JP2015514153A - 高固形分法によるセルロースエーテルの調製方法、得られる生成物及びその生成物の使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、反応及び／又は洗浄媒体として有機溶媒を実質的に使用しない、高固形分法によるセルロースエーテルの製造方法を提供する。本発明の方法では、第１のアルカリ化ステップを、高固形分含量セルロースパルプ及び固体水酸化ナトリウムを使用することによって実施する。これにエーテル化ステップが後続する。ここで、固形分含量をさらに増大させることが好ましく、固体エーテル化反応体を使用することが好ましい。反応媒体として有機溶媒を使用しないので、本発明の方法は、エネルギー及び投資コストの大幅な節減を伴う、未乾燥パルプからのセルロースエーテルの直接的な製造を可能にする。本方法は、低い置換度（ＤＳ＜０．３）を有するカルボキシメチルセルロースナトリウム塩（ＣＭＣ）の製造に特に適している。得られる非水溶性又は低水溶性のカルボキシメチル化されたセルロース系繊維の使用は、例えばミクロフィブリル化セルロースを製造するのに適している。

Description

本発明は、水系（有機溶媒を含まない）プロセスにおける中間体としてのアルカリセルロースの製造、及び、セルロース誘導体、特にセルロースエーテルを製造するためのそのセルロース系材料のさらなるエーテル化を可能にするプロセスに関する。アルカリセルロースから作製することができるセルロースエーテルには、これらに限定されないが／とりわけ、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、カルボキシエチルセルロース（ＣＥＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）、エチルセルロース（ＥＣ）、ヒドロキシルエチルセルロース（ＨＥＣ）、エチルヒドロキシルエチルセルロース（ＥＨＥＣ）、ヒドロキシルプロピルセルロース（ＨＰＣ）が含まれる。

エーテル化されたセルロース系材料、例えばカルボキシメチルセルロース及び特に対応するナトリウム塩（本明細書では以後ＣＭＣ）は、ミクロフィブリル化又はナノフィブリル化セルロース系材料（それぞれＭＦＣ又はＮＦＣ）のためのプロセスにおける原料として、並びに、ＣＭＣの使用が特定の製品特性、ほとんどの場合レオロジー特性を実現するために有益である他の用途においてさらに使用することができる。

カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、ＣＭＣは、最も広範に応用できるセルロースエーテルであり、これは、水溶性セルロース誘導体の中で最も多量に生産されてもいる。ＣＭＣは、例えば紙用途、洗剤、パーソナルケア、医薬品、食品及び化粧品用途などのいくつかの異なる分野、並びに石油掘削泥における増粘剤又は分散剤として従来から使用されている。

セルロース誘導体の特性は、置換度（ＤＳ）、置換基（ＣＭＣの場合、カルボキシメチル基）の分布、セルロース主鎖の重合度（ＤＰ）及び分子量分布によって影響される。セルロースエーテルは工業的には不均一反応で製造される。ここでは、固体アルカリ膨潤セルロースを有機溶媒媒体中でエーテル化試薬を用いて処理する。アルカリ処理、シルケット加工（ｍｅｒｃｅｒｉｚａｔｉｏｎ）がエーテル化反応の必要条件であることは公知である。したがって、エーテル化と同じように、シルケット加工条件も上記特徴のすべて（ＤＳ、置換基の分布、また、ある程度セルロース主鎖のＤＰも）に影響を及ぼす。したがって、シルケット加工ステップは、セルロースエーテルの製造及び特性に関して重要な役割を果たすということができる。

ＣＭＣなどのセルロースエーテルのための工業的な製造方法では、出発原料として乾燥し摩砕されたセルロースが使用されており、その製造ラインはパルプ工場と統合されてはいない。主な理由の１つは、エーテル化反応は縮合反応であり、反応中での水の存在は一般に、試薬を消費して副生成物を生成することによって低い反応効率をもたらすということである。これが、セルロースのエーテル化反応が一般に、低い水分含量の有機溶媒媒体中で調製される理由である［１］。

置換度ＤＳが０．６超である場合、ＣＭＣは通常水溶性であると見なされる。ＣＭＣのＤＳが０．３未満である場合、セルロースの繊維質の特徴は保持され、その生成ＣＭＣは非水溶性である。しかし、上記したように、その溶解度は平均ＤＳだけによって決定されるのではなく、他のポリマーの特徴、置換基の分布及びセルロース主鎖の重合度も、溶解度並びにレオロジー特性に影響を及ぼす。

ミクロフィブリル化及びナノフィブリル化セルロースのための出発原料として高い潜在性を有することが示されているため、非水溶性ＣＭＣ（ＤＳ＜０．３）に対する関心が増大してきている。セルロースのミクロフィブリル化、さらには、ナノフィブリル化はそれ自体コストのかかるプロセスである。ＭＦＣ製造におけるカルボキシメチル化されたセルロースの使用の利点は、加工における著しく低いエネルギー消費並びに強度、レオロジー及び膜形成特性に関する改善された特性からもたらされる［２］。したがって、カルボキシメチル化は、ＭＦＣの最終用途の可能性を拡大することになる。明白な技術的及び特性の利点にも関わらず、今までのところ、低いＤＳ（ＤＳ＜０．３）ＣＭＣのコスト構造は、この経路によるＭＦＣ又はＮＦＣの商業生産のためには妥当なレベルではない。

ＣＭＣは、シルケット加工段階で開始される二段階のスラリープロセスで商業的に生産される。ここでは、パルプを、水／アルコール媒体中で、アルカリ（ＮａＯＨ）で処理し、続いて、モノクロロ酢酸（ＭＣＡ）及び／又はそのナトリウム塩（ＮａＭＣＡ）がパルプスラリーに添加されるエーテル化段階が後続する。カルボキシメチル化プロセスに関する化学反応を式１〜４で示す。式（１）は、１つのセルロースヒドロキシル基とナトリウムカチオンの間におけるオキソニウム水酸化ナトリウム錯体及び水の生成を示す。反応体としてＮａＭＣＡが用いられる場合、反応（２）は起こらないが（ＮａＭＣＡは容易に存在する）、試薬としてＭＣＡが用いられる場合、反応（２）が起こる。ＭＣＡは反応媒体中でＮａＯＨの一部を消費するので、ＮａＯＨの量は当然、使用されたエーテル化試薬に応じて調節する必要がある。式（３）で示すカルボキシメチル化は、ハロゲン化アルキル、ＭＣＡで完結する、オキソニウム水酸化ナトリウムの求核置換反応である。エーテル化反応（３）は、グリコール酸ナトリウム塩が生成する副反応（４）と競合する。反応（３）は一般に、異なるサイズ及び構造を有するハロゲン化アルキルを用いることによって、適用することができる。

ＣＭＣ合成における主反応（「Ｃｅｌｌ」はセルロースを表す）
シルケット加工（アルコキシドの生成）
（１）Ｃｅｌｌ−ＯＨ＋ＮａＯＨ→Ｃｅｌｌ−Ｏ−Ｎａ^＋＋Ｈ_２Ｏ
塩、ＮａＭＣＡ、生成（ＭＣＡの使用の場合）
（２）ＮａＯＨ＋ＣｌＣＨ_２ＣＯＯＨ→ＣｌＣＨ_２ＣＯＯ⁻Ｎａ^＋＋Ｈ_２Ｏ
エーテル化
（３）Ｃｅｌｌ−Ｏ⁻Ｎａ^＋＋ＣｌＣＨ_２ＣＯＯ⁻Ｎａ^＋→Ｃｅｌｌ−Ｏ−ＣＨ_２ＣＯＯ⁻Ｎａ^＋＋Ｎａ^＋Ｃｌ⁻
ＣＭＣ合成における副反応（最も重要）
（４）２ＮａＯＨ＋ＣｌＣＨ_２ＣＯＯＨ→ＮａＣｌ＋ＨＯＣＨ_２ＣＯＯ⁻Ｎａ^＋＋Ｈ_２Ｏ

上記した化学的な反応及びステップに加えて、ＣＭＣの従来技術の製造プロセスは、いくつかの他のステップ、（ｉ）セルロースを乾式摩砕するステップから始まり、（ｉｉ）有機溶媒反応媒体中でセルロース粉末を懸濁するステップ、（ｉｉｉ）セルロースをシルケット加工するステップ、（ｉｖ）ＭＣＡ及び／又はＮａＭＣＡでエーテル化するステップ、（ｖ）中和し、必要なら洗浄して副生成物を除去するステップ、並びに（ｖｉ）最終生成物を乾燥し顆粒化するステップも含む。

このプロセスは、パルプの乾式摩砕で始まる。これはエネルギーを消費するものであり、また高い粉塵爆発の危険性もはらむ。続く、シルケット加工並びにエーテル化は、有機溶媒／水混合物を使用したスラリープロセスとして実施される。様々な溶媒が広く研究されており、最も一般的なものはエタノール及び２−プロパノールのようなアルコールである。他の溶媒及び溶媒混合物、例えばエタノールとベンゼン並びにエタノールとアセトンも、ＣＭＣ合成に適していることが分かっている［３］。２−プロパノール溶媒系は多分最も広く使用されており、また、最も広範囲に研究もなされている［４］。スラリープロセスでは、セルロース系材料と溶媒の比は非常に小さく、そのため、スラリーは、１３〜１５重量／重量％固体濃度まで、効率的な翼型撹拌機で容易に撹拌することができ、オープン羽根車を備えた遠心ポンプのような一般的な工業用ポンプでポンプ輸送することができる。さらに、反応収率のためには、媒体中で＞８０重量％の有機溶媒を有することが有益であるので、溶媒／水混合物中の有機溶媒含量は一般に高いものとなる。ＣＭＣプラントで高容積の有機溶媒を回収する必要性は明らかであり、商業的なＣＭＣプロセスにおける最も高い投資コストは、高度の有機溶媒の使用、その結果としてのこれらの可燃性液体の取り扱い及び回収の必要性に関するものである。

乾式摩砕したセルロースを反応溶媒で懸濁させた後、ＮａＯＨ水溶液をその混合物に導入することによってシルケット加工ステップが開始される。ＮａＯＨの濃度は一般に約４５〜５０重量％である。繊維の一様な膨潤及びその後のエーテル化段階での置換を遂行するために、シルケット加工ステップで反応媒体を冷却する必要があり、最良の結果を得るためには（一様なシルケット加工）、温度は好ましくは２０℃未満でなければならないことは周知であり、いくつかの研究において記載されている。反応媒体を低温で保持する時間は、一般に３０〜１２０分間である。いわゆる、完全なシルケット加工では、ＮａＯＨはセルロース繊維に浸透し、反応媒体中のＮａＯＨの濃度が十分高い場合（濃度は、溶媒媒体に依存し、純水の場合、一般に許容されるＮａＯＨの最低濃度は水相の８重量％超である）、それは、結晶領域にも浸透することができる。Ｎａ^＋イオンは、式（１）にしたがって、セルロースヒドロキシル水素を置き換えることができ、アルカリ化されたセルロースが生成する。アルカリ化セルロースの生成は、エーテル化反応の恩恵である。

ＣＭＣの製造における次の反応ステップはエーテル化である。これは、エーテル化試薬（ＭＣＡ及び／又はそのナトリウム塩ＮａＭＣＡ）の添加によって開始される。エーテル化試薬（単数又は複数）は、約７０〜８０重量％であってよい水溶液として一般に添加される。エーテル化試薬の添加の後、温度を、通常６５〜７５℃の反応温度に上昇させる。そこで反応（３）が起こる。この温度で６０〜１２０分間保持する。水酸化ナトリウムとＭＣＡが互いに反応してＮａＣｌ及びグリコール酸ナトリウムを生成する副反応（４）は、反応効率（ＭＣＡからＣＭＣへの転換速度）に影響を及ぼす。

加熱及び反応ステップに中和ステップが後続する。ここで、残っている可能性のあるＮａＯＨ又はＭＣＡは中和される。塩を含まないＣＭＣ、高品質又はいわゆる高純度グレードを製造する場合、次のステップは洗浄である。洗浄は、ＣＭＣが水に溶解するのを回避するために、アルコール−水混合液中で実施する。洗浄は一般に、ベルトフィルター、ドラムフィルター又はプレスフィルターで実施することができる。

洗浄から、湿潤ＣＭＣは乾燥段階へ進み、そこで残留アルコール溶媒は熱又は蒸気により除去される。最終乾燥の前に、取り扱い易い生成物が得られるように、一般に、水を含有する生成物を顆粒化する。

従来のＣＭＣ製造経路が、複雑で高価な設備並びに大きな投資及び維持コストを必要とすることは明らかある。したがって、問題は、コストを低下させ、安全性を増大させるために、このプロセスをいかに簡略化するかということであり、環境影響は非常に貴重である。以下で説明し、特許請求するようにこの問題を本発明によって解決する。

本発明の目的は、セルロースエーテルの調製のための改善された方法を提供することである。

本発明の１つの態様は、高固形分含量の、有機溶媒を実質的に含まない、すなわち多くても非常に少ない有機溶媒しか含まない湿潤した未乾燥（ｎｅｖｅｒ ｄｒｉｅｄ）セルロース系材料からセルロースエーテルを調製するための方法である。本発明によれば、この方法は、アルカリ処理（シルケット加工）及びエーテル化のステップを含み、そのアルカリ処理ステップは、実質的に有機溶媒を使用しない固体（８０〜９９．５重量／重量％）の顆粒化又は摩砕された水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）で実施され、その材料は、アルカリ処理の間に、連続的に又は（特定の）時間間隔で、混合されるか或いは処理（機械的手段によって）される。

本発明の他の態様は、ミクロフィブリル化セルロース及びナノフィブリル化セルロースの製造のための本明細書で説明するようにして製造された材料の使用並びに紙用途、複合材料、洗浄用粉末、石油掘削泥、及び特定の食品及び化粧品用途における本明細書で説明するようにして製造された材料の使用である。

本発明のさらに他の態様は、本明細書で説明するような方法で得られる製品である。

本発明は、セルロースエーテル化プロセスのシルケット加工段階とエーテル化段階の両方に関する。従来のＣＭＣプロセスと同じ試薬及び反応を使用する。従来の方法と異なるのは、（Ｉ）原料としての未乾燥セルロースの使用、（ＩＩ）部分的に又は完全に固体形態での反応体の添加、及び（ＩＩＩ）反応媒体としてのごくわずかな量の水の使用である。

先行技術の方法と比較した決定的な違いは、反応媒体としての有機溶媒の欠如及び高固形分含量の使用である。反応体のみを有機溶媒溶液として添加し、したがって少量の有機溶媒しかそのプロセスへ持ち込まないことも可能であるが、反応体の添加は一般に、部分的に又は好ましくは完全に固体形態で実施される。したがって、シルケット加工又はエーテル化の段階では遊離した水又は溶媒は存在せず、すべての水はセルロース繊維壁又は繊維内腔の中に存在する。

有機溶媒が存在する場合、これは、エーテル化試薬のための溶媒として少量のアルコールしか使用されないように限定するのが好ましい。アルカリ処理ステップでは有機溶媒が全く存在しないことが好ましい。

未乾燥セルロースは、ドライセルロースより反応性である。未乾燥セルロースに関しては、Ｓｐｉｎｕらの論文、Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、２０１１年、１８巻、２４７〜２５６頁［５］を参照されたい。これを本明細書の一部として本明細書に組み込む。一般に、未乾燥セルロースは、ドライセルロースと比べて非常に柔軟性があり、適合させるのが容易であるという利点を有しており、未乾燥状態のセルロースでは、開放された構造のため、より多くの化学薬品を吸収する。繊維中へのＮａ^＋イオンの浸透性は、乾燥し再湿潤させたパルプと比較して、未乾燥パルプ、特に未乾燥針葉樹パルプについて、より良好であることが示されている［５］。そうした容易なＮａ^＋イオン浸透は、本発明によるシルケット加工、続くエーテル化についての主要な利点である。

本発明による固体ＮａＯＨの添加は、水の添加を限定するのを可能にする。さらに、本発明にしたがって作製されたＭＦＣは、改善された製品特性を有することが示されている。

驚くべきことに、我々は、未乾燥パルプをＮａＯＨと一緒にろ過する、且つ／又は機械的に圧縮する、且つ／又は混合することによって、妥当なＭＣＡの転換収率で、セルロースをシルケット加工し、さらにエーテル化することができることを発見した。これは、シルケット加工ステップにおいて十分に高固形分含量のセルロースを使用し、固体水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を使用し、また任意選択で、固体粉末（ＭＣＡ又はＮａＭＣＡ）としてエーテル化試薬も反応媒体に添加することによって遂行することができる。

本発明によれば、高固形分含量の、有機溶媒を含まない又は有機溶媒を非常に少しか含まない（すなわち、２０重量／重量％未満、好ましくは５重量／重量％未満）、湿潤した未乾燥セルロース系材料からセルロースエーテルを調製するための方法であって、アルカリ処理（シルケット加工）及びエーテル化ステップを含み、そのアルカリ処理ステップを、アルカリ処理の間に、連続的に又は時間間隔をおいて、効果的に混合又は処理することによって、固体（８０〜９９．５重量／重量％）の顆粒化又は摩砕された水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）で実施する方法。

セルロース系材料の含量は、シルケット加工段階で、少なくとも２０重量／重量％であって７５重量／重量％未満、より好ましくは３０〜５０重量／重量％、最も好ましくは３５〜４５重量／重量％であることが好ましい。

未乾燥パルプが本発明にしたがってシルケット加工されている場合、シルケット加工されたパルプの固形分含量は非常に高いため、そのパルプをシルケット加工されたパルプとして外部の顧客へ輸送／送達するのは経済的に実現可能なものである。さらに、シルケット加工における未乾燥パルプの使用は、シルケット加工されたパルプの品質を改善することができる（例えば、出発パルプにおけるより少ない角質化（hornification）ｅｘｔ．−未乾燥パルプｅｘｔ．）。本発明は、このプロセスが実質的なコスト節減及び品質改良をもたらすので、非常に高い商業的価値を有している。

上述したように、エーテル化反応収率は水分含量によって判定される。したがって、エーテル化段階においてできるだけ高固形分含量を有することが有益である。固形分含量は３０〜８０重量／重量％、好ましくは４０〜６０重量／重量％の範囲でなければならない。これは、最初のシルケット加工段階ですでに高固形分含量を有することによって達成することができる。１つの選択肢は、シルケット加工後、アルカリ化されたパルプを乾燥することによって、固形分含量及び反応の転換速度を増大させることである。これは、真空を導入するか又はアルカリセルロースを加熱することによって実施することができる。

本発明の方法で使用されるエーテル化試薬は、好ましくはモノクロロ酢酸（ＭＣＡ）又はそのアルカリ塩、より好ましくはモノクロロ酢酸ナトリウム（ＮａＭＣＡ）である。それは水若しくはアルコール又はその混合液に溶解させることができるが、エーテル化試薬は固体として加えるのが好ましい。エーテル化剤は、アルカリ化（シルケット加工）剤の前か又はそれと同時に加えることができる。

エーテル化段階での反応温度は好ましくは６０〜１２０℃、より好ましくは９０〜１００℃である。

エーテル化の間、反応混合物に摩砕、せん断又は他の機械的混合を施すことが好ましい。

しかし、有機溶媒、好ましくはアルコール、例えばメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール又は２−プロパノールは、エーテル化反応体を溶質として有機溶媒中に添加するために少量で、或いは副生成物として生成した塩を所望の生成物から洗浄する反応洗浄ステップ後に多量に使用することができる。本発明は、製造プロセスを大幅に簡略化し、投資コストとメンテナンスコストの両方を大幅に低減させる。

反応収率及び得られる置換度に加えて、置換基の分布（ＣＭＣの場合のカルボキシメチル基の場合）も、製品の特性及び性能において極めて重要な役割を果たす。高固形分法では、競合するスラリープロセスと比較した場合、置換基の一様な分布は特に課題となるものである。アルカリ化されたパルプ中でのエーテル化剤の遅い拡散に由来する置換基の不均一な分布は、ＣＭＣの場合には、エーテル化剤、ＭＣＡ及び／又はＮａＭＣＡをアルコール又はアルコール水溶液としてアルカリパルプに導入することによって改善することができる。アルコールの量は、反応混合物の質量の２０重量／重量％を超えない、より好ましくは５重量／重量％を超えないようにすべきである。アルコールは、エーテル化プロセスにおいて完全に又は部分的に蒸発させて回収することができる。

反応媒体は、アルカリ処理（シルケット加工）ステップで有機溶媒を含まないことが好ましい。

シルケット加工ステップ後、エーテル化試薬を添加する前か後に、固形分含量を３５〜８０重量％、より好ましくは４０〜７０重量％、最も好ましくは５０〜６０重量％の固形分含量にさらに増大させるために、シルケット加工ステップに、濃縮ステップを後続させることが好ましい。適切な濃縮ステップは、反応器若しくは真空乾燥機又は同様の装置の中で水を蒸発させるステップを含む。

本方法で好ましいセルロース系材料は、未乾燥化学パルプ、低コストセルロース系材料、再生繊維（再パルプ化後、乾燥されていない）、麦わら、バガス等のような農産物系の繊維、パルプ化によって得られ中間乾燥なしで本発明のために使用されるセルロース含有材料である。

好ましいＮａＯＨ顆粒の直径は５ｍｍ未満、より好ましくは２ｍｍ未満、最も好ましくは１ｍｍ未満である。

カルボキシメチル化された生成物を、水（ＤＳ＜０．３の場合）又は水／アルコール溶液（ＤＳ＞０．３）で洗浄して、その生成物から塩化ナトリウム及びグリコール酸ナトリウムを除去することが好ましい。メタノール、エタノール又は２−プロパノール水溶液での洗浄が最も好ましい。

本発明によるプロセスはパルプ工場プロセスに統合することができ、それによって、中間乾燥又はパルプ乾式摩砕することなく、前記パルプ加工プロセスから未乾燥セルロース系材料が得られる。前記パルプ工場プロセスからのパルプを、過剰の水を除去するためにろ過又はスクリュープレスによって処理するだけで、このパルプを有利な高固形分含量にすることができる。

ＣＭＣの完全な溶解を必要としない又は望まないいくつかの異なる用途が存在する。

１つの明らかな用途は、ミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）及び／又はナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）の製造である。カルボキシメチル化は、ミクロフィブリル凝集体を遊離させる経路である可能性があることが示されている。したがって、低い置換度のＣＭＣでも、ミクロフィブリル化を改善することになり、したがってＭＦＣ／ＮＦＣの製造をより簡単なものとし、エネルギーをより消費せず、ＭＦＣ／ＮＦＣ特性を改善する。したがって、好ましくは、ミクロフィブリル化セルロース及びナノフィブリル化セルロースの製造のための本発明の方法による本明細書で説明するようにして作製された材料の使用は本発明の範囲内である。

本発明の方法で製造されたＣＭＣは、とりわけ、紙及びボード（board）、洗剤、衛生用品、食品用途における添加剤の特性を増進させるのに、又は、上述したような、ミクロフィブリル化セルロースの製造における前処理として用いることができる。したがって、好ましくは、紙用途、複合材料、洗浄用粉末、石油掘削泥、特定の食品及び化粧品用途における本発明の方法による本明細書で説明するようにして作製された材料の使用も本発明の範囲内である。

本発明の利点のいくつかは以下の通りである：

１．原料；
ａ）原料での大きなコスト節減をもたらす未乾燥パルプを使用することができる。
ｂ）プロセスにおいて有機溶媒が本質的に存在しない；
水系プロセスは有機溶媒回収プロセスより、環境に優しく、簡略化されていて、より安全で安価である。これは、製造コストを直接的に低減させる。
ｃ）大抵の場合；より小さいＤ．Ｓ．（したがって本質的に水に溶解しない）のため、最終生成物を、有機溶媒を使用する代わりに水で洗浄することができる。

２．プロセス条件及びパラメーターをより最適に変えることができる；
ａ）高い投資コスト及びエネルギー消費のパルプ乾燥プロセスステップを、低い投資及び低いエネルギーしか必要としない、ろ過及び／又はスクリュープレス、押出機又は同様の装置で置き換えることができ、製造をパルプ工場の製造に統合することができる。
ｂ）エネルギーを消費する危険なパルプの乾式摩砕を回避することができ、結果として、コスト節減及び安全な環境をもたらすことができる。
ｃ）エーテル化においてより高い温度を、非加圧化反応器中での水系反応で用いることができ、反応収率を改善することができる。
ｄ）大部分の場合、最終生成物を水で洗浄する（低いＤ．Ｓ．のため）ことができる（有機溶媒を必要としない）。

３．投資コストを劇的に節減することができる。
ａ）パルプ乾燥設備の投資を必要とせず、プロセスをパルプ工場に統合することができる。
ｂ）パルプ乾式摩砕システムを必要としない。
ｃ）有機溶媒のシステム及び回収を必要としない。
ｄ）最終洗浄を、パルプ工場において用いられる通常のパルプ洗浄システムで実施することができる。

４．最終生成物品質
ａ）この方法で、カルボキシメチル化された繊維から非常に高品質のＭＦＣ／ＮＦＣを製造することができる。
ｂ）非常に高いパルプコンシステンシーを均質化に用いることができ、したがって、ＭＦＣプロセスにおける直接的な節減をもたらすことができる。

本発明を、以下の非限定的な実施例で例示する。上記説明及び実施例において示される実施形態は例示のためだけに過ぎず、本発明の範囲内で様々な変更及び改変形態が可能であることを理解すべきである。

シルケット加工されたセルロースでカルボキシメチルセルロースを作製するための異なる８つの実験を例１〜８として示す。例１のパルプをブフナー（Ｂｕｈｎｅｒ）漏斗を用いて吸引下で脱水し、他のすべてのパルプを圧搾により脱水し高固形分状態にした。使用した化学薬品の量を表１に示す。

（例１）
パルプ工場から直接得た１００ｇ（乾燥状態で計算）の未乾燥松パルプを脱水して１９．５％の固形分含量及び８０．５％の水分含量を得た。粉末状ＮａＯＨ（２９．６ｇ）をこのパルプに加え、混合物をＫｉｔｃｈｅｎ ａｉｄで３０分間機械的に混合した。アルカリ化セルロースを２℃で終夜静置した。機械的混合を続行し、撹拌しながら、３３．４ｍｌの８０重量％モノクロロ酢酸溶液を１０分以内で添加した。混合をさらに３０分間続行し、続いてこの材料をオーブン中、１０５℃で１２０分間密封反応器中に置いた。反応器を放置して冷却させた。カルボキシメチル化されたセルロース繊維を２ｌの水に懸濁させ、３５重量％ＨＣｌでｐＨを７に調節した。この材料をＢｕｈｎｅｒ漏斗でろ過し、さらに３ｌの冷水で３回洗浄した。湿潤マスを、Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｅｒ（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ Ｉｎｃ．）でのＭＦＣの調製用にさらに使用した。サンプルの一部を少量用いて、［Ａｌｍｌｏｆ Ｈ、カルボキシメチルセルロース調製前における長時間シルケット加工（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｅｒｃｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｉｏｒ ｔｏ ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ）、ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ， Ｋａｒｌｓｔａｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０１０年、ＩＳＢＮ ９７８−９１ −７０６３−３１４−０］に記載されている滴定法でＤＳを測定した。

ＤＳ値は以下のようにして決定した：
オーブン乾燥生成物として計算したＣＭＣの０．５ｇサンプルを７００℃で１５〜２０ｍｉｎ加熱した；得られた灰分を、乾燥剤としてシリカゲルを入れたガラスデシケーター中で冷却した。次いで、灰分を６ｍｌの沸騰脱イオン水に溶解し、次いで、溶液がｐＨ４．４に達するまで０．１Ｍ Ｈ_２ＳＯ_４で滴定した。次いで、以下の式を用いて、滴定された酸（ｂｍｌ）及び使用したＣＭＣ（Ｇｇ）の量から、ＤＳ値を計算した。
ＤＳ＝０．１６２^＊（０．１^＊ｂ／Ｇ）／（１−０．０８０^＊（０．０１^＊ｂ／Ｇ））

例２〜５を例１にしたがって調製した。但し、表１で示した異なる反応体量を用いた。

例６を例１と同様にして調製した。但し、ＮａＯＨを固体として添加する代わりに、５９．２ｇのＮａＯＨの５０重量％溶液を、生地ミキサーで混合している間に、シルケット加工段階で滴下添加した。ＮａＯＨ溶液を添加した後、この実験を例１と同様にして続行した。

例７を例１と同様にして調製した。但し、ＭＣＡを８０重量％水溶液として導入する代わりに、ＭＣＡを５０重量％２−プロパノール溶液として混合物へ滴下して導入した。化学薬品の量は表１に示す。エーテル化試薬を添加した後、合成を例１と同様にして続行した。

例８を例１と同様にして調製した。但し、シルケット加工段階で２９．６ｇのＮａＯＨを添加する代わりに、１４．８ｇだけの固体ＮａＯＨを加えた。エーテル化試薬も、混合している間に、ＮａＭＣＡ（４３．１ｇ）の形態で固体として徐々に導入した。反応において、ＭＣＡは使用しなかった。化学薬品の量を表１に挙げる。

流動化の前に、乾燥されたカルボキシメチル化繊維は極めて速い湿潤を示した（直ちに湿潤）。これは、これらの繊維のこの特性を、化学薬品の完全な溶解が望ましくない領域での吸収剤、粘度調節として利用するための可能性を開くものである。

光学顕微鏡分析を、ミクロフィブリル化されたカルボキシメチル化材料の少量のサンプル（５ｍｇ未満）をガラススリット上で圧搾し、１０×の倍率の光学顕微鏡（Ｚｅｉｓｓ社）でサンプルを観察することによって実施した。

Claims (17)

1. 高固形分含量の、湿潤した未乾燥セルロース系材料からセルロースエーテルを調製するための方法であって、有機溶媒を実質的に使用することなく、アルカリ処理を固体（８０〜９９．５重量／重量％）の顆粒化又は摩砕された水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）で実施し、アルカリ処理の間、連続的に又は時間間隔をおいて、材料を機械的に処理することよる、アルカリ処理及びエーテル化ステップを含むプロセスを用いる上記方法。
2. アルカリ処理ステップでの前記セルロース系材料の含量が、２０重量／重量％超７５重量／重量％未満、好ましくは３０〜５０重量／重量％、最も好ましくは３５〜４５重量／重量％である、請求項１に記載の方法。
3. モノクロロ酢酸（ＭＣＡ）又はそのアルカリ塩、好ましくはモノクロロ酢酸ナトリウム（ＮａＭＣＡ）をエーテル化試薬として使用し、前記エーテル化試薬を、固体として或いは水若しくはアルコール又はその混合物に溶解したものとして添加する、請求項１又は２に記載の方法。
4. エーテル化剤を、固体水酸化ナトリウムの前か又はそれと同時に添加する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. エーテル化ステップでの反応温度が６０〜１２０℃、好ましくは９０〜１００℃である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. エーテル化の間、前記混合物に摩砕、せん断又は他の機械的混合を施す、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 前記反応媒体が、アルカリ処理及びエーテル化ステップで有機溶媒を含まない、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記アルカリ処理ステップに、エーテル化試薬を添加する前か後にアルカリ処理ステップ後の固形分含量を３５〜８０重量％、好ましくは４０〜７０重量％、より好ましくは５０〜６０重量％の固形分含量にさらに増大させるための濃縮ステップを後続させる、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 前記未乾燥セルロース系材料が、化学パルプ、再生繊維、麦わら、バガス等のような農産物系の繊維、セルロース含有材料である、請求項１に記載の方法。
10. ＮａＯＨ顆粒の直径が５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍ未満である、請求項１に記載の方法。
11. 前記カルボキシメチル化生成物を、水（ＤＳ＜０．３の場合）又は水／アルコール溶液（ＤＳ＞０．３）で、好ましくはメタノール、エタノール又は２−プロパノール水溶液で洗浄して、前記生成物から塩化ナトリウム及びグリコール酸ナトリウムを除去する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
12. パルプ工場プロセスに統合されており、未乾燥セルロース系材料が、中間乾燥又はパルプ乾式摩砕なしで前記プロセスから得られる、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 前記パルプ工場プロセスからのパルプをろ過又はスクリュープレスで処理する、請求項１２に記載の方法。
14. ミクロフィブリル化セルロース及びナノフィブリル化セルロースの製造のための、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法によって製造された材料の使用。
15. 紙用途、複合材料、洗浄用粉末、石油掘削泥並びに食品及び化粧品用途における、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法によって製造された材料の使用。
16. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法によって得られる生成物。
17. ミクロフィブリル化セルロース若しくはナノフィブリル化セルロースの製造のための、又は紙用途、複合材料、洗浄用粉末、石油掘削泥、食品若しくは化粧品用途における、請求項１６に記載の生成物の使用。