JP2014167047A - ナノ結晶セルロースの製造方法及びナノ結晶セルロースの製造装置 - Google Patents
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Abstract
少量の固体酸触媒で多量のナノ結晶セルロースを製造する方法及びナノ結晶セルロースの製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
微小セルロース懸濁液を加熱する加熱工程と、固体酸触媒を充填したカラムに加熱した微小セルロース懸濁液を通過させて微小セルロースの非晶質部分を加水分解する加水分解工程と、で処理するナノ結晶セルロースの製造方法であって、加水分解工程は、カラムを通過した微小セルロース懸濁液を再びカラムに送り込んで循環させながら加水分解を行うことを特徴とするナノ結晶セルロースの製造方法、及びナノ結晶セルロースの製造装置により、解決する。
【選択図】図1
Description
1.メルク社製の微結晶セルロース粉末(繊維長20〜160μm、重合度200)に純水を加えて固形分が2重量%となるように濃度調製した懸濁液を作製する。
2.上記1で作製した懸濁液を増幸産業株式会社製の石臼型摩砕機(スーパーマスコロイダー(登録商標):MKCA6-2)に10回通してスラリー状の懸濁体を調製する。石臼型摩砕機のディスク番手は#120、ディスク回転数は1500rpmである。
3.上記2で得たスラリー状の懸濁体を日本電子株式会社製電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM:JSM-7500FA)で観察したところ、繊維幅が50〜500nm、繊維長が8〜60μmであることが確認された。繊維幅及び繊維長は、倍率の異なるSEM写真を3枚選び、その中からランダムに50箇所の繊維径をそれぞれ測定し、その平均値から算出した。
1.上記調製例1で得たスラリー状の懸濁体を、その濃度が1重量%となるように純水を加えて懸濁液を作製する。
2.上記1で濃度調製した懸濁液を増幸産業株式会社製のせん断力を利用した超微粒化装置(マスコマイザーX:品番MMX-L200-10D)で処理した。処理条件は150MPa、処理回数は10回である。
3.上記2で得たスラリー状の懸濁体を日本電子株式会社製電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM:JSM-7500FA)で観察したところ、繊維幅が10〜200nm、繊維長が8〜60μmであることが確認された。
内径20mmのクロマトグラフィー用カラムの底部にプラスチック製スクリーンメッシュ2(24メッシュ)を敷き、その上へ固体酸触媒を入れる。加熱部の容器には原料となる微小セルロース懸濁液を入れる。加熱部は、パイレックス(登録商標)製の容器に撹拌子を入れ、容器を5〜180℃の範囲で温度調節可能なオイルバス(アズワン社製ECオイルバス)に固定して構成した。このオイルバスをカラムの下にセットし、送液ポンプの吸引側と加熱部容器とをシリコンチューブで接続した。そして送液ポンプの吐出側とカラムの上端とをシリコンチューブで接続して、懸濁液を循環させながら加水分解を行うことができる試験装置を組み上げた。試験装置のカラムの数は1本である。
上記の試験装置の容器に、固形分が0.5重量%となるように濃度調製した上記調製例2の懸濁液を500ml入れて、液温が25℃になるまで加熱してから、送液量を300ml/minで送液ポンプを作動させ、懸濁液を4時間に亘ってカラムに循環させて反応を行った。反応終了後、懸濁液を遠心分離(190G)し、上澄みを回収した。沈殿物に純水を加えて均一に分散させた後、再度遠心分離を行って上澄み液を回収した。この工程を数回繰り返して回収した上澄みを合わせた。回収物を105℃で熱風乾燥し、乾燥物の重量から収率を算出した。得られたナノ結晶セルロースの形態観察は電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)によって行い、繊維径の算出は上述のように倍率の異なるSEM写真を3枚選び、その中からランダムに50箇所の繊維径を測定して、その平均値を求めた。ナノ結晶セルロースの収率及び繊維長を表1に示す。固体酸触媒としては、シグマ アルドリッチ社のNafion(登録商標)NR-50(粒径3〜5mm)を用い、カラムに130g(充填層高さ約350mm)を充填した。ナノ結晶セルロースの収率、繊維長及び繊維幅等を表1に示す。
液温が50℃になるまで加熱したほかは、実施例1と同様の条件となるようにして懸濁液を4時間に亘ってカラムに循環させて反応を行った。ナノ結晶セルロースの収率、繊維幅及び繊維長等を表1に示す。
液温が80℃になるまで加熱したほかは、実施例1と同様の条件となるようにして懸濁液を4時間に亘ってカラムに循環させて反応を行った。ナノ結晶セルロースの収率及び繊維長を表1に示す。
固形分を1.0重量%に濃度調製した上記調製例1の懸濁液100mlとシグマ アルドリッチ社のNafion(登録商標)NR50(粒径3〜4mm)5gとをセパラブルフラスコに入れて、70℃のオイルバスに浸けて4時間に亘って加熱撹拌した。加熱撹拌終了後の懸濁液を24メッシュのスクリーンに通して触媒を除去し、その後1200Gで遠心分離して上澄みを回収した。沈殿物に適量純水を加えて十分に分散させた後に再度遠心分離を行い上澄みを回収した。この作業を全10回繰り返し、回収した上澄みを合わせて実施例1と同様に熱風乾燥した。得られたナノ結晶セルロースの繊維幅、繊維長及び収率を表1に示す。繊維幅、繊維長及び収率の測定方法は実施例と同様である。
内径20mmのクロマトグラフィー用カラムの底部にプラスチック製のスクリーンメッシュ(24メッシュ)を敷き、そこに固体酸触媒としてのシグマ−アルドリッチ社のNafion(登録商標)NR-50(粒径3〜5mm)をカラムに100g充填した(充填層高さ約230mm)。そしてカラムの吐出口にメスシリンダーを設置し、カラムへ固形分が0.5重量%となるように濃度調製した上記調製例2の懸濁液を流し込んで、メスシリンダー中に50mlの懸濁液が溜まるまでの時間を測定した。結果を表2に示す。液温は25℃で行った。
固体酸触媒として、MP Biomedicals社のAmberlyst(登録商標)15(粒径0.8〜1.2mm)を200g、充填層高さ約200mmとなるようにした点以外は実施例4と同様にして、メスシリンダー中に50mlの懸濁液が溜まるまでの時間を測定した。結果を表2に示す。
固体酸触媒として、The DOW Chemical Company社のDOWEX(登録商標) 50Wx8(粒径150〜300μm)を200g、充填層高さ約150mmとなるようにした点以外は実施例4と同様にして、メスシリンダー中に50mlの懸濁液が溜まるまでの時間を測定した。結果を表2に示す。表2の結果から、固体酸触媒の粒径は0.8〜5mmとすることが好ましい。
内径20mmのクロマトグラフィー用カラムの底部にプラスチック製スクリーンメッシュ(24メッシュ)を敷き、その上へ固体酸触媒Nafion(登録商標) NR-50(粒径3〜5mm)を100g入れ(充填層高さ約23cm)、カラム出口にメスシリンダーを設置した。このカラム中へ0.1〜1.5重量%となるように濃度調製した微小セルロース懸濁液を流しこんで、メスシリンダー中に50ml溜まるまでの時間を測定した。また各濃度における微小セルロース分散液の粘度を測定した。粘度測定条件は、コーンプレート型Blookfield DV-III Ultra、スピンドル:CPE-52、25℃である。結果を表3に示す。表3の結果から微小セルロース懸濁液の濃度は0.1〜1.0重量%が好ましい。
固体酸触媒と上記調製例1の懸濁液を混合して回分的に反応を行った場合の固体酸触媒の回収率を調べた。250mlのプラスチック容器に固形分濃度が1.0重量%の懸濁液100mlと、表2の固体酸触媒5gを入れて、当該プラスチック容器を50℃のオイルバスに浸けて激しく撹拌した。そして撹拌終了後の懸濁液をスクリーン(100メッシュ)に通した後、メッシュ上に残った固体酸触媒の量から固体酸触媒の回収率を求めた。
2 カラム
21 固体酸触媒
3 送液ポンプ
31 流路
32 流路
33 仕切弁
34 流路切換弁
4 加熱部
41 微小セルロース懸濁液
42 加熱ジャケット
5 超音波照射部
Claims (9)
- 微小セルロース懸濁液を加熱する加熱工程と、
固体酸触媒を充填したカラムに加熱した微小セルロース懸濁液を通過させて微小セルロースの非晶質部分を加水分解する加水分解工程と、で処理するナノ結晶セルロースの製造方法であって、
加水分解工程は、カラムを通過した微小セルロース懸濁液を再びカラムに送り込んで循環させながら加水分解を行うことを特徴とするナノ結晶セルロースの製造方法。 - 微小セルロースは、繊維長が1〜200μm、かつ繊維幅が1〜1000nmのセルロース繊維である請求項1に記載のナノ結晶セルロースの製造方法。
- カラムに通す前の微小セルロース懸濁液に超音波を照射する超音波照射工程でさらに処理する請求項1に記載のナノ結晶セルロースの製造方法。
- 加熱工程は、微小セルロース懸濁液を50〜80℃に加熱する工程である請求項1に記載のナノ結晶セルロースの製造方法。
- 固体酸触媒の粒径は0.8〜5mmである請求項1に記載のナノ結晶セルロースの製造方法。
- 微小セルロース懸濁液の濃度は0.1〜1.0重量%である請求項1に記載のナノ結晶セルロースの製造方法。
- 固体酸触媒を充填したカラムと、該カラムに微小セルロース懸濁液を送り込み前記カラムを通過させ当該カラムを通過した微小セルロース懸濁液を再び前記カラム送り込む送液ポンプと、循環する微小セルロース懸濁液を加熱する加熱部と、からなることを特徴とするナノ結晶セルロースの製造装置。
- 超音波照射部をさらに備える請求項7に記載のナノ結晶セルロースの製造装置。
- 固体酸触媒を充填したカラムを複数本備え、該カラムの上流の流路切換弁を備える請求項7又は8に記載のナノ結晶セルロースの製造装置。
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