具体实施方式

本发明提供了一种具有更高的强度、良好的可加工性和可再分散性的纤维组合物，其应用于纸、纤维水泥、热塑性复合材料、墨、清漆、粘合剂、过滤器和木制板。

本发明基于一种纤维组合物，其包含长度等于或小于7 mm且粘度为10～20 cP的纤维。

在本发明的一个优选的实施方式中，纤维组合物的粘度为13cP。

如本发明所述，术语“长度”被定义为最大的纤维轴。

术语“粘度”是指决定流体对剪切应力的强度程度的性质。

流体的绝对（或动态）粘度由牛顿粘度定律定义：Ƞ = τ/ẏ

其中ƞ是绝对或动态粘度，τ是剪切张力， ẏ是速度梯度dv/dz （v是一个平面相对于另一个平面的速度，z是垂直于两个平面的坐标）。

运动粘度被定义为绝对粘度和流体比质量之间的关系，两者都在相同的温度和压力下测定。

比质量又被定义为质量体积比。

本发明所用的术语“粘度”是指绝对粘度。

本发明的纤维组合物基于干重包含以下纤维长度分布：

i.0～0.2 mm：1.7～33.7%，优选16.5%；

ii. 0.2～0.5 mm：12.0～44.0%，优选29%；

iii. 0.5～1.2 mm：22.0～83.0%，优选52%；

iv. 1.2～2.0 mm：0.10～3.8%，优选1.6%；

v. 2.0～3.2 mm：0.06～0.10%；和

vi. 3.2～7.0 mm：0.03～0.30%，优选0.13%。

这种根据纤维长度的分布使得纤维之间可以相互作用，影响包含所述纤维的组合物的特性和机械性质，并保证所述纤维具有更高的强度。本发明的纤维经过使用高能级（范围在700～1200 kwh/t，优选1000 kwh/t）的精炼，达到的尺寸和长度分布不同于本领域中观察到的尺寸和长度分布。这使得纤维相互作用由该尺寸和分布确立，因此，物理化学特性和机械性质为根据该相互作用定义。

纤维素纤维在其结构中含有许多羟基，这使氢键结合的轻松建立成为可能。当微纤化或纳纤化时，这种结合能力会因纤维尺寸、交织和接触表面而提高。因此，含有本发明中定义的纤维尺寸分布十分重要。这种纤维尺寸分布会带来必要的尺寸平衡，以更好地增强组合物强度。

因此，本发明的纤维长度分布提供的相互作用让组合物具有更高强度，而这种更高的强度又传导到添加该组合物的最终产物中。

在本发明的一方面中，组合物的纤维是天然纤维。

如本发明所用，术语“纤维”是指含有表观长度远远超过表观宽度的细长微粒。

如本发明所述，术语“天然纤维”是指纤维素纤维、纤维素纤维衍生物、木材衍生物或其混合物。

在一个优选的实施方式中，天然纤维是纤维素纤维。

纤维素是植物细胞壁中最丰富的成分。纤维素聚合物的经验式为(C₆H₁₀O₅)n，其中n为聚合度。这是地球上最丰富的聚合物之一。纤维素是一种长链聚合物，其重复单元被称为纤维二糖，它由两个通过β-1,4糖苷键连接的脱水葡萄糖环组成。

如本发明所用，术语“纤维素纤维”是指由纤维素组成或衍生自纤维素的纤维。

在一个优选的实施方式中，天然纤维是细纤维化纤维素纤维。

在一个更优选的实施方式中，天然纤维是微纤化纤维素（MFC）纤维。

“微纤化纤维素（MFC）”或“微纤维”是一种类似于纤维素棒状的纤维或颗粒，其比通常应用在纸中的纸浆纤维更窄也更小。

天然纤维可以是原生、回用或二次天然纤维。

如本发明所用，“回用纤维”是不光滑的纤维，这使得纤维能够彼此分离，导致组合物不太紧密且更透气。

在本发明的一方面中，组合物的天然纤维通过硫酸盐工艺获得。在本发明的一个优选的实施方式中，天然纤维是硫酸盐纤维素纤维。

“硫酸盐工艺”是纸和纤维素工业中最主要的工艺，其中用150～180 °C温度范围内的蒸煮液（氢氧化钠和硫化钠的混合物）处理木片。

组合物天然纤维可被漂白、半漂白或不漂白；其可以包含木质素和/或半纤维素；并且可为长纤维（超过2 mm）或短纤维（小于2 mm）。

木质素是由酚前体对羟基肉桂酸醇，例如对香豆醇、松柏醇和突触醇（synaphylalcohol），通过代谢途径形成的酚类聚合物材料。木质素及其衍生物是可再生来源的产品，构成了一个绿色化学平台，可替代化石来源的原材料，以及在各个行业和领域的其他高附加值应用。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物的干含量范围为3～70％。在一个优选的实施方式中，纤维组合物的干含量范围为20～50％。

如本发明所述，术语“干含量”是指组合物的固体含量。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物在1%时的布氏粘度为92～326 cP。

“布氏粘度”一词是指使用布氏粘度计测定的粘度测定值。

在本发明的一方面中，纤维组合物是可再分散的。当再分散时，该组合物在1%时表现出至少70%的布氏粘度初始值。

本发明的纤维组合物在每克组合物中包含1万～2500万纤维。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物含有宽度为10～25 μm的纤维。在一个优选的实施方式中，纤维组合物含有宽度为18～22μm的纤维。在一个更优选的实施方式中，纤维组合物含有宽度为20 μm的纤维。即使经过精炼以及纤维尺寸更小，纤维宽度也不会发生明显变化。

如本发明所用，术语“宽度”被定义为纤维的最小轴。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物的聚合度为1000～2000单元。在一个优选的实施方式中，组合物的聚合度为1131～1710单元。在一个更优选的实施方式中，纤维组合物的聚合度为1248单元。

聚合度（DP）由下列公式测定：

DP = 1.75 x [ƞ]，

其中[ƞ]是固有粘度，使用以下公式计算：

[ƞ] = ƞsp / (c (1 + 0.28 x ƞsp))，

其中ƞsp是比粘度，c代表粘度测定时的纤维素含量。

由于该聚合度也是根据粘度测定法测得的平均聚合度，所以该聚合度也被称为“平均聚合度粘度”。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物的抗张指数为70～100Nm/g，优选为70.8～94.6Nm/g，更优选为93.1Nm/g；伸长率为2～5%，优选为2.6～4.4%，更优选为4.2%；Scott结合强度（Scott Bond）为180～300 ft.lb/in²，优选为198.5～248.0 ft.lb/in²，更优选为228 ft.lb/in²；以及耐破指数为4～9 KPam²/g，优选为4.7～7.5 KPam²/g，更优选为7.5KPam²/g。

“抗张指数”一词被定义为抗张强度和涂布量的商。涂布量是纸质量与面积之间的关系。

如本发明所用，术语“伸长率”是指纤维组合物可以在不断裂的情况下伸长多少。

“Scott 结合强度（Scott Bond）”一词是指一种机械物理测试，其可以确定材料在Z方向上的强度。

“耐破指数”一词是指，当纸受到特定压力时，耐破强度除以涂布量的商。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物的主体为1～2 cm³/g，优选为1～1.5cm³/g，更优选为1 cm³/g；泰伯尔刚度（Taber stiffness）为0.3～5%，优选为0.4～1.1%，更优选为0.4%；以及壁厚为3～6 μm，优选为3～4 μm，更优选为3.5 μm。

“主体”一词被定义为体积质量比。主体是与比质量成反比的量。

“泰伯尔刚度（Taber stiffness）”一词是指在给定角度下材料的弯曲强度。本发明使用的角度为15°。

“壁厚”一词表示壁的宽度。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物的不透明度为30～80%，优选为37.2～70.5%，更优选为41.7%。

术语“不透明度”是指不存在透明，其决定了可以穿过纸和/或产物的光量。

在本发明的一个实施方式中，纤维组合物的微粒含量为10～90%，优选为14～65%，更优选为60%，以及细纤维化为5～20%，优选为6～12%，更优选为8.6%。

术语“微粒”是指非常小的纤维和纤维碎片，例如，长度小于2 mm。

“细纤维化”是由纤维精炼促成的，其可以发生在内部或外部。

内部细纤维化是在精炼过程中由于水渗透到纤维素纤维中引起的纤维膨胀，并且由于原纤维之间的水分子调节，促进了纤维膨胀。内部细纤维化使纤维更柔韧。

反过来，外部细纤维化是原纤维或原纤维单元在大规模的精炼操作中暴露，增加了纤维比表面积，以在形成纸张的过程中形成原纤维间的结合。

本发明的纤维组合物也可以添加未精炼的纤维素。

本发明的纤维组合物用于造纸、纤维水泥、热塑性复合材料、墨、清漆、粘合剂、过滤器和木制板。

本发明还基于纤维组合物在造纸、纤维水泥、热塑性复合材料、墨、清漆、粘合剂、过滤器和木制板中的用途。

如本发明所用，术语“热塑性”是指在温度和压力升高时塑料具有软化和流动能力，其在冷却和固化后成为具有限定形状的部件。应用新的温度和压力促进相同的软化和流动效果，并且新的冷却使塑料固化为限定的形状。因此，热塑性塑料具有以可逆方式进行物理转变的能力，其能够多次进行这个过程，并保持相同的特征。

此外，本发明基于包含本发明的纤维组合物的制品。

在本发明的一个实施方式中，制品为纸、纤维水泥、热塑性复合材料、墨、清漆、粘合剂、过滤器或木制板。

在本发明的一个优选的实施方式中，制品为纸。

使用本发明的组合物促进了强度的显著增加，这是由于纤维的小尺寸及其长度分布，以及由此导致的纤维之间的结合数量增加。如上所述，纤维素纤维的结构中有许多羟基，这使得氢键结合变得容易。当微纤化或纳纤化时，这种结合能力会因纤维尺寸、交织和接触表面而提高。因此，含有如本发明定义的纤维尺寸分布十分重要。这种纤维尺寸分布带来促成更优的纸张强度所必要的尺寸平衡。

本发明的纤维组合物的其他优点在于，其粘度值与纤维长度的分布的组合使其具有良好的可加工性并促进良好的可再分散性。

实施例

本发明提供的实施例并非详尽，其仅用于说明本发明，不应用作限制本发明的基础。

实施例1

本研究评估了添加或不添加硫酸盐纤维素的、包含微纤化纤维素（MFC）纤维的本发明纤维组合物的形态、物理和机械性质。

制剂C0代表不添加漂白桉树硫酸盐纤维素添加剂的本发明MFC纤维组合物。

制剂C5、C10、C20、C35、C50和C75代表根据本发明的MFC纤维组合物，其分别添加了5%、10%、20%、35%、50%和75%的漂白桉树硫酸盐纤维素。

制剂C100代表含有100％纤维素的制剂。

制剂的形态性质如表1所示。

表1

所获结果在图01、02、03和04的图表中示出。

制剂的粘度值和聚合度（GP）在表2中示出。

表 2

所获结果在图05、06和07的图表中示出。

制剂的物理机械性质在表3和4中示出。

表3

表 4

表3和4的结果在图08、09、10、11、12、13、14和15中示出。

所获结果表明，添加多达50%的添加剂后，相对于C0，除了伸长率和耐破指数性质外，机械或物理机械强度性质并没有损失，并且不透明度显著增加。

实施例2

第二项研究评估了纸张（制品—最终产物）的物理机械性质，其应用了本发明的纤维组合物。在添加5％的本发明MFC纤维组合物（添加或不添加纤维素）的情况下分析纸张。比较用本发明的MFC纤维组合物处理的纸张和仅添加纤维素的纸张。

制剂C0 代表不添加漂白桉树硫酸盐纤维素添加剂的本发明MFC纤维组合物。

制剂C5、C10、C20、C35、C50和C75代表根据本发明的MFC纤维组合物，其分别添加了5%、10%、20%、35%、50%和75%的漂白桉树硫酸盐纤维素。

制剂C100代表含有100％纤维素的制剂。

表5和6中示出应用了本发明的纤维组合物以及仅应用了纤维素的纸张物理机械性质。

表 5

表 6

*oSR，也称为研磨度、脱水度或精炼度，是在名为肖伯尔－瑞格勒（Schopper-Riegler）的特定装置中形成的纸张损耗的度量。

本研究所获结果如图16、17、18、19、20、21、22和23中的图表所示。

所获结果表明，当应用于纸时，相对于纯纤维素，本发明的组合物的添加会产生几乎50%的平均牵引力增加；耐破指数增加100%。

实施例3

本实施例示出的研究证明了本发明的纤维组合物的再分散效果。

被测试的制剂代表不添加漂白桉树硫酸盐纤维素添加剂的MFC纤维组合物；含有5%、10%和20%的漂白桉树硫酸盐纤维素的MFC纤维组合物；和含有100%纤维素的制剂。

在加压步骤之前和之后分析制剂的形态和机械性质。

所分析的形态性质为：微粒含量（%）、纤维长度（mm）、纤维宽度（μm）和每质量组合物中的纤维数量（百万纤维/克）。

所分析的机械性质为：抗张指数（Nm/g）、伸长率（%）、耐破指数（KPam²/g）、Scott结合强度（Scott Bond）（ft.lb/in²）、主体（cm³/g）和气道阻力（sec/100 mL 空气）。

所获结果如图24、25、26、27、28、29、30、31、32和33中的图表所示。

通过所获结果，可以得出结论，纤维素在MFC中的保留保持了组合物中纤维比例在其形态方面的性质。此外，没有观察到制剂在加压之前和之后出现明显差异。

实施例4

本实施例提供了本发明的纤维组合物的干含量水平的验证研究。

本研究分析了不同干含量（%）下主体（cm³/g）的物理机械性质、抗张指数（Nm/g）、耐破指数（KPam²/g）和撕裂指数（mNm²/g）。

本研究所获结果绘制在图34、35、36和37中。

通过该结果可得出的结论是，在30%干含量以后，主体有显著的增加，但抗张强度有所损失。此外，观察到干含量不会显著影响撕裂强度。关于耐破率，当干含量水平在10%、20%、30%和50%之间时，没有观察到显著变化。因此显然，至最大50%的干含量可实现可再分散性。