JPH08506625A - わらのなかのセルロースベース繊維を互に分離する方法およびセルロース含有繊維製品の塑性形成に用いる成形用組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、アルカリを使用し、強力な機械的かきまぜを行うことにより、わらのなかのセルロースベース繊維を分散させることに関するものである。この結果、わらのなかのペンドサンは可溶化され、混合物は高粘性ペーストになるので、かきませによる力によって個々のわらはばらばらに引き裂かれ、またセルロースベース繊維は分散される。このようにして、セルロースベース繊維を、従来法による僅か８％以下の固体物質含有量に対して、８５％以下の固体物質含有量で分散させることができる。この処理によって成形用ペーストが生成し、この成形用ペーストは申和後にセルロースベース繊維製品の塑性形成に直接使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 わらのなかのセルロースベース繊維を互に分離する方法および セルロース含有繊維製品の塑性形成に用いる成形用組成物 本発明は、わらのなかのセルロースベース繊維を、８５％以下の固体物質含有 量において、強力な機械的作用の下にアルカリを使用して分散させることに関す るものである。この結果、セルロース含有繊維製品の塑性形成（plastic formin g）に適した成形用組成物が得られる。 わらの最も価値のある部分はセルロース繊維である。セルロース繊維は紙の製 造に使用することができるが、わらの固体物質の１／３より少し多い量が利用さ れるにすぎない。わらの固体物質のほぼ半分はアルカリで抽出することができる 。アルカリ抽出によってセルロースより鎖長の短かい炭水化物は可溶性になり、 これは製紙工業においてヘミセルロースと呼ばれる。このヘミセルロースは主と してペントサンから成り、親水コロイドとして行動する。 わらを紙の製造に使用できるようにするには、水中でアルカリ添加後にわらを パルプ状にする。パルプ状にするプロセスの開始時における使用最高濃度は乾燥 わら４０％にアルカリ８％を加えたものである。パルプ状にするプロセスの終了 時に、濃度は極めて低くなる。それは水蒸気を直接供給することによって加熱を 行うからである。アルカリとしてはカセイソーダ、石灰またはこれらの混合物を 使用するのが普通である。 パルプ状にするプロセスによってアルカリで抽出可能な物質の大部分が可溶性 になる。この結果、わらは柔くなるので、抽出不能なセルロース繊維を次のミリ ング操作によって分離することができる。このセルロース繊維の分散に使用され る濃度は、代表例においては数％であり、特別な場合でも８％までである。 本発明の利点の１つは、アルカリを使用してわらのなかのセルロースベース繊 維を水中で分散させる新規な方法によって、上述の低濃度の問題が解決されるこ とである。この新規な方法は、８５％以下の固体物質含有量において、強力な機 械的作用の下に、前記繊維の相互釈放を実施することを特徴とする。これが行わ れている間に、懸濁液は均一なペーストに変わる。 本発明者は、本発明の背景にあるメカニズムを説明するために特定の理論にゆ だねるつもりはないが、溶解したペントサンによって塑性が付与されると考えら れる。溶解したペントサンは親水コロイドとして行動する。水量が少ない場合に は、ペントサンは水と結合し、生成する混合物はペーストのような高粘度になる 。このようにして自己増大作用（self increasing effect）が達成される。それ は、高粘度のためペースト中のかきまぜ機の運動が個々のわらに、そしてさらに 個々の繊維に伝えられて繊維がばらばらに引き離され、これによってなお一層多 量のペントサンが溶解するからである。繊維における水酸基とペントサンにおけ る水酸基との間には、大きな化学的親和力が存在する。このため、繊維はペント サンによって被覆され、かきまぜ機の運動が停止した際の再会合が阻止される。 わらのなかの天然のペントサン含有量によって可能であるより速やかにペース トを形成させるのが望ましい場合には、別途でん粉のような親水コロイドを添加 して、かきまぜ機が一層早期に繊維に作用を及ぼすようにすることができる。 わらの処理は特別に強力なミキサで行うことができ、加熱可能な混練機で行う のが好ましい。 本発明は、繊維が釈放される結果生成するペーストを多量の水で希釈し、次い で得られた懸濁液を水透過性金網上で脱水して、繊維を金網上に保持するという ような従来の製紙方法における予備製造工程として使用することができる。しか し、多量のペントサンが存在すると、わらは従来の製紙方法に不適当になる。ペ ントサンは次の３つの問題を引き起こす： １．パルプ状にした後に、ミリングの前後に洗浄および濾過が行われる。この際 に、抽出可能な物質および過剰アルカリの大部分が失なわれる。その量は固体物 質の約半分に及び、経済的に大きな負担になる。 ２．多量の物質が流出する水のなかに溶解して排出され、これが環境上大きな問 題になる。 ３．わらからの繊維はヘミセルロースおよび通常紙の製造に使用されているセル ロースまたは砕本より短い繊維を含有しており、この結果水透過性金網上で脱水 することによる紙形成速度が遅くなる。 わらのなかのペントサン含有量が大きいことが、農業からのこの多量の副産物 の商業的に実行可能な用途を見い出すことができなかった原因である。そこで、 わらは従来燃やされている。 本発明の他の利点は、繊維の分散によって得られるペーストを、押出、射出成 形、塗布、プレスまたはロール掛けのようなセルロースベース繊維製品のための 新しい処理方法によって、塑性形成に直接使用できることである。 このようにして、ペントサンは製造上問題であったのが製造を助けるものに変 わった。ペントサンは、先ず、上述のように、繊維の分散を助け、次いで塑性形 成を助ける。良好な成形用ペーストは完全に分散している繊維を含有しているだ けではない。ペーストを押出または射出成形に使用しようとする場合には、水と 完全に結合するような多量の親水コロイドをペーストが含有していること、より 正確に言えば、押出ノズルから押し出された直後に成形用ペーストの表面に自由 水が認められないことが必要である。ノズルから出て来た糸の上に自由水（光る 水）が認められる場合には、水および親水コロイドを失なった繊維によってノズ ルが閉塞するまでに僅かな時間が経過するにすぎないことが、経験から分った。 また、水との完全な結合は、繊維の分散によって達成される利点である。 繊維の分散、換言すれば成形用組成物の製造は、種々の温度で行うことができ る。高温が特に関心を引いている。温度が高い場合には、常温におけるより大き い固体物質含有量において繊維を釈放することができ、ペントサンの可溶化も一 層速やかに行われる。上限温度は約２５０℃であり、この温度においてペントサ ンは分解し始める。 成形用ペーストは混練中に生じる高い圧力および成形用ペーストの形成に使用 される押出機内の高い圧力に耐えることが分った。 セルロース含有繊維製品の製造は、例えば、先ずペーストを加熱押出機の最初 の部分において高温高圧で混練し、次いで所要に応じて冷却およびｐＨを中和し た後に、押出機のノズルにおいて形成するか、あるいは射出成形機の成形型に圧 入することにより形成するように、繊維の分散および繊維製品の形成を連続プロ セスとして行うことにより、簡易化することができる。 本発明に最適なわらの種類は大麦、小麦、カラス麦、ライ麦、イネまたは他の 穀類からのものである。 アルカリとしては種々のものを使用することができるが、実際上カセイソーダ （ＮａＯＨ）、石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）、および生石灰（ＣａＯ）が最も関心を 持たれている。カセイソーダが最も有効である。しかし、２種の石灰は、価格が 安く、耐水性の一層良好な最終製品が得られるという利点を有する。 繊維の分散および繊維製品の形成は、約５０％というあまり大きくない固体物 質含有量において最も容易に行われる。しかし、繊維製品の形成後に乾燥が行わ れるが、乾燥は固体物質含有量が小さい程実施が困難になる。従って、普通繊維 の分散を繊維製品の形成より小さい固体物質含有量で行うのが有利である。従っ て、ペントサンの可溶化および繊維の分散を、固体物質含有量４０％において加 熱混練することにより開始することができる。この処理中に水は混練機から蒸発 し、繊維は、例えば、固体物質含有量が５５％に達した際に、完全に分散した状 態になる。次いで、熱を供給しながら、このペーストを固体物質含有量が８０％ に達するまでさらに混練することができる。固体物質含有量８０％において繊維 製品を形成するには、固体物質含有量５５％において混練を終了した場合より、 僅かに高い圧力が必要であるが、この欠点は、別途に固体物質含有量８０％まで 蒸発させる操作を行う場合より乾燥が著しく容易になるので、相殺されてなお余 りがある。 ペントサンはペーストを粘着性にする傾向があり、この粘着性は操作上問題と なることがある。粘着性はワックスおよびラテックスエマルジョンのような添加 剤を添加することにより低下させることができる。また粘着性は固体物質含有量 を、例えば上述のようにして、増大することにより、低下させることができる。 このようにして、ペーストは他の部分に対する接着性が小さくなり、ペースト自 身における凝集性が大きくなる。また、適正に選択した融点を有するワックスを 添加すると、例えば射出成形機の成形型において、ペーストが速やかに硬化する ので、繊維製品の形成速度を増大させることができる。 普通、分散後に酸を添加してペントサンの可溶化による過剰アルカリを中和す るのが有利である。 以下にいくつかの実験を説明する。これらの実験は、ペントサンを可溶化し、 生成した混合物を押出し可能なペーストに変えるのに必要な条件を確立するため に行ったものである。 すべての実験を行う前の予備操作として、先ず大麦からの自然乾燥したわら１ ００ｇを水２００ｍｌで湿らせてプレミックスを作った。原料として大麦を選択 したのは、大麦は小麦よりパルプ状にするのが困難であって、大麦を使用した実 験で成功すれば、小麦を使用しても成功するのは確実であるからである。次いで 、このプレミックスに下記のようにして化学薬品を添加した。 これらの実験は次の２つのレベルで行った：先ず混合つめを有するブラウン（ Braun）ＫＭ型の家庭用の普通のミックスマスターにおいて粗い選別を行った。 この方法によってペースト化可能な傾向が良好であることが明らかになったミッ クスを、その後ブラベンダープラスチコーダ−ＰＬ２０００型実験室用高せん断 力ミキサにおいてさらに十分調査した。この装置は極めて強力な混練を与え、そ の内容物を加熱することができる。この高せん断力ミキサは、プラスチック工業 において使用されている押出機の内側で起っている混合作用をシミュレーション できるように設計されている。このミキサは２個の厚いプロペラ形掻き板を具え 、これらの掻き板は、ギヤポンプにおけるとほぼ同様に、互に対してまた混合室 の内壁に対して極めて僅かな距離離間して回転する。 この家庭用ミキサにおける予備実験は、試料を交互に家庭用電子オーブンで９ ５℃に加熱し、次いでミックスマスターで混練した。この処理を速やかに続けて ４回繰り返した。その後、わらを調べてわらがどの程度軟化したかを確かめた。 この軟化は常にわら表面におけるペースト様物質の生成を伴なった。この予備実 験を、ペースト化の増加程度に応じて、下記のように分類した。 ミックス１ ９６％硫酸８ｍｌを添加した場合。ペーストは生成せず、わらは 硬いままであった。 ミックス２ ６５％硫酸１１ｍｌを添加した場合。ペーストは生成せず、わら は硬いままであった。 ミックス３ ３０ｇの石灰を添加した場合。ペーストは僅か生成したが、わら は処理前とほぼ同じく硬いままであった。 ミックス４ 純水２００ｍｌの代りに２５％アンモニア２００ｍｌを使用して わらを湿らした点を除き、ミックス３と同じもの。ペーストの生成およびわらの 硬さはミックス３と同じであった。すなわち、アンモニアによる改善は認められ なかった。 ミックス５ １５ｇのカセイソーダを添加した場合。混合物は褐色になり、著 しいペーストの生成が認められた。わらは軟化したが、機械的作用は均一なペー ストを得るのに十分な強さではなかった。 この結果、予備実験から、カセイソーダおよび石灰が最も関心の持てるもので あることが分った。従って、ブラベンダー型ミキサにおいて、カセイソーダ、石 灰およびこれらの混合物を使用して、さらに詳細な調査を行った。 ブラベンダー型ミキサはわらをばらばらに引き裂くと同時に、混合物の容積を 当初の１／５にする。これは各わらの内部の中空空間が潰れるからである。従っ て、各実験の開始時に、混合物をしっかりと圧縮し、容積が小さくなった際に再 充填する必要がある。そうしない場合には、ミキサの内容物は、掻き板の周囲の 十分に分散したペーストを伴なう内側圏と、混合室の壁に隣接し無傷のわらを含 む外側の停滞圏という２つの圏に分離する。ミキサの全内容物を効果的に充填し 、かきまぜることにより、以下に報告する結果を得た。 ブラベンダー型ミキサの回転速度を７５ｒｐｍに調整し、温度を１１５℃に調 整した。混合物が異なる場合のトルクを図表に自動的に記録した。 ミックス３ トルクは速やかに４Ｎｍまで上昇した。ミキサ内では混合物が最 高圧力に曝されていた位置において自由水が認められた。石灰は、水と完全に結 合するのに十分ではない速さでペントサンを可溶化させることが分った。混練開 始後７分まで、トルクは約４Ｎｍのままであった。その後、トルクは急激に増大 した。それは水が蒸発したからである。ミキサを止め、試料を取り出した。わら はミキサによって多数の断片に引き裂かれたが、個々の繊維が釈放されるには至 らなかった。試料は均一ではなかった。 ミックス６ ミックス３と同じになるように、生石灰２２ｇおよび追加の水８ ｇを添加した場合。ミキサ内における現象の経過として、２種の石灰が同一の結 果を示すことが分った。 ミックス７ 石灰２０ｇおよびカセイソーダ５ｇを添加した場合。トルクは最 はトルクが迅速に上昇する程多量の水が蒸発した。次いで、ミキサを止め、試料 を採取した。試料は均一ではなく、その固体物質含有量は６４％であった。 ミックス８ 石灰１０ｇおよびカセイソーダ１０ｇを添加した場合。この場合 にも、トルクは最初４Ｎｍになったが、数分後に１Ｎｍに低下し、同時にわらが ばらばらに引き裂かれ、不均一な混合物が釈放された個々のセルロース繊維を含 有する均一なペーストに変ったことが観察された。合計で７分間混練した後に、 トルクは再び増大し始めた。８分後にトルクは１５Ｎｍに達した。このトルクは 、プラスチックの場合の７５ｒｐｍにおける経験によれば、取り扱うことのでき る最高トルクに近い値であった。８分後にこのトルクに達した際に、試料を採取 した。試料を薄いシートにプレスした後に、このシートが繊維束を全く生じるこ となく完全に均一であることが分った。固体物質含有量は７１％であった。 ミックス５ 早期の実験に関して言えば、トルクは最初４Ｎｍになった。数分 後に、トルクはほぼ零に低下し、同時に混合物は滑らかな均一ペーストになった 。９分後に、トルクは１５Ｎｍに達し、試料を採取した。薄いシートについて調 査した結果、試料が完全な均一混合物中に個々のセルロース繊維を含有している ことが分った。固体物質含有量は７６％であった。 トルクが１０Ｎｍを越えかけた際に、中和のため９６％硫酸をミキサに添加す ることにより、この最後の実験を繰り返えした。ｐＨを９に下げるのに必要な硫 酸量は、この実験の説明の最初に述べた量に対して８ｍｌであった。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９４年６月２８日 【補正内容】 請求の範囲 １．アルカリ水溶液の存在下にわらに強力な機械的処理を施すことにより、わら からセルロース繊維含有製品を製造するに当り、 わらとアルカリとの混合物の固体物質含有量を４０〜８５％とし、強力な機 械的処理によって生成するペーストを前記セルロース繊維含有製品の形成に使用 することを特徴とするセルロース繊維含有製品の製造方法。 ２．親水コロイドを添加して、ペーストを一層迅速に形成するか、あるいは水と 一層完全に結合させるかの少なくとも一方を達成することを特徴とする請求項１ 記載の方法。 ３．２５０℃以下の温度で分散を実施することを特徴とする請求項１または２記 載の方法。 ４．押出機内で発生するような高圧において機械的処理を実施することを特徴と する請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の方法。 ５．機械的処理が、先ずわらとアルカリとの混合物を押出機の最初の部分で混練 し、次いで押出機のノズルまたは射出成型機の成型型において繊維製品に直接形 成する連続製造操作の第１工程を構成することを特徴とする請求項１〜４のいず れか一つの項に記載の方法。 ６．使用したわらが大麦、小麦、カラス麦、ライ麦、イネ、または他の穀類から のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の方法。 ７．使用したアルカリがカセイソーダ、石灰、生石灰またはこれらの混合物であ ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の方法。 ８．機械的処理工程中、または機械的処理工程と繊維製品形成工程との間におい て、あるいは機械的処理工程中および機械的処理工程と繊維製品形成工程との間 の両方において、混合物の含水量を蒸発によって最低１５％まで減少させること を特徴とする請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の方法。 ９．ワックスまたはラテックスを添加して成形適性を改善することを特徴とする 請求項１〜８のいずれか一つの項に記載の方法。 １０．機械的処理を実施した後に酸を添加して過剰アルカリを申和することを特 徴とする請求項１〜９のいずれか一つの項に記載の方法。 １１．押出、射出成型、被覆、プレスまたはロール掛けによって塑性形成を行う ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つの項に記載の方法。 １２．セルロース含有繊維製品の塑性形成に適した成形用組成物において、 前記組成物が請求項１〜１１のいずれか一つの項に記載の方法によって製造 されたものであることを特徴とするセルロース含有繊維製品の塑性形成に用いる 成形用組成物。 １３．押出または射出成形によって形成することができる請求項１２記載の成形 用組成物において、 可溶化された親水コロイドと添加した親水コロイドとの合計量を、水が完全 に結合するような多量とすることを特徴とする請求項１２記載の成形用組成物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アルカリを使用してわらのなかのセルロースベース繊維を水中で分散させる に当り、 ８５％以下の高い固体物質含有量において、強力な機械的作用の下に、分散 を実施することを特徴とするわらのなかのセルロースベース繊維を分散させる方 法。 ２．親水コロイドを添加して、ペーストを一層迅速に形成するか、あるいは水と 一層完全に結合させるかの少なくとも一方を達成することを特徴とする請求項１ 記載の方法。 ３．２５０℃以下の温度で分散を実施することを特徴とする請求項１または２記 載の方法。 ４．押出機内で発生するような高圧において分散を実施することを特徴とする請 求項１〜３のいずれか一つの項に記載の方法。 ５．分散が、先ず混合物を押出機の最初の部分で混練し、次いで押出機のノズル または射出成型機の成形型において繊維製品に直接形成する連続製造操作の第１ 工程を構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の方法 。 ６．使用したわらが大麦、小麦、カラス麦、ライ麦、イネ、または他の穀類から のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の方法。 ７．使用したアルカリがカセイソーダ、石灰、生石灰またはこれらの混合物であ ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の方法。 ８．分散工程中、または分散工程と繊維製品形成工程との間において、あるいは 分散工程中および分散工程と繊維製品形成工程との間の両方において、混合物の 含水量を蒸発によって減少させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つ の項に記載の方法。 ９．ワックスまたはラテックスを添加して成形適性を改善することを特徴とする 請求項１〜８のいずれか一つの項に記載の方法。 １０．分散を実施した後に酸を添加して過剰アルカリを中和することを特徴とす る請求項１〜９のいずれか一つの項に記載の方法。 １１．セルロース含有繊維製品の塑性形成に適した成形用組成物において、 前記組成物が請求項１〜１０のいずれか一つの項に記載の方法によって製造 されたものであることを特徴とするセルロース含有繊維製品の塑性形成に用いる 成形用組成物。 １２．押出または射出成形によって形成することができる請求項１１記載の成形 用組成物において、 可溶化された親水コロイドと添加した親水コロイドとの合計量を、水が完全 に結合するような多量とすることを特徴とする請求項１１記載の成形用組成物。