JP5858635B2 - Method for predicting the crystallization index of cellulose - Google Patents
Method for predicting the crystallization index of cellulose Download PDFInfo
- Publication number
- JP5858635B2 JP5858635B2 JP2011089495A JP2011089495A JP5858635B2 JP 5858635 B2 JP5858635 B2 JP 5858635B2 JP 2011089495 A JP2011089495 A JP 2011089495A JP 2011089495 A JP2011089495 A JP 2011089495A JP 5858635 B2 JP5858635 B2 JP 5858635B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cellulose
- energy
- mill
- crystallization index
- dropped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 title claims description 131
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 title claims description 131
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 title claims description 76
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 title claims description 76
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 51
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 claims description 73
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 48
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 46
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 42
- 238000011439 discrete element method Methods 0.000 claims description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 14
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 31
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 29
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 6
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 3
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 2
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 2
- 229920001131 Pulp (paper) Polymers 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 229920003086 cellulose ether Polymers 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 2
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 244000060011 Cocos nucifera Species 0.000 description 1
- 235000013162 Cocos nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 208000012839 conversion disease Diseases 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 235000012343 cottonseed oil Nutrition 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000006266 etherification reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000011802 pulverized particle Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Crushing And Grinding (AREA)
Description
本発明は、セルロース含有原料をメカノケミカル処理によって処理するときの条件に応じて得られる粉体におけるセルロースの結晶化指数を予測する方法に関する。 The present invention relates to a method for predicting a crystallization index of cellulose in a powder obtained according to conditions when a cellulose-containing raw material is processed by mechanochemical treatment.
パルプ等のセルロース含有原料を粉砕して得られるセルロースは、セルロースエーテルの原料、化粧品、食品、バイオマス材料等の工業原料に用いられる。これらの工業原料としては、セルロース結晶構造が非晶化されたセルロースが特に有用である。例えば本出願人は先に、セルロースI型結晶化指数が33%を超えるセルロース含有原料から、非晶化セルロースを製造する方法を提案した(特許文献1参照)。この方法においては、原料から水を除いた残余の成分中のセルロースの含有量が20質量%以上である原料を用い、かつセルロース含有原料を、ロッドを充填した振動ミルを用いて機械的に処理して、該セルロースI型結晶化指数を33%以下に低減している。また、特許文献2は、処理に使用する粉砕機としては、転動ミル、振動ミル、遊星ミル、遠心流動ミル等の容器駆動式粉砕機が挙げられており、これらの中で、粉砕効率が高く、生産性の観点から、振動ミルが好ましいとの記載がある。更に、粉砕機としては、ボール、ロッド、チューブ等があるが、生産性の観点からボール、ロッドが好ましく、ロッドがより好ましいと記載されている。 Cellulose obtained by pulverizing cellulose-containing raw materials such as pulp is used as industrial raw materials such as cellulose ether raw materials, cosmetics, foods, and biomass materials. As these industrial raw materials, cellulose having an amorphous cellulose crystal structure is particularly useful. For example, the present applicant has previously proposed a method for producing amorphous cellulose from a cellulose-containing raw material having a cellulose I-type crystallization index exceeding 33% (see Patent Document 1). In this method, a raw material having a cellulose content of 20% by mass or more in the remaining components excluding water from the raw material is used, and the cellulose-containing raw material is mechanically processed using a vibration mill filled with a rod. Thus, the cellulose I-type crystallization index is reduced to 33% or less. In addition, Patent Document 2 includes container-driven pulverizers such as a rolling mill, a vibration mill, a planetary mill, and a centrifugal fluid mill as pulverizers used for processing. Among these, pulverization efficiency is high. There is a description that a vibration mill is preferable from the viewpoint of high productivity. Further, as the pulverizer, there are a ball, a rod, a tube, and the like, but it is described that the ball and the rod are preferable from the viewpoint of productivity, and the rod is more preferable.
容器駆動媒体ミル装置の工業化検討においては、実験室で用いる小型のラボ機の操作条件を用いても、大型の量産機では同等の性能を実現することが難しい。その理由は、ラボ機と量産機とでは、運転中における媒体の動きが異なるので、ラボ機で採用した運転条件から量産機の運転に適した条件を見いだすことは容易でないためである。そのため、ラボ機と量産機の中間サイズのパイロット機や量産機を用いた実験を試行錯誤的に繰り返すことで、セルロース含有原料の非晶化のための最適条件を見いだしているのが状況であり、量産条件の確立までに日数とコストを要する。 In the industrialization study of the container drive medium mill device, it is difficult to achieve the same performance with a large-scale mass-produced machine even if the operating conditions of a small laboratory machine used in a laboratory are used. The reason is that, since the movement of the medium is different between the lab machine and the mass production machine, it is not easy to find a condition suitable for the operation of the mass production machine from the operation conditions adopted in the lab machine. Therefore, it is the situation that we have found the optimum conditions for the amorphization of cellulose-containing raw materials by repeating trial and error experiments using pilot machines and mass production machines that are intermediate in size between laboratory machines and mass production machines. It takes days and costs to establish mass production conditions.
更に「量産機の性能向上を目指したミル装置の構造の改良」や「より大規模な量産機の製作」を行うときには、設計の選択肢が広がるため、具体的な指針を見いだすことが一層難しくなり試行錯誤性が強くなる。しかし、ミル装置が大規模になることから多くの検討を行うことは難しく、所望する性能を実現できないこともある。 In addition, when performing “Improvement of the structure of a mill device aimed at improving the performance of mass production machines” or “Manufacturing a larger-scale mass production machine”, there are more design options, making it more difficult to find specific guidelines. Trial and error becomes stronger. However, since the mill apparatus becomes large-scale, it is difficult to perform many examinations, and the desired performance may not be realized.
これらの課題を解決するために、球形媒体を用いた容器駆動媒体ミル装置では、転動・振動・遊星等の装置運動に対して離散要素法を用いたシミュレーション解析を行い、シミュレーションから得られる単位時間散逸エネルギーや衝突エネルギーと実験結果である粉砕粒径や結晶化指数との関係を明らかにすることが試みられている(特許文献3ないし5参照)。 In order to solve these problems, the container-driven media mill device using a spherical medium is a unit obtained by performing simulation analysis using the discrete element method for device motion such as rolling, vibration, and planetary motion. Attempts have been made to clarify the relationship between the time dissipation energy and collision energy and the pulverized particle size and crystallization index, which are experimental results (see Patent Documents 3 to 5).
しかし、特許文献3ないし5に記載の技術は、媒体として球形のものを用いることを前提としている。したがって、これらの文献に記載の技術を、特許文献1及び2に記載されているロッドのような非球形媒体にそのまま適用することはできない。その理由として、球状以外の離散要素法に関しては手法が確立されていないことが挙げられる。商用ソフトウエアのなかには、非球形粒子を球形粒子で近似するMulti−Sphere DEM法が用いられているものがあり、そのようなソフトウエアを用いれば原理的には解析が可能である。しかし、接触する球形粒子の接触点数に応じてシミュレーション結果が大きく変わることも知られており、非特許文献1及び2には定量性に関する課題が提示されている。 However, the techniques described in Patent Documents 3 to 5 are based on the premise that a spherical medium is used. Therefore, the techniques described in these documents cannot be directly applied to non-spherical media such as the rods described in Patent Documents 1 and 2. The reason is that no method has been established for discrete element methods other than spherical. Some commercial software uses a multi-sphere DEM method in which non-spherical particles are approximated by spherical particles, and in principle, analysis is possible using such software. However, it is also known that the simulation result varies greatly depending on the number of contact points of the spherical particles that are in contact, and Non-Patent Documents 1 and 2 present problems related to quantitativeness.
非特許文献1ではMulti-Sphere DEM法の妥当性を確認するため、球状粒子(アルミ合金、酸化アルミニウム)の反跳実験から得られた反発係数、回転速度、衝突時間等の衝突特性パラメータのシミュレーションによる再現検討が行われている。そこでは球状粒子を1つの弾性体として考える一般的な解析と、Multi-Sphere DEM法を用いて複数の球状粒子で構成された結合粒子での解析とを比較している。また、結合粒子に対しては球状粒子近似による人工的な衝突状態を考慮するため1点接触、2点接触及び3点接触の3つの状態における衝突特性が比較されている。球状粒子を1つの弾性体として考えたシミュレーションで得られた衝突パラメータは、実験結果から得られた衝突特性パラメータと定性的に一致することが確認されたが、Multi-Sphere DEM法では衝突状態に対して結果が大きく変わり、1点接触及び2点接触では合わないが、3点接触では一部の衝突パラメータを除いて実験結果と良い一致を示している。 In Non-Patent Document 1, in order to confirm the validity of the Multi-Sphere DEM method, simulation of collision characteristic parameters such as restitution coefficient, rotational speed, and collision time obtained from the recoil experiment of spherical particles (aluminum alloy, aluminum oxide) The reproduction study by is done. There, a general analysis in which spherical particles are considered as one elastic body is compared with an analysis in a coupled particle composed of a plurality of spherical particles using the Multi-Sphere DEM method. In addition, for the coupled particles, the collision characteristics in three states of one-point contact, two-point contact, and three-point contact are compared in order to consider an artificial collision state based on spherical particle approximation. It was confirmed that the collision parameters obtained by simulation considering a spherical particle as one elastic body qualitatively match the collision characteristic parameters obtained from the experimental results, but the Multi-Sphere DEM method is in a collision state. On the other hand, the result is greatly changed and does not match with the one-point contact and the two-point contact, but the three-point contact shows a good agreement with the experimental result except for some collision parameters.
非特許文献2では、ロッドミル解析と同様に円柱を球状粒子で構成し、その接触状態をFEMによる解析結果と比較し、Multi-Sphere DEM法の課題を示している。そこでは、円柱を傾かせた状態で平板に接触させ、その接触角及び接触距離を変えた場合の応力を、有限要素法(FEM)により計算(線形弾性モデル)している。そしてFEMで解析した円柱と同じ形状を、粒子間距離一定として球状粒子で構成し、FEMで得られた接触角−応力、接触距離−応力の結果を再現する球状粒子接触モデルの物性値を逆算している。球状粒子接触モデルに用いられている物性値は材料固有であることが望まれるが、応力の接触角依存性が大きいため得られた物性値は接触角により大きく異なり、その変化も複雑で簡単な関数で表現することもできないことを報告している。 In Non-Patent Document 2, a cylinder is composed of spherical particles as in the rod mill analysis, and the contact state is compared with the analysis result by FEM, and the problem of the Multi-Sphere DEM method is shown. In this case, stress is calculated (linear elastic model) by the finite element method (FEM) when the cylinder is brought into contact with the flat plate in a tilted state and the contact angle and the contact distance are changed. The same shape as the cylinder analyzed by FEM is composed of spherical particles with a constant interparticle distance, and the physical property values of the spherical particle contact model that reproduces the results of contact angle-stress and contact distance-stress obtained by FEM are calculated backward. doing. It is desirable that the physical property values used in the spherical particle contact model be specific to the material, but the physical property values obtained vary greatly depending on the contact angle due to the large dependence of stress on the contact angle, and the changes are complex and simple. It is reported that it cannot be expressed as a function.
したがって本発明の課題は、非球形媒体を用いた容器駆動媒体ミル装置によってセルロースを含有する粒子からなる粉体を処理した後の該セルロースの結晶化指数を、精度良く予測できる方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of accurately predicting the crystallization index of cellulose after processing powder comprising cellulose-containing particles with a container-driven medium mill using a non-spherical medium. It is in.
本発明は、セルロース含有原料を、容器駆動媒体ミル装置を用いて処理して得られる粉体におけるセルロースの結晶化指数の予測方法であって、
前記ミル装置における非球形媒体の運動を、粘弾性力学モデルを用いた離散要素法によりシミュレーションすることで、該ミル装置内で生じるすべての衝突に起因する単位時間散逸エネルギーを算出し、
所定の条件下に前記ミル装置によって前記セルロース含有原料を処理して得られた粉体におけるセルロースの結晶化指数を予め実測しておき、該結晶化指数と、前記単位時間散逸エネルギー及び前記ミル装置を用いた処理条件から算出される投下散逸エネルギーとの相関を求め、
前記結晶化指数と前記投下散逸エネルギーとの相関に基づき、所定の投下散逸エネルギーを前記ミル装置に与えて前記セルロース含有原料を処理したときの前記粉体におけるセルロースの結晶化指数を予測する、セルロースの結晶化指数の予測方法を提供するものである。
The present invention is a method for predicting the crystallization index of cellulose in a powder obtained by processing a cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill device,
By simulating the motion of the non-spherical medium in the mill apparatus by a discrete element method using a viscoelastic dynamic model, the unit time dissipated energy due to all collisions occurring in the mill apparatus is calculated,
The cellulose crystallization index in the powder obtained by processing the cellulose-containing raw material by the mill apparatus under predetermined conditions is measured in advance, the crystallization index, the unit time dissipation energy, and the mill apparatus. Find the correlation with the dissipated energy calculated from the processing conditions using
Based on the correlation between the crystallization index and the dropped dissipation energy, cellulose is used to predict the crystallization index of cellulose in the powder when the cellulose-containing raw material is processed by applying a predetermined dropped dissipation energy to the mill device. It provides a method for predicting the crystallization index.
前記の予測方法においては、前記非球形媒体を、複数の球形粒子を重ね合わせた結合体で構成し、その前記結合体どうしの衝突及び前記結合体とミル内壁との衝突における該結合体中の前記球形粒子の平均接触数を予め求めておくことで、該結合体の運動状態を離散要素法によってシミュレーションし、前記投下散逸エネルギーを算出することが好ましい。 In the prediction method, the non-spherical medium is configured by a combined body in which a plurality of spherical particles are overlapped, and the combined body in the collision between the combined body and the collision between the combined body and the inner wall of the mill. It is preferable that the average contact number of the spherical particles is obtained in advance, so that the motion state of the combined body is simulated by a discrete element method to calculate the dropped energy.
また本発明は、セルロース含有原料を容器駆動媒体ミル装置を用いて処理し、処理によって得られる粉体におけるセルロースの結晶化指数を目標値まで低減するのに要する投下散逸エネルギーを予測する、投下散逸エネルギーの予測方法であって、
前記ミル装置における非球形媒体の運動を、粘弾性力学モデルを用いた離散要素法によりシミュレーションすることで、該ミル装置内で生じるすべての衝突に起因する単位時間散逸エネルギーを算出し、
所定の条件下に前記ミル装置によってセルロース含有原料を処理して得られた粉体におけるセルロースの結晶化指数を予め実測しておき、該結晶化指数と、前記単位時間散逸エネルギー及び前記ミル装置を用いた処理条件から算出される投下散逸エネルギーとの相関を求め、
前記結晶化指数と前記投下散逸エネルギーとの相関に基づき、前記粉体におけるセルロースの結晶化指数を目標値まで低減するのに要する投下散逸エネルギーを予測する、投下散逸エネルギーの予測方法を提供するものである。
In addition, the present invention treats a cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill device, and predicts the energy consumed by dropping to predict the energy dissipated by dropping the cellulose crystallization index in the powder obtained by the processing to a target value. A method for predicting energy,
By simulating the motion of the non-spherical medium in the mill apparatus by a discrete element method using a viscoelastic dynamic model, the unit time dissipated energy due to all collisions occurring in the mill apparatus is calculated,
The cellulose crystallization index in the powder obtained by processing the cellulose-containing raw material by the mill apparatus under predetermined conditions is measured in advance, the crystallization index, the unit time dissipation energy, and the mill apparatus Find the correlation with the dissipated energy calculated from the processing conditions used,
Provided is a method for predicting dropped energy, which predicts dropped energy required for reducing the crystallization index of cellulose in the powder to a target value based on the correlation between the crystallization index and the dropped energy. It is.
更に本発明は、セルロース含有原料を、容器駆動媒体ミル装置を用いて処理し、セルロースの結晶化指数が目標値まで低減した粉体を製造する方法であって、
前記投下散逸エネルギーの予測方法を用い、前記粉体における前記セルロースの結晶化指数が前記目標値まで低下するのに要する投下散逸エネルギーを予測し、
予測された投下散逸エネルギーが発生する処理条件に設定された前記ミル装置を用いてセルロース含有原料を処理する、粉体の製造方法を提供するものである。
Furthermore, the present invention is a method for producing a powder having a cellulose crystallization index reduced to a target value by processing a cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill device,
Using the method for predicting the dropped dissipation energy, predicting the dropped dissipation energy required for the crystallization index of the cellulose in the powder to fall to the target value,
The present invention provides a method for producing a powder, in which a cellulose-containing raw material is processed using the mill apparatus set to a processing condition in which a predicted dropped dissipation energy is generated.
本発明によれば、非球形媒体を用いた容器駆動媒体ミル装置によって、セルロースを含有する粒子からなる粉体を処理した後の該セルロースの結晶化指数を、精度良く予測することができる。したがって容器駆動媒体ミル装置をスケールアップしたときに、スケールアップした装置によって、セルロースを含有する粒子からなる粉体を処理した後の該セルロースの結晶化指数を、実際に実験を行うことなく予測できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the crystallization index | exponent of this cellulose after processing the powder consisting of the particle | grains containing a cellulose can be accurately estimated with the container drive medium mill apparatus using a non-spherical medium. Therefore, when the container drive medium mill device is scaled up, the cellulose crystallization index after processing the powder composed of cellulose-containing particles can be predicted by the scaled up device without actually conducting experiments. .
以下、本発明のセルロースの結晶化指数の予測方法を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明の予測方法では、容器駆動媒体ミル装置を用いたセルロース含有原料の処理において、該ミル装置に所定の投下散逸エネルギーを与えて該セルロース含有原料を処理して得られる粉体におけるセルロースの結晶化指数を予測する。この予測は、所定の条件下に前記ミル装置によってセルロース含有原料を予め処理して得られた粉体におけるセルロースの結晶化指数(実測値)と、その結晶化指数での投下散逸エネルギー(計算値)との相関に基づき行う。投下散逸エネルギー(計算値)は、単位時間散逸エネルギー(計算値)と、前記ミル装置を用いた実際の処理条件(実測値)とから算出される。単位時間散逸エネルギーとは、前記ミル装置における非球形媒体の運動を、粘弾性力学モデルを用いた離散要素法によりシミュレーションすることで算出される、ミル装置内で生じるすべての衝突に起因する単位時間あたりの散逸エネルギーのことである。 Hereinafter, the method for predicting the crystallization index of cellulose of the present invention will be described based on preferred embodiments thereof. In the prediction method of the present invention, in the treatment of the cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill device, the crystal of cellulose in the powder obtained by processing the cellulose-containing raw material by applying a predetermined drop energy to the mill device. Predict the conversion index. This prediction is based on the crystallization index (actual value) of cellulose in the powder obtained by pre-processing the cellulose-containing raw material with the mill apparatus under the predetermined conditions, and the dropped energy (calculated value) at the crystallization index. ). The thrown away energy (calculated value) is calculated from the unit time dissipated energy (calculated value) and the actual processing condition (actually measured value) using the mill device. The unit time dissipated energy is a unit time resulting from all collisions occurring in the mill device, which is calculated by simulating the motion of the non-spherical medium in the mill device by a discrete element method using a viscoelastic dynamic model. It is the dissipated energy.
まず、本明細書で用いられている「セルロース含有原料」、「結晶化指数」及び「結晶化指数の算出」について説明を行う。 First, “cellulose-containing raw material”, “crystallization index”, and “calculation of crystallization index” used in this specification will be described.
〔セルロース含有原料〕
セルロース含有原料は、セルロースのみから構成されていてもよく、あるいはセルロースと他の成分とから構成されていてもよい。他の成分としては、リグニン等が挙げられる。セルロース含有原料が、セルロースと他の成分とから構成される場合、該セルロース含有原料から水を除いた残余の成分中のセルロース含有量は、好ましくは20質量%以上、更に好ましくは40質量%以上、一層好ましくは60質量%以上である。セルロース含有量とは、セルロース含有原料におけるセルロース含有量及びヘミセルロース含有量の合計量を意味する。
[Cellulose-containing raw material]
The cellulose-containing raw material may be composed only of cellulose, or may be composed of cellulose and other components. Examples of other components include lignin. When the cellulose-containing raw material is composed of cellulose and other components, the cellulose content in the remaining components excluding water from the cellulose-containing raw material is preferably 20% by mass or more, more preferably 40% by mass or more. More preferably, it is 60% by mass or more. The cellulose content means the total amount of the cellulose content and the hemicellulose content in the cellulose-containing raw material.
セルロース含有原料には特に制限はなく、各種木材チップ;木材から製造されるウッドパルプ、綿の種子の周囲の繊維から得られるコットンリンターパルプ等のパルプ類;新聞紙、ダンボール、雑誌、上質紙等の紙類;稲わら、とうもろこし茎等の植物茎・葉類;籾殻、パーム殻、ココナッツ殻等の植物殻類等を原料とする粉体が用いられる。市販のパルプの場合、水を除いた残余の成分中のセルロース含有量は、一般には75〜99質量%であり、他の成分としてリグニン等を含む。また市販のパルプにおけるセルロースI型結晶化指数は、通常60%以上である。セルロース含有原料中の水分含量は、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下が特に好ましい。セルロース含有原料中の水分含量が20質量%以下であれば、容器駆動媒体ミル装置を用いてセルロース含有原料を容易に粉砕できるとともに、粉砕処理によりセルロースの結晶化指数を容易に低下させることができる。 Cellulose-containing raw materials are not particularly limited, and various wood chips; pulps such as wood pulp produced from wood and cotton linter pulp obtained from fibers around cotton seeds; newspapers, cardboard, magazines, fine paper, etc. Papers: plant stems and leaves such as rice straw and corn stalks; powders made from plant shells such as rice husks, palm husks, and coconut husks are used as raw materials. In the case of commercially available pulp, the cellulose content in the remaining components excluding water is generally 75 to 99% by mass, and lignin and the like are included as other components. Moreover, the cellulose type I crystallization index in commercially available pulp is usually 60% or more. The water content in the cellulose-containing raw material is preferably 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, and particularly preferably 10% by mass or less. If the water content in the cellulose-containing raw material is 20% by mass or less, the cellulose-containing raw material can be easily pulverized using a container drive medium mill device, and the crystallization index of cellulose can be easily reduced by the pulverization treatment. .
〔セルロースI型結晶化指数〕
結晶化指数は、X線回折法による回折強度値からSegal法により算出したもので、下記計算式(1)により定義される。
セルロースI型結晶化指数(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100 (1)
〔式中、I22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度を示し、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。〕
[Cellulose type I crystallization index]
The crystallization index is calculated by the Segal method from the diffraction intensity value by the X-ray diffraction method, and is defined by the following calculation formula (1).
Cellulose type I crystallization index (%) = [(I 22.6 −I 18.5 ) / I 22.6 ] × 100 (1)
Wherein, I 22.6, the lattice plane in X-ray diffraction (002 plane) indicates the diffraction intensity of the (diffraction angle 2θ = 22.6 °), I 18.5 is amorphous portion (angle of diffraction 2 [Theta] = 18.5 °) The diffraction intensity is shown. ]
本発明の予測方法を用いて製造される粉体(以下、簡便のため「セルロース含有粉体」という。)におけるセルロースは、好ましくはそのセルロースI型結晶化指数を33%以下に低下させたものである。セルロースI型結晶化指数が33%以下であれば、先に述べたとおり、セルロースの化学反応性が向上し、例えば、セルロースエーテルの製造において、アルカリを加えた際にアルカリセルロース化が容易に進行し、結果としてセルロースエーテル化反応の反応転化率を向上させることができるからである。この観点から、セルロースI型結晶化指数は、30%以下が好ましく、20%以下がより好ましく、10%以下が更に好ましく、X線回折法で結晶が検出されない0%以下が特に好ましい。セルロースI型結晶化指数が0%以下となる場合、−10%以下が好ましく、−20%以下がより好ましく、−30%以下が更に好ましい。 The cellulose in the powder produced using the prediction method of the present invention (hereinafter referred to as “cellulose-containing powder” for the sake of simplicity) preferably has a cellulose I-type crystallization index reduced to 33% or less. It is. If the cellulose I-type crystallization index is 33% or less, as described above, the chemical reactivity of cellulose is improved. For example, in the production of cellulose ether, alkali celluloseization easily proceeds when an alkali is added. As a result, the reaction conversion rate of the cellulose etherification reaction can be improved. In this respect, the cellulose I type crystallization index is preferably 30% or less, more preferably 20% or less, still more preferably 10% or less, and particularly preferably 0% or less in which no crystals are detected by X-ray diffraction. When the cellulose I-type crystallization index is 0% or less, it is preferably −10% or less, more preferably −20% or less, and still more preferably −30% or less.
〔セルロースI型結晶化指数の算出〕
セルロースI型結晶化指数は、サンプルのX線回折強度を、株式会社リガク製の「Rigaku RINT 2500VC X−RAY diffractometer」を用いて以下の条件で測定し、前記計算式に基づいて算出する。測定条件は、X線源:Cu/Kα−radiation、管電圧:40kV、管電流:120mA、測定範囲:回折角2θ=5〜45°とした。測定用サンプルは、粉体を、面積320mm2×厚さ1mmのペレットに圧縮したものである。X線のスキャンスピードは10°/minとした。
[Calculation of cellulose type I crystallization index]
The cellulose I-type crystallization index is calculated based on the above calculation formula by measuring the X-ray diffraction intensity of the sample under the following conditions using “Rigaku RINT 2500VC X-RAY diffractometer” manufactured by Rigaku Corporation. The measurement conditions were as follows: X-ray source: Cu / Kα-radiation, tube voltage: 40 kV, tube current: 120 mA, measurement range: diffraction angle 2θ = 5-45 °. The measurement sample is obtained by compressing powder into pellets having an area of 320 mm 2 and a thickness of 1 mm. The X-ray scanning speed was 10 ° / min.
次に、シミュレーションによって単位時間散逸エネルギーを算出する手順を説明する。本発明の予測方法は、容器駆動媒体ミル装置を用いたセルロース含有原料の処理に非球形媒体を用いることを特徴としている。本発明の手法は球状媒体への適応も可能であるが、特許文献2の実施例で用いられている媒体はロッドであり、非球状媒体の使用がセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数を低くできることが示唆されていることから、以下では非球状媒体を用いた場合の単位時間散逸エネルギーを算出する手順を説明する。なお、本シミュレーションは、容器駆動媒体ミル装置内に充填された媒体のみの運動を予測するものであり、粒子の衝突・粉砕等の現象の予測は含まれない。 Next, a procedure for calculating unit time dissipated energy by simulation will be described. The prediction method of the present invention is characterized in that a non-spherical medium is used for processing a cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill apparatus. Although the technique of the present invention can be applied to a spherical medium, the medium used in the examples of Patent Document 2 is a rod, and the use of a non-spherical medium increases the crystallization index of cellulose in a cellulose-containing powder. Since it is suggested that it can be lowered, the procedure for calculating the unit time dissipation energy when using a non-spherical medium will be described below. Note that this simulation predicts the motion of only the medium filled in the container-driven medium mill apparatus, and does not include prediction of phenomena such as particle collision and crushing.
容器駆動媒体ミル装置に用いられる非球形媒体に特に制限はないが、特許文献1での実施例ではロッド状の媒体が用いられている。ロッド状とは、一軸方向に細長い棒状の形状であって、かつ該方向と直交する方向における断面形状がいずれの位置においても同一である形状のものをいう。ロッド状の媒体における横断面の形状は、例えば円形、楕円形、並びに四角形及び六角形等の多角形が挙げられる。本発明におけるシミュレーションでは、横断面の形状が円形であるロッド状の媒体を対象とする。 There is no particular limitation on the non-spherical medium used in the container drive medium mill apparatus, but a rod-shaped medium is used in the embodiment in Patent Document 1. The rod shape refers to a rod shape that is elongated in a uniaxial direction and has a cross-sectional shape that is the same at any position in a direction orthogonal to the direction. Examples of the cross-sectional shape of the rod-shaped medium include a circle, an ellipse, and a polygon such as a quadrangle and a hexagon. In the simulation in the present invention, a rod-shaped medium having a circular cross section is a target.
本発明においては、非球形媒体を、複数の球形粒子の重ね合わせで構成し、該非球形媒体の衝突運動を離散要素法によってシミュレーションする。具体的には図1に示すように、非球形媒体であるロッド状の媒体Mを、その横断面の直径と同じ直径を有する複数の球形粒子Sを直線状に連ねて重ね合わせて構成された結合体Cとする。そして、結合体Cに対して粘弾性力学モデルを用いた離散要素法を適用してロッド状の媒体Mの衝突運動をシミュレーションする。離散要素法においては、粒子間に力学モデルを採用し、個々の粒子に作用する力を逐一計算する。採用する力学モデルとしては、フォークトモデルが一般的であり、本発明においてもこのモデルを採用する。フォークトモデルとは、弾性的性質のばねと粘性的性質のダッシュポット及び摩擦スライダとによって表現される力学モデルである。 In the present invention, the non-spherical medium is configured by superposing a plurality of spherical particles, and the collision motion of the non-spherical medium is simulated by the discrete element method. Specifically, as shown in FIG. 1, a rod-shaped medium M, which is a non-spherical medium, is configured by superposing a plurality of spherical particles S having the same diameter as the diameter of the cross-section in a straight line. Let it be conjugate C. Then, the collision motion of the rod-shaped medium M is simulated by applying a discrete element method using a viscoelastic dynamic model to the coupled body C. In the discrete element method, a dynamic model is adopted between particles, and forces acting on individual particles are calculated one by one. As a dynamic model to be adopted, a forked model is generally used, and this model is also adopted in the present invention. The forked model is a dynamic model expressed by an elastic spring, a viscous dashpot, and a friction slider.
本発明におけるシミュレーションは、例えばパーソナルコンピュータで動作する市販のソフトウエアを用い、初期設定値として後述する各種の値を与えることで行うことができる。そのようなソフトウエアとしては、例えばDEM soultions社のEDEM2.1(商品名)が挙げられる。もちろん独自のプログラムを作成してシミュレーションを行ってもよい。 The simulation in the present invention can be performed by using, for example, commercially available software operating on a personal computer and giving various values described later as initial setting values. An example of such software is EDEM2.1 (trade name) manufactured by DEM solutions. Of course, an original program may be created and simulated.
本シミュレーションは、図2に示すフローチャートにしたがって行われる。同図に示すフローチャートは、(1)設定部、(2)計算部及び(3)物理量算出部に大別される。以下に、これら各部の詳細を説明する。 This simulation is performed according to the flowchart shown in FIG. The flowchart shown in the figure is roughly divided into (1) setting unit, (2) calculation unit, and (3) physical quantity calculation unit. Below, the detail of these each part is demonstrated.
(1)の設定部においては、シミュレーションを行うための初期状態を設定する。まず、容器駆動媒体ミル装置の粉砕筒の三次元形状を設定する。容器駆動媒体ミル装置は、粉砕媒体(本実施形態ではロッド状の媒体)が挿入されているドラム形の粉砕筒を振動させることで、該粉砕筒中の媒体を運動させる装置であり、一般には振動ミルと呼ばれている。本シミュレーションでは、粉砕筒を水平方向と垂直方向に全振幅8(mm)、回転数1200(rpm)で振動させており、水平方向と垂直方向の振動の位相差はπ/2である。更に、粒子がミル内壁へ衝突した際の反跳運動及びエネルギー損失を求めるために、ミル装置の内壁の材質も設定することが必要となる。内壁の材質を特徴付ける物性値として、内壁の弾性率、ポアソン比及び密度を設定する。 In the setting unit (1), an initial state for performing a simulation is set. First, the three-dimensional shape of the grinding cylinder of the container drive medium mill device is set. The container drive medium mill device is a device that moves the medium in the pulverization cylinder by vibrating the drum-shaped pulverization cylinder in which the pulverization medium (rod-shaped medium in this embodiment) is inserted. It is called a mill. In this simulation, the grinding cylinder is vibrated in the horizontal and vertical directions with a total amplitude of 8 (mm) and a rotational speed of 1200 (rpm), and the phase difference between the horizontal and vertical vibrations is π / 2. Furthermore, in order to obtain the recoil motion and energy loss when the particles collide with the inner wall of the mill, it is necessary to set the material of the inner wall of the mill device. As the physical property values characterizing the material of the inner wall, the elastic modulus, Poisson's ratio and density of the inner wall are set.
(1)の設定部においては、粒子物性パラメータも設定する。ここでいう粒子とは、図1に示す球形粒子Sのことである。粒子物性パラメータ設定では、図1に示す結合体Cの質量、体積、モーメントなどの諸マクロ物性値をソフトウエア上で自動計算するための基礎的なパラメータを設定する。具体的に設定するパラメータとしては、粒子の半径、粒子の結合体Cでの位置及び粒子の材質が挙げられる。粒子の材質を特徴付ける物性値として、弾性率、ポアソン比及び密度を設定する。 In the setting part of (1), particle physical property parameters are also set. The term “particle” used herein refers to the spherical particle S shown in FIG. In the particle physical property parameter setting, basic parameters for automatically calculating various macro physical property values such as mass, volume, moment and the like of the bonded body C shown in FIG. 1 on software are set. Specific parameters to be set include the radius of the particle, the position of the particle in the bonded body C, and the material of the particle. Elastic properties, Poisson's ratio and density are set as physical property values characterizing the material of the particles.
更に(1)の設定部においては、球形粒子S−球形粒子S間の相互作用パラメータを設定する。また、球形粒子S−ミル内壁間の相互作用パラメータも設定する。相互作用パラメータとしては、反発係数、静摩擦係数及び回転摩擦係数の値を設定する。これらの相互作用パラメータは、球形粒子S−球形粒子S間及び球形粒子S−ミル内壁間でそれぞれ別個に設定する。反発係数は、平板上に対象とする球形粒子Sを落下させ運動を再現することにより決定される。静摩擦係数及び回転摩擦係数は、球形粒子Sをミル装置へ充填し、ミル装置を駆動させた際の球形粒子Sの持ち上がり角(安息角)を再現することにより決定される。球形粒子Sの材料が鉄やステンレス等の金属やセラミックスであれば、従来の検討から幾つか候補となる値が特許文献・論文等に記載されているので、それらの値を球形粒子Sの摩擦係数として用いてもよい。 Further, in the setting unit (1), interaction parameters between the spherical particles S and the spherical particles S are set. The interaction parameter between the spherical particle S and the inner wall of the mill is also set. As the interaction parameter, values of a restitution coefficient, a static friction coefficient, and a rotational friction coefficient are set. These interaction parameters are set separately between the spherical particle S and the spherical particle S and between the spherical particle S and the inner wall of the mill. The coefficient of restitution is determined by dropping the target spherical particle S on a flat plate and reproducing the motion. The static friction coefficient and the rotational friction coefficient are determined by filling the spherical particles S into the mill device and reproducing the lift angle (rest angle) of the spherical particles S when the mill device is driven. If the material of the spherical particles S is a metal or ceramics such as iron or stainless steel, some candidate values are described in the patent literature and papers from the conventional studies. It may be used as a coefficient.
引き続きロッド状の媒体に適合した結合体C(図1参照)の形状を設定する。先に述べたとおり結合体Cは、ロッド状の媒体を、球形粒子Sを一列に連ねて結合した形状で近似したものである。結合する球形粒子の数を増やすと、結合体Cの形状はロッド状に近づく。このことは、シミュレーションの精度が向上する点からプラスに作用する。しかし、結合する球形粒子Sの数Nを増やすことは、シミュレーションの計算負荷が大きくなるという不都合がある。また、先に述べたとおり、結合体Cを構成する球形粒子Sの個数Nにより、接触する球形粒子Sの接触点数が変化し、シミュレーション結果が大きく変わることも知られている。更に、複数の不定形状媒体による多重衝突を考える場合に、衝突毎の接触点数を予め求めることが必要となるため、不定形状媒体の個々の動きを厳密に再現した計算を行うことが必要であるが、この計算は非常な労力を要する。そこで本シミュレーションにおいては、簡便かつ適切に衝突エネルギーや散逸エネルギーの物理量を得るために、平均接触数mという概念を導入している。本シミュレーションで着目するミル装置内での複数の媒体の運動から衝突エネルギーや散逸エネルギー等の時間平均的及び統計平均的な物理量を扱う際には、衝突毎に接触点数を求めなくても、各衝突における衝突の接触点数の平均値として平均接触数を与えることで、個々の衝突の接触点数を厳密に求めることなく本発明の目的に対応できると考えられる。更に、この平均接触数を用いることで、結合する球形粒子Sの数Nの最小値も決定することができる。この概念は本発明において初めて導入されたものであり、従来知られているMulti−Sphere DEM法では用いられていなかった概念である。 Subsequently, the shape of the combined body C (see FIG. 1) adapted to the rod-shaped medium is set. As described above, the combined body C is obtained by approximating a rod-shaped medium in a shape in which spherical particles S are connected in a row. When the number of spherical particles to be combined is increased, the shape of the combined body C approaches a rod shape. This has a positive effect in that the accuracy of the simulation is improved. However, increasing the number N of spherical particles S to be combined has a disadvantage that the calculation load of simulation increases. Further, as described above, it is also known that the number of contact points of the spherical particles S in contact with the number N of the spherical particles S constituting the combined body C changes, and the simulation result changes greatly. Furthermore, when considering multiple collisions with a plurality of irregularly shaped media, it is necessary to obtain the number of contact points for each collision in advance, and therefore it is necessary to perform a calculation that exactly reproduces the individual movements of the irregularly shaped media. However, this calculation is very labor intensive. Therefore, in this simulation, the concept of average contact number m is introduced in order to easily and appropriately obtain physical quantities of collision energy and dissipation energy. When handling time average and statistical average physical quantities such as collision energy and dissipated energy from the motion of multiple media in the mill device of interest in this simulation, each number of contact points is not required for each collision. By giving the average number of contact points as the average value of the number of contact points in the collision, it is considered that the object of the present invention can be met without strictly obtaining the number of contact points of each collision. Furthermore, the minimum value of the number N of spherical particles S to be combined can be determined by using this average number of contacts. This concept has been introduced for the first time in the present invention and has not been used in the conventionally known Multi-Sphere DEM method.
平均接触数mとは、結合体Cどうしの衝突及び結合体Cとミル内壁との衝突の際に、該結合体Cを構成する球形粒子Sが接触する平均の数のことである。つまり、ロッド状の媒体Mを、球形粒子Sの結合体Cで近似することによって生じる人工的な接触点数であり、この衝突毎に異なる接触点数をある値mで代表させることを意味している。平均接触数mは、結合体Cを構成する球形粒子Sの数Nとともに次の手順(a)ないし(c)で決定される。なお(a)と(b)の順序は逆でもよい。
(a)単位時間散逸エネルギーの算出。
(b)ミル装置の消費電力の実測。
(c)単位時間散逸エネルギーと消費電力との比較による平均接触数m及び球形粒子の数Nの決定。
The average contact number m is the average number of contact of the spherical particles S constituting the combined body C when the combined bodies C collide with each other and the combined body C and the inner wall of the mill collide with each other. In other words, it is the number of artificial contact points generated by approximating the rod-shaped medium M with the combined body C of the spherical particles S, and means that the number of contact points different for each collision is represented by a certain value m. . The average contact number m is determined by the following procedures (a) to (c) together with the number N of spherical particles S constituting the bonded body C. The order of (a) and (b) may be reversed.
(A) Calculation of unit time dissipated energy.
(B) Actual measurement of power consumption of the mill device.
(C) Determination of the average number of contacts m and the number N of spherical particles by comparing unit time dissipated energy and power consumption.
前記の(a)においては、単位時間散逸エネルギーをシミュレーションによって算出する。単位時間散逸エネルギーとは、複数個の媒体が充填されているミル装置を運転したときに、媒体どうしの衝突及び媒体とミル内壁との衝突によって生じるエネルギーを単位時間で除した値であり、シミュレーションによって算出される仮想的な値のことである。単位時間散逸エネルギーはW(ワット)で表される。 In the above (a), the unit time dissipated energy is calculated by simulation. The unit time dissipated energy is a value obtained by dividing the energy generated by collision between media and collision between the media and the mill inner wall by unit time when operating a mill device filled with multiple media. It is a virtual value calculated by The unit time dissipated energy is expressed in W (watts).
単位時間散逸エネルギーの算出のためには、結合体Cを構成する球形粒子の数Nの初期値を定める。球形粒子の数Nは、ロッド状の媒体の長さをL、半径をaとした場合、N≧L/2aを満たす自然数である。球形粒子の半径はもちろんaである。隣り合う球形粒子間の距離、すなわち隣り合う球形粒子間の重なりの程度を、図3に示すようにΔxとすると、ロッド状の媒体の長さLは、L=2a+Δx(N−1)で表される。 In order to calculate the unit time dissipated energy, an initial value of the number N of spherical particles constituting the combined body C is determined. The number N of spherical particles is a natural number satisfying N ≧ L / 2a, where L is the length of the rod-shaped medium and a is the radius. The radius of the spherical particle is of course a. When the distance between adjacent spherical particles, that is, the degree of overlap between adjacent spherical particles is Δx as shown in FIG. 3, the length L of the rod-shaped medium is expressed by L = 2a + Δx (N−1). Is done.
本シミュレーションにおいては、結合体Cの球形粒子Sの数Nを複数個設定して各結合体Cの単位時間散逸エネルギーを計算し、それらの単位時間散逸エネルギーの球形粒子Sの数Nに対する振る舞いを求めることが重要となる。具体的には、球形粒子Sの数Nの増加に対して単位時間散逸エネルギーが一定値に収束することが必要となる。例えばN=N1、N2、・・、Nn1というn1個の初期値を定めることができる。そして、球形粒子の数が異なるn1種類の結合体Cそれぞれについて平均接触数mを定める。各結合体Cについて、複数の平均接触数mを設定し、計算された単位時間散逸エネルギーが、ミル装置の消費電力の実測値を再現する平均接触数mを求めることが必要になる。 In this simulation, the unit time dissipation energy of each combination C is calculated by setting a number N of the spherical particles S of the combination C, and the behavior of the unit time dissipation energy with respect to the number N of the spherical particles S is calculated. It is important to seek. Specifically, the unit time dissipated energy needs to converge to a constant value as the number N of spherical particles S increases. For example, n1 initial values N = N 1 , N 2 ,..., N n1 can be determined. Then, an average contact number m is determined for each of n1 types of conjugates C having different numbers of spherical particles. For each combination C, it is necessary to set a plurality of average contact numbers m, and the calculated unit time dissipated energy needs to obtain an average contact number m that reproduces an actual measurement value of power consumption of the mill device.
以上のようにして、n1種類の結合体Cのそれぞれについて、n2個の平均接触数mを初期値として与える。すなわちNとmの初期値の組み合わせはn1×n2とおりとなる。このn1×n2とおりの組み合わせについて、以下に述べる計算部によって単位時間散逸エネルギーを算出する(具体的な算出方法は後述する)。算出に際しては、図2に示すフローチャートの(1)の設定部におけるロッド数及びミル動作条件の初期値も設定する(このことについても後述する)。単位時間散逸エネルギーは、n1×n2個の値が算出される。 As described above, n2 average contact number m is given as an initial value for each of n1 types of conjugates C. That is, there are n1 × n2 combinations of initial values of N and m. For the n1 × n2 combinations, the unit time dissipation energy is calculated by the calculation unit described below (a specific calculation method will be described later). In the calculation, the number of rods and the initial value of the mill operation condition in the setting unit (1) in the flowchart shown in FIG. 2 are also set (this will also be described later). As the unit time dissipated energy, n1 × n2 values are calculated.
前記の(b)においては、(a)のシミュレーションのもとになったミル装置を実際に運転して運転時の動力(W)を実測する。具体的には、ミル装置内に所定本数のロッド状の媒体を充填し、該ミル装置の運転を行う。用いたロッド状の媒体は、(a)のシミュレーションで用いた初期値である長さL及び半径aを有するものである。またロッド状の媒体の本数は、シミュレーションの初期値で設定した値とする。使用するミル装置としては、例えば中央化工機株式会社製の振動ミル、ユーラステクノ株式会社製のバイブロミル、株式会社吉田製作所製の小型振動ロッドミル1045型、ドイツのフリッチュ社製の振動カップミルP−9型、日陶科学株式会社製の小型振動ミルNB−O型等を用いることができる。 In said (b), the mill apparatus used as the basis of the simulation of (a) is actually operated, and the power (W) during operation is measured. Specifically, a predetermined number of rod-shaped media are filled in the mill apparatus, and the mill apparatus is operated. The rod-shaped medium used has a length L and a radius a which are initial values used in the simulation of (a). The number of rod-shaped media is set to the value set as the initial value of the simulation. Examples of the mill device to be used include a vibration mill manufactured by Chuo Kako Co., Ltd., a vibro mill manufactured by Eurus Techno Co., Ltd., a small vibrating rod mill 1045 model manufactured by Yoshida Seisakusho Co., Ltd., and a vibration cup mill P-9 model manufactured by Fritsch, Germany A small vibration mill NB-O type manufactured by Nippon Ceramics Co., Ltd. can be used.
前記の運転とは別に、ロッド状の媒体を充填せずに前記のミル装置を空運転して空転動力(W)を実測する。運転条件は、ロッド状の媒体を充填しない以外は、前記の運転と同一である。そして運転時の動力(W)−空転動力(W)の式から消費電力(W)を算出する。この消費電力(W)を、ロッド状の媒体どうしの衝突及び該媒体とミル内壁との衝突によって生じたエネルギーであると見なす。 Separately from the above operation, the idling power (W) is measured by idling the mill device without filling the rod-shaped medium. The operating conditions are the same as those described above except that the rod-shaped medium is not filled. Then, the power consumption (W) is calculated from the equation of power during operation (W) -idle power (W). This power consumption (W) is regarded as energy generated by the collision between rod-shaped media and the collision between the media and the mill inner wall.
前記の(c)においては、(a)で算出されたn1×n2個の単位時間散逸エネルギー(W)と、(b)で実測された消費電力(W)とが比較される。この比較は、パーソナルコンピュータを用いたシミュレーションの一環として行ってもよく、あるいはシミュレーションとは別に人手で行ってよい。そしてn1×n2個の単位時間散逸エネルギーのうち、ミル装置の消費電力と誤差10%以内で一致するNとmの組み合わせを選定する。誤差は、|単位時間散逸エネルギー−消費電力|≦消費電力×0.1で求める。選定されたNとmの組み合わせが、目的とする結合体Cにおける球形粒子の数N及び平均接触数mである。選定されたNとmの組み合わせが2組以上ある場合には、前記の誤差が最も小さい組み合わせを更に選定すればよい。 In (c), the n1 × n2 unit time dissipated energy (W) calculated in (a) is compared with the power consumption (W) actually measured in (b). This comparison may be performed as part of a simulation using a personal computer, or may be performed manually separately from the simulation. Then, among the n1 × n2 unit time dissipated energies, a combination of N and m that matches the power consumption of the mill device within an error of 10% is selected. The error is obtained by | unit time dissipated energy−power consumption | ≦ power consumption × 0.1. The selected combination of N and m is the number N of spherical particles and the average number of contacts m in the target conjugate C. When there are two or more selected combinations of N and m, the combination with the smallest error may be further selected.
図2に示すフローチャートの(1)の設定部におけるロッド数及びミル動作条件を設定は、次のように行う。ロッド数は、ロッド状の媒体の太さ及びミルの寸法に応じて適切な値が設定される。また、ロッド数は、上述したミル装置の実際の運転において運転時の動力(W)を測定したときに用いたロッド状の媒体の数と同数とする。ミルの動作条件としては、例えばミル装置を運転するときの全振幅(mm)及び回転数(rpm)を設定することが必要である。本シミュレーションでは、粉砕筒を水平方向と垂直方向に全振幅8(mm)、回転数1200(rpm)で振動させる。水平方向と垂直方向の振動の位相差はπ/2である。 The setting of the number of rods and the mill operation condition in the setting unit (1) in the flowchart shown in FIG. 2 is performed as follows. The number of rods is set to an appropriate value according to the thickness of the rod-shaped medium and the dimensions of the mill. The number of rods is the same as the number of rod-shaped media used when the power (W) during operation is measured in the actual operation of the above-described mill apparatus. As operating conditions of the mill, for example, it is necessary to set the total amplitude (mm) and the rotation speed (rpm) when the mill apparatus is operated. In this simulation, the grinding cylinder is vibrated in the horizontal and vertical directions with a total amplitude of 8 (mm) and a rotational speed of 1200 (rpm). The phase difference between the vibrations in the horizontal direction and the vertical direction is π / 2.
次に、図2に示すフローチャートの(2)の計算部の処理を実行する。具体的には、これまで設定してきた各設定値に基づき、設定された数の結合体Cをミル装置内に静止した状態で設置する。結合体Cの設置位置は、乱数を発生させて決定する。したがって結合体Cの正確な設置位置(座標)は、実際の計算が始まるまでは未定である(実際にミル装置内にロッドを配置する際にも、配置するロッド本数は設定するが、ロッドの初期の配置位置に関しては規定できない)。また、この時点では各結合体Cは静止しているので、該結合体Cを構成する球形粒子の速度及び加速度はともにゼロである。また、この時点での散逸エネルギーもゼロである。 Next, the process of the calculation unit (2) in the flowchart shown in FIG. 2 is executed. Specifically, based on the set values that have been set up to now, a set number of combined bodies C are installed in a stationary state in the mill apparatus. The installation position of the combination C is determined by generating a random number. Therefore, the exact installation position (coordinates) of the combination C is not determined until the actual calculation starts (the number of rods to be arranged is set even when the rods are actually arranged in the mill device, but The initial position cannot be specified). Further, at this time, since each conjugate C is stationary, the velocity and acceleration of the spherical particles constituting the conjugate C are both zero. Also, the dissipated energy at this point is zero.
次に、与えられた設定値に基づき計算を開始する。実際のミル装置は、この設定値に基づき運動(転動、振動及び遊星運動)する。ロッド状の媒体とミル内壁との間には摩擦力があるので、ミル装置の運動に応じてロッド状の媒体も運動する。ロッド状の媒体は、その自重及び慣性モーメントに基づき運動する。その結果、ロッド状の媒体どうしの衝突及びロッド状の媒体とミル内壁との衝突が起こる。これらの衝突によって、ロッド状の媒体は物理法則に基づき反跳する。これらの衝突は、衝突エネルギーの一部が熱エネルギーに変化する非弾性衝突であることが一般的である。この熱エネルギーが先に述べた散逸エネルギーである。本シミュレーションにおいては、図2に示すフローチャートの(3)の物理量算出部によって単位時間散逸エネルギーを算出する。 Next, the calculation is started based on the given set value. The actual mill device moves (rolling, vibrating, and planetary motion) based on this set value. Since there is a frictional force between the rod-shaped medium and the inner wall of the mill, the rod-shaped medium also moves according to the movement of the mill device. The rod-shaped medium moves based on its own weight and moment of inertia. As a result, a collision between rod-shaped media and a collision between the rod-shaped medium and the inner wall of the mill occur. Due to these collisions, the rod-shaped medium recoils based on the laws of physics. These collisions are generally inelastic collisions in which a part of the collision energy is changed to thermal energy. This thermal energy is the dissipative energy described above. In this simulation, the unit time dissipated energy is calculated by the physical quantity calculator (3) in the flowchart shown in FIG.
(2)の計算部における計算は、これまで知られているMulti−Sphere DEM法による計算と同じである。具体的には、静止状態から微少時間Δtが経過するごとに、各結合体Cの位置(座標)を計算し、各結合体Cが他の結合体C又はミル内壁と接触しているか否かを判定する。結合体Cが他の結合体C又はミル内壁に接触している場合には、該結合体Cについて力F及びモーメントMを計算する。力F及びモーメントMの計算は、図4に示すモデル図及び以下に示す式から算出される。 The calculation in the calculation unit of (2) is the same as the calculation by the multi-sphere DEM method known so far. Specifically, each time the minute time Δt elapses from the stationary state, the position (coordinates) of each combination C is calculated, and whether each combination C is in contact with another combination C or the inner wall of the mill. Determine. When the bond C is in contact with another bond C or the inner wall of the mill, the force F and moment M are calculated for the bond C. The calculation of the force F and the moment M is calculated from the model diagram shown in FIG.
この式はある時間tから微小時間Δtが経過したt+Δtの間において、結合体Cが、結合体どうし又はミル内壁と接触することによる力F及びモーメントMを表している。前記の式及び図4における添え字iは、i番目の結合体を表す。kは、ロッド状の媒体を複数個の球形粒子で近似したときの該球形粒子の番号である。lは、結合体どうし又は結合体とミル内壁との接触点を表す。球状粒子kが結合体又はミル内壁と接触する点lは、数値計算によって結合体の運動を逐次追跡して決定する。この式でのjiklはMulti−Sphere DEM法から生じる人工的な接触点数を示す。例えば、ロッドのような棒状粒子どうしが平行に衝突する場合において、ロッドを構成する結合数が増加するとその増加に応じて衝突の際の接触点数も増加し、結合粒子に働く力Fが増加するため、人工的な接触点数jiklで割ることが必要となる。よって本来は、力とモーメントを計算する際に、衝突毎の接触点数jiklを予め求めることが必要となるが、不定形状媒体の個々の衝突において人工的な接触点数を予め求めるような厳密な計算を行うことは非常な労力を要する。この問題を解決するために、接触点数jikl=平均接触数mとして一定値を予め与えておくことが本発明の特徴である。 This expression represents the force F and the moment M due to the bonded body C coming into contact with the bonded bodies or the inner wall of the mill during the time t + Δt when a minute time Δt has elapsed from a certain time t. The subscript i in the above formula and FIG. 4 represents the i-th conjugate. k is the number of the spherical particle when the rod-shaped medium is approximated by a plurality of spherical particles. l represents a contact point between the bonded bodies or between the bonded body and the inner wall of the mill. The point l at which the spherical particle k contacts the bonded body or the inner wall of the mill is determined by sequentially tracking the movement of the bonded body by numerical calculation. In this equation, j ikl represents the number of artificial contact points generated from the Multi-Sphere DEM method. For example, when rod-like particles such as rods collide with each other in parallel, when the number of bonds constituting the rod increases, the number of contact points at the time of collision increases with the increase, and the force F acting on the coupled particles increases. Therefore , it is necessary to divide by the number of artificial contact points j ikl . Therefore, originally, when calculating force and moment, it is necessary to obtain the number of contact points j ikl for each collision in advance. However, it is strictly necessary to obtain the number of artificial contact points in advance for each collision of an irregularly shaped medium. The calculation is very labor intensive. In order to solve this problem, it is a feature of the present invention that a constant value is given in advance as the number of contact points j ikl = average number of contacts m.
また前記の式及び図4において、Fiklは、結合体iがミル内壁又は他の結合体とlの地点で接触したときに、結合体iを構成している球形粒子kが受ける力を表す。xiklは、結合体iを構成している球形粒子kがミル内壁又は他の結合体とlの地点で接触したときの位置(座標)を表す。xikは、結合体iを構成している球形粒子kがミル内壁又は他の結合体とlの地点で接触したときの球形粒子の重心の位置を表す。xiは、結合体iの重心の位置を表す。Mは、衝突に関係した結合体iを構成する球形粒子の数を表す。MNは、衝突に関係した球形粒子kが結合体又はミル内壁と接触した接触点数の総和を表す。Fikl、xikl、xik、xi、M及びMNは数値計算によって結合体の運動を逐次追跡して決定する。 In FIG. 4 and FIG. 4, F ikl represents the force received by the spherical particles k constituting the combination i when the combination i comes into contact with the inner wall of the mill or another combination at the point l. . x ikl represents the position (coordinates) when the spherical particle k constituting the combined body i comes into contact with the inner wall of the mill or another combined body at the point l. x ik represents the position of the center of gravity of the spherical particle k when the spherical particle k constituting the combined body i contacts the inner wall of the mill or another combined body at a point l. x i represents the position of the center of gravity of the combination i. M represents the number of spherical particles constituting the combined body i related to the collision. M N represents the total number of contact points at which the spherical particles k related to the collision contact the bonded body or the inner wall of the mill. F ikl , x ikl , x ik , x i , M and M N are determined by numerically calculating the motion of the conjugate sequentially.
結合体Cが受ける力が上述の手順で算出されたら、図5に示すモデル図及び以下の式から該結合体Cの位置が特定できる。以下の式は、ニュートンの運動方程式に基づいている。これにより各時刻での該結合体Cの位置を求めることができる。 When the force received by the combined body C is calculated by the above procedure, the position of the combined body C can be specified from the model diagram shown in FIG. The following equation is based on Newton's equation of motion. Thereby, the position of the combination C at each time can be obtained.
最後に、同図に示すフローチャートの(3)の物理量算出部における処理が行われる。結合体Cの位置を追跡した結果、時刻t→t+Δtで、結合体i1と結合体i2との間に衝突が生じるとき、それらの結合体i1及び結合体i2における衝突した球形粒子をk1及びk2とすると、この球形粒子の半径はaだから、球形粒子k1と球形粒子k2とのオーバーラップδ、つまり運動距離は、以下の式で表される。 Finally, processing in the physical quantity calculation unit (3) in the flowchart shown in FIG. As a result of tracking the position of the conjugate C, when collision occurs between the conjugate i 1 and the conjugate i 2 at time t → t + Δt, the collided spherical particles in the conjugate i 1 and the conjugate i 2 Since k 1 and k 2 are the radius of the spherical particle a, the overlap δ, that is, the movement distance between the spherical particle k 1 and the spherical particle k 2 is expressed by the following equation.
そして、結合体i1と結合体i2とが衝突したときに作用する力の粘性項をFvとすると、この衝突に起因する単位時間散逸エネルギーは、δ×Fvで算出される。したがって、衝突ごとの単位時間散逸エネルギーをすべて足し合わせることで、目的とする単位時間散逸エネルギーΣδ×Fvが算出される。 If the viscosity term of the force acting when the combined body i 1 and the combined body i 2 collide is Fv, the unit time dissipated energy resulting from the collision is calculated as δ × Fv. Therefore, the target unit time dissipation energy Σδ × Fv is calculated by adding all the unit time dissipation energy for each collision.
以上のとおりにして、図2に示すフローチャートの(3)の物理量算出部における処理が完了する。以上の処理により単位時間散逸エネルギーを求め、該単位時間散逸エネルギーと、ミル装置を用いてセルロース含有原料を実際に処理したときの条件とから、後述する方法で投下散逸エネルギーを算出する。処理によって得られたセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数の実測は、処理の途中の粉体を、全体の量に影響を及ぼさない微少量(100gの仕込みに量に対して1g程度)抜き出して行う。これによって、処理時間に対するセルロースの結晶化指数の関係を得ることができる。データの精度を高めるためには、同様の実験を複数回行えばよい。 As described above, the processing in the physical quantity calculation unit (3) in the flowchart shown in FIG. 2 is completed. The unit time dissipated energy is obtained by the above processing, and the dropped dissipated energy is calculated by the method described later from the unit time dissipated energy and the conditions when the cellulose-containing raw material is actually processed using a mill apparatus. The measurement of the crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder obtained by the treatment is to extract a very small amount of powder that is not in the middle of the treatment (about 1 g with respect to the amount for 100 g preparation) that does not affect the total amount. Do it. Thereby, the relationship of the crystallization index of cellulose with respect to the treatment time can be obtained. In order to increase the accuracy of the data, the same experiment may be performed a plurality of times.
例えばミル装置を用いた処理をバッチ式で行う場合には、該バッチ式処理の条件である処理時間(h)及び仕込み量(kg)と単位時間散逸エネルギー(W)とから、以下の式(I)によって投下散逸エネルギー(Wh/kg)を算出する。この式を用いた算出を、処理条件の数だけ行う。
投下散逸エネルギー(Wh/kg)=単位時間散逸エネルギー(W)×処理時間(h)/仕込み量(kg) (I)
For example, when processing using a mill apparatus is performed in a batch type, the following formula (from the processing time (h) and the charged amount (kg) and the unit time dissipated energy (W), which are the conditions of the batch type processing, Calculate the dissipated energy (Wh / kg) according to I). Calculations using this equation are performed for the number of processing conditions.
Dissipated energy (Wh / kg) = Dissipated energy per unit time (W) x Processing time (h) / Charged amount (kg) (I)
ミル装置を用いた処理を連続式で行う場合には、該連続式処理の条件である時間当たりフィード量(kg/h)と単位時間散逸エネルギー(W)とから、以下の式(II)によって投下散逸エネルギーを算出する。この式を用いた算出を、処理条件の数だけ行う。
投下散逸エネルギー(Wh/kg)=単位時間散逸エネルギー(W)/時間当たりフィード量(kg/h) (II)
ここでの時間当たりフィード量は、仕込み量を、粉体を投入してから排出されるまでの時間で割ったものを意味している。
When processing using a mill apparatus is performed continuously, the following formula (II) is used from the feed amount per hour (kg / h) and the unit time dissipated energy (W) which are the conditions for the continuous processing. Calculate the energy dissipated. Calculations using this equation are performed for the number of processing conditions.
Dissipated energy (Wh / kg) = Dissipated energy per unit time (W) / Feed amount per hour (kg / h) (II)
Here, the feed amount per hour means the amount of charge divided by the time from when the powder is charged until it is discharged.
以上の処理によって、シミュレーションによる投下散逸エネルギーが、セルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数ごとに算出される。次に、算出された投下散逸エネルギーと、セルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数との相関を求める。この操作は、例えば投下散逸エネルギーと、該投下散逸エネルギーを算出するときに用いた処理条件によって得られた粉体におけるセルロースの結晶化指数とをグラフにプロットすればよい。そのようなグラフの一例を図6に示す。同図は、後述する実施例の結果である。同図から明らかなように、投下散逸エネルギーが大きいほどセルロースの結晶化指数が低下する(すなわち非晶化する)ことが判る。 Through the above processing, the thrown-off energy by simulation is calculated for each crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder. Next, a correlation between the calculated dropped energy and the crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder is obtained. This operation may be performed by plotting, for example, the dropped dissipation energy and the crystallization index of cellulose in the powder obtained according to the processing conditions used when calculating the dropped dissipation energy. An example of such a graph is shown in FIG. This figure is the result of an example described later. As is clear from the figure, it can be seen that the crystallization index of cellulose decreases (that is, becomes amorphous) as the dropped energy dissipation increases.
このようにして得られた投下散逸エネルギーと結晶化指数との相関を示すグラフを用い、所定の投下散逸エネルギーをミル装置に与えたと仮定したときのセルロースの結晶化指数を予測することができる。したがって、前記のグラフを例えば小型のミル装置を用いた実験によって作成しておけば、ある運転条件を決定した場合には、その条件で得られるセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数を時間及び手間をかけてなくても簡便に予測することができる。 Using the graph showing the correlation between the dropped dissipation energy and the crystallization index thus obtained, it is possible to predict the crystallization index of cellulose when it is assumed that a predetermined dropped dissipation energy is given to the mill apparatus. Therefore, if the graph is prepared by an experiment using a small mill device, for example, when certain operating conditions are determined, the crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder obtained under the conditions is expressed as time and Prediction can be easily performed without much effort.
以上の方法は、所定の投下散逸エネルギーをミル装置に与えたときのセルロースの結晶化指数を予測するものであるが、本発明によれば、これに加えて、セルロース含有原料をミル装置を用いて処理し、処理によって得られるセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数を目標値まで低減するのに要する投下散逸エネルギーを予測することもできる。例えば、大型の量産タイプのミル装置を用いて非晶化の処理をスケールアップするときに、目的とする結晶化度のセルロース含有粉体を得るために適した投下散逸エネルギーを、上述のようにして得られた投下散逸エネルギーと結晶化指数との相関を示すグラフを用いて簡便に予測することができる。そして、予測された投下散逸エネルギーが発生する処理条件に設定されたミル装置を用いてセルロース含有原料を処理することで、結晶化指数が目標値まで低減したセルロース含有粉体を容易に得ることができる。 The above method is for predicting the crystallization index of cellulose when a predetermined drop energy is given to the mill device. In addition to this, according to the present invention, the cellulose-containing raw material is used in the mill device. It is also possible to predict the dropped energy dissipated to reduce the crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder obtained by the treatment to the target value. For example, when scaling up the amorphization process using a large-scale mass production type mill device, the drop-off energy suitable for obtaining a cellulose-containing powder having the desired crystallinity is set as described above. It can be easily predicted using a graph showing the correlation between the drop energy dissipated and the crystallization index. Then, by processing the cellulose-containing raw material using a mill apparatus set to the processing conditions that generate the predicted dropped dissipation energy, it is possible to easily obtain a cellulose-containing powder having a crystallization index reduced to a target value. it can.
以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記の実施形態に制限されない。例えば前記の実施形態においては、非球形媒体としてロッド状の媒体を用いた場合のシミュレーションを例に挙げて説明したが、本発明の方法はロッド状以外の形状の媒体を用いた場合にも同様に適用することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the preferable embodiment, this invention is not restrict | limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, the simulation in the case where a rod-shaped medium is used as the non-spherical medium has been described as an example. Can be applied to.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り「%」は「質量%」を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, “%” means “mass%”.
(1)小型のラボ機を用いたセルロース含有原料におけるセルロースの非晶化処理
〔1−1裁断処理〕
セルロース含有原料として、シート状木材パルプ〔テンベック社製HV+、800mm×600mm×1mm、結晶化指数81.5%、セルロース含有量(セルロース含有原料から水を除いた残余の成分中の量、以下同じ)96.0%、水分含量8.5%〕を用いた。これをシートペレタイザ(株式会社ホーライ製、「SG(E)−220」)にかけて、約4mm×4mm×1mmのチップ状パルプにした。
〔1−2乾燥処理〕
裁断処理によって得られたチップ状パルプを、棚乾燥機〔アドバンテック(ADVANTEC)社製真空低温乾燥機「DRV320DV」〕を用いて、乾燥後のパルプの水分含量が、1.0%になるように乾燥した。乾燥処理後のパルプにおけるセルロースの結晶化指数は、X線回折強度から算出した値が82%であった。
〔1−3振動ミル処理〕
乾燥処理後のパルプを振動ミル(中央化工機株式会社製、「MB−1」、容器全容量3.6リットル、ミル直径142mm、長手方向の長さ226mm)に投入した。ロッド状の媒体として、半径15mm、長さ211mm、材質ステンレス、横断面形状が円形の13本のロッドを用い、これを振動ミルに充填した。全振幅8(mm)、回転数1200(rpm)の条件で非晶化処理を行った。処理時間を変えることで、セルロースの結晶化指数が異なる5種類の粉体を得た。具体的には、100gのパルプを仕込み、10分、20分、30分、45分及び60分でそれぞれ処理した。処理によって得られたセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数はX線回折強度から求めた。
(1) Amorphization treatment of cellulose in a cellulose-containing raw material using a small laboratory machine [1-1 cutting treatment]
As a cellulose-containing raw material, sheet-like wood pulp [HV +, manufactured by Tenbeck, 800 mm × 600 mm × 1 mm, crystallization index 81.5%, cellulose content (the amount in the remaining components excluding water from the cellulose-containing raw material, the same shall apply hereinafter) 96.0%, water content 8.5%]. This was applied to a sheet pelletizer (“SG (E) -220” manufactured by Horai Co., Ltd.) to make a chip-like pulp of about 4 mm × 4 mm × 1 mm.
[1-2 drying treatment]
Using a shelf dryer (ADVANTEC vacuum low-temperature dryer “DRV320DV”), the moisture content of the pulp after drying is 1.0%. Dried. The crystallization index of cellulose in the pulp after the drying treatment was 82% calculated from the X-ray diffraction intensity.
[1-3 Vibration mill treatment]
The pulp after the drying treatment was put into a vibration mill (manufactured by Chuo Kako Co., Ltd., “MB-1”, container total capacity 3.6 liter, mill diameter 142 mm, length in the longitudinal direction 226 mm). As the rod-shaped medium, 13 rods having a radius of 15 mm, a length of 211 mm, a stainless steel material, and a circular cross-sectional shape were used and filled in a vibration mill. Amorphization treatment was performed under conditions of a total amplitude of 8 (mm) and a rotational speed of 1200 (rpm). Five kinds of powders having different crystallization indexes of cellulose were obtained by changing the treatment time. Specifically, 100 g of pulp was charged and treated for 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 45 minutes and 60 minutes, respectively. The crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder obtained by the treatment was determined from the X-ray diffraction intensity.
(2)振動ミルの消費電力の算出
前記の(1)で用いた振動ミルに、前記の(1)で用いた13本のロッドを充填し、前記の(1)の条件で運転を行い、運転時の動力を実測した。次いで、13本のロッドを取り出し、同条件で空運転を行い、空転動力を実測した。そして、運転時の動力から空転動力を差し引き、得られた値を振動ミルの消費電力(W)とした。この値は268.2Wであった。
(2) Calculation of power consumption of vibration mill The vibration mill used in the above (1) is filled with the 13 rods used in the above (1) and operated under the above condition (1). The power during operation was measured. Next, 13 rods were taken out and idle running under the same conditions, and the idling power was measured. Then, the idling power was subtracted from the driving power, and the obtained value was defined as the power consumption (W) of the vibration mill. This value was 268.2W.
(3)単位時間散逸エネルギーの算出
図2に示すフローチャートに従うプログラムをパーソナルコンピュータで実行させて、シミュレーションによって単位時間散逸エネルギーを算出した。シミュレーションにおいては、結合体Cにおける半径15mmの球状粒子の数Nを15個、22個、31個及び43個の4種類に設定した。また、平均接触数mは、1個、N/2個及びN個の3種類に設定した。すなわち球状粒子の数Nと平均接触数mとの組み合わせは4×3=12とおりとした。この12とおりの組み合わせのそれぞれについて単位時間散逸エネルギーを算出した。その結果を以下の表1に示す。同表には前記の(2)で算出した振動ミルの消費電力も記載されている。同表に示す結果から明らかなように、球状粒子の数Nと平均接触数mとの組み合わせのうち、振動ミルの消費電力に最も近いものはN=31、m=31の場合であった。したがって、結合体Cとして31個の球形粒子が直線状に連ねて重ね合わせたものを採用することとした。また、平均接触数は31を採用することとした。このときの単位時間散逸エネルギーは、同表に示すとおり273.8Wであった。
(3) Calculation of unit time dissipated energy The program according to the flowchart shown in FIG. 2 was executed on a personal computer, and unit time dissipated energy was calculated by simulation. In the simulation, the number N of spherical particles having a radius of 15 mm in the combined body C was set to four types of 15, 22, 31, and 43. Further, the average contact number m was set to three types: 1, N / 2, and N. That is, combinations of the number N of spherical particles and the average contact number m were 4 × 3 = 12. The unit time dissipated energy was calculated for each of these 12 combinations. The results are shown in Table 1 below. The table also shows the power consumption of the vibration mill calculated in (2) above. As is clear from the results shown in the table, among the combinations of the number N of spherical particles and the average number of contacts m, the one closest to the power consumption of the vibration mill was N = 31 and m = 31. Therefore, it was decided to adopt a combination C in which 31 spherical particles are connected in a straight line. The average number of contacts was 31. The unit time dissipated energy at this time was 273.8 W as shown in the table.
(4)投下散逸エネルギーの算出及びセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数との相関
前記の(3)で得られた単位時間散逸エネルギーと、前記の(1)のセルロースの非晶化処理での処理時間及び仕込み量から、各結晶化指数における投下散逸エネルギーを、前記の式(I)に従い算出し、算出された投下散逸エネルギーと、そのときのセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数とから、両者の相関を示すグラフを作成した。これを図6に示す。
(4) Calculation of dropped dissipation energy and correlation with cellulose crystallization index in cellulose-containing powders The unit time dissipation energy obtained in (3) above and the cellulose amorphization treatment in (1) above. From the treatment time and the charged amount, the drop dissipation energy in each crystallization index was calculated according to the above formula (I), the calculated drop dissipation energy, and the crystallization index of cellulose in the cellulose-containing powder at that time From this, a graph showing the correlation between the two was created. This is shown in FIG.
(6)実測値との検証
図6に示す結果が、実測値とどの程度一致しているかの検証を行った。検証には、前記の(1)で用いたバッチ式振動ミルである中央化工機株式会社製の「MB−1」に加え、同社製のバッチ式振動ミル「FV−20」(ミル容積68.9リットル、ミル径382.4mm)、連続式振動ミル「CD−25」(ポッド容積58.6リットル×2、ミル径236.0mm)及び連続式振動ミル「MC−15」(ポッド容積15.5リットル×2、ミル径146.0mm)を用いた。装置によっては、安定した振動を得るため振動源の中心とミル重心を一致させることが重要となり、ポットを2つ接続しているものもある。前記の(1)で用いたパルプを原料とし、これらの振動ミルを用いて非晶化セルロース含有粉体を得た。得られたセルロース含有粉体におけるセルロースの結晶化指数を測定し、そのときの投下散逸エネルギーとの関係をグラフにプロットした。投下散逸エネルギーは、これらの振動ミルにおける運転時の動力から空転動力を差し引いて得られた値である消費電力(W)を単位時間散逸エネルギーとみなし、これに式(I)又は式(II)を適用して算出した。結果を図7に示す。
(6) Verification with actual measurement value It was verified to what extent the result shown in FIG. For verification, in addition to “MB-1” manufactured by Chuo Kako Co., Ltd., which is the batch type vibration mill used in the above (1), the batch type vibration mill “FV-20” (mill volume 68. 9 liters, mill diameter 382.4 mm), continuous vibration mill “CD-25” (pod volume 58.6 liters × 2, mill diameter 236.0 mm) and continuous vibration mill “MC-15” (pod volume 15. 5 liters × 2, mill diameter 146.0 mm) was used. Depending on the device, it is important to match the center of the vibration source and the center of gravity of the mill in order to obtain stable vibration, and there are some devices in which two pots are connected. Using the pulp used in the above (1) as a raw material, an amorphous cellulose-containing powder was obtained using these vibration mills. The crystallization index of cellulose in the obtained cellulose-containing powder was measured, and the relationship with the dropped dissipation energy at that time was plotted on a graph. The dissipated dissipated energy regards the power consumption (W), which is the value obtained by subtracting the idling power from the operating power in these vibration mills, as the unit time dissipated energy, and this is expressed by formula (I) or formula (II) Was applied. The results are shown in FIG.
図6と図7に示す結果の対比から明らかなように、本発明に従い得られた結晶化指数と投下散逸エネルギーとの関係は、実測によって得られた結晶化指数と投下散逸エネルギーとの関係と極めてよく一致していることが判る。 As is clear from the comparison of the results shown in FIG. 6 and FIG. 7, the relationship between the crystallization index obtained according to the present invention and the dropped dissipation energy is the relationship between the crystallization index obtained by actual measurement and the dropped dissipation energy. It can be seen that there is a very good agreement.
M ロッド状の媒体
S 球形粒子
C 球形粒子の結合体
M Rod-shaped medium S Spherical particle C Spherical particle combination
Claims (9)
前記ミル装置における非球形媒体を、複数の球形粒子を重ね合わせた結合体で構成し、該結合体の運動を、粘弾性力学モデルを用いた離散要素法によりシミュレーションすることで、該ミル装置内で生じるすべての衝突に起因する単位時間散逸エネルギーを算出し、
所定の条件下に前記ミル装置によって前記セルロース含有原料を処理して得られた粉体におけるセルロースの結晶化指数を予め実測しておき、該結晶化指数と、前記単位時間散逸エネルギー及び前記ミル装置を用いた処理条件から算出される投下散逸エネルギーとの相関を求め、
前記結晶化指数と前記投下散逸エネルギーとの相関に基づき、所定の投下散逸エネルギーを前記ミル装置に与えて前記セルロース含有原料を処理したときの前記粉体におけるセルロースの結晶化指数を予測する、セルロースの結晶化指数の予測方法。 A method for predicting a crystallization index of cellulose in a powder obtained by processing a cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill device,
The non-spherical medium in the mill apparatus is composed of a combined body in which a plurality of spherical particles are superposed, and the motion of the combined body is simulated by a discrete element method using a viscoelastic dynamic model, thereby Calculate the unit time dissipated energy due to all collisions occurring in
The cellulose crystallization index in the powder obtained by processing the cellulose-containing raw material by the mill apparatus under predetermined conditions is measured in advance, the crystallization index, the unit time dissipation energy, and the mill apparatus. Find the correlation with the dissipated energy calculated from the processing conditions using
Based on the correlation between the crystallization index and the dropped dissipation energy, cellulose is used to predict the crystallization index of cellulose in the powder when the cellulose-containing raw material is processed by applying a predetermined dropped dissipation energy to the mill device. Of predicting the crystallization index of
投下散逸エネルギー=単位時間散逸エネルギー×処理時間/仕込み量 (I) The processing using the mill apparatus is performed in a batch system, and the dropped energy dissipation is calculated by the following formula (I) from the processing time and preparation amount, which are the conditions of the batch processing, and the unit time energy dissipation. The prediction method according to claim 1.
Dissipated energy = unit time dissipated energy x processing time / amount charged (I)
投下散逸エネルギー=単位時間散逸エネルギー/時間当たりフィード量(II) The processing using the mill apparatus is performed continuously, and the dropped energy dissipation is calculated by the following equation (II) from the feed amount per hour which is the condition of the continuous processing and the unit time energy dissipation. The prediction method according to claim 1.
Dissipated energy = unit time dissipated energy / feed amount per hour (II)
前記ミル装置における非球形媒体を、複数の球形粒子を重ね合わせた結合体で構成し、該結合体の運動を、粘弾性力学モデルを用いた離散要素法によりシミュレーションすることで、該ミル装置内で生じるすべての衝突に起因する単位時間散逸エネルギーを算出し、
所定の条件下に前記ミル装置によってセルロース含有原料を処理して得られた粉体におけるセルロースの結晶化指数を予め実測しておき、該結晶化指数と、前記単位時間散逸エネルギー及び前記ミル装置を用いた処理条件から算出される投下散逸エネルギーとの相関を求め、
前記結晶化指数と前記投下散逸エネルギーとの相関に基づき、前記粉体におけるセルロースの結晶化指数を目標値まで低減するのに要する投下散逸エネルギーを予測する、投下散逸エネルギーの予測方法。 This is a method for predicting dropped energy, which processes the cellulose-containing raw material using a container-driven medium mill and predicts the dropped energy required to reduce the crystallization index of cellulose to the target value in the powder obtained by the treatment. There,
The non-spherical medium in the mill apparatus is composed of a combined body in which a plurality of spherical particles are superposed, and the motion of the combined body is simulated by a discrete element method using a viscoelastic dynamic model, thereby Calculate the unit time dissipated energy due to all collisions occurring in
The cellulose crystallization index in the powder obtained by processing the cellulose-containing raw material by the mill apparatus under predetermined conditions is measured in advance, the crystallization index, the unit time dissipation energy, and the mill apparatus Find the correlation with the dissipated energy calculated from the processing conditions used,
A method for predicting dropped energy, which predicts dropped energy required for reducing the crystallization index of cellulose in the powder to a target value based on the correlation between the crystallization index and the dropped energy.
請求項8に記載の予測方法を用い、前記粉体における前記セルロースの結晶化指数が前記目標値まで低下するのに要する投下散逸エネルギーを予測し、
予測された投下散逸エネルギーが発生する処理条件に設定された前記ミル装置を用いてセルロース含有原料を処理する、粉体の製造方法。 A method of producing a powder in which a cellulose-containing raw material is processed using a container-driven medium mill device, and a crystallization index of cellulose is reduced to a target value,
Using the prediction method according to claim 8, predicting the dissipated dissipation energy required for the crystallization index of the cellulose in the powder to decrease to the target value,
A method for producing a powder, in which a cellulose-containing raw material is processed using the mill apparatus set to a processing condition in which the predicted dropped dissipation energy is generated.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011089495A JP5858635B2 (en) | 2011-04-13 | 2011-04-13 | Method for predicting the crystallization index of cellulose |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011089495A JP5858635B2 (en) | 2011-04-13 | 2011-04-13 | Method for predicting the crystallization index of cellulose |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012217973A JP2012217973A (en) | 2012-11-12 |
JP5858635B2 true JP5858635B2 (en) | 2016-02-10 |
Family
ID=47270089
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011089495A Expired - Fee Related JP5858635B2 (en) | 2011-04-13 | 2011-04-13 | Method for predicting the crystallization index of cellulose |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5858635B2 (en) |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3796027B2 (en) * | 1997-11-18 | 2006-07-12 | 積水化学工業株式会社 | Medium motion simulation device in crusher and crusher operating energy amount simulation device |
JPH11207203A (en) * | 1998-01-20 | 1999-08-03 | Sekisui Chem Co Ltd | Method of predicting noncrystallization of inorganic powder |
JP4620392B2 (en) * | 2004-06-28 | 2011-01-26 | 三進金属工業株式会社 | Tabletop hood |
JP2009234131A (en) * | 2008-03-28 | 2009-10-15 | Unitika Ltd | Production process of biaxially stretched polyamide resin film |
JP2010254798A (en) * | 2009-04-24 | 2010-11-11 | Kao Corp | Method for producing cellulose ester |
JP2011046620A (en) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Kao Corp | Method for producing mixed crushed product of hesperidin and cellulose |
-
2011
- 2011-04-13 JP JP2011089495A patent/JP5858635B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2012217973A (en) | 2012-11-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Markauskas et al. | Investigation of rice grain flow by multi-sphere particle model with rolling resistance | |
Fang et al. | Friction coefficient calibration of corn stalk particle mixtures using Plackett-Burman design and response surface methodology | |
Nammi et al. | Finite element analysis of closed-cell aluminium foam under quasi-static loading | |
Shi et al. | Determination of the coefficient of rolling friction of irregularly shaped maize particles by using discrete element method | |
Romuli et al. | Discrete element method simulation of the hulling process of Jatropha curcas L. fruits | |
Kafashan et al. | Modelling and simulation of fruit drop tests by discrete element method | |
Xie et al. | Numerical realization and structure characterization on random close packings of cuboid particles with different aspect ratios | |
Stoimenov et al. | Analysis of the particle motion during mechanical alloying using EDEM software | |
Hua et al. | Analysis of threshed rice mixture separation through vibration screen using discrete element method | |
Jangid et al. | In-situ studies toward the occurrence of “pseudoelasticity” in confined nanostructured NiTi films and its implications toward “stress buffering” during electrochemical Li-alloying/de-alloying of Si | |
JP5858635B2 (en) | Method for predicting the crystallization index of cellulose | |
Khawaja et al. | DEM study on threshing performance of “compression–oscillation” thresher | |
Fang et al. | DEM parameter acquisition and calibration of corn stalk non-spherical particles using particle trajectory tracking | |
Wada et al. | Prediction of power of a vibration rod mill during cellulose decrystallization processing by DEM | |
Zhao et al. | Modeling stationary and moving pebbles in a pebble bed reactor | |
Vemulapally et al. | Transformation plasticity provides insights into concurrent phase transformation and stress relaxation observed during electrochemical Li alloying of Sn thin film | |
Yang et al. | CFD-DEM simulation of three-dimensional aeolian sand movement | |
Karimipetanlar et al. | The influence of particle shape on crushing pattern and energy dissipation within a pressurized sand damper | |
Tian et al. | Comparative study on the screening performance of a vibrating screen with and without a kneading device, based on the discrete element method | |
MONTES-RODRÍGUEZ et al. | DEM COMPUTATIONAL SIMULATION OF THE POLISHING OF THE TAGUA (PHYTELEPHAS AEQUATORIALIS) PALM NUTS. | |
JPH11147048A (en) | Apparatus for simulating motion of motion in crusher and apparatus for simulating quantity of energy for actuating crusher | |
Zhao et al. | Experimental study and numerical simulation of the influence of ball milling on mechanical and physical properties of matcha powder | |
Grima et al. | Effect of particle properties on the discrete element simulation of wall friction | |
Ma et al. | Creep Characteristics of Corn Straw Particles Simulated Based on Burgers Model. | |
MONTES-RODRÍGUEZ et al. | MACROSTRUCTURAL PROPERTIES OF TAGUA NUTS (PHYTELEPHAS AEQUATORIALIS) FOR THE SIMULATION OF POLISHING IN MED. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140310 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150331 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150526 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20151208 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151215 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5858635 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D03 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D04 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |