JP6243991B1 - パルプ繊維前処理装置、セルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1のパルプ繊維前処理装置1は、セルロースナノファイバーを製造するためにパルプ繊維に前処理を施すための装置である。パルプ繊維前処理装置1は、機械的な処理によってパルプ繊維を微細化する前に、パルプ繊維に対して化学的反応を前処理として施すための装置である。具体的には、パルプ繊維前処理装置1は、パルプ繊維を含むスラリーを貯留する原料貯留槽2と、原料貯留槽2から送られるスラリーを脱水する脱水機構3と、上記脱水されたスラリーを加熱する加熱機構4と、上記加熱されたスラリーに酸化剤、酵素及び酸の少なくとも一つを選択して混合する混合機構5と、上記混合されたスラリー中のパルプ繊維の酸化反応及び加水分解反応の少なくとも一つの化学的反応を進行させる反応槽6と、反応槽6で化学的処理されたスラリーを原料貯留槽2に送るパルプ繊維洗浄用配管7とを備える。
図2に示すように、本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造装置20は、セルロースナノファイバーを製造するための装置である。セルロースナノファイバーの製造装置20は、パルプ繊維前処理装置1と、パルプ繊維前処理装置1によって処理されたスラリーのパルプ繊維を微細化する微細化装置40とをこの順に備える。上述のように、パルプ繊維前処理装置1がパルプ繊維洗浄用配管7を備えることで、上記前処理反応に用いる脱水機構3等を、上記前処理反応が施されたパルプ繊維の洗浄に用いることができるため、パルプ繊維前処理装置1を小型化することができ、セルロースナノファイバーの製造装置20を小型化することができる。
図3に示すように、本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造方法は、前処理工程(s1)及び微細化工程(s2)を備える。当該製造方法によれば、前処理工程(s1)によって、パルプ繊維が柔軟になり、予備的な解繊が効果的に施されているため、後工程の微細化工程(s2)の短縮化、すなわち処理回数の低減化し、省エネルギーでセルロースナノファイバーを製造することができる。以下、各工程を詳説する。
広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)、広葉樹未晒クラフトパルプ(LUKP)等の広葉樹クラフトパルプ(LKP)、針葉樹晒クラフトパルプ(NBKP)、針葉樹未晒クラフトパルプ(NUKP)等の針葉樹クラフトパルプ(NKP)等の化学パルプ;
ストーングランドパルプ(SGP)、加圧ストーングランドパルプ(PGW)、リファイナーグランドパルプ(RGP)、ケミグランドパルプ(CGP)、サーモグランドパルプ(TGP)、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)、晒サーモメカニカルパルプ(BTMP)等の機械パルプ;
茶古紙、クラフト封筒古紙、雑誌古紙、新聞古紙、チラシ古紙、オフィス古紙、段ボール古紙、上白古紙、ケント古紙、模造古紙、地券古紙、更紙古紙等から製造される古紙パルプ;
古紙パルプを脱墨処理した脱墨パルプ(DIP)などが挙げられる。これらは、本発明の効果を損なわない限り、単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。
前処理工程(s1)の一つである化学的処理工程(s1a)は、上記スラリー中のパルプ繊維に対して、酸化処理、加水分解処理又はこれらの組み合わせからなる化学的処理を施す工程である。このような化学的処理を施すことにより、パルプ繊維中の化学結合の一部を分断すると共に、パルプ繊維を膨潤させることができる。
微細化工程(s2)は、前処理された上記スラリー中のパルプ繊維を機械的な処理により微細化する工程である。本工程を経ることによりセルロースナノファイバーを得ることができる。本発明のセルロースナノファイバーの製造方法によれば、前処理工程(s1)によってパルプ繊維の予備的な解繊が効果的に施されているため、本微細化工程(s2)を短縮(処理回数の低減)し、省エネルギーでセルロースナノファイバーを製造することができる。
粗解繊処理工程は、前処理工程(s1)の一つとして、必要に応じて施される。粗解繊処理工程は、スラリー中のパルプ繊維を粗解繊する工程であり、パルプ繊維に対して予備的な解繊を行う。粗解繊処理は、粗解繊装置により行うことができるが、粗解繊装置は、上記「パルプ繊維前処理装置」において粗解繊装置として説明したものを用いることができる。なお、粗解繊処理において、粗解繊装置を用いると、処理後の分離や洗浄が不要となる点からも好ましい。
上記実施形態においては、パルプ繊維洗浄用配管によって上記原料貯留槽に送られて上記脱水機構によって脱水されたスラリーは、必要に応じて再度上記加熱機構、上記混合機構、上記反応槽に送られ、上記パルプ繊維洗浄用配管によって原料貯留槽に送られて、パルプ繊維の洗浄が複数回行われてもよい。また、再度上記加熱機構に送られるスラリーは、必要に応じて上記加熱機構によって加熱処理がされて混合機構に送られ、再度上記混合機構によって酸化剤、酵素及び酸の少なくとも一つが混合されて上記反応槽に送られ、パルプ繊維が化学的処理に複数回施されてもよい。このように化学的処理が複数回行われる場合は、各化学的処理は同一であっても異なっていてもよい。これらの結果、パルプ繊維前処理装置は、上記前処理をより効果的に行うことができ、セルロースナノファイバーを製造するために機械的処理の回数をより効率的に低減し、生産に必要なエネルギーをより低減することができる。化学的処理されたスラリーが予備的脱水装置によって予備的脱水されて原料貯留槽に貯留されなくてもよく、原料貯留槽で水用配管によって水が添加されなくてもよい。また、スラリー中のパルプ繊維が粗解繊装置によって粗解繊処理が施されなくてもよい。また、化学的処理機構と粗解繊装置とは、粗解繊装置が上流側、つまり化学的処理機構による化学的処理と粗解繊装置による粗解繊とのいずれが先に施されるように配設されて、化学的処理と粗解繊処理とが施されてもよい。また、粗解繊装置を例えば複数用意し、連続的にパルプ繊維を処理するように配設して粗解繊処理が施されてもよい。また、一台の粗解繊装置に対して、スラリーを循環させて複数回処理を行ってもよい。また、化学的処理と粗解繊処理とを重複して行ってもよい。例えば、酸、酵素、酸化剤等が添加されたスラリーを粗解繊処理に供することで、化学的処理と粗解繊処理とを同時に行うことができる。この場合、パルプ繊維洗浄用配管は、粗解繊装置で粗解繊されたスラリーを原料貯留槽に送るように配設され、スラリー中のパルプ繊維が洗浄されてもよい。また、改質手段、乾燥手段などが備られ、改質処理、乾燥処理等が施されてもよい。
前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維のファイン率の下限としては、例えば60%が好ましく、70%がより好ましく、75%がさらに好ましい。また、このファイン率の上限としては、例えば90%が好ましく、85%がより好ましい。このファイン率を上記下限以上とすることで、十分な前処理(解繊)が進んだパルプ繊維となり、微細化工程において効率的に更なる微細化を行うことができる。また、ファイン率を上記下限以上とすることで、微細化工程において高圧ホモジナイザーを用いて処理した際、パルプ繊維の流路内での詰まりの発生を低減することもできる。一方、このパルプ繊維のファイン率が上記上限以下とすることで、過剰に前処理、特に必要に応じて施される粗解繊処理を施すことを抑制することができ、製造工程全体としての、省エネルギー化及び高効率化を図ることができ、セルロースナノファイバーの生産性を高めることができる。なお、前処理工程と微細化工程との間に、パルプ繊維のファイン率を測定するファイン率測定工程を設けてもよい。ここで、「ファイン率」とは、繊維長が0.2mm以下、かつ繊維幅が75μm以下であるパルプ繊維の質量基準の割合をいう。このファイン率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定することができる。繊維分析計「FS5」は、希釈したセルロース繊維が繊維分析計内部の測定セルを通過する際の画像分析により高い精度でセルロース繊維の長さ、幅を測定できる。
前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維の平均繊維長としては特に限定されないが、下限としては、0.05mmが好ましく、0.10mmがより好ましい。一方、この上限としては、0.50mmが好ましく、0.30mmがより好ましく、0.25mmがさらに好ましい。このような繊維長のパルプ繊維を微細化工程に供することで、製造工程全体としての省エネルギー化及び高効率化を図ることができ、セルロースナノファイバーの生産性を高めることができる。
2 原料貯留槽
3 脱水機構
4 加熱機構
5 混合機構
6 反応槽
7 パルプ繊維洗浄用配管
8 添加機構
9 予備的脱水機構
10 水用配管
20 セルロースナノファイバーの製造装置
30 粗解繊装置
40 微細化装置
400 対向衝突型高圧ホモジナイザー
401 上流側流路
402 下流側流路
S1、S2、S3 スラリー
X 合流部
s1 前処理工程
s2 微細化工程
Claims (4)
- セルロースナノファイバーの製造の際のパルプ繊維の前処理装置であって、
パルプ繊維を含むスラリーを貯留する原料貯留槽と、
上記原料貯留槽から送られるスラリーを脱水する脱水機構と、
上記脱水されたスラリーを加熱する加熱機構と、
上記加熱されたスラリーに酸化剤、酵素及び酸の少なくとも一つを選択して混合する混合機構と、
上記混合されたスラリー中のパルプ繊維の酸化反応及び加水分解反応の少なくとも一つを進行させる反応槽と、
上記反応槽で処理されたスラリーを上記原料貯留槽に送るパルプ繊維洗浄用配管と
を備えることを特徴とするパルプ繊維前処理装置。 - 上記反応槽に中和剤及び熱水の少なくとも一つを選択して添加する添加機構をさらに備える請求項1に記載のパルプ繊維前処理装置。
- 請求項1又は請求項2に記載のパルプ繊維前処理装置と、
上記パルプ繊維前処理装置によって処理されたスラリーのパルプ繊維を微細化する微細化装置と
を備えるセルロースナノファイバーの製造装置。 - スラリー中のパルプ繊維に対して前処理を施す工程と、
前処理された上記スラリー中のパルプ繊維を機械的な処理により微細化する工程と
を備えるセルロースナノファイバーの製造方法であって、
上記前処理工程において、
原料貯留槽に貯留されるパルプ繊維を含むスラリーを脱水し、
上記脱水されたスラリーを加熱し、
上記加熱されたスラリーに酸化剤、酵素及び酸の少なくとも一つを選択して混合し、
上記混合されたスラリー中のパルプ繊維の酸化反応及び加水分解反応の少なくとも一つの化学的反応を進行させ、
上記処理されたスラリーを上記原料貯留槽に送り、上記スラリー中のパルプ繊維を洗浄することを特徴とするセルロースナノファイバーの製造方法。
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