JP6000875B2 - 木質断熱材用の微細繊維製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、木質断熱材用の微細繊維製造方法に関する。

日本の戸建や小規模集合住宅などで使用される断熱材や防音材としては、発泡スチロール等のプラスチック系、グラスウール、ロックウール等の鉱物繊維系、発泡ガラスなどの発泡無機質系、セルロースファイバー、ウール、木質材料等の自然系などが市場に流通している。

断熱性ではプラスチック系、耐久性の面では鉱物繊維系、発泡無機質系が優れており、自然系の断熱材は空気中の水蒸気に対する保湿性、吸放湿性に優れている（例えば、非特許文献１および２、３参照）。高湿になる日本の自然環境においては、結露による木造建築構造物への腐朽は住宅施設の耐久性に大きな影響を及ぼし、これを抑制することが可能となる自然系の断熱材は注目されている。

また、生産工程における製造エネルギーの面でも自然系の断熱材が優れており（例えば、非特許文献１参照）、木質材料繊維を用いたものや、木質材料を圧縮集合したものが提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２００９−９０６６９号公報 特許第３６０７２５４号公報

西方里見著「最高の断熱・エコ住宅を作る方法」（株式会社エクスナレッジ発行） 山本順三著「無暖房・無冷房の家に住む」（株式会社三一書房発行） 竹之内貴浩著「新聞紙で快適な家が建つ」（書肆侃侃房発行）

しかしながら、特許文献１にある製造工程においては、解繊時に蒸気処理によって加熱し軟化を促すため、ボイラーなどの熱源が必要であり、また、高温に曝された原材料は製造工程中に放熱し、熱エネルギーの無駄となる。
また、特許文献２にある木質材料の小片を圧縮集合するものは、断熱材質量が大きくなり、施工やハンドリングの面で鉱物繊維系断熱材に劣る。
本発明においては、製造に必要なエネルギーを抑制し、木質材料が本来持っているエネルギーを有効活用し、施工やハンドリング性の優れた軽量の木質断熱材用の微細繊維製造方法を提供する。

本発明の上記の課題は、木質材料を主原料とする断熱材の微細繊維製造方法において、予め木質材料の含水率を５０質量パーセント以上になるように固形分０．１質量パーセント以上の濃度の苛性ソーダ水溶液で含浸させ、湿式叩解機での事前解繊と乾式叩解機での本解繊による多段解繊を行い、微細化された繊維を得ることを特徴とする木質断熱材用の微細繊維製造方法によって達成される。
ここで、木質材料の含水率は質量基準含水率で示し、ＪＩＳ−Ｚ２１０１に準拠した方法で乾燥、質量計測し、乾燥前後の質量差を、乾燥前の質量に対する百分率で算出し、本発明での含水率と定義する。

本発明による製造方法を、図１に示す。
本発明では、微細繊維の原材料として木質材料Ａを使用し、固形分０．１質量パーセント以上の濃度の苛性ソーダ水溶液Ｂを用いて工程１にて含浸処理を行い、含水率が５０質量パーセント以上になった木質材料を含浸処理に用いた該苛性ソーダ水溶液と共に湿式叩解機を用いて工程２にて事前解繊し、圧搾、または遠心分離等と水洗により工程３にて事前解繊繊維と該苛性ソーダ水溶液を分離洗浄し、乾式叩解機により工程４にて本解繊し、工程５にて乾燥させ、微細繊維Ｃを得る。

含浸処理に用いられた苛性ソーダ水溶液（以下、単に含浸液という）、および工程３で分離された含浸液Ｄは、パルプ製造薬液回収工程６の黒液に混ぜ、回収ボイラーで熱エネルギー回収を行うことで、リグニンなど木質材料が本来持っている有機分のエネルギーのカスケード利用を図ることが可能となる。

本発明により、製造に必要なエネルギーを抑制し、木質材料が本来持っているエネルギーを有効活用し、施工やハンドリング性の優れた軽量の木質断熱材用の微細繊維を製造することが出来る。
なお、本発明における製造に必要なエネルギーの抑制とは、蒸気による加熱など放熱により無駄となる熱エネルギーを製造工程中において必要としないことである。木質材料が本来持っているエネルギーを有効活用することとは、リグニンなど木質材料が本来持っている有機分のエネルギーがパルプ製造薬液工程で回収利用されることである。施工やハンドリング性が優れていることとは、断熱材に成形した際に軽量かつ粉塵発生が少ないことであり、試料の嵩密度と落下により脱落する微細繊維の量で評価する。

本発明の工程フローである。 事前解繊に用いた湿式解繊機の概略模式図である。 本解繊に用いた乾式解繊機の概略模式図である。 評価試料を吸引捕集して作成する装置の概略模式図である。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明において、木質材料に関しては、例えば原木、樹皮、中芯材等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、樹種に関しても限定されるものではない。
また、形状に関しても、角材、チップ、粉粒体等が挙げられ、これらに限定されるものではないが、繊維の長さ方向に平行な大きさを長さと定義して、長さ１０〜３５ｍｍ、長さ方向に直行する方向の幅１５〜３０ｍｍ、および厚さ１０ｍｍ以下の範囲に質量比で９０パーセント以上が該当する形状のチップを使用することが好ましい。チップ形状であることにより、含浸処理において均一な浸透が行われ、製造時の品質安定性に優れる。

含浸処理を行う苛性ソーダ水溶液については、固形分０．１質量パーセント以上の濃度である。固形分０．１質量パーセント未満の場合、含浸処理においてリグニンなどの含浸液への溶出が十分に得られず、事前および本解繊工程において木質繊維が破断され微細繊維の長さが短くなり、評価試料の嵩密度が高くなり、粉塵発生が多くなる。
望ましくは、含浸処理を行う苛性ソーダ水溶液は固形分０．５質量パーセント以上の濃度である。固形分０．５質量パーセント未満の場合、評価試料の嵩密度が増加し、粉塵発生が増加する。
より望ましくは、含浸処理を行う苛性ソーダ水溶液は固形分０．５〜５質量パーセントの濃度である。固形分５質量パーセントを超える場合には含浸処理においてリグニンなどの含浸液への溶出が飽和して苛性ソーダ費用のみが増加し、また、劇物管理面での作業負荷も増加する。

含浸処理により木質材料の含水率を５０質量パーセント以上にする。５０質量パーセント未満の場合、事前解繊工程で木質繊維が破断され、評価試料の嵩密度が増加し、粉塵発生が多くなる。

含浸処理により含水率が５０質量パーセント以上になった木質材料を、間隙幅２〜４ｍｍの湿式叩解機により事前解繊する。望ましくは含浸させた木質材料の固形分質量に対して２０質量パーセント以上の含浸液と共に、木質材料を湿式叩解機により事前解繊する。２０質量パーセント以上の含浸液を入れることで、事前解繊中の木質材料同士、および木質材料と湿式叩解機内部との接触での潤滑作用が働き、事前解繊工程での木質繊維の破断が抑制され、嵩密度の低い評価試料が得られる。
事前解繊時に添加する含浸液の質量は、より望ましくは含浸させた木質材料の固形分質量に対して１００質量パーセント以上である。１００質量パーセント以上の含浸液を添加することで、事前解繊工程での木質繊維の破断がより抑制され、評価試料の取扱において、粉塵発生が抑制される。
ここで、木質材料の固形分質量はＪＩＳ−Ｚ２１０１に準拠した方法で乾燥させ、測定した質量が一定になった状態での質量を、本発明での固形分質量と定義する。なお、ＪＩＳ−Ｚ２１０１に準拠し、６時間の間隔を置いた測定で、質量変化が０．５パーセント以下であれば、固形分質量とみなす。

本発明の木質断熱材用の微細繊維製造方法は、多段解繊することを特徴とする。本発明における多段解繊とは、湿式叩解機による事前解繊と、乾式叩解機による本解繊との、多段で解繊処理を行うことである。湿式叩解機による事前解繊のみ、若しくは乾式叩解機による本解繊のみの単数段の解繊処理に比べ、多段解繊を行うことで、嵩密度の低下や、粉塵発生の抑制の効果が発現する。

事前解繊された木質材料を圧搾、遠心分離等により、木質繊維と含浸液に分離する。さらに木質繊維を洗浄し、付着する苛性ソーダを洗い流す。
洗浄中に含水率が５０質量パーセント未満になった場合には、さらに含水率を上げる処理を行い、含水率が５０質量パーセント以上である木質繊維を、間隙幅０．５〜２ｍｍの乾式叩解機により本解繊し、乾燥させ、微細繊維を得る。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はその主旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１
樹皮を取り除いた杉材を、長さ１３〜２８ｍｍ、幅１５〜２２ｍｍ、厚さ２〜５ｍｍの寸法範囲に質量割合で７０パーセント以上になるチップ形状に破砕し、１５〜２５℃の固形分０．１質量パーセントの濃度の苛性ソーダ水溶液に１２時間含浸させた。
含水率が５０質量パーセントに含浸処理した固形分５００グラムの木質材料Ｅと、含浸させた木質材料の固形分質量に対して１００質量パーセントに相当する５００グラムの含浸液Ｆと共に図２の湿式叩解機（間隙サイズ２ｍｍ）にて事前解繊する。プレート１１の高さを変えることで、ローター１２との間隙サイズは調整される。
含浸液を脱水分離し、流水にて水洗洗浄し、図３の乾式叩解機にて本解繊した。ホッパー２１に投入した事前解繊された木質繊維Ｇはフィードモーター２２にて駆動されるフィードスクリュー２３で固定プレート２４と解繊モーター２５にて駆動される回転プレート２６との間隙で解繊され、排出口２７より排出される。間隙サイズは２から０．５ｍｍに順次狭くして本解繊した。
解繊された微細繊維をダマにならないよう通風乾燥させ、微細繊維１０グラムに対し、ポリエステルバインダー繊維（熱融着温度１１０℃、２．２ｄｔｅｘ×５ｍｍ）１グラムの質量比で図４に示す装置にて混合し、飛散浮遊容器３３中に浮遊させ、吸引装置３１を接続した網付き捕集具３２にて吸引捕集し、１２０℃の乾燥器機中に１５分放置して熱固着させ、実施例１の評価試料を作製した。

作成した試料を黒羅紗布の上方１０ｃｍより鉛直落下させ、試料より脱落して黒羅紗布に付着した微細繊維の量を目視観察した。本発明により作製した微細繊維を用いて製造する断熱材における、施工やハンドリング時に発生する粉塵発生量は該黒羅紗布に付着した微細繊維量に相当するものとし、粉塵発生程度の評価をした。

微細繊維の製造過程において必要になるエネルギーの抑制程度を、◎：抑制出来た、×：抑制出来なかった、で評価結果を示す。◎が本発明にかかる効果を有するものとする。
含浸処理において含浸液に溶出したリグニンなどの有機分は、パルプ製造での薬液回収工程の黒液に混ぜ、回収ボイラーで熱エネルギー回収を行った。熱エネルギー回収程度を、◎：十分回収出来た、○：少し回収出来た、×：あまり回収出来なかった、で評価結果を示す。◎、○が本発明にかかる効果を有するものとする。
該評価試料の嵩密度が本発明による微細繊維を用いて製造する断熱材の嵩密度に該相当するとし、嵩密度が低いほど断熱性に優れているとして、嵩密度を、◎：低い、○：普通、×：高い、で評価結果を示す。◎、○が本発明にかかる効果を有するものとする。
試料を落下させ、脱落して黒羅紗布に付着した微細繊維の量を目視観察で評価し、粉塵発生程度を、◎：少ない、○：普通、×：多い、で評価結果を示す。◎、○が本発明にかかる効果を有するものとする。
評価結果を表１に示す。

実施例２
苛性ソーダの濃度を０．５質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例２の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

実施例３
苛性ソーダの濃度を４質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例３の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

実施例４
苛性ソーダの濃度を５質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例４の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

実施例５
苛性ソーダの濃度を８質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例５の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

実施例６
含浸処理後の木質材料の含水率を６０質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例６の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

実施例７
事前解繊する際に入れる含浸液の量を、含浸させた木質材料の固形分質量に対して１０質量パーセントに相当する５０グラムに変更した以外は、実施例２と同様の方法にて、実施例７の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

実施例８
事前解繊する際に入れる含浸液の量を、含浸させた木質材料の固形分質量に対して２０質量パーセントに相当する１００グラムに変更した以外は、実施例２と同様の方法にて、実施例８の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

比較例１
苛性ソーダの濃度を０．０４質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例１の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

比較例２
含浸処理後の木質材料の含水率を４５質量パーセントに変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例２の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

比較例３
蒸気を用いて木質材料を軟化させ、事前解繊で含浸液を水に変更した以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例３の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

比較例４
含浸処理後の木質材料に事前解繊を行わなかった以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例４の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

比較例５
事前解繊後、本解繊を行わなかった以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例５の断熱材試料を作製した。評価結果を表１に示す。

本発明の微細繊維の製造方法は、木質材料を主原料とする断熱材の製造に利用可能である。さらに、微細繊維を収集成形することで、物品の緩衝材や隙間充填材、漏洩液体の吸収材、着火材、育苗材、植物栽培マット、保水層材、フィルタへの展開が可能である。

Ａ 木質材料
Ｂ 苛性ソーダ水溶液
Ｃ 木質微細繊維
Ｄ 含浸液
Ｅ 含浸させた木質材料
Ｆ 含浸液
Ｇ 事前解繊した木質繊維
１ 含浸工程
２ 湿式叩解機による事前解繊工程
３ 圧搾、遠心分離等と水洗による木質繊維と含浸液の分離洗浄工程
４ 乾式叩解機による本解繊工程
５ 乾燥工程
６ パルプ製造薬液回収工程
１１ プレート
１２ ローター
２１ ホッパー
２２ フィードモーター
２３ フィードスクリュー
２４ 固定プレート
２５ 解繊モーター
２６ 回転プレート
２７ 排出口
３１ 吸引装置
３２ 網付き捕集具
３３ 飛散浮遊容器
３４ 撹拌装置
３５ 飛散浮遊動力源

Claims (2)

1. 木質材料を主原料とする木質断熱材用の微細繊維製造方法において、予め木質材料の含水率を５０質量パーセント以上になるように固形分０．１質量パーセント以上の濃度の苛性ソーダ水溶液で含浸させ、湿式叩解機による事前解繊と、乾式叩解機による本解繊によって多段解繊し、微細化された繊維を得ることを特徴とする木質断熱材用の微細繊維製造方法。
2. 木質材料を主原料とする木質断熱材用の微細繊維製造方法において、含浸させた木質材料の固形分質量に対して２０質量パーセント以上の請求項１記載の苛性ソーダ水溶液を、含浸させた木質材料と共に湿式叩解機による事前解繊を行うことを特徴とする請求項１記載の木質断熱材用の微細繊維製造方法。