JP3308273B2 - セルロースベース繊維を水中で分散させる方法 - Google Patents

セルロースベース繊維を水中で分散させる方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セルロースベース繊維を水中で比較的高い
固体物質含有量において分散させる方法、特に、繊維
を、80%以下の固体物質含有量において、親水コロイド
を添加した後に、強力な機械的かきまぜによって、分散
させる方法に関するものである。このようにして製造す
ることにより、セルロース含有繊維製品を形成するのに
適した成形用組成物が得られる。
従来の紙および板紙の製造方法では、先ず原料繊維
を、僅か数パーセントという極めて低い固体物質含有量
において、パルプ製造機と呼ばれるミキサ内で、水中に
分散させる。残部は普通95%より多く、これは水であ
る。
欧州特許出願第126632号および同第189379号の明細書
には、特殊構造のパルプ製造機が開示されている。これ
らの特許出願の明細書には、固体物質含有量が20%より
僅かに多くても操業することができると述べられてい
る。
製紙工業では、繊維を効果的に処理して繊維を軟らか
くし、繊維を膨張させて、パルプ製造機のプロペラの作
用によって繊維の分散を容易にするには、上述のような
多量の水が必要であることは、一般的に受け入れられて
いる。
従来の繊維のパルプ化、また紙の形成そのものに用い
られている固体物質含有量は小さいので、製紙工業では
巨大な装置を使用することになり、従って極めて高い資
本費用を支払うために通年にわたって昼夜操業する必要
がある。その後、莫大な量の水を繊維から除去する必要
がある。この結果、環境問題が生じる。これ水使用量が
多いからであり、なかんずく繊維の一部分および使用添
加剤の一部分が汚染物質として流出液中に入り込むから
である。
本発明においては、セルロースベース繊維を水中で比
較的高い固体物質含有量において分散させるに当り、水
と繊維材料と親水コロイドとを組み合せて繊維含有混合
物を形成し、次いで、強力な機械的作用を使用して前記
繊維含有混合物を混練して、前記繊維材料から個々の繊
維を分離し、分散させると共に、前記繊維含有混合物を
加熱して水の一部を蒸発させて、前記繊維含有混合物か
ら有意な量の液体状態の水を排出することなしに、前記
繊維含有混合物を80重量%以下の固体物質含有量にする
ことを特徴とするセルロースベースの繊維を水中で分散
させる方法によって、上述の問題を解決する。
本発明者は、本発明の背後にあるメカニズムについて
ある理論に限定しようとするものではないが、親水コロ
イドは分散に際し2種の作用をすると考えられる。第1
に、高粘度混合物を生成し、この混合物は強力な機械的
かきまぜ力をかきまぜ機から個々の繊維に伝えてこれら
の繊維をばらばらに引き裂き、第2に、繊維の水酸基と
親水コロイドの水酸基の間には化学的親和力が存在して
いるので、親水コロイドは繊維間に滲透し、繊維を被覆
し、繊維の再会合を防止する。
分散は特に強力なミキサ、好ましくは加熱できる混練
機で実施する。
特に、本発明は、押出、射出成形、被覆、プレス、ま
たはロール掛けによる塑性形成に基づく紙および板紙の
新規な形成方法に対する予備工程として意図されたもの
である。このように用いられる良好な成形用組成物を得
るには、繊維を完全に分散させることだけでは十分でな
い。また、水が完全に結合するような多量の親水コロイ
ド、より明確には、押出機のダイから押し出された直後
に、成形用ペーストの表面上に自由水が認められないよ
うな多量の親水コロイドを使用する必要がある。ダイか
ら出てくるひも状押出物の表面に自由水(輝く水)が認
められる場合には、ほんの短時間の後に、水および親水
コロイドを喪失した繊維によってダイが閉塞すること
が、実際に見い出された。また、水が完全に結合してし
まうことは、本発明の成形用組成物を製造するために
も、利点である。
本発明の成形用塑性物は種々の温度で製造することが
できる。高温に特に関心が持たれている。その理由は、
高温の場合には、周囲温度におけるより一層大きな固体
物質含有量において、繊維を分散させることができるか
らである。上限温度は約200℃で、それはこの温度にお
いてセルロースおよび親水コロイドが褪色および分解を
開始するからである。
生成する成形用組成物は、混練中に生じる高い圧力お
よび押出機内で前記組成物が形成することにより生じる
高い圧力に耐えることが分かった。
セルロース含有繊維の製造は、本発明において、原料
繊維の分離および繊維製品の形成を連続プロセスで行な
う場合に、例えば、先ず加熱押出機の最初の部分におい
て混合物を高温で混練し、ついで、所要に応じて冷却後
に、押出機の出口においてダイに通すことにより、ある
いは成形型内に射出する(射出成形する)ことより、繊
維含有製品を形成する場合に、簡単に行なうことができ
る。
有利に使用することができる繊維は、セルロース、セ
ミケミカルパルプ、砕木またリサイクル屑紙の繊維であ
る。
使用することができる親水コロイドは、なかんずく、
でん粉、でん粉誘導体、デキストリン、ポリビニルアル
コール、カルボキシメチルセルロースまたはヒドロキシ
エチルセルロースのようなセルロース誘導体、カゼイン
のような動物タンパク質、植物タンパク質、例えば、大
豆からのもの、グアールゴムまたはイナゴマメゴムのよ
うな植物性ゴム、アルギン酸塩、ポリアクリルアミドの
ような合成親水コロイド、あるいは小麦、カラス麦、ラ
イ麦、大麦、イネなどのような穀類からの粉末、または
バレイショまたはタピオカのような塊茎状農作物からの
粉末である。
水を完全に結合させるのに必要な親水コロイドの量
は、混合物の含水量、および特に親水コロイドの水との
結合効率によって決まる。上述の粉末のように安価な親
水コロイドの場合には、親水コロイドの必要量は水量の
約4〜20%であり、ポリアクリルアミドのような超有効
親水コロイドの場合には水量の0.4〜2%で十分であ
る。
ゼラチン化に加熱を必要とする安価な親水コロイド、
例えば、普通の天然でん粉を使用することに、特に関心
が持たれている。でん粉を、ゼラチン化されていない形
態で添加し、繊維および水と混合した後に、熱として供
給した熱または混練に使用したエネルギーから放出され
た熱によってゼラチン化することがてきる。でん粉がゼ
ラチン化した場合には、混合物は不均一混合物から均一
な高粘度ペーストに変わって滑らかなねり粉のようにな
るので、ゼラチン化は明瞭に観察される。
繊維の分散および繊維製品の形成は、いずれも、約55
%という可成り大きい固体物質含有量において、最も容
易に行われる。しかし、繊維製品を形成した後に乾燥が
必要であり、これは固体物質含有量が小さい場合には一
層面倒である。従って、繊維の分散工程を繊維製品の形
成工程より小さい固体物質含有量において行なうのが有
利である。
1例として、繊維の分散を、40%の固体物質含有量に
おいて加熱混練することにより開始することができる。
この処理中に水が混練機から蒸発し、固体物質含有量が
55%に接近した際に、繊維は完全に分布される。固体物
質含有量が75%に到達するまで、混練機内で熱を供給し
ながら繊維をさらに混練する。次に繊維製品の形成に
は、75%の固体物質含有量の場合においては、55%の固
体物質含有量の場合におけるより、若干大きな圧力が必
要になるが、最後の乾燥が容易になることは、上述の欠
点および余分な蒸発を行なう不都合さを相殺して余りあ
るものである。
親水性コロイドは成形用組成物を粘着性にする傾向を
有し、このため製造の際に問題が起こることがある。こ
の粘着性は、ワックスおよびラテックスエマルジョンの
ような加工助剤を添加することにより、低減することが
できる。また、この粘着性は、例えば、上述のようにし
て、固体物質含有量を増大することによって、低減する
ことができる。このようにして、成形用組成物における
他の物体に対する接着力を低減し、内部凝集力を高める
ことができる。また、適正に選択した融点を有するワッ
クスを添加することにより、繊維製品の形成速度を増大
することができる。これは、例えば射出成形の場合のよ
うに、冷却によってペーストが一層速やかに凝固するか
らである。
以下に、成形用組成物を得るのに必要な条件を規定す
るために行ったいくつかの実験について説明する。この
成形用組成物は、薄いシートに圧縮し、注意深く検査し
た後に、繊維束を全く生成することなく完全に均一であ
ることが認められた。
最初に説明する4つの実験は、プラベンダープラスチ
コーダーPL2000型実験室用ミキサで行った。このミキサ
は極めて強力な混練を与え、かつ加熱することができる
ミキサである。このミキサはプラスチック工業において
使用されている押出機の内側で起こるかきまぜをイミテ
ーションするように設計されている。このミキサは、ギ
ヤポンプにおけると同様に、互いに小さな距離離間しか
つ混合室の壁から小さな距離離間して回転する2個の厚
い掻き板を具える。以下に説明するこれらの実験のため
に選定した回転速度は30rpmであった。ミキサ温度は105
℃に調整した。混合物の温度および掻き板のトルクを図
表に自動的に記録した。
115gの未印刷の新聞用紙を260ccの水で濡らしたプレ
ミックスを使用して、すべての実験を行った。これらの
2種の基本成分をブラウンKM32型家庭用ミックスマスタ
ー内で混合し、この際つめを使用して混合を行った。こ
の混合は上述の紙を解離するのに十分でなかったので、
多数の小さい紙片を水に浸してプレミックスを構成し
た。
実験 1 この実験は親水コロイドを使用しない対照と
して行った。この実験は、ミキサが混合物をペーストに
変えるのに成功しなかったことを示した。ペーストが生
成する代わりに、ミキサ内の大きな力によって、水はミ
キサから飛び散るような激しさで、混合物から押し出さ
れた。トルクは迅速に3Nmより大きいレベルに達し、均
一な繊維分布を得ることはできなかった。
実験 2 この実験は、30gのトウモロコシでん粉をプ
レミックスに添加した点を除き、実験1と同様に行っ
た。でん粉はミキサ内で迅速にゼラチン化し、この間に
混合物はペーストに変わり、その後トルクは0.5Nmにす
ぎなかった。混練を7分間続けた。この間に水が蒸発し
た結果として固体物質含有量は増大した。7分後にトル
クは3Nmに達し、使用した30rpmにおいて3Nmという値は
プラスチックの射出成形によって取り扱うことができる
最高値に近いということが経験的に分かった。ペースト
をミキサから取り出した。このペーストは比較的均一で
あることが分かった。固体物質含有量は測定した結果45
%であった。
実験 3 この実験は、トウモロコシでん粉量を倍の60
gにした点を除き、実験2と同様に行った。ミックスの
挙動は類似していたが、ペーストは粘着性が一層大きく
なり、混合室の壁に粘着する傾向を示した。トルクは最
初0.5Nmであったが、6分後に3Nmに達した。ミキサを停
止し、試料を取り出した。試料は完全に均一であり、固
体物質含有量は52%であった。
実験 4 60gのトウモロコシでん粉の他に8gのステア
リン酸を添加して点を除き、実験3と同様に行った。ス
テアリンは、粘着性が消失し、かつさらにはトルクが3N
mに達する前に一層大きい固体物質含有量に達すること
が可能になる、という2つの利点を与えることが分かっ
た。後者の効果はおそらく溶融したステアリンがペース
トの流動性を改善するからであると思われる。トルクが
3Nmに達する前に、試料はミキサ内において全体で10分
間にわたって水蒸気を放出し、その後試料を取り出した
際に、試料は固体物質含有量が58%であることが分かっ
た。繊維の分布は完全であった。
実験 5 この実験は、強力な混練が重要であることを
明らかにするために行った。ブラベンダー型ミキサの代
わりにブラウンKM32型家庭用ミックスマスターを使用し
た点を除き、実験4を繰り返した。試料を交互に、電子
オーブン内で95℃に加熱し、ミックスマスター内でかき
まぜた。この処理を迅速に連続に行い、多数回繰り返し
たが、均一なペーストを得ることができなかったので、
本発明を実施するには一層強力な機械的かきまぜが必要
であるという結論を得た。
実験 6 この実験は、ベルストフル(Berstorf)EO
7618/86型のプラスチック用二軸スクリュー押出機内で
直接行った。ミックス量は上述の実験の場合より多くし
たが、混合比は実験4および5とほぼ同じとした。すな
わち、未印刷の新聞用紙115gを水260ccで濡らし、トウ
モロコシでん粉60gおよびステアリン酸13gを添加した。
押出機内の温度は95℃に調整した。押出機は不均一混合
物を効果的に均一ペーストに変えた。このペーストは押
出機のダイから直径1mmのひも状押出物として出てき
た。繊維の分布は完全であった。
ひも状押出物がダイを離れた後に、温度の高いひも状
押出物からの水の蒸発が認められた。ペーストを押出機
に多数回通すことにより、95℃においてペーストが硬く
かつ脆くなって成形適性を失う前に、固体物質含有量を
80%まで増大させることができた。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−283242(JP,A) 特開 昭56−133343(JP,A) 特開 昭56−133342(JP,A) 特開 平6−73231(JP,A) 特開 平5−269736(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B29B 9/00 - 9/16 C08L 1/00 - 5/16 D21H 11/00 - 27/42 D21J 1/00 - 7/00

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セルロース繊維を水中で分散させるにあた
    り、 水、セルロースベース繊維、及び1又はそれ以上の親水
    コロイドとを組み合わせて混合物を形成し、 次いで、強力な機械的作用を使用して前記混合物を混練
    して、前記セルロースベース繊維を分離し、分散させる
    と共に、それによって、セルロースベース繊維を親水コ
    ロイドで被膜して、前記混合物を加熱し、水を蒸発さ
    せ、前記混合物をゼラチン化して、約80重量%以下の固
    体物質含有量を有する均一にゼラチン化した混合物を得
    ることを特徴とする繊維を水中で分散させる方法。
  2. 【請求項2】水が完全に結合するように十分な親水コロ
    イドを使用することを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】約200℃以下の温度において繊維の分散を
    実施することを特徴とする請求項1又は2項に記載の方
    法。
  4. 【請求項4】押出機内で発生することがあるような高い
    圧力において繊維の分散を実施することを特徴とする請
    求の範囲第1〜3項のいずれか一つの項に記載の方法。
  5. 【請求項5】セルロースベース繊維が、セルロース、セ
    ミケミカルセルロース、砕木およびリサイクル紙の少な
    くとも1つであることを特徴とする請求の範囲第1〜4
    項のいずれか一つの項に記載の方法。
  6. 【請求項6】親水コロイドがでん粉又はでん粉誘導体で
    あることを特徴とする請求の範囲第1〜5項のいずれか
    一つの項に記載の方法。
  7. 【請求項7】初めに親水コロイドをゼラチン化されてい
    ない状態で添加し、次いで生成した混合物にエネルギー
    を供給することにより親水コロイドをゼラチン化するこ
    とを特徴とする請求の範囲第1〜6項のいずれか一つの
    項に記載の方法。
  8. 【請求項8】ワックスまたはラテックスを前記混合物に
    添加して、前記混合物の所望の物品への形成性を改善す
    ることを特徴とする請求の範囲第1〜7項のいずれか一
    つの項に記載の方法。
  9. 【請求項9】親水性コロイドが、ポリビニルアルコー
    ル、セルロース誘導体、タンパク質、植物性ゴム、合成
    親水コロイドおよび穀粉からなる群から選択したもので
    あることを特徴とする請求の範囲第1〜5項及び7〜8
    項のいずれか一つの項に記載の方法。
  10. 【請求項10】前記混合物は、初めの固体物質含有量が
    少くとも40重量%であることを特徴とする請求の範囲第
    1項記載の方法。
  11. 【請求項11】繊維を水中で分散させ、次いで、生成し
    た混合物を成形するに当り、 強力な機械的作用を使用して、水とセルロースベース繊
    維と親水コロイドとを一緒に混練して、混合物を形成
    し、前記繊維を分離し、分散させると共に、それによっ
    て、セルロースベース繊維を親水コロイドで被膜して、
    前記混合物を加熱して水の一部を蒸発させ、前記混合物
    をゼラチン化して、約80重量%以下の固体物質含有量を
    有する均一にゼラチン化した混合物を得て; 前記混合物を、所要の物品形状に成形することを特徴と
    する繊維を水中で分散させて生成した繊維含有混合物を
    成形する方法。
  12. 【請求項12】親水コロイドがでん粉またはでん粉誘導
    体であることを特徴とする請求の範囲第11項記載の方
    法。
  13. 【請求項13】混合物が最初の固体物質含有量を少くと
    も約40重量%有することを特徴とする請求の範囲第11又
    は12項に記載の方法。
  14. 【請求項14】繊維を水中で分散させるに当り、 水とセルロースベース繊維と1又は1以上の親水コロイ
    ドとを組み合わせて少くとも約40重量%の固体物質含有
    量を有する混合物を形成し; 強力な機械的作用を使用して前記混合物を混練して、前
    記繊維を分離し、分散させ、それによって、前記繊維を
    親水コロイドで被膜して、前記混合物を加熱し、水を蒸
    発させ、前記混合物をゼラチン化して、約80重量%以下
    の固体物質含有量を有し、かつ所望の物品形状に押出し
    または成形することができる均一にゼラチン化した混合
    物を形成することを特徴とする繊維を水中で分散させる
    方法。
  15. 【請求項15】親水性コロイドが、ポリビニルアルコー
    ル、セルロース誘導体、タンパク質、植物性ゴム、合成
    親水コロイドおよび穀粉からなる群から選択したもので
    あることを特徴とする請求の範囲第14項記載の方法。
  16. 【請求項16】親水コロイドがでん粉またはでん粉誘導
    体であることを特徴とする請求の範囲第14項記載の方
    法。
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