背景

含木質(zhì)纖維素的纖維可通過使原纖脫離而被崩解成較小的部分，所述原纖用作纖維壁的組分，其中所得的顆粒在尺寸上明顯變小。由此得到的所謂的納米原纖纖維素的性質(zhì)與普通漿液的性質(zhì)明顯不同。可以將納米原纖纖維素用作造紙中的添加劑并提高紙產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)合強度(層間強度)和拉伸強度，以及提高紙的緊密性。納米原纖纖維素也在其外觀上與漿液不同，因為其是凝膠狀材料，其中纖維存在于水分散體中。由于納米原纖纖維素的上述性質(zhì)，其已經(jīng)變?yōu)橐环N理想的原料，并且含有其的產(chǎn)品將在工業(yè)中有多種應用，例如用作各種組合物中的添加劑。

目前沒有用于測量納米纖維素在生產(chǎn)工藝過程中的形成情況的現(xiàn)有技術(shù)。通常，在制造之后，在實驗室中通過稀釋的樣品來進行品質(zhì)控制測量。但這是慢且費力的，而且不能在工藝過程中獲得信息，因此不能對工藝進行控制，以作為對所測得的產(chǎn)品性質(zhì)的反饋。

概述

在纖維素的原纖化工藝中，發(fā)現(xiàn)在低稠度下，所制得的納米原纖纖維素分散體的品質(zhì)的實時濁度測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果相對應?？梢岳脻岫群图{米原纖纖維素的品質(zhì)的相關(guān)性來即時確定工藝流中產(chǎn)品的品質(zhì)。

本申請一個實施方式提供一種用于監(jiān)測在包括崩解纖維素漿液的纖維的工藝中所制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的方法，所述方法包括：

-對從所述崩解工藝獲得的包含納米原纖纖維素的分散體的濁度進行實時光學測量，以及

-利用測得的濁度和制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)，其中降低的濁度表明納米原纖纖維素的品質(zhì)提升。

一個實施方式提供一種用于監(jiān)測在包括崩解纖維素漿液的纖維的工藝中所制得的的納米原纖纖維素的品質(zhì)的設備，所述設備設置為監(jiān)測由崩解設備獲得的包含所述制得的納米原纖纖維素的分散體，所述監(jiān)測設備包括：

-用于對所述分散體的濁度進行實時光學測量的裝置，以及

-利用測得的濁度和制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的裝置，其中降低的濁度表示納米原纖纖維素的品質(zhì)提升。

進行光學測量的特征使得測試可以實時進行。此外，可以向多種崩解設備提供進行所述方法的設備。

實時進行測量的特征提供了監(jiān)控品質(zhì)的簡單程序。不需要單獨的耗時步驟，例如取樣、處理樣品、運送至實驗室和/或進一步實驗室測試。因為獲得結(jié)果時沒有延遲，即實際上實時獲得結(jié)果，達到了節(jié)省時間和錢的效果。實時結(jié)果進一步提供了能夠?qū)に囘M行實時控制，以作為對測量結(jié)果的反饋的效果。

這些實施方式中所使用的光學測量能在相當高的稠度時進行有效測量。此外，工藝過程中稠度的變化不干擾濁度測量。這提供了能對所述工藝中直接獲得的未處理的產(chǎn)物流進行測量的效果。樣品不需要稀釋或以其他方式進行處理來進行分析。

附圖說明

圖1顯示崩解設備和用于測量來自崩解設備的物流的監(jiān)控設備的示例性設置。

圖2顯示四個崩解設備的示例性設置，其中可在每個設備之后測量濁度。

圖3顯示測試結(jié)果，其中，對稠度為1.0％和2.4％時的現(xiàn)場(on-site)(實驗室測量)濁度與管線內(nèi)(in-line)測量結(jié)果進行了比較。

圖4顯示測試結(jié)果，其中，對稠度為1.0％和2.4％時的現(xiàn)場粘度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。

圖5顯示測試結(jié)果，其中，對第一次和第四次通過之后的現(xiàn)場濁度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。

圖6顯示測試結(jié)果，其中，對第一次和第四次通過之后的現(xiàn)場粘度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。

圖7顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行管線內(nèi)測量。

圖8顯示測試結(jié)果，其中，在不同流速下在第一次和第四次通過之后進行管線內(nèi)測量。

圖9顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行現(xiàn)場濁度測量。

圖10顯示測試結(jié)果，其中，在不同流速下在第一次和第四次通過之后進行現(xiàn)場濁度測量。

圖11顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行管線內(nèi)測量。

圖12顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行管線內(nèi)濁度測量。

圖13顯示測試結(jié)果，其中，使用A級漿液在不同時間點和通過次數(shù)條件下對管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行比較。

圖14顯示測試結(jié)果，其中，使用B級漿液在不同時間點和通過次數(shù)條件下對管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行比較。

圖15顯示測試結(jié)果，其中使用A級漿液在不同通過次數(shù)條件下對管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行比較。

發(fā)明詳述

如本文所用，術(shù)語“納米原纖纖維素”是指從基于纖維素的纖維原料分離的纖維素微原纖或微原纖束。這些原纖具有高縱橫比(長度/直徑)的特征：它們的長度可超過1μm，而直徑一般保持小于200nm。最小的原纖處于所謂的初級原纖的級別，直徑一般為2至12nm。原纖的維度和尺寸分布取決于精制方法和效率。納米原纖纖維素可表征為基于纖維素的材料，其中顆粒(原纖或原纖束)的中值長度不超過50μm，例如在1至50μm的范圍內(nèi)，并且顆粒直徑小于1μm，合適的范圍是2至500nm。在天然原纖纖維素的情況中，在一個實施方式中原纖的平均直徑在5至100nm的范圍內(nèi)，例如在10至50nm的范圍內(nèi)。納米原纖纖維素的特征為大比表面積和強的形成氫鍵的能力。在水分散體中，本文描述的納米原纖纖維素一般呈現(xiàn)為淺或混濁的凝膠狀材料。根據(jù)纖維原料，納米原纖纖維素也可含有小量的其它木質(zhì)組分，如半纖維素或木質(zhì)素。數(shù)量取決于植物來源。納米原纖纖維素的常用別名包括納米原纖化纖維素(NFC)，其通常簡稱為納米纖維素，和微原纖化纖維素(MFC)。

不同級別的納米原纖化纖維素可基于三個主要特性分類：(i)尺寸分布、長度和直徑，(ii)化學組成，和(iii)流變性質(zhì)。這些方法中的任一個單獨均不適于描述級別，即這些方法需要并行使用。不同級別的示例包括天然(或未改性)NFC、氧化NFC(高粘度)、氧化NFC(低粘度)、羧甲基化NFC和陽離子化NFC。在這些主要級別中，還存在亞級別例如極佳原纖化與中度原纖化、高度取代與低度取代、低粘度與高粘度，等。原纖化技術(shù)和化學預改性對原纖尺寸分布有影響。通常，非離子級別具有更寬的原纖直徑(例如10-100nm，或10-50nm)，而化學改性級別則要細很多(例如3-20nm)。改性級別的分布也更窄。某些改性，尤其是TEMPO-氧化，會產(chǎn)生更短的原纖。

根據(jù)原材料來源不同，例如硬木(HW)和軟木(SW)漿液，最終原纖纖維素產(chǎn)品中存在不同的多糖組成。通常，從漂白的樺樹漿液制備非離子級別，這會產(chǎn)生高含量的二甲苯(25重量％)。從HW或SW漿液制備改性級別。在這些改性級別中，半纖維素與纖維素結(jié)構(gòu)域一起被改性。更可能地，該改性是不均勻的，即，一些部分相比其他部分被改性得更多。因此，不可能進行詳細的化學分析——改性產(chǎn)物通常是不同多糖結(jié)構(gòu)的復雜混合物。

在水性環(huán)境中，纖維素納米纖維的分散體形成粘彈性水凝膠網(wǎng)絡。該凝膠通過分散和水合的纏結(jié)原纖在相對低濃度(例如0.1至0.2％)下形成。NFC水凝膠的粘彈性可用例如動態(tài)振動流變學測量來表征。

關(guān)于流變，納米原纖纖維素水凝膠是剪切稀化材料，這意味著其粘度取決于使材料變形的速度(或作用力)。當在旋轉(zhuǎn)流變儀中測量粘度時，剪切稀化行為被視為隨著剪切速率增加粘度降低。水凝膠顯示出塑性，這意味著在材料開始容易流動之前需要一定的剪切應力(作用力)。該臨界剪切應力經(jīng)常被稱作屈服應力。屈服應力可由用應力控制的流變儀測定的穩(wěn)態(tài)流動曲線確定。當將所述粘度相對于施加的剪切應力作圖時，可看到在超過臨界剪切應力后粘度急劇下降。零剪切粘度和屈服應力是描述材料懸浮能力的最重要流變參數(shù)。這兩個參數(shù)能夠非常清楚地區(qū)分不同的級別，從而能對級別進行分類。

原纖或原纖束的尺寸取決于原料和崩解方法?？刹捎萌魏魏线m的設備，如精制機、研磨機、均質(zhì)機、膠體排除裝置(colloider)、磨擦研磨機、銷棒粉碎機(pin mill)、超聲波破碎器、流化器(如微流化器、大流化器(macrofluidizer)或流化器型均質(zhì)機)來對纖維素原材料進行機械崩解。在存在足夠的水以防止纖維間形成鍵的條件下進行崩解處理。

在本文中，術(shù)語“原纖化”一般指通過向顆粒機械作功(work)來崩解纖維材料，其中纖維素原纖從纖維或纖維片段中脫離。該功可基于各種作用，例如研磨、碾碎或剪切、或它們的組合，或者能夠降低顆粒尺寸的其他相應的作用。精制的功所消耗的能量通常以能量/(處理的原料量)表示，單位例如是kWh/kg，兆瓦時/噸，或者與這些成比例的單位。表述“崩解”或“崩解處理”可與“原纖化”互換使用。

經(jīng)歷原纖化的纖維材料分散體是纖維材料和水的混合物，在本文中也被稱為“漿液(pulp)”。纖維材料分散體一般可指整個纖維、從中分離的部分(片段)、原纖束或與水混合的原纖，并且一般地，水性纖維材料分散體是這類元素的混合物，其中組分之間的比例取決于加工程度或處理階段，例如同一批次纖維材料在處理過程中的運行次數(shù)或“通過”次數(shù)。

分散體是其中材料包括超過一種相的體系，其中至少一種所述相由細碎的相域組成，通常以膠體尺寸范圍分散在連續(xù)相中(IUPAC定義)。所述分散體的連續(xù)相是分散介質(zhì)，例如水。通常，固體顆粒在液體中的分散體被稱為懸浮液。具體地，在一些情況下，粗糙分散體被稱為懸浮液。

用作起始材料的纖維材料可基于含有纖維素的任何植物材料。所述植物材料可以是木材。木材可以來自軟木樹，如云杉、松樹、冷杉、落葉松、花旗松或鐵杉，或來自硬木樹如樺樹、山楊、白楊、榿木、桉樹或金合歡，或者來自軟木和硬木的混合物。非木質(zhì)材料可以來自例如農(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、苧麻、洋麻、甘蔗渣、竹或蘆葦?shù)钠渌参镂镔|(zhì)，如秸稈、葉子、樹皮、種子、殼、花、蔬菜或果實。

濁度是通常為肉眼所不可見的個體顆粒(所有的懸浮或溶解固體)導致的流體的渾濁或模糊。有幾種測量濁度的實用方式，最直接的是測量光穿過水樣品柱時的衰減(即，強度減少)。備選使用的杰克遜蠟燭法(單位：杰克遜濁度單位或JTU)本質(zhì)上是反過來測量完全遮蔽穿過水柱所見的蠟燭火焰所需的水柱長度。

本申請一個實施方式提供一種用于監(jiān)測納米原纖纖維素的品質(zhì)的方法，所述納米原纖纖維素在包括通常通過一個或多個漿液崩解設備對纖維素漿液的纖維進行崩解的工藝中制得，所述方法包括：

-對從所述崩解工藝，通常是從一個或多個漿液崩解設備獲得的包含納米原纖纖維素的分散體的濁度進行實時光學測量漿液，以及

-利用測得的濁度和制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性限定或確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)，其中降低的濁度表示納米原纖纖維素的品質(zhì)提升。結(jié)果獲得或輸出表示納米原纖纖維素品質(zhì)的數(shù)值。優(yōu)選地，所述工藝是連續(xù)工藝，但所述方法也可以應用于間歇工藝。

包括進行崩解纖維素漿液的纖維的工藝可通過使用任何合適的原纖化方法和/或設備(例如通過使用分散器或均質(zhì)機)進行，從而獲得(納米)原纖化纖維素。此類設備的其他示例包括精制機、研磨機、膠體排除裝置、磨擦研磨機、超聲波破碎器、和流化器(如微流化器、大流化器或流化器型均質(zhì)機)。

本文中使用的術(shù)語“實時”表示在崩解工藝過程中進行監(jiān)測，即，對從崩解工藝直接獲得的產(chǎn)品進行監(jiān)測和分析，無任何其他步驟，如取樣、制備或運送樣品。在實踐中，從產(chǎn)物懸浮液或分散體的流中進行監(jiān)測，并獲得連續(xù)的結(jié)果。實時測量可以例如在管線內(nèi)或在線(on-line)進行。在管線內(nèi)(in-line)測量中，從工藝流，例如工藝管或管道進行測量，即傳感器或儀器位于流通系統(tǒng)中。管線內(nèi)測量與原位測量密切相關(guān)。在在線(on-line)測量中，從旁流，例如從主流分支的管或管線進行測量。在許多情況下，優(yōu)選管線內(nèi)測量，特別是當需要將儀器安裝在具有大直徑的管中時。

光學測量可以基于材料的不同光學性質(zhì)。例如，可以測量分散體中的顆粒散射的光。此外，可以測量散射光的偏振，或者測量散射光的偏振的變化。可以測量分散體中吸收的光。通常，這樣的光學測量可以測量分散體的濁度，但是發(fā)現(xiàn)它們與原纖化纖維素(特別是離子級的原纖化纖維素)的總體品質(zhì)具有良好的相關(guān)性。濁度還可以與產(chǎn)品的粘度相關(guān)。在制備納米纖維素時的粒度減小過程中，纖維轉(zhuǎn)變成具有高縱橫比的細原纖(thin fibril)，因此懸浮液的粘度也高。隨著纖維的表面積增加，粘度也增加。

同時，因為在尺寸減小過程中，顆粒變得更窄，它們與光相互作用的有效性降低。因此，最常見的是可發(fā)現(xiàn)粘度的增加和濁度的降低同時發(fā)生。

在一個實施方式中，濁度測量是光散射測量。顆粒散射聚焦其上的光束的傾向被認為是水中濁度的有意義的度量。以這種方式測量的濁度可以使用具有設置在光束側(cè)的檢測器的比濁計(nephelometer)來進行。如果存在散射源光束的許多小顆粒，則與如果存在少量的小顆粒的情況相比，更多的光到達檢測器。來自校準比濁計的濁度單位稱作比濁法濁度單位(NTU)。在某種程度上，給定量的顆粒反射多少光取決于顆粒的性質(zhì)，如它們的形狀，顏色和反射率。由于這個原因(以及較重顆?？焖俪两挡⑶也挥绊憹岫茸x數(shù)的原因)，濁度和總懸浮固體(TSS)之間的相關(guān)性對于每個位置或情況是相當獨特的。

比濁計通過使用光束(源光束)和設置在源光束的一側(cè)(通常為90°)的光檢測器來測量懸浮顆粒。因此，粒子密度是從粒子反射到檢測器中的光的函數(shù)。在某種程度上，對于給定的顆粒密度反射多少光取決于顆粒的性質(zhì)，如它們的形狀，顏色和反射率。比濁計根據(jù)已知的顆粒來校準，并且它們可以使用環(huán)境因素(k-因子)來相應地補償更淺或更深的有色塵埃。比濁濁度計總是監(jiān)測從顆粒反射的光，而不是由于渾濁引起的衰減。

在一個實施方式中，濁度測量是吸收測量。在吸收系統(tǒng)中，光束被液體樣品中斷。光進入液體，而離開該液體的光的量的減少可由于以下原因所導致：光進入液體容器(例如，儀表的窗玻璃)時的散射和吸收、玻璃窗/液體界面的反射、由于液體顏色引起的吸收、由于懸浮顆粒引起的光的散射和吸收、以及隨后在接收光的掃描器的液體/窗口界面和窗口/空氣界面處發(fā)生的相同順序的散射和吸收。由于所有液體散射和所有顆粒吸收造成的損失構(gòu)成濁度。這也可以稱為“失光”，“直通”或“透射濁度計”。

在一個實施方式中，濁度測量是散射光的偏振的變化的測量。該技術(shù)基于纖維的雙折射，其中纖維素纖維旋轉(zhuǎn)光偏振平面。測量與漿液顏色和亮度變化以及灰分波動無關(guān)。這種使用光偏振的裝置的一個實例是Metso LC。

基本的濁度計(Turbidometer)儀器包含光源，任選的樣品容器或腔室，以及一個或多個光電檢測器(或光檢測器)，以感測散射光。最常見的光源是鎢絲燈。這些燈的光譜輸出(產(chǎn)生的波長光的帶)通常由“色溫”表征，“色溫”是必須操作黑體輻射體以產(chǎn)生某種顏色的溫度。鎢絲燈是白熾燈，并且被稱為“多色的”，因為它們具有相當寬的光譜帶，包括許多不同的光的波長或顏色。各種波長的存在可以引起濁度測量中的干擾，因為樣品的天然顏色和天然有機物質(zhì)可以吸收一些特定波長的光并且降低散射光的強度。

一些濁度計設計利用單色光源，例如發(fā)光二極管(LED)，激光器，汞燈和各種燈濾光器組合。單色光具有非常窄的光波長帶(僅幾種顏色)。通過選擇通常不被有機物吸收的光波長，單色光源可以較不易受樣品顏色的干擾。

在一個實施方式中，光學測量在260-900nm范圍內(nèi)的波長下進行，例如在400-890nm范圍內(nèi)的波長下進行。較短的波長將發(fā)生更多散射，因此檢測較小的顆粒，并且在低稠度下更敏感。

在濁度計中，光電檢測器檢測從入射光和樣品體積的相互作用產(chǎn)生的光，并產(chǎn)生電子信號，然后將其轉(zhuǎn)換成濁度值。根據(jù)儀器的設計，這些檢測器可以位于多種配置中。常用的四種類型的檢測器包括光電倍增管，真空光電二極管，硅光電二極管和硫化鎘光電導體。

在線儀器通常使用單光束或調(diào)制的四光束設計。也可使用在線比濁度計。在線儀器通常對從處理過程分離的旁流進行采樣。樣品流過在線儀器進行測量，然后被排出到排水管或通過處理工藝再循環(huán)。監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)儀器和遠程遙測也可以連接到在線儀器，以收集數(shù)據(jù)用于分析或基于測得的濁度控制其中的泵解過程和設備。

在一個實施方式中，濁度測量在所述分散體的稠度在0.15-10％范圍內(nèi)進行。在一個實施方式中，濁度測量在所述分散體的稠度在0.5-8％范圍內(nèi)進行。在一個實施方式中，濁度測量在所述分散體的稠度在1-5％的范圍內(nèi)進行，例如在1.5-4％的范圍內(nèi)，或在2-3％的范圍內(nèi)進行。在一個實例中，稠度為約2.4％，如例如在測試中使用的。在測量之前不需要稀釋分散體或樣品。在這種相當高的稠度下，測量的分辨率更好。然而，實際上，在稠度為5％及更高時，分散體開始具有固體物質(zhì)的性質(zhì)。在較高的稠度(例如約為2.5％或更高)時，原纖網(wǎng)開始形成，而在約0.1％的非常低的稠度下，顆粒是完全分離的。

測量通常在工藝溫度和/或壓力下進行，例如在約10-80℃的溫度范圍內(nèi)和/或在約1-6巴(例如約1-2巴)的壓力下進行。在一個實例中，使用熱以在40-80℃的溫度范圍內(nèi)促進原纖化。

通常，希望保持稠度恒定。與某些其他測量不同，不測量稠度的變化，而是測量產(chǎn)品品質(zhì)的變化。即使稠度影響分散體的透光性，稠度的變化通常不會顯著干擾測量，因為濁度的測量更敏感。

通常，在纖維素原纖化過程中，尺寸(例如原纖的直徑)朝向納米級產(chǎn)物的變化使得懸浮的原纖纖維素更加透明。隨著原纖化過程中粒度減小，透明度增加，濁度降低。最后，至少在理論上，獲得納米原纖纖維素的完全透明的分散體。這被認為代表高品質(zhì)的產(chǎn)品。實際上，在本發(fā)明方法中測量的是仍留在分散體中的非原纖化纖維的量。

在該方法中，使用測得的濁度和所制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性來確定所制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)。實際上，降低的濁度表明納米原纖纖維素的品質(zhì)提升。相關(guān)性還可以定義為所測得的透明度和所制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性，即測量分散體的透明度或其中的變化?？梢酝ㄟ^使用常規(guī)實驗室分析對所述測量進行校準。在一個實例中，在實驗室中測得以NTU表示的濁度并將其與管線內(nèi)儀表的讀數(shù)相比較。圖13、14和15顯示了一些實例，其中，將管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室的測量結(jié)果進行了比較以證明相關(guān)性。

在一個實例中，確定實驗室粘度和管線內(nèi)濁度之間的相關(guān)性。圖4顯示了現(xiàn)場粘度與管線內(nèi)測量結(jié)果的相關(guān)性的實例。粘度升高到所需水平，而濁度降低。然而，這種相關(guān)性可能略微不呈線性，因為在納米纖維素高度形成的情況下，粘度仍在增加，而濁度值已經(jīng)固定。

在一個實施方式中，納米原纖纖維素的品質(zhì)包括所述納米原纖纖維素的原纖化程度。在一個實施方式中，納米原纖纖維素的品質(zhì)包括所述納米原纖纖維素的粘度。在一個實施方式中，含有納米原纖纖維素的分散體的流速在0.01m/s-5m/s的范圍內(nèi)，例如在0.1-3m/s的范圍內(nèi)。流速對于崩解工藝的影響通常比其在測量本身中的影響更大。然而，流速不應該高到會在所述流中存在湍流。在很多系統(tǒng)中，上限可以是約20l/s，因此有用的流速可以在1-14l/s的范圍內(nèi)，例如1-10l/s或1-8l/s。然而，這取決于所使用的設備的尺寸，例如管的直徑等。如果多于一個崩解設備并聯(lián)連接，可以獲得非常高的流速。

該方法特別適用于改性的或化學漿液或纖維素，因為其與天然或未處理的漿液相比較不粗糙并且具有更小的直徑、進而更高的透明度。但是，也可以用該方法監(jiān)測天然漿液。在一個實施方式中，所述漿液是天然的或未改性的漿液或纖維素。在一個實施方式中，所述漿液是改性的漿液或纖維素，例如化學改性漿液或纖維素，例如陰離子漿液或纖維素或陽離子漿液或纖維素，或酶改性漿液或纖維素。在一個實例中，所述漿液是陰離子漿液。在一個實例中，所述漿液是陽離子漿液。在一個實例中，所述漿液是氧化的漿液。在一個實例中，所述漿液是TEMPO-氧化的漿液。如果紙漿被氧化，它通常具有更高的透明度。例如，陰離子漿液將更容易崩解成納米尺寸。本文討論的所述天然的或經(jīng)過化學處理的漿液或纖維素可以指作為起始材料的漿液或作為最終產(chǎn)品的納米原纖纖維素或纖維素納米原纖，或者指在該工藝中獲得的任何中間產(chǎn)物。

在纖維素的氧化中，纖維素的伯羥基基團通過雜環(huán)硝?；衔?例如2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基，通常稱為“TEMPO”)進行催化氧化。這些羥基基團被氧化成醛基和羧基基團。因此，部分經(jīng)歷氧化的羥基基團會在被氧化的纖維素中作為醛基存在，或者可以完全氧化成羧基基團。

本申請一個實施方式提供一種用于監(jiān)測在包括通常通過一個或多個紙漿崩解設備對纖維素漿液的纖維進行崩解的工藝中所制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的方法。在如圖1所示的一個實例中，裝置20連接到來自漿液崩解設備10的輸出端，以監(jiān)測從崩解設備10獲得的含有所制得的納米原纖纖維素的分散體16。進入崩解設備10的輸入流被標記為14。更一般地，所述裝置被設置成監(jiān)測從所述崩解設備獲得的包含所制得的納米原纖纖維素的分散體。因此，用于監(jiān)測納米原纖纖維素的品質(zhì)的設備可以直接連接到崩解設備，或例如連接到來自所述崩解設備的單獨的旁路管線或出口管，或者所制得的納米原纖纖維素可以通過來自崩解工藝的流來監(jiān)測，從而進行實時監(jiān)測。

由于在所制得的分散體的流動中連續(xù)地進行測量，因而能夠獲得連續(xù)的信號，得到連續(xù)的結(jié)果或表示結(jié)果的連續(xù)的一系列值。

用于監(jiān)測納米原纖纖維素的品質(zhì)的設備包括：

-用于對所述分散體的濁度進行實時光學測量的裝置，以及

-利用測得的濁度和制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性限定或確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的裝置。使用該相關(guān)性時，降低的濁度表示納米原纖纖維素的品質(zhì)提升。

在一個實例中，用于對所述分散體的濁度進行光學測量的裝置包括可以放置在所述流中的合適位置的光學傳感器，并且用于確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的裝置包括處理單元，所述處理單元例如利用導線或者使用任何合適的無線技術(shù)無線地連接到光學傳感器。在另一個實例中，所述傳感器和處理單元在同一單元中。

用于測量所述分散體的濁度的裝置包括光學測量裝置，其可以被設置為測量散射光的光散射，吸收或偏振的變化，如上所述。

在一個實施方式中，用于對所述分散體的濁度進行實時光學測量的裝置包括濁度計。在一個實施方式中，用于對所述分散體的濁度進行實時光學測量的裝置包括比濁計。在一個實施方式中，用于對所述分散體的濁度進行實時光學測量的裝置包括吸收濁度計和透射光濁度計。

利用測得的濁度和制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的裝置可包括配置為使用所述相關(guān)性(通常使用特定的軟件)確定制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的處理器或處理單元。所述處理器或處理單元可以是連接到光學測量設備的控制單元或計算機的一部分。所述處理器可被可操作地連接到界面，如顯示器、打印機，或與任何其他設備(如計算機、控制器或設置為控制一個或多個崩解設備的控制單元，例如以調(diào)節(jié)所述崩解設備的操作速度)相連的界面相連?？刂破骰蚩刂茊卧部梢栽O置為調(diào)節(jié)分散體流向所述崩解設備的流速。一個實例提供一種包括可執(zhí)行程序代碼的軟件產(chǎn)品，所述軟件產(chǎn)品配置成利用測得的濁度和制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)之間的相關(guān)性確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)，其中降低的濁度表示納米原纖纖維素的品質(zhì)提升。還可以包括用于控制所述崩解設備以作為反饋的程序代碼。所述程序代碼是計算機可執(zhí)行的，并且可以存儲在其中，其可操作以在計算機上執(zhí)行時進行所述品質(zhì)的確定。一個實例還提供了具有所述可執(zhí)行程序代碼的計算機系統(tǒng)。

基本上實時獲得的測量信息被輸入到用于確定所述制得的納米原纖纖維素的品質(zhì)的裝置中，所述裝置算出表示產(chǎn)品在某個時間點的品質(zhì)的值。此外，實時地將該值用于輸出測量結(jié)果，或者用于通過調(diào)整運行參數(shù)來控制所述崩解設備，以作為對所確定的品質(zhì)值的反饋。例如，可以響應不滿足預定標準的品質(zhì)值來調(diào)節(jié)崩解設備的速度。在另一個實例中，對分散體的流速進行調(diào)節(jié)以作為對測量的響應。

一個實施方式提供了一種設備設置，其包括連接到至少一個漿液崩解設備的所述設備。例如，測量裝置可以在崩解設備的排出泵之后連接到管線。管線的長度可以是例如0.5-2m，或更長。

在一個實施方式中，漿液崩解或原纖化設備選自轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子解膠機，分散器，均質(zhì)機，精磨機，研磨機，膠體排除裝置，摩擦研磨機，銷棒粉碎機，超聲波破碎器和流化器。

在一個實施方式中，通過使用具有至少一個轉(zhuǎn)子、槳葉或類似移動機械單元的分散器進行崩解，所述分散器例如具有至少兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子解膠機(rotor-rotor dispergator)。在分散器中，當槳葉以由半徑(到轉(zhuǎn)軸的距離)確定的圓周速度和旋轉(zhuǎn)速度以相反方向旋轉(zhuǎn)時，分散體中的纖維材料被轉(zhuǎn)子的槳葉或拱肋從相反方向反復撞擊。由于纖維材料在徑向上向外轉(zhuǎn)移，其撞在一個接著一個以高圓周速度從相反方向過來的槳葉(即拱肋)的寬表面上；換而言之，其受到來自相反方向的幾次連續(xù)沖擊。同樣，在槳葉的寬表面(即拱肋)的邊緣處(其邊緣與下一個轉(zhuǎn)子槳葉的相對邊緣形成槳葉間隙)，出現(xiàn)剪切力，其有助于纖維的崩解并使原纖脫離。撞擊頻率取決于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子的數(shù)量、各轉(zhuǎn)子中槳葉的數(shù)量和分散體通過裝置的流速。

在轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子解膠機中，纖維材料通過反向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子被引入，并且按照以下方式沿著相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的徑向方向向外移動并籍此而同時發(fā)生原纖化：所述材料反復受到由不同的反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子引起的剪切和撞擊力。轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子解膠機的一個實例是Atrex設備。

適于崩解的設備的另一實例是銷棒粉碎機，例如多重外周銷棒粉碎機。該設備的一個示例如US 6202946B1所述，其包括外殼，且在所述外殼內(nèi)具有裝配有碰撞表面的第一轉(zhuǎn)子；與第一轉(zhuǎn)子同心并裝配有碰撞表面的第二轉(zhuǎn)子，該第二轉(zhuǎn)子被設置為以與第一轉(zhuǎn)子相反的方向旋轉(zhuǎn)；或與第一轉(zhuǎn)子同心并裝配有碰撞表面的定子。該設備包括位于外殼中的進料孔并向轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)子和定子的中央開口，和外殼壁上的出料孔并向最外部轉(zhuǎn)子或定子的外周開口。

在一個實施方式中，崩解通過使用均質(zhì)機進行。在均質(zhì)機中，纖維材料在壓力的作用下均化。纖維材料分散體向納米原纖纖維素的均化是由分散體的強制通流引起的，這使得材料崩解為原纖。纖維材料分散體在給定的壓力下通過窄通流間隙，其中，分散體線性速度的增加使分散體受到剪切力和撞擊力，導致從纖維材料中移去原纖。纖維片段在原纖化步驟中崩解為原纖。

在一個實施方式中，該設置包括至少兩個崩解設備，例如兩個、三個或四個崩解設備，其可以是相同類型或不同類型。通常，至少對從最后一個裝置獲得的流量進行測量，但是也可以監(jiān)測來自任何先前裝置的輸出。圖2示出了一個例子，其中，三個崩解設備10、11、12以串聯(lián)連接。含纖維素的流入物14進入第一裝置10，而已經(jīng)經(jīng)歷這三次通過的成品原纖纖維素18從最后裝置12進入。每個崩解設備10、1、12都具有用于三個監(jiān)測裝置20、21、22的輸出，每個監(jiān)測裝置監(jiān)測每個崩解設備10、11、12的出口。

在一個實施方式中，該設置包括至少兩個用于監(jiān)測納米原纖纖維素的品質(zhì)的設備，每個設備連接到所述至少兩個崩解設備中的不同的一個崩解設備。在一個實例中，存在相等數(shù)量的監(jiān)測設備和崩解設備，例如兩個、三個或四個這兩種設備。

在一個實例中，漿液被氧化并通過三個或四個精制設備，例如至少一個轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子解膠劑來施用，并且可以在每個裝置之后對產(chǎn)物進行測量。在一個實例中，最后一個精制機12是精整精制機，并且根據(jù)來自先前精制機的測量結(jié)果來調(diào)整其設置。

在一個實施方式中，設備設置包括一個或多個控制裝置，其被設置為控制所述至少一個崩解設備，以作為對從所述至少一個崩解設備獲得的納米原纖纖維素的監(jiān)測品質(zhì)的反饋。反饋控制可以用于提升產(chǎn)品的品質(zhì)，或者優(yōu)化生產(chǎn)率或者起到一個或多個崩解設備的功能?？刂蒲b置可以設置成通過改變崩解設備(例如精制機)的速度或通過改變漿液分散體進入崩解設備的流速來控制所述至少一個崩解設備。例如，如果流速似乎太高而導致漿液的不完全原纖化，或者如果在分散體中開始形成干擾性氣泡，則可調(diào)節(jié)流速，例如降低流速，以作為對測量結(jié)果的響應，以獲得最佳的原纖化和/或測量結(jié)果。在一個實例中，所述系統(tǒng)包括3或4個崩解設備，所述漿液全速進料至第一個崩解設備?？梢钥刂谱詈笠粋€崩解設備的速度，并且如果原纖化結(jié)果偏離預定的期望值，則改變最后一個崩解設備的操作速度，例如降低操作速度。在一個實例中，通過將漿液經(jīng)由容器再循環(huán)通過相同的崩解設備3或4次來進行原纖化。如果在第三輪之后原纖化結(jié)果是可接受的，則不需要第四輪。

控制裝置可以包括控制器，其被配置為執(zhí)行上述動作中的一個或多個以控制至少一個崩解設備、泵設備和/或其它相關(guān)設備。所述控制器可以包括處理器或處理單元。所述處理器或處理單元可以是連接到設備的控制單元或計算機的一部分。控制裝置通常可操作地連接到裝置，例如它們被設置成操作裝置中的一個或多個致動器或者改變裝置的設置以用于調(diào)整和控制所述裝置。

實施例

在比濁實驗室方法中，將納米原纖纖維素樣品在水中稀釋至低于所述納米原纖纖維素的膠凝點的濃度，至0.1重量％的測量濃度。采用具有50mL測量容器的HACH P2100濁度計(Turbidometer)來進行濁度測量。確定納米原纖纖維素樣品的干物質(zhì)，將0.5g樣品(以干物質(zhì)計算)裝載到測量容器中，其用自來水填充至500g，并通過振蕩劇烈混合約30秒。立即將水性混合物分入5個測量容器中，將它們插入濁度計中。對每個容器進行3次測量。從所獲得的結(jié)果計算平均值和標準偏差，最終結(jié)果單位為NTU單位(比濁測量法的濁度單位)。

測試的目的是確定是否能在原纖化中使用Satron VO光學發(fā)射器所提供的管線內(nèi)濁度測量結(jié)果。主要挑戰(zhàn)是凝膠流中相對高的稠度(2.4％)和氣泡的影響。

設備

使用Satron VO光學稠度發(fā)射器(Satron VO Optical Consistency Transmitter)作為880nm下的光學測量設備。在中試工廠使用轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子解膠劑設備作為崩解設備。儀器通過閥安裝，該閥被安裝在解膠劑的排放泵之后的直徑為100mm的1米長的垂直管道中。所述單元包括儀器本身和小顯示屏。

漿液

通過“TEMPO”氧化對纖維素樺樹漿液進行陰離子改性。采用兩種改性水平：0.95毫摩爾COOH/克的漿液(A級)和0.78毫摩爾COOH/克的漿液(B級)。

原纖化實施例

將陰離子漿液分散到水中形成2.5％(w/w)的分散體。流量(f)為3l/s，Satron設備安裝位置處的流速(v)為0.4m/s。使分散體通過分散器(Atrex)四次，通過一系列反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。使用的分散器的直徑為850mm，并且使用的轉(zhuǎn)速為1800rpm。結(jié)果，形成粘稠的納米原纖纖維素凝膠。

樣品

在三種不同稠度下對陰離子纖維素漿液(A級)進行原纖化。

·2.5％(通過4次)

·1.5％(僅第四次通過)

·1.0％(通過4次)

如上所述對陰離子纖維素漿液(B級)進行原纖化。

結(jié)果

原纖化過程中由Satron得到的結(jié)果(表示為Cs％)和現(xiàn)場濁度示于圖3-15中?，F(xiàn)場測量在實驗室進行。應注意現(xiàn)場濁度總是在稀釋后在0.15％的稠度下測得的。

圖3顯示測試結(jié)果，其中，對稠度為1.0％和2.4％時的現(xiàn)場(實驗室測量)濁度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。

可以看出，管線內(nèi)濁度與實驗室測量相關(guān)。

圖4顯示測試結(jié)果，其中，對稠度為1.0％和2.4％時的現(xiàn)場粘度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。當濁度減少時，粘度增加，這意味著管線內(nèi)測量結(jié)果與納米原纖纖維素品質(zhì)的發(fā)展相關(guān)。

圖5顯示測試結(jié)果，其中，對第一次和第四次通過之后的現(xiàn)場濁度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。圖6顯示測試結(jié)果，其中，對第一次和第四次通過之后的現(xiàn)場粘度與管線內(nèi)測量結(jié)果進行了比較。當濁度減少時，粘度增加，這意味著管線內(nèi)測量與納米原纖纖維素品質(zhì)的發(fā)展相關(guān)。

圖7顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行管線內(nèi)測量?？梢杂^察到品質(zhì)改進。這些結(jié)果表明該方法不對濃度敏感，并且當使用高濃度時也是精確的。

圖8顯示測試結(jié)果，其中，在不同流速下在第一次和第四次通過之后進行管線內(nèi)測量?？梢钥闯?，在線測量可以檢測在流量變化時發(fā)生的品質(zhì)變化。例如，當流速增加時(較少的能量被引導至漿液)，納米原纖纖維素的品質(zhì)降低。

圖9顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行現(xiàn)場濁度測量。這是圖7的實驗室參照?？梢钥闯觯芫€內(nèi)測量的精度(圖7)與費力的實驗室測量相對應，特別是當使用較高的工藝濃度時。

圖10顯示測試結(jié)果，其中，在不同的流速下在第一次和第四次通過之后進行現(xiàn)場濁度測量。這是圖8的實驗室參照?？梢钥闯?，管線內(nèi)測量的精度(圖8)與費力的實驗室測量相對應。

圖11顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行管線內(nèi)測量。圖12顯示測試結(jié)果，其中，在1.0％和2.4％的稠度下在通過不同次數(shù)之后進行管線內(nèi)濁度測量。該圖說明了管線內(nèi)方法與費力的實驗室測量的對應關(guān)系。

圖13顯示測試結(jié)果，其中，使用A級漿液在不同時間點和通過次數(shù)條件下對管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行比較。圖14顯示測試結(jié)果，其中使用B級漿液在不同時間點和通過次數(shù)條件下對管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行比較。圖15顯示測試結(jié)果，其中使用A級漿液在不同通過次數(shù)條件下對管線內(nèi)測量結(jié)果與實驗室測量結(jié)果進行比較。

在現(xiàn)場濁度和Satron管線內(nèi)測量之間存在非常好的相關(guān)性。

還可以看出，如果排出泵以過高的速度運行并且給空氣供給凝膠，則顯示的總體水平較高并且變化極高。因此，在調(diào)節(jié)排放泵的流量時必須非常小心，以避免偏差和不正確的值。