制备纳米原纤纤维素的方法和制备纸产品的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及制备纳米原纤纤维素的方法。本发明还设及制备纸产品的方法。
【背景技术】
[0002] 作为一种丰富的天然原料，纤维素是一种由几百至上万个相连的D-葡萄糖单元 的线性链组成的多糖。纤维素纤维可用精制机或研磨机精制W生产纳米原纤纤维素材料。 通常，纳米原纤纤维素材料的生产需要大量用于将纤维机械崩解至原纤尺寸的能量。因此， 在所述材料的生产中可能存在效率问题。
[0003] 已知在造纸过程中通过将纳米原纤纤维素用作添加剂加入到水性配料中，可通过 脱水和干燥由所述水性配料制备纸。当纳米原纤纤维素将在制备纸产品的配料中使用时， 纳米原纤纤维素的制备是高要求的，在造纸厂中需要特殊设备。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种用于制备含有原纤纤维素的纸浆的方法。此外，本发明公开了 一种用于制备含有纳米原纤纤维素的纸产品的方法。 阳〇化]阴离子化或阳离子化的纤维素纤维与纤维素纸浆一起精制，两者的比例是纤维素 纸浆用作辅助纸浆，所述阴离子化或阳离子化的纤维素纤维在通过精制将机械能带至混合 物的过程中至少部分被崩解成纳米原纤纤维素。所述纤维素纸浆可是机械纸浆或化学纸浆 或它们的混合物。当制备用于造纸的配料时，将得到的已经过精制阶段的纳米原纤纤维素 和纤维素纸浆的混合物加入到其它造纸纤维中。
[0006] 所述方法包括制备阴离子化或阳离子化的纤维素纤维和纤维素纸浆的混合物，通 过使用能量精制所述混合物的精制阶段（所述精制阶段将阴离子化或阳离子化的纤维素 纤维至少部分崩解成纳米原纤纤维素的尺寸），W及混合阶段（在所述混合阶段中，所述混 合物与配料的其它纤维组分混合，所述配料用于制备纸产品）。
[0007] 在精制阶段中，可使用造纸厂可用于精制的设备。阴离子化或阳离子化的纤维素 纤维和辅助纸浆的混合物可多次通过精制机，直到阴离子化或阳离子化的纤维素纤维减小 到所需程度的原纤尺寸，得到纳米原纤纤维素和纸浆纤维的混合物，所述纸浆纤维也被精 制但没有减小至原纤尺寸。阴离子化或阳离子化的纤维的崩解是基于由于在纤维素中存在 离子（阴离子或阳离子）基团而导致的纤维内部强度的减弱，使得通过机械能的效应从纤 维结构中释放原纤，同时纸浆保持为纤维。
[0008] 在精制阶段，W干重计，辅助纸浆使用的比例为纸浆（阴离子化或阳离子化的纤 维+辅助纸浆）总重量的至少1重量％并少于90重量％。W干重计，在纸浆的总重量中阴 离子化的纤维的量优选大于10重量％并最多为60重量％，更优选为最多50重量％，最优 选为15-50重量％。
[0009] 所述辅助纸浆通过稳定精制机表面之间的混合物来帮助控制精制过程，因为阴离 子化的纤维素纤维逐渐转变成在精制机的高剪切力下没有强度的纳米原纤纤维素的凝胶。 出乎意料的是，作为由于纳米原纤纤维素的形成而进行的凝胶过程，当使用的精制能增加 (累积计算）时，精制表面间的间隙（叶片间隙化Iadegap))可W增加。
[0010] 通常，在精制阶段将比能耗（SEC)为300-1500kWh/t纸浆（kWh/tpulp)应用于阴 离子化或阳离子化的纤维素纤维和辅助纸浆的混合物。优选地，SEC不高于lOOOkWh/t纸 浆。最优选地，SEC为500-800k怖/t纸浆。
[0011] 所述精制机可W是常用于纸浆精制（打浆）W得到所需打浆度的设备，例如盘形 精制机、双盘精制机、锥形精制机或圆筒形精制机。
[0012] 精制阶段之后，将纳米原纤纤维素和纤维素纸浆（辅助纸浆）的混合物与用于制 备用于造纸的配料的另外的纸浆（基础纸浆）混合。纳米原纤纤维素与辅助纸浆的混合物 可组成添加的纤维组分，所述添加的纤维组分的量少于组成纸张的主要纤维组分的基础纸 浆的量。可W-定比例加入添加的纤维组分，W获得纳米原纤纤维素的量为制备的配料的 0. 1-5. 0 %，更优选为0. 3-4 %，最优选为0. 5-2 % (干重）。0. 5-1 %的量通常已经足够满 足NFC的效应。所述量由全部配料计算，包括纤维组分（纤维和纳米原纤纤维素）、可能的 填料和可能的其它添加剂。当NFC和辅助纸浆的混合物用于制备配料（用于制造纸产品） 时，由于配料中的其它添加剂，NFC优选为阴离子，即采用阴离子化的纤维素纤维与辅助纸 浆一起精制。
[0013] 在造纸厂中，在造纸机前的任何合适的位置，优选在造纸机进料系统中稀释纸浆 前，将从精制阶段得到的纳米原纤纤维素与辅助纸浆的混合物输送到基础纸浆流中。可在 基础纸浆的打浆过程前将所述混合物输送至基础纸浆中，W在合适的混合槽中，将所述混 合物与基础纸浆在打浆过程中或在打浆过程后混合。
[0014] 至于辅助纸浆和基础纸浆，所有适用于纸产品制造的纸浆级别都可使用。辅助纸 浆和基础纸浆可具有相同的组成（例如从常见纸浆源得到）或者它们可W是不同的。可使 用机械纸浆和/或化学纸浆。与阴离子化的纤维素纤维（其是纳米原纤纤维素的原材料） 不同的是，在运些纸浆级别中的纤维素是化学未改性的。
[0015] 本文中的纸产品是指纸和纸板。相应的表述造纸机和造纸厂也可解释为造板机和 造板厂。本发明适用于在广泛的基础重量范围内制造各种级别纸浆。
[0016] 所述方法提供了一种制造纳米原纤纤维素并将其通过增加的生产效率混合入纸 配料中的方法。造纸厂中精制机的空闲产能可在造纸厂中通过足够次数地通过设备的精制 间隙的重复精制，用于连续或间歇制造纳米原纤纤维素。运样的纳米原纤纤维素可提供具 有新功能性质的纸产品。此外，由于本发明，可得到低能耗的简单的纳米原纤纤维素制造工 艺。生产的包含原纤纤维素的纸浆可用作例如纸产品的强度添加剂。
[0017] 阴离子化的纤维素纤维是纤维素被化学改性的纸浆纤维，从而纤维素分子含有主 要在C6碳上的阴离子基团。所述改性可采用合适的氧源（氧化剂）在N-氧基介导的纤维素 氧化中催化得到，已知的一个氧化的例子是"TEMPO"催化剂。所述催化氧化在纤维素中产生 了簇酸醋基。所述改性也可通过簇甲基化进行化学改性，所述簇甲基化在纤维素中形成了 簇甲基。在运两种情况下，纤维素的阴离子基团减弱了纤维素纤维的内部键，运对通过机械 能从纤维中释放原纤做出了贡献。原纤释放的敏感性可通过转化率或"负载（charge)"(通 常用"毫摩尔阴离子基团/克纸浆"表述）来调节。纤维素的负载的增加也带来纤维素原 纤负载的增加，因此纤维素纤维的原纤之间的排斥力增加。
[0018] 当在纸浆纤维中的纤维素被化学改性时，可得到上述相同的效应，因此所述纤维 素分子含有阳离子基团。所述阳离子化可被例如与纤维素分子连接的季锭基团影响。
[0019] 因为纳米原纤纤维素的生产过程可W整合到造纸厂的浆料制备系统中利用现有 的精制设备的产能，所述方法可大大简化纳米原纤纤维素使用的启动阶段，因为可避免一 些大的投资，例如特殊纳米原纤纤维素生产机器W及处理和运输纳米原纤纤维素凝胶设备 的安装。
【附图说明】
[0020] 在下文中，通过【附图说明】本发明，其中
[0021] 图1显示了根据一个实施方式的方法，
[0022] 图2显示了根据另一个实施方式的方法，
[0023] 图3显示了在造纸过程中将纳米原纤纤维素与基础纸浆混合，W及
[0024] 图4a-4d是各种混合物的显微图像。 阳做]优洗连施方式的详细描沐
[00%] 在本文中，如果没有另外说明，所有的百分数是W干重计。
[0027] 在本文中，所有显示的结果和进行的计算，当它们与纸浆的量相关时，都W干燥的 纸浆为基准得到的。
[0028] 在本文中，术语"纤维组分"或"纤维材料"是W纤维形式存在的材料和衍生自纤 维的材料（例如原纤）的常用名称。
[0029] 纤维素是可再生的天然聚合物，其可转化成很多化学衍生物。衍生化多是通过聚 合物的P-D-化喃葡萄糖单元中的径基的化学反应发生。通过化学衍生作用，与原始化学 形式相比，衍生后的化合物能在保持聚合结构的同时改变纤维素的性质。
[0030] 在精制阶段中用作辅助纸浆的纤维素纸浆和基础纸浆都可源自可用于化学和/ 或机械处理过的纤维素纤维（分别被称为"化学纸浆"和"机械纸浆"）的生产的任何纤维素 原材料源。所述原料可W基于任何含纤维素的植物材料。所述植物材料可W是木材。木材 可W来自软木树，如云杉、松树、冷杉、落叶松、花旗松或铁杉，或来自硬木树如枠树、白杨、 杨树、档木、按树或金合欢，或者来自软木和硬木的混合物。非木材材料可W来自农业残料、 草或来自棉花、玉米、小麦、燕麦、黑麦、大麦、稻、亚麻、大麻、马尼拉麻、剑麻、黄麻、巧麻、洋 麻、甘薦渣、竹或芦韦的其它植物物质，如賴杆、叶子、树皮、种子、壳、花、蔬菜或果实。
[0031] 术语"化学（纤维素）纸浆"表示通过化学制浆法从任意纤维素原料或任意纤维 素原料的组合分离的纤维素纤维。因此，从纤维素原料中去除至少大部分的木质素。化学 纸浆优选是硫酸盐木纸浆。在一个例子中，所述化学纸浆是从软木和/或硬木中分离。使 用的化学纸浆可W是未漂白的或漂白的。一般纤