(57)【要約】【課題】本発明は、ナノファイバー５、特にナノセルロース６を、繊維３，４を含む繊維混合物２から製造する製造装置１および製造方法に関する。【解決手段】製造装置１は、繊維混合物２の流路の吐出口１２を備えた少なくとも１つの吐出部１１を含む。製造装置１は、また、吐出部１１に対して所定の処理圧力で繊維混合物２を供給する少なくとも１つの供給装置１９を含む。製造装置１は、さらに、吐出部１１の位置決めを行う少なくとも１つの位置決め装置１８を含む。製造装置１においては、繊維混合物２を分解するため、可動処理部材７が、吐出部１１に対向して設けられている。吐出部１１を経た繊維混合物２の流路上において、可動処理部材７の繊維混合物２がぶつかる部分表面１０と吐出部１１との間にスリット状の処理領域１６が形成される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維混合物からナノセルロースを製造する製造装置であって、
繊維混合物を吐出するための吐出口を有する少なくとも１つの吐出部と、
あらかじめ設定可能な処理圧力で、前記吐出部における繊維混合物の供給を行う少なくとも１つの供給部と、
前記吐出部を位置決めするための少なくとも１つの位置決め装置と、
繊維混合物を分解するため、前記吐出部に対向する位置に配置された可動処理部材と、
を備え、
前記吐出部からの前記繊維混合物の吐出時に、前記可動処理部材上に前記繊維混合物がぶつかる部分領域と前記吐出部との間にスリット状の処理領域が形成される製造装置。
【請求項２】
前記可動処理部材は、駆動ユニットにより前記吐出部の軸に対して垂直な駆動方向に駆動可能に形成された請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
前記可動処理部材は、円盤状、円柱状または、円錐状のような回転対称に形成され、または、チェーンやベルトのように、帯状に形成された請求項１または２に記載の製造装置。
【請求項４】
前記可動処理部材は、前記吐出部に対して垂直をなすように横方向に回転可能な円盤形状に形成された請求項１から３のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの位置決め装置は、前記回転軸から前記吐出部までの半径方向の距離を設定するため、円盤形状に形成された前記可動処理部材の回転軸に対し、平行に移動可能に形成された請求項４に記載の製造装置。
【請求項６】
前記吐出部は、前記処理領域における流体軸受を形成するため、前記吐出口の周りに機能表面を、少なくとも一部に備えた請求項１から５のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項７】
前記可動処理部材は、駆動ユニットにより前記吐出部の軸に対して垂直な駆動方向に駆動可能に形成され、
前記機能表面は、断面方向よりも、前記駆動方向により長く延設された請求項６に記載の製造装置。
【請求項８】
前記機能表面は、前記可動処理部材の前記繊維混合物との接触面に対して追従する形状に形成された請求項６または７に記載の製造装置。
【請求項９】
前記吐出部は、前記可動処理部材の表面と、前記吐出部の軸とがなす角度を調整可能に形成された請求項１から８のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項１０】
前記位置決め装置は、
前記可動処理部材上の前記繊維混合物との接触面と前記吐出部との間隙
および
前記可動処理部材の表面の法線と、前記吐出部の軸とがなす角度
の少なくともいずれか一方を調整可能に形成された請求項１から９のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項１１】
前記吐出部の端部は、前記可動処理部材上の前記繊維混合物との接触面に対向し、前記接触面に対して少なくとも部分的に移動可能に設けられた請求項１から１０のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項１２】
前記吐出部は、少なくとも２つ設けられ、前記可動処理部材に対して、周方向および半径方向の少なくともいずれか一方の方向に、対象となる位置に、それぞれ配置された請求項１から１１のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの吐出部は、第１吐出部と、第２吐出部とを含み、
前記第１吐出部は、前記可動処理部材の第１表面領域に対向するように配置され、
前記第２吐出部は、前記可動処理部材の前記第１表面領域とは逆側の第２表面領域に対向するように配置された請求項１２に記載の製造装置。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの吐出部は、前記可動処理部材の回転方向および前記回転方向に垂直な方向の少なくともいずれか一方に沿って配置された請求項１２または１３に記載の製造装置。
【請求項１５】
前記可動処理部材は、ハウジングに設けられた接触シール部材または非接触シール部材によって前記駆動ユニットからシールされている請求項２に記載の製造装置。
【請求項１６】
繊維混合物からナノセルロースを製造する製造方法であって、
請求項１から１５のいずれか１項に記載の製造装置を用意するステップと、
少なくとも水とパルプとを含む前記繊維混合物を用意するステップと、
少なくとも１つの吐出部に対して所定の相対速度で可動処理部材を動作させるステップと、
所定の処理圧力で、前記吐出部で前記繊維混合物をプレスする圧縮ステップと、
前記可動処理部材において前記繊維混合物がぶつかる部分表面と、前記吐出部との間で、繊維を分解するためのスリット状処理領域を形成して、前記繊維混合物を処理するステップと、
を備えた製造方法。
【請求項１７】
前記可動処理部材は、駆動ユニットによって動作し、動作方向は、横方向であって、前記吐出部の吐出方向に対して垂直な方向である請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの吐出部は、吐出口と、少なくとも部分的に設けられた機能表面とを備え、前記吐出部と前記部分表面との間に、流体軸受が形成されるように、前記吐出部を配置した請求項１６または１７に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記スリット状処理領域に形成されたせん断力が設定通りになるように、前記可動処理部材の前記相対速度が制御される請求項１６，１７または１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記少なくともの１つの吐出部と前記部分表面との間に形成された開口距離は、可動処理部材の圧縮力の設定のために、少なくとも１つの位置決め装置によってコントロールされる請求項１６から１９のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの吐出部の軸の角度は、少なくとも１つの位置決め装置によってコントロールされる請求項１６から２０のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記繊維混合物を供給する前に、リファイナーにおけるグラインディングプロセス中に、化学的前処理、酵素的前処理および機械的前処理の少なくともいずれか１つの前処理を前記繊維混合物に施す請求項１６から２１のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項２３】
前記繊維混合物の少なくとも一部に対して、繰り返し、前記圧縮ステップを実行する請求項１６から２２のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維含有物質、主にパルプおよび／またはセルロースの混合物からナノファイバー、特にナノセルロースを製造するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日まで、ナノセルロースの生産のため、天然原料、主にセルロースやパルプからナノファイバーの生産を行うさまざまなデバイスおよび方法が開発されてきた。専門家による文献では、マイクロファイバーやナノファイバーとして、例えば、ミクロフィブリル化セルロース（MFC）や、ナノフィブリル化ファイバーやナノフィブリル化セルロース（NFC）などの、多くの異なる用語が使用されている。そのような材料は、多くの技術分野で、ますます使用されるようになってきており、例えば補強材料として、あるいは紙や段ボールなどの保護層として使用されている。
【０００３】
繊維、特にセルロースの処理は、細胞壁のフィブリル化とナノファイバー、特にナノセルロースの露出によって行われる。その結果、主に繊維の長さに沿って分解され、繊維が断面方向に短くなることはあまりない。
【０００４】
とりわけ、最先端のマイクロフルイダイザーは、ナノセルロースの製造によく用いられる。特許文献１に開示されたマイクロフルイダイザーは、セルロースをナノセルロースへフィブリル化することを目的として、一次繊維含有流体流を二次繊維含有流体流と交差させる。これにより、繊維は、高圧下において、固定された内部形状を持つマイクロチャネルに導かれる。そこで、剪断力と衝撃力が加えられて、繊維の細胞壁が壊される。
【０００５】
ナノセルロースを製造するための別の方法は、特許文献２に開示されているような、ホモジナイザーの形態で実施する方法である。この方法によれば、繊維含有物質の混合物は、数ミクロン幅しかない均質化ギャップを通して放射状に押し付けられた後、半径方向外側に配置されたインパクトリングに押し付けられるように、バルブシートを通して高圧で押し付けられる。このような高圧ホモジナイザーの動作は、流体の速度の変化による繊維の剪断に基づいており、衝撃力はインパクトリングおよびキャビテーションに加えられる。
【０００６】
例えば、特許文献３に示されているように、リファイナーを使用して、またはさらに粉砕機をも使用してナノセルロースを製造することもできる。リファイナーでは、通常、互いに接続された2つの粉砕プレートが粉砕ギャップを形成し、繊維混合物を含む混合物は、粉砕プレートの中央でプレスされる。十分に湿潤した粉砕プレートが逆方向に動くことにより、ファイバーをナノファイバーに分解する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許公報 EP3088605A1
【特許文献２】特開2013-04142号公報
【特許文献３】国際公開W02013072558A 1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでの方法や装置には、大量のエネルギーが必要で、バルブシート、チャネル、ノズルなどの狭い場所で閉塞されるために中断処理が必要になる傾向があった。さらに、既知の装置は、低いエネルギーで、大量の繊維含有繊維混合物を処理してナノファイバー、特にナノセルロースを製造するためのには適していない。
【０００９】
以下の説明の中で、主に製紙パルプ業界の例を使用して、繊維のナノファイバーへの分解の原理を説明する。しかしながら、本発明の装置および関連するプロセスは、植物繊維に論理的に使用できるだけでなく、ホヤからの繊維または合成起源などの動物起源の繊維含有繊維混合物にも同様に使用できる。
【００１０】
本発明の目的は、主にナノセルロースを製造するため、繊維混合物から繊維、特にセルロースを分離を行うにあたり、現在の技術の不利な点を克服し、ユーザが簡単でエネルギー効率がよく、実用的な分解を実行できるデバイスとプロセスを利用可能にすることである。本発明の他の目的は、プロセスの信頼性を高め、詰まりを最小限に抑えるか、またはそれらを完全に回避すること、および大量の繊維含有物質、特にパルプを処理できるようにすることである。さらに、本発明は、処理後の混合物の均一性の増加や連続生産の保証の基礎を形成する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、特許請求の範囲に記載された装置およびプロセスによって達成される。
【００１２】
本発明において、分解すべき繊維、特にセルロースまたはパルプは、液体成分、特に水との混合物の形態で利用可能である。繊維混合物は、様々な直径や長さを有する繊維を含む。分解済みの繊維が繊維混合物に含まれてもよい。分解されるべき繊維は、典型的には直径が１０〜１００ｎｍで長さが０．５〜１０μｍである多数のミクロフィブリルを含んでもよい。
【００１３】
本発明の範疇において、ナノファイバーは、主に、約５〜３０ｎｍの厚みまたは直径を有し、より大きく伸びることもできるファイバーやミクロフィブリルの細長い構成要素であると理解される。ナノファイバーの厚みに対する伸びの比率は、「アスペクト比」として表すことができ、通常は５０を超える。
【００１４】
本発明にかかる製造装置は、繊維混合物から、ナノ繊維（主にナノセルロース）を製造する装置であり、繊維混合物を通過させる吐出口を有する少なくとも１つの吐出部と、繊維混合物を所定の圧力で吐出部に供給する少なくとも１つの供給ユニットと、吐出部を位置決めするための少なくとも１つの位置決め装置とを含む。繊維混合物を分解するため、少なくとも１つの吐出部に対向する位置に可動処理部材が配置され、吐出部を通過した繊維混合物の流路上において、可動処理部材の繊維混合物がぶつかる部分表面と吐出部との間にスリット状の処理領域が形成される。
【００１５】
本発明にかかる製造方法は、上記製造装置を利用し、
上記製造装置を準備する準備ステップと、 
少なくとも1つの液体成分(好ましくは水)、および繊維(好ましくはパルプ)を含む繊維混合物の調製ステップと、
少なくとも１つの吐出部に対して所定の相対速度で可動処理部材を動作させるステップと、
所定の処理圧力で、前記吐出部で前記繊維混合物をプレスする圧縮ステップと、
可動処理部材に対して吐出部を位置決めすることにより、可動処理部材において繊維混合物がぶつかる部分表面と、吐出部との間で、繊維を分解するためのスリット状処理領域を形成して、繊維混合物を処理するステップと、を含む。
【００１６】
吐出部（すなわち吐出口）に対する可動処理部材の相対的な移動により、剪断場が少なくともスリット状処理領域に生成される。あらかじめ設定できる処理圧力により、処理エリアにおいて、流体と繊維混合物のそれぞれに速度変化が生じ、繊維混合物を連続的に流すことができる。その中の繊維は、剪断場において、細胞壁の分離により分解される。このプロセスでは、長い状態で分解されたり、不十分に分解されたりして、それぞれ処理された繊維や他の分裂性材料を、可動処理部材の相対移動によって処理領域から排出し、製造装置のつまりを防ぐことができる。
【００１７】
したがって、比較的大量の繊維混合物を処理することができ、処理後の繊維混合物の均一性を高めることができる。
【００１８】
さらに、本発明による装置は、複雑な構成要素が排除されるので、比較的シンプルかつコスト効率よく製造および操作することができる。摩耗の可能性のある部品には比較的簡単にアクセスでき、低コストで交換できるため、稼働時間を大幅に延長できる。
【００１９】
リファイナのような既知の構成では、繊維混合物に完全に浸漬され、互いに対して可動である、カウンターボディの動きのための比較的高い無負荷電力が必要である。本発明は、可動処理部材の部分表面が繊維混合物から受ける力が比較的小さく、それ故、特に高いエネルギー効率を達成することができるという点で、特に単純に従来技術と区別される。処理された繊維混合物は、処理領域を離れる際に大きく加速されるが、可動処理部材や吐出部の少なくとも一部を取り囲むハウジングによって、簡単な方法で、処理後の繊維混合物を収集することができる。したがって、可動処理部材の一部は繊維混合物と直接接触していない。したがって、可動処理部材を動かす際の抵抗を低くすることができ、無負荷電力をセーブして、全体の消費電力を大幅に削減できる。
【００２０】
したがって、本発明にかかる製造装置および製造方法は、合成繊維や有機繊維を含む繊維混合物の処理に非常に適している。繊維混合物中の繊維の割合は、約0.1〜約25体積％、好ましくは１〜８体積％であり、タスクに合わせて選択できる。
【００２１】
吐出部から、対向する可動処理部材の部分表面上へ繊維混合物が吐出されることにより、可動処理部材が動く方向へ「受動的(passive)」な動作を開始することができる。
【００２２】
また、可動処理部材が、駆動ユニットによって、主に横方向に、好ましくは、吐出部の吐出部軸の１つに対して垂直をなす方向に、移動可能に形成されることも好適である。
【００２３】
これは「能動的（active）」な動作と呼べるものであり、可動処理部材が動く方向への動作を制御可能となる。「吐出部の軸」とは、主に、吐出口の中心を通る、吐出部の特定の長手方向の軸を指す。繊維分離処理において、可動処理部材は、主に横方向に、好ましくは、吐出部の軸に対して垂直な方向に動く。駆動ユニットによって可動処理部材の動作を指導させ、制御してもよい。このようにして、相対速度、したがって、処理領域における剪断力の大きさを比較的簡単に設定することができる。
【００２４】
原則として、可動処理部材に繊維混合物がぶつかる部分表面に対して特定の角度で、繊維混合物の流れの方向とは本質的に反対の方向に可動処理部材を動かすことができる。
【００２５】
さらに、可動処理部材は、円盤状、円柱状または、円錐状のような回転対称に形成されてもよいし、チェーンやベルトのように、帯状の形成されてもよい。
【００２６】
このような可動処理部材の形状は、空間的な条件、繊維混合物の供給速度および駆動力などを考慮に入れて、当業者が選択することができる。ただし、場合によっては、帯状の可動処理部材の一部の表面のみが繊維混合物と接触していることが、有利な場合がある。一方、可動処理部材が回転対称であれば、比較的単純な構造となり、非常に寸法的に安定して形成されることができる上に、いずれの場合も、繊維混合物に触れるのは、部分表面だけなので、動作のために過剰なエネルギーを消費することもない。
【００２７】
可動処理部材が、好適には吐出部に対して垂直なす、横方向に回転可能な円盤状であれば、特に利点が大きい。
【００２８】
円盤状または平板形状であれば、低コストで調達ができ、長い耐用年数を実現し、およびメンテナンス費用も低く抑えることができるという利点がある。
【００２９】
さらに、可動処理部材の回転軸から吐出部の軸まで半径方向の距離を設定するため、少なくとも１つの位置決め装置が、円盤に平行に移動するように構成されてもよい。
【００３０】
そのように位置決め装置を移動できる構成では、独立した、または追加の可能性として、回転軸までの半径距離に応じてさまざまな円周速度を設定できるため、処理領域での相対速度を比較的簡単に制御できる。特に「受動的」に駆動される可動処理部材では、剪断力を設定する効果的な方法であり、駆動ユニットの回転速度制御を補う方法として、または、駆動ユニットの回転速度制御の代わりに実装することができる。
【００３１】
さらなる研究によれば、吐出部は、吐出口側に、少なくとも部分的に、処理領域内に流体軸受を形成するための広範な機能表面を有することが可能である。吐出部は、一体的に形成されることが好ましいが、いくつかの部品から構成され、吐出部の端部が交換可能に形成されてもよい。
【００３２】
そのように実装された吐出部を使用することにより、流体軸受の形成を可能にし、それにより、吐出部は、繊維混合物がぶつかる部分表面から所定の動作距離で非接触で離間され得る。繊維混合物がぶつかる部分表面の形状およびサイズは、基本的に上記の機能表面に対応している。
【００３３】
これにより、吐出部を可動処理部材上で削ることなく、簡単な方法で、繊維の破砕に必要な剪断力や、繊維混合物のプロセス圧力や、吐出部の接触圧力などの好ましい圧力を増加させることができる。吐出部や機能表面の研削は、とりわけ、処理領域における流体くさびの形成によって回避することができる。
【００３４】
加えて、機能表面は、断面方向や流れに逆らう方向よりも、流れに沿った方向に長く広がっていることが好適である。
【００３５】
機能表面の形状を最適化することにより、機能表面の外周から放出される繊維混合物の均質化を図ることができる。このようにして、流体軸受の安定性も改善することができ、処理された繊維混合物の均質性や品質を改善することができる。
【００３６】
さらに、機能表面の形状と、可動処理部材の部分表面の形状とがが相補的に形成されてもよい。
【００３７】
特に、円盤状や円錐状をした可動処理部材の湾曲した内外面では、不均一な部分表面が形成する処理領域から吐出される繊維混合物の均一性が向上し、これにより、処理領域で処理されるべき繊維への局所的な剪断力や吐出速度が、機能領域全体において大きく均質化される。
【００３８】
さらに、可動処理部材の表面と、吐出部の中心軸とがなす角度が調整可能に形成されてもよい。
【００３９】
そのようにすれば、流体軸受を調整し安定化させることができる。さらに、特に「受動的に」動作する可動処理部材と吐出部とがなす角度を調整することにより、処理領域における相対速度や剪断力を設定することができる。このように角度を変えるやり方は実施が比較的簡単であり、安価に実施可能であり、処理された繊維混合物の品質の向上を可能にする。
【００４０】
特定の設計によれば、少なくとも１つの吐出部と可動処理部材の部分表面との間の距離や角度を設定できるように、少なくとも１つの位置決め装置を調整可能に構成することが可能である。
【００４１】
位置決め装置のみを単独で調整してもよいし、上記の角度や繊維混合物の処理圧力の設定などの他の手段と組み合わせて調整してもよい。
【００４２】
そうすることで、可動処理部材の相対速度を制御してスリット状の処理領域における剪断力を設定することができる。同様に、少なくとも１つの吐出部と対応する部分表面との間の作動距離を、少なくとも位置決め装置によって制御して、可動処理部材に働く圧縮力を調整することもできる。
【００４３】
これにより、例えば、吐出部の接触圧を正確に設定することができ、被処理繊維混合物の吐出速度の影響を受け、スリット状の処理領域における剪断力の大きさを正確に設定することができる。
【００４４】
また、流体軸受の流体くさびの形成のために、少なくとも１つの吐出部の軸の立体角が、少なくとも1つの位置決め装置によって制御されることが好ましい。
【００４５】
これにより、処理領域の剪断力を正確に調整することができる。さらに、この対策は、摩耗した吐出部や機能表面の補正に利用できる。これにより、摩耗部品の稼働時間および耐用年数にわたって、処理された繊維混合物の均一性や品質を向上させることができる。
【００４６】
少なくとも１つの吐出部の端部が、繊維混合物がぶつかる部分表面に対して、少なくとも部分的には柔軟に取り付けられることは、好適である。
【００４７】
吐出部の端部は、機能表面を含むことができ、それによって流体軸受の安定化が生じる。この吐出部の端部は、本質的に、吐出部のための一種の浮動軸受装置と同じくらい自由に移動可能に、または事前設定可能に形成することができ、それにより、吐出部や機能表面の摩耗の補償が可能になる。さらに、長い繊維または不十分に処理された繊維による閉塞を回避することができる。
【００４８】
少なくとも２つの吐出部が、可動処理部材に対して円周方向および／または半径方向に対称的に配置されるようにすることもできる。
【００４９】
それぞれが処理領域を形成する共通の可動処理部材を備えたいくつかの吐出部の配置により、繊維混合物のスループットを大幅に増加させることができる。これは、必要に応じて、動作中に１つまたは複数の吐出部を比較的容易に「オン／オフ」でき、個々の吐出部の保守作業が可能であるため、特に有利である。さらに、この測定値を使用して、プロセス圧力および/または接触圧力によって可動処理部材に加えられる曲げモーメントを最小化または完全に補正することもできる。これにより、より安定した低メンテナンス作業装置が可能になる。
【００５０】
さらに、少なくとも１つの第２吐出部を第１吐出部のほぼ反対側に配置することができ、それにより第１吐出部は可動処理部材の第１表面に対向し、第２吐出部はその第１表面の反対側にある第２表面に対向する。
【００５１】
ひとつの可動処理部材と共に、それぞれが処理領域を形成するいくつかの吐出部を使用することにより、繊維混合物のスループットを大幅に向上させることができる。 ２つの吐出部の対向配置によって、例えば、可動処理部材の駆動シャフトまたは可動処理部材自体に付与される曲げモーメントを軽減することができ、曲げモーメントをゼロにすることすら可能である。この方法は、可動処理部材が帯状、円柱状または円盤状など、回転対称形状の場合であって、吐出部が対向する部分表面が第１、第２表面のほぼ反対側にある場合に有利であり得る。
【００５２】
さらに、少なくとも２つの吐出部が、可動処理部材の移動方向に沿っておよび／または可動処理部材の移動方向に垂直に配置されてもよい。
【００５３】
ここで、少なくとも１つの方向において、吐出部が互い違いに配置される、すなわち、互いにオフセットして取り付けられることも考えられる。複数の吐出部を配置することで、共通の可動処理部材を使用できるため、生産性が向上する。この利点は、互いに反対側にある第１および第２表面に対して吐出部を配置する上述の場合と同様に、とりわけ、可動処理部材の駆動のための電力消費は、ほんの僅か増加するか、あるいは、増加が無視できるレベルであることがわかる。したがって、大量の繊維混合物を非常にエネルギー効率よくかつ費用効果的に同時に処理することができる。したがって、さらに多くの吐出部を円筒または円錐の周りに配置できることは容易に想像できる。これにより、吐出部は、基本的に、第１面、例えば、円柱状の可動処理部材の外面の反対側に配置することもでき、それによって、可動処理部材の駆動シャフト上の曲げモーメントを打ち消し合わせることができる。同様に、円盤状の可動処理部材の半径方向に複数の吐出部を配置した場合も同様の効果を有する。
【００５４】
ハウジングに設けられた、少なくとも１つの接触および／または非接触シール構成要素によって、あるいは、好ましくは、メンテナンスフリーのラビリンスシールによって、可動処理部材が駆動ユニットからシールされてうるような構成であれば、特に好適である。
【００５５】
本発明に関連する装置の比較的単純な設計により、複雑なシーリング溶液を省くことができる。繊維混合物の処理は、プロセス圧力の影響下で行われるが、原則として、吐出後の繊維混合物は単に大気条件に曝される。少なくとも、繊維混合物がぶつかる部分表面、好ましくは可動処理部材全体を、環境に対して遮蔽するハウジングは、処理後の繊維混合物を収集しやすくする。吐出部または駆動シャフトなど、ハウジングからの開放部位を封止するため、例えば、単純な接触ゴムシールを使用することができる。あるいは専門家に知られているように、自己シール式でメンテナンスフリーのラビリンスシールを使用することもできる。これにより、特に長いメンテナンス間隔と低い製造コストが可能になる。
【００５６】
処理後の繊維混合物の収集および／または処理後の繊維混合物のさらなる処理のため、ハウジングに収集タンクを設ける場合に、それは利点である。場合によっては、処理領域を負圧にしたり、正圧にしたり、処理領域に保護ガス雰囲気を形成したりするために、ハウジングのほぼ完全な密閉が有益である。そのように密閉すれば、処理後の繊維混合物の品質が特に影響を受ける。
さらなる研究によれば、繊維混合物を送り込む前に、繊維混合物に対して化学的および／または酵素的および／または機械的な前処理を加えることが可能であり、そのような前処理は、リファイナーでの粉砕プロセスの過程で行われることが好適である。
【００５７】
化学的および／または酵素的前処理を行えば、繊維成分の分離に特に影響を与えることができ、それによりナノファイバー、特にナノセルロースへの分解をより容易にすることができる。このような前処理は、外部装置で、またはこれを目的とした供給装置のセクションで行うこともできる。同様に、所定の繊維長および／または繊維長の分散および／または繊維の直径の分散を設定するための機械的前処理を行ってもよく、そのような機械的前処理は、例えば、リファイナーおよび専門家に知られている関連プロセスを通じて実施することができる。したがって、適切な前処理を使用して、処理済み繊維混合物の品質を向上させることができる。
【００５８】
さらに、処理された繊維混合物の少なくとも一部を圧搾したり、処理したりするステップが繰り返されることも有用である。
【００５９】
繊維混合物を繰り返し処理することにより、処理された繊維混合物の品質と均質性を高めることができる。処理された繊維混合物の少なくとも一部、またはさらには全量を装置に再び供給すればよい。その際、所定の繊維径および／または繊維長さ分散を達成するために、収集タンクと供給ユニットとの間の循環システムを非常に簡単に使用することができる。場合によっては、例えば水を加えることにより、処理済みおよび再処理対象の繊維混合物の液体成分を調整することが有効である。これにより、比較的低いエネルギーおよび／または比較的低い圧力消費で、繊維成分を、ナノファイバー、特にナノセルロースへ、特に微細にパルプ化することができる。
【発明の効果】
【００６０】
比較的大量の繊維混合物を処理することができ、処理後の繊維混合物の均一性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、動作原理を説明するための、吐出部および可動処理部材の概略断面図である。
【図２】図２は、動作原理を説明するための、機能表面を備えた吐出部と可動処理部材の概略断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、円周方向に第１表面に間隔をあけて配置された２つの吐出部を有する装置の概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１表面に配置された吐出部と、第１表面の反対側の第２表面に配置された吐出部とを有する装置の概略断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、いくつかの吐出部を配した円柱状の可動部材を示す概略断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、いくつかの吐出部を配した円錐状の可動部材を示す概略断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、いくつかの吐出部を配した帯状の可動部材を示す概略断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、所定の角度を持って傾斜した吐出部の概略構成図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、柔軟な端部を備えた吐出部の概略構成図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、可動処理部材の表面形状に沿った機能表面を有する吐出部の概略構成図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、底面方向から見た吐出部の概略構成図である。
【図６】図６は、ナノファイバーを製造するための製造装置の一例の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下の説明中、異なる実施形態であっても、同じ機能構成には、同じ符号が付されている。このため、同じ説明を同じ構成要素に論理的に適用できる。また、実施形態で選択された位置指定（例えば、上、下、横など）は、図を参照して明らかになるものであり、これらの位置の指定は、全体的なレイアウト変更があった場合には、新しい位置に論理的に移されるものである。
【００６３】
図１において、ナノファイバー５、特にナノセルロース６を、繊維３、特にパルプ４を含む繊維混合物２から製造するための装置１が示されている。繊維混合物２を分解する原理は、この断面図を見ればよく分かる。本発明によれば、可動処理部材７は、少なくとも１つ吐出部１１に対向して配置される。可動処理部材７において繊維混合物２がぶつかる部分表面１０と吐出部１１との間には、スリット状の処理領域１６が形成される。
【００６４】
図１に概略的に示されるように、繊維混合物２は、特にパルプ４やセルロースなどの繊維３と同様に液体成分を含む。吐出部１１を通して繊維混合物２に対して所定の圧力１５を加える。このプロセスにおいて、可動処理部材７は、例えば、処理された繊維混合物２が吐出されて、処理領域１６から外に吐出されることにより、相対的に、回転方向２３に受動的に動くことができる。同様に、例えば図６に示すように、駆動ユニット２０によって可動処理部材７を移動方向２３に能動的に移動させることもできる。繊維混合物２を吐出部１１を介して吐出する際には、スリット状に形成された処理領域１６で発生する剪断力を利用して、繊維３、特にパルプ４をナノ繊維５、特にナノセルロース６に分解する。
【００６５】
図１の構成例は、円盤２２として形成された可動処理部材７を表す。この例では、可動処理部材７は、回転軸２４を中心に回転可能であり、および／または柔軟に取り付けられる。吐出部１１は、吐出口１２の中心において吐出部１１を貫く長軸にほぼ対応する吐出部軸２１を有する。図１と図２を両方見れば特に明確に分かるように、図２における、処理領域１６内の相対速度２７は、吐出部軸２１と回転軸２４との間の半径方向距離２５によって決まる。
【００６６】
図１と、図２〜図６とを見比べることにより、可動処理部材７が方向２３に動いて、吐出部１１を通過することがわかる。この相対移動は、好ましくは主に横向きに行われ、特に吐出部軸２１に垂直な方向の移動であることが好ましい。
【００６７】
図２は、本発明に関連する製造装置のさらなる可能な独立した設計を示す。この設計では、吐出部１１は、少なくとも部分的に、吐出口１２を取り囲む機能表面１３を有する。図示のように、機能表面１３は、吐出部１１と一体に形成することができる。機能表面１３を、端部１４の一部として形成することができる。機能表面１３は、簡単に交換できるように、別個の構成要素として、吐出部１１に取り付けることもできる。吐出部１１から吐出される繊維混合物２が、通過する際、および／または加圧される際に、流体力学的ベアリング２９が処理領域１６に形成される。この場合、処理領域１６は、機能表面１３と、対応する反対側にある、繊維混合物がぶつかる部分表面１０とを含む。流体力学的ベアリング２９内に流体くさびを形成することにより、吐出部１１および／または機能表面１３と可動処理部材７とが接触しないようにすることができる。
【００６８】
図２では、吐出部１１の位置が、繊維混合物の影響を受けた部分表面１０から距離１７だけ離れている。このような距離１７は、図１に概略的に表された装置に対しても同様に設定できる。
【００６９】
吐出部１１の位置決めのための位置決め装置１８の構成の例が、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図６に示されている。位置決め装置１８を、図１、図２および図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示された構成に適用することも可能である。図３Ａ、図３Ｂでは、位置決め装置１８を使用して、少なくとも１つの吐出部１１を、可動処理部材７の方向に、および／または、可動処理部材７の方向に対して直角に移動させることができる。このような位置決め装置１８は、特に距離１７の設定のために使用することができる。
【００７０】
図３Ａ、図３Ｂならびに図４Ａ〜図４Ｃでは、２つ以上の吐出部１１が可動処理部材７に対向して配置されている製造装置１が示されている。ここで、図３Ａは、回転軸２４を挟んで線対称となる位置であって、可動処理部材７の第１表面８から少し離れて配置された２つの吐出部１１を示す。図３Ｂでは、２つの吐出部１１が、それぞれ、可動処理部材７の第１表面８と第２表面９に対向して、配置され、本質的に互いに反対かつ対称となる位置に配置されている。図３Ａおよび図３Ｂに表されたように円盤２２としての可動処理部材７のデザインを利用すれば、円盤２２上のいかなる曲げモーメントも、つまり回転軸の曲げモーメントも、補償することができる。
【００７１】
少なくとも１つの吐出部１１への繊維混合物の供給については、いずれの場合にも、別個の供給装置１９を用いて行うことができる。また、複数の吐出部１１に対して、共通の供給装置１９を用いて、繊維混合物を提供してもよい。図１、図２、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、および図５Ａでは、そのような供給装置１９は省略されている。
【００７２】
可動処理部材７は、図４Ａ、図４Ｂ、および図３Ａ、図３Ｂに図示されるように、円盤状、円柱状または、円錐状のような回転対称形状に形成される。あるいは、そうでなければ、図４Ｃに示されるように、可動処理部材７は、例えばチェーンやベルトのように、帯状に形成されてもよい。
特に図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃを見れば分かるように、複数の吐出部１１を、１つの共通の可動処理部材７に割り当てることができる。そうすることで、可動処理部材７は、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図６のように、駆動ユニット２０に接続することができる。そのような駆動ユニット２０は、例えば、油圧モータまたは空気圧モータを有して構成され、特に好ましくは電気モータとして構成され、速度制御を行う。
【００７３】
図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図６に図示される位置決め装置１８は、少なくとも１つの吐出部１１と部分表面１０との間の距離１７および／または立体角２６の設定のため、調整可能および／または位置決め可能として形成され得る。また、１つの共通の位置決め装置１８を用いて、複数の吐出部１１の可動処理部材に対する位置決めを行ってもよい。さらに、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃを見れば分かるように、少なくとも２つの吐出部１１を、可動処理部材７に対して円周方向および／または半径方向に配置することができる。そうすることで、吐出部１１を対称的に配置することができ、および／または第１表面８および／または第２表面９に対して、互いにオフセットされて配置することもできる。
【００７４】
図示はされていないが、円盤状、円柱状、円錐状、ベルト状またはチェーン状の可動処理部材を用いる場合の特殊な構成として、少なくとも１つの第２吐出部１１が、第１吐出部１１のほぼ反対側に配置され、それによって第１吐出部１１が可動処理部材７の第１表面領域８に対向し、第２吐出部１１が、第１表面領域８の反対側にある第２表面領域９に対向してもよい。この状況は、円盤状に形成された可動処理部材７を有する図３Ｂの構成からも想定可能であり、当業者であれば他の回転対称形状の可動処理部材７および／または帯状の可動処理部材７を用いる構成も適用可能であることは想定できる。
【００７５】
図５Ａから図５Ｄでは、様々な吐出部１１を備えた構成が示されている。
【００７６】
図５Ａは、吐出軸２１が、可動処理部材７の部分表面１０の垂線に対して、所定の立体角をなすように、配置された吐出部２１を示している。このように吐出部１１の配置は、上述したように、位置決め装置１８によって実行することができる。この概略図から、流体軸受２９が形成されることが明確である。
【００７７】
吐出部１１の別の例が図５Ｂに概略的に示されている。繊維混合物のぶつかる部分領域１０に面する吐出部１１の端部１４は、少なくとも部分的に曲がるように構成されている。
【００７８】
このようにすることで、流体軸受２９の形成中に、端部１４における詰まりを引き起こすことなく、端部１４に一種の浮動軸受を形成することができる。
【００７９】
図５Ｃは、吐出部１１と、機能表面１３を取り囲む１つの吐出口と、カーブした可動処理部材７を有する構成の概略断面図である。機能表面１３は、本質的に、繊維混合物がぶつかる部分表面１０に沿った形状で形成される。図５Ｃで特に明らかなように、機能表面１３は、凹状でもよいし、凸状でもよい。
【００８０】
図５Ｄでは、吐出部１１および機能表面１３の別の可能な構成が、底面図で概略的に示されている。この図を見れば、機能表面１３は、横断面方向や、意図された移動方向２３に逆行する方向よりも、移動方向２３側に、より大きく延設されてもよいことが分かる。図５Ｄに示される太い矢印は、処理された繊維混合物２が均一に放出される様子を概略的に示したものである。このような機能表面１３が形成されていれば、機能表面１３の形状は、それぞれの用途および可動処理部材７の幾何学な構成に応じて、専門家によって最適化され得る。処理領域１６は、前述のように、機能表面１３と部分表面１０との間に本質的に形成されるべきである。。
【００８１】
本発明によれば、吐出部１１および図５Ａ〜図５Ｄに示すその変形例は、図２、図３、図４および図６に示す構成にも適用できるが、説明を簡潔にするため、そのそれぞれの適用例については説明を省略する。
【００８２】
図６は、本発明に関連する装置１の一般的な概略図を示す。ここでは、可動処理部材７に対して位置合わせされた吐出部１１が１つだけ示されれている。吐出部１１の位置決めは、位置決め装置１８によって行われる。繊維混合物２の供給は、供給装置１９を介して行われる。円盤２２として形成された可動処理部材７は、駆動ユニット２０によって方向２３に駆動される。
【００８３】
図６から分かるように、装置１は、開いた状態で示されているハウジング２８を有する。ハウジング２８は、処理中に物質を捕捉する働きをし、１つ以上の密封要素３０によって少なくとも駆動ユニット２０から密封することができる。そのような密封要素３０の例は、図３にも見ることができ、接触にも、非接触にも形成することができる。処理された繊維混合物２は、収集タンク３１に収集することができる。循環原理を作るために、供給装置１９を収集タンク３１に接続することも考えられる。
【００８４】
本発明の範囲内で、個々のプロセスステップも自動化することができ、好ましくは、図示されていない中央のシステムコントローラによって制御することができる。さらに、制御パネルまたはシステムの監視および制御のためのタッチスクリーンによる操作も想定されている。
【００８５】
ユーザは、繊維長の分散および／または繊維断面積の分散および／またはそれらの分布の分散を所定値に設定することができ、システムコントローラーを使用して制御できる。また、それぞれナノファイバー５、ナノセルロース６の均質性および／または品質を向上させるため、処理された繊維混合物２の少なくとも一部に対して、上述の処理を繰り返してもよい。
【００８６】
繊維混合物２の繊維含有率は、処理された繊維混合物２の品質に影響を与える可能性がある。本装置１および対応するプロセスでは、懸濁液、すなわち、繊維混合物２において、繊維含有量が、０．１〜１０体積％であり、好ましくは１〜８体積％であれば、確実かつ簡単に処理できる。繊維含有率は、最大で２５体積％以上であってもよい。ここで、特定の状況下では、当業者は、十分に高いプロセス圧力１５の適用下で、このような高い含有率の維混合物２を送りこむためには、適切な供給装置１９を用いる必要があるかもしれない。例えば、高圧送りねじ機構が特に適している。
【００８７】
実施形態は可能な設計の変形を示し、それにより、この時点で本発明は説明した特定の設計の変形に限定されず、実際にはさらに多くのことが可能であり、個々の設計の変形の相互の様々な組み合わせでさえ、変動は、この技術分野で活動している当業者にある客観的創造による技術的行動の指導によるものである。
【００８８】
保護の範囲は特許請求の範囲によって決定される。ただし、実施形態と図面は、特許請求の範囲の解釈に用いなくてはならない。図示および説明された様々な実施形態からの個々の特徴または特徴の組み合わせは、スタンドアロンの革新的な解決策を表すことができる。スタンドアロンの革新的なソリューションの基本的なタスクは、上述の実施形態から想定できる。
【００８９】
実施形態中の数値の範囲に関する全ての情報は、その全てのサブエリアを含むと理解されるべきである。例えば、１〜１０という表現は、下限１と上限から始まる全てのサブエリアを含むと理解されなければならない。これは、全てのサブエリアが下限（この例では１）以上であって、上限（この例では１０）以下であることを意味する。例えば、１から１．７、または３．２から８．１または５．５から１０を含む。
説明を分かりやすくするため、図中、一部の要素は、縮尺通りではなく、拡大および／または縮小されて描かれていることに注意する必要がある。
【符号の説明】
【００９０】
１  製造装置
２  繊維混合物
３  繊維
３０  シーリングエレメント
３１  収集タンク
４  パルプ
５  ナノファイバー
６  ナノセルロース
７  可動処理部材
８  第１表面
９  第２表面
１０  繊維混合物がぶつかる部分表面
１１  吐出部
１２  吐出口
１３  機能表面
１４  エンドセクション
１５  プロセス圧力
１６  処理エリア
１７  動作距離
１８  位置決め装置
１９  供給装置
２０  ドライブユニット
２１  吐出部軸
２２  ディスク
２３  移動方向
２４  回転軸
２５  半径方向距離
２６  立体角
２７  相対速度
２８  ハウジング
２９  流体軸受
【図１】
2021517212.tif 000003
【図２】
2021517212.tif 000004
【図３Ａ】
2021517212.tif 000005
【図３Ｂ】
2021517212.tif 000006
【図４Ａ】
2021517212.tif 000007
【図４Ｂ】
2021517212.tif 000008
【図４Ｃ】
2021517212.tif 000009
【図５Ａ】
2021517212.tif 000010
【図５Ｂ】
2021517212.tif 000011
【図５Ｃ】
2021517212.tif 000012
【図５Ｄ】
2021517212.tif 000013
【図６】
2021517212.tif 000014
【国際調査報告】
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2021517212.tif 000016
2021517212.tif 000017
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