JP2013035969A - リグニン誘導体の製造方法、リグニン二次誘導体の製造方法および天然有機化合物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バイオマスを分解して得られるリグニン誘導体の製造方法であって、バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、高温高圧下で処理する第1の分解工程と、得られた可溶部を高温高圧下で処理する第2の分解工程と、得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去し、不溶分としてリグニン誘導体を得る留去工程と、を有する。
【選択図】なし
Description
(1) バイオマスを分解して得られるリグニン誘導体の製造方法であって、
バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、これらを高温高圧下で分解処理する第1の分解工程と、
前記第1の分解工程により得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する第2の分解工程と、
前記第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去し、残存物中の不溶分としてリグニン誘導体を得る留去工程と、を有することを特徴とするリグニン誘導体の製造方法。
バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、これらを高温高圧下で分解処理する第1の分解工程と、
前記第1の分解工程により得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する第2の分解工程と、
前記第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去する留去工程と、
前記留去工程により得られた残存物と前記反応性基を含む化合物とを混合する反応性基導入工程と、を有することを特徴とするリグニン二次誘導体の製造方法。
バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、これらを高温高圧下で分解処理し、セルロース、その誘導体およびその分解物のうちの少なくとも1種を分離する第1の分解工程と、
前記第1の分解工程により得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する第2の分解工程と、
前記第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去し、残存物中の不溶分としてリグニン誘導体を分離するとともに、可溶分の溶質としてヘミセルロース、その誘導体およびその分解物のうちの少なくとも1種を分離する留去工程と、を有することを特徴とする天然有機化合物の製造方法。
まず、本発明のリグニン誘導体の製造方法およびリグニン二次誘導体の製造方法の説明に先立って、これらの製造方法により製造されるリグニン誘導体およびリグニン二次誘導体について説明する。
次に、本発明の天然有機化合物の製造方法の説明に先立って、この製造方法により製造される天然有機化合物について説明する。
本発明におけるセルロースは、多数のグルコースがβ−1,4−グリコシド結合によって結合した高分子化合物であり、グルコース環における2位、3位、6位の炭素原子に結合している水酸基が無置換である化合物である。また、セルロース誘導体は、グルコース環に結合している水酸基の少なくとも一部が他の官能基で置換されている化合物である。
本発明におけるヘミセルロースは、多数のグルコースが結合した高分子化合物である点はセルロースと同様であるが、その結合はセルロースのように規則的でなく、相対的に分解し易い化合物である。具体的には、グルコース、キシロース、マンノース、アラビノース等の単糖類が、β−1、4結合、β−グルゴシド結合、β−1、3結合、β−1、6結合により連なって形成された多糖類である。また、ヘミセルロース誘導体は、グルコース環に結合している水酸基の少なくとも一部が他の官能基で置換されている化合物である。
次に、本発明のリグニン誘導体の製造方法、リグニン二次誘導体の製造方法および天然有機化合物の製造方法について説明する。
[1]第1の分解工程
まず、バイオマスを溶媒存在下におく。バイオマスとしては、前述したようなものが挙げられるが、その形状は、特に限定されないものの、ブロック状、チップ状、粉末状等とされる。
次に、第1の分解工程により得られた処理物を濾過により、可溶部と不溶部とを分離する。そして、得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する。これにより、第1の分解工程により得られた処理物がより低分子化される。
次に、第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去する。これにより、非プロトン性極性溶媒の留去による残存物は、水相と不溶分とに分離する。この不溶分がリグニン誘導体である。よって、残存物から不溶分を回収することにより、リグニン誘導体を得ることができる。不溶分の回収には、濾過、加熱脱水、真空脱水等の方法が用いられる。また、この方法では、最終的にリグニン誘導体を固体物として回収することができる。このため、溶液の溶質として回収する場合に比べて回収作業が容易であり、リグニン誘導体の製造効率を飛躍的に高めることを可能にする。
以上のような方法により、高い収率でリグニン誘導体を製造することができる。
反応性基を導入する方法としては、例えば、リグニン誘導体と反応性基を含む化合物とを混合する方法が用いられる。そして、混合後、必要に応じて触媒等を添加することにより、リグニン誘導体に反応性基が導入される。
以上のようにしてリグニン誘導体およびリグニン二次誘導体を製造することができる。
上述したリグニン誘導体またはリグニン二次誘導体を用いることにより、樹脂原料となるリグニン樹脂組成物が得られる。
リグニン樹脂組成物は、リグニン誘導体およびリグニン二次誘導体の少なくとも一方と架橋剤とを含むものである。リグニン誘導体およびリグニン二次誘導体には架橋剤の作用により架橋反応が生じ、硬化する。その結果、リグニン樹脂組成物から樹脂製品を製造することができる。
かかる添加剤としては、例えば、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、アルキルシラン、ウレイドシラン、ビニルシランのようなシランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、アルミニウム/ジルコニウムカップリング剤のような各種カップリング剤、カーボンブラック、ベンガラのような着色剤、ポリエチレンワックス、高級脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、ケトン・アミン類、水素硬化油のような合成ワックス、パラフィンワックス、モンタンワックスのような天然ワックス、ステアリン酸、ステアリン酸亜鉛のような高級脂肪酸およびその金属塩類、パラフィンのような離型剤、シリコーンオイル、シリコーンゴムのような低応力化成分、三酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、硼酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛、フォスファゼンのような難燃剤、酸化ビスマス水和物のような無機イオン交換体等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせたものが用いられる。
次に、上述したリグニン樹脂組成物を用いて製造されるプリプレグについて説明する。
基材としては、例えば、ガラス織布、ガラス不繊布のようなガラス繊維基材、クラフト紙、リンター紙のような紙材、綿繊維、麻繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維のような天然繊維または合成繊維等の織布や不織布からなる有機合成繊維基材、金属繊維、カーボン繊維、鉱物繊維のような織布や不織布からなる無機繊維基材、またはこれらのマット類等が挙げられる。なお、これらの基材の原料繊維は単独または混合して用いるようにしてもよい。
次に、樹脂板(複合構造体)について説明する。
1.積層板の製造
(サンプルNo.1)
<リグニン誘導体の製造>
(第1の分解工程)
スギ木粉(60メッシュアンダー)100gと、純水とアセトンとを1:1の質量比で混合してなる混合溶媒400gとを、1Lオートクレーブに導入し、内容物を300rpmで攪拌しながら、前処理として室温で15分間撹拌を行い、スギ木粉と混合溶媒とを十分になじませた後、200℃、飽和蒸気圧で60分間処理して、スギ木粉を分解した。
第1の分解工程により得られた分解物について濾過により、可溶部と不溶部とを分離した。次いで、得られた可溶部を、連続式の分解処理装置に供することにより、可溶部に分解処理を施した。なお、第2の分解工程における処理条件は、処理温度300℃、処理時間8分、圧力20MPaであった。
第2の分解工程により得られた処理物からアセトンを留去した。そして、残存物について濾過により、可溶部と不溶部とを分離した。その後、不溶部を乾燥させることで、リグニン誘導体を得た。
次に、得られたリグニン誘導体90質量部に、ヘキサメチレンテトラミン10質量部を常温で添加し、リグニン樹脂組成物を得た。
そして、上記で得られたリグニン樹脂組成物をメタノールで希釈して樹脂分50質量%の基材含浸用の樹脂ワニスを得た。
次に、上記で得られた基材含浸用の樹脂ワニスを樹脂含浸率55質量%(プリプレグ全体に対する割合)となるように、クラフト紙(坪量135g/m2)に対してディップコーター装置で塗工し、その後、150℃で1分間乾燥してプリプレグを得た。このようにして製造したプリプレグ8枚を重ね合わせ、150℃、10MPaで30分間の加熱加圧成形を行った。これにより平均厚さ1.6mmの積層板(樹脂板)を得た。
バイオマスの種類、分解処理における溶媒、温度、圧力および時間を、表1に示すように変更した以外は、それぞれ、サンプルNo.1の場合と同様にしてリグニン誘導体を得るとともに、積層板を得た。
<リグニン誘導体の製造>
スギ木粉50gを2Lビーカーにとり、p−クレゾールのメタノール溶液(リグニン構成単位当たり3モル倍量のフェノール誘導体を含む。)を加え、ガラス棒で撹拌し、24時間静置した。その後、メタノールを完全に留去して、p−クレゾール収着木粉を得た。この木粉に対して、72質量%硫酸500mlを加え、30℃で1時間激しく撹拌した後、混合物を大過剰の水に投入し、不溶解分を回収、脱酸し、乾燥させてリグニン誘導体を得た。
また、得られたリグニン誘導体の数平均分子量(Mn)を測定し、表2に示した。
次に、得られたリグニン誘導体90質量部に、ヘキサメチレンテトラミン10質量部を常温で添加し、リグニン樹脂組成物を得た。
次に、上記で得られたリグニン樹脂組成物をメタノールで希釈して樹脂分50質量%の基材含浸用の樹脂ワニスを得た。
次に、上記で得られた基材含浸用の樹脂ワニスを樹脂含有率55質量%(プリプレグ全体に対する割合)となるように、クラフト紙に対してディップコーター装置で塗工し、その後、150℃で1分間乾燥してプリプレグを得た。このようにして製造したプリプレグ8枚を重ね合わせ、150℃、10MPaで30分間の加熱加圧成形を行った。しかしながら、溶融が不十分で積層板を形成することができなかった。
バイオマスの種類を表2に示すように変更した以外は、サンプルNo.14の場合と同様にしてリグニン誘導体を得るとともに、プリプレグを得た。しかしながら、成形時の溶融が不十分で積層板を形成することができなかった。
バイオマスの種類、分解処理における溶媒、温度、圧力および時間を、表2に示すように変更した以外は、それぞれ、サンプルNo.1の場合と同様にしてリグニン誘導体を得るとともに、積層板を得た。
以下の工程によりリグニン誘導体にエポキシ基を導入し、リグニン二次誘導体を製造し、これを用いて積層板を製造するようにした以外は、サンプルNo.1と同様にした。
まず、撹拌機および冷却管を備えた3つ口フラスコに、サンプルNo.1のリグニン誘導体25.0gと、エピクロロヒドリン100gとを導入し、100mmHg(1.3×104Pa)の圧力下で減圧還流しながら、20質量%の濃度の水酸化ナトリウム水溶液2gを30分かけて滴下した。その後、90分間減圧還流状態を保持して反応処理物を得た。
次いで、上記で得られたリグニン二次誘導体20.0g、リグニン誘導体10.0gおよび2−メチルイミダゾール0.3gをメタノールで希釈して樹脂分50質量%のリグニン二次誘導体ワニス60gを得た。
次に、上記で得られた基材含浸用の樹脂ワニスを樹脂含浸率55質量%(プリプレグ全体に対する割合)となるように、クラフト紙(坪量135g/m2)に対してディップコーター装置で塗工し、その後、150℃で1分間乾燥してプリプレグを得た。このようにして製造したプリプレグ8枚を重ね合わせ、150℃、10MPaで30分間の加熱加圧成形を行った。これにより平均厚さ1.6mmの積層板を得た。
リグニン誘導体の種類、および導入する反応性基の種類を、表3に示すように変更した以外は、それぞれ、サンプルNo.24の場合と同様にしてリグニン二次誘導体を得るとともに、積層板を得た。なお、No.27については、成形時の溶融が不十分で積層板を形成することができなかった。
2.1 ゲルタイムの評価
各サンプルNo.のリグニン誘導体90gに対してヘキサメチレンテトラミン10gを添加し、この試料についてJIS K 6910に規定の方法に準じて150℃におけるゲルタイム(ゲル化時間)を測定し、その結果を表1、2に示した。
各サンプルNo.に使用した樹脂ワニス1mlをスポイトでクラフト紙表面に滴下した。室温で風乾した後、クラフト紙の裏面まで浸透しているかを確認した。
○:クラフト紙の裏面まで浸透している
×:クラフト紙の裏面への浸透が不十分
各サンプルNo.の積層板について、JIS−C6481に規定の方法に準じて、破断するまでの曲げ試験を行った。そして、試験前寸法に対する試験後寸法の変化の割合(曲げ破断時伸び)を、以下の評価基準に従って評価した。
○:曲げ破断時伸びが1%以上である
×:曲げ破断時伸びが1%未満である
以上、2.2、2.3の評価結果を表1〜3に示す。
各サンプルNo.の積層板を製造する際には、リグニン誘導体の抽出過程でセルロースまたはその誘導体を分離、回収することができた。具体的には、第1の分解工程において混合溶媒に溶解しない不溶分を回収し、これを元素分析およびFT−IR分析に供したところ、50質量%以上の高濃度でセルロースまたはその分解物であるグルコースのような糖類等が検出された。また、留去工程後において可溶分を回収し、これをHPLC分析(高速液体クロマトグラフィー分析)およびGC−MS分析(ガスクロマトグラフ質量分析)に供したところ、50質量%以上の高濃度でヘミセルロースまたはその分解物であるフルフラールのような糖類等が検出された。
Claims (10)
- バイオマスを分解して得られるリグニン誘導体の製造方法であって、
バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、これらを高温高圧下で分解処理する第1の分解工程と、
前記第1の分解工程により得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する第2の分解工程と、
前記第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去し、残存物中の不溶分としてリグニン誘導体を得る留去工程と、を有することを特徴とするリグニン誘導体の製造方法。 - 前記非プロトン性極性溶媒は、水より低沸点のものである請求項1に記載のリグニン誘導体の製造方法。
- 水と前記非プロトン性極性溶媒との沸点の差は、5〜60℃である請求項2に記載のリグニン誘導体の製造方法。
- 前記非プロトン性極性溶媒は、ケトン類および環状エーテル類のうちの少なくとも1種である請求項1ないし3のいずれかに記載のリグニン誘導体の製造方法。
- 前記第2の分解工程における処理温度は、前記第1の分解工程における処理温度より高い請求項1ないし4のいずれかに記載のリグニン誘導体の製造方法。
- 前記第2の分解工程における処理温度と前記第1の分解工程における処理温度との差は、30〜150℃である請求項5に記載のリグニン誘導体の製造方法。
- 前記第1の分解工程および前記第2の分解工程は、それぞれ水または非プロトン性極性溶媒の亜臨界条件下で行われる請求項1ないし6のいずれかに記載のリグニン誘導体の製造方法。
- バイオマスを分解して得られるリグニン誘導体に反応性基を導入してなるリグニン二次誘導体の製造方法であって、
バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、これらを高温高圧下で分解処理する第1の分解工程と、
前記第1の分解工程により得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する第2の分解工程と、
前記第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去する留去工程と、
前記留去工程により得られた残存物と前記反応性基を含む化合物とを混合する反応性基導入工程と、を有することを特徴とするリグニン二次誘導体の製造方法。 - 前記反応性基は、エポキシ基である請求項8に記載のリグニン二次誘導体の製造方法。
- バイオマスを分解して有機化合物を単離する天然有機化合物の製造方法であって、
バイオマスを水と非プロトン性極性溶媒とを含む混合溶媒存在下におき、これらを高温高圧下で分解処理し、セルロース、その誘導体およびその分解物のうちの少なくとも1種を分離する第1の分解工程と、
前記第1の分解工程により得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する第2の分解工程と、
前記第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去し、残存物中の不溶分としてリグニン誘導体を分離するとともに、可溶分の溶質としてヘミセルロース、その誘導体およびその分解物のうちの少なくとも1種を分離する留去工程と、を有することを特徴とする天然有機化合物の製造方法。
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