JP2018204125A - セルロースナノファイバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セルロースナノファイバーを省資源且つ短時間で製造するセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。【解決手段】セルロースナノファイバーの製造方法は、抄紙工程で発生する製紙スラッジを回収する工程と、製紙スラッジに含まれる短繊維を加水した状態で磨砕機で微細化し、セルロースナノファイバーを製造する工程と、を含む。製紙スラッジに含まれる繊維は、加水されることにより粘度が増大し、効率的に磨砕される。【選択図】図１

Description

本発明は、セルロースナノファイバーの製造方法に関するものであり、特に、微細繊維を含む製紙スラッジを用いたセルロースナノファイバーの製造方法に関するものである。

従来より、パルプ繊維等から製造されたセルロースナノファイバーが知られている。セルロースナノファイバーは、軽量、高強度、熱安定性等に優れており、様々な用途での利用が期待されている。

このようなセルロースナノファイバーの製造方法として、木材、木材以外の繊維原料及び古紙等のパルプ繊維を過硫酸類と混同させることにより、パルプ繊維を加水分解して膨潤させ、このパルプ繊維を水中に分散した状態で微細化するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０４３６７７号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明では、セルロースナノファイバーの製造に際して多量の木材等を用意する必要があり、資源問題や環境問題の観点から好ましくない。

また、長短入り混じったパルプ繊維からセルロースナノファイバーを製造する場合、パルプ繊維を解繊して細かく解きほぐすまでに長時間を要するという問題があった。

そこで、セルロースナノファイバーを省資源且つ短時間で製造するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、セルロースナノファイバーの製造方法であって、抄紙工程で発生する製紙スラッジを回収する工程と、前記製紙スラッジに含まれる短繊維を加水した状態で微細化して、前記セルロースナノファイバーを製造する工程と、を含むセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。

この構成によれば、抄紙工程で発生する廃棄物としての製紙スラッジからセルロースナノファイバーを得られるため、省資源でセルロースナノファイバーを製造することができる。さらに、製紙スラッジに含まれる繊維長の短い繊維を微細化するため、短時間でセルロースナノファイバーを製造することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記製紙スラッジは、磨砕機で微細化されるセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の構成において、前記製紙スラッジは、第１の砥石で粗磨砕された後に、前記第１の砥石より細かい砥石粒度の第２の砥石で微磨砕されるセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。

請求項４記載の発明は、請求項１から３の何れか１項記載の構成において、前記短繊維は、着色されているセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。

請求項５記載の発明は、請求項１から４の何れか１項記載の構成において、前記短繊維を微細化する工程の前に、前記短繊維を脱水する工程を含むセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。

本発明によれば、抄紙工程で発生する廃棄物としての製紙スラッジからセルロースナノファイバーを得られるため、省資源でセルロースナノファイバーを製造することができる。さらに、製紙スラッジに含まれる繊維長の短い短繊維を微細化するため、短時間でセルロースナノファイバーを製造することができる。

本発明に係るセルロースナノファイバーの製造方法の手順を示すフロー図である。 本発明の一実施例で用いられた粗磨砕前の繊維のＳＥＭ画像である。 本発明の一実施例で用いられた粗磨砕後の繊維のＳＥＭ画像である。 本発明の一実施例で用いられた微磨砕後の繊維のＳＥＭ画像である。

本発明は、セルロースナノファイバーを省資源且つ短時間で製造するという目的を達成するために、セルロースナノファイバーの製造方法であって、抄紙工程で発生する製紙スラッジを回収する工程と、製紙スラッジに含まれる短繊維を加水した状態で微細化して、セルロースナノファイバーを製造する工程と、を含むことにより実現した。

本発明に係るセルロースナノファイバーの製造方法について、図面に基づいて説明する。図１は、木材由来のパルプからセルロースナノファイバーを製造する手順を示すフローチャートである。なお、セルロースナノファイバーの原料となるパルプは、セルロースを含有するものであればよく、例えば、木材以外の繊維を主成分としたものや古紙等を原料としたものであっても構わない。

［パルプ化工程］
まず、木材から取り出されたチップを蒸解してパルプ（セルロース繊維）を取り出す。その後、パルプに付着した異物を除去してパルプを洗浄し、パルプを漂白する。パルプを加水した紙料には、公知の着色剤（染料又は顔料）や紙力増強剤等の添加剤が添加される。

［抄紙工程］
抄紙工程では、公知の抄紙機を用いて紙料を紙に抄く。例えば、液状の紙料を均一に広げ、紙料を搾水して乾燥させ、紙料の表面を平滑化した後に、紙料を巻き取ることにより紙製品を得る。

［スラッジ回収工程］
抄紙工程において紙料を広げたり搾水する際に排出された製紙スラッジを回収する。製紙スラッジに含まれる繊維は、抄紙工程で紙に定着しなかったものであり、抄紙工程で紙製品に含まれる繊維と比べて繊維長が短い。以下、製紙スラッジに含まれる繊維を「短繊維」と称す。

［脱水工程］
回収した製紙スラッジを脱水するのが好ましい。後述する微細化工程の前に、製紙スラッジに含まれる水分量を低減することにより、短繊維を微細化する際の加水量を適切に管理することができる。

［微細化工程］
短繊維を加水して状態で短繊維の繊維幅が所望の値まで狭くなるように短繊維を微細化することにより、ゲル状のセルロースナノファイバーを得る。繊維の微細化は、短繊維を機械的に解繊するものであれば良く、例えば石臼式磨砕機を用いて行われるが、これに限定されるものではない。

石臼式磨砕機を用いて短繊維を解繊する場合には、短繊維が上下２枚の無気孔砥石の間を通過する際のせん断力等によって次第に磨り潰されることにより、均一なセルロースナノファイバーを得ることができる。

石臼式磨砕機で解繊された短繊維は、繊維幅が狭くなるように解きほぐされると共に繊維長も徐々に短くなることで微細化される。このようにして、短繊維は、当初は水中に沈殿しているものの、微細化が進むことにより水中に拡散して懸濁液を成す。

短繊維に加水すると、短繊維を含む水の粘度が増大するため、磨砕機等で短繊維を挽いた際にせん断力が作用し易くなり、短繊維を容易に解繊することができる。

短繊維は、段階的に微細化されるのが好ましい。具体的には、繊維幅１０ｕｍ程度の短繊維を一種類の砥石でシングルナノ（＜１０ｎｍ）まで短くすることは難しいため、例えば、粗い粒度の砥石で短繊維の繊維幅を１／１００程度に狭くした後に、細かい粒度の砥石でさらに繊維幅を１／１００程度に狭くする等、複数の工程を経て短繊維を微細化するのが好ましい。

また、上述した粗磨砕及び微磨砕は、短繊維に多量の水を加水して一度に所望の繊維長まで微細化するよりも、短繊維に少量の水を加水した後に微細化することを繰り返して、徐々に短繊維を微細化する方が、製紙スラッジに含まれる短繊維を均一に短くすることができる。

また、紙料を有色に着色する着色剤が添加された場合には、短繊維も有色に着色される。この有色の短繊維を加水状態で微細化することにより、有色のセルロースナノファイバーを得ることができる。

白色の短繊維を微細化して白色のセルロースナノファイバーを得た後に、着色剤等でセルロースナノファイバーを着色しようとしても、高粘度のセルロースナノファイバーに着色剤を均一に混合することは困難である。また、着色剤を混合させる際に、空気がセルロースナノファイバーに混入することは避けられない。一方、短繊維自体が着色されていることにより、短繊維の色に応じた有色のセルロースナノファイバーを得ることができる。

次に、本発明の一実施例に係るセルロースナノファイバーを説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

家庭紙の抄紙工程で排出された製紙スラッジを回収した。製紙スラッジには、青色の染料が混合された紙料から排出されたものを用いた。すなわち、製紙スラッジに含まれる短繊維は、染料で着色された青色繊維である。

製紙スラッジを磨砕機（増幸産業株式会社製、型番：ＭＫＣＡ６−５ＪＲ）を用いて微細化した。

具体的には、まず、磨砕機に番手１６＃〜２４＃の第１の砥石を取り付けた。そして、製紙スラッジ１．５ｇに対して純水１３．５Ｌを加水し、製紙スラッジを第１の砥石で２〜２０分間に亘って回転数１２００〜１８００ｒｐｍで粗磨砕した。本実施例では、粗磨砕の進行状況に応じて製紙スラッジの加水及び粗磨砕を１〜６回繰り返した。

粗磨砕前の製紙スラッジに含まれる短繊維のＳＥＭ画像を図２に示す。図２に示す粗磨砕前の短繊維は、繊維幅が１０ｕｍ程度であった。

また、粗磨砕後の短繊維のＳＥＭ画像を図３に示す。なお、図３中の矢印は、粗磨砕後の製紙スラッジに含まれる１本の短繊維を示している。図３に示す粗磨砕後の短繊維は、繊維幅が数十〜数百ｎｍであった。

すなわち、短繊維を粗磨砕することにより、繊維幅が約１／１００〜１／１０００まで狭くなっている。また、短繊維が解繊されることにより、繊維長も同様に短くなっている。

その後、磨砕機に番手２４＃〜１２０＃の第２の砥石を取り付けた。そして、製紙スラッジを第２の砥石で２０〜６０分間に亘って回転数１２００〜１８００ｒｐｍで微磨砕した。本実施例では、微磨砕の進行状況に応じて製紙スラッジの微磨砕を１〜３回繰り返した。このようにして得られたゲル状のセルロースナノファイバーは、含水比９８％であった。

微磨砕後の短繊維のＳＥＭ画像を図４に示す。なお、図４中の矢印は、微磨砕後の製紙スラッジに含まれる１本の短繊維を示している。図４に示す微磨砕後の短繊維は、繊維幅が数〜数百ｎｍであった。

すなわち、短繊維を微磨砕することにより、繊維幅が約１／１０〜１／１００まで狭くなっている。また、繊維長も同様に短くなっている。なお、微磨砕後の製紙スラッジに含まれる全ての短繊維が、シングルナノを達成する必要はなく、少なくとも１つの短繊維がシングルナノに達する程度に短繊維全体が十分に解繊されるものであればよい。

このようにして得られたセルロースナノファイバーは、抄紙工程で発生する廃棄物としての製紙スラッジからセルロースナノファイバーを得られるため、省資源でセルロースナノファイバーを製造することができる。さらに、製紙スラッジに含まれる短繊維を微細化するため、短時間でセルロースナノファイバーを製造することができる。

また、予め着色された短繊維を用いてセルロースナノファイバーを製造することにより、短繊維の色に応じた有色のセルロースナノファイバーを得ることができる。

なお、本発明は、上記した変形例の構造以外にも本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

Claims (5)

1. セルロースナノファイバーの製造方法であって、
   抄紙工程で発生する製紙スラッジを回収する工程と、
   前記製紙スラッジに含まれる短繊維を加水した状態で微細化して、前記セルロースナノファイバーを製造する工程と、
   を含むことを特徴とするセルロースナノファイバーの製造方法。
2. 前記製紙スラッジは、磨砕機で微細化されることを特徴とする請求項１記載のセルロースナノファイバーの製造方法。
3. 前記製紙スラッジは、第１の砥石で粗磨砕された後に、前記第１の砥石より細かい砥石粒度の第２の砥石で微磨砕されることを特徴とする請求項２記載のセルロースナノファイバーの製造方法。
4. 前記短繊維は、着色されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のセルロースナノファイバーの製造方法。
5. 前記短繊維を微細化する工程の前に、前記短繊維を脱水する工程を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のセルロースナノファイバーの製造方法。