(57)【要約】【課題】高い生産性で解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態でナノ微細化品を得ることができるナノ微細化品の製造装置を提供する。【解決手段】多糖スラリをチャンバー２ａ，２ｂを介して多糖スラリ供給経路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内の多糖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。一方、非多糖スラリをチャンバー２ａ，２ｂ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内の非多糖スラリを熱交換器１２、プランジャ１３を通過させて循環路内を循環させる。これにより、多糖スラリ供給経路３内を循環してチャンバー２ａ，２ｂ内を流通する多糖スラリに対して第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリがオリフィス噴射される。【選択図】図１
2015143403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の液状媒体供給経路と、前記第１の液状媒体供給経路と交差する方向に配置される第２の液状媒体供給経路とを有し、前記第１の液状媒体供給経路に多糖スラリを供給する多糖スラリ供給部を設け、前記第２の液状媒体供給経路に液状媒体をオリフィス噴射する一対のオリフィス噴射部を設けてなり、前記一対のオリフィス噴射部各々からのオリフィス噴射が前記第１の液状媒体供給経路を貫通すると共に、前記一対のオリフィス噴射部が各々のオリフィス噴射方向が対向する様に配置されてなることを特徴とするナノ微細化品の製造装置。
【請求項２】
前記オリフィス噴射部からのオリフィス噴射が前記第１の液状媒体供給経路を貫通する角度が、前記第１の液状媒体供給経路を流通する多糖スラリの流れと対向する方向に多糖スラリの流通方向に対して、５°以上１７５未満の傾きを有するように設定される請求項１に記載のナノ微細化品の製造装置。
【請求項３】
前記第１の液状媒体供給経路及び／又は前記第２の液状媒体供給経路が循環経路である請求項１〜請求項２のいずれか一に記載のナノ微細化品の製造装置。
【請求項４】
前記オリフィス噴射部に液状媒体の加圧部を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一に記載のナノ微細化品の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノ微細化品の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルロースは、天然で繊維形態として、植物、例えば、広葉樹や針葉樹などの木本植物、及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等によって産生されることが知られている。このセルロース分子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ぶ。特に繊維幅が１００ｎｍ以下でアスペクト比が１００以上のセルロースファイバーは一般的にセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）と呼ばれ、軽量、高強度、低熱膨張率等の優れた性質を有する。
【０００３】
天然においてＣＮＦは、酢酸菌に代表される一部の菌類等によって産生されたＣＮＦを除くと、単繊維として存在しない。ＣＮＦの殆どはＣＮＦ間の水素結合に代表される相互作用によって強固に集合したマイクロサイズの繊維幅を有した状態で存在する。そのマイクロサイズの繊維幅を有した繊維もさらに高次の集合体として存在する。
【０００４】
製紙の過程では、これらの繊維集合体である木材を化学パルプ化法の一つであるクラフト蒸解法に代表されるパルプ化法によって、マイクロサイズの繊維幅を有するパルプの状態にまで解繊し、これを原料に紙を製造している。このパルプの繊維幅は、原料によって異なるが、広葉樹を原料とした晒クラフトパルプで５−２０μｍ、針葉樹を原料とした晒クラフトパルプで２０−８０μｍ、竹を原料とした晒クラフトパルプで５−２０μｍ程度である。
【０００５】
前述のとおりこれらマイクロサイズの繊維幅を有するパルプは、ＣＮＦが水素結合に代表される相互作用によって強固に集合した繊維状の形態を有する単繊維の集合体であり、さらに解繊を進めることによってナノサイズの繊維幅を有するＣＮＦを得ることができる。
【０００６】
このＣＮＦの物理的調製方法として特許文献１には破砕型ホモバルブシートを備えたホモジナイザーで原料繊維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記載されている。図３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原料繊維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ミクロフィブリル化が行われる。特に、ホモバルブシート内の流路１０４を通過した分散液がホモバルブシート１０５とホモバルブ１０６とで形成された間隙を通過する際に、分散液の流速が急激に上昇するのに伴って、前記間隙を通過した分散液のキャビテーションが激しくなり、小径オリフィス１０２内での壁面との衝突力の上昇や気泡の崩壊により原料繊維１０１の均一なミクロフィブリル化を実現しているものとされる。
【０００７】
さらにＣＮＦの物理的調製方法である水中対向衝突法は、特許文献２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４：１０７）内で相対する二つのノズル（図４：１０８ａ，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４）。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４に示される装置は液体循環型となっており、タンク（図４：１０９）、液状媒体の加圧部であるプランジャ（図４：１１０）、対向する二つのノズル（図４：１０８ａ，１０８ｂ）、必要に応じて熱交換器（図４：１１１）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４：１０８ａ，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ナノ微細化品を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−３６５１８
【特許文献２】特開２００５−２７０８９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示すホモジナイズ処理法では、ホモバルブシート１０５とホモバルブ１０６との間の小径オリフィス１０２の部分にパルプが詰まりやすくホモバルブ１０６を挿入したり引き出したりする自動制御で圧力調整しているため品質が安定しないという問題がある。つまり超高圧で開放されるものと低圧力で開放されるものがあり、品質にバラつきが生じる。
【００１０】
特許文献２に示した水中対向衝突法による場合、ナノ微細化されていないパルプがプランジャ内など各部所を通過するためパルプ原料による閉塞が生じ、これがトラブルの原因となるという問題があった。また２本の相対するノズルから噴射して衝突させる水中対向衝突法の場合、片側のノズルが閉塞した場合でも、すぐにはプロセスの異常としての外観が生じることはなく、そのため発見が遅れ品質が悪化する問題があった。また、水中対向衝突法の場合、２本のノズルから噴射するため、高圧力を得るにはノズル径を細くする必要が生じ、原料による閉塞を生じやすくなっていた。そこで、この対策として予めパルプを粗粉砕する前処理が必要であった。しかし前処理により機械的なダメージを与えることで重合度の低下を招いていた。
【００１１】
本発明は、以上の従来技術に於ける問題に鑑み、高い生産性で解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態でナノ微細化品を得ることができるナノ微細化品の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち本発明のナノ微細化品の製造装置は、第１の液状媒体供給経路と、前記第１の液状媒体供給経路と交差する方向に配置される第２の液状媒体供給経路とを有し、前記第１の液状媒体供給経路と交差する方向に液状媒体をオリフィス噴射するオリフィス噴射部を前記第２の液状媒体供給経路に設けてなり、前記第１の液状媒体供給経路に多糖スラリを供給する多糖スラリ供給部を設けると共に前記第２の液状媒体供給経路に水を供給可能にしてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のナノ微細化品の製造装置によれば、高い生産性で解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態で多糖由来のナノ微細化品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態のナノ微細化品の製造装置の概念図である。
【図２】図１に示す本実施の形態のナノ微細化品の製造装置の一部を拡大して示す概念図である。
【図３】従来法の説明図。
【図４】従来法の他の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のナノ微細化品の製造装置の実施の形態につき説明する。図１に示すように本実施の形態のナノ微細化品の製造装置１は、一対のチャンバー２ａ、２ｂを貫通して多糖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多糖スラリ供給経路３と、例えば水である非多糖スラリをチャンバー２ａ、２ｂを介して循環させる第２の液状媒体供給経路４とよりなる。
【００１６】
多糖スラリ供給経路３は多糖スラリ供給経路３ａ及び多糖スラリ供給経路３ｂに分岐してそれぞれ対応するチャンバー２ａ、２ｂを通過する。チャンバー２ａ、２ｂ内には第２の液状媒体供給経路４の非多糖スラリを多糖スラリ供給経路３からの多糖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５ａ，５ｂを備える。本実施の形態では多糖スラリ供給経路３は、図１に示すようにチャンバー２ａ、２ｂを介して多糖スラリを循環することを可能とするように配置される。
【００１７】
本実施の形態では多糖スラリ供給経路３と第２の液状媒体供給経路４とはチャンバー２ａ、２ｂ内に相互の交差部６ａ，６ｂを有する。多糖スラリ供給経路３は多糖スラリ供給部であり多糖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は合流チャンバ９ａ、タンク１０、ポンプ１１、熱交換器１２、高圧シリンダ１５、プランジャ１３を循環路に配置してなる。
【００１８】
なお多糖スラリを形成する多糖は繊維状多糖であるパルプとし、係るパルプとしては、広葉樹や針葉樹といった木本植物、竹や葦といった草本植物を原料とした化学パルプ、機械パルプ及び古紙を用いることができる。また本発明の表現において非多糖スラリは、例えば水であり、当初タンク１０に収納され、その後本発明のナノ微細化品の製造装置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多糖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。かかる指称はタンク７に収納されて循環路９を循環する多糖スラリではないことを明確にするための指称であり、繊維状多糖若しくは微細化された繊維状多糖を含有しないということを意味するものではない。
【００１９】
図２に示すようにチャンバー２を貫通する態様で多糖スラリ供給経路３の循環路９が配置され、これと交差する方向に非多糖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５ａ，５ｂのオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂがチャンバー２ａ、２ｂ各々の内側において開口する。チャンバー２ａ、２ｂ各々のオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂと対向する位置にチャンバー２ａ、２ｂの排出口１５ａ，１５ｂが設けられる。このチャンバー２ａ、２ｂの排出口１５ａ，１５ｂにはオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂに比べさらに大きな絞りが形成されたオリフィス噴射口１６ａ，１６ｂが設けられる。
【００２０】
以上の非多糖スラリをオリフィス噴射して循環路９を貫通させる角度は、循環路９を流通する多糖スラリの流れと対向しない方向に多糖スラリの流通方向に沿って、５°〜９０°とすることによって、オリフィス噴射される非多糖スラリに循環路９を流通する多糖スラリを効率よく巻き込むことができる。１５°〜８５°とすることによってさらに効率が向上する。一方、非多糖スラリをオリフィス噴射して循環路９を貫通させる角度を、循環路９を流通する多糖スラリの流れと対向する方向に多糖スラリの流通方向に対して、５°以上９０°未満とした場合には、多糖スラリに非多糖スラリが衝突するエネルギを多糖の解繊に効率よく活用することができる。１５°〜８５°とすることによってさらに効率が向上する。したがって以上の各場合を総合し、非多糖スラリをオリフィス噴射して循環路９を貫通させる角度を、循環路９を流通する多糖スラリの流れと対向する方向に多糖スラリの流通方向に対して、５°以上１７５°未満の傾きを有するように設定する。
【００２１】
一方、多糖スラリ供給経路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１７ａ，１７ｂ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１８ａ，１８ｂが取りつけられる。加えてチャンバー２と一方向弁１８ａ，１８ｂの間の循環路９にはエア吸入弁１９ａ，１９ｂが取りつけられ、このエア吸入弁１９ａ，１９ｂ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。
【００２２】
以上の実施の形態のナノ微細化品の製造装置によれば以下のようにしてナノ微細化品が製造される。
非多糖スラリをチャンバー２ａ，２ｂ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内の非多糖スラリを熱交換器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、多糖スラリをチャンバー２ａ，２ｂを介して多糖スラリ供給経路３ａ，３ｂ内を循環させる。具体的にはポンプ８を用いてタンク７内の多糖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。
【００２３】
これにより、多糖スラリ供給経路３ａ，３ｂ内を循環してチャンバー２ａ，２ｂ内を流通する多糖スラリに対して第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖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１４ａ，１４ｂから循環路９に向けてオリフィス噴射される。
【００２４】
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、２６ｂを通過して、循環路９と交差する方向に循環路９内側を通過した非多糖スラリが循環路９内を循環する多糖スラリを巻き込みながらチャンバー２ａ，２ｂの排出口１５に向けて排出される。さらにその多糖スラリ供給経路３ａ，３ｂを貫通した非多糖スラリはオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂに比べさらに大きな絞りが形成されたオリフィス噴射口１６ａ，１６ｂからオリフィス噴射される。このオリフィス噴射口１６ａ，１６ｂは各々チャンバー２ａ、２ｂ内側に相互に対向する様に配置されており、その結果、オリフィス噴射口１４ａ，１４ｂに比べさらに大きな絞りが形成されたオリフィス噴射口１６ａ，１６ｂからオリフィス噴射される非多糖スラリは衝突し、合流チャンバ９ａで合流し、熱交換器１２、タンク１０、ポンプ１１、高圧シリンダ１５、プランジャ１３を通過して第２の液状媒体供給経路４内を再度循環する。
【００２５】
以上の過程において、プランジャ１３は非多糖スラリの吸い込みと吐出とを同時に行うことを可能にしてなるため、プランジャ１３が非多糖スラリの吸い込みと吐出とを交互に行う場合に比較して、プランジャ１３に接続されるオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂから循環路９に向けて間断や脈動のない連続的なオリフィス噴射が行われる。
【００２６】
また以上の実施の形態のナノ微細化品の製造装置によるナノ微細化品の製造は以下の各態様を組み合わせて行うことができる。
（A）一方向弁１７ａ，１７ｂ及び一方向弁１８ａ，１８ｂを開弁状態とし、エア吸入弁１９ａ，１９ｂを閉止する。
この場合、多糖スラリをチャンバー２ａ，２ｂを介して多糖スラリ供給経路３内を連続的に循環させる状態で第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリが連続的にオリフィス噴射される。さらにその多糖スラリ供給経路３を貫通した各々のオリフィス噴射を相互に対向衝突させる。その第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリの流速をあらかじめ把握しておくことによって、操業時間との関係で循環回数を決定することができる。
【００２７】
（B）一方向弁１７ａ，１７ｂを開弁状態とし、一方向弁１８ａ，１８ｂ及びエア吸入弁１９ａ，１９ｂを閉止する。
この場合、多糖スラリがチャンバー２ａ，２ｂ内に流入可能な状態ではあるものの多糖スラリ供給経路３内を循環しない状態で第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリが連続的にオリフィス噴射される。その結果、非多糖スラリが循環路９内の多糖スラリを連続的に巻き込みながらチャンバー２ａ，２ｂ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。巻き込まれて流出した分の多糖スラリは常時タンク７内から補給される。
【００２８】
（C）一方向弁１８ａ，１８ｂを開弁状態とし、一方向弁１７ａ，１７ｂ及びエア吸入弁１９ａ，１９ｂを閉止する。この場合、多糖スラリがチャンバー２ａ，２ｂ内に流入不能で多糖スラリ供給経路３内を循環しない状態で第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリが連続的にオリフィス噴射される。その結果、非多糖スラリが循環路９内の多糖スラリを巻き込むことはなくチャンバー２ａ，２ｂ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。
【００２９】
したがって前述の（A）の態様の操業を１パス以上行った後にこの（C）の態様の操業状態に切り替えることによって、（A）の態様の操業によって第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリに多糖スラリ供給経路３内を連続的に循環する多糖スラリから巻き込まれ微細化された繊維状多糖が、第２の液状媒体供給経路４を循環してオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂから循環路９に向けて連続的にオリフィス噴射されて、そのオリフィス噴射のエネルギーによって徐々に微細化され、水のみを使用して繊維間の相互作用のみを解裂させることによって解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態でナノ微細化品を得る操業が可能となる。
【００３０】
（D）一方向弁１７ａ，１７ｂ、一方向弁１８ａ，１８ｂ及びエア吸入弁１９ａ，１９ｂを閉止する。この場合、多糖スラリがチャンバー２ａ，２ｂ内に流入不能で多糖スラリ供給経路３内を循環しない状態で第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリが連続的にオリフィス噴射される。その結果、非多糖スラリが循環路９内の多糖スラリを巻き込むことはなくチャンバー２ａ，２ｂ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。
【００３１】
したがって前述の（C）の態様の操業と同様に前述の（A）の態様の操業を１パス以上行った後にこの（D）の態様の操業状態に切り替えることによって、（A）の態様の操業によって第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリに多糖スラリ供給経路３内を連続的に循環する多糖スラリから巻き込まれ微細化された繊維状多糖が、第２の液状媒体供給経路４を循環してオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂから循環路９に向けて連続的にオリフィス噴射されて、そのオリフィス噴射のエネルギーによって徐々に微細化され、水のみを使用して繊維間の相互作用のみを解裂させることによって解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態でナノ微細化品を得る操業が可能となる。
【００３２】
（E）一方向弁１７ａ，１７ｂ及び一方向弁１８ａ，１８ｂを閉止し、エア吸入弁１９ａ，１９ｂを開弁状態とする。この場合、多糖スラリがチャンバー２ａ，２ｂ内に流入不能で多糖スラリ供給経路３内を循環しない状態で第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリが連続的にオリフィス噴射される。その結果、非多糖スラリが循環路９内の多糖スラリを巻き込むことはなくチャンバー２ａ，２ｂ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。その過程でオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂから循環路９に向けて連続的に行われるオリフィス噴射によってビニルホース、ゴムホース等を用いて形成された循環路９の一方向弁１７ａ，１７ｂ及び一方向弁１８ａ，１８ｂ間には負圧が発生し、その負圧によってエア吸入弁１９ａ，１９ｂから外気が吸入されて第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリに外気の巻き込みが行われる。
【００３３】
したがって前述の（A）の態様の操業を１パス以上行った後にこの（E）の態様の操業状態に切り替えることによって、（A）の態様の操業によって第２の液状媒体供給経路４を循環する非多糖スラリに多糖スラリ供給経路３内を連続的に循環する多糖スラリから巻き込まれ微細化された繊維状多糖が、第２の液状媒体供給経路４を循環してオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂから循環路９に向けて連続的にオリフィス噴射されて、そのオリフィス噴射のエネルギーによって徐々に微細化される。その過程で、この（E）の態様の操業状態では水と水に巻き込まれた気泡の崩壊のみを使用して繊維間の相互作用のみを解裂させることによって解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態で効率よくナノ微細化品を得る操業が可能となる。
【００３４】
以上の（A）〜（E）の操業態様はチャンバー２ａ，２ｂ各々で同様の操業が行われる態様であるが、必要に応じてチャンバー２ａで（A）の操業態様とし、チャンバー２ｂで（B）の操業態様とする等、異なる操業態様とすることも可能である。またその操業態様は操業過程で変更させることも可能であり、それにより極めて多様な特性を備えるナノ微細化品を製造することができる。
【００３５】
以上の本実施の形態のナノ微細化品の製造装置によれば、プランジャ１３にナノ微細化前の繊維状多糖原料、すなわちタンク７内の多糖スラリを通す必要がなくなったため、原料による閉塞が解消する。
【００３６】
加えて、通常の運転ではノズル系を通過するのは水およびナノ微細化されたセルロースであり、繊維状多糖原料が混入することがなく、ノズルの閉塞を解消することができる。さらに、ノズル径すなわちオリフィス噴射口１４ａ，１４ｂの径は従来法では０．６ｍｍ以下とする必要があったのに対し、本実施の形態のナノ微細化品の製造装置では０．８ｍｍとしても高圧状況を得ることができる。
【００３７】
なお以上の実施の形態では循環路９をビニルホース、ゴムホース等を用いて形成する態様を説明したが、循環路９をステンレス製とすることも可能であり、その材質に特段の制限はない。
【符号の説明】
【００３８】
２・・・チャンバー、４・・・液状媒体供給経路、８，１１・・・ポンプ、７，１０・・・タンク、１２・・・熱交換器、９・・・循環路、３・・・多糖スラリ供給経路、１４・・・オリフィス噴射口、２６ａ、ｂ・・・貫通孔。
【図１】
2015143403.tif 000003
【図２】
2015143403.tif 000004
【図３】
2015143403.tif 000005
【図４】
2015143403.tif 000006