JP2009102587A - Method for producing cationized cellulose - Google Patents

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JP2009102587A JP2007278052A JP2007278052A JP2009102587A JP 2009102587 A JP2009102587 A JP 2009102587A JP 2007278052 A JP2007278052 A JP 2007278052A JP 2007278052 A JP2007278052 A JP 2007278052A JP 2009102587 A JP2009102587 A JP 2009102587A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing cationized cellulose, in which cellulose can be cationized directly, industrially simply and highly selectively. <P>SOLUTION: The method for producing cationized cellulose comprises a step of reacting low-crystallinity powdery cellulose with the glycidyl trialkyl ammoniun salt shown by formula (1) (wherein R<SP>1-3</SP>are the same or different from one another and each a 1-4C hydrocarbon group; X is a halogen atom) in the presence of a catalyst. The low-crystallinity powdery cellulose has ≤50% crystallinity and an alkali metal hydroxide is used as the catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はカチオン性セルロース誘導体として有用なカチオン化セルロースの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a cationized cellulose useful as a cationic cellulose derivative.

カチオン性セルロース誘導体は、シャンプーやリンス、トリートメント、コンディショナー等の洗浄剤組成物の配合成分や分散剤、改質剤、凝集剤等に用いられ、その用途は多岐にわたる。このカチオン性セルロース誘導体は、カチオン化ヒドロキシアルキルセルロース、特にカチオン化ヒドロキシエチルセルロースに代表されるように、その製造方法としては、セルロースを直接カチオン化するのではなく、セルロースを一旦エチレンオキシド等のエーテル化剤と反応させてセルロースエーテル化した後、グリシジルトリアルキルアンモニウムクロリド等のカチオン化剤と反応させるのが一般的である。   Cationic cellulose derivatives are used as ingredients in detergent compositions such as shampoos, rinses, treatments, and conditioners, as well as dispersants, modifiers, flocculants, and the like. This cationic cellulose derivative is represented by cationized hydroxyalkyl cellulose, particularly cationized hydroxyethyl cellulose. As a production method thereof, cellulose is not directly cationized, but cellulose is once converted into an etherification agent such as ethylene oxide. It is common to react with cationizing agent such as glycidyltrialkylammonium chloride after reacting with cellulose ether.

しかしながら、このセルロースエーテル化は極めて煩雑な操作を要する工程となる。このセルロースエーテル化工程では、始めにセルロースと大量の水および大過剰のアルカリ金属水酸化物をスラリー状態で混合し、いわゆるアルカリセルロースとする、アルセル化またはマーセル化と呼ばれるセルロースの活性化処理が必要となる。
また、これらアルセル化処理により得られるアルカリセルロースは、セルロース分子中の大部分の水酸基がアルコラートとなっていると考えられており、実際にセルロース分子中のグルコース単位当たり、通常3モル量程度、少なくとも1モル量以上のアルカリが含有されている。このアルセル化により活性化したセルロースへエーテル化剤を添加することでセルロースエーテルが得られるが、アルセル化の際に残存する同重量以上の水もまたエーテル化剤であるエチレンオキシドと反応(水和)するため、エチレングリコール等の副生物が大量に生じることになる。これらはカチオン化剤と反応して更なる副生物を生じることから、続くカチオン化の際にはこの副生物の除去が必要であり、またアルセル化に用いたアルカリに由来する大量の中和塩の除去も必要となる。
その一方、アルセル化により活性化したアルカリセルロースへ直接カチオン化剤を反応させる方法も考えられるが、通常は利用するカチオン化剤が水と極めて容易に混和するため、アルセル化により残存する同重量以上の水が優先的にカチオン化剤と反応してしまうことから、結果的にカチオン化剤が無駄に消費され、よってセルロースへの直接カチオン化は極めて難しいのが実情であった。
However, this cellulose etherification is a process requiring extremely complicated operations. In this cellulose etherification process, first, cellulose, a large amount of water, and a large excess of alkali metal hydroxide are mixed in a slurry state to form so-called alkali cellulose, which requires a cellulose activation treatment called arserization or mercerization. It becomes.
In addition, the alkali cellulose obtained by the arserification treatment is considered that most hydroxyl groups in the cellulose molecule are alcoholates, and is actually about 3 mol amount per glucose unit in the cellulose molecule. 1 mol or more of alkali is contained. Cellulose ether can be obtained by adding an etherifying agent to the cellulose activated by this arseration, but water of the same weight or more remaining during the arseration also reacts with ethylene oxide as an etherifying agent (hydration) Therefore, a large amount of by-products such as ethylene glycol is generated. Since these react with the cationizing agent to produce further by-products, it is necessary to remove these by-products during subsequent cationization, and a large amount of neutralized salt derived from the alkali used for the arseration. It is also necessary to remove this.
On the other hand, a method in which a cationizing agent is directly reacted with alkali cellulose activated by arsylation is also conceivable. However, since the cationizing agent to be used usually mixes with water very easily, it is more than the same weight remaining after arselation. As a result, the water was preferentially reacted with the cationizing agent. As a result, the cationizing agent was wasted, and it was actually difficult to directly cationize the cellulose.

一方、特許文献1には、塩化リチウムを含むジメチルアセトアミドを溶媒として用い更にアミン類や3級アルコラート触媒を添加して、セルロースエーテルを経ずにセルロースへ直接カチオン化剤を反応させる方法が開示されている。しかしながらこの方法では、ジメチルアセトアミド溶媒中の水分量にも留意する必要があるだけでなく、溶媒に対するセルロースの溶解度が十分でないため、溶媒量としては極めて多量に、少なくともセルロースの10重量倍以上は必要になり、更には添加剤である塩化リチウムもセルロースとほぼ同量が必要となるなど、前述した方法と同様に工業的には負荷の大きい製造法となっていた。
したがって、工業的にも簡便でかつ高選択的なセルロースへの直接カチオン化方法の開発は、極めて有用でかつ克服すべき課題であった。
On the other hand, Patent Document 1 discloses a method in which dimethylacetamide containing lithium chloride is used as a solvent, an amine or a tertiary alcoholate catalyst is added, and a cationizing agent is directly reacted with cellulose without passing through cellulose ether. ing. However, in this method, it is necessary not only to pay attention to the amount of water in the dimethylacetamide solvent, but also because the solubility of cellulose in the solvent is not sufficient, the amount of solvent is extremely large, at least 10 times the weight of cellulose is required. In addition, as an additive, lithium chloride, which is an additive, requires almost the same amount as cellulose, and thus has been an industrially large production method as in the above-described method.
Therefore, development of a method for direct cationization to cellulose which is industrially simple and highly selective has been a very useful and to be overcome problem.

特開昭60−177002号公報JP-A-60-177002

本発明は、工業的にも簡便でかつ高選択的にセルロースを直接カチオン化することができる、効率的なカチオン化セルロースの製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an efficient method for producing cationized cellulose, which is industrially simple and capable of directly cationizing cellulose with high selectivity.

本発明者らは、結晶化度を低下させた粉末セルロースを用いることにより、カチオン化剤との触媒反応が効率良くかつ高選択的に進行することを見出した。
すなわち、本発明は、低結晶性の粉末セルロースを、触媒の存在下、下記一般式(1)で表されるグリシジルトリアルキルアンモニウム塩と反応させる、下記一般式(2)で表されるカチオン化セルロースの製造方法である。
The present inventors have found that the catalytic reaction with the cationizing agent proceeds efficiently and highly selectively by using powdered cellulose having a reduced crystallinity.
That is, the present invention is a cationization represented by the following general formula (2) in which low crystalline powdery cellulose is reacted with a glycidyl trialkylammonium salt represented by the following general formula (1) in the presence of a catalyst. This is a method for producing cellulose.

Figure 2009102587
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(式中、R1〜R3は同一又は異なった炭素数1〜4の炭化水素基を示し、Xはハロゲン原子を示す。) (Wherein R 1 to R 3 represent the same or different hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms, and X represents a halogen atom.)

Figure 2009102587
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(式中、R4は、水素原子または下記一般式(3)で示されるカチオン基を示し、R4すべてが水素原子となることはない。また、nは100〜2000の数を示す。) (In the formula, R 4 represents a hydrogen atom or a cationic group represented by the following general formula (3), and all of R 4 are not hydrogen atoms. N represents a number of 100 to 2000.)

Figure 2009102587
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(式中、R1〜R3及びXは、前記に同じである。) (Wherein R 1 to R 3 and X are the same as above).

本発明によれば、工業的にも簡便でかつ高選択的にセルロースを直接カチオン化させる、効率的なカチオン化セルロースの製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an efficient method for producing cationized cellulose, which is industrially simple and highly selective for directly cationizing cellulose.

〔低結晶性の粉末セルロースの調製〕
一般にセルロースは幾つかの結晶構造が知られており、また一部に存在するアモルファス部と結晶部との割合から結晶化度として定義されるが、本発明における「結晶化度」とは、天然セルロースの結晶構造に由来するI型の結晶化度を示し、粉末X線結晶回
折スペクトルから求められる下記計算式で表される結晶化度によって定義される。
結晶化度(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100 ・・・計算式(1)
〔I22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、及びI18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す〕
また、本発明における低結晶性の粉末セルロースの「低結晶性」とは、上記のセルロースの結晶構造においてアモルファス部の割合が多い状態を示し、好ましくは上記計算式(1)から得られる結晶化度が50%以下となることが望ましい。
一般的に知られている粉末セルロースにも極めて少量のアモルファス部が存在するため、それらの結晶化度は、本発明で用いる計算式(1)によれば、概ね60〜80%の範囲に含まれる、いわゆる結晶性のセルロースであり、セルロースエーテル合成における反応性は極めて低い。
[Preparation of low crystalline powdered cellulose]
In general, cellulose is known for several crystal structures, and is defined as crystallinity from the ratio of the amorphous part and the crystal part present in a part. The “crystallinity” in the present invention is natural. The degree of crystallinity of type I derived from the crystal structure of cellulose is shown, and is defined by the degree of crystallinity represented by the following formula obtained from the powder X-ray crystal diffraction spectrum.
Crystallinity (%) = [(I 22.6 −I 18.5 ) / I 22.6 ] × 100 Formula (1)
[I 22.6 is the diffraction intensity of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22.6 °) in X-ray diffraction, and I 18.5 is the diffraction intensity of the amorphous portion (diffraction angle 2θ = 18.5 °). Show
Further, the “low crystallinity” of the low crystalline powdery cellulose in the present invention indicates a state in which the ratio of the amorphous part is large in the crystal structure of the above cellulose, and preferably the crystallization obtained from the above formula (1). The degree is desirably 50% or less.
Since the generally known powdered cellulose has a very small amount of amorphous part, the crystallinity thereof is included in the range of about 60 to 80% according to the calculation formula (1) used in the present invention. This is so-called crystalline cellulose, and its reactivity in cellulose ether synthesis is extremely low.

本発明で用いる低結晶性の粉末セルロースは、汎用原料として得られるシート状やロール状のセルロース純度の高いパルプから極めて簡便に調製することができる。低結晶性の粉末セルロースを調製する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、特開昭62−236801号公報、特開2003−64184号公報、特開2004−331918号公報等に記載の調製方法を挙げることができる。   The low crystalline powdery cellulose used in the present invention can be prepared very easily from a sheet-like or roll-like pulp having a high cellulose purity obtained as a general-purpose raw material. The method for preparing the low-crystalline powdery cellulose is not particularly limited. For example, JP-A-62-236801, JP-A-2003-64184, JP-A-2004-331918, etc. Mention may be made of the preparation methods described.

また、例えば、シート状パルプを粗粉砕して得られるチップ状パルプを、押出機で処理して、更にボールミルで処理することにより調製するような方法も挙げることができる。
この方法に用いられる押出機としては、単軸又は二軸の押出機を用いることができ、強い圧縮せん断力を加える観点から、スクリューのいずれかの部分に、いわゆるニーディングディスク部を備えるものであってもよい。押出機を用いる処理方法としては、特に制限はないが、チップ状パルプを押出機に投入し、連続的に処理する方法が好ましい。
また、ボールミルとしては、公知の振動ボールミル、媒体攪拌ミル、転動ボールミル、遊星ボールミル等を用いることができる。媒体として用いるボールの材質に特に制限はなく、例えば、鉄、ステンレス、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。ボールの外径は、効率的にセルロースを非晶化させる観点から、好ましくは0.1〜100mmである。また媒体としては、ボール以外にもロッド状のものやチューブ状のものも用いることが可能である。
ボールミルの処理時間としては、結晶化度を低下させる観点から、好ましくは5分〜72時間である。またこの処理の際には、発生する熱による変性や劣化を最小限に抑えるためにも、250℃以下、好ましくは5〜200℃の範囲で処理を行うことが好ましく、さらには必要に応じて、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うことができる。
前述のような方法を用いれば、分子量の制御も可能であり、一般には入手困難な、重合度が高く、かつ低結晶性の粉末セルロースを容易に調製することが可能であるが、好ましい重合度としては、100〜2000であり、より好ましくは100〜1000である。
Moreover, for example, the method of preparing by processing the chip-like pulp obtained by roughly pulverizing the sheet-like pulp with an extruder and further with a ball mill can also be mentioned.
As the extruder used in this method, a single-screw or twin-screw extruder can be used, and from the viewpoint of applying a strong compressive shear force, a so-called kneading disk portion is provided in any part of the screw. There may be. Although there is no restriction | limiting in particular as a processing method using an extruder, The method of throwing a chip-form pulp into an extruder and processing continuously is preferable.
As the ball mill, a known vibration ball mill, medium stirring mill, rolling ball mill, planetary ball mill, or the like can be used. There is no restriction | limiting in particular in the material of the ball | bowl used as a medium, For example, iron, stainless steel, an alumina, a zirconia etc. are mentioned. The outer diameter of the ball is preferably 0.1 to 100 mm from the viewpoint of efficiently amorphizing the cellulose. In addition to the ball, a medium such as a rod or tube can be used as the medium.
The treatment time of the ball mill is preferably 5 minutes to 72 hours from the viewpoint of reducing the crystallinity. In this treatment, in order to minimize denaturation and deterioration due to generated heat, the treatment is preferably performed at 250 ° C. or less, preferably in the range of 5 to 200 ° C., and further if necessary. , Under an inert gas atmosphere such as nitrogen.
By using the method as described above, it is possible to control the molecular weight, and it is possible to easily prepare powdered cellulose having a high degree of polymerization and low crystallinity, which is generally difficult to obtain. As, it is 100-2000, More preferably, it is 100-1000.

本発明に用いる低結晶性の粉末セルロースの結晶化度は、好ましくは前記計算式から求められる結晶化度が50%以下である。この結晶化度が50%以下であれば、カチオン化反応は極めて良好に進行する。この観点から、40%以下がより好ましく、30%以下が更に好ましい。特に、本発明において、完全に非晶質化した、すなわち前記計算式から求められる結晶化度がほぼ0%となる非晶化セルロースを用いることが最も好ましい。
この低結晶性の粉末セルロースの平均粒径は、粉体として流動性の良い状態が保てるならば特に限定されないが、300μm以下が好ましく、25〜150μmがより好ましく、20〜50μmが更に好ましい。
The crystallinity of the low crystalline powdery cellulose used in the present invention is preferably 50% or less as determined from the above formula. If the crystallinity is 50% or less, the cationization reaction proceeds extremely well. In this respect, 40% or less is more preferable, and 30% or less is still more preferable. In particular, in the present invention, it is most preferable to use amorphous cellulose that has been completely amorphized, that is, the degree of crystallinity obtained from the above formula is approximately 0%.
The average particle size of the low crystalline powdered cellulose is not particularly limited as long as it can maintain a good fluidity as a powder, but is preferably 300 μm or less, more preferably 25 to 150 μm, still more preferably 20 to 50 μm.

〔カチオン化セルロースの製造〕
本発明において、低結晶性の粉末セルロースを、触媒存在下、下記一般式(1)で表されるグリシジルトリアルキルアンモニウム塩と反応させて、下記一般式(2)で表されるカチオン化セルロースを得ることができる。
[Production of cationized cellulose]
In the present invention, a low-crystalline powdery cellulose is reacted with a glycidyl trialkylammonium salt represented by the following general formula (1) in the presence of a catalyst to obtain a cationized cellulose represented by the following general formula (2). Obtainable.

Figure 2009102587
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Figure 2009102587
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Figure 2009102587
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前記一般式(2)において、R4は、水素原子または前記一般式(3)で示されるカチオン基を示し、R4すべてが水素原子となることはない。また、nは100〜2000の範囲、好ましくは100〜1000である。
低結晶性の粉末セルロースに導入される前記一般式(3)で示されるカチオン基における、セルロース分子中のグルコース単位当たりの置換度として、所望の置換度とすることが可能であるが、好ましくは0.01〜3であり、より好ましくは0.2〜2である。なお、前記の置換度は実施例に示す方法により測定される。
In the general formula (2), R 4 represents a hydrogen atom or a cation group represented by the general formula (3), and all of R 4 are not hydrogen atoms. N is in the range of 100 to 2000, preferably 100 to 1000.
The degree of substitution per glucose unit in the cellulose molecule in the cationic group represented by the general formula (3) introduced into the low crystalline powder cellulose can be set to a desired degree of substitution, preferably It is 0.01-3, More preferably, it is 0.2-2. In addition, the said substitution degree is measured by the method shown in an Example.

本発明において、カチオン化剤として前記一般式(1)で表されるグリシジルトリアルキルアンモニウム塩を用いる。
前記一般式(1)において、R1〜R3は同一又は異なった炭素数1〜4の炭化水素基を示し、具体的に、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基等が挙げられるが、これらの中では、メチル基が好ましい。また、Xは、ハロゲン原子を示し、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられるが、塩素原子が好ましい。
前記一般式(1)で表されるグリシジルトリアルキルアンモニウム塩は、エピクロロヒドリンやエピブロモヒドリン等のエピハロヒドリンにトリメチルアミンやトリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン等の3級アミンを反応させることで得られるが、最も一般的に用いられるのは、エピクロロヒドリンとトリメチルアミンの組み合わせであり、したがってR1〜R3とXとの組み合わせとしては、メチル基および塩素原子が好ましい。
In the present invention, a glycidyl trialkylammonium salt represented by the general formula (1) is used as a cationizing agent.
In the general formula (1), R 1 to R 3 represent the same or different hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms, specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n- A butyl group, an isobutyl group, a tert-butyl group, etc. are mentioned, Among these, a methyl group is preferable. X represents a halogen atom, and examples include a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom, with a chlorine atom being preferred.
The glycidyl trialkylammonium salt represented by the general formula (1) is obtained by reacting an epihalohydrin such as epichlorohydrin or epibromohydrin with a tertiary amine such as trimethylamine, triethylamine, tripropylamine or tributylamine. Although obtained, the most commonly used is a combination of epichlorohydrin and trimethylamine. Therefore, the combination of R 1 to R 3 and X is preferably a methyl group and a chlorine atom.

カチオン化剤は、本発明を実施する際には、セルロースの流動性を保持して粉末状態で反応させる観点から、必要に応じて反応時又は反応前に脱水して、後述する反応系内のセルロースに対する水分含有量を調整することが好ましい。
また、カチオン化剤の使用量としては、セルロースに対するカチオン化剤の反応効率が極めて高いために、所望の置換度でセルロースにカチオン基を導入するのに必要となる化学量論量とほぼ同量を用いることが可能である。すなわち、カチオン化剤の使用量としては、好ましくはセルロース分子中のグルコース単位当たり0.01〜3モル倍であり、カチオン化セルロースとしての性能や反応後の脱水効率の観点から、0.2〜2モル倍となるのがより好ましい。
When carrying out the present invention, the cationizing agent is dehydrated during the reaction or before the reaction, if necessary, from the viewpoint of maintaining the fluidity of cellulose and reacting in the powder state, and in the reaction system described later. It is preferable to adjust the water content with respect to cellulose.
The amount of cationizing agent used is almost the same as the stoichiometric amount required to introduce a cation group into cellulose with a desired degree of substitution because the reaction efficiency of the cationizing agent with respect to cellulose is extremely high. Can be used. That is, the use amount of the cationizing agent is preferably 0.01 to 3 mol times per glucose unit in the cellulose molecule, and is 0.2 to 0.2 from the viewpoint of performance as a cationized cellulose and dehydration efficiency after the reaction. More preferably, it is 2 mole times.

本発明で用いる触媒としては、特に制限はないが、塩基又は酸触媒を用いることができる。塩基触媒としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、トリメチルアミンやトリエチルアミン、トリエチレンジアミン等の3級アミン類が挙げられる。酸触媒としては、ランタニドトリフラート等のルイス酸触媒等が挙げられる。これらの中では、塩基触媒が好ましく、特にアルカリ金属水酸化物が好ましく、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが最も好ましい。これらの触媒は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。   Although there is no restriction | limiting in particular as a catalyst used by this invention, A base or an acid catalyst can be used. Examples of the base catalyst include alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, and lithium hydroxide, alkaline earth metal hydroxides such as magnesium hydroxide and calcium hydroxide, trimethylamine, triethylamine, and triethylenediamine. Secondary amines. Examples of the acid catalyst include Lewis acid catalysts such as lanthanide triflate. Of these, basic catalysts are preferred, alkali metal hydroxides are particularly preferred, and sodium hydroxide and potassium hydroxide are most preferred. These catalysts can also be used 1 type or in combination of 2 or more types.

触媒の添加方法としては、水溶液を添加するか、希薄溶液を添加し、余分な水分量を除去してから反応させることが可能であるが、反応状態としてはスラリー状や粘度の高い状態にならずに流動性のある粉末状態を保つことが好ましく、そのため希薄水溶液で添加する際の水分量としても、セルロースに対して100重量%以下となるのが好ましい。
触媒の使用量としては、セルロースおよびカチオン化剤の双方に対して、触媒量で十分であり、具体的には、セルロース分子中のグルコース単位当たり0.1〜50モル%に相当する量が好ましく、更には1〜30モル%に相当する量がより好ましく、5〜25モル%に相当する量が最も好ましい。
なお、本発明に用いるカチオン化剤には、通常その工業的製法上、少量のハロヒドリン体が含まれており、例えばグリシジルトリメチルアンモニウムクロリドの場合、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリドが1〜2%程度含まれていることがある。本発明で用いる低結晶性あるいは非晶性のセルロースは、アルカリによるこれらハロヒドリン体との反応を、完全な量論反応で進行させることが可能であるが、その量論反応によってアルカリは反応性の無い塩へと変わるため、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド等のカチオン化剤との反応を良好に進行させるためには、アルカリは少なくともこのハロヒドリン体で消費されるよりも多くの触媒量が必要となる。
The catalyst can be added by adding an aqueous solution or dilute solution to remove the excess water, and then reacting. However, the reaction state should be in a slurry state or in a high viscosity state. Therefore, it is preferable to maintain a fluid powder state, and therefore, the water content when added in a dilute aqueous solution is preferably 100% by weight or less based on cellulose.
As the amount of the catalyst used, a catalytic amount is sufficient for both cellulose and the cationizing agent. Specifically, an amount corresponding to 0.1 to 50 mol% per glucose unit in the cellulose molecule is preferable. Further, an amount corresponding to 1 to 30 mol% is more preferable, and an amount corresponding to 5 to 25 mol% is most preferable.
The cationizing agent used in the present invention usually contains a small amount of a halohydrin due to its industrial production method. For example, in the case of glycidyltrimethylammonium chloride, 1-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride is 1 About 2% may be included. The low crystalline or amorphous cellulose used in the present invention can cause the reaction with these halohydrins by alkali to proceed with a complete stoichiometric reaction, but the alkali is reactive by the stoichiometric reaction. In order to make the reaction with a cationizing agent such as glycidyltrimethylammonium chloride proceed satisfactorily, the alkali requires at least a larger amount of catalyst than is consumed by this halohydrin form.

本発明におけるセルロースとカチオン化剤との反応は、前述したように粉末状態を保ちながら行うことが好ましいが、水以外の非水溶媒を用いた分散状態で行うことも可能である。
非水溶媒としては、例えば、一般にアルセル化処理の際に用いられるようなイソプロパノールやtert-ブタノール等の2級または3級の低級アルコール;1,4−ジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等のジグライム、トリグライム等のエーテル系溶媒;ジメチルスルホキシド等の親水性溶媒等が挙げられる。この中では、ジメチルスルホキシドやイソプロパノールが好ましいが、溶媒自身が反応する可能性を避けるために、ジメチルスルホキシドが特に好ましい。
これらの非水溶媒の使用量としては、触媒が希釈されて反応性が低下するのを避ける等の観点から、セルロースに対して10重量倍以下とするのが好ましい。
The reaction between the cellulose and the cationizing agent in the present invention is preferably performed while maintaining the powder state as described above, but can also be performed in a dispersed state using a non-aqueous solvent other than water.
Examples of the non-aqueous solvent include secondary or tertiary lower alcohols such as isopropanol and tert-butanol which are generally used in the arsylation treatment; diglyme such as 1,4-dioxane, ethylene glycol dimethyl ether and diethylene glycol dimethyl ether. And ether solvents such as triglyme; and hydrophilic solvents such as dimethyl sulfoxide. Among them, dimethyl sulfoxide and isopropanol are preferable, but dimethyl sulfoxide is particularly preferable in order to avoid the possibility that the solvent itself reacts.
The amount of these nonaqueous solvents used is preferably 10 times by weight or less with respect to cellulose from the viewpoint of avoiding a decrease in reactivity due to dilution of the catalyst.

本発明におけるカチオン化剤の添加方法としては、特に制限はないが、例えば(a)初めにセルロースに触媒を添加した後にカチオン化剤を滴下する方法、(b)セルロースにカチオン化剤を添加した後に触媒を加えて反応させる方法が挙げられる。
いずれの方法においても、反応系内のセルロースに対する水分含有量が100重量%以下であることが好ましい。セルロースに対する水分含有量がこの範囲内であれば、セルロースが過度に凝集することなく、流動性のある粉末状態で反応させることができる。この観点から、80重量%以下がより好ましく、5〜50重量%が最も好ましい。
このため、方法(a)においては、カチオン化剤の滴下により反応を進行させながら同時に脱水を行い、反応系内の水分含有量を前述した範囲に調整することが可能である。また方法(b)においては、セルロースにカチオン化剤を一括で仕込み、減圧下脱水を行ってセルロースに対する水分含有量を前述した範囲に調整した後、触媒を加えて加温して反応させることが可能である。
The method for adding a cationizing agent in the present invention is not particularly limited. For example, (a) a method in which a catalyst is first added to cellulose and then a cationizing agent is added dropwise, and (b) a cationizing agent is added to cellulose. The method of adding a catalyst later and making it react is mentioned.
In any method, the water content with respect to cellulose in the reaction system is preferably 100% by weight or less. If the moisture content with respect to cellulose is within this range, the cellulose can be reacted in a fluid powder state without excessive aggregation. In this respect, 80% by weight or less is more preferable, and 5 to 50% by weight is most preferable.
For this reason, in the method (a), it is possible to simultaneously perform dehydration while dropping the cationizing agent and adjust the water content in the reaction system to the above-described range. In the method (b), a cationizing agent is added to cellulose in a lump and dehydration is performed under reduced pressure to adjust the water content to the cellulose within the above-mentioned range, and then the reaction is performed by adding a catalyst and heating. Is possible.

本発明ではカチオン化剤のセルロースへの反応選択率が高いことから、主たる副生成物である下記一般式(4)で表されるカチオン化剤の水和体(ジオール体)の副生を低減させることができる。

Figure 2009102587
In the present invention, since the reaction selectivity of the cationizing agent to cellulose is high, the by-product of the hydrate (diol body) of the cationizing agent represented by the following general formula (4), which is a main byproduct, is reduced. Can be made.
Figure 2009102587

(式中、R1〜R3は、それぞれ同一又は異なった炭素数1〜4の炭化水素基を示し、Xはハロゲン原子を示す。)
したがって、本発明においては、所望の置換度でカチオン化を行うことが可能になるだけでなく、従来は極めて困難であった高置換度でのカチオン化、具体的には、セルロース分子中のグルコース単位当り1以上の置換度でのカチオン化も可能となる。
また、従来のカチオン化反応では、反応に用いたアルカリ等の塩基は反応終了後に中和塩として除去されるが、本発明は触媒反応であることから、その中和塩の量も低減させることが可能である。つまり、カチオン化剤や触媒に由来する副生成物や廃棄物が極めて少ないために、反応終了後の(洗浄等の)精製も容易となり、工業的な有用性も極めて高い。
(Wherein R 1 to R 3 represent the same or different hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms, and X represents a halogen atom.)
Therefore, in the present invention, not only can cationization be performed with a desired degree of substitution, but also cationization with a high degree of substitution, which has been extremely difficult in the past, specifically, glucose in cellulose molecules. Cationization with a degree of substitution of 1 or more per unit is also possible.
Further, in the conventional cationization reaction, the base such as alkali used in the reaction is removed as a neutralized salt after the reaction is completed, but since the present invention is a catalytic reaction, the amount of the neutralized salt can also be reduced. Is possible. In other words, since there are very few by-products and wastes derived from the cationizing agent and the catalyst, purification after completion of the reaction (such as washing) is facilitated, and industrial utility is extremely high.

本発明においては、低結晶性の粉末セルロース、触媒及びカチオン化剤の混合物を流動性のある粉末状態で反応させることが好ましいが、予めセルロース粉末と触媒又はカチオン化剤をミキサー等の混合機や振とう機で必要に応じて均一に混合分散させた後に反応させることも可能である。
また本発明で使用できる反応装置としては、低結晶性の粉末セルロース、触媒、及びカチオン化剤をできる限り均一に混合できるものが好ましく、前述したミキサー等の混合機の他、特開2002-114801号公報明細書段落〔0016〕で開示しているような、樹脂等の混錬に用いられる、いわゆるニーダー等の混合機が最も好ましい。
本発明における反応温度としては、0〜100℃の範囲が好ましいが、10〜90℃の範囲がより好ましく、20〜80℃の範囲が特に好ましい。
また、本発明は常圧下または減圧下で行われるが、減圧下で行う場合には1〜100kPaの範囲が好ましく、2〜20kPaの範囲がより好ましい。また、反応時の着色を避ける観点から、必要に応じて窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。
反応終了後は、触媒を酸またはアルカリを用いて中和し、必要に応じて、含水イソプロパノール、含水アセトン溶媒等で洗浄等を行った後、乾燥することにより、前記一般式(2)で表されるカチオン化セルロースを得ることができる。
In the present invention, it is preferable to react a mixture of low crystalline powdered cellulose, a catalyst and a cationizing agent in a flowable powder state. However, the cellulose powder and the catalyst or the cationizing agent are previously mixed with a mixer such as a mixer. It is also possible to carry out the reaction after uniformly mixing and dispersing as necessary with a shaker.
Moreover, as a reaction apparatus that can be used in the present invention, one that can mix a low-crystalline powdery cellulose, a catalyst, and a cationizing agent as uniformly as possible is preferable. In addition to a mixer such as the mixer described above, JP 2002-114801 A A mixer such as a so-called kneader, which is used for kneading resins or the like as disclosed in paragraph [0016] of the specification of the Japanese Patent Publication, is most preferable.
As reaction temperature in this invention, the range of 0-100 degreeC is preferable, However, The range of 10-90 degreeC is more preferable, The range of 20-80 degreeC is especially preferable.
Moreover, although this invention is performed under a normal pressure or pressure reduction, when performing under pressure reduction, the range of 1-100 kPa is preferable, and the range of 2-20 kPa is more preferable. Moreover, it is preferable to carry out in inert gas atmosphere, such as nitrogen, as needed from a viewpoint of avoiding the coloring at the time of reaction.
After completion of the reaction, the catalyst is neutralized with an acid or alkali, washed with water-containing isopropanol, water-containing acetone solvent, etc., if necessary, and then dried to obtain the compound represented by the general formula (2). Cationized cellulose can be obtained.

本発明において、前記一般式(3)で表されるカチオン基はセルロース分子中のグルコース単位におけるいかなる位置の水酸基に結合していてもよいが、所望の置換度に調整することが可能である。このことから、本発明で得られるカチオン化セルロースは、シャンプーやリンス、トリートメント、コンディショナー等の洗浄剤組成物の配合成分や分散剤、改質剤、凝集剤等の用途にも利用することができる。   In the present invention, the cationic group represented by the general formula (3) may be bonded to the hydroxyl group at any position in the glucose unit in the cellulose molecule, but it can be adjusted to a desired degree of substitution. From this, the cationized cellulose obtained in the present invention can be used for compounding components of detergent compositions such as shampoos, rinses, treatments, and conditioners, and for applications such as dispersants, modifiers, and flocculants. .

(1)セルロースに対する水分含有量
セルロースに対する水分含有量の測定は、赤外線水分計として、株式会社ケット科学研究所製「FD−610」を使用し、150℃にて行った。
本発明における最適なセルロースの水分含有量を確認するため、後述する製造例1で得られた非晶化セルロースに所定量の水を添加した後、激しく攪拌・振とうさせ、目視によりその凝集状態を繰り返し観察した。
その結果、セルロースを流動性のある粉末状態で反応させるためには、含水量として100重量%以下とするのが好適であると判断した。結果を表1に示す。
(1) Moisture content with respect to cellulose The moisture content with respect to cellulose was measured at 150 ° C. using “FD-610” manufactured by Kett Scientific Laboratory as an infrared moisture meter.
In order to confirm the optimal moisture content of cellulose in the present invention, after adding a predetermined amount of water to the non-crystallized cellulose obtained in Production Example 1 described later, it is vigorously stirred and shaken, and its agglomerated state is visually observed. Were observed repeatedly.
As a result, in order to react cellulose in a fluid powder state, it was determined that the water content was preferably 100% by weight or less. The results are shown in Table 1.

Figure 2009102587
Figure 2009102587

(2)結晶化度の算出
セルロースの結晶化度の算出は、株式会社リガク製「Rigaku RINT 2500VC X-RAY diffractometer」を用いて以下の条件で測定した回折スペクトルのピーク強度から前記計算式に従って行った。
X線源:Cu/Kα−radiation,管電圧:40kv,管電流:120mA,測定範囲:2θ=5〜45°,測定用サンプル:面積320mm2×厚さ1mmのペレットを圧縮し作製,X線のスキャンスピード:10°/min
(3)粉末セルロースの重合度の測定
粉末セルロースの重合度は、ISO−4312法に記載の銅アンモニア法により測定した。
(4)置換度の算出
置換度は、セルロース中のグルコース単位当たりのカチオン基の平均導入量を示し、コロイド滴定用ポリアニオン試薬を用いた常法(コロイド滴定法)により算出した。尚、測定には、京都電子株式会社製自動滴定装置AT−150を使用した。また、元素分析による塩素量及び窒素量の測定値からの確認も行った。
(5)粉末セルロースの平均粒径の測定
粉末セルロースの平均粒径は、株式会社堀場製作所製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「LA−920」を用いて測定した。
(2) Calculation of crystallinity The crystallinity of cellulose is calculated according to the above formula from the peak intensity of the diffraction spectrum measured under the following conditions using “Rigaku RINT 2500VC X-RAY diffractometer” manufactured by Rigaku Corporation. It was.
X-ray source: Cu / Kα-radiation, tube voltage: 40 kv, tube current: 120 mA, measurement range: 2θ = 5-45 °, measurement sample: produced by compressing pellets of area 320 mm 2 × thickness 1 mm, X-ray Scan speed: 10 ° / min
(3) Measurement of degree of polymerization of powdered cellulose The degree of polymerization of powdered cellulose was measured by the copper ammonia method described in ISO-4312 method.
(4) Calculation of degree of substitution The degree of substitution indicates the average amount of cationic groups introduced per unit of glucose in cellulose, and was calculated by a conventional method (colloid titration method) using a polyanion reagent for colloid titration. For the measurement, an automatic titrator AT-150 manufactured by Kyoto Electronics Co., Ltd. was used. Moreover, the confirmation from the measured value of the chlorine content and the nitrogen content by elemental analysis was also performed.
(5) Measurement of average particle diameter of powdered cellulose The average particle diameter of powdered cellulose was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus “LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.

製造例1(非晶化粉末セルロースの製造)
木材パルプシート(ボレガード社製パルプシート、結晶化度74%)をシュレッダー(株式会社明光商会製、「MSX2000−IVP440F」)にかけてチップ状にした。
次に、得られたチップ状パルプを二軸押出機(株式会社スエヒロEPM製、「EA−20」)に2kg/hrで投入し、せん断速度660sec-1、スクリュー回転数300rpm、外部から冷却水を流しながら、1パス処理して粉末状にした。
次に、得られた粉末セルロースを、バッチ式媒体攪拌ミル(五十嵐機械社製「サンドグラインダー」:容器容積800mL、5mmφジルコニアビーズを720g充填、充填率25%、攪拌翼径70mm)に投入した。容器ジャケットに冷却水を通しながら、攪拌回転数2000rpm、温度30〜70℃の範囲で、2.5時間粉砕処理を行い、粉末セルロース(結晶化度0%、重合度600、平均粒径40μm)を得た。この粉末セルロースの反応には更に32μm目開きの篩をかけた篩下品(投入量の90%)を使用した。
なお、各結晶化度の異なる粉末セルロースは,ボールミル処理における処理時間を変えることで調製した。
Production Example 1 (Production of Amorphized Powdered Cellulose)
A wood pulp sheet (Bolleguard's pulp sheet, crystallinity 74%) was shredded (manufactured by Meiko Shokai Co., Ltd., “MSX2000-IVP440F”) into a chip shape.
Next, the obtained chip-like pulp was charged into a twin screw extruder (“EA-20” manufactured by Suehiro EPM Co., Ltd.) at 2 kg / hr, a shear rate of 660 sec −1 , a screw rotation speed of 300 rpm, and cooling water from the outside. The powder was processed by one pass while flowing.
Next, the obtained powdered cellulose was put into a batch-type medium stirring mill (“Sand grinder” manufactured by Igarashi Machine Co., Ltd .: container volume 800 mL, filled with 720 g of 5 mmφ zirconia beads, filling rate 25%, stirring blade diameter 70 mm). While passing cooling water through the container jacket, the mixture is pulverized for 2.5 hours at a stirring speed of 2000 rpm and a temperature of 30 to 70 ° C., and powdered cellulose (crystallinity 0%, polymerization degree 600, average particle size 40 μm) Got. For the reaction of the powdered cellulose, an unsieved product (90% of the input amount) with a sieve having an opening of 32 μm was used.
In addition, powdered cellulose with different crystallinity was prepared by changing the treatment time in the ball mill treatment.

実施例1
1Lニーダー(株式会社入江商会製、PNV―1型)に、前記製造例1で得られた非晶化セルロース(結晶化度0%、重合度600)100gを仕込み、48%水酸化ナトリウム水溶液5gを加え、窒素雰囲気下3時間攪拌した。その後、ニーダーを温水により50℃に加温し、カチオン化剤としてグリシジルトリメチルアンモニウムクロリド(坂本薬品工業株式会社製、含水量20重量%、純度90%以上)95gを2時間で滴下した。その後、更に50℃で3時間攪拌したところ、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)分析によりカチオン化剤は全て消費されていた。その後、酢酸で中和し、生成物をニーダーから取り出し、含水イソプロパノール(含水量15%)及びアセトンで洗浄後、減圧下乾燥して、カチオン化セルロースを140gの白色固体として得た。元素分析およびコロイド滴定により、塩素元素含有量は9.4%、窒素元素含有量は3.7%、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.71となり、セルロースへの反応選択性は96%(カチオン化剤基準)であった。結果を表2に示す。
Example 1
A 1 L kneader (manufactured by Irie Shokai Co., Ltd., PNV-1 type) was charged with 100 g of the amorphous cellulose (crystallinity 0%, polymerization degree 600) obtained in Production Example 1, and 5% 48% sodium hydroxide aqueous solution 5 g And stirred for 3 hours under a nitrogen atmosphere. Thereafter, the kneader was heated to 50 ° C. with warm water, and 95 g of glycidyltrimethylammonium chloride (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd., water content 20% by weight, purity 90% or more) was added dropwise over 2 hours. Thereafter, when the mixture was further stirred at 50 ° C. for 3 hours, all the cationizing agent was consumed by high performance liquid chromatography (HPLC) analysis. Thereafter, the mixture was neutralized with acetic acid, the product was taken out of the kneader, washed with water-containing isopropanol (water content 15%) and acetone, and then dried under reduced pressure to obtain cationized cellulose as 140 g of a white solid. By elemental analysis and colloidal titration, the chlorine element content is 9.4%, the nitrogen element content is 3.7%, the substitution degree as a cationic group on cellulose is 0.71 per glucose unit, and the reaction selection to cellulose is selected The property was 96% (based on the cationizing agent). The results are shown in Table 2.

比較例1
セルロースとして高結晶性の粉末セルロース(日本製紙ケミカル株式会社製セルロースパウダーKCフロック W-50(S)、結晶化度74%、重合度500)を用いる以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、HPLC分析により未反応グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドの残存は認められなかったが、セルロース上におけるカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.097であり、セルロースへの反応選択性は13%であった。結果を表2に示す。
Comparative Example 1
The reaction is carried out in the same manner as in Example 1 except that highly crystalline powdery cellulose (cellulose powder KC Flock W-50 (S), crystallinity 74%, polymerization degree 500, manufactured by Nippon Paper Chemical Co., Ltd.) is used as cellulose. went. As a result, no residual unreacted glycidyltrimethylammonium chloride was observed by HPLC analysis, but the substitution degree as a cationic group on cellulose was 0.097 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose was 13%. there were. The results are shown in Table 2.

比較例2
2Lフラスコ中に、比較例1で用いた高結晶性の粉末セルロース100gを入れ、窒素雰囲気下、20%水酸化ナトリウム水溶液1500mlを加えて1日間浸漬した。更に室温でスターラーにより5時間攪拌した後、余分な水酸化ナトリウム水溶液をろ過により除き、圧搾して約200gのアルカリセルロースを得た。
得られたアルカリセルロースを前記1Lニーダーに入れ、非水溶媒としてジメチルスルホキシド500mlを加えて分散させた。次いで、前記グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド95gを加え、50℃で5時間反応させたところ、原料グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドは全て消費されていた。酢酸で中和し、溶媒を留去後、含水イソプロパノール(含水量15%)およびアセトンで洗浄、減圧下乾燥して、カチオン化セルロースを105gの白色固体として得た。セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.015であり、セルロースへの反応選択性はわずか2%であった。結果を表2に示す。
Comparative Example 2
In a 2 L flask, 100 g of the highly crystalline powdered cellulose used in Comparative Example 1 was placed, and under a nitrogen atmosphere, 1500 ml of a 20% aqueous sodium hydroxide solution was added and immersed for 1 day. Furthermore, after stirring for 5 hours with a stirrer at room temperature, an excess aqueous sodium hydroxide solution was removed by filtration and squeezed to obtain about 200 g of alkali cellulose.
The obtained alkali cellulose was put into the 1 L kneader, and 500 ml of dimethyl sulfoxide was added and dispersed as a non-aqueous solvent. Subsequently, when 95 g of the glycidyltrimethylammonium chloride was added and reacted at 50 ° C. for 5 hours, the raw material glycidyltrimethylammonium chloride was all consumed. After neutralizing with acetic acid and distilling off the solvent, it was washed with hydrous isopropanol (water content 15%) and acetone and dried under reduced pressure to obtain 105 g of cationized cellulose as a white solid. The degree of substitution as cationic groups on cellulose was 0.015 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose was only 2%. The results are shown in Table 2.

実施例2
低結晶性の粉末セルロースとして、前記製造例1に準じて得られた粉末セルロース(結晶化度37%、重合度600)100gと、48%水酸化ナトリウム水溶液10gを用いる以外は、実施例1と同様に行った結果、原料グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドは全て消費されており、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.70、セルロースへの反応選択性は94%であった。結果を表2に示す。
Example 2
As low-crystalline powdery cellulose, Example 1 was used except that 100 g of powdered cellulose (crystallinity 37%, polymerization degree 600) obtained according to Production Example 1 and 10 g of 48% sodium hydroxide aqueous solution were used. As a result, the raw material glycidyltrimethylammonium chloride was all consumed, the substitution degree as a cationic group on cellulose was 0.70 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose was 94%. The results are shown in Table 2.

実施例3
前記1Lニーダー中に、前記製造例1に準じて得られた非晶化セルロース(結晶化度0%、重合度400)100g、及び前記グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド135gを一括で仕込み、室温で2時間攪拌した。その後50℃に加温し、2〜10kPaの減圧下で脱水を行ったところ、系内のセルロースに対する水分含有量は9.6重量%となった。
次に、48%水酸化ナトリウム水溶液5gを噴霧しながら加え、そのまま5時間攪拌したところ、HPLC分析により原料グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドは全て消費されていた。その後、1N塩酸で中和した後、生成物をニーダーから取り出し、含水イソプロパノール(15%含水)及びアセトンで洗浄し、減圧下乾燥して、カチオン化セルロースを188gの白色固体として得た。元素分析およびコロイド滴定により、塩素元素含量は11%、窒素元素含量は4.4%、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり1.00となり、セルロースへの反応選択性は95%であった。結果を表2に示す。
Example 3
Into the 1 L kneader, 100 g of amorphous cellulose (crystallinity 0%, polymerization degree 400) obtained according to Production Example 1 and 135 g of glycidyltrimethylammonium chloride were charged together and stirred at room temperature for 2 hours. did. Thereafter, the mixture was heated to 50 ° C. and dehydrated under reduced pressure of 2 to 10 kPa. As a result, the water content with respect to cellulose in the system was 9.6% by weight.
Next, 5 g of a 48% sodium hydroxide aqueous solution was added while sprayed, and the mixture was stirred as it was for 5 hours. As a result, all the raw material glycidyltrimethylammonium chloride was consumed by HPLC analysis. Then, after neutralizing with 1N hydrochloric acid, the product was taken out of the kneader, washed with hydrous isopropanol (15% water) and acetone, and dried under reduced pressure to obtain 188 g of a cationized cellulose as a white solid. By elemental analysis and colloidal titration, the elemental chlorine content is 11%, the elemental nitrogen content is 4.4%, the degree of substitution as cationic groups on cellulose is 1.00 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose is 95%. Met. The results are shown in Table 2.

実施例4
前記1Lニーダー中に、前記製造例1に準じて得られた非晶化セルロース(結晶化度0%、重合度400)100gを仕込み、48%水酸化ナトリウム水溶液5gを加え、窒素雰囲気下3時間攪拌した。その後ニーダーを温水により60℃に加温し、5〜10kPaの圧力範囲で脱水しながら、前記グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド230gを3時間かけて滴下した。その後更に3時間攪拌したところ、反応系から約15gの水が留出した。HPLC分析に原料グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドは92%が消費されていた。そのまま酢酸で中和し、生成物をニーダーから取り出した後、含水イソプロパノール(15%含水)およびアセトンで洗浄して中和塩、未反応物を除き、減圧下乾燥して、カチオン化セルロースを270gの淡茶白色固体として得た。元素分析およびコロイド滴定により、塩素元素含量は16%、窒素元素含量は6.4%、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり1.49となり、セルロースへの反応選択性は91%であった。
Example 4
Into the 1 L kneader, 100 g of amorphous cellulose (crystallinity 0%, polymerization degree 400) obtained according to Production Example 1 was added, 5 g of 48% sodium hydroxide aqueous solution was added, and 3 hours in a nitrogen atmosphere. Stir. Thereafter, the kneader was heated to 60 ° C. with warm water, and 230 g of the glycidyltrimethylammonium chloride was added dropwise over 3 hours while dehydrating in a pressure range of 5 to 10 kPa. After further stirring for 3 hours, about 15 g of water was distilled from the reaction system. 92% of the raw material glycidyltrimethylammonium chloride was consumed in the HPLC analysis. Neutralized with acetic acid as it was, and the product was taken out from the kneader, washed with water-containing isopropanol (15% water) and acetone to remove neutralized salts and unreacted substances, dried under reduced pressure, and 270 g of cationized cellulose. As a pale brown white solid. By elemental analysis and colloidal titration, the elemental chlorine content was 16%, the elemental nitrogen content was 6.4%, the degree of substitution as cationic groups on cellulose was 1.49 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose was 91% Met.

実施例5
ジメチルスルホキシド500mlを溶媒として添加する以外は、実施例1と同様にして5時間反応を行ったところ、原料グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドの消費量は90%であったため、更に2時間反応を行った。その結果、原料は全て消費されており、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.69であり、セルロースへの反応選択性は94%であった。結果を表3に示す。
Example 5
The reaction was carried out for 5 hours in the same manner as in Example 1 except that 500 ml of dimethyl sulfoxide was added as a solvent. As a result, the consumption amount of the raw material glycidyltrimethylammonium chloride was 90%, and thus the reaction was further carried out for 2 hours. As a result, all the raw materials were consumed, the substitution degree as a cationic group on cellulose was 0.69 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose was 94%. The results are shown in Table 3.

実施例6
溶媒として含水イソプロパノール(15%含水)500mlを用いる以外は、実施例5と同様にして反応を行ったところ、原料グリシジルトリメチルアンモニウムクロリドは全て消費され、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.35であり、セルロースへの反応選択性は50%であった。結果を表3に示す。
Example 6
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5 except that 500 ml of water-containing isopropanol (15% water) was used as a solvent. As a result, all the raw material glycidyltrimethylammonium chloride was consumed, and the degree of substitution as a cationic group on the cellulose was in glucose units. The reaction selectivity to cellulose was 50%. The results are shown in Table 3.

実施例7
前記製造例1で得られた非晶化セルロース(結晶化度0%、重合度600)600g及び水酸化ナトリウム10.9gを撹拌型ボールミル(三井鉱山株式会社製アトライタ)に加え、窒素雰囲気下、鋼球(充填率30%)を用いて混合した。これを5Lニーダーに加え、70℃に加温し、10〜20kPaの減圧下脱水しながら、777.7gの含水グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド(含水量20重量%、純度90%以上)を10時間かけて滴下し、更に2時間撹拌した。その結果、HPLC分析によりグリシジルトリメチルアンモニウムクロリドは全て消費されていた。その後酢酸で中和し、生成物をニーダーから取り出し、含水イソプロパノール(含水量15%)およびアセトンで洗浄後、減圧下乾燥して、カチオン化セルロースを1.14kgの淡茶白色固体として得た。コロイド滴定により、セルロース上のカチオン基としての置換度はグルコース単位当たり0.96となり、セルロースへの反応選択性は96%(カチオン化剤基準)であった。結果を表2に示す。
Example 7
600 g of amorphous cellulose (crystallinity 0%, polymerization degree 600) obtained in Production Example 1 and 10.9 g of sodium hydroxide were added to an agitated ball mill (Mitsui Mining Co., Ltd. Attritor), under a nitrogen atmosphere, It mixed using the steel ball (filling rate 30%). This was added to a 5 L kneader, heated to 70 ° C., and dehydrated under a reduced pressure of 10 to 20 kPa while adding 777.7 g of hydrated glycidyltrimethylammonium chloride (water content 20% by weight, purity 90% or more) over 10 hours. The solution was added dropwise and stirred for another 2 hours. As a result, all glycidyltrimethylammonium chloride was consumed by HPLC analysis. Thereafter, the mixture was neutralized with acetic acid, the product was taken out of the kneader, washed with water-containing isopropanol (water content 15%) and acetone, and then dried under reduced pressure to obtain cationized cellulose as 1.14 kg of a light brown white solid. By colloidal titration, the substitution degree as a cationic group on cellulose was 0.96 per glucose unit, and the reaction selectivity to cellulose was 96% (based on the cationizing agent). The results are shown in Table 2.

Figure 2009102587
Figure 2009102587

Figure 2009102587
Figure 2009102587

表2及び表3から、実施例1〜7は、比較例1及び2に比べてカチオン化剤の反応選択性が向上し、所望の置換度を有するカチオン化セルロースを効率的に得ることができる。   From Table 2 and Table 3, Examples 1-7 can improve the reaction selectivity of a cationizing agent compared with Comparative Examples 1 and 2, and can obtain the cationized cellulose which has desired substitution degree efficiently. .

本発明の製造方法によれば、工業的にも簡便でかつ高選択的にセルロースを直接カチオン化することができ、得られたカチオン化セルロースは、シャンプーやリンス、トリートメント、コンディショナー等の洗浄剤組成物の配合成分や分散剤、改質剤、凝集剤等、広範な用途にも利用することが可能である。   According to the production method of the present invention, cellulose can be directly cationized industrially and with high selectivity, and the obtained cationized cellulose has a detergent composition such as shampoo, rinse, treatment, conditioner, etc. It can also be used in a wide range of applications such as compounding components, dispersants, modifiers, and flocculants.

Claims (6)

低結晶性の粉末セルロースを、触媒の存在下、下記一般式(1)で表されるグリシジルトリアルキルアンモニウム塩と反応させる、下記一般式(2)で表されるカチオン化セルロースの製造方法。
Figure 2009102587
(式中、R1〜R3は同一又は異なった炭素数1〜4の炭化水素基を示し、Xはハロゲン原子を示す。)
Figure 2009102587
(式中、R4は、水素原子又は下記一般式(3)で示されるカチオン基を示し、R4すべてが水素原子となることはない。nは100〜2000の数を示す。)
Figure 2009102587
(式中、R1〜R3及びXは、前記に同じである。)
A process for producing a cationized cellulose represented by the following general formula (2), wherein low-crystalline powdery cellulose is reacted with a glycidyl trialkylammonium salt represented by the following general formula (1) in the presence of a catalyst.
Figure 2009102587
(Wherein R 1 to R 3 represent the same or different hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms, and X represents a halogen atom.)
Figure 2009102587
(In the formula, R 4 represents a hydrogen atom or a cationic group represented by the following general formula (3), and R 4 does not become a hydrogen atom. N represents a number of 100 to 2000.)
Figure 2009102587
(Wherein R 1 to R 3 and X are the same as above).
触媒量の触媒の存在下で反応させる、請求項1に記載のカチオン化セルロースの製造方法。   The method for producing cationized cellulose according to claim 1, wherein the reaction is carried out in the presence of a catalytic amount of a catalyst. 低結晶性の粉末セルロースの結晶化度が50%以下である、請求項1又は2に記載のカチオン化セルロースの製造方法。   The method for producing cationized cellulose according to claim 1 or 2, wherein the crystallinity of the low-crystalline powdery cellulose is 50% or less. 低結晶性の粉末セルロースに対する水分含有量が100重量%以下である、請求項1〜3のいずれかに記載のカチオン化セルロースの製造方法。   The manufacturing method of the cationized cellulose in any one of Claims 1-3 whose water content with respect to low crystalline powdery cellulose is 100 weight% or less. 低結晶性の粉末セルロースに対して、10重量倍以下の非水溶媒を用いて反応させる、請求項1〜4のいずれかに記載のカチオン化セルロースの製造方法。   The method for producing cationized cellulose according to any one of claims 1 to 4, wherein the low-crystalline powdery cellulose is reacted using a non-aqueous solvent of 10 times by weight or less. 触媒としてアルカリ金属水酸化物を用いる、請求項1〜5のいずれかに記載のカチオン化セルロースの製造方法。   The method for producing cationized cellulose according to any one of claims 1 to 5, wherein an alkali metal hydroxide is used as a catalyst.
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