纤维素纳米纤丝机制造技术

公开了来自纤维素纤维的纤维素纳米纤丝、及其制备方法和装置。该纳米纤丝是宽度在亚微米范围内且长度高达几个毫米的微细线丝。这些纳米纤丝由来自木材和其它植物的天然纤维制成。纳米纤丝的表面可以改性以带有阴离子、阳离子、极性、疏水性或其它官能团。向造纸配料中添加这些纳米纤丝显著改善湿纸幅强度和干纸页强度，比现有的天然和合成聚合物好得多。由本发明专利技术生产的纤维素纳米纤丝是纸和纸板制品以及复合材料的优异的增强用添加剂，而且可以用于生产超吸收剂材料。

【技术实现步骤摘要】
纤维素纳米纤丝机本申请是2011年5月11日提交的题为“纤维素纤丝及其制造方法”的中国专利申请201180030379.5(PCT/CA2011/000551)的分案申请。专利
本专利技术涉及纤维素纳米纤丝，由来源于木浆或其它植物浆的天然纤维制造纤维素纳米纤丝的方法，用于制造该纳米纤丝的纳米原纤化(nanofibrillating)装置，以及提高纸张强度的方法。现有技术加工性及功能性添加剂普遍用于纸、纸板和薄纸制品的生产中以便改善材料留着率、纸页强度、疏水性和其它功能。这些添加剂通常是来源于石油的水溶性或乳状的合成聚合物或树脂，或者是改性的天然产物如淀粉、瓜尔胶、和纤维素衍生物例如由溶解纤维素浆制成的羧甲基纤维素。尽管这些添加剂中的大多数能够改善干燥纸张的强度，但是它们无法真正改善没干燥过的湿纸页的强度。然而，高的湿纸幅强度是良好的造纸机运行能力所必要的。这些添加剂的另一缺点是它们对浆配料(pulpfurnish)的化学性质的敏感性，在其中它们会因高电导率和高水平的阴离子性的溶解和胶态物质而钝化。为了起作用，聚合物必须在纤维和细屑(fines)表面上吸附，然后在其生产过程中保留在纸幅上。然而，由于聚合物吸附从未是100％，大部分聚合物将会在造纸机白液系统中循环，在那里聚合物会钝化或者在排水中损失，这对废水处理增加负担。漂白的软木牛皮纸纤维普遍在纸、薄纸和纸板品种生产中作为增强组分用于强度改善。然而，为了起作用，它们必须在与浆配料共混之前充分精研(refine)并且根据品级通常以10％-40％的水平添加。精研为浆纤维带来原纤化，并且提高它们的粘结潜能(bondingpotential)。Turbak等人在1983年(US4,374,702)公开了称作微小原纤化纤维素(microfibrillatedcellulose，MFC)的精细分化的纤维素及其制造方法。该微小原纤化纤维素由附有许多微细原纤维的短切纤维构成。在微小原纤化过程中，纤维壁内原纤维之间的横向结合被破坏以引起原纤维的局部脱离，或者如同在US6,183,596、US6,214,163和US7,381,294中定义的纤维分叉。在Turbak的工艺中，通过使纤维素浆反复通过均化器的小孔口生成微小原纤化纤维素。这种孔口产生高剪切作用并使浆纤维转变成微小原纤化纤维素。高原纤化提高化学可及性(chemicalaccessibility)并且导致高的保水值，这容许在低稠度下达到凝胶点。据显示MFC以高剂量使用时改善纸张强度。例如，由未打浆牛皮纸浆制成的手抄纸的破裂强度在纸页含有约20％微小原纤化纤维素时提高77％。该专利中没有限定微小原纤化纤维的长度和长径比，但是纤维在通过均化器之前预先切割。日本专利(JP58197400和JP62033360)也宣称在均化器中生产的微小原纤化纤维素改善纸张抗张强度。干燥之后的MFC难以在水中再分散。DaicelChemical的Okumura等人和Fukui等人开发了两种方法以使干燥过的MFC在不损失其粘度的情况下能够再分散(JP60044538，JP60186548)。Matsuda等人公开了通过在高压均化器之前增加研磨段产生的超微原纤化纤维素(US6,183,596&US6,214,163)。与前面的公开物一样，Matsuda工艺中的微小原纤化通过使纤维分叉同时保持纤维形状以形成微小原纤化纤维素来进行。然而，超微原纤化纤维素与前面公开的那些相比具有更短的纤维长度(50-100μm)和更高的保水值。该超MFC的长径比为50-300。该超MFC建议用于涂覆纸和调色纸的生产。还可以通过使浆通过研磨机10次而不用进一步均化来生产MFC(Tangigichi和Okamura，FourthEuropeanWorkshoponLignocellulosicsandPulp，Italy，1996)。Tangigichi和Okamura还报道了由MFC形成的坚固膜[PolymerInternational47(3):291-294(1998)]。Subramanian等人[JPPS34(3)146-152(2008)]将研磨机制成的MFC用作主要的配料组分以生产包含超过50％填料的纸页。Suzuki等人公开了生产微小原纤化纤维素纤维的方法，该纤维也被定义为分叉纤维素纤维(US7,381,294&WO2004/009902)。该方法包括在精研机(refiner)中处理浆至少10次，但是优选30-90次。专利技术人宣称这是第一种容许连续生产MFC的工艺。所得的MFC具有小于200μm的长度，非常高的超过10mL/g的保水值，这使它在约为4％的稠度下形成凝胶。Suzuki专利技术的优选原料为硬木牛皮纸浆的短纤维。MFC的悬浮液可用于包括食品(US4,341,807)、化妆品、药剂、涂料和钻井泥浆(US4,500,546)在内的多种制品中。MFC还可以在树脂模制品和其它复合材料中用作增强填料(WO2008/010464，JP2008297364，JP2008266630，JP2008184492)，或者在模塑制品中用作主要组分(US7,378,149)。上述公开中的MFC为带有原纤维构成的分叉的短切纤维素纤维，并非单根原纤维。微小原纤化的目的在于提高纤维可及性和保水性。只有通过添加大量MFC才能实现纸张强度的显著提高，例如20％MFC。Cash等人公开了制造衍生化MFC的方法(US6,602,994)，例如，微小原纤化的羧甲基纤维素(CMC)。该微小原纤化的CMC以类似于普通CMC的方式改善纸张强度。Charkraborty等人报道了产生纤维素微小原纤维的新方法，其包括用PFI磨精研之后在液氮中冷冻破碎。如此生成的原纤维具有约0.1-1μm的直径和15-85的长径比[Holzforschung59(1):102-107(2005)]。由仅含初生壁的非木本植物如甜菜浆生产较小的纤维素结构、微小原纤维或者直径约为2-4纳米的纳米原纤维(Dianand等人，US5,964,983)。为了与疏水性树脂相容，可以在微小原纤维表面上引入疏水性(Ladouce等人，US6,703,497)。Cavaille等人公开了用于复合材料的表面酯化的微小原纤维(US6,117,545)。Cantiani等人公开了由非木本植物制成的可再分散性微小原纤维(US6,231,657)。为了在使用流化器或均化器的MFC生产中减少能量和避免堵塞，等人提出在均化过程之前用精研和酶预处理木浆(WO2007/091942，6thInternationalPaperandCoatingChemistrySymposium)。所得的MFC较小，其具有2-30nm的宽度和100nm至1μm的长度。为了使它与早期的MFC区分开，作者将其命名为纳米纤维素[AnkerforsandLindstrom,2007PTSPulpTechnologySymposium]，或者纳米原纤维[Ahola等人，Cellulose15(2):303-314(2008)]。该纳米纤维素或纳米原纤维具有非常高的保水值，并且在水中就像凝胶一样。为了改善结合能力，浆在均化之前进行羧甲基化。用100％本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于由纤维素原料生产长度为至少100μm的纤维素纳米纤丝的纤维素纳米纤丝机，该纳米纤丝机包含：适宜处理纤维素原料的容器，其包含：进口、出口、和内表面壁，其中该容器限定具有圆形、正方形、三角形或多边形的横截面的腔室；沿着穿过该横截面的轴可操作地安装在腔室内并且有绕轴旋转方向的转轴，该转轴包含多个安装在轴杆上的剥离搅拌器；该剥离搅拌器包含：彼此相对连在轴杆上并且径向地从轴向外延伸的第一组刀片，该第一组刀片包含：从轴到第一刀片末端所限定的并且在沿着轴的方向上突出的第一半径；彼此相对连在中心轮毂上并且径向地从轴向外延伸的第二组刀片，该第二组刀片包含从轴到第二刀片末端所限定的并且在沿着轴的方向上突出的第二半径，其中每片刀片具有在轴杆旋转方向上运动的刀刃，以及限定内表面壁与第一刀片尖端之间的间隙，其中该间隙大于纳米纤丝的长度。

【技术特征摘要】
2010.05.11 US 61/333,5091.用于由纤维素原料生产长度为至少100μm的纤维素纳米纤丝的纤维素纳米纤丝机，该纳米纤丝机包含：适宜处理纤维素原料的容器，其包含：进口、出口、和内表面壁，其中该容器限定具有圆形、正方形、三角形或多边形的横截面的腔室；沿着穿过该横截面的轴可操作地安装在腔室内并且有绕轴旋转方向的转轴，该转轴包含多个安装在轴杆上的剥离搅拌器；该剥离搅拌器包含：彼此相对连在轴杆上并且径向地从轴向外延伸的第一组刀片，该第一组刀片包含：从轴到第一刀...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·华，M·拉莱格，T·奥斯通，
申请(专利权)人：FP创新研究中心，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA