处理微纤化纤维素的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种改变微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性的方法，包含所述微纤 化纤维素的水性悬浮液，和包含所述微纤化纤维素的造纸组合物和纸制品。
【背景技术】
[0002] 在纸的制造中通常添加矿物填料。尽管这在一些情况中可能减小纸的机械强度 (即相对于由纯纤维浆料制得的纸），但是，这是可容忍的，因为机械强度（尽管减小）仍是 可接受的，并且因能够减少纸中的纤维量而具有成本、品质和环境效益。用于评价纸的机械 强度的常用性质为纸耐破（burst)强度。通常，由纯纤维浆料制得的纸将比用矿物填料替 代了一部分纤维浆料的比较性纸具有更高的纸耐破强度。有填料的纸的纸耐破强度可以表 达为占无填料纸的纸耐破强度的百分比。
[0003] W0-A-2010/131016公开了一种制备微纤化纤维素的方法，其包括对包含纤维素的 纤维材料进行微纤化（例如通过研磨），其可选地在研磨介质和无机颗粒材料的存在下进 行。当用作纸中的填料时，例如，作为常规矿物填料的替代或部分替代，意外地发现由上述 方法获得的微纤化纤维素（可选地与无机颗粒材料一起）可改善纸的耐破强度性质。换言 之，与仅用矿物填料填充的纸相比，发现用微纤化纤维素填充的纸具有改善的耐破强度。换 言之，发现微纤化纤维素填料具有纸耐破强度增强属性。在该发明的一个特别有利的实施 方式中，包含纤维素的纤维材料在研磨介质的存在下（可选地与无机颗粒材料一起）被研 磨，以获得纤维陡度为20~约50的微纤化纤维素。
[0004] 尽管可用W0-A-2010/131016中描述的方法获得的微纤化纤维素已经显示出有利 的纸耐破强度增强属性，但是，理想的是能够改变（例如进一步改善）微纤化纤维素的一种 或多种纸性质增强属性，例如微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性。
【发明内容】
[0005] 根据第一方面，提供了一种处理微纤化纤维素的方法，所述方法包括使包含微纤 化纤维素和可选的无机颗粒材料的水性悬浮液经受高剪切，其中，所述高剪切至少部分地 由移动剪切元件产生。所述处理有利地改变（例如改善）了微纤化纤维素的纸性质增强属 性，例如微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性。
[0006] 根据第二方面，第一方面的方法还包括制备包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒 材料的造纸组合物，其能够通过第一方面的方法获得。
[0007] 根据第三方面，第二方面的方法还包括由上述造纸组合物制备纸制品。
[0008] 根据第四方面，提供了一种包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的水性悬浮 液，其能够通过本发明的第一方面的方法获得。
[0009] 根据第五方面，提供了一种造纸组合物，其能够通过本发明第二方面的方法获得。
[0010] 根据第六方面，提供了一种纸制品，其能够通过本发明第三方面的方法获得，其 中，所述纸制品的第一纸性质（例如耐破强度）大于包含等量的高剪切前的微纤化纤维素 的比较性纸制品的第二纸性质（如耐破强度）。
【附图说明】
[0011] 图1是适用于本发明的转子/定子构造的示意性平面图。
[0012] 图2是适用于本发明的另一转子/定子构造的示意性平面图。
[0013] 图3是制备具有改变的（例如改善的）纸耐破强度增强属性的微纤化纤维素的整 体化方法的示意图。
【具体实施方式】
[0014] 处理微纤化纤维素的方法包括使包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的水 性悬浮液经受高剪切，其中，所述高剪切至少部分地由移动剪切元件产生。该处理可有利地 改变（例如改善）微纤化纤维素的纸性质增强属性。所述纸性质可以是机械性质和/或光 学性质。在一些实施方式中，所述纸性质是机械性质。
[0015] 在一些实施方式中，该方法用于改变（例如改善）微纤化纤维素的纸耐破强度增 强属性，并包括使包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的水性悬浮液经受高剪切，其 中，所述高剪切至少部分地由移动剪切元件产生，以改变微纤化纤维素的纸耐破强度增强 属性。
[0016] 如本文所用，术语"高剪切"是指使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经受足以处理 微纤化纤维素以改变（例如改善）微纤化纤维素的纸性质增强属性的剪切。在一些实施方 式中，使微纤化纤维素经受足以改变（例如改善）微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性的 高剪切。有利的是，使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经受足以改善微纤化纤维素的纸性 质增强属性（例如微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性）的剪切。本领域技术人员将能够 通过常规方法确定足以改善微纤化纤维素的纸性质增强属性（例如微纤化纤维素的纸耐 破强度增强属性）的剪切，例如通过以适当受控的方式比较剪切处理前的微纤化纤维素的 纸性质增强属性（例如微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性）和剪切处理后的微纤化纤维 素的纸性质增强属性（例如微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性）。此种分析的进一步细 节提供在下文实施例中。
[0017] 在一些实施方式中，纸性质选自下述性质中的一种或多种：耐破强度、耐破指数、 拉伸强度、z方向（内部（Scott)结合）强度、撕裂强度、孔隙度、平滑度和不透明度。
[0018] 移动剪切元件是至少部分地产生机械剪切的部件或组件。如本文所用，"机械剪 切"是指移动机械部件或组件对要经受剪切的材料的动作所产生的剪切，并进一步指在基 本上不存在压降的情况下产生的剪切。依赖于由压降生成的剪切的装置的实例为均化器。 通常，在此种装置中，进料通过具有可调节但固定的缝隙的阀（有时称为均化阀）从高压区 行进至低压区。因此，在均化器中不存在对材料直接施加剪切的移动剪切元件。
[0019] 在一些实施方式中，剪切由移动机械部件或组件与互补的固定（即静止）部件或 组件的动作生成，其中，移动机械部件或组件和/或互补的固定部件或组件具有多于一个 开孔，例如多于100个开孔，或多于1000个开孔。在一些实施方式中，至少互补的固定部件 或组件具有多于一个开孔，例如多于100个开孔，或多于1000个开孔。
[0020] 在一些实施方式中，术语"高剪切"是指剪切速率为至少约10, 000s\例如，速率为 约 10, 000s1 ~约 120, 000si、或 20, 000s1 ~约 120, 000si、或 40, 000s1 ~约 110, 000s\ 或 60, 000s1 ~约 100, 000s\ 或 70, 000s1 ~约 90, 000s\ 或 75, 000s1 ~约 85, 000s工。
[0021] 在一些实施方式中，移动剪切元件是高剪切混合装置的部件或组件。移动剪切元 件容纳于高剪切混合装置中，并对微纤化纤维素直接施加剪切。在一些实施方式中，移动剪 切元件是在一端具有混合单元的转子，该混合单元容纳于固定的非移动部件或隔室（如定 子）内或与其邻近放置，并且混合单元绕固定部件或隔室内的中心轴旋转，并对微纤化纤 维素直接施加剪切。转子的旋转速度足以生成高剪切，因此混合单元的旋转速度也足以生 成高剪切。混合单元可以具有任何合适的形式，包括，例如，绕转子的中心轴排列的多个齿、 或叶轮或桨叶等。
[0022] 在一些实施方式中，固定部件或隔室是圆柱形定子，其直径大于混合单元的径向 长度，以使得在混合单元绕转子的中心轴旋转时混合单元的末端与定子的内表面之间存在 间隙，其有时称为密合间隙。参见图1，图1是示例性转子/定子构造的示意图（平面图）， 定子（1)的半径&大于围绕转子（7)的旋转的中心轴（5)安放的转子桨叶（3)的径向长 度，从而产生间隙（9)。间隙足够小以使得形成高剪切区，其中微纤化纤维素经受进一步的 剪切，其足够高以改变（例如改善）微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性。在一些实施方式 中，间隙小于约lmm，例如，小于约〇. 9mm、或小于约0. 8mm、或小于约0. 7mm、或小于约0. 6mm、 或小于约0.5mm。间隙可以大于约0.1mm。剪切是定子和转子之间的速度差除以定子和转 子之间的间隙尺寸。
[0023] 因此，在一些实施方式中，改变（例如改善）微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性 的方法包括使包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的所述水性悬浮液在高剪切混合 装置中经受高（机械）剪切，其中，所述剪切至少部分地由所述移动剪切元件生成，以改变 微纤化纤维素的纸耐破强度增强属性。在一些实施方式中，高剪切混合装置是高剪切定子 /转子混合装置。
[0024] 在一些实施方式中，进一步的剪切事件通过使用以下定子来产生：所述定子具有 围绕其圆柱形边界的一系列穿孔（例如机加工孔、槽或切口），定子和混合单元的动作迫使 包含微纤化纤维素的水性悬浮液通过这些穿孔。另一种转子/定子的配置描绘在图2 (平 面图）中。在此种构造中，转子（17)具有围绕转子的中心轴（15)排列的多个齿（13)作为 混合单元。定子（11)具有围绕其圆柱形边界的一系列切口（21)。同样地，定子（11)的径 向长度&大于该多个齿（13)的径向长度，从而产生间隙（19)。
[0025] 合适的高剪切混合装置有多种，包括但不限于：分批式高剪切混合器、串联式 高剪切混合器和超高剪切串联式混合器。示例性高剪切混合装置是由SilverS〇n(RTM) 制造的Silverson(RTM)高剪切串联式混合器。其他示例性转子/定子构造包括由 Kinematica(RTM)AG制造的那些，如以MEGATRON(RTM)商标销售的那些，以及由Kady International制造的Kady磨机。另外的示例性高剪切混合装置是具有用来生成剪切的移 动机械部件和互补的固定部件的超细微粒粉碎机（Supermasscolloider)，其中，移动机械 部件或互补的固定部件仅具有一个开孔。
[0026] 在一些实施方式中，转子的高速旋转产生强大的吸力，其将包含微纤化纤维素的 水性悬浮液进料吸抽入固定的隔室，例如定子。随着将经剪切的材料从定子中取出，例如通 过围绕定子圆柱形边界的孔、槽或切口挤出，新鲜进料被抽吸（可选连续地）到定子中，维 持混合循环。
[0027] 可以使包含微纤化纤维素的水性悬浮液经受足以改变（例如改善）微纤化纤维素 的纸耐破强度增强属性或本文所述的任何其他纸性质增强属性的一段时间和/或总能量 输入的高剪切。在一些实施方式中，该一段时间为约30秒~约10,例如，约30秒~约8小 时、或约30秒~约5小时、或约30秒~约4小时、或约30秒~约3小时、或约30秒~约2 小时、或约1分钟~约2小时、或约5分钟~约2小时、或约10分钟~约2小时、或约15分 钟~约2小时、或约20分钟~约100分钟、或约25分钟~约90分钟、或约30分钟~约90 分钟、或约35分钟~约90分钟、或约40分钟~约90分钟、或约45分钟~约90分钟。
[0028] 在一些实施方式中，基于包含纤维化纤维素和可选的无机颗粒材料的水性悬浮液 中的纤维素材料的总干重，总能量输入为约lkWh/吨（kWh/t)~约10,000kWh/t，例如，约 50kWh/t~约 9, 000kWh/t、或约 100kWh/t~约 8, 000kWh/t、或约 100kWh/t~约 8,OOOkWh/ t、或约 100kWh/t~约 7, 000kWh/t、或约 100kWh/t~约 6, 000kWh/t、或约 500kWh/t~ 约 5, 000kWh/t、或约 1000kWh/t~约 5, 000kWh/t、或约 1500kWh/t~约 5, 000kWh/t、或约 2000kWh/t~约 5, 000kWh/t。
[0029] 在一些实施方式中，总能量输入为约100kWh/t~约5, 000kWh/t。
[0030] 高剪切过程中的总能量输入E可以由下式计算：
[0031]E=P/ff(1)
[0032] 其中，E是包含微纤化纤维素的水性悬浮液中的每吨纤维素材料所对应的总能量 输入（kWh/t)，P是总能量输入（kWh)，且W是纤维素材料的总干重（吨）。
[0033] 在一些实施方式中，使微纤化纤维素经受多于一个阶段的高剪切，例如，多次（两 次以上）通过高剪切混合装置。例如，可以根据上述过程使水性悬浮液经受第一段时间的 高剪切，送至在不对微纤化纤维素进行剪切的条件下运行的中间区域（例如混合罐），并随 后经受第二段时间的高剪切，以此类推。在一些实施方式中，上述过程是连续过程，其中将 包含微纤化纤维素的所述水性悬浮液的进料连续进给（例如从混合罐中）至高剪切混合装 置，经受高剪切，从高剪切混合装置中抽取并循环返回混合罐中，然后再次循环至高剪切混 合装置中，以此类推。包含微纤化纤维素的产物（其具有改变（例如改善）的纸耐破强度 增强属性）可以从该过程任何阶段时取出，例如，经产物取出点（例如，位于混合罐和高剪 切混合装置之间的排放阀）取出。通常，包含微纤化纤维素的水性悬浮液以恒定流速循环， 并且周期性地取出产物，例如，以5分钟、和/或10分钟、和/或15分钟、和/或20分钟、 和/或25分钟、和/或30分钟、和/或35分钟、和/或40分钟、和/或45分钟、和/或50 分钟、和/或55分钟、和/或60分钟、和/或65分钟、和/或70分钟、和/或75分钟、和 /或80分钟、和/或90分钟、和/或100分钟、和/或110分钟、和/或120分钟的间隔时 间取出。
[0034] 在一些实施方式中，高剪切处理可以在高剪切设备级联中进行，例如高剪切转子/ 定子混合装置级联（例如，以串联、并联或串联和并联的组合的方式操作性连接的两个或 三个或四个或五个或六个或七个或八个或九个或十个高剪切转子/定子混合装置）。该级 联中的一个或多个高剪切容器的输出物和/或输入物可以经受一个或多个筛选步骤和/或 一个或多个分级步骤。
[0035] 在一些实施方式中，高剪切处理可以在单一高剪切设备中进行，例如在具有多个 (即至少两个）在操作上不同的高剪切区域的单一高剪切转子/定子混合装置中进行。例 如，合适的高剪切转子/定子混合装置可以具有多个高剪切区域，其各自具有自身的转子/ 定子。
[0036] 在一些实施方式中，基于水性悬浮液的总重量，包含微纤化纤维素和可选的无机 颗粒材料的水性悬浮液的固体含量不大于约25重量％，例如，固体含量为约0. 1重量％~ 约20重量％、或约0. 1重量％~约18重量％、或约2重量％~约16重量％、或约2重量％~ 约14重量％、或约4重量％~约12重量％、或约4重量％~约10重量％、或约5重量％~ 约10重量％、或约5重量％~约9重量％、或约5重量％~约8. 5重量％。在该过程的任 何阶段，可以添加额外的水，以改变包含微纤化纤维素和可选的无机颗粒材料的水性悬浮 液的固体含量。
[0037] 在一些实施方式中，包含微纤化纤维素的水性悬浮液的纤维固体含量不大于约8 重量％。
[0038] 微纤化纤维素可以来源于任何合适的来源。在一些实施方式中，包含微纤化纤维 素的组合物能够通过