納米原纖化多糖的混合干燥的制作方法
【技術領域】
[0001]本文涉及對納米原纖化多糖的含水懸浮液進行干燥以獲得基本上干的納米原纖化多糖產物的方法。更具體地說，本公開內容涉及通過這樣的方法獲得的納米原纖化多糖產物及其用途。
【背景技術】
[0002]納米原纖化多糖(例如微原纖化纖維素)具有很多的最終用途，例如在食品、復合物、紙張、油漆、塑料、化妝品、以及醫藥制品中，其中，如果能夠以干燥形式對納米原纖化多糖進行配料將更好，從而保留了濕的納米原纖化多糖的原始性質。
[0003]復合物中所加入和使用的微原纖化纖維素典型地為干燥形式。
[0004]當復合物中使用微原纖化纖維素時，應當確保微原纖明顯地彼此分開且微原纖非常良好地分散在基體上。
[0005]微原纖化纖維素在水中的低固含量分散體通常為具有假塑性或觸變粘度性質的凝膠，因為所述原纖非常良好地分散在基體(水)中。然而，當干燥時，微原纖化纖維素的性質發生劇烈改變。取決于干燥的嚴格程度(severity)，它的分散性、水合性及流變性消失或者至少顯著地降低或改變。典型地，在干燥之后，微小及納米的原纖結合在一起，而且，存在基本上不太分離的微小或納米的原纖，這因而影響了特性性質，例如，其由如下定義:經由納米原纖化纖維素的差異分析能夠發現高度納米原纖化的纖維素。
[0006]當前通常使用的用于干燥MFC或納米原纖化多糖的常規干燥技術例如為噴霧干燥和冷凍干燥。冷凍干燥產生了在保持原始性質方面及再分散性方面品質最佳的MFC。然而，操作費用和投資費用這兩者均很高且該工藝可能難以按比例放大至工業處理。噴霧干燥(其能夠相當容易地按比例放大)具有高的操作費用，而且，在該工藝期間，還傾向于發生原纖的角質化。
[0007]術語“角質化”是指聚合物結構體的變硬，當木質纖維素材料干燥或者以其它方式脫水時，其發生于木質纖維素材料中。由于在干燥時木漿纖維中的結構變化，內部纖維發生收縮。經常地，所述纖維需要重新潤濕、或者重新懸浮于水中以用于實際應用，而且，由于這些結構變化，無法重新得到原始性質(即，處于具有假塑性或觸變粘度的凝膠形式)。根據紙漿或木漿的這些與水合或溶脹有關的物理性質(例如破裂或拉伸性質)，可確定角質化的影響° (Hornificat1n-1ts origin and interpretat1n in wood pulps, J.Μ.B.Fernandes Diniz, Μ.H.Gil, J.A.A.M.Castro, Wood Sci Technol 37(2004) 489-494) o
[0008]在關于干燥和重新潤濕后的紙漿溶脹以及角質化現象的文章(例如LeCompteT.R.(1931), Papier(34),第 1193 頁,Jayme, G.(1944) Papier-Fabr (42),第 187頁,Lyne, L.M., Gallay, W.(1954)Measurements of wet web strength, Tappi Journal37(12):694-697, Higgins, H.G., McKenzie, A.ff.(1963)The structure and properties ofpaper XIV:Effects of drying on cellulose fibers and the problem of maintainingpulp strength)中，存在這樣的建議:如果以使得纖維不在干燥期間粘在一起的方式干燥紙漿，則紙漿可發生較小的角質化。根據Lyne和Gallay (1950)，紙漿沸騰期間的強烈攪拌使脫水影響無效，而且，機械作用防止了否則將會發生的在溶脹方面的大程度的損失。
[0009]然而，對于紙漿和紙張制造者來說，在例如劇烈攪拌下對纖維進行干燥是不切實際的。
[0010]原纖化纖維素的噴霧干燥描述于例如W02011/139749A2中。在干燥裝置的干燥室中，使納米原纖(NFC)(其被看作是MFC類型)的含水懸浮液霧化。干燥氣體(例如環境空氣)可用作輔助物，以使所述懸浮液中所存在的水蒸發，產生作為產物的干燥NFC。該教導甚至包括在霧化步驟之前使用硅酸鈉涂覆NFC顆粒。
[0011]W02011/095335A1描述了這樣的方法，其中，通過纖維素纖維以及能夠與液態CO2溶混的液體的懸浮液的去原纖化形成MFC，然后，以液態CO2替代懸浮液中的所述液體，并最終通過蒸發除去CO2以產生干的MFC。該方法據稱克服了普通的烘箱干燥和冷凍干燥方法中所遇到的MFC劣化問題。
[0012]對于在不損失重要的再分散性的情況下更簡單地實施且產生干燥MFC復合材料的干燥包含納米原纖化多糖的復合物的改善方法仍存在空間，這是因為，如果在干燥期間發生強的角質化或聚集，則無法獲得纖維素原纖或原纖化聚集體的有益性質。因此，優選的是，當分散于水性體系、其它溶劑或例如聚合物型基體中時，經干燥的復合物保持其特性。此外，必須找到防止角質化且不必使用可能影響最終組合物性質的化學添加劑的解決方案。
【發明內容】
[0013]本公開內容的一個目標是提供一種對微原纖化纖維素進行干燥的經改善的或替代性的方法，該方法消除或減輕了現有技術中的至少一些缺點。
[0014]本發明由獨立權利要求限定。在附加的從屬權利要求以及下面的說明書和附圖中闡述了各實施方案。
[0015]根據第一個方面，提供了用于干燥納米原纖化多糖以獲得基本上干的納米原纖化多糖產物的方法，包括以下步驟:
[0016](i)提供納米原纖化多糖的含水懸浮液；
[0017](ii)提高所述懸浮液的固含量，從而形成高固含量的微原纖化纖維素的懸浮液；和
[0018](iii)通過同時進行的加熱和混合操作，干燥所述高固含量的微原纖化纖維素的懸浮液。
[0019]“納米原纖化多糖(NFP)的含水懸浮液”是指懸浮液的固含量為0.01重量％ -25重量％。該在水中的懸浮液或分散體可具有凝膠形式。所述懸浮液還可包含有助于再分散性的功能性添加劑，但所述功能性添加劑還可具有另外的功能，例如，提供光學效果或者在聚合物中的改善的配混性。
[0020]術語“納米原纖化多糖”包括納米纖維狀的多糖、微小或納米的原纖化纖維素(MFC/NFC)、微小或納米的結晶纖維素(MCC/NCC)、再生纖維素、纖維素晶須、由多糖例如淀粉紡成的納米纖維、纖維素納米顆粒、多孔纖維素顆粒、淀粉原纖、或者它們的混合物或者與標準的紙漿或纖維或者與無機或有機合成纖維的混合物。還可使用例如一個或若干個聚合物層對所述納米原纖化聚合物進行表面改性。
[0021]“基本上干的NFP產物”是指NFP產物中的含水量降低至這樣的水平，在該水平下，所述產物可具有粉末形式但仍適于再分散在溶劑例如水中。因而，所述產物的固含量可為50-99 重量％。
[0022]通過該方法，實現了在不導致干燥和重新潤濕后的紙漿溶脹以及微原纖的角質化問題的情況下干燥NFP的途徑。進一步提供了以能量有效的方式干燥NFP的途徑。
[0023]可通過蒸發或者使用共溶劑例如乙醇或異丙醇進行移除水的混合操作。所述共溶劑可在混合和加熱操作期間再循環。
[0024]所述混合操作還提供了這樣的微原纖，它們明顯地彼此分開且微原纖非常良好地分散在基體中，這一般通過用于制造例如MFC的方法的精制或均化步驟實現。
[0025]根據所述第一個方面的一個備選方案，所述固含量可在步驟(ii)中提高至>15重量％、或者>20重量％、或者>25重量％、或者>30重量％。
[0026]該固含量是基于NFP-水的比率，但是，在某些情況下，可包含其它物質，在這樣的情況下，固含量可甚至更高。
[0027]根據另一實施方案，步驟(iii)可包括研磨操作。
[0028]可在PVC混合器中或者通過其中將機械能轉化成懸浮液中的熱量從而導致水蒸發的任何類似的方法(例如高速混合器)實施所述研磨操作。可選擇地，一部分所述能量可用于提供原纖化或者切斷纖維。由于懸浮液的固含量或干物質含量在混合的開始時相對地高，因此，剪切力以及懸浮液中導致的摩擦變得更大，從而導致升高的溫度。在大于15-20重量％的固含量下，NFP溶液是粘性的，從而導致更大的摩擦。
[0029]步驟(ii)可進一步包括離心力操作、擠壓操作和脫水操作中的任一種。
[0030]所述脫水操作可包括電滲操作或電場感應脫水、電場流動分餾，而且，所述擠壓操作可包括濕法擠壓操作。
[0031]根據所述第一個方面的一個備選方案，在步驟(iii)時，懸浮液的溫度可為75-99 °C、優選為約 80-85 °C。
[0032]使所述溫度如此地保持為相對低，這在以下兩個方面是有利的:消耗較少的能量；而且，由于角質化傾向于在較高的溫度下發生，因此，可降低對微原纖角質化的影響。可能的是:更重要地是將在接近(towards)干燥過程終點時的溫度控制或保持在低的水平以防止原纖的角質化，而且，在該過程的開始時(即，當固含量仍相對低時)的溫度可高于所述優選溫度范圍。可主要地經由通過混合操作提供給懸浮液的機械能來產生該溫度的升高。
[0033]根據可選擇的實施方案，可進一步地將所述懸浮液從大約室溫加熱至75_99°C。
[0034]根據一個可選擇的實施方案，在步驟(iii)中或者在步驟(iii)時，所述懸浮液的溫度可為40-50°C，這是足以發生干燥的溫度。這意味著，對于干燥來說，由混合操作本身導致的熱量可為足夠的。
[0035]根據所述第一個方面的方法的一個實施方案，可進一步在步驟(iii)中提供同時進行加熱和混合的操作。這意味著，在步驟(iii)中，除了在混合操作過程中導致的熱量以夕卜，可對所述懸浮液進行主動加熱。該“主動加熱”可例如用在混合操作的開始時以實現較高的起始溫度以及因此實現更有效的干燥。根據另一實施方案，可使該加熱操作與后續的冷卻操作組合以確保當固含量提高(即，接近干燥過程終點)時的懸浮液的最佳溫度，以便防止發生任何角質化或其它有害的結構變化。
[0036]根據所述第一個方面的另一實施方案，可在真空下進行步驟(iii)。
[0037]通過引入真空、或者在真空下進行干燥步驟，還可能降低所需的能量以及干燥溫度這兩者，這可導致微原纖的角質化的進一步降低。如果引入真空的話，由提供給懸浮液的機械能產生的熱量可比在常壓下的低。
[0038]根據本發明的第一個方面的一個備選方案，納米原纖化多糖可為納米原纖化纖維素或微原纖化纖維素。
[0039]納米或微原纖化纖維素可如下獲得:經由常規方法，例如