(57)【要約】【課題】高濃度の分散液を用いても繊維状物質を効率よく微細化することができる繊維処理装置および繊維処理方法を提供すること。【解決手段】多糖類を主成分とする繊維状物質が液体に分散している分散液を供給する供給部と、供給された前記分散液に向けて前記繊維状物質の濃度が前記分散液よりも低い流体を噴射し、前記分散液中の前記繊維状物質を粉砕する噴射部と、を備えることを特徴とする繊維処理装置。また、前記供給部は、前記分散液を鉛直下方に向かって供給するのが好ましい。さらに、前記噴射部は、水平よりも下方に向けて前記流体を噴射するのが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多糖類を主成分とする繊維状物質が液体に分散している分散液を供給する供給部と、
供給された前記分散液に向けて前記繊維状物質の濃度が前記分散液よりも低い流体を噴射し、前記分散液中の前記繊維状物質を粉砕する噴射部と、
を備えることを特徴とする繊維処理装置。
【請求項２】
前記供給部は、前記分散液を鉛直下方に向かって供給する請求項１に記載の繊維処理装置。
【請求項３】
前記噴射部は、落下中の前記分散液に向けて前記流体を噴射する請求項２に記載の繊維処理装置。
【請求項４】
前記噴射部は、水平よりも下方に向けて前記流体を噴射する請求項２または３に記載の繊維処理装置。
【請求項５】
前記流体は、前記分散液中の液体と同じ組成の液体であって、水またはアルコール類を含む請求項１ないし４のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項６】
前記分散液と前記流体との混合物において、前記分散液の単位時間当たりの供給量と、前記流体の単位時間当たりの噴射量と、で計算される前記混合物における前記繊維状物質の濃度は、１０質量％以上である請求項５に記載の繊維処理装置。
【請求項７】
前記流体の噴射圧力は、１００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項８】
前記流体の噴射速度は、マッハ１．０以上である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項９】
前記分散液における前記繊維状物質の濃度は、１０質量％以上である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項１０】
前記多糖類は、セルロースである請求項１ないし９のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項１１】
前記繊維状物質は、解繊物である請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項１２】
前記繊維状物質の大きさは、単繊維の繊維幅が２０μｍ以上３０μｍ以下であり、繊維長さが１ｍｍ以上３ｍｍ以下である請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の繊維処理装置。
【請求項１３】
多糖類を主成分とする繊維状物質が液体に分散している分散液に向かって流体を噴射し、前記分散液中の前記繊維状物質を粉砕することを特徴とする繊維処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維処理装置および繊維処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セルロース繊維に解繊処理を施し、セルロースナノファイバーを製造する試みがなされている。
【０００３】
例えば特許文献１には、一対のノズルから多糖類の分散液を７０〜２５０ＭＰａの高圧で噴射させるとともに、その噴射流を互いに衝突させて多糖類を粉砕する方法が開示されている。このような方法では、セルロース濃度１質量％の分散液を複数回にわたって繰り返し粉砕することにより、平均粒子幅１０μｍ以下まで微細化可能であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７０８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、分散液を高圧で噴射する必要があり、また、そのような分散液の噴射を複数回繰り返す必要がある。このため、分散液の粘性や流動性を考慮する必要があり、分散液の濃度を十分に高めることができない。したがって、単位時間で処理可能な多糖類の量が制限され、処理効率を十分に高められないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下のものとして実現することが可能である。
【０００７】
本発明の繊維処理装置は、多糖類を主成分とする繊維状物質が液体に分散している分散液を供給する供給部と、
供給された前記分散液に向けて前記繊維状物質の濃度が前記分散液よりも低い流体を噴射し、前記分散液中の前記繊維状物質を粉砕する噴射部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の繊維処理方法は、多糖類を主成分とする繊維状物質が液体に分散している分散液に向かって流体を噴射し、前記分散液中の前記繊維状物質を粉砕することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る繊維処理装置の概略を示す断面図である。
【図２】図１の断面図である。
【図３】図１に示す繊維処理装置が備える噴射ノズルを選択的に示す側面図である。
【図４】第２実施形態に係る繊維処理装置の概略を示す断面図である。
【図５】第３実施形態に係る繊維処理装置の概略を示す断面図である。
【図６】図５の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の繊維処理装置および繊維処理方法を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
＜繊維処理装置＞
（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る繊維処理装置について説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係る繊維処理装置の概略を示す断面図である。図２は、図１の断面図である。
【００１３】
図１に示す繊維処理装置１は、鉛直方向に延在する筒体２と、筒体２に向けて繊維状物質３２を含む分散液３４を供給する供給部３と、供給された分散液３４に向けて流体４２を噴射し、分散液３４中の繊維状物質３２を粉砕する噴射部４と、粉砕後の微小繊維を回収する回収部５と、を備えている。
【００１４】
このような繊維処理装置１によれば、比較的高濃度の分散液３４を用いたとしても、繊維状物質３２を効率よく微細化し、微小繊維を得ることができる。このため、単位時間で処理可能な繊維状物質３２の量を増やすことができ、処理効率の高い繊維処理装置１を実現することができる。そして、回収される混合物５２には、微小繊維が高濃度で含まれているため、それを乾燥させる際に要するエネルギーの削減が図られるという利点もある。
【００１５】
以下、繊維処理装置１の各部について詳述する。
図１および図２に示す筒体２は、軸線が鉛直方向と平行な円筒をなしている。
【００１６】
筒体２の構成材料としては、例えば、金属材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられる。
【００１７】
筒体２の上端には、供給部３が配置されている。図１および図２に示す供給部３は、分散液３４を貯留する貯留部３０と、貯留部３０の下端に設けられた排出部３１と、を備えている。
【００１８】
このうち、貯留部３０は、軸線が鉛直方向と平行であり、かつ、底面が頂点よりも上になるように配置された、略円錐形の筒体である。
【００１９】
また、貯留部３０の下端には、貯留部３０の下側の開口である排出部３１が位置している。前述したように、貯留部３０は略円錐形をなしているため、排出部３１の内径は、貯留部３０の内径より小さい。このため、貯留部３０に分散液３４が貯留されると、貯留される分散液３４は、排出部３１においてその流下量が規制されることになる。したがって、分散液３４が排出部３１から徐々に溜まることになり、流下量を制御しつつ、排出部３１から自然に分散液３４を流下させることができる。これにより、目的とする供給量または目的とする供給速度で筒体２内に分散液３４を供給することができる。
【００２０】
なお、必要に応じて、排出部３１には、その内径を変化させるバルブ等が設けられていてもよい。これにより、流下量を随時変化させることが可能になる。また、必要に応じて、貯留部３０には分散液３４を撹拌する撹拌器等が設けられていてもよい。
【００２１】
供給部３による分散液３４の供給は、ポンプ等で強制的に行われてもよいが、上述したようにして分散液３４の自然落下を利用して行うのが好ましい。つまり、供給部３は、分散液３４を鉛直下方に向かって供給するように構成されているのが好ましい。これにより、多大なエネルギーを消費することなく、分散液３４を連続して供給することができる。また、その供給量や供給速度は、分散液３４の流動性および排出部３１の内径等で調整することが可能であるため、一定の供給量または一定の供給速度を容易に設定することができる。このため、装置構成の簡素化を図ることができる。
【００２２】
加えて、分散液３４は、筒体２の内部の空間を落下するようにして供給される。このため、この分散液３４に向けて後述する流体４２を噴射するとき、分散液３４の四方のあらゆる方向から流体４２を噴射することが可能になる。すなわち、後述する噴射部４は、落下中の分散液３４に向けて三方から流体４２を噴射するように構成されている。これにより、分散液３４中の繊維状物質３２に短時間で大きなエネルギーを効率よく供給することができ、単位時間当たりの繊維状物質３２の粉砕処理能力を高めることができる。
【００２３】
分散液３４は、繊維状物質３２と、繊維状物質３２を分散させる分散媒である液体３３と、を含んでいる。
【００２４】
このうち、繊維状物質３２は、多糖類を主成分とし、繊維状をなしている物質である。多糖類としては、例えば、セルロース、キチン、キトサン、デンプン、プルラン、カラギーナン、かんてん、カードラン、ファーセルラン、ザンタンガム、グアーガム、アラビアガム、ジゾフィラン、ヒアルロン酸、アルギン酸、アルギン酸ソーダ、ペクチン、ウェランガム、これらの誘導体等が挙げられる。
【００２５】
特に、多糖類は、セルロースであるのが好ましい。セルロースは、植物系バイオマスから得られる多糖類である。つまり、再生可能な資源である植物から生産することが可能な多糖類である。そして、それを微細化してなるセルロースナノファイバーやセルロースナノクリスタルといった微小繊維は、低比重と高弾性率とを両立する。このため、セルロースを主成分とする繊維状物質３２を粉砕して得られる微小繊維は、その低比重と高弾性率とを活かし、例えば樹脂材料に添加するフィラー等に有用な素材として用いられる。
【００２６】
なお、主成分とは、繊維状物質３２において多糖類が占める割合が５０質量％以上である成分のことをいう。
【００２７】
また、セルロース単体の誘導体であるセルロース誘導体の具体例としては、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、アセチルセルロース、ニトロセルロース、カルボキシメチルニトロセルロース等が挙げられる。さらに、セルロース誘導体には、結晶セルロース類も含まれる。
【００２８】
一方、液体３３は、繊維状物質３２を分散可能な液体であれば、特に限定されない。一例として、水道水、純水、イオン交換水、再生水のような水の他、メタノール、エタノール、プロパノールのようなアルコール類、アセトンのようなケトン類等が挙げられる。また、これらを含む混合液、例えばアルコール水溶液等であってもよい。
【００２９】
この他、分散液３４には、任意の添加物が添加されていてもよい。かかる添加物としては、例えば、分散剤、界面活性剤、防腐剤、防かび剤、増粘剤、凝集防止剤、消泡剤、レベリング剤、湿潤剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、ｐＨ調整剤等が挙げられる。
【００３０】
また、繊維状物質３２は、出発原料の解繊物または出発原料の処理物の解繊物であるのが好ましい。このようにして出発原料やその処理物に一旦解繊処理を施して解繊物とした後、その解繊物を前述した繊維状物質３２として用いることにより、本実施形態に係る繊維処理装置１に供給する繊維状物質３２の解繊状態を揃えることができる。このため、繊維処理装置１では、より効率よく繊維状物質３２を粉砕し、微小繊維を製造することができる。
【００３１】
繊維状物質３２の大きさは、特に限定されないが、単繊維の繊維幅が２０μｍ以上３０μｍ以下であり、かつ、繊維長さが１ｍｍ以上３ｍｍ以下であるのが好ましい。このような大きさの繊維状物質３２は、出発原料やその処理物に比較的簡単な解繊処理を施すことによって得られるため、本実施形態に係る繊維処理装置１に供する繊維状物質として有用である。
【００３２】
なお、上述した単繊維の繊維幅は、例えば走査型電子顕微鏡による観察像上において、無作為に抽出した単繊維１０本以上の平均繊維幅として求められる。同様に、上述した単繊維の繊維長さは、例えば走査型電子顕微鏡による観察像上において、無作為に抽出した単繊維１０本以上の平均繊維長さとして求められる。
【００３３】
また、出発原料は、多糖類を含むものであれば特に限定されない。また、その処理物としては、前述した出発原料に対して任意の処理、例えば裁断のような機械的処理、薬剤への接触のような化学的処理等を施してなるものが挙げられる。
【００３４】
分散液３４における繊維状物質３２の濃度は、供給部３から供給可能な流動性を持つ程度の濃度であれば、特に限定されないが、１０質量％以上であるのが好ましく、１５質量％以上５０質量％以下であるのがより好ましく、２０質量％以上４０質量％以下であるのがさらに好ましい。分散液３４における繊維状物質３２の濃度を前記範囲内に設定することにより、分散液３４がある程度流れる程度の流動性を確保しつつ、供給部３から単位時間当たりに供給可能な繊維状物質３２の量を十分に確保することができる。これにより、分散液３４の良好な取り扱い性と、繊維状物質３２を粉砕して得られる微小繊維の高い製造効率と、を両立させることができる。
【００３５】
なお、繊維状物質３２の濃度が前記下限値を下回ると、単位時間当たりに供給可能な繊維状物質３２の量が減少するため、単位時間当たりに得られる微小繊維の量も減少し、製造効率が低下するおそれがある。一方、繊維状物質３２の濃度が前記上限値を上回ると、分散液３４の流動性が低下するため、分散液３４を供給部３から円滑に供給することが困難になったり、分散液３４の濃度が不均一になり、粉砕の程度にバラつきが生じたりするおそれがある。
【００３６】
また、分散液３４の単位時間当たりの供給量は、特に限定されないが、１０ｇ／分以上５００ｇ／分以下であるのが好ましく、３０ｇ／分以上３００ｇ／分以下であるのがより好ましい。このような供給量で分散液３４を供給することにより、粉砕処理の効率を十分に高めつつ、均一な粉砕処理が可能になる。すなわち、供給量が前記下限値を下回ると、粉砕処理の効率が低下するおそれがある。一方、供給量が前記上限値を上回ると、分散液３４における繊維状物質３２の濃度によっては、均一な粉砕処理が困難になるおそれがある。
【００３７】
図１および図２に示す噴射部４は、流体４２を貯留する流体貯留部４４と、流体貯留部４４に貯留された流体４２を送出するポンプ４６と、ポンプ４６から送出された流体４２を筒体２の内部に向けて噴射する噴射ノズル４８と、を備えている。また、噴射ノズル４８と流体貯留部４４との間は、配管４７で接続され、配管４７の途中にポンプ４６が設けられている。
【００３８】
噴射ノズル４８は、配管４７を介してポンプ４６から送られる流体４２の噴射方向を規定する。本実施形態では、分散液３４が供給部３から自然落下するとき、その落下中の分散液３４に向けて、流体４２を斜め下方に高速で噴射する。これにより、流体４２が分散液３４に衝突し、大きな衝突エネルギーが発生する。この衝突エネルギーにより、分散液３４中の繊維状物質３２が粉砕され、微小繊維が得られる。
【００３９】
流体４２は、繊維状物質３２の濃度が分散液３４よりも低い流体であれば、特に限定されない。流体４２の状態としては、液体または固体が挙げられ、これらが混合されていてもよい。
【００４０】
このうち、流体４２には、特に液体が好ましく用いられ、分散液３４に含まれる液体と同じ組成の液体がより好ましく用いられる。これにより、流体４２の取り扱いが容易になるとともに、分散液３４と流体４２との混合物を回収する際、比重の差に伴う分離や相溶性が低いことに伴う分離等の発生を防止することができる。
【００４１】
また、流体４２には、特に水またはアルコール類を含む液体が好ましく用いられる。これらの液体は、比較的安価であり、かつ、繊維状物質３２に対する変性を生じさせにくいことから、流体４２として特に有用である。
【００４２】
アルコール類としては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール等が挙げられる。
【００４３】
なお、流体４２が固体である場合、その例としては、氷やドライアイス等が挙げられる。
【００４４】
また、流体４２における繊維状物質３２の濃度は、前述したように、分散液３４における繊維状物質３２の濃度よりも低ければよいが、これらの差は１．０質量％以上であるのが好ましく、１０質量％以上であるのがより好ましい。これにより、分散液３４の高濃度化と、流体４２の高速度噴射への適合性と、を両立させることができる。
【００４５】
なお、流体４２における、繊維状物質３２を含む固形分の濃度は、１．０質量％以下であるのが好ましく、０．１０質量％以下であるのがより好ましく、０質量％であるのがさらに好ましい。このような濃度であれば、流体４２の粘性を十分に小さく抑えるとともに流動性を十分に高めることができる。このため、流体４２を高速で噴射することが可能になる。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係る繊維処理装置１は、多糖類を主成分とする繊維状物質３２が液体に分散している分散液３４を供給する供給部３と、供給された分散液３４に向けて繊維状物質３２の濃度が分散液３４よりも低い流体４２を噴射し、分散液３４中の繊維状物質３２を粉砕する噴射部４と、を備えている。
【００４７】
このような繊維処理装置１によれば、前述したように比較的高濃度の分散液３４を用いたとしても、繊維状物質３２を効率よく微細化し、微小繊維を得ることができる。このため、単位時間で処理可能な繊維状物質３２の量を増やすことができ、処理効率の高い繊維処理装置１を実現することができる。そして、回収される混合物５２には、微小繊維が高濃度で含まれているため、それを乾燥させる際に要するエネルギーの削減も図ることができる。
【００４８】
また、従来のように、分散液を高圧で噴射して衝突させるプロセスを複数回繰り返す必要がないため、分散液を循環させる機構や多量の分散液を貯留する機構が不要になり、繊維処理装置１の装置構成の簡素化を図ることができる。そして、連続処理が可能になるため、かかる観点においても微小繊維の製造効率を向上させることができる。
【００４９】
さらに、従来のように、繊維状物質を多量に含む分散液を高圧で噴射する場合、分散液の噴射速度が大きくなるのに伴って、噴射機構の摩耗や繊維状物質の詰まりが生じやすくなるという課題がある。また、併せてこれらの課題を考慮すると、分散液を高圧、高速で噴射することが困難である。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、繊維状物質３２を高濃度で含む分散液３４を噴射するわけではなく、それよりも繊維状物質３２の濃度が低い流体４２を高速で噴射するため、流体４２の濃度を前述したような低い濃度に設定可能である。このため、噴射ノズル４８等の摩耗およびポンプ４６における繊維状物質３２の詰まりといった不具合の発生を抑制することができる。
【００５１】
また、噴射部４は、流体４２を水平方向または水平よりも上方に向けて噴射するようになっていてもよいが、好ましくは図１に示すように水平よりも下方に向けて噴射するようになっている。このように流体４２を水平よりも下方に向けて噴射することにより、分散液３４と流体４２との混合物５２は、流体４２の余勢で下方に溜まることになる。これにより、分散液３４と流体４２との衝突を連続して行うことができる。
【００５２】
図３は、図１に示す繊維処理装置が備える噴射ノズルを選択的に示す側面図である。
図２および図３に示す噴射部４は、３本の噴射ノズル４８を備えている。３本の噴射ノズル４８は、図２に示すように１２０°の等間隔で配置され、かつ、鉛直方向の同一高さに配置されている。そして、各噴射ノズル４８から噴射された流体４２は、斜め下方に飛翔し、衝突点Ｃに集中するように設定されている。また、この衝突点Ｃは、分散液３４の落下経路にも位置している。このため、流体４２は、この衝突点Ｃにおいて分散液３４と衝突し、大きな衝突エネルギーを繊維状物質３２に付与することができる。
【００５３】
図３において流体４２の噴射方向と水平面ＨＰとのなす角度をθ１とするとき、角度θ１は、０°超９０°未満であるのが好ましく、１０°以上７５°以下であるのがより好ましく、３０°以上６０°以下であるのがさらに好ましい。角度θ１を前記範囲内に設定することにより、衝突し合う流体４２の相対速度を十分に確保するとともに、衝突後の分散液３４と流体４２との混合物５２を効率よく下方に送ることが可能になる。すなわち、十分な相対速度による微細化の促進と、連続処理に適した混合物の送り出しと、を両立させることができる。
【００５４】
また、図３において噴射ノズル４８の先端から衝突点Ｃまでの距離をＬ１とするとき、距離Ｌ１は、流体４２の噴射速度や単位時間当たりの噴射量等に応じて適宜設定されるが、一例として５ｍｍ以上３０ｃｍ以下であるのが好ましく、１ｃｍ以上１０ｃｍ以下であるのがより好ましい。これにより、繊維状物質３２をより効率よく粉砕することができる。
【００５５】
なお、噴射ノズル４８の数は、特に限定されず、１本でも２本以上の複数本であってもよいが、より均一な粉砕を考慮した場合、複数本であるのが好ましい。
【００５６】
また、噴射ノズル４８の数が複数である場合、図２において噴射ノズル４８同士の間隔の角度をθ２とするとき、角度θ２は、噴射ノズル４８の数に応じて適宜設定されるものの、一例として１０°以上１８０°以下であるのが好ましく、２０°以上１５０°以下であるのがより好ましい。これにより、噴射ノズル４８の間隔が最適化されるため、より均一な粉砕が可能になる。
【００５７】
また、流体４２の噴射圧力は、１００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下であるのが好ましく、２００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下であるのがより好ましい。このような高圧で流体４２を噴射することにより、噴射ノズル４８の口径にもよるが、極めて大きな速度で流体４２を噴射することが可能になる。このため、流体４２の運動エネルギーも大きくなり、分散液３４との衝突に伴って繊維状物質３２に非常に大きな衝突エネルギーを付与することができる。これにより、１回の衝突であっても繊維状物質３２をより細かく粉砕することが可能になる。
【００５８】
さらに、噴射速度が大きいことから、繊維状物質３２の周囲で圧力変化が生じやすくなり、多数の気泡が発生しやすくなる。この気泡が消滅するとき、繊維状物質３２に対して瞬間的に高い圧力が付与されることになる。このような現象をキャビテーションエロージョンというが、この現象を利用することにより、繊維状物質３２をより効率よく粉砕することができる。
【００５９】
なお、図１に示す筒体２には、内部の圧力を逃がすためのベント２２が設けられている。このベント２２は、例えば常時開放されている流路であってもよいし、必要に応じて開閉するリリーフ弁であってもよい。このようなベント２２を設けることにより、流体４２を滞りなく噴射することができる。
【００６０】
なお、ベント２２は必要に応じて設けられればよく、例えば筒体２の下端で圧力開放ができる場合には、ベント２２を省略するようにしてもよい。
【００６１】
また、流体４２の噴射速度は、マッハ１．０以上であるのが好ましく、マッハ１．２以上であるのがより好ましい。このような噴射速度では、流体４２の周囲に衝撃波を発生させることができる。この衝撃波は、繊維状物質３２の周囲に発生した気泡をより効率よく圧縮し、その後の破裂に伴ってより大きな圧力を繊維状物質３２に付与することを可能にする。このため、繊維状物質３２をさらに効率よく粉砕することができる。
【００６２】
なお、前述した流体４２の噴射速度（マッハ値）は、空気中の音速（３４０ｍ／ｓ）に対する速度の比である。
【００６３】
さらに、流体４２の単位時間当たりの噴射量は、特に限定されないが、１０ｇ／分以上５００ｇ／分以下であるのが好ましく、３０ｇ／分以上３００ｇ／分以下であるのがより好ましい。このような噴射量で流体４２を噴射することにより、粉砕処理の効率を十分に高めつつ、均一な粉砕処理が可能になる。すなわち、噴射量が前記下限値を下回ると、粉砕処理の効率が低下するおそれがある。一方、噴射量が前記上限値を上回ると、分散液３４における繊維状物質３２の濃度によっては、均一な粉砕処理が困難になるおそれがある。
【００６４】
なお、以上のような噴射部４において、３本の噴射ノズル４８から噴射される流体４２の噴射条件は、互いに同じであるのが好ましいが、互いに異なっていてもよい。互いに同じであれば、より均一な繊維特性を有する微小繊維を製造することができる。
【００６５】
筒体２の下端には、回収部５が配置されている。図１および図２に示す回収部５は、筒体２の内部を下降してきた分散液３４と流体４２との混合物５２を溜めるための容器を有している。
【００６６】
なお、回収部５には、必要に応じて、混合物５２を再び供給部３に戻すための配管等が接続されていてもよい。このような配管等を設けることにより、混合物５２に再度、上記の粉砕処理を施すことができる。
【００６７】
また、回収部５には、必要に応じて、混合物５２に含まれた微小繊維を分離する分離手段が設けられていてもよい。分離手段としては、例えば微小繊維を濾し取る濾過装置等が挙げられる。
【００６８】
なお、回収部５で回収された分散液３４と流体４２との混合物５２において、分散液３４の単位時間当たりの供給量と、流体４２の単位時間当たりの噴射量と、で計算される混合物５２における繊維状物質３２の濃度は、１０質量％以上であるのが好ましく、１５質量％以上５０質量％以下であるのがより好ましく、２０質量％以上４０質量％以下であるのがさらに好ましい。混合物５２における繊維状物質３２の濃度を前記範囲内に設定することにより、比較的高濃度の液体状態で混合物５２を回収することが可能になる。このため、混合物５２のある程度の流動性が確保され、混合物５２の取り扱いが容易になるとともに、混合物５２から微小繊維を取り出す作業または混合物５２から液体を除去する作業に必要なエネルギーも削減することができる。その結果、繊維処理装置１における処理効率をより高めることができる。
【００６９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る繊維処理装置について説明する。
図４は、第２実施形態に係る繊維処理装置の概略を示す断面図である。
【００７０】
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
【００７１】
第２実施形態は、３本の噴射ノズル４８の配置が異なる以外、前記実施形態と同様である。
【００７２】
前述した第１実施形態では、３本の噴射ノズル４８が鉛直方向の同一高さに配置され、かつ、１２０°の等間隔で配置されているのに対し、本実施形態では、図４に示すように、３本の噴射ノズル４８が鉛直方向と平行な直線上に並ぶように配置されている。つまり、本実施形態では、３本の噴射ノズル４８の鉛直方向における高さが互いに異なっているとともに、鉛直方向から見たとき、３本の噴射ノズル４８が同じ位置に重なるように配置されている。
【００７３】
このような本実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、３本の噴射ノズル４８の鉛直方向における高さが互いに異なっているため、分散液３４は、流体４２からの衝突エネルギーを３回受けることができる。つまり、第１実施形態では、分散液３４と流体４２とが衝突する衝突点Ｃが１つであるのに対し、本実施形態では、衝突点Ｃが複数存在している。このため、衝突点Ｃの数によって分散液３４と流体４２との衝突頻度を調整することができる。その結果、繊維状物質３２の粉砕の程度を制御することが可能になり、目的とする大きさの微小繊維を効率よく製造することが可能になる。
【００７４】
なお、噴射ノズル４８の鉛直方向における間隔は、個々の間隔において同じであってもよく、異なっていてもよい。また、噴射ノズル４８の本数は、２本であっても、４本以上であってもよい。
【００７５】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る繊維処理装置について説明する。
【００７６】
図５は、第３実施形態に係る繊維処理装置の概略を示す断面図である。図６は、図５の断面図である。
【００７７】
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
【００７８】
第３実施形態は、３本の噴射ノズル４８の配置が異なる以外、前記実施形態と同様である。
【００７９】
前述した第２実施形態では、３本の噴射ノズル４８の鉛直方向における高さが互いに異なっているとともに、鉛直方向から見たとき、３本の噴射ノズル４８が同じ位置に重なるように配置されている。これに対し、本実施形態では、図５に示すように、３本の噴射ノズル４８の鉛直方向における高さが互いに異なっているとともに、鉛直方向から見たとき、３本の噴射ノズル４８が異なる位置に見えるように配置されている。
【００８０】
具体的には、図６に示すように、３本の噴射ノズル４８のうち、２本の噴射ノズル４８は、鉛直方向から見たとき、衝突点Ｃを介して互いに反対の位置に配置されている。
【００８１】
このような本実施形態によれば、前述した第２実施形態と同様の効果を奏するとともに、落下する分散液３４に対して空間的に偏りなく衝突エネルギーを付与することができる。その結果、粉砕処理の程度に偏りが生じるのを抑制し、より均一な大きさの微小繊維を製造することが可能になる。
【００８２】
なお、噴射ノズル４８の鉛直方向における間隔は、個々の間隔において同じであってもよく、異なっていてもよい。また、噴射ノズル４８の本数は、２本であっても、４本以上であってもよい。
【００８３】
＜繊維処理方法＞
次に、図１ないし図３に示す繊維処理装置１を用いた繊維状物質３２の処理方法、すなわち実施形態に係る繊維処理方法について説明する。
【００８４】
実施形態に係る繊維処理方法は、供給部３により分散液３４を落下させ、その落下中の分散液３４に向かって噴射部４により流体４２を噴射し、分散液３４中の繊維状物質３２を粉砕する方法である。
【００８５】
具体的には、まず、供給部３の貯留部３０に分散液３４を貯留する。そして、貯留している分散液３４を排出部３１から筒体２の内部に落下させる。これにより、落下する分散液３４が連続することによって形成される流れが生じる。
【００８６】
この分散液３４の流れに向けて、噴射部４から流体４２を高速で噴射する。噴射された流体４２は、分散液３４に衝突することにより、その衝撃、すなわち運動エネルギーによって繊維状物質３２を粉砕する。また、衝突によって発生する気泡の消滅や衝撃波によっても、繊維状物質３２の粉砕が促進される。その結果、繊維状物質３２を効率よく粉砕し、微小繊維を得ることができる。そして、処理済みの分散液３４は、流体４２とともに混合物５２として回収される。その混合物５２から微小繊維を取り出すことにより、微小繊維単体を回収することができる。
【００８７】
このようにして回収される微小繊維の大きさは、特に限定されないが、一例として単繊維の繊維幅が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、単繊維の繊維長さが１μｍ以上であるのが好ましい。このような微小繊維は、例えば、樹脂等の高分子材料に添加されるフィラー材料、エアロゲル材料、光学異方性材料等の用途で用いることが可能である。
【００８８】
なお、上述した単繊維の繊維幅は、例えば走査型電子顕微鏡による観察像上において、無作為に抽出した単繊維１０本以上の平均繊維幅として求められる。同様に、上述した単繊維の繊維長さは、例えば走査型電子顕微鏡による観察像上において、無作為に抽出した単繊維１０本以上の平均繊維長さとして求められる。
【００８９】
また、このような粉砕処理は、分散液３４に対して１回のみ行ってもよいが、複数回行うようにしてもよい。その際、未処理の分散液３４と処理済みの分散液３４とを混合するようにしてもよい。
【００９０】
以上のように、本実施形態に係る繊維処理方法は、多糖類を主成分とする繊維状物質３２が液体３３に分散している分散液３４に向かって流体４２を噴射し、分散液３４中の繊維状物質３２を粉砕する。
【００９１】
このような方法によれば、比較的高濃度の分散液３４を用いたとしても、繊維状物質３２を効率よく微細化し、微小繊維を得ることができる。このため、単位時間で処理可能な繊維状物質３２の量を増やすことができ、処理効率を高めることができる。
【００９２】
また、従来のように、分散液を高圧で噴射して衝突させるプロセスを複数回繰り返す必要がないため、処理時間の短縮を図ることができ、かかる観点でも処理効率を高めることができる。
【００９３】
以上、本発明の繊維処理装置および繊維処理方法を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば繊維処理装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。さらに、繊維処理方法については、前記実施形態に対して任意の目的の工程が追加されていてもよい。
【実施例】
【００９４】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
［１］微小繊維の製造
（実施例１）
まず、繊維状物質として広葉樹晒クラフトパルプを用意し、その繊維状物質を分散する液体として水を用意した。そして、これらを混合し、繊維状物質の濃度が３０質量％の分散液を調製した。
【００９５】
次に、図１に示す繊維処理装置を用意し、供給部に分散液を投入した。投入された分散液は自重で筒体内に連続的に落下した。
【００９６】
続いて、噴射部から流体として水を噴射した。そして、噴射した水と落下中の分散液とを衝突させ、広葉樹晒クラフトパルプを粉砕し、微小セルロース繊維を含む混合物を得た。なお、水の噴射条件は、表１に示す通りである。
そして、得られた混合物を回収部において回収した。
【００９７】
（実施例２、３）
流体の噴射条件として角度θ１を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【００９８】
（実施例４）
流体の噴射条件として噴射圧力を表１に示すように変更し、噴射速度（マッハ値）を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【００９９】
（実施例５）
分散液の供給条件を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【０１００】
（実施例６）
流体の噴射条件として、流体の組成を水から濃度１０質量％のエタノール水溶液に変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【０１０１】
（実施例７、８）
流体の噴射条件として噴射ノズルの本数および噴射圧力を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【０１０２】
（実施例９）
繊維処理装置として図４に示す装置を用いるように変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【０１０３】
（実施例１０）
繊維処理装置として図５に示す装置を用いるように変更した以外は、実施例１と同様にして微小セルロース繊維を含む混合物を回収した。
【０１０４】
（比較例）
供給部からの分散液の落下を省略した。また、水に代えて、繊維状物質の濃度が５質量％の分散液を用い、その分散液同士を衝突させた。そして、得られた混合液を回収した。つまり、分散液と水（流体）とを衝突させるのではなく、同じ濃度の分散液同士を衝突させるように変更した。
以上の各実施例および比較例における各種条件を表１に示す。
【０１０５】
［２］評価
［２−１］微小セルロース繊維の大きさ
各実施例および比較例で回収した微小セルロース繊維を走査型電子顕微鏡で観察した。そして、微小セルロース繊維の単繊維の繊維幅を測定した。その後、測定結果を以下の評価基準に照らして評価した。
【０１０６】
＜微小セルロース繊維の大きさの評価基準＞
Ａ：微小セルロース繊維の繊維幅が２０ｎｍ以下である
Ｂ：微小セルロース繊維の繊維幅が２０ｎｍ超１００ｎｍ以下である
Ｃ：微小セルロース繊維の繊維幅が１００ｎｍ超である
以上の評価結果を表１に示す。
【０１０７】
［２−２］微小セルロース繊維を含む混合物の濃度
次に、各実施例で回収した微小セルロース繊維の濃度を測定した。測定結果を表１に示す。
【０１０８】
【表１】
2020116541.tif 000003
【０１０９】
表１から明らかなように、各実施例では、１回の粉砕処理であっても、十分に微細化が図られた微小セルロース繊維を製造可能であった。
【０１１０】
また、各実施例で回収した微小セルロース繊維を含む混合物の濃度を表１に示す。
表１に示すように、各実施例で回収した混合物では、微小セルロース繊維の濃度が１０質量％以上という高濃度であった。したがって、本発明によれば、少ない粉砕処理であっても、微小繊維を高濃度で含む混合物を回収可能であることが認められた。
【０１１１】
なお、広葉樹晒クラフトパルプに代えて、脱タンパク処理および脱灰処理を施したキチン含有生物由来の材料を用いるようにした以外は、前記実施例と同様にして微小繊維を含む混合物を得た。得られた微小繊維は、単繊維の繊維幅が２０ｎｍ以下、単繊維の繊維長さが５μｍ以上の微小キチン繊維であった。したがって、本発明は、微小セルロース繊維以外の製造にも適用可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１…繊維処理装置、２…筒体、３…供給部、４…噴射部、５…回収部、２２…ベント、３０…貯留部、３１…排出部、３２…繊維状物質、３３…液体、３４…分散液、４２…流体、４４…流体貯留部、４６…ポンプ、４７…配管、４８…噴射ノズル、５２…混合物、Ｃ…衝突点、ＨＰ…水平面、Ｌ１…距離、θ１…角度、θ２…角度
【図１】
2020116541.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020116541.tif 000008
【図６】
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