СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СЫПУЧИХ ИЗМЕРИМЫХ ЧАСТИЦ УПЛОТНЕННЫХ ВОЛОКОН Российский патент 2006 года по МПК D21B1/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу производства сыпучих измеримых частиц уплотненных волокон и к способу получения таких частиц. Продукт может быть легко диспергирован в воде или сухой среде путем механического воздействия и применим, в частности, как добавка к вяжущим составам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Волокна целлюлозы обычно формуются во влажном состоянии на сите Фурдринье и прессуются в полотно. Полотно обезвоживается, высушивается и сворачивается в большие роллы для хранения и отправки потребителям. Для использования целлюлозы потребитель обычно помещает полотна в молотковую мельницу или машину для нарезания полотна в форме кубиков для разделения и разъединения волокон, т.е. разделения полотна на небольшие сегменты или отдельные волокна, которые после этого образуют рыхлую целлюлозу, которая используется потребителем (US 5873979 А, опубликованный 23.02.1999, и US 5709774 А, опубликованный 20.01.1998).

Для некоторых видов применения рыхлая целлюлоза может использоваться без дальнейшей обработки, например для изготовления абсорбирующих изделий воздушной укладки. Однако для многих других видов применения, включая, помимо всего прочего, абсорбирующие изделия и добавки для вяжущих составов и формованные или экструдированные полимерные изделия, целлюлоза должна быть диспергирована в водной среде. Рыхлая целлюлоза, однако, не обладает достаточной сыпучестью и/или измеримостью для точного измерения объемов при смешивании для использования, например, в изготовленных с помощью вяжущего или полимерных материалах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет собой целлюлозный продукт, который не только легко диспергируется в водной или сухой среде, но также обладает сыпучестью и измеримостью, так что его можно транспортировать и точно измерять для периодической или непрерывной переработки в конечные продукты, такие как изготовленные на основе вяжущего, полимерные или другие изделия, изготовленные с использованием рыхлой целлюлозы. Сам продукт содержит сыпучие, измеримые и легко диспергируемые волокна целлюлозы. Целлюлозный материал содержит множество отдельных частиц, каждая из которых содержит множество индивидуальных уплотненных волокон целлюлозы. Эти частицы будут легко скользить или течь одна мимо другой, так что их можно легко транспортировать с использованием оборудования для перегрузки материалов, состоящих из частиц. В одном варианте осуществления частицы относительно плоские и имеют общую площадь поверхности не менее 10 мм². Предпочтительно, чтобы частицы имели плотность больше или равную 0,3 г/см³.

Изобретение также представляет способ производства сыпучих измеримых целлюлозных частиц, которые легко диспергируются в водной или сухой среде. Способ включает первоначальное разделение волокон целлюлозы для образования массы отдельных волокон, не связанных между собой, и последующее уплотнение разделенных волокон для образования отдельных частиц, каждая из которых содержит некоторое множество не связанных между собой волокон. Частицы могут быть образованы путем первоначального уплотнения разделенных волокон и последующего образования отдельных частиц. Частицы также могут быть изготовлены путем одновременного уплотнения волокон и образования частиц или путем разделения и уплотнения групп волокон в отдельные частицы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Волокна целлюлозы преобразуются в сыпучую и измеримую форму в соответствии с настоящим изобретением. Настоящее изобретение содержит некоторое множество отдельных частиц. Каждая из таких отдельных частиц в свою очередь состоит из некоторого множества волокон целлюлозы. Отдельные частицы производятся из разделенных волокон целлюлозы, которые затем уплотняются и формируются в отдельные частицы. Эти отдельные частицы не только могут быть сыпучими и измеримыми с помощью традиционно используемого перегрузочного оборудования, но при помещении в водную или сухую среду легко диспергируются в некоторое множество отдельных волокон целлюлозы. Диспергирование в водной среде обычно требует небольшого перемешивания для создания относительного движения среды и волокон. Диспергирование в сухой среде требует механического перемешивания для создания относительного движения среды и волокон. Эти частицы предпочтительно могут использоваться в производстве конечных продуктов, в которых волокна служат в качестве наполнителя и упрочняющего вещества. Примерами таких продуктов могут служить изделия на основе вяжущего, такие как стенные панели, а также формованные и экструдированные продукты из полимерных материалов.

Разделенные волокна могут быть получены различными способами. Полотна целлюлозы, полученные на обычных целлюлозных комбинатах, могут быть обработаны в молотковой мельнице для разделения на отдельные волокна, чтобы образовать разделенные волокна целлюлозы, которые могут использоваться в настоящем изобретении. Или же разделенные волокна целлюлозы могут быть получены путем подачи не подвергавшей сушке целлюлозы непосредственно из варочной печи в струйную сушилку для одновременной сушки и разделения волокон. Такие способы получения разделенных волокон целлюлозы раскрыты в находящихся на рассмотрении патентной заявке США №09/998143, поданной 30 октября 2001 года с названием "Способ производства высушенных разделенных волокон целлюлозы", и патентной заявке США №10/051872, поданной 16 января 2002 года с названием "Способ производства высушенных разделенных волокон целлюлозы с поперечными связями". Эти заявки включаются в настоящий документ по ссылке во всей их полноте.

Для производства разделенных волокон целлюлозы, которые подходят для применения в настоящем изобретении, могут быть использованы разные типы целлюлозы. Любой способ сульфатной, сульфитной, натронной или щелочной варки считается подходящим для получения целлюлозы, которая может быть использована в настоящем изобретении. Целлюлоза, подходящая для использования в настоящем изобретении, также может быть получена механическими способами, такими как термомеханический, химикотермомеханический, механический способ получения рафинерной целлюлозы и способы получения целлюлозы грубого помола. Целлюлоза, которая особенно подходит для конечного использования в вяжущих веществах, должна иметь низкий уровень химического потребления кислорода. Такая целлюлоза описана в патентной заявке США №10/209497, поданной 30 июля 2002 года с названием "Небеленая целлюлоза с очень низким уровнем химического потребления кислорода". Эта заявка также включена в настоящий документ по ссылке во всей ее полноте. Еще один тип целлюлозы, который пригоден для использования в соответствии с настоящим изобретением, выпускаемый компанией Weyerhaeuser, Тахома, штат Вашингтон, предлагается в продаже под названием TYEE.

Целлюлоза TYEE представляет собой беленую целлюлозу из хвойной древесины, изготовленную из опилок.

Волокна целлюлозы, из которых производится целлюлоза, могут быть из любого вида деревьев или иных источников. Из всех источников волокон целлюлозы наиболее предпочтительной является древесная масса из-за ее доступности и невысокой цены. Природным источником волокон целлюлозы является древесина хвойных деревьев, включая южную сосну, пихту Дугласа, ель, тсугу и сосну Радиата. Помимо этих источников хвойной древесины, волокна целлюлозы также могут быть получены из древесины лиственных деревьев, например эвкалипта. Также могут быть использованы волокна целлюлозы не из древесины, например из соломы, льна, кенафа, конопли, джута, багассы, сизаля и других источников. Как и древесина, эти источники волокон могут быть переработаны в целлюлозу и впоследствии использованы для производства разделенных волокон целлюлозы, подходящих для использования в настоящем изобретении.

Некоторые вспомогательные средства, такие как другие волокна, природные или синтетические, и/или любые химические составы, могут быть смешаны с древесной массой перед обработкой в соответствии с настоящим изобретением. Подходящими вспомогательными веществами являются связующие вещества, силикаты, цеолиты, латексы, сшивающие химические соединения, разрыхлители, поверхностно-активные вещества, диспергаторы, глины, карбонаты, биоциды, красители, противомикробные составы, огнезащитные составы, консерванты, синтетические волокна (такие как полипропилен, полиэстер, полиамид, вискоза), стекловолокно, углеродное волокно и любые другие природные волокна (такие как шерсть, шелк и различные виды древесных и недревесных волокон, такие как волокна древесины лиственных деревьев, волокна древесины хвойных деревьев, старый картон, старая газетная бумага, хлопок, солома, лен, конопля, джут, багасса, сизаль, кенаф и др.). Связующие вещества используются, например, для более хорошей связывания волокон в матрицу. Другие примеры подходящих вспомогательных веществ описаны на стр.194-206 Руководства по варке целлюлозы и изготовлению бумаги (Handbook of Pulping and Papermaking), 2d ed., Кристофера Джей. Бирманна (Christopher J. Biermann), эти страницы включены в настоящий документ по ссылке во всей их полноте. Другие вспомогательные вещества для целлюлозы описаны в патентной заявке США №10/187213, поданной 28 июня 2002 года с названием "Способ производства высушенных разделенных волокон целлюлозы с использованием струйного сушильного цилиндра и нагнетаемого пара и продукт, получаемый этим способом", описание которой включено в настоящий документ по ссылке во всей ее полноте.

Разделенные волокна, полученные так, как сказано выше, затем уплотняются в соответствии с настоящим изобретением. Волокна могут быть уплотнены отдельно любым из нескольких традиционных способов. Один обычный способ уплотнения заключается в пропускании свободно связанной массы разделенных волокон между парой отжимных валов, которые сжимают массу в свободно связанное полотно. По желанию разделенные волокна целлюлозы могут быть уложены в традиционной машине воздушной укладки. Слой воздушной укладки затем может быть уплотнен или сжат традиционными способами и затем сформирован в некоторое множество отдельных частиц с использованием просекающих роликов или ротационных штампов. Считается, что этот способ уплотнения механически связывает волокна, хотя может иметь место некоторое ионное связывание. Полотно уплотненных волокон затем разрезается, формируется или иным способом преобразуется в отдельные частицы. Каждая из частиц содержит некоторое множество разделенных волокон целлюлозы, которые связаны механически. Для преобразования волокон в отдельные частицы могут быть использованы разные способы. Эти способы включают, но без ограничения, резку, нарезание в форме кубиков, разделение с использованием просекающих роликов и резку с помощью ротационного штампа. Также могут быть использованы и другие известные способы.

Разделенные волокна целлюлозы могут быть одновременно уплотнены и преобразованы в отдельные частицы. Для этой цели может использоваться разное известное оборудование. Сетчатые формующие цилиндры ротационного типа могут использоваться, например, для производства из массы разделенных волокон целлюлозы отдельных частиц в форме брикетов. В сетчатом формующем цилиндре ротационного типа разделенные волокна целлюлозы одновременно сжимаются и формируются в полостях на согласующихся валах, подобных отжимным. Масса разделенных волокон целлюлозы также может быть подана между комплектом согласующихся зубчатых колес, которые сжимают целлюлозу в пространстве между ними.

Сыпучие измеримые отдельные частицы, полученные в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно имеют плотность больше или равную 0,3 г/см³. Предпочтительно, чтобы плотность была в диапазоне от 0,3 до 2 г/см³, и наиболее предпочтительно, чтобы она была в диапазоне от 0,3 до 1 г/см³. Конкретных требований к форме нет. Однако частицы должны быть достаточно малы для того, чтобы протекать мимо друг друга, и должны быть измеримы, причем для этих целей используется известное оборудование для перегрузки сыпучих материалов. Когда частицы в общем плоские, как происходит при резке полотна на отдельные частицы, предпочтительно, чтобы общая площадь поверхности на обеих сторонах плоских частиц составляла от 10 до 150 мм², и чтобы толщина составляла порядка 0,5-10 мм, а предпочтительно 2-5 мм. Сыпучие измеримые отдельные частицы, изготовленные в соответствии в настоящим изобретением, при вводе в водную или сухую среду легко диспергируются, почти сразу же распадаясь на отдельные или разделенные волокна в такой среде.

ПРИМЕРЫ

Следующие примеры предназначены только для иллюстрирования настоящего изобретения и никоим образом не предназначены для ограничения объема изобретения, определенного в настоящем документе.

ПРИМЕР 1

Разделенные волокна целлюлозы были взяты непосредственно с сетчатого конвейера струйного сушильного цилиндра, который содержал разделенные и высушенные волокна ранее не подвергавшейся сушке сульфатной целлюлозы. Разделенные волокна целлюлозы были пропущены через отжимной вал для образования уплотненного полотна волокон. Уплотненное полотно имело толщину 0,05 дюйма. Затем полотно было нарезано на квадраты со стороной 1/4 дюйма. Эти квадраты хорошо скользили друг по другу на наклонной поверхности. После помещения 20 таких квадратов в стакан емкостью 500 мл с теплой водой они полностью и быстро диспергировались менее чем за 1 минуту при слабом перемешивании.

ПРИМЕР 2

Разделенные волокна целлюлозы, взятые с сетчатого конвейера струйного сушильного цилиндра, как сказано в Примере 1, были помещены в машину для формирования полотна. Такая машина продается под фирменным наименованием "Pocket Former" компанией Automated Systems из г. Тахома, штат Вашингтон. Полотна имели размеры примерно 4 дюйма × 12 дюймов. Эти полотна пропускались через отжимной вал до тех пор, пока их толщина не составила примерно 1/8 дюйма. Одноударный металлический штамп был настроен так, чтобы прорези составлял 1/4 дюйма × 3/4 дюйма. Уплотненный лист затем пробивался через эту прорезь пробойником такого же размера. Куски из пробиваемого листа содержали отдельные частицы. Основная часть кусков, состоящих из отдельных частиц, которые были получены таким путем, не подвергалась дальнейшему уплотнению по сравнению с материалом, взятым из отжимного пресса; однако их кромки были полностью запрессованы и герметизированы. Эти кромки служили для удержания формы куска. Некоторое количество кусков легко скользили друг по другу на наклонной поверхности. Когда 10 кусков были помещены в стакан емкостью 9500 мл с теплой водой, они полностью и быстро диспергировались менее чем за 1 минуту при слабом перемешивании. Видимых узелков, которые могли образоваться в результате срезающего и уплотняющего действия пробойника, не было.

ПРИМЕР З

Контрольная частица была получена из листа обычной сульфатной целлюлозы. Это полотно было получено традиционным способом на прессе Фурдринье и затем высушено. Волокна полотна не разделялись и не отделялись друг от друга. Полотно было нарезано на квадраты со стороной примерно 1/4 дюйма, сходные с квадратами, упомянутыми в Примере 1. После помещения этих квадратов в стакан с теплой водой и перемешивания признаков дисперсии не наблюдалось в течение одной минуты, после чего испытание было прекращено.

Хотя был проиллюстрирован и описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, будет понятно, что в него могут быть внесены различные изменения без отхода от сути и объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к технологии производства сыпучих частиц, в частности, к получению сыпучих измеримых частиц уплотненных целлюлозных волокон, которые могут быть использованы в качестве добавок к вяжущим составам. Способ включает разделение волокон целлюлозы для образования массы, уплотнение этой массы и формирование волокон в отдельные частицы. Частицы состоят из множества волокон, механически связанных между собой, которые быстро и целиком диспергируются в воде. Частицы имеют плотность не менее 0,3 г/см. 13 з.п. ф-лы.

1. Способ производства легко диспергируемого, сыпучего и измеримого целлюлозного продукта, включающий разделение волокон целлюлозы для образования массы, состоящей в основном из разделенных волокон целлюлозы, уплотнение массы и формирование волокон в отдельные частицы, состоящие в основном из множества волокон целлюлозы, механически связанных между собой, при этом указанные волокна целиком и быстро диспергируются в воде.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые волокна разделяются путем введения листа волокон целлюлозы в молотковую мельницу.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые волокна разделяются путем введения не подвергавшейся сушке целлюлозной массы в струйный сушильный цилиндр для сушки и разделения волокон.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые волокна уплотняются путем пропускания массы разделенных волокон через пару отжимных валов для получения полотна уплотненных волокон.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что упомянутые уплотненные волокна формируются в отдельные частицы путем нарезания упомянутого полотна уплотненных волокон на некоторое множество отдельных частиц.6. Способ по п.4, отличающийся тем, что упомянутые волокна формируются в отдельные частицы путем пробивания упомянутого полотна уплотненных волокон для образования отдельных частиц.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые волокна одновременно уплотняются и формируются путем введения упомянутых разделенных волокон целлюлозы в ротационный штамп для формирования отдельных частиц.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые отдельные частицы имеют плотность не менее 0,3 г/см³.9. Способ по п.8, отличающийся тем, что упомянутая плотность находится в диапазоне от 0,3 до 2 г/см³.10. Способ по п.8, отличающийся тем, что упомянутая плотность находится в диапазоне от 0,3 до 1 г/см³.11. Способ по п.8, отличающийся тем, что упомянутые частицы в общем плоские и имеют общую площадь поверхности не менее 10 мм².12. Способ по п.11, отличающийся тем, что упомянутые частицы имеют площадь поверхности примерно от 10 до 150 мм².13. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые частицы имеют толщину 0,5 мм и больше.14. Способ по п.13, отличающийся тем, что упомянутая толщина имеет диапазон от 0,5 до 10 мм.