JP6762820B2 - Cellulose nanofiber manufacturing equipment - Google Patents
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本発明は、セルロースナノファイバーの製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing cellulose nanofibers.
近年、物質をナノメートルレベルまで微細化し、物質が持つ従来の性状とは異なる新たな物性を得ることを目的としたナノテクノロジーが注目されている。パルプ繊維等のセルロース系原料から製造されるセルロースナノファイバーは、強度、弾性、熱安定性等に優れているため、ろ過材、ろ過助剤、イオン交換体の基材、クロマトグラフィー分析機器の充填材、樹脂及びゴムの配合用充填剤等としての工業上の用途や、口紅、粉末化粧料、乳化化粧料等の化粧品の配合剤の用途などに用いられている。また、セルロースナノファイバーは、水系分散性に優れているため、食品、化粧品、塗料等の粘度の保持剤、食品原料生地の強化剤、水分保持剤、食品安定化剤、低カロリー添加物、乳化安定化助剤などの多くの用途における利用が期待されている。 In recent years, nanotechnology has been attracting attention for the purpose of refining substances to the nanometer level and obtaining new physical properties different from the conventional properties of substances. Cellulose nanofibers produced from cellulosic raw materials such as pulp fibers are excellent in strength, elasticity, thermal stability, etc., and therefore are filled with filter media, filter aids, ion exchanger base materials, and chromatography analysis equipment. It is used for industrial purposes such as a filler for blending materials, resins and rubbers, and as a blending agent for cosmetics such as lipsticks, powder cosmetics and emulsified cosmetics. In addition, since cellulose nanofibers have excellent water-based dispersibility, they are viscosity-retaining agents for foods, cosmetics, paints, etc., fortifiers for food raw material fabrics, water-retaining agents, food stabilizers, low-calorie additives, and emulsification. It is expected to be used in many applications such as stabilizing aids.
セルロースナノファイバーを製造する場合、水分散状態のパルプ等を機械的な処理によって解繊することが一般的である(特開2010−235679号公報参照)。 When producing cellulose nanofibers, it is common to defibrate pulp or the like in an aqueous-dispersed state by mechanical treatment (see JP-A-2010-235679).
しかしながら、機械的処理でセルロースナノファイバーを製造する場合、パルプ等を水に分散させたスラリー中のパルプ繊維に対して複数回の機械的処理が必要となる。機械的処理を行った場合、機械的処理の回数を重ねるごとにセルロースファイバーが微細化されて、セルロースファイバーのスラリーの粘性が高くなることにより非常に流動性が悪くなる。このため、機械的処理を行ったスラリーをタンクの上から投入すると、タンク内でスラリーが壁面に付着したり、隙間なく貯留されないことにより所定の量を投入できないおそれがある。また、スラリーの粘性が高くなると排出後もスラリーの一部がタンクの底面に残留したままの状態になりやすく、機械的処理が行われたスラリーを再度同じタンクに上から投入した場合、底部に残留した微細化される前のスラリーと混ざりにくく、セルロースナノファイバーの生産性の効率が悪くなるおそれがある。従って、セルロースナノファイバーの生産性の向上を図ることができる製造方法が求められる。 However, when cellulose nanofibers are produced by mechanical treatment, the pulp fibers in a slurry in which pulp or the like is dispersed in water need to be mechanically treated a plurality of times. When the mechanical treatment is performed, the cellulose fibers are refined as the number of mechanical treatments is repeated, and the viscosity of the cellulose fiber slurry becomes high, so that the fluidity becomes very poor. Therefore, when the mechanically processed slurry is charged from above the tank, the slurry may adhere to the wall surface in the tank or may not be stored without gaps, so that a predetermined amount may not be charged. Further, when the viscosity of the slurry becomes high, a part of the slurry tends to remain on the bottom surface of the tank even after being discharged, and when the mechanically processed slurry is put into the same tank again from above, it reaches the bottom surface. It is difficult to mix with the residual slurry before it is refined, and the productivity efficiency of the cellulose nanofibers may deteriorate. Therefore, a manufacturing method capable of improving the productivity of cellulose nanofibers is required.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、セルロースナノファイバーを効率よく製造することができる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を提供することである。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an apparatus for producing cellulose nanofibers and a method for producing cellulose nanofibers capable of efficiently producing cellulose nanofibers. Is.
発明者らは、水分散状態のパルプ等の機械的処理の回数を重ねるごとに粘性が高くなるセルロースファイバーのスラリーを流入及び流出する流入出管を上記スラリーが交互に貯留される2つのタンクの底部に配置することにより、セルロースナノファイバーの生産性の向上を図ることができることを見出し、本発明の完成に至った。 The inventors have described two tanks in which the slurry is alternately stored in an inflow / outflow pipe for inflowing and outflowing a cellulose fiber slurry whose viscosity increases as the number of mechanical treatments of pulp or the like in an aqueous dispersion state is repeated. It has been found that the productivity of cellulose nanofibers can be improved by arranging the cellulose nanofibers at the bottom, and the present invention has been completed.
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、スラリー中のパルプ繊維を微細化処理するセルロースナノファイバーの製造装置であって、上記スラリー中のパルプ繊維を微細化処理する高圧ホモジナイザーと、上記高圧ホモジナイザーを介して、上記スラリーが交互に貯留される2つのタンクとを備え、上記2つのタンクの底部にそれぞれ連結され、上記スラリーを流入及び流出する流入出管を備えることを特徴とする。 That is, the invention made to solve the above problems is an apparatus for producing cellulose nanofibers for refining pulp fibers in a slurry, a high-pressure homogenizer for refining pulp fibers in the slurry, and the above. It is characterized by including two tanks in which the slurry is alternately stored via a high-pressure homogenizer, and an inflow / out pipe connected to the bottoms of the two tanks to flow in and out of the slurry.
当該セルロースナノファイバーの製造装置においては、水分散状態のパルプ等に多数回の機械的処理が必要なセルロースナノファイバーを製造において、機械的処理の回数を重ねるごとに粘性が高くなるセルロースファイバーのスラリーを流入及び流出する流入出管が、上記スラリーを交互に貯留する2つのタンクの底部に配置される。この結果、粘性が非常に高くなることにより流動性が悪くなるセルロースファイバーのスラリーであっても、タンクの底から流入することによりタンクの壁面に付着されにくく、タンク内でスラリーをムラなく貯留することができる。また、タンクの底面にスラリーが残留していた場合、スラリーをタンクの底部から再度タンク内に流入することにより、底面に残留したままとなっていたスラリーが上に押し上げられることにより混入されて、セルロースナノファイバーの均質性を向上させることができると共に、効率よく2つのタンクを活用することができる。従って、効率よくセルロースナノファイバーを製造することができる。 In the cellulose nanofiber manufacturing apparatus, in the production of cellulose nanofibers that require a large number of mechanical treatments for pulp or the like in an aqueous dispersion state, the cellulose fiber slurry becomes more viscous as the number of mechanical treatments is repeated. Inflow and outflow pipes are arranged at the bottoms of the two tanks that alternately store the slurry. As a result, even a cellulose fiber slurry whose fluidity becomes poor due to its extremely high viscosity is less likely to adhere to the wall surface of the tank by flowing in from the bottom of the tank, and the slurry is evenly stored in the tank. be able to. In addition, when the slurry remains on the bottom surface of the tank, the slurry flows into the tank again from the bottom of the tank, and the slurry remaining on the bottom surface is pushed up and mixed. The homogeneity of the cellulose nanofibers can be improved, and the two tanks can be efficiently utilized. Therefore, cellulose nanofibers can be efficiently produced.
上記高圧ホモジナイザーが、上記スラリーを一直線上で対向衝突させる対向衝突型高圧ホモジナイザーであるとよい。このようにすることで高圧ホモジナイザーから与えられるエネルギーを衝突エネルギーに最大限に変換することができ、より効率的なパルプ繊維の解繊を行うことができる。 The high-pressure homogenizer may be a counter-collision type high-pressure homogenizer that causes the slurry to collide in a straight line. By doing so, the energy given by the high-pressure homogenizer can be converted to collision energy to the maximum extent, and more efficient pulp fiber defibration can be performed.
当該セルロースナノファイバーの製造装置は、固形分濃度が0.1質量%以上8.0質量%以下であるスラリー中のパルプ繊維を微細化処理する。微細化処理が行われるパルプ繊維を含有するスラリーの固形分濃度を上記範囲とすることで、上記スラリーの粘性が過度に上昇することを抑制し、より効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。ここで、固形分濃度とは、溶媒以外の成分をいう。 The apparatus for producing cellulose nanofibers refines pulp fibers in a slurry having a solid content concentration of 0.1% by mass or more and 8.0% by mass or less. By setting the solid content concentration of the slurry containing the pulp fibers to be refined within the above range, it is possible to suppress an excessive increase in the viscosity of the slurry and to produce cellulose nanofibers more efficiently. it can. Here, the solid content concentration means a component other than the solvent.
なお、「セルロースナノファイバー」とは、パルプ繊維を解繊して得られる微細なセルロース繊維をいい、一般的に繊維幅がナノサイズ(1nm以上1000nm以下)のセルロース微細繊維を含むセルロース繊維をいう。 The "cellulose nanofiber" refers to a fine cellulose fiber obtained by defibrating a pulp fiber, and generally refers to a cellulose fiber containing cellulose fine fiber having a fiber width of nano size (1 nm or more and 1000 nm or less). ..
本発明の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によれば、効率よくセルロースナノファイバーを製造することができる。 According to the cellulose nanofiber manufacturing apparatus and the cellulose nanofiber manufacturing method of the present invention, cellulose nanofibers can be efficiently manufactured.
以下、適宜図面を参照しつつ、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及びセルロースナノファイバーの製造方法について詳説する。 Hereinafter, the cellulose nanofiber manufacturing apparatus and the cellulose nanofiber manufacturing method according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[セルロースナノファイバーの製造装置]
図1のセルロースナノファイバーの製造装置1は、パルプ繊維を水に分散させた状態のスラリーにおけるパルプ繊維を微細化処理する装置である。セルロースナノファイバーの製造装置1は、スラリーが貯留されるタンク10及びタンク20と、スラリー中のパルプ繊維を微細化処理する高圧ホモジナイザー5と、タンク10の底部に連結される流入出管6と、タンク20の底部に連結される流入出管9と、高圧ホモジナイザー5に接続される移送管12と、製造されたセルロースナノファイバーをコンテナ等の貯蔵タンクへ移送するための移送管12を備える。また、スラリーを移送するためのポンプ13及び高圧ポンプ14と、開閉手段である三方弁15、二方弁25、二方弁27、二方弁16、三方弁17、三方弁18及び二方弁30と、移送管7、移送管23、移送管33、移送管36、移送管24、移送管35、移送管8、移送管19、移送管34、移送管22及び移送管32とを備える。
[Cellulose nanofiber manufacturing equipment]
The cellulose
タンク10及びタンク20には、スラリーが貯留される。タンク10には、パルプ繊維を水に分散させた状態のスラリーなどの原料を投入するための投入口11と、投入された原料を混合する攪拌機4が設けられている。また、タンク20には、投入口21と、攪拌機39が設けられている。
The slurry is stored in the
タンク10には、スラリーを流入及び流出する流入出管6が底部に連結されている。流入出管6は移送管7と接続され、移送管7は、三方弁15が設置されると共に移送管23と接続されている。移送管23は、三方弁18及び二方弁25が設置される。移送管23は、二方弁25を介して移送管33と接続され、三方弁18を介して移送管12及び移送管24と接続されている。移送管24は、三方弁18及び二方弁27が設置され、二方弁27を介して移送管35と接続される。
An inflow /
移送管12は、移送管36と接続されると共に高圧ポンプ14及び高圧ホモジナイザー5と接続されている。また、移送管12は、三方弁17を介して移送管22及び移送管19と接続されている。移送管22は、三方弁17及び三方弁15が設置され、三方弁15を介して移送管32及び移送管7と接続されている。移送管19は、移送管8と接続されると共に、三方弁17及び二方弁16が設置され、二方弁16を介して移送管34と接続されている。
The
タンク20には、スラリーを流入及び流出する流入出管9が底部に連結されている。流入出管9は、移送管8と接続され、移送管8は、移送管19及び移送管24と接続されている。
An inflow /
流入出管及び移送管を流れるスラリーの流速としては、0.01m/s以上0.4m/s以下が好ましい。スラリーの流速を上記範囲とすることで、より効率的にスラリーを送液することができる。 The flow velocity of the slurry flowing through the inflow / outflow pipe and the transfer pipe is preferably 0.01 m / s or more and 0.4 m / s or less. By setting the flow velocity of the slurry within the above range, the slurry can be fed more efficiently.
高圧ホモジナイザーとは、例えば10MPa以上、好ましくは100MPa以上の圧力でスラリーを吐出できる能力を有するホモジナイザーをいう。パルプ繊維に対して高圧ホモジナイザー5で処理することで、パルプ繊維同士の衝突、圧力差、マイクロキャビテーションなどが作用し、解繊が効果的に生じる。これにより、微細化工程の処理回数を低減(短縮化)でき、セルロースナノファイバーの製造効率をより高めることができる。
The high-pressure homogenizer refers to a homogenizer having an ability to discharge a slurry at a pressure of, for example, 10 MPa or more, preferably 100 MPa or more. By treating the pulp fibers with the high-
高圧ホモジナイザー5としては、対向衝突型高圧ホモジナイザー(マイクロフルイダイザー、湿式ジェットミル)が好ましく、微細化処理において、上記スラリーを一直線上で対向衝突させることが好ましい。このようにすることで高圧ホモジナイザーから与えられるエネルギーを衝突エネルギーに最大限に変換することができ、より効率的なパルプ繊維の解繊を行うことができる。具体的には、図2において部分的に示されるように、対向衝突型高圧ホモジナイザーである高圧ホモジナイザー5においては、加圧されたスラリーS1及びスラリーS2が合流部Xで対向衝突するように上流側流路51が形成されている。スラリーS1及びスラリーS2は合流部Xで衝突し、衝突したスラリーS3は、下流側流路52から流出する。上流側流路51に対して、下流側流路52は垂直に設けられており、上流側流路51と下流側流路52とでT型の流路を形成している。このような高圧ホモジナイザー5を用いることで、高圧ホモジナイザー5から与えられるエネルギーを衝突エネルギーに最大限に変換することができ、より効率的なパルプ繊維の解繊が生じる。
As the high-
高圧ホモジナイザー5には、スラリーを高圧ホモジナイザー5から流入及び流出する移送管12が接続されている。タンク10及びタンク20に貯留されたスラリーは、高圧ポンプ14により高圧ホモジナイザー5に移送され、高圧ホモジナイザー5により微細化処理が行われたスラリーは、高圧ポンプ14によりタンク10又はタンク20に移送される。
A
当該セルロースナノファイバーの製造装置は、高圧ポンプ14の作動と、開閉手段である三方弁15、二方弁25、二方弁27、三方弁17、三方弁18、二方弁30及び二方弁16の開閉とを制御することにより、タンク10と高圧ホモジナイザー5との間及びタンク20と高圧ホモジナイザー5との間でスラリーの移送が行われる。
The cellulose nanofiber manufacturing apparatus operates the high-
移送管36は、二方弁30が設置され、二方弁30を介して移送管31と接続されている。移送管31は、ポンプ13が設置され、多端部が図示しないコンテナ等の貯蔵タンクに接続されている。微細化処理が終了したセルロースナノファイバーは、ポンプ13により移送管31を介してコンテナ等の貯蔵タンクへ移送される。
A two-
当該セルロースナノファイバーの製造装置1は、「セルロースナノファイバーの製造方法」として後述する方法により使用することができる。当該セルロースナノファイバーの製造装置1によれば、水分散状態のパルプ等に多数回の機械的処理が必要なセルロースナノファイバーを製造において、機械的処理の回数を重ねるごとに粘性が高くなるセルロースファイバーのスラリーを流入及び流出する流出入管が、上記スラリーを交互に貯留する2つのタンクの底部に配置される。この結果、粘性が非常に高くなることにより流動性が悪くなるセルロースファイバーのスラリーであっても、タンク10及びタンク20の底から流入することによりタンク10及びタンク20の壁面に付着されにくく、タンク10及びタンク20内でスラリーをムラなく貯留することができる。また、セルロースナノファイバーの均質性を向上させることができ、効率よく2つのタンクを活用することができる。従って、セルロースナノファイバーにおいても効率よくセルロースナノファイバーを製造することができる。
The cellulose
[セルロースナノファイバーの製造方法]
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、上述の当該セルロースナノファイバーの製造装置1を用いてスラリー中のパルプ繊維を微細化処理する。当該セルロースナノファイバーの製造方法は、
(1)タンク10に投入されたスラリーをタンク10の底部から流出して高圧ホモジナイザー5に送液する工程(T1)と、
(2)送液されたスラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザー5により微細化処理する工程(T2)と、
(3)微細化処理が行われたスラリーを、高圧ホモジナイザー5からタンク20の底部へ送液してタンク20の底部からタンク20に流入する工程(T3)と、
(4)タンク20に流入し、貯留されたスラリーをタンク20の底部から流出して高圧ホモジナイザー5に送液する工程(T4)と、
(5)送液されたスラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザー5により再度微細化処理する工程(T5)
とを備える。
[Manufacturing method of cellulose nanofibers]
In the method for producing cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention, the pulp fibers in the slurry are refined using the above-mentioned cellulose
(1) A step (T1) in which the slurry charged in the
(2) A step (T2) of refining the pulp fibers in the transferred slurry with a high-
(3) A step (T3) of feeding the miniaturized slurry from the high-
(4) A step (T4) of flowing into the
(5) A step of re-miniaturizing the pulp fibers in the transferred slurry with the high-pressure homogenizer 5 (T5).
And.
<第1タンクから高圧ホモジナイザーに送液する工程(T1)>
T1工程においては、タンク10に投入されたスラリーをタンク10の底部から流出して高圧ホモジナイザー5に送液する。スラリーは、パルプを通常、水に分散させたものである。
<Step of sending liquid from the first tank to the high-pressure homogenizer (T1)>
In the T1 step, the slurry charged in the
パルプ繊維としては、例えば
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。
Examples of pulp fibers include broad-leaved kraft pulp (LKP) such as broad-leaved bleached kraft pulp (LBKP) and broad-leaved unbleached kraft pulp (LUKP), coniferous bleached kraft pulp (NBKP), coniferous unbleached kraft pulp (NUKP) and the like. Chemical pulp such as kraft pulp (NKP);
Stone Grand Pulp (SGP), Pressurized Stone Grand Pulp (PGW), Refiner Grand Pulp (RGP), Chemi Grand Pulp (CGP), Thermo Grand Pulp (TGP), Grand Pulp (GP), Thermo Mechanical Pulp (TMP), Mechanical pulp such as Chemi-Thermo Mechanical Pulp (CTMP), Bleached Thermo-Mechanical Pulp (BTMP);
Waste paper pulp manufactured from used tea paper, used kraft envelopes, used magazines, used newspapers, used leaflets, used office paper, used corrugated cardboard, used white paper, Kent used paper, imitation used paper, ground ticket used paper, used paper, etc.;
Examples thereof include deinked pulp (DIP) obtained by deinking used paper pulp. These may be used alone or in combination of a plurality of types as long as the effects of the present invention are not impaired.
上記スラリーの固形分濃度としては特に限定されないが、上記スラリーの固形分濃度の下限としては、0.1質量%が好ましく、0.2質量%がより好ましい。一方、上記上限としては、8.0質量%が好ましく、7.0質量%がより好ましい。上記スラリーの固形分濃度が上記下限未満の場合、パルプ繊維が効率的に解繊されず、セルロースナノファイバーの生産効率が悪くなるおそれがある。一方、上記スラリーの固形分濃度が上記上限を超える場合、スラリーの粘性が高くなりすぎるために機械的処理によるパルプ繊維の解繊及びスラリーの移送が困難となるおそれがある。 The solid content concentration of the slurry is not particularly limited, but the lower limit of the solid content concentration of the slurry is preferably 0.1% by mass, more preferably 0.2% by mass. On the other hand, as the upper limit, 8.0% by mass is preferable, and 7.0% by mass is more preferable. If the solid content concentration of the slurry is less than the above lower limit, the pulp fibers may not be efficiently defibrated and the production efficiency of cellulose nanofibers may deteriorate. On the other hand, when the solid content concentration of the slurry exceeds the upper limit, the viscosity of the slurry becomes too high, which may make it difficult to defibrate the pulp fibers and transfer the slurry by mechanical treatment.
スラリーの中のパルプ繊維は、高圧ホモジナイザーによる微細化処理を行う前に前処理を施しておくと好ましい。前処理としては、化学的処理、粗解繊、又はその組み合わせが挙げられる。化学的処理及び粗解繊を行う場合、化学的処理と粗解繊との順番は特に限定されるものではなく、いずれの工程を先に行ってもよい。微細化処理を行う前に前処理を行うことにより、パルプ繊維が柔軟になり、予備的な解繊が効率的に生じ、微細化工程の短縮化、すなわち処理回数の低減化を図ることができる。 The pulp fibers in the slurry are preferably pretreated before being miniaturized by the high pressure homogenizer. Pretreatment includes chemical treatment, coarse defibration, or a combination thereof. When the chemical treatment and the coarse defibration are performed, the order of the chemical treatment and the coarse defibration is not particularly limited, and any step may be performed first. By performing the pretreatment before the miniaturization treatment, the pulp fibers become flexible, preliminary defibration occurs efficiently, and the miniaturization process can be shortened, that is, the number of treatments can be reduced. ..
前処理の一つである化学的処理は、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。 The chemical treatment, which is one of the pretreatments, is a step of subjecting the pulp fibers in the slurry to an oxidation treatment, a hydrolysis treatment, or a chemical treatment consisting of a combination thereof. By performing such a chemical treatment, a part of the chemical bond in the pulp fiber can be broken and the pulp fiber can be swollen.
化学的処理に供するパルプスラリーの温度としては、例えば40℃以上90℃以下が好ましい。なお、酵素を用いた場合の処理は、40℃以上70℃以下程度が好ましい。 The temperature of the pulp slurry to be subjected to the chemical treatment is preferably, for example, 40 ° C. or higher and 90 ° C. or lower. When the enzyme is used, the treatment is preferably about 40 ° C. or higher and 70 ° C. or lower.
酸化処理に用いられる酸化剤としては、オゾン、次亜塩素酸又はその塩、亜塩素酸又はその塩、過塩素酸又はその塩、過硫酸又はその塩、過有機酸等を挙げることができる。これらの中でも、過硫酸類(過硫酸及びその塩)が好ましい。酸化処理を行う際は、N−オキシル化合物等の酸化触媒を併用することもできる。加水分解処理に用いられる触媒としては、酸や酵素が挙げられる。酸としては、硫酸、過硫酸類、塩酸等が挙げられるが、硫酸及び過硫酸類が好ましい。酸を用いる場合の反応槽中のpHとしては、3以下が好ましく、0.5以上2以下がより好ましい。酵素としては、セルラーゼ系酵素や、ヘミセルラーゼ系酵素等を挙げることができ、セルラーゼ系酵素が好ましい。酸化処理及び加水分解処理は、複数種の処理剤を用いてもよいし、酸化処理と加水分解処理とを組み合わせてもよい。なお、過硫酸等、酸化剤としても機能する酸を用いた場合、酸化反応と加水分解反応とが共に生じる。 Examples of the oxidizing agent used in the oxidation treatment include ozone, hypochlorous acid or a salt thereof, chloric acid or a salt thereof, perchloric acid or a salt thereof, persulfate or a salt thereof, and a perorganic acid. Among these, persulfates (persulfates and salts thereof) are preferable. When performing the oxidation treatment, an oxidation catalyst such as an N-oxyl compound can also be used in combination. Examples of the catalyst used in the hydrolysis treatment include acids and enzymes. Examples of the acid include sulfuric acid, persulfates, hydrochloric acid and the like, but sulfuric acid and persulfates are preferable. When an acid is used, the pH in the reaction vessel is preferably 3 or less, more preferably 0.5 or more and 2 or less. Examples of the enzyme include cellulase-based enzymes and hemicellulase-based enzymes, and cellulase-based enzymes are preferable. For the oxidation treatment and the hydrolysis treatment, a plurality of kinds of treatment agents may be used, or the oxidation treatment and the hydrolysis treatment may be combined. When an acid that also functions as an oxidizing agent, such as persulfuric acid, is used, both an oxidation reaction and a hydrolysis reaction occur.
化学的処理は、公知の反応槽にスラリーを貯め、酸化剤等の処理剤を添加することによって行うことができる。上記反応槽としては、晒タワー等の製紙用タワーを用いることができる。化学的処理工程の処理(反応)時間は、スラリーの濃度や温度、処理剤の添加量等に応じて変更されるが、例えば0.5時間以上12時間以下とすることができる。 The chemical treatment can be carried out by storing the slurry in a known reaction tank and adding a treatment agent such as an oxidizing agent. As the reaction tank, a papermaking tower such as a bleaching tower can be used. The treatment (reaction) time of the chemical treatment step varies depending on the concentration and temperature of the slurry, the amount of the treatment agent added, and the like, and can be, for example, 0.5 hours or more and 12 hours or less.
化学的処理を経たスラリーは、必要に応じ中和処理、洗浄処理等が施され、次工程に供される。なお、酵素を用いた化学的処理の場合は、スラリーへの熱水(温水)の注入などにより、スラリー温度を上げ、酵素を失活させることにより、反応を終了させることもできる。 The slurry that has undergone the chemical treatment is subjected to a neutralization treatment, a cleaning treatment and the like as necessary, and is used for the next step. In the case of chemical treatment using an enzyme, the reaction can be terminated by raising the slurry temperature by injecting hot water (warm water) into the slurry and inactivating the enzyme.
前処理の一つである粗解繊処理工程は、スラリー中のパルプ繊維をリファイナーにより粗解繊する工程である。間隙を極小さくして負荷をかけながら叩解するリファイナーを用いた前処理により、パルプ繊維に対して剪断力が効果的に付与され、パルプ繊維に毛羽立ちが生じ、パルプ繊維が柔軟になり、予備的な解繊が生じる。リファイナーとは、パルプ繊維を叩解する装置であり、公知のものを用いることができる。リファイナーとしては、パルプ繊維に対して効率的に剪断力を付与し、予備的な解繊を進めることができること等の点から、コニカルタイプやダブルディスクリファイナー(DDR)及びシングルディスクリファイナー(SDR)が好ましい。なお、粗解繊処理工程において、リファイナーを用いると、処理後の分離や洗浄が不要となる点からも好ましい。 The crude defibration treatment step, which is one of the pretreatments, is a step of coarsely defibrating the pulp fibers in the slurry with a refiner. Pretreatment with a refiner that minimizes the gap and beats while applying a load effectively applies shearing force to the pulp fibers, causes fluffing of the pulp fibers, makes the pulp fibers flexible, and is preliminary. Debrisation occurs. The refiner is a device for beating pulp fibers, and a known device can be used. As the refiner, a conical type, a double disc refiner (DDR) and a single disc refiner (SDR) are preferable from the viewpoints that a shearing force can be efficiently applied to the pulp fibers and preliminary defibration can be promoted. .. It should be noted that the use of a refiner in the rough defibration treatment step is also preferable from the viewpoint that separation and cleaning after the treatment become unnecessary.
前処理工程を経てタンク10に投入されるパルプ繊維のファイン率の下限は、60%であり、70%が好ましく、75%がより好ましい。また、このファイン率の上限は、90%であり、85%が好ましい。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、高圧ホモジナイザーによる微細化処理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、微細化処理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、特に粗解繊処理工程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。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。
The lower limit of the fine ratio of the pulp fibers charged into the
なお、前処理の後に、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。 After the pretreatment, a fine rate measuring step for measuring the fine rate of the pulp fiber may be provided.
このファイン率は、前処理、特に粗解繊処理工程における処理量などによって調整することができる。例えば、リファイナーによる処理時間を長くすることや、リファイナーによる処理の際、ディスク(プレート)の間隔(クリアランス)を狭くする、ディスクの刃幅、溝幅、刃の高さ、刃の交差角度、ディスクのパタ−ンの組み合わせなどによって、ファイン率を高めることができる。 This fine ratio can be adjusted by the amount of treatment in the pretreatment, particularly the coarse defibration treatment step. For example, lengthening the processing time with the refiner, narrowing the disc (plate) spacing (clearance) during processing with the refiner, disc blade width, groove width, blade height, blade crossing angle, disc The fine rate can be increased by combining the patterns of.
前処理工程を経てタンク10に投入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、0.15mmが好ましく、0.2mmがより好ましく、0.25mmがさらに好ましい。一方、この上限としては、0.5mmが好ましく、0.4mmがより好ましい。このような繊維長のパルプ繊維を微細化処理に供することで、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。
The average fiber length of the pulp fibers charged into the
作製されたスラリーは、投入口11からタンク10に投入され、必要に応じて攪拌される。高圧ホモジナイザー5に送液するスラリーの温度は公知の方法により制御される。送液するスラリーの温度としては、例えば20℃以上70℃以下が好ましい。スラリーの温度を上記範囲とすることでスラリーの流動性が向上し、より効率よく流出入管を介して送液することができる。
The produced slurry is charged into the
まず、三方弁15、二方弁25及び二方弁30を閉方向に動作すると共に、三方弁18の移送管23及び移送管12に接続される弁を開方向に動作する。次に、高圧ポンプ14を作動させ、スラリーをタンク10の底部から流出する。そして、流入出管6、移送管7、移送管23及び移送管12を介して高圧ホモジナイザー5にスラリーを送液する。
First, the three-way valve 15, the two-
<高圧ホモジナイザーにより微細化処理する工程(T2)>
T2工程は、上記送液されたスラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザー5により微細化処理する工程である。微細化工程の機械的な処理を施す方法として、上述のように高圧ホモジナイザー5を用いる。
<Step of miniaturization processing with a high-pressure homogenizer (T2)>
The T2 step is a step of refining the pulp fibers in the transferred slurry with the high-
<高圧ホモジナイザーから送液して第2タンクに投入する工程(T3)>
T3工程では、高圧ホモジナイザー5により微細化処理が行われたスラリーを、タンク20の底部へ送液してタンク20の底部から流入する。
<Step of sending liquid from a high-pressure homogenizer and charging it into the second tank (T3)>
In the T3 step, the slurry that has been miniaturized by the high-
まず、三方弁18、二方弁16及び二方弁27を閉方向に動作すると共に、三方弁17の移送管12及び移送管19に接続される弁を開方向に動作する。そして、高圧ホモジナイザー5により微細化処理が行われたスラリーを、高圧ポンプ14を用いて移送管12、移送管19、移送管8及び流入出管9を介してスラリーをタンク20の底部から流入する。
First, the three-
<第2タンクから高圧ホモジナイザーに送液する工程(T4)>
T4工程では、タンク20に流入されたスラリーをタンク20の底部から流出して高圧ホモジナイザー5に送液する。
<Step of sending liquid from the second tank to the high-pressure homogenizer (T4)>
In the T4 step, the slurry that has flowed into the
まず、三方弁17、二方弁16及び二方弁27を閉方向に動作すると共に、三方弁18の移送管24及び移送管12に接続される弁を開方向に動作する。次に、高圧ポンプ14を作動させ、スラリーをタンク20の底部から流出する。そして、流入出管9、移送管8、移送管24及び移送管12を介して高圧ホモジナイザー5にスラリーを送液する。
First, the three-way valve 17, the two-
<高圧ホモジナイザーにより再度微細化処理する工程(T5)>
T5工程では、送液されたスラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザー5により再度微細化処理する。
<Step of refining again with a high-pressure homogenizer (T5)>
In the T5 step, the pulp fibers in the transferred slurry are re-miniaturized by the high-
本実施形態においては、T5工程の後、三方弁18及び二方弁25を閉方向に動作し、三方弁17の移送管12及び移送管22に接続される弁を開方向に動作すると共に、三方弁15の移送管22及び移送管7に接続される弁を開方向に動作する。そして、高圧ホモジナイザー5により微細化処理が行われたスラリーを、高圧ポンプ14を用いて移送管12、移送管22、移送管7及び流入出管6を介してスラリーをタンク10の底部から流入後、再度T1工程〜T5工程を繰り返してもよい。このように、1つの高圧ホモジナイザー及び2つのタンクに対して、スラリーを循環させて効率よく複数回の微細化処理を行うことによりセルロースナノファイバーが製造される。また、スラリーをタンク10の底部から流出して、高圧ホモジナイザーによる微細化処理後にタンク20の底部へ流入させる流路と、スラリーをタンク20の底部から流出して、高圧ホモジナイザーによる微細化処理後にタンク10の底部へ流入させる流路とが異なることにより微細化処理回数の異なるスラリーが混入することを抑制することができる。
In the present embodiment, after the T5 step, the three-
微細化処理により得られるセルロースナノファイバーは、十分に微細化がされており、水分散状態でレーザー回折法により測定される擬似粒度分布曲線において1つのピークを有する。また、上記擬似粒度分布曲線におけるピークとなる粒径(最頻径)としては5μm以上25μm以下が好ましい。得られるセルロースナノファイバーがこのような粒度分布を有する場合、十分に微細化された良好な性能を発揮することができる。なお、「擬似粒度分布曲線」とは、粒度分布測定装置(例えば株式会社セイシン企業のレーザー回折・散乱式粒度分布測定器)を用いて測定される体積基準粒度分布を示す曲線を意味する。 The cellulose nanofibers obtained by the miniaturization treatment are sufficiently finely divided and have one peak in the pseudo particle size distribution curve measured by the laser diffraction method in the water-dispersed state. The peak particle size (most frequent diameter) in the pseudo particle size distribution curve is preferably 5 μm or more and 25 μm or less. When the obtained cellulose nanofibers have such a particle size distribution, they can exhibit sufficiently finely divided and good performance. The "pseudo particle size distribution curve" means a curve showing a volume-based particle size distribution measured using a particle size distribution measuring device (for example, a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.).
このようにして得られたセルロースナノファイバーは、ろ過材、ろ過助剤、イオン交換体の基材、クロマトグラフィー分析機器の充填材、樹脂及びゴムの配合用充填剤、化粧品配合剤、粘度保持剤、食品原料生地の強化剤、水分保持剤、食品安定化剤、低カロリー添加物、乳化安定化助剤などの用途に広く用いることができる。 The cellulose nanofibers thus obtained are filter media, filter aids, base materials for ion exchangers, fillers for chromatographic analysis equipment, fillers for compounding resins and rubbers, cosmetic compounding agents, and viscosity preserving agents. It can be widely used as a toughener for food raw material dough, a water retention agent, a food stabilizer, a low calorie additive, an emulsion stabilization aid, and the like.
[その他の実施形態]
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Other Embodiments]
It should be considered that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, but is indicated by the scope of claims and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. To.
また、上記実施形態においては、セルロースナノファイバーの製造装置が1つの高圧ホモジナイザーを備えていたが、複数の高圧ホモジナイザーを備えることにより、連続的にパルプ繊維の微細化処理を行うようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, the cellulose nanofiber manufacturing apparatus is provided with one high-pressure homogenizer, but by providing a plurality of high-pressure homogenizers, the pulp fiber may be continuously refined. ..
本発明のセルロースナノファイバーの製造装置によれば、セルロースナノファイバーを効率よく製造することができる。また、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、セルロースナノファイバーを効率よく製造することができる。 According to the cellulose nanofiber manufacturing apparatus of the present invention, cellulose nanofibers can be efficiently manufactured. Further, according to the method for producing cellulose nanofibers of the present invention, cellulose nanofibers can be efficiently produced.
1 セルロースナノファイバー製造装置
4、39 攪拌機
5 高圧ホモジナイザー
6、9 流入出管
7、8、12、19、22、23、24、31、32、33、34、35、36 移送管
10、20 タンク
11、21 投入口
13 ポンプ
14 高圧ポンプ
15、17、18 三方弁
16、25、27、30 二方弁
51 上流側流路
52 下流側流路
S1、S2、S3 スラリー
X 合流部
1 Cellulose
Claims (3)
上記スラリー中のパルプ繊維を微細化処理する高圧ホモジナイザーと、
上記高圧ホモジナイザーを介して、上記スラリーが交互に貯留される2つのタンクと
を備え、
上記2つのタンクの底部にそれぞれ連結され、上記スラリーを流入及び流出する流入出管を備えることを特徴とするセルロースナノファイバーの製造装置。 A device for producing cellulose nanofibers that refines pulp fibers in a slurry.
A high-pressure homogenizer that refines the pulp fibers in the slurry,
It is provided with two tanks in which the slurry is alternately stored via the high-pressure homogenizer.
An apparatus for producing cellulose nanofibers, which is connected to the bottoms of the two tanks and includes inflow and outflow pipes for flowing in and out of the slurry.
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