使含水的低取代羟丙基纤维素脱水的方法以及用其制备低取代羟丙基纤维素的方法

摘要

目标为减少含水的低取代羟丙基纤维素(L-HPC)的干燥步骤中的能量负担、降低通过脱水而获得的块状物的含水量等。更具体地，提供了通过将含水的L-HPC供给至与压缩型脱水机的入口连接的螺旋输送机而用该压缩型脱水机使含水的L-HPC脱水的方法，其包括步骤：开始输送机的操作以用含水的L-HPC填充输送机和脱水机，开始经填充的脱水机的操作，并向输送机供给含水的L-HPC，同时从脱水机的出口排出经脱水的L-HPC，其中基于纤维素醚的净重量，向输送机供给含水的L-HPC的进料速率等于排出经脱水的L-HPC的卸料速率；以及使用上述方法制备L-HPC的方法。

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及通过将螺旋输送机与压缩型脱水机的入口连接来使含 水的低取代羟丙基纤维素脱水的方法，以及通过使用该脱水方法制备 低取代羟丙基纤维素的方法。

2.相关技术描述

低取代羟丙基纤维素是由于低取代度而不溶于水但在水中溶胀的 纤维素醚。通过使粉末、碎屑或片形式的纤维素与环氧丙烷在碱的存 在下反应，然后将反应产物溶解、中和并洗涤，从而工业生产低取代 羟丙基纤维素。

通常通过使用连续水平真空过滤机、平面过滤机或水平带式过滤 机来相继进行洗涤步骤。在洗涤之后，使经过滤的低取代羟丙基纤维 素进行压缩型脱水，从而减轻干燥机的负担并降低以副产物形式形成 的水溶性盐的量。

JP 08-231602A描述了通过主要使用V-形盘式压榨机(其为压缩型 脱水机)来使水溶性纤维素醚脱水的方法。根据JP 08-231602A，该方 法可以降低经脱水的水溶性纤维素醚的含水量，甚至降低至35重量％ 至40重量％。

发明概述

当本发明人通过使用JP 08-231602A所述的V-形盘式压榨机(其为 连续的压缩型脱水机)来使低取代羟丙基纤维素脱水时，脱水后的块状 物(cake)的含水量是脱水前的含水量的最低80重量％。尽管V-形盘式 压榨机转速的提升改善了吞吐量，但通过脱水而获得的块状物似乎由 于在盘式压榨机中停留的时间减少而具有较高的含水量。

鉴于前述，完成本发明。本发明的目的是减少在干燥含水的低取 代羟丙基纤维素的步骤中的能量负担、降低通过脱水而获得的块状物 的含水量、以及改善脱水机的生产率和吞吐量。

作为为实现上述目的而进行的广泛研究的结果，本发明人发现当 压缩型脱水机填充有不溶于水的低取代羟丙基纤维素并且填充率低 时，脱水不能与水溶性纤维素醚的脱水一样高。这是因为与水溶胀的 低取代羟丙基纤维素漂浮在压缩型脱水机内的上部中，不被充分地压 缩。注意到压缩型脱水机的填充率，本发明人发现通过改变含水的低 取代羟丙基纤维素的供给方法能实现经脱水而获得的块状物的含水量 的降低及吞吐量的改善，并完成本发明。

在本发明的一方面，提供了通过将含水的低取代羟丙基纤维素供 给至与压缩型脱水机的入口连接的螺旋输送机来用该压缩型脱水机是 该含水的低取代羟丙基纤维素脱水的方法，其包括以下步骤：开始所 述螺旋输送机的操作以用含水的低取代羟丙基纤维素填充该螺旋输送 机和压缩型脱水机，开始经填充的压缩型脱水机的操作，并向螺旋输 送机供给含水的低取代羟丙基纤维素，同时从压缩型脱水机的出口排 出经脱水的低取代羟丙基纤维素，其中基于纤维素醚的净重量，向螺 旋输送机供给含水的低取代羟丙基纤维素的进料速率等于排出经脱水 的低取代羟丙基纤维素的卸料速率。在本发明的另一方面，提供了制 备低取代羟丙基纤维素的方法，其包括以下步骤：使碱纤维素与环氧 丙烷反应以获得粗制的低取代羟丙基纤维素，洗涤所述粗制的低取代 羟丙基纤维素以获得含水的低取代羟丙基纤维素，通过使用上述脱水 方法来使所述含水的低取代羟丙基纤维素脱水，并干燥经脱水的低取 代羟丙基纤维素。

根据本发明，与常规方法相比，可以降低通过含水的低取代羟丙 基纤维素的脱水而获得的块状物的含水量，同时可以增加吞吐量，并 且可以降低在后续的干燥步骤中使用的蒸汽量。

优选实施方案的详述

接下来描述通过使用原料纸浆制备低取代羟丙基纤维素的方法。

原料纸浆可包含木浆和棉绒浆。

可以将原料纸浆浸入浓度优选为20重量％至60重量％的碱性水 溶液中，然后压缩以除去过量的碱金属氢氧化物水溶液，从而获得具 有期望组成的碱纤维素。

通过充分混合使碱纤维素与环氧丙烷反应。环氧丙烷的用量优选 为每摩尔的纤维素使用0.15摩尔至2.0摩尔环氧丙烷。可以通过使用 以下任一方法来实施环氧丙烷的混合：一次性添加所需量的全部的环 氧丙烷的方法、将所需量分为两份以上再进行两次以上的添加的方法、 以及以连续方式添加所需量的方法。

在由此获得的低取代羟丙基纤维素中，用作催化剂的碱得到保留， 因此用酸来将其中和。例如，通过将粗制反应产物放入含酸的水中(优 选20℃至60℃)来实施中和，其中所述酸的量为所述碱的量的化学计 量。所用的酸的实例包括：无机酸，例如盐酸、硫酸和硝酸；以及有 机酸，例如甲酸和乙酸。

在用酸中和之后，可以实施任选的洗涤。在洗涤步骤中，通过利 用低取代羟丙基纤维素的水不溶性，可使用水、优选热水(优选70℃ 至100℃)来洗掉诸如氯化钠的副产物。通常通过使用连续水平真空过 滤机、平面过滤机或水平带式过滤机来相继地进行这种洗涤。

然后，将由此获得的含水的低取代羟丙基纤维素脱水。考虑到对 后续进行的干燥步骤的负担，脱水前的含水的低取代羟丙基纤维素的 含水量优选为85重量％至95重量％。本文所用的术语“含水量”表示在 含水的低取代羟丙基纤维素的重量中所含的水重量的百分比。对于脱 水，使用压缩型脱水机。压缩型脱水机是装备有用于挤压待脱水的材 料的滚筒或筛的设备，并且向该材料施加压力以进行脱水。可商购的 脱水机的实例包括螺旋压榨机(由Tsukishima Techno Machinery Co., Ltd.生产)和V-形盘式压榨机(Flow Dynamics生产的“Asahi Press”)。从 以下角度来看，筛型V-形盘式压榨机是优选的：含水的低取代羟丙基 纤维素的性质、设备的吞吐量以及含水的低取代羟丙基纤维素自身可 用作过滤材料的事实。

在V-形盘式压榨机中，借助于使筛子之间的距离随旋转而降低的 一对盘形筛子来实施脱水。这些筛子具有孔，水通过该孔，并且收集 已通过这些筛子的孔的水。另一方面，将低取代羟丙基纤维素从旋转 的盘式压榨机排出中并进行收集。从V-形盘式压榨机中的填充率的角 度来看，V-形盘式压榨机的转速优选为1.0rpm至2.5rpm，更优选为 1.5rpm至2.0rpm。

可以通过将螺旋输送机(其为推入配合型设备)与压缩型脱水机的 入口连接，增加该压缩型脱水机中的填充率。该螺旋输送机的吞吐量 优选是V-形盘式压榨机的吞吐量的1.0倍至2.0倍。螺旋输送机不受 限制，只要其装备有与其一起覆盖轴的套管并能够将含水的低取代羟 丙基纤维素转移至压缩型脱水机的入口且将其放入压缩型脱水机内而 不在螺旋输送机处产生损耗。

更具体地，在实践中，在用压缩型脱水机脱水之前，经由螺旋输 送机将作为待脱水的材料的含水的低取代羟丙基纤维素供给至压缩型 脱水机内。换言之，在压缩型脱水机被完全填充之后，压缩型脱水机 的入口处的压强优选达到0.10MPa至0.25MPa，更优选达到0.15MPa 至0.20MPa，启动压缩型脱水机进行脱水操作。当压缩型脱水机的入 口处的压强小于0.10MPa时，可降低V-形盘式压榨机中的含水的低 取代羟丙基纤维素的填充率。当压强大于0.25MPa时，可发生含水的 低取代羟丙基纤维素返回至螺旋输送机，称为“返混”。

基于纤维素醚的净重量，含水的低取代羟丙基纤维素向螺旋输送 机的入口的进料速率和卸料速率各自优选为10kg/h至30kg/h，更优 选为20kg/h至25kg/h。

然后，干燥经脱水的低取代羟丙基纤维素。在干燥步骤中，可以 用诸如流化床干燥机或鼓式干燥机的干燥机将其干燥。干燥温度优选 为60℃至120℃，更优选为80℃至100℃。干燥时间根据温度和经 脱水的纤维素醚的含水量而变化。干燥时间优选为2小时至5小时。 因为在先前的脱水步骤中降低了含水的低取代羟丙基纤维素的含水 量，所以可以大幅降低蒸汽量。

已阐述了在由纸浆制备低取代羟丙基纤维素的方法中含水的低取 代羟丙基纤维素的脱水。然而，根据本发明，所述脱水不仅可以适用 于低取代羟丙基纤维素，而且也可以适用于全含水的低取代羟丙基纤 维素。

实施例

接下来通过实施例和比较例详细描述本发明的含水的低取代羟丙 基纤维素的脱水。

实施例1

将浆板浸入35℃的43重量％氢氧化钠水溶液中5秒，然后经压 缩以除去过量的氢氧化钠水溶液，获得碱纤维素。分别将氢氧化钠与 纤维素的重量比以及水与纤维素的重量比调节至0.55和0.90。将由此 获得的碱纤维素用锯片铣刀切碎，并放置在装备有内部搅拌器的耐压 反应器中。在用氮气充分吹扫反应器之后，加入环氧丙烷(相对于纤维 素的摩尔比为0.67)，并在50℃进行反应3小时。

用33重量％的乙酸水溶液中和反应产物中剩余的氢氧化钠，然后 将中和的产物用95℃热水洗涤并过滤，从而获得含水量为90重量％ 的含水的低取代羟丙基纤维素作为待脱水的材料。

如下进行脱水。首先，开始螺旋输送机的操作，并经由该螺旋输 送机，以基于纤维素醚净重的20kg/h的速率将含水的低取代羟丙基纤 维素供给至V-形盘式压榨机内(由Flow Dynamics生产的“Asahi  Press”)，一种压缩型脱水机。当V-形盘式压榨机中的含水的低取代羟 丙基纤维素的填充率增加并且V-形盘式压榨机的入口处的压强达到 0.2MPa时(假设填充率为100％，因为压强不再增加)，以1.5rpm(bayer: 0.2)的转速开始V-形盘式压榨机的操作，以便V-形盘式压榨机的卸料 速率变成20kg/h，基于纤维素醚的净重量该卸料速率等于进料速率。 将脱水持续约2小时，同时将V-形盘式压榨机的入口处的压强保持在 0.2MPa。结果示于表1中。

通过低取代羟丙基纤维素的脱水而获得的块状物的含水量经测定 为待脱水材料的含水量的70.1重量％。在操作期间，没有观察到脱水 程度的降低。

此外，当将比较例1中使用的蒸汽量认为是1时，在干燥步骤中 使用的蒸汽量为0.50。在比较例1中，采用常规脱水方法，通过脱水 而获得的块状物的含水量为待脱水材料的含水量的82.5重量％。因此， 大幅降低了蒸汽量。

比较例1

将以与实施例1相同方式获得的含水的低取代羟丙基纤维素供给 至没有与螺旋输送机连接的V-形盘式压榨机，然后脱水。

如下进行脱水。以基于纤维素醚净重的20kg/h的速率将含水的低 取代羟丙基纤维素(待脱水材料)供给至没有与其连接的螺旋输送机的 V-形盘式压榨机内，并且通过利用含水的低取代羟丙基纤维素自身重 量来尝试增加V-形盘式压榨机中含水的低取代羟丙基纤维素的填充 率。然而，单独的自身重量不能增加V-形盘式压榨机的入口处的压强， 并且进料口处的压强保持为0MPa。填充率低于使用螺旋输送机时的 填充率。然后，开始V-形盘式压榨机的操作，但基于纤维素醚的净重 量，卸料速率为12kg/h。脱水持续约2小时。结果示于表1中。

通过脱水而获得的低取代羟丙基纤维素的块状物的含水量经测定 为待脱水材料的含水量的82.5重量％。

比较例2

首先开始螺旋输送机的操作。基于纤维素醚的净重量，以20kg/h 的速率将以与实施例1相同方式获得的含水的低取代羟丙基纤维素供 给至螺旋输送机。在V-形盘式压榨机中含水的低取代羟丙基纤维素的 填充率增加并且V-形盘式压榨机的入口处的压强达到0.2MPa时，开 始V-形盘式压榨机的操作。其以V-形盘式压榨机的22.5kg/h卸料速 率(基于纤维素醚的净重量)和2.3rpm(bayer:0.3)转速来操作，以便V- 形盘式压榨机的入口处的压强变为0.1MPa。将脱水持续约2小时， 同时将V-形盘式压榨机的入口处的压强保持为0.1MPa。结果示于表 1中。

通过脱水而获得的低取代羟丙基纤维素的块状物的含水量经测定 为待脱水材料的含水量的81.2重量％。

当将比较例1中使用的蒸汽量认为是1时，在干燥步骤中使用的 蒸汽量为0.92。在比较例1中，采用常规脱水方法，通过脱水而获得 的块状物的含水量为待脱水材料的含水量的82.5重量％。显而易见的 是，V-形盘式压榨机的填充率显著影响含水量。

比较例3

首先开始螺旋输送机的操作。基于纤维素醚的净重量，以20.0kg/h 的速率将以与实施例1相同方式获得的含水的低取代羟丙基纤维素供 给至螺旋输送机。当V-形盘式压榨机的入口处的压强达到0.2MPa时， 基于纤维素醚的净重量，以V-形盘式压榨机的24.8kg/h卸料速率和 3.0rpm(bayer:0.4)转速来开始V-形盘式压榨机的操作。因为卸料速率 远超过进料速率，所以操作期间V-形盘式压榨机的入口处的压强为0 MPa。以24.8kg/h卸料速率(基于纤维素醚的净重量)和3.0rpm(bayer: 0.4)转速持续脱水约2小时。结果示于表1中。

通过脱水而获得的低取代羟丙基纤维素的块状物的含水量经测定 为待脱水材料的含水量的85.6重量％。

当将比较例1中使用的蒸汽量认为是1时，在干燥步骤中使用的 蒸汽量为1.26。在比较例1中，采用常规脱水方法，通过脱水而获得 的块状物的含水量为待脱水材料的含水量的82.5重量％。当V-形盘式 压榨机的吞吐量超过螺旋输送机的吞吐量时，压缩型脱水机的填充率 降低并且通过脱水而获得的块状物的含水量增加。

表1

*1其表示当将待脱水材料的含水量认为是100重量％时，通过脱 水而获得的块状物的含水量。

*2其表示当将通过脱水而获得的块状物的含水量82.5％认为是 1.00时的蒸汽量。