專利名稱：制備包含纖維化纖維素的組合物的方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備包含纖維化纖維素和顏料的組合物的方法。本發(fā)明還涉及該組合物。
背景技術(shù)：
纖維化纖維素纖維為由纖維素纖維制備的材料，其中纖維的單獨(dú)微纖維已彼此部分或完全分離。微纖維化纖維素(MFC)(也稱為納米纖維素)為一種纖維化纖維素。MFC通常非常薄(約20nm)且長(zhǎng)度通常為IOOnm至10 μ m。然而,微纖維也可更長(zhǎng),例如10-100 μ m。纖維化纖維素可以以多種不同方式制備?？蓹C(jī)械處理纖維素纖維使得形成微纖維。也可借助能斷裂原纖維間的鍵或溶解纖維的不同化學(xué)物和/或酶從纖維素制備原纖維。制備MFC的一個(gè)實(shí)例示于W02007091942，其描述了借助精制以及添加酶而制備MFC。纖維化纖維素可應(yīng)用于許多不同領(lǐng)域。在造紙工業(yè)中其可添加至紙或板的表面或添加至配料(furnish)。已表明添加纖維化纖維素可增加紙或板的強(qiáng)度。當(dāng)用于紙張涂層應(yīng)用時(shí)，其代替了合成或天然粘合劑如淀粉。因?yàn)槔w維化纖維素在低固體含量時(shí)具有高增稠作用，其可用作增稠劑，固定劑，保水助劑，潤(rùn)滑劑，分散劑和/或穩(wěn)定劑。然而，其也可用于許多其它技術(shù)領(lǐng)域，如食品工業(yè)、聚合物或塑料工業(yè)、涂料、陶瓷、油墨、復(fù)合工業(yè)(例如水泥)、橡膠工業(yè)、化妝品和藥物工業(yè)。包含纖維化纖維素(如MFC)的分散體在干含量低時(shí)具有高粘性、剪切稀化特性的透明凝膠外觀。通常，包含約4%或更高濃度(consistency)的纖維化纖維素的組合物為非常稠的凝膠形式。具有高聚合度的非常纖化和細(xì)的材料在固體含量為約I重量％或更少時(shí)可能具有凝膠狀特征。凝膠所具有的高粘度使得其非常難以以低剪切速率流動(dòng)。這使得通過(guò)管和泵的處理非常困難，因此將其分配至不同的最終用途(例如分配至紙或板基底的表面)也非常困難。因此，在基底表面生成紙或板的過(guò)程中經(jīng)常不希望添加具有低干含量的組合物，因?yàn)槠浜馁M(fèi)許多能量來(lái)去除所添加的水，例如在干燥基底的過(guò)程中。添加具有低固體含量和強(qiáng)的剪切稀化特征的分散體也可能需要特殊的涂覆設(shè)備以防止在涂覆過(guò)程中太多的滲透和不均勻性。避免不需要的水添加的另一原因是節(jié)省運(yùn)輸成本、避免水和環(huán)境影響(碳足跡)。解決這些問(wèn)題的一種方式是在添加至組合物(例如顏料分散體)或添加至造紙機(jī)的濕部之前干燥所制備的MFC，但這是非常消耗能量的過(guò)程，且微纖維化纖維素可能具有顯著不可逆的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)變化。另一問(wèn)題是可能需要濕潤(rùn)劑以促進(jìn)干燥MFC的再分散。因此需要以改善的方式制備纖維化纖維素干含量高的組合物的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是以改善的方式制備包含纖維化纖維素和顏料的組合物。
本發(fā)明另一目的是提供在高濃度時(shí)具有改善的流變學(xué)性質(zhì)的包含纖維化纖維素和顏料的組合物。這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明涉及制備組合物的方法，其中該方法包括通過(guò)機(jī)械、化學(xué)和/或酶處理而預(yù)處理纖維素纖維，將預(yù)處理的纖維素纖維與顏料混合形成分散體，將該預(yù)處理的纖維素纖維和顏料的分散體分散，由此形成包含纖維化纖維素纖維的組合物。與顏料混合的預(yù)處理的纖維的濃度可較高，優(yōu)選為1-50%重量。增加預(yù)處理的纖維的濃度，增加了制備具有高濃度的最終組合物的可能性。該組合物的濃度可較高，優(yōu)選為10-70%重量。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法，可制備具有高濃度的包含纖維化纖維素和顏料的組合物，同時(shí)該組合物的流變學(xué)性質(zhì)良好。優(yōu)選增加分散過(guò)程中的溫度。已表明通過(guò)增加溫度(通過(guò)加熱或由于分散過(guò)程的溫度增加)，可以以可控的方式制備接枝纖維化纖維素。該分散優(yōu)選在常規(guī)分散或混合設(shè)備中進(jìn)行。因此無(wú)需對(duì)額外設(shè)備的投資。形成的纖維化纖維素優(yōu)選為微纖維化纖維素。當(dāng)預(yù)處理的纖維素纖維與顏料一起分散時(shí)，該纖維將進(jìn)一步纖化以形成更細(xì)的纖維素材料。這是由于在分散過(guò)程中發(fā)生的纖維和顏料之間的摩擦。因此可以以改善的方式制備包含微纖維化纖維素的組合物。該預(yù)處理的纖維可為纖維素衍生物，如羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥乙基纖維素(HEC)或乙基羥乙基纖維素(EHEC)。該纖維素衍生物優(yōu)選具有低的取代度(DS)值，如果使用CMC則該DS值優(yōu)選低于O. 4。更高的DS值可溶解纖維素衍生物(當(dāng)其與水或其它液體混合時(shí))。本發(fā)明進(jìn)一步涉及根據(jù)上述方法制備的包含纖維化纖維素的組合物，其中該組合物還包含顏料。所形成的組合物的纖維化纖維素可為接枝的。通過(guò)接枝該纖維，可改變纖維的性質(zhì)，如電荷和粘度、刺激性質(zhì)、溶解度和膜形成能力，因此賦予組合物不同的性質(zhì)。該組合物可包含基于顏料的量O. 1-95%重量的纖維化纖維素。組合物的纖維化纖維素的量取決于組合物的最終用途。該組合物還可包含單糖、二糖或寡糖。已表明短糖可作為分散劑，使得可進(jìn)一步增加該組合物的濃度而不引起流變學(xué)問(wèn)題。該組合物中顏料的量取決于組合物的最終用途。如果該組合物用作涂覆顏料(coating color),則該顏料可增加紙或板的印刷性質(zhì)。如果用作屏障(barrier),該顏料可改善氧氣傳輸率、水蒸氣傳輸率、擋光性、擋氣味性、加工性和/或成本。該組合物優(yōu)選具有10-70%重量的干含量?？商峁┚哂懈邼舛鹊慕M合物，即使其包含通常引起涉及組合物的流變學(xué)的問(wèn)題而使之非常難以處理的纖維化纖維素。該纖維化纖維素可為微纖維化纖維素或纖維素衍生物，如CMC、HEC或EHEC。根據(jù)組合物的最終用途，組合物的纖化纖維可包括微纖維化纖維素或纖維素衍生物。該纖維化纖維素可用于增加例如紙或板的強(qiáng)度。該纖維素衍生物優(yōu)選具有低的取代度，例如如果使用CMC則該DS值優(yōu)選低于O. 4。這是由于纖維素衍生物可在更高DS值溶解，因此使得難以形成纖維化纖維素衍生物。而目前通常情況下并不使用具有低DS值的纖維素衍生物。本發(fā)明可提供具有纖維化纖維素衍生物的組合物，且因此使用這些衍生物作為強(qiáng)度增強(qiáng)劑。發(fā)明詳述通過(guò)制備根據(jù)本發(fā)明的組合物，可增加該組合物的濃度而不延緩流變學(xué)性質(zhì)。該方法還使得可以非常成本有效的方式制備包含纖維化纖維素，如微纖維化纖維素的組合物。該組合物包含纖維化纖維素纖維。該纖維素纖維被預(yù)處理且該預(yù)處理可通過(guò)機(jī)械，化學(xué)和/或酶進(jìn)行。預(yù)處理的目的是將纖維預(yù)活化或預(yù)纖化，使得它們對(duì)后續(xù)處理更有活性和反應(yīng)性。優(yōu)選該預(yù)處理至少通過(guò)部分酶處理進(jìn)行，優(yōu)選與機(jī)械和/或化學(xué)處理組合。在酶處理過(guò)程中，纖維素纖維將分解、釋放或修飾，形成預(yù)處理的纖維，同時(shí)將形成單糖、二糖或寡糖。已表明單糖、二糖或寡糖可作為組合物中的分散劑，使得可增加組合物的濃度。 預(yù)處理優(yōu)選在高濃度時(shí)進(jìn)行。可以高濃度預(yù)處理纖維素纖維且仍然將它們纖化為一定程度。優(yōu)選預(yù)處理的纖維(即包含預(yù)處理的纖維的漿液)的濃度為1-50%重量，且更優(yōu)選為15-50%重量。通過(guò)增加預(yù)處理的纖維的濃度，較容易制備具有高濃度的組合物，因?yàn)樘砑铀^少。本發(fā)明的一個(gè)大的優(yōu)點(diǎn)為其可在例如工廠或車間現(xiàn)場(chǎng)制備該組合物。因此可預(yù)處理纖維素纖維以將其纖化，然后將預(yù)處理的纖維運(yùn)輸至工廠或車間。因此一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為可增加預(yù)處理的纖維的濃度，因?yàn)檫\(yùn)輸?shù)乃牧繙p少。預(yù)處理的程度取決于最終用途以及隨后的分散將持續(xù)多久。一些工廠或車間具有使顏料長(zhǎng)時(shí)間混合或分散的過(guò)程，則該預(yù)處理可非常輕微。然而，其它工廠或車間不具有長(zhǎng)時(shí)間混合的時(shí)間條件，則該預(yù)處理必須更徹
。該預(yù)處理的纖維隨后與顏料混合形成分散體。該顏料可為干燥的或?yàn)闈{液形式。將該預(yù)處理的纖維和顏料分散或混合，從而形成纖維化纖維素纖維。在分散過(guò)程中該顏料將與纖維碰撞從而進(jìn)一步纖化纖維。在分散過(guò)程中，通過(guò)包含預(yù)處理的纖維和顏料的分散體的粘度(viscosity)變化，觀察到上述效果。經(jīng)常使用所形成的纖維化纖維素以增加其中使用該組合物的最終產(chǎn)物的強(qiáng)度。然而，其也可用于賦予最終產(chǎn)物其它物理和化學(xué)性質(zhì)，如增加持水能力、干燥性質(zhì)、加工性、屏障或熱性質(zhì)。在磚和陶器中，在制備包含空氣的最終產(chǎn)物的過(guò)程中燃燒纖維，從而降低產(chǎn)物的重量。以這種方式可提供具有優(yōu)異的聲音屏障性質(zhì)和溫度屏障性質(zhì)的產(chǎn)物。該分散因此導(dǎo)致形成包含纖維化纖維素和顏料兩者的組合物。該組合物可制備成高濃度，而不存在包含纖維化纖維素的組合物常見(jiàn)的流變學(xué)問(wèn)題。通常，具有低濃度和高粘度的MFC可添加至顏料分散體，但該分散體的最終固體含量相對(duì)低。然而，通過(guò)將預(yù)處理的纖維與顏料混合，可獲得具有高濃度的組合物，優(yōu)選濃度為10-70%重量。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可完成預(yù)處理的纖維的纖化，同時(shí)以非常經(jīng)濟(jì)有利的方式制備包含纖維化纖維素和顏料的分散體。通過(guò)在顏料的存在下形成纖維化纖維素，防止了纖維捆束的能力，從而防止組合物的粘度增加。因此可增加根據(jù)本發(fā)明的組合物的濃度?？稍黾臃稚⑦^(guò)程中的溫度，優(yōu)選高于70_80°C，這可通過(guò)加熱或由于分散的原因而達(dá)到。在更高的固體含量時(shí)，更多的能量轉(zhuǎn)換為熱，因此纖維化纖維素或顏料上的同時(shí)接枝可由單獨(dú)添加的成分如CMC或在所述纖化過(guò)程從纖維纖化或去除的成分制成。在分散過(guò)程中，纖化纖維的產(chǎn)生可導(dǎo)致組合物的溫度增加，這也可促進(jìn)接枝。通常該接枝在單獨(dú)的步驟中進(jìn)行，而這使得既能控制顆粒尺寸又能使接枝在一個(gè)加工步驟中進(jìn)行。本發(fā)明的另一巨大優(yōu)點(diǎn)為該方法不需要新的或另外的設(shè)備。分散優(yōu)選在已用于制備包含顏料的組合物的常規(guī)分散或混合設(shè)備中進(jìn)行。因此無(wú)需對(duì)額外設(shè)備的投資。因此，可在工廠中已有的設(shè)備中制備包含纖維化纖維素和顏料的組合物。形成的纖維化纖維素優(yōu)選為微纖維化纖維素。當(dāng)預(yù)處理的纖維素纖維與顏料一起分散時(shí)，該纖維將進(jìn)一步纖化以形成更細(xì)的材料。這是由于在分散或混合過(guò)程中發(fā)生的纖維和顏料之間的摩擦。因此可制備包含微纖維化纖維素的組合物。通過(guò)改變預(yù)處理和分散條件，例如時(shí)間、溫度或pH，可控制纖維的長(zhǎng)度和纖維纖化的程度。以這種方式可改變方法，由此形成微纖維化纖維素。還可通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制備非常細(xì)的微纖維化纖維素或納米纖維素。該預(yù)處理的纖維還可為纖維素衍生物，如羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)，或纖維素衍生物的中間產(chǎn)物或不合格產(chǎn)品(rejects ofcellulose derivates)。該纖維素衍生物優(yōu)選具有低的取代度(DS)值。如果使用CMC，該DS值優(yōu)選低于O. 4。當(dāng)其與水或其它液體混合時(shí)更高的DS值將溶解纖維素衍生物，因此不會(huì)發(fā)生纖化。而目前通常情況下并不使用具有低DS值的纖維素衍生物。因此，本發(fā)明可提供具有低DS值的纖維素衍生物的用途并使用這些衍生物作為例如強(qiáng)度增強(qiáng)劑。根據(jù)本發(fā)明制備的組合物將具有改善的流變學(xué)性質(zhì)，即使?jié)舛群芨?。通常，包含纖維化纖維素和顏料的組合物的粘度將增加。這是由于纖維化纖維素的存在，如上所述，容易形成凝膠且具有非常的剪切稀化性質(zhì)。該組合物可包含基于顏料的量O. 1-95%重量的纖維化纖維素。組合物的纖維化纖維素的量取決于組合物的最終用途，且可在一些特定應(yīng)用中非常高，如屏障膜或涂料(paint) ο該組合物可包含單糖、二糖或寡糖。已表明短糖作為分散劑存在可進(jìn)一步增加該組合物的濃度而不引起流變學(xué)問(wèn)題。該短糖可為糖，優(yōu)選葡萄糖、木聚糖、甘露糖、甘露聚糖和/或纖維糊精如纖維二糖、纖維三糖、纖維四糖、纖維五糖、纖維六糖和/或纖維-寡糖。顏料的量決于組合物的最終用途。然而，太低的量將不會(huì)使纖維充分纖化。該顏料可賦予基于纖維的基底良好的印刷性質(zhì)、良好的視覺(jué)外觀和/或其它功能如光學(xué)或感官性質(zhì)。組合物的顏料優(yōu)選為研磨的或沉淀的碳酸鈣、鍛燒粘土、滑石、高嶺土、膨潤(rùn)土或其它溶脹性粘土、氧化鋁(Al2O3)、氫氧化鋁(ATH)、塑料顏料、二氧化硅、石膏、二氧化鈦，有機(jī)顏料，如淀粉顏料或硬脂酸鈣分散體和/或任意這些顏料的混合物。該組合物可包含分散劑或潤(rùn)滑劑。優(yōu)選添加聚丙烯酸、丙烯酸酯共聚物、丙烯酸的鈉鹽、聚丙烯酸、馬來(lái)酸、聚馬來(lái)酸、檸檬酸鈉、丙二酸鈉、琥珀酸鈉、蘋果酸鈉、谷氨酸鈉、多磷酸鹽、硬脂酸鈣、PEG和/或甘油三酯、六偏磷酸鈉(SHMP)、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、部分水解的醋酸乙烯酯(PV0H/Ac)、正硅酸鈉、聚鋁酸鈉、四硼酸鈉，雙極有機(jī)分散劑如乙二醇、甲醇、甲基胺、丙基胺、苯胺，或多極分散劑如聚氧化乙烯和聚乙烯衍生物。該組合物可用作表面施膠配方(surface size recipe)或涂覆顏料,其添加至基于纖維的基底的表面。該組合物包含纖維化纖維素(其增加涂層的強(qiáng)度)和顏料(其改善基底的表面性質(zhì))。該組合物也可用于分散體屏障涂層。還可將組合物添加至基于纖維的配料(furnish)，例如在造紙機(jī)或紙板機(jī)的濕部添加至配料。以這種方式該組合物將用作纖維且既增加纖維的基于纖維的產(chǎn)物的強(qiáng)度又改善基底的表面性質(zhì)。其它可能的最終用途可作為以下的成分涂料、水泥、陶瓷、食品、化妝品、復(fù)合物、藥物、浙青、橡膠或其它可能的最終用途(在該用途中可使用具有良好流變學(xué)性質(zhì)的干含量高的包含纖維化纖維素和顏料的組合物)。該組合物也可包含常規(guī)粘合劑如膠乳，或淀粉，以及其它涂覆顏料成分如光學(xué)增白劑、交聯(lián)劑、流變修飾劑、顏料增效劑(pigment extender)、潤(rùn)滑劑、分散劑、消泡劑等。已纖化且在表面具有微纖維的纖維和被分離且位于分散體或組合物的水相中的微纖維也包括在微纖維化纖維素的定義中。術(shù)語(yǔ)微纖維化纖維素(MFC)如上所述也包括納米纖維素，以及纖維素納米微晶體、纖維素晶須、纖維細(xì)料和/或其混合物。該纖維化纖維素纖維可由任何類型的纖維素纖維制備，優(yōu)選木纖維，如軟木或硬木纖維。然而，也可使用其它原料，如竹子、農(nóng)產(chǎn)品、象草和其它包含纖維素纖維的材料。
權(quán)利要求
1.制備組合物的方法，其中該方法包括以下步驟 -通過(guò)機(jī)械、化學(xué)和/或酶處理而預(yù)處理纖維素纖維， -將預(yù)處理的纖維素纖維與顏料混合以形成分散體， -分散該預(yù)處理的纖維素纖維和顏料的分散體，從而形成包含微纖維化纖維素的組合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該預(yù)處理的纖維的濃度為1-50%重量。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中該組合物的濃度為10-70%重量。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中分散過(guò)程中的溫度增加至高于70°C。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其中所述分散在常規(guī)分散或混合設(shè)備中進(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法，其中該預(yù)處理的纖維為纖維素衍生物，如羥丙基纖維素(HPC)、羥乙基纖維素(HEC)或乙基羥乙基纖維素(EHEC)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述纖維素衍生物為CMC且具有低的取代度，優(yōu)選取代度低于O. 4。
8.組合物，其包含根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法制備的纖維化纖維素，其中該組合物還包含顏料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組合物，其中所形成的微纖維化纖維素是接枝的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8-9任一項(xiàng)所述的組合物，其中該組合物基于顏料的量包含O.1-95%重量的微纖維化纖維素。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10任一項(xiàng)所述的組合物，其中該組合物包含單糖、二糖或寡糖。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11任一項(xiàng)所述的組合物，其中該組合物的干含量為10-70%重量。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述纖維化纖維素為纖維素衍生物，如羥丙基纖維素(HPC)，羥乙基纖維素(HEC)或乙基羥乙基纖維素(EHEC)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的組合物，其中該纖維素衍生物為CMC且具有低的取代度，優(yōu)選取代度低于O. 4。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備組合物的方法，其中該方法包括通過(guò)機(jī)械、化學(xué)和/或酶處理而預(yù)處理纖維素纖維，將預(yù)處理的纖維素纖維和顏料混合形成分散體，并將該預(yù)處理的纖維素纖維和顏料的分散體分散，從而形成包含微纖維化纖維素的組合物。本發(fā)明進(jìn)一步涉及根據(jù)該方法制備的組合物。
文檔編號(hào)D21C9/00GK103003493SQ201180034725
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者I.海斯卡南, K.貝克?？?申請(qǐng)人:斯托拉恩索公司