DE19500249B4

DE19500249B4 - Verfahren zur Herstellung mikroklassifizierter Cellulose

Info

Publication number: DE19500249B4
Application number: DE19500249A
Authority: DE
Inventors: Michael K. West Redding Weibel; Richard S. Redding Paul
Original assignee: Microcell Inc
Current assignee: Microcell Inc
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1995-01-05
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2015-01-06
Also published as: DE19500249A1; GB2296726B; GB2296726A; FR2729159A1; GB9500075D0; FR2729159B1; US5385640A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von mikroklassifizierter Cellulose (MDC), bei dem man wiederholt eine flüssige Suspension fasrige Cellulose durch eine Zone hoher Scherkraft hindurchschickt, die durch zwei gegenüberliegende Flächen gebildet wird, und zwar unter gegenläufiger Rotation der Flächen zueinander, wobei die Bedingungen und Zeitdauer so gewählt werden, dass eine im wesentlichen stabile Suspension resultiert und dieser Suspension ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards verliehen wird, der nach der Abnahme auf Werte unter 100 eine beständige Zunahme bei wiederholtem Durchtritt der Cellulose durch die Zone hoher Scherkraft zeigt.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikroklassifizierter Cellulose.

Da Cellulose der strukturelle Hauptbestandteil der meisten Pflanzen ist, liegt es auf der Hand, dass Fachleute, die sich mit der Verarbeitung oder der Refinermahlung solcher Materialien befassen, sie als "Cellulosematerial" bezeichnen. Allerdings steht dieser allgemeine Begriffe für eine Vielzahl von Bedeutungen, die von den betreffenden Fachleuten häufig fachspezifisch verwendet und damit eingeschränkt werden. Die kommerziellen Anwendungen der verarbeiteten Pflanzensubstanz zur Herstellung eines raffinierten Cellulosematerials sind zahlreich und umfassen auch den Einsatz auf nicht analogen Gebieten der Technik. Beispielsweise werden raffinierte Cellulosematerialien weithin in der Papier- und Textilindustrie verwendet. Raffinierte Cellulose findet auch Anwendung in Klebstoffen, Lebensmittelinhaltsstoffen, industriellen Beschichtungen und auf verschiedenen anderen Gebieten. Für jede Endanwendung machen das Rohmaterial, die Verarbeitung und das bzw. die Endprodukte ein im Wesentlichen einzigartiges technologisches Gebiet aus.

Allgemein sind in der Technik zahlreiche chemische, thermische und mechanische Umbildungen bekannt, um Cellulose für verschiedene Zwecke zu raffinieren, manipulieren oder modifizieren. Die folgende hierarchische Charakterisierung soll die bisher bekannte Technologie im Zusammenhang mit der Strukturmanipulation raffinierter Cellulosesubstanzen beschreiben. Diese Charakterisierung hat außerdem den Zweck, Unterscheidungsgrundlagen zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Stand der Technik zu liefern.

Die molekulare Stufe oder die Primärstruktur von Cellulose ist die β-1,4'-Glucankette. Diese Struktur ist allen Cellulosen gemeinsam und bildet auch das Unterscheidungsmerkmal zwischen Cellulose und anderen komplexen Polysacchariden. Die natürliche Kettenlänge ist wegen der unvermeidlichen Modifizierung und Zersetzung, die während der Zerlegung auf dieser Stufe eintritt, nicht bekannt, reicht jedoch wahrscheinlich bis in das Polymerisationsregime vieler tausend Glucaneinheiten. Für die Umbildung auf dieser Strukturstufe müssen chemische Bindungen gebildet und aufgebrochen werden.

Als Sekundärstruktur gelten die submikroskopischen Stränge, die aus parallelen, regelmäßig ausgerichteten Ansammlungen von Glucanketten gebildet werden. Diese Anordnungsstufe wird als "Mikrofibrille" bezeichnet. Mikrofibrillen bilden sich spontan aus einer Vielzahl entstehender Glucanketten, von denen man annimmt, dass sie simultan durch eine komplexe, bewegliche biosynthetische Organelle synthetisiert werden, die an der Errichtung der primären Pflanzenzellwand beteiligt ist. Die Mikrofibrille ist groß genug, dass man sie mit dem Elektronenmikroskop ausmachen kann, und hat je nach Pflanzenspezies eine Hauptquerschnittsabmessung im Bereich von 50 bis 100 Å. Wie bei der β-Glucankette, aus der sie besteht, ist die Länge unbestimmt. Nicht kovalente Interaktionen wie durch Wasserstoffbindungen stabilisieren die Sekundärstruktur. Wegen der hohen Anziehungskraft zwischen den Ketten ist eine strukturelle Umbildung wahrscheinlich selten, es sei denn, es geht eine chemische Modifizierung der Primärstruktur voraus.

Die Tertiärstruktur bezieht sich auf Anordnungen und Assoziierungen von Mikrofibrillen in Bahnen und größere aus Strängen bestehende Strukturen, die Fibrillen genannt werden. Die Unterscheidungsmerkmale auf dieser Strukturstufe sind so klein, daß sie üblicherweise nur mit den Elektronenmikroskop wahrgenommen werden können. Jedoch haben einzelne Fibrillenansammlungen eine ausreichend große Querschnittsabmessung (0,1 bis 0,5 μm oder 10.000 bis 50.000 Å), daß man sie mit dem Lichtmikroskop ausmachen kann. Die strukturelle Deformation auf dieser Stufe erfolgt überwiegend mechanisch und ist entweder organisiert (Zerlegung / Klassifizierung) oder willkürlich (unterschiedsloser Bruch / Spaltung).

Die Quaternärstruktur befaßt sich schließlich mit dem Aufbau der tertiären Elemente, die die primäre und sekundäre Zellwand bilden. Diese Strukturstufe definiert die physikalischen Abmessungen der individuellen Zelle und eine etwaige grobe strukturelle Spezialisierung, die für die physiologische Funktion der differenzierten Zelle erforderlich ist. Beispiele sind die Libriform-, Tracheal- und Parenchymzellstruktur. Die strukturelle Manipulation entsteht aus der unterschiedslosen Zerkleinerung und ist die am häufigsten praktizierte mechanische Umbildung.

Bei der herkömmlichen Verarbeitung von Cellulosematerialien zu Pulpe erfolgt hauptsächlich die chemischthermomechanische Verarbeitung von sclerenchymalem oder strukturellem Pflanzengewebe, um individuell dispergierte Zellen zu erhalten. Das Ergebnis ist eine quaternäre Struktur, die überwiegend aus aus den primären und sekundären Zellwänden erhaltener Cellulose besteht. Je nach der Pflanzenquelle und dem Ausmaß der Verarbeitung können auch einige Heteropolysaccharide wie Hemicellulose (Xylane, Galactomannane, Pektine usw.) vorhanden sein. Der wichtigste Unterschied zwischen der Verarbeitung zu Pulpe und anderen Verarbeitungsarten von Cellulose besteht darin, daß es zur anatomischen Zerstörung von intaktem Pflanzengewebe kommt. Das führt zu dispergierten Zellformen, die einen minimalen Grad an quaternärer und grundlegenderer struktureller Manipulationsstufe darstellen. Einige Celluloseformen wie z.B. Baumwolle liegen von Natur aus in dispergiertem Zustand vor und müssen deshalb nicht unbedingt zu Pulpe verarbeitet werden.

Wichtig für die folgende Erörterung ist die Unterscheidung zwischen Zerlegung und unterschiedslosen Fragmentierungsprozessen. Bei der Fragmentierung ist die lokalisierte Energieauslenkung (auf welchem Weg auch immer) ausreichend hoch und bildet sich so schnell, daß es nicht zu einer organisierten Dissipation der internen Energie durch die aufnehmende Matrix kommt. Hier wird eine starke Störung angelegt und führt zu einem unterschiedslosen Bruch oder einer anderen erheblichen Auflösung an Translokationen innerhalb einer definierten Mikrodomäne. Bei der Zerlegung erfolgt die Dissipation der erworbenen Energieauslenkung dagegen auf organisiertere Weise, üblicherweise entlang einem Pfad der niedrigsten Aktivierungsenergie. Bei Cellulose scheint dazu die Segmentierung entlang paralleler fibrillenorientierter Anordnungen und möglicherweise auch die Trennung von Fibrillenanordnungen in laminare Plättchen zu gehören.

Mechanisch zerfaserte Cellulosearten werden in der Papier- und Verpackungsindustrie schon lange verwendet. Chemisch-thermomechanisch raffinierte Holzpulpen werden typischerweise in Hydromahlholländer dispergiert und dann in Hochgeschwindigkeitsscheibenmühlen naß einer Refinermahlung unterzogen. Diese derzeit praktizierte Stufe an struktureller Manipulation erfolgt ausschließlich auf der quaternären Stufe. Das Ziel dieses Verarbeitungsschrittes ist es, aggregierte Faserbündel zu dispergieren und die zur Verfügung stehende Oberfläche für den Kontakt während des Trocknens zu vergrößern, um die Trockenfestigkeit zu erhöhen. Eine erhebliche Verringerung der Größe und die damit einhergehende Beeinträchtigung der Entwässerung sind unerwünscht und begrenzen das Ausmaß der Verarbeitung. Die Messung, wie leicht sich Wasser aus einer zerfaserten Pulpe entfernen läßt, wird als "Canadian Standard Freeness" (Mahlgrad nach kanadischem Standard) bezeichnet und bedeutet die Leichtigkeit oder Geschwindigkeit, mit der das Wasser aus den Zwischenräumen des Papiergrundstoffs entfernt werden kann.

Feingemahlene oder fragmentierte Cellulosearten sind bekannt. Diese Produkte werden durch mechanische Zerkleinerung oder Mahlen getrockneter, raffinierter Cellulose hergestellt. Sie werden überwiegend als inerte, nicht mineralische Füllstoffe in verarbeiteten Lebensmitteln und Kunststoffen eingesetzt. Die Manipulation erfolgt ausschließlich auf der quaternären Strukturstufe. Man erreicht sie durch Anwendung verschiedener Zerkleinerungstechnologien wie z.B. Kugel- und Stabmühlen, Hochgeschwindigkeitsschneidmaschinen, Scheibenmühlen und anderen Techniken, die teilweise in US-A-5,026,569 beschrieben sind. Die praktische Grenze des Trockenmahlens wird teilweise durch die thermischen Auswirkungen eines solchen Verarbeitungsverfahrens auf Cellulose und teilweise durch die wirtschaftlichen Auswirkungen von Geräteverschleiß und wesentlicher Verunreinigung des Produkts gesetzt. Bei mikrogemahlener Cellulose (micromilled cellulose – MMC), die wie in U.S.-A-4,761,203 beschrieben in wäßrigen oder anderen flüssigen Medien hergestellt wird, kann man die thermische Zersetzung vermeiden, die mit langem oder intensiven Trockenmahlen einhergeht. Diese Technik ermöglicht eine Verringerung der Teilchengröße in den kolloidalen Bereich (etwa 10 μm). Man nimmt an, daß sie durch unterschiedslose Mikrofragmentierung der quaternären Struktur funktioniert, ohne dass es zu den für das Trockenmahlen charakteristischen Fusions-/thermischen Zersetzungseffekten kommt.

Mikrofibrillierte Cellulose (MFC), wie sie von Turbak et al. (US-A-4,374,702) offenbart wird, ist hauptsächlich eine mechanische Manipulation von raffinierter Cellulose aus Holzpulpe auf der tertiären Strukturstufe. Bei diesem Verfahren werden hoher Druck und Stoßentladung auf eine feste Oberfläche einer Cellulosedispersion in einem flüssigen Medium eingesetzt. Dies führt zu einer Kombination aus direktem Energietransfer durch hohe, adiabatische Schergradienten, die innerhalb der Aufpralldomäne erzeugt werden, und Sekundäreffekten von solcher Scherkraft (oder Übersetzungsmomentaustausch) aus der Lösungsmittelkavitation, dass die suspendierten Celluloseteilchen zerlegt werden. Je nach dem Verarbeitungsausmaß und der Vorbehandlung des Rohmaterials werden bei der Strukturmanipulation Fibrillengruppen von zerlegter quaternärer Struktur hergestellt. Diese stark dispergierten Fibrillenstrukturen verleihen der kontinuierlichen flüssigen Phase, in der sie hergestellt werden, ungewöhnliche Eigenschaften.

Dieselben Autoren offenbaren in US-A-4,487,634 stabile Cellulosesuspensionen. Hierbei wird eine Suspension in einem Medium, das Cellulose quellen lässt, offenbart, wobei die Suspension mikrofibrilierte Cellulose in ausreichend hoher Menge enthält, um eine stabile homogene Suspension zu bilden. Die mikrofibrilierte Cellulose ist eine Celluloseform mit sehr großer zugänglicher spezifischer Oberfläche und besitzt neben anderen Vorteilen die Eigenschaft, der Suspension größere Stabilität zu verleihen. Die Suspensionen sind für eine Vielzahl an Endanwendungen nützlich, einschließlich Nahrungsmittel, Kosmetika, Pharmazeutika, Farben und Bohrschlämme.

Die EP-A-0 415 293 offenbart eine Suspension, umfassend ein dispergierendes Medium, das mindestens 2 Gew.-% feine Partikel eines Cellulosematerials mit 50% kumulativem Volumendurchmesser von 0,3 bis 6 μm enthält, worin ein kumulatives Volumenverhältnis der Partikel, die einen Durchmesser von nicht mehr als 3 μm aufweisen, von mindestens 25% offenbart wird. Die Suspension wird durch ein Verfahren erhalten, umfassend das Unterwerfen eines Cellulosematerials unter einer Depolymerisationsvorbehandlung, gefolgt durch Nassmahlen in einem Behälter, der ein Mahlmedium enthält und mit einer Rotationsklinge zum Zwangsrühren des Mediums ausgerüstet ist. Die Suspension weist exzellente Viskosität, Wasserretentionseigenschaften, Stabilität und Palatabilität auf.

Mikrokristalline Cellulose (MCC), wie sie in US-A-3,023,104 offenbart ist, ist ein Beispiel für eine Strukturmanipulation auf der sekundären Strukturstufe. Dieses Verfahren umfasst die selektive Säurehydrolyse von lösungsmittelzugänglichen und amorphen Sekundärstrukturbereichen in raffinierter Cellulose, um verhältnismäßig kristalline Mikrodomänen zu erzeugen, die gegen weitere Hydrolyse resistent sind. Die Abmessung der Kristallitdomänen liegt im Bereich von 10 bis 30 μm. Wenn der niemals getrocknete Kristallit einer Scherung ausgesetzt wird, dispergiert er in parallele Cluster aus Mikrofibrillen, die die periodische Spaltung entlang einer Fibrillenanordnung widerspiegeln. Die Mikrofibrillenkristalliten weisen einen hohen Oberflächenbereich auf und assoziieren sich beim Trocknen wieder zu einer harten, nicht dispergierbaren Masse.

Darüber hinaus beeinhaltet die Herstellung von Rayon und Celluloseethern wie Cellulosekautschuk (Carboxymethylcellulose, CMC) die Manipulation auf der primären Strukturstufe. Im Fall von Rayon ist die Modifizierung vorübergehend und umkehrbar, wodurch sich die neu konstituierte β-Glucankette spontan wieder zu einem halbkristallinen Material zusammenfügt, das zu Fasern gesponnen werden kann. Celluloseether stellen eine absichtliche, nicht mehr umkehrbare Modifizierung dar, bei der man durch die chemische Derivatisierung verhindert, dass sich die individuell gebildeten β-Glucanketten wieder zusammenfügen. Eine beschränkte Abwandlung einer solchen Derivatisierung ist die von pulverisierter Cellulose, bei der der Substitutionsgrad verhältnismäßig gering ist, um z. B. Carboxymethyl- oder Diethylaminoethylcellulose, CM-Cellulose bzw. DEAE-Cellulose zu bilden. Letztere Materialien sind als Ionenaustauschmedien geeignet.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verhältnismäßig einfaches und preiswertes Verfahren für die Refinermahlung von fasrigem Cellulosematerial in eine dispergierte tertiäre Strukturstufe und dadurch die mit einer solchen Strukturveränderung einhergehenden erwünschten Eigenschaften zu erhalten. Die auf diese Weise hergestellte Cellulosefaser wird hier als "mikroklassifizierte Cellulose (MDC)" bezeichnet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man wiederholt eine flüssige Suspension fasriger Cellulose durch eine Zone mit hoher Scherkraft hindurchschickt, die durch zwei gegenüberliegende Flächen gebildet wird, und zwar unter gegenläufiger Rotation der Flächen zueinander, wobei die Bedingungen und Zeitdauer so gewählt werden, dass eine im Wesentlichen stabile Suspension resultiert und dieser Suspension ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards verliehen wird, der eine beständige Zunahme bei wiederholtem Durchtritt der Cellulose durch die Zone hoher Scherkraft zeigt.

Man hat jetzt herausgefunden, dass mikroklassifizierte Cellulose unter Verwendung von einer Standardausrüstung für die Refinermahlung hergestellt werden kann, z. B. einem Doppelscheiben-Refinermahlwerk, der auf andere Weise als bei der Refinermahlung von Pulpe in der Papierherstellung betrieben wird. Während in der Papierherstellung die Schäden an der Faser so gering wie möglich gehalten werden sollen und ein Mahlgrad nach kanadischem Standard erforderlich ist, der die einfache Entfernung des Wassers aus der Pulpe ermöglicht, geht aus der nachstehenden Offenbarung hervor, dass man die gleiche Ausrüstung einsetzen kann, um den gegenteiligen Effekt zu erzielen, d. h. ein hohes Maß an Zerfall der Faserstruktur, das in einem Celluloseprodukt mit einer sehr großen Oberfläche und hoher Wasserabsorptionsfähigkeit resultiert. Der Grad des Zerfalls ist so hoch, dass bei einer Fortsetzung der Refinermahlung über die normalerweise für die Papierherstellung eingesetzte Stufe (ein Mahlgrad von ungefähr 100 nach dem kanadischen Standard) die Umkehrung der Mahlgradwerte nach dem kanadischen Standard eintritt. Der Grund für diese Umkehrung liegt darin, dass die dispergierte Faser ausreichend mikroklassifiziert wird, dass allmählich immer größere Mengen der Faser durch die perforierte Platte des Mahlgradprüfers nach dem kanadischen Standard treten, was mit fortschreitender Refinermahlung zu einem zunehmenden Anstieg des gemessenen Wertes führt. Wenn man die Refinermahlung fortsetzt, erreicht man schließlich einen Punkt, bei dem praktisch die ganze Faser mit Wasser leicht durch die perforierte Platte tritt. Auf dieser Verarbeitungsstufe ist der gemessene Mahlgrad nach dem kanadischen Standard typisch für den des ungehinderten Durchtritts von Wasser durch die perforierte Platte der Testeinheit.

Während für die herkömmliche Refiner-Verarbeitung bei der Papierherstellung eine einzige oder höchstens zwei Stufen eingesetzt werden, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Pulpe mehrfach durch die Zone mit hoher Scherkraft geleitet wird, typischerweise zehn- bis vierzigmal.

Bei der Papierherstellung erhöht sich durch das Zerfasern oder die Refinermahlung die Kontaktfläche zwischen den dispergierten Fasern, indem die Oberfläche durch Dispergieren und Fibrillieren vergrößert wird. Die Herstellung von MDC weitet diese Art der Verarbeitung erheblich aus.

Man nimmt an, dass das Ausmaß an Refinermahlung, das notwendig ist, um diesen hohen Fibrillierungsgrad zu erreichen, gleichzeitig zur Zerlegung der tertiären und vielleicht sogar der sekundären Struktur führt. Das Ergebnis ist eine ultrastrukturell dispergierte Celluloseform mit einer sehr großen Oberfläche.

Das Verfahren zur Herstellung von MDC hat mehr mit Zerlegung als mit der unterschiedslosen Fragmentierung zu tun, die bei der mechanischen Zerkleinerung oder dem Mahlen getrockneter, raffinierter Cellulose oder dem Mikromahlen von Cellulose in flüssigen Medien eingesetzt wird. Es unterscheidet sich auch von dem vorstehend angesprochenen Ansätzen auf der Basis von chemischer Hydrolyse oder chemischer Modifizierung. Am ähnlichsten ist das Produkt, MDC, der mikrofibrillierten Cellulose, MFC, die, wie von Turbak et al. offenbart, durch Hochdruckstoßentladung einer Cellulosedispersion in einem flüssigen Medium auf eine feste Oberfläche hergestellt wird. Jedoch scheint im Gegensatz zu den Lehren im Patent von Turbak et al., nach denen das in der Papierindustrie praktizierte Zerfasern und die Refinermahlung verhältnismäßig ineffiziente Verfahren sind, da große Mengen an Energie aufgewendet werden müssen, um verhältnismäßig kleine Mengen an Faseröffnung und Fibrillierung zu erhalten, das Gegenteil zuzutreffen. Diese Ansicht gründet sich auf die Forschungen, die, wie nachstehend erläutert, zu dieser Erfindung führten.

Das erfindungsgemäße MDC-Produkt hat eine sehr große Oberfläche, die im Wesentlichen aus fadenähnlichen Strukturen besteht (von denen die meisten mit dem Lichtmikroskop nicht wahrnehmbar sind). Diese stellen in Längsrichtung orientierte Cluster von Mikrofibrillen mit der dazugehörigen, vorstehenden Ultrastruktur dar, die von ihrer Oberfläche ausgeht. Diese Strukturen bilden miteinander verschlungene und interaktive Netze, die für Mischungen aus diskontinuierlichen Materialien in Wasser oder andere kontinuierliche Phasensysteme zu einer einzigartigen Form mikroskopi scher Einteilung in Kammern führt. Ein solches Verhalten führt zur Ausbildung interessanter viskoelastischer Eigenschaften wie Gelstruktur, Gefühl im Mund, Gewebequalität und anderen Eigenschaften, die in Lebensmitteln, Pharmazeutika und Kosmetikprodukten besonders wünschenswert sind.

Insbesondere hat man jetzt herausgefunden, dass MDC in Nahrungsmitteln eine organoleptische Antwort erzeugt, die von keiner oder einer nur geringen Antwort bis zu einem cremigen Gefühl im Mund reicht. Man nimmt an, dass dieses Attribut das Ergebnis des Grades ist, bis zu dem die Submikronabmessung des Durchmessers der dominierenden fadenähnlichen Komponente verringert worden ist.

Diese Eigenschaft ist besonders wünschenswert und in Lebensmittelinhaltsstoffen eine gefragte Strukturqualität.

Eine zweite wünschenswerte Eigenschaft von MDC in Lebensmitteln ist die Fähigkeit der fadenähnlichen Strukturen, sich zu verschlingen und Netze aus Gelteilchen zu bilden, die die kontinuierliche Phase oder das Medium, in das sie dispergiert werden, strukturieren oder in Kammern aufteilen. Die Eigenschaften solcher Gelstrukturen in Teilchenformen sind typischerweise eine Funktion des Grades, bis zu dem die MDC verarbeitet wurde, werden jedoch typischerweise bei Konzentrationen im Bereich von 0,5% bis 1,0% Gewicht zu Volumen in den Domänen des Suspensionsmediums gebildet. Diese gelartigen Netze sind sehr effektiv, wenn es darum geht, eine räumliche Stabilisierung suspendierter oder codispergierter Materialien zu erreichen, die sich sonst je nach ihrem spezifischen Gewicht in bezug auf das der kontinuierlichen Phase mit der Zeit entweder absetzen oder schäumen.

Eine dritte wünschenswerte Eigenschaft, die man jetzt für die Nutzung von MDC in Lebensmitteln entdeckt hat, ist die Fähigkeit, die Mobilität von Wasser und anderen Flüssigkeiten innerhalb der Bereiche dichter, dispergierter Mikrofibrillen, die für MDC-Gelnetze in Teilchenform charakteristisch sind, zu binden und zu steuern. Dieses Wasser und andere polare oder sogar dispergierte Lipidphasen werden durch MDC effektiv immobilisiert. Die Steuerung der Feuchtigkeits- und Lipidwanderung ist ebenso eine sehr gefragte Eigenschaft von Inhaltsstoffen, die in Lebensmittelprodukten verwendet werden.

MDC, das erfindungsgemäße Produkt ist durch ein Absetzvolumen von mehr als etwa 50% nach 24 Stunden, bezogen auf 1 Gew.-% wässrige Suspension, und eine Wasserretention von mehr als etwa 350% gekennzeichnet. Verfahren zur Ermittlung des Absetzvolumens und der Wasserretentionswerte für MDC sind nachstehend im einzelnen beschrieben.

1 ist eine mikrophotographische Aufnahme der im nachstehenden Beispiel 1 beschriebenen Weizenfaser vor der Refinermahlung mit einer 100fachen Vergrößerung.

2 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Weizenfaser nach der Refinermahlung mit einer 100fachen Vergrößerung.

3 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Weizenfaser vor der Refinermahlung mit einer 250fachen Vergrößerung.

4 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Weizenfaser nach der Refinermahlung mit einer 250fachen Vergrößerung.

5 ist eine mikrophotographische Aufnahme der im nachstehenden Beispiel 2 beschriebenen Weichholzfaser vor der Refinermahlung mit einer 100fachen Vergrößerung.

6 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Weichholzfaser nach der Refinermahlung mit einer 100fachen Vergrößerung.

7 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Weichholzfaser vor der Refinermahlung mit einer 250fachen Vergrößerung.

8 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Weichholzfaser nach der Refinermahlung mit einer 250fachen Vergrößerung.

9 ist eine mikrophotographische Aufnahme der im nachstehenden Beispiel 3 beschriebenen Haferfaser vor der Refinermahlung mit einer 100fachen Vergrößerung.

10 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Haferfaser nach der Refinermahlung mit einer 100fachen Vergrößerung.

11 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Haferfaser vor der Refinermahlung mit einer 250fachen Vergrößerung.

12 ist eine mikrophotographische Aufnahme der vorstehenden Haferfaser nach der Refinermahlung mit einer 250fachen Vergrößerung.

Erfindungsgemäß wird mikroklassifizierte Cellulose aus Cellulosematerial hergestellt, indem man das Material in einer wässrigen Suspension wiederholt durch eine von zwei gegenüberliegenden Flächen definierte Zone mit hoher Scherkraft hindurchschickt, von denen man eine gegenläufig zur anderen rotieren lässt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Cellulosesuspension durch ein Doppelscheiben-Homogenisierwalzwerk des Typs geleitet, wie man ihn typischerweise bei der Verarbeitung von Holzpulpen für die Papierherstellung verwendet. Während die Verarbeitung mit einer solchen Ausrüstung bei herkömmlichen Papieranwendungen begrenzt ist, damit der erreichte Refinermahlgrad Mahlgradwerten im Sinne des kanadischen Standards (Canadian Standard Freeness = CSF) von etwa 100 oder mehr entspricht, er fordert die Erfindung einen Refinermahlgrad, wo der CSF-Wert gegen null verringert wird und dann die Mahlgradwerte durchläuft, sich den Werten für niemals verarbeitete Pulpe in wäßriger Suspension nähert und diese schließlich übertrifft.

Beispiele für die Anwendung dieser Erfindung werden nachstehend für Weichholzpulpe, weiße Weizenfaser und Haferfaser angeführt. Auch andere Typen von fasrigem Cellulosematerial können erfindungsgemäß verarbeitet werden. Jedoch scheinen langfasrige Materialien wie Weichholzpulpe und Weizenfaser für diesen Ansatz besser geeignet zu sein als Material mit kurzen Fasern.

Das Ausgangsmaterial für das Verfahren wird praktischerweise dadurch hergestellt, daß man ein Material aus Cellulosebahnen in einem Hydromahlholländer in Anwesenheit einer geeigneten Flüssigkeit schlägt; dadurch wird das Bahnenmaterial zersetzt und die Fasern gleichmäßig im der Flüssigkeit dispergiert.

Die genaue Refinermahlungszeitspanne, die für die Herstellung von MDC erforderlich ist, hängt von den Eigenschaften des Ausgangsmaterials, z.B. der Faserlänge, der Refinermahlungstemperatur und der Feststoffkonzentration in der Pulpe ab. Die Länge der Verarbeitung wird auch durch die Parameter der Scherzone beeinflußt, in der die Cellulosesuspension verarbeitet wird. Im Fall eines Doppelscheiben-Homogenisierwalzwerks umfassen diese Parameter auch die Höhe des Gegendrucks, der auf die Cellulosesuspension ausgeübt wird, während sie während bei der Refinermahlung der Scherbelastung ausgesetzt wird, die Konfiguration der Plattenoberfläche des Refiners, den Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Refiner-Platten, den Durchmesser der Refiner-Platte und die Umfangsgeschwindigkeit der Platte. Die Leistungsfähigkeit wird gesteigert, wenn man bei einer hohen Feststoffkonzentration in der Pulpe, erhöhtem Gegendruck auf die Pulpe bei der Refinermahlung, erhöhten Pulpetemperaturen in Kopplung mit maximaler Temperatursteuerung, Angleichung der Lücke zwischen den sich gegenüberstehenden Refiner-Platten durch Eingabe eines vorher ausgewählten Amperezahlwertes auf den Refiner-Motor und einer Refiner-Plattenkonfiguration und Umfangsgeschwindigkeit arbeitet, die ein Reiben oder Zerfasern fördert, ohne zu schneiden. Obwohl die Refinerzermahlung am effizientesten abläuft, wenn die Feststoffkonzentration in der Pulpe zunimmt, besteht eine Grenze, wie hoch die Feststoffkonzentration sein kann, bei der die Pulpe immer noch durch das System fließt. Ein kurzfasriges Material wie Hafer kann auf nahezu die doppelte Feststoffkonzentration von Weichholz und Weizen, die beide langfasrige Materialien sind, konzentriert werden.

Bevorzugte Betriebsbedingungen für die Herstellung von MDC in einem Doppelscheiben-Homogenisierwalzwerk sind wie folgt: Faserlänge etwa 50 bis 3000 μm oder mehr, einer Temperatur für Refinermahlung von etwa 15,6 °C (60° F) bis etwa 93,3 °C (200° F), eine Feststoffkonzentration von etwa 2 bis etwa 10 Gew.-% der Cellulosesuspension und ein Gegendruck von etwa 0,689 (10) bis etwa 2,758 bar (40 psi).

Die verbleibenden Parameter einschließlich der Plattenkonfigurationen, des Abstands zwischen benachbarten Platten, des Plattendurchmessers und der Plattenumfangsgeschwindigkeit hängt von dem speziellen Refiner-Modell ab, das für die Verarbeitung der MDC gewählt wird. Nachstehend wird beispielhaft ein typischer Durchlauf gezeigt, bei dem ein Black Clawson 71,1 cm (28-inch) Twin Hydradisc Refiner(Handelsbezeichnung) verwendet wird.

Ein Hauptindikator, den man zur Überwachung des Refinermahlungsausmaßes des Cellulosematerials verwen det, ist der Wert Canadian Standard Freeness (Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards), der mit den in TAPPI 227 "Freeness of Pulp" (Mahlgrad von Pulpe), J. Casey, Pulp and Paper (1980) aufgeführten Testgeräten und Verfahren gemessen wird. Es hat sich gezeigt, daß der Mahlgrad mit den Oberflächenbedingungen und dem Aufquellen der Faser, das die Entwässerung beeinflußt, zusammenhängt. Wenn die Refinermahlung über das Niveau hinausgeht, das normalerweise bei der herkömmlichen Papierherstellung praktiziert wird, werden die Abmessungen der dabei entstehenden Strukturen ausreichend klein, so daß eine Umkehr der Mahlgradwerte eintritt, d.h. zunehmende anstatt abnehmende Mahlgradwerte mit fortschreitender Refinermahlung. Dieser anomale Anstieg des Mahlgrades wird hier als "falscher Mahlgrad" bezeichnet. Wenn die Umkehr einmal eintritt und die Refinermahlung anschließend fortgesetzt wird, nimmt der gemessene Mahlgradwert zu, bis ein Maximalwert von ungefähr 800 erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das raffinierte Material ausreichend geschmeidig und fein (mit geringen Abmessungen), so daß es zusammen mit dem Wasser leicht durch die Löcher der perforierten Platte des Testgeräts hindurchgeht. In anderen Worten, die Suspension verhält sich, als wäre sie faserfreies Wasser mit dem gleichen Gesamtvolumen wie die gemessene faserhaltige Probe. Dies ist die einschränkende Bedingung, wenn man aus Messungen des Mahlgrades sinnvolle Daten erhalten will. Wenn die Cellulosesuspension dieses erwünschte Mahlgradniveau erreicht, wird sie im wesentlichen stabil. Das soll bedeuten, daß es selbst nach längerem Stehen keine sichtbare Entmischung der kontinuierlichen Phase und der dispersen Phase gibt.

Durch die Untersuchung der mikrophotographischen Aufnahmen der Faserproben erhält man unter Bezugnahme auf das Ausgangsmaterial Erkenntnisse bezüglich des durch die Refinermahlung erreichten Fibrillierungsgrades.

1 zeigt, daß die Faserlänge vor der Refiniermahlung in den meisten Fällen mindestens 1000 μm und die Faserbreite 1 bis 2 μm beträgt. In 2 ist mit 100facher Vergrößerung die Weizenfaserstruktur gezeigt, die durch das im folgenden Beispiel 1 beschriebene Refinermahlungsverfahren entsteht. 3 und 4 zeigen die Weizenfaser mit einer 250fachen Vergrößerung und lassen Einzelheiten bezüglich der raffinierten Faser in 4 erkennen. Aus 2 und 4 geht hervor, daß die raffinierte Faser stark zerlegt ist. Es gibt keinerlei Hinweis auf die ursprüngliche Quaternärstruktur, die die Faser vor der Refinermahlung aufwies. Durch die ausgedehnte Refinermahlungsdauer wurde sie zersetzt und durch ein Netz aus Fibrillen mit einer erheblich vergrößerten Oberfläche ersetzt. Wenn man diese Fibrillen unter dem Lichtmikroskop betrachtet, erscheinen diejenigen, die überhaupt sichtbar sind, als sehr lange fadenartige Stränge mit einem extrem geringen Durchmesser.

5 zeigt mit einer 100fachen Vergrößerung die Faserstruktur von Weichholzfaser vor der Refinermahlung und läßt eine etwas größere Länge (1000 bis 3000 μm lang) und größere Breite (2 bis 4 μm breit) erkennen als die vorstehend beschriebene Weizenfaser. 6 und 8 zeigen eine Faserstruktur für das raffinierte Weichholz, die der der vorstehend erörterten Weizenfaserprobe sehr ähnlich zu sein scheint.

Durch die Untersuchung der mikrophotographischen Aufnahmen von Haferfaserproben erhält man Erkenntnisse über den Einfluß der Faserlänge des Ausgangsmaterials auf den durch die Refinermahlung erreichten Fibrillierungsgrad im Vergleich zu den Ausgangsmaterialien mit längeren Fasern. 9 zeigt die Haferfaser vor der Refinermahlung mit 500 bis 1000 μm Länge und 2 bis 4 μm Breite. 10 und 12 zeigen, daß die Struktur ei ner raffinierten Haferfaser zerlegt wird, aber nicht im gleichen Ausmaß wie die langfasrigen Weizen- und Weichholzproben. Es gibt Hinweise auf die ursprüngliche quaternäre Struktur, die die Faser vor der Refinermahlung aufwies. Ein kleinerer Prozentsatz der Struktur der Haferfaser wurde in ein Netz aus Fibrillen umgewandelt. Dies hat dazu geführt, daß weniger Oberfläche geschaffen wird als bei der Refinermahlung von langfasrigen Materialien.

Wie die vorstehende Beschreibung deutlich macht, ist MDC das Ergebnis der Zerlegung von Cellulosestrukturen durch eine im wesentlichen physikalische Manipulation. Als solche kann man MDC von Celluloseprodukten unterscheiden, die durch chemische Umbildung hergestellt wurden. Während des hier beschriebenen Verfahrens der Refinermahlung kommt es zu keiner merklichen Veränderung des Celluloseausgangsmaterials.

Neben dem Mahlgrad, im Sinne des kanadischen Standards dienen noch weitere Parameter bzw. Eigenschaften zur Charakterisierung von MDC.

Ein für die Charakterisierung und Beschreibung von MDC nützlicher Parameter ist das Absetzvolumen wäßriger Dispersionen mit unterschiedlichem Feststoffgehalt nach 24 Stunden Absetzen. Das Absetzvolumen einer MDC Probe wird dadurch ermittelt, daß man Cellulose mit einem bekannten Gewicht (auf der Basis der Trockengewichtes) in einer bekannten Menge Wasser dispergiert, z.B. in einem Meßzylinder. Nach einer vorgeschriebenen Absetzzeit wird das Volumen des Bettes an suspendierter Cellulose unter Bezugnahme auf das Gesamtvolumen der kontinuierlichen wäßrigen Phase gemessen. Das Absetzvolumen wird als Prozentsatz des Bettvolumens zum Gesamtvolumen ausgedrückt. Aus diesen Daten kann die Feststoffkonzentration in einer wäßrigen Dispersion, die in einem Absetz volumen von 50% des ursprünglichen Volumens resultiert, ermittelt und zur Charakterisierung des Produkts verwendet werden. Die Ergebnisse solcher Messungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Bei dieser Charakterisierung sind auch ultrastrukturelle Parameter von Bedeutung. Die sehr lange Weichholzfibrille weist mit 0,18% die niedrigste Feststoffkonzentration für 50% Absetzvolumen auf. Als nächstes folgt das Zwischenprodukt der Weizenfaser mit 0,23%, und die Haferfaser mit einer sehr kurzen Fibrille liegt mit 0,87% am höchsten. Ein charakteristisches Merkmal von MDC besteht darin, dass eine wässrige Suspension von 1 Gew.-% nach 24 Stunden ein größeres Absetzvolumen als 50% hat.

Tabelle 1

Die Wasserretention ist ein weiterer Parameter für die Charakterisierung von MDC. Die Wasserretentionswerte werden unter Einsatz eines Druckfiltrationsapparates für die Messung der Flüssigkeitsverluststeuerung bei niedrigem Druck ermittelt, wie man ihn routinemäßig zur Bewertung der Eigenschaften von Bohrfluid verwendet. Ein aliquoter Teil von 100 g einer nominalen wässrigen Cellulosedispersion von 4 bis 8 Gew.-% wird in eine Filterzellkammer eingefüllt, diese mit einer Kappe verschlossen und aus einer regulierten Stickstoffquelle einem Druck von 2,068 bar Überdruck (30 psig) ausgesetzt. Das aus der Filtrationszellkammer ausgeworfene Wasser wird gesammelt und der Druck noch 30 Sekunden nach der Beo bachtung des ersten Gasausstoßes fortgesetzt. Die Stickstoffquelle wird dann abgeschaltet und das ausgeworfene Wasser noch eine Minute oder bis der Gasausstoß aufhört weitergesammelt, je nachdem, was eher eintritt. Im Grunde verwendet diese Technik die pneumatische Druckfiltration, um aus in den Zwischenräumen befindliches Wasser aus der partikulären Phase zu entfernen.

Das ausgeworfene Wasservolumen wird zusammen mit dem Gewicht des nassen Kuchens festgehalten. Der nasse Kuchen wird dann bei 95 °C getrocknet, und zwar 16 Stunden oder bis ein konstantes Gewicht zu verzeichnen ist. Der Wasserretentionswert wird als das Verhältnis von
(Gewicht des nassen Kuchens minus Gewicht des trockenen Kuchens) zu (Gewicht des trockenen Kuchens) mal 100
berechnet.

Diese Technik liefert eine gute Schätzung für die kapillare und adsorptive Retention von Wasser durch die Cellulosefeststoffe durch Entfernung des Wassers aus den Zwischenräumen der Kuchenfeststoffe. Das Verfahren ist schnell (5 bis 10 Minuten) und lässt sich jederzeit reproduzieren. Der Wasserretentionswert von MDC beträgt charakteristisch mindestens 350% und bevorzugt mindestens 500%.

Die Viskosität kann ebenfalls als charakterisierende Eigenschaft von MDC herangezogen werden. Die augenscheinlichen Viskositäten einer wässrigen Dispersion mit 1,5 Gew.-% MDC-Feststoffproben wurden mit einem Viskosimeter unter Verwendung einer Spindel mit dem kleinen Zelladapter bei verschiedenen Scherbedingungen (5 bis 100 upm) ermittelt.

Die Proben wurden durch Hochgeschwindigkeitsmixen bei 10.000 upm mit einem Mixer vom Rotor Stator Typ drei Minuten vordispergiert. Die für das raffinierte Endprodukt (MDC) gemessenen Viskositäten der drei Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Produkt aus Weichholzfaser wies bei einer Spindelgeschwindigkeit von 100 upm eine Viskosität von ungefähr 8.000 m Pa·s (cP) auf. Das Produkt aus weißer Weizenfaser hatte bei den gleichen Messbedingungen wie für die Weichholzfaser eine Viskosität von ungefähr 6.000 und die Haferfaser eine Viskosität von ungefähr 1.300. Wie es scheint, ist der weite Bereich in den gemessenen Viskositäten hauptsächlich auf die Unterschiede in der Faserlänge und andere ultrastrukturelle Eigenschaften der Ausgangsmaterialien zurückzuführen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Messungen an MDC-Dispersionen in einer heterogenen Mischung (einer interaktiven, in einem flüssigen Medium suspendierten Gruppe von Teilchen) vorgenommen wurden. Normalerweise wird die Viskosität von homogenen Systemen gemessen. Wegen der heterogenen Natur der Mischung tritt um die zur Ermittlung der Scherbelastungskräfte in der Mischung verwendeten Spindel ein bestimmter Grad an mechanischer Verzerrung in der Mischung auf. Dementsprechend hängen die Scher-/Scherbelastungsmessungen von der Zeit und der bisherigen Geschichte der Probe ab. Als solche ergibt die Messung nicht die echte Viskosität im herkömmlichen Sinn, sondern stellt vielmehr eine reproduzierbare Messung dar, die sich für die Charakterisierung des Mikroklassifizierungsgrades und die Beschreibung bei der Umsetzung dieser Erfindung als nützlich erwiesen hat.

Der Energieaufwand für die Refinermahlung von MDC auf die hier beschriebene Weise liegt zwischen etwa 0,5 und etwa 5,5 kWh/kg (2,5 Kilowattstunden pro pound MDC) (auf der Basis des Trockengewichtes). Die entsprechenden Refinermahlzeiten schwanken je nach dem verarbeiteten Cellulosematerial zwischen zwei und acht Stunden. Dies ist wesentlich weniger als der Energieaufwand für mikrofibrillierte Cellulose, den Turbak et al. in US-A-4,483,743 angeben. Auf der Basis von fünf bis zehn Durchläufen einer wässrigen Dispersion mit 1% MFC-Feststoffen durch einen zu 80% effizienten Homogenisierapparat bei 551,6 bar Überdruck (8.000 psig) liegt der Energiebedarf zwischen 9,7 und 19,2 kWh/kg (4,4 und 8,7 Kilowattstunden pro pound MDC).

Folgende Beispiele sollen die erfindungsgemäße Herstellung von MDC im einzelnen erläutern. Diese Beispiele dienen zur Veranschaulichung, stellen jedoch keine Einschränkung dar.
Beispiel 1
Niemals getrocknete weiße Weizenfaser wurde mit 8290,1 l (2.190 gallons) Wasser in einem Hydromahlholländer (Black Clawson TM, Modell 4-SD-4 mit einem Antrieb Nr. 45) vermischt, um eine Pulpe aus 4,5 Gew.-% Feststoffen herzustellen. Die in diesem Beispiel verwendete Weizenfaser ist ein im Handel erhältliches raffiniertes Faserprodukt, das aus gebleichter Weizenspreu abgeleitet war. Das weiße Weizenprodukt wurde als eine Fasermatte mit nominal 40 Gew.-% nicht flüchtigen Feststoffen bezogen. Angeblich handelte es sich bei dem Produkt um eine dietätische Faser von insgesamt 98% nach dem Prosky-Verfahren. Die Ermittlung der Teilchengröße durch eine mikroskopische Untersuchung ergab eine größtenteils heterogene Population von dünnen, nadelartigen Sklerenchymzellen mit einem Bereich zwischen größeren und kleineren Abmessungen von 500 bis 1000/10 bis 20 μm mit wenigen Parenchymzellen von 200/50 μm dazwischen.
Nachdem die Pulpe 20 Minuten bei Raumtemperatur geschlagen worden war, wurde sie in einen Aufbewahrungstank mit einem Wassermantel umgefüllt, um wiederholt durch einen Black Clawson Twin Hydradisc Refi nermahlapparat geleitet zu werden. Der Refinermahlapparat in diesem Beispiel ist eine Doppelscheibeneinheit mit einem Durchmesser von 71,1 cm (28 inches), der von einem 250-PS-Motor angetrieben wird. Die auf den Scheiben angebrachten Refinerplatten bestehen aus "Sharloy" (einem mit Nickel gehärteten Stahl). Die Refinerplatten waren nicht mit Dämmen ausgerüstet. Die in diesem speziellen Refiner verwendeten Refinerplatten bestehen aus abwechselnd angeordneten Stäben und Rillen, die so orientiert sind, dass die Stäbe der benachbarten Refinerplatten (von denen eine fest ist und die andere sich dreht) eine scherenartige Bewegung zueinander ausführen, wenn sich die Stäbe jeder gegenüberstehenden Platte aneinander vorbei bewegen. Die drei kritischen Abmessungen dieser Stäbe und Rillen sind die Stabbreite, die Kanalbreite und die Kanaltiefe. Für diesen speziellen Apparat betrugen sie 3,2 mm (2/16 inch), 6,4 mm (4/16 inch) bzw. 4,8 mm (3/16 inch) (ausgedrückt als 2, 4, 3 nach dem Standard von Black Clawson).
Die Refinerplatten auf der Drehscheibe bewegen sich mit 713 Umdrehungen pro Minute. Bezogen auf den äußeren Umfang der Refinerscheibe, die sich 33,7 cm (13 1/4 inches) von der Mittellinie des Antriebsschaftes erstreckt, entspricht dies einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 1493,5 m (4.900 feet) pro Minute. Die Pulpe wurde mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 946 l (250 gallons) pro Minute durch den Refiner und zurück zum Aufbewahrungstank geleitet. Der Durchtritt der Cellulosesuspension durch den Refiner erfolgt so, dass der Fluss auf beiden Seiten der Drehscheibe gleich ist.
Eine Scheibe des Refiners ist fest, die andere verschiebbar. Dies macht es möglich, den Abstand zwischen benachbarten Scheiben einzustellen. In der vollständig geöffneten Position (die typisch für den Beginn oder die Beendigung des Vorgangs ist) sind die Scheiben 4,45 cm (1 3/4 inches) voneinander entfernt. Während der Refinermahlung sind die Scheiben un gefähr 2,54·10^–2 bis 5,08·10^–2 mm (ein bis zwei Tausendstel inch) voneinander entfernt. Anstatt die Lücke zwischen den Scheiben auf einen bestimmten Abstand einzustellen, wird der Wert der Amperezahl für den Motor, der den Refiner antreibt, dazu verwendet, den Abstand festzulegen. Bei Beginn des Verfahrens werden die Scheiben von der vollständig geöffneten Position in eine engere Position gebracht, wo die abgelesene Amperezahl zunimmt, bis sie 310 Ampere erreicht. Zu diesem Zeitpunkt liefert der Motor die maximale Leistung. Wenn dieser Punkt einmal erreicht ist, wird der Gegendruck auf den Refiner erhöht, indem man das Ventil an der Leitung schließt, durch die Pulpe aus dem Refiner zum Aufbewahrungstank geleitet wird. Der Gegendruck wird normalerweise von einem Ausgangswert von etwa 0,965 bar Überdruck (14 psig) auf einen Endwert von etwa 2,413 bar Überdruck (35 psig) erhöht. Mit Zunahme des Gegendrucks ohne Anpassung der Lage der verschiebbaren Scheibe fällt die durch den Motor in Anspruch genommene Amperezahl auf etwa 260 Ampere. Mit dem Gegendruck bei 2,413 bar Überdruck (35 psig) wird die verschiebbare Scheibe eingestellt, um die Scheiben näher zueinander zu bringen, bis der Motor die erwünschten 310 Ampere in Anspruch nimmt. Wenn dies einmal erledigt ist, erfolgt keine weitere Anpassung der verschiebbaren Scheibe, solange die Motoramperezahl nicht erheblich sinkt. Dies kann mit fortschreitender Refinermahlung eintreten, wenn sich bestimmte Eigenschaften der Pulpe wesentlich verändern. In diesem Fall wird die verschiebbare Scheibe bewegt, um die Lücke zwischen den Scheiben zu verringern, bis entweder die erwünschte Amperezahl wieder erreicht ist oder bis die Scheiben zu quietschen beginnen. Dieses Quietschen sollte vermieden werden, da es auf übermäßigen Verschleiß der Scheiben hinweist und zu höheren Kosten für den Ersatz der Refinerplatten führt.
Während der Refinermahlung mischte ein Gitterrührer im Aufbewahrungstank den Inhalt fortlaufend. Ein Gegendruck von 2,344 bar (34 psi) wurde in der Rückführleitung vom Refinerablass zum Aufbewahrungstank auf rechterhalten. Der Rückführvorgang wurde ungefähr sechs Stunden fortgesetzt. Während dieser Zeit veränderte sich der Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards vom einem Ausgangswert von 190 zu einem "falschen" Endwert von 780 ml.
Während der Refinermahlung stieg die Temperatur der Pulpe von einem Ausgangswert von 17,8 °C (64 °F) auf einen Endwert von 87,8 °C (190°F). Die durch den 250-PS-Motor des Refiners in Anspruch genommene Amperezahl schwankte zwischen 310 zu Anfang, und 290 Ampere bei Beendigung der Refinermahlung. Der Energieaufwand für den Refiner betrug ungefähr 2,6 kWh/kg (1,2 Kilowattstunden pro pound) verarbeiteter raffinierter Faser (auf der Basis des Trockengewichts). Das dabei entstehende Produkt ist in Tabelle 1 charakterisiert.
Beispiel 2
Die in diesem Beispiel verwendete trockene Weichholzfaser wurde als gebleichte Sulfitpulpe bezogen. Sie stammt von einer Weichholzspezies (Balsamtanne und schwarze und weiße Fichte). Die Bleichfolge wurde mit (D70 + D70) E (DE) D angegeben. Die Asche (TAPPI 211 und 85) ist 0,6% und der CSF-Wert 660. Die dispergierten Einzelfasern schienen einen Durchmesser von 20 bis 25 μm und eine Länge von 1 bis 3 mm aufzuweisen, wobei die durchschnittliche Faser Abmessungen von 25 μm mal 2 mm hatte.
Bahnen von trockener Weichholzfaser wurden mit 7874 l (2.080 gallons) Wasser im gleichen Hydromahlholländer wie in Beispiel 1 vermischt, um eine Pulpe mit 3,7% Feststoffen herzustellen. Nachdem die Pulpe bei Raumtemperatur 20 Minuten zerfasert worden war, wurde sie in den Aufbewahrungstank umgefüllt und mehrfach durch den gleichen Black Clawson TM Refiner wie in Beispiel 1 geleitet. Die Pulpe wurde mit einer Ge digkeit von ungefähr 946 l (250 gallons) pro Minute durch den Refiner und zurück zum Aufbewahrungstank geleitet. Während der Refinermahlung mischte ein Gitterrührer den Inhalt des Aufbewahrungstanks kontinuierlich. Ein Gegendruck von 2,344 bar (34 psi) wurde in der Rückführleitung vom Refinerablass zum Aufbewahrungstank aufrechterhalten. Der Rückführvorgang wurde ungefähr sechs Stunden fortgesetzt. Während dieser Zeit änderte sich der Mahlgrad der Pulpe im Sinne des kanadischen Standards von einem Ausgangswert von 620 zu einem "falschen" Endwert von 730 ml.
Während der Refinermahlung stieg die Temperatur der Pulpe von einem Ausgangswert von 17,8 °C (64 °F) auf einen Endwert von 62,2 °C (144°F). Die von dem 250-PS-Motor des Refiners in Anspruch genommene Amperezahl schwankte zwischen 310 Ampere zu Beginn und 290 Ampere bei Beendigung der Refinermahlung. Der Energieaufwand für den Refiner betrug ungefähr 5,3 kWh/kg (2,4 Kilowattstunden pro pound) raffinierter verarbeiteter Faser (auf der Basis des Trockengewichts).
Beispiel 3
Trockene Haferfaser wurde mit 3993 l (1.055 gallons) Wasser direkt in den Aufbewahrungstank gemischt, damit der Refiner daraus eine Pulpe mit 7,86% Feststoffen machen konnte. Die in diesem Beispiel verwendete trockene Haferfaser ist ein im Handel erhältliches raffiniertes Faserprodukt aus gebleichten Haferschalen. Das als Better Basics TM Typ 780 identifizierte Produkt ist laut Angabe eine dieätische Faser von insgesamt 98% nach dem Prosky-Verfahren. Es wurde als trockenes, leicht bräunlich gefärbtes Pulver bezogen, das sich vor der Refinermahlung im Refinertank einfach hydratisieren ließ. Die Teilchengröße war so beschaffen, dass 98% auf Gewichtsbasis unter Verwendung eines Alpine Airjet Siebs(Handelsbezeichnung) durch ein Sieb von 50 mesh passte. Die mikroskopische Prüfung ergab, dass die Teilchen größtenteils aus heterogenen dispergierten Faserzellen mit Maximal-/Minimalabmessungen von 100 bis 600/10 bis 40 μm bestanden. Im Gegensatz zu Weizen und Weichholz hat Hafer eine verhältnismäßig kurze Faserstruktur.
Da die Haferfaser bereits sehr fein zerteilt war, konnte der Verarbeitungsschritt im Hydromahlholländer weggelassen werden. Die Pulpe wurde in der gleichen Black Clawson Einheit wie in den beiden vorausgegangenen Beispielen raffiniert. Die Pulpe wurde mit einer Geschwindigkeit von 946,4 l (250 gallons) pro Minute durch den Refiner und zurück in den Aufbewahrungstank zirkuliert. Während der Refinermahlung mischte ein Gitterrührer im Aufbewahrungstank den Inhalt fortlaufend. Der Gegendruck in der Rückführleitung vom Refinerauslass zum Aufbewahrungstank schwankte zwischen 2,344 bar (34) und 2,137 bar (31 psig) Überdruck. Der Rückführvorgang dauerte 2 Stunden und 40 Minuten. Während dieser Zeit änderte sich der Mahlgrad der Pulpe im Sinne des kanadischen Standards von einem Ausgangswert von 310 zu einem "falschen" Endwert von 810 ml.
Während der Refinermahlung stieg die Temperatur der Pulpe von einem Ausgangswert von 18,3 °C (65 °F) auf einen Endwert von 75,6 °C (168°F). Die vom 250-PS-Motor des Refiners in An spruch genommene Amperezahl schwankte zwischen 310 zu Anfang und 260 Ampere bei Beendigung der Refinermahlung. Der Energieaufwand für den Refiner betrug ungefähr 0,5 Kilowattstunden pro pound raffinierter verarbeiteter Faser (auf der Basis des Trockengewichts).

Claims

Verfahren zur Herstellung von mikroklassifizierter Cellulose (MDC), bei dem man wiederholt eine flüssige Suspension fasrige Cellulose durch eine Zone hoher Scherkraft hindurchschickt, die durch zwei gegenüberliegende Flächen gebildet wird, und zwar unter gegenläufiger Rotation der Flächen zueinander, wobei die Bedingungen und Zeitdauer so gewählt werden, dass eine im wesentlichen stabile Suspension resultiert und dieser Suspension ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards verliehen wird, der nach der Abnahme auf Werte unter 100 eine beständige Zunahme bei wiederholtem Durchtritt der Cellulose durch die Zone hoher Scherkraft zeigt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Suspension durch eine Zone hoher Scherkraft hindurchgeschickt wird, die durch einander gegenüberliegende Scheibenflächen eines Doppelscheiben-Refinermahlwerks gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem eine Suspension mit 2 bis 10 Gew.-% Cellulose verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem als Suspension eine wässrige Suspension verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die flüssige Suspension auf einer erhöhten Temperatur von nicht mehr als 93,3 °C (200 °F) gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem ein dynamischer Druck von mindestens 2,068 bar Überdruck (30 psig) auf die flüssige Suspension in der Zone hoher Scherkraft ausgeübt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die flüssige Suspension des fasrigen Cellulosematerials durch Schlagen von Cellulosebahnen in einem Hydromahlholländer in Anwesenheit der Flüssigkeit hergestellt wird.