СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОГИДРОГЕЛЕВОГО КОМПОЗИТА Российский патент 2023 года по МПК C08J3/02 D21H11/10 A61F13/15 A61L15/60 

Изобретение относится к производству абсорбирующих материалов для выпуска высоковпитывающих изделий, в первую очередь, санитарно-гигиенических изделий: подгузники, пеленки, прокладки, простыни и др.

Известен способ получения абсорбирующего целлюлозного материала из разделенной на волокна целлюлозы, сшитых в сухом состоянии предварительно пропитанным эффективным количеством сшивающего агента [Абсорбирующий целлюлозный материал и способ его изготовления. Патент на изобретение RU 2143508].

Положительными особенностями способа являются:

- хорошая прессуемость структуры материала при сшивке эффективным количеством полифункционального спирта, что обеспечивает сохранность структуры и впитывающей способности во времени;

- высокая впитываемость воды и растворов на водной основе.

Недостатками известного способа является:

- необходимость операции разделения целлюлозы на волокна (распушение) и дополнительной операции пропитки волокна полифункциональными спиртами;

- потребность в использовании полифункциональных спиртов.

Известен способ получения абсорбирующего целлюлозного материала [Супервпитывающий полимерный композит, содержащий супервпитывающий полимер и целлюлозные нанофибриллы. Патент на изобретение RU 2503465]. Супервпитывающий полимер образует полимерную сетку, в которую введены целлюлозные нанофибриллы размером 100 нм и менее в количестве 0,5-5,0 масс.%.

Положительными особенностями способа являются:

- повышение прочности супервпитывающего геля, за счет введения целлюлозных нанофибрилл;

- высокая впитываемость воды и растворов на водной основе.

Недостатком известного способа является:

- необходимость получения целлюлозных нанофибрилл, являющихся дорогостоящим продуктом сложного химического процесса.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения целлюлозногидрогелевого композита [Целлюлозная масса и суперабсорбирующий композит для улучшения впитывания. Патент на изобретение RU 2214205]. Композит производится с содержанием целлюлозной массы в пределах 28-90 масс.%, суперабсорбирующего материала в пределах 2,0-20,0 масс.% и связующего волокна в количестве от 1 до 20 вес.% для формирования стабилизированной сетки. Плотность готового композита в пределах 0,1-0,3 г/см³.

Положительными особенностями способа являются:

- состав композита из двух основных компонентов целлюлозы и суперабсорбирующего материала;

- впитываемость воды, в пределах 12-15 г Н₂О/г композита.

Недостатками известного способа является:

- все компоненты смешивают воздушно сухими, добавляют связующие волокна и формуют методом сухого формования между двух сеток;

- композит непосредственно не может перерабатываться в санитарно-гигиенические изделия;

- переработка композита в изделия требует стадий распушения и внесения суперабсорбирующего материала;

- возможность изготовления из композита санитарно-гигиенических изделий большой пухлости (толщина слоя - 1,0-1,5 см) и низкой механической прочности (разрывная прочность 20-50 Н).

Изобретение решает задачу сочетания в композите свойств высокой впитываемости воды (15-20 г Н₂О/г композита) и водных растворов, малой толщины (0,15-0,35 мм), высокой плотности (0,45-0,55 г/см³), при высокой механической прочности (разрывная прочность 20-26 Н) и исключения стадий распушения и внесения суперабсорбирующего материала при переработке целлюлозогидрогелевого композита в санитарно-гигиенические впитывающие изделия.

Технический результат заключается в повышении впитывания воды и водных растворов, повышении механической прочности, уменьшении толщины, увеличении плотности, исключения стадий распушения и внесения суперабсорбирующего материала при последующей переработке композита, и осуществляется за счет применения бумагоделательной технологии, обеспечивающей интенсивное поверхностное взаимодействие целлюлозных волокнистых полуфабрикатов (целлюлозы, древесной массы) с суперабсорбирующим материалом с образованием физико-химических и химических связей, формирующих и закрепляющих структуру целлюлозной матрицы с равномерно распределенным суперабсорбентом.

Экономический результат заключается в снижении ресурсных расходов на 10-30%, по сравнению с прототипом.

Для достижения указанного технического и экономического результата, предлагается способ получения целлюлозогидрогелевого композита, включающий операции подготовки целлюлозной массы и подготовки суперабсорбирующего материала, составления композиции бумажной массы и получения целлюлозогидрогелевого композита на бумагоделательной машине (БДМ):

- подготовка целлюлозной массы заключается в роспуске в воде товарной сульфатной беленой хвойной целлюлозы [ГОСТ 9571-89] или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и беленой лиственной целлюлозы [ГОСТ 28172-89] или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и химикотермомеханической беленой древесной массы [ГОСТ 10014-73] или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и сульфатной беленой лиственной целлюлозы и химикотермомеханической беленой древесной массы при концентрации 3-12 масс.%; фибриллирующем размоле сульфатной беленой хвойной целлюлозы до 18-30 °ШР;

- подготовка суперабсорбирующего материала, в качестве которого применяется гидрогель (суперабсорбент) водопоглощающий [ТУ 20.16.53-001-53068914-2022]; расчетную массу воздушно-сухого порошкообразного гидрогеля с размером частиц 50-300 мкм добавляют в бак с мешалкой и соответствующим объемом с таким расчетом, чтобы получить суспензию гидрогеля 1-10 масс.%; перемешивают и выдерживают, выдержку гидрогеля осуществляют в пределах 10-15 мин, не более, для ограничения поглощения воды.

- композицию бумажной массы целлюлозогидрогелевого композита по волокну составляют в композиционном бассейне следующим образом:

вариант 1 - размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза со степенью помола 18-30 °ШР и концентрацией 3-12% направляется в композиционный бассейн; далее масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до рабочей концентрации 2,5-3,0 масс.%;

вариант 2 - размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза со степенью помола 18-30 °ШР и концентрацией 3-12% направляется в композиционный бассейн (50-100 масс.%); сюда направляется неразмолотая (15 °ШР) сульфатная беленая лиственная целлюлоза (0-50 масс.%); далее масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до рабочей концентрации 2,5-3,0 масс.%;

вариант 3 - размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза со степенью помола 18-30 °ШР и концентрацией 3-12% направляется в композиционный бассейн (70-100 масс.%); также, в бассейн добавляется термомеханическая беленая древесная масса (0-30 масс.%), концентрации 3-12 масс.%; далее масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до рабочей концентрации 2,5-3,0 масс.%;

вариант 4 - размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза со степенью помола 18-30 °ШР и концентрацией 3-12% направляется в композиционный бассейн (20-50 масс.%); сюда направляется неразмолотая (15 °ШР) сульфатная беленая лиственная целлюлоза (0-50 масс.%); также, в бассейн добавляется термомеханическая беленая древесная масса (0-30 масс.%), концентрации 3-12 масс.%; далее масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до рабочей концентрации 2,5-3,0 масс.%;

- дозирование подготовленного гидрогеля в бумажную массу осуществляют непосредственно в бумажную массу перед смесительным насосом бумажной массы с оборотной водой и подачей ее в напорный ящик БДМ; разбавление массы осуществляется до рабочей концентрации в пределах 0,3-0,7 масс.%; гидрогель дозируется с расчетом 5,0-10,0 масс.% от массы композита, что составляет 45-90 кг/т; время смешения гидрогеля с бумажной массой определяется скоростью потока бумажной массы от смесительного насоса до выхода массы на сетку БДМ, скорость которого зависит о скорости работы БДМ; это время находится в пределах 20-30 с;

- получение композита осуществляют на БДМ, проходя все процессы бумагоделательной технологии; отлив и обезвоживание целлюлозогидрогелевого композита до сухости 16-18 масс.% происходит в листовой форме на сеточной части БДМ; проходя прессовую часть БДМ, мокрый лист обезвоживается до сухости 46-50 масс.%; далее, в сушильной части мокрый лист высушивается до конечной сухости композита 85-90 масс.% (влажность 10-15 масс.%);

- высушенный композит наматывается в тамбуры и режется в рулоны заданных форматов на перемотно-резательном станке.

Достижение технического результата объясняется сочетанием предложенных решений по выбору последовательности факторов технологии и их величины. При высокоэффективном влиянии всех факторов, наиболее действенно оказалось сочетание химической и физико-химической основы гидрогеля и целлюлозного волокна. Гидрогель и целлюлозные волокна являются высокогидрофильными гетерогенными веществами, контактирование поверхностей которых максимально возможно в водных суспензиях бумажной массы, а физико-химическое и химическое взаимодействие между ними, легко регулируемое факторами бумагоделательной технологии.

Химической основой гидрогеля является сополимерный материал, синтезированный из акриламида CH₂=CHCONH₂ и полиакрылатов натрия [- CH₂ - CHCO₂Na -]n. В водной среде образует полиэлектролит, баланс отрицательного (носитель - карбоксильные группы) и положительного (носитель - амидные группы) потенциалов которого регулируется их соотношением в макромолекулах. Внесенные в бумажную массу частицы гидрогеля, с одной стороны, активно поглощают большую массу воды и резко увеличиваются в размерах, а, с другой стороны, на поверхности частиц активизируются и освобождаются реакционно активные амидные и карбоксильные группы, которые реагируют с гидроксильными группами целлюлозы. Оба процесса являются конкурирующими, превалирование того или иного оказывает положительный или отрицательный эффект на технический результат. Превалирование факторов повышения поглощения воды гидрогелем ведет к снижению плотности композита, увеличения его толщины, уменьшению прочности, удлинению сушки и умеренному повышению впитывания воды. Этот суммирующий эффект повышается, по мере удлинения времени контакта гидрогеля с водой. Его развитие является не желательным. Поэтому, в техническом решении гидрогель с водой до внесения в бумажную массу контактирует не более 15 мин. Не более 1-2 мин гидрогель контактирует с бумажной массой на БДМ до процесса сушки. Всего, 15-17 мин, и они обеспечивают положительное сочетание процессов набухания гидрогеля и реакций поверхностных функциональных групп гидрогеля и целлюлозы.

Впитываемость воды (15-20 г Н₂О/г композита), толщина (0,2-0,5 мм) плотность (0,44-0,55 г/м³) и разрывная прочность 18-22 Н обеспечивается сочетанием композиций бумажной массы по вариантам 1,2,3,4 и гидрогеля. Технический эффект заключается в сочетании волокна размолотой целлюлозы или композиции размолотой целлюлозы с неразмолотой целлюлозой и древесной массой образовывать высокопористую пространственную матрицу из длинных с фибриллированной поверхностью, эластичных сульфатных хвойных волокон и коротких жестких сульфатных лиственных и древесномассных волокон, в которую «встраиваются» частицы гидрогеля. В процессе формования листового композита на БДМ последовательное обезвоживание волокнистой матрицы ведет к усилению межволоконного связеобразования и уплотнению структуры матрицы. В силовом поле структуры матрицы распределяются и закрепляются частицы гидрогеля, в конечном итоге, в композите влажностью 10-15 масс.%, концентрация которых находится в пределах 5,0-10,0 масс.%.

Технический результат комплекса решений по изобретению позволил достичь впитываемости воды (15-20 г Н₂О/г композита), толщины (0,15-0,35 мм), плотности (0,45-0,55 г/м³) и разрывной прочности 20-26 Н. Целлюлозогидрогелевый композит является материалом для прямого изготовления из него санитарно-гигиенических впитывающих изделий. Исключаются стадии распушения и внесения суперабсорбирующего материала при его переработке.

Ниже приводятся примеры достигаемых показателей впитываемости воды, толщины, плотности и разрывной прочности по прототипу и заявленному изобретению.

Испытания механических показателей композита проводили ГОСТ ИСО 1924-1-96 и методиках, изложенных в труде [Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона. Учеб. Пособие/В.К.Дубовый [и др.]. СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2006. 230 с].

Способ получения целлюлозогидрогелевого композита по прототипу.

Образец композита изготавливали из сульфатной целлюлозной массы - 98 масс.% и суперабсорбирующего материала - 2,0 масс.%, массой 100 г/м².

Испытания показали результаты: впитывание воды 12 г Н₂О/г композита, плотность 0,3 г/см³, разрывная прочность 10 Н.

Пример 1. Способ получения целлюлозногидрогелевого композита по предложенному изобретению.

Образец композита изготавливали из размолотой сульфатной беленой хвойной целлюлозы (степень помола 18 °ШР, - 95 масс.% и гидрогель - 5,0 масс.%, массой 100 г/м².

Испытания показали результаты: впитывание воды 15 г Н₂О/г композита, толщина - 0,19 мм, плотность 0,55 г/см³, разрывная прочность 26 Н.

Пример 2. Способ получения целлюлозногидрогелевого композита по предложенному изобретению.

Образец композита изготавливали из размолотой сульфатной беленой хвойной целлюлозы (степень помола 22 °ШР) - 50 масс.%, сульфатная беленая лиственная целлюлоза - 45% и гидрогель - 5,0 масс.%, массой 100 г/м².

Испытания показали результаты: впитывание воды 17 г Н₂О/г композита, толщина - 0,21 мм, плотность 0,48 г/см³, разрывная прочность 21 Н.

Пример 3. Способ получения целлюлозногидрогелевого композита по предложенному изобретению.

Образец композита изготавливали из размолотой сульфатной беленой хвойной целлюлозы (степень помола 20 °ШР) - 20 масс.%, сульфатная беленая лиственная целлюлоза - 50 масс.%, термомеханическая беленая древесная масса - 25 масс.% и гидрогель - 5,0 масс.%, массой 100 г/м².

Испытания показали результаты: впитывание воды 18 г Н₂О/г композита, толщина - 0,22 мм, плотность 0,45 г/см³, разрывная прочность 19 Н.

Пример 4. Способ получения целлюлозногидрогелевого композита по предложенному изобретению.

Образец композита изготавливали из размолотой сульфатной беленой хвойной целлюлозы (степень помола 20 °ШР) - 50 масс.%, сульфатная беленая лиственная целлюлоза - 43% и гидрогель - 7,0 масс.%, массой 100 г/м².

Испытания показали результаты: впитывание воды 18 г Н₂О/г композита, толщина - 0,21 мм, плотность 0,50 г/см³, разрывная прочность 22 Н.

Пример 5. Способ получения целлюлозногидрогелевого композита по предложенному изобретению.

Образец композита изготавливали из размолотой сульфатной беленой хвойной целлюлозы (степень помола 20 °ШР) - 20 масс.%, сульфатная беленая лиственная целлюлоза - 50 масс.%, термомеханическая беленая древесная масса - 20 масс.% и гидрогель - 10,0 масс.%, массой 100 г/м².

Испытания показали результаты: впитывание воды 20 г Н₂О/г композита, толщина - 0,30 мм, плотность 0,45 г/см³, разрывная прочность 24 Н.

Как видно из примеров, по сравнению с существующими способами, заявленное изобретение позволяет повысить качество целлюлозогидрогелевого композита.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления целлюлозогидрогелевого композита, включающему операции подготовки целлюлозы и суперабсорбирующего материала, изготовления композита при соотношении целлюлозной массы – 90-95 мас.% и суперабсорбирующего материала – 5-10 мас.%, отличающемуся тем, что используют бумагоделательную технологию, включающую операции подготовки целлюлозной массы и подготовки суперабсорбирующего материала, составления композиции бумажной массы и получения целлюлозогидрогелевого композита на бумагоделательной машине (БДМ), при этом: - подготовка целлюлозной массы заключается в роспуске в воде товарной сульфатной беленой хвойной целлюлозы или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и сульфатной беленой лиственной целлюлозы или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и химикотермомеханической беленой древесной массы или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и сульфатной беленой лиственной целлюлозы и химикотермомеханической беленой древесной массы при концентрации 3-12 мас.%; фибриллирующем размоле сульфатной беленой хвойной целлюлозы до 18-30 °ШР; - подготовка суперабсорбирующего материала, в качестве которого применяется гидрогель (суперабсорбент), заключается в том, что расчетную массу воздушно-сухого порошкообразного гидрогеля с размером частиц 50-300 мкм добавляют в бак с мешалкой и соответствующим объемом с таким расчетом, чтобы получить суспензию гидрогеля 1-10 мас.%, перемешивают и выдерживают, оптимальное время выдержки 10-15 мин; - композицию бумажной массы целлюлозогидрогелевого композита по волокну составляют в композиционном бассейне; в композицию входят: 1) размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза 50-100 мас.% со степенью помола 18-30 °ШР, концентрацией 3-12%; неразмолотая сульфатная беленая лиственная целлюлоза 0-50 мас.%, концентрацией 3-12%, или 2) размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза 70-100 мас.% со степенью помола 18-30 °ШР, концентрацией 3-12%; химикотермомеханическая беленая древесная масса 0-30 мас.%, концентрацией 3-12%, или 3) размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза 20-50 мас.% со степенью помола 18-30 °ШР, концентрацией 3-12%; неразмолотая сульфатная беленая лиственная целлюлоза 0-50 мас.%, концентрацией 3-12%; химикотермомеханическая беленая древесная масса 0-30 мас.%, концентрацией 3-12%, далее масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до концентрации 2,5-3,0 мас.%; - дозирование подготовленного гидрогеля в бумажную массу осуществляют непосредственно в бумажную массу перед смесительным насосом бумажной массы с оборотной водой и подачей ее в напорный ящик БДМ; разбавление массы осуществляется до рабочей концентрации в пределах 0,3-0,7 мас.%; гидрогель дозируется с расчетом 5,0-10,0 мас.% от массы композита; - получение композита осуществляют на БДМ, проходя все процессы бумагоделательной технологии; отлив и обезвоживание целлюлозогидрогелевого композита до сухости 16-18 мас.% происходит в листовой форме на сеточной части БДМ; проходя прессовую часть БДМ, мокрый лист обезвоживается до сухости 40-50 мас.%; далее в сушильной части мокрый лист высушивается до конечной сухости композита 85-90 мас.%; - высушенный композит наматывается в тамбуры и режется в рулоны заданных форматов на перемотно-резательном станке. Настоящее изобретение обеспечивает повышение впитывания воды и водных растворов, повышение механической прочности, уменьшение толщины, увеличение плотности, исключение стадий распушения и внесения суперабсорбирующего материала при последующей переработке композита, и за счет применения бумагоделательной технологии обеспечивает интенсивное поверхностное взаимодействие целлюлозных волокнистых полуфабрикатов (целлюлозы, древесной массы) с суперабсорбирующим материалом с образованием физико-химических и химических связей, формирующих и закрепляющих структуру целлюлозной матрицы с равномерно распределенным суперабсорбентом. 5 пр.

Способ изготовления целлюлозогидрогелевого композита, включающий операции подготовки целлюлозы и суперабсорбирующего материала, изготовления композита при соотношении целлюлозной массы – 90-95 мас.% и суперабсорбирующего материала – 5-10 мас.%, отличающийся тем, что используют бумагоделательную технологию, включающую операции подготовки целлюлозной массы и подготовки суперабсорбирующего материала, составления композиции бумажной массы и получения целлюлозогидрогелевого композита на бумагоделательной машине (БДМ), при этом:

- подготовка целлюлозной массы заключается в роспуске в воде товарной сульфатной беленой хвойной целлюлозы или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и сульфатной беленой лиственной целлюлозы или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и химикотермомеханической беленой древесной массы или сульфатной беленой хвойной целлюлозы и сульфатной беленой лиственной целлюлозы и химикотермомеханической беленой древесной массы при концентрации 3-12 мас.%; фибриллирующем размоле сульфатной беленой хвойной целлюлозы до 18-30 °ШР;

- подготовка суперабсорбирующего материала, в качестве которого применяется гидрогель (суперабсорбент), заключается в том, что расчетную массу воздушно-сухого порошкообразного гидрогеля с размером частиц 50-300 мкм добавляют в бак с мешалкой и соответствующим объемом с таким расчетом, чтобы получить суспензию гидрогеля 1-10 мас.%, перемешивают и выдерживают, оптимальное время выдержки 10-15 мин;

- композицию бумажной массы целлюлозогидрогелевого композита по волокну составляют в композиционном бассейне; в композицию входят:

1) размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза 50-100 мас.% со степенью помола 18-30 °ШР, концентрацией 3-12%; неразмолотая сульфатная беленая лиственная целлюлоза 0-50 мас.%, концентрацией 3-12%, или

2) размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза 70-100 мас.% со степенью помола 18-30 °ШР, концентрацией 3-12%; химикотермомеханическая беленая древесная масса 0-30 мас.%, концентрацией 3-12%, или

3) размолотая сульфатная беленая хвойная целлюлоза 20-50 мас.% со степенью помола 18-30 °ШР, концентрацией 3-12%; неразмолотая сульфатная беленая лиственная целлюлоза 0-50 мас.%, концентрацией 3-12%; химикотермомеханическая беленая древесная масса 0-30 мас.%, концентрацией 3-12%,

далее масса направляется в машинный бассейн, в котором разбавляется до концентрации 2,5-3,0 мас.%;

- дозирование подготовленного гидрогеля в бумажную массу осуществляют непосредственно в бумажную массу перед смесительным насосом бумажной массы с оборотной водой и подачей ее в напорный ящик БДМ; разбавление массы осуществляется до рабочей концентрации в пределах 0,3-0,7 мас.%; гидрогель дозируется с расчетом 5,0-10,0 мас.% от массы композита;

- получение композита осуществляют на БДМ, проходя все процессы бумагоделательной технологии; отлив и обезвоживание целлюлозогидрогелевого композита до сухости 16-18 мас.% происходит в листовой форме на сеточной части БДМ; проходя прессовую часть БДМ, мокрый лист обезвоживается до сухости 40-50 мас.%; далее в сушильной части мокрый лист высушивается до конечной сухости композита 85-90 мас.%;

- высушенный композит наматывается в тамбуры и режется в рулоны заданных форматов на перемотно-резательном станке.