用于生产纳米纤维素的方法和设备技术

通过将基于纤维素的纤维原料与水的混合物以低稠度引导穿过具有锥形磨浆机形状的磨浆机的呈环状形状且宽度小于0.1mm的磨浆间隙来生产纳米纤维素。磨浆间隙形成在旋转转子(1)的外表面与定子(2)的内表面之间。转子的外表面构成磨浆间隙的内侧磨浆表面(1a)，而定子的内表面构成磨浆间隙的外侧磨浆表面(2a)。磨浆间隙的环的直径沿转子(1)的旋转轴(A)的方向增大。纤维原料借助于沿进给方向相继设置在磨浆间隙中的磨浆区域(5a、5b、5c)受到沿混合物的引入方向变化的处理作用力，其中磨浆表面在表面图案构造和/或表面粗糙度上不同。通过设置于定子(2)中的旁路通道(2b、2c)将纤维原料与水的混合物沿进给方向引导经过磨浆表面至磨浆区域(5b、5c)中的不同位置。通过被进给到磨浆间隙中的纤维原料与水的混合物的进给压力与转子(1)的轴向作用力的组合效应来维持磨浆间隙的宽度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】通过将基于纤维素的纤维原料与水的混合物以低稠度引导穿过具有锥形磨浆机形状的磨浆机的呈环状形状且宽度小于0.1mm的磨浆间隙来生产纳米纤维素。磨浆间隙形成在旋转转子(1)的外表面与定子(2)的内表面之间。转子的外表面构成磨浆间隙的内侧磨浆表面(1a)，而定子的内表面构成磨浆间隙的外侧磨浆表面(2a)。磨浆间隙的环的直径沿转子(1)的旋转轴(A)的方向增大。纤维原料借助于沿进给方向相继设置在磨浆间隙中的磨浆区域(5a、5b、5c)受到沿混合物的引入方向变化的处理作用力，其中磨浆表面在表面图案构造和/或表面粗糙度上不同。通过设置于定子(2)中的旁路通道(2b、2c)将纤维原料与水的混合物沿进给方向引导经过磨浆表面至磨浆区域(5b、5c)中的不同位置。通过被进给到磨浆间隙中的纤维原料与水的混合物的进给压力与转子(1)的轴向作用力的组合效应来维持磨浆间隙的宽度。【专利说明】用于生产纳米纤维素的方法和设备
本专利技术涉及用于生产纳米纤维素(nanocellulose)的方法，其中基于纤维素的纤维原料受到机械处理以分离微纤丝。本专利技术还涉及用于生产纳米纤维素的设备。
技术介绍
通过研磨或者磨衆(refining)木材原料而以工业方式生产机械衆料。研磨时，将整个树干压靠在旋转的圆柱表面上，所述圆柱表面的表面结构形成为从木材解离出纤维。所获得的衆料与喷涂水一起从研磨器排放至分级分离装置(fractionation),并在盘式磨浆机中磨浆筛渣(reject)。该方法生产出包含短纤维并良好地散射光的浆料。关于研磨工艺应提及的一个典型示例是美国专利4，381，217。在磨浆机机械浆料的制造中，起始材料由木屑构成，所述木屑被引导至盘式磨衆机的中心，从这里，所述木屑通过离心力和蒸汽流的作用在被位于盘的表面上的叶片的碎裂(disintegrated)的同时,得以传输至磨衆机的周缘。通常，在该工艺中需要多阶段磨浆来获得最终的浆料。在该工艺中分离出的粗分级分离物可以被引导进入所谓的筛渣磨浆。该方法生产出与上述磨碎木材相比具有更长纤维的浆料。在例如出版物W0-9850623、US 4，421，595和US 7，237，733中已提出了磨浆工艺。通过所述方法，生产出机械浆料，其中木材原料的纤维已被彼此分离开，并且基于所使用的能量还有可能被进一步磨浆。通过这些方法，获得了浆料，其中纤维落入通常具有大于20Mm的直径的木材纤维的尺寸内。可以通过制备化学浆料，即通过以化学方法处理木材原料以分离纤维，来获得具有相同颗粒尺寸的纤维原料。包含通过机械或者化学制浆获得的纤维原料的纤维素常用于制造纸张或者纸板产品。也可以通过去除充当纤维壁中的组分的纤丝(fibrils)来将木材纤维碎裂成较小的部分，其中所获得的颗粒在尺寸上变得明显更小。如此获得的所谓纳米纤维素的性能明显不同于普通纤维素的性能。与使用纤维素相比，通过使用纳米纤维素，有可能提供具有例如更好的抗拉强度、更低的孔隙度和至少部分半透明性的产品。纳米纤维素在其外观上也不同于纤维素，因为纳米纤维素是凝胶状材料，其中纤丝存在于水分散体(waterdispersion)中。由于纳米纤维素的性能，它已变成期望的原料，并且包含它的产品在工业中将具有若干用途，例如作为各种组合物中的添加剂。纳米纤维素能够例如与一些细菌(包括木质醋酸菌)的发酵过程直接地隔离。然而，就纳米纤维素的大规模生产而言，最有前景的潜在原料是源于植物的且包含纤维素纤维的原料，特别是木材。从木材原料生产纳米纤维素需要将纤维进一步分解至纤丝的尺寸级别。处理中，使纤维素纤维悬浮液通过均质化步骤数次，所述均质化步骤在材料中生成高的剪切力。例如，在美国专利4，374，702中，这是通过在高压下将悬浮液重复地引导穿过实现高速的窄开口来实现的。在专利US 5, 385, 640,US 6，183，596和US 7，381，294中，进而提出了磨浆机盘，纤维悬浮液被进给到所述磨浆机盘之间数次。实际上，从常规尺寸级别的纤维素纤维生产纳米纤维素目前只能够通过实验室规模的盘式磨浆机来实施，所述实验室规模的盘式磨浆机是应食品工业的需求而已开发出的。该技术需要连续进行若干次磨浆操作(runs)，例如5?10次操作，来获得纳米纤维素的尺寸级别。该方法也不易升级至工业规模。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提出一种用于制备纳米纤维素的方法，在该方法中能够具有较少的磨浆操作，并且该方法还能够在比实验室规模更大的规模中得到更好的实施，例如在半工业或者工业规模中。为了达到该目的，本专利技术的方法主要特征在于: -通过将基于纤维素的纤维原料与水的混合物以低稠度引入穿过环形的磨浆间隙来进行机械处理，所述低稠度有利地为1.5^4.5%，优选为2?4%，所述磨浆间隙具有小于0.1mm的宽度，并形成在沿所述环的周向方向进行相对移动的磨浆表面之间，所述磨浆表面为内侧磨浆表面和外侧磨浆表面，所述间隙的直径沿混合物的进给方向增大； -在所述磨浆间隙中，所述纤维原料借助于在所述间隙中沿进给方向相继设置的磨浆区域受到沿所述混合物的引入方向变化的处理作用力，其中所述磨浆表面在它们的表面图案构造和/或表面粗糙度上不同； -将纤维原料与水的混合物引导经过所述磨浆表面至所述磨浆区域在进给方向上的不同点；和 -通过被进给到所述磨浆间隙中的纤维原料与水的混合物的进给压力与所述内侧磨浆表面的轴向作用力的组合效应来维持所述磨浆间隙的宽度。在实践中，上述方法能够在锥形磨浆机类型的设备中实施，在所述锥形磨浆机中，在沿进给方向呈锥形扩大的两相反磨浆表面之间设置有环状磨浆间隙。磨浆间隙的内侧磨浆表面是沿进给方向呈锥形扩大的旋转转子的外表面，而磨浆间隙的外侧磨浆表面是内部沿进给方向呈锥形扩大的定子的内表面。因此，窄环状磨浆间隙的直径沿转子的旋转轴线的方向变宽。通过锥形形状，沿进给方向实现了长的磨浆区域，所述磨浆区域的长度基于锥角来确定，并且所述磨浆区域能够沿进给方向被分割成多个连续区域，在这些连续区域中，纤维受到不同类型的处理。相似地，由内侧磨浆表面在浆料中的运动所产生的离心力的方向不同于浆料在进料端与出料端之间的运动方向，即，离心力还朝外侧磨浆表面按压待处理的浆料，而不是使浆料只沿磨浆区域的纵向方向移动。有利地，相对于磨浆表面的表面图案构造和/或粗糙度来说，磨浆区域沿进给方向变细。在进给方向上，最初可以存在叶片图案构造，而在末端，仅通过表面粗糙度来获得对纤维材料的机械作用。这可以借助于硬质颗粒来实现，所述硬质颗粒贴附于表面上，并类似于在磨浆工艺中使用的“粗砂”，其构成均匀的磨浆表面。有利地，通过喷涂适当硬度的材料来在磨浆表面上形成粗糙表面。表面粗糙度提供摩擦表面，在所述摩擦表面中，磨浆加工为“碾磨(mangling) ”类型。随着基于纤维素的纤维原料与水的混合物在这种磨浆间隙中的前进，形成纳米纤维素的纤丝得以从纤维中分离出来。可以存在借助于表面粗糙度进行碾磨加工的两个区域，混合区域设置于两者之间。磨浆间隙的设置在本专利技术中起着重要作用，因为它对磨浆结果有影响。通过被进给到磨浆间隙中的纤维原料与水的混合物的压力与内侧磨浆表面的轴向作用力的组合效应来维持所述磨浆间隙的所需宽度。使磨浆间隙保持恒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H古斯塔夫森，T布杰克维斯特，T科斯基恩，M努奥庞恩，A维尼伊恩，
申请(专利权)人：芬欧汇川集团公司，
类型：
国别省市：