使包含微原纤化纤维素的幅材脱水的方法和由经脱水的幅材生产的膜

技术领域

本发明涉及一种使包含微原纤化纤维素的纤维质幅材脱水的方法和由经脱水的幅材生产的包含微原纤化纤维素的膜。

背景技术

已知包含微原纤化纤维素(MFC)的膜具有良好的强度和氧气阻隔性质。这例如由Syverud在“Strength and barrier properties of MFC films”,Cellulose 2009 16:75-85中描述，其中生产了基重在15至30gsm之间的MFC膜，并且研究了强度和阻隔性质。

在MFC膜的生产期间，由于微原纤化纤维素的特性性质，不容易脱水和以高速度生产膜。当使用MFC膜(例如，用作阻隔物)时，至关重要的是，膜没有任何会负面影响阻隔性质的针孔或其他缺陷。因此，重要的是MFC膜的表面是光滑的。

湿法成网技术可用于生产MFC膜，即在丝网上使包含所述MFC的配料脱水。但是，通过湿法成网技术难以以良好的阻隔性质和以高生产速度生产MFC膜。容易获得会负面影响膜的阻隔和光学性质的金属丝网痕迹。此外，当使用金属丝网时，难以获得存在于配料中的小原纤维的良好的保留。

也可通过使用膜流延方法(即在塑料或金属表面上流延膜，然后缓慢干燥膜)来产生光滑的MFC膜。流延方法已经显示出生产具有拥有良好的阻隔性质的非常光滑的表面的MFC膜。然而，该方法太慢并且对于商业规模的生产而言效率低下。

因此，需要一种新方法来使包含微原纤化纤维素的悬浮液脱水并且以高生产速度生产具有良好阻隔性质的MFC膜。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种以有效的方式脱水和生产包含微原纤化纤维素的膜，而不会负面影响膜的阻隔性质的方法，该方法进一步消除或减轻了现有技术方法的至少一些缺点。

本发明由所附的独立权利要求限定。实施方案在所附从属权利要求和以下描述中阐述。

本发明涉及一种使包含微原纤化纤维素的幅材脱水的方法，其中该方法包括以下步骤：提供包含基于总干重计的在50重量％至100重量％之间的微原纤化纤维素的悬浮液，在载体上形成所述悬浮液的纤维质幅材，其中所述幅材的干含量为1-25重量％，施加脱水毡与纤维质幅材直接接触，引导布置在所述脱水毡和所述基底之间的所述纤维质幅材通过压制设备，以及干燥经脱水的幅材以形成具有良好阻隔性质的膜。已经发现可通过在引导包含高量的微原纤化纤维素的幅材通过压制设备之前施加脱水毡与幅材接触而使包含高量的微原纤化纤维素的幅材脱水。以此方式，可以有效的方式使幅材脱水，这导致脱水速度可得以提高，同时所生产的膜将具有良好的阻隔性质。

压制设备优选地包括延伸的压区。压制设备优选为带式压制机。纤维质幅材优选在带式压制机中以带式压制机的辊直径的至少20％的距离进行处理。通过使用延伸的压区，优选带式压制机，发现可以改进的方式使幅材脱水，从而能够提高脱水过程的生产速度。

脱水毡优选在被引导通过压制设备之前至少20cm被施加至纤维质幅材。通过在被引导通过压制设备之前至少20cm的距离处施加脱水毡与纤维质幅材直接接触，显示出幅材的脱水得以改进。可增加压制设备中使用的压力并且提高脱水过程的速度。

压制设备中使用的压力优选在1至100bar之间，优选在2至70bar之间，或甚至更优选在5至50bar之间。优选的是在压制设备中的处理期间逐渐增加压制设备中使用的压力。通过逐渐地或逐步地增加压制设备中的压力，幅材的脱水得以改进，即，可生产具有更高干含量的幅材而不破坏阻隔性质。

载体优选为金属载体。在将幅材施加至载体之前，优选将金属载体加热至在30至150℃之间的温度。纤维质幅材优选通过流延涂覆形成。

载体也可为多孔丝网。因此可在造纸机或纸板(制造)机中使用丝网。

在压制设备中脱水后，纤维质幅材的干含量优选为15-50重量％。

悬浮液的微原纤化纤维素优选具有高于90的Schopper-Riegler(SR)值。

幅材优选以至少50m/min的速度被引导通过压制设备。因此，可以相当高的速度使幅材脱水，并且仍然能够生产具有高干含量的幅材，并且其可被其进一步干燥以生产具有非常好的阻隔性质的膜。

该方法优选进一步包括干燥经脱水的幅材以形成膜的步骤。经脱水的幅材优选通过任何已知的方法进一步干燥以生产具有良好阻隔性质的膜。

纤维质幅材优选在将脱水毡施加至接触之前被加热。以此方式，纤维质幅材的温度和固体含量增加，这进一步改进了纤维质幅材的随后的脱水。

根据上述方法生产的膜优选具有低于40gsm、优选低于30gsm的克重和高于700kg/cm

具体实施方式

已经出人意料地发现可通过施加脱水毡与包含MFC的幅材直接接触随后引导包含MFC的幅材至压制设备而以改进的方式使包含MFC的幅材脱水。将脱水毡施加至与纤维质幅材直接接触，并且布置在所述脱水毡和所述基底之间的所述纤维质幅材被引导通过压制设备。通过根据本发明的方法，可以良好且非常有效的方式使幅材脱水，并且仍然能够由经脱水的纤维质幅材生产膜，其具有良好阻隔性质。出人意料地发现，使用脱水毡随后在压制设备中进行处理，使得可以提高的生产速度使包含高量的MFC的纤维质幅材脱水，而不会使幅材或所生产的膜的阻隔性质劣化。使包含高量的MFC的纤维质幅材脱水是为了生产具有良好阻隔性质的膜(即生产具有有限量的会影响产品的阻隔性质的针孔或其他不规则物的产品)的最具挑战性的工艺步骤之一。因此，重要的是以良好的方式完成脱水以避免不良的阻隔性质。因此，一直非常难以能够提高包含高量的微原纤化纤维素的幅材的脱水步骤的生产速度，而又不使阻隔性质劣化。

悬浮液包含基于总干重计的在50重量％至100重量％之间的微原纤化纤维素，优选在70重量％至100重量％之间。因此，由经脱水的纤维质幅材生产的膜包含高量的MFC，优选在70至100重量％之间的MFC，这涉及在添加最终涂层之前的膜本身中的MFC的量。

脱水毡意指这样的毡，其是可渗透的并且允许通过吸收水或通过允许水透过该毡而被除去而从幅材除去水。如今，脱水毡经常用于使纸或纸板幅材脱水。可使用任何已知的脱水毡。

可优选使用多于一个脱水毡、优选两个脱水毡。优选的是使用具有低克重和低水渗透性的第一脱水毡，其将防止细粒渗透通过该毡，并且使用具有高水吸收性质的第二脱水毡。

脱水毡优选在被引导通过压制设备之前至少20cm被施加至纤维质幅材，即与纤维质幅材直接接触。优选的是在纤维质幅材被引导通过压制设备之前在20cm至5米之间、甚至更优选在50cm至3米之间的距离处将脱水毡施加至纤维质幅材。优选的是，在被引导通过压制设备之前，当施加至纤维质幅材时，在毡上不使用外部压力。可将载体、纤维质幅材和脱水毡围绕辊缠绕，并且以此方式产生小的脱水压力，但是重要的是不使用太高的压力和不可使用通过使用压区辊(一个或多个)施加的压力。出人意料地发现，通过在一定距离处结合使用脱水毡然后在压制设备中提高脱水，可在微原纤化纤维素的原纤维不移动到脱水毡中并造成毡的堵塞的情况下使幅材脱水。

优选将一个或多个毡在被引导通过压制设备并且与经脱水的幅材分离之后进行清洁和脱水。

压制设备意指形成压区的设备，纤维质幅材被引导通过该压区并且因此被压制和脱水。压制设备优选地包括延伸的压区，并且优选的是压制设备是带式压制机。带式压制机包括金属带和辊，并且通过在金属带和辊之间施加幅材来完成幅材的脱水。可优选的是，通过以带式压制机的辊直径的至少20％的距离在带式压制机中处理纤维质幅材来增加压区的长度。已经发现，可增加纤维质幅材的脱水的压区长度，并且仍然能够提高脱水速度而不会使由幅材生产的膜的阻隔性质劣化。压制设备可包括多于一个压区。

压制设备中使用的压力优选在1至100bar之间，优选在2至70bar之间，优选在5至50bar之间，优选在5至30bar之间，甚至更优选在5至20bar之间并且甚至更优选在10至20bar之间。可优选的是逐渐增加压制设备中的压力。优选的是在压制设备的开始(启动)时使用在5至10bar之间的压力，并且逐渐将压力增加至10-15bar，并且此后任选地将压力进一步增加至20-25bar，并且任选地将压力增加至30-40bar，随后任选地将压力增加至50-70bar。可在相同的压力压区中，例如在延伸的压区中完成增加的压力，或者压制设备可包括多于一个压区。

将所形成的纤维质幅材施加至载体，纤维质幅材在该载体上被引导通过压制设备。重要的是，以形成均质的纤维质幅材的方式将悬浮液施加至载体，意味着纤维质幅材应尽可能均匀并且厚度尽可能均匀等。

纤维质幅材优选通过将悬浮液流延涂覆至聚合物或金属基底而形成。出人意料地发现，通过根据本发明的脱水方法，可增加在基底上的流延涂覆的悬浮液的脱水。因此，本发明使得可通过使用流延涂覆以高速度生产光滑和良好的阻隔性质的膜。载体优选为金属载体，即载体由金属制成。在将幅材施加至载体之前，优选将金属载体加热至高于30℃、优选在30至150℃之间、优选在45至150℃之间、甚至更优选在60至100℃之间的温度。已经发现，通过提高带的温度并因此提高所施加的幅材上的温度，可进一步提高压制设备中的幅材的脱水的效率。

载体可为多孔丝网，优选造纸机或纸板机中的丝网。因此可在造纸机或纸板机的湿部中应用该方法。造纸机或纸板机意指本领域技术人员已知的用于制造纸、纸板、纸巾或任何类似产品的任何类型的纸制造机。

载体也可为纸或纸板产品。通过本发明，可通过施加根据本发明的具有微原纤化纤维素的层来生产多层纸或纸板产品。

在压制设备中脱水后的纤维质幅材的干含量优选在15至50重量％之间。

悬浮液的微原纤化纤维素优选具有高于90、优选高于95的Schopper-Riegler(SR)值。因此，悬浮液具有精细级MFC品质，其通常非常难以脱水。

幅材优选以至少50m/min、优选高于100m/min并且甚至更优选高于200m/min的速度被引导通过压制设备。通过本发明，发现可提高用于使包含高量的MFC的纤维质幅材脱水的生产速度。因此，由于脱水通常是生产具有良好阻隔性质的MFC膜的最具挑战性的工艺步骤，所以整个膜的生产速度也可得以提高并且其使得可以更成本有效的方式生产MFC膜。

纤维质幅材优选在将脱水毡施加至接触之前被加热。以此方式，纤维质幅材的温度和固体含量提高，这进一步改进了纤维质幅材的随后的脱水。可使用任何已知方式施加增加的热量。纤维质幅材优选加热至在高于40℃之间、优选在50至95℃之间的温度。

本发明进一步涉及一种生产膜方法，其中该方法包括以下步骤；提供包含基于总干重计的在50重量％至100重量％之间的微原纤化纤维素、优选在70重量％至100重量％之间的MFC的悬浮液，形成所述悬浮液的纤维质幅材，其中所述幅材的干含量为1-25重量％，施加脱水毡与纤维质幅材直接接触，引导布置在所述脱水毡和所述基底之间的所述纤维质幅材通过压制设备以形成经脱水的幅材，以及干燥所述幅材以形成膜。

在压制设备中脱水后，经脱水的纤维质幅材的干含量优选为15-50重量％。之后可进一步处理所形成的经脱水的幅材以形成膜。经脱水的幅材可以任何常规方式干燥或进一步脱水，例如，通过另外的压制或常规的筒式干燥，通过使用真空和/或通过使用热空气，以使其具有适当的干含量。膜优选具有高于95重量％的干含量。也可以本领域技术人员已知的任何方式对经脱水的幅材进行处理，以生产膜，例如压延。

膜意指具有良好的气体、香气或油脂或油阻隔性质、优选氧气阻隔性质的薄基底。膜优选具有小于40g/m

除了MFC之外，膜还可包括较长的纤维素纤维，无论是硬木或软木纤维，优选牛皮纸浆软木纤维。可优选的是，膜包含MFC的混合物，其具有高于90的SR值并且具有SR值在60至90之间的更粗糙的MFC级。膜还可包含其他添加剂，例如颜料、羧甲基纤维(CMC)、保留化学物质、淀粉等。膜可包含矿物质，例如粘土并且优选膨润土。可优选的是膜包含10-50重量％的膨润土。通过增加膜的膨润土含量，发现可增加幅材的干含量。

通过本发明，可生产包含微原纤化纤维素的膜，其优选具有低于40gsm、优选低于30gsm的克重和高于700kg/cm

在本专利申请的上下文中，微原纤化纤维素(MFC)应意指至少一个维度小于100nm的纳米尺度的纤维素颗粒纤维或原纤维。MFC包括部分或完全原纤化的纤维素或木质纤维素纤维。释放的原纤维的直径小于100nm，而实际的原纤维直径或粒度分布和/或纵横比(长度/宽度)取决于来源和制造方法。最小的原纤维被称为基础原纤维(初级原纤维)并且直径约为2-4nm(参见例如Chinga-Carrasco,G.,Cellulose fibres,nanofibrils andmicrofibrils,:The morphological sequence of MFC components from a plantphysiology and fibre technology point of view,Nanoscale research letters2011,6:417)，而常见的是聚集形式的基础原纤维(其也被定义为微原纤维)(Fengel,D.,Ultrastructural behavior of cell wall polysaccharides,Tappi J.,1970年3月,53卷,No.3.)是在制造MFC(例如通过使用延长的精磨过程或压降分解过程)时获得的主要产品。取决于来源和制造方法，原纤维的长度可在约1至大于10微米内变化。粗MFC级可含有相当大部分的原纤化纤维，即来自管胞(纤维素纤维)的突出原纤维，以及一定量的从管胞(纤维素纤维)释放的原纤维。

MFC有不同的首字母缩略词，例如纤维素微原纤维、原纤化纤维素、纳米纤维素、纳米原纤化纤维素、原纤维聚集体、纳米级纤维素原纤维、纤维素纳米纤维、纤维素纳米原纤维、纤维素微纤维、纤维素原纤维、微原纤状纤维素、微原纤维聚集体和纤维素微原纤维聚集体。MFC的特征还可在于各种物理或物理化学性质，例如大的表面积或其在分散在水中时在低固体(1-5重量％)下形成凝胶状材料的能力。纤维素纤维优选原纤化至这样的程度，即，使得所形成的MFC的最终比表面积为约1至约200m2/g，或更优选50-200m2/g，用BET方法对冷冻干燥的材料进行测定。

存在制造MFC的各种方法，例如单次或多次精磨，预水解然后是精磨或高剪切分解或原纤维的释放。通常需要一个或若干个预处理步骤，以使MFC制造既节能又可持续。因此，待供应的纸浆的纤维素纤维可进行酶法或化学预处理，例如以水解或溶胀纤维或降低半纤维素或木质素的量。纤维素纤维可在原纤化之前进行化学改性，其中纤维素分子含有除了在原始纤维素中所发现的之外(或更多)的官能团。这些基团尤其包括羧甲基(CMC)、醛和/或羧基(通过N-氧基介导的氧化获得的纤维素，例如“TEMPO”)或季铵(阳离子纤维素)。在以上述方法之一进行改性或氧化后，更容易将纤维分解成MFC或纳米原纤状尺寸或NFC。

纳米原纤状纤维素可含有一些半纤维素；量取决于植物来源。经预处理的纤维例如水解的、预溶胀的或氧化的纤维素原料的机械分解用合适的设备进行，例如精磨机，研磨机，均化器，胶体排出装置(colloider)，摩擦研磨机，超声波超声仪，流化器如微流化器、宏观流化器或流化剂型均化器。取决于MFC制造方法，产品还可含有细粒或纳米结晶纤维素或例如在木质纤维或造纸过程中存在的其他化学品。该产品还可含有各种量的未被有效地原纤化的微米尺寸的纤维颗粒。

MFC由木质纤维素纤维制备，包括硬木或软木纤维两者。其还可由微生物来源、农业纤维如麦草浆、竹子、甘蔗渣或其他非木质纤维来源制成。其优选由纸浆制成，包括来自原始纤维的纸浆，例如，机械、化学和/或热机械纸浆。其还可由损纸或再生纸制成。

根据本发明的MFC膜可用作包装干食品(例如谷物)时的盒子中的袋、用作包装基底、用作纸、纸板或塑料中的层压材料和/或用作一次性电子产品的基底。

将包含87％的MFC和13％的山梨糖醇的悬浮液流延涂覆到金属载体上以形成幅材。流延期间的悬浮液的固体含量为3％。

通过施加脱水毡与幅材接触而在载体上干燥幅材来生产根据本发明的样品(样品1)。当施加毡时，幅材的固体含量为5.5％。然后将幅材和脱水毡引导通过压制设备，其中施加62bar的压力并且脱水后的幅材的固体含量为44％。施加通过冲击(impingement)干燥进行的另外的干燥以干燥所形成的膜。

通过将载体放置在加热的金属块上而施加热量而在金属载体上干燥所形成的幅材来生产样品(样品2)作为对比例。

根据ASTM D-3985测量来自样品1和样品2的膜的OTR值，结果显示在表1中。

表1：膜的阻隔性质的结果

从表1中的结果可以看出，可使用脱水毡和施加压力以减少大量的水，并且仍然能够生产具有良好阻隔性质的膜。

鉴于以上对本发明的详细描述，对于本领域技术人员而言，其他修改和变化将变得显而易见。然而，应该显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可实现这样的其他修改和变化。