JP6558702B2 - 成形体および成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
第1発明の成形体は、紙パルプ製造工程残渣を焼却処理して得られる製紙スラッジ焼却灰を主材料とする混合材料から製造された成形体であって、前記混合材料は、製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーと、を含有することを特徴とする。
第2発明の成形体は、第1発明において、前記混合材料に含まれる製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーの質量比が、95:5〜70:30であることを特徴とする。
第3発明の成形体は、第1または第2発明において、セルロースナノファイバーは、繊維幅が4〜500nm、繊維長が100nm〜100μmであることを特徴とする。
第4発明の成形体は、第1、第2または第3発明において、前記混合材料は、水分比率が35〜65重量%に調整された状態で混練されたものであることを特徴とする。
(成形体の製造方法)
第5発明の成形体の製造方法は、紙パルプ製造工程残渣を焼却処理して得られる製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーと、水と、を混合した材料を、圧縮脱水して乾燥することを特徴とする。
第6発明の成形体の製造方法は、第5発明において、製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーが、質量比において、95:5〜70:30となるように混合することを特徴とする。
第7発明の成形体の製造方法は、第5または第6発明において、セルロースナノファイバーは、繊維幅が4〜500nm、繊維長が100nm〜100μmであることを特徴とする。
第8発明の成形体の製造方法は、第5、第6または第7発明において、圧締圧力が、1〜30MPaであることを特徴とする。
第9発明の成形体の製造方法は、第5、第6、第7または第8発明において、混合した材料の水分比率を、35〜65重量%とすることを特徴とする。
第1発明によれば、セルロースナノファイバーが混合されているので、成形体の強度を高くすることができる。しかも、セルロースナノファイバーの混合割合を変化させることによって、成形体の強度や密度などの性質を調整することができる。
第2発明によれば、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーの混合状態が適切な割合に調整されているので、成形体の強度を一定以上に維持しつつその形状安定性を高くすることができる。
第3発明によれば、セルロースナノファイバーが適切なサイズに調整されているので、成形体の強度を高くしやすくなる。
第4発明によれば、混合材料が適切な水分比率に調整された状態で混練されているので、セルロースナノファイバーを均一に混合させることができる。しかも、混合材料の流動性もある程度維持できるので、成形性を向上させることができる。
(成形体の製造方法)
第5発明によれば、セルロースナノファイバーを混合して成形体を製造するので、製造された成形体の強度を高くすることができる。
第6発明によれば、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーの混合状態が適切な割合に調整されているので、成形体の強度を一定以上に維持しつつ、成形時の寸法安定性を高くすることができる。
第7発明によれば、セルロースナノファイバーが適切なサイズに調整されているので、成形体の強度を高くしやすくなる。
第8発明によれば、適切な圧力で圧縮するので、成形体の密度および強度を適切な状態に調整することができる。
第9発明によれば、適切な水分比率に調整して混練しているので、セルロースナノファイバーを均一に混合させることができる。しかも、材料の流動性もある程度維持できるので、成形性を向上させることができる。
まず、本発明の成形体の製造方法について説明する。
本発明の成形体は、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーと水と(必要な場合には補助材料と)を混合した混合材料から圧締や乾燥等の方法で水分を除去すれば、製造することができる(図1参照)。
上記のように、成形体を製造した場合、乾燥して固化させる前の処理、つまり、脱水処理の状況に応じて、同じ混合材料を使用しても、乾燥後の成形体の性質は変化する。具体的には、同じ混合材料を使用した場合でも、脱水処理の状況を変化させれば、成形体の密度や強度を変化させることができる。したがって、脱水処理の状況を変化させるだけで、同じ混合材料から、種々の用途に適した成形体を形成することができる。
上述したように、脱水状況によって乾燥前の混合材料の密度や水分比率を調整することができるが、圧縮脱水すれば、密度や水分比率をより細かく調整することが可能となる。つまり、圧縮脱水する場合には、圧縮の際に加える力を調整することで、乾燥前の混合材料の密度や水分比率を調整することができる。乾燥前の混合材料の密度や水分比率は、乾燥後の成形体の密度や強度に影響する。したがって、乾燥前の混合材料を適切な圧縮力で圧縮して脱水を行えば、成形後の成形体の密度および強度を適切な状態に調整することができる。
また、成形体を所定の強度を維持しつつ軽量化を実現する上では、圧縮脱水する圧縮力は10〜30MPaが望ましい。
一方、成形体として、強度よりも軽量化が重視される場合には、圧縮脱水する圧縮力は1〜20MPaが望ましい。
混合材料は、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーと水とを混合して混練して製造される。また、補助材料を添加する場合には、上記材料に補助材料を添加して混練して製造される。かかる混練する際に、製紙スラッジ焼却灰およびセルロースナノファイバー(必要な場合には補助材料)と混合する水の量、つまり、混合材料の水分量はとくに限定されない。
なお、乾燥後の成形体の含水率はとくに限定されない。成形体を使用する用途に応じて、適切な含水率となるようにすればよい。例えば、石膏ボードが使用されている用途に成形体を使用する場合であれば、乾燥後の成形体の含水率は3%以下が望ましい(JIS A 6901参照)。ケイ酸カルシウム板が使用されている用途に成形体を使用する場合であれば、乾燥後の成形体の含水率は5%以下が望ましい。
また、強度や寸法安定性を考慮すれば、乾燥後の成形体の含水率は3%以下程度が望ましい。
上述したように、本発明の成形体に使用される混合材料は、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーと水(必要な場合には補助材料)から作製されている。
混合材料は、主として、製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーと、水と、を混合して作製されているが、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーの混合割合は、とくに限定されない。しかし、セルロースナノファイバーの割合が少なすぎれば、セルロースナノファイバーによる強度向上効果を十分に得られない可能性がある。一方、セルロースナノファイバーの割合が多すぎると、混練が難しくなったり強度が高くなり加工性が悪くなったりするなどの問題が生じる可能性がある。
本発明の成形体の主原料となる製紙スラッジ焼却灰は、製紙工程の排水等を処理した際に発生する製紙スラッジを焼却処理(例えば、800℃〜900℃程度の燃焼温度で焼却)した際に回収される焼却灰のことである。かかる製紙スラッジ焼却灰は、通常、粒子状の物質であり、内部に多数の空隙を有している。
製紙スラッジ焼却灰は、原料となる製紙スラッジを焼却すれば製造することができるが、製紙スラッジを焼却する方法やその設備はとくに限定されない。例えば、一般的な焼却装置(例えば、流動床焼却炉や、ストーカー炉、ロータリーキルン)を、製紙スラッジを焼却する設備として採用することができる。かかる焼却装置で製紙スラッジを焼却すれば、製紙スラッジ焼却灰を得ることができる。
本発明の成形体の主原料となる製紙スラッジ焼却灰を構成する物質、つまり、製紙スラッジ焼却灰に含まれる成分はとくに限定されない。製紙スラッジ焼却灰は、一般的な製紙スラッジに含まれる無機物質に由来する成分、例えば、カルシウム(Ca)やケイ素(Si)、アルミニウム(Al)などの元素を含んでいればよい。
また、製紙スラッジ焼却灰の粒子径はとくに限定されない。上述した焼却灰回収装置で回収された焼却灰は、種々の粒子径を有している。例えば、バグフィルターで回収されるバグフィルター灰は、通常、粒子径が20μm以下のものを含んでいるが、サイクロンで回収されるサイクロン灰は、通常、粒子径が1000μm以下のものを含んでいる。したがって、製紙スラッジ焼却灰として、バグフィルター灰を使用すれば、粒子径が20μm以下のものが大部分を占める製紙スラッジ焼却灰となるし、サイクロン灰を使用すれば、粒子径が1000μm以下のものであって、粒子径が20μm以下のものが比較的少ない製紙スラッジ焼却灰となる。そして、バグフィルター灰とサイクロン灰の両方を使用すれば、粒子径が1000μm以下で所望の粒度分布を有する製紙スラッジ焼却灰となる。
セルロースナノファイバーは、一般的なセルロースナノファイバーを使用することができ、その原料や製造方法はとくに限定されない。
混練した混合材料は、型枠(80mm×10mm)に入れて、20MPaの圧力で5分間圧締した。圧締は、手動のプレス機を使用して行った。
また、成形直後と養生後(風乾後)の成形体寸法を測定した。
まず、各成形体の曲げ強度と密度を測定した。
曲げ強度は、三点曲げ試験により、破断時の最大荷重(N)を測定し、この最大荷重(N)と成形体の寸法から曲げ応力(MPa)を計算した。なお、三点曲げ試験における支点間距離は50mmである。
また、成形体の密度は、成形体の重量と体積から求めた。
図2(A)に示すように、セルロースナノファイバーを添加した実施例1〜8では、製紙スラッジ灰だけからなる比較例1よりも曲げ強度が向上することが確認された。また、製紙スラッジ灰に叩解パルプを添加した比較例2、3よりも曲げ強度が向上することが確認された。したがって、セルロースナノファイバーの添加により、曲げ強度を向上させることができることが確認された。
同様に、セルロースナノファイバーを20重量%以上添加した実施例5でも、セルロースナノファイバーを5、10重量%添加した実施例3、4に比べて、急激に曲げ強度が増加することが確認された。
つぎに、成形体を製造した際に、乾燥過程における収縮による形状変化を確認した。形状変化は、養生前後の成形体の寸法の減少率によって評価した。
一方、比較例1〜3では、0.0%(比較例1)、3.0%(比較例2)、5.1%(比較例3)であった。
そして、セルロースナノファイバーの添加量が多くなれば単純に曲げ強度が増加するのではなく、何らかの要因によって、特定の添加量で曲げ強度の変化が生じることが推測された。
また、圧締する際の圧力が曲げ強度などに与える影響を確認した。
実験では、実施例3の混合材料を使用して、圧締する際の圧力だけを変化させて上記成形体を製造した。
セルロースナノファイバーや叩解パルプを添加した場合に、製紙スラッジ焼却灰だけの場合に比べて、程度の差はあるものの、曲げ強度が向上している。そこで、セルロースナノファイバーや叩解パルプの添加が成形体の内部構造に与える影響を調べるために、成形体の破断面をSEMで観察した。
図3(a)に示すように、比較例1の断面には、黒丸で示した板状の結晶部と(b)に示すように、ナノオーダー幅の微細な針状結晶が確認された。蛍光X線分析結果では、製紙スラッジ焼却灰の構成成分がセメントと類似していた。そこで、XRDを用いて結晶構造を確認したところ、セメントの主要成分であるエーライト、ビーライトと複数のピークが一致していたものの、ピークは完全には一致していなかった。つまり、製紙スラッジ焼却灰の硬化する現象は、セメントとは異なることが推測された。
図4(B)に示すように、セルロースナノファイバーは、製紙スラッジ焼却灰の粒子や結晶や水和物の隙間に位置して結晶などを連結しているだけでなく、製紙スラッジ焼却灰の粒子内部に侵入していることが確認できる。つまり、製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーの結合は、単に表面での結合ではなく、セルロースナノファイバーが製紙スラッジ焼却灰の内部まで侵入することによってより強固に結合していることが確認された。つまり、製紙スラッジ焼却灰の粒子同士をセルロースナノファイバーの紐が縫ったような状態になって製紙スラッジ焼却灰の粒子同士を連結しているような状態となっており、この構造が成形体の強度に寄与している可能性がある。
Claims (9)
- 紙パルプ製造工程残渣を焼却処理して得られる製紙スラッジ焼却灰を主材料とする混合材料から製造された成形体であって、
前記混合材料は、
製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーと、を含有する
ことを特徴とする成形体。 - 前記混合材料は、
製紙スラッジ焼却灰とセルロースナノファイバーの質量比が、95:5〜70:30である
ことを特徴とする請求項1記載の成形体。 - セルロースナノファイバーは、
繊維幅が4〜500nm、繊維長が100nm〜100μmである
ことを特徴とする請求項1または2記載の成形体。 - 前記混合材料は、
水分比率が35〜65重量%に調整された状態で混練されたものである
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の成形体。 - 紙パルプ製造工程残渣を焼却処理して得られる製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーと、水と、を混合した材料を、圧縮脱水して乾燥する
ことを特徴とする成形体の製造方法。 - 製紙スラッジ焼却灰と、セルロースナノファイバーが、質量比において、95:5〜70:30となるように混合する
ことを特徴とする請求項5記載の成形体の製造方法。 - セルロースナノファイバーは、
繊維幅が4〜500nm、繊維長が100nm〜100μmである
ことを特徴とする請求項5または6記載の成形体の製造方法。 - 圧締圧力が、1〜30MPaである
ことを特徴とする請求項5、6または7記載の成形体の製造方法。 - 混合した材料の水分比率を、35〜65重量%とする
ことを特徴とする請求項5、6、7または8記載の成形体の製造方法。
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