JP2013010891A - Cellulose nanofiber composite and method for producing the same - Google Patents

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Chunnan Wu
ウ・シュンナン
Tsuguyuki Saito
継之 齋藤
Akira Isogai
明 磯貝
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cellulose nanofiber composite which improves mechanical properties.SOLUTION: The cellulose nanofiber composite 10 contains cellulose nanofibers 11 in which at least one part of a hydroxy group positioned on the microfibril surface of cellulose is oxidized to a carboxyl group, and plate-like nanoparticles 12.

Description

本発明は、セルロースナノファイバー複合体とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a cellulose nanofiber composite and a method for producing the same.

近年、セルロースナノファイバーを用いた高強度材料の研究が進められており、セルロースナノファイバーの分散液を成形後乾燥させることによりシート状等に加工したものが知られている。また、強度向上などの機能付与を目的として、セルロースナノファイバーと他の材料との複合化も検討されている。例えば下記非特許文献1には、ミクロフィブリル化セルロースナノファイバーとモンモリロナイト(クレイ)との複合体を作製した例が示されている。   In recent years, research on high-strength materials using cellulose nanofibers has been promoted, and those obtained by forming a dispersion of cellulose nanofibers into a sheet or the like by molding and drying are known. In addition, for the purpose of imparting a function such as strength improvement, composites of cellulose nanofibers with other materials have been studied. For example, the following Non-Patent Document 1 shows an example in which a composite of microfibrillated cellulose nanofibers and montmorillonite (clay) is produced.

Sehaqui, H., Liu, A., Zhou, Q., and Berglund, L.A. (2010). Fast preparation procedure for large, flat cellulose and cellulose/inorganic nanopaper structures. Biomacromolecules, 11, 2195-2198.Sehaqui, H., Liu, A., Zhou, Q., and Berglund, L.A. (2010) .Fast preparation procedure for large, flat cellulose and cellulose / inorganic nanopaper structures.Biomacromolecules, 11, 2195-2198.

しかしながら、非特許文献1記載の例では、ミクロフィブリル化セルロースナノファイバーにモンモリロナイトを複合化すると成形材料の強度や伸び、透明性がいずれも悪化しており、複合化による有利な効果は全く見いだされていなかった。   However, in the example described in Non-Patent Document 1, when montmorillonite is compounded with microfibrillated cellulose nanofiber, the strength, elongation, and transparency of the molding material are all deteriorated, and an advantageous effect by the compounding is found at all. It wasn't.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、機械特性を向上させたセルロースナノファイバー複合体とその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a cellulose nanofiber composite having improved mechanical properties and a method for producing the same.

本発明のセルロースナノファイバー複合体は、セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化されたセルロースナノファイバーと、板状ナノ粒子とを含むことを特徴とする。   The cellulose nanofiber composite of the present invention comprises cellulose nanofibers in which at least a part of hydroxyl groups located on the surface of cellulose microfibrils are oxidized to carboxyl groups, and plate-like nanoparticles.

前記板状ナノ粒子が、モンモリロナイト、ナトリウムモンモリロナイト、カルシウムモンモリロナイト、マグネシウムモンモリロナイト、ノントロナイト、ベイデルライト、ボルコンスコイト、ラポナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、マガダイト、ケニアイト、ソボクカイト、スビンドルダイト、スチーブンサイト、バーミキュライト、ハロイサイト、アルミナートオキシド、ハイドロタルサイト、イライト、レクトライト、タロソバイト、レディカイト、カオリナイト、及びそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも一つである構成としてもよい。   The plate-like nanoparticles are montmorillonite, sodium montmorillonite, calcium montmorillonite, magnesium montmorillonite, nontronite, bedellite, vorconskite, laponite, hectorite, saponite, soconite, magadite, kenyaite, sobokite, subindulite, steven The composition may be at least one selected from the group consisting of sight, vermiculite, halloysite, aluminate oxide, hydrotalcite, illite, rectolite, talosobite, ladykite, kaolinite, and mixtures thereof.

本発明のセルロースナノファイバー複合体の製造方法は、セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化されたセルロースナノファイバーを分散媒に分散させ、セルロースナノファイバー分散液を調製する工程と、板状ナノ粒子を分散媒に分散させ、板状ナノ粒子分散液を調製する工程と、前記セルロースナノファイバー分散液と前記板状ナノ粒子分散液を混合し、混合分散液を調製する工程と、前記混合分散液を乾燥固化させ、セルロースナノファイバー複合体を作製する工程と、を有することを特徴とする。   In the method for producing a cellulose nanofiber composite of the present invention, a cellulose nanofiber dispersion is prepared by dispersing cellulose nanofibers in which at least a part of hydroxyl groups located on the surface of cellulose microfibrils are oxidized to carboxyl groups in a dispersion medium. Mixing the plate-like nanoparticles in a dispersion medium to prepare a plate-like nanoparticle dispersion, and mixing the cellulose nanofiber dispersion and the plate-like nanoparticle dispersion to prepare a mixed dispersion And a step of preparing the cellulose nanofiber composite by drying and solidifying the mixed dispersion.

本発明によれば、セルロースナノファイバーと板状ナノ粒子の双方が凝集することなく均一に分散した構造を備えたことにより機械特性を向上させたセルロースナノファイバー複合体が提供される。
また本発明によれば、上記のセルロースナノファイバー複合体を容易に製造する方法が提供される。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cellulose nanofiber composite_body | complex which improved the mechanical characteristic by providing the structure disperse | distributed uniformly, without both a cellulose nanofiber and a plate-shaped nanoparticle aggregating is provided.
Moreover, according to this invention, the method of manufacturing said cellulose nanofiber composite_body | complex easily is provided.

実施形態のセルロースナノファイバー複合体の概略構成図。The schematic block diagram of the cellulose nanofiber composite_body | complex of embodiment. セルロースナノファイバー複合体の作用説明図。Action | operation explanatory drawing of a cellulose nanofiber composite_body | complex. 従来の複合体の説明図。Explanatory drawing of the conventional composite_body | complex. 実施例に係るTOCN/クレイ複合フィルムの応力歪み曲線。The stress strain curve of the TOCN / clay composite film which concerns on an Example. 実施例に係るTOCN/クレイ複合フィルムの応力歪み曲線。The stress strain curve of the TOCN / clay composite film which concerns on an Example. 実施例に係る酸素透過率の測定結果を示したグラフ。The graph which showed the measurement result of the oxygen permeability which concerns on an Example. 実施例に係るTOCN/クレイ複合フィルムの透過率曲線。The transmittance | permeability curve of the TOCN / clay composite film which concerns on an Example. 実施例に係るTOCN/クレイ複合フィルムの透過率曲線。The transmittance | permeability curve of the TOCN / clay composite film which concerns on an Example.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

「セルロースナノファイバー複合体の製造方法」
上記のセルロースナノファイバー複合体は、(1)セルロースナノファイバー分散液を調製する工程と、(2)板状ナノ粒子分散液を調製する工程と、(3)セルロースナノファイバー分散液と板状ナノ粒子分散液を混合し、混合分散液を調製する工程と、(4)混合分散液を乾燥固化させ、セルロースナノファイバー複合体を作製する工程と、を有する方法により製造することができる。
"Method for producing cellulose nanofiber composite"
The cellulose nanofiber composite includes (1) a step of preparing a cellulose nanofiber dispersion, (2) a step of preparing a plate-like nanoparticle dispersion, and (3) a cellulose nanofiber dispersion and a plate-like nanoparticle. It can be produced by a method comprising mixing a particle dispersion to prepare a mixed dispersion, and (4) drying and solidifying the mixed dispersion to produce a cellulose nanofiber composite.

(1)セルロースナノファイバー水分散液の調製
本工程は、原料であるセルロースを酸化する酸化工程と、酸化されたセルロースを解繊して分散液とする分散工程とを含む。
(1) Preparation of Cellulose Nanofiber Aqueous Dispersion This step includes an oxidation step of oxidizing cellulose as a raw material and a dispersion step of defibrating oxidized cellulose to form a dispersion.

[セルロースの酸化工程]
セルロースの酸化工程は、セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化された、カルボン酸塩型の基を有するセルロースの水分散液を作製する工程である。
上記の構成を備えたセルロース水分散液が得られるならば、そのセルロースの酸化処理方法は特に限定されないが、本発明者らによりすでに提案されているTEMPO触媒酸化を用いたセルロースの酸化処理を用いることが好ましい。
[Oxidation process of cellulose]
The cellulose oxidation step is a step of preparing an aqueous dispersion of cellulose having a carboxylate type group in which at least a part of hydroxyl groups located on the surface of cellulose microfibrils is oxidized to a carboxyl group.
If an aqueous cellulose dispersion having the above-mentioned constitution is obtained, the method for oxidizing the cellulose is not particularly limited, but the cellulose oxidizing treatment using TEMPO catalytic oxidation already proposed by the present inventors is used. It is preferable.

すなわち、天然セルロースを原料とし、水系溶媒中においてTEMPO(2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル)などのN−オキシル化合物を酸化触媒とし、酸化剤を作用させることにより天然セルロースを酸化させる酸化処理工程を含む製造方法により酸化したセルロース水分散液を作製することが好ましい。   That is, natural cellulose is used as a raw material, an N-oxyl compound such as TEMPO (2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl) is used as an oxidation catalyst in an aqueous solvent, and an oxidizing agent is allowed to act. It is preferable to prepare a cellulose aqueous dispersion oxidized by a production method including an oxidation treatment step of oxidizing natural cellulose.

酸化処理により、天然セルロースのパルプ繊維を構成するミクロフィブリルの表面に露出している1級水酸基(約1.7基/nm)が、カルボキシル基へと酸化される。 By the oxidation treatment, primary hydroxyl groups (about 1.7 groups / nm 2 ) exposed on the surface of the microfibrils constituting the natural fiber pulp fibers are oxidized into carboxyl groups.

酸化処理工程では、まず、水中に天然セルロースを分散させた分散液を調製する。天然セルロースは、植物、動物、バクテリア産生ゲル等のセルロースの生合成系から単離した精製セルロースである。具体的には、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ、コットンリンターやコットンリント等の綿系パルプ、麦わらパルプやバガスパルプ等の非木材系パルプ、バクテリアセルロース、ホヤから単離されるセルロース、海草から単離されるセルロースなどを例示することができる。   In the oxidation treatment step, first, a dispersion in which natural cellulose is dispersed in water is prepared. Natural cellulose is purified cellulose isolated from cellulose biosynthetic systems such as plants, animals, and bacteria-producing gels. Specifically, it is isolated from softwood pulp, hardwood pulp, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood pulp such as straw pulp and bagasse pulp, bacterial cellulose, cellulose isolated from sea squirt, seaweed A cellulose etc. can be illustrated.

また、単離、精製された天然セルロースに対して、叩解等の表面積を拡大する処理を施してもよい。これにより反応効率を高めることができ、生産性を高めることができる。また、天然セルロースは、単離、精製の後、未乾燥状態で保存したものを用いることが好ましい。未乾燥状態で保存することで、ミクロフィブリルの集束体を膨潤しやすい状態に保持することができるので、反応効率を高めるとともに、後述の分散工程において繊維径の細いセルロースナノファイバーを得やすくなる。   Moreover, you may give the process which expands surface areas, such as beating, to the natural cellulose isolated and refine | purified. Thereby, reaction efficiency can be improved and productivity can be improved. In addition, it is preferable to use natural cellulose that has been stored in an undried state after isolation and purification. By storing it in an undried state, it is possible to keep the microfibril bundle in an easily swellable state, so that the reaction efficiency is improved and cellulose nanofibers having a small fiber diameter are easily obtained in the dispersion step described later.

酸化処理工程において、反応溶液における天然セルロースの分散媒には典型的には水が用いられる。反応溶液中の天然セルロース濃度は、試薬(酸化剤、触媒等)の十分な溶解が可能であれば特に限定されない。通常は、反応溶液の重量に対して5%程度以下の濃度とすることが好ましい。   In the oxidation treatment step, water is typically used as a dispersion medium for natural cellulose in the reaction solution. The natural cellulose concentration in the reaction solution is not particularly limited as long as the reagent (oxidant, catalyst, etc.) can be sufficiently dissolved. Usually, the concentration is preferably about 5% or less with respect to the weight of the reaction solution.

反応溶液に添加される触媒としては、N−オキシル化合物が用いられている。N−オキシル化合物としては、TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジンーN−オキシル)及びC4位に各種の官能基を有するTEMPO誘導体を用いることができる。TEMPO誘導体としては、4−アセトアミドTEMPO、4−カルボキシTEMPO、4−フォスフォノオキシTEMPOなどを挙げることができる。特に、TEMPO及び4−アセトアミドTEMPOは、反応速度において好ましい結果が得られている。
N−オキシル化合物の添加は触媒量で十分であり、具体的には、反応溶液に対して0.1〜4mmol/Lの範囲で添加すればよい。好ましくは、0.1〜2mmol/Lの添加量範囲である。
An N-oxyl compound is used as a catalyst added to the reaction solution. As the N-oxyl compound, TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) and a TEMPO derivative having various functional groups at the C4 position can be used. Examples of the TEMPO derivative include 4-acetamido TEMPO, 4-carboxy TEMPO, 4-phosphonooxy TEMPO, and the like. In particular, TEMPO and 4-acetamido TEMPO have obtained favorable results in the reaction rate.
A catalytic amount is sufficient for the addition of the N-oxyl compound. Specifically, it may be added in a range of 0.1 to 4 mmol / L with respect to the reaction solution. Preferably, it is the addition amount range of 0.1-2 mmol / L.

さらに、酸化剤の種類によっては、N−オキシル化合物に、臭化物やヨウ化物を組み合わせた触媒成分を用いてもよい。例えば、アンモニウム塩(臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム)、臭化又はヨウ化アルカリ金属(臭化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウムなどの臭化物、ヨウ化リチウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化ナトリウムなどのヨウ化物)、臭化又はヨウ化アルカリ土類金属(臭化カルシウム、臭化マグネシウム、臭化ストロンチウム、ヨウ化カルシウム、ヨウ化マグネシウム、ヨウ化ストロンチウムなど)を用いることができる。これらの臭化物及びヨウ化物は、単独又は2種以上の組み合わせで使用することができる。   Further, depending on the type of oxidizing agent, a catalyst component in which a bromide or iodide is combined with an N-oxyl compound may be used. For example, ammonium salt (ammonium bromide, ammonium iodide), bromide or alkali metal iodide (bromide such as lithium bromide, potassium bromide, sodium bromide, lithium iodide, potassium iodide, sodium iodide, etc. Iodide), bromide or alkaline earth metal iodides (calcium bromide, magnesium bromide, strontium bromide, calcium iodide, magnesium iodide, strontium iodide, etc.) can be used. These bromides and iodides can be used alone or in combination of two or more.

酸化剤としては、次亜ハロゲン酸又はその塩(次亜塩素酸又はその塩、次亜臭素酸又はその塩、次亜ヨウ素酸又はその塩など)、亜ハロゲン酸又はその塩(亜塩素酸又はその塩、亜臭素酸又はその塩、亜ヨウ素酸又はその塩など)、過ハロゲン酸又はその塩(過塩素酸又はその塩、過ヨウ素酸又はその塩など)、ハロゲン(塩素、臭素、ヨウ素など)、ハロゲン酸化物(ClO、ClO、Cl、BrO、Brなど)、窒素酸化物(NO、NO、Nなど)、過酸(過酸化水素、過酢酸、過硫酸、過安息香酸など)が含まれる。これらの酸化剤は単独又は2種以上の組み合わせで使用することができる。また、ラッカーゼなどの酸化酵素と組み合わせて用いてもよい。酸化剤の含有量は、1〜50mmol/Lの範囲とすることが好ましい。 As the oxidizing agent, hypohalous acid or a salt thereof (hypochlorous acid or a salt thereof, hypobromous acid or a salt thereof, hypoiodous acid or a salt thereof, etc.), a halogenous acid or a salt thereof (chlorous acid or a salt thereof) Salts thereof, bromous acid or salts thereof, iodic acid or salts thereof, perhalogen acids or salts thereof (perchloric acid or salts thereof, periodic acid or salts thereof), halogens (chlorine, bromine, iodine, etc.) ), Halogen oxides (ClO, ClO 2 , Cl 2 O 6 , BrO 2 , Br 3 O 7 etc.), nitrogen oxides (NO, NO 2 , N 2 O 3 etc.), peracids (hydrogen peroxide, hydrogen peroxide, Acetic acid, persulfuric acid, perbenzoic acid, etc.). These oxidizing agents can be used alone or in combination of two or more. Further, it may be used in combination with an oxidase such as laccase. The content of the oxidizing agent is preferably in the range of 1 to 50 mmol / L.

次亜ハロゲン酸塩としては、次亜塩素酸の場合に、次亜塩素酸リチウム、次亜塩素酸カリウム、次亜塩素酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩や、次亜塩素酸カルシウム、次亜塩素酸マグネシウム、次亜塩素酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属塩、次亜塩素酸アンモニウムなどを例示することができる。また、これらに対応する次亜臭素酸塩、次亜ヨウ素酸塩を用いることもできる。   As hypohalite, in the case of hypochlorous acid, alkali metal salts such as lithium hypochlorite, potassium hypochlorite, sodium hypochlorite, calcium hypochlorite, hypochlorous acid, etc. Examples include magnesium, alkaline earth metal salts such as strontium hypochlorite, and ammonium hypochlorite. Moreover, hypobromite and hypoiodite corresponding to these can also be used.

亜ハロゲン酸塩としては、例えば亜塩素酸の場合、亜塩素酸リチウム、亜塩素酸カリウム、亜塩素酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩や、亜塩素酸カルシウム、亜塩素酸マグネシウム、亜塩素酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属塩、亜塩素酸アンモニウムなどを例示することができる。また、これらに対応する亜臭素酸塩、亜ヨウ素酸塩を用いることもできる。   Examples of halous acid salts include, in the case of chlorous acid, alkali metal salts such as lithium chlorite, potassium chlorite, and sodium chlorite, calcium chlorite, magnesium chlorite, and strontium chlorite. Examples thereof include alkaline earth metal salts and ammonium chlorite. In addition, bromite and iodate corresponding to these can also be used.

過ハロゲン酸塩としては、例えば過塩素酸塩の場合、過塩素酸リチウム、過塩素酸カリウム、過塩素酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩や、過塩素酸カルシウム、過塩素酸マグネシウム、過塩素酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属塩、過塩素酸アンモニウムなどを例示することができる。また、これらに対応する過臭素酸塩、過ヨウ素酸塩を用いることもできる。   As perhalogenates, for example, in the case of perchlorates, alkali metal salts such as lithium perchlorate, potassium perchlorate, sodium perchlorate, calcium perchlorate, magnesium perchlorate, strontium perchlorate Examples thereof include alkaline earth metal salts such as ammonium perchlorate. Moreover, perbromate and periodate corresponding to these can also be used.

本発明における好ましい酸化剤としては、次亜ハロゲン酸アルカリ金属塩、あるいは亜ハロゲン酸アルカリ金属塩を挙げることができ、次亜塩素酸アルカリ金属塩又は亜塩素酸アルカリ金属塩を用いることがより好ましい。
先に記載の触媒については、酸化剤の種類に応じて適宜選択すればよく、例えば、次亜塩素酸アルカリ金属塩を酸化剤とする場合には、N−オキシル化合物と、臭化物又はヨウ化物とを組み合わせた触媒成分を用いることが好ましく、亜塩素酸アルカリ金属塩を酸化剤とする場合には、N−オキシル化合物を単独で触媒成分として用いることが好ましい。
As a preferable oxidizing agent in the present invention, an alkali metal hypohalite or an alkali metal halite can be mentioned, and an alkali metal hypochlorite or an alkali metal chlorite is more preferably used. .
The catalyst described above may be appropriately selected according to the kind of the oxidizing agent. For example, when an alkali metal hypochlorite is used as the oxidizing agent, an N-oxyl compound, bromide or iodide, It is preferable to use a catalyst component in combination with N, and when an alkali metal chlorite is used as the oxidizing agent, it is preferable to use an N-oxyl compound alone as the catalyst component.

[分散工程]
次に、分散工程では、酸化処理工程で得られた酸化セルロース又は精製工程を経た酸化セルロースを、媒体中に分散させる。
分散に用いる媒体(分散媒)としては、水系溶媒が用いられる。本実施形態における水系溶媒は、不可避的に混入する成分を除いて水のみである溶媒、若しくは20重量%未満の水と相溶性のアルコール等の有機溶媒と水との混合溶媒である。本実施形態では、分散媒として水を用いている。
[Dispersion process]
Next, in the dispersion step, the oxidized cellulose obtained in the oxidation treatment step or the oxidized cellulose that has undergone the purification step is dispersed in the medium.
As a medium (dispersion medium) used for dispersion, an aqueous solvent is used. The aqueous solvent in the present embodiment is a solvent that is only water except for components that are inevitably mixed, or a mixed solvent of water and an organic solvent such as an alcohol compatible with less than 20% by weight of water. In this embodiment, water is used as the dispersion medium.

分散工程により、酸化セルロースが解繊され、セルロースナノファイバーが媒体に分散されたセルロースナノファイバー分散液が得られる。この分散工程で作製されるセルロースナノファイバー水分散液は、セルロースの一部のC6位の1級水酸基がカルボン酸ナトリウム塩(カルボキシル基のナトリウム塩)に酸化されたセルロースナノファイバーが水系溶媒中に均一に分散されたものである。   Through the dispersion step, oxidized cellulose is fibrillated, and a cellulose nanofiber dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in a medium is obtained. In the cellulose nanofiber aqueous dispersion prepared in this dispersion step, cellulose nanofibers in which a part of C6 primary hydroxyl group of cellulose is oxidized to sodium carboxylate (sodium salt of carboxyl group) are contained in an aqueous solvent. It is uniformly dispersed.

本実施形態の場合、セルロースナノファイバー水分散液の濃度は、0.05重量%以上4重量%以下の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは0.1重量%以上2重量%以下である。   In the case of this embodiment, the concentration of the cellulose nanofiber aqueous dispersion is preferably in the range of 0.05 wt% to 4 wt%. More preferably, it is 0.1 weight% or more and 2 weight% or less.

分散工程において用いる分散装置(解繊装置)としては、種々のものを使用することができる。例えば、家庭用ミキサー、超音波ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、二軸混練り装置、石臼等の解繊装置を用いることができる。これらのほかにも、家庭用や工業生産用に汎用的に用いられる解繊装置で容易にセルロースナノファイバーの分散液を得られる。また、各種ホモジナイザーや各種レファイナーのような強力で叩解能力のある解繊装置を用いると、より効率的に繊維径の細いセルロースナノファイバーが得られる。   Various devices can be used as a dispersion device (defibration device) used in the dispersion step. For example, a household mixer, an ultrasonic homogenizer, a high-pressure homogenizer, a biaxial kneading device, a defibrating device such as a stone mill can be used. In addition to these, a dispersion of cellulose nanofibers can be easily obtained with a defibrating apparatus generally used for household use or industrial production. In addition, if a defibrating apparatus having a strong and beating ability such as various homogenizers and various refiners is used, cellulose nanofibers having a small fiber diameter can be obtained more efficiently.

また、上記工程における酸化処理および分散処理においては、セルロースの主鎖骨格を切断するような化学的な処理が行われないため、生成するセルロースナノファイバーは、原料として用いる天然セルロースのミクロフィブリルの長さを有するものとなる。したがって、生成するセルロースナノファイバーは、幅が例えば数nmであるのに対し、長さが数μmにも達するミクロフィブリル単位の寸法を有するものとなる。   In addition, in the oxidation treatment and dispersion treatment in the above process, since the chemical treatment that cleaves the main chain skeleton of cellulose is not performed, the cellulose nanofiber to be produced is the length of the microfibril of natural cellulose used as a raw material. It will have. Accordingly, the cellulose nanofibers to be produced have dimensions of microfibril units reaching a length of several μm while the width is, for example, several nm.

以上の工程により得られた水分散液に含まれるセルロースナノファイバーは、最大繊維径が1000nm以下かつ数平均繊維径が2nm以上150nm以下であり、セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化されているセルロースナノファイバーとして特定することができる。   The cellulose nanofibers contained in the aqueous dispersion obtained by the above steps have a maximum fiber diameter of 1000 nm or less and a number average fiber diameter of 2 nm or more and 150 nm or less, and at least a part of hydroxyl groups located on the microfibril surface of cellulose. Can be identified as cellulose nanofibers oxidized to carboxyl groups.

セルロースナノファイバーの最大繊維径及び数平均繊維径は、以下の方法で解析することができる。
まず、0.05〜0.1重量%のセルロースナノファイバー分散液を調製する。この分散液を親液化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。その後、この試料を、5000倍、10000倍、あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡観察を行う。この際に、得られた画像内に縦横任意の画像幅の軸を想定したときに、この軸が20本以上の繊維と交差するような試料(濃度等)及び観察条件(倍率等)とする。
そして、この条件を満足する観察画像に対して、1枚の画像当たり縦横2本ずつの無作為な軸を引き、軸に交錯する繊維の繊維径を目視で読み取っていく。こうして少なくとも3枚の重複しない領域の画像について繊維径の値を読み取る。これにより、最低20本×2(軸)×3(枚)=120本の繊維径の情報が得られる。
以上により得られた繊維径のデータから、最大繊維径(最大値)及び数平均繊維径を算出することができる。
なお、上記ではTEM観察を行うこととしたが、繊維径の大きな繊維を含む場合には、SEM観察により行ってもよい。
The maximum fiber diameter and the number average fiber diameter of the cellulose nanofiber can be analyzed by the following method.
First, a 0.05 to 0.1% by weight cellulose nanofiber dispersion is prepared. This dispersion is cast on a lyophilic carbon film-coated grid to obtain a sample for TEM observation. Thereafter, this sample is observed with an electron microscope at a magnification of 5000 times, 10000 times, or 50000 times. At this time, when an axis of arbitrary vertical and horizontal image width is assumed in the obtained image, a sample (concentration etc.) and an observation condition (magnification etc.) such that this axis intersects with 20 or more fibers are used. .
Then, with respect to the observation image satisfying this condition, two random axes are drawn vertically and horizontally per image, and the fiber diameter of the fiber intersecting with the axis is visually read. In this way, the fiber diameter value is read for at least three non-overlapping region images. Thereby, information on the fiber diameter of at least 20 fibers × 2 (axis) × 3 (sheets) = 120 fibers is obtained.
From the fiber diameter data obtained as described above, the maximum fiber diameter (maximum value) and the number average fiber diameter can be calculated.
In the above description, the TEM observation is performed. However, when a fiber having a large fiber diameter is included, the TEM observation may be performed.

本実施形態において、セルロースナノファイバーの最大繊維径が1000nmより大きく、又は数平均繊維径が150nmより大きい場合には、以下に説明する透明性や強度などの特性が得られにくくなる。セルロースナノファイバーとしての特性を良好に発現するものとしては、最大繊維径が500nm以下かつ数平均繊維径が2nm以上100nm以下であり、さらに好ましくは、最大繊維径が30nm以下かつ数平均繊維径が2nm以上10nm以下である。   In the present embodiment, when the maximum fiber diameter of the cellulose nanofiber is larger than 1000 nm or the number average fiber diameter is larger than 150 nm, it is difficult to obtain characteristics such as transparency and strength described below. As the cellulose nanofibers, the maximum fiber diameter is 500 nm or less and the number average fiber diameter is 2 nm or more and 100 nm or less, more preferably, the maximum fiber diameter is 30 nm or less and the number average fiber diameter is as follows. It is 2 nm or more and 10 nm or less.

特に最大繊維径が30nm以下かつ数平均繊維径が2nm以上10nm以下であるセルロースナノファイバーであれば、その分散液は透明なものとなり、またこの分散液を乾燥させて得られるフィルム等の構造体も優れた透明性を有するものとなる。
より具体的には、本発明の製造方法により得られるセルロースナノファイバーは、幅が3nm〜10nm(木材セルロースを用いれば3〜4nm、綿セルロースであれば10nm程度)と極めて細く、長さも500nm以上(通常1μm以上)と、従来の酸加水分解得られる「セルロースナノウィスカー(長さは500nm以下)」に比べて長いため、高強度を発現する。
In particular, a cellulose nanofiber having a maximum fiber diameter of 30 nm or less and a number average fiber diameter of 2 nm or more and 10 nm or less, the dispersion is transparent, and a structure such as a film obtained by drying the dispersion Also have excellent transparency.
More specifically, the cellulose nanofibers obtained by the production method of the present invention have a very narrow width of 3 nm to 10 nm (3 to 4 nm if wood cellulose is used, and about 10 nm if cotton cellulose is used), and the length is 500 nm or more. (Normally 1 μm or more) and longer than “cellulose nanowhiskers (length: 500 nm or less)” obtained by conventional acid hydrolysis, high strength is exhibited.

(2)板状ナノ粒子水分散液の調製
本工程では、板状ナノ粒子を分散媒に分散させて板状ナノ粒子水分散液を調製する。
(2) Preparation of plate-like nanoparticle aqueous dispersion In this step, a plate-like nanoparticle aqueous dispersion is prepared by dispersing plate-like nanoparticles in a dispersion medium.

板状ナノ粒子としては、天然又は合成されたクレイ材料を用いることができる。具体的には、スメクタイトクレイ(モンモリロナイト、ナトリウムモンモリロナイト、カルシウムモンモリロナイト、マグネシウムモンモリロナイト、ノントロナイト、ベイデルライト、ボルコンスコイト、ラポナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、マガダイト、ケニアイト、ソボクカイト、スビンドルダイト、スチーブンサイト、バーミキュライト、ハロイサイト、アルミナートオキシド、ハイドロタルサイト、又はこれらの混合物)を典型的なものとして挙げることができる。他のクレイ材料としては、イライト、レクトライト、タロソバイト、レディカイト、カオリナイト等を挙げることができる。イライト、レクトライト等とスメクタイトクレイとの混合物を用いてもよい。   As the plate-like nanoparticles, natural or synthesized clay materials can be used. Specifically, smectite clay (montmorillonite, sodium montmorillonite, calcium montmorillonite, magnesium montmorillonite, nontronite, bedellite, vorconskite, laponite, hectorite, saponite, sauconite, magadite, kenyaite, sobokite, subindulite, Typical examples include stevensite, vermiculite, halloysite, aluminate oxide, hydrotalcite, or mixtures thereof. Examples of other clay materials include illite, rectolite, tarosovite, ladykite, and kaolinite. A mixture of illite, rectolite, etc. and smectite clay may be used.

板状ナノ粒子の大きさは、用いるクレイ材料によって異なるものであるが、例えば幅が0.01μm〜10μm、厚さが0.5nm〜10nm程度の平板状の微小粒子である。より詳しくは、例えばモンモリロナイトの場合、厚さ約1nmのアルミノ珪酸塩の板状ナノ粒子であり、ナノ粒子の表面が金属カチオンで置換されている。板状ナノ粒子は10μm程度の厚さの多層積層構造を形成する。   The size of the plate-like nanoparticles varies depending on the clay material used. For example, the plate-like nanoparticles are flat plate-like fine particles having a width of 0.01 μm to 10 μm and a thickness of about 0.5 nm to 10 nm. More specifically, for example, montmorillonite is an aluminosilicate plate-like nanoparticle having a thickness of about 1 nm, and the surface of the nanoparticle is substituted with a metal cation. The plate-like nanoparticles form a multilayer laminated structure having a thickness of about 10 μm.

分散に用いる媒体(分散媒)としては、水系溶媒が用いられる。本実施形態における水系溶媒は、不可避的に混入する成分を除いて水のみである溶媒、若しくは20重量%未満の水と相溶性のアルコール等の有機溶媒と水との混合溶媒である。本実施形態では、分散媒としては、水を用いている。また分散液には、変性剤、界面活性剤、乳化剤、安定剤、剥離剤などを添加してもよい。   As a medium (dispersion medium) used for dispersion, an aqueous solvent is used. The aqueous solvent in the present embodiment is a solvent that is only water except for components inevitably mixed in, or a mixed solvent of water and an organic solvent such as an alcohol compatible with less than 20% by weight of water. In this embodiment, water is used as the dispersion medium. In addition, a modifier, a surfactant, an emulsifier, a stabilizer, a release agent, and the like may be added to the dispersion.

分散工程において用いる分散装置としては、種々のものを使用することができる。例えば、家庭用ミキサー、超音波ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、二軸混練り装置、石臼等の混合・攪拌装置を用いることができる。本実施形態では、クレイ材料中で積層構造を形成している板状ナノ粒子が剥離され、個々の板状ナノ粒子の形態で分散された分散液とすることが好ましく、かかる形態の分散液を得られる装置を選択する。   Various devices can be used as a dispersion device used in the dispersion step. For example, a household mixer, an ultrasonic homogenizer, a high-pressure homogenizer, a biaxial kneader, a mixing / stirring device such as a stone mortar can be used. In the present embodiment, it is preferable that the plate-like nanoparticles forming a laminated structure in the clay material are peeled off and dispersed in the form of individual plate-like nanoparticles, and the dispersion in such a form is used. Select the resulting device.

板状ナノ粒子水分散液の濃度は、板状ナノ粒子の種類によって適切な濃度が異なるが、濃度が高すぎるとカードハウス構造の形成によるゲル化が生じ、セルロースナノファイバー水分散液との相互分散性が低下する可能性があるため、過度に粘度が上昇しない程度の濃度とする。例えば、クレイ材料としてモンモリロナイト又はサポナイトを用いる場合には、0.05重量%以上3重量%未満の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは0.1重量%以上2重量%以下である。   The concentration of the aqueous dispersion of plate-like nanoparticles varies depending on the type of the plate-like nanoparticles, but if the concentration is too high, gelation occurs due to the formation of a card house structure, and the concentration of the aqueous dispersion of cellulose nanofibers increases. Since the dispersibility may decrease, the concentration should be such that the viscosity does not increase excessively. For example, when montmorillonite or saponite is used as the clay material, the range is preferably 0.05% by weight or more and less than 3% by weight. More preferably, it is 0.1 weight% or more and 2 weight% or less.

(3)混合分散液の調製
本工程では、先の(1)(2)で調製したセルロースナノファイバー水分散液と、板状ナノ粒子水分散液とを所定の比率で混合し、混合分散液を得る。
例えば、セルロースナノファイバー水分散液に対して板状ナノ粒子水分散液を少量ずつ滴下しながら攪拌することにより、セルロースナノファイバーと板状ナノ粒子とが水中に分散した混合分散液を調製する。
(3) Preparation of mixed dispersion In this step, the cellulose nanofiber aqueous dispersion prepared in (1) and (2) above and the plate-like nanoparticle aqueous dispersion are mixed at a predetermined ratio, and the mixed dispersion is obtained. Get.
For example, a mixed dispersion in which cellulose nanofibers and plate-like nanoparticles are dispersed in water is prepared by stirring while dropping the plate-like nanoparticle aqueous dispersion little by little with respect to the cellulose nanofiber aqueous dispersion.

混合分散液の調製に用いる攪拌装置は、従来公知のものを用いることができる。本実施形態において混合するセルロースナノファイバー水分散液と板状ナノ粒子水分散液は、いずれも予めセルロースナノファイバー又は板状ナノ粒子を均一に分散させたものであり、両者は比較的容易に混合一体化することが可能である。そのため、混合分散液を調製する際には、棒・板・プロペラ状等の攪拌子を回転させるような通常の攪拌装置で十分である。   A conventionally well-known thing can be used for the stirring apparatus used for preparation of a mixed dispersion liquid. In this embodiment, the cellulose nanofiber aqueous dispersion and the plate-like nanoparticle aqueous dispersion to be mixed are obtained by uniformly dispersing cellulose nanofibers or plate-like nanoparticles in advance, and both are mixed relatively easily. It is possible to integrate. Therefore, when preparing the mixed dispersion, a normal stirring device that rotates a stirrer such as a rod, plate, or propeller is sufficient.

(4)混合分散液の乾燥固化工程
本工程では、先の(3)で調製した混合分散液から水分を除去することにより乾燥固化させ、セルロースナノファイバーと板状ナノ粒子とからなるセルロースナノファイバー複合体を得る。本工程で用いる乾燥手段としては、従来公知の手段を用いることができ、例えば、自然乾燥、真空乾燥、加熱乾燥、吸引乾燥などを用いることができる。
(4) Drying and solidifying step of mixed dispersion In this step, cellulose nanofibers comprising cellulose nanofibers and plate-like nanoparticles are dried and solidified by removing water from the mixed dispersion prepared in (3) above. A complex is obtained. As the drying means used in this step, conventionally known means can be used, and for example, natural drying, vacuum drying, heat drying, suction drying, and the like can be used.

混合分散液を所望形状の型に入れた状態で水分の除去を行うことにより、所望形状のセルロースナノファイバー複合体を容易に作製することができる。例えば、シート状のセルロースナノファイバー複合体を作製する場合には、メンブレンフィルター等の表面に混合分散液を注ぎ、フィルターを透過させて水分を除去すれば、簡便にシート状の固形物を得ることができる。あるいは、ガラス基板等の支持基板上に混合分散液をキャストしてシート状に成形することもできる。   By removing water in a state where the mixed dispersion is put in a mold having a desired shape, a cellulose nanofiber composite having a desired shape can be easily produced. For example, when producing a sheet-like cellulose nanofiber composite, the mixed dispersion is poured onto the surface of a membrane filter, etc., and the moisture is removed by permeating the filter, so that a sheet-like solid can be easily obtained. Can do. Alternatively, the mixed dispersion can be cast on a supporting substrate such as a glass substrate to form a sheet.

以上の工程(1)〜(4)により、本実施形態のセルロースナノファイバー複合体を得ることができる。   The cellulose nanofiber composite of this embodiment can be obtained by the above steps (1) to (4).

「セルロースナノファイバー複合体」
本実施形態に係るセルロースナノファイバー複合体は、セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化されたセルロースナノファイバーと、板状ナノ粒子とを含むセルロースナノファイバー複合体である。
"Cellulose nanofiber composite"
The cellulose nanofiber composite according to this embodiment is a cellulose nanofiber composite including cellulose nanofibers in which at least a part of hydroxyl groups located on the surface of cellulose microfibrils are oxidized to carboxyl groups, and plate-like nanoparticles. is there.

図1は、本実施形態のセルロースナノファイバー複合体10の概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態のセルロースナノファイバー複合体10は、ほぼ1本1本にまで分離されたセルロースナノファイバー11の組織中に、個々に剥離した状態の板状ナノ粒子12が凝集することなく均一に分散されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cellulose nanofiber composite 10 of the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the cellulose nanofiber composite 10 of the present embodiment has plate-like nanoparticles 12 in a state of being individually separated in the tissue of cellulose nanofibers 11 separated into almost one. It is uniformly dispersed without agglomeration.

図2は、セルロースナノファイバー複合体の作用説明図である。図2(a)は本実施形態で用いたセルロースナノファイバーを示す図であり、図2(b)はセルロースナノファイバーと板状ナノ粒子との相互作用に関する説明図である。   FIG. 2 is an explanatory diagram of the action of the cellulose nanofiber composite. Fig.2 (a) is a figure which shows the cellulose nanofiber used by this embodiment, FIG.2 (b) is explanatory drawing regarding interaction with a cellulose nanofiber and plate-shaped nanoparticle.

先に記載のように、本実施形態で用いたセルロースナノファイバー11の表面にはカルボキシル基が存在する。このようなセルロースナノファイバーの水分散液では、カルボキシル基が水中で電離し、セルロースナノファイバー11の表面にマイナス電荷11aが分布するため、セルロースナノファイバー11の間に斥力Frが働く。これにより、セルロースナノファイバー11の凝集が抑えられ、1本1本が分離した状態で安定に分散させることができる。   As described above, a carboxyl group exists on the surface of the cellulose nanofiber 11 used in the present embodiment. In such an aqueous dispersion of cellulose nanofibers, carboxyl groups are ionized in water, and negative charges 11 a are distributed on the surface of the cellulose nanofibers 11, so repulsive force Fr acts between the cellulose nanofibers 11. Thereby, aggregation of the cellulose nanofiber 11 is suppressed, and each cellulose nanofiber 11 can be stably dispersed in a separated state.

一方、モンモリロナイト等の板状ナノ粒子12は、図2(b)に示すように、表面にプラス電荷12aが分布し、分散液中に1つ1つがバラバラの状態で分散している。このようなセルロースナノファイバー水分散液と板状ナノ粒子分散液とを混合すると、図示の領域Aにおいて、セルロースナノファイバー11のマイナス電荷11aと板状ナノ粒子12のプラス電荷12aとがイオン結合する。そして、このような状態の混合分散液を乾燥固化すると、上記の分散状態を維持したままでセルロースナノファイバー11と板状ナノ粒子12との複合体の固形物を得ることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, the plate-like nanoparticles 12 such as montmorillonite have a positive charge 12a distributed on the surface and are dispersed one by one in the dispersion. When such a cellulose nanofiber aqueous dispersion and a plate-like nanoparticle dispersion are mixed, the negative charge 11a of the cellulose nanofiber 11 and the plus charge 12a of the plate-like nanoparticle 12 are ionically bonded in the region A shown in the figure. . When the mixed dispersion in such a state is dried and solidified, a solid body of a composite of cellulose nanofibers 11 and plate-like nanoparticles 12 can be obtained while maintaining the above dispersion state.

本実施形態のセルロースナノファイバー複合体10は、上記のようにセルロースナノファイバー11と板状ナノ粒子12の双方が凝集することなく均一に分散した構造を有することで、透明性、機械特性に優れ、また優れた酸素バリア性も得られるものとされている。
すなわち、セルロースナノファイバー11と板状ナノ粒子12がいずれも凝集していないことにより、ナノサイズの構造物の透明性を損なうことがないため、結果として透明な複合体を構成することができる。また。セルロースナノファイバー11と板状ナノ粒子12とが各々の表面の電荷によりイオン結合することにより、大幅に強度を向上させることができる。さらに、板状ナノ粒子12が凝集することなく均一に分散していることで、板状ナノ粒子12によってセルロースナノファイバー複合体10中の酸素拡散パスが効果的に遮断され、複合体の全体で優れた酸素バリア性を得ることができる。
The cellulose nanofiber composite 10 of the present embodiment has excellent transparency and mechanical properties by having a structure in which both the cellulose nanofibers 11 and the plate-like nanoparticles 12 are uniformly dispersed without aggregation as described above. In addition, excellent oxygen barrier properties are also obtained.
That is, since neither the cellulose nanofiber 11 nor the plate-like nanoparticle 12 is aggregated, the transparency of the nano-sized structure is not impaired, and as a result, a transparent composite can be formed. Also. The cellulose nanofiber 11 and the plate-like nanoparticle 12 are ion-bonded by charges on the respective surfaces, so that the strength can be greatly improved. Further, since the plate-like nanoparticles 12 are uniformly dispersed without agglomeration, the plate-like nanoparticles 12 effectively block the oxygen diffusion path in the cellulose nanofiber composite 10, and the entire composite Excellent oxygen barrier properties can be obtained.

先の非特許文献1に記載の複合体もセルロースナノファイバーとモンモリロナイトとからなる複合体であったが、本実施形態のものとはその特性において大きく異なっている。この理由は、用いたセルロースナノファイバーの違いに起因するものであると考えられる。以下、図3を参照しつつ詳細に説明する。   The composite described in Non-Patent Document 1 is also a composite made of cellulose nanofibers and montmorillonite, but is significantly different from that of this embodiment. This reason is thought to be due to the difference in the cellulose nanofibers used. Hereinafter, it will be described in detail with reference to FIG.

図3(a)はミクロフィブリル化セルロースを示す図であり、図3(b)はミクロフィブリル化セルロースと板状ナノ粒子との複合体を示す図である。
従来のミクロフィブリル化セルロースは、クラフトパルプ等に剪断力や衝撃力を加えることによりミクロフィブリルのオーダーにまで機械的に解繊したものであり、図3(a)に示すように、1本1本が分離するのではなく、ミクロフィブリル110が細かく分離された部位Bと、凝集したままの部位Cとが混在し、大きな空隙Dを有する網目状(蜘蛛の巣状)の組織として存在している。
FIG. 3 (a) is a view showing microfibrillated cellulose, and FIG. 3 (b) is a view showing a composite of microfibrillated cellulose and plate-like nanoparticles.
Conventional microfibrillated cellulose is mechanically defibrated to the order of microfibrils by applying shearing force or impact force to kraft pulp and the like, as shown in FIG. The book B is not separated, but the site B where the microfibrils 110 are finely separated and the site C that remains agglomerated are mixed and exist as a network (cobweb-like) structure having a large void D. Yes.

このようなミクロフィブリル化セルロースを用いて板状ナノ粒子(例えばモンモリロナイト)との複合体を形成すると、図3(b)に示すように、網目状の組織の空隙Dに板状ナノ粒子12が入り込み、しかも多層積層構造を形成した状態となる。これは、ミクロフィブリル110の表面にはカルボキシル基が導入されていないためである。つまり、板状ナノ粒子12とミクロフィブリル110とが結合しないことから、分散液を乾燥固化させる過程で板状ナノ粒子12が凝集し、多層積層構造を形成してしまうのである。このような構造の複合体では、ミクロフィブリル化セルロースの凝集部分や、凝集した板状ナノ粒子12により光が散乱されるために透明性が低下してしまう。また、ミクロフィブリル110と板状ナノ粒子12とが結合せず、板状ナノ粒子12がミクロフィブリル110間に異物として存在するため、むしろ強度が低下してしまう。さらに、凝集状態の板状ナノ粒子12では酸素バリア性はほとんど期待できない。   When a composite with plate-like nanoparticles (for example, montmorillonite) is formed using such microfibrillated cellulose, the plate-like nanoparticles 12 are formed in the voids D of the network structure as shown in FIG. It is in a state where a multi-layer structure is formed. This is because no carboxyl group is introduced on the surface of the microfibril 110. That is, since the plate-like nanoparticles 12 and the microfibril 110 are not bonded together, the plate-like nanoparticles 12 aggregate in the process of drying and solidifying the dispersion, thereby forming a multilayer laminated structure. In the composite having such a structure, the light is scattered by the aggregated portion of the microfibrillated cellulose and the aggregated plate-like nanoparticles 12, so that the transparency is lowered. Moreover, since the microfibril 110 and the plate-shaped nanoparticle 12 do not couple | bond together and the plate-shaped nanoparticle 12 exists as a foreign material between the microfibrils 110, intensity | strength will fall rather. Furthermore, the oxygen-barrier property is hardly expected in the aggregated plate-like nanoparticles 12.

以上詳細に説明したように、本実施形態のセルロースナノファイバー複合体10は、その構造において従来の複合体とは全く異なるものであり、かかる構造上の差異に基づいて従来とは全く異なる格別な作用効果を奏するものである。   As described above in detail, the cellulose nanofiber composite 10 of the present embodiment is completely different from the conventional composite in its structure, and is exceptionally different from the conventional one based on the structural difference. There is an effect.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(複合体サンプルの作製)
上記実施形態の製造方法を用いてセルロースナノファイバー複合体を作製した。
(Production of composite sample)
A cellulose nanofiber composite was produced using the production method of the above embodiment.

[TEMPO触媒酸化]
漂泊した針葉樹クラフトパルプ1gを水(脱イオン水、100mL)によく分散させたもの(重量体積比で1%のスラリー)に、TEMPO(0.1mmol)と臭化ナトリウム(1mmol)を溶解させた。その後、2M次亜塩素酸ナトリウム(パルプ量に対して3.8mmol/g)を加えて反応を開始させた。反応中はpHが低下し続けるため、0.5M水酸化ナトリウムを滴下してpHを10に保ち続けた。
pHが低下しなくなった時点を反応終了(ca.60min)と見なし、ろ過して蒸留水で十分に洗浄することにより、酸化パルプを得た。
電導度滴定法により求めた導入カルボキシル基量は、パルプ1g当り1.2mmolであった。
[TEMPO catalytic oxidation]
TEMPO (0.1 mmol) and sodium bromide (1 mmol) were dissolved in 1 g of a softwood kraft pulp that had drifted well dispersed in water (deionized water, 100 mL) (1% by weight slurry). . Thereafter, 2M sodium hypochlorite (3.8 mmol / g based on the amount of pulp) was added to start the reaction. Since the pH continued to decrease during the reaction, 0.5 M sodium hydroxide was added dropwise to keep the pH at 10.
The point in time when the pH did not decrease was regarded as the end of the reaction (ca. 60 min), and filtered and washed thoroughly with distilled water to obtain oxidized pulp.
The amount of introduced carboxyl groups determined by the conductivity titration method was 1.2 mmol per 1 g of pulp.

[分散処理]
重量体積比で0.12%としたTEMPO酸化パルプスラリー(20mL)を二重円筒型ホモジナイザー(7500rpm、20mm径シャフト、Physcotron NS-56, Microtec Nition)で1分間処理し、次いで超音波ホモジナイザー(300W、19.5kHz、7mm径チップ、UT-300, Nissei)で4分間処理した。その後、遠心分離(12000g、20min)により未解繊パルプ等の粗大物を除去することにより、TEMPO酸化セルロースナノファイバー(以下、TOCN)分散液を得た。得られた分散液の濃度は0.1重量%程度であった。
[Distributed processing]
A TEMPO oxidized pulp slurry (20 mL) having a weight to volume ratio of 0.12% was treated with a double cylindrical homogenizer (7500 rpm, 20 mm diameter shaft, Physcotron NS-56, Microtec Nition) for 1 minute, followed by an ultrasonic homogenizer (300 W). 19.5 kHz, 7 mm diameter chip, UT-300, Nissei) for 4 minutes. Thereafter, coarse particles such as undefibrated pulp were removed by centrifugation (12000 g, 20 min) to obtain a TEMPO oxidized cellulose nanofiber (hereinafter, TOCN) dispersion. The concentration of the obtained dispersion was about 0.1% by weight.

[クレイ分散液]
クレイ材料として、スメクタイト型の層状クレイである、モンモリロナイト(クニピアF,クニミネ工業)とサポナイト(スメクトンSA,クニミネ工業)を用意した。
攪拌している蒸留水(30mL)にクレイ粉末(0.6g)を少しづつ添加し、重量体積比で2.0%のクレイスラリーとした。このクレイスラリーを二重円筒型機械ホモジナイザー(Physcotron NS-56, MicrotecNition)で1分間、超音波ホモジナイザー(UT-300, Nissei)で4分間処理し、クレイ分散液を調製した。
[Clay dispersion]
As the clay material, montmorillonite (Kunipia F, Kunimine Industries) and saponite (Smecton SA, Kunimine Industries), which are smectite-type layered clays, were prepared.
Clay powder (0.6 g) was added little by little to stirring water (30 mL) to obtain a 2.0% by weight clay slurry. This clay slurry was treated with a double cylindrical mechanical homogenizer (Physcotron NS-56, MicrotecNition) for 1 minute and with an ultrasonic homogenizer (UT-300, Nissei) for 4 minutes to prepare a clay dispersion.

[TOCN/クレイ分散液]
TOCNとクレイの配合重量比が50:50または99:1となるように、2%クレイ分散液を0.1%TOCN分散液に滴下して攪拌することにより、TOCN/クレイ分散液(混合分散液)を調製した。
[TOCN / Clay dispersion]
The 2% clay dispersion was dropped into the 0.1% TOCN dispersion and stirred so that the blending weight ratio of TOCN and clay was 50:50 or 99: 1. Liquid).

[複合体の形成]
TOCN/クレイ分散液(25mL)をポリスチレン製ペトリディッシュ(50mm径)に注ぎ、40°Cで3日間乾燥してTOCN/クレイ複合フィルム(厚さ〜7μm)を作製した。
また酸素バリア性を評価するためのサンプルとして、プラズマ照射(DSDE-AF, Meiwafosis)により親水化したPETフィルム上で、上記のTOCN/クレイ分散液をキャスト乾燥させて二層フィルム(TOCN/クレイ複合膜厚:〜1μm)を作製した。
[Formation of complex]
The TOCN / clay dispersion (25 mL) was poured into a polystyrene petri dish (50 mm diameter) and dried at 40 ° C. for 3 days to prepare a TOCN / clay composite film (thickness˜7 μm).
In addition, as a sample for evaluating oxygen barrier properties, the above TOCN / clay dispersion was cast-dried on a PET film hydrophilized by plasma irradiation (DSDE-AF, Meiwafosis), and a two-layer film (TOCN / clay composite) was obtained. Film thickness: ˜1 μm).

(複合体サンプルの評価)
上記で作製したサンプル(TOCN/クレイ複合フィルム、二層フィルム)を用いて、機械強度、酸素バリア性、及び透明性についての評価を実施した。
(Evaluation of composite sample)
Using the samples prepared above (TOCN / clay composite film, two-layer film), mechanical strength, oxygen barrier properties, and transparency were evaluated.

[機械強度]
機械強度の評価は、クレイの種類(モンモリロナイト、サポナイト)と混合比率(99:1、50:50)を変えて作製した4種類のTOCN/クレイ複合フィルムについて引張試験を実施することにより行った。引張試験は、引張試験機(Shimadzu EZ-TEST)、引張速度:1.0mm・min−1、スパン長:10mm、試験片幅:2mmの条件で実施した。
[Mechanical strength]
The mechanical strength was evaluated by carrying out a tensile test on four types of TOCN / clay composite films produced by changing the type of clay (montmorillonite, saponite) and the mixing ratio (99: 1, 50:50). The tensile test was performed under the conditions of a tensile tester (Shimadzu EZ-TEST), a tensile speed: 1.0 mm · min −1 , a span length: 10 mm, and a specimen width: 2 mm.

図4は、クレイ材料としてモンモリロナイト(MTM)を用いたTOCN/クレイ複合フィルムの応力歪み曲線である。図5は、クレイ材料としてサポナイト(SPN)を用いたTOCN/クレイ複合フィルムの応力歪み曲線である。また図4及び図5には、複合化していないTOCN単体を用いて作製したフィルムの応力歪み曲線を比較のために示している。下記表1は、引張試験の解析結果を整理した表である。表1において、「TOCN/MTM」はTOCNとモンモリロナイトの複合フィルム、「TOCN/SPN」はTOCNとサポナイトの複合フィルム、「TOCN」は複合化していないTOCNのみからなるフィルムである。   FIG. 4 is a stress strain curve of a TOCN / clay composite film using montmorillonite (MTM) as a clay material. FIG. 5 is a stress strain curve of a TOCN / clay composite film using saponite (SPN) as a clay material. 4 and 5 show, for comparison, a stress strain curve of a film manufactured using a non-composite TOCN simple substance. Table 1 below summarizes the analysis results of the tensile test. In Table 1, “TOCN / MTM” is a composite film composed of TOCN and montmorillonite, “TOCN / SPN” is a composite film composed of TOCN and saponite, and “TOCN” is a film composed only of uncombined TOCN.

Figure 2013010891
Figure 2013010891

引張試験の結果から、以下の知見が得られた。
TOCNにクレイを1%複合化することで、ヤング率を維持したまま強度を1.5倍に向上させることができる。
TOCNにサポナイトを50%複合化すると、強度を1.5倍、ヤング率を2倍に向上させることができる。
TOCNにモンモリロナイトを50%複合化すると、強度、ヤング率をいずれも2倍に向上させることができる。なお、TOCNとモンモリロナイトの複合体は、最大でヤング率25GPa、破断強度441MPaを記録した。
The following knowledge was obtained from the results of the tensile test.
By combining 1% of clay with TOCN, the strength can be improved 1.5 times while maintaining the Young's modulus.
When 50% of saponite is combined with TOCN, the strength can be improved by 1.5 times and the Young's modulus can be improved by 2 times.
When 50% of montmorillonite is combined with TOCN, both strength and Young's modulus can be improved by a factor of two. The composite of TOCN and montmorillonite recorded a maximum Young's modulus of 25 GPa and a breaking strength of 441 MPa.

[酸素バリア性]
酸素バリア性の評価は、クレイの種類(モンモリロナイト、サポナイト)と混合比率(99:1、50:50)を変えて作製した4種類の二層フィルム(PET−TOCN/クレイ複合フィルム)について酸素透過率測定を実施することにより行った。酸素透過率測定は、試験機(MOCON ML & SL)、試験環境:23°C,0%RH、試験面積:50cmの条件で実施した。
[Oxygen barrier properties]
Oxygen barrier properties were evaluated for four types of bilayer films (PET-TOCN / clay composite film) produced by changing the clay type (montmorillonite, saponite) and the mixing ratio (99: 1, 50:50). This was done by performing rate measurements. The oxygen transmission rate was measured under the conditions of a testing machine (MOCON ML & SL), a test environment: 23 ° C., 0% RH, and a test area: 50 cm 2 .

図6は、各サンプルについて酸素透過率の測定結果を示したグラフである。
グラフに示されるように、TOCNにクレイを50%複合化することで、酸素透過率を大幅(1〜2桁)に低下させることが可能であることが分かった。酸素透過率が大きく低下する条件でモンモリロナイトとサポナイトを比較すると、モンモリロナイトの方が酸素透過率の低減効果が高いことが分かった。
FIG. 6 is a graph showing measurement results of oxygen permeability for each sample.
As shown in the graph, it was found that by combining 50% of clay with TOCN, the oxygen transmission rate can be greatly reduced (1 to 2 digits). When montmorillonite and saponite were compared under conditions where the oxygen permeability was greatly reduced, it was found that montmorillonite was more effective in reducing oxygen permeability.

[透明性]
透明性の評価は、クレイの種類(モンモリロナイト、サポナイト)と混合比率(99:1、50:50)を変えて作製した4種類のTOCN/クレイ複合フィルムについて光透過率測定を実施することにより行った。光透過率測定は、試験機(Shimadzu UV-1700)、測定波長範囲:350nm〜850nmの条件で実施した。
[transparency]
The evaluation of transparency is performed by carrying out light transmittance measurement on four types of TOCN / clay composite films prepared by changing the type of clay (montmorillonite, saponite) and the mixing ratio (99: 1, 50:50). It was. The light transmittance was measured under the conditions of a tester (Shimadzu UV-1700) and a measurement wavelength range: 350 nm to 850 nm.

図7は、クレイ材料としてモンモリロナイト(MTM)を用いたTOCN/クレイ複合フィルムの透過率曲線である。図8は、クレイ材料としてサポナイト(SPN)を用いたTOCN/クレイ複合フィルムの透過率曲線である。また図7及び図8には、複合化していないTOCN単体を用いて作製したフィルムの透過率曲線を比較のために示している。   FIG. 7 is a transmittance curve of a TOCN / clay composite film using montmorillonite (MTM) as a clay material. FIG. 8 is a transmittance curve of a TOCN / clay composite film using saponite (SPN) as a clay material. 7 and 8 show the transmittance curves of a film produced using a non-composite TOCN simple substance for comparison.

図に示されるように、TOCNにサポナイトを複合化したサンプルでは、サポナイトを50%まで添加しても透過率はほぼ低下せず、透明性が維持された。TOCNにモンモリロナイトを複合化したサンプルでも、添加量1%の条件では透過率はほとんど低下せず、透明性が維持された。一方、モンモリロナイトの添加量を50%とした場合には透明性が低下した。   As shown in the figure, in the sample in which saponite was combined with TOCN, even when saponite was added up to 50%, the transmittance was not substantially lowered and the transparency was maintained. Even in a sample in which montmorillonite was combined with TOCN, the transmittance was hardly lowered under the condition of the addition amount of 1%, and the transparency was maintained. On the other hand, when the amount of montmorillonite added was 50%, the transparency was lowered.

10…セルロースナノファイバー複合体、11…セルロースナノファイバー、12…板状ナノ粒子、110…ミクロフィブリル   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Cellulose nanofiber composite, 11 ... Cellulose nanofiber, 12 ... Plate-shaped nanoparticle, 110 ... Microfibril

Claims (3)

セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化されたセルロースナノファイバーと、板状ナノ粒子とを含むことを特徴とするセルロースナノファイバー複合体。   A cellulose nanofiber composite comprising cellulose nanofibers in which at least a part of hydroxyl groups located on the microfibril surface of cellulose are oxidized to carboxyl groups, and plate-like nanoparticles. 前記板状ナノ粒子が、モンモリロナイト、ナトリウムモンモリロナイト、カルシウムモンモリロナイト、マグネシウムモンモリロナイト、ノントロナイト、ベイデルライト、ボルコンスコイト、ラポナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、マガダイト、ケニアイト、ソボクカイト、スビンドルダイト、スチーブンサイト、バーミキュライト、ハロイサイト、アルミナートオキシド、ハイドロタルサイト、イライト、レクトライト、タロソバイト、レディカイト、カオリナイト、及びそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項1に記載のセルロースナノファイバー複合体。   The plate-like nanoparticles are montmorillonite, sodium montmorillonite, calcium montmorillonite, magnesium montmorillonite, nontronite, bedellite, vorconskite, laponite, hectorite, saponite, sauconite, magadite, kenyaite, sobokite, subindulite, steven The at least one selected from the group consisting of sight, vermiculite, halloysite, aluminate oxide, hydrotalcite, illite, rectolite, talosobite, ladykite, kaolinite, and mixtures thereof. Cellulose nanofiber composite. セルロースのミクロフィブリル表面に位置する水酸基の少なくとも一部がカルボキシル基に酸化されたセルロースナノファイバーを分散媒に分散させ、セルロースナノファイバー分散液を調製する工程と、
板状ナノ粒子を分散媒に分散させ、板状ナノ粒子分散液を調製する工程と、
前記セルロースナノファイバー分散液と前記板状ナノ粒子分散液を混合し、混合分散液を調製する工程と、
前記混合分散液を乾燥固化させ、セルロースナノファイバー複合体を作製する工程と、
を有することを特徴とするセルロースナノファイバー複合体の製造方法。
Dispersing cellulose nanofibers in which at least a part of hydroxyl groups located on the microfibril surface of cellulose are oxidized to carboxyl groups in a dispersion medium, and preparing a cellulose nanofiber dispersion;
A step of dispersing plate-like nanoparticles in a dispersion medium to prepare a plate-like nanoparticle dispersion;
Mixing the cellulose nanofiber dispersion and the plate-like nanoparticle dispersion to prepare a mixed dispersion;
Drying and solidifying the mixed dispersion to produce a cellulose nanofiber composite;
A method for producing a cellulose nanofiber composite, comprising:
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