CN113417164A

CN113417164A - 一种粉状纤维素的生产方法

Info

Publication number: CN113417164A
Application number: CN202110847794.5A
Authority: CN
Inventors: 沈云飞; 沈家源; 张依轩; 杨中伟; 褚祖礼
Original assignee: HUZHOU CITY LINGHU XINWANG CHEMICAL CO Ltd
Current assignee: HUZHOU CITY LINGHU XINWANG CHEMICAL CO Ltd
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2021-09-21
Also published as: WO2023005074A1

Abstract

本发明属于高分子化合物制备领域，涉及一种粉状纤维素的生产方法，包括如下步骤：S1.向木浆中加入低浓度的盐酸溶液，在温度为60至80℃条件下保温1.5至2小时，得到浆状物料；所述盐酸溶液的质量浓度为0.03至0.05%；S2.将所述浆状物料进行压滤，收集滤饼；S3.干燥所述滤饼；S4.粉碎干燥后的滤饼，得到粉状纤维素。本发明采用先通过化学能作用对纤维素进行部分解聚再使用机械能粉碎制备得到粉状纤维素的生产工艺。通过极低浓度无机酸水解纤维，控制一定聚合度部分解聚纤维素聚合物。纤维素经化学能作用部分降解后，受到化学能的作用分子链长度缩短，纤维素强度降低，更容易被机械能粉碎，得到不同等级物理性能指标的粉状纤维素。

Description

一种粉状纤维素的生产方法

技术领域

本发明属于高分子化合物制备领域，涉及一种纤维素制备方法，尤其是一种粉状纤维素的生产方法。

背景技术

纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的，是人类最宝贵的天然可再生资源。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。纤维素是一种不被人类消化吸收的物质，但是在保障人类健康，延长生命方面有着重要作用，称它为第七种营养素。

纤维素为团状物质，流动性差，表面羟基暴露少，不利于对其进行应用，必须将纤维素从团状制备为粉状形态从而赋予纤维素新的功能。通过技术研究生产出不同形态不同型号的粉状纤维素产品，以细度、堆比重、纤维长度、颗粒度、粒径大小不同，从流动性良好的细粉或结实的颗粒到粗且蓬松、无流动性的形态，以满足不同应用领域对纤维素的使用需求是当务之急。

粉状纤维素微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性，吸水能力强，因此在制药、食品、化妆品和工业领域具有广泛应用，可运用于建筑、电力、油品加工、冶金、化纤、印染、过滤材料、摩擦材料、密封垫、环境保护、污水处理、海水淡化、磺酸盐精制等方面。广泛用于混凝土、砂浆、石膏制品、木浆海棉、沥青道路等领域，对防止涂层开裂、提高保水性、提高生产的稳定性和施工的合宜性、增加强度、增强对表面的附着力等有良好的效果。

目前市场上由国内研制的粉状纤维素，无论在产品色泽、纤维平均长度、水溶物含量、重金属含量等主要指标上均不如国外产品。医药级、食品级甚至工业级高端粉状纤维素质量要求高，现在国内使用的粉状纤维素基本上都是从德国、美国、日本等国家进口，国外知名企业有美国Solvira Specialties Inc、德国Jeluwerk FMK公司、德国JRS瑞登梅尔纤维素公司，虽然质量较好，但价位高。我国规模以上粉状纤维素生产企业几乎没有。

国内在团状纤维素深加工起步较晚，只有简单的破碎，产品堆比重轻、粒径粗、流动性差，使用范围受到限制。目前国内外研究和生产粉状纤维素的主要生产工艺是使用机械粉碎法，即通过机械力粉碎降低纤维素粒径，将净化的纤维素浆转化成粉状纤维素。此工艺存在明显缺陷：由于纤维之间连接强度高，在制备过程中需要多次粉碎，多次研磨，机械能耗高、成本高，并且生产的粉状纤维素粒径相对比较粗。因此，如何简单高效地解决以上技术难关，开发研究生产粉状纤维素的新工艺方法，并形成产业化生产，具有重要的社会和经济意义。

发明内容

本发明为了克服现有技术中粉状纤维素制备存在的上述缺陷，提供一种粉状纤维素的生产方法，获得各项指标均满足粉状纤维素标准，且流动性更好的粉状纤维素。

本发明采用如下的技术方案：

一种粉状纤维素的生产方法，包括如下步骤：

S1.向木浆中加入低浓度的盐酸溶液，在温度为60至80℃条件下保温1.5至2小时，得到浆状物料；所述盐酸溶液的质量浓度为0.03至0.05%；

S2.将所述浆状物料进行压滤，收集滤饼；

S3.干燥所述滤饼；

S4.粉碎干燥后的滤饼，得到粉状纤维素。

上述技术方案采用先通过化学能作用对纤维素进行部分解聚再使用机械能粉碎制备得到粉状纤维素的生产工艺。通过极低浓度无机酸水解纤维，控制一定聚合度部分解聚纤维素聚合物。纤维素经化学能作用部分降解后，受到化学能的作用分子链长度缩短，纤维素强度降低，更容易被机械能粉碎，可以制备得到不同等级物理性能指标的粉状纤维素。经化学能作用部分降解的纤维素由于分子链的长度降低，纤维强度降低，再对其进行机械粉碎，而更容易被机械能粉碎成更细粒度、流动性更好的粉状纤维素。

现有技术中，只有在制备微晶纤维素才采用酸解，按照本领域的常规理解，采用酸解无法获得粉状纤维素，而是获得聚合度更低的微晶纤维素。

本发明打破惯性思维，通过调整酸解工艺条件，采用极低浓度的盐酸溶液，来控制纤维素聚合度，一般聚合度≥500为粉状纤维素。若酸浓度过高，温度过高，水解速度太快，反应过程难以控制，造成过度酸解，可能降解为微晶纤维素会失去目标产品粉状纤维素的特性；若酸浓度太低，温度太低，反应速度太慢，则不能降低纤维素的韧性，影响后续的机械粉碎加工。工艺研究将盐酸浓度控制在0.03-0.05%，酸解反应温度控制在60-80℃进行酸解试验，可取得最佳的酸解效果。

而且在此盐酸浓度之内，即使酸解时间过长，纤维素仍然不会被过度酸解而成为微晶纤维素，申请人做了相关实验，在盐酸浓度0.03%，温度75℃下，分别酸解2h、4h、6h、8h、10h，对应的聚合度为591、573、562、550、541，仍然满足粉状纤维素聚合度要求。

作为优选，加入盐酸溶液后控制木浆的固含量为20至25%。

作为优选，采用清水对步骤（S2）中滤饼进行清洗至中性。

作为优选，在步骤（S1）之后，采用相同浓度的盐酸溶液重复处理一次，温度为20至40℃。第一次酸解在较高温度下进行，有利于纤维素的解聚，之后再在较低温度下重复酸解，此时溶液内分子活动减慢，未达到粉状纤维素聚合度要求的较长分子链的纤维素继续解聚，而达到聚合度要求的纤维素则不会继续被解聚成为微晶纤维素。确保在酸处理条件下，仍然保持粉状纤维素的聚合度。

作为优选，在酸解之后，压滤之前（也即在步骤S1与步骤S2之间），对浆状物料进行打浆处理，从而更容易被粉碎细化、粉碎研磨成粒度更细、堆比重更大、流动性更好的粉状纤维素产品。此方法原理在于纤维素经化学能作用部分降解后，受到化学能的作用分子链长度缩短，纤维素强度降低，更容易被机械能粉碎细化、粉碎研磨，可以制备得到不同等级物理性能指标的粉状纤维素。

作为优选，步骤（S4）中粉碎采用通过纤维素微细化专用粉碎机，通过研磨、剪切、碰撞多种形式结合的方式粉碎成粉末。

该粉碎机包括：进料部件、与所述进料部件相连通的粉碎部件、与所述粉碎部件相连通的分级部件，所述进料部件设置进料口，所述分级部件设置有出料口。

作为优选，所述进料部件包括进料仓，所述进料仓的出口连通所述粉碎部件，所述进料仓内设置有由电机带动转动的横向设置的进料转轮。

作为优选，所述进料转轮的转轮叶片的边缘设置有锯齿。

作为优选，所述进料转轮的转轮叶片的外端部呈锥形结构。

作为优选，所述粉碎部件包括粉碎箱、设置于粉碎箱内的粉碎结构，所述粉碎结构包括主轴、围绕所述主轴设置的辅轴以及设置于所述辅轴上的磨轮，所述主轴由电机带动转动，所述辅轴由所述主轴带动转动。

作为优选，所述磨轮与所述粉碎箱的内壁之间的间隙不超过1.5cm。这样，磨轮与粉碎箱的内壁之间形成研磨区，在磨轮不断转动的过程中，研磨区物料受到充分研磨。

作为优选，所述磨轮转动连接于所述辅轴，在所述主轴转动时，所述磨轮不仅围绕主轴进行公转，同时又围绕各自的辅轴进行自转，此过程同时具有研磨、剪切、碰撞的作用，提高了纤维素的粉碎效果。

作为优选，所述磨轮的外表面设置有刀片，所述刀片沿着所述磨轮轴向螺旋设置。

作为优选，所述主轴的上端设置有转子架，所述辅轴安装于所述转子架上。

作为优选，所述转子架的下表面设置有刮刀结构，所述刮刀结构包括设置于所述转子架上的刮刀轴和设置于所述刮刀轴前端的刮刀，所述刮刀位于所述磨轮下方。

作为优选，所述分级部件包括设置于所述粉碎箱上方的分级箱、设置于所述分级箱内的分级盘，所述分级盘上方设置有连有吸引装置的出料口，所述粉碎箱上还设置有进风口。

作为优选，沿着粉状纤维素的出料口方向，根据分级盘转速来调节产品细度，可生产出不同型号的粉状纤维素。

通过磨轮的离心力，持续与粉碎机研磨、剪切和碰撞三位一体运动，使纤维素在横向和竖向都进行破碎和剪切提高粉碎效率，可使粉状纤维素的细度更细、堆比重更大、粉体的流动性更好，通过调整工艺参数可生产出不同型号能满足市场需求的产品。

通过实施上述技术方案，相比现有技术，本发明具有如下的优点：

1.采用先通过化学能作用对纤维素进行部分解聚再使用机械能粉碎制备得到粉状纤维素的生产工艺。通过极低浓度无机酸水解纤维，控制一定聚合度部分解聚纤维素聚合物。纤维素经化学能作用部分降解后，受到化学能的作用分子链长度缩短，纤维素强度降低，更容易被机械能粉碎，得到不同等级物理性能指标的粉状纤维素。

2.相比现有技术中纯机械粉碎，制造成本更低。

3.本发明中的粉碎机，通过磨轮的离心力，持续与粉碎机研磨、剪切和碰撞三位一体运动，使纤维素在横向和竖向都进行破碎和剪切提高粉碎效率，可使粉状纤维素的细度更细、堆比重更大、粉体的流动性更好，通过调整工艺参数可生产出不同型号能满足市场需求的产品。

附图说明

附图1为本发明一实施例所示粉碎机的结构示意图；

附图2为本发明一实施例所示粉碎机的进料部件的结构示意图；

附图3为本发明一实施例所示粉碎机的进料转轮的结构示意图；

附图4为本发明一实施例所示粉碎机的转轮叶片的结构示意图

附图5为本发明一实施例所示粉碎机的粉碎部件的结构示意图；

附图6为本发明一实施例所示粉碎机的的分级盘的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种粉状纤维素的生产方法：

原料：食品级木浆：α-纤维素含量：96.8%；灰分：0.06%；干燥失重：7.8%；聚合度：1073。

盐酸：总酸度：31%；还原物：<0.007%。

1、在2000L搪瓷反应釜中加入1500kg去离子水，启动搅拌浆，缓慢加入1.5kg浓盐酸（质量分数约为31%），配成0.03%稀盐酸溶液。将500kg食品级木浆慢慢加入4000L新型双轴差速高剪切反应装置，开启隔套蒸汽加热开关，同时将配制好的稀盐酸溶液注入。木浆在新型双轴差速高剪切卧式反应釜中溶胀混合、剪切解聚，制备成固含量24.8%木浆混合物，加热升温至75℃，保温持续解聚2小时。

2、保温持续解聚后得到纤维素粗品，用显微镜观察固含量1%的水分散溶液，纤维素从团状解聚，变为长纤维状，纤维长度明显变短，并检测聚合度为589。

3、解聚完成后停止加热，搅拌得到浆状物料，对浆状物料加水稀释至含量10%左右使用立式三级高速高剪切纤维素细化分散机进行打浆处理1小时，得到的浆液打入板框压滤机内压滤，用去离子水漂洗至中性，得纤维素粗品固含量45.8%，滤饼湿料共986.2kg，得率97.98%（以干品计）。通过高剪切造粒干燥装置，对纤维素进行干燥。

4、在高剪切造粒干燥装置进风温度150-200℃，出风温度70-80℃进行干燥。

5、粉碎：通过纤维素微细化专用粉碎机对解聚后的纤维素通过研磨、剪切、碰撞多种形式结合的方式粉碎成粉末，通过60目筛网，粉状纤维素产品干燥失重为3.9%，重量为449.8kg，得率95.7%（以干品计），其堆比重为0.26g/cm³，休止角为47.1°。

比较材料：食品添加剂粉状纤维素JustFiber BH200

JustFiber BH200是通过处理α-纤维素得到的一种纯化的可从含纤维素的植物的纤维浆制得的，堆比重大、流动性好的粉状纤维素。其由美国纽约州北托纳旺达市的国际纤维素公司（IFC）Solvaira Specialties Inc生产。其用于食品行业作为膳食纤维，具有抗粘结或起载体材料的作用，并具有高的化学和微生物纯度。是一种无臭无味并能有效减少食品中热量的含量的一种成分，不含热量、脂肪、没有可消化的碳水化合物。可以应用于乳酪、肠衣面包、松饼、蛋糕、意大利面、各类调味酱、压片糖果，作为乳酪抗结剂、压片糖果赋形剂吸附剂等等。其堆比重为0.25g/cm³，休止角为49.2°。

检测上述实施例1、比较例的粉状纤维素试样的物理性能数据，对照比较如下：

从表1中可以看出，通过本发明制备得到的食品添加剂粉状纤维素主要物理性能指标，实施例1堆比重稍大于美国JustFiber BH200、休止角比美国JustFiber BH200更低，说明粉体的流动性更好。本发明生产的粉状纤维素实施例1各项检测指标均达到或领先于国际水平，填补国内产品空白。通过调整工艺参数可生产出不同型号能满足市场需求的产品。

实施例2

一种粉状纤维素的生产方法：

原料：工业级木浆：α-纤维素含量：88.13%；灰分：0.15%；干燥失重：7.9%；聚合度：1137。

盐酸：总酸度：31%；还原物：<0.007%。

1、在2000L搪瓷反应釜中加入1500kg去离子水，启动搅拌浆，缓慢加入2.5kg浓盐酸（质量分数约为31%），配成0.05%稀盐酸溶液。将500kg工业级木浆慢慢加入4000L新型双轴差速高剪切反应装置，开启隔套蒸汽加热开关，同时将配制好的稀盐酸溶液注入。工业级木浆在新型双轴差速高剪切卧式反应釜中溶胀混合、剪切解聚，制备成固含量24.5%木浆混合物，加热升温至67℃，保温持续解聚1.5小时。

2、保温持续解聚后得到纤维素粗品，用显微镜观察固含量1%的水分散溶液，纤维素从团状解聚，变为长纤维状，纤维长度明显变短，并检测聚合度587。

3、解聚完成后停止加热，搅拌得到浆状物料，对浆状物料加水稀释至含量10%左右使用立式三级高速高剪切纤维素细化分散机进行打浆处理2小时，得到的浆液打入板框压滤机内压滤，用去离子水漂洗至中性，得纤维素粗品固含量46.1%，滤饼湿料973.9kg，得率为97.5%（以干品计）。通过高剪切造粒干燥装置，对纤维素进行干燥。

5、粉碎：通过纤维素微细化专用粉碎机对解聚后的纤维素通过研磨、剪切、碰撞多种形式结合的方式粉碎成粉末，通过400目筛网。粉状纤维素产品干燥失重为3.7%，重量为445.3kg，得率95.5%（以干品计），其激光粒度为D10=6.82μm、D50=16.19μm、D90=30.64μm，400目筛通过率100% 。

比较材料：超细涂料添加剂粉状纤维素BE600-10TG

BE600-10TG是木浆经过处理而制成的用于化学建筑材料产品的粉状添加剂，它是不溶于水的天然纤维，具有优良的柔韧强度、分散性和化学惰性。其由德国瑞登梅尔纤维素公司JRS生产。其适用于乳胶漆和干粉涂料，在干粉料中添加0.1-0.3%可以获得产品的纤维增果和增稠作用；提高触变性和抗流性提高稳定性；增强抗收缩和抗开裂性能；延长操作时间。在乳胶漆中添加0.5-3.0%可以增强和改善乳胶漆的强度；提高乳胶漆稳定性和耐擦洗性，提高乳胶漆保水性，减少漆膜张力，减少开裂现象；改进操作性，减少滚刷时的飞溅现象；减少表面光泽度。其激光粒度为D10=6.9μm、D50=16.6μm、D90=34.22μm，400目筛通过率99%。

检测上述实施例2、比较例的粉状纤维素试样的物理性能数据，对照比较如下：

从表2中可以看出，通过本发明制备得到的涂料添加剂粉状纤维素主要物理性能指标，实施例2激光粒度分布比德国BE600-10TG稍细、400目筛分细度与德国BE600-10TG接近。本发明生产的粉状纤维素实施例2各项检测指标均达到或领先于国际水平，填补国内产品空白。通过调整工艺参数可生产出不同型号能满足市场需求的产品。

对比食品添加剂国标及中国药典理化指标，本发明制备得到的粉状纤维素均符合以下标准。

实施例中所用的纤维素微细化专用粉碎机，结构如附图1所示，包括进料部件01、与所述进料部件01相连通的粉碎部件02、与所述粉碎部件02相连通的分级部件03，所述进料部件01设置进料口A，所述分级部件03设置有出料口B。

所述进料部件01如附图2所示，包括进料仓11，所述进料仓11的出口连通所述粉碎部件02，所述进料仓11内设置有由电机带动转动的横向设置的进料转轮12，如附图3所示。由于物料是纤维状，常规的叶片结构很容易造成卡死，因此进料转轮12的转轮叶片121的外端部设置成锥形结构、边缘设置有锯齿，如附图3、4所示，以减少纤维素的阻力，能有效解决叶片卡死引起电机损坏而停机的问题。

所述粉碎部件02包括粉碎箱21、设置于粉碎箱21内的粉碎结构，所述粉碎结构包括主轴22、围绕所述主轴22设置的辅轴23以及设置于所述辅轴23上的磨轮24，所述磨轮24的外表面设置有刀片，所述刀片沿着所述磨轮24轴向螺旋设置。所述主轴22由电机04带动转动，所述主轴22的上端设置有转子架25，所述辅轴23安装于所述转子架25上，带动转子架25转动，辅轴23也随之转动。所述磨轮24与所述粉碎箱21的内壁之间的间隙不超过1.5cm。这样，磨轮24与粉碎箱21的内壁之间形成研磨区，在磨轮24不断转动的过程中，研磨区物料受到充分研磨。磨轮24转动连接于所述辅轴23，在所述主轴22转动时，所述磨轮24不仅围绕主轴22进行公转，同时又围绕各自的辅轴23进行自转，此过程同时具有研磨、剪切、碰撞的作用，提高了纤维素的粉碎效果。所述转子架25的下表面设置有刮刀结构，所述刮刀结构包括设置于所述转子架25上的刮刀轴和设置于所述刮刀轴前端的刮刀，所述刮刀位于所述磨轮24下方，刮刀与磨轮24同步旋转过程中，把物料刮抛喂入到磨轮24与箱内壁组成的研磨区中，形成垫料层，该料层受磨轮24旋转产生内外的离心力（即挤压力）将物料碾碎，即由此达到纤维素微细化的效果。

磨轮24在公转和自传的过程中产生强大的离心力，与定子发生强烈的辊研作用，被粉碎的物料在离心力及磨轮24旋转力场的带动下，进入磨轮24与定子组成的研磨区中，在强大的挤压力和研磨力作用下物料被粉碎。还可以根据产品细度要求调整磨轮24上螺旋刀间隙，从而生产出不同型号的粉状纤维素产品。

所述分级部件03包括设置于所述粉碎箱21上方的分级箱31、设置于所述分级箱31内的分级盘32，所述分级盘32上方设置有连有吸引装置的出料口B，所述粉碎箱21上还设置有进风口。分级盘32结构如附图6所示，根据分级盘32转速来调节产品细度，可生产出不同型号的粉状纤维素。

Claims

1.一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2.将所述浆状物料进行压滤，收集滤饼；

S3.干燥所述滤饼；

S4.粉碎干燥后的滤饼，得到粉状纤维素。

2.根据权利要求1所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，加入盐酸溶液后控制木浆的固含量为20至25%。

3.根据权利要求1所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，采用清水对步骤（S2）中滤饼进行清洗至中性。

4.根据权利要求1所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，在步骤（S1）之后，采用相同浓度的盐酸溶液重复处理一次，温度为20至40℃。

5.根据权利要求1所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，步骤（S4）中粉碎采用通过纤维素微细化专用粉碎机，该粉碎机包括：进料部件、与所述进料部件相连通的粉碎部件、与所述粉碎部件相连通的分级部件，所述进料部件设置进料口，所述分级部件设置有出料口；所述进料部件包括进料仓，所述进料仓的出口连通所述粉碎部件，所述进料仓内设置有由电机带动转动的横向设置的进料转轮。

6.根据权利要求5所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，所述进料转轮的转轮叶片的边缘设置有锯齿。

7.根据权利要求5或6所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，所述进料转轮的转轮叶片的外端部呈锥形结构。

8.根据权利要求5所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，所述粉碎部件包括粉碎箱、设置于粉碎箱内的粉碎结构，所述粉碎结构包括主轴、围绕所述主轴设置的辅轴以及设置于所述辅轴上的磨轮，所述主轴由电机带动转动，所述辅轴由所述主轴带动转动。

9.根据权利要求8所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，所述磨轮与所述粉碎箱的内壁之间的间隙不超过1.5cm。

10.根据权利要求8所述的一种粉状纤维素的生产方法，其特征在于，所述分级部件包括设置于所述粉碎箱上方的分级箱、设置于所述分级箱内的分级盘，所述分级盘上方设置有连有吸引装置的出料口，所述粉碎箱上还设置有进风口。