JP6167165B2 - 木材の改質方法 - Google Patents

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Description

本発明は、木質材料(リグノセルロース材料)のアセチル化による化学的改質に関する。特に本発明は、木材要素のアセチル化の分野に関し、木材要素の連続アセチル化プロセス(方法)を提供する。
長寿命の木質材料を製造するため、木材を化学的に改質すること、特に木材をアセチル化することが知られている。これにより、例えば寸法安定性、硬さ、耐久性といった材料特性を改善した材料が得られる。
従来技術として、木材粒子のアセチル化のためのバッチプロセス、即ち停止/開始プロセスが知られている。しかしこのようなプロセスでは、しばしば製品の均一性が劣る結果を生じる。それは、バッチごとに特性が大きく異なり、同じ特性のバッチは2つとないからである。
木材のアセチル化を連続プロセスで行うオプションを記載した文献がいくつか存在する。例えば、EP757570には、リグノセルロース材料(Lignocellulosic Materials:LM)を、主成分として無水酢酸を含むアセチル化剤に80℃から140℃で直接接触させる第1ステップと、第1ステップでアセチル化されたLMを、ストリッパー内の反応条件下で不活性な加熱したガスと140℃より高温で直接接触させる、LMのアセチル化プロセスを開示している。またEP650998には同様のプロセスを記載している。
上記文献においては連続プロセスを実行可能という点に関しては、含浸のためのプラグスクリューフィーダ(plug screw feeder)に直列してさらに連続処理(例えば反応)を行うということに基づく。これは例えば繊維や小さな粒子のような比較的小さな寸法の木材要素のために記載されたものである。これを例えばチップやストランド(strand)等のより大きな寸法の木材要素に適用すると、一般にプラグスクリューによって寸法が小さな木材(破砕されたチップ、破砕されたストランド、破壊された繊維、より小さな粒子など)となった製品ができる。特に、チップやストランドが用いられる場合、チップやストランドを破壊/破砕しなければ異なる圧力及び/又は雰囲気のゾーンを分離するためのプラグ効果を得ることはできない。木材粒子、そして特に木材チップやストランドを、プラグスクリューフィーダを用いた場合のように粒子が損傷されることなく、連続的にアセチル化するプロセスを提供することが望まれている。
さらに、木材要素、特に木材チップをアセチル化するときに、適切な連続プロセスを提供するにあたっての技術的課題は、連続プロセスの利点と、十分に高くて均一なアセチル化という望ましい結果を両立させることである。
この分野において、木材のアセチル化度を測定する2つの異なるアプローチがある。1つはWPG(ウェイトパーセンテージゲイン:Weight Percentage Gain)に基づくものである。WPGは、アセチル化処理前後のサンプルを比較するものであり、したがってどのような付加物質(又はどのような木材中残留物質)もこの数値を大きくする。WPGは以下の式で説明される。
WPG=(M(増加)/M(反応前のサンプル))×100%。
ここで、Mは質量であり、M(増加)=M(反応後のサンプル)−M(反応前のサンプル)である。
もう1つのアプローチは、アセチル量(AC)を実際に測定するものである。ACは次式で与えられる。
AC=(M(アセチル)/M(反応後のサンプル))×100%。
典型的には、木材由来のアセチル基の鹸化による酢酸イオン濃度を定量するためにHPLC(高圧液体クロマログラフィ:high−pressure liquid chromatography)を用いることができる。これにより、アセチル化後の全質量はM(アセチル)とされる。
WPGとACの異なる結果は、次のような理論的実施例により説明できる。例えば1gの木材サンプルをアセチル化して反応後の質量が1.25gである。よってM(アセチル)は0.25gである。WPGは(1.25−1.00)/1.00×100%=25%となる。ACは(1.25−1.00)/1.25×100%=20%となる。
したがって、WPGで表されたアセチル化度とACで表されたアセチル化度とを直接比較しないように注意が必要である。本明細書では、アセチル化度としてAC値を選択する。
本発明は、木材要素のアセチル化のための連続プロセスを提供し、品質(アセチルレベルなど、及び好ましくはさらに残留酢酸レベル及び残留無水酢酸レベル)の不変性と従来のバッチプロセスに対するコスト面という利点の両立を確立することを目的とする。特に、本発明は相対的に高いアセチル化度を有するあらゆる木材要素の製造を可能とする連続アセチル化プロセスを提供することを目的とする。
木材要素のACによる20%を超えるアセチル化度を得ることは非常に困難である。従来技術では、触媒プロセスでしか達成できない。触媒アセチル化プロセスでは、アセチル化反応触媒を木材に加える。これらは、ピリジンのようにしばしば有害な化学物質であるが、また重炭酸ナトリウム、酢酸カリウム、その他の塩、特に酢酸塩が知られている。本発明は、触媒プロセスではない(非触媒プロセス)、よって木材中に異物質(触媒)残渣が残留するという欠点を除いたプロセスを提供することを目的とする。
EP757570 EP650998
上述の1以上の希望に対処するため、本発明の1つの観点において、木材要素の連続アセチル化プロセス(方法)は、次のような工程を含む。即ち、
(a)木材要素の複数のバッチに、無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を含浸させる工程であって、含浸木材要素の複数のバッチを提供する、工程と、
(b)含浸木材要素を連続的に反応チャンバに供給するように、含浸木材要素の複数のバッチを集積する工程と、
(c)反応チャンバ内で、含浸木材要素の連続的な流れをアセチル化反応条件下に置く工程であって、アセチル化された木材要素の連続的な流れを反応チャンバから排出させる、工程。
他の観点において、本発明の木材要素をアセチル化するためのプラントは、次のものを備える。
(i)1以上の含浸チャンバと、
(ii)1以上の含浸チャンバの出口に接続された入口を有する集積チャンバであって、その接続により木材要素を含浸チャンバから集積チャンバへと流すことができる集積チャンバと、
(iii)集積チャンバの出口に接続された入口を有する反応チャンバであって、その接続により木材要素を集積チャンバから反応チャンバへと流すことができ、反応チャンバは木材要素を入口から反応チャンバの出口へ連続的に搬送するように構成されている反応チャンバ。
更に他の観点において、本発明は、非触媒アセチル化プロセスによって得られる、好ましくはチップ、ストランド、又は粒子であるアセチル化された木材要素であって、このアセチル化された木材要素は、アセチル量(AC)が少なくとも20.5%、好ましくは少なくとも21%、特にACが21%から26%である。
さらに他の観点において、本発明に係る木材要素の連続アセチル化プロセス(方法)は、次の工程を含む。即ち、
(a)無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を、下記に定義するリテインドウェイトゲイン(Retained Weight Gain)が少なくとも20%となるように含浸させた木材要素を提供する工程と、
(b)含浸木材要素を反応チャンバに導入する工程と、
(c)反応チャンバ内で、含浸木材要素の連続的な流れをアセチル化反応条件下に置く工程であって、アセチル化された木材要素の連続的な流れを反応チャンバから排出させる、工程。
本発明に係るプロセス及びプラントのフロースキームを示す概略図である。図中の符号の意味は以下の通りである。(1)木材要素の流入、図では、木材要素の流れは投入用ホッパー−スクリュー結合体に受け入れられる。(2)周辺環境から隔絶可能な含浸チャンバ。(3)真空接続。(4)アセチル化液供給及び加圧接続。(5)集積チャンバ(5a)含浸木材要素の集積、貯蔵容器。(5b)含浸木材要素を反応チャンバに供給させる集積チャンバの出口。(5c)余剰液を分離するためのドレーン。(6)ファーストインファーストアウト(先入れ先出し)原理による連続反応チャンバ。(7)アセチル化された木材要素の排出流れ。
本発明は、広い意味で、木材要素の最適な連続アセチル化プロセスは、アセチル化流体をバッチ式に含浸させることから開始することで実現できるという注意深い考察に基づいている。
このプロセスを検討するには、次の基本的定義を考慮する必要がある。
含浸チャンバは、容器(ベッセル)あるいは木材要素を保持してアセチル化流体と接触させるのに適したコンテナである。好ましくは、含浸チャンバは周囲の環境から隔絶されることができ、加圧下と同様減圧下で運転でき、好ましくは真空下で運転できる。一般には、含浸チャンバには固体を満たすことができ、真空引きができ、液体を満たすことができ、加圧することができるベッセルである。そのようなベッセルは当業者には公知である。ベッセルからは、含浸チップを含む液体を、含浸チップを損傷することなく排出できる。そのため、比較的大きな排出口(例えば200から500mm)を有し、好ましくは10°から25°の安息角を有し、比較的低い表面荒さ(好ましくは0.1μmから5μm、より好ましくは0.5μmから2μm)を有する円錐形状のベッセルを用いることが好ましい。
含浸は、好ましくはベテル式(Bethel type)木材含浸プロセスを行うことが適切である。ベテルプロセスでは、木材は真空チャンバに置かれ、木材から空気を除くために真空引きされる。次に活性成分(本発明ではアセチル化流体)が真空下でチャンバに供給される。チャンバに液体を満たしたあと、通常250ポンド/平方インチ(psi)まで、好ましくは150psiから200psiの圧力をかけることができる。圧力を除去して木材を再び大気圧に置く。この方式のプロセスは、望ましい最大限のアセチルレベルに直接関係すると信じられている最大限の含浸量が通常得られるという点で好ましい。
しかし含浸後のアセチル化流体の最大吸収量が初期の目標でなかった場合は、より経済的な含浸プロセスが利用できる。木材含浸の分野の当業者に公知の例として、いわゆるローリーとルーピングのプロセス(Lowry and Rueping processes)がある。このプロセスは最初の真空引きを必要としない。そのかわり、含浸流体を木材の奥深くへ加圧下で押し込む。木材中の圧縮されたガスは、圧力が解放された時に膨張し、余剰の防腐剤を木材から排出する。
またローリーとルーピングのプロセスとは異なる、例えばスプレイ法を用いることができる。後者は、木材の完全連続アセチル化プロセスに代表的に用いられるが、相対的に低いアセチルレベルしか得られないという欠点がある。本発明の1つの利点は、反応条件にかかわらず含浸条件を自由に選択でき、逆もまたしかりという点である。
集積チャンバは、ベッセル、ファンネル、あるいは含浸木材要素を集積し貯蔵するのに適したどのような装置でもよい。集積チャンバは、適用した場合、1以上の含浸チャンバから含浸木材要素を受け入れることができる入口を有する。集積チャンバは、適用した場合、反応チャンバに含浸木材要素を送出するための出口を有する。集積チャンバはファンネル型形状を有することが好ましい。これにより、技術的に簡単な方法で、適切な入口、含浸木材要素のバッファ量を保持する適切な場所、及び制御された量の含浸木材要素量を反応チャンバに送出することができる出口を提供する。集積チャンバは、特に、含浸チャンバから反応チャンバに搬出する量のピークを平坦化するための受入れベッセルとして機能し、さらにチップとアセチル化流体とのより長い浸漬接触時間を許容し、結果として木材チップ材のさらなる膨潤によりアセチル化流体の吸収を増加させる。さらに、集積チャンバ(受入れ/バッファベッセルともいう)内では、連続反応炉に搬送されている最中の含浸木材要素から余剰の液体が分離される。また、集積チャンバはさらなる温度調節を行うために用いられ得る。
反応チャンバは、ベッセル、反応炉、又はアセチル化流体を含浸させた木材要素を反応条件下に置いて木材をアセチル化するのに適したどのような装置でもよい。本発明において反応チャンバは、バッチ式アセチル化プロセスに用いられる反応チャンバとは異なり、連続反応炉として運転される。興味深い実施形態として、反応チャンバは、異なる温度の2以上のゾーン(領域)で運転される。これは、アセチル化反応の過程で木材要素に与熱するのを最適化するのに適した手段である。好ましくは2つ〜5つのゾーンが適用される。当業者は、望ましい加熱手法、即ちゾーン数、各ゾーン内での加熱温度、各ゾーン内での実効滞留時間を決定することができる。正確な最適化は、アセチル化する木材のタイプや形状とアセチル化のために選択された特定の装置といった環境に依存することが理解されるであろう。
適切な反応炉は、木材のアセチル化の分野で公知の液体又は気相反応炉であるが、これに限定されない。気相反応炉が好ましい。この種の反応炉は、含浸させた木材要素を、高温下であるが比較的低い圧力下におくことができる。その結果、一般に気相型反応炉は液体型反応炉に比較して滞留時間をより長くすることができ、アセチル化レベルに寄与する。また、気相型反応炉内では木材要素は酢酸を洗い出しにくい。液体型反応炉(即ち含浸粒子から余剰の液を分離しない反応炉)を用いる場合、酢酸を洗い出すことで周囲のアセチル化流体中の無水酢酸濃度の低下を引き起こす。また、木材の望ましい成分としての樹脂は、液体型反応炉よりも気相型反応炉のほうでよく保持される。
連続運転に適するようにするため、反応チャンバは集積チャンバに接続される入口を有する。集積チャンバを省略する場合は、反応チャンバは複数の含浸チャンバに接続される。反応チャンバそれ自体は、含浸木材要素の受入れと、アセチル化された木材要素の排出とが連続するように設計される。これはさまざまな方法で実現され、重力又は機械力、もしくはその両方で制御される。好ましくは、木材要素はプラグフロー(押し出し流れ)の原理、つまり「ファーストインファーストアウト(先入れ先出し)」という原理によって搬送される。
反応チャンバは、垂直方向に配置したプラグフロー反応炉を含むことができ、木材要素はこの中を下方に向かってアセチル化流体を通過していく。単純な重力流の例は、入口が出口よりも高く配置されているという点で、傾いた反応チャンバである。その結果、木材要素は、アセチル化条件に置かれながら、重力により入口から出口へと流れる。機械力の例は、木材要素を入口から出口まで搬送するためのスクリューコンベヤを含む反応チャンバである。1つの実施形態として、搬送力はスクリューによって与えられる機械力と、入口を出口より高くすることにより得られる重力とのコンビネーションで与えられる。最も好ましくは、実質的に水平のスクリューを持つスクリューコンベヤを用いることであり、これにより搬送はすべて機械的に運転されるスクリューで制御され、重力の影響は受けない。単一又は複数のいずれのスクリューコンベヤを用いることができる。
本発明のプロセスは、特に相対的に高いアセチルレベルでアセチル化された木材要素を得るのに適している。アセチルレベルは好ましくは18%より高く、より好ましくは少なくとも20.5%であり、より好ましくは21%より高く、さらに好ましくは21%から26%である。このパーセントはAC値である。
理論に拘束されるわけではないが、連続アセチル化プロセスでこのような高いレベルを得る可能性は、実際のアセチル化工程で独立して調整される、バッチ式含浸のプロセス条件の注意深い選択によって第一に決まると本願の発明者らは考えている。
上述の通り、含浸は最大の含浸量(理論的には木材要素が完全に含浸流体で飽和したことを意味する)が得られるように行われるが、最大値に達しない方法でも行われる。
特に、上記のバッチ式含浸は容易に到達可能な空隙のみならず、より到達困難な場所にも含浸した木材要素を得ることができると発明者らは考えている。後者の場所は、いったん含浸すると、そのアセチル化流体をかなりの程度保持する事実から区別できる。この保持の性質は、木材のマトリックスとの可能性のある物理的相互作用のみならず、木材との化学的相互作用に基づくものであろう。この種の含浸が発生したかどうかは、リテインドウェイトゲイン(RWG)を参考にして決定される。
RWGは以下のようにして測定できる。
−参照値は、空重量が判明している内径80mm、内高90mmのガラス製シリンダに入れた木材要素の質量である。まず、シリンダに木材要素を自由流動状態(つまり振とうやシリンダ内への押し込みをしない)で満たし、過剰の木材要素(縁を超えて出た木材要素)をスパチュラで穏やかにふきとる。次に、満たしたシリンダを秤量し、シリンダの空重量を引いて木材要素の質量(参照値)を求める。
−RWG試験において、上記のシリンダに含浸木材要素を上記のような方法で満たす。
−シリンダの中身を、直径140mm、高さ240mmのビーカーに移す。
−木材要素を満たした上記ビーカーを160℃にセットして予熱した自然対流オーブンに入れ、45分間保持する。
−ビーカーをオーブンから取出し、満たしたシリンダを秤量し、シリンダの空重量を引いて木材要素の質量(試験値)を求める。
上記試験方法において、含浸木材要素はオーブンに入れる前に、含浸から出たときの温度に保っておく。含浸から出る、というのは、木材要素が反応チャンバ内でアセチル化反応条件に置かれる前の最終工程から出る、と理解するべきである。
RWG(%)は以下の式で計算される。
(M(試験値)(g)−M(参照値)(g))/M(参照値)(g)×100%
木材要素の代表的なサンプルが得られるか、あるいは問題とする期間において木材要素のバッチのRWGの平均値が得られるような何らかの方法で、木材要素をサンプルしてRWGを測定することが好ましい。
他の実施形態において、RWGは木材要素の1つの同じバッチのRWGであり、これをRWG*で示す。ここで、参照値を決定するために用いられた木材要素は、上記の通り、含浸し、加熱するために用いられる、木材要素そのものであり、同じ木材要素の試験値を測定するために秤量される。
木材要素は、下記の表に示すような要素である。参照値と試験値は、同じタイプの木材要素で測定されたものであると理解される。木材要素は、チップ、ストランド、粒子が好ましく、チップがより好ましい。
これに関連して、本発明は次のような工程を含む木材要素のアセチル化プロセスに関する。
(a)無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を、上記の定義によるRWGで少なくとも20%となるように含浸させた木材要素を提供する工程と、
(b)含浸木材要素を反応チャンバに導入する工程と、
(c)反応チャンバ内で含浸木材要素を連続的な流れをアセチル化反応条件下に置き、アセチル化された木材要素を反応チャンバから連続的に排出する流れを提供する工程。
このプロセスでは、反応チャンバ内に導入された木材要素は、好ましくは少なくとも30%のRWG、より好ましくは少なくとも40%のRWGを有する。特に好ましくは、供給される木材要素は40%から50%のRWGを有する。この観点で、本発明は(バッチ又は連続的な)含浸工程にかかわらず要求されるRWG値を有する木材要素を連続アセチル化プロセスに供給するという注意深い選択に基づくものであることが理解される。
さらなる利点として、本発明は分布の狭い高いアセチル化レベルを得ることができる。つまり、プラグフローの原理を用いた連続的アセチル化プロセスを特に選択することにより、種々のアセチル化条件下において木材要素全体でみると、滞留時間の分布が相対的に狭い、一定したアセチル化を得ることができる。
木材要素の好ましい高いアセチルレベルを得るために、反応チャンバは十分な滞留時間と、さらに、搬送される要素にわたって狭い滞留時間分布を有する必要がある。後者は、残留酢酸及び無水酢酸レベルのみならずアセチルレベルの均一性のよい製品を提供するために特に役立つ。さらに、反応チャンバはできるだけ穏やかに運転することが好ましい。アセチル化プロセス全体にわたって、木材要素の形状(特にチップやストランド)を最適に保持するためである。
典型的な完全連続プロセスの利点と同様、本発明は、含浸は最適な含浸条件下で行われる。つまり適切な圧力及び温度条件で、十分長い保持時間で行われる。本発明はまた、完全にバッチ式の利点と同様、より均一な方法でアセチル化反応を実行する可能性を与えるとともに、連続生産による一般的な経済的利益も与える。
本発明によれば、全体のプロセスでアセチル化された木材要素の連続的生産が行なわれる。これは、含浸木材要素を反応チャンバに連続的に供給できるような方法で集積することにより達成される。そのためにいくつかの方法を用いることができる。
1つは、複数の含浸チャンバを並行して運転することである。これにより、すべての時間において、このうちの1つのチャンバから含浸木材要素を反応チャンバに供給することができる。例えば、3つの含浸チャンバ(A)、(B)、(C)を用いて行うことができる。これにより、チャンバ(A)から含浸要素を取出し、その間にチャンバ(B)では木材要素を含浸させ、チャンバ(C)では含浸させる要素を受け入れる。次に、チャンバ(B)から取出し、その間にチャンバ(C)ではバッチを含浸させ、チャンバ(A)では受け入れる。この実施形態では、より多くの含浸チャンバを運転して、受け入れと取出しの間に長い含浸時間を可能とすることが好ましい。好ましい含浸チャンバの数は1−15であり、より好ましくは1−4である。
好ましい実施形態において、含浸木材要素は直接反応チャンバに供給するのではなく、集積チャンバ、好ましくはファンネルタイプの容器に集積される。これは上記の複数の含浸チャンバから行うことができる。しかし集積チャンバを用いることにより、含浸を1つの反応チャンバで行うことができるという利点がある。連続アセチル化プロセス運転のためのただ1つの要求は、集積チャンバには、含浸木材要素を反応チャンバへ連続的に供給できるように、含浸木材要素が十分な速度で供給されることである。したがって、集積チャンバは相対的に大きな容量、例えば含浸チャンバの1−15倍の容量を持つことが有利である。あるいは、集積チャンバの特徴は複数の含浸チャンバの特徴と結合される。
木材ベースの材料の形状は、限定するわけではないが、木材チップ、木材ストランド、木材粒子等であり、以下「木材要素」という。本発明のプロセス及びプラントは、耐久性のある、及び耐久性のない硬木だけでなく、耐久性のある、及び耐久性のない軟木のアセチル化に利用できる。好ましい木材要素は、例えば針葉樹(coniferous trees)、典型的なトウヒ(typically spruce)、マツ(pine)又はモミ(fir)などの耐久性のない軟木種、又は耐久性のない硬木である。好ましい木種は、トウヒ(spruce)、ベイトウヒ(sitka spruce)、海洋性マツ(maritime pine)、ヨーロッパアカマツ(scots pine)、ラジアータパイン(radiata pine)、ユーカリ(eucalyptus)、レッドアルダー(red alder)、ヨーロッパアルダー(European alder)、ブナ(beech)及びカバ(birch)である。
本発明に係る木材要素の典型的寸法は下表に示すとおりである。
Figure 0006167165
本発明のプロセスの利点は、木材のチップ、ストランド、又は粒子の場合に最大限に発揮される。最も好ましい木材要素は、木材チップである。
同じサイズ範囲の木材要素を用いることは、均一な質量流れを促進するために好ましい。
含浸前の水分含有量が15質量%未満の木材要素を供給することが好ましい。これは、より高い水分含有量の木材要素を事前に乾燥することにより得られる。事前乾燥は、木材分野で公知のあらゆる方法を連続又はバッチプロセスで行うことができる。好ましくは、木材要素の水分含有量は8%未満であり、更に好ましくは0.01%から5%の範囲であり、さらに好ましくは0.5%から4%の範囲である。
含浸中は、要素をアセチル化流体と接触させて、続くアセチル化のために木材要素に十分な流体を吸収させる。アセチル化流体は好ましくは無水酢酸及び/又は酢酸を含み、好ましくは無水酢酸と酢酸の混合物である。好ましい実施形態において、アセチル化流体は40−100重量%の無水酢酸と0−60重量%の酢酸を含む。この範囲の中で、75−95重量%の無水酢酸と5−25重量%の酢酸の混合物が有利であることが判明している。
含浸中の好ましい温度範囲は20℃から180℃である。要素対流体の比率は好ましくは少なくとも1対4である。無水物過剰の無水物/酸混合物の場合、好ましい温度は60℃から90℃である。
反応チャンバに入れる前に、含浸木材要素から余剰の液体を分離することが好ましい。これは上述の集積チャンバで行うことがより好ましい。「余剰」とは、木材に含浸されなかったアセチル化流体を意味する。それは反応炉から、自由排出又は他の技術のうち効果的な方法で除去される。この工程で、続くアセチル化のための十分な流体が要素内部に保持される。
反応チャンバ内では、「ファーストインファーストアウト」原理に従って、連続アセチル化のための反応炉内で含浸木材要素がアセチル化される。アセチル化反応炉内での木材要素の滞留時間は、要素の望ましい改質レベル、例えばアセチル化度を得るために制御される。要求される滞留時間はアセチル化温度にも依存するであろう。アセチル化温度は100−200℃であり、好ましくは135−180℃である。好ましくはアセチル化工程は1から300分間行われ、さらに好ましくは30から180分間行われる。
本プロセスのアセチル化は、アセチル化流体の大気圧での沸点よりも高い温度で行うことが好ましいが、反応炉内の全ガス圧は大気圧前後であることが好ましい。このような高い温度によってアセチル化プロセスが著しく加速される。したがって、連続プロセスでのアセチル化温度は135℃−180℃の範囲が好ましい。
反応に対する蒸発の比率は、反応チャンバ内の圧力レベルで調整できる。ある反応温度でより高圧にすることは、実質的に同じ反応速度において蒸発速度がより遅くなることを意味する。反応チャンバ内での圧力を−0.40bar(ゲージ圧)から3bar(ゲージ圧)の範囲に保つことが好ましく、さらに好ましくは−0.2bar(ゲージ圧)から1bar(ゲージ圧)の範囲、さらには−0.1bar(ゲージ圧)から0.5bar(ゲージ圧)の範囲が好ましい。
1つの実施形態において、含浸され、余剰の液体を除去した木材要素を満たしたスクリューコンベヤを用いることで、「ファーストインファーストアウト」原理を満足する。好ましくは水平に配置したスクリューを穏やかに回転させることで、木材要素の損耗を回避できる。これによりプロセス中の要素の品質を良くすることができる。1つの実施形態において、反応炉に2つの平行なスクリューコンベヤを含むことで、反応炉の有効容積を増加させることができる。
アセチル化中の温度は加熱されたガスループで制御できる。加熱ガスループは、無水酢酸及び/又は酢酸で少なくとも部分的に飽和させた、又は過熱した酢酸及び/又は無水酢酸のガスを含む。不活性ガスとはアセチル化反応に寄与しないガスであり、窒素、二酸化炭素、又は燃焼排ガスが好ましい。他の実施形態において、スクリューコンベヤ反応炉はスクリュー軸とコンベヤケーシングを有し、アセチル化温度はそのスクリュー軸及び/又はコンベヤケーシングを加熱することによって制御される。この実施形態においては、含浸木材要素はスクリュー軸及び/又はコンベヤケーシングで直接加熱される。この加熱は、スチーム、オイル、又は電気で行われうる。他の実施形態において、加熱は加熱ガスループとスクリュー軸及びコンベヤケーシング加熱の組合せで行われうる。
反応炉内の木材要素の加熱により、反応のみならず部分的な乾燥も生じる。典型的には100%から200%であるチップの初期液体含有量は、プロセスのあいだに実効的なアセチル化を事実上妨げることなく、0.5%から100%まで減少しうる。
望むならば、アセチル化のあと、アセチル化された改質木材要素は産業上公知の方法で所望の液体含有量まで乾燥しうる。アセチル化された木材要素の乾燥は、例えば過熱蒸気、熱い窒素、二酸化炭素、及び/又は燃焼排ガス、あるいは真空により都合良く実行できる。
興味深い実施形態として、発明者らは、含浸木材要素の連続アセチル化に好ましい装置はまた、一般にアセチル化された要素の事後乾燥にも用いることができるということを実証した。よって例えば1台のスクリューコンベヤをアセチル化に用い、次のスクリューコンベヤを乾燥に用いることができる。他の実施形態において、反応チャンバはアセチル化後の乾燥器としても機能するように運転される。これにより、別の専用の事後/乾燥ユニットを設ける必要がなくなる。
好ましい実施形態において、反応チャンバはスクリューコンベヤで、事後乾燥はいわゆるトレイ乾燥器を用いて行われる。他の好ましい実施形態において、トレイ乾燥器は反応チャンバとしても用いられる。これは1つの利点として最適に穏やかにアセチル化運転を行うことができる。他の配列もまた用いることができる。
適切なスクリューコンベヤは、1つのスクリューと複数の、好ましくは2つの平行なスクリューコンベヤを有する。そのような装置は当業者には公知である。反応チャンバとしても用いることができる、適切な乾燥器の例は、ホットプレート乾燥器、対流熱乾燥器、真空プレート乾燥器、ディスク乾燥器、トレイ乾燥器、ベルト乾燥器(多ベルト乾燥器、真空ベルト乾燥器、低温ベルト乾燥器を含む)、真空ドラム乾燥器を含む連続回転ドラム乾燥器、抽出列(extraction trains)、スクリュー乾燥器である。
反応チャンバに適した他の装置は、浸漬型抽出機及び透過型抽出機である。
高圧液体クロマトグラフィ(HPLC)で測定されるアセチル化レベルが17%から26%の木材要素は本発明により容易に得られる。HPLCは、アセチル基の鹸化によって生じる酢酸イオン濃度を定量するのに用いる。
本発明のプロセスにより、従来の連続アセチル化プロセスでは得られなかったアセチル量を有する木材要素、特に木材チップ又はストランドを生産することができる。バッチプロセスによる最適な含浸と、連続プロセス内で含浸要素全体によく分散された最適な反応の注意深い組合せにより、15%から25%という好ましいアセチル化レベル(「アセチル量」で示される)を達成できる。特に、本発明のプロセスにより、連続プロセスや非触媒アセチル化プロセスではこれまで達成できなかったアセチルレベルのアセチル化された木材要素を生産することができる。
これに関して、本発明はまた非触媒アセチル化プロセスで得られるアセチル化された木材要素、好ましくはチップ、ストランド、又は粒子であって、アセチル量(AC)が少なくとも20.5%、好ましくは少なくとも21%、特にACが21%から26%のアセチル化された木材要素に関する。
特に非触媒アセチル化プロセスによって得られるアセチル化された木材要素の好ましい形態として、本発明はアセチル化された木材要素、好ましくはチップ、ストランド、粒子で実質的に残留アセチル化触媒を含まず、アセチル量(AC)が少なくとも20.5%、好ましくは少なくとも21%、特にACが21%から26%のアセチル化された木材要素に関する。残留アセチル化触媒は、特にピリジンのような有機塩基、重炭酸ナトリウムのような塩、又は酢酸カリウムを含む酢酸塩からなる。このような残留触媒がアセチル化された木材に実質的に含まれていないということが、非触媒アセチル化プロセスの結果を定義する。触媒プロセスで得られたアセチル化木材は、通常はそのような残留物が(たとえppmスケールでも)避けられない。これまでは上記のようなACのアセチル化量、特にアセチル化された木材中の21%より高い、特にAC21%から26%を達成することはできなかった。
残留触媒は一般的に木材要素の厚さ全体にわたって存在が確認される。
本発明に係るプロセスは、特により高いアセチル化量及び/又は速い反応を望む場合は触媒アセチル化プロセスとして実行できることを留意されたい。
本発明に係るアセチル化された木材要素は、精製して中密度繊維板(Medium Density Fibreboard:MDF)、配向性ストランド板(Oriented strand Board:OSB)、又は粒子板といった板材に有用に加工される。このような板材は、アセチル化されていない木材要素から得られた板材に比べて、優れた寸法安定性、耐久性、紫外線安定性、熱伝導性を有することとなる。
本発明を以下の非限定的実施例によって説明する。
(実施例1)
大部分のチップサイズが約2.5cm×1.5cm×1cmのベイトウヒ(Sitka Spruce)チップ材を対流式木材乾燥キルンで乾燥させて水分含有量を2.4%(水分の重量/完全に乾燥した木材チップの重量)まで低減する。このチップ材を含浸チャンバに入れる前に、含浸チャンバを−0.9bar(ゲージ圧)まで減圧してその前の含浸バッチで残留していた可能性のある有機流体を除去する。この減圧工程の後、乾燥チップ材をこの含浸ベッセルに供給する。続いてチップで満たした含浸チャンバを−0.9bar(ゲージ圧)に真空引きし、その後130℃に加熱したアセチル化流体(無水酢酸と酢酸の重量比が90/10)を真空引きした含浸ベッセルに添加する。加熱したアセチル化流体を満たすときは減圧を持続しながら行う。チップをこの加熱したアセチル化流体で完全に浸漬したあと、含浸ベッセルを10bar(ゲージ圧)で1分間加圧する。この加圧含浸工程の後、圧力を事実上0bar(ゲージ圧)に戻し、材を次のプロセス工程、即ちシリンダ型集積ベッセル内で余剰のアセチル化液体を重力でドレーンする工程、へ搬送する。この集積ベッセル工程から含浸チップが反応チャンバに連続的に供給される。この反応チャンバはスクリューを装備した水平シリンダで、それに加熱した含浸液を含むチップが供給される。水平シリンダには、反応圧力を事実上0bar(ゲージ圧)に保つため、加熱ガスループと凝縮システムが装備されている。反応している含浸チップを通過する加熱ガスは、無水酢酸と酢酸の混合物を含む。加熱ガスループの温度は135℃に制御されている。このアセチル化条件は事実上0bar(ゲージ圧)で連続的に運転される。この反応ベッセル内で225分間滞留したあと、チップはHPLCで測定したアセチル量が22.5%という高さでアセチル化される。アセチル化反応工程の後、アセチル化されたチップは、残留無水酢酸と残留酢酸の合計量が0.4%未満になるまで除去するために減圧下で130℃で乾燥される。
(実施例2)
大部分の粒子サイズが約1cm×0.5cm×0.5cmのベイトウヒ(Sitka Spruce)木材粒子を対流式木材乾燥キルンで乾燥させて水分含有量を3%(水分の重量/完全に乾燥した木材粒子の重量)まで低減する。
乾燥した粒子を含浸ベッセルに供給し、次いで−0.9bar(ゲージ圧)まで減圧する。減圧ののち、この減圧した含浸ベッセルに70℃に加熱したアセチル化流体(無水酢酸と酢酸の重量比が90/10)を添加する。加熱したアセチル化流体を満たすときは減圧を持続しながら行う。粒子をこの加熱したアセチル化流体で完全に浸漬したあと、含浸ベッセルを10bar(ゲージ圧)で1分間加圧する。この加圧含浸工程の後、圧力を事実上0bar(ゲージ圧)に戻し、材を次のプロセス工程、即ちシリンダ型集積ベッセル内で余剰のアセチル化液体を重力でドレーンする工程、へ搬送する。この集積ベッセル工程から含浸木材粒子が反応チャンバに連続的に供給される。この反応チャンバはスクリューを装備した水平シリンダで、それに加熱した含浸液を含む粒子が供給される。水平シリンダには、反応圧力を保つため、加熱ガスループと凝縮システムが装備されている。含浸粒子を通過する加熱ガスは、無水酢酸と酢酸の混合物を含む。加熱ガスループの温度は135℃に制御されている。このアセチル化条件は事実上1bar(ゲージ圧)で連続的に運転される。この反応ベッセル内で120分間滞留したあと、木材粒子は、HPLCで測定されたように、21.9%までアセチル化されている。アセチル化反応工程の後、アセチル化されたチップは、残留無水酢酸と残留酢酸の合計量が0.4%未満になるまで除去するために減圧下で130℃で乾燥される。
(実施例3)
この実施例では、大部分のストランドサイズが約10cm×4cm×0.1cmのサザンイエローパイン(Southern Yellow Pine)ストランドを対流式木材乾燥キルンで乾燥させて水分含有量を2%まで低減する。
乾燥ストランド材を含浸ベッセルに供給して満たしたあと、ストランドを満たした含侵ベッセルを−0.95bar(ゲージ圧)で10分間減圧する。そののち、この減圧した含浸ベッセルに70℃に加熱したアセチル化流体(無水酢酸と酢酸の重量比が90/10)を添加する。添加は持続した真空引きのもとで行われる。加熱したアセチル化流体の添加は、ストランドを完全にこの液体に浸漬するまで行われる。ストランドを加熱したアセチル化流体に完全に浸漬した後、含浸ベッセルを10bar(ゲージ圧)で10分間加圧する。続いて含浸ベッセルを減圧して再び10bar(ゲージ圧)で10分間加圧する。このような交互の含浸工程の後、含浸ベッセルと集積チャンバとのあいだの圧力が均一化される。集積チャンバは事実上2bar(ゲージ圧)で運転されているからである。含浸ベッセルの底部のバルブを開くと、余剰の液体とともに含浸ストランドのバッチが集積チャンバに落下する。上向きに傾斜した搬送スクリューによって含浸ストランドを搬送することにより、ストランドと余剰のアセチル化流体を分離することができる。反応ベッセルに供給される排出された含浸ストランドは、乾燥木材ストランド1kgあたり約1.6−1.8kgのアセチル化液を含む。余剰アセチル化液を分離した後、ストランドは反応ベッセルに導入される。反応ベッセルは、加熱水平ダブルスクリューにストランドが120分滞留するように回転する、加熱水平ダブルスクリューから構成される。この水平ダブルスクリューは加熱ガスループを備える。反応している含浸ストランドを通過する加熱ガスは、無水酢酸と酢酸の混合物を含む。加熱ガスループの温度は135℃に制御され、このアセチル化条件が事実上2bar(ゲージ圧)で連続的に運転される。反応ベッセル内での120分間の滞留時間の後、ストランドのアセチル量は21.2±0.1%となる。アセチル化反応工程の後、アセチル化されたストランドは、残留無水酢酸と残留酢酸の合計量が0.9%未満になるまで除去するために減圧下で130℃で乾燥される。
(付記1)
(a)木材要素の複数のバッチに、無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を含浸させる工程であって、含浸木材要素の複数のバッチを提供する、工程と、
(b)含浸木材要素を連続的に反応チャンバに供給するように、前記含浸木材要素の複数のバッチを集積する工程と、
(c)前記反応チャンバ内で、含浸木材要素の連続的な流れをアセチル化反応条件下に置く工程であって、アセチル化された木材要素の連続的な流れを前記反応チャンバから排出させる、工程と、
を含む、木材要素の連続アセチル化方法。
(付記2)
前記アセチル化された木材要素の複数のバッチを集積する工程は、集積チャンバ、好ましくはファンネル型形状の集積チャンバ内で行われる、付記1に記載の方法。
(付記3)
前記集積チャンバ内で、余剰の含浸液が前記含浸木材要素から除去される、付記1又は2に記載の方法。
(付記4)
(a)無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を、本明細書に定義するリテインドウェイトゲイン(Retained Weight Gain:RWG)が少なくとも20%となるように含浸させた木材要素を提供する工程と、
(b)前記含浸木材要素を反応チャンバに導入し、当該含浸木材要素を当該反応チャンバ内でアセチル化反応条件下に置く工程と、
(c)アセチル化された木材要素の連続的な流れを前記反応チャンバから取り出す工程と、
を含む、木材要素の連続アセチル化方法。
(付記5)
前記含浸木材要素は連続的に前記反応チャンバに導入される、付記1から4のいずれか一に記載の方法。
(付記6)
前記木材要素は前記反応チャンバ内をプラグフローで流れる、付記1から5のいずれか一に記載の方法。
(付記7)
(d)前記アセチル化された木材要素を、当該木材要素から未反応のアセチル化流体を除去するために乾燥する工程、をさらに含む、付記1から6のいずれか一に記載の方法。
(付記8)
(e)アセチル化された木材要素の連続的な流れを、工程(d)(の乾燥装置)から取り出す工程、をさらに含む、付記7に記載の方法。
(付記9)
前記反応チャンバは、ダブル平行スクリューコンベヤなどの水平スクリューコンベヤを備える、付記1から8のいずれか一に記載の方法。
(付記10)
工程(a)に供する前記木材要素の水分含有量は、8重量%未満であり、好ましくは0.01%から5%である、付記1から9のいずれか一に記載の方法。
(付記11)
前記アセチル化流体は、40重量%から100重量%の無水酢酸と、0重量%から60重量%の酢酸と、を含む、付記1から10のいずれか一に記載の方法。
(付記12)
工程(c)のアセチル化温度は、前記アセチル化流体の大気圧での沸点よりも高い、付記1から11のいずれか一に記載の方法。
(付記13)
工程(c)の前記アセチル化は、2つから5つの温度ゾーンで行われる、付記1から12のいずれか一に記載の方法。
(付記14)
工程(c)のアセチル化温度は、少なくとも部分的に無水酢酸及び/又は酢酸で飽和したガスを含む加熱ガスループ、加熱されたマントル、加熱された軸、及びこれらの組合せの中から選択される、周辺加熱によって制御される、付記1から13のいずれか一に記載の方法。
(付記15)
(i)1以上の含浸チャンバと、
(ii)前記1以上の含浸チャンバの出口に接続された入口を有する集積チャンバであって、前記接続により木材要素を前記含浸チャンバから当該集積チャンバへと流すことが可能な集積チャンバと、
(iii)前記集積チャンバの前記出口に接続された入口を有する反応チャンバであって、前記接続により木材要素を前記集積チャンバから当該反応チャンバへと流すことが可能であり、当該反応チャンバは木材要素を前記入口から当該反応チャンバの出口へ連続的に搬送するように構成されている反応チャンバと、
を備える木材要素のアセチル化のためのプラント。
(付記16)
前記反応チャンバ内での連続的搬送は、スクリューコンベヤで行われる、付記15に記載のプラント。
(付記17)
前記反応チャンバは乾燥器、好ましくはトレイ乾燥器、ベルト乾燥器、抽出列、スクリュー乾燥器、及びプレート乾燥器からなる群から選択される乾燥器である、付記15に記載のプラント。
(付記18)
入口が前記反応チャンバの前記出口に接続されている、乾燥器、好ましくはトレイ乾燥器であって、前記接続により木材要素が前記反応チャンバから当該乾燥器へ流れることが可能である乾燥器をさらに備える、付記15から17のいずれか一に記載のプラント。
(付記19)
非触媒アセチル化方法で得られる、好ましくはチップ、ストランド、スライバー、又は粒子であるアセチル化された木材要素であって、アセチル量(AC)が少なくとも20.5%、好ましくはAC21%から26%である、アセチル化された木材要素。

Claims (22)

  1. (a)木材要素の複数のバッチに、無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を含浸させる工程であって、含浸木材要素の複数のバッチを提供する、工程と、
    (b)含浸木材要素を連続的に反応チャンバに供給するように、前記含浸木材要素の複数のバッチを集積する工程と、
    (c)前記反応チャンバ内で、含浸木材要素の連続的な流れをアセチル化反応条件下に置く工程であって、アセチル化された木材要素の連続的な流れを前記反応チャンバから排出させる、工程と、
    を含む、木材要素のアセチル化方法。
  2. 前記アセチル化された木材要素の複数のバッチを集積する工程は、集積チャンバ内で行われる、請求項1に記載の方法。
  3. 前記集積チャンバは、ファンネル型形状の集積チャンバである、請求項2に記載の方法。
  4. 前記集積チャンバ内で、余剰の含浸液が前記含浸木材要素から除去される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. (a)無水酢酸及び/又は酢酸を含むアセチル化流体を、リテインドウェイトゲイン(Retained Weight Gain:RWG、RWGは、(M(試験値)(g)−M(参照値)(g))/M(参照値)(g)×100%で定義され、ここでM(参照値)は、空重量が判明している内径80mm、内高90mmのガラス製シリンダに入れた木材要素の質量であり、その質量はシリンダに木材要素を自由流動状態で満たし、過剰の木材要素をスパチュラでふきとり、満たしたシリンダを秤量し、シリンダの空重量を引くことにより測定され、M(試験値)は、上記のシリンダに含浸木材要素を自由流動状態で満たし、過剰の木材要素をスパチュラでふきとり、シリンダの中身を、直径140mm、高さ240mmのビーカーに移し、木材要素を入れた上記ビーカーを160℃にセットして予熱した自然対流オーブン内に入れ、45分間保持し、ビーカーをオーブンから取出し、満たしたシリンダを秤量し、シリンダの空重量を引いて含木材要素の質量を測定することにより測定される)が少なくとも20%となるように含浸させた木材要素を提供する工程と、
    (b)前記含浸木材要素を反応チャンバに導入し、当該含浸木材要素を当該反応チャンバ内でアセチル化反応条件下に置く工程と、
    (c)アセチル化された木材要素の連続的な流れを前記反応チャンバから取り出す工程と、
    を含む、木材要素の連続アセチル化方法。
  6. 前記含浸木材要素は連続的に前記反応チャンバに導入される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記木材要素は前記反応チャンバ内をプラグフローで流れる、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. (d)前記アセチル化された木材要素を、当該木材要素から未反応のアセチル化流体を除去するために乾燥する工程、をさらに含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. (e)アセチル化された木材要素の連続的な流れを、工程(d)(の乾燥装置)から取り出す工程、をさらに含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記反応チャンバは、ダブル平行スクリューコンベヤなどの水平スクリューコンベヤを備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 工程(a)に供する前記木材要素の水分含有量は、8重量%未満である、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記水分含有量は、0.01重量%から5重量%である、請求項11に記載の方法。
  13. 前記アセチル化流体は、40重量%から100重量%の無水酢酸と、0重量%から60重量%の酢酸と、を含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 工程(c)のアセチル化温度は、前記アセチル化流体の大気圧での沸点よりも高い、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 工程(c)の前記アセチル化は、2つから5つの温度ゾーンで行われる、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 工程(c)のアセチル化温度は、少なくとも部分的に無水酢酸及び/又は酢酸で飽和したガスを含む加熱ガスループ、加熱されたマントル、加熱された軸、及びこれらの組合せの中から選択される、周辺加熱によって制御される、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. (i)1以上の含浸チャンバと、
    (ii)前記1以上の含浸チャンバの出口に接続された入口を有する集積チャンバであって、前記接続により木材要素を前記含浸チャンバから当該集積チャンバへと流すことが可能な集積チャンバと、
    (iii)前記集積チャンバの前記出口に接続された入口を有する反応チャンバであって、前記接続により木材要素を前記集積チャンバから当該反応チャンバへと流すことが可能であり、当該反応チャンバは木材要素を前記入口から当該反応チャンバの出口へ連続的に搬送するように構成されている反応チャンバと、
    を備える木材要素のアセチル化のためのプラント。
  18. 前記反応チャンバ内での連続的搬送は、スクリューコンベヤで行われる、請求項17に記載のプラント。
  19. 前記反応チャンバは乾燥器又は抽出器列である、請求項17に記載のプラント。
  20. 前記乾燥器は、トレイ乾燥器、ベルト乾燥器、スクリュー乾燥器、及びプレート乾燥器からなる群から選択される、請求項19に記載のプラント。
  21. 入口が前記反応チャンバの前記出口に接続されている、乾燥器であって、前記接続により木材要素が前記反応チャンバから当該乾燥器へ流れることが可能である乾燥器をさらに備える、請求項17から20のいずれか一項に記載のプラント。
  22. 前記乾燥器は、トレイ乾燥器である、請求項21に記載のプラント。
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