JP2014040530A - Method for producing oxidized cellulose and method for producing cellulose nanofiber - Google Patents

Method for producing oxidized cellulose and method for producing cellulose nanofiber Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing oxidized cellulose which uses as a catalyst an N-oxyl compound capable of efficiently introducing a carboxyl group into cellulose in a short time.SOLUTION: A method for producing oxidized cellulose includes the steps of: (A) preparing cellulose having a cellulose II type crystal content of 5-90%; and (B) making oxidized cellulose by oxidizing pulp in water using an oxidizing agent in the presence of (1) an N-oxyl compound and (2) a compound selected from the group consisting of a bromide, an iodide and their mixture.

Description

本発明は、効率の良い酸化セルロース及びセルロースナノファイバーの製造方法に関する。   The present invention relates to an efficient method for producing oxidized cellulose and cellulose nanofibers.

セルロース系原料を2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシラジカル(以下、TEMPOと称する)と安価な酸化剤である次亜塩素酸ナトリウムとの共存下で処理すると、セルロースのミクロフィブリルの表面にカルボキシル基を効率よく導入することができる。このカルボキシル基を導入したセルロース系原料(酸化セルロース)を水中にてミキサー等で処理するとセルロースナノファイバー水分散液が得られることが知られている(非特許文献1、特許文献1および2)。   When the cellulosic material is treated in the presence of 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxy radical (hereinafter referred to as TEMPO) and sodium hypochlorite which is an inexpensive oxidant, Carboxyl groups can be efficiently introduced onto the surface of cellulose microfibrils. It is known that cellulose nanofiber aqueous dispersions can be obtained by treating the cellulose-based raw material (oxidized cellulose) introduced with a carboxyl group in water with a mixer or the like (Non-patent Document 1, Patent Documents 1 and 2).

特開2008−001728号公報JP 2008-001728 A 特開2010−235679号公報JP 2010-235679 A

Saito,T.,et al.,Cellulose Commun.,14(2),62(2007)Saito, T .; , Et al. Cellulose Commun. , 14 (2), 62 (2007)

上記のN−オキシル化合物を触媒に用いたセルロースの酸化方法は、セルロースに多くのカルボキシル基を均一に導入することができるが、カルボキシル基導入する時間(酸化反応時間)が長く生産効率が低いといった問題があった。   The cellulose oxidation method using the above N-oxyl compound as a catalyst can uniformly introduce many carboxyl groups into the cellulose, but the carboxyl group introduction time (oxidation reaction time) is long and the production efficiency is low. There was a problem.

そこで、本発明は、短時間で効率良くカルボキシル基をセルロースに導入することができるN−オキシル化合物を触媒に用いた酸化セルロースの製造方法およびこの酸化セルロースを解繊して得られるセルロースナノファイバーの製造方法を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention relates to a method for producing oxidized cellulose using an N-oxyl compound that can efficiently introduce a carboxyl group into cellulose in a short time as a catalyst, and cellulose nanofibers obtained by defibrating this oxidized cellulose. It is an object to provide a manufacturing method.

本発明は以下の[1]〜[2]を提供する。
[1] セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースを準備する工程(A)、
該パルプを(1)N−オキシル化合物、及び、(2)臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化して酸化セルロースを調製する工程(B)を含む酸化セルロースの製造方法。
[2] 前記酸化セルロースを解繊・分散処理してセルロースナノファイバーを製造する工程(C)を含むセルロースナノファイバーの製造方法。
The present invention provides the following [1] to [2].
[1] Step (A) of preparing cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90%,
Oxidized cellulose is prepared by oxidizing the pulp in water in the presence of (1) N-oxyl compound and (2) a compound selected from the group consisting of bromide, iodide or a mixture thereof. The manufacturing method of the oxidized cellulose including the process (B) to do.
[2] A method for producing cellulose nanofibers, comprising the step (C) of producing cellulose nanofibers by fibrillating and dispersing the oxidized cellulose.

本発明によれば、短時間で効率良くカルボキシル基をセルロースに導入することができるN−オキシル化合物を触媒に用いた酸化セルロースの製造方法およびこの酸化セルロースを解繊して得られるセルロースナノファイバーの製造方法を提供することができる。   According to the present invention, a method for producing oxidized cellulose using an N-oxyl compound that can efficiently introduce a carboxyl group into cellulose in a short time as a catalyst, and cellulose nanofibers obtained by defibrating this oxidized cellulose are provided. A manufacturing method can be provided.

以下、本発明を詳細に説明する。本明細書において「〜」は両端の値を含む。
1.酸化セルロースの製造方法
本発明の酸化セルロースの製造方法は、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースを準備する工程(A)、該パルプを(1)N−オキシル化合物、及び、(2)臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化して酸化セルロースを調製する工程(B)を含む。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the present specification, “to” includes values at both ends.
1. Method for Producing Oxidized Cellulose The method for producing oxidized cellulose of the present invention comprises a step (A) of preparing cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90%, and (1) an N-oxyl compound and the pulp. (2) including a step (B) of preparing oxidized cellulose by oxidation in water using an oxidizing agent in the presence of a compound selected from the group consisting of bromide, iodide or a mixture thereof.

1−1.工程A
工程Aでは、セルロース系原料にアルカリ処理を施すことにより、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるパルプを準備する工程である。
セルロース結晶II型の含有率は、広角X線回折法による測定で得られたグラフの回折角2θのピークの面積比により算出した。手順は次の通りである。
まずセルロースを液体窒素で凍結させ、これを圧縮し、錠剤ペレットを作成する。その後、このサンプルをX線回折測定装置(LabX XRD−6000、島津製作所製)により得られた測定結果(グラフ)を、グラフ解析ソフトPeakFit(Hulinks製)によりピーク分離し、その面積比から結晶I型とII型の比率を算出した。この時、ピーク分離のために、下記の回折角度を基準として結晶I型とII型を判別した。
結晶I型:2θ=14.7°、16.5°、22.5°
結晶II型:2θ=12.3°、20.2°、21.9°
1-1. Process A
Step A is a step of preparing a pulp having a cellulose crystal II type content of 5 to 90% by subjecting the cellulose-based raw material to an alkali treatment.
The content of cellulose crystal type II was calculated from the area ratio of the peak at the diffraction angle 2θ of the graph obtained by the measurement by the wide angle X-ray diffraction method. The procedure is as follows.
First, the cellulose is frozen with liquid nitrogen and compressed to produce tablet pellets. Thereafter, the measurement result (graph) obtained from this sample by an X-ray diffraction measurement apparatus (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation) is peak-separated by graph analysis software PeakFit (manufactured by Hulinks), and crystal I The ratio of type to type II was calculated. At this time, for peak separation, crystal type I and type II were distinguished based on the following diffraction angles.
Crystal type I: 2θ = 14.7 °, 16.5 °, 22.5 °
Crystal type II: 2θ = 12.3 °, 20.2 °, 21.9 °

(1)セルロース系原料
セルロース系原料とは、木材由来のクラフトパルプまたはサルファイトパルプ、それらを高圧ホモジナイザーやミル等で粉砕した粉末セルロース、あるいはそれらを酸加水分解などの化学処理により精製した微結晶セルロース粉末等である。またこの他に、ケナフ、麻、イネ、バカス、竹等の植物由来のセルロース系原料もできる。しかしながら、セルロース系原料中に広葉樹由来のリグニンが多く残留してしまうと当該原料の酸化反応を阻害する恐れがあるので、本発明においては、化学パルプの製造方法により得られたセルロース系原料が好ましい。リグニンをさらに除去するために、このようにして得られたセルロース系原料に公知の漂白処理を施すことがより好ましい。
(1) Cellulose-based raw materials Cellulose-based raw materials are wood-derived kraft pulp or sulfite pulp, powdered cellulose obtained by pulverizing them with a high-pressure homogenizer, a mill or the like, or microcrystals purified by chemical treatment such as acid hydrolysis. Cellulose powder and the like. In addition to these, cellulosic materials derived from plants such as kenaf, hemp, rice, bacus, and bamboo can also be produced. However, if a large amount of hardwood-derived lignin remains in the cellulosic raw material, there is a risk of inhibiting the oxidation reaction of the raw material. Therefore, in the present invention, the cellulosic raw material obtained by the method for producing chemical pulp is preferred. . In order to further remove lignin, it is more preferable to subject the cellulosic raw material thus obtained to a known bleaching treatment.

漂白処理方法としては、塩素処理(C)、二酸化塩素漂白(D)、アルカリ抽出(E)、次亜塩素酸塩漂白(H)、過酸化水素漂白(P)、アルカリ性過酸化水素処理段(Ep)、アルカリ性過酸化水素・酸素処理段(Eop)、オゾン処理(Z)、キレート処理(Q)などを組合せて、たとえば、C/D−E−H−D、Z−E−D−P、Z/D−Ep−D、Z/D−Ep−D−P、D−Ep−D、D−Ep−D−P、D−Ep−P−D、Z−Eop−D−D、Z/D−Eop−D、Z/D−Eop−D−E−Dなどのシーケンスで行なうことができる。シーケンス中の「/」は、「/」の前後の処理を洗浄なしで連続して行なうことを意味する。セルロース原料中のリグニン量は少ないことが好ましく、パルプ化処理および漂白処理を用いて得られたセルロース原料(漂白済みクラフトパルプ、漂白済みサルファイトパルプ)は、白色度(ISO 2470)が80%以上であることがより好ましい。   As bleaching treatment methods, chlorine treatment (C), chlorine dioxide bleaching (D), alkali extraction (E), hypochlorite bleaching (H), hydrogen peroxide bleaching (P), alkaline hydrogen peroxide treatment stage ( Ep), alkaline hydrogen peroxide / oxygen treatment stage (Eop), ozone treatment (Z), chelate treatment (Q) and the like, for example, C / D-E-H-D, Z-E-D-P , Z / D-Ep-D, Z / D-Ep-DP, D-Ep-D, D-Ep-DP, D-Ep-PD, Z-Eop-DD, Z / D-Eop-D, Z / D-Eop-D-ED, or the like. “/” In the sequence means that the processes before and after “/” are continuously performed without cleaning. The amount of lignin in the cellulose raw material is preferably small, and the cellulose raw material (bleached kraft pulp, bleached sulfite pulp) obtained by using the pulping treatment and the bleaching treatment has a whiteness (ISO 2470) of 80% or more. It is more preferable that

また、粉末セルロース、または微結晶セルロース粉末をセルロース系原料として用いると、高濃度であってより低粘度の分散液を与えるセルロースナノファイバーを製造できるので好ましい。粉末セルロースとは、木材パルプの非結晶部分を酸加水分解処理で除去した後、粉砕・篩い分けすることで得られる微結晶性セルロースからなる棒軸状粒子である。粉末セルロースにおけるセルロースの重合度は100〜500程度であり、X線回折法による粉末セルロースの結晶化度は70〜90%であり、レーザー回折式粒度分布測定装置による体積平均粒子径は好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下である。体積平均粒子径が100μm以下であると、流動性に優れるセルロースナノファイバー分散液を得ることができる。粉末セルロースとしては、例えば、精選パルプを酸加水分解した後に得られる未分解残渣を精製・乾燥し、粉砕・篩い分けして製造される、棒軸状であって一定の粒径分布を有する結晶性セルロース粉末を使用できる。あるいは、KCフロック(登録商標)(日本製紙ケミカル社製)、セオラス(商標)(旭化成ケミカルズ社製)、アビセル(登録商標)(FMC社製)などの市販品を用いてもよい。   In addition, it is preferable to use powdered cellulose or microcrystalline cellulose powder as a cellulose-based raw material because cellulose nanofibers that give a dispersion having a high concentration and a lower viscosity can be produced. Powdered cellulose is a rod-like particle made of microcrystalline cellulose obtained by removing a non-crystalline part of wood pulp by acid hydrolysis and then pulverizing and sieving. The degree of polymerization of cellulose in the powdered cellulose is about 100 to 500, the degree of crystallinity of the powdered cellulose by X-ray diffraction method is 70 to 90%, and the volume average particle diameter by a laser diffraction type particle size distribution analyzer is preferably 100 μm. Or less, more preferably 50 μm or less. When the volume average particle diameter is 100 μm or less, a cellulose nanofiber dispersion excellent in fluidity can be obtained. As the powdered cellulose, for example, an undegraded residue obtained after acid hydrolysis of a selected pulp is purified, dried, crushed and sieved, and a crystal having a rod-shaft shape and a constant particle size distribution Cellulose powder can be used. Alternatively, commercially available products such as KC Flock (registered trademark) (manufactured by Nippon Paper Chemicals Co., Ltd.), Theolas (trademark) (manufactured by Asahi Kasei Chemicals), and Avicel (registered trademark) (manufactured by FMC) may be used.

(2)アルカリ処理
工程Aでは、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースは、アルカリ溶液中で前記セルロース原料を処理することで得ることができる。以下、当該処理を単に「アルカリ処理」ともいう。アルカリ処理は、前記セルロース原料を水に分散させ、当該水分散液にアルカリを添加して水中の水酸化物イオン濃度を前記範囲に調整し、反応系を撹拌して行なうことができる。あるいはアルカリ処理は、予め調製された水酸化物イオン濃度の水に前記セルロース原料を分散させて行なうことができる。
(2) Alkali treatment In step A, cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90% can be obtained by treating the cellulose raw material in an alkaline solution. Hereinafter, this treatment is also simply referred to as “alkali treatment”. The alkali treatment can be performed by dispersing the cellulose raw material in water, adding an alkali to the aqueous dispersion to adjust the hydroxide ion concentration in the water to the above range, and stirring the reaction system. Alternatively, the alkali treatment can be performed by dispersing the cellulose raw material in water having a hydroxide ion concentration prepared in advance.

本発明において、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースを用いることによって、短時間で効率良くカルボキシル基をセルロースに導入することができるが、その機構は次のように考えられる。   In the present invention, by using cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90%, a carboxyl group can be efficiently introduced into cellulose in a short time, and the mechanism is considered as follows.

セルロースは結晶がI型であると分子配向が高く密になっているのに対し、II型であると分子配向が低い。このため、セルロース結晶II型を有するパルプは、酸化剤が浸透しやすくなり、短時間で効率よくカルボキシル基をセルロースに導入することができると推測される。なお、パルプのセルロース結晶II型の含有率が5%未満であると、酸化剤が十分に浸透しないため、効率よくカルボキシル基を導入することができない。一方、結晶II型の含有率が90%を超えると次の工程Bにおける酸化反応によってポリセロウロン酸となり水に溶解するため、酸化セルロース繊維として得ることができない。   Cellulose has a high molecular orientation when the crystal is type I and is dense, whereas cellulose has a low molecular orientation when type II. For this reason, it is estimated that the pulp which has a cellulose crystal II type becomes easy to permeate an oxidizing agent and can efficiently introduce a carboxyl group into cellulose in a short time. If the content of cellulose crystal II in the pulp is less than 5%, the oxidant does not sufficiently permeate, so that carboxyl groups cannot be introduced efficiently. On the other hand, when the content of crystal II type exceeds 90%, it becomes polyseurouronic acid by the oxidation reaction in the next step B and dissolves in water, so that it cannot be obtained as oxidized cellulose fiber.

また、特にセルロース系原料として漂白済みクラフトパルプまたは漂白済みサルファイトパルプを用いた場合は、アルカリによってセルロースミクロフィブリル表面を被覆しているヘミセルロースが溶出される。このためミクロフィブリル表面が露出して次の工程Bにおける酸化が促進される。これらの結果、セルロース原料の酸化反応性が高まり、酸化反応が短時間で進行し、かつ多くのカルボキシル基が導入される。   In particular, when bleached kraft pulp or bleached sulfite pulp is used as the cellulosic raw material, hemicellulose covering the cellulose microfibril surface is eluted with alkali. For this reason, the microfibril surface is exposed and oxidation in the next step B is promoted. As a result, the oxidation reactivity of the cellulose raw material is enhanced, the oxidation reaction proceeds in a short time, and many carboxyl groups are introduced.

本発明において、セルロース原料のアルカリ処理で使用されるアルカリは水溶性であれば特に限定されず、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウムなどの無機アルカリ、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウムなどの有機アルカリ等が挙げられる。中でも、入手が容易で比較的安価である水酸化ナトリウムが好ましい。また、パルプ工場で生成する白液、緑液のような複数のアルカリやその他成分を含む水溶液を用いることもできる。   In the present invention, the alkali used in the alkali treatment of the cellulose raw material is not particularly limited as long as it is water-soluble, inorganic alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, sodium carbonate, tetramethylammonium hydroxide, And organic alkalis such as tetraethylammonium hydroxide. Of these, sodium hydroxide is preferable because it is easily available and relatively inexpensive. Further, an aqueous solution containing a plurality of alkalis such as white liquor and green liquor produced in a pulp factory and other components can also be used.

アルカリ溶液の水酸化物イオン濃度は0.75〜4mol/Lであることが好ましく、1.25〜3.75mol/Lであることがより好ましい。水酸化物イオン濃度が4mol/Lを超えると、得られる酸化されるセルロースのセルロース結晶II型含有率が90%を超える。一方、水酸化物イオン濃度が0.75mol/Lを下回るとアルカリ濃度が低く、得られるパルプのセルロース結晶II型含有率が5%未満となる。   The hydroxide ion concentration of the alkaline solution is preferably 0.75 to 4 mol / L, and more preferably 1.25 to 3.75 mol / L. When the hydroxide ion concentration exceeds 4 mol / L, the cellulose crystal II type content of the cellulose to be oxidized exceeds 90%. On the other hand, when the hydroxide ion concentration is less than 0.75 mol / L, the alkali concentration is low, and the cellulose crystal II type content of the resulting pulp is less than 5%.

アルカリ処理は大気圧下、加圧下、減圧下のいずれで実施してもよい。処理温度は0℃〜100℃が好ましく、10℃〜60℃がより好ましく、20℃〜40℃がさらに好ましい。処理時間は5分〜24時間が好ましく、15分〜12時間がより好ましく、30分〜6時間がさらに好ましい。セルロース系原料の濃度は、反応混合物中0.1〜60質量%が好ましく、1〜50質量%がより好ましく、5〜40質量%がさらに好ましい。上記範囲より濃度が高いとセルロースII型の生成が不均一となり、濃度が低いと製造効率が悪く不経済となる。   The alkali treatment may be performed under atmospheric pressure, under pressure, or under reduced pressure. The treatment temperature is preferably 0 ° C to 100 ° C, more preferably 10 ° C to 60 ° C, and further preferably 20 ° C to 40 ° C. The treatment time is preferably 5 minutes to 24 hours, more preferably 15 minutes to 12 hours, and even more preferably 30 minutes to 6 hours. The concentration of the cellulose-based raw material is preferably 0.1 to 60% by mass in the reaction mixture, more preferably 1 to 50% by mass, and further preferably 5 to 40% by mass. If the concentration is higher than the above range, the production of cellulose type II becomes non-uniform, and if the concentration is low, the production efficiency is poor and uneconomical.

本発明において、酸化パルプの収率及び酸化反応時間の点から、酸化されるセルロースの結晶II型の含有率は5〜90%であることが必要である。酸化されるセルロースの
結晶II型の含有率を10〜80%、さらに20〜70%とすることで、酸化触媒であるN−オキシル化合物の添加量を大幅に削減して酸化パルプを得ることができ、酸化パルプあるいはナノファイバーに残留するN−オキシル化合物の影響、N-オキシル化合物の除去工程を大幅に軽減できる。
In the present invention, from the viewpoint of the yield of oxidized pulp and the oxidation reaction time, the content of crystal II type of cellulose to be oxidized needs to be 5 to 90%. By making the content of crystal II type of cellulose to be oxidized 10 to 80%, further 20 to 70%, the amount of addition of N-oxyl compound as an oxidation catalyst can be greatly reduced to obtain oxidized pulp The influence of the N-oxyl compound remaining on the oxidized pulp or nanofiber and the removal process of the N-oxyl compound can be greatly reduced.

次の工程Bでの副反応等を避ける観点から、工程Aで得られたセルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースは、中和および洗浄されることが好ましい。   From the viewpoint of avoiding a side reaction or the like in the next step B, the cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90% obtained in step A is preferably neutralized and washed.

1−2.工程B
工程Bでは、前記工程Aで得たセルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースを、N−オキシル化合物、および臭化物、ヨウ化物もしくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で、酸化剤を用いて酸化し、酸化セルロースを得る工程である。
1-2. Process B
In step B, the presence of a compound selected from the group consisting of N-oxyl compounds and bromides, iodides, or mixtures thereof, wherein the cellulose crystal II type content obtained in step A is 5 to 90% Below, it is the process of oxidizing using an oxidizing agent to obtain oxidized cellulose.

(1)N−オキシル化合物(a1)
N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物である。本発明で用いるN−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。例えば、本発明で使用されるN−オキシル化合物としては、下記一般式(式1)で示される化合物が挙げられる。
(1) N-oxyl compound (a1)
An N-oxyl compound is a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound used in the present invention, any compound can be used as long as it promotes the target oxidation reaction. For example, the N-oxyl compound used in the present invention includes a compound represented by the following general formula (Formula 1).

Figure 2014040530
Figure 2014040530

(式1中、R1〜R4は同一又は異なる炭素数1〜4程度のアルキル基を示す。)
式1で表される物質のうち、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−オキシラジカル(以下、TEMPOと称する)が好ましい。また、下記式2〜5のいずれかで表されるN−オキシル化合物、すなわち、4−ヒドロキシTEMPOの水酸基をアルコールでエーテル化、またはカルボン酸若しくはスルホン酸でエステル化し、適度な疎水性を付与した4−ヒドロキシTEMPO誘導体、もしくは4−アミノTEMPOのアミノ基をアセチル化し、適度な疎水性を付与した4−アセトアミドTEMPOは安価であり、かつ均一な酸化セルロースを得ることができるため、とりわけ好ましい。
(In Formula 1, R 1 to R 4 represent the same or different alkyl groups having about 1 to 4 carbon atoms.)
Of the substances represented by Formula 1, 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-oxy radical (hereinafter referred to as TEMPO) is preferable. Further, the N-oxyl compound represented by any one of the following formulas 2 to 5, that is, the hydroxyl group of 4-hydroxy TEMPO was etherified with alcohol or esterified with carboxylic acid or sulfonic acid to impart moderate hydrophobicity. A 4-hydroxy TEMPO derivative or 4-acetamido TEMPO having an appropriate hydrophobicity by acetylating the amino group of 4-amino TEMPO is particularly preferable because it is inexpensive and can provide uniform oxidized cellulose.

Figure 2014040530
Figure 2014040530

Figure 2014040530
Figure 2014040530

Figure 2014040530
Figure 2014040530

Figure 2014040530
Figure 2014040530

(式2〜5中、Rは炭素数4以下の直鎖又は分岐状炭素鎖である。)
さらに、下記式6で表されるN−オキシル化合物、すなわち、アザアダマンタン型ニトロキシラジカルは、短時間で効率よくセルロース系原料を酸化でき、また、セルロース鎖の切断も起こりにくいため、好ましい。
(In formulas 2 to 5, R is a linear or branched carbon chain having 4 or less carbon atoms.)
Furthermore, an N-oxyl compound represented by the following formula 6, that is, an azaadamantane-type nitroxy radical, is preferable because it can efficiently oxidize a cellulose-based raw material in a short time and is less likely to break the cellulose chain.

Figure 2014040530
Figure 2014040530

(式6中、R5及びR6は、同一又は異なる水素又はC1〜C6の直鎖若しくは分岐鎖アルキル基を示す。)
N−オキシル化合物の使用量は、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースをナノファイバー化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースに対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.05〜0.5mmolがさらに好ましい。
(In Formula 6, R 5 and R 6 represent the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 linear or branched alkyl group.)
The amount of the N-oxyl compound to be used is not particularly limited as long as it is a catalyst amount capable of forming nanofibers of cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90%. For example, 0.01 to 10 mmol is preferable, 0.01 to 1 mmol is more preferable, and 0.05 to 0.5 mmol is further added to cellulose having a cellulose crystal II type content of 1 to 90 g of absolutely dry. preferable.

(2)臭化物またはヨウ化物
臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースに対して、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜10mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。
(2) Bromide or iodide Bromide is a compound containing bromine, and examples thereof include alkali metal bromide that can be dissociated and ionized in water. Further, an iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected as long as the oxidation reaction can be promoted. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably from 0.1 to 100 mmol, more preferably from 0.1 to 10 mmol, based on cellulose having a dry crystal content of 1 g of cellulose crystal II of 5 to 90%. 0.5 to 5 mmol is more preferable.

(3)酸化剤
セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースの酸化の際に用いる酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、コストの観点から、現在工業プロセスにおいて最も汎用されている安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムが特に好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースに対して、0.5〜500mmolが好ましく、0.5〜50mmolがより好ましく、1〜25mmolがさらに好ましく、3〜10mmolが最も好ましい。
(3) Oxidizing agent As the oxidizing agent used in the oxidation of cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90%, known ones can be used, for example, halogen, hypohalous acid, halogenous acid, Perhalogen acids or their salts, halogen oxides, peroxides and the like can be used. Among these, from the viewpoint of cost, sodium hypochlorite, which is the most widely used in industrial processes and has a low environmental load, is particularly preferable. The appropriate amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, based on cellulose having a dry crystal content of 1 g of cellulose crystals II of 5 to 90%. 1 to 25 mmol is more preferable, and 3 to 10 mmol is most preferable.

(4)酸化反応条件
本工程は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は15〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってパルプを構成するセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを9〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。
(4) Oxidation reaction conditions This step allows the reaction to proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature may be a room temperature of about 15 to 30 ° C. As the reaction proceeds, a carboxyl group is generated in the cellulose constituting the pulp, so that the pH of the reaction solution is reduced. In order to advance the oxidation reaction efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution at about 9 to 12, preferably about 10 to 11. The reaction medium is preferably water because it is easy to handle and hardly causes side reactions.

酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5〜6時間、好ましくは2〜6時間、さらに好ましくは4〜6時間程度である。しかしながら本発明においては、前述のとおり酸化時間を低減できるので、反応時間は30分以上120分が好ましく、30〜100分がより好ましく、30〜70分がさらに好ましい。   The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the progress of oxidation, and is usually 0.5 to 6 hours, preferably 2 to 6 hours, more preferably about 4 to 6 hours. However, in the present invention, since the oxidation time can be reduced as described above, the reaction time is preferably 30 minutes to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, and even more preferably 30 to 70 minutes.

また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースに効率よくカルボキシル基を導入でき、セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースの酸化を促進することができる。   The oxidation reaction may be performed in two stages. For example, oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first stage reaction is oxidized again under the same or different reaction conditions, so that the cellulose is not subject to reaction inhibition by the salt produced as a by-product in the first stage reaction. Carboxyl groups can be efficiently introduced into cellulose having a crystal II type content of 5 to 90%, and oxidation of cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90% can be promoted.

本工程では、酸化されたセルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースのカルボキシル基量が、パルプの絶乾質量に対して、0.2mmol/g以上となるように条件を設定することが好ましい。この場合のカルボキシル基量は、より好ましくは0.3mmol/g〜3.0mmol/g、さらに好ましくは1.0mmol/g〜2.5mmol/g、特に好ましくは1.5mmol/g〜2.0mmol/gである。カルボキシル基量は、酸化反応時間の調整、酸化反応温度の調整、酸化反応時のpHの調整、N−オキシル化合物や臭化物、ヨウ化物、酸化剤の添加量の調整などを行なうことにより調製できる。   In this step, conditions are set so that the amount of carboxyl group of cellulose having an oxidized cellulose crystal type II content of 5 to 90% is 0.2 mmol / g or more based on the absolute dry mass of the pulp. It is preferable. The amount of carboxyl groups in this case is more preferably 0.3 mmol / g to 3.0 mmol / g, further preferably 1.0 mmol / g to 2.5 mmol / g, particularly preferably 1.5 mmol / g to 2.0 mmol. / G. The amount of the carboxyl group can be adjusted by adjusting the oxidation reaction time, adjusting the oxidation reaction temperature, adjusting the pH during the oxidation reaction, adjusting the addition amount of the N-oxyl compound, bromide, iodide, or oxidizing agent.

次の工程Cでの解繊を効率よく行なうために、工程Bで得た酸化されたセルロース系原料は洗浄されることが好ましい。   In order to efficiently perform defibration in the next step C, the oxidized cellulose-based material obtained in step B is preferably washed.

1−3.工程C
工程Cでは、前記工程Bで得た酸化セルロースを含む分散液を調製し、当該酸化セルロースを解繊してナノファイバー化する。「ナノファイバー化する」とは、酸化セルロースを、幅2〜5nm、長さ0.1〜5μm程度のセルロースのシングルミクロフィブリルであるセルロースナノファイバーへと加工することを意味する。分散液とは前記酸化セルロースが分散媒に分散している液である。取扱い容易性から、分散媒は水であることが好ましい。
1-3. Process C
In Step C, a dispersion containing the oxidized cellulose obtained in Step B is prepared, and the oxidized cellulose is fibrillated to form nanofibers. “To make nanofiber” means to process oxidized cellulose into cellulose nanofiber which is a single microfibril of cellulose having a width of about 2 to 5 nm and a length of about 0.1 to 5 μm. A dispersion is a liquid in which the oxidized cellulose is dispersed in a dispersion medium. From the viewpoint of ease of handling, the dispersion medium is preferably water.

当該酸化セルロースを解繊して前記分散媒中に分散させるには、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの装置を用いて前記分散液に強力なせん断力を印加することが好ましい。特に、セルロースナノファイバーを効率よく得るには、前記分散液に50MPa以上の圧力を印加し、かつ強力なせん断力を印加できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。この処理により、酸化セルロース系原料が解繊してセルロースナノファイバーが形成され、かつセルロースナノファイバーが分散媒中に分散する。   In order to disentangle the oxidized cellulose and disperse it in the dispersion medium, a strong shearing force is applied to the dispersion liquid using a high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, ultrasonic type device or the like. It is preferable to apply. In particular, in order to efficiently obtain cellulose nanofibers, it is preferable to use a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer that can apply a pressure of 50 MPa or more to the dispersion and can apply a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more. By this treatment, the oxidized cellulose-based raw material is defibrated to form cellulose nanofibers, and the cellulose nanofibers are dispersed in the dispersion medium.

前記処理に供する分散液中の酸化セルロース濃度は、0.3%(w/v)以上であるが、好ましくは1〜2%(w/v)、より好ましくは3〜5%(w/v)である。   The concentration of oxidized cellulose in the dispersion subjected to the treatment is 0.3% (w / v) or more, preferably 1 to 2% (w / v), more preferably 3 to 5% (w / v). ).

1−4.低粘度化処理
本発明では、セルロースナノファイバー分散液としたときの粘度を低下させて取扱い性を高めるために、工程Cの前に、工程Bで得た酸化されたセルロース系原料(以下単に「セルロース原料」ともいう)を低粘度化処理することが好ましい。低粘度化処理とは、酸化されたセルロース系原料のセルロース鎖を適度に切断(セルロース鎖を短繊維化)することである。このように処理された原料は分散液としたときの粘度が低くなるので、低粘度化処理とは、低粘度の分散液を与えるセルロース系原料を得る処理ともいえる。低粘度化処理は、セルロース系原料の粘度が低下するような処理であればよく、例えば、酸化されたセルロース系原料に紫外線を照射する処理、酸化されたセルロース系原料を過酸化水素およびオゾンで酸化分解する処理、酸化されたセルロース系原料を酸で加水分解する処理、ならびにこれらの組み合わせなどが挙げられる。
1-4. Low Viscosity Treatment In the present invention, before the step C, the oxidized cellulose-based raw material (hereinafter simply referred to as “ It is preferable to reduce the viscosity of the cellulose raw material). The viscosity reduction treatment is to appropriately cut the cellulose chain of the oxidized cellulose raw material (shorten the cellulose chain). Since the raw material thus treated has a low viscosity when used as a dispersion, the viscosity reduction treatment can be said to be a treatment for obtaining a cellulosic raw material that gives a low-viscosity dispersion. The viscosity-reducing treatment may be any treatment that reduces the viscosity of the cellulosic raw material. For example, the treatment of irradiating the oxidized cellulosic raw material with ultraviolet rays, the oxidized cellulosic raw material with hydrogen peroxide and ozone. Examples thereof include a treatment for oxidative decomposition, a treatment for hydrolyzing an oxidized cellulose-based raw material with an acid, and a combination thereof.

2.セルロースナノファイバー
本発明により製造されるセルロースナノファイバーは、幅2〜5nm、長さ0.1〜5μm程度のセルロースのシングルミクロフィブリルである。本発明により得られたセルロースナノファイバーの分散液は優れた透明度を有する。分散液における分散媒は、好ましくは水である。本発明において、透明度は660nmの光線透過率で評価され、具体的には、紫外・可視分光光度計を用いて、石英セル(光路10mm)に0.1%分散液を入れた試験体を透過する光の量を測定することで求められる。
2. Cellulose nanofiber The cellulose nanofiber produced by the present invention is a single microfibril of cellulose having a width of about 2 to 5 nm and a length of about 0.1 to 5 μm. The dispersion of cellulose nanofibers obtained by the present invention has excellent transparency. The dispersion medium in the dispersion is preferably water. In the present invention, the transparency is evaluated by a light transmittance of 660 nm. Specifically, the transparency is transmitted through a test body in which a 0.1% dispersion liquid is put in a quartz cell (optical path 10 mm) using an ultraviolet / visible spectrophotometer. It is obtained by measuring the amount of light to be performed.

本発明により得られたセルロースナノファイバーのカルボキシル基量は0.3mmol/g以上が好ましい。カルボキシル基量は、セルロースナノファイバーの0.5質量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出することができる。   The amount of carboxyl groups of the cellulose nanofiber obtained by the present invention is preferably 0.3 mmol / g or more. The amount of carboxyl groups was prepared by preparing 60 ml of 0.5% by weight slurry (aqueous dispersion) of cellulose nanofibers, adding 0.1M hydrochloric acid aqueous solution to pH 2.5, and then dropping 0.05N aqueous sodium hydroxide solution dropwise. Then, the electrical conductivity is measured until the pH reaches 11, and the amount of sodium hydroxide consumed in the neutralization step of the weak acid whose change in electrical conductivity is gradual can be calculated using the following equation. it can.

カルボキシル基量〔mmol/gパルプ〕=a〔ml〕×0.05/酸化パルプ質量〔g〕
本発明により得られたセルロースナノファイバーの水分散液は、濃度0.1%(w/v)において、660nmの光線透過率が、好ましくは94%以上、より好ましくは95%以上、さらに好ましくは97%以上、特に好ましくは99%以上である。前記透明度が95%以上であると、一般的なフィルム用途に問題なく使用することができ、透明度が99%以上である場合はディスプレイやタッチパネルのような高い光学特性(透明性)が要求されるフィルム用途等に問題なく使用できる。本発明により得られたセルロースナノファイバーは、繊維表面のカルボキシル基の量が多いため、繊維同士が凝集しにくく分散媒への分散が良好であるので、前記のとおり透明度の高い水分散液を与える。
Carboxyl group amount [mmol / g pulp] = a [ml] × 0.05 / oxidized pulp mass [g]
The aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by the present invention has a light transmittance of 660 nm at a concentration of 0.1% (w / v), preferably 94% or more, more preferably 95% or more, and still more preferably. It is 97% or more, particularly preferably 99% or more. When the transparency is 95% or more, it can be used without problems for general film applications, and when the transparency is 99% or more, high optical properties (transparency) such as a display and a touch panel are required. Can be used without problems for film applications. Since the cellulose nanofibers obtained by the present invention have a large amount of carboxyl groups on the fiber surface, the fibers are less likely to aggregate with each other and the dispersion into the dispersion medium is good. .

以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
工程A:針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)20g(絶乾)を水酸化物イオン濃度が2.5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液に装入し、パルプ濃度が5質量%となるように調整した。当該混合物を室温(25℃)にて2時間撹拌した後、酸で中和し、水洗した。
工程B:アルカリ処理したパルプ5g(絶乾)をTEMPO(Sigma Aldrich社)7.8mgと臭化ナトリウム755mgを溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を5.5mmol/gになるようを添加し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHは低下するが、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素ナトリウムを消費し、系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物をガラスフィルターで濾過してパルプ分離し、パルプを十分に水洗することで酸化されたパルプを得た。この時のパルプ収率は86%であり、酸化反応に要した時間は115分であった。
工程C:前記酸化パルプを1%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なゲル状分散液を得た。
[Example 1]
Step A: 20 g of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from coniferous tree (absolutely dry) is charged into an aqueous sodium hydroxide solution having a hydroxide ion concentration of 2.5 mol / L, and the pulp concentration is 5 mass. Adjusted to be%. The mixture was stirred at room temperature (25 ° C.) for 2 hours, neutralized with an acid, and washed with water.
Step B: 5 g of alkali-treated pulp (absolutely dried) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 7.8 mg of TEMPO (Sigma Aldrich) and 755 mg of sodium bromide were dissolved, and stirred until the pulp was uniformly dispersed. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system to 5.5 mmol / g to initiate the oxidation reaction. During the reaction, the pH in the system was lowered, but a 3M aqueous sodium hydroxide solution was successively added to adjust the pH to 10. The reaction was terminated when sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system no longer changed. The reaction mixture was filtered through a glass filter to separate pulp, and the pulp was sufficiently washed with water to obtain oxidized pulp. The pulp yield at this time was 86%, and the time required for the oxidation reaction was 115 minutes.
Process C: The said oxidized pulp was adjusted to 1% (w / v), and it processed 10 times with the ultrahigh pressure homogenizer (20 degreeC, 140 Mpa), and obtained the transparent gel-like dispersion liquid.

[実施例2]
水酸化ナトリウム水溶液の水酸化物イオン濃度を3.13mol/Lとした以外、実施例1と同様に工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は100分、収率は80%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 2]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydroxide ion concentration of the aqueous sodium hydroxide solution was 3.13 mol / L. The time required for the oxidation reaction was 100 minutes, and the yield was 80%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例3]
水酸化ナトリウム水溶液の水酸化物イオン濃度を3.75mol/Lとした以外、実施例1と同様に工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は150、収率は91%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 3]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydroxide ion concentration of the aqueous sodium hydroxide solution was 3.75 mol / L. The time required for the oxidation reaction was 150, and the yield was 91%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例4]
水酸化ナトリウム水溶液の水酸化物イオン濃度を0.75mol/Lとした以外、実施例1と同様に工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は180分、収率は98%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 4]
Steps A and B were performed in the same manner as in Example 1 except that the hydroxide ion concentration of the aqueous sodium hydroxide solution was 0.75 mol / L. The time required for the oxidation reaction was 180 minutes, and the yield was 98%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例5]
工程BでTEMPO(Sigma Aldrich社)の添加量を78mgにした以外は、実施例1と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は85分、収率は92%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 5]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of TEMPO (Sigma Aldrich) added in step B was 78 mg. The time required for the oxidation reaction was 85 minutes, and the yield was 92%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例6]
工程BでTEMPO(Sigma Aldrich社)の添加量を78mgにした以外は、実施例2と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は30分、収率は86%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 6]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 2 except that the amount of TEMPO (Sigma Aldrich) added in step B was 78 mg. The time required for the oxidation reaction was 30 minutes, and the yield was 86%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例7]
工程BでTEMPO(Sigma Aldrich社)の添加量を78mgにした以外は、実施例3と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は25分、収率は78%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 7]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 3 except that the amount of TEMPO (Sigma Aldrich) added in step B was 78 mg. The time required for the oxidation reaction was 25 minutes, and the yield was 78%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例8]
工程BでTEMPO(Sigma Aldrich社)の添加量を78mgにした以外は、実施例4と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は110分、収率は98%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 8]
Steps A and B were performed in the same manner as in Example 4 except that the amount of TEMPO (Sigma Aldrich) added in step B was 78 mg. The time required for the oxidation reaction was 110 minutes, and the yield was 98%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例9]
セルロース原料を広葉樹クラフトパルプとした以外、実施例1と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は105分、収率は82%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 9]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 1 except that the cellulose raw material was hardwood kraft pulp. The time required for the oxidation reaction was 105 minutes, and the yield was 82%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例10]
セルロース原料を針葉樹サルファイトパルプとした以外、実施例1と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は110分、収率は89%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 10]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 1 except that the cellulose raw material was softwood sulfite pulp. The time required for the oxidation reaction was 110 minutes, and the yield was 89%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例11]
セルロース原料を針葉樹クラフト溶解パルプとした以外、実施例1と同様にして工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は95分、収率は87%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 11]
Steps A and B were carried out in the same manner as in Example 1 except that the cellulose raw material was softwood kraft dissolving pulp. The time required for the oxidation reaction was 95 minutes, and the yield was 87%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例12]
セルロース原料をバッカイ社製の針葉樹クラフト溶解パルプ(セルロース結晶II型の含有率:54%)とした以外、実施例1と同様にして工程Bを実施した。酸化反応に要した時間は105分、収率は80%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 12]
Step B was carried out in the same manner as in Example 1 except that the cellulose raw material was softwood kraft dissolving pulp manufactured by Bakay (content of cellulose crystal II type: 54%). The time required for the oxidation reaction was 105 minutes, and the yield was 80%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[実施例13]
セルロース原料をレオニア社製の針葉樹クラフト溶解パルプ(セルロース結晶II型の含有率:78%)とした以外、実施例1と同様にして工程Bを実施した。酸化反応に要した時間は75分、収率は73%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。
[Example 13]
Step B was carried out in the same manner as in Example 1 except that the cellulose raw material was softwood kraft dissolving pulp manufactured by Leonia (content ratio of cellulose crystal II type: 78%). The time required for the oxidation reaction was 75 minutes, and the yield was 73%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got.

[比較例1]
工程Aのアルカリ処理を行わなかった以外、実施例1と同様にして工程Bを実施した。酸化反応が300分を超えても反応が終了しなかったため、反応を止めた。
[Comparative Example 1]
Step B was performed in the same manner as in Example 1 except that the alkali treatment in Step A was not performed. Since the reaction was not completed even when the oxidation reaction exceeded 300 minutes, the reaction was stopped.

[比較例2]
水酸化ナトリウム水溶液の水酸化物イオン濃度を5.00mol/Lとした以外、実施例1と同様に工程AおよびBを実施した。酸化反応に要した時間は70分であった。この酸化パルプを水洗すると膨潤し、回収が出来なくなった。
[Comparative Example 2]
Steps A and B were performed in the same manner as in Example 1 except that the hydroxide ion concentration of the aqueous sodium hydroxide solution was 5.00 mol / L. The time required for the oxidation reaction was 70 minutes. When this oxidized pulp was washed with water, it swelled and could not be recovered.

[参考例1]
工程Aのアルカリ処理を行わなかった以外、実施例5と同様にして工程Bを実施した。酸化反応時間は130分、収率は93%であった。得られた酸化パルプを1%(w/v)の水分散液に調製し、当該水分散液を超高圧ホモジナイザー(20℃、140Mpa)で10回処理して、透明なセルロースナノファイバー水分散液を得た。なお、得られたセルロースナノファイバーのカルボキシル基量は1.55mmol/gであった。
[Reference Example 1]
Step B was performed in the same manner as in Example 5 except that the alkali treatment in Step A was not performed. The oxidation reaction time was 130 minutes, and the yield was 93%. The obtained oxidized pulp was prepared into a 1% (w / v) aqueous dispersion, and the aqueous dispersion was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 140 MPa) to obtain a transparent cellulose nanofiber aqueous dispersion. Got. In addition, the carboxyl group amount of the obtained cellulose nanofiber was 1.55 mmol / g.

以上の実施例、比較例、参考例から、同一な酸化条件で反応させた場合、セルロース結晶II型を含むパルプは反応性が高いため、短い時間で酸化反応を終えることが出来る。また、結晶II型の含有率が高すぎると繊維が短くなり、回収不能となる。

Figure 2014040530
From the above examples, comparative examples, and reference examples, when the reaction is carried out under the same oxidation conditions, the pulp containing cellulose crystal type II has high reactivity, so that the oxidation reaction can be completed in a short time. On the other hand, if the content of crystal type II is too high, the fibers become short and cannot be recovered.

Figure 2014040530

Claims (2)

セルロース結晶II型含有率が5〜90%であるセルロースを準備する工程(A)、
該パルプを(1)N−オキシル化合物、及び、(2)臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化して酸化セルロースを調製する工程(B)を含む酸化セルロースの製造方法。
A step of preparing cellulose having a cellulose crystal II type content of 5 to 90% (A),
Oxidized cellulose is prepared by oxidizing the pulp in water in the presence of (1) N-oxyl compound and (2) a compound selected from the group consisting of bromide, iodide or a mixture thereof. The manufacturing method of the oxidized cellulose including the process (B) to do.
前記酸化セルロースを解繊・分散処理してセルロースナノファイバーを製造する工程(C)を含むセルロースナノファイバーの製造方法。   A method for producing cellulose nanofibers, comprising a step (C) of producing cellulose nanofibers by defibrating and dispersing the oxidized cellulose.
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