(57)【要約】【課題】機械的処理回数を減らし、省エネルギーで効率的にセルロースナノファイバーを製造することができるセルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、直列に接続される少なくとも２台のリファイナーと、各リファイナーに対してパルプ繊維を含むスラリーを循環させる循環機構とを備え、上記リファイナーは、回転軸に設けられた回転ディスクと、回転刃を有し、上記回転ディスクの少なくとも一方の面に装着される回転刃部材と、固定刃を有し、上記回転刃部材に対向して設けられる固定刃部材とを備えるセルロースナノファイバーの製造装置である。上記少なくとも２台のリファイナーがそれぞれシングルディスクリファイナーであるとよい。上流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃数が、下流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃数よりも少ないとよい。【選択図】図１
2018059224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続される少なくとも２台のリファイナーと、
各リファイナーに対してパルプ繊維を含むスラリーを循環させる循環機構と
を備え、
上記リファイナーは、
回転軸に設けられた回転ディスクと、
回転刃を有し、上記回転ディスクの少なくとも一方の面に装着される回転刃部材と、
固定刃を有し、上記回転刃部材に対向して設けられる固定刃部材と
を備えるセルロースナノファイバーの製造装置。
【請求項２】
上記少なくとも２台のリファイナーがそれぞれシングルディスクリファイナーである請求項１に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。
【請求項３】
上流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃数が、下流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃数よりも少ない請求項１又は請求項２に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。
【請求項４】
上流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃幅が、下流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃幅よりも大きい請求項１、請求項２又は請求項３に記載のセルロースナノファイバーの製造装置。
【請求項５】
少なくとも最上流側の上記リファイナーの固定刃と回転刃との交差角度が、３０°以下である請求項１から請求項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製造装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセルロースナノファイバーの製造装置を用いるセルロースナノファイバーの製造方法。
【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製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、物質をナノメートルレベルまで微細化し、物質が持つ従来の性状とは異なる新たな物性を得ることを目的としたナノテクノロジーが注目されている。パルプ繊維等のセルロース系原料から製造されるセルロースナノファイバーは、強度、弾性、熱安定性等に優れているため、ろ過材、ろ過助剤、イオン交換体の基材、クロマトグラフィー分析機器の充填材、樹脂及びゴムの配合用充填剤等としての工業上の用途や、口紅、粉末化粧料、乳化化粧料等の化粧品の配合剤の用途などに用いられている。また、セルロースナノファイバーは、水系分散性に優れているため、食品、化粧品、塗料等の粘度の保持剤、食品原料生地の強化剤、水分保持剤、食品安定化剤、低カロリー添加物、乳化安定化助剤などの多くの用途における利用が期待されている。
【０００３】
セルロースナノファイバーは、パルプ繊維を機械的な処理によって解繊することにより得ることができる。この機械的な処理方法としては、パルプ繊維をリファイナー、グラインダー、多軸混練機、高圧ホモジナイザー等を用いて粗解繊することによって解繊及び微細化して製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００１／０６８０２３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、機械的処理でセルロースナノファイバーを製造する場合、パルプ等を水に分散させた高粘性のスラリー中のパルプ繊維に対して機械的処理を行う。機械的処理のみでセルロースナノファイバーを製造する場合、多数回の機械的処理が必要となり、エネルギー消費量が非常に大きくなる。従って、事業化のためには、さらなる機械的処理回数の低減を可能とし、効率的にセルロースナノファイバーを製造することが求められる。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、機械的処理回数を減らし、省エネルギーで効率的にセルロースナノファイバーを製造することができるセルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、パルプ繊維の機械的処理手段として、特定のリファイナーを用いることで、高粘性のパルプスラリーであっても機械的処理回数の低減が図られることを見出し、本発明の完成に至った。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、直列に接続される少なくとも２台のリファイナーと、各リファイナーに対してパルプ繊維を含むスラリーを循環させる循環機構とを備え、上記リファイナーは、回転軸に設けられた回転ディスクと、回転刃を有し、上記回転ディスクの少なくとも一方の面に装着される回転刃部材と、固定刃を有し、上記回転刃部材に対向して設けられる固定刃部材とを備えるセルロースナノファイバーの製造装置である。
【０００９】
当該セルロースナノファイバーの製造装置においては、回転刃と固定刃とを有する少なくとも２台のリファイナーが直列に接続され、各リファイナーが循環機構によりパルプ繊維を含むスラリー（以下、パルプスラリーともいう。）を循環させながらパルプ繊維を解繊する。従って、高粘性のパルプスラリーであっても機械的処理回数を減らし、省エネルギーで効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【００１０】
上記少なくとも２台のリファイナーがそれぞれシングルディスクリファイナーであるとよい。このように、上記少なくとも２台のリファイナーがそれぞれシングルディスクリファイナーであることにより、パルプ繊維に対して効率的に剪断力を付与しながら解繊を行うことができるとともに、各リファイナーの回転刃と固定刃との間隔の制御が容易となる。その結果、高粘性のパルプスラリーであっても解繊中の詰まりを抑制可能な回転刃と固定刃との間隔を容易に設定でき、粗解繊処理中にパルプ繊維のサイズに応じて段階的に固定刃と回転刃との間隔を調整することができる。従って、より効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【００１１】
上流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃数が、下流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃数よりも少ないとよい。このように、最初の段階におけるパルプ繊維の粗解繊を下流側のリファイナーの固定刃及び回転刃よりも少ない刃数で行うことで、パルプ繊維の粗解繊を段階的に進めることができる。従って、より効率的にパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。
【００１２】
上流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃幅が、下流側の上記リファイナーの固定刃及び回転刃の刃幅よりも大きいとよい。このように、上流側のリファイナーの固定刃及び回転刃の刃幅を上記範囲とすることで、より効率的に最初の段階のパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。
【００１３】
少なくとも最上流側の上記リファイナーの固定刃と回転刃との交差角度としては、３０°以下が好ましい。上記リファイナーの固定刃と回転刃との交差角度を上記範囲とすることで、より効率的にパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた別の発明は、当該セルロースナノファイバーの製造装置を用いるセルロースナノファイバーの製造方法である。当該セルロースナノファイバー製造方法によれば、当該セルロースナノファイバーの製造装置を用いることで効率的に高粘性のパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができ、機械的な微細化処理回数を減らすことができる。従って、当該セルロースナノファイバー製造方法によれば、効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【００１５】
なお、「セルロースナノファイバー」とは、パルプ繊維を解繊して得られる微細なセルロース繊維をいい、一般的に繊維幅がナノサイズ（１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下）のセルロース微細繊維を含むセルロース繊維をいう。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法によれば、機械的処理回数を減らし、省エネルギーで効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るリファイナーの概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固定刃部材及び回転刃部材の平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る回転ディスクの概略図である。
【図５】図３に示した平面図のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法について詳説する。
【００１９】
［セルロースナノファイバーの製造装置］
図１のセルロースナノファイバーの製造装置１は、パルプ繊維を水に分散させた状態のスラリーにおけるパルプ繊維の解繊処理を行った後に微細化処理することにより、セルロースナノファイバーの製造する装置である。当該セルロースナノファイバーの製造装置１は、例えば「セルロースナノファイバーの製造方法」として後述する方法において使用することができる。本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造装置１は、パルプスラリー中のパルプ繊維を粗解繊する上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０からなる２台のリファイナーと、上記上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０それぞれに対してパルプ繊維を含むスラリーを循環させる循環機構とを備える。上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０は、スラリーの移送方向に対して直列に接続されている。上流側リファイナー５０の循環機構は、移送管７と、移送管８と、移送管９と、パルプスラリーを移送するためのポンプ３０と、開閉手段である二方弁３５と、移送管６とからなる。下流側リファイナー６０の循環機構は、移送管１０と、移送管１１と、移送管１２と、パルプスラリーを移送するためのポンプ３１と、二方弁３８と、移送管１３とからなる。
【００２０】
また、セルロースナノファイバーの製造装置１は、パルプスラリーが貯留されるタンク２０、タンク２２及びタンク２４と、スラリー中のパルプ繊維を微細化処理する図示しない高圧ホモジナイザーと、上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０による粗解繊処理が終了したパルプスラリーを高圧ホモジナイザー側へ移送するためのポンプ３２及び移送管１４とを備える。
【００２１】
タンク２０には、移送管５から投入されたパルプスラリー及び上流側リファイナー５０により粗解繊処理が行われたパルプスラリーが貯留される。タンク２０には、投入された原料を混合する攪拌機２１が設けられている。上流側リファイナー５０の循環機構においては、タンク２０に貯留されたパルプスラリーがポンプ３０により流出し、移送管７及び移送管８を経由して上流側リファイナー５０に移送される。そして、上流側リファイナー５０により粗解繊処理が行われたパルプスラリーは、移送管９、二方弁３５及び移送管６を経由してタンク２０へ再び移送される。このように、上流側リファイナー５０おいては循環機構により循環させながらパルプ繊維を解繊するので、パルプ繊維の粗解繊処理が効率的に行われる。
【００２２】
タンク２２には、上流側リファイナー５０による粗解繊処理が終了したパルプスラリーが、移送管９、二方弁３６を経由して移送された後に貯留される。タンク２２には、投入された原料を混合する攪拌機２３が設けられている。下流側リファイナー６０の循環機構においては、タンク２２に貯留されたパルプスラリーがポンプ３１により流出し、移送管１０及び移送管１１を経由して下流側リファイナー６０に移送され、さらなる粗解繊処理が進められる。そして、下流側リファイナー６０によりさらに粗解繊処理が行われたパルプスラリーは、移送管１２、二方弁３８及び移送管１３を経由してタンク２２へ再び移送される。このように、下流側リファイナー６０においても、循環機構により循環させながらパルプ繊維の粗解繊処理が効率的に行われる。
【００２３】
タンク２４には、下流側リファイナー６０による粗解繊処理が終了したパルプスラリーが、移送管１２、二方弁３９を経由して移送された後に貯留される。タンク２４には、投入された原料を混合する攪拌機２５が設けられている。そして、タンク２２に貯留されたパルプスラリーは、ポンプ３２により移送管１４を経由して図示しない高圧ホモジナイザー側へ移送される。
【００２４】
上記高圧ホモジナイザーは、セルロースナノファイバー製造に用いられ、パルプ繊維を水に分散させた状態のパルプスラリーにおけるパルプ繊維を微細化処理する装置である。高圧ホモジナイザーとは、例えば１０ＭＰａ以上、好ましくは１００ＭＰａ以上の圧力でパルプスラリーを吐出できる能力を有するホモジナイザーをいう。高圧ホモジナイザーは、パルプスラリーを高い圧力で衝突させ、パルプ繊維をナノレベルに微細化することによりセルロースナノファイバーを製造する。
【００２５】
次に上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０について説明する。上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０としては、シングルディスクリファイナーが用いられる。シングルディスクリファイナー（ＳＤＲ）を用いることにより、パルプ繊維に対して効率的に剪断力を付与しながら粗解繊を行うことができる。また、各リファイナーの回転刃と固定刃との間隔の制御が容易となる。シングルディスクリファイナーにおいては、固定刃と回転刃との間隔を粗解繊処理中においても調整可能であり、上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０においてパルプスラリーを循環させながら粗解繊処理している際に、固定刃と回転刃との間隔を徐々に狭くしていき、荒いパルプ繊維を細かく解繊することもできる。さらに、高粘性のパルプスラリーであっても解繊中の詰まりを抑制可能な回転刃と固定刃との間隔を容易に設定できる。従って、より効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【００２６】
図２は、上流側リファイナー５０の概略断面図である。上流側リファイナー５０は、パルプスラリーを投入する投入口５６と、パルプスラリーを希釈するための水が投入される希釈水投入口５３と、パルプスラリーのパルプ繊維が粗解繊される解繊室５７と、粗解繊されたパルプスラリーを排出する排出口５４とを備える。上流側リファイナー５０は、解繊室５７内に回転軸５５の先端側に設けられた回転ディスク５１と、回転ディスク５１の一方の面に装着される複数個の回転刃部材４５ｂと、回転刃部材４５ｂに対向して解繊室５７の内壁に設けられる複数個の固定刃部材４５ａとを備える。回転刃部材４５ｂは回転刃４６ｂを有し、固定刃部材４５ａは固定刃４６ａを有する。上流側リファイナー５０は、投入口５６から投入されたパルプスラリーを回転刃部材４５ｂと固定刃部材４５ａとの間で粗解繊し、粗解繊したパルプを排出口５４から排出する。
【００２７】
固定刃部材４５ａは、図２及び図３に示すように、略扇形状に形成され、一方の面に複数の固定刃４６ａを有する。本実施形態においては、６個の固定刃部材４５ａが回転刃部材４５ｂに対向して解繊室５７の内壁に環状に設けられる。固定刃部材４５ａは、刃面から厚さ方向に貫通孔４７を介して図示しないナットにより解繊室５７の内壁に固定される。固定刃部材４５ａは、半径方向に向けて平行に放射状に延びる矩形の凸条の固定刃４６ａと凹条の溝部とが交互に形成されている。なお、固定刃部材４５ａの形状も、特に限定されず、例えば略円板形状であってもよい。
【００２８】
回転刃部材４５ｂは、図３に示すように固定刃部材４５ａと同じ構造を有する。また、本実施形態においては、図４に示すように６個の回転刃部材４５ｂが回転ディスク５１の一方の面に環状に装着される。回転ディスク５１の一方の面には、複数のナット５２が装着されており、回転刃部材４５ｂは、刃面から厚さ方向に貫通孔４７を介してナット５２に螺合するボルト５９により回転ディスク５１に固定される。回転刃部材４５ｂは、半径方向に向けて平行に放射状に延びる矩形の凸条の回転刃４６ｂと凹条の溝部とが交互に形成されている。なお、回転刃部材４５ｂの形状は、特に限定されず、例えば略円板形状であってもよい。
【００２９】
図３のＡ−Ａ断面図である図５に示すように、固定刃部材４５ａは、支持部４８の上に各固定刃４６ａの間の溝４９が一定間隔となるように固定刃４６ａが設けられている。回転刃部材４５ｂにおいても同様に、各回転刃４６ｂの間の溝４９が一定間隔となるように回転刃４６ｂが設けられる。上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂの刃高さＷ１としては、３．０ｍｍ以上９．０ｍｍ以下が好ましく、刃幅Ｗ２としては、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。また、刃と刃の間の溝幅Ｗ３としては、１．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下が好ましい。上流側リファイナー５０の刃高さＷ１、刃幅Ｗ２及び溝幅Ｗ３を上記範囲とすることで、上流側リファイナー５０の粗解繊において、パルプ繊維のカッティングを主とする効果が得られることにより、より効率的にパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。
【００３０】
少なくとも最上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂは、交差するように設けられ、固定刃４６ａと回転刃４６ｂとの交差角度の上限としては、３０°以下が好ましく、１５°以下がより好ましい。ここで、上記交差角度とは、固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂがなす半径方向の交差角の角度をいう。上流側リファイナー５０の固定刃４６ａと回転刃４６ｂとの交差角度を上記範囲とすることで、上流側リファイナー５０の粗解繊において、パルプ繊維のカッティングを主とする効果が得られることにより、より効率的にパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。このような効果は、少なくとも最上流側のリファイナーの固定刃４６ａと回転刃４６ｂとの交差角度が上記範囲であることにより、得ることができる。
【００３１】
上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂの間隔としては、０．０１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下が好ましい。上流側リファイナー５０の固定刃４６ａと回転刃４６ｂとの間隔を上記範囲とすることで、高粘性のパルプスラリーであっても解繊中の詰まりを抑制し、より効率的にパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。
【００３２】
下流側リファイナー６０の主要な構成は、図２に示す上流側リファイナー５０と同様であるが、下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃の刃数としては、上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂの刃数よりも多い、すなわち溝幅Ｗ３においては、上流側リファイナー５０のほうが大きいことが好ましい。このように、上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂが、最初の段階におけるパルプ繊維の粗解繊を下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃よりも少ない刃数で行うことで、パルプ繊維の粗解繊を段階的に進めることができる。従って、より効率的にパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃の溝幅としては、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下が好ましい。
【００３３】
上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂの刃幅Ｗ２としては、下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃の刃幅よりも大きいことが好ましい。上流側リファイナー５０の固定刃４６ａ及び回転刃４６ｂの刃幅Ｗ２のほうが大きいことにより、スラリー中のパルプ繊維が刃物面に多く乗り易く、より効率的に最初の段階のパルプスラリー中のパルプ繊維を解繊することができる。下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃の刃幅としては、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下が好ましい。
【００３４】
なお、下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃の交差角度は特に限定されないが、固定刃と回転刃との交差角度の上限としては、１５°以下がより好ましい。
【００３５】
下流側リファイナー６０の固定刃及び回転刃の間隔としては、上流側リファイナー５０と同様に０．０１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下が好ましい。
【００３６】
また、当該セルロースナノファイバーの製造装置１は、高圧ホモジナイザーに加えて、上記リファイナーによる解繊処理を行う前の前処理に用いる化学的処理手段を備えていてもよい。
【００３７】
上記化学的処理手段は、パルプスラリー中のパルプ繊維に対して、酸化処理、加水分解処理又はこれらの組み合わせからなる化学的処理を施すものである。化学的処理手段としては、例えば酸化剤、酸、酵素等の投入手段を有する反応槽を挙げることができる。反応槽としては、上述のように晒タワー等の製紙用タワーを用いることができる。当該セルロースナノファイバーの製造装置１は、化学的処理手段、リファイナー及び高圧ホモジナイザーの他、フィルタやスクリュープレス等の脱水手段や、乾燥手段が備えられていてもよい。
【００３８】
当該セルロースナノファイバーの製造装置１によれば、回転刃と固定刃とを有する上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０からなる２台のリファイナーが直列に接続され、上流側リファイナー５０及び下流側リファイナー６０のそれぞれにおいて、循環機構によりパルプ繊維を含むスラリーを循環させながらパルプ繊維を解繊する。従って、高粘性のパルプスラリーであっても機械的処理回数を減らし、省エネルギーで効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【００３９】
［セルロースナノファイバーの製造方法］
本発明の一実施形態に係るセルロースナノファイバーの製造方法は、上述の当該セルロースナノファイバーの製造装置を用いてパルプスラリー中のパルプ繊維を微細化処理する。
【００４０】
セルロースナノファイバーの製造方法は、任意の工程である化学的処理工程と粗解繊工程とを含む前処理工程及び微細化工程とを備える。化学的処理工程と粗解繊工程との順番は特に限定されるものではなく、いずれの工程を先に行ってもよい。微細化工程の前に行う前処理工程として、化学的処理工程を行うことにより、パルプ繊維が柔軟になり、解繊処理をより効率的行うことができ、後工程の微細化工程の短縮化、すなわち微細化処理回数の低減化を図ることができる。以下、各工程を詳説する。
【００４１】
＜前処理工程＞
前処理工程は、パルプスラリー中のパルプ繊維に対して前処理を施す工程であり、パルプ繊維を機械的な処理により微細化する前に、パルプ繊維に対して前処理を施す工程である。以下に、セルロースナノファイバーの原料となるパルプ繊維について説明する。
【００４２】
パルプ繊維としては、例えば
広葉樹晒クラフトパルプ（ＬＢＫＰ）、広葉樹未晒クラフトパルプ（ＬＵＫＰ）等の広葉樹クラフトパルプ（ＬＫＰ）、針葉樹晒クラフトパルプ（ＮＢＫＰ）、針葉樹未晒クラフトパルプ（ＮＵＫＰ）等の針葉樹クラフトパルプ（ＮＫＰ）等の化学パルプ；
ストーングランドパルプ（ＳＧＰ）、加圧ストーングランドパルプ（ＰＧＷ）、リファイナーグランドパルプ（ＲＧＰ）、ケミグランドパルプ（ＣＧＰ）、サーモグランドパルプ（ＴＧＰ）、グランドパルプ（ＧＰ）、サーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）、ケミサーモメカニカルパルプ（ＣＴＭＰ）、晒サーモメカニカルパルプ（ＢＴＭＰ）等の機械パルプ；
茶古紙、クラフト封筒古紙、雑誌古紙、新聞古紙、チラシ古紙、オフィス古紙、段ボール古紙、上白古紙、ケント古紙、模造古紙、地券古紙、更紙古紙等から製造される古紙パルプ；
古紙パルプを脱墨処理した脱墨パルプ（ＤＩＰ）などが挙げられる。これらは、本発明の効果を損なわない限り、単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。
【００４３】
（１）化学的処理工程
前処理工程の一つである化学的処理工程は、上記パルプスラリー中のパルプ繊維に対して、酸化処理、加水分解処理又はこれらの組み合わせからなる化学的処理を施す工程である。このような化学的処理を施すことにより、パルプ繊維中の化学結合の一部を分断すると共に、パルプ繊維を膨潤させることができる。
【００４４】
化学的処理工程に供するパルプスラリーにおけるパルプ繊維の固形分濃度の下限としては、３質量％が好ましく、５質量％がより好ましい。一方、この上限としては、例えば３０質量％である。上記濃度範囲とすることで、効率的な化学的処理を行うことができる。濃度が上記下限値未満の場合は、一回の処理で処理されるパルプ繊維の量が少なく、効率性が低い。一方、濃度が上記上限を超える場合は、十分な撹拌を行うことができず、反応性等が低下する。
【００４５】
化学的処理工程に供するパルプスラリーの温度としては、例えば４０℃以上９０℃以下が好ましい。なお、酵素を用いた場合の処理は、４０℃以上７０℃以下程度が好ましい。
【００４６】
酸化処理に用いられる酸化剤としては、オゾン、次亜塩素酸又はその塩、亜塩素酸又はその塩、過塩素酸又はその塩、過硫酸又はその塩、過有機酸等を挙げることができる。これらの中でも、過硫酸類（過硫酸及びその塩）が好ましい。酸化処理を行う際は、Ｎ−オキシル化合物等の酸化触媒を併用することもできる。加水分解処理に用いられる触媒としては、酸や酵素が挙げられる。酸としては、硫酸、過硫酸類、塩酸等が挙げられるが、硫酸及び過硫酸類が好ましい。酸を用いる場合の反応槽中のｐＨとしては、３以下が好ましく、０．５以上２以下がより好ましい。酵素としては、セルラーゼ系酵素や、ヘミセルラーゼ系酵素等を挙げることができ、セルラーゼ系酵素が好ましい。酸化処理及び加水分解処理は、複数種の処理剤を用いてもよいし、酸化処理と加水分解処理とを組み合わせてもよい。なお、過硫酸等、酸化剤としても機能する酸を用いた場合、酸化反応と加水分解反応とが共に生じる。
【００４７】
化学的処理工程は、公知の反応槽にパルプスラリーを貯め、酸化剤等の処理剤を添加することによって行うことができる。上記反応槽としては、晒タワー等の製紙用タワーを用いることができる。化学的処理工程の処理（反応）時間は、パルプスラリーの濃度や温度、処理剤の添加量等に応じて変更されるが、例えば０．５時間以上１２時間以下とすることができる。
【００４８】
化学的処理工程を経たパルプスラリーは、必要に応じ中和処理、洗浄処理等が施され、次工程に供される。なお、酵素を用いた化学的処理の場合は、パルプスラリーへの熱水（温水）の注入などにより、パルプスラリー温度を上げ、酵素を失活させることにより、反応を終了させることもできる。
【００４９】
（２）粗解繊処理工程
前処理工程の一つである粗解繊処理工程は、少なくとも２台のリファイナーによりパルプスラリー中のパルプ繊維をリファイナーにより粗解繊する工程である。粗解繊処理工程において、リファイナーを用いると、処理後の分離や洗浄が不要となる点からも好ましい。間隙を極小さくして負荷をかけながら粗解繊するリファイナーを用いた前処理により、パルプ繊維に対して剪断力が効果的に付与され、パルプ繊維に毛羽立ちが生じ、パルプ繊維が柔軟になり、予備的な解繊が生じる。
【００５０】
粗解繊処理工程に供するパルプスラリーのパルプ繊維の固形分濃度の下限としては、
０．１質量％が好ましく、３．０質量％がより好ましい。一方、この上限としては、８．０質量％が好ましく、６．０質量％がより好ましい。上記範囲のパルプ繊維の固形分濃度とすることで、パルプスラリーが好適な粘度となるため、リファイナーによりパルプ繊維が効率的に粗解繊される。
【００５１】
化学的処理工程と粗解繊処理工程とは、いずれの工程を先に行ってもよいが、化学的処理工程を先に行うことが好ましい。化学的処理工程及び上記粗解繊工程の順に行うことで、化学的前処理により膨潤したパルプ繊維に対して、リファイナーにより剪断力が効率的に付与されるため、予備的な解繊の効率性を高め、消費エネルギー量を低減することができる。
【００５２】
また、化学的処理工程と粗解繊処理工程とを重複して行うこともできる。例えば、酸、酵素、酸化剤等が添加されたパルプスラリーを粗解繊処理工程に供することで、化学的処理と粗解繊処理とを同時に行うことができる。
【００５３】
前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維のファイン率の下限は、６０％であり、７０％が好ましく、７５％がより好ましい。また、このファイン率の上限は、９０％であり、８５％が好ましい。このファイン率を上記下限以上とすることで、十分な前処理（解繊）が進んだパルプ繊維となり、微細化工程において効率的に更なる微細化を行うことができる。また、ファイン率を上記下限以上とすることで、微細化工程において高圧ホモジナイザーを用いて処理した際、パルプ繊維の流路内での詰まりの発生を低減することもできる。一方、このパルプ繊維のファイン率が上記上限以下とすることで、過剰に前処理、特に粗解繊処理工程を施すことを抑制することができ、製造工程全体としての、省エネルギー化及び高効率化を図ることができ、セルロースナノファイバーの生産性を高めることができる。ここで「ファイン率」とは、繊維長が０．２ｍｍ以下、かつ繊維幅が７５μｍ以下であるパルプ繊維の質量基準の割合をいう。このファイン率は、バルメット社製の繊維分析計「ＦＳ５」によって測定することができる。繊維分析計「ＦＳ５」は、希釈したセルロース繊維が繊維分析計内部の測定セルを通過する際の画像分析により高い精度でセルロース繊維の長さ、幅を測定できる。
【００５４】
なお、前処理工程と微細化工程との間に、パルプ繊維のファイン率を測定するファイン率測定工程を設けてもよい。
【００５５】
このファイン率は、前処理工程、特に粗解繊処理工程における処理量などによって調整することができる。例えば、リファイナーによる処理時間を長くすることや、リファイナーによる処理の際、ディスク（プレート）の間隔（クリアランス）を狭くする、ディスクの刃幅、溝幅、刃の高さ、刃の交差角度、ディスクのパタ−ンの組み合わせなどによって、ファイン率を高めることができる。
【００５６】
前処理工程を経て微細化工程に供されるパルプ繊維の平均繊維長としては特に限定されないが、下限としては、０．１５ｍｍが好ましく、０．２ｍｍがより好ましく、０．２５ｍｍがさらに好ましい。一方、この上限としては、０．５ｍｍが好ましく、０．４ｍｍがより好ましい。このような繊維長のパルプ繊維を微細化工程に供することで、製造工程全体としての省エネルギー化及び高効率化を図ることができ、セルロースナノファイバーの生産性を高めることができる。
【００５７】
＜微細化工程＞
微細化工程は、前処理された上記パルプスラリー中のパルプ繊維を高圧ホモジナイザーにより微細化する工程である。本工程を経ることによりセルロースナノファイバーを得ることができる。
【００５８】
微細化工程に供するパルプスラリーのパルプの下限としては、０．１質量％が好ましく、０．２質量％がより好ましい。一方、この上限としては、８．０質量％が好ましく、７．０質量％がより好ましい。上記範囲のパルプ繊維の固形分濃度とすることで、パルプスラリーが好適な粘度となるため、高圧ホモジナイザーを用いた機械的処理によりパルプ繊維が効率的に解繊される。
【００５９】
＜その他の工程＞
微細化工程を経て得られたセルロースナノファイバーは、必要に応じて、改質処理工程や乾燥工程に供することができる。
【００６０】
このようにして得られたセルロースナノファイバーは、ろ過材、ろ過助剤、イオン交換体の基材、クロマトグラフィー分析機器の充填材、樹脂及びゴムの配合用充填剤、化粧品配合剤、粘度保持剤、食品原料生地の強化剤、水分保持剤、食品安定化剤、低カロリー添加物、乳化安定化助剤などの用途に広く用いることができる。
【００６１】
［その他の実施形態］
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６２】
上記実施形態においては、セルロースナノファイバーの製造装置１が２台のリファイナーを備えていたが、３台以上のリファイナーを備えることにより、より連続的にパルプ繊維の微細化処理を行うようにしてもよい。
【００６３】
上記実施形態においては、リファイナーとしてシングルディスクリファイナー（ＳＤＲ）を用いていたが、その他の公知のリファイナーとしてコニカルディスクリファイナーやダブルディスクリファイナーを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明のセルロースナノファイバーの製造装置及びセルロースナノファイバーの製造方法によれば、機械的処理回数を減らし、省エネルギーで効率的にセルロースナノファイバーを製造することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１    セルロースナノファイバーの製造装置
５、６，７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４    移送管
２０、２２、２４    タンク
２１、２３、２５    攪拌機
３０、３１、３２    ポンプ
３５、３６、３８、３９    二方弁
４５ａ    固定刃部材
４５ｂ    回転刃部材
４６ａ    固定刃
４６ｂ    回転刃
４７    貫通孔
４８    支持部
４９    溝
５０    上流側リファイナー
６０    下流側リファイナー
５１    回転ディスク
５２    ナット
５３    希釈水投入口
５４    排出口
５５    回転軸
５６    投入口
５７    解繊室
５９    ボルト
【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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