ЦЕЛЛЮЛОЗНО-КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2023 года по МПК D21H11/10 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения целлюлозного композитного материала, перерабатываемого в сердцевинный абсорбирующий слой распушенной целлюлозы при выпуске высоко впитывающего воду одноразового санитарно-гигиенического белья - подгузников, пеленок, простыней, прокладок и других изделий.

Из уровня техники известен способ получения распушенной целлюлозы [RU 2755984 С1]. По патенту получение распушенной целлюлозы из полотна древесной целлюлозы, в качестве древесной целлюлозы используют лиственные или хвойные породы влажностью 15-20%, измельчают путем роспуска полотна аэродинамическим способом в течение 20-30 с на комбинацию мелких волокон от 50 до 64% и крупных волокон от 50 до 36% для лиственных пород или от 55 до 68% мелких волокон и от 45 до 32% крупных волокон для хвойных пород с последующей сушкой до влажности 5-7%.

Положительными особенностями способа являются:

- использование целлюлозы лиственных и хвойных пород древесины в производстве целлюлозного материала;

- соотношение комбинации мелких и крупных волокон хвойной и лиственной целлюлозы.

Недостатками известного способа являются:

- сложность аэродинамического метода распушения для обеспечения требуемой комбинации мелких и крупных волокон;

- недостаточная впитываемость воды при большом удельном расходе целлюлозы.

Из уровня техники известна композиция для получения распушенной целлюлозы [RU 2641136 С2]. По патенту композиция состоит из целлюлозы, связующего агента или связующего агента и разрыхлителя. Композицию получают на бумагоделательной машине в форме высушенного полотна с последующей обработкой поверхностно-активным веществом или без нее, измельчают в молотковой мельнице. В качестве связующего агента используют сверхабсорбирующий полимер (САП). После распушения высушенного полотна (получение пуха) проводят испытания на фракционирование по размерам волокон, впитывающую способность, сжимаемость и жесткость, время поглощения жидкости. Композиция по патенту содержит три компонента - целлюлозу, связующий агент, разрыхлитель, а ее получение состоит из четырех стадий - получение полотна, добавка разрыхлителя (ПАВ), измельчение полотна на молотковой мельнице (получение пуха), добавка связующего агента (полимера).

Положительными особенностями способа и состава являются:

- возможность управления физико-механическими и гидрофильно-гидрофобными свойствами целлюлозного полотна переменными факторами технологии на бумагоделательной машине;

- высокоразвитая капиллярно-пористая структура целлюлозного полотна за счет добавки разрыхлителя (ПАВ);

- наличие связующего агента в виде суперабсорбирующего полимера.

Недостатком известного способа и состава является необходимость обработки высушенного полотна поверхностно-активным веществом и определение фракционности по размерам волокна.

Наиболее близким заявленному изобретению по технической сущности является способ изготовления абсорбирующей сердцевины [RU 2494713 C2]. В соответствии с изобретением по патенту, формирование абсорбирующей сердцевины выполняется из целлюлозы беленой хвойной сульфатного способа варки. Целлюлоза изготавливается производителем в виде рулонной целлюлозной полосы. Целлюлозная полоса подается из рулона в устройство для ее измельчения в волокнистую целлюлозу (распушенная целлюлоза), которая поступает в камеру для формования целлюлозной абсорбирующей сердцевины. Механизм формования может дополнительно включать в устройство для введения суперабсорбирующего полимера (САП) в камеру формования, чтобы таким образом сформировать смесь из волокнистой целлюлозы и суперабсорбирующего полимера (сердцевинный слой).

Положительными особенностями способа являются:

- использование рулонной целлюлозы, изготовленной с заданным качеством;

- использование суперабсорбирующего полимера (САП);

- формование абсорбирующей сердцевины смешением распушенной целлюлозы и САП.

Недостатком известного способа является ограниченный выбор переменных факторов управления качеством рулонной целлюлозы по показателям «плотность», «емкость впитывания» и сердцевинного слоя по показателю «емкость впитывания».

Раскрытие сущности изобретения. Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении микропористости капиллярно-пористой системы рулонного целлюлозного композитного материала, обеспечивающей повышение «емкости впитывания» и «прочности материала при растяжении».

Достижение технического результата обеспечивается за счет сочетания следующих факторов:

- соотношения целлюлозы сульфатной беленой хвойной (ЦСБХ), целлюлозы сульфатной беленой лиственной (ЦСБЛ), химико-термомеханической беленой древесной массы (ХТМБДМ);

- размола ЦСБХ в преимущественно фибриллирующем режиме;

- сушки целлюлозного композита горячим воздухом;

- и/или добавлением в абсорбирующую сердцевину САП.

Результат достигается в пределах плотности 0,46-0,60 кг/м³, белизны 76-86 и влажности 10-12%.

Одновременно достигается экономический результат - это снижение удельного расхода дорогостоящего целлюлозного волокна на 10-15%.

Осуществление изобретения. Для достижения технического и экономического результата по заявленному изобретению предлагается способ получения и состав целлюлозного композитного материала, включающий роспуск целлюлозы сульфатной беленой хвойной, изготовление целлюлозного материала производителем, измельчение целлюлозы в распушенную целлюлозу, формирование абсорбирующей сердцевины, введение суперабсорбирующего полимера в сердцевинный слой.

В качестве целлюлозных составляющих композита используется:

- товарная листовая целлюлоза сульфатная беленая хвойная (ЦСБХ) [ГОСТ 9571-89];

- товарная листовая целлюлоза сульфатная беленая лиственная (ЦСБЛ) [ГОСТ 28172-89];

- товарная листовая химико-термомеханическая беленая древесная масса (ХТМБДМ) [ГОСТ 10014-73].

Товарная листовая ЦСБХ распускается в гидроразбивателе до концентрации волокна 6-9 масс. %, размалывается до пределов 18-28°ШР преимущественно в фибриллирующем режиме, в зависимости от требуемой прочности готового целлюлозного композитного материала, в пределах 12-18 МПа, и аккумулируется в бассейне размолотой целлюлозной массы.

Товарная листовая ЦСБЛ и товарная листовая ХТМБДМ распускаются в гидроразбивателе в соотношении 80-60 масс. % ЦСБЛ и 20-40 масс. % ХТМБДМ до концентрации волокна 6-9 масс. %, и без размола аккумулируется в бассейне неразмолотой целлюлозной массы.

После чего размолотая целлюлозная масса - 50 масс. % и неразмолотая целлюлозная масса - 50 масс. % смешиваются в композиционном бассейне с получением целлюлозной массы для получения композита с соотношением целлюлозных компонентов, масс. %: ЦСБХ:(ЦСБЛ:ХТМБДМ)=50:(40-30):(10-20).

Из композиционного бассейна масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до концентрации 2,5 масс. %, а из него, предварительно разбавленная оборотной водой до концентрации 1,0-1,5 масс. %, подается на целлюлозную машину для формования целлюлозного композитного материала.

Формование композитного материала происходит путем последовательного обезвоживания слоя целлюлозной массы, вначале на сеточной части, затем в прессовой и сушильной части машины.

Сушка до влажности 10-12 масс. % осуществляется горячим воздухом с температурой 120-150°С.

Готовый композит наматывается в тамбур, который на перемотно-резательном станке режется на рулоны требуемого формата по ширине и диаметру.

Лист рулона заправляется в шредер, диспергирующий композит в распушенную целлюлозу с одновременным образованием на формующей сетке абсорбирующей целлюлозной сердцевины.

В абсорбирующую целлюлозную сердцевину вводится САП в количестве 3-5, масс. % от массы абсолютно-сухой целлюлозы. САП может не использоваться, однако он значительным образом улучшает водопоглощение предлагаемого целлюлозно-композитного материала. По одному из вариантов осуществления изобретения, в качестве САП может применяться гидрогель [Гидрогель (суперадсорбент) водопоглощающий. Технические условия. ТУ 20.16.53-001-53068914-2022. Дата введения 13.05.2022 г. ООО «НПП ГИДРОТЕХНОЛОГИЯ», 2022. - 3 с.].

В изобретении предлагаются решения, обеспечивающие технический и экономический результат способа получения и состава целлюлозного композитного материала с достижением показателей качества, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели качества рулонного и распушенного целлюлозного композитного материала № п/п Наименование показателя Значение показателя 1 Масса 1 м², г 600-800 2 Толщина, мм 1,0-1,5 3 Плотность, кг/м³ 0,45-0,60 4 Прочность при растяжении, МПа 12-18 5 Белизна,% 76-86 6 Влажность,% 10-12 7 Полная емкость впитывания, г/г (г воды/г композита) 2-4 8 Полная емкость впитывания сердцевины без САП, г/г 12-15 9 Полная емкость впитывания сердцевины с САП, г/г 15-20

Объяснения к получению технического результата по заявленному изобретению сводятся к следующим положениям:

а) микропористость капиллярно-пористой системы рулонного целлюлозного композитного материала является функцией состава образующей его «волокнистой матрицы»; происхождение, вид и свойства волокон всецело определяют характер капиллярно-пористой структуры и ее прочность; увеличение микропористости (прирост мезо- и микропор, с радиусами, соответственно 10^-7 и 10^-9 м) ведет к существенному повышению структурой впитываемости и удержанию воды и прочности при растяжении [Иванов С.Н. Технология бумаги. Изд.3-е. 2006, стр. 695];

б) повышение микропористости достигается использованием композиции ЦСБХ, ЦСБЛ и ХТМБДМ в предложенных соотношениях; кроме того, микропористость и прочность для возможности повышения содержания в композите не размолотых ЦСБЛ и ХТМБДМ управляется степенью помола ЦСБХ, в пределах 18-28°ШР [Комплексная химическая переработка древесины: учебник для вузов/И.Н. Ковернинский, В.И. Комаров, С.И. Третьяков, и др. - Архангельск: Изд-во Архан: гос. техн. ун-та. 2006. - 374 с.];

в) сохранение повышенной микропористости обеспечивается сушкой горячим воздухом в пределах 120-150°С до эффективной влажности 10-12%; сушка горячим воздухом удаляет воду без существенного развития явления «ороговения» волокна, в сочетании с конечной влажностью, сохраняет высокую гидрофильность волокна, а, следовательно, высокую впитываемость и удержание влаги, не снижая прочности на разрыв;

г) гидрогель является САП, который добавляется для повышения впитываемости воды; в предлагаемом количестве существенно - до 5 г/г, увеличивает полную емкость впитывания воды целлюлозной сердцевины; при отсутствии требования впитываемости более 15 г/г САП может не использоваться.

В таблице 2 приводятся величина достигаемых показателей качества целлюлозного композитного материала «прочность при растяжении» и «полная емкость впитывания» для следующих примеров:

Пример 1. Способ по прототипу.

Пример 2-5. Способ и состав по изобретению.

Пример 2.

Композиция, масс. %: ЦСБХ:ЦСБЛ:ХТМБДМ=50:40:10; степень помола ЦСБХ 18°ШР, сушка горячим воздухом 120°С.

Пример 3.

Композиция, масс. %: ЦСБХ:ЦСБЛ:ХТМБДМ=50:30:20; степень помола ЦСБХ 28°ШР, сушка горячим воздухом 150°С.

Пример 4.

Композиция, масс. %: ЦСБХ:ЦСБЛ:ХТМБДМ=50:40:10; степень помола ЦСБХ 24°ШР, сушка горячим воздухом 130°С. САП 3.

Пример 5.

Композиция, масс. %: ЦСБХ:ЦСБЛ:ХТМБДМ=50:30:20; степень помола ЦСБХ 28°ШР, сушка горячим воздухом 140°С, САП 5.

Таблица 2 - Примеры достигаемых величина показателей качества целлюлозного композитного материала «прочность при растяжении» и «полная емкость впитывания» Наименование
показателей По
прототипу По изобретению 1 2 3 4 5 Прочность при растяжении, МПа 12 18 14 16 14 Полная емкость впитывания композита, г/г 2 4 4 - - Полная емкость впитывания сердцевины без САП, г/г 10 15 13 - - Полная емкость впитывания сердцевины
с САП, г/г 14 - - 15 20

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения целлюлозного-композитного материала, перерабатываемого в сердцевинный абсорбирующий слой распушенной целлюлозы при выпуске высоко впитывающего воду одноразового санитарно-гигиенического белья. В качестве целлюлозных составляющих целлюлозно-композитного материала используется листовая целлюлоза сульфатная беленая хвойная (ЦСБХ), листовая целлюлоза сульфатная беленая лиственная (ЦСБЛ) и листовая химико-термомеханическая беленая древесная масса (ХТМБДМ). Листовая ЦСБХ распускается в гидроразбивателе до концентрации волокна 6-9 масс. %, размалывается до пределов 18-28°ШР. Листовая ЦСБЛ и листовая ХТМБДМ распускаются в гидроразбивателе в соотношении 80-60 масс. % ЦСБЛ и 20-40 масс. % ХТМБДМ до концентрации волокна 6-9 масс. %, без последующего размола. Затем размолотая целлюлозная масса и неразмолотая целлюлозная масса смешиваются в соотношении ЦСБХ:ЦСБЛ:ХТМБДМ=50:(40-30):(10-20). Полученная масса разбавляется водой с последующим обезвоживанием и сушкой горячим воздухом. Обеспечивается повышение емкости впитывания и прочности материала на растяжение. 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

1. Целлюлозно-композитный материал, отличающийся тем, что в качестве целлюлозных составляющих композита используется листовая целлюлоза сульфатная беленая хвойная (ЦСБХ), листовая целлюлоза сульфатная беленая лиственная (ЦСБЛ) и листовая химико-термомеханическая беленая древесная масса (ХТМБДМ), где листовая ЦСБХ распускается в гидроразбивателе до концентрации волокна 6-9 масс.%, размалывается до пределов 18-28°ШР, листовая ЦСБЛ и листовая ХТМБДМ распускаются в гидроразбивателе в соотношении 80-60 масс.% ЦСБЛ и 20-40 масс.% ХТМБДМ до концентрации волокна 6-9 масс.%, без последующего размола, после чего размолотая целлюлозная масса и неразмолотая целлюлозная масса смешиваются в следующем соотношении ЦСБХ:ЦСБЛ:ХТМБДМ=50:(40-30):(10-20), полученная масса разбавляется водой, с последующим обезвоживанием и сушкой горячим воздухом при температуре 120-150°С.

2. Целлюлозно-композитный материал по п. 1, отличающийся тем, что размол листовой ЦСБХ осуществляется в фибриллирующем режиме в пределах 12-18 МПа.

3. Целлюлозно-композитный материал по п. 1, отличающийся тем, что размолотая целлюлозная масса и неразмолотая целлюлозная масса смешиваются в пропорции 50 к 50 масс.%.

4. Целлюлозно-композитный материал по п. 1, отличающийся тем, что формование композитного материала происходит путем последовательного обезвоживания слоя целлюлозной массы, вначале на сеточной части, затем в прессовой и сушильной части машины.

5. Целлюлозно-композитный материал по п. 1, отличающийся тем, что сушка горячим воздухом осуществляется до влажности 10-12 масс. %.

6. Целлюлозно-композитный материал по п. 1, отличающийся тем, что готовый композит наматывается в тамбур.

7. Целлюлозно-композитный материал по п. 6, отличающийся тем, что готовый композит режется на рулоны.

8. Целлюлозно-композитный материал по п. 7, отличающийся тем, что лист рулона заправляется в шредер, диспергирующий композит в распушенную целлюлозу с одновременным образованием на формующей сетке абсорбирующей целлюлозной сердцевины.

9. Целлюлозно-композитный материал по п. 8, отличающийся тем, что в абсорбирующую целлюлозную сердцевину вводится суперабсорбирующий полимер в количестве 3-5 масс.% от массы абсолютно-сухой целлюлозы.

10. Целлюлозно-композитный материал по п. 9, отличающийся тем, что в качестве суперабсорбирующего полимера применяется гидрогель водопоглощающий.