JP2019163390A - Carboxyalkylated cellulose, and manufacturing method of carboxyalkylated cellulose nanofiber - Google Patents

Carboxyalkylated cellulose, and manufacturing method of carboxyalkylated cellulose nanofiber Download PDF

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Abstract

To provide a manufacturing method of carboxyalkylated cellulose capable of economically obtaining a cellulose nanofiber dispersion high in transparency.SOLUTION: In carboxyalkylation of cellulose, mercerization is conducted under a solvent containing water of 15 mass% or more under a temperature of less than 50°C, then carboxyalkylation is conducted under a mixed solvent of water and an organic solvent. The resulting carboxyalkylated cellulose is fibrillated, then a nanofiber dispersion of carboxyalkylated cellulose high in transparency can be economically obtained.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、カルボキシアルキル化セルロース及びカルボキシアルキ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 carboxyalkylated cellulose and carboxyalkylated cellulose nanofibers.

カルボキシアルキル化セルロースは、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アルキル基をエーテル結合させたものである。カルボキシアルキル基の量が増えると(すなわち、カルボキシアルキル置換度が増加すると)、カルボキシアルキル化セルロースは水に溶解するようになる。一方、カルボキシアルキ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アルキ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アルキル化セルロース、例えば、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)。   Carboxyalkylated cellulose is a cellulose derivative in which a carboxyalkyl group is ether-bonded to a part of a hydroxyl group in a glucose residue constituting the skeleton of cellulose. As the amount of carboxyalkyl groups increases (ie, the degree of carboxyalkyl substitution increases), the carboxyalkylated cellulose becomes soluble in water. On the other hand, by adjusting the degree of carboxyalkyl substitution to an appropriate range, the fibrous shape of carboxyalkylated cellulose can be maintained even in water. A carboxyalkylated cellulose having a fibrous shape, such as carboxymethylated cellulose, can be converted into nanofibers having a nanoscale fiber diameter by mechanically defibrating (Patent Document 1).

カルボキシアルキ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(カルボキシアルキル化剤ともいう。)で処理(カルボキシアルキル化。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アルキ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アルキル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行う方法(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。   As a method for producing carboxyalkylated cellulose, generally, cellulose is treated with alkali (mercelization) and then treated with an etherifying agent (also referred to as carboxyalkylating agent) (carboxyalkylation, also referred to as etherification). A method is known, in which both mercerization and carboxyalkylation are performed using water as a solvent, and both mercerization and carboxyalkylation are performed in a solvent mainly composed of an organic solvent (Patent Document 2). The former is called the “water medium method” and the latter is 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、カルボキシアルキ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アルキ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アルキ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アルキ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、カルボキシアルキル化セルロースは、安全性が高い素材であるため、カルボキシアルキ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 nanoscale fiber diameters, not only mechanical defibration of carboxyalkylated cellulose but also mechanical defibration of cellulose introduced with carboxyl groups is known (Patent Document 3). . It is known that the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by fibrillation of cellulose introduced with such a carboxyl group has high transparency, but it is obtained by fibrillation of carboxyalkylated cellulose obtained by a solvent method. The aqueous dispersion of cellulose nanofibers was lower in transparency than the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibrating cellulose introduced with carboxyl groups. In addition, the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibration of carboxyalkyl cellulose obtained by the aqueous medium method uses a large amount of drugs such as mercerizing agents and carboxyalkylating agents in order to increase transparency. It was necessary, and the production and economic problems were great. Since transparent materials are suitable for various applications, it is necessary to make cellulose nanofibers transparent.In particular, carboxyalkylated cellulose is a highly safe material, and therefore carboxyalkylated cellulose is used to provide transparency. 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アルキル化セルロースの製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the carboxyalkylation 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アルキル化において、マーセル化(セルロースのアルカリ処理)を水を15質量%以上含む溶媒下で反応温度50℃未満で行い、その後、カルボキシアルキル化(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アルキ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アルキル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行う方法)で得たカルボキシアルキル化セルロースに比べて、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を、カルボキシアルキ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 studies on the above-mentioned object, the present inventors have conducted mercerization (cellulose alkali treatment) in a solvent containing 15% by mass or more of water at a reaction temperature of less than 50 ° C. in carboxyalkylation of cellulose. Thereafter, carboxyalkylation (also referred to as etherification) is carried out in a mixed solvent of water and an organic solvent, whereby a conventional aqueous medium method (a method in which both mercerization and carboxyalkylation are carried out using water as a solvent). Compared to carboxyalkylated cellulose obtained by the solvent method (both mercerization and carboxyalkylation in a solvent mainly composed of organic solvents), cellulose nanofiber dispersion with high transparency when defibrated Has been found to be economically produced with a high effective utilization rate of the carboxyalkylating 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アルキル化剤と反応させて、カルボキシアルキ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15質量%以上含む溶媒下で、50℃未満の温度条件下で行い、カルボキシアルキ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、カルボキシアルキル化セルロースの製造方法。
(2)カルボキシアルキル化セルロースが、カルボキシメチル化セルロースであり、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アルキル置換度が、0.50未満である、(1)に記載の方法。
(3)カルボキシアルキ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)または(2)に記載の方法。
(4)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)〜(3)のいずれか1つに記載の方法。
(5)カルボキシアルキル化剤が、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)〜(4)のいずれか1つに記載の方法。
(6)カルボキシアルキ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)〜(5)のいずれか1つに記載の方法。
(7)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)〜(6)のいずれか1つに記載の方法。
(8)(1)〜(7)のいずれか1つに記載の方法で得られたカルボキシアルキル化セルロースを解繊することを含む、カルボキシアルキ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) A step of treating cellulose with a mercerizing agent to obtain mercerized cellulose, and a step of reacting mercerized cellulose with a carboxyalkylating agent to obtain carboxyalkylated cellulose,
And the step of obtaining mercerized cellulose is carried out under a temperature condition of less than 50 ° C. under a solvent containing 15% by mass or more of water, and the step of obtaining carboxyalkylated cellulose is carried out under a mixed solvent of water and an organic solvent. A process for producing carboxyalkylated cellulose, as described in 1).
(2) The method according to (1), wherein the carboxyalkylated cellulose is carboxymethylated cellulose, and the degree of carboxyalkyl substitution per anhydroglucose unit in the carboxymethylated cellulose is less than 0.50.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the crystallinity of cellulose type I of carboxyalkylated cellulose is 50% or more.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the mercerizing agent is sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or a combination of two or more thereof.
(5) The method according to any one of (1) to (4), wherein the carboxyalkylating agent is monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate.
(6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the mixed solvent in the step of obtaining carboxyalkylated cellulose is a solvent containing 20 to 99% by mass of an organic solvent.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the organic solvent is isopropanol, methanol, ethanol, acetone, or a combination of two or more thereof.
(8) A method for producing nanofibers of carboxyalkylated cellulose, comprising defibrating the carboxyalkylated cellulose obtained by the method according to any one of (1) to (7).

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アルキル化セルロースを、カルボキシアルキ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, a carboxyalkylated cellulose capable of obtaining a highly transparent cellulose nanofiber dispersion upon defibration can be produced with a high effective utilization rate of a carboxyalkylating agent.

本発明は、カルボキシアルキル化セルロースの製造方法である。カルボキシアルキル化セルロースは、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アルキル基とエーテル結合した構造を有する。カルボキシアルキル化セルロースは、塩の形態をとる場合もあり、カルボキシアルキル化セルロースの塩としては、例えばカルボキシアルキ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 for producing carboxyalkylated cellulose. Carboxyalkylated cellulose has a structure in which a part of hydroxyl groups in a glucose residue constituting cellulose is ether-bonded to a carboxyalkyl group. The carboxyalkylated cellulose may take the form of a salt, and examples of the salt of carboxyalkylated cellulose include metal salts such as sodium carboxyalkylcellulose.

カルボキシアルキル化セルロースは、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、カルボキシアルキル化剤(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。マーセル化及びカルボキシアルキル化を行う際には、従来、これらの両方を水を溶媒として行う方法(水媒法)と、これらの両方を有機溶媒を主とする溶媒を用いて行う方法(溶媒法)が知られていた。水媒法は、一貫して水を単独の溶媒として用いる方法であり、一方、溶媒法は、一貫して高濃度の有機溶媒を用いる方法である。通常、マーセル化反応とカルボキシアルキル化反応は、溶媒としてほぼ同じ組成のものを用いて一貫した流れで行われるものであり、これらの反応ごとに溶媒の組成を意図的に変化させることは行われてこなかった。溶媒の組成を意図的に変化させることは、製造工程の複雑化やコストの増加につながり、利点がないと考えられていた。本発明者らは、これに対し、マーセル化反応とカルボキシアルキル化反応における溶媒の組成をそれぞれ制御することにより、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を与えることができるカルボキシアルキル化セルロースを製造することができることを初めて見出したものである。   In general, carboxyalkylated cellulose is obtained by treating cellulose with alkali (mercelization), and then reacting the obtained mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) with a carboxyalkylating agent (also referred to as etherifying agent). Can be manufactured. When carrying out mercerization and carboxyalkylation, a conventional method in which both of these are performed using water as a solvent (aqueous medium method) and a method in which both of these are performed using a solvent mainly composed of an organic solvent (solvent method) ) Was known. The water medium method is a method that consistently uses water as a single solvent, while the solvent method is a method that consistently uses a high concentration organic solvent. Usually, mercerization reaction and carboxyalkylation reaction are carried out in a consistent flow using solvents having almost the same composition, and the composition of the solvent is intentionally changed for each of these reactions. I did not come. It was thought that intentionally changing the composition of the solvent led to a complicated manufacturing process and increased costs, and there was no advantage. In contrast, the inventors of the present invention controlled the composition of the solvent in the mercerization reaction and the carboxyalkylation reaction, respectively, to give a highly transparent cellulose nanofiber dispersion when fibrillated. It has been found for the first time that cellulose can be produced.

<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 excluding non-crystalline regions, and the like, based on the origin, production method, and the like. In the present invention, any of these celluloses can be used as a raw material for 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. Moreover, the manufacturing method of a bleached pulp or an unbleached pulp is not specifically limited, either, a mechanical method, a chemical method, or the method which combined two in the middle may be sufficient. Examples of bleached or unbleached pulp classified according to the production method include mechanical pulp (thermomechanical pulp (TMP), groundwood pulp), chemical pulp (conifer unbleached sulfite pulp (NUSP), conifer bleach sulfite pulp (NBSP). ) And the like, and softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), and hardwood bleached kraft pulp (LBKP)). Furthermore, dissolving pulp may be used in addition to papermaking pulp. Dissolving pulp is chemically refined pulp, which is mainly used by dissolving in chemicals, and is a main raw material for artificial 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。
Examples of the regenerated cellulose include those obtained by dissolving cellulose in some solvent such as a copper ammonia solution, a cellulose xanthate solution, and a morpholine derivative and spinning again.
The fine cellulose is obtained by depolymerizing a cellulose-based material such as the above natural cellulose or regenerated cellulose (for example, acid hydrolysis, alkali hydrolysis, enzyme decomposition, explosion treatment, vibration ball mill treatment, etc.). And those obtained by mechanically treating the cellulose-based material.

<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15質量%以上の割合で含む溶媒を用い、次のカルボキシアルキ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アルキル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Mercelization>
The cellulose described above is used as a raw material, and mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) is obtained by adding a mercerizing agent (alkali). In the present invention, the solvent used in the mercerization reaction is a solvent containing water in a proportion of 15% by mass or more, and the mixture is defibrated by using a mixed solvent of an organic solvent and water in the next carboxyalkylation. In particular, a carboxyalkylated cellulose that can be made into a cellulose nanofiber dispersion having high transparency can be economically obtained.

水を15質量%以上の割合で含む溶媒とは、溶媒全体の質量を100部とした際に、水の質量が15部以上であるものをいう。溶媒の水以外の残部は、有機溶媒であってよい。マーセル化反応における溶媒は、上記の通り水を15質量%以上の割合で含む溶媒であり、好ましくは水の割合は20質量%以上であり、さらに好ましくは30質量%以上である。マーセル化の際に水を15質量%以上含むことにより、得られるカルボキシアルキル化セルロースを解繊した際に、透明度の高い水分散体を与えるセルロースナノファイバーを得ることができるようになる。水の割合の上限は限定されず、100質量%(すなわち、溶媒が水)であってもよいが、後述するカルボキシアルキル化剤の有効利用率を向上させる観点からは、水の割合が50質量%以下であることも好ましい。   The solvent containing 15% by mass or more of water refers to a solvent having a mass of water of 15 parts or more when the total mass of the solvent is 100 parts. The remainder of the solvent other than water may be an organic solvent. The solvent in the mercerization reaction is a solvent containing water at a ratio of 15% by mass or more as described above, preferably the ratio of water is 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more. By containing 15% by mass or more of water at the time of mercerization, cellulose nanofibers that give a highly transparent aqueous dispersion can be obtained when the resulting carboxyalkylated cellulose is defibrated. The upper limit of the ratio of water is not limited, and may be 100% by mass (that is, the solvent is water). From the viewpoint of improving the effective utilization rate of the carboxyalkylating agent described later, the ratio of water is 50% by mass. % Or less is also preferable.

水を15質量%以上含む溶媒中の水以外の(水と混合して用いられる)溶媒としては、後段のカルボキシアルキ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85質量%以下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。マーセル化反応の際の溶媒中の有機溶媒は、好ましくは80質量%以下であり、さらに好ましくは70質量%以下である。有機溶媒の割合の下限は限定されず、0質量%であってもよい。   Examples of the solvent other than water (used by mixing with water) in a solvent containing 15% by mass or more of water include organic solvents used as a solvent in the subsequent carboxyalkylation. For example, alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol and tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, benzene and dichloromethane These can be used alone or a mixture of two or more thereof can be added to water in an amount of 85% by mass or less and used as a solvent for mercerization. The organic solvent in the solvent in the mercerization reaction is preferably 80% by mass or less, and more preferably 70% by mass or less. The lower limit of the ratio of the organic solvent is not limited, and may be 0% by 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。   Examples of mercerizing agents include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and any one or two or more of these can be used in combination. The mercerizing agent is not limited to this, but these alkali metal hydroxides are added to the reactor as an aqueous solution of, for example, 1 to 60% by mass, preferably 2 to 45% by mass, more preferably 3 to 25% by mass. Can be added.

マーセル化剤の使用量は、カルボキシアルキル化セルロースの所望の結晶化度及びカルボキシアルキル置換度を達成する量であればよく、特に限定されないが、後述するセルロースI型の結晶化度が50%以上であり、カルボキシアルキル置換度が0.50未満であるカルボキシアルキル化セルロースを製造できるような量を用いることが好ましい。カルボキシアルキル化セルロースのセルロースI型の結晶化度が50%以上であり、カルボキシアルキル置換度が0.50未満であると、カルボキシアルキル化セルロースの繊維状の形状が維持され、セルロースナノファイバーへと解繊しやすくなる。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。   The amount of the mercerizing agent used is not particularly limited as long as the desired crystallinity and carboxyalkyl substitution degree of the carboxyalkylated cellulose are achieved, but the crystallinity of cellulose I type described later is 50% or more. It is preferable to use such an amount that a carboxyalkylated cellulose having a degree of carboxyalkyl substitution of less than 0.50 can be produced. When the crystallinity of cellulose type I of the carboxyalkylated cellulose is 50% or more and the carboxyalkyl substitution degree is less than 0.50, the fibrous shape of the carboxyalkylated cellulose is maintained, and cellulose nanofibers are obtained. Easy to defibrate. In one embodiment, the mercerizing agent is preferably used in an amount of 0.1 mol to 2.5 mol, preferably 0.3 mol to 2.0 mol, per 100 g of cellulose (absolutely dry). More preferably, 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 composed of water at the time of mercerization is not particularly limited as long as it is an amount capable of stirring and mixing the raw materials, but is preferably 1.5 to 20 times by mass with respect to the cellulose raw material, and 2 to 10 It is more preferable that the mass is.

マーセル化処理は、発底原料(セルロース)と水を15質量%以上含む溶媒とを混合し、反応器の温度を50℃未満に調整して行う。温度を50℃未満とすることにより、反応が均一になりやすく、得られるカルボキシアルキル化セルロースを解繊した際に、透明度の高い水分散体を与えるセルロースナノファイバーを得ることができるようになる。また、副反応を抑制できるため、後述するカルボキシアルキル化剤の有効利用率を向上させることができる。反応器の温度は好ましくは、0℃以上50℃未満であり、より好ましくは10℃以上50℃未満であり、より好ましくは10℃以上40℃以下である。   The mercerization treatment is performed by mixing a bottoming raw material (cellulose) and a solvent containing 15% by mass or more of water and adjusting the temperature of the reactor to less than 50 ° C. By setting the temperature to less than 50 ° C., the reaction tends to be uniform, and cellulose nanofibers that give a highly transparent aqueous dispersion can be obtained when the resulting carboxyalkylated cellulose is fibrillated. Moreover, since side reaction can be suppressed, the effective utilization factor of the carboxyalkylating agent mentioned later can be improved. The temperature of the reactor is preferably 0 ° C. or higher and lower than 50 ° C., more preferably 10 ° C. or higher and lower than 50 ° C., and more preferably 10 ° C. or higher and 40 ° C. or lower.

発底原料(セルロース)と溶媒とを加え、温度を上記の通り調整した反応器に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、マーセル化を行う。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。   A bottoming raw material (cellulose) and a solvent are added, and an aqueous mercerizing agent solution is added to the reactor whose temperature is adjusted as described above, and is 15 to 8 hours, preferably 30 to 7 hours, more preferably 30 minutes. Mercerization is carried out by stirring for ~ 3 hours. Thereby, mercerized cellulose (alkali cellulose) is obtained.

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 during mercerization is preferably 9 or more, whereby the mercerization reaction can proceed. The pH is more preferably 11 or more, still more 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。   Mercerization can be performed using a reactor capable of mixing and stirring the above components while controlling the temperature, and various reactors conventionally used in mercerization reactions can be used. For example, a batch type stirring apparatus in which two shafts are stirred and the above components are mixed is preferable from the viewpoints of both uniform mixing and productivity.

<カルボキシアルキル化>
マーセル化セルロースに対し、カルボキシアルキル化剤(エーテル化剤ともいう。)を添加することにより、カルボキシアルキル化セルロースを得る。本発明では、このカルボキシアルキ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15質量%以上含む溶媒を用い、カルボキシアルキ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アルキル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Carboxyalkylation>
A carboxyalkylated cellulose is obtained by adding a carboxyalkylating 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 carboxyalkylation reaction. Cellulose nanofiber dispersion having high transparency when fibrillated by using a solvent containing 15% by mass or more of water for mercerization and using a mixed solvent of water and an organic solvent for carboxyalkylation The carboxyalkylated cellulose can be obtained economically.

カルボキシアルキル化剤としては、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のカルボキシメチル化剤が好ましい。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より好ましい。   As the carboxyalkylating agent, carboxymethylating agents such as monochloroacetic acid, sodium monochloroacetate, methyl monochloroacetate, ethyl monochloroacetate and isopropyl monochloroacetate are preferable. Of these, monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is more preferable from the viewpoint of easy availability of raw materials.

カルボキシアルキル化剤の使用量は、カルボキシアルキル化セルロースの所望の結晶化度及びカルボキシアルキル置換度を達成する量であればよく、特に限定されないが、後述するセルロースI型の結晶化度が50%以上であり、カルボキシアルキル置換度が0.50未満であるカルボキシアルキル化セルロースを製造できるような量を用いることが好ましい。カルボキシアルキル化セルロースのセルロースI型の結晶化度が50%以上であり、カルボキシアルキル置換度が0.50未満であると、カルボキシアルキル化セルロースの繊維状の形状が維持され、セルロースナノファイバーへと解繊しやすくなる。カルボキシアルキル化剤の使用量は、一実施形態において、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。カルボキシアルキル化剤は、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。   The amount of the carboxyalkylating agent used is not particularly limited as long as the desired crystallinity and carboxyalkyl substitution degree of the carboxyalkylated cellulose are achieved, and the crystallinity of cellulose I type described later is 50%. It is preferable to use such an amount that carboxyalkylated cellulose having a degree of carboxyalkyl substitution of less than 0.50 can be produced. When the crystallinity of cellulose type I of the carboxyalkylated cellulose is 50% or more and the carboxyalkyl substitution degree is less than 0.50, the fibrous shape of the carboxyalkylated cellulose is maintained, and cellulose nanofibers are obtained. Easy to defibrate. In one embodiment, the amount of the carboxyalkylating agent used is preferably in the range of 0.5 to 1.5 mol 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 carboxyalkylating agent is not limited to this. For example, the carboxyalkylating agent can be added to the reactor as an aqueous solution of 5 to 80% by mass, more preferably 30 to 60% by mass. You can also.

マーセル化剤とカルボキシアルキル化剤のモル比(マーセル化剤/カルボキシアルキル化剤)は、カルボキシアルキ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アルキ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 mercerizing agent to carboxyalkylating agent (mercelling agent / carboxyalkylating agent) is generally 0.9 to 2.45 when monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is used as the carboxyalkylating agent. Adopted. The reason is that if it is less than 0.9, the carboxyalkylation reaction may become insufficient, and unreacted monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may remain, resulting in waste, and 2.45. If it exceeds 1, the side reaction between the excess mercerizing agent and monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may proceed to produce an alkali metal glycolate, which may be uneconomical.

また、本発明では、カルボキシアルキ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。カルボキシアルキル化剤の有効利用率とは、カルボキシアルキル化剤におけるカルボキシアルキル基のうち、セルロースに導入されたカルボキシアルキル基の割合を指す。本発明では、マーセル化の際に水を15質量%以上含む溶媒を用い、カルボキシアルキ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、高いカルボキシアルキル化剤の有効利用率で(すなわち、カルボキシアルキ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アルキル化セルロースを製造することができる。カルボキシアルキ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、カルボキシアルキ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 carboxyalkylating agent is preferably 15% or more. More preferably, it is 20% or more, more preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. The effective utilization rate of the carboxyalkylating agent refers to the ratio of the carboxyalkyl group introduced into cellulose among the carboxyalkyl groups in the carboxyalkylating agent. In the present invention, by using a solvent containing 15% by mass or more of water at the time of mercerization and using a mixed solvent of water and an organic solvent at the time of carboxyalkylation, the effective utilization rate of the carboxyalkylating agent is high ( That is, a carboxyalkylated cellulose capable of obtaining a cellulose nanofiber dispersion having high transparency when defibrated can be produced without economically increasing the amount of carboxyalkylating agent used. The upper limit of the effective utilization rate of the carboxyalkylating agent is not particularly limited, but in reality, the upper limit is about 80%. The effective utilization rate of the carboxyalkylating agent may be abbreviated as AM.

カルボキシアルキ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)/ カルボキシアルキル化剤のモル数
DS: カルボキシアルキル置換度(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 carboxyalkylating agent is as follows:
AM = (DS × number of moles of cellulose) / number of moles of carboxyalkylating agent DS: Degree of carboxyalkyl substitution (measurement method 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 of cellulose per glucose unit).

カルボキシアルキ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、カルボキシアルキ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。   Although the density | concentration of the cellulose raw material in a carboxyalkylation reaction is not specifically limited, From a viewpoint of raising the effective utilization factor of a carboxyalkylating agent, it is preferable that it is 1-40% (w / v).

カルボキシアルキル化剤を添加するのと同時に、あるいはカルボキシアルキ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、カルボキシアルキ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アルキ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、カルボキシアルキル化剤を添加する前後30分以内が好ましい。   At the same time as the addition of the carboxyalkylating agent, or before or immediately after the addition of the carboxyalkylating agent, an organic solvent or an aqueous solution of the organic solvent is appropriately added to the reactor, or other than water during mercerization treatment by reducing the pressure, etc. The organic solvent is appropriately reduced to form a mixed solvent of water and the organic solvent. In the present invention, the carboxyalkylation reaction proceeds under a mixed solvent of water and an organic solvent. The timing of addition or reduction of the organic solvent is not particularly limited as long as it is from the end of the mercerization reaction to immediately after the addition of the carboxyalkylating agent. For example, 30 minutes before and after adding the carboxyalkylating agent Is preferred.

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アルキ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。   Examples of organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol and tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, Benzene, dichloromethane and the like can be mentioned, and these alone or a mixture of two or more thereof can be added to water and used as a solvent for carboxyalkylation. Among these, a monohydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms is preferable, and a monohydric alcohol having 1 to 3 carbon atoms is more preferable because of excellent compatibility with water.

カルボキシアルキ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質量%以上であることが好ましく、30質量%以上であることがより好ましく、40質量%以上であることがさらに好ましく、45質量%以上であることがさらに好ましく、50質量%以上であることが特に好ましい。有機溶媒の割合が高いほど、セルロースナノファイバー分散体としたときの透明度が高くなるという利点が得られる。有機溶媒の割合の上限は限定されず、例えば、99質量%以下であってよい。添加する有機溶媒のコストを考慮すると、好ましくは90質量%以下であり、更に好ましくは85質量%以下であり、更に好ましくは80質量%以下であり、更に好ましくは70質量%以下である。   The ratio of the organic solvent in the mixed solvent in the carboxyalkylation is preferably 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more, based on the sum of water and the organic solvent, It is more preferably 40% by mass or more, further preferably 45% by mass or more, and particularly preferably 50% by mass or more. As the proportion of the organic solvent is higher, an advantage that the transparency when the cellulose nanofiber dispersion is obtained becomes higher. The upper limit of the ratio of the organic solvent is not limited, and may be 99% by mass or less, for example. Considering the cost of the organic solvent to be added, it is preferably 90% by mass or less, more preferably 85% by mass or less, still more preferably 80% by mass or less, and further preferably 70% by mass or less.

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アルキ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アルキル化剤との混合は、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。カルボキシアルキ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(カルボキシアルキル化)反応を行い、カルボキシアルキル化セルロースを得る。   After forming a mixed solvent of water and an organic solvent and adding a carboxyalkylating agent to 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 to 1 hour. The mixing of the mercerized cellulose-containing liquid and the carboxyalkylating agent is preferably performed in a plurality of times or by dropwise addition in order to prevent the reaction mixture from becoming high temperature. After adding a carboxyalkylating agent and stirring for a certain time, the temperature is raised if necessary, and the reaction temperature is 30 to 90 ° C, preferably 40 to 90 ° C, more preferably 60 to 80 ° C, and 30 minutes to The etherification (carboxyalkylation) reaction is performed for 10 hours, preferably 1 hour to 4 hours, to obtain carboxyalkylated cellulose.

カルボキシアルキル化の際には、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 carboxyalkylation, the reactor used in the mercerization may be used as it is, or another reactor capable of mixing and stirring the above 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アルキ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. If necessary, by-product inorganic salts, organic acid salts and the like may be removed by washing with water-containing methanol, dried, pulverized, and classified to obtain carboxyalkylated cellulose or a salt thereof. Examples of the apparatus used in the dry pulverization include impact mills such as a hammer mill and a pin mill, medium mills such as a ball mill and a tower mill, and jet mills. Examples of the apparatus used in the wet pulverization include apparatuses such as a homogenizer, a mass collider, and a pearl mill.

<カルボキシアルキル化セルロース>
カルボキシアルキル化セルロースとは、セルロースにおけるグルコース残基の水酸基の一部にカルボキシアルキル基がエーテル結合しているものである。本発明のカルボキシアルキル化セルロースに導入されるカルボキシアルキル基としては、例えば、カルボキシメチル基、カルボキシエチル基などが挙げられるが、均一に反応しやすく、経済的に有利な点を考慮するとカルボキシメチル基が好ましい。
<Carboxyalkylated cellulose>
Carboxyalkylated cellulose is one in which a carboxyalkyl group is ether-bonded to a part of the hydroxyl group of a glucose residue in cellulose. Examples of the carboxyalkyl group to be introduced into the carboxyalkylated cellulose of the present invention include a carboxymethyl group and a carboxyethyl group. However, it is easy to react uniformly and considering the economically advantageous point, the carboxymethyl group Is preferred.

本発明で製造されるカルボキシアルキル化セルロースは、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、カルボキシアルキ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、カルボキシアルキル化セルロースを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。   The carboxyalkylated cellulose produced in the present invention is preferably one in which at least a part of the fibrous shape is maintained even when dispersed in water. That is, when an aqueous dispersion of carboxyalkylated cellulose is observed with an electron microscope, fibrous substances can be observed, and the peak of cellulose I-type crystals is observed when carboxyalkylated cellulose is measured by X-ray diffraction. Those that can be used are 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アルキル化セルロースは、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシアルキル置換度が0.50未満であり、好ましくは0.40以下である。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り、ナノファイバーへと解繊しにくくなる。カルボキシアルキル置換度の下限は、カルボキシアルキル化セルロースのナノファイバーへの解繊のしやすさ、ナノファイバー分散体の透明度及び分散安定性等を考慮すると0.02以上であることが特に好ましく、0.05以上であることが更に好ましく、0.10以上であることが更に好ましく、0.20以上であることが更に好ましい。セルロースにカルボキシアルキ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、カルボキシアルキル置換度が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。また、カルボキシアルキル基を導入することによる効果(保水性の付与、保形性の付与など)を十分に得られない場合がある。カルボキシアルキル置換度は、反応させるカルボキシアルキル化剤の添加量、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。   The carboxyalkylated cellulose that maintains at least a part of the fibrous shape even when dispersed in water has a carboxyalkyl substitution degree per cellulose anhydroglucose unit of less than 0.50, preferably 0.40 or less. It is. When the degree of substitution is 0.50 or more, dissolution in water tends to occur, the fiber form cannot be maintained, and it becomes difficult to fibrillate into nanofibers. The lower limit of the degree of carboxyalkyl substitution is particularly preferably 0.02 or more considering the ease of fibrillation of carboxyalkylated cellulose into nanofibers, the transparency and dispersion stability of the nanofiber dispersion, and the like. Is more preferably 0.05 or more, further preferably 0.10 or more, and further preferably 0.20 or more. By introducing a carboxyalkyl group into cellulose, the celluloses repel each other electrically, so that they can be fibrillated into nanofibers, but if the degree of carboxyalkyl substitution is less than 0.02, nanofibers In some cases, the fiber cannot be sufficiently defibrated. In addition, there are cases where the effects (such as imparting water retention and imparting shape retention) obtained by introducing a carboxyalkyl group cannot be sufficiently obtained. The degree of carboxyalkyl substitution can be adjusted by controlling the amount of carboxyalkylating agent to be reacted, the amount of mercerizing agent, the composition ratio of water and 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、カルボキシアルキル置換度(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アルキ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アルキルエーテル基の数)を示す。なお、カルボキシアルキル置換度はDSと略すことがある。   In the present invention, the anhydroglucose unit means individual anhydroglucose (glucose residue) constituting cellulose. The degree of carboxyalkyl substitution (also called degree of etherification) is the ratio of the hydroxyl groups in the glucose residues constituting cellulose that are substituted with carboxyalkyl ether groups (carboxyalkyl per glucose residue). The number of ether groups). The degree of carboxyalkyl substitution may be abbreviated as DS.

カルボキシアルキ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、カルボキシアルキル化セルロースの塩(CMC)をH−CMC(水素型カルボキシアルキル化セルロース)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アルキル置換度(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))
カルボキシアルキル置換度=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 carboxyalkyl substitution is as follows:
About 2.0 g of sample is precisely weighed and placed in a 300 mL conical flask with a stopper. A solution of 100 mL of special concentrated nitric acid added to 1000 mL of nitric acid methanol is added and shaken for 3 hours to convert the salt of carboxyalkylated cellulose (CMC) into H-CMC (hydrogen-type carboxyalkylated cellulose). The absolute dry H-CMC is accurately weighed in an amount of 1.5 to 2.0 g and put into an Erlenmeyer flask with a 300 mL stopper. 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. Using phenolphthalein as an indicator, excess NaOH is back titrated with 0.1N—H 2 SO 4 and the degree of carboxyalkyl substitution (DS value) is calculated according to the following formula.
A = [(100 × F′−0.1N—H 2 SO 4 (mL) × F) × 0.1] / (absolute dry mass of H-CMC (g))
Carboxyalkyl 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アルキル化セルロース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。また、結晶性が高いことにより、保形性等に優れたカルボキシアルキル化セルロースとなる。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、並びにカルボキシアルキ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アルキ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。セルロースI型の結晶化度の上限は特に限定されない。現実的には90%程度が上限となると考えられる。   The crystallinity of the cellulose in the carboxyalkylated cellulose of the present invention is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more for the crystal I type. When the crystallinity is adjusted to the above range, the transparency of the cellulose nanofiber dispersion obtained by defibration is improved. Moreover, since the crystallinity is high, the carboxyalkylated cellulose is excellent in shape retention and the like. The crystallinity of cellulose can be controlled by the concentration of mercerizing agent and the temperature during processing, as well as the degree of carboxyalkylation. Since a high concentration of alkali is used in mercerization and carboxyalkylation, cellulose type I crystals are likely to be converted to type II, but the amount of modification may be reduced by adjusting the amount of alkali (mercellizing agent) used. The desired crystallinity can be maintained by adjusting the degree. The upper limit of the crystallinity of cellulose type I is not particularly limited. In reality, it is considered that the upper limit is about 90%.

カルボキシアルキ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 for measuring the crystallinity of cellulose type I of carboxyalkylated cellulose is as follows:
The sample is placed on a glass cell and measured using an X-ray diffractometer (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). The degree of crystallinity is calculated using a method such as Segal and the diffraction intensity of 2θ = 10 ° to 30 ° in the X-ray diffraction diagram is used as a baseline, and the diffraction intensity of the 002 plane of 2θ = 22.6 ° and 2θ = It is calculated by the following formula 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 (%)
I002c: 2θ = 22.6 °, diffraction intensity of 002 plane Ia: 2θ = 18.5 °, diffraction intensity of amorphous part.

なお、従来の水媒法では、カルボキシアルキル置換度が0.20以上0.50未満であり、かつ、セルロースI型の結晶化度が50%以上であるカルボキシアルキル化セルロースを得ることは困難であった。具体的には、水媒法を用いてカルボキシアルキル置換度0.20以上を達成しようとすると、セルロースI型の結晶化度が50%未満に低下する傾向があった。本発明の方法によれば、カルボキシアルキル置換度が0.20以上0.50未満であり、かつ、セルロースI型の結晶化度が50%以上であるカルボキシアルキル化セルロースを製造することができ、また、得られたカルボキシアルキル化セルロースを用いて製造されるセルロースナノファイバー分散体が高い透明度を有するという利点が得られる。   In the conventional aqueous medium method, it is difficult to obtain a carboxyalkylated cellulose having a carboxyalkyl substitution degree of 0.20 or more and less than 0.50 and a cellulose I type crystallinity of 50% or more. there were. Specifically, when it was attempted to achieve a carboxyalkyl substitution degree of 0.20 or more using the aqueous medium method, the crystallinity of cellulose type I tended to decrease to less than 50%. According to the method of the present invention, it is possible to produce a carboxyalkylated cellulose having a carboxyalkyl substitution degree of 0.20 or more and less than 0.50 and a cellulose I type crystallinity of 50% or more, Moreover, the advantage that the cellulose nanofiber dispersion manufactured using the obtained carboxyalkylated cellulose has high transparency is acquired.

本発明により製造されたカルボキシアルキル化セルロースは、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。   The carboxyalkylated cellulose produced according to the present invention can be used in the form of a dispersion obtained after the reaction. However, it can be dried and redispersed in water as necessary. The drying method is not limited in any way, for example, freeze drying method, spray drying method, shelf drying method, drum drying method, belt drying method, method of thinly extending and drying on a glass plate, fluidized bed drying method, microwave drying And known methods such as a heating fan type vacuum drying method can be used. You may grind | pulverize with a cutter mill, a hammer mill, a pin mill, a jet mill etc. as needed after drying. Further, the method for redispersion in water is not particularly limited, and a known dispersion apparatus can be used.

<カルボキシアルキ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アルキ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アルキ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アルキ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。
<Manufacture of carboxyalkylated cellulose nanofibers>
By defibrillating the carboxyalkylated cellulose obtained by the method of the present invention, it can be converted into cellulose nanofibers having nanoscale fiber diameters. The carboxyalkylated cellulose nanofibers obtained by the method of the present invention can be produced more economically than the carboxyalkylated cellulose nanofibers obtained by the conventional aqueous medium method or solvent method. In this state, 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アルキ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。カルボキシアルキ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 defibration, a dispersion of carboxyalkylated cellulose obtained by the above method is prepared. The dispersion medium is preferably water from the viewpoint of ease of handling. The concentration of the carboxyalkylated cellulose is preferably 0.01 to 10% (w / v) in consideration of the efficiency of defibration and dispersion.

カルボキシアルキ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アルキ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 apparatus used for defibrating carboxyalkylated cellulose is not particularly limited, and apparatuses such as a high-speed rotation type, a colloid mill type, a high-pressure type, a roll mill type, and an ultrasonic type can be used. During defibration, it is preferable to apply a strong shearing force to the carboxyalkylated cellulose dispersion. In particular, for efficient defibration, it is preferable to use a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer that can apply a pressure of 50 MPa or more to the dispersion and can apply a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more. Further, prior to defibration and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, if necessary, the dispersion may be pretreated using a known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device 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。   High-pressure homogenizer is emulsified and dispersed by total energy such as collision between particles and shear force due to pressure difference by pressurizing (high pressure) the fluid with a pump and ejecting it from a very delicate gap provided in the flow path. , A device that performs de-pulverization, pulverization, and ultra-miniaturization.

上記のカルボキシアルキ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以上のカルボキシアルキ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 defibrating the above carboxyalkylated cellulose, carboxyalkylated cellulose nanofibers 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 further preferably 5 to 15 nm.

カルボキシアルキル化セルロースまたはカルボキシアルキ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 the carboxyalkyl cellulose or carboxyalkyl cellulose nanofibers are atomic force microscope (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 measured by analyzing 200 randomly selected fibers and calculating the average. Also, the aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter.

カルボキシアルキル化セルロースのナノファイバーにおけるカルボキシアルキル置換度は、ナノファイバーとする前のカルボキシアルキル化セルロースにおけるカルボキシアルキル置換度と、通常、同じである。また、カルボキシアルキ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アルキル化セルロースにおけるものと、通常、同じである。   The degree of carboxyalkyl substitution in the nanofibers of carboxyalkylated cellulose is usually the same as the degree of carboxyalkyl substitution in the carboxyalkylated cellulose prior to nanofibers. Moreover, the ratio of the I-type crystal in the carboxyalkyl cellulose nanofiber is usually the same as that in the carboxyalkyl cellulose before the nanofiber.

本発明の方法で得られたカルボキシアルキ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アルキ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アルキ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、カルボキシアルキル化剤の高い有効利用率で(すなわち、カルボキシアルキ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 defibrating the carboxyalkylated cellulose obtained by the method of the present invention into nanofibers, a highly transparent carboxyalkylated cellulose cellulose nanofiber dispersion can be obtained. The carboxyalkyl cellulose nanofibers obtained by the present invention have, for example, an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v) and a transparency (660 nm light transmittance) of 50% or more. More preferably, it is 60% or more, More preferably, it is 70% or more, More preferably, it is 80% or more, More preferably, it is 90% or more. Such cellulose nanofibers can be optimally used for applications requiring transparency. In the present invention, such highly transparent cellulose nanofibers can be produced with a high effective utilization rate of the carboxyalkylating agent (that is, economically without greatly increasing the amount of the carboxyalkylating 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、カルボキシアルキル置換度を比較的高くしてもカルボキシアルキ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アルキル置換度を高くできる(すなわち、カルボキシアルキル基を多く導入する)ことは、カルボキシアルキ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。   The reason why a highly transparent cellulose nanofiber can be obtained economically by the production method of the present invention is not clear, but the production method of the present invention can maintain a relatively high degree of crystallinity of cellulose type I. Therefore, the present inventors have confirmed that the fibrous shape of carboxyalkylated cellulose can be maintained even with a relatively high degree of carboxyalkyl substitution. The ability to increase the degree of carboxyalkyl substitution while maintaining the fibrous shape (that is, introducing a large number of carboxyalkyl groups) is thought to lead to an improvement in the fibrillation property of carboxyalkylated cellulose, which is a highly transparent nanometer. It is speculated that this is one of the reasons why a fiber dispersion is obtained. 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5L容の二軸ニーダーに、水267部と、イソプロパノール(IPA)1089部と、水酸化ナトリウム31部を水200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200部仕込んだ。30℃で60分間撹拌、混合しマーセル化セルロースを調製した。更に撹拌しつつモノクロロ酢酸ナトリウム90部を添加し、30℃で30分間撹拌した後、30分かけて70℃に昇温し、70℃で60分間カルボキシメチル化反応をさせた。マーセル化反応時及びカルボキシメチル化反応時の反応媒中の水の割合は、30質量%である。反応終了後、中和し、65%含水メタノールで洗浄し、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度0.28、セルロースI型の結晶化度70%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、45%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。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these. In addition, unless otherwise indicated, a part and% show a mass part and mass%.
(Example 1)
Add 267 parts of water, 1089 parts of isopropanol (IPA), and 31 parts of sodium hydroxide in 200 parts of water to a 5 L biaxial kneader whose rotation speed is adjusted to 100 rpm. 200 parts of LBKP (made by Co., Ltd.) was charged in a dry mass when dried at 100 ° C. for 60 minutes. Mercerized cellulose was prepared by stirring and mixing at 30 ° C. for 60 minutes. Further, 90 parts of sodium monochloroacetate was added with stirring, and the mixture was stirred at 30 ° C. for 30 minutes, then heated to 70 ° C. over 30 minutes, and subjected to carboxymethylation reaction at 70 ° C. for 60 minutes. The ratio of water in the reaction medium during the mercerization reaction and the carboxymethylation reaction is 30% by mass. After completion of the reaction, the solution is neutralized, washed with 65% water-containing methanol, drained, dried and pulverized to obtain a sodium salt of carboxymethylated cellulose having a carboxymethyl substitution degree of 0.28 and a cellulose I type crystallinity of 70% Got. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 45%. In addition, the measuring method of the carboxymethyl substitution degree and the crystallinity degree of cellulose I type, and the calculation method of the effective utilization factor of a carboxymethylating agent are as above-mentioned.

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を以下の方法で測定した。   The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose 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 nanofiber dispersion of carboxymethylated cellulose. The transparency of the obtained dispersion was 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>
The transparency (660 nm light transmittance) of the cellulose nanofiber dispersion (solid content 1% (w / v), dispersion medium: water) was measured using a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (Shimadzu Corporation). did.

(実施例2)
二軸ニーダーに、初めに、水267部と、IPA467部と、水酸化ナトリウム40部を水200部に溶解したもとを加えてマーセル化反応を行い、また、モノクロロ酢酸ナトリウム90部に代えてモノクロロ酢酸ナトリウム117部を添加してカルボキシメチル化反応を行った以外は実施例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。マーセル化反応時及びカルボキシメチル化反応時の反応媒中の水の割合は、50質量%である。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の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69%、カルボキシメチル化剤の有効利用率は38%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 2)
First, 267 parts of water, 467 parts of IPA, and 40 parts of sodium hydroxide were dissolved in 200 parts of water to perform a mercerization reaction, and instead of 90 parts of sodium monochloroacetate. A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that 117 parts of sodium monochloroacetate was added to carry out a carboxymethylation reaction. The ratio of water in the reaction medium during the mercerization reaction and the carboxymethylation reaction is 50% by mass. The sodium salt of the obtained carboxymethylated cellulose had a carboxymethyl substitution degree of 0.31, a crystallinity of cellulose type I of 69%, and an effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 38%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(実施例3)
二軸ニーダーに、初めに、IPA467部に代えてIPA200部を加えてマーセル化反応を行い、また、カルボキシメチル化反応時にモノクロロ酢酸ナトリウム117部と共にIPA267部を加えた以外は実施例2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。マーセル化反応時の溶媒中の水の割合は70質量%、カルボキシメチル化反応時の溶媒中の水の割合は50質量%である。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の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2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 3)
First, 200 parts of IPA was added instead of 467 parts of IPA to the biaxial kneader to perform a mercerization reaction, and 267 parts of IPA was added together with 117 parts of sodium monochloroacetate during the carboxymethylation reaction. Thus, a sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained. The ratio of water in the solvent during the mercerization reaction is 70% by mass, and the ratio of water in the solvent during the carboxymethylation reaction is 50% by mass. The sodium salt of the obtained carboxymethylated cellulose had a carboxymethyl substitution degree of 0.28, a crystallinity of cellulose type I of 64%, and an effective utilization rate of the carboxymethylating agent of 34%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 2 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(実施例4)
二軸ニーダーに、初めに、IPA467部に代えてIPA52部を加えてマーセル化反応を行い、また、カルボキシメチル化反応時にモノクロロ酢酸ナトリウム117部と共にIPA415部を加えた以外は実施例2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。マーセル化反応時の溶媒中の水の割合は90質量%、カルボキシメチル化反応時の溶媒中の水の割合は50質量%である。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の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。
Example 4
First, a mercerization reaction was carried out by adding 52 parts of IPA instead of 467 parts of IPA to the biaxial kneader, and 415 parts of IPA was added together with 117 parts of sodium monochloroacetate during the carboxymethylation reaction. Thus, a sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained. The ratio of water in the solvent during the mercerization reaction is 90% by mass, and the ratio of water in the solvent during the carboxymethylation reaction is 50% by mass. The sodium salt of the obtained carboxymethylated cellulose had a carboxymethyl substitution degree of 0.28, a cellulose I type crystallinity of 69%, and an effective utilization rate of the carboxymethylating agent of 34%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(実施例5)
マーセル化反応時にIPA467部を加えず、カルボキシメチル化反応時にIPA467部を加えた以外は実施例2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。マーセル化反応時の溶媒中の水の割合は100質量%、カルボキシメチル化反応時の溶媒中の水の割合は50質量%である。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の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 5)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 2 except that 467 parts of IPA were not added during the mercerization reaction and 467 parts of IPA were added during the carboxymethylation reaction. The ratio of water in the solvent during the mercerization reaction is 100% by mass, and the ratio of water in the solvent during the carboxymethylation reaction is 50% by mass. The sodium salt of the obtained carboxymethylated cellulose had a carboxymethyl substitution degree of 0.28, a crystallinity of cellulose type I of 66%, and an effective utilization rate of the carboxymethylating agent of 34%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(実施例6)
カルボキシメチル化反応時に加えるIPAの量を変更することによりカルボキシメチル化反応時の水の割合を80質量%とした以外は実施例5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 6)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 5 except that the amount of IPA added during the carboxymethylation reaction was changed to 80% by mass of the water during the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution was 0.20, the crystallinity of cellulose type I was 74%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 24%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(実施例7)
カルボキシメチル化反応時に加えるIPAの量を変更することによりカルボキシメチル化反応時の水の割合を70質量%とした以外は実施例5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 7)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 5 except that the amount of IPA added during the carboxymethylation reaction was changed to 70% by mass of the water during the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution was 0.24, the crystallinity of cellulose type I was 73%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 29%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(実施例8)
カルボキシメチル化反応時に加えるIPAの量を変更することによりカルボキシメチル化反応時の水の割合を10質量%とした以外は実施例5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 8)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 5 except that the amount of IPA added during the carboxymethylation reaction was changed to 10% by mass of the water during the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution was 0.24, the crystallinity of cellulose type I was 73%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 29%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(比較例1)
二軸ニーダーに初めに加える溶媒の割合を水10質量%、IPA90質量%とした以外は実施例2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 1)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 2 except that the ratio of the solvent initially added to the biaxial kneader was 10% by mass of water and 90% by mass of IPA. The degree of carboxymethyl substitution was 0.27, the crystallinity of cellulose type I was 64%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 32%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(比較例2)
カルボキシメチル化反応時にIPAを加えなかった以外は実施例5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 2)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 5 except that IPA was not added during the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution was 0.11, the degree of crystallinity of cellulose type I was 72%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 13%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

(比較例3)
マーセル化反応時に水酸化ナトリウム40部を水200部に溶解したものに代えて水酸化ナトリウム90部を水200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117部に代えてモノクロロ酢酸ナトリウム293部を用いた以外は比較例2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)
Sodium monochloroacetate was used as a carboxymethylating agent in the carboxymethylation reaction by using 90 parts of sodium hydroxide dissolved in 200 parts of water instead of 40 parts of sodium hydroxide dissolved in 200 parts of water during the mercerization reaction. A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Comparative Example 2 except that 293 parts of sodium monochloroacetate was used instead of 117 parts. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the crystallinity of cellulose type I was 45%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 13%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.

Figure 2019163390
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表1の結果より、マーセル化を水15質量%以上含む溶媒下で行い、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1〜8では、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。一方、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を高濃度の有機溶媒下(IPA90質量%)で行った比較例1(従来の溶媒法)では、セルロースナノファイバー分散体としたときの透明度が低いことがわかる。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2及び3(従来の水媒法)については、マーセル化剤及びカルボキシメチル化剤の量を溶媒法と同等の量とすると、セルロースナノファイバー分散体の透明度が低くなり、また、カルボキシメチル置換度も低くなることがわかる(比較例2)。一方、マーセル化剤及びカルボキシメチル化剤の添加量を増加させることによりカルボキシメチル置換度を増加させると、セルロースナノファイバー分散体の透明度は高くなるが、カルボキシメチル化剤の有効利用率は実施例1〜8に比べて有意に低くなり、また、セルロースI型の結晶化度が低くなることがわかる(比較例3)。   From the results of Table 1, in Examples 1 to 8 in which mercerization was performed in a solvent containing 15% by mass or more of water and carboxymethylation was performed in a mixed solvent of water and an organic solvent, cellulose nanofibers having high transparency It can be seen that a dispersion can be produced. On the other hand, in Comparative Example 1 (conventional solvent method) in which both mercerization and carboxymethylation were performed in a high concentration organic solvent (IPA 90 mass%), the transparency when the cellulose nanofiber dispersion was obtained may be low. Recognize. Further, in Comparative Examples 2 and 3 (conventional aqueous medium method) in which both mercerization and carboxymethylation were performed using water as a solvent, the amounts of mercerizing agent and carboxymethylating agent were equivalent to those of the solvent method. Then, it turns out that the transparency of a cellulose nanofiber dispersion becomes low, and a carboxymethyl substitution degree also becomes low (comparative example 2). On the other hand, increasing the degree of carboxymethyl substitution by increasing the addition amount of mercerizing agent and carboxymethylating agent increases the transparency of the cellulose nanofiber dispersion, but the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is It turns out that it becomes significantly low compared with 1-8, and the crystallinity degree of a cellulose I type becomes low (comparative example 3).

Claims (8)

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アルキル化剤と反応させて、カルボキシアルキ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15質量%以上含む溶媒下で、50℃未満の温度条件下で行い、カルボキシアルキ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、カルボキシアルキル化セルロースの製造方法。
Treating cellulose with mercerizing agent to obtain mercerized cellulose; and reacting mercerized cellulose with carboxyalkylating agent to obtain carboxyalkylated cellulose;
And the step of obtaining mercerized cellulose is carried out under a temperature condition of less than 50 ° C. under a solvent containing 15% by mass or more of water, and the step of obtaining carboxyalkylated cellulose is carried out under a mixed solvent of water and an organic solvent. A process for producing carboxyalkylated cellulose, as described in 1).
カルボキシアルキル化セルロースが、カルボキシメチル化セルロースであり、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に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the carboxyalkylated cellulose is carboxymethylated cellulose and the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit in the carboxymethylated cellulose is less than 0.50. カルボキシアルキ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または2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the crystallinity of cellulose type I of the carboxyalkylated cellulose is 50% 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1〜3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 mercerizing agent is sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or a combination of two or more thereof. カルボキシアルキル化剤が、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1〜4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 carboxyalkylating agent is monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate. カルボキシアルキ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1〜5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 mixed solvent in the step of obtaining carboxyalkylated 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1〜6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 organic solvent is isopropanol, methanol, ethanol, acetone, or a combination of two or more thereof. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法で得られたカルボキシアルキル化セルロースを解繊することを含む、カルボキシアルキ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 a carboxyalkylated cellulose including defibrating the carboxyalkylated cellulose obtained by the method of any one of Claims 1-7.
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