JP2020111665A - Manufacturing method of hydrophobing anion modified cellulose nanofiber dispersion and dry solid product of hydrophobing anion modified cellulose - Google Patents

Manufacturing method of hydrophobing anion modified cellulose nanofiber dispersion and dry solid product of hydrophobing anion modified cellulose Download PDF

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Abstract

To provide a method capable of efficiently manufacturing a dispersion of anion modified cellulose nanofiber having an organic solvent as a dispersant.SOLUTION: A hydrophobing agent and a water-soluble organic solvent are added to a dispersion of anion modified cellulose to obtain hydrophobing anion modified cellulose, thereafter the dispersant is removed to obtain a dry solid product with a solid content concentration of higher than 90 mass%, which is then mixed with an organic solvent to fibrillate the hydrophobing anion modified cellulose in the organic solvent, and a dispersion of hydrophobing anion modified cellulose nanofiber having an organic solvent as a dispersant is manufactured.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、疎水化されたアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体の製造方法、および疎水化されたアニオン変性セルロースの乾燥固形物に関する。 The present invention relates to a method for producing a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose nanofibers, and a dried solid product of hydrophobized anion-modified cellulose.

セルロース分子鎖にカルボキシル基やカルボキシメチル基などのアニオン性基を導入し、機械的に処理(解繊)すると、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ことが知られている。セルロースナノファイバーは、軽くて強度が高く、生分解性であり、フィルムとした際の透明度が高いといった特徴があるため、様々な分野への応用が検討されている。 It is known that by introducing an anionic group such as carboxyl group or carboxymethyl group into the cellulose molecular chain and mechanically treating (defibrating) it can be converted into cellulose nanofibers having a nanoscale fiber diameter. There is. Cellulose nanofibers are light and have high strength, are biodegradable, and have high transparency when formed into a film, and thus application to various fields is being studied.

通常、アニオン変性セルロースナノファイバーは、導入されたアニオン性基がナトリウム塩などの塩を形成し、親水性が高い状態となっているため、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリ乳酸(PLA)などの疎水性の高分子とは相溶性が低い。また、低極性の有機溶媒中での分散性が低い。この問題を解決する方法としては、金属塩型のアニオン性基(例えば、−COONa)を酸性にすることで、酸型(例えば、−COOH)に変換し、アニオン変性セルロースナノファイバーの親水性を下げる手法が考えられる。 Usually, the anion-modified cellulose nanofibers have a high hydrophilicity because the introduced anionic group forms a salt such as sodium salt, so that the hydrophobicity of polyethylene terephthalate (PET) or polylactic acid (PLA) is high. It has low compatibility with organic polymers. Further, the dispersibility in a low polar organic solvent is low. As a method for solving this problem, a metal salt type anionic group (for example, -COONa) is acidified to be converted into an acid type (for example, -COOH), and the hydrophilicity of the anion-modified cellulose nanofibers is increased. A method of lowering it is possible.

特許文献1には、セルロースナノファイバーを有機溶媒を含む媒体に分散させるに際し、「第2の製造方法」として、セルロースナノファイバー水分散液に酸を加え、セルロースナノファイバーのカルボン酸塩型の基の一部をカルボン酸型の基に置換する工程、一部の基がカルボン酸型に置換されたセルロースナノファイバーのゲルに有機溶媒を添加する工程、及び有機溶媒が添加されたセルロースナノファイバー水分散液から水系溶媒を除去する工程を含む方法が記載されている。 In Patent Document 1, when dispersing cellulose nanofibers in a medium containing an organic solvent, as a “second manufacturing method”, an acid is added to an aqueous dispersion of cellulose nanofibers to form a carboxylate group of cellulose nanofibers. Of substituting a part of the carboxylic acid type group, a step of adding an organic solvent to the gel of cellulose nanofiber partially substituted with a carboxylic acid type, and cellulose nanofiber water to which the organic solvent is added A method is described which comprises removing the aqueous solvent from the dispersion.

また、特許文献2には、「第1の製造方法」として、カルボン酸型に置換されたセルロースナノファイバー水分散液にアミン処理する工程、及びアミン処理したセルロースナノファイバーを回収し、分散媒中で再分散させてセルロースナノファイバー分散液を調製する工程を含む方法が記載されている。 Further, in Patent Document 2, as a “first production method”, a step of treating a carboxylic acid type cellulose nanofiber aqueous dispersion with an amine, and collecting the amine-treated cellulose nanofibers in a dispersion medium. The method is described in which the step of re-dispersing the cellulose nanofiber dispersion is prepared.

国際公開第2010/134357号International Publication No. 2010/134357 特開2012−21081号公報JP2012-21081A

特許文献1に記載の方法では、最終的な分散媒として用いることができる有機溶媒は、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、及びN,N−ジメチルアセトアミドの3種類に限られており、これらは水と任意に混合可能な水溶性の有機溶媒である。特許文献1に記載の方法では、セルロースナノファイバー分散液の分散媒として、例えばトルエンのような極性が低く水にほとんど溶けないような有機溶媒を用いることは記載されていない。また、特許文献2にも、低極性で水に難溶な有機溶媒を分散媒に用いることが記載されていない。 In the method described in Patent Document 1, the organic solvent that can be used as the final dispersion medium is limited to three types of dimethyl sulfoxide, N,N-dimethylformamide, and N,N-dimethylacetamide. Is a water-soluble organic solvent that is optionally miscible with water. The method described in Patent Document 1 does not describe the use of an organic solvent such as toluene, which has a low polarity and is hardly soluble in water, as a dispersion medium of the cellulose nanofiber dispersion liquid. Further, Patent Document 2 also does not describe the use of a low-polarity, poorly water-soluble organic solvent as a dispersion medium.

特許文献1、2に記載の方法を用いて水溶性の有機溶媒を分散媒とするセルロースナノファイバー分散液を製造した後、水溶性有機溶媒を、低極性の水難溶性有機溶媒に置換することにより水に難溶な有機溶媒を分散媒とするセルロースナノファイバー分散液を製造することは考えられるが、溶媒置換の際には、溶媒の添加と吸引濾過等による除去とを何度も繰り返す必要があり、コストと時間がかかり、また、セルロースナノファイバーの収率も低下するという問題がある。また、特許文献1、2に記載の方法では、最初にセルロースナノファイバー水分散液を得る際に行う解繊と、有機溶媒を添加した後に行う解繊(また、場合により酸型のセルロースナノファイバーのゲルを水中に再分散させる際に行う解繊)の少なくとも2回の解繊工程(ミキサーやホモジナイザー等による機械的処理)を必要としており、解繊の回数が増えるごとに、セルロース繊維がダメージを受けるという問題がある。 By producing a cellulose nanofiber dispersion using a water-soluble organic solvent as a dispersion medium by using the methods described in Patent Documents 1 and 2, by substituting the water-soluble organic solvent with a poorly water-soluble organic solvent having a low polarity. Although it is possible to produce a cellulose nanofiber dispersion using an organic solvent that is poorly soluble in water as a dispersion medium, it is necessary to repeat the addition of the solvent and the removal by suction filtration and the like many times during the solvent replacement. However, there is a problem that the cost and time are required, and the yield of the cellulose nanofiber is reduced. In addition, in the methods described in Patent Documents 1 and 2, defibration performed when first obtaining an aqueous dispersion of cellulose nanofibers and defibration performed after addition of an organic solvent (also, in some cases, acid-type cellulose nanofibers). Requires at least two defibration steps (mechanical treatment with a mixer, homogenizer, etc.) when re-dispersing the gel in water in water, and cellulose fibers are damaged as the number of defibration increases. There is a problem of receiving.

本発明は、有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体をより効率よく製造することができる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 method capable of more efficiently producing a dispersion of anion-modified cellulose nanofibers using an organic solvent as a dispersion medium.

本発明者らは鋭意検討を行った結果、アニオン変性セルロースを解繊してナノファイバーとする前に、アニオン変性セルロースに疎水化剤と水溶性有機溶媒を添加してアニオン変性セルロースを疎水化し、得られた疎水化アニオン変性セルロースの分散体から分散媒を除去して疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物(固形分濃度が90質量%より高い)とし、この乾燥固形物を有機溶媒中で解繊しながら分散させることにより、有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を効率よく製造することができることを見出した。本発明は、これらに限定されないが、以下を含む。
(1)アニオン変性セルロースの分散体を準備する工程1、
アニオン変性セルロースの分散体に疎水化剤と水溶性有機溶媒とを添加して、疎水化アニオン変性セルロースの分散体を製造する工程2、
前記疎水化アニオン変性セルロースの分散体から前記水溶性有機溶媒と分散媒とを除去し、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を製造する工程3、及び
前記疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を有機溶媒と混合して、前記有機溶媒中で疎水化アニオン変性セルロースの解繊を行い、前記有機溶媒を分散媒とする疎水化アニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を製造する工程4、
を含み、
前記疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物は、固形分濃度が90質量%より高い、疎水化アニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を製造する方法。
(2)前記水溶性有機溶媒は、20℃における表面張力が35N/m以下である、(1)に記載の方法。
(3)前記水溶性有機溶媒は、1気圧における沸点が100℃未満である、(1)または(2)に記載の方法。
(4)アニオン変性セルロースが、カルボキシル基を有するセルロースまたはカルボキシアルキル基を有するセルロースである、(1)〜(3)のいずれか1つに記載の方法。
(5)疎水化剤が結合したアニオン変性セルロースを含み、固形分濃度が90質量%より高い、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物。
As a result of intensive investigations by the present inventors, before defibrating anion-modified cellulose into nanofibers, a hydrophobicizing agent and a water-soluble organic solvent are added to the anion-modified cellulose to hydrophobize the anion-modified cellulose, The dispersion medium is removed from the obtained dispersion of the hydrophobized anion-modified cellulose to obtain a dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose (solid content concentration is higher than 90% by mass), and the dry solid is dissolved in an organic solvent. It has been found that an anion-modified cellulose nanofiber dispersion using an organic solvent as a dispersion medium can be efficiently produced by dispersing while finely dispersing. The present invention includes, but is not limited to:
(1) Step 1 of preparing a dispersion of anion-modified cellulose,
A step 2 of producing a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose by adding a hydrophobizing agent and a water-soluble organic solvent to the dispersion of anion-modified cellulose;
Removing the water-soluble organic solvent and the dispersion medium from the dispersion of the hydrophobized anion-modified cellulose to produce a dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose, and a dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose. A step 4 of mixing with an organic solvent to defibrate the hydrophobized anion-modified cellulose in the organic solvent to produce a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose nanofibers using the organic solvent as a dispersion medium,
Including
The method for producing a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose nanofibers, wherein the dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose has a solid content concentration of higher than 90% by mass.
(2) The method according to (1), wherein the water-soluble organic solvent has a surface tension at 20° C. of 35 N/m or less.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the water-soluble organic solvent has a boiling point of less than 100° C. at 1 atm.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the anion-modified cellulose is a cellulose having a carboxyl group or a cellulose having a carboxyalkyl group.
(5) A dry solid of a hydrophobicized anion-modified cellulose, which contains anion-modified cellulose having a hydrophobizing agent bound thereto and has a solid content concentration of higher than 90% by mass.

本発明により、有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を効率よく製造することができる。本発明の方法は、水または極性の高い水溶性の有機溶媒から低極性の有機溶媒へと置換するための遠心分離、吸引濾過等を繰り返す溶媒置換工程を行う必要なく、低極性の有機溶媒中にアニオン変性セルロースナノファイバーを分散させることができるため、コストや時間が節約できる。また、従来は、セルロースナノファイバーへと解繊してから疎水化剤を添加し、再度有機溶媒中で解繊を行って有機溶媒を分散媒とする分散体を製造していたところ、本発明では、疎水化セルロースを製造してから有機溶媒中で解繊を行うことにより、解繊の回数を減らすことが可能となり、セルロース繊維の損傷が少なくなるという利点が得られる。また、セルロースナノファイバーは水系媒体中で膨潤して高い粘性を発揮する素材であり、従来は、疎水化剤を添加する際に、疎水化剤との十分な混合を行うために、セルロースナノファイバーの濃度を1質量%程度とする必要があったが、本発明では、セルロースナノファイバーへと解繊する前のそれほど粘度の高くないアニオン変性セルロースに対して疎水化処理を行うため、より高濃度のセルロース(例えば2〜10質量%)を用いて、疎水化処理を行うことができ、疎水化の効率が高い。 According to the present invention, a dispersion of anion-modified cellulose nanofibers containing an organic solvent as a dispersion medium can be efficiently produced. The method of the present invention does not require a solvent substitution step of repeating centrifugal separation for replacing water or a highly polar water-soluble organic solvent with a low-polarity organic solvent, suction filtration, and the like in a low-polarity organic solvent. Since the anion-modified cellulose nanofibers can be dispersed in, the cost and time can be saved. Further, conventionally, a cellulose nanofiber was defibrated, then a hydrophobizing agent was added, and defibration was performed again in an organic solvent to produce a dispersion having an organic solvent as a dispersion medium. Then, by manufacturing the hydrophobized cellulose and then defibrating it in an organic solvent, it is possible to reduce the number of times of defibration, and it is possible to obtain the advantage that the damage to the cellulose fibers is reduced. Cellulose nanofibers are materials that swell in an aqueous medium and exhibit high viscosity, and conventionally, when a hydrophobizing agent is added, the cellulose nanofibers are sufficiently mixed with the hydrophobizing agent. It was necessary to make the concentration of about 1% by mass, but in the present invention, since a hydrophobic treatment is applied to the anion-modified cellulose which is not so high in viscosity before being defibrated into cellulose nanofibers, a higher concentration Hydrophobic treatment can be performed using the cellulose (for example, 2 to 10% by mass), and the efficiency of hydrophobization is high.

本発明は、有機溶媒を分散媒とした疎水化アニオン変性セルロースナノファイバーの分散体の製造方法に関する。以下、セルロースナノファイバーを「CNF」と記載することがある。本発明の方法は、具体的には、アニオン変性セルロースの分散体を準備し(工程1)、アニオン変性セルロースの分散体に疎水化剤と水溶性有機溶媒とを添加して、疎水化アニオン変性セルロースの分散体を製造し(工程2)、疎水化アニオン変性セルロースの分散体から前記水溶性有機溶媒と分散媒とを除去し、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を製造し(工程3)、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を有機溶媒と混合して、有機溶媒中で疎水化アニオン変性セルロースの解繊を行い、有機溶媒を分散媒とする疎水化アニオン変性CNFの分散体を製造する(工程4)ことを含む。この際、工程3において、乾燥固形物の固形分濃度が90質量%より高くなるまで乾燥(分散媒の除去)を行う。 The present invention relates to a method for producing a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose nanofibers using an organic solvent as a dispersion medium. Hereinafter, the cellulose nanofiber may be referred to as “CNF”. Specifically, the method of the present invention prepares a dispersion of anion-modified cellulose (step 1) and adds a hydrophobizing agent and a water-soluble organic solvent to the dispersion of anion-modified cellulose to modify the hydrophobically-modified anion. A dispersion of cellulose is produced (step 2), the water-soluble organic solvent and the dispersion medium are removed from the dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose to produce a dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose (step 3). , A dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose is mixed with an organic solvent to defibrate the hydrophobized anion-modified cellulose in an organic solvent to produce a dispersion of hydrophobized anion-modified CNF using the organic solvent as a dispersion medium. (Step 4) is included. At this time, in step 3, drying (removal of the dispersion medium) is performed until the solid content concentration of the dried solid becomes higher than 90% by mass.

(1)工程1
工程1では、アニオン変性セルロースの分散体を準備する。アニオン変性セルロースとは、以下でより詳細に説明する通り、セルロースの分子鎖にアニオン性基が導入されたものである。
(1) Step 1
In step 1, an anion-modified cellulose dispersion is prepared. The anion-modified cellulose is one in which an anionic group is introduced into the molecular chain of cellulose, as described in more detail below.

(1−1)セルロース
アニオン変性セルロースの原料となるセルロースの種類は、特に限定されない。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、原料として用いることができる。
(1-1) Cellulose The type of cellulose that is a raw material of the anion-modified cellulose is not particularly limited. Cellulose is generally classified into natural cellulose, regenerated cellulose, fine cellulose, and microcrystalline cellulose excluding the non-crystalline region according to the origin, production method, and the like. In the present invention, any of these celluloses can be used as a raw material.

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. The raw material of the bleached pulp or the non-bleached pulp is not particularly limited, and examples thereof include wood, cotton, straw, bamboo, hemp, jute, kenaf and the like. The method for producing bleached pulp or unbleached pulp is not particularly limited, and may be a mechanical method, a chemical method, or a method in which the two are combined in between. Examples of the bleached pulp or unbleached pulp classified by the manufacturing method include mechanical pulp (thermo-mechanical pulp (TMP), groundwood pulp), chemical pulp (softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP). ) And the like, sulfite unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), hardwood bleached kraft pulp (LBKP) and the like) and the like. Further, dissolving pulp may be used in addition to the papermaking pulp. Dissolving pulp is chemically refined pulp, which is mainly used by dissolving it 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 prepared by dissolving cellulose in a solvent such as a copper ammonia solution, a cellulose xanthate solution, and a morpholine derivative and spinning the solution again.
The fine cellulose can be obtained by depolymerizing a cellulosic material such as the above natural cellulose or regenerated cellulose (for example, acid hydrolysis, alkali hydrolysis, enzymatic decomposition, explosion treatment, vibration ball mill treatment, etc.). Examples thereof include those obtained by mechanically treating the cellulosic material.

(1−2)アニオン変性
アニオン変性とはセルロースにアニオン性基を導入することをいい、具体的には酸化または置換反応によってセルロースのピラノース環にアニオン性基を導入することをいう。本発明において前記酸化反応とはピラノース環の水酸基を直接カルボキシル基に酸化する反応をいう。また、本発明において置換反応とは、当該酸化以外の置換反応によってピラノース環にアニオン性基を導入する反応をいう。
(1-2) Anion modification Anion modification means introducing an anionic group into cellulose, and specifically, introducing an anionic group into the pyranose ring of cellulose by oxidation or substitution reaction. In the present invention, the oxidation reaction means a reaction of directly oxidizing the hydroxyl group of the pyranose ring to a carboxyl group. Further, in the present invention, the substitution reaction means a reaction of introducing an anionic group into the pyranose ring by a substitution reaction other than the oxidation.

(1−2−1)カルボキシル化(酸化)
アニオン変性の一例として、カルボキシル化(カルボキシル基のセルロースへの導入、「酸化」とも呼ぶ。)を挙げることができる。本明細書においてカルボキシル基とは、−COOH(酸型)および−COOM(金属塩型)をいう(式中、Mは金属イオンである)。カルボキシル化セルロース(「酸化セルロース」とも呼ぶ)は、上記のセルロース原料を公知の方法でカルボキシル化(酸化)することにより得ることができる。特に限定されないが、カルボキシル基の量はカルボキシル化セルロースの絶乾質量に対して、0.60mmol/g〜3.00mmol/gが好ましく、1.00mmol/g〜2.00mmol/gがさらに好ましい。
(1-2-1) Carboxylation (oxidation)
As an example of anion modification, carboxylation (introduction of carboxyl group into cellulose, also referred to as “oxidation”) can be mentioned. In the present specification, the carboxyl group refers to -COOH (acid type) and -COOM (metal salt type) (in the formula, M is a metal ion). Carboxylated cellulose (also referred to as “oxidized cellulose”) can be obtained by carboxylating (oxidizing) the above cellulose raw material by a known method. Although not particularly limited, the amount of the carboxyl group is preferably 0.60 mmol/g to 3.00 mmol/g, more preferably 1.00 mmol/g to 2.00 mmol/g, with respect to the absolute dry mass of the carboxylated cellulose.

カルボキシル化セルロースのカルボキシル基量は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシル化セルロースの0.5質量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出する:
カルボキシル基量〔mmol/gカルボキシル化セルロース〕=a〔ml〕×0.05/カルボキシル化セルロース質量〔g〕。
The amount of carboxyl groups of carboxylated cellulose can be measured by the following method:
60 ml of a 0.5% by mass slurry of carboxylated cellulose (aqueous dispersion) was prepared and adjusted to pH 2.5 by adding a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution, and then a 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution was added dropwise to adjust the pH to 11 The electric conductivity is measured until it becomes, and it is calculated from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of the weak acid whose electric conductivity changes slowly using the following formula:
Amount of carboxyl group [mmol/g carboxylated cellulose]=a [ml]×0.05/mass of carboxylated cellulose [g].

カルボキシル化(酸化)方法の一例として、セルロース原料を、N−オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物、およびこれらの混合物からなる群から選択される化合物との存在下で酸化剤を用いて水中で酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、表面にアルデヒド基と、カルボキシル基(−COOH)またはカルボキシレート基(−COO)とを有するセルロース繊維を得ることができる。反応時のセルロースの濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。 As an example of a carboxylation (oxidation) method, a cellulose raw material is oxidized in water with an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a compound selected from the group consisting of bromide, iodide, and a mixture thereof. Can be mentioned. This oxidation reaction, C6-position primary hydroxyl groups of the glucopyranose ring of the cellulose surface is selectively oxidized, and an aldehyde group on the surface, a carboxyl group (-COOH) or carboxylate groups (-COO -) and cellulosic fibers having a Can be obtained. The concentration of cellulose during the reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by mass or less.

N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物をいう。N−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であればいずれの化合物も使用できる。例えば、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシラジカル(TEMPO)およびその誘導体(例えば4−ヒドロキシTEMPO)が挙げられる。N−オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であればよく、特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01mmol〜10mmolが好ましく、0.01mmol〜1mmolがより好ましく、0.05mmol〜0.5mmolがさらに好ましい。また、反応系に対し0.1mmol/L〜4mmol/L程度がよい。 The N-oxyl compound means a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it is a compound that promotes the desired oxidation reaction. Examples include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxy radical (TEMPO) and its derivatives (eg 4-hydroxy TEMPO). The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of oxidizing cellulose as a raw material. For example, 0.01 mmol to 10 mmol is preferable, 0.01 mmol to 1 mmol is more preferable, and 0.05 mmol to 0.5 mmol is still more preferable for 1 g of absolutely dried cellulose. Moreover, about 0.1 mmol/L to 4 mmol/L is preferable for the reaction system.

臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.1mmol〜100mmolが好ましく、0.1mmol〜10mmolがより好ましく、0.5mmol〜5mmolがさらに好ましい。当該変性は酸化反応による変性である。 Bromides are compounds containing bromine, examples of which include alkali metal bromides that can dissociate and ionize in water. Further, iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected within a range that can accelerate the oxidation reaction. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably 0.1 mmol to 100 mmol, more preferably 0.1 mmol to 10 mmol, and further preferably 0.5 mmol to 5 mmol with respect to 1 g of absolutely dried cellulose. The modification is modification by an oxidation reaction.

酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムは好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.5mmol〜500mmolが好ましく、0.5mmol〜50mmolがより好ましく、1mmol〜25mmolがさらに好ましく、3mmol〜10mmolが最も好ましい。また、例えば、N−オキシル化合物1molに対して1mol〜40molが好ましい。 As the oxidizing agent, known ones can be used, and for example, halogen, hypohalous acid, halogenous acid, perhalogenic acid or salts thereof, halogen oxides, peroxides and the like can be used. Of these, sodium hypochlorite, which is inexpensive and has a low environmental load, is preferable. The appropriate amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 mmol to 500 mmol, more preferably 0.5 mmol to 50 mmol, still more preferably 1 mmol to 25 mmol, most preferably 3 mmol to 10 mmol, relative to 1 g of absolutely dried cellulose. .. Further, for example, 1 mol to 40 mol is preferable with respect to 1 mol of the N-oxyl compound.

セルロースの酸化工程は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は4℃〜40℃が好ましく、また15℃〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを8〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5時間〜6時間、例えば、0.5時間〜4時間程度である。 In the cellulose oxidation step, the reaction can proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature is preferably 4°C to 40°C, and may be room temperature of about 15°C to 30°C. Since a carboxyl group is generated in the cellulose as the reaction progresses, the pH of the reaction solution is lowered. In order to allow the oxidation reaction to proceed efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous solution of sodium hydroxide to maintain the pH of the reaction solution at 8 to 12, preferably about 10 to 11. Water is preferable as the reaction medium because it is easy to handle and side reactions are unlikely to occur. The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the degree of progress of oxidation, and is usually 0.5 hours to 6 hours, for example, 0.5 hours to 4 hours.

また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。 The oxidation reaction may be carried out in two stages. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtering after the completion of the reaction in the first step again under the same or different reaction conditions, the reaction efficiency due to the salt produced as a by-product in the reaction in the first step is not increased, and the efficiency is improved. Can be well oxidized.

カルボキシル化(酸化)方法の別の例として、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、グルコピラノース環の少なくとも2位および6位の水酸基が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾンを含む気体中のオゾン濃度は、50g/m〜250g/mであることが好ましく、50g/m〜220g/mであることがより好ましい。セルロース原料に対するオゾン添加量は、セルロース原料の固形分を100質量部とした際に、0.1質量部〜30質量部であることが好ましく、5質量部〜30質量部であることがより好ましい。オゾン処理温度は、0℃〜50℃であることが好ましく、20℃〜50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、特に限定されないが、1分〜360分程度であり、30分〜360分程度が好ましい。オゾン処理の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度に酸化および分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。オゾン処理を施した後に、酸化剤を用いて、追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物や、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸などが挙げられる。例えば、これらの酸化剤を水またはアルコール等の極性有機溶剤中に溶解して酸化剤溶液を作製し、溶液中にセルロース原料を浸漬させることにより追酸化処理を行うことができる。 As another example of the carboxylation (oxidation) method, there may be mentioned a method in which a gas containing ozone and a cellulose raw material are brought into contact with each other to be oxidized. By this oxidation reaction, at least the 2- and 6-position hydroxyl groups of the glucopyranose ring are oxidized and the cellulose chain is decomposed. Ozone concentration in the ozone containing gas is preferably 50g / m 3 ~250g / m 3 , more preferably 50g / m 3 ~220g / m 3 . The amount of ozone added to the cellulose raw material is preferably 0.1 parts by mass to 30 parts by mass, and more preferably 5 parts by mass to 30 parts by mass, when the solid content of the cellulose raw material is 100 parts by mass. .. The ozone treatment temperature is preferably 0°C to 50°C, more preferably 20°C to 50°C. The ozone treatment time is not particularly limited, but is about 1 minute to 360 minutes, preferably about 30 minutes to 360 minutes. When the conditions of the ozone treatment are within these ranges, the cellulose can be prevented from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of the oxidized cellulose will be good. After performing the ozone treatment, an additional oxidizing treatment may be performed using an oxidizing agent. The oxidizing agent used in the additional oxidation treatment is not particularly limited, but examples thereof include chlorine-based compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, and oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, peracetic acid and the like. For example, these oxidizing agents can be dissolved in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and the cellulose raw material can be immersed in the solution to perform the additional oxidation treatment.

カルボキシル化セルロースのカルボキシル基の量は、上記した酸化剤の添加量、反応時間等の反応条件をコントロールすることで調整することができる。カルボキシル化セルロースにおけるカルボキシル基量と同カルボキシル化セルロースをナノファイバーとしたときのカルボキシル基量は、通常、同じである。 The amount of carboxyl groups of carboxylated cellulose can be adjusted by controlling the reaction conditions such as the addition amount of the above-mentioned oxidizing agent and the reaction time. The amount of carboxyl groups in the carboxylated cellulose and the amount of carboxyl groups when the same carboxylated cellulose is made into nanofibers are usually the same.

(1−2−2)カルボキシアルキル化
アニオン変性の一例として、カルボキシメチル基等のカルボキシアルキル基のセルロースへの導入を挙げることができる。本明細書においてカルボキシアルキル基とは、−RCOOH(酸型)および−RCOOM(金属塩型)をいう。ここでRはメチレン基、エチレン基等のアルキレン基であり、Mは金属イオンである。
(1-2-2) Carboxyalkylation As an example of anion modification, introduction of a carboxyalkyl group such as a carboxymethyl group into cellulose can be mentioned. In the present specification, the carboxyalkyl group refers to -RCOOH (acid type) and -RCOOM (metal salt type). Here, R is an alkylene group such as a methylene group or an ethylene group, and M is a metal ion.

カルボキシアルキル化セルロースは公知の方法で得てもよく、また市販品を用いてもよい。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は0.40未満であることが好ましい。さらにアニオン性基がカルボキシメチル基である場合、カルボキシメチル置換度は0.40未満であることが好ましい。当該置換度が0.40以上であるとCNFとしたときの分散性が低下する。またカルボキシアルキル置換度の下限値は0.01以上が好ましい。操業性を考慮すると当該置換度は0.02〜0.35であることが特に好ましく、0.10〜0.30であることが更に好ましい。なお、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)を意味し、カルボキシアルキル置換度とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基(−OH)のうちカルボキシアルキルエーテル基(−ORCOOHまたは−ORCOOM)で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。 The carboxyalkylated cellulose may be obtained by a known method, or a commercially available product may be used. The degree of carboxyalkyl substitution per anhydroglucose unit of cellulose is preferably less than 0.40. Furthermore, when the anionic group is a carboxymethyl group, the carboxymethyl substitution degree is preferably less than 0.40. If the degree of substitution is 0.40 or more, the dispersibility of CNF is lowered. The lower limit of the carboxyalkyl substitution degree is preferably 0.01 or more. Considering operability, the substitution degree is particularly preferably 0.02 to 0.35, and further preferably 0.10 to 0.30. In addition, the anhydrous glucose unit means an individual anhydrous glucose (glucose residue) that constitutes cellulose, and the carboxyalkyl substitution degree is a carboxyalkyl group among the hydroxyl groups (—OH) in the glucose residue that constitutes cellulose. The ratio (number of carboxyalkyl ether groups per glucose residue) of those substituted with ether groups (-ORCOOH or -ORCOOM) is shown.

カルボキシアルキル化セルロースを製造する方法の一例として、以下の工程を含む方法が挙げられる。当該変性は置換反応による変性である。カルボキシメチル化セルロースを例にして説明する。 An example of a method for producing carboxyalkylated cellulose is a method including the following steps. The modification is modification by substitution reaction. Description will be made by taking carboxymethyl cellulose as an example.

i)発底原料と溶媒、マーセル化剤を混合し、反応温度0〜70℃、好ましくは10〜60℃、かつ反応時間15分〜8時間、好ましくは30分〜7時間、マーセル化処理する工程、
ii)次いで、カルボキシメチル化剤をグルコース残基当たり0.05〜10.0倍モル添加し、反応温度30〜90℃、好ましくは40〜80℃、かつ反応時間30分〜10時間、好ましくは1時間〜4時間、エーテル化反応を行う工程。
i) A bottoming raw material, a solvent, and a mercerizing agent are mixed, and a mercerization treatment is carried out at a reaction temperature of 0 to 70° C., preferably 10 to 60° C., and a reaction time of 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours. Process,
ii) Next, a carboxymethylating agent is added in an amount of 0.05 to 10.0 times mol per glucose residue, the reaction temperature is 30 to 90°C, preferably 40 to 80°C, and the reaction time is 30 minutes to 10 hours, preferably A step of performing an etherification reaction for 1 to 4 hours.

発底原料としては前述のセルロース原料を使用できる。溶媒としては、3〜20質量倍の水または低級アルコール、具体的には水、メタノール、エタノール、N−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、N−ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノール等の単独、または2種以上の混合媒体を使用できる。低級アルコールを混合する場合、その混合割合は60〜95質量%が好ましい。マーセル化剤としては、発底原料の無水グルコース残基当たり0.5〜20倍モルの水酸化アルカリ金属、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用することが好ましい。 As the bottoming raw material, the above-mentioned cellulose raw material can be used. As the solvent, 3 to 20 times by mass of water or lower alcohol, specifically, water, methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, tertiary butanol, etc. alone or 2 One or more mixed media can be used. When the lower alcohol is mixed, the mixing ratio is preferably 60 to 95% by mass. As the mercerizing agent, it is preferable to use 0.5 to 20 times mol of alkali metal hydroxide, specifically sodium hydroxide or potassium hydroxide, per anhydrous glucose residue of the bottoming raw material.

前述のとおり、セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度は0.40未満であり、0.01以上0.40未満であることが好ましい。セルロースにカルボキシメチル置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カルボキシメチル置換基を導入したセルロースはナノ解繊することができるようになる。なお、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.01より小さいと、ナノ解繊が十分にできない場合がある。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、同カルボキシアルキル化セルロースをナノファイバーとしたときのカルボキシアルキル置換度とは通常、同じである。 As described above, the degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of cellulose is less than 0.40, and preferably 0.01 or more and less than 0.40. By introducing a carboxymethyl substituent into cellulose, the cellulose electrically repels each other. Therefore, the cellulose having the carboxymethyl substituent introduced therein can be nano-defibrated. If the carboxymethyl substituent is less than 0.01 per glucose unit, nano-defibration may not be performed sufficiently. The degree of carboxyalkyl substitution in carboxyalkylated cellulose and the degree of carboxyalkyl substitution when the same carboxyalkylated cellulose is used as nanofibers are usually the same.

グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシメチル化セルロース(絶乾)約2.0gを精秤して、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。メタノール900mLに特級濃硝酸100mLを加えた液100mLを加え、3時間振とうして、カルボキシメチル化セルロース塩(CM化セルロース)を水素型CM化セルロースに変換する。水素型CM化セルロース(絶乾)を1.5g〜2.0g精秤し、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。80質量%メタノール15mLで水素型CM化セルロースを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうする。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのHSOで過剰のNaOHを逆滴定する。カルボキシメチル置換度(DS)を、次式によって算出する:
A=[(100×F’−(0.1NのHSO)(mL)×F)×0.1]/(水素型CM化セルロースの絶乾質量(g))
DS=0.162×A/(1−0.058×A)
A:水素型CM化セルロースの1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F:0.1NのHSOのファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター。
The degree of carboxymethyl substitution per glucose unit can be measured by the following method:
About 2.0 g of carboxymethyl cellulose (extra dry) is precisely weighed and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. 100 mL of a solution prepared by adding 100 mL of special grade concentrated nitric acid to 900 mL of methanol is added and shaken for 3 hours to convert the carboxymethylated cellulose salt (CMized cellulose) into hydrogenated CM-modified cellulose. 1.5 g to 2.0 g of hydrogenated CM cellulose (absolutely dry) is precisely weighed and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask with a ground stopper. The hydrogenated CM cellulose is wetted with 15 mL of 80 mass% methanol, 100 mL of 0.1 N NaOH is added, and the mixture is shaken at room temperature for 3 hours. Back titration of excess NaOH with 0.1 N H 2 SO 4 using phenolphthalein as an indicator. The degree of carboxymethyl substitution (DS) is calculated by the formula:
A=[(100×F′−(0.1N H 2 SO 4 )(mL)×F)×0.1]/(absolute dry mass (g) of hydrogenated CM cellulose)
DS=0.162×A/(1-0.058×A)
A: 1N NaOH amount (mL) required to neutralize 1 g of hydrogenated CM cellulose
F: Factor of 0.1 N H 2 SO 4 F′: Factor of 0.1 N NaOH.

カルボキシメチル基以外のカルボキシアルキル基置換度の測定も、上記と同様の方法で行うことができる。
(1−2−3)エステル化
アニオン変性の一例としてエステル化を挙げることができる。エステル化の方法としては、セルロース原料にリン酸系化合物の粉末や水溶液を混合する方法、セルロース原料のスラリーにリン酸系化合物の水溶液を添加する方法等が挙げられる。リン酸系化合物はリン酸、ポリリン酸、亜リン酸、次亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸あるいはこれらのエステルが挙げられる。これらは塩の形態であってもよい。上記の中でも、低コストであり、扱いやすく、またパルプ繊維のセルロースにリン酸基を導入して、解繊効率の向上が図れるなどの理由からリン酸基を有する化合物が好ましい。リン酸基を有する化合物としては、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、亜リン酸ナトリウム、亜リン酸カリウム、次亜リン酸ナトリウム、次亜リン酸カリウム、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウム等が挙げられる。これらの1種、あるいは2種以上を併用してセルロースにリン酸基を導入することができる。これらのうち、リン酸基導入の効率が高く、下記解繊工程で解繊しやすく、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましい。特にリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムが好ましい。また、反応を均一に進行できかつリン酸基導入の効率が高くなることから前記リン酸系化合物は水溶液として用いることが望ましい。リン酸系化合物の水溶液のpHは、リン酸基導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましいが、パルプ繊維の加水分解を抑える観点からpH3〜7が好ましい。
The degree of substitution of a carboxyalkyl group other than the carboxymethyl group can be measured by the same method as described above.
(1-2-3) Esterification Esterification can be mentioned as an example of anion modification. Examples of the esterification method include a method of mixing powders and aqueous solutions of a phosphoric acid compound with a cellulose raw material, a method of adding an aqueous solution of a phosphoric acid compound to a slurry of a cellulose raw material, and the like. Examples of phosphoric acid compounds include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, and esters thereof. These may be in the form of salts. Among the above, a compound having a phosphoric acid group is preferable because it is low in cost, easy to handle, and can introduce a phosphoric acid group into the cellulose of the pulp fiber to improve the defibration efficiency. Examples of the compound having a phosphoric acid group include phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium phosphite, potassium phosphite, sodium hypophosphite and potassium hypophosphite. , Sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate , Ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate and the like. A phosphate group can be introduced into cellulose by using one kind or a combination of two or more kinds. Among these, phosphoric acid, phosphoric acid, sodium salt of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, phosphoric acid, from the viewpoint of high efficiency of phosphate group introduction, easy to defibrate in the following defibration step, and easy to apply industrially Ammonium salts are preferred. Particularly, sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are preferable. In addition, it is desirable to use the phosphoric acid compound as an aqueous solution because the reaction can be proceeded uniformly and the efficiency of introducing a phosphoric acid group is high. The pH of the aqueous solution of a phosphoric acid compound is preferably 7 or less because the efficiency of introducing a phosphoric acid group is high, but a pH of 3 to 7 is preferable from the viewpoint of suppressing hydrolysis of pulp fibers.

リン酸エステル化セルロースの製造方法の例として、以下の方法を挙げることができる。固形分濃度0.1〜10質量%のセルロース系原料の懸濁液に、リン酸系化合物を撹拌しながら添加してセルロースにリン酸基を導入する。セルロース系原料を100質量部とした際に、リン酸系化合物の添加量はリン元素量として、0.2〜500質量部であることが好ましく、1〜400質量部であることがより好ましい。リン酸系化合物の割合が前記下限値以上であれば、微細繊維状セルロースの収率をより向上させることができる。しかし、前記上限値を超えると収率向上の効果は頭打ちとなるので、コスト面から好ましくない。 The following method may be mentioned as an example of the method for producing phosphoric acid esterified cellulose. A phosphoric acid compound is added to a suspension of a cellulosic material having a solid content concentration of 0.1 to 10 mass% while stirring to introduce a phosphoric acid group into the cellulose. When the amount of the cellulosic raw material is 100 parts by mass, the amount of the phosphoric acid compound added is preferably 0.2 to 500 parts by mass, and more preferably 1 to 400 parts by mass, as the amount of elemental phosphorus. When the ratio of the phosphoric acid compound is at least the lower limit value, the yield of fine fibrous cellulose can be further improved. However, if the upper limit is exceeded, the effect of improving the yield will reach the ceiling, which is not preferable in terms of cost.

リン酸系化合物に加えて、他の化合物の粉末や水溶液を混合してもよい。リン酸系化合物以外の他の化合物としては、特に限定されないが、塩基性を示す窒素含有化合物が好ましい。ここでの「塩基性」は、フェノールフタレイン指示薬の存在下で水溶液が桃色から赤色を呈すること、または水溶液のpHが7より大きいことと定義される。本発明で用いる塩基性を示す窒素含有化合物は、本発明の効果を奏する限り特に限定されないが、アミノ基を有する化合物が好ましい。例えば、尿素、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。中でも低コストで扱いやすい尿素が好ましい。他の化合物の添加量はセルロース原料の固形分100質量部に対して、2〜1000質量部が好ましく、100〜700質量部がより好ましい。反応温度は0〜95℃が好ましく、30〜90℃がより好ましい。反応時間は特に限定されないが、1分〜600分程度であり、30分〜480分がより好ましい。エステル化反応の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度にエステル化されて溶解しやすくなることを防ぐことができ、リン酸エステル化セルロースの収率が良好となる。得られたリン酸エステル化セルロース懸濁液を脱水した後、セルロースの加水分解を抑える観点から、100〜170℃で加熱処理することが好ましい。さらに、加熱処理の際に水が含まれている間は130℃以下、好ましくは110℃以下で加熱し、水を除いた後、100℃〜170℃で加熱処理することが好ましい。 In addition to the phosphoric acid compound, powders or aqueous solutions of other compounds may be mixed. The compound other than the phosphoric acid compound is not particularly limited, but a nitrogen-containing compound having basicity is preferable. The term "basic" as used herein is defined as that the aqueous solution exhibits a pink to red color in the presence of the phenolphthalein indicator, or that the pH of the aqueous solution is greater than 7. The basic nitrogen-containing compound used in the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, but a compound having an amino group is preferable. Examples thereof include urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine and hexamethylenediamine. Of these, urea is preferable because it is inexpensive and easy to handle. The addition amount of the other compound is preferably 2 to 1000 parts by mass, more preferably 100 to 700 parts by mass, relative to 100 parts by mass of the solid content of the cellulose raw material. The reaction temperature is preferably 0 to 95°C, more preferably 30 to 90°C. Although the reaction time is not particularly limited, it is about 1 minute to 600 minutes, more preferably 30 minutes to 480 minutes. When the conditions of the esterification reaction are within these ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively esterified and easily dissolved, and the yield of the phosphorylated esterified cellulose becomes good. After dehydrating the obtained phosphoric acid esterified cellulose suspension, it is preferable to heat-treat at 100 to 170° C. from the viewpoint of suppressing hydrolysis of cellulose. Further, it is preferable to heat at 130° C. or lower, preferably 110° C. or lower while water is included in the heat treatment, remove water, and then perform heat treatment at 100° C. to 170° C.

リン酸エステル化されたセルロースのグルコース単位当たりのリン酸基置換度は0.001以上0.40未満であることが好ましい。セルロースにリン酸基置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、リン酸基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.001より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.40より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。解繊を効率よく行なうために、上記で得たリン酸エステル化されたセルロース系原料は煮沸した後、冷水を用いて洗浄することが好ましい。これらのエステル化による変性は置換反応による変性である。エステル化セルロースにおける置換度と、同エステル化セルロースをナノファイバーとしたときの置換度は、通常、同じである。 The degree of substitution of phosphate groups per glucose unit of the phosphate-esterified cellulose is preferably 0.001 or more and less than 0.40. By introducing a phosphate group substituent into the cellulose, the cellulose electrically repels each other. Therefore, the cellulose having the phosphate group introduced therein can be easily nano-disentangled. When the phosphate group substitution degree per glucose unit is less than 0.001, nanofibrillation cannot be sufficiently carried out. On the other hand, if the degree of substitution of phosphate groups per glucose unit is greater than 0.40, swelling or dissolution may result in failure to obtain nanofibers. In order to efficiently perform defibration, it is preferable that the phosphoric acid esterified cellulosic material obtained above is boiled and then washed with cold water. The modification by esterification is a modification by a substitution reaction. The degree of substitution in esterified cellulose and the degree of substitution when the same esterified cellulose is used as nanofibers are usually the same.

(1−3)アニオン変性セルロース
原料であるセルロースに対し、上記で例示したようなアニオン変性を行うことにより、アニオン変性セルロースを得ることができる。また、市販のものを用いてもよい。アニオン変性セルロースの種類としては、カルボキシル基を有するセルロースまたはカルボキシアルキル基を有するセルロースが好ましい。特に、N−オキシル化合物と酸化剤とを用いてセルロースを酸化することにより得られたカルボキシル化セルロースは、アニオン性基が均一に導入されており、均一に解繊しやすい点で好ましい。
(1-3) Anion-Modified Cellulose Anion-modified cellulose can be obtained by subjecting the cellulose as a raw material to anion modification as exemplified above. Moreover, you may use a commercially available thing. As the type of anion-modified cellulose, cellulose having a carboxyl group or cellulose having a carboxyalkyl group is preferable. Particularly, carboxylated cellulose obtained by oxidizing cellulose with an N-oxyl compound and an oxidizing agent is preferable because anionic groups are uniformly introduced and uniform fibrillation is easy.

アニオン変性セルロースとしては、水や水溶性有機溶媒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を用いる。繊維状の形状が維持されないもの(すなわち、溶解するもの)を用いると、ナノファイバーを得ることができない。分散した際に繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるとは、アニオン変性セルロースの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るものである。また、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アニオン変性セルロースは好ましい。 As the anion-modified cellulose, one that maintains at least a part of the fibrous shape even when dispersed in water or a water-soluble organic solvent is used. Nanofibers cannot be obtained using a material that does not maintain a fibrous shape (that is, a material that dissolves). That at least a part of the fibrous shape is maintained when dispersed means that a fibrous substance can be observed by observing the dispersion of anion-modified cellulose with an electron microscope. Further, anion-modified cellulose capable of observing the peak of the cellulose type I crystal when measured by X-ray diffraction is preferable.

アニオン変性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ことにより、解繊により繊維を微細化した後も溶解することのない結晶性セルロース繊維を充分に得ることができる。セルロースの結晶性は、原料であるセルロースの結晶化度、及びアニオン変性の度合によって制御できる。アニオン変性セルロース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、株式会社島津製作所製)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。
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。
The crystallinity of cellulose in the anion-modified cellulose is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more in the crystalline type I. By adjusting the crystallinity within the above range, it is possible to sufficiently obtain crystalline cellulose fibers that do not dissolve even after the fibers are made fine by defibration. The crystallinity of cellulose can be controlled by the crystallinity of the raw material cellulose and the degree of anion modification. The method for measuring the crystallinity of anion-modified 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 was calculated by using a method such as Segal, and the diffraction intensity of 2θ=22.6° on the 002 plane and 2θ=2θ=22.6° were used as the baseline with the diffraction intensity of 2θ=10° to 30° of the X-ray diffraction diagram as the baseline. It is calculated by the following formula from the diffraction intensity of the amorphous portion at 18.5°.
Xc=(I002c-Ia)/I002c×100
Xc: Type I crystallinity of cellulose (%)
I002c: 2θ=22.6°, 002 plane diffraction intensity Ia: 2θ=18.5°, amorphous part diffraction intensity.

アニオン変性セルロースのセルロースI型結晶の割合と、同アニオン変性セルロースをナノファイバーとしたときのセルロースI型結晶の割合は、通常同じである。
上記の方法で得られたアニオン変性セルロースは、通常、導入されたアニオン性基が、金属塩型(例えば、−COO、または−RCOO(Mはナトリウム、カリウム等の金属であり、Rはメチレン基、エチレン基等のアルキレン基である))の形態となっている。後の疎水化剤との反応を促進するために、アニオン変性セルロースにおける金属塩型のアニオン性基を、酸型(例えば、−COOH、−RCOOHなど)に変換することは好ましい。
The ratio of cellulose I-type crystals of anion-modified cellulose and the ratio of cellulose I-type crystals when the anion-modified cellulose is used as nanofibers are usually the same.
In the anion-modified cellulose obtained by the above method, the introduced anionic group is usually a metal salt type (for example, -COO - M + , or -RCOO - M + (M is a metal such as sodium or potassium). And R is an alkylene group such as a methylene group or an ethylene group)). In order to accelerate the subsequent reaction with the hydrophobizing agent, it is preferable to convert the metal salt type anionic group in the anion-modified cellulose into an acid type (for example, —COOH, —RCOOH, etc.).

酸型に変換する方法は特に限定されず、例えば、アニオン変性セルロースに酸を添加する方法、アニオン変性セルロースを陽イオン交換樹脂と接触させる方法などを挙げることができる。酸を添加する場合、用いる酸の種類は特に限定されず、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、亜硫酸、亜硝酸、リン酸などの無機酸や、酢酸、乳酸、蓚酸、クエン酸、蟻酸、アジピン酸、セバシン酸、ステアリン酸、マレイン酸、コハク酸、酒石酸、フマル酸、グルコン酸などの有機酸を挙げることができる。汎用的で入手しやすい塩酸または硫酸は好ましい。酸を添加する際のpHは、1〜6の範囲が好ましく、2〜5がより好ましい。酸の添加量は、金属塩型のアニオン変性セルロースを酸型に変換できる量であればよく、特に限定されないが、例えば、強酸であれば、アニオン性基に対して1当量以上が好ましく、弱酸であれば10当量以上が好ましい。酸性イオン交換樹脂と接触させる場合、酸性イオン交換樹脂としては、強酸性陽イオン交換樹脂や弱酸性陽イオン交換樹脂を挙げることができる。 The method of converting to an acid form is not particularly limited, and examples thereof include a method of adding an acid to anion-modified cellulose and a method of contacting anion-modified cellulose with a cation exchange resin. When an acid is added, the type of acid used is not particularly limited, and examples thereof include inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfurous acid, nitrous acid and phosphoric acid, and acetic acid, lactic acid, oxalic acid, citric acid, formic acid, adipic acid. , Sebacic acid, stearic acid, maleic acid, succinic acid, tartaric acid, fumaric acid, gluconic acid and the like. General-purpose and easily available hydrochloric acid or sulfuric acid is preferable. The pH when adding the acid is preferably in the range of 1 to 6, more preferably 2 to 5. The addition amount of the acid is not particularly limited as long as it can convert the metal salt type anion-modified cellulose into the acid type, and for example, in the case of a strong acid, 1 equivalent or more relative to the anionic group is preferable, and a weak acid is used. If so, 10 equivalents or more are preferable. When brought into contact with an acidic ion exchange resin, examples of the acidic ion exchange resin include strong acidic cation exchange resin and weak acidic cation exchange resin.

(1−4)アニオン変性セルロースの分散体
工程1で準備するアニオン変性セルロースの分散体における分散媒は、水または有機溶媒、あるいはこれらの混合物を適宜選択できる。有機溶媒の種類は問わないが、例えばセルロース中の水酸基との親和性が高い極性溶媒、また、水と任意の割合で混合可能な水溶性有機溶媒が好ましく、メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール、グリセリン、エチレングリコールジメチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等を挙げることができる。上記分散媒は単独で用いても良いし、2種類以上を混合して用いてもよい。例えば、有機溶媒を2種類以上混合する形態、水と有機溶媒を含む形態、水のみの形態などを適宜選択することができる。水のみを分散媒として用いること(すなわち、水100%)は、取扱いの容易性から好ましい。水と有機溶媒とを混合する場合の混合割合は特に限定されず、使用する有機溶媒の種類に応じて適宜混合割合を調整すればよい。
(1-4) Dispersion of anion-modified cellulose The dispersion medium in the dispersion of anion-modified cellulose prepared in step 1 can be appropriately selected from water, an organic solvent, or a mixture thereof. The type of the organic solvent is not limited, for example, a polar solvent having a high affinity with a hydroxyl group in cellulose, and a water-soluble organic solvent that can be mixed with water at an arbitrary ratio is preferable, and methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, glycerin, ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, acetone, methyl ethyl ketone, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethyl. Examples thereof include sulfoxide. The above dispersion media may be used alone or in combination of two or more. For example, a form in which two or more kinds of organic solvents are mixed, a form containing water and an organic solvent, a form containing only water, and the like can be appropriately selected. It is preferable to use only water as the dispersion medium (that is, 100% water) from the viewpoint of easy handling. The mixing ratio when water and the organic solvent are mixed is not particularly limited, and the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the type of the organic solvent used.

後の工程2において、アニオン変性セルロース分散体に疎水化剤とともに水溶性有機溶媒を添加する。その際にアニオン変性セルロース分散体におけるアニオン変性セルロースの濃度が希釈される。したがって、工程1の段階では、アニオン変性セルロース分散体におけるアニオン変性セルロースの濃度は高くてもよく、例えば、10〜30質量%であることが好ましく、20〜30質量%であることがより好ましい。 In the subsequent step 2, a water-soluble organic solvent is added to the anion-modified cellulose dispersion together with the hydrophobizing agent. At that time, the concentration of the anion-modified cellulose in the anion-modified cellulose dispersion is diluted. Therefore, in the stage of step 1, the concentration of the anion-modified cellulose in the anion-modified cellulose dispersion may be high, for example, 10 to 30% by mass is preferable, and 20 to 30% by mass is more preferable.

(2)工程2
工程2では、アニオン変性セルロースの分散体に疎水化剤と水溶性有機溶媒とを添加して、アニオン変性セルロースを疎水化し、疎水化アニオン変性セルロースの分散体を製造する。疎水化とは、アニオン変性セルロースに疎水基を付与してアニオン変性セルロースの疎水性を向上させる処理をいう。
(2) Step 2
In step 2, a hydrophobicizing agent and a water-soluble organic solvent are added to the anion-modified cellulose dispersion to hydrophobize the anion-modified cellulose to produce a hydrophobized anion-modified cellulose dispersion. Hydrophobization refers to a treatment for imparting a hydrophobic group to anion-modified cellulose to improve the hydrophobicity of the anion-modified cellulose.

疎水化剤としては、アニオン変性セルロースのアニオン性基と相互作用してオニウム塩を形成できるアミンやホスフィンを有する化合物が好ましく、第一級アミン、第二級アミン、第三級アミン、第四級アンモニウム、芳香族アミン、ジアミン、ポリエーテルアミン、ホスフィンのいずれでもよい。例えば、メチルアミン、エチルアミン、オレイルアミン、プロピルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン、テトラデシルアミン、1−ヘキセニルアミン、1−ドデセニルアミン、9,12−オクタデカジエニルアミン(リノールアミン)、9,12,15−オクタデカトリエニルアミン、リノレイルアミン等の1級アミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン等の2級アミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン等の3級アミン、塩化ベンザルコニウム、塩化ベンゼトニウム、塩化メチルベンゼトニウム、塩化セチルピリジニウム、セトリモニウム、塩化ドファニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、塩化ジデシルジメチルアンモニウム等の4級アンモニウム、アニリン、ピリジン、ベンジルアミン等の芳香族アミン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のジアミン、HUNTSMAN社製のJEFFAMINE(登録商標) M600、JEFFAMINE(登録商標) M1000、JEFFAMINE(登録商標) M2005、JEFFAMINE(登録商標) M2070等のポリエーテルアミン、トリフェニルホスフィン、トリメチルホスフィン等のホスフィンなどが挙げられるが、これらに限定されない。これらの中では、溶剤中での分散性の観点から1級アミン、2級アミン、3級アミン、4級アンモニウム、ホスフィン、ポリエーテルアミンを用いることが好ましく、3級アミン、4級アンモニウム、ホスフィン、ポリエーテルアミンを用いることがより好ましい。 The hydrophobizing agent is preferably a compound having an amine or phosphine capable of interacting with an anionic group of anion-modified cellulose to form an onium salt, and a primary amine, a secondary amine, a tertiary amine, or a quaternary amine. Any of ammonium, aromatic amine, diamine, polyetheramine and phosphine may be used. For example, methylamine, ethylamine, oleylamine, propylamine, dodecylamine, stearylamine, tetradecylamine, 1-hexenylamine, 1-dodecenylamine, 9,12-octadecadienylamine (linolamine), 9,12,15 -Primary amines such as octadecatrienylamine and linoleylamine, secondary amines such as dimethylamine and diethylamine, tertiary amines such as trimethylamine and triethylamine, benzalkonium chloride, benzethonium chloride, methylbenzethonium chloride, cetylpyridinium chloride , Quaternary ammonium such as cetrimonium, dofanium chloride, tetraethylammonium bromide and didecyldimethylammonium chloride, aromatic amines such as aniline, pyridine and benzylamine, diamines such as ethylenediamine and hexamethylenediamine, JEFFAMINE manufactured by HUNTSMAN ( (Registered trademark) M600, JEFFAMINE (registered trademark) M1000, JEFFAMINE (registered trademark) M2005, JEFFAMINE (registered trademark) M2070, and other polyether amines, phosphines such as triphenylphosphine, trimethylphosphine, and the like, but are not limited thereto. .. Among these, primary amine, secondary amine, tertiary amine, quaternary ammonium, phosphine and polyether amine are preferably used from the viewpoint of dispersibility in a solvent, and tertiary amine, quaternary ammonium and phosphine are preferable. More preferably, polyether amine is used.

水溶性有機溶媒とは、水と任意の割合で混合可能な有機溶媒であり、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール、グリセリン、エチレングリコールジメチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等を挙げることができる。 The water-soluble organic solvent is an organic solvent that can be mixed with water at an arbitrary ratio, and examples thereof include methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, and glycerin. , Ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, acetone, methyl ethyl ketone, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide and the like.

工程2では、疎水化剤と、水溶性有機溶媒とを、工程1で得たアニオン変性セルロース分散体に添加する。この際、アニオン変性セルロース分散体に疎水化剤を添加してから水溶性有機溶媒を添加してもよいが、疎水化剤をアニオン変性セルロース分散体に均一に混合しやすいという観点から、アニオン変性セルロース分散体に水溶性有機溶媒を添加してから疎水化剤を添加することが好ましく、疎水化剤を水溶性有機溶媒に溶解してからアニオン変性セルロース分散体に添加することがさらに好ましい。 In step 2, the hydrophobizing agent and the water-soluble organic solvent are added to the anion-modified cellulose dispersion obtained in step 1. At this time, the water-soluble organic solvent may be added after adding the hydrophobizing agent to the anion-modified cellulose dispersion, but from the viewpoint that the hydrophobizing agent is easily mixed uniformly with the anion-modified cellulose dispersion, It is preferable to add the water-soluble organic solvent to the cellulose dispersion before adding the hydrophobizing agent, and it is more preferable to dissolve the hydrophobizing agent in the water-soluble organic solvent and then add to the anion-modified cellulose dispersion.

工程2の後の工程3において、疎水化アニオン変性セルロース分散体から水溶性有機溶媒と分散媒とを除去して乾燥固形物を製造する。通常、セルロース分散体から分散媒を除去すると、セルロース繊維同士が水素結合により強く凝集して、後の工程4においてナノファイバーへと解繊することが非常に困難となる。本発明では、工程2において疎水化剤と水溶性有機溶媒とを添加することにより、工程3における乾燥時のセルロース繊維同士の凝集を弱めて、後の工程4でのナノファイバーへの解繊を促進させることができる。具体的には、アニオン変性セルロースの水酸基が疎水化剤により保護され、乾燥時(分散媒の除去時)のセルロース繊維同士の水素結合が阻害されると考えられ、また、疎水化剤自体がセルロース繊維同士の間に入り込むことによって、セルロース繊維同士の凝集が阻害されると考えられる。また、水溶性有機溶媒として、水よりも表面張力が低く、沸点の低いものを用いると、工程3の乾燥時にセルロース繊維同士を引き付ける力が弱まり凝集を緩和することができ、また、乾燥時間が短くなるためセルロース繊維同士を引き付ける時間が短くなり、強い凝集を引き起こす前に乾燥することができるようになると考えられる。 In step 3 after step 2, the water-soluble organic solvent and the dispersion medium are removed from the hydrophobized anion-modified cellulose dispersion to produce a dry solid. Usually, when the dispersion medium is removed from the cellulose dispersion, the cellulose fibers are strongly aggregated by hydrogen bonds, and it becomes very difficult to disintegrate into nanofibers in the subsequent Step 4. In the present invention, by adding the hydrophobizing agent and the water-soluble organic solvent in step 2, the aggregation of the cellulose fibers during drying in step 3 is weakened, and the fibrillation into nanofibers in step 4 is performed later. Can be promoted. Specifically, it is considered that the hydroxyl groups of anion-modified cellulose are protected by a hydrophobizing agent, and hydrogen bonds between cellulose fibers during drying (when the dispersion medium is removed) are hindered. It is considered that the interpenetration between the fibers inhibits the aggregation of the cellulose fibers. When a water-soluble organic solvent having a lower surface tension and a lower boiling point than that of water is used, the force of attracting the cellulose fibers to each other at the time of drying in Step 3 can be weakened to reduce aggregation, and the drying time can be reduced. It is considered that the shorter time shortens the time for attracting the cellulose fibers to each other, and it becomes possible to dry the cellulose fibers before causing strong aggregation.

疎水化剤としては、通常は分子量が高いものである方が、工程3における乾燥時のセルロース繊維同士の凝集を弱める作用が強いが、一方で、疎水化剤の分子量が高いと、工程3で得られる乾燥固形物におけるアニオン変性セルロースの割合や、工程4で得られる疎水化アニオン変性CNF分散体におけるCNFの割合が少なくなるため、アニオン変性セルロースまたはCNFとしての特性(例えば、粘度の発現など)が、得られにくくなることがある。本発明では、疎水化剤に加えて、水溶性有機溶媒を添加することにより、低い分子量の疎水化剤を用いた場合であっても、工程3の乾燥時のセルロース繊維同士の凝集を弱めることができるようになり、後の工程4において解繊を進行させ、ナノファイバー分散体を得ることができるようになる。したがって、これに限定されないが、比較的低い分子量の疎水化剤を使用することができ、例えば、分子量が3000以下の疎水化剤を使用することができ、また、分子量が2500以下の疎水化剤を使用することができ、また、分子量が2000以下の疎水化剤を使用することができる。疎水化剤の分子量の下限は限定されないが、分子量が小さすぎるとセルロース繊維同士の凝集を弱める作用が小さくなるため、分子量は100以上が好ましく、200以上がさらに好ましく、500以上がさらに好ましい。なお、本明細書において分子量は、重量平均分子量であってよい。 As the hydrophobizing agent, one having a higher molecular weight usually has a stronger effect of weakening the aggregation of the cellulose fibers during drying in the step 3, but on the other hand, if the molecular weight of the hydrophobizing agent is higher, the step 3 Since the ratio of anion-modified cellulose in the obtained dry solid and the ratio of CNF in the hydrophobized anion-modified CNF dispersion obtained in step 4 are small, the properties as anion-modified cellulose or CNF (for example, development of viscosity) However, it may be difficult to obtain. In the present invention, by adding a water-soluble organic solvent in addition to the hydrophobizing agent, even when a low molecular weight hydrophobizing agent is used, the aggregation of the cellulose fibers during the drying step 3 is weakened. As a result, it becomes possible to proceed with defibration in the subsequent step 4 to obtain a nanofiber dispersion. Therefore, although not limited thereto, a hydrophobizing agent having a relatively low molecular weight can be used, for example, a hydrophobizing agent having a molecular weight of 3000 or less can be used, and a hydrophobizing agent having a molecular weight of 2500 or less can be used. Can be used, and a hydrophobizing agent having a molecular weight of 2000 or less can be used. The lower limit of the molecular weight of the hydrophobizing agent is not limited. However, if the molecular weight is too small, the action of weakening the aggregation of the cellulose fibers is reduced, so the molecular weight is preferably 100 or more, more preferably 200 or more, and further preferably 500 or more. In addition, in this specification, a molecular weight may be a weight average molecular weight.

通常、疎水化剤の分子量が600以下と低い場合には、疎水化剤を添加するのみでは、工程3における乾燥時のセルロース繊維同士の凝集を十分に弱めることが難しい場合がある。しかし、本発明では疎水化剤と共に添加する水溶性有機溶媒が、疎水化剤によるセルロース繊維同士の凝集を弱める作用を補強するため、上述したような比較的低い分子量の疎水化剤を使用することができるようになる。疎水化剤の上記作用を補強できる水溶性有機溶媒としては、表面張力が低いものが好ましく、また、沸点が低いものが好ましい。表面張力が低い溶媒は、乾燥時(溶媒の除去時)に繊維同士を引き付ける力が弱く、凝集の緩和につながり、また、沸点が低い溶媒は、乾燥時間が短くて済むため、繊維同士を引き付ける時間が短くなり凝集の緩和につながる。水溶性有機溶媒の表面張力は、水の表面張力(20℃で73N/m)よりも低いことが好ましく、20℃において、35N/m以下がより好ましく、30N/m以下がより好ましく、26N/m以下がさらに好ましい。表面張力は、プレート法、リング法、懸滴法など、慣用の方法で測定することができる。水溶性有機溶媒の1気圧における沸点は、水の沸点(100℃)よりも低いことが好ましく、90℃以下がより好ましく、80℃以下がさらに好ましい。 Usually, when the molecular weight of the hydrophobizing agent is as low as 600 or less, it may be difficult to sufficiently weaken the aggregation of the cellulose fibers at the time of drying in Step 3 only by adding the hydrophobizing agent. However, in the present invention, the water-soluble organic solvent added together with the hydrophobizing agent reinforces the action of weakening the aggregation of the cellulose fibers by the hydrophobizing agent, so that the hydrophobizing agent having a relatively low molecular weight as described above is used. Will be able to. As the water-soluble organic solvent capable of reinforcing the above action of the hydrophobizing agent, those having a low surface tension are preferable, and those having a low boiling point are preferable. Solvents with low surface tension have a weaker force to attract fibers to each other during drying (solvent removal), which leads to relaxation of aggregation, and solvents with a low boiling point attract fibers to each other because the drying time is short. It shortens the time and reduces aggregation. The surface tension of the water-soluble organic solvent is preferably lower than the surface tension of water (73 N/m at 20°C), more preferably 35 N/m or less, more preferably 30 N/m or less, and 26 N/m at 20°C. It is more preferably m or less. The surface tension can be measured by a conventional method such as a plate method, a ring method or a hanging drop method. The boiling point of the water-soluble organic solvent at 1 atm is preferably lower than the boiling point of water (100° C.), more preferably 90° C. or lower, and further preferably 80° C. or lower.

疎水化剤の添加量は、用いる疎水化剤の種類、アニオン変性セルロースにおけるアニオン変性の度合いなどに応じて、適宜決めればよい。例えば、アニオン性基の量(モル数)に対して、50〜150%程度の量となるように添加すればよく、好ましくは70〜130%、より好ましくは80〜120%の量となるように添加すればよい。 The addition amount of the hydrophobizing agent may be appropriately determined depending on the kind of the hydrophobizing agent used, the degree of anion modification in the anion-modified cellulose, and the like. For example, it may be added in an amount of about 50 to 150%, preferably 70 to 130%, and more preferably 80 to 120% with respect to the amount (mol number) of the anionic group. It may be added to.

水溶性有機溶媒の添加量は、特に限定されないが、例えば、分散体におけるアニオン変性セルロースの濃度が0.01〜15質量%、好ましくは1〜10質量%、さらに好ましくは2〜6質量%となるような量で添加すればよい。 The addition amount of the water-soluble organic solvent is not particularly limited, but for example, the concentration of the anion-modified cellulose in the dispersion is 0.01 to 15% by mass, preferably 1 to 10% by mass, and more preferably 2 to 6% by mass. It may be added in such an amount that

疎水化剤と水溶性有機溶媒とをアニオン変性セルロース分散体に添加し、一定時間、撹拌しながら混合することにより、疎水化アニオン変性セルロースの分散体を製造することができる。 The hydrophobicizing anion-modified cellulose dispersion can be produced by adding the hydrophobizing agent and the water-soluble organic solvent to the anion-modified cellulose dispersion and mixing them for a certain period of time with stirring.

(3)工程3
工程3では、工程2で得られた疎水化アニオン変性セルロースの分散体から分散媒と水溶性有機溶媒とを除去して疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を製造する。この際、乾燥固形物における固形分濃度が、90質量%より高くなるように、分散媒を十分に除去することが必要である。乾燥固形物における固形分濃度は、好ましくは95質量%より高く、より好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは98質量%以上である。セルロースは、水または水溶性有機溶媒を吸収して膨潤しやすいが、工程3においては、セルロースに吸収された水または水溶性有機溶媒も十分に除去することが必要である。工程3において、水と水溶性有機溶媒を含む分散媒を十分に除去することにより、溶媒置換工程を省略して、後の工程4で低極性の有機溶媒中で分散させることができるようになる。一方、乾燥後の固形物が5質量%以上の分散媒(水及び/または水溶性有機溶媒)を含んでいる場合、工程4においてトルエン等の低極性の有機溶媒中で解繊、分散させようとした場合に、低極性の溶媒と十分に混合させることができなくなり、沈殿が生じたり、また得られる分散体の透明度が低下するといった問題が生じる。
(3) Step 3
In step 3, the dispersion medium and the water-soluble organic solvent are removed from the dispersion of the hydrophobized anion-modified cellulose obtained in step 2 to produce a dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose. At this time, it is necessary to sufficiently remove the dispersion medium so that the solid content concentration in the dried solid substance is higher than 90% by mass. The solid content concentration in the dried solid material is preferably higher than 95% by mass, more preferably 97% by mass or more, and further preferably 98% by mass or more. Although cellulose easily absorbs water or a water-soluble organic solvent and swells, in step 3, it is necessary to sufficiently remove the water or water-soluble organic solvent absorbed by the cellulose. By sufficiently removing the dispersion medium containing water and the water-soluble organic solvent in step 3, the solvent replacement step can be omitted, and dispersion can be performed in a low-polarity organic solvent in step 4 later. .. On the other hand, when the solid matter after drying contains 5% by mass or more of the dispersion medium (water and/or water-soluble organic solvent), in step 4, defibrate and disperse it in a low-polarity organic solvent such as toluene. In such a case, the solvent cannot be sufficiently mixed with the low-polarity solvent, which causes problems such as precipitation and deterioration of transparency of the obtained dispersion.

乾燥固形物における固形分濃度は、以下の手順により計測できる:
乾燥固形物を105℃のオーブンで12時間乾燥させ、乾燥前後の質量から乾燥固形物の固形分濃度を算出する。
The solids concentration in dry solids can be measured by the following procedure:
The dry solid is dried in an oven at 105° C. for 12 hours, and the solid content concentration of the dry solid is calculated from the mass before and after the drying.

乾燥固形物の固形分濃度(質量%)=乾燥後の質量/乾燥前の質量×100
分散媒及び水溶性有機溶媒を除去する手段は特に限定されず、例えば、60〜130℃の温度下に3〜24時間置くことにより、乾燥させればよい。
Solid content concentration (mass %) of dried solid=mass after drying/mass before drying×100
The means for removing the dispersion medium and the water-soluble organic solvent is not particularly limited, and for example, it may be dried by placing it at a temperature of 60 to 130° C. for 3 to 24 hours.

(4)工程4
工程4では、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を有機溶媒と混合し、有機溶媒中で疎水化アニオン変性セルロースの解繊を行い、有機溶媒を分散媒とする疎水化アニオン変性CNFの分散体を製造する。
(4) Step 4
In step 4, a dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose is mixed with an organic solvent, defibration of the hydrophobized anion-modified cellulose is performed in the organic solvent, and a dispersion of hydrophobized anion-modified CNF using the organic solvent as a dispersion medium. To manufacture.

用いる有機溶媒の種類は特に限定されず、上述したような水溶性有機溶媒であってもよいが、本発明では水溶性有機溶媒よりも低極性である(水と混合した際に分離するような)有機溶媒を分散媒に用いても均一に分散したCNF分散体を製造することができる。CNF分散体の用途に応じて、有機溶媒の種類を選択すればよい。 The type of organic solvent used is not particularly limited and may be a water-soluble organic solvent as described above, but in the present invention, it has a lower polarity than the water-soluble organic solvent (such as when separated when mixed with water). ) Even if an organic solvent is used as a dispersion medium, it is possible to produce a CNF dispersion that is uniformly dispersed. The type of organic solvent may be selected according to the application of the CNF dispersion.

低極性の有機溶媒としては、これに限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、n−ヘキサン、n−オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン、四塩化炭素、フルオロトリクロロメタン、トリクロロトリフルオロメタン、ヘキサフルオロベンゼン、テトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン、シクロペンチルメチルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテルなどが挙げられる。これらの1種または2種以上を、最終的なアニオン変性CNFの用途に応じて、適宜選択して使用することができる。 Examples of the low-polarity organic solvent include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, n-hexane, n-octane, cyclohexane, methylcyclohexane, dichloromethane, dichloroethane, chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, fluorotrichloro. Examples thereof include methane, trichlorotrifluoromethane, hexafluorobenzene, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, cyclopentyl methyl ether, methyl tertiary butyl ether and the like. These 1 type(s) or 2 or more types can be appropriately selected and used according to the use of the final anion-modified CNF.

疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物に対する有機溶媒の混合の割合は、特に限定されないが、解繊の効率を考えると、アニオン変性セルロースの固形分濃度(疎水化剤部分を含まない)が0.01〜5質量%となるように有機溶媒を添加することが好ましく、0.5〜3.0質量%がさらに好ましい。 The mixing ratio of the organic solvent to the dry solid matter of the hydrophobized anion-modified cellulose is not particularly limited, but considering the efficiency of defibration, the solid content concentration (excluding the hydrophobizing agent portion) of the anion-modified cellulose is 0. It is preferable to add the organic solvent so as to be from 0 to 5% by mass, more preferably from 0.5 to 3.0% by mass.

疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物に有機溶媒を混合した後、有機溶媒中で機械的処理を行うことによりセルロースを解繊し、有機溶媒を分散媒とする疎水化アニオン変性CNFの分散体を形成する。 After mixing an organic solvent with a dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose, the cellulose is defibrated by performing a mechanical treatment in the organic solvent to obtain a dispersion of hydrophobized anion-modified CNF using the organic solvent as a dispersion medium. Form.

解繊に用いる装置は限定されないが、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの分散体に強力なせん断力を印加できる装置を用いることが好ましい。効率よく解繊するには、分散体に50MPa以上の圧力を印加し、かつ強力なせん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。高圧または超高圧ホモジナイザーとは、ポンプにより流体を加圧して高圧にし、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。高圧ホモジナイザーでの解繊および分散処理の前に、必要に応じて高速せん断ミキサーなどの公知の混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて予備処理を施すこともできる。 The device used for defibration is not limited, but it is preferable to use a device capable of applying a strong shearing force to the dispersion, such as a high-speed rotation type, a colloid mill type, a high pressure type, a roll mill type, or an ultrasonic type. For efficient defibration, 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, further preferably 140 MPa or more. A high-pressure or ultra-high-pressure homogenizer pressurizes a fluid with a pump to make it high pressure and ejects it from a very delicate gap provided in the flow path to emulsify by total energy such as collision between particles and shearing force due to pressure difference. It is a device for performing dispersion, crushing, crushing, and ultrafine pulverization. Prior to the defibration and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, it is possible to carry out a preliminary treatment, if necessary, using a known mixing, stirring, emulsifying and dispersing device such as a high speed shear mixer.

上記の解繊により、疎水化アニオン変性セルロースのナノファイバーを得ることができる。CNF(セルロースナノファイバー)は、平均繊維径が3〜500nm程度、好ましくは3〜150nm程度、更に好ましくは3〜20nm程度の繊維である。アスペクト比は30以上、好ましくは50以上、さらに好ましくは100以上である。アスペクト比の上限は限定されないが、500以下程度となる。 By the above defibration, nanofibers of hydrophobized anion-modified cellulose can be obtained. CNF (cellulose nanofiber) is a fiber having an average fiber diameter of about 3 to 500 nm, preferably about 3 to 150 nm, and more preferably about 3 to 20 nm. The aspect ratio is 30 or more, preferably 50 or more, more preferably 100 or more. The upper limit of the aspect ratio is not limited, but is about 500 or less.

疎水化アニオン変性CNFの平均繊維径および平均繊維長は、径が20nm未満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 hydrophobized anion-modified CNF are measured by using an atomic force microscope (AFM) when the diameter is less than 20 nm, and by using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) when the diameter is 20 nm or more. The measurement can be performed by analyzing 200 randomly selected fibers and calculating an average. Also, the aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length/average fiber diameter.

本発明により、有機溶媒を分散媒とする疎水化アニオン変性CNFの分散体を効率よく製造することができる。本発明で得られる分散体は、例えばトルエンのような低極性の有機溶媒を分散媒に用いた場合であっても、分散が均一であり、分散体の透明度が高いという特徴を有する。透明度は、例えば、以下の方法で測定される:
所定の濃度のCNF分散体を調製し、UV−VIS分光光度計 UV−1800(株式会社島津製作所製)を用い、光路長10mmの角型セルを用いて、660nm 光の透過率を測定し、透明度とする。
According to the present invention, a dispersion of hydrophobized anion-modified CNF using an organic solvent as a dispersion medium can be efficiently produced. The dispersion obtained in the present invention is characterized in that the dispersion is uniform and the transparency of the dispersion is high even when a low-polarity organic solvent such as toluene is used as the dispersion medium. Clarity is measured, for example, by the following method:
A CNF dispersion having a predetermined concentration was prepared, and a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (manufactured by Shimadzu Corporation) was used to measure the transmittance of 660 nm light using a rectangular cell having an optical path length of 10 mm, Be transparent.

本発明では、例えば、分散媒をトルエンとし、固形分量(CNF換算(疎水化剤を含まない))を1.0質量%とした疎水化アニオン変性CNF分散体について、上記の方法で測定した透明度が70%以上、より好ましくは75%以上、更に好ましくは80%以上となる分散体を製造することができる。 In the present invention, for example, the transparency measured by the above method for a hydrophobic anion-modified CNF dispersion in which the dispersion medium is toluene and the solid content (CNF conversion (excluding hydrophobizing agent)) is 1.0% by mass. Of 70% or more, more preferably 75% or more, even more preferably 80% or more can be produced.

(5)疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物
工程3で得られる疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物は、疎水化処理によりアニオン変性セルロースの親水性が下げられており、また、水または水溶性有機溶媒のような水系の分散媒をほとんど含まないため、種々の有機溶媒や疎水性の高分子に良好に混合して用いることができる。疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物は、疎水化剤が結合したアニオン変性セルロースを含んでいる。疎水化剤は、上述した通りのものであり、好ましくは分子量は1000未満であり、さらに好ましくは600以下である。乾燥固形物における固形分濃度は、90質量%より高くなるように、分散媒が十分に除去されており、固形分濃度は、より好ましくは95質量%より高く、さらに好ましくは97質量%以上であり、さらに好ましくは98質量%以上である。
(5) Dry Solid of Hydrophobized Anion-Modified Cellulose The dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose obtained in Step 3 has the hydrophilicity of the anion-modified cellulose reduced by the hydrophobization treatment, and is also water or water-soluble. Since it hardly contains an aqueous dispersion medium such as an organic solvent, it can be used by being mixed well with various organic solvents and hydrophobic polymers. The dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose contains anion-modified cellulose to which a hydrophobizing agent is bound. The hydrophobizing agent is as described above, and preferably has a molecular weight of less than 1000, more preferably 600 or less. The dispersion medium is sufficiently removed so that the solid content concentration in the dry solid is higher than 90% by mass, and the solid content concentration is more preferably higher than 95% by mass, further preferably 97% by mass or more. And more preferably 98% by mass or more.

本発明では、疎水化アニオン変性セルロースを乾燥させる際に、セルロース繊維同士の凝集を抑制することができ、かさが高くなる。したがって、得られた疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物は、有機溶剤に分散しやすくハンドリング性能の良いセルロース繊維となる。 In the present invention, when the hydrophobized anion-modified cellulose is dried, aggregation of the cellulose fibers can be suppressed and the bulkiness becomes high. Therefore, the obtained dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose is easily dispersed in an organic solvent and becomes a cellulose fiber having good handling performance.

疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物は、主として疎水化アニオン変性セルロースからなるが、疎水化アニオン変性セルロースの分散体から分散媒を除去する前などに用途に応じて任意に慣用される添加物(抗菌剤、着色剤、樹脂母材、樹脂帯電防止剤、防曇剤、光安定剤、紫外線吸収剤、顔料、無機充填剤、防カビ剤、防腐剤、発泡剤、難燃剤など)を混合してから乾燥させることにより、上記の添加物を少量含んでいてもよい。疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物が、疎水化アニオン変性セルロース以外の添加物を含む場合、乾燥固形物における疎水化アニオン変性セルロースの割合は、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、95質量%以上がさらに好ましい。乾燥固形物は、添加物を含まず、疎水化アニオン変性セルロースのみ(少量の残存する分散媒を含む)からなっていてもよい。 The dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose is mainly composed of the hydrophobized anion-modified cellulose. However, an additive conventionally used (depending on the application, such as before removing the dispersion medium from the dispersion of the hydrophobized anion-modified cellulose ( Antibacterial agent, colorant, resin base material, resin antistatic agent, antifogging agent, light stabilizer, UV absorber, pigment, inorganic filler, antifungal agent, preservative, foaming agent, flame retardant, etc.) are mixed. A small amount of the above-mentioned additives may be contained by drying after drying. When the dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose contains an additive other than the hydrophobized anion-modified cellulose, the proportion of the hydrophobized anion-modified cellulose in the dry solid is preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more. It is preferably 95% by mass or more and more preferably. The dry solids may be free of additives and may consist solely of hydrophobized anion-modified cellulose (with a small amount of residual dispersion medium).

疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物の形態は特に限定されず、分散媒を除去した後のバルク(塊)の形態であってもよいし、適宜粉砕して粉末状としてもよく、用途に応じて選択すればよい。 The form of the dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose is not particularly limited, and may be in the form of a bulk (lump) after removing the dispersion medium, or may be appropriately pulverized into a powder, depending on the application. And select it.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)500g(絶乾)をTEMPO(Sigma Aldrich社)780mgと臭化ナトリウム75.5gを溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を6.0mmol/gになるように添加し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムを消費し、系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物をガラスフィルターで濾過してパルプを分離し、パルプを十分に水洗することでカルボキシル基を導入したパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。このカルボキシル化セルロースのカルボキシル基量は、1.42mmol/gであった。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
<Example 1>
Bleached unbeaten kraft pulp from softwood (whiteness 85%) 500 g (absolute dryness) was added to 780 mg of TEMPO (Sigma Aldrich) and 500 ml of an aqueous solution in which sodium bromide 75.5 g was dissolved, until the pulp was uniformly dispersed. It was stirred. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system at 6.0 mmol/g to start the oxidation reaction. Although the pH in the system was lowered during the reaction, the pH was adjusted to 10 by sequentially adding a 3M sodium hydroxide aqueous solution. The reaction was terminated when sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system stopped changing. The mixture after the reaction was filtered with a glass filter to separate the pulp, and the pulp was sufficiently washed with water to obtain a pulp having carboxyl groups introduced (carboxylated cellulose). The carboxyl group content of the carboxylated cellulose was 1.42 mmol/g.

カルボキシル化セルロースの固形分濃度を水で5質量%に調整し、濃度10%の塩酸を添加し、カルボキシル化セルロースにおけるナトリウム塩型のカルボキシル基(−COONa)を、酸型に変換した(−COOH)。その後、ガラスフィルターを用いて、吸引濾過を行い脱水した。再度、カルボキシル化セルロースの固形分濃度を水で5質量%に調整してから脱水した。この工程を3回繰り返し、固形分濃度25質量%の酸型のカルボキシル化セルロースを得た。 The solid content concentration of the carboxylated cellulose was adjusted to 5% by mass with water, and hydrochloric acid having a concentration of 10% was added to convert the sodium salt type carboxyl group (-COONa) in the carboxylated cellulose to the acid type (-COOH. ). Then, it was dehydrated by suction filtration using a glass filter. Again, the solid content concentration of the carboxylated cellulose was adjusted to 5% by mass with water and then dehydrated. This step was repeated 3 times to obtain acid-type carboxylated cellulose having a solid content concentration of 25% by mass.

得られた酸型のカルボキシル化セルロースの分散体に、メタノールに溶解した疎水化剤(JEFFAMINE(登録商標) M−600(HUNTSMAN社製、分子量600))を添加し、分散体におけるカルボキシメチル化セルロースの濃度を4質量%に調整した。疎水化剤の添加量は、カルボキシル基量に対して1当量となる量であった。ホモジナイザー(1500rpm、10分)で混合し、疎水化剤を結合させたカルボキシル化セルロース(疎水化カルボキシル化セルロース)の分散体を製造した。疎水化カルボキシル化セルロースの分散体を、70℃の温度下に2時間静置して、疎水化カルボキシル化セルロースの乾燥固形物(固形分濃度98質量%)を製造した。 To the obtained acid-type carboxylated cellulose dispersion, a hydrophobizing agent (JEFFAMINE (registered trademark) M-600 (manufactured by HUNTSMAN, molecular weight 600)) dissolved in methanol was added, and carboxymethylated cellulose in the dispersion was added. Was adjusted to 4% by mass. The addition amount of the hydrophobizing agent was 1 equivalent to the amount of the carboxyl group. The mixture was mixed with a homogenizer (1500 rpm, 10 minutes) to produce a dispersion of carboxylated cellulose (hydrophobized carboxylated cellulose) to which a hydrophobizing agent was bound. The hydrophobic carboxylated cellulose dispersion was allowed to stand at a temperature of 70° C. for 2 hours to produce a dry solid of hydrophobic carboxylated cellulose (solid content concentration 98% by mass).

得られた乾燥固形物に対し、固形分量がカルボキシル化セルロース換算(疎水化剤を含まない)で1質量%となるようにトルエンを添加し、3000rpmで10分間混合した。続いて、超高圧ホモジナイザーを用いて20℃で80MPaで1回、さらに150MPaで3回処理(解繊)することにより、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を得た。収率(すなわち、用いたカルボキシル化セルロースの質量に対する最終的に得られた疎水化カルボキシル化CNFにおけるカルボキシル化CNFの質量の割合)は100%であった。 Toluene was added to the obtained dried solid matter so that the solid content would be 1% by mass in terms of carboxylated cellulose (without a hydrophobizing agent), and the mixture was mixed at 3000 rpm for 10 minutes. Subsequently, a dispersion of hydrophobized carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium was obtained by processing (defibration) once at 80 MPa at 20° C. and further at 150 MPa three times using an ultrahigh pressure homogenizer. The yield (that is, the ratio of the weight of carboxylated CNF in the finally obtained hydrophobic carboxylated CNF to the weight of carboxylated cellulose used) was 100%.

得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度を上述の方法で測定した。結果を表1に示す。 The transparency of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (carboxylated CNF conversion: 1% by mass)) was measured by the method described above. The results are shown in Table 1.

<実施例2>
超高圧ホモジナイザーでの処理を80MPaで1回及び150MPaで5回とした以外は実施例1と同様にして、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造した。得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<Example 2>
A dispersion of hydrophobized carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium was produced in the same manner as in Example 1 except that the treatment with the ultrahigh pressure homogenizer was performed once at 80 MPa and five times at 150 MPa. The transparency of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (carboxylated CNF conversion): 1% by mass) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

<実施例3>
メタノールに代えてアセトンを用いた以外は実施例2と同様にして、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造した。得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<Example 3>
A dispersion of hydrophobized carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium was produced in the same manner as in Example 2 except that acetone was used instead of methanol. The transparency of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (carboxylated CNF conversion): 1% by mass) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

<実施例4>
メタノールに代えてテトラヒドロフランを用いた以外は実施例2と同様にして、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造した。得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<Example 4>
A dispersion of hydrophobized carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium was produced in the same manner as in Example 2 except that tetrahydrofuran was used instead of methanol. The transparency of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (carboxylated CNF conversion): 1% by mass) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

<比較例1>
メタノールに代えて水を用いた以外は実施例2と同様にして、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造した。得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
A dispersion of hydrophobized carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium was produced in the same manner as in Example 2 except that water was used instead of methanol. The transparency of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (carboxylated CNF conversion): 1% by mass) was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

<比較例2>
実施例1と同様にしてカルボキシル基量が1.42mmol/gのカルボキシル化セルロースを製造した。このカルボキシル化セルロースを水で固形分濃度1質量%となるように調整し、超高圧ホモジナイザーを用いて20℃で80MPaで1回、さらに150MPaで3回処理(解繊)することにより、カルボキシル化CNFの水分散体を得た。
<Comparative example 2>
Carboxylated cellulose having a carboxyl group content of 1.42 mmol/g was produced in the same manner as in Example 1. The carboxylated cellulose was adjusted with water to a solid content concentration of 1% by mass and treated with an ultrahigh pressure homogenizer at 20° C. once at 80 MPa and further at 150 MPa three times (fibrillation) to carry out carboxylation. An aqueous dispersion of CNF was obtained.

カルボキシル化CNFの水分散体に陽イオン交換樹脂を添加し、カルボキシル化CNFにおけるナトリウム塩型のカルボキシル基(−COONa)を、酸型に変換した(−COOH)。その後、金属メッシュを用いて吸引濾過によって陽イオン交換樹脂との濾別を行い、ろ液を回収した。得られた酸型のカルボキシル化CNFにアセトンを加えた後、遠心分離(3000rpm、10分間、装置:久保田製作所社製7800)を行った。得られた沈殿物にアセトンを加え混合した後、再度、同じ条件で遠心分離を行った。次いで、沈殿物にアセトンを加えた後、ガラスフィルター(柴田科学社製、15G3)を用いて吸引濾過(アルバック機工社製 ダイアフラム型真空ポンプ、DCT−40)を行った。このアセトンの添加と吸引濾過を3回繰り返した。さらに、アセトンに代えてトルエンを用い、トルエンの添加と吸引濾過を3回繰り返すことにより、カルボキシル化CNFの分散媒をトルエンに置換した。 A cation exchange resin was added to the carboxylated CNF aqueous dispersion to convert the sodium salt type carboxyl group (-COONa) in the carboxylated CNF to the acid type (-COOH). Then, filtration with a cation exchange resin was performed by suction filtration using a metal mesh, and the filtrate was collected. After acetone was added to the obtained acid-type carboxylated CNF, centrifugation (3000 rpm, 10 minutes, apparatus: 7800 manufactured by Kubota Seisakusho) was performed. Acetone was added to the obtained precipitate and mixed, and then again centrifuged under the same conditions. Then, after adding acetone to the precipitate, suction filtration (a diaphragm vacuum pump, DCT-40, manufactured by ULVAC Kiko, Inc.) was performed using a glass filter (15G3, manufactured by Shibata Scientific Co., Ltd.). This addition of acetone and suction filtration were repeated 3 times. Further, toluene was used instead of acetone, and the dispersion medium of carboxylated CNF was replaced with toluene by repeating the addition of toluene and suction filtration three times.

得られたカルボキシル化CNFとトルエンの混合物(固形分濃度1質量%)に、疎水化剤としてJEFFAMINE(登録商標) M−600(HUNTSMAN社製、分子量600)をカルボキシル基量に対して1当量となるよう添加し、ホモジナイザーを用いて8000rpm、10分混合撹拌した後、超高圧ホモジナイザーを用いて20℃で80MPaの圧力で1回、150MPaで2回処理(解繊)することにより、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を得た。収率(すなわち、用いたカルボキシル化セルロースの質量に対する最終的に得られた疎水化カルボキシル化CNFにおけるカルボキシル化CNFの質量の割合)は85%であった。得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度及び粘度を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。 JEFFAMINE (registered trademark) M-600 (manufactured by HUNTSMAN, molecular weight 600) as a hydrophobizing agent was added to the obtained mixture of carboxylated CNF and toluene (solid content concentration 1% by mass) in an amount of 1 equivalent to the amount of the carboxyl group. The mixture was added as described above, mixed and stirred using a homogenizer at 8000 rpm for 10 minutes, and then treated with an ultrahigh pressure homogenizer at 20° C. once at a pressure of 80 MPa and twice at 150 MPa (fibrillation) to disperse toluene. A dispersion of hydrophobized carboxylated CNFs as medium was obtained. The yield (that is, the ratio of the weight of carboxylated CNF in the finally obtained hydrophobic carboxylated CNF to the weight of carboxylated cellulose used) was 85%. The transparency and viscosity of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (converted to carboxylated CNF): 1% by mass) were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

Figure 2020111665
Figure 2020111665

実施例1〜4及び比較例1は、CNFへと解繊する前に疎水化剤を添加し、疎水化カルボキシル化セルロースを有機溶媒中で解繊することにより、有機溶媒を分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造したものである。一方、比較例2は、カルボキシル化CNFを製造した後に溶媒置換を行ってから疎水化を行ったものである。実施例1〜4及び比較例1の方法では、従来の溶媒置換を用いた方法に比べて、操作が簡便であり、また、高い収率で疎水化カルボキシル化CNF分散体を製造することができたことがわかる。 In Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, a hydrophobizing agent was added before defibration into CNFs, and defibration of the hydrophobized carboxylated cellulose in an organic solvent was performed to obtain a hydrophobic solvent containing an organic solvent as a dispersion medium. A dispersion of decarboxylated CNF is produced. On the other hand, in Comparative Example 2, after producing carboxylated CNF, solvent replacement was performed and then hydrophobization was performed. In the methods of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, the operation is simpler than that in the conventional method using solvent substitution, and a hydrophobic carboxylated CNF dispersion can be produced in a high yield. I understand that

さらに、疎水化剤と共に水溶性有機溶媒を添加した実施例1〜4では、水溶性有機溶媒を添加しなかった比較例1に比べて、高い透明度を有する分散体を製造できたことがわかる。透明度の高さは、解繊が良好に進行し、また、解繊が均一であることを示している。 Furthermore, in Examples 1 to 4 in which the water-soluble organic solvent was added together with the hydrophobizing agent, it can be seen that a dispersion having high transparency could be produced as compared with Comparative Example 1 in which the water-soluble organic solvent was not added. A high degree of transparency indicates that the defibration proceeds satisfactorily and the defibration is uniform.

実施例1〜4の方法では、溶媒の添加と遠心分離または吸引濾過とを繰り返す従来の溶媒置換を必要としないことから、従来の溶媒置換を用いた方法(比較例2)に比べて、コスト及び時間を節約しながら、高い透明度を有する疎水化アニオン変性CNFの分散体を製造することができる。 Since the methods of Examples 1 to 4 do not require conventional solvent replacement in which solvent addition and centrifugation or suction filtration are repeated, the cost is higher than that of the method using conventional solvent replacement (Comparative Example 2). It is possible to produce dispersions of hydrophobized anion-modified CNF with high transparency while saving time and time.

また、疎水化剤を添加する際、比較例2の方法ではCNF分散体の粘度が高いため、疎水化剤との十分な混合を達成するにはCNF分散体の固形分質量を1質量%に調整する必要があったが、実施例1〜4ではCNFとする前のカルボキシル化セルロースに疎水化剤を添加すればよく疎水化剤添加後のカルボキシル化セルロースの固形分質量を4質量%とすることができたため、疎水化の効率がよいという利点がある。 Further, when the hydrophobizing agent is added, since the viscosity of the CNF dispersion is high in the method of Comparative Example 2, the solid content mass of the CNF dispersion is set to 1% by mass in order to achieve sufficient mixing with the hydrophobizing agent. It was necessary to adjust, but in Examples 1 to 4, it is sufficient to add a hydrophobizing agent to the carboxylated cellulose before being made into CNF, and the solid content mass of the carboxylated cellulose after adding the hydrophobizing agent is 4% by mass. Therefore, there is an advantage that the efficiency of hydrophobization is high.

以上の通り、本発明の方法(実施例1〜4)では、比較例1及び2に比べて、トルエンのような低極性の有機溶媒を分散媒とした疎水化アニオン変性CNFの分散体を、効率よく製造することができることがわかる。 As described above, in the method of the present invention (Examples 1 to 4), as compared with Comparative Examples 1 and 2, a dispersion of a hydrophobized anion-modified CNF using a low-polar organic solvent such as toluene as a dispersion medium, It turns out that it can manufacture efficiently.

<実施例5>
疎水化剤としてオレイルアミン(東京化成工業株式会社製、分子量267)を用いた以外は実施例1と同様にして、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造した。得られた疎水化カルボキシル化CNFの分散体(分散媒:トルエン、固形分量(カルボキシル化CNF換算):1質量%)の透明度及び粘度を実施例1と同様にして測定した。結果を表2に示す。
<Example 5>
A dispersion of hydrophobized carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium was produced in the same manner as in Example 1 except that oleylamine (produced by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., molecular weight 267) was used as the hydrophobizing agent. The transparency and viscosity of the obtained dispersion of hydrophobic carboxylated CNF (dispersion medium: toluene, solid content (converted to carboxylated CNF): 1% by mass) were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.

<比較例3>
疎水化剤としてオレイルアミン(東京化成工業株式会社製、分子量267)を用いた以外は比較例1と同様にして、トルエンを分散媒とする疎水化カルボキシル化CNFの分散体を製造しようとしたが、解繊が進行せず、CNFの分散体は得られなかった。
<Comparative example 3>
An attempt was made to produce a dispersion of hydrophobically carboxylated CNF using toluene as a dispersion medium in the same manner as in Comparative Example 1 except that oleylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., molecular weight 267) was used as the hydrophobizing agent. Disentanglement did not proceed, and a CNF dispersion could not be obtained.

Figure 2020111665
Figure 2020111665

実施例5と比較例3は、分子量の小さい疎水化剤を用いた例である。分子量が小さい疎水化剤を用いた場合、乾燥時のセルロース繊維同士の凝集を十分に弱めることが難しく、比較例3では解繊が進行しなかったが、疎水化剤と共に水溶性有機溶媒を添加した実施例5では、解繊することができた。
Example 5 and Comparative Example 3 are examples using a hydrophobizing agent having a small molecular weight. When a hydrophobizing agent having a small molecular weight is used, it is difficult to sufficiently weaken the aggregation of the cellulose fibers during drying, and defibration did not proceed in Comparative Example 3, but a water-soluble organic solvent was added together with the hydrophobizing agent. In Example 5 which was performed, it was possible to defibrate.

Claims (5)

アニオン変性セルロースの分散体を準備する工程1、
アニオン変性セルロースの分散体に疎水化剤と水溶性有機溶媒とを添加して、疎水化アニオン変性セルロースの分散体を製造する工程2、
前記疎水化アニオン変性セルロースの分散体から前記水溶性有機溶媒と分散媒とを除去し、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を製造する工程3、及び
前記疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物を有機溶媒と混合して、前記有機溶媒中で疎水化アニオン変性セルロースの解繊を行い、前記有機溶媒を分散媒とする疎水化アニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を製造する工程4、
を含み、
前記疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物は、固形分濃度が90質量%より高い、疎水化アニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を製造する方法。
Step 1 of preparing a dispersion of anion-modified cellulose,
A step 2 of producing a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose by adding a hydrophobizing agent and a water-soluble organic solvent to the dispersion of anion-modified cellulose;
Removing the water-soluble organic solvent and the dispersion medium from the dispersion of the hydrophobized anion-modified cellulose to produce a dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose, and a dry solid of the hydrophobized anion-modified cellulose. A step 4 of mixing with an organic solvent to defibrate the hydrophobized anion-modified cellulose in the organic solvent to produce a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose nanofibers using the organic solvent as a dispersion medium,
Including
The method for producing a dispersion of hydrophobized anion-modified cellulose nanofibers, wherein the dry solid of hydrophobized anion-modified cellulose has a solid content concentration of higher than 90% by mass.
前記水溶性有機溶媒は、20℃における表面張力が35N/m以下である、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the water-soluble organic solvent has a surface tension at 20° C. of 35 N/m or less. 前記水溶性有機溶媒は、1気圧における沸点が100℃未満である、請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the water-soluble organic solvent has a boiling point of less than 100°C at 1 atm. アニオン変性セルロースが、カルボキシル基を有するセルロースまたはカルボキシアルキル基を有するセルロースである、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 anion-modified cellulose is a cellulose having a carboxyl group or a cellulose having a carboxyalkyl group. 疎水化剤が結合したアニオン変性セルロースを含み、固形分濃度が90質量%より高い、疎水化アニオン変性セルロースの乾燥固形物。 A dry solid of a hydrophobized anion-modified cellulose, comprising anion-modified cellulose having a hydrophobizing agent bound thereto and having a solid content concentration of higher than 90% by mass.
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