JP6839511B2 - セルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法 - Google Patents
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Description
本願発明のセルロースナノファイバーの製造装置は、セルロースナノファイバーを製造するための装置であり、上記スラリー中のパルプ繊維を粗解繊する1又は複数のコニカル型リファイナーと、上記スラリー中のパルプ繊維を微細化する高圧ホモジナイザーとを備える。具体的には、図1に示すように、本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造装置1は、スラリー中のパルプ繊維に対して、上記スラリー中のパルプ繊維を粗解繊する第1コニカル型リファイナー3及び第2コニカル型リファイナー4と、スラリー中のパルプ繊維を微細化する高圧ホモジナイザー5とをこの順に備える。
図5に示すように、本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造方法は、前処理工程(s1)及び微細化工程(s2)を備え、前処理工程(s1)は粗解繊工程(s1a)を備える。当該製造方法によれば、粗解繊工程(s1a)による前処理により、パルプ繊維が柔軟になり、予備的な解繊が効率的に生じ、後工程の微細化工程の短縮化、すなわち処理回数の低減化を図ることができる。以下、各工程を詳説する。
前処理工程(s1)は、スラリー中のパルプ繊維に対して前処理を施す工程であり、パルプ繊維を機械的な処理により微細化する前に、パルプ繊維に対して前処理を施す工程である。前処理工程(s1)は、粗解繊工程(s1a)を備える。以下に、セルロースナノファイバーの原料となるパルプ繊維について説明する。
広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)、広葉樹未晒クラフトパルプ(LUKP)等の広葉樹クラフトパルプ(LKP)、針葉樹晒クラフトパルプ(NBKP)、針葉樹未晒クラフトパルプ(NUKP)等の針葉樹クラフトパルプ(NKP)等の化学パルプ;
ストーングランドパルプ(SGP)、加圧ストーングランドパルプ(PGW)、リファイナーグランドパルプ(RGP)、ケミグランドパルプ(CGP)、サーモグランドパルプ(TGP)、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)、晒サーモメカニカルパルプ(BTMP)等の機械パルプ;
茶古紙、クラフト封筒古紙、雑誌古紙、新聞古紙、チラシ古紙、オフィス古紙、段ボール古紙、上白古紙、ケント古紙、模造古紙、地券古紙、更紙古紙等から製造される古紙パルプ;
古紙パルプを脱墨処理した脱墨パルプ(DIP)などが挙げられる。これらは、本発明の効果を損なわない限り、単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。
前処理工程(s1)の一つである粗解繊工程(s1a)は、スラリー中のパルプ繊維をコニカル型リファイナーにより粗解繊する工程である。コニカル型リファイナーが備える円錐台形状の固定刃と円錐台形状回転刃との間隙をスラリー中のパルプ繊維を通過させることで、パルプ繊維を叩解して前処理が施される。具体的には、上記間隙を極小さくして負荷をかけながら叩解するコニカル型リファイナーを用いた前処理により、パルプ繊維に対して剪断力が効果的に付与され、パルプ繊維に毛羽立ちが生じ、パルプ繊維が柔軟になり、予備的な解繊が生じる。コニカル型リファイナーとしては、例えば第1コニカル型リファイナー3として説明したもの等を用いることができる。
微細化工程(s2)は、前処理された上記スラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザー処理により微細化する工程である。本工程を経ることによりセルロースナノファイバーを得ることができる。本発明のセルロースナノファイバーの製造方法によれば、上述した2種類の前処理を行っているため、本微細化工程(s2)の短縮(処理回数の低減)を図ることができる。
化学的処理工程は、前処理工程の一つであり、スラリー中のパルプ繊維に対して、酸化処理、加水分解処理又はこれらの組み合わせからなる化学的処理を施す工程である。このような化学的処理を施すことにより、パルプ繊維中の化学結合の一部を分断すると共に、パルプ繊維を膨潤させることができる。このため、予備的な解繊がより効率的に生じ、後工程の微細化工程のより短縮化、すなわち処理回数のより低減化を図ることができる。
本願発明のセルロースナノファイバーの製造方法が化学的処理工程を備える場合、化学的処理工程と粗解繊工程とは、いずれの工程を先に行ってもよいが、化学的処理工程を先に行うことが好ましい。化学的処理工程及び上記粗解繊工程の順に行うことで、化学的前処理により膨潤したパルプ繊維に対して、コニカル型リファイナーにより剪断力が効率的に付与されるため、予備的な解繊の効率性を高め、消費エネルギー量を低減することができる。
本願発明のセルロースナノファイバーの製造装置は、化学的処理機構を備えなくてもよい。本願発明のセルロースナノファイバーの製造装置が化学的処理機構を備える場合、化学的処理機構とコニカル型リファイナーとは、コニカル型リファイナーが上流側、つまり化学的処理機構による化学的処理とコニカル型リファイナーによる粗解繊とのいずれが先に施されるように配設されて、化学的処理と粗解繊処理とが施されてもよい。また、コニカル型リファイナーは1つ備えられていてもよく、3つ以上備えられて粗解繊処理が施されてもよい。コニカル型リファイナーが複数備えられている場合、複数のコニカル型リファイナーは直列に接続されて粗解繊処理が施されなくてもよい。また、循環機構としては、パルプ繊維をコニカル型リファイナーに対して循環させることができればポンプに限定されず、公知のものを用いることができる。また、パルプ繊維をコニカル型リファイナーに対してパルプ繊維を循環させる循環機構が備えられていなくてもよい。また、改質手段、フィルタやスクリュープレス等の脱水手段、乾燥手段などが備られ、改質処理、脱水処理、乾燥処理等が施されてもよい。
前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維のファイン率の下限としては、例えば60%が好ましく、70%がより好ましく、75%がさらに好ましい。また、このファイン率の上限としては、例えば90%が好ましく、85%がより好ましい。このファイン率を上記下限以上とすることで、十分な前処理(解繊)が進んだパルプ繊維となり、微細化工程において効率的に更なる微細化を行うことができる。また、ファイン率を上記下限以上とすることで、微細化工程において高圧ホモジナイザーを用いて処理した際、パルプ繊維の流路内での詰まりの発生を低減することもできる。一方、このパルプ繊維のファイン率が上記上限以下とすることで、過剰に前処理、特に粗解繊処理を施すことを抑制することができ、製造工程全体としての、省エネルギー化及び高効率化を図ることができ、セルロースナノファイバーの生産性を高めることができる。なお、前処理工程と微細化工程との間に、パルプ繊維のファイン率を測定するファイン率測定工程を設けてもよい。ここで、「ファイン率」とは、繊維長が0.2mm以下、かつ繊維幅が75μm以下であるパルプ繊維の質量基準の割合をいう。このファイン率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定することができる。繊維分析計「FS5」は、希釈したセルロース繊維が繊維分析計内部の測定セルを通過する際の画像分析により高い精度でセルロース繊維の長さ、幅を測定できる。
前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維の平均繊維長としては特に限定されないが、下限としては、0.15mmが好ましく、0.2mmがより好ましく、0.25mmがさらに好ましい。一方、この上限としては、0.5mmが好ましく、0.4mmがより好ましい。このような繊維長のパルプ繊維を微細化工程に供することで、製造工程全体としての省エネルギー化及び高効率化を図ることができ、セルロースナノファイバーの生産性を高めることができる。
3 第1コニカル型リファイナー
4 第2コニカル型リファイナー
5 高圧ホモジナイザー
6 第1ポンプ
7 第2ポンプ
8 化学的処理機構
30 循環式コニカル型リファイナー
31 固定刃
32 回転刃
R 回転軸
310、320 穴
50 対向衝突型高圧ホモジナイザー
501 上流側流路
502 下流側流路
S1、S2、S3、S6、S7、S8 スラリー
X 合流部
s1 前処理工程
s2 微細化工程
s1a 粗解繊工程
Claims (7)
- スラリー中のパルプ繊維を粗解繊する1又は複数のコニカル型リファイナーと、
上記スラリー中のパルプ繊維を微細化する高圧ホモジナイザーと
をこの順に備え、
上記コニカル型リファイナーが、回転刃及び固定刃を備え、上記パルプ繊維が上記回転刃の側面と上記固定刃の側面との間に設けられる間隙を循環する循環式コニカル型リファイナーであり、
上記固定刃及び上記回転刃がパルプ繊維が通過する穴を備え、上記間隙に流入するスラリーの一部が上記穴から流出され、再度上記間隙に流入するセルロースナノファイバーの製造装置。 - 複数の上記コニカル型リファイナーを備え、
これらの複数のコニカル型リファイナーが直列に接続されている請求項1に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。 - 上記各コニカル型リファイナーに対してパルプ繊維を含むスラリーを循環させる循環機構をさらに備える請求項1又は請求項2に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。
- スラリー中のパルプ繊維に対して、酸化処理、加水分解処理又はこれらの組み合わせからなる化学的処理を施す化学的処理機構を上記コニカル型リファイナーの前にさらに備える請求項1、請求項2又は請求項3に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。
- 上記1又は複数のコニカル型リファイナーによる処理を経てファイン率が60%以上90%以下であるパルプ繊維が上記高圧ホモジナイザーに供される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。
- スラリー中のパルプ繊維に対して前処理を施す工程と、
前処理された上記スラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザー処理により微細化する工程と
をこの順に備えるセルロースナノファイバーの製造方法であって、
上記前処理工程が、
上記パルプ繊維をコニカル型リファイナーにより粗解繊する工程
を備え、
上記コニカル型リファイナーが、回転刃及び固定刃を備え、上記パルプ繊維が上記回転刃の側面と上記固定刃の側面との間に設けられる間隙を循環する循環式コニカル型リファイナーであり、
上記固定刃及び上記回転刃がパルプ繊維が通過する穴を備え、上記間隙に流入するスラリーの一部が上記穴から流出され、再度上記間隙に流入する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。 - 上記前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維のファイン率が60%以上90%以下である請求項6に記載のセルロースナノファイバーの製造方法。
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