JP6898173B2 - セルロースアセテートの製造方法、製造装置及びセルロースアセテート - Google Patents
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Description
以下、好ましい実施の形態の一例を具体的に説明する。本開示のセルロースアセテートの製造方法は、(a)原料セルロースを、酸触媒と酢酸溶媒の存在下で無水酢酸と反応させて、セルロースアセテートのドープを生成する工程、(b)生成したセルロースアセテートのドープを、水の存在下、撹拌槽にて、回転可能な撹拌翼により撹拌しながら加水分解して、セルロースアセテートの酢化度を54%以上57%以下に調整する工程、及び(c)酢化度を調整したセルロースアセテートを水の存在下で沈澱させる工程を含み、前記撹拌翼は、撹拌軸と前記撹拌軸に固定された複数の平板状翼を有し、前記平板状翼は、平板のトップ部と平板のボトム部から構成され、前記トップ部は、下部に向かう程、回転半径方向の幅が広くなる形状を有すると共に、開口部を備えるものである。以下、各工程について説明する。
セルロースアセテートのドープを生成する工程においては、酸触媒と酢酸溶媒の存在下で原料セルロースを無水酢酸と反応させる、言い換えれば、セルロースを酢化する酢化反応である。この原料セルロースは、後述する解砕工程及び/または前処理工程を経ていることが好ましい。
原料セルロースとしては、木材パルプ(針葉樹パルプ、広葉樹パルプ);綿花リンターなどのリンターパルプ;などが使用できる。これらのセルロースは単独で又は二種以上組み合わせてもよく、例えば、針葉樹パルプと、綿花リンター又は広葉樹パルプとを併用してもよい。原料セルロースがシート状の形態で供給されるなど、前処理工程または酢化工程以降の工程で取扱いにくい場合は、原料セルロースを解砕することが好ましい。
原料セルロースを解砕する方法としては、湿式解砕法と乾式解砕法とがある。湿式解砕法は、原料セルロースを水または水蒸気などを添加して解砕する方法である。湿式解砕法としては、例えば、蒸気による活性化と反応装置中での強い剪断攪拌を行う方法;および希酢酸水溶液中で離解してスラリーとした後、脱液と酢酸置換を繰り返す、いわゆるスラリー前処理を行う方法等が挙げられる。また、乾式解砕法は、原料セルロースを乾燥状態のまま解砕する方法である。乾式解砕法としては、例えば、ピラミッド歯を有するディスクリファイナーで粗解砕した原料セルロースを、線状歯を有するディスクリファイナーで微解砕する方法;および内壁にライナーを取付けた円筒形の外箱と、外箱の中心線を中心として高速回転する複数の円板と、各円板の間に前記中心線に対して放射方向に取り付けられた多数の翼とを備えたターボミルを用い、翼による打撃と、ライナーへの衝突と、高速回転する円板、翼及びライナーの三者の作用で生じる高周波数の圧力振動とからなる三種類の衝撃作用により、外箱の内部に供給される被解砕物を解砕する方法等が挙げられる。
前処理工程は、原料セルロースと酢酸とを接触させて活性化する工程である。酢酸は、原料セルロース100重量部に対して、好ましくは10重量部以上500重量部以下用いる。この時、酢酸は、99重量%以上の濃度のものを用いることができる。
原料セルロースを酸触媒と酢酸溶媒の存在下で無水酢酸と反応させて、セルロースアセテートのドープを生成する工程(酢化反応工程)について説明する。当該酢化反応工程において得られるセルロースアセテートは、セルローストリアセテートである。なお、セルローストリアセテートの酢化度は、60.0%以上62.0%以下程度のものをいう。
生成したセルロースアセテートのドープを、水の存在下、撹拌槽にて、回転可能な撹拌翼により撹拌しながら加水分解して、酢化度を54%以上57%以下に調整する工程において、前記撹拌翼は、撹拌軸と前記撹拌軸に固定された複数の平板状翼を有し、前記平板状翼は、平板のトップ部と平板のボトム部から構成され、前記トップ部は、下部に向かう程、回転半径方向の幅が広くなる形状を有すると共に、開口部を備える。なお、加水分解は、ケン化と言い換えることができる。
酢化度を調整したセルロースアセテートを水の存在下で沈澱させる工程について説明する。例えば、セルロースアセテートのドープと水とを混合し、セルロースアセテートを沈澱させる。水は沈澱剤として用いるところ、当該沈澱剤には、酢酸、または酢酸マグネシウム等が含まれていてもよい。つまり、希酢酸、又は酢酸マグネシウム水溶液等を用いてもよい。セルロースアセテートのドープ中の硫酸塩を溶解し、沈澱物として得られるセルロースアセテート中の硫酸塩を除去しやすいため、水または希酢酸が好ましい。
セルロースアセテートを水の存在下で沈澱させる工程の後、必要に応じ、得られたセルロースアセテートのドープの分離及び乾燥処理を行ってもよい。セルロースアセテートのドープの分離は、沈澱剤の混合の後、ろ過、遠心分離などにより脱水することが好ましい。
本開示の製造装置は、前記セルロースアセテートの製造方法における、セルロースアセテートの酢化度を調整する工程に用いる装置であって、撹拌槽内の中心部に撹拌翼が配置され、前記撹拌翼は、撹拌軸と前記撹拌軸に固定された複数の平板状翼を有し、前記平板状翼は、平板のトップ部と平板のボトム部から構成され、前記トップ部は、下部に向かう程、回転半径方向の幅が広くなる形状を有すると共に、開口部を備える。
本開示のセルロースアセテートは、構成糖分析において、キシロース、マンノースおよびグルコースのモル含量の和におけるキシロースのモル含量の割合が0.5mol%以上2.0mol%以下が好ましく、0.5mol%以上1.5mol%以下がより好ましく、0.5mol%以上1.0mol%以下がさらに好ましい。キシロース、マンノースおよびグルコースのモル含量の和におけるキシロースのモル含量の割合が2.0mol%を超えると、不純物の影響で異物数が多くなる傾向になる。
本開示のセルロースアセテートは、6%粘度が100mPa・s以上140mPa・s以下であるところ、6%粘度の下限としては105mPa・s以上が好ましく、110mPa・s以上がより好ましい。6%粘度が100mPa・s未満であると、当該セルロースアセテートの製造工程においてセルロースアセテートを含む混合液を沈澱槽へラインを通じて送る際、ポンプが空回りを起こし、セルロースアセテートの生産効率が低下してしまう。一方、6%粘度の上限は135mPa・s以下が好ましく、130mPa・s以下がより好ましい。6%粘度が140mPa・sを超えると、当該セルロースアセテートの製造工程においてセルロースアセテートを含む混合液を沈澱槽へラインを通じて送ると、そのライン中でセルロースアセテートが閉塞しやすく、セルロースアセテートの生産効率が低下してしまう。
本開示のセルロースアセテートは、酢化度が54%以上57%以下であるところ、酢化度の下限値としては、54.5%以上が好ましく、55.0%以上がより好ましい。酢化度が54%未満であると、異物数が増加傾向となる。一方、酢化度の上限値としては、56.5%以下が好ましく、56.0%以下がより好ましい。酢化度が57%を超えると、異物数が増加傾向となる。
本開示のセルロースアセテートは、異物数が少ないものであるところ、異物数は、アセトン不溶解物量によって評価できる。アセトン不溶解物量が600×103個/g未満であるところ、アセトン不溶解物量の上限としては、550×103個/g未満が好ましく、500×103個/g未満がより好ましい。アセトン不溶解物量が600×103個/以上となると、ドープをろ過する際にフィルターが目詰まりしやすくフィルターの洗浄、交換が必要となり生産性が悪化する。さらに、アセトン不溶解物量が増えすぎれば、測定時にガラスフィルターが目詰まりして測定不能となる場合がある。アセトン不溶解物量の下限値としては、より小さい方が好ましく、特に限定されるものではないが、例えば、製造コスト、生産性の観点からは、100×103個/g以上であってもよい。
(測定条件)
温度:25℃
測定濃度:1%
測定量:0.5ml
セル厚さ:100um
対物レンズ:10倍
測定粒子径範囲:4um−60um
測定モード:オートイメージモード
アセトン不溶解物量(×103個/g)
=測定個数/(測定体積×溶媒密度×固形分濃度)/1000
本開示の製造方法により得られるセルロースアセテートを成形して成形体としてもよい。成形体の形状は特に制限されず、繊維状等の一次元的成形体;フィルム・シート状等の二次元的成形体であってよい。これらは、OA・家電機器分野、電気・電子分野、通信機器分野、サニタリー分野、自動車等の輸送車両分野、家具・建材等の住宅関連分野、雑貨分野等において適した形状である。成形方法としては、乾式又は湿式紡糸;溶融製膜又は溶液製膜等が挙げられる。
セルロースアセテートを硫酸によって加水分解し、炭酸バリウムによって中和し、ろ紙およびイオン交換フィルターによってろ過した後、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)法のうち、HPLC−CAD(Agilent1200シリーズシステム)から得られたデータを用いて、キシロース、マンノースおよびグルコースのモル含量を算出し、キシロース、マンノースおよびグルコースのモル含量の和におけるキシロースのモル含量の割合を求めた。
カラム:Asahipak NH2P−50 4E(4.6mmI.D.×250mm)
ガードカラム:Asahipak NH2P−50G 4A(4.6mmI.D.×10mm)
カラム温度:20℃
移動相:水/アセトニトリル=25/75(v/v)
移動相流速:1.0mL/min
窒素ガス圧力:35psi
ネブライザー:30℃
セルロースアセテートの6%粘度は、下記の方法で測定した。三角フラスコに乾燥試料3.00g、95%アセトン水溶液を39.90g入れ、密栓して約1.5時間撹拌した。その後、回転振盪機で約1時間振盪して完溶させた。得られた6wt/vol%の溶液を所定のオストワルド粘度計の標線まで移し、25±1℃で約30分間整温した。計時標線間の流下時間を測定し、次式(1)により6%粘度を算出した。
6%粘度(mPa・s)=流下時間(s)×粘度計係数 (1)
粘度計係数={標準液絶対粘度(mPa・s)×溶液の密度(0.827g/cm3)}/{標準液の密度(g/cm3)×標準液の流下秒数(s) (2)
セルロースアセテートの酢化度は、ASTM−D−817−91(セルロースアセテートなどの試験方法)における酢化度の測定方法により求めた。乾燥したセルロースアセテート1.9gを精秤し、アセトンとジメチルスルホキシドとの混合溶媒(容量比4:1)150mlに溶解した後、1N−水酸化ナトリウム水溶液30mlを添加し、25℃で2時間ケン化した。フェノールフタレインを指示薬として添加し、1N−硫酸(濃度ファクター:F)で過剰の水酸化ナトリウムを滴定した。また、上記と同様の方法でブランク試験を行い、下記式に従って酢化度を算出した。
酢化度(%)=[6.5×(B−A)×F]/W
(式中、Aは試料での1N−硫酸の滴定量(ml)、Bはブランク試験での1N−硫酸の滴定量(ml)、Fは1N−硫酸の濃度ファクター、Wは試料の重量を示す)
アセトンに、1wt%固形分濃度になるようにセルロースアセテートを溶解し、回転振蕩機に取り付け、2時間振蕩(50rpm)し溶解させて溶液とした。溶液をデジタルイメージングシステム(Flow CAM:Fluid Imaging Technologies社製)に0.5ml投入し、溶液中の異物個数(測定個数)を以下の測定条件にて測定した。
(測定条件)
温度:25℃
測定濃度:1%
測定量:0.5ml
セル厚さ:100um
対物レンズ:10倍
測定粒子径範囲:4um−60um
測定モード:オートイメージモード
そして、測定後、次式よりセルロースアセテート単位重量あたりのアセトン不溶解物量を算出した。なお、アセトンの密度は、0.79g/mlである。
アセトン不溶解物量(×103個/g)
=測定個数/(測定体積×溶媒密度×固形分濃度)/1000
=測定個数/(0.5ml×0.79g/ml×0.01)/1000
セルロースアセテート濃度既知のDMSO溶液をサンプルとして調製し、波長λ=430nmの吸光度および波長740nmの吸光度をそれぞれ測定して吸光度の差を求め、さらにセルロースアセテート濃度を100%換算して得られた値を吸光度法色相とした。セルロースアセテートの吸光度法色相は、下記の方法で測定した。
赤外線水分計(METTLER TOLEDO HB43)を用いて、セルロースアセ
テートの含水率を測定し、記録用紙に記録した。
まずサンプル調製を行った。1)三角フラスコにDMSO95.00gを計量した。2)三角フラスコにスターラー回転子を入れ、セロファン、シリコン栓をして撹拌した。3)セルロースアセテートサンプル5.00gを薬包紙等に計量し撹拌している三角フラスコ内に添加した。4)セロファン、シリコン栓をしてスターラーで1hr撹拌した。5)回転振盪機(高速)で2hr振盪した。6)回転振盪機から取り外した後30分間静置し脱泡し、サンプルを調製した。
以下の計算式で得られた数値をセルロースアセテートのその溶媒における「吸光度法色
相」値とした。
吸光度法色相(cm−1)=吸光度(A−B)/セル厚(cm)/セルロースアセテート
濃度(重量%)×100
吸光度:分光光度計 島津製作所社製UV−1700
A:430nmの吸光度(液の黄色味を測定)
B:740nmの吸光度(液の濁りを測定:ベースライン)
セルロースアセテート濃度(重量%):絶乾セルロースアセテート重量(g)/セルロー
スアセテート溶液全体重量(g)×100
絶乾セルロースアセテート重量(g):セルロースアセテートの重量(g)×(1−含水率(%)/100)
含水率(%):上記赤外線水分計で測定した値
α−セルロース含量98.4wt%の広葉樹クラフトパルプをディスクリファイナーで綿状に解砕し、解砕パルプを得た。100重量部の解砕パルプ(含水率7%)に29重量部の酢酸を噴霧し、良くかき混ぜた後、前処理として1時間(60分間)静置し活性化した(前処理工程)。
撹拌翼として2段のパドル翼を備える熟成機23bに代えて、撹拌翼4に相当するMAXBLEND(登録商標)(住友重機械プロセス機器株式会社製)を備える熟成機23a(d/D=0.7)を用いた以外は、比較例1と同様にして、セルロースアセテートを取得した。
酢化反応工程において、パルプを混合物に加えた時点から45分を要して46℃の最高温度に調整し、パルプを混合物に加えた時点から100分間酢化させ、加水分解(ケン化)反応工程において、85℃まで昇温し、70分間熟成させた以外は、比較例1と同様にして、セルロースアセテートを取得した。なお、撹拌開始時におけるセルロースアセテートのドープの6%粘度は、140Pa・sであった。
撹拌翼として2段のパドル翼を備える熟成機23bに代えて、撹拌翼4に相当するMAXBLEND(登録商標)(住友重機械プロセス機器株式会社製)を備える熟成機23a(d/D=0.7)を用いた以外は、比較例2と同様にして、セルロースアセテートを取得した。
広葉樹クラフトパルプを純度の低いもの(α−セルロース含量93wt%)に変更した以外は、比較例1と同様にして、セルロースアセテートを取得した。なお、撹拌開始時におけるセルロースアセテートのドープの粘度は、180Pa・sであった。
撹拌翼として2段のパドル翼を備える熟成機23bに代えて、撹拌翼4に相当するMAXBLEND(登録商標)(住友重機械プロセス機器株式会社製)を備える熟成機23a(d/D=0.7)を用いた以外は、比較例3と同様にして、セルロースアセテートを取得した。
Claims (3)
- (a)原料セルロースを、酸触媒と酢酸溶媒の存在下で無水酢酸と反応させて、セルロースアセテートのドープを生成する工程、
(b)生成したセルロースアセテートのドープを、水の存在下、撹拌槽にて、回転可能な撹拌翼により撹拌しながら加水分解して、セルロースアセテートの酢化度を54%以上57%以下に調整する工程、
及び(c)酢化度を調整したセルロースアセテートを水の存在下で沈澱させる工程を含み、
前記撹拌翼は、撹拌軸と前記撹拌軸に固定された複数の平板状翼を有し、
前記平板状翼は、平板のトップ部と平板のボトム部から構成され、
前記トップ部は、下部に向かう程、回転半径方向の幅が広くなる形状を有すると共に、開口部を備える、セルロースアセテートの製造方法。 - 前記撹拌開始時における前記セルロースアセテートのドープの粘度が、100Pa・s以上200Pa・s以下である、請求項1に記載の製造方法。
- 請求項1または2に記載のセルロースアセテートの製造方法における、セルロースアセテートの酢化度を調整する工程に用いる装置であって、
撹拌槽内の中心部に撹拌翼が配置され、
前記撹拌翼は、撹拌軸と前記撹拌軸に固定された複数の平板状翼を有し、
前記平板状翼は、平板のトップ部と平板のボトム部から構成され、
前記トップ部は、下部に向かう程、回転半径方向の幅が広くなる形状を有すると共に、開口部を備える、装置。
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