用于脱水和干燥纳米纤维素的系统和方法技术方案

本发明专利技术允许生产呈干燥形式的纳米纤维素，使得能够结合到多种最终用途应用中。一些变体提供了一种纳米纤维素

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于脱水和干燥纳米纤维素的系统和方法
优先权数据
[0001]本国际专利申请要求于2019年1月22日提交的美国临时专利申请号62/795,277的优先权，将所述专利申请特此通过援引并入本文。


[0002]本专利技术总体上涉及用于脱水和干燥用于掺入聚合物和其他体系中的纳米纤维素的系统和方法。

技术介绍

[0003]纳米纤维素已经作为纳米结构材料获得重视。纳米纤维素特征为可生物降解性和环境可持续性，因为它衍生自天然存在的资源，纤维素—其是地球上最丰富的聚合物。此外，无论纳米纤维素的社会和环境可持续性如何，纳米纤维素对于改进复合材料的机械强度和其他特性提供了巨大的技术潜力。纳米纤维素由平行的线性多糖分子构成。除了纳米纤维素的丰富和可持续性之外，它具有吸引人的物理化学特性，诸如特别高的刚度和强度。
[0004]纳米纤维素正在被开发用于各种各样的应用中，诸如聚合物增强、抗微生物膜、可生物降解食品包装、印刷纸、颜料和墨水、纸张和纸板包装、阻隔膜、粘合剂、生物复合材料、伤口愈合、药品和药物递送、纺织品、水溶性聚合物、建筑材料、用于运输业的可再循环内部和结构部件、流变改性剂、低卡路里食品添加剂、化妆品增稠剂、药物片剂粘合剂、生物活性纸、用于乳液和颗粒稳定的泡沫的皮克林稳定剂、涂料配方、用于光学开关的膜以及洗涤剂。
[0005]然而，存在与纳米纤维素的广泛使用相关联的严重技术挑战。特别地，从纳米纤维素悬浮液去除水以维持纳米级尺寸是非常困难的。在大多数情况下，纳米纤维素颗粒由于其亲水性质和在干燥期间聚集的倾向而加工为水性悬浮液。工业上需要开发稳健的分散体和干燥方法，其对于需要干燥形式的材料应用将维持纳米级尺寸。纳米纤维素的更干燥的形式还降低了稀释的水性悬浮液的高运输成本，并且扩大了对可以添加至产品中的水的量具有限制的最终用途应用的数目。
[0006]在纤维素纳米晶体以及纤维素纳米原纤维(或微原纤维)两者的情况下，纳米纤维素在非水基聚合物和其他体系中的分散性仍然是有问题的，因为它们典型地需要用于掺入的干燥形式的纳米纤维素。纳米纤维素在干燥期间倾向于不可逆地自身结合，导致纳米纤维素的大的聚集体。大的聚集体通常阻碍或甚至破坏纳米纤维素颗粒被引入其中的聚合物复合材料或其他体系的预期特性益处。例如，在聚合物中良好分散的纳米纤维素颗粒可以导致显著的机械强度增强。然而，当纳米纤维素变得聚集时，可能根本没有机械强度增强—或者甚至更糟，例如，大的聚集体可能导致可以引起聚合物部件过早失效的应力集中点。
[0007]在改进纳米纤维素在非水基产品中的分散方面，已经尝试了各种干燥方法。这些方法通常需要极端的措施，这些措施被证明难以扩大至商业量，并且因此是不经济的。通常，这些方法基于纳米纤维素的冻干(冷冻干燥)，这是用于防止纳米纤维素的不可逆的颗
粒间结合的已建立的实验室方法。冷冻干燥对于纳米纤维素的商业生产既不经济也不可扩大。
[0008]对于其中使用纳米纤维素的几乎所有非水性应用，改进其分散以及因此这些应用的效用和益处已经是实施纳米纤维素的主要障碍。因此，使用使纳米纤维素在聚合物和其他体系中高度可分散的经济的方法改进纳米纤维素分散已经变得重要。经济的方法通常需要含有纳米纤维素的干燥组合物。纳米纤维素的干燥形式在其中遇到热熔融工艺的热塑性加工诸如挤出和注射模制的领域中尤其重要。在采用非极性热塑性塑料的热熔融工艺期间，水对令人满意的加工是有害的。
[0009]由于这些材料在低浓度下的高保水能力和高粘度，脱水或浓缩纳米纤维素浆料以更有效运输或在水受限的应用中使用是固有地困难的。对于水基应用，最终用户需要具有尽可能高的固体含量、同时可用低能量的标准混合设备快速再分散的纳米纤维素“浓缩物”。取决于应用，纳米纤维素可能需要再分散于水中，使得保留独特的且有目的地设计的纳米级特性。
[0010]鉴于本领域中的前述需要，对于聚合物复合材料和除聚合物之外的其他体系，强烈地需要用于脱水和干燥纳米纤维素的改进的系统和方法。

技术实现思路

[0011]本专利技术的一些变体提供了一种纳米纤维素
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浆料脱水系统，其包含：纳米纤维素浆料进料子系统，其中所述纳米纤维素浆料包含纳米纤维素和水；用于分散剂/干燥剂的进口；与所述纳米纤维素浆料进料子系统流动连通的双螺杆挤出机，其中所述双螺杆挤出机被配置成紧密混合所述纳米纤维素浆料和所述分散剂/干燥剂，并且其中所述双螺杆挤出机被配置成具有一个或多个挤出机排放口以从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分(诸如全部)的所述水；用于回收纳米纤维素
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分散体浓缩物的挤出机出口，该纳米纤维素
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分散体浓缩物包含(i)该纳米纤维素，(ii)该分散剂/干燥剂，以及(iii)残余水(如果有的话)；以及任选的碾磨装置，其被配置成产生含有所述纳米纤维素
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分散体浓缩物的粉末。
[0012]在一些实施例中，诸如当加工稀释浆料时，所述纳米纤维素浆料进料子系统被配置成具有内部旋转搅拌器和/或擦拭叶片以混合所述纳米纤维素浆料。
[0013]在一些实施例中，所述纳米纤维素
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浆料脱水系统包含纳米纤维素浆料预浓缩单元，该纳米纤维素浆料预浓缩单元被配置成在所述挤出机中去除水之前从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分的所述水。例如，该纳米纤维素浆料预浓缩单元可以是离心机或过滤装置。
[0014]在一些实施例中，所述纳米纤维素
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浆料脱水系统包含混合单元，该混合单元被配置成混合所述纳米纤维素浆料与所述分散剂/干燥剂。
[0015]在一些实施例中，用于所述分散剂/干燥剂的所述进口是到所述纳米纤维素浆料进料子系统的进口。在其他实施例中，用于所述分散剂/干燥剂的所述进口是直接到所述双螺杆挤出机的进口。还可以存在用于分散剂/干燥剂到所述纳米纤维素浆料进料子系统以及到所述双螺杆挤出机两者的进口。所述分散剂/干燥剂可以在添加至预浓缩单元之前、或
者在所述纳米纤维素浆料已经在预浓缩单元(如果有的话)中预浓缩之后与所述纳米纤维素浆料组合。优选地，在将混合物添加至纳米纤维素浆料进料子系统中之前，诸如用搅拌混合罐或在线混合器将纳米纤维素浆料和分散剂/干燥剂混合在一起。
[0016]双螺杆挤出机可以是同向旋转双螺杆挤出机、反向旋转双螺杆挤出机、或另一类型的双螺杆挤出机。
[0017]当存在任选的碾磨装置时，该碾磨装置可以选自例如锤式磨机、球磨机、喷射式磨机、冲击式压碎机、粉碎机、笼式磨机、研磨机、或挤出机。
[0018]一些变体不一定采用分散剂/干燥剂。在这些变体中的一些中，纳米纤维素
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浆料脱水系统包含：纳米纤维素浆料进料子系统，其中所述纳米纤维素浆料包含纳米纤维素和水；与所述纳米纤维素浆料进料子系统流动连通的双螺杆挤出机，其中所述双螺杆挤出机被配置成剪切所述纳米纤维素浆料，并且其中所述双螺杆挤出机被配置成具有一个或多个挤出机排放口以从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分的所述水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种纳米纤维素
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浆料脱水系统，其包含：纳米纤维素浆料进料子系统，其中所述纳米纤维素浆料包含纳米纤维素和水；用于分散剂/干燥剂的进口；与所述纳米纤维素浆料进料子系统流动连通的双螺杆挤出机，其中所述双螺杆挤出机被配置成紧密混合所述纳米纤维素浆料和所述分散剂/干燥剂，并且其中所述双螺杆挤出机被配置成具有一个或多个挤出机排放口以从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分的所述水；用于回收包含所述纳米纤维素和所述分散剂/干燥剂的纳米纤维素
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分散体浓缩物的挤出机出口；以及任选的碾磨装置，其被配置成产生含有所述纳米纤维素
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分散体浓缩物的粉末。2.如权利要求1所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素浆料进料子系统被配置成具有内部旋转搅拌器和/或擦拭叶片以混合所述纳米纤维素浆料。3.如权利要求1所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素
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浆料脱水系统包含混合单元，该混合单元被配置成混合所述纳米纤维素浆料与所述分散剂/干燥剂。4.如权利要求1所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素
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浆料脱水系统包含纳米纤维素浆料预浓缩单元，该纳米纤维素浆料预浓缩单元被配置成在所述挤出机中去除水之前从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分的所述水。5.如权利要求4所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素浆料预浓缩单元是离心机。6.如权利要求4所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素浆料预浓缩单元是过滤装置。7.如权利要求4所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，用于所述分散剂/干燥剂的所述进口是到所述纳米纤维素浆料预浓缩单元的进口。8.如权利要求1所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述双螺杆挤出机是同向旋转双螺杆挤出机。9.如权利要求1所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述双螺杆挤出机是反向旋转双螺杆挤出机。10.如权利要求1所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述任选的碾磨装置是存在的。11.一种纳米纤维素
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浆料脱水系统，其包含：纳米纤维素浆料进料子系统，其中所述纳米纤维素浆料包含纳米纤维素和水；用于分散剂/干燥剂的进口；与所述纳米纤维素浆料进料子系统连通的双转子混合器，其中所述双转子混合器被配置成紧密混合所述纳米纤维素浆料和所述分散剂/干燥剂，并且其中所述双转子混合器被配置成具有一个或多个混合器排放口以从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分的所述水；以及任选的碾磨装置，其被配置成产生含有所述纳米纤维素
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分散体浓缩物的粉末。12.如权利要求11所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，用于所述分散剂/干燥剂的所述进口是到所述纳米纤维素浆料进料子系统的进口。
13.如权利要求11所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素
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浆料脱水系统包含混合单元，该混合单元被配置成混合所述纳米纤维素浆料与所述分散剂/干燥剂。14.如权利要求11所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素
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浆料脱水系统包含纳米纤维素浆料预浓缩单元，该纳米纤维素浆料预浓缩单元被配置成在所述双转子混合器中去除水之前从所述纳米纤维素浆料去除至少一部分的所述水。15.如权利要求14所述的纳米纤维素
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浆料脱水系统，其中，所述纳米纤维素浆料预浓缩单元是离心机。16.如权利要求14所述的纳米纤维素
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浆料...

【专利技术属性】
技术研发人员：金伯利，
申请(专利权)人：格兰生物科技知识产权控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：