JP6820711B2 - Manufacturing method of cellulose nanofiber molded product - Google Patents
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Description
本発明は、セルロースナノファイバー成形体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a cellulose nanofiber molded product.
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。化学処理、粉砕処理等によりセルロース系原料であるパルプから製造されるセルロースナノファイバー(以下、「CNF」と略記することもある)は、強度、弾性、熱安定性等に優れている。このCNFの成形体は、バイオマス由来の高強度材料として、各種用途への活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 (hereinafter, sometimes abbreviated as "CNF") produced from pulp which is a cellulosic raw material by chemical treatment, pulverization treatment, etc. are excellent in strength, elasticity, thermal stability and the like. This CNF molded product is expected to be used for various purposes as a high-strength material derived from biomass.
CNFは、通常、水分散状態のパルプ等を微細化することにより得られる。従って、CNFのスラリー(水分散液)からCNFの成形体を得ようとする場合、スラリーを脱水し、成形する必要がある。このようにCNFのスラリーを脱水しCNF成形体を得る方法としては、型枠に充填されたCNF含有スラリーに荷重を加えると共に加熱及び/又は減圧する方法が提案されている(特開2016−94683号公報参照)。 CNF is usually obtained by refining pulp or the like in an aqueous dispersion state. Therefore, when trying to obtain a molded product of CNF from a slurry (aqueous dispersion) of CNF, it is necessary to dehydrate and mold the slurry. As a method of dehydrating the CNF slurry to obtain a CNF molded product, a method of applying a load to the CNF-containing slurry filled in the mold and heating and / or depressurizing the CNF-containing slurry has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-94683). See Gazette).
しかし、上記特許文献1の方法はCNFスラリーを加熱及び/又は減圧することにより濃縮させており、多量の水分を除去する方法として初期段階から加熱及び/又は減圧することは経済性がよくない。そのため、機械的な加圧によって脱水を行うことが好ましいが、単に機械的に加圧して脱水すると、水と共にCNFが流出してしまう。なお、脱水の際にCNFの流出が生じると、設計どおりの密度、厚さ等を有する成形体を得ることができない。また、CNFが流出する場合、生産コストの上昇にも繋がる。 However, the method of Patent Document 1 concentrates the CNF slurry by heating and / or reducing the pressure, and it is not economical to heat and / or reduce the pressure from the initial stage as a method for removing a large amount of water. Therefore, it is preferable to perform dehydration by mechanically pressurizing, but if simply mechanically pressurizing and dehydrating, CNF will flow out together with water. If CNF flows out during dehydration, it is not possible to obtain a molded product having the density, thickness, etc. as designed. In addition, if CNF leaks out, it will lead to an increase in production costs.
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の流出を抑制しつつ、効率的な脱水を行うことができるセルロースナノファイバー成形体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 a method for producing a cellulose nanofiber molded product capable of efficiently dehydrating while suppressing the outflow of cellulose nanofibers. Is to provide.
発明者らは、CNFのスラリーがチキソトロピー性を有し、加圧に伴い流動性が高まることで、CNFの流出が生じることを知見し、本発明の完成に至った。 The inventors have found that the slurry of CNF has thixotropy and the fluidity increases with pressurization, resulting in the outflow of CNF, leading to the completion of the present invention.
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、メッシュ状部材を介してセルロースナノファイバーを含むスラリーを脱水する工程を備え、上記脱水工程において、上記スラリーに対する加圧力を段階的又は連続的に高めるセルロースナノファイバー成形体の製造方法である。 That is, the invention made to solve the above problems includes a step of dehydrating a slurry containing cellulose nanofibers via a mesh-like member, and in the dehydration step, a pressing force applied to the slurry is applied stepwise or continuously. It is a method for producing a cellulose nanofiber molded product to be enhanced.
当該製造方法は、CNFを含有するスラリーに対し、脱水させながら加圧力を高めることを特徴とする。当該製造方法によれば、当初の圧力は非常に弱いため、スラリーは高粘度に保たれ、CNFの流出を抑えることができる。一方、脱水が進むとスラリーの濃度が上昇し、流動性が低下するため、ある程度圧力を高めてもCNFは流出し難くなる。そこで、次第に圧力を高めていくことで、CNFの流出を抑えながら、効率的に脱水を行うことができる。 The production method is characterized in that the pressing force is increased while dehydrating the slurry containing CNF. According to the production method, since the initial pressure is very weak, the slurry can be maintained at a high viscosity and the outflow of CNF can be suppressed. On the other hand, as dehydration progresses, the concentration of the slurry increases and the fluidity decreases, so that CNF does not easily flow out even if the pressure is increased to some extent. Therefore, by gradually increasing the pressure, dehydration can be efficiently performed while suppressing the outflow of CNF.
上記脱水工程が、2.5kPa以下で加圧を行う初期工程、及び20MPa以上で加圧を行う最終工程をこの順に備えることが好ましい。このような圧力で脱水工程を行うことで、脱水当初からのCNFの流出を抑えつつ、十分に脱水がなされたCNF成形体を得ることができる。 It is preferable that the dehydration step includes an initial step of pressurizing at 2.5 kPa or less and a final step of pressurizing at 20 MPa or more in this order. By performing the dehydration step under such pressure, it is possible to obtain a CNF molded product that has been sufficiently dehydrated while suppressing the outflow of CNF from the beginning of dehydration.
上記スラリーにおけるセルロースナノファイバーの含有量が、0.8質量%超であることが好ましい。スラリー中のCNF含有量を0.8質量%超とすることで、脱水工程におけるCNFの流出をより十分に抑制することができる。また、CNF含有量が0.8質量%以下の場合、無加圧でも流動性が高く、充填時にメッシュ状部材からCNFが流出する場合があるが、含有量を0.8質量%超とすることで、このような不都合を解消することができる。 The content of cellulose nanofibers in the slurry is preferably more than 0.8% by mass. By setting the CNF content in the slurry to more than 0.8% by mass, the outflow of CNF in the dehydration step can be more sufficiently suppressed. Further, when the CNF content is 0.8% by mass or less, the fluidity is high even without pressurization, and CNF may flow out from the mesh-like member during filling, but the content should be more than 0.8% by mass. As a result, such inconvenience can be eliminated.
上記脱水工程において、上記メッシュ状部材が内部に配置された型枠内に、上記スラリーが充填されていることが好ましい。型枠内にスラリーを充填して脱水を行うことで、脱水と共に所望する形状への成形を容易に行うことなどができる。 In the dehydration step, it is preferable that the slurry is filled in the mold in which the mesh-like member is arranged inside. By filling the mold with the slurry and dehydrating it, it is possible to easily perform molding into a desired shape together with dehydration.
上記脱水工程において、上記メッシュ状部材の外側(メッシュ状部材においてスラリー中の水分が流れ出る側であり、メッシュ状部材のスラリーが接触する側とは反対側)に、紙が積層されていることが好ましい。このように紙を積層することで、クッション性が高まり、急激な圧力変化が緩和され、徐々に圧力を高めることができるため、CNFの流出をより抑制することなどができる。また、スラリー中の水分がメッシュ状部材を通して紙へ移行するため、脱水効率を高めることもできる。 In the dehydration step, the paper is laminated on the outside of the mesh-like member (the side of the mesh-like member where the moisture in the slurry flows out and the side opposite to the side where the slurry of the mesh-like member comes into contact). preferable. By laminating the paper in this way, the cushioning property is enhanced, the sudden pressure change is alleviated, and the pressure can be gradually increased, so that the outflow of CNF can be further suppressed. Further, since the moisture in the slurry is transferred to the paper through the mesh-like member, the dehydration efficiency can be improved.
上記スラリーの固形分に占めるセルロースナノファイバーの含有量が50質量%以上であることが好ましい。当該製造方法によれば、このようにCNFの含有量が高く、脱水の際に原料の流出が生じやすい場合であっても、原料であるCNFの流出が抑えられ、所望するサイズ等を有するセルロースナノファイバー成形体を得ることができる。また、CNFは、1本1本が高強度、高弾性であり、かつナノサイズであることから、このようなCNFの含有量を高くすることで単位体積あたりの水素結合点が多くなり、強度等に優れる成形体を得ることができる。 The content of cellulose nanofibers in the solid content of the slurry is preferably 50% by mass or more. According to the production method, even when the CNF content is high and the raw material is likely to flow out during dehydration, the outflow of the raw material CNF is suppressed and the cellulose has a desired size and the like. A nanofiber molded product can be obtained. Further, since each CNF has high strength, high elasticity, and nano size, increasing the content of such CNF increases the number of hydrogen bond points per unit volume, resulting in strength. It is possible to obtain a molded product having excellent properties such as.
ここで、「セルロースナノファイバー」とは、パルプ等の植物原料を解繊して得られる微細なセルロース繊維であって、繊維幅がナノサイズ(1nm以上1000nm以下)のものをいう。 Here, the "cellulose nanofiber" refers to a fine cellulose fiber obtained by defibrating a plant raw material such as pulp and having a fiber width of nano size (1 nm or more and 1000 nm or less).
本発明によれば、セルロースナノファイバーの流出を抑制しつつ、効率的な脱水を行うことができるセルロースナノファイバー成形体の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a cellulose nanofiber molded article capable of efficiently dehydrating while suppressing the outflow of cellulose nanofibers.
以下、適宜図面を参照にしつつ、本発明の一実施形態に係るCNF成形体の製造方法について詳説する。 Hereinafter, a method for producing a CNF molded product according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
当該CNF成形体の製造方法は、メッシュ状部材を介してCNFを含むスラリーを脱水する工程を備える。図1は、上記脱水工程の一例の状態を示す模式的な説明図である。まず、当該製造方法で用いられる装置、原料等について、図1を参照しつつ説明する。 The method for producing a CNF molded product includes a step of dehydrating a slurry containing CNF via a mesh-like member. FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a state of an example of the dehydration step. First, the apparatus, raw materials, and the like used in the manufacturing method will be described with reference to FIG.
(装置、原料等)
図1の型枠11は、直方体状の内面形状を有する。また、型枠11は、底の無い枠体である。型枠11の材質は特に限定されるものではなく、金属、樹脂、木材等を挙げることができるが、高い圧力に対する耐久性等の観点からは金属が好ましい。
(Equipment, raw materials, etc.)
The
型枠11は、例えば上面が平面である水平な台(図示しない)の上に載置されている。なお、型枠11が置かれた台は、脱水工程の際の加圧に耐えられる強度のものであれば特に限定されず、一般的な金属製、木製、樹脂製等のものを用いることができる。また、この台の少なくとも上面側は、効率的に排水がされるように、網状、メッシュ状、多孔質状などであってよい。
The
型枠11の底(すなわち、型枠11内における図示しない台の上面)には、紙13が敷かれている。紙13は、和紙、洋紙、板紙等特に限定されるものではなく、公知のものを用いることができる。また、紙13は、1枚であってもよく、2枚以上を積層してもよい。
紙13の厚さの下限としては、例えば0.05mmであり、0.1mmが好ましい。紙13の厚さを上記下限以上とすることで、より十分なクッション性が確保でき、脱水工程における急激な圧力上昇を緩和することによるCNFの流出抑制機能を高めることができる。一方、この厚さの上限としては、例えば2mmである。なお、この紙13の厚さは、複数枚の紙を積層して用いる場合は、積層状態の複数枚の紙全体の厚さをいう。
The lower limit of the thickness of the
また、この紙13が敷かれていることで、後述する充填されたスラリー15中の水分がメッシュ状シート14を通して紙13へ移行するため、脱水効率を高めることもできる。なお、紙13の厚さが上記上限以上である場合、紙13に移行した水分が圧力解放後に成形体に戻る量が多くなるため、脱水の効率性が低下することとなる。なお、クッション性及び脱水性のいずれの観点からも、紙13は低密度であることが好ましい。また、脱水性の観点からは、紙13はサイズ性が低いことが好ましい。このような観点からは、紙13としては、ろ紙を好適に用いることができる。
Further, since the
紙13の上面には、メッシュ状部材の一例であるメッシュ状シート14が積層されている。このメッシュ状シート14の材質としては特に限定されず、金属、樹脂、その他繊維状材料などであってよい。すなわち、メッシュ状シート14は、金網、プラスチックワイヤー、ろ布(織布、不織布等)などであってよい。メッシュ状シート14のメッシュの形状は特に限定されず、平織、綾織、畳織、綾畳織等のいずれであってもよい。
A mesh-
メッシュ状シート14の目数の下限としては、100メッシュが好ましく、200メッシュがより好ましい。上記下限以上とすることで、加圧以前に充填した時点でCNFが流出することを抑制することができる。また、上記下限以上でも目数が大きいと段階的に加圧する速度が遅くなるので、効率的には200メッシュ以上がよりよい。一方、この目数の上限としては、500メッシュが好ましく、400メッシュがより好ましい。上記上限以下とすることで、十分な目開きが確保でき、脱水の効率性を高めることができる。但し、上限以下でも脱水が遅くなったり、段階的な加圧制御がし難くなるため、400メッシュ以下がより好ましい。
As the lower limit of the number of meshes of the mesh-
メッシュ状シート14の線径の下限としては、25μmが好ましく、30μmがより好ましい。一方、この線径の上限としては、100μmが好ましく、50μmがより好ましい。メッシュ状シート14の線径を上記下限以上とすることで、適度な小ささの目開き寸法を確保でき、脱水工程におけるCNFの流出をより抑制することができる。一方、メッシュ状シート14の線径を上記上限以下とすることで、目開き寸法が小さくなりすぎることを抑え、より効率的な脱水を行うことができる。
The lower limit of the wire diameter of the
このように、底に紙13及びメッシュ状シート14が順に積層された型枠11内に、CNFのスラリー15が充填されている。スラリー15は、CNF及び分散媒としての水を含み、さらにその他の成分が含有されていてもよい。
In this way, the
CNFは、通常、植物原料(繊維原料)を公知の方法により解繊することにより得ることができる。このCNFの原料は、植物原料であれば特に限定されないが、パルプが好ましい。 CNF can usually be obtained by defibrating a plant raw material (fiber raw material) by a known method. The raw material of this CNF is not particularly limited as long as it is a plant raw material, but pulp is preferable.
CNFの原料となるパルプとしては、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 used as a raw material for CNF include hardwood bleached kraft pulp (LBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP) and other hardwood kraft pulp (LKP), coniferous bleached kraft pulp (NBKP), and coniferous unbleached kraft pulp (NUKP). ) And other chemical pulps such as coniferous 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 and paper.
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.
CNFの原料となるパルプとしては、これらの中で、高強度成形体を得ることができるなどの点から、化学パルプが好ましく、LKP及びNKPがより好ましい。 Among these, as the pulp used as a raw material for CNF, chemical pulp is preferable, and LKP and NKP are more preferable, from the viewpoint that a high-strength molded product can be obtained.
CNFの製造方法としては、本発明の効果を損なわない限り特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば水分散状態のパルプを機械的処理による解繊に付してよく、酵素処理、酸処理、TEMPO触媒酸化、リン酸エステル化等の化学的処理を施した後に解繊に付してもよい。 The method for producing CNF is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and a known method can be used. For example, pulp in an aqueous-dispersed state may be subjected to defibration by mechanical treatment, or may be subjected to chemical treatment such as enzyme treatment, acid treatment, TEMPO-catalyzed oxidation, and phosphate esterification before defibration. ..
機械的処理による解繊方法としては、例えばパルプを回転する砥石間で磨砕するグラインダー法、高圧ホモジナイザーを用いた対向衝突法、ボールミル、ロールミル、カッターミル等を用いる粉砕法などが挙げられる。 Examples of the defibration method by mechanical treatment include a grinder method in which pulp is ground between rotating grindstones, an opposed collision method using a high-pressure homogenizer, and a crushing method using a ball mill, a roll mill, a cutter mill, and the like.
なお、CNFの原料となるパルプは解繊の前に予備叩解に付してもよい。予備叩解(機械的前処理)は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。具体的な方法の例としては、例えば、リファイナーを用いる方法を挙げることができる。 The pulp used as a raw material for CNF may be subjected to preliminary beating before defibration. The pre-beating (mechanical pretreatment) is not particularly limited, and a known method can be used. As an example of a specific method, for example, a method using a refiner can be mentioned.
また、CNFの原料となるパルプには、解繊の前に化学的な前処理を施してもよい。この化学的な前処理としては、硫酸等の酸や、酵素などを用いた加水分解処理、オゾンなどの酸化剤を用いた酸化処理などを挙げることができる。このように化学的な前処理を施した後に解繊処理することにより、効率的にCNFを得ることができる。また、前処理として、TEMPO触媒等を用いた酸化や、リン酸エステル化などの処理を行ってもよい。 In addition, the pulp used as a raw material for CNF may be chemically pretreated before defibration. Examples of this chemical pretreatment include a hydrolysis treatment using an acid such as sulfuric acid and an enzyme, and an oxidation treatment using an oxidizing agent such as ozone. CNF can be efficiently obtained by performing the defibration treatment after the chemical pretreatment in this way. Further, as a pretreatment, a treatment such as oxidation using a TEMPO catalyst or the like or phosphoric acid esterification may be performed.
CNFの保水度は、例えば250%以上500%以下である。このように保水度が高いCNFは脱水が非効率的ため、効果的に脱水を行うことができる当該製造方法を使用する利点が大きい。CNFの保水度(%)はJAPAN TAPPI No.26に準拠して測定される。 The water retention of CNF is, for example, 250% or more and 500% or less. Since dehydration of CNF having such a high degree of water retention is inefficient, there is a great advantage in using the production method capable of effectively dehydrating. The water retention rate (%) of CNF is Japan TAPPI No. Measured according to 26.
CNFは、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単一のピークを有することが好ましい。このように、一つのピークを有するCNFは、十分な微細化が進行しており、CNFとしての良好な物性を発揮することができ、得られる成形体の強度をより高めることなどができる。なお、上記単一のピークとなるCNFの粒径(最頻値)としては、例えば5μm以上50μm以下が好ましい。CNFが上記サイズであることで、CNF特有の諸特性をより良好に発揮することができる。「擬似粒度分布曲線」とは、粒度分布測定装置(例えば堀場製作所の粒度分布測定装置「LA−960S」)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 CNF preferably has a single peak in the pseudo-particle size distribution curve measured by laser diffraction in an aqueous dispersion. As described above, the CNF having one peak has been sufficiently miniaturized, can exhibit good physical properties as the CNF, and can further increase the strength of the obtained molded product. The particle size (mode) of the CNF that becomes the single peak is preferably, for example, 5 μm or more and 50 μm or less. When the CNF has the above size, various characteristics peculiar to the CNF can be exhibited better. 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 particle size distribution measuring device "LA-960S" manufactured by HORIBA, Ltd.).
脱水工程に供せられるスラリー15におけるCNFの含有量としては、0.8質量%超が好ましく、1質量%以上がより好ましく、1.5質量%以上がさらに好ましい。スラリー中のCNF含有量を0.8質量%超とすることで、脱水工程におけるCNFの流出をより十分に抑制することができる。また、脱水工程に係る時間の短縮化を図ることもできる。また、CNF含有量が0.8質量%以下の場合、無加圧でも流動性が高く、充填時にメッシュ状シートからCNFが流出する場合があるが、含有量を0.8質量%超とすることで、このような不都合を解消することができる。一方、このCNFの含有量の上限としては、例えば10質量%であり、5質量%であってもよく、4質量%であってもよく、3質量%であってもよい。スラリー15におけるCNFの含有量を上記上限以下とすることで、良好な流動性を確保でき、型枠11への充填性等を高めることができる。また、CNFの含有量を上記上限以下とすることで、厚さや密度のムラを抑制でき、均一性の高い成形体を得ることができる。
The content of CNF in the
スラリー15の固形分に占めるCNFの含有量の下限としては、例えば30質量%であってもよいが、50質量%が好ましく、70質量%であってもよく、90質量%であってもよく、95質量%であってもよく、99質量%であってもよい。スラリー15中の固形分におけるCNFの含有量を上記下限以上とすることで、得られる成形体中のCNFの含有比率が高まり、得られる成形体の強度等を高めることができる。一方、このCNFの含有量の上限は、100質量%であってよく、99.9質量%であってよく、90質量%であってよく、70質量%であってもよく、50質量%であってもよい。
The lower limit of the content of CNF in the solid content of the
スラリー15は、CNFより繊維長が長い又は繊維径が太く、かつCNFと水素結合可能な繊維をさらに含むことが好ましい。スラリー15中に、このような繊維を含有させておくことで、この繊維表面とCNFとが相互作用し、かつ、サイズの大きいこの繊維がメッシュ状部材を通過し難いため、CNFの流出を抑制することができる。このため、CNFの流出がより抑制され、より効率的な脱水を行うことができる。
The
このような繊維としては、パルプ、綿繊維、絹繊維、麻、羊毛、獣毛、レーヨン繊維、キュプラ繊維等を挙げることができるが、パルプが好ましい。パルプは、CNFと同様にセルロースを主成分とするものであり、CNFと高い親和性を有する。従って、上記繊維としてパルプを用いることで、CNFの流出をより効果的に抑えることができる。また、パルプを添加することでパルプが芯材となり、強度に優れる成形体を得ることができる場合がある。なお、パルプの繊維径は通常、1μm超であり、好ましくは10μm以上である。 Examples of such fibers include pulp, cotton fiber, silk fiber, hemp, wool, animal hair, rayon fiber, cupra fiber and the like, but pulp is preferable. Like CNF, pulp contains cellulose as a main component and has a high affinity for CNF. Therefore, by using pulp as the fiber, the outflow of CNF can be suppressed more effectively. Further, by adding pulp, the pulp becomes a core material, and a molded product having excellent strength may be obtained. The fiber diameter of pulp is usually more than 1 μm, preferably 10 μm or more.
上記パルプとしては、LKP及びNKPが好ましい。なお、CNFの原料となっているパルプを上記繊維として用いることも好ましい。例えば、LKPを原料としたCNFとLKPとを組み合わせて用いること、あるいはNKPを原料としたCNFとNKPとを組み合わせて用いることが好ましい。このようにCNFの原料となっているパルプを用いることで、CNFとパルプとの親和性がより高まり、CNFの流出をより抑制することができる。但し、CNFの原料パルプと、CNFに混合するパルプとが異なる種類であってもよい。 As the pulp, LKP and NKP are preferable. It is also preferable to use pulp, which is a raw material of CNF, as the fiber. For example, it is preferable to use a combination of CNF and LKP made from LKP as a raw material, or a combination of CNF and NKP made from NKP as a raw material. By using the pulp that is the raw material of CNF in this way, the affinity between CNF and pulp is further enhanced, and the outflow of CNF can be further suppressed. However, the raw material pulp of CNF and the pulp mixed with CNF may be of different types.
上記パルプは未叩解パルプであってもよいし、叩解パルプであってもよい。未叩解パルプを用いることで、脱水効率を高めることができる。一方、叩解パルプを用いることで、CNFが絡まりやすくなりCNFの流出をより抑制することができ、かつ、水素結合点の増加により得られる成形体の高強度化を図ることができる。 The pulp may be unbeaten pulp or beaten pulp. By using unbeaten pulp, dehydration efficiency can be improved. On the other hand, by using the beating pulp, the CNF is easily entangled, the outflow of the CNF can be further suppressed, and the strength of the molded product obtained by increasing the hydrogen bond points can be increased.
スラリー15の固形分に占める上記繊維の含有量の下限としては、0.1質量%が好ましく、1質量%がより好ましく、3質量%がさらに好ましい。上記繊維の含有量を上記下限以上とすることで、CNFの流出抑制機能を高め、脱水効率を高めることができる。一方、この含有量の上限としては、例えば70質量%であり、50質量%が好ましく、30質量%がより好ましく、10質量%であってもよい。上記繊維の含有量を上記上限以下とすることで、得られる成形体の強度を高めることができる。
The lower limit of the content of the fiber in the solid content of the
スラリー15中には、本発明の効果に影響を与えない範囲で、CNF及び上記繊維以外の他の固形分がさらに含有されていてもよい。但し、スラリー15の固形分に占める上記他の固形分の含有量の上限は、10質量%が好ましく、3質量%がより好ましく、1質量%がさらに好ましい。他の固形分の含有量が上記上限以下であることで、得られる成形体の強度、熱安定性等を高めることなどができる。
The
型枠11内に充填されたスラリー15には、板状の蓋体16が積層されている。蓋体16の長さ及び幅は、型枠11の内寸と略同一、あるいは一回り小さい大きさとなっている。この蓋体16、型枠11及び型枠11を置いた図示しない台から構成される空間内に、スラリー15は実質的に密閉されることとなる。すなわち、台の上面並びに型枠11及び蓋体16の内面形状が得られる成形体の外面形状となる。
A plate-shaped
この蓋体16の材質は特に限定されるものではなく、金属、樹脂、木材等を挙げることができるが、高い圧力に対する耐久性等の観点からは金属が好ましい。なお、蓋体16の材質は、型枠11の材質と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
The material of the
(準備工程)
当該製造方法は、脱水工程を行う前に、図1の状態を用意する準備工程を有していてもよい。この準備工程は、図1の状態となるように、台の上に置かれた型枠11の底に紙13及びメッシュ状シート14を順に積層し、その上にスラリー15を充填する工程である。さらに、充填後のスラリー15上に蓋体16が配置される。なお、後述するように、スラリー15を充填した段階で脱水が始まった場合は、蓋体16はこのタイミングではスラリー15上に載せなくてよい。
(Preparation process)
The manufacturing method may have a preparatory step of preparing the state of FIG. 1 before performing the dehydration step. This preparatory step is a step of laminating the
また、当該製造方法は、準備工程として、CNFを含むスラリーの調製工程を有していてもよく、CNFと上記繊維との混合工程を有していてもよい。 In addition, the production method may have a slurry preparation step containing CNF as a preparatory step, or may have a mixing step of CNF and the above fibers.
(脱水工程)
以下、脱水工程の手順を具体的に詳説する。この脱水工程において、スラリー15に対する加圧力を段階的又は連続的に高める。この脱水工程において、スラリー15中の水分は、メッシュ状シート14及び紙13を介して、型枠11の底(図1における下側)から流出していく。
(Dehydration process)
Hereinafter, the procedure of the dehydration step will be described in detail. In this dehydration step, the pressing force on the
脱水工程は、まず、2.5kPa以下で加圧を行う初期工程を有することが好ましい。初期に2.5kPaを超える圧力をかけると、CNFがメッシュ状シート14を介して流出しやすくなる。なお、目開きの細かいメッシュ状シート14を用いれば、初期に2.5kPaを超える圧力をかけてもCNFの流出が抑制できるが、この場合、全体的な脱水効率が低下し得る。この初期工程における加圧は実質的に0kPa、あるいは大気圧であってよい。また、蓋体16の自重のみによる加圧であってもよい。例えば、CNF15を紙13及びメッシュ状シート14を介して型枠11内に投入(充填)した時点で、メッシュ状シート14を介して水が流出した場合(脱水が開始した場合)はこの状態で暫く放置し、水の流出が収まった時点で蓋体16をスラリー15上に載せることができる。
The dehydration step preferably includes an initial step of pressurizing at 2.5 kPa or less. When a pressure exceeding 2.5 kPa is initially applied, the CNF tends to flow out through the
上記初期工程の加圧で脱水がある程度進んだ後、加圧力を高めていく。この加圧力の制御方法は特に限定されず、公知のプレス機で制御してもよいし、蓋体16に重しを載せていくことによって行うなどしてもよい。また、脱水の進行度(脱水量)に応じて加圧力を高めていってもよいし、スラリー15の組成と加圧力との関係等をデータベース化しておき、時間によって加圧力を制御してもよい。
After dehydration has progressed to some extent by the pressurization in the initial step, the pressurization is increased. The method of controlling the pressing force is not particularly limited, and may be controlled by a known press machine, or may be performed by placing a weight on the
上記脱水工程においては、このように加圧力を高めていき、最終工程として、20MPa以上で加圧を行うことが好ましく、30MPa以上がより好ましく、40MPa以上がさらに好ましい。この最終工程を経ることで、十分に脱水がなされたCNF成形体を得ることができる。なお、この最終工程の加圧力の上限としては、例えば200MPaとすることができ、100MPaであってもよい。 In the dehydration step, the pressing force is increased in this way, and as the final step, pressurization is preferably performed at 20 MPa or more, more preferably 30 MPa or more, still more preferably 40 MPa or more. By going through this final step, a sufficiently dehydrated CNF molded product can be obtained. The upper limit of the pressing force in this final step can be, for example, 200 MPa, or 100 MPa.
(後工程)
なお、上記脱水工程の後は、更なる脱水を施してもよい。更なる脱水としては、得られた成形体(脱水されたスラリー15)を型枠11から取り出し、加熱しながらプレス機によりプレスする方法、乾燥機により乾燥する方法などが挙げられる。これらの中でも、加熱しながらプレスする方法が好ましい。これにより、CNF成形体の更なる高密度化及び高強度化を図ることができる。
(Post-process)
After the dehydration step, further dehydration may be performed. Examples of further dehydration include a method of taking out the obtained molded product (dehydrated slurry 15) from the
(利点等)
当該製造方法によれば、このように脱水させながら加圧力を高めることで、当初の圧力は非常に弱いため、スラリーは高粘度に保たれ、CNFの流出を抑えることができる。脱水が進むとスラリーの濃度が上昇し、流動性が低下するため、ある程度圧力を高めてもCNFは流出し難くなり、次第に圧力を高めていくことで、CNFの流出を抑えながら、効率的に脱水を行うことができる。なお、加圧力を段階的に高める場合、この段数は特に限定されず、2段階以上であれば良い。段数の上限も特に限定されず、100段階の制御を行ってもよく、10段階であってもよく、3段階であってもよい。また、連続的に加圧力を高める場合、一定の比率で加圧力を高めなくてもよく、一定の加圧力で保持された時間があってもよい。
(Advantages, etc.)
According to the production method, by increasing the pressing force while dehydrating in this way, the initial pressure is very weak, so that the slurry is maintained at a high viscosity and the outflow of CNF can be suppressed. As dehydration progresses, the concentration of the slurry increases and the fluidity decreases, so even if the pressure is increased to some extent, it becomes difficult for CNF to flow out. By gradually increasing the pressure, the outflow of CNF is suppressed and efficiently. Dehydration can be performed. When the pressing force is increased stepwise, the number of steps is not particularly limited, and may be two or more steps. The upper limit of the number of stages is not particularly limited, and control may be performed in 100 stages, in 10 stages, or in 3 stages. Further, when the pressing force is continuously increased, it is not necessary to increase the pressing force at a constant ratio, and there may be a time held at a constant pressing force.
なお、本実施形態のように、型枠11内にスラリーを充填して脱水を行うことで、脱水と共に所望する形状への成形を容易に行うことなどができる。本実施形態においては、直方体の成形体を得ることができる。
In addition, as in this embodiment, by filling the
また、本実施形態のように、メッシュ状シート14の外側(メッシュ状シート14の下)に紙13が積層されていることで、加圧力の変化の際のクッション性が高まり、急激な圧力変化が緩和される。これにより、徐々に圧力を高めることができるため、CNFの流出をより抑制することなどができる。また、スラリー中の水分がメッシュ状部材を通して紙へ移行するため、脱水効率を高めることもできる。
Further, as in the present embodiment, since the
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、メッシュ状部材は、シート状に限定されるものではなく、型枠の少なくとも一部がメッシュ状部材であったり、蓋体がメッシュ状部材であったりしてもよい。また、図1とは異なり、台の上に紙13及びメッシュ状シート14を順に積層し、その上に型枠11を置くように配置してもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modifications and improvements in addition to the above-described embodiment. For example, the mesh-like member is not limited to the sheet shape, and at least a part of the mold may be a mesh-like member, or the lid may be a mesh-like member. Further, unlike FIG. 1, the
また、型枠の形状も直方体に限定されるものではなく、任意の形状であってよい。型枠は、底板を有するものであってもよい。型枠が底板を有する場合、型枠には脱水のための排水口が設けられていてよい。この場合、この排水口を覆うようにメッシュ状部材を配置することが好ましい。また、この場合、型枠とメッシュ状部材との間に紙を配置することが好ましい。このようにすることで、クッション性が高まり、急激な圧力変化が緩和されると共に、紙による脱水効率を高めることができる。 Further, the shape of the formwork is not limited to the rectangular parallelepiped, and may be any shape. The formwork may have a bottom plate. If the formwork has a bottom plate, the formwork may be provided with a drain for dehydration. In this case, it is preferable to arrange the mesh-like member so as to cover the drainage port. Further, in this case, it is preferable to arrange the paper between the mold and the mesh-like member. By doing so, the cushioning property is enhanced, a sudden pressure change is alleviated, and the dehydration efficiency by paper can be enhanced.
さらに、上記実施の形態においては、特に加熱等を行わずに脱水工程を行っているが、加熱させながら脱水(加圧)を行うこともできる。なお、上記実施の形態のように、加熱を行わずに脱水工程を行うことで、低コストで、ある程度の含水量になるまで効率的に脱水を行うことができる。加圧のみでは脱水が進行しなくなった後、後工程として加熱しつつ脱水を行うことで、時間的、エネルギー的、コスト的に効率的な脱水を行うことができる。 Further, in the above embodiment, the dehydration step is performed without particularly heating or the like, but dehydration (pressurization) can also be performed while heating. By performing the dehydration step without heating as in the above embodiment, dehydration can be efficiently performed at low cost until the water content reaches a certain level. After dehydration does not proceed only by pressurization, dehydration can be performed efficiently in terms of time, energy, and cost by performing dehydration while heating as a post-process.
また、図1とは異なり、スラリー15の上面に第2のメッシュ状シートを積層し、この第2のメッシュ状シートの上面に第2の紙を積層し、この第2の紙の上面に蓋体16を置いてもよい。このように、スラリー15に対して上面側にも紙を積層する(スラリー15に対して、一対の紙で挟んだ状態とする)ことで、クッション性がより高まり、加圧に伴うCNFの流出をより抑制することができる。また、スラリー15に対して、上面側のみに紙を積層してもよい。なお、上側に積層させた第2のメッシュ状シートは、スラリー15と第2の紙とが直接接することを防ぐ役割などを担う。すなわち、CNFの成形体と紙とは親和性が高いため、スラリーと紙とが直接接した状態で加圧し、脱水させると、得られたCNF成形体に紙が貼り付き、この紙を剥がすことが困難になる。そこで、スラリーと紙との間にメッシュ状シートを積層しておくことにより、得られたCNF成形体から紙等を容易に剥がすことができる。また、スラリー中の水分がメッシュ状部材を通して紙へ移行するため、脱水効率を高めることもできる。
Further, unlike FIG. 1, a second mesh-like sheet is laminated on the upper surface of the
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
<評価方法>
以下の各種物性は、以下の評価方法に準じて測定した。
<Evaluation method>
The following various physical properties were measured according to the following evaluation method.
(擬似粒度分布曲線)
ISO−13320(2009)に準拠して、粒度分布測定装置(堀場製作所の粒度分布測定装置「LA−960S」)を用いて体積基準粒度分布を示す曲線を測定した。
(Pseudo particle size distribution curve)
In accordance with ISO-13320 (2009), a curve showing a volume-based particle size distribution was measured using a particle size distribution measuring device (HORIBA, Ltd. particle size distribution measuring device "LA-960S").
(保水度(%))
セルロースナノファイバーの保水度(%)は、JAPAN TAPPI No.26:2000に準拠して測定した。
(Water retention (%))
The water retention rate (%) of the cellulose nanofibers is determined by Japan TAPPI No. Measured according to 26: 2000.
[製造例1]
原料パルプ(LBKP)に対し、予備叩解としてリファイナー処理し、次いで高圧ホモジナイザーで解繊(微細化)処理し、CNFのスラリー(水分散液:濃度2.2質量%)を得た。なお、リファイナー処理及び高圧ホモジナイザー処理は、いずれも複数回の循環処理を行った。得られたスラリーに含まれるCNFは、レーザー回折を用いた粒度分布測定の疑似粒度分布において1つのピークを有し(最頻値45μm)、保水度は343%であった。
[Manufacturing Example 1]
The raw material pulp (LBKP) was refiner-treated as a preliminary beating, and then defibrated (miniaturized) with a high-pressure homogenizer to obtain a CNF slurry (aqueous dispersion: concentration 2.2% by mass). In both the refiner treatment and the high-pressure homogenizer treatment, a circulation treatment was performed a plurality of times. The CNF contained in the obtained slurry had one peak in the pseudo particle size distribution of the particle size distribution measurement using laser diffraction (mode 45 μm), and the water retention degree was 343%.
[実施例1]
図1に示した直方形状の金属製の型枠11の底に紙13を敷き、次いでメッシュ状シート14を敷いた。紙13とメッシュ状シート14とは、共に型枠11の底面と同じ大きさにして用いた。紙13は、厚さ0.28mmのろ紙を用いた。メッシュ状シートは、目数300メッシュ、線径40μmのSUS316製のものを用いた。
[Example 1]
次いで、製造例1で得たCNFのスラリーをそのまま型枠11内に充填し、その上に、メッシュ状シート、紙及び金属製の板状の蓋体16(底面積0.067m2、質量8.0kg)をこの順に置いた。スラリーの上に重ねたメッシュ状シート及び紙は、先に敷いたメッシュ状シート及び紙と同じものである。この蓋体16の重さにより、スラリー15は1.2kPaで加圧され、水が底から流出し始めた(脱水が開始された)。なお、この水は透明であり、CNFが流出していないことを目視にて確認した。この蓋体16の自重による加圧を初期工程とした。
Next, the CNF slurry obtained in Production Example 1 is filled in the
その後、水の流出が弱まってきたタイミングで、蓋体16の上に重しを載せていき加圧力を高めていった。最終的にスラリー15に対して50MPaで加圧し、最終工程とした。初期工程から最終工程までの全脱水時間は180分であった。これにより、含水率54.2質量%に脱水されたCNF成形体が得られた。なお、初期工程から最終工程まで、CNFは流出していないことを目視にて確認した。
After that, at the timing when the outflow of water weakened, a weight was placed on the
[実施例2]
スラリーとして、CNFとパルプとを95:5の質量比で混合した固形分濃度2.3質量%のスラリーを用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2を行った。なお、パルプは、濃度21.6質量%、フリーネス580mLの未叩解パルプ(LBKP)を使用した。初期工程から最終工程までの全脱水時間は90分であった。なお、初期工程から最終工程まで、CNFは流出していないことを目視にて確認した。
[Example 2]
Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1 except that a slurry having a solid content concentration of 2.3% by mass in which CNF and pulp were mixed at a mass ratio of 95: 5 was used as the slurry. As the pulp, unbeaten pulp (LBKP) having a concentration of 21.6% by mass and a freeness of 580 mL was used. The total dehydration time from the initial step to the final step was 90 minutes. It was visually confirmed that CNF did not flow out from the initial process to the final process.
[実施例3]
スラリーとして、CNFとパルプとを80:20の質量比で混合した固形分濃度2.7質量%のスラリーを用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3を行った。なお、パルプは、濃度21.6質量%、フリーネス580mLの未叩解パルプ(LBKP)を使用した。初期工程から最終工程までの全脱水時間は60分であった。なお、初期工程から最終工程まで、CNFは流出していないことを目視にて確認した。
[Example 3]
Example 3 was carried out in the same manner as in Example 1 except that a slurry having a solid content concentration of 2.7% by mass in which CNF and pulp were mixed at a mass ratio of 80:20 was used as the slurry. As the pulp, unbeaten pulp (LBKP) having a concentration of 21.6% by mass and a freeness of 580 mL was used. The total dehydration time from the initial step to the final step was 60 minutes. It was visually confirmed that CNF did not flow out from the initial process to the final process.
[実施例4]
スラリーとして、CNFとパルプとを80:20の質量比で混合した固形分濃度2.0質量%のスラリーを用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4を行った。なお、パルプは、濃度1.5質量%、フリーネス460mLの叩解パルプ(LBKP)を使用した。初期工程から最終工程までの全脱水時間は75分であった。なお、初期工程から最終工程まで、CNFは流出していないことを目視にて確認した。
[Example 4]
Example 4 was carried out in the same manner as in Example 1 except that a slurry having a solid content concentration of 2.0% by mass in which CNF and pulp were mixed at a mass ratio of 80:20 was used as the slurry. As the pulp, beaten pulp (LBKP) having a concentration of 1.5% by mass and a freeness of 460 mL was used. The total dehydration time from the initial step to the final step was 75 minutes. It was visually confirmed that CNF did not flow out from the initial process to the final process.
[比較例1]
蓋体16の上に重しを載せ、加圧力2.6kPaで初期工程を行ったこと以外は、実施例1と同様にして比較例1を行った。白濁した水が流出した。CNFが流出していることが確認できた。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the weight was placed on the
[比較例2]
蓋体16の上に重しを載せ、初期工程の加圧力をそのまま維持し、加圧力を高めなかったこと以外は、実施例1と同様にして比較例2を行った。十分な脱水を行うことができなかった。
[Comparative Example 2]
Comparative Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1 except that a weight was placed on the
上記実施例及び比較例の一覧を表1に示す。 Table 1 shows a list of the above examples and comparative examples.
表1に示されるように、実施例1〜4のように、スラリーの対する加圧力を高めていくように脱水することで、CNFを流出させずに効率的な脱水ができることが分かる。これに対し、初期工程から加圧力の高い比較例1は、CNFの流出が生じ、初期工程の加圧力のままの比較例2は、十分な脱水を行うことができなかった。また、実施例2〜4のようにCNFにパルプを混合することで、脱水効率が高まることがわかる。 As shown in Table 1, it can be seen that efficient dehydration can be performed without causing CNF to flow out by dehydrating so as to increase the pressing force on the slurry as in Examples 1 to 4. On the other hand, in Comparative Example 1 in which the pressing force was high from the initial step, CNF flowed out, and in Comparative Example 2 in which the pressing force in the initial step remained, sufficient dehydration could not be performed. Further, it can be seen that the dehydration efficiency is enhanced by mixing pulp with CNF as in Examples 2 to 4.
本発明のCNF成形体の製造方法は、高強度を有するCNF成形体の製造に好適に用いることができる。このCNF成形体は、強度、弾性、熱安定性等に優れ、金属成形体、樹脂成形体、木材等に替わる材料等として用いることができる。 The method for producing a CNF molded product of the present invention can be suitably used for producing a CNF molded product having high strength. This CNF molded product is excellent in strength, elasticity, thermal stability, etc., and can be used as a material that replaces a metal molded product, a resin molded product, wood, or the like.
11 型枠
13 紙
14 メッシュ状シート
15 スラリー
16 蓋体
11
Claims (5)
を備え、
上記脱水工程において、上記スラリーに対する加圧力を段階的又は連続的に高め、
上記脱水工程が、
2.5kPa以下で加圧を行う工程、及び
20MPa以上で加圧を行う工程
をこの順に備えるセルロースナノファイバー成形体の製造方法。 A step of dehydrating a slurry containing cellulose nanofibers via a mesh-like member is provided.
In the dehydration step, the pressing force on the slurry is gradually or continuously increased .
The above dehydration process
The process of pressurizing at 2.5 kPa or less, and
Step of pressurizing at 20 MPa or more
Method for producing cellulose nanofibers molded Ru in this order.
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