JP2022133416A - Composite fiber of cellulose fiber and inorganic particle, and production method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セルロース繊維と無機粒子の複合繊維およびその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite fiber of cellulose fibers and inorganic particles and a method for producing the same.
木質繊維を始めとする繊維は、その表面の官能基などに基づいて種々の特性を発揮するが、用途によっては表面を改質する必要が生じる場合もあり、これまで、繊維を表面改質する技術が開発されてきている。 Fibers, including wood fibers, exhibit various properties based on the functional groups on their surfaces. technology has been developed.
例えば、セルロース繊維などの繊維上に無機粒子を析出させる技術について、特許文献1には、結晶質の炭酸カルシウムが繊維上に機械的に結合した複合体が記載されている。また、特許文献2には、パルプ懸濁液中で炭酸ガス法により炭酸カルシウムを析出させることによって、パルプと炭酸カルシウムの複合体を製造する技術が記載されている。
For example, regarding the technique of depositing inorganic particles on fibers such as cellulose fibers,
セルロースの繊維表面を無機粒子で被覆した従来の複合繊維は、セルロース繊維と無機粒子の結着強度が十分でなく、セルロース繊維に被覆している無機粒子量が少なかったり、セルロース繊維から無機粒子が脱落してしまったりすることがあった。このような状況に鑑み、本発明の課題は、セルロース繊維表面が多くの無機粒子で強く被覆された複合繊維を提供することである。 Conventional composite fibers in which the surface of cellulose fibers is coated with inorganic particles do not have sufficient binding strength between the cellulose fibers and the inorganic particles, and the amount of inorganic particles coated on the cellulose fibers is small. Sometimes I fell off. In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a composite fiber in which the cellulose fiber surface is strongly coated with many inorganic particles.
本発明は、これに制限されるものでないが、以下の発明を包含する。
[1] セルロース繊維と無機粒子の複合繊維を製造する方法であって、
セルロース繊維を含む溶液において無機粒子を合成して複合繊維を得る工程と、
下記の(a)または(b):
(a) 固形分濃度0.1%の複合繊維の水性懸濁液を、60メッシュ(目開き250μm)の篩で濾過処理した濾液、
(b) 固形分濃度0.3%の複合繊維の水性懸濁液を、流速5.7L/min、水温25±1℃、全流出量22Lの条件で繊維分級分析装置を用いて分級処理したときの、流出量(L)18.51~19.50、流出時間(sec)37.4~48.0に相当する画分、
の粒度分布を測定して(D50-D10)/D50を算出すること、
を含む、上記方法。
[2] (D50-D10)/D50が0.85以下となるように複合繊維の水性懸濁液を調整する、[1]に記載の方法。
[3] 前記複合繊維の平均繊維径が、500nm以上である、[1]または[2]に記載の方法。
[4] 前記無機粒子が、カルシウム、マグネシウム、バリウムあるいはアルミニウムの金属塩、チタン、銅あるいは亜鉛を含む金属粒子、またはケイ酸塩を含む、[1]~[3]のいずれかに記載の方法。
[5] [1]~[4]のいずれか方法により得られた複合繊維からシートを形成させる工程を含む、複合繊維シートの製造方法。
[6] セルロース繊維と無機粒子の複合繊維であって、下記の(a)または(b):
(a) 固形分濃度0.1%の複合繊維の水性懸濁液を、60メッシュ(目開き250μm)の篩で濾過処理したときの濾液
(b) 固形分濃度0.3%の複合繊維の水性懸濁液を、流速5.7L/min、水温25±1℃、全流出量22Lの条件で繊維分級分析装置を用いて分級処理したときの、流出量(L)18.51~19.50、流出時間(sec)37.4~48.0に相当する画分、
の粒度分布から算出した(D50-D10)/D50の数値が0.85以下である、上記複合繊維。
[7] 固形分濃度0.1%の複合繊維の水性懸濁液を、60メッシュ(目開き250μm)の篩で処理して篩を通過する、セルロース繊維と無機粒子の複合繊維であって、当該篩を通過した濾液の粒度分布から算出した(D50-D10)/D50の数値が0.85以下である、上記複合繊維。
[8] 固形分濃度0.3%の複合繊維の水性懸濁液を、流速5.7L/min、水温25±1℃、全流出量22Lの条件で繊維分級分析装置を用いて分級処理し、流出量(L)18.51~19.50、流出時間(sec)37.4~48.0に相当する画分から得られる、セルロース繊維と無機粒子の複合繊維であって、当該画分の粒度分布から算出した(D50-D10)/D50の数値が0.85以下である、上記複合繊維。
[9] セルロース繊維と無機粒子の複合繊維を分析する方法であって、下記の(a)または(b):
(a) 固形分濃度0.1%の複合繊維の水性懸濁液を、60メッシュ(目開き250μm)の篩で濾過処理したときの濾液
(b) 固形分濃度0.3%の複合繊維の水性懸濁液を、流速5.7L/min、水温25±1℃、全流出量22Lの条件で繊維分級分析装置を用いて分級処理したときの、流出量(L)18.51~19.50、流出時間(sec)37.4~48.0に相当する画分、
の粒度分布を測定し、(D50-D10)/D50を算出する工程を含む、上記方法。
The present invention includes, but is not limited to, the following inventions.
[1] A method for producing composite fibers of cellulose fibers and inorganic particles, comprising:
a step of synthesizing inorganic particles in a solution containing cellulose fibers to obtain composite fibers;
(a) or (b) below:
(a) Filtrate obtained by filtering an aqueous suspension of composite fibers with a solid content concentration of 0.1% through a 60-mesh (250 μm opening) sieve,
(b) An aqueous suspension of composite fibers with a solid concentration of 0.3% was classified using a fiber classifier under the conditions of a flow rate of 5.7 L/min, a water temperature of 25 ± 1°C, and a total outflow of 22 L. fraction corresponding to an outflow amount (L) of 18.51 to 19.50 and an outflow time (sec) of 37.4 to 48.0,
Measuring the particle size distribution of (D50-D10) / calculating D50,
The above method, including
[2] The method according to [1], wherein the aqueous suspension of the composite fiber is adjusted so that (D50-D10)/D50 is 0.85 or less.
[3] The method according to [1] or [2], wherein the composite fiber has an average fiber diameter of 500 nm or more.
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein the inorganic particles include metal salts of calcium, magnesium, barium or aluminum, metal particles containing titanium, copper or zinc, or silicates. .
[5] A method for producing a composite fiber sheet, comprising a step of forming a sheet from the composite fiber obtained by any one of [1] to [4].
[6] Composite fibers of cellulose fibers and inorganic particles, comprising the following (a) or (b):
(a) Filtrate obtained by filtering an aqueous suspension of conjugate fibers with a solid content of 0.1% through a 60-mesh (250 µm mesh) sieve (b) Filtrate of conjugate fibers with a solid content of 0.3% When the aqueous suspension was classified using a fiber classification analyzer under the conditions of a flow rate of 5.7 L/min, a water temperature of 25±1° C., and a total outflow of 22 L, the outflow (L) was 18.51 to 19.0. 50, the fraction corresponding to an efflux time (sec) of 37.4-48.0;
The composite fiber having a value of (D50-D10)/D50 calculated from the particle size distribution of 0.85 or less.
[7] Composite fibers of cellulose fibers and inorganic particles, obtained by processing an aqueous suspension of composite fibers with a solid content concentration of 0.1% through a 60-mesh (250 μm mesh) sieve and passing through the sieve, The composite fiber has a numerical value of (D50-D10)/D50 calculated from the particle size distribution of the filtrate passed through the sieve is 0.85 or less.
[8] An aqueous suspension of composite fibers with a solid content concentration of 0.3% was classified using a fiber classifier under conditions of a flow rate of 5.7 L/min, a water temperature of 25 ± 1 ° C., and a total outflow of 22 L. , an outflow (L) of 18.51 to 19.50, and an outflow time (sec) of 37.4 to 48.0. The composite fiber has a numerical value of (D50-D10)/D50 calculated from the particle size distribution of 0.85 or less.
[9] A method for analyzing composite fibers of cellulose fibers and inorganic particles, comprising the following (a) or (b):
(a) Filtrate obtained by filtering an aqueous suspension of conjugate fibers with a solid concentration of 0.1% through a 60-mesh (250 μm mesh) sieve (b) Filtrate of conjugate fibers with a solid content of 0.3% When the aqueous suspension was classified using a fiber classifier under the conditions of a flow rate of 5.7 L/min, a water temperature of 25±1° C., and a total outflow of 22 L, the outflow (L) was 18.51 to 19.0. 50, the fraction corresponding to an efflux time (sec) of 37.4-48.0;
The above method, comprising the step of measuring the particle size distribution of and calculating (D50-D10)/D50.
本発明によれば、セルロース繊維表面が多くの無機粒子で強く被覆され、かつ脱水やシート化等の後工程での生産効率を向上できる複合繊維を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composite fiber which the surface of a cellulose fiber is strongly coat|covered with many inorganic particles, and can improve the production efficiency in post processes, such as dehydration and sheet-forming, can be obtained.
従来の複合繊維よりも無機粒子とセルロース繊維が強く結着しているため、脱水やシート化などにおいて無機粒子が脱落しにくく(後工程での無機粒子の歩留りに優れており)、かつ小粒径の遊離粒子が少ないために濾水性も良好である。脱水性や濾水性の向上は、各種製品の生産性(脱水スピードや抄速アップ)向上につながることはもちろん、機能性をもつ無機粒子が脱落しにくいため、本発明は複合繊維を材料とした製品などの機能性向上にもつながる。 Since the inorganic particles and cellulose fibers are more strongly bound than conventional composite fibers, the inorganic particles are less likely to fall off during dehydration and sheeting (excellent inorganic particle yield in post-processes), and the particles are small. Drainage is also good due to the low free particle size. Improvements in dewatering properties and freeness lead to improvements in the productivity of various products (increase in dewatering speed and papermaking speed), and of course, functional inorganic particles are less likely to fall off. It also leads to improved functionality of products.
本発明は、セルロース繊維表面が無機粒子で強く被覆された複合繊維(複合体)に関する。好ましい態様において、本発明に係る複合繊維は、繊維表面の15%以上が無機粒子によって被覆されている。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to composite fibers (composites) in which the surfaces of cellulose fibers are strongly coated with inorganic particles. In a preferred embodiment, 15% or more of the fiber surface of the composite fiber according to the present invention is coated with inorganic particles.
本発明に係る複合繊維は、単に繊維と無機粒子が混在しているのではなく、水素結合などによって繊維と無機粒子が結着しているので、無機粒子が繊維から脱落することが少ない。複合体における繊維と無機粒子の結着の強さは、一般的には、灰分歩留(%、すなわち、シートの灰分÷離解前の複合体の灰分×100)といった数値によって評価することができる。具体的には、複合体を水に分散させて固形分濃度0.2%に調整してJIS P 8220-1:2012に規定される標準離解機で5分間離解後、JIS P 8222:1998に従って150メッシュのワイヤーを用いてシート化した際の灰分歩留を評価に用いることができる。しかし、本発明では複合繊維を分級することにより、従来の方法では結着の強さが十分に評価できなかったものについて、結着の強い良好な複合繊維を評価することができる。 In the conjugate fiber according to the present invention, the fibers and the inorganic particles are not simply mixed, but the fibers and the inorganic particles are bound by hydrogen bonding or the like, so the inorganic particles are less likely to fall off from the fibers. The strength of binding between fibers and inorganic particles in a composite can generally be evaluated by numerical values such as ash retention (%, i.e., ash of sheet/ash of composite before disintegration x 100). . Specifically, the composite is dispersed in water and adjusted to a solid content concentration of 0.2%, and after disintegration for 5 minutes with a standard disintegrator specified in JIS P 8220-1: 2012, JIS P 8222: According to 1998. The ash retention when sheeted using a wire of 150 mesh can be used for evaluation. However, according to the present invention, by classifying the conjugate fibers, it is possible to evaluate conjugate fibers with strong binding, which could not be sufficiently evaluated by the conventional method.
本発明においては、セルロース繊維と無機粒子の複合繊維について、下記の(a)または(b)の粒度分布を分析することによって、複合粒子を適切に評価することができる。
(a) 固形分濃度0.1%の複合繊維の水性懸濁液を、60メッシュ(目開き250μm)の篩で濾過処理した濾液
(b) 固形分濃度0.3%の複合繊維の水性懸濁液を、流速5.7L/min、水温25±1℃、全流出量22Lの条件で繊維分級分析装置を用いて分級処理したときの、流出量(L)18.51~19.50、流出時間(sec)37.4~48.0に相当する画分
In the present invention, the composite particles can be appropriately evaluated by analyzing the particle size distribution of the following (a) or (b) for composite fibers of cellulose fibers and inorganic particles.
(a) Filtrate obtained by filtering an aqueous suspension of composite fibers with a solid content of 0.1% through a 60-mesh (250 μm mesh) sieve (b) Aqueous suspension of composite fibers with a solid content of 0.3% When the turbid liquid was classified using a fiber classification analyzer under the conditions of a flow rate of 5.7 L / min, a water temperature of 25 ± 1 ° C., and a total outflow of 22 L, the outflow (L) was 18.51 to 19.50, Fractions corresponding to efflux time (sec) 37.4-48.0
具体的には、上記の(a)または(b)の体積基準の粒度分布から算出される(D50-D10)/D50の数値を指標とすることができる。ここで、D10およびD50は体積基準の粒度分布から測定される粒子径であり、D10は累積10%の粒子径、D50は累積50%の粒子径である。(D50-D10)/D50の数値が小さいほどサンプルの粒度分布が狭いことを意味しており、繊維表面に無機物が強固に定着していることを示す。好ましい態様において、(D50-D10)/D50の数値は0.85以下である。 Specifically, the numerical value of (D50-D10)/D50 calculated from the volume-based particle size distribution of (a) or (b) above can be used as an index. Here, D10 and D50 are particle diameters measured from the volume-based particle size distribution, D10 is the cumulative 10% particle diameter, and D50 is the cumulative 50% particle diameter. The smaller the value of (D50-D10)/D50, the narrower the particle size distribution of the sample, indicating that the inorganic material is firmly fixed on the fiber surface. In a preferred embodiment, the numerical value of (D50-D10)/D50 is 0.85 or less.
複合繊維の合成
本発明において、セルロース繊維などの繊維を含む溶液中で無機粒子を合成することによって複合繊維を合成することができる。繊維表面が、無機粒子の析出における好適な場となり、複合繊維を合成しやすいためである。複合繊維の合成方法としては、例えば、繊維と無機粒子の前駆体を含む溶液を開放型の反応槽中で撹拌、混合して複合体を合成しても良いし、繊維と無機粒子の前駆体を含む水性懸濁液を反応容器内に噴射することによって合成してもよい。後述するが、無機物の前駆体の水性懸濁液を反応容器内に噴射する際に、キャビテーション気泡を発生させ、その存在下で無機粒子を合成してもよい。無機粒子は、それぞれ、公知の反応によってセルロース繊維上に合成することができる。
Synthesis of composite fibers In the present invention, composite fibers can be synthesized by synthesizing inorganic particles in a solution containing fibers such as cellulose fibers. This is because the fiber surface becomes a suitable place for precipitation of inorganic particles, and conjugate fibers are easily synthesized. As a method for synthesizing the composite fiber, for example, a composite may be synthesized by stirring and mixing a solution containing the precursor of the fiber and the inorganic particles in an open reaction tank, or the precursor of the fiber and the inorganic particle may be synthesized. may be synthesized by injecting an aqueous suspension containing into the reaction vessel. As will be described later, when injecting an aqueous suspension of an inorganic precursor into a reaction vessel, cavitation bubbles may be generated to synthesize inorganic particles in the presence of the bubbles. Each of the inorganic particles can be synthesized on the cellulose fibers by known reactions.
一般的に、無機粒子の生成は、クラスター状態(集まる原子・分子数が少ない段階で、集合と離散を繰り返す)から、核(クラスターから安定な集合状態に移行し、臨界サイズ以上になると捕まった原子・分子が離散しなくなる)、そして成長(核に新たな原子・分子が集まり粒子が大きくなる)の過程を経ることが知られており、原料濃度や反応温度が高いほど、核生成が起こりやすいと言われている。本願発明の複合繊維は、主に原料濃度、パルプの叩解度(比表面積)、繊維を含む溶液の粘性、添加薬品の濃度および添加スピード、反応温度、撹拌スピードを調整することで、繊維上に効率的に核を結着させ、かつ粒子成長を促すことにより、セルロース繊維表面が無機粒子で強く被覆された複合繊維を得ることができる。 In general, the formation of inorganic particles proceeds from a cluster state (repeating aggregation and scattering at a stage where the number of atoms and molecules that are gathered is small) to a nucleus (cluster) to a stable aggregation state, and when it reaches a critical size or more, it is caught. atoms/molecules stop scattering) and growth (new atoms/molecules gather in the nucleus and the particles grow larger). is said to be easy. The conjugate fiber of the present invention can be produced by adjusting the raw material concentration, the beating degree (specific surface area) of the pulp, the viscosity of the solution containing the fiber, the concentration and addition speed of the additive chemical, the reaction temperature, and the stirring speed. By efficiently binding the nuclei and promoting particle growth, it is possible to obtain composite fibers in which the surfaces of the cellulose fibers are strongly coated with inorganic particles.
本発明においては、反応容器内にキャビテーション気泡を生じさせるような条件で液体を噴射してもよいし、キャビテーション気泡を生じさせないような条件で噴射してもよい。また、反応容器はいずれの場合においても圧力容器であることが好ましい。なお、本発明における圧力容器とは0.005MPa以上の圧力をかけることのできる容器のことである。キャビテーション気泡を生じさせないような条件の場合、圧力容器内の圧力は、静圧で0.005MPa以上0.9MPa以下であることが好ましい。 In the present invention, the liquid may be jetted under conditions that generate cavitation bubbles in the reaction vessel, or under conditions that do not generate cavitation bubbles. Also, the reaction vessel is preferably a pressure vessel in any case. In addition, the pressure vessel in the present invention means a vessel to which a pressure of 0.005 MPa or more can be applied. Under conditions that do not cause cavitation bubbles, the pressure in the pressure vessel is preferably 0.005 MPa or more and 0.9 MPa or less in terms of static pressure.
(キャビテーション気泡)
本発明に係る複合繊維を合成する場合、キャビテーション気泡の存在下で無機粒子を析出させることができる。本発明においてキャビテーションとは、流体の流れの中で圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる物理現象であり、空洞現象とも言われる。キャビテーションによって生じる気泡(キャビテーション気泡)は、流体の中で圧力がごく短時間だけ飽和蒸気圧より低くなったとき、液体中に存在する100ミクロン以下のごく微小な「気泡核」を核として生じる。
(Cavitation bubbles)
When synthesizing the composite fiber according to the present invention, inorganic particles can be precipitated in the presence of cavitation bubbles. In the present invention, cavitation is a physical phenomenon in which bubbles are generated and disappear in a short time due to a pressure difference in a fluid flow, and is also called a cavitation phenomenon. Bubbles caused by cavitation (cavitation bubbles) are generated with very small "bubble nuclei" of 100 microns or less existing in the liquid as nuclei when the pressure in the fluid becomes lower than the saturated vapor pressure for a very short time.
本発明においてキャビテーション気泡は、公知の方法によって反応容器内に発生させることができる。例えば、流体を高圧で噴射することによってキャビテーション気泡を発生させること、流体内で高速で攪拌することによってキャビテーションを発生させること、流体内で爆発を生じさせることによってキャビテーションを発生させること、超音波振動子によってキャビテーションを発生させること(バイブトラリー・キャビテーション)などが考えられる。 In the present invention, cavitation bubbles can be generated in the reaction vessel by a known method. For example, generating cavitation bubbles by injecting a fluid at high pressure, generating cavitation by agitating the fluid at high speed, generating cavitation by generating an explosion in the fluid, and ultrasonic vibration. It is conceivable that cavitation is generated by the child (vibratory cavitation).
本発明においては、原料などの反応溶液をそのまま噴射液体として用いてキャビテーションを発生させることもできるし、反応容器内に何らかの流体を噴射してキャビテーション気泡を発生させることもできる。液体噴流が噴流をなす流体は、流動状態であれば液体、気体、粉体やパルプ等の固体の何れでもよく、またそれらの混合物であってもよい。更に必要であれば上記の流体に、新たな流体として、炭酸ガスなど、別の流体を加えることができる。上記流体と新たな流体は、均一に混合して噴射してもよいが、別個に噴射してもよい。 In the present invention, cavitation can be generated by directly using the reaction solution such as the raw material as the injection liquid, or cavitation bubbles can be generated by injecting some fluid into the reaction vessel. The fluid in which the liquid jet forms a jet may be liquid, gas, solid such as powder or pulp, or a mixture thereof, as long as it is in a fluid state. Furthermore, if necessary, another fluid such as carbon dioxide gas can be added to the above fluid as a new fluid. The fluid and the new fluid may be uniformly mixed and jetted, or may be jetted separately.
液体噴流とは、液体または液体の中に固体粒子や気体が分散あるいは混在する流体の噴流であり、パルプや無機粒子の原料スラリーや気泡を含む液体噴流のことをいう。ここで云う気体は、キャビテーションによる気泡を含んでいてもよい。 A liquid jet is a liquid or a jet of fluid in which solid particles or gas is dispersed or mixed in the liquid, and refers to a liquid jet containing raw material slurry of pulp or inorganic particles or air bubbles. The gas referred to here may contain bubbles due to cavitation.
キャビテーションは液体が加速され、局所的な圧力がその液体の蒸気圧より低くなったときに発生するため、流速及び圧力が特に重要となる。このことから、キャビテーション状態を表わす基本的な無次元数、キャビテーション数(Cavitation Number)σは、0.001以上0.5以下であることが望ましく、0.003以上0.2以下であることが好ましく、0.01以上0.1以下であることが特に好ましい。キャビテーション数σが0.001未満である場合、キャビテーション気泡が崩壊する時の周囲との圧力差が低いため効果が小さくなり、0.5より大である場合は、流れの圧力差が低くキャビテーションが発生し難くなる。 Flow velocity and pressure are particularly important because cavitation occurs when a liquid is accelerated and the local pressure is lower than the liquid's vapor pressure. For this reason, the basic dimensionless number representing the cavitation state, the cavitation number (Cavitation Number) σ, is preferably 0.001 or more and 0.5 or less, and more preferably 0.003 or more and 0.2 or less. It is preferably 0.01 or more and 0.1 or less, particularly preferably. When the cavitation number σ is less than 0.001, the pressure difference with the surroundings when the cavitation bubble collapses is low, so the effect is small. less likely to occur.
また、ノズルまたはオリフィス管を通じて噴射液を噴射してキャビテーションを発生させる際には、噴射液の圧力(上流側圧力)は0.01MPa以上30MPa以下であることが望ましく、0.7MPa以上20MPa以下であることが好ましく、2MPa以上15MPa以下がより好ましい。上流側圧力が0.01MPa未満では下流側圧力との間で圧力差を生じ難く作用効果は小さい。また、30MPaより高い場合、特殊なポンプ及び圧力容器を必要とし、消費エネルギーが大きくなることからコスト的に不利である。一方、容器内の圧力(下流側圧力)は静圧で0.005MPa以上0.9MPa以下が好ましい。
また、容器内の圧力と噴射液の圧力との比は0.001~0.5の範囲が好ましい。
Further, when cavitation is generated by injecting the injection liquid through a nozzle or an orifice pipe, the pressure of the injection liquid (upstream pressure) is desirably 0.01 MPa or more and 30 MPa or less, and 0.7 MPa or more and 20 MPa or less. 2 MPa or more and 15 MPa or less is more preferable. If the upstream pressure is less than 0.01 MPa, it is difficult to generate a pressure difference with the downstream pressure, and the effect is small. On the other hand, when the pressure is higher than 30 MPa, a special pump and pressure vessel are required, and the energy consumption increases, which is disadvantageous in terms of cost. On the other hand, the pressure in the container (downstream pressure) is preferably 0.005 MPa or more and 0.9 MPa or less in terms of static pressure.
Also, the ratio of the pressure in the container to the pressure of the injection liquid is preferably in the range of 0.001 to 0.5.
本発明において、キャビテーション気泡が発生しないような条件で噴射液を噴射して無機粒子を合成することもできる。具体的には、噴射液の圧力(上流側圧力)を2MPa以下、好ましくは1MPa以下とし、噴射液の圧力(下流側圧力)を開放し、0.05MPa以下とすることがより好ましい。 In the present invention, the inorganic particles can also be synthesized by injecting the injection liquid under conditions that do not generate cavitation bubbles. Specifically, the pressure of the injection liquid (upstream pressure) is set to 2 MPa or less, preferably 1 MPa or less, and the pressure of the injection liquid (downstream pressure) is more preferably set to 0.05 MPa or less.
噴射液の噴流の速度は1m/秒以上200m/秒以下の範囲であることが望ましく、20m/秒以上100m/秒以下の範囲であることが好ましい。噴流の速度が1m/秒未満である場合、圧力低下が低く、キャビテーションが発生し難いため、その効果は弱い。一方、200m/秒より大きい場合、高圧を要し特別な装置が必要であり、コスト的に不利である。 The jet velocity of the liquid jet is preferably in the range of 1 m/sec to 200 m/sec, more preferably in the range of 20 m/sec to 100 m/sec. If the velocity of the jet is less than 1 m/sec, the effect is weak because the pressure drop is low and cavitation is less likely to occur. On the other hand, if it is more than 200 m/sec, a high pressure is required and a special device is required, which is disadvantageous in terms of cost.
本発明におけるキャビテーション発生場所は、無機粒子を合成する反応容器内に発生させればよい。また、ワンパスで処理することも可能であるが、必要回数だけ循環することもできる。さらに複数の発生手段を用いて並列で、あるいは順列で処理することができる。 In the present invention, cavitation may be generated in a reaction vessel for synthesizing inorganic particles. In addition, it is possible to process in one pass, but it is also possible to circulate as many times as necessary. Furthermore, multiple generators can be used to process in parallel or in sequence.
キャビテーションを発生させるための液体の噴射は、大気開放の容器の中でなされても良いが、キャビテーションをコントロールするために圧力容器の中でなされるのが好ましい。 The injection of liquid for generating cavitation may be done in a container open to the atmosphere, but is preferably done in a pressure vessel to control cavitation.
液体噴射によってキャビテーションを発生させる場合、反応溶液の固形分濃度は30重量%以下であることが好ましく、20重量%以下がより好ましい。このような濃度であると、キャビテーション気泡を反応系に均一に作用させやすくなるためである。また、反応溶液である消石灰の水性懸濁液は、反応効率の点から、固形分濃度が0.1重量%以上であることが好ましい。 When cavitation is generated by liquid injection, the solid content concentration of the reaction solution is preferably 30% by weight or less, more preferably 20% by weight or less. This is because such a concentration makes it easier for the cavitation bubbles to act uniformly on the reaction system. Further, the aqueous suspension of slaked lime, which is the reaction solution, preferably has a solid content concentration of 0.1% by weight or more from the viewpoint of reaction efficiency.
本発明において例えば炭酸カルシウムとセルロース繊維との複合体を合成する場合、反応液のpHは、反応開始時は塩基性側であるが炭酸化反応が進行するにしたがって中性に変化する。したがって、反応液のpHをモニターすることによって反応を制御することができる。 In the present invention, for example, when synthesizing a composite of calcium carbonate and cellulose fibers, the pH of the reaction solution is basic at the start of the reaction, but changes to neutral as the carbonation reaction progresses. Therefore, the reaction can be controlled by monitoring the pH of the reaction solution.
本発明では、液体の噴射圧力を高めることで、噴射液の流速が増大し、これに伴って圧力が低下し、より強力なキャビテーションが発生させることができる。また、反応容器内の圧力を加圧することで、キャビテーション気泡が崩壊する領域の圧力が高くなり、気泡と周囲の圧力差が大きくなるため気泡は激しく崩壊し衝撃力を大きくすることができる。更には導入する炭酸ガスの溶解と分散を促進することができる。反応温度は0℃以上90℃以下であることが好ましく、特に10℃以上60℃以下であることが好ましい。一般には、融点と沸点の中間点で衝撃力が最大となると考えられることから、水性溶液の場合、50℃前後が好適であるが、それ以下の温度であっても、蒸気圧の影響を受けないため、上記の範囲であれば高い効果が得られる。 In the present invention, by increasing the injection pressure of the liquid, the flow velocity of the injection liquid increases, the pressure decreases accordingly, and stronger cavitation can be generated. In addition, by increasing the pressure in the reaction vessel, the pressure in the region where the cavitation bubbles collapse increases, and the pressure difference between the bubbles and the surroundings increases, so the bubbles collapse violently and the impact force can be increased. Furthermore, dissolution and dispersion of introduced carbon dioxide gas can be promoted. The reaction temperature is preferably 0° C. or higher and 90° C. or lower, and particularly preferably 10° C. or higher and 60° C. or lower. In general, the impact force is considered to be maximum at the midpoint between the melting point and the boiling point. Therefore, a high effect can be obtained within the above range.
本発明の複合繊維を製造する際には、さらに公知の各種助剤を添加することができる。例えば、キレート剤を添加することができ、具体的には、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸などのポリヒドロキシカルボン酸、シュウ酸などのジカルボン酸、グルコン酸などの糖酸、イミノ二酢酸、エチレンジアミン四酢酸などのアミノポリカルボン酸およびそれらのアルカリ金属塩、ヘキサメタリン酸、トリポリリン酸などのポリリン酸のアルカリ金属塩、グルタミン酸、アスパラギン酸などのアミノ酸およびこれらのアルカリ金属塩、アセチルアセトン、アセト酢酸メチル、アセト酢酸アリルなどのケトン類、ショ糖などの糖類、ソルビトールなどのポリオールが挙げられる。また、表面処理剤としてパルミチン酸、ステアリン酸等の飽和脂肪酸、オレイン酸、リノール酸等の不飽和脂肪酸、脂環族カルボン酸、アビエチン酸等の樹脂酸、それらの塩やエステルおよびエーテル、アルコール系活性剤、ソルビタン脂肪酸エステル類、アミド系やアミン系界面活性剤、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、アルファオレフィンスルホン酸ナトリウム、長鎖アルキルアミノ酸、アミンオキサイド、アルキルアミン、第四級アンモニウム塩、アミノカルボン酸、ホスホン酸、多価カルボン酸、縮合リン酸などを添加することができる。また、必要に応じ分散剤を用いることもできる。この分散剤としては、例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、ショ糖脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、アクリル酸-マレイン酸共重合体アンモニウム塩、メタクリル酸-ナフトキシポリエチレングリコールアクリレート共重合体、メタクリル酸-ポリエチレングリコールモノメタクリレート共重合体アンモニウム塩、ポリエチレングリコールモノアクリレートなどがある。これらを単独または複数組み合わせて使用することができる。また、添加のタイミングは合成反応の前でも後でも良い。このような添加剤は、無機粒子に対して、好ましくは0.001~20%、より好ましくは0.1~10%の量で添加することができる。
また、本発明において反応はバッチ反応とすることもでき、連続反応とすることもできる。一般に、反応後の残存物を排出する便利さから、バッチ反応工程を行うことが好ましい。反応のスケールは特に制限されないが、100L以下のスケールで反応させてもよいし、100L超のスケールで反応させてもよい。反応容器の大きさは、例えば、10L~100L程度とすることもできるし、100L~1000L程度としてもよい。
When producing the conjugate fiber of the present invention, various known auxiliary agents can be added. For example, chelating agents can be added, specifically polyhydroxycarboxylic acids such as citric acid, malic acid and tartaric acid, dicarboxylic acids such as oxalic acid, sugar acids such as gluconic acid, iminodiacetic acid, ethylenediamine tetra Aminopolycarboxylic acids such as acetic acid and alkali metal salts thereof, alkali metal salts of polyphosphoric acids such as hexametaphosphoric acid and tripolyphosphoric acid, amino acids such as glutamic acid and aspartic acid and alkali metal salts thereof, acetylacetone, methyl acetoacetate, acetoacetic acid Examples include ketones such as allyl, sugars such as sucrose, and polyols such as sorbitol. In addition, as surface treatment agents, saturated fatty acids such as palmitic acid and stearic acid, unsaturated fatty acids such as oleic acid and linoleic acid, resin acids such as alicyclic carboxylic acids and abietic acid, their salts, esters and ethers, and alcohol-based Active agents, sorbitan fatty acid esters, amide-based and amine-based surfactants, polyoxyalkylene alkyl ethers, polyoxyethylene nonylphenyl ether, sodium alpha olefin sulfonate, long-chain alkylamino acids, amine oxides, alkylamines, quaternary Secondary ammonium salts, aminocarboxylic acids, phosphonic acids, polyvalent carboxylic acids, condensed phosphoric acids and the like can be added. Moreover, a dispersing agent can also be used as needed. Examples of the dispersant include sodium polyacrylate, sucrose fatty acid ester, glycerin fatty acid ester, acrylic acid-maleic acid copolymer ammonium salt, methacrylic acid-naphthoxypolyethylene glycol acrylate copolymer, methacrylic acid-polyethylene glycol. Monomethacrylate copolymer ammonium salt, polyethylene glycol monoacrylate, and the like. These can be used singly or in combination. Moreover, the timing of addition may be before or after the synthesis reaction. Such additives can be added in an amount of preferably 0.001 to 20%, more preferably 0.1 to 10%, relative to the inorganic particles.
Moreover, in the present invention, the reaction can be a batch reaction or a continuous reaction. Generally, batch reaction processes are preferred for the convenience of venting post-reaction residue. The scale of the reaction is not particularly limited, but the reaction may be performed on a scale of 100 L or less, or on a scale of more than 100 L. The size of the reaction vessel can be, for example, about 10 L to 100 L, or about 100 L to 1000 L.
また、反応液の電導度や反応時間によって反応を制御することができ、具体的には、反応物が反応槽に滞留する時間を調整して制御することができる。その他、本発明においては、反応槽の反応液を攪拌したり、反応を多段反応としたりすることによって反応を制御することもできる。 Further, the reaction can be controlled by the conductivity of the reaction liquid and the reaction time. Specifically, the reaction can be controlled by adjusting the residence time of the reactant in the reaction tank. In addition, in the present invention, the reaction can also be controlled by stirring the reaction solution in the reaction vessel or performing a multi-step reaction.
本発明においては、反応生成物である複合繊維が懸濁液として得られるため、必要に応じて、貯蔵タンクに貯蔵したり、濃縮、脱水、粉砕、分級、熟成、分散などの処理を行ったりすることができる。これらは公知の工程によることができ、用途やエネルギー効率などを考慮して適宜決定すればよい。例えば濃縮・脱水処理は、遠心脱水機、沈降濃縮機などを用いて行われる。この遠心脱水機の例としては、デカンター、スクリューデカンターなどが挙げられる。濾過機や脱水機を用いる場合についてもその種類に特に制限はなく、一般的なものを使用することができるが、例えば、フィルタープレス、ドラムフィルター、ベルトプレス、チューブプレス等の加圧型脱水機、オリバーフィルター等の真空ドラム脱水機などを好適に用いて炭酸カルシウムケーキとすることができる。粉砕の方法としては、ボールミル、サンドグラインダーミル、インパクトミル、高圧ホモジナイザー、低圧ホモジナイザー、ダイノーミル、超音波ミル、カンダグラインダ、アトライタ、石臼型ミル、振動ミル、カッターミル、ジェットミル、離解機、叩解機、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が挙げられる。分級の方法としては、メッシュ等の篩、アウトワード型もしくはインワード型のスリットもしくは丸穴スクリーン、振動スクリーン、重量異物クリーナー、軽量異物クリーナー、リバースクリーナー、篩分け試験機等が挙げられる。分散の方法としては、高速ディスパーザー、低速ニーダーなどが挙げられる。 In the present invention, the conjugate fiber, which is a reaction product, is obtained as a suspension, so that it can be stored in a storage tank or subjected to treatments such as concentration, dehydration, pulverization, classification, aging, and dispersion, if necessary. can do. These can be carried out according to known processes, and may be appropriately determined in consideration of usage, energy efficiency, and the like. For example, the concentration/dehydration treatment is performed using a centrifugal dehydrator, a sedimentation concentration machine, or the like. Examples of this centrifugal dehydrator include decanters and screw decanters. When using a filter or dehydrator, there is no particular limitation on the type thereof, and common ones can be used. A calcium carbonate cake can be obtained by suitably using a vacuum drum dehydrator such as an Oliver filter. Grinding methods include ball mills, sand grinder mills, impact mills, high pressure homogenizers, low pressure homogenizers, dyno mills, ultrasonic mills, Kanda grinders, attritors, stone mills, vibration mills, cutter mills, jet mills, disaggregators, and beaters. , short-screw extruders, twin-screw extruders, ultrasonic stirrers, household juicer mixers, and the like. Classification methods include sieves such as meshes, outward-type or inward-type slit or round-hole screens, vibrating screens, heavy-duty foreign matter cleaners, light-weight foreign matter cleaners, reverse cleaners, sieving testers, and the like. Dispersion methods include a high-speed disperser and a low-speed kneader.
本発明における複合繊維は、完全に脱水せずに懸濁液の状態で填料や顔料に配合することもできるが、乾燥して粉体とすることもできる。この場合の乾燥機についても特に制限はないが、例えば、気流乾燥機、バンド乾燥機、噴霧乾燥機などを好適に使用することができる。 The conjugate fiber in the present invention can be blended with a filler or pigment in a suspension state without being completely dehydrated, but can also be dried and powdered. The dryer in this case is also not particularly limited, but for example, a flash dryer, a band dryer, a spray dryer, or the like can be preferably used.
本発明の複合繊維は、公知の方法によって改質することが可能である。例えば、ある態様においては、その表面を疎水化し、樹脂などとの混和性を高めたりすることが可能である。 The conjugate fiber of the present invention can be modified by known methods. For example, in some embodiments, the surface can be made hydrophobic to enhance miscibility with resins and the like.
本発明においては、懸濁液の調製などに水を使用するが、この水としては、通常の水道水、工業用水、地下水、井戸水などを用いることができる他、イオン交換水や蒸留水、超純水、工業廃水、反応液を分離・脱水する際に得られる水を好適に用いることできる。 In the present invention, water is used for preparation of the suspension, etc. As this water, ordinary tap water, industrial water, ground water, well water, etc. can be used, as well as ion-exchanged water, distilled water, ultra Pure water, industrial wastewater, and water obtained when separating and dehydrating the reaction solution can be preferably used.
また本発明においては、反応槽の反応液を循環させて使用することができる。このように反応液を循環させて、溶液の撹拌を促すことにより、反応効率を上げ、所望の無機粒子と繊維の複合体を得ることが容易になる。 Further, in the present invention, the reaction liquid in the reaction vessel can be circulated for use. By circulating the reaction solution in this manner and promoting stirring of the solution, the reaction efficiency is increased, and a desired composite of inorganic particles and fibers can be easily obtained.
無機粒子
本発明において、繊維と複合化する無機粒子は特に制限されないが、水に不溶性または難溶性の無機粒子であることが好ましい。無機粒子の合成を水系で行う場合があり、また、繊維複合体を水系で使用することもあるため、無機粒子が水に不溶性または難溶性であると好ましい。
Inorganic Particles In the present invention, inorganic particles to be combined with fibers are not particularly limited, but inorganic particles that are insoluble or sparingly soluble in water are preferred. In some cases, inorganic particles are synthesized in an aqueous system, and the fiber composite is sometimes used in an aqueous system, so it is preferable that the inorganic particles are insoluble or sparingly soluble in water.
ここで言う無機粒子とは、金属元素もしくは非金属元素の化合物のことを言う。金属元素の化合物とは、金属の陽イオン(例えば、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Ba2+など)と陰イオン(例えば、O2-、OH-、CO3 2-、PO4 3-、SO4 2-、NO3-、Si2O3 2-、SiO3 2-、Cl-、F-、S2-など)がイオン結合によって結合してできた、一般に無機塩と呼ばれるものを言う。非金属元素の化合物とは、ケイ酸(SiO2)などである。本発明において、無機粒子の少なくとも一部が、カルシウム、マグネシウムまたはバリウムの金属塩、または、無機粒子の少なくとも一部が、ケイ酸、またはアルミニウムの金属塩、あるいはチタン、銅、銀、鉄、マンガン、セリウムまたは亜鉛を含む金属粒子であることが好ましい。 The term "inorganic particles" as used herein means a compound of a metallic element or a non-metallic element. Compounds of metal elements include metal cations (eg, Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Al 3+ , Ba 2+ ) and anions (eg, O 2− , OH − , CO 3 2− , PO 4 3− , SO 4 2− , NO 3 − , Si 2 O 3 2− , SiO 3 2− , Cl − , F − , S 2− , etc.) are combined through ionic bonds, and are generally called inorganic salts. say something A compound of a non-metallic element is silicic acid (SiO 2 ) or the like. In the present invention, at least part of the inorganic particles are metal salts of calcium, magnesium or barium, or at least part of the inorganic particles are metal salts of silicic acid or aluminum, or titanium, copper, silver, iron, manganese , cerium or zinc.
これら無機粒子の合成法は公知の方法によることができ、気液法と液液法のいずれでも良い。気液法の一例としては炭酸ガス法があり、例えば水酸化マグネシウムと炭酸ガスを反応させることで、炭酸マグネシウムを合成することができる。液液法の例としては、酸(塩酸、硫酸など)と塩基(水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなど)を中和によって反応させたり、無機塩と酸もしくは塩基を反応させたり、無機塩同士を反応させたりする方法が挙げられる。例えば、水酸化バリウムと硫酸を反応させることで硫酸バリウムを得たり、硫酸アルミニウムと水酸化ナトリウムを反応させることで水酸化アルミニウムを得たり、炭酸カルシウムと硫酸アルミニウムを反応させることでカルシウムとアルミニウムが複合化した無機粒子を得ることができる。また、このようにして無機粒子を合成する際、反応液中に任意の金属や非金属化合物を共存させることもでき、この場合はそれらの金属もしくは非金属化合物が無機粒子中に効率よく取り込まれ、複合化できる。例えば、炭酸カルシウムにリン酸を添加してリン酸カルシウムを合成する際に、二酸化チタンを反応液中に共存させることで、リン酸カルシウムとチタンの複合粒子を得ることができる。 A method for synthesizing these inorganic particles may be a known method, and may be either a gas-liquid method or a liquid-liquid method. An example of the gas-liquid method is the carbon dioxide method. For example, magnesium carbonate can be synthesized by reacting magnesium hydroxide and carbon dioxide. Examples of the liquid-liquid method include reacting an acid (hydrochloric acid, sulfuric acid, etc.) and a base (sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc.) by neutralization, reacting an inorganic salt with an acid or base, and reacting inorganic salts with each other. A method of causing a reaction can be mentioned. For example, barium sulfate is obtained by reacting barium hydroxide with sulfuric acid, aluminum hydroxide is obtained by reacting aluminum sulfate with sodium hydroxide, and calcium and aluminum are obtained by reacting calcium carbonate with aluminum sulfate. Composite inorganic particles can be obtained. In addition, when synthesizing inorganic particles in this way, any metal or non-metal compound can coexist in the reaction solution. In this case, the metal or non-metal compound can be efficiently incorporated into the inorganic particles. , can be compounded. For example, composite particles of calcium phosphate and titanium can be obtained by allowing titanium dioxide to coexist in the reaction solution when phosphoric acid is added to calcium carbonate to synthesize calcium phosphate.
(炭酸カルシウム)
炭酸カルシウムを合成する場合であれば、例えば、炭酸ガス法、可溶性塩反応法、石灰・ソーダ法、ソーダ法などによって炭酸カルシウムを合成することができ、好ましい態様において、炭酸ガス法によって炭酸カルシウムを合成する。
(calcium carbonate)
In the case of synthesizing calcium carbonate, for example, calcium carbonate can be synthesized by a carbon dioxide method, a soluble salt reaction method, a lime/soda method, a soda method, or the like. In a preferred embodiment, calcium carbonate is synthesized by a carbon dioxide method. Synthesize.
一般に、炭酸ガス法によって炭酸カルシウムを製造する場合、カルシウム源として石灰(ライム)が使用され、生石灰CaOに水を加えて消石灰Ca(OH)2を得る消和工程と、消石灰に炭酸ガスCO2を吹き込んで炭酸カルシウムCaCO3を得る炭酸化工程とによって炭酸カルシウムが合成される。この際、生石灰に水を加えて調製した消石灰の懸濁液をスクリーンに通して、懸濁液中に含まれる低溶解性の石灰粒を除去してもよい。また、消石灰を直接カルシウム源としてもよい。本発明において炭酸ガス法によって炭酸カルシウムを合成する場合、キャビテーション気泡の存在下で炭酸化反応を行うこともできる。 In general, when producing calcium carbonate by the carbon dioxide method, lime is used as a calcium source, and water is added to quicklime CaO to obtain slaked lime Ca(OH) 2 , and a slaked lime is added to carbon dioxide CO 2 Calcium carbonate is synthesized by the carbonation step of blowing to obtain calcium carbonate CaCO3 . At this time, a suspension of slaked lime prepared by adding water to quicklime may be passed through a screen to remove low-soluble lime grains contained in the suspension. Alternatively, slaked lime may be directly used as a calcium source. When synthesizing calcium carbonate by the carbon dioxide gas method in the present invention, the carbonation reaction can also be carried out in the presence of cavitation bubbles.
炭酸ガス法によって炭酸カルシウムを合成する場合、消石灰の水性懸濁液の固形分濃度は、好ましくは0.1~40重量%、より好ましくは0.5~30重量%、さらに好ましくは1~20重量%程度である。固形分濃度が低いと反応効率が低く、製造コストが高くなり、固形分濃度が高すぎると流動性が悪くなり、反応効率が落ちる。本発明においては、キャビテーション気泡の存在下で炭酸カルシウムを合成するため、固形分濃度の高い懸濁液(スラリー)を用いても、反応液と炭酸ガスを好適に混合することができる。 When calcium carbonate is synthesized by the carbon dioxide gas method, the solid content concentration of the aqueous suspension of slaked lime is preferably 0.1 to 40% by weight, more preferably 0.5 to 30% by weight, and still more preferably 1 to 20%. % by weight. If the solid content concentration is low, the reaction efficiency will be low and the production cost will be high. In the present invention, since calcium carbonate is synthesized in the presence of cavitation bubbles, even if a suspension (slurry) with a high solid content concentration is used, the reaction liquid and carbon dioxide gas can be suitably mixed.
消石灰を含む水性懸濁液としては、炭酸カルシウム合成に一般に用いられるものを使用でき、例えば、消石灰を水に混合して調製したり、生石灰(酸化カルシウム)を水で消和(消化)したりして調製することができる。消和する際の条件は特に制限されないが、例えば、CaOの濃度は0.05重量%以上、好ましくは1重量%以上、温度は20~100℃、好ましくは30~100℃とすることができる。また、消和反応槽(スレーカー)での平均滞留時間も特に制限されないが、例えば、5分~5時間とすることができ、2時間以内とすることが好ましい。当然であるが、スレーカーはバッチ式であっても連続式であってもよい。なお、本発明においては炭酸化反応槽(カーボネーター)と消和反応槽(スレーカー)とを別々にしてもよく、また、1つの反応槽を炭酸化反応槽および消和反応槽として用いてもよい。 As the aqueous suspension containing slaked lime, those commonly used in calcium carbonate synthesis can be used, for example, slaked lime is mixed with water to prepare it, or quicklime (calcium oxide) is slaked (digested) with water. can be prepared by Conditions for slaking are not particularly limited, but for example, the concentration of CaO is 0.05% by weight or more, preferably 1% by weight or more, and the temperature is 20 to 100°C, preferably 30 to 100°C. . Also, the average residence time in the slaking reaction tank (slaker) is not particularly limited, but can be, for example, 5 minutes to 5 hours, preferably 2 hours or less. Of course, the slaker may be batch or continuous. In the present invention, the carbonation reaction tank (carbonator) and the slaked reaction tank (slaker) may be separated, or one reaction tank may be used as both the carbonation reaction tank and the slaked reaction tank. good.
炭酸カルシウムの合成では、反応液中の原料(Caイオン、CO3イオン)が高濃度であるほど、また、高温条件であるほど、核形成反応が進みやすいが、複合繊維を製造する場合、このような条件下では、セルロース繊維に核が定着されにくく、懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。従って、炭酸カルシウムが強固に結着した複合繊維を製造するには、核形成反応を適切に制御することが必要となる。具体的には、Caイオンおよびパルプ濃度の適正化と、CO2の時間当たりの供給量を緩やかにすることで、これを達成できる。例えば、反応容器中のCaイオン濃度は、0.01mol/L以上0.20mol/L未満が好ましい。0.01mol/L未満だと反応が進行しにくく、0.20mol/L以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。パルプ濃度は、0.5%以上4.0%未満が好ましい。0.5%未満では繊維に原料が衝突する頻度が減るため、反応が進行しにくく、4.0%以上では攪拌不良から均一な複合体を得ることができない。CO2の時間当たりの供給量は、反応溶液1Lあたり0.001mol/min以上0.060mol/min未満が望ましい。0.001mol/min未満であると反応が進行しにくく、0.060mol/min以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。 In the synthesis of calcium carbonate, the higher the concentration of raw materials (Ca ions, CO3 ions) in the reaction solution and the higher the temperature, the more likely the nucleation reaction proceeds. Under such conditions, the nuclei are less likely to be fixed to the cellulose fibers, and inorganic particles released in the suspension are likely to be synthesized. Therefore, it is necessary to appropriately control the nucleation reaction in order to produce composite fibers in which calcium carbonate is strongly bound. Specifically, this can be achieved by optimizing the Ca ion and pulp concentrations and slowing the CO 2 supply rate per hour. For example, the Ca ion concentration in the reaction vessel is preferably 0.01 mol/L or more and less than 0.20 mol/L. If it is less than 0.01 mol/L, the reaction will not progress easily, and if it is 0.20 mol/L or more, free inorganic particles in the suspension will easily be synthesized. The pulp concentration is preferably 0.5% or more and less than 4.0%. If the content is less than 0.5%, the raw material collides with the fibers less frequently, so that the reaction does not progress easily. The amount of CO 2 supplied per hour is desirably 0.001 mol/min or more and less than 0.060 mol/min per 1 L of the reaction solution. When it is less than 0.001 mol/min, the reaction hardly progresses, and when it is 0.060 mol/min or more, free inorganic particles are easily synthesized in the suspension.
(炭酸マグネシウム)
炭酸マグネシウムを合成する場合、炭酸マグネシウムの合成方法は、公知の方法によることができる。例えば、水酸化マグネシウムと炭酸ガスから重炭酸マグネシウムを合成し、重炭酸マグネシウムから正炭酸マグネシウムを経て塩基性炭酸マグネシウムを合成することができる。炭酸マグネシウムは合成方法によって重炭酸マグネシウム、正炭酸マグネシウム、塩基性炭酸マグネシウムなどを得ることができるが、本発明の繊維複合体に係る炭酸マグネシウムは、塩基性炭酸マグネシムにすることが特に好ましい。なぜならば、重炭酸マグネシウムは安定性が比較的低く、柱状(針状)結晶である正炭酸マグネシウムは繊維へ定着しにくい場合があるためである。一方、繊維の存在下で塩基性炭酸マグネシウムにまで化学反応させることで、繊維表面をうろこ状などに被覆した炭酸マグネシウムと繊維の繊維複合体を得ることができる。
(magnesium carbonate)
When synthesizing magnesium carbonate, a method for synthesizing magnesium carbonate can be according to a known method. For example, magnesium bicarbonate can be synthesized from magnesium hydroxide and carbon dioxide gas, and basic magnesium carbonate can be synthesized from magnesium bicarbonate via normal magnesium carbonate. Magnesium carbonate can be obtained as magnesium bicarbonate, normal magnesium carbonate, basic magnesium carbonate, etc. by a synthesis method, but it is particularly preferable to use basic magnesium carbonate as magnesium carbonate according to the fiber composite of the present invention. This is because magnesium bicarbonate has relatively low stability, and normal magnesium carbonate, which is a columnar (needle) crystal, may be difficult to fix to fibers. On the other hand, by chemically reacting even basic magnesium carbonate in the presence of fibers, it is possible to obtain a fiber composite of magnesium carbonate and fibers in which the fiber surfaces are coated with scales or the like.
また本発明においては、反応槽の反応液を循環させて使用することができる。このように反応液を循環させて、反応液と炭酸ガスとの接触を増やすことにより、反応効率を上げ、所望の無機粒子を得ることが容易になる。 Further, in the present invention, the reaction liquid in the reaction vessel can be circulated for use. By circulating the reaction liquid in this way and increasing the contact between the reaction liquid and carbon dioxide gas, the reaction efficiency is increased, and the desired inorganic particles can be easily obtained.
本発明においては、二酸化炭素(炭酸ガス)などのガスが反応容器に吹き込まれ、反応液と混合することができる。本発明によれば、ファン、ブロワなどの気体供給装置がなくとも炭酸ガスを反応液に供給することができ、しかも、キャビテーション気泡によって炭酸ガスが微細化されるため反応を効率よく行うことができる。 In the present invention, a gas such as carbon dioxide (carbon dioxide gas) is blown into the reaction vessel and can be mixed with the reaction solution. According to the present invention, carbon dioxide gas can be supplied to the reaction liquid without a gas supply device such as a fan or blower, and furthermore, the reaction can be efficiently carried out because the carbon dioxide gas is finely divided by the cavitation bubbles. .
本発明において、二酸化炭素を含む気体の二酸化炭素濃度に特に制限はないが、二酸化炭素濃度が高い方が好ましい。また、インジェクターに導入する炭酸ガスの量に制限はなく適宜選択することができる。 In the present invention, the carbon dioxide concentration of the gas containing carbon dioxide is not particularly limited, but a higher carbon dioxide concentration is preferred. Also, the amount of carbon dioxide introduced into the injector is not limited and can be selected as appropriate.
本発明の二酸化炭素を含む気体は、実質的に純粋な二酸化炭素ガスでもよく、他のガスとの混合物であってもよい。例えば、二酸化炭素ガスの他に、空気、窒素などの不活性ガスを含む気体を、二酸化炭素を含む気体として用いることができる。また、二酸化炭素を含む気体としては、二酸化炭素ガス(炭酸ガス)の他、製紙工場の焼却炉、石炭ボイラー、重油ボイラーなどから排出される排ガスを二酸化炭素含有気体として好適に用いることができる。その他にも、石灰焼成工程から発生する二酸化炭素を用いて炭酸化反応を行うこともできる。 The carbon dioxide-containing gas of the present invention may be substantially pure carbon dioxide gas or may be a mixture with other gases. For example, in addition to carbon dioxide gas, gases containing inert gases such as air and nitrogen can be used as gases containing carbon dioxide. As the gas containing carbon dioxide, in addition to carbon dioxide gas (carbon dioxide gas), exhaust gases discharged from incinerators, coal boilers, heavy oil boilers, etc. in paper mills can be suitably used as carbon dioxide-containing gases. In addition, the carbonation reaction can also be performed using carbon dioxide generated from the lime calcination process.
炭酸マグネシウムの合成では、反応液中の原料(Mgイオン、CO3イオン)が高濃度であるほど、また、高温条件であるほど、核形成反応が進みやすいが、複合繊維を製造する場合、このような条件下では、セルロース繊維に核が定着されにくく、懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。従って、炭酸マグネシウムが強固に結着した複合繊維を製造するには、核形成反応を適切に制御することが必要となる。具体的には、Mgイオンおよびパルプ濃度の適正化と、CO2の時間当たりの供給量を緩やかにすることで、これを達成できる。例えば、反応容器中のMgイオン濃度は、0.0001mol/L以上0.20mol/L未満が好ましい。0.0001mol/L未満だと反応が進行しにくく、0.20mol/L以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。パルプ濃度は、0.5%以上4.0%未満が好ましい。0.5%未満では繊維に原料が衝突する頻度が減るため、反応が進行しにくく、4.0%以上では攪拌不良から均一な複合体を得ることができない。CO2の時間当たりの供給量は、反応溶液1Lあたり0.001mol/min以上0.060mol/min未満が望ましい。0.001mol/min未満であると反応が進行しにくく、0.060mol/min以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。 In the synthesis of magnesium carbonate, the higher the concentration of raw materials (Mg ions, CO3 ions) in the reaction solution and the higher the temperature, the more likely the nucleation reaction proceeds. Under such conditions, the nuclei are less likely to be fixed to the cellulose fibers, and inorganic particles released in the suspension are likely to be synthesized. Therefore, it is necessary to appropriately control the nucleation reaction in order to produce composite fibers in which magnesium carbonate is strongly bound. Specifically, this can be achieved by optimizing the Mg ion and pulp concentrations and slowing the CO 2 supply rate per hour. For example, the Mg ion concentration in the reaction vessel is preferably 0.0001 mol/L or more and less than 0.20 mol/L. If it is less than 0.0001 mol/L, the reaction will not progress easily, and if it is 0.20 mol/L or more, free inorganic particles in the suspension will easily be synthesized. The pulp concentration is preferably 0.5% or more and less than 4.0%. If the content is less than 0.5%, the raw material collides with the fibers less frequently, so that the reaction does not progress easily. The amount of CO 2 supplied per hour is desirably 0.001 mol/min or more and less than 0.060 mol/min per 1 L of the reaction solution. When it is less than 0.001 mol/min, the reaction hardly progresses, and when it is 0.060 mol/min or more, free inorganic particles are easily synthesized in the suspension.
(硫酸バリウム)
硫酸バリウムを合成する場合、硫酸バリウム(BaSO4)で表されるバリウムイオンと硫酸イオンからなるイオン結晶性の化合物であり、板状あるいは柱状の形態であることが多く、水には難溶性である。純粋な硫酸バリウムは無色の結晶であるが、鉄、マンガン、ストロンチウム、カルシウムなどの不純物を含むと黄褐色または黒灰色を呈し、半透明となる。天然の鉱物としても得られるが、化学反応によって合成することもできる。特に、化学反応による合成品は医薬用(X線造影剤)に用いられるほか、化学的に安定な性質を応用して塗料、プラスチック、蓄電池等に広く使用されている。
(barium sulfate)
When synthesizing barium sulfate, it is an ionic crystalline compound composed of barium ions represented by barium sulfate (BaSO 4 ) and sulfate ions. be. Pure barium sulfate is a colorless crystal, but if it contains impurities such as iron, manganese, strontium, and calcium, it becomes yellowish brown or blackish gray and translucent. It can be obtained as a natural mineral, but it can also be synthesized through chemical reactions. In particular, products synthesized by chemical reactions are used for medical purposes (X-ray contrast agents), and are also widely used for paints, plastics, storage batteries, etc. by applying their chemically stable properties.
本発明においては、繊維の存在下で、溶液中で硫酸バリウムを合成することによって、硫酸バリウムと繊維の複合体を製造することができる。例えば、酸(硫酸など)と塩基を中和によって反応させたり、無機塩と酸もしくは塩基を反応させたり、無機塩同士を反応させたりする方法が挙げられる。例えば、水酸化バリウムと硫酸もしくは硫酸アルミニウムを反応させることで硫酸バリウムを得たり、硫酸塩の含まれる水溶液中に塩化バリウムを加えて硫酸バリウムを沈殿させたりすることができる。 In the present invention, a composite of barium sulfate and fiber can be produced by synthesizing barium sulfate in solution in the presence of fiber. Examples thereof include a method of reacting an acid (such as sulfuric acid) and a base by neutralization, a method of reacting an inorganic salt with an acid or a base, and a method of reacting inorganic salts with each other. For example, barium sulfate can be obtained by reacting barium hydroxide with sulfuric acid or aluminum sulfate, or barium sulfate can be precipitated by adding barium chloride to an aqueous solution containing sulfate.
硫酸バリウムの合成では、溶液中の原料(Baイオン、SO4イオン)が高濃度であるほど、また、高温条件であるほど、核形成反応が進みやすいが、複合繊維を製造する場合、このような条件下では、セルロース繊維に核が定着されにくく、懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。従って、硫酸バリウムが強固に結着した複合繊維を製造するには、核形成反応を適切に制御することが必要となる。具体的には、Baイオンおよびパルプ濃度の適正化と、SO4イオンの時間当たりの供給量を緩やかにすることで、これを達成できる。例えば、反応容器中のBaイオン濃度は、0.01mol/L以上0.20mol/L未満が好ましい。0.01mol/L未満だと反応が進行しにくく、0.20mol/L以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。パルプ濃度は、0.5%以上4.0%未満が好ましい。0.5%未満では繊維に原料が衝突する頻度が減るため、反応が進行しにくく、4.0%以上では攪拌不良から均一な複合体を得ることができない。SO4イオンの時間当たりの供給量は、反応溶液1Lあたり0.005mol/min以上0.080mol/min未満が望ましい。0.001mol/min未満であると反応が進行しにくく、0.080mol/min以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。 In the synthesis of barium sulfate, the higher the concentration of raw materials (Ba ions, SO 4 ions) in the solution and the higher the temperature, the more likely the nucleation reaction proceeds. Under these conditions, the nuclei are less likely to be fixed to the cellulose fibers, and inorganic particles released in the suspension are likely to be synthesized. Therefore, it is necessary to appropriately control the nucleation reaction in order to produce composite fibers in which barium sulfate is strongly bound. Specifically, this can be achieved by optimizing the concentrations of Ba ions and pulp and slowing down the amount of SO 4 ions supplied per hour. For example, the Ba ion concentration in the reaction vessel is preferably 0.01 mol/L or more and less than 0.20 mol/L. If it is less than 0.01 mol/L, the reaction will not progress easily, and if it is 0.20 mol/L or more, free inorganic particles in the suspension will easily be synthesized. The pulp concentration is preferably 0.5% or more and less than 4.0%. If the content is less than 0.5%, the raw material collides with the fibers less frequently, so that the reaction does not progress easily. The amount of SO 4 ions supplied per hour is desirably 0.005 mol/min or more and less than 0.080 mol/min per liter of the reaction solution. When it is less than 0.001 mol/min, the reaction hardly progresses, and when it is 0.080 mol/min or more, free inorganic particles are easily synthesized in the suspension.
(ハイドロタルサイト)
ハイドロタルサイトを合成する場合、ハイドロタルサイトの合成方法は公知の方法によることができる。例えば、反応容器内に中間層を構成する炭酸イオンを含む炭酸塩水溶液とアルカリ溶液(水酸化ナトリウムなど)に繊維を浸漬し、次いで、酸溶液(基本層を構成する二価金属イオン及び三価金属イオンとを含む金属塩水溶液)を添加し、温度、pHなどを制御して共沈反応により、ハイドロタルサイトを合成する。また、反応容器内において、酸溶液(基本層を構成する二価金属イオン及び三価金属イオンを含む金属塩水溶液)に繊維を浸漬し、次いで、中間層を構成する炭酸イオンを含む炭酸塩水溶液とアルカリ溶液(水酸化ナトリウム等)を滴下し、温度、pH等を制御して共沈反応により、ハイドロタルサイトを合成することもできる。常圧での反応が一般的ではるが、それ以外にも、オートクレーブなどを使用しての水熱反応により得る方法もある(特開昭60-6619号公報)。
(hydrotalcite)
When synthesizing hydrotalcite, a known method can be used for synthesizing hydrotalcite. For example, fibers are immersed in a carbonate aqueous solution and an alkaline solution (such as sodium hydroxide) containing carbonate ions constituting an intermediate layer in a reaction vessel, and then an acid solution (divalent metal ions and trivalent metal ions constituting the basic layer). A metal salt aqueous solution containing metal ions) is added, and the temperature, pH, etc. are controlled, and a coprecipitation reaction is performed to synthesize hydrotalcite. In addition, in the reaction vessel, the fibers are immersed in an acid solution (a metal salt aqueous solution containing divalent metal ions and trivalent metal ions constituting the basic layer), and then a carbonate aqueous solution containing carbonate ions constituting the intermediate layer. and an alkaline solution (sodium hydroxide, etc.) are added dropwise, and the temperature, pH, etc. are controlled, and a coprecipitation reaction can be performed to synthesize hydrotalcite. Although the reaction is generally carried out under normal pressure, there is also a method of hydrothermal reaction using an autoclave or the like (JP-A-60-6619).
本発明においては、基本層を構成する二価金属イオンの供給源として、マグネシウム、亜鉛、バリウム、カルシウム、鉄、銅、コバルト、ニッケル、マンガンの各種塩化物、硫化物、硝酸化物、硫酸化物を用いることができる。また、基本層を構成する三価金属イオンの供給源として、アルミニウム、鉄、クロム、ガリウムの各種塩化物、硫化物、硝酸化物、硫酸化物を用いることができる。 In the present invention, various chlorides, sulfides, nitrates, and sulfates of magnesium, zinc, barium, calcium, iron, copper, cobalt, nickel, and manganese are used as a source of divalent metal ions constituting the basic layer. can be used. Various chlorides, sulfides, nitrates, and sulfates of aluminum, iron, chromium, and gallium can be used as a source of trivalent metal ions constituting the basic layer.
本発明においては、層間陰イオンとして炭酸イオン、硝酸イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、リン酸イオンなどを用いることができる。炭酸イオンを層間陰イオンとする場合、炭酸ナトリウムが供給源として使用される。ただし炭酸ナトリウムは、二酸化炭素(炭酸ガス)を含む気体で代替可能で、実質的に純粋な二酸化炭素ガスや、他のガスとの混合物であってもよい。例えば、製紙工場の焼却炉、石炭ボイラー、重油ボイラーなどから排出される排ガスを二酸化炭素含有気体として好適に用いることができる。その他にも、石灰焼成工程から発生する二酸化炭素を用いて炭酸化反応を行うこともできる。 In the present invention, carbonate ions, nitrate ions, chloride ions, sulfate ions, phosphate ions, and the like can be used as interlayer anions. Sodium carbonate is used as the source when carbonate is the interlayer anion. However, sodium carbonate can be replaced by a gas containing carbon dioxide (carbon dioxide gas), and may be substantially pure carbon dioxide gas or a mixture with other gases. For example, exhaust gases discharged from paper mill incinerators, coal boilers, heavy oil boilers, etc. can be suitably used as the carbon dioxide-containing gas. In addition, the carbonation reaction can also be performed using carbon dioxide generated from the lime calcination process.
ハイドロタルサイトの合成では、溶液中の原料(基本層を構成する金属イオン、CO3イオン等)が高濃度であるほど、また、高温条件であるほど、核形成反応が進みやすいが、このような条件下では、複合繊維を製造する場合、セルロース繊維に核が定着されにくく、懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。従って、ハイドロタルサイトが強固に結着した複合繊維を製造するには、核形成反応を適切に制御することが必要となる。具体的には、CO3イオンおよびパルプ濃度の適正化と、金属イオンの時間当たりの供給量を緩やかにすることで、これを達成できる。例えば、反応容器中のCO3イオン濃度は、0.01mol/L以上0.80mol/L未満が好ましい。0.01mol/L未満だと反応が進行しにくく、0.80mol/L以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。パルプ濃度は、0.5%以上4.0%未満が好ましい。0.5%未満では繊維に原料が衝突する頻度が減るため、反応が進行しにくく、4.0%以上では攪拌不良から均一な複合体を得ることができない。金属イオンの時間当たりの供給量は、金属の種類にもよるが、例えばMgイオンの場合、反応溶液1Lあたり0.001mol/min以上0.010mol/min未満が望ましく、0.001mol/min以上0.005mol/min未満がより望ましい。0.001mol/min未満であると反応が進行しにくく、0.010mol/min以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。 In the synthesis of hydrotalcite, the higher the concentration of raw materials (metal ions, CO3 ions, etc. that make up the basic layer) in the solution and the higher the temperature, the more likely the nucleation reaction proceeds. Under these conditions, when producing composite fibers, nuclei are less likely to be fixed to the cellulose fibers, and inorganic particles liberated in the suspension are likely to be synthesized. Therefore, in order to produce composite fibers in which hydrotalcite is strongly bound, it is necessary to appropriately control the nucleation reaction. Specifically, this can be achieved by optimizing the CO 3 ion and pulp concentrations and slowing the metal ion supply rate per hour. For example, the CO 3 ion concentration in the reaction vessel is preferably 0.01 mol/L or more and less than 0.80 mol/L. If it is less than 0.01 mol/L, the reaction does not proceed easily, and if it is 0.80 mol/L or more, free inorganic particles are likely to be synthesized in the suspension. The pulp concentration is preferably 0.5% or more and less than 4.0%. If the content is less than 0.5%, the raw material collides with the fibers less frequently, so that the reaction does not progress easily. The amount of metal ions supplied per hour depends on the type of metal. Less than 0.005 mol/min is more desirable. When it is less than 0.001 mol/min, the reaction hardly progresses, and when it is 0.010 mol/min or more, free inorganic particles are easily synthesized in the suspension.
(アルミナ/シリカ)
アルミナおよび/またはシリカを合成する場合、アルミナおよび/またはシリカの合成方法は公知の方法によることができる。反応の出発物質として無機酸もしくはアルミニウム塩のいずれか1つ以上を用いた場合、珪酸アルカリ塩を添加して合成する。出発物質として珪酸アルカリ塩を用い、無機酸もしくはアルミニウム塩のいずれか1つ以上を添加して合成することもできるが、無機酸および/もしくはアルミニウム塩を出発物質として用いた場合の方が、生成物の繊維への定着は良好である。無機酸としては特に限定されるものではなく、例えば、硫酸、塩酸、硝酸等を用いることができる。これらの中でもコストおよびハンドリングの点から硫酸が特に好ましい。アルミニウム塩としては、硫酸バンド、塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、ミョウバン、カリミョウバン等が挙げられ、中でも硫酸バンドを好適に用いることができる。珪酸アルカリ塩としては、珪酸ナトリウムもしくは珪酸カリウムなどが挙げられるが、入手しやすいため珪酸ナトリウムが好適である。珪酸とアルカリのモル比はいずれでも良いが、一般に3号珪酸として流通しているものはSiO2:Na2O=3~3.4:1程度のモル比のものであり、これを好適に用いることができる。
(alumina/silica)
When synthesizing alumina and/or silica, a method for synthesizing alumina and/or silica may be a known method. When one or more of inorganic acids and aluminum salts are used as starting materials for the reaction, alkali silicate salts are added for synthesis. It is possible to synthesize by using an alkali silicate as a starting material and adding one or more of an inorganic acid or an aluminum salt, but the use of an inorganic acid and/or an aluminum salt as a starting material is preferable The fixation of the material to the fibers is good. The inorganic acid is not particularly limited, and for example, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, etc. can be used. Among these, sulfuric acid is particularly preferred from the viewpoint of cost and handling. Examples of aluminum salts include aluminum sulfate, aluminum chloride, polyaluminum chloride, alum, potassium alum, etc. Among them, aluminum sulfate can be preferably used. Alkaline silicates include sodium silicate and potassium silicate, and sodium silicate is preferred because it is readily available. The molar ratio of silicic acid and alkali may be any, but generally No. 3 silicic acid in circulation has a molar ratio of SiO2:Na2O=3 to 3.4:1, which is preferably used. can.
本発明においては、シリカおよび/またはアルミナが繊維表面に付着した複合繊維を製造するにあたって、繊維を含む反応液のpHを4.6以下に維持しながら繊維上にシリカおよび/またはアルミナを合成することが好ましい。これによって、繊維表面がよく被覆された複合繊維が得られる理由の詳細は完全には明らかになっていないが、pHを低く維持することによって3価のアルミニウムイオンへの電離率が高くなるため、被覆率や定着率が高い複合繊維が得られると考えられる。 In the present invention, in producing a composite fiber having silica and/or alumina attached to the fiber surface, silica and/or alumina are synthesized on the fiber while maintaining the pH of the reaction liquid containing the fiber at 4.6 or less. is preferred. Although the details of the reason why a composite fiber having a well-coated fiber surface is obtained by this method have not been completely clarified, since the rate of ionization to trivalent aluminum ions increases by keeping the pH low, It is thought that a composite fiber having a high coverage rate and a high fixation rate can be obtained.
シリカおよび/またはアルミナ合成では、反応液中の原料(珪酸イオン、アルミニウムイオン)が高濃度であるほど、また、高温条件であるほど、核形成反応が進みやすいが、複合繊維を製造する場合、このような条件下では、セルロース繊維に核が定着されにくく、懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。従って、シリカおよび/またはアルミナが強固に結着した複合繊維を製造するには、核形成反応を適切に制御することが必要となる。具体的には、パルプ濃度の適正化と、添加する珪酸イオン、アルミニウムイオンの時間当たりの供給量を緩やかにすることで、これを達成できる。例えば、パルプ濃度は、0.5%以上4.0%未満が好ましい。0.5%未満では繊維に原料が衝突する頻度が減るため、反応が進行しにくく、4.0%以上では攪拌不良から均一な複合体を得ることができない。添加する珪酸イオン、アルミニウムイオンの時間当たりの供給量は、例えばアルミニウムイオンの場合、反応溶液1Lあたり0.001mol/min以上が望ましく、0.01mol/min以上がより望ましく、また、0.5mol/min未満が望ましく、0.050mol/min未満がより望ましい。0.001mol/min未満であると反応が進行しにくく、0.050mol/min以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。 In silica and/or alumina synthesis, the higher the concentration of raw materials (silicate ions, aluminum ions) in the reaction solution and the higher the temperature, the more likely the nucleation reaction proceeds. Under such conditions, the nuclei are less likely to be fixed to the cellulose fibers, and inorganic particles released in the suspension are likely to be synthesized. Therefore, in order to produce composite fibers in which silica and/or alumina are strongly bound, it is necessary to appropriately control the nucleation reaction. Specifically, this can be achieved by optimizing the pulp density and slowing the amount of silicate ions and aluminum ions to be added per unit time supplied. For example, the pulp concentration is preferably 0.5% or more and less than 4.0%. If the content is less than 0.5%, the raw material collides with the fibers less frequently, so that the reaction does not progress easily. The amount of silicate ions and aluminum ions to be added per hour is preferably 0.001 mol/min or more, more preferably 0.01 mol/min or more, or 0.5 mol/min, per liter of the reaction solution, for example, in the case of aluminum ions. Less than min is desirable, and less than 0.050 mol/min is more desirable. If it is less than 0.001 mol/min, the reaction will not progress easily, and if it is 0.050 mol/min or more, free inorganic particles in the suspension will easily be synthesized.
一つの好ましい態様として、本発明の複合繊維における無機粒子の平均一次粒子径を、例えば、1.5μm以下とすることができるが、平均一次粒子径を1200nm以下や900nm以下にすることもでき、さらには平均一次粒子径が200nm以下や150nm以下にすることもできる。また、無機粒子の平均一次粒子径は10nm以上とすることも可能である。なお、平均一次粒子径は電子顕微鏡写真で測定することができる。 As one preferred embodiment, the average primary particle size of the inorganic particles in the composite fiber of the present invention can be, for example, 1.5 μm or less, but the average primary particle size can also be 1200 nm or less or 900 nm or less, Furthermore, the average primary particle size can be 200 nm or less or 150 nm or less. Also, the average primary particle size of the inorganic particles can be 10 nm or more. The average primary particle size can be measured using an electron micrograph.
(水酸化アルミニウム)
水酸化アルミニウムはAl(OH)3で表されるアルミニウムイオンと水酸化物イオンからなるイオン結晶性の化合物であり、粒状の形態であることが多く、水には難溶性である。化学反応による合成品は医薬品や吸着剤に用いられるほか、加熱時に水を放出する性質を利用して難燃化剤や不燃化剤として用いられる。
(aluminum hydroxide)
Aluminum hydroxide is an ionic crystalline compound composed of aluminum ions represented by Al(OH) 3 and hydroxide ions, and is often in the form of granules and is sparingly soluble in water. Products synthesized through chemical reactions are used for pharmaceuticals and adsorbents, and are also used as flame retardants and non-combustible agents by utilizing the property of releasing water when heated.
本発明においては、繊維の存在下で、溶液中で水酸化アルミニウムを合成することによって、水酸化アルミニウムと繊維の複合体を製造することができる。例えば、酸(硫酸など)と塩基を中和によって反応させたり、無機塩と酸もしくは塩基を反応させたり、無機塩同士を反応させたりする方法が挙げられる。例えば、水酸化ナトリウムと硫酸アルミニウムを反応させることで水酸化アルミウニウムを得たり、アルカリ塩の含まれる水溶液中に塩化アルミニウムを加えて水酸化アルミニウムを沈殿させたりすることができる。 In the present invention, a composite of aluminum hydroxide and fibers can be produced by synthesizing aluminum hydroxide in solution in the presence of fibers. Examples thereof include a method of reacting an acid (such as sulfuric acid) and a base by neutralization, a method of reacting an inorganic salt with an acid or a base, and a method of reacting inorganic salts with each other. For example, aluminum hydroxide can be obtained by reacting sodium hydroxide and aluminum sulfate, or aluminum hydroxide can be precipitated by adding aluminum chloride to an aqueous solution containing an alkali salt.
水酸化アルミニウムの合成では、溶液中の原料(Alイオン、OHイオン)が高濃度であるほど、また、高温条件であるほど、核形成反応が進みやすいが、複合繊維を製造する場合、このような条件下では、セルロース繊維に核が定着されにくく、懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。従って、水酸化アルミニウムが強固に結着した複合繊維を製造するには、核形成反応を適切に制御することが必要となる。具体的には、OHイオンおよびパルプ濃度の適正化と、Alイオンの時間当たりの供給量を緩やかにすることで、これを達成できる。例えば、反応容器中のOHイオン濃度は、0.01mol/L以上0.50mol/L未満が好ましい。0.01mol/L未満だと反応が進行しにくく、0.50mol/L以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。パルプ濃度は、0.5%以上4.0%未満が好ましい。0.5%未満では繊維に原料が衝突する頻度が減るため、反応が進行しにくく、4.0%以上では攪拌不良から均一な複合体を得ることができない。Alイオンの時間当たりの供給量は、反応溶液1Lあたり0.001mol/min以上0.050mol/min未満が望ましい。0.001mol/min未満であると反応が進行しにくく、0.050mol/min以上では懸濁液中で遊離した無機粒子が合成されやすい。 In the synthesis of aluminum hydroxide, the higher the concentration of raw materials (Al ions, OH ions) in the solution and the higher the temperature, the more likely the nucleation reaction proceeds. Under these conditions, the nuclei are less likely to be fixed to the cellulose fibers, and inorganic particles released in the suspension are likely to be synthesized. Therefore, it is necessary to appropriately control the nucleation reaction in order to produce composite fibers in which aluminum hydroxide is strongly bound. Specifically, this can be achieved by optimizing the concentrations of OH ions and pulp and slowing the amount of Al ions supplied per hour. For example, the OH ion concentration in the reaction vessel is preferably 0.01 mol/L or more and less than 0.50 mol/L. If it is less than 0.01 mol/L, the reaction will not progress easily, and if it is 0.50 mol/L or more, free inorganic particles are likely to be synthesized in the suspension. The pulp concentration is preferably 0.5% or more and less than 4.0%. If the content is less than 0.5%, the raw material collides with the fibers less frequently, so that the reaction does not progress easily. The amount of Al ions supplied per hour is desirably 0.001 mol/min or more and less than 0.050 mol/min per liter of the reaction solution. If it is less than 0.001 mol/min, the reaction will not progress easily, and if it is 0.050 mol/min or more, free inorganic particles in the suspension will easily be synthesized.
セルロース繊維
本発明で使用する複合繊維は、セルロース繊維と無機粒子とを複合化したものである。複合体を構成するセルロース繊維としては例えば、天然のセルロース繊維はもちろん、レーヨンやリヨセルなどの再生繊維(半合成繊維)や合成繊維などを制限なく使用することができる。セルロース繊維の原料としては、パルプ繊維(木材パルプや非木材パルプ)、セルロースナノファイバー、バクテリアセルロース、ホヤなどの動物由来セルロース、藻類などが例示され、木材パルプは、木材原料をパルプ化して製造すればよい。木材原料としては、アカマツ、クロマツ、トドマツ、エゾマツ、ベニマツ、カラマツ、モミ、ツガ、スギ、ヒノキ、カラマツ、シラベ、トウヒ、ヒバ、ダグラスファー、ヘムロック、ホワイトファー、スプルース、バルサムファー、シーダ、パイン、メルクシマツ、ラジアータパイン等の針葉樹、及びこれらの混合材、ブナ、カバ、ハンノキ、ナラ、タブ、シイ、シラカバ、ハコヤナギ、ポプラ、タモ、ドロヤナギ、ユーカリ、マングローブ、ラワン、アカシア等の広葉樹及びこれらの混合材が例示される。
Cellulose Fiber The composite fiber used in the present invention is a composite of cellulose fiber and inorganic particles. As the cellulose fibers constituting the composite, for example, natural cellulose fibers, as well as regenerated fibers (semi-synthetic fibers) such as rayon and lyocell, and synthetic fibers can be used without limitation. Examples of raw materials for cellulose fibers include pulp fibers (wood pulp and non-wood pulp), cellulose nanofibers, bacterial cellulose, animal-derived cellulose such as sea squirts, and algae. Wood pulp is produced by pulping wood raw materials. Just do it. Wood raw materials include red pine, black pine, Sakhalin fir, spruce, red pine, larch, fir, hemlock, cedar, cypress, larch, white fir, spruce, hiba, Douglas fir, hemlock, white fir, spruce, balsam fir, cedar, pine, Coniferous trees such as Mercury pine and radiata pine, and mixtures of these, broadleaf trees such as beech, birch, alder, oak, tab, chinensis, white birch, cotton willow, poplar, ash, willow, eucalyptus, mangrove, lauan, and acacia, and mixtures thereof material is exemplified.
木材原料(木質原料)などの天然材料をパルプ化する方法は、特に限定されず、製紙業界で一般に用いられるパルプ化法が例示される。木材パルプはパルプ化法により分類でき、例えば、クラフト法、サルファイト法、ソーダ法、ポリサルファイド法等の方法により蒸解した化学パルプ;リファイナー、グラインダー等の機械力によってパルプ化して得られる機械パルプ;薬品による前処理の後、機械力によるパルプ化を行って得られるセミケミカルパルプ;古紙パルプ;脱墨パルプ等が挙げられる。木材パルプは、未晒(漂白前)の状態であってもよいし、晒(漂白後)の状態であってもよい。 The method of pulping natural materials such as wood raw materials (woody raw materials) is not particularly limited, and examples thereof include pulping methods commonly used in the paper industry. Wood pulp can be classified by pulping method, for example, chemical pulp cooked by methods such as Kraft method, sulfite method, soda method, polysulfide method; mechanical pulp obtained by mechanical power such as refiner and grinder; semi-chemical pulp obtained by mechanical pulping after pretreatment with a cellulose; waste paper pulp; deinked pulp, and the like. The wood pulp may be unbleached (before bleaching) or bleached (after bleaching).
非木材由来のパルプとしては、綿、ヘンプ、サイザル麻、マニラ麻、亜麻、藁、竹、バガス、ケナフ、サトウキビ、トウモロコシ、稲わら、楮(こうぞ)、みつまた等が例示される。 Examples of non-wood-derived pulp include cotton, hemp, sisal hemp, Manila hemp, flax, straw, bamboo, bagasse, kenaf, sugar cane, corn, rice straw, kozo, mitsumata, and the like.
パルプ繊維は、未叩解及び叩解のいずれでもよく、複合体シートの物性に応じて選択すればよいが、叩解を行う方が好ましい。これにより、シート強度の向上並びに無機粒子の定着促進が期待できる。 The pulp fibers may be either unbeaten or beaten, and may be selected depending on the physical properties of the composite sheet, but beating is preferred. As a result, improvement in sheet strength and promotion of fixation of inorganic particles can be expected.
また、これらセルロース原料はさらに処理を施すことで粉末セルロース、酸化セルロースなどの化学変性セルロース、およびセルロースナノファイバー:CNF(ミクロフィブリル化セルロース:MFC、TEMPO酸化CNF、リン酸エステル化CNF、カルボキシメチル化CNF、機械粉砕CNFなど)として使用することもできる。本発明で用いる粉末セルロースとしては、例えば、精選パルプを酸加水分解した後に得られる未分解残渣を精製・乾燥し、粉砕・篩い分けするといった方法により製造される棒軸状である一定の粒径分布を有する結晶性セルロース粉末を用いてもよいし、KCフロック(日本製紙製)、セオラス(旭化成ケミカルズ製)、アビセル(FMC製)などの市販品を用いてもよい。粉末セルロースにおけるセルロースの重合度は好ましくは100~1500程度であり、X線回折法による粉末セルロースの結晶化度は好ましくは70~90%であり、レーザー回折式粒度分布測定装置による体積平均粒子径は好ましくは500nm以上100μm以下である。 In addition, these cellulose raw materials are further processed to obtain powdered cellulose, chemically modified cellulose such as oxidized cellulose, and cellulose nanofibers: CNF (microfibrillated cellulose: MFC, TEMPO-oxidized CNF, phosphorylated CNF, carboxymethylated CNF, mechanical pulverized CNF, etc.) can also be used. As the powdered cellulose used in the present invention, for example, an undegraded residue obtained after acid hydrolysis of selected pulp is purified, dried, pulverized, and sieved. A crystalline cellulose powder having a distribution may be used, or commercially available products such as KC Floc (manufactured by Nippon Paper Industries), Ceorus (manufactured by Asahi Kasei Chemicals), and Avicel (manufactured by FMC) may be used. The degree of polymerization of cellulose in powdered cellulose is preferably about 100 to 1500, the crystallinity of powdered cellulose by X-ray diffraction method is preferably 70 to 90%, and the volume average particle diameter by laser diffraction particle size distribution analyzer. is preferably 500 nm or more and 100 μm or less.
本発明で用いる酸化セルロースは、例えばN-オキシル化合物、及び、臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化することで得ることができる。セルロースナノファイバーとしては、上記セルロース原料を解繊する方法が用いられる。解繊方法としては、例えばセルロースや酸化セルロース等の化学変性セルロースの水懸濁液等を、リファイナー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、一軸または多軸混練機、ビーズミル等による機械的な磨砕、ないし叩解することにより解繊する方法を使用することができる。上記方法を1種または複数種類組み合わせてセルロースナノファイバーを製造してもよい。製造したセルロースナノファイバーの繊維径は電子顕微鏡観察などで確認することができ、例えば好ましくは5nm~300nmの範囲にある。このセルロースナノファイバーを製造する際、セルロースを解繊及び/又は微細化する前及び/又は後に、任意の化合物をさらに添加してセルロースナノファイバーと反応させ、水酸基が修飾されたものにすることもできる。修飾する官能基としては、アセチル基、エステル基、エーテル基、ケトン基、ホルミル基、ベンゾイル基、アセタール、ヘミアセタール、オキシム、イソニトリル、アレン、チオール基、ウレア基、シアノ基、ニトロ基、アゾ基、アリール基、アラルキル基、アミノ基、アミド基、イミド基、アクリロイル基、メタクリロイル基、プロピオニル基、プロピオロイル基、ブチリル基、2-ブチリル基、ペンタノイル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基、ノナノイル基、デカノイル基、ウンデカノイル基、ドデカノイル基、ミリストイル基、パルミトイル基、ステアロイル基、ピバロイル基、ベンゾイル基、ナフトイル基、ニコチノイル基、イソニコチノイル基、フロイル基、シンナモイル基等のアシル基、2-メタクリロイルオキシエチルイソシアノイル基等のイソシアネート基、メチル基、エチル基、プロピル基、2-プロピル基、ブチル基、2-ブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、ミリスチル基、パルミチル基、ステアリル基等のアルキル基、オキシラン基、オキセタン基、オキシル基、チイラン基、チエタン基等が挙げられる。これらの置換基の中の水素が水酸基、カルボキシ基等の官能基で置換されても構わない。また、アルキル基の一部が不飽和結合になっていても構わない。これらの官能基を導入するために使用する化合物としては特に限定されず、例えば、リン酸由来の基を有する化合物、カルボン酸由来の基を有する化合物、硫酸由来の基を有する化合物、スルホン酸由来の基を有する化合物、アルキル基を有する化合物、アミン由来の基を有する化合物等が挙げられる。リン酸基を有する化合物としては特に限定されないが、リン酸、リン酸のリチウム塩であるリン酸二水素リチウム、リン酸水素二リチウム、リン酸三リチウム、ピロリン酸リチウム、ポリリン酸リチウムが挙げられる。更にリン酸のナトリウム塩であるリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、ポリリン酸ナトリウムが挙げられる。更にリン酸のカリウム塩であるリン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、ポリリン酸カリウムが挙げられる。更にリン酸のアンモニウム塩であるリン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。これらのうち、リン酸基導入の効率が高く、工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましく、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムがより好ましいが、特に限定されない。カルボキシル基を有する化合物としては特に限定されないが、マレイン酸、コハク酸、フタル酸、フマル酸、グルタル酸、アジピン酸、イタコン酸等のジカルボン酸化合物やクエン酸、アコニット酸などトリカルボン酸化合物が挙げられる。カルボキシル基を有する化合物の酸無水物としては特に限定されないが、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水イタコン酸等のジカルボン酸化合物の酸無水物が挙げられる。カルボキシル基を有する化合物の誘導体としては特に限定されないが、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物のイミド化物、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の誘導体が挙げられる。カルボキシル基を有する化合物の酸無水物のイミド化物としては特に限定されないが、マレイミド、コハク酸イミド、フタル酸イミド等のジカルボン酸化合物のイミド化物が挙げられる。カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の誘導体としては特に限定されない。例えば、ジメチルマレイン酸無水物、ジエチルマレイン酸無水物、ジフェニルマレイン酸無水物等の、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の少なくとも一部の水素原子が置換基(例えば、アルキル基、フェニル基等)で置換されたものが挙げられる。上記カルボン酸由来の基を有する化合物のうち、工業的に適用しやすく、ガス化しやすいことから、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸が好ましいが、特に限定されない。また、化学的に結合させなくても、修飾する化合物がセルロースナノファイバーに物理的に吸着する形でセルロースナノファイバーを修飾してもよい。物理的に吸着する化合物としては界面活性剤等が挙げられ、アニオン性、カチオン性、ノニオン性いずれを用いてもよい。セルロースを解繊及び/又は粉砕する前に上記の修飾を行った場合、解繊及び/又は粉砕後にこれらの官能基を脱離させ、元の水酸基に戻すこともできる。以上のような修飾を施すことで、セルロースナノファイバーの解繊を促進したり、セルロースナノファイバーを使用する際に種々の物質と混合しやすくしたりすることができる。 The oxidized cellulose used in the present invention can be obtained, for example, by oxidation in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a compound selected from the group consisting of bromides, iodides, or mixtures thereof. can. As cellulose nanofibers, a method of defibrating the above cellulose raw material is used. As a defibration method, for example, an aqueous suspension of chemically modified cellulose such as cellulose or oxidized cellulose is mechanically ground or beaten by a refiner, a high-pressure homogenizer, a grinder, a uniaxial or multiaxial kneader, a bead mill, or the like. A method of defibrating can be used. Cellulose nanofibers may be produced by combining one or more of the above methods. The fiber diameter of the produced cellulose nanofibers can be confirmed by electron microscope observation or the like, and is preferably in the range of 5 nm to 300 nm, for example. When producing the cellulose nanofibers, before and/or after defibrating and/or refining the cellulose, an optional compound may be further added to react with the cellulose nanofibers to modify the hydroxyl groups. can. Functional groups to be modified include acetyl group, ester group, ether group, ketone group, formyl group, benzoyl group, acetal, hemiacetal, oxime, isonitrile, allene, thiol group, urea group, cyano group, nitro group and azo group. , aryl group, aralkyl group, amino group, amide group, imide group, acryloyl group, methacryloyl group, propionyl group, propioloyl group, butyryl group, 2-butyryl group, pentanoyl group, hexanoyl group, heptanoyl group, octanoyl group, nonanoyl group , decanoyl group, undecanoyl group, dodecanoyl group, myristoyl group, palmitoyl group, stearoyl group, pivaloyl group, benzoyl group, naphthoyl group, nicotinoyl group, isonicotinoyl group, furoyl group, acyl group such as cinnamoyl group, 2-methacryloyloxyethyl isocyanate isocyanate group such as noyl group, methyl group, ethyl group, propyl group, 2-propyl group, butyl group, 2-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, myristyl group, palmityl group, alkyl group such as stearyl group, oxirane group, oxetane group, oxyl group, thiirane group, thietane group and the like. Hydrogen in these substituents may be substituted with a functional group such as a hydroxyl group or a carboxyl group. Moreover, a part of the alkyl group may be an unsaturated bond. The compounds used to introduce these functional groups are not particularly limited, and examples thereof include compounds having a group derived from phosphoric acid, compounds having a group derived from carboxylic acid, compounds having a group derived from sulfuric acid, and compounds derived from sulfonic acid. group, a compound having an alkyl group, a compound having an amine-derived group, and the like. The compound having a phosphate group is not particularly limited, but examples thereof include phosphoric acid and lithium salts of phosphoric acid such as lithium dihydrogen phosphate, dilithium hydrogen phosphate, trilithium phosphate, lithium pyrophosphate, and lithium polyphosphate. . Furthermore, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate and sodium polyphosphate, which are sodium salts of phosphoric acid, may be mentioned. Furthermore, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, and potassium polyphosphate, which are potassium salts of phosphoric acid, may be mentioned. Furthermore, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium polyphosphate, etc., which are ammonium salts of phosphoric acid, can be used. Among these, phosphoric acid, sodium salt of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, and ammonium salt of phosphoric acid are preferable from the viewpoint of high efficiency of introduction of phosphoric acid group and easy industrial application, and sodium dihydrogen phosphate. , Disodium hydrogen phosphate is more preferable, but not particularly limited. The compound having a carboxyl group is not particularly limited, but includes dicarboxylic acid compounds such as maleic acid, succinic acid, phthalic acid, fumaric acid, glutaric acid, adipic acid and itaconic acid, and tricarboxylic acid compounds such as citric acid and aconitic acid. . Acid anhydrides of compounds having a carboxyl group are not particularly limited, but include acid anhydrides of dicarboxylic acid compounds such as maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, glutaric anhydride, adipic anhydride, and itaconic anhydride. be done. Derivatives of compounds having a carboxyl group are not particularly limited, but include imidized acid anhydrides of compounds having a carboxyl group and derivatives of acid anhydrides of compounds having a carboxyl group. Examples of imidized acid anhydrides of compounds having a carboxyl group include, but are not particularly limited to, imidized dicarboxylic acid compounds such as maleimide, succinimide and phthalimide. The acid anhydride derivative of a compound having a carboxyl group is not particularly limited. For example, at least part of the hydrogen atoms of the acid anhydride of the compound having a carboxyl group, such as dimethylmaleic anhydride, diethyl maleic anhydride, and diphenyl maleic anhydride, is a substituent (e.g., an alkyl group, a phenyl group, etc.). ) is substituted with. Among the compounds having a group derived from a carboxylic acid, maleic anhydride, succinic anhydride, and phthalic anhydride are preferable because they are industrially applicable and easily gasified, but are not particularly limited. In addition, the cellulose nanofibers may be modified in such a manner that the modifying compound physically adsorbs to the cellulose nanofibers without chemically bonding them. Examples of the physically adsorbable compound include surfactants, which may be anionic, cationic or nonionic. When the above modification is performed before defibrating and/or pulverizing the cellulose, these functional groups can be eliminated after defibrating and/or pulverizing to restore the original hydroxyl groups. By applying the above modifications, it is possible to accelerate the defibration of the cellulose nanofibers and facilitate mixing with various substances when using the cellulose nanofibers.
以上に示した繊維は単独で用いても良いし、複数を混合しても良い。例えば、製紙工場の排水から回収された繊維状物質を本発明の炭酸化反応に供給してもよい。このような物質を反応槽に供給することにより、種々の複合粒子を合成することができ、また、形状的にも繊維状粒子などを合成することができる。 The fibers shown above may be used singly or in combination. For example, fibrous material recovered from paper mill effluents may be fed to the carbonation reaction of the present invention. By supplying such a substance to a reaction tank, various composite particles can be synthesized, and also fibrous particles can be synthesized in terms of shape.
本発明においては、繊維の他にも、生成物である無機粒子に取り込まれて複合粒子を生成するような物質を用いることができる。本発明にいては、パルプ繊維を始めとする繊維を使用するが、それ以外にも無機粒子、有機粒子、ポリマーなどを含む溶液中で無機粒子を合成することによって、さらにこれらの物質が取り込まれた複合粒子を製造することが可能である。 In the present invention, in addition to fibers, substances that can be incorporated into inorganic particles as a product to form composite particles can be used. In the present invention, fibers such as pulp fibers are used, but by synthesizing inorganic particles in a solution containing inorganic particles, organic particles, polymers, etc., these substances are further incorporated. It is possible to produce composite particles with
複合化する繊維の繊維長は特に制限されないが、例えば、平均繊維長が0.1μm~15mm程度とすることができ、1μm~12mm、100μm~10mm、400μm~8mmなどとしてもよい。このうち、本発明においては、平均繊維長を400μm以上(0.4mm以上)とすることが好ましい。 The fiber length of the composite fibers is not particularly limited, but for example, the average fiber length can be about 0.1 μm to 15 mm, and may be 1 μm to 12 mm, 100 μm to 10 mm, 400 μm to 8 mm, and the like. Among them, in the present invention, the average fiber length is preferably 400 μm or more (0.4 mm or more).
複合化する繊維の平均繊維径は特に制限されないが、例えば、平均繊維径が1nm~100μm程度とすることができ、500nm~100μm、1μm~90μm、3μm~50μm、5μm~30μmなどとしてもよい。このうち、本発明においては、平均繊維径が500nm以上であると後工程での生産効率を向上できるため好ましい。 The average fiber diameter of the fibers to be combined is not particularly limited, but for example, the average fiber diameter can be about 1 nm to 100 μm, and may be 500 nm to 100 μm, 1 μm to 90 μm, 3 μm to 50 μm, 5 μm to 30 μm. Among them, in the present invention, it is preferable that the average fiber diameter is 500 nm or more because the production efficiency in the subsequent process can be improved.
繊維の平均繊維長と平均繊維径は、繊維長測定装置により測定できる。繊維長測定装置としては、例えば、Valmet Fractionator(Valmet社製)が挙げられる。 The average fiber length and average fiber diameter of fibers can be measured by a fiber length measuring device. Examples of the fiber length measuring device include Valmet Fractionator (manufactured by Valmet).
複合化する繊維は、繊維表面の15%以上が無機粒子で被覆されるような量で使用することが好ましいが、例えば、繊維と無機粒子の重量比を、5/95~95/5とすることができ、10/90~90/10、20/80~80/20、30/70~70/30、40/60~60/40としてもよい。 The fibers to be composited are preferably used in such an amount that 15% or more of the fiber surface is covered with inorganic particles. For example, the weight ratio of the fibers to the inorganic particles is 5/95 to 95/5. 10/90 to 90/10, 20/80 to 80/20, 30/70 to 70/30, 40/60 to 60/40.
本発明に係る複合繊維は、好ましい態様において、繊維表面の15%以上が無機粒子で被覆されており、このような面積率でセルロース繊維表面が被覆されていると無機粒子に起因する特徴が大きく生じるようになる一方、繊維表面に起因する特徴が小さくなる。 In a preferred embodiment, the conjugate fiber according to the present invention has inorganic particles covering 15% or more of the fiber surface, and when the cellulose fiber surface is covered with such an area ratio, the characteristics attributed to the inorganic particles are large. while the features attributed to the fiber surface become smaller.
本発明に係る複合繊維は、種々の形状で用いることができ、例えば、粉体、ペレット、モールド、水性懸濁液、ペースト、シート、ボード、ブロック、その他の形状にして用いることができる。また、複合繊維を主成分として他の材料と共にモールドや粒子・ペレットなどの成形体にすることもできる。乾燥して紛体にする場合の乾燥機についても特に制限はないが、例えば、気流乾燥機、バンド乾燥機、噴霧乾燥機などを好適に使用することができる。 The conjugate fiber according to the present invention can be used in various forms such as powder, pellet, mold, aqueous suspension, paste, sheet, board, block and other forms. In addition, the conjugate fiber as a main component can also be formed into a molded article such as a mold, particles, or pellets together with other materials. There are no particular restrictions on the dryer used for drying to powder, but for example, a flash dryer, band dryer, spray dryer, or the like can be preferably used.
本発明に係る複合繊維は、種々の用途に用いることができ、例えば、紙、繊維、セルロース系複合材料、フィルター材料、塗料、プラスチックやその他の樹脂、ゴム、エラストマー、セラミック、ガラス、タイヤ、建築材料(アスファルト、アスベスト、セメント、ボード、コンクリート、れんが、タイル、合板、繊維板、天井材、壁材、床材、屋根材など)、家具、各種担体(触媒担体、医薬担体、農薬担体、微生物担体など)、吸着剤(不純物除去、消臭、除湿など)、抗菌材、抗ウイルス剤、しわ防止剤、粘土、研磨材、摩擦材、改質剤、補修材、断熱材、耐熱材、放熱材、防湿材、撥水材、耐水材、遮光材、シーラント、シールド材、防虫剤、接着剤、医用材料、ペースト材料、変色防止剤、電波吸収材、絶縁材、遮音材、インテリア材、防振材、半導体封止材、放射線遮断材、材料等のあらゆる用途に広く使用することができる。また、前記用途における各種充填剤、コーティング剤などに用いることができる。このうち、吸着剤、抗菌材、抗ウイルス剤、摩擦材、放射線遮蔽材、難燃材料、建築材料、断熱材が好ましい。 Composite fibers according to the present invention can be used in a variety of applications, such as paper, fibers, cellulosic composite materials, filter materials, paints, plastics and other resins, rubbers, elastomers, ceramics, glass, tires, and construction. Materials (asphalt, asbestos, cement, boards, concrete, bricks, tiles, plywood, fiberboard, ceiling materials, wall materials, flooring materials, roofing materials, etc.), furniture, various carriers (catalyst carriers, pharmaceutical carriers, agricultural chemical carriers, microorganisms carriers, etc.), adsorbents (impurity removal, deodorant, dehumidification, etc.), antibacterial agents, antiviral agents, anti-wrinkle agents, clay, abrasives, friction materials, modifiers, repair materials, heat insulating materials, heat resistant materials, heat radiation materials, moisture-proof materials, water-repellent materials, water-resistant materials, light-shielding materials, sealants, shielding materials, insect repellents, adhesives, medical materials, paste materials, anti-tarnishing agents, radio-wave absorbing materials, insulating materials, sound-insulating materials, interior materials, waterproofing materials It can be widely used for various applications such as vibration materials, semiconductor sealing materials, radiation shielding materials, and materials. In addition, it can be used as various fillers, coating agents, etc. in the above applications. Among these, adsorbents, antibacterial materials, antiviral agents, friction materials, radiation shielding materials, flame retardant materials, building materials, and heat insulating materials are preferred.
本発明の複合繊維は、製紙用途に適用してもよく、例えば、印刷用紙、新聞紙、インクジェット用紙、PPC用紙、クラフト紙、上質紙、コート紙、微塗工紙、包装紙、薄葉紙、色上質紙、キャストコート紙、ノンカーボン紙、ラベル用紙、感熱紙、各種ファンシーペーパー、水溶紙、剥離紙、工程紙、壁紙用原紙、難燃紙(不燃紙)、積層板原紙、プリンテッドエレクトロニクス用紙、バッテリー用セパレータ、クッション紙、トレーシングペーパー、含浸紙、ODP用紙、建材用紙、化粧材用紙、封筒用紙、テープ用紙、熱交換用紙、化繊紙、減菌紙、耐水紙、耐油紙、耐熱紙、光触媒紙、化粧紙(脂取り紙など)、各種衛生紙(トイレットペーパー、ティッシュペーパー、ワイパー、おむつ、生理用品等)、たばこ用紙、板紙(ライナー、中芯原紙、白板紙など)、紙皿原紙、カップ原紙、ベーキング用紙、研磨紙、合成紙などが挙げられる。すなわち、本発明によれば、一次粒子径が小さくかつ粒度分布の狭い無機粒子と繊維との複合体を得ることができるため、2μm超の粒子径を有していた従来の無機填料とは異なった特性を発揮させることができる。更には、単に無機粒子を繊維に単に配合した場合と異なり、無機粒子を繊維と複合体化しておくと、無機粒子がシートに歩留易いだけでなく、凝集せずに均一に分散したシートを得ることができる。本発明における無機粒子は、好ましい態様において、繊維の外表面・ルーメンの内側に定着するだけでなく、ミクロフィブリルの内側にも生成することが電子顕微鏡観察の結果から明らかとなっている。 The conjugate fiber of the present invention may be applied to papermaking applications such as printing paper, newsprint, inkjet paper, PPC paper, kraft paper, fine paper, coated paper, lightly coated paper, wrapping paper, thin paper, color fine paper, Paper, cast-coated paper, non-carbon paper, label paper, thermal paper, various fancy papers, water-soluble paper, release paper, casting paper, base paper for wallpaper, flame-retardant paper (non-combustible paper), base paper for laminates, printed electronic paper, Battery separator, cushion paper, tracing paper, impregnated paper, ODP paper, construction paper, decorative paper, envelope paper, tape paper, heat exchange paper, synthetic fiber paper, sterilized paper, water resistant paper, oil resistant paper, heat resistant paper, Photocatalyst paper, cosmetic paper (oil removal paper, etc.), various sanitary papers (toilet paper, tissue paper, wipers, diapers, sanitary products, etc.), tobacco paper, paperboard (liner, core paper, white paperboard, etc.), paper plate base paper, Base paper for cups, baking paper, abrasive paper, synthetic paper, and the like. That is, according to the present invention, a composite of inorganic particles and fibers having a small primary particle size and a narrow particle size distribution can be obtained. characteristics can be exhibited. Furthermore, unlike the case where the inorganic particles are simply blended with the fibers, the composite of the inorganic particles and the fibers not only facilitates the retention of the inorganic particles in the sheet, but also produces a sheet in which the inorganic particles are uniformly dispersed without agglomeration. Obtainable. Electron microscopic observation has revealed that the inorganic particles in the present invention are not only fixed on the outer surface of the fiber and inside the lumen, but also formed inside the microfibrils in a preferred embodiment.
また、本発明係る複合繊維を使用する際には、一般に無機填料及び有機填料と呼ばれる粒子や、各種繊維を併用することができる。例えば、無機填料として、炭酸カルシウム(軽質炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム)、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化亜鉛、クレー(カオリン、焼成カオリン、デラミカオリン)、タルク、酸化亜鉛、ステアリン酸亜鉛、二酸化チタン、ケイ酸ナトリウムと鉱酸から製造されるシリカ(ホワイトカーボン、シリカ/炭酸カルシウム複合体、シリカ/二酸化チタン複合体)、白土、ベントナイト、珪藻土、硫酸カルシウム、ゼオライト、脱墨工程から得られる灰分を再生して利用する無機填料および再生する過程でシリカや炭酸カルシウムと複合体を形成した無機填料などが挙げられる。炭酸カルシウム-シリカ複合物としては、炭酸カルシウムおよび/または軽質炭酸カルシウム-シリカ複合物以外に、ホワイトカーボンのような非晶質シリカを併用しても良い。有機填料としては、尿素-ホルマリン樹脂、ポリスチレン樹脂、フェノール樹脂、微小中空粒子、アクリルアミド複合体、木材由来の物質(微細繊維、ミクロフィブリル繊維、粉体ケナフ)、変性不溶化デンプン、未糊化デンプンなどが挙げられる。繊維としては、セルロースなどの天然繊維はもちろん、石油などの原料から人工的に合成される合成繊維、さらには、レーヨンやリヨセルなどの再生繊維(半合成繊維)、さらには無機繊維などを制限なく使用することができる。天然繊維としては上記の他にウールや絹糸やコラーゲン繊維等の蛋白系繊維、キチン・キトサン繊維やアルギン酸繊維等の複合糖鎖系繊維等が挙げられる。セルロース系の原料としては、パルプ繊維(木材パルプや非木材パルプ)、バクテリアセルロース、ホヤなどの動物由来セルロース、藻類などが例示され、木材パルプは、木材原料をパルプ化して製造すればよい。木材原料としては、アカマツ、クロマツ、トドマツ、エゾマツ、ベニマツ、カラマツ、モミ、ツガ、スギ、ヒノキ、カラマツ、シラベ、トウヒ、ヒバ、ダグラスファー、ヘムロック、ホワイトファー、スプルース、バルサムファー、シーダ、パイン、メルクシマツ、ラジアータパイン等の針葉樹、及びこれらの混合材、ブナ、カバ、ハンノキ、ナラ、タブ、シイ、シラカバ、ハコヤナギ、ポプラ、タモ、ドロヤナギ、ユーカリ、マングローブ、ラワン、アカシア等の広葉樹及びこれらの混合材が例示される。木材原料をパルプ化する方法は、特に限定されず、製紙業界で一般に用いられるパルプ化法が例示される。木材パルプはパルプ化法により分類でき、例えば、クラフト法、サルファイト法、ソーダ法、ポリサルファイド法等の方法により蒸解した化学パルプ;リファイナー、グラインダー等の機械力によってパルプ化して得られる機械パルプ;薬品による前処理の後、機械力によるパルプ化を行って得られるセミケミカルパルプ;古紙パルプ;脱墨パルプ等が挙げられる。木材パルプは、未晒(漂白前)の状態であってもよいし、晒(漂白後)の状態であってもよい。非木材由来のパルプとしては、綿、ヘンプ、サイザル麻、マニラ麻、亜麻、藁、竹、バガス、ケナフ、サトウキビ、トウモロコシ、稲わら、楮(こうぞ)、みつまた等が例示される。木材パルプ及び非木材パルプは、未叩解及び叩解のいずれでもよい。また、これらセルロース原料はさらに処理を施すことで粉末セルロース、酸化セルロースなどの化学変性セルロース、およびセルロースナノファイバー:CNF(ミクロフィブリル化セルロース:MFC、TEMPO酸化CNF、リン酸エステル化CNF、カルボキシメチル化CNF、機械粉砕CNF)として使用することもできる。合成繊維としてはポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、アクリル繊維、半合繊維としてはレーヨン、アセテートなどが挙げられ、無機繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、各種金属繊維などが挙げられる。以上について、これらは単独でも2種類以上の組み合わせで用いても構わない。 When using the conjugate fiber of the present invention, particles generally called inorganic fillers and organic fillers and various fibers can be used together. For example, inorganic fillers include calcium carbonate (light calcium carbonate, heavy calcium carbonate), magnesium carbonate, barium carbonate, aluminum hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, zinc hydroxide, clay (kaolin, calcined kaolin, delaminated kaolin). ), talc, zinc oxide, zinc stearate, titanium dioxide, silica prepared from sodium silicate and mineral acids (white carbon, silica/calcium carbonate complex, silica/titanium dioxide complex), clay, bentonite, diatomaceous earth, Examples include calcium sulfate, zeolite, inorganic fillers that regenerate and utilize ash obtained in the deinking process, and inorganic fillers that form a composite with silica or calcium carbonate in the regenerating process. As the calcium carbonate-silica composite, amorphous silica such as white carbon may be used in combination with calcium carbonate and/or light calcium carbonate-silica composite. Organic fillers include urea-formalin resin, polystyrene resin, phenolic resin, hollow microparticles, acrylamide composites, wood-derived substances (fine fibers, microfibril fibers, powdered kenaf), modified insolubilized starch, ungelatinized starch, etc. is mentioned. As for fibers, there are no restrictions on natural fibers such as cellulose, synthetic fibers artificially synthesized from raw materials such as petroleum, regenerated fibers (semi-synthetic fibers) such as rayon and lyocell, and inorganic fibers. can be used. In addition to the above, examples of natural fibers include protein-based fibers such as wool, silk threads and collagen fibers, and complex sugar chain-based fibers such as chitin/chitosan fibers and alginic acid fibers. Examples of cellulosic raw materials include pulp fibers (wood pulp and non-wood pulp), bacterial cellulose, animal-derived cellulose such as sea squirt, and algae. Wood pulp may be produced by pulping wood raw materials. Wood raw materials include red pine, black pine, Sakhalin fir, spruce, red pine, larch, fir, hemlock, cedar, cypress, larch, white fir, spruce, hiba, Douglas fir, hemlock, white fir, spruce, balsam fir, cedar, pine, Coniferous trees such as Mercury pine and radiata pine, and mixtures of these, broadleaf trees such as beech, birch, alder, oak, tab, chinensis, white birch, cotton willow, poplar, ash, willow, eucalyptus, mangrove, lauan, and acacia, and mixtures thereof material is exemplified. The method of pulping the wood raw material is not particularly limited, and an example is a pulping method commonly used in the paper industry. Wood pulp can be classified by pulping method, for example, chemical pulp cooked by methods such as Kraft method, sulfite method, soda method, polysulfide method; mechanical pulp obtained by mechanical power such as refiner and grinder; semi-chemical pulp obtained by mechanical pulping after pretreatment with a cellulose; waste paper pulp; deinked pulp, and the like. The wood pulp may be unbleached (before bleaching) or bleached (after bleaching). Examples of non-wood-derived pulp include cotton, hemp, sisal hemp, Manila hemp, flax, straw, bamboo, bagasse, kenaf, sugar cane, corn, rice straw, kozo, mitsumata, and the like. The wood pulp and non-wood pulp may be either unbeaten or beaten. In addition, these cellulose raw materials are further processed to obtain powdered cellulose, chemically modified cellulose such as oxidized cellulose, and cellulose nanofibers: CNF (microfibrillated cellulose: MFC, TEMPO-oxidized CNF, phosphorylated CNF, carboxymethylated It can also be used as CNF, mechanically ground CNF). Synthetic fibers include polyester, polyamide, polyolefin and acrylic fibers, semi-synthetic fibers include rayon and acetate, and inorganic fibers include glass fibers, carbon fibers and various metal fibers. Regarding the above, these may be used alone or in combination of two or more.
本発明の複合繊維を構成する無機粒子の平均粒子径や形状等は、電子顕微鏡による観察により確認することができる。さらに、無機粒子を合成する際の条件を調整することによって、種々の大きさや形状を有する無機粒子を繊維と複合体化することができる。 The average particle size, shape, etc. of the inorganic particles constituting the composite fiber of the present invention can be confirmed by observation with an electron microscope. Furthermore, inorganic particles having various sizes and shapes can be composited with fibers by adjusting the conditions for synthesizing the inorganic particles.
複合繊維の形態
本発明においては、上述の複合繊維を様々な成形物(体)に成形することが可能である。例えば、本発明の複合繊維をシート化すると、高灰分のシートを容易に得ることができる。また、得られたシートを貼り合せて多層シートとすることもできる。
Form of conjugate fiber In the present invention, the conjugate fiber described above can be formed into various moldings (body). For example, a high-ash sheet can be easily obtained by sheeting the composite fiber of the present invention. Also, the obtained sheets can be laminated to form a multilayer sheet.
シート製造に用いる抄紙機(抄造機)としては、例えば長網抄紙機、円網抄紙機、ギャップフォーマ、ハイブリッドフォーマ、ロトフォーマー、多層抄紙機、これらの機器の抄紙方式を組合せた公知の抄造機などが挙げられる。抄紙機におけるプレス線圧、後段でカレンダー処理を行う場合のカレンダー線圧は、いずれも操業性や複合繊維シートの性能に支障を来さない範囲内で定めることができる。また、形成されたシートに対して含浸や塗布により澱粉や各種ポリマー、顔料およびそれらの混合物を付与しても良い。 Examples of paper machines used for sheet production include fourdrinier paper machines, cylinder paper machines, gap formers, hybrid formers, rotoformers, multi-layer paper machines, and known paper machines that combine these paper-making methods. is mentioned. Both the press linear pressure in the paper machine and the calender linear pressure in the subsequent calendering process can be determined within a range that does not interfere with the workability and the performance of the composite fiber sheet. Starch, various polymers, pigments, and mixtures thereof may be applied to the formed sheet by impregnation or coating.
シート化の際には湿潤および/または乾燥紙力剤(紙力増強剤)を添加することができる。これにより、複合繊維シートの強度を向上させることができる。紙力剤としては例えば、尿素ホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ポリアミド、ポリアミン、エピクロロヒドリン樹脂、植物性ガム、ラテックス、ポリエチレンイミン、グリオキサール、ガム、マンノガラクタンポリエチレンイミン、ポリアクリルアミド樹脂、ポリビニルアミン、ポリビニルアルコール等の樹脂;上記樹脂から選ばれる2種以上からなる複合ポリマー又は共重合ポリマー;澱粉及び加工澱粉;カルボキシメチルセルロース、グアーガム、尿素樹脂等が挙げられる。紙力剤の添加量は特に限定されない。 A wet and/or dry paper strength agent (paper strength enhancer) may be added during sheeting. Thereby, the strength of the composite fiber sheet can be improved. Examples of paper strength agents include urea formaldehyde resin, melamine formaldehyde resin, polyamide, polyamine, epichlorohydrin resin, vegetable gum, latex, polyethyleneimine, glyoxal, gum, mannogalactan polyethyleneimine, polyacrylamide resin, polyvinylamine. , polyvinyl alcohol; composite polymers or copolymers composed of two or more of the above resins; starch and modified starch; carboxymethyl cellulose, guar gum, urea resin, and the like. The amount of the paper strength agent to be added is not particularly limited.
また、填料の繊維への定着を促したり、填料や繊維の歩留を向上させたりするために、高分子ポリマーや無機物を添加することもできる。例えば凝結剤として、ポリエチレンイミンおよび第三級および/または四級アンモニウム基を含む改質ポリエチレンイミン、ポリアルキレンイミン、ジシアンジアミドポリマー、ポリアミン、ポリアミン/エピクロヒドリン重合体、並びにジアルキルジアリル第四級アンモニウムモノマー、ジアルキルアミノアルキルアクリレート、ジアルキルアミノアルキルメタクリレート、ジアルキルアミノアルキルアクリルアミド及びジアルキルアミノアルキルメタクリルアミドとアクリルアミドの重合体、モノアミン類とエピハロヒドリンからなる重合体、ポリビニルアミン及びビニルアミン部を持つ重合体やこれらの混合物などのカチオン性のポリマーに加え、前記ポリマーの分子内にカルボキシル基やスルホン基などのアニオン基を共重合したカチオンリッチな両イオン性ポリマー、カチオン性ポリマーとアニオン性または両イオン性ポリマーとの混合物などを用いることができる。また歩留剤として、カチオン性またはアニオン性、両性ポリアクリルアミド系物質を用いることができる。また、これらに加えて少なくとも一種以上のカチオンやアニオン性のポリマーを併用する、いわゆるデュアルポリマーと呼ばれる歩留りシステムを適用することもでき、少なくとも一種類以上のアニオン性のベントナイトやコロイダルシリカ、ポリ珪酸、ポリ珪酸もしくはポリ珪酸塩ミクロゲルおよびこれらのアルミニウム改質物などの無機微粒子や、アクリルアミドが架橋重合したいわゆるマイクロポリマーといわれる粒径100μm以下の有機系の微粒子を一種以上併用する多成分歩留りシステムであってもよい。特に単独または組合せで使用するポリアクリルアミド系物質が、極限粘度法による重量平均分子量が200万ダルトン以上である場合、良好な歩留りを得ることができ、好ましくは、500万ダルトン以上であり、更に好ましくは1000万ダルトン以上3000万ダルトン未満の上記アクリルアミド系物質である場合に非常に高い歩留りを得ることが出来る。このポリアクリルアミド系物質の形態はエマルジョン型でも溶液型であっても構わない。この具体的な組成としては、該物質中にアクリルアミドモノマーユニットを構造単位として含むものであれば特に限定はないが、例えば、アクリル酸エステルの4級アンモニウム塩とアクリルアミドとの共重合物、あるいはアクリルアミドとアクリル酸エステルを共重合させた後、4級化したアンモニウム塩が挙げられる。該カチオン性ポリアクリルアミド系物質のカチオン電荷密度は特には限定されない。 In addition, a high molecular weight polymer or an inorganic substance can be added in order to promote fixation of the filler to the fibers or to improve the retention of the filler or the fibers. For example, as coagulants, polyethyleneimines and modified polyethyleneimines containing tertiary and/or quaternary ammonium groups, polyalkyleneimines, dicyandiamide polymers, polyamines, polyamine/epichlorohydrin polymers, and dialkyldiallyl quaternary ammonium monomers, dialkyl Cations of aminoalkyl acrylates, dialkylaminoalkyl methacrylates, dialkylaminoalkylacrylamides, polymers of dialkylaminoalkylmethacrylamides and acrylamides, polymers of monoamines and epihalohydrin, polyvinylamines, polymers with vinylamine moieties, and mixtures thereof cation-rich amphoteric polymers obtained by copolymerizing anionic groups such as carboxyl groups and sulfone groups in the polymer molecules, and mixtures of cationic polymers and anionic or amphoteric polymers. be able to. Cationic, anionic, and amphoteric polyacrylamide-based substances can also be used as retention agents. Also, in addition to these, at least one kind of cationic or anionic polymer can be used together, so-called dual polymer retention system can be applied, and at least one kind of anionic bentonite, colloidal silica, polysilicic acid, A multi-component yield system that uses at least one type of inorganic fine particles such as polysilicic acid or polysilicate microgels and aluminum-modified products thereof, and organic fine particles having a particle size of 100 μm or less, which are so-called micropolymers obtained by cross-linking polymerization of acrylamide. good too. In particular, when the polyacrylamide-based substances used alone or in combination have a weight-average molecular weight of 2 million daltons or more as determined by the intrinsic viscosity method, a good yield can be obtained, preferably 5 million daltons or more, more preferably 5 million daltons or more. When is the above acrylamide-based substance of 10 million daltons or more and less than 30 million daltons, a very high yield can be obtained. The form of this polyacrylamide-based substance may be an emulsion type or a solution type. The specific composition is not particularly limited as long as the substance contains an acrylamide monomer unit as a structural unit. and quaternary ammonium salts obtained by copolymerizing acrylic acid esters. The cationic charge density of the cationic polyacrylamide-based material is not particularly limited.
その他、目的に応じて、濾水性向上剤、内添サイズ剤、pH調整剤、消泡剤、ピッチコントロール剤、スライムコントロール剤、嵩高剤、炭酸カルシウム、カオリン、タルク、シリカなどの無機粒子(いわゆる填料)等が挙げられる。各添加剤の使用量は特に限定されない。 In addition, depending on the purpose, drainage improver, internal sizing agent, pH adjuster, defoaming agent, pitch control agent, slime control agent, bulking agent, calcium carbonate, kaolin, talc, inorganic particles such as silica (so-called filler) and the like. The amount of each additive used is not particularly limited.
シートの基本重量(坪量:1平方mあたりの重量)は、目的に応じて適宜調整できるが、例えば建材として用いる場合には、60~1200g/m2とすると強度が強く、また、製造時の乾燥負荷が低いため良好である。また、シートの坪量は、1200g/m2以上とすることもでき、例えば2000~110000g/m2とすることもできる。 The basic weight of the sheet (basis weight: weight per square meter) can be adjusted appropriately according to the purpose. It is good because the drying load of the is low. Also, the basis weight of the sheet may be 1200 g/m 2 or more, for example, 2000 to 110000 g/m 2 .
シート化以外の成形法を用いることも可能であり、例えば、パルプモールドと呼ばれるように鋳型に原料を流し込んで吸引脱水・乾燥させる方法や、樹脂や金属などの成形物の表面に塗り広げて乾燥後、基材から剥離する方法などによって、種々の形状を有する成形物を得ることができる。また、樹脂を混ぜてプラスチック様に成形することもできるし、セメントやゴムに混ぜて補強材として用いることもできる。また、一般にセメントや石膏などの無機質ボードを作成するのに用いられるような加圧・加熱プレス成形でボード状にしたり、ブロック状に成形したりすることもできる。一般に、シートは、折り曲げたり、巻き取れたりするものであるが、より強度が必要な場合には、ボード状にすることができる。また、厚みのある塊であるブロック状に成形することも可能であり、例えば、直方体や立方体などに成形することができる。 It is also possible to use molding methods other than sheeting, for example, a method called pulp molding, where the raw material is poured into a mold and suction dehydrated and dried, or it is spread on the surface of a molded product such as resin or metal and dried. After that, molded articles having various shapes can be obtained by a method such as peeling from the substrate. It can also be mixed with resin and molded like plastic, or it can be mixed with cement or rubber and used as a reinforcing material. It can also be formed into a board shape or a block shape by pressure/heat press molding, which is generally used to produce inorganic boards such as cement and gypsum. In general, the sheet can be folded and rolled up, but it can be made into a board if more strength is required. Moreover, it is also possible to mold into a block shape, which is a mass with a thickness, such as a rectangular parallelepiped or a cube.
以上に示した配合・乾燥・成形において、1種類の複合体のみを用いることもできるし、2種類以上の複合体を混合して用いることもできる。2種類以上の複合体を用いる場合は、予めそれらを混合したものを用いることもできるし、それぞれを配合・乾燥・成形したものを後から混合することもできる。 In the compounding, drying, and molding described above, only one kind of composite can be used, or two or more kinds of composites can be mixed and used. When two or more kinds of composites are used, they can be mixed in advance, or they can be blended, dried and molded, and then mixed.
また、複合体の成形物に後からポリマーなどの各種有機物や顔料などの各種無機物を付与しても良い。 Moreover, various organic substances such as polymers and various inorganic substances such as pigments may be added to the molded composite afterward.
本発明品で製造した成形物には印刷を施すことができる。この印刷方法は特に限定されるものではいが、例えば、オフセット印刷、シルクスクリーン印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、マイクログラビア印刷、フレキソ印刷、活版印刷、シール印刷、フォーム印刷、オンデマンド印刷、ファニッシャーロール印刷、インクジェット印刷等の公知の方式で行うことができる。この中でもインクジェト印刷は、オフセット印刷のように版下を作製する必要がなく、インクジェットプリンターの大型化が比較的容易であるため、大型シートへの印刷も可能であるため好ましい。また、フレキソ印刷は表面の凹凸が比較的大きい成形物にも好適に印刷できるため、ボードやモールド、ブロックのような形状に成形した際にも好適に用いることができる。 Moldings produced from the product of the present invention can be printed. Although this printing method is not particularly limited, for example, offset printing, silk screen printing, screen printing, gravure printing, microgravure printing, flexographic printing, letterpress printing, sticker printing, form printing, on-demand printing, fan It can be carried out by known methods such as shear roll printing and inkjet printing. Among these, inkjet printing is preferable because it does not require the preparation of a block copy unlike offset printing, and it is relatively easy to increase the size of the inkjet printer, and printing on a large sheet is also possible. In addition, since flexographic printing can be suitably printed on a molded article having relatively large unevenness on the surface, it can be suitably used when molded into a shape such as a board, a mold, or a block.
また、印刷によって形成される印刷画像の絵柄の種類は特に限定されるものではなく、例えば木目柄、石目柄、布目柄、抽象柄、幾何学模様、文字、記号、又はこれらの組み合わせ等、所望により任意であり、単色無地であってもよい。 In addition, the type of pattern of the printed image formed by printing is not particularly limited. It is optional and may be a single solid color if desired.
具体的な実験例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は下記の具体例に限定されるものではない。また、本明細書において特に記載しない限り、濃度や部などは重量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとして記載される。 The present invention will be described in more detail with specific experimental examples, but the present invention is not limited to the following specific examples. In addition, unless otherwise specified in this specification, concentrations, parts, etc. are based on weight, and numerical ranges are described as including their end points.
実験1.複合体の合成
1-1.硫酸Baとセルロース繊維との複合繊維
(サンプル1、図1)
1%のパルプスラリー(LBKP、CSF=450mL、平均繊維長:約0.7mm、平均繊維径:約19μm)436gと水酸化バリウム八水和物(日本化学工業)18.8gをスリーワンモーター(500rpm)で混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液、25.8g)を0.4g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続してサンプル1を得た。
1-1. Composite fiber of barium sulfate and cellulose fiber (
436 g of 1% pulp slurry (LBKP, CSF = 450 mL, average fiber length: about 0.7 mm, average fiber diameter: about 19 μm) and 18.8 g of barium hydroxide octahydrate (Nippon Kagaku Kogyo) were driven by a three-one motor (500 rpm). ), aluminum sulfate (undiluted solution of aluminum sulfate, 25.8 g) was added dropwise at a rate of 0.4 g/min. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain
(サンプル2、図2)
1.7%のパルプスラリー(LBKP、CSF=450mL、平均繊維長:約0.7mm、平均繊維径:約19μm)533gと水酸化バリウム八水和物(日本化学工業)12.4gをスリーワンモーター(667rpm)で混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液の4倍希釈水溶液、67.2g)を1.1g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続してサンプル2を得た。
(Sample 2, Figure 2)
533 g of 1.7% pulp slurry (LBKP, CSF = 450 mL, average fiber length: about 0.7 mm, average fiber diameter: about 19 μm) and 12.4 g of barium hydroxide octahydrate (Nippon Kagaku Kogyo) were fed into a three-one motor. After mixing at 667 rpm, aluminum sulfate (4-fold diluted aqueous solution of aluminum sulfate undiluted solution, 67.2 g) was added dropwise at 1.1 g/min. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain Sample 2.
(サンプル3、図3)
1%のパルプスラリー(NBKP、CSF=425mL、平均繊維長:約1.7mm、平均繊維径:約26μm)437gと水酸化バリウム八水和物(日本化学工業)18.8gをスリーワンモーター(500rpm)で混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液、26.1g)を0.4g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続してサンプル3を得た。
(
437 g of 1% pulp slurry (NBKP, CSF = 425 mL, average fiber length: about 1.7 mm, average fiber diameter: about 26 μm) and 18.8 g of barium hydroxide octahydrate (Nippon Kagaku Kogyo) were driven by a three-one motor (500 rpm). ), aluminum sulfate (undiluted solution of aluminum sulfate, 26.1 g) was added dropwise at a rate of 0.4 g/min. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain a
(サンプル4、図4)
1%のパルプスラリー(LBKP、CSF=450mL、平均繊維長:約0.7mm、平均繊維径:約19μm)436gと水酸化バリウム八水和物(日本化学工業)18.8gをスリーワンモーター(500rpm)で混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液、25.8g)を1.0g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続して複合体スラリーを得た。
(Sample 4, Fig. 4)
436 g of 1% pulp slurry (LBKP, CSF = 450 mL, average fiber length: about 0.7 mm, average fiber diameter: about 19 μm) and 18.8 g of barium hydroxide octahydrate (Nippon Kagaku Kogyo) were driven by a three-one motor (500 rpm). ), aluminum sulfate (undiluted solution of aluminum sulfate, 25.8 g) was added dropwise at a rate of 1.0 g/min. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain a composite slurry.
(サンプル5、図5、無機粒子のみ)
2L容器に水437gと水酸化バリウム八水和物(日本化学工業、18.8g)をスリーワンモーター(500rpm)で混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液、25.8g)を1.0g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続して硫酸バリウム粒子のサンプルを得た。
(Sample 5, Fig. 5, inorganic particles only)
After mixing 437 g of water and barium hydroxide octahydrate (Nippon Kagaku Kogyo, 18.8 g) in a 2 L container with a three-one motor (500 rpm), aluminum sulfate (undiluted solution of aluminum sulfate, 25.8 g) was added at 1.0 g/min. Dripped. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain a sample of barium sulfate particles.
(サンプル6、図6、無機粒子とセルロース繊維の混合物)
1%のパルプスラリー(LBKP、CSF=450mL、平均繊維長:約0.7mm、平均繊維径:約19μm)120gにサンプル6の硫酸バリウム粒子スラリー(濃度3.0%)121gを混合してから水を加えて攪拌し、硫酸バリウムとセルロース繊維の混合スラリーを得た。
(Sample 6, Fig. 6, mixture of inorganic particles and cellulose fibers)
After mixing 120 g of 1% pulp slurry (LBKP, CSF = 450 mL, average fiber length: about 0.7 mm, average fiber diameter: about 19 μm) with 121 g of sample 6 barium sulfate particle slurry (concentration 3.0%) Water was added and stirred to obtain a mixed slurry of barium sulfate and cellulose fibers.
(サンプル7、図7)
1%のパルプスラリー(LBKP/NBKP=8/2、平均繊維長:約1.2mm、平均繊維径:約14μm)500gと水酸化バリウム八水和物(富士フイルム和光純薬)5.82gをスリーワンモーター(1000rpm)で混合後、硫酸(富士フイルム和光純薬、2.1g)を0.8g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続して複合体スラリーのサンプルを得た。
(Sample 7, Fig. 7)
500 g of 1% pulp slurry (LBKP/NBKP=8/2, average fiber length: about 1.2 mm, average fiber diameter: about 14 μm) and 5.82 g of barium hydroxide octahydrate (Fujifilm Wako Pure Chemical) After mixing with a three-one motor (1000 rpm), sulfuric acid (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 2.1 g) was added dropwise at 0.8 g/min. After the completion of dropping, stirring was continued for 30 minutes to obtain a composite slurry sample.
(サンプル8、図8)
1%のパルプスラリー(LBKP/NBKP=8/2、平均繊維長:約1.2mm、平均繊維径:約14μm)500gと水酸化バリウム八水和物(富士フイルム和光純薬)5.82gをスリーワンモーター(1000rpm)で混合後、硫酸(富士フイルム和光純薬、2.1g)を63.0g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続して複合体スラリーのサンプルを得た。
(Sample 8, Fig. 8)
500 g of 1% pulp slurry (LBKP/NBKP=8/2, average fiber length: about 1.2 mm, average fiber diameter: about 14 μm) and 5.82 g of barium hydroxide octahydrate (Fujifilm Wako Pure Chemical) After mixing with a three-one motor (1000 rpm), sulfuric acid (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 2.1 g) was added dropwise at 63.0 g/min. After the completion of dropping, stirring was continued for 30 minutes to obtain a composite slurry sample.
(サンプル9、図9)
1%のパルプスラリー(LBKP/NBKP=8/2、平均繊維長:約1.2mm、平均繊維径:約14μm)500gと水酸化バリウム八水和物(富士フイルム和光純薬)5.82gをスリーワンモーター(1000rpm)で混合後、硫酸(富士フイルム和光純薬、2%水溶液を88g)を8.0g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間攪拌を継続して複合体スラリーのサンプルを得た。
(Sample 9, Fig. 9)
500 g of 1% pulp slurry (LBKP/NBKP=8/2, average fiber length: about 1.2 mm, average fiber diameter: about 14 μm) and 5.82 g of barium hydroxide octahydrate (Fujifilm Wako Pure Chemical) After mixing with a three-one motor (1000 rpm), sulfuric acid (Fuji Film Wako Pure Chemical, 88 g of 2% aqueous solution) was added dropwise at 8.0 g/min. After the completion of dropping, stirring was continued for 30 minutes to obtain a composite slurry sample.
(サンプル10、図10)
1%のパルプスラリー(LBKP/NBKP=8/2、カナダ標準濾水度CSF=約80mL、平均繊維長:1.21mm、500g)と水酸化バリウム八水和物(和光純薬、5.82g)をスリーワンモーター(1000rpm)で撹拌しながら混合後、硫酸(和光純薬、2%水溶液を88g)をペリスターポンプで8g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間撹拌を継続してサンプルを得た。電子顕微鏡によって観察したところ、板状の硫酸バリウムが繊維表面に自己定着し、繊維表面を覆っている様子が確認された(硫酸バリウム粒子の一次粒子径:200~1500nm、硫酸バリウム粒子の平均一次粒子径:500nm)。
(Sample 10, Fig. 10)
1% pulp slurry (LBKP / NBKP = 8/2, Canadian standard freeness CSF = about 80 mL, average fiber length: 1.21 mm, 500 g) and barium hydroxide octahydrate (Wako Pure Chemical, 5.82 g ) were mixed with stirring by a three-one motor (1000 rpm), and then sulfuric acid (88 g of a 2% aqueous solution of Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added dropwise with a peristaltic pump at 8 g/min. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain a sample. When observed with an electron microscope, it was confirmed that plate-like barium sulfate self-fixed to the fiber surface and covered the fiber surface (primary particle diameter of barium sulfate particles: 200 to 1500 nm, average primary particle diameter of barium sulfate particles: particle size: 500 nm).
(サンプル11、図11)
1%のパルプスラリー(LBKP、CSF=500mL、平均繊維長:約0.7mm、1300g)と水酸化バリウム八水和物(和光純薬、57g)をスリーワンモーター(800rpm)で撹拌しながら混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド、77g)をペリスターポンプで2g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間撹拌を継続してサンプルを得た。電子顕微鏡によって観察したところ、板状の硫酸バリウムが繊維表面に自己定着し、繊維表面を覆っている様子が確認された(硫酸バリウム粒子の一次粒子径:20~800nm、硫酸バリウム粒子の平均一次粒子径:100nm)。
(Sample 11, Fig. 11)
After mixing 1% pulp slurry (LBKP, CSF = 500 mL, average fiber length: about 0.7 mm, 1300 g) and barium hydroxide octahydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 57 g) while stirring with a three-one motor (800 rpm) , aluminum sulfate (aluminum sulfate, 77 g) was added dropwise at 2 g/min with a peristaltic pump. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain a sample. When observed with an electron microscope, it was confirmed that plate-like barium sulfate self-fixed to the fiber surface and covered the fiber surface (primary particle diameter of barium sulfate particles: 20 to 800 nm, average primary particle diameter of barium sulfate particles: Particle size: 100 nm).
(サンプル12、図12)
容器(マシンチェスト、容積:4m3)に2%のパルプスラリー(LBKP/NBKP=8/2、CSF=390mL、平均繊維長:約1.3mm、固形分25kg)と水酸化バリウム八水和物(日本化学工業、75kg)を投入して混合後、ペリスターポンプを用いて硫酸アルミニウム(硫酸バンド、98kg)を約500g/minで滴下した。滴下終了後、そのまま30分間撹拌を継続してサンプルを得た。電子顕微鏡によって観察したところ、板状の硫酸バリウムが繊維表面に自己定着し、繊維表面を覆っている様子が確認された(硫酸バリウム粒子の一次粒子径:50~1000nm、硫酸バリウム粒子の平均一次粒子径:80nm)。
(Sample 12, Fig. 12)
2% pulp slurry (LBKP/NBKP = 8/2, CSF = 390 mL, average fiber length: about 1.3 mm, solid content 25 kg) and barium hydroxide octahydrate in a container (machine chest, volume: 4 m 3 ) (Nippon Kagaku Kogyo, 75 kg) was added and mixed, and then aluminum sulfate (aluminum sulfate, 98 kg) was added dropwise at about 500 g/min using a peristaltic pump. After the dropwise addition was completed, stirring was continued for 30 minutes to obtain a sample. When observed with an electron microscope, it was confirmed that plate-like barium sulfate self-fixed to the fiber surface and covered the fiber surface (primary particle diameter of barium sulfate particles: 50 to 1000 nm, average primary particle diameter of barium sulfate particles: Particle size: 80 nm).
1-2.水酸化Alとセルロース繊維との複合繊維
(サンプルA、図13)
1%のパルプスラリー(LBKP、CSF=450mL、平均繊維長:約0.7mm、平均繊維径:約19μm)437gと水酸化ナトリウム(富士フイルム和光純薬)4.8gをスリーワンモーター(500rpm)で混合後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液、25.8g)を0.8g/minで滴下した。滴下終了後、30分間、反応液を撹拌し、約3倍量の水を用いて水洗して塩を除去してサンプルAを得た。
1-2. Composite fiber of hydroxide Al and cellulose fiber (Sample A, Fig. 13)
1% pulp slurry (LBKP, CSF = 450 mL, average fiber length: about 0.7 mm, average fiber diameter: about 19 μm) 437 g and sodium hydroxide (Fujifilm Wako Pure Chemical) 4.8 g with a three-one motor (500 rpm) After mixing, aluminum sulfate (undiluted solution of aluminum sulfate, 25.8 g) was added dropwise at a rate of 0.8 g/min. After the dropwise addition was completed, the reaction solution was stirred for 30 minutes and washed with about three times the amount of water to remove the salt, thereby obtaining a sample A.
1-3.シリカ/アルミナとセルロース繊維との複合繊維
(サンプルB、図14)
0.5%のパルプスラリー(NBKP、CSF:360mL、平均繊維長:約1.7mm、平均繊維径:約18μm)910gを2L容の樹脂製容器に入れ、ラボミキサーで撹拌した(600rpm)。この水性懸濁液に硫酸アルミニウム(硫酸バンド原液)をpH=3.8になるまで約4分間滴下した後、硫酸アルミニウム(硫酸バンド、156g)とケイ酸ナトリウム水溶液(富士フイルム和光純薬、濃度8%、265g)をpH=4を維持するよう同時に約60分間滴下した。滴下にはペリスターポンプを使用し、反応温度は約25℃であった。その後、ケイ酸ナトリウム水溶液のみ(富士フイルム和光純薬、濃度8%、200g)を約80分間滴下し、pH=7.3に調整し、複合体スラリーのサンプルを得た。
1-3. Composite fiber of silica/alumina and cellulose fiber (Sample B, Fig. 14)
910 g of 0.5% pulp slurry (NBKP, CSF: 360 mL, average fiber length: about 1.7 mm, average fiber diameter: about 18 μm) was placed in a 2 L resin container and stirred with a lab mixer (600 rpm). Aluminum sulfate (aluminum sulfate undiluted solution) was added dropwise to this aqueous suspension for about 4 minutes until the pH reached 3.8. 8%, 265 g) was simultaneously added dropwise for about 60 minutes to maintain pH=4. A peristaltic pump was used for dropping, and the reaction temperature was about 25°C. After that, a sodium silicate aqueous solution alone (Fuji Film Wako Pure Chemical, concentration 8%, 200 g) was added dropwise for about 80 minutes to adjust the pH to 7.3 to obtain a composite slurry sample.
1-4.ハイドロタルサイトとセルロース繊維との複合繊維
(サンプルC1、図15)
ハイドロタルサイト(HT)を合成するための溶液として、MgSO4(富士フイルム和光純薬)およびAl2(SO4)3(富士フイルム和光純薬)の混合水溶液(酸溶液)を調製した。MgSO4の濃度は0.6M、Al2(SO4)3の濃度は0.1Mである。
1-4. Composite fiber of hydrotalcite and cellulose fiber (Sample C1, Fig. 15)
As a solution for synthesizing hydrotalcite (HT), a mixed aqueous solution (acid solution) of MgSO 4 (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries) and Al 2 (SO 4 ) 3 (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries) was prepared. The concentration of MgSO4 is 0.6M and the concentration of Al2(SO4)3 is 0.1M .
2.0%のパルプスラリー(NBKP、CSF=270mL、平均繊維長:約1.8mm、平均繊維径:約19μm)2250gに水酸化ナトリウム(富士フイルム和光純薬)88.6gと炭酸ナトリウム(富士フイルム和光純薬)を14.8g加え、スリーワンモーター(650rpm)で混合後、50℃に保ちながら酸溶液1362gを4.7g/minで滴下した。滴下終了後、30分間、反応液を撹拌し、約3倍量の水を用いて水洗して塩を除去してサンプルを得た。 2.0% pulp slurry (NBKP, CSF = 270 mL, average fiber length: about 1.8 mm, average fiber diameter: about 19 μm), 88.6 g of sodium hydroxide (Fuji Film Wako Pure Chemical) and sodium carbonate (Fuji Film Wako Pure Chemical Co., Ltd.) was added, and after mixing with a three-one motor (650 rpm), 1362 g of an acid solution was added dropwise at a rate of 4.7 g/min while maintaining the temperature at 50°C. After the dropwise addition, the reaction solution was stirred for 30 minutes and washed with about three times the amount of water to remove the salt to obtain a sample.
(サンプルC2、図16)
1.6%のパルプスラリー(NBKP、CSF=690mL、平均繊維長:約1.9mm、平均繊維径:約19μm)2281gに水酸化ナトリウム(富士フイルム和光純薬)88.6gと炭酸ナトリウム(富士フイルム和光純薬)を14.8g加え、スリーワンモーター(650rpm)で混合後、50℃に保ちながら酸溶液1322gを4.6g/minで滴下した。滴下終了後、30分間、反応液を撹拌し、約3倍量の水を用いて水洗して塩を除去した上で、濾紙で吸引脱水してサンプルを得た(固形分濃度:約35%)。
(Sample C2, Fig. 16)
1.6% pulp slurry (NBKP, CSF = 690 mL, average fiber length: about 1.9 mm, average fiber diameter: about 19 μm) 2281 g of sodium hydroxide (Fuji Film Wako Pure Chemical) 88.6 g and sodium carbonate (Fuji Film Wako Pure Chemical) was added, and after mixing with a three-one motor (650 rpm), 1322 g of an acid solution was added dropwise at a rate of 4.6 g/min while maintaining the temperature at 50°C. After the dropwise addition was completed, the reaction solution was stirred for 30 minutes, washed with about three times the amount of water to remove the salt, and then subjected to suction dehydration with a filter paper to obtain a sample (solid concentration: about 35%). ).
1-5.炭酸カルシウムとセルロース繊維との複合繊維
(サンプルD1、図17)
水酸化カルシウム(消石灰:Ca(OH)2、100g、富士フイルム和光純薬)と粉末セルロース(KCフロック(商標)W-06MG、日本製紙製、平均粒子径:6μm、100g)を含む水性懸濁液10Lを準備した。この水性懸濁液を、40L容の密閉装置に入れ、反応容器中に炭酸ガスを吹き込んでキャビテーションを発生させ、炭酸ガス法によって炭酸カルシウム微粒子と繊維との複合繊維を合成した。反応温度は約15℃、炭酸ガスは市販の液化ガスを供給源とし、炭酸ガスの吹き込み量は3L/minであり、反応液のpHが約7になった段階で反応を停止した(反応前のpHは約12.8)。
1-5. Composite fiber of calcium carbonate and cellulose fiber (Sample D1, Fig. 17)
Aqueous suspension containing calcium hydroxide (slaked lime: Ca(OH) 2 , 100 g, Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and powdered cellulose (KC Flock (trademark) W-06MG, manufactured by Nippon Paper Industries, average particle size: 6 μm, 100 g) 10 L of liquid was prepared. This aqueous suspension was placed in a 40 L closed apparatus, carbon dioxide gas was blown into the reaction vessel to generate cavitation, and composite fibers of calcium carbonate fine particles and fibers were synthesized by the carbon dioxide method. The reaction temperature was about 15° C., the carbon dioxide gas was supplied from a commercially available liquefied gas, and the amount of carbon dioxide gas blown was 3 L/min. has a pH of about 12.8).
複合繊維の合成においては、反応溶液を循環させて反応容器内に噴射することよって、反応容器内にキャビテーション気泡を発生させた。具体的には、ノズル(ノズル径:1.5mm)を介して高圧で反応溶液を噴射してキャビテーション気泡を発生させた。噴流速度は約70m/sであり、入口圧力(上流圧)は7MPa、出口圧力(下流圧)は0.3MPaだった。 In synthesizing the composite fiber, cavitation bubbles were generated in the reaction vessel by circulating the reaction solution and injecting it into the reaction vessel. Specifically, the reaction solution was injected at high pressure through a nozzle (nozzle diameter: 1.5 mm) to generate cavitation bubbles. The jet velocity was about 70 m/s, the inlet pressure (upstream pressure) was 7 MPa, and the outlet pressure (downstream pressure) was 0.3 MPa.
(サンプルD2、図18)
用いる粉末セルロースをW-100G(日本製紙製、平均粒子径:37μm)とし、炭酸ガスの吹き込み量を20L/minとした以外は、サンプルD1と同様にして複合繊維を合成した。
(Sample D2, Fig. 18)
A conjugate fiber was synthesized in the same manner as sample D1, except that the powdered cellulose used was W-100G (manufactured by Nippon Paper Industries, average particle size: 37 μm) and the amount of carbon dioxide gas blown was 20 L/min.
実験2.複合体サンプルの評価
2-1.被覆率などの評価
得られた複合体サンプルをそれぞれエタノールで洗浄後、電子顕微鏡によって観察をした。その結果、いずれのサンプルにおいても繊維表面を無機物質が覆い、自己定着している様子が観察された。各複合体サンプルの被覆率を表に示すが、いずれも被覆率は15%以上だった。
Experiment 2. Evaluation of composite samples
2-1. The obtained composite samples were washed with ethanol and then observed with an electron microscope. As a result, it was observed that the inorganic substance covered the fiber surface and self-fixed in all the samples. The coverage of each composite sample is shown in the table, and the coverage was 15% or more.
また、得られた複合繊維のスラリー(固形分換算で3g)を濾紙で吸引濾過した後、残渣をオーブンで乾燥し(105℃、2時間)、灰分を測定することによって、複合繊維における無機粒子の重量比率を測定した。 In addition, the obtained composite fiber slurry (3 g in terms of solid content) was suction filtered with filter paper, the residue was dried in an oven (105 ° C., 2 hours), and the ash content was measured to determine the inorganic particles in the composite fiber. was measured.
繊維の平均繊維長と平均繊維径は、Valmet Fractionatorで測定した値を繊維長として記載した。繊維長を測定する際には、スラリーの固形分濃度を0.1~0.3%に調製し、装置内の水温が25℃±1℃になるよう調整して測定した。 For the average fiber length and average fiber diameter of fibers, values measured with a Valmet Fractionator are described as fiber lengths. When measuring the fiber length, the solid content concentration of the slurry was adjusted to 0.1 to 0.3%, and the water temperature in the apparatus was adjusted to 25°C ± 1°C.
2-2.篩分け/自動分級による評価
<複合体サンプルの篩分け>
合成したスラリー中の粗大な粒子を除去するために、メッシュフィルターによるろ過を行った。得られた複合体サンプル(固形分換算で1g)を固形分濃度が0.1%となるように水で希釈し、懸濁液0.2リットルを、60メッシュ(目開き250μm)の篩ですべて濾過し、0.6リットルの水で洗浄した。次いで、濾過後の濾液について、湿式法にて粒度分布(マスターサイザー3000、Malvern社製)を測定した。
2-2. Evaluation by sieving/automatic classification <Sieving of composite sample>
Filtration with a mesh filter was performed to remove coarse particles in the synthesized slurry. The obtained composite sample (1 g in terms of solid content) was diluted with water so that the solid content concentration was 0.1%, and 0.2 liter of the suspension was passed through a 60-mesh (250 μm opening) sieve. All filtered and washed with 0.6 liters of water. Next, the filtrate after filtration was measured for particle size distribution (Mastersizer 3000, manufactured by Malvern) by a wet method.
<複合体サンプルの自動分級>
また、篩分けとは別に、サンプルを一定条件で自動的に複数の画分に分級する方法として、繊維分級分析装置(Valmet Fractionator)を用いた。この装置は、パルプスラリーを長さ100mほどのチューブに等温等速で流し、流体力学的大きさに準じて長繊維から微細繊維/填料に分離した後、流出時間によって自動で5つのフラクション(FR1~3:長・短繊維、FR4~5:微細繊維/填料)に分級できる装置である。
<Automatic Classification of Complex Sample>
In addition to sieving, a fiber classification analyzer (Valmet Fractionator) was used as a method for automatically classifying the sample into a plurality of fractions under certain conditions. This device flows the pulp slurry through a tube about 100 m in length at an isothermal and constant speed, separates the long fibers from the fine fibers/filler according to the hydrodynamic size, and automatically divides into 5 fractions (FR1 ~3: long and short fibers, FR4 ~ 5: fine fibers / filler) can be classified.
具体的には、複合体サンプル(固形分換算で3g)を固形分濃度が0.3%となるように水で希釈し、約250gずつ3回に分けて繊維分級分析装置に流し、以下の流出条件で分画した画分を回収した(分級時の水温25±1℃)。 Specifically, a composite sample (3 g in terms of solid content) was diluted with water so that the solid content concentration was 0.3%, and divided into 3 portions of about 250 g each and flowed to the fiber classification analyzer, and the following The fraction fractionated under the effluent condition was collected (water temperature during classification: 25±1° C.).
回収したFR4について、バケツに数時間静置して繊維分を沈降させ、上清を除いた後に湿式法にて粒度分布(マスターサイザー3000、Malvern製)を測定した。 The recovered FR4 was allowed to stand in a bucket for several hours to allow the fibers to settle, and after removing the supernatant, the particle size distribution (Mastersizer 3000, manufactured by Malvern) was measured by a wet method.
<粒度分布>
上記のようにして測定した体積基準の粒度分布におけるD10(累積10%の粒子径)およびD50(累積50%の粒子径)から、「(D50-D10)/D50」の数値を算出した。この値が小さいほどサンプルの粒度分布が狭いことを意味しており、繊維表面に無機物が強固に定着していることを示す。
<Particle size distribution>
A value of "(D50-D10)/D50" was calculated from D10 (cumulative 10% particle size) and D50 (cumulative 50% particle size) in the volume-based particle size distribution measured as described above. The smaller this value, the narrower the particle size distribution of the sample, indicating that the inorganic material is firmly fixed on the fiber surface.
2-3.シート化における歩留評価
得られた複合体サンプル(サンプル1~12およびサンプルA)から、JIS P 8222:2015に準じて150メッシュのワイヤーを用いて坪量100g/m2となるよう手抄きシートを作製し、得られたシートの坪量から紙料歩留を算出した。
〇:70%以上
△:50%以上70%未満
×:50%未満
2-3. Yield evaluation in sheeting From the obtained composite samples (
○: 70% or more △: 50% or more and less than 70% ×: less than 50%
2-4.濾水性の評価
得られた複合体サンプル(サンプル1~12およびサンプルA)を固形分濃度が0.1%となるように水で希釈し、全固形分のうち、無機物の固形分が0.15gとなるように調製したスラリーを20mmHgの減圧下でメンブレンフィルター(0.8μm)に通したときの通過時間を測定した。
◎:2分未満
〇:2分以上4分未満
△:4分以上6分未満
×:6分以上
2-4. Evaluation of freeness The obtained composite samples (
◎: Less than 2 minutes 〇: 2 minutes or more and less than 4 minutes △: 4 minutes or more and less than 6 minutes ×: 6 minutes or more
表から明らかなように、分級後の濾液のD50が比較的大きい複合繊維サンプル1~3および9は、サンプル4~8と比較して、シート化時の歩留が高いことがわかった。これは、シートに機能性無機粒子を高配合できることを示しており、生産効率が良いことに加え、シートの機能性品質の点においても優れていると言える。
As is clear from the table,
また、同等量の無機粒子を配合したシートを作製する場合を想定した濾水性の評価において、複合繊維サンプル1~3および9は、複合繊維サンプル4、7、8、10~12、無機粒子のみのサンプル5および混合体サンプル6と比較して脱水速度が速いことがわかった。これは、複合繊維サンプル1~3および9では、濾水性に影響を与える微細粒子が比較的少ないためと考えられる。濾水性が良好であると、乾燥工程の短縮・緩和することが出来るため、シートなどを製造する際の生産性向上(断紙頻度減、抄速アップ)につながり、特に厚物シートを製造する場合に効果が大きいと言える。
In addition, in the evaluation of freeness assuming the case of producing a sheet containing an equivalent amount of inorganic particles,
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