JP7214561B2 - 両親媒性を有するシリカ・炭素複合材の製造方法 - Google Patents
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Description
前記ガス化工程においてガス化されずに固形分として残ったバイオマス残渣をシリカ・炭素複合材として回収する回収工程と、を含む、シリカ・炭素複合材の製造方法。
(1)シリカ・炭素複合材
本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材は、ケイ酸植物由来のバイオマスを原料とし、かつ、非晶質シリカと炭素多孔質体との複合体を含有する。
本発明の一実施形態に係る高分子材料用添加剤(以下、単に「添加剤」ともいう)は、本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材を含有する。前記添加剤は、樹脂、合成皮革、合成繊維、エラストマー等の高分子材料に対する添加剤として用いることができる。高分子材料としては、1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
本発明の一実施形態に係るゴム組成物は、ゴム成分と、本発明の一実施形態に係る高分子材料用添加剤とを含有するゴム組成物であって、前記ゴム成分に対する前記高分子材料用添加剤の含有量が3phr以上140phr以下である。
本発明の一実施形態に係るゴム製品は、本発明の一実施形態に係るゴム組成物を含有する。前記ゴム組成物は、前述した優れた特性を有するため、前記ゴム製品は、当該特性を備えることができる。また、本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材がシランカップリングを含有しないため、ゴム製品の本体価格を引き下げることができる。すなわち、本発明の一実施形態に係るゴム製品は、高性能と低価格とを両立した優れた製品であると言える。
本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材の製造方法は、ケイ酸植物由来のバイオマスに、過熱水蒸気を供給することにより、前記バイオマスに含有される炭素の一部をガス化するガス化工程と、
前記ガス化工程においてガス化されずに固形分として残ったバイオマス残渣をシリカ・炭素複合材として回収する回収工程と、を含む。
以下、図1を参照して、まず、ガス化工程について説明する。図1は、ガス化工程を実施し得るガス化炉の構成の概要の一例を示す模式図である。ガス化炉100は二段円筒形状となっており、ガス化部1とガス改質部2とを備えている。
C+H2O→CO+H2・・(1)
このとき、前記バイオマス中の炭素以外の可燃分は、ほぼ全量がガスに移行する。また、炭素は、ガス化工程の条件に応じて、ガスとバイオマス残渣(ガス化灰)とに分配される。バイオマス残渣は、ガス化工程においてガス化されずに固形分として残った部分である。前記バイオマスが含有する炭素を100質量%としたときの、炭素のガスへの分配率がガス化率である。灰分(シリカ)は、大部分がバイオマス残渣に移行する。したがって、ガス化率を下げるほど、同一量のバイオマスから製造できるバイオマス残渣の量は増加し、バイオマス残渣中の炭素濃度も増加する。
回収工程では、前記バイオマス残渣であるシリカ・炭素複合材を回収する。前記バイオマス残渣は、ガス化工程によって生じたガス(一酸化炭素および水素)と共に、ガス改質部2へ移行する。ガス改質部2では、ガス化工程で生じた一酸化炭素に対して水性ガスシフト反応が行われ、一酸化炭素と水素との比率が調整される。
(ガス化率とシリカ・炭素複合材のBET比表面積との関係)
本実施例では、様々なバイオマスを対象として、ガス化率を変化させた条件で、本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材の製造方法におけるガス化工程を行い、得られたバイオマス残渣(シリカ・炭素複合材)のBET比表面積を測定した。
ガス化率(%)=(サイクロンの出口ガスの量×炭素濃度)/(バイオマスの量×炭素濃度)×100・・(2)
また、前記シリカ・炭素複合材のBET比表面積を、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル社製)を用いて測定し、前記ガス化率を横軸とし、前記BET比表面積を縦軸としたグラフにプロットした。
(ガス化率とシリカ・炭素複合材の収量および組成との関係)
既に説明したように、ガス化工程におけるガス化率を下げるほど、同一量のバイオマスから製造できるバイオマス残渣、すなわち本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材の量は増加し、シリカ・炭素複合材中の炭素濃度も増加する。そこで、本実施例では、ガス化率を様々に変化させた場合の、シリカ・炭素複合材の収量および組成の変化について、机上にて検討した。
(1)SEMによる非晶質シリカと炭素との複合体形成の確認
もみ殻を原料とし、実施例1においてガス化率を70%に調整した条件で製造した本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材を、SEMにより観察した。図6および図7は、粉砕処理を行っていないシリカ・炭素複合材のSEMによる観察結果を示す図である。図6は倍率100倍、図7は倍率500倍での観察結果である。また、図8は粉砕処理を行い、平均粒子径(D50)が1μm程度であるシリカ・炭素複合材のSEMによる観察結果を示す図である。
前記(1)で用いた、粉砕処理を行ったシリカ・炭素複合材について、図8における特定箇所の主要な組成をEPMAによるマッピング分析により調査した。EPMAとしては、SEM-EPMA 8530F(日本電子製)を用いた。
(本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材の両親媒性について)
本実施例では、本発明の一実施形態に係るシリカ・炭素複合材が両親媒性を有することを確認した。
(本発明の一実施形態に係るゴム組成物の物性)
(1)ゴム組成物等の調製
本実施例では、表2に示す成分を、表2に示す組成で用い、混練して本発明の一実施形態に係るゴム組成物の試験片を調製し、各種の物性を測定した。
次に、調製した試験片を用いて、以下の(a)~(f)に示す試験を行った。
JIS K 6300-2:2001「未加硫ゴム-物理特性-第2部:振動式加硫試験機による加硫特性の求め方」に基づき、以下の条件で加硫度試験を行った。
試験方法:ダイ加硫試験A法(ねじり振動式平板ダイ加硫試験)
試験温度:160℃
試験時間:30分
振幅角度:±1°
振動数:1.67Hz(100cpm)
使用試験機:(株)上島製作所製 加硫度試験機(FDR) VR3110
(b)ムーニー粘度試験
JIS K 6300-1:2005「未加硫ゴム-物理特性-第1部:ムーニー粘度計による粘度及びスコーチタイムの求め方」に基づき、以下の条件でムーニー粘度を測定した。
試験温度:100℃
ロータの種類:L型
使用試験機:(株)島津製作所製 島津ムーニービスコメオター SMV-301RT
(c)デュロメータ硬さ試験
JIS K 6253-3:2012「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム-硬さの求め方-第3部:デュロメータ硬さ」に基づき、以下の条件でデュロメータ硬さ試験を行った。
試験片作製方法:プレス成型によりシートを作製後、打ち抜き加工
試験片形状:シート状(厚さ約2mmの試験片を3枚積層)
試験装置:高分子計器(株)製 アスカーゴム硬度計(デュロメータ)A型
(d)引張試験
JIS K 6251:2010「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム-引張特性の求め方」に基づき、以下の条件で引張試験を行った。
試験片作製方法:プレス加硫によりシートを作製後、打ち抜き加工
試験片形状:ダンベル状3号形
試験片採取方向:列理に対し平行方向
試験片数:3
測定温度:23℃
試験速度:500mm/ min
使用試験機:(株)島津製作所製 精密万能試験機 オートグラフEZ-LX 1kN
試験機容量:ロードセル式 1kN
(e)引裂試験
JIS K 6252:2007「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム-引裂強さの求め方」に基づき、以下の条件で引裂試験を行った。
試験片作製方法:プレス成形によりシートを作製後、打ち抜き加工
試験片形状:切り込みなしアングル形
試験片採取方向:列理に対し垂直方向
試験片数:5
試験温度:23℃
試験速度:500mm/ min
使用試験機:(株)島津製作所製 精密万能試験機 オートグラフEZ-LX 1kN
試験機容量:ロードセル式 1kN
(f)加硫後ペイン効果の測定
ISO 13145:2012 "Rubber - Determination of viscosity and stress relaxation using a rotorless sealed shear rheometer" に基づき、以下の条件で加硫後ペイン効果の測定を行った。
測定項目:動的せん断貯蔵弾性率G’、動的せん断損失弾性率G’’、損失正接tanδ
使用試験機:ALPHA TECHNOLOGIES 製 RPA2000
測定プログラム:表4に示す。なお、条件4の動的ひずみの測定は、トルクオーバーとなった時点で終了した。
2 ガス改質部
100 ガス化炉
Claims (6)
- ケイ酸植物由来のバイオマスに、過熱水蒸気および酸化剤を供給することにより、700℃以下の雰囲気中で、前記バイオマスに含有される炭素の一部をガス化するガス化工程と、
前記ガス化工程においてガス化されずに固形分として残ったバイオマス残渣をシリカ・炭素複合材として回収する回収工程と、を含む、両親媒性を有するシリカ・炭素複合材の製造方法。 - 前記ガス化工程を行うガス化炉における前記バイオマスの滞留時間が30秒以下である、請求項1に記載の両親媒性を有するシリカ・炭素複合材の製造方法。
- 前記回収工程が、前記ガス化工程によって生じたガスと、前記ガス化工程においてガス化されずに固形分として残ったバイオマス残渣との混合物を、前記バイオマス残渣の浮力が重力よりも大きくなった時点で、前記ガス化工程を行うガス化炉から排出させ、分離機構によって、前記混合物から前記バイオマス残渣を分離し、シリカ・炭素複合材として回収する工程である、請求項1または2に記載の両親媒性を有するシリカ・炭素複合材の製造方法。
- 前記ガス化工程と、前記回収工程との間に、前記ガス化工程によって得られたバイオマス残渣を、700℃超800℃以下の雰囲気下に置くことにより、前記バイオマス残渣に含有されるタールを分解するタール分解工程を含む、請求項1から3の何れか1項に記載の両親媒性を有するシリカ・炭素複合材の製造方法。
- 前記タール分解工程において、酸化剤を供給する、請求項4に記載の両親媒性を有するシリカ・炭素複合材の製造方法。
- 少なくとも、請求項1から5のいずれか1項に記載の製造方法によって製造された両親媒性を有するシリカ・炭素複合材を含有する高分子材料用添加剤と、ゴム成分とを混練し、その後加硫する工程を含む、ゴム組成物の製造方法。
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