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公開番号2025114751
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-05
出願番号2025078625,2023558737
出願日2025-05-09,2022-08-27
発明の名称繊維性植物材料のリグニン修飾のための無廃棄物処理方法およびリグニン修飾された繊維性植物材料の処理方法
出願人ユニバーシティオブメリーランド, カレッジパーク
代理人弁理士法人筒井国際特許事務所
主分類B27K 5/00 20060101AFI20250729BHJP(木材または類似の材料の加工または保存;釘打ち機またはステープル打ち機一般)
要約【課題】高強度、可撓性または異方性の弾性木材、竹を生成する方法を提供する。
【解決手段】化学的溶液で浸透され、続いて少なくとも80℃の温度を受けて修飾リグニンを有する繊維性植物材料の軟化片を生成、または、続いて乾燥処理を受けることで、軟化片中の修飾リグニンの含有率は、天然繊維性植物材料中の天然リグニンの含有率の少なくとも90%であり、軟化片中に保持された修飾リグニンは、天然リグニンの高分子鎖よりも短い高分子鎖を有する高強度、可撓性または異方性の弾性木材、竹を生成する方法。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
（ａ）1つ以上の化学溶液を天然繊維性植物材料片に浸透させることと、
（ｂ）前記（ａ）の後に、１つ以上の化学溶液をその中に有する天然繊維性植物材料の片を、第１の時間の間少なくとも８０-１８０℃の第１の温度に曝露することと、
（ｃ）前記（ｂ）の後に、繊維性植物材料の軟化片を圧縮して、繊維性植物材料の高密度化片を生成することと、
を含み、
前記（ｃ）の後の繊維性植物材料の高密度化片は、前記（ａ）の前の天然繊維性植物材料の第２の密度よりも大きい第１の密度を有し、
前記１つ以上の化学溶液は、ｐ－トルエンスルホン酸、ＮａＯＨ、ＮａＯＨ + Ｎａ
２
ＳＯ
４
、ＮａＯＨ + Ｎａ
２
ＳＯ
４
、ＮａＯＨ + Ｎａ
２
Ｓ、ＮａＨＳＯ
３
+ ＳＯ
２
+ Ｈ
２
Ｏ、ＮａＨＳＯ
３
+ Ｎａ
２
ＳＯ
３
、ＮａＯＨ + Ｎａ
２
ＳＯ
３
、ＮａＯＨ／ＮａＨ
２
Ｏ
３
+ ＡＱ、ＮａＯＨ／Ｎａ
２
Ｓ + ＡＱ、ＮａＯＨ + Ｎａ
２
ＳＯ
３
+ ＡＱ、Ｎａ
２
ＳＯ
３
+ ＮａＯＨ + ＣＨ
３
ＯＨ + ＡＱ、ＮａＨＳＯ
３
+ ＳＯ
２
+ ＡＱ、ＮａＯＨ + Ｎａ
２
Ｓｘを含み、ここで、ＡＱは、アントラキノンであり、上記のいずれかは、ＬｉＯＨまたはＫＯＨによって置き換えられたＮａＯＨ、または上記のいずれかの組合せ、であり、
前記（ｂ）の後の軟化片中の修飾リグニンの含有量は、前記（ａ）の前の天然繊維性植物材料片中の天然リグニンの含有量の少なくとも９０％であり、
前記（ｂ）の後の軟化片中に保持された修飾リグニンは、前記（ａ）の前の天然繊維性植物材料中の天然リグニンの含有量よりも短い高分子鎖を有し、
前記（ｃ）の後、繊維性植物材料の高密度化片は、前記１つ以上の化学溶液と、前記（ｂ）の間に前記１つ以上の化学溶液によって生成された天然繊維性植物材料片中の天然ヘミセルロースの酸性分解生成物との反応によって形成された塩を含む、方法。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記（ｂ）の後の軟化片中の修飾ヘミセルロースの含有量は、前記（ａ）の前の天然繊維性植物材料片中の天然ヘミセルロースの含有量の少なくとも９０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記塩は、繊維性植物材料の軟化片内に固定化された実質的にｐＨ中性の塩である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の時間は、少なくとも１時間である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の時間は、１～５時間（両端値を含む）の範囲内である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記（ｂ）の間に、前記天然繊維性植物材料片に浸透された前記１つ以上の化学溶液の少なくとも９０％が消費される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記（ｂ）の後の繊維性植物材料の軟化片は、実質的に中性のｐＨを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記（ｂ）の前記第１の温度に曝露することは、蒸気を使用して、前記天然繊維性植物材料片を、その中の前記１つ以上の化学溶液と共に加熱することを含み、
蒸気を使用した前記加熱は、前記天然繊維性植物材料片に対して、前記１つ以上の化学溶液と共に、圧力反応器内またはフロースルー蒸気反応器内で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の密度は、少なくとも１．１５ｇ／ｃｍ
３
であり、
前記第２の密度は、１．０ｇ／ｃｍ
３
未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記（ｃ）における前記圧縮することは、軟化した繊維性植物材料片を第１の圧力で第２の時間の間プレスし、続いて第２の圧力で第３の時間の間更にプレスし、
ここで、（ｉ）前記第２の圧力は、前記第１の圧力よりも高く、（ｉｉ）第３の時間は、第２の時間よりも長く、または（ｉ）および（ｉｉ）の両方であり、
前記第１の圧力で前記第２の時間の間前記プレスを行うことは、前記軟化片を第１のプレス温度に供する間に実施され、
前記第２の圧力で前記第３の時間の間前記プレスを行うことは、前記軟化片を前記第１のプレス温度よりも高い第２のプレス温度に供する間に実施される、請求項１に記載の方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２１年８月２７日に出願された発明の名称「繊維性植物材料のリグニン修飾のための無廃棄物処理およびリグニン修飾された繊維性植物材料」である米国仮出願第６３／２３７，６２５号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 2,200 文字）【０００２】
（連邦支援研究に関する表明）
本発明は、米国エネルギー省、先進研究プロジェクト庁－エネルギー（ＡＲＰＡ－Ｅ）によって与えられたＤＥＡＲ０００１０２５の下で政府の支援を受けてなされた。米国政府は、本発明においてある種の権利を有する。
【０００３】
本開示は一般に、繊維性植物材料の処理に関し、より詳細には、繊維性植物材料中の天然リグニンを修飾するための無廃棄物（または少なくとも廃棄物が低減された）処理、およびそれから得られる製品に関する。
【背景技術】
【０００４】
繊維性植物材料は、持続可能な社会に向けて、広範囲の再生不能および／または石油系製品に取って代わる可能性を有している。天然木を高性能、低コストおよび持続可能な構造材料に加工することに関する最近の進歩は、建設、自動車および航空宇宙産業において広く使用されている既存の構造材料（例えば、鋼および他の合金）に取って代わる有望な経路を開く。例えば、天然木からリグニンおよびヘミセルロースを部分的に除去し、続いて高密度化することによって調製された高密度化木材は、５８０ＭＰａの強度を示す。ナノセルロースフィルムはまた、セルロースの高い重合度を維持しながら、９０％のリグニンを除去することによって１ＧＰａまでの強度で製造されて来た。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のリグニン除去技術では、脱リグニンプロセスが比較的大量の化学物質を消費し、比較的大量の液体廃棄物を生成し、追加の動作コスト、エネルギー消費、および環境問題を引き起こす。開示される主題の実施形態は、とりわけ、上述の問題および欠点のうちの1つ以上に対処し得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示される主題の実施形態は、リグニン修飾繊維性植物材料、および繊維性植物材料のリグニン修飾のための実質的に無廃棄物処理を提供する。いくつかの実施形態では、天然繊維性植物材料（例えば、木材、竹など）は、例えば、天然植物微細構造の天然チャネル（例えば、繊維性植物材料の長手方向細胞のセルロース系壁によって形成された管腔）を介して、1つ以上の化学物質で浸透または注入され得る。次いで、化学的に浸透させた植物材料を加熱して、軟化された植物材料を得ることができ、この軟化された植物材料は、天然植物材料のセルロース系微細構造、ならびに出発材料中に存在したほとんどまたは実質的に全てのリグニンを保持する。いくつかの実施形態において、保持されたリグニンは例えば、天然リグニンと比較して短縮された高分子鎖を有するように修飾され得る。
【０００７】
いくつかの実施形態では、プロセスは、液体廃棄物（例えば、黒液）を全くまたは最小限に生成することができない。むしろ、リグニンおよび／またはヘミセルロースの解重合断片は、軟化した植物材料の微細構造内に固定化することができる。いくつかの実施形態では、修飾を生成するために使用される化学物質のほとんどまたは実質的に全てを、加熱中にリグニンおよびヘミセルロースと反応させて、例えば、中性ｐＨを有する軟化植物材料を生成することができる。いくつかの実施形態では、軟化した植物材料は、所望の機械的特性（例えば、強度の増加、可撓性の増加、異方性弾性など）を有する構造材料を得るために、高密度化（例えば、プレスによる）および／または乾燥に供することができる。いくつかの実施形態では、処理によって生成される任意の流体（例えば、高密度化の間に絞り出される流体、および／または乾燥の間に蒸発した流体もしくは蒸気が逃げる流体）は、修飾および／またはそれから得られる塩を生成するために使用される任意の化学物質を実質的に含まなくてもよい。
【０００８】
１つ以上の実施形態では、本方法は、１つ以上の化学溶液を用いて天然繊維性植物材料片に浸透させることを含むことができる。本方法は、浸透後、1つ以上の化学溶液を含む天然繊維性植物材料片を、その中で、繊維性植物材料片を軟化させるように、第１の時間の間、少なくとも８０℃の第１の温度に供することを更に含むことができる。軟化片中の修飾リグニンの含有量は、天然繊維性植物材料片中の天然リグニンの含有量の少なくとも９０％であり得る。軟化片中に保持された修飾リグニンは、繊維性植物材料中の天然リグニンよりも短い高分子鎖を有することができる。
【０００９】
１つ以上の実施形態では、構造は、繊維性植物材料の高密度化片を含むことができる。繊維性植物材料の高密度化片は、少なくとも１．０ｇ／ｃｍ
３
の密度およびその中の修飾リグニンを有することができる。修飾リグニンは、天然繊維性植物材料中の天然リグニンよりも短い高分子鎖を有することができる。
【００１０】
１つ以上の実施形態では、構造は、繊維性植物材料の乾燥片を含むことができる。繊維性植物材料の乾燥片は、その中に修飾リグニンを有することができ、天然繊維性植物材料の天然微細構造の開放内腔を保持することができる。修飾リグニンは、天然繊維性植物材料中の天然リグニンよりも短い高分子鎖を有することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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