JP2019526442A - ナノフィルムを製造する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ナノファイバーから作製されるフィルムまたはマットおよびプレート、特にセルロースナノファイバーから作製されるフィルムまたはマットおよびプレートを製造する方法であって、ナノファイバー材料は溶媒中に分散され、固形分は１〜４体積％であり、このように得られたスラリーは、塗布装置（１３）によって、移動方向（１５）に動くコンベヤベルト（１４）に塗布され、次いで注がれたスラリーは予備乾燥され、予備乾燥後の予備乾燥されたスラリーは、主乾燥に供され、所定の水分含量の達成後、コンベヤベルトから取り除かれる、方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のナノフィルムを製造する方法およびそのための装置に関する。

プラスチックフィルム、特に薄いプラスチックフィルムは、買い物袋および食品包装の構成要素として使用されるフィルムの両方のための包装材料としてほぼ例外なく使用されている。

特に、包装回収システムによって、これらのフィルムの一部は、サイクルに戻すことができ、または少なくとも焼却によって処理することができる。

しかしながら、プラスチック製の買い物袋は特に最終的に環境中に行き着き、それらの生分解性の欠如のために、大規模に環境中に存在し、特に海洋だけでなく他の水域においても問題を引き起こすことは、地球規模の問題であることが判明しつつある。

さらに、最終的にプラスチックナノ粒子となる崩壊したフィルムは、かなりの濃度で水域中に存在する原因となる。

先進工業国において、紙または繊維製の包装によってこの課題に対処する試みがなされている。これに関連して、これらは、時には価格の観点から競争的ではなく、他の様式でもあまり望ましくないという不都合がある。

一部の場合、包装分野においてプラスチックをトウモロコシおよび他のデンプン系に置き換えるという試みもなされている。しかしながら、この場合、欠点は、これらが水の存在下であまり耐久性がないことである。

特許文献１は、ナノファイバーを含有するバイオプラスチックから構成される製品を製造する方法を開示している。これは、生体高分子から製造され、ナノセルロース繊維を含む生合成物であると理解される。ナノファイバー含有バイオプラスチックを製造する方法は、流体状態のナノファイバーを有するバイオプラスチックの化合物を、回転方向に移動する少なくとも１つの支持体の表面に塗布し、分配することと、少なくとも１つの支持体の表面に塗布され、分配されたバイオプラスチック化合物を、少なくとも１つの支持体の回転方向に輸送することとを含む。また、ナノファイバー含有バイオプラスチックは、少なくとも部分的に乾燥され、また、部分的に乾燥された化合物は表面から分離されることが特定される。

特許文献２は、ナノセルロースの薄層を製造する方法を開示している。この場合、層は、ナノセルロース繊維が薄層を形成するように、プラスチック基材の表面に直接塗布される。この場合、ナノ結晶懸濁液が不透過性織物ベルトに塗布され、次いでその上で第１の乾燥プロセスが開始され、この乾燥プロセスは熱風を用いて実施される。第１の乾燥プロセスの後、追加の織物層がフィルムの上面に配置され、この織物層は、サンドイッチ効果を生じることを意図して、好ましくは半透過性である。半透過性織物層は、液体および気体を通過させることができなければならない。ナノ結晶フィルムを２つの織物層の間に配置した後、第２の乾燥を実施し、３層複合物を円筒形金属乾燥機上に巻き取る。次いで乾燥機は、不透過性織物を通して熱を運び、熱はナノセルロースフィルム中の水分を蒸発させ、半透過性織物層を通して放散する。２つの織物層は、ナノ結晶フィルムを安定化させるために必要である。これに関連して、３層複合物は、複数の乾燥ユニットを介して搬送することもできる。第２の乾燥の後にのみ、ナノ結晶フィルムは、フィルムが不透過性基材層なしで乾燥され得る点までゲル化した。しかしながら、第２の半透過性基材層は依然として必要である。第３の乾燥段階を離れた後にのみ、フィルムは、基材層なしでさらに処理することができるほど十分に安定になる。この場合、この方法は非常に複雑であり、装置への投資が高く、フィルムの表面処理が必要であるという欠点がある。

特許文献３は、ナノセルロースからフィルムを製造するための別の方法を開示しており、このフィルムは同様に基材の少なくとも１つの表面に塗布される。この文献は複数の溶媒について説明しており、対応して製造される懸濁液は、２種以上、正確には０．２５〜２重量％のナノセルロースを含有すべきである。さらに、グリコールまたはソルビトールなどの可塑剤が使用され得る。

フィルムは、５０〜１５０μｍの厚さが達成されるように基層に塗布される。次いで乾燥が、６０〜９５℃、好ましくは８０℃の熱風で実施される。

実際には、この方法では、熱風乾燥がフィルムの細孔を表面で閉じさせ、その結果、フィルムが信頼できる方法で乾燥しないことが判明している。さらに、この方法はまた、実際には、層の厚さが１５０μｍを超え、したがって真に薄いフィルムを製造することができないという単純な理由のために、それ自体では実用には価値があることも証明されていない。

オーストリア国特許５１６１９８ Ａ１号 米国特許出願公開第２０１０／０１２４６５１ Ａ１号 米国特許出願公開第２０１４／０２５５６８８ Ａ１号

本発明の目的は、再生可能資源に基づいて環境に優しいフィルムを製造するために使用され得るフィルムを製造する方法を開発することである。

この目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。

有益な変更は従属請求項に開示されている。

別の目的は、大規模な工業規模でフィルムを製造することができる、フィルムを製造する装置を開発することである。

この目的は、請求項１１の特徴を有する装置によって達成される。

有益な変更は、それに従属する従属請求項に開示されている。

本発明によれば、フィルムはナノセルロースから作製される。セルロースから作製される基材のナノセルロースおよびナノファイバーは基本的に公知である。しかしながら、これまで、この方向の努力は失敗に直面し、その結果、手作業で製造される薄い層のみが存在するが、フィルムの要件を満たすことができないため、大規模な処理は実施されていなかった。

特に、この種の薄い層は、これまで手作業で製造されており、均一な厚さではなく、また、フィルムとして使用するには厚すぎた。これとは別に、この種の薄い層はフィルムよりも紙のようであった。

本発明によれば、ナノファイバーは適切な溶媒に溶解される。特別なナノファイバーに起因して、これらのファイバーは活性化された表面を有するので、適切な溶媒が望まれる。この場合の溶媒は、有機溶媒、水、またはそれらの混合物であり得る。特に、アルコールまたはアルコール／水混合物の形態をとることができる。

１〜４％の固形分を有する配合物は、適切な密度で良好な分散性を達成することが判明した。また、特定の用途では、固形分をより多くすることもできる。

この配合物は、撹拌または泡立てによって完全に均質化される。

この場合、撹拌機の速度として毎分少なくとも１，０００回転を提供し、この配合物を２４時間、好ましくは４８時間撹拌することが有益である。

水を使用する場合、少なくとも純水または任意選択で蒸留水が使用される。

ナノファイバーの対応する溶解の後、それらは貯蔵容器として使用される容器に導入される。

沈殿および分離を防止するために、容器は適切な撹拌機構などを有して構成される。とりわけ、ガスを、その容器を通してポンプで送ることもできる。基本的に、貯蔵容器内の対応する沈殿を防止するのに役立つ任意の方法を使用することが好適である。

貯蔵容器からの放出は、従来の公知の計量ポンプを用いて実施することができ、管状または偏心スクリューポンプが特に適している。さらに、ここでは、圧縮空気制御容器を使用することができる。スラリーを供給するときでさえ、濃化、排水または分離が起こらないことが必須である。

次に、実際のフィルムのために、基材上へのスラリーの注入が開始される。

この場合、塗布は、プロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅｄ）され得るドクターブレードによって実施される。また、刻み目が入った棒、対応するブレード形状の出口ノズル、スロットノズル、またはいわゆるスライドダイ（ｓｌｉｄｅ−ｄｉｅ）ノズル、または体積が制御された塗布ノズルを使用することも好適である。

層の厚さは、体積を制御することによって、またはより正確に特定すると、ノズル開口およびノズルギャップを制御することによって、または適切なドクターブレードもしくはスクレーパを使用することによって制御される。

もちろん、これは、基材が離れた場所に運搬される速度によっても影響され得る。

基材は、好ましくは、非常に平滑な基材、特にベルトコンベヤであり、コンベヤベルトは、金属またはプラスチックコンベヤベルトであってもよい。

金属ベルトがベルトとして使用される場合、スチールベルト、例えば、特に耐食性であるステンレススチールベルトが使用される。

この場合、このような金属ベルトは、０．５〜０．３５ｍｍの厚さを有し、非常に大きな幅および非常に大きなコンベアローラを有し、１ｍｍまでの厚さまたはそれ以上に達することさえできる。

もちろん、好適な公知のプラスチック、特にＰＴＦＥベルトまたはＰＴＦＥ被覆ベルトも好適である。

塗布時に流動性がある、高度に分散されたスラリーから薄いフィルムを製造するために、スラリーをベルト上で相応に乾燥させなければならない。しかしながら、低い固形分のために、これは極めて細心の注意を要するプロセスである。なぜならこの種類のナノファイバースラリーは気泡を形成する非常に顕著な傾向を有するからである。

特に、乾燥の種類を互いに合わせるとともに、速度、層の厚さ、塗布幅などのレールパラメータを調整することが重要である。

気泡形成の危険性に加えて、これらの特別なフィルムでは、強力な内部応力が形成され、フィルムの強度を急激に低下させる危険性がある。

本発明によれば、乾燥は３つの乾燥構成要素からなる。

第１の構成要素は加熱された支持ベルトである。この場合、ベルトは、加熱ラインを介して高温ローラで加熱され、この状況において、金属ベルトが特に有益である。

この場合、ベルトの温度は４０〜９５℃に設定される。

加熱されたベルトに塗布した後、同時に、予備乾燥は、長手方向および横方向に配置される短波から中波の赤外線加熱素子によって実施され得、好ましくは、個々の加熱素子が別々に調節され得る一連の加熱素子が設けられる。この場合、赤外線乾燥中に空気供給を調節することができれば、すなわち、材料中または材料上の対応する蒸気圧を調整することができる、横方向または長手方向の流れが存在すれば、有益である。

この目的のために、ベルトは、外部から閉鎖された空間内に封入された様式で通されることができ、したがって、選択的な通気を可能にし、コンベヤベルトによって導入される熱および赤外線加熱素子によって導入される熱の両方の熱除去が適切な通気によって実施されることを可能にする。

主乾燥のために、予備乾燥されたスラリーは、次いで、高出力密度および個々の制御可能性を有する中波または短波の赤外線加熱素子に対して作用される。ここでも、９５〜９９％の高い液体含有率に起因する溶媒蒸気を確実に除去して、塗布されたスラリーの気泡形成または加熱または焼成を防止することが極めて重要である。

これを確実にするために、乾燥に必要とされる大量の空気は、スラリーに対していかなる圧力も生じないように、拡散流出と共にスラリーに対して選択的に誘導される。本発明によれば、材料が湿潤である場合、波を生じ、材料が乾燥である場合、亀裂を生じる材料に対する過度に直接的な空気の誘導があることが判明した。

本発明によれば、材料は、所定の柔軟性を確立するために、任意選択で再湿潤化される。材料を完全に乾燥させると、材料は比較的剛性になり、柔軟性がなくなるので、再湿潤化を使用して特定の柔軟性を確立することができる。

この場合の再湿潤化は、所定の相対湿度が設定され、それに応じて水分が供給される蒸気チャンバまたは霧チャンバ内において行われ得る。

完全な乾燥および可能な再湿潤化の後、フィルムは、ドクターブレードを用いて支持床から取り外され、縁部トリミングを受ける。縁部トリミングされ、取り外されたフィルムは、次いで、ロールに巻き付けられ、回転は、トルクが制御されたワインダ（巻取）駆動装置によって実施される。

上記の方法を用いて、プラスチックフィルムに比べて有用性に劣らず、再生可能な原料から作製され、生分解性であるフィルムを生成するためにナノセルロースなどの対応するナノ材料を使用することができる。

これに関連して、このフィルムは、電気工業用および食品包装用、二次食品包装用のラミネートならびにビニール袋、手袋などの代替品の両方に適している。

ここで、スラリーは特に、１〜２０ｍｍの床厚で塗布され、乾燥および除去後、１〜２００μｍ以上の厚さを達成する。この場合、製造される厚さは非常に高い均一性で達成され、最終的にはフィルムが、例えば１ｍの幅を有し、商業的に使用可能な範囲に近い毎分５０ｍのフィルムを容易に製造することができる。また、このシステムは、横方向の境界に応じて、２０〜４０ｍｍ以上の可能なスラリー塗布でナノ材料のマットまたはプレートを製造するために使用され得る。

本発明による装置の概略的な側面図を示す。

本発明、特に、使用される装置は、図面に基づいて例示的に説明される。本明細書における唯一の図は、対応する装置の非常に概略的な側面図を示す。

ナノフィルム１を製造する本発明による装置は、分散ユニット２を有し、分散ユニット２は、容器３と、撹拌または泡立て機構４とを有する。さらに、分散ユニット２は、ナノファイバー材料のための供給部と、対応する溶媒のための供給部とを有する。この場合、撹拌または泡立て装置４は、好ましくは、対応する撹拌または泡立て機構５を備える電動装置４であり、撹拌または泡立て機構５およびモータ４は、毎分１，０００回転を超える回転速度を達成することができ、さらに、撹拌機構が内容物全体を混合し、分散させるように構成される。

十分に分散された材料、またはより正確には、これによって生成されたスラリーは、貯蔵容器６に移すことができ、貯蔵容器６は、分散ユニット２から貯蔵容器６にスラリーを供給するための対応する供給装置を有する。貯蔵容器６は同様に撹拌機構７を有し、この撹拌機構７は駆動装置８と、対応する撹拌機９とを有し、これらの構成要素は、スラリーを、分散されて、非分離状態に保つように寸法決めされる。

ホースシステム１０、対応するポンプ１１、および対応する下流のホース１２によって、スラリーは対応して塗布装置１３に供給され得る。この場合、塗布装置１３は、ドクターブレードであり、この場合、システムの幅にわたって延在する。スラリーは、塗布装置１３からコンベヤベルト１４上に注がれ、コンベヤベルト１４は矢印方向１５に沿って移動する。コンベヤベルト１４に張力を加えるために、少なくとも１つの第１のローラ１６と１つの最後のローラ１７とが設けられ、ローラ１６と１７の間には、複数の追加の支持部および加熱ローラ１８を設けることができる。この場合、ローラ１６、１７は、部分的な円周でベルト１４に当接し、他のローラ１８は、好ましくは、ベルトの比較的狭い領域のみにわたって支持するようにベルト１４に当接する。

ローラ１６、１７、１８は、好ましくは、全て加熱可能な、特に電気的に加熱可能なものとして構成され、ベルト１４の温度は４０〜８５°に設定することができる。

塗布装置１３の後には予備乾燥装置１９があり、予備乾燥装置１９は、ベルト１４の移動方向１５に対して長手方向に配置された複数のＩＲ加熱素子２０と、ベルト１４の移動方向に対して横方向に配置された複数のＩＲ加熱素子２１とから構成される。

当然ながら、加熱素子２０、２１をベルト１４の移動方向１５に対して斜めに、またはある角度で配置することも可能である。

また、ベルト表面から異なる距離にＩＲ加熱素子を構成することも可能である。

予備乾燥１９の近傍には、予備乾燥ユニット１９全体の周りにハウジング（図示せず）を設けることもでき、このハウジングは、予備乾燥ユニットを外部雰囲気およびこの雰囲気による制御されない接近から遮蔽するが、選択的な通気、例えば、対応するノズルおよび対応する対向する吸引装置による横方向の通気を提供する。

予備乾燥ユニット１９の後には乾燥ユニット２２が続き、乾燥ユニットは、予備乾燥ユニットの加熱素子と同様に配置され得るが、特定のスポットで動作し、好ましくは個々に制御され得る赤外線加熱素子とすることもできる、少なくとも１つであるが、好ましくは複数の赤外線加熱素子２３を有する。

好ましくは、スラリーの表面温度が測定され、赤外線加熱素子による加熱強度が、乾燥ユニットの入口から乾燥ユニットの出口まで特に変化し得る所望の表面温度に適合され得る。

スラリー２４の上方に規定された蒸気圧を設定するために、乾燥ユニット２２はまた、周囲の雰囲気による制御されない接近を防止するが、空気または他のガスの適切な供給を可能にする、周囲ハウジングを有することができる。スラリー２４から特定量の水分を吸収できるように相対湿度が調節された空気または気体は、スラリー２４の上方の領域を通って流れるように誘導される。

この場合、表面に対する直接的な流れは、乾燥ユニット２２への入口の領域の非常に湿ったスラリーにおいて波を生成し得、出口において、スラリー材料（これはすでに対応して薄く、フィルム状である）において亀裂を生成し得るので、流れは拡散様式で移動し、表面に直接的に向けられないことが重要である。

乾燥ユニット２２の後には、霧もしくは湿潤チャンバとして構成され得るか、または他の何らかの方法で規定の再湿潤化をもたらす、再湿潤化装置２５が続く。

これを達成するために、スラリーの含水量を、好ましくは非接触様式で測定し、対応する様式で湿潤を調節することが可能である。

これによって生成されるフィルム２６は、場合によっては、対応する除去ブレード（図示せず）を用いて、最後のローラ１７から除去され、支持ローラ２７によって支持される。次いで、フィルムは、スプレッダローラ２８を越えてワインダ２９に移動し、そこでフィルムは対応して巻き取られる。

フィルムは製造中に静電荷を発生する可能性があるので、コンベヤベルト１４からフィルム２６を取り外した後、電荷を低減または除去するための空気イオン化装置または別の装置３０を設けることができる。

コンベヤベルトを対応するように誘導し、引っ張るために、他のローラ３１、特にテンションローラ３１の形態を、ベルトの下側走行部（ｌｏｗｅｒ ｒｕｎ）の領域に対応するように設けることが可能である。

本発明は、最初に、その長さおよび幅の両方にわたる厚さに関して高度の均一性を有するナノファイバーフィルムを製造するための再現性があり、高品質の方法を可能にし、製造は、１ｍ以上の幅で、毎分５０ｍの速度で実施され、商業的に使用される方法を可能にするという利点を有する。

１ ナノフィルム
２ 分散ユニット
３ 容器
４ モータ
５ 泡立て機構
６ 貯蔵容器
７ 撹拌機構
８ 駆動装置
９ 撹拌機
１０ ホースシステム
１１ ポンプ
１２ ホース
１３ 塗布装置
１４ コンベヤベルト
１５ 移動方向
１６ ローラ
１７ ローラ
１８ ローラ
１９ 予備乾燥ユニット
２０ 赤外線加熱素子
２１ 赤外線加熱素子
２２ 主乾燥ユニット
２３ 赤外線加熱素子
２４ スラリー
２５ 再湿潤化ユニット
２６ フィルム
２７ 支持ローラ
２８ スプレッダローラ
２９ ワインダ
３０ 帯電装置
３１ ローラ

Claims (12)

1. ナノファイバーから作製されるフィルムまたはより正確に特定すると、マットおよびプレート、特にセルロースナノファイバーから作製されるフィルムまたはマットおよびプレートを製造する方法であって、
   ナノファイバー材料は溶媒中に分散され、
   固形分は１〜４体積％であり、得られたスラリーは、塗布装置（１３）によって、移動方向（１５）に動くコンベヤベルト（１４）に塗布され、
   次いで注がれたスラリーは予備乾燥され、
   予備乾燥後の予備乾燥されたスラリーは、主乾燥に供され、所定の水分含量の達成後、前記コンベヤベルトから取り除かれ、前記予備乾燥は、前記コンベヤベルト（１４）の移動方向に対して長手方向および／または横方向または斜め方向に配置される赤外線加熱素子によって予備乾燥し、前記主乾燥は、高出力密度で中波および／または短波赤外線（ＩＲ）加熱素子により実施され、前記赤外線加熱素子は、個々にまたは集団で制御され、溶媒蒸気は選択的に除去され、さらに前記主乾燥において水分を除去するために、空気および／または他の気体が供給され、前記主乾燥の領域に散在的に誘導される、方法。
2. 前記ナノファイバー材料が、水および／または有機溶媒および／またはアルコール中に分散されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記スラリーが、ドクターブレード、プロファイルされたドクターブレード、刻み目が入った棒、ブレード形状ノズル、スロットノズル、スライドダイノズル、または体積が制御された塗布ノズルによって前記コンベヤベルト（１４）に注がれることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記スラリーが、平滑なコンベヤベルト（１４）に注がれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記コンベヤベルトが４０〜９５℃に加熱されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記主乾燥が、制御された気体供給部または空気供給部を有するハウジングにおいて実施されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記赤外線加熱素子が、個々に制御可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 使用される気体の流れまたは空気の流れが、その相対湿度および／または流速に関して調節されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記主乾燥の後、乾燥されたスラリー材料が、所望の水分含量に再湿潤化されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. ナノファイバーからフィルム、特にセルロースナノファイバーからフィルムを製造するための請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置であって、
    コンベヤベルト（１４）が設けられ、前記コンベヤベルト（１４）が、その長手方向に沿って上側および下側走行部にループ状のローラ（１６、１７、１８、３１）を有して動き、
    塗布装置（１３）によって、フィルムスラリーを前記コンベヤベルト（１４）に塗布するための第１の領域を有し、
    前記第１の領域の後、前記コンベヤベルト（１４）の移動方向に予備乾燥ユニット（１９）が続き、前記予備乾燥ユニット（１９）は、注がれたスラリー（２４）に作用する赤外線加熱素子（２０、２１）を備え、
    前記予備乾燥ユニット（１９）の後に、移動方向（１５）において、赤外線加熱素子（２３）を有する主乾燥ユニット（２２）が設けられ、
    スラリー（２４）を支持する領域において、前記コンベヤベルトはローラ（１６、１７、１８）によって保持され、前記ローラの少なくとも一部は加熱可能であるように構成される、装置。
11. 移動方向（１５）において前記主乾燥ユニット（２２）の後に再湿潤化ユニット（２５）が続くことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
12. 分散装置（２）が設けられ、前記分散装置（２）は容器（３）および撹拌装置（４、５）を備え、前記撹拌装置は、毎分１，０００回転超で撹拌できるように構成されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の装置。

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