[发明专利]生产微晶纤维素的方法

说明书

发明领域

本发明涉及通过纤维状纤维素材料的酸水解以高收率制备微晶纤维素的方法。

发明背景

微晶纤维素（也称作例如达到平衡聚合度(Level-off DP)的纤维素和微结晶纤维素）在许多工业应用中，例如在食品、药物、化妆品、纸和纸板以及许多其它应用中是通用产品。微晶纤维素也可用于生产微晶纤维素的衍生物，例如粘胶纤维素、CMC、纳米纤维素和各种复合产品。

在专利文献中已提出了用于生产微晶纤维素的若干方法。

US 2 978 446描述了通过酸水解和机械处理生产达到平衡聚合度（DP，degree of polymerization）的纤维素。利用在2.5标称盐酸(HCl)中煮沸使纤维素水解。因此酸浓度为9%，温度为约105℃。没有规定纸浆的浓度和所加入的酸的量。所述方法需要后续在水性介质中进行酸水解机械解聚。显而易见高用量的酸和大量机械处理已阻碍了任何合理的生产经济性的发展。

US 3 278 519描述了通过在105℃下用2.5标称HCl或在250°F(121℃)下用0.5%HCl使纤维素水解生产达到平衡聚合度的纤维素的类似方法。没有规定纸浆的浓度和所加入的酸的量。该专利还描述了强烈(harsh)耗能的机械处理。

US 3954727公开了通过在120-160℃的温度下用稀硫酸使纤维素水解生产微结晶纤维素的方法。将纤维素加入到其中的稀硫酸具有1%的浓度并且纤维素-酸物质具有5%的浓度。因此，纸浆的浓度低而因此加热要求高并且基于纤维素干重计的酸的量变得高。这使得所述方法花费高且复杂。

US 7 037 405描述了一种方法，在该方法中使原纸浆材料与酸接触并在提高的温度下加热然后进行机械处理。提及的合适的酸浓度为混合物的1-5%，合适的纸浆浓度为3-50%，合适的温度范围为80-120℃，合适的反应时间为30分钟-4小时。在酸水解后对纸浆混合物进行机械处理以使纤维解聚。优选地，机械解聚处理步骤将结晶纤维素颗粒剪切成约1-10微米尺寸的微米大小。US 7 037 405的方法遭受到复杂的生产工艺。在酸水解后需要机械解聚步骤。在生产中该阶段需要高花费的精磨单元和5-100kWh/吨的高精磨能量。

US 6 228 213公开了通过将酸溶液加入到纤维素中并将纤维素和酸溶液给进通过挤出机来生产微结晶纤维素的方法，其中使所述纤维素经受酸水解并形成微结晶纤维素。在水解期间挤出机机筒的温度为80-200℃。由于挤出机的温度和挤出机的模头或螺杆产生的压力，纤维素在挤出机中熔融，这允许纤维素和酸之间进行更密切的接触。挤出机螺杆的压缩比为1.5:1和3:1，优选约3:1。挤出机的缺点是它们昂贵，维护成本相当高，并且它们需要高的机械能量输入，通过估算为每吨干燥纤维素至少100kWh，典型地至少150kWh（加热能量输入除外）。

US 5 543 511描述了在100-200℃下用氧气和/或二氧化碳使用部分水解生产达到平衡聚合度的纤维素。

US 4 427 778描述了通过酶水解生产达到平衡聚合度的纤维素。

酸水解还广泛地用于溶解纸浆生产，例如在酸性亚硫酸氢盐煮解中，以及作为预水解步骤用于Kraft方法。在例如Rydholm,S.E.,Pulping Processes，649-672页中描述了酸性亚硫酸氢盐煮解。US 5589 033描述了对于软木材在100-160℃下，对于硬木材在120-180℃下10-200分钟的含木质素的纤维素材料（即木材碎片）的预水解Kraft方法。中和与碱性硫酸盐煮解接着预水解步骤。最终产品是具有高α纤维素纯度并且可用作溶解纸浆的纸浆。溶解纸浆具有的纤维状结构具有典型的0.5mm-2.5mm的纤维长度，这取决于木材原料。因此，物理尺寸比微晶纤维素长得多。

在现有技术微晶纤维素制造方法中使用按纤维素干重计算的高量的化学物质例如酸。

鉴于上述用于生产微晶纤维素的方法，存在甚至更有效且经济的方法的需要。

发明概述

根据本发明，出人意料地发现可由纤维状纤维素材料通过在至少8%的高浓度和小于140℃的温度下弱酸(mild acid)水解以高收率生产具有相当窄的粒径分布的微晶纤维素。粒径分布可容易地通过改变弱酸水解的条件加以控制。

附图简要描述

图1显示了在120℃和1.5%的酸用量下根据本发明生产的微晶纤维素的粒径分布曲线。

发明详述