微晶纖維素的制造制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及生產(chǎn)微晶纖維素的方法，該方法包括：a)將纖維狀纖維素材料酸化，b)洗滌該酸化的纖維素材料，c)任選地將該洗滌的纖維素材料脫水，以及d)以至少120℃的溫度和以至少8%按纖維素干重計的濃度，在酸性條件下使該洗滌或者洗滌且脫水的纖維素材料水解。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及由纖維狀纖維素材料制備微晶纖維素的方法，該方法包括酸化步驟和水解步驟。
技術(shù)介紹
微晶纖維素(也稱作例如達(dá)到平衡聚合度(Level-off DP)的纖維素和微結(jié)晶纖維素)在許多工業(yè)應(yīng)用中，例如在食品、藥物、化妝品、紙和紙板以及許多其它應(yīng)用中是通用產(chǎn)品。微晶纖維素也可用于生產(chǎn)微晶纖維素的衍生物，例如粘膠纖維素、CMC、納米纖維素和各種復(fù)合產(chǎn)品。在專利文獻(xiàn)中已提出了用于生產(chǎn)微晶纖維素的若干方法。US 2978446描述了通過酸水解和機(jī)械處理生產(chǎn)達(dá)到平衡聚合度(DP，degree ofpolymerization)的纖維素。利用在2. 5標(biāo)稱鹽酸(HCl)中煮沸使纖維素水解。因此酸濃度為9%，溫度為約105°C。沒有規(guī)定紙漿的濃度和所加入酸的量。水解的纖維素需要在水性介質(zhì)中機(jī)械解聚。US 3278519描述了通過在105°C下用2. 5標(biāo)稱HCl或在250° F(121°C)下用O. 5%HC1使纖維素水解生產(chǎn)達(dá)到平衡聚合度的纖維素的類似方法。沒有規(guī)定紙漿的濃度和所加入酸的量。US 3954727公開了通過在120_160°C的溫度下用稀硫酸使纖維素水解生產(chǎn)微結(jié)晶纖維素的方法。將纖維素加入到其中的稀硫酸具有1%的濃度并且纖維素-酸物質(zhì)具有5%的濃度。因此，紙漿的濃度低而基于纖維素干重計的酸的量高?！S 7037405描述了一種方法，在該方法中使原紙漿材料與酸接觸并在提高的溫度下加熱然后進(jìn)行機(jī)械處理。提及的合適的酸濃度為混合物的1_5%，合適的紙漿濃度為3-50%，合適的溫度范圍為80-120°C，合適的反應(yīng)時間為30分鐘-4小時。在酸水解后對紙漿混合物進(jìn)行機(jī)械處理以使纖維解聚。優(yōu)選地，機(jī)械解聚處理步驟將結(jié)晶纖維素顆粒剪切成約1-10微米尺寸的微米大小。US 7037405的方法遭受到復(fù)雜的生產(chǎn)工藝。在酸水解后需要機(jī)械解聚步驟。在生產(chǎn)中該階段需要高花費的精磨單元和5-100kWh/噸的精磨能量。US 6228213公開了通過將酸溶液加入到纖維素中并將纖維素和酸溶液給進(jìn)通過擠出機(jī)來生產(chǎn)微結(jié)晶纖維素的方法，其中使所述纖維素經(jīng)受酸水解并形成微結(jié)晶纖維素。在水解期間擠出機(jī)機(jī)筒的溫度為80-200°C。由于擠出機(jī)的溫度和擠出機(jī)的模頭或螺桿產(chǎn)生的壓力，纖維素在擠出機(jī)中熔融，這允許纖維素和酸之間進(jìn)行更密切的接觸。擠出機(jī)螺桿的壓縮比為1.5:1和3:1，優(yōu)選約3:1。擠出機(jī)的缺點是它們昂貴，維護(hù)成本相當(dāng)高，并且它們需要高的機(jī)械能量輸入，通過估算為每噸干燥纖維素至少IOOkWh,典型地至少150kWh (力口熱能量輸入除外)。US 5543511描述了在100-200°c下用氧氣和/或二氧化碳使用部分水解生產(chǎn)達(dá)到平衡聚合度的纖維素。US 4427778描述了通過酶水解生產(chǎn)達(dá)到平衡聚合度的纖維素。鑒于上述用于生產(chǎn)微晶纖維素的方法，存在對生產(chǎn)微晶纖維素的甚至更有效且經(jīng)濟(jì)的方法的需要。專利技術(shù)概述根據(jù)本專利技術(shù)，出人意料地發(fā)現(xiàn)具有窄粒徑分布的高品質(zhì)微晶纖維素可由纖維狀纖維素材料通過以下方法進(jìn)行生產(chǎn)首先將纖維狀纖維素材料酸化，然后洗滌該酸化的纖維素材料，最后使該洗滌的纖維素材料水解。粒徑分布可容易地通過改變酸化步驟和水解步驟的條件加以控制。 附圖簡要描述圖I顯示了在165°C的水解溫度和180分鐘的水解時間下根據(jù)本專利技術(shù)生產(chǎn)的微晶纖維素的粒徑分布曲線，以及圖2顯示了在150°C的水解溫度和120分鐘的水解時間下根據(jù)本專利技術(shù)生產(chǎn)的微晶纖維素的粒徑分布曲線專利技術(shù)詳述根據(jù)本專利技術(shù)提供了生產(chǎn)微晶纖維素的方法，該方法包括a)將纖維狀纖維素材料酸化，b)洗滌該酸化的纖維素材料，c)任選地將該洗滌的纖維素材料脫水，和d)以至少120°C的溫度和以至少8%按纖維素干重計的濃度，在酸性條件下使該洗滌或者洗滌且脫水的纖維素材料水解。本說明書中使用的術(shù)語“微晶纖維素”包括微結(jié)晶纖維素MCC，但是還指不完全結(jié)晶但可以含有一些無定形域的類似產(chǎn)物。本專利技術(shù)的微晶纖維素典型地具有約0-15重量％，優(yōu)選0-10重量％，更優(yōu)選O. 5-7重量％，最優(yōu)選1-5%重量的半纖維素含量，所述含量通過典型的碳水化合物分析方法(Determination of hemicelluloses and pectins in wood andpulp fibres by acid methanolysis and gas chromatography. 1996. Nordic pulp andpaper research journal nro 4，1996. 216-219 頁)測得。本專利技術(shù)是基于這樣的發(fā)現(xiàn)清除了金屬的纖維素纖維變成酸性，該酸性足以維持(sustain)自動水解，其中利用纖維素纖維的自有酸性。纖維素纖維含有結(jié)合到纖維壁的酸性基團(tuán)，例如糖醛酸和木質(zhì)素所結(jié)合的可離子化基團(tuán)。纖維通常含有中和纖維酸性的金屬離子，例如Na+、Ca2+、Mg2+和Mn2+。根據(jù)本專利技術(shù)，通過酸化和洗滌從纖維除去金屬。作為這種離子交換處理的結(jié)果，金屬被從纖維除去并且纖維壁中的離子化基團(tuán)被質(zhì)子化。對于一價離子，離子交換可通常描述為如下纖維-酸(-)Me+ —纖維-酸⑶對于二價金屬離子，離子交換可通常描述為2 [纖維-酸(_) ] Me2+ — 2 [纖維-酸(H)]作為這種離子交換的結(jié)果，纖維(即纖維的細(xì)胞壁)變成酸性，該酸性足以維持自動水解。所得水解混合物含有微晶纖維素和源于纖維的反應(yīng)產(chǎn)物，而無金屬離子和鹽，這使得微晶纖維素的進(jìn)一步處理較為容易。在酸化步驟a)中，優(yōu)選將纖維素材料酸化到4或低于4、更優(yōu)選3或低于3的pH值。該pH優(yōu)選為O或超過O、更優(yōu)選0. 5或超過0. 5、還更優(yōu)選I或超過I。該pH優(yōu)選為0.5-4，更優(yōu)選1-3，最優(yōu)選I. 5-2. 5。在酸化步驟a)中，pKa值優(yōu)選比纖維素纖維的酸性基團(tuán)例如糖醛酸和鍵合到木質(zhì)素的可離子化基團(tuán)的PKa值低至少1，優(yōu)選至少I. 5，更優(yōu)選至少2單位。用于酸化步驟的合適的酸是無機(jī)酸，例如硫酸、鹽酸、硝酸、硫酸氫鈉或亞硫酸氫鈉。還可以使用這些酸中的兩種或更多種的混合物。優(yōu)選的無機(jī)酸是硫酸。還可以使用有機(jī)酸，例如甲酸。酸化步驟中纖維素材料的濃度以纖維素材料干重計優(yōu)選為5_40%，更優(yōu)選I0-30%ο酸化步驟中的溫度優(yōu)選小于120°C，更優(yōu)選10_90°C，最優(yōu)選20_70°C。酸化步驟中的停留時間優(yōu)選為10-90分鐘，更優(yōu)選15-60分鐘。在酸化后，將酸化的纖維素材料進(jìn)行洗滌和任選脫水。洗滌優(yōu)選通過以下進(jìn)行使·酸化的纖維素材料脫水以除去過量的酸，接著稀釋該脫水的纖維素材料并然后再次使該材料脫水。所述洗滌工序可重復(fù)一次或兩次。最后將洗滌的纖維素材料稀釋到目標(biāo)濃度。洗滌可通過利用通常用于紙漿研磨機(jī)的工業(yè)紙漿洗滌器進(jìn)行。優(yōu)選的實施方案包括在容器中進(jìn)行酸化，接著通過螺桿擠壓除去酸，接著用水稀釋，以及進(jìn)行再次脫水。如上文給出的，在水解中利用纖維素材料的自有酸性。因此，并非必須將酸加入到水解步驟中。然而，可將基于纖維素干重計少量的，優(yōu)選最多O. 5%,更優(yōu)選最多O. 2%,最優(yōu)選最多O. 18%的酸加入到水解中。水解溫度優(yōu)選為120_185°C，更優(yōu)選150_180°C，最優(yōu)選155_175°C。在水解期間纖維素材料的濃度以纖維素干重計優(yōu)選為8-60本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.06.07 FI 201056391.一種生產(chǎn)微晶纖維素的方法，該方法包括 a)將纖維狀纖維素材料酸化， b)洗滌該酸化的纖維素材料， c)任選地將該洗滌的纖維素材料脫水，以及 d)以至少120°C的溫度和以至少8%按纖維素干重計的濃度，在酸性條件下使該洗滌或者洗滌且脫水的纖維素材料水解。2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中將所述纖維素材料酸化到4或低于4、優(yōu)選3或低于3、更優(yōu)選I. 5-2. 5的pH值。3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中用無機(jī)酸，優(yōu)選硫酸、鹽酸、硝酸、硫酸氫鈉或硫酸氫鈉將所述纖維狀纖維素材料酸化。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的方法，其中酸化步驟中的溫度小于120°C，優(yōu)選為10-900C，更優(yōu)選為 20-70°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的方法，其中酸化時間為10-90分鐘，優(yōu)選15-60分鐘。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的方法，其中在水解中利用所述纖維素材料的自有酸性。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的方法，其中步驟d中的溫度為120-185°C，優(yōu)選150-180°C，更優(yōu)選 155-175°C。8.根據(jù)權(quán)利要求1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：E·I·S·拉薩寧，L·羅伯特松，VM·沃倫帕洛，A·卡比，K·帕維艾寧，O·達(dá)爾，K·萬哈塔洛，
申請(專利權(quán))人：凱米羅總公司，
類型：
國別省市：