JP2003261712A - Cellulose-dissolving solvent and method for preparing cellulose solution - Google Patents
Cellulose-dissolving solvent and method for preparing cellulose solutionInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、特別な前処理を必
要とせず天然セルロースおよび再生セルロースを常温・
常圧で容易に溶解できるセルロース溶解性溶媒及びそれ
を用いたセルロース溶液の調製方法に関するものであ
る。本発明のセルロース溶解性溶媒及びセルロース溶液
の調製方法は、繊維やフィルムを始めとするセルロース
材料の成型化に広く用いられるものである。TECHNICAL FIELD [0001] The present invention does not require any special pretreatment to treat natural cellulose and regenerated cellulose at room temperature.
The present invention relates to a cellulose-soluble solvent that can be easily dissolved at normal pressure and a method for preparing a cellulose solution using the same. INDUSTRIAL APPLICABILITY The method for preparing a cellulose-soluble solvent and a cellulose solution of the present invention is widely used for molding cellulose materials such as fibers and films.
【0002】[0002]
【従来の技術】セルロースは、地球上に最も豊富に存在
する有機物で木材の構成主成分であり、天然に多量に存
在する再生資源、生分解性を有する高分子である。現在
の最も大きな用途としては、繊維や紙、フィルムなどに
利用されているが、溶融性、溶解性が極めて乏しいこと
から、材料として扱う場合には成型加工が困難であり、
用途が著しく限定されている。溶解性の極めて高いセル
ロースの溶媒が新たに見出されれば、これらの問題解決
に大きく期待でき、前記の用途以外にも非常に多岐に渡
った応用が可能となる。2. Description of the Related Art Cellulose is the most abundant organic substance on earth and is the main constituent of wood. It is a naturally occurring large amount of recycled resources and biodegradable polymer. Currently, it has been used for textiles, paper, films, etc. as the largest application, but since it has very poor meltability and solubility, it is difficult to mold it when handling it as a material,
Its use is extremely limited. If a new solvent for cellulose having an extremely high solubility is newly found, it can be expected to solve these problems, and a wide variety of applications other than the above-mentioned applications will be possible.
【0003】従来から用いられて来た溶媒としては、
銅、コバルト、亜鉛などのアミン水溶液(E. Schweize
r, J. Prakt. Chem., 72, 109 (1857)、G. Jayme, Papi
er, 5,244 (1951)、G. Jayme and K. Neuschaffer, Nau
turwissenschften, 42, 536 (1955).)があるが、環境
汚染となる重金属の回収工程およびコストの面から産業
的な利用は衰退している。Solvents that have been conventionally used include
Amine aqueous solution of copper, cobalt, zinc, etc. (E. Schweize
r, J. Prakt. Chem., 72, 109 (1857), G. Jayme, Papi
er, 5,244 (1951), G. Jayme and K. Neuschaffer, Nau
turwissenschften, 42, 536 (1955).), but industrial use is declining due to the recovery process and cost of heavy metals that cause environmental pollution.
【0004】現行のセルロース繊維製造の主流であるビ
スコース法(C. F. Cross, E. T. Bevan, and C. Beadl
e, Ber., 26, 1090-1097 (1893).)では、セルロースを
化学変化により一旦改質し、セルロース誘導体として溶
解性を発現、繊維化した後に元のセルロースに戻すた
め、極めて煩雑な工程を強いられる。このように化学反
応を伴って溶解させる液体は、本来、溶媒とは定義され
ない。また、有毒な二硫化炭素を使用する製造過程の副
産物として毒性の強い硫化水素ガスが発生するなどの欠
点があり、代替法が強く望まれている。The viscose method (CF Cross, ET Bevan, and C. Beadl), which is the mainstream of the current cellulose fiber production,
e, Ber., 26, 1090-1097 (1893).), the cellulose is once modified by a chemical change to develop the solubility as a cellulose derivative, and after being fiberized, it is returned to the original cellulose, which is an extremely complicated process. Be forced. Such a liquid that is dissolved by a chemical reaction is not originally defined as a solvent. In addition, there is a defect that hydrogen sulfide gas, which is highly toxic, is generated as a by-product of the manufacturing process using toxic carbon disulfide, and an alternative method is strongly desired.
【0005】近年見出されたセルロース溶媒として、塩
化リチウムとジメチルアセトアミドの混合物がある(C.
L. McCormick and D. K. Lichatowich, J. Polym. Sc
i. :Polym. Lett. Ed., 17, 479-484 (1979).)。しか
し、溶解するセルロースの種類によっては、溶媒に分散
させたセルロース懸濁液を100℃以上に加熱するか、
予め長時間、セルロースを水やアルコールに浸透させて
膨潤させておくなどの前処理を必要とする。そして、高
価なリチウム塩を使用しているため実験室規模の使用に
限定され、工業化には至っていない。As a cellulose solvent found in recent years, there is a mixture of lithium chloride and dimethylacetamide (C.
L. McCormick and DK Lichatowich, J. Polym. Sc
i.: Polym. Lett. Ed., 17, 479-484 (1979).). However, depending on the type of cellulose to be dissolved, the cellulose suspension dispersed in the solvent may be heated to 100 ° C. or higher, or
Pretreatment such as preliminarily swelling cellulose in water or alcohol for a long time is required. Further, since expensive lithium salt is used, it is limited to use on a laboratory scale and has not been industrialized yet.
【0006】前述のビスコース法以外で工業的に実用化
されている唯一のセルロース溶媒としては、N−メチル
モルホリン−N−オキシド/水系がある(D. L. Johnso
n, US Patent 3,447,939, (1969).)。当溶媒は130
℃付近まで加熱しないとセルロースを溶解せず、約15
0℃で爆発性があるため常に危険を備えている。また、
このような高温域では溶解したセルロースは急速に分解
し、それを防ぐための添加剤が必要不可欠である。The only cellulose solvent that has been industrially put to practical use other than the above-mentioned viscose method is the N-methylmorpholine-N-oxide / water system (DL Johnso
n, US Patent 3,447,939, (1969).). The solvent is 130
Cellulose will not dissolve unless heated to around ℃
Always dangerous because it is explosive at 0 ° C. Also,
Dissolved cellulose rapidly decomposes in such a high temperature range, and an additive for preventing it is indispensable.
【0007】その他に、ある種の無機塩の濃厚水溶液を
100℃付近まで加熱するとセルロースが溶解すること
が古くから知られている。無機塩の種類はチオシアン酸
カルシウム、チオシアン酸マグネシウム、塩化亜鉛など
であるが、高温に加熱が必要なためエネルギー消費量が
大きいこと、および、前述の様に高温状態ではセルロー
スの分子鎖切断が避けられず、強度の高いセルロース繊
維を得るには不利である。In addition, it has long been known that when a concentrated aqueous solution of an inorganic salt is heated to around 100 ° C., cellulose is dissolved. The types of inorganic salts are calcium thiocyanate, magnesium thiocyanate, zinc chloride, etc., but energy consumption is large because heating is required at high temperature, and molecular chain scission of cellulose is avoided at high temperatures as described above. However, it is disadvantageous in obtaining a high-strength cellulose fiber.
【0008】最近、高濃度のチオシアン酸ナトリウム水
溶液がセルロースを溶解することが発明されている(特
開平8−158148)。しかし、この溶媒系は天然型
のセルロースは溶解せず、水酸化ナトリウム水溶液で処
理したII型と呼ばれるセルロース、あるいは、結晶状態
でない無定形セルロースしか溶解できない。また、依然
として100℃以上の加熱が必要で、上述の分子鎖切断
の観点から、溶解前にセルロースと比較して強度が低下
する要因を抱えている。Recently, it has been invented that a high-concentration sodium thiocyanate aqueous solution dissolves cellulose (Japanese Patent Laid-Open No. 8-158148). However, this solvent system does not dissolve natural type cellulose, but only type II type cellulose treated with an aqueous sodium hydroxide solution, or amorphous cellulose that is not in a crystalline state. Further, heating at 100 ° C. or higher is still required, and from the viewpoint of the above molecular chain scission, there is a factor that the strength is lowered as compared with cellulose before dissolution.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】これまでに見出された
セルロース溶媒の特徴から分かるように、従来のものは
化学反応を伴いセルロースを誘導体化するか、あるいは
100℃以上の高温域に加熱しなければ溶解性を発現し
ないものが大半を占める。工業規模でのコストも考慮す
ると、この二点を回避する溶媒は現在のところ皆無であ
る。これらを解決し、温和な条件下で溶解したセルロー
ス溶液から、強度など機械的物性の優れたセルロース材
料を成型可能とする溶媒系が求められている。As can be seen from the characteristics of the cellulosic solvents found so far, the conventional ones derivatize the cellulose with a chemical reaction or heat it to a high temperature range of 100 ° C or higher. If not, most of them do not exhibit solubility. Considering the cost on an industrial scale, there is currently no solvent that avoids these two points. A solvent system that solves these problems and is capable of molding a cellulose material having excellent mechanical properties such as strength from a cellulose solution dissolved under mild conditions is required.
【0010】本発明は上記のような事情を考慮してなさ
れたものであり、その目的は、天然セルロースおよび再
生セルロースを常温・常圧の温和な条件下で容易に溶解
できるセルロース溶解性溶媒及びセルロース溶液の調製
方法を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is a cellulose-soluble solvent capable of easily dissolving natural cellulose and regenerated cellulose under mild conditions of normal temperature and normal pressure, and It is to provide a method for preparing a cellulose solution.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】既存の溶媒中、水を媒体
としている水溶液系においては、セルロースを溶解する
のに全て100℃以上に加熱が必要であることに注目
し、水ではセルロースの膨潤作用および溶解性が低過ぎ
ると判断した。本発明は、水の代わりに膨潤作用の強い
ヒドラジン(NH2NH2)を用いることにより上記の課
題を解決している。[Means for Solving the Problems] In an existing aqueous solution system in which water is used as a medium, attention is paid to the fact that heating to 100 ° C. or higher is required to dissolve cellulose. It was judged that the action and the solubility were too low. The present invention solves the above problems by using hydrazine (NH 2 NH 2 ) having a strong swelling action instead of water.
【0012】本発明に係るセルロース溶解性溶媒は、天
然セルロースおよび再生セルロースを常温・常圧の条件
下で溶解するセルロース溶解性溶媒であって、無機塩と
ヒドラジンからなることを特徴とする。The cellulose-soluble solvent according to the present invention is a cellulose-soluble solvent which dissolves natural cellulose and regenerated cellulose under conditions of normal temperature and normal pressure, and is characterized by comprising an inorganic salt and hydrazine.
【0013】上記セルロース溶解性溶媒によれば、セル
ロースの結晶形態に依存することなく高濃度にセルロー
スを溶解することが可能である。また、上記セルロース
溶解性溶媒では、天然に存在するI型のセルロースに限
らず、マーセル化により調製されるII型、および、アミ
ン類で処理して調製されるIII型のセルロースに関して
も高濃度にセルロースを溶解することができる。According to the above-mentioned cellulose-soluble solvent, it is possible to dissolve cellulose at a high concentration without depending on the crystal form of cellulose. In addition, the above-mentioned cellulose-soluble solvent is not limited to naturally occurring type I cellulose, but also has a high concentration for type II cellulose prepared by mercerization and type III cellulose prepared by treatment with amines. Cellulose can be dissolved.
【0014】また、本発明に係るセルロース溶解性溶媒
においては、前記無機塩がチオシアン酸塩、ヨウ化ナト
リウムおよびヨウ化カリウムのうちのいずれかであるこ
とが好ましい。また、前記チオシアン酸塩がチオシアン
酸ナトリウム、チオシアン酸カリウムおよびチオシアン
酸リチウムのうちのいずれかであることが好ましい。In the cellulose-soluble solvent according to the present invention, the inorganic salt is preferably any of thiocyanate, sodium iodide and potassium iodide. The thiocyanate is preferably any one of sodium thiocyanate, potassium thiocyanate and lithium thiocyanate.
【0015】本発明に係るセルロース溶液の調製方法
は、天然セルロース又は再生セルロースを無機塩とヒド
ラジンからなるセルロース溶解性溶媒に常温・常圧の条
件下で溶解させることを特徴とする。The method for preparing a cellulose solution according to the present invention is characterized in that natural cellulose or regenerated cellulose is dissolved in a cellulose-soluble solvent composed of an inorganic salt and hydrazine at room temperature and atmospheric pressure.
【0016】本発明に係るセルロース溶液の調製方法で
は、膨潤作用の強いヒドラジンに無機塩を溶解して液体
を得る。この液体にセルロースを分散させ、セルロース
の拡散を促進させて、常温・常圧の条件下で均一のセル
ロース溶液を調製するものである。In the method for preparing a cellulose solution according to the present invention, a liquid is obtained by dissolving an inorganic salt in hydrazine having a strong swelling action. Cellulose is dispersed in this liquid to promote the diffusion of cellulose to prepare a uniform cellulose solution under the conditions of normal temperature and normal pressure.
【0017】また、本発明に係るセルロース溶液の調製
方法においては、前記無機塩がチオシアン酸塩、ヨウ化
ナトリウムおよびヨウ化カリウムのうちのいずれかであ
ることが好ましい。また、前記チオシアン酸塩がチオシ
アン酸ナトリウム、チオシアン酸カリウムおよびチオシ
アン酸リチウムのうちのいずれかであることが好まし
い。In the method for preparing a cellulose solution according to the present invention, the inorganic salt is preferably any of thiocyanate, sodium iodide and potassium iodide. The thiocyanate is preferably any one of sodium thiocyanate, potassium thiocyanate and lithium thiocyanate.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明の実施の形態によるセルロース溶解
性溶媒は、水の代わりに膨潤作用の強いヒドラジンを用
いることにより前記の課題を克服している。すなわち、
ヒドラジンに、無機塩としてチオシアン酸ナトリウム
(NaSCN)を飽和になるまで溶解し、無色の液体を
得る。チオシアン酸ナトリウムの代わりにチオシアン酸
カリウム(KSCN)、チオシアン酸リチウム(LiS
CN)などのチオシアン酸塩を用いても良いし、ヨウ化
ナトリウム(NaI)、ヨウ化カリウム(KI)などの
一部のハロゲン化アルカリを用いても良い。これにセル
ロースを分散させ、撹拌機で撹拌、またはローラー状の
物で剪断応力をかけることにより、セルロースの拡散を
促進させて、室温で均一のセルロース溶液が得られる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below. The cellulose-soluble solvent according to the embodiment of the present invention overcomes the above problems by using hydrazine having a strong swelling action instead of water. That is,
Sodium thiocyanate (NaSCN) as an inorganic salt is dissolved in hydrazine until saturated to give a colorless liquid. Instead of sodium thiocyanate, potassium thiocyanate (KSCN), lithium thiocyanate (LiS
A thiocyanate such as CN) may be used, or a part of an alkali halide such as sodium iodide (NaI) or potassium iodide (KI) may be used. Cellulose is dispersed in this, and it is stirred by a stirrer, or shear stress is applied by a roller-shaped material to promote the diffusion of cellulose and obtain a uniform cellulose solution at room temperature.
【0019】ここで注目すべきは、従来の無機塩の水溶
液は100℃以上に加熱しないとセルロースが溶解しな
かったのに対し、水の代わりにヒドラジンを媒体として
用いると、室温でさえ容易に溶解することである。この
ように室温で容易に溶解するので、セルロース分子鎖の
切断や分解による分子量低下を招くことがなく、加熱用
の大規模な装置やエネルギーも必要としない。従って、
低コスト化が可能となる。表1に、重合度210の天然
型セルロースIの25℃における溶解度を示す。It should be noted here that the conventional aqueous solution of the inorganic salt did not dissolve the cellulose unless it was heated to 100 ° C. or higher, whereas if hydrazine was used as the medium instead of water, it was easily obtained even at room temperature. To dissolve. Since it dissolves easily at room temperature in this way, it does not cause a decrease in the molecular weight due to cleavage or decomposition of the cellulose molecular chain, and does not require a large-scale heating device or energy. Therefore,
Cost reduction is possible. Table 1 shows the solubility of natural type cellulose I having a degree of polymerization of 210 at 25 ° C.
【0020】[0020]
【表1】 [Table 1]
【0021】ヒドラジン/塩の比とセルロースの溶解性
の関係は、全ての場合において塩濃度が高いほどセルロ
ースの溶解度は大きくなる。すなわち、表1に示したよ
うな飽和溶液がセルロースを最もよく溶解する。セルロ
ースの溶解性が発現するのに必要な塩の最低濃度は、チ
オシアン酸リチウム、チオシアン酸ナトリウム、チオシ
アン酸カリウムにおいて、それぞれ38%、34%、5
4%の重量比が必要である。Regarding the relationship between the hydrazine / salt ratio and the solubility of cellulose, the solubility of cellulose increases as the salt concentration increases in all cases. That is, a saturated solution as shown in Table 1 dissolves cellulose best. The minimum concentration of the salt required to develop the solubility of cellulose is 38%, 34%, 5% in lithium thiocyanate, sodium thiocyanate, and potassium thiocyanate, respectively.
A weight ratio of 4% is required.
【0022】本発明により見出された溶媒系は、セルロ
ースの結晶形態に依存せず、高濃度にセルロースを溶解
する。表1には、天然に存在するI型のみを示している
が、マーセル化により調製されるII型、および、アミン
類で処理して調製されるIII型のセルロースに関しても
同様の溶解力を示す。セルロース溶液の調製には、表1
のセルロースを用いた場合、5%未満の低濃度に対して
は数時間、10%程度までは3日間、最大溶解度を得る
には5日間程度の時間を有する。これは、溶液自体が非
常に粘凋になるため、溶解中のセルロースが拡散し難く
なるためである。セルロースの溶解は他の溶媒系に比べ
て比較的早く、膨潤工程や加熱などのセルロースの前処
理も必要ないことを考慮すると、溶解工程は極めて簡潔
でコストも低いものとなる。従って、大量調製に非常に
適した溶媒と言える。The solvent system found according to the present invention dissolves cellulose in high concentrations independent of the crystalline form of cellulose. Table 1 shows only naturally occurring type I, but the type II cellulose prepared by mercerization and the type III cellulose prepared by treating with amines also show the same dissolving power. . For the preparation of the cellulose solution, Table 1
In the case of using the above cellulose, it takes several hours for a low concentration of less than 5%, about 3 days for up to about 10%, and about 5 days for obtaining the maximum solubility. This is because the solution itself becomes so viscous that the cellulose being dissolved is less likely to diffuse. Considering that the dissolution of cellulose is relatively quicker than other solvent systems and that no pretreatment of cellulose such as swelling step or heating is required, the dissolution step is extremely simple and low in cost. Therefore, it can be said that the solvent is very suitable for large-scale preparation.
【0023】表2は、ヒドラジン/チオシアン酸ナトリ
ウム系におけるセルロースの重合度と溶解度の関係を示
している。本溶媒におけるセルロースの溶解度は、セル
ロースの重合度に依存する。他の高分子に見られるよう
に溶解度は重合度と共に減少し、例えばヒドラジン/チ
オシアン酸ナトリウム系においては、表2に示した通り
DP210のセルロースで最大18%の溶液が得られる
が、DP376、DP536、DP716と重合度が増
加するに連れて14%、10%、9%となる。Table 2 shows the relationship between the degree of polymerization and the solubility of cellulose in the hydrazine / sodium thiocyanate system. The solubility of cellulose in this solvent depends on the degree of polymerization of cellulose. Solubility decreases with the degree of polymerization as seen with other macromolecules; for example, in the hydrazine / sodium thiocyanate system, as shown in Table 2, DP210 cellulose gives up to 18% solution, while DP376, DP536 , DP716 and 14%, 10% and 9% as the degree of polymerization increases.
【0024】[0024]
【表2】 [Table 2]
【0025】本実施の形態によるセルロース溶解性溶媒
は、セルロースがいわゆる物理的に溶媒と結合して溶解
力を発現するものである。このため、この溶媒にセルロ
ースを溶解させたセルロース溶液から溶媒を除けばセル
ロースが容易に再生され、セルロースの分解も化学反応
も起こらない。従って、この溶媒を用いることによりセ
ルロースの本質を活かした材料に成型加工できる。これ
は、セルロース溶液から再生したセルロースの赤外吸収
スペクトルから判断される。The cellulose-soluble solvent according to the present embodiment is one in which cellulose is so-called physically bound to the solvent to exhibit a dissolving power. Therefore, if the solvent is removed from the cellulose solution in which the cellulose is dissolved, the cellulose is easily regenerated, and neither decomposition nor chemical reaction of the cellulose occurs. Therefore, by using this solvent, it is possible to mold into a material that utilizes the essence of cellulose. This is judged from the infrared absorption spectrum of cellulose regenerated from the cellulose solution.
【0026】セルロースが溶解した溶液を水やアルコー
ルなどの非セルロース溶媒中に注ぎ、よく撹拌してヒド
ラジンやチオシアン酸塩を取り除く。この際、セルロー
スは凝固し、固体へと転換する。後述するように、凝固
剤と再生するセルロースの固体結晶構造には密接な関係
がある。ヒドラジンや無機塩をよく溶解し、再生したセ
ルロースが堅い結晶構造をとるものが凝固剤として望ま
しい。The solution in which cellulose is dissolved is poured into a non-cellulosic solvent such as water or alcohol and well stirred to remove hydrazine and thiocyanate. At this time, the cellulose is solidified and converted into a solid. As described later, there is a close relationship between the coagulant and the solid crystal structure of regenerated cellulose. A coagulant that dissolves well hydrazine and an inorganic salt and that has regenerated cellulose having a rigid crystal structure is desirable.
【0027】再生したセルロースを濾過し、次いでイオ
ン交換水でよく洗浄し、60℃にて一晩乾燥させて赤外
吸収スペクトルを測定すると、セルロース以外の吸収は
全く見られないことから、溶解の際に化学反応を伴った
セルロースの変質は起きていないことが分かる。The regenerated cellulose was filtered, washed well with ion-exchanged water, dried overnight at 60 ° C., and the infrared absorption spectrum was measured. As a result, no absorption other than cellulose was observed. It can be seen that the deterioration of the cellulose accompanied by the chemical reaction did not occur.
【0028】また、本実施の形態によるセルロース溶解
性溶媒にセルロースを溶解したセルロース溶液を長期間
保存した際も、セルロースの分解は殆ど起こらない。例
えば、表1に示したヒドラジン/チオシアン酸ナトリウ
ム100mLの溶媒にDP210のセルロース0.10
0gを溶解した際、セルロースの分子量の尺度の1つで
ある溶液の比粘度は1.17であり、室温にて1ヶ月放
置した溶液の比粘度は1.16となる。すなわち、溶解
直後と比較して1ヶ月放置後も分解による分子量の低下
は非常に少ない。Further, even when the cellulose solution in which the cellulose is dissolved in the cellulose-soluble solvent according to the present embodiment is stored for a long period of time, the cellulose is hardly decomposed. For example, in a solvent of 100 mL of hydrazine / sodium thiocyanate shown in Table 1, cellulose of DP210 0.10
When 0 g is dissolved, the specific viscosity of the solution, which is one of the measures of the molecular weight of cellulose, is 1.17, and the specific viscosity of the solution left at room temperature for 1 month is 1.16. That is, the decrease in the molecular weight due to decomposition is very small even after being left for 1 month as compared with immediately after the dissolution.
【0029】セルロースの濃度を種々変えて求められる
溶液の固有粘度[η]は、溶解前のセルロース溶液が
1.64、室温で1ヶ月放置したセルロース溶液が1.
51となり、分子量低下率は、DP210のセルロース
に関して8%未満であった。これに対して、現在工業化
されているN−メチルモルホリン−N−オキシド/水系
におけるセルロースの分子量低下率が、安定剤を添加し
ても30%程度であることから、本実施の形態によるセ
ルロース溶解性溶媒は極めてセルロースの分解性が少な
い溶媒と言える。The intrinsic viscosity [η] of the solution obtained by varying the concentration of cellulose was 1.64 for the cellulose solution before dissolution and 1. for the cellulose solution left at room temperature for 1 month.
The molecular weight reduction rate was 51, which was less than 8% with respect to the cellulose of DP210. On the other hand, the molecular weight reduction rate of cellulose in the currently industrialized N-methylmorpholine-N-oxide / water system is about 30% even if the stabilizer is added, and therefore the cellulose dissolution according to the present embodiment is It can be said that the organic solvent is a solvent in which the degradability of cellulose is extremely low.
【0030】本溶媒系に溶解したセルロース溶液から再
生されるセルロースは、水を凝固剤に用いるとII型の結
晶構造となる。広角X線回折法によって、回折角2θ=
12.3°、20.2°、21.9°にピークが現れ、
マーセル化で生じるセルロースIIと完全に一致する。ま
た、メタノールや2−ブタノールで凝固させると回折角
2θ=20°に幅広のピークが小さい強度で現れ、無定
形のセルロースが生じる。再生セルロースを繊維やフィ
ルムとして利用する場合、高い強度を得るには、セルロ
ース分子鎖がお互いに堅い水素結合の編み目を形成して
いることが望ましい。よって、II型を生じさせる水を凝
固剤とした方が良い。The cellulose regenerated from the cellulose solution dissolved in the present solvent system has a type II crystal structure when water is used as the coagulant. By the wide-angle X-ray diffraction method, the diffraction angle 2θ =
Peaks appear at 12.3 °, 20.2 °, 21.9 °,
It is completely consistent with cellulose II produced by mercerization. When coagulated with methanol or 2-butanol, a broad peak appears with a small intensity at a diffraction angle 2θ = 20 °, and amorphous cellulose is produced. When regenerated cellulose is used as a fiber or film, it is desirable that the cellulose molecular chains form tight hydrogen bond stitches with each other in order to obtain high strength. Therefore, it is better to use water that produces type II as a coagulant.
【0031】本溶媒系に溶解したセルロース溶液は、セ
ルロース濃度が8%付近から異方性となり、液晶相を形
成する。ただし、濃度が5%程度からゲル化も同時に進
行する。これらの濃度は溶解したセルロースの分子量と
溶解温度に大きく依存し、塩の種類によっても変化す
る。以下にその具体例を示す。The cellulose solution dissolved in the present solvent system becomes anisotropic when the cellulose concentration is around 8% and forms a liquid crystal phase. However, gelation also progresses at a concentration of about 5%. These concentrations largely depend on the molecular weight of the dissolved cellulose and the dissolution temperature, and change depending on the type of salt. Specific examples are shown below.
【0032】例えば、ヒドラジン/チオシアン酸ナトリ
ウムの飽和溶液を使用し、DP210のセルロースを溶
解した場合のセルロース溶液の温度とセルロース濃度と
の関係を図1に示している。この場合、図1に示すよう
に5%の濃度からゲル化が始まる。ただし、この濃度に
おけるゲル化は温度が10℃以下に限り、ゲルの生成速
度も極めて遅い。その後、セルロース濃度が高くなるに
従ってゲル化温度および速度も徐々に増加していくが、
ヒドラジン/チオシアン酸ナトリウム系においては20
℃以上で、如何なるセルロース濃度でもゲルは生じな
い。そして、20℃以下で生じたゲルも温度可逆性であ
ることから、20℃以上に加熱すれば直ちに溶解し流動
性のある溶液状態に戻る。For example, FIG. 1 shows the relationship between the temperature of the cellulose solution and the cellulose concentration when the cellulose of DP210 is dissolved using a saturated solution of hydrazine / sodium thiocyanate. In this case, gelation starts at a concentration of 5% as shown in FIG. However, the gelation rate at this concentration is extremely slow as long as the temperature is 10 ° C. or lower, and the gel formation rate is extremely slow. After that, the gelling temperature and speed gradually increase as the cellulose concentration increases,
20 in the hydrazine / sodium thiocyanate system
Above 0 ° C., no gel is formed at any cellulose concentration. Since the gel generated at 20 ° C or lower is also thermoreversible, it is immediately dissolved when heated to 20 ° C or higher and returns to a fluid state with a fluidity.
【0033】さらに、セルロース濃度が8%以上で、ゲ
ルが形成しない温度域では、溶液が異方性となり、セル
ロース溶液の異方性が現れる。これは、セルロース濃度
が増加するに連れて顕著になる。異方性相の確認は偏光
顕微鏡で行うことができ、等方性相では見られなかった
複屈折性が観察される。Further, in the temperature range where the concentration of cellulose is 8% or more and the gel is not formed, the solution becomes anisotropic and the anisotropy of the cellulose solution appears. This becomes noticeable as the concentration of cellulose increases. The anisotropic phase can be confirmed by a polarization microscope, and birefringence which is not seen in the isotropic phase is observed.
【0034】これまでに、いくつかのセルロース溶媒を
用いて液晶相が見出されているが、いずれもセルロース
濃度が10%以上の比較的高濃度でのみ発現している。
すなわち、チオシアン酸ナトリウム/ヒドラジン中では
セルロースはかなり剛直な棒状構造をとっていると予想
され、低濃度でもお互いの分子同士が配向している。こ
の様な液晶溶液から紡糸を行えば、非常に高強度・高弾
性率の繊維が得られることが知られている。例えば、高
強度芳香族ポリアラミド繊維(商品名ケブラー)など
は、この液晶紡糸法で生産されている(S. L. Kwolek,
P. W. Morgan, W.R. Sorenson, US Patent 3,063,966(1
962))。また、繊維化に限らず、他のセルロース材料に
おいても液晶溶液からの成型は、機械的強度の優れた製
品を製造するのに極めて有利である。So far, liquid crystal phases have been found by using some cellulose solvents, but all of them are expressed only at a relatively high concentration of 10% or more.
That is, in sodium thiocyanate / hydrazine, cellulose is expected to have a fairly rigid rod-like structure, and the molecules are oriented with each other even at a low concentration. It is known that spinning with such a liquid crystal solution gives fibers with very high strength and high elastic modulus. For example, high-strength aromatic polyaramid fiber (trade name: Kevlar) is produced by this liquid crystal spinning method (SL Kwolek,
PW Morgan, WR Sorenson, US Patent 3,063,966 (1
962)). Further, not only fiberization but also molding of other cellulosic materials from a liquid crystal solution is extremely advantageous for producing a product having excellent mechanical strength.
【0035】尚、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、種々変更して実施することが可能である。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, but can be implemented with various modifications.
【0036】[0036]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、天
然セルロースおよび再生セルロースを常温・常圧の温和
な条件下で容易に溶解できるセルロース溶解性溶媒及び
セルロース溶液の調製方法を提供することができる。As described above, according to the present invention, there is provided a method for preparing a cellulose-soluble solvent and a cellulose solution capable of easily dissolving natural cellulose and regenerated cellulose under mild conditions of normal temperature and normal pressure. You can
【図1】本発明の実施の形態によるセルロース溶解性溶
媒の一例であるヒドラジン/チオシアン酸ナトリウムの
飽和溶液にDP210のセルロースを溶解する場合のセ
ルロース溶液の温度とセルロース濃度との関係を示す図
である。FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a temperature of a cellulose solution and a cellulose concentration when DP210 cellulose is dissolved in a saturated solution of hydrazine / sodium thiocyanate, which is an example of a cellulose-soluble solvent according to an embodiment of the present invention. is there.
Claims (6)
常温・常圧の条件下で溶解するセルロース溶解性溶媒で
あって、 無機塩とヒドラジンからなることを特徴とするセルロー
ス溶解性溶媒。1. A cellulose-soluble solvent which dissolves natural cellulose and regenerated cellulose under conditions of normal temperature and normal pressure, wherein the cellulose-soluble solvent comprises an inorganic salt and hydrazine.
トリウムおよびヨウ化カリウムのうちのいずれかである
ことを特徴とする請求項1に記載のセルロース溶解性溶
媒。2. The cellulose-soluble solvent according to claim 1, wherein the inorganic salt is any one of thiocyanate, sodium iodide and potassium iodide.
リウム、チオシアン酸カリウムおよびチオシアン酸リチ
ウムのうちのいずれかであることを特徴とする請求項2
に記載のセルロース溶解性溶媒。3. The thiocyanate is any one of sodium thiocyanate, potassium thiocyanate and lithium thiocyanate.
The cellulose-soluble solvent described in 1.
機塩とヒドラジンからなるセルロース溶解性溶媒に常温
・常圧の条件下で溶解させることを特徴とするセルロー
ス溶液の調製方法。4. A method for preparing a cellulose solution, which comprises dissolving natural cellulose or regenerated cellulose in a cellulose-soluble solvent consisting of an inorganic salt and hydrazine under conditions of normal temperature and normal pressure.
トリウムおよびヨウ化カリウムのうちのいずれかである
ことを特徴とする請求項4に記載のセルロース溶液の調
製方法。5. The method for preparing a cellulose solution according to claim 4, wherein the inorganic salt is any one of thiocyanate, sodium iodide and potassium iodide.
リウム、チオシアン酸カリウムおよびチオシアン酸リチ
ウムのうちのいずれかであることを特徴とする請求項5
に記載のセルロース溶液の調製方法。6. The thiocyanate is any one of sodium thiocyanate, potassium thiocyanate and lithium thiocyanate.
The method for preparing a cellulose solution according to 1.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012031217A (en) * | 2010-06-29 | 2012-02-16 | San-Dia Polymer Ltd | Water-absorbing resin particle and method for producing the same |
JP2014517109A (en) * | 2011-05-20 | 2014-07-17 | イノヴィア フィルムズ リミテッド | Process for processing cellulose films or shaped articles |
JP2015093906A (en) * | 2013-11-11 | 2015-05-18 | 国立大学法人北見工業大学 | Production method of amorphous cellulose |
CN106661769A (en) * | 2014-08-07 | 2017-05-10 | 雅马哈株式会社 | Regenerated cellulose fibers, composite material and method for producing regenerated cellulose fibers |
-
2002
- 2002-03-07 JP JP2002061464A patent/JP2003261712A/en active Pending
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