處理微纖化纖維素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種改變微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性的方法，包含所述微纖 化纖維素的水性懸浮液，和包含所述微纖化纖維素的造紙組合物和紙制品。
【背景技術(shù)】
[0002] 在紙的制造中通常添加礦物填料。盡管這在一些情況中可能減小紙的機(jī)械強(qiáng)度 (即相對(duì)于由純纖維漿料制得的紙），但是，這是可容忍的，因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度（盡管減?。┤允?可接受的，并且因能夠減少紙中的纖維量而具有成本、品質(zhì)和環(huán)境效益。用于評(píng)價(jià)紙的機(jī)械 強(qiáng)度的常用性質(zhì)為紙耐破（burst)強(qiáng)度。通常，由純纖維漿料制得的紙將比用礦物填料替 代了一部分纖維漿料的比較性紙具有更高的紙耐破強(qiáng)度。有填料的紙的紙耐破強(qiáng)度可以表 達(dá)為占無(wú)填料紙的紙耐破強(qiáng)度的百分比。
[0003] W0-A-2010/131016公開(kāi)了一種制備微纖化纖維素的方法，其包括對(duì)包含纖維素的 纖維材料進(jìn)行微纖化（例如通過(guò)研磨），其可選地在研磨介質(zhì)和無(wú)機(jī)顆粒材料的存在下進(jìn) 行。當(dāng)用作紙中的填料時(shí)，例如，作為常規(guī)礦物填料的替代或部分替代，意外地發(fā)現(xiàn)由上述 方法獲得的微纖化纖維素（可選地與無(wú)機(jī)顆粒材料一起）可改善紙的耐破強(qiáng)度性質(zhì)。換言 之，與僅用礦物填料填充的紙相比，發(fā)現(xiàn)用微纖化纖維素填充的紙具有改善的耐破強(qiáng)度。換 言之，發(fā)現(xiàn)微纖化纖維素填料具有紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性。在該發(fā)明的一個(gè)特別有利的實(shí)施 方式中，包含纖維素的纖維材料在研磨介質(zhì)的存在下（可選地與無(wú)機(jī)顆粒材料一起）被研 磨，以獲得纖維陡度為20~約50的微纖化纖維素。
[0004] 盡管可用W0-A-2010/131016中描述的方法獲得的微纖化纖維素已經(jīng)顯示出有利 的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性，但是，理想的是能夠改變（例如進(jìn)一步改善）微纖化纖維素的一種 或多種紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性，例如微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)第一方面，提供了一種處理微纖化纖維素的方法，所述方法包括使包含微纖 化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的水性懸浮液經(jīng)受高剪切，其中，所述高剪切至少部分地 由移動(dòng)剪切元件產(chǎn)生。所述處理有利地改變（例如改善）了微纖化纖維素的紙性質(zhì)增強(qiáng)屬 性，例如微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性。
[0006] 根據(jù)第二方面，第一方面的方法還包括制備包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒 材料的造紙組合物，其能夠通過(guò)第一方面的方法獲得。
[0007] 根據(jù)第三方面，第二方面的方法還包括由上述造紙組合物制備紙制品。
[0008] 根據(jù)第四方面，提供了一種包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的水性懸浮 液，其能夠通過(guò)本發(fā)明的第一方面的方法獲得。
[0009] 根據(jù)第五方面，提供了一種造紙組合物，其能夠通過(guò)本發(fā)明第二方面的方法獲得。
[0010] 根據(jù)第六方面，提供了一種紙制品，其能夠通過(guò)本發(fā)明第三方面的方法獲得，其 中，所述紙制品的第一紙性質(zhì)（例如耐破強(qiáng)度）大于包含等量的高剪切前的微纖化纖維素 的比較性紙制品的第二紙性質(zhì)（如耐破強(qiáng)度）。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是適用于本發(fā)明的轉(zhuǎn)子/定子構(gòu)造的示意性平面圖。
[0012] 圖2是適用于本發(fā)明的另一轉(zhuǎn)子/定子構(gòu)造的示意性平面圖。
[0013] 圖3是制備具有改變的（例如改善的）紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性的微纖化纖維素的整 體化方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 處理微纖化纖維素的方法包括使包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的水 性懸浮液經(jīng)受高剪切，其中，所述高剪切至少部分地由移動(dòng)剪切元件產(chǎn)生。該處理可有利地 改變（例如改善）微纖化纖維素的紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性。所述紙性質(zhì)可以是機(jī)械性質(zhì)和/或光 學(xué)性質(zhì)。在一些實(shí)施方式中，所述紙性質(zhì)是機(jī)械性質(zhì)。
[0015] 在一些實(shí)施方式中，該方法用于改變（例如改善）微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增 強(qiáng)屬性，并包括使包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的水性懸浮液經(jīng)受高剪切，其 中，所述高剪切至少部分地由移動(dòng)剪切元件產(chǎn)生，以改變微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng) 屬性。
[0016] 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"高剪切"是指使包含微纖化纖維素的水性懸浮液經(jīng)受足以處理 微纖化纖維素以改變（例如改善）微纖化纖維素的紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性的剪切。在一些實(shí)施方 式中，使微纖化纖維素經(jīng)受足以改變（例如改善）微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性的 高剪切。有利的是，使包含微纖化纖維素的水性懸浮液經(jīng)受足以改善微纖化纖維素的紙性 質(zhì)增強(qiáng)屬性（例如微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性）的剪切。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠 通過(guò)常規(guī)方法確定足以改善微纖化纖維素的紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性（例如微纖化纖維素的紙耐 破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性）的剪切，例如通過(guò)以適當(dāng)受控的方式比較剪切處理前的微纖化纖維素的 紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性（例如微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性）和剪切處理后的微纖化纖維 素的紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性（例如微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性）。此種分析的進(jìn)一步細(xì) 節(jié)提供在下文實(shí)施例中。
[0017] 在一些實(shí)施方式中，紙性質(zhì)選自下述性質(zhì)中的一種或多種：耐破強(qiáng)度、耐破指數(shù)、 拉伸強(qiáng)度、z方向（內(nèi)部（Scott)結(jié)合）強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、孔隙度、平滑度和不透明度。
[0018] 移動(dòng)剪切元件是至少部分地產(chǎn)生機(jī)械剪切的部件或組件。如本文所用，"機(jī)械剪 切"是指移動(dòng)機(jī)械部件或組件對(duì)要經(jīng)受剪切的材料的動(dòng)作所產(chǎn)生的剪切，并進(jìn)一步指在基 本上不存在壓降的情況下產(chǎn)生的剪切。依賴(lài)于由壓降生成的剪切的裝置的實(shí)例為均化器。 通常，在此種裝置中，進(jìn)料通過(guò)具有可調(diào)節(jié)但固定的縫隙的閥（有時(shí)稱(chēng)為均化閥）從高壓區(qū) 行進(jìn)至低壓區(qū)。因此，在均化器中不存在對(duì)材料直接施加剪切的移動(dòng)剪切元件。
[0019] 在一些實(shí)施方式中，剪切由移動(dòng)機(jī)械部件或組件與互補(bǔ)的固定（即靜止）部件或 組件的動(dòng)作生成，其中，移動(dòng)機(jī)械部件或組件和/或互補(bǔ)的固定部件或組件具有多于一個(gè) 開(kāi)孔，例如多于100個(gè)開(kāi)孔，或多于1000個(gè)開(kāi)孔。在一些實(shí)施方式中，至少互補(bǔ)的固定部件 或組件具有多于一個(gè)開(kāi)孔，例如多于100個(gè)開(kāi)孔，或多于1000個(gè)開(kāi)孔。
[0020] 在一些實(shí)施方式中，術(shù)語(yǔ)"高剪切"是指剪切速率為至少約10, 000s\例如，速率為 約 10, 000s1 ~約 120, 000si、或 20, 000s1 ~約 120, 000si、或 40, 000s1 ~約 110, 000s\ 或 60, 000s1 ~約 100, 000s\ 或 70, 000s1 ~約 90, 000s\ 或 75, 000s1 ~約 85, 000s工。
[0021] 在一些實(shí)施方式中，移動(dòng)剪切元件是高剪切混合裝置的部件或組件。移動(dòng)剪切元 件容納于高剪切混合裝置中，并對(duì)微纖化纖維素直接施加剪切。在一些實(shí)施方式中，移動(dòng)剪 切元件是在一端具有混合單元的轉(zhuǎn)子，該混合單元容納于固定的非移動(dòng)部件或隔室（如定 子）內(nèi)或與其鄰近放置，并且混合單元繞固定部件或隔室內(nèi)的中心軸旋轉(zhuǎn)，并對(duì)微纖化纖 維素直接施加剪切。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度足以生成高剪切，因此混合單元的旋轉(zhuǎn)速度也足以生 成高剪切?；旌蠁卧梢跃哂腥魏魏线m的形式，包括，例如，繞轉(zhuǎn)子的中心軸排列的多個(gè)齒、 或葉輪或槳葉等。
[0022] 在一些實(shí)施方式中，固定部件或隔室是圓柱形定子，其直徑大于混合單元的徑向 長(zhǎng)度，以使得在混合單元繞轉(zhuǎn)子的中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)混合單元的末端與定子的內(nèi)表面之間存在 間隙，其有時(shí)稱(chēng)為密合間隙。參見(jiàn)圖1，圖1是示例性轉(zhuǎn)子/定子構(gòu)造的示意圖（平面圖）， 定子（1)的半徑&大于圍繞轉(zhuǎn)子（7)的旋轉(zhuǎn)的中心軸（5)安放的轉(zhuǎn)子槳葉（3)的徑向長(zhǎng) 度，從而產(chǎn)生間隙（9)。間隙足夠小以使得形成高剪切區(qū)，其中微纖化纖維素經(jīng)受進(jìn)一步的 剪切，其足夠高以改變（例如改善）微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性。在一些實(shí)施方式 中，間隙小于約lmm，例如，小于約〇. 9mm、或小于約0. 8mm、或小于約0. 7mm、或小于約0. 6mm、 或小于約0.5mm。間隙可以大于約0.1mm。剪切是定子和轉(zhuǎn)子之間的速度差除以定子和轉(zhuǎn) 子之間的間隙尺寸。
[0023] 因此，在一些實(shí)施方式中，改變（例如改善）微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性 的方法包括使包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的所述水性懸浮液在高剪切混合 裝置中經(jīng)受高（機(jī)械）剪切，其中，所述剪切至少部分地由所述移動(dòng)剪切元件生成，以改變 微纖化纖維素的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性。在一些實(shí)施方式中，高剪切混合裝置是高剪切定子 /轉(zhuǎn)子混合裝置。
[0024] 在一些實(shí)施方式中，進(jìn)一步的剪切事件通過(guò)使用以下定子來(lái)產(chǎn)生：所述定子具有 圍繞其圓柱形邊界的一系列穿孔（例如機(jī)加工孔、槽或切口），定子和混合單元的動(dòng)作迫使 包含微纖化纖維素的水性懸浮液通過(guò)這些穿孔。另一種轉(zhuǎn)子/定子的配置描繪在圖2 (平 面圖）中。在此種構(gòu)造中，轉(zhuǎn)子（17)具有圍繞轉(zhuǎn)子的中心軸（15)排列的多個(gè)齒（13)作為 混合單元。定子（11)具有圍繞其圓柱形邊界的一系列切口（21)。同樣地，定子（11)的徑 向長(zhǎng)度&大于該多個(gè)齒（13)的徑向長(zhǎng)度，從而產(chǎn)生間隙（19)。
[0025] 合適的高剪切混合裝置有多種，包括但不限于：分批式高剪切混合器、串聯(lián)式 高剪切混合器和超高剪切串聯(lián)式混合器。示例性高剪切混合裝置是由SilverS〇n(RTM) 制造的Silverson(RTM)高剪切串聯(lián)式混合器。其他示例性轉(zhuǎn)子/定子構(gòu)造包括由 Kinematica(RTM)AG制造的那些，如以MEGATRON(RTM)商標(biāo)銷(xiāo)售的那些，以及由Kady International制造的Kady磨機(jī)。另外的示例性高剪切混合裝置是具有用來(lái)生成剪切的移 動(dòng)機(jī)械部件和互補(bǔ)的固定部件的超細(xì)微粒粉碎機(jī)（Supermasscolloider)，其中，移動(dòng)機(jī)械 部件或互補(bǔ)的固定部件僅具有一個(gè)開(kāi)孔。
[0026] 在一些實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力，其將包含微纖化纖維素的 水性懸浮液進(jìn)料吸抽入固定的隔室，例如定子。隨著將經(jīng)剪切的材料從定子中取出，例如通 過(guò)圍繞定子圓柱形邊界的孔、槽或切口擠出，新鮮進(jìn)料被抽吸（可選連續(xù)地）到定子中，維 持混合循環(huán)。
[0027] 可以使包含微纖化纖維素的水性懸浮液經(jīng)受足以改變（例如改善）微纖化纖維素 的紙耐破強(qiáng)度增強(qiáng)屬性或本文所述的任何其他紙性質(zhì)增強(qiáng)屬性的一段時(shí)間和/或總能量 輸入的高剪切。在一些實(shí)施方式中，該一段時(shí)間為約30秒~約10,例如，約30秒~約8小 時(shí)、或約30秒~約5小時(shí)、或約30秒~約4小時(shí)、或約30秒~約3小時(shí)、或約30秒~約2 小時(shí)、或約1分鐘~約2小時(shí)、或約5分鐘~約2小時(shí)、或約10分鐘~約2小時(shí)、或約15分 鐘~約2小時(shí)、或約20分鐘~約100分鐘、或約25分鐘~約90分鐘、或約30分鐘~約90 分鐘、或約35分鐘~約90分鐘、或約40分鐘~約90分鐘、或約45分鐘~約90分鐘。
[0028] 在一些實(shí)施方式中，基于包含纖維化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的水性懸浮液 中的纖維素材料的總干重，總能量輸入為約lkWh/噸（kWh/t)~約10,000kWh/t，例如，約 50kWh/t~約 9, 000kWh/t、或約 100kWh/t~約 8, 000kWh/t、或約 100kWh/t~約 8,OOOkWh/ t、或約 100kWh/t~約 7, 000kWh/t、或約 100kWh/t~約 6, 000kWh/t、或約 500kWh/t~ 約 5, 000kWh/t、或約 1000kWh/t~約 5, 000kWh/t、或約 1500kWh/t~約 5, 000kWh/t、或約 2000kWh/t~約 5, 000kWh/t。
[0029] 在一些實(shí)施方式中，總能量輸入為約100kWh/t~約5, 000kWh/t。
[0030] 高剪切過(guò)程中的總能量輸入E可以由下式計(jì)算：
[0031]E=P/ff(1)
[0032] 其中，E是包含微纖化纖維素的水性懸浮液中的每噸纖維素材料所對(duì)應(yīng)的總能量 輸入（kWh/t)，P是總能量輸入（kWh)，且W是纖維素材料的總干重（噸）。
[0033] 在一些實(shí)施方式中，使微纖化纖維素經(jīng)受多于一個(gè)階段的高剪切，例如，多次（兩 次以上）通過(guò)高剪切混合裝置。例如，可以根據(jù)上述過(guò)程使水性懸浮液經(jīng)受第一段時(shí)間的 高剪切，送至在不對(duì)微纖化纖維素進(jìn)行剪切的條件下運(yùn)行的中間區(qū)域（例如混合罐），并隨 后經(jīng)受第二段時(shí)間的高剪切，以此類(lèi)推。在一些實(shí)施方式中，上述過(guò)程是連續(xù)過(guò)程，其中將 包含微纖化纖維素的所述水性懸浮液的進(jìn)料連續(xù)進(jìn)給（例如從混合罐中）至高剪切混合裝 置，經(jīng)受高剪切，從高剪切混合裝置中抽取并循環(huán)返回混合罐中，然后再次循環(huán)至高剪切混 合裝置中，以此類(lèi)推。包含微纖化纖維素的產(chǎn)物（其具有改變（例如改善）的紙耐破強(qiáng)度 增強(qiáng)屬性）可以從該過(guò)程任何階段時(shí)取出，例如，經(jīng)產(chǎn)物取出點(diǎn)（例如，位于混合罐和高剪 切混合裝置之間的排放閥）取出。通常，包含微纖化纖維素的水性懸浮液以恒定流速循環(huán)， 并且周期性地取出產(chǎn)物，例如，以5分鐘、和/或10分鐘、和/或15分鐘、和/或20分鐘、 和/或25分鐘、和/或30分鐘、和/或35分鐘、和/或40分鐘、和/或45分鐘、和/或50 分鐘、和/或55分鐘、和/或60分鐘、和/或65分鐘、和/或70分鐘、和/或75分鐘、和 /或80分鐘、和/或90分鐘、和/或100分鐘、和/或110分鐘、和/或120分鐘的間隔時(shí) 間取出。
[0034] 在一些實(shí)施方式中，高剪切處理可以在高剪切設(shè)備級(jí)聯(lián)中進(jìn)行，例如高剪切轉(zhuǎn)子/ 定子混合裝置級(jí)聯(lián)（例如，以串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)和并聯(lián)的組合的方式操作性連接的兩個(gè)或 三個(gè)或四個(gè)或五個(gè)或六個(gè)或七個(gè)或八個(gè)或九個(gè)或十個(gè)高剪切轉(zhuǎn)子/定子混合裝置）。該級(jí) 聯(lián)中的一個(gè)或多個(gè)高剪切容器的輸出物和/或輸入物可以經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)篩選步驟和/或 一個(gè)或多個(gè)分級(jí)步驟。
[0035] 在一些實(shí)施方式中，高剪切處理可以在單一高剪切設(shè)備中進(jìn)行，例如在具有多個(gè) (即至少兩個(gè)）在操作上不同的高剪切區(qū)域的單一高剪切轉(zhuǎn)子/定子混合裝置中進(jìn)行。例 如，合適的高剪切轉(zhuǎn)子/定子混合裝置可以具有多個(gè)高剪切區(qū)域，其各自具有自身的轉(zhuǎn)子/ 定子。
[0036] 在一些實(shí)施方式中，基于水性懸浮液的總重量，包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī) 顆粒材料的水性懸浮液的固體含量不大于約25重量％，例如，固體含量為約0. 1重量％~ 約20重量％、或約0. 1重量％~約18重量％、或約2重量％~約16重量％、或約2重量％~ 約14重量％、或約4重量％~約12重量％、或約4重量％~約10重量％、或約5重量％~ 約10重量％、或約5重量％~約9重量％、或約5重量％~約8. 5重量％。在該過(guò)程的任 何階段，可以添加額外的水，以改變包含微纖化纖維素和可選的無(wú)機(jī)顆粒材料的水性懸浮 液的固體含量。
[0037] 在一些實(shí)施方式中，包含微纖化纖維素的水性懸浮液的纖維固體含量不大于約8 重量％。
[0038] 微纖化纖維素可以來(lái)源于任何合適的來(lái)源。在一些實(shí)施方式中，包含微纖化纖維 素的組合物能夠通過(guò)