制備納米原纖纖維素的方法和制備紙產(chǎn)品的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及制備納米原纖纖維素的方法。本發(fā)明還設(shè)及制備紙產(chǎn)品的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種豐富的天然原料，纖維素是一種由幾百至上萬個(gè)相連的D-葡萄糖單元 的線性鏈組成的多糖。纖維素纖維可用精制機(jī)或研磨機(jī)精制W生產(chǎn)納米原纖纖維素材料。 通常，納米原纖纖維素材料的生產(chǎn)需要大量用于將纖維機(jī)械崩解至原纖尺寸的能量。因此， 在所述材料的生產(chǎn)中可能存在效率問題。
[0003] 已知在造紙過程中通過將納米原纖纖維素用作添加劑加入到水性配料中，可通過 脫水和干燥由所述水性配料制備紙。當(dāng)納米原纖纖維素將在制備紙產(chǎn)品的配料中使用時(shí)， 納米原纖纖維素的制備是高要求的，在造紙廠中需要特殊設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明公開了一種用于制備含有原纖纖維素的紙漿的方法。此外，本發(fā)明公開了 一種用于制備含有納米原纖纖維素的紙產(chǎn)品的方法。 陽〇化]陰離子化或陽離子化的纖維素纖維與纖維素紙漿一起精制，兩者的比例是纖維素 紙漿用作輔助紙漿，所述陰離子化或陽離子化的纖維素纖維在通過精制將機(jī)械能帶至混合 物的過程中至少部分被崩解成納米原纖纖維素。所述纖維素紙漿可是機(jī)械紙漿或化學(xué)紙漿 或它們的混合物。當(dāng)制備用于造紙的配料時(shí)，將得到的已經(jīng)過精制階段的納米原纖纖維素 和纖維素紙漿的混合物加入到其它造紙纖維中。
[0006] 所述方法包括制備陰離子化或陽離子化的纖維素纖維和纖維素紙漿的混合物，通 過使用能量精制所述混合物的精制階段（所述精制階段將陰離子化或陽離子化的纖維素 纖維至少部分崩解成納米原纖纖維素的尺寸），W及混合階段（在所述混合階段中，所述混 合物與配料的其它纖維組分混合，所述配料用于制備紙產(chǎn)品）。
[0007] 在精制階段中，可使用造紙廠可用于精制的設(shè)備。陰離子化或陽離子化的纖維素 纖維和輔助紙漿的混合物可多次通過精制機(jī)，直到陰離子化或陽離子化的纖維素纖維減小 到所需程度的原纖尺寸，得到納米原纖纖維素和紙漿纖維的混合物，所述紙漿纖維也被精 制但沒有減小至原纖尺寸。陰離子化或陽離子化的纖維的崩解是基于由于在纖維素中存在 離子（陰離子或陽離子）基團(tuán)而導(dǎo)致的纖維內(nèi)部強(qiáng)度的減弱，使得通過機(jī)械能的效應(yīng)從纖 維結(jié)構(gòu)中釋放原纖，同時(shí)紙漿保持為纖維。
[0008] 在精制階段，W干重計(jì)，輔助紙漿使用的比例為紙漿（陰離子化或陽離子化的纖 維+輔助紙漿）總重量的至少1重量％并少于90重量％。W干重計(jì)，在紙漿的總重量中陰 離子化的纖維的量優(yōu)選大于10重量％并最多為60重量％，更優(yōu)選為最多50重量％，最優(yōu) 選為15-50重量％。
[0009] 所述輔助紙漿通過穩(wěn)定精制機(jī)表面之間的混合物來幫助控制精制過程，因?yàn)殛庪x 子化的纖維素纖維逐漸轉(zhuǎn)變成在精制機(jī)的高剪切力下沒有強(qiáng)度的納米原纖纖維素的凝膠。 出乎意料的是，作為由于納米原纖纖維素的形成而進(jìn)行的凝膠過程，當(dāng)使用的精制能增加 (累積計(jì)算）時(shí)，精制表面間的間隙（葉片間隙化Iadegap))可W增加。
[0010] 通常，在精制階段將比能耗（SEC)為300-1500kWh/t紙漿（kWh/tpulp)應(yīng)用于陰 離子化或陽離子化的纖維素纖維和輔助紙漿的混合物。優(yōu)選地，SEC不高于lOOOkWh/t紙 漿。最優(yōu)選地，SEC為500-800k怖/t紙漿。
[0011] 所述精制機(jī)可W是常用于紙漿精制（打漿）W得到所需打漿度的設(shè)備，例如盤形 精制機(jī)、雙盤精制機(jī)、錐形精制機(jī)或圓筒形精制機(jī)。
[0012] 精制階段之后，將納米原纖纖維素和纖維素紙漿（輔助紙漿）的混合物與用于制 備用于造紙的配料的另外的紙漿（基礎(chǔ)紙漿）混合。納米原纖纖維素與輔助紙漿的混合物 可組成添加的纖維組分，所述添加的纖維組分的量少于組成紙張的主要纖維組分的基礎(chǔ)紙 漿的量。可W-定比例加入添加的纖維組分，W獲得納米原纖纖維素的量為制備的配料的 0. 1-5. 0 %，更優(yōu)選為0. 3-4 %，最優(yōu)選為0. 5-2 % (干重）。0. 5-1 %的量通常已經(jīng)足夠滿 足NFC的效應(yīng)。所述量由全部配料計(jì)算，包括纖維組分（纖維和納米原纖纖維素）、可能的 填料和可能的其它添加劑。當(dāng)NFC和輔助紙漿的混合物用于制備配料（用于制造紙產(chǎn)品） 時(shí)，由于配料中的其它添加劑，NFC優(yōu)選為陰離子，即采用陰離子化的纖維素纖維與輔助紙 漿一起精制。
[0013] 在造紙廠中，在造紙機(jī)前的任何合適的位置，優(yōu)選在造紙機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)中稀釋紙漿 前，將從精制階段得到的納米原纖纖維素與輔助紙漿的混合物輸送到基礎(chǔ)紙漿流中。可在 基礎(chǔ)紙漿的打漿過程前將所述混合物輸送至基礎(chǔ)紙漿中，W在合適的混合槽中，將所述混 合物與基礎(chǔ)紙漿在打漿過程中或在打漿過程后混合。
[0014] 至于輔助紙漿和基礎(chǔ)紙漿，所有適用于紙產(chǎn)品制造的紙漿級別都可使用。輔助紙 漿和基礎(chǔ)紙漿可具有相同的組成（例如從常見紙漿源得到）或者它們可W是不同的。可使 用機(jī)械紙漿和/或化學(xué)紙漿。與陰離子化的纖維素纖維（其是納米原纖纖維素的原材料） 不同的是，在運(yùn)些紙漿級別中的纖維素是化學(xué)未改性的。
[0015] 本文中的紙產(chǎn)品是指紙和紙板。相應(yīng)的表述造紙機(jī)和造紙廠也可解釋為造板機(jī)和 造板廠。本發(fā)明適用于在廣泛的基礎(chǔ)重量范圍內(nèi)制造各種級別紙漿。
[0016] 所述方法提供了一種制造納米原纖纖維素并將其通過增加的生產(chǎn)效率混合入紙 配料中的方法。造紙廠中精制機(jī)的空閑產(chǎn)能可在造紙廠中通過足夠次數(shù)地通過設(shè)備的精制 間隙的重復(fù)精制，用于連續(xù)或間歇制造納米原纖纖維素。運(yùn)樣的納米原纖纖維素可提供具 有新功能性質(zhì)的紙產(chǎn)品。此外，由于本發(fā)明，可得到低能耗的簡單的納米原纖纖維素制造工 藝。生產(chǎn)的包含原纖纖維素的紙漿可用作例如紙產(chǎn)品的強(qiáng)度添加劑。
[0017] 陰離子化的纖維素纖維是纖維素被化學(xué)改性的紙漿纖維，從而纖維素分子含有主 要在C6碳上的陰離子基團(tuán)。所述改性可采用合適的氧源（氧化劑）在N-氧基介導(dǎo)的纖維素 氧化中催化得到，已知的一個(gè)氧化的例子是"TEMPO"催化劑。所述催化氧化在纖維素中產(chǎn)生 了簇酸醋基。所述改性也可通過簇甲基化進(jìn)行化學(xué)改性，所述簇甲基化在纖維素中形成了 簇甲基。在運(yùn)兩種情況下，纖維素的陰離子基團(tuán)減弱了纖維素纖維的內(nèi)部鍵，運(yùn)對通過機(jī)械 能從纖維中釋放原纖做出了貢獻(xiàn)。原纖釋放的敏感性可通過轉(zhuǎn)化率或"負(fù)載（charge)"(通 常用"毫摩爾陰離子基團(tuán)/克紙漿"表述）來調(diào)節(jié)。纖維素的負(fù)載的增加也帶來纖維素原 纖負(fù)載的增加，因此纖維素纖維的原纖之間的排斥力增加。
[0018] 當(dāng)在紙漿纖維中的纖維素被化學(xué)改性時(shí)，可得到上述相同的效應(yīng)，因此所述纖維 素分子含有陽離子基團(tuán)。所述陽離子化可被例如與纖維素分子連接的季錠基團(tuán)影響。
[0019] 因?yàn)榧{米原纖纖維素的生產(chǎn)過程可W整合到造紙廠的漿料制備系統(tǒng)中利用現(xiàn)有 的精制設(shè)備的產(chǎn)能，所述方法可大大簡化納米原纖纖維素使用的啟動階段，因?yàn)榭杀苊庖?些大的投資，例如特殊納米原纖纖維素生產(chǎn)機(jī)器W及處理和運(yùn)輸納米原纖纖維素凝膠設(shè)備 的安裝。
【附圖說明】
[0020] 在下文中，通過【附圖說明】本發(fā)明，其中
[0021] 圖1顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的方法，
[0022] 圖2顯示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式的方法，
[0023] 圖3顯示了在造紙過程中將納米原纖纖維素與基礎(chǔ)紙漿混合，W及
[0024] 圖4a-4d是各種混合物的顯微圖像。 陽做]優(yōu)洗連施方式的詳細(xì)描沐
[00%] 在本文中，如果沒有另外說明，所有的百分?jǐn)?shù)是W干重計(jì)。
[0027] 在本文中，所有顯示的結(jié)果和進(jìn)行的計(jì)算，當(dāng)它們與紙漿的量相關(guān)時(shí)，都W干燥的 紙漿為基準(zhǔn)得到的。
[0028] 在本文中，術(shù)語"纖維組分"或"纖維材料"是W纖維形式存在的材料和衍生自纖 維的材料（例如原纖）的常用名稱。
[0029] 纖維素是可再生的天然聚合物，其可轉(zhuǎn)化成很多化學(xué)衍生物。衍生化多是通過聚 合物的P-D-化喃葡萄糖單元中的徑基的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。通過化學(xué)衍生作用，與原始化學(xué) 形式相比，衍生后的化合物能在保持聚合結(jié)構(gòu)的同時(shí)改變纖維素的性質(zhì)。
[0030] 在精制階段中用作輔助紙漿的纖維素紙漿和基礎(chǔ)紙漿都可源自可用于化學(xué)和/ 或機(jī)械處理過的纖維素纖維（分別被稱為"化學(xué)紙漿"和"機(jī)械紙漿"）的生產(chǎn)的任何纖維素 原材料源。所述原料可W基于任何含纖維素的植物材料。所述植物材料可W是木材。木材 可W來自軟木樹，如云杉、松樹、冷杉、落葉松、花旗松或鐵杉，或來自硬木樹如枠樹、白楊、 楊樹、檔木、按樹或金合歡，或者來自軟木和硬木的混合物。非木材材料可W來自農(nóng)業(yè)殘料、 草或來自棉花、玉米、小麥、燕麥、黑麥、大麥、稻、亞麻、大麻、馬尼拉麻、劍麻、黃麻、巧麻、洋 麻、甘薦渣、竹或蘆韋的其它植物物質(zhì)，如賴桿、葉子、樹皮、種子、殼、花、蔬菜或果實(shí)。
[0031] 術(shù)語"化學(xué)（纖維素）紙漿"表示通過化學(xué)制漿法從任意纖維素原料或任意纖維 素原料的組合分離的纖維素纖維。因此，從纖維素原料中去除至少大部分的木質(zhì)素?；瘜W(xué) 紙漿優(yōu)選是硫酸鹽木紙漿。在一個(gè)例子中，所述化學(xué)紙漿是從軟木和/或硬木中分離。使 用的化學(xué)紙漿可W是未漂白的或漂白的。一般纖