製紙用セルロースナノファイバーの脱水促進

超音波処理と乳酸（LA）による改質を組み合わせる方法は、製紙用セルロースナノファイバー（CNF）の脱水工程を促進する環境に優しい手法です。セルロースナノファイバーは保水性が高いことで知られており、ナノペーパーの作製やその他のナノセルロース用途で重要な工程となる排水工程に、大幅な遅延をもたらします。この方法では、超音波処理下で乳酸によってセルロースのヒドロキシ基をエステル化することで、排水時間を45分から10分へと75%短縮します。この改質は懸濁液の粘度も低下させ、産業規模へのスケールアップが可能であることも実証されているため、セルロースナノファイバーを用いた製品の生産効率と生産速度を高める実用的な解決策となります。

超音波処理下で乳酸改質したセルロースナノファイバーの迅速な脱水
（研究および画像：©Sethi et al., 2018）

超音波を用いた乳酸改質によるセルロースナノファイバーの脱水効率向上

セルロースナノファイバー（CNF）は、強度の向上やレオロジーの調整など、製紙における数多くの利点で高く評価されています。しかし、ナノペーパーの作製で重要な工程となるセルロースナノファイバー懸濁液の排水に、非常に長い時間がかかることが大きな欠点です。この課題はナノペーパーの生産に影響するだけでなく、ナノセルロースをその他の完成品に加工する産業処理も妨げます。排水時間が長くなる主な原因はセルロースナノファイバーの高い保水性であり、これがセルロースナノファイバー由来製品の商業化のボトルネックとなっています。
以下では、Sethiら（2018）による科学的研究の結果をご紹介します。この研究では、超音波支援によるセルロースナノファイバーの乳酸改質法が開発され、CNFの脱水速度が75%向上し、材料の機能性も改善されました。

乳酸を用いたセルロースナノファイバーの超音波改質

この課題に対処するため、超音波処理エネルギーと乳酸（LA）を利用してセルロースナノファイバーの表面を改質する、環境に優しい水系の手法が開発されました。この方法は脱水工程を大幅に促進し、排水時間を最大75%短縮します。
改質工程では、セルロースナノファイバー懸濁液を濃度0.35 wt.%まで希釈し、セルロースナノファイバーの乾燥含有量に対してさまざまな量の乳酸を添加します（懸濁液中のセルロースナノファイバーの乾燥含有量の0.5倍、1倍、5倍、10倍）。ナノファイバー、水、乳酸を高速撹拌機で1500 rpmで5分間混合した後、チタン製チップ（直径22 mm）を備えたHielscher UP400S超音波処理装置で超音波処理します。超音波処理はさまざまなエネルギーレベルで実施され、最大付与エネルギーは600 J/mlで、これは10分間の超音波処理に相当します。

排水時間への影響

超音波と乳酸による改質は、セルロースナノファイバー懸濁液の排水時間に大きな影響を与えます。対照懸濁液の脱水には約45分かかります。超音波支援による乳酸改質後、この時間は10分に短縮され、75%の改善となります。穏やかな超音波処理（5 J/ml）でも、排水時間は半分の23分になります。排水時間は超音波処理エネルギーの増加に伴って短くなり、最終的に約10分で頭打ちになります。
この改善は、セルロースの親水性ヒドロキシ基が乳酸の疎水性部分に置き換わることに起因します。高い保水性をもたらす主な要因はヒドロキシ基です。カルボキシ基を持つ乳酸は、超音波処理下でセルロースのヒドロキシ基とのエステル化反応に関与できます。超音波処理によって液体媒体中に微小な真空空洞が生じ、その崩壊によって極限条件（温度5000 K、圧力1000 atm）が発生します。これらの条件は、エステル化を含む化学反応を誘起するのに十分です。

ナノペーパー作製における超音波処理エネルギーと排水時間（分）の関係（CNF(1)LA試料に対応）。
超音波処理エネルギー100 J/mlは100秒間の超音波処理に相当し、その他の値も同様に対応します。
（研究および画像：©Sethi et al., 2018）

セルロースナノファイバー懸濁液の粘度低下

超音波処理エネルギーは、セルロースナノファイバー懸濁液の粘度低下にも寄与します。粘度は超音波処理エネルギーに反比例し、最も低い粘度が600 J/mlで観測され、次いで300 J/ml、60 J/mlの順となります。この粘度低下は、脱水効率のさらなる向上にも役立ちます。

セルロースナノファイバーの超音波改質の産業的意義

超音波と乳酸による改質法は、効果的であるだけでなく、産業用途にも適しています。大量処理に対応できるHielscherの最先端の超音波処理装置は、この処理を効率よく実施できるため、この方法は大規模な操業に適しています。
さらに、この手法では紙シートに最大10 wt.%のセルロースナノファイバーを配合でき、未改質のセルロースナノファイバーでは23分かかる脱水を、わずか2分で完了できます。この大幅な改善は、セルロースナノファイバーの商業化における主要な障壁の一つを克服し、製紙におけるその利用に革新をもたらす可能性があります。

セルロースナノファイバーおよび製紙用の超音波処理装置

以下の表は、当社のプローブ型超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証企業であり、最先端の技術と使いやすさを備えた高性能な超音波処理装置に特に力を入れています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。