능력을 갖는 생성물로부터 용매/물을 제거하는 것은 일반적으로 어렵다. 본 발명자들은 종래의 여과 방법, 특히 당 기술분야에서 알려져 있는 프레스 여과를 사용해도 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매의 제거에 대해 만족스러운 결과로 이어지지 않음을 발견하였다.
그러므로, 공지된 선행 기술에 비추어 본 발명에 의해 해결될 하나의 목적은 전술한 문제 또는 단점을 피하거나 경감하는 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매, 특히 물을 적어도 부분적으로 제거하기 위한 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전술한 문제의 일부는 마이크로피브릴화 셀룰로오스(microfibrillated cellulose)를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하기 위한 방법으로서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은, 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 중에, 0.1% 중량비("w/w")내지 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w 내지 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w 내지 3.5% w/w의 범위의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 1 고형물 함량으로부터 5% w/w 이상의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 2 고형물 함량, 바람직하게는 5% w/w - 50% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량, 더 바람직하게는 6% w/w - 30% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량, 더 바람직하게는 7% w/w - 20% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량으로 증가하며, 제 2 고형물 함량은 제 1 고형물 함량보다 높고,
이 방법은 적어도:
(i) 용매 중에, 바람직하게는 물 중에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제공하는 단계 - 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 0.1% 중량비("w/w") - 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w - 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w - 3.5% w/w 범위임 -;
(ii) 단계 (i)로부터의 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 적어도 부분적으로 개구된 기판 상에 도포함과 동시에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 각각의 주위 압력에 비해 감소된 압력에 노출시키는 단계;
(iii) 임의선택적으로 개구된 기판의 적어도 하나의 세그먼트를 적어도 한번 360 도 회전시킴으로써 개구된 기판으로부터 고형물 함량이 증가된 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제거하는 단계를 포함하는, 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따르면, MFC의 "고형물 함량"은 용매(물)를 포함하는 조성물의 전체 중량에 대한 고형물의 중량%로 주어진다.
본 발명에 따르면, 단계 (ii) 후에, 또는 단계 (iii) 후에, 용매(바람직하게는 물) 중의 MFC 현탁액 중의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 2 고형물 함량은 5% w/w 이상, 바람직하게는 5% w/w - 50% w/w, 더 바람직하게는 6% w/w - 30% w/w, 더 바람직하게는7% w/w - 20% w/w이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 것은 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 탈수, 즉 물을 적어도 부분적으로 제거하거나 적어도 90%의 물, 바람직하게는 적어도 95%의 물을 포함하는 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 것이다.
본 발명의 실시형태에서, 단계 (ii) 중에 또는 후에, [단계 (i)로부터의 마이크로피브릴화 셀룰로오스에 비해] 고형물 함량이 증가된 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 단계 (ii)의 혼합물에 적어도 하나의 용매를 첨가하는 단계 (iv)에 배치되고, 상기 용매는 단계 (i)의 용매와 다르다.
따라서, 본 발명의 목적은 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액 중의 용매를 적어도 부분적으로 교환하기 위한 프로세스에 의해서도 달성되며,
상기 프로세스는 적어도:
(i) 제 1 용매 중에, 바람직하게는 물 중에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제공하는 단계 - 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 0.1% 중량비("w/w") - 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w - 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w - 3.5% w/w 범위임 -;
(ii) 단계 (i)로부터의 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 적어도 부분적으로 개구된 기판 상에 도포함과 동시에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 각각의 주위 압력에 비해 감소된 압력에 노출시키는 단계;
(iii) 임의선택적으로 개구된 기판의 적어도 하나의 세그먼트를 적어도 한번 360 도 회전시킴으로써 개구된 기판으로부터 고형물 함량이 증가된 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제거하는 단계;
(iv) 단계 (ii) 중에 또는 그 후에 단계 (ii)의 혼합물에 적어도 하나의 제 2 용매를 첨가하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 용매는 단계 (i)의 제 1 용매와 다르다.
실시형태에서, 용매 교환 단계 (iv) 후에, MFC 고형물 함량은 단계 (i)에서 제공된 현탁액의 MFC 고형물 함량보다 높다. 그러나, 상기 단계 (iv) 후에 달성된 고형물 함량이 단계 (i)의 MFC 현탁액의 고형물 함량과 같거나 이보다 낮는 것은 완전히 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 따르면, "개구부"는 특히 기판 아래에 진공을 가함으로써 기판 상에 존재하는(도포된) 마이크로피브릴화 셀룰로오스로부터 물을 제거하는 것을 가능하게 하는 기판 내의 개구부이다.
실시형태에서, 상기 개구부(관통 구멍)은 기판의 전체 두께를 관통하여 연장한다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 개구된 기판은 단층 또는 다층의 어느 하나로서의 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 필라멘트 직조를 포함하지만 또한 베이스 직물과 바느질될 수도 있다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 개구된 기판의 두께는 200 μm 내지 2000 μm 범위이다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 개구된 기판의 인장 강도는 길이방향이나 횡방향으로 측정되었을 때 적어도 80 kN/m이다.
실시형태에서, 기판의 개방성 정도의 척도로서 일반적으로 사용되는 상기 개구된 기판의 통기성은, ASTM D737-18의 "직물의 통기성의 표준 시험 방법"에 따라 측정되었을 때, 5 내지 1500 L/m2*s, 바람직하게는 5 내지 250 L/m2*s, 더 바람직하게는 10 내지 100 L/ m2*s(2 mbar 진공에서 측정됨)이다.
기판 내의 개구부의 밀도 및 크기는 개구된 기판을 통한 용매 제거 능력과 피브릴 손실이 균형을 이루도록 선택된다(개구부가 너무 작은 것으로 선택되며, 진공이 효율적으로 기능하지 않고, 개구부가 너무 큰 것으로 선택되면 너무 많은 피브릴이 손실될 수 있음).
본 발명의 실시형태에서, 단계 (ii)에서 적용된 진공은 0.1 mbar 내지 800 mbar, 바람직하게는 5 mbar 내지 700 mbar, 더 바람직하게는 20 mbar 내지 700 mbar, 더 바람직하게는 100 mbar 내지 600 mbar이다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 진공은 1 내지 1000 m2 또는 2 내지 100 m2, 바람직하게는 4 내지 80 m2 를 덮는 기판의 영역에 적용된다.
개구된 기판을 위한 적절한 재료의 예는 다음을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다:
Valmet: S4152-L2K2-M2, S1152-L2K2-M7, S5118-L1K3, S5111-L1, S2121-L2K2, Sefar: Tetex DLW 07-8435-SK010, MARO, Outotec: S25, S30, S35, S50, S60.
본 발명에 따르면, 상기 개구된 기판이 적어도 한번 360도 회전하는 임의선택적 단계는 기판의 소정의 세그먼트가 공간 내에서 360도의 각도 범위의 운동을 받는 것을 의미한다(여기서 상기 각도 범위는 원에 한정되지 않고 벡터로 설명될 수 있는 고려될 수 있는 임의의 공간 배치일 수 있음).
바람직한 실시형태에서, 상기 회전 기판은 회전 벨트로서 구현된다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 개구된 기판은 단계 (iii)에서 연속적으로 360 도로 적어도 5 회, 바람직하게는 적어도 50 회, 더 바람직하게는 적어도 100 회 회전한다
본 발명의 실시형태에서, 단계 (ii) 후에 개구된 기판 상에 도포된/수용된 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 층의 두께는 1 mm 내지 200 mm, 바람직하게는 2 mm 내지 100 mm, 더 바람직하게는 3 mm 내지 50 mm, 더욱 더 바람직하게는 4 mm 내지 20 mm, 더 바람직하게는 5 mm 내지 12 mm이다.
본 발명에 따라 발견되는 바와 같이 층의 (비교적 얇은) 두께를 조정하는 것은 층/케이크의 전체에 걸쳐 고형물 함량의 상당한 구배의 축적을 회피하거나 최소화하므로 유리하다(큰 구배는 생성물을 불균질하게 할 수 있고 및/또는 용매 제거/탈수의 효과를 저하시킬 수 있음). 층이 너무 얇으면, 층 내에 공동이 형성되고, 원하는 압력을 유지하는 것이 어려울 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 주어진 부분이 상기 기판 상에 도포된/수용된 상태로 유지되는 시간은 5 초 내지 1000 초, 바람직하게는 10 초 내지 700 초이다.
본 발명의 실시형태에서, 단계 (i)의 전에, 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 용기, 바람직하게는 공급 트레이 내에 소정의 시간 동안 함유된다. 이 공급 트레이는 공급 속도를 제어하기 위해 진공에 또는 주위 압력보다 높은 압력에 노출될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 단계 (iii) 후에 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 용매/물 보유 능력은 단계 (i)에서 초기에 제공된 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 용매/물 보유 능력의 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 더 바람직하게는 적어도 90%이다.
본 발명의 실시형태에서, 단계 (iii) 후에 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 50을 초과하는, 바람직하게는 60을 초과하는, 더 바람직하게는 70을 초과하는 용매/물 보유 능력(용매/물 유지 능력)을 갖는다. 본 발명의 실시형태에서, 단계 (iii) 후에 MFC는 40 - 250, 바람직하게는 50 - 150, 더 바람직하게는 60 - 100의 용매/물 보유 능력을 갖는다.
용매/물 보유 능력("용매/물 유지" 능력이라고도 함)은 본질적으로 액세스 가능한 표면에 관련하여 MFC 구조 내에서 용매(예를 들면, 물)을 유지하는 MFC의 능력을 표시한다. 본 발명에 따르면, 용매/물 보유 능력은 주어진 MFC 샘플을 용매 중의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 0.3% 고형물 함량으로 희석하고, 다음에 이 샘플을 1000 G에서 15 분 동안 원심분리함으로써 측정된다. 투명한 용매상을 침전물로부터 분리한 다음 침전물의 중량을 측정하였다. 용매/물 보유 능력은 (mV/mT)-1로서 주어지며, 여기서 mV는 젖은 침전물의 중량이고, mT는 분석된 건조된 MFC의 중량이다.
본 발명의 실시형태에서, MFC를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하면, 단계 (ii) 또는 단계 (iii) 후에, 20 Pa s - 100 Pa s, 바람직하게는 30 Pa s - 90 Pa s의 PEG 복소 점도(complex viscosity)를 갖는 MFC 현탁액이 얻어진다.
본 발명에 따른 용매(물)의 (부분적) 제거 후에 MFC에서 발견되는 복소 점도의 값은 MFC의 증점 효과가 본 발명의 용매 제거 프로세스 후에 유지됨을 보여준다.
본 발명에 따라 사용되는 PEG 복소 점도 또는 "PEG 점도"는 용매로서 PEG400를 PEG/물 중의 0.65% MFC의 투여량으로 사용하여 측정된다. 현탁액 중의 PEG 및 물의 농도는 각각 60% 및 39%이다. "PEG 400"은 380 내지 420 g/mol의 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜이며, 의약 용도에서 널리 사용되므로 일반적으로 알려져 있고 입수할 수 있다. 복소 점도는 Anton Paar Physica MCR 301 유형의 레오미터(rheometer)로 측정되었다. 모든 측정에서의 온도는 25 ℃였고,"플레이트-플레이트" 형상을 사용하였다(직경: 50mm). 레오로지 측정이 진동 측정(진폭 스위프)으로서 수행되고, 진폭 스위프의 평탄역(plateau)에서의 복소 점도가 측정되었다.
본 발명(상기 프로세스의 상세한 설명을 위해서는 실시례를 참조할 것)에 따라 MFC를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 단계 전(2%의 MFC 고형물 함량) 및 후(10%의 MFC 고형물 함량)에 측정된 입자 크기, 점도 및 보수성 값은 다음의 표와 같다:
배치 평균 입자 크기(μm) PEG 점도(Pa*s) 브룩필드 점도(Pa*s) WRV(g/g)
용매의 적어도 부분적 제거 전의 MFC "P" 58 38 22 67
용매의 적어도 부분적 제거 후의 MFC "P" 60 37 23 70
용매의 적어도 부분적 제거 전의 MFC "F" 34 54 31 83
용매의 적어도 부분적 제거 후의 MFC "F" 36 61 30 101
입자 크기 분포가 레이저 회절(Microtrac S3500)에 의해 측정되었고, 보고된 평균 입자 크기는 평균 체적 직경(MV)을 말한다.물 중의 점도는 5 분의 측정 시간으로 10 rpm의 베인 스핀들(V73)을 구비한 브룩필드 기기를 사용하여 2%(w/w)에서 측정하였다. 용매 제거(탈수) 후에 MFC를 분석하기 위해, WRV, 점도, 및 입자 크기를 분석하기 전에, 샘플을 중정도의 높은 전단(UltraTurrax T25, 10 000 rpm, 4 min, 250 ml)을 사용하여 탈이온수로 2%(w/w)의 농도까지 희석하였다.
예를 들면, 탈수 프로세스에서 마이크로피브릴화 셀룰로오스로부터 용매가 제거된 후에 (사용장소에서) 샘플을 희석하기 위해 적절한 분산을 보장하도록 높은 전단력이 종종 필요하다. 용매 제거(탈수) 중에 이차 결합 및 응집의 형성과 같은 물리적 변화의 정도는 건조 전에 물리적 특성을 회복하기 위해 필요한 전단을 결정한다.
본 발명에 따른 프로세스를 사용할 때, 본 발명에 따른 용매 제거의 프로세스 전에 존재하는 MFC의 물리적 특성은
적당한 전단 내지 높은 전단을 사용하여 부분적으로 또는 완전히 회복되어 MFC 고형물 함량이 증가된 상태에서 즉 용매의 제거 또는 교환 후에 MFC를 재분산시킨다.
본 발명에 따른 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)는 비표면적의 증가 및 단면(직경) 및/또는 길이의 면에서 셀룰로오스 섬유의 크기의 감소를 초래하는 기계적 처리를 받게 되는 셀룰로오스 섬유에 관련된 것으로 이해되어야 하며, 상기 크기 감소는 바람직하게는 나노미터 범위의 직경 및 마이크로미터 범위의 길이를 갖는 "피브릴"을 유발한다.
본 발명의 실시형태에서, 용매는 친수성 용매, 바람직하게는 극성 용매, 더 바람직하게는 프로톤성 용매이다. 바람직한 용매는 물 또는 알코올(예를 들면, 에탄올, 메탄올, 이소-프로판올, 부탄올), 또는 글리콜 및 글리콜 에테르, 또는 이러한 용매의 임의의 혼합물이다.
비프로톤성(미극성을 포함함) 용매, 예를 들면, 에틸 아세테이트, DMSO, 아세톤 또는 1,4 다이옥세인도 존재할 수 있다.
본 발명에 따르면, "물" 및 "탈수"를 언급할 때는 언제든지 물의 일부, 또는 물의 최대 10%, 바람직하게는 물의 최대 5%가 MFC 현탁액 또는 겔을 유지하기에 적합한 임의의 다른 생각할 수 있는 용매에 의해 치환되는 실시형태가 또한 포함된다. 이러한 종류의 적절한 용매는 전술한 바와 같은 용매이다.
"물"은 산업용으로 일반적으로 사용되는 증류수, 처리수 또는 수돗물일 수 있다.
본 발명에 따르면, MFC를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 단계 전, 중 및/또는 후에, 즉 단계 (i) 내지 (iv) 중 임의의 단계 또는 모든 단계에서, 기타 성분 또는 첨가제가 MFC의 현탁액 중에 존재할 수 있거나 그 현탁액에 첨가될 수 있다.
이러한 첨가제 또는 기타 첨가제는 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 염, 셀룰로오스 재료, 셀룰로오스 유도체, 충전제, 계면활성제, 색소, 천연 또는 합성 폴리머(예를 들면, 자일로글루칸, 친수콜로이드 고무, 전분, 당, 당 알코올, PEG)일 수 있다. 첨가제로서 사용할 수 있는 무기 입자의 재료는 특히 점토, 색소, 실리카, 유기염을 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 위에서 언급한 문제의 적어도 일부는 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하거나 용매를 교환하기 위한 시스템에 의해서도 해결되며, 상기 시스템은 적어도 다음의 성분을 포함한다:
- 용매 중의, 바람직하게는 물 중의 마이크로피브릴화 셀룰로오스 - 이 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 0.1% 중량비("w/w") - 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w - 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w - -3.5% w/w 범위임 -;
- 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 수용하기 위한 기판 - 이 기판은 적어도 부분적으로 개구되어 있음 -; 및
상기 기판이 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 수용한 상태에서 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 주위 압력보다 낮은 압력에 노출시키기 위한 적어도 하나의 장치.
방법/프로세스에 관련하여 위에서 설명한 모든 양태 및 실시형태는 필요한 변경을 가하면 이 시스템에도 적용된다.
실시형태에서, 이 프로세스에 관하여 위에서 더 설명한 바와 같이 상기 기판의 적어도 하나의 세그먼트는 적어도 한번 360 도 회전할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 얇고 균일하게 펼쳐진 층("케이크")을 도포할 수 있는 장점에 관련되고, 이는 열 및 진공 프로파일 설정에 관련한 유연성을 더 가능하게 한다.
본 발명의 실시형태에서, 이 시스템은 상기 기판 상에 MFC를 연속적으로 공급할 수 있는 용기를 더 포함한다.
실시형태에서, 상기 용기는 공급 트레이로서 구현된다(도 1 및 도 2 참조).
본 발명의 실시형태에서, 시스템은 상기 개구된 기판의 적어도 일부 위에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 펼치기 위한 적어도 하나의 장치를 더 포함한다(도 4 참조).
실시형태에서, 상기 개구된 기판의 적어도 일부 위에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 펼치기 위한 적어도 하나의 장치는 블레이드(blade)로서, 바람직하게는 고무 블레이드로서 구현된다.
본 발명의 실시형태에서, 시스템은 상기 개구된 기판의 적어도 일부 위에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 펼치기 위한 2 개 이상의 장치, 바람직하게는 2 개 이상의 고무 블레이드를 포함한다.
상기 개구된 기판의 적어도 일부 위에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 펼치기 위한 이 장치의 목적은 마이크로피브릴화 셀룰로오스 층의 균질의 두께를 보장하는 것 및 층 내의 구멍을 최소화하는 것(이러한 구멍은 개구된 기판을 통해 원하지 않는 공기의 흡인을 일으키고 불충분한 진공을 초래할 수 있음).
본 발명의 실시형태에서, 상기 기판 상에 수용된 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공에 노출시키기 위한 장치는 개별적으로 제어될 수 있는 적어도 2 개의 개별 영역으로 분할된다(도 3 참조). 이 실시형태는 개구된 기판을 따라 진공 프로파일(즉, 진공의 변화하거나 상이한 영역)을 이용하여 용매 제거/탈수 단계를 조작하는 것이 가능하다는 이점에 관련된다.
개구된 기판을 통한 피브릴의 손실을 피하기 위해, 제 1 용매 제거 영역에 더 낮은 진공(즉, 보다 높은 절대 압력)을 확립하는 것이 유리할 수 있다.
따라서 바람직한 실시형태에서, 상기 기판 상에 수용된 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공에 노출시키기 위한 장치는 상이한 진공의 2 개의 개별 영역을 포함하며, 이 장치는 제 1 영역의 진공이 제 2 영역의 진공보다 적어도 10%, 바람직하게는 50%, 바람직하게는 90% 더 낮도록 작동될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 시스템은 개구된 기판의 개구부의 적어도 일부로부터, 바람직하게는 본질적으로 모든 개구부로부터 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 본질적으로 완전히 제거할 수 있는 세척 장치를 더 포함한다.
이 세척 시스템은 개구된 기판의 개구부 내의 피브릴 잔류물 및 MFC 페이스트의 배출 후의 가능한 잔류물의 제거가 촉진되는 이점과 관련된다. 이는 개구된 기판 내의 피브릴의 잔류물이 효과적인 용매 제거/탈수를 방해할 수 있기 때문에 유리하다.
이 시스템에 관하여 위에서 설명한 바와 같이 모든 양태 및 실시형태는 필요한 변경을 가하면 방법에도 적용된다.
이하에서 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명하며, 이 도면은 예시적인 것에 불과하다.
도 1은 기판 상의 기판 상에 MFC를 공급하기 위한 예시적인 용기(트레이)의 정면도를 도시하고,
도 2는 기판 상에 MFC를 공급하기 위한 상기 예시적인 용기의 측면도를 도시하고,
도 3은 MFC가 기판 상에 균일하게 펼쳐지도록 MFC에 진공이 효과적으로 가해질 수 있도록 개구부를 갖는 회전 벨트로서 구현되는 MFC를 수용하기 위한 개구된 기판의 일례를 도시하고,
도 4는 기판 상에 MFC를 균일하게 펼치기 위한 장치(여기서는 고무 블레이드)의 일례를 도시하고,
도 5는 다양한 온도에서 필터 케이크의 고형물 함량과 개구된 기판(회전 벨트)의 다양한 구현의 예를 도시하고,
도 6은 pH 값이 여과 능력에 어느 정도로 영향을 주는지에 대한 실험 결과를 도시하고,
도 7은 파일럿 플랜트에서 여과 능력에 미치는 MFC의 품질(등급)과 온도의 영향에 대한 실험 결과를 도시한다.
본 발명의 실시형태에서, 시스템은 MFC를 용기에 공급하기 위한 공급 시스템을 포함한다.
실시형태에서 상기 공급 시스템은 펌프, 바람직하게는 호스 펌프, 용적형 펌프 또는 로브(lobe) 펌프로부터 선택되는 펌프를 포함한다.
실시형태에서, 공급 시스템은 맥동 펌프를 포함하며, 이것의 주된 기능은 펌프로부터의 맥동을 방지하는 것이다. 맥동은 도포 및/또는 여과 프로세스를 불안정하게 할 수 있다.
실시형태에서, 공급 시스템 및/또는 용기는 미리 결정된 온도를 조정 및 제어할 수 있는 열교환기를 포함한다.
본 발명의 실시형태에서, MFC는 단계 (i) 내지 단계 (iii)에서 15℃ 내지 70℃의 온도 범위에 유지된다.
이들 범위는 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 더 우수한 흐름과 증가된 여과능력과 관련된다.
본 발명의 실시형태에서, 단계 (i)에서 MFC의 pH 값은 4 내지 7의 범위 내에 있다.
본 발명의 실시형태에서, 시스템의 용기, 특히 공급 트레이 내의 MFC의 충전 레벨은 25-35%이다. 이 레벨은 기판 상에 MFC를 균일하게 도포하기 위해 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)는 비표면적의 증가 및 단면(직경) 및/또는 길이의 면에서 셀룰로오스 섬유의 크기의 감소를 초래하는 기계적 처리를 받게 되는 셀룰로오스 섬유에 관련된 것으로 이해되어야 하며, 상기 크기 감소는 바람직하게는 나노미터 범위의 직경 및 마이크로미터 범위의 길이를 갖는 "피브릴"을 유발한다.
마이크로피브릴화 셀룰로오스(통상적으로 "셀룰로오스 펄프"로서 존재함)를 제조하기 위한 출발 생성물인 셀룰로오스에서, 개별화된 그리고 "분리된" 셀룰로오스 "피브릴"이 전혀 발견되지 않거나, 적어도 상당하지 않거나 현저하지 않은 부분이 발견된다. 목질 섬유의 셀룰로오스는 피브릴의 응집체이다. 셀룰로오스(펄프)에서, 기본적 피브릴이 마이크로피브릴로 응집되고, 이것은 더 큰 피브릴 다발로 그리고 최종적으로는 셀룰로오스 섬유로 더욱 응집된다. 목질 기반의 섬유의 직경은 통상적으로 10-50 μm 범위 내에 있다(이들 섬유의 길이는 훨씬 더 길다). 셀룰로오스 섬유가 마이크로피브릴화되면, nm 내지 μm의 단면 치수 및 길이를 갖는 "유리된" 피브릴의 비균질 혼합물이 얻어질 수 있다. 피브릴 및 피브릴의 다발은 얻어지는 마이크로피브릴화 셀룰로오스 중에 공존할 수 있다.
마이크로피브릴화 셀룰로오스는 3 차원 네트워크 내에서 서로 끊임없이 상호작용하는 피브릴로 구성되어 있다. MFC의 가장 중요한 성능 특성(정지시의 높은 점도, 전단 감점(식소트로피) 거동, 물 유지 능력)은 이러한 엉켜있는 네트워크의 존재의 결과이다.
본 개시의 전체를 통해 설명한 바와 같이 마이크로피브릴화 셀룰로오스('MFC')에서, 개별 피브릴 또는 피브릴 다발은, 예를 들면, 40 x의 배율의 전통적인 광학 현미경에 의해 또는 전자현미경에 의해 식별 및 용이하게 구분될 수 있다.
본 발명에 따르면, "현탁액"이라는 용어는, 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같이 그리고 IUPAC "Gold Book"[PAC, 1972, 31, 577,(Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units, Appendix II: Definitions, Terminology and Symbols in Colloid and Surface Chemistry); page 606]에서 정의되어 있는 바와 같이, 고형물 입자(여기서는 섬유)가 분산되어 있는 액체를 의미하는 것으로 이해된다.
고형물 함량은 용매와 함께 존재하는 MFC를 오븐으로 건조(105℃, 16 시간)함으로써 측정된다. 적어도 30 g의 샘플이 사전에 계량된 알루미늄 계량 접시로 계량된다. 다음에 샘플을 105℃에서 16 시간 동안 건조하여 용매를 제거한다. 건조된 물질을 갖춘 알루미늄 계량 접시가 계량되고, 식 [중량(접시 + 건조 후의 샘플) - 중량(접시)] * 100%/중량(건조 전의 샘플)에 기초하여 건조 물질이 계산된다.
특별한 지시가 없는 한, 본 개시에서 언급된 임의의 파라미터는 표준 상태, 즉 실온(20℃), 주위 압력(1 bar) 및 50%의 주위 습도에서 측정된다.
특별한 지시가 없는 한, 시스템 전체의 성분의 양에 대하여 주어지는 임의의 비율은 조성물의 내용물의 전체 중량에 대한 중량%로 주어진 것을 의미한다.
위에서 이미 지적한 바와 같이, 원리적으로, 얻어지는 피브릴의 평균 직경이 나노미터 범위 내에 있고, 따라서 원래의 셀룰로오스 재료에서 이용가능한 표면에 비해 셀룰로오스 기반의 재료 전체의 더 많은 표면이 생성되도록 원래의 셀룰로오스 펄프에 존재하는 섬유 다발이 MFC를 제조하는 프로세스에서 충분히 붕괴되는 한 임의의 유형의 마이크로피브릴화 셀룰로오스(MFC)가 본 발명에 따라 사용될 수 있다. MFC는 상기 배경 기술란에서 구체적으로 인용된 종래 기술을 포함하는 당해 기술분야에 설명되는 임의의 프로세스에 따라 제조될 수 있다.
MFC를 제조하는데 사용되는 셀룰로오스의 기원
본 발명에 따르면, 셀룰로오스 및 이에 따라 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 기원에 관하여는 특정의 제한이 없다. 원리적으로, 셀룰로오스 마이크로피브릴의 원료는 임의의 셀룰로오스 재료, 특히 목재, 일년생 식물, 면, 아마, 짚, 모시, 버개스(사탕 수수의 찌꺼기), 적절한 조류, 황마, 사탕무, 감귤류, 식품 가공 산업 또는 에너지 작물로부터의 폐기물 또는 박테리아 기원 또는 동물 기원(예를 들면, 미색동물)의 셀룰로오스일 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 활엽수 또는 침엽수 또는 둘 모두(혼합물)의 목재 기반의 재료가 원료로서 사용된다. 더 바람직하게는 일 종류의 또는 상이한 침엽수 유형의 혼합물인 침엽수가 원료로서 사용된다. 박테리아 마이크로피브릴화 셀룰로오스도 그 비교적 고순도로 인해 바람직하다.
개질된(유도체화된) 및 비개질된(비유도체화된) 셀룰로오스/MFC
원리적으로, 본 발명에 따른 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 그 관능기에 관하여 비개질화될 수 있거나 물리적으로 개질되거나 화학적으로 개질되거나 둘 모두로 개질될 수 있다.
셀룰로오스 마이크로피브릴의 표면의 화학적 개질은 셀룰로오스 마이크로피브릴의 표면 관능기, 더 구체적으로는 히드록실 관능기의 다양한 가능한 반응에 의해, 바람직하게는 산화, 실릴화 반응, 에테르화 반응, 이소시아네이트와의 축합, 알킬렌 산화물과의 알콕시화 반응, 또는 글리시딜 유도체와의 축합 또는 치환 반응에 의해 달성될 수 있다. 화학적 개질은 제세동(defibrillation) 단계 전 또는 후에 행해진다.
셀룰로오스 마이크로피브릴은, 원리적으로, 표면에서의 흡착, 분무, 코팅, 또는 마이크로피브릴의 캡슐화에 의한 물리적 경로에 의해 개질될 수도 있다. 바람직한 개질된 마이크로피브릴은 적어도 하나의 화합물의 물리적 흡착에 의해 얻어질 수 있다. MFC는 양친성 화합물(계면활성제)와의 연관에 의해 개질될 수도 있다.
그러나, 바람직한 실시형태에서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 물리적으로 개질되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 적어도:
(a) 셀룰로오스 펄프를 적어도 하나의 기계적 전처리 단계에 배치하는 단계; 및
(b) 단계 (a)의 기계적으로 전처리된 셀룰로오스 펄프를 균질화 단계에 배치하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되며, 상기 균질화 단계에서 단계 (a)의 기계적으로 전처리된 셀룰로오스 펄프에 존재하는 셀룰로오스 섬유에 비해 길이 및 직경이 감소된 피브릴 및 피브릴 다발이 얻어지고, 상기 단계 (b)에서 마이크로피브릴화 셀룰로오스가 얻어지고;
상기 균질화 단계 (b)는 단계 (a)로부터의 셀룰로오스 펄프를 압축시키는 단계 및 상기 셀룰로오스 펄프를 압력 강하에 배치하는 단계를 수반한다.
기계적 전처리 단계는 바람직하게는 정제 단계이거나 정제 단계를 포함할 수 있다. 기계적 전처리의 목적은 세포벽에의 접근성을 증가시키기 위해, 즉 표면적을 증가시키기 위해 셀룰로오스 펄프를 두드리는 것이다.
기계적 전처리 단계 전에, 또는 기계적 전처리 단계에 더하여, 셀룰로오스 펄프의 효소적 (전)처리는 일부의 용도를 위해 바람직할 수 있는 임의선택적인 추가 단계이다. 마이크로피브릴화 셀룰로오스와 연동하는 효소적 전처리에 관하여, WO 2007/091942의 각각의 내용은 원용에 의해 본원에 포함된다. 화학적 전처리를 포함하는 임의의 다른 유형의 전처리도 본 발명의 범위 내에 있다.
(기계적) 전처리 단계 후에 실시되는 균질화 단계 (b)에서, 단계 (a)로부터의 셀룰로오스 펄프 슬러리는, 예를 들면, PCT/EP2015/001103에 기재된 바와 같이, 적어도 1회, 바람직하게는 2회 호모제나이저(homogenizer)를 통과하며, 이것의 각각의 내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명의 실시형태에서, 위에서 설명한 임의의 하나의 실시형태에 따라 탈수된 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 코팅, 접착제, (표면) 사이즈, 페인트, 잉크, 제빙액 또는 첨가제, 식소트로피 첨가제, 유화제/에멀젼 보조제; 점도 조정, 유전 용도에서의 첨가제, 특히 굴삭액, 홈 케어/퍼스널 케어/개인 위생 용도, 화장품 및 의약 용도, 특히 연고, 에멀젼 또는 고점도 액체, 의료 장치 또는 의료 용도에서의 첨가제 또는 보조제, 특히 반흔 및 창상 케어, 농약, 식품 용도, 예를 들면, 증점제, 영양 보조제, 논칼로리 첨가제, 유화제 등, 3-D 인쇄를 포함하는 인쇄 용도, 복합 재료, 예를 들면, 플라스틱, 고무 또는 종이 기반의 재료, 카드보드 등, 다공질 재료, 폼 또는 에어로겔/하이드로겔; 필터 요소, 막, 세퍼레이터 등을 포함하는 분리 기술, 필름 형성 용도, 배터리 기술 및/또는 플렉시블 일렉트로닉스, 얀, 부직포, 메시 등을 포함하는 섬유 용도 및/또는 필라멘트, 시멘트, 콘크리트, 석고 보드 등을 포함하는 건설 상품의 첨가제 또는 보조제를 포함하는 광범위한 용도에서 사용되지만, 이들에 한정되지 않는다.
실시례
실시례 1:
마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제조
MFC는 노르웨이의 가문비나무(침엽수)의 셀룰로오스 펄프를 기반으로 한 "Exilva"로서 시판되고 있다. 용매 제거를 위한 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 출발 고형물 함량은 2%였다.
MFC는 마이크로피브릴화 셀룰로오스 P 및 마이크로피브릴화 셀룰로오스 F의 2 가지 상이한 품질로 제공하였다. 마이크로피브릴화 셀룰로오스 P와 마이크로피브릴화 셀룰로오스 F의 차이는 마이크로피브릴의 응집체의 크기 및 결과적으로는 3D 네트워크 특성에 주로 관련된다. 마이크로피브릴화 셀룰로오스 "F"는 마이크로피브릴화 셀룰로오스 "P"보다 더 높은 브룩필드 점도, 표면적(보수성) 및 더 높은 인장 강도를 갖는다. 이들 차이는 본 발명의 작용과 관련이 없으나, 이들 2 가지 상이한 마이크로피브릴화 셀룰로오스 재료로부터 용매를 제거하는 것은 본 발명에 따른 방법이 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 상이한 "품질"에 대해 작용함을 보여준다.
실시례 2:
본 발명에 따라 실험실 규모의 시스템에서 2% MFC "F"의 용매 제거(탈수)
2% MFC "F"를 가열 캐비넷 내에서 밤새 템퍼링하였다.
도 5는 개구된 기판(벨트) 및 온도의 선택이 여과 능력에 어느 정도로 영향을 미치는지를 보여준다.
특정 실시례에서, 다음의 개구된 기판이 테스트되었다: Valmet S5111-L1, Valmet S2121-L2K2, Safar Tetex DLW 07-8435-SK010, Maro S35, Maro S25.
진공을 450 mbar로 설정
여과 시간 220 초
필터 케이크 두께: 6-7 mm(ca 70 g)
105℃의 가열 캐비넷 내에서 케이크를 건조시킨 후에 건조 함량이 측정됨
여과액이 시각적으로 관찰되었고, 건조 함량 측정으로부터 수율이 계산되었고, 이는 기판을 통한 피브릴의 식별할 수 있는 손실이 없음을 보여주었다.
실시례 3:
여과 능력에 미치는 pH의 영향
도 6은 pH의 선택이 여과 능력에 어느 정도로 영향을 미치는지를 보여준다.
실험실 규모의 셋업에서 2% MFC "F"의 용매 제거(탈수)
2% MFC "F"를 가열 캐비넷 내에서 밤새 템퍼링하였다.
진공을 450 mbar로 설정
테스트된 개구된 기판: Valmet S4152-l2K2 및 Valmet S4152-L2K2-M7
여과 시간 180 초 및 220 초
필터 케이크 6-7 mm(ca 70 g)
105℃의 가열 캐비넷 내에서 케이크를 건조시킨 후에 건조 함량이 측정됨
여과액이 시각적으로 관찰되었고, 건조 함량 측정으로부터 수율이 계산되었고, 이는 기판을 통한 피브릴의 식별할 수 있는 손실이 없음을 보여주었다.
실시례 4:
여과 능력에 미치는 MFC의 품질 및 온도의 영향
도 7은 온도 및 품질(MFC "P" 대 MFC "F")이 용매 제거 능력에 어느 정도로 영향을 미치는지를 보여준다. (파일럿 플랜트에서).
2 개의 MFC 등급 "P"(더 적게 피브릴화된 것) 및 "F"(더 많이 피브릴화된 것)로부터 용매(물)을 제거함
파일럿 플랜트에서 파일럿 필터에 의한 용매 제거
이 실험에서 사용된 개구부 기판: Maro S50
온도: 20℃ 및 55℃("F"의 경우) 및 55℃("P"의 경우).
개구된 기판 여과 속도 0.4-1.4 m/min.
가열 캐비넷에서 건조로 탈수된 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 건조 함량을 측정
필터에서 용매를 제거한 후, 건조 함량에 생성물의 중량을 곱하여 건조 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 양을 계산

Claims (14)

  1. 마이크로피브릴화 셀룰로오스(microfibrillated cellulose)를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은, 상기 용매를 적어도 부분적으로 제거하는 중에, 0.1% 중량비("w/w")내지 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w 내지 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w 내지 3.5% w/w의 범위의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 1 고형물 함량으로부터 5% w/w 이상의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 제 2 고형물 함량, 바람직하게는 5% w/w - 50% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량, 더 바람직하게는 6% w/w - 30% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량, 더 바람직하게는 7% w/w - 20% w/w의 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량으로 증가하며, 상기 제 2 고형물 함량은 상기 제 1 고형물 함량보다 높고,
    상기 방법은 적어도:
    (i) 용매 중에, 바람직하게는 물 중에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제공하는 단계 - 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 0.1% 중량비("w/w") - 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w - 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w - 3.5% w/w 범위임 -;
    (ii) 단계 (i)로부터의 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 적어도 부분적으로 개구된 기판 상에 도포하고, 상기 개구된 기판 상에 도포하는 중에 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 각각의 주위 압력에 비해 감소된 압력에 노출시키는 단계;
    (iii) 임의선택적으로 상기 개구된 기판의 적어도 하나의 세그먼트를 적어도 한번 360 도 회전시킴으로써 상기 개구된 기판으로부터 고형물 함량이 증가된 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액 중의 용매를 적어도 부분적으로 교환하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은 적어도:
    (I) 제 1 용매, 바람직하게는 물 중에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제공하는 단계 - 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 0.1% 중량비("w/w") - 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w - 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w - 3.5% w/w 범위임 -;
    (ii) 단계 (i)로부터의 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 적어도 부분적으로 개구된 기판 상에 도포하고, 상기 개구된 기판 상에 도포하는 중에 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 각각의 주위 압력에 비해 감소된 압력에 노출시키는 단계;
    (iii) 임의선택적으로 상기 개구된 기판의 적어도 하나의 세그먼트를 적어도 한번 360 도 회전시킴으로써 상기 개구된 기판으로부터 고형물 함량이 증가된 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 제거하는 단계; 및
    (iv) 단계 (ii) 중에 또는 그 후에, 단계 (ii)의 혼합물에 적어도 하나의 제 2 용매를 첨가하는 단계
    를 포함하며, 상기 제 2 용매는 단계 (i)의 제 1 용매와 다른, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거하거나 교환하는 것은 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 탈수, 즉 물을 제거, 또는 적어도 90%의 물, 바람직하게는 적어도 95%의 물을 포함하는 용매를 제거하는 것을 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii) 후에 상기 개구된 기판 상에 도포된/수용된 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 층의 두께는 1 mm 내지 200 mm, 바람직하게는 2 mm 내지 100 mm, 더 바람직하게는 3 mm 내지 50 mm, 더욱 더 바람직하게는 4 mm 내지 20 mm, 더 바람직하게는 5 mm 내지 12 mm인, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (ii)에서 적용된 진공은 0.1 mbar 내지 800 mbar, 바람직하게는 5 mbar 내지 700 mbar, 더 바람직하게는 20 mbar 내지 700 mbar, 더 바람직하게는 100 mbar 내지 600 mbar인, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전하는 상기 기판은 회전 벨트로서 구현되는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 단계 (iii)에서 연속적으로 적어도 5 회, 바람직하게는 적어도 50 회, 더 바람직하게는 적어도 100 회 회전하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 (iii) 후에 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 용매/물 보유 능력은 단계 (i)에서 초기에 제공된 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 용매/물 보유 능력의 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 더 바람직하게는 적어도 90%이고, 바람직하게는 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 단계 (iii) 후에 50을 초과하는, 바람직하게는 60을 초과하는, 더 바람직하게는 70을 초과하는, 바람직하게는 40 - 250, 더 바람직하게는 50 - 150, 더 바람직하게는 60 - 100의 용매/물 보유 능력을 갖는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 나노미터 범위의 직경 및 마이크로미터 범위의 길이를 갖는 "피브릴"를 포함하고, 바람직하게는 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 물리적으로 개질되지 않은, 방법.
  10. 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 포함하는 현탁액으로부터 용매를 적어도 부분적으로 제거 또는 교환하기 위한 시스템으로서,
    상기 시스템은 적어도:
    - 용매 중의, 바람직하게는 물 중의 마이크로피브릴화 셀룰로오스 - 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스의 고형물 함량은 0.1% 중량비("w/w") - 6% w/w, 바람직하게는 1% w/w - 5% w/w, 더 바람직하게는 1.5% w/w - 3.5% w/w 범위임 -;
    - 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 수용하기 위한 기판 - 상기 기판은 적어도 부분적으로 개구되어 있음 -; 및
    - 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스가 상기 기판에 수용되는 중에, 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공, 즉 주위 압력보다 낮은 압력에 노출시키기 위한 적어도 하나의 장치
    를 포함하는, 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    ASTM D737-18에 따라 2 mbar의 진공에서 측정 시, 상기 개구된 기판의 통기성은 5 내지 1500 L/m2*s, 바람직하게는 5 내지 250 L/m2*s, 더 바람직하게는 10 내지 100 L/m2*s인, 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 개구된 기판의 적어도 일부 위에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 전개하기 위한 적어도 하나의 장치를 더 포함하고, 바람직하게는 상기 개구된 기판의 적어도 일부 위에 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 전개하기 위한 장치는 블레이드(blade), 바람직하게는 고무 블레이드로서 구현되는, 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상에 수용된 상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스를 진공에 노출시키기 위한 장치는 개별적으로 제어될 수 있는 적어도 2 개의 개별 영역으로 분할되고, 바람직하게는 상기 장치는 제 1 영역에서의 진공이 제 2 영역에서의 진공보다 10%, 바람직하게는 50%, 더 바람직하게는 90%만큼 더 낮도록 작동될 수 있는, 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법 또는 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 시스템으로서,
    상기 마이크로피브릴화 셀룰로오스는 적어도:
    (a) 셀룰로오스 펄프를 적어도 하나의 기계적 전처리 단계에 배치하는 단계; 및
    (b) 단계 (a)의 기계적으로 전처리된 셀룰로오스 펄프를 균질화 단계에 배치하여, 상기 균질화 단계에서 단계 (a)의 기계적으로 전처리된 셀룰로오스 펄프에 존재하는 셀룰로오스 섬유에 비해 길이 및 직경이 감소된 피브릴 및 피브릴 다발을 생성하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 제조되며, 상기 단계 (b)에서 마이크로피브릴화 셀룰로오스가 얻어지고;
    상기 균질화 단계 (b)는 단계 (a)로부터의 셀룰로오스 펄프를 압축시키는 단계 및 상기 셀룰로오스 펄프를 압력 강하에 배치하는 단계를 수반하는, 방법 또는 시스템.
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