Рафинированное волокно
Настоящее изобретение относится к рафинированному волокну. Заявленное рафинированное волокно имеет среднюю длину от 2 мм до 4 мм, обладающее значением способности к удерживанию наполнителя, составляющим, по меньшей мере, 18%, и прочностью в сыром состоянии, составляющим, по меньшей мере, 1,8 мДж/мм2. Волокно получено по способу, согласно которому ни разу не подвергавшиеся сушке нить или волокнистую ленту, имеющие длину, составляющую, по меньшей мере, 1 м, рафинируют путем выполнения, по меньшей мере, этапа подачи нити или волокнистой ленты и жидкости в рафинер, который содержит наполнители рафинера, содержащие корпус, окружающий центральное отверстие, и, по меньшей мере, один впуск для нити или волокнистой ленты. Полученное таким способом фибриллированное волокно можно использовать для изготовления фрикционных материалов, прокладок, тормозных колодок или тормозных подкладок. Изобретение позволяет получить длинное рафинированное волокно, обладающее высоким значением прочности в сыром состоянии и коммерчески приемлемой способностью к удерживанию наполнителя. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.
Настоящее изобретение относится к рафинированному волокну, обладающему большой средней длиной и высокой прочностью в сыром состоянии, и хорошим значением способности к удерживанию наполнителя.
Пульпа, например пульпа из полипарафенилентерефталамида (ППТА), может быть приготовлена путем так называемого рафинирования, включающего нарезание волокна для получения волокна желаемой длины, сопровождаемого фибриллированием волокна для придания ему шероховатости или волосистого внешнего вида.
В настоящее время для рафинирования волокна требуется предварительная обработка волокна, при которой (полу-) непрерывное волокно предварительно режут для получения отдельных фрагментов волокна, пригодного короткого размера для обеспечения возможности приготовления жидкой суспензии. Процессы рафинирования пульпы известны, например, из патента США №5687917, в котором описаны аппарат-рафинер и способ изготовления рафинированной пульпы путем приложения механических сил к волокну пульпы. Аппарат содержит элемент, снабженный множеством дренажных труб, где каждая дренажная труба содержит впускное и выпускное отверстия, соответственно.
Способ рафинирования нити и волокнистой ленты путем подачи нити или волокнистой ленты и жидкости в рафинер описан ранее авторами настоящего изобретения в Международной заявке на патент WO 2007/121956. В этой заявке на патент описаны мокрая нить длиной до 1,61 мм и мокрая волокнистая лента длиной до 1,84 мм. Прочность в сыром состоянии этих непосредственно рафинированных волокон не измеряли. Прочность в сыром состоянии определяли только после пропуска через второй регулярный этап рафинирования, где эти волокна дополнительно измельчали.
Во время процесса рафинирования волокно фибриллировали для получения пульпы или пульпообразного материала. Фибриллирование наилучшим образом осуществляется на коротком волокне. Чем длиннее волокно, тем в меньшей степени возможно фибриллирование. Это может быть недостатком фибриллированного волокна, если его используют в тех случаях, где важна прочность в сыром состоянии (также называемая прочностью при ударе) и где, в то же время, важна также способность к удерживанию материала-наполнителя. Чем больше волокно фибриллировано, тем лучше оно может удерживать материал-наполнитель, и чем длиннее волокно, тем больше прочность в сыром состоянии (прочность при ударе). К сожалению, невозможно получить длинное волокно с оптимальной величиной прочности в сыром состоянии и, в то же время, с большой степенью фибриллирования для оптимального удерживания наполнителя.
Настоящим изобретением предложено длинное волокно и способ получения такого длинного волокна, которое, несмотря на его относительно малую степень фибриллирования, тем не менее, обладает высоким значением прочности в сыром состоянии и коммерчески приемлемой способностью к удерживанию наполнителя.
Для этого согласно изобретению предложено использование нового способа приготовления фибриллированного волокна. Обычно волокно, выпускаемое после процесса его формования, является мокрым. Для предварительной обработки, заключающейся в нарезании волокна, требуется, чтобы волокно было сухим, так как резание мокрого (ни разу не подвергавшегося сушке) волокна не осуществимо, так как ножи легко ломаются. Это является еще одним недостатком прототипа не только по экономическим причинам, но также потому, что хорошо известно, что свойства продукта (пульпы) улучшаются благодаря использованию волокна, «ни разу не подвергавшегося сушке», в качестве базового материала. Согласно известным процессам рафинирования, после сушки и резки предварительно нарезанное волокно суспендируют в жидкости, и полученную в результате суспензию подают в центр рафинера.
Для удовлетворения потребности в длинном волокне, обладающем как высокой прочностью в сыром состоянии, так и приемлемой способностью к удерживанию наполнителя, настоящим изобретением предложено рафинированное волокно, имеющее среднюю длину от 2 мм до 4 мм, обладающее значением способности к удерживанию наполнителя, составляющим, по меньшей мере, 18%, и прочностью в сыром состоянии, составляющей, по меньшей мере, 1,8 мДж/мм2.
Это волокно обладает малой степенью фибриллирования, но, тем не менее, хорошим значением способности к удерживанию наполнителя и очень высокой прочностью в сыром состоянии, и оно получено путем использования способа рафинирования нити или волокнистой ленты, имеющих длину, составляющую, по меньшей мере, 1 м, включающего этап подачи предпочтительно ни разу не подвергавшихся сушке нити или волокнистой ленты и жидкости в рафинер, который содержит наполнители рафинера, обладающие корпусом, окружающим центральное отверстие, и, по меньшей мере, одним впуском для нити или волокнистой ленты. Таким образом, в рафинер не подают нить или волокнистую ленту в виде суспензии из коротких фрагментов нити или волокнистой ленты.
Нить или волокнистая лента, используемые согласно данному изобретению, охватывают нить или волокнистую ленту в виде пучков длинных полимерных элементарных нитей, имеющих ту же длину. Предпочтительно нить является непрерывной нитью, имеющей длину, составляющую, по меньшей мере, 1 м, но предпочтительно имеющей значительно большую длину, например, составляющую, по меньшей мере, 10 м, более предпочтительно, по меньшей мере, 100 м. Нить может быть крученой или некрученой. В другом варианте осуществления согласно изобретению волокнистая лента представлена в виде пучков наложенных элементарных нитей, имеющих одинаковую длину или различные длины, например, изменяющиеся от около 30 мм до около 1000 мм. Такое волокно называют «волокнистой лентой». Хотя отдельные элементарные нити могут быть значительно более короткими, волокнистая лента имеет длину, составляющую, по меньшей мере, 1 м, предпочтительно, по меньшей мере, 10 м, а более предпочтительно, по меньшей мере, 100 м.
Нить или волокнистая лента могут, в принципе, быть любыми нитью или волокнистой лентой, например натуральными нитью или волокнистой лентой, включающими: целлюлозную, конопляную, хлопковую или шерстяную нить или волокнистую ленту, или могут быть искусственными нитью или волокнистой лентой, например, включающими: арамидную, полиамидную, полиэфирную или полиакрилонитрильную (ПАН) нить или волокнистую ленту. Предпочтительно нить или волокнистая лента являются арамидными, более предпочтительно - полипарафенилентерефталамидными (ППТА) нитью или волокнистой лентой.
Нить или волокнистую ленту и жидкость подают вместе в рафинер таким образом, чтобы обеспечить условия, при которых нить или волокнистую ленту направляют как нитевидный поток в рафинер к поверхности наполнителя рафинера, и чтобы суспензия из фрагментов нити или волокнистой ленты выходила из рафинера с наружной стороны рафинера, где суспензия содержала бы соответствующим образом нарезанные и фибриллированные фрагменты нити или волокнистой ленты. Скорость подачи нити или волокнистой ленты в рафинер обычно зависит от толщины нити или волокнистой ленты, и ее (скорость) может легко регулировать специалист-оператор для получения требуемой пульпы. Скорость можно регулировать путем регулирования скорости вращения контрдиска (ротора) рафинера и/или, необязательно, посредством использования питающего устройства, например поджимаемой двухвальной транспортирующей системы.
Нить или волокнистую ленту можно подавать в центр рафинера. Необходимо следить за тем, чтобы скорость подачи нити или волокнистой ленты в рафинер была такой, чтобы имело место адекватное транспортирование нити или волокнистой ленты и чтобы не происходило скапливание нерафинированной нити или волокнистой ленты внутри рафинера.
В предпочтительном варианте осуществления нить или волокнистую ленту подают в рафинер эксцентрично. Термин «эксцентрично» означает, что впуск расположен не в центре круглого рафинера, а на определенном расстоянии от центра. Эксцентричную подачу можно осуществлять, например, через впуск, расположенный в наполнителе рафинера. Таким расположением впуска для нити или волокнистой ленты в наполнителе рафинера преимущественно обеспечивают более легкую транспортировку нити или волокнистой ленты в рафинер, к поверхности наполнителя рафинера, и уменьшают риск скопления нити или волокнистой ленты в рафинере.
В особенно предпочтительном варианте осуществления нить или волокнистую ленту подают в рафинер через впуск, расположенный в наполнителе рафинера, как это предложено в дополнительном аспекте настоящего способа, таким образом, чтобы был наклонный спуск на выпускной стороне впуска, где наклонный спуск служит для направления нити или волокнистой ленты от впускного отверстия к поверхности наполнителя рафинера.
Жидкость, подаваемая в рафинер, может быть любой жидкостью, пригодной для способствования транспортировке нити или волокнистой ленты и/или для выполнения функции охлаждающей жидкости. Количество жидкости, подаваемой в рафинер, зависит, помимо прочего, от размеров используемого оборудования. Обычно в рафинер подают такое количество жидкости, при котором обеспечивают возможность приготовления суспензии из нити или волокнистой ленты с соотношением 0,1-10,0% (мас./мас.). Если впускное отверстие для нити или волокнистой ленты расположено не в центре рафинера, то возможно условие, при котором часть жидкости подают в рафинер, используя впускное отверстие, а часть подают в центр рафинера. Предпочтительно жидкость, подаваемая в рафинер, является водой. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления воду подают в рафинер, используя одну или большее число водяных форсунок. Эти водяные форсунки выполнены таким образом, чтобы подавать водяной поток в направлении рафинера, а подаваемый поток воды имеет такую скорость, что благодаря пониженному давлению вода несет нить или волокнистую ленту во впуск рафинера. Это приводит к плавной транспортировке нити или волокнистой ленты к рафинеру. Скорость воды в направлении подачи, таким образом, по меньшей мере, равна скорости подачи нити или волокнистой ленты, но обычно она является более высокой.
Изобретением преимущественно обеспечена возможность свободного введения определенных добавок в жидкость, подаваемую в рафинер. Таким образом, в варианте осуществления согласно изобретению, жидкость, подаваемая в рафинер, содержит отделочное вещество. Отделочное вещество обычно является маслянистым веществом, которое можно вводить в качестве технологической добавки и/или для улучшения функциональных свойств рафинированной пульпы. Пригодными составами, подлежащими использованию в качестве отделочных веществ, например, являются сложные эфиры этоксилированных жирных кислот и смеси этоксилированного спирта, пропоксилированного спирта (спиртов, например, бутанола), и этоксилированные или пропоксилированные жирные спирты. Например, с помощью отделочного вещества улучшают равномерность пульпы и/или улучшают ее изолирующие и/или антистатические свойства. Однако для применений, где содержание отделочного вещества должно быть небольшим или где отделочное вещество предпочтительно должно отсутствовать, настоящим изобретением преимущественно обеспечена возможность рафинирования нити или волокнистой ленты без добавления какого-либо отделочного вещества. Например, малое или даже нулевое количество отделочного вещества благоприятно в таких областях применения, как фармацевтическая, пищевая и бумажная продукция.
В другом варианте осуществления в качестве добавки может быть введено нейтрализующее вещество, например, для нейтрализации кислотных остатков, присутствующих в арамидной нити или волокнистой ленте как остатки от процесса изготовления. Жидкость может также содержать смеси добавок.
Настоящим изобретением предложено волокно, получаемое описанным выше способом, для приготовления пульпы. Суспензию, полученную согласно способу, можно дополнительно обрабатывать для получения пульпы или пульпообразного материала, который можно использовать в различных областях применения. Дополнительная обработка может включать этапы обезвоживания и/или сушки, как это известно в данной области производства.
Предпочтительно волокно ни разу не сушат, но после его изготовления из ни разу не подвергавшихся сушке нити или волокнистой ленты, волокно может быть высушено перед последующим использованием.
Описанным выше способом может быть приготовлено волокно, имеющее среднюю длину, составляющую от 2 мм до 4 мм, предпочтительно - от 2 мм до 3 мм, обладающее прочностью в сыром состоянии, составляющей, по меньшей мере, 1,8 мДж/мм2, предпочтительно - от 1,8 мДж/мм2 до 3,5 мДж/мм2. Короткое сильно фибриллированное волокно, обладающее такой высокой прочностью, никогда раньше не получали.
В то же время волокно согласно изобретению обладает значением способности к удерживанию наполнителя, превышающим 18%. Такие высокие величины наблюдали только у короткого фибриллированного волокна.
В другом варианте осуществления волокно получали из суспензии из нити или волокнистой ленты, полученной после процесса рафинирования, которую подавали в другой рафинер, т.е. ее подвергали этапу регулярного рафинирования, включавшему подачу суспензии из нити или волокнистой ленты в упомянутый другой (регулярный) рафинер.
Согласно еще одному дополнительному аспекту изобретения данное волокно получают согласно способу с использованием наполнителя рафинера, содержащего корпус, окружающий центральное отверстие, где корпус содержит активную рафинирующую поверхность и отверстия под болты для крепления наполнителя рафинера в рафинере, отличающегося тем, что корпус дополнительно содержит, по меньшей мере, один впуск для подачи нити или волокнистой ленты в рафинер. Центральное отверстие можно использовать для ввода пульпы в рафинер. В некоторых установках также возможно осуществление условий, при которых пульпу выводят из рафинера через центральное отверстие. Впуск для подачи нити или волокнистой ленты предпочтительно имеет диаметр и форму, и место расположения в наполнителе рафинера, пригодные для направления нити или волокнистой ленты в рафинер и к активной поверхности наполнителя рафинера, и для обеспечения возможности того, чтобы выпускаемая из рафинера пульпа содержала соответствующим образом нарезанное и фибриллированнное волокно.
Наполнитель рафинера может содержать один или множество впусков для нити или волокнистой ленты, например, от 1 до 5 или более впусков.
Впуск может быть расположен в корпусе наполнителя рафинера в любом месте, где обеспечена соответствующая обработка нити или волокнистой ленты с образованием пульпы. Место расположения впуска для нити или волокнистой ленты может зависеть от места расположения выпуска для выведения пульпы. Например, если пульпу выводят из рафинера с нижней стороны, то впуск для нити или волокнистой ленты может быть расположен ближе к внутреннему краю наполнителя рафинера, чем к наружному его краю, для обеспечения надлежащего контакта нити или волокнистой ленты с ножами, расположенными на поверхности, наполнителя рафинера.
Наполнитель, содержащий впуск для нити или волокнистой ленты, может содержать впускное отверстие и наклонный спуск на выпускной стороне впуска около активной поверхности наполнителя рафинера. Наклонный спуск изготовлен таким образом, чтобы он служил для направления нити или волокнистой ленты от впускного отверстия к ножам, расположенным на поверхности, наполнителя рафинера.
При использовании описанного выше способа рафинирования получают в результате относительно мало фибриллированную пульпу с улучшенными свойствами и улучшенными эксплуатационными характеристиками для применения ее в различных областях, особенно в областях применения, где важны, и высокая прочность в сыром состоянии, и хорошее значение способности к удерживанию наполнителя. Например, волокно можно соответствующим образом использовать для изготовления фрикционных материалов, прокладок, тормозных колодок и подкладок, где пульпообразное волокно согласно изобретению вводят обычными способами, для изготовления этих продуктов.
Изобретение дополнительно проиллюстрировано следующими примерами, не ограничивающими объем изобретения.
Оборудование
12-дюймовый (304,8 мм) однодисковый лабораторный рафинер компании Sprout Waldron
Мощность - 50 кВт
Рабочая мощность - 5-25 кВт
Скорость - 1500 об/мин
Рисунок наполнителя - подобный модели Andritz D2A504
Диаметр впускного отверстия в диске статора - 11 мм
Длина впускного отверстия - 25 мм, ширина - от 11 мм (начало паза около отверстия) до 22 мм (конец паза), угол - около 15°.
Основные параметры процесса
Центральный поток воды - 100 л/мин
Эксцентричный поток воды (подаваемый вместе с нитью или волокнистой лентой во впускное отверстие) - 0,1-1,0 л/мин
Температура воды - 20°C.
Методики испытаний
Измерение длины нити или волокнистой ленты
Измерение длины нити или волокнистой ленты производили, используя <прибор> Pulp ExpertTM FS. В качестве показателя длины использовали значение средневзвешенной длины (СВД). Подстрочный индекс «0,25» означает соответствующую величину частиц длиной >250 мкм. Данный инструмент калибровали с использованием образцов нити или волокнистой ленты с известной длиной.
Определение степени размола по Шопперу-Риглеру (ШР)
(по стандарту EN ISO 5267-1:2000)
2 г (сухая масса) ни разу не подвергавшейся сушке пульпы из нити или волокнистой ленты диспергировали в 1 л воды в дезинтеграторе компании Lorentz and Wettre, выполняя при этом 250 ударов <мешалки>. Получали хорошо разъединенный образец. Определяли степень размола по Шопперу-Риглеру (ШР) (по стандарту EN ISO 5267-1:2000) (ISO - Международная организация по стандартизации; EN - Европейский норматив).
Определение удельной поверхности (УП)
Определяли удельную поверхность (м2/г), используя методику BET (по адсорбции азота) для определения удельной поверхности, с использованием <прибора> Tristar 3OOO компании Micromeretics.
Образцы пульпы из нити или волокнистой ленты сушили при температуре 200°C в течение 30 мин, заливая их азотом.
Удерживание наполнителя
Готовили пульпу из смеси 97% каолина (Laude SP 20) и 3% Twaron® на высокоскоростном вертикальном смесителе. 20 г смеси просеивали на просеивающем устройстве, используя сито №250. Определяли остававшуюся на сите часть материала как процентное содержание в исходном количестве материала.
Прочность в сыром состоянии
Готовили пульпу из смеси 97% каолина (Laude SP 20) и 3% Twaron® на высокоскоростном вертикальном смесителе. Из 10 г смеси формовали при давлении 70 бар стержень толщиной в диапазоне от 7,5 мм до 11,0 мм и шириной 15 мм. Стержень разрушали на маятниковом устройстве для ударных испытаний, нанося удар в направлении, перпендикулярном главной оси стержня. Прочность в сыром состоянии определяли в мДж/мм2.
В данном примере описаны эксперименты с использованием различных наполнителей рафинера и с использованием нити с различным содержанием влаги. Условия и полученные результаты рафинирования согласно изобретению представлены в Таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| Пример № | Значение способности к удерживанию наполнителя |
Прочность
в сыром состоянии |
Удельная поверхность (УП) | Длина нити или волокнистой ленты | Степень размола по Шопперу-Риглеру (ШР) |
| % | мДж/мм 2 | УП (м 2 /г) | СВД 0,25 (мм) | ШР (°) | |
| 1 | 22,6 | 2,35 | 1,17 | 2,28 | 16,5 |
| А | 80,8 | 1,33 | 10,0 | 0,8 | 47,3 |
| В | 30,0 | 1,09 | 6,5 | 1,0 | 18,5 |
| С | 12,1 | 1,59 | 0,13 | 3,0 | 12,5 |
Пример 1 выполнен согласно изобретению. В этом примере получены хорошие значения способности к удерживанию наполнителя и высокие значения прочности в сыром состоянии. Следует отметить, что малые значения ШР и УП указывают на малую степень фибриллирования этих образцов.
Примеры А-C являются сравнительными примерами.
Пример А является коммерчески доступным <волокном> Twaron® 3091. Это волокно является сильно фибриллированным коротким волокном, обладающим очень хорошим значением способности к удерживанию наполнителя, но относительно невысокой прочностью в сыром состоянии.
Пример B является коммерчески доступным <волокном> Twaron® 1095. Это волокно является фибриллированным в средней степени, коротким волокном, обладающим хорошим значением способности к удерживанию наполнителя, но относительно невысокой прочностью в сыром состоянии.
Пример C является нарезанной нефибриллированной нитью длиной 3,0 мм. Данный образец обладает более высокой прочностью в сыром состоянии в сравнении с коротким волокном из Примеров А и B, но небольшим значением способности к удерживанию наполнителя.
1. Рафинированное волокно, имеющее средневзвешенную длину СВД0,25 от 2 мм до 4 мм и обладающее значением способности к удерживанию наполнителя, составляющим, по меньшей мере, 18%, и прочностью в сыром состоянии, составляющей, по меньшей мере, 1,8 мДж/мм2.
2. Волокно по п.1, полученное способом, в котором ни разу не подвергавшиеся сушке нить или волокнистую ленту, имеющие длину, составляющую, по меньшей мере, 1 м, рафинируют путем выполнения, по меньшей мере, этапа подачи нити или волокнистой ленты и жидкости в рафинер, содержащий наполнители рафинера, имеющие корпус, окружающий центральное отверстие, и, по меньшей мере, один впуск для нити или волокнистой ленты.
3. Волокно по п.1 или 2, которое ни разу не подвергали сушке.
4. Волокно по п.1 или 2, в котором прочность в сыром состоянии составляет от 1,8 мДж/мм2 до 3,5 мДж/мм2.
5. Волокно по п.1 или 2, которое является полипарафенилентерефталамидным (ППТА) волокном.
6. Применение волокна по любому из пп.1-5 во фрикционных материалах, прокладках, тормозных колодках или тормозных подкладках.
7. Фрикционные пластины, тормозные колодки или тормозные подкладки, содержащие волокно по любому из пп.1-5.
