(57)【要約】【課題】化学的な処理に依存すること無くセルロースナノファイバーを調製し、同時に調製されたセルロースナノファイバーの疎水性も向上可能なセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法及びその装置を提供する。【解決手段】水にセルロースを分散して第１分散液を得る第１分散工程と、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ第１分散液を加圧供給することにより第１分散液中のセルロースを微小化してセルロースに由来するセルロースナノファイバーと水との第２分散液を得る第２分散工程と、第２分散液に、水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒を添加して溶媒混合液を得る溶媒混合工程と、溶媒混合液中から水を蒸発させて溶媒混合液から水分を除去する脱水工程とを備える。【選択図】図１
2020183483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水にセルロースを分散して第１分散液を得る第１分散工程と、
小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ前記第１分散液を加圧供給することにより前記第１分散液中のセルロースを微小化して前記セルロースに由来するセルロースナノファイバーと水との第２分散液を得る第２分散工程と、
前記第２分散液に、水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒を添加して溶媒混合液を得る溶媒混合工程と、
前記溶媒混合液中から水を蒸発させて前記溶媒混合液から水分を除去する脱水工程と、
を備えることを特徴とするセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法。
【請求項２】
前記オリフィスホモジナイザ部は、
複数の流入側流路部と、
複数の流出側流路部と、
前記複数の流入側流路部を単一に集合させる集合部と、
前記集合部の下流に接続されたオリフィス流路部と、
前記オリフィス流路部の下流に接続され前記オリフィス流路部を分岐させ前記複数の流出側流路部と接続する分岐部と、
を備える請求項１に記載のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法。
【請求項３】
前記第２分散工程において、前記第１分散液が前記オリフィスホモジナイザ部を通過後、通過後の前記第１分散液が再度前記オリフィスホモジナイザ部を通過することを繰り返して前記第２分散液が調製される請求項１または２に記載のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法。
【請求項４】
前記脱水工程を終えた前記溶媒混合液に対し、さらに前記第２分散工程及び前記脱水工程が繰り返される請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法。
【請求項５】
前記水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒が、１−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、セロソルブアセテート、またはヘキサメチルリン酸トリアミドから選択される請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法。
【請求項６】
水にセルロースを分散した第１分散液を貯留する貯留部と、
前記第１分散液中のセルロースを微小化して前記セルロースに由来するセルロースナノファイバーと水との第２分散液を得るための小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部と、
前記第１分散液を前記オリフィスホモジナイザ部へ加圧供給するポンプ部と、
前記オリフィスホモジナイザ部の下流に接続され、前記第２分散液と水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒を混合した溶媒混合液を蒸留する蒸留部と、
を備えることを特徴とするセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法及びその装置に関し、特にセルロースナノファイバーを両親媒性有機溶媒中に分散させて微小化する方法とそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルロースを微小化することにより調製されるセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）は、例えば、材料の強度向上、剛性強化、粘性の改質等の性能改善効果から広く添加、応用が検討されている。
【０００３】
セルロースは単糖が鎖状に結合した形態である。従って、セルロースの分子中に水酸基（−ＯＨ）が大量に存在する。このことから、セルロースは親水性の化合物である。むろん、セルロースナノファイバーであっても、親水性の性質は変わらない。セルロースナノファイバーを疎水性の樹脂等へ混練させる場合、セルロースナノファイバーの親水性の性質ゆえに、疎水性の樹脂との親和性は低い。従って、セルロースナノファイバーは疎水性の樹脂の中では均一に混合されず、斑紋状に存在していた。
【０００４】
このため、セルロースナノファイバーの添加による性能向上は期待されるものの、均質な混合は困難であった。このことから、セルロースナノファイバーは、食品、化粧品等の限られた分野への応用に留まっていた。
【０００５】
そこで、セルロースナノファイバーの疎水性を制御するセルロースナノファイバーの調製方法が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。特許文献１に開示されている調整方法は、化学的な処理が主流である。具体的には、ＴＥＭＰＯ（２，２，６，６−テトラメチルピペリジン−Ｎ−オキシル）等を触媒として用い、酸化剤を反応させてセルロースナノファイバーの分散性を高める方法が提案されている。また、特許文献１によると、セルロースの糖の官能基を修飾することによりセルロースナノファイバーの疎水性が高められている。結果、樹脂等と混練時の混合しやすさは向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１５９８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
その後、発明者は、セルロースナノファイバーの調製について鋭意検討を重ね、セルロースに対する化学的な処理を行うこと無くセルロースナノファイバーを調製するとともに、生じたセルロースナノファイバーの疎水性も高めることを可能とした。
【０００８】
本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、化学的な処理に依存すること無くセルロースナノファイバーを調製し、同時に調製されたセルロースナノファイバーの疎水性も向上可能なセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法及びその装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、第１の形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法は、水にセルロースを分散して第１分散液を得る第１分散工程と、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ第１分散液を加圧供給することにより第１分散液中のセルロースを微小化してセルロースに由来するセルロースナノファイバーと水との第２分散液を得る第２分散工程と、第２分散液に、水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒を添加して溶媒混合液を得る溶媒混合工程と、溶媒混合液中から水を蒸発させて前記溶媒混合液から水分を除去する脱水工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法では、オリフィスホモジナイザ部は、複数の流入側流路部と、複数の流出側流路部と、複数の流入側流路部を単一に集合させる集合部と、集合部の下流に接続されたオリフィス流路部と、オリフィス流路部の下流に接続され前記オリフィス流路部を分岐させ前記複数の流出側流路部と接続する分岐部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法では、第２分散工程において、第１分散液がオリフィスホモジナイザ部を通過後、通過後の第１分散液が再度オリフィスホモジナイザ部を通過することを繰り返して第２分散液が調製されることを特徴とする。
【００１２】
第４の形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法では、脱水工程を終えた溶媒混合液に対し、さらに第２分散工程及び脱水工程が繰り返されることを特徴とする。
【００１３】
第５の形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法では、水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒が、１−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、セロソルブアセテート、またはヘキサメチルリン酸トリアミドから選択されることを特徴とする。
【００１４】
第６の形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置は、水にセルロースを分散した第１分散液を貯留する貯留部と、第１分散液中のセルロースを微小化してセルロースに由来するセルロースナノファイバーと水との第２分散液を得るための小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部と、第１分散液をオリフィスホモジナイザ部へ加圧供給するポンプ部と、オリフィスホモジナイザ部の下流に接続され、第２分散液と水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒を混合した溶媒混合液を蒸留する蒸留部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法によると、水にセルロースを分散して第１分散液を得る第１分散工程と、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ第１分散液を加圧供給することにより第１分散液中のセルロースを微小化してセルロースに由来するセルロースナノファイバーと水との第２分散液を得る第２分散工程と、第２分散液に、水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒を添加して溶媒混合液を得る溶媒混合工程と、溶媒混合液中から水を蒸発させて前記溶媒混合液から水分を除去する脱水工程と、を備えるため、化学的な処理に依存すること無く物理的な処理によりセルロースナノファイバーを調製し、同時に調製されたセルロースナノファイバーの疎水性を向上可能なセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法を確立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】セルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法を実施するセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置の全体構成図である。
【図２】オリフィスホモジナイザ部の主要部縦断面図である。
【図３】オリフィスホモジナイザ部の主要部横断面図である。
【図４】有機溶媒分散装置の可動時の第１概略説明図である。
【図５】有機溶媒分散装置の可動時の第２概略説明図である。
【図６】有機溶媒分散装置の可動時の第３概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
セルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法を説明するに際し、図１のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置１（第１実施形態）の全体構成図を用いながら当該方法に適用する装置を説明する。むろん、図示の装置はひとつの実施形態の開示であるため、セルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法を実現する装置構成は図示の形態に限定されない。
【００１８】
図示のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置１では、貯留部３０、分岐ブロック３５、オリフィスホモジナイザ部１０、ポンプ部５０が備えられ、貯留部３０に水貯留タンク６１、両親媒性有機溶媒貯留タンク６２が接続される。また、オリフィスホモジナイザ部１０と貯留部３０を接続する途中に、第１熱交換器４１、蒸留部４０、第２熱交換器４２が接続される。両親媒性有機溶媒については後述する。
【００１９】
水にセルロースを分散した第１分散液は貯留部３０に貯留される。第１分散液を貯留する貯留部３０と、その下流の分岐ブロック３５は配管部８１を介して接続される。貯留部３０には、攪拌機３１が設けられ、貯留部３０内に貯留されるセルロースと水はなるべく均一状態となるように攪拌される。配管部８１には逆止弁７０と切替弁７１が設置される。分岐ブロック３５側から貯留部３０側への逆流は逆止弁７０と切替弁７１により規制される。
【００２０】
ポンプ部５０は分岐ブロック３５と配管部８２により接続される。また、オリフィスホモジナイザ部１０は配管部８３により分岐ブロック３５と接続される。オリフィスホモジナイザ部１０には、貯留部３０側へ向かう配管部８４と、蒸留部４０側へ向かう配管部８５が接続される。最終的に処理を終えたセルロースナノファイバーと両親媒性有機溶媒の混合物はドレイン部９１から回収される。また、途中の廃液のためドレイン部９２，９３も設けられる。
【００２１】
符号８５，８６，８７，８８，９０，９４は配管部である。図示のとおり、各配管部には切替弁７２，７３，７４、７５，７６，７７，７８，７９，８０が接続される。各切替弁は流体が流通する配管の選択及び流体流通の停止を行う。各切替弁は電磁弁、手動弁の適宜である。各配管部は、耐圧性、耐油性に優れた素材からなる中空管体である。さらに、配管部の各所には温度センサが設置され、流通する液温が計測される。また、減圧弁等の安全弁も必要箇所に設置される。
【００２２】
分岐ブロック３５の構造は特段限定されないものの、金属等の耐圧材料から形成され、内部にＴ字状の流路が形成された部材である。または、分岐ブロック３５は公知の三方弁等でも良い。
【００２３】
ポンプ部５０は構造体内にピストン５１を備えており、一般にピストンポンプと称される。ピストン５１の後退時（後出の図４参照）、ポンプ部５０のハウジング５２内にセルロースが水に分散された第１分散液、後述する第２分散液、または溶媒混合液が流入する。ピストン５１の前進時（後出の図５参照）、これらの液体はポンプ部５０から加圧供給により吐出されてオリフィスホモジナイザ部１０に流入する。ピストン５１の前進及び後退は、油圧駆動またはサーボモータ等により制御される。オリフィスホモジナイザ部１０を通過した液体は、貯留部３０へ流入する経路と、蒸留部４０へ流入する経路の２系統のいずれかへと流入する。
【００２４】
オリフィスホモジナイザ部１０について、図２の主要部縦断面図及び図３の主要部横断面図を用いてその構造を説明する。オリフィスホモジナイザ部１０は、第１分散液中のセルロースを微小化して当該セルロースに由来するセルロースナノファイバーと水の第２分散液を得るための部材である。図２のＡ−Ａ線における横断面が図３（ａ）であり、図２のＢ−Ｂ線における横断面が図３（ｂ）であり、図２のＣ−Ｃ線における横断面が図３（ｃ）である。
【００２５】
オリフィスホモジナイザ部１０は、第１ブロック２１と第２ブロック２２、そして第１ブロック２１と第２ブロック２２の間に介装される第３ブロック２３により形成される。第１ブロック２１において、複数の流入側流路部１１，１２が形成される（図２及び図３（ａ）参照）。また、第２ブロック２２においても、複数の流出側流路部１８，１９が形成される。
【００２６】
第１ブロック２１と第３ブロック２３との接合面に意図的に第１空隙部１４が形成される。この第１空隙部１４が複数の流入側流路部１１，１２を単一に集合させる集合部１３となる（図２及び図３（ｂ）参照）。集合部１３（第１空隙部１４）の下流側は第３ブロック２３となり、同第３ブロック２３内にオリフィス流路部１５が形成される（図２及び図３（ｃ）参照）。
【００２７】
オリフィス流路部１５の下流側においても、第３ブロック２３と第２ブロック２２との接合面にも意図的に第２空隙部１６が形成される。この第２空隙部１６がオリフィス流路部１５を分岐させて複数の流出側流路部１８，１９と接続する分岐部１７となる。
【００２８】
流入側流路部１１，１２及び流出側流路部１８，１９の内直径（Ｄ１）は相互に同一であり、オリフィス流路部１５の内直径（Ｄ２）よりも大きく形成される。具体的には、内直径（Ｄ１）は、内直径（Ｄ２）の５ないし７倍である。また、第１空隙部１４の距離（Ｄ３）は内直径（Ｄ１）と同等に規定される。従って、オリフィス流路部１５は小径流路部である。
【００２９】
オリフィスホモジナイザ部１０の下流側の配管部８５には、第１熱交換器４１、蒸留部４０、第２熱交換器４２が順に接続される。そして、第２熱交換器４２を通過した液体は貯留部３０へ流入する。第１熱交換器４１はオリフィスホモジナイザ部１０から流入する液体を加熱する熱交換器である。蒸留部４０は第１熱交換器４１を通過した液体をさらに加熱し同液体中より、沸点の違いから水を分離する。第２熱交換器４２は蒸留部４０を通過した液体を冷却する熱交換器である。第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２の熱交換の方式は適宜である。蒸留部４０による蒸留の方式も適宜である。蒸留部４０から分離された水はドレイン部９３から廃棄される。処理を終えたセルロースナノファイバーと両親媒性有機溶媒の溶媒混合液はドレイン部９１またはドレイン部９２から有機溶媒分散装置１の外部に放出される。
【００３０】
次に、オリフィスホモジナイザ部１０を用いた際の作用を説明する。水にセルロースを分散した第１分散液は流入側流路部１１，１２を経由して集合部１３（第１空隙部１４）に侵入する。ここで、オリフィス流路部１５は流入側流路部１１，１２よりも狭小であるため、同第１分散液の流量は低下する。そして、第１分散液の圧力変化が生じ、それぞれの流入側流路部から流入した第１分散液は集合部１３において衝突する。このときの第１分散液中のセルロース同士は衝突時のエネルギーにより破砕される。このように、第１分散液中のセルロースが流入側流路部１１，１２からオリフィス流路部１５へ流動するごとに、セルロース同士の衝突が進み、結果としてセルロースの微小化が進み、より鎖長の短くなったセルロースナノファイバーとなる。
【００３１】
図示の流入側流路部及び流入側流路部はともに２つである。むろん、流入側流路部及び流入側流路部の形成数は１以上である。ただし、液中のセルロースの衝突を促すため、流入側流路部及び流入側流路部の形成数は２以上であることがさらに望ましい。図示のオリフィスホモジナイザ部１０は、流入側及び流出側はともに対称形である。そこで、説明の便宜状流入側及び流出側としている。流入側と流出側が対称形であるため、オリフィスホモジナイザ部１０はいずれの向きからの流入においても機能し得る。従って、分散物が流出側流路部１８，１９から流入してオリフィス流路部１５通過し流入側流路部１１，１２より流出する場合もある。また、オリフィスホモジナイザ部１０を通過する液体は、前述の第１分散液に限られず、後出の第２分散液、溶媒混合液も含む。
【００３２】
これより、実施形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置１を用い、セルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法を説明する。はじめに、被処理物であるセルロースは適量の水に分散されて「第１分散液」となる（「第１分散工程」）。第１分散液の調製に際し、計量されたセルロースと水が貯留部３０へ投入される。
【００３３】
セルロースは、木材等のパルプから精製される繊維状物であり、β−グルコースがグルコシド結合により結合した長鎖長の糖鎖である。α−グルコースの結合によるデンプンとは異なり、セルロースは水に難溶ないし不溶である。そこで、第１分散液の調製においては、予めセルロースは細かく粉砕される。これはセルロースの水への分散性を高めことと、前述のオリフィスホモジナイザ部１０への流動性を高めるためである。
【００３４】
セルロースナノファイバーは、セルロースの鎖長をさらに短くすることにより、水等への分散性を向上させた糖鎖である。そこで、セルロースナノファイバーが混合、混練された後の材料においては、セルロースナノファイバーがフィラー等としての機能を担い、混合後の素材の強度、剛性、弾力の改善に寄与する。
【００３５】
セルロースはセルロースナノファイバーとなることにより、水、親水性の材料への分散性はセルロースの状態よりも向上する。しかしながら、セルロースもセルロースナノファイバーもβ−グルコースの糖鎖であり、分子中に極性を有する水酸基（−ＯＨ）が多い。本質的にセルロースナノファイバーの親和性は水、親水性の溶媒へは高い。しかしながら、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、ＰＥＴ等のポリエステル系樹脂への混入、混練を企図する場合、樹脂の疎水性と、セルロースナノファイバーの親水性ではなじみが悪く、樹脂中の均質な分散は困難である。
【００３６】
そこで、発明者は、セルロースナノファイバーの糖鎖の極性基との親和性が高く、かつ、疎水性の樹脂等との親和性の高い物質を介在させる着想に至った。具体的には、両親媒性有機溶媒が、セルロースナノファイバーと疎水性樹脂との間に介在する物質として用いられる。両親媒性有機溶媒の親水性部位はセルロースナノファイバーの糖鎖の水酸基と水素結合により電気的に結合する。同時に、両親媒性有機溶媒の疎水性部位は疎水性樹脂の炭化水素部位と疎水結合する。結果的に、セルロースナノファイバーは、疎水性樹脂との混練性が高まり樹脂の全体に均一に分散され、セルロースナノファイバーと疎水性樹脂の一体化物が容易に形成される。
【００３７】
第１分散液は、小径流路部を有するオリフィスホモジナイザ部１０へ加圧供給される。加圧供給は、ポンプ部５０内のピストン５１の押圧力により行われる。第１分散液はオリフィスホモジナイザ部１０に流入して当該オリフィスホモジナイザ部１０を通過する。ここで、前述の説明のとおり、第１分散液中のセルロースは、オリフィスホモジナイザ部１０の流路内において衝突した際の衝撃エネルギーにより、当初よりも微小化が促進する。ここで、セルロースに由来するセルロースナノファイバーが生じ、水にセルロースナノファイバーが分散した第２分散液が生じる（「第２分散工程」）。
【００３８】
オリフィスホモジナイザ部１０を通過することにより生じた第２分散液に対して、水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒が添加されて溶媒混合液が生じる（「溶媒混合工程」）。図示の例によると、オリフィスホモジナイザ部１０を通過後の第２分散液は、配管部８４を経由して貯留部３０に流入する。貯留部３０の第２分散液に対し両親媒性有機溶媒貯留タンク６２から両親媒性有機溶媒が供給される。そして貯留部３０において第２分散液と両親媒性有機溶媒は攪拌、混合され溶媒混合液が生じる。
【００３９】
水よりも沸点の高い両親媒性有機溶媒は、１−メチル−２−ピロリドン（沸点：２０２℃）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（沸点：１５３℃）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（沸点：１６５℃）、ジメチルスルホキシド（沸点：１８９℃）、メチルセロソルブ（沸点：１２４．５℃）、エチルセロソルブ（沸点：１３５．６℃）、ブチルセロソルブ（沸点：１７１．２℃）、セロソルブアセテート（沸点：１５６℃）、またはヘキサメチルリン酸トリアミド（沸点：２３５℃）等から選択される。
【００４０】
溶媒混合液は、水、セルロースナノファイバー、及び両親媒性有機溶媒の混合物である。ここから水を除去する必要がある。そこで、溶媒混合液を加熱することにより水は蒸発して同溶媒混合液から水分は除去される（「脱水工程」）。
【００４１】
脱水工程の水分の除去は、主に蒸留部４０において行われる。蒸留部４０では溶媒混合液は水の沸点（１００℃）に加熱される。ここで水は蒸発する。しかし、両親媒性有機溶媒の沸点は前述のとおり水よりも高いため、蒸留部４０の加熱では蒸発せず、そのまま残留する。こうして沸点の差を利用しながら水分は除去される。脱水工程を経て水分が除去された溶媒混合液はドレイン部９１またはドレイン部９２から回収される。
【００４２】
第１熱交換器４１は蒸留部４０の加熱効率を高めるための事前加熱の役割により設置される。第２熱交換器４２は、１００℃前後に加熱された溶媒混合液を短時間で冷却する役割により設置される。第１熱交換器４１と第２熱交換器４２の設置は必ずしも必須では無い。第１熱交換器４１と第２熱交換器４２は処理時間の短縮目的から設置される。
【００４３】
図４ないし図６の概略説明図を用い、実施形態のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置１における各液体の経路を説明する。はじめに、ポンプ部５０のピストン５１が後退し（図４の白抜き矢印方向）、ハウジング５２内が減圧する。そこで、貯留部３０内の第１分散液は配管部８１、分岐ブロック３５、配管部８２を通じてポンプ部５０のハウジング５２内に流入する（図４参照）。このとき、第１分散液の流動する方向は貯留部３０から分岐ブロック３５へ向かう方向であるため、逆止弁７０と弁開放状態の切替弁７１を通過可能である。
【００４４】
次に、ポンプ部５０のピストン５１が前進し（図５の白抜き矢印方向）、ハウジング５２内の第１分散液はポンプ部５０から押出される。そして、第１分散液は配管部８２、分岐ブロック３５、配管部８３を通過してオリフィスホモジナイザ部１０に流入する。ポンプ部５０の押出力により、第１分散液は小径流路部を備えたオリフィスホモジナイザ部１０を通過することができる（図５参照）。
【００４５】
第１分散液はオリフィスホモジナイザ部１０を通過することにより、液中のセルロースの微小化が進み水にセルロースナノファイバーが分散した第２分散液となる。そして、第２分散液は配管部８４、切替弁７７を経由して貯留部３０へ流入する。続いて、再度、貯留部３０内の第１分散液（混入後の第２分散液）はポンプ部５０のハウジング５２内に流入し（図４参照）、ポンプ部５０の押出力により、第１分散液（混入後の第２分散液）はオリフィスホモジナイザ部１０を通過する（図５参照）。
【００４６】
こうして、第１分散液はオリフィスホモジナイザ部１０を通過後、第１分散液が再度オリフィスホモジナイザ部１０を通過することを繰り返して第２分散液が調製され、貯留部３０へ貯留される。即ち、オリフィスホモジナイザ部１０におけるセルロースの相互の衝突回数が増加して、より微小化が促進しセルロースナノファイバーが生じる。
【００４７】
続いて、貯留部３０内の第２分散液に対して両親媒性有機溶媒貯留タンク６２から両親媒性有機溶媒が適量供給され、貯留部３０内において十分に攪拌、混合され溶媒混合液が生じる。そして、貯留部３０内の第２分散液はポンプ部５０のハウジング５２内に流入する（図４参照）。第２分散液は貯留部３０へ戻る管路ではなく配管部８５を経由して、溶媒混合液は第１熱交換器４１、蒸留部４０、第２熱交換器４２へと圧送される（図６参照）。溶媒混合液が蒸留部４０を通過する際に溶媒混合液の水分が除去され、セルロースナノファイバーと両親媒性有機溶媒の混合液が調製される。その後、セルロースナノファイバーと両親媒性有機溶媒の混合液はドレイン部９１から放出される（図６中の破線矢印を参照。）。
【００４８】
溶媒混合液が蒸留部４０を１回通過するのみでは、水分の除去は不十分となりやすい。そこで、第２熱交換器４２を通過した溶媒混合液は貯留部３０に戻る。貯留部３０内の溶媒混合液はポンプ部５０のハウジング５２内に流入する（図４参照）。そして、ポンプ部５０から分岐ブロック３５、オリフィスホモジナイザ部１０を通過し再度配管部８５を経由して、溶媒混合液は第１熱交換器４１、蒸留部４０、第２熱交換器４２へと圧送され貯留部３０に戻る（図６参照）。
【００４９】
こうして、蒸留部４０において脱水工程を終え貯留部３０に戻った溶媒混合液に対し、さらにオリフィスホモジナイザ部１０の通過による第２分散工程、そして蒸留部４０の脱水工程が繰り返される。この繰り返しの過程において、脱水工程を終え貯留部３０に戻った溶媒混合液に対しさらに新たに両親媒性有機溶媒が添加される。そこで、溶媒混合液中の水分量は水の蒸発から脱水工程を経る毎に減少し、新たに添加された両親媒性有機溶媒に置換される。
【００５０】
セルロースからセルロースナノファイバーを調製する段階では、セルロースの親水性の性質と、実施形態に開示のオリフィスホモジナイザ部を通過させる物理的な処理の双方から、第１分散液は水を溶媒とする必要がある。その後の脱水工程を繰り返すことにより分散液中の水分は減少し、徐々に両親媒性有機溶媒が足され最終的にほぼ全ての水が両親媒性有機溶媒に置換される。この結果、化学的な分解処理を行うこと無く、分散液内における衝突に起因してセルロースナノファイバーが調製される。同時に、調製されたセルロースナノファイバーの周囲は両親媒性有機溶媒により充たされている。このことから、セルロースナノファイバーと両親媒性有機溶媒の溶媒混合液では、他の疎水性樹脂へ混入する際の当該樹脂内における分散性、親和性は向上する。結果的に混入後の疎水性樹脂内に均一にセルロースナノファイバーを分散可能となり、疎水性樹脂自体の性能向上が見込まれる。
【実施例】
【００５１】
発明者は、セルロースからセルロースナノファイバーを調製するとともにセルロースナノファイバーの両親媒性有機溶媒への分散が可能であることを次のとおり検証した。
【００５２】
［使用原材料］
セルロースは、「粉末セルロース」（富士フイルム和光純薬株式会社製（一級））を使用した。
両親媒性有機溶媒は、「Ｎ−メチルピロリドン（１−メチル−２−ピロリドン）」（富士フイルム和光純薬株式会社製（一級））を使用した。
ポンプ部には、株式会社常光製のピストン式のポンプ，「ＪＮ１００」を使用した。
オリフィスホモジナイザ部には、株式会社常光製を使用した。流入側の管径は２１０μｍ、中央の管径は２００μｍであった。
【００５３】
［検証例］
水９８ｍＬに粉末状セルロース２ｇを分散して第１分散液とし貯留部に貯留した。当該第１分散液をポンプにより吸引し、同ポンプにより第１分散液をオリフィスホモジナイザ部に圧送し第２分散液を調製した。配管部内は２００ＭＰａであった。また、圧送時の液温は２５℃であった。オリフィスホモジナイザ部を通過後の第２分散液に対し、配管部の途中より両親媒性有機溶媒のＮ−メチルピロリドンを１００ｍＬ添加し溶媒混合液とした。溶媒混合液２００ｍＬを配管部の途中に設置したヒータにより加熱し、溶媒混合液中の水分を蒸発させた。
【００５４】
再度、上記のポンプによる吸引とオリフィスホモジナイザ部への圧送を繰り返し、最終的に水分量を減らし、両親媒性有機溶媒にセルロースナノファイバーが分散している状態とした。出来上がった溶液を濾過して両親媒性有機溶媒を除去し、残渣を回収した。当該残渣を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、概ね２０μｍの全長であった。
【００５５】
結果、オリフィスホモジナイザ部の通過に伴う物理的な処理により、セルロースからセルロースナノファイバーに微小化が進んだことを確認した。また、両親媒性有機溶媒中のセルロースナノファイバーの分散も確認した。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のセルロースナノファイバーの有機溶媒分散方法は、セルロースを化学的な処理に依存すること無く物理的な処理によりセルロースナノファイバーに微小化でき、しかも、両親媒性有機溶媒に分散させているため、疎水性樹脂との親和性も良好である。このため、セルロースナノファイバーを添加した樹脂製品の機能改善において有望である。
【符号の説明】
【００５７】
１  セルロースナノファイバーの有機溶媒分散装置
１０  オリフィスホモジナイザ部
１１，１２  流入側流路部
１３  集合部
１４  第１空隙部
１５  オリフィス流路部
１６  第２空隙部
１７  分岐部
１８，１９  流出側流路部
２１  第１ブロック
２２  第２ブロック
２３  第３ブロック
３０  原料タンク
３１  攪拌機
３５  分岐ブロック
４０  蒸留部
４１  第１熱交換器
４２  第２熱交換器
５０  ポンプ部
５１  ピストン
５２  ハウジング
６１  水貯留タンク
６２  両親媒性有機溶媒貯留タンク
７０  逆止弁
７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０  切替弁
８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，９０，９４  配管部
９１，９２，９３  ドレイン部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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