JP2019099758A - Production method of carboxymethylated cellulose nanofiber - Google Patents

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Abstract

To provide a novel production method of carboxymethylated cellulose capable of economically obtaining a cellulose nanofiber dispersion with high transparency.SOLUTION: In carboxymethylation of cellulose, mercerization is performed under a solvent mainly made of water, thereafter, the carboxymethylation is performed under a mixed solvent of water and an organic solvent. When the obtained carboxymethylated cellulose is fibrillated, a nanofiber dispersion of the carboxymethylated cellulose having high transparency can be economically obtained.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、カルボキシメチル化セルロース及びカルボキシメチル化セルロースナノファイバーの新規な製造方法に関する。   The present invention relates to a novel method for producing carboxymethylated cellulose and carboxymethylated cellulose nanofibers.

カルボキシメチル化セルロースは、セルロースの誘導体であり、セルロースの骨格を構成するグルコース残基中の水酸基の一部にカルボキシメチル基をエーテル結合させたものである。カルボキシメチル基の量が増えると(すなわち、カルボキシメチル置換度が増加すると)、カルボキシメチル化セルロースは水に溶解するようになる。一方、カルボキシメチル置換度を適度な範囲に調整することにより、水中でもカルボキシメチル化セルロースの繊維状の形状を維持させることができるようになる。繊維状の形状を有するカルボキシメチル化セルロースは、機械的に解繊することにより、ナノスケールの繊維径を有するナノファイバーへと変換することができる(特許文献1)。   Carboxymethylated cellulose is a derivative of cellulose, in which a carboxymethyl group is ether-bonded to part of the hydroxyl groups in the glucose residue constituting the skeleton of cellulose. As the amount of carboxymethyl groups increases (ie, the degree of carboxymethyl substitution increases), carboxymethylated cellulose becomes soluble in water. On the other hand, by adjusting the degree of carboxymethyl substitution to an appropriate range, the fibrous shape of carboxymethylated cellulose can be maintained even in water. Carboxymethylated cellulose having a fibrous shape can be converted into nanofibers having a nanoscale fiber diameter by mechanical disintegration (Patent Document 1).

カルボキシメチル化セルロースの製造方法としては、一般に、セルロースをアルカリで処理(マーセル化)した後、エーテル化剤(カルボキシメチル化剤ともいう。)で処理(カルボキシメチル化。エーテル化とも呼ぶ。)する方法が知られており、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行う方法と、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒下または有機溶媒と水との混合溶媒下で行う方法(特許文献2)が知られており、前者は「水媒法」、後者は「溶媒法」と呼ばれる。   Generally as a manufacturing method of a carboxymethylated cellulose, after processing a cellulose (merization) with an alkali, it processes (it is called carboxymethylation also called etherification) with an etherifying agent (it is also called a carboxymethylation agent). Methods are known, wherein both mercerization and carboxymethylation are carried out with water as a solvent, and both mercerization and carboxymethylation are carried out under organic solvent or mixed solvent of organic solvent and water ( Patent Document 2) is known, the former being called the "water medium method" and the latter being called the "solvent method".

ナノスケールの繊維径を有するセルロースナノファイバーの製法としては、カルボキシメチル化セルロースの機械的解繊だけではなく、カルボキシル基を導入したセルロースの機械的解繊などが知られている(特許文献3)。この様なカルボキシル基を導入したセルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は透明度が高いことが知られているが、溶媒法により得られたカルボキシメチル化セルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は、カルボキシル基を導入したセルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体に比べて、透明性が低いものであった。また水媒法により得られたカルボキシメチル化セルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は、透明性を高めるためにはマーセル化剤やカルボキシメチル化剤などの薬剤を多量に使用する必要があり、製造上及び経済上の課題が大きい物であった。透明な素材は多様な用途に適するため、セルロースナノファイバーの透明化が求められており、特に、カルボキシメチル化セルロースは、安全性が高い素材であるため、カルボキシメチル化セルロースを用いて透明性が高いセルロースナノファイバーを経済的な方法で得ることが求められている。   As a method for producing cellulose nanofibers having a nanoscale fiber diameter, not only mechanical disintegration of carboxymethylated cellulose, but also mechanical disintegration of cellulose having a carboxyl group introduced (Patent Document 3) . It is known that the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by disentanglement of such carboxyl group-introduced cellulose is highly transparent, but obtained by disentanglement of carboxymethylated cellulose obtained by the solvent method The aqueous dispersion of cellulose nanofibers was lower in transparency than the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibration of cellulose having a carboxyl group introduced. In addition, an aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by disaggregation of carboxymethylated cellulose obtained by the water medium method uses a large amount of a drug such as a mercerizing agent or a carboxymethylating agent to enhance transparency. Needs, and there are major manufacturing and economic issues. Since transparent materials are suitable for various applications, it is required to make cellulose nanofibers transparent. Especially, carboxymethylated cellulose is a material with high safety, so transparency using carboxymethylated cellulose is required. There is a need to obtain high cellulose nanofibers in an economical manner.

国際公開第2014/088072号International Publication No. 2014/088072 特開2017−149901号公報JP, 2017-149901, A 特開2008−1728号公報JP 2008-1728 A

本発明は、透明なセルロースナノファイバー分散体を得ることができるカルボキシメチル化セルロースの新規な製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a novel method for producing carboxymethylated cellulose which can obtain a transparent cellulose nanofiber dispersion.

本発明者らは上記目的に対して鋭意検討を行った結果、セルロースのカルボキシメチル化において、マーセル化(セルロースのアルカリ処理)を水を主とする溶媒下で行い、その後、カルボキシル化(エーテル化ともいう。)を水と有機溶媒との混合溶媒下で行うことにより、従来の水媒法(マーセル化とカルボキシル化の両方を水を溶媒として行う方法)や溶媒法(マーセル化とカルボキシル化の両方を有機溶媒下または水と有機溶媒との混合溶媒下で行う方法)で得たカルボキシメチル化セルロースに比べて、解繊した際に、非常に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体を、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で、経済的に製造することができることを見出した。   As a result of intensive investigations for the above object, the present inventors conducted mercerization (alkali treatment of cellulose) in the carboxymethylation of cellulose under a solvent mainly composed of water and then carboxylation (etherification). ) In a mixed solvent of water and an organic solvent, the conventional water medium method (a method in which both mercerization and carboxylation are performed using water as a solvent) or a solvent method (mercelization and carboxylation) Method of carrying out both under the organic solvent or the mixed solvent of water and the organic solvent), the cellulose nanofiber dispersion having a very high transparency when disintegrated as compared to the carboxymethylated cellulose obtained by It has been found that it can be economically produced at a high effective utilization rate of the agent.

本発明としては、以下に限定されないが、次のものが挙げられる。
(1)セルロースをマーセル化剤で処理して、マーセル化セルロースを得る工程、及び
マーセル化セルロースをカルボキシメチル化剤と反応させて、カルボキシメチル化セルロースを得る工程、
を含み、マーセル化セルロースを得る工程を、水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化セルロースを得る工程を、水と有機溶媒との混合溶媒下で行う、カルボキシメチル化セルロースの製造方法。
(2)マーセル化セルロースを得る工程における水を主とする溶媒が、水を50質量%より高い割合で含む溶媒である、(1)に記載の方法。
(3)マーセル化セルロースを得る工程における水を主とする溶媒が、水である、(2)に記載の方法。
(4)カルボキシメチル化剤の有効利用率が、15%以上である、(1)〜(3)のいずれか1つに記載の方法。
(5)マーセル化剤が、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、またはこれらの2種以上の組み合せである、(1)〜(4)のいずれか1つに記載の方法。
(6)カルボキシメチル化剤が、モノクロロ酢酸またはモノクロロ酢酸ナトリウムである、(1)〜(5)のいずれか1つに記載の方法。
(7)カルボキシメチル化セルロースを得る工程における混合溶媒が、有機溶媒を、20〜99質量%含む溶媒である、(1)〜(6)のいずれか1つに記載の方法。
(8)有機溶媒が、イソプロパノール、メタノール、エタノール、アセトン、またはこれらの2種以上の組み合せである、(1)〜(7)のいずれか1つに記載の方法。
(9)カルボキシメチル化セルロースにおける無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が、0.50未満である、(1)〜(8)のいずれか1つに記載の方法。
(10)カルボキシメチル化セルロースのセルロースI型の結晶化度が50%以上である、(1)〜(9)のいずれか記載の方法。
(11)(1)〜(10)のいずれか1つに記載の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊することを含む、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの製造方法。
The present invention includes, but is not limited to, the following.
(1) treating cellulose with a mercerizing agent to obtain mercerized cellulose, and reacting mercerized cellulose with a carboxymethylating agent to obtain carboxymethylated cellulose,
A method for producing carboxymethylated cellulose, comprising the steps of: obtaining a mercerized cellulose under a solvent mainly comprising water; and obtaining the carboxymethylated cellulose under a mixed solvent of water and an organic solvent.
(2) The method according to (1), wherein the solvent mainly comprising water in the step of obtaining mercerized cellulose is a solvent containing water at a ratio higher than 50% by mass.
(3) The method according to (2), wherein the water-based solvent in the step of obtaining mercerized cellulose is water.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is 15% or more.
(5) The method according to any one of (1) to (4), wherein the mercerizing agent is sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or a combination of two or more thereof.
(6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the carboxymethylating agent is monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the mixed solvent in the step of obtaining carboxymethylated cellulose is a solvent containing 20 to 99% by mass of an organic solvent.
(8) The method according to any one of (1) to (7), wherein the organic solvent is isopropanol, methanol, ethanol, acetone, or a combination of two or more thereof.
(9) The method according to any one of (1) to (8), wherein the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit in carboxymethylated cellulose is less than 0.50.
(10) The method according to any one of (1) to (9), wherein the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose is 50% or more.
The manufacturing method of the nanofiber of carboxymethylated cellulose including disentanglement of the carboxymethylated cellulose obtained by the method as described in any one of (11) (1)-(10).

本発明の方法によれば、解繊した際に透明度の高いセルロースナノファイバーの分散体を得ることができるカルボキシメチル化セルロースを、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で、製造することができる。   According to the method of the present invention, carboxymethylated cellulose capable of obtaining a dispersion of cellulose nanofibers having high transparency when defibrated can be produced at a high effective utilization rate of a carboxymethylating agent.

本発明は、カルボキシメチル化セルロースの製造方法である。カルボキシメチル化セルロースは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基の一部がカルボキシメチル基とエーテル結合した構造を有する。カルボキシメチル化セルロースは、塩の形態をとる場合もあり、カルボキシメチル化セルロースの塩としては、例えばカルボキシメチルセルロースナトリウム塩などの金属塩などが挙げられる。   The present invention is a method of producing carboxymethylated cellulose. Carboxymethylated cellulose has a structure in which a part of the hydroxyl groups in the glucose residue constituting the cellulose is ether-bonded to a carboxymethyl group. The carboxymethylated cellulose may be in the form of a salt, and examples of the carboxymethylated cellulose salt include metal salts such as carboxymethylcellulose sodium salt and the like.

カルボキシメチル化セルロースは、一般に、セルロースをアルカリで処理(マーセル化)した後、得られたマーセル化セルロース(アルカリセルロースともいう。)を、カルボキシメチル化剤(エーテル化剤ともいう。)と反応させることにより製造することができる。   In general, after carboxymethylated cellulose is treated (mercified) with alkali, the resulting mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) is reacted with a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent). Can be manufactured by

<セルロース>
本発明においてセルロースとは、D−グルコピラノース(単に「グルコース残基」、「無水グルコース」ともいう。)がβ−1,4結合で連なった構造の多糖を意味する。セルロースは、一般に起源、製法等から、天然セルロース、再生セルロース、微細セルロース、非結晶領域を除いた微結晶セルロース等に分類される。本発明では、これらのセルロースのいずれも、マーセル化セルロースの原料として用いることができる。
<Cellulose>
In the present invention, cellulose means a polysaccharide having a structure in which D-glucopyranose (also simply referred to as "glucose residue" or "anhydroglucose") is linked by β-1,4 bonds. Cellulose is generally classified into natural cellulose, regenerated cellulose, fine cellulose, microcrystalline cellulose from which non-crystalline regions are removed, and the like from the origin, production method and the like. In the present invention, any of these celluloses can be used as a raw material of mercerized cellulose.

天然セルロースとしては、晒パルプまたは未晒パルプ(晒木材パルプまたは未晒木材パルプ);リンター、精製リンター;酢酸菌等の微生物によって生産されるセルロース等が例示される。晒パルプ又は未晒パルプの原料は特に限定されず、例えば、木材、木綿、わら、竹、麻、ジュート、ケナフ等が挙げられる。また、晒パルプ又は未晒パルプの製造方法も特に限定されず、機械的方法、化学的方法、あるいはその中間で二つを組み合せた方法でもよい。製造方法により分類される晒パルプ又は未晒パルプとしては例えば、メカニカルパルプ(サーモメカニカルパルプ(TMP)、砕木パルプ)、ケミカルパルプ(針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)等の亜硫酸パルプ、針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)等のクラフトパルプ)等が挙げられる。さらに、製紙用パルプの他に溶解パルプを用いてもよい。溶解パルプとは、化学的に精製されたパルプであり、主として薬品に溶解して使用され、人造繊維、セロハンなどの主原料となる。   Examples of natural cellulose include bleached pulp or unbleached pulp (bleached wood pulp or unbleached wood pulp); linters, refined linters, cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria and the like. The raw material of bleached pulp or unbleached pulp is not particularly limited, and examples thereof include wood, cotton, straw, bamboo, hemp, jute, kenaf and the like. Also, the method for producing the bleached pulp or the unbleached pulp is not particularly limited, and a mechanical method, a chemical method, or a method combining two in between may be used. Examples of bleached pulp or unbleached pulp classified according to the production method include mechanical pulp (thermomechanical pulp (TMP), ground pulp), chemical pulp (softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP) Etc., softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), kraft pulp such as hardwood bleached kraft pulp (LBKP), and the like. Furthermore, dissolving pulp may be used besides paper pulp. The dissolved pulp is a chemically refined pulp, which is mainly used dissolved in chemicals, and is a main raw material for man-made fibers, cellophane and the like.

再生セルロースとしては、セルロースを銅アンモニア溶液、セルロースザンテート溶液、モルフォリン誘導体など何らかの溶媒に溶解し、改めて紡糸されたものが例示される。
微細セルロースとしては、上記天然セルロースや再生セルロースをはじめとする、セルロース系素材を、解重合処理(例えば、酸加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、爆砕処理、振動ボールミル処理等)して得られるものや、前記セルロース系素材を、機械的に処理して得られるものが例示される。
As regenerated cellulose, what melt | dissolved cellulose in some solvent, such as a copper ammonia solution, a cellulose xanthate solution, and a morpholine derivative, and was spun again is illustrated.
Fine cellulose can be obtained by depolymerizing (for example, acid hydrolysis, alkali hydrolysis, enzymatic decomposition, explosion treatment, vibration ball milling, etc.) of a cellulose-based material including the above natural cellulose and regenerated cellulose. And those obtained by mechanically processing the cellulose-based material are exemplified.

<マーセル化>
原料として前述のセルロースを用い、マーセル化剤(アルカリ)を添加することによりマーセル化セルロース(アルカリセルロースともいう。)を得る。本発明では、このマーセル化反応における溶媒に水を主として用い、次のカルボキシメチル化の際に有機溶媒と水との混合溶媒を使用することにより、解繊した際に非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体とすることができるカルボキシメチル化セルロースを経済的に得ることができる。
Mercerization
The cellulose described above is used as a raw material, and a mercerizing agent (alkali) is added to obtain mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose). In the present invention, cellulose is used as a solvent in this mercerization reaction, and cellulose having very high transparency when disintegrated by using a mixed solvent of an organic solvent and water in the subsequent carboxymethylation. Carboxymethylated cellulose that can be made into a nanofiber dispersion can be obtained economically.

溶媒に水を主として用いる(水を主とする溶媒)とは、水を50質量%より高い割合で含む溶媒をいう。水を主とする溶媒中の水は、好ましくは55質量%以上あり、より好ましくは60質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上であり、さらに好ましくは90質量%以上であり、さらに好ましくは95質量%以上である。特に好ましくは水を主とする溶媒は、水が100質量%(すなわち、水)である。マーセル化時の水の割合が多いほど、カルボキシメチル化セルロースを解繊して得られるセルロースナノファイバー分散体の透明度が高まる。水を主とする溶媒中の水以外の(水と混合して用いられる)溶媒としては、後段のカルボキシメチル化の際の溶媒として用いられる有機溶媒が挙げられる。例えば、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級ブタノール等のアルコールや、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン、ならびに、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン、ジクロロメタンなどを挙げることができ、これらの単独または2種以上の混合物を水に50質量%未満の量で添加してマーセル化の際の溶媒として用いることができる。水を主とする溶媒中の有機溶媒は、好ましくは45質量%以下であり、さらに好ましくは40質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以下であり、さらに好ましくは20質量%以下であり、さらに好ましくは10質量%以下であり、さらに好ましくは5質量%以下であり、より好ましくは0質量%である。   The term “water mainly used as a solvent (water-based solvent)” refers to a solvent containing water at a ratio higher than 50% by mass. The water content in the solvent mainly containing water is preferably 55% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further Preferably it is 90 mass% or more, More preferably, it is 95 mass% or more. Particularly preferably, the solvent mainly comprising water is 100% by weight of water (that is, water). As the proportion of water at the time of mercerization increases, the transparency of the cellulose nanofiber dispersion obtained by disaggregating carboxymethylated cellulose increases. Examples of solvents other than water (used in combination with water) in a solvent mainly composed of water include organic solvents used as a solvent in the subsequent carboxymethylation. For example, alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, benzene, dichloromethane These can be used alone or as a mixture of two or more thereof in water in an amount of less than 50% by mass and used as a solvent for mercerization. The organic solvent in the solvent mainly containing water is preferably 45% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, still more preferably 30% by mass or less, and further preferably 20% by mass or less. More preferably, it is 10 mass% or less, More preferably, it is 5 mass% or less, More preferably, it is 0 mass%.

マーセル化剤としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物が挙げられ、これらのうちいずれか1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。マーセル化剤は、これに限定されないが、これらのアルカリ金属水酸化物を、例えば、1〜60質量%、好ましくは2〜45質量%、より好ましくは3〜25質量%の水溶液として反応器に添加することができる。マーセル化剤の使用量は、一実施形態において、セルロース100g(絶乾)に対して0.1モル以上2.5モル以下であることが好ましく、0.3モル以上2.0モル以下であることがより好ましく、0.4モル以上1.5モル以下であることがさらに好ましい。   Examples of the mercerizing agent include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide and potassium hydroxide, and any one or two or more of them can be used in combination. The mercerizing agents are not limited to these, but, for example, 1 to 60% by mass, preferably 2 to 45% by mass, more preferably 3 to 25% by mass of these alkali metal hydroxides are added to the reactor as an aqueous solution. It can be added. In one embodiment, the amount of the mercerizing agent used is preferably 0.1 mol or more and 2.5 mol or less, more preferably 0.3 mol or more and 2.0 mol or less, with respect to 100 g of cellulose (absolutely dry) It is more preferable that it is 0.4 mol or more and 1.5 mol or less.

マーセル化の際の水を主とする溶媒の量は、原料の撹拌混合が可能な量であればよく特に限定されないが、セルロース原料に対し、1.5〜20質量倍が好ましく、2〜10質量倍であることがより好ましい。   The amount of the solvent mainly containing water at the time of mercerization is not particularly limited as long as it allows stirring and mixing of the raw material, but 1.5 to 20 times by mass is preferable with respect to the cellulose raw material, and 2 to 10 More preferably, it is mass-folded.

マーセル化処理は、発底原料(セルロース)と水を主とする溶媒とを混合し、反応器の温度を0〜70℃、好ましくは10〜60℃、より好ましくは10〜40℃に調整して、マーセル化剤の水溶液を添加し、15分〜8時間、好ましくは30分〜7時間、より好ましくは30分〜3時間撹拌することにより行う。これによりマーセル化セルロース(アルカリセルロース)を得る。   In the mercerization treatment, the base material (cellulose) is mixed with a solvent mainly containing water, and the temperature of the reactor is adjusted to 0 to 70 ° C., preferably 10 to 60 ° C., more preferably 10 to 40 ° C. Then, an aqueous solution of mercerizing agent is added, and stirring is performed for 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours, more preferably 30 minutes to 3 hours. This gives mercerized cellulose (alkali cellulose).

マーセル化の際のpHは、9以上が好ましく、これによりマーセル化反応を進めることができる。該pHは、より好ましくは11以上であり、更に好ましくは12以上であり、13以上でもよい。pHの上限は特に限定されない。   The pH for mercerization is preferably 9 or more, which allows the mercerization reaction to proceed. The pH is more preferably 11 or more, further preferably 12 or more, and may be 13 or more. The upper limit of pH is not particularly limited.

マーセル化は、温度制御しつつ上記各成分を混合撹拌することができる反応機を用いて行うことができ、従来からマーセル化反応に用いられている各種の反応機を用いることができる。例えば、2本の軸が撹拌し、上記各成分を混合するようなバッチ型攪拌装置は、均一混合性と生産性の両観点から好ましい。   The mercerization can be carried out using a reactor capable of mixing and stirring the above-mentioned components while controlling the temperature, and various reactors conventionally used for the mercerization reaction can be used. For example, a batch-type stirring apparatus in which two shafts are stirred and the above-described components are mixed is preferable from the viewpoints of uniform mixing and productivity.

<カルボキシメチル化>
マーセル化セルロースに対し、カルボキシメチル化剤(エーテル化剤ともいう。)を添加することにより、カルボキシメチル化セルロースを得る。本発明では、このカルボキシメチル化反応における溶媒として、水と有機溶媒との混合溶媒を用いる。マーセル化の際は水を主とする溶媒として用い、カルボキシメチル化の際には水と有機溶媒との混合溶媒を用いることにより、解繊した際に非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体とすることができるカルボキシメチル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Carboxymethylation>
Carboxymethylated cellulose is obtained by adding a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent) to mercerized cellulose. In the present invention, a mixed solvent of water and an organic solvent is used as a solvent in this carboxymethylation reaction. Cellulose nanofiber dispersion having very high transparency when disintegrated by using as a solvent mainly composed of water in mercerization and using a mixed solvent of water and an organic solvent in carboxymethylation It is possible to economically obtain carboxymethylated cellulose which can be

カルボキシメチル化剤としては、モノクロロ酢酸、モノクロロ酢酸ナトリウム、モノクロロ酢酸メチル、モノクロロ酢酸エチル、モノクロロ酢酸イソプロピルなどが挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさという点でモノクロロ酢酸、またはモノクロロ酢酸ナトリウムが好ましい。カルボキシメチル化剤は、セルロースの無水グルコース単位当たり、0.5〜1.5モルの範囲で添加することが好ましい。上記範囲の下限はより好ましくは0.6モル以上、さらに好ましくは0.7モル以上であり、上限はより好ましくは1.3モル以下、さらに好ましくは1.1モル以下である。カルボキシメチル化剤は、これに限定されないが、例えば、5〜80質量%、より好ましくは30〜60質量%の水溶液として反応器に添加することができるし、溶解せず、粉末状態で添加することもできる。   Examples of the carboxymethylating agent include monochloroacetic acid, sodium monochloroacetate, methyl monochloroacetate, ethyl monochloroacetate, isopropyl monochloroacetate and the like. Among these, monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is preferable in terms of availability of raw materials. The carboxymethylating agent is preferably added in the range of 0.5 to 1.5 moles per anhydroglucose unit of cellulose. The lower limit of the above range is more preferably 0.6 mol or more, still more preferably 0.7 mol or more, and the upper limit is more preferably 1.3 mol or less, still more preferably 1.1 mol or less. The carboxymethylating agent can be added to the reactor as an aqueous solution of, for example, 5 to 80% by mass, more preferably 30 to 60% by mass, but is not limited thereto, does not dissolve, and is added in powder form It can also be done.

マーセル化剤とカルボキシメチル化剤のモル比(マーセル化剤/カルボキシメチル化剤)は、カルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムを使用する場合では、0.9〜2.45が一般的に採用される。その理由は、0.9未満であるとカルボキシメチル化反応が不十分となる可能性があり、未反応のモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムが残って無駄が生じる可能性があること、及び2.45を超えると過剰のマーセル化剤とモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムによる副反応が進行してグリコール酸アルカリ金属塩が生成する恐れがあるため、不経済となる可能性があることにある。   The molar ratio of the mercerizing agent to the carboxymethylating agent (merceling agent / carboxymethylating agent) is generally 0.9 to 2.45 when monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is used as the carboxymethylating agent. Will be adopted. The reason is that if it is less than 0.9, the carboxymethylation reaction may be insufficient, and unreacted monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may be left to waste, and 2.45. If the ratio is more than that, the side reaction by the excess mercerizing agent and monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may proceed to form an alkali metal glycolate, which may be uneconomical.

また、本発明では、カルボキシメチル化剤の有効利用率が、15%以上であることが好ましい。より好ましくは20%以上であり、さらに好ましくは25%以上であり、特に好ましくは30%以上である。カルボキシメチル化剤の有効利用率とは、カルボキシメチル化剤におけるカルボキシメチル基のうち、セルロースに導入されたカルボキシメチル基の割合を指す。本発明では、マーセル化の際に水を主とする溶媒を用い、カルボキシメチル化の際に水と有機溶媒との混合溶媒を用いることにより、高いカルボキシメチル化剤の有効利用率で(すなわち、カルボキシメチル化剤の使用量を大きく増やすことなく、経済的に)、解繊した際に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を得ることができるカルボキシメチル化セルロースを製造することができる。カルボキシメチル化剤の有効利用率の上限は特に限定されないが、現実的には80%程度が上限となる。なお、カルボキシメチル化剤の有効利用率は、AMと略すことがある。   In the present invention, the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is preferably 15% or more. More preferably, it is 20% or more, further preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent refers to the ratio of the carboxymethyl group introduced to the cellulose to the carboxymethyl group in the carboxymethylating agent. In the present invention, a solvent mainly containing water is used in mercerization, and a mixed solvent of water and an organic solvent is used in carboxymethylation, so that the effective utilization rate of the carboxymethylating agent can be achieved (ie, It is possible to produce carboxymethylated cellulose which can be obtained economically and cellulose nanofiber dispersion having high transparency when defibrated, without significantly increasing the amount of the carboxymethylating agent used. The upper limit of the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is not particularly limited, but practically the upper limit is about 80%. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent may be abbreviated as AM.

カルボキシメチル化剤の有効利用率の算出方法は以下の通りである:
AM = (DS ×セルロースのモル数)/ カルボキシメチル化剤のモル数
DS: カルボキシメチル置換度(測定方法は後述する)
セルロースのモル数:パルプ質量(100℃で60分間乾燥した際の乾燥質量)/162
(162はセルロースのグルコース単位当たりの分子量)。
The calculation method of the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is as follows:
AM = (DS x number of moles of cellulose) / number of moles of carboxymethylating agent DS: Degree of substitution of carboxymethyl (the method of measurement will be described later)
Number of moles of cellulose: Pulp mass (dry mass when dried at 100 ° C. for 60 minutes) / 162
(162 is the molecular weight per glucose unit of cellulose).

カルボキシメチル化反応におけるセルロース原料の濃度は、特に限定されないが、カルボキシメチル化剤の有効利用率を高める観点から、1〜40%(w/v)であることが好ましい。   The concentration of the cellulose raw material in the carboxymethylation reaction is not particularly limited, but is preferably 1 to 40% (w / v) from the viewpoint of enhancing the effective utilization rate of the carboxymethylating agent.

カルボキシメチル化剤を添加するのと同時に、あるいはカルボキシメチル化剤の添加の前または直後に、反応器に有機溶媒または有機溶媒の水溶液を適宜添加し、又は減圧などによりマーセル化処理時の水以外の有機溶媒等を適宜削減して、水と有機溶媒との混合溶媒を形成する。本発明では、この水と有機溶媒との混合溶媒下で、カルボキシメチル化反応を進行させる。有機溶媒の添加または削減のタイミングは、マーセル化反応の終了後からカルボキシメチル化剤を添加した直後までの間であればよく、特に限定されないが、例えば、カルボキシメチル化剤を添加する前後30分以内が好ましい。   Simultaneously with the addition of the carboxymethylating agent, or before or immediately after the addition of the carboxymethylating agent, an organic solvent or an aqueous solution of the organic solvent is appropriately added to the reactor, or water other than water at the mercerization treatment by reduced pressure or the like. The organic solvent and the like are appropriately reduced to form a mixed solvent of water and the organic solvent. In the present invention, the carboxymethylation reaction is allowed to proceed in the mixed solvent of water and an organic solvent. The timing of addition or reduction of the organic solvent may be from the end of the mercerization reaction to immediately after the addition of the carboxymethylating agent, and is not particularly limited. For example, 30 minutes before and after adding the carboxymethylating agent Within is preferable.

有機溶媒としては、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級ブタノール等のアルコールや、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン、ならびに、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン、ジクロロメタンなどを挙げることができ、これらの単独または2種以上の混合物を水に添加してカルボキシメチル化の際の溶媒として用いることができる。これらのうち、水との相溶性が優れることから、炭素数1〜4の一価アルコールが好ましく、炭素数1〜3の一価アルコールがさらに好ましい。   As the organic solvent, alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone, methyl ethyl ketone and the like, dioxane, diethyl ether, Benzene, dichloromethane, etc. can be mentioned, and these single or 2 or more types of mixtures can be added to water, and can be used as a solvent in carboxymethylation. Among these, C1-C4 monohydric alcohol is preferable, and C1-C3 monohydric alcohol is more preferable, since compatibility with water is excellent.

カルボキシメチル化の際の混合溶媒中の有機溶媒の割合は、水と有機溶媒との総和に対して有機溶媒が20〜99質量%であることが好ましく、30〜99質量%であることがより好ましく、40〜99質量%であることがさらに好ましく、45〜99質量%であることがさらに好ましい。   The proportion of the organic solvent in the mixed solvent at the time of carboxymethylation is preferably 20 to 99% by mass with respect to the total of water and the organic solvent, and more preferably 30 to 99% by mass. The content is preferably 40 to 99% by mass, and more preferably 45 to 99% by mass.

カルボキシメチル化の際の反応媒(セルロースを含まない、水と有機溶媒等との混合溶媒)は、マーセル化の際の反応媒よりも、水の割合が少ない(言い換えれば、有機溶媒の割合が多い)ことが好ましい。本範囲を満たすことで、得られるカルボキシメチル化セルロースの結晶化度を維持しながらカルボキシメチル置換度を高くしやすくなり、解繊した際に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体となるカルボキシメチル化セルロースを、より効率的に得ることができるようになる。また、カルボキシメチル化の際の反応媒が、マーセル化の際の反応媒よりも水の割合が少ない(有機溶媒の割合が多い)場合、マーセル化反応からカルボキシメチル化反応に移行する際に、マーセル化反応終了後の反応系に所望の量の有機溶媒を添加するという簡便な手段でカルボキシメチル化反応用の混合溶媒を形成させることができるという利点も得られる。   The reaction medium for carboxymethylation (a mixed solvent of water and an organic solvent, etc. not containing cellulose) has a lower proportion of water than the reaction medium for mercerization (in other words, the proportion of organic solvent is Many) is preferable. By satisfying this range, it becomes easy to increase the degree of carboxymethyl substitution while maintaining the crystallinity of the resulting carboxymethylated cellulose, and the carboxymethylated cellulose which becomes a highly transparent cellulose nanofiber dispersion when disintegrated Can be obtained more efficiently. When the reaction medium in the case of carboxymethylation has a lower proportion of water (the proportion of the organic solvent is larger) than the reaction medium in the case of mercerization, when transitioning from the mercerization reaction to the carboxymethylation reaction, The advantage is also obtained that the mixed solvent for the carboxymethylation reaction can be formed by a simple means of adding a desired amount of organic solvent to the reaction system after completion of the mercerization reaction.

水と有機溶媒との混合溶媒を形成し、マーセル化セルロースにカルボキシメチル化剤を投入した後、温度を好ましくは10〜40℃の範囲で一定に保ったまま15分〜4時間、好ましくは15分〜1時間程度撹拌する。マーセル化セルロースを含む液とカルボキシメチル化剤との混合は、反応混合物が高温になることを防止するために、複数回に分けて、または、滴下により行うことが好ましい。カルボキシメチル化剤を投入して一定時間撹拌した後、必要であれば昇温して、反応温度を30〜90℃、好ましくは40〜90℃、さらに好ましくは60〜80℃として、30分〜10時間、好ましくは1時間〜4時間、エーテル化(カルボキシメチル化)反応を行い、カルボキシメチル化セルロースを得る。   After a mixed solvent of water and an organic solvent is formed and a carboxymethylating agent is added to the mercerized cellulose, the temperature is preferably kept constant in the range of 10 to 40 ° C. for 15 minutes to 4 hours, preferably 15 Stir for about 1 minute to 1 hour. The mixing of the liquid containing mercerized cellulose and the carboxymethylating agent is preferably carried out in multiple times or by dropwise addition to prevent the reaction mixture from becoming hot. After adding a carboxymethylating agent and stirring for a fixed time, the temperature is raised if necessary, and the reaction temperature is set to 30 to 90 ° C., preferably 40 to 90 ° C., more preferably 60 to 80 ° C., for 30 minutes to The etherification (carboxymethylation) reaction is carried out for 10 hours, preferably 1 to 4 hours to obtain carboxymethylated cellulose.

カルボキシメチル化の際には、マーセル化の際に用いた反応器をそのまま用いてもよく、あるいは、温度制御しつつ上記各成分を混合撹拌することが可能な別の反応器を用いてもよい。   In the case of carboxymethylation, the reactor used in mercerization may be used as it is, or another reactor capable of mixing and stirring the above-mentioned components while controlling the temperature may be used. .

反応終了後、残存するアルカリ金属塩を鉱酸または有機酸で中和してもよい。また、必要に応じて、副生する無機塩、有機酸塩等を含水メタノールで洗浄して除去し、乾燥、粉砕、分級してカルボキシメチル化セルロース又はその塩としてもよい。乾式粉砕で用いる装置としてはハンマーミル、ピンミル等の衝撃式ミル、ボールミル、タワーミル等の媒体ミル、ジェットミル等が例示される。湿式粉砕で用いる装置としてはホモジナイザー、マスコロイダー、パールミル等の装置が例示される。   After completion of the reaction, the remaining alkali metal salt may be neutralized with a mineral acid or an organic acid. In addition, if necessary, by-produced inorganic salts, organic acid salts and the like may be washed and removed with water-containing methanol, dried, pulverized and classified to give carboxymethylated cellulose or a salt thereof. As an apparatus used for dry grinding, an impact type mill such as a hammer mill and a pin mill, a medium mill such as a ball mill and a tower mill, and a jet mill are exemplified. As an apparatus used by wet grinding, apparatuses, such as a homogenizer, a mass colloider, and a pearl mill, are illustrated.

<カルボキシメチル化セルロース>
本発明で製造されるカルボキシメチル化セルロースは、水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるものが好ましい。すなわち、カルボキシメチル化セルロースの水分散体を電子顕微鏡で観察すると、繊維状の物質を観察することができ、カルボキシメチル化セルロースをX線回折で測定した際にセルロースI型結晶のピークを観測することができるものが好ましい。
<Carboxymethylated cellulose>
The carboxymethylated cellulose produced in the present invention is preferably one in which at least a part of the fibrous form is maintained even when dispersed in water. That is, when an aqueous dispersion of carboxymethylated cellulose is observed with an electron microscope, fibrous substances can be observed, and when carboxymethylated cellulose is measured by X-ray diffraction, peaks of cellulose type I crystals are observed. What can be done is preferred.

水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるカルボキシメチル化セルロースは、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が0.50未満である。当該置換度が0.50以上であると水への溶解が起こりやすくなり、繊維形態を維持できなくなる。操業性を考慮すると当該置換度は0.02〜0.50であることが特に好ましく、0.05〜0.50であることが更に好ましく、0.10〜0.40であることが更に好ましく、0.20〜0.40であることが更に好ましい。セルロースにカルボキシメチル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ため、ナノファイバーへと解繊することができるようになるが、無水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より小さいと、ナノファイバーへの解繊が十分にできない場合がある。カルボキシメチル置換度は、反応させるカルボキシメチル化剤の添加量、マーセル化剤の量、水と有機溶媒の組成比率をコントロールすること等によって調整することができる。   Carboxymethylated cellulose, which retains at least a part of its fibrous form when dispersed in water, has a degree of carboxymethyl substitution of less than 0.50 per anhydroglucose unit of cellulose. When the degree of substitution is 0.50 or more, dissolution in water is likely to occur, and the fiber form can not be maintained. In consideration of operability, the substitution degree is particularly preferably 0.02 to 0.50, more preferably 0.05 to 0.50, and still more preferably 0.10 to 0.40. And 0.20 to 0.40. By introducing a carboxymethyl group into cellulose, the celluloses are electrically repelled to be able to disintegrate into nanofibers, but the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit is 0.02 or more If the size is small, disintegration into nanofibers may not be sufficient. The degree of carboxymethyl substitution can be adjusted by controlling the amount of the carboxymethylating agent to be reacted, the amount of the mercerizing agent, the composition ratio of water to the organic solvent, and the like.

本発明において無水グルコース単位とは、セルロースを構成する個々の無水グルコース(グルコース残基)を意味する。また、カルボキシメチル置換度(エーテル化度ともいう。)とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基のうちカルボキシメチルエーテル基に置換されているものの割合(1つのグルコース残基当たりのカルボキシメチルエーテル基の数)を示す。なお、カルボキシメチル置換度はDSと略すことがある。   In the present invention, the anhydroglucose unit means individual anhydroglucose (glucose residue) constituting cellulose. In addition, the degree of carboxymethyl substitution (also referred to as the degree of etherification) means the ratio of the hydroxyl groups in the glucose residues constituting the cellulose to those substituted with a carboxymethyl ether group (carboxymethyl per glucose residue) The number of ether groups is shown. The carboxymethyl substitution degree may be abbreviated as DS.

カルボキシメチル置換度の測定方法は以下の通りである:
試料約2.0gを精秤して、300mL共栓付き三角フラスコに入れる。硝酸メタノール1000mLに特級濃硝酸100mLを加えた液100mLを加え、3時間振盪して、カルボキシメチル化セルロースの塩(CMC)をH−CMC(水素型カルボキシメチル化セルロース)に変換する。その絶乾H−CMCを1.5〜2.0g精秤し、300mL共栓付き三角フラスコに入れる。80%メタノール15mLでH−CMCを湿潤し、0.1N−NaOHを100mL加え、室温で3時間振盪する。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1N−HSOで過剰のNaOHを逆滴定し、次式によってカルボキシメチル置換度(DS値)を算出する。
A=[(100×F’−0.1N−HSO(mL)×F)×0.1]/(H−CMCの絶乾質量(g))
カルボキシメチル置換度=0.162×A/(1−0.058×A)
F’:0.1N−HSOのファクター
F:0.1N−NaOHのファクター。
The method for measuring the degree of carboxymethyl substitution is as follows:
Approximately 2.0 g of the sample is precisely weighed and placed in a 300 mL stoppered Erlenmeyer flask. 100 mL of a solution obtained by adding 100 mL of special grade concentrated nitric acid to 1000 mL of methanol nitrate is added, and shaken for 3 hours to convert a salt of carboxymethylated cellulose (CMC) into H-CMC (hydrogenated carboxymethylated cellulose). The 1.5 to 2.0 g of the absolute-dried H-CMC is precisely weighed and placed in a 300 mL stoppered Erlenmeyer flask. Wet H-CMC with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH and shake at room temperature for 3 hours. The excess NaOH is back titrated with 0.1 N H 2 SO 4 using phenolphthalein as an indicator, and the degree of carboxymethyl substitution (DS value) is calculated by the following formula.
A = [(100 x F '-0.1 N H 2 SO 4 (mL) x F) x 0.1] / (absolute dry mass of H-CMC (g))
Carboxymethyl substitution degree = 0.162 × A / (1−0.058 × A)
F ′: factor of 0.1 N H 2 SO 4 F: factor of 0.1 N NaOH.

本発明のカルボキシメチル化セルロース繊維におけるセルロースの結晶化度は、結晶I型が50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。結晶性を上記範囲に調整すると解繊により得られるセルロースナノファイバー分散体の透明度が向上する。セルロースの結晶性は、マーセル化剤の濃度と処理時の温度、並びにカルボキシメチル化の度合によって制御できる。マーセル化及びカルボキシメチル化においては高濃度のアルカリが使用されるために、セルロースのI型結晶がII型に変換されやすいが、アルカリ(マーセル化剤)の使用量を調整するなどして変性の度合いを調整することによって、所望の結晶性を維持させることができる。   The crystallinity of the cellulose in the carboxymethylated cellulose fiber of the present invention is preferably 50% or more, more preferably 60% or more of crystalline Form I. When the crystallinity is adjusted to the above range, the transparency of the cellulose nanofiber dispersion obtained by defibration is improved. The crystallinity of the cellulose can be controlled by the concentration of mercerizing agent and the temperature at the time of treatment, as well as the degree of carboxymethylation. Because mercerization and carboxymethylation use a high concentration of alkali, type I crystals of cellulose are easily converted to type II, but modification of the cellulose by modifying the amount of alkali (merceling agent) used, etc. By adjusting the degree, desired crystallinity can be maintained.

カルボキシメチル化セルロースのセルロースI型の結晶化度の測定方法は、以下の通りである:
試料をガラスセルに乗せ、X線回折測定装置(LabX XRD−6000、島津製作所製)を用いて測定する。結晶化度の算出はSegal等の手法を用いて行い、X線回折図の2θ=10°〜30°の回折強度をベースラインとして、2θ=22.6°の002面の回折強度と2θ=18.5°のアモルファス部分の回折強度から次式により算出する。
The method of measuring the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose is as follows:
The sample is placed on a glass cell, and measurement is performed using an X-ray diffraction measurement apparatus (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). Calculation of the degree of crystallinity is carried out using the method of Segal et al. With the diffraction intensity at 2θ = 10 ° to 30 ° of the X-ray diffraction pattern as a baseline, the diffraction intensity of the 002 plane at 2θ = 22.6 ° and 2θ = It is calculated by the following equation from the diffraction intensity of the amorphous part at 18.5 °.

Xc=(I002c―Ia)/I002c×100
Xc=セルロースのI型の結晶化度(%)
I002c:2θ=22.6°、002面の回折強度
Ia:2θ=18.5°、アモルファス部分の回折強度。
Xc = (I002c-Ia) / I002c × 100
Xc = crystallinity of cellulose type I (%)
I 002 c: 2θ = 22.6 °, diffraction intensity of 002 plane Ia: 2θ = 18.5 °, diffraction intensity of amorphous part.

本発明により製造されたカルボキシメチル化セルロースは、反応後に得られる分散体の状態で使用することも可能であるが、必要に応じて乾燥し、また水に再分散して使用することもできる。乾燥方法は何ら限定されないが、例えば凍結乾燥法、噴霧乾燥法、棚段式乾燥法、ドラム乾燥法、ベルト乾燥法、ガラス板等に薄く伸展し乾燥する方法、流動床乾燥法、マイクロウェーブ乾燥法、起熱ファン式減圧乾燥法などの既知の方法を使用できる。乾燥後に必要に応じて、カッターミル、ハンマーミル、ピンミル、ジェットミル等で粉砕しても良い。また、水への再分散の方法も特に限定されず、既知の分散装置を使用することができる。   Although the carboxymethylated cellulose produced according to the present invention can be used in the form of a dispersion obtained after the reaction, it can also be used after being dried and redispersed in water, if necessary. The drying method is not limited at all, but, for example, freeze drying method, spray drying method, tray type drying method, drum drying method, belt drying method, a method of thinly extending and drying on a glass plate, fluid bed drying method, microwave drying A known method such as a method, a heating fan type reduced pressure drying method can be used. After drying, if necessary, it may be crushed by a cutter mill, a hammer mill, a pin mill, a jet mill or the like. Also, the method of redispersion in water is not particularly limited, and known dispersion devices can be used.

<カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの製造>
本発明の方法により得たカルボキシメチル化セルロースを解繊することにより、ナノスケールの繊維径を有するセルロースナノファイバーへと変換することができる。本発明の方法により得られるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、従来の水媒法または溶媒法で得られたカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーに比べて、経済的に製造でき、また、水分散体の状態で、高い透明度を有する。
<Production of Carboxymethylated Cellulose Nanofibers>
By disentanglement of the carboxymethylated cellulose obtained by the method of the present invention, it can be converted to cellulose nanofibers having a nanoscale fiber diameter. The nanofibers of carboxymethylated cellulose obtained by the method of the present invention can be economically produced as compared to the nanofibers of carboxymethylated cellulose obtained by the conventional aqueous medium method or solvent method, and an aqueous dispersion In the state of, it has high transparency.

解繊の際には、上記の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースの分散体を準備する。分散媒は、取扱いの容易性から、水が好ましい。カルボキシメチル化セルロースの濃度は、解繊、分散の効率を考慮すると、0.01〜10%(w/v)であることが好ましい。   At the time of disintegration, a dispersion of carboxymethylated cellulose obtained by the above method is prepared. The dispersion medium is preferably water because of easy handling. The concentration of carboxymethylated cellulose is preferably 0.01 to 10% (w / v) in consideration of the efficiency of disintegration and dispersion.

カルボキシメチル化セルロースを解繊する際に用いる装置は特に限定されないが、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの装置を用いることができる。解繊の際にはカルボキシメチル化セルロースの分散体に強力な剪断力を印加することが好ましい。特に、効率よく解繊するには、前記分散体に50MPa以上の圧力を印加し、かつ強力な剪断力を印加できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。また、高圧ホモジナイザーでの解繊及び分散処理に先立って、必要に応じて、高速せん断ミキサーなどの公知の混合、撹拌、乳化、分散装置を用いて、前記分散体に予備処理をほどこしてもよい。   The device used for defibrillation of carboxymethylated cellulose is not particularly limited, but devices such as high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type and ultrasonic type can be used. It is preferable to apply strong shearing force to the dispersion of carboxymethylated cellulose at the time of disintegration. In particular, in order to disintegrate efficiently, it is preferable to use a wet high pressure or ultra high pressure homogenizer capable of applying a pressure of 50 MPa or more to the dispersion and applying a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or more, still more preferably 140 MPa or more. In addition, prior to disintegration and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, the dispersion may be subjected to pretreatment, if necessary, using a known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing apparatus such as a high-speed shear mixer. .

高圧ホモジナイザーとは、ポンプにより流体に加圧(高圧)し、流路に設けた非常に繊細な間隙より噴出させることにより、粒子間の衝突、圧力差による剪断力等の総合エネルギーによって乳化、分散、解細、粉砕、及び超微細化を行う装置である。   A high-pressure homogenizer is a pump that pressurizes a fluid (high pressure) and ejects it from a very fine gap provided in the flow path to emulsify and disperse it by integrated energy such as collision between particles and shear force due to pressure difference. , Defibrillation, pulverization, and ultra-refining.

上記のカルボキシメチル化セルロースの解繊により、平均繊維径が3〜500nm、アスペクト比が50以上のカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーを得ることができる。平均繊維径は好ましくは、3〜150nm、さらに好ましくは3〜20nm、さらに好ましくは5〜19nm、さらに好ましくは5〜15nmである。   By disentanglement of the above-mentioned carboxymethylated cellulose, nanofibers of carboxymethylated cellulose having an average fiber diameter of 3 to 500 nm and an aspect ratio of 50 or more can be obtained. The average fiber diameter is preferably 3 to 150 nm, more preferably 3 to 20 nm, further preferably 5 to 19 nm, and still more preferably 5 to 15 nm.

カルボキシメチル化セルロースまたはカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの平均繊維径および平均繊維長は、径が20nm以下の場合は原子間力顕微鏡(AFM)、20nm以上の場合は電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて、ランダムに選んだ200本の繊維について解析し、平均を算出することにより、測定することができる。また、アスペクト比は下記の式により算出することができる:
アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径。
The average fiber diameter and average fiber length of carboxymethylated cellulose or carboxymethylated cellulose nanofibers are atomic force microscopy (AFM) when the diameter is 20 nm or less, and field emission scanning electron microscope (FE) when the diameter is 20 nm or more. -SEM) can be used to analyze 200 randomly selected fibers and calculate the average. Also, the aspect ratio can be calculated by the following equation:
Aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter.

カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーにおけるカルボキシメチル置換度は、ナノファイバーとする前のカルボキシメチル化セルロースにおけるカルボキシメチル置換度と、通常、同じである。また、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーにおけるI型結晶の割合は、ナノファイバーとする前のカルボキシメチル化セルロースにおけるものと、通常、同じである。   The degree of carboxymethyl substitution in the nanofibers of carboxymethylated cellulose is generally the same as the degree of carboxymethyl substitution in carboxymethylated cellulose prior to the nanofibers. Also, the proportion of type I crystals in carboxymethylated cellulose nanofibers is usually the same as in carboxymethylated cellulose before being made into nanofibers.

本発明の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊してナノファイバーとすることにより、透明度の高いカルボキシメチル化セルロースのセルロースナノファイバー分散体を得ることができる。本発明により得られるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、例えば、固形分1%(w/v)の水分散体の透明度(660nm光の透過率)が50%以上である。より好ましくは60%以上であり、さらに好ましくは70%以上であり、さらに好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。このようなセルロースナノファイバーは、透明性が要求されるような用途に最適に使用することができる。本発明では、このような透明性の高いセルロースナノファイバーを、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で(すなわち、カルボキシメチル化剤の量を大きく増やすことなく、経済的に)、製造することができる。   By disaggregating the carboxymethylated cellulose obtained by the method of the present invention into nanofibers, a cellulose nanofiber dispersion of carboxymethylated cellulose having high transparency can be obtained. The nanofibers of carboxymethylated cellulose obtained by the present invention have, for example, a transparency (transmittance of 660 nm light) of an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v) of 50% or more. More preferably, it is 60% or more, more preferably 70% or more, still more preferably 80% or more, and still more preferably 90% or more. Such cellulose nanofibers can be optimally used in applications where transparency is required. In the present invention, such highly transparent cellulose nanofibers can be produced at a high effective utilization rate of a carboxymethylating agent (that is, economically, without greatly increasing the amount of the carboxymethylating agent). it can.

本発明の製法により、透明度の高いセルロースナノファイバーを経済的な方法で得られる理由は明らかではないが、本発明の製法によれば比較的高いセルロースI型の結晶化度を維持することができ、したがって、カルボキシメチル置換度を比較的高くしてもカルボキシメチル化セルロースの繊維状の形状を維持させることができることを本発明者らは確認している。繊維状の形状を維持しながらカルボキシメチル置換度を高くできる(すなわち、カルボキシメチル基を多く導入する)ことは、カルボキシメチル化セルロースの解繊性の向上につながると考えられ、これが透明度の高いナノファイバー分散体が得られることの理由の1つであると推測される。しかし、これ以外の理由もあるかもしれない。   Although the reason why the process of the present invention can obtain highly transparent cellulose nanofibers by an economical method is not clear, according to the process of the present invention, it is possible to maintain relatively high crystallinity of cellulose type I Therefore, the present inventors have confirmed that the fibrous shape of carboxymethylated cellulose can be maintained even if the degree of carboxymethyl substitution is relatively high. Being able to increase the degree of carboxymethyl substitution (that is, introduce a large amount of carboxymethyl groups) while maintaining the fibrous shape is considered to lead to the improvement of the disaggregation properties of carboxymethylated cellulose, which is a highly transparent nano It is presumed to be one of the reasons for obtaining a fiber dispersion. However, there may be other reasons.

以下、本発明を実施例及び比較例をあげてより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、特に断らない限り、部および%は質量部および質量%を示す。
(実施例1)
回転数を100rpmに調節した二軸ニーダーに、水130部と、水酸化ナトリウム20部を水100部に溶解したものとを加え、広葉樹パルプ(日本製紙(株)製、LBKP)を100℃60分間乾燥した際の乾燥質量で100部仕込んだ。30℃で90分間撹拌、混合しマーセル化セルロースを調製した。更に撹拌しつつイソプロパノール(IPA)230部と、モノクロロ酢酸ナトリウム60部を添加し、30分間撹拌した後、70℃に昇温して90分間カルボキシメチル化反応をさせた。カルボキシメチル化反応時の反応媒中のIPAの濃度は、50%である。反応終了後、中和、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度0.31、セルロースI型の結晶化度67%のカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル化剤の有効利用率は、37%であった。なお、カルボキシメチル置換度及びセルロースI型の結晶化度の測定方法、ならびにカルボキシメチル化剤の有効利用率の算出方法は、上述の通りである。
Hereinafter, the present invention will be more specifically described by way of examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these. In addition, unless otherwise indicated, part and% show a mass part and mass%.
Example 1
In a twin-screw kneader whose rotational speed was adjusted to 100 rpm, 130 parts of water and 20 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water were added, and hardwood pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., LBKP) at 100.degree. 100 parts by dry weight when dried for a minute were charged. The mixture was stirred at 30 ° C. for 90 minutes and mixed to prepare mercerized cellulose. Further, while stirring, 230 parts of isopropanol (IPA) and 60 parts of sodium monochloroacetate were added and stirred for 30 minutes, and then the temperature was raised to 70 ° C. to perform a carboxymethylation reaction for 90 minutes. The concentration of IPA in the reaction medium at the time of the carboxymethylation reaction is 50%. After completion of the reaction, the reaction solution was neutralized, drained, dried and pulverized to obtain a carboxymethylated cellulose sodium salt having a degree of carboxymethyl substitution of 0.31 and a degree of crystallinity of cellulose type I of 67%. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 37%. The methods for measuring the degree of carboxymethyl substitution and the degree of crystallinity of cellulose type I, and the method for calculating the effective utilization of a carboxymethylating agent are as described above.

得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を水に分散し、1%(w/v)水分散体とした。これを、150MPaの高圧ホモジナイザーで3回処理し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。得られた分散体の透明度と粘度を以下の方法で測定した。   The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was dispersed in water to give a 1% (w / v) aqueous dispersion. This was treated three times with a 150 MPa high pressure homogenizer to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers. The transparency and the viscosity of the obtained dispersion were measured by the following method.

<セルロースナノファイバー分散体の透明度の測定>
セルロースナノファイバー分散体(固形分1%(w/v)、分散媒:水)の透明度(660nm光の透過率)は、UV−VIS分光光度計 UV−1800(島津製作所社)を用いて測定した。
<Measurement of Transparency of Cellulose Nanofiber Dispersion>
Transparency (transmittance of 660 nm light) of cellulose nanofiber dispersion (solid content 1% (w / v), dispersion medium: water) was measured using UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (Shimadzu Corporation) did.

<粘度の測定>
セルロースナノファイバー分散体(固形分1%(w/v)、分散媒:水)を16時間放置した後、撹拌機を用いて3000rpmで1分間撹拌し、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、No.4ローター/回転数60rpmまたは6rpmで3分後の粘度を測定した。
<Measurement of viscosity>
A cellulose nanofiber dispersion (solid content 1% (w / v), dispersion medium: water) is allowed to stand for 16 hours and then stirred at 3000 rpm for 1 minute using a stirrer to make a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) No. The viscosity after 3 minutes was measured at 4 rotors / rotation speed 60 rpm or 6 rpm.

(実施例2)
IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のIPAの濃度を90%とした以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.47、セルロースI型の結晶化度は63%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は56%であった。
(Example 2)
The sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution at the time of the carboxymethylation reaction was changed to 90% by changing the addition amount of IPA. The degree of carboxymethyl substitution was 0.47, the degree of crystallinity of cellulose type I was 63%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 56%.

得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(実施例3)
マーセル化反応時の溶媒を水90%、IPA10%とし、IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル反応時の混合溶媒中のIPA濃度を実施例1と同様に50%に調整した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.28、セルロースI型の結晶化度は69%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は34%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.
(Example 3)
The solvent for the mercerization reaction was 90% water and IPA 10%, and the IPA concentration in the mixed solvent for carboxymethyl reaction was adjusted to 50% in the same manner as in Example 1 by changing the addition amount of IPA. Analogously to 1, the sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the degree of crystallinity of cellulose type I was 69%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 34%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例4)
マーセル化反応時の溶媒を水70%、IPA30%とし、IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の混合溶媒中のIPA濃度を実施例1と同様に50%に調整した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.28、セルロースI型の結晶化度は64%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は34%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(実施例5)
マーセル化反応時の溶媒を水55%、IPA45%とし、IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の混合溶媒中のIPA濃度を実施例1と同様に50%に調整した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.28、セルロースI型の結晶化度は66%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は34%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 4)
The experiment was conducted except that the solvent in the mercerization reaction was 70% water and IPA 30%, and the IPA concentration in the mixed solvent in the carboxymethylation reaction was adjusted to 50% as in Example 1 by changing the addition amount of IPA. The sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the degree of crystallinity of cellulose type I was 64%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 34%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.
(Example 5)
The experiment was conducted except that the solvent in the mercerization reaction was 55% water and 45% IPA, and the IPA concentration in the mixed solvent in the carboxymethylation reaction was adjusted to 50% as in Example 1 by changing the addition amount of IPA. The sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the degree of crystallinity of cellulose type I was 66%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 34%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例6)
マーセル化剤として水酸化ナトリウムに代えて水酸化リチウムを用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのリチウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.25、セルロースI型の結晶化度は62%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は30%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのリチウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 6)
A lithium salt of carboxymethyl cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that lithium hydroxide was used in place of sodium hydroxide as the mercerizing agent. The degree of carboxymethyl substitution was 0.25, the degree of crystallinity of cellulose type I was 62%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 30%. The obtained lithium salt of carboxymethylated cellulose was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethylated cellulose.

(実施例7)
マーセル化剤として水酸化ナトリウムに代えて水酸化カリウムを用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのカリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.25、セルロースI型の結晶化度は61%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は30%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのカリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 7)
A potassium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that potassium hydroxide was used in place of sodium hydroxide as the mercerizing agent. The degree of carboxymethyl substitution was 0.25, the degree of crystallinity of cellulose type I was 61%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 30%. The potassium salt of carboxymethylated cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethylated cellulose.

(実施例8)
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をIPAからメタノールに変更した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.29、セルロースI型の結晶化度は66%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は35%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 8)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added at the time of the carboxymethylation reaction was changed from IPA to methanol. The degree of carboxymethyl substitution was 0.29, the degree of crystallinity of cellulose type I was 66%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 35%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例9)
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をIPAからエタノールに変更した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.30、セルロースI型の結晶化度は67%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は36%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 9)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to ethanol. The degree of carboxymethyl substitution was 0.30, the degree of crystallinity of cellulose type I was 67%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 36%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例10)
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をIPAからアセトンに変更した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.26、セルロースI型の結晶化度は63%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は31%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 10)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to acetone. The degree of carboxymethyl substitution was 0.26, the degree of crystallinity of cellulose type I was 63%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 31%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例11)
マーセル化反応時に水酸化ナトリウム20部を水100部に溶解したものに代えて水酸化ナトリウム40部を水100部に溶解したものを用い、カルボキシメチル化反応時のカルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸ナトリウム60部に代えてモノクロロ酢酸50部を用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.31、セルロースI型の結晶化度は60%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は36%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 11)
Instead of dissolving 20 parts of sodium hydroxide in 100 parts of water in the mercerization reaction, using 40 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water, sodium monochloroacetate as a carboxymethylating agent in the carboxymethylation reaction A sodium salt of carboxymethyl cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that 50 parts of monochloroacetic acid was used instead of 60 parts. The degree of carboxymethyl substitution was 0.31, the degree of crystallinity of cellulose type I was 60%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 36%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例12)
IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のIPAの濃度を30%とした以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.24、セルロースI型の結晶化度は73%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は29%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 12)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution at the time of the carboxymethylation reaction was changed to 30% by changing the addition amount of IPA. The degree of carboxymethyl substitution was 0.24, the degree of crystallinity of cellulose type I was 73%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 29%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例13)
IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のIPAの濃度を20%とした以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.20、セルロースI型の結晶化度は74%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は24%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 13)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution at the time of the carboxymethylation reaction was changed to 20% by changing the addition amount of IPA. The degree of carboxymethyl substitution was 0.20, the degree of crystallinity of cellulose type I was 74%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 24%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(比較例1)
カルボキシメチル化反応時の溶媒を水100%とした以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.11、セルロースI型の結晶化度は72%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は13%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative example 1)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solvent in the carboxymethylation reaction was changed to 100% of water. The degree of carboxymethyl substitution was 0.11, the degree of crystallinity of cellulose type I was 72%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 13%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(比較例2)
マーセル化反応時の溶媒を水10%、IPA90%とし、カルボキシメチル化反応時にも同じ組成の溶媒を用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.27、セルロースI型の結晶化度は64%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は32%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative example 2)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solvent for the mercerization reaction was 10% of water and IPA 90%, and the solvent having the same composition was used also for the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution was 0.27, the degree of crystallinity of cellulose type I was 64%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 32%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(比較例3)
マーセル化反応時に水酸化ナトリウム20部を水100部に溶解したものに代えて水酸化ナトリウム45部を水100部に溶解したものを用い、カルボキシメチル化反応時のカルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸ナトリウム60部に代えてモノクロロ酢酸ナトリウム150部を用いた以外は比較例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.28、セルロースI型の結晶化度は45%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は13%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative example 3)
Instead of dissolving 20 parts of sodium hydroxide in 100 parts of water at the time of mercerization reaction, using 45 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water, sodium monochloroacetate as a carboxymethylating agent at the time of carboxymethylation reaction A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that 150 parts of sodium monochloroacetate was used instead of 60 parts. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the degree of crystallinity of cellulose type I was 45%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 13%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

Figure 2019099758
Figure 2019099758

表1の結果より、マーセル化を水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化を水と有機溶媒との混合溶媒下で行った実施例1〜13では、従来法である、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行った比較例2(溶媒法)に比べて、非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を製造することができることがわかる。また、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行った比較例1及び3に比べて、高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を、高いカルボキシメチル化剤の有効利用率で製造することができることがわかる。   From the results of Table 1, in Examples 1 to 13 in which mercerization was carried out in a solvent mainly composed of water and carboxymethylation was carried out in a mixed solvent of water and an organic solvent, the mercerization which is the conventional method is It can be seen that a cellulose nanofiber dispersion having a very high transparency can be produced as compared to Comparative Example 2 (solvent method) in which both carboxymethylation is performed in a solvent mainly containing an organic solvent. In addition, compared to Comparative Examples 1 and 3 in which both mercerization and carboxymethylation are performed using water as a solvent, a cellulose nanofiber dispersion having high transparency is produced at an effective utilization rate of a high carboxymethylation agent. It can be seen that

(実施例4)
マーセル化反応時の溶媒を水70%、IPA30%とし、IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の混合溶媒中のIPA濃度を実施例1と同様に50%に調整した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.28、セルロースI型の結晶化度は64%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は34%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た
(Example 4)
The experiment was conducted except that the solvent in the mercerization reaction was 70% water and IPA 30%, and the IPA concentration in the mixed solvent in the carboxymethylation reaction was adjusted to 50% as in Example 1 by changing the addition amount of IPA. The sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the degree of crystallinity of cellulose type I was 64%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 34%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose .

(実施例
マーセル化剤として水酸化ナトリウムに代えて水酸化リチウムを用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのリチウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.25、セルロースI型の結晶化度は62%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は30%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのリチウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 5 )
A lithium salt of carboxymethyl cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that lithium hydroxide was used in place of sodium hydroxide as the mercerizing agent. The degree of carboxymethyl substitution was 0.25, the degree of crystallinity of cellulose type I was 62%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 30%. The obtained lithium salt of carboxymethylated cellulose was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethylated cellulose.

(実施例
マーセル化剤として水酸化ナトリウムに代えて水酸化カリウムを用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのカリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.25、セルロースI型の結晶化度は61%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は30%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのカリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 6 )
A potassium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that potassium hydroxide was used in place of sodium hydroxide as the mercerizing agent. The degree of carboxymethyl substitution was 0.25, the degree of crystallinity of cellulose type I was 61%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 30%. The potassium salt of carboxymethylated cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethylated cellulose.

(実施例
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をIPAからメタノールに変更した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.29、セルロースI型の結晶化度は66%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は35%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 7 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added at the time of the carboxymethylation reaction was changed from IPA to methanol. The degree of carboxymethyl substitution was 0.29, the degree of crystallinity of cellulose type I was 66%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 35%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をIPAからエタノールに変更した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.30、セルロースI型の結晶化度は67%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は36%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 8 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to ethanol. The degree of carboxymethyl substitution was 0.30, the degree of crystallinity of cellulose type I was 67%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 36%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をIPAからアセトンに変更した以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.26、セルロースI型の結晶化度は63%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は31%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 9 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to acetone. The degree of carboxymethyl substitution was 0.26, the degree of crystallinity of cellulose type I was 63%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 31%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例10
マーセル化反応時に水酸化ナトリウム20部を水100部に溶解したものに代えて水酸化ナトリウム40部を水100部に溶解したものを用い、カルボキシメチル化反応時のカルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸ナトリウム60部に代えてモノクロロ酢酸50部を用いた以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.31、セルロースI型の結晶化度は60%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は36%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 10 )
Instead of dissolving 20 parts of sodium hydroxide in 100 parts of water in the mercerization reaction, using 40 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water, sodium monochloroacetate as a carboxymethylating agent in the carboxymethylation reaction A sodium salt of carboxymethyl cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that 50 parts of monochloroacetic acid was used instead of 60 parts. The degree of carboxymethyl substitution was 0.31, the degree of crystallinity of cellulose type I was 60%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 36%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例11
IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のIPAの濃度を30%とした以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.24、セルロースI型の結晶化度は73%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は29%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 11 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution at the time of the carboxymethylation reaction was changed to 30% by changing the addition amount of IPA. The degree of carboxymethyl substitution was 0.24, the degree of crystallinity of cellulose type I was 73%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 29%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

(実施例12
IPAの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のIPAの濃度を20%とした以外は実施例1と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は0.20、セルロースI型の結晶化度は74%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は24%であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例1と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 12 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution at the time of the carboxymethylation reaction was changed to 20% by changing the addition amount of IPA. The degree of carboxymethyl substitution was 0.20, the degree of crystallinity of cellulose type I was 74%, and the effective utilization of the carboxymethylating agent was 24%. The sodium salt of carboxymethyl cellulose thus obtained was disintegrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of nanofibers of carboxymethyl cellulose.

Figure 2019099758
Figure 2019099758

表1の結果より、マーセル化を水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化を水と有機溶媒との混合溶媒下で行った実施例1〜12では、従来法である、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行った比較例2(溶媒法)に比べて、非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を製造することができることがわかる。また、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行った比較例1及び3に比べて、高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を、高いカルボキシメチル化剤の有効利用率で製造することができることがわかる。 From the results of Table 1, in Examples 1 to 12 in which mercerization was carried out in a solvent mainly composed of water and carboxymethylation was carried out in a mixed solvent of water and an organic solvent, the mercerization which is the conventional method is It can be seen that a cellulose nanofiber dispersion having a very high transparency can be produced as compared to Comparative Example 2 (solvent method) in which both carboxymethylation is performed in a solvent mainly containing an organic solvent. In addition, compared to Comparative Examples 1 and 3 in which both mercerization and carboxymethylation are performed using water as a solvent, a cellulose nanofiber dispersion having high transparency is produced at an effective utilization rate of a high carboxymethylation agent. It can be seen that

本発明者らは上記目的に対して鋭意検討を行った結果、セルロースのカルボキシメチル化において、マーセル化(セルロースのアルカリ処理)を水を主とする溶媒下で行い、その後、カルボキシメチル化(エーテル化ともいう。)を水と有機溶媒との混合溶媒下で行うことにより、従来の水媒法(マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行う方法)や溶媒法(マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒下または水と有機溶媒との混合溶媒下で行う方法)で得たカルボキシメチル化セルロースに比べて、解繊した際に、非常に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体を、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で、経済的に製造することができることを見出した。 The present inventors have result of intensive studies with respect to the object, in the carboxymethylation of cellulose is performed mercerization (the alkali treatment of the cellulose) under solvent composed mainly of water, then, carboxy methylation ( also referred to as etherification.) by the carried out in a solvent mixture of water and an organic solvent, a method conventional water medium method (both mercerized and carboxy methylation performed using water as a solvent) or solvent method (mercerized and both carboxy methylation compared to carboxymethyl cellulose, obtained by the method) carried out in a solvent mixture of an organic solvent or under water and an organic solvent, when defibrating, highly transparent cellulose nanofibers It has been found that the dispersion can be manufactured economically with high utilization of carboxymethylating agents.

Claims (11)

セルロースをマーセル化剤で処理して、マーセル化セルロースを得る工程、及び
マーセル化セルロースをカルボキシメチル化剤と反応させて、カルボキシメチル化セルロースを得る工程、
を含み、マーセル化セルロースを得る工程を、水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化セルロースを得る工程を、水と有機溶媒との混合溶媒下で行う、カルボキシメチル化セルロースの製造方法。
Treating the cellulose with a mercerizing agent to obtain a mercerized cellulose, and reacting the mercerized cellulose with a carboxymethylating agent to obtain a carboxymethylated cellulose,
A method for producing carboxymethylated cellulose, comprising the steps of: obtaining a mercerized cellulose under a solvent mainly comprising water; and obtaining the carboxymethylated cellulose under a mixed solvent of water and an organic solvent.
マーセル化セルロースを得る工程における水を主とする溶媒が、水を50質量%より高い割合で含む溶媒である、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the water-based solvent in the step of obtaining mercerized cellulose is a solvent containing water at a ratio higher than 50% by mass. マーセル化セルロースを得る工程における水を主とする溶媒が、水である、請求項2に記載の方法。   The method according to claim 2, wherein the water-based solvent in the step of obtaining mercerized cellulose is water. カルボキシメチル化剤の有効利用率が15%以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is 15% or more. マーセル化剤が、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、またはこれらの2種以上の組み合せである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the mercerizing agent is sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or a combination of two or more thereof. カルボキシメチル化剤が、モノクロロ酢酸またはモノクロロ酢酸ナトリウムである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the carboxymethylating agent is monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate. カルボキシメチル化セルロースを得る工程における混合溶媒が、有機溶媒を20〜99質量%含む溶媒である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the mixed solvent in the step of obtaining carboxymethylated cellulose is a solvent containing 20 to 99% by mass of an organic solvent. 有機溶媒が、イソプロパノール、メタノール、エタノール、アセトン、またはこれらの2種以上の組み合せである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the organic solvent is isopropanol, methanol, ethanol, acetone, or a combination of two or more thereof. カルボキシメチル化セルロースにおける無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が、0.50未満である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit in the carboxymethylated cellulose is less than 0.50. カルボキシメチル化セルロースのセルロースI型の結晶化度が50%以上である、請求項1〜9のいずれか記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose is 50% or more. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊することを含む、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの製造方法。
The manufacturing method of the nanofiber of carboxymethylated cellulose including disentangling carboxymethylated cellulose obtained by the method of any one of Claims 1-10.
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