SE536780C2 - Förfarande för framställning av en dispersion som innefattarnanopartiklar samt en dispersion framställd enligt förfarandet - Google Patents

Abstract

13 Sammanfattning Föreliggande uppfinning avser ett förfarande för framställning av en dispersionsom innefattar mikrofibrillär cellulosa och nanopartiklar, varvid förfarandet innefattarföljande steg: en uppslamning tillhandahålls, vilken innefattar förbehandlade cellulosa-partiklar, nanopartiklar tillsätts till uppslamningen, och uppslamningen behandlasgenom mekanisk sönderdelning, så att en dispersion som innefattar mikrofibrillärcellulosa bildas, i vilken nanopartiklarna är absorberade på den mikrofibrilläracellulosans yta och/eller är absorberade inuti den mikrofibrillära cellulosan. Uppfin-ningen avser vidare en dispersion framställd enligt förfarandet, en pappers- ellerkartongprodukt som är belagd med en beläggning som innefattar denna dispersionoch en pappers- eller kartongprodukt framställd utifrån denna dispersion, samt enkomposit som innefattar denna dispersion.

Description

20 25 30 536 780 Sammanfattning av uppfinningen Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfarande som på ett mycket effektivt och riskfritt sätt kan ge en stabil dispersion som innefattar nano- partiklar.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att använda dispersionen för att bestryka en pappers- eller kartongprodukt.

Dessa syften, liksom andra syften och fördelar, uppnås med förfarandet enligt krav 1. Föreliggande uppfinning avser ett förfarande för framställning av en dispersion som innefattar mikrofibrillär cellulosa och nanopartiklar, varvid förfarandet innefattar följande steg: en uppslamning tillhandahålls, vilken innefattar förbehandlade cellulosa- fibrer, nanopartiklar tillsätts till uppslamningen, och uppslamningen behandlas genom mekanisk sönderdelning, så att en dispersion som innefattar mikrofibrillär cellulosa bildas, i vilken nanopartiklarna absorberas på ytan av den mikrofibrillära cellulosan och/eller absorberas in i den mikrofibrillära cellulosan. Genom att en uppslamning som innefattar förbehandlade cellulosafibrer och nanopartiklar behandlas genom mekanisk sönderdelning är det möjligt att framställa en mycket mer stabil dispersion, samtidigt som dispersionen också har andra förbättrade egenskaper, såsom minsk- ade problem med dammbildning.

Den mekaniska sönderdelningen görs företrädesvis i en tryckhomogenisator.

Det har visat sig, att genom användande av en tryckhomogenisator är det möjligt att framställa mikrofibrillär cellulosa med fler öppna ytor och att samtidigt dispergera nanopartiklarna i dispersionen på ett mycket effektivt sätt.

Det tryck som används i en tryckhomogenisator är företrädesvis mellan 500 och 4000 bar, i första hand mellan 1000 och 2000 bar.

Nanopartiklarna är företrädesvis nanopartiklar av bentonit, titandioxid, zinkoxid, silver, kopparoxid, järnoxid, kiseldioxid, kalciumkarbonat, såsom nanoutfällt kalcium- karbonat (PCC), och/eller nanorör av kol.

Förhållandet mellan den mikrofibrillära cellulosan och nanopartiklarna i disper- sionen är företrädesvis mellan 10 : 90 och 90 : 10. Beroende på det slutliga användningsområdet och på vilken typ av mikrofibrillär cellulosa och nanopartiklar dispersionen innefattar kan förhållandet variera. 10 15 20 25 30 536 780 Det är att föredra att en majoritet av nanopartiklarna i dispersionen, företrädes- vis minst 50 %, absorberas på ytan av eller inuti den mikrofibrillära cellulosan. På detta sätt begränsas mängden fria nanopartiklar i dispersionen, och nanopartiklarnas tendens att bilda icke reaktiva nanoaggregat minskar.

Halten torrmaterial i den uppslamning som skall behandlas genom mekanisk sönderdelning är företrädesvis mellan 1 och 30 viktprocent fibrer. Halten torrmaterial i uppslamningen beror av de nanopartiklar som används, vilken typ av MFC som används och vilken typ av apparat som används för den mekaniska sönderdelningen.

Halten torrmaterial i dispersionen efter att den har behandlats genom mekanisk sönderdelning är företrädesvis mer än 50 viktprocent fibrer. Dispersionen avvattnas företrädesvis efter den mekaniska sönderdelningen för ökning av halten torrmaterial.

Genom att halten torrmaterial ökar kan dispersionen transporteras till andra platser mer effektivt. Det har också visats, att genom att halten torrmaterial i dispersionen ökar kommer stabiliteten att öka ytterligare.

Förfarandet kan vidare innefatta tvättning av dispersionen efter den mekaniska sönderdelningen. På detta sätt är det möjligt att avlägsna alla eventuella fria nano- partiklar i dispersionen. De nanopartiklar som avlägsnas vid tvättningen kan återföras till förfarandet och således återanvändas.

Uppfinningen avser vidare en dispersion framställd enligt det förfarande som har beskrivits i det föregående. Det har visats att den dispersion som framställs ger mindre risker och har ökad stabilitet, samtidigt som den har minskade tendenser till dammbildning.

Dispersionen har företrädesvis en halt av torrmaterial som är över 50 viktpro- cent fibrer. Olika nanopartiklar ger dispersionen varierande flödesegenskaper o s v, så beroende på de nanopartiklar som används varierar den maximala halten torr- material i dispersionen. Vidare beror den också på vilken typ av MFC som används och vilket slags apparat som används för den mekaniska sönderdelningen.

Huvuddelen av nanopartiklarna i dispersionen, företrädesvis minst 50 % av nanopartiklarna, är företrädesvis adsorberade på ytan av eller inuti den mikrofibrillära cellulosan, d v s mängden fria nanopartiklar i dispersionen är ganska liten. På detta sätt blir dispersionen stabilare, samtidigt som den blir mindre riskabel att hantera. 10 15 20 25 30 536 780 Det är också möjligt att dispersionen i stort sett inte innehåller några fria nano- partiklar. Genom avlägsnande av alla fria nanopartiklar, företrädesvis genom tvättning av dispersionen efter att dispersionen har sönderdelats mekaniskt, är det möjligt att avlägsna alla eller i stort sett alla fria nanopartiklar från dispersionen, d v s dispersionen innefattar inga eller i stort sett inga fria nanopartiklar.

Uppfinningen avser vidare användning av dispersionen för att bestryka en pappers- eller kartongprodukt. Genom att papper eller kartong bestryks med den nämnda dispersionen är det möjligt att förse papperet eller kartongen med en förbättrad bestrykning. Om dispersionen innefattar MFC och nanopartiklar av bentonit har det visats att ett substrat som bestryks med sådana dispersioner får en mycket god motståndskraft mot fett, d v s en barriär mot fett bildas. Om den bestrykningssmet som bestryks på papperets eller kartongens yta också innefattar minst en polymer har det visats att papperet eller kartongen kan förses med en mycket god barriärbestrykning, i synnerhet en barriär mot vätskor.

Utförlig beskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinning avser ett förfarande för framställning av en dispersion som innefattar nanopartiklar och mikrofibrillär cellulosa, i vilken nanopartiklarna har absorberats på ytan av eller inuti den mikrofibrillära cellulosan. Dispersionen fram- ställs genom att en uppslamning som innefattar förbehandlade cellulosafibrer och nanopartiklar behandlas genom mekanisk sönderdelning, företrädesvis i en tryck- homogenisator, vilket säkerställer att mikrofibrillär cellulosa med en stor mängd öppen yta bildas samtidigt som nanopartiklarna homogeniseras och hindras från att bilda aggregat av nanopartiklar. Genom att mängden öppen yta hos den bildade mikro- fibrillära cellulosan ökar samtidigt som nanopartiklarna hindras från att bilda nano- aggregat är det möjligt för nanopartiklarna att absorberas i större utsträckning på de öppna ytorna hos den mikrofibrillära cellulosan. Det har också visats, att genom behandling av en uppslamning som innefattar nanopartiklar och förbehandlade cellulosafibrer i en tryckhomogenisator absorberas nanopartiklarna inte bara på ytan av MFC utan också inuti MFC. På detta sätt blir den framställda dispersionen mycket stabil, och färre nanoaggregat bildas. Pà grund av den ökade stabiliteten blir disper- sionen lättare att hantera, och det är möjligt att enkelt transportera dispersionen till olika platser. 10 15 20 25 30 536 780 Vidare har det visats att dispersionen enligt uppfinningen ger mindre problem med dammbildning även i fallet med stor halt av torrmaterial och till och med i torkad form. Det har också visats att absorptionen av dispersionen i huden minskar, vilket gör den mindre riskabel att hantera. Det är således möjligt att hantera dispersionen med färre säkerhetsbestämmelser, vilket gör den till en mer attraktiv produkt, både på grund av den förbättrade arbetsmiljön och för att den blir ekonomiskt mer gynnsam.

Den mekaniska sönderdelningen kan göras i många typer av mekaniska behandlingsapparater, exempelvis raffinatorer eller kvarnar, såsom masukokvarnar.

Det är emellertid att föredra att en tryckhomogenisator används, vilken på ett mycket effektivt sätt både framställer mikrofibrillära cellulosafibrer utifrån förbehandlade fibrer och homogeniserar nanopartiklarna. En tryckhomogenisator ger upphov till stora skjuvningskrafter, vilka sönderdelar både fibrerna och nanopartiklarna. Ett stort tryck används under den mekaniska sönderdelningen, och trycket är företrädesvis mellan 500 och 4000 bar, i första hand mellan 1000 och 2000 bar. Det optimala trycket är ofta omkring 1500 bar. Det erforderliga trycket beror på det material som behandlas.

Det är dock ofta ogynnsamt att använda alltför stora tryck, eftersom slitaget på utrustningen blir alltför stort. Ett exempel på en specifik tryckhomogenisator är den så kallade mikrofluidiseringsapparaten.

Med nanopartiklar avses partiklar med något yttre mått i nanoskalan eller med inre strukturer eller ytstruktureri nanoskalan. Med nanoskalan avses storleksområdet från omkring 1 nm till 100 nm. Exempel på nanopartiklar som kan användas är nano- partiklar av bentonit, av titandioxid, zinkoxid, silver, kopparoxid, järnoxid, kiseldioxid, kalciumkarbonat, såsom nanoutfällt kalciumkarbonat (PCC), och/eller nanorör av kol.

Titandioxid i nanoskala kan ge en mycket effektiv UV-barriär, vilket innebär att MFC med absorberade eller inkorporerade nanopartiklar av titandioxid har UV-barriär- egenskaper. Det är också möjligt att bestryka nanopartiklar av titandioxid med aluminiumoxid (AlzOa) för att minska fotoaktiviteten, vilket ger titandioxiden funktionen hos vita pigment. Kolnanorör används i regel i kompositmaterial, och MFC med absorberade eller inkorporerade nanopartiklar av kolnanorör har förbättrad lednings- förmåga, antistatiska egenskaper, ökad seghet och motståndskraft mot eld. Den ökade segheten är en mycket intressant egenskap för användande i kartongprodukter som används som förpackningar. Nanokiseldioxid kan förbättra egenskaperna för bläckstråletryck hos en pappers- eller kartongprodukt som beläggs med en dispersion som innefattar MFC och nanokiseldioxid. 10 15 20 25 30 536 780 De förbehandlade cellulosafibrerna kan vara fibrer av vilken typ av träfibrer som helst, såsom Iövträfibrer, barrträfibrer och/eller jordbruksfibrer. Tänkbara förbehand- lingar kan vara mekanisk behandling, såsom sönderdelning, enzymbehandling, karboximetylering, TEMPO-oxidation, CMC-ympning, kemisk svällning, syrahydrolys eller andra tekniker som underlättar bildandet av mikrofibrillär cellulosa. Förbehand- lingen kan genomföras i mer än ett steg. De förbehandlade cellulosafibrerna kan också innefatta cellulosafibriller. Vidare är det också möjligt att tillsätta mikrofibrillär cellulosa till de förbehandlade fibrerna före den mekaniska sönderdelningen.

Den nämnda mikrofibrillära cellulosan (MFC) kallas också nanocellulosa. Den är ett material som i regel framställs av träcellulosafibrer, både av lövträ- och barrträ- fibrer. Den kan också framställas utifrån mikrobiella källor, jordbruksfibrer, såsom vetehalmmassa, bambu eller andra fiberkällor skilda från trä. l mikrofibrillär cellulosa har de enskilda mikrofibrillerna helt eller delvis lösgjorts från varandra. En mikrofibrillär cellulosafiber är normalt mycket tunn (omkring 20 nm), och längden är ofta mellan 100 nm och 10 um. Mikrofibrillerna kan emellertid också vara längre, exempelvis mellan 10 och 200 um, men längder av ända upp till 2000 um kan återfinnas på grund av stor längdfördelning. Fibrer som har fibrillerats och har mikrofibriller på ytan och mikrofibriller som har separerats och placerats i en vattenfas i en uppslamning innefattas i definitionen av MFC. Även whiskers innefattas i definitionen av MFC.

Genom behandling av en uppslamning genom mekanisk sönderdelning, såsom i en tryckhomogenisator, har det visats att mängden nanopartiklar i dispersionen kan ökas. Det är således möjligt att framställa en dispersion som innefattar en stor mängd nanopartiklar. Detta beror på bildandet av nya öppna områden under den mekaniska sönderdelningen av de förbehandlade cellulosafibrerna, vilket ger nanopartiklarna nya ställen att fästa vid. Vidare hindrar den mekaniska sönderdelningen bildandet av aggregat av nanopartiklar, vilka inte är lika reaktiva med de öppna ställena på MFC.

Huvuddelen av de tillsatta nanopartiklarna absorberas, d v s de föreligger inte i vätskefasen av dispersionen. Det är att föredra att minst 50 % av de tillsatta nano- partiklarna absorberas på eller i MFC, och i första hand absorberas minst 70 % och allra helst minst 80 % av de tillsatta nanopartiklarna.

Det är också möjligt att avlägsna alla icke absorberade nanopartiklar från dispersionen. Detta kan antingen göras genom att dispersionen tvättas efter behand- lingen genom mekanisk sönderdelning. Detta kan exempelvis göras genom tvättning 10 15 20 25 30 536 780 med t ex vatten, genom centrifugering av dispersionen och därefter avlägsnande av den del av dispersionen som innefattar de fria nanopartiklarna eller genom använ- dande av elektroosmos. De nanopartiklar som avlägsnas från uppslamningen återförs företrädesvis till förfarandet för att nanopartiklarna skall återanvändas. Fria nano- partiklar kan vara störande på många olika sätt: de försvårar exempelvis hanteringen av dispersionen, eftersom fria nanopartiklar riskerar att adsorberas på huden eller i lungorna hos den person som hanterar den. Genom avlägsnande av alla fria nano- partiklar är det således möjligt att framställa en ännu säkrare produkt.

Förhållandet mellan nanopartiklarna ochMFC i dispersionen är företrädesvis mellan 10 : 90 och 90 : 10. Det är ofta föredraget att försöka öka mängden nano- partiklar i dispersionen så mycket som möjligt och således minska mängden mikro- fibrillär cellulosa. Beroende på typen av både MFC och nanopartiklar varierar emellertid respektive mängd för framställning av en så stabil dispersion som möjligt.

Halten av torrmaterial i uppslamningen innan den behandlas genom mekanisk sönderdelning är företrädesvis mellan 1 och 30 viktprocent fibrer. Beroende på vilka cellulosafibrer som används, vilka nanopartiklar som används och vilken utrustning som används för den mekaniska sönderdelningen måste halten av torrmaterial i uppslamningen varieras. Det har visats att adsorptionen/absorptionen av nano- partiklarna inuti den mikrofibrillära cellulosan kan ökas genom ökning av mängden fast material i uppslamningen antingen före eller under den mekaniska sönder- delningen. Mängden fast material kan ökas genom att uppslamningen torkas eller genom att den utsätts för andra förfaranden för minskning av det flytande mediet.

Halten av torrmaterial i dispersionen efter att den har behandlats genom meka- nisk sönderdelning är företrädesvis över 50 viktprocent fibrer. Det är att föredra att dispersionen avvattnas efter den mekaniska sönderdelningen för att halten av torr- material i dispersionen skall öka. Det har visats att större halter av torrmaterial ökar dispersionens stabilitet, och det är också ekonomiskt mer gynnsamt att transportera en dispersion med stor halt av torrmaterial, eftersom den mängd vatten som transporteras minskar.

Föreliggande uppfinning avser också en dispersion framställd enligt förfarandet.

Den ökade stabiliteten hos dispersionen gör den mycket lättare att hantera. Det är exempelvis lättare att transportera dispersionen till kunder utan att förändra disper- sionens egenskaper under transporten. På detta sätt underlättas kundens hantering 10 15 20 25 30 536 780 av dispersionen, eftersom det inte behöver vara nödvändigt att framställa disper- sionen på plats. Istället kan kunden köpa en färdig dispersion som kan användas enligt vederbörandes önskemål.

Dispersionen kan användas i många olika produkter, exempelvis som kompo- nent i sollotion, som komponent i rengörings- och hygienprodukter, i produkter som innehåller kompositer förstärkta med nanomaterial, såsom plaster, Sportutrustning och mobiltelefoner, för brandskyddsändamàl, för att ge minskad friktion, som antimikrobiell komposit till exempelvis rena ytor, filterpapper, förpackningar för känsliga produkter, i ledande eller oledande ytor, exempelvis batterier och engångselektronik, i själv- rengörande ytor, för solpaneler och/eller som komponent i ledande tryckfärger.

Föreliggande uppfinning avser vidare användning av dispersionen för att bestryka, en pappers- eller kartongprodukt. Användande av dispersionen i en bestrykningssmet kan ge papper eller kartong mycket goda barriäregenskaper. Det har visats, att om en dispersion som innefattar nanopartiklar av bentonit och MFC bestryks på ytan av papper eller kartong kan en mycket god barriär mot fett bildas.

Bestrykningssmeten kan också innefatta någon typ av polymer, och en sådan bestrykningen ger ofta en pappers- eller kartongprodukt utmärkta vätskebarriär- egenskaper. Orsaken till att dispersionen enligt uppfinningen ger en pappers- eller kartongprodukt goda barriäregenskaper kan vara att en tätare struktur bildas på produktens yta. Om nanopartiklar med en specifik form, såsom en bladliknande struktur, används kan även en fysikalisk blockering ske. Denna fysikaliska blockering innebär att t ex syre eller vätska tvingas färdas en längre väg för att tränga in i produkten, och på detta sätt bildas en förbättrad barriär på produkten. Vidare kan MFC enligt uppfinningen både hindra polymeren och nanopartiklarna från att tränga alltför långt in i produkten och öka barriärskiktets hållfasthet, vilket ger det bättre hållfasthet mot mekaniska skador. En annan fördel med bestrykningen med dispersionen enligt föreliggande uppfinning är att reologin hos bestrykningssmeten förbättras, vilket både förbättrar genomströmningen vid bestrykningsförfarandet och minskar mängden småhål eller andra defekter i bestrykningsskiktet. Dessutom gäller, att eftersom dispersionen enligt uppfinningen innefattar en stor mängd nanopartiklar, vilka är partiklar som inte krymper eller förändras efter eller under torkningen, ger produkten färre problem med krökning eller andra defekter till följd av krympning efter torkningen. 10 15 536 780 Exempel En uppslamning innefattade en blandning av förbehandlade fibrer och nano- partiklar av bentonit i ett förhållande av 50 : 50. Halten av torrmaterial i uppslam- ningen var 6 viktprocent. Uppslamningen tryckhomogeniserades i en mikro- fluidiseringsapparat vid ett tryck av 1500 bar.

Stabiliteten hos den framställda dispersionen påvisades därefter visuellt. Efter fyra veckor var dispersionen fortfarande stabil.

Detta kan jämföras med en dispersion som innefattar enbart nanopartiklar av bentonit, vilken tenderar att sedimentera under lagring, och med en dispersion som innefattar mikrofibrillär cellulosa, vilken tenderar att ”blöda” vatten när den lagras.

Följaktligen är dispersionen enligt uppfinningen mycket stabilare.

Med tanke på ovanstående utförliga beskrivning av föreliggande uppfinning torde andra modifikationer och variationer vara uppenbara för fackmannen. Det bör emellertid vara uppenbart att sådana andra modifikationer och variationer kan göras utan awikelse från uppfinningens anda och omfång.

Claims (17)

'iÛ 15 20 25 30 536 780 Patentkrav

1. Förfarande förframställnlng av en dispersion som innefattar mlkroflbrillär cellulosa och nanopartiklar, varvid förfarandet innefattar följande steg: - en uppslarnning tillhandahålls, vilken innefattar förbehandiade cellulosafibrer varvid cellulosafibrerna harförbenandlats genom mekanisk behandling, enzyrnbehandling, karboxirnetylering, TEMPO-oxidation, CMC-ympning, kemisk svällning eller syrahydrolys, - nanopartiklar tillsätts tiil uppslarnningen, och - uppslarnningen behandlas genom mekanisk sönderdelning så att en dispersion bildas, vilken innefattar mikrofibrillar cellulosa, där nanopartiklarna absorberas på ytan av den mikrofibrlllära cellulosan oohleller absorberas inuti den mlkrofibrillara cellulosan.

2. Föriarande enligt krav l, varvid den mekaniska sönderdelningen görs i en tryckhomogenisator.

3. Förfarande enligt krav 2, varvid det tryck som används i tryckhomogenisatorn är mellan 500 och 4000 bar.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid nanooartiklarna är partiklar av bentonit, titandioxid, zinkoxid, silver, kopparoxid, kiselclioxid, kalcium- karbonat, såsom nanoutfällt kalciumkarbonat (PCB), ochieiler nanorör av kol.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid förhållandet mellan den mikroflbrillära oellulosan och nanopartiklarna är mellan 10 : 90 och 90 : 10.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid torrhalten i den uppslarnnlng som skall behandlas genom mekanisk sönderdelning är mellan 1 och 30 vlktprocent fibrer.

7. Förfarande enligt något av krav 1-5, varvid torrhalten i dlspersionen efter att den har behandlats genom mekanisk sönderdelning är över 50 viktorocent fibrer.

8. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid förfarandet vidare innefattar tvättning av dlspersionen efter den mekaniska sönderdelningen.

9. Disperslon framställd med förfarandet enligt kraven i till 8 varvid dlspersionen har en torrhalt över 50 viktprooent fibrer.

10. 536 780 w. Dispersian enšigt krav 9, där huvuddæien av nanopartikiarna i dispersicnen, färeträdesvis minst 59 %, har acåsørberats på ytan av eiâer inuti den mikrøfâbršâiära ceâiuiosan.

11. Användning av dispersšonen enligt krav 9 elier 10 för att bestryka en 5 pappers- eller kafiongprodukt. 11