JP6889595B2 - Pulp production method that facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using high-pressure water flow - Google Patents
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Description
本発明は、高圧水流を用いたパルプの解繊法において、ナノ微細化をより容易に可能にする原材料パルプの製造法に関する。 The present invention relates to a method for producing raw material pulp that enables nano-miniaturization more easily in a pulp defibration method using a high-pressure water stream.
繊維状多糖の一種であるセルロースは、植物、例えば、広葉樹や針葉樹などの木本植物、および竹や葦などの草本植物、ホヤに代表される一部の動物、および酢酸菌に代表される一部の菌類などによって産生されることが知られている。このセルロースが繊維状に集合した構造を有するものをセルロースファイバーと呼び、特に繊維幅が100nm以下でアスペクト比が100以上のものを、一般的にセルロースナノファイバー(ナノセルロース)と呼ばれている。ナノセルロースは、軽量、高強度、低熱膨張率等の優れた性質を有し、その利用に向けた取り組みが盛んに行われている。 Cellulose, which is a type of fibrous polysaccharide, is represented by plants such as woody plants such as hardwoods and conifers, herbaceous plants such as bamboo and reeds, some animals represented by sea squirts, and acetic acid bacteria. It is known that it is produced by ascidians. Those having a structure in which these celluloses are aggregated in a fibrous form are called cellulose fibers, and those having a fiber width of 100 nm or less and an aspect ratio of 100 or more are generally called cellulose nanofibers (nanocellulose). Nanocellulose has excellent properties such as light weight, high strength, and low coefficient of thermal expansion, and efforts for its utilization are being actively carried out.
ナノセルロースの製造法にはさまざまな手法が提案されているが、酸加水分解法やTEMPO触媒酸化法といった化学的手法と、グラインダー法や高圧ホモジナイザー法、水中対向衝突法(ACC法)といった物理的手法の2種類に大別される。いずれの手法においても、今後、ナノセルロースが市場に普及するためには、製造効率を上げ、製造コスト削減による販売価格低減が必要である。 Various methods have been proposed for the production of nanocellulose, including chemical methods such as acid hydrolysis and TEMPO-catalyzed oxidation, and physical methods such as the grinder method, high-pressure homogenizer method, and underwater opposed collision method (ACC method). It is roughly divided into two types of methods. In either method, in order for nanocellulose to spread to the market in the future, it is necessary to improve the manufacturing efficiency and reduce the selling price by reducing the manufacturing cost.
ナノセルロースの製造コストを下げるためには、ナノ微細化法自体の製造効率を上げる方法と、ナノ微細化法に供する原料を見直す方法が挙げられる。 In order to reduce the production cost of nanocellulose, there are a method of increasing the production efficiency of the nano-miniaturization method itself and a method of reviewing the raw materials used for the nano-miniaturization method.
特許文献1は、セルロースナノ繊維を製造するための、拡張可能でエネルギー効率の良い方法を開示することを課題とし、(a)セルロース繊維の細胞壁及び繊維間結合を化学的に解重合するためのフリーラジカルの形成を促進する条件下で比較的高装入量のオゾン;又は(b)セルラーゼ酵素;の一つ又は両方による解重合処理を使用する。解重合はパルプ粘度の変化によって推定できる。解重合処理の後又は同時に処理繊維を機械的に粉砕する。その粉砕はいくつかの機械的粉砕装置のいずれかで実施され、エネルギー節約の量は粉砕系のタイプ及び処理条件によって異なる。粉砕は、繊維長、%ファイン又はスラリー粘度などのいくつかの終点測定のいずれかに至るまで実施されるセルロースナノ繊維の形成法を開示した。
特許文献2はASTM試験1975−96による測定にて200〜1000の重合度を有するセルロースパルプとリヨセルとのフィブリル化ブレンドであって、リヨセル繊維の少なくとも一部が3〜12mmの長さを有する上記フィブリル化ブレンを開示した。
現在ナノセルロースの製造には、一般的に広く流通しており、低コストでの製造法が確立されているクラフト蒸解法により製造された木材由来パルプ(木材パルプ)が原材料として利用されている。クラフト蒸解法は原料となる木材チップを白液と呼ばれるNaOHとNa2Sの混合液と共に高温(140〜180℃)、高圧で数時間処理して得られる。しかしこの製造法は、脱リグニンを促進することにより、本来の目的である紙をより効率よく製造するための製造法であり、決して、全てのナノ微細化法に適した原料とは言えない。Currently, wood-derived pulp (wood pulp) produced by the kraft cooking method, which is widely distributed in general and has an established low-cost production method, is used as a raw material for the production of nanocellulose. Kraft cooking method high temperature wood chips as a raw material with a mixture of NaOH and Na 2 S, called white liquor (140 to 180 ° C.), obtained by treating for several hours at elevated pressure. However, this production method is a production method for more efficiently producing paper, which is the original purpose, by promoting delignin, and cannot be said to be a raw material suitable for all nano-miniaturization methods.
本発明者等はこれまでの研究の成果として、高圧水流を用いた解繊法の一つである水中カウンターコリジョン(ACC)法によるアルカリ蒸解竹未晒パルプのナノ微細化において、原料となるパルプの残存リグニン量の指標となるカッパー価の値が高い方が、ナノ微細化され易いことを見出している(非特許文献1)。 As a result of the research so far, the present inventors have conducted the pulp used as a raw material in the nano-miniaturization of alkaline cooked bamboo unbleached pulp by the underwater countercollision (ACC) method, which is one of the defibration methods using high-pressure water flow. It has been found that the higher the value of the copper value, which is an index of the amount of residual lignin, the easier it is for nano-miniaturization (Non-Patent Document 1).
ACC法は、特許文献3にも開示されているように、水に懸濁した天然セルロース繊維をチャンバー(図1:107)内で相対する二つのノズル(図1:108a,108b)に導入し、これらのノズルから一点に向かって噴射、衝突させる手法である(図1)。この手法によれば、天然微結晶セルロース繊維(例えば、フナセル)の懸濁水を対向衝突させ、その表面をナノフィブリル化させて引き剥がし、キャリアーである水との親和性を向上させることによって、最終的には溶解に近い状態に至らせることが可能となる。図1に示される装置は液体循環型となっており、タンク(図1:109)、プランジャ(図1:110)、対向する二つのノズル(図1:108a,108b)、必要に応じて熱交換器(図1:111)を備え、水中に分散させた微粒子を二つのノズルに導入し高圧下で合い対するノズル(図1:108a,108b)から噴射して水中で対向衝突させる。この手法では天然セルロース繊維の他には水しか使用せず、繊維間の相互作用のみを解裂させることによってナノ微細化を行うため、セルロース分子の構造変化がなく解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態でセルロースナノ繊維を得ることが可能となる。 In the ACC method, as disclosed in
前述のクラフト蒸解法は、紙の重要品質の一つである白色度(紙の白さを示す指標)を向上させるため、脱リグニン性が良い蒸解法となっている。そのため、未晒パルプにおいてもカッパー価が低く、高圧水流による解繊法におけるナノ微細化においては、ナノ化され易い原料とは言い難い。 The above-mentioned craft cooking method is a cooking method having good delignin property in order to improve whiteness (an index indicating the whiteness of paper), which is one of the important qualities of paper. Therefore, even unbleached pulp has a low copper value, and it cannot be said that it is a raw material that is easily nano-sized in the nano-miniaturization method in the defibration method using a high-pressure water stream.
一方、本発明者等がこれまでの研究で行ってきたアルカリ蒸解は、クラフト蒸解法が発明される以前に利用されていた蒸解法で、原料チップとNaOHの混合液を高温高圧で処理する蒸解法である。しかし、クラフト蒸解法が主流となった現在では、脱リグニン性がクラフト蒸解よりも悪いため、工業生産に利用されることは殆ど無い状況にある。 On the other hand, the alkaline steaming that the present inventors have conducted in the research so far is a steaming method that was used before the invention of the craft steaming method, and is a steaming method in which a mixed solution of raw material chips and NaOH is treated at high temperature and high pressure. It is a solution. However, now that the kraft cooking method has become mainstream, the delignin property is worse than that of kraft cooking, so it is rarely used for industrial production.
本発明者等は、高圧水流を用いたる解繊法の一つである水中カウンターコリジョン(ACC)法によるパルプのナノ微細化において、よりナノ微細化され易い条件として、カッパー価が高いパルプを原料に利用することを提案し、そのパルプの製造法として、蒸解が穏やかに進行するアルカリ蒸解法を採用し、比較的温和な条件(アルカリ添加率15%、140℃)を見出した。しかし、蒸解を温和な条件で行うがゆえ、蒸解が不十分なノット粕が大量に発生し、実際に工業生産するには設備的に難しいという問題が生じていた。 The present inventors use pulp having a high copper value as a raw material as a condition for making pulp nano-miniaturized by the underwater counter-collision (ACC) method, which is one of the defibration methods using a high-pressure water flow. As a method for producing the pulp, an alkaline cooking method in which cooking proceeds gently was adopted, and relatively mild conditions (alkali addition rate: 15%, 140 ° C.) were found. However, since the cooking is carried out under mild conditions, a large amount of knot lees with insufficient cooking is generated, which causes a problem that it is difficult to actually produce the knots in an industrial manner.
本発明は以上の従来技術における問題に鑑み、蒸解温度と蒸解時間を最適化することにより、実操業が可能で、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするアルカリ蒸解法における蒸解条件を提供することを目的とする。 In view of the above problems in the prior art, the present invention enables actual operation by optimizing the cooking temperature and cooking time, and alkaline steaming facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream. It is an object of the present invention to provide the cooking conditions in the solution method.
本発明者等は、高圧水流を用いた解繊法の一つであるACC法による竹パルプのナノ微細化において、原料パルプのカッパー価の値が高い方がナノ微細化され易いことを明らかにしたが、この条件で竹チップを蒸解した場合、未蒸解のノット粕が大量に発生し、実際に操業するのには厳しい条件(理想的にはノット率5%以下)であることも同時に判明した。本発明者等は、この点をさらに検討し、実操業が可能なノット率5%以下を満たし、且つ高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にする竹のアルカリ蒸解法における蒸解条件を見出した。
また、本発明者等は、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化が、原材料に竹を用いることで木材よりも容易に進行することを見出した。The present inventors have clarified that in the nano-miniaturization of bamboo pulp by the ACC method, which is one of the defibration methods using a high-pressure water stream, the higher the copper value of the raw material pulp, the easier the nano-miniaturization. However, when bamboo chips were defibrated under these conditions, a large amount of undissolved knot pulp was generated, and it was also found that the conditions were harsh for actual operation (ideally, the knot rate was 5% or less). did. The present inventors have further investigated this point, and have satisfied the knot ratio of 5% or less, which enables actual operation, and an alkaline cooking method for bamboo, which facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream. We found the cooking conditions in.
In addition, the present inventors have found that nano-miniaturization of pulp by a defibration method using a high-pressure water stream proceeds more easily than wood by using bamboo as a raw material.
高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化では、ナノセルロース間の結合(主に水素結合とファンデルワールス力)を開裂させる必要がある。ナノセルロースを構成しているセルロース分子は側鎖に水酸基を有しており、主にこの水酸基により形成される水素結合によってナノセルロース同士が強く結びついている。原料となるパルプはナノセルロースの集合体であるが、その基になる木材や竹等は、ナノセルロース以外に、リグニンやヘミセルロースといったセルロース以外の成分を多く含有している。一般的な紙を製造するために調製されたパルプは、本来、ナノセルロース間に存在していたセルロース以外の成分を可能な限り除去しているため、ナノセルロース間には多くの水素結合が形成されており、それによりナノ微細化を難しくしていると考えられる。
本発明によれば、残存リグニン量の指標となるカッパー価の値が高い状態でパルプ化することで、ナノ微細化の際にパルプ内に残存(点在)するリグニンがナノセルロース間の結合を開裂する際の応力集中点、すなわちWeak−pointになり、ナノ微細化を容易にすると考えられる。In the nano-micronization of pulp by the defibration method using high-pressure water flow, it is necessary to cleave the bonds between nanocellulose (mainly hydrogen bonds and van der Waals forces). The cellulose molecules constituting nanocellulose have a hydroxyl group in the side chain, and the nanocellulose are strongly bonded to each other mainly by hydrogen bonds formed by the hydroxyl groups. Pulp, which is a raw material, is an aggregate of nanocellulose, and the wood, bamboo, etc., which are the basis of the pulp, contain a large amount of components other than cellulose, such as lignin and hemicellulose, in addition to nanocellulose. Pulp prepared for the production of general paper removes as much as possible components other than cellulose that originally existed between nanocellulose, so that many hydrogen bonds are formed between nanocellulose. It is thought that this makes nano-miniaturization difficult.
According to the present invention, by pulping in a state where the value of copper value, which is an index of the amount of residual lignin, is high, the lignin remaining (spotted) in the pulp during nanominiaturization forms a bond between nanocellulose. It becomes a stress concentration point at the time of cleavage, that is, a weak-point, and is considered to facilitate nanominiaturization.
カッパー価が高い状態でパルプ化するためには、穏和な条件で蒸解処理に供する必要があるが、穏和な条件ゆえ、蒸解が不十分なノット粕が大量に発生する。大量なノット粕の発生は、実際の製造設備で操業を行う際に支障を来たすため、ノット粕の発生量を操業可能なレベル(一般的に重量比で5%以下が理想)に押さえる必要がある。
本発明によれば、製紙用パルプ製造で一般的に用いられているクラフト蒸解法ではなく、より穏和に蒸解が進行するアルカリ蒸解法を用い、竹を原料とする場合、アルカリ添加率(AA)17−19%(好ましくは18−19%)、処理温度140−170℃(好ましくは155−160℃)、処理時間19−451分(好ましくは56−108分)の条件で処理することにより、ノット率が実操業可能な5%以下に抑えられ、かつカッパー価を最大にすることが可能になる。In order to pulp with a high copper value, it is necessary to carry out the cooking treatment under mild conditions, but due to the mild conditions, a large amount of knot lees with insufficient cooking is generated. Since the generation of a large amount of knot lees hinders the operation in the actual manufacturing equipment, it is necessary to keep the amount of knot lees generated to an operable level (generally, 5% or less by weight is ideal). is there.
According to the present invention, when bamboo is used as a raw material by using an alkaline cooking method in which the cooking proceeds more moderately, instead of the craft cooking method generally used in the production of pulp for papermaking, the alkali addition rate (AA) is used. By treating under the conditions of 17-19% (preferably 18-19%), a treatment temperature of 140-170 ° C. (preferably 155-160 ° C.), and a treatment time of 19-451 minutes (preferably 56-108 minutes). The knot rate can be suppressed to 5% or less, which allows actual operation, and the copper price can be maximized.
すなわち本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法は、原料に竹を用い、パルプのカッパー価が40以上、好ましくは43以上、且つ蒸解後の残渣の指標となるノット率が8%以下、好ましくは5%以下になる条件でアルカリ蒸解法を用いることを特徴とする。 That is, the pulp production method for facilitating the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream of the present invention uses bamboo as a raw material, has a pulp copper value of 40 or more, preferably 43 or more, and is after cooking. It is characterized in that the alkaline cooking method is used under the condition that the knot ratio, which is an index of the residue, is 8% or less, preferably 5% or less.
また、本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法は、アルカリ添加率16%以上においてHファクターが350以上、好ましくは400以上となる蒸解条件において最適化される。尚、ここでいうところのHファクターは、蒸解時に反応系に与えられた熱の送料を示す目安であり、リグノセルロース材料と蒸解液が混ざった時点から蒸解終了時までを積分することで得られる値のことを示し、次式により算出される。
Hファクター=∫exp(43.2−16113/T) dt(T:絶対温度、t:時間)Further, the pulp production method for facilitating the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream of the present invention is under cooking conditions in which the H factor is 350 or more, preferably 400 or more at an alkali addition rate of 16% or more. Optimized. The H factor referred to here is a guideline indicating the shipping cost of the heat applied to the reaction system at the time of cooking, and can be obtained by integrating from the time when the lignocellulosic material and the cooking liquid are mixed to the time when the cooking is completed. It indicates a value and is calculated by the following formula.
H factor = ∫exp (43.2-16113 / T) dt (T: absolute temperature, t: time)
さらには、本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法はアルカリ蒸解法においてより最適な効果が得られるが、クラフト蒸解法においても、蒸解後のパルプのカッパー価を18以上、好ましくは21以上になるような蒸解条件を用いてパルプの製造を行うことで、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にすることが可能になる。 Furthermore, the pulp production method that facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using the high-pressure water flow of the present invention has a more optimum effect in the alkaline cooking method, but also in the craft cooking method after cooking. By producing pulp under cooking conditions such that the copper value of the pulp is 18 or more, preferably 21 or more, it is possible to facilitate the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream. become.
尚、クラフト蒸解による高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法においては、アルカリ添加率16%以上においてHファクターが220以上、好ましくは250以上となる蒸解条件において最適化される。 In the pulp production method that facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream by craft cooking, the H factor is 220 or more, preferably 250 or more at an alkali addition rate of 16% or more. Optimized in.
本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法は、アルカリ蒸解法、およびクラフト蒸解法のいずれを用いた場合においても、Hファクターからの逆算により算出される蒸解温度140℃以上の蒸解条件を満たすことで、より最適化される。 The pulp manufacturing method for facilitating the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using the high-pressure water flow of the present invention is calculated by back calculation from the H factor regardless of whether the alkaline cooking method or the craft cooking method is used. It is further optimized by satisfying the cooking conditions of the cooking temperature of 140 ° C. or higher.
蒸解後のノット率は、一般的な製造現場で操業可能な条件として8%以下、好ましくは5%以下が望ましいが、製造装置の改良や処理量の増減により変動するため、この限りではない。実操業可能なノット率であれば本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法は適用できる。 The knot rate after cooking is preferably 8% or less, preferably 5% or less as a condition that can be operated at a general manufacturing site, but this is not the case because it varies depending on the improvement of the manufacturing equipment and the increase / decrease in the processing amount. As long as the knot rate is capable of actual operation, the pulp production method that facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using the high-pressure water flow of the present invention can be applied.
本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法は、原料に竹を用いることでより最適なパルプ製造が可能になるが、原料は竹に限定されない。原料としては、竹のほか、構成成分中にリグニンを含有する天然素材、例えば木材、草類などに適用できる。 The pulp production method for facilitating nano-fine pulp by the defibration method using a high-pressure water stream of the present invention enables more optimal pulp production by using bamboo as a raw material, but the raw material is not limited to bamboo. .. As a raw material, in addition to bamboo, it can be applied to natural materials containing lignin in its constituents, such as wood and grasses.
本発明で製造されたパルプの高圧水流を用いた解繊は、0.5〜10%(w/w)の水混合液にしたパルプに対し、50〜400MPa程度の高圧水を用いて行うことができる。これは例えば図2に示すナノセルロースの製造装置1を用いて行うことができる。ナノセルロースの製造装置1は、一のチャンバー2に対してパルプスラリを供給可能に配置される第1の液状媒体供給経路であるところのパルプスラリ供給経路3と、例えば水である非パルプスラリを一のチャンバー2を介して循環させる第2の液状媒体供給経路4よりなる。一のチャンバー2内には第2の液状媒体供給経路4の非パルプスラリをパルプスラリ供給経路3からのパルプスラリ供給方向と交差する方向にオリフィス噴射するオリフィス噴射部5を備える。パルプスラリ供給経路3は、パルプスラリを一のチャンバー2を介して循環可能にされる。 The defibration using the high-pressure water flow of the pulp produced in the present invention is carried out by using high-pressure water of about 50 to 400 MPa with respect to the pulp made into a water mixture of 0.5 to 10% (w / w). Can be done. This can be done, for example, by using the
パルプスラリ供給経路3と第2の液状媒体供給経路4とは一のチャンバー2内に相互の交差部6を有する。
パルプスラリ供給経路3はパルプスラリ供給部でありパルプスラリを貯留するタンク7、ポンプ8を循環路9に配置してなり、一方、第2の液状媒体供給経路4はタンク10、ポンプ11、熱交換器12、プランジャ13を循環路である液状媒体供給経路4に配置してなる。The pulp
The pulp
なお非パルプスラリは、例えば水であり、当初タンク10に収納され、その後ナノセルロースの製造装置1の作動に伴い交差部6を通過してタンク10に収納されたナノ微細化されたパルプを操業の度合いに応じた濃度で含むことになった状態のものをも、包括的に指称する。 The non-pulp slurry is, for example, water, which is initially stored in the
図3に示すようにチャンバー2を貫通する態様でパルプスラリ供給経路3の循環路9が配置され、これと交差する方向に非パルプスラリをオリフィス噴射して循環路9を貫通させることができるように第2の液状媒体供給経路4のプランジャ13に接続されるオリフィス噴射部5のオリフィス噴射口14がチャンバー2内側において開口する。チャンバー2のオリフィス噴射口14と対向する位置にチャンバー2の排出口15が設けられ、このチャンバー2の排出口15に第2の液状媒体供給経路4の循環路が接続されて、第2の液状媒体供給経路4が構成される。 As shown in FIG. 3, the
一方、パルプスラリ供給経路3の循環路9は例えばビニルホース、ゴムホース等を用いて形成され、その循環路9のチャンバー2への入り側にはチャンバー2方向にのみ開弁される一方向弁16が取りつけられる。さらに循環路9のチャンバー2からの出側にはチャンバー2からの排出方向にのみ開弁される一方向弁17が取りつけられる。加えてチャンバー2と一方向弁17の間の循環路9にはエア吸入弁18が取りつけられ、このエア吸入弁18は外部から循環路9へエアを吸入する方向にのみ開弁される。 On the other hand, the
以上のナノセルロースの製造装置によれば以下のようにしてナノセルロースが製造される。
非パルプスラリをチャンバー2を介して第2の液状媒体供給経路4を循環させる。具体的にはポンプ11を用いてタンク10内の非アルカリ蒸解未晒竹パルプスラリを熱交換器12、プランジャ13を通過させて液状媒体供給経路4内を循環させる。一方、パルプスラリをチャンバー2を介してパルプスラリ供給経路3内を循環させる。具体的にはポンプ8を用いてタンク7内のパルプスラリをビニルホース、ゴムホース等を用いて形成された循環路9内を循環させる。According to the above nanocellulose production apparatus, nanocellulose is produced as follows.
The non-pulp slurry is circulated through the
これにより、パルプスラリ供給経路3内を循環してチャンバー2内を流通するパルプスラリに対して第2の液状媒体供給経路4を循環する非パルプスラリがオリフィス噴射される。具体的にはプランジャ13に接続されるオリフィス噴射口14にプランジャ13から高圧水が供給され、これがオリフィス噴射口14から循環路9に向けて50〜400MPa程度の高圧でオリフィス噴射される。 As a result, the non-pulp slurry circulating in the second liquid
その結果、例えばビニルホース、ゴムホース等を用いて形成された循環路9に予め形成された貫通孔26a、bを通過して、循環路9と交差する方向に循環路9内側を通過した非パルプスラリが循環路9内を循環するパルプスラリを巻き込みながらチャンバー2の排出口15に向けて排出され、第2の液状媒体供給経路4に流入する。これによって、非パルプスラリが第2の液状媒体供給経路4内を再度循環する。
以上のプロセスを反復する過程でパルプスラリ供給経路3内を循環してチャンバー2内を流通するパルプスラリ及び第2の液状媒体供給経路4を循環する非パルプスラリ中のパルプが徐々に解繊されて、用途に応じた解繊度合いの均一性の高いナノセルロースが得られる。As a result, a non-pulp slurry that has passed through the through holes 26a and 26 formed in advance in the
In the process of repeating the above process, the pulp slurry circulating in the pulp
その他にパルプを高圧水流にて解繊してナノセルロースとする手法としては破砕型ホモバルブシートを備えたホモジナイザーでパルプを溶媒に分散させた分散液を処理するホモジナイズ処理法がある。図4に示されるようにこのホモジナイズ処理法によれば高圧でホモジナイザー内を圧送されるパルプ101が、狭い間隙である小径オリフィス102を通過する際に、小径オリフィス102の壁面(特にインパクトリング103の壁面)と衝突することにより、剪断応力又は切断作用を受けて分割され、均一な繊維径を有するナノ微細化が行われる。 Another method of defibrating pulp with a high-pressure water stream to obtain nanocellulose is a homogenization method in which a dispersion liquid in which pulp is dispersed in a solvent is treated with a homogenizer equipped with a crushed homovalve sheet. As shown in FIG. 4, according to this homogenization method, when the
さらにパルプを高圧水流にて解繊してナノセルロースとする手法としては前述の水中対向衝突法などがあるが、本発明で示す高圧水流を用いた解繊法はこの限りではない。 Further, as a method of defibrating pulp with a high-pressure water stream to obtain nanocellulose, there is the above-mentioned underwater facing collision method and the like, but the defibration method using a high-pressure water stream shown in the present invention is not limited to this.
本発明によれば、原料に竹を用い、パルプのカッパー価が40以上、好ましくは43以上、且つ蒸解後の残渣の指標となるノット率が8%以下、好ましくは5%以下になる条件でアルカリ蒸解法を用いることにより、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にする原料パルプを得ることができる。 According to the present invention, bamboo is used as a raw material, the copper value of the pulp is 40 or more, preferably 43 or more, and the knot ratio, which is an index of the residue after steaming, is 8% or less, preferably 5% or less. By using the alkaline steaming method, it is possible to obtain raw material pulp that facilitates nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream.
以下に本発明の高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプ製造法と、それにより得られたパルプを高圧水流を用いた解繊法の一つであるACC法によりナノ微細化した際のナノ化挙動の特徴について詳細に説明する。 The following is a pulp production method that facilitates the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using the high-pressure water flow of the present invention, and the ACC method, which is one of the defibration methods using the high-pressure water flow for the resulting pulp. The characteristics of nano-miniaturization behavior when miniaturized by
蒸解時間を120分に固定し、アルカリ添加率(AA)15%、17%、蒸解温度140℃、150℃、160℃の条件で竹チップを原料としたアルカリ蒸解を実施し、蒸解後に得られたパルプのカッパー価と蒸解残渣(ノット)の量、およびそれらを高圧水流を用いた解繊法の一つであるACC法により処理回数5パスと30パスに供した際に得られたナノセルロースの繊維幅を測定した結果を表1に示した。
図5に、表1の結果を基にグラフ化した、ナノ微細化に供したパルプのカッパー価と各処理回数のナノ微細化処理を施して得られたナノセルロースの繊維幅の関係を示した。ACC法による処理回数が30パスでは、繊維幅はカッパー価の上昇に伴い直線的に減少した。一方、5パスでは、カッパー価の高い領域では大きな変化は無いが、低い領域になると急激に増加した。 FIG. 5 shows the relationship between the kappa value of pulp subjected to nano-miniaturization and the fiber width of nanocellulose obtained by performing nano-miniaturization treatment at each treatment number, which was graphed based on the results in Table 1. .. When the number of treatments by the ACC method was 30 passes, the fiber width decreased linearly as the copper value increased. On the other hand, in the 5-pass, there was no significant change in the region where the copper value was high, but it increased sharply in the region where the copper value was low.
高圧水流を用いた解繊法による通常の製紙用パルプのナノ微細化では、ナノセルロース間の結合(主に水素結合とファンデルワールス力)を開裂させる必要がある。残存リグニン量の指標となるカッパー価の値が高いパルプのナノ微細化では、パルプ内に残存(点在)したリグニンがナノセルロース間の結合を開裂する際の応力集中点、すなわちWeak−pointになるものと考えられる。しかし、カッパー価の値が小さく残存リグニン量が少ない状態では、ナノ微細化の際のこのWeak−pointが少なく、結果としてナノ微細化し難く、得られたナノセルロースの繊維幅が高かったと考えられる。特にナノ微細化の初期段階(低パス領域)ではその影響は強く表れ、図5の5パス処理時のように、カッパー価が繊維幅に強く影響を与えたと考えられる。 In the nanominiaturization of ordinary pulp for papermaking by the defibration method using a high-pressure water stream, it is necessary to cleave the bonds between nanocellulose (mainly hydrogen bonds and van der Waals forces). In the nano-miniaturization of pulp with a high copper value, which is an index of the amount of residual lignin, the stress concentration point when the lignin remaining (spotted) in the pulp cleaves the bond between nanocellulose, that is, Week-point. It is thought that it will be. However, in a state where the value of the kappa value is small and the amount of residual lignin is small, it is considered that the Week-point at the time of nano-miniaturization is small, and as a result, it is difficult to nano-fine, and the fiber width of the obtained nanocellulose is high. Especially in the initial stage of nano-miniaturization (low pass region), the influence is strong, and it is considered that the kappa value has a strong influence on the fiber width as in the case of the 5-pass treatment in FIG.
すなわち、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化では、原料となるパルプのカッパー価の値が高い方、つまり残存するリグニン量が多い方が、より容易にナノ微細化することが示された。
しかし、カッパー価が高い蒸解条件だとノット率が高く、実際に操業するのには厳しい条件(理想的にはノット率5%以下)であった。That is, in the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using a high-pressure water stream, the one with a higher copper value of the pulp as a raw material, that is, the one with a large amount of residual lignin, can be more easily miniaturized. Shown.
However, under cooking conditions with a high copper value, the knot rate was high, and it was a harsh condition for actual operation (ideally, the knot rate was 5% or less).
そこで、ノット率が5%以下になり、カッパー価が最大になる条件を模索するため、蒸解時間を120分に固定し、アルカリ添加率(AA)17%、18%、19%、蒸解温度140℃、150℃、160℃の条件で竹チップを原料としたアルカリ蒸解を実施し、蒸解後に得られたパルプのカッパー価と蒸解残渣(ノット)の量を比較した。表2に結果の一覧を示す。ここで、異なる蒸解条件を一元化するため、蒸解温度と蒸解時間から算出される「Hファクター」を各条件において算出し、Hファクターに対するカッパー価、Hファクターに対するノット率を各AAにおいてグラフ化した。図6、図7にその結果を示す。
ここでいうところのHファクターとは、蒸解時に反応系に与えられた熱の総量を表す目安であり、リグノセルロース材料と蒸解液が混ざった時点から蒸解終了時までを積分することで次式により得られる。
Hファクター=∫exp(43.2−16113/T)dt (T:絶対温度、t:時間)
The H factor here is a guideline for the total amount of heat applied to the reaction system during cooking, and is calculated by integrating from the time when the lignocellulosic material and the cooking liquid are mixed to the time when the cooking liquid is completed, according to the following equation. can get.
H factor = ∫exp (43.2-16113 / T) dt (T: absolute temperature, t: time)
図6より、ノット率はHファクターの上昇に伴い減少し、さらには同じHファクターでもAAが上昇するに連れ発生するノット率は低下することが明らかになった。この結果から、実操業可能なノット率5%を満たすためには、AA=17%では、Hファクターが758以上、AA=18%ではHファクターが507以上、AA=19%ではHファクターが437以上必要であることが示唆された。
また、図7より、カッパー価はHファクターの上昇に伴い減少し、さらには同じHファクターでもAAが上昇するに連れカッパー価は低下することが明らかになった。この結果から、実操業可能なノット率5%を満たし、カッパー価が最大になる各AAにおけるHファクターとカッパー価の値は、AA=17%ではHファクターが758でカッパー価が36、AA=18%ではHファクターが507でカッパー価が43、AA=19%ではHファクターが437でカッパー価が43であることが示唆された。From FIG. 6, it was clarified that the knot rate decreased as the H factor increased, and that the knot rate generated as the AA increased even with the same H factor decreased. From this result, in order to satisfy the knot rate of 5% that can be actually operated, the H factor is 758 or more at AA = 17%, the H factor is 507 or more at AA = 18%, and the H factor is 437 at AA = 19%. It was suggested that this is necessary.
Further, from FIG. 7, it was clarified that the kappa value decreased as the H factor increased, and that the kappa value decreased as the AA increased even with the same H factor. From this result, the values of H factor and copper value in each AA that satisfies the knot rate of 5% that can be actually operated and the kappa value is maximized are as follows: AA = 17%, H factor is 758, copper value is 36, AA = It was suggested that at 18%, the H factor was 507 and the kappa value was 43, and at AA = 19%, the H factor was 437 and the kappa value was 43.
図8に、各蒸解温度で蒸解した際に得られたパルプのアルカリ添加率とカッパー価の関係を、表1と表2の結果からプロットした。蒸解温度140℃では、AA=17〜18%以上でカッパー価の低下が頭打ちとなったが、AA=17%以下ではAA=1%あたり1.5ポイントの割合で低下していた。一方、蒸解温度160℃では2.4〜2.6ポイントの割合で低下しており、同じアルカリ添加率の変化でも蒸解温度が高い方がカッパー価の低下が激しいことを示した。 In FIG. 8, the relationship between the alkali addition rate and the copper value of the pulp obtained when the pulp was steamed at each cooking temperature was plotted from the results of Tables 1 and 2. At a cooking temperature of 140 ° C., the decrease in kappa value peaked at AA = 17-18% or more, but decreased at a rate of 1.5 points per AA = 1% at AA = 17% or less. On the other hand, at a cooking temperature of 160 ° C., the rate decreased at a rate of 2.4 to 2.6 points, indicating that the higher the cooking temperature, the greater the decrease in the kappa value even with the same change in the alkali addition rate.
蒸解において添加されたアルカリは、チップ内のリグニンを溶出させる働きをする。チップ内のリグニンは、植物細胞壁の階層構造のさまざまな部位に存在するが、穏和な条件では、パルプ内(二次壁)のリグニン溶出よりもパルプ間(細胞間層)のリグニン溶出が優先されると考えられる。140℃、および150℃のAA=17%−18%間のカッパー価低下量はAA=1%あたり1.4〜1.5ポイントだが、150℃のAA=18%−19%間では1.8ポイントに上昇し、160℃では2.4〜2.6ポイントとさらに上昇している。つまり、150℃のAA=18%以下の条件では、添加されたアルカリは主にパルプ間のリグニン溶出に働き、150℃のAA=18%以上の条件では、パルプ間に加え、パルプ内からのリグニン溶出が大きいと考えられる。 The alkali added in the cooking functions to elute the lignin in the chip. Lignin in the chip is present in various parts of the hierarchical structure of the plant cell wall, but under mild conditions, lignin elution between pulps (intercellular layer) is prioritized over lignin elution in pulp (secondary wall). It is thought that. The amount of decrease in copper value between AA = 17% -18% at 140 ° C and 150 ° C is 1.4 to 1.5 points per AA = 1%, but between AA = 18% -19% at 150 ° C, 1. It has risen to 8 points, and at 160 ° C, it has risen further to 2.4 to 2.6 points. That is, under the condition of AA = 18% or less at 150 ° C., the added alkali mainly acts on the elution of lignin between pulps, and under the condition of AA = 18% or more at 150 ° C., it is added between pulps and from inside the pulp. It is considered that lignin elution is large.
図9は竹のアルカリ蒸解で発生したノット粕の写真である。ノット粕は大別して2種類の形態が観察された。一つは図9(a)のような針状のノット粕で、これは木材のクラフト蒸解でも頻繁に見られる通常のノット粕である。もう一つは、木材では見られない、図9(b)のような粒子状のノット粕である。このノット粕(b)は、アルカリ蒸解だけでなく、クラフト蒸解でも見られることから、竹特有のノット粕と思われる。 FIG. 9 is a photograph of knot dregs generated by alkaline cooking of bamboo. Two types of knot dregs were observed. One is a needle-shaped knot lees as shown in FIG. 9 (a), which is a normal knot lees often found in kraft cooking of wood. The other is the particulate knot lees as shown in FIG. 9 (b), which is not found in wood. This knot lees (b) is considered to be a knot lees peculiar to bamboo because it can be seen not only in alkaline steaming but also in craft steaming.
160℃で蒸解された試料のノット率は、AA=17%、18%、19%でそれぞれ、5.0%、3.3%、2.4%であった。この時発生したノット粕を見ると、他の蒸解温度で見られるような針状のノット粕(図9(a))は殆ど無く、粒子状のノット粕(図9(b))ばかりであった。 The knot rates of the samples steamed at 160 ° C. were AA = 17%, 18% and 19%, respectively, 5.0%, 3.3% and 2.4%, respectively. Looking at the knot dregs generated at this time, there are almost no needle-shaped knot dregs (Fig. 9 (a)) as seen at other cooking temperatures, but only particle-like knot dregs (Fig. 9 (b)). It was.
他の条件で蒸解した場合においても、図9(a)のノット粕はノット率の低下に伴い減少する傾向を示したが、図9(b)のノット粕はノット率に関係なく、試験したどの条件においてもほぼ同程度残存していた(目視による観察。正確な計量は行っていない)。また、前述のように、160℃で蒸解されたノット粕には図9(a)のノット粕は殆ど無く、図9(b)のノット粕だけが存在していた。このことから、図9(b)のノット粕は、非常に蒸解され難いが、チップからは容易に離脱されることが示唆された。 Even when steamed under other conditions, the knot meal in FIG. 9 (a) tended to decrease as the knot rate decreased, but the knot meal in FIG. 9 (b) was tested regardless of the knot rate. Almost the same amount remained under all conditions (visual observation, not accurate weighing). Further, as described above, there was almost no knot meal shown in FIG. 9 (a) in the knot meal steamed at 160 ° C., and only the knot meal shown in FIG. 9 (b) was present. This suggests that the knot dregs in FIG. 9B are very difficult to evaporate, but are easily detached from the chips.
以上のことから、竹のアルカリ蒸解プロセスとして、図10のような進行過程が考えられる。まず、蒸解の初期段階では、パルプ間のリグニン(細胞間層リグニン)が優先的に溶出し、パルプ内のリグニン(二次壁リグニン)溶出は少ない状態で進行する。細胞間層リグニンが少なくなってくると(蒸解中期)、二次壁リグニンの溶出が増えてくる。そして、細胞間層リグニンがほぼ無くなり、針状のノット粕(図9(a))が無くなると、二次壁リグニンの溶出だけが進行し、カッパー価が低下する。粒子状のノット粕(図9(b))は、蒸解初期から発生し、殆ど蒸解されずに蒸解終了時まで残存すると考えられる。つまり、非常に蒸解され難い粒子状のノット粕(図9(b))が残存するため、蒸解条件を強くしてもノット率はなかなかゼロにはならず、二次壁リグニンの溶出ばかりが進行することが考えられる。 From the above, as the alkaline cooking process of bamboo, the progress process as shown in FIG. 10 can be considered. First, in the initial stage of cooking, lignin between pulps (intercellular layer lignin) is preferentially eluted, and lignin (secondary wall lignin) in the pulp is less eluted. As the intercellular layer lignin decreases (mid-cooking), the elution of secondary wall lignin increases. When the intercellular layer lignin is almost eliminated and the needle-shaped knot lees (FIG. 9 (a)) is eliminated, only the elution of the secondary wall lignin proceeds and the kappa value decreases. It is considered that the particulate knot meal (FIG. 9 (b)) is generated from the initial stage of cooking and remains almost unchanged until the end of cooking. In other words, since particulate knot meal (Fig. 9 (b)) that is extremely difficult to evaporate remains, the knot rate does not easily become zero even if the cooking conditions are strengthened, and only the elution of secondary wall lignin progresses. It is conceivable to do.
すなわち、ノット率を低減するためにHファクターを高くしても、ノット率の低下よりもカッパー価の低下の方が優先的に起こることが、上記のアルカリ蒸解プロセスの考察からいえる。 That is, it can be said from the above consideration of the alkaline cooking process that even if the H factor is increased in order to reduce the knot rate, the decrease in the kappa value occurs preferentially over the decrease in the knot rate.
高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化では、残存リグニンの指標となるカッパー価の値が高い方が、より容易にナノ微細化が進行すると考えられるため、ノット率が5%以下になる条件検討で得られた「AA=17%、Hファクター758、カッパー価36」という条件よりも、AA=18%および19%の条件の方が、ナノ微細化を容易にするためには、より好ましいといえる。 In the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using high-pressure water flow, it is considered that the higher the copper value, which is an index of residual lignin, the easier the nano-miniaturization progresses, so the knot rate is 5% or less. In order to facilitate nanominiaturization, the conditions of AA = 18% and 19% are better than the conditions of "AA = 17%,
本発明は、蒸解後のカッパー価を高くすることを目的に、現在主流ではないアルカリ蒸解法を用いて検討を行った。以下に、現在一般的なパルプ製造に用いられているクラフト蒸解法で同様の比較検討を行った結果について説明する。 The present invention has been studied using an alkaline cooking method, which is not currently the mainstream, for the purpose of increasing the kappa value after cooking. The results of a similar comparative study using the kraft cooking method currently used for general pulp production will be described below.
アルカリ蒸解の検討で使用したものと同じ竹チップを原料に、アルカリ添加率(AA)と蒸解温度、蒸解時間を変えてクラフト蒸解法によりパルプ化を実施し、得られたパルプのカッパー価、ノット率、Hファクターの関連性を導き出した。図11、図12にその結果を示す。 Using the same bamboo chips used in the study of alkaline cooking as raw materials, pulping was carried out by the craft cooking method by changing the alkali addition rate (AA), cooking temperature, and cooking time, and the copper value and knots of the obtained pulp were obtained. The relationship between the rate and the H factor was derived. The results are shown in FIGS. 11 and 12.
図11より、ノット率はHファクターの上昇に伴い減少し、さらには同じHファクターでもAAが上昇するに連れ発生するノット率は低下することが明らかになった。この結果から、実操業可能なノット率5%を満たすためには、AA=17%では、Hファクターが835以上、AA=18%ではHファクターが399以上、AA=19%ではHファクターが320以上必要であることが示唆された。
図12にはHファクターとカッパー価の関係性を示したが、グラフから得られた近似式では、実測値の値と近似曲線のズレが大きいため、図13に示したように近似曲線を引き直し、そこから得られた関係式より、実操業可能なノット率5%を満たし、カッパー価が最大になる各AAにおけるHファクターとカッパー価の値を導いた。その結果、AA=17%ではHファクターが835でカッパー価が18.1、AA=18%ではHファクターが399でカッパー価が21.1、AA=19%ではHファクターが320でカッパー価が21.0であることが示唆された。From FIG. 11, it was clarified that the knot rate decreased as the H factor increased, and that the knot rate generated as the AA increased even with the same H factor decreased. From this result, in order to satisfy the knot rate of 5% that can be actually operated, the H factor is 835 or more at AA = 17%, the H factor is 399 or more at AA = 18%, and the H factor is 320 at AA = 19%. It was suggested that this is necessary.
FIG. 12 shows the relationship between the H factor and the copper value. However, in the approximate expression obtained from the graph, the approximate curve is drawn as shown in FIG. 13 because the deviation between the measured value and the approximate curve is large. From the relational expression obtained from the correction, the values of H factor and copper value in each AA that satisfied the knot rate of 5% that can be actually operated and maximized the copper value were derived. As a result, when AA = 17%, the H factor is 835 and the kappa value is 18.1, when AA = 18%, the H factor is 399 and the kappa value is 21.1, and when AA = 19%, the H factor is 320 and the kappa value is 18. It was suggested to be 21.0.
上記の検討より得られた結果を、アルカリ蒸解試験の結果と比較した(図14)。ノット率が5%になるときのHファクターは、低アルカリ添加率においてはアルカリ蒸解の方が低いが、AA=17〜18%で逆転し、AA=18%以上ではクラフト蒸解の方が低くなった。ノット率が5%になるときのカッパー価はいずれのアルカリ添加率においてもクラフト蒸解の方が低く、クラフト蒸解の方がアルカリ蒸解よりもリグニン除去が促進されることが明らかになった。 The results obtained from the above examination were compared with the results of the alkaline cooking test (Fig. 14). The H factor when the knot rate is 5% is lower in alkaline cooking at low alkali addition rate, but it reverses at AA = 17-18%, and it is lower in craft cooking at AA = 18% or more. It was. It was clarified that the kappa value when the knot rate was 5% was lower in the kraft cooking at any alkali addition rate, and the lignin removal was promoted in the kraft cooking than in the alkaline cooking.
すなわち、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化では、蒸解後のパルプに残存するリグニン量の指標となるカッパー価が高い方が容易にナノ微細化され易いという結果と合わせると、蒸解後のパルプのカッパー価をアルカリ蒸解法よりも高く維持することが不可能なクラフト蒸解法で得られたパルプは不向きであることが示唆された。 In other words, in the nano-miniaturization of pulp by the defibration method using high-pressure water flow, the higher the copper value, which is an index of the amount of lignin remaining in the pulp after cooking, the easier it is to miniaturize the pulp. It was suggested that the pulp obtained by the kraft cooking method, which cannot maintain the copper value of the pulp after cooking higher than that of the alkaline cooking method, is unsuitable.
以下に、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載によっては限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the following description.
上記の検討により得られた高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化を容易にするパルプの蒸解条件は、蒸解温度と蒸解時間を限定しないHファクターによる検討を行った。そこで、このHファクターから逆算して蒸解温度と蒸解時間を決定したアルカリ蒸解法における蒸解条件の一覧を表3に、クラフト蒸解法における蒸解条件の一覧を表4に示す。
Hファクターより逆算して得られた表3、表4に示す蒸解温度と蒸解時間のうち、一般的な実操業を加味すると、蒸解時間が長過ぎたり短過ぎたりする条件は現実的ではない。また、高圧水流を用いた解繊法によるパルプのナノ微細化では、蒸解後のパルプに残存するリグニン量の指標となるカッパー価が高い方が容易にナノ微細化され易いという結果から、表3、表4に示す条件の中から、5条件を選定し、この5条件で各蒸解法によるラボ蒸解を実施した。ただし、クラフト蒸解については、アルカリ蒸解に比べてカッパー価が低く、ナノ化され難いことが想定されたため、表4のAA=19%の条件とほぼ同じ条件で比較例1の検討の際に試験したパルプを代表として用いた。
この5条件と、その条件で蒸解して得られた試験結果を表5に示す。
Table 5 shows these five conditions and the test results obtained by steaming under those conditions.
表5に示すラボ蒸解の結果は、検討により推定された「ノット率5%以下」でカッパー価が最大になる条件をほぼ満たしていたことから、上記の検討結果の妥当性を示した。 The results of laboratory cooking shown in Table 5 almost satisfied the condition that the kappa value was maximized at the "knot rate of 5% or less" estimated by the study, thus indicating the validity of the above study results.
実施例1で得られた表5に示すパルプを、処理濃度0.05%(w/w)、噴出圧力200MPa、処理回数5パスおよび30パスの条件で、高圧水流を用いた解繊法の一つであるACC処理にそれぞれ供し、各ナノセルロース分散水を得た。
なお、ACC処理に供したパルプは、ノット率5%以下を満たす上限に近いパルプのため、ノットスクリーンを通過した微細なノット粕が多く残存していた。ACC機のチャンバーノズル径はφ160μmと細いため、このノット粕が直ぐに目詰まりを起こし処理が出来なかった。そこで、大きめなノット粕をACCに供する前のパルプ懸濁水からピンセットを用いて手作業で除去したのちACC処理に供した。The pulp shown in Table 5 obtained in Example 1 was subjected to a defibration method using a high-pressure water stream under the conditions of a treatment concentration of 0.05% (w / w), an ejection pressure of 200 MPa, a number of treatments of 5 passes and 30 passes. Each nanocellulose-dispersed water was obtained by subjecting each to one ACC treatment.
Since the pulp subjected to the ACC treatment was close to the upper limit satisfying the knot rate of 5% or less, a large amount of fine knot residue that had passed through the knot screen remained. Since the chamber nozzle diameter of the ACC machine is as small as φ160 μm, this knot meal immediately clogged and could not be processed. Therefore, a large knot meal was manually removed from the pulp suspension water before being subjected to ACC using tweezers, and then subjected to ACC treatment.
得られた各ナノセルロース分散水中のナノセルロースおよび解繊が不十分なマイクロサイズのファイバーを評価することにより、各条件で得られたパルプの高圧水流を用いた解繊法によるナノ微細化の「され易さ」を比較検討した。 By evaluating the nanocellulose in each of the obtained nanocellulose-dispersed water and the micro-sized fibers with insufficient defibration, the nano-miniaturization by the defibration method using the high-pressure water flow of the pulp obtained under each condition is performed. "Easiness to be done" was compared and examined.
評価する試料はACC処理回数が5passと少なく、未解繊のマイクロファイバーが多く存在するうえ、微細化されたナノファイバーの繊維幅分布もブロードな「不均一な状態」である。そのため、通常のTEM観察による繊維幅の比較ではバラツキが激しく、適切な評価が難しい。そこで、得られた「ナノファイバー」により評価を行うのでは無く、解繊が不十分な「マイクロファイバー」の残存状態の比較による評価を試みた。 The sample to be evaluated is in a "non-uniform state" in which the number of ACC treatments is as small as 5 passes, many undissolved microfibers are present, and the fiber width distribution of the finely divided nanofibers is broad. Therefore, the comparison of fiber widths by ordinary TEM observation shows a great deal of variation, and it is difficult to make an appropriate evaluation. Therefore, instead of evaluating with the obtained "nanofiber", we tried to evaluate by comparing the residual state of "microfiber" with insufficient defibration.
各ナノセルロース分散水をスライドガラスに滴下することで作成したプレパラートを、微分干渉観察(100倍、モノクロ)モードで撮影し、カラーバランスを調整して白黒をより明確にした。その画像をImage Jで取り込み、一定の閾値で二値化してからファイバー箇所の面積を求め比較した。尚、測定誤差の軽減を目的に、画像連結機能を用いて100枚分の画像を1枚の画像に連結することで、なるべく広範囲の観察を行った。画像処理に供した画像のサイズはスケールバーより算出し(約6mm×8mm)、カバーガラス(18mm×18mm)との面積比、プレパラート作成時のサンプル滴下量およびサンプル濃度より、測定箇所に存在するファイバー重量を求め、得られたファイバー面積を測定したサンプル重量あたりの面積に換算して比較を行った。 The slide prepared by dropping each nanocellulose-dispersed water onto a slide glass was photographed in the differential interference contrast observation (100 times, monochrome) mode, and the color balance was adjusted to make the black and white clearer. The image was captured by Image J, binarized with a certain threshold value, and then the area of the fiber portion was obtained and compared. For the purpose of reducing the measurement error, 100 images were linked to one image by using the image linking function, so that the observation was performed in as wide a range as possible. The size of the image used for image processing is calculated from the scale bar (about 6 mm x 8 mm), and exists at the measurement location from the area ratio with the cover glass (18 mm x 18 mm), the amount of sample dropped during preparation, and the sample concentration. The fiber weight was determined, and the obtained fiber area was converted into the measured area per sample weight for comparison.
典型例として、画像連結前の観察像を用いて以下に説明する(図15)。図15a)は通常の観察法で取得したファイバーの画像である。比較的大きなファイバーは判別可能だが、フィブリル化した末端のファイバーは確認し難い。しかし、微分干渉光学顕微鏡観察を行った図15b)だと、末端の細かなファイバーまで確認できる。この画像のカラーバランスを調整した画像が図15c)である。この処理を行うことにより、淡く映り込んでいるゴミやムラ等を黒色にしてファイバーを明確にした。この段階での画像は、モノクロの白黒階調を有する画像であるため、画像処理ソフト(Image J)を用い、一定の閾値を設けて二値化した(図15d))。これにより画像は白と黒の二色に変換される。その後、ファイバー存在箇所にあたる黒色部の面積を算出した。観察に用いたプレパラートは、先を切ったピペッターを用い、スライドガラスに滴下したサンプルがカバーガラスからはみ出ない量を滴下した(約0.01g)。各サンプルの滴下量は、精密天秤にて記録した。プレパラート作成後、カバーガラスの縁をマニキュアでシールし、溶媒の蒸発およびファイバーがカバーガラス縁に移動するのを防止した。その後、カバーガラスの縁を除いた任意の箇所の画像を撮影し、上記の処理に供した。観察はLiecaの倒立顕微鏡DMi8を用い表6に示す微分干渉光学顕微鏡を用いる観察条件にて行った。また、画像処理はフリーソフトImage Jを用い表7に示す画像処理条件で処理した。
各試料の微分干渉観察像と二値化後の画像を図16〜図19に示した(図16、17は5パス処理試料、図18、19は30パス処理試料)。5パス処理試料では、繊維長が数mmある未解繊のファイバーが多く存在しており、A−2、A−4、K−1ではその量が多いように見受けられた(図16、図17)。特にK−1は他に比べ繊維長が長く、量も多かった。一方、30パス処理試料では、5パス処理試料に見られたような大きなファイバーは殆ど残存しておらず、幅も長さも小さくなったファイバーが、ダマ状に存在していた(図18、図19)。このダマ状のファイバー塊は、クラフト蒸解試料由来(K−1)では少なくアルカリ蒸解試料由来(A−1〜4)で多い傾向にあった。 The differential interference contrast observation image and the binarized image of each sample are shown in FIGS. 16 to 19 (FIGS. 16 and 17 are 5-pass processed samples, and FIGS. 18 and 19 are 30-pass processed samples). In the 5-pass treated sample, many undefibrated fibers having a fiber length of several mm were present, and in A-2, A-4, and K-1, the amount seemed to be large (FIGS. 16 and 16). 17). In particular, K-1 had a longer fiber length and a larger amount than the others. On the other hand, in the 30-pass processed sample, almost no large fibers as seen in the 5-pass processed sample remained, and fibers having a reduced width and length existed in a lump shape (FIG. 18, FIG. 19). The lump-shaped fiber lumps tended to be less in the kraft cooking sample (K-1) and more in the alkaline cooking sample (A-1 to 4).
画像の二値化によって計測されたファイバー箇所の面積を、そこに存在する全ファイバー1gあたりの面積に換算して各サンプルを比較したものが図20である。得られた数値は画像の見た目の感覚とほぼ同じ傾向を示しており、この手法により、残存ファイバー量が適切に数値化されていると判断される。5パス処理試料におけるA−1、A−3の残存ファイバー量は他の半分以下であり、これらのサンプルは他に比べ低パスで微細化されることが明確になった。30パス処理試料における残存ファイバー量は5パス処理試料ほどの差は見られなかったが、K−1が他より少なかった。 FIG. 20 shows a comparison of each sample by converting the area of the fiber portion measured by binarizing the image into the area per 1 g of all the fibers existing therein. The obtained numerical values show almost the same tendency as the appearance of the image, and it is judged that the amount of residual fibers is appropriately quantified by this method. The amount of residual fibers of A-1 and A-3 in the 5-pass treated sample was less than half of the other, and it was clarified that these samples were miniaturized in a lower pass than the others. The amount of residual fiber in the 30-pass treated sample was not as different as that in the 5-pass treated sample, but K-1 was less than the others.
図20のグラフを5パス処理試料の値が小さいものから順に並び替えたグラフを図21に示す。5パス処理試料の残存ファイバー量は、蒸解温度が低い試料およびアルカリ蒸解の方が小さいことが分かる。また、5パス処理試料と30パス処理試料の残存ファイバー量の値を比べると、A−1、A−3では大きな違いが無いものの、A−2、A−4、K−1では残存ファイバーが5パスから30パスに掛けて大きく減少していることが分かる。 FIG. 21 shows a graph in which the graph of FIG. 20 is rearranged in order from the smallest value of the 5-pass processed sample. It can be seen that the amount of residual fiber in the 5-pass processed sample is smaller in the sample having a low cooking temperature and in the alkaline cooking. Comparing the values of the amount of residual fibers in the 5-pass processed sample and the 30-pass processed sample, there is no significant difference between A-1 and A-3, but the residual fibers are found in A-2, A-4, and K-1. It can be seen that there is a large decrease from 5 passes to 30 passes.
この測定により計測された「残存ファイバー」は原料パルプに依存するため、A−2、A−4、K−1のように、ACCの処理回数が増加することで減少する。しかしA−1、A−3では、5パス処理試料と30パス処理試料の残存ファイバー量の値が殆ど変らないことから、マイクロサイズにおける微細化は5パスの時点で既に終了していると考えられる。すなわち、1〜5パスの間に、A−2、A−4、K−1に見られたような残存ファイバー量の劇的な減少が起こったと思われる。このことから、A−2、A−4、K−1よりもA−1、A−3の方が「ナノ化され易い」試料であったと考えられる。 Since the "residual fiber" measured by this measurement depends on the raw material pulp, it decreases as the number of ACC treatments increases, as in A-2, A-4, and K-1. However, in A-1 and A-3, since the values of the remaining fiber amount of the 5-pass processed sample and the 30-pass processed sample hardly change, it is considered that the miniaturization in the micro size has already been completed at the time of 5 passes. Be done. That is, it seems that a dramatic decrease in the amount of residual fiber as seen in A-2, A-4, and K-1 occurred between 1 to 5 passes. From this, it is considered that A-1, A-3 was a sample that was "easier to nanonize" than A-2, A-4, and K-1.
光学顕微鏡の微分干渉観察モードで行った残存ファイバー量によるナノ微細化のされ易さの検討は「解繊が不十分なマイクロファイバーの残存状態」を比較した、いわば間接的な評価である。そのため、実際にナノ化されたナノファイバーの状態を確認しておく必要がある。 The examination of the ease of nano-miniaturization based on the amount of residual fibers performed in the differential interference contrast observation mode of an optical microscope is a so-called indirect evaluation comparing "residual states of microfibers with insufficient defibration". Therefore, it is necessary to confirm the state of the nanofibers that have actually been nano-sized.
そこで、各サンプルの5パス処理試料をTEM観察に供しナノファイバーの状態を比較した(図22,図23)。いずれのサンプルにも繊維幅4〜5nm程度のシングルナノファイバーが多く観察されたことから(図23)、5パスでもナノ微細化は生じていることが確認された。 Therefore, the 5-pass processed samples of each sample were subjected to TEM observation and the states of the nanofibers were compared (FIGS. 22 and 23). Since many single nanofibers having a fiber width of about 4 to 5 nm were observed in all the samples (Fig. 23), it was confirmed that nanominiaturization occurred even in 5 passes.
107・・・チャンバー、108a,108b・・・ノズル、109・・・タンク、110・・・プランジャ、111・・・熱交換器。 107 ... Chamber, 108a, 108b ... Nozzle, 109 ... Tank, 110 ... Plunger, 111 ... Heat exchanger.
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