JP2000511588A - セルロースアセテートの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１段階として、塩基触媒の存在下でセルロースと第１アセチル化剤と反応させ、置換度ＤＳが１より小さいセルロースアセテートとし、次いで第２段階として、酸触媒の存在下で第２アセチル化剤と反応させて、置換度ＤＳが１．５〜２．９のセルロースアセテートとする、セルロースとアセチル化剤との反応による１．５〜２．９の置換度を有するセルロースアセテートの製造方法を提供することにある。前記第１および第２アセチル化剤は無水酢酸であることが好ましい。好適には、第１段階において、前記セルロースに過剰の塩基を含浸させ、次いで、ＤＳ＜１のセルロースアセテートを生成するために化学量論的に必要とされる塩基量まで、前記塩基を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】 セルロースアセテートの製造方法 本発明は、１．５〜２．９の置換度（ＤＳ）を有するセルロースアセテートの 製造方法に関する。 １．５〜２．９の置換度（ＤＳ）を有するセルロースアセテートは、様々な工 業において利用される重要な製品である。置換度（ＤＳ）は、前記セルロースの 無水グルコースユニットあたりの、水酸基のエステル化によるアセチル基の平均 数を意味する。１．５〜２．９の置換度（ＤＳ）を有するセルロースアセテート の従来の製造方法は、どれも製造の第１工程でセルロースアセテートをトリアセ テートヘ反応させた後、次いでそのセルローストリアセテートを加水分解して要 求する置換度（ＤＳ）とするものである。もし、アセチル化剤の不足でアセチル 化が実行されるか、または早期にアセチル化が停止したならば、均一ではない部 分的にアセチル化された生成物が得られ、換言すれば実質的にセルローストリア セテートと末反応セルロースとの混合物が生成する。この理由は、セルロースが 、一方で非結晶部分を含み、他方で結晶部分を含むという構造をしているからで ある。前記非結晶部分はアセチル化剤の到達が容易であり、前記結晶部分はアセ チル化剤の到達が困難であるという事実からみれは、不均一な反応という結果と なる。部分的にアセチル化されたセルロースアセテートの均一置換分布の指標と なるのは、そのアセトンへの溶解性である。同水準のアセチル基を含有する場合 、不均一なセルロースアセテートはアセトンに不溶である。 さらに、既知の製造技術では、反応の進行を促進させるために、多かれ少なか れ大過剰の、一般に無水酢酸であるアセチル化剤が使用される。化学量論的に必 要な量と比較して過剰の無水酢酸の使用を必要とする場合も、トリアセチル化段 階を介することを必要とする場合も、アセチル化剤消費の増加を引き起こす。そ れは２，５−セルロースアセテートの場合には３１％にもなる。多くの工業的利 用に関する限り、２，５−セルロースアセテートは、ＤＳ ２を有するセルロー スアセテートとすることができる。それはセルローストリアセテートを介する回 り道を必要としない製造工程であるため結果的にアセチル化剤を節約することが 可能とされる。 セルロースは別として、商業的パルプは必ずリグニンおよび特にヘミセルロー スのような他の木質要素を、一定割合を含んでいる。ヘミセルロースまたはそれ らのアセチル化形態は、プロセスに対して、特に溶解性、ろ過性、紡糸性に関し て、ならびに工業的に生産されたセルロースアセテートの製品特徴に対しての両 方の害となる。広く認められている既知の製造方法は、ヘミセルロースの影響に よって反応の促進が抑制されることが知られており、それらはさらなる無水酢酸 の消費を必要とすることになる。ヘミセルロースは、単糖類とオリゴ糖類へ分解 され、そしてアセテート洗浄のさいに洗い流される。その上に、これらの製造方 法(高温加水分解)は、相対的にエネルギーを消費するとともに時間がかかり、高 い投資コストを必要とする。それゆえに、アセチル化剤を消費しない段階におい て、リグニンと脂肪のような他の木質要素およびヘミセルロースを分離するとい うことは都合がよい。 アセチル化に適している商業上利用可能なパルプは、高品質のパルプに属し、 ヘミセルロースを相対的にほとんど含まない（２〜３ｗt．％）。高晶質パルプ より劣るパルプ、すなわちより高いヘミセルロースを含むパルプを、原料として 使用する製法は必要とされている。これは、かなりのコスト節減を達成するだろ う。なぜなら、パルプ価格は比較的高くそしてセルロースアセテートは約６０％ がセルロースで構成される。 従って、本発明の課題は、１．５〜２．９のＤＳを有するセルロースアセテー トの製造方法を提供することにある。そしてその製造方法は、セルローストリア セテートを介する遠回りな工程を特に必要せず、そして既知の製造方法より少量 のアセチル化剤の使用でよい。それは、セルロースアセテートに均一置換分布を 与えることを意図する。前記製造方法は、ヘミセルロース、リグニン、脂肪など のような混合物が入った品質に不安のある、低品質のパルプの使用、そしてさら にセルロースアセテートの生成時に消費されていないアセチル化剤を製造段階に おいて除去することも可能とする。 本発明によれば、前記課題は、第１段階にとして、セルロースを塩基触媒の存 在下で第１アセチル化剤と反応させて、置換度ＤＳが１より小さいセルロースア セテートとし、第２段階として、酸触媒の存在下で第２アセチル化剤と反応させ て置換度ＤＳが１．５〜２．９のセルロースとすることによって解決される。 本発明による製造方法の第１段階の塩基触媒は、液体であるか溶液の形態であ るかのどちらかであり、好ましくは水溶液である。前記塩基液体またはそれらの 溶液は、セルロースを膨潤させることが可能であり、すなわちその結晶部分に浸 透し、そしてこのことによってその後に活性化させることが可能となる。１より 小さいＤＳまでアセチル化することによって、活性化状態が保持される。もし前 記塩基が反応または他のどんな方法によっても除去されるか、消費されたならば 、低置換基密度で存在するアセチル基が、セルロース鎖の再結晶化を予防する“ スペーサー”として作用することが考えられる。 本発明による製造方法の第１段階の触媒として好適な塩基は、水酸化ナトリウ ム溶液であり、好ましくは少なくとも２０％の濃度の特に水酸化ナトリウム水溶 液である。 好ましい具体例は、第１段階として、まずセルロースに過剰の塩基を含浸させ た後、塩基／ＡＨＧ（無水グルコースユニット）のモル比が２．５より小さくな るまで前記塩基を除去し、好適には１以下となるまで除去し、次いで得られた生 成物を第１アセチル化剤と反応させて置換度ＤＳが１より小さいセルロースアセ テートとする。 “過剰の塩基”とは、前記塩基またはその溶液が、少なくともセルロースの表 面を完全に湿らせる必要があるということを意味する。一般的には、それは、塩 基／ＡＨＧのモル比が３以上であり、特に６以上である。過剰の塩基を使用する ことにより、セルロースに塩基を均一に浸透させることが容易になる。前記塩基 と第１アセチル化剤との反応によって形成される副生物をできる限り少なくする ために、前記塩基は除去される。好ましくは、置換度ＤＳが１より小さいセルロ ースアセテートの形成するために、化学量論的に必要な塩基量まで、前記塩基は 除去される。約２〜５ｗｔ％(溶媒に関係なく主成分を計算)の塩基量がセルロー ス上に残ることが好ましい。過剰の塩基を除去することによって、リグニン、ヘ ミセルロース、脂肪などのような不必要なセルロース混合物も同時に除去される 。例えば、ヘミセルロースは、特に本発明による製造方法の濃度範囲内の、水酸 化ナトリウム溶液に溶けることが知られている。従って、絞るかまたは圧搾する ことによって、不溶であるパルブから分離すことができる。(参照、Ｋ．Ｇｏｔ ｚｅビスコース方法による化学繊維、第３版、スプリンガーベルグ，ベルリン， ハイデルベルグ，ニューヨーク，１９６７)［ｃｆ．Ｋ．Ｇｏｔｚｅ，Ｃｈｅｍ ｉｅｆａｓｅｒｎ ｎａｃｈ ｄｅｍ Ｖｉｓｋｏｓｅｖｅｒｆａｈｒｅｎ,３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｓｐｒｉｎｇｅr Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉn，Ｈｅｉｄｅ ｌｂｅｒｇ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９６７］従って、ヘミセルロースが第１工程 段階で分離されることは、本発明の製造方法の重要な利点である。それによって 、製品を製造する間の妨害効果がなくなる。それは、精製度の低いそしてそれゆ えにより高いヘミセルロースを有する低価格のパルプを使用することができると いう結果にもなるので都合が良い。不必要な混合物を適当な方法によって塩基か ら分離し、その塩基を再生することもできる。前記セルロース混合物を取り除く ことによって、前記塩基を再利用することもできる。 含浸セルロースを機械的に圧搾することによって過剰の塩基を除去することが できる。選択的にまたは好適に、圧搾に加えて含浸セルロースを水と混和する極 性有機溶媒で洗浄することもできる。前記溶媒は、好ましくは、１価、２価、ま たは３価の炭素数１〜４のアルコール、およびアミンの中から選択される。好適 な、１価のアルコールはメタノールまたはエタノールであり、２価のアルコール はエチレングリコールである。この処置によって、アセチル化剤と反応させて置 換度ＤＳが１より小さいセルロースアセテートとするために化学量論的に必要な 程度まで前記セルロースの塩基濃度を減少させることが容易にできる。意外にも 、水に混和する極性有機溶媒で洗浄することによって、アルカリセルロースの反 応状態と非結晶状態が維持される。好適には無水酢酸とされる第１アセチル化剤 と混合することによって、常温で置換度ＤＳが１より小さい、ある程度までアセ チル化されたセルロースアセテートが得られる。もし、洗浄用にアルコール、好 適には１価のアルコールを使用するならば、蒸留によって都合よく回収すること ができる。次の洗浄段階でアルカリセルロース中に存在する残余アルコールは前 記アセチル化剤と反応しない。 本発明の製造方法の第１段階で得られた置換度ＤＳが１より小さいセルロース は、水で洗浄し、乾燥させた後、貯蔵することができる。洗浄は氷酢酸で行なう こともできる。洗浄は、残余有機溶媒、第１アセチル化剤、および特に第１アセ チル化剤と塩基触媒とから形成される反応生成物、例えば、水酸化ナトリウム使 用時におけるナトリウムアセテート、の除去を可能とする。 第１製造段階で得られたセルロースアセテートは、１より小さい置換度、好適 には０．６より小さく、特に０．１〜０．５の置換度を有する。それは繊維構造 を有し、エックス線の回折スペクトルによれば完全に非結晶化されている。それ は、一様な反応性を持っており、したがって、第２製造段階の出発物質として適 している。その要求された置換度ＤＳを有するセルロースアセテートは、今、直 接的に、すなわちトリアセテートを介する遠回りなしで得られる。 本発明による製造方法の第２段階として、第１段階で得られたおよそ１より小 さい置換度を有する前記セルロースアセテートを、酸触媒の存在下で第２アセチ ル化剤を対応する量添加して、要求された置換度１．５〜２．９の範囲、好まし くは１．８〜２．７５、そして特に約２．５を有するセルロースアセテートへと 直接的に反応させる。好適に前記第２アセチル化剤として無水酢酸が使用され、 好適に前記触媒として硫酸が使われる。 本発明によるプロセスは多数の利点を有している。上述のように、マーセル化 技術、すなわち塩基を伴うセルロースの処理は、よく認識されているとともによ く使用されており、操作の費用効率も高い。類似する処理はビスコースまたはセ ルロースエーテル生産の世界で至る所でかなり使用されている。過剰の水酸化ナ トリウム溶液を、大きなコストをかけることなく回収できる。水酸化ナトリウム 溶液との接触によって重台度（ＤＰ）を調節することも、ビスコース産業によっ て示されており、そしてよく知られている。 マーセル化の間に、精製度の低いパルプの使用を可能とするために、リグニン 、脂肪、ヘミセルロースのような、木材に由来する必要としないセルロース混合 物をセルロースから分離する。従って、パルプ精製工程をパルプ工場から他の処 理業者へと移すことが一部で可能となる。 望ましい置換度を達成するために、先行技術と比較してより小量のアセチル化 剤量を必要とする。 第１段階として、低い置換度（ＤＳ）を有する非結晶質のセルロースアセテー トを生成し、それをさらに反応させることによって、不均一置換分布となりそし て生成物の低い同質性となるようなセルロースの結晶部に基因する既知の不均一 にアセチル化される方法によって生じる問題点なしに、望んだ置換度（ＤＳ）を 有するセルロースアセテートを生成する。アセチル化は、常温かそれよりわずか に高い温度で起こる。本発明による生成物は実質的に均一置換分布によって特徴 づけられ、それは本発明による生成物のアセトンへの優れた溶解性によって証明 される。このように、２，５セルロースアセテートはさておき、本発明によって 生産されたより高い重合度を有する生成物もアセトンに可溶である。 本発明を以下の実施例によってさらに詳述する。 実施例１ ＤＰ７５０のセルロース１００ｇを１１の３つ首フラスコ内において２２ｗｔ ％の水酸化トリウム５００ｇ中に浸漬させる。１５分後、混合物を、実験室内用 プレスによって１５０バールで圧搾する。得られる圧搾ケーキ（２５０ｇ）を、 室温でメタノール７５０ｇに浸漬させた後、得られるアルカリセルロースをろ過 して取り除く。次いでメタノール１５０ｇを含む前記アルカリセルロースに、無 水酢酸１５０ｇを加えて、反応容器内において２０℃で反応させる。１０分後、 過剰の無水物をろ過して取り除き、得られる非結晶化セルロースアセテートを水 で洗浄した後乾燥させれば、置換度ＤＳ０．２５のセルロースアセテート１０３ ｇが得られる。 セルロース−２，５−アセテートの生産ために、耐熱性反応容器内において、 乾燥させた０，２５−ＣＡ１００ｇを、６０℃で氷酢酸（９９％）１．５ｌ中に 浸漬させる。１５分後、無水酢酸１０５ｇを加え、６０℃でさらに５分間、撹拌 する。ｌｗｔ％の硫酸溶液１５ｍｌを氷酢酸に加えた後、６０℃で４５分間撹拌 して反応混合物の均一化する。続いて水中に２，５−ＣＡを析出させ、生成物を 数回洗浄し、１００℃で乾燥すると、セルロース−２，５−アセテート１５０ｇ が得られる。 生成物は、１３５０ｇのアセトンに完全に溶ける。その溶液はろ過した後、セ ルロース−２，５アセテート製品へと加工することが可能である。 実施例２〜４ 前記セルロース−２，５アセテートは、０，２５−ＣＡを水で洗浄せずに乾燥 するということ意外は実施例１と同様に生成される。前記水での洗浄に代えて、 無水酢酸で洗浄するか（実施例２）、または酢酸で洗浄するか（実施例３）、ま たは洗浄せずに直接２，５−ＣＡへと反応させる（実施例４）。 それぞれの実施例で得られる生成物もアセトンに完全に可溶である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１２月４日（１９９８．１２．４） 【補正内容】 にセルロースアセテートの生成時に消費されていないアセチル化剤を製造段階に おいて除去することも可能とする。 本発明によれば、前記課題は、第１段階でセルロースに過剰の塩基を含浸させ た後、塩基／無水グルコースユニット（ＡＨＧ）のモル比が２．５より小さくな るまで前記塩基を除去し、そのセルロースを塩基触媒の存在下で第１アセチル化 剤と反応させて置換度が１より小さいセルロースアセテートとし、次いで第２段 階として、酸触媒の存在下で、第２アセチル化剤と反応させて置換度（ＤＳ）が １．５〜２．９のセルロースアセテートとすることによって解決される。 本発明による製造方法の第１段階の塩基触媒は、液体であるか溶液の形態であ るかのどちらかであり、好ましくは水溶液である。前記塩基液体またはそれらの 溶液は、セルロースを膨潤させることが可能であり、すなわちその結晶部分に浸 透し、そしてこのことによってその後に活性化させることが可能となる。１より 小さいＤＳまでアセチル化することによって、活性化状態が保持される。もし前 記塩基が反応または他のどんな方法によっても除去されるか、消費されたならば 、低置換基密度で存在するアセチル基が、セルロース鎖の再結晶化を予防する“ スペーサー”として作用することが考えられる。 本発明による製造方法の第１段階の触媒として好適な塩基は、水酸化ナトリウ ム溶液であり、好ましくは少なくとも２０％の濃度の特に水酸化ナトリウム水溶 液である。 好ましい具体例は、第１段階として、前記セルロースに過剰の塩基を含浸させ た後、塩基／ＡＨＧ（無水靴コースユニット）のモル比が１より小さくなるまで 前記塩基を除去し、次いで得られた生成物を第１アセチル化剤と反応させて置換 度（ＤＳ）が１より小さいセルロースアセテートとする。 “過剰の塩基”とは、前記塩基またはその溶液が、少なくともセルロースの表 面を完全に湿らせる必要があるということを意昧する。一般的には、それは、塩 請求の範囲(３４条補正) １．セルロースとアセチル化剤とを反応させて、置換度（ＤＳ）１．５〜２．９ のセルロースアセテートを製造する方法であって、 第１段階として、セルロースに過剰の塩基を含浸させた後、塩基／無水グルコ ースユニット(ＡＨＧ)のモル比が２．５より小さくなるまで前記塩基を除去し、 そのセルロースを塩基触媒の存在下で第１アセチル化剤と反応させて置換度（Ｄ Ｓ）が１より小さいセルロースアセテートとし、 次いで第２段階として、酸触媒の存在下で、第２アセチル化剤と反応させて置 換度（ＤＳ）１．５〜２．９のセルロースアセテートとすることを特徴とするセ ルロースアセテートの製造方法。 ２．第２段階において、置換度（ＤＳ）を１．８〜２．７５とすることを特徴と する請求項１記載のセルロースアセテートの製造方法。 ３．第１アセチル化剤は無水酢酸であることを特徴とする請求項１または２記載 のセルロースアセテートの製造方法。 ４．第２アセチル化剤は無水酢酸であるとことを特徴とする請求項１〜３のいず れか１項に記載のセルロースアセテートの製造方法。 ５．第１段階で使用される塩基触媒は水酸化ナトリウム溶液であることを特徴と する請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルロースアセテートの製造方法。 ６．第２段階で使用される酸触媒は硫酸であることを特徴とする請求項１〜５の いずれか１項に記載のセルロースアセテートの製造方法 ７．モル比が１より小さくなるまで前記塩基を除去することを特徴とする請求項 １〜６のいずれか１項に記載のセルロースアセテートの製造方法。 ８．前記含浸セルロースから前記過剰の塩基を機械的に搾り出すことを特徴とす る請求項１〜７のいずれか１項に記載のセルロースアセテートの製造方法。 ９．前記含浸セルロースを水と混和する極性有機溶媒で洗浄することによって、 過剰の塩基を除去することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセ ルロースアセテートの製造方法。 １０．前記水と混和する極性有機溶媒は、１価、２価、または３価の炭素数１〜 ４のアルコール、およびアミンの中から選択されることを特徴とする請求項９に 記載のセルロースアセテートの製造方法。 １１．前記１価のアルコールはメタノールまたはエタノールであり、前記２価の アルコールはエチレングリコールであることを特徴とする請求項１０に記載のセ ルロースアセテートの製造方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．セルロースとアセチル化剤とを反応させて、置換度（ＤＳ）１．５〜２．９ のセルロースアセテートを製造する方法であって、 第１段階として、塩基触媒の存在下でセルロースを第１アセチル化剤と反応さ せて置換度が１より小さいセルロースアセテートとし、 次いで第２段階として、酸触媒の存在下で第２アセチル化剤と反応させて１． ５〜２．９の置換度ＤＳを有するセルロースアセテートとすることを特徴とする セルロースアセテートの製造方法 ２．第２段階において、置換度（ＤＳ）を１．８〜２．７５とすることを特徴と する請求項１記載のセルロースアセテートの製造方法。 ３．第１アセチル化剤は無水酢酸であることを特徴とする請求項１または２記載 のセルロースアセテートの製造方法。 ４．第２アセチル化剤は無水酢酸であることを特徴とする請求項１〜３のいずれ か１項に記載のセルロースアセテートの製造方法。 ５．第１段階で使用される塩基触媒は水酸化ナトリウム溶液であることを特徴と する請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルロースアセテートの製造方法。 ６．第２段階で使用される酸触媒は硫酸であることを特徴とする請求項１〜５の いずれか１項記載のセルロースアセテートの製進方法。 ７．第１段階において、前記セルロースに過剰の塩基を含浸させた後、塩基／Ａ ＨＧのモル比が２．５より小さくなるまで前記塩基を除去し、次いで得られた生 成物をアセチル化剤と反応させて置換度（ＤＳ）が１より小さいセルロースアセ テートとすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のセルロースア セテートの製造方法。 ８．モル比が１より小さくなるまで前記塩基を除去することを特徴とする請求項 ７記載のセルロースアセテートの製造方法。 ９．前記含浸セルロースから前記過剰の塩基を機械的に搾り出すことを特徴とす る請求項７または８記載のセルロースアセテートの製造方法。 １０.前記含浸セルロースを水と混和する極性有機溶媒で洗浄することによって 、過剰の塩基を除去することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の セルロースアセテートの製造方法。 １１．前記水と混和する極性溶媒は、１価、２価、または３価の炭素数１〜４の アルコール、およびアミンの中から選択されることを特徴とする請求項１０記載 のセルロースアセテートの製造方法。 １２．前記１価のアルコールはメタノールまたはエタノールであり、前記２価の アルコールはエチレングリコールであることを特徴とする請求項１１記載のセル ロースアセテートの製造方法。