制备纳米纤维素纤维的能量有效的方法技术

公开了制备纤维素纳米纤维的可按比例放大的能量有效的方法。该方法使用下述一种或两种的解聚处理：(a)在促进形成自由基的条件下，相对高地引入臭氧，化学解聚纤维素纤维细胞壁和纤维间化学键；或(b)纤维素酶。可通过纸浆粘度的变化来估计解聚。解聚处理接着或者同时发生机械粉碎处理过的纤维，在数种机械粉碎装置中的任何一种内进行粉碎，节约的能量随粉碎系统的类型和处理条件而变化。可进行粉碎到数个终点量度中的任何一个，例如纤维长度，％细度或浆液粘度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备纳米纤维素纤维的能量有效的方法相关申请本申请要求2012年6月13日提交的美国临时申请序列号no.61/659,082的优先权，且在本文中引入参考。专利技术背景本专利技术一般地涉及纤维素纸浆加工领域，和更具体地涉及纤维素纸浆的加工，以制备纳米纤维素纤维，在本文献中也称为微原纤化纤维(microfibrillatedfiber)，微原纤维和纳米原纤维。尽管在文献中具有这一变化，但本专利技术可应用到微原纤化纤维，微原纤维和纳米原纤维上，而与实际的物理尺寸无关。常规地，使用牛皮纸，苏打或亚硫酸盐蒸煮工艺生产的化学纸浆用含氯漂白剂漂白。尽管氯气是非常有效的漂白剂，但来自氯漂白工艺的流出物含有作为这些工艺副产物形式生产的大量氯化物。这些氯化物容易腐蚀加工设备，从而要求在构建漂白装置中使用昂贵的材料。另外，担心在流出物中氯化有机物的潜在的环境影响。为了避免这些缺点，纸工业尝试了减少或省去使用含氯漂白剂用于漂白木浆。关于这一点，努力开发漂白工艺，其中例如通过用氧-基化合物，例如臭氧，过氧化物和氧气替代含氯试剂，其目的是脱木素化，即漂白纸浆。使用氧确实允许显著减少所使用的元素氯用量。然而，使用氧常常不是对采用元素氯遇到的问题的完全满意的解决方案。但氧气和臭氧具有差的选择性，它们不仅使纸浆脱木素化，而且它们还使纤维素纤维降解并削弱(weaken)。氧-基脱木素化还通常在纸浆内留下一些残留的木质素，它们必须通过氯漂白而除去，以获得完全漂白的纸浆，结果仍然存在与使用含氯试剂有关的担心。Hutto等人的美国专利公布2007/0131364和2010/0224336；Hammer等人的美国专利5,034,096；Pan的美国专利6,258,207；Andersson等人的EP554,965Al；Jaschnski等人的美国专利6,136,041；Hyde的美国专利4,238,282；和其他一些中例举了这些氧-基方法。采用这些方法的问题包括需要螯合剂和/或高度酸性的条件，它们将螯合可使过氧化物中毒的金属离子，从而降低其有效性。酸性条件也可导致漂白装置中机器的腐蚀。然而，纸浆的漂白不同于且本身不会导致释放纳米纤维素纤维。典型地要求进一步的机械精制或均化，一种利用大量能量机械且物理破碎纤维素成较小片段的方法。通常要求多段均化或精制或二者，以实现纳米尺寸的纤维素原纤维。例如，Suzuki等人的美国专利7,381,294描述了多步精制法，它要求大于或等于10次，和多达30-90次精制。从纤维素纤维中释放纳米原纤维的另一已知方法是使用2,2,6,6-四甲基哌啶-l-氧基("TEMPO")和这一化合物的衍生物氧化纸浆。Miyawaki等人的美国专利公布2010/0282422，以及Saito和Isogai,TEMPO-MediatedOxidationofNativeCellulose:TheEffectofOxidationConditionsonChemicalandCrystalStructuresoftheWater-InsolubleFractions,Biomacromolecules,2004:5,1983-1989描述了这一方法。然而，对于这一目的来说，这一成分的制造和使用非常昂贵。另外，使用这一化合物倾向于化学改性纤维表面，使得表面电荷比天然纤维素表面负得多。这产生了两个额外的问题：(1)对纤维素的化学改性可阻碍管理机构，例如FDA在如此管制的产品上批准；和(2)高负电荷会影响处理和与造纸以及其他制造工艺中常用的其他材料的相互作用，且可需要用阳离子中和，从而增加不必要的加工和成本。正如所述的，臭氧被用作氧化漂白剂，但它还与一些问题有关，具体地(1)毒性和(2)对木质素而不是纤维素选择性差。在Gullichsen(编辑).Book6A"ChemicalPulping"inPapermakingScienceandTechnology,FapetOy,1999，第A194页以及下列等等中讨论了这些和其他问题，通过参考将其引入。另外，使用臭氧或化学试剂作为漂白预处理剂接着机械精制方法释放纳米原纤维使得承担非常高的能量成本，这在商业水平上是不可持续的。因此，本专利技术的目的和特征是提供使用臭氧的氧化处理方法，臭氧在商业上是可按比例放大的，且与已知方法相比，要求使用显著较少的能量，从纤维素纤维中释放纳米原纤维。由本专利技术得到的另一优点是减少的腐蚀和较好的环境影响，因为避免了氯化合物。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术包括由纤维素材料制备纤维素纳米纤维(也称为纤维素纳米原纤维或CNF和称为纳米原纤化纤维素(NFC)和称为微原纤化纤维素(MFC))的改进方法，该方法包括：在足以引起纤维素材料部分解聚的条件下，用含有选自(a)基于纤维素材料的干重，加入量为至少约0.1wt/wt％的臭氧以供在浆液中生成自由基；(b)基于纤维素材料的干重，浓度为约0.1-约10lbs/ton的纤维素酶；或(c)(a)和(b)二者的组合的解聚剂的含水浆液处理纤维素材料；和同时或随后粉碎纤维素材料，释放纤维素纳米纤维；其中总的工艺实现至少约2％的能量效率(如本文中所定义)。在一些实施方案中，处理步骤与粉碎步骤同时进行。在其他实施方案中，在粉碎步骤之前，进行处理步骤，从而使得它成为“预处理”步骤。与现有技术使用臭氧的纸浆漂白预处理相反，解聚是所需和打算的结果，尽管几乎不需要或实现不了100％解聚。在一些实施方案中，解聚至少约5％，至少约8％，至少约10％，至少约12％，至少约15％，至少约20％，至少约25％，或至少约30％。解聚的上限程度不是那么关键且可以是最多约75％，最多约80％，最多约85％，最多约90％或最多约95％。例如，解聚可以是约5％-约95％，约8％-约90％，或以上引证的下限和上限程度的任何组合。或者，设计处理步骤，引起粘度下降至少约5％，至少约8％，至少约10％，至少约12％，至少约15％，至少约20％，至少约25％，或至少约30％。在使用臭氧的实施方案中，臭氧的加入量可以是约0.1％-约40％(wt/wt％)，和更特别地约0.5％-约15％，或约1.2％-约10％。在其他实施方案中，臭氧的加入量是至少约1.5％，至少约2％，至少约5％，或至少约10％。在使用纤维素酶的实施方案中，酶的浓度范围可以是约0.1-约10lbs/ton纸浆干重。在一些实施方案中，酶的用量为约1-约8lbs/ton；在其他实施方案中，范围为约3-约6lbs/ton。纤维素酶可以是内切葡聚糖酶或外切葡聚糖酶，且可包括具有不同种类纤维素酶活性的酶的单独类型或共混物。在一些实施方案中，可在解聚处理中使用臭氧和酶二者。在一些实施方案中，解聚处理可供应有过氧化物。当使用任选的过氧化物(例如过氧化氢)时，过氧化物的引入可以是约0.1％-约30％(wt/wt％)，和更特别地约1％-约20％，约2％-约10％，或约3％-约8％，基于干燥纤维素材料的重量。当使用任选的酶时，酶可包括单一类型的纤维素酶或纤维素酶的共混物，例如PERGALASETM。粉碎步骤的性质不是关键的，但所获得的能量效率量可取决于粉碎工艺。选自研磨机，Valley打浆机，圆盘精制机(单一或多个)，锥形精制机，圆柱形精制机本文档来自技高网...

【技术保护点】
由纤维素材料形成纤维素纳米纤维的方法，该方法包括：在足以引起纤维素材料部分解聚的条件下，用含解聚剂的含水浆液处理该纤维素材料，所述解聚剂选自(a)加入量为至少约0.1wt/wt％的臭氧，用于在浆液内生成自由基，基于纤维素材料的干重；(b)浓度为约0.1‑约10lbs/ton的纤维素酶，基于纤维素材料的干重；或(c)(a)和(b)二者的组合；和同时或随后粉碎纤维素材料，以释放纤维素纳米纤维；其中总的方法实现至少约2％(本文定义)的能量效率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.13 US 61/659,0821.由纤维素材料的天然来源形成纤维素纳米纤维的方法，该方法包括：在足以引起与天然纤维素材料相比至少5％的部分解聚的条件下，用含解聚剂的含水浆液处理该纤维素材料的天然来源，所述解聚剂包括加入量为1.2-10wt/wt％的臭氧，用于在浆液内生成自由基，基于纤维素材料的干重；和同时或随后粉碎纤维素材料，以释放纤维素纳米纤维；其中总的方法实现至少2％的能量效率，其中能量效率定义为：(1)采用较小的能耗实现相当的粉碎结果终点；或者(2)采用相当的能耗实现较大的粉碎结果终点，其中该粉碎结果终点选自浆液粘度、纤维长度或％细度。2.权利要求1的方法，其中在pH5-10下进行处理步骤。3.权利要求1的方法，其中在粉碎步骤之前，进行处理步骤作为预处理步骤。4.权利要求1的方法，其中在30℃-70℃的温度下进行处理步骤。5.权利要求1的方法，进一步包括添加一种或多种酶到浆液中以供...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·比罗德乌，M·A·帕拉蒂斯，
申请(专利权)人：缅因大学系统理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US