JP2016069536A - Producing method of cellulose nano fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セルロースナノファイバーの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing cellulose nanofibers.
物質をナノメートルの領域すなわち原子や分子のスケールにおいて、自在に制御する技術であるナノテクノロジーから、様々な便利な新素材やデバイスが生まれることが期待される。特に、繊維を極限まで細くすると、従来の繊維にはなかった、まったく新しい物理学的な性質が生まれることから、ナノオーダーの繊維(ナノファイバー)が非常に注目されている。このナノファイバーを応用することで、例えば、どんな細かい異物も通過させない高性能フィルターによる浄化装置の実現、化学繊維の強度アップや高機能衣服の実現、燃料電池の効率アップなどへの展開が期待されている。 It is expected that various useful new materials and devices will be born from nanotechnology, which is a technology that freely controls substances in the nanometer range, that is, atomic and molecular scales. In particular, nanofibers (nanofibers) have attracted a great deal of attention because, when the fibers are made as thin as possible, completely new physical properties that were not found in conventional fibers are born. By applying this nanofiber, for example, it is expected to develop a purification device with a high-performance filter that does not allow any fine foreign substances to pass through, increase the strength of chemical fibers and high-performance clothing, and increase the efficiency of fuel cells. ing.
セルロースナノファイバーは、1000nm以下のナノレベルの繊維径を持つ繊維であり、一般的には化学変性したセルロース繊維を機械的せん断力で解繊することにより得ることができる(特許文献1)。また、セルロースナノファイバーの製造方法に関して、特許文献1に記載されている製造方法を含め、様々な製造方法が検討されている。 Cellulose nanofiber is a fiber having a nano-level fiber diameter of 1000 nm or less, and can be generally obtained by defibrating chemically modified cellulose fiber with mechanical shearing force (Patent Document 1). Moreover, regarding the manufacturing method of a cellulose nanofiber, various manufacturing methods including the manufacturing method described in patent document 1 are examined.
しかしながら、特許文献1に記載されている製造方法を含め、様々なセルロースナノファイバーの製造方法は、実験室レベルにおける製造方法が開示されているに過ぎず、大規模の生産においては、効率的な製造方法が開示されていないのが現状である。 However, as for the production methods of various cellulose nanofibers including the production method described in Patent Document 1, only a production method at a laboratory level is disclosed, and efficient in large-scale production. The present situation is that the manufacturing method is not disclosed.
そこで、本発明は、セルロースナノファイバーの大規模の生産に対して、効率的な製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an efficient manufacturing method for large-scale production of cellulose nanofibers.
本発明は下記の〔1〕〜〔2〕を提供する。
〔1〕下記工程1〜4を含むセルロースナノファイバーの製造方法。
[工程1] 水を主成分とする溶液中で、原料セルロース表面の水酸基に、カルボキシル基、カルボキシレート基、カルボキシルメチル基、4級アンモニウム基を導入する工程
[工程2] 工程1で得られた変性セルロースの分散液を、遠心脱水式、真空脱水式、加圧脱水式のいずれかの脱水装置を用いて脱水・洗浄する工程。
[工程3] 工程2で得られた変性セルロースを0.1重量%〜10重量%の分散液に調整する工程。
[工程4] 工程3で調整された変性セルロースを高速せん断型、衝突型、ビーズミル型のいずれかの粉砕機を用いて変性セルロース繊維の繊維径が1〜1000nmまで解繊する工程。
〔2〕前記工程1の前に、シート状のセルロース原料を粗砕する工程を含むことを特徴とする〔1〕に記載のセルロースナノファイバーの製造方法。
The present invention provides the following [1] to [2].
[1] A method for producing cellulose nanofiber, comprising the following steps 1 to 4.
[Step 1] A step of introducing a carboxyl group, a carboxylate group, a carboxylmethyl group, or a quaternary ammonium group into a hydroxyl group on the raw material cellulose surface in a solution containing water as a main component.
[Step 2] A step of dehydrating and washing the dispersion of the modified cellulose obtained in Step 1 using any one of a centrifugal dehydration type, vacuum dehydration type, and pressure dehydration type dehydration apparatus.
[Step 3] A step of adjusting the modified cellulose obtained in Step 2 to a dispersion of 0.1 wt% to 10 wt%.
[Step 4] A step of defibrating the modified cellulose prepared in step 3 to 1 to 1000 nm using a high-speed shearing type, collision type, or bead mill type pulverizer.
[2] The method for producing cellulose nanofibers according to [1], including a step of crushing a sheet-like cellulose raw material before the step 1.
本発明により、セルロースナノファイバーの大規模の生産に対して、効率的な製造方法を提供することができる。 The present invention can provide an efficient production method for large-scale production of cellulose nanofibers.
1.製造フロー全体
本発明は、セルロース原料の表面に官能基を導入する反応工程、変性セルロースの分散液を脱水・洗浄を行う工程、変性セルロースの分散液の調整工程、変性セルロースの分散液に機械的せん断力を加えて解繊する解繊工程を有するセルロースナノファイバーの製造方法に関する。
1. Overall production flow The present invention includes a reaction step for introducing a functional group on the surface of a cellulose raw material, a step for dehydrating and washing the modified cellulose dispersion, a step for adjusting the modified cellulose dispersion, and a mechanical treatment for the modified cellulose dispersion. The present invention relates to a method for producing cellulose nanofibers having a defibrating step of defibrating by applying a shearing force.
2.セルロース原料
本発明において、セルロース原料とは、セルロースを主体とした様々な形態の材料をいい、パルプ(晒又は未晒木材パルプ、晒又は未晒非木材パルプ、精製リンター、ジュート、マニラ麻、ケナフ等の草本由来のパルプなど)、酢酸菌等の微生物によって生産されるセルロース等の天然セルロース、セルロースを銅アンモニア溶液、モルホリン誘導体等の何らかの溶媒に溶解した後に紡糸された再生セルロース、及び上記セルロース原料に加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、爆砕処理、振動ボールミル等の機械的処理等をすることによってセルロースを解重合した微細セルロースなどが例示される。
2. Cellulose raw material In the present invention, the cellulose raw material refers to materials in various forms mainly composed of cellulose, such as pulp (bleached or unbleached wood pulp, bleached or unbleached non-wood pulp, refined linter, jute, Manila hemp, kenaf, etc. Natural cellulose such as cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria, regenerated cellulose spun after dissolving cellulose in some solvent such as copper ammonia solution, morpholine derivative, and the above cellulose raw material Examples thereof include fine cellulose obtained by depolymerizing cellulose by performing mechanical treatment such as hydrolysis, alkali hydrolysis, enzymatic decomposition, blasting treatment, and vibration ball mill.
本発明において、シート状のセルロース原料を用いる場合、0.5〜5cm角程度の大きさに粗砕することが好ましい。前記大きさに粗砕することにより、効率的、且つ均一に次の反応工程おいて、セルロース原料を変性することができる。なお、粗砕する方法は特に限定されるものではないが、一軸回転せん断式粉砕機、二軸回転せん断式粉砕機、多軸スクリュー式粉砕機、シュレッダー、ギロチンカッターなどを使用することができる。これらの中でも一軸回転せん断式粉砕機、シュレッダーを使用することが粗粉砕の観点から好ましい。 In the present invention, when a sheet-like cellulose raw material is used, it is preferably crushed to a size of about 0.5 to 5 cm square. By roughly crushing to the size, the cellulose raw material can be modified efficiently and uniformly in the next reaction step. The method for coarse crushing is not particularly limited, and a uniaxial rotary shear pulverizer, a biaxial rotary shear pulverizer, a multi-screw screw pulverizer, a shredder, a guillotine cutter, or the like can be used. Among these, it is preferable from the viewpoint of coarse pulverization to use a uniaxial rotary shearing pulverizer and a shredder.
3.工程1:反応工程
本発明において、セルロース原料にカルボキシル基、カルボキシレート基、カルボキシルメチル基、4級アンモニウム基を導入することで工程4での解繊効率が大幅に向上する。
3. Process 1: Reaction process In this invention, the fibrillation efficiency in the process 4 improves significantly by introduce | transducing a carboxyl group, a carboxylate group, a carboxyl methyl group, and a quaternary ammonium group into a cellulose raw material.
(1)アニオン変性
(1−1)カルボキシメチル化
上記のセルロース原料を発底原料にし、溶媒に3〜20重量倍の低級アルコール、具体的にはメタノール、エタノール、N−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、N−ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノール等の単独、又は2種以上の混合物と水の混合媒体を使用する。なお、低級アルコールの混合割合は、60〜95重量%である。マーセル化剤としては、発底原料のグルコース残基当たり0.5〜20倍モルの水酸化アルカリ金属、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用する。発底原料と溶媒、マーセル化剤を混合し、反応温度0〜70℃、好ましくは10〜60℃、かつ反応時間15分〜8時間、好ましくは30分〜7時間、マーセル化処理を行う。その後、カルボキシメチル化剤をグルコース残基当たり0.05〜10.0倍モル添加し、反応温度30〜90℃、好ましくは40〜80℃、かつ反応時間30分〜10時間、好ましくは1時間〜4時間、エーテル化反応を行う。
(1) Anion-modified (1-1) Carboxymethylation Using the above cellulose raw material as a starting raw material, the solvent is 3 to 20 times by weight lower alcohol, specifically methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, tertiary butanol or the like alone or a mixture of two or more and water are used. The mixing ratio of the lower alcohol is 60 to 95% by weight. As the mercerizing agent, 0.5 to 20 times moles of alkali metal hydroxide, specifically sodium hydroxide or potassium hydroxide is used per glucose residue of the bottoming material. A bottoming raw material, a solvent, and a mercerizing agent are mixed and subjected to mercerization treatment at a reaction temperature of 0 to 70 ° C., preferably 10 to 60 ° C., and a reaction time of 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours. Thereafter, a carboxymethylating agent is added in an amount of 0.05 to 10.0 times mol per glucose residue, a reaction temperature of 30 to 90 ° C., preferably 40 to 80 ° C., and a reaction time of 30 minutes to 10 hours, preferably 1 hour. Perform etherification reaction for ~ 4 hours.
本発明において、アニオン変性されたセルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が0.02〜0.50であることが好ましい。セルロースにカルボキシメチル置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カルボキシメチル置換基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。なお、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.02より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.50より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。
(1−2)酸化
上記のセルロース原料を、N−オキシル化合物、及び、臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化することでカルボキシル基をセルロースに導入した酸化セルロースを得ることができる。
In the present invention, the degree of carboxymethyl substitution per glucose unit in the anion-modified cellulose is preferably 0.02 to 0.50. By introducing a carboxymethyl substituent into cellulose, the celluloses are electrically repelled. For this reason, the cellulose which introduce | transduced the carboxymethyl substituent can be nano-defibrated easily. In addition, when the carboxymethyl substituent per glucose unit is smaller than 0.02, nano-defibration cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the carboxymethyl substituent per glucose unit is larger than 0.50, it may swell or dissolve, and may not be obtained as a nanofiber.
(1-2) Oxidation By oxidizing the above cellulose raw material in water using an oxidizing agent in the presence of a compound selected from the group consisting of N-oxyl compounds and bromides, iodides or mixtures thereof. Oxidized cellulose having a carboxyl group introduced into cellulose can be obtained.
N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物である。本発明で用いるN−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。 An N-oxyl compound is a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound used in the present invention, any compound can be used as long as it promotes the target oxidation reaction.
N−オキシル化合物の使用量は、セルロースをナノファイバー化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.05〜0.5mmolがさらに好ましい。 The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of forming cellulose into nanofibers. For example, 0.01 to 10 mmol is preferable, 0.01 to 1 mmol is more preferable, and 0.05 to 0.5 mmol is more preferable with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material.
臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜10mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。 Bromide is a compound containing bromine, examples of which include alkali metal bromides that can dissociate and ionize in water. Further, an iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected as long as the oxidation reaction can be promoted. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably from 0.1 to 100 mmol, more preferably from 0.1 to 10 mmol, and even more preferably from 0.5 to 5 mmol, with respect to 1 g of an absolutely dry cellulose raw material.
酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、コストの観点から、現在工業プロセスにおいて最も汎用されている安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムが特に好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5〜500mmolが好ましく、0.5〜50mmolがより好ましく、1〜25mmolがさらに好ましく、3〜10mmolが最も好ましい。 As the oxidizing agent, known ones can be used, and for example, halogen, hypohalous acid, halous acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxide, peroxide and the like can be used. Among these, from the viewpoint of cost, sodium hypochlorite, which is the most widely used in industrial processes and has a low environmental load, is particularly preferable. The appropriate amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, still more preferably 1 to 25 mmol, and most preferably 3 to 10 mmol with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material. preferable.
セルロースの酸化工程は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は15〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってパルプを構成するセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを9〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。 The cellulose oxidation process allows the reaction to proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature may be a room temperature of about 15 to 30 ° C. As the reaction proceeds, a carboxyl group is generated in the cellulose constituting the pulp, so that the pH of the reaction solution is reduced. In order to advance the oxidation reaction efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution at about 9 to 12, preferably about 10 to 11. The reaction medium is preferably water because it is easy to handle and hardly causes side reactions.
酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5〜6時間、好ましくは2〜6時間、さらに好ましくは4〜6時間程度である。しかしながら本発明においては、前述のとおり酸化時間を低減できるので、反応時間は30分以上120分が好ましく、30〜100分がより好ましく、30〜70分がさらに好ましい。 The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the progress of oxidation, and is usually 0.5 to 6 hours, preferably 2 to 6 hours, more preferably about 4 to 6 hours. However, in the present invention, since the oxidation time can be reduced as described above, the reaction time is preferably 30 minutes to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, and even more preferably 30 to 70 minutes.
また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、セルロース原料に効率よくカルボキシル基を導入でき、セルロース原料の酸化を促進することができる。 The oxidation reaction may be performed in two stages. For example, oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first stage reaction is oxidized again under the same or different reaction conditions, so that the cellulose is not subject to reaction inhibition by the salt produced as a by-product in the first stage reaction. A carboxyl group can be efficiently introduced into the raw material, and oxidation of the cellulose raw material can be promoted.
酸化セルロースのカルボキシル基量が、セルロースの絶乾質量に対して、0.2mmol/g以上となるように条件を設定することが好ましい。この場合のカルボキシル基量は、より好ましくは0.6mmol/g〜2.0mmol/g、さらに好ましくは1.0mmol/g〜1.8mmol/gである。カルボキシル基量は、酸化反応時間の調整、酸化反応温度の調整、酸化反応時のpHの調整、N−オキシル化合物や臭化物、ヨウ化物、酸化剤の添加量の調整などを行なうことにより調製できる。 The conditions are preferably set so that the amount of carboxyl groups of oxidized cellulose is 0.2 mmol / g or more with respect to the absolute dry mass of cellulose. In this case, the carboxyl group amount is more preferably 0.6 mmol / g to 2.0 mmol / g, and still more preferably 1.0 mmol / g to 1.8 mmol / g. The amount of the carboxyl group can be adjusted by adjusting the oxidation reaction time, adjusting the oxidation reaction temperature, adjusting the pH during the oxidation reaction, adjusting the addition amount of the N-oxyl compound, bromide, iodide, or oxidizing agent.
(2)カチオン変性
上記のセルロース原料にグリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3−クロロ−2ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライト又はそのハロヒドリン型などのカチオン化剤と触媒である水酸化アルカリ金属(水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど)を水及び/又は炭素数1〜4のアルコールの存在下で反応させることによって、カチオン変性されたセルロースを得ることができる。なお、この方法において、得られるカチオン変性されたセルロースのグルコース単位当たりのカチオン置換度は、反応させるカチオン化剤の添加量、水及び/又は炭素数1〜4のアルコールの組成比率をコントロールすることによって、調整することができる。
(2) Cationic modification A cationizing agent such as glycidyltrimethylammonium chloride, 3-chloro-2hydroxypropyltrialkylammonium hydride or its halohydrin type and an alkali metal hydroxide (sodium hydroxide, water) as a catalyst. Cation-modified cellulose can be obtained by reacting potassium oxide and the like in the presence of water and / or alcohol having 1 to 4 carbon atoms. In this method, the cation substitution degree per glucose unit of the cation-modified cellulose obtained is controlled by the amount of the cationizing agent to be reacted, the composition ratio of water and / or alcohol having 1 to 4 carbon atoms. Can be adjusted.
本発明において、カチオン変性されたセルロースのグルコース単位当たりのカチオン置換度が0.02〜0.50であることが好ましい。セルロースにカチオン置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。
このため、カチオン置換基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。なお、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.02より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.50より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。次の解繊を効率よく行なうために、上記で得た酸化されたセルロース系原料は洗浄されることが好ましい。
In the present invention, the cation substitution degree per glucose unit of the cation-modified cellulose is preferably 0.02 to 0.50. By introducing a cationic substituent into cellulose, the celluloses repel each other electrically.
For this reason, the cellulose which introduce | transduced the cation substituent can be nano-defibrated easily. In addition, when the cation substitution degree per glucose unit is smaller than 0.02, nano-fibrosis cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the degree of cation substitution per glucose unit is more than 0.50, it may swell or dissolve, and may not be obtained as a nanofiber. In order to efficiently perform the next defibration, the oxidized cellulose raw material obtained above is preferably washed.
尚、このセルロース原料を変性させ、変性セルロースを得る工程1で使用される反応タンクは特に限定されるものではないが、撹拌羽根を設けたタンク、パルパー、ニーダー、リボン型混合装置、スクリュー型混合装置などを例示することができる。これらの中でも概ね原料濃度3%以下で反応を進める場合は、液体や液状のスラリーの撹拌を行うことができる撹拌羽根を設けたタンクやパルパーを使用することが好ましい。また、概ね原料濃度3%を超える条件で反応を進める場合は、反応物が液状の形態を取らず固形状であるため、それらを混合撹拌できるニーダー、リボン型混合装置、スクリュー型混合装置を使用することが好ましい。 The reaction tank used in Step 1 for modifying the cellulose raw material to obtain modified cellulose is not particularly limited, but a tank provided with stirring blades, a pulper, a kneader, a ribbon type mixing device, a screw type mixing An apparatus etc. can be illustrated. Among these, when the reaction proceeds at a raw material concentration of about 3% or less, it is preferable to use a tank or a pulper provided with a stirring blade capable of stirring a liquid or liquid slurry. In addition, when the reaction is carried out under conditions where the raw material concentration exceeds 3%, since the reactants are solid and not in liquid form, a kneader, ribbon type mixer, screw type mixer that can mix and agitate them is used. It is preferable to do.
4.工程2:洗浄工程
本発明において、工程1で得られた変性セルロースの分散液を、脱水処理後に水で洗浄する工程であり、この工程は、不純物が少ないセルロースナノファイバーを得るために必須の工程である。
4). Step 2: Washing step In the present invention, the dispersion of the modified cellulose obtained in Step 1 is a step of washing with water after the dehydration treatment, and this step is an essential step for obtaining cellulose nanofibers with less impurities. It is.
この工程では、遠心脱水式、真空脱水式、加圧脱水式のタイプの脱水装置を使用することができる具体的には、遠心分離式:(タナベウィルテック製遠心分離機、コクサン製遠心分離機など)、真空脱水式:ドラム型真空脱水機、月島機械製水平ベルトフィルター、加圧脱水式:フィルタープレス、チューブプレス、スクリュープレス、ベルトプレス水平ベルトフィルター、ポリディスクフィルター、振動スクリーンなどを挙げることができる。これらの中でも脱水原料に強いせん断力を加えることなく脱水を行うことができるため、加圧脱水式:(フィルタープレス、チューブプレス)、遠心分離式(タナベウィルテック製遠心分離機、コクサン製遠心分離機など)、真空脱水式:(ドラム型真空脱水機、月島機械製水平ベルトフィルター)が好ましい。また、これらの複数を組み合わせて使用することもできる。 In this step, centrifugal dehydration type, vacuum dehydration type and pressure dehydration type dehydration devices can be used. Specifically, centrifugal separation type: (Tanabe Wiltech centrifugal separator, Kokusan centrifugal separator Vacuum dehydration type: drum type vacuum dehydrator, Tsukishima machine horizontal belt filter, pressure dehydration type: filter press, tube press, screw press, belt press horizontal belt filter, poly disc filter, vibrating screen, etc. Can do. Among these, since dehydration can be performed without applying a strong shearing force to the dehydrated raw material, pressurized dehydration type: (filter press, tube press), centrifugal type (Tanabe Wiltech centrifuge, Kokusan centrifuge Vacuum dehydration type: (drum type vacuum dehydrator, Tsukishima Kikai horizontal belt filter) is preferable. A plurality of these can also be used in combination.
5.調整工程
本発明において、次の解繊工程を効率よく行うために、変性セルロースの分散液の濃度を0.1重量%〜10重量%に調整することは必須である。0.1重量%未満であると変性パルプの存在が少なすぎるため十分に解繊できない。一方、10重量%を超えると解繊が進行するに従い、変性パルプ分散液の粘度が高くなり、変性パルプに十分な力を加えることができなくなるため十分に解繊することができなくなる。
5. Adjustment process In this invention, in order to perform the following defibration process efficiently, it is essential to adjust the density | concentration of the dispersion liquid of a modified cellulose to 0.1 to 10 weight%. If it is less than 0.1% by weight, the presence of the modified pulp is too small to sufficiently defibrate. On the other hand, when the amount exceeds 10% by weight, as the defibration progresses, the viscosity of the modified pulp dispersion increases, and a sufficient force cannot be applied to the modified pulp.
6.工程4:解繊工程
本発明において、変性セルロースを解繊することは必須である。この工程に使用される粉砕機は、高速せん断型、衝突型、ビーズミル型、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のいずれのタイプのものも使用することができ、具体的には、高速回転式:石臼式摩砕機スーパーマスコロイダー(増幸産業製)、コロイドミル式:乳化機(イワキ製)、ロールミル式:3本ロールミル(アメックス製)、超音波式:エアパージ型超音波分散機(エス・エム・テー製)高速せん断型:ナノメーカー(アドバンスト・ナノ・テクノロジィ製)、衝突型:湿式微粒化装置スターバースト(スギノマシン製)、ビーズミル型湿式ビーズミルMSCミル(日本コークス工業製)を挙げることができる。また、これらの複数を組み合わせて使用することもできる。これらの中では高速せん断型、衝突型、高速回転式の解繊装置を使用することが、より強いせん断力をメディアによる汚染のリスクが低い条件で処理できる観点から好ましい。
6). Step 4: Defibration Step In the present invention, it is essential to defibrate the modified cellulose. The pulverizer used in this step can be any type of high-speed shear type, collision type, bead mill type, high-speed rotation type, colloid mill type, high-pressure type, roll mill type, and ultrasonic type. Specifically, high-speed rotation type: stone mill grinder Super Mass Colloider (made by Masuko Sangyo), colloid mill type: emulsifier (made by Iwaki), roll mill type: 3-roll mill (made by Amex), ultrasonic type: air purge type Ultrasonic disperser (manufactured by SMT) High-speed shear type: Nano manufacturer (manufactured by Advanced Nano Technology), Collision type: Wet atomizer Starburst (manufactured by Sugino Machine), Bead mill type wet bead mill MSC mill (Japan) Coke Industries). A plurality of these can also be used in combination. Among these, it is preferable to use a high-speed shearing type, collision type, and high-speed rotation type defibrating device from the viewpoint of processing a stronger shearing force under a condition where the risk of contamination by media is low.
以下、反応工程、洗浄脱水工程、離解工程を備えた実施例1のナノファイバーの製造方法及び製造システムについて説明する。 Hereinafter, the manufacturing method and manufacturing system of the nanofiber of Example 1 provided with the reaction process, the washing | cleaning dehydration process, and the disaggregation process are demonstrated.
[実施例1]
一軸回転せん断式粉砕機であるオリエント粉砕機を用いて20mm角程度に粉砕した漂白クラフトパルプをリボン型混合装置へ苛性ソーダ、モノクロロ酢酸ソーダと共に混合撹拌し、80℃まで徐々に加温してCM化反応を進めた後、アジテータ付タンクにて固形分0.5%まで希釈し、5m3のスラリーとした。次に、スラリーをフィルタープレス(栗田機械製作所製)にて固形分15%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5%まで希釈し、5m3のスラリーとした。本スラリーを再びフィルタープレスにて10%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5%まで希釈する操作を3回繰り返し、洗浄を進めた。0.5%スラリーを石臼式摩砕機スーパーマスコロイダー(増幸産業製)にて解繊を行い、直後に熱交換により冷却し、ストックタンクにスラリーを貯蔵する操作を5回繰り返し、固形分0.5%のCM化セルロースナノファイバースラリー4.5m3を得た。
[Example 1]
Bleached kraft pulp pulverized to about 20mm square using an oriental pulverizer, which is a uniaxial rotary shearing pulverizer, is mixed and stirred with caustic soda and monochloroacetic acid soda into a ribbon-type mixing device, and gradually heated to 80 ° C for commercialization. After proceeding with the reaction, the slurry was diluted to 0.5% solids in a tank with an agitator to give a slurry of 5 m 3 . Next, the slurry was dehydrated to a solid content of 15% with a filter press (manufactured by Kurita Machine Seisakusho), diluted to 0.5% with a tank with an agitator, and made into a 5 m 3 slurry. The slurry was again dehydrated to 10% with a filter press, and diluted with a tank with an agitator to 0.5%, and the washing was repeated three times. The process of defibrating 0.5% slurry with a stone mill grinder Super Mass Colloid (manufactured by Masuko Sangyo), immediately cooling by heat exchange, and storing the slurry in a stock tank was repeated 5 times. 5% was obtained CM cellulose nanofiber slurry 4.5 m 3.
[実施例2]
漂白クラフトパルプを水とともにパルパー(相川鉄工製)へ投入し、5%パルプスラリー5m3を調製した。その後アジテータ付タンクに送り、TEMPO、臭化ナトリウムを投入して約10倍希釈を行って0.5%スラリー5m3とした後、温度23℃、苛性ソーダおよび次亜塩素酸ソーダにてpH10.5に調整し、反応を進めた。反応中は苛性ソーダの消費に合わせてpH10.5をキープするよう、苛性ソーダの追添加を行った。次亜塩素酸ソーダが5ppm未満となるまで消費されたことを確認して反応終点とした。次に、スラリーをフィルタープレス(栗田機械製作所製)にて固形分15%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5%まで希釈し、5m3スラリーとした。本スラリーを再びフィルタープレスにて10%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5%まで希釈する操作を3回繰り返し、洗浄を進めた。最終洗浄後はスラリー固形分を1%とし、高速せん断型解繊装置ナノメーカー(アドバンスト・ナノ・テクノロジィ製)にて解繊を行い、直後に熱交換により冷却し、ストックタンクにスラリーを貯蔵する操作を10回繰り返し、固形分1%のTEMPO酸化セルロースナノファイバースラリー4.5m3を得た。
[Example 2]
Bleached kraft pulp was added to a pulper (manufactured by Aikawa Tekko) together with water to prepare 5 m 3 of 5% pulp slurry. After that, it was sent to a tank with an agitator, TEMPO and sodium bromide were added and diluted about 10 times to make 0.5% slurry 5 m 3 , then at a temperature of 23 ° C., caustic soda and sodium hypochlorite at pH 10.5. The reaction was advanced. During the reaction, additional caustic soda was added so as to keep pH 10.5 in accordance with the consumption of caustic soda. After confirming that sodium hypochlorite was consumed to less than 5 ppm, the reaction was terminated. Next, the slurry was dehydrated to a solid content of 15% with a filter press (manufactured by Kurita Machinery Co., Ltd.) and diluted to 0.5% with a tank with an agitator to give a 5 m 3 slurry. The slurry was again dehydrated to 10% with a filter press, and diluted with a tank with an agitator to 0.5%, and the washing was repeated three times. After the final cleaning, the slurry solid content is set to 1%, the fiber is defibrated by a nano maker (manufactured by Advanced Nano Technology) of a high-speed shearing defibrating device, immediately cooled by heat exchange, and the slurry is stored in a stock tank. The operation was repeated 10 times to obtain 4.5 m 3 of a TEMPO oxidized cellulose nanofiber slurry having a solid content of 1%.
[実施例3]
漂白クラフトパルプを水とともにパルパー(相川鉄工製)へ投入し、5%パルプスラリー5m3を調製した。その後アジテータ付タンクに送り、TEMPO、臭化ナトリウムを投入して約10倍希釈を行って0.5%スラリー5m3とした後、温度23℃、苛性ソーダおよび次亜塩素酸ソーダにてpH10.5に調整し、反応を進めた。反応中は苛性ソーダの消費に合わせてpH10.5をキープするよう、苛性ソーダの追添加を行った。次亜塩素酸ソーダが5ppm未満となるまで消費されたことを確認して反応終点とした。次に、スラリーを遠心分離機(タナベウィルテック製)にて固形分15%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5%まで希釈し、5m3スラリーとした。本スラリーを再び遠心分離機にて10%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5%まで希釈する操作を3回繰り返し、洗浄を進めた。最終洗浄後はスラリー固形分を1%とし、衝突型解繊装置スターバースト(スギノマシン製)にて解繊を行い、直後に熱交換により冷却し、ストックタンクにスラリーを貯蔵する操作を10回繰り返し、固形分1%のTEMPO酸化セルロースナノファイバースラリー4.5m3を得た。
[Example 3]
Bleached kraft pulp was added to a pulper (manufactured by Aikawa Tekko) together with water to prepare 5 m 3 of 5% pulp slurry. After that, it was sent to a tank with an agitator, TEMPO and sodium bromide were added and diluted about 10 times to make 0.5% slurry 5 m 3 , then at a temperature of 23 ° C., caustic soda and sodium hypochlorite at pH 10.5. The reaction was advanced. During the reaction, additional caustic soda was added so as to keep pH 10.5 in accordance with the consumption of caustic soda. After confirming that sodium hypochlorite was consumed to less than 5 ppm, the reaction was terminated. Next, the slurry was dewatered to a solid content of 15% with a centrifuge (manufactured by Tanabe Wiltech), diluted to 0.5% with a tank with an agitator, and made into a 5 m 3 slurry. The slurry was again dehydrated to 10% with a centrifuge and the operation of diluting to 0.5% with an agitator tank was repeated three times to proceed with washing. After the final washing, the slurry solid content is 1%, defibration is performed with the impact type defibration device Starburst (manufactured by Sugino Machine), immediately after cooling by heat exchange, and the slurry is stored in the stock tank 10 times. Repeatedly, 4.5 m 3 of TEMPO-oxidized cellulose nanofiber slurry having a solid content of 1% was obtained.
Claims (2)
[工程1] 水を主成分とする溶液中で、原料セルロース表面の水酸基に、カルボキシル基、カルボキシレート基、カルボキシルメチル基、4級アンモニウム基を導入する工程
[工程2] 工程1で得られた変性セルロースの分散液を、遠心脱水式、真空脱水式、加圧脱水式のいずれかの脱水装置を用いて脱水・洗浄する工程。
[工程3] 工程2で得られた変性セルロースを0.1重量%〜10重量%の分散液に調整する工程。
[工程4] 工程3で調整された変性セルロースを高速せん断型、衝突型、ビーズミル型のいずれかの粉砕機を用いて変性セルロース繊維の繊維径が1〜1000nmまで解繊する工程。 The manufacturing method of the cellulose nanofiber containing the following processes 1-4.
[Step 1] A step of introducing a carboxyl group, a carboxylate group, a carboxylmethyl group, or a quaternary ammonium group into a hydroxyl group on the raw material cellulose surface in a solution containing water as a main component.
[Step 2] A step of dehydrating and washing the dispersion of the modified cellulose obtained in Step 1 using any one of a centrifugal dehydration type, vacuum dehydration type, and pressure dehydration type dehydration apparatus.
[Step 3] A step of adjusting the modified cellulose obtained in Step 2 to a dispersion of 0.1 wt% to 10 wt%.
[Step 4] A step of defibrating the modified cellulose prepared in step 3 to 1 to 1000 nm using a high-speed shearing type, collision type, or bead mill type pulverizer.
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