JP4719682B2 - 顔料、充填材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
1、 粒径が通常約100−500nmで、ISO輝度が80を超えている球状粒子。
2、 粒径が約1−100ミクロンで、平均の大きさが約100−500nmの(普通球状の)細孔を備えるマイクロ/ナノ多孔質粒子。
酢酸澱粉(6g、ISO輝度68.7)を十分な混合下アセトン(200ml)に溶解した。酢酸澱粉が完全に溶解したところで、水120mlを生成した溶液に5分間添加して酢酸澱粉が該溶液から沈殿するのを回避した。その後、溶液を600mlの容積まで水で希釈した。水を約6秒内で非常にすばやく加え、その間同時に混合物を激しく混合した。この添加で、白色のエマルジョンが生成した。次いで、アセトンを蒸発除去した。生成物を遠心分離(15分、5000rpm)して最も大きな粒子の沈殿を生じた。次いで、沈殿物をデカントし、水洗した。最後に、生成物を20%スラリーとして貯蔵した。生成物の量は20gであった。
実施例1と同じ処理を行ったが、アセトンを平皿の上でほぼ完全に蒸発するように室温で蒸発させた。生成物は実施例1と同様に処理した。生成物を厚紙表面を塗布し、乾燥させた後、残渣のアセトンの可塑化および溶解効果により、顔料粒子が透明な塗膜を形成したことが観察された。その結果、この顔料塗膜は、厚紙の輝度を改善しなかった。
エタノール(500ml)、水(250ml)およびアセトン(200ml)からなる溶液を形成した。細かい酢酸澱粉(60g、ISO輝度 68.7)を、かき混ぜつつ混合物に添加した。ポリマー溶解後、2500mlの水を混合物に添加すると同時に、約5分間激しくかき混ぜた。これにより白い分散液が生成し、これを10分間かき混ぜた。
エタノール(200ml)、水(50ml)およびアセトン(300ml)からなる溶液を形成した。酢酸澱粉(60g、ISO輝度89.1)を該溶液にモーター駆動ミキサーを用いて添加した。ポリマーを溶解した後、溶液を40℃まで加温した。次いで、エタノール300ml(40℃)を少しずつ加えた。この後、水100ml(40℃)を少しずつ加え、溶液が混濁し始めた。次に、この溶液を2000mlの水(60℃)に加えた。保護コロイドポリマー(Kemira A41)5gを水に加えた。エマルジョン様の生成物を冷却した。
酢酸澱粉2.1kg(ISO輝度68.7)を49kgのアセトンと10kgの水に溶解した。次いで、60kgの水を激しく攪拌しながら(ホモジナイザー、1500rpm)加えた。水を加えた後、白いエマルジョンが生成した。アセトンを冷却したエマルジョンから蒸発除去し、生成物をミクロろ過により10リットルに濃縮した。
実施例4と同様の処理を行ったが、アセトンをミクロろ過前に除去しなかった。その結果、生成したエマルジョン中の粒子はそれぞれくっ付いて大きな粒子の沈殿物を形成し、ミクロろ過を妨げることを観察した。
0.75kgの酢酸澱粉(ISO輝度89.1)を20kgのアセトンに溶解した。水12.5kgおよびエタノール20kgを該溶液に加えた。すべての澱粉が溶解したことを確認した。125kgの水と62.5kgの保護コロイドとしてのKemira A41ポリマーを20分かけて添加した。乳状のエマルジョンが生成し、これからアセトンを3時間かけて真空蒸発させた(112mbar/40℃)。生成物を、ミクロろ過(50時間)により10%まで濃縮した。
アセトン16.8kg、エタノール11.2kgおよび水3.5kgを混合した。生成した溶液を60℃まで加温し、酢酸澱粉4.2Kg(ISO輝度89.1)を添加した。溶液の温度を40℃に下げた。次いで、室温のエタノール16.8kgを加え、引き続いて水140kgを加えて酢酸澱粉から計算して2.4%の量の保護コロイド(Kemira A41)を溶解した。この過程は、温度を40から50℃の間に保ち、ずっと十分に攪拌を続けながら20分間かけて行った。その後、アセトンは真空蒸発させた。アセトンの蒸発後、エマルジョン様生成物の乾燥物の割合は2.8%であった。
エタノール(500ml)、水(250ml)及びアセトン(200ml)からなる溶液を形成した。酢酸澱粉(60g、ISO輝度 68.7)を混合しながら該溶液に加えた。澱粉を溶解後、この溶液を2500mlの水に一定速度で6分間注いだ。注いでいる間、十分な混合を行った。添加中に白い分散液が生成した。添加後、混合をさらに10分間続けた。次いで、酢酸澱粉を沈殿させ、その結果二次分散液を生成した。
酢酸澱粉(ISO輝度68.7)26gをアセトン(400ml)に溶解した。十分混合しながら、LIAV 1000mlを該溶液に約10分かけて添加した。白い沈殿物が生成し、沈降させた。上清液をデカントした。LIAV(約500ml)を沈殿物に注いで、これを該溶媒で覆うようにした。混合を約10分間行った。沈殿物を低圧でガラスシンター(孔の大きさは3)を用いてろ過した。フィルターを用いて、沈殿物をLIAV(約400ml)でもう一回洗浄した。
澱粉誘導体(乾燥分 全体量の6%、ISO輝度 89.1)をエタノール(500ml)、アセトン(200ml)および水(250ml)の混合物に溶解した。生成した溶液を3つに分けた(1バッチ当たり約300ml)。750rpmの混合速度で、それぞれの溶液1−3を8−12℃の水1200mlに激しく混合しながら注ぎ、この注がれていた時間をそれぞれ1)50分(実験1)、2)45分(実験2)、3)60分(実験3)とした。
澱粉誘導体(乾燥分 全体量の6%、ISO輝度 89.1)をエタノール(500ml)、アセトン(200ml)および水(250ml)の混合物に溶解した。第一の実験(実験1)において、425mlの溶液を分取し、激しく混合しながら25分間かけて850mlの水に注いだ。第二の実験(実験2)において、同容量の溶液を激しく混合しながら25分間かけて750mlの水に注いだ。有機溶媒を生成した分散液から蒸発させた。その後、硫酸ナトリウム(15g/2L)を溶液に注いで分散液中の粒子を分離し、容器の底に沈降させた。沈殿物をデカントによって分離し、2回水洗した。最後に、沈殿物を遠心分離した (10分/2500rpm)。この処理で発生し得る凝集した顔料を、ディスパーマット処理を用いて除去した。
澱粉誘導体(乾燥分 全体量の6%、ISO輝度 89.1)をエタノール(500ml)、アセトン(200ml)及び水(250ml)の混合物に溶解した。生成した溶液を3つに分けた。各溶液を1200mlの水に2分間かけて加えた。この間、1)500rpm(実験1)、2)1000rpm(実験2)および1500rpm(実験3)の回転速度を用いて水相を混合した。
1)酢酸澱粉60g(ISO輝度89.1)(実験1)、2)酢酸澱粉30g(ISO輝度89.1)(実験2)、3)酢酸澱粉15g(ISO輝度89.1)(実験3)、4)酢酸澱粉120g(ISO輝度89.1)(実験4)、5)酢酸澱粉180g(ISO輝度 89.1)(実験5)をエタノール:アセトン:水(5:2:2.5、w/w/w)の混合物450mlに溶解した。
まず、化学的もしくは酵素的に分解した馬鈴薯澱粉3.0kg(乾燥物として)、酢酸(100%)24.7kg、無水酢酸4.07kg、及びた触媒としての酢酸ナトリウム0.2kgを混合した。アセチル化を100−115℃の温度で反応時間3時間で行った。次に、液体反応混合物を20℃の温度まで冷却し、冷水15kgを加えた。混合を続け、反応混合物の均一性をチェックした。その後、8.8kgの冷水を加えることにより希釈を続けて、溶液を常に混濁させた。その後、水130kgを溶液中に急激に圧送して白い分散液を生成した。分散液を、50%水酸化ナトリウム溶液15kgを加えることによりある程度中和し、同時に冷却した。中和反応後の澱粉分散液のpH値は4.0−4.5であった。
酢酸澱粉を、実施例11に記載したように、エタノール、アセトン及び水の混合物に溶解した。生成した溶液を、超音波反応装置の中14℃の温度で2500mlの水に一定の速度で供給した。超音波の周波数は22.2KHzで、その有効電圧は500Wであった。各超音波処理に関し、2分および5分の2つの添加割合を使用した。次いで、溶媒を蒸発させ、生成物の粒径を測定した。平均粒径は、2分間の処理で281nm、5分間の処理で187nmであった。
粒径を小さくするために、粉砕及び地均し実験を3種類の澱粉(馬鈴薯澱粉トリアセテート、オーツ澱粉、架橋したオーツ澱粉)を用いて行った。主として、2段階処理を用いて微細粒子画分を製造した:ジェットミルで粉砕し、その後エアーセパレーター(アウトクムプ リサーチ オイ、ポリ、フィンランド)で分級した。パールミル粉砕も試験した。ジェットミルと空気分離との組み合わせを使用することで、によって、最小粒径(d50 4.6μm; d90 9.2μm)が馬鈴薯澱粉トリアセテートで達成された。
処理は実施例1と同様であるが、出発物質としてヒドロキシプロピル酢酸澱粉(実験1)、プロピオン酸塩(実験2)を使用した。両方とも、生成物は白いエマルジョンで、その更なる処理を実施例1により行った。
顔料の輝度特性は、乾燥させた生成物からボタン状サンプルを圧縮し、そのISO輝度を測定することにより決定した。表2は圧縮タブレットの輝度結果を示す。サンプル250 TG 8−9は酢酸澱粉で、これからAP及びATタイプの顔料を調製した。
カオリン80−90
GCC 87−97
タルク 85−90
PCC 96−99
仮焼したカオリン 99
二酸化チタン 97−99
可塑化顔料(一般的にはポリスチレン) 93−94
(参考文献:製紙科学と技術、11巻、65ページ)
充填材用に意図した顔料の性質は、試験顔料と参照PCCを、ウェブサイジング技術を用いて書籍等級の紙の上に塗布する試験した。紙に塗布した顔料の量を見積もるのが容易なのでこの技術を用いた。実際、無機顔料の量と違って、澱粉顔料の量を灰化によつて決めることができない。極めて異なった保持特性及びシートを形成する際の生成物の違いによる効果は、ウェブサイジング技術が顔料の充填材タイプ塗布におけるテストを行う上で最も簡単な方法であることを示している。
実験 1.フィンランド国特許第107386号明細書による酢酸澱粉の調製
澱粉、酢酸(酢酸:澱粉の比は2)、無水酢酸の一部(1.7までの置換度合いを達成するに必要な量から、澱粉の乾燥分と他の試薬の含水量に基づいて計算した)、触媒(酢酸ナトリウム、澱粉量の7%)を混合し、混合物を澱粉がセラチン化するまで密閉反応器内で加熱した。
処理は実験1と同様であるが、酵素的もしくは化学的に加水分解した澱粉を出発澱粉として使用した。出発澱粉の加水分解度が高まるにつれて、有機溶媒中での酢酸澱粉の溶解度が増加し、顔料の調製における濃度を上げることが可能になる。出発澱粉の分子量が生成物のガラス転移点に影響を及ぼす。出発澱粉の分子量がMw=537000 g/molであると、Tgは159℃となり、置換度が3となり、分子量がMw=22000であると、同値の置換度でTgは134となった。
原料(乾燥物)
ネイティブポテトスターチ(Periva)33.0kg
酢酸(工業的規模99%)49.5kg
酢酸ナトリウム(VTT 100%)2.5kg
無水酢酸(工業的規模97%)115.5kg
水(試薬等級) 7.5kg
処方に従った容量の液体を反応器に圧送した。
乾燥材料を充填ユニットから加えた。
反応器を硝化した。
反応器を125℃に加熱し、冷水を反応器のフィルタータワーのジャケットに保持した。
澱粉を約115℃でゼラチン化した。
ゼラチン化点から5時間酢酸―無水酢酸混合物を還流した。
反応が終了した時、生成物を約1000kgの水によって沈殿させた。
沈殿物を洗浄し、湿式ミルを用いて粉砕した。
粉砕生成物をラロックス真空ドラムフィルターを用いてろ過し、真空乾燥機で乾燥した。
乾燥の間、生成物の温度範囲を約45−70℃とした。
生成物の置換度を、NMR装置もしくは酢酸澱粉からアルカリ加水分解により遊離した酢酸の滴定によって決定した。置換度は2.2であった。調製した馬鈴薯酢酸澱粉は光っていた。より小さい同種の反応器を用いて調製した酢酸澱粉のISO輝度は88であった。
調製は、フィンランドVTT技術研究センターによるフィンランド国特許出願第20020313号に準じた方法を用いてバッチ反応もしくは押し出し技術により行った。酢酸澱粉のトランスグリコシル化生成物の有機溶媒中での溶解度は元の酢酸澱粉よりも増加していた。生産物のISO輝度は、精製の効率と出発澱粉によって、67から89の間で変化する。
フィンランド国特許出願第107930号および第107386号に記載した調製法をヒドロキシプロピル澱粉エステルの調製に使用した。プロピオン酸塩の調製では、酢酸をプロピオン酸に、無水酢酸を無水プロピオン酸に置き換えた。
酢酸澱粉(実施例19、実験4)120gを、エタノール1000ml、アセトン400ml及び水400mlからなる溶媒混合物に溶解した。生成した溶液を4等分し、それぞれに後述する添加時間と回転速度を用いて水1250mlを加えた。
実験2 回転速度300rpm 水の添加時間3分、
実験3 回転速度150rpm 水の添加時間6秒、
実験4 回転速度150rpm 水の添加時間3分。
実験1 生成した粗い画分の量は細かい画分の量の4倍であった。
実験2 生成した粗い画分の量は細かい画分の量の7倍であった。
実験3 生成した細かい画分の量は粗い画分の量の93倍であった。
実験4 生成した細かい画分の量は粗い画分の量の9倍であった。
Claims (18)
- 澱粉誘導体を含む溶液を、少なくとも60℃、350℃以下のガラス転移点を有する澱粉誘導体を、溶媒として働くケトンと非溶媒として働く水との混合物に溶解することによって形成し、澱粉誘導体をケトンである溶媒から沈殿させるため澱粉誘導体が溶解しない水である非溶媒に、前記溶液を接触させて、澱粉誘導体からなる沈殿物と、ケトンと水とからなる液相とを備える分散液を生成し、ケトンを液相から除去し、沈殿物を水から分離、回収することを特徴とする澱粉を基にした顔料の製造方法。
- 澱粉誘導体を溶解するのに必要な分だけ、もしくは多くともその必要量の20重量%だけ多い量のケトンを使用することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 次の基準、すなわち少なくとも1重量%の溶液濃度と、水の1−5倍の溶液粘度の少なくとも1つを適用して溶液を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- ガラス転移点が少なくとも100℃で、該温度で壊れない澱粉誘導体を用いることを特徴とする請求項1―3のいずれかに記載の方法。
- 澱粉誘導体として澱粉エステルを用いることを特徴とする請求項1―4のいずれかに記載の方法。
- 澱粉エステルが澱粉とC1−4のアルカン酸(alkane acid)とから形成されたエステルであることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 澱粉エステルがトランスグリコシル化もしくはヒドロキシアルキル化されていることを特徴とする請求項5または6に記載の方法。
- 澱粉誘導体として機能するエステル中のエステル基の置換度を、該澱粉誘導体が水中で基本的に不溶となるように選択することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
- ケトン除去後、液相から分離した沈殿物が、300MHzのNMR装置で検出し得るような量の有機溶媒残渣を含有しないことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
- ケトンと水を、これらが互いに完全に混ざり合うように選択することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
- 水の量が、重量換算でケトンまたはケトン混合物の0.1−100倍であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
- 水を澱粉誘導体の溶液に混合しながら添加して球状の顔料粒子を生成することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
- 平均粒径が90−1000nmである球状の顔料を含む顔料生成物を調製することを特徴とする請求項12記載の方法。
- 水による沈殿及び沈殿物の可能な分離に引き続き、液相に分散した微粒子を塩析によって沈殿させる2段階で澱粉誘導体を溶液から沈殿させることを特徴とする請求項12または13に記載の方法。
- 澱粉誘導体溶液を水中に混合しながら加えてさんご様の多孔質顔料を生成することを特徴とする請求項1−11のいずれかに記載の方法。
- 粒径が1−100μmの材料を備え、平均直径が100−500nmの空孔を有する顔料生成物を調製することを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 澱粉誘導体を含む溶液を乱流条件下で水と接触させることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
- 水の量が、ケトンもしくはケトンの混合液に応じて、ケトンもしくはケトンの混合物の量(重量換算)の0.1−100倍とすることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
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