将高稠度纸浆纤维转化为预分散半干和干纤维材料的方法与流程
本说明书涉及允许将高稠度纸浆纤维转化成预分散半干和干燥形式的可分散纸浆纤维材料的方法，所述预分散半干和干燥形式的可分散纸浆纤维材料具有在潮湿、半干、干燥、含水和无水体系或组合物中有效使用的所需性质。
现有技术描述
机械、热机械、半化学热机械或全化学方法通常用于将木屑和许多韧皮和叶纤维转化成具有旨在用于各种应用的不同物理性质的经纤维分离的纤维。一块木屑是由许多纤维的聚集体组成，而这些聚集体又由若干层结合在一起并被半纤维素和木质素外薄层包围的纤维素的基原纤维构成[ap.shchniewindinconciseencyclopediaofwood&wood-basedmaterials,pergamon,oxford,第63页(1989)]。在天然纤维素的超微结构中，基本的基原纤维具有横截面为2-4nm且长度为100nm的尺寸。这些基原纤维随机聚集成10-30nm宽的微纤维，它们自身分组成100-400nm宽的巨原纤维，其构造在不同的细胞壁层中。在不同分子或基原纤维的羟基的氧原子之间发生的氢键结合是纤维素纤维的超分子结构的基础。半纤维素和痕量木质素参与纤维素有序链的外围的微原纤组装。木材中纤维的平均尺寸为0.5mm<长度<5mm且10μm<宽度<45μm，这使得平均长径比为约50至110。一般来说，硬木纤维(白杨、桦木、枫木、桉树)更短、更细、更硬，而软木纤维(云杉、冷杉、松木)长、粗且更柔韧。木纤维比许多植物和种子的天然纤维短。
常用于制造纤维板产品如mdf(中密度纤维板)和其它木纤维板产品的木纤维被认为是最便宜等级的机械纤维。它们在加压高稠度盘磨机(hcr)上由湿木屑制成。由于施加的低能量，它们没有完全纤维化成单根纤维，因此是刚性束，所述刚性束如果从水浆干燥成产品，则不能很好地自粘。因此，它们可以容易地生产为分离或分散的干纤维束。在mdf板产品的制造中，加压高稠度移动纤维束通常在磨浆机的出口喷放管线上用热固性树脂(如脲醛)的溶液进行喷涂，然后进行温和管或快速干燥以除去高含量的水分且不使树脂过早交联。然后将树脂浸渍的木纤维形成非织造厚垫，然后在高温(高达260℃)下施加高压，以形成最终的mdf板。国际申请wo2006/001717和wo2011/002314教导了如何使用mdf喷放管线系统将包含热固性树脂、热塑性聚合物、单体或低聚物的溶液施加到由空气或蒸汽运送的移动的木纤维上。干燥的固结材料被转化成切粒，以便随后应用于热塑性复合材料。干燥的植物纤维和热机械木纤维已成功地用于制造木质聚合物复合材料、热塑性复合材料或热固性复合材料，并且为了改善加工性、均匀性和强化性能，它们需要良好的分散性、与聚合物或树脂的相容性和粘合性或反应性。例如，美国专利申请20090314442和美国专利3943079和4414267以及其中列出的许多参考文献描述了改善填充有木质纤维素纤维的热塑性复合材料的强度的方法。
与热机械和半化学热机械木浆纤维(tmp、ctmp)不同，包括牛皮纸纤维、亚硫酸盐纤维和市售绒毛纤维的更高级纤维素纤维在化学制浆和漂白过程中被去除木质素、具有完整的纤维组分和通常含有少于8％的纤维细粒。这些漂白、半漂白或非漂白形式的木基纤维是用于制造印刷纸、纸板、纸巾和毛巾、囊纸和袋纸、特种纸、纤维模塑产品或热成型纤维产品以及水泥和石膏产品的可持续纤维的最大来源。它们还以水分散或干燥单根形式用于制造适用于过滤和吸收应用的非织造垫。当这些纤维的浆料快速干燥成薄片或形成纸片时，它们可以使用公知的造纸制浆设备再次容易地分散在水中形成单根纤维。这些纸浆纤维中半纤维素的含量是制造粘合良好的纸张的关键标准，也是难以将它们制成单个干纤维的主要原因。
干燥卷状、片状或捆包状的机械和化学纸浆纤维通常使用干燥的纤维分离或分解装置分离或个体化。美国专利4252279描述了不同的纤维分离或分解装置，其旨在将片状或捆包状纸浆纤维转变成单个纤维，以制造可用于卫生棉或一次性尿布或其它应用的非织造垫。例如，片材或卷材在锤磨疏松机加工之前被切割成特定尺寸，而由瑞典公司modomekanab制造的纤维分离设备处理捆包纸浆且由瑞典公司kamasindustriab制造的kamasb疏松装置从块状的机械干浆片制备绒毛纤维。然后可将绒毛纤维馈入空气流并由此送入移动带或多孔鼓，在此它们形成随机取向的空气导网(非织造结构)。
由这些装置制成的绒毛纤维总是含有一定水平的纤维聚集体或纤维结(有时称为纤维微粒或结节)。它们是在纤维分离过程后作为不希望的副产物留下的纤维团块，并且可以通过眼睛和在光学显微镜下容易地观察到。为了改善尿布的吸收性，绒毛纤维需要高度个体化并且尽可能少地含有结节和细粒，具有良好的亲和力以吸收水分，并且纤维优选是交联、缠绕和/或卷曲形式。几个其它公开的专利描述了生产绒毛纤维的方法，用于增加纤维垫的液体饱和纤维网络的液体易获取性、吸收速率、强度和弹性(us6910285b2、us4252279a、us8845757b2)。例如，加拿大专利号993618(estes，1976)描述了一种由单根纤维生产低密度绒毛垫的方法，这些单根纤维具有显著的扭结和互锁，以改善垫的强度并提高其松厚度。根据estes专利的方法，在干燥阶段将湿纸浆分离成单根纤维。该方法使用流体喷射干燥设备，其使用空气喷射或蒸汽喷射来分离纤维。纤维在离开喷射干燥器后被铺放在多孔筛网上。通过estes专利的方法生产的纤维具有高结节含量。
hartler和teder(papertechnology4(4):t129,1963)在多年前证明，机械切碎和松散成在双辊挤压机(trp)上预脱水的小纸浆块或纸浆片的对于高效的快速干燥非常重要。他们发现，为了快速干燥纸浆，这些碎片具有高表面积，因为很好地松散成较小碎片的纸浆在快速干燥器中显示出最低的热耗。这是目前通过确保热干燥空气和湿浆块之间的最佳热传递来强化快速干燥市售纸浆(即半漂白和漂白的化学热磨机械浆(bctmp)或一些漂白的硬木牛皮纸浆(bhwk))的常见做法。快速干燥的市售纸浆的干燥度为80％至90％固体，且易于在水中分散成用于造纸的单根纤维。如hartler和teder所述的将高稠度纸浆预粉碎和抖散且然后进行快速干燥的技术不是为处理高稠度漂白软木牛皮纸纤维(bswk)而设计的。在市售纸浆制造领域中已知的是，通过快速干燥来干燥湿化学纸浆纤维将在造纸过程中导致纤维角质化和粘结能力的损[papertechnologyandindustry，第26(1)卷，1985]。
在许多专利中公开了在盘磨机中生产的高度精磨的纤维素纤维(例如高度水合的纤维素纤维、外部原纤化纤维素纤维和纤维素纳米丝)，作为可用于制造薄片或特种纸(即薄玻璃纸和防油纸、标签、微过滤器)的纤维材料，用于强化印刷纸、高填充纸和纸板产品、水泥和石膏产品，并实现一些阻隔性能。今天，据我们所知，由木材或植物纤维机械加工得到的原纤化纤维(即通过专利ca2824191a1的机械精磨方法制备的外部原纤化纤维、微纤化纤维素和纤维素纳米丝)在工业上不能作为可易于分散在水中或无水介质或组合物中的预分散的半干或干燥材料。此外，如果它们变得可用，它们需要基本上没有结节，并且对于连续性工业应用，它们必须易于处理、进料并以准确剂量加入应用组合物中。可能不是用于制造mdf板产品的硬纤维束或低强度硬木浆纤维的情况，其不具有在干燥时良好缠结和自粘合的能力，或高游离度软木市售纸浆或绒毛浆。制造干燥厚的片材的目的是将其机械分散到个性化纤维中，然后气流成网到非织造材料上。我们发现常见的纤维分离或分解装置(例如美国专利4252279中描述的装置)不适用于将半干和干燥的纸浆或高精磨纤维的薄片分离成单个纤维材料。它们不是设计用于赋予绒毛浆一些理想的物理性能，例如更高的卷曲或扭曲。此外，它们的目的也不在于将纤维与化学品混合或与其它添加剂或纤维材料或功能添加剂共混，同时还蒸发水分。
高稠度、高能量盘磨技术(hcr)是用于成功制造高度原纤化软木热磨机械浆(tmp)纤维的最古老的方法，这种纤维非常适合于制造致密和强韧的纸张，即超级压光等级。高稠度在此是指通常高于20％的放料稠度，并且取决于所用磨浆机的类型和尺寸。小型双盘磨浆机在高稠度的下限范围内运行，而在大型现代磨浆机中，排出物稠度可超过60％。在tmp的高稠度精磨阶段后总是迅速在消潜槽中用热水稀释，以通过拉直纤维来消潜，从而制造更均匀和强韧的纸张。40多年前，高稠度盘磨技术也已被证明是通过产生软木牛皮纸纤维的外部和内部原纤化来制造强韧的纸张(例如袋用牛皮纸)的有效手段(us3382140、us3445329)。由于hcr中的纤维之间的高应力传递，赋予了一些微压缩并因此产生卷曲和扭结的纤维。用这种纤维造纸会导致形成不良、高松厚度、高孔隙率和低拉伸强度性能。为了制造具有高拉伸能量吸收的囊纸，在hcr阶段后必须在线随即进行低稠度精磨阶段以用于分散和拉直纤维，从而改善纸张的形成、密度和强度。良好分散和拉直的外部原纤化纤维由于其高表面积和增强的柔韧性而在很大程度上倾向于在纸张中彼此粘结。暴露在拉直纤维上的原纤维被认为是赋予纸张高拉伸性能的原因。
与高稠度盘磨机相关(特别是当在高能量水平下使用时，例如在用于制造外部原纤化纤维(us3382140、us3445329)或纤维素纳米丝(ca2824191a)时)的两个主要问题是纤维的缠结或结节和纤维素的角质化。湿纸浆在磨浆机磨盘之间的紧密间隙中被高度挤压，并且因为纸浆纤维在其运动期间被施加了相当大量的能量，它们倾向于缠结成不同尺寸的结。由于热量增加，纤维也可以同时发生导致角质化的脱水效应，特别是如果水分子变得不太可用于与纤维的羟基键合。此外，磨浆机中的纸浆纤维脱水是纸浆稠度和温度的函数，并且当在磨浆机中的停留时间增加时(即，在磨浆机上经过若干道次)，脱水将增加。在高能量水平下高稠度精磨的软木牛皮纸纤维已被确定为一种新型纤维，并被称为“磨损纤维”(yuhechen和mousam.nazhad:journalofengineeredfibersandfabrics第5卷，第3期-2010)。“磨损纤维”由纸浆中高度浓缩的纤维团或结构成，它们使用正常的分解技术很难分散在水中，特别是如果纸浆长时间储存或干燥，即使这些是在室温下。此外，在老化和干燥后，外部原纤维不会保留在纤维表面上。高稠度纸浆在hcr上(例如在储存容器或快速干燥器中)产生后的热状态因此将总是加速角质化。这将导致纤维性质的急剧变化，例如不良的水再分散性、粘合性差以及可能形成永久的结和卷曲。在hcr中产生的纤维结和角质化会干扰原纤化纤维在造纸或无水应用中的强化潜力。
角质化是纤维吸水(水合)能力降低的量度，表示为保水值(wrv)[tappi测试方法：um256]。纤维素角质化主要是由于纤维在正常ph的水中的溶胀减少所致，而这是由于纤维的相邻原纤维的羟基之间形成大量氢键和纤维空隙的闭合[paperijapuu,90(2):110-115(1998)]。实际上，纤维空隙是宽度为1nm至5nm的界面、孔和通道。该空隙系统决定了内部活性表面，并在纤维的溶胀性质方面起重要作用。据描述，单纤维的横截面积在从溶胀态到干燥态的干燥过程中减少约20％，并且长度或轴向收缩大约仅为几个百分点[paperproductsphysicsandtechnology，monicaek等人编辑，degruyter,2009，第79页]。先前的研究表明，在随后使用再生纤维或干燥的市售纸浆造纸的过程中，脱水的原纤维无法用于纤维粘结(papertechnologyandindustry，1985年2月，第26卷，第1期，第38-41页)。
因此，新制备的高稠度精磨纤维素纤维即使在室温下也不能老化或变干是非常重要的。这是因为脱水会使纤维变成高密度块状固体材料，它们即使在高剪切混合下，再分散成含水浆料也变得非常困难，并且它们对纸张、纸巾或纸板产品的强化潜力可以大大降低。gb1185402专利公开了一种避免盘磨机上加工的高稠度软木牛皮纸纤维在储存(或老化)时损失强度的方法，该方法是在凸起原纤维坍塌或粘在纤维上形成聚集的块状材料之前，在淡水中快速混合排出的纸浆。因此，随后在进一步加工成纸之前增稠和储存的快速稀释纸浆没有发生明显的强度损失。gb专利的方法对于通过ca2824191a的方法制造的那些高能纤维材料是不实际的，因为最终在增稠操作时的脱水非常差。此外，即使原纤化纤维素的脱水得到改善，任何形成的高固含量纸浆或纤维网仍将非常难以分离成半干或干燥的单根纤维。
无论是在水性、无水还是疏水性组合物中，有效使用任何纤维或其原纤化纤维的三个重要的工业要求是与组合物组分的良好相容性、分散性、粘合性和相互作用。当所有纤维及其粘附或游离的原纤维与其最近的纤维完全分离且最终材料没有缠结或结时，将产生浆料、半干或干燥形式的完全分散的纤维。虽然纤维材料可分散在水和水性聚合物或含水组合物中，但迄今为止，它们很难在疏水介质中应用，这主要是因为它们不良的分散性和相容性。由于这些问题，如果它们与疏水性热塑性聚合物或热固性树脂结合，最终可导致复合材料产品中的聚集和相分离。这种聚集将产生有害影响，导致对复合材料的强度性质产生不良影响，因为聚集体充当了应力集中器。这些问题一直是许多工业领域中整合木质纤维素纤维及其原纤化纤维的主要障碍。在随后的段落中，我们将了解以半干和干燥形式生产分散和可分散的纤维材料的问题或限制。
上述信息详述了任何当以高稠度储存或干燥成纸浆薄片或片材时可形成强力纤维间粘结的潮湿或浆料纸浆纤维，尤其是高稠度原纤化软木纤维，将难以通过机械方式(例如使用前面讨论的纤维分离或分解装置)分离成单个半干或干燥的原纤化纤维。如果原纤化纤维材料可以以预分散的半干或干燥形式生产和供应并在化学上定制为可分散在含水、无水和疏水性组合物中并与其相容，那么它们将在不同的行业领域具有许多增值应用。例如，它们可以成为常用于水泥、非织造垫和聚合物复合材料以及更多应用的单个短切合成纤维及其原纤化纤维的有成本竞争力的替代品。可以不同长度和宽度以及不同工业领域所需的形式利用的短切合成纤维的实例包括所有来自有机聚合物、再生纤维素和玻璃纤维的那些。有机合成纤维或长丝可以是丙烯酸化合物或聚丙烯腈、芳族聚酰胺、碳、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯、聚乙烯以及最常见的尼龙和聚丙烯。这些以原纤化形式制成的合成纤维中的一些比原纤化木纤维贵几倍。这些原纤化形式的合成纤维是纤维状结构或网络，它们极有机会用于制造微纤维片或用于强化非织造纤维垫、水泥或复合材料基质。原纤化聚丙烯纤维通常用于温度收缩强化和抗冲击性。
当从水浆中干燥时，合成纤维及其原纤化纤维具有不良的自粘亲和力，因此可以分散成浆料、半干或干燥形式的单个纤维，条件是它们的纤维或原纤维的长径比处于使得纤维缠结和结节的形成最少的水平。因此，如果原纤化天然纤维可以以预分散的半干或干燥形式供应，易于分散在含水组合物中而不损失其原始强化潜力，那么它们可以是用于以下目的的高级纤维来源：优化许多纸张和纸板的强度、大块纸巾和毛巾床单的强度、湿法成网非织造产品(如吸收和过滤垫和擦拭片)的强度和孔隙率；强化水泥和石膏产品；或整合到低强度市售纸浆中作为提高强度和优化孔隙率的手段。与疏水性组合物相容并且易于计量的可分散的干纤维及其原纤化纤维可用作热塑性聚合物(聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚氯乙烯和许多可生物降解的热塑性塑料)中的强化纤维，或用于制造热固性复合材料如片状模塑料(smc)和块状模塑料(bmc)，以及许多纤维强化复合材料产品。
天然纤维相对于有机合成纤维的一个优点是它们可以更容易地在水性介质中化学改性，以产生纤维内或纤维间交联、在其表面上引入反应性基团或聚合物链并用表面活性剂对其进行处理，例如使它们疏水或亲水。这种化学改性已被用来使市售牛皮纸绒毛纤维片在锤磨机中易于分解和/或赋予更高的吸收性(us6910285b2、us8845757b2)。化学改性可使纤维分散并与疏水聚合物、橡胶或热固性树脂基质良好粘合，从而制成强复合材料产品。与市售等级的可分散原纤化合成纤维(例如由engineeredfiberstechnology，llc以便于处理的30％至50％固体的湿纸浆提供的丙烯酸和莱赛尔(再生纤维素)合成纤维)不同，木材或植物非再生纤维素纤维目前不以原纤维形式作为预分散的半干或干燥材料提供，并且能够容易地以干燥形式分散和分散在浆料或水性或疏水性的高稠度组合物中。
目前，存在严重的挑战妨碍以半干或干燥形式生产预分散的原纤化纤维素纤维，特别是从在高稠度磨浆机上以低、中或高能量水平加工的那些生产，直接从其高稠度纸浆、干纸浆或干纸张生产。与具有高csf水平的普通纤维不同，从磨浆机输出的高稠度原纤化纤维具有低csf值并且呈块状并包含许多缠结的纤维或结。“csf代表加拿大标准游离度，其根据tappi标准t227m-94(加拿大标准方法)测定”。在这些条件下，使用前面提到的常用于将干市售纸浆片或捆包个体化的分离装置，它们将难以解开成单独的半干原纤化纤维。由于当通过空气干燥、快速干燥或圆筒干燥使水蒸发时，湿原纤化纤维最终将强烈地自粘合并且原纤维在纤维上脱水，使用常见的纤维分离装置将它们分离成单个原纤化纤维的机会将会不切实际。试图通过前面讨论的纤维分离装置的机械作用或使用公开的锤磨机与盘磨机的组合(us3596840)将这些形式的原纤化纤维转化为具有含凸起原纤维单元的单个原纤化纤维的分离或预分散的纤维材料而不产生不可逆的纤维材料损坏是不可能的。
文献描述了许多化学品作为减少干燥对纤维角质化和原纤维脱水的负面影响的手段，并且公开了其它化学品作为制造个体化交联绒毛牛皮纸纤维的手段(us3224926)。与市售绒毛浆相关的若干专利公开了使用化学预处理方法作为减少锤磨片材以分离纤维所需的机械能、使结节水平最小化以及改善气流成网垫的液体吸收性的手段。对于绒毛浆制造，通常在脱水和干燥纤维网之前将脱粘化学品添加到纸浆纤维的稀释浆料中，或在锤磨步骤之前通过浸渍将其直接施加到干纸张上。已经提出使用阳离子表面活性剂(如脂肪酸季胺)作为纤维素纤维的脱粘剂(svenskpapperstidning，kolmodin等人，第12期，第73-78页，1981和us4144122)。在片材制造之前吸附在纤维上的阳离子表面活性剂可以实现脱粘而不损害纤维的亲水性(保持吸水性)，例如在us4144122和us4432833中描述的那些，或导致纤维疏水性增加(降低水润湿性)，例如在us4432833、us4425186和us5776308中描述的那些。已经公开了用增塑剂和润滑剂(甘油、三醋精、碳酸丙二酯、1,4-环己烷二甲醇、矿物油)进行的片材处理作为在锤磨机上使纤维更好地个体化的有用手段。其它化学品也被引入天然纤维中以改善柔软度、润湿性、吸收性或疏水性、反应性或水可再分配性。
例如，us4481076中公开了一种生产水分散性干燥微纤化纤维素(mfc)的化学处理方法。然后将mfc浆料喷雾干燥成小薄片或聚集体。多羟基化合物是产生水可再分散的干mfc聚集体的有用添加剂，尤其包括碳水化合物或碳水化合物相关化合物，如糖、淀粉、低聚糖和多糖及其衍生物。用于增强mfc聚集体的水再分散的化学品的量是从低至mfc重量的一半到高达两倍。需要这种高剂量率的化学品可能是因为mfc的表面积远大于普通纤维素纤维(例如市售绒毛牛皮纸浆)的表面积。而且，mfc在喷雾干燥时的角质化问题比普通纤维素纤维更严重。通常，不同于在hcr上生产的mfc材料，众所周知，在均质器上制造的那些低稠度水平的材料基本上具有低长径比并且没有缠结或结。虽然us4481076中制造的干mfc聚集体可以再分散于水中，但没有提及它们分散成分离的干燥原纤维或具有可分散在疏水介质中的能力的可能性。
如果开发一种方法来生产预分散的干燥原纤化纤维，特别是从由高稠度盘磨机制造的原纤化纤维生产的那些，那么为了在聚合物复合材料产品的制造中实现它们的全部性能，它们必须具备疏水性和/或具有实现与疏水性聚合物或树脂基质的理想的相容性、可分配性和粘合性所必需的反应性官能团。当没有这些特征时，如果将它们引入这种疏水基质中，它们将不能有效地分散和粘结，而是在基质中形成分离的聚集体，这对最终复合材料的强度和耐水性能几乎没有附加价值。由于这些问题，理论上预测的通过添加良好开发的纸浆纤维(tmp、ctmp、swk、hwk、植物纤维)或其原纤化纤维(mfc、cnf)实现的复合材料的超级强化潜力尚未达到其全部性能潜力，因此它们在塑料复合材料行业中仅有极少的应用。
本文所述的方法的第一个目的是克服生产良好开松或预分散形式的半干木材或植物纤维、原纤化纤维、纤维素长丝和纤维混合物的困难。它们应含有高含量的分离纤维和松散的低纤维缠结或结。这些预分散的纤维应易于分散在水浆中。第二个目的是防止纤维在预分散操作和随后的水蒸发或干燥阶段期间的角质化和自粘合。第三个目的是制备具有定制功能的开松纤维，这些功能是它们作为半干和干燥材料在水性组合物或疏水化合物中有效应用所需的。因此，实现本文所述技术目标的目的是开发一种使用现有设备和化学品实现预分散或可分散纤维材料的所需特性(优选同时实现)所需的方法和生产工艺。成功开发的技术应具有成本效益，并使用安全和环保的化学品。一个重要标准是在不降低纤维材料的结构性能(即纤维切割)的情况下实现这些目标。
技术实现要素：
在一个方面，本文所述的方法通过在温和非传统条件下(即低于正常比能量条件(kwh/h))使用热机械高稠度盘磨装置(工艺)来实现。本文使用的盘磨机还被配置成具有敞开的磨盘间隙(即旋转盘之间的距离)，这是一种将输入纤维同时开松、解缠结、原纤化；将任何化学物质混入输入纤维中；混合不同的纤维；将纤维与佐剂混合，并且同时所产生的摩擦热允许从湿纤维中蒸发一些水分的节能方法。添加化学品旨在克服纤维和原纤维单元的任何角质化、自粘并赋予转化的预分散纤维材料所需的功能性。盘磨机的输出物是开松的半干纤维材料，其具有高含量的分离纤维和一些松散缠结的纤维材料或结，且使用普通的造纸分解技术易分散于水中。开松的纤维材料通过速度足以分离纤维及其松散的纤维缠结的空气搅动在线进一步加工，然后通过气流成网和温和干燥技术使它们形成具有所需干燥程度的压缩捆包、非织造网(垫或卷)或切碎的网颗粒。据我们所知，先前从未有人使用本文所述的方法和工艺制备能够以干燥形式、在水和疏水性组合物中分散的预分散半干或干纤维，并且没有可能与我们的方法相冲突的现有技术或存在于公开文献中的已发布报告。
根据一个方面，提供了一种将纸浆转化为预分散的纸浆纤维材料的方法，其包括：以20重量％至97重量％固体含量的高稠度提供所述纸浆；提供处理化学品；以及将纸浆和处理化学品以每道次50至400kwh/t的比能量分散在包括至少一个盘磨机的多级磨浆机系统中，其中所述至少一个盘磨机具有限定0.5至3.5mm间隙的盘磨机磨盘间距，其中预分散的纸浆纤维材料具有30重量％至99重量％固体含量的产品稠度。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中预分散的纸浆纤维材料为70重量％至100重量％的单个纤维，并且包含纤维表面原纤化。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中在所述分散期间，由于比能量蒸发水使得至少一些水被处理化学品替代，因此磨浆机中的纸浆稠度增加。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述稠度为30重量％至60重量％的固体含量。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述产品稠度为50重量％至80重量％的固体含量。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述稠度为40重量％至70重量％的固体含量。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述产品稠度为60重量％至80重量％的固体含量。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述稠度为30重量％至50重量％的固体含量。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述产品稠度为60重量％至75重量％的固体含量。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中经过所述多级磨浆机系统后的总比能量是所述磨浆机系统中施加给纸浆纤维的所有每道次比能量的总和并且为50至2000kwh/t。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述比能量为单次过程50至小于100kwh/t且所述间隙为大于2.5mm至3.5mm。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述比能量为单次过程100至小于200kwh/t且所述间隙为大于2.0mm至2.5mm。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述比能量为单次过程200至400kwh/t且所述间隙为1.5mm至2.0mm。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述纸浆是非精磨或精磨牛皮纸浆、热磨机械浆(tmp)、化学热磨机械浆(ctmp)、纤维素长丝(ca2824191a)、其混合物或其与非木材植物纤维和合成纤维的混合物。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述纸浆包含具有0.1至10mm的长度、0.02至40微米的直径以及5至2000的等效平均长径比的纤维。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述等效平均长径比为10至500。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述方法是连续过程。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述方法是半连续过程。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述方法是分批过程。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中将所述处理化学品单独引入或与水一起混合到磨浆系统之前或之中的纸浆纤维和纤维材料中。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述处理化学品选自由以下各项组成的组：增塑剂、润滑剂、表面活性剂、固定剂、碱和酸、纤维素反应性化学品、纤维素交联化学品、疏水剂、疏水性物质、有机和无机(矿物)颗粒、发泡剂或填充剂、吸收剂颗粒、耐油剂、染料、防腐剂、漂白剂、阻燃剂、天然聚合物、合成聚合物、多糖、胶乳、热固性树脂、硫酸盐木质素和生物精炼提取木质素及其组合。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述多级磨浆机系统包括三个盘磨机，并且在三个盘磨机中的每一个盘磨机的上游添加磨浆机处理化学品。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中在三个盘磨机中的每一个盘磨机的上游添加的处理化学品是相同或不同的处理化学品。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述增塑剂选自由多羟基化合物组成的组。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述多羟基化合物是多官能醇或多元醇。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述多官能醇或多元醇选自由乙二醇、丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、丁二醇、甘油及其组合组成的组。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其进一步包含矿物油和选自由邻苯二甲酸酯、柠檬酸酯、癸二酸酯、己二酸酯、磷酸酯及其组合组成的组的润滑剂。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述表面活性剂是tritontmx100(异辛基苯氧基聚乙氧基乙醇)、十二烷基(酯)硫酸钠、十四烷基膦二甲醚、聚乙氧基化辛基酚、甘油二酯(甘油二酸酯)、直链烷基苯磺酸盐、木质素磺酸盐、脂肪醇乙氧基化物和烷基酚乙氧基化物及其组合。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述处理化学品是选自由碳酸亚烃酯组成的组的偶极非质子液体，其单独使用或与其它化学品组合使用。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中其它化学品是三醋精、1,4-环己烷二甲醇和二羟甲基亚乙基脲中的至少一种。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述碳酸亚烃酯选自由碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、碳酸丁二酯、碳酸甘油酯及其组合组成的组。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述处理化学品是水溶性亲水性直链或支链聚合物。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述水溶性亲水性直链或支链聚合物是多糖，其选自由淀粉、改性淀粉、藻酸盐、半纤维素、木聚糖、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素及其组合组成的组。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述处理化学品是施胶化学溶液或乳液、脱粘化学品和软化化学品中的至少一种。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述施胶化学品选自由以下各项组成的组：烷基烯酮二聚体(akd)、烯基琥珀酸酐(asa)、松香、苯乙烯马来酸酐(sma)、苯乙烯丙烯酸(saa)和聚合物施胶剂；脂肪酸、quilontmc和quilontmh。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中施胶化学品烷基烯酮二聚体(akd)、烯基琥珀酸酐(asa)、松香、苯乙烯马来酸酐(sma)、苯乙烯丙烯酸(saa)聚合物施胶剂；脂肪酸、quilontmc和quilontmh以及已知的聚合物施胶剂如basf的市售basoplast系列是作为纯化学品的溶液或经淀粉或合成聚合物预乳化而引入。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述脱粘化学品和软化化学品是arquadtm2ht-75(二(氢化牛脂)二甲基氯化铵)、十六烷基三甲基溴化铵、甲基三辛基氯化铵、二甲基双十八烷基氯化铵和六甲基二硅氮烷(hmds)中的至少一种。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述处理化学品是选自由以下各项组成的组的高分子量聚合物：乙基丙烯酸(eaa)、来自dow的hypodtm水性聚烯烃(乙烯共聚物和丙烯共聚物)、水性聚氨酯分散体、胶乳、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯及其组合。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中偶联剂选自由马来酸酐、马来酸聚合物、硅烷、锆酸盐、钛酸盐及其组合组成的组。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，所述硅烷包含(ro)3sich2ch2ch2-x的结构，其中ro是可水解基团，且r是甲氧基、乙氧基或乙酰氧基，且x是有机官能团、氨基、甲基丙烯酰氧基或环氧基。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中交联剂是选自由乙二醛、戊二醛、甲醛、柠檬酸、二羧酸、多元羧酸及其组合组成的组中的任何一种。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述热固性树脂是丙烯酸树脂(acrodurtm或aquasettm)、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛、三聚氰胺脲醛、苯酚甲醛(resol或novolac)和环氧树脂。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述聚合物是选自由以下各项组成的组的阳离子或两性聚合物：壳聚糖、均聚物聚乙烯胺(pvam)、共聚物pvam、聚乙烯亚胺(pei)、聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydadmac)、阳离子纤维素、阳离子淀粉、阳离子瓜尔胶及其组合。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中漂白化学品是选自由亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、偏亚硫酸氢钠组成的组的还原剂以及选自过氧化氢、过碳酸盐和过硼酸钠的氧化剂。
根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述有机和无机(矿物)颗粒选自由碳酸钙、粘土、石膏及其组合组成的组。
根据另一方面，提供了一种本文生产和描述的预分散纤维材料，其通过分批或在线空气搅动进一步加工，并使用温和干燥技术通过气流成网法形成具有所需干燥程度的压缩捆包或通过气流成网法形成具有所需干燥程度的压缩的非织造网或切碎的网颗粒。
根据另一方面，提供了本文所述的材料，其被进一步转化为预分散纤维材料，该预分散纤维材料包含在捆包、网或网颗粒中并且可通过机械作用分散成干燥颗粒，或分散在水和水性组合物或疏水组合物中。
根据另一方面，提供了本文所述的材料，其中所述疏水组合物是热固性树脂和热塑性聚合物中的至少一种。
根据另一方面，提供了一种本文生产和描述的预分散纤维材料，其被进一步加工成纸、纸板、包装、纸巾和毛巾；发泡产品、纤维板产品、热固性和热塑性复合材料；水泥、混凝土和石膏产品；和漏油清洁物、非织造垫、尿布吸收芯或个人护理产品。
根据另一方面，提供了一种将高稠度纸浆转化为预分散纤维材料的多级磨浆机系统，所述磨浆机系统包括：至少一个盘磨机，其包括限定0.5至3.5mm间隙并且赋予每道次50至400kwh/t的比能量的盘磨机磨盘间距，其中高稠度纸浆具有20重量％至97重量％的固体含量，其中预分散材料以30重量％至99重量％固体含量的产品稠度离开磨浆机系统。
根据另一方面，提供了本文所述的磨浆机系统，其中所述比能量为每道次50至小于100kwh/t且所述间隙为大于2.5mm至3.5mm。
根据另一方面，提供了本文所述的磨浆机系统，其中所述比能量为每道次100至小于200kwh/t且所述间隙为大于2.0mm至2.5mm。
根据另一方面，提供了本文所述的磨浆机系统，其中所述比能量为每道次200至400kwh/t且所述间隙为1.5mm至2.0mm。
附图说明
图1示出了根据本文所述的一个实施方案制造预分散或可分散纤维的流程图；
图2示出了根据本文所述的一个实施方案在高稠度、低能量下混合不同种类的纸浆/纤维(以最少的水蒸发开松和预分散)的流程示意图；
图3示出了根据本文所述的一个实施方案的分批方法(在高稠度低能精磨下进行多阶段的开松、与化学品混合、纸浆纤维原纤化和水蒸发)的流程示意图；
图4示出了根据本文所述的一个实施方案的分批方法(在高稠度低能精磨下进行多阶段的开松、与化学品混合、纸浆纤维原纤化和水蒸发)的流程示意图；
图5示出了由根据本文描述的一个实施方案的高稠度、高能量精磨阶段产生的原纤化纤维束的反射光显微镜的显微照片；
图6示出了由根据本文描述的一个实施方案的高稠度、高能量精磨产生的一个缠结纤维束的透射光显微镜的显微照片；
图7示出了纤维材料样品的三个显微照片：(a)从不干燥的纸浆薄片；(b)根据本发明方法处理的纸浆；(c)空气分散的纸浆纤维。
图8示出了根据本文描述的实施方案的磨浆机间隙开度与针对不同喷放管线稠度(输出物)施加的磨浆机比能量的关系图；
图9示出了根据本文所述的实施方案(具体是在磨浆机中的加工道次期间的三种漂白软木牛皮纸浆：
图10示出了根据本文所述方法生产的纤维的三张照片，样品a：29％稠度的湿块状软木牛皮纸浆；样品b：将样品a在本文所述的特定条件下在磨浆机中以4个道次预分散后；并且c对应于将样品b的浆料空气干燥至样品c的浆料之后；具体地，样品a、b和c的重量为24g(以干材料计)-样品体积的差异是由于在磨浆机中简单预分散成半干燥材料，然后通过空气分散成干分离纤维所引起；
图11是水分解样品的三张显微照片的图像：样品a是软木牛皮纸浆(29％固体)，样品b和c是在本文所述的特定条件下分别在磨浆机上预分散1个道次(33％固体)和3个道次(39％固体)；
图12示出了实施例3的水分解样品(a、b、c)的baeurmcnett纤维组分的条形图：(p0)湿牛皮纸浆(29％固体)，且(p1)和(p3)是在本文所述的特定条件下在磨浆机上预分散1个道次(33％固体)和3个道次(39％固体)之后获得；
图13示出了分解样品的baeurmcnett纤维级分条形图(p0对照、p1、p2和p3)：p0(由湿浆板重新粉碎制成，39.2％固体)和在本文所述的特定条件下，将p0预分散成样品p1、p2和p3。具体地，将所有样品在水中稀释至1.2％稠度并在标准英国破碎机中分解10分钟；
图14示出了根据本文所述的方法在中试快速干燥器中在两个设定温度120和160℃下进行一个道次干燥后的纸浆固体含量的条形图；
图15示出了高能纸浆hcr1在从中试规模盘磨机以32％稠度排出后(a)和空气干燥后(b)的照片，其中样品a和b的重量为24g(以干材料计)；
图16示出了断裂长度(km)与时间(小时)的关系图，其显示了老化时间对高稠度精磨漂白软木牛皮纸浆样品强度的影响，其中样品的磨浆能量水平为：a：1,844kwh/t；b：5,522kwh/t和c：11,056kwh/t；
图17示出了由在恒定水分下老化14天并且空气干燥至50和90％固体含量的分解的高能精磨软木牛皮纸浆样品制成的片材的拉伸强度变化的条形图；
图18示出了高能精磨纸浆hcr1(8,221kwh/t)在从中试规模盘磨机排出后(a)、在本发明方法的特定条件下在同一磨浆机上经三个道次预分散后(b)和空气干燥该3道次样品后(c)的照片，其中样品a、b、c的重量各为24g(以干材料计)；
图19示出了实施例10的精磨纸浆hcr1的六个光学显微照片图像-未在磨浆机上通过(p0)和预分散半干样品p1至p5；
图20示出了精磨纸浆hcr1(8,221kwh/t)的3个光学显微照片-a：未在磨浆机上通过(p0)；b：通过磨浆机预分散(p6)；并且c对应于在waring搅拌器中进一步水分解后的p6；
图21示出了分解的高能纸浆hcr1(8,221kwh/t)的bauer-mcnett级分的重量百分比的条形图-a：未在磨浆机上通过(p0)；b：在磨浆机上经过6个道次(p6)；并且c对应于在waring搅拌器中进一步水分解后的p6；
图22示出了高能精磨纸浆hcr1(8,221kwh/t)的光学显微照片图像-a：没有在磨浆机上预分散(p0)；b：空气干燥的p0；和c：用20％碳酸丙二酯处理，然后空气干燥的p0；
图23示出了实施例7的高能精磨纸浆hcr1的baeur-mcnett级分的条形图-湿p0；空气干燥的p0；烘箱干燥的p0；用20％碳酸丙二酯(pc)和用20％甘油处理，然后空气干燥的p0；
图24示出了光学显微照片图像，其中样品a未经处理，样品b根据本文所述的方法用1％quilonc处理；且
图25示出了光学显微照片，其显示根据本文所述的方法用选定的化学品处理高稠度、高能精磨bswk纸浆大幅改善缠结纸浆分散成单个纤维和原纤维。
具体实施方式
本发明涉及一种将输入的纸浆纤维转化为预分散的半干或干纤维材料的方法以及所转化的预分散纤维材料。所述方法将输入纸浆的纤维材料同时开松、解缠结和原纤化。所述方法还可以将输入纤维与化学品有效混合，同时在现代化机械盘磨机工艺中蒸发水分。磨浆机在三个过程变量的特定操作设定值控制目标下使用，所述过程变量是：1)施加的磨浆比能量；2)磨浆机间隙开度和3)磨浆机输出物稠度。根据进料纸浆的类型和进料纸浆的稠度，磨浆机的输出物是具有30％至99％的固体以及70％至100％的分离纤维的预分散半干纤维材料，并且根据所使用的化学处理，剩余的是松散缠结的纤维，在此阶段使用常规的分解或混合技术将其分散在水或疏水介质中。预分散的半干输出物通过速度足以进一步分离纤维并使纤维缠结松散的空气搅动而进一步在线或以分批过程，然后使用温和干燥技术将它们形成具有所需干燥程度的压缩捆包或通过气流成网法将它们形成具有所需干燥程度的非织造网和经切碎的网颗粒。适用于通过本文所述的方法加工的磨浆机的进料纸浆类型或形式是任何常见的木质纤维素和纤维素纤维及其原纤化纤维、一些适用的合成纤维，以及不同木质纤维素纤维和原纤化纤维的混合物或木质纤维素纤维或原纤化纤维与适当的合成纤维和/或有机或无机颗粒的任何混合物。化学品旨在简化高稠度缠结纤维和纤维原纤维的分离，防止它们在水蒸发时的自粘和角质化，并赋予它们在干燥、含水和无水体系中有效应用所需的新功能特性。压缩捆包、网或经切碎的网颗粒中的可分散半干和干纤维材料具有适合有效应用于纸、纸板、包装、纸巾和毛巾；发泡产品、纤维板产品、热固性和热塑性复合材料；水泥、混凝土和石膏产品；以及漏油清洁物、尿布吸收芯、个人护理产品和其它用途的定制的特定功能特性。
所产生的纤维材料适用于干燥、含水和无水体系或组合物和产品。本文所述的方法开始于：在以下情况下操作的盘磨机：1)每吨纤维固体的比能量较低；2)盘磨机之间的间隙比传统的盘磨机更宽；和3)与输入纸浆相比具有更高的输出纤维材料稠度。本发明描述的方法通过使用纸浆和造纸业中常用的盘磨机或多个磨浆机进行分批或连续加工实现了具有20至97％固体含量的纸浆纤维的开松、分离、原纤化、化学处理或混合。盘磨机在非传统条件下使用，并在大气压或加压条件下操作。这些非传统条件是基于通过将圆盘之间的间隙开度控制到设定点目标以允许更宽的开口来增加盘磨机内的精磨区的体积，将所施加的比能量控制到设定点目标以仅施加预定和计算的最小比能量，以及将磨浆机稠度控制到设定点目标，以便水蒸发被控制为渐进而非侵蚀的，从而促进纤维的开松并促进磨浆区内发生的化学处理。将选定的处理和功能化学品在磨浆机入口之前或优选在进料浆料的入口处朝磨浆机中心方向添加到纸浆中，在那里与纸浆纤维发生快速均匀的混合。化学品旨在简化纤维及其缠结或结的分离，防止它们在水蒸发时的角质化和自粘，并赋予它们在干燥、含水和无水组合物中有效分散所需的新功能特性。输出物是具有30至99重量％固体含量，优选50至99重量％固体含量的开松或预分散的纤维材料，其根据进料纸浆类型和形式，可包含100％的分离纤维或很高水平的分离的原纤化纤维，且缠结纤维和/或原纤维变得松散，它们在这个阶段容易使用普通的造纸分解技术分散在水中。预分散的输入物优选使用速度足以进一步分离纤维并使缠结松散的空气搅动进一步间歇或在线加工，然后使用温和干燥技术形成具有所需干燥程度的压缩捆包或通过气流成网法形成具有所需干燥程度的压缩非织造网或经切碎的网颗粒。取决于所使用的化学处理和/或功能添加剂，捆包、网或网颗粒中的纤维能够以干燥形式分散、在水和含水组合物或疏水组合物(例如热固性树脂和热塑性聚合物)中分散。“纤维”在此是指非原纤化、外部原纤化、微纤化或纳米丝纤维中的任何木质纤维素或纤维素纤维，其中这种纤维材料的长径比(纵横比)为至少5至2000，但最优选10至500。
适合于通过本文所述的方法加工的磨浆机进料纸浆纤维类型是任何常见的木质纤维素和纤维素纤维，其原纤化纤维或预卷曲纤维，包括普通的木基纸浆纤维，如精磨机械浆、热磨机械浆、化学热磨机械浆、化学浆(牛皮纸和亚硫酸盐)、市售绒毛浆；籽壳纸浆纤维，如来自大豆皮、豌豆壳、玉米壳的纸浆纤维；韧皮浆，如来自亚麻、大麻、黄麻、苎麻、洋麻的韧皮浆；叶浆，如来自马尼拉麻、剑麻的叶浆；茎或秸秆纤维，如来自甘蔗渣、玉米、小麦的纤维；草纤维，如来自竹子的纤维；合成短切纤维，如莱赛尔纤维、丙烯酸纤维(聚丙烯腈(pan))、芳族聚酰胺、聚乙烯醇(pvoh)、聚乳酸(pla)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚酯(聚对苯二甲酸乙二酯(pet))、尼龙(聚酰胺(pa))；不同木质纤维素纤维、纤维素纤维和原纤化纤维的混合物，或木质纤维素纤维、纤维素纤维或原纤化纤维与其它适用的短切合成纤维和/或有机或无机颗粒的任何混合物。待通过本文所述的方法处理的纸浆或纸浆混合物中的纤维的优选长度为0.1mm至10mm，且直径在0.02至40微米之间或平均长径比为5至2000，但最优选10至500。为了避免形成纤维缠结，长径比通常在100到2000之间的长植物纤维(大麻、剑麻、亚麻、洋麻和黄麻)可以用这种方法处理，条件是采取一些特殊措施以避免任何过早纠缠。对于一些特殊应用，例如在非织造干法成网或湿法成网中，植物纤维可与木浆纤维混合以作为产生新型高性能预分散纤维材料的手段。合成短纤维，例如以上所述的那些，也可以在盘磨机中与高稠度木质纤维素或纤维素纤维或其原纤化纤维混合。这些短合成纤维可以在增强木基纤维材料的脱粘方面起重要作用，从而改善由高比例木纤维制成的非织造垫的加工和性能。纸浆纤维的固体含量可以在20％至85％且最高达97％的范围内。
本文所述的方法旨在解决分散高稠度原纤化纤维的问题，它们类似于在us3382140、us3445329和gb1185402专利中公开的高稠度盘磨机上制备的原纤化纤维，且更具体地，类似于在我们最近公布的专利ca2824191a1中公开的那些在2,000至20,000kwh/t之间，优选5,000至20,000kwh/t之间，更优选5,000至12,000kwh/t之间的磨浆能量水平下产生的纤维素纳米丝。此外，要通过本文所述的方法加工的最优选的原纤化纤维是在双盘磨浆机上，在200至2,000kwh/t之间和最优选400至1,000kwh/t之间的能量水平下生产的稠度水平为30至60％的那些原纤化纤维。优选的原纤化纤维也可以在低至中等稠度盘磨机(3至20％固体)上以200至2,000kwh/t的能量水平生产，然后在双辊挤压机或螺旋压力机上脱水至固体含量为30至60％。适用于本发明方法的过程的原纤化纤维是具有至少10至1,000的长径比且宽度为20-500nm的黏附和/或分离的纸浆或游离的原纤维。
该方法可以通过利用带式或螺旋输送机将任何上述常见纸浆纤维或几种纸浆纤维的混合物(它们也可以含有有机和矿物助剂)馈送至开棉磨浆机中来实施。可以将这些纸浆以脱水纸浆的碎片或薄片形式(例如在双辊挤压机或螺旋压力机上脱水的那些)或以预粉碎的永不干燥或干燥的市售纸浆片材和捆包的形式馈送至开棉磨浆机的入口。这些纸浆形式将在开棉磨浆机中用水或化学品直接浸渍，以实现所需的稠度和化学处理。已在高稠度磨浆机上预处理的高稠度原纤化纸浆纤维可以通过与上述纸浆类似的方式进料至开棉磨浆机中，或者可以将其从另一个高稠度盘磨机或一系列盘磨机在线馈送至开棉磨浆机中。再生纸或造纸机破碎物，如印刷纸、箱纸板、袋用牛皮纸、墙纸、面巾纸和液体包装纸，也可以被粉碎并在开棉磨浆机中用一些水和/或化学品浸渍，以实现所需的稠度和化学处理。稀释水和/或化学品通过容积泵直接计量输送到盘磨机中心的纸浆中。纤维与一些化学品的反应可以在温和的磨浆机条件下和/或在后续在所需温度下干燥期间进行。纸浆在引入或未引入化学品的磨浆机中的开松可在同一磨浆机上进行多次(分批过程)或在其它串联的磨浆机上连续加工。取决于待通过本发明方法生产的预分散纤维的所需性质，在第一道次纤维开松期间可以将几种化学品作为混合物引入磨浆机中和/或依次引入分批磨浆机或连续多个磨浆机的第一、第二或第三和第四道次中。
用于获得这些实施例的结果的磨浆机是在约2.25kg/min的纸浆进料速率和1,200rpm的旋转速度下操作的中试常压bauer400双盘磨浆机。设定用于实现本文所述方法的目的的温和磨浆机条件是基于磨盘之间的宽间隙开度和使用极低的能量水平。这些条件足以使纤维立即开松和原纤化或使它们卷曲，同时有效地将它们与化学添加剂和/或助剂混合并蒸发由热动力学热产生的水分。如后面针对盘磨机的给定纸浆稠度进料所说明，一个道次期间的水蒸发水平将基本上取决于初始纸浆稠度、磨盘间隙开度水平或所施加的能量水平，以及盘磨机的尺寸。需要这些温和的操作条件以防止在同时开松纸浆纤维并使其结节解缠结的过程中切断纤维及其外部原纤维。
我们发现，呈永不干燥的纸浆或薄片或干燥的切碎片材形式的常见高稠度木材或植物纤维，例如热机械纤维、化学热机械纤维和牛皮纸纤维，都容易在以敞开的磨盘间隙和不同能量水平操作的磨浆机中开松成预分散的分离纤维并且可能被赋予外部原纤维。根据磨浆机中的纸浆稠度和是否使用化学品，对于热机械纤维、化学热机械纤维和硬木化学纸浆，预分散的半干输出纸浆中分离纤维的含量在95％至100％的范围内，而对于软木化学纤维(例如北方和南方软木牛皮纸浆纤维)，该含量在70％至95％的范围内。对于软木牛皮纸浆，其在磨浆机中的纸浆稠度越低，预分散半干纸浆中的单个纤维的含量越低。剩余的未分离纤维基本上是松散缠结的纤维，它们可以通过搅动分散在空气、水或含水组合物中。如果使预分散纤维完全干燥，那么它们仍然可以使用方便的分散方法分散成单个纤维，无论是以干燥形式还是在水中。通过在磨浆机中进行适当的化学处理，所产生的预分散的半干和干纤维可以通过空气搅动在疏水介质(例如热塑性聚合物)中分散成分离的纤维。
我们还发现，通过使刚制备的含20至45％固体的高能精磨软木牛皮纸浆(呈致密束或团块形式并且含有高水平缠结)通过在相同的上述条件下操作的开棉磨浆机，可以将其转化为固体含量高达60％的预分散形式。该预分散半干原纤化纤维输出物含有基本上分散的纤维材料和一些残留的松散缠结，这些缠结可通过一些机械剪切分散在水中。但是，预分散半干纤维的干燥使它们变成固体角质化网络，并且因此它们在水中的机械混合需要更长的时间来分散，并且它们对纸的强化潜力降低。然而，当在开棉磨浆机中将适当的化学品引入相同的上述原纤化纤维时，可以使纤维预分散并蒸发水，同时仍然获得良好分离的半干纤维。半干的预分散样品在水中分散良好且实际上没有结，并且角质化程度与在任何预分散之前的初始样品相比只是略有不同。这些化学品是用于防止纤维和原纤维的自粘和缠结。其它选定的化学品也在相同条件下使用，以赋予分散的半干和干纤维材料新的功能特性。这些增加的功能性质具有重要意义，因为它们可以被定制以改善在目标应用中的性能，例如改善的吸收性、疏水性或粘附性。
使用高空气射流或空气搅动进一步分离上述预分散的半干纤维和半干原纤化纤维，同时通过空气抽吸将它们形成为非织造垫或连续网。将半干形式的纤维网进一步干燥至约99％固体。干燥网状形式的分离纤维更容易处理，没有粉尘，并且可以切成颗粒以获得用于预期应用的有效剂量或进料。可以使用熟知的气流成网技术将分离的纤维形成为非织造纤维网。在气流成网技术中，尺寸比通过本发明方法处理的纤维短或相同的纤维被送入空气流并由此进入移动带或多孔鼓，在此它们形成随机取向的纤维网。气流成网技术通常从gb专利号1,499,687可知，该专利描述了一种用于干法生产非织造纤维网或垫的设备。该设备具有盒状气流成网成型头，其由底部的多孔底座界定。在底座上方是成排的旋转翼，其在操作期间将纤维分布成穿过多孔底座的气流。在该底座下方放置有一个透气的成形网，它在操作过程中不断运行，用于容纳通过位于该成形网下方的抽吸箱中的负压穿过多孔底座的开口的纤维。预分散纤维是通过本发明方法生产。半干纤维网在压辊之间固结。在这个阶段，可以将网切成粒或切割成垫。连续网还可以经干燥并形成卷。
正如前面所讨论，使高稠度精磨纸浆干燥会增加角质化并形成更多的永久结和卷曲。这种纸浆在空气、水中的水合和分散较少，并且其片材将具有低强度性能。在此使用纸浆的保水值(wrv)作为评估对磨浆机中预分散的热影响(作为其输出稠度增加值的函数)的量度。wrv的测量对象是在浸泡在水中且然后使用标准实验室英国破碎机(t205om-88)以1.2％稠度分解的纸浆样品。我们发现由于水蒸发或干燥导致的纸浆wrv的损失高度取决于所加工的纤维类型及其游离度或精磨程度。例如，当使用标准英国破碎机在水中分解高度精磨的约30％固体的软木牛皮纸浆时，浆料含有高含量的纤维结。如果将纸浆浸泡在热水中，提高ph或在waring食物搅拌器中进一步分解数分钟，则发现纤维结的含量显著降低。当根据本文所述的方法将相同的高稠度高精磨软木牛皮纸浆预分散时，我们发现随着水蒸发量由于在磨浆机中通过的次数增加而上升，预分散半干纸浆的wrv下降。另一方面，对于未精磨的软木牛皮纸浆，随着水蒸发量由于在开棉磨浆机中通过的次数增加而上升，预分散的半干纸浆纤维变得外部原纤化并略微卷曲。最初，预分散半干纸浆的wrv增加，然后在通过4次后，wrv开始下降，但仍然高于对照未预分散样品的wrv。因此，预分散半干纸浆易于在水中分解并形成牢固的片材，而3个道次后的预分散半干原纤化牛皮纸纤维仍然在水中良好分解并形成牢固的片材，但是随着预分散处理的次数增加到4次以上，这些纤维变得逐渐难以在水中分解，并且形成的片材不牢固且含有一些残留的纤维结。此外，当将适当的化学品引入开棉磨浆机中的上述纤维或原纤化纤维中时，可以将半干纸浆预分散数次并将其蒸发至高稠度，而它们仍然能很好地分散在水中并形成牢固的片材，这将在实施例部分中加以说明。
通过使用本文所述的方法，可将许多市售的化学品或添加剂引入在磨浆机中预分散期间的纸浆纤维中，以实现特定应用所需的性能。我们发现磨浆机是一种用于混合化学品与纸浆纤维的优异的瞬时混合器，并且可用的热条件促进化学品在纤维表面和界面上的均匀吸附和反应。这种将化学品引入磨浆机中的方法不同于传统工艺或新颖的公开方法中用于使用常见的机械纤维分离装置(例如锤磨机)生产个体化预分散纸浆纤维的方法。处理化学品可以包括但不限于增塑剂、润滑剂、表面活性剂、固定剂、交联剂、疏水材料、有机和无机(矿物)颗粒、发泡剂、吸收剂颗粒、填充剂、染料或着色剂、防腐剂、漂白剂、阻燃剂、聚合物、胶乳、热固性树脂、木质素、处理物质和用于开发纤维的特定最终用途性质的其它材料的组合。优选的化学品旨在(1)促进纤维分离或分散并消除高稠度原纤化纤维以及其它纸浆纤维的缠结，防止干燥对纤维的角质化和自粘以及聚集的影响；(2)赋予纤维亲水性和疏水性，以及在纤维或卷曲纤维上形成外部原纤维的可能性；(3)将聚合物链、树脂分子、偶联剂、纤维素反应剂、表面活性剂、泡沫显影剂、本体显影剂、纤维间和纤维内交联剂、偶联剂、抗菌物质分子引入纤维中；(4)将胶体细粒固定在纤维表面上或附着填充增强剂、有机和矿物颗粒或吸收性颗粒或聚合物颗粒。下文描述了一些有用的化学品或添加剂：
1.化学助剂：适用于减少纸浆纤维的角质化和自粘的最有用的化学助剂是增塑剂或润滑剂。增塑剂是多羟基化合物，也称为多官能醇或多元醇，如乙二醇、丙二醇、二丙二醇、丁二醇和低分子量二醇聚合物及其混合物。这些极性质子化合物具有羟基和非极性烃链，且因此具有能够与纤维素和水形成氢键的亲和力，一种强大的分子间力。质子化合物被定义为具有o-h或n-h键的分子。o-h或n-h键可以作为质子(h+)源。可以与多羟基化合物组合使用的矿物油和许多润滑剂可包括邻苯二甲酸酯、柠檬酸酯、癸二酸酯、己二酸酯和磷酸酯。由于它们的高沸点和闪点温度，这些化学品中的一些可以在盘磨机中的预分散操作期间充当一些蒸发水的良好替代物。如前所述，美国专利4481076中公开的含有多羟基化合物作为增塑剂的水可再分散性全干微纤化纤维素是亲水性聚集体的形式，其不能分散成干燥分离的单个原纤维，而聚集体的原纤维也不能分散在疏水组合物中。
被发现作为增塑剂表现良好并且是磨浆机中的预分散纤维上的一些蒸发水的良好替代物的其它化学助剂是偶极非质子溶剂，例如碳酸亚烃酯，即碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、碳酸丁二酯、碳酸甘油酯及其混合物或与其它化学品(如三醋精、1,4-环己烷二甲醇和二羟甲基亚乙基脲和多元醇)的混合物。偶极非质子溶剂的定义如下：“非质子溶剂上的某处可以含有氢，但它们缺少o-h或n-h键，因此本身不能形成氢键。”碳酸亚烃酯可与水混溶，作为水的清除剂并且相对便宜。它们具有高介电常数和高极性，并且还具有高沸点和闪点。它们通常用于许多工业应用中，例如作为环氧树脂中的共反应溶剂。对于本发明方法，所选的碳酸亚烃酯将会单独或与多羟基化学品和其它功能添加剂合一同引入磨浆机中的高稠度纸浆中。符合标准的其它偶极非质子溶剂包括dmf和dmso，但由于它们的化学性质，在本发明方法中不考虑这些有机溶剂。
在盘磨机中混合高能量精磨湿牛皮纸浆与上述增塑剂和/或碳酸亚烃酯液体提供了生产亲水性且通过常规崩解方法(例如在造纸中常用的水力碎浆机中)容易分散在水中的预分散半干纤维的能力。纸浆浆料含有高度分散的纤维，不含缠结或结。当预分散半干纤维进一步干燥，或先进行空气搅动，然后再干燥时，它仍然可以很好地分散在水中，并且纸浆浆料不含结。正如后面通过实施例所证明的那样，它们用增塑剂或润滑剂预先处理过的水分散性半干或干纤维的强化潜力应用于纸料或水性组合物，与刚制备的从未老化或干燥的纤维相似或甚至更好。虽然增塑剂和润滑剂具有降低干燥对纤维上原纤维的纤维角质化和自粘的影响的潜力，但如果它们在造纸过程中保留在片材中，则强化效果会因为对纤维粘合的干扰而受到影响。
2.功能添加剂：由于上述化学助剂可以在磨浆机中的预分散和干燥过程中最大程度地减少纤维上的原纤维的角质化和自粘，因此需要引入选定的功能添加剂以赋予纤维亲水性或疏水性特征，或赋予它们许多产品的特定最终用途所需的卷曲、松厚度、密度、孔隙率、发泡、延展性或粘合能力，或抗菌、阻燃性能和矿物填料。以下是两个系列的实例，其中功能添加剂可单独使用或与化学助剂组合使用：
水溶性多糖聚合物和水不溶性聚合物或颗粒：这些是水溶性亲水性直链和支链聚合物。多糖的实例包括淀粉、藻酸盐、半纤维素、木聚糖、羧甲基纤维素和羟乙基纤维素。当根据本文所述的方法单独或在一些化学助剂的存在下添加到湿纸浆纤维中时，这些化学品可以吸附在纤维表面上。这些多糖固定在纤维表面上将使预分散纤维易于分散在水中，因此可用作造纸产品和其它水基产品的高增强添加剂。还可以在半干纤维的预分散过程中固定干燥的高吸水性聚合物(sap)颗粒，它们具有快速吸收大量水或体液而不发生溶解的能力。sap微粒这样固定在纤维表面上可以防止它们在吸收垫中吸收液体时产生不希望的物理移动和迁移。
施胶、脱粘、软化和表面活性剂化学品：常见的造纸施胶乳液，例如烷基烯酮二聚体(akd)、烯基琥珀酸酐(asa)、松香、苯乙烯马来酸酐(sma)和苯乙烯丙烯酸(saa)；脂肪酸，即硬脂酸钠和硬脂酸钙；硅烷；铬络合物如quilontmc和quilontmh的溶液，其含有疏水烃链如硬脂酸基团和铬。施胶乳液使预分散纤维变得疏水并促进其分离。铬络合物如quilon以及聚氧硬脂酸铝溶液可以在纤维材料干燥后提供高表面疏水性，因此可以起到脱粘剂作用，并且还可以将干燥材料中的粉化现象减至最少。这些疏水性纤维材料可用作过滤介质、吸油剂以及用于塑料复合材料中。
含有不显著改变纤维亲水性的化学脱粘剂或软化剂除疏水烷基链以外还包含环氧乙烷单元。一个很好的例子是arquadtm2ht-75(二(氢化牛脂)二甲基氯化铵)，发现它可以防止纸浆纤维粘结而不损害亲水性。其它化学品如十六烷基三甲基溴化铵、甲基三辛基氯化铵、二甲基双十八烷基氯化铵可用于实现脱粘和软化。亲水性脱粘纤维可用于制造用于不同工业应用的良好吸水性大块垫。六甲基二硅氮烷(hmds)是化学品的另一个例子，其对纤维素纤维具有良好的实质性并促进其分散和与疏水聚合物的相容性。最近的研究表明，用hmds处理纸浆纤维将提高脱水的原纤维和微纤维(irvingb.sachs，woodandfirberscience.20(3).1988，第336-343页)。
优选将这些脱粘剂化学品与化学助剂一起引入湿纤维材料中，以促进纤维材料的润湿和分散。可用于本发明方法的目的的化学品的实例类似于us4303471、us4432833、us4425186、us577308和us5750492中充分描述的那些。出于本发明方法的目的，这些分子在纤维表面上的固定在磨浆机中的第一道次预分散过程中迅速实现，因此不需要复杂的阶段，例如纸浆的预处理和已处理纸浆的脱水或洗涤或预浸渍浆板。
非离子型、阴离子型、阳离子型、两性和聚合物表面活性剂化合物(表面活性剂的缩写)通常在许多应用中用作降低两种液体之间或液体和固体之间的表面张力(或界面张力)的方法。表面活性剂可用于使纸浆纤维润湿、乳化、起泡、分散和脱粘。由亲水头部和疏水尾部组成的固定良好的非离子表面活性剂可赋予纤维材料疏水性和反应性官能团。一种特定的非离子表面活性剂是tritontmx100(异辛基苯氧基聚乙氧基乙醇)，其可以改善纤维与环氧树脂和聚酯树脂的相容性。tritontmx100具有在增强剂(如苯酚和木质素)的存在下固定在纤维表面上的亲和力。可用于本发明方法的其它表面活性剂是十二烷基(酯)硫酸钠、十四烷基膦二甲醚、聚乙氧基化辛基酚、甘油二酯(甘油二酸酯)、直链烷基苯磺酸盐、木质素磺酸盐、脂肪醇乙氧基化物和烷基酚乙氧基化物。
可以通过本发明方法的过程固定在纤维表面上的另一种反应性分子是苯甲酰氯。其酚基可以与用于制备热固性复合材料的聚酯树脂上存在的苯环和甲基相互作用。这将赋予与纤维材料和聚酯树脂的相容性并且还降低纤维亲水性。
根据所用功能添加剂的化学性质，预分散纤维将可能容易再分散于造纸配料和其它水性组合物中，或在与聚烯烃聚合物挤出配混期间具有良好的相容性和混合性。然而，对于热塑性复合材料，化学助剂、脱粘剂或施胶剂的剂量必须保持较低，以避免最终复合产品的拉伸强度损失。这是因为固定在干燥预分散纤维的表面上的低分子量增塑剂、疏水性脱粘剂和施胶剂促进了挤出配混和注塑期间的良好分散，提高了耐水性，但降低了纤维与基质之间的粘合性。
3.其它功能添加剂：为了实现相容性、粘附性、交联、疏水性或产生新型纤维制剂，可以在磨浆机中的预分散操作期间将其它类型的功能添加剂引入纸浆中。所选的添加剂可以与化学助剂合并引入。所选择的功能添加剂应具有良好的亲和力以在磨浆机中和最终干燥阶段期间固定纤维材料和/或与其反应，例如下面描述的那些：
共聚物水分散体：这些高分子量阴离子共聚物包括乙基丙烯酸(eaa)；来自dow的hypodtm水性聚烯烃(乙烯共聚物和丙烯共聚物)；由basf和dowchemical提供的水性聚氨酯分散体以及许多胶乳如丁苯橡胶(sbr)，它们都可以在盘磨机中吸附或涂覆在纤维表面上。这些共聚物分散体可赋予干纤维疏水性并起到聚合物偶联剂的作用，因此可与常规热塑性聚合物(如聚乳酸(pla)、聚对苯二甲酸己二酸丁酸酯(pbat，ecoflex)、pla/pbat混合物(ecovio)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、热塑性聚氨酯(tpu)、橡胶和许多其它商品热塑性塑料)更好地相容、配混和额外增强。
偶联剂和交联剂：实现这种目标的化学品是许多马来酸酐或马来酸化聚合物、硅烷、锆酸盐和钛酸盐。硅烷分子在同一分子中含有两种类型的反应性-无机和有机。硅烷的典型一般分子结构是(ro)3sich2ch2ch2-x，其中ro是可水解的基团，例如甲氧基、乙氧基或乙酰氧基，且x是有机官能团，例如氨基、甲基丙烯酰氧基、环氧基等。因此，附接在纤维表面上的单个硅烷偶联剂分子可以在复合材料的纤维和聚合物基质之间的界面处起作用，以结合或偶联这两种不同的材料。
化学试剂如多官能酸和多官能胺也可以与湿纸浆纤维结合以产生表面功能性和纤维内交联或纤维间交联。许多现有专利充分描述了许多交联剂，即乙二醛、醛、甲醛、柠檬酸、二羧酸、多元羧酸，它们用于在加热下处理纤维素，作为赋予预分散纸浆弹性和吸收能力的手段(us5049235、us6165919、us6264791、us7195695、us8475631)。内交联预分散纤维或纤维材料已经应用在用于尿布和其它液体吸收卫生产品中使用的非织造垫中。
结合本文所述的方法(通过在适当化学试剂的存在下预分散)，软木牛皮纸浆在例如盘磨机或frotapulpertm中的高稠度预精磨或预机械剪切和压缩可以优化以产生疏水性卷曲纤维。这种预分散纤维在制造吸收垫时非常适合与高吸收性聚合物结合使用，作为改善弹性膨胀和吸收性能的手段。在尿布的制造中，以颗粒状粉末、颗粒或纤维形式提供的高吸收性聚合物分布在实现高液体吸收性所需的整个预分散纤维垫中。交联的卷曲纤维将允许在高吸收性聚合物颗粒吸收或获取和保留极性液体(即水)的过程中获得弹性网络。
热固性树脂：用于本文所述方法的最优选的热固性树脂的实例是水性树脂或乳液，例如由basf提供的丙烯酸树脂(acrodurtm系列)和由dowchemical提供的aquasettm以及常见水性树脂，即脲醛、三聚氰胺甲醛，苯酚甲醛、三聚氰胺脲醛和环氧树脂，它们可以在本文所述本发明方法的磨浆机中的预分散操作期间浸渍在纤维材料上。
取决于化学助剂和注入磨浆机中的混合纸浆的水性树脂，所产生的预分散浸渍纤维可用于与热塑性聚合物配混或用于制造基于常用于bmc(块状模塑料)和smc(片状模塑料)或木质复合材料如mdf和hof以及许多其它复合产品中的聚酯树脂基质的热固性复合材料。
4.阳离子聚合物固定剂：对于一些用途，小阴离子细粒的和市售纸浆中的溶解和胶体物质等组分在造纸中是不希望存在的。在磨浆机中的预分散操作期间，注入选定的低至高分子量阳离子或两性试剂或聚合物，即明矾、壳聚糖、聚乙烯胺(pvam)、聚乙烯亚胺(pei)、聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydadmac)、阳离子纤维素和阳离子淀粉，可以允许中和并固定纤维表面上的微细材料。这些添加剂还可以在纤维内和纤维之间产生离子交联，从而形成具有高弹性、松厚度和孔隙率以及改善的强度和吸收性的纤维网络。阳离子金属络合物还可用于实现固定并赋予纤维疏水性。我们发现固定和离子交联可以降低预分散纤维材料的粉化倾向。
根据本发明方法，磨浆机中的纸浆在其预分散期间用0.1至40％(基于材料重量计)的选定化学品与其它添加剂或助剂的组合浸渍、与其混合或共混。优选的化学品剂量可以在0.1至20重量％的范围内。更优选的化学品剂量可以在0.1至10重量％的范围内。磨浆机中的纸浆在一种、两种或几种上述选定化学品的存在下预分散，所述化学品在磨浆机中的第一道次开松期间一起注入或随后在第二道次或第三道次预分散期间添加。所选的化学品旨在保留作为半干或干纤维材料的一部分，并且在使用之前不需要洗涤、提取或蒸发材料。
如前所述，木质纤维素纸浆纤维或其原纤化纤维可以与任何植物或种子纤维和/或前述具有适当长度和长径比的合成纤维混合。这些尺寸对于避免在预分散期间形成不希望的缠结是必要的。可以与木质纤维素纸浆纤维或其原纤化纤维在磨浆机中共混的植物或种子纤维和/或合成纤维的比例可在1％至99％之间变化。它们可以从不同的进料管线引入磨浆机，例如经由一个、两个或多个带式或螺旋输送机进料器，这将在后面描述。
可以采用以下方法描述来制备预分散的半干纤维材料，并通过空气搅动使其进一步分散，将它们干燥并形成为具有所需干燥程度的压缩捆包、网或经切碎的网颗粒。如果待预分散的纸浆源自中低稠度纤维浆料，那么它必须首先在诸如螺旋压力机、带式挤压机、连续离心机、分批离心机或双辊挤压机等装置中脱水以提高稠度，优选提高至约30-60％固体，然后通过切碎转变成小块或薄片，以便在盘磨机中进行正常的进料和预分散操作。同样地，如果纸浆源自干燥的市售纸浆片材或捆包，则必须先将其切碎成尺寸为10至30cm2的小块，然后通过螺旋输送机送入磨浆机中。在磨浆机中引入水和/或化学品并将稠度控制在所需的加工水平。优选地，在磨浆机中第一道开松期间的优选纸浆稠度范围是20-97％，并且优选的相应预分散材料输出物的固体含量的范围为30-99％。
输出的预分散半干纤维可以通过空气搅动和温和干燥进一步分散，且同时将其形成压缩捆包、纤维网或纤维网颗粒。根据该过程，将磨浆机输出的预分散材料与外部风扇产生的高速气流快速混合，然后通过导管输送到旋风分离器。旋风分离器连接传输泵，其中移动的纤维被从旋风分离器吸出并粉碎以形成捆包或纤维网。外部风扇、旋风分离器以及旋风分离器的入口和出口管道的尺寸被设计成提供足以分离纤维并使纤维缠结松散的气流速度。通过将来自加热器的热空气吹过风扇，可以将旋风分离器中的空气温度调节至低于100℃，优选在70和80℃之间的所需水平。半干分离纤维通过导管从旋风分离器收集成捆包，或者通过抽吸通过在真空箱上移动的筛网形成纤维网。真空箱下方的任何筛网的逃脱细粒被通过导管返回到旋风分离器中。将移动的成形纤维网在两个辊之间轻轻压缩，然后如果需要，在化学品与纤维完全反应所需的适当温度下进一步干燥。我们发现，通过将空气分散的纤维保持为半干燥形式，可以产生具有一些操作所需的机械强度并且实际上没有粉尘的压缩纤维网。
其它干燥技术也可以与本方法结合，特别是当意图以捆包形式收集预分散的半干纤维材料时。虽然输送式干燥器、螺旋输送式干燥器和传统的快速干燥技术可用于干燥通过本发明方法制备的预分散半干纤维材料，但方便的技术可以是在该方法的连续过程中连接的过热蒸汽干燥器(shsd)或等效的干燥设置。过热干燥器是闭环气动输送型。如果蒸汽压力保持恒定并且增加更多能量，则蒸汽温度升高并且饱和蒸汽变为过热蒸汽(shs)。预分散半干纤维可以在空气搅动后通过紧压旋转阀、螺旋塞或类似物被直接馈送到加压过热输送蒸汽流中。输送蒸汽经由管式热交换器，通过加热介质间接过热。通常，干燥系统中的停留时间为5-60秒。使用封闭的加压蒸汽系统，既不会有粉尘颗粒或挥发性化合物排放到大气中，也没有任何可见的蒸汽羽流。如果需要，可以在冷凝器中容易地操作或处理来自化学品与纤维反应的可能的挥发物，它们通过产生的蒸汽在冷凝器中冷凝来收集。
本方法的关键要素是生产预分散的半干纤维材料，该材料在此阶段可通过在水或水性组合物中混合或在高速空气搅动环境中容易地分散。这种预分散的半干纤维材料在高稠度盘磨加工中通过使用分批单一磨浆机在重复道次期间或使用一系列磨浆机在连续过程中将能量降低至最小水平并开放磨盘间隙而成功生产。这些特定条件允许纸浆与化学品和其它添加剂适当地同时混合，同时将纤维开松、解缠结和外部原纤化或分离已经原纤化的纤维。将预分散的半干纤维通过空气搅动快速地进一步在线分散至所需的干燥程度，并形成压缩捆包、纤维网或纤维网颗粒。当在磨浆机中将纸浆与适当的化学品和/或添加剂混合时，预分散的半干和干纤维材料变得在水或水性组合物中搅动时可良好分散并且基本上没有纤维缠结。此外，使用其它适当的化学品和/或添加剂，干纤维材料变得可分散在疏水介质中，并且最终的组合物不含纤维缠结。在没有化学助剂的情况下，产生的热量可以导致一些角质化、纤维上的原纤维脱水、纤维和原纤维的收缩和卷曲。然而，通过添加前面描述的适当的化学助剂，纤维的这些物理变化基本上被降至最低或消除。化学助剂在这里的任务是在预分散阶段期间防止纤维和原纤维在水蒸发时自粘，并且仍是预分散纤维的一部分，以防止它们在储存和干燥时发生角质化。
本文目前描述的方法非常适合于预分散难以处理的纸浆纤维，特别是可以将由高稠度盘磨机在高比能量水平下产生的原纤化纤维转化为预分散的半干纤维材料，该材料含有70至100％的单个纤维和可以分散在应用组合物中的剩余的松散纤维缠结。任何高稠度的牛皮纸、亚硫酸盐、苏打或碱性蒸煮工艺的纸浆都适合于通过本发明方法加工。合适的高稠度纸浆还可以从机械制浆方法获得，例如mdftmp纤维束和脱纤度更高的未漂白或漂白的热磨机械浆(tmp)和化学热磨机械浆(ctmp)。还可以使长度为1至6mm的植物纤维(例如蕉麻)预分散。其它预切植物纤维，包括亚麻、洋麻、大麻、黄麻、剑麻、棉花或类似材料，也可以预分散。与木基纤维一样，植物纤维也可以精磨且随后用于提供高稠度原纤化纤维，以根据本发明方法将它们转化为预分散的半干纤维材料。合成短纤维(例如聚乙烯、聚丙烯、聚酯、芳族聚酰胺、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇、人造丝、莱赛尔、玻璃、碳)也可以与上述木质纤维素纤维或其原纤化纤维一起在磨浆机中预分散。更优选的是具有高熔融温度的合成短纤维。
图1示出了根据本文所述的实施方案制造预分散或可分散纤维材料的流程100，其步骤为：馈送纸浆纤维1；通过开松混合、原纤化、分离和解缠结以及在纤维中添加化学品来处理纸浆纤维2；和进一步空气分离半干纤维及其捆包集合体或转化为压缩纤维网和纤维网颗粒4。磨浆机的进料1具有呈适于通过本文所述的方法加工的形式的任何纸浆类型。纸浆类型可以是任何常见的木质纤维素和纤维素纤维及其原纤化纤维、一些适用的合成纤维，以及不同木质纤维素纤维和原纤化纤维的混合物或木质纤维素纤维或原纤化纤维与适当合成纤维的任何混合物。一种高稠度纸浆纤维或其混合物同时加工，以使用盘磨机或多个磨浆机的分批或连续过程实现其开松、稀释或化学处理、预分散、原纤化和水分蒸发2。在此阶段，输出的预分散半干纤维材料3使用常规分解技术可分散在水或水性组合物中。预分散半干纤维材料3可以进一步温和干燥并以捆包或超级囊形式提供4。当在开松阶段期间使用适当的化学处理时，预分散纤维3可以分散在疏水组合物中。预分散半干纤维3输出物使用速度足以进一步分离纤维并使缠结松散的空气搅动4技术进一步间歇或在线加工，然后使用温和干燥技术将它们形成捆包或通过气流成网法将它们形成网或经切碎的网颗粒，至具有所需干燥程度的压缩非织造捆包、网或经切碎的网颗粒。取决于所使用的化学处理和/或功能添加剂，捆包、纤维网或纤维网颗粒5中的纤维可通过机械(研磨)6作用分散在水和水性组合物或疏水组合物(例如热固性树脂和热塑性聚合物)中。在研磨6之后，可以通过机械作用将纤维完全分离和/或尺寸减小成干燥的可流动颗粒7。
本发明方法的实践依赖于三个过程1、2和4的主要部分或主模块。这些流程的布局如下所述：
图2示出了用于混合不同来源的纤维的流程200的布局，所述纤维可以是木纤维、植物纤维及其原纤化纤维或合成纤维，或不同纤维的组合。这样使纤维成为均匀分布的混合物。这是在预分散期间的任何预分散和/或化学处理之前的重要步骤。进料纤维23、24和25可以是任何形式，并在磨浆机中预稀释或稀释到低至20％固体和高达97％固体。使用直接引入磨浆机的稀释液体流将磨浆机输出纤维的稠度控制为预定的设定值。优选的稀释液体是水28，但是具有极低挥发性有机化合物(voc)和高沸点温度的其它极性液体也可以单独使用或与水组合使用。
当混合具有不同密度的不同纤维时，如图2所示，每个输送机22、23和26的进料速度被分别设定为精确的设定值，以便以精确控制具有适当密度的所需混合物。
图2的布局：这种混合来自木材和非木材的纤维/纸浆的方法具有10个流程块。将纤维或纸浆输送到磨浆机中(模块21)。将输送机的每分钟转速(rpm)(模块22)控制为设定目标值，以实现所需的最终混合。相同的描述适用于模块23、24、25和26。模块27是磨浆机入口处的化学品添加。稀释液体同样在该位置(模块28)添加，以将磨浆机喷放管线稠度控制为设定目标。模块29是热机械盘磨机，它可以是常压或加压磨浆机。模块210是喷放管线纸浆或均匀混合的纤维产品。
图3呈现分批多道次流程300。
图3的布局：该图中有6个模块。模块31是含有待加工的一种纸浆或纸浆纤维混合物的储罐。纸浆可以加工一次或多次。磨浆机的输出纸浆被输送到下一阶段或返回进行另一次处理。因此，可以进行一次或多次处理，直到实现所需的性能。最终加工的纤维现在可以使用，或者可以通过空气搅动处理进入下一阶段，并形成压缩捆包、纤维网或纤维网颗粒。当需要时，在磨浆机的入口处添加稀释液体(模块32)，因为当用于处理的所选化学品是非水性时，有时未进行稀释。化学品(模块33)同样在磨浆机的入口处添加。第n个道次期间的磨浆机进料(模块34)。模块35是高稠度热机械盘磨机，它可以是常压或加压磨浆机。均匀混合纤维产品的输出物是模块36。
图4是连续多道次流程400。
流程400的布局如图4所示：该图中存在至少11个流程块(当使用3个处理阶段时)，但是图4描绘了多于三个阶段，即n个阶段(401、402、…..40n)。模块41是阶段401中进入磨浆机44的进料纸浆。模块42是根据设定值目标加水以控制磨浆机的输出稠度。在模块43中，在磨浆机42的入口处添加第一化学品。在模块45和46处分别将第二化学品和水添加到阶段402的磨浆机47中，并且在任何第n个后续阶段40n中，将水和化学品(分别为模块48和49)加入磨浆机410中。根据确定的化学品添加顺序，在磨浆机44、47和410的入口处添加所有化学品。输出的纤维产品411离开磨浆机410。
高稠度磨浆通常与施加高能量相结合，并且其目的在于通过外部和内部原纤化机制来发展纤维，其结果是纤维表面积在显著低的纤维切割下显著增加以及纸浆密度的增加。当高稠度磨浆的目的是发展纤维时，施加的比能量高于每道次800kwh/t并且磨浆机磨盘之间的间距(间隙)减小、非常窄或紧密，根据设定的磨盘保护警报，磨浆机磨盘之间的间隙低至至0.5mm。这将导致磨浆区体积的减小。离开磨浆机的纸浆主要是挤压缠结纤维束。这如图5和图6中所示。
这里公开的方法是基于给定纸浆纤维的多道磨浆。每个磨浆道次都在20％至97％的高稠度下进行。每个道次所施加的比能量低，并且仅为每个道次50kwh/t至300kwh/t之间。在这些条件下，间隙开度非常宽(低能量条件)。它的范围可以是1.2mm至3.5mm，这取决于所用工业磨浆机的类型及其容量、纸浆密度和磨盘条件。对于主要是容量非常低的小型磨浆机，间隙开度的范围将在0.5mm至1.2mm之间。由于产量低，用于其正常生产的间隙开度可以低至0.1mm，以允许和施加显著的能量来发展纤维。例如，当在高稠度和低施加比能量的条件下使用大容量的磨浆机时，磨浆区体积被消耗。这允许在大的空间内将纸浆束或聚集体分解成分离的或预分散的纤维和松散缠结，同时添加的化学品将在相当于磨浆机中的停留时间的约几秒内到达大多数纤维表面。图7中可以看到化学品在纤维上的完全均匀混合。图7a是进料至磨浆机中的软木bctmp薄片。图7b示出了良好预分散的半干纤维输出物，其中它们的颜色变为浅绿色，这是由在纸浆薄片的一个开松阶段期间引入的化学品所引起。图7c示出了干燥的图7b的空气分散纸浆。该干纸浆没有缠结或残留结节。
在本文所述的方法中，高稠度磨浆机在敞开的间隙下操作，因此如本文所示预先计算施加的能量以主要分离纤维或使它们解缠结且同时蒸发水分。在这种条件下，在磨浆机中的纤维上产生的剪切引起非精磨纤维的外部原纤化，并有助于释放或消除先前高度精磨的纤维的原纤维。
这种新型加工方法的优点在于：可以在不显著改变纸浆纤维的初始性质的情况下进行盘磨机中的开松/预分散，或者通过产生新的性质(即外部原纤化和卷曲)来有意地改变它们。在这种操作中，与纸浆的高稠度、高能量精磨的正常操作不同，旋转盘之间的间隙是敞开的。在不变的生产率下，间隙与施加的比能量成反比。另外，纤维长度与磨盘间隙正相关。这意味着施加高能量将导致间隙闭合，而这将导致高纤维发展和纤维缩短。在我们的情况下的开放间隙主要促进纤维开松和分散或原纤化纤维的原纤维的释放，并且在没有纤维缩短或最少纤维缩短的情况下产生一些外部原纤化。在实施例2和3中，我们示出了在磨浆机上预分散之前和之后的高游离度漂白软木浆纤维(bswk)。离开磨浆机的纸浆的纤维是预分散的-如图10中给出的照片所示，其中我们可以清楚地看到输出纸浆的体积增加。在高稠度精磨的正常操作中，纸浆总体积由于其密度的增加而降低。图11的显微图像(图10的相同样品)。可以看到，在预分散后，保留了初始纸浆的纤维长度，并且由于一些外部原纤化，初始纸浆被代表粘附的原纤维的微小云层包围。
我们发现，对于根据专利ca2824191a的方法生产的高能量(高度精磨)纤维素纳米丝和在较低能量水平下生产的其它原纤化纤维，可以在温和的精磨操作条件下同时实现其预分散和水蒸发，即使在经过2-3个道次后。当水缓慢蒸发时，磨浆机内的纤维受到最小的应力。当水蒸发后的纤维与其原纤维之间留下的空隙被一部分注入磨浆机中的纸浆的化学助剂所取代时，防止了对纤维角质化、收缩和自粘的影响。在预分散操作期间，这种环境还提供反应性化学品或添加剂与纸浆纤维的完全混合。我们还发现，当在高速气流中搅动预分散的输出纤维时，可以进一步改善所产生的预分散半干纤维，因为该步骤允许进一步将纤维温和干燥并形成压缩捆包、压缩垫或切粒。切粒由压缩垫的特殊切割而产生。
在增加纸浆稠度的同时通过施加最低能量水平将纸浆预分散的机制是基于以下预测热机械盘磨机的喷放管线稠度的短表达式，该表达式最先在文章“predictingtheperformanceofachiprefiner.aconstitutiveapproach”，k.miles等人，j.pulppapersci.,19(6):j268-j274,1993中开发出。
其中α是磨浆机入口处的潜热，近似于α≈2258kj.kg-1；prod是以t/d表示的纸浆生产率；mld是以mw为单位的电机负载；稀释液是所有添加的稀释液的总和(以l/m计)，包括根据所需化学处理的给定浓度的液体化学品；ci是进入磨浆机中的纸浆稠度。
关于该等式的重要事实是稀释液＝水和/或化学溶液。该等式表明，对于给定稠度的给定纸浆，其可以通过蒸发其水分并用使新纸浆湿润的适当液体化学品替代在经过处理后仍然保持相同的稠度且几乎不会干燥，因为所选化学品的沸点与水沸点温度相比非常高。
取等式(2)中c0相对于ci导数得出：
该最后等式表明，如果入口稠度增加，则喷放管线稠度将几乎呈指数级增加。这可以通过使相同的纸浆多次通过相同磨浆机或以每阶段最小能量通过串联安装的多个磨浆机来实现，如下文所述。如果将进料稀释液设定在其最小值，足以防止堵塞。最小的水添加量被称为dilmin，并且如果磨浆的目的只是为了增加喷放管线稠度(这会导致纸浆中的水蒸发)，那么针对给定生产率的比能量条件将为：
这将导致在每个道次后增加喷放管线稠度所需的最小能量spemin的以下条件：
其中以kwh/t为单位的比能量由下式得出：
在敞开的磨盘间隙处施加最小能量的益处是分散高稠度块状纸浆，使其纤维分离、解缠结或松散。纤维表面上的化学助剂将进一步防止纤维及其原纤维在水蒸发期间坍塌并粘附在彼此上。这是由于在低能量下磨浆机间隙更宽，因为在恒定的生产率下，间隙与比能量(spe)成反比。考虑到在较宽磨盘间隙处的停留时间非常短，在磨浆机内部不存在纤维切断或纤维燃烧的风险，特别是在非常高的稠度水平下。如前所述，间隙开度与纤维长度正相关。
根据本发明方法，三个热机械磨浆机变量：间隙开度、喷放管线输出物稠度和比能量，构成了图8所示的三维模型。可以看出，这三个参数可以被设定来开发纤维，例如在纤维的传统高稠度高能量精磨中，或被设定来产生预分散的单个半干纤维。后者可以被设定为使纤维与化学品充分混合，以进一步改善预分散和使半干纤维个体化，并将它们开发成具有针对许多特定应用定制的物理和/或化学性质。
在高稠度大气热机械磨浆机中，当纤维表面彼此摩擦时，耗散的摩擦能量转变成热(热动能)，并且纸浆温度可以在约几秒内从室温升至高达100℃或更高。扩散至大部分纤维中的热量使纤维内的水变成蒸汽并最终迅速蒸发。在tmp或swk纤维的传统高稠度、高能精磨中，利用水稀释将磨浆机内和放料后的纸浆稠度维持在与进料口纸浆固体含量(例如30％固体)相似的水平。在没有水稀释的情况下，产生的摩擦热将迅速导致纸浆脱水，并且其稠度将增加到如前所述的一定水平。从含30％至60％固体的初始纸浆(即tmp或bctmp)获得约70％的极高稠度预分散纤维的实践是可能的，并且对于本方法的目的而言可以是理想的。然而，从加工起始稠度为20％至45％，优选30％至40％的swk纤维获得约70％的极高稠度预分散纤维的实践对于本方法的目的而言是不太理想的，因为需要几个磨浆机。此外，可能会发生牛皮纸纤维的严重角质化和卷曲并且可能产生细粒或粉尘。然而，对于一些应用，希望产生预分散的疏水性交联的卷曲或加捻纤维，并且这可以通过在所需化学品的存在下加工先前以高稠度精磨的纸浆以赋予卷曲和微压缩来实现。在文献中报道了由诸如旋塞进料器、螺旋压力机、frotapulpertm、高稠度泵和混合器以及双螺杆挤出机等装置偶然产生的卷曲纤维(jessicac.
此外，对于其它应用，可以通过使用化学助剂在预分散操作期间防止纤维角质化并减少卷曲。当从纸浆纤维蒸发的一些预期量的水被非蒸发性化学品和/或使用表面活性剂替代时，可以实现这些目的。为了有效，所选化学品的分子应具有润湿性或与纤维的羟基相互作用。出于某些实际原因，所选化学品可优选在预分散操作之前的阶段与纸浆混合，但最佳选择是将化学品直接注入磨浆机，以在其中立即和均匀地混合。优选的化学品应具有润湿、吸收和/或与纸浆纤维粘合的能力，并且在磨浆机中产生的摩擦热下具有热稳定性。如上所述，许多化学品或添加剂可以在磨浆机中的预分散操作期间与湿纸浆纤维混合，以产生针对最终纤维材料的特定应用定制的新颖功能。
实施例
以下系列的实施例将通过说明由本发明方法加工的纤维材料来描述该方法的应用。
实施例1：为了说明在增加稠度的同时将纤维材料预分散、分离和解缠结的磨浆方法，使用三种高稠度湿纸浆作为实例。实验在常压bauer400双盘磨浆机上进行。使csf621ml的干燥市售牛皮纸浆纤维(其具有29％固体)在常压盘磨机中通过数次，其中对于每次通过，对纸浆纤维施加恒定的比能量并且将零水稀释水添加到磨浆机中。(csf代表加拿大标准游离度，其根据tappi标准t227m-94(加拿大标准方法)测定)。使用上述常压磨浆机上以两个高能量水平预精磨的漂白软木牛皮纸重复相同类型的实验：hrc1在8,221kwh/t和33.7％固体下精磨，且hcr2在12,000kwh/t和31.9％固体下精磨。两种纸浆的csf值均接近0ml。图9示出了随着在同一常压磨浆机上的预分散道次数的增加，预测的磨浆机输出稠度与样品的测量稠度之间的关系图。可以看出，三种纸浆的输出纸浆稠度随着道次数的增加而上升，这与通过建模得到的预测结果一样。对于三种纸浆中的每一种，使用一个磨浆机以间歇操作的方式进行预分散(在低能量和开放间隙下多次通过)。在连续操作中，可以使用串联布置的2个、3个或更多个磨浆机进行相同的预分散。
实施例2：以下图10的照片对应实施例1的漂白软木牛皮纸浆(621mlcsf)。照片a对应初始湿纸浆(29％固体)，照片b对应于在本方法的特定条件下在磨浆机上以4个道次将其预分散后(半干纸浆)，且照片c对应将照片b的样品空气干燥至92％稠度之后。所述实施例清楚地说明在开棉磨浆机中通过的湿块状牛皮纸浆变成预分散的半干纸浆和干纸浆,其中纤维大部分被分离但还是包含少量缠结纤维。预分散的纸浆中的缠结纤维或结的程度取决于纸浆初始或输入物％固体(以重量计)及最终输出物稠度以及每次预分散通过期间所使用的能量水平。例如，具有60％至85％范围的％固体的软木牛皮纸浆输入物将倾向于容易变成预分散的纤维，其具有高程度的分离纤维和最低结程度，甚至在最低能量水平下通过一到两次。然而，具有20％至60％范围的稠度的软木牛皮纸浆的磨浆机预分散将倾向于将其变成更多外部原纤化纤维并可能使纤维卷曲和产生松散缠结。因此，对于这种稠度范围并且取决于预分散的软木牛皮纸浆的最终要求，与高稠度范围的牛皮纸浆相比，可能需要2至4个道次以在稍高的能量水平下分离纤维并消除缠结。预分散的软木牛皮纸纤维可以半干形式或干形式或以期望的稠度递送，以在若干应用中正确使用，即用于制造吸收性非织造垫，纸和纸巾产品的增强，热塑性复合材料和热固性复合材料。
实施例3：以下图11的显微图像是来自在预分散于磨浆机之前和之后的实施例2的漂白软木牛皮纸浆。将样品与去离子水混合至1.2％固体，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟。图像a对应于初始湿纸浆(29％固体)，图像b和c是在本发明方法的特定条件下在磨浆机上预分散1个道次(33％固体)和3个道次(39％固体)后获得。这个实施例清楚地说明在增加在磨浆机中通过的次数，输出预分散的半干纤维容易分散于水中并且不含纤维缠结。图12呈现图11的相同样品的baeurmcnett(b-m)纤维级分(t233cm82)。关于这种纤维分馏方法的细节可以参见《纸浆与造纸科学杂志(journalofpulpandpaperscience)》(第27卷第12期，2001年12月)。明显地，在实现纤维的预分散、水蒸发和一些外部原纤化与卷曲的同时(b、c)，b-m重量级分的长纤维与对照样品相比只是稍有不同。这可能是因为最低程度地切割纤维的组合。这意味着在一定稠度下，在最低特定能量下的预分散是获得一定外部原纤化且不切割主要纤维长度的高效方式，如纤维图像c中所表明。
实施例4：下表1呈现由实施例2的漂白软木牛皮纸浆样品在于磨浆机中经过若干道次(每道次使用280kwh/t能量)之前和之后制成的片材的保水值(wrv)[usefulmethodum256(2011)]和物理性质。将每个样品与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟。片材是在英国片材机(t205om-88)上制成。由于稠度随着通过次数从p1到p3而增加，因此预分散的纸浆的游离度逐渐减小以及wrv类似地趋向于逐渐增加。随着稠度进一步增加，则游离度从p4到p5到p6开始增加以及wrv开始减小。所有其它性质拉伸强度、松厚度和孔隙率均倾向于与游离度和保水值的改变密切相关。这意味着通过在最低特定能量水平和宽开放空隙下优化高稠度精制技术，可以高效方式产生外部原纤化形式的预分散的半干纤维而不显著改变纤维长度并且因此获得具有高拉伸、伸展和拉伸能量吸收而不显著损害松厚度的片材。
表1：由分解的软木牛皮纸浆样品在预分散在磨浆机之前和之后制成的片材的固体含量、csf、wrv和物理性质。
实施例5：下表2呈现由漂白软木市售牛皮纸浆样品在于磨浆机中通过三次之前和之后制成的片材的稠度、游离度、wrv和物理性质。这个实施例类似于实施例4，不同之处在于纸浆来自另一来源并且其初始为39％固体，并且用于在磨浆机中的每次通过的用于预分散的平均能量为120kwh/t。将纸浆样品与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟。与对照样品相比，预分散的样品的分解对于p1、p2和p3而言极佳。由于稠度随着通过次数从p1到p3而增加，因此游离度逐渐开始减小。随着预分散纸浆的稠度进一步增加，对于p2和p3，游离度略微增加且wrv减小。当p3在waringtm搅拌器(waringtmpromx1000r,120vac13安培马达，最大零负荷速度高达30,000rpm)中进一步分解一分钟时，性质因更好的纤维水合和分散而得到改良。所有其它性质例如拉伸强度、松厚度和孔隙率均倾向于与游离度和保水值的改变密切相关。分解的预分散的半干样品p0-对照纸浆和p1、p2和p3的baeurmcnett纤维级分呈现于图13中。这些结果十分类似于实施例4中所报告的结果。
表2：由水分解的软木牛皮纸浆样品在预分散在磨浆机之前和之后制成的片材的固体含量、csf、wrv和物理性质。
实施例6：图14呈现初始纸浆％固体对常用于干mdf热机械纤维的引燃快速.干燥器上一次通过后的最终预分散的纤维材料稠度的影响。漂白软木牛皮纸浆(bswk)的初始纸浆样品p0、p2和p3是与实施例5的表2中的那些相同。这个快速干燥器(生产速率为40kg/hod纤维)的操作加热温度通常为约90℃-120℃并且输出物纤维温度为约90℃。纤维在干燥管中一次通过的滞留时间为约2.5秒。然而,一次通过的其它水分目标可通过调整加热温度来达到。对于四个实验,我们使用120℃和160℃的两组操作温度。试验数据清楚地表明bskw纤维在盘式磨浆机中预预分散至较高稠度是一种将其更快干燥的高效方式。这个结果还意味着用于将纸浆纤维预分散至较高稠度的能量水平将通过用于在快速干燥器中以一道次干燥纸浆的较低能量来进行补偿。
将在160℃下一次通过干燥之前和之后的纸浆样品(p0、p2和p3)与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解5分钟。然后将纸浆浆料用于制备60g/m2的片材。表3中的片材性质表明，由于稠度因一次通过快速干燥而增加，所以游离度相比对照样品略微下降。在快速干燥时，与对照半干样品相比，强度性质有一些损失并且松厚度增加。针对更多半干样品测得强度性能的高损失。这个结果表明，由于纤维角质化，干燥原纤化纤维可能对强度纸强度有害。基于实施例5的表2的结果，表3中所见的快速干燥强度性能的损失可以通过在水中分解期间施加更多剪切来重新获得。
表3：bswk样品在120℃和160℃的两组温度下在引燃快速干燥器上一次通过之前和之后的纸浆固体含量、加拿大标准游离度(csf)和片材性质。
实施例7：下表4呈现由漂白软木市售牛皮纸浆样品制成的片材在预分散于磨浆机中五次通过之前和之后的稠度、游离度和物理性质。这个实施例类似于实施例4和5，不同之处在于牛皮纸浆来自另一来源并且以50％的起始稠度预分散。用于在磨浆机上每次通过的平均能量在80到90kwh/t的范围内。将干燥的牛皮纸叠层切成4至20cm2的碎片，然后引入精制机中，并在第一次打开通过中使用测量量的稀释水以获得约50％的固体。随着在磨浆机中的通过次数增加，输出样品的固体含量增加。预分散的半干纸浆主要含有分离的纤维，并且随着通过次数的增加，缠结纤维的数量减少。将这些纸浆样品与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟。样品0p对应于原始切碎的牛皮纸片，并且样品1p到5p是在将0p预分散在精制机上之后在本发明方法的特定条件下通过1到5次。所有样品在水中均很好地分解并且没有缠结。由于稠度随着通过次数从1p到5p而增加，所以游离度略有下降，但在3p后，游离度趋于略微增加。水分散的样品用于制作手抄纸。所有的片材性质例如粘合强度、拉伸强度、抗撕裂性、孔隙率趋向于与纸浆开发和磨浆机上的水蒸发所引起的片材体积改变密切相关。水分解样品0p到5p的baeur-mcnett值的改变与实施例4和5的那些仅略有不同，其中纸浆的输入物稠度为29％和39％；在此示例中，输入物稠度为50％。
表4：由水分解的软木牛皮纸浆样品制成的片材在预分散在磨浆机之前和之后的固体含量、csf、wrv和物理性质。
实施例8：以下图15的照片显示精磨纸浆hcr1(a)预分散的高稠度软木牛皮纸浆(8,221kwh/t)和使其空气干燥后(b)的样品这个例子清楚地表明，通过简单的空气干燥对水进行蒸发，在磨浆机中没有任何预分散，纸浆变成致密的固体块状材料(b)，其中纤维物塌陷并彼此自粘，因此非常难以使用标准破碎机在水中分解。然而，它们可以通过将它们浸泡在热水中和/或将ph增加到碱性并使用高剪切混合器或低到中等稠度的精制机来分解，但是纸浆浆料仍然可能含有缠结的纤维。未经干燥的样品(a)可以使用标准的英国实验室破碎机(t205sp-95)在水中分解，但纸浆浆料仍含有缠结物。因此，需要一些额外的能量(例如使用高剪切混合设备或低稠度磨浆机)以分解一些大结并在预期应用中实现完全性能。
实施例9：在hcr多次通过时精磨bswk纸浆至以下的总能量水平：(a)1,844kwh/t、(b)5,522kwh/t和(c)11,056kwh/t。输出样品的当量固体含量为29％、30％和27％。将三个样品中的每一个分成几个48g样品，并在室温(rt)下在密封的塑料袋中储存最多4天的不同老化时间。由于将新鲜样品放入紧密的塑料袋中，老化样品的固体含量保持恒定。在所需的老化时间后，样品在标准英国破碎机中分解(1.2％稠度，10分钟)。使用分解的纸浆在相同条件下制作手抄纸。图16显示，尽管在样品储存期间已小心地避免水蒸发，但随着样品随时间老化，片材的拉伸强度几乎呈线性下降。老化4天后，拉伸损失范围在25％至30％之间，几乎与磨浆能量水平无关。还将其它样品在磨浆机输出后(小于15分钟)在英国破碎机中分解(1.2％稠度，10分钟)。讲样品分成两部分，一部分立即用于制作手抄纸，而将另一个增稠至约20％固体，然后在密封的塑料袋中老化58天。此后，再次将纸浆再次分解(1.2％稠度，10分钟)并且用于制作手抄纸。快速分解的样品和那些增稠和老化的分解样品的拉伸强度几乎具有相同的值。因此，高稠度、高能精制牛皮纸浆的立即分解可以消除老化的负面影响，只要分解的纸浆维持在低稠度，增稠至任何稠度或制成片状。这种现象类似于生产高稠度精磨热机械tmp时所实践的熟知的消潜。始终需要精磨tmp的快速稀释和在消潜池中的混合以拉直纤维以提高纸张强度。这些结果表明，如果使精磨到任何能量水平的高稠度软木牛皮纸浆老化，则它将失去其增强潜力的显著价值。这种增强价值可以通过在高剪切下的额外分散一段时间(例如在低稠度磨浆机中)来重新获得。
实施例9：这个实施例是实施例8的延续。在hcr样品(a1,844kwh/t，b5,522kwh/t和c11,056kwh/t)在室温下在密封塑料袋中老化14天后，在初始稠度没有变化(29％，30％，27％)的情况下，将它们各自空气干燥至50％和90％固体含量。然后将空气干燥的样品在标准英国破碎机中分解(1.2％稠度，10分钟)并且制备手抄纸以供测试。空气干燥样品的效果导致纸浆和片材性能的重大变化。纸浆纤维变成非常固体的材料，在标准的分解条件下非常难以充分地分散在水中，结果片材变得更薄和更大(表5)。分解的空气干燥样品的浆料具有大量缠结的纤维聚集体，特别是对于高能精磨样品b和c。三种能量水平样品的拉伸强度变化如图17所示。样品老化14天而没有水分损失导致拉伸强度降低，但当将其空气干燥至50％和90％稠度时，拉伸强度的损失更严重。较高能量的精磨样品c的损失更为显著。例如，将样品a、b和c空气干燥至90％固体导致其拉伸强度与仅在15分钟纸浆老化后测量的其初始拉伸强度相比，分别降低34％、47％和72％。如以下实施例中所示，干燥高精磨纸浆的这种负面影响可以通过将干燥纸浆的热水浸泡和高剪切混合相结合，或者通过在其干燥之前使用所选化学助剂引入初始纸浆中来防止它而得到解决。
表5：由老化14天并且空气干燥至50和90％固体含量的分解的高能精磨软木牛皮纸浆样品纸浆制成的片材的片材性质的变化。
实施例10：以下图18中的照片示出了三种情况下的高能精磨软木牛皮纸hcr1(8,221kwh/t)：从中试规模磨浆机中以32％的稠度排出时；在本文所述方法的特定条件下在同一磨浆机上通过三次而预分散后；以及在空气干燥预分散样品后。照片a对应于初始潮湿样品排出物，照片b表示在盘磨机中预分散的半干样品，且照片c是将照片b的预分散样品空气干燥后的样品。该实施例清楚地表明：当在磨浆机中的预分散期间进行水蒸发时，高能纸浆将转变成半干燥材料，其中的纤维大部分解缠结且彼此分离。
实施例11：以下图19的光学显微图像对应于从中试规模磨浆机中排出时以及在本发明方法的特定条件下在同一磨浆机上通过不同次数而预分散后的高能精磨纸浆hcr1(8,221kwh/t)。在拍摄图像之前，首先将样品(p0至p5)与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟。在将样品进一步稀释至0.05％稠度并在玻璃板上干燥后拍摄显微图像。图像p0对应于任何预分散之前的初始高能湿样品；图像p1至p5对应于1至5个预分散道次。该实施例清楚地表明：当在磨浆机中的预分散期间进行水蒸发时，随着道次数从1增加到4，纸浆在水中的分解得到改善，然而在p4之后，如图像p5所示，分解样品开始显现出一些纤维网络。
实施例12：以下图20的光学显微图像对应于高能纸浆样品hcr1(8,221kwh/t)，从中试规模盘磨机排出，然后水分解，以及在磨浆机中通过六次而预分散后的半干样品，然后水分解。图像a和b分别对应于任何预分散之前和经过在磨浆机中的6道次预分散之后的初始样品，而图像c对应于在waring搅拌器(waringpromx1000r，120vac13安培马达，最大空载速度可达30,000rpm)中进一步水分解5分钟后的p6。分解的b(p6)样品显示出纤维单元的网络。然而，通过对分解的b(p6)样品施加一些额外的剪切(通过在waring搅拌器中混合5分钟)，网状纤维单元被分离并拉直(如图像c所示)。图21示出了通过标准baeur-mcnett方法(t233cm82)测定的样品a、b和c的不同纤维尺寸组分的重量百分比。该方法在此用作比较在磨浆机中预分散之前和之后处理的样品的有效方法。因为在6道次预分散之后稠度显著增加，并且由于一些纤维素角质化和网状纤维单元的形成，细粒组分的量下降并且通常对应于单个长纤维或纤维聚集体的大组分增加。然而，当在水分解过程中施加一些额外的剪切时，这些网状纤维单元消失，并且如图21所示，细粒的量增加。由于在磨浆机中若干道次预分散的过程中产生一些原纤化并释放细粒，细粒组分略多于p0样品的细粒组分。这意味着可以通过将材料浸泡在热水中，然后例如在低稠度磨浆机中施加一些剪切来分解预分散的角质化纤维。
实施例13：表6显示了对应于实施例12的预分散前后的样品片的固体含量、wrv和物理性质。片材是在英国薄板机(t205om-88)上使用以下纸浆样品制成：与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟后的纸浆样品；和在waringtm搅拌器中将样品p6进一步分解2和5分钟后的纸浆样品。预分散后的稠度增加对纸浆性质具有两个同时相反的影响：使块状纸浆的缠结纤维开松和松散以及增加角质化。随着p0到p4的稠度增加，纸浆的wrv缓慢下降，然后在稠度急剧增加的p5和p6处，由于纤维角质化，wrv显著下降。强度性质的下降与wrv的下降十分相关，并且p6样品的片材比对照样品p0弱几倍。测量的片材松厚度和光散射系数也具有相同的趋势。松厚度和光散射系数的增加表明由水分解的预分散纤维制成的片材是脱粘的。然而，当该样品p6在waringtm搅拌器中进一步分解2和5分钟时(p6b)，wrv、拉伸强度、松厚度和光散射系数的值几乎都与p0的值相似。网状纤维单元在某些产品中可能具有益处，例如赋予纸张松厚度以及在吸收和过滤产品中产生多孔纤维结构。
从下面的实施例可知，通过在水中的纸浆分解期间使用一些额外的剪切能量来修复或通过在预分散操作之前使用化学品处理湿纸浆来防止在磨浆机中预分散时进行水蒸发期间对原纤化纤维的wrv的负面影响，如下所说明。
表6：由仅水分解的样品和水分解+warring搅拌器处理的样品制成的片材的固体含量、wrv和物理性质。
实施例14：本文所述的方法的一个重要元素在于：以不让单根纤维及其原纤维在水蒸发期间中坍塌和彼此粘附且大体上防止纤维素角质化的方式将高精磨块状湿纸浆预分散在盘磨机中。这在图22中以高度原纤化纤维hcr1(8,221kwh/t)说明-a，未在磨浆机上预分散(p0)；b，空气干燥的p0；c，用20％碳酸丙二酯处理，然后空气干燥的p0。所有样品首先与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解10分钟。显微图像清楚地显示，在空气干燥湿p0样品后(图像b)，纤维单元倾向于彼此粘附。然而，当用20％碳酸丙二酯pc处理相同的湿p0样品(c)时，没有观察到纤维单元的自粘并且产品与在任何干燥之前的初始样品p0(a)明显类似。用多羟基化合物(即甘油、乙二醇)也获得了类似的结果。这意味着可能不需要额外的能量来有效地分解半干预分散纤维。用化学助剂处理高度原纤化纤维可用于在磨浆机中的预分散和水蒸发期间防止纤维角质化和彼此自粘，并进一步干燥至高固体。
实施例15：研究了用化学助剂处理的高能精磨纸浆hcr1(8,221kwh/t)的干燥对纤维尺寸分布的影响，结果如图23所示。样品包括：湿p0；实验室预分散和空气干燥的p0；实验室预分散和烘箱干燥的p0；用20％碳酸丙二酯和20％甘油处理，然后实验室预分散和空气干燥的p0。将所有样品与去离子水混合至1.2％稠度，然后在英国标准破碎机[tappit-205和t-218]中分解30,000转。baeur-mcnett结果清楚地表明，在空气干燥或烘箱干燥p0后，细粒组分p200减少，并且通常对应于较长纤维的组分(p14和r14/p24)增加。然而，当首先用20％碳酸丙二酯(pc)或20％甘油处理相同的湿p0样品时，纤维组分与对照非干燥p0样品有些相似。此外，化学处理似乎有助于释放更微细的原纤维单元，其存在于对照湿p0样品中(如图23图像所示)。
实施例16：由实施例14的分解纸浆样品制成的片材的强度性质示于表7中。这些结果清楚地表明：当在空气或烘箱中干燥湿样品p0时，拉伸强度性能都急剧下降，并且松厚度和光散射系数都显著增加。然而，当首先用碳酸丙二酯(pc)或甘油以及其它多羟基化合物处理p0样品时(在此未显示结果)，因干燥所导致的性能变化大幅降低，这可以从wrv、拉伸强度性能、松厚度和光散射系数与未干燥的对照p0样品相比都只是略有不同看出。例如，拉伸强度损失在不进行任何化学处理而干燥样品的情况下约为70％，但在化学预处理后仅为20％。这20％的强度损失可以容易地在碎浆过程中通过一些小的额外剪切重新获得。当用已经在前面描述的许多其它化学助剂以及它们的混合物或它们与淀粉、羧甲基纤维素、阴离子胶乳和阴离子聚丙烯酰胺的混合物等预处理纸浆时，同样获得了优异的结果。我们还发现，通过定制湿纸浆纤维的处理化学，可以将其预分散成半干纤维，然后将其干燥，而不损害其用于造纸或其它非纸应用的强化潜力。具有高松厚度和高光散射系数值的材料可用于纸张中以改善松厚度和不透明度，或用于制造纸巾产品或过滤和吸收垫。
表7：由实施例15的分解样品制成的片材的wrv和物理性质。
实施例17：将csf625ml和30％固体含量的漂白软木牛皮纸浆(bswk)在不存在(样品a)和存在(样品b)quilonc(铬络合物溶液)的情况下在混合装置中混合。quilon是深绿色的阳离子疏水剂，稀释后与纸浆混合。将两种纸浆样品预分散，空气干燥至约90％，然后在送风烘箱中在105℃下进一步加热10分钟。经处理的样品b是疏水的并通过机械作用分散成分离纤维。还将两种干燥样品浸泡在水中，然后在英国标准破碎机中分解。纸浆浆料用于显微镜分析并制成手抄纸。图24示出了两个样品的光学显微图像。未处理样品的图像a显示分散的纤维和小颗粒(即细粒)，而图像b显示良好分散的纤维，但实际上没有颗粒。进一步分析显示，由于其阳离子性质，quilonc促进小颗粒或细粒附着在纤维表面上。由样品b制成的片材比样品a的片材弱得多。用前面描述的阳离子表面活性剂如arquad2ht-75获得了类似的趋势结果。这种处理过的纤维可用于尿布或复合材料中使用的吸收垫。
实施例18：在从双辊挤压机收集的固体含量为50％的软木漂白化学热磨机械浆(bctmp)上重复实施例17的实验。在常压盘磨机中，将该纸浆在添加或不添加10％quilonc(铬络合物溶液)的情况下预分散一次。将quilon稀释，然后计量加入磨浆机中的纸浆中。对于两种样品，用于一次松散的能量均为100kwh/t。经处理的纸浆的颜色均匀地变成浅绿色就说明quilonc与纸浆纤维的混合非常均匀。将两种预分散样品在设定为105℃的送风烘箱中干燥10分钟。两种纸浆的纤维完全分离并且没有结。用quilon处理的纸浆样品是疏水的，但在搅动下分散在水中。将纸浆各自在50c水中稀释至1.2％稠度，然后在标准英国破碎机中分解10分钟(30,000转)并用于制作手抄纸。quilon提高纸浆的游离度并降低其水滤液的浊度，且生产的手抄纸具有疏水性，接触角为122°，并具有高松厚度和低强度(图25)。发现用quilonc处理的干纤维在热塑性聚合物如聚丙烯和聚乙烯中是相容且可分散的。
表8：用10％quilonc处理纸浆对其纤维和片材性能的影响
实施例19：本发明方法的一个要素是实现高稠度、高能精磨bswk纤维的良好水分散。在该实施例中，将磨浆机的块状高精磨纸浆(13,541kwh/t)输出物与不同的阴离子聚合物、树脂或表面活性剂(即羧甲基纤维素、胶乳、表面活性剂、乙基丙烯酸(eaa)、淀粉、藻酸盐)混合，然后在水中分解。图25的结果示出了对照样品(a)和用阴离子胶乳(来自basf的acronaltm504s)处理的样品(b)以及用羧甲基纤维素处理的样品(c)在相同条件下分解的显微图像。经处理的样品(b)和(c)产生极为分散的纤维且没有留下缠结，而未处理的样品的纤维仍然聚集并含有缠结。这意味着不需要额外的混合能量来有效地分解处理过的半干燥预分散纤维。良好水分散的处理纤维产生具有更高强度性能的均匀片材。
实施例20：分散对于干浆或半干浆而言是一个重要问题。前面通过显微图像强调了这一点。为了分析根据本文所述的方法生产的纸浆的这一方面，我们考虑进行来自mts&fempro的打结测试。该方法包括在2分钟内将3克纸浆送风筛选成三种流：不良浆、良浆和细粒。不良浆是由#16网眼(1.18mm开口)截留的纸浆部分。不良浆被认为是需要进一步分散的打结。通过#16目筛网的纸浆是良浆和细粒的组合。使用#30筛孔(0.60mm开口)将良浆与细粒分开。
在以下实施例中，我们研究了三种纸浆样品：
样品1：高稠度、高能量半干纸浆，未经我们的新方法进一步处理。
样品2：高稠度、高能量半干纸浆，在化学助剂混合物20％碳酸丙二酯(pc)的存在下，通过我们的新方法处理。
上述样品的一部分作为半干物加以分析，并且其它部分在它们在设定为100℃的热风烘箱中干燥4小时后进行分析。新样品为：
样品3：全干纸浆样品1
样品4：全干纸浆样品2
打结测试的结果提供于表9中。可以看出，无论是半干还是干燥的，用pc处理的纸浆就打结数而言具有非常优异的质量。更重要的是，未经任何处理的全干纸浆具有最高的打结数。实际上，这些打结需要高剪切力以使它们在水中分解，但是不可能将它们以干燥形式分离而不造成不可逆的损坏。然而，根据本发明方法生产的处理纸浆在烘箱(极端条件)中干燥时打结较少。如果我们花费了测试的时间，有可能显著减少这些结的数量。处理样品的结可使用常规制浆技术分散在水中。
表9：经和未经pc处理的半干和干纸浆样品的纤维结测试。
本发明方法提供了一种同时实现一种或多种纸浆纤维的混合和开松、使它们预分散和原纤化并用化学品处理它们且同时蒸发水的方法。该方法是基于使用传统热机械磨浆机作为化学品与纸浆纤维的有效混合器并将纸浆纤维预分散和原纤化以及使用它作为热动力干燥器。该方法可用于加工由高稠度高能盘磨机制成的任何形式的高稠度木质纤维素纤维及其原纤化纤维，以及其它合成纤维和不同纤维的混合物。该方法可以与使用多个磨浆机的高稠度、高能量精磨作结合在一起，方式是将总能量的一小部分专用于根据本文所述的方法进行纤维开松、预分散、原纤化和化学处理。在磨浆机中或在磨浆机阶段之前，可以用特定化学品或添加剂进行纤维处理，以防止单个纤维和原纤维坍塌在彼此上或使缠结的纤维容易分散在所需组合物中。通过本发明方法预分散高能湿纸浆可防止纸浆在储存或运输时老化。使用此处提供的实验数据来实施该方法。磨浆步骤使用特定参数以允许同时将纤维混合、开松、预分散、原纤化并将它们与化学品混合和进行水蒸发，同时在下一段落中规定的条件下施加最小能量。
在常规的热磨机械浆精磨方法中，利用水稀释使脱水作用最小化，并且施加的能量旨在使木质纤维素纤维束的木屑纤维发生纤维分离以将它们分离成具有良好质量的单个纤维。如前所述，在常规高稠度纸浆精磨中，通过闭合磨盘间隙将能量施加在纤维上。在我们的情况下，预分散磨浆机的参数如下：没有添加水或进行简单稀释，代之以引入磨浆机中的化学品，而高稠度纤维材料在低能量水平下预分散，因为磨盘间隙是敞开的。湿纸浆纤维的输出(喷放管线)稠度和其体积密度增加，并且所得纤维材料呈体积增加的预分散形式。在这些条件下，磨浆机从纤维材料中快速蒸发水，而化学助剂仍然与纤维结合。尽管纤维材料在磨浆机内的停留时间仅为几秒钟，但这些是可以实现的。该机制因此是快速且高效的。化学品将在磨浆机中混合、浸渍固定纤维材料或与其反应。在预分散材料的应用期间，化学助剂将在与用水性应用中的水接触时溶解，或仍粘附在纤维材料上，使得它们与许多水性组合物和疏水组合物的成分相容。
预分散半干纤维可以使用速度足以更多地分离纤维并使缠结松散的空气搅动进一步间歇或在线加工，然后使用温和干燥技术形成具有所需干燥程度的压缩捆包或通过气流成网法形成具有所需干燥程度的压缩非织造网或经切碎的网颗粒。取决于所使用的化学处理和/或功能添加剂，捆包、网或网颗粒中的纤维可分散成干燥颗粒、在水和含水组合物或疏水组合物(例如热固性树脂和热塑性聚合物)中分散。
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