RU2813231C2 - Способ производства наноцеллюлозного материала - Google Patents
Способ производства наноцеллюлозного материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813231C2 RU2813231C2 RU2021102472A RU2021102472A RU2813231C2 RU 2813231 C2 RU2813231 C2 RU 2813231C2 RU 2021102472 A RU2021102472 A RU 2021102472A RU 2021102472 A RU2021102472 A RU 2021102472A RU 2813231 C2 RU2813231 C2 RU 2813231C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- defibrillation
- stage
- fractionation
- starting material
- fraction
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 229920001046 Nanocellulose Polymers 0.000 title claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 58
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 31
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 27
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims description 16
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001862 defibrillatory effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 27
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 7
- 229920003043 Cellulose fiber Polymers 0.000 description 6
- 244000166124 Eucalyptus globulus Species 0.000 description 5
- 239000002655 kraft paper Substances 0.000 description 5
- 229920001131 Pulp (paper) Polymers 0.000 description 4
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 230000009974 thixotropic effect Effects 0.000 description 4
- 238000010977 unit operation Methods 0.000 description 4
- 241000186514 Warburgia ugandensis Species 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- GDOPTJXRTPNYNR-UHFFFAOYSA-N methyl-cyclopentane Natural products CC1CCCC1 GDOPTJXRTPNYNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002749 Bacterial cellulose Polymers 0.000 description 2
- 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 2
- 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 2
- 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 239000005016 bacterial cellulose Substances 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 2
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 2
- 238000004537 pulping Methods 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000609240 Ambelania acida Species 0.000 description 1
- 235000018185 Betula X alpestris Nutrition 0.000 description 1
- 235000018212 Betula X uliginosa Nutrition 0.000 description 1
- 240000000731 Fagus sylvatica Species 0.000 description 1
- 235000010099 Fagus sylvatica Nutrition 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 241000218657 Picea Species 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N Sulfurous acid Chemical compound OS(O)=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 1
- 244000098338 Triticum aestivum Species 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000005904 alkaline hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010905 bagasse Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000005226 mechanical processes and functions Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 210000001724 microfibril Anatomy 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- -1 properties Substances 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011122 softwood Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000010421 standard material Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Настоящее изобретение относится к способу производства наноцеллюлозного материала на основе применения фракционирования потока целлюлозной массы от предварительной обработки или механической дефибрилляции в сочетании со стадиями механической дефибрилляции, где фракцию пригодного материала и фракцию отходов можно транспортировать на стадии регулирование консистенции, чтобы исключить другую отдельную стадию дефибрилляции. Пригодный материал транспортируют на регулирование консистенции перед второй стадией дефибрилляции, в то время как отходы транспортируют на другую независимую стадию регулирования консистенции для возврата на первую стадию механической дефибрилляции. Изобретение позволяет получать наноцеллюлозу более высокого качества в отношении морфологии и реологии. 16 з.п. ф-лы, 22 ил., 3 табл., 3 пр.
Description
Область техники
[001] Настоящее изобретение относится, в общем, к способам производства наноцеллюлозы на основе применения фракционирования потока целлюлозной массы из процесса рафинирования (частично рафинированной/дефибриллированной целлюлозной массы) в сочетании со стадиями механической дефибрилляции.
Уровень техники
[002] Наноцеллюлоза представляет собой целлюлозный материал, содержащий частицы целлюлозы, имеющие по меньшей мере нанометровые размеры (от 1 до 100 нм). Их форма и состав в значительной степени зависят от условий и способа производства. В зависимости от состава, свойств и размеров частиц наноцеллюлоза может быть классифицирована следующим образом: (1) нанокристаллическая целлюлоза (CNC), также известная как нитеобразная кристаллическая целлюлоза; (2) нанофибриллированная целлюлоза (CNF) и (3) бактериальная целлюлоза (ВС).
[003] Способы производства наноцеллюлозы могут включать механическую дефибрилляцию, которая может быть осуществлена как единая технологическая стадия или в сочетании с биологическими и/или химическими способами, такими как стадии предварительной или последующей обработки. Таким образом, производимые образцы наноцеллюлозы, как правило, представляют собой смесь CNF, CNC и микрофибриллированной целлюлозы (MFC), причем некоторые из указанных фракций зависят от технологии производства и применяемых условий, и именно этот фактор определяет качество конечного продукта. Кроме того, тип исходного материала, который используется для производства наноцеллюлозы, также представляет собой фактор, определяющий качество конечного продукта.
[004] Основу способов производство наноцеллюлозы может представлять собой предварительная обработка (химическая, механическая или биологическая), за которой следует механическое рафинирование, или может быть осуществлена единая стадия (обычно это механическая дефибрилляция). Способы ферментативной предварительной обработки или химического окисления, такие как способ окисления, которому содействует TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксильный радикал) (Habibi Y., Chanzy H., Vignon M.R., TEMPO-mediated surface oxidation of cellulose whiskers. Cellulose, 2006, 13: 679-687), широко используются для упрощения дефибрилляции целлюлозной массы и в качестве формы производства наноцеллюлозы с применением различных образцов лигноцеллюлозы. Более подробное описание можно найти в работах Janardhnan S., Sain М.М., Isolation of cellulose microfibrils - an enzymatic approach, BioResources, 2006, 2: 176-188; и Habibi Y., Chanzy H., Vignon M.R., TEMPO-mediated surface oxidation of cellulose whiskers. Cellulose, 2006, 13: 679-687.
[005] В опубликованной статье Tanaka et al. (Tanaka A., Hoouni, J., Seppanen V., Pirkonem P., Nanocellulose characterization with mechanical fractionation, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2012, 27: 689-694) авторы предложили применение стадии фракционирования с применением мембранного фильтра в качестве способа исследования уже полученной наноцеллюлозы/микроцеллюлозы в отношении размера частиц (фиг. 1А) и доказали, что используемое устройство способно фракционировать образцы CNF в отношении размера частиц.
[006] Кроме того, в работе Osong и сотрудников (Osong S.H, Norgren S., Engstrand P., An approach to produce nano-ligno-cellulose from mechanical pulp fine materials, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2013, 28: 472-479) продемонстрировано производство нанолигноцеллюлозного материала посредством гомогенизации фракционированной термомеханической целлюлозной массы (ТМР) (консистенция 1%), как представлено на фиг. 1В. С другой стороны, те же авторы продемонстрировали, что для образца беленой сульфатной целлюлозной массы (BKP), которую составляет хвойный материал (сосна и ель в соотношении 75/25) не были получены аналогичные результаты, и менее высокая консистенция должна быть принята для механической дефибрилляции посредством гомогенизации при высоком давлении, вероятно, вследствие более высокого содержания целлюлозы во фракции мелких частиц BKP, по сравнению с результатами, полученными в случае ТМР.
[007] В документе BR112014000862 А2 раскрыт способ производства наноцеллюлозного материала, включающий фракционирование целлюлозного исходного материала в присутствии кислоты и механическую обработку обогащенных целлюлозой твердых материалов с образованием фибрилл целлюлозы и/или кристаллов целлюлозы. Таким образом, не упоминается измельчительная обработка волокон, распределенная после стадий отбора/фракционирования (фракционирования) волокон по размерам, или последовательное измельчение (дефибрилляция).
[008] В документе US6024834 А раскрыт способ фракционирования целлюлозных волокон посредством введения первой смеси целлюлозных волокон в эффективную фракционирующую среду для разделения первой смеси целлюлозных волокон на вторую смесь целлюлозных волокон и третью смесь целлюлозных волокон, причем вторая смесь целлюлозных волокон имеет значение диспергирования волокон, которое составляет более чем приблизительно 20 миллиграммов на 100 метров, и среднее значение длины в совокупности волокон составляет более чем приблизительно 0,9 мм. В этом документе также не раскрыта измельчительная обработка, распределенная после стадий отбора/фракционирования волокон по размеру или последовательное измельчение.
[009] До настоящего времени не был предложен технологический подход к производству наноцеллюлозы с учетом применения стадии фракционирования между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой.
[010] Согласно настоящему изобретению предложено введение по меньшей мере одной единичной операции фракционирования после по меньшей мере одной стадии дефибрилляции в целях получения гомогенного потока для дефибрилляции, предварительной или последующей обработки, в результате чего получается наноцеллюлоза более высокого качества в отношении морфологии и реологии.
Сущность изобретения
[011] В отличие от предшествующего уровня техники, согласно настоящему изобретению предложен способ, в котором использована установка (единичная операция) фракционирования между единичными операциями дефибрилляции и/или предварительной или последующей обработки. Таким образом, для всех форм вариантов осуществления такие единичные операции оптимизированы в отношении качества (морфологии и реологии) производимой наноцеллюлозы, а также представлены преимущества в отношении энергопотребления в механическом процессе. Посредством применения стадии фракционирования в способе производства наноцеллюлозы стадии дефибрилляции осуществляются с более гомогенным потоком материала в отношении размера частиц, и, таким образом, производимая наноцеллюлоза будет обладать более высокой гомогенностью в отношении распределения нанофибрилл по размерам.
Краткое описание чертежей
[012] На фиг. 1А представлено схематическое изображение применения фракционирования для исследования наноцеллюлозы.
[013] На фиг. 1В представлено схематическое изображение производства нанолигноцеллюлозы с применением образца, имеющего низкое содержание волокон.
[014] На фиг. 2А представлено схематическое изображение одного варианта осуществления способа с применением фракционирования в производстве нанофибриллированной целлюлозы (CNF) и/или микрофибриллированной целлюлозы (MFC).
[015] На фиг. 2В представлено схематическое изображение одного варианта осуществления способа с применением фракционирования в производстве нанофибриллированной целлюлозы (CNF) и/или микрофибриллированной целлюлозы (MFC) посредством рафинирования различных типов.
[016] На фиг. 3 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий стадию отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон между двумя стадиями измельчения;
[017] На фиг. 4 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий стадию отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон между двумя стадиями измельчения для множества способов.
[018] На фиг. 5 представлен вариант осуществления настоящего изобретения включающий две стадии отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон после двух стадий измельчения для множества способов.
[019] На фиг. 6 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий две последовательных стадии отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон, все между двумя стадиями измельчения для множества способов.
[020] На фиг. 7 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий стадию отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон между двумя стадиями измельчения для множества способов.
[021] На фиг. 8 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий стадию отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон между двумя стадиями регулирования консистенции для множества способов.
[022] На фиг. 9 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий две последовательных стадии измельчения для множества способов;
[023] На фиг. 10 представлен вариант осуществления настоящего изобретения включающий две последовательных стадии измельчения для множества способов;
[024] На фиг. 11 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий стадию отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон после двух стадий дефибрилляционного регулирования.
[025] На фиг. 12 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, включающий различные стадии отбора/фракционирования и обратное перемещение волокон после различными стадиями дефибрилляционного регулирования.
[026] На фиг. 13 представлено распределение мелких частиц по длине (%) для диапазона мелких частиц.
[027] На фиг. 14 представлено распределение мелких частиц по длине (%) для диапазона мелких частиц.
[028] На фиг. 15 представлено распределение волокон по толщине (%) для диапазона мелких частиц (мкм).
[029] На фиг. 16 представлено изменение вязкости в зависимости от скорости сдвига (об/мин), где кривая образца А сопоставлена с кривой образца В.
[030] На фиг. 17 представлены полученные методом сканирующей электронной микроскопии изображения нефракционированных образцов (А и D), отходов (В и Е) и фракционированных пригодных материалов (С и F) после пяти проходов через измельчение.
[031] На фиг. 18 представлены профили динамической вязкости фракционированных и нефракционированных образцов после пяти проходов через измельчение (А) и десяти проходов через измельчение (В).
[032] На фиг. 19 представлены профили динамической вязкости фракционированных и нефракционированных образцов.
[033] На фиг. 20 представлены профили динамической вязкости полученных с применением дискового рафинера образцов микрофибриллированной целлюлозы (фракционированных и нефракционированных).
Подробное описание изобретения
[034] В отличие от литературы предшествующего уровня техники, согласно настоящему изобретению предложен способ, авторы которого предлагают применение установки фракционирования между единичными операциями дефибрилляции и/или предварительной или последующей обработки. Таким образом, для всех вариантов осуществления такие единичные операции будут оптимизированы в отношении гомогенности производимой наноцеллюлозы (по морфологическим параметрам и определенному реологическому профилю). Более конкретно, авторы предлагают применение стадии фракционирования в способе производства наноцеллюлозы, в результате чего стадии дефибрилляции будут осуществлены с более гомогенным потоком материала в отношении размеров частиц, и, таким образом, производимая наноцеллюлоза будет иметь более высокий уровень качества и гомогенности в отношении распределения частиц по размерам (фиг. 2А).
[035] Кроме того, предложенные варианты осуществления допускают производство CNF и/или MFC различных типов, как продемонстрировано в вариантах осуществления способа, представленных на фиг. 2В, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 12.
[036] В частности, настоящее изобретение относится к способу производства наноцеллюлозного материала из предварительно и частично дефибриллированного целлюлозного исходного материала. Предпочтительно в качестве источника целлюлозного материала могут присутствовать целлюлозная масса, источником которой являются хвойные или лиственные деревья, более конкретно, эвкалипт, или сосна, или береза, или бук, беленая сульфатная целлюлозная масса из эвкалипта (BEKP) или агропромышленные отходы, такие как багасса из сахарного тростника и солома, в том числе рисовая солома или пшеничная солома, и этот материал получают следующими способами: сульфатная варка целлюлозы; или сульфитная варка целлюлозы; или паровая обработка; или аммиачная обработка волокон; или гидролиз разбавленной кислотой; или щелочной гидролиз; или окислительная щелочная обработка; или ферментативная обработка; или обработка органическим растворителем. Однако здесь отсутствуют ограничения в отношении целлюлозного материала, который должен присутствовать в начале способа на стадии (а).
[037] Объект настоящего изобретения представляет собой способ производства наноцеллюлозного материала, который осуществляется между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой, и включает по меньшей мере две стадии, из которых одна стадия представляет собой фракционирование, а другая стадия представляет собой дефибрилляцию указанного целлюлозного исходного материала, причем возможно включение по меньшей мере одной дополнительной стадии механической дефибрилляции или химической предварительной или последующей обработки со стадией регулирования консистенции. Выпуск по меньшей мере одной из указанных стадий дефибрилляции включает возврат волокон на ту же самую стадию. Например, если первая стадия дефибрилляции производит первую партию волокон, они могут частично или полностью возвращаться на эту стадию. Аналогичным образом, такие волокна можно транспортировать как единое целое на вторую стадию дефибрилляции, которая производит вторую партию волокон, которые могут быть частично возвращены на вторую или первую стадию.
[038] Соответственно, объект настоящего изобретения представляет собой способ, который включает осуществление первой стадии дефибрилляции указанного исходного материала на стадии (b), за которой следует первая стадия отбора/фракционирования или стадия (с). Предпочтительно осуществляют отбор/фракционирование частиц, которые проходят через сито, содержащее от 50 до 350 отверстий на линейный дюйм (например, вплоть до 200 отверстий на линейный дюйм), и которые составляют пригодную фракцию. Частицы, которые не проходят отбор посредством сита и составляют фракцию отходов, следуют на стадии (d) на обратное перемещение на стадии (b), то есть они повторно направляются на стадию измельчения, а затем на отбор/фракционирование на стадии (с). Частицы пригодной фракции со стадии (с) транспортируют на стадии (е) на вторую стадию дефибрилляции или стадию (f). После повторных операций дефибрилляции фибрилл пригодной фракции результат на стадии (g) представляет собой наноцеллюлозный материал со стадии (f).
[039] Объект настоящего изобретения представляет собой способ, который также включает дополнительные стадии отбора/фракционирования. По меньшей мере, одна дополнительная стадия отбора/фракционирования может быть предусмотрена после стадии отбора/фракционирования, такой как стадия (с).
[040] Кроме того, способ может включать дополнительную стадию дефибрилляции после стадии дефибрилляции (b).
[041] Объект настоящего изобретения представляет собой способ, который может включать дополнительную стадию регулирования консистенции после по меньшей мере одной из стадий дефибрилляции или после по меньшей мере одной стадии отбора/фракционирования.
[042] Кроме того, согласно варианту осуществления способ производства наноцеллюлозного материала может включать следующие стадии:
(a) получение целлюлозного исходного материала;
(b) осуществление первой стадии дефибрилляции указанного исходного материала;
(c) осуществление по меньшей мере первый стадия отбора/фракционирования частиц;
(d) транспортировка потока частиц фракции отходов со стадии (с) на стадию (b);
(e) транспортировка частиц пригодной фракции со стадии (с) на стадию (f);
(f) осуществление второй стадии дефибрилляции указанного исходного материала;
(g) регенерация наноцеллюлозного материала со стадии (f).
[043] Согласно такому варианту осуществления предпочтительно фракцию отходов со стадии (d) частично транспортируют на стадию (b). Кроме того, предпочтительно фракция отходов со стадии (f) может быть направлена обратно на стадию (f) или транспортирована на стадию (b). Кроме того, такой способ может включать дополнительную стадию отбора/фракционирования после стадии (с) и дополнительную стадию дефибрилляции после стадии (b).
[044] В общем, объект настоящего изобретения представляет собой способ, который может дополнительно включать стадию регулирования консистенции после по меньшей мере одной стадии отбора/фракционирования.
[045] Наноцеллюлозный материал предпочтительно представляет собой микрофибриллированную целлюлозу, нанофибриллированную целлюлозу или нанокристаллическую целлюлозу.
[046] Таким образом, способ представляет собой способ обогащения наноцеллюлозного материала, в котором осуществление стадии фракционирования происходит между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой, включая по меньшей мере одну стадию отбора/фракционирования продукта дефибрилляции со стадии дефибрилляции для той же стадии дефибрилляции или для предшествующей стадии дефибрилляции в целях получения наноцеллюлозного материала, или для дополнительной стадии дефибрилляции.
Пример 1
[047] Согласно варианту осуществления, описанному на фиг. 2А, способ настоящего изобретения осуществляется между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой. Эвкалиптовую беленую сульфатную целлюлозную массу в суспензии с консистенцией (содержание твердых веществ) 4% подвергали обработке на дисковом рафинере в течение 6,0 ч до достижения содержания 70,30% мелких частиц типа L (мелких частиц по длине) или содержания 33,35% мелких частиц типа А (мелких частиц по площади) при температуре 57,93±1,43°С. Полученный в результате материал затем подвергали обработке путем фракционирования на установке Bauer McNETT с применением сетки/сита, содержащего 200 отверстий на линейный дюйм. В результате стадии фракционирования приблизительно 43% полученной массы составляла фракция отходов (фракция, собранная в другом потоке, который не проходил через сито при фракционировании), и 56% составляла пригодная фракция, причем 22% и 94% мелких частиц типа L, соответственно, находились во фракции отходов и пригодной фракции. Обе фракции проходили уплотнение (регулирование консистенции) на шелковой сетке, содержащей 550 отверстий на линейный дюйм, и в результате этого была получена консистенция, составляющая 21,28% для фракции отходов и 17,73% для пригодной фракции, как представлено в варианте осуществления на фиг. 2А.
[048] Материалы, полученные в результате фракционирования (фракция отходов и пригодная фракция), а также образец MFC, содержащий 70,30% мелких частиц типа L, затем подвергали разбавлению вплоть до консистенции, составляющей 1%, и последующей дефибрилляции посредством измельчения в течение десяти проходов через прибор Supermasscolloider MKCA6 от компании Masuko, содержащий сверхмелкие размольные камни (120 #) MKGC из карбида кремния (SiC). Для цели сравнения морфологии образцов на фиг. 13, 14 и 15 представлены профили распределения (%) мелких частиц типа L, иллюстрирующие длину волокна и ширину волокна, соответственно.
[049] Как представлено на фиг. 13, фракционированные и обработанные на приборе Masuko образцы проявляют увеличение содержания фракции мелких частиц в диапазоне меньших размеров (от 1 до 23 мкм) в такой степени, что другие диапазоны оказываются весьма аналогичными. С другой стороны, с учетом распределения волокон по длине (фиг. 14), осуществление фракционирования между стадиями дефибрилляции (рафинирование и измельчение) привело к увеличению процентного содержания фракции частиц в диапазоне меньшей длины (от 200 до 289 мкм), показывая, что применение фракционирования согласно варианту осуществления на фиг. 2А приводит к уменьшению размера волокна после дефибрилляции по сравнению с распределением других образцов. Все же в отношении морфологии вариант осуществления на фиг. 2А обеспечивает уменьшение ширины волокон и получение более гомогенного образца (большее соотношение высоты и ширины на основании кривой) (фиг. 15).
[050] Также наблюдалось положительное воздействие на реологическое поведение образцов, как представлено на фиг. 16, показывая, что происходит огромное улучшение тиксотропных свойств нанофибриллированной целлюлозы, полученной способом согласно варианту осуществления, который продемонстрирован на фиг. 2А.
[051] Преимущества способа согласно представленному варианту осуществления можно также определить по результатам в таблице 1, где оказывается возможным обеспечение роста содержания мелких частиц в отношении площади, а также энергопотребления при заключительной механической обработке.
[052]
Пример 2
[053] Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, описанному на фиг. 2А, способ осуществляется между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой. Эвкалиптовую беленую сульфатную целлюлозную массу в суспензии с консистенцией (содержание твердых веществ) 4% подвергали обработке на дисковом рафинере в течение 6,0 ч до достижения содержания 70,30% мелких частиц типа L (мелких частиц по длине) или содержания 33,35% мелких частиц типа А (мелких частиц по площади) при температуре 57,93±1,43°С. Полученный в результате материал затем подвергали обработке путем фракционирования на установке Bauer McNETT с применением сетки/сита, содержащего 200 отверстий на линейный дюйм. В результате стадии фракционирования приблизительно 43% полученной массы составляла фракция отходов (фракция, собранная в другом потоке, который не проходил через сито при фракционировании), и 56% составляла пригодная фракция, причем 22% и 94% мелких частиц типа L, соответственно, находились во фракции отходов и пригодной фракции. Обе фракции проходили уплотнение (регулирование консистенции) на шелковой сетке, содержащей 550 отверстий на линейный дюйм, и в результате этого была получена консистенция, составляющая 21,28% для фракции отходов и 17,73% для пригодной фракции, как представлено в варианте осуществления на фиг. 2А.
[054] Материалы, полученные в результате фракционирования (фракция отходов и пригодная фракция), а также образец MFC, содержащий 70,30% мелких частиц типа L, затем подвергали разбавлению вплоть до консистенции, составляющей 1%, и последующей дефибрилляции посредством измельчения в течение десяти проходов через прибор Supermasscolloider MKCA6 от компании Masuko, содержащий сверхмелкие размольные камни (120 #) MKGC из оксида алюминия (Al2O3). Для цели сравнения морфологии образцов после процесса измельчения на фиг. 17 представлены изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии. Как представлено на микрофотографиях, оказывается возможным определение наиболее высокого уровня агломерации после измельчения фибрилл в нефракционированных образцах и в отходах от фракционирования при сравнении с образцом пригодного материала после фракционирования.
[055] Кроме того, наблюдалось также положительное воздействие на реологическое поведение образцов, как представлено на фиг. 18, что демонстрировало огромное улучшение тиксотропных свойств нанофибриллированной целлюлозы, полученной способом согласно варианту осуществления, который продемонстрирован на фиг. 2А, для различного числа проходов на стадии измельчения.
Пример 3
[056] Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, описанному на фиг. 2А, способ осуществляется между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой. Эвкалиптовую беленую сульфатную целлюлозную массу в суспензии с консистенцией (содержание твердых веществ) 4% подвергали обработке на дисковом рафинере (18,66 км/об) в течение 6,0 ч до достижения содержания 69,89% мелких частиц типа L (мелких частиц по длине) при температуре 57,93±1,43°С. Полученный в результате материал затем разбавляли до содержания 3,5% твердых частиц и подвергали обработке посредством фракционирования под давлением, используя корзину с сеткой, содержащей 75 отверстий на линейный дюйм (200 мкм). В этом случае фракционирование осуществляли после разбавления суспензии до консистенции 3,5%, объемная доля отходов составляла 40%, скорость ротора составляла 12 м/с, и средняя скорость прохода составляла 0,07 м/с.
[057] В качестве основных результатов фракционирования, как представлено в таблице 2, можно видеть, что разделение частиц происходило согласно их соответствующим размерам, которые отражали средние значения длины волокон в каждой фракции, а также соответствующему содержанию мелких частиц. Кроме того, значения консистенции различались, причем пригодная фракция была более разбавленной (консистенция составляла 2,81%), чем фракция получаемых отходов (консистенция составляла 3,91%).
[058]
[059] Эффективность процесса фракционирования для улучшения качества суспензии микрофибриллированной целлюлозы также доказывают соответствующие профили динамической вязкости (тиксотропные свойства), как представлено на фиг. 19.
[060] Суспензию, полученную из пригодного материала после фракционирования, подвергали обработке на дисковом рафинере, используя 12-дюймовый диск при скорости 95,5 км/с (3,82 км/об) для отрезки по длине. Для сравнения образец BEKP подвергали обработке на дисковом рафинере, используя два 12-дюймовых диска и осуществляя две стадии при скорости 44,25 км/с (1,77 км/об) и 95,5 км/с (3,82 км/об) для отрезки по длине дисков, используемых на двух последовательных стадиях рафинирования. В этом случае в результате первой стадии был получен образец, содержащий 65% мелких частиц по длине или 34,1% мелких частиц по площади. Рафинированные образцы (стандартный материал BEKP и пригодный материал после фракционирования) анализировали в отношении содержания мелких частиц (мелкие частицы определяли как частицы мельче 80 мкм, и волокна представляли собой остальные частицы), и результаты, представленные в таблице 3, показывают преимущества, достигнутые вследствие применения фракционирования между стадиями дефибрилляции посредством дисковых рафинеров, а также демонстрируют дефибрилляцию посредством измельчения в примере 1.
[061]
[062] Помимо результатов морфологических исследований, следует также отметить улучшения тиксотропных свойств нанофибриллированной целлюлозы, полученной способом согласно варианту осуществления, что продемонстрировано на фиг. 20.
Claims (31)
1. Способ производства наноцеллюлозного материала из целлюлозного исходного материала, включающий по меньшей мере две стадии дефибрилляции указанного целлюлозного исходного материала, причем способ включает следующие стадии:
(a) получение целлюлозного исходного материала;
(b) осуществление первой стадии дефибрилляции указанного исходного материала;
(c) осуществление по меньшей мере первой стадии отбора/фракционирования частиц;
(d) транспортировка потока частиц фракции отходов от стадии (с) на стадию (b);
(e) транспортировка частиц пригодной фракции от стадии (с) на стадию (f);
(f) осуществление второй стадии дефибрилляции указанного исходного материала;
(g) регенерация наноцеллюлозного материала от стадии (f).
2. Способ по п. 1, в котором стадия фракционирования происходит между предварительной обработкой, дефибрилляцией и последующей обработкой.
3. Способ по п. 2, включающий дополнительную стадию отбора/фракционирования после стадии (с).
4. Способ по п. 3, включающий дополнительную стадию дефибрилляции после стадии (b).
5. Способ по п. 4, включающий стадию регулирования консистенции после по меньшей мере одной стадии дефибрилляции.
6. Способ по п. 5, включающий стадию регулирования консистенции после по меньшей мере одной стадии отбора/фракционирования.
7. Способ по п. 2, в котором указанный наноцеллюлозный материал представляет собой микрофибриллированную целлюлозу (MFC) и/или нанофибриллированную целлюлозу (NFC).
8. Способ п. 1 или 2, включающий следующие стадии:
(a) получение целлюлозного исходного материала;
(b) осуществление первой стадии дефибрилляции указанного исходного материала;
(c) осуществление по меньшей мере одной первой стадии отбора/фракционирования частиц, которые проходят через сито, содержащее от 50 до 350 отверстий на линейный дюйм;
(d) транспортировка потока частиц фракции отходов со стадии (с) на стадию (b);
(e) транспортировка частиц пригодной фракции стадии (с) на стадию (f);
(f) осуществление второй стадии дефибрилляции указанного исходного материала;
(g) регенерация наноцеллюлозного материала со стадии (f).
9. Способ по п. 8, в котором сито на стадии (с) представляет собой сито, содержащее 75 отверстий на линейный дюйм.
10. Способ по п. 8, в котором сито на стадии (с) представляет собой сито, содержащее 200 отверстий на линейный дюйм.
11. Способ по любому из пп. 8-10, в котором поток фракции отходов со стадии (d) частично транспортируют на стадию (b).
12. Способ по п. 11, в котором поток фракции отходов со стадии (f) направляют обратно на стадию (f) или транспортируют на стадию (b).
13. Способ по п. 12, включающий дополнительную стадию отбора/фракционирования после стадии (с).
14. Способ по п. 13, включающий дополнительную стадию дефибрилляции после стадии (b).
15. Способ по п. 14, включающий стадию регулирования консистенции после по меньшей мере одной стадии дефибрилляции.
16. Способ по п. 15, включающий стадию регулирования консистенции после по меньшей мере одной стадии отбора/фракционирования.
17. Способ по п. 1, включающий по меньшей мере одну стадию направления продукта дефибрилляции от стадии дефибрилляции обратно на ту же стадию дефибрилляции или на предшествующую стадию дефибрилляции в целях получения обогащенного наноцеллюлозного материала.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BR102018014608-4 | 2018-07-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021102472A RU2021102472A (ru) | 2022-08-17 |
| RU2813231C2 true RU2813231C2 (ru) | 2024-02-08 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012072874A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-07 | Upm-Kymmene Corporation | A method and a system for producing nanocellulose, and nanocellulose |
| RU2535688C2 (ru) * | 2009-02-13 | 2014-12-20 | Юпм-Киммене Ойй | Способ получения модифицированной целлюлозы |
| RU2535685C2 (ru) * | 2009-07-07 | 2014-12-20 | Стора Энсо Ойй | Способ изготовления микрофибриллированой целлюлозы |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535688C2 (ru) * | 2009-02-13 | 2014-12-20 | Юпм-Киммене Ойй | Способ получения модифицированной целлюлозы |
| RU2535685C2 (ru) * | 2009-07-07 | 2014-12-20 | Стора Энсо Ойй | Способ изготовления микрофибриллированой целлюлозы |
| WO2012072874A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-07 | Upm-Kymmene Corporation | A method and a system for producing nanocellulose, and nanocellulose |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nair et al. | Characterization of cellulose nanofibrillation by micro grinding | |
| DK2805986T3 (en) | PROCEDURE FOR THE MANUFACTURE OF NANO-FIBRILLARY CELLULOS GELS | |
| RU2358055C2 (ru) | Способ и устройство для производства целлюлозной волокнистой массы | |
| RU2596521C2 (ru) | Целлюлозные нанофиламенты с высоким коэффициентом вытяжки и способы их получения | |
| CA2641607C (en) | Method for the manufacturing of microfibrillated cellulose | |
| WO2011064441A1 (en) | Method for manufacturing nanofibrillated cellulose pulp and use of the pulp in paper manufacturing or in nanofibrillated cellulose composites | |
| AU2019304309B2 (en) | Process for producing a nanocelullosic material comprising at least two stages of defibrillation of cellulosic feedstock and at least one intermediate fractioning stage | |
| Oliaei et al. | Microfibrillated lignocellulose (MFLC) and nanopaper films from unbleached kraft softwood pulp | |
| RU2224060C2 (ru) | Способ производства древесной массы | |
| CN112673133B (zh) | 纤维素纤维的成型体及其制造方法 | |
| JP2000017592A (ja) | 微小繊維状セルロース及びその製造方法 | |
| JP2012036508A (ja) | 微細繊維状セルロースの製造方法 | |
| JPH0610288A (ja) | 微細繊維状セルロースの製造方法 | |
| US11598049B2 (en) | Process of producing nanofibrillated cellulose with low energy consumption | |
| US20220396916A1 (en) | Pulp Treating Apparatus and Method | |
| JP2003155349A (ja) | 天然有機繊維からのナノ・メーター単位の超微細化繊維 | |
| RU2813231C2 (ru) | Способ производства наноцеллюлозного материала | |
| Subramanian et al. | Structure and properties of some natural cellulosic fibrils | |
| JPS63502760A (ja) | 機械パルプの製造方法 | |
| JPH08504894A (ja) | メカニカルパルプおよびケミメカニカルパルプの製造方法 | |
| JPH0610286A (ja) | 微細繊維状セルロースの製造方法 | |
| Nurminen et al. | New technology for producing fibrillar fines directly from wood | |
| JP2012057268A (ja) | 微細繊維状セルロースの製造方法 | |
| JP7365796B2 (ja) | セルロース繊維の成形体及びその製造方法 | |
| RU2810201C1 (ru) | Способ наноструктуризации волокон целлюлозы |