KR20120095795A - 알칼리셀룰로오스 및 셀룰로오스에테르의 제조 방법 - Google Patents

알칼리셀룰로오스 및 셀룰로오스에테르의 제조 방법 Download PDF

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KR20120095795A
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Abstract

본 발명은 알칼리의 분포가 균일한 알칼리셀룰로오스를 효율적으로 제조하는 방법을 제공한다. 구체적으로는, 이동하는 여과면 상에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 진공 여과를 행하여, 여과면 상에 남은 접촉물을 취출하는 접촉 여과 공정과, 얻어진 접촉물을 탈액하는 탈액 공정을 포함하는 알칼리셀룰로오스의 제조 방법, 및 이 알칼리셀룰로오스를 이용하는 셀룰로오스에테르의 제조 방법을 제공한다. 또한, 수평 방향으로 이동하는 수평인 여과면과, 여과면 상에 펄프를 투입하기 위한 펄프의 투입구와, 투입된 펄프에 알칼리 금속 수산화물 용액을 산포하는 산포구와, 여과면의 진공 흡인을 가능하게 하는 진공 펌프와, 이동하는 여과면 상에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 진공 여과를 행하여, 여과면 상에 남은 접촉물을 취출하기 위한 취출구를 구비하는 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치 등을 구비하는 알칼리셀룰로오스의 제조 장치를 제공한다.

Description

알칼리셀룰로오스 및 셀룰로오스에테르의 제조 방법{METHODS FOR PREPARING ALKALI CELLULOSE AND CELLULOSE ETHER}
본 발명은 알칼리셀룰로오스 및 이것을 이용한 셀룰로오스에테르의 제조 방법에 관한 것이다.
셀룰로오스에테르의 제조 방법으로서는 고순도로 정제된 펄프에 알칼리 용액을 접촉시켜 알칼리셀룰로오스를 제조하고, 에테르화제를 이용하여 에테르화 반응하는 것이 알려져 있다. 얻어진 최종 셀룰로오스에테르는 치환도를 적당히 제어함으로써 수가용성이 되지만, 그 중에 수불용 부분이 존재하여, 수용액의 투광도를 낮추거나, 이물질이 되어 그의 상품 가치를 손상시키는 경우가 있다. 이 미용해 부분은 물에 용해되는 데에 충분한 치환기를 갖지 않는 저치환도 부분이 존재하기 때문에 생기는 것으로, 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 분포가 불균일한 것을 원인의 하나로서 들 수 있다.
이 알칼리의 기능은 셀룰로오스를 팽윤시켜 펄프 중의 결정 구조를 변경하여 에테르화제의 침투를 돕는 것, 알킬렌옥사이드의 에테르화 반응을 촉매하는 것, 할로겐화알킬의 반응제인 것 등을 들 수 있다. 따라서, 펄프와 알칼리 수용액이 접촉하지 않는 부분은 반응에 관여하지 않기 때문에 미용해분이 되고, 알칼리셀룰로오스의 균일성은 그대로 미용해분의 많고 적음으로 이어진다.
여기서, 알칼리셀룰로오스의 제조 방법으로서 널리 행해지고 있는 것은, 펄프를 분쇄하여 얻어진 분말상 펄프에 알칼리를 에테르화 반응에 필요한 양만큼만 첨가하여 기계적으로 혼합하는 방법을 들 수 있다(특허문헌 1 내지 2). 그러나, 이 방법에서는 알칼리가 펄프 전체에 널리 퍼지지 않아 알칼리에 미접촉인 펄프가 존재하고, 그 부분이 셀룰로오스에테르가 될 수 없기 때문에, 제품 중에 미반응물로서 혼입되어 셀룰로오스에테르의 품질 불량을 야기하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 생기게 하지 않는 방법으로서, 특허문헌 3에 나타내는 바와 같이 시트상의 펄프를 과잉의 알칼리 용액에 침지하여 충분히 알칼리를 흡수시킨 후, 소정의 알칼리 양이 되도록 가압 프레스하여 여분의 알칼리를 제거하는 방법이 있다. 이 방법을 공업적으로 실시하는 경우, 롤상으로 감긴 펄프의 중심관에 지지용 축을 통해서 상승시켜 바닥 면에서 롤상 펄프를 부상하게 함으로써, 또는 롤상의 펄프를 굴림대 위에 놓음으로써, 롤상 펄프가 자유롭게 회전할 수 있도록 하고, 롤상 펄프로부터 시트상 펄프를 인출하면서 침지조에 도입하는 방법이 일반적이다. 그러나, 이 방법에서는 침지 중에 시트상 펄프가 인장됨으로써 파단하여, 운전이 속행 불가능하게 되는 문제가 종종 발생하였다. 또한, 대량 생산하는 데에 있어서는 시트상 펄프를 소정 시간 침지하기 위해서는 매우 큰 침지조가 필요하게 되어, 충분한 설치 공간이 얻어지지 않거나, 투자 비용이 커지는 결점이 있었다. 한편, 칩상 펄프의 경우, 케이크가 평활하지 않기 때문에 상기 프레스기에서는 압착 불균일이 생겨, 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 분포의 불균일화에 기초하는 품질의 저하를 야기하였다.
한편, 비특허문헌 1에는 비스코스 제조에 있어서의 알칼리셀룰로오스의 제조 방법으로서, 알칼리 용액에 펄프를 가하여 죽과 같은 슬러리로 하고, 슬러리 프레스 장치에서 압착하는 방법이 기재되어 있다. 시트상 펄프를 이용하는 것의 몇 가지 결점은 해소되지만, 슬러리 프레스 장치는 압착 불균일이 생겨, 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 분포의 불균일화에 기초하는 품질의 저하를 야기하였다. 또한, 압착 성능에 한계가 있기 때문에, 이 방법만으로는 셀룰로오스에테르의 원료로서 요구되는 비교적 알칼리분이 적은 알칼리셀룰로오스를 얻는 것은 곤란하고, 따라서 셀룰로오스에테르로의 응용은 곤란하였다.
특허문헌 4에는 셀룰로오스와 과잉의 알칼리로부터 알칼리셀룰로오스를 제조한 후, 친수성 용매로 알칼리셀룰로오스를 세정함으로써 알칼리분을 제거하여, 목적으로 하는 조성으로 하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 많은 설비 및 공정이 필요하고, 사용한 친수성 용매가 알칼리셀룰로오스에 잔존하여 에테르화제와 부반응을 일으키기 때문에 에테르화제의 반응 효율이 저하되거나, 또한 세정액을 중화 처리 또는 알칼리분을 회수해야만 하는 점에서, 공업적 생산은 곤란하였다.
일본 특허 공고 (소)60-50801호 공보 일본 특허 공개 (소)56-2302호 공보 일본 특허 공개 (소)60-40101호 공보 일본 특허 공고 (평)3-73562호 공보
셀룰로오스 학회편 「셀룰로오스의 사전」(2000년 11월 10일 발간) 제433페이지
본 발명은 알칼리의 분포가 균일한 알칼리셀룰로오스를 효율적으로 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 이동하는 여과면 상에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 진공 여과를 행하여, 상기 여과면 상에 남은 접촉물을 취출하는 접촉 여과 공정과, 얻어진 접촉물을 탈액하는 탈액 공정을 포함하는 알칼리셀룰로오스의 제조 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 이 알칼리셀룰로오스와 에테르화제를 반응시키는 공정을 포함하는 셀룰로오스에테르의 제조 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 수평 방향으로 이동하는 수평인 여과면과, 상기 이동하는 여과면 상에 펄프를 투입하기 위한 펄프의 투입구와, 투입된 펄프에 알칼리 금속 수산화물 용액을 산포하는 산포구와, 상기 이동하는 여과면의 진공 흡인을 가능하게 하는 진공 펌프와, 상기 이동하는 여과면 상에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 진공 여과를 행하여, 상기 여과면 상에 남은 접촉물을 취출하기 위한 취출구를 구비하는 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치와, 상기 취출구로부터 취출된 접촉물로부터 케이크를 분리하기 위한 탈액 수단을 구비하는 알칼리셀룰로오스의 제조 장치를 제공한다.
본 발명은 펄프가 알칼리 금속 수산화물 용액에 부유하기 쉬운 것에 기인하여 알칼리 금속 수산화물 용액에 미접촉인 채로 젖지 않는데, 이러한 펄프를 최대한 없애는 것에 의해 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리의 분포가 균일한 알칼리셀룰로오스를 효율적으로 제조할 수 있고, 그의 결과로서 투명성이 높은 셀룰로오스에테르를 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1은 알칼리셀룰로오스의 제조 장치의 예를 나타낸다.
도 2는 스크류상의 레벨링 장치를 여과면의 폭 방향에서 본 예를 나타낸다.
도 3은 블레이드상의 레벨링 장치를 상측에서 본 예를 나타낸다.
본 발명의 펄프는 목재 펄프, 코튼 린터 펄프를 들 수 있고, 목재의 나무종은 소나무, 가문비나무, 솔송나무 등의 침엽수 및 유칼리투스, 단풍나무 등의 활엽수를 사용할 수 있다. 본 발명에서 이용하는 펄프는 분말상 또는 칩상 중 어느 형태도 사용할 수 있다.
분말상 펄프는 시트상 펄프를 분쇄하여 얻어지는 것으로, 분말의 형태를 나타내는 것이다. 통상, 평균 입경이 10 내지 1,000 ㎛의 것이 이용되지만, 이들로 한정되지 않는다. 분말상 펄프의 제조 방법은 한정되지 않지만, 나이프밀이나 햄머밀 등의 분쇄기를 사용할 수 있다.
칩상 펄프의 제조 방법은 한정되지 않지만, 시트상 펄프를 슬리터 커터 이외에, 기존의 재단 장치를 이용함으로써 얻어진다. 사용하는 재단 장치는 연속적으로 처리할 수 있는 것이 비용상 유리하다.
칩의 평면적은, 바람직하게는 4 내지 10,000 mm2, 보다 바람직하게는 10 내지 2,500 mm2이다. 4 mm2보다 작으면, 칩상의 펄프의 제조가 곤란한 경우가 있고, 반대로 10,000 mm2보다 크면, 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치로의 투입, 탈액 장치로의 투입 등의 취급이 곤란해지는 경우가 있다. 여기서, 칩의 평면적은 한 조각의 칩상 펄프를 육면체로서 파악한 경우, 육면 중 가장 면적이 큰 면의 면적을 말한다.
알칼리 금속 수산화물 용액은 알칼리셀룰로오스가 얻어지면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 수산화나트륨 또는 수산화칼륨의 수용액, 특히 바람직하게는 경제적 관점에서 수산화나트륨이다. 알칼리수산화물을 녹이는 용매로서는 물이 통상 이용되지만, 저급 알코올(바람직하게는 탄소수 1 내지 4의 알코올)이나 그 밖의 불활성 용매를 사용하거나, 이들을 조합할 수도 있다.
또한, 알칼리 금속 수산화물 용액의 농도는, 바람직하게는 23 내지 60 질량％, 보다 바람직하게는 35 내지 55 질량％이다. 23 질량％ 미만이면, 후속 공정에서 셀룰로오스에테르를 얻을 때에, 에테르화 반응제가 물과 부반응하기 때문에 경제적으로 불리하고, 원하는 치환도의 셀룰로오스에테르를 얻을 수 없고, 제조되는 셀룰로오스에테르의 수용액의 투명성이 떨어지는 경우가 있다. 한편, 60 질량％를 초과하면, 점성이 높아지기 때문에 취급이 곤란한 경우가 있다. 또한, 펄프와의 접촉에 제공되는 알칼리 금속 수산화물 용액의 농도는 알칼리셀룰로오스의 조성을 안정시켜, 셀룰로오스에테르의 투명성을 확보하기 위해서 일정한 농도로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명의 접촉 여과 공정에서는, 예를 들면 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치를 사용할 수 있고, 이것은 수평인 여과면을 이동시켜, 밸브 등의 작동에 의해 진공 여과와 여과면 상에 남은 접촉물이 취출을 연속적으로 반복하는 것일 수 있고, 그의 형상은 테이블상, 벨트상 및 멀티플 팬 등이 바람직하다.
도 1은 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치 (10)과, 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치에서 생성된 접촉물을 탈액하는 탈액 수단 (20)을 구비하는 알칼리셀룰로오스의 제조 장치의 예를 나타낸다.
연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치 (10)은 여과면 (11)과 함께, 일단에 펄프 (1)의 투입구 (12)와 알칼리 금속 수산화물 용액 (2)를 산포하는 산포구군 (13)을 구비하고 있다. 산포하는 알칼리 금속 수산화물 용액은 열 교환기 (32)에 의해 소정의 온도로 조정된다. 투입된 펄프는 알칼리 금속 수산화물 용액 산포구 (13a 내지 13e)를 구비하는 알칼리 금속 수산화물 용액 산포구군 (13)으로부터 산포되는 알칼리 금속 수산화물 용액과 접촉하면서, 동시에 진공 여과되어 반송 방향 (T)에서 타단에 접촉시키면서 반송시킨다.
투입된 펄프 또는 투입된 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉물은 레벨링 장치 (10A)에 의해서 평탄화시킬 수 있다. 레벨링 장치는 진행 방향으로 복수개 배치할 수 있고, 2개 이상이 바람직하다. 레벨링 장치는 높이 위치를 조정할 수 있는 것이 바람직하고, 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉물의 퇴적 두께에 상당하는 높이 (h)는 바람직하게는 200 mm 이하, 보다 바람직하게는 100 mm 이하이다.
또한, 레벨링 장치는 판상, 노치상(톱상), 빗상, 스크류상(도 2 참조), 블레이드상(도 3 참조) 중 어느 쪽의 것도 사용할 수 있다. 도 2는 스크류상 레벨링 장치의 예로서, 스크류 (10p)와 지지체 (10q)를 구비하는 레벨링 장치 (10A)를 여과면 (11)의 폭 방향(펄프의 반송 방향 (T)에 대하여 수직 방향)에서 본 도면을 나타낸다. 스크류상의 것은 펄프 또는 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 양편으로부터 중심으로 한데 모으는 기능을 갖는 것이 바람직하고, 도 2는 펄프 등을 양편으로부터 중심으로 한데 모을 수 있는, 중심을 대칭면으로 하는 좌우 대칭의 스크류 (10p)를 나타낸다.
도 3은 블레이드상 레벨링 장치의 예로서, 스크류 (10p)를 블레이드 (10r)로 대체한 레벨링 장치 (10A)를 여과면 (11)의 상측에서 본 도면을 나타낸다. 블레이드상 레벨링 장치는 펄프 또는 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 양편으로부터 중심으로 한데 모으는 기능을 갖는 것이 바람직하고, 도 3은 펄프 또는 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 양편으로부터 중심 방향으로 한데 모으도록, 펄프의 반송 방향 (T)를 각도 0°로 하고, 여과면 (11)의 폭 방향을 각도 90°로 하면, 0°를 초과하고 90° 미만의 각도를 갖고, 여과면 (11)의 폭의 중앙부를 개방하도록 블레이드를 설치하고 있다. 펄프의 일부는 산포구군 (13)으로부터 산포되는 알칼리 금속 수산화물 용액 (2)의 산포압에 의해 양편으로 이동하는 경향이 있고, 이것을 상쇄하기 위해서 양편으로부터 중심으로 한데 모으는 기능은 바람직하다. 또한, 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉물은 상기 레벨링 장치에 의해 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치는 산소 존재하에서의 알칼리셀룰로오스의 중합도 저하를 방지하기 때문에, 진공 또는 질소 치환을 할 수 있는 것이 보다 바람직하다. 동시에 산소의 존재하에 있어서의 중합도 제어를 목적으로 하는 경우에는, 산소량을 조정 가능한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는, 예를 들면 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치는 알칼리 금속 수산화물 용액의 온도 또는 접촉 시간을 임의로 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면 원하는 조성의 알칼리셀룰로오스를 얻고자 하는 경우, 알칼리셀룰로오스의 조성은 펄프가 알칼리 금속 수산화물 용액을 흡수한 양에 의존하고, 그의 흡수량은 접촉 시간 및 알칼리 액의 온도를 제어함으로써 조절할 수 있기 때문이다.
알칼리 금속 수산화물 용액의 온도의 조정 방법은 공지된 기술을 사용할 수 있지만, 열 교환기를 이용하는 것이 바람직하다. 알칼리 금속 수산화물 용액의 온도는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 15 내지 80 ℃의 범위에서 조절된다.
본 발명에서는 접촉 시간의 조정 방법으로서, 바람직하게는 여과면의 이동 속도 또는 알칼리 금속 수산화물 용액과의 접촉 거리를 변경함으로써 행해진다. 여기서, 접촉 거리란, 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 이동하는 거리를 말하며, 대부분의 경우 이동하는 여과면 상에 공급된 펄프가 처음으로 알칼리 금속 수산화물 용액과 접촉하기 위한 알칼리 금속 수산화물 용액의 산포 위치를 변경함으로써 조정된다.
여과면의 이동 속도는, 바람직하게는 0.0005 내지 10 m/s, 보다 바람직하게는 0.005 내지 5 m/s이다. 0.0005 m/s 미만이면 여과 면적당의 펄프량이 과대해져 균일한 접촉을 요구할 수 없는 경우가 있다. 한편, 10 m/s를 초과하면 설비가 과대해져 현실적이지 않은 경우가 있다. 또한, 알칼리 금속 수산화물 용액과의 접촉 거리는, 바람직하게는 0.5 내지 100 m, 보다 바람직하게는 1 내지 50 m이다. 0.5 m 미만이면 흡수량의 제어가 곤란해지는 경우가 있고, 100 m을 초과하면 설비가 과대해져 현실적이지 않은 경우가 있다.
펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉 시간은, 바람직하게는 1초 내지 15분간, 보다 바람직하게는 2초 내지 2분간의 범위이다. 1초 미만이면 흡수량의 제어가 매우 곤란한 경우가 있고, 15분을 초과하면 장치가 과대해지거나 또는 생산성이 나빠지게 될 뿐만 아니라, 펄프의 알칼리 흡수량이 과대해져, 어떠한 탈액 장치를 갖는다고 하더라도 셀룰로오스에테르의 제조에 적합한 원하는 조성의 알칼리셀룰로오스를 얻는 것이 어렵게 되는 경우가 있다. 공급한 펄프가 알칼리 금속 수산화물 용액에 전혀 접촉하지 않고 통과하는 것은 품질상 피하지 않으면 안된다. 따라서, 접촉 여과에서는 완전히 알칼리 금속 수산화물 용액과 접촉할 수 있도록 펄프를 통과시키는 것이 바람직하다. 그를 위해서는 알칼리 금속 수산화물 용액의 산포 위치를 진행 방향에 대하여 복수 설치하는 것이 바람직하다. 구체적 설치 개소는 진행 방향에서 2개소 이상이 바람직하고, 통상은 최대로 진행 방향 1 m당 50개소 정도가 바람직하다.
산포 장치는, 바람직하게는 진행 방향에 대하여 교차하는 방향의 선 상에 복수의 노즐을 배치한 것으로, 스프레이 노즐이나 파이프상의 노즐, 파이프에 복수의 구멍을 뚫은 것 등이 이용된다.
본 발명에서 펄프 질량에 대한, 산포하는 알칼리 금속 수산화물 용액의 부피의 비는 일개소의 산포구당, 바람직하게는 0.1 L/kg 이상, 보다 바람직하게는 3.0 L/kg 이상, 더욱 바람직하게는 5.0 L/kg 이상, 특히 바람직하게는 10.0 L/kg 이상이다. 0.1 L/kg보다 적으면 완전한 접촉이 곤란하게 되기 때문에, 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리의 분포가 불균일해져 제품의 품질의 저하를 초래하는 경우가 있다. 펄프 질량에 대한 알칼리 금속 수산화물 용액의 부피의 비의 상한은 진공 여과의 여과 능력에 따라서 결정되지만, 통상은 100 L/kg까지가 바람직하다.
본 발명에서 여과면 상에 남은 접촉물이 여과면의 이동 속도와 다른 속도로 이동하는 것이 없는 것과 같은 액량이 유지되는 것이 바람직하다. 이 때문에, 산포하는 알칼리 금속 수산화물 용액의 속도나 여과 속도를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 펄프를 이동하는 여과면 상에 투입하기 전에, 펄프 및 알칼리 금속 수산화물 용액을 예비 혼합하여 놓은 것이 가능하다. 예비 혼합하는 경우에는 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉이 이미 행해지고 있기 때문에, 이 접촉 시간을 관리하는 것이 바람직하다.
산포한 알칼리 금속 수산화물 용액은 일부가 펄프에 흡수되고, 일부는 펄프 표면에 부착되고, 나머지는 여과면에서 흡인되어 제거된다. 흡인의 정도는 여과면 상에 알칼리 금속 수산화물 용액이 체류하여 접촉물이 유동화하지 않는 정도로 배액되어 있을 수 있다. 접촉물이 유동화하면 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치 내에서의 체류 시간에 분포가 생기기 때문에 바람직하지 않다.
진공 여과는 여과면의 배면에 배치된 진공 팬 (17) 및 진공 펌프 (18)에 의해 행해진다. 진공 여과에 의해 회수된 알칼리 금속 수산화물 용액은 금속 산화물 용액조 (30)에 보내진다. 알칼리 금속 수산화물 용액과 펄프와의 접촉물은 취출구 (14)로부터 취출된다. 또한, 유동성을 높여, 후속 공정에의 반송을 쉽게 하기 위해서, 공급구(공급 노즐일 수도 있음) (15)로부터 알칼리 금속 수산화물 용액 (2)를 공급할 수 있다.
여과면에서 접촉물을 추출하는 공정을 쉽게 하기 위한 스크레이퍼 (16)을 설치할 수 있다. 추출된 접촉물은 탈액 수단 (20)에 의해서 케이크인 알칼리셀룰로오스 (3)으로 분리된다. 탈액 수단에서 회수된 액체는 알칼리 금속 산화물 용액조 (30)에 보내지고, 펌프 (31)에 의해, 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치 (10)에 보내져, 재이용할 수 있다. 이 때, 열 교환기 (32)를 이용하면 알칼리 금속 수산화물 용액의 온도의 조정이 가능하다. 여과면의 클로깅을 방지하기 위해서, 세정 노즐 (19)로부터 물, 열수, 증기, 공기, 불활성 가스 또는 알칼리 금속 수산화물 용액을 연속적 또는 단속적으로 산포하여 부착물을 세정할 수 있고, 이 때의 알칼리 금속 수산화물 용액은 새로운 것이 바람직하다. 산포된 알칼리 금속 수산화물 용액은 여과재를 통과 후에 회수되어, 알칼리 금속 수산화물 용액 (2)로서 이용할 수 있다.
여과재의 공경은 펄프가 통과하지 않는 범위일 수 있고, 바람직하게는 5 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.1 내지 5 mm이다. 메쉬 벨트, 천공 금속 벨트, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 등의 여포를 사용할 수 있다. 이들 여과재 중 바람직한 것은 천공 금속 벨트이고, 구멍의 형상은 동그라미형, 삼각형, 사각형의 모두를 사용할 수 있지만, 바람직하게는 동그라미형이다. 여과재의 두께는, 바람직하게는 5 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.1 mm 내지 2 mm이다.
여과 면적당의 펄프량은, 바람직하게는 50 kg/m2 이하, 보다 바람직하게는 10 kg/m2 이하이다. 이 이상이면 균일한 접촉이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 하한은 0.5 kg/m2가 바람직하다.
또한, 본 발명은 저급 알코올(바람직하게는 탄소수 1 내지 4의 알코올)이나 그 밖의 불활성 용매를 사용하더라도 지장이 없다. 이들 용매의 사용에 의해, 알칼리의 분포의 균일성의 개선에 더하여 알칼리셀룰로오스의 벌크 밀도 개선도 가능하다.
본 발명에서는, 예를 들면 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치 내에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉이 행해진 후, 그의 접촉물은 압착기 등의 탈액 수단에 의해, 잉여의 알칼리 금속 수산화물 용액이 제거되어, 알칼리셀룰로오스가 된다.
탈액 장치로서는 디캔터나 회전 바구니와 같은 원심력을 이용한 탈액 장치, 롤상의 것, V형 디스크 프레스, 버킷 프레스 등의 기계적 탈액 장치 및 진공 여과기를 이용할 수 있지만, 탈액의 균일성으로부터 원심력을 이용하는 탈액 장치가 바람직하다. 또한, 연속적으로 처리할 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 스크류 배출형 원심 탈수기, 압출 판형 원심 탈수기, 디캔터 등을 들 수 있다. 원심력을 이용하는 탈액 장치의 경우, 필요한 탈액도에 따라서 회전수를 조절하는 것이 가능하다. 또한, 기계적 탈액 장치의 경우에는 탈액압의 조절, 진공 여과기의 경우에는 진공도의 조절이 가능하다.
탈액에 의해 회수된 알칼리 금속 수산화물 용액은 재이용 가능하다. 재이용하는 경우, 알칼리셀룰로오스로서 계밖으로 꺼내어진 알칼리 금속 수산화물 용액과 동일 양의 알칼리 금속 수산화물 용액을 연속적으로 계내에 공급하는 것이 바람직하다. 이 경우, 탈액에 의해 회수된 알칼리액을 일단 탱크에 받아들인 후, 이 탱크로부터 접촉을 위한 장치에 공급되어, 탱크 레벨을 일정하게 유지하도록 새로운 알칼리 금속 수산화물 용액을 첨가할 수 있다.
탈액에 의해 회수된 알칼리액을 재이용하는 경우, 구멍이 있는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기와 구멍이 없는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기를 병용하는 방법이 특히 바람직하다. 이에 따라 구멍이 있는 회전체를 갖는 원심 분리기의 클로깅을 방지할 수 있어, 여과 불량이나 그것에 따른 원심 분리기의 진동을 방지할 수 있다. 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉물은, 우선 구멍이 있는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기를 이용하여 액과 고형분으로 분리된다. 그 후, 분리액 중의 미세한 고형분이 구멍이 없는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기에 의해 회수된다. 구멍이 있는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기로부터의 분리액은 그의 전부 또는 일부를 직접 구멍이 없는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기에 도입할 수 있지만, 일단 탱크에 받아들여진 후, 그의 탱크로부터 구멍이 없는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기에 도입할 수도 있다. 분리액으로부터 구멍이 없는 회전체를 갖는 연속 원심 분리기에 의해 회수된 고형분은 알칼리셀룰로오스로서 이용할 수 있다.
연속 원심 분리기는 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉 시간, 온도 및 필요한 탈액도에 따라 회전수, 즉 원심 효과를 조절할 수 있다. 왜냐하면 원심 효과를 조절함으로써 펄프와의 접촉에 반복하여 제공되는 알칼리 금속 수산화물 용액의 농도를 일정하게 유지할 수 있고, 투명성이 높은 셀룰로오스에테르를 얻을 수 있기 때문이다. 현재의 운전 조건에 대하여, 접촉 시간을 연장시킬 때 및/또는 접촉 온도를 상승시킬 때에는 원심 효과를 감소시킬 수 있다. 접촉 시간을 단축시킬 때 및/또는 접촉 온도를 저하시킬 때에는 원심 효과를 증가시킬 수 있다. 알칼리 금속 수산화물 용액의 농도의 변동율은, 바람직하게는 ±10％ 이내, 보다 바람직하게는 ±5％ 이내로 억제한다.
또한, 원심 효과는 「사단법인 화학 공학 협회편 신판 화학 공학 사전」 (소)49년 5월 30일 발행에 기재되는 바와 같이, 원심력 크기의 정도를 나타내는 수치이고, 원심력과 중력의 비로 주어진다. 원심 효과 Z는 하기 수학식으로 표시된다.
Z=(ω2r)/g=V2/(gr)=π2N2r/(900 g)
상기 수학식 중, r은 회전체의 회전 반경(단위 m), ω는 회전체의 각 속도(단위 rad/초), V는 회전체의 주 속도(m/초), N은 회전체의 회전수(rpm), g는 중력 가속도(m/초2)를 나타낸다.
탈액 공정에서 얻어진 케이크 중에 포함되는 알칼리 금속 수산화물과, 상기 펄프 중의 고체 성분의 질량 비율(알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분)은, 바람직하게는 0.3 내지 1.5, 보다 바람직하게는 0.65 내지 1.30, 더욱 바람직하게는 0.90 내지 1.30의 범위이다. 상기 질량 비율이 0.3 내지 1.5인 경우, 얻어지는 셀룰로오스에테르의 투명성이 높아지는 경우가 있다. 여기서, 펄프 중의 고체 성분에는 주성분의 셀룰로오스 이외에, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 수지분 등의 유기물, Si분, Fe분 등의 무기물이 포함된다.
또한, 알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분은, 예를 들면 알칼리 금속 수산화물이 수산화나트륨인 경우, 이하에 나타내는 적정법에 의해 구할 수 있다.
우선, 케이크 4.00 g을 채취하여, 중화 적정에 의해 케이크 중의 알칼리 금속 수산화물 질량％를 구한다(0.5 mol/L H2SO4, 지시약: 페놀프탈레인). 동일한 방법으로 공시험을 행하였다.
알칼리 금속 수산화물 질량％=규정도 계수×(H2SO4 적하량 ml-공시험에서의 H2SO4 적하량 ml)
얻어진 케이크 중의 알칼리 금속 수산화물 질량％를 이용하여, 다음 식에 따라서 알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분을 구하였다.
(알칼리 금속 수산화물의 질량)/(펄프 중의 고체 성분의 질량)=(알칼리 금속 수산화물 질량％)÷[{100-(알칼리 금속 수산화물 질량％)/(B/100)}×(S/100)]
여기서, B는 이용한 알칼리 금속 수산화물 용액의 농도(질량％)이고, S는 펄프 중의 고체 성분의 농도(질량％)이다. 펄프 중의 고체 성분의 농도는 펄프 약 2 g을 채취하여 105 ℃에서 2시간 건조시킨 후의 질량이, 채취한 질량에 차지하는 비율을 질량％로 나타낸 것이다.
본 발명에서는 펄프의 공급 속도와, 탈액 후의 알칼리셀룰로오스의 회수 속도 또는 알칼리 금속 수산화물 용액의 소비 속도를 각각 측정하여, 양자의 질량비로부터 현재의 알칼리셀룰로오스의 조성을 산출하고, 산출된 조성이 목표의 값이 되도록 접촉 시간, 연속식 수평 진공 여과기 내의 알칼리 금속 수산화물 용액의 온도, 압착압 등의 탈액 정도를 조절하는 것이 가능하다. 또한, 그의 측정 조작과 계산, 조절 조작을 자동화하는 것도 가능하다.
알칼리셀룰로오스의 조성은 이것을 이용하여 얻어지는 셀룰로오스에테르의 에테르화의 정도, 즉 치환도에 의해서 결정할 수 있다.
상기한 제조 방법으로 얻어진 알칼리셀룰로오스를 원료로서 공지된 방법으로 셀룰로오스에테르를 제조할 수 있다.
반응 방법으로서는 회분식과 연속식이 생각되고, 본 발명의 알칼리셀룰로오스의 제조 방법이 바람직하게는 연속식인 점에서 연속 반응 방식이 바람직하지만, 회분식이라도 문제는 없다.
회분식의 경우에는, 탈액 장치로부터 배출된 알칼리셀룰로오스를 버퍼 탱크에 저장하거나 또는 직접 에테르화 반응 용기에 투입할 수도 있지만 에테르화 반응 용기의 점유 시간을 짧게 하기 위해서 버퍼 탱크에 저장 후, 단시간에 반응솥에 투입하는 쪽이 생산성은 높다. 버퍼 탱크는 중합도 저하를 억제하기 위해 진공 또는 질소 치환에 의한 산소 프리의 분위기가 바람직하다.
얻어진 알칼리셀룰로오스를 출발 원료로서 얻어지는 셀룰로오스에테르로서는, 알킬셀룰로오스, 히드록시알킬셀룰로오스, 히드록시알킬알킬셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스를 들 수 있다.
알킬셀룰로오스로서는 메톡시기(DS)가 1.0 내지 2.2의 메틸셀룰로오스, 에톡시기(DS)가 2.0 내지 2.6의 에틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 또한, DS는 치환도(degree of substitution)를 나타내고, 셀룰로오스의 글루코오스환 단위당, 메톡시기로 치환된 수산기의 평균 개수이고, MS는 치환 몰수(molar substitution)를 나타내고, 셀룰로오스의 글루코오스환 단위당에 부가한 히드록시프로폭시기 또는 히드록시에톡시기의 평균 몰수이다.
히드록시알킬셀룰로오스로서는 히드록시에톡시기(MS)가 0.05 내지 3.0의 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로폭시기(MS)가 0.05 내지 3.3의 히드록시프로필셀룰로오스 등을 들 수 있다.
히드록시알킬알킬셀룰로오스의 예로서는 메톡시기 (DS)가 1.0 내지 2.2, 히드록시에톡시기(MS)가 0.1 내지 0.6의 히드록시에틸메틸셀룰로오스, 메톡시기(DS)가 1.0 내지 2.2, 히드록시프로폭시기(MS)가 0.1 내지 0.6의 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 에톡시기(DS)가 1.0 내지 2.2, 히드록시에톡시기(MS)가 0.1 내지 0.6의 히드록시에틸에틸셀룰로오스를 들 수 있다.
또한, 카르복시메톡시기(DS)가 0.2 내지 2.0의 카르복시메틸셀룰로오스도 들 수 있다.
에테르화제로서는 염화메틸, 염화에틸 등의 할로겐화알킬, 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드 등의 알킬렌옥사이드, 모노클로로아세트산 등을 들 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 나타내어, 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이 실시예로 한정되지 않는다.
[실시예 1]
폭 0.2 m, 길이 1.0 m의 수평 벨트형 진공 여과기의 일단에 목재 유래에서 10 mm각, 고체 성분 농도 93 질량％의 칩상 펄프를 60 kg/시의 속도로 투입하였다. 여과재는 두께 1 mm에서, 직경 2 mm의 동그라미 형태로 천공 금속 벨트를 이용하였다. 벨트의 이동 속도는 0.025 m/s로 하였다. 진행 방향에 대하여 0 m, 0.2 m, 0.4 m, 0.6 m, 0.8 m의 위치, 폭 방향의 직선 상에는 일단으로부터 2 cm, 6 cm, 10 cm, 14 cm, 18 cm의 각 위치에 산포 노즐을 설치하여, 40 ℃의 49 질량％ 수산화나트륨 수용액을 각 노즐당 120 L/시의 속도로 산포하였다. 동시에 여과면으로부터 케이크층을 통과한 49 질량％ 수산화나트륨 수용액을 흡인하였다. 진행 방향에 대하여 0.2 m, 0.4 m의 위치에, 높이 위치를 조정할 수 있고 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액 접촉물을 양편으로부터 중심으로 한데 모으는 기능을 갖는 스크류상의 레벨링 장치를 설치하였다. 이 레벨링 장치에 의해, 퇴적 높이는 100 mm로 균일하게 되었다. 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉물은 레벨링 장치에 의해 혼합되었다.
연속식 수평 진공 여과기의 출구에 40 ℃의 49 질량％ 수산화나트륨 수용액 2 m3/시를 공급하여 접촉물을 유동화시키고, 탈액 장치로서 V형 디스크 프레스에서, 연속식 수평 진공 여과기로부터 배출되는 칩상 펄프와 수산화나트륨 수용액의 혼합물을 연속적으로 탈액하였다. 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉물을 배출한 후의 금속 벨트는, 배면으로부터 40 ℃의 49 질량％ 수산화나트륨 수용액으로 세정되었다. 얻어진 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분의 질량 비율을 적정법에 의해 구한 바, 1.25였다.
이 알칼리셀룰로오스 20 kg을 내압 반응기에 투입하고, 탈기 후, 염화메틸 11 kg, 프로필렌옥사이드 2.7 kg를 가하여 반응시키고, 세정, 건조, 분쇄를 거쳐 히드록시프로필메틸셀룰로오스를 얻었다. 얻어진 히드록시프로필메틸셀룰로오스의 치환도는 메톡시기(DS)가 1.90, 히드록시프로폭시기(MS)가 0.24, 20 ℃에서의 2 질량％ 수용액의 점도는 10,000 mPaㆍs였다. 2 질량％ 수용액의 20 ℃에서의 투광도는 광전 비색계 PC-50형, 셀 길이 20 mm, 파장 720 nm에서 측정한 바, 99.0％였다.
[실시예 2]
벨트의 이동 속도를 0.033 m/초로 하고, 블레이드상의 레벨링 장치를 설치하여, 연속식 수평 진공 여과기의 출구에 탈액 장치로서 원심 효과 600의 스크류 배출형 원심 탈수기를 설치하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 행하였다.
얻어진 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분의 질량 비율을 적정법에 의해 구한 바, 1.00이었다.
이 알칼리셀룰로오스 17.2 kg을 내압 반응기에 투입하고, 탈기 후, 염화메틸 9 kg, 프로필렌옥사이드 1.4 kg을 가하여 반응시키고, 세정, 건조, 분쇄를 거쳐 히드록시프로필메틸셀룰로오스를 얻었다.
얻어진 히드록시프로필메틸셀룰로오스의 치환도는 메톡시기(DS)가 1.80, 히드록시프로폭시기(MS)가 0.14, 20 ℃에서의 2 질량％ 수용액의 점도는 9,800 mPaㆍs였다. 2 질량％ 수용액의 20 ℃에서의 투광도는 광전 비색계 PC-50형, 셀 길이 20 mm, 파장 720 nm에서 측정한 바, 97.5％였다.
[실시예 3]
진행 방향에 대하여 0 m, 0.2 m, 0.4 m의 위치의 산포 노즐로부터의 산포를 정지하고, 연속식 수평 진공 여과기의 출구에 탈액 장치로서 0.2 mm 슬릿 스크린을 구비한 원심 효과 600의 압출 판형 원심 탈수기를 설치하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
얻어진 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분의 질량 비율을 적정법에 의해 구한 바, 0.70이었다.
이 알칼리셀룰로오스 18.8 kg을 내압 반응기에 투입하고, 탈기 후, 염화메틸 9 kg, 프로필렌옥사이드 2.5 kg을 가하여 반응시키고, 세정, 건조, 분쇄를 거쳐 히드록시프로필메틸셀룰로오스를 얻었다. 얻어진 히드록시프로필메틸셀룰로오스의 치환도는 메톡시기(DS)가 1.45, 히드록시프로폭시기(MS)가 0.20, 20 ℃에서의 2 질량％ 수용액의 점도는 9,800 mPaㆍs였다. 2 질량％ 수용액의 20 ℃에서의 투광도는 광전 비색계 PC-50형, 셀 길이 20 mm, 파장 720 nm에서 측정한 바, 97.0％였다.
[실시예 4]
벨트의 이동 속도를 0.033 m/초로 하고, 진행 방향에 대하여 0 m, 0.2 m, 0.4 m의 위치의 산포 노즐로부터의 산포를 정지하고, 연속식 수평 진공 여과기의 출구에 탈액 장치로서 0.2 mm 슬릿 스크린을 구비한 원심 효과 600의 압출 판형 원심 탈수기를 설치하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
얻어진 알칼리셀룰로오스 중의 알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분의 질량 비율을 적정법에 의해 구한 바, 0.50이었다.
이 알칼리셀룰로오스 18.8 kg을 내압 반응기에 투입하고, 탈기 후, 염화메틸 9 kg, 프로필렌옥사이드 2.5 kg을 가하여 반응시키고, 세정, 건조, 분쇄를 거쳐 히드록시프로필메틸셀룰로오스를 얻었다. 얻어진 히드록시프로필메틸셀룰로오스의 치환도는 메톡시기(DS)가 1.35, 히드록시 프로폭시기(MS)가 0.25, 20 ℃에서의 2 질량％ 수용액의 점도는 9,800 mPaㆍs였다. 2 질량％ 수용액의 20 ℃에서의 투광도는 광전 비색계 PC-50형, 셀 길이 20 mm, 파장 720 nm에서 측정한 바, 96.0％였다.
1 펄프
2 알칼리 금속 수산화물 용액
3 알칼리셀룰로오스
10 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치
10A 레벨링 장치
10p 스크류
10q 지지체
10r 블레이드
11 여과면
12 펄프의 투입구
13 알칼리 금속 수산화물 용액 산포구군
14 취출구
15 유동화용 알칼리 금속 수산화물 용액의 공급 노즐
16 스크레이퍼
17 진공 팬
18 진공 펌프
19 세정 노즐
20 탈액 수단
30 알칼리 금속 수산화물 용액조
31 펌프
32 열 교환기
T 반송 방향

Claims (5)

  1. 이동하는 여과면 상에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 진공 여과를 행하여, 상기 여과면 상에 남은 접촉물을 취출하는 접촉 여과 공정과, 얻어진 접촉물을 탈액하여 케이크를 얻는 탈액 공정을 포함하는 알칼리셀룰로오스의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탈액 공정에서 얻어진 케이크 중에 포함되는 알칼리 금속 수산화물과, 상기 펄프 중의 고체 성분의 질량 비율(알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분)이 상기 여과면의 이동 속도 또는 상기 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액의 접촉 거리를 변경함으로써 조절되는 알칼리셀룰로오스의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탈액 공정에서 얻어진 케이크 중에 포함되는 알칼리 금속 수산화물과 상기 펄프 중의 고체 성분의 질량 비율(알칼리 금속 수산화물/펄프 중의 고체 성분)이 0.3 내지 1.5의 범위인 알칼리셀룰로오스의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 방법에 의해 제조된 알칼리셀룰로오스와 에테르화제를 반응시키는 공정을 포함하는 셀룰로오스에테르의 제조 방법.
  5. 수평 방향으로 이동하는 수평인 여과면과,
    상기 이동하는 여과면 상에 펄프를 투입하기 위한 펄프의 투입구와,
    투입된 펄프에 알칼리 금속 수산화물 용액을 산포하는 산포구와,
    상기 이동하는 여과면의 진공 흡인을 가능하게 하는 진공 펌프와,
    상기 이동하는 여과면 상에서 펄프와 알칼리 금속 수산화물 용액을 접촉시키면서 진공 여과를 행하여, 상기 여과면 상에 남은 접촉물을 취출하기 위한 취출구를 구비하는 연속식 수평 진공 여과기형 접촉 장치와,
    상기 취출구로부터 취출된 접촉물로부터 케이크를 분리하기 위한 탈액 수단을 구비하는 알칼리셀룰로오스의 제조 장치.
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