JPH11130872A - リグノセルロース物質の液化物の製造方法 - Google Patents
リグノセルロース物質の液化物の製造方法Info
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Abstract
良く、連続的に、低コストで製造できるとともに、得ら
れる液化物の品質にばらつきのない製造安定性に優れ
た、リグノセルロース物質の液化物の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 リグノセルロース物質と、酸触媒と、フ
ェノール類、多価アルコール類および環状エステル類か
ら選択される1種または2種以上の物質と、を混合して
得られる混合物を押出機により加熱混練押出する。
Description
または生物崩壊性を有する種々の樹脂原料等として有用
なリグノセルロース物質の液化物を効率良く、かつ再現
性良く連続的に製造する方法に関する。
て多量に発生する木粉、木材チップ、単板くずなどのリ
グノセルロース物質は、熱加工が困難な材料であること
などから有効利用できる用途は極めて少なく、そのほと
んどは産業廃棄物として焼却処理されているが、近年の
地球環境保全の要請から資源の有効活用を図るべく、こ
のようなリグノセルロース物質についても有効利用する
方法の開発が望まれている。
用のためのアプローチの1つとして、生分解性または生
物崩壊性を有する種々の樹脂原料として、あるいは燃料
源などとして使用できるようにするために、リグノセル
ロース物質を液化させることが種々検討されるととも
に、この液化物を用いた樹脂の製造もいくつか検討され
ている。
には、リグノセルロース物質をフェノール類の存在下で
200〜300℃に加熱することにより液化できること
が記載され、特開昭62−79230号公報には、リグ
ノセルロース物質をアルコール類、多価アルコール類、
オキシエーテル類、環状エーテル類、及びケトン類から
選択される1または2以上の物質に加えて、150〜3
50℃に加熱することにより液化できることが記載さ
れ、また特開平8−225653号公報には、リグノセ
ルロース物質を酸触媒、環状エステルおよび多価アルコ
ールの存在下で100〜200℃に加熱することにより
液化できることが記載されている。
質の液化が可能となったが、いずれの方法も実験レベル
の少量のリグノセルロースを液化させるのに長時間を要
するものであり、到底工業生産に対応し得るものではな
かった。
スケールで多量に効率良く液化させる方法や装置も検討
され、例えば、特開平5−140322号公報には、耐
圧設計された反応容器、撹拌機、容器内の圧力を制御す
る加圧排気装置、薬液供給装置、熱媒加熱循環装置を備
えたバッチ式の装置構成が開示され、このような装置を
用いて所定温度、所定圧力に調整しつつ撹拌を行うこと
で、生産スケールで多量に液化させることが可能となる
ことが記載されている。
来の技術はバッチ式の装置を用いて製造するものであ
り、反応後の液化物を反応容器内から取出す工程および
新たに液化する材料を投入する工程中、即ち入替え作業
中は液化反応を行うことはできず、この分効率が低下す
るため、製造効率は未だ十分満足できるものではない上
に、得られる液化物の品質にばらつきが生じやすい、即
ち製造安定性に劣るという問題があった。更に、上記従
来の製造装置は、リグノセルロース物質の液化物の製造
のみを目的として特別に設計、製作されたものであり、
汎用性に乏しい装置であることから、装置コストが多大
であり、このために製造コストが増大するという難点も
あった。
されたものであって、リグノセルロース物質の液化物を
多量に効率良く、連続的に、かつ低コストに製造できる
とともに、得られる液化物の品質にばらつきが生じるこ
とがなく製造安定性に優れた、リグノセルロース物質の
液化物の製造方法を提供することを目的とする。
に、本発明者らは鋭意研究の結果、リグノセルロース物
質、酸触媒および特定の物質を混合した混合物を、高分
子加工の分野において樹脂の押出成形等に汎用的に使用
されている押出機により、加熱条件下で混練押出するこ
とにより所望の液化を成し得ることを見出した。
物質の液化物の製造方法は、リグノセルロース物質と、
酸触媒と、フェノール類、多価アルコール類および環状
エステル類から選択される1種または2種以上の物質
と、を混合して得られる混合物を押出機により加熱混練
押出することを特徴とするものである。
により混合物が混練されるから、短時間で十分に液化が
進行するとともに、混練中の混合物の温度が精度高く所
定温度に保持されるから、再現性に優れ、得られる液化
物の品質のばらつきがほとんどない。また、汎用の押出
機を用いて製造できるから、製造コストが低減されると
ともに、連続的な液化をなし得る。
は、液化物が一層効率良く製造されるとともに、液化物
の品質のばらつきが一層抑制されて製造安定性がより向
上される。
安定性が一層向上するとともに、従来では困難であった
リグノセルロース物質を高率に含有する混合物の液化を
も、短時間で十分に成し得るから、一段と製造効率を向
上させ得る。
pmである場合には、より短時間で十分に液化された液
化物が得られる。
なるリグノセルロース物質としては、特に限定されるも
のではないが、例えば、木粉、木材繊維、木材チップ、
単板くずなどの木材を粉砕したもの、藁、もみ殻などの
植物繊維素、グランドパルプ、サーモメカニカルパル
プ、古紙等の紙、パルプ類などが挙げられる。
ず、例えばマカンバ、シトカスプルース、スギ、アカマ
ツ、ポプラ、ラワン、ヒノキ等が挙げられる。
度も特に限定されないが、生産性を考慮すると粒度の小
さいものを用いるのが好ましい。
ロース物質は、酸触媒の存在下に、フェノール類、多価
アルコール類および環状エステル類から選択される1種
または2種以上の物質と反応することにより、液化され
る。
るものではないが、例えばフェノール、クレゾール、キ
シレノール、レゾルシノール、アクリルレゾルシノー
ル、ビスフェノールA等が挙げられる。中でも、リグノ
セルロース物質との反応性が高いフェノール、ビスフェ
ノールAが好適に用いられる。
定されるものではないが、例えばエチレングリコール、
プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,
4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,
6−ヘキサンジオール、1,2−ヘキサンジオール、
2,4−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオー
ル、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオー
ル、1,10−デカンジオール、ピナコール、シクロペ
ンタン−1,2−ジオール、シクロヘキサン−1,4−
ジオール、ポリエチレングリコール、ポリオキシプロピ
レングリコール、ポリオキシプロピレン−ポリオキシエ
チレングリコール等の2価アルコール、グリセリン、ト
リメチロールプロパン、トリエタノールアミン、1,
2,6−ヘキサントリオール、ペンタエリスリトール、
メチルグルコシド、ソルビトール、マンニトール、スー
クロースなど、あるいはこれらを出発物質とするポリカ
プロラクトンを一部に含むポリエーテルポリオールなど
の3官能以上の多価アルコールなどが挙げられる。これ
らの中でも、安価で工業的にも入手しやすいグリセリン
とポリエチレングリコールの混液などが好適に用いられ
る。
されるものではないが、開環反応して重合し得るものが
好適であり、例えばプロピオラクトン、β−ブチロラク
トン、α,α´−ビスクロロメチルプロピオラクトン、
α,α−ジメチル−β−プロピオラクトン、δ−バレロ
ラクトン、1,4−ジオキサン−2−オン、グリコリ
ド、トリメチルカーボネート、ネオペンチルカーボネー
ト、エチレンオキサレート、プロピオンオキサレート、
ε−カプロラクトン、α−メチル−ε−カプロラクト
ン、β−メチル−ε−カプロラクトン、γ−メチル−ε
−カプロラクトン、4−メチル−7−イソプロピル−ε
−カプロラクトン、3,3,5−トリメチル−ε−カプ
ロラクトン、シス−ジサリシリド、トリサリシリド等が
挙げられる。これらの中でも、安価で工業的にも入手し
やすくリグノセルロース物質を液化させやすいε−カプ
ロラクトンが好適に用いられる。
ず、例えば無機酸、有機酸、ルイス酸等が挙げられ、具
体的には例えば硫酸、塩酸、トルエンスルホン酸、フェ
ノールスルホン酸、塩化アルミニウム、塩化亜鉛、三フ
ッ化ホウ素などが好適に用いられる。
は、フェノール類、多価アルコール類および環状エステ
ル類から選択される1種または2種以上の物質(以下、
「液化媒体」という)と、リグノセルロース物質と、酸
触媒と、を混合して原料混合物を得るが、これらの混合
割合は以下の割合にするのが好ましい。
グノセルロース物質を5〜500重量部の割合で配合す
るのが好ましい。5重量部未満では、単位時間当たりに
液化処理できるリグノセルロース物質の量が低下する、
即ちリグノセルロース物質の液化処理の効率が低下する
ので好ましくない。また500重量部を超えると液化が
十分に進行し難くなるので好ましくない。中でも20〜
300重量部とするのが好ましく、さらには30〜20
0重量部とするのがより一層好ましい。
重量部に対して0.1〜20重量部とするのが好まし
く、中でも0.5〜5重量部とするのがより好ましい。
合物を押出機により加熱混練押出することにより、リグ
ノセルロース物質の液化を行うものであるが、加熱下
に、押出機のスクリューの強いトルクにより原料混合物
を混練するものであるから、液化を短時間で十分に進行
させることができる。加えて、混練中の混合物の温度が
精度高く所定温度に保持されるから、再現性が良好で、
得られる液化物の品質のばらつきがほとんどなく、製造
安定性に優れている。
0〜200℃とするのが好ましい。100℃未満では液
化反応速度が遅く、液化反応が十分に進行し難くなるの
で好ましくないし、一方200℃を超えると、得られる
液化物の品質にばらつきを生じやすくなり製造安定性が
低下するので好ましくない。中でも加熱温度は130〜
180℃とするのがより好ましく、さらには150〜1
60℃とするのがより一層好ましい。
おいて樹脂の押出成形等に汎用的に使用されている公知
の押出機を用いることができる。通常、一軸押出機また
は二軸押出機が用いられるが、中でも二軸押出機を用い
るのが望ましく、この場合には得られる液化物の品質に
ばらつきが生じることがなくて製造安定性を一層向上で
きるとともに、混合物にリグノセルロース物質を高率に
含有させても十分に液化させることが可能となるから一
段と液化処理の効率を向上させることができる。なお、
三軸以上の押出機も使用することはできるが、汎用性の
低い特殊タイプとなるため高価であり、従って製造コス
トを増大させることになるので、好ましくない。
限定されないが、例えばフルフライト形、ダルメージ
形、ミキシングピン形、ユニメルト形、バリア形等が挙
げられ、中でもフルフライト形のものが好適に使用され
る。
数は5〜150rpmに設定するのが好ましい。5rp
m未満では混合物が押出機内に滞留する時間、即ち液化
時間が増大するので好ましくないし、一方150rpm
を超えると滞留時間は短縮されるものの、液化が十分に
進行していない液化物が得られるので好ましくない。中
でもスクリューの回転数は10〜120rpmに設定す
るのが好ましい。
グノセルロース物質の液化物は、例えば接着剤、成形
体、発泡体、塗料、充填材等を構成する樹脂の合成原料
として好適に使用できる。
する。
チレングリコール(PEG;分子量約400)300
g、硫酸3g(濃度97%の硫酸)を均一に混合した
後、これに製材所の製材工程で発生したヒノキ木粉20
0g(含水率4.6%)を混合し、振盪によりこれらを
均一に混合した。
口径20mmの2軸押出機(株式会社東洋精機製作所
製)のフィーダー(投入口)部から投入した。そして、
この2軸押出機により混練押出を行った。押出機の条件
は、次の通りである。ダイス:φ5mmストランド、ス
クリュー:フルフライト、L/D:25、圧縮比:2、
スクリュー回転数:20rpm、異方向回転。
れた均一な液状物が連続的に流出し始めた。ダイスから
の蒸気の排出は僅かで臭気もほとんどなかったことか
ら、水蒸気を伴った溶媒の蒸散がほとんどなく、分解物
の生成もほとんどないことがわかる。得られた液化物の
未液化残渣率は22.7%であり、十分に液化が進んで
いることが確認された。
ら流出されてくる液化物を、その流出の開始から終了ま
でに均等時間間隔で5回サンプリングして、未液化残渣
率、水酸基価の算出値は、これら5ロットの液化物の測
定値の平均値を記載した。各ロットの個別の測定値は表
3に記載した。
数を50rpmとした以外は、実施例1と同様にして液
化を行った。投入から10分経過後に、ダイスから実施
例1と同様の均一な液状物が得られた。
数を100rpmとした以外は、実施例1と同様にして
液化を行った。投入から6分経過後に、ダイスからペー
スト様の均一な液状物が得られた。
g(含水率4.6%)とした以外は、実施例1と同様に
して液化を行った。実施例1と同様の均一な液状物が得
られた。
数を50rpmとした以外は、実施例4と同様にして液
化を行った。ペースト様の均一な液状物が得られた。
g(含水率4.6%)とした以外は、実施例3と同様に
して液化を行った。ペースト様の均一な液状物が得られ
た。
g(濃度97%の硫酸)をフェノールを溶融させた状態
で均一に混合した後、これに製材所の製材工程で発生し
たヒノキ木粉200g(含水率4.6%)を混合し、振
盪によりこれらを均一に混合した。
施例1と同様の液化条件で液化を行った。実施例1と同
様の均一な液状物が得られた。
数を50rpmとし、加熱温度を140℃とした以外
は、実施例7と同様にして液化を行った。均一な液状物
が得られた。
g(含水率4.6%)とし、加熱温度を180℃とした
以外は、実施例8と同様にして液化を行った。
g、硫酸3g(濃度97%の硫酸)を均一に混合した
後、これに製材所の製材工程で発生したヒノキ木粉20
0g(含水率4.6%)を混合し、振盪によりこれらを
均一に混合した。
施例1と同様の液化条件で液化を行った。実施例1と同
様の均一な液状物が得られた。
還流コンデンサーと撹拌機を備えたガラス製反応フラス
コに投入し、160℃で撹拌させながら15分間反応さ
せた。反応液は不均一な液状を呈していた。
応させた。実施例1と同様の均一な液状物が得られた。
なお、この比較例2においては、同一条件にて5回製造
を行い、未液化残渣率、水酸基価の算出値は、これら5
ロットの液化物の測定値の平均値を記載した。各ロット
の個別の測定値は表3に記載した。
還流コンデンサーと撹拌機を備えたガラス製反応フラス
コに投入し、180℃で撹拌させながら3時間反応させ
た。反応液は不均一な液状を呈しており、長時間反応さ
せても液化が不十分であることが示唆された。
液化物について下記の評価を行った。その結果を表1〜
3に示す。
液化物試料10gに1,4−ジオキサンを加えて希釈し
て、十分に撹拌して溶解させた後、予め絶乾にして重量
を測定してあるガラス繊維フィルターを用いて濾過を行
い、不溶解残渣(未液化残渣)を濾別した。不溶解残渣
を更に1,4−ジオキサンを用いて数回洗浄して十分に
洗浄した後、濾液に理論量の酸化マグネシウム(Mg
O)を加え、中和する。
×40.3÷98.08 濾別された残渣を105℃で恒量となるまで乾燥した
後、秤量して未液化残渣率(%)を算出した。
込み木粉重量(g)×100
を加え、その体積を1Lとする。この1L溶液から1m
Lを採取し、さらに1,4−ジオキサンで50倍に希釈
した後、該希釈液から18μLをサンプリングしてHP
LCを用いて溶液中の遊離フェノール濃度(C)を測定
する。既知濃度のフェノール溶液を用いて、HPLCに
おけるピーク面積と濃度の関係を予め求めておけば、そ
れに基づいて当該試料のピーク面積から計算により遊離
フェノール濃度(C)が求まる。この濃度(C)から液
化反応後に残った未反応のフェノール量(A)を算出
し、仕込みフェノール量との差をとり、液化木材と化学
結合したフェノール量を算出する。
1000(mL)×C(g/mL)×50 結合フェノール量(%)=(W−A)÷(U−r)×1
00 W:仕込みフェノール重量(g) U:仕込み木粉重量(g) r:未液化残渣重量(g)
に液化物試料約1gを1mg単位まで正確に秤量した
後、ホールピペットを用いてフタル化剤を25mL加え
る。沸石を1〜2個入れアルミホイルで蓋をした後、1
10〜130℃のホットプレート上に載置して20分間
煮沸させる。室温まで放冷してからジオキサン50m
L、水25mLを加えて良く撹拌して十分に混合させ
る。50mLビューレットを用いて1規定水酸化ナトリ
ウムを滴下し、pHメーターによるpH8〜11の変曲
点で終点判断する滴定を行う。これとは別に、フタル化
剤のみによるブランクの滴定も行い、次の計算式により
水酸基価を求めた。
×56.1÷W A:試料滴定値 B:ブランク滴定値 C:試料中の硫酸の中和に必要な水酸化ナトリウム(1
規定)量 f:1規定水酸化ナトリウムのファクター W:試料の重量 なお、上記フタル化剤とは、無水フタル酸150g、イ
ミダゾール24.2gおよびジオキサン1000gを混
合して十分に溶解させたものであり、溶解後、室温で1
夜放置してから使用する。保存は褐色ビン内でジオキサ
ンの凝固点を考慮した低温度で行い、調整後3日以内の
ものを使用する。
発明の製造方法で製造された実施例1〜10のリグノセ
ルロース物質の液化物は、未液化残渣率が小さく、短時
間で十分に液化が進行していた。しかも実施例1〜6の
液化物の水酸基価は100〜500mgKOH/gの範
囲内にあり、例えばポリウレタン発泡体調製用ポリオー
ルとして好適に用い得るものであった。また、実施例7
〜9の液化物の結合フェノール量は30〜300%の範
囲内にあり、例えばノボラック樹脂の原料として好適に
用い得るものであった。
ら液化させる比較例1、2の従来の製造方法では、十分
に液化を進行させるには極めて長時間を要し、到底工業
生産には適し得ないものであった。
この発明の製造方法は、従来の製造方法では到底困難で
あったリグノセルロース物質を高率に含有する混合物の
液化をも、短時間で十分に成し得るものであることを確
認し得た。
の製造方法は、得られる液化物の未液化残渣率、水酸基
価のばらつきが非常に小さく、安定した品質の液化物を
製造できることを確認し得た。
ース物質の液化物の製造方法は、加熱下に、押出機のス
クリューの強いトルクにより混合物を混練するものであ
るから、短時間で液化を十分に進行させることができ
る。しかも混練中の混合物の温度が精度高く所定温度に
保持できるから、再現性に優れて、得られる液化物の品
質のばらつきを抑制することができる。また、高分子加
工分野で汎用されている押出機を用いて製造できるの
で、特別な装置を製作する必要がなく、従って製造コス
トを低減できる。かつ押出機により連続的な液化を行い
得るから、液化処理の効率を向上させることができる。
そして、得られた液化物は、単位重量当たりのOH含有
量が、例えばフェノール樹脂硬化物やポリウレタン発泡
体などの原材料の反応成分として好適に使用できる範囲
のものとなり得ることから、リグノセルロース物質の有
効利用、特に工業生産レベルでの有効利用に極めて有用
である。
は、品質のばらつきのより少ない液化物を一層効率良く
製造することができる。
安定性を一層向上させることができる。しかも従来では
困難であったリグノセルロース物質を高率に含有する混
合物の液化をも、短時間で十分に行うことができるの
で、これにより一段と液化処理の効率をも向上させるこ
とができる。
pmである場合には、より短時間で十分に液化された液
化物を製造できる。
Claims (4)
- 【請求項1】 リグノセルロース物質と、 酸触媒と、 フェノール類、多価アルコール類および環状エステル類
から選択される1種または2種以上の物質と、を混合し
て得られる混合物を押出機により加熱混練押出すること
を特徴とするリグノセルロース物質の液化物の製造方
法。 - 【請求項2】 加熱温度が100〜200℃である請求
項1に記載のリグノセルロース物質の液化物の製造方
法。 - 【請求項3】 押出機が2軸押出機である請求項1また
は2に記載のリグノセルロース物質の液化物の製造方
法。 - 【請求項4】 押出機のスクリュー回転数が5〜150
rpmである請求項1〜3のいずれか1項に記載のリグ
ノセルロース物質の液化物の製造方法。
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JP29898397A JP3699257B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | リグノセルロース物質の液化物の製造方法 |
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