JP2014139276A - 粉末セルロースの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】チップ状のセルロース含有原料を連続的に粉砕して、粉末セルロースを効率よく製造することが可能な、生産性に優れた振動粉砕機及び粉砕物の製造方法を提供する。
【解決手段】[1]内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内側に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備え、特定の要件(1)〜(5)を満たす振動粉砕機、及び、[2]上記[1]の振動粉砕機を用い、容器内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有する、粉末セルロースの製造方法である。
【選択図】図1
【解決手段】[1]内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内側に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備え、特定の要件(1)〜(5)を満たす振動粉砕機、及び、[2]上記[1]の振動粉砕機を用い、容器内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有する、粉末セルロースの製造方法である。
【選択図】図1
Description
本発明は、粉末セルロースの製造方法に関する。
物質を小粒径化して比表面積を増大させることにより、その物質の反応性が向上し、また、かさ密度等のハンドリング性に関与する性質が変化することは一般によく知られている。物質を小粒径化する方法において、最も基本的な単位プロセスの一つとして粉砕プロセスが挙げられ、古くは鉱物の粉砕や、炭酸カルシウム等の無機物の粉砕が行われており、その利用分野も非常に多岐に渡る。
また、結晶構造を有する物質は一般に反応性が乏しく、利用が困難であった。特定の粉砕プロセスでは、粉砕と同時に物質を非晶化することが可能となり、その反応性を著しく向上させることができる。その結果、化学反応によって非晶化物に各種の官能基を結合させ、その価値を飛躍的に高めることができる。
また、結晶構造を有する物質は一般に反応性が乏しく、利用が困難であった。特定の粉砕プロセスでは、粉砕と同時に物質を非晶化することが可能となり、その反応性を著しく向上させることができる。その結果、化学反応によって非晶化物に各種の官能基を結合させ、その価値を飛躍的に高めることができる。
近年では、環境問題への意識の高まりからバイオマス材料が注目されており、セルロース含有原料を粉砕して微粒化したセルロースや非晶化されたセルロースは、セルロースエーテル等のセルロース誘導体の原料や、化粧品、食品、バイオマス材料等の工業原料に用いられている。上記セルロース含有原料の粉砕に用いられる、様々な粉砕機も提案されている。例えば、特許文献1には、木質材を破砕した後、その破砕物を、粉砕媒体としてロッドを装入した上段の第1粉砕筒、及び粉砕媒体としてボールを装入した下段の第2粉砕筒を備える振動式粉砕機に供して粉砕する方法により、全体の90重量%以上を粒径100μm以下の粉末にまで粉砕できることが開示されている。また特許文献2及び3には、嵩密度が100〜500kg/m3のセルロース含有原料を、ボール又はロッドを充填した振動ミル等の粉砕機で処理して、非晶化セルロースを製造する方法が開示されている。
さらに特許文献4には、より微粒化を行う粉砕機として、円筒容器内に、突起のついた厚板円板を粉砕媒体として複数枚挿入し、円筒容器を上下振動させて木質系バイオマスを粉砕する装置が開示されており、特許文献5には、同じく微粒化を行う粉砕機として、円筒容器内に、複数の凸部が形成され、中央に軸方向の穴部が形成された回転体を粉砕媒体として挿入し、円筒容器を公転させて木質系バイオマスを粉砕する装置が開示されている。
さらに特許文献4には、より微粒化を行う粉砕機として、円筒容器内に、突起のついた厚板円板を粉砕媒体として複数枚挿入し、円筒容器を上下振動させて木質系バイオマスを粉砕する装置が開示されており、特許文献5には、同じく微粒化を行う粉砕機として、円筒容器内に、複数の凸部が形成され、中央に軸方向の穴部が形成された回転体を粉砕媒体として挿入し、円筒容器を公転させて木質系バイオマスを粉砕する装置が開示されている。
しかし、特許文献1〜4に記載の粉砕機を用いた粉砕方法では、例えば10分以内といった短い時間で、セルロース含有原料の微粒化や非晶化を行うことは困難であった。特許文献5では微粒化の速度がある程度速くなることが提案されているものの、円筒状容器と回転体の凸部においてのみでしか粉砕が行われないため、装置のサイズが大きくなった場合には、容量に対する粉砕効率が低下することが容易に想像される。また、回転体に凸部を設けることは、加工が困難でコストがかかることだけでなく、凸部の磨耗により粉砕効率が低下することも問題である。
本発明は、チップ状のセルロース含有原料を連続的に粉砕して、粉末セルロースを効率よく製造する方法を提供することを課題とする。
本発明者らは、内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備え、かつ、特定の要件を満たす振動粉砕機を用いることによって、前記課題を解決できることを見出した。
すなわち、本発明は、次の〔1〕及び〔2〕を提供する。
〔1〕内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備え、かつ、下記(1)〜(5)を満たす振動粉砕機を用いた粉末セルロースの製造方法であって、該振動粉砕機の該容器内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有する、粉末セルロースの製造方法、
(1)円筒状媒体が、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように複数配置され、該円筒状媒体の中心軸方向の長さが3mm以上、100mm以下である。
(2)下記の式で計算される隣接する円筒状媒体間の平均間隙距離が1.5mm以上である。
平均間隙距離=(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体の数+1)
(3)前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)の比が0.5以下である。
(4)粉砕媒体の外径に対する、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体の内径の比が2.1以上である。
(5)粉砕媒体の体積の積算値が、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体内側の空間容積の25%を超える値である。
〔2〕内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備えた振動粉砕機であって、上記(1)〜(5)を満たす、振動粉砕機。
すなわち、本発明は、次の〔1〕及び〔2〕を提供する。
〔1〕内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備え、かつ、下記(1)〜(5)を満たす振動粉砕機を用いた粉末セルロースの製造方法であって、該振動粉砕機の該容器内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有する、粉末セルロースの製造方法、
(1)円筒状媒体が、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように複数配置され、該円筒状媒体の中心軸方向の長さが3mm以上、100mm以下である。
(2)下記の式で計算される隣接する円筒状媒体間の平均間隙距離が1.5mm以上である。
平均間隙距離=(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体の数+1)
(3)前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)の比が0.5以下である。
(4)粉砕媒体の外径に対する、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体の内径の比が2.1以上である。
(5)粉砕媒体の体積の積算値が、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体内側の空間容積の25%を超える値である。
〔2〕内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備えた振動粉砕機であって、上記(1)〜(5)を満たす、振動粉砕機。
本発明の振動粉砕機、及び該振動粉砕機を用いた粉末セルロースの製造方法によれば、チップ状のセルロース含有原料を安定して連続粉砕することができるため、原料供給速度が速くても詰まりを起こすことなく、小粒径化された粉末セルロースを効率よく製造することができる。
[振動粉砕機]
本発明の振動粉砕機の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明の振動粉砕機の実施形態の一例を図1図2に示す。本発明の振動粉砕機は、内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該円柱形の空間の中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器1と、該容器1内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体2と、該円筒状媒体2内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体3a及び/又は3bとを備える。図1及び図2において、円筒状媒体2は前記円柱形の空間の中心軸方向(以下、単に「軸方向」ともいう)に複数配置されている。また、図1及び図2においては、容器1内部に配置される円筒状媒体2、及び粉砕媒体3a及び/又は3bを表示するため、容器1の原料投入口及び原料排出口を含む一部及び容器1の保持部は省略して図示されている。
本発明に用いられる粉砕媒体としては、例えば棒状媒体や球状媒体が挙げられる。 図1には粉砕媒体として円柱状の棒状媒体3aを示し、図2には球状媒体3bを示す。以下、上記棒状媒体3a及び/又は球状媒体3bを総称して「粉砕媒体3」ともいう。
また、本発明の振動粉砕機は、下記(1)〜(5)を満たすものである。
(1)円筒状媒体2が、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように複数配置され、円筒状媒体2の中心軸方向の長さが3mm以上、100mm以下である。
(2)下記の式で計算される隣接する円筒状媒体2間の平均間隙距離が1.5mm以上である。
平均間隙距離=(容器1の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体2の数+1)
(3)前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和(容器1の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和)の比が0.5以下である。
(4)粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比が2.1以上である。
(5)粉砕媒体3の体積の積算値が、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2内部の空間容積の25%を超える値である。
本発明の振動粉砕機の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明の振動粉砕機の実施形態の一例を図1図2に示す。本発明の振動粉砕機は、内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該円柱形の空間の中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器1と、該容器1内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体2と、該円筒状媒体2内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体3a及び/又は3bとを備える。図1及び図2において、円筒状媒体2は前記円柱形の空間の中心軸方向(以下、単に「軸方向」ともいう)に複数配置されている。また、図1及び図2においては、容器1内部に配置される円筒状媒体2、及び粉砕媒体3a及び/又は3bを表示するため、容器1の原料投入口及び原料排出口を含む一部及び容器1の保持部は省略して図示されている。
本発明に用いられる粉砕媒体としては、例えば棒状媒体や球状媒体が挙げられる。 図1には粉砕媒体として円柱状の棒状媒体3aを示し、図2には球状媒体3bを示す。以下、上記棒状媒体3a及び/又は球状媒体3bを総称して「粉砕媒体3」ともいう。
また、本発明の振動粉砕機は、下記(1)〜(5)を満たすものである。
(1)円筒状媒体2が、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように複数配置され、円筒状媒体2の中心軸方向の長さが3mm以上、100mm以下である。
(2)下記の式で計算される隣接する円筒状媒体2間の平均間隙距離が1.5mm以上である。
平均間隙距離=(容器1の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体2の数+1)
(3)前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和(容器1の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和)の比が0.5以下である。
(4)粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比が2.1以上である。
(5)粉砕媒体3の体積の積算値が、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2内部の空間容積の25%を超える値である。
<容器>
容器1は、内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の静止状態の中心軸が略水平方向になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能な状態で保持されている。ここで、「円柱形の空間の中心軸」とは、該円柱の円形な2つの底面の重心を通る仮想の直線を意味し、「略水平方向」とは、水平面となす角度が−10〜10°である方向のことを指す(以下、「略水平方向」を単に「水平」ともいう)。容器1の材質は特に限定されないが、例えば鉄、鋼鉄、ステンレススチール等の金属や合金を用いることができ、焼入れ等の処理が行われていてもよい。
容器1の内部の空間の形状は、均一に粉砕を行う観点から、底面が正円や楕円等の略円形の円柱形であることが好ましい。
容器1の大きさは特に限定されない。例えば、容器1の内径は、50mm以上が好ましく、80mm以上がより好ましく、100mm以上が更に好ましく、1500mm以下が好ましく、1200mm以下がより好ましく、1000mm以下が更に好ましい。また、容器1の内部の円柱形の空間の中心軸(以下、「容器1の軸」ともいう。)方向の長さは、100mm以上が好ましく、120mm以上がより好ましく、150mm以上が更に好ましく、10000mm以下が好ましく、8000mm以下がより好ましく、6000mm以下が更に好ましい。本発明において容器1の内径とは、容器1の軸から容器1内面までの最短距離の2倍を意味し、該円柱形の空間の底面が正円形である時は、該正円の直径に等しく、楕円形である時は、該楕円の短径に等しい。
容器1は、内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の静止状態の中心軸が略水平方向になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能な状態で保持されている。ここで、「円柱形の空間の中心軸」とは、該円柱の円形な2つの底面の重心を通る仮想の直線を意味し、「略水平方向」とは、水平面となす角度が−10〜10°である方向のことを指す(以下、「略水平方向」を単に「水平」ともいう)。容器1の材質は特に限定されないが、例えば鉄、鋼鉄、ステンレススチール等の金属や合金を用いることができ、焼入れ等の処理が行われていてもよい。
容器1の内部の空間の形状は、均一に粉砕を行う観点から、底面が正円や楕円等の略円形の円柱形であることが好ましい。
容器1の大きさは特に限定されない。例えば、容器1の内径は、50mm以上が好ましく、80mm以上がより好ましく、100mm以上が更に好ましく、1500mm以下が好ましく、1200mm以下がより好ましく、1000mm以下が更に好ましい。また、容器1の内部の円柱形の空間の中心軸(以下、「容器1の軸」ともいう。)方向の長さは、100mm以上が好ましく、120mm以上がより好ましく、150mm以上が更に好ましく、10000mm以下が好ましく、8000mm以下がより好ましく、6000mm以下が更に好ましい。本発明において容器1の内径とは、容器1の軸から容器1内面までの最短距離の2倍を意味し、該円柱形の空間の底面が正円形である時は、該正円の直径に等しく、楕円形である時は、該楕円の短径に等しい。
容器1は、粉砕時には容器1の軸に対し略垂直な面内方向に振動する。本発明における容器1の振動とは、容器1の軸の軌跡が直線を描く運動だけを指すものでなく、楕円、又は正円を描く運動を含む。
容器1の振動数、振幅は特に限定されないが、振動数と振幅を増加させることで、容器1、容器内部に配置された円筒状媒体2、及び該円筒状媒体2内部に配置された粉砕媒体3に与えられる加速度を大きくすることができ、被粉砕原料の粉砕速度を高めることができる。
よって、容器1の振動数は、8Hz以上であることが好ましく、10Hz以上であることがより好ましく、12Hz以上であることが更に好ましい。振幅は、粉砕速度の観点から、5mm以上であることが好ましく、6mm以上であることがより好ましく、7mm以上であることが更に好ましい。
一方、装置負荷の観点からは、容器1の振動数は40Hz以下であることが好ましく、35Hz以下であることがより好ましく、30Hz以下であることが更に好ましい。また振幅は25mm以下であることが好ましく、20mm以下であることがより好ましく、18mm以下であることが更に好ましい。
容器1の軸の軌跡が直線を描かない場合、容器1の振動は複数の異なる長さの振幅を有するが、本発明において容器1の振動の振幅とは、容器1の振動の振幅の内、最も長い振幅を意味し、例えば容器1の軸の軌跡が楕円を描く場合、該楕円の長径を意味する。
容器1の振動機構は、振動モーター、偏心錘又は偏心加振装置等からなり、これらの機構は周知の機構と同様である。上記機構は、例えば、上述した特開2004−188833号公報の他、特開2008−93534号公報や特開2008−132469号公報等にも開示されている。
容器1の振動数、振幅は特に限定されないが、振動数と振幅を増加させることで、容器1、容器内部に配置された円筒状媒体2、及び該円筒状媒体2内部に配置された粉砕媒体3に与えられる加速度を大きくすることができ、被粉砕原料の粉砕速度を高めることができる。
よって、容器1の振動数は、8Hz以上であることが好ましく、10Hz以上であることがより好ましく、12Hz以上であることが更に好ましい。振幅は、粉砕速度の観点から、5mm以上であることが好ましく、6mm以上であることがより好ましく、7mm以上であることが更に好ましい。
一方、装置負荷の観点からは、容器1の振動数は40Hz以下であることが好ましく、35Hz以下であることがより好ましく、30Hz以下であることが更に好ましい。また振幅は25mm以下であることが好ましく、20mm以下であることがより好ましく、18mm以下であることが更に好ましい。
容器1の軸の軌跡が直線を描かない場合、容器1の振動は複数の異なる長さの振幅を有するが、本発明において容器1の振動の振幅とは、容器1の振動の振幅の内、最も長い振幅を意味し、例えば容器1の軸の軌跡が楕円を描く場合、該楕円の長径を意味する。
容器1の振動機構は、振動モーター、偏心錘又は偏心加振装置等からなり、これらの機構は周知の機構と同様である。上記機構は、例えば、上述した特開2004−188833号公報の他、特開2008−93534号公報や特開2008−132469号公報等にも開示されている。
容器1内部へのチップ状のセルロース含有原料の導入は、粉砕処理を行いながら投入口から連続的に供給する。このとき、投入口を容器一端の上部に設け、排出口を投入口とは反対側の端の下部に設けることで、連続処理が可能となる。排出口と容器の接続部には、セルロース含有原料を容器1内に滞留させて粉砕を十分に行わせるために、排出口近傍の容器1の内部に、容器1の円柱形の空間の該円柱の底面と平行になるよう堰を設けて排出量を制限してもよい。
なお、図1及び図2において、投入口及び排出口の図示は省略する。
なお、図1及び図2において、投入口及び排出口の図示は省略する。
本発明の振動粉砕機は、同様の形状の容器1を上下に2つ有していてもよい。この場合は、上段側の容器の排出口と下段側の容器の投入口は連結されており、上段側の投入口より導入されたチップ状のセルロース含有原料は、上段側の容器で粉砕された後、上段側の容器の排出口、下段側の容器の投入口を経由して下段側容器内に導入され、更に下段側の容器内で粉砕されて、下段側の容器の排出口から排出される。
容器1の周囲には、冷却用のジャケットを付帯させ、粉砕時に冷却を行ってもよい。また、被粉砕原料が酸化等の雰囲気の影響を受ける場合には、窒素パージ等を行うノズルを容器1の投入口及び/又は排出口付近の容器上に設けてもよい。 また、容器1と円筒状媒体2との衝突による容器1内の損傷を防止するため、容器1内にライニングとして筒状又は曲板状の鋼板を挿入してもよい。ライニングと円筒状媒体2の衝突によりライニングが損傷した場合でも、ライニングは容易に交換することが可能であり、装置メンテナンスの観点からは好ましい。ライニングの厚みは特に限定されないが、耐久性の観点から、好ましくは1mm以上、より好ましくは3mm以上、更に好ましくは5mm以上である。また、好ましくは30mm以下、より好ましくは20mm以下、更に好ましくは16mm以下である。
<円筒状媒体>
円筒状媒体2は、図1及び図2に示すように、容器1の軸と各円筒状媒体2の中心軸(以下「円筒状媒体の軸」ともいう)とを略平行にした状態で、容器1内部に、容器1の軸方向に複数、振動可能に配置される。円筒状媒体2は、円形の底面を有する円柱の内部に、円柱形の空間を有しており、いわゆるドーナツ型の形状をしている。ここで、「円筒状媒体の軸」とは円筒状媒体2の内部の円柱形の空間の2つの略円形の底面の中心を通る仮想の直線を意味する。「振動可能に配置」とは、容器1を振動させた際に、円筒状媒体2が、容器1内で容器1の軸に対して垂直な面方向、及び軸方向に振動可能な状態に配置されることをいう。
本発明の振動粉砕機は、容器1を振動させることにより、円筒状媒体2が容器1内部で振動する。この円筒状媒体2の振動により、円筒状媒体2内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体3による粉砕速度が向上する。したがって、チップ状のセルロース含有原料をより効率的に小粒径化することができる。セルロース含有原料中のセルロースが結晶性である場合には、粉砕と同時に該セルロースの低結晶化を行うことができる。
円筒状媒体2は、図1及び図2に示すように、容器1の軸と各円筒状媒体2の中心軸(以下「円筒状媒体の軸」ともいう)とを略平行にした状態で、容器1内部に、容器1の軸方向に複数、振動可能に配置される。円筒状媒体2は、円形の底面を有する円柱の内部に、円柱形の空間を有しており、いわゆるドーナツ型の形状をしている。ここで、「円筒状媒体の軸」とは円筒状媒体2の内部の円柱形の空間の2つの略円形の底面の中心を通る仮想の直線を意味する。「振動可能に配置」とは、容器1を振動させた際に、円筒状媒体2が、容器1内で容器1の軸に対して垂直な面方向、及び軸方向に振動可能な状態に配置されることをいう。
本発明の振動粉砕機は、容器1を振動させることにより、円筒状媒体2が容器1内部で振動する。この円筒状媒体2の振動により、円筒状媒体2内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体3による粉砕速度が向上する。したがって、チップ状のセルロース含有原料をより効率的に小粒径化することができる。セルロース含有原料中のセルロースが結晶性である場合には、粉砕と同時に該セルロースの低結晶化を行うことができる。
円筒状媒体2は、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように容器1内部に複数配置され、該円筒状媒体2の中心軸方向の長さは、3mm以上、100mm以下である(前記(1))。
円筒状媒体2の軸方向の長さは、円筒状媒体2の強度を確保する観点から、3mm以上であり、5mm以上が好ましく、10mm以上がより好ましい。また、容器1内部に設置する円筒状媒体2の数を増やし、隣接する円筒状媒体2間の間隙数を多くする観点から、100mm以下であり、60mm以下が好ましく、30mm以下がより好ましい。円筒状媒体2の数は、これらの条件を満たすように決定すればよい。
円筒状媒体2の軸方向の長さは、円筒状媒体2の強度を確保する観点から、3mm以上であり、5mm以上が好ましく、10mm以上がより好ましい。また、容器1内部に設置する円筒状媒体2の数を増やし、隣接する円筒状媒体2間の間隙数を多くする観点から、100mm以下であり、60mm以下が好ましく、30mm以下がより好ましい。円筒状媒体2の数は、これらの条件を満たすように決定すればよい。
また、本発明の振動粉砕機では、下記の式で計算される、隣接する円筒状媒体2間の平均間隙距離が1.5mm以上である(前記(2))。
平均間隙距離=(容器1の軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体2の数+1)
上記平均間隙距離が1.5mm以上であることにより、チップ状のセルロース含有原料が隣接する円筒状媒体2間の間隙から円筒状媒体2の内部に連続的に供給され、粉砕を行うことができる。上記平均間隙距離が1.5mm未満では、チップ状のセルロース含有原料が円筒状媒体2の内部に円滑に供給されず、前述の容器1の投入口付近でセルロース含有原料が閉塞する。したがって、本発明のような連続処理が困難である。
上記観点から、隣接する円筒状媒体2間の平均間隙距離は1.8mm以上であることが好ましく、2.0mm以上であることがより好ましい。また、該平均間隙距離は、30.0mm以下であることが好ましく、5.0mm以下であることがより好ましい。
平均間隙距離=(容器1の軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体2の数+1)
上記平均間隙距離が1.5mm以上であることにより、チップ状のセルロース含有原料が隣接する円筒状媒体2間の間隙から円筒状媒体2の内部に連続的に供給され、粉砕を行うことができる。上記平均間隙距離が1.5mm未満では、チップ状のセルロース含有原料が円筒状媒体2の内部に円滑に供給されず、前述の容器1の投入口付近でセルロース含有原料が閉塞する。したがって、本発明のような連続処理が困難である。
上記観点から、隣接する円筒状媒体2間の平均間隙距離は1.8mm以上であることが好ましく、2.0mm以上であることがより好ましい。また、該平均間隙距離は、30.0mm以下であることが好ましく、5.0mm以下であることがより好ましい。
さらに、本発明の振動粉砕機では、前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比が0.5以下である(前記(3))。ここで、間隙距離の総和は、容器1の中心軸方向の長さと、複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和との差で表される。
円筒状媒体2間の平均間隙距離が大きくなると、円筒状媒体2と粉砕媒体3の接触面積が減少し、円筒状媒体2と、粉砕媒体3間でのセルロース含有原料の粉砕が生じなくなり、粉砕効率が低下する。この観点から、容器1内部の円柱形の空間の軸方向の長さに対する、円筒状媒体2間の間隙距離の総和(容器1の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和)の比は0.5以下であり、0.35以下であることが好ましく、0.15以下であることがより好ましい。
円筒状媒体2間の平均間隙距離が大きくなると、円筒状媒体2と粉砕媒体3の接触面積が減少し、円筒状媒体2と、粉砕媒体3間でのセルロース含有原料の粉砕が生じなくなり、粉砕効率が低下する。この観点から、容器1内部の円柱形の空間の軸方向の長さに対する、円筒状媒体2間の間隙距離の総和(容器1の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体2の中心軸方向の長さの総和)の比は0.5以下であり、0.35以下であることが好ましく、0.15以下であることがより好ましい。
本発明の振動粉砕機では、後述する粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比(粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径/粉砕媒体3の外径)が2.1以上である(前記(4))。
図1及び図2に示すように、複数設置された円筒状媒体2の内部に、円筒状媒体2の軸に垂直な面内に複数の粉砕媒体3が存在するように配置することにより、粉砕媒体3の衝突力及び粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ被粉砕原料の粉砕速度を向上することができる。この粉砕速度の観点から、後述する粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比(粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径/粉砕媒体3の外径)は、2.1以上であり、2.2以上であることが好ましく、2.5以上であることがより好ましい。また、粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比は500以下であることが好ましく、350以下であることがより好ましく、100以下であることが更に好ましく、50以下であることが更により好ましく、25以下であることが更により一層好ましい。
本発明において円筒状媒体の内径とは、円筒状媒体の軸から、円筒状媒体の内面までの最短距離の2倍を意味する。
粉砕媒体3については後述するが、粉砕媒体3の外径とは、円柱状又は四角形以上の多角形の角柱状の棒状媒体3aの場合は棒状媒体の長さ方向に垂直な円形又は四角形以上の多角形である切断面において、その重心を通り断面の外縁に両端を有する直線のうち、最も長い直線の長さ、即ち断面が正円であれば、該正円の直径を意味し、球状媒体3bの場合は球の直径を意味する。
図1及び図2に示すように、複数設置された円筒状媒体2の内部に、円筒状媒体2の軸に垂直な面内に複数の粉砕媒体3が存在するように配置することにより、粉砕媒体3の衝突力及び粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ被粉砕原料の粉砕速度を向上することができる。この粉砕速度の観点から、後述する粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比(粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径/粉砕媒体3の外径)は、2.1以上であり、2.2以上であることが好ましく、2.5以上であることがより好ましい。また、粉砕媒体3の外径に対する、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内径の比は500以下であることが好ましく、350以下であることがより好ましく、100以下であることが更に好ましく、50以下であることが更により好ましく、25以下であることが更により一層好ましい。
本発明において円筒状媒体の内径とは、円筒状媒体の軸から、円筒状媒体の内面までの最短距離の2倍を意味する。
粉砕媒体3については後述するが、粉砕媒体3の外径とは、円柱状又は四角形以上の多角形の角柱状の棒状媒体3aの場合は棒状媒体の長さ方向に垂直な円形又は四角形以上の多角形である切断面において、その重心を通り断面の外縁に両端を有する直線のうち、最も長い直線の長さ、即ち断面が正円であれば、該正円の直径を意味し、球状媒体3bの場合は球の直径を意味する。
円筒状媒体2の材質は特に限定されない。例えば鉄、アルミニウム、鋼鉄、ステンレススチール等の金属や合金、ジルコニア等のセラミクスを用いることができる。ステンレススチールや鋼鉄は焼入れ等の処理が行われていてもよい。
円筒状媒体2の形状は、容器1内部で円筒状媒体2を振動させた際に、容器1の振動による運動エネルギーを効率よく円筒状媒体2に伝導して円筒状媒体2の運動性を向上させ、さらに円筒状媒体2内部に存在する粉砕媒体3の衝突エネルギーを大きくし、粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ被粉砕原料の粉砕速度を向上する観点から、円筒状媒体2の内側空間の断面が正円状、楕円状等の略円形状、及び六角形以上の多角形状の筒型であることが好ましく、正円状の筒型がより好ましい。円筒状媒体2の外向き表面及び内向き表面には突起があってもよいが、円筒状媒体2の磨耗による粉砕効率の低下を防ぐ観点から、突起がないことが望ましい。
円筒状媒体2の形状は、容器1内部で円筒状媒体2を振動させた際に、容器1の振動による運動エネルギーを効率よく円筒状媒体2に伝導して円筒状媒体2の運動性を向上させ、さらに円筒状媒体2内部に存在する粉砕媒体3の衝突エネルギーを大きくし、粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ被粉砕原料の粉砕速度を向上する観点から、円筒状媒体2の内側空間の断面が正円状、楕円状等の略円形状、及び六角形以上の多角形状の筒型であることが好ましく、正円状の筒型がより好ましい。円筒状媒体2の外向き表面及び内向き表面には突起があってもよいが、円筒状媒体2の磨耗による粉砕効率の低下を防ぐ観点から、突起がないことが望ましい。
容器1の内径と、該容器1の内部に接する円筒状媒体2の外径との差(容器1の内径−円筒状媒体2の外径)は、3mm以上であることが好ましく、5mm以上であることがより好ましく、8mm以上であることが更に好ましく、10mm以上であることが更により好ましい。また、該容器1の内部に接する円筒状媒体2の外径との差は、60mm以下であることが好ましく、55mm以下であることがより好ましく、50mm以下であることが更に好ましく、45mm以下であることが更により好ましい。円筒状媒体2の外径と容器1の内径との差が上記範囲であると、粉砕媒体3によるセルロース含有原料の粉砕速度を高めることができる。容器1内にライニングを挿入した場合には、容器1の内径と、該容器1の内部に接する円筒状媒体2の外径との差から、更にライニングの厚みの2倍の長さを差し引いた値が上記範囲内であることが好ましい。
また、容器1と円筒状媒体2との接触頻度を高め、セルロース含有原料の粉砕速度を高める観点から、容器1の内径に対する円筒状媒体2の外径の比(円筒状媒体の外径/容器の内径)は0.50を超えることが好ましく、0.70以上がより好ましく、0.80以上がより好ましい。また、容器1内部における円筒状媒体2の振動しやすさの観点から、容器1の内径に対する円筒状媒体2の外径の比は0.95以下が好ましく、0.90以下がより好ましい。
また、容器1と円筒状媒体2との接触頻度を高め、セルロース含有原料の粉砕速度を高める観点から、容器1の内径に対する円筒状媒体2の外径の比(円筒状媒体の外径/容器の内径)は0.50を超えることが好ましく、0.70以上がより好ましく、0.80以上がより好ましい。また、容器1内部における円筒状媒体2の振動しやすさの観点から、容器1の内径に対する円筒状媒体2の外径の比は0.95以下が好ましく、0.90以下がより好ましい。
本発明において、円筒状媒体の外径とは、円筒状媒体の軸から円筒状媒体の外側表面までの最長距離の2倍を意味し、例えば円筒状媒体の軸に垂直な断面の外周の形状が正円形である場合は、正円の直径を、楕円形である場合は、該楕円の長径を意味し、多角形である場合は、該多角形の重心から頂点までの距離の内、最長のものの2倍を意味する。
円筒状媒体2の強度の観点から、円筒状媒体2の外径に対する該円筒状媒体2の厚みの比(円筒状媒体2の厚み/円筒状媒体2の外径)は、0.02以上が好ましく、0.03以上がより好ましく、0.05以上が更に好ましい。
また、円筒状媒体2内における粉砕媒体3の充填量を増やし、粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ、被粉砕原料の粉砕速度を向上する観点から、円筒状媒体2の外径に対する該円筒状媒体2の厚みの比は0.7以下が好ましく、0.6以下がより好ましく、0.5以下が更に好ましい。
ここで「円筒状媒体の厚み」とは、円筒状媒体を形成する部材の厚みを意味し、円筒状媒体の軸方向の長さを意味しない。円筒状媒体2の厚みが部位によって異なる場合は、円筒状媒体の厚みとは、最も厚い部位の厚みを意味する。
さらに、容器1を振動させた際に、粉砕媒体3が円筒状媒体2の内側から外側に出ると、容器1内部における円筒状媒体2の振動を妨げる。よって容器1内部の円柱形の空間の軸方向の長さと、円筒状媒体2の軸方向の長さとの差が、図1における棒状媒体3aの軸方向の長さ、又は図2における球状媒体3bの直径よりも小さくなることが好ましい。
なお、複数の円筒状媒体の長さ、厚み、内径、外径、形状、材質は互いに同じであることが好ましい。
また、円筒状媒体2内における粉砕媒体3の充填量を増やし、粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ、被粉砕原料の粉砕速度を向上する観点から、円筒状媒体2の外径に対する該円筒状媒体2の厚みの比は0.7以下が好ましく、0.6以下がより好ましく、0.5以下が更に好ましい。
ここで「円筒状媒体の厚み」とは、円筒状媒体を形成する部材の厚みを意味し、円筒状媒体の軸方向の長さを意味しない。円筒状媒体2の厚みが部位によって異なる場合は、円筒状媒体の厚みとは、最も厚い部位の厚みを意味する。
さらに、容器1を振動させた際に、粉砕媒体3が円筒状媒体2の内側から外側に出ると、容器1内部における円筒状媒体2の振動を妨げる。よって容器1内部の円柱形の空間の軸方向の長さと、円筒状媒体2の軸方向の長さとの差が、図1における棒状媒体3aの軸方向の長さ、又は図2における球状媒体3bの直径よりも小さくなることが好ましい。
なお、複数の円筒状媒体の長さ、厚み、内径、外径、形状、材質は互いに同じであることが好ましい。
<粉砕媒体>
本発明の振動粉砕機は、図1及び図2に示すように、粉砕媒体3を複数備え、該粉砕媒体3は円筒状媒体2の内部に、振動可能に配置される。粉砕媒体3の形状は、図1に示すような円柱状の棒状媒体3aでもよく、図2に示すような球状媒体3bでもよい。また、これらを組み合わせて用いてもよい。
粉砕媒体3の材質は特に限定されない。例えば鉄、アルミニウム、鋼鉄、ステンレススチール等の金属や合金、ジルコニア等のセラミクスを用いることができる。鋼鉄は焼入れ等の処理が行われていてもよい。
本発明の振動粉砕機は、図1及び図2に示すように、粉砕媒体3を複数備え、該粉砕媒体3は円筒状媒体2の内部に、振動可能に配置される。粉砕媒体3の形状は、図1に示すような円柱状の棒状媒体3aでもよく、図2に示すような球状媒体3bでもよい。また、これらを組み合わせて用いてもよい。
粉砕媒体3の材質は特に限定されない。例えば鉄、アルミニウム、鋼鉄、ステンレススチール等の金属や合金、ジルコニア等のセラミクスを用いることができる。鋼鉄は焼入れ等の処理が行われていてもよい。
ここで、粉砕媒体3の体積の積算値は、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2内側の空間容積の25%を超える値である(前記(5))。
すなわち、粉砕媒体3は、円筒状媒体2の内側に、該粉砕媒体3の体積の積算値が、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内側の空間容積の25%を超える値となるように、複数配置される。粉砕媒体3が1個のみである場合や、粉砕媒体3の体積の積算値(容器内に存在する複数の粉砕媒体の体積の総和)が、円筒状媒体2の内側の空間容積の25%以下である場合には、被粉砕原料の粉砕速度が低下する。
なお、円筒状媒体2の内側の空間容積とは、円筒状媒体2の内側空間の、円筒状媒体2の軸に垂直な断面の面積に、円筒状媒体2の軸方向の長さを掛けた、円柱状の空間容積のことを指す。
すなわち、粉砕媒体3は、円筒状媒体2の内側に、該粉砕媒体3の体積の積算値が、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内側の空間容積の25%を超える値となるように、複数配置される。粉砕媒体3が1個のみである場合や、粉砕媒体3の体積の積算値(容器内に存在する複数の粉砕媒体の体積の総和)が、円筒状媒体2の内側の空間容積の25%以下である場合には、被粉砕原料の粉砕速度が低下する。
なお、円筒状媒体2の内側の空間容積とは、円筒状媒体2の内側空間の、円筒状媒体2の軸に垂直な断面の面積に、円筒状媒体2の軸方向の長さを掛けた、円柱状の空間容積のことを指す。
粉砕媒体3同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3との衝突回数を増加させ粉砕速度を向上する観点から、粉砕媒体3の体積の積算値は、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内側の空間容積の30%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましい。また、被粉砕原料を充填する空間を増やし、生産性を向上する観点から、粉砕媒体3の体積の積算値は、該粉砕媒体3が接する円筒状媒体2の内側の空間容積の91%以下であることが好ましく、90%以下であることがより好ましく、89%以下であることが更に好ましい。
棒状媒体3aの形状は、円筒状媒体2との衝突による磨耗を抑制する観点から、円柱状又は四角形以上の多角形の角柱であることが好ましく、円柱状であることがより好ましく、断面が正円である円柱状であることが更に好ましい。
棒状媒体3aの外径は、衝突力を大きくし、被粉砕原料の粉砕速度を向上する観点から、3mm以上であることが好ましく、5mm以上であることがより好ましく、7mm以上であることが更に好ましい。また、棒状媒体3aの数を増やし、衝突力及び粉砕媒体3a同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3aとの衝突回数を増加させて被粉砕原料の粉砕速度を高める観点から、上記外径は60mm以下であることが好ましく、50mm以下であることがより好ましく、45mm以下であることが更に好ましい。
ここで、棒状媒体の外径とは、棒の長さ方向に垂直な断面上にあって、該断面の重心を通り、断面の外周に両端を有する直線の長さをいい、断面の形状が正円である場合は、該正円の直径をいう。
棒状媒体3aの外径は、衝突力を大きくし、被粉砕原料の粉砕速度を向上する観点から、3mm以上であることが好ましく、5mm以上であることがより好ましく、7mm以上であることが更に好ましい。また、棒状媒体3aの数を増やし、衝突力及び粉砕媒体3a同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3aとの衝突回数を増加させて被粉砕原料の粉砕速度を高める観点から、上記外径は60mm以下であることが好ましく、50mm以下であることがより好ましく、45mm以下であることが更に好ましい。
ここで、棒状媒体の外径とは、棒の長さ方向に垂直な断面上にあって、該断面の重心を通り、断面の外周に両端を有する直線の長さをいい、断面の形状が正円である場合は、該正円の直径をいう。
棒状媒体3aの長さは、容器1内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さより短い限り、特に限定されないが、円筒状媒体2と粉砕媒体3との接触面積を大きくして粉砕速度を高める観点から、容器1内部の円柱形の空間の軸方向の長さに対する、棒状媒体3aの長さの比(棒状媒体の長さ/容器1内部の円柱形の空間の軸方向の長さ)は、0.80以上であることが好ましく、0.85以上であることがより好ましく、0.90以上であることが更に好ましい。また、0.995以下であることが好ましく、0.99以下であることがより好ましく、0.98以下であることが更に好ましい。
装置のメンテナンスを容易にするために、棒状媒体3aは、長さ方向に複数に分割されていてもよい。
装置のメンテナンスを容易にするために、棒状媒体3aは、長さ方向に複数に分割されていてもよい。
球状媒体3bの外径は、衝突力を大きくし、粉砕速度を向上する観点から、3mm以上であることが好ましく、5mm以上であることがより好ましく、7mm以上であることが更に好ましい。また、球状媒体3bの衝突力及び粉砕媒体3b同士及び円筒状媒体2と粉砕媒体3bとの衝突回数を増加させ、粉砕速度を向上する観点から、上記外径は60mm以下であることが好ましく、50mm以下であることがより好ましく、45mm以下であることが更に好ましい。
[粉末セルロースの製造方法]
本発明の粉末セルロースの製造方法は、上述した本発明の振動粉砕機を用い、該振動粉砕機の容器1の内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器1を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有することを特徴とする。
本発明の粉末セルロースの製造方法は、上述した本発明の振動粉砕機を用い、該振動粉砕機の容器1の内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器1を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有することを特徴とする。
<チップ状セルロース含有原料>
本発明に用いられるセルロース含有原料は、連続的に粉砕を行う観点から、チップ状のセルロース含有原料である。
粉砕対象であるセルロース含有原料としては、特に限定されるものではないが、例えば、各種木材チップ、各種樹木の剪定枝材、間伐材、枝木材、建築廃材、工場廃材などの木材類;木材から製造されたウッドパルプ、綿の種子の周囲の繊維から得られるコットンリンターパルプなどのパルプ類;段ボール、雑誌、上質紙などの紙類等が挙げられる。
粉砕対象のセルロース含有原料は、これらのうちの1種であっても、また、2種以上を混合したものであっても、どちらでもよい。粉砕対象のセルロース含有原料としては、これらのうちパルプ類や木材類が好ましく、パルプ類がより好ましい。
本発明に用いられるセルロース含有原料は、連続的に粉砕を行う観点から、チップ状のセルロース含有原料である。
粉砕対象であるセルロース含有原料としては、特に限定されるものではないが、例えば、各種木材チップ、各種樹木の剪定枝材、間伐材、枝木材、建築廃材、工場廃材などの木材類;木材から製造されたウッドパルプ、綿の種子の周囲の繊維から得られるコットンリンターパルプなどのパルプ類;段ボール、雑誌、上質紙などの紙類等が挙げられる。
粉砕対象のセルロース含有原料は、これらのうちの1種であっても、また、2種以上を混合したものであっても、どちらでもよい。粉砕対象のセルロース含有原料としては、これらのうちパルプ類や木材類が好ましく、パルプ類がより好ましい。
本発明において、振動粉砕機により粉砕されるチップ状セルロース含有原料は、原料の種類と大きさにもよるが、後述する、裁断処理及び/又は乾燥処理を行ってもよい。
チップ状セルロース含有原料の形状は特に限定されず、立方体、直方体、粒状、及び棒状等であってよい。チップ状セルロース含有原料の大きさは、粉砕性向上の観点から、チップ表面のうちの任意の2点間の距離の最大値が10mm以下であることが好ましく、7mm以下であることがより好ましく、5mm以下であることが更に好ましい。またチップ状への加工の観点から、チップ表面のうちの任意の2点間の距離の最小値が0.1mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましく、1mm以上であることが更に好ましい。
チップ状セルロース含有原料の形状は特に限定されず、立方体、直方体、粒状、及び棒状等であってよい。チップ状セルロース含有原料の大きさは、粉砕性向上の観点から、チップ表面のうちの任意の2点間の距離の最大値が10mm以下であることが好ましく、7mm以下であることがより好ましく、5mm以下であることが更に好ましい。またチップ状への加工の観点から、チップ表面のうちの任意の2点間の距離の最小値が0.1mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましく、1mm以上であることが更に好ましい。
本発明に用いられるセルロース含有原料は、該セルロース含有原料から水を差し引いた残余の成分中のセルロース含有量(α−セルロース含有量)が20質量%以上であることが好ましく、40質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることが更に好ましく、70質量%以上がより更に好ましく、75質量%以上がより更に一層好ましい。α−セルロース含有量の上限は100質量%である。ここで、α−セルロース含有量は、実施例に記載の方法によって測定することができる。
セルロース含有原料中のセルロースは、結晶部位及びアモルファス部位からなる。本発明において、セルロースI型結晶化指数とは、X線回折法による回折強度値からSegal法により算出したもので、下記計算式(1)により定義される。具体的なX線回折の測定条件については実施例で示す。
セルロースI型結晶化指数(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100 (1)
〔I22.6は、X線回折におけるセルロースI型結晶の格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度を示し、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。〕
ここで、セルロースI型とは、天然セルロースの結晶形のことであり、セルロースI型結晶化指数とは、セルロースの結晶領域量の全量に対するセルロースI型の割合を意味する。
本発明において被粉砕原料として用いられるセルロース含有原料中のセルロースのセルロースI型結晶化指数には特に限定はない。しかしながら、通常、セルロースの結晶化指数を低減するための粉砕処理においては、セルロース鎖の切断による重合度低下が伴う。この平均重合度が高い粉末セルロースを得る観点、及び原料コストの観点から、セルロース含有原料としては、結晶化指数を低減するための粉砕処理に、より曝されていないセルロース含有原料を用いることが好ましい。
よって、本発明において被粉砕原料として用いられるセルロース含有原料中のセルロースのI型結晶化指数は、33%を超えることが好ましく、40%以上であることがより好ましく、50%以上であることが更に好ましく、60%以上であることがより更に好ましい。
一方、結晶化度が95%を超える極めて結晶化度の高いセルロース含有原料の入手が困難であることから、セルロース含有原料中のセルロースのI型結晶化指数は、90%以下であることが好ましく、85%以下であることがより好ましい。
セルロースI型結晶化指数(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100 (1)
〔I22.6は、X線回折におけるセルロースI型結晶の格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度を示し、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。〕
ここで、セルロースI型とは、天然セルロースの結晶形のことであり、セルロースI型結晶化指数とは、セルロースの結晶領域量の全量に対するセルロースI型の割合を意味する。
本発明において被粉砕原料として用いられるセルロース含有原料中のセルロースのセルロースI型結晶化指数には特に限定はない。しかしながら、通常、セルロースの結晶化指数を低減するための粉砕処理においては、セルロース鎖の切断による重合度低下が伴う。この平均重合度が高い粉末セルロースを得る観点、及び原料コストの観点から、セルロース含有原料としては、結晶化指数を低減するための粉砕処理に、より曝されていないセルロース含有原料を用いることが好ましい。
よって、本発明において被粉砕原料として用いられるセルロース含有原料中のセルロースのI型結晶化指数は、33%を超えることが好ましく、40%以上であることがより好ましく、50%以上であることが更に好ましく、60%以上であることがより更に好ましい。
一方、結晶化度が95%を超える極めて結晶化度の高いセルロース含有原料の入手が困難であることから、セルロース含有原料中のセルロースのI型結晶化指数は、90%以下であることが好ましく、85%以下であることがより好ましい。
(裁断処理)
本発明において、振動粉砕機により粉砕されるチップ状のセルロース含有原料は、シート状のセルロース含有原料を裁断処理することによっても得られる。シート状のセルロース含有原料を裁断処理する方法としては、セルロース含有原料の種類やシートのサイズにより適宜選択することができるが、例えば、シュレッダー、スリッターカッター及びロータリーカッターから選ばれる1種以上の裁断機を使用する方法が挙げられるが、シュレッダー又はスリッターカッターを使用することが好ましく、生産性の観点から、スリッターカッターを使用することがより好ましい。
スリッターカッターとは、シートの長手方向に沿った縦方向にロールカッターで縦切りして、細長い短冊状とし、次に、固定刃と回転刃でシートの幅方向に沿って短く横切りする裁断機であって、スリッターカッターを用いることにより、さいの目形状のセルロース含有原料を容易に得ることができる。スリッターカッターとしては、株式会社ホーライ製のシートペレタイザ、株式会社荻野精機製作所製のスーパーカッター等を好ましく使用でき、これらの装置を使用すると、シート状のセルロース含有原料を約1〜20mm角に裁断することができる。なお、シート状のセルロース含有原料のシートの厚さは、裁断機の性能にもよるが、裁断加工性の観点から0.1mm以上、3mm以下が好ましい。
本発明において、振動粉砕機により粉砕されるチップ状のセルロース含有原料は、シート状のセルロース含有原料を裁断処理することによっても得られる。シート状のセルロース含有原料を裁断処理する方法としては、セルロース含有原料の種類やシートのサイズにより適宜選択することができるが、例えば、シュレッダー、スリッターカッター及びロータリーカッターから選ばれる1種以上の裁断機を使用する方法が挙げられるが、シュレッダー又はスリッターカッターを使用することが好ましく、生産性の観点から、スリッターカッターを使用することがより好ましい。
スリッターカッターとは、シートの長手方向に沿った縦方向にロールカッターで縦切りして、細長い短冊状とし、次に、固定刃と回転刃でシートの幅方向に沿って短く横切りする裁断機であって、スリッターカッターを用いることにより、さいの目形状のセルロース含有原料を容易に得ることができる。スリッターカッターとしては、株式会社ホーライ製のシートペレタイザ、株式会社荻野精機製作所製のスーパーカッター等を好ましく使用でき、これらの装置を使用すると、シート状のセルロース含有原料を約1〜20mm角に裁断することができる。なお、シート状のセルロース含有原料のシートの厚さは、裁断機の性能にもよるが、裁断加工性の観点から0.1mm以上、3mm以下が好ましい。
(乾燥処理)
裁断処理を行ったチップ状のセルロース含有原料は、振動粉砕機による粉砕処理前に乾燥処理することが好ましい。
一般に、市販のパルプ類は、5質量%を超える水分を含有しており、通常5〜30質量%程度の水分を含有している。したがって本発明では、粉砕効率を向上させる観点から、乾燥処理を行うことによって、セルロース含有原料の水分含量を9質量%以下に調整することが好ましく、4質量%以下がより好ましく、3質量%以下が更に好ましく、2質量%以下が更により好ましく、1質量%以下が特に好ましい。この水分含量が9質量%以下であれば、粉砕効率は向上する。一方、この水分含量の下限は、粉末セルロースの生産性及び乾燥効率の観点から、好ましくは0.2質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、更に好ましくは0.4質量%以上である。
前記の水分含量は、実施例に記載の方法により測定することができる。
裁断処理を行ったチップ状のセルロース含有原料は、振動粉砕機による粉砕処理前に乾燥処理することが好ましい。
一般に、市販のパルプ類は、5質量%を超える水分を含有しており、通常5〜30質量%程度の水分を含有している。したがって本発明では、粉砕効率を向上させる観点から、乾燥処理を行うことによって、セルロース含有原料の水分含量を9質量%以下に調整することが好ましく、4質量%以下がより好ましく、3質量%以下が更に好ましく、2質量%以下が更により好ましく、1質量%以下が特に好ましい。この水分含量が9質量%以下であれば、粉砕効率は向上する。一方、この水分含量の下限は、粉末セルロースの生産性及び乾燥効率の観点から、好ましくは0.2質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、更に好ましくは0.4質量%以上である。
前記の水分含量は、実施例に記載の方法により測定することができる。
乾燥方法は、公知の乾燥手段を適宜選択すればよく、例えば、熱風受熱乾燥法、伝導受熱乾燥法、除湿空気乾燥法、冷風乾燥法、マイクロ波乾燥法、赤外線乾燥法、天日乾燥法、真空乾燥法、凍結乾燥法等が挙げられる。
前記の乾燥方法において、公知の乾燥機を適宜選択して使用することができ、例えば、「粉体工学概論」(社団法人日本粉体工業技術会編集 粉体工学情報センター1995年発行)176頁に記載の乾燥機等が挙げられる。
これらの乾燥方法及び乾燥機は単独で又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。乾燥処理はバッチ処理、連続処理のいずれでも可能であるが、生産性の観点から連続処理が望ましい。
連続乾燥機は、伝熱効率の観点から伝導受熱型の横型攪拌乾燥機が好ましい。更に、微粉が発生しにくく、また、連続排出の安定性の観点から、二軸の横型攪拌乾燥機が好ましい。二軸の横型攪拌乾燥機としては、株式会社奈良機械製作所製の二軸パドルドライヤーを好ましく使用できる。
前記の乾燥方法において、公知の乾燥機を適宜選択して使用することができ、例えば、「粉体工学概論」(社団法人日本粉体工業技術会編集 粉体工学情報センター1995年発行)176頁に記載の乾燥機等が挙げられる。
これらの乾燥方法及び乾燥機は単独で又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。乾燥処理はバッチ処理、連続処理のいずれでも可能であるが、生産性の観点から連続処理が望ましい。
連続乾燥機は、伝熱効率の観点から伝導受熱型の横型攪拌乾燥機が好ましい。更に、微粉が発生しにくく、また、連続排出の安定性の観点から、二軸の横型攪拌乾燥機が好ましい。二軸の横型攪拌乾燥機としては、株式会社奈良機械製作所製の二軸パドルドライヤーを好ましく使用できる。
乾燥処理における温度は、乾燥手段、乾燥時間等により一概には決定できないが、10℃以上が好ましく、25℃以上がより好ましく、50℃以上が更に好ましく、250℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましく、150℃以下が更に好ましい。乾燥処理時間は0.01時間以上が好ましく、0.02時間以上がより好ましい。また、2時間以下が好ましく、1時間以下がより好ましい。必要に応じて減圧下で乾燥処理を行ってもよく、減圧下に乾燥処理を行う場合は、圧力は1kPa以上が好ましく、50kPa以上がより好ましく、120kPa以下が好ましく、105kPa以下がより好ましい。
(粉砕処理)
裁断処理を行った後、必要に応じて乾燥処理を行ったチップ状のセルロース含有原料を、本発明の振動粉砕機によって粉砕する。本発明においてこれを「粉砕処理」と称する場合がある。
具体的には、被粉砕原料であるチップ状のセルロース含有原料を、本発明の振動粉砕機の容器1内部に、投入口から連続的に導入し、次いで容器1を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを振動粉砕機の排出口から連続的に排出する。
粉砕処理時の容器1の振動数、振幅、及びそれらの好ましい範囲は、前述の容器の項で述べたものと同様である。
裁断処理を行った後、必要に応じて乾燥処理を行ったチップ状のセルロース含有原料を、本発明の振動粉砕機によって粉砕する。本発明においてこれを「粉砕処理」と称する場合がある。
具体的には、被粉砕原料であるチップ状のセルロース含有原料を、本発明の振動粉砕機の容器1内部に、投入口から連続的に導入し、次いで容器1を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを振動粉砕機の排出口から連続的に排出する。
粉砕処理時の容器1の振動数、振幅、及びそれらの好ましい範囲は、前述の容器の項で述べたものと同様である。
チップ状のセルロース含有原料の容器への供給速度によって、粉砕処理後の粉末セルロースの粒径や結晶化指数を調整することができる。容器1の容積により好ましい供給速度は変わるが、結晶化指数を十分に低下させる観点から、容器1の底面積に対する供給速度の比(供給速度/容器1の底面積)が40kg/(min・m2)以下であることが好ましく、30kg/(min・m2)以下であることがより好ましく、20kg/(min・m2)以下であることが更に好ましい。処理量を維持する観点から、前記容器1の底面積に対する供給速度の比は0.5kg/(min・m2)以上であることが好ましく、1kg/(min・m2)以上であることがより好ましく、3kg/(min・m2)以上であることが更に好ましい。
本発明の製造方法により製造される粉末セルロースは、メジアン径を1μm以上、80μm以下に低減したものであることが好ましい。求められるメジアン径は、使用するセルロース含有原料にもよるが、粉砕処理後の粉末セルロースのメジアン径が80μm以下になるとハンドリング性が向上すると共に、比表面積が増大し、種々の化学反応性等が向上する。該粉末セルロースのメジアン径は、実施例で示す測定方法により求めることができる。
該粉末セルロースのメジアン径が80μm以下になると、ハンドリング性が向上するとともに比表面積が増加することで、セルロースを化学反応させる際の反応剤との接触面積が増大し、化学反応性を向上させることができる。
該粉末セルロースのメジアン径が80μm以下になると、ハンドリング性が向上するとともに比表面積が増加することで、セルロースを化学反応させる際の反応剤との接触面積が増大し、化学反応性を向上させることができる。
本発明の製造方法により製造される粉末セルロースは、好ましくは、含有されるセルロースの、前記計算式(1)から算出されるセルロースI型結晶化指数が33%以下である。
結晶化指数は、セルロースの物理的、化学的性質とも関係し、その値が大きいほど、セルロースの結晶性が高く、非結晶部分が少ないため、硬度、密度等は増すが、伸び、柔軟性、水や溶媒に対する溶解性、化学反応性は低下する。
セルロースのI型結晶化指数が33%以下であれば、セルロースの化学反応性は高い。この観点から、本発明の製造方法により製造される粉末セルロースのI型結晶化指数は、25%以下がより好ましく、20%以下が更に好ましく、15%以下がより更に好ましい。
結晶化指数は、セルロースの物理的、化学的性質とも関係し、その値が大きいほど、セルロースの結晶性が高く、非結晶部分が少ないため、硬度、密度等は増すが、伸び、柔軟性、水や溶媒に対する溶解性、化学反応性は低下する。
セルロースのI型結晶化指数が33%以下であれば、セルロースの化学反応性は高い。この観点から、本発明の製造方法により製造される粉末セルロースのI型結晶化指数は、25%以下がより好ましく、20%以下が更に好ましく、15%以下がより更に好ましい。
実施例で用いたチップ状のセルロース含有原料及び粉砕処理を行った粉末セルロースの水分含量、セルロースのI型結晶化指数、α−セルロース含有量、及び粉砕処理を行った粉末セルロースのメジアン径、見かけ比重(固め)の測定は以下に記載の方法で行った。
(1)水分含量の測定
水分含量は、赤外線水分計〔株式会社島津製作所製「MOC−120H」〕を使用し、120℃にて測定を行い、30秒間の重量変化率が0.05%以下となる点を測定の終点とした。
水分含量は、赤外線水分計〔株式会社島津製作所製「MOC−120H」〕を使用し、120℃にて測定を行い、30秒間の重量変化率が0.05%以下となる点を測定の終点とした。
(2)結晶化指数の算出
セルロースのI型の結晶化指数は、チップ状のセルロース含有原料、又は粉末セルロースのX線回折強度を、X線回折装置〔株式会社リガク製「MiniFlexII」〕を用いて以下の条件で測定し、前記計算式(1)に基づいて算出した。
測定条件は、X線源:Cu/Kα−radiation,管電圧:30kV,管電流:15mA,測定範囲:回折角2θ=5〜35°、X線のスキャンスピードは40°/minで測定した。測定用サンプルは面積320mm2×厚さ1mmのペレットを圧縮し作製した。
セルロースのI型の結晶化指数は、チップ状のセルロース含有原料、又は粉末セルロースのX線回折強度を、X線回折装置〔株式会社リガク製「MiniFlexII」〕を用いて以下の条件で測定し、前記計算式(1)に基づいて算出した。
測定条件は、X線源:Cu/Kα−radiation,管電圧:30kV,管電流:15mA,測定範囲:回折角2θ=5〜35°、X線のスキャンスピードは40°/minで測定した。測定用サンプルは面積320mm2×厚さ1mmのペレットを圧縮し作製した。
(3)α−セルロース含有量の測定
チップ状のセルロース含有原料中のα−セルロース含有量は、日本木材学会編、木質科学実験マニュアル、(2000年、文永堂出版発行)の95−96頁に記載の方法に基づき、測定した。
即ち、初めに原料を10〜20g計量し、ソックスレー抽出器に入れ、エタノールと1,2−ジクロロエタンの体積比が1:2である混合溶剤を約150mL加えて6時間煮沸還流した。抽出後の試料を60℃の真空乾燥機で4時間乾燥させ、脱脂試料を得た。得られた脱脂試料2.5gを300mL三角フラスコにとり、蒸留水約150mL、及び亜塩素酸ナトリウム1.0g、及び酢酸0.2mLを加え、三角フラスコにゆるく蓋をして、70〜80℃の湯浴上で時々内容物を振りながら、1時間加熱した。その後、温度を保ったまま亜塩素酸ナトリウム1.0g、及び酢酸0.2mLを加え、70〜80℃の湯浴上で1時間加熱した。その後、亜塩素酸ナトリウム及び酢酸を加えて加熱する前記と同様の作業を2回繰り返した。白色の内容物を、1G−3ガラスフィルターで吸引ろ過し、冷水及びアセトンで洗浄後、105℃の乾燥機中で6時間真空乾燥し、デシケーター中で放冷した。放冷後、フィルター上の残渣をホロセルロース試料とした。該ホロセルロース量は、ろ過前後におけるフィルターの増加重量として求め、さらに以下の式で原料中のホロセルロース分B(質量%)を求めた。
B=フィルター増加重量/2.5g×100
前記ホロセルロース試料1.0gを300mLビーカーにとり、17.5%水酸化ナトリウム水溶液25mLを加え、ビーカーを時計皿で覆い、20℃の恒温槽中で3分間放置した後、5分間ガラス棒を使って試料を軽くつぶし、膨潤状態とした。ビーカーを時計皿で再度覆って20℃で放置し、試料に水酸化ナトリウム水溶液を加えてから30分後に、蒸留水25mLを加え、正確に1分間攪拌した。次いで、5分間放置した後、1G−3ガラスフィルターで吸引ろ過し、ろ液が中性になるまで20℃の水で手早く洗浄した。ろ取した内容物に、さらに10%酢酸40mLを注ぎ、吸引ろ過して液をできるだけ除去し、1Lの煮沸水で洗浄後、105℃の乾燥機中で6時間真空乾燥し、デシケーター中で放冷した。放冷後、フィルター上の残渣をα−セルロース試料とした。該α−セルロース量は、ろ過前後におけるフィルターの増加重量として求め、さらに以下の式でホロセルロース中のα−セルロース量C(質量%)を求めた。
C=フィルター増加重量/1.0g×100
次に、得られたα−セルロース試料を575℃、12時間で灰化した。灰化前及び灰化後の重量を秤量することにより、以下の式で灰分D(質量%)を求めた。
D=灰化後重量/灰化前重量×100
以上の結果から、灰分を差し引いた原料中のα−セルロース含有量E(質量%)を以下の式によって求めた。
E=B×C÷100×(1−D÷100)
チップ状のセルロース含有原料中のα−セルロース含有量は、日本木材学会編、木質科学実験マニュアル、(2000年、文永堂出版発行)の95−96頁に記載の方法に基づき、測定した。
即ち、初めに原料を10〜20g計量し、ソックスレー抽出器に入れ、エタノールと1,2−ジクロロエタンの体積比が1:2である混合溶剤を約150mL加えて6時間煮沸還流した。抽出後の試料を60℃の真空乾燥機で4時間乾燥させ、脱脂試料を得た。得られた脱脂試料2.5gを300mL三角フラスコにとり、蒸留水約150mL、及び亜塩素酸ナトリウム1.0g、及び酢酸0.2mLを加え、三角フラスコにゆるく蓋をして、70〜80℃の湯浴上で時々内容物を振りながら、1時間加熱した。その後、温度を保ったまま亜塩素酸ナトリウム1.0g、及び酢酸0.2mLを加え、70〜80℃の湯浴上で1時間加熱した。その後、亜塩素酸ナトリウム及び酢酸を加えて加熱する前記と同様の作業を2回繰り返した。白色の内容物を、1G−3ガラスフィルターで吸引ろ過し、冷水及びアセトンで洗浄後、105℃の乾燥機中で6時間真空乾燥し、デシケーター中で放冷した。放冷後、フィルター上の残渣をホロセルロース試料とした。該ホロセルロース量は、ろ過前後におけるフィルターの増加重量として求め、さらに以下の式で原料中のホロセルロース分B(質量%)を求めた。
B=フィルター増加重量/2.5g×100
前記ホロセルロース試料1.0gを300mLビーカーにとり、17.5%水酸化ナトリウム水溶液25mLを加え、ビーカーを時計皿で覆い、20℃の恒温槽中で3分間放置した後、5分間ガラス棒を使って試料を軽くつぶし、膨潤状態とした。ビーカーを時計皿で再度覆って20℃で放置し、試料に水酸化ナトリウム水溶液を加えてから30分後に、蒸留水25mLを加え、正確に1分間攪拌した。次いで、5分間放置した後、1G−3ガラスフィルターで吸引ろ過し、ろ液が中性になるまで20℃の水で手早く洗浄した。ろ取した内容物に、さらに10%酢酸40mLを注ぎ、吸引ろ過して液をできるだけ除去し、1Lの煮沸水で洗浄後、105℃の乾燥機中で6時間真空乾燥し、デシケーター中で放冷した。放冷後、フィルター上の残渣をα−セルロース試料とした。該α−セルロース量は、ろ過前後におけるフィルターの増加重量として求め、さらに以下の式でホロセルロース中のα−セルロース量C(質量%)を求めた。
C=フィルター増加重量/1.0g×100
次に、得られたα−セルロース試料を575℃、12時間で灰化した。灰化前及び灰化後の重量を秤量することにより、以下の式で灰分D(質量%)を求めた。
D=灰化後重量/灰化前重量×100
以上の結果から、灰分を差し引いた原料中のα−セルロース含有量E(質量%)を以下の式によって求めた。
E=B×C÷100×(1−D÷100)
(4)メジアン径の測定
粉砕処理後の粉末セルロースのメジアン径は、レーザ回折散乱法粒度分布測定装置〔ベックマン・コールター株式会社製「LS13 320」〕を用いて測定した。測定条件は、測定時の分散媒体として純水を用い、体積基準のメジアン径を測定した。
粉砕処理後の粉末セルロースのメジアン径は、レーザ回折散乱法粒度分布測定装置〔ベックマン・コールター株式会社製「LS13 320」〕を用いて測定した。測定条件は、測定時の分散媒体として純水を用い、体積基準のメジアン径を測定した。
(5)見かけ比重(固め)の測定
見かけ比重(固め)の測定は、嵩密度は、パウダーテスター〔ホソカワミクロン株式会社製〕を用いて測定した。規定の容器(容量100mL)の上部に付属のキャップを付け足して、容量が約200mLとなるようにした。スコップを用いて、チップ状のセルロース含有原料を静かに容器に投入し、容器内を原料で充満した。パウダーテスターのタッピング機能を利用して、タッピングを180秒間、180回行った。タッピング終了後、キャップを静かに外し、100mLの容器の上にある余分なサンプルをすりきり、100mLの容器中のサンプル重量を測定して見かけ比重(固め)を算出した。
見かけ比重(固め)の測定は、嵩密度は、パウダーテスター〔ホソカワミクロン株式会社製〕を用いて測定した。規定の容器(容量100mL)の上部に付属のキャップを付け足して、容量が約200mLとなるようにした。スコップを用いて、チップ状のセルロース含有原料を静かに容器に投入し、容器内を原料で充満した。パウダーテスターのタッピング機能を利用して、タッピングを180秒間、180回行った。タッピング終了後、キャップを静かに外し、100mLの容器の上にある余分なサンプルをすりきり、100mLの容器中のサンプル重量を測定して見かけ比重(固め)を算出した。
実施例1
〔裁断処理〕
セルロース含有原料であるシート状木材パルプ〔テンベック製「HV+」、800mm×600mm×1.0mm、結晶化指数80%、α−セルロース含有量96質量%、水分含量8.0質量%〕を、スリッターカッターであるシートペレタイザ〔株式会社ホーライ製「SG(E)−220」〕にかけ、約3mm×1.5mm×1.0mmの大きさの直方体に裁断した。
〔裁断処理〕
セルロース含有原料であるシート状木材パルプ〔テンベック製「HV+」、800mm×600mm×1.0mm、結晶化指数80%、α−セルロース含有量96質量%、水分含量8.0質量%〕を、スリッターカッターであるシートペレタイザ〔株式会社ホーライ製「SG(E)−220」〕にかけ、約3mm×1.5mm×1.0mmの大きさの直方体に裁断した。
〔乾燥処理〕
裁断処理により得られたチップ状のセルロース含有原料を、2軸横型攪拌乾燥機〔株式会社奈良機械製作所製、2軸パドルドライヤー「NPD−1.6W(1/2)」〕を用いて乾燥した。乾燥温度は140℃とし、あらかじめ前記原料を8kg仕込み、大気圧下において60分間バッチ処理で乾燥して、前記原料の水分含量を0.8質量%とした。その後、装置を2°傾け、連続処理にて前記原料を乾燥した。このとき前記原料の供給速度は18kg/hであった。連続処理で得られた乾燥した前記原料の水分含量も0.8質量%であった。得られた乾燥処理後の前記原料は、保管中の吸湿を防ぐため、粉砕処理の直前までアルミニウム製の袋で保管した。X線回折強度から算出した乾燥処理後の前記原料のセルロースのI型結晶化指数は81%であった。
裁断処理により得られたチップ状のセルロース含有原料を、2軸横型攪拌乾燥機〔株式会社奈良機械製作所製、2軸パドルドライヤー「NPD−1.6W(1/2)」〕を用いて乾燥した。乾燥温度は140℃とし、あらかじめ前記原料を8kg仕込み、大気圧下において60分間バッチ処理で乾燥して、前記原料の水分含量を0.8質量%とした。その後、装置を2°傾け、連続処理にて前記原料を乾燥した。このとき前記原料の供給速度は18kg/hであった。連続処理で得られた乾燥した前記原料の水分含量も0.8質量%であった。得られた乾燥処理後の前記原料は、保管中の吸湿を防ぐため、粉砕処理の直前までアルミニウム製の袋で保管した。X線回折強度から算出した乾燥処理後の前記原料のセルロースのI型結晶化指数は81%であった。
〔粉砕処理〕
上下に同じ形状の容器を2つ有している、連続式振動ミル〔ユーラステクノ株式会社製「YAMT−50」、容器内径210mm、容器内部の円柱形の空間の軸方向長さ820mm、容器容量28.4L〕の容器内部に、厚さ6mmのステンレス製のライニングを挿入し、この内部に円筒状媒体と粉砕媒体を配置し粉砕を行った。外径182mm、内径152mm、軸方向長さ23.5mmのステンレス製の円筒状媒体を32個、該円筒状媒体の軸方向が容器の軸方向と平行になる向きに配置した。さらに円筒状媒体内部に、粉砕媒体として、外径30mm、長さ800mmのステンレス製の、円柱状の棒状媒体を16本配置した。このとき、円筒状媒体間の平均間隙距離は、2.1mmであり、容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比は0.083であり、円筒状媒体の内側の空間容積に対する棒状媒体の体積の積算値の比は、62.3%であった。
さらに乾燥処理により得られたチップ状のセルロース含有原料(見かけ比重(固め)0.18g/mL)を供給速度8.3kg/(min・m2)で振動ミルの上段の投入口より容器内部に連続的に供給し、振幅8mm、振動数20Hzの条件で容器を振動させてチップ状のセルロース含有原料を粉砕し、下段の排出口から粉末状のセルロースを連続的に排出し、粉末セルロースを得た。得られた粉末セルロースのメジアン径は73.7μm、粉末セルロースのI型結晶化指数は12.1%であった。
上下に同じ形状の容器を2つ有している、連続式振動ミル〔ユーラステクノ株式会社製「YAMT−50」、容器内径210mm、容器内部の円柱形の空間の軸方向長さ820mm、容器容量28.4L〕の容器内部に、厚さ6mmのステンレス製のライニングを挿入し、この内部に円筒状媒体と粉砕媒体を配置し粉砕を行った。外径182mm、内径152mm、軸方向長さ23.5mmのステンレス製の円筒状媒体を32個、該円筒状媒体の軸方向が容器の軸方向と平行になる向きに配置した。さらに円筒状媒体内部に、粉砕媒体として、外径30mm、長さ800mmのステンレス製の、円柱状の棒状媒体を16本配置した。このとき、円筒状媒体間の平均間隙距離は、2.1mmであり、容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比は0.083であり、円筒状媒体の内側の空間容積に対する棒状媒体の体積の積算値の比は、62.3%であった。
さらに乾燥処理により得られたチップ状のセルロース含有原料(見かけ比重(固め)0.18g/mL)を供給速度8.3kg/(min・m2)で振動ミルの上段の投入口より容器内部に連続的に供給し、振幅8mm、振動数20Hzの条件で容器を振動させてチップ状のセルロース含有原料を粉砕し、下段の排出口から粉末状のセルロースを連続的に排出し、粉末セルロースを得た。得られた粉末セルロースのメジアン径は73.7μm、粉末セルロースのI型結晶化指数は12.1%であった。
比較例1
円筒状媒体の個数を33個とした以外は、実施例1と同様の方法で粉末セルロースの製造を行った。このとき、円筒状媒体間の平均間隙距離は、1.3mmであり、容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比は0.054であった。このとき、容器内で原料の閉塞が発生した。
円筒状媒体の個数を33個とした以外は、実施例1と同様の方法で粉末セルロースの製造を行った。このとき、円筒状媒体間の平均間隙距離は、1.3mmであり、容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比は0.054であった。このとき、容器内で原料の閉塞が発生した。
比較例2
円筒状媒体の個数を34個とした以外は、実施例1と同様の方法で粉末セルロースの製造を行った。このとき、円筒状媒体間の平均間隙距離は、0.6mmであり、容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比は0.026であった。このとき、容器内で原料の閉塞が発生した。
円筒状媒体の個数を34個とした以外は、実施例1と同様の方法で粉末セルロースの製造を行った。このとき、円筒状媒体間の平均間隙距離は、0.6mmであり、容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和の比は0.026であった。このとき、容器内で原料の閉塞が発生した。
本発明の振動粉砕機、及び該振動粉砕機を用いた粉末セルロースの製造方法によれば、チップ状のセルロース含有原料を安定して連続粉砕することができるため、処理量が多くても、小粒径化された粉末セルロースを効率よく製造することができる。したがって本発明の粉末セルロースの製造方法は生産性に優れ、工業的製法として有用である。
1 容器
2 円筒状媒体
3a 円柱状の棒状媒体
3b 球状媒体
2 円筒状媒体
3a 円柱状の棒状媒体
3b 球状媒体
Claims (9)
- 内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、
該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、
該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備え、かつ、下記(1)〜(5)を満たす振動粉砕機を用いた粉末セルロースの製造方法であって、
該振動粉砕機の該容器内部にチップ状のセルロース含有原料を連続的に導入し、該容器を振動させて粉砕し、得られた粉末セルロースを連続的に排出する工程を有する、粉末セルロースの製造方法。
(1)円筒状媒体が、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように複数配置され、該円筒状媒体の中心軸方向の長さが3mm以上、100mm以下である。
(2)下記の式で計算される隣接する円筒状媒体間の平均間隙距離が1.5mm以上である。
平均間隙距離=(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体の数+1)
(3)前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)の比が0.5以下である。
(4)粉砕媒体の外径に対する、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体の内径の比が2.1以上である。
(5)粉砕媒体の体積の積算値が、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体内側の空間容積の25%を超える値である。 - 粉砕媒体が、外径3mm以上、60mm以下の棒状媒体である、請求項1に記載の粉末セルロースの製造方法。
- 容器内部の円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、棒状媒体の長さの比が、0.80以上、0.995以下である、請求項2に記載の粉末セルロースの製造方法。
- 容器の内径と、該容器の内部に接する円筒状媒体の外径との差が、3mm以上、60mm以下である、請求項1〜3のいずれかに記載の粉末セルロースの製造方法。
- 円筒状媒体の外径に対する該円筒状媒体の厚みの比が、0.02以上、0.7以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の粉末セルロースの製造方法。
- チップ状のセルロース含有原料が、該セルロース含有原料から水を差し引いた残余の成分中のセルロース含有量が20質量%以上であり、下記計算式(1)で示されるセルロースI型結晶化指数が33%を超えるセルロース含有原料である、請求項1〜5のいずれかに記載の粉末セルロースの製造方法。
セルロースI型結晶化指数(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100 (1)
〔I22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度を示し、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。〕 - チップ状のセルロース含有原料を粉砕処理して得られる粉末セルロースの前記計算式(1)で示されるセルロースI型結晶化指数が33%以下である、請求項6に記載の粉末セルロースの製造方法。
- チップ状のセルロース含有原料の水分含量が、0.2質量%以上、9質量%以下である、請求項6又は7に記載の粉末セルロースの製造方法。
- 内部に円柱形の空間を有し、該円柱形の空間の中心軸が略水平になるように配置され、該中心軸に対し略垂直な面内方向に振動可能に保持された容器と、
該容器内部に、該中心軸方向に複数、振動可能に配置された円筒状媒体と、
該円筒状媒体内部に振動可能に配置された複数の粉砕媒体とを備えた振動粉砕機であって、下記(1)〜(5)を満たす、振動粉砕機。
(1)円筒状媒体が、その中心軸が前記円柱形の空間の中心軸と平行になるように複数配置され、該円筒状媒体の中心軸方向の長さが3mm以上、100mm以下である。
(2)下記の式で計算される隣接する円筒状媒体間の平均間隙距離が1.5mm以上である。
平均間隙距離=(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)/(円筒状媒体の数+1)
(3)前記円柱形の空間の中心軸方向の長さに対する、前記間隙距離の総和(容器の中心軸方向の長さ−複数の円筒状媒体の中心軸方向の長さの総和)の比が0.5以下である。
(4)粉砕媒体の外径に対する、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体の内径の比が2.1以上である。
(5)粉砕媒体の体積の積算値が、該粉砕媒体が接する前記円筒状媒体内側の空間容積の25%を超える値である。
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JP2016117034A (ja) * | 2014-12-22 | 2016-06-30 | 花王株式会社 | 粉末バイオマスの製造方法 |
CN108816392A (zh) * | 2018-06-14 | 2018-11-16 | 成都本珍元药业有限公司 | 一种中药破壁破膜工艺及装置 |
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- 2013-01-21 JP JP2013008487A patent/JP2014139276A/ja active Pending
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