高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲及其生產(chǎn)方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了一種以商業(yè)規(guī)模從自然木質(zhì)纖維素纖維生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲(CNF)的新穎方法。方法包含使用多程特定的磨漿強(qiáng)度和比能的組合的化學(xué)或機(jī)械纖維的高濃度磨漿(HCR)。通過(guò)本發(fā)明生產(chǎn)的CNF描述了具有亞微米級(jí)寬度和從幾十微米到幾毫米長(zhǎng)度的優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)絲。最終產(chǎn)品由自由長(zhǎng)絲和束縛于生產(chǎn)這些長(zhǎng)絲的纖維芯上的長(zhǎng)絲組成。在磨漿機(jī)中通過(guò)調(diào)整施加到紙漿的比能大體上調(diào)整自由和束縛長(zhǎng)絲的比例。這些CNF產(chǎn)品由于他們的更高的長(zhǎng)徑比以及保留的纖維素聚合度(DP)而不同于其他纖維素原纖狀材料。通過(guò)本發(fā)明制得的CNF產(chǎn)品是紙張、紙巾、紙板和包裝產(chǎn)品、塑料復(fù)合制料以及涂層配方的增強(qiáng)的優(yōu)良添加劑。它們顯示了對(duì)于不干紙張網(wǎng)的特別的增強(qiáng)力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用高濃度磨漿（HCR)從天然纖維例如木材或農(nóng)業(yè)纖維商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲的新穎方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從硬木和軟木加工的漂白和未漂白的化學(xué)紙漿纖維通常用于制造紙張、紙板、紙巾和紙漿模塑產(chǎn)品。為了降低出版物級(jí)紙張例如新聞?dòng)眉垺⒊?jí)壓光紙或輕量涂布紙的生產(chǎn)成本，在最近幾十年間，化學(xué)紙漿已經(jīng)逐步被由木材或再生紙張生產(chǎn)的機(jī)械紙漿代替。隨著出版物級(jí)紙張用量的下降，特別是在北美洲，由于現(xiàn)代造紙機(jī)已設(shè)計(jì)成處理較稀的紙漿(Weaker pul p)且需要更少的作為配料中最貴成分的化學(xué)軟木紙漿，生產(chǎn)的以及紙張中使用的機(jī)械紙漿的數(shù)量實(shí)質(zhì)上減少，同時(shí)許多紙張級(jí)中從軟木制得的化學(xué)紙漿的比例也持續(xù)下降。然而，機(jī)械和化學(xué)紙漿纖維具有獨(dú)特的性能，在造紙以外的其他領(lǐng)域具有越來(lái)越多的用途。環(huán)境和氣侯的改變使得天然木纖維的使用相比于傳統(tǒng)的基于化石的材料和其他不可再生材料是顯著對(duì)地球友好的選擇。雖然環(huán)保運(yùn)動(dòng)預(yù)計(jì)會(huì)增加消費(fèi)者對(duì)基于纖維的材料和產(chǎn)品的需求，但是，這些產(chǎn)品仍然必須至少與現(xiàn)有的不可再生的有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格的產(chǎn)品的性能相當(dāng)。近年來(lái)，一些制造商已使用木材和植物纖維來(lái)代替人造纖維，例如玻璃纖維，作為增強(qiáng)材料，用于塑料復(fù)合材料，這是因?yàn)樗鼈兙哂行枰膶傩?，例如低密度和磨損性、高比強(qiáng)度和剛性、以及高長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度/直徑）。
[0003]單根纖維由嵌入木質(zhì)素和半纖維素基質(zhì)中的纖維素的線性長(zhǎng)聚合物鏈制成。纖維素含量不僅取決于纖維源，還取決于用于提取纖維的制漿工藝，對(duì)于從木材以及一些植物例如洋麻、大麻以及棉花制得的纖維，含量在40%至約100%間變化。形成微原纖和納米原纖的主鏈的纖維素分子是P (1，4)-D葡萄糖的多分散線性均聚物。天然纖維的強(qiáng)度性能與纖維素的聚合度（DP)非常相關(guān)，聚合度越高越好。例如，天然纖維素中，棉花的DP可高至10000，木材的DP可高至5000。取決于分離纖維處理期間的熱化學(xué)蒸煮和熱機(jī)械預(yù)處理的嚴(yán)苛程度，造紙纖維中的纖維素的DP值通常在1500至2000之間，而棉絨的DP大約為3000。溶解紙漿中的纖維素（用于制造再生纖維素纖維)具有600至1200的平均DP。隨后的溶解處理中的苛性堿處理進(jìn)一步將DP降低至大約200。由于在松脫（Iibrate)纖維素的晶體部分的過(guò)程中的酸性水解，納米晶體纖維素具有100-200的DP。
[0004]雖然纖維的固有強(qiáng)度很重要，如上所述，基礎(chǔ)纖維物理學(xué)教導(dǎo)了高長(zhǎng)徑比是用于強(qiáng)化目的的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一，因?yàn)槠涮嵘藵B透性網(wǎng)絡(luò)的連接性或接合度，這樣會(huì)提高其機(jī)械性能。植物纖維例如大麻、亞麻、洋麻、黃麻以及棉花較長(zhǎng)，并通常具有在100至2000之間變化的長(zhǎng)徑比。另一方面，木纖維趨向于比這些植物纖維短，并具有小的長(zhǎng)徑比。例如，通常用于制造紙制品的木纖維的尺寸為：0. 5mm<長(zhǎng)度<5mm且8 y m〈寬度〈45 u m,因此，即便是最長(zhǎng)的軟木纖維，與這些植物纖維相比，也具有低得多的長(zhǎng)徑比，但其長(zhǎng)徑比高于硬木纖維。眾所周知的是，短木纖維例如硬木纖維與長(zhǎng)木纖維或從亞麻或大麻制得的植物纖維相比，在紙網(wǎng)（web)中產(chǎn)生較差的增強(qiáng)力。此外，包括軟木纖維在內(nèi)的普通木纖維的增強(qiáng)力低于用于塑料復(fù)合材料的強(qiáng)化的植物纖維。
[0005]用于造紙產(chǎn)品和塑料復(fù)合材料的木纖維和其他植物纖維的增強(qiáng)性能，在增加這些纖維的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度/直徑）并且在處理期間最小程度地改變這些纖維的纖維素鏈的聚合度（DP)時(shí)，能夠得到實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。因此，纖維應(yīng)該理想地被加工以使它們的直徑在處理期間盡可能減小而最小化沿著長(zhǎng)纖維軸的斷裂，并同時(shí)防止在分子水平的纖維素鏈降解。降低纖維直徑是可能的，因?yàn)槔w維素纖維的形態(tài)代表非常薄的原纖狀單元的良好組織過(guò)的結(jié)構(gòu)，該單元由纖維素鏈的長(zhǎng)絲構(gòu)成，纖維素鏈由相鄰分子間的氫鍵橫向穩(wěn)定。單元原纖聚集以產(chǎn)生微原纖和納米原纖，其組成纖維細(xì)胞壁的大部分（A. P. Shchniewind in ConeiseEncyclopedia of Wood & Wood-Based Material s, Pergamon, Oxford, p63(1989))0 微原纖定義為纖維素的薄纖維，其具有O. 1-1 μ m的直徑，而納米原纖具備納米級(jí)的一維尺寸（〈lOOnm)。如果這些原纖之間的氫鍵能夠被選擇性地破壞以松脫微原纖和納米原纖而不縮短它們，就獲得了具有高長(zhǎng)徑比的纖維素結(jié)構(gòu)。顯然，提取纖維素超結(jié)構(gòu)（suprastructure)的現(xiàn)有方法不能達(dá)到這些目標(biāo)。
[0006]已經(jīng)描述了幾種從木材或農(nóng)業(yè)纖維生產(chǎn)有價(jià)值的纖維素超分子結(jié)構(gòu)的方法。在我們的在先專(zhuān)利申請(qǐng)（US2011-0277947，于2011年11月17日公開(kāi)）中，描述并分析了用于這些結(jié)構(gòu)的各種縮略語(yǔ)以及它們的說(shuō)明、生產(chǎn)方法以及應(yīng)用。多種纖維素材料家族通過(guò)如下來(lái)彼此區(qū)別：最終產(chǎn)品中的自由和受約束的原纖單元的相對(duì)量；它們?cè)诶w維素、木質(zhì)素以及半纖維素方面的組成；長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)徑比、表面電荷、比表面積、聚合度以及結(jié)晶度的分布。結(jié)構(gòu)從原始纖維拓展到天然纖維、納米晶體纖維素（NCC)的最小和最強(qiáng)的單元。由于它們的市場(chǎng)潛力，提出了多種用于生產(chǎn)具有介于母纖維和NCC之間的中間尺寸的原纖狀纖維素單元的方法（US4374702、US6183596、US6214163、US7381294 和 W02004 / 009902、US5964983.W02007 / 091942、US7191694、US2008 / 0057307、US7566014)。有多種名稱(chēng)已被用于描述原纖化纖維，即微原纖化纖維素、超微原纖化纖維素、纖維素微原纖、纖維素納米原纖、納米纖維、納米纖維素。它們大都涉及用或不用酶或化學(xué)品的幫助的機(jī)械處理。在機(jī)械處理前使用的化學(xué)品被聲明用來(lái)幫助降低能量消耗（W02010 / 092239A1、W02011 /064441A1)。
[0007]用于生產(chǎn)纖維素納米原纖的機(jī)械方法通常使用高的剪切均質(zhì)機(jī)、低濃度磨漿機(jī)(ref iner)或這兩者的組合來(lái)執(zhí)行?，F(xiàn)有的方法存在兩個(gè)主要問(wèn)題：處理后相對(duì)低的長(zhǎng)徑比限制了與這種原纖狀結(jié)構(gòu)在一些基體中的使用有關(guān)的利益。此外，生產(chǎn)方法不易進(jìn)行容易且經(jīng)濟(jì)的規(guī)模放大。與本申請(qǐng)?zhí)貏e相關(guān)的是Turbak(US4374702)的文獻(xiàn)，其使用均化器生產(chǎn)微原纖化纖維素。均化器需要預(yù)先切割纖維以穿過(guò)小孔，其降低纖維長(zhǎng)度，從而降低長(zhǎng)徑比。此外，預(yù)先切割的纖維重復(fù)通過(guò)一個(gè)或一系列均化器不可避免地進(jìn)一步促進(jìn)纖維切害I]，因而妨礙了由這種方法生產(chǎn)出高長(zhǎng)徑比的纖維素原纖。Suzuki等人（US7381294)避免了使用均化器來(lái)生產(chǎn)微原纖化纖維素，而使用硬木牛皮紙漿的多程低濃度磨漿。生成的由縮短的纖維組成的具有原纖的致密網(wǎng)絡(luò)的微原纖化纖維素仍然附接到纖維芯上。而且，與均化器類(lèi)似地，在低濃度下運(yùn)轉(zhuǎn)的磨漿機(jī)引起嚴(yán)重的纖維切割，這妨礙了高長(zhǎng)徑比原纖的生成。為了降低能量消耗，Lindstrom等人（W02007 / 091942)提出了在均化前進(jìn)行酶處理，然而該處理會(huì)攻擊纖維素大分子鏈，并進(jìn)一步減小原纖長(zhǎng)度。生成的原纖材料稱(chēng)為納米纖維素或納米原纖，對(duì)于小于100的長(zhǎng)徑比，具有2-30nm的寬度以及IOOnm至I μ m的長(zhǎng)度。通常，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模的觀察以及文獻(xiàn)結(jié)果均顯示出在任何機(jī)械作用前用酶處理紙漿纖維加速了纖維切割并降低了纖維素鏈的聚合度。
[0008]總之，上面提到的產(chǎn)品、MFC、納米纖維素或納米原纖與生產(chǎn)它們的原始紙漿纖維相比，為具有低的長(zhǎng)徑比和聚合度（DP)的相對(duì)較短的顆粒。它們通常比IOOym短得多，且一些可能具有甚至短于I Pm的長(zhǎng)度。因此，在目前為止提出的用于生產(chǎn)微原纖或納米原纖的所有方法中，紙漿纖維必須切割成可加工的通過(guò)均化器的小孔，或不可避免地被機(jī)械、酶或化學(xué)品作用縮短。
[0009]近來(lái)，Kos low和Suthar (US7566014)公開(kāi)了一種使用開(kāi)放通道對(duì)低濃度紙衆(zhòng)(即，按重量計(jì)3.5%固體）進(jìn)行磨漿來(lái)生產(chǎn)原纖的方法。他們聲稱(chēng)開(kāi)放通道磨漿保護(hù)纖維長(zhǎng)度，而封閉通道磨漿例如盤(pán)式磨漿機(jī)縮短纖維。在他們隨后的專(zhuān)利申請(qǐng)（US2008 /0057307)中，相同的發(fā)明人還公開(kāi)了 一種生產(chǎn)具有50_500nm的直徑的納米原纖的方法。該方法由兩個(gè)步驟組成：首先使用開(kāi)放通道磨漿以產(chǎn)生原纖化纖維而不縮短纖維，接著通過(guò)封閉通道磨漿以釋出單條原纖。雖然釋出原纖的聲明長(zhǎng)度仍然與起始的纖維相同（0. 1-6_)，但是這是一個(gè)不切實(shí)際的聲明，因?yàn)槿绨l(fā)明人自己以及如其他人所公開(kāi)(US6231657、US7381294)的，封閉通道磨漿不可避免縮短纖維。發(fā)明人Koslow等人的封閉磨漿涉及商業(yè)打漿機(jī)、盤(pán)式磨漿機(jī)和均化器。在其他的之前提到的現(xiàn)有技術(shù)中，這些設(shè)備已經(jīng)被用于產(chǎn)生微原纖化纖維素和納米纖維素。這些方法均未產(chǎn)生具有這樣高的長(zhǎng)度（超過(guò)100微米）的拆離的納米原纖。在US2008 / 0057307中Kos I ow等人承認(rèn)封閉通道磨漿既導(dǎo)致原纖化也導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度的降低，并產(chǎn)生顯著量的細(xì)屑（短纖維）。因而，這些納米原纖的長(zhǎng)徑比應(yīng)該類(lèi)似于現(xiàn)有技術(shù)，因此相對(duì)較低。此外，Kos low等人的方法為進(jìn)入第二階段的原纖化纖維具有50-0mlCSF的游離度（freenes s)，而在封閉通道磨漿或均化后，得到的納米原纖仍具有零游離度。零游離度表示納米原纖比游離度測(cè)定儀的篩孔尺寸大得多，并且不能穿過(guò)篩孔，因此在篩上會(huì)快速形成纖維墊，該纖維墊防止水穿過(guò)篩（穿過(guò)的水量與游離度值成比例）。由于游離度測(cè)定儀的篩孔尺寸具有510微米的直徑，很明顯納米原纖應(yīng)該具有大于500nm的寬度。
[0010]我們之前（US2011-0277947)發(fā)現(xiàn)能夠通過(guò)納米長(zhǎng)絲形成設(shè)備產(chǎn)生具有高長(zhǎng)徑比的長(zhǎng)纖維素原纖，該納米長(zhǎng)絲形成設(shè)備使用一組高速旋轉(zhuǎn)的鋒利的刀從植物纖維剝離原纖。該方法產(chǎn)生具有非常高長(zhǎng)徑比（高達(dá)1000)的高質(zhì)量纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)。與Koslow的納米原纖不同，水性懸浮液中的CNF呈現(xiàn)出非常高的游離度值，通常大于700ml CSF，這是由于CNF相對(duì)于母纖維具有窄的寬度和更短的長(zhǎng)度。然而，旋轉(zhuǎn)刀法的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的CNF太稀（即按重量計(jì)小于2%)以致在處理后難以運(yùn)輸。此外，非常稀的CNF懸浮液限制了其混合到例如復(fù)合材料這樣的在其制造期間需要很少水或沒(méi)有水的產(chǎn)品中。所以，在這種方法中需要干燥步驟，這將妨礙該方法的經(jīng)濟(jì)性。
[0011]本發(fā)明的新方法基于紙漿纖維的高濃度磨漿。這里的高濃度是指大于20%的出口濃度。高濃度磨漿廣泛用于機(jī)械紙漿的生產(chǎn)。用于機(jī)械制漿的磨漿機(jī)由旋轉(zhuǎn)-靜止盤(pán)組合（單盤(pán)）或兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)盤(pán)（雙盤(pán)）組成，在常壓條件（即開(kāi)放出口）下或在壓力（封閉出口）下運(yùn)轉(zhuǎn)。盤(pán)的表面由具有條和溝槽的特定圖案的板覆蓋。木屑供給到磨漿機(jī)的中央。磨漿不僅分離纖維，也同時(shí)導(dǎo)致多種纖維狀組織的改變，例如內(nèi)部和外部原纖化、纖維彎曲、纖維縮短以及細(xì)屑產(chǎn)生。外部原纖化定義為瓦解并剝離纖維的表面，這將導(dǎo)致產(chǎn)生仍附著于纖維芯表面的原纖。纖維原纖化增加了它們的表面積，因而改善了它們?cè)谠旒堉械慕雍蠞摿Α?br> [0012]機(jī)械磨漿機(jī)也能夠用于提高化學(xué)紙漿纖維例如牛皮紙纖維的性能。常規(guī)的化學(xué)紙漿的磨漿在低濃度下進(jìn)行。低濃度磨漿促進(jìn)了在生產(chǎn)早期階段的纖維切割。適度的纖維切割改善了制得的紙張的均勻度，然而對(duì)于高長(zhǎng)徑比纖維素超結(jié)構(gòu)的制造來(lái)說(shuō)是不希望的。高濃度磨漿用于牛皮紙漿的一些應(yīng)用，例如用于紙袋紙的生產(chǎn)。在這樣的牛皮紙漿磨漿的應(yīng)用中，施加的能量限制為每噸紙漿幾百kwh，因?yàn)槭┘映^(guò)該水平的能量將急劇地降低纖維長(zhǎng)度并使得纖維不適合應(yīng)用。在過(guò)去，牛皮紙纖維從來(lái)沒(méi)有被磨漿至超過(guò)IOOOkWh / t的能量水平。
[0013]Mil es公開(kāi)了 ：除了高濃度，低磨漿強(qiáng)度也進(jìn)一步保護(hù)纖維長(zhǎng)度并生產(chǎn)高質(zhì)量機(jī)械紙漿（US6336602)。通過(guò)降低盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)減小磨漿強(qiáng)度。Ettaleb等人（US7240863)公開(kāi)了一種通過(guò)在錐形磨漿機(jī)中增加入口紙漿濃度來(lái)改善紙漿質(zhì)量的方法。更高的入口濃度同樣降低了磨漿強(qiáng)度，這有助于降低纖維切割。這兩種方法的產(chǎn)品都是用于造紙的纖維材料。還沒(méi)有任何嘗試使用高濃度和/或低強(qiáng)度磨漿來(lái)生產(chǎn)纖維素微纖維、微原纖化纖維素、纖維素原纖、納米纖維素或纖維素納米長(zhǎng)絲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明試圖提供一種高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)。
[0015]本發(fā)明還試圖提供一種生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的方法。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步試圖提供基于或包含高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的產(chǎn)品。
[0017]在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供一種用于生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的方法，包括：在高濃度條件下，以高的總磨漿比能進(jìn)行紙漿纖維磨漿。在特定實(shí)施方案中，磨漿在低磨漿強(qiáng)度下進(jìn)行。
[0018]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供高長(zhǎng)徑比盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的物質(zhì)，包括具有至少200、高達(dá)數(shù)千的長(zhǎng)徑比且30nm至500nm的寬度的纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)。
[0019]在本發(fā)明的還另一個(gè)方面中，提供一種由本發(fā)明的高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲(CNF)的物質(zhì)形成的膜。
[0020]在本發(fā)明的還另一個(gè)方面中，提供一種用本發(fā)明的高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲(CNF)的物質(zhì)增強(qiáng)的基底。
[0021]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種包括高長(zhǎng)徑比盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的物質(zhì)的組合物，其中，所述纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)包括保留未經(jīng)盤(pán)磨漿的母纖維中的長(zhǎng)絲的長(zhǎng)度的未切割長(zhǎng)絲。
[0022]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種包括本發(fā)明的物質(zhì)或組合物的增強(qiáng)劑。
[0023]在本發(fā)明的還另一個(gè)方面中，提供一種包括由本發(fā)明的物質(zhì)或組合物形成的膜或涂層。
[0024]在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“盤(pán)磨漿” CNF是指通過(guò)在盤(pán)式磨漿機(jī)中進(jìn)行盤(pán)磨漿制得的CNF ;并且術(shù)語(yǔ)“未經(jīng)盤(pán)磨漿”是指在盤(pán)式磨漿機(jī)中進(jìn)行盤(pán)磨漿以生產(chǎn)CNF之前的母纖維。
[0025]在本發(fā)明中，CNF的長(zhǎng)徑比將最高達(dá)5000，即200至5000，典型地為400至1000。
[0026]發(fā)明的具體說(shuō)明[0027]開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的新方法。其括使用在高濃度下操作的盤(pán)式磨漿機(jī)并以非常高水平的比能時(shí)纖維素纖維進(jìn)行磨漿。在特定實(shí)施方案中，磨漿在低磨漿強(qiáng)度下進(jìn)行。
[0028]本發(fā)明的關(guān)鍵要素為磨漿技術(shù)的獨(dú)特組合，進(jìn)行高濃度磨漿以及優(yōu)選地低強(qiáng)度磨漿以使用商業(yè)上可得到的木屑磨漿機(jī)來(lái)施加用于生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比CNF所需要的能量。需要多程，優(yōu)選幾程以滿足要求的能量級(jí)。高濃度磨漿可以是常壓磨漿或壓力磨漿。
[0029]因此，本發(fā)明提供了一種用來(lái)制備纖維素原纖或長(zhǎng)絲的族的新方法，與所有其他纖維素材料，例如在上述現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的MFC、納米纖維素或納米原纖相比，在長(zhǎng)徑比和聚合度方面，其呈現(xiàn)出優(yōu)異的特性。與表示為微原纖化纖維素、纖維素微原纖、納米原纖或納米纖維素的材料相比，通過(guò)本發(fā)明生產(chǎn)的稱(chēng)為纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的纖維素結(jié)構(gòu)在于具有非常高的長(zhǎng)度（高達(dá)毫米）的原纖狀單元分布。它們的寬度從納米大?。?0至IOOnm)到微米大小（100至500nm)。
[0030]本發(fā)明還提供了一種新方法，其能夠產(chǎn)生高濃度的纖維素納米長(zhǎng)絲，濃度按重量計(jì)至少為20%,并且通常為20%至65%。
[0031]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種CNF生產(chǎn)的新方法，其能夠容易地按比例放大為批量生產(chǎn)。此外，根據(jù)本發(fā)明的CNF生產(chǎn)的新方法可以使用現(xiàn)有的商業(yè)上可得到的工業(yè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行，從而當(dāng)商業(yè)化該方法時(shí)能夠?qū)嵸|(zhì)上減小資本成本。
[0032]與迄今提出的方法相比，根據(jù)本發(fā)明的CNF的制造工藝對(duì)原纖長(zhǎng)度和纖維素DP的負(fù)面影響少得多。在此公開(kāi)的新穎方法與所有其他方法的不同在于獨(dú)特工藝條件和磨漿設(shè)備，從而雖然在處理期間賦予木材紙漿高能量卻避免了纖維切割。該方法包括使用高濃度磨漿機(jī)在非常高水平的比能下對(duì)紙漿纖維進(jìn)行磨漿，優(yōu)選地在低磨漿強(qiáng)度下進(jìn)行操作。取決于纖維源、CNF的百分率和在最終產(chǎn)品中的CNF的目標(biāo)細(xì)長(zhǎng)比，生產(chǎn)CNF需要的總能量在2000 至 20000kWh / t 之間，優(yōu)選為 5000 至 20000kWh / t，更優(yōu)選為 5000 至 12000kWh /t。隨著施加能量的上升，CNF的百分率增加，長(zhǎng)絲逐漸變薄。通常需要幾程以達(dá)到需要的能量水平。除了目標(biāo)能量水平，程數(shù)還取決于磨漿條件，例如濃度、盤(pán)轉(zhuǎn)速、間隙以及使用的磨漿機(jī)的尺寸等，但是對(duì)于常壓磨漿，其通常大于2小于15，而對(duì)于壓力磨漿，通常小于50。每程的比能通過(guò)控制板間隙開(kāi)口來(lái)調(diào)整。每程的最高能量由使用的磨漿機(jī)的類(lèi)型決定，以便實(shí)現(xiàn)操作的穩(wěn)定性并達(dá)到需要的CNF的質(zhì)量。例如，使用在900RPM運(yùn)轉(zhuǎn)的36"雙盤(pán)磨以及30%濃度下執(zhí)行試驗(yàn)表明可在小于10程的情況下施加超過(guò)15000KWh /噸的能量。
[0033]商業(yè)規(guī)模的CNF生產(chǎn)能連續(xù)在一組串聯(lián)的磨漿機(jī)上進(jìn)于以允許多程磨漿，或者能夠以成批方式使用一臺(tái)或串聯(lián)的兩臺(tái)磨漿機(jī)進(jìn)行，并多次再循環(huán)磨漿材料以獲得目標(biāo)能量。
[0034]低磨漿強(qiáng)度通過(guò)控制兩個(gè)參數(shù)來(lái)完成：增加磨漿濃度并降低盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度。到目前為止，改變磨漿機(jī)盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度（RPM)是最有效并最可行的方法。在之前的美國(guó)專(zhuān)利(US6336602)中描述了實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度磨漿的RPM范圍。在本發(fā)明中，雙盤(pán)磨漿機(jī)的使用需要一個(gè)或兩個(gè)盤(pán)，其轉(zhuǎn)速都小于1200RPM，一般為600至1200RPM，并且優(yōu)選地在900RPM或更小。對(duì)于單盤(pán)磨漿機(jī)，盤(pán)在小于常規(guī)的1800RPM的速度下旋轉(zhuǎn)，一般為1200至1800RPM，優(yōu)選地在1500或更少的RPM。
[0035]在常壓磨漿機(jī)和壓力磨漿機(jī)中均能夠?qū)崿F(xiàn)高出口濃度。壓力磨漿增加磨漿區(qū)域中的溫度和壓力，并且對(duì)于軟化木屑中的木質(zhì)素是有用的，其促進(jìn)當(dāng)使用木屑作為原料時(shí)在第一階段中的纖維分離。當(dāng)原料為化學(xué)牛皮紙纖維時(shí)，一般不需要壓力磨漿機(jī)，因?yàn)槔w維已經(jīng)非常柔韌并分離。對(duì)于使用壓力磨漿機(jī)，主要的限制是不能時(shí)牛皮紙漿施加足夠的能量。在我們的試驗(yàn)工場(chǎng)中，進(jìn)行了采用壓力磨漿機(jī)制造CNF的試驗(yàn)，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)到操作不穩(wěn)定前可施加到牛皮紙纖維的每程最高比能僅大約為200kWh / T。另一方面，采用常壓低強(qiáng)度磨漿可達(dá)到1500kWh / T及更高。因此，為達(dá)到目標(biāo)磨漿比能，使用壓力磨漿生產(chǎn)CNF將導(dǎo)致比常壓磨漿更多的程數(shù)。然而，壓力磨漿允許回收在處理期間產(chǎn)生的蒸汽能量。
[0036]這里的高濃度是指高于20%的出口濃度。濃度取決于所使用磨漿機(jī)的類(lèi)型和尺寸。小型雙盤(pán)磨漿機(jī)在較低范圍內(nèi)的高濃度下操作，而大型現(xiàn)狀磨漿機(jī)的出口濃度能超過(guò)60%。
[0037]從木材和其他植物制得的纖維素纖維代表用于根據(jù)本發(fā)明的CNF生產(chǎn)的原材料。本發(fā)明的方法允許直接從所有類(lèi)型的無(wú)預(yù)處理木材紙漿生產(chǎn)CNF :牛皮紙、亞硫酸鹽、機(jī)械紙漿、熱化學(xué)機(jī)械紙漿，不論它們是漂白過(guò)的、半漂白過(guò)的或者未漂白的。木屑也能夠用作起始原材料。該方法也能夠應(yīng)用于其他植物纖維。無(wú)論天然纖維源是什么，最終產(chǎn)品由眾多自由長(zhǎng)絲和束縛于生產(chǎn)這些長(zhǎng)絲的纖維芯上的長(zhǎng)絲構(gòu)成。在磨漿機(jī)中通過(guò)調(diào)整施加到紙漿的比能大體上調(diào)整自由和束縛長(zhǎng)絲的比例。自由和束縛長(zhǎng)絲均具有比現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的微原纖化纖維素或納米纖維素更高的長(zhǎng)徑比。我們的CNF的長(zhǎng)度通常超過(guò)10微米，例如超過(guò)100微米并高達(dá)幾毫米，而且能夠具有非常窄的寬度，大約為30至500納米。此外，本發(fā)明的方法不顯著地降低纖維素源的DP。例如，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的CNF樣品的DP幾乎與初始軟木牛皮紙纖維相同，大約為1700。如隨后的實(shí)施例所示，對(duì)于紙張、紙巾、紙板、包裝張、塑料復(fù)合產(chǎn)品以及涂層膜的增強(qiáng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的CNF非常有效。它們的增強(qiáng)力優(yōu)于包含淀粉、羧甲基纖維素以及合成聚合物或樹(shù)脂在內(nèi)的許多現(xiàn)有的商業(yè)增強(qiáng)聚合劑的水溶性或水性乳液。特別地，通過(guò)在不干紙網(wǎng)中引入高長(zhǎng)徑比長(zhǎng)絲而引起的強(qiáng)度改進(jìn)是顯著的。
[0038]如上所述，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的CNF材料代表了具有寬范圍的直徑和長(zhǎng)度的纖維素長(zhǎng)絲的群體。長(zhǎng)度和寬度的平均值可通過(guò)所施加的比能的適當(dāng)控制來(lái)改變。公開(kāi)的方法允許在高濃度磨漿機(jī)中在大于1500kWh / t每程的情況下多于10倍的紙漿通過(guò)，而不會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的與低濃度磨漿機(jī)、研磨機(jī)或均化器相關(guān)的纖維切割。CNF產(chǎn)品能夠以半干燥形式裝運(yùn)或在簡(jiǎn)單的分散后就地使用而無(wú)需任何進(jìn)一步處理。
[0039]根據(jù)本發(fā)明制得的CNF產(chǎn)品能夠在運(yùn)送給客戶前被干燥以節(jié)約運(yùn)輸成本。在使用前，應(yīng)該使用補(bǔ)給體系良好地再分散干燥的產(chǎn)品。如果需要，也可以用化學(xué)品例如堿、酸、酶、溶劑、塑化劑、粘度改性劑、表面活性劑、或者反應(yīng)劑處理或浸潰CNF以提升附加性能。CNF的化學(xué)處理也可以包括表面的化學(xué)改性以攜帶某些官能團(tuán)或改變表面疏水性。該化學(xué)改性可通過(guò)化學(xué)鍵接或者官能基或分子的吸附來(lái)進(jìn)行?；瘜W(xué)鍵接可以通過(guò)本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的現(xiàn)有方法，或者通過(guò)例如Antal等人公開(kāi)的（US6455661和US7431799)專(zhuān)有方法來(lái)引入。
[0040]本發(fā)明的決定性?xún)?yōu)點(diǎn)為最終地實(shí)現(xiàn)了比采用現(xiàn)有技術(shù)部分中描述的用于生產(chǎn)微原纖化或納米原纖纖維素材料的裝置和設(shè)備更高的CNF生產(chǎn)率的可能性。雖然CNF的制造可在設(shè)計(jì)用于此目的的新磨機(jī)中實(shí)施，但本發(fā)明方法提供了恢復(fù)眾多磨機(jī)中的機(jī)械紙漿生產(chǎn)線的唯一機(jī)會(huì)，這些機(jī)械紙漿生產(chǎn)線由于出版物級(jí)紙張例如新聞?dòng)眉垏?yán)峻的市場(chǎng)衰退而閑置。商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)能夠通過(guò)使用現(xiàn)有的高濃度磨漿機(jī)以常壓或加壓模式來(lái)完成。
[0041]關(guān)于本發(fā)明，雖然不應(yīng)由任何特定理論束縛，但使用本發(fā)明方法的CNF產(chǎn)生的機(jī)理可總結(jié)如下：
[0042]雖然低濃度磨漿是開(kāi)發(fā)牛皮紙漿性能的常規(guī)方法，該處理限制了可施加的能量并對(duì)纖維長(zhǎng)度有不利影響。在高濃度下，物質(zhì)以及因此在磨漿區(qū)域中的纖維的數(shù)量大得多。對(duì)于給定的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，剪切力分布在大得多的纖維表面積上。因此，在單個(gè)纖維上的剪切應(yīng)力減小很多，從而降低了損害纖維的風(fēng)險(xiǎn)。因此，能夠施加多得多的能量。由于對(duì)于CNF生產(chǎn)來(lái)說(shuō)能量需求非常高，并且纖維長(zhǎng)度保護(hù)是重要的，高濃度磨漿是必要的。
[0043]如上所述，與常壓磨漿相比，壓力磨漿限制了單程通過(guò)能夠施加的能量。這是因?yàn)閴毫δ{將導(dǎo)致小得多的板間隙，這是在加壓處理中材料暴露在更高的溫度下熱軟化的結(jié)果。此外，特別是牛皮紙纖維已經(jīng)柔韌且可壓縮，這進(jìn)一步降低板間隙。如果板間隙太小，變得難以排出蒸汽，難以裝載磨漿機(jī)，并且操作變不穩(wěn)定。
[0044]最后，在給定的能量下，Mi les(US6336602)教導(dǎo)了當(dāng)通過(guò)降低盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度磨漿時(shí)，紙漿在磨漿區(qū)域中的停留時(shí)間增加，導(dǎo)致更大的纖維物質(zhì)量來(lái)承受施加的負(fù)載。結(jié)果，能夠施加更高的電動(dòng)機(jī)負(fù)載并且因此能夠施加更多能量而不損害纖維。這可以通過(guò)比較牛皮紙漿在我們的試驗(yàn)工場(chǎng)設(shè)備中在低強(qiáng)度磨漿下和在常規(guī)磨漿下獲得的結(jié)果良好體現(xiàn)。隨著比能的增加，與低強(qiáng)度磨漿（圖I)相比，用常規(guī)磨漿長(zhǎng)纖維份數(shù)下降快得多。這使得低強(qiáng)度磨漿是優(yōu)選用于生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比的CNF的方法。
[0045]附圖的簡(jiǎn)要i兌明
[0046]圖I是漂白牛皮紙漿在常規(guī)以及低強(qiáng)度磨漿后的長(zhǎng)纖維份數(shù)（Bauer McNet tR28)的對(duì)比。
[0047]圖2是在高濃度磨漿機(jī)中使用漂白軟木牛皮紙漿生產(chǎn)的纖維素納米長(zhǎng)絲的SEM顯微照相圖。
[0048]圖3是在高濃度磨漿機(jī)中使用與圖2相同的漂白軟木牛皮紙漿生產(chǎn)的纖維素納米長(zhǎng)絲的光學(xué)顯微鏡顯微照相圖。
[0049]圖4 (a)是CNF膜的SEM低倍顯微照片，（b)是CNF膜的更高放大率的SEM顯微照片，（c)是CNF片材的力-申長(zhǎng)曲線。
[0050]圖5是從混合了磨漿BSKP或CNF的BHKP制得的片材的抗拉強(qiáng)度（a)和PPS孔隙度（b)。
[0051]圖6是CNF與商業(yè)MFC在增強(qiáng)濕網(wǎng)方面的對(duì)比。
[0052]圖7是在高濃度磨漿機(jī)中使用機(jī)械紙漿生產(chǎn)的纖維素納米長(zhǎng)絲的顯微照相。
[0053]圖8分別是從用和沒(méi)用CNF的化學(xué)和機(jī)械紙漿制得的片材的Scot t鍵的對(duì)比。
[0054]圖9分別是從用和沒(méi)用CNF的化學(xué)和機(jī)械紙漿制得的片材的斷裂長(zhǎng)度的對(duì)比。
[0055]圖10分別是從用和沒(méi)用CNF的化學(xué)和機(jī)械紙漿制得的片材的抗張能量吸收（TEA)的對(duì)比。
實(shí)施例
[0056]隨后的實(shí)施例有助于理解本發(fā)明，且用來(lái)實(shí)施用于生產(chǎn)所述纖維素納米長(zhǎng)絲的方法和產(chǎn)品作為用于紙張的強(qiáng)化添加劑的應(yīng)用。這些實(shí)施例應(yīng)該被認(rèn)為是說(shuō)明性的，而不意味著限制本發(fā)明的范圍。
[0057]實(shí)施例I :
[0058]CNF是使用帶有標(biāo)準(zhǔn)Bauer盤(pán)圖案36104并運(yùn)轉(zhuǎn)在900RPM以及30%濃度的雙盤(pán)磨36"從漂白軟木牛皮紙漿生產(chǎn)的。圖2示出了按這種方式8程后制得的CNF的電子掃描顯微術(shù)（SEM)圖像。圖3是相應(yīng)的使用光學(xué)顯微學(xué)的顯微照片。材料的高長(zhǎng)徑比清晰可見(jiàn)。
[0059]實(shí)施例2 ：
[0060]實(shí)施例I的從漂白軟木牛皮紙漿制得的CNF在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)英國(guó)的粉碎機(jī)（TAPPIT205sp-02)中分散到水中形成2%濃度。分散的懸浮液用于制造具有IOOiim的厚度的流延膜。風(fēng)干的片材是半透明的并堅(jiān)硬的，具有0.98g / cm3的比密度以及零的透氣性（通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)PPS孔隙計(jì)測(cè)量）。圖4a和圖4b示出在兩種放大水平下的CNF膜的SEM顯微照片。CNF形成類(lèi)似膜的、纏繞長(zhǎng)絲的良好地接合的微觀結(jié)構(gòu)。
[0061]圖4c示出了使用了 IOcm長(zhǎng)度xl5mm寬度x0. Imm厚度的尺寸的條,在十字頭速度為IOcm / min的Ins t ron電子萬(wàn)能試驗(yàn)設(shè)備上測(cè)量得到的負(fù)載-拉力曲線?？估瓘?qiáng)度和在斷點(diǎn)處的延伸分別為168N和14%。
[0062]實(shí)施例3 ：
[0063]圖5a和圖5b比較60g / m2手抄紙頁(yè)的性能,該手抄紙頁(yè)由半干槳板（reslusheddry lap)漂白硬木牛皮紙衆(zhòng)(BHKP)混以不同磨衆(zhòng)水平的磨衆(zhòng)機(jī)磨衆(zhòng)漂白軟木牛皮紙衆(zhòng)(BSKP)或使用與實(shí)施例I描述的相同步驟生產(chǎn)的根據(jù)本發(fā)明的CNF制得。具有400mL的加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度CSF的磨漿BSKP來(lái)自生產(chǎn)復(fù)印和膠印高級(jí)紙張等級(jí)的工廠。所有片材都添加了 0.02%陽(yáng)離子聚丙烯酰胺作為助留劑而制成。結(jié)果清楚地示出隨著CNF用量的增力口，抗拉強(qiáng)度（a)顯著地增加且PPS孔隙度（b)劇烈地減小。低PPS孔隙度值對(duì)應(yīng)于非常低的透氣性。比較CNF與磨漿機(jī)磨漿過(guò)的BSKP，CNF增強(qiáng)過(guò)的片材比由BSKP增強(qiáng)的片材強(qiáng)三倍。
[0064]實(shí)施例4 ：
[0065]根據(jù)本發(fā)明，在操作于30%濃度下的HCRlO程后從漂白軟木牛皮紙漿生產(chǎn)CNF。先通過(guò)使用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)英國(guó)粉粹機(jī)（TAPPI T205sp-02)將該產(chǎn)品首先分散在水中，然后添加到高級(jí)紙張配料中，其包括25%漂白軟木和75%漂白硬木牛皮紙紙漿，以生產(chǎn)包含有10%本發(fā)明的CNF和29%沉淀碳酸鈣（PCC)的60g / m2手抄紙頁(yè)。也僅用PCC制造對(duì)照手抄紙頁(yè)。所有片材均使用了數(shù)量為0.02%的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺以助留。圖6示出了與織物固體相關(guān)的濕網(wǎng)抗拉強(qiáng)度。很請(qǐng)楚地可以看出，與沒(méi)有PCC的對(duì)照片材相比，在紙漿配料中單獨(dú)添加PCC將急劇降低濕網(wǎng)的強(qiáng)度。10%商業(yè)MFC的加入稍微改進(jìn)了填充的片材的濕網(wǎng)強(qiáng)度，然而添加10% CNF實(shí)質(zhì)上改進(jìn)了填充了 PCC的片材的濕網(wǎng)強(qiáng)度，并且強(qiáng)度甚至比未填充的對(duì)照片材好得多。這說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的CNF對(duì)于不干的濕片材來(lái)說(shuō)是極好的增強(qiáng)劑。
[0066]包括CNF的干燥片材的抗拉強(qiáng)度也得到了顯著的改進(jìn)。例如，在沒(méi)有CNF的情況下，包括29% PCC的片材具有222mJ / g的抗張能量吸收指數(shù)（TEA)。當(dāng)在制成片材前添加10%用量的CNF到配料中時(shí)，TEA被改善為573mJ / g，增加了 150%。
[0067]實(shí)施例5 ：[0068]也執(zhí)行了用黑云杉木屑作為原材料的試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，采用運(yùn)轉(zhuǎn)在1800RPM且用Andr itz D17C002的板圖案的22"壓力磨漿機(jī)，其來(lái)進(jìn)行第一階段磨漿。在與實(shí)施例I中說(shuō)明的相同條件下，采用BaUer36"常壓磨漿機(jī)進(jìn)行連續(xù)磨漿階段。圖7示出了采用黑云杉木屑在一個(gè)壓力磨漿階段以及12個(gè)連續(xù)常壓磨漿階段后的機(jī)械紙漿生產(chǎn)出的CNF的光學(xué)和SEM圖像。
[0069]實(shí)施例6 ：
[0070]按照與實(shí)施例5相同的步驟從黑云杉木屑生產(chǎn)CNF。根據(jù)PAPTAC標(biāo)準(zhǔn)（C-BP)分解CNF，然后在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)英國(guó)磨機(jī)（TAPPI T205sp-02)中進(jìn)一步分解5分鐘。5% (以重量計(jì)）分散良好的CNF被添加到含有20%磨漿至500ml游離度的北方漂白軟木牛皮紙漿和80%未磨漿漂白的桉樹(shù)牛皮紙漿的基底牛皮紙混合物中。從基底牛皮紙和CNF的最終混合物制得標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室手抄紙頁(yè)。為了進(jìn)行比較，我們也制造了用5%從化學(xué)紙漿而非機(jī)械紙漿制得的CNF的類(lèi)似混合物。測(cè)量所有片材的干強(qiáng)度屬性。圖8、9和10清楚地示出了添加5% CNF顯著地增加內(nèi)部的鍵強(qiáng)度（Scot t鍵）、斷裂長(zhǎng)度以及抗張能量吸收。采用木屑和機(jī)械紙漿制得的CNF具有比那些從化學(xué)紙漿制得的CNF低的增強(qiáng)性能。然而，與沒(méi)有添加任何CNF的樣品（對(duì)照）相比，它們?nèi)匀伙@著地增加了片材強(qiáng)度性能。
[0071]實(shí)施例7:
[0072]根據(jù)本發(fā)明，從漂白軟木牛皮紙漿生產(chǎn)了超過(guò)100千克纖維素納米長(zhǎng)絲。CNF用于試驗(yàn)造紙機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)以確認(rèn)我們的用CNF改善濕網(wǎng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)在800m /min，使用典型的包含80% BHKP / 20% BSKP的高級(jí)紙張配料。在沒(méi)有CNF、I % CNF用量、3% CNF用量的條件下，生產(chǎn)了包括最高達(dá)27% PCC的75g / m2克重的紙張。在試驗(yàn)期間，實(shí)施了拉伸測(cè)試以確定由于網(wǎng)的張力增加而將要破裂時(shí)的濕網(wǎng)的抵抗力。在該測(cè)試中，通過(guò)增加第三壓榨壓區(qū)與第四壓榨壓區(qū)之間的速度差異，逐漸地增加網(wǎng)的張力，在第三壓榨壓區(qū)與第四壓榨壓區(qū)之間，網(wǎng)不由壓氈支承（開(kāi)式拉紙）。在網(wǎng)的斷裂點(diǎn)的高拉力反應(yīng)了強(qiáng)的濕網(wǎng)，其應(yīng)導(dǎo)致良好的造紙機(jī)運(yùn)行性。拉伸測(cè)試的結(jié)果顯示了 CNF實(shí)質(zhì)上將拉力從2%增加到了超過(guò)5%。該改進(jìn)建議了 CNF對(duì)于不干的潮濕卷筒紙來(lái)說(shuō)是強(qiáng)勁的增強(qiáng)劑，因此可以用來(lái)降低網(wǎng)的斷裂，尤其是在那些裝備有長(zhǎng)的開(kāi)式牽引的造紙機(jī)。需要指出的是，目前，包括用來(lái)改善再次弄濕的片材的強(qiáng)度的干強(qiáng)度添加劑以及甚至濕強(qiáng)度添加劑，沒(méi)有商業(yè)添加劑可以改善不干濕網(wǎng)的強(qiáng)度。
[0073]除了更高的濕網(wǎng)強(qiáng)度，CNF也改善了干的紙張的抗拉強(qiáng)度。例如，3% CNF的添加允許有27% PCC且可與僅有8% PCC而沒(méi)有CNF制得的紙張相比較的抗張能量吸收（TEA)的紙張的生產(chǎn)。
[0074]上述實(shí)施例清楚地示出了通過(guò)該新穎的發(fā)明生產(chǎn)出的CNF能實(shí)質(zhì)上改善濕網(wǎng)和干燥紙張片材的強(qiáng)度。其獨(dú)特強(qiáng)勁的增強(qiáng)性能可認(rèn)為是由它們的較長(zhǎng)的長(zhǎng)度和非常纖細(xì)的寬度帶來(lái)的，因此，非常高的長(zhǎng)徑比導(dǎo)致了高柔韌性和高表面積。CNF可以提供在紙張結(jié)構(gòu)內(nèi)的纏繞，并顯著增加每單位質(zhì)量的纖維素材料的接合面積。我們相信CNF會(huì)非常適合于許多產(chǎn)品的增強(qiáng)，包括所有紙張和紙板等級(jí)紙巾和毛巾產(chǎn)品、涂層配方以及塑料復(fù)合材料。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的方法，包括： 在高濃度條件下，以高的總磨漿比能進(jìn)行紙漿纖維磨漿。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述高的總磨漿比能為2000至20000kWh/ t，且所述高濃度為按重量計(jì)至少20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，以多個(gè)磨漿程數(shù)實(shí)施所述磨漿。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，對(duì)于常壓磨漿，所述多個(gè)大于2且小于15;對(duì)于壓力磨漿，所述多個(gè)小于50。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磨漿處于低強(qiáng)度，包括在雙盤(pán)磨漿機(jī)中在小于1200RPM的旋轉(zhuǎn)速度下進(jìn)行磨漿。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述旋轉(zhuǎn)速度為900RPM或更少。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在單盤(pán)磨漿機(jī)中在小于1800RPM的旋轉(zhuǎn)速度下，所述磨漿處于低磨漿強(qiáng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述旋轉(zhuǎn)速度為1500RPM或更少。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磨漿為開(kāi)放出口磨漿。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磨漿為封閉出口磨漿。
11.一種高長(zhǎng)徑比纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的物質(zhì)，包括具有至少200、最高達(dá)數(shù)千的長(zhǎng)徑比且30nm至500nm的寬度的盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的物質(zhì)，其中，所述長(zhǎng)徑比為200至5000。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的物質(zhì)，其中，所述纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)具有超過(guò)IOiim的長(zhǎng)度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)，其中，所述纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)包括保留未磨漿過(guò)的母纖維中的長(zhǎng)絲的長(zhǎng)度的未切割長(zhǎng)絲。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)，其中，所述盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲(CNF)形成自由長(zhǎng)絲和束縛到未經(jīng)盤(pán)磨漿的母纖維的纖維芯的長(zhǎng)絲的群體，所述盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)從所述母纖維生產(chǎn)。
16.—種包括高長(zhǎng)徑比盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)的物質(zhì)的組合物，其中，所述纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)包括保留未經(jīng)盤(pán)磨漿的母纖維中的長(zhǎng)絲的長(zhǎng)度的未切割長(zhǎng)絲。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的組合物，其中，所述盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)形成自由長(zhǎng)絲和束縛到未經(jīng)盤(pán)磨漿的母纖維的纖維芯的長(zhǎng)絲的群體，所述所述盤(pán)磨漿纖維素納米長(zhǎng)絲（CNF)從所述母纖維生產(chǎn)。
18.包括權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)的物質(zhì)或權(quán)利要求16或17的組合物的增強(qiáng)劑。
19.使用權(quán)利要求18的增強(qiáng)劑增強(qiáng)的基底。
20.從權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)的物質(zhì)或權(quán)利要求16或17的組合物形成的膜或涂層。
21.權(quán)利要求11至15任一項(xiàng)的物質(zhì)或權(quán)利要求16或17的組合物作為增強(qiáng)劑或作為膜形成劑或涂層劑的用途。
【文檔編號(hào)】D01B9/00GK103502529SQ201280006059
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月21日
【發(fā)明者】華旭俊, M·拉萊格, K·邁爾斯, R·阿米里, L·埃塔萊布, G·多里斯 申請(qǐng)人:Fp創(chuàng)新研究中心