JP2007169404A - ハイドロゲルの粒状物の乾燥方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイドロゲルの粒状物を接着させることなく容易に乾燥する方法を提供する。
【解決手段】カルボキシメチルセルロースと水とを混合して得たペースト状物に放射線を照射し、ハイドロゲルの塊状物を製造した。このハイドロゲルの塊状物を小さく予備細断し、得られたハイドロゲル細断片４０を押出し機３１に投入して押出しを行った。押出し機３１で細かく破砕されたハイドロゲル粒状物４１を、コンベヤ４で熱風乾燥装置２に順次供給した。熱風乾燥装置２内においては、送り出し口２０ｂから吹き込まれた熱風がコンベヤ４の下方に送られ、整流部１２の複数の受風板１８ａ…１８ｆによりコンベヤ４の底に導かれる。そして、コンベヤ４の底から吹き上がってくる熱風が、ハイドロゲル粒状物４１を舞い上がらせ、空中で踊るように運動させて、攪拌しつつ乾燥させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ハイドロゲルの粒状物を乾燥する方法に関する。

多量の水を含んだゲル状物であるハイドロゲルは、例えば以下のようにして製造される。すなわち、水溶性の高分子化合物と水とを混合して得たペースト状物に放射線を照射すると、高分子化合物が網目状に架橋してハイドロゲルが生成する。このハイドロゲルから水分を除去した乾燥物は、極めて優れた吸水性を有していて、自己体積の数百倍の水を吸収することができる。また、吸収した水の保持性が優れており、多少の圧力が加えられてもハイドロゲルから水が抜け出ることはない。
このような性質を有していることから、ハイドロゲル及びその乾燥物は吸水材，保水材等として使用されている。例えば、使い捨てオムツの吸水材、農業分野の土壌改良剤、家畜等の糞尿の処理剤の他、医療用品としても使用されている。

特開２００１−３２９０７０号公報 特開２００３−４８９９７号公報 特開２００４−５９９２６号公報

前述のような方法でハイドロゲルを製造すると、通常はハイドロゲルの大きな塊状物が得られるので、前述のような用途で使用するために、ハイドロゲルは細かい粒状に破砕され、さらに乾燥される。
しかしながら、ハイドロゲルは優れた吸水性を有しているため、短時間で効率良く乾燥することは容易ではなかった。また、ハイドロゲルは粘着性を有しているので、乾燥中に粒状物同士が接着しやすいという問題があった。
そこで、本発明は前述のような従来技術が有する問題点を解決し、ハイドロゲルの粒状物を接着させることなく容易に乾燥する方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法は、網目状に架橋した高分子化合物が多量の水を含んでなるハイドロゲルの粒状物を乾燥する方法であって、前記粒状物は、前記ハイドロゲルの塊状物を予備細断し多数の細断片とした上でスクリュー押出し機に投入して押出すことにより粒状に破砕したものであり、前記粒状物の下方から気流を吹き上げさせて前記粒状物を前記気流により撹拌させつつ加熱することを特徴とする。
また、本発明に係る請求項２のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法は、請求項１に記載のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法において、底部に通気孔を有する容器に前記粒状物を入れ、前記容器の複数を列状に並べて連続的に移動させながら、前記容器の下方から前記気流を送りつつ加熱することを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項３のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法は、請求項２に記載のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法において、複数の送気口を前記容器の列に沿って前記容器の下側に設けるとともに、それら複数の送気口を前記容器の列の左右に順次交互に配して、前記送気口から前記粒状物に当たる前記気流の方向が、前記粒状物の移動に沿って左右交互に繰り返すようにしたことを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項４のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法において、前記高分子化合物がカルボキシメチルセルロース及びカルボキシメチルデンプンの少なくとも一方であることを特徴とする。

本発明のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法によれば、ハイドロゲルの粒状物を接着させることなく容易に乾燥することができる。

本発明に係るハイドロゲルの粒状物の乾燥方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、ハイドロゲルの製造方法について説明する。カルボキシメチルセルロース（カルボキシル基の水素をナトリウムで置換したもの）と水（純水，イオン交換水，蒸留水が好ましい）とを攪拌機に投入し、十分に混合してペースト状とする。このペースト状物を板状の型（例えば幅３００ｍｍ，長さ４５０ｍｍ，厚さ４０ｍｍ）に流し込み、常温で放射線を照射すると、線状の高分子化合物であるカルボキシメチルセルロースが架橋反応を起こして網目状構造を形成し、水に不溶性のハイドロゲルとなる。ハイドロゲルは水を多量に含んでおり、この水は多少の圧力が加えられても抜け出ることはない。

高分子化合物の混合割合は特に限定されるものではないが、全体の１０〜６０質量％が好ましく、５０〜６０質量％がより好ましい。高分子化合物の混合割合が多すぎると水が均一に分散しにくくなり、逆に少なすぎると架橋反応が生じにくくなったりハイドロゲル中に水を保持しきれなくなるおそれがある。
また、高分子化合物の種類は、ハイドロゲルを形成可能な水溶性の高分子化合物ならばカルボキシメチルセルロースに限定されるものではなく、カルボキシメチルデンプン，ポリアクリル酸ナトリウム，アクリルアミド，ポリビニルアルコール，ポリエチレンオキサイド，ポリビニルピロリドン等も使用可能である。ただし、カルボキシメチルセルロース及びカルボキシメチルデンプンは生分解性を有しているので、土壌中に埋設処理した場合に分解して土壌中に残留しないという長所がある。

さらに、高分子化合物の分子量（架橋前の分子量）は特に限定されるものではないが、通常は数百から数万のものが使用される。
さらに、ハイドロゲルには、所望によりデンプン等の添加剤を混合しても差し支えない。添加剤を混合する場合には、高分子化合物と添加剤と水とを混合してペースト状とし、放射線を照射してハイドロゲルを生成させる。なお、カルボキシメチルセルロース又はカルボキシメチルデンプンにデンプンを併用する場合には、カルボキシメチルセルロース又はカルボキシメチルデンプン１００質量部に対して、２０〜４００質量部のデンプンを用いることが好ましく、１００質量部用いることがより好ましい。

さらに、放射線の種類は特に限定されるものではないが、ガンマ線，電子線，Ｘ線等が好ましい。ハイドロゲルを工業的に生産することを考慮すると、コバルト６０を線源とするガンマ線や加速器を線源とする電子線が特に好ましい。
さらに、放射線の照射量は、架橋反応が生じてハイドロゲルが形成されるならば特に限定されるものではないが、通常は０．１〜１０００ｋＧｙであり、好ましくは５〜１０ｋＧｙである。照射量が少ないと、架橋反応が不足して水の保持性が不十分となるおそれがある。一方、照射量が多すぎると、架橋反応が過剰となる場合がある。
なお、架橋反応は放射線により生じさせることが好ましいが、高分子化合物の種類等によっては熱や化学薬品により生じさせることも可能である。

次に、ハイドロゲルの粒状化方法について説明する。ハイドロゲルの粒状化は、図１に示すようなスクリュー押出し機によって行う。スクリュー押出し機の種類，大きさ等は特に限定されるものではなく、例えば一軸押出し機でもよいし二軸押出し機でもよい。また、スクリューの形状も特に限定されるものではなく、ハイドロゲルやその乾燥物の用途に応じた大きさに破砕できるようなスクリューを選択するとよい。

ハイドロゲルを押出し機に投入する際には、ハイドロゲルが押出し機に安定的に供給されるように、前記型から取り出した板状のハイドロゲル（塊状物）を予め細断し、細断されたハイドロゲルを投入することが好ましい。押出し機の種類やハイドロゲルの性状によっては、細断せず塊状物のままでも多少は押出し機に供給される場合もあるが、ハイドロゲルが押出し機に安定的に供給されるようにするためには、通常は予備細断を行うことが好ましい。

予備細断においては、スクリューに形成された螺旋状溝の幅（ホッパーが取り付けられたシリンダーの開口部に露出している部分、すなわちハイドロゲルが投入される部分に形成されている螺旋状溝の幅）よりも小さくハイドロゲルを細断することが好ましい。通常は、一辺が１５〜２０ｍｍ程度の直方体に細断する。そうすれば、ハイドロゲル細断片がスクリューの螺旋状溝内に入り込むため、ハイドロゲル細断片がスクリューによって安定的に押出し機内に送り込まれる。

ハイドロゲルの細断方法は特に限定されるものではないが、ハイドロゲルは高靱性，高弾性，高粘着性を有するため、効率良く細断するためにはハイドロゲルに強い剪断力が作用するような方法が好ましい。例えば、刃を上下に動かすギロチン式や回転刃式やハサミ式が好ましい。前後に刃を動かすカッター式は、ハイドロゲルが粘着性を有するため細断しにくい。

なお、ハイドロゲル細断片の形状や大きさは、必ずしも揃っている必要はない。また、ハイドロゲル細断片が小さいほどスクリューへの噛み込みがよく、押出し時間を短縮できるが、通常の切断方法でハイドロゲルを細かく切断することは容易ではないので、両者のバランスを考慮してハイドロゲル細断片の大きさを決定するとよい。
このようにして細断した多数のハイドロゲル細断片４０を押出し機３１のホッパー３２に投入し、押出しを行う。その際には、加熱や冷却をしなくても差し支えない。ハイドロゲル細断片４０はホッパー３２から押出し機３１内へ順次投入され、スクリュー３３によりシリンダー３４内を送られて、スクリュー３３とシリンダー３４の内壁との間で剪断力と圧縮力を受けて破砕され、さらに細かくされる。

詳述すると、ハイドロゲル細断片４０はスクリュー３３の先端に近づくにしたがって過密になっていくので、スクリュー３３とハイドロゲル細断片４０との間、シリンダー３４とハイドロゲル細断片４０との間、及びハイドロゲル細断片４０同士の間に生じた圧力と摩擦力により、ハイドロゲル細断片４０は強い剪断力と圧縮力とを受け、次第に細かく破砕されつつダイス３５の手前の室３６に送られる。前記の破砕と同時に、表面に多数の微細な割れが生じる。

ダイス３５の手前の室３６に送られたハイドロゲル細断片４０は、後続のハイドロゲル細断片４０によりさらに圧縮され揉まれて前記の割れの発生と破砕が進行し、この状態でダイス孔３５ａから出される。ハイドロゲル細断片４０は、スクリュー３３を通過してダイス３５の手前の室３６まで送られた段階でほぼ十分に破砕されているが、圧縮された状態でもダイス孔３５ａの直径よりも大きいハイドロゲル細断片４０は、ダイス孔３５ａを通過する際にさらに破砕され細かくなる。そして、ダイス孔３５ａから出ると、殆どのものはひも状の連続した形状とはならずに、適当な長さで自然に切れて粒状（ハイドロゲル粒状物４１）となり、一部は２０ｍｍ程度の長さのものもあるが、表面に多数の割れがあるためボロボロと切れて細かくなる。

押出し機３１内ではハイドロゲルに高い圧力が作用しているが、ダイス孔３５ａから出ると圧力が開放されるためハイドロゲルが膨張し、前記の割れが原因で表面がささくれ立ったような形状となる。このように、押出し機３１で破砕されたハイドロゲル粒状物４１は、大きさもまちまちな不定形である。また、表面がささくれ立ったような形状であるため、表面積が大きい。よって、この後の乾燥工程において乾燥しやすい。また、ハイドロゲルの乾燥物に吸水させる際においても、表面積が大きいことから吸水しやすくなり有利となる。

なお、ダイス孔３５ａの直径は特に限定されるものではなく、目的とするハイドロゲル粒状物４１の大きさにより適宜設定するとよい。通常は、１．８〜３ｍｍ程度である。また、スクリュー３３の回転速度を上げると破砕処理速度も向上するが、ダイス孔３５ａにおける押出し状態はほとんど変わりがない。
さらに、ハイドロゲルの粒状化には押出し機が最適であるが、ハイドロゲルに強い剪断力と圧縮力を加えて必要な大きさに破砕できるならば、他の装置を用いることも可能である。例えば、ヘンシェルミキサーやボールミルがあげられる。

次に、ハイドロゲルの粒状物を熱風乾燥装置２を用いて乾燥する方法を図２〜５を参照しながら説明する。
図２は、熱風乾燥装置２を平面断面図で示した図であり、図３は、熱風乾燥装置２を側面視で示した図である。この熱風乾燥装置２は外観が直方体形状の装置であり、この装置の長手方向の一端側から他端側にかけてコンベヤ４が通過し、このコンベヤ４に載ってハイドロゲル粒状物が装置内部を所定の速度で移動するようになっている。

熱風乾燥装置２は、長手方向に複数に分割した乾燥室Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５…で構成されている。左側から１番目の第１の乾燥室Ｄ１は、図４に示すように、室内の空気を設定温度まで加熱するヒータ６と、生成した加熱空気をコンベヤ４が配置されている室内の下方に熱風として送り出す送風ファン８と、送風ファン８から出た熱風をコンベヤ４の幅方向下方に導く導風部２０と、コンベヤ４の下方を流れる熱風がコンベヤ４に向けて吹き上がるように整流する整流部１２と、を備えている。なお、符号８ａはファンモータ、符号４ａは戻り方向のコンベヤであり、二点鎖線で示す符号１４は、乾燥室Ｄ１を形成している箱体の周囲を覆って乾燥室Ｄ１内の温度を保持している断熱パネルである。

導風部２０は、送風ファン８から熱風を取り入れる取入れ口２０ａと、コンベヤ４の下方で開口している送り出し口２０ｂ（本発明の構成要件である送気口に相当する）と、を備えた箱体であり、この箱体の内部には、送風ファン８から出た乱流状態の熱風を層流状態の流れに変更して送り出し口２０ｂに流す層流板２０ｃが配設されている。
整流部１２は、コンベヤ４の移動方向と直交する方向に複数のスリットを互いに平行に形成した風速制御板と、この風速制御板の下面に固定した複数の受風板１８ａ…１８ｆと、を備えた部材である。複数の受風板１８ａ…１８ｆはアングル材により構成されており、導風部２０に最も近い受風板１８ａの高さを低く、導風部２０から最も遠い受風板１８ｆの高さを高く、それらの間の他の受風板１８ｂ…１８ｅの高さは導風部２０に向かうに従い徐々に低くしている。

ここで、導風部２０から流れてきた熱風は、各々の受風板１８ａ…１８ｆに当たった後に上昇して流れていくが、各々の受風板１８ａ…１８ｆの立ち上がり部の受風面積は、ハイドロゲル粒状物の乾燥に最適な量の熱風がその上にあるコンベヤ４の部分に向けて均一に流れるような面積に設定されている。また、風速制御板に形成した複数のスリットの形状も、これらスリットを通過して上方に流れる熱風が、ハイドロゲル粒状物の乾燥に最適な風速となるように設定されている。例えば幅６ｍｍの線状のスリットが２０ｍｍ間隔で設けられた、開孔率が２９．２％であるスリット板を用いると、用いなかった場合の約１／３の風量でハイドロゲル粒状物を乾燥することができるので、低コストで乾燥を行うことができる。

そして、この第１の乾燥室Ｄ１と同様の構造を、図２及び図３に示す各乾燥室Ｄ１〜Ｄ５が備えている。ただし、各乾燥室Ｄ１〜Ｄ５はコンベヤ４の長手方向において交互に左右対称をなす。乾燥室Ｄ３，Ｄ５は図４と同一であるが、乾燥室Ｄ２，Ｄ４は乾燥室Ｄ１とは左右が対称になっている。つまり、送り出し口２０ｂがコンベヤ４（すなわち、本発明の構成要件である容器の列）の左右に順次交互に配されることとなる。これにより、移動するハイドロゲルの粒状物に対して送り出し口２０ｂからの熱風を左右から送ることができ、しかもハイドロゲルの粒状物の移動に沿って順次左右交互に熱風を送ることができる。

ここで、コンベヤ４は、図５に示すように、ハイドロゲル粒状物を内部に収容しているバスケット４ｂ（例えば縦２７０ｍｍ，横３２５ｍｍ，高さ１００ｍｍ）と、バスケット４ｂの上部開口部を覆っている蓋４ｃと、複数のバスケット４ｂの長手方向の両端部を連結して熱風乾燥装置２の長手方向の一端側から他端側にかけて移動させる搬送チェーン４ｄと、を備えた構造としている。上記のような寸法のバスケット４ｂの場合は、ハイドロゲル粒状物の量は１〜１．５ｋｇ程度することが好ましい。そして、バスケット４ｂ、蓋４ｃには、多数の熱風通過孔４ｅ、４ｆが設けられている。熱風通過孔４ｅ、４ｆを形成するためにバスケット４ｂの底と蓋４ｃはスレンレス鋼製の網により構成している。これらにはいずれもテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂をコーティングしておけば、ハイドロゲル粒状物が付着することが抑制される。

次に、上記構成の熱風乾燥装置２を使用した乾燥方法について、以下に説明する。コンベヤ４に載って搬送されてきた粒状物が第１の乾燥室Ｄ１内に入ると、第１の乾燥室Ｄ１のヒータ６で生成された加熱空気が、送風ファン８を介して熱風として室内の下方に送り出される。そして、導風部２０に送り込まれた熱風はその内部で第１次の層流状態に整流された後、コンベヤ４の下方に送り出される。コンベヤ４の下方に送り出された熱風は、整流部１２の複数の受風板１８ａ…１８ｆに当たり、風量が制御されながら均一な空気密度で風速制御板の下面全域に流れていく。そして、熱風は、風速制御板の複数のスリットを通過することで風速が制御され、第２次の層流状態に整流されながらコンベヤ４内の粒状物に下方から吹きかかる。このように、送風ファン８から送りだされた熱風が乱流状態であっても、導風部２０を通過することで第１次の層流状態に整流され、整流部１２を通過することで最適な風量及び風速に制御され且つ第２次の層流状態に整流され、この整流された熱風がコンベヤ４に収納されている粒状物に下方から均一に吹きかかって乾燥を行う。

ここでは、熱風がコンベヤ４の底から吹き上がってくるから、内部のハイドロゲル粒状物を舞い上がらせ、空中で踊るように運動させて、攪拌しつつ乾燥させる。蓋４ｃによって粒状物が他に漏れだすことは防止される。かくして、ハイドロゲル粒状物は乾燥中にコンベヤ内で常に攪拌されているので、粒状物間の接着が発生しにくい。
熱風は図４の矢印のように循環させられるが、そのうち一部は図示しない経路で外部に排出され且つ新たな空気が導入される。そして、この実施形態のように、送り出し口２０ｂがコンベヤ４の左右に順次交互に配されており、風の流れがコンベヤの進行方向に沿って左右交互とされているので、ハイドロゲル粒状物の乾燥ムラ等の不都合を防止することができる。

つまり、例えば右側の送り出し口２０ｂからの熱風がハイドロゲル粒状物を吹き上げる際には、その気流の方向はどうしても左斜め上方に傾斜した方向となりやすい。よって、送り出し口２０ｂをコンベヤ４の右側又は左側のみに配すると、ハイドロゲル粒状物が気流によりバスケット４ｂの右側又は左側に偏ってしまい、十分な乾燥ができなくなるおそれがある。また、バスケット４ｂの右端部と左端部とで風速が異なる場合もあるので、送り出し口２０ｂをコンベヤ４の右側又は左側のみに配すると、バスケット４ｂ内の全てのハイドロゲル粒状物に対して均一に熱風を送ることができず、乾燥ムラが生じるおそれがある。しかしながら、送り出し口２０ｂをコンベヤ４の左右に順次交互に配すれば、上記のような不都合が生じにくくなる。

熱風の温度は、ハイドロゲル粒状物の種類や量によっても異なるが、７０℃以上１３０℃以下が好ましい。また粒状物に吹き付けられる時点での熱風の風速についても粒状物の種類や量によって異なるが、１２ｍ／ｓ以上、２０ｍ／ｓ以下が好ましい。ここでは熱風は７０℃とし、粒状物に吹き付ける時点の風速は乾燥室Ｄ１では２０ｍ／ｓとし、乾燥室Ｄ２では１７ｍ／ｓ、乾燥室Ｄ３では１５ｍ／ｓ、乾燥室Ｄ４以下では１２．５ｍ／ｓとした。これは最初の乾燥室Ｄ１では含水率が高く、徐々に含水率が下がるため、風速を下げても粒状物を吹き上げて空中で運動させることができるからである。かくして乾燥された粒状物は含水率が１０質量％以下になり、大きさは３〜６ｍｍ程度に収縮する。乾燥に要する時間は条件によって相違するものの、５〜３０ｍｉｎである。

ハイドロゲルの粒状化方法を説明する押出し機の断面図である。 ハイドロゲルの粒状物を乾燥する熱風乾燥装置を平面断面図で示した図である。 図２の熱風乾燥装置を側面視で示した図である。 図２の熱風乾燥装置のＡ−Ａ断面図である。 コンベヤの構造を示す斜視図である。

符号の説明

２ 熱風乾燥装置
４ コンベヤ
４ｂ バスケット
２０ｂ 送り出し口
３１ 押出し機
３３ スクリュー
４０ ハイドロゲル細断片
４１ ハイドロゲル粒状物

Claims (4)

1. 網目状に架橋した高分子化合物が多量の水を含んでなるハイドロゲルの粒状物を乾燥する方法であって、
   前記粒状物は、前記ハイドロゲルの塊状物を予備細断し多数の細断片とした上でスクリュー押出し機に投入して押出すことにより粒状に破砕したものであり、
   前記粒状物の下方から気流を吹き上げさせて前記粒状物を前記気流により撹拌させつつ加熱することを特徴とするハイドロゲルの粒状物の乾燥方法。
2. 底部に通気孔を有する容器に前記粒状物を入れ、前記容器の複数を列状に並べて連続的に移動させながら、前記容器の下方から前記気流を送りつつ加熱することを特徴とする請求項１に記載のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法。
3. 複数の送気口を前記容器の列に沿って前記容器の下側に設けるとともに、それら複数の送気口を前記容器の列の左右に順次交互に配して、前記送気口から前記粒状物に当たる前記気流の方向が、前記粒状物の移動に沿って左右交互に繰り返すようにしたことを特徴とする請求項２に記載のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法。
4. 前記高分子化合物がカルボキシメチルセルロース及びカルボキシメチルデンプンの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイドロゲルの粒状物の乾燥方法。

Images