JP2013253137A - セルロース多孔質体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、極めて繊維径が細く、かつ、親水性の高いセルロースナノファイバーを含み、比表面積の大きな多孔質体を提供すること及びその多孔質体を低コストで簡便に製造する方法を提供することである。
【解決手段】本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法は、セルロースナノファイバーと分散媒とを含有する混合液を凍結乾燥する工程を有するセルロース多孔質体の製造方法において、前記分散媒が、水と水に溶解する有機溶媒との混合分散媒であり、該混合分散媒中の有機溶媒の濃度は、２〜４０質量％であり、前記混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が、０．００１〜５質量％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セルロースナノファイバーを含んでなる多孔質体及びその製造方法に関する。
セルロース多孔質体はエアロゲルとも呼ばれ、低密度、高比表面積であり、また多量に存在する天然物由来でもあることから注目を集めている。有機物から成る多孔質体は、一般的に、無機材料からなる多孔質体よりも同密度でも高強度なものが多い。高比表面積を有するものは、吸着性に優れ、また、加熱によって炭素化することで炭素系多孔質体ともなりうる。本発明者らは、そうした技術動向の中で、数平均繊維径が１〜１０００ｎｍのセルロースナノファイバーの利用に関して検討してきた。
本明細書において、セルロースナノファイバーとは、数平均繊維径が１〜１０００ｎｍの（１）微細なセルロースナノファイバー（セルロース繊維）又は（２）化学処理（改質）した微細なセルロースナノファイバーをいう。（１）のセルロースナノファイバーとしては、例えば、セルロース繊維を高圧下で剪断して解繊したマイクロフィブリレーテッドセルロース（以降、ＭＦＣと略す。）又は微生物が産生する微細なバクテリアセルロース（以降、ＢＣと略す。）である。（２）の改質したセルロースナノファイバーとしては、例えば、天然セルロースを４０％以上の濃硫酸で処理して得られるセルロースナノウィスカー（以降、ＣＮＷと略す。）又は木材パルプを構成している繊維の最小単位であるミクロフィブリルを常温常圧の温和な化学処理及び軽微な機械処理で水分散体として単離した超極細、かつ、繊維径の均一な微細セルロース繊維である（例えば、特許文献１を参照。）。
セルロースナノファイバーは、植物由来又は生物由来であるため、石油由来の熱可塑性ポリマーからなるナノファイバーよりも、生産時及び廃棄時における環境への負荷が小さいという特長をもつ。したがって、セルロースナノファイバーを用いて多孔質体を形成し、機能性フィルター、電子デバイス材料、再生医療材料、さらには炭素材料など様々な分野・用途へ応用することが期待されている。
しかし、セルロースナノファイバーは、乾燥時に働く凝集力のため、セルロースナノファイバーの水分散体を乾燥して得られる乾燥体は流体透過性の低い高密度の材料となってしまう。特に、特許文献１に記載の数平均繊維径が数ｎｍのセルロースナノファイバーは、繊維表面セルロース分子のＣ６位水酸基の一部又は全部を水酸基よりも親水性の高いカルボキシル基に置換されている。また、一般的に繊維径が細いほど単位質量当たりの表面自由エネルギーが増加するため、乾燥したときの表面を安定化させる繊維間の凝集力は増大する。したがって、特許文献１に記載のセルロースナノファイバーの水分散体をそのまま乾燥させると、セルロース水酸基とカルボキシル基とに由来する親水性及び水のもつ強い表面張力のため凝集し、非多孔質のガスバリアフィルムとなってしまう（例えば、特許文献２を参照。）。
セルロース多孔質体を得る方法として、平均繊維径が２〜１０００ｎｍである微小セルロース繊維を、固形分濃度で０．１〜３．５質量％含有する水スラリーを凍結乾燥させることで、多孔性及び連続気泡性を有する表面積の高い多孔質体が得られることが開示されている（例えば、特許文献３を参照。）。
セルロース微細繊維（ミクロフィブリル）の乾燥時に凝集を生じさせない方法として、セルロース微細繊維を含む水分散体を冷却した金属板に噴霧して急速凍結させた後、昇華することでセルロース微細繊維の多孔質体を作製する方法、また、分散媒をエタノール、次いでｔ‐ブチルアルコールに置換した後、凍結乾燥させることでセルロース微細繊維の多孔質体を作製する方法が知られている（例えば、特許文献４を参照。）。
セルロース多孔質体（エアロゲル）を得る方法として、セルロースナノファイバー物理ゲル中の分散媒である水を、含水エタノール、エタノール、ｔ‐ブチルアルコールに置換した後、凍結乾燥する方法が知られている（例えば、特許文献５を参照。）。
特開２００８−１７２８号公報 特開２００９−５７５５２号公報 特開２０１０−２１５８７２号公報 特開２００３−８２５３５号公報 特開２０１２−１６２６号公報
Ｉ．Ｓｈｉｂａｔａ ａｎｄ Ａ．Ｉｓｏｇａｉ，「Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ」Ｖｏｌ．１０（２００３），ｐ．３３５〜３４１
特許文献３では、凍結乾燥を用いることで表面積の高い多孔質体が得られるとしているが、分散媒として水を用いていることから、凍結時に水の結晶（氷晶）が生じていると考えられる。氷晶が生じると、その周囲にセルロースナノファイバーが濃縮して、多孔質体の表面積が減少してしまう。該文献には、表面積の値に関する記載は無いが、氷晶を抑制する方法に関しての記載もないことから、比表面積が１００ｍ２／ｇを超えるような多孔質体を得るのは難しいと判断せざるを得ない。
特許文献４においても凍結乾燥を用いているが、この方法では水を分散媒とした場合、セルロース微細繊維の比表面積は最も高いもので６５．２ｍ２／ｇであり、多孔質体としては比表面積が低い。一方、分散媒をｔ‐ブチルアルコールに置換した場合、セルロース微細繊維の比表面積は最も高いもので１１８ｍ２／ｇとなるが、この方法では分散媒を一度エタノールに置換して、その後ｔ‐ブチルアルコールに置換するという操作が必要となっており、分散媒の置換作業がより煩雑になるという問題がある。
特許文献５では、理論上比表面積が６００ｍ２／ｇ超えるセルロース多孔質体が得られると見積っているが、実施例では、セルロースナノファイバー物理ゲルの溶媒置換工程が９回必要であり、製造コストが莫大となるため産業レベルで利用することは難しいという問題がある。
セルロースナノファイバーの利用分野では、その応用展開の拡大という観点から、より簡便な方法で製造できる多孔質体の開発が望まれている。しかし、前述したようにセルロースナノファイバーを用いた多孔質体を簡便な方法で製造できる方法はないのが現状である。
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、極めて繊維径が細く、かつ、親水性の高いセルロースナノファイバーを含み、比表面積の大きな多孔質体を提供すること及びその多孔質体を低コストで簡便に製造する方法を提供することである。
本発明者らは、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法は、セルロースナノファイバーと分散媒とを含有する混合液を凍結乾燥する工程を有するセルロース多孔質体の製造方法において、前記分散媒が、水と水に溶解する有機溶媒との混合分散媒であり、該混合分散媒中の有機溶媒の濃度は、２〜４０質量％であり、前記混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が、０．００１〜５質量％であることを特徴とする。
本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法では、前記混合液の調製は、水に前記セルロースナノファイバーを分散させたセルロースナノファイバー水分散液を調製した後、該セルロースナノファイバー水分散液に前記有機溶媒を添加して行うことが好ましい。セルロースナノファイバーの分散を均一にすることができる。
本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法では、前記セルロースナノファイバーの数平均繊維径が１〜１００ｎｍであることが好ましい。比表面積の大きい多孔質体を得ることができる。
本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法では、前記有機溶媒が、アルコール類、カルボン酸類又はカルボニル化合物類のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。水が凍結する時にできる結晶（氷晶）をより小さくすることができ、更に比表面積の大きい多孔質体を得ることができる。
本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法では、前記有機溶媒は、前記アルコール類として（１）メタノール、（２）エタノール、（３）２‐プロパノール若しくは（４）ｔ‐ブチルアルコール、前記カルボン酸類として（５）酢酸、前記カルボニル化合物類として（６）アセトン、の（１）〜（６）の少なくとも１種を含むことが好ましい。水との相溶性に優れ、より均一な混合溶媒を得ることができる。
本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法では、前記有機溶媒が、ｔ‐ブチルアルコールだけであることが好ましい。水との混合溶媒の凝固点が著しく下がらないため、凍結させることが容易である。
本発明に係るセルロース多孔質体は、本発明に係るセルロール多孔質体の製造方法で得られ、窒素吸着ＢＥＴ法による比表面積が、７０ｍ２／ｇ以上であることを特徴とする。
本発明に係るセルロース多孔質体は、多孔質の支持体の表面又は表面及び内部に付着していることが好ましい。混合液が液状であるため、混合液を多孔質の支持体へ均一に付着することができる。
本発明は、極めて繊維径が細く、かつ、親水性の高いセルロースナノファイバーを含むセルロース多孔質体を提供することができる。また、本発明は、セルロース多孔質体を低コストで簡便に製造する方法を提供することができる。さらに、本発明は、溶媒が凍結する時に生じる結晶を小さくすることができるため、比表面積の大きな多孔質体を提供することができる。
実施例４のセルロース多孔質体のＳＥＭによる観察画像を示す図である。 比較例１の乾燥体のＳＥＭによる観察画像を示す図である。
次に、本発明について実施形態を示して詳細に説明するが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。
本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法は、セルロースナノファイバーと分散媒とを含有する混合液を凍結乾燥する工程を有するセルロース多孔質体の製造方法において、分散媒が、水と水に溶解する有機溶媒との混合分散媒であり、混合分散媒中の有機溶媒の濃度は、２〜４０質量％であり、混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が、０．００１〜５質量％である。
＜セルロースナノファイバー＞
本実施形態では、セルロースナノファイバーは、化学処理（改質）したセルロースナノファイバーを包含する。セルロースナノファイバーでは、セルロース分子鎖が２本以上の束を形成している。セルロース分子鎖が２本以上の束を形成しているとは、２本以上のセルロース分子鎖が集合してミクロフィブリルと呼ばれる集合体を形成している状態をいう。本実施形態では、セルロース分子鎖は、分子中のＣ６位水酸基の一部又は全部がアルデヒド基、カルボキシル基などに酸化されたもの、Ｃ６位以外の水酸基を含む水酸基の一部又は全部が硝酸エステル、酢酸エステルなどのようにエステル化されたもの、メチルエーテル、ヒドロキシプロピルエーテル、カルボキシメチルエーテルなどのようにエーテル化されたものなど他の官能基に置換されている形態を含む。
セルロースナノファイバーの数平均繊維径は、特に限定するものではないが、１〜１００ｎｍであることが好ましい。より好ましくは、２〜５０ｎｍであり、特に好ましくは、２〜１０ｎｍである。数平均繊維径が１〜１００ｎｍのセルロースナノファイバーを用いることによって、比表面積の大きい多孔質体を得やすい。数平均繊維径が１ｎｍ未満では、ナノファイバーの単繊維強度が弱く、多孔質体の構造を維持することが困難となる場合がある。１００ｎｍを超えると、多孔質体としては比表面積が不足する場合がある。ここで、数平均繊維径は、次に従って算出する。カーボン膜被覆グリッド上にキャストしたセルロースナノファイバーを透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて電子顕微鏡画像による観察を行う。得られた観察画像に対し、１枚の画像あたり縦横２本ずつの無作為な軸を引き、軸に交差する繊維の繊維径を目視で読み取っていく。このとき、構成する繊維の大きさに応じて５０００倍、１００００倍、５００００倍のいずれかの倍率で行う。なお、試料又は倍率は、２０本以上の繊維が軸と交差する条件とする。こうして最低３枚の重なっていない表面部分の画像を電子顕微鏡で撮影し、各々二つの軸に交差する繊維の繊維径の値を読み取る。したがって、最低２０本×２×３＝１２０個の繊維情報が得られる。こうして得られた繊維径のデータから数平均繊維径を算出した。なお、枝分かれしている繊維については、枝分かれしている部分の長さが５０ｎｍ以上であれば１本の繊維として繊維径の算出に組み込む。
また、セルロースナノファイバーの数平均繊維長は、特に限定するものではないが、０．０１〜２０μｍであることが好ましい。より好ましくは、０．０５〜１０μｍである。数平均繊維長が０．０１μｍ未満では、ナノファイバーが粒子に近くなり、多孔質体の絡み合いが弱くなる場合がある。２０μｍを超えると、ナノファイバー同士の絡み合いが多くなり、溶媒に分散させたときの液体の流動性が低くなる場合がある。なお、数平均繊維長は、セルロースナノファイバー分散液を基板上に薄くキャストし、凍結乾燥したものを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて電子顕微鏡画像による観察から算出する。得られた観察画像に対し、１枚の画像あたり１０本ずつ独立した繊維を無作為に選び、その繊維長を目視で読み取っていく。このとき、構成する繊維の長さに応じて５０００倍又は１００００倍のいずれかの倍率で行う。なお、試料又は倍率は、繊維の始点と終点とが同じ画像内に収まっているものを対象とする。こうして最低１２枚の重なっていない表面部分の画像をＳＥＭで撮影し、繊維長を読み取る。したがって、最低１０本×１２枚＝１２０本の繊維情報が得られる。こうして得られた繊維径のデータから数平均繊維長を算出できる。なお、枝分かれしている繊維については、その繊維の最も長い部分の長さを繊維長とする。
セルロースナノファイバーの種類は、例えば、前述のＭＦＣ、ＢＣ、ＣＮＷ、特許文献１に記載のセルロースナノファイバーである。ＭＦＣは、セルロース繊維を機械的な処理によって剪断してナノファイバー化するため、繊維径の分布が広いという特徴がある。ＢＣは、比較的均一な繊維径を有するという特徴がある。ＣＮＷは、比較的均一な繊維径を有するが、繊維長が０．１〜０．２μｍで短いという特徴がある。特許文献１に記載のセルロースナノファイバーは、特許文献１に記載されているように、セルロース原料を、Ｎ‐オキシル化合物、臭化物、ヨウ化物又はそれらの混合物の存在下で、酸化剤を用いて酸化し、該酸化されたセルロースを更に湿式微粒化処理して解繊し、ナノファイバー化することによって水分散体として製造され、均一な繊維径を有するという特徴がある。この中で、特許文献１に記載の微細セルロースが、生産に必要なエネルギーが他のセルロース繊維よりも少ない点及び生産性が高い点で特に好ましい。
特許文献１に記載のセルロースナノファイバーは、セルロースシングルミクロフィブリルである。天然セルロースは、ミクロフィブリルが多束化して高次な個体構造を構築している。ここで、ミクロフィブリル間は、セルロース分子中の水酸基由来の水素結合によって強固に凝集している。セルロースシングルミクロフィブリルとは、天然セルロースに化学処理及び軽微な機械処理を行い、単離したミクロフィブリルをいう。特許文献１に記載のセルロースナノファイバーは、セルロース分子の水酸基の一部がカルボキシル基及びアルデヒド基からなる群から選ばれる少なくとも一つの官能基に酸化されており、かつ、セルロースＩ型結晶構造を有する。最大繊維径は、１０００ｎｍ以下である。このセルロースナノファイバーは、水に分散すると透明な液体となる。
本実施形態では、セルロースナノファイバーが、特許文献１に記載のセルロースナノファイバーであり、かつ、数平均繊維径が、１〜１００ｎｍであることが好ましい。より好ましくは、２〜１０ｎｍである。数平均繊維径が１ｎｍ未満では、ナノファイバーの単繊維強度が弱く、多孔質体の構造を維持することが困難となる場合がある。１００ｎｍを超えると、多孔質体の比表面積が低下する場合がある。また、特許文献１に記載のセルロースナノファイバーの数平均繊維長は、特に限定されないが、０．０１〜２０μｍであることが好ましい。より好ましくは、０．０５〜１０μｍである。数平均繊維長が０．０１μｍ未満では、ナノファイバーが粒子に近くなり、多孔質体の絡み合いが弱くなる場合がある。２０μｍを超えると、ナノファイバー同士の絡み合いが強過ぎてしまい、溶媒に分散させたときの液体の流動性が低くなる場合がある。
セルロースナノファイバーの原料となるセルロース原料は、特に限定されるものではなく、例えば、広葉樹さらしクラフトパルプ（ＬＢＫＰ）、針葉樹さらしクラフトパルプ（ＮＢＫＰ）などの各種木材由来のクラフトパルプ、サルファイトパルプ、脱墨パルプ（ＤＩＰ）などの古紙パルプ、グランドパルプ（ＧＰ）、加圧式砕木パルプ（ＰＧＷ）、リファイナー砕木パルプ（ＲＭＰ）、サーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）、ケミサーモメカニカルパルプ（ＣＴＭＰ）、ケミメカニカルパルプ（ＣＭＰ）、ケミグランドパルプ（ＣＧＰ）などの機械パルプ、それらを高圧ホモジナイザー、ミルなどによって粉砕した粉末状セルロース、それらを酸加水分解などの化学処理によって精製した微結晶セルロース粉末である。また、ケナフ、麻、イネ、バガス、竹、綿などの植物を使用してもよい。本実施形態は、セルロースナノファイバーの原料及び製造方法に制限されない。
セルロースナノファイバーの製造方法は、例えば、特許文献１に記載した製造方法である。特許文献１によると、セルロースナノファイバーの製造方法は、天然セルロースを原料とし、水中においてＮ‐オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を作用させることによって該天然セルロースを酸化して反応物繊維を得る酸化反応工程と、不純物を除去して水を含浸させた反応物繊維を得る精製工程と、水を含浸させた反応物繊維を分散媒に分散させる分散工程と、を含む。
酸化反応工程では、水中に天然セルロースを分散させた分散液を調製する。反応における天然セルロースの分散媒は、水である。そして、反応分散液中の天然セルロース濃度は、試薬の十分な拡散が可能な濃度であれば任意であるが、通常、反応分散液の質量に対して５質量％以下である。
セルロースの酸化触媒として使用可能なＮ‐オキシル化合物は、数多く報告されている。報告例としては、「ＴＥＭＰＯ誘導体を用いたセルロースの触媒酸化：酸化生成物のＨＰＳＥＣ及びＮＭＲ分析」と題する記事がある（例えば、非特許文献１を参照。）。Ｎ‐オキシル化合物の中で、特にＴＥＭＰＯ、４‐アセトアミド‐ＴＥＭＰＯ、４‐カルボキシ‐ＴＥＭＰＯ又は４‐フォスフォノオキシ‐ＴＥＭＰＯが、水中常温での反応速度が速くなる点で好ましい。Ｎ‐オキシル化合物の添加量は、触媒量で十分である。すなわち、反応水溶液に対するＮ‐オキシル化合物の添加量は、０．１〜４ｍｍｏｌ／ｌであることが好ましく、０．２〜２ｍｍｏｌ／ｌであることがより好ましい。０．１ｍｍｏｌ／ｌ未満では、触媒効果に劣る場合がある。４ｍｍｏｌ／ｌを超えると、水に溶けなくなる場合がある。
共酸化剤は、例えば、次亜ハロゲン酸若しくはその塩、亜ハロゲン酸若しくはその塩、過ハロゲン酸若しくはその塩、過酸化水素、又は過有機酸である。好ましくはアルカリ金属次亜ハロゲン酸塩である。アルカリ金属次亜ハロゲン酸塩は、例えば、次亜塩素酸ナトリウム、次亜臭素酸ナトリウムである。次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合、臭化アルカリ金属、例えば、臭化ナトリウムの存在下で反応を進めることが反応速度において好ましい。この臭化アルカリ金属の添加量は、Ｎ‐オキシル化合物に対して１〜４０倍モル量であることが好ましい。より好ましくは、１０〜２０倍モル量である。１倍モル量未満では、反応速度において劣る場合がある。４０倍量モルを超えると、反応速度において劣る場合がある。反応水溶液のｐＨは、８〜１１の範囲で維持することが好ましい。水溶液の温度は、４〜４０℃において任意であるが、反応は室温で行うことが可能であり、特に温度の制御を必要としない。共酸化剤の添加量は、天然セルロース１ｇに対して０．５〜８ｍｍｏｌの範囲であることが好ましい。反応は、５〜１２０分とすることが好ましく、長くとも２４０分以内に完了する。
精製工程は、酸化反応工程で得た酸化セルローススラリーから、未反応の次亜塩素酸、各種副生成物などの不純物を除去して精製する工程である。酸化反応工程を経た段階では、通常、ナノファイバー単位までばらばらに分散しているわけではないため、通常の精製法、すなわち水洗工程とろ過工程とを繰り返すことで高純度（９９質量％以上）の精製した酸化セルローススラリーとする。こうして得られる精製した酸化セルローススラリーは、絞った状態で固形分（セルロース）濃度として１０〜５０質量％の範囲にあることが好ましい。より好ましくは、１５〜３０質量％である。後に行われる分散工程を考慮すると、５０質量％よりも高い固形分濃度とすると、分散に極めて高いエネルギーが必要となることから好ましくない。
分散工程は、精製工程にて得た酸化セルローススラリーを更に水中に分散してセルロースナノファイバー分散液を得る工程である。分散機は、工業生産機としての汎用の分散機を使用できる。汎用の分散機は、例えば、スクリュー型ミキサー、パドルミキサー、ディスパー型ミキサー、タービン型ミキサーである。さらに、高速回転下でのホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、超音波分散処理、ビーター、ディスク型レファイナー、コニカル型レファイナー、ダブルディスク型レファイナー、グラインダーなどのより強力で叩解能力のある装置を使用することによって、より効率的かつ高度なダウンサイジングが可能となる。
分散前の酸化セルローススラリーの固形分濃度は、０．０１〜０．５０質量％であることが好ましい。より好ましくは、０．１０〜０．３０質量％である。固形分濃度が０．５０質量％を超えると、セルロースナノファイバー分散液の粘度が上昇するため、流動性が低下し、分散効率が低下する場合がある。固形分濃度が０．０１質量％未満では、分散液に占める水の割合が非常に多くなり、分散効率が低下する場合がある。高固形分濃度のセルロースナノファイバー分散液が必要な場合は、低固形分濃度の該分散液を濃縮して得ることができる。
本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法では、混合液中の分散媒を除く必要がある。分散媒が水だけである場合、凍結時に水の結晶（氷晶）が生成し、セルロースナノファイバーは氷晶の周囲に濃縮されて、部分的に凝集が生じてしまう。本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法では、分散媒として水に有機溶媒を少量加えた混合分散媒を用いることで、分散媒が凍結時に生じる氷晶の成長を抑え、分散媒を非晶に近い状態で固化させることができる。そして、非晶に近い状態で固化した分散媒を昇華させることで、比表面積の大きなセルロース多孔質体を得ることができる。本実施形態に係るセルロース多孔質体の窒素吸着ＢＥＴ法による比表面積（以降、比表面積ということもある。）は、７０ｍ２／ｇ以上であることが好ましく、１００ｍ２／ｇ以上であることがより好ましい。７０ｍ２／ｇ未満では、多孔質体としては比表面積が不足する場合がある。セルロール多孔質体の比表面積の上限値は、１０００ｍ２／ｇであることが好ましく、８００ｍ２／ｇであることがより好ましい。１０００ｍ２／ｇを超えると、セルロースナノファイバーの強度が弱くなり、多孔質体が脆弱になる場合がある。分散媒を有機溶媒に完全置換した凍結乾燥では、多孔質体は得られるものの、その置換に大きな手間が掛かっていた。また、分散媒の疎水性が高くなり、親水性のセルロースナノファイバーを均一に分散できない場合があった。これに対して、本実施形態に係る多孔質体の製造方法では、分散媒が水と水に溶解する有機溶媒との混合分散媒であって、混合分散媒中の有機溶媒の濃度が２〜４０質量％である混合分散媒を用いることで、分散媒にセルロースナノファイバーが均一に分散した混合液を得ることができ、更には分散媒の完全置換を必要としない簡便な方法で高比表面積のセルロース多孔質体を得ることが可能である。
＜有機溶媒＞
本発明でいう有機溶媒とは、常温常圧で液体である有機化合物のことをいう。また、水に溶解するとは、水と有機溶媒とを混合した混合分散媒において、水と有機溶媒との混合質量比が９８：２〜６０：４０の範囲内で、両者が分子レベルで互いに混ざり合い、相分離しないことをいう。本実施形態に係るセルロース多孔質体では、水と、有機溶媒と、セルロースナノファイバーとを混合して混合液とする。混合分散媒中の有機溶媒の濃度は、２〜４０質量％である。より好ましくは、１０〜３０質量％である。有機溶媒の濃度が４０質量％を超えると、疎水性の高い分散媒となり、親水性を有するセルロースナノファイバーが混合液中に均一に分散しなくなる可能性がある。また、有機溶媒の濃度が２質量％未満では、分散媒の凍結時に水の結晶（氷晶）の形成が著しく、セルロースナノファイバーの凝集や構造破壊を引き起こしてしまい、比表面積の高い多孔質が得られなくなる。
本実施形態では、有機溶媒が、アルコール類、カルボン酸類又はカルボニル化合物類のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。このような有機溶媒を含むことで、水が凍結する時に生じる結晶（氷晶）を小さくすることができ、多孔質体の比表面積を拡大することができる。また、有機溶媒は、アルコール類として（１）メタノール、（２）エタノール、（３）２‐プロパノール若しくは（４）ｔ‐ブチルアルコール、カルボン酸類として（５）酢酸、カルボニル化合物類として（６）アセトン、の（１）〜（６）の少なくとも１種を含むことが水との相溶性の観点からより好ましい。このうち、有機溶媒は、ｔ‐ブチルアルコールだけであることが特に好ましい。水とｔ‐ブチルアルコールとを混合した混合分散媒の完全凍結点は、最も低くても−１０℃程度であり、他の有機溶媒と水との混合分散媒に比べ高くなっており、凍結させることが容易である。ｔ‐ブチルアルコール水溶液では、ｔ‐ブチルアルコール濃度が２０質量％付近で、水とｔ‐ブチルアルコールとが共晶となり、凍結時の結晶サイズが最も小さくなることが知られている。有機溶媒がｔ‐ブチルアルコールだけである場合、混合分散媒中のｔ‐ブチルアルコールの濃度は、１５〜３０質量％であることが好ましく、２０〜２５質量％であることがより好ましい。この範囲とすることで、比表面積が、例えば１９０ｍ２／ｇ以上の多孔質体を得ることができる。
次に、本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法の各工程について説明する。
＜混合液の調製工程＞
本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法では、水と、有機溶媒と、セルロースナノファイバーとを混合して混合液とする。混合液中のセルロースナノファイバーの形態は、例えば、セルロースナノファイバーがバラバラに分散した形態である。セルロースナノファイバーをより均一に分散させるためには、混合液の調製は、水にセルロースナノファイバーを分散させたセルロースナノファイバー水分散液を調製した後、セルロースナノファイバー水分散液に有機溶媒を添加して行うことが好ましい。ここで、セルロースナノファイバー水分散液は、特許文献１に記載の分散工程で得たセルロースナノファイバー分散液をそのまま用いるか、又は一旦乾燥して微細セルロース繊維とした後、当該微細セルロース繊維を再び水に分散してもよい。作業効率の点で、分散工程で得たセルロースナノファイバー分散液をそのまま用いることがより好ましい。分散工程で得たセルロースナノファイバー分散液は、所望の濃度になるように希釈又は濃縮して用いることが好ましい。セルロースナノファイバー水分散液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度は、０．００１〜５質量％であることが好ましく、０．０１〜１質量％であることがより好ましい。混合液の調製方法は、特に限定は無いが、例えば、プロペラ型の撹拌翼を用いて混合する方法、混合液の成分を入れた容器を振盪機を用いて振盪して混合する方法、マグネティックスターラーを用いて混合する方法であり、特に強力な分散機は必要ない。混合液の調製工程において、有機溶媒にセルロースナノファイバー水分散液を加えると、凝集物が生じる場合がある。
本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法では、水と、有機溶媒と、セルロースナノファイバーとを混合した混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が、０．００１〜５質量％である。より好ましくは０．０１〜２質量％であり、特に好ましくは、０．０５〜１質量％である。混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が５質量％を超えると、セルロースナノファイバー間の空隙が少なくなり、比表面積の高い多孔質体が得られなくなる。一方、混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が０．００１質量％未満では、セルロースナノファイバー同士の絡み合いが少なくなり、多孔質体として構造が維持できなくなる。
本実施形態に係る多孔質体の製造方法では、混合液に凍結乾燥安定化剤、セルロースナノファイバーの表面改質剤などの各種助剤を配合してもよい。凍結乾燥安定化剤は、例えば、ショ糖、トレハロース、Ｌ‐アルギニン、Ｌ‐ヒスチジンである。また、セルロースナノファイバーの表面改質剤は、例えば、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、非イオン性界面活性剤又は両性界面活性剤である。なお、各種助剤は有機溶媒を添加する前に、セルロースナノファイバー水分散液に添加することが好ましい。
＜凍結乾燥工程＞
本実施形態に係る多孔質体の製造方法は、混合液を凍結乾燥する。凍結乾燥とは、混合液を凍結し、凍結状態のまま減圧して分散媒を昇華させることによって乾燥する手法である。凍結乾燥における凍結温度は、混合液中の分散媒の凝固点以下としなければならず、−５０℃以下であることが好ましく、−１００℃以下であることがより好ましい。凍結温度が高い、つまり凍結速度が遅いと、水と有機溶媒とを混合した混合分散媒を用いても、分散媒の結晶が大きくなる場合があり、その結晶周囲にセルロースナノファイバーが濃縮され凝集体を生じてしまう場合がある。一方、凍結温度を低くすること、つまり凍結速度を速くすることで分散媒を非晶に近い状態で凍結することができる。本実施形態に係るセルロース多孔質体の製造方法では、混合液を凍結乾燥するが、どのような形態で凍結乾燥するかは限定しない。混合液を凍結乾燥する方法は、例えば、混合液単体を容器に入れて凍結乾燥する方法、混合液を不織布、紙、スポンジなどの多孔質の支持体に付着させた状態で、支持体ごと凍結乾燥する方法である。混合液単体を容器に入れて凍結乾燥する方法では、薄いシート状又は厚みのある板状のセルロース多孔質体が得られる。混合液を多孔質の支持体に付着させて凍結乾燥する方法では、セルロース多孔質体が多孔質の支持体に付着した多孔質体が得られる。本実施形態では、混合液が液状であるため、混合液を多孔質の支持体へ均一に付着することができる。混合液を多孔質の支持体に付着する方法は、例えば、多孔質の支持体の全体又は一部を混合液に浸漬する方法、混合液を多孔質の支持体の表面に塗布する方法、混合液を多孔質の支持体の表面に噴霧する方法である。セルロース多孔質体が多孔質の支持体に付着する形態は、例えば、セルロース多孔質体が多孔質の支持体の表面だけに付着する形態、セルロース多孔質体が多孔質の支持体の表面及び支持体の孔の一部に付着する形態、セルロース多孔質体が多孔質の支持体の表面及び支持体の孔の全体に付着する形態である。
本実施形態に係る多孔質体の製造方法では、凍結乾燥において、凍結した混合液中の分散媒を減圧下で昇華させなければならない。減圧時の圧力は、２００Ｐａ以下であることが好ましく、５０Ｐａ以下であることがより好ましい。圧力が２００Ｐａを超えると凍結した混合液中の分散媒が融解してしまう可能性がある。
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。また、例中の「部」、「％」は、特に断らない限りそれぞれ「質量部」、「質量％」を示す。なお、添加部数は、固形分換算の値である。
［セルロースナノファイバー水分散液Ａの調製工程］
乾燥重量で２．００ｇ相当分のＮＢＫＰ（主に１０００ｎｍを超える繊維径の繊維から成るもの）と、０．０２５ｇのＴＥＭＰＯ（２，２，６，６‐テトラメチルピペリジン‐１‐オキシラジカル）と、０．２５ｇの臭化ナトリウムと、を水１５０ｍｌに分散した後、１３％次亜塩素酸ナトリウム水溶液を、パルプ（ＮＢＫＰ）１．００ｇに対して、次亜塩素酸ナトリウムの量が５．００ｍｍｏｌとなるように次亜塩素酸ナトリウムを加えて反応を開始した。反応中は、０．５０ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してｐＨを１０に保った。２時間反応した後、反応物をろ過し、十分水洗することで酸化セルローススラリーを得た。０．１５質量％の酸化セルローススラリーを、バイオミキサー（ＢＭ−２、日本精機製作所社製）を用いて、１５０００回転で５分間解繊処理し、更に超音波分散機（型式ＵＡ５０、国際電気社製）で３０分間解繊処理した。その後、遠心分離によって粗大繊維の除去を行い、透明のセルロースナノファイバー水分散液を得た。この分散液を、ＴＥＭ（ＪＥＭ２０００−ＥＸＩＩ、日本電子社製）を用いて倍率５００００倍で観察した観察画像から解析した結果、数平均繊維直径は４ｎｍであった。また、ＳＥＭ（Ｓ−４０００、日立製作所社製）を用いて倍率１００００倍で観察した観察画像から解析した結果、数平均繊維長は１．１μｍであった。得られたセルロースナノファイバー水分散液Ａは、固形分濃度が０．３５％となるまでロータリーエバポレーターで濃縮し、以降の工程で用いた。
（実施例１）
［混合液の調製工程］
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、２０．４ｇの水と１．０ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加え、容器に蓋をしてマグネティックスターラーで５分間攪拌して混合液を得た。混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で９８：２であった。
［凍結乾燥工程］
混合液の調製工程で得られた混合液をナス型フラスコに入れ、回転させながら液体窒素（−１９６℃）に浸した。混合液が完全に凍結したら、凍結乾燥機（ＶＤ−２５０Ｆ ＴＡＩＴＥＣ社製）を用いて、分散媒を昇華させることで乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。また、真空到達時の圧力は５０Ｐａ以下であった。
（実施例２）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、１６．４ｇの水と５．０ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で９０：１０であった。
（実施例３）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、１３．９ｇの水と７．５ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で８５：１５であった。
（実施例４）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、１１．４ｇの水と１０．０ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で８０：２０であった。
（実施例５）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、９．０ｇの水と１２．５ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で７５：２５であった。
（実施例６）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、６．５ｇの水と１５．０ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で７０：３０であった。
（実施例７）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、１．５ｇの水と２０．０ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で６０：４０であった。
（実施例８）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、１３．９ｇの水と７．５ｇの２‐プロパノールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水と２‐プロパノールとの混合比率は、質量比で８５：１５であった。
［セルロースナノファイバー水分散液Ｂの調製工程］
セルロースナノファイバー水分散液Ｂとして、セルロースナノファイバーがバクテリアセルロース（ＢＣ）であるものを用いた。ナタデココ（フジッコ社製、約１ｃｍ角）をカッターナイフで２ｍｍ角程度に細かく刻み、ナタデココ内に含まれるシロップを水に置換した。これをバイオミキサー（ＢＭ−２、日本精機製作所社製）を用いて、１００００回転にて２分間解繊し、超音波分散機（型式ＵＡ５０、国際電気社製）で３０分間解繊処理してＢＣの水分散液を得た。得られたＢＣの水分散液をＴＥＭを用いて倍率５００００倍で観察した観察画像から解析した結果、数平均繊維直径は、２４ｎｍであった。セルロースナノファイバー水分散液Ｂ中のセルロースナノファイバーの固形分濃度は、５％に調整した。
（実施例９）
セルロースナノファイバー水分散液Ａに替えてセルロースナノファイバー水分散液Ｂを用いた以外は実施例３と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で８５：１５であった。
（実施例１０）
セルロースナノファイバー分散液Ａ０．８６ｇに、２５４．１ｇの水と４５ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．００１％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で８５：１５であった。
（実施例１１）
セルロースナノファイバー分散液Ｂ４２．５ｇに、７．１３ｇのｔ‐ブチルアルコールを加えた以外は実施例１と同様にして乾燥体（セルロース多孔質体）を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は４．２８％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で８５：１５であった。
（比較例１）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、２１．４ｇの水を加え、ｔ‐ブチルアルコールは加えなかった以外は実施例１と同様にして乾燥体を得た。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水と有機溶媒との混合比率は、質量比で１００：０であった。
（比較例２）
固形分濃度が０．４％になるまで濃縮したセルロースナノファイバー水分散液Ａ２５．０ｇに、２５．０ｇのｔ‐ブチルアルコールを加えたところ、凝集物が発生し、均一な混合液とならなかったため、凍結乾燥工程を行わなかった。ここで、混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で５０：５０であった。
（分散状態の評価）
各実施例及び各比較例において、混合液の分散状態を目視で観察した。評価方法は次のとおりである。
○：有機溶媒を加えても凝集物の発生がなく、セルロースナノファイバーが均一で分散状態に変化がない（実用レベル）。
△：有機溶媒を加える前から凝集物があり、有機溶媒を加えてもセルロースナノファイバーの分散状態に変化がない（実用レベル）。
×：有機溶媒を加えることで凝集物が発生し、セルロースナノファイバーの分散状態に変化が起きる（実用不適レベル）。
（乾燥体の観察）
各実施例及び各比較例で得られた乾燥体について、その形状をＳＥＭ（Ｓ−４０００、日立製作所社製）を用いて５０００倍に拡大して観察した。図１に実施例４で得られたセルロース多孔質体のＳＥＭ画像を、図２に比較例１で得られた乾燥体のＳＥＭ画像をそれぞれ示す。図１ではセルロースナノファイバー１本１本が独立したような形態となっているが、図２ではセルロースナノファイバーが凝集して一部が膜状になっており、セルロースナノファイバー間の多孔性が失われていることが分かる。
（比表面積の測定）
窒素吸着ＢＥＴ法による比表面積を自動比表面積測定装置（ＴｒｉＳｔａｒＩＩ３０２０、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製）を用いて測定した。測定結果を表１に示す。
（実施例１２）
セルロースナノファイバー分散液Ａ２８．６ｇに、１３．９ｇの水と７．５ｇのｔ‐ブチルアルコールとを加えた容器に蓋をしてマグネティックスターラーで５分間攪拌して混合液を得た。混合液の全質量に対するセルロースナノファイバーの固形分濃度は０．２％であった。また、混合液中の水とｔ‐ブチルアルコールとの混合比率は、質量比で８５：１５であった。この混合液を、目付が６４ｇ／ｍ２、比表面積が１．８０ｍ２／ｇのガラス繊維からなる不織布に、湿潤状態での付着量が１５０ｇ／ｍ２となるよう付着させた。この不織布を湿潤状態のまま液体窒素に入れて凍結させた。その後、実施例１と同様に凍結乾燥させ、ガラス繊維からなる不織布にセルロース多孔質体を付着させた多孔質体（以降、当該多孔質体を多孔質体Ｘという。）を得た。得られた多孔質体Ｘの比表面積は２．８５ｍ２／ｇであった。ここで、多孔質体Ｘにおいて、ガラス繊維からなる不織布に対するセルロースナノファイバーの質量比率は０．４７％であり、この比率から多孔質体Ｘの不織布に付着したセルロース多孔質体の比表面積を算出すると、２２５ｍ２／ｇであった。
実施例１〜１１では、いずれもセルロース多孔質体が得られた。さらに、表１からわかるように、実施例１〜１１のセルロース多孔質体は、比表面積が大きく、７２〜３２４ｍ２／ｇであった。比較例１は、分散媒として水だけを用い、有機溶媒を用いなかったため、分散媒である水を凍結させたときに氷晶が形成され、セルロースナノファイバーが部分的に凝集してしまった。そのため比表面積の小さな乾燥体となった。比較例２は、分散媒中の有機溶媒濃度が高くなり、セルロースナノファイバー同士が持っていた斥力が弱められ、分散状態に変化が起きてしまった。実施例１２から、セルロース多孔質体を多孔質の支持体に付着させた多孔質体を得ることができることが確認できた。
このように、本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法によれば、極めて繊維径が細く、かつ、親水性の高いセルロースナノファイバーから成る多孔質体を、比較的簡便な製法で得られることが確認できた。
本発明に係るセルロース多孔質体の製造方法は、極めて繊維径が細く、かつ、親水性の高いセルロースナノファイバーから成るセルロース多孔質体を低コストで提供できる。したがって、本発明に係るセルロース多孔質体は、機能性フィルター、電子デバイス材料、再生医療材料、さらには炭素材料など様々な分野・用途に好適に用いることができる。

Claims (8)

  1. セルロースナノファイバーと分散媒とを含有する混合液を凍結乾燥する工程を有するセルロース多孔質体の製造方法において、
    前記分散媒が、水と水に溶解する有機溶媒との混合分散媒であり、
    該混合分散媒中の有機溶媒の濃度は、２〜４０質量％であり、
    前記混合液中のセルロースナノファイバーの固形分濃度が、０．００１〜５質量％であることを特徴とするセルロース多孔質体の製造方法。
  2. 前記混合液の調製は、水に前記セルロースナノファイバーを分散させたセルロースナノファイバー水分散液を調製した後、該セルロースナノファイバー水分散液に前記有機溶媒を添加して行うことを特徴とする請求項１に記載のセルロース多孔質体の製造方法。
  3. 前記セルロースナノファイバーの数平均繊維径が１〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルロース多孔質体の製造方法。
  4. 前記有機溶媒が、アルコール類、カルボン酸類又はカルボニル化合物類のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のセルロース多孔質体の製造方法。
  5. 前記有機溶媒は、前記アルコール類として（１）メタノール、（２）エタノール、（３）２‐プロパノール若しくは（４）ｔ‐ブチルアルコール、前記カルボン酸類として（５）酢酸、前記カルボニル化合物類として（６）アセトン、の（１）〜（６）の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項４に記載のセルロース多孔質体の製造方法。
  6. 前記有機溶媒が、ｔ‐ブチルアルコールだけあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のセルロース多孔質体の製造方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか一つのセルロール多孔質体の製造方法で得られ、
    窒素吸着ＢＥＴ法による比表面積が、７０ｍ２／ｇ以上であることを特徴とするセルロース多孔質体。
  8. 多孔質の支持体の表面又は表面及び内部に付着していることを特徴とする請求項７に記載のセルロース多孔質体。
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