ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ДИСПЕРСИИ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ НАНОЧАСТИЦ, А ТАКЖЕ ДИСПЕРСИЯ, ПРОИЗВОДИМАЯ СОГЛАСНО ДАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
TECHNOLOGY FOR PRODUCTION OF DISPERSION, CONSISTING OF NANOPARTICLES, AS WELL AS DISPERSION PRODUCED ACCORDING TO SAID TECHNOLOGY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения дисперсии, состоящей из микрофибриллированной целлюлозы и наночастиц. Изобретение также относится к дисперсии, получаемой в соответствии с данным способом к бумажной либо картонной продукции, на которую наносится покрытие, содержащее указанную дисперсию, и к бумажной либо картонной продукции, производимой из указанной дисперсии, а также к композиционному материалу, состоящему из указанной дисперсии. По настоящему изобретению представляется возможным производить весьма устойчивую дисперсию, состоящую из наночастиц и микрофибриллированной целлюлозы.
Предшествующий уровень техники
При производстве бумажной либо картонной продукции зачастую присутствует потребность введения наночастиц либо в композицию для изготовления бумаги или картона, либо в поверхностный слой полученной бумажной, либо картонной продукции. Наночастицы зачастую добавляют в целях снижения стоимости производства и/или для того, чтобы улучшить характеристики, такие как свойства печати, свойства готовой бумажной либо картонной продукции.
Наночастицы также используются для многих иных практических применений, таких как производство композитов, в которых наночастицы, во многих случаях, добавляют для того, чтобы уменьшить вес и увеличить модуль упругости композиционных материалов.
Проблема при работе с дисперсиями либо суспензиями, содержащими наночастицы, состоит в том, что они не являются стабильными, и наночастицы свободно образуют агрегаты, которые являются не столь реакционноспособными, как наночастицы в свободной форме. Кроме того, для дисперсий, содержащих наноматериал, зачастую характерна проблема пыления, и это также может являться потенциально опасным моментом при обработке дисперсий, содержащих наночастицы, поскольку они, например, абсорбируются кожей. Для высушенных дисперсий, содержащих микрофибриллированную целлюлозу, также часто характерна проблема пыления.
Присутствует, следовательно, потребность в усовершенствованной технологии производства стабильной дисперсии, содержащей наночастицы, с улучшенными свойствами.
Суть изобретения
Предметом настоящего изобретения является создание способа, по которому достаточно эффективным и безопасным образом можно получать стабильную дисперсию, содержащую наночастицы.
Другой задачей настоящего изобретения является создание бумажной или картонной продукции, на которую нанесено покрытие, включающее указанную стабильную суспензию.
Данные задачи, а также прочие цели и эффекты, достигаются за счет технологии согласно п. 1. Настоящее изобретение относится к способу производства суспензии, содержащей микрофибриллированную целлюлозу и наночастицы, отличающейся тем, что способ состоит из таких стадий, как: подготовка суспензии, состоящей из предварительно обработанных целлюлозных волокон, введение наночастиц в суспензию и обработка суспензии путем механического разрушения таким образом, что суспензию, содержащую микрофибриллированную целлюлозу, в которой наночастицы абсорбируются поверхностью микрофибриллированной целлюлозы и/или абсорбируются внутри микрофибриллированной целлюлозы. Посредством обработки суспензии, содержащей предварительно обработанные волокна целлюлозы и наночастицы путем механического разрушения можно получать значительно более стабильную суспензию, в то время как суспензия обладает и другими улучшенными свойствами, такими как уменьшения неудобств, связанных пылением.
Механическое разрушение предпочтительно осуществляют в гомогенизаторе высокого давления. Было показано, что при использовании гомогенизатора высокого давления можно получать микрофибриллированную целлюлозу с более раскрытыми участками структуры и в то же время диспергировать наночастицы дисперсии особо эффективным образом.
Давление, применяемое в гомогенизаторе высокого давления, предпочтительно находится в интервале 500-4000 бар, более предпочтительно в интервале 1000-2000 бар.
Наночастицы предпочтительно представляют собой наночастицы бентонита, диоксида титана, оксида цинка, серебра, оксида меди, оксида железа, диоксида кремния, карбоната кальция, таких как наноосажденный карбонат кальция (нОКК) и/либо углеродных нанотрубок.
Соотношение между микрофибриллированной целлюлозой и наночастицами дисперсии находится предпочтительно в интервале 10:90 до 90:10. В зависимости от конечного применения и от того, из какого типа микрофибриллированной целлюлозы и наночастиц состоит дисперсия, соотношение может варьироваться.
Предпочтительно, чтобы большинство наночастиц дисперсии, предпочтительно, по меньшей мере, 50%, абсорбировались на поверхности, либо внутри микрофибриллированной целлюлозы. Таким образом, количество свободных наночастиц в дисперсии ограничено, а тенденция наночастиц к образованию нереакционноспособных наноагрегатов снижается.
Содержание сухого вещества в суспензии, подлежащей обработке путем механического отделения, находится предпочтительно в интервале 1-30% от веса волокон. Содержание сухого вещества в суспензии зависит от применяемых наночастиц, того, какой используется тип МФЦ, а также от того, какой тип аппаратуры применяется для механического разрушения.
Содержание сухого вещества в дисперсии после того, как она была подвергнута механическому разрушению, составляет предпочтительно больше 50% от веса волокон. Из дисперсии предпочтительно удаляют воду после механического отделения в целях повышения содержания сухого вещества. За счет увеличения содержания сухого вещества транспортировка дисперсии в другие пункты может осуществляться более эффективно. Более того, было показано, что при увеличении содержания сухого вещества в дисперсии ее стабильность увеличивается даже еще больше.
Технология может дополнительно включать промывание дисперсии после механического отделение. Таким образом представляется возможным удалить любые свободные наночастицы в дисперсии. Наночастицы, которые были удалены промыванием, могут быть подвернуты рециклингу и возвращены обратно в процесс и могут быть, тем самым, использованы повторно.
Изобретение также относится к дисперсии, получаемой в соответствии с технологией, описываемой выше. Было показано, что производимая дисперсия является менее вредной и обладает повышенной стабильностью, наряду с тем характеризуясь пониженной тенденцией к пылению.
Для дисперсии предпочтительно характерно содержание сухого вещества более 50% от веса волокон. Из различных наночастиц получаются дисперсии с варьирующими реологическими характеристиками и т.д., поэтому в зависимости от используемых наночастиц, варьируется максимальное содержание сухого вещества в дисперсии. Более того, оно также зависит от того, какая используется МФЦ, а также от того, какого рода устройства применяются для механического разрушения.
Большинство наночастиц дисперсии, предпочтительно, по меньшей мере, 50% наночастиц, предпочтительно адсорбируется на поверхности либо внутри микрофибриллированной целлюлозы, т.е. содержание свободных наночастиц в дисперсии является достаточно низким. Следовательно, дисперсия будет являться не только более стабильной, но также менее потенциально опасной в обращении.
Является также возможным, чтобы дисперсия, по существу, не содержала свободных наночастиц. При удалении любых свободных наночастиц предпочтительно промыванием дисперсии после того, как дисперсия была механически разделена, представляется возможным удалить все, или практически все свободные наночастицы из дисперсии, т.е. дисперсия не будет содержать наночастицы, либо не будет содержать по существу только свободные наночастицы.
Изобретение также относится к бумажной, либо картонной продукции, на которую наносится покрытие, состоящее из дисперсии, как описано выше. Путем нанесения на бумагу или картон покрытия с указанной дисперсией можно получить бумагу или картон с улучшенным покрытием. В случае, если дисперсия состоит из МФЦ и наночастиц бентонита было показано, что субстрату, покрытому подобной дисперсией, придается довольно хорошая стойкость к действию жиров и масел, т.е. создается барьер к действию жиров и масел. В случае, когда покрывной материал, который наносят на поверхность бумаги или картона, также состоит из, по меньшей мере, одного полимера, было показано, что на бумаге или картоне может быть получено весьма хорошее барьерное покрытие, в особенности обладающее барьерными свойствами в отношении жидкостей.
Изобретение также относится к бумаге, либо картону, которые производят из дисперсии, описанной выше. Является, следовательно, возможным производить бумажную, либо картонную продукцию из дисперсии. Так, бумагу либо картон получают путем добавления дисперсии, содержащей микрофибриллированную целлюлозу и наночастицы, к проволочной нити для образования сетчатого полотна. Полотно затем обрабатывают известным образом с тем, чтобы сформировать бумажное, либо картонное изделие.
Изобретение также относится к композиционному мктериалу, состоящему из дисперсии, описываемой выше. При введении дисперсии, состоящей из микро-фибриллированной целлюлозы и наночастиц, в композиционный материал можно производить композиционный материал с высоким содержанием наночастиц незатруднительным образом. Это связано с тем, что дисперсия является в высшей мере стабильной и, следовательно, представляется простой задачей использовать дисперсию в качестве добавки композиционному материалу.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к технологии производства дисперсии, состоящей из наночастиц и микрофибриллированной целлюлозы, в которой наночастицы абсорбированы на поверхности, либо внутри микрофибриллированной целлюлозы. Дисперсию производят посредством обработки суспензии, содержащей предварительно обработанные волокна целлюлозные и наночастицы, путем механического отделения, предпочтительно, в гомогенизаторе под давлением, для которого есть гарантия того, что микрофибриллированная целлюлозы с высоким содержанием открытой поверхности образуется в то же время, когда происходит гомогенизация наночастиц, что препятствует формированию из них наноагрегатов. Посредством как увеличения содержания открытой поверхности образованной микрофибриллированной целлюлозы, так и предотвращения образования наноагрегатов из наночастиц, для наночастиц представляется возможным адсорбироваться в большом количестве на открытых поверхностях микрофибриллированной целлюлозы. Было также продемонстрировано, что посредством обработки суспензии, содержащей наночастицы и предварительно обработанные волокна целлюлозы, в гомогенизаторе высокого давления наночастицы будут адсорбироваться не только на поверхности, но и внутри МФЦ. Таким образом, получаемая дисперсия будет в высшей мере стабильной и в ней будет образовываться меньшее количество наноагрегатов. В связи с повышенной стабильностью с дисперсией будет более просто работать и является возможным транспортировать дисперсию до различных пунктов более простым способом.
Более того, было показано, что дисперсия, согласно изобретению сопряжена с меньшими затруднениями, связанными с пылением даже при высоких значениях содержания сухого вещества, либо даже в высушенном состоянии. Было также продемонстрировано, что абсорбция дисперсии кожей снижается, что делает ее менее потенциально опасной при обращении. Следовательно, представляется возможным работать с дисперсией со сниженными ограничениями по безопасности, что делает ее более привлекательным продуктом, ввиду как улучшенной производственной среды, так и того факта, что он будет являться более выгодным с экономической точки зрения.
Механическое разрушение может быть произведено во многих устройствах для механической обработки различных типов, например, рифайнерах или измельчителях, таких как измельчители копании Масуко. Однако предпочтительным представляется использовать гомогенизатор высокого давления, который довольно эффективным образом позволяет производить как волокна микрофибриллированной целлюлозы из предварительно обработанных волокон, так и гомогенизировать наночастицы. Гомогенизатор высокого давления создает высокое поперечное сдвиговое воздействие, которое разделяет как волокна, так и наночастицы. Высокое давление используется при механическом разделении, и давление, предпочтительно, составляет между 500-4000 бар, предпочтительно, между 1000-2000 бар. Оптимальное давление обычно составляет в районе 1500 бар. Требуемое давление зависит от материала, подвергаемого обработке. Однако зачастую слишком высокое давление использовать невыгодно, поскольку это может обуславливать чересчур высокую степень износа оборудования. Одним из примеров конкретного гомогенизатора высокого давления является, так называемый микрофлюидизатор.
Под наночастицами подразумеваются частицы, обладающие каким-либо внешним габаритом, измеряемым в наноразмерном масштабе, либо обладающие внутренней структурой или поверхностной структурой в наноразмерном масштабе. Под наноразмерным масштабом подразумевается диапазон размеров приблизительно от 1 нм до 100 нм. Примерами наночастиц, которые могут быть использованы, являются наночастицы бентонита, диоксида титана, оксида цинка, серебра, оксида меди, оксида железа, диоксида кремния, карбоната кальция, таких как наноосажденный карбонат кальция (нОКК) и/либо углеродные нанотрубки.
2
3
Наноразмерный диоксид титана может образовывать крайне эффективный УФ-барьер, что означает, что МФЦ, содержащая абсорбированные, либо включенные наночастицы диоксида титана, будет обладать УФ-барьерными свойствами. Представляется также возможным покрывать наночастицы диоксида титана оксидом алюминия (AlO) с целью снижения фотоактивности, что придаст диоксиду титана функции белящих пигментов. Углеродные нанотрубки обычно применяются в композиционных материалах и МФЦ при абсорбировании или включении наночастиц углеродных нанотрубок будет обладать улучшеной проводимостью, антистатическими свойствами, повышенной прочностью и огнестойкостью. Повышенная прочность является довольно привлекательным свойством для применения в листовых продуктах, используемых в качестве упаковки. Наносиликат может улучшать свойства струйной печати на бумажной или картонной продукции, на которую была нанесена дисперсия, состоящая из МФЦ и наносиликата.
Предварительно обработанные волокна целлюлозы могут быть древесными волокнами любого вида, такими как волокна из древесины лиственных пород, волокна из древесины хвойных пород и/либо волокна из древесины сельскохозяйственной породы. Возможными видами предварительной обработки может быть механическая обработка, например, разделение, ферментативная обработка, карбоксиметилирование, окисление действием ТЕМПО, графтинг КМЦ, химическое набухание, гидролиз кислотами, либо другие методы, которые будут способствовать образованию микрофибриллированной целлюлозы. Предпочтительно предварительная обработка представляет собой ферментативную обработку. Предварительная обработка может выполняться более чем в одну стадию. Предварительно обработанные волокна целлюлозы могут также включать целлюлозные фибриллы. Более того, возможным представляется также добавлять микрофибриллированную целлюлозу в предварительно обработанные волокна перед механическим разрушением.
Упомянутая микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ) также известна как наноцеллюлоза. Она представляет собой материал, как правило, созданный из волокон целлюлозы древесины, как из волокон лиственных, так и из хвойных пород. Она также может быть создана из микробиальных источников, сельскохозяйственных волокон, таких как соломенная целлюлоза от пшеницы, бамбука или других недревесных источников волокон. В микрофибриллированной целлюлозе отдельные микрофибриллы частично или полностью отделены друг от друга. Волокно микрофибриллированной целлюлозы является, как правило, довольно тонким (~20 нм), а его длина зачастую находится в интервале 100 нм до 10 мкм. Однако, микрофибриллы также могут быть длиннее, например, в интервале 10-200 мкм, но даже могут быть обнаружены длины до 2000 мкм в связи с широким распределением по длинам. Волокна, которые фибриллированы и которые имеют на поверхности микрофибриллы, а также микрофибриллы, которые отделены друг от друга и расположены в водной фазе суспензии, включают в понятие МФЦ. Более того, нитевидные волокна также включают в понятие МФЦ.
Путем обработки суспензии посредством механического разрушения, например, в гомогенизаторе высокого давления было показано, что количество наночастиц в дисперсии может быть увеличено. Следовательно, представляется возможным производить дисперсию, содержащую большое количество наночастиц. Это связано с образованием новых открытых участков во время механического разрушения предварительно обработанных волокон целлюлозы, которые предоставляют наночастицам новые сайты для фиксации к ним. Более того, механическое разрушение будет способно предотвращать образование агрегатов из наночастиц, которые являются не столь активными в отношении открытых участков МФЦ. Большая часть добавленных наночастиц абсорбируется, т.е. они не присутствуют в жидкой фазе дисперсии. Является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, 50% из вводимых наночастиц абсорбировалось на поверхности, либо внутри МФЦ, более предпочтительно, по меньшей мере, 70% и еще более предпочтительно, чтобы абсорбировалось, по меньшей мере, 80% из добавленных наночастиц.
Также является возможным удалять из дисперсии любые не абсорбированные наночастицы. Это может быть осуществлено в равной степени промыванием дисперсии после обработки посредством механического разрушения. Это, например, может быть осуществлено путем промывания, напр., водой, центрифугирования дисперсии и удаления затем части дисперсии, содержащей свободные наночастицы, или же посредством электроосмоса. Наночастицы, которые были удалены из суспензии, предпочтительно возвращают обратно в цикл процесса в целях повторного использования наночастиц. Свободные наночастицы могут создавать неудобства во многих различных случаях, поскольку они, например, делают обращение с дисперсией более затруднительным, так как в случае свободные наночастиц имеется риск их адсорбции на коже или тканях легких индивидуума, работающего с ними. Удалением любых свободных наночастиц становится, таким образом, возможным производить еще более безопасный продукт.
Соотношение между наночастицами и МФЦ в дисперсии, предпочтительно, составляет от 10:90 до 90:10. Зачастую предпочитают стараться увеличить количество наночастиц в дисперсии в максимально возможной степени и тем самым уменьшая количество микрофибриллированной целлюлозы. Однако, в зависимости от того, какого вида представлена МФЦ, а также наночастицы, соответствующее количество варьируется в целях получения настолько стабильной дисперсии, насколько это возможно.
Содержание сухого вещества в суспензии перед обработкой с помощью механического разрушения составляет, предпочтительно, между 1 до 30% от веса волокон. В зависимости как от используемых волокон целлюлозы, используемых наночастиц, так и от применяемого оборудования для механического разрушения, содержание сухого вещества в суспензии должно варьироваться. Было показано, что степень адсорбции/абсорбции наночастиц в микрофибриллированной целлюлозе может быть увеличена за счет увеличения содержания твердых веществ в суспензии до или во время механического разрушения. Содержание твердых веществ может быть повышено путем осушки суспензии, или путем воздействия на нее другими методами, снижающих содержания жидкой среды.
Содержание сухого вещества в дисперсии после ее обработки механическим разрушением, предпочтительно, выше 50% от веса волокон. Является предпочтительным обеспечивать удаление воды из дисперсии после механического разрушения с целью повышения содержания сухого вещества в дисперсии. Было показано, что более высокие значения содержания сухого вещества увеличивают стабильность дисперсии в дополнение к тому, что она является более выгодной с экономической точки зрения для транспортировки дисперсии с высоким содержанием сухого вещества, поскольку содержание транспортируемой влаги снижается.
Настоящее изобретение также относится к дисперсии, получаемой согласно технологии. Повышенная стабильность дисперсии делает ее гораздо более простой в обращении. Представляется, например, более простым транспортировать дисперсию до клиента без изменения характеристик дисперсии во время перевозки. Таким образом, обращение с дисперсией для клиента упрощается, поскольку может не являться необходимым получать дисперсию на месте. Вместо этого клиент может приобрести готовую дисперсию, которая будет использоваться в соответствии с его пожеланиями.
Дисперсия может быть использована во множестве разнообразных продуктов. Например, в качестве компонента в лосьоне для загара, в качестве компонента в продукте для чистки и гигиены, в продуктах, составленных из композиционных материалов, армированных наноматериалах, в таких как пластмассы, спортивные товары и мобильные телефоны, в приспособлениях огнезащитного действия, для того, чтобы снижать трение, в качестве противомикробного композиционного материала, чтобы, например, очищать поверхности, в фильтровальной бумаге, пакетах для чувствительных продуктов, в проводящих или непроводящих поверхностях, например, в батареях и в одноразовой электронике, в самоочищающихся поверхностях, для солнечных батарей и/либо в качестве компонента в проводящих печатных красках.
Настоящее изобретение также относится к бумажной или картонной продукции, на которую наносится покрытие, содержащее дисперсию, согласно изобретению. Использование дисперсии в составе покрывного материала позволяет придавать бумаге, либо картону довольно хорошие барьерные свойства. Было продемонстрировано, что если дисперсию, состоящую из наночастиц бентонита и МФЦ, наносят на поверхность бумаги или картона, то может быть образован довольно хороший барьер к действию жиров и масел. Покрывной материал может также содержать какой-либо полимер, а подобное покрытие будет зачастую придавать бумажному или картонному изделию превосходные барьерные свойства в отношении жидкости. Причина, по которой дисперсия согласно изобретению, будет придавать бумажному, либо картонному изделию хорошие барьерные свойства может заключаться в том, что на поверхности изделия образуется более плотная структура. Если используются наночастицы определенной формы, такой как игло-подобные структуры, может также иметь место физическое блокирование. Данное физическое запирание означает, что, например, кислород, либо жидкость вынуждены проделывать более длинный путь для того, чтобы проникнуть в субстрат, и таким образом формируется улучшенное барьерное свойство продукта. Более того, присутствующая МФЦ будет препятствовать проникновению как полимера, так и наночастиц слишком глубоко в продукт, а также увеличивая прочность барьерного слоя, делая его более стойким к механическим повреждениям. Еще одним преимуществом нанесения покрытия из дисперсии в соответствии с настоящим изобретением является то, что реологические характеристики покрывного материала будут усовершенствованы, что улучшит текучесть материала в процессе нанесения покрытия, а также будет характеризоваться уменьшенным количеством отверстий или прочих дефектов в слое покрытия. Более того, поскольку дисперсия согласно изобретению содержит большое количество наночастиц, которые представляют собой частицы, которые не сжимаются, либо не изменяются по прошествии либо в процессе высушивания, продукция будет обнаруживать меньше затруднений со сворачиванием или другими дефектами, связанными с усадками после высыхания.
Изобретение также относится к бумаге, либо картону, которые производятся из дисперсии, описываемой выше. Таким образом, можно производить бумажную, либо картонную продукцию из дисперсии. Бумагу либо картон, следовательно, производят путем добавления дисперсии, состоящей из микрофибриллированной целлюлозы и наночастиц, к проволочной нити с целью формирования сеточного полотна. Сеточное полотно далее обрабатывают известными способами с тем, чтобы получить бумажную, либо картонную продукцию. Было показано, что возможно производить довольно качественную бумажную продукцию из дисперсии согласно изобретению. Вследствие стабильности дисперсии, представляется возможным производить бумажную продукцию с большим количеством наночастиц.
Изобретение также относится к композиционному материалу, состоящему из дисперсии, описываемой выше. При введении дисперсии, состоящей из микрофибриллированной целлюлозы и наночастиц, в состав композиционного материала можно получать композиционный материал с высоким содержанием наночастиц незатруднительным образом. Это является следствием того, что дисперсия в высшей мере стабильна и, следовательно, представляется несложной задачей использовать дисперсию в качестве добавки к композиционному материалу. Композиционный материал, следовательно, будет состоять из большого количества наночастиц, а также некоторого количества МФЦ, которая будет придавать композиционному материалу улучшенные свойства.
Пример
Суспензия, содержащая смесь предварительно обработанных волокон (предварительно обработанных ферментативным путем) и наночастиц бентонита в соотношении 50:50. Ферментом является фермент целлюлазы, конкретнее эндоглюканаза (ЭГII). Содержание сухого вещества в суспензии составляет 6% по весу. Суспензию подвергают гомогенизации в микрофлюидизаторе при давлении 1500 бар.
Стабильность получаемой дисперсии после этого оценивают визуально. По прошествии четырех недель дисперсия по-прежнему остается стабильной.
Данную дисперсию можно сравнивать с дисперсией, состоящей только из наночастиц бентонита, которые имеют тенденцию оседать при хранении, и с дисперсией, состоящей из микрофибриллированной целлюлозы, которая имеет тенденцию «истекать» водой, когда ту оставляют на хранение.
Вследствие этого, дисперсия, согласно изобретению, является гораздо более стабильной.
В виду вышеприведенного подробного описания настоящего изобретения прочие модификации и вариации будут очевидны специалистам в рассматриваемой области.
Тем не менее, должно быть очевидным, что подобные прочие модификации и вариации могут быть осуществлены без отступления от сущности и сферы компетенции изобретения.