制備用于酯化的多糖片材的方法

制備用于酯化的多糖片材的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了纖維素的加工，更特別地提供了纖維打開和下游加工和化學(xué)。一種方法包括將纖維素片材原料潤濕至約20％至約50％范圍內(nèi)的水含量、將經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤紙漿、將所述濕潤紙漿急驟干燥成含濕量為約4％至約8％的纖維素絮狀物，以及酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品。
【專利說明】制備用于酯化的多糖片材的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維素的加工，更特別地涉及纖維打開(open)和下游加工和化學(xué)。

【背景技術(shù)】
[0002]來自片材和卷材形式的纖維素的官能化通常起始于打開步驟，以制備用于下游加工和化學(xué)的纖維。特別地，就用以制備各種乙酸纖維素產(chǎn)品的下游乙?；?，纖維素通常源自闊葉木漿和針葉木漿和棉短絨。
[0003]數(shù)種因素在纖維素加工中的多個階段引入局限性。片材硬度為可影響纖維打開的一個這種因素。例如，在使用本領(lǐng)域所用的標(biāo)準(zhǔn)研磨設(shè)備的情況下，漿料進料的硬度指數(shù)應(yīng)小于約3psi/mil。Mullen耐破度測試(其測量隨著纖維素片材或紙板在具體條件下的承載能力而變化的刺穿纖維素片材或紙板所需的壓力)也提供了纖維素進料是否在設(shè)備中表現(xiàn)良好的指示。
[0004]已指出，可使用極性液體，特別是水來改進纖維打開步驟。盡管水良好適用于纖維打開步驟，尤其是就提供綠色化學(xué)過程的考慮而言，但其在碾磨漿料產(chǎn)品中的存在可妨礙下游化學(xué)。例如，在乙?；^程中，水可消耗乙?；噭┮宜狒瑥亩鴮?dǎo)致該試劑的無效消耗。改進用于下游化學(xué)的加工的嘗試已導(dǎo)致缺乏一致可靠的含濕量的碾磨產(chǎn)品。干燥的嘗試常常導(dǎo)致干燥不足、干燥過度或不均勻干燥的產(chǎn)品，這影響官能化階段的產(chǎn)品的品質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及纖維素的加工，更特別地涉及纖維打開和下游加工和化學(xué)。
[0006]在一些方面,本文公開的實施方案涉及一種方法,所述方法包括將纖維素片材原料潤濕至約20%至約50%范圍內(nèi)的水含量、將經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤漿料、將所述濕潤漿料急驟干燥成含濕量為約4%至約8%的纖維素的絮狀物，以及酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品。
[0007]在其他方面，本文公開的實施方案涉及一種方法，所述方法包括:(a)將纖維素片材原料潤濕至約20%至約50%范圍內(nèi)的水含量；然后(b)將經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤漿料；然后(c)將所述濕潤漿料急驟干燥成含濕量為約5%至約8%的纖維素的絮狀物；然后(d)酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品；然后(e)由所述纖維素酯產(chǎn)品形成纖維絲束。
[0008]當(dāng)閱讀如下優(yōu)選實施方案的描述時，本發(fā)明的特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將容易顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]包括如下附圖以說明本發(fā)明的某些方面，且如下附圖不應(yīng)被看作排他的實施方案。如受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到，所公開的主題能夠進行形式和功能的顯著修改、改變和替代。
[0010]圖1顯示了本發(fā)明的方法中所用的急驟干燥器的一個實施方案。
[0011]圖2顯示了對于所有收集的樣品，達峰時間相對于急驟干燥器入口水分的圖。
[0012]圖3顯示了僅對于來自集塵器的樣品，達峰時間相對于急驟干燥器入口水分的圖。

【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明涉及纖維素的加工，更特別地涉及纖維打開和下游加工和化學(xué)。
[0014]在許多優(yōu)點中，本發(fā)明提供了如下方法:所述方法在水的協(xié)助下使原料纖維素經(jīng)受纖維打開/研磨，之后干燥以獲得更均勻的含濕量，并同時避免研磨纖維素產(chǎn)品的過度干燥或干燥不足。所得纖維素絮狀物的含濕量在與下游過程化學(xué)(包括例如酯化)可相容的范圍內(nèi)。
[0015]不同于使用纖維打開、研磨機等的許多纖維素處理方法，本發(fā)明的方法可在單獨的水的存在下實現(xiàn)這種纖維操作，而無需本領(lǐng)域常用的各種添加劑(如表面活性劑)。因此，本發(fā)明的方法以環(huán)境友好的方式實現(xiàn)纖維操作。盡管這種處理方法避免了添加劑的需要，但本發(fā)明的方法可由使用者自行決定而使用本領(lǐng)域已知的任何添加劑，包括例如表面活性劑、交聯(lián)劑、疏水性材料、礦物顆粒、增塑劑、泡沫等。這種添加劑可基于纖維素產(chǎn)品的目標(biāo)最終用途而進行選擇，但不必實現(xiàn)前述纖維打開/研磨。
[0016]本發(fā)明的方法中的各個步驟易于整合成用于制備官能化纖維素最終產(chǎn)品(如纖維素酯，例如乙酸纖維素)的單個系統(tǒng)。例如，可將在本發(fā)明的急驟干燥過程中產(chǎn)生的纖維素絮狀物進料至旋風(fēng)分離器，將所得的經(jīng)分離的纖維素絮狀物產(chǎn)品直接裝入用于化學(xué)官能化的反應(yīng)物容器中，從而減少材料的處理量以及減少大氣暴露。
[0017]本發(fā)明的方法與比本領(lǐng)域通常使用的成本更低的硬纖維素片材的使用可相容，并同時提供適用于進一步的化學(xué)官能化的低密度的中間良好研磨的纖維素絮狀物。用于研磨和干燥纖維素的條件足夠輕柔，從而使纖維破壞達到最小。考慮到本文提供的指導(dǎo)，其他優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。
[0018]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種方法，所述方法包括將纖維素片材原料潤濕至約20%至約50%范圍內(nèi)的水含量、將經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤漿料、將所述濕潤漿料急驟干燥成含濕量為約4%至約8%的纖維素的絮狀物，以及酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品。
[0019]如本文所用，術(shù)語“潤濕”指將水添加至纖維素原料直至以重量百分比計的目標(biāo)水含量的過程。潤濕可通過本領(lǐng)域常用的任何方式實現(xiàn)，例如，潤濕可通過浸潰或噴霧技術(shù)實現(xiàn)。當(dāng)使用噴霧技術(shù)潤濕纖維素原料時，噴霧可包括在片材的一側(cè)或兩側(cè)上噴霧。在一些實施方案中，潤濕也可在最初切割本體纖維素原料或降低本體纖維素原料的尺寸之后完成，包括潤濕窄條、小板或通過最初切割或撕裂片材而制得的其他更小的片段。
[0020]在一些實施方案中，進行纖維素原料的潤濕，以提供水含量在約20重量％至約50重量％范圍內(nèi)的經(jīng)潤濕的纖維素片材原料。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約30 %至約40 %范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約20%至約25%范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約25%至約30 %范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約30 %至約35 %范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約35%至約40%范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約40 %至約45 %范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有在約45%至約50%范圍內(nèi)的水含量。在一些實施方案中，經(jīng)潤濕的纖維素原料具有約20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%,28%,29%,30%,31 %,32%,33%,34%,35%,36%,37%,38%,39%,40%,4142%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%和50%的水含量，包括其任意分?jǐn)?shù)。
[0021]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，水分的重量百分比的精確選擇可取決于所選的纖維素片材源。作為一般指導(dǎo)，含濕量應(yīng)該足以影響纖維打開并促進下游研磨過程。在約15%含濕量以下，則許多纖維素片材原料源可能不顯示足夠的纖維打開。同樣地，超過約55%含濕量可導(dǎo)致下游急驟干燥過程的問題，包括例如過度干燥、干燥不足或不均勻干燥的產(chǎn)品。給定纖維素原料的適當(dāng)?shù)暮瑵窳康脑u估可通過許多方式評價，包括例如評價研磨的效力或確定下游化學(xué)的產(chǎn)率/效率(如酯化產(chǎn)率)。評價本發(fā)明的方法的效力的其他方式包括目測經(jīng)干燥的研磨漿料和/或通過合適的分析測試而定量確定含濕量，如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知。
[0022]如本文所用，術(shù)語“纖維素原料”或“漿料”指任意數(shù)量的片材、包或其他形式和組合的形式的市售或易于制得的纖維素。纖維素通常源自特征在于闊葉、針葉或棉的植物物種。這種漿料包括但不限于馬尼拉麻漿、乙酸酯漿、由農(nóng)業(yè)殘余物(如稻草、蔗渣等)制得的農(nóng)業(yè)殘余物漿、α漿、白楊闊葉樹牛皮紙漿、竹漿、樺木闊葉樹牛皮紙漿、酸式亞硫酸鹽化學(xué)機械漿(BCMP)、漂白的化學(xué)熱機械漿(BCTMP)、漂白的桉木牛皮紙漿(BEKP)、漂白的牛皮紙漿(BKP)、褐色漿、化學(xué)漿、化學(xué)磨木漿(CGP)、化學(xué)機械漿(CMP)、化學(xué)精磨機械漿(CRMP)、化學(xué)熱機械漿(CTMP)、冷蘇打漿、棉短絨、棉漿、脫墨漿(DIP)、溶解漿、西班牙草漿、醚類漿、桉木漿、亞麻漿、完全漂白漿、磨木漿(GWP)或磨石磨木漿(SGWP)、全熟漿、闊葉樹(山毛櫸)亞硫酸鹽衆(zhòng)、麻衆(zhòng)、熱磨木衆(zhòng)或熱磨木黃麻衆(zhòng)、洋麻衆(zhòng)、木節(jié)衆(zhòng)、牛皮紙衆(zhòng)、商品衆(zhòng)、機械漿、微晶纖維素漿、 中性亞硫酸鹽或單亞硫酸鹽漿、中性亞硫酸鹽半化學(xué)(NSSC)硝化漿、北方漂白闊葉樹牛皮紙漿(NBHKP)、北方漂白針葉樹牛皮紙漿(NBSKP)、北方混合闊葉樹牛皮紙漿、由非木材植物材料(如稻草、禾草、破布等)制得的非木材漿、紙張級漿、加壓磨木漿(PGW)、加壓精磨機械漿(PRMP)、輻射松針葉樹牛皮紙漿、破布漿、回收纖維漿、精磨機械漿(RMP)、精磨鋸屑漿、強化漿、鋸屑漿、斯堪的納維亞針葉樹牛皮紙漿、半堿性漿、半漂白漿(SBP)、半化學(xué)漿、半化學(xué)機械漿(SCMP)、西沙爾麻漿、半熟漿、針葉樹漿、針葉樹亞硫酸鹽漿、南方漂白闊葉樹牛皮紙漿(SBHKP)、南方漂白針葉樹牛皮紙漿(SBSKP)、南方混合闊葉樹牛皮紙漿、南方松木針葉樹牛皮紙漿、特種漿、草漿、串聯(lián)熱機械漿(串聯(lián)TMP)、熱化學(xué)機械漿(TCMP)、熱機械漿(TMP)、全無氯(TCF)未漂白針葉樹漿(UBSK)、未洗漿、纖維膠漿或人造絲級漿、洗滌漿、無木材漿和木漿。也可使用纖維素的任意生物源。
[0023]在一些實施方案中，本發(fā)明的方法使用纖維素的潤濕，其包括用去礦化水處理。如上所述，本發(fā)明的方法有利地使用單獨的水來實現(xiàn)纖維的纖維打開/機械操作，而無需另外的添加劑，這種方法隨著使用適當(dāng)量的水以產(chǎn)生經(jīng)潤濕的纖維素原料而變化，并避免了對表面活性劑或常用于化學(xué)或機械操作纖維素纖維的其他添加劑的需要。盡管如此，在一些實施方案中，可在潤濕過程中使用添加劑以用于纖維的某些目標(biāo)下游應(yīng)用，包括表面活性劑、交聯(lián)劑、疏水性材料、礦物顆粒、增塑劑、泡沫、油墨、調(diào)味劑和抗菌劑。在一些這種實施方案中，當(dāng)待實現(xiàn)下游酯化時，添加劑的選擇被選擇為與酯化條件可相容。
[0024]在一些實施方案中，本發(fā)明的方法包括研磨步驟。如本文所用，“研磨”指將纖維素原料的尺寸降低至大量漿料的過程。在一些這種實施方案中，大量漿料為濕潤漿料。在一些實施方案中，研磨過程也可將單獨的纖維素纖維破碎成更小的尺寸。在一些實施方案中，本發(fā)明的方法包括研磨步驟，所述研磨步驟包括將纖維素原料破碎成小片段，并進一步將小片段研磨成濕潤漿料。在一些實施方案中，在潤濕纖維素片材原料之后進行研磨。在一些實施方案中，研磨過程的一部分在潤濕纖維素原料之前進行。在一些實施方案中，研磨過程提供可遞送至急驟干燥臺(stat1n)以用于進一步加工的潤濕漿料。在一些實施方案中，研磨過程提供可遞送至急驟干燥之前的預(yù)處理臺的潤濕漿料。在這種預(yù)處理臺中，可將前述添加劑中的任意者混合至濕潤漿料中。
[0025]在一些實施方案中，在經(jīng)潤濕的纖維素的研磨之后，使所得濕潤漿料經(jīng)受急驟干燥。在一些實施方案中，急驟干燥器基于環(huán)形噴射研磨技術(shù)，例如，使用低壓熱氣干燥并解附聚濕潤衆(zhòng)料的ThermaJet急驟干燥器(Fluid Energy, Telford PA)。參見，例如，圖1。將熱氣通過噴嘴引入急驟干燥器中，以產(chǎn)生高速度旋轉(zhuǎn)氣體/產(chǎn)品流。氣體流快速吹掃進入干燥室的濕潤漿料材料，在干燥室中，湍流熱空氣通過產(chǎn)生粒子與粒子的碰撞而將濕潤漿料快速解附聚。這些碰撞增加了暴露于干燥介質(zhì)的表面積，從而促進有效急驟干燥的快速熱交換。氣體/產(chǎn)品流從干燥區(qū)進入靜態(tài)分類區(qū)中。由于離心力，更大更濕潤的粒子保持于干燥器環(huán)的外部，在此處它們將再循環(huán)至干燥室中。更輕更干燥的粒子用廢氣流去除。
[0026]在一些實施方案中，急驟干燥可在急驟干燥器的進料入口處的約105°C至約200°C范圍內(nèi)的溫度和急驟干燥器的出口處的約60°C至約130°C范圍內(nèi)的溫度下進行。在一些實施方案中，急驟干燥器的進料入口溫度在約100°C至約120°C的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，急驟干燥器的進料入口溫度在約120°C至約140°C，約140°C至約160°C，約160°C至約180°C，或約180°C至約200°C的范圍內(nèi)，包括其間的任何內(nèi)嵌范圍及其分?jǐn)?shù)。同樣地，在一些實施方案中，急驟干燥器的進料出口溫度在約60°C至約80°C的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，急驟干燥器的進料出口溫度在約80°C至約100°C，約100°C至約120°C，約120°C至約140°C，或約140°C至約160°C的范圍內(nèi)，包括其間的任何內(nèi)嵌范圍及其分?jǐn)?shù)。操作溫度參數(shù)可影響得自急驟干燥過程的經(jīng)干燥的纖維素絮狀物的最終含濕量和密度。
[0027]在一些實施方案中，急驟干燥使用低壓熱氣進行。例如，在一些實施方案中，測量為噴嘴供應(yīng)壓力的低壓在約2至約4psig之間的范圍內(nèi)，包括1、2、3和4psig及其分?jǐn)?shù)。在一些實施方案中，急驟干燥使用熱空氣進行。在一些實施方案中，急驟干燥步驟使用被直接或間接加熱的空氣進行。已指出，以直接模式加熱可導(dǎo)致所得纖維素絮狀物的一定程度的著色。當(dāng)產(chǎn)品的顏色重要時，熱量可間接供應(yīng)至遞送至急驟干燥器的空氣，以減少這種著色。
[0028]在一些實施方案中，本發(fā)明的方法使用分離步驟，所述分離步驟可選擇性地去除具有特定密度的產(chǎn)品纖維素絮狀物，并同時去除細料和其他不希望的顆粒物質(zhì)。在一些實施方案中，纖維素的絮狀物的這種分離可通過旋風(fēng)分離器完成。旋風(fēng)分離器可易于與上游的急驟干燥器連接，并提供將分離的纖維素絮狀物向用于隨后官能化化學(xué)的反應(yīng)容器的任選的直接遞送。
[0029]在一些實施方案中，本發(fā)明的方法還包括酯化步驟，所述酯化步驟包括使用乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、混合酸酐和它們的組合處理。纖維素的酯化可使用本領(lǐng)域已知的方法實現(xiàn)。例如，乙?；赏ㄟ^在乙酸和硫酸的混合物的存在下使纖維素絮狀物與乙酸酐反應(yīng)而實現(xiàn)。在一些實施方案中，酯化步驟包括使用任何酸酐處理，以提供經(jīng)酯化的纖維素絮狀物。在一些實施方案中，酯化步驟包括使用乙酸酐處理，以提供乙酸纖維素產(chǎn)品。
[0030]纖維素的部分酯化是本領(lǐng)域已知的。這提供了通過與多個酯化試劑反應(yīng)而獲得混合的酯化產(chǎn)品的途徑。因此，在一些實施方案中，本發(fā)明的方法包括使用第一酯化試劑以產(chǎn)生第一酯化產(chǎn)品，其中并非所有可得的羥基與第一酯化試劑反應(yīng)。第一酯化產(chǎn)品可隨后經(jīng)受第二酯化，以提供混合的經(jīng)酯化的纖維素絮狀物。在一些實施方案中，第一酯化試劑為乙酸酐，第二酯化試劑為長鏈脂肪酸酐，所述長鏈脂肪酸酐為包含約7至約30個碳原子之間的支鏈或非支鏈的飽和或不飽和的脂肪酸。在一些實施方案中，第一酯化試劑為長鏈脂肪酸酐，第二酯化試劑為乙酸酐，所述長鏈脂肪酸酐為包含約7至約30個碳原子之間的支鏈或非支鏈的飽和或不飽和的脂肪酸。
[0031 ] 在一些實施方案中，使用與乙酸酐酯化的本發(fā)明的方法可用于產(chǎn)生本領(lǐng)域已知的乙酸纖維素產(chǎn)品，例如二乙酸纖維素或三乙酸纖維素。在一些實施方案中，本發(fā)明的方法可用于制備具有每單體單元約0.1至約3個乙酸酯基團的任意取代度的乙酸纖維素。即，少于I個直至組成纖維素聚合物的單體單元葡萄糖上的所有可得的羥基的平均值。在一些這種實施方案中，使用所述方法制備二乙酸纖維素。在一些這種實施方案中，使用所述方法制備三乙酸纖維素。
[0032]可通過本發(fā)明的方法獲得的乙酸纖維素可包括乙酸酯薄片、乙酸酯絲束和乙酸酯膜。乙酸纖維素薄片可轉(zhuǎn)化為廣泛范圍的產(chǎn)品，由牢固透明的耐沖擊的塑料至柔軟可垂的吸收性織物。乙酸纖維素纖維絲束可由乙酸酯薄片制得。在一些實施方案中，本發(fā)明的方法還包括由纖維素酯產(chǎn)品形成纖維絲束。在一些這種實施方案中，纖維絲束包含乙酸纖維素。所產(chǎn)生的絲束可選擇為單絲旦數(shù)(dpf)、總旦數(shù)和取決于絲束材料的最終用途的其他物理性質(zhì)的精確組合。
[0033]在一些實施方案中，乙酸纖維素膜可由本發(fā)明的乙酸纖維素產(chǎn)品形成。這種膜可用于印刷層合物、紙板箱窗、包裝包裹產(chǎn)品，和許多其它工業(yè)應(yīng)用(如使用高端食品、化妝品和藥品)。
[0034]在一些實施方案中，使用所述方法制備纖維級乙酸纖維素。纖維級乙酸纖維素包括乙酰值(AV)在約45至約58范圍內(nèi)的乙酸纖維素。在其他實施方案中，乙酰值可具有約54AV至約56AV的范圍。在一些實施方案中，乙酰值為約53，約54，約55，約56，或約57，包括其分?jǐn)?shù)。乙酰值為乙酸酯或三乙酸酯產(chǎn)品中的纖維素的酯化程度的量度，并表示乙酸的總重量的百分比。由乙酸纖維素制得的纖維由乙酸纖維素薄片制得，所述乙酸纖維素薄片被沉淀、提純、干燥，并溶解于諸如丙酮的溶劑中，以制備紡絲溶液。在過濾之后，將高度粘性的溶液擠出通過噴絲板進入暖空氣柱中，在所述暖空氣柱中溶劑蒸發(fā)，從而留下乙酸纖維素的固體連續(xù)長絲。使用溶劑回收系統(tǒng)回收蒸發(fā)的丙酮，以制備另外的紡絲溶液。乙酸纖維素纖維可混合并纏繞至線筒或可運輸干式紡絲機筒子紗(metier cheese package)以準(zhǔn)備使用而無進一步的化學(xué)加工。在短纖維的制造中，將來自許多噴絲板的長絲組合成絲束形式，卷曲，切割成所需長度，并包裝成包。
[0035]在一些實施方案中，使用所述方法制備水溶性乙酸纖維素。水溶性乙酸纖維素描述于例如U.S.3，482，Oll和U.S.4，983，730中，所述專利以全文引用方式并入本文。術(shù)語水溶性乙酸纖維素由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解為指相對快速地溶解于水中，且不留下顯著量的不可溶殘余物的乙酸纖維素。通常,水溶性乙酸纖維素具有每單體單元約0.5至約0.9，或約0.6至約0.8個乙酸基團的取代度。應(yīng)認(rèn)識到“取代度”僅為用于描述水溶性的乙酸纖維素的類型的數(shù)種常規(guī)方式之一。描述此類型的其他常見方式包括測量乙酰值或乙?；浚鲆阴Ｖ祷蛞阴；糠謩e測量為重量百分比乙酸或重量百分比乙酰基。另外，應(yīng)認(rèn)識到可溶于水中的乙酸纖維素組合物將可溶于其他有機溶劑中，如甲酰胺、N, N- 二甲基甲酰胺、二甲亞砜、吡啶和N-甲基-2-吡咯烷酮，它們的混合物和它們與水的混合物。
[0036]在一些實施方案中，本發(fā)明的方法還包括將纖維素酯產(chǎn)品或其絲束摻入復(fù)合材料基質(zhì)中，所述復(fù)合材料基質(zhì)包含選自熱塑性塑料和熱固性塑料的一者。摻入基質(zhì)材料中的纖維素酯產(chǎn)品或其絲束形成復(fù)合材料。示例性的基質(zhì)材料可包括但不限于環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、聚醚酰亞胺、聚醚酮酮、聚鄰苯二甲酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亞胺、苯酚-甲醛，和雙馬來酰亞胺?？捎糜诒景l(fā)明中的基質(zhì)材料可包括任意已知基質(zhì)材料(參見MelM.Schwartz,Composite Materials Handbook(第 2 版，1992))?；|(zhì)材料更通常地可包括熱固性和熱塑性的樹脂(聚合物)、金屬、陶瓷和水泥。
[0037]可用作基質(zhì)材料的熱固性樹脂包括鄰苯二甲酸/馬來酸類型的聚酯、乙烯基酯、環(huán)氧樹脂、酚類、氰酸酯、雙馬來酰亞胺和封端聚酰亞胺(例如PMR-15)。可使用任意熱固性基質(zhì)，包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)氧樹脂和聚酯族，以及酚類、有機硅、聚酰亞胺等。可使用聚酯樹脂例如用于產(chǎn)生塊狀模塑料(BMC)或片材模塑料(SMC)，所述塊狀模塑料或片材模塑料摻入與樹脂預(yù)混的砍碎或連續(xù)的經(jīng)官能化的纖維素纖維。熱塑性樹脂包括聚砜、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚硫化物、聚醚醚酮、聚醚砜、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、聚丙烯Ife酷和液晶聚酷。
[0038]在一些這種實施方案中，可通過用于復(fù)合材料制造的本領(lǐng)域已知的方法摻入絮狀物或絲束形式的經(jīng)酯化的纖維素纖維材料。在一些實施方案中，通過各種技術(shù)(包括但不限于碎纖維絞合、樹脂傳遞模塑和濕法纏繞、真空輔助的樹脂傳遞模塑(VARTM)和半固化片制造)將經(jīng)酯化的纖維素纖維材料摻入熱固性基質(zhì)中。用于摻入纖維素酯纖維以用作復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的任何目前的技術(shù)可用于摻入本發(fā)明的纖維絲束。通過各種技術(shù)(包括但不限于，通過熔體或溶劑浸潰而用完全聚合的熱塑性基質(zhì)浸潰，或通過粉末浸潰而緊密物理混合，或混合經(jīng)酯化的纖維素纖維材料與基質(zhì)纖維)將經(jīng)酯化的纖維素纖維材料摻入熱塑性基質(zhì)。用于復(fù)合材料中的經(jīng)酯化的纖維素纖維的任意技術(shù)為可行的選擇。這種方法可結(jié)合任意熱塑性基質(zhì)(包括例如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚砜、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮和聚苯硫醚)使用。
[0039]在一些實施方案中，本發(fā)明提供了一種用于制備纖維素酯纖維絲束(如乙酸纖維素)的完全整合的方法。這種方法包括(a)將纖維素片材原料潤濕至約20%至約50%范圍內(nèi)的水含量；(b)將經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤漿料，其中步驟(b)在步驟(a)之后依次進行；(C)將所述濕潤漿料急驟干燥成含濕量為約5%至約8%的纖維素的絮狀物；(d)酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品；和(e)由所述纖維素酯產(chǎn)品形成纖維絲束。步驟(a)至(e)中的每一個如上所述。
[0040]為了促進對本發(fā)明的更好理解，提供優(yōu)選實施方案的如下實施例。如下實施例不應(yīng)理解為限制或限定本發(fā)明的范圍。
[0041]實例
[0042]為了評價作為有效漿料打開步驟的急驟干燥，進行試驗以產(chǎn)生打開的木漿用于之后在實驗室規(guī)模的乙?；O(shè)備上的評價。為了模擬商業(yè)急驟干燥過程，將具有噴霧噴嘴的水添加系統(tǒng)安裝于中試規(guī)模的預(yù)粉碎機和Sprout Waldron研磨機之前，以處理木衆(zhòng)片材的3英寸寬的條。該配置允許木漿進料速率在約6.14至約27.96Kg/hr干燥漿料之間變化，且允許干燥器入口處的漿料水分在約17.6%至約52.5%水分之間變化。所述配置允許急驟干燥器的穩(wěn)定操作運行超過25分鐘。使用可變的起始參數(shù)進行試驗，初始品質(zhì)評價基于打開的木漿的視覺觀察。通量與預(yù)粉碎機的速度和供應(yīng)噴霧噴嘴的水泵的容量關(guān)聯(lián)。將所有的衆(zhòng)料進料至4英寸Fluid Energy急驟干燥器(型號4)。出口衆(zhòng)料水分為約5.5%至約8%,目標(biāo)為7%。
[0043]試驗最初計劃在兩個進料速度下:11.34和22.68Kg/Hr (25和50Lb/Hr)(濕基)，漿料水分為28.5%和45.4%。計算顯示，為了保持通過系統(tǒng)的木漿的合理線速度，應(yīng)該選擇3英寸的條寬度。為了產(chǎn)生所需的漿料量，制造一致的3英寸寬的一組輥，以由市售漿料輥制備3英寸的條。使用該配置來產(chǎn)生試驗量的三種類型的木漿:商業(yè)纖維膠(Viscose)級木漿(VG)、商業(yè)乙酸酯級木漿(AG)和第三市售漿料。在運行其他漿料之前使用第三漿料得到達到目標(biāo)的系統(tǒng)(潤濕、研磨和干燥)，以使所需的總量達到最小。
[0044]通過改變進入預(yù)粉碎機的進料輥速度而變化干燥漿料進料速率。這以兩種方式完成。進料輥具有機械可變的速度驅(qū)動，從而允許獨立于粉碎輥而調(diào)節(jié)進料輥速度。另外，在進料輥和預(yù)粉碎機輥馬達上安裝可變頻率驅(qū)動。改變進料輥速度僅改變由預(yù)粉碎機產(chǎn)生的粒子尺寸，且試驗表明在低進料輥速度和正常預(yù)粉碎機輥速度下產(chǎn)生乙酸酯薄片的可濾性的損失。驅(qū)動頻率控制為速度控制的主要方法，且使用機械進料輥速度調(diào)節(jié)來“微調(diào)”給定驅(qū)動頻率下的漿料進料速度。
[0045]通過就在預(yù)粉碎機進料輥之前將水噴霧至漿料條的兩側(cè)上，從而改變漿料入口水分。所用的噴霧噴嘴為具有流體帽#2850和空氣帽#73320的Spraying System Col/4J系列。通過調(diào)節(jié)供應(yīng)至噴嘴的水以及也供應(yīng)至噴嘴的空氣壓力，從而控制這些噴嘴的噴霧方式。通過FMI可變流量泵將脫礦化水供應(yīng)至噴嘴。對于試驗裝置，相比于全尺寸應(yīng)用，使用高得多的百分比的過噴。為了確保條的邊緣完全潤濕，將噴霧方式設(shè)定為延伸超過條的邊緣約I英寸。用于3英寸木漿條的約5英寸噴霧方式防止使用水流速率作為最終經(jīng)潤濕的漿料水分的估計。
[0046]為了使到達干燥器的進料速率的變化達到最小，堆疊潤濕系統(tǒng)、預(yù)粉碎機和研磨機，以允許它們彼此重力進料且重力進料至干燥器。該配置也使?jié){料水分達到平衡可得的時間量達到最小。在商業(yè)系統(tǒng)中，將另外的水分添加至木漿與進入急驟干燥器之間的時間可受限于設(shè)備之間的距離和傳遞速率(ft/sec)。允許木漿達到水分平衡可允許系統(tǒng)在最小平均水分水平下操作。由這些試驗確定的最小水分水平可用作保守估計，即高于商業(yè)系統(tǒng)中所需，所述商業(yè)系統(tǒng)在水添加與進入干燥器的入口之間具有略微更長的停留時間。
[0047]使用在干燥器入口處的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)閥來將經(jīng)潤濕和研磨的漿料計量至4英寸FluidEnergy 干燥器(Fluid Energy Processing and Equipment Company, Telford, PA)中。該旋轉(zhuǎn)閥提供過程的兩個部分之間的密封，但能夠?qū)⒖諝鈴难心C攜帶至干燥器中，而不是將空氣排放至室內(nèi)。流體能量提供旋風(fēng)，之后為在干燥器排放處的集塵器以收集經(jīng)干燥的漿料。旋風(fēng)分離器不定尺寸為去除低密度漿料，材料的本體被攜帶至集塵器中。旋風(fēng)分離器顯示為收集未完全打開的材料。
[0048]基于打開木漿的視覺評價而被認(rèn)為是成功的那些試驗的操作條件示于如下表1中。進料速率包括于表中，但僅供參考。入口水分、干燥器入口和出口溫度和干燥器操作壓力為可進行控制以獲得所需結(jié)果的變量。進料速率可變化以滿足過程/制備要求。
[0049]表1
[0050]

【權(quán)利要求】
1.一種方法，其包括: 潤濕纖維素片材原料至約20%至約50%范圍內(nèi)的水含量； 將所述經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤漿料； 將所述濕潤漿料急驟干燥成含濕量為約4%至約8%的纖維素的絮狀物；以及 酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中潤濕所述纖維素片材包括用脫礦化水處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中研磨包括如下步驟: 將所述纖維素片材原料破碎成小片段；以及 將所述小片段研磨成所述濕潤漿料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中急驟干燥在急驟干燥器的進料入口處在約105°C至約200°C范圍內(nèi)的溫度下進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中急驟干燥在急驟干燥器的出口處在約60°C至約130°C范圍內(nèi)的溫度下進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中急驟干燥使用低壓熱氣進行，其中所述低壓在約2至約4psig之間的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述急驟干燥步驟使用被直接或間接加熱的空氣進行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在旋風(fēng)分離器中分離所述纖維素的絮狀物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述酯化步驟包括使用乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、混合酸酐和它們的組合處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法用于制備具有每單體單元約0.1至約3個乙酸酯基團的取代度的乙酸纖維素。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法用于制備二乙酸纖維素、三乙酸纖維素、纖維級乙酸纖維素、水溶性乙酸纖維素，或它們的組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括由所述纖維素酯產(chǎn)品形成纖維絲束。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括將所述纖維素酯產(chǎn)品摻入復(fù)合材料基質(zhì)中，所述復(fù)合材料基質(zhì)包含選自熱塑性塑料和熱固性塑料的一者。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其還包括將所述纖維素酯絲束摻入復(fù)合材料基質(zhì)中，所述復(fù)合材料基質(zhì)包含選自熱塑性塑料和熱固性塑料的一者。
15.—種方法,其包括: (a)將纖維素片材原料潤濕至約20%至約50%范圍內(nèi)的水含量； 然后(b)將經(jīng)潤濕的纖維素片材研磨成濕潤漿料； 然后(c)將所述濕潤漿料急驟干燥成含濕量為約5%至約8%的纖維素的絮狀物； 然后(d)酯化所述纖維素的絮狀物以提供纖維素酯產(chǎn)品；以及 然后(e)由所述纖維素酯產(chǎn)品形成纖維絲束。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中潤濕所述纖維素片材包括用脫礦化水處理。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中研磨包括如下步驟: 將所述纖維素片材原料破碎成小片段；以及 將所述小片段研磨成所述濕潤漿料。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中急驟干燥在急驟干燥器的進料入口在約105°C至約200°C范圍內(nèi)的溫度下進行。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中急驟干燥在急驟干燥器的出口處在約60°C至約130°C范圍內(nèi)的溫度下進行。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中急驟干燥使用低壓熱氣進行，其中所述低壓在約2至約4psig之間的范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述急驟干燥步驟使用被直接或間接加熱的空氣進行。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其還包括在旋風(fēng)分離器中分離所述纖維素的絮狀 物。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述酯化步驟包括使用乙酸酐、丙酸酐、丁酸酐、混合酸酐和它們的組合處理。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述方法用于制備具有每單體單元約0.1至約3個乙酸酯基團的取代度的乙酸纖維素。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述方法用于制備二乙酸纖維素、三乙酸纖維素、纖維級乙酸纖維素、水溶性乙酸纖維素，和它們的組合。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其還包括將所述纖維素酯絲束摻入復(fù)合材料基質(zhì)中，所述復(fù)合材料基質(zhì)包含選自熱塑性塑料和熱固性塑料的一者。
【文檔編號】C08B3/00GK104136465SQ201380011613
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月1日
【發(fā)明者】T·S·加勒特, L·E·凱澤爾, H·P·斯托格內(nèi)爾 申請人:塞拉尼斯醋酸纖維有限公司