JP5848330B2 - セルロースナノフィラメント及びセルロースナノフィラメントを製造する方法 - Google Patents
セルロースナノフィラメント及びセルロースナノフィラメントを製造する方法 Download PDFInfo
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Description
セルロースナノフィラメント(CNF)は、本発明により漂白軟材クラフトパルプ及び漂白硬材クラフトパルプの混合物から製造した。混合物中の軟材と硬材との割合は、25:75であった。
非リファイニング漂白硬材クラフトパルプ又は非リファイニング漂白軟材クラフトパルプをそれらの混合物の代わりに用いたことを除いて、例1と同じ方法に従ってセルロースナノフィラメントを調製した。上質紙製品を用いて、30重量/重量%のPCCを含むハンドシートを調製した。2種のナノフィラメントの効果を実証するために、シートの調製の前にそれらを10%の用量で製品に加えた。表1に示すように、硬材からの10%CNFは、湿紙TEAを4倍改善した。これは、非常に印象的な性能である。それにもかかわらず、軟材からのCNFは、さらにより高い性能を有していた。軟材からのCNFを含む紙のTEAは、対照試料のそれよりほぼ7倍高かった。軟材からのCNFと比較して硬材からのCNFの低い性能は、それがより短い繊維を有することによって多分もたらされる。硬材は、通常かなりの量の柔細胞及び他の短繊維又は微細繊維を有する。短繊維から得られるCNFも短い可能性があり、これがそれらの性能を低下させる。したがって、長繊維は、CNFの製造のための好ましい出発材料であり、これは、Suzukiら(米国特許第7,381,294号)によって開示されたように短繊維をむしろ選好するMFCと正反対である。
100%漂白軟材クラフトパルプからセルロースナノフィラメントを製造した。カチオン性キトサンの表面吸着を可能にするために、ナノフィラメントをさらに処理した。キトサンの総吸着量は、CNFの質量に基づく10重量/重量%に近かった。このように処理したCNFの表面は、カチオン電荷及び第一級アミノ基を帯び、少なくとも60meq/kgの表面電荷を有していた。次いで、表面修飾CNFを様々な量で上質紙製品に混入させた。製品混合物を用いて乾燥重量基準で50%のPCCを含むハンドシートを調製した。図6にCNF用量の関数としての固体50重量/重量%における湿紙の比TEAを示す。この場合にも、CNFは、湿紙強度の増強における並はずれた性能を示している。1%と低い用量で60%超のTEAの増加がある。10%の添加レベルでは、TEAが対照より13倍高かった。
例3と同じ方法に従ってカチオン性CNFを製造した。次いで、CNFを様々な量で上質紙製品に混入させた。PAPTAC標準的方法C4に従って製品混合物を用いて50重量/重量%のPCCを含むハンドシートを調製した。比較のために、CNFの代わりに市販のカチオン性デンプンを用いた。これらのハンドシートの乾燥引張強度を添加物の用量の関数として図7に示す。明らかに、CNFは、カチオン性デンプンよりはるかに優れている。5%(重量/重量)の用量レベルにおいて、CNFは、シートの乾燥引張強度を6倍改善し、これはデンプンによってもたらされた性能の2倍を超える。
例2と同じ手順に従って漂白軟材クラフトパルプからセルロースナノフィラメントを製造した。0.8%のナノフィラメント及び30%のPCCを含むハンドシートを調製した。比較のために、湿潤紙力増強及び乾燥紙力増強樹脂を含むいくつかの紙力増強剤、カチオン性デンプンをナノフィラメントの代わりに用いた。固体50重量/重量%の固体含量におけるそれらの湿紙強度を表2に示す。ナノフィラメントは、比TEAを70%改善した。しかし、他のすべての紙力増強剤は、湿紙を補強することができなかった。我々のさらなる試験により、湿紙中のPCC含量が20%未満であった場合、カチオン性デンプンが湿紙強度を低下さえさせたことが示された。
軟材繊維をナノフィラメント化の前に0.5mm未満の長さにあらかじめ切断したことを除いて、例2と同じ手順に従って漂白軟材クラフトパルプからセルロースナノフィラメントを製造した。次いで、CNFを上質紙製品に加えて、10重量/重量%のCNF及び30重量/重量%のPCCを含むハンドシートを製造した。比較のために、非切断軟材クラフト繊維からもナノフィラメントを製造した。図8にそれらの湿紙引張強度を紙固体の関数として示す。明らかに、前切断により、その後に製造されたCNFの性能が著しく低下する。これに反して、MFCの製造には前切断が好ましい(米国特許第4,374,702号)。これは、本発明により製造されたナノフィラメントが以前に開示されたMFCと非常に異なることを示すものである。
例2と同じ手順に従って漂白軟材クラフトパルプからセルロースナノフィラメントを製造した。ナノフィラメントは、鉱物顔料に対する並はずれた結合能を有する。この高い結合能は、ポリマー樹脂のような結合剤を添加せずに極めて高いミネラル填料含量を有するシートを形成することを可能にする。表3にCNFと結合した80及び90重量/重量%の沈殿炭酸カルシウム又はクレーを含むハンドシートの引張強度を示す。市販のコピー紙の強度特性も比較のために示す。明らかにCNFは、高ミネラル含量のシートを十分に補強する。80重量/重量%のPCCを含むCNF補強シートは、市販の紙よりわずか30%低い、300mJ/g超の比引張エネルギー吸収を有していた。発明者らの知る限り、これらのシートは、天然セルロース含有材料のみを用いて補強した最大90重量/重量%のミネラル填料を含む世界で最初のものである。
様々なマトリックスを含むセルロースナノ複合材料をナノフィラメントの存在下及び非存在下で一体成型により製造した。表4に示すように、ナノフィラメントは、スチレン−ブタジエンコポリマーラテックス及びカルボキシメチルセルロースを用いて調製した複合材料フィルムの比引張強度及び弾性率を著しく改善した。
例2と同じ手順に従って漂白軟材クラフトパルプからセルロースナノフィラメントを製造した。これらのナノフィラメントは、市販の上質紙製品(80%漂白硬材/20%漂白軟材クラフト)(重量/重量)と混合する前にPCCスラリーに加えた。次いで、カチオン性デンプンを混合物に加えた。ファーストパスリテンション(FPR)及びファーストパスアッシュリテンション(FPAR)は、動的排水ジャー(dynamic drainage jar)を用いて次の条件下で測定した:750rpm、コンシステンシー0.5%、50℃。比較のために、次の市販の歩留助剤システムも用いて歩留テストを行った:0.5kg/tのカチオン性ポリアクリルアミド、0.3kg/tのシリカ及び0.3kg/tのアニオン性ミクロポリマーからなる微粒子システム。
例2と同じ手順に従って漂白軟材クラフトパルプからセルロースナノフィラメントを製造した。このCNFの保水値(WRV)は、100gのCNF当たり355gと測定されたが、従来のリファイニングクラフトパルプ(75%硬材/25%軟材)(重量/重量)は、100gの繊維当たり125gのみのWRVを有していた。したがって、CNFは、非常に高い水吸収性を有する。
例2と同じ手順に従って様々なパルプ源からセルロースナノフィラメントを製造した。前述のWeibel及びPaulの手順に従って沈降試験を行った。表6に沈降容積が24時間後に50容積/容積%に等しいCNF水性懸濁液のコンシステンシーを示す。市販のMFCの値も比較のために示す。本発明により製造したCNFsが同じ沈降容積に達するのにMFC試料よりはるかに低いコンシステンシーを有していたことが認められる。この低いコンシステンシーは、CNFの高い縦横比を反映している。
Claims (17)
- 初期重合度DP initial を有するセルロース原材料に由来するセルロースナノフィラメントであって、
少なくとも100μmの長さ及び
30〜300nmの幅
を有し、
互いに物理的に引き離されており、フィブリル化セルロースを実質的に含まず、
Paptac標準試験法C1による700ml超の見かけのフリーネス値及び重合度DP nanofilaments を有し、
100s−1のせん断速度のもとで25℃の水中1重量/重量%のナノフィラメントを含む懸濁液が100cpsを超える粘度を有し、
DP nanofilaments /DP initial が少なくとも0.6であり、セルロース原材料が木材や植物繊維に由来する、
上記セルロースナノフィラメント。 - 0.1重量/重量%超の水性懸濁液がGB2296726に記載されている沈降試験により沈降しない、請求項1に記載のナノフィラメント。
- 0.05重量/重量%未満の水性懸濁液がGB2296726に記載されている沈降試験により50%の容積に沈降する、請求項1に記載のナノフィラメント。
- 長さが100μmから500μmである、請求項1に記載のナノフィラメント。
- 少なくとも60meq/kgの表面電荷を有する、請求項1に記載のナノフィラメント。
- セルロース原材料パルプからセルロースナノフィラメントを製造する方法であって、
少なくとも100μmの最初の長さを有するセルロースフィラメントを含むパルプを準備するステップと、
1000m/分〜2100m/分の平均線速度を有するブレードを有するピーリングアジテータ(peeling agitator)にフィラメントを曝露することによりパルプのセルロースフィラメントを剥離すること
を含む少なくとも1つのナノフィラメント化ステップにパルプを供給するステップと
を含み、
ブレードが最初の長さを実質的に維持しながらセルロース繊維を剥がして、ナノフィラメントを生じさせ、
ナノフィラメントがフィブリル化セルロースを実質的に含まない、上記方法。 - 大きいフィラメントからナノフィラメントを分離するステップを含む、請求項6に記載の方法。
- 大きいフィラメントを少なくとも1つのナノフィラメント化ステップに再循環させるステップを含む、請求項6に記載の方法。
- 非処理紙製品と比較して紙製品の特性を改善するために紙製品を処理する方法であって、
最大50重量%のセルロースナノフィラメントを紙製品に添加するステップを含み、
ナノフィラメントが
少なくとも100μmの長さ及び
30〜300nmの幅
を有し、
ナノフィラメントがフィブリル化セルロースを実質的に含まず、
Paptac標準試験法C1による700ml超の見かけのフリーネス値を有し、
100s−1のせん断速度のもとで25℃の水中1重量/重量%ナノフィラメントを含む懸濁液が100cpsを超える粘度を有し、
該特性が湿紙強度、乾燥紙強度及びファーストパスリテンションの少なくとも1つを含む、上記方法。 - ナノフィラメントの水性懸濁液の5%(重量/重量)未満の懸濁液を混合して、処理紙製品を製造するステップを含む、請求項9に記載の方法。
- 30%w/wの炭酸カルシウム填材(PCC)と15%w/wのナノフィラメントから形成された紙製品の湿紙強度が、PCCを含まないネバードライウエットシートの引張エネルギー吸収量に関して少なくとも100%増加する、請求項9に記載の方法。
- セルロース原材料から少なくとも100μmの長さを有するセルロースナノフィラメントを製造するためのセルロースナノフィラメンターであって、
セルロース原材料を処理するように構成され、
入口、
出口及び
内面壁
を備え、円形、正方形、三角形又は多角形の形状の断面を有するチャンバを画定する容器と、
横断面を貫く軸に沿ってチャンバ内に作動可能に取り付けられ、軸の周りの回転の方向を有し、複数のピーリングアジテータが取り付けられた回転シャフトと
を含み、
ピーリングアジテータが、
互いに異なる向きにシャフトに取り付けられ、軸から放射方向に外側に延びており、軸から第1のブレードの末端まで画定される第1の半径を有し、軸に沿った方向に突き出ている第1の組のブレードと、
互いに異なる向きにセントラルハブに取り付けられ、軸から放射方向に外側に延びており、軸から第2のブレードの末端まで画定される第2の半径を有し、軸に沿った方向に突き出ている第2の組のブレードと
を含み、
各ブレードがシャフトの回転の方向に動き、内面壁と第1のブレードのチップとの間のギャップを画定するナイフエッジを有し、ギャップがナノフィラメントの長さより大きい、上記セルロースナノフィラメンター。 - 前記第1の半径が前記第2の半径より大きい、請求項12に記載のナノフィラメンター。
- 前記第1の組のブレードが軸方向に向き、前記セントラルハブと異なる面内にある、請求項12に記載のナノフィラメンター。
- 前記ブレードが少なくとも1000m/分の平均線速度を有する、請求項12に記載のナノフィラメンター。
- 少なくとも50重量%のミネラル填料と、少なくとも1%、最大50%の請求項1に記載のセルロースナノフィラメントと
を含むミネラル紙。 - 最大90%のミネラル含量を有する、請求項16に記載の紙。
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