МОДИФИЦИРОВАННОЕ ВОЛОКНО ИЗ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ЛИСТОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ
MODIFIED FIBER FROM CRUSHED PLANE CELLULOSE, METHODS AND SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к способам и системам для формирования модифицированного волокна, в частности для формирования целлюлозных волокон с внутриволоконной сшивкой, из листовой целлюлозы и/или фрагментов листовой целлюлозы.
Уровень техники
[0002] В поглощающих продуктах традиционно применяют целлюлозные волокна, получаемые из южной сосны и других хвойных пород древесины, во многом благодаря тому, что морфология таких волокон обеспечивает хорошие абсорбционные характеристики при эксплуатации. По сравнению с волокнами древесины лиственных пород волокна древесины южной сосны и других хвойных пород в большинстве случаев бывают более длинными (например, имеют средневзвешенную длину волокон приблизительно 2,5 мм) и более грубыми (например, имеют грубость волокон, превышающую приблизительно 20 мг/100 м), и образуют прокладки низкой плотности с достаточным объемом пустот, чтобы удерживать количество жидкости, в несколько раз превышающее их вес. С другой стороны, волокна лиственных пород древесины известны своими эксплуатационными характеристиками при применении в областях, связанных с бумагой, где более короткая длина волокон (например, приблизительно 1 мм) и более низкая грубость волокон (например, менее приблизительно 20 мг/100 м) обеспечивают плотную структуру и гладкую поверхность бумаги.
[0003] Сшитые целлюлозные волокна обычно получают путем нанесения на сухой лист или рулон традиционных целлюлозных волокон древесины хвойных пород сшивающего агента, обычно в виде раствора низкой концентрации, чтобы обеспечить импрегнирование листа химическими веществами, с последующим волокнообразованием по мокрому методу в молотковой дробилке с образованием обработанных, индивидуализированных (распушенных) целлюлозных волокон. Затем такие волокна сушат, например, в сушилке испарительного типа и отверждают, например, в термокамере. Полученные волокна проявляют склонность к внутриволоконной сшивке, при которой сшиваются молекулы целлюлозы в целлюлозном волокне. Внутриволоконная сшивка обычно придает целлюлозному волокну скрученность и извитость, и также придает волокну пухлость - свойства, которые являются предпочтительными в некоторых поглощающих продуктах.
[0004] Одним из недостатков такого способа являются высокие капитальные затраты на процесс производства, а также высокие затраты энергии в связи с сушкой волокна перед отверждением. Другим недостатком является то, что мокрое измельчение в молотковой дробилке может вызывать накопление волокон и химических веществ в обычных условиях нагревания и больших потоков воздуха в дробилке. Кроме того, мокрое измельчение в молотковой дробилке приводит к нежелательным признакам, таким как узелковые утолщения, которые представляют собой скопления нераспушенных волокон или куски исходной листовой целлюлозы. Обычно при повышении производительности производства количество узелковых утолщений также повышается, тогда как эффективность измельчения в молотковой дробилке уменьшается.
Сущность изобретения
[0005] В настоящем документе раскрыты различные варианты осуществления способов формирования продуктов из сшитой целлюлозы, а также описаны продукты из сшитой целлюлозы, формируемые посредством таких способов. Продукты могут включать в себя, например, индивидуализированные (распушенные) сшитые целлюлозные волокна, а также маты, прокладки, листы, полотна и т.п., обычно изготавливаемые из индивидуализированных (распушенных) сшитых целлюлозных волокон.
[0006] В одном из аспектов настоящее изобретение обеспечивает способы формирования продуктов из сшитой целлюлозы, которые включают в себя смешивание сшивающего агента с фрагментами мата из целлюлозных волокон, сформированного из целлюлозных волокон, скрепленных водородными связями, с высоким содержанием сухого вещества, то есть содержание сухого вещества составляет, по меньшей мере, приблизительно 45% и приблизительно не более 95%. Чтобы обеспечить требуемый уровень сшивания, к целлюлозным волокнам добавляют сшивающий агент в подходящем количестве в расчете на содержание сухого вещества в фрагментах мата. В некоторых способах смешивание является достаточным для достижения индивидуализации (распушения) целлюлозных волокон во время образования по существу гомогенной смеси волокон и сшивающего агента. В некоторых способах смешивание осуществляют в условиях окружающей среды. В некоторых способах содержание сухого вещества в смеси (смесь сшивающего агента и фрагментов мата) должно оказаться равным приблизительно 40-60%, например, благодаря добавлению сшивающего агента в концентрации, которая будет обеспечивать такое содержание сухого вещества в смеси после смешивания с фрагментами мата. Способы могут включать в себя разбавление или концентрирование сшивающего агента перед его смешиванием с фрагментами мата. Способы дополнительно включают в себя сушку полученной смеси (также может быть упомянуто, из чего эта смесь состоит, то есть из химически обработанных распушенных волокон) до содержания сухого вещества 85-100% с последующим отверждением сухих химически обработанных распушенных волокон с целью сшивания волокон. Некоторые способы перед смешиванием дополнительно включают в себя получение фрагментов мата путем фрагментации, то есть путем дробления, резки, разрезания или другого способа фрагментирования на куски мата из целлюлозных волокон или листа, такого как листовая целлюлоза. Такие маты или листы можно обеспечивать в форме кипы, целлюлозного полотна после пресспата или в форме рулонов. В некоторых случаях мат или лист можно увлажнять, например, для его размягчения перед фрагментацией или во время нее. Некоторые примеры увлажнителей включают в себя воду, сшивающий агент, раствор катализатора, другие добавки на основе жидкости или их различные комбинации.
[0007] В одном из конкретных неограничивающих примеров такого способа фрагменты мата из целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества получают путем дробления, резки или разрезания листовой целлюлозы с последующим смешиванием фрагментов мата с полиакриловым кислотным сшивающим агентом, при этом обеспечивают количество химического реагента на целлюлозе на уровне приблизительно 2-14%, причем упомянутый сшивающий агент смешивают с волокнистыми фрагментами в условиях окружающей среды. Заданное содержание сухого вещества в смеси составляет приблизительно 50-60% и регулируется путем добавления сшивающего агента в концентрации, подходящей для достижения заданного содержания сухого вещества в смеси, и с помощью требуемой дозировки химического реагента. Во время смешивания фрагменты мата распушаются в смесителе до отдельных целлюлозных волокон. Полученные химически обработанные распушенные волокна затем сушат и отверждают, как описано выше.
[0008] В еще одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает варианты осуществления системы для формирования продуктов из сшитой целлюлозы, которая включает в себя смеситель, выполненный с возможностью образования из фрагментов мата из целлюлозных волокон, сформированного из целлюлозных волокон, скрепленных водородными связями, с высоким (приблизительно 45-95%) содержанием сухого вещества, и сшивающего агента по существу гомогенной смеси несшитых, распушенных целлюлозных волокон и сшивающего агента в условиях окружающей среды. Такая смесь также упоминается как химически обработанные распушенные волокна. Система дополнительно включает в себя расположенное дальше по ходу от смесителя сушильное устройство, выполненное с возможностью сушки по существу гомогенной смеси до концентрации 85-100% без отверждения с помощью сшивающего агента; и блок отверждения, соединенный с сушильным устройством, который выполнен с возможностью отверждения сшивающего агента с формированием при этом сухих, отвержденных и сшитых целлюлозных волокон.
[0009] В еще одном аспекте сшивающий агент можно добавлять к листовой целлюлозе перед образованием распушенных целлюлозных волокон с помощью описанных здесь и других способов, известных в данной области техники. Более конкретно, сшивающий агент можно добавлять к листовой целлюлозе или мату перед формированием фрагментов мата или после формирования фрагментов мата. Добавление перед фрагментацией возможно, например, посредством нанесения покрытия, опрыскивания, погружения в раствор и т.д. Сшивающий агент можно добавлять вслед за фрагментацией, например, путем опрыскивания перед смешиванием в блоке смешивания. Если в качестве исходного мата из целлюлозы применяют целлюлозное полотно после пресспата, сшивающий агент также можно добавлять во время процесса на пресспате таким образом, чтобы в полученном на пресспате полотне (мате) сшивающий агент присутствовал, например, в заданной дозировке.
[0010] В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает целлюлозные волокна с внутриволоконной сшивкой целлюлозы и содержанием химического реагента на целлюлозе на уровне приблизительно 2-14% и абсорбционной способностью согласно AFAQ, по меньшей мере, 16,0 г/г. В некоторых вариантах осуществления изобретения целлюлозные волокна представляют собой или включают в себя целлюлозные волокна древесной массы лиственных пород, такие как целлюлозные волокна древесной массы эвкалипта или смеси волокон.
[0011] Концепции, признаки, способы и конфигурации компонентов, кратко описанные выше, разъясняются со ссылкой на прилагаемый чертеж и приводимое ниже подробное описание.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] На фиг. 1 приведено схематическое представление иллюстративного, неограничивающего варианта осуществления системы, подходящей для производства сшитых целлюлозных волокон согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
[0013] Согласно одной из ссылок (Herron и др. патент США № 5183707) существует три основных процесса сшивания. Первый можно охарактеризовать как сшивку в сухом состоянии, которая описана, например, в патенте США № 3224926 (Bernardin). При способе "сшивки в сухом состоянии" распушенные сшитые волокна получают путем сшивания с помощью сшивающего агента волокон, не набухающих в водном растворе, обезвоживания и разупрочнения волокон путем механического воздействия и сушки волокон при повышенной температуре, чтобы обеспечить сшивание, принимая во внимание, что волокна по существу находятся в распушенном (индивудуализированном) состоянии. Волокна по существу сшивают в ненабухшем, разрушенном в результате обезвоживания до сшивания состоянии. Такими способами производят так называемые "сухие сшитые" волокна. Сухие сшитые волокна обычно отличаются высокой жесткостью благодаря наличию сшивающих связей, а изготовленные из них поглощающие структуры проявляют склонность к относительно высокой упругости в мокром и сухом состоянии. Сухие сшитые волокна дополнительно характеризуются низкими значениями удерживания текучих сред (FRV).
[0014] Второй тип, который проиллюстрирован в патенте США № 3241553 (Steiger), включает в себя сшивание волокон в водном растворе, который содержит сшивающий агент и катализатор. Волокна, полученные таким образом, упоминаются как волокна, "сшитые в водном растворе". Из-за эффекта набухания целлюлозных волокон в воде волокна, сшитые в водном растворе, сшиваются в неразрушенном, набухшем состоянии. По сравнению с сухими сшитыми волокнами волокна, "сшитые в водном растворе", например, описанные в патенте США № 3241553, обладают большей гибкостью и меньшей жесткостью и характеризуются более высоким значением удерживания текучих сред (FRV). Поглощающие структуры, изготовленные из волокон, "сшитых в водном растворе", проявляют склонность к более низкой упругости в мокром и сухом состоянии, чем структуры, изготовленные из сухих сшитых волокон.
[0015] В третьем типе, который иллюстрируется в патенте США № 4035147 (Sangenis и др.), распушенные сшитые волокна получают путем контактирования обезвоженных, ненабухших волокон с сшивающим агентом и катализатором по существу в неводном растворе, который содержит недостаточное количество воды, чтобы вызвать набухание волокон. Сшивание происходит, когда волокна находятся в таком по существу неводном растворе. Таким способом получают волокна, упоминаемые в настоящем документе как волокна, "сшитые в неводном растворе". Такие волокна не набухают даже при продолжительном контакте с растворами, известными специалистам в данной области техники как реагенты, вызывающие набухание. Подобно сухим сшитым волокнам волокна, "сшитые в неводном растворе", отличаются высокой жесткостью благодаря наличию сшивающих связей, а изготовленные из них поглощающие структуры проявляют склонность к относительно высокой упругости в мокром и сухом состоянии.
[0016] Как здесь поясняется более подробно, в настоящем изобретении описан дополнительный, более рентабельный и гибкий подход по сравнению с тремя подходами, описанными Эрроном (Herron).
[0017] Как правило, сшитые целлюлозные волокна можно получать путем нанесения сшивающего агента (агентов) на целлюлозные волокна в количестве, достаточном для достижения внутриволоконной сшивки в подходящих условиях (например, температура, давление и т.д.). Несколько примеров целлюлозных волокон, сшитых с помощью полиакриловой кислоты, и примеров способов получения целлюлозных волокон, сшитых с помощью полиакриловой кислоты, описано в патентах США №№ 5549791, 5998511 и 6306251. Система и способ, которые можно считать иллюстрацией традиционного подхода к образованию целлюлозных волокон, сшитых с помощью полиакриловой кислоты, раскрыты, например, в патентах США №№ 5447977 и 6620865. Соответственно, ссылки на "традиционный подход" относятся к производству сшитых целлюлозных волокон, как правило, в соответствии с положениями вышеупомянутых патентов, которые следуют "способу сшивки в сухом состоянии", как описано Эрроном (Herron). Вкратце, система в таких патентах включает в себя конвейерное устройство для транспортировки мата или полотна из целлюлозных волокон через зону обработки волокна; аппликатор для нанесения сшивающего агента на волокна в зоне обработки волокна; мельницу для распушки и отделения распушенных целлюлозных волокон, которые составляют мат, чтобы спланировать выработку волокон, состоящих по существу из непрерывных и по существу единичных (или индивидуализированных) целлюлозных волокон; сушильное устройство, соединенное с мельницей для распушки, для быстрого испарения остаточной влаги; и зону с контролируемой температурой для дополнительного нагревания волокон и термокамерой для отверждения с помощью сшивающего агента с формированием при этом сухих, индивидуализированных (распушенных), отвержденных и сшитых волокон.
[0018] Хотя в современных промышленных способах получения продуктов из сшитых целлюлозных волокон могут применяться другие реагенты, количества реагентов, реакционные и другие технологические условия и тому подобное, чем те, которые раскрыты в вышеупомянутых патентах США №№ 5447977 и 6620865, для целей настоящего изобретения ссылки на современный промышленный способ обычно относятся к традиционному подходу, изложенному в упомянутых патентах.
[0019] Различные аспекты традиционного подхода описаны более подробно в следующих параграфах. Термин "мат" относится к структуре листового нетканого материала, сформированной из целлюлозных волокон или других волокон, которые не связаны вместе ковалентными связями, хотя спутаны механически и/или скреплены водородными связями. Волокна включают в себя волокна, полученные из древесной целлюлозы или других источников, включающих в себя хлопчатобумажные обрезки, пеньку, травянистые растения, тростник, стебли кукурузы, обертки початков кукурузы или другие подходящие источники целлюлозных волокон, которые могут быть уложены в лист. Мат из целлюлозных волокон обычно имеет форму листа и может представлять собой один из следующего ряда: пакетированные листы определенного размера или непрерывный рулон.
[0020] Каждый мат из целлюлозных волокон транспортируется с помощью конвейерного устройства, которое переносит мат через зону обработки волокна, где на мат наносится раствор сшивающего агента. Раствор сшивающего агента наносится на одну или обе поверхности мата с применением способов, включающих в себя опрыскивание, прокатку, погружение в раствор и т.д. После того, как раствор сшивающего агента нанесен, раствор можно равномерно распределять по всему мату, например, путем пропускания мата через пару прессов, уплотняющих роликов или прижимных роликов или лент и т.п.
[0021] Затем импрегнированный мат подвергается распушению в мокром состоянии благодаря подаче мата в молотковую дробилку. Молотковая дробилка разбивает мат на составляющие его индивидуальные целлюлозные волокна, которые затем переносятся воздухом через сушильную установку для удаления остаточной влаги.
[0022] Затем полученная обработанная целлюлоза переносится воздухом через дополнительную зону нагрева (например, сушильное устройство), чтобы довести температуру целлюлозы до температуры отверждения. В одном из вариантов сушильное устройство включает в себя первую зону сушки для приема волокон и удаления из волокон остаточной влаги методом быстрой сушки; и вторую зону нагрева для отверждения с помощью сшивающего агента, чтобы обеспечить химическую реакцию (например, реакцию эстерификации в некоторых вариантах осуществления изобретения), которая должна быть завершена. Альтернативно в еще одном варианте осуществления обработанные волокна продувают через устройство для быстрой сушки для удаления остаточной влаги, нагревают до температуры отверждения и затем переносят в термокамеру, где обработанные волокна затем отверждаются. Таким образом, обработанные волокна сушат и затем отверждают в течение достаточного времени и при достаточной температуре для достижения сшивания.
[0023] Как отмечено выше, традиционные и исторические подходы имеют некоторые недостатки. Например, при традиционном подходе ("сшивка в сухом состоянии") раствор сшивающего агента обычно очень разбавлен и, соответственно, имеет очень низкую вязкость, обычно ниже 5 сП, чтобы лучше обеспечивать полное импрегнирование листовой целлюлозы химическим реагентом. Чтобы лучше обеспечивать полное импрегнирование, в качестве дополнительной меры традиционный способ также включает в себя добавление избыточного количества сшивающего химического реагента, что представляет дополнительные проблемы, вызванные обращением с химическими веществами. Кроме того, волокнообразование в мокром состоянии, такое как волокнообразование с применением молотковой дробилки, в обычных условиях дробилки приводит к накоплению волокон и химических веществ (которые иногда упоминаются как загрязнение), которые необходимо периодически удалять, что требует простоя производства. Кроме того, мокрое измельчение в молотковой дробилке, как правило, оставляет узелковые утолщения, при этом количество узелковых утолщений обычно увеличивается по мере увеличения скорости производства, соответственно снижается эффективность измельчения в молотковой дробилке. Кроме того, традиционный подход включает в себя высокие затраты энергии, обусловленные мокрым измельчением в молотковой дробилке и удалением воды до отверждения волокна. Побочным эффектом сшивания в водном растворе является то, что необходим цикл рециркуляции/регенерации избытка воды и химических веществ, который должен контролироваться и восполняться.
[0024] Также было установлено, что традиционный подход ограничен с точки зрения типов целлюлозных волокон, подходящих для эффективного применения в способе сшивания в сухом состоянии, при котором волокнистые маты смачивают водным раствором сшивающего агента, а затем пропускают через валки перед подачей в молотковую дробилку и распушением. Соответственно, волокна, которые не могут образовывать маты достаточной целостности, чтобы выдерживать механические манипуляции при импрегнировании жидкостью, как правило, намного труднее, если не нереально практически, эффективно обрабатывать на стандартном оборудовании для сшивания. Например, волокна древесины лиственных пород обычно не применяют в поглощающих продуктах или для сшитых целлюлозных волокон из-за морфологии таких волокон. Кроме того, некоторые волокна древесины лиственных пород, таких как эвкалипт, образуют маты, которые легко разваливаются в мокром состоянии, и следовательно, не подходят для применения в традиционном подходе.
[0025] Системы и способы, раскрытые в совместно рассматриваемой заявке на патент США № 14/320,279, которые включают в себя смешивание сшивающего агента с нескрепленными целлюлозными волокнами (то есть целлюлозными волокнами, которые не скреплены водородными связями или другим химическим образом), которые содержат мало или совсем не содержат избыточной воды, могут обходить вышеупомянутые недостатки, а также обеспечить подход, который может применяться в отношении сравнительно более широкого диапазона целлюлозных волокон. В раскрытых здесь системах и способах, которые включают в себя смешивание сшивающего агента с фрагментами мата из целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества, описан другой альтернативный подход, который имеет более широкую применимость и при этом избегает вышеупомянутых проблем, связанных с традиционным подходом к сшиванию.
[0026] Например, при смешивании сшивающего агента с фрагментами мата из целлюлозных волокон, то есть фрагментами или кусками мата из целлюлозных волокон, сформированного целлюлозными волокнами, скрепленными водородными связями, с высоким содержанием сухого вещества, можно избежать проблем загрязнения и наличия узелковых утолщений, связанных с мокрым измельчением в молотковой дробилке. Такой подход также может исключить потребность в цикле рециркуляции химических веществ. Кроме того, варианты осуществления изобретения, в которых сшивающий агент добавляют только в смеситель, могут не требовать или иным образом включать в себя механическую обработку мата, импрегнированного химическими веществами, и такой аспект раскрытых способов может уменьшать контакт полимерных и потенциально липких сшивающих агентов с технологическим оборудованием, что, в свою очередь, может уменьшать загрязнение и накопление химических веществ. Способы и системы, раскрытые в настоящем документе, обеспечивают возможность сшивания матов и листов из целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества, которые обладают низкой прочностью на растяжение в мокром состоянии или низкой структурной целостностью, таких как маты и листы из древесины лиственных пород, таких как эвкалипт, или целлюлозные волокна, которые доступны в форме целлюлозного полотна после пресспата. Кроме того, способы настоящего изобретения могут быть пригодны для целлюлозных волокон из видов растений, отличающихся от деревьев лиственных пород или хвойных пород, а также для целлюлозы, которая была обработана (например, мерсеризованное волокно и т.п.) или растворена и регенерирована (например, лиоцелл и т.п.).
,
[0027] Фрагменты мата или листа из целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества, подходящие для применения в настоящем изобретении, можно получать любым подходящим способом, например, путем дробления, резки или разрезания мата или листа из целлюлозных волокон. Такие и подобные способы также упоминаются в настоящем документе как "фрагментация". Фрагментация может осуществляться без предварительной подговки мата или листа или может сопровождаться нанесением на них влаги обычно в форме одного или нескольких увлажнителей, например, чтобы размягчить мат и повысить легкость фрагментации и тем самым снизить потребление энергии. Увлажнение мата можно осуществлять стандартными способами, например, путем опрыскивания, нанесения покрытия на полотно, погружения в ванну или бак и тому подобное. Необязательно можно использовать целлюлозу в виде полотна с пресспата или в виде другой водосодержащей формы (например можно применять целлюлозные волокна, никогда не подвергавшиеся сушке).
[0028] Фрагменты мата, такие как лист из целлюлозного волокна или мат, из которого образуются фрагменты, будут формироваться из скрепленных водородными связями целлюлозных волокон или состоять из них. Другими словами, фрагменты мата в большинстве случаев будут по существу состоять из скрепленных водородными связями целлюлозных волокон, хотя в некоторых вариантах осуществления изобретения фрагменты мата могут включать в себя некоторые другие типы волокон. Содержание сухого вещества во фрагментах мата обычно будет равно содержанию сухого вещества в листе или мате из целлюлозных волокон, из которого формируются фрагменты мата, если не удалялась какая-то влага, например путем сушки, или влага не наносилась, как указано выше. Традиционная рыночная листовая целлюлоза обычно имеет содержание сухого вещества около 90%, хотя оно может несколько меняться в зависимости от нескольких факторов, включающих в себя условия окружающей среды, тип древесины, способ варки и/или сушки и тому подобное. В некоторых случаях содержание сухого вещества может достигать приблизительно 95%. С другой стороны, целлюлоза в водосодержащей форме, например, целлюлозное полотно с пресспата, может иметь содержание сухого вещества всего лишь около 45%.
[0029] В некоторых вариантах осуществления изобретения фрагменты мата могут содержать приблизительно 60-80% сухого вещества. Например, некоторые способы в соответствии с настоящим изобретением могут включать в себя увлажнение мата из целлюлозных волокон перед его фрагментацией или во время фрагментации, например, для размягчения мата с целью снижения нагрузки на оборудование и/или затрат энергии. Как отмечено выше, рыночная листовая целлюлоза может иметь содержание сухого вещества приблизительно 90%, которое может быть уменьшено приблизительно до 80% путем добавления влаги для фрагментации. В качестве другого примера, современное смесительное оборудование, даже выполненное с возможностью вмещать смеси с высоким содержанием сухого вещества, может ограничиваться эффективной обработкой смесей с содержанием сухого вещества не более 60%; соответственно, фрагменты мата могут быть получены или обработаны таким образом, чтобы перед добавлением в смеситель иметь такое содержание сухого вещества.
[0030] В способах согласно настоящему изобретению сшивающий агент добавляют к фрагментам мата из целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества в концентрации, подходящей для достижения требуемого содержания сухого вещества в смеси. Таким образом, хотя в способах в соответствии с настоящим изобретением содержание сухого вещества в требуемой смеси не ограничивается каким-либо конкретным диапазоном, практические соображения, такие как мощность оборудования, доступность химических реагентов и тому подобное, могут эффективно перекрывать диапазон, который может быть достигнут. Например, у некоторых доступных в настоящее время смесительных устройств, подходящих для применения в раскрытых способах, таких как смеситель для сред высокой консистенции, могут возникать затруднения с эффективной обработкой смесей со слишком высоким содержанием сухого вещества. В качестве другого примера некоторые сшивающие агенты в настоящее время доступны только в виде водных растворов, даже в концентрированной форме. Другие факторы, такие как время смешивания и другие технологические соображения, могут иметь место при выборе оптимального соотношения, а также могут отличаться по влиянию на подходящее содержание сухого вещества в смеси для разных типов целлюлозного волокна и/или сшивающего агента. Кроме того, без связи с какой-либо теорией, меньшее количество воды, присутствующей в смеси, может уменьшать набухание волокон и, следовательно, способность сшивающего агента полностью проникать сквозь клеточную стенку волокна. Это, в свою очередь, может увеличивать жесткость волокна (желательное качество в случае сшитых волокон), поскольку жесткие волокна обычно получаются, когда сшивание ограничивается поверхностями волокон. Соответственно, существуют различные соображения, которые могут указывать на требуемое содержание сухого вещества в смеси.
[0031] Способы в соответствии с настоящим изобретением могут сокращать некоторые затраты на энергию и другие проблемы, такие как риск загрязнения оборудования, связанный с традиционным подходом к сшиванию волокон с "низким содержанием сухого вещества" путем уменьшения количества влаги, присутствующей в химических компонентах (вплоть до существующей практики ограничений производства и/или обработки). Кроме того, сшитое волокно, получаемое согласно раскрытым способам, неожиданно обеспечивает лучшую плотность 5K и эксплуатационные характеристики согласно AFAQ. Соответственно, хотя авторы изобретения обнаружили, что хорошие результаты обеспечивает содержание сухого вещества в смеси, равное приблизительно 40-50%, в комбинации с оборудованием и материалами, применяемыми в описанных примерах, по сравнению с более низкими или более высокими диапазонами содержания сухого вещества в смеси, изобретение не ограничивается данным диапазоном. Действительно, было установлено, что смеси с содержанием сухого вещества, находящимся за пределами такого диапазона (например, до 60% сухого вещества), дают приемлемые результаты. Учитывая, что конкретный смеситель, применяемый в примерах, рекомендуется для смесей с содержанием сухого вещества до 50%, хорошие результаты, достигнутые в отношении смесей с содержанием сухого вещества до 60%, были неожиданными.
[0032] Таким образом, в некоторых вариантах осуществления способов, раскрытых в настоящем документе, сшивающий агент добавляют к фрагментам мата из целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества в концентрации, подходящей для достижения содержания сухого вещества в смеси приблизительно 50-60% и при требуемой дозировке химических реагентов (или COP). Типичный диапазон концентраций химических реагентов для сшивания полимеров составляет приблизительно 5-50% (перед добавлением любого катализатора или воды). Таким образом, в некоторых случаях смешивание может включать в себя разбавление сшивающего агента перед его добавлением или во время его добавления к фрагментам мата, например, если содержание сухого вещества во фрагментах мата превышает содержание сухого вещества в требуемой смеси. Необязательно, к смеси отдельно можно добавлять влагу.
[0033] В контексте настоящего документа термин "сшивающий агент" включает в себя, но не ограничивается перечисленным, любой сшивающий агент из ряда сшивающих агентов и катализаторов реакции сшивания. Далее представлен репрезентативный перечень применимых сшивающих агентов и катализаторов. Каждый из указанных ниже патентов явным образом полностью включен в данный документ посредством ссылки.
[0034] Подходящие сшивающие агенты на основе мочевины включают в себя замещенные мочевины, такие как оксиметилированные мочевины, циклические оксиметилированные мочевины, алкильные (низшие) производные оксиметилированных циклических мочевин, оксиметилированные циклические дигидроксимочевины, циклические дигидроксимочевины и циклические мочевины, замещенные низшими алкилами. Конкретные сшивающие агенты на основе мочевины включают в себя диметилдигидроксимочевину (DMDHU, 1,3-диметил-4,5-дигидрокси-2-имидазолидинон), диметилолдигидроксиэтиленмочевину (DMDHEU, 1,3-дигидроксиметил-4,5-дигидрокси-2-имидазолидинон), диметилолмочевину (DMU; бис[N-гидроксиметил]мочевина), дигидроксиэтиленмочевину (DHEU; 4,5-дигидрокси-2-имидазолидинон), диметилолэтиленмочевину (DMEU, 1,3-дигидроксиметил-2-имидазолидинон), и диметилдигидроксиэтиленмочевину (DDI, 4,5-дигидрокси-1,3-диметил-2-имидазолидинон).
2
8
2
8
[0035] Подходящие сшивающие агенты включают в себя диальдегиды, такие как C-C-диальдегиды (например, глиоксаль); аналоги C-C-диальдегидных кислот, содержащие, по меньшей мере, одну альдегидную группу; и олигомеры таких аналогов альдегидных и диальдегидных кислот, которые описаны в патентах США №№ 4822453, 4888093, 4889595, 4889596, 4889597 и 4898642. Другие подходящие диальдегидные сшивающие агенты включают в себя сшивающие агенты, описанные в патентах США №№ 4853086, 4900324 и 5843061.
[0036] Другие подходящие сшивающие агенты включают в себя продукты присоединения формальдегида к альдегидным соединениям и соединениям на основе мочевины. См., например, патенты США №№ 3224926, 3241533, 3932209, 4035147, 3756913, 4689118, 4822453, 3440135, 4935022, 3819470 и 3658613.
[0037] Подходящие сшивающие агенты включают в себя глиоксальные аддукты мочевин, например, см. патент США № 4968774; и аддукты глиоксаля/циклических мочевин, которые описаны в патентах США №№ 4285690, 4332586, 4396391, 4455416 и 4505712.
2
9
[0038] Другие подходящие сшивающие агенты включают в себя сшивающие агенты в виде карбоновых кислот, таких как многоосновные карбоновые кислоты. Сшивающие агенты в виде многоосновных карбоновых кислот (например, лимонная кислота, пропантрикарбоновая кислота и бутантетракарбоновая кислота) и катализаторы описаны в патентах США №№ 3526048, 4820307, 4936865, 4975209 и 5221285. Применение в качестве сшивающих агентов многоосновных карбоновых C-C-кислот, которые содержат, по меньшей мере, три карбоксильные группы (например, лимонной кислоты и оксидиянтарной кислоты), описано в патентах США №№ 5137537, 5183707, 5190563, 5562740 и 5873979.
[0039] Подходящими сшивающими агентами также являются полимерные многоосновные карбоновые кислоты. Подходящие сшивающие агенты в виде полимерных многоосновных карбоновых кислот описаны в патентах США №№ 4391878, 4420368, 4431481, 5049235, 5160789, 5442899, 5698074, 5496476, 5496477, 5728771, 5705475 и 5981739. Полиакриловая кислота и соответствующие ей сополимеры в качестве сшивающих агентов описаны в патентах США №№ 5447977, 5549791, 5998511 и 6306251. Также в патенте США № 5998511 описаны сшивающие агенты на основе полималеиновой кислоты.
[0040] Конкретные подходящие сшивающие агенты на основе многоосновных карбоновых кислот включают в себя лимонную кислоту, винную кислоту, яблочную кислоту, янтарную кислоту, глутаровую кислоту, цитраконовую кислоту, итаконовую кислоту, тартратмоноянтарную кислоту, малеиновую кислоту, полиакриловую кислоту, полиметакриловую кислоту, полималеиновую кислоту, сополимер простого полиметилвинилового эфира/малеината, сополимер простого полиметилвинилового эфира/итаконата, сополимеры акриловой кислоты и сополимеры малеиновой кислоты.
[0041] Другие подходящие сшивающие агенты описаны в патентах США №№ 5225047, 5366591, 5556976, 5536369, 6300259 и 6436231.
[0042] Подходящие катализаторы могут включать в себя соли кислот, такие как хлорид аммония, сульфат аммония, хлорид алюминия, хлорид магния, нитрат магния, и соли щелочных металлов и фосфорсодержащих кислот. В одном из вариантов осуществления изобретения катализатором сшивания является гипофосфит натрия. Также можно применять смеси или комбинации сшивающих агентов и катализаторов.
[0043] Сшивающий агент добавляют в количестве, подходящем для обеспечения требуемого уровня сшивания распушенных целлюлозных волокон с высоким содержанием сухого вещества в расчете на содержание сухого вещества. В настоящем документе "требуемый уровень сшивания" можно характеризовать как количество химического реагента на целлюлозе (или "COP"), которое обычно выражается в виде массового процента. Однако также можно обратиться к физическим или химическим свойствам, которые ассоциируются со сшитыми целлюлозными волокнами, таким как абсорбционная способность (или "абсорбционная способность согласно AFAQ"), плотность 5K, оба из которых описаны ниже, а также к другим свойствам.
[0044] Определение требуемого уровня сшивания часто основано на нескольких соображениях, таких как компромисс между повышенной жесткостью волокон из-за сшивания и пониженным капиллярным давлением, а также материальные и энергетические затраты, проблемы технического обслуживания, производительность и тому подобное. Как отмечалось выше, количество сшивающего агента можно характеризовать с помощью параметра COP, выражаемого в массовых процентах. Некоторые способы в соответствии с данным изобретением включают в себя добавление сшивающего агента при значении COP приблизительно 2-14%, диапазон, который был установлен в области сшивания целлюлозных волокон, чтобы обеспечить благоприятный компромисс между затратами и производительностью, хотя другие уровни и/или диапазоны COP находятся в пределах объема настоящего изобретения. В соответствии с принципами эффективности способа в некоторых способах количество сшивающего агента не превышает количество, необходимое для обеспечения требуемого уровня сшивания.
[0045] Концентрацию сшивающего агента обычно выбирают таким образом, чтобы добавление агента к целлюлозным волокнам с высоким содержанием сухого вещества не увеличивало содержание воды в полученной смеси выше пределов желательного диапазона. С другой стороны, преждевременное снижение содержания воды (то есть до сушки) в полученной смеси ниже желательного диапазона также может давать нежелательные эффекты. В случае некоторых сшивающих агентов удаление воды может приводить к тому, что смесь становится липкой и/или иным образом трудно обрабатываемой, что приводит к более медленной обработке. Один из примеров этого можно наблюдать в случае полимерных сшивающих агентов, где недостаток воды приводит к увеличению содержания сухого вещества в смеси, и полимер становится липким. Соответственно, в способах согласно настоящему изобретению сшивающий агент добавляют к водной смеси в условиях окружающей среды, определяемых здесь как набор условий (например, температура, давление, поток воздуха, время и т.д.), в которых потери воды из раствора сводятся к минимуму.
[0046] Сшивающий агент можно смешивать с целлюлозными волокнами с высоким содержанием сухого вещества любым подходящим способом, например, в смесителе для сред высокой консистенции, экструдере (или на участке или в сегменте экструдера), рафинере и тому подобное. Одним из преимуществ применения смесителя для сред высокой консистенции в некоторых вариантах осуществления изобретения является то, что смеситель для сред высокой консистенции не только позволяет осуществлять непосредственное впрыскивание в смесь химических реактивов для сшивания при содержаниях сухого вещества приблизительно до 50%, но смеситель также индивидуализирует (или "распушает") волокно, подготавливая его для сушки. После смешивания способы согласно настоящему изобретению включают в себя сушку смеси приблизительно до 85-100%-ного содержания сухого вещества, например, в стандартных сушильных аппаратах (например, во флэш-сушилках, в струйных сушилках, циркуляционных сушилках и тому подобное или с применением их комбинаций).
[0047] Как отмечено выше, практические ограничения, связанные с существующим оборудованием и/или химическими реагентами, могут эффективно ограничивать содержание сухого вещества в смеси в диапазоне обычно приблизительно до 60%, и поэтому термин "сушка" означает уменьшение влагосодержания, например, до вышеупомянутого диапазона 85-100% сухого вещества. Однако изобретение не ограничивается этим и учитывает смеси с более высоким содержанием сухого вещества. Таким образом, в вариантах осуществления изобретения, в которых содержание сухого вещества в смеси еще выше и, в частности, находится в диапазоне 85-100%, следует понимать, что термин "сушка" может указывать на уменьшение уровня влажности или вместо этого может указывать на поддержание уровня влажности в диапазоне 85-100% (сухого вещества).
[0048] Отверждение относится к инициированию и последующей химической реакции, которая создает химические связи между сшивающим агентом и целлюлозой. Сшивание происходит с помощью разных химических реакций в зависимости от сшивающего агента. Например, полиакриловые и поликарбоновые кислотные сшивающие агенты обычно обеспечивают химическое сшивание с помощью реакции эстерификации (образование сложноэфирных связей). Настоящее изобретение охватывает способы, которые основываются не только на сшивании с помощью реакций эстерификации, но также на других реакциях сшивания, таких как этерификация (образование простых эфирных связей) и тому подобное, а также на реакционных условиях, подходящих для таких реакций. Способы в соответствии с настоящим изобретением основаны на отверждении высушенной смеси в условиях, эффективных для сшивания распушенного, химически обработанного целлюлозного волокна, полученного из фрагментов мата или листа целлюлозы с высоким содержанием сухого вещества. Отверждение можно осуществлять любым подходящим способом, например, применяемым при традиционном подходе и т.д.
[0049] С учетом рассмотренных выше иллюстративных способов, включая различные их стадии, концепции и варианты, фиг. 1 можно рассматривать как схематическое представление иллюстративного, неограничивающего варианта осуществления системы, обычно обозначаемой позицией 10, которая подходит для получения сшитых целлюлозных композиций согласно аспектам настоящего изобретения.
[0050] На фиг. 1 показана система 10, которая включает в себя ряд модулей, соединенных стрелками. Как будет описано далее, модули представляют собой разные функциональные области или блоки системы 10. Модули, а также термин "блок" применяются для удобства, поскольку каждый функциональный блок может представлять собой один компонент (например, машину, часть оборудования, устройство и тому подобное) или часть более крупного компонента, который также включает в себя один или несколько других функциональных блоков, или может представлять собой несколько компонентов, которые взаимодействуют для осуществления функции (функций) блока, и тому подобное. Различные функциональные блоки и компоненты системы 10 могут быть размещены вместе, например, в одной установке (такой как мельница), или располагаться удаленно друг от друга. Система 10 может быть любого подходящего масштаба от лабораторного масштаба до промышленного/коммерческого. Стрелки обычно представляют направление материала или продукта, произведенного или обработанного в различных функциональных блоках, и, соответственно, также могут представлять собой любые подходящие средства транспортировки материала от одного блока к другому (например, трубопроводы, конвейеры и т.д.), и/или другие части обрабатывающего или погрузочно-разгрузочного оборудования.
[0051] На фиг. 1 показана система 10, обычно включающая в себя блок 20 смешивания, выполненный с возможностью смешивания волокна 22 в форме фрагментов мата с высоким содержанием сухого вещества, с сшивающим агентом 24 с образованием при этом по существу гомогенной смеси несшитых целлюлозных волокон и сшивающего агента; блок 30 сушки, выполненный с возможностью сушки смеси до 85-100% сухого вещества; и блок 40 отверждения, выполненный с возможностью отверждения c помощью сшивающего агента с образованием при этом сухих и сшитых целлюлозных волокон. На фиг. 1 также изображены некоторые необязательные компоненты системы 10, такие как один или несколько процессов последующей обработки, обычно обозначаемых позицией 50, а также блок 60 фрагментации, расположенный выше по ходу от блока 20 смешивания и выполненный с возможностью производить фрагменты мата с высоким содержанием сухого вещества, для применения их в блоке смешивания, например, из листовой целлюлозы. Ниже различные блоки и компоненты дополнительно обсуждаются более подробно.
[0052] Как отмечено выше, блок 20 смешивания выполнен с возможностью образования из волокна 22 в форме фрагментов мата из целлюлозных волокон, содержащего целлюлозные волокна, скрепленные водородными связями, с высоким содержанием сухого вещества (содержание сухого вещества приблизительно 45-95%) и сшивающего агента 24 по существу гомогенной смеси несшитых целлюлозных волокон и сшивающего агента в условиях окружающей среды. Блок 20 смешивания, таким образом, может включают в себя, например, смеситель для сред высокой консистенции, дефлекер или рафинер, в который добавляются вышеупомянутые фрагменты мата и сшивающий агент. Подходящие примеры такого оборудования включают в себя смесители для сред высокой консистенции, такие как смесители производства компаний Andritz AG (Грац, Австрия), Metso (Хельсинки, Финляндия) и другие; экструдеры (или их части, например, область смешивания/распушения рабочего цилиндра экструдера, расположенная дальше по ходу от секции обезвоживания в некоторых вариантах осуществления изобретения), например, экструдеры производства компаний Coperion (Ramsay, NJ), Davis-Standart (Pawcatuck, CT), Milacron (Cincinnati, OH) и другие; рафинеры, например, рафинеры производства компании Andritz Sprout Bauer, GL&V Pulp и Paper Group (Nashua, NH) и другие; и тому подобное. Форма и конфигурация оборудования, применяемого для блока смешивания, до некоторой степени может определяться в зависимости от желаемого применения. Например, преимущество применения смесителя для сред высокой консистенции в некоторых вариантах осуществления изобретения заключается в том, что такой смеситель может обеспечивать непосредственное впрыскивание химических реагентов для сшивания в смесь при содержаниях сухого вещества приблизительно до 50%, и также выполнен с возможностью распушать волокно, чтобы приготовить его для сушки. Блок смешивания необязательно может включать в себя любое необходимое оборудование для дозирования и/или доставки компонентов смеси. Воду 26 также обозначают как необязательное вещество, подаваемое в смеситель, схематически указывая, что воду можно добавлять в виде отдельного потока в добавление к той воде, которая обеспечивается фрагментами мата и/или сшивающим агентом.
[0053] Необязательно, в некоторых вариантах осуществления изобретения блок 20 смешивания может быть выполнен с возможностью обработки волокна 22 и/или сшивающего агента 24 до смешивания или во время смешивания материалов, например, для дополнительного разрушения фрагментов мата, для предварительного перемешивания и/или измерения компонентов и тому подобное. В некоторых из таких вариантов осуществления изобретения блок смешивания может быть охарактеризован как включающий в себя отдельные зоны (отдельно не показаны), выполненные с возможностью осуществлять различные функции и образовывать по существу гомогенную смесь. В качестве примера такого варианта осуществления изобретения отдельные зоны могут представлять собой дополнительные участки экструдера. В некоторых вариантах осуществления изобретения, например, в тех, где один или несколько материалов или смесь обезвоживают до требуемого содержания сухого вещества, блок 20 смешивания может включать в себя цикл рециркуляции/регенерации воды (не показан).
[0054] Блок 20 смешивания выполнен с возможностью смешивать фрагменты мата, имеющие высокое содержание сухого вещества, с сшивающим агентом, который, как отмечалось выше, может включать в себя один или несколько сшивающих химических реагентов и/или катализаторов, если требуется, в условиях окружающей среды, то есть в таких технологических условиях, как температура, давление, поток воздуха, время и т.д., при которых потеря воды из раствора сводится к минимуму. Термин "по существу гомогенная" при использовании его для описания смеси, включающей в себя целлюлозные волокна, воду и сшивающий агент, указывает на то, что сшивающий агент достаточно хорошо распределен среди распушенного (индивидуализированного) волокна, чтобы образовывать планомерные и равномерно распределенные поперечные сшивки на всем протяжении каждого волокна после сушки и отверждения. Как отмечено выше, блок смешивания, такой как в вариантах осуществления изобретения, где блок смешивания включает в себя смеситель для сред высокой консистенции, может также распушать волокно (то есть, обеспечивать повышение объемной плотности) в смеси. Необязательно, блок смешивания может включать в себя другое оборудование для распушения смеси перед сушкой.
[0055] Дальше по ходу от блока 20 смешивания расположен блок 30 сушки, выполненный с возможностью принимать смесь, то есть химически обработанные распушенные волокна из блока смешивания и сушить смесь до содержания сухого вещества 85-100%. Соответственно, блок 30 сушки может включать в себя одно или несколько сушильных устройств, таких как одна или несколько термокамер, флотационных сушилок, барабанных сушилок, флэш-сушилок, струйных сушилок и тому подобное. В некоторых вариантах осуществления изобретения, блок 30 сушки также может доводить волокна до температуры отверждения или близкой к ней температуры.
[0056] В заключение высушенные волокна принимаются блоком 40 отверждения, выполненным с возможностью отверждения волокон с помощью сшивающего агента с формированием при этом сухих и сшитых целлюлозных волокон. Таким образом, блок отверждения может включать в себя дополнительные сушильные устройства, термокамеры и тому подобное. В некоторых вариантах осуществления изобретения блок сушки и/или блок отверждения может включать в себя зону удержания, например, чтобы дать возможность волокнам достичь равновесного состояния при заданной температуре и/или времени, или такое равновесное состояние может осуществляться, когда волокна транспортируются из одного функционального блока в следующий. Некоторые варианты осуществления изобретения могут включать в себя цикл рециркуляции/регенерации воздуха/тепла от оборудования для отверждения до сушильного оборудования.
[0057] После формирования сшитые волокна выходят из блока 40 отверждения и могут подвергаться различным способам последующей обработки, обозначаемым обычно позицией 50, например, для подготовки волокон для отгрузки или хранения; например, путем укладывания в кипы согласно стандартным способам, которые могут включать в себя восстановление влажности или другую последующую химическую обработку с последующим укладыванием в кипы и тому подобное.
TM

[0058] Как отмечено выше, система 10 необязательно может включать в себя блок 60 фрагментации, расположенный выше по ходу от блока 20 смешивания, который выполнен с возможностью производить фрагменты мата (то есть волокно 22), применяемые в блоке смешивания, например, из целлюлозного мата или листа, такого как листовая целлюлоза. Волокно в такой "нефрагментированной" форме обычно обозначается позицией 62. Блок 60 фрагментации и применяемое в нем волокно 62 в "нефрагментированной" форме показаны пунктирными линиями, чтобы указать, что такие компоненты необязательно присутствуют во всех вариантах осуществления системы 10. Например, некоторые варианты осуществления системы 10 могут быть выполнены с возможностью принимать волокно 22 в форме предварительно обработанных фрагментов мата. Однако в вариантах осуществления системы 10, которые включают в себя блок 60 фрагментации, компонент может включать в себя одну или несколько частей фрагментирующего и/или другого обрабатывающего или погрузочно-разгрузочного оборудования, такого как бункеры, конвейеры, баки или ванны, шредеры, дробилки, устройства для резки, дозирующее оборудование и тому подобное. Конфигурация такого оборудования может зависеть от формы волокна 62, например, листовой целлюлозы в форме кипы или рулона, а также от его влагосодержания в такой форме, желательной форме и/или влагосодержания полученных фрагментов мата и тому подобное. Например, в некоторых областях применения может потребоваться обеспечить блок 20 смешивания фрагментами мата в измеренной форме, и в таком случае может быть использовано устройство для резки, такое как Henion Dicer, доступное от компании Henion Dicing Products, для производства частиц нарезанной целлюлозы по существу с унифицированной массой или размером. Другие примеры подходящего оборудования включают в себя дробилку Flow-Smasher, доступную от компании Atlantic Coast Crushers, и шредер Taskmaster для бумаги и целлюлозы, доступный от компании Franklin-Miller.
[0059] Необязательно в связи с блоком 60 фрагментации можно применять увлажняющее средство 64, например, для размягчения, увлажнения или иной подготовки волокна 62 для фрагментации. Некоторые примеры увлажнителей включают в себя воду, сшивающий агент, раствор катализатора, другие добавки на основе жидкости или их различные комбинации. Применение увлажняющего средства в форме воды, распыляемой на одну или обе поверхности листовой целлюлозы перед фрагментацией, может уменьшать энергию, необходимую для процесса фрагментации.
[0060] Блок 60 фрагментации может быть выполнен с возможностью производства фрагментов мата из целлюлозных волокон, скрепленных водородными связями, то есть волокон 22 с содержанием сухого вещества, требуемым для применения в блоке 20 смешивания. Необязательно, как отмечалось выше, блок 20 смешивания может включать в себя некоторую часть оборудования и/или функции блока 60 фрагментации. В одном из иллюстративных вариантов осуществления изобретения блок смешивания может быть выполнен с возможностью принимать волокно 22 в форме фрагментов мата с любым содержанием сухого вещества и добавлять к нему достаточное количество воды (либо со сшивающим агентом 24, либо в виде отдельного потока 26 воды) для достижения требуемого содержания сухого вещества в смеси.
[0061] Следует понимать, что приводимые выше описания иллюстрируют любое число подходящих для применения способов и систем, а также их комбинаций, все из которых включены в настоящее изобретение.
[0062] Различные свойства сшитых целлюлозных волокон можно измерять с помощью различных испытаний, таких как определение абсорбционных и других свойств материала, например, выяснение возможности их применения в различных областях.
[0063] Например, абсорбционные свойства сшитых целлюлозных композиций (такие как пухлость в мокром состоянии, время впитывания, скорость впитывания, абсорбционная способность и тому подобное), можно определять с применением автоматического анализатора абсорбционных характеристик волокна AFAQ (Automatic Fiber Absorption Quality Analyzer, компания Weyerhaeuser Co., Federal Way, WA). Стандартная процедура испытаний описана в следующих параграфах.
°
[0064] 4-граммовый образец целлюлозной композиции (кондиционированный при относительной влажности 50% и 73F (23°C), по меньшей мере, в течение 4 часов) пропускают через штифтовую мельницу, чтобы распушить целлюлозную массу, и затем путем воздушной укладки помещают ее в трубку. Трубку помещают в анализатор AFAQ. Затем опускают плунжер на прокладку из распушенной целлюлозы, полученную воздушной укладкой, при давлении 0,6 кПа. Измеряют высоту прокладки и из высоты прокладки определяют объем прокладки (или объем, занимаемый образцом). Увеличивают нагрузку, достигая давления 2,5 кПа, и снова рассчитывают объем. Результатом является два измерения объема сухой распушенной целлюлозы при двух разных давлениях.
3
[0065] При повышенном давлении плунжера в нижнюю часть трубки (нижнюю часть прокладки) вводят воду и измеряют время, необходимое для того, чтобы вода впиталась, поднимаясь вверх через прокладку, и достигла плунжера. Из этого можно определить время впитывания и скорость впитывания. Также можно рассчитать пухлость влажной прокладки при 2,5 кПа. Затем плунжер извлекают из трубки и дают возможность влажной прокладке расшириться в течение 60 секунд. Как правило, чем более упругий образец, тем больше он будет расширяться, чтобы достичь своего состояния покоя в мокром состоянии. После расширения измеряют этот упругий отскок путем повторного приложения плунжера к мокрой прокладке при 0,6 кПа и определяют пухлость. Конечная пухлость мокрой прокладки при 0,6 кПа принимается за "пухлость в мокром состоянии при 0,6 кПа" целлюлозной композиции (в см/г, указывая объем, занимаемый мокрой прокладкой, на вес мокрой прокладки под нагрузкой плунжера 0,6 кПа). Абсорбционная способность (или "абсорбционная способность согласно AFAQ") может быть рассчитана путем взвешивания мокрой прокладки после того, как вода будет отведена из оборудования, и выражается в виде числа граммов воды на грамм сухой целлюлозы.
[0066] В качестве другого примера в испытании плотности 5K измеряют жесткость волокна и упругий отскок в сухом состоянии структуры, изготовленной из волокон (то есть их способность расширяться после удаления силы сжатия, приложенной, когда волокна находятся по существу в сухом состоянии). Испытание плотности 5K описано, например, в патенте США № 5873979, и может осуществляться согласно следующей процедуре.
2
2
[0067] Квадратную прокладку воздушной укладки размером 4×4 дюйма (10,16×10,16 см), имеющую массу приблизительно 7,5 г, получают из волокон, для которых определяют упругий отскок в сухом состоянии, и сжимают в сухом состоянии с помощью гидравлического пресса под давлением 5000 фунт/кв.дюйм. Затем давление быстро снимают. Прокладку поворачивают для обеспечения равномерной нагрузки и повторяют сжатие и быстрое снятие давления. Затем измеряют толщину прокладки с помощью штангенциркуля (Ames Caliper Gauge), включающего в себя круглое основание площадью 2 дюйм (12,8 см), прилагая общую нагрузку 90 гс (0,88 Н). Это соответствует давлению 0,1 фунт/кв.дюйм (0,69 кПа). Учитывают пять значений толщины: одно в центре и по одному в каждом из четырех углов, и усредняют по пяти значениям. После сжатия прокладка слегка расширяется. Прокладку обрезают до размера 4×4 дюйма (10,16 см x 10,16 см) и взвешивают. Плотность после сжатия рассчитывают по формуле: масса/(площадь x толщина). Такая плотность обозначается как "плотность 5K ", так называемая плотность после давления, приложенного с помощью гидравлического пресса. Более низкие значения "плотности 5K" соответствуют большей жесткости волокна и большему значению упругого отскока в сухом состоянии.
[0068] В следующих примерах обобщены типичные неограничивающие варианты осуществления изобретения и способы формирования продуктов из сшитой целлюлозы в соответствии с рассмотренными выше способами и концепциями; по своему характеру примеры являются иллюстративными. Количества реагентов, времена, состояние и другие технологические условия могут отличаться от тех, которые раскрыты для конкретных типичных процедур, описанных в следующих примерах в пределах объема настоящего изобретения.
[0069] Пример 1
TM
[0070] Листы целлюлозы из волокна южной сосны (CF416, Weyerhaeuser NR Company) нарезали на полоски размером 4 дюйма x 30 дюймов (10,16 см x 76,2 см). После кондиционирования при относительной влажности 50% и 73°F (23°C) влагосодержание целлюлозного волокна в такой форме составляло приблизительно 6,5%, что соответствует содержанию сухого вещества приблизительно 93,5%. Исходя из этого, было рассчитано количество воды, необходимой для увеличения влагосодержания до 35% (что соответствует 65% сухого вещества). Девять полосок целлюлозы обрабатывали дополнительным количеством воды с помощью шприца и помещали в пластиковые пакеты, выдерживая их в течение ночи для достижения равновесного состояния, в результате чего получали девять листов целлюлозы с содержанием сухого вещества 65%. Затем такие полоски измельчали вручную с получением прямоугольников размером приблизительно 1 дюйм x 1,5 дюйма (2,54 см x 3,80 см). Требуемое для испытания количество волокна подавали с помощью конвейера в бункер. Шнек в нижней части бункера подавал волокно в лабораторный рафинер Sprout, оборудованный размалывающими дисками (C2976) в вертикальной конфигурации с зазором, установленным, чтобы минимизировать любую обрезку волокна (обычно 0,050 дюйма-0,300 дюйма). Волокно подавалось с фиксированной скоростью 1168 OD г/мин. Сшивающий агент (полимер в виде полиакриловой кислоты ("PAA") и катализатор в виде гипофосфита натрия ("SHP")) при 11,6%-ном содержании сухого вещества наносили через отверстие для впуска химического реагента, расположенное в конце шнека, непосредственно перед тем, как волокно попадает в рафинер, причем скорость насоса для закачки химических реагентов была установлена таким образом, чтобы достичь заданного уровня COP в диапазоне 2-14% и общего содержания сухого вещества смеси в рафинере 50-60% (ограничение рафинера). Обработанное волокно выходило из рафинера в пластиковое ведро с измеренным содержанием сухого вещества 52%. При таком конечном содержании сухого вещества рассчитанный уровень COP составлял 6,5% в расчете на массу волокна. Волокно сушили в струйной сушилке Fluid Energy 4-in ThermaJet с заданной температурой на входе 356°F (180°C). По окончании сушки каждого образца измеренная температура на выходе составляла приблизительно 120°C. Сухое волокно доводили до равновесного состояния при комнатной температуре перед отверждением при 370°F (187,8°C) в течение 5 минут в камере с принудительной подачей воздуха.
TM
[0071] Поскольку в качестве контрольного образца применяются нескрепленные волокна, волокно южной сосны (CF416, Weyerhaeuser NR Company) распускали в воде в лабораторном гидроразбивателе партиями по 1000 г (OD) при низком содержании сухого вещества (<10%) и затем обезвоживали в лабораторной центрифуге. Обезвоженное волокно разбивали на более мелкие пучки волокон с применением лабораторной штифтовой мельницы. Измеряли содержание сухого вещества в волокне, которое составляло 46,4%, и затем требуемое количество волокна для испытания подавали с помощью конвейера в бункер. Шнек в нижней части бункера подавал волокно в лабораторный рафинер Sprout, оборудованный размалывающими дисками (C2976) в вертикальной конфигурации с зазором, установленным, чтобы минимизировать любую обрезку волокна (обычно 0,050 дюйма-0,300 дюйма). Сшивающий агент (PAA-полимер вместе с SHP) при 20%-ном содержании сухого вещества наносили через отверстие для впуска химического реагента, расположенное в конце шнека, непосредственно перед тем, как волокно попадает в рафинер. Волокно подавали с фиксированной скоростью 1168 OD г/мин. Скорость насоса для закачки химических реагентов была установлена таким образом, чтобы достичь вышеупомянутого рассчитанного уровня COP, а также общего содержания сухого вещества 50-60% в смеси в рафинере. Обработанное волокно выходило из рафинера в пластиковое ведро с измеренным содержанием сухого вещества 43%. Волокно сушили в струйной сушилке Fluid Energy 4-in ThermaJet с заданной температурой на входе 356°F (180°C). По окончании сушки каждого образца измеренная температура на выходе составляла приблизительно 120°C. Сухое волокно доводили до равновесного состояния при комнатной температуре перед отверждением при 370°F (187,8°C) в течение 5 минут.
[0072] Пример 2
TM
[0073] Подобно примеру 1 листы целлюлозы CF416 из волокна южной сосны получали от компании Weyerhaeuser и разрезали на полоски размером 4 дюйма x 30 дюймов (10,16 см x 76,2 см). Количество воды, необходимой для увеличения влагосодержания до 15% (что соответствует 85% сухого вещества) рассчитывали по примеру 1. Девять полосок целлюлозы обрабатывали дополнительным количеством воды с помощью шприца и помещали в пластиковые пакеты, выдерживая их в течение ночи для достижения равновесного состояния, в результате чего получали девять листов целлюлозы с содержанием сухого вещества 85%. Затем такие полоски измельчали вручную с получением прямоугольников размером приблизительно 1 дюйм x 1,5 дюйма (2,54 см x 3,80 см). Требуемое для испытания количество волокна подавали с помощью конвейера в бункер и затем в лабораторный рафинер Sprout, скомпонованный как описано в примере 1. Сшивающий агент (PAA-полимер вместе с SHP) при 7,3%-ном содержании сухого вещества наносили как в примере 1 в количестве, достаточном для достижения рассчитанного в примере 1 COP, при этом химический реагент и волокно подавали со скоростью, достаточной для достижения общего содержания сухого вещества 50-60% в смеси в рафинере. Обработанное волокно выходило из рафинера в пластиковое ведро с измеренным содержанием сухого вещества 58%. Волокно сушили в струйной сушилке Fluid Energy 4-in ThermaJet и отверждали как в примере 1.
[0074] Образцы сравнивали с контрольным образцом, полученным с аналогичной загрузкой химических реагентов и в аналогичных условиях отверждения, но согласно традиционному способу. Результаты измерений для типичных образцов и соответствующая им абсорбционная способность согласно AFAQ при заданном COP приведены в таблице 1 (образец UC представляет собой контрольный образец из нескрепленных волокон, описанный в примере 1; и образец CC представляет собой контрольный образец, полученный по традиционной технологии, образованный с применением того же самого сшивающего агента, что и в примерах 1 и 2). Данные таблицы 1 показывают, что при высоком содержании сухого вещества не только достигали эффективного сшивания, но также абсорбционная способность (согласно AFAQ) образцов с высоким содержанием сухого вещества, полученных в соответствии со способами согласно настоящему изобретению, неожиданно была выше по сравнению с образцом, полученным согласно традиционному способу, и образцом, полученным из нескрепленного волокна.
Таблица 1
<b>Идентификация образца </b>
<b>COP (%)</b>
<b>Содержание сухого вещества в исходном волокне</b><b>(%) </b>
<b>Содержание сухого вещества в смесителе (%)</b>
<b>Абсорбционная способность согласно AFAQ (г/г)</b>
<b>Плотность</b><b>5K (г/см</b><sup><b>3</b></sup><b>)</b>
Образец CC
6,5
6
нет данных
16,5
0,138
Образец UC
6,8
46
43
17,5
0,145
Пример 1
6,5
65
52
18,4
0,133
Пример 2
6,2
85
58
18,9
0,115
[0075] Несмотря на то, что настоящее изобретение представлено и описано со ссылкой на вышеизложенные принципы, иллюстративные примеры и варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные изменения формы и деталей можно осуществлять без отступления от существа и объема изобретения. Подразумевается, что настоящее изобретение включает в себя все такие альтернативы, модификации и изменения, которые попадают в объем прилагаемой формулы изобретения.