製備納米原纖纖維素的方法與流程

2023-11-07 11:30:38 2

本發明涉及製備納米原纖纖維素的方法。本發明還涉及用於製備納米原纖纖維素的產品。

背景技術：

納米原纖纖維素是指從纖維素原料得到的分離的纖維素微原纖或微原纖束。納米原纖纖維素(NFC)(也稱為其它相關名稱，例如納米纖維素和微原纖纖維素)基於天然聚合物纖維素，所述天然聚合物纖維素其是可再生資源並且是自然界中富含的。例如基於納米原纖纖維素在水中形成粘性凝膠(水凝膠)的能力，納米原纖纖維素具有許多潛在用途。

納米原纖纖維素生產技術是基於漿料纖維的水性分散體的研磨(或均質化)。由於在低漿料稠度下的生產技術，通常在製備的分散體中納米原纖纖維素的濃度是低的，通常為約1-5％。製備的原纖纖維素材料是稀釋的粘彈性水凝膠。該材料本身就可用於多種用途，但是以這樣低的濃度從生產地點將該材料運輸至使用者使得運輸成本變高。因此，優選地，在運輸前將納米原纖纖維素濃縮，而在目的地的使用者可將產品稀釋至合適的使用濃度。

也可將在漿料纖維中的纖維素轉化成許多化學衍生物。衍生化多是通過纖維素聚合物的β-D-吡喃葡萄糖單元中的羥基的化學反應發生。通過化學衍生，可以使得纖維素的性質相對於原始化學形式發生改變同時保留聚合物結構。

如果以合適的方式對纖維中的纖維素進行衍生化，則纖維更容易崩解至原纖水平，即納米原纖纖維素水平，這是由於原纖之間的弱鍵合。出於該目的，纖維素可被陰離子化或陽離子化。例如纖維素通過雜環硝醯基化合物(如「TEMPO」，即2,2,6,6-四甲基哌啶基-1-氧基自由基)催化氧化產生其中部分C-6羥基被氧化為醛和羧酸的陰離子型纖維素。另一種生產陰離子型纖維素的方法是纖維素分子的羧甲基化。可以通過向纖維素分子添加季銨基團來生產陽離子型纖維素。如國際申請WO 2013072559所公開的，化學改性允許每單位質量纖維素消耗更少的能量以達到給定的崩解級別，甚至可使用具有一系列反向旋轉轉子的分散型粉碎機。

當使用纖維改性來製備起始材料時，對在懸浮液中包纖維狀素纖維的漿料進行化學改性來達到合適的取代度，之後將纖維崩解成具有納米原纖纖維素的原纖作為產物。

由於在納米原纖纖維素的製造中包含了大量水，消減運輸成本的最重要因素是在運送前減少產品的含水量。因此，以濃縮形式將納米原纖纖維素供應至目的地。不過，已證明難以從納米原纖纖維素的水凝膠中去除水。根據纖維素類型和最終可運輸產品的乾物質，可能也難以在目的地再分散所述產品。例如，太嚴苛的乾燥處理可能影響納米原纖纖維素的再分散性，從而不能獲得「新鮮」納米原纖纖維素的原始粘度值。

技術實現要素：

本文的目的在於提供一種用於製備納米原纖纖維素的方法，所述方法使得以低成本將產品運輸至目的地並允許在目的地的使用者調節納米原纖纖維素的性質。

將纖維狀纖維素原料崩解至第一崩解級別，成為半成品，並將處於第一崩解級別的所述半成品以濃縮的形式運輸至目的地，在所述目的地將所述半成品從第一崩解級別崩解至第二崩解級別，成為納米原纖纖維素。納米原纖纖維素(NFC)是可在終端應用中使用的最終產品。

處於第一崩解級別的半成品是介於纖維狀纖維素原料和最終納米原纖纖維素之間的中間狀態。在該狀態中，纖維素纖維被部分原纖化。這也可稱為「部分膠凝」，這是因為水凝膠形式不完全，但是其已包含了從纖維分離(dertached)的納米級原纖。這種材料更易於脫水以提升乾物質以用於運輸，或者可以在較高稠度下已經發生了纖維狀纖維素原料崩解至第一崩解級別，從而不需要在運輸前對材料進一步脫水。

當運輸時，以濃縮形式處於第一崩解級別的半成品的乾物質至少為15重量％且低於80重量％。乾物質優選為20-60重量％。

在目的地，將處於第一崩解級別並在高濃度下被運輸至目的地的半成品分散且崩解至第二崩解級別。在同一過程中同時進行分散和崩解，通過使所述半成品通過相關處理裝置，例如分散器或均化器來進行所述過程。優選地，在崩解至第二崩解級別之前，將半成品從高濃度稀釋至適合加工的濃度。

當半成品已被部分原纖化時，在目的地不需要大量的處理。所述崩解可與分散同時進行，最終產物是完全分散在水性介質中並被崩解至第二崩解級別的納米原纖纖維素。優選地，所述半成品僅通過處理裝置一次，或最多通過兩次。

優選地，目的地是使用位置，在該位置進行納米原纖纖維素的終端應用。終端應用不限於納米原纖纖維素的任何具體用途。

崩解級別對應於纖維狀材料的原纖化程度，其也與凝膠形成成比例。在本文中，原纖化是指原纖從纖維素纖維的脫離，從而從纖維結構中形成原纖或原纖束。得到的產物的崩解級別可通過粘度測量結果以數值表示，崩解級別與在標準條件下測得的產物的粘度成比例。當在相同濃度下測量時，最終產物，納米原纖纖維素(第二崩解級別)的布氏粘度(10rpm)比半成品(第一崩解級別)的粘度高。

為了使崩解過程更容易，在崩解至第一崩解級別之前，首先將纖維狀纖維素原料處理成改性的纖維素。原料預改性的目的是為了增加纖維對崩解的易感性。

增加纖維對崩解的易感性的纖維素改性可以是用來製造衍生化纖維素的化學改性，例如陰離子化或陽離子化。特別是當所述改性是陰離子化且在陰離子化過程中在纖維素分子中引入羧基時，通過降低分散體的pH促進了崩解後的部分膠凝的半成品的水性分散體的脫水，這是因為帶陰離子電荷的纖維素的羧基轉化為酸形式，這減少了分散體的保水能力。

在目的地，將半成品稀釋至適用於將其處理成第二崩解級別，即納米原纖纖維素的濃度。如果由於脫水目的，半成品的pH已經降低，那麼在崩解前，通過加入鹼，例如氫氧化物，將pH提升至合適的範圍。如果需要，在崩解之後，產生的納米原纖纖維素可進一步從加工濃度稀釋至適於最終用途的濃度。

附圖說明

以下將結合附圖描述該方法，其中

圖1是製備納米原纖纖維素方法的總流程圖，

圖2以截面A-A顯示了本發明中使用的裝置

圖3以部分水平截面顯示了圖2的裝置，和

圖4-11顯示了半成品和最終NFC的一些測試數據。

具體實施方式

方法概述

圖1顯示了從纖維狀原料(漿料)直到納米原纖纖維素的使用(使用)的纖維素加工的整個過程的順序。首先可使纖維狀纖維素原料經受預改性(MOD)以促進後續纖維素纖維崩解至第一崩解級別(DIS1)，成為半成品(產物水平1)。隨後，將半成品濃縮以提升其乾物質含量並將其包裝在用於運輸的合適的容器中(CONC,PACK)。將被包裝的半成品運輸(TRANS)至目的地，在該目的地將半成品(包裝的產物)從容器中放出並稀釋至適於加工的濃度並且崩解(DIS2)至第二崩解級別，成為納米原纖纖維素(產物水平2)。這樣製備的納米原纖纖維素可最終用於合適的應用(使用)。

纖維狀纖維素原料

通常由植物來源的纖維素原料得到纖維狀纖維素原料。原料可基於任何包含纖維素纖維的植物材料，所述纖維素纖維進而包含纖維素的微原纖。所述纖維還可以包含一些半纖維素，其含量取決於植物來源。所述植物材料可以是木材。木材可以來自軟木樹如雲杉、松樹、冷杉、落葉松、花旗松或鐵杉，或來自硬木樹如樺樹、白楊、楊樹、榿木、桉樹或刺槐，或者來自軟木和硬木的混合物。非木材材料可以來自農業殘留物、草或其他植物物質，例如從棉花、玉米、小麥、燕麥、黑麥、大麥、稻、亞麻、大麻、馬尼拉麻、劍麻、黃麻、薴麻、洋麻、西沙爾麻落麻(bagasse)、竹或蘆葦得到的秸稈、樹葉、樹皮、種子、殼、花、蔬菜或果實。

一種優選的替代方式是纖維形式非薄壁(non-parenchymal)植物材料的，其中，纖維的原纖在次生細胞壁中。來源於次生細胞壁的原纖維基本為晶體，結晶度至少為55％。來源可以是木材植物材料或者非木材植物材料。例如木材纖維是一種豐富的纖維狀纖維素原料來源。原料可以是例如化學漿料。漿料可以是例如軟木漿料或者硬木漿料，或其混合物。

所有的木材來源或非木材來源的纖維狀原料的共同特徵是通過將纖維崩解至微原纖或微原纖束水平可獲得納米原纖維纖維素。

纖維狀纖維素原料的預改性

被崩解至第一崩解級別的纖維狀纖維素原料可以是改性的纖維狀原料。改性的纖維狀原料是指纖維受處理影響的原料，從而纖維素微原纖更易於從纖維上脫離。

通常對液體中懸浮物(即漿料)形式存在的纖維狀纖維素原料進行改性。

對纖維的改性處理可以是化學或物理性的。在化學改性中，纖維素分子的化學結構通過化學反應(纖維素的「衍生化」)改變，優選使得纖維素分子的長度不受影響但官能團添加至聚合物的β-D-吡喃葡萄糖單元。纖維素的化學改性以某一轉化度發生，該轉化度取決於反應物的劑量和反應條件，原則上化學改性是不完全的，從而纖維素將作為原纖保持固體形式並不溶於水。在物理改性中，陰離子型、陽離子型或非離子型物質或其任意組合物理性地吸附在纖維素表面上。改性處理也可以是酶促的。

特別地，在改性之後纖維中的纖維素可以是離子帶電的，這是因為纖維素的離子電荷減弱了纖維的內部鍵，之後會有助於崩解至納米原纖纖維素。可以通過纖維素的化學改性或物理改性實現離子帶電。與起始原材料相比，改性之後的纖維可具有較高的陰離子或陽離子電荷。最普遍使用的用於製備陰離子電荷的化學改性方法是氧化(其中羥基被氧化為醛和羧基)以及羧甲基化。進而，可以通過使得陽離子基團與纖維素附著(例如季銨基團)，進行陽離子化，來化學產生陽離子電荷。

一種優選的改性方法是對纖維素進行氧化。在纖維素的氧化中，纖維素的伯羥基基團通過雜環硝醯基化合物(例如2,2,6,6-四甲基哌啶基-1-氧基自由基，「TEMPO」)進行催化氧化。這些羥基基團被氧化成醛基和羧基基團。因此，部分經過氧化的羥基基團會在經氧化的纖維素中作為醛基存在，或者可以完全氧化成羧基基團。

纖維素中存在羧基使得能對處於第一崩解級別的半成品使用酸輔助脫水，從而提升其濃度。

作為改性的結果，漿料中的纖維含有的纖維素比改性前對原纖化(崩解至原纖)更具易感性。

其中纖維素被化學改性的漿料可以通過取代度或化學基團的含量來表徵。對於通過催化氧化改性的漿料，可給出以下數值：

-陰離子度為0.5-1.5毫當量/克，優選0.7-1.3毫當量/克(對應於羧酸酯含量500-1500毫摩爾/克，優選700-1300毫摩爾/克)。

如果通過在高固體含量(高稠度)下崩解來製備半成品，那麼陰離子優選至少為1.0毫當量/克，優選為1.0-1.3毫當量/克(1.0-1.3毫摩爾COOH/g)。

所有數值都是基於烘乾漿料的量。通過導電滴定測定漿料中羧酸鹽/酯含量。

對於羧甲基化纖維素的情況，取代度可以為0.05-0.3，優選為0.10-0.25。對於陽離子化纖維素的情況，取代度可以為0.05–0.8,優選0.1-0.45。

由化學改性的漿料製造的半成品和最終NFC將具有上述相同範圍內的化學基團含量。

用於測量半成品和NFC性質的布氏粘度測量

如下所述進行現場粘度測量。選擇槳式轉子(73號)並開啟布氏粘度測量儀器(布氏RVDV-III)。將樣品稀釋至在水中0.8重量％的濃度並使用推進混合器(propel mixer)以700-800rpm混合10分鐘。對於化學或酶改性等級不使用超聲混合。稀釋的樣品物質添加到250mL的燒杯，將溫度調節至20℃±1℃，如果需要的話進行加熱，並混合。

在燒杯中插入轉子並開始測量。程序在10rpm下記錄300個點。對每種樣品物質測量兩次相對粘度。在從最後5秒鐘期間的平行測量中得到的結果中，對每個樣品計算平均值和標準偏差。

纖維狀纖維素原料崩解至第一崩解級別

在纖維被部分原纖化的處理中將纖維狀纖維素原料崩解至第一崩解級別並且得到的半成品是部分膠凝的。適用於製備最終產品(納米原纖纖維素)的任何設備理論上可用於製造半成品，例如精製機、研磨機、均化器、膠體排除裝置(colloider)、磨擦研磨機、超聲波破碎器、和流化器(如微流化器、大流化器或流化器型均化器)。通過次數低於製備最終產品時的通過次數，或者可調節其它工藝變量，例如停留時間、壓力等。

製備半成品的一種優選方法是將纖維狀纖維素原料輸送通過崩解裝置的一系列同軸反向旋轉轉子並且利用由反向旋轉轉子產生的對纖維狀纖維素原料的撞擊。當纖維狀原料是帶離子電荷，特別是陰離子型纖維素，例如催化氧化(雜環硝醯基化合物例如「TEMPO」)或羧甲基化的纖維素時，這是特別有用的。不過，如果纖維狀原料的是低稠度的話，也可使用均化器或流化器用於製備半成品。

在圖2中顯示了所述裝置。該裝置包括幾個反向旋轉轉子R1、R2、R3…，其互相同心放置使得它們圍繞共轉軸RA旋轉。該裝置包含以相同方向旋轉的系列轉子R1、R3…以及以相反方向旋轉的轉子R2、R4…，其中轉子配對排列使得一個轉子在徑向上總是在反向轉動轉子之後和/或之前。以相同方向旋轉的轉子R1、R3…連接到相同的機械旋轉器件5。以相反方向旋轉的轉子R2、R4…也連接到相同的機械旋轉器件4，但是以與前述器件相反的方向旋轉。旋轉器件4，5都連接到它們本身的傳動軸，其如下引入。傳動軸可相對於轉軸RA同心放置，例如以一定方式放置使得外傳動軸連接到下面的轉動器件4並且置於其內並相對其自由轉動的內傳動軸連接到上面的轉動器件5。

附圖並未顯示其中放置旋轉轉子的裝置的固定外殼。外殼包含入口(材料可通過入口從上供應到最裡面的轉子R1內側)以及位於邊上的出口，其取向相對於轉子的外周大致切向朝外。外殼也包含用於底下的傳動軸的通孔。

實踐中，轉子由在圓周上以給定間隔放置並徑向延伸的葉片或槳葉1組成，該圓周的幾何中心是轉軸RA。在相同的轉子中，在槳葉1之間形成流通通道2，待精製的材料可通過該通道徑向外流。在兩個連續轉子R1，R2；R2，R3；R3，R4等之間，在相反方向的轉子的旋轉運動期間，重複並以高頻率形成幾個槳葉空間或間隙。在圖2中，附圖標記3表示徑向上第4和第5轉子R4，R5的槳葉1之間的這種槳葉間隙。相同轉子的槳葉1與徑向上前一個轉子(圓周上具有較小的半徑)的槳葉1和徑向上後一個轉子(置於較大半徑的圓周上)的槳葉1形成窄間隙，即槳葉間隙3。在相應方式中，當第一轉子的槳葉沿著圓周以第一方向上轉動並且下一個轉子的槳葉沿著同心圓周以相反方向上轉動時，在兩個連續轉子之間形成衝擊方向上的大量變化。

第一系列轉子R1、R3、R5安裝在相同機械轉動器件5(其由水平下部圓盤和水平上部圓盤組成)上，由徑向上最裡面的第一轉子R1的槳葉1互相連接。進而將這第一系列的其它轉子R3，R4的槳葉1安裝在上部圓盤上，槳葉1向下延伸。在該系列中，除了最裡面的轉子R1以外，相同轉子的槳葉1通過連接環在其低端進一步連接。第二系列的轉子R2、R4、R6安裝在第二機械旋轉器件4(其為置於所述下部圓盤之下的水平圓盤)上，並且該系列的轉子的槳葉1連接該器件並向上延伸。在該系列中，相同轉子的槳葉1由連接環在其上端連接。所述的連接環與轉軸RA同心。下部圓盤進一步由環形槽和在圓盤表面上的匹配環形凸起物同心排列，也與轉軸RA同心放置並與其均勻隔開。

圖2顯示了葉片或槳葉1是與轉軸R1平行的延長片，並且具有比寬度I(徑向上的尺寸)更大的高度。在水平截面中，槳葉是四邊形的，在圖2中是矩形的。纖維材料以交叉方向通過槳葉的縱向方向，從中心向外，並且槳葉1中面向徑向的表面側的邊緣與第二轉子的槳葉1的相應邊緣形成長且窄的槳葉間隙3，該間隙在槳葉的縱向方向上延伸。

因此，轉子R1、R2、R3…是以一定方式相對於轉軸的同心旋轉體形狀的通流轉子，其中它們處理纖維材料的部分由延長的葉片或槳葉1組成，其在轉軸RA的方向上延伸，並且由之間留下的通流通道2組成。

圖2也顯示轉子槳葉1的高度h1、h2、h3…從第一轉子，即最裡面的轉子R1向外逐漸增加。結果，由轉子槳葉1限制的流通通道2的高度也以相同的方向增加。實踐中，這意味著當徑向流的截面積隨著轉子周長的增加向外增加時，高度上的增加也增加了這種截面積。因此，如果體積流被認為是恆定的，則單個纖維的移動速度在向外的方向上減速。

通過由轉子的轉動產生的離心力，待處理的材料以給定的停留時間通過轉子。

從圖3中易於推知，在一對轉子的單次完整轉動(從給定的槳葉1對齊的位置到相同的槳葉1再次對齊的位置)期間，當外周方向上的連續槳葉1遇到第二轉子的連續槳葉1時形成幾個槳葉間隙3。結果，當材料通過該轉子的範圍到外面轉子的範圍時，在徑向上向外轉移通過通道2的材料在不同轉子之間的槳葉間隙3和轉子外周上的槳葉1之間的流通通道2中持續受到剪切力和衝擊力，而槳葉在外周方向上的運動和由轉子在不同方向的轉動導致的運動方向變化防止材料的通流在離心力的作用下過快向外通過轉子。

槳葉間隙3和相應的槳葉1的相遇以及兩個在徑向上連續的轉子中的衝擊方向的相應變化以[1/s]的頻率生成，該頻率為2x fr x n1x n2，其中n1是第一轉子外周上槳葉1的數量，n2是第二轉子外周上槳葉的數量，並且fr是以每秒旋轉表示的轉速。係數2是由於轉子以相同的旋轉速度在相反方向上旋轉導致。更通常地，該公式具有(fr(1)+fr(2))x n1x n2的形式，其中fr(1)是第一轉子的轉速而fr(2)是相反方向上的第二轉子的轉速。

此外，圖3顯示槳葉1的數量在不同轉子中可能是怎樣不同的。在圖中，每個轉子的槳葉1的數量從最裡面的轉子開始增加，除了最後的轉子R6，其小於前面的轉子R5。無論轉子的位置和旋轉方向如何，轉速(rpm)是相等的，這意味著槳葉3通過給定點的頻率和相應的形成槳葉間隙3的頻率沿裝置的徑向由內向外增加。

在圖2中，半徑r方向中的槳葉的尺寸I為15mm，而相同方向中的槳葉間隙3的尺寸e為1.5mm。所述的值可各自在例如10至20mm和1.0至2.0mm中變化。尺寸受到例如，待處理的纖維材料的稠度的影響。

從最外面轉子R6的外拱肋計算的裝置直徑d可根據所需的生產能力變化。在圖1中，直徑為500mm，但直徑也可以更大，例如大於800mm。當直徑增加時，生產能力以比直徑增加比例更大的比例增加。

運輸前半成品濃度的設定

將半成品濃度設定為足夠高以用於運輸從而減少運輸成本，即調整產品的含水量。

可以兩種方式調整含水量。

第一崩解處理後，通過去除水提升半成品濃度(纖維狀物質的濃度，即纖維、纖維片段和微原纖)，或者

在半成品已經處於高濃度的纖維物質的情況下，以該高稠度對纖維狀纖維素原料進行第一崩解處理，從而可以這樣的濃度運輸。

通常漿料在1-5％稠度下經過崩解處理(DIS1)，所述半成品以相同稠度離開所述處理。由於在半成品中，存在於水性懸浮液中的纖維狀物質具有比最終產品明顯更大的平均粒徑，並且只有部分膠凝，因此這樣的懸浮液的脫水更容易。可使用如WO 2013/121086所述的方法提高懸浮液的脫水，即當纖維狀物質的纖維素是帶陰離子電荷的且含有羧基(羧甲基化的纖維素、氧化的纖維素)時，通過降低懸浮液的pH來提高懸浮液的脫水。降低含有纖維狀物質的水性介質的pH改變了纖維狀物質和水之間的相互作用，從而減少了纖維狀物質的保水能力，因此能機械地和/或通過蒸發從其中去除水。如果纖維素含有作為鹼的帶陰離子電荷的基團(以離解形式存在的酸部分)，降低pH會將這些基團轉化為不離解的形式且纖維狀物質的顆粒之間的靜電排斥不再有效並且水-顆粒相互作用改變。含有帶陰離子電荷基團的纖維素可以是例如作為改性結果的含有羧基的化學改性纖維素。通過N-氧基介導的催化氧化(例如通過2,2,6,6-四甲基-1-哌啶N-氧化物)得到的纖維素或羧甲基化的纖維素是帶陰離子電荷的原纖纖維素的例子，其中所述陰離子電荷是由於離解的羧酸部分所導致的。將懸浮液的pH降低至低于于值4，優選低於3。可使用有機或無機酸。

通過以1-5％的稠度崩解獲得的半成品的性質的例子在下述表1中顯示。

表1.半成品性質，通過以一次通過或兩次通過圖2和3的分散型裝置的陰離子型漿料的崩解，漿料的崩解稠度2.7％，pH 7.3。漿料的羧酸酯/鹽量0.81毫摩爾/g。百分比數值顯示測得的濃度。

通過降低pH和後續壓力過濾的半成品的脫水步驟的結果示於下表2。

表2.表1的漿料的壓力過濾，溫度62℃，pH2.5

過濾容量是指在1小時中每平方米過濾面積產生的乾物質(濾餅)的質量，其在相同條件下比NFC高得多。

在圖4中，脫水步驟的例子用兩種漿料圖示。所述裝置是在填充階段使用0-3巴的壓力以及在壓制階段使用10巴的膜壓濾機。過濾物的料流快速終止，因為濾餅快速製備。過濾循環中的最小總時間是約10分鐘，而在相同條件下，NFC的對應時間通常為25-30分鐘。如果過濾循環加速，不一定需要壓制。較短的過濾循環進一步提升了過濾容量。

因此，可通過降低懸浮液的pH並隨後機械地從所述懸浮液中去除水來將半成品的幹質量增加至至少40重量％或更高，特別是40-50重量％(纖維狀物質的濃度)。這可通過壓濾進行實踐。通過水蒸發(例如通過空氣乾燥)可進一步提升濃度至接近乾燥或乾燥半成品(例如至乾物質至少為90重量％)。不過，乾物質高於60重量％可能並不有益，因為這是所謂的角質化所在的極限。

脫水後，如果已經因為脫水降低了pH，可用鹼來中和半成品，或者半成品可以酸形式保留。以酸形式保留並以酸形式運輸的半成品可在目的地被中和，例如將分散體設定為崩解至最終NFC產品的優選的pH範圍。

作為脫水的替代，可這樣製備半成品：從崩解處理(DIS1)中流出的半成品已具有足夠高的濃度(高固體崩解)。例如，可使用上述同軸反向旋轉轉子裝置在高漿料稠度(高於10％)下進行崩解。在存在足夠的水以防止纖維間形成鍵的條件下進行崩解。優選地，漿料稠度為15-40％，最優選為15-30％。優選地，帶離子電荷的纖維素被用作纖維狀纖維素原料，特別是陰離子型纖維素，例如催化氧化(雜環硝醯基化合物例如「TEMPO」)或羧甲基化的纖維素。可通過纖維素的轉化程度和通過裝置的次數來調整纖維狀纖維素原料崩解至所需水平。雖然可在包裝前進行一些乾燥，但也可將半成品以濃縮形式包裝以用於運輸而不需要主動脫水步驟。

可用能測量可見纖維(但不是纖維素微原纖或微原纖束)尺寸的FiberLab分析儀研究半成品的纖維長度。在通過在上文所述的分散型裝置中，以高稠度以三次通過來崩解纖維狀原料(氧化的纖維素、羧酸酯/鹽量為1.1毫摩爾/g)製備的半成品中，根據Tappi T 271om-07的長度加權平均纖維長度為0.36mm，而具有相同氧化水平且崩解至最終質量(成為NFC)的參考樣品的值為0.27mm。因此，可預計，在半成品中，可測量的長度加權平均纖維長度小於0.4mm。在任何情況中，半成品的值都比最終NFC的高。在數均分布中，0.00-0.20mm的纖維長度分數具有最大量的可通過所述方法檢測的纖維，而0.2-0.5mm和0.5-1.2mm分數具有的量較小。

半成品的運輸

在纖維狀纖維素原料崩解至第一崩解級別和可能的脫水之後，將半成品運輸至與生產位置不同的另一位置。半成品的乾物質至少為15重量％並低於80重量％，優選為20-60重量％以用於運輸。半成品的乾物質是纖維狀物質的量，纖維狀物質可以是纖維、纖維片段和從纖維上脫離的微原纖。

乾物質含量為20-60重量％，即不完全乾燥，是適用於運輸的，因為加工成本隨著從半成品中被去除的水的量而增加，特別是在較高的乾物質含量中，這也可能對半成品的可重複加工性產生不良影響。另一方面，低於20重量％材料變得粘著，且太多的水必需與產品一起運輸。

通常，還未完全原纖化和膠凝的纖維狀物質可比強親水性的最終產物(納米原纖纖維素)更容易脫水。

對於半成品的運輸，可使用對漿料而言常規使用的任何運輸方式。半成品可在封閉的剛性容器中，特別在運送容器或袋，特別是所謂的大袋，也稱為FIBC/可調式中間散貨集裝袋中運輸。因為含水量，容器或袋是防潮的以防止半成品的乾燥。可以通過公路車輛、火車或船，或甚至空運進行運輸。

半成品崩解至第二崩解級別(納米原纖纖維素)

將半成品運輸至目的地，使用位置，在該位置將半成品製成納米原纖纖維素，其是加工鏈的最終產品。

納米原纖纖維素(NFC)表示源自纖維素原材料的分離的纖維素微原纖或微原纖束的統稱。納米原纖纖維素通常具有高的縱橫比：其長度可超過1微米而其數均直徑通常低於200nm。納米原纖束的直徑也可以更大，但通常小於5μm。最小的納米原纖類似於所謂的初級原纖，通常其直徑為2-12nm。原纖維或原纖維束的尺寸取決於原材料和崩解方法。納米原纖化纖維素還可以包含一些半纖維素；含量取決於植物來源。採用合適的設備，如精製機、研磨機、均化器、膠體排除裝置、磨擦研磨機、超聲破碎器、流化器如微流化器、大流化器或流化器型均化器，從半成品進行納米原纖纖維素的機械崩解。崩解方法一定程度上取決於纖維狀原料的改性方法和纖維素的轉化程度。

與完全從纖維素漿料或預處理的纖維素漿料製備納米原纖纖維素的情況相比，因為纖維狀原料的纖維已在半成品中被崩解至第一崩解級別，所以由於在生產位置的崩解處理，可在使用位置採用較小容量的設備。崩解所需的能量(表示為kWh/噸或相應變量)也較少。另一方面，半成品可通過良好的設備容量得到高幹物質含量，並且提高其間的乾物質含量不會不利地影響最終NFC的製造過程。

在使用位置處，將半成品稀釋至合適的濃度，這取決於崩解方法。大部分情況中半成品的起始濃度為1-5％。以大約與半成品輸送至崩解的濃度相同的濃度從崩解流出NFC。因此，在使用地點，在崩解之前，將半成品稀釋至與終端應用的NFC所希望的相同濃度。但是，從崩解獲得的NFC的濃度可以調節用於最終用途。例如，可以在比NFC最終使用濃度更高的稠度下崩解半成品，並將崩解獲得的NFC稀釋至最終使用濃度。

在5-10，優選7-9的pH下進行對NFC的崩解。如果以酸形式將半成品供應至使用位置，在崩解前將pH提升至上述範圍。

納米原纖維纖維素也可以通過一些流變值來表徵。當以較低的濃度(1-2重量％)分散在水中時，NFC形成粘性凝膠，即「水凝膠」。NFC的特徵性特徵是它在水性分散體中的剪切稀化行為，可以看作粘度隨著剪切速率的增加而減少。此外，在材料開始易於流動之前，必須超過「閾值」剪切應力。該臨界剪切應力經常被稱作屈服應力。NFC的粘度可最佳地用零剪切粘度進行表徵，其對應於接近零的小剪切應力時，的恆定粘度的「平臺」。

在水性介質中0.8％的濃度下測量，半成品具有比NFC低得多的布氏粘度(10rpm)。另一方面，如圖7所示，半成品可以已經顯示屈服應力和零-剪切粘度。在用應力受控的旋轉流變儀在0.5％的樣品濃度(水性介質)下繪製的圖7的流變曲線中，以2.7％的稠度兩次通過分散器型裝置的羧酸鹽含量為0.81毫摩爾/g的氧化纖維素漿料樣品由白色方塊(樣品1)表示，而僅有一次通過的相同漿料的樣品由黑色方塊(樣品2)表示。雖然樣品2僅顯示出隨著應力值的增加的粘度值的平穩下降，而樣品1已產生了具有NFC凝膠典型形狀的流變曲線，具有在應力增加時在曲線中急劇下降之前的「平臺」，但零-剪切粘度顯著低於最終NFC。

應理解，可將半成品製成幾種級別從而在使用位置的使用者可訂購適合的級別，這取決於所需的NFC的最終性質和可獲得的崩解設備。布氏粘度是可用於表徵半成品的一個變量。各種級別的布氏粘度(在0.8稠度和10rpm下測量)為200-10000mPa.s。不同級別的子範圍可為200-2000，1000-4000，2000-7000或4000-10000mPa.s。具有不同布氏粘度的兩種或更多種級別可在同一子範圍內或在至少兩個不同的子範圍內。

在0.5％的濃度(水性介質)下用應力受控的旋轉流變儀測得的最終NFC的零-剪切粘度可在寬泛的範圍內變化，這取決於改性方法和轉化程度，其通常為1000-100000Pa.s，優選為5000-50000Pa.s。用同樣方法測得的NFC的屈服應力為1-50Pa，優選為3-15Pa。使用者可根據所需的納米原纖纖維素的性質和當在製備最終產品過程中使用設備時供應的半成品的級別來設定工藝變量。

此外，目標是為了獲得納米原纖維纖維素，在0.1重量％(水性介質)的稠度下，由濁度法測得其濁度一般低於80NTU，有益地為10至60NTU。

由半成品製備NFC的使用的位置可以是造紙廠，以及可根據在造紙廠的最終使用，通過稀釋、濃縮或從已在使用濃度下的半成品製備NFC進一步加工製備的NFC。NFC可以用於溼端添加到用於造紙的配料中，或者NFC可以添加到紙張塗料組合物中。由半成品製備NFC的其它位置可以是建築公司、複合材料製造商、藥品公司、化妝品製造商、食品公司、石油公司或塗料製造商。所述位置不限於所列的位置，而是可以將半成品分配到任何需要使用納米原纖纖維素的位置。

如果NFC濃縮物在那裡再分散，則由半成品製備NFC的使用位置可以已經具備所需設備，因為所述處理也可部分涉及再原纖化或甚至NFC的額外原纖化。根據設備的類型，使用與用於再分散NFC濃縮物相同的設備。作為使用已有設備的替代方案，當開始從半成品生產NFC時，使用的位置可從半成品的供應商處採購或租用設備。採購或租用的設備可以是崩解裝置本身，但其也可包括用於控制崩解工藝的儀器。所述儀器優選包括被放置在崩解裝置之前的溫度感應器和被放置在崩解裝置DIS之後的溫度感應器，以用於測量溫差，其等於在崩解過程中升高的溫度，並且是加工效率的測量。為測量納米原纖纖維素本身的性質，該儀器還包括在線濁度計，其可校準至供應的半成品級別並且之後校準至產生的納米原纖纖維素級別。該儀器還可包括基於壓力差的在線粘度計。

在圖1中，箭頭「TRANS」表明將崩解設備(設備)運輸至進行崩解(DIS2)至納米原纖纖維素的使用位置。所述設備具體是上文所述的分散型裝置(如附圖2和3中所述)，其中半成品流動通過幾個同軸反向旋轉轉子，從而通過不同反向旋轉轉子的作用，使得所述材料反覆經受剪切和撞擊力，或者所述半成品流動通過均化器，其中改性的纖維素漿料通過壓力作用經受均質化。

如果使用具有幾個同軸反向旋轉轉子的分散型裝置，則通過所述裝置的次數最多為2次，優選為1次，以獲得NFC的足夠粘度，以布氏粘度表示為高於15000mPa.s(在10rpm，0.8％NFC濃度下測量)。

圖5和圖6說明了使用圖2和3的分散型裝置從原料到最終NFC的整個過程。圖5顯示了布氏粘度的建立(以10rpm的旋轉速度，0.8％稠度測量)隨通過裝置的次數的變化，其中加入了脫水步驟。漿料的初始崩解稠度(濃縮步驟之前)為2.7％，pH為7.3，漿料的羧酸酯/鹽量為0.81毫摩爾/g。虛線表示濃縮步驟，其中半成品被酸化，並且通過過濾提升乾物質含量。濃縮步驟之後，用水稀釋半成品至崩解稠度，用鹼提升其pH，並在兩次通過裝置中崩解成最終NFC。一次通過的半成品的崩解濃度為2.8重量％，pH為10，兩次通過的半成品的值為分別為3.1重量％以及pH為7.4。

在濃縮步驟中，與比兩次通過的半成品相比，一次通過的半成品被濃縮至更高的乾物質含量。

可看到，在從原料至半成品的兩次通過中，可將布氏粘度提升至2000-4000mPa.s的水平。此外，在從半成品至NFC的兩次通過中，可得到NFC的布氏粘度遠高於15000mPa.s。當與圖7相比時，可看到，在濃縮之前在兩次通過中製備的半成品已顯示了NFC的流變特徵，因為其已部分膠凝並含有納米級原纖。

圖6說明了在圖5的過程中濁度的變化。兩個過程中都得到低濁度水平。

另一替代方案是在已經處於高固體含量，即高稠度的情況下，進行崩解至第一崩解級別，從而乾物質適用於運輸且可避免濃縮步驟。尤其是含有羧基的帶陰離子電荷的纖維素適合於該方法。可以使用圖2和圖3所示的分散型裝置，在三次通過裝置的情況下，以洗滌後的漿料的乾物質(20-30重量％)對化學改性的紙漿進行崩解。半成品以高的乾物質含量(20-30重量％)流出並且可就這樣被包裝和運輸。在目的地，半成品可以如上文所述被崩解成NFC，但由於不使用通過酸化的濃縮，可省略半成品的中和步驟。

圖8顯示當半成品最初在高稠度下製備時，漿料的氧化水平(羧酸酯/鹽量)對獲得的布氏粘度和濁度的影響。如前所述測量這些值。在崩解中，乾物質含量(dsc)為15％和25％。可以看出，崩解可以25％的較高稠度下良好地進行，具有良好的粘度結果，但優選羧酸酯/鹽含量足夠高。可以看出，當羧酸酯/鹽含量至少為1.05毫摩爾/g漿料時，粘度明顯升高，並且當羧酸酯/鹽含量為1.1毫摩爾/g或更高時獲得最佳結果。

圖9和10顯示了以低稠度直接崩解原料至NFC(REF)的常規過程，以及首先以高固體含量(HSF，「高固體原纖化」)將原料崩解至高固體半成品，在第二階段通過將半成品稀釋成低稠度並崩解來崩解至NFC的過程。B級的羧酸酯/鹽含量為1.1毫摩爾/g，A級為0.77毫摩爾/g。柱顯示作為結果說明的布氏粘度(圖9)和濁度(圖10)(如前述測量濃度)。B級獲得的布氏粘度為1500-2000mPa.s，而A級具有低於1毫摩爾/g的氧化水平，粘度保持非常低並且遠離適用於半成品的值。在分散型裝置中以3％稠度，半成品的僅一次通過就足夠將布氏粘度提高至高於20000mPa.s(最右邊的柱)，與用相同B級在相同總穿過次數(4)下但以3％稠度穿過裝置所獲得的參照物具有相同水平。濁度顯示相似的趨勢，通過高固體含量崩解和參照都可得到低於20NTU的值。

從而，通過在高稠度下，優選為15-30重量％崩解漿料，可將具有足夠纖維素氧化水平的纖維狀原料製成具有高固體含量的半成品，以及可通過一次通過將所述半成品製成具有高布氏粘度的NFC。

圖11顯示了如圖9和10中所述的相同材料的FiberLab分析結果，其中每個部分中的柱具有相同的順序。每個長度部分中可檢測的纖維的量以數字(個/毫克)表示。通過高固體半成品由B級製備的NFC顯示與參考物大致相同的基於數量的纖維長度分布(最右變的柱和最左邊的列)。在半成品(B級)中，數值最大的長度部分是0.00-0.20mm。