JP2015140296A - Sheet-like graphene oxide and method for producing the same, and electrolyte film - Google Patents

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周 島本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide sheet-like graphene oxide useful for obtaining an electrolyte film which can perform fuel cell power generation at a high current density.SOLUTION: A sheet-like graphene oxide has a proton conductivity (S/cm) in a normal direction whose logarithm is -3.0 or more at a relative humidity of 95% at 25°C. The logarithm of the proton conductivity (S/cm) in the normal direction is preferably -2.5 or more at a relative humidity of 95% at 25°C. The sheet-like graphene oxide can be produced by removing a dispersion medium and a water-soluble polymer from a graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer. Preferable as the water-soluble polymer is cellulose acetate having a degree of acetyl substitution of 0.5 to 1.1.

Description

本発明は、シート状酸化グラフェンとその製造方法、及び電解質膜、並びに該電解質膜を備えた燃料電池に関する。   The present invention relates to a sheet-like graphene oxide, a method for producing the same, an electrolyte membrane, and a fuel cell including the electrolyte membrane.

燃料電池は水素と酸素をエネルギー源としたクリーンな次世代エネルギーとして注目されている。そのうち車載動力源として用いられる固体高分子型燃料電池は、一般に、プラス電極(空気極)とマイナス電極(燃料極)が電解質膜を挟んだ構造を有する単セルを、セパレータを介して多数積み重ねたセルスタックを本体としている。   Fuel cells are attracting attention as clean next-generation energy sources using hydrogen and oxygen as energy sources. Among them, a polymer electrolyte fuel cell used as an in-vehicle power source generally has a large number of unit cells, each having a structure in which a positive electrode (air electrode) and a negative electrode (fuel electrode) sandwich an electrolyte membrane, with separators interposed therebetween. The cell stack is the main body.

従来、前記電解質膜としてフッ素系イオン交換膜であるナフィオンが用いられている。しかしながら、ナフィオンは酸素透過性が5×10-5cm3/(s・cm2)と高いので、酸素の透過を防ぐため膜厚を100μm以上とする必要があった。そのため、材料コストが高くなるだけでなく、膜抵抗が高くなり発電効率が低いという問題があった。 Conventionally, Nafion which is a fluorine-based ion exchange membrane is used as the electrolyte membrane. However, since Nafion has a high oxygen permeability of 5 × 10 −5 cm 3 / (s · cm 2 ), the film thickness has to be 100 μm or more in order to prevent the permeation of oxygen. Therefore, there is a problem that not only the material cost becomes high, but also the membrane resistance becomes high and the power generation efficiency is low.

最近、代替技術として、酸化グラフェン・ペーパーを電解質膜に用いることが提案されている(非特許文献1参照)。酸化グラフェンは、材料として比較的安価であり、しかも酸素透過性が低いので、膜厚を薄くできるという利点を有する。しかしながら、従来の酸化グラフェン・ペーパーは、膜抵抗が必ずしも十分に低いとは言えず、高い発電効率が得られない。   Recently, as an alternative technique, it has been proposed to use graphene oxide paper as an electrolyte membrane (see Non-Patent Document 1). Graphene oxide has the advantage that the film thickness can be reduced because it is relatively inexpensive as a material and has low oxygen permeability. However, the conventional graphene oxide paper cannot be said to have a sufficiently low film resistance, and high power generation efficiency cannot be obtained.

Jounal of The Electrochemical Society, 160(11)、F1175−F1178(2013)Journal of The Electrochemical Society, 160 (11), F1175-F1178 (2013)

本発明の目的は、高い電流密度で燃料電池発電を行いうる電解質膜を得る上で有用なシート状酸化グラフェンと、その工業的に効率のよい製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記シート状酸化グラフェンにより構成される電解質膜、及び該電解質膜を備えた燃料電池を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a sheet-like graphene oxide useful for obtaining an electrolyte membrane capable of performing fuel cell power generation at a high current density, and an industrially efficient production method thereof.
Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane composed of the above sheet-like graphene oxide and a fuel cell provided with the electrolyte membrane.

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、酸化グラフェン・ペーパーの調製に際して、分散剤として水溶性高分子を用いると、酸化グラフェン分散液における酸化グラフェンの分散性が向上するためか、該分散液を濾過、洗浄して得られる酸化グラフェン・ペーパーの厚み方向(法線方向)のプロトン導電率が著しく向上すること、このような酸化グラフェン・ペーパーによれば、膜抵抗が大幅に改善され、高い電流密度で燃料電池発電を行いうることを見出した。本発明は、これらの知見に基づき、さらに検討を重ねて完成したものである。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that when a water-soluble polymer is used as a dispersant in preparing graphene oxide paper, the dispersibility of graphene oxide in the graphene oxide dispersion is improved. In addition, the proton conductivity in the thickness direction (normal direction) of the graphene oxide paper obtained by filtering and washing the dispersion is remarkably improved. According to such graphene oxide paper, the membrane resistance is greatly increased. It has been found that fuel cell power generation can be performed at a high current density. The present invention has been completed through further studies based on these findings.

すなわち、本発明は、相対湿度95%、25℃における法線方向のプロトン導電率(S/cm)の対数が−3.0以上であることを特徴とするシート状酸化グラフェンを提供する。   That is, the present invention provides a sheet-like graphene oxide having a logarithm of proton conductivity (S / cm) in the normal direction at a relative humidity of 95% and 25 ° C. of −3.0 or more.

また、本発明は、相対湿度95%、25℃における法線方向のプロトン導電率(S/cm)の対数が−2.5以上である前記シート状酸化グラフェンを提供する。   The present invention also provides the sheet-like graphene oxide having a logarithm of proton conductivity (S / cm) in the normal direction at 25% relative humidity of 95% and −2.5 or more.

本発明は、また、前記シート状酸化グラフェンにより構成される電解質膜を提供する。   The present invention also provides an electrolyte membrane composed of the sheet-like graphene oxide.

本発明は、さらに、前記電解質膜を備えた燃料電池を提供する。   The present invention further provides a fuel cell comprising the electrolyte membrane.

本発明は、さらにまた、前記シート状酸化グラフェンを製造する方法であって、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液から分散媒及び水溶性高分子を除去してシート状酸化グラフェンを得ることを特徴とするシート状酸化グラフェンの製造方法を提供する。   The present invention is also a method for producing the sheet-like graphene oxide, wherein the dispersion medium and the water-soluble polymer are removed from the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer to obtain the sheet-like graphene oxide. A method for producing a sheet-like graphene oxide is provided.

また、本発明は、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液を濾過、洗浄することにより分散媒及び水溶性高分子を除去する前記シート状酸化グラフェンの製造方法を提供する。   The present invention also provides a method for producing the sheet-like graphene oxide, wherein the dispersion medium and the water-soluble polymer are removed by filtering and washing the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer.

また、本発明は、水溶性高分子がアセチル総置換度0.5〜1.1の酢酸セルロースである前記シート状酸化グラフェンの製造方法を提供する。   Moreover, this invention provides the manufacturing method of the said sheet-like graphene oxide whose water-soluble polymer is a cellulose acetate of acetyl total substitution degree 0.5-1.1.

本発明のシート状酸化グラフェンによれば、相対湿度95%、25℃における法線方向のプロトン導電率が非常に高いので、膜抵抗が小さく、高い電流密度で燃料電池発電を行いうる。
本発明のシート状酸化グラフェンの製造方法によれば、上記のような優れた特性を有するシート状酸化グラフェンを工業的に効率よく製造できる。
According to the sheet-like graphene oxide of the present invention, the proton conductivity in the normal direction at a relative humidity of 95% and 25 ° C. is very high, so that the membrane resistance is small and fuel cell power generation can be performed at a high current density.
According to the method for producing a sheet-like graphene oxide of the present invention, the sheet-like graphene oxide having the excellent characteristics as described above can be produced industrially efficiently.

図1は、シート状酸化グラフェンの法線方向のプロトン導電率の測定方法の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a method for measuring proton conductivity in the normal direction of sheet-like graphene oxide. 図2は、シート状酸化グラフェンの酸素透過性の測定方法の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a method for measuring oxygen permeability of sheet-like graphene oxide.

[シート状酸化グラフェン]
本発明のシート状酸化グラフェン(以下、「酸化グラフェン・ペーパー」と称する場合がある)は、相対湿度95%、25℃における法線方向(厚さ方向)のプロトン導電率(S/cm)の対数が−3.0以上であることを特徴とする。なお、前記対数は常用対数を意味する。このようなシート状酸化グラフェン(酸化グラフェン・ペーパー)の想定膜厚における膜抵抗は、従来の酸化グラフェン・ペーパーやナフィオンよりも低く、高い電流密度で燃料電池発電を行いうる。
[Sheet graphene oxide]
The sheet-like graphene oxide of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “graphene oxide paper”) has a proton conductivity (S / cm) in the normal direction (thickness direction) at a relative humidity of 95% and 25 ° C. A logarithm is −3.0 or more. The logarithm means a common logarithm. The film resistance of such a sheet-like graphene oxide (graphene oxide paper) at an assumed film thickness is lower than that of conventional graphene oxide paper and Nafion, and fuel cell power generation can be performed at a high current density.

前記相対湿度95%、25℃における法線方向(厚さ方向)のプロトン導電率(S/cm)の対数は、好ましくは−2.8以上、より好ましくは−2.5以上である。前記プロトン導電率(S/cm)の対数は大きいほどよいが、その上限は、例えば−1.0程度である。   The logarithm of proton conductivity (S / cm) in the normal direction (thickness direction) at a relative humidity of 95% and 25 ° C. is preferably −2.8 or more, more preferably −2.5 or more. The larger the logarithm of the proton conductivity (S / cm) is, the better, but the upper limit is, for example, about -1.0.

本発明のシート状酸化グラフェンは単層であっても、多層であってもよい。   The sheet-like graphene oxide of the present invention may be a single layer or a multilayer.

[シート状酸化グラフェンの製造]
上記本発明のシート状酸化グラフェンは、例えば、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液から分散媒及び水溶性高分子を除去することにより得ることができる。分散媒及び水溶性高分子の除去方法は特に限定されないが、例えば、前記水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液を濾過、洗浄することにより分散媒及び水溶性高分子を効率よく除去することができる。
[Production of sheet-like graphene oxide]
The sheet-like graphene oxide of the present invention can be obtained, for example, by removing the dispersion medium and the water-soluble polymer from the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer. The method for removing the dispersion medium and the water-soluble polymer is not particularly limited. For example, the dispersion medium and the water-soluble polymer can be efficiently removed by filtering and washing the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer. it can.

水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液は、水溶性高分子と酸化グラフェンと分散媒とを含んでおり、酸化グラフェンが分散媒中に分散している。分散媒としては、水;メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリセリン、2−メトキシエタノール、アセトン、2−ピロリドン、1−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、スルホラン等の水溶性有機溶剤;水と前記水溶性有機溶剤との混合液などが挙げられる。分散媒は1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、分散媒としては、水、又は水と水溶性有機溶剤との混合液(これらを、「水性溶媒」と称することがある)が好ましい。前記水性溶媒中の水の含有量は、例えば、50重量%以上、好ましくは70重量%以上、より好ましくは90重量%以上であり、水100重量%であってもよい。   The graphene oxide dispersion containing a water-soluble polymer contains a water-soluble polymer, graphene oxide, and a dispersion medium, and the graphene oxide is dispersed in the dispersion medium. As a dispersion medium, water; water-soluble such as methanol, ethanol, ethylene glycol, glycerin, 2-methoxyethanol, acetone, 2-pyrrolidone, 1-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, sulfolane An organic solvent; a mixed solution of water and the water-soluble organic solvent, or the like. A dispersion medium may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Especially, as a dispersion medium, water or the liquid mixture of water and a water-soluble organic solvent (these may be called "aqueous solvent") is preferable. The content of water in the aqueous solvent is, for example, 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, more preferably 90% by weight or more, and may be 100% by weight of water.

酸化グラフェンとしては、特に限定されず、従来公知の方法により分散液として製造できる。例えば、グラファイトを濃硫酸及び硝酸ナトリウムと混合し、この混合物に過マンガン酸カリウムを加えて酸化した後、過酸化水素でクエンチし、蒸留水で洗浄することにより酸化グラファイトが得られる。この酸化グラファイトを前記分散媒に分散させ超音波を照射することで、酸化グラファイトが層方向に剥離され、酸化グラフェンの分散液が得られる。これを遠心分離し、上澄み液を回収して酸化グラフェンの分散液としてもよい。   The graphene oxide is not particularly limited and can be produced as a dispersion by a conventionally known method. For example, graphite is mixed with concentrated sulfuric acid and sodium nitrate, and the mixture is oxidized by adding potassium permanganate, then quenched with hydrogen peroxide and washed with distilled water to obtain graphite oxide. By dispersing the graphite oxide in the dispersion medium and irradiating ultrasonic waves, the graphite oxide is peeled off in the layer direction, and a dispersion of graphene oxide is obtained. This may be centrifuged, and the supernatant liquid may be recovered to form a graphene oxide dispersion.

そして、上記で得られた酸化グラフェンの分散液に水溶性高分子を添加し、混合することで、前記水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液を得ることができる。水溶性高分子については後述する。   A graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer can be obtained by adding and mixing a water-soluble polymer to the graphene oxide dispersion obtained above. The water-soluble polymer will be described later.

水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液における酸化グラフェンの濃度は、例えば、0.01〜5重量%、好ましくは0.05〜2重量%である。酸化グラフェンの濃度を上記の範囲とすることにより、酸化グラフェンの分散性及び分散安定性をより向上させることができる。   The concentration of graphene oxide in the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer is, for example, 0.01 to 5% by weight, preferably 0.05 to 2% by weight. By setting the concentration of graphene oxide within the above range, the dispersibility and dispersion stability of graphene oxide can be further improved.

水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液における水溶性高分子の濃度は、例えば、0.005〜5重量%、好ましくは0.01〜2重量%である。また、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液における水溶性高分子の量は、例えば、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液中の酸化グラフェン100重量部に対して、1〜500重量部、好ましくは5〜300重量部、より好ましくは20〜200重量部である。水溶性高分子の濃度又は量を上記の範囲とすることにより、酸化グラフェンの分散性及び分散安定性をより向上させることができる。   The concentration of the water-soluble polymer in the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer is, for example, 0.005 to 5% by weight, preferably 0.01 to 2% by weight. The amount of the water-soluble polymer in the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer is, for example, 1 to 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of graphene oxide in the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer. Preferably it is 5-300 weight part, More preferably, it is 20-200 weight part. By setting the concentration or amount of the water-soluble polymer within the above range, the dispersibility and dispersion stability of graphene oxide can be further improved.

水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液の濾過は、一般的な濾過法を用いることができる。濾過の種類としては、自然濾過、減圧濾過、加圧濾過、遠心濾過のいずれであってもよい。濾材としては、例えば、濾紙、メンブレン・フィルター等のいずれであってもよいが、メンブレン・フィルターが好ましい。メンブレン・フィルターの孔径は、例えば、0.025−0.4μm程度である。   A general filtration method can be used for filtration of the graphene oxide dispersion containing a water-soluble polymer. The type of filtration may be any of natural filtration, vacuum filtration, pressure filtration, and centrifugal filtration. The filter medium may be, for example, a filter paper or a membrane filter, but a membrane filter is preferable. The pore size of the membrane filter is, for example, about 0.025 to 0.4 μm.

濾過後の洗浄は、例えば、前記分散剤として例示した溶媒(水、水溶性有機溶剤、水と水溶性有機溶剤の混合液)を用いることができる。この洗浄操作により、シート状酸化グラフェンに付着している水溶性高分子を除去することができる。洗浄後、乾燥させることで、シート状酸化グラフェン(酸化グラフェン・ペーパー)を得ることができる。   For the washing after filtration, for example, the solvent exemplified as the dispersant (water, water-soluble organic solvent, mixed solution of water and water-soluble organic solvent) can be used. By this washing operation, the water-soluble polymer attached to the sheet-like graphene oxide can be removed. Sheet-like graphene oxide (graphene oxide paper) can be obtained by drying after washing.

シート状酸化グラフェン(酸化グラフェン・ペーパー)の厚さ(膜厚)は、例えば、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液中の酸化グラフェン濃度、濾材に供給する水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液の量などにより調整できる。   The thickness (film thickness) of the sheet-like graphene oxide (graphene oxide paper) is, for example, the graphene oxide concentration in the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer, the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer supplied to the filter medium It can be adjusted according to the amount of liquid.

[水溶性高分子]
本発明における水溶性高分子としては、水に可溶な高分子化合物であれば特に限定されないが、例えば、水溶性酢酸セルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等の水溶性セルロース系ポリマーなどの水溶性半合成ポリマー;デンプン、マンナン、ペクチン、アルギン酸、デキストラン、プルラン、にかわ、ゼラチン等の水溶性天然ポリマー;ポリアルキレングリコールやポリアルキレンオキサイド(ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレンオキサイド等)、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン等の水溶性合成ポリマーなどが挙げられる。
[Water-soluble polymer]
The water-soluble polymer in the present invention is not particularly limited as long as it is a polymer compound that is soluble in water. For example, a water-soluble polymer such as a water-soluble cellulose polymer such as water-soluble cellulose acetate, carboxymethyl cellulose, and hydroxyethyl cellulose. Synthetic polymers; water-soluble natural polymers such as starch, mannan, pectin, alginic acid, dextran, pullulan, glue, gelatin, etc .; polyalkylene glycols and polyalkylene oxides (polyethylene glycol, polyethylene oxide, polypropylene glycol, polypropylene oxide, etc.), polyacrylic acid Examples thereof include water-soluble synthetic polymers such as sodium, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, and polyvinylpyrrolidone.

これらのなかでも、酸化グラフェンの分散性及び分散安定性の観点から、水溶性酢酸セルロース等の水溶性セルロース系ポリマーが好ましく、特に水溶性酢酸セルロースが好ましい。以下、水溶性酢酸セルロースについて説明する。   Among these, from the viewpoint of the dispersibility and dispersion stability of graphene oxide, water-soluble cellulose-based polymers such as water-soluble cellulose acetate are preferable, and water-soluble cellulose acetate is particularly preferable. Hereinafter, the water-soluble cellulose acetate will be described.

[水溶性酢酸セルロース]
(アセチル総置換度)
本明細書において、水溶性酢酸セルロースのアセチル総置換度は0.5〜1.1である。アセチル総置換度がこの範囲であると水に対する溶解性に優れ、この範囲を外れると水に対する溶解性が低下する傾向となる。前記アセチル総置換度の好ましい範囲は0.55〜1.0であり、さらに好ましい範囲は0.6〜0.95である。アセチル総置換度は、酢酸セルロースを水に溶解し、酢酸セルロースの置換度を求める公知の滴定法により測定できる。また、該アセチル総置換度は、酢酸セルロースの水酸基をプロピオニル化した上で(後述の方法参照)、重クロロホルムに溶解し、NMRにより測定することもできる。
[Water-soluble cellulose acetate]
(Total degree of acetyl substitution)
In the present specification, the water-soluble cellulose acetate has a total acetyl substitution degree of 0.5 to 1.1. When the total degree of acetyl substitution is within this range, the solubility in water is excellent, and when it is outside this range, the solubility in water tends to decrease. A preferred range of the total degree of acetyl substitution is 0.55 to 1.0, and a more preferred range is 0.6 to 0.95. The total degree of acetyl substitution can be measured by a known titration method in which cellulose acetate is dissolved in water and the degree of substitution of cellulose acetate is determined. The total degree of acetyl substitution can also be measured by NMR after propionylating the hydroxyl group of cellulose acetate (see the method described later), dissolving in deuterated chloroform.

アセチル総置換度は、ASTM:D−817−91(セルロースアセテートなどの試験方法)における酢化度の測定法に準じて求めた酢化度を次式で換算することにより求められる。これは、最も一般的なセルロースアセテートの置換度の求め方である。
DS=162.14×AV×0.01/(60.052−42.037×AV×0.01)
DS:アセチル総置換度
AV:酢化度(%)
まず、乾燥した酢酸セルロース(試料)500mgを精秤し、超純水とアセトンとの混合溶媒(容量比4:1)50mlに溶解した後、0.2N−水酸化ナトリウム水溶液50mlを添加し、25℃で2時間ケン化する。次に、0.2N−塩酸50mlを添加し、フェノールフタレインを指示薬として、0.2N−水酸化ナトリウム水溶液(0.2N−水酸化ナトリウム規定液)で、脱離した酢酸量を滴定する。また、同様の方法によりブランク試験(試料を用いない試験)を行う。そして、下記式にしたがってAV(酢化度)(%)を算出する。
AV(%)=(A−B)×F×1.201/試料重量(g)
A:0.2N−水酸化ナトリウム規定液の滴定量(ml)
B:ブランクテストにおける0.2N−水酸化ナトリウム規定液の滴定量(ml)
F:0.2N−水酸化ナトリウム規定液のファクター
The total degree of acetyl substitution is obtained by converting the degree of acetylation determined according to the method for measuring the degree of acetylation in ASTM: D-817-91 (test method for cellulose acetate, etc.) by the following formula. This is the most common method for determining the degree of substitution of cellulose acetate.
DS = 162.14 × AV × 0.01 / (60.052-42.037 × AV × 0.01)
DS: Degree of total acetyl substitution AV: Degree of acetylation (%)
First, 500 mg of dried cellulose acetate (sample) was accurately weighed and dissolved in 50 ml of a mixed solvent of ultrapure water and acetone (volume ratio 4: 1), then 50 ml of 0.2N sodium hydroxide aqueous solution was added, Saponify for 2 hours at 25 ° C. Next, 50 ml of 0.2N hydrochloric acid is added, and the amount of acetic acid released is titrated with a 0.2N sodium hydroxide aqueous solution (0.2N sodium hydroxide normal solution) using phenolphthalein as an indicator. In addition, a blank test (a test without using a sample) is performed by the same method. Then, AV (degree of acetylation) (%) is calculated according to the following formula.
AV (%) = (A−B) × F × 1.201 / sample weight (g)
A: Titration amount of 0.2N sodium hydroxide normal solution (ml)
B: Titration of 0.2N sodium hydroxide normal solution in blank test (ml)
F: Factor of 0.2N sodium hydroxide normal solution

(組成分布指数(CDI))
本発明において、前記酢酸セルロースの組成分布(分子間置換度分布)は特に限定されず、組成分布指数(CDI)は、例えば1.0〜3.0である。組成分布指数(CDI)は、好ましくは1.0〜2.0、より好ましくは1.0〜1.8、さらに好ましくは1.0〜1.6、特に好ましくは1.0〜1.5である。組成分布指数(CDI)が2.0以下であると、酸化グラフェン分散液における酸化グラフェンの分散性及び分散安定性がより向上する。
(Composition distribution index (CDI))
In the present invention, the composition distribution (intermolecular substitution degree distribution) of the cellulose acetate is not particularly limited, and the composition distribution index (CDI) is, for example, 1.0 to 3.0. The composition distribution index (CDI) is preferably 1.0 to 2.0, more preferably 1.0 to 1.8, still more preferably 1.0 to 1.6, and particularly preferably 1.0 to 1.5. It is. When the composition distribution index (CDI) is 2.0 or less, the dispersibility and dispersion stability of graphene oxide in the graphene oxide dispersion are further improved.

組成分布指数(CDI)の下限値は0であるが、これは例えば100%の選択性でグルコース残基の6位のみをアセチル化し、他の位置はアセチル化しない等の特別な合成技術をもって実現されるものであり、そのような合成技術は知られていない。グルコース残基の水酸基の全てが同じ確率でアセチル化および脱アセチル化される状況において、CDIは1.0となるが、実際のセルロースの反応においてはこのような理想状態に近付けるためには相当の工夫を要する。前記組成分布指数(CDI)が小さいほど、組成分布(分子間置換度分布)が均一となる。組成分布が均一であると、アセチル総置換度が通常よりも広い範囲で水溶性を確保できる。   The lower limit of the composition distribution index (CDI) is 0, but this is achieved by a special synthetic technique such as acetylating only the 6th position of a glucose residue and not acetylating other positions with 100% selectivity. Such synthesis techniques are not known. In a situation where all of the hydroxyl groups of the glucose residue are acetylated and deacetylated with the same probability, the CDI is 1.0. However, in an actual cellulose reaction, a considerable amount is required to approach such an ideal state. It needs some ingenuity. The smaller the composition distribution index (CDI), the more uniform the composition distribution (intermolecular substitution degree distribution). When the composition distribution is uniform, water solubility can be secured in a range where the total degree of acetyl substitution is wider than usual.

ここで、組成分布指数(Compositional Distribution Index, CDI)とは、組成分布半値幅の理論値に対する実測値の比率[(組成分布半値幅の実測値)/(組成分布半値幅の理論値)]で定義される。組成分布半値幅は「分子間置換度分布半値幅」又は単に「置換度分布半値幅」ともいう。   Here, the compositional distribution index (CDI) is the ratio of the measured value to the theoretical value of the half width of the composition distribution [(actual value of the half width of the composition distribution) / (theoretical value of the half width of the composition distribution)]. Defined. The composition distribution half-width is also referred to as “intermolecular substitution degree half-width” or simply “substitution degree distribution half-width”.

酢酸セルロースのアセチル総置換度の均一性を評価するのに、酢酸セルロースの分子間置換度分布曲線の最大ピークの半値幅(「半価幅」ともいう)の大きさを指標とすることができる。なお、半値幅は、アセチル置換度を横軸(x軸)に、この置換度における存在量を縦軸(y軸)としたとき、チャートのピークの高さの半分の高さにおけるチャートの幅であり、分布のバラツキの目安を表す指標である。置換度分布半値幅は、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)分析により求めることができる。なお、HPLCにおけるセルロースエステルの溶出曲線の横軸(溶出時間)を置換度(0〜3)に換算する方法については、特開2003-201301号公報(段落0037〜0040)に説明されている。   In order to evaluate the uniformity of the total degree of acetyl substitution of cellulose acetate, the maximum peak half-value width (also referred to as “half-value width”) of the intermolecular substitution degree distribution curve of cellulose acetate can be used as an index. . The half width is the width of the chart at half the height of the peak of the chart, where the acetyl substitution degree is on the horizontal axis (x axis) and the abundance at this substitution degree is on the vertical axis (y axis). It is an index representing the standard of variation in distribution. The half value width of the substitution degree distribution can be determined by high performance liquid chromatography (HPLC) analysis. In addition, the method of converting the horizontal axis (elution time) of the elution curve of cellulose ester in HPLC into the substitution degree (0 to 3) is described in JP-A-2003-201301 (paragraphs 0037 to 0040).

(組成分布半値幅の理論値)
組成分布半値幅(置換度分布半値幅)は確率論的に理論値を算出できる。すなわち、組成分布半値幅の理論値は以下の式(1)で求められる。

Figure 2015140296
m:酢酸セルロース1分子中の水酸基とアセチル基の全数
p:酢酸セルロース1分子中の水酸基がアセチル置換されている確率
q=1−p
DPw:重量平均重合度(GPC−光散乱法による)
なお、重量平均重合度(DPw)の測定法は後述する。 (Theoretical value of the half width of composition distribution)
The theoretical distribution of the half value width of composition distribution (substitution degree distribution half width) can be calculated stochastically. That is, the theoretical value of the composition distribution half width is obtained by the following equation (1).
Figure 2015140296
m: Total number of hydroxyl groups and acetyl groups in one molecule of cellulose acetate p: Probability of hydroxyl groups in one molecule of cellulose acetate being acetyl substituted q = 1-p
DPw: weight average polymerization degree (by GPC-light scattering method)
In addition, the measuring method of a weight average polymerization degree (DPw) is mentioned later.

式(1)は、セルロースの全ての水酸基が同じ確率でアセチル化および脱アセチル化された際に必然的に生じる組成分布半値幅であり、所謂二項定理に従って導かれるものである。さらに、組成分布半値幅の理論値を置換度と重合度で表すと、以下のように表される。本発明では下記式(2)を組成分布半値幅の理論値を求める定義式とする。

Figure 2015140296
DS:アセチル総置換度
DPw:重量平均重合度(GPC−光散乱法による)
なお、重量平均重合度(DPw)の測定法は後述する。 Formula (1) is the half width of the composition distribution that inevitably occurs when all hydroxyl groups of cellulose are acetylated and deacetylated with the same probability, and is derived according to the so-called binomial theorem. Furthermore, when the theoretical value of the composition distribution half width is represented by the substitution degree and the polymerization degree, it is expressed as follows. In the present invention, the following formula (2) is defined as a definition formula for obtaining a theoretical value of the composition distribution half width.
Figure 2015140296
DS: Acetyl total substitution degree DPw: Weight average polymerization degree (by GPC-light scattering method)
In addition, the measuring method of a weight average polymerization degree (DPw) is mentioned later.

ところで、式(1)および式(2)においては、より厳密には重合度分布を考慮に入れるべきであり、この場合には式(1)および式(2)の「DPw」は、重合度分布関数に置き換え、式全体を重合度0から無限大までで積分すべきである。しかしながら、DPwを使う限り、式(1)および式(2)は近似的に十分な精度の理論値を与える。DPn(数平均重合度)を使うと、重合度分布の影響が無視できなくなるので、DPwを使うべきである。   By the way, in the formula (1) and the formula (2), the polymerization degree distribution should be taken into account more strictly. In this case, the “DPw” in the formula (1) and the formula (2) represents the polymerization degree. Substituting a distribution function, the entire equation should be integrated from 0 to infinity. However, as long as DPw is used, equations (1) and (2) give theoretical values with approximately sufficient accuracy. If DPn (number average degree of polymerization) is used, the influence of the degree of polymerization distribution cannot be ignored, so DPw should be used.

(組成分布半値幅の実測値)
本発明において、組成分布半値幅の実測値とは、酢酸セルロース(試料)の残存水酸基(未置換水酸基)をすべてプロピオニル化して得られるセルロースアセテートプロピオネートをHPLC分析して求めた組成分布半値幅である。
(Measured value of composition distribution half width)
In the present invention, the actual value of the composition distribution half width is the composition distribution half width obtained by HPLC analysis of cellulose acetate propionate obtained by propionylating all remaining hydroxyl groups (unsubstituted hydroxyl groups) of cellulose acetate (sample). It is.

一般的に、アセチル総置換度2〜3の酢酸セルロースに対しては、前処理なしに高速液体クロマトグラフィ(HPLC)分析を行うことができ、それによって組成分布半値幅を求めることができる。例えば、特開2011−158664号公報には、置換度2.27〜2.56の酢酸セルロースに対する組成分布分析法が記載されている。   Generally, high performance liquid chromatography (HPLC) analysis can be performed on cellulose acetate having a total degree of acetyl substitution of 2 to 3 without pretreatment, whereby the half width of the composition distribution can be determined. For example, JP 2011-158664 A describes a composition distribution analysis method for cellulose acetate having a substitution degree of 2.27 to 2.56.

一方、本発明においては、組成分布半値幅(置換度分布半値幅)の実測値は、HPLC分析前に前処理として酢酸セルロースの分子内残存水酸基の誘導体化を行い、しかる後にHPLC分析を行って求める。この前処理の目的は、低置換度酢酸セルロースを有機溶剤に溶解しやすい誘導体に変換してHPLC分析可能とすることである。すなわち、分子内の残存水酸基を完全にプロピオニル化し、その完全誘導体化セルロースアセテートプロピオネート(CAP)をHPLC分析して組成分布半値幅(実測値)を求める。ここで、誘導体化は完全に行われ、分子内に残存水酸基はなく、アセチル基とプロピオニル基のみ存在していなければいけない。すなわち、アセチル置換度(DSac)とプロピオニル置換度(DSpr)の和は3である。これは、CAPのHPLC溶出曲線の横軸(溶出時間)をアセチル置換度(0〜3)に変換するための較正曲線を作成するために関係式:DSac+DSpr=3を使用するためである。   On the other hand, in the present invention, the actual value of the composition distribution half-width (substitution degree distribution half-width) is obtained by derivatizing the residual hydroxyl group in cellulose acetate as a pretreatment before HPLC analysis, and then performing HPLC analysis. Ask. The purpose of this pretreatment is to convert the low-substituted cellulose acetate into a derivative that can be easily dissolved in an organic solvent to enable HPLC analysis. That is, the residual hydroxyl group in the molecule is completely propionylated, and the fully derivatized cellulose acetate propionate (CAP) is subjected to HPLC analysis to determine the composition distribution half width (actual value). Here, the derivatization is completely carried out, there should be no residual hydroxyl groups in the molecule, and only acetyl and propionyl groups must be present. That is, the sum of the degree of acetyl substitution (DSac) and the degree of propionyl substitution (DSpr) is 3. This is because the relational expression: DSac + DSpr = 3 is used to create a calibration curve for converting the horizontal axis (elution time) of the HPLC elution curve of CAP to the degree of acetyl substitution (0 to 3).

酢酸セルロースの完全誘導体化は、ピリジン/N,N−ジメチルアセトアミド混合溶媒中でN,N−ジメチルアミノピリジンを触媒とし、無水プロピオン酸を作用させることにより行うことができる。より具体的には、溶媒として混合溶媒[ピリジン/N,N−ジメチルアセトアミド=1/1(v/v)]を酢酸セルロース(試料)に対して20重量部、プロピオニル化剤として無水プロピオン酸を該酢酸セルロースの水酸基に対して6.0〜7.5当量、触媒としてN,N−ジメチルアミノピリジンを該酢酸セルロースの水酸基に対して6.5〜8.0mol%使用し、温度100℃、反応時間1.5〜3.0時間の条件でプロピオニル化を行う。そして、反応後、沈殿溶媒としてメタノールを用い、沈殿させることにより、完全誘導体化セルロースアセテートプロピオネートを得る。より詳細には、例えば、室温で、反応混合物1重量部をメタノール10重量部に投入して沈澱させ、得られた沈殿物をメタノールで5回洗浄し、60℃で真空乾燥を3時間行うことにより、完全誘導体化セルロースアセテートプロピオネート(CAP)を得ることができる。なお、後述の多分散性(Mw/Mn)及び重量平均重合度(DPw)も、酢酸セルロース(試料)をこの方法により完全誘導体化セルロースアセテートプロピオネート(CAP)とし、測定したものである。   Complete derivatization of cellulose acetate can be performed by reacting propionic anhydride with N, N-dimethylaminopyridine as a catalyst in a pyridine / N, N-dimethylacetamide mixed solvent. More specifically, a mixed solvent [pyridine / N, N-dimethylacetamide = 1/1 (v / v)] as a solvent is 20 parts by weight with respect to cellulose acetate (sample), and propionic anhydride as a propionylating agent. 6.0 to 7.5 equivalents based on the hydroxyl group of the cellulose acetate, and N, N-dimethylaminopyridine as a catalyst is used at 6.5 to 8.0 mol% with respect to the hydroxyl group of the cellulose acetate. Propionylation is carried out under conditions of reaction time of 1.5 to 3.0 hours. And after reaction, fully derivatized cellulose acetate propionate is obtained by making it precipitate using methanol as a precipitation solvent. More specifically, for example, at room temperature, 1 part by weight of the reaction mixture is added to 10 parts by weight of methanol to precipitate, and the resulting precipitate is washed 5 times with methanol and vacuum dried at 60 ° C. for 3 hours. Thus, fully derivatized cellulose acetate propionate (CAP) can be obtained. The polydispersity (Mw / Mn) and the weight average polymerization degree (DPw) described later were also measured by using cellulose acetate (sample) as a fully derivatized cellulose acetate propionate (CAP) by this method.

上記HPLC分析では、異なるアセチル置換度を有する複数のセルロースアセテートプロピオネートを標準試料として用いて所定の測定装置および測定条件でHPLC分析を行い、これらの標準試料の分析値を用いて作成した較正曲線[セルロースアセテートプロピオネートの溶出時間とアセチル置換度(0〜3)との関係を示す曲線、通常、三次曲線]から、酢酸セルロース(試料)の組成分布半値幅(実測値)を求めることができる。HPLC分析で求められるのは溶出時間とセルロースアセテートプロピオネートのアセチル置換度分布の関係である。これは、試料分子内の残存ヒドロキシ基のすべてがプロピオニルオキシ基に変換された物質の溶出時間とアセチル置換度分布の関係であるから、本発明の酢酸セルロースのアセチル置換度分布を求めていることと本質的には変わらない。   In the above HPLC analysis, a plurality of cellulose acetate propionates having different degrees of acetyl substitution are used as standard samples, HPLC analysis is performed with a predetermined measuring apparatus and measurement conditions, and a calibration created using the analysis values of these standard samples. Obtain the composition distribution half-value width (actually measured value) of cellulose acetate (sample) from the curve [the curve showing the relationship between the elution time of cellulose acetate propionate and the degree of acetyl substitution (0 to 3), usually a cubic curve]. Can do. What is required by HPLC analysis is the relationship between the elution time and the distribution of acetyl substitution degree of cellulose acetate propionate. This is the relationship between the elution time of the substance in which all the remaining hydroxy groups in the sample molecule are converted to propionyloxy groups and the acetyl substitution degree distribution, so that the acetyl substitution degree distribution of the cellulose acetate of the present invention is obtained. And essentially the same.

上記HPLC分析の条件は以下の通りである。
装置: Agilent 1100 Series
カラム: Waters Nova−Pak phenyl 60Å 4μm(150mm×3.9mmΦ)+ガードカラム
カラム温度:30℃
検出: Varian 380−LC
注入量: 5.0μL(試料濃度:0.1%(wt/vol))
溶離液: A液:MeOH/H2O=8/1(v/v),B液:CHCl3/MeOH=8/1(v/v)
グラジェント:A/B=80/20→0/100(28min);流量:0.7mL/min
The conditions for the above HPLC analysis are as follows.
Equipment: Agilent 1100 Series
Column: Waters Nova-Pak phenyl 60Å 4 μm (150 mm × 3.9 mmΦ) + guard column Column temperature: 30 ° C.
Detection: Varian 380-LC
Injection volume: 5.0 μL (sample concentration: 0.1% (wt / vol))
Eluent: Liquid A: MeOH / H 2 O = 8/1 (v / v), Liquid B: CHCl 3 / MeOH = 8/1 (v / v)
Gradient: A / B = 80/20 → 0/100 (28 min); Flow rate: 0.7 mL / min

較正曲線から求めた置換度分布曲線[セルロースアセテートプロピオネートの存在量を縦軸とし、アセチル置換度を横軸とするセルロースアセテートプロピオネートの置換度分布曲線](「分子間置換度分布曲線」ともいう)において、平均置換度に対応する最大ピーク(E)に関し、以下のようにして置換度分布半値幅を求める。ピーク(E)の低置換度側の基部(A)と、高置換度側の基部(B)に接するベースライン(A−B)を引き、このベースラインに対して、最大ピーク(E)から横軸に垂線をおろす。垂線とベースライン(A−B)との交点(C)を決定し、最大ピーク(E)と交点(C)との中間点(D)を求める。中間点(D)を通って、ベースライン(A−B)と平行な直線を引き、分子間置換度分布曲線との二つの交点(A’、B’)を求める。二つの交点(A’、B’)から横軸まで垂線をおろして、横軸上の二つの交点間の幅を、最大ピークの半値幅(すなわち、置換度分布半値幅)とする。   Substitution degree distribution curve obtained from the calibration curve [Substitution degree distribution curve of cellulose acetate propionate with the abundance of cellulose acetate propionate as the vertical axis and the acetyl substitution degree as the horizontal axis] ("Intermolecular substitution degree distribution curve )), The half value width of the substitution degree distribution is obtained as follows for the maximum peak (E) corresponding to the average substitution degree. A base (A) in contact with the base (A) on the low substitution degree side of the peak (E) and the base (B) on the high substitution degree side is drawn, and from this peak, the maximum peak (E) is drawn. Take a vertical line on the horizontal axis. An intersection (C) between the perpendicular and the base line (AB) is determined, and an intermediate point (D) between the maximum peak (E) and the intersection (C) is obtained. A straight line parallel to the base line (A-B) is drawn through the intermediate point (D), and two intersection points (A ′, B ′) with the intermolecular substitution degree distribution curve are obtained. A perpendicular line is drawn from the two intersections (A ′, B ′) to the horizontal axis, and the width between the two intersections on the horizontal axis is defined as the half-value width of the maximum peak (that is, the substitution value distribution half-value width).

このような置換度分布半値幅は、試料中のセルロースアセテートプロピオネートの分子鎖について、その構成する高分子鎖一本一本のグルコース環の水酸基がどの程度アセチル化されているかにより、保持時間(リテンションタイム)が異なることを反映している。したがって、理想的には、保持時間の幅が、(置換度単位の)組成分布の幅を示すことになる。しかしながら、HPLCには分配に寄与しない管部(カラムを保護するためのガイドカラムなど)が存在する。それゆえ、測定装置の構成により、組成分布の幅に起因しない保持時間の幅が誤差として内包されることが多い。この誤差は、上記の通り、カラムの長さ、内径、カラムから検出器までの長さや取り回しなどに影響され、装置構成により異なる。このため、セルロースアセテートプロピオネートの置換度分布半値幅は、通常、下式で表される補正式に基づいて、補正値Zとして求めることができる。このような補正式を用いると、測定装置(および測定条件)が異なっても、同じ(ほぼ同じ)値として、より正確な置換度分布半値幅(実測値)を求めることができる。
Z=(X2−Y21/2
[式中、Xは所定の測定装置および測定条件で求めた置換度分布半値幅(未補正値)である。Y=(a−b)x/3+b(0≦x≦3)である。ここで、aは前記Xと同じ測定装置および測定条件で求めた総置換度3のセルロースアセテートの見掛けの置換度分布半値幅(実際は総置換度3なので、置換度分布は存在しない)、bは前記Xと同じ測定装置および測定条件で求めた総置換度3のセルロースプロピオネートの見掛けの置換度分布半値幅である。xは測定試料のアセチル総置換度(0≦x≦3)である]
The half-value width of the substitution degree distribution depends on the degree of acetylation of the hydroxyl chain of each glucose chain constituting the molecular chain of cellulose acetate propionate in the sample. (Retention time) is different. Therefore, ideally, the holding time width indicates the width of the composition distribution (in units of substitution degree). However, there are tubes (such as a guide column for protecting the column) that do not contribute to the distribution in HPLC. Therefore, depending on the configuration of the measurement apparatus, the width of the holding time that is not caused by the width of the composition distribution is often included as an error. As described above, this error is affected by the length and inner diameter of the column, the length from the column to the detector, the handling, and the like, and varies depending on the apparatus configuration. For this reason, the half value width of the substitution degree distribution of cellulose acetate propionate can be usually obtained as the correction value Z based on the correction formula represented by the following formula. By using such a correction formula, even if the measurement apparatus (and measurement conditions) are different, a more accurate substitution degree distribution half-value width (actual measurement value) can be obtained as the same (substantially the same) value.
Z = (X 2 −Y 2 ) 1/2
[In the formula, X is the half-value width (uncorrected value) of the substitution degree distribution obtained with a predetermined measuring apparatus and measurement conditions. Y = (a−b) x / 3 + b (0 ≦ x ≦ 3). Here, a is an apparent substitution degree distribution half-value width of cellulose acetate having a total substitution degree of 3 obtained by the same measuring apparatus and measurement conditions as X (actually, there is no substitution degree distribution because the total substitution degree is 3, and b is It is an apparent substitution degree distribution half-value width of cellulose propionate having a total substitution degree of 3 determined by the same measuring apparatus and measurement conditions as those of X. x is the total acetyl substitution degree of the measurement sample (0 ≦ x ≦ 3)]

なお、上記総置換度3のセルロースアセテート(もしくはセルロースプロピオネート)とは、セルロースのヒドロキシル基の全てがエステル化されたセルロースエステルを示し、実際には(理想的には)置換度分布半値幅を有しない(すなわち、置換度分布半値幅0の)セルロースエステルである。   The cellulose acetate (or cellulose propionate) having a total substitution degree of 3 is a cellulose ester in which all of the hydroxyl groups of cellulose are esterified, and (ideally) the half-width of the substitution degree distribution. (Ie, the substitution degree distribution half-width 0) cellulose ester.

本発明において、前記酢酸セルロースの組成分布半値幅(置換度分布半値幅)の実測値としては、好ましくは0.12〜0.34であり、より好ましくは0.13〜0.25である。   In the present invention, the measured value of the composition distribution half width (substitution degree distribution half width) of the cellulose acetate is preferably 0.12 to 0.34, more preferably 0.13 to 0.25.

先に説明した置換度分布理論式は、すべてのアセチル化と脱アセチル化が独立かつ均等に進行することを仮定した確率論的計算値である。すなわち、二項分布に従った計算値である。このような理想的な状況は現実的にはあり得ない。酢酸セルロースの加水分解反応が理想的なランダム反応に近づくような、および/または、反応後の後処理について組成について分画が生じるような特別な工夫をしない限り、セルロースエステルの置換度分布は確率論的に二項分布で定まるものよりも大幅に広くなる。   The substitution degree distribution theoretical formula described above is a probabilistic calculation value that assumes that all acetylation and deacetylation proceed independently and equally. That is, the calculated value according to the binomial distribution. Such an ideal situation is not realistic. The cellulose ester substitution degree distribution is probable unless the cellulose acetate hydrolysis reaction approaches an ideal random reaction and / or unless special measures are taken to create a fractional composition for post-treatment after the reaction. It is much wider than what is theoretically determined by the binomial distribution.

反応の特別な工夫の一つとしては、例えば、脱アセチル化とアセチル化が平衡する条件で系を維持することが考えられる。しかし、この場合には酸触媒によりセルロースの分解が進行するので好ましくない。他の反応の特別な工夫としては、脱アセチル化速度が低置換度物について遅くなる反応条件を採用することである。しかし、従来、そのような具体的な方法は知られていない。つまり、セルロースエステルの置換度分布を反応確率論通り二項分布にしたがうよう制御するような反応の特別な工夫は知られていない。さらに、酢化過程(セルロースのアセチル化工程)の不均一性や、熟成過程(酢酸セルロースの加水分解工程)で段階的に添加する水による部分的、一時的な沈殿の発生などの様々な事情は、置換度分布を二項分布よりも広くする方向に働き、これらを全て回避し、理想条件を実現することは、現実的には不可能である。これは、理想気体があくまで理想の産物であり、実在する気体の挙動はそれとは多かれ少なかれ異なることと似ている。   As one of the special measures of the reaction, for example, it is conceivable to maintain the system under conditions where deacetylation and acetylation are in equilibrium. However, in this case, the decomposition of cellulose proceeds with an acid catalyst, which is not preferable. Another special contrivance for the reaction is to employ reaction conditions in which the deacetylation rate is slow for low substitution products. However, conventionally, such a specific method is not known. That is, there is no known special device for the reaction that controls the substitution degree distribution of the cellulose ester according to the binomial distribution according to the reaction probability theory. In addition, various circumstances such as non-uniformity in the acetylation process (cellulose acetylation process) and partial or temporary precipitation due to water added stepwise in the aging process (cellulose acetate hydrolysis process) It works in the direction to make the substitution degree distribution wider than the binomial distribution, avoiding all of these, and realizing the ideal condition is impossible in practice. This is similar to the fact that an ideal gas is an ideal product, and the behavior of an actual gas is more or less different.

従来の低置換度酢酸セルロースの合成と後処理においては、このような置換度分布の問題について殆ど関心が払われておらず、置換度分布の測定や検証、考察が行われていなかった。例えば、文献(繊維学会誌、42、p25 (1986))によれば、低置換度酢酸セルロースの溶解性は、グルコース残基2、3、6位へのアセチル基の分配で決まると論じられており、組成分布は全く考慮されていない。   In the synthesis and post-treatment of conventional low-substituted cellulose acetate, little attention has been paid to the problem of such substitution degree distribution, and substitution degree distribution has not been measured, verified, or considered. For example, according to the literature (Journal of the Textile Society of Japan, 42, p25 (1986)), it is argued that the solubility of low-substituted cellulose acetate is determined by the distribution of acetyl groups to the glucose residues 2, 3, and 6. The composition distribution is not considered at all.

本発明者らの検討によれば、後述するように、酢酸セルロースの置換度分布は、驚くべきことに酢酸セルロースの加水分解工程の後の後処理条件の工夫で制御することができる。文献(CiBment, L., and Rivibre, C., Bull. SOC. chim., (5) 1, 1075 (1934)、Sookne, A. M., Rutherford, H. A., Mark, H., and Harris, M. J . Research Natl. Bur. Standards, 29, 123 (1942)、A. J. Rosenthal , B. B. White Ind. Eng. Chem., 1952, 44 (11), pp 2693-2696.)によれば、置換度2.3の酢酸セルロースの沈澱分別では、分子量に依存した分画と置換度(化学組成)に伴う微々たる分画が起こるとされており、本発明者らが見出したような置換度(化学組成)で顕著な分画ができるとの報告はない。さらに、低置換度酢酸セルロースについて、溶解分別や沈澱分別で置換度分布(化学組成)を制御できることは検証されていなかった。   According to the study by the present inventors, as described later, the substitution degree distribution of cellulose acetate can be surprisingly controlled by devising the post-treatment conditions after the cellulose acetate hydrolysis step. Literature (CiBment, L., and Rivibre, C., Bull. SOC. Chim., (5) 1, 1075 (1934), Sookne, AM, Rutherford, HA, Mark, H., and Harris, M. J. According to Research Natl. Bur. Standards, 29, 123 (1942), AJ Rosenthal, BB White Ind. Eng. Chem., 1952, 44 (11), pp 2693-2696.) Acetic acid with a degree of substitution of 2.3 In the precipitation fractionation of cellulose, it is said that fractionation depending on molecular weight and minute fractionation accompanying the degree of substitution (chemical composition) occur, and the degree of substitution (chemical composition) as found by the present inventors is remarkable. There is no report that fractionation is possible. Furthermore, it has not been verified that the substitution degree distribution (chemical composition) can be controlled by dissolution fractionation or precipitation fractionation for low-substituted cellulose acetate.

本発明者らが見出した置換度分布を狭くするもう1つの工夫は、酢酸セルロースの90℃以上の(又は90℃を超える)高温での加水分解反応(熟成反応)である。従来、高温反応で得られた生成物の重合度について詳細な分析や考察がなされて来なかったにもかかわらず、90℃以上の高温反応ではセルロースの分解が優先するとされてきた。この考えは、粘度に関する考察のみに基づいた思い込み(ステレオタイプ)と言える。本発明者らは、酢酸セルロースを加水分解して低置換度酢酸セルロースを得るに際し、90℃以上の(又は90℃を超える)高温下、好ましくは硫酸等の強酸の存在下、多量の酢酸中で反応させると、重合度の低下は見られない一方で、CDIの減少に伴い粘度が低下することを見出した。すなわち、高温反応に伴う粘度低下は、重合度の低下に起因するものではなく、置換度分布が狭くなることによる構造粘性の減少に基づくものであることを解明した。上記の条件で酢酸セルロースの加水分解を行うと、正反応だけでなく逆反応も起こるため、生成物(低置換度酢酸セルロース)のCDIが極めて小さい値となり、水に対する溶解性も著しく向上する。これに対し、逆反応が起こりにくい条件で酢酸セルロースの加水分解を行うと、置換度分布は様々な要因で広くなり、水に溶けにくいアセチル総置換度0.5未満の酢酸セルロース及びアセチル置換度1.1を超える酢酸セルロースの含有量が増大し、全体として水に対する溶解性が低下する。   Another device for narrowing the substitution degree distribution found by the present inventors is a hydrolysis reaction (aging reaction) of cellulose acetate at a high temperature of 90 ° C. or higher (or higher than 90 ° C.). Conventionally, although detailed analysis and consideration have not been made on the degree of polymerization of a product obtained by a high-temperature reaction, it has been considered that decomposition of cellulose is preferred in a high-temperature reaction at 90 ° C. or higher. This idea can be said to be a belief (stereotype) based solely on the consideration of viscosity. When the present inventors hydrolyze cellulose acetate to obtain low-substituted cellulose acetate, it is in a large amount of acetic acid at a high temperature of 90 ° C. or higher (or higher than 90 ° C.), preferably in the presence of a strong acid such as sulfuric acid. It was found that when the reaction was carried out with the above, the degree of polymerization was not lowered, but the viscosity was lowered with a decrease in CDI. That is, it has been clarified that the viscosity decrease due to the high temperature reaction is not due to a decrease in the degree of polymerization but is based on a decrease in structural viscosity due to a narrow substitution degree distribution. When cellulose acetate is hydrolyzed under the above conditions, not only forward reaction but also reverse reaction occurs, so the product (low-substituted cellulose acetate) has a very small CDI, and the solubility in water is significantly improved. On the other hand, when cellulose acetate is hydrolyzed under conditions where reverse reaction is unlikely to occur, the distribution of substitution degree becomes wide due to various factors, and cellulose acetate and acetyl substitution degree of less than 0.5 total acetyl substitution degree which is difficult to dissolve in water. The cellulose acetate content exceeding 1.1 increases, and the solubility in water as a whole decreases.

(2,3,6位の置換度の標準偏差)
本発明において、前記酢酸セルロースのグルコース環の2,3,6位の各アセチル置換度は、手塚(Tezuka,Carbonydr.Res.273,83(1995))の方法に従いNMR法で測定できる。すなわち、酢酸セルロース試料の遊離水酸基をピリジン中で無水プロピオン酸によりプロピオニル化する。得られた試料を重クロロホルムに溶解し、13C−NMRスペクトルを測定する。アセチル基の炭素シグナルは169ppmから171ppmの領域に高磁場から2位、3位、6位の順序で、そして、プロピオニル基のカルボニル炭素のシグナルは、172ppmから174ppmの領域に同じ順序で現れる。それぞれ対応する位置でのアセチル基とプロピオニル基の存在比から、元のセルロースジアセテートにおけるグルコース環の2,3,6位の各アセチル置換度を求めることができる。なお、このように求めた2,3,6位の各アセチル置換度の和はアセチル総置換度であり、この方法でアセチル総置換度を求めることもできる。なお、アセチル総置換度は、13C−NMRのほか、1H−NMRで分析することもできる。
(Standard deviation of substitution degree at 2, 3, 6 position)
In the present invention, the degree of acetyl substitution at the 2, 3 and 6 positions of the glucose ring of cellulose acetate can be measured by the NMR method according to the method of Tezuka (Carbondr. Res. 273, 83 (1995)). That is, a free hydroxyl group of a cellulose acetate sample is propionylated with propionic anhydride in pyridine. The obtained sample is dissolved in deuterated chloroform, and a 13 C-NMR spectrum is measured. The carbon signal of the acetyl group appears in the order of 2, 3, 6 from the high magnetic field in the region of 169 ppm to 171 ppm, and the signal of the carbonyl carbon of the propionyl group appears in the same order in the region of 172 ppm to 174 ppm. From the abundance ratio of acetyl groups and propionyl groups at the corresponding positions, the degree of acetyl substitution at the 2, 3, and 6 positions of the glucose ring in the original cellulose diacetate can be determined. In addition, the sum of each acetyl substitution degree of the 2nd, 3rd, and 6th positions thus obtained is the total acetyl substitution degree, and the total acetyl substitution degree can also be obtained by this method. The total degree of acetyl substitution can be analyzed by 1 H-NMR in addition to 13 C-NMR.

2,3,6位の置換度の標準偏差σは、次の式で定義される。

Figure 2015140296
The standard deviation σ of the substitution degree at the 2nd, 3rd and 6th positions is defined by the following equation.
Figure 2015140296

本発明においては、酢酸セルロースのグルコース環の2,3及び6位のアセチル置換度の標準偏差が0.08以下(0〜0.08)であることが好ましい。該標準偏差が0.08以下である酢酸セルロースは、グルコース環の2,3,6位が均等に置換されており、水に対する溶解性に優れる。   In the present invention, the standard deviation of the degree of acetyl substitution at the 2, 3 and 6 positions of the glucose ring of cellulose acetate is preferably 0.08 or less (0 to 0.08). Cellulose acetate having a standard deviation of 0.08 or less is evenly substituted at the 2, 3, and 6 positions of the glucose ring, and has excellent solubility in water.

(多分散性(分散度、Mw/Mn))
本発明において、分子量分布(重合度分布)の多分散性(Mw/Mn)は、酢酸セルロース(試料)の残存水酸基をすべてプロピオニル化して得られるセルロースアセテートプロピオネートを用いてGPC−光散乱法により求めた値である。
(Polydispersity (dispersity, Mw / Mn))
In the present invention, polydispersity (Mw / Mn) of molecular weight distribution (polymerization degree distribution) is determined by GPC-light scattering method using cellulose acetate propionate obtained by propionylating all remaining hydroxyl groups of cellulose acetate (sample). It is the value calculated | required by.

本発明における前記酢酸セルロースの多分散性(分散度、Mw/Mn)は、1.2〜2.5の範囲であることが好ましい。多分散性Mw/Mnが上記の範囲にある酢酸セルロースは、分子の大きさが揃っており、水に対する溶解性に優れる。   The polydispersity (dispersity, Mw / Mn) of the cellulose acetate in the present invention is preferably in the range of 1.2 to 2.5. Cellulose acetate having polydispersity Mw / Mn in the above range has a uniform molecular size and is excellent in solubility in water.

酢酸セルロースの数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)及び多分散性(Mw/Mn)は、HPLCを用いた公知の方法で求めることができる。本発明において、酢酸セルロースの多分散性(Mw/Mn)は、測定試料を有機溶剤に可溶とするため、前記組成分布半値幅の実測値を求める場合と同様の方法で、酢酸セルロース(試料)を完全誘導体化セルロースアセテートプロピオネート(CAP)とした後、以下の条件でサイズ排除クロマトグラフィー分析を行うことにより決定される(GPC−光散乱法)。
装置:Shodex製 GPC 「SYSTEM−21H」
溶媒:アセトン
カラム:GMHxl(東ソー)2本、同ガードカラム
流速:0.8ml/min
温度:29℃
試料濃度:0.25%(wt/vol)
注入量:100μl
検出:MALLS(多角度光散乱検出器)(Wyatt製、「DAWN−EOS」)
MALLS補正用標準物質:PMMA(分子量27600)
The number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw) and polydispersity (Mw / Mn) of cellulose acetate can be determined by a known method using HPLC. In the present invention, the polydispersity (Mw / Mn) of cellulose acetate is determined by dissolving cellulose acetate (sample) in the same manner as in the case of obtaining the measured value of the half-value width of the composition distribution in order to make the measurement sample soluble in an organic solvent. ) Is completely derivatized cellulose acetate propionate (CAP), and then subjected to size exclusion chromatography analysis under the following conditions (GPC-light scattering method).
Equipment: GPC “SYSTEM-21H” manufactured by Shodex
Solvent: Acetone Column: 2 GMHxl (Tosoh), same guard column Flow rate: 0.8 ml / min
Temperature: 29 ° C
Sample concentration: 0.25% (wt / vol)
Injection volume: 100 μl
Detection: MALLS (multi-angle light scattering detector) (manufactured by Wyatt, “DAWN-EOS”)
MALLS correction standard substance: PMMA (molecular weight 27600)

(重量平均重合度(DPw))
本発明において、重量平均重合度(DPw)は、酢酸セルロース(試料)の残存水酸基をすべてプロピオニル化して得られるセルロースアセテートプロピオネートを用いてGPC−光散乱法により求めた値である。
(Weight average degree of polymerization (DPw))
In the present invention, the weight average degree of polymerization (DPw) is a value determined by GPC-light scattering method using cellulose acetate propionate obtained by propionylating all remaining hydroxyl groups of cellulose acetate (sample).

本発明における前記酢酸セルロースの重量平均重合度(DPw)は、50〜800の範囲であることが好ましい。重量平均重合度(DPw)が高すぎると、濾過性が悪くなりやすい。前記重量平均重合度(DPw)は、好ましくは55〜700、さらに好ましくは60〜600である。   The weight average polymerization degree (DPw) of the cellulose acetate in the present invention is preferably in the range of 50 to 800. If the weight average degree of polymerization (DPw) is too high, the filterability tends to deteriorate. The weight average degree of polymerization (DPw) is preferably 55 to 700, and more preferably 60 to 600.

上記重量平均重合度(DPw)は、前記多分散性(Mw/Mn)と同じく、前記組成分布半値幅の実測値を求める場合と同様の方法で、酢酸セルロース(試料)を完全誘導体化セルロースアセテートプロピオネート(CAP)とした後、サイズ排除クロマトグラフィー分析を行うことにより求められる(GPC−光散乱法)。   As with the polydispersity (Mw / Mn), the weight average degree of polymerization (DPw) is obtained by completely derivatizing cellulose acetate (sample) with a method similar to that for obtaining the measured half-value width of the composition distribution. It is calculated | required by performing size exclusion chromatography analysis after setting it as propionate (CAP) (GPC-light-scattering method).

上述のように、水溶性の酢酸セルロースの分子量(重合度)、多分散性(Mw/Mn)はGPC−光散乱法(GPC−MALLS、GPC−LALLSなど)により測定される。なお、光散乱の検出は、一般に水系溶媒では困難である。これは水系溶媒は一般的に異物が多く、一旦精製しても二次汚染されやすいことによる。また、水系溶媒では、微量に存在するイオン性解離基の影響のため分子鎖の広がりが安定しない場合があり、それを抑えるために水溶性無機塩(例えば塩化ナトリウム)を添加したりすると、溶解状態が不安定になり、水溶液中で会合体を形成したりすることがある。この問題を回避するための有効な方法の一つは、水溶性酢酸セルロースを誘導体化し、異物が少なく、二次汚染されにくい有機溶媒に溶解するようにし、有機溶媒でGPC−光散乱測定を行うことである。この目的の水溶性酢酸セルロースの誘導体化としてはプロピオニル化が有効であり、具体的な反応条件及び後処理は前記組成分布半値幅の実測値の説明箇所で記載した通りである。   As described above, the molecular weight (polymerization degree) and polydispersity (Mw / Mn) of water-soluble cellulose acetate are measured by GPC-light scattering method (GPC-MALLS, GPC-LALLS, etc.). Note that detection of light scattering is generally difficult with an aqueous solvent. This is because aqueous solvents generally have a large amount of foreign matter and are easily contaminated by secondary contamination once purified. In addition, in the case of aqueous solvents, the spread of molecular chains may not be stable due to the influence of ionic dissociation groups present in a trace amount, and if water-soluble inorganic salt (for example, sodium chloride) is added to suppress this, it will dissolve. The state may become unstable, and an aggregate may be formed in an aqueous solution. One effective method for avoiding this problem is to derivatize water-soluble cellulose acetate so that it is dissolved in an organic solvent that is less contaminated and less susceptible to secondary contamination, and GPC-light scattering measurement is performed using the organic solvent. That is. Propionylation is effective for derivatization of water-soluble cellulose acetate for this purpose, and specific reaction conditions and post-treatment are as described in the explanation of the measured value of the half width of the composition distribution.

(6%粘度)
本発明における前記酢酸セルロースの6%粘度は、例えば5〜500mPa・s、好ましくは6〜300mPa・sである。6%粘度が高すぎると濾過性が悪くなる場合がある。
(6% viscosity)
The 6% viscosity of the cellulose acetate in the present invention is, for example, 5 to 500 mPa · s, preferably 6 to 300 mPa · s. If the 6% viscosity is too high, filterability may deteriorate.

酢酸セルロースの6%粘度は、下記の方法で測定できる。
50mlのメスフラスコに乾燥試料3.00gを入れ、蒸留水を加え溶解させる。得られた6wt/vol%の溶液を所定のオストワルド粘度計の標線まで移し、25±1℃で約15分間整温する。計時標線間の流下時間を測定し、次式により6%粘度を算出する。
6%粘度(mPa・s)=C×P×t
C:試料溶液恒数
P:試料溶液密度(0.997g/cm3
t:試料溶液の流下秒数
試料溶液恒数は、粘度計校正用標準液[昭和石油社製、商品名「JS−200」(JIS Z 8809に準拠)]を用いて上記と同様の操作で流下時間を測定し、次式より求める。
試料溶液恒数={標準液絶対粘度(mPa・s)}/{標準液の密度(g/cm3)×標準液の流下秒数}
The 6% viscosity of cellulose acetate can be measured by the following method.
Add 3.00 g of dry sample to a 50 ml volumetric flask and add distilled water to dissolve. The obtained 6 wt / vol% solution is transferred to a predetermined Ostwald viscometer mark and temperature-controlled at 25 ± 1 ° C. for about 15 minutes. Measure the flow-down time between the time marks and calculate the 6% viscosity by the following formula.
6% viscosity (mPa · s) = C × P × t
C: Sample solution constant P: Sample solution density (0.997 g / cm 3 )
t: The number of seconds that the sample solution flows down The sample solution constant is the same as described above using a standard solution for viscometer calibration [manufactured by Showa Oil Co., Ltd., trade name “JS-200” (based on JIS Z 8809)]. Measure the flow-down time and obtain it from the following formula.
Sample solution constant = {Standard solution absolute viscosity (mPa · s)} / {Standard solution density (g / cm 3 ) × Standard solution flow down seconds}

(低置換度酢酸セルロースの製造)
本発明における前記酢酸セルロース(低置換度酢酸セルロース)は、例えば、(A)中乃至高置換度酢酸セルロースの加水分解工程(熟成工程)、(B)沈殿工程、及び、必要に応じて行う(C)洗浄、中和工程により製造できる。
(Production of low-substituted cellulose acetate)
The cellulose acetate (low-substituted cellulose acetate) in the present invention is, for example, (A) a middle to high-substituted cellulose acetate hydrolysis step (aging step), (B) a precipitation step, and as necessary ( C) It can be manufactured by a washing and neutralization process.

[(A)加水分解工程(熟成工程)]
この工程では、中乃至高置換度酢酸セルロース(以下、「原料酢酸セルロース」と称する場合がある)を加水分解する。原料として用いる中乃至高置換度酢酸セルロースのアセチル総置換度は、例えば、1.5〜3、好ましくは2〜3である。原料酢酸セルロースとしては、市販のセルロースジアセテート(アセチル総置換度2.27〜2.56)やセルローストリアセテート(アセチル総置換度2.56超〜3)を用いることができる。
[(A) Hydrolysis step (aging step)]
In this step, medium to high-substituted cellulose acetate (hereinafter sometimes referred to as “raw cellulose acetate”) is hydrolyzed. The medium to high-substituted cellulose acetate used as a raw material has a total acetyl substitution degree of, for example, 1.5 to 3, and preferably 2 to 3. As the raw material cellulose acetate, commercially available cellulose diacetate (acetyl total substitution degree: 2.27 to 2.56) and cellulose triacetate (acetyl total substitution degree: more than 2.56 to 3) can be used.

加水分解反応は、有機溶媒中、触媒(熟成触媒)の存在下、原料酢酸セルロースと水を反応させることにより行うことができる。有機溶媒としては、例えば、酢酸、アセトン、アルコール(メタノール等)、これらの混合溶媒などが挙げられる。これらの中でも、酢酸を少なくとも含む溶媒が好ましい。触媒としては、一般に脱アセチル化触媒として用いられる触媒を使用できる。触媒としては、特に硫酸が好ましい。   The hydrolysis reaction can be performed by reacting raw material cellulose acetate with water in the presence of a catalyst (aging catalyst) in an organic solvent. Examples of the organic solvent include acetic acid, acetone, alcohol (such as methanol), and mixed solvents thereof. Among these, a solvent containing at least acetic acid is preferable. As the catalyst, a catalyst generally used as a deacetylation catalyst can be used. As the catalyst, sulfuric acid is particularly preferable.

有機溶媒(例えば、酢酸)の使用量は、原料酢酸セルロース1重量部に対して、例えば、0.5〜50重量部、好ましくは1〜20重量部、さらに好ましくは3〜10重量部である。   The amount of the organic solvent (for example, acetic acid) used is, for example, 0.5 to 50 parts by weight, preferably 1 to 20 parts by weight, and more preferably 3 to 10 parts by weight with respect to 1 part by weight of raw material cellulose acetate. .

触媒(例えば、硫酸)の使用量は、原料酢酸セルロース1重量部に対して、例えば、0.005〜1重量部、好ましくは0.01〜0.5重量部、さらに好ましくは0.02〜0.3重量部である。触媒の量が少なすぎると、加水分解の時間が長くなりすぎ、酢酸セルロースの分子量の低下を引き起こすことがある。一方、触媒の量が多すぎると、加水分解温度に対する解重合速度の変化の度合いが大きくなり、加水分解温度がある程度低くても解重合速度が大きくなり、分子量がある程度大きい酢酸セルロースが得られにくくなる。   The amount of the catalyst (for example, sulfuric acid) used is, for example, 0.005 to 1 part by weight, preferably 0.01 to 0.5 part by weight, more preferably 0.02 to 1 part by weight of the raw material cellulose acetate. 0.3 parts by weight. If the amount of the catalyst is too small, the hydrolysis time becomes too long, which may cause a decrease in the molecular weight of cellulose acetate. On the other hand, if the amount of the catalyst is too large, the degree of change in the depolymerization rate with respect to the hydrolysis temperature increases, and even if the hydrolysis temperature is low to some extent, the depolymerization rate increases and it is difficult to obtain cellulose acetate having a somewhat high molecular weight. Become.

加水分解工程における水の量は、原料酢酸セルロース1重量部に対して、例えば、0.5〜20重量部、好ましくは1〜10重量部、さらに好ましくは2〜7重量部である。また、該水の量は、有機溶媒(例えば、酢酸)1重量部に対して、例えば、0.1〜5重量部、好ましくは0.3〜2重量部、さらに好ましくは0.5〜1.5重量部である。水は、反応開始時において全ての量を系内に存在させてもよいが、酢酸セルロースの沈殿を防止するため、使用する水の一部を反応開始時に系内に存在させ、残りの水を1〜数回に分けて系内に添加してもよい。   The amount of water in the hydrolysis step is, for example, 0.5 to 20 parts by weight, preferably 1 to 10 parts by weight, and more preferably 2 to 7 parts by weight with respect to 1 part by weight of the raw material cellulose acetate. The amount of the water is, for example, 0.1 to 5 parts by weight, preferably 0.3 to 2 parts by weight, and more preferably 0.5 to 1 part per 1 part by weight of the organic solvent (for example, acetic acid). .5 parts by weight. Although all amounts of water may be present in the system at the start of the reaction, in order to prevent precipitation of cellulose acetate, a part of the water to be used is present in the system at the start of the reaction, and the remaining water is removed. It may be added to the system in 1 to several times.

加水分解工程における反応温度は、例えば、40〜130℃、好ましくは50〜120℃、さらに好ましくは60〜110℃である。特に、反応温度を90℃以上(或いは90℃を超える温度)とする場合には、正反応(加水分解反応)に対する逆反応(アセチル化反応)の速度が増加する方向に反応の平衡が傾く傾向があり、その結果、置換度分布が狭くなり、後処理条件を特に工夫しなくとも、組成分布指数CDIの極めて小さい低置換度酢酸セルロースを得ることができる。この場合、触媒として硫酸等の強酸を用いるのが好ましく、また、反応溶媒として酢酸を過剰に用いるのが好ましい。また、反応温度を90℃以下とする場合であっても、後述するように、沈殿工程において、沈殿溶媒として2種以上の溶媒を含む混合溶媒を用いて沈殿させたり、沈殿分別及び/又は溶解分別を行うことにより、組成分布指数CDIが非常に小さい低置換度酢酸セルロースを得ることができる。   The reaction temperature in a hydrolysis process is 40-130 degreeC, for example, Preferably it is 50-120 degreeC, More preferably, it is 60-110 degreeC. In particular, when the reaction temperature is 90 ° C. or higher (or a temperature exceeding 90 ° C.), the equilibrium of the reaction tends to increase in the direction in which the rate of the reverse reaction (acetylation reaction) to the normal reaction (hydrolysis reaction) increases. As a result, the substitution degree distribution becomes narrow, and a low substitution degree cellulose acetate having an extremely small composition distribution index CDI can be obtained without any particular ingenuity in the post-treatment conditions. In this case, it is preferable to use a strong acid such as sulfuric acid as the catalyst, and it is preferable to use acetic acid in excess as the reaction solvent. Even when the reaction temperature is 90 ° C. or lower, as described later, in the precipitation step, precipitation is performed using a mixed solvent containing two or more solvents as the precipitation solvent, precipitation fractionation and / or dissolution. By performing the fractionation, a low-substituted cellulose acetate having a very small composition distribution index CDI can be obtained.

[(B)沈殿工程]
この工程では、加水分解反応終了後、反応系の温度を室温まで冷却し、沈殿溶媒を加えて低置換度酢酸セルロースを沈殿させる。沈殿溶媒としては、水と混和する有機溶剤若しくは水に対する溶解度の大きい有機溶剤を使用できる。例えば、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール;酢酸エチル等のエステル;アセトニトリル等の含窒素化合物;テトラヒドロフラン等のエーテル;これらの混合溶媒などが挙げられる。
[(B) Precipitation step]
In this step, after completion of the hydrolysis reaction, the temperature of the reaction system is cooled to room temperature, and a precipitation solvent is added to precipitate low-substituted cellulose acetate. As the precipitation solvent, an organic solvent miscible with water or an organic solvent having high solubility in water can be used. Examples thereof include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol; esters such as ethyl acetate; nitrogen-containing compounds such as acetonitrile; ethers such as tetrahydrofuran; and mixed solvents thereof.

沈殿溶媒として2種以上の溶媒を含む混合溶媒を用いると、後述する沈殿分別と同様の効果が得られ、組成分布(分子間置換度分布)が狭く、組成分布指数(CDI)が小さい低置換度酢酸セルロースを得ることができる。好ましい混合溶媒として、例えば、アセトンとメタノールの混合溶媒、イソプロピルアルコールとメタノールの混合溶媒などが挙げられる。   When a mixed solvent containing two or more solvents is used as the precipitation solvent, the same effect as the precipitation fractionation described later can be obtained, the composition distribution (intermolecular substitution degree distribution) is narrow, and the low substitution with a small composition distribution index (CDI). Degree cellulose acetate can be obtained. Preferred examples of the mixed solvent include a mixed solvent of acetone and methanol, a mixed solvent of isopropyl alcohol and methanol, and the like.

また、沈殿して得られた低置換度酢酸セルロースに対して、さらに沈殿分別(分別沈殿)及び/又は溶解分別(分別溶解)を行うことにより、組成分布(分子間置換度分布)が狭く、組成分布指数CDIが非常に小さい低置換度酢酸セルロースを得ることができる。   Further, by performing precipitation fractionation (fractional precipitation) and / or dissolution fractionation (fractional dissolution) on the low-substituted cellulose acetate obtained by precipitation, the composition distribution (intermolecular substitution degree distribution) is narrow, A low-substituted cellulose acetate having a very small composition distribution index CDI can be obtained.

沈殿分別は、例えば、沈殿して得られた低置換度酢酸セルロース(固形物)を水に溶解し、適当な濃度(例えば、2〜10重量%、好ましくは3〜8重量%)の水溶液とし、この水溶液に貧溶媒を加え(又は、貧溶媒に前記水溶液を加え)、適宜な温度(例えば、30℃以下、好ましくは20℃以下)に保持して、低置換度酢酸セルロースを沈殿させ、沈殿物を回収することにより行うことができる。貧溶媒としては、例えば、メタノール等のアルコール、アセトン等のケトンなどが挙げられる。貧溶媒の使用量は、前記水溶液1重量部に対して、例えば1〜10重量部、好ましくは2〜7重量部である。   For precipitation fractionation, for example, low-substituted cellulose acetate (solid matter) obtained by precipitation is dissolved in water to obtain an aqueous solution having an appropriate concentration (for example, 2 to 10% by weight, preferably 3 to 8% by weight). Then, a poor solvent is added to this aqueous solution (or the aqueous solution is added to the poor solvent), and maintained at an appropriate temperature (for example, 30 ° C. or less, preferably 20 ° C. or less) to precipitate low-substituted cellulose acetate, This can be done by collecting the precipitate. Examples of the poor solvent include alcohols such as methanol and ketones such as acetone. The usage-amount of a poor solvent is 1-10 weight part with respect to 1 weight part of said aqueous solution, Preferably it is 2-7 weight part.

溶解分別は、例えば、前記沈殿して得られた低置換度酢酸セルロース(固形物)或いは前記沈殿分別で得られた低置換度酢酸セルロース(固形物)に、水と有機溶媒(例えば、アセトン等のケトン、エタノール等のアルコールなど)の混合溶媒を加え、適宜な温度(例えば、20〜80℃、好ましくは25〜60℃)で撹拌後、遠心分離により濃厚相と希薄相とに分離し、希薄相に沈殿溶剤(例えば、アセトン等のケトン、メタノール等のアルコールなど)を加え、沈殿物(固形物)を回収することにより行うことができる。前記水と有機溶媒の混合溶媒における有機溶媒の濃度は、例えば、5〜50重量%、好ましくは10〜40重量%である。   For the dissolution fractionation, for example, the low-substituted cellulose acetate (solid matter) obtained by the precipitation or the low-substituted cellulose acetate (solid matter) obtained by the precipitation fractionation is mixed with water and an organic solvent (for example, acetone or the like). A mixed solvent of an alcohol such as ketone and ethanol) and stirring at an appropriate temperature (for example, 20 to 80 ° C., preferably 25 to 60 ° C.), followed by centrifugation to separate a concentrated phase and a diluted phase, A precipitation solvent (for example, a ketone such as acetone or an alcohol such as methanol) is added to the dilute phase, and the precipitate (solid matter) is recovered. The concentration of the organic solvent in the mixed solvent of water and organic solvent is, for example, 5 to 50% by weight, preferably 10 to 40% by weight.

[(C)洗浄、中和工程]
沈殿工程(B)で得られた沈殿物(固形物)は、メタノール等のアルコール、アセトン等のケトンなどの有機溶媒(貧溶媒)で洗浄するのが好ましい。また、塩基性物質を含む有機溶媒(例えば、メタノール等のアルコール、アセトン等のケトンなど)で洗浄、中和することも好ましい。なお、中和工程は加水分解工程の直後に設けても良く、その場合には塩基性物質またはその水溶液を加水分解反応浴に添加するのが好ましい。
[(C) Washing and neutralization step]
The precipitate (solid matter) obtained in the precipitation step (B) is preferably washed with an organic solvent (poor solvent) such as alcohol such as methanol and ketone such as acetone. Moreover, it is also preferable to wash and neutralize with an organic solvent containing a basic substance (for example, alcohol such as methanol, ketone such as acetone). The neutralization step may be provided immediately after the hydrolysis step. In that case, it is preferable to add a basic substance or an aqueous solution thereof to the hydrolysis reaction bath.

前記塩基性物質としては、例えば、アルカリ金属化合物(例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物;炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属炭酸塩;炭酸水素ナトリウム等のアルカリ金属炭酸水素塩;酢酸ナトリウム、酢酸カリウム等のアルカリ金属カルボン酸塩;ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド等のナトリウムアルコキシドなど)、アルカリ土類金属化合物(例えば、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム等のアルカリ土類金属炭酸塩;酢酸マグネシウム、酢酸カルシウム等のアルカリ土類金属カルボン酸塩;マグネシウムエトキシド等のアルカリ土類金属アルコキシドなど)などを使用できる。これらの中でも、特に、酢酸カリウム等のアルカリ金属化合物が好ましい。   Examples of the basic substance include alkali metal compounds (for example, alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide and potassium hydroxide; alkali metal carbonates such as sodium carbonate and potassium carbonate; alkali metal carbonates such as sodium hydrogen carbonate) Hydrogen salts; alkali metal carboxylates such as sodium acetate and potassium acetate; sodium alkoxides such as sodium methoxide and sodium ethoxide), alkaline earth metal compounds (for example, alkaline earth such as magnesium hydroxide and calcium hydroxide) Alkaline earth metal carbonates such as metal hydroxide, magnesium carbonate and calcium carbonate; alkaline earth metal carboxylates such as magnesium acetate and calcium acetate; alkaline earth metal alkoxides such as magnesium ethoxide, etc.) can be used. . Among these, alkali metal compounds such as potassium acetate are particularly preferable.

洗浄、中和により、加水分解工程で用いた触媒(硫酸等)などの不純物を効率よく除去することができる。   By washing and neutralization, impurities such as a catalyst (such as sulfuric acid) used in the hydrolysis step can be efficiently removed.

このようにして得られた低置換度酢酸セルロースは、必要に応じて、粉砕、篩別又は造粒して、特定粒度の範囲に調整することができる。   The low-substituted cellulose acetate thus obtained can be adjusted to a specific particle size range by pulverization, sieving or granulation, if necessary.

[電解質膜]
本発明の電解質膜は前記本発明のシート状酸化グラフェンにより構成される。この電解質膜は、燃料電池用の電解質膜として利用できる。
[Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane of the present invention is composed of the sheet-like graphene oxide of the present invention. This electrolyte membrane can be used as an electrolyte membrane for a fuel cell.

[燃料電池]
本発明の燃料電池は前記本発明の電解質膜を備えている。燃料電池の構造は、特に限定されず、例えば従来公知の構造を基本構造とすることができる。例えば、本発明の燃料電池としては、いわゆる固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜を前記シート状酸化グラフェンに置き換えたもの、例えば、プラス電極(空気極)とマイナス電極(燃料極)が前記本発明の電解質膜を挟んだ構造を有する単セルがセパレータを介して多数積み重ねられたセルスタックを本体とするものなどが挙げられる。
[Fuel cell]
The fuel cell of the present invention includes the electrolyte membrane of the present invention. The structure of the fuel cell is not particularly limited, and for example, a conventionally known structure can be used as a basic structure. For example, as the fuel cell of the present invention, a solid polymer electrolyte membrane of a so-called solid polymer fuel cell is replaced with the sheet-like graphene oxide, for example, a plus electrode (air electrode) and a minus electrode (fuel electrode). Examples thereof include a cell stack in which a large number of single cells having a structure sandwiching the electrolyte membrane of the present invention are stacked via separators.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

合成例1
酢酸セルロース(ダイセル社製、商品名「L−50」、アセチル基総置換度2.43、6%粘度:110mPa・s)1重量部に対して、5.1重量部の酢酸および2.0重量部の水を加え、40℃で5時間撹拌して外観均一な溶液を得た。この溶液に0.13重量部の硫酸を加え、得られた溶液を70℃に保持し、加水分解(部分脱アセチル化反応;熟成)を行った。なお、この熟成過程においては、途中で2回、水を系に添加した。すなわち、反応を開始して1時間後に0.67重量部の水を加え、さらに2時間後、1.67重量部の水を加え、さらに6時間反応させた。合計の加水分解時間は9時間である。なお、反応開始時から1回目の水の添加までを第1熟成、1回目の水の添加から2回目の水の添加までを第2熟成、2回目の水の添加から反応終了(熟成完了)までを第3熟成という。
加水分解を実施した後、系の温度を室温(約25℃)まで冷却し、反応混合物に15重量部のアセトン/メタノール=1/2(重量比)混合溶媒(沈殿化剤)を加えて沈殿を生成させた。
固形分15重量%のウェットケーキとして沈殿を回収し、8重量部のメタノールを加え、固形分15重量%まで脱液することにより洗浄した。これを3回繰り返した。洗浄した沈殿物を、酢酸カリウムを0.004重量%含有するメタノール8重量部でさらに2回洗浄して中和し、乾燥して、水溶性酢酸セルロースを得た。
Synthesis example 1
5.1 parts by weight of acetic acid and 2.0 parts by weight with respect to 1 part by weight of cellulose acetate (manufactured by Daicel, trade name “L-50”, acetyl group total substitution degree 2.43, 6% viscosity: 110 mPa · s) A part by weight of water was added and stirred at 40 ° C. for 5 hours to obtain a solution having a uniform appearance. 0.13 parts by weight of sulfuric acid was added to this solution, and the resulting solution was kept at 70 ° C. to carry out hydrolysis (partial deacetylation reaction; aging). In this aging process, water was added to the system twice in the middle. That is, 0.67 parts by weight of water was added 1 hour after the start of the reaction, and 1.67 parts by weight of water was added after another 2 hours, and the reaction was further continued for 6 hours. The total hydrolysis time is 9 hours. The first aging from the start of the reaction to the first water addition, the second aging from the first water addition to the second water addition, the reaction from the second water addition to the end of the reaction (ripening completed) This is called the third aging.
After carrying out the hydrolysis, the temperature of the system is cooled to room temperature (about 25 ° C.), and 15 parts by weight of acetone / methanol = 1/2 (weight ratio) mixed solvent (precipitating agent) is added to the reaction mixture to cause precipitation. Was generated.
The precipitate was recovered as a wet cake having a solid content of 15% by weight, and washed by adding 8 parts by weight of methanol and draining to a solid content of 15% by weight. This was repeated three times. The washed precipitate was further washed twice with 8 parts by weight of methanol containing 0.004% by weight of potassium acetate, neutralized and dried to obtain water-soluble cellulose acetate.

(置換度(DS)の測定)
手塚の方法(Carbohydr. Res. 273, 83(1995))に準じて水溶性酢酸セルロース試料の未置換水酸基をプロピオニル化した。プロピオニル化低置換度酢酸セルロースのアセチル基総置換度は、手塚の方法(同)に準じて13C−NMRにおける169〜171ppmのアセチルカルボニルのシグナルおよび172〜174ppmのプロピオニルカルボニルのシグナルから決定した。このように求めた上記水溶性酢酸セルロースのアセチル基総置換度は0.87であった。
(Measurement of substitution degree (DS))
According to the method of Tezuka (Carbohydr. Res. 273, 83 (1995)), the unsubstituted hydroxyl group of the water-soluble cellulose acetate sample was propionylated. The total substitution degree of acetyl group of propionylated cellulose acetate was determined from 169 to 171 ppm acetylcarbonyl signal and 172 to 174 ppm propionylcarbonyl signal in 13 C-NMR according to the method of Tezuka (same). The total degree of acetyl group substitution of the water-soluble cellulose acetate thus determined was 0.87.

(組成分布指数(CDI)の測定)
酢酸セルロースのCDIは、プロピオニル化酢酸セルロースに導いた後に次の条件でHPLC分析を行うことで決定した。
装置: Agilent 1100 Series
カラム: Waters Nova−Pak phenyl 60Å 4μm(150mm×3.9mmΦ)+ガードカラム
カラム温度: 30℃
検出: Varian 380−LC
注入量: 5.0μL(試料濃度:0.1%(wt/vol))
溶離液: A液:MeOH/H2O=8/1(v/v),B液:CHCl3/MeOH=8/1(v/v)
グラジェント:A/B=80/20→0/100(28min);流量:0.7mL/min
まず、アセチルDS(アセチル基総置換度)が0〜3の範囲でDS既知の標品をHPLC分析することで、溶出時間対DSの較正曲線を作成した。較正曲線に基づき、未知試料の溶出曲線(時間対検出強度曲線)をDS対検出強度曲線(組成分布曲線)に変換し、この組成分布曲線の未補正半値幅Xを決定し、次式により組成分布の補正半値幅Zを決定した。
Z=(X2−Y21/2
なお、Yは次式で定義される装置定数である。
Y=(a−b)x/3+b
a: アセチルDS=3の標品のX値
b: アセチルDS=0の標品のX値
x: 未知試料のアセチルDS
補正半値幅Zから、次式により組成分布指数(CDI)を決定した。
CDI=Z/Z0
ここに、Z0は全ての部分置換酢酸セルロースの調製におけるアセチル化および部分脱アセチル化が全ての分子の全ての水酸基(又はアセチル基)に対して等しい確率で生じた場合に生成する組成分布であり、次式で定義される。

Figure 2015140296
DPw:重量平均重合度
p:(未知試料のアセチルDS)/3
q:1−p
このように求めた上記水溶性酢酸セルロースのCDIは1.4であった。 (Measurement of composition distribution index (CDI))
The CDI of cellulose acetate was determined by conducting HPLC analysis under the following conditions after introduction into propionylated cellulose acetate.
Equipment: Agilent 1100 Series
Column: Waters Nova-Pak phenyl 60Å 4 μm (150 mm × 3.9 mmΦ) + guard column Column temperature: 30 ° C.
Detection: Varian 380-LC
Injection volume: 5.0 μL (sample concentration: 0.1% (wt / vol))
Eluent: Liquid A: MeOH / H 2 O = 8/1 (v / v), Liquid B: CHCl 3 / MeOH = 8/1 (v / v)
Gradient: A / B = 80/20 → 0/100 (28 min); Flow rate: 0.7 mL / min
First, a calibration curve of elution time versus DS was created by HPLC analysis of a sample with known DS in the range of 0 to 3 acetyl DS (acetyl group total substitution degree). Based on the calibration curve, the elution curve (time vs. detected intensity curve) of the unknown sample is converted to the DS vs. detected intensity curve (composition distribution curve), and the uncorrected half-value width X of this composition distribution curve is determined. The corrected half width Z of the distribution was determined.
Z = (X 2 −Y 2 ) 1/2
Y is a device constant defined by the following equation.
Y = (a−b) x / 3 + b
a: X value of a sample with acetyl DS = 3 b: X value of a sample with acetyl DS = 0 x: Acetyl DS of unknown sample
From the corrected half width Z, the composition distribution index (CDI) was determined by the following formula.
CDI = Z / Z 0
Here, Z 0 is the composition distribution generated when acetylation and partial deacetylation in the preparation of all partially substituted cellulose acetates occur with equal probability for all hydroxyl groups (or acetyl groups) of all molecules. Yes, defined by
Figure 2015140296
DPw: weight average polymerization degree p: (acetyl DS of unknown sample) / 3
q: 1-p
The CDI of the water-soluble cellulose acetate thus determined was 1.4.

(重量平均重合度(DPw)、分散度(DPw/DPn)の測定)
酢酸セルロースの重量平均重合度および分散度は、プロピオニル化酢酸セルロースに導いた後に次の条件でGPC−光散乱測定を行うことで決定した。
装置:Shodex製 GPC 「SYSTEM−21H」
溶媒:アセトン
カラム:GMHxl(東ソー)2本、同ガードカラム
流速:0.8ml/min
温度:29℃
試料濃度:0.25%(wt/vol)
注入量:100μl
検出:MALLS(多角度光散乱検出器)(Wyatt製、「DAWN−EOS」)
MALLS補正用標準物質:PMMA(分子量27600)
このように求めた上記水溶性酢酸セルロースのDPwは180、DPw/DPnは1.9であった。
(Measurement of weight average degree of polymerization (DPw), degree of dispersion (DPw / DPn))
The weight average polymerization degree and dispersion degree of cellulose acetate were determined by conducting GPC-light scattering measurement under the following conditions after being led to propionylated cellulose acetate.
Equipment: GPC “SYSTEM-21H” manufactured by Shodex
Solvent: Acetone Column: 2 GMHxl (Tosoh), same guard column Flow rate: 0.8 ml / min
Temperature: 29 ° C
Sample concentration: 0.25% (wt / vol)
Injection volume: 100 μl
Detection: MALLS (multi-angle light scattering detector) (manufactured by Wyatt, “DAWN-EOS”)
MALLS correction standard substance: PMMA (molecular weight 27600)
The water-soluble cellulose acetate thus obtained had a DPw of 180 and a DPw / DPn of 1.9.

実施例1〜4、比較例1
(酸化グラフェン分散液の調製)
酸化グラフェンは、Journal of the Electrochemical Society, 160(11)、F1175−F1178(2013)に記載される方法で調製した。より具体的には、まず、2.0gのグラファイト粉末(和光純薬、特級)、2.0gの硝酸ナトリウム(和光純薬、特級)、92mlの98重量%硫酸(和光純薬、特級)を約0℃で混合した。この混合物に、合計12gの過マンガン酸カリウム(和光純薬、特級)を少量づつ加えた。この混合物を95℃に昇温し、45分間攪拌し、グラファイト粉末を酸化させた。反応混合物を蒸留水で希釈し、5mlに30重量%過酸化水素水を添加し、残存する過マンガン酸カリウムを中和した。この混合物中の固形物を3,000rpmの遠心分離で回収し、5重量%塩酸水溶液(和光純薬、特級)、蒸留水で順次洗浄し、塩酸を除去した後に70℃で7日間乾燥した。この固形物を蒸留水に分散し、超音波バス中で2時間処理した。この分散液を10,000rpmで遠心分離し、上澄みを酸化グラフェン分散液として使用した。酸化グラフェン分散液の酸化グラフェン濃度は、4mg/mlとなるよう調整した。
Examples 1-4, Comparative Example 1
(Preparation of graphene oxide dispersion)
Graphene oxide was prepared by the method described in Journal of the Electrochemical Society, 160 (11), F1175-F1178 (2013). More specifically, first, 2.0 g of graphite powder (Wako Pure Chemical, special grade), 2.0 g of sodium nitrate (Wako Pure Chemical, special grade), and 92 ml of 98 wt% sulfuric acid (Wako Pure Chemical, special grade). Mixed at about 0 ° C. To this mixture, a total of 12 g of potassium permanganate (Wako Pure Chemicals, special grade) was added in small portions. The mixture was heated to 95 ° C. and stirred for 45 minutes to oxidize the graphite powder. The reaction mixture was diluted with distilled water, and 30 wt% aqueous hydrogen peroxide was added to 5 ml to neutralize the remaining potassium permanganate. The solid in the mixture was collected by centrifugation at 3,000 rpm, washed successively with 5 wt% aqueous hydrochloric acid (Wako Pure Chemicals, special grade) and distilled water, and after removing hydrochloric acid, it was dried at 70 ° C for 7 days. This solid was dispersed in distilled water and treated in an ultrasonic bath for 2 hours. This dispersion was centrifuged at 10,000 rpm, and the supernatant was used as a graphene oxide dispersion. The graphene oxide concentration of the graphene oxide dispersion was adjusted to 4 mg / ml.

(酸化グラフェン・ペーパーの調製)
濃度4mg/mlの酸化グラフェン分散液1,000重量部に、所定量(表1に記載)の上記水溶性酢酸セルロースを添加し、室温(約22℃)で24時間攪拌した(比較例1では水溶性酢酸セルロースを添加することなく次の操作を行った)。この分散液をメンブレン・フィルター(孔径0.025−0.4μm)で減圧ろ過し、メンブレン・フィルター上にシート状の酸化グラフェンを得た。引き続き同じメンブレン・フィルター上で、このシート状の酸化グラフェンを所定量の所定溶媒を所定回数加え減圧ろ過することで、シート状サンプルから水溶性酢酸セルロースを除去した(条件は表1に記載)。メンブレン・フィルター上のシート状サンプルを、70℃で恒量になるまで減圧乾燥し、酸化グラフェン・ペーパーを調製した。酸化グラフェン・ペーパーの厚さは55±4μmとなるよう調整した。
(Preparation of graphene oxide paper)
A predetermined amount (described in Table 1) of the above water-soluble cellulose acetate was added to 1,000 parts by weight of a graphene oxide dispersion having a concentration of 4 mg / ml and stirred at room temperature (about 22 ° C.) for 24 hours (in Comparative Example 1) The following operation was carried out without adding water-soluble cellulose acetate). This dispersion was filtered under reduced pressure with a membrane filter (pore size: 0.025-0.4 μm), and sheet-like graphene oxide was obtained on the membrane filter. Subsequently, water-soluble cellulose acetate was removed from the sheet-like sample by adding a predetermined amount of a predetermined solvent to the sheet-like graphene oxide and filtering under reduced pressure on the same membrane filter (conditions are described in Table 1). The sheet sample on the membrane filter was dried under reduced pressure at 70 ° C. until a constant weight was obtained, thereby preparing graphene oxide paper. The thickness of the graphene oxide paper was adjusted to 55 ± 4 μm.

評価試験
(1)法線方向プロトン導電率の測定
実施例及び比較例で得られた酸化グラフェン・ペーパーの法線方向のプロトン導電率は、二端子法で測定した(参考:Sigma−Aldrich社「材料科学の基礎(第2号)」の「固体酸化物形燃料電池の基礎とその材料評価手法の紹介」の図3b;Journal of The Electrochemical Society,160(11)F1175(2013))。図1に酸化グラフェン・ペーパーの法線方向のプロトン導電率の測定方法の概略図を示す。図1において、1は円盤状電極、2は電解質膜(酸化グラフェン・ペーパー)、Dは膜厚(cm)でありまた電極間距離である。上記方法により抵抗R(Ω)を求め、次式により、電解質膜(酸化グラフェン・ペーパー)のプロトン導電率σx(S/cm)を求めることができる。A(cm2)は円盤状電極の面積である。
σx=D/(A・R)
なお、法線方向プロトン導電率の測定は、温度25℃、相対湿度8%、14%、31%、50%、95%の条件で行った。得られた法線方向のプロトン導電率σx(S/cm)の対数(logσx)を表2に示す。
Evaluation test (1) Measurement of proton conductivity in normal direction The proton conductivity in the normal direction of graphene oxide paper obtained in Examples and Comparative Examples was measured by a two-terminal method (reference: “Sigma-Aldrich” FIG. 3b of “Introduction of Basics of Solid Oxide Fuel Cell and Its Material Evaluation Method” in “Basics of Materials Science (No. 2)”; Journal of The Electrochemical Society, 160 (11) F1175 (2013)). FIG. 1 shows a schematic diagram of a method for measuring proton conductivity in the normal direction of graphene oxide paper. In FIG. 1, 1 is a disk-shaped electrode, 2 is an electrolyte membrane (graphene oxide paper), D is a film thickness (cm), and an interelectrode distance. The resistance R (Ω) is obtained by the above method, and the proton conductivity σ x (S / cm) of the electrolyte membrane (graphene oxide paper) can be obtained by the following formula. A (cm 2 ) is the area of the disk-shaped electrode.
σ x = D / (A · R)
The normal proton conductivity was measured under the conditions of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 8%, 14%, 31%, 50%, and 95%. Table 2 shows the logarithm (logσ x ) of the obtained proton conductivity σ x (S / cm) in the normal direction.

(2)酸素透過性の測定
実施例及び比較例で得られた酸化グラフェン・ペーパーの酸素透過性を、「固体高分子形燃料電池の目標・研究開発課題と評価方法の提案(平成23年1月 燃料電池実用化推進協議会)」項目III−1−2(ガス透過性測定方法)にしたがい、キャリアガスとしてヘリウムを用いて測定した(JIS K7126−2 ガスクロマトグラフ法による試験方法に準じた方法)。測定条件は以下の通りである。
[ガス透過測定(湿潤状態)]
方法:等圧法
試験片サイズ(透過面直径):10〜150mmΦ
試験数:N=3
測定温度:80℃
相対湿度:95%
測定ガス:酸素
キャリアガス:ヘリウム
図2に、酸化グラフェン・ペーパーの酸素透過性の測定方法の概略図を示す。図2において、3は測定ガス(酸素)、4はキャリアガス(ヘリウム)、5はバルブ、6はバブリング装置、7は流量計、8は透過セル、9は計量管、10はガスクロマトグラフ、11及び12は恒温槽である。透過セル8は、チャンバー/試験片(酸化グラフェン・ペーパー)/チャンバーの構成を有している。透過セル8内の試験片を透過するガスは、キャリアガスによって計量管に運ばれ、計量管9の全容量をガスクロマトグラフ10に導入して定量分析する。そして、酸素透過性[cm3/(s・cm2)]は、下記式により求められる。
酸素透過性=酸素透過量[cm3/s]/透過セル有効面積[cm2] なお、酸素透過量決定のためには、別途酸素量とガスクロマトグラフ検出感度の関係を調べておく。
結果を表2に示す。なお、商品名「Nafion 212」の酸素透過性(80℃、相対湿度95%)は5×10-5cm3/(s・cm2)である[神奈川県産業技術センター研究報告、No.15、pp64(2009)]。
(2) Measurement of oxygen permeability The oxygen permeability of the graphene oxide paper obtained in the examples and comparative examples was determined according to the "Proposal of targets / research and development issues and evaluation methods for solid polymer fuel cells" (Measurement according to JIS K7126-2 gas chromatographic method) in accordance with item III-1-2 (gas permeability measurement method), and using helium as the carrier gas. ). The measurement conditions are as follows.
[Gas permeation measurement (wet condition)]
Method: Isobaric method Test piece size (permeation surface diameter): 10 to 150 mmΦ
Number of tests: N = 3
Measurement temperature: 80 ° C
Relative humidity: 95%
Measurement gas: Oxygen Carrier gas: Helium FIG. 2 shows a schematic diagram of a method for measuring oxygen permeability of graphene oxide paper. In FIG. 2, 3 is a measuring gas (oxygen), 4 is a carrier gas (helium), 5 is a valve, 6 is a bubbling device, 7 is a flow meter, 8 is a permeation cell, 9 is a measuring tube, 10 is a gas chromatograph, 11 And 12 are constant temperature baths. The permeation cell 8 has a configuration of chamber / test piece (graphene oxide paper) / chamber. The gas that permeates the test piece in the permeation cell 8 is carried to the measuring tube by the carrier gas, and the entire capacity of the measuring tube 9 is introduced into the gas chromatograph 10 for quantitative analysis. And oxygen permeability [cm < 3 > / (s * cm < 2 >)] is calculated | required by a following formula.
Oxygen permeability = oxygen permeation amount [cm 3 / s] / permeation cell effective area [cm 2 ] In order to determine the oxygen permeation amount, the relationship between the oxygen amount and gas chromatographic detection sensitivity is separately investigated.
The results are shown in Table 2. The product name “Nafion 212” has an oxygen permeability (80 ° C., relative humidity 95%) of 5 × 10 −5 cm 3 / (s · cm 2 ) [Research Report of Kanagawa Industrial Technology Center, No. 15, pp64 (2009)].

(3)想定膜厚におけるプロトン輸送抵抗(Ω・cm2)の試算
以下の方法により、実施例及び比較例で得られた酸化グラフェン・ペーパーの想定膜厚におけるプロトン輸送抵抗(Ω・cm2)を試算した。なお、膜材料の調製においては、膜厚が厚いと膜素材の材料費が嵩むため、この観点からは膜厚は薄い方が好ましい。他方、膜厚が薄いと所望の性能(ガス遮断性など)が達成されない場合もあるが、その他の制約要因は膜材料の取り扱い性である。つまり、膜材料が薄す過ぎると、自立膜としては柔らかすぎて取り扱いが困難であったり、取り扱い中に破断し易くなる。この観点からは膜厚は20μmは確保することが好ましい。プロトン輸送抵抗の試算においては、本発明の材料については酸素遮断性に優れており膜厚は薄く出来るものの、取り扱い性を勘案して、20μmを想定膜厚とした。比較として試算したNafionについては、酸素遮断性の観点から最低100μmの膜厚を要すると考えられることから、想定膜厚は100μmとした。
プロトン輸送抵抗(Ω・cm2)は下式により算出した。 プロトン輸送抵抗[Ω・cm2]=想定膜厚[cm]/プロトン導電率[S/cm]
結果を表3に示す。なお、Nafionのデータは、Nano Lett. 2010, 10, 3785−3790に記載されている値に基づく(30℃、RH90%)。
(3) Trial calculation of proton transport resistance (Ω · cm 2 ) at an assumed film thickness Proton transport resistance (Ω · cm 2 ) at an assumed film thickness of graphene oxide paper obtained in Examples and Comparative Examples by the following method Was estimated. In the preparation of the membrane material, since the material cost of the membrane material increases when the film thickness is large, it is preferable that the film thickness is small from this viewpoint. On the other hand, when the film thickness is thin, desired performance (such as gas barrier properties) may not be achieved, but the other limiting factor is the handleability of the film material. That is, if the film material is too thin, it is too soft as a self-supporting film and is difficult to handle, or is easily broken during handling. From this viewpoint, it is preferable to secure a film thickness of 20 μm. In the trial calculation of proton transport resistance, although the material of the present invention has excellent oxygen barrier properties and can be made thin, the film thickness is assumed to be 20 μm in consideration of handleability. As for Nafion calculated as a comparison, it is considered that a minimum film thickness of 100 μm is required from the viewpoint of oxygen barrier properties, and therefore the assumed film thickness was set to 100 μm.
Proton transport resistance (Ω · cm 2 ) was calculated by the following equation. Proton transport resistance [Ω · cm 2 ] = assumed film thickness [cm] / proton conductivity [S / cm]
The results are shown in Table 3. Note that Nafion data is Nano Lett. Based on values described in 2010, 10, 3785-3790 (30 ° C., RH 90%).

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1 円盤状電極
2 電解質膜(酸化グラフェン・ペーパー)
D 膜厚(電極間距離)(cm)
3 測定ガス(酸素)
4 キャリアガス(ヘリウム)
5 バルブ
6 バブリング装置
7 流量計
8 透過セル
9 計量管
10 ガスクロマトグラフ
11 恒温槽
12 恒温槽
1 Disc electrode 2 Electrolyte membrane (graphene oxide paper)
D Film thickness (distance between electrodes) (cm)
3 Measurement gas (oxygen)
4 Carrier gas (helium)
5 valve 6 bubbling device 7 flow meter 8 permeation cell 9 measuring tube 10 gas chromatograph 11 thermostat 12 thermostat

Claims (7)

相対湿度95%、25℃における法線方向のプロトン導電率(S/cm)の対数が−3.0以上であることを特徴とするシート状酸化グラフェン。   A sheet-like graphene oxide having a logarithm of proton conductivity (S / cm) in the normal direction at a relative humidity of 95% and 25 ° C. of −3.0 or more. 相対湿度95%、25℃における法線方向のプロトン導電率(S/cm)の対数が−2.5以上である請求項1記載のシート状酸化グラフェン。   The sheet-like graphene oxide according to claim 1, wherein the logarithm of proton conductivity (S / cm) in the normal direction at a relative humidity of 95% and 25 ° C. is −2.5 or more. 請求項1又は2記載のシート状酸化グラフェンにより構成される電解質膜。   The electrolyte membrane comprised with the sheet-like graphene oxide of Claim 1 or 2. 請求項3記載の電解質膜を備えた燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane according to claim 3. 請求項1又は2記載のシート状酸化グラフェンを製造する方法であって、水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液から分散媒及び水溶性高分子を除去してシート状酸化グラフェンを得ることを特徴とするシート状酸化グラフェンの製造方法。   A method for producing the sheet-like graphene oxide according to claim 1 or 2, wherein the dispersion medium and the water-soluble polymer are removed from the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer to obtain the sheet-like graphene oxide. A method for producing sheet-like graphene oxide. 水溶性高分子を含む酸化グラフェン分散液を濾過、洗浄することにより分散媒及び水溶性高分子を除去する請求項5記載のシート状酸化グラフェンの製造方法。   The method for producing sheet-like graphene oxide according to claim 5, wherein the dispersion medium and the water-soluble polymer are removed by filtering and washing the graphene oxide dispersion containing the water-soluble polymer. 水溶性高分子がアセチル総置換度0.5〜1.1の酢酸セルロースである請求項5又は6記載のシート状酸化グラフェンの製造方法。   The method for producing sheet-like graphene oxide according to claim 5 or 6, wherein the water-soluble polymer is cellulose acetate having a total degree of acetyl substitution of 0.5 to 1.1.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022045286A1 (en) * 2020-08-28 2022-03-03 京セラ株式会社 Graphene dispersion, graphene resin powder, and battery
CN115010494A (en) * 2022-06-01 2022-09-06 星途(常州)碳材料有限责任公司 Preparation method of graphene heat conducting sheet for reinforcing longitudinal heat flux transmission

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022045286A1 (en) * 2020-08-28 2022-03-03 京セラ株式会社 Graphene dispersion, graphene resin powder, and battery
CN115989282A (en) * 2020-08-28 2023-04-18 京瓷株式会社 Graphene dispersion liquid, graphene resin powder and battery
CN115010494A (en) * 2022-06-01 2022-09-06 星途(常州)碳材料有限责任公司 Preparation method of graphene heat conducting sheet for reinforcing longitudinal heat flux transmission
CN115010494B (en) * 2022-06-01 2023-01-24 星途(常州)碳材料有限责任公司 Preparation method of graphene heat conducting sheet for strengthening longitudinal heat flux transmission

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