JP2021046541A - Sulfonated fine cellulose fiber and method for producing the same - Google Patents

Sulfonated fine cellulose fiber and method for producing the same Download PDF

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祥 日浅
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Abstract

To provide a sulfonated fine cellulose fiber having excellent viscosity, and a method for producing a sulfonated fine cellulose fiber capable of efficiently producing the sulfonated fine cellulose fiber.SOLUTION: In a fine cellulose fiber in which cellulose fibers are micronized, a part of hydroxyl groups are substituted with a sulfo group, a sulfur introduction amount due to the sulfo group is larger than 0.42 mmol/g, the fine cellulose fiber is a fiber composed of a plurality of unit fibers and has an average fiber width of 30 mm or less, and viscosity of a dispersion liquid at 25°C in a state where the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that solid content concentration is 0.5 mass% is 5,000 mPa s or more. Therefore, desired viscosity when the fine cellulose fibers are dispersed in the dispersion liquid can be exhibited.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スルホン化微細セルロース繊維およびその製造方法に関する。 The present invention relates to sulfonated fine cellulose fibers and a method for producing the same.

セルロースナノファイバー(CNF)は、セルロース繊維と比べて優れた増粘作用(高粘性、チキソトロピー性)を発揮させることが期待されることから、環境への負荷が少ない新規な増粘剤として着目されている。
一般的に、CNFに高い粘性を発揮させるには、CNFの繊維長を長くする必要があると考えられており、化学処理および解繊時におけるパルプの短繊維化を防止して粘性の高いCNFを生産する技術の開発が提案されている(例えば、特許文献1、2)。
Cellulose nanofibers (CNFs) are expected to exert superior thickening action (high viscosity, thixotropy) compared to cellulose fibers, and are therefore attracting attention as a new thickener with less impact on the environment. ing.
In general, it is considered necessary to increase the fiber length of CNF in order for CNF to exhibit high viscosity, and it is considered that CNF having high viscosity by preventing shortening of pulp during chemical treatment and defibration. The development of a technique for producing the above is proposed (for example, Patent Documents 1 and 2).

特許文献1には、リン酸化CNFに関する技術が開示されており、その重合度を400以上にすることによって、このリン酸化CNFを分散させたスラリーの粘度を10000〜20000mPa・sとなるように調製できる旨が記載されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、化学処理工程において繊維の短繊維化を防止するために非常に複雑かつ複数の工程を経る必要があることから、生産効率が非常に悪く、実用的でないといった問題がある。
Patent Document 1 discloses a technique relating to phosphorylated CNF, and by setting the degree of polymerization to 400 or more, the viscosity of the slurry in which this phosphorylated CNF is dispersed is adjusted to 1000 to 20000 mPa · s. It is stated that it can be done.
However, the technique of Patent Document 1 has a problem that the production efficiency is very poor and it is not practical because it is necessary to go through a very complicated and a plurality of steps in order to prevent the fiber from being shortened in the chemical treatment step. There is.

ここで、CNFの生産性を向上させるという観点だけを考えた場合には、短繊維のパルプを高い解繊圧力で処理すればよい。しかし、得られるCNFは、繊維長が短くなり、所望の粘性を有するCNFを製造することは難しいという問題がある。一方、解繊時の解繊圧力を抑制しながらゆっくりと解繊処理を行えば、解繊時の短繊維化をある程度抑制できるので、繊維長がある程度の長さを有するCNFを得ることができる。しかし、この製法では、生産性が急激に低下してしまい実用的な製法として使用できないという問題が発生する。 Here, when only the viewpoint of improving the productivity of CNF is considered, the short fiber pulp may be treated with a high defibration pressure. However, the obtained CNF has a problem that the fiber length is short and it is difficult to produce a CNF having a desired viscosity. On the other hand, if the defibration treatment is performed slowly while suppressing the defibration pressure during defibration, the shortening of fibers during defibration can be suppressed to some extent, so that a CNF having a certain fiber length can be obtained. .. However, this manufacturing method causes a problem that the productivity drops sharply and it cannot be used as a practical manufacturing method.

そこで、上述したような問題を解消する技術として、特許文献2の技術が提案されている。
特許文献2には、硫酸化CNFの製法に関する技術が開示されており、解繊圧力150MPaで解繊することによって、生産性を維持しつつ重合度が350以上の硫酸化CNFを製造できることが記載されている。そして、得られた硫酸化CNFの粘度は、5400〜8000mPa・sの粘性を有する旨が記載されている。
Therefore, the technique of Patent Document 2 has been proposed as a technique for solving the above-mentioned problems.
Patent Document 2 discloses a technique for producing a sulfated CNF, and describes that by defibrating at a defibration pressure of 150 MPa, a sulfated CNF having a degree of polymerization of 350 or more can be produced while maintaining productivity. Has been done. It is described that the obtained sulfated CNF has a viscosity of 5400 to 8000 mPa · s.

国際公開第2017/170908号公報International Publication No. 2017/170908 特開2019−11411号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-11411

しかるに、特許文献2の技術では、ある程度の粘性(最大で8,100mPa・s)を有するCNFを実用的に生産することは可能であるものの、現状の市場ニーズとして要求されている高粘度(例えば10,000mPa・s以上)のCNFは得られておらず、しかも、解繊処理は、150MPa以上の高エネルギーで行わなければならない。さらに、特許文献2には、生分解性に関する記載や着色による課題も開示されていない。 However, with the technique of Patent Document 2, although it is possible to practically produce a CNF having a certain degree of viscosity (up to 8,100 mPa · s), the high viscosity required as the current market needs (for example). CNF of 10,000 mPa · s or more) has not been obtained, and the defibration treatment must be performed with a high energy of 150 MPa or more. Further, Patent Document 2 does not disclose a description regarding biodegradability or a problem due to coloring.

本発明は上記事情に鑑み、優れた粘性等の特性を有するスルホン化微細セルロース繊維およびこのスルホン化微細セルロース繊維を効率よく生産ができるスルホン化微細セルロース繊維の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a sulfonated fine cellulose fiber having characteristics such as excellent viscosity and a method for producing a sulfonated fine cellulose fiber capable of efficiently producing the sulfonated fine cellulose fiber. ..

(スルホン化微細セルロース繊維)
第1発明のスルホン化微細セルロース繊維は、セルロース繊維が微細化された微細セルロース繊維であって、該微細セルロース繊維の水酸基の一部が、スルホ基で置換されたものであり、該スルホ基に起因する硫黄導入量が、0.42mmol/gよりも高くなるように調製されたものであり、前記微細セルロース繊維は、複数のユニット繊維からなる平均繊維幅30nm以下の繊維であり、該微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態の25℃における該分散液の粘度が、5,000mPa・s以上であることを特徴とする。
第2発明のスルホン化微細セルロース繊維は、第1発明において、前記微細セルロース繊維は、該微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態において、該分散液の、B型粘度計を用いて、温度25℃、回転数6rpmと回転数60rpmで測定を行い、各々の粘度を算出し、各粘度比(回転数6rpmでの粘度/回転数60rpmでの粘度)から算出されるチキソトロピー性指数が、5以上であることを特徴とする。
第3発明のスルホン化微細セルロース繊維は、第1発明において、前記微細セルロース繊維は、該微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態において、該分散液の、B型粘度計を用いて、温度25℃、回転数6rpmと回転数60rpmで測定を行い、各々の粘度を算出し、各粘度比(回転数6rpmでの粘度/回転数60rpmでの粘度)から算出されるチキソトロピー性指数が、5.0よりも低いものであることを特徴とする。
第4発明のスルホン化微細セルロース繊維は、第1発明、第2発明または第3発明のいずれかの発明において、前記ユニット繊維は、平均重合度が350以下であることを特徴とする。
第5発明のスルホン化微細セルロース繊維は、第1発明、第2発明、第3発明または第4発明のいずれかの発明において、前記微細セルロース繊維は、前記微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態における該分散液のヘイズ値が10%以下であることを特徴とする。
第6発明のスルホン化微細セルロース繊維は、第1発明、第2発明、第3発明、第4発明または第5発明のいずれかの発明において、前記微細セルロース繊維は、前記微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態における該分散液の全光線透過率が90%以上であることを特徴とする。
第7発明のスルホン化微細セルロース繊維は、第1発明乃至第6発明のいずれかの発明において、前記微細セルロース繊維は、前記微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態における該分散液において、JIS Z 8781-4:2013に準拠して算出されるL色空間が、下記のL、aおよびbの内の少なくとも一つを満たすことを特徴とする。
が、95%以上である。
が、−5以上、+5以下である。
が、−5以上、+5以下である。
(スルホン化微細セルロース繊維の製造方法)
第8発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、パルプから第1発明乃至第7発明のいずれかに記載のスルホン化微細セルロース繊維を製造する方法であって、前記パルプを化学的に処理する化学処理工程と、該化学処理工程後のパルプを微細化する微細化処理工程と、を順に行う方法であり、前記化学処理工程の前に、前記パルプを解重合する重合度低下処理工程を含むことを特徴とする。
第9発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、第8発明において、前記重合度低下処理工程では、前記パルプを、酸溶液またはアルカリ溶液に、接触または浸漬して解重合したパルプを調製することを特徴とする。
第10発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、第8発明または第9発明において、前記微細化処理工程では、前記化学処理工程後のパルプを解繊機器に供給し、5MPa〜60MPaの解繊圧力で微細化することを特徴とする。
第11発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、第10発明において、前記微細化処理工程において、前記化学処理工程後のパルプを解繊機器で繰り返し解繊する回数を、30パス以下とすることを特徴とする。
第12発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、第8発明、第9発明、第10または第11発明のいずれかの発明において、前記微細化処理工程において、前記化学処理工程後のパルプに対して1000J以下の解繊エネルギーを付与することを特徴とする。
(Sulfonized fine cellulose fiber)
The sulfonated fine cellulose fiber of the first invention is a fine cellulose fiber in which the cellulose fiber is finely divided, and a part of the hydroxyl groups of the fine cellulose fiber is substituted with a sulfo group, and the sulfo group is used. The resulting amount of sulfur introduced is adjusted to be higher than 0.42 mmol / g, and the fine cellulose fiber is a fiber composed of a plurality of unit fibers and having an average fiber width of 30 nm or less, and the fine cellulose fiber. It is characterized in that the viscosity of the dispersion liquid at 25 ° C. in a state where the fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass is 5,000 mPa · s or more.
The sulfonated fine cellulose fiber of the second invention is the fine cellulose fiber of the first invention in a state where the fine cellulose fiber is dispersed in a water-soluble solvent so as to have a solid content concentration of 0.5% by mass. Using a B-type viscometer of the dispersion, measurements were taken at a temperature of 25 ° C., a rotation speed of 6 rpm and a rotation speed of 60 rpm, and each viscosity was calculated, and each viscosity ratio (viscosity at a rotation speed of 6 rpm / rotation speed of 60 rpm) was calculated. The thixotropy index calculated from (viscosity in) is 5 or more.
The sulfonated fine cellulose fiber of the third invention is the state in which the fine cellulose fiber is dispersed in a water-soluble solvent so as to have a solid content concentration of 0.5% by mass in the first invention. Using a B-type viscometer of the dispersion, measurements were taken at a temperature of 25 ° C., a rotation speed of 6 rpm and a rotation speed of 60 rpm, and each viscosity was calculated, and each viscosity ratio (viscosity at a rotation speed of 6 rpm / rotation speed of 60 rpm) was calculated. The thixotropy index calculated from (viscosity in) is lower than 5.0.
The sulfonated fine cellulose fiber of the fourth invention is characterized in that, in any one of the first invention, the second invention or the third invention, the unit fiber has an average degree of polymerization of 350 or less.
The sulfonated fine cellulose fiber of the fifth invention is the invention of any one of the first invention, the second invention, the third invention or the fourth invention, and the fine cellulose fiber has a solid content of the fine cellulose fiber in a water-soluble solvent. The haze value of the dispersion liquid in a state of being dispersed so as to have a concentration of 0.5% by mass is 10% or less.
The sulfonated fine cellulose fiber of the sixth invention is the invention of any one of the first invention, the second invention, the third invention, the fourth invention or the fifth invention, and the fine cellulose fiber makes the fine cellulose fiber water-soluble. It is characterized in that the total light transmittance of the dispersion liquid in a state of being dispersed in a solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass is 90% or more.
The sulfonated fine cellulose fiber of the seventh invention is the invention of any one of the first to sixth inventions, wherein the fine cellulose fiber has a solid content concentration of 0.5% by mass using the fine cellulose fiber as a water-soluble solvent. In the dispersion liquid in such a dispersed state, the L * a * b * color space calculated in accordance with JIS Z 8781-4: 2013 is among the following L * , a * and b * . It is characterized by satisfying at least one.
L * is 95% or more.
a * is -5 or more and +5 or less.
b * is -5 or more and +5 or less.
(Manufacturing method of sulfonated fine cellulose fiber)
The method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the eighth invention is a method for producing sulfonated fine cellulose fibers according to any one of the first to seventh inventions from pulp, and the pulp is chemically treated. It is a method of sequentially performing a chemical treatment step and a micronization treatment step of refining the pulp after the chemical treatment step, and includes a polymerization degree lowering treatment step of depolymerizing the pulp before the chemical treatment step. It is characterized by that.
In the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the ninth invention, in the eighth invention, in the degree of polymerization reduction treatment step, the pulp is contacted or immersed in an acid solution or an alkaline solution to prepare a depolymerized pulp. It is characterized by that.
In the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the tenth invention, in the eighth invention or the ninth invention, in the micronization treatment step, the pulp after the chemical treatment step is supplied to the defibration apparatus, and the solution is 5 MPa to 60 MPa. It is characterized by being miniaturized by fiber pressure.
In the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the eleventh invention, in the tenth invention, the number of times of repeatedly defibrating the pulp after the chemical treatment step with a defibration apparatus in the micronization treatment step is 30 passes or less. It is characterized by that.
The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber of the twelfth invention is the method for producing a sulfonated fine cellulose fiber according to any one of the eighth invention, the ninth invention, the tenth or the eleventh invention. On the other hand, it is characterized in that defibration energy of 1000 J or less is applied.

(スルホン化微細セルロース繊維)
第1発明によれば、微細セルロース繊維を分散液に分散させた際に所望の粘性を発揮させることができる。
第2発明、第3発明によれば、チキソトロピー性指数が所定の値であるので、取り扱い性の自由度を向上させることができる。
第4発明によれば、微細セルロース繊維が平均重合度が低い複数の繊維から形成されているので、優れた粘性をより適切に発揮させることができる。しかも、優れた生分解性を発揮させることができるので、環境負荷が低い素材として利用することができる。
第5発明、第6発明、第7発明によれば、微細セルロース繊維を水溶性溶媒に分散させた分散液の透明性を向上させることができる。
(スルホン化微細セルロース繊維の製造方法)
第8発明によれば、重合度低下処理工程を含むことにより、化学処理前にパルプの繊維の重合度を低下させることができる。このため、微細化後の分散形態が変化しやすい微細セルロース繊維を調製できるので、取り扱い性が向上したスルホン化微細セルロース繊維を提供できる。
第9発明によれば、重合度低下処理をより適切に行うことができ、しかも、化学処理時における着色物質を除去し易くなるので、透明性の高いスルホン化微細セルロース繊維を製造することができる。
第10発明によれば、低い解繊圧力でも微細化処理を適切に行うことができるので、微細化処理工程の操作性を向上させることができる。
第11発明によれば、解繊処理を調整することにより、スルホン化微細セルロース繊維の粘性を制御することができる。
第12発明によれば、解繊エネルギーを調製することにより、より適切に所望のスルホン化微細セルロース繊維を得ることができる。
(Sulfonized fine cellulose fiber)
According to the first invention, when the fine cellulose fibers are dispersed in the dispersion liquid, a desired viscosity can be exhibited.
According to the second and third inventions, since the thixotropy index is a predetermined value, the degree of freedom in handleability can be improved.
According to the fourth invention, since the fine cellulose fibers are formed from a plurality of fibers having a low average degree of polymerization, excellent viscosity can be exhibited more appropriately. Moreover, since it can exhibit excellent biodegradability, it can be used as a material having a low environmental load.
According to the fifth, sixth and seventh inventions, the transparency of the dispersion liquid in which the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent can be improved.
(Manufacturing method of sulfonated fine cellulose fiber)
According to the eighth invention, the degree of polymerization of pulp fibers can be reduced before the chemical treatment by including the step of reducing the degree of polymerization. Therefore, since it is possible to prepare fine cellulose fibers whose dispersion form after miniaturization is liable to change, it is possible to provide sulfonated fine cellulose fibers with improved handleability.
According to the ninth aspect of the present invention, the degree of polymerization reduction treatment can be performed more appropriately, and the colored substances during the chemical treatment can be easily removed, so that highly transparent sulfonated fine cellulose fibers can be produced. ..
According to the tenth invention, since the miniaturization treatment can be appropriately performed even at a low defibration pressure, the operability of the miniaturization treatment step can be improved.
According to the eleventh invention, the viscosity of the sulfonated fine cellulose fiber can be controlled by adjusting the defibration treatment.
According to the twelfth invention, the desired sulfonated fine cellulose fiber can be obtained more appropriately by adjusting the defibration energy.

本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の概略フロー図である。It is a schematic flow chart of the manufacturing method of the sulfonated fine cellulose fiber of this embodiment. 実験結果を示した図である。It is a figure which showed the experimental result. 実験結果を示した図であり、粘度の異なるスルホン化微細セルロース繊維の写真である。It is the figure which showed the experimental result, and is the photograph of the sulfonated fine cellulose fiber with different viscosity. 本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の概略説明図である。It is the schematic explanatory drawing of the sulfonated fine cellulose fiber of this embodiment. 生分解性試験の実験結果を示した図である。It is a figure which showed the experimental result of the biodegradability test. 実験結果を示した図であり、解繊強度と粘度およびTI値の関係を示した図である。It is a figure which showed the experimental result, and is the figure which showed the relationship between the defibration strength, the viscosity and the TI value. 実験結果を示した図であり、比較例の解繊強度と粘度およびTI値の関係を示した図である。It is a figure which showed the experimental result, and is the figure which showed the relationship between the defibration strength, the viscosity and the TI value of the comparative example. 実験結果を示した図であり、解繊エネルギーとヘイズ値の関係を示した図である。It is a figure which showed the experimental result, and is the figure which showed the relationship between the defibration energy and the haze value.

以下では、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維(以下、単にスルホン化微細セルロース繊維という)は、セルロース繊維が微細化された微細セルロース繊維であって、優れた粘度特性を発揮させることができるようにしたことに特徴を有している。そして、このスルホン化微細セルロース繊維の製法である本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法(以下、スルホン化微細セルロース繊維製法という)は、優れた粘性を発揮する当該スルホン化微細セルロース繊維を適切に製造できるようにしたことに特徴を有している。
なお、本明細書の「粘度特性」とは、高い粘度、所望のTI値(低いTI値、高いTI値など)を発揮する性質のことを意味する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment (hereinafter, simply referred to as sulfonated fine cellulose fiber) is a fine cellulose fiber in which the cellulose fiber is finely divided, and is capable of exhibiting excellent viscosity characteristics. It has the characteristics of. Then, the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment (hereinafter referred to as the sulfonated fine cellulose fiber manufacturing method), which is the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber, provides the sulfonated fine cellulose fiber exhibiting excellent viscosity. It is characterized by being able to be manufactured appropriately.
The "viscosity characteristic" in the present specification means a property that exhibits high viscosity and a desired TI value (low TI value, high TI value, etc.).

以下では、スルホン化微細セルロース繊維の実施形態について説明した後、スルホン化微細セルロース繊維製法の実施形態について順に説明する。 Hereinafter, embodiments of the sulfonated fine cellulose fiber will be described, and then embodiments of the sulfonated fine cellulose fiber manufacturing method will be described in order.

<スルホン化微細セルロース繊維>
スルホン化微細セルロース繊維は、セルロース繊維が微細化された微細セルロース繊維である。そして、このスルホン化微細セルロース繊維には、さらに微細なセルロース繊維(以下、ユニット繊維という)を複数含んでいる。具体的には、スルホン化微細セルロース繊維は、複数のユニット繊維が連結して形成された繊維である。このユニット繊維は、かかる繊維を構成するセルロース(D−グルコースがβ(1→4)グリコシド結合した鎖状の高分子、単にセルロース分子ということもある)の水酸基(−OH基)の少なくとも一部が下記式(1)で示されるスルホ基でスルホン化されたものである。つまり、スルホン化微細セルロース繊維は、微細セルロース繊維の水酸基の一部が、スルホ基で置換されたものである。
<Sulfonized fine cellulose fiber>
The sulfonated fine cellulose fiber is a fine cellulose fiber in which the cellulose fiber is refined. The sulfonated fine cellulose fibers contain a plurality of finer cellulose fibers (hereinafter referred to as unit fibers). Specifically, the sulfonated fine cellulose fiber is a fiber formed by connecting a plurality of unit fibers. This unit fiber is at least a part of the hydroxyl group (-OH group) of the cellulose (a chain polymer in which D-glucose is β (1 → 4) glycosidic bonded, sometimes simply a cellulose molecule) constituting the fiber. Is sulfonated with a sulfo group represented by the following formula (1). That is, in the sulfonated fine cellulose fiber, a part of the hydroxyl group of the fine cellulose fiber is replaced with a sulfo group.

(−SO3−)r・Zr+ (1)
(ここで、rは、独立した1〜3の自然数であり、Zr+は、r=1のとき、水素イオン、アルカリ金属の陽イオン、アンモニウムイオン、脂肪族アンモニウムイオン、芳香族アンモニウムイオン、カチオン性高分子よりなる群から選ばれる少なくとも1種である。また、r=2または3のとき、アルカリ土類金属の陽イオンまたは多価金属の陽イオン、ジアミンのようなカチオン性官能基を分子内に2以上含有する化合物よりなる群よりなる群から選ばれる少なくとも1種である。)
(-SO3-) r · Zr + (1)
(Here, r is an independent natural number of 1 to 3, and Zr + is hydrogen ion, alkali metal cation, ammonium ion, aliphatic ammonium ion, aromatic ammonium ion, and cationic when r = 1. It is at least one selected from the group consisting of polymers. When r = 2 or 3, a cationic functional group such as an alkali earth metal cation, a polyvalent metal cation, or a diamine is incorporated into the molecule. It is at least one selected from the group consisting of compounds containing two or more of the compounds.)

スルホン化微細セルロース繊維は、スルホ基以外の他の官能基が微細セルロース繊維の水酸基の一部に結合していてもよく、とくに、スルホ基以外に硫黄を含む官能基(置換基)を含んでいてもよい。
以下の説明では、スルホン化微細セルロース繊維を構成するセルロース繊維の水酸基にスルホ基だけを導入した場合を代表として説明する。
The sulfonated fine cellulose fiber may have a functional group other than the sulfo group bonded to a part of the hydroxyl group of the fine cellulose fiber, and particularly contains a functional group (substituent) containing sulfur in addition to the sulfo group. You may.
In the following description, a case where only a sulfo group is introduced into the hydroxyl group of the cellulose fiber constituting the sulfonated fine cellulose fiber will be described as a representative.

(スルホン化微細セルロース繊維におけるスルホ基の導入量)
スルホン化微細セルロース繊維のスルホ基の導入量は、スルホ基に起因する硫黄量で表すことができる。
スルホ基の導入量は、とくに限定されない。例えば、スルホン化微細セルロース繊維1g(質量)あたりのスルホ基に起因する硫黄導入量は、0.42mmol/gよりも高くなるように調整するのが好ましく、より好ましくは、0.42mmol/g〜9.9mmol/gであり、さらに好ましくは0.5mmol/g〜9.9mmol/gであり、さらにより好ましくは0.6mmol/g〜9.9mmol/gである。
(Introduction amount of sulfo group in sulfonated fine cellulose fiber)
The amount of sulfo group introduced in the sulfonated fine cellulose fiber can be expressed by the amount of sulfur caused by the sulfo group.
The amount of the sulfo group introduced is not particularly limited. For example, the amount of sulfur introduced due to the sulfo group per 1 g (mass) of the sulfonated fine cellulose fiber is preferably adjusted to be higher than 0.42 mmol / g, and more preferably 0.42 mmol / g to. It is 9.9 mmol / g, more preferably 0.5 mmol / g to 9.9 mmol / g, and even more preferably 0.6 mmol / g to 9.9 mmol / g.

なお、スルホ基中の硫黄の原子数は1であるので、硫黄導入量:スルホ基導入量=1:1である。例えば、スルホン化微細セルロース繊維1g(質量)あたりの硫黄導入が0.42mmol/gの場合には、スルホ基の導入量も当然に0.42mmol/gとなる。 Since the number of sulfur atoms in the sulfo group is 1, the amount of sulfur introduced: the amount of sulfo group introduced = 1: 1. For example, when the sulfur introduction per 1 g (mass) of the sulfonated fine cellulose fiber is 0.42 mmol / g, the amount of the sulfo group introduced is naturally 0.42 mmol / g.

スルホン化微細セルロース繊維1g(質量)あたりのスルホ基に起因する硫黄導入量が0.42mmol/g以下の場合には、繊維間の水素結合が強固なため分散性が低下する傾向にある。その逆に、かかる硫黄導入量が0.42mmol/gよりも高くすることによって分散性が向上させやすくなり、0.5mmol/g以上とすれば電子的反発性をより強くさせることができるので、分散した状態を安定して維持させやすくなる。つまり、後述するスルホン化微細セルロース繊維を所定濃度に分散させた分散液の粘性を均質にするには、硫黄導入量が0.42mmol/gよりも高くするのが好ましく、より好ましくは0.5mmol/g以上とするのがよい。一方、かかる硫黄導入量が9.9mmol/gに近づくほど結晶性の低下が懸念され、しかも硫黄を導入する際のコストも増加する傾向にある。
したがって、スルホン化微細セルロース繊維へのスルホ基の導入量、つまりスルホ基に起因する硫黄導入量は、0.42mmol/gよりも高く3.0mmol/g以下となるように調整するのが好ましく、より好ましくは0.5mmol/g〜3.0mmol/gであり、さらに好ましくは0.5mmol/g〜2.0mmol/gであり、さらにより好ましくは0.5mmol/g〜1.7mmol/gであり、より好ましくは0.5mmol/g〜1.5mmol/gである。
When the amount of sulfur introduced due to the sulfo group per 1 g (mass) of the sulfonated fine cellulose fiber is 0.42 mmol / g or less, the hydrogen bond between the fibers is strong and the dispersibility tends to decrease. On the contrary, if the amount of sulfur introduced is higher than 0.42 mmol / g, the dispersibility can be easily improved, and if it is 0.5 mmol / g or more, the electronic resilience can be further strengthened. It becomes easier to maintain a stable and dispersed state. That is, in order to homogenize the viscosity of the dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers described later are dispersed at a predetermined concentration, the amount of sulfur introduced is preferably higher than 0.42 mmol / g, more preferably 0.5 mmol. It is better to set it to / g or more. On the other hand, as the amount of sulfur introduced approaches 9.9 mmol / g, there is a concern that the crystallinity will decrease, and the cost of introducing sulfur tends to increase.
Therefore, the amount of the sulfo group introduced into the sulfonated fine cellulose fiber, that is, the amount of sulfur introduced due to the sulfo group is preferably adjusted to be higher than 0.42 mmol / g and 3.0 mmol / g or less. More preferably 0.5 mmol / g to 3.0 mmol / g, even more preferably 0.5 mmol / g to 2.0 mmol / g, even more preferably 0.5 mmol / g to 1.7 mmol / g. Yes, more preferably 0.5 mmol / g to 1.5 mmol / g.

なお、スルホン化微細セルロース繊維の透明性の観点においても、スルホ基に起因する硫黄導入量を上記範囲と同様の範囲となるように調整するのが好ましい。 From the viewpoint of transparency of the sulfonated fine cellulose fiber, it is preferable to adjust the amount of sulfur introduced due to the sulfo group so as to be in the same range as the above range.

(スルホ基の導入量の測定方法)
スルホン化微細セルロース繊維に対するスルホ基の導入量は、スルホ基に起因する硫黄導入量で評価したり、直接的にスルホ基を測定することで評価することができる。
例えば、スルホン化微細セルロース繊維の所定量を燃焼させて、燃焼イオンクロマトグラフを用いて燃焼物に含まれる硫黄分をIEC 62321に準拠した方法で測定して得られた値に基づいて算出してもよく、スルホン化微細セルロース繊維をイオン交換樹脂で処理した後に水酸化ナトリウム水溶液を滴下しながら電気伝導度を測定して得られた値に基づいて算出してもよい。
(Measuring method of introduction amount of sulfo group)
The amount of sulfo group introduced into the sulfonated fine cellulose fiber can be evaluated by the amount of sulfur introduced due to the sulfo group, or by directly measuring the sulfo group.
For example, a predetermined amount of sulfonated fine cellulose fiber is burned, and the sulfur content in the combustible product is measured by a method compliant with IEC 62321 using a combustion ion chromatograph and calculated based on the obtained value. Alternatively, it may be calculated based on the value obtained by measuring the electrical conductivity while dropping an aqueous solution of sodium hydroxide after treating the sulfonated fine cellulose fiber with an ion exchange resin.

例えば、スルホ基の導入量として、後者の方法を説明する。詳細は、後述する実施例に記載の電気伝導度測定により算出できる。
まず、0.2質量%のスルホン化微細セルロース繊維に体積比で1/10の強酸性イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、アンバージェット1024;コンディショニング済)を加え、1時間以上振とう処理を行う(イオン交換樹脂による処理)。ついで、目開き90μm〜200μm程度のメッシュ上に注ぎ、樹脂とスラリーを分離する。その後のアルカリを用いた滴定では、イオン交換樹脂による処理後のスルホン化微細セルロース繊維含有スラリーに、0.5Nの水酸化ナトリウム水溶液を加えながら、電気伝導度の値の変化を計測する。得られた計測データは、縦軸に電気伝導度、横軸に水酸化ナトリウム滴定量としてプロットすると曲線が得られ、変曲点が確認できる。この変曲点での水酸化ナトリウム滴定量がスルホ基量に相当し、この変曲点の水酸化ナトリウム量を測定に供したスルホン化微細セルロース繊維固形分量で除することで、スルホ基量すなわちスルホ基に起因する硫黄導入量を求めることができる。
For example, the latter method will be described as the amount of sulfo groups introduced. Details can be calculated by measuring the electrical conductivity described in Examples described later.
First, a strongly acidic ion exchange resin (manufactured by Organo Corporation, Amber Jet 1024; conditioned) with a volume ratio of 1/10 is added to 0.2% by mass of sulfonated fine cellulose fibers, and shaken for 1 hour or more. (Treatment with ion exchange resin). Then, it is poured onto a mesh having an opening of about 90 μm to 200 μm to separate the resin and the slurry. In the subsequent titration using an alkali, the change in the value of electrical conductivity is measured while adding a 0.5 N aqueous solution of sodium hydroxide to the sulfonated fine cellulose fiber-containing slurry after the treatment with the ion exchange resin. The obtained measurement data can be plotted with electrical conductivity on the vertical axis and sodium hydroxide titration on the horizontal axis to obtain a curve, and the inflection point can be confirmed. The amount of sodium hydroxide droplets at this inflection point corresponds to the amount of sulfo groups, and by dividing the amount of sodium hydroxide at this inflection point by the amount of sulfonated fine cellulose fiber solids used for measurement, the amount of sulfo groups, that is, The amount of sulfur introduced due to the sulfo group can be determined.

なお、後述するように化学処理したスルホン化パルプ繊維を微細化処理してスルホン化微細セルロース繊維を調製する場合には、微細化前のスルホン化パルプ繊維における硫黄導入量から求めてもよい。 When the sulfonated pulp fiber which has been chemically treated is finely treated to prepare the sulfonated fine cellulose fiber as described later, it may be obtained from the amount of sulfur introduced in the sulfonated pulp fiber before the fineness.

(スルホン化微細セルロース繊維の粘度)
このスルホン化微細セルロース繊維は、分散液に分散させた状態において適切な粘性を発揮させることができるように調製されている。
具体的には、スルホン化微細セルロース繊維の固形分濃度が所定の値(例えば、0.5質量%)となるように調整した分散液の粘度が、5,000mPa・s以上となるように調製されていればよく、好ましくは10,000mPa・s以上であり、より好ましくは15,000mPa・s以上であり、さらに好ましくは20,000mPa・s以上となるように調製されていればよい。
(Viscosity of sulfonated fine cellulose fiber)
The sulfonated fine cellulose fibers are prepared so that they can exhibit appropriate viscosity in a state of being dispersed in a dispersion liquid.
Specifically, the viscosity of the dispersion prepared so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fibers becomes a predetermined value (for example, 0.5% by mass) is adjusted to be 5,000 mPa · s or more. It may be adjusted so as to be preferably 10,000 mPa · s or more, more preferably 15,000 mPa · s or more, and further preferably 20,000 mPa · s or more.

(粘度の測定方法)
粘度の測定方法は、例えば、後述する実施例に記載のB型粘度計を用いて測定することができる。
例えば、スルホン化微細セルロース繊維の固形分濃度が0.5質量%となるように調製した分散液を、B型粘度計を用いて、回転数6rpm、25℃、3分で測定すれば、スルホン化微細セルロース繊維の粘度を測定することができる。
この分散液に用いられる溶媒は、水溶性の溶媒(水溶性溶媒)であればよく、例えば、水のみの場合のほか、アルコール、ケトン、アミン、カルボン酸、エーテル、アミドなどやこれらの混合物などを採用することができる。
(Viscosity measurement method)
The viscosity can be measured using, for example, the B-type viscometer described in Examples described later.
For example, if a dispersion prepared so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fibers is 0.5% by mass is measured using a B-type viscometer at a rotation speed of 6 rpm, 25 ° C., and 3 minutes, sulfone is obtained. The viscosity of the chemical fine cellulose fiber can be measured.
The solvent used in this dispersion may be a water-soluble solvent (water-soluble solvent). For example, in addition to water alone, alcohols, ketones, amines, carboxylic acids, ethers, amides, etc., and mixtures thereof, etc. Can be adopted.

(スルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅)
スルホン化微細セルロース繊維は、上述したようにセルロース繊維が微細化された微細セルロース繊維であり、その繊維は非常に細くなっている。具体的には、スルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅は、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡等のナノスケールでの観察が可能な装置で観察した際に、1nm〜30nmとなるように調製されているのが好ましく、より好ましくは2nm〜30nmとなるように調製されている。
スルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅が、30nmよりも大きくなるとアスペクト比が低下する傾向にあり、その結果繊維同士のからみあいが減少して粘性が低下する可能性がある。
したがって、スルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅は、粘性を向上させる上では、2nm〜30nmが好ましく、より好ましくは2nm〜20nmであり、さらに好ましくは2nm〜10nmである。
(Average fiber width of sulfonated fine cellulose fibers)
The sulfonated fine cellulose fiber is a fine cellulose fiber in which the cellulose fiber is finely divided as described above, and the fiber is very fine. Specifically, the average fiber width of the sulfonated fine cellulose fibers is adjusted to be 1 nm to 30 nm when observed with a device capable of observing on a nanoscale such as an electron microscope or an atomic force microscope. It is preferably adjusted to 2 nm to 30 nm.
When the average fiber width of the sulfonated fine cellulose fibers is larger than 30 nm, the aspect ratio tends to decrease, and as a result, the entanglement between the fibers may decrease and the viscosity may decrease.
Therefore, the average fiber width of the sulfonated fine cellulose fibers is preferably 2 nm to 30 nm, more preferably 2 nm to 20 nm, and further preferably 2 nm to 10 nm in order to improve the viscosity.

また、平均繊維幅が、30nmよりも大きくなると可視光の波長の1/10に近づき、マトリックス材料と複合した場合には界面で可視光の屈折及び散乱が生じ易く、可視光の散乱が生じてしまい、後述する透明性が低下する傾向にある。このため、後述する透明性の観点においては、スルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅が20nm以下となるように調製されているのが好ましく、より好ましくは10nm以下となるように調製されている。とくに平均繊維幅が10nm以下となるように調製すれば、可視光の散乱をより少なくできるので、高い透明性を有するスルホン化微細セルロース繊維を得ることができる。 Further, when the average fiber width becomes larger than 30 nm, it approaches 1/10 of the wavelength of visible light, and when it is combined with a matrix material, visible light is likely to be refracted and scattered at the interface, and visible light is scattered. Therefore, the transparency, which will be described later, tends to decrease. Therefore, from the viewpoint of transparency described later, it is preferable that the average fiber width of the sulfonated fine cellulose fibers is 20 nm or less, and more preferably 10 nm or less. In particular, if the average fiber width is adjusted to 10 nm or less, the scattering of visible light can be further reduced, so that sulfonated fine cellulose fibers having high transparency can be obtained.

(平均繊維幅の測定方法)
スルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅は、公知の技術を用いて測定することができる。
例えば、後述する実施例に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた方法で測定することができる。具体的には、スルホン化微細セルロース繊維を純水等の溶媒に分散させて、所定の質量%となるように混合溶液を調整する。そしてこの混合溶液を、PEI(ポリエチレンイミン)をコーティングしたシリカ基盤上にスピンコートを行い、このシリカ基盤上のスルホン化微細セルロース繊維を観察する。観察方法としては、例えば、走査型プローブ顕微鏡(例えば、島津製作所製;SPM−9700)を用いることができる。得られた観察画像中のスルホン化微細セルロース繊維をランダムに20本選び、各繊維幅を測定し平均化すればスルホン化微細セルロース繊維の平均繊維幅を求めることができる。
(Measuring method of average fiber width)
The average fiber width of the sulfonated fine cellulose fibers can be measured using a known technique.
For example, it can be measured by a method using a scanning probe microscope described in Examples described later. Specifically, the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in a solvent such as pure water, and the mixed solution is adjusted so as to have a predetermined mass%. Then, this mixed solution is spin-coated on a silica substrate coated with PEI (polyethyleneimine), and sulfonated fine cellulose fibers on the silica substrate are observed. As an observation method, for example, a scanning probe microscope (for example, manufactured by Shimadzu Corporation; SPM-9700) can be used. Twenty sulfonated fine cellulose fibers in the obtained observation image are randomly selected, and the average fiber width of the sulfonated fine cellulose fibers can be obtained by measuring and averaging each fiber width.

以上のごとく、スルホン化微細セルロース繊維が、上記構成を有することにより、分散液に分散させた状態において優れた粘性を発揮させることができる。 As described above, since the sulfonated fine cellulose fibers have the above-mentioned structure, excellent viscosity can be exhibited in a state of being dispersed in the dispersion liquid.

(スルホン化微細セルロース繊維の繊維長及びユニット繊維の平均重合度)
スルホン化微細セルロース繊維は、上述したように複数のユニット繊維が連結した繊維である。このユニット繊維の連結数は、上述したような粘性を有する長さとなるように連結されていればとくに限定されない。
一方、このスルホン化微細セルロース繊維を構成するユニット繊維の平均繊維長、つまりユニット繊維の平均重合度は、後述するセルロースのレベルオフ重合度付近となるように調製されている。より具体的には、ユニット繊維は、平均重合度が、100〜350となるように調製されているのが好ましく、より好ましくは200〜350、さらに好ましくは250〜350となるように調製されている。
ユニット繊維の平均繊維長は、平均重合度から算出することができ、グルコース1分子の軸方向の長さを約5Å(約0.5nm)とした場合、スルホン化微細セルロース繊維の重合度が350の場合には、理論上、繊維長が約175nm(約0.175μm)のスルホン化微細セルロース繊維を調製することができる。言い換えれば、ユニット繊維の平均重合度が350であるとき、スルホン化微細セルロース繊維はユニット繊維の平均繊維長である175nm以上の平均繊維長を当然に有している。
(Fiber length of sulfonated fine cellulose fiber and average degree of polymerization of unit fiber)
The sulfonated fine cellulose fiber is a fiber in which a plurality of unit fibers are connected as described above. The number of connected unit fibers is not particularly limited as long as they are connected so as to have a length having the viscosity as described above.
On the other hand, the average fiber length of the unit fibers constituting the sulfonated fine cellulose fibers, that is, the average degree of polymerization of the unit fibers is adjusted to be close to the level-off degree of polymerization of cellulose described later. More specifically, the unit fibers are preferably prepared so that the average degree of polymerization is 100 to 350, more preferably 200 to 350, and even more preferably 250 to 350. There is.
The average fiber length of the unit fiber can be calculated from the average degree of polymerization, and when the axial length of one glucose molecule is about 5 Å (about 0.5 nm), the degree of polymerization of the sulfonated fine cellulose fiber is 350. In the case of, theoretically, a sulfonated fine cellulose fiber having a fiber length of about 175 nm (about 0.175 μm) can be prepared. In other words, when the average degree of polymerization of the unit fibers is 350, the sulfonated fine cellulose fibers naturally have an average fiber length of 175 nm or more, which is the average fiber length of the unit fibers.

ユニット繊維の重合度を、上記所定の範囲内とすれば、微生物等により分解されやすくできるので、生分解性を向上させることができる。具体的には、微生物等をスルホン化微細セルロース繊維に対して接触させれば、スルホン化微細セルロース繊維を構成するユニット繊維のセルロース分子鎖を切断するエンドグルカナーゼ活性やエキソグルカナーゼ活性を有するセルロース分解酵素(セルラーゼ)の分解効率が向上する。とくに、セルロース分子鎖の末端側からセルロース分子鎖を切断するエキソグルカナーゼ活性を有するセルロース分解酵素がアタックできるポイントが増加させることができる。このため、微生物等により酵素分解をより高効率に進行させることができるので、スルホン化微細セルロース繊維の生分解性を向上させることができる。 When the degree of polymerization of the unit fiber is within the above-mentioned predetermined range, it can be easily decomposed by microorganisms and the like, so that the biodegradability can be improved. Specifically, when a microorganism or the like is brought into contact with the sulfonated fine cellulose fiber, a cellulolytic enzyme having endoglucanase activity or exoglucanase activity that cleaves the cellulose molecular chain of the unit fiber constituting the sulfonated fine cellulose fiber. The decomposition efficiency of (cellulase) is improved. In particular, it is possible to increase the points at which a cellulose-degrading enzyme having an exoglucanase activity that cleaves a cellulose molecular chain from the terminal side of the cellulose molecular chain can attack. Therefore, the enzymatic decomposition can be promoted more efficiently by microorganisms and the like, so that the biodegradability of the sulfonated fine cellulose fibers can be improved.

生分解性の指標として、例えば、上述したセルロース分解酵素(セルラーゼ)を用いることができる。この評価方法としては、例えば、後述する実施例に記載の酵素処理による分解測定法が挙げられる。また、かかる方法に限定されず、例えば、生物化学的酸素要求量(BOD)を測定する方法等を挙げることができる。
セルロース分解酵素(セルラーゼ)を用いた評価方法としては、例えば、酢酸緩衝液(pH5.0)中に、スルホン化微細セルロース繊維を懸濁させた後、市販のセルラーゼ(例えば、ナカライテスク製のセルラーゼ)を加えて所定期間分解させる。その後、分解物をろ過して回収した繊維の重量の減少率を測定することにより評価することができる。また、上記ろ過した際のろ液中に含まれるグルコース等の分解産物を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)等の液体クロマトグラフィーで定量することにより評価してもよい。
As an index of biodegradability, for example, the above-mentioned cellulolytic enzyme (cellulase) can be used. Examples of this evaluation method include the decomposition measurement method by enzyme treatment described in Examples described later. Further, the method is not limited to this method, and examples thereof include a method of measuring a biochemical oxygen demand (BOD).
As an evaluation method using a cellulolytic enzyme (cellulase), for example, after suspending sulfonated fine cellulose fibers in an acetate buffer (pH 5.0), a commercially available cellulase (for example, cellulase manufactured by Nacalai Tesque) is used. ) Is added and decomposed for a predetermined period. Then, it can be evaluated by measuring the reduction rate of the weight of the fiber recovered by filtering the decomposition product. Further, the decomposition products such as glucose contained in the filtrate when filtered may be evaluated by quantification by liquid chromatography such as high performance liquid chromatography (HPLC).

このため、ユニット繊維の重合度を上記所定の範囲内とすることにより、微細セルロース繊維を増粘剤として機能させつつ、生分解性を適切に発揮させることができるから、微細セルロース繊維の取り扱い性の自由度をより向上させることができるようになる。
例えば、増粘剤として、化粧品や塗料製品や食品などに含まれる状態にすることにより増粘性を向上させつつ、使用後における生分解性を向上させることができるので、環境負荷への低減性を向上させることができる。
Therefore, by setting the degree of polymerization of the unit fibers within the above-mentioned predetermined range, it is possible to appropriately exhibit the biodegradability while making the fine cellulose fibers function as a thickener, so that the fine cellulose fibers can be handled easily. It will be possible to further improve the degree of freedom of.
For example, by making it contained in cosmetics, paint products, foods, etc. as a thickener, it is possible to improve the viscosity after use and improve the biodegradability after use, so that the environmental load can be reduced. Can be improved.

なお、本明細書中における生分解性とは、酵素分解により可溶性単糖が検出できることをいう。 The biodegradability in the present specification means that soluble monosaccharides can be detected by enzymatic decomposition.

ここで、繊維の粘性を向上させる場合には、一般的に、繊維長が長くなるように調製される。言い換えれば、従来の技術は、粘性を向上させるために繊維の一本の重合度をできるだけ高くすることを目的としている。一方、本発明者らは、一本の繊維長が短い微細な繊維(ユニット繊維)であっても複数連結させることで、スルホン化微細セルロース繊維の粘性を向上させることを初めて見出した。つまり、本発明者らは、一般的な繊維の粘性を向上させるために繊維一本の長さを長くしようとする思想とは全く逆の思想に基づいて本発明を見出したのである。言い換えれば、このスルホン化微細セルロース繊維を分散させた分散液の粘性は、重合度に依存するのではなくユニット繊維を多数連結した状態の繊維長に依存することが本発明者らにより初めて見出され、かかる知見に基づいて本発明の完成に至ったものである。
しかも、本発明者らは、スルホン化微細セルロース繊維を構成する微細な繊維(ユニット繊維)の連結量を調整することにより、スルホン化微細セルロース繊維の粘性を制御、つまりコントロールすることができることが初めて見出され、かかる知見に基づいて本発明の完成に至った。
さらに、スルホン化微細セルロース繊維のユニット繊維をレベルオフ重合度付近に調製することにより、分散液の粘度が略同じ値にもかかわらず、異なるチキソトロピー性を発揮することが本発明者らにより初めて見出され、かかる知見に基づいて本発明の完成に至った。つまり、スルホン化微細セルロース繊維のユニット繊維をレベルオフ重合度付近に調製することにより、所定の粘度特性(高い粘度、所定のチキソトロピー性)を発揮させることが本発明者らにより初めて見出され、かかる知見に基づいて本発明の完成に至ったものである(図6(A)、図6(B)、参照)。
また、スルホン化微細セルロース繊維のユニット繊維をレベルオフ重合度付近に調製することにより、スルホン化パルプ繊維の解繊処理時に必要なエネルギーを低くしても高い透明性を発揮しつつ、所定の粘度特性を有するスルホン化微細セルロース繊維の生産性が維持できることを本発明者らは初めて見出し、かかる知見に基づいて本発明の製造方法の完成に至ったものである(図8、参照)。
Here, when improving the viscosity of the fiber, it is generally adjusted so that the fiber length becomes long. In other words, conventional techniques aim to increase the degree of polymerization of a single fiber as much as possible in order to improve its viscosity. On the other hand, the present inventors have found for the first time that the viscosity of sulfonated fine cellulose fibers can be improved by connecting a plurality of fine fibers (unit fibers) having a short fiber length. That is, the present inventors have found the present invention based on an idea completely opposite to the idea of increasing the length of one fiber in order to improve the viscosity of a general fiber. In other words, the present inventors have found for the first time that the viscosity of the dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed depends not on the degree of polymerization but on the fiber length in which a large number of unit fibers are connected. Based on this finding, the present invention has been completed.
Moreover, the present inventors are the first to be able to control, that is, control the viscosity of the sulfonated fine cellulose fibers by adjusting the amount of connected fine fibers (unit fibers) constituting the sulfonated fine cellulose fibers. It was found, and the present invention was completed based on such findings.
Furthermore, the present inventors have first seen that by preparing unit fibers of sulfonated fine cellulose fibers near the level-off degree of polymerization, different thixotropic properties are exhibited even though the viscosities of the dispersions are substantially the same. It was issued, and the present invention was completed based on such findings. That is, the present inventors have found for the first time that by preparing unit fibers of sulfonated fine cellulose fibers near the level-off degree of polymerization, predetermined viscosity characteristics (high viscosity, predetermined thixotropy) are exhibited. Based on such findings, the present invention has been completed (see FIGS. 6 (A) and 6 (B)).
Further, by preparing the unit fiber of the sulfonated fine cellulose fiber near the level-off degree of polymerization, high transparency is exhibited even if the energy required for the defibration treatment of the sulfonated pulp fiber is lowered, and a predetermined viscosity is exhibited. For the first time, the present inventors have found that the productivity of sulfonated fine cellulose fibers having characteristics can be maintained, and based on such findings, the production method of the present invention has been completed (see FIG. 8).

(ユニット繊維の平均重合度の測定方法)
スルホン化微細セルロース繊維を構成するユニット繊維の平均重合度は、以下のような公知の測定方法(例えば、銅エチレンジアミン法)により測定できる。例えば、後述するJIS P 8215に準拠した方法や実施例に記載のJIS P 8215を参考にした方法により測定することができる。
また、例えば、銅エチレンジアミン法で測定する場合には、スルホン化微細セルロース繊維を0.5Mの銅エチレンジアミン溶液に溶解させる。そして、この溶解液の粘度を粘度法で測定すれば、スルホン化微細セルロース繊維を構成するユニット繊維同士の連結が解かれた状態のユニット繊維の平均重合度を求めることができる。
(Method of measuring the average degree of polymerization of unit fibers)
The average degree of polymerization of the unit fibers constituting the sulfonated fine cellulose fibers can be measured by the following known measuring methods (for example, the copper ethylenediamine method). For example, the measurement can be performed by a method based on JIS P 8215 described later or a method referring to JIS P 8215 described in Examples.
Further, for example, in the case of measurement by the copper ethylenediamine method, the sulfonated fine cellulose fiber is dissolved in a 0.5 M copper ethylenediamine solution. Then, if the viscosity of this solution is measured by the viscosity method, the average degree of polymerization of the unit fibers in a state where the unit fibers constituting the sulfonated fine cellulose fibers are disconnected can be obtained.

なお、上述したレベルオフ重合度とは、セルロースを加水分解すれば、酸が浸透しうる結晶以外の領域、いわゆる非晶質領域を選択的に解重合して、その重合度は低下する。このとき、分解初期には重合度が急激に低下し、ある重合度に達すればその低下がゆるやかになることが知られている(INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY,Vol.42,No.3,p.502―507(1950))。この一定の平均重合度のことをレベルオフ重合度といい、レベルオフ重合度に達したものは加水分解時間を延長しても重合度はレベルオフ重合度以下にはならないといわれている。
例えば、NBKP(針葉樹クラフトパルプ)を2.5N塩酸、沸騰温度、15分の条件で加水分解した後、粘度法(銅エチレンジアミン法)により測定すれば、木質系のセルロース繊維のレベルオフ重合度を求めることができる。なお、レベルオフ重合度の判定は、上記条件下で重合度が200〜300程度になる場合とする。
The above-mentioned level-off degree of polymerization means that when cellulose is hydrolyzed, a region other than the crystal in which an acid can permeate, a so-called amorphous region, is selectively depolymerized, and the degree of polymerization is lowered. At this time, it is known that the degree of polymerization rapidly decreases at the initial stage of decomposition, and when a certain degree of polymerization is reached, the decrease becomes gradual (INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY, Vol. 42, No. 3, p. 502). -507 (1950)). This constant average degree of polymerization is called the level-off degree of polymerization, and it is said that the degree of polymerization does not fall below the level-off degree of polymerization even if the hydrolysis time is extended.
For example, if NBKP (coniferous kraft pulp) is hydrolyzed under 2.5N hydrochloric acid, boiling temperature, and 15 minutes, and then measured by the viscosity method (copper ethylenediamine method), the level-off degree of polymerization of wood-based cellulose fibers can be determined. Can be sought. The level-off degree of polymerization is determined when the degree of polymerization is about 200 to 300 under the above conditions.

(スルホン化微細セルロース繊維のチキソトロピー性指数(TI値))
また、スルホン化微細セルロース繊維は、分散液に分散させた状態において、上述したような粘度を発揮させるほか、適切なチキソトロピー性指数(TI値)を発揮させることができるように調製されているのが好ましい。つまり、スルホン化微細セルロース繊維は、分散液に分散させた状態において、所定の粘度特性(高い粘度、所定のTI値)を発揮するように調製されているのが好ましい。
(Thixotropy index (TI value) of sulfonated fine cellulose fiber)
Further, the sulfonated fine cellulose fiber is prepared so as to exhibit the viscosity as described above and also to exhibit an appropriate thixotropy index (TI value) in a state of being dispersed in the dispersion liquid. Is preferable. That is, it is preferable that the sulfonated fine cellulose fibers are prepared so as to exhibit predetermined viscosity characteristics (high viscosity, predetermined TI value) in a state of being dispersed in the dispersion liquid.

TI値は、上記分散液に対して外的応力を加えた際に生じる粘度で評価したものであり、TI値が高いということは、分散液に対して所定の力(エネルギー)を加えると流動性を発揮し易い性質を有していることを意味する。また、TI値が低いということは、分散液に対して所定の力(エネルギー)を加えた際に流動性が発揮しにくい性質を有していることを意味する。
この性質に基づけば、同じ粘度を有するスルホン化微細セルロース繊維、つまり同じ程度の繊維長を有するスルホン化微細セルロース繊維(言い換えれば、同じ程度の重合度のユニット繊維が連結(例えば、直鎖状に連結)したスルホン化微細セルロース繊維)においては、繊維状態の観点から次のことが推測される。
分散液の静止状態においては、スルホン化微細セルロース繊維同士は、絡まった状態となっている。この絡まり合いが高い粘度を発現する。
この分散液に所定の力を加える。このとき、TI値が低い性質を有するスルホン化微細セルロース繊維は、所定のエネルギーがかかっても粘度の低下が生じにくい構造となっていることが推測される。つまり、高い粘性かつ低いTI値を発揮するスルホン化微細セルロース繊維は、繊維同士の絡まり合いが崩れ難い(繊維同士の絡まりあいがほぐれ難い)構造を有しているといえる。一方、TI値が高い性質を有するスルホン化微細セルロース繊維は、所定のエネルギーがかかった際に粘度の低下が生じ易い構造となっていることが推測される。つまり、高い粘性かつ高いTI値を発揮するスルホン化微細セルロース繊維は、繊維同士の絡まり合いが崩れ易い(繊維同士の絡まりあいがほぐれ易い)構造を有しているといえる。
つまり、略同じ粘度を発揮するスルホン化微細セルロース繊維においては、その構造指標の一つとしてTI値を用いることができるものと推測される。
The TI value is evaluated by the viscosity generated when an external stress is applied to the dispersion liquid, and a high TI value means that the dispersion liquid flows when a predetermined force (energy) is applied. It means that it has the property of easily demonstrating its properties. Further, a low TI value means that the dispersion liquid has a property that it is difficult to exhibit fluidity when a predetermined force (energy) is applied to the dispersion liquid.
Based on this property, sulfonated fine cellulose fibers having the same viscosity, that is, sulfonated fine cellulose fibers having the same fiber length (in other words, unit fibers having the same degree of polymerization are linked (for example, linearly). In the sulfonated fine cellulose fiber) (linked), the following can be inferred from the viewpoint of the fiber state.
In the stationary state of the dispersion liquid, the sulfonated fine cellulose fibers are in an entangled state. This entanglement develops a high viscosity.
A predetermined force is applied to this dispersion. At this time, it is presumed that the sulfonated fine cellulose fiber having a property of having a low TI value has a structure in which a decrease in viscosity is unlikely to occur even when a predetermined energy is applied. That is, it can be said that the sulfonated fine cellulose fibers exhibiting high viscosity and low TI value have a structure in which the entanglement of the fibers is hard to be broken (the entanglement of the fibers is hard to be unraveled). On the other hand, it is presumed that the sulfonated fine cellulose fiber having a property of having a high TI value has a structure in which a decrease in viscosity is likely to occur when a predetermined energy is applied. That is, it can be said that the sulfonated fine cellulose fibers exhibiting high viscosity and high TI value have a structure in which the entanglement of the fibers is easily broken (the entanglement of the fibers is easily disentangled).
That is, it is presumed that the TI value can be used as one of the structural indexes of the sulfonated fine cellulose fiber exhibiting substantially the same viscosity.

例えば、分散液に対して所定の力がかかっても繊維同士の絡まり合いが崩れにくい、つまり所定の力を加えても分散液の流動性が小さいスルホン化微細セルロース繊維(TI値が低いもの)は、スルホン化微細セルロース繊維の固形分濃度が所定の値(例えば、0.5質量%)となるように調整した分散液において、TI値が1.0〜4.0(4.0を含まない)であり、好ましくは1.0〜3.5以下であり、より好ましくは1.0〜3.0以下である。この範囲のTI値を有するものは、絡まった状態が強く維持される構造を有するスルホン化微細セルロース繊維であるといえる。
また、例えば、分散液に対して所定の力がかかった際に繊維同士の絡まり合いが崩れ易い、つまり上記低いTI値を発揮するスルホン化微細セルロース繊維と比べて、分散液の流動性が大きいスルホン化微細セルロース繊維(TI値が高いもの)は、スルホン化微細セルロース繊維の固形分濃度が所定の値(例えば、0.5質量%)となるように調整した分散液において、TI値が4.0以上であり、好ましくは5.0以上であり、より好ましくは7.0以上である。この範囲のTI値を有するものは、絡まった状態がほどけ易い構造を有するスルホン化微細セルロース繊維であるといえる。
For example, sulfonated fine cellulose fibers (those with a low TI value) whose entanglement between fibers does not easily break even when a predetermined force is applied to the dispersion, that is, the fluidity of the dispersion is small even when a predetermined force is applied. Contains a TI value of 1.0 to 4.0 (4.0) in a dispersion prepared so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fibers becomes a predetermined value (for example, 0.5% by mass). It is preferably 1.0 to 3.5 or less, and more preferably 1.0 to 3.0 or less. Those having a TI value in this range can be said to be sulfonated fine cellulose fibers having a structure in which the entangled state is strongly maintained.
Further, for example, when a predetermined force is applied to the dispersion liquid, the entanglement of the fibers is easily broken, that is, the fluidity of the dispersion liquid is larger than that of the sulfonated fine cellulose fiber exhibiting the above-mentioned low TI value. The sulfonated fine cellulose fiber (those having a high TI value) has a TI value of 4 in a dispersion liquid adjusted so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fiber becomes a predetermined value (for example, 0.5% by mass). It is 0.0 or more, preferably 5.0 or more, and more preferably 7.0 or more. Those having a TI value in this range can be said to be sulfonated fine cellulose fibers having a structure in which the entangled state is easily unwound.

スルホン化微細セルロース繊維のTI値を上記値以上となるように調製することにより、分散液に対して外的応力を加えた際に、分散液の流動性を向上させることができる。このため、分散液中におけるスルホン化微細セルロース繊維の分散性や、分散液の希釈がより容易になるので、取り扱い性を向上させることができる。 By adjusting the TI value of the sulfonated fine cellulose fiber to be equal to or higher than the above value, the fluidity of the dispersion liquid can be improved when an external stress is applied to the dispersion liquid. Therefore, the dispersibility of the sulfonated fine cellulose fibers in the dispersion liquid and the dilution of the dispersion liquid become easier, so that the handleability can be improved.

(チキソトロピー性指数(TI値)の測定方法)
チキソトロピー性指数(TI値)の測定方法は、例えば、後述する実施例に記載のB型粘度計を用いて測定することができる。概略としては、スルホン化微細セルロース繊維の固形分濃度が0.5質量%となるように調製した分散液を、B型粘度計を用いて、温度25℃、回転数6rpmと回転数60rpmで測定を行い、各々の粘度を算出し、各粘度比(回転数6rpmでの粘度/回転数60rpmでの粘度)から算出することができる。
(Measuring method of thixotropy index (TI value))
The thixotropy index (TI value) can be measured using, for example, the B-type viscometer described in Examples described later. As a general rule, a dispersion prepared so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fibers is 0.5% by mass is measured using a B-type viscometer at a temperature of 25 ° C., a rotation speed of 6 rpm, and a rotation speed of 60 rpm. , Each viscosity is calculated, and can be calculated from each viscosity ratio (viscosity at 6 rpm / viscosity at 60 rpm).

(スルホン化微細セルロース繊維の透明性について)
スルホン化微細セルロース繊維は、平均繊維幅を上述した構成となるように調製することにより、優れた透明性を発揮させることができるようになる。このスルホン化微細セルロース繊維を分散液に分散させた際の上述した透明性は、以下のようにして評価することができる。
(About the transparency of sulfonated fine cellulose fibers)
The sulfonated fine cellulose fiber can exhibit excellent transparency by adjusting the average fiber width so as to have the above-mentioned constitution. The above-mentioned transparency when the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in the dispersion liquid can be evaluated as follows.

なお、本明細における透明性とは、液体の透明性と濁りの両方またはいずれか一方の性質を含んでいる。具体的には、透明性の評価において、ヘイズ値により液体の濁りをより適切に評価することができ、全光線透過率により液体の透明性をより適切に評価することができる。以下、各評価方法について具体的に説明する。 The transparency in the present specification includes the properties of both transparency and / or turbidity of the liquid. Specifically, in the evaluation of transparency, the haze value can more appropriately evaluate the turbidity of the liquid, and the total light transmittance can more appropriately evaluate the transparency of the liquid. Hereinafter, each evaluation method will be specifically described.

(ヘイズ(Haze)値)
スルホン化微細セルロース繊維を所定の濃度となるように分散させた分散液のヘイズ値は、以下のように測定することができる。
まず、スルホン化微細セルロース繊維を水溶性溶媒に、固形分濃度が0.1質量%〜20質量%となるように分散した分散液を調製する。そして、かかる分散液のヘイズ値が、20%以下であれば、スルホン化微細セルロース繊維は濁りの少ない透明性を発揮できる状態であるといえる。逆にいうと、固形分濃度が上記範囲内となるように調製した分散液のヘイズ値が20%よりも高い場合には、適切な透明性を発揮しにくい状態にあるといえる。
(Haze value)
The haze value of the dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed to a predetermined concentration can be measured as follows.
First, a dispersion liquid in which sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.1% by mass to 20% by mass is prepared. When the haze value of the dispersion is 20% or less, it can be said that the sulfonated fine cellulose fibers can exhibit transparency with less turbidity. Conversely, when the haze value of the dispersion prepared so that the solid content concentration is within the above range is higher than 20%, it can be said that it is difficult to exhibit appropriate transparency.

例えば、スルホン化微細セルロース繊維を分散させた分散液の固形分濃度が0.2質量%〜0.5質量%となるように調製した場合、この分散液のヘイズ値が20%以下であれば濁りの少ない透明性を適正に発揮させることができる状態になっているといえる。とくに、スルホン化微細セルロース繊維を所定の濃度で分散させた際の分散液の濁りを適切に抑制するには、ヘイズ値が、15%以下がより好ましく、さらに好ましくは10%以下となるように調製するのがよい。 For example, when the solid content concentration of the dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed is adjusted to 0.2% by mass to 0.5% by mass, the haze value of the dispersion liquid is 20% or less. It can be said that it is in a state where it can properly exert transparency with less turbidity. In particular, in order to appropriately suppress the turbidity of the dispersion liquid when the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed at a predetermined concentration, the haze value is more preferably 15% or less, still more preferably 10% or less. It is better to prepare.

したがって、濁りの少ない透明な状態を発揮させる上では、スルホン化微細セルロース繊維は、固形分濃度が0.1質量%〜20質量%となるように調製した分散液のヘイズ値が20%以下となるように調製するのが好ましく、より好ましくは固形分濃度が0.2質量%〜0.5質量%となるように調整した際の分散液のヘイズ値が15%以下が好ましく、より好ましくは10%以下となるように調製するのがよい。 Therefore, in order to exhibit a transparent state with less turbidity, the haze value of the dispersion prepared so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fiber is 0.1% by mass to 20% by mass is 20% or less. It is preferable that the haze value of the dispersion liquid is 15% or less, more preferably 15% by mass or less, when the solid content concentration is adjusted to 0.2% by mass to 0.5% by mass. It is better to prepare so that it is 10% or less.

(ヘイズ値の測定方法)
ヘイズ値は、例えば、後述する実施例に記載のJIS K 7105に準拠した分光ヘーズメーターや分光光度計を用いて測定することができる。概略としては、上述した分散液にスルホン化微細セルロース繊維を所定の固形分濃度となるように分散させる。そして、この分散液をJIS K 7105に準拠した分光ヘーズメーターや分光光度計を用いて測定すれば、スルホン化微細セルロース繊維のヘイズ値を求めることができる。
(Measurement method of haze value)
The haze value can be measured, for example, by using a spectroscopic haze meter or a spectrophotometer based on JIS K 7105 described in Examples described later. As a general rule, the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in the above-mentioned dispersion liquid so as to have a predetermined solid content concentration. Then, if this dispersion is measured using a spectroscopic haze meter or a spectrophotometer conforming to JIS K 7105, the haze value of the sulfonated fine cellulose fibers can be obtained.

(全光線透過率)
また、スルホン化微細セルロース繊維を所定の濃度となるように分散させた分散液の全光線透過率は、以下のように測定することができる。
まず、スルホン化微細セルロース繊維を水溶性溶媒に、固形分濃度が0.1質量%〜20質量%となるように分散した分散液を調製する。そして、かかる分散液の全光線透過率が、90%以上であれば、スルホン化微細セルロース繊維はクリアな透明性を発揮できる状態であるといえる。逆にいうと、固形分濃度が上記範囲内となるように調製した分散液の全光線透過率が90%よりも低くなる場合には、適切な透明性を発揮しにくい状態にあるといえる。
(Total light transmittance)
Further, the total light transmittance of the dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed so as to have a predetermined concentration can be measured as follows.
First, a dispersion liquid in which sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.1% by mass to 20% by mass is prepared. When the total light transmittance of the dispersion is 90% or more, it can be said that the sulfonated fine cellulose fibers can exhibit clear transparency. Conversely, when the total light transmittance of the dispersion prepared so that the solid content concentration is within the above range is lower than 90%, it can be said that it is difficult to exhibit appropriate transparency.

例えば、スルホン化微細セルロース繊維を分散させた分散液の固形分濃度が0.2質量%〜0.5質量%となるように調製した場合、この分散液の全光線透過率が90%以上であればクリアな透明性を適正に発揮させることができる状態になっているといえる。とくにスルホン化微細セルロース繊維を所定の濃度で分散させた際の分散液の透明性を適切に発揮させる上では、この全光線透過率が95%以上となるように調製するのが好ましい。 For example, when the solid content concentration of the dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed is adjusted to 0.2% by mass to 0.5% by mass, the total light transmittance of this dispersion liquid is 90% or more. If there is, it can be said that the state is in a state where clear transparency can be properly exhibited. In particular, in order to appropriately exhibit the transparency of the dispersion liquid when the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed at a predetermined concentration, it is preferable to adjust the total light transmittance to 95% or more.

したがって、クリアな透明性を発揮させる上では、スルホン化微細セルロース繊維は、固形分濃度が0.1質量%〜20質量%となるように調製した分散液の全光線透過率が90%以上となるように調製するのが好ましく、より好ましくは固形分濃度が0.2質量%〜0.5質量%となるように調整した際の分散液の全光線透過率が90%以上が好ましく、より好ましくは95%以上となるように調製するのがよい。 Therefore, in order to exhibit clear transparency, the sulfonated fine cellulose fiber has a total light transmittance of 90% or more in the dispersion prepared so that the solid content concentration is 0.1% by mass to 20% by mass. It is preferable that the total light transmittance of the dispersion liquid is 90% or more when the solid content concentration is adjusted to 0.2% by mass to 0.5% by mass, more preferably 90% or more. It is preferable to adjust the content to 95% or more.

(全光線透過率の測定方法)
全光線透過率は、例えば、後述する実施例に記載のJIS K 7105に準拠した分光ヘーズメーターや分光光度計を用いて測定することができる。概略としては、まず、上述した分散液にスルホン化微細セルロース繊維を所定の固形分濃度となるように分散させる。そして、この分散液を、JIS K 7105に準拠して分光ヘーズメーターや分光光度計を用いて測定すれば、スルホン化微細セルロース繊維の全光線透過率を求めることができる。
(Measurement method of total light transmittance)
The total light transmittance can be measured, for example, by using a spectrophotometer or a spectrophotometer based on JIS K 7105 described in Examples described later. As a general rule, first, the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in the above-mentioned dispersion liquid so as to have a predetermined solid content concentration. Then, if this dispersion is measured using a spectrophotometer or a spectrophotometer in accordance with JIS K 7105, the total light transmittance of the sulfonated fine cellulose fibers can be determined.

なお、ヘイズ値および全光線透過率の測定に用いられる分散液の溶媒は、上述した粘度測定の際の水系溶媒と同様、水溶性の溶媒(水溶性溶媒)であればとくに限定されない。例えば、水溶性溶媒として、水のみの場合のほか、アルコール、ケトン、アミン、カルボン酸、エーテル、アミドなどを単独または2種以上を混合して用いてもよい。 The solvent of the dispersion liquid used for measuring the haze value and the total light transmittance is not particularly limited as long as it is a water-soluble solvent (water-soluble solvent) as in the case of the above-mentioned water-based solvent for viscosity measurement. For example, as the water-soluble solvent, not only water alone, but also alcohol, ketone, amine, carboxylic acid, ether, amide and the like may be used alone or in combination of two or more.

(スルホン化微細セルロース繊維の色味について)
スルホン化微細セルロース繊維の色味は、例えば、後述する実施例に記載のように所定の濃度にスルホン化微細セルロース繊維を分散させた分散液をJIS Z 8781-4で規定されるL、a、bを測定することで評価することができる。
具体的には、まず、スルホン化微細セルロース繊維を水溶性溶媒に、固形分濃度が0.1質量%〜20質量%となるように分散した分散液を調製する。ついで、調製したかかる分散液のL色空間を測定する。
測定したL色空間が、以下の数値範囲のうち少なくとも一つを満たせば、色味のないよりクリアな透明性を発揮できる状態にあるといえる。
が、95%以上
が、−5以上+5以下
が、−5以上+5以下
とくに、aが−2以上+2以下、bが−2以上+2以下、となるように調製すれば、さらにクリアな透明性を発揮できる状態にあるといえる。
(About the color of sulfonated fine cellulose fibers)
The color of the sulfonated fine cellulose fibers is determined by, for example, L * , a in which a dispersion liquid in which the sulfonated fine cellulose fibers are dispersed at a predetermined concentration is defined by JIS Z 8781-4 as described in Examples described later. It can be evaluated by measuring * and b *.
Specifically, first, a dispersion liquid in which sulfonated fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.1% by mass to 20% by mass is prepared. Then, the L * a * b * color space of the prepared dispersion is measured.
If the measured L * a * b * color space satisfies at least one of the following numerical ranges, it can be said that a clearer transparency without color is exhibited.
L * is 95% or more a * is -5 or more +5 or less b * is -5 or more +5 or less In particular, a * is -2 or more +2 or less and b * is -2 or more +2 or less. If so, it can be said that it is in a state where it can exhibit clearer transparency.

なお、本明細中において透明性とは、液体の透明性と濁りの両方またはいずれか一方の性質を含んでいる。透明性の評価において、ヘイズ値は液体の濁りをより適切に評価することができ、全光線透過率は透明性をより適切に評価することができる。そして、透明性におけるクリア性、つまり色味は、L色空間により適切に評価することができる。 In addition, in this specification, transparency includes the property of both transparency and / or turbidity of a liquid. In the evaluation of transparency, the haze value can more appropriately evaluate the turbidity of the liquid, and the total light transmittance can more appropriately evaluate the transparency. Then, the clearness in transparency, that is, the tint, can be appropriately evaluated by the L * a * b * color space.

<スルホン化微細セルロース繊維の製造方法> <Manufacturing method of sulfonated fine cellulose fiber>

スルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、上述したようにパルプを解重合することに特徴を有している。 The method for producing sulfonated fine cellulose fibers is characterized by depolymerizing pulp as described above.

ここで、パルプから構成するセルロース繊維は、セルロース繊維同士が水素結合で強固に結合しているため、微細セルロース繊維を得るには、一般的に、微細化工程において、高い解繊圧力で、多くの解繊回数を行う必要があることから、多大なエネルギーや労力等を要している。
一方、得らえた微細セルロース繊維は、高い解繊圧力で、多くの解繊回数を行うことにより、繊維長が短くなるというのが一般的である。そして、繊維長が短い、つまり微細セルロース繊維の重合度が低くなると、繊維の損傷が激しい状態となっており、得られる微細セルロース繊維の粘性も低下すると考えられている。
そこで、従来の技術では、微細セルロース繊維の粘性を向上させようとする場合、微細化工程において、少ない処理量で、低い解繊圧力、より多くの解繊回数、を行うという製法が提案されている。
しかし、このような従来の製法では、得られる微細セルロース繊維量が極端に少なくなり、しかも微細化処理工程における処理効率が極端に低下することなることから、実用的な製法とはいえない。
つまり、従来の技術では、粘性の高い繊維を調製することと、生産性を向上させることは、トレードオフの関係にあり、粘性の高い繊維を効率よくしかも適切に製造する技術は開発されていないというのが実情である。
一方、本発明者らは、上述したように、本従来の思想とは全く逆の発想、つまり微細化処理工程に供する前のパルプを解重合して、繊維の重合度をあえて低くした状態で微細化処理工程に供することにより、従来の技術では全く想定されない優れた粘性を発揮させるスルホン化微細セルロース繊維を少ないエネルギーで簡単にしかも効率よく製造できることを初めて見出した(表2、図2、参照)。しかも、調製したスルホン化微細セルロース繊維は、繊維の損傷が抑制された状態で得られることも初めて見出した。つまり、従来の微細セルロース繊維の繊維長は重合度に依存しているという考え方とは異なる知見に基づいて、本発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法に至ったものである。
そして、上記課題を解決するために、パルプに対して重合度を低下させるような処理を行うことにより、従来では想定されないような低いエネルギーで高い粘度を発揮するCNF(スルホン化微細セルロース繊維)を、生産性を低下させることなく、調製することができることを初めて見出した。パルプに対して重合度を低下させるような処理とは、後述する重合度低下処理を行なうことである。
しかも、パルプに対して後述する重合度低下処理を行うことにより、解繊処理の条件を調製することにより、構造の異なるスルホン化微細セルロース繊維を調製できることも本発明者らにより初めて見出されたものである。
Here, since the cellulose fibers composed of pulp are strongly bonded to each other by hydrogen bonds, in order to obtain fine cellulose fibers, in general, in the micronization process, a large amount is required at a high defibration pressure. Since it is necessary to perform the number of times of defibration, a large amount of energy and labor are required.
On the other hand, in the obtained fine cellulose fibers, the fiber length is generally shortened by performing a large number of defibration times at a high defibration pressure. It is considered that when the fiber length is short, that is, the degree of polymerization of the fine cellulose fibers is low, the fibers are severely damaged and the viscosity of the obtained fine cellulose fibers is also lowered.
Therefore, in the conventional technique, when trying to improve the viscosity of the fine cellulose fiber, a manufacturing method has been proposed in which a low defibration pressure and a larger number of defibration are performed with a small amount of processing in the miniaturization step. There is.
However, such a conventional manufacturing method cannot be said to be a practical manufacturing method because the amount of fine cellulose fibers obtained is extremely small and the treatment efficiency in the miniaturization treatment step is extremely low.
In other words, in the conventional technology, there is a trade-off relationship between preparing highly viscous fibers and improving productivity, and a technique for efficiently and appropriately producing highly viscous fibers has not been developed. That is the reality.
On the other hand, as described above, the present inventors have an idea completely opposite to the conventional idea, that is, in a state where the pulp before being subjected to the micronization treatment step is depolymerized to intentionally lower the degree of polymerization of the fiber. For the first time, we have found that sulfonated fine cellulose fibers that exhibit excellent viscosity, which is not expected by conventional techniques, can be easily and efficiently produced with less energy by being subjected to the micronization treatment process (see Tables 2 and 2). ). Moreover, it was also found for the first time that the prepared sulfonated fine cellulose fiber can be obtained in a state where the damage of the fiber is suppressed. That is, the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present invention has been reached based on a finding different from the conventional idea that the fiber length of the fine cellulose fiber depends on the degree of polymerization.
Then, in order to solve the above-mentioned problems, CNF (sulfonated fine cellulose fiber) that exhibits high viscosity with low energy, which has not been expected in the past, is produced by performing a treatment on pulp to reduce the degree of polymerization. For the first time, we have found that it can be prepared without reducing productivity. The treatment for lowering the degree of polymerization of pulp is a treatment for lowering the degree of polymerization, which will be described later.
Moreover, the present inventors have also found for the first time that sulfonated fine cellulose fibers having different structures can be prepared by adjusting the conditions for the defibration treatment by subjecting the pulp to a degree of polymerization reduction treatment described later. It is a thing.

図1に示すように、スルホン化微細セルロース繊維の製造方法の概略は、セルロースを含む繊維原料(例えばパルプ)を解重合する重合度低下処理工程S1に供した後、このパルプを化学処理工程S2に供し、化学処理されたスルホン化パルプ繊維を含むパルプを微細化する微細化処理工程S3に供して、スルホン化微細セルロース繊維を製造するという方法である。以下、各工程を具体的に説明する。 As shown in FIG. 1, the outline of the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber is described in that the fiber raw material containing cellulose (for example, pulp) is subjected to the polymerization degree lowering treatment step S1 for depolymerizing, and then the pulp is subjected to the chemical treatment step S2. This is a method of producing sulfonated fine cellulose fibers by subjecting it to a micronization treatment step S3 for refining pulp containing chemically treated sulfonated pulp fibers. Hereinafter, each step will be specifically described.

なお、本明細書において、繊維原料とは、セルロース分子を含むパルプなどの繊維状の原料をいい、パルプとは、複数のパルプ繊維が集合したものをいう。また、このパルプ繊維とは、複数のセルロース繊維が集合したものであり、このセルロース繊維は、複数の微細繊維(例えば、ミクロフィブリル等)が集合したものである。そして、この微細繊維とは、D−グルコースがβ(1→4)グリコシド結合した鎖状の高分子であるセルロース分子(以下、単にセルロースということもある)が複数集合したものである。繊維原料については詳細を後述する。 In the present specification, the fiber raw material refers to a fibrous raw material such as pulp containing a cellulose molecule, and the pulp refers to an aggregate of a plurality of pulp fibers. Further, the pulp fiber is an aggregate of a plurality of cellulose fibers, and the cellulose fiber is an aggregate of a plurality of fine fibers (for example, microfibrils). The fine fibers are a collection of a plurality of cellulose molecules (hereinafter, also simply referred to as cellulose) which are chain polymers in which D-glucose is β (1 → 4) glycosidic bonded. The details of the fiber raw material will be described later.

(重合度低下処理工程S1)
重合度低下処理工程S1は、セルロースを含む繊維原料を解重合する工程である。具体的には、重合度低下処理工程S1は、パルプ等の繊維原料に対して重合度低下剤を接触させる接触工程と、接触工程後の繊維原料の重合度を低下させる反応工程と、を含む工程である。
(Polymerization Degree Reduction Treatment Step S1)
The degree of polymerization reduction treatment step S1 is a step of depolymerizing the fiber raw material containing cellulose. Specifically, the degree of polymerization lowering treatment step S1 includes a contact step of bringing the degree of polymerization lowering agent into contact with a fiber raw material such as pulp, and a reaction step of lowering the degree of polymerization of the fiber raw material after the contact step. It is a process.

なお、解重合とは、パルプの重合度を低下させたり、パルプを低分子化させる現象のことをいう。 Depolymerization refers to a phenomenon in which the degree of polymerization of pulp is lowered or the molecular weight of pulp is lowered.

(重合度低下処理工程S1における接触工程)
重合度低下処理工程S1における接触工程は、繊維原料に対して重合度低下剤を接触させる工程である。この接触工程は、繊維原料に対して重合度低下剤を接触させることができる方法であれば、特に限定されない。例えば、重合度を低下させる重合度低下剤を含む処理液に繊維原料(木材パルプ等)を浸漬等させて重合度低下剤を含浸させてもよいし、繊維原料に対してかかる処理液を塗布してもよい。
これらの方法のうち、上記処理液に繊維原料を浸漬させて繊維原料に重合度低下剤を含む処理液を含浸させる方法を採用すれば、重合度低下処理薬品を繊維原料に対して均質に接触させることができるので好ましい。
(Contact step in step S1 for reducing the degree of polymerization)
The contact step in the polymerization degree reducing treatment step S1 is a step of bringing the polymerization degree reducing agent into contact with the fiber raw material. This contact step is not particularly limited as long as it is a method capable of bringing the polymerization degree reducing agent into contact with the fiber raw material. For example, the fiber raw material (wood pulp or the like) may be immersed in a treatment liquid containing a polymerization degree lowering agent to lower the degree of polymerization to impregnate the polymerization degree lowering agent, or the treatment liquid may be applied to the fiber raw material. You may.
Among these methods, if the method of immersing the fiber raw material in the above-mentioned treatment liquid and impregnating the fiber raw material with the treatment liquid containing the polymerization degree reducing agent is adopted, the polymerization degree reducing treatment chemical is uniformly contacted with the fiber raw material. It is preferable because it can be polymerized.

(重合度低下処理工程S1における処理液)
重合度低下処理S1における処理液は、重合度を低下させることができる重合度低下剤が含まれていれば、とくに限定されない。
重合度低下剤としては、例えば、水溶液とした場合にアルカリ性を示す水酸化ナトリウムや水酸化カリウム、炭酸水素ナトリウム等の薬品、酸性を示す塩酸や硝酸等の薬品を挙げることができるが、調製するスルホン化微細セルロース繊維の用途により、適宜使い分ければよい。
とくに、重合度低下剤としてアルカリ性薬品を使用すれば、NBKPや後述するLBKPを繊維原料とした場合に、これらの繊維原料に含まれるヘミセルロース成分が除去し易くなる。このため、より着色がなく、黄色味等の色味が低く、透明性が高い、スルホン化微細セルロース繊維を調製し易くなるので好ましい。
(Treatment solution in step S1 for reducing the degree of polymerization)
The treatment liquid in the degree of polymerization lowering treatment S1 is not particularly limited as long as it contains a degree of polymerization lowering agent capable of lowering the degree of polymerization.
Examples of the degree-reducing agent include chemicals such as sodium hydroxide, potassium hydroxide and sodium hydrogencarbonate which show alkalinity when made into an aqueous solution, and chemicals such as hydrochloric acid and nitric acid which show acidity, and are prepared. Depending on the use of the sulfonated fine cellulose fiber, it may be used properly.
In particular, if an alkaline chemical is used as the degree of polymerization lowering agent, the hemicellulose component contained in these fiber raw materials can be easily removed when NBKP or LBKP described later is used as the fiber raw material. Therefore, it is preferable because it makes it easier to prepare sulfonated fine cellulose fibers that are less colored, have a low color such as yellow, and have high transparency.

(処理液の接触量)
処理液の接触量は重合度を低下させることができる程度に接触させることができれば、とくに限定されない。
例えば、重合度低下剤を水に溶解させ、その濃度を1Mとした処理液の場合、処理液100質量部に対して、パルプを乾燥重量にして1質量部〜500質量部となるように、調製することができる。
(Contact amount of treatment liquid)
The contact amount of the treatment liquid is not particularly limited as long as it can be contacted to such an extent that the degree of polymerization can be lowered.
For example, in the case of a treatment liquid in which a degree of polymerization reducing agent is dissolved in water and the concentration thereof is 1 M, the dry weight of pulp is 1 part by mass to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the treatment liquid. Can be prepared.

(重合度低下処理工程S1における反応工程)
重合度低下処理工程S1における反応工程は、処理液を接触させた繊維原料を解重合する工程である。
この工程では、繊維原料が処理液により解重合できる条件であれば、とくに限定されない。例えば、処理液を接触させた繊維原料を、そのままの状態で常温常圧条件下、静置させて解重合してもよく、所定の温度で加熱して解重合してもよい。前者の方法は、過剰な解重合を防ぐ観点から望ましく、後者の方法は、重合度低下処理の効率を高める上で好ましい。
(Reaction step in the polymerization degree reduction treatment step S1)
The reaction step in the degree of polymerization reduction treatment step S1 is a step of depolymerizing the fiber raw material in contact with the treatment liquid.
This step is not particularly limited as long as the fiber raw material can be depolymerized by the treatment liquid. For example, the fiber raw material in contact with the treatment liquid may be left to stand under normal temperature and pressure conditions as it is to be depolymerized, or may be heated at a predetermined temperature to be depolymerized. The former method is desirable from the viewpoint of preventing excessive depolymerization, and the latter method is preferable in increasing the efficiency of the degree of polymerization reduction treatment.

(重合度低下処理工程S1後の洗浄工程)
重合度低下処理工程S1後の繊維原料を洗浄する洗浄工程を含んでいてもよい。
重合度低下処理工程S1における処理液の重合度低下剤としてアルカリ性薬品を使用した場合、過剰に付与されたアルカリ性薬品が残存すれば、後述する化学処理工程S2で用いるスルホン化剤がアルカリ性薬品を中和するために浪費され、化学処理工程S2が適切に行われない可能性がある。このため、重合度低下剤としてアルカリ性薬品を使用する場合には、洗浄した後に、化学処理工程S2に供給するのが望ましい。この場合、化学処理工程S2に供給した繊維原料に対してスルホン化剤を接触させる際の効率を向上させることができるので、処理を適切に進行させることができる。
この洗浄工程は、重合度低下処理工程S1後の繊維原料がほぼ中性になるように洗浄できれば、その方法はとくに限定されない。例えば、重合度低下処理工程S1後の繊維原料がほぼ中性になるまで純水で洗浄するという方法を採用することができる。
(Washing step after polymerization degree reduction treatment step S1)
A cleaning step of cleaning the fiber raw material after the polymerization degree reduction treatment step S1 may be included.
When an alkaline chemical is used as the polymerization degree reducing agent of the treatment liquid in the polymerization degree reducing treatment step S1, if an excessively applied alkaline chemical remains, the sulfonate used in the chemical treatment step S2 described later contains the alkaline chemical. It is wasted to reconcile and the chemical treatment step S2 may not be performed properly. Therefore, when an alkaline chemical is used as the degree of polymerization reducing agent, it is desirable to supply it to the chemical treatment step S2 after cleaning. In this case, the efficiency of contacting the sulfonate with the fiber raw material supplied to the chemical treatment step S2 can be improved, so that the treatment can proceed appropriately.
The method of this washing step is not particularly limited as long as the fiber raw material after the degree of polymerization reduction treatment step S1 can be washed so as to be substantially neutral. For example, a method of washing with pure water until the fiber raw material after the polymerization degree reduction treatment step S1 becomes substantially neutral can be adopted.

(化学処理工程S2)
化学処理工程S2は、解重合されたパルプ等のセルロースを含む繊維原料のセルロース繊維に対してスルホ基を有するスルホン化剤と尿素を接触させる接触工程と、この接触工程後のパルプのセルロース繊維の水酸基の少なくとも一部にスルホ基を導入する反応工程とを含んでいる。
(Chemical treatment step S2)
The chemical treatment step S2 includes a contact step of bringing urea into contact with a sulfonate having a sulfo group on the cellulose fiber of the fiber raw material containing cellulose such as depolymerized pulp, and the cellulose fiber of the pulp after this contact step. It includes a reaction step of introducing a sulfo group into at least a part of the hydroxyl group.

(化学処理工程S2における接触工程)
化学処理工程S2における接触工程は、セルロースを含む繊維原料に対してスルホン化剤と尿素を接触させる工程である。この接触工程は、上記接触を起こさせることができる方法であれば、とくに限定されない。
例えば、スルホン化剤と尿素を共存させた反応液に繊維原料(解重合されたパルプ、以下同じ)を浸漬等させて反応液を含浸させてもよいし、繊維原料に対してかかる反応液を塗布してもよいし、繊維原料に対してスルホン化剤と尿素をそれぞれ別々に塗布したり、含浸させたりしてもよい。
これらの方法のうち、上記反応液に繊維原料を浸漬させて繊維原料に反応液を含浸させる方法を採用すれば、均質にスルホン化剤と尿素を繊維原料に対して接触させることができるので好ましい。
(Contact step in chemical treatment step S2)
The contact step in the chemical treatment step S2 is a step of bringing the sulfonate and urea into contact with the fiber raw material containing cellulose. This contact step is not particularly limited as long as it is a method capable of causing the contact.
For example, a fiber raw material (depolymerized pulp, the same applies hereinafter) may be immersed in a reaction solution in which a sulfonate agent and urea coexist to impregnate the reaction solution, or the reaction solution may be applied to the fiber raw material. It may be applied, or the fiber raw material may be separately applied or impregnated with the sulfonate and urea.
Among these methods, if the method of immersing the fiber raw material in the reaction solution and impregnating the fiber raw material with the reaction solution is adopted, the sulfonate and urea can be uniformly brought into contact with the fiber raw material, which is preferable. ..

(反応液の混合比)
上記反応液に繊維原料を浸漬させて繊維原料に反応液を含浸させる方法を採用する場合には、反応液に含まれるスルホン化剤と尿素の混合比は、とくに限定されない。
例えば、スルホン化剤と尿素は、濃度比(g/L)において、4:1(1:0.25)、2:1(1:0.5)、1:1、1:2.5となるように調整するこができる。
(Mixing ratio of reaction solution)
When the method of immersing the fiber raw material in the reaction solution and impregnating the fiber raw material with the reaction solution is adopted, the mixing ratio of the sulfonate and urea contained in the reaction solution is not particularly limited.
For example, the sulfonate and urea are in a concentration ratio (g / L) of 4: 1 (1: 0.25), 2: 1 (1: 0.5), 1: 1, 1: 2.5. Can be adjusted to be.

スルホン化剤と尿素を水に溶解してそれぞれの濃度が、200g/Lと100g/Lになるように調整した場合には、濃度比(g/L)において、スルホン化剤:尿素が2:1の反応液を調製することができる。言い換えれば、尿素は、スルファミン酸100重量部に対して50重量部となるように調製すれば、スルホン化剤:尿素が2:1の反応液を調製することができる。
また、スルホン化剤と尿素を水に溶解してそれぞれの濃度が、200g/Lと500g/Lになるように調整すれば、濃度比(g/L)において、スルホン化剤:尿素が1:2.5の反応液を調製することができる。
When the sulfonate and urea were dissolved in water and the respective concentrations were adjusted to 200 g / L and 100 g / L, the sulfonate: urea was 2: in the concentration ratio (g / L). The reaction solution of 1 can be prepared. In other words, if urea is prepared so as to be 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sulfamic acid, a reaction solution having a sulfonate: urea of 2: 1 can be prepared.
Further, if the sulfonate and urea are dissolved in water and the respective concentrations are adjusted to 200 g / L and 500 g / L, the sulfonate: urea is 1: in the concentration ratio (g / L). A reaction solution of 2.5 can be prepared.

(反応液の接触量)
繊維原料に接触させる反応液の量もとくに限定されない。
例えば、反応液と繊維原料を接触させた状態において、反応液に含まれるスルホン化剤が、繊維原料の乾燥重量100重量部に対して、1重量部〜20,000重量部であり、反応液に含まれる尿素および/またはその誘導体が、繊維原料の乾燥重量100重量部に対して、1重量部〜100,000重量部となるように調製することができる。
(Contact amount of reaction solution)
The amount of the reaction solution to be brought into contact with the fiber raw material is also not particularly limited.
For example, in a state where the reaction solution and the fiber raw material are in contact with each other, the sulfone agent contained in the reaction solution is 1 part by weight to 20,000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the dry weight of the fiber raw material. The urea and / or its derivative contained in the above can be prepared so as to be 1 part by weight to 100,000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the dry weight of the fiber raw material.

(化学処理工程S2における反応工程)
化学処理工程S2における反応工程は、上述したように繊維原料に含まれるセルロース繊維の水酸基に接触させたスルホン化剤のスルホ基を置換して、繊維原料に含まれるセルロース繊維にスルホ基を導入する工程である。
この反応工程は、セルロース繊維の水酸基にスルホ基を置換するスルホン化反応が可能な方法であれば、とくに限定されない。
(Reaction step in chemical treatment step S2)
In the reaction step in the chemical treatment step S2, as described above, the sulfo group of the sulfonizing agent brought into contact with the hydroxyl group of the cellulose fiber contained in the fiber raw material is replaced, and the sulfo group is introduced into the cellulose fiber contained in the fiber raw material. It is a process.
This reaction step is not particularly limited as long as it is a method capable of a sulfonation reaction in which the hydroxyl group of the cellulose fiber is substituted with a sulfo group.

例えば、上記反応液を接触(例えば、反応液を含浸)させた繊維原料を、そのままの状態で反応工程に供給し、所定の温度で加熱すれば、繊維原料に含まれるセルロース繊維にスルホ基を適切に導入することができる。
具体的には、反応工程において、供給した繊維原料に対して熱を供給しながらスルホン化反応を進行させることができる。つまり、反応工程において加熱を行えば、上記反応液が含浸および/または付着した状態の繊維原料を乾燥させながら繊維原料に含まれるセルロース繊維の水酸基に対してスルホ基を導入するスルホン化反応を行わせることができる。この場合、スルホン化反応における水分量(繊維原料に付着等した反応液中の水分量)を低減できるので、かかる水分による影響(例えば、反応障害や加水分解など)を抑制した状態で、スルホン化反応を行わせることができるようになる。
このため、反応工程において、所定の温度で加熱しながら反応を行うことにより、供給した繊維原料に含まれるセルロース繊維へのダメージを抑制しつつ、セルロース繊維の水酸基に対するスルホ基の導入効率を向上させることができる。しかも、後述するように、短時間でセルロース繊維の所定の水酸基に対してスルホ基を適切に導入させることができる。
For example, if the fiber raw material in which the above reaction solution is contacted (for example, impregnated with the reaction solution) is supplied to the reaction step as it is and heated at a predetermined temperature, the cellulose fibers contained in the fiber raw material are provided with sulfo groups. Can be properly introduced.
Specifically, in the reaction step, the sulfonation reaction can proceed while supplying heat to the supplied fiber raw material. That is, if heating is performed in the reaction step, a sulfonation reaction is carried out in which a sulfo group is introduced into the hydroxyl groups of the cellulose fibers contained in the fiber raw material while drying the fiber raw material in which the reaction solution is impregnated and / or adhered. Can be made. In this case, since the amount of water in the sulfonate reaction (the amount of water in the reaction solution adhering to the fiber raw material) can be reduced, sulfonation is performed while the influence of such water (for example, reaction failure, hydrolysis, etc.) is suppressed. You will be able to make a reaction.
Therefore, in the reaction step, by carrying out the reaction while heating at a predetermined temperature, the efficiency of introducing the sulfo group into the hydroxyl group of the cellulose fiber is improved while suppressing the damage to the cellulose fiber contained in the supplied fiber raw material. be able to. Moreover, as will be described later, the sulfo group can be appropriately introduced into a predetermined hydroxyl group of the cellulose fiber in a short time.

なお、反応工程に供給する際の繊維原料は、上述したように水分を含んでいれば、とくに限定されない。例えば、反応工程に供給する際の繊維原料は、接触工程後の含水率が高い状態のものであってもよいし、反応工程に供給する前に脱水処理等して含水率を低くしてもよいし、乾燥処理等をしてさらに含水率を低くした状態にしてもよい。言い換えれば、反応工程に供給する際の繊維原料が、水分を含んでいない以外の状態つまり含水率が1%以上の非絶乾状態であれば、とくに限定されない。 The fiber raw material to be supplied to the reaction step is not particularly limited as long as it contains water as described above. For example, the fiber raw material to be supplied to the reaction step may have a high water content after the contact step, or may be dehydrated or the like to lower the water content before being supplied to the reaction step. Alternatively, it may be in a state where the water content is further lowered by a drying treatment or the like. In other words, the fiber raw material to be supplied to the reaction step is not particularly limited as long as it is in a state other than that it does not contain water, that is, in a non-absolute state having a water content of 1% or more.

本明細書中では、このような含水率が1%以上の非絶乾状態の繊維原料を水分を含んだ状態(つまり湿潤状態)といい、反応液を含浸等させたままの状態のものやある程度脱水処理した状態のものはもちろん、ある程度乾燥処理した状態のものも本願明細書では湿潤状態という。
本明細書中では、絶乾とは、含水率が1%よりも低い状態のものをいう。そして、絶乾にする乾燥処理工程とは、例えば、塩化カルシウムや五酸化二リンなどの乾燥剤を入れたデシケータ等で減圧して乾燥処理する工程をいう。つまり、本願明細書中における反応工程に供給する前の繊維原料を乾燥処理する工程は、絶乾にする乾燥処理工程ではない。
In the present specification, such a non-dehydrated fiber raw material having a water content of 1% or more is referred to as a state containing water (that is, a wet state), and is in a state of being impregnated with a reaction solution or the like. Not only those that have been dehydrated to some extent, but also those that have been dried to some extent are referred to as wet states in the present specification.
In the present specification, the term "absolutely dry" means a state in which the moisture content is lower than 1%. The drying treatment step of making the product absolutely dry means, for example, a step of reducing the pressure with a desiccator containing a desiccant such as calcium chloride or diphosphorus pentoxide. That is, the step of drying the fiber raw material before supplying it to the reaction step in the specification of the present application is not a drying treatment step of making it absolutely dry.

反応工程に供給する際の繊維原料が反応液を含浸等させたままの状態とは、例えば、反応液を接触させて水分がしたたり落ちるような状態、つまり、含水率が100%に近い状態であってもよい。
また、反応工程に供給する際の繊維原料が上記接触工程後の繊維原料から水分をある程度除去したような状態とは、反応工程に供給する際に絶乾状態(反応工程へ供給する際の繊維原料の含水率が1%よりも低い状態)でない状態のことをいい、含水率が1%以上であればとくに限定されない。このような接触工程後の繊維原料から水分をある程度除去する方法は、上述したような、接触工程後の繊維原料を脱水等の処理をしてもよいし、脱水等の処理をした後に乾燥処理をしてもよいし、接触工程後の繊維原料を直接乾燥処理してもよい。
The state in which the fiber raw material is impregnated with the reaction solution when supplied to the reaction step is, for example, a state in which the reaction solution is brought into contact with the fiber material so that water drips, that is, a state in which the water content is close to 100%. It may be.
Further, a state in which the fiber raw material supplied to the reaction step has water removed from the fiber raw material after the contact step to some extent means that the fiber is in an absolutely dry state when supplied to the reaction step (fibers when supplied to the reaction step). It refers to a state in which the water content of the raw material is not lower than 1%), and is not particularly limited as long as the water content is 1% or more. In such a method of removing water from the fiber raw material after the contact step to some extent, the fiber raw material after the contact step may be dehydrated or the like as described above, or may be dehydrated and then dried. Or the fiber raw material after the contact step may be directly dried.

この場合、水分がある程度除去されているので、取り扱い性や操作性が向上するという利点が得られる。脱水処理としては、例えば、吸引脱水や遠心脱水等の一般的な処理方法を採用することができ、反応工程へ供給する際の繊維原料の含水率が20%〜80%程度となるように調整することができる。また、乾燥処理としては、例えば、乾燥機などの一般的な装置を用いた乾燥処理を採用することができ、乾燥処理後の繊維原料の含水率が1%以上20%よりも小さくなるように調整することができる。 In this case, since the water is removed to some extent, there is an advantage that the handleability and operability are improved. As the dehydration treatment, for example, a general treatment method such as suction dehydration or centrifugal dehydration can be adopted, and the water content of the fiber raw material when supplied to the reaction step is adjusted to be about 20% to 80%. can do. Further, as the drying treatment, for example, a drying treatment using a general device such as a dryer can be adopted so that the water content of the fiber raw material after the drying treatment is 1% or more and smaller than 20%. Can be adjusted.

なお、本明細書中の含水率は、下記式で算出することができる。

含水率(%)=100−(繊維原料の固形分重量(g)/接触工程後の含水率測定時における繊維原料の重量(g))×100

繊維原料の固形分重量(g)は、測定に供する繊維原料自体の乾燥重量である。例えば、反応工程に供給される繊維原料の乾燥重量2gに対して、同程度の水分量を含む含水率50%程度の繊維原料を事前に乾燥機を用いて105℃で2時間乾燥させたものを測定して得られた値を用いることができる。
接触工程後の含水率測定時における繊維原料の重量(g)は、接触工程後の測定時における繊維原料の重量である。例えば、上述した反応工程に供給する際の繊維原料の重量や、接触工程後の脱水処理をした後の繊維原料の重量、乾燥処理をした後の繊維原料の重量などが挙げることができる。
The water content in the present specification can be calculated by the following formula.

Moisture content (%) = 100- (solid content weight of fiber raw material (g) / weight of fiber raw material at the time of water content measurement after contact step (g)) x 100

The solid content weight (g) of the fiber raw material is the dry weight of the fiber raw material itself to be measured. For example, a fiber raw material having a water content of about 50% and containing the same amount of water is dried in advance at 105 ° C. for 2 hours with respect to a dry weight of 2 g of the fiber raw material supplied to the reaction step. The value obtained by measuring can be used.
The weight (g) of the fiber raw material at the time of measuring the water content after the contact step is the weight of the fiber raw material at the time of measuring after the contact step. For example, the weight of the fiber raw material when supplied to the above-mentioned reaction step, the weight of the fiber raw material after the dehydration treatment after the contact step, the weight of the fiber raw material after the drying treatment, and the like can be mentioned.

(反応工程における反応温度)
反応工程における反応温度は、繊維の熱分解や加水分解反応を抑えながら、上記繊維原料を構成するセルロース繊維にスルホ基を導入できる温度であれば、とくに限定されない。
具体的には、接触工程後の繊維原料を直接的または間接的に上記要件を満たしながら加熱することができるものであればよい。このようなものとしては、公知の乾燥機や、減圧乾燥機、マイクロ波加熱装置、オートクレーブ、赤外線加熱装置、熱プレス機(例えば、アズワン(株)製、AH―2003C)を用いたホットプレス法等を採用することができる。とくに、反応工程において、ガスが発生する可能性があるので、循環送風式の乾燥機を使用するのが好ましい。
(Reaction temperature in the reaction process)
The reaction temperature in the reaction step is not particularly limited as long as it is a temperature at which a sulfo group can be introduced into the cellulose fibers constituting the fiber raw material while suppressing the thermal decomposition and hydrolysis reactions of the fibers.
Specifically, the fiber raw material after the contact step may be directly or indirectly heated while satisfying the above requirements. Examples of such a method include a hot press method using a known dryer, a vacuum dryer, a microwave heating device, an autoclave, an infrared heating device, and a heat press machine (for example, AH-2003C manufactured by AS ONE Corporation). Etc. can be adopted. In particular, since gas may be generated in the reaction step, it is preferable to use a circulation blower type dryer.

なお、接触工程後の繊維原料の形状はとくに限定されないが、例えば、シート状にしたものや、ある程度ほぐした状態で上記機器等を用いて加熱すれば、反応を均一に進行させやすくなるので好ましい。 The shape of the fiber raw material after the contact step is not particularly limited, but for example, it is preferable to heat the fiber raw material in a sheet shape or in a state of being loosened to some extent using the above-mentioned equipment, because the reaction can be promoted uniformly. ..

反応工程における反応温度は、上記要件を満たせば、とくに限定されない。
例えば、雰囲気温度は、250℃以下が好ましく、より好ましくは雰囲気温度が200℃以下であり、さらに好ましくは雰囲気温度が180℃以下である。
加熱時における雰囲気温度が250℃よりも高くなると、上述したように熱分解が起こったり、繊維の変色の進行が早くなったりする。一方、反応温度が100℃よりも低くなると、反応時間が長くなる傾向にある。
したがって、作業性の観点から、加熱時における反応温度(具体的には雰囲気温度)が100℃以上250℃以下、より好ましくは100℃以上200℃以下、さらに好ましくは100℃以上180℃以下となるように調整する。
The reaction temperature in the reaction step is not particularly limited as long as the above requirements are satisfied.
For example, the ambient temperature is preferably 250 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or lower, and even more preferably 180 ° C. or lower.
If the ambient temperature during heating is higher than 250 ° C., thermal decomposition occurs as described above, and the progress of discoloration of the fibers becomes faster. On the other hand, when the reaction temperature is lower than 100 ° C., the reaction time tends to be long.
Therefore, from the viewpoint of workability, the reaction temperature (specifically, the ambient temperature) during heating is 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and further preferably 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. Adjust so that.

(反応工程における反応時間)
反応工程として上記加熱方法を採用した場合の加熱時間(つまり反応時間)は、上述したようにセルロース繊維にスルホ基を適切に導入することができれば、とくに限定されない。
(Reaction time in reaction process)
The heating time (that is, reaction time) when the above heating method is adopted as the reaction step is not particularly limited as long as the sulfo group can be appropriately introduced into the cellulose fiber as described above.

例えば、反応工程における反応時間は、反応温度を上記範囲となるように調整した場合、1分以上となるように調整する。より具体的には、5分以上が好ましく、より好ましくは10分以上であり、さらに好ましくは20分以上とする。
反応時間が1分よりも短い場合は、セルロース繊維の水酸基に対するスルホ基の置換反応がほとんど進行していないと推察される。一方、加熱時間をあまり長くしてもスルホ基の導入量の向上が期待できない傾向にある。
For example, the reaction time in the reaction step is adjusted to be 1 minute or more when the reaction temperature is adjusted to be within the above range. More specifically, it is preferably 5 minutes or longer, more preferably 10 minutes or longer, and even more preferably 20 minutes or longer.
When the reaction time is shorter than 1 minute, it is presumed that the substitution reaction of the sulfo group with respect to the hydroxyl group of the cellulose fiber has hardly proceeded. On the other hand, even if the heating time is too long, the amount of sulfo groups introduced tends not to be improved.

つまり、反応工程における反応時間は、繊維原料に反応液を接触させて繊維原料中のセルロース繊維の水酸基の一部をスルホ基に置換することができればよい。この反応工程を経て調製されたスルホン化パルプ繊維は、上記反応液と反応させることによって、反応前後における繊維長保持率(%)を高く維持することができるようなる。
したがって、反応工程として上記加熱方法を採用した場合の反応時間は、とくに限定されないが、反応時間や操作性の観点から、5分以上300分以内が好ましく、より好ましくは5分以上120分以内とするのがよい。
That is, for the reaction time in the reaction step, it is sufficient that the reaction solution can be brought into contact with the fiber raw material to replace a part of the hydroxyl groups of the cellulose fibers in the fiber raw material with sulfo groups. By reacting the sulfonated pulp fiber prepared through this reaction step with the above reaction solution, the fiber length retention rate (%) before and after the reaction can be maintained high.
Therefore, the reaction time when the above heating method is adopted as the reaction step is not particularly limited, but is preferably 5 minutes or more and 300 minutes or less, more preferably 5 minutes or more and 120 minutes or less, from the viewpoint of reaction time and operability. It is better to do it.

(スルホン化剤)
反応工程におけるスルホン化剤は、スルホ基を有する化合物であればとくに限定されない。
例えば、スルファミン酸、スルファミン酸塩、硫黄と共有結合する2つの酸素を持つスルホニル基を有するスルフリル化合物などを挙げることができる。なお、スルホン化剤として、これらの化合物を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
スルホン化剤は、上記のような化合物であればとくに限定されないが、硫酸等と比べて酸性度が低く、スルホ基の導入効率が高く、低コストで、安全性が高いので取り扱い性の観点から、スルファミン酸を採用するのが好ましい。
(Sulfonizing agent)
The sulfonate agent in the reaction step is not particularly limited as long as it is a compound having a sulfo group.
For example, sulfamic acid, sulfamate, sulfyl compounds having a sulfonyl group having two oxygen covalently bonded to sulfur, and the like can be mentioned. As the sulfonate agent, these compounds may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.
The sulfonate agent is not particularly limited as long as it is a compound as described above, but it has a lower acidity than sulfuric acid or the like, a high efficiency of introducing a sulfo group, a low cost, and a high safety, so from the viewpoint of handleability. , Sulfamic acid is preferably used.

(繊維原料)
スルホン化微細セルロース繊維の製造方法に用いられる繊維原料は、上述したようにセルロースを含むものであれば、とくに限定されない。
例えば、一般的にパルプといわれるものを用いてもよいし、ホヤや海藻などから単離されるセルロースなどを含むものを繊維原料として採用することができるが、セルロース分子で構成されたものであれば、どのようなものであってもよい。
上記パルプとしては、例えば、木材系のパルプ(以下単に木材パルプという)や、溶解パルプ、コットンリンタなどの綿系のパルプ、麦わらや、バガス、楮、三椏、麻、ケナフのほか、果物等などの非木材系のパルプ、新聞古紙、雑誌古紙やダンボール古紙などから製造された古紙系のパルプなどを挙げることができるが、これらに限定されない。なお、入手のし易さの観点から、木材パルプが繊維原料として採用しやすい。
(Fiber raw material)
The fiber raw material used in the method for producing a sulfonated fine cellulose fiber is not particularly limited as long as it contains cellulose as described above.
For example, what is generally called pulp may be used, or a material containing cellulose isolated from sea squirts, seaweed, etc. can be used as a fiber raw material, but any material composed of cellulose molecules can be used. , Anything can be used.
Examples of the above-mentioned pulp include wood-based pulp (hereinafter simply referred to as wood pulp), melted pulp, cotton-based pulp such as cotton linter, straw, bagus, 楮, sansho, hemp, kenaf, and fruits. Non-wood pulp, used newspaper pulp, used paper pulp produced from used magazine paper, used cardboard, etc., but are not limited to these. From the viewpoint of availability, wood pulp is easy to use as a fiber raw material.

この木材パルプには、様々な種類が存在するが、使用に際してとくに限定されない。例えば、針葉樹クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹クラフトパルプ(LBKP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)などの製紙用パルプなどを挙げることができる。
なお、繊維原料として、上記パルプを使用する場合に上述した種類のパルプ1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
There are various types of this wood pulp, but the use is not particularly limited. For example, papermaking pulp such as softwood kraft pulp (NBKP), hardwood kraft pulp (LBKP), and thermomechanical pulp (TMP) can be mentioned.
When the above-mentioned pulp is used as the fiber raw material, one of the above-mentioned types of pulp may be used alone, or two or more of them may be mixed and used.

(乾燥工程)
反応工程に供給する際の繊維原料の状態は、上述したように、反応工程に供給する際に水分を含んだ状態であればよく、かかる状態を維持した状態であれば、接触工程と反応工程の間に乾燥工程を含んでいてもよい。
この乾燥工程は、反応工程の前処理工程として機能する工程であり、接触工程後の繊維原料の含水率を少なくする工程である。
(Drying process)
As described above, the state of the fiber raw material when it is supplied to the reaction step may be a state in which water is contained when it is supplied to the reaction step, and if such a state is maintained, the contact step and the reaction step. A drying step may be included between the two.
This drying step is a step that functions as a pretreatment step of the reaction step, and is a step of reducing the water content of the fiber raw material after the contact step.

ここで、乾燥工程後の繊維原料は、含水率が1%以上になるように調整するのが望ましい。乾燥工程後の繊維原料の含水率が1%よりも低い状態つまり絶乾状態になるまで乾燥した状態の繊維原料を反応工程に供給した場合、絶乾状態により繊維原料における繊維間の水素結合が強固に作用して反応工程におけるスルホン化反応が適切に進行しにくくなる可能性がある。このため、乾燥工程においては、乾燥工程後の繊維原料の含水率が1%以上となるように調整するのが望ましい。 Here, it is desirable that the fiber raw material after the drying step is adjusted so that the water content is 1% or more. When the fiber raw material in a state where the water content of the fiber raw material after the drying step is lower than 1%, that is, in a state of being dried until it becomes an absolutely dry state is supplied to the reaction step, the hydrogen bond between the fibers in the fiber raw material is formed due to the absolute dry state. It may act strongly and make it difficult for the sulfonated reaction in the reaction step to proceed properly. Therefore, in the drying step, it is desirable to adjust the water content of the fiber raw material after the drying step to be 1% or more.

また、乾燥工程を設ければ、つぎのような利点が得られる。
反応工程へ供給する際の繊維原料の含水率が多い場合には、反応工程における加熱反応でスルファミン酸や尿素等の一部が加水分解を受けて反応効率が低下する可能性があったり、条件によっては微細化用の繊維原料として望ましくない反応が起きてしまう可能性がある。そこで、上記加熱反応時における障害等の可能性を抑制する観点で、反応工程前に繊維原料の含水率を低くする乾燥工程を設けてもよい。
乾燥工程を設けることにより、次工程の反応工程において、上記障害等の可能性を抑制できるほか、エステル化反応の反応時間を短縮でき、しかも操作性を向上させることができるようになる。つまり、乾燥工程を設けることにより、接触工程後の繊維原料に付着している反応液中の水分を反応工程に供給する際に適切に除去した状態にできるので、反応工程に供給する際の繊維原料中のスルファミン酸の濃度を上昇させることができる。このため、反応工程において、繊維原料中の水酸基とスルファミン酸とのエステル化反応をより促進させやすくなるという利点が得られる。
Further, if the drying step is provided, the following advantages can be obtained.
If the water content of the fiber raw material when it is supplied to the reaction step is high, some of the sulfamic acid, urea, etc. may be hydrolyzed during the heating reaction in the reaction step, and the reaction efficiency may decrease. In some cases, an undesired reaction may occur as a fiber raw material for micronization. Therefore, from the viewpoint of suppressing the possibility of damage during the heating reaction, a drying step of lowering the water content of the fiber raw material may be provided before the reaction step.
By providing the drying step, in the reaction step of the next step, the possibility of the above-mentioned obstacles and the like can be suppressed, the reaction time of the esterification reaction can be shortened, and the operability can be improved. That is, by providing the drying step, the water in the reaction liquid adhering to the fiber raw material after the contact step can be appropriately removed when it is supplied to the reaction step, so that the fiber when it is supplied to the reaction step can be obtained. The concentration of sulfamic acid in the raw material can be increased. Therefore, in the reaction step, there is an advantage that the esterification reaction between the hydroxyl group in the fiber raw material and sulfamic acid can be more easily promoted.

なお、乾燥工程において、乾燥工程後の繊維原料の含水率が上述したように1%以上となるように調整されていれば、その方法はとくに限定されない。例えば、乾燥機を用いて、乾燥工程後の繊維原料の含水率が雰囲気中の水分量とほぼ平衡状態となるように調整してもよいし、含水率が15%以下、10%以下、さらには5%程度にまでなるように調整してもよい。 In the drying step, the method is not particularly limited as long as the water content of the fiber raw material after the drying step is adjusted to be 1% or more as described above. For example, a dryer may be used to adjust the water content of the fiber raw material after the drying step so that it is in an equilibrium state with the water content in the atmosphere, or the water content is 15% or less, 10% or less, and further. May be adjusted to be up to about 5%.

ここで、本明細書における平衡状態とは、処理施設内における雰囲気中の水分と原料中の水分が見かけ上出入りしなくなる状態のことを意味する。具体的には、一定時間(例えば2時間)乾燥させたのち、連続して測定した2回の重量の変化量が乾燥開始時の重量に対して1%以内となった状態を意味する(ただし、2回目の重量の測定は1回目に要した乾燥時間の半分以上とする)。 Here, the equilibrium state in the present specification means a state in which the moisture in the atmosphere and the moisture in the raw material in the treatment facility apparently do not enter and exit. Specifically, it means a state in which after drying for a certain period of time (for example, 2 hours), the amount of change in weight measured twice in succession is within 1% of the weight at the start of drying (however). Second, the second weight measurement shall be at least half of the drying time required for the first time).

乾燥工程における乾燥温度は、とくに限定されないが、反応工程における加熱反応の加熱温度よりも低い温度で乾燥するのが望ましい。加熱時における雰囲気温度が100℃よりも高くなると、スルホン化剤等の分解が起こる可能性がある。一方、加熱時における雰囲気温度が20℃よりも低いと、乾燥に時間がかかる。したがって、乾燥工程における乾燥温度は、例えば、乾燥時における雰囲気温度が100℃以下が好ましく、より好ましくは20℃以上100℃以下であり、さらに好ましくは、50℃以上100℃以下である。つまり、乾燥工程における乾燥時の雰囲気温度は、100℃以下が好ましく、操作性の観点では20℃以上となるように調整するのが好ましい。 The drying temperature in the drying step is not particularly limited, but it is desirable to dry at a temperature lower than the heating temperature of the heating reaction in the reaction step. If the ambient temperature during heating is higher than 100 ° C., decomposition of the sulfonate and the like may occur. On the other hand, if the ambient temperature during heating is lower than 20 ° C., it takes time to dry. Therefore, the drying temperature in the drying step is, for example, preferably an atmospheric temperature of 100 ° C. or lower, more preferably 20 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. That is, the atmospheric temperature during drying in the drying step is preferably 100 ° C. or lower, and is preferably adjusted to 20 ° C. or higher from the viewpoint of operability.

(洗浄工程)
化学処理工程S2における反応工程の後に、スルホ基を導入した後のスルホン化パルプ繊維を洗浄する洗浄工程を含んでもよい。
スルホ基を導入した後のスルホン化パルプ繊維は、スルホン化剤の影響により表面が酸性になっている。また、未反応の反応液も存在した状態となっている。このため、反応を確実に終了させ、余分な反応液を除去して中性状態にする洗浄工程を設ければ、取り扱い性を向上させることができるようなる。
(Washing process)
After the reaction step in the chemical treatment step S2, a washing step of washing the sulfonated pulp fibers after introducing the sulfo group may be included.
The surface of the sulfonated pulp fiber after the introduction of the sulfo group is acidified due to the influence of the sulfonate agent. In addition, an unreacted reaction solution is also present. Therefore, if a cleaning step is provided to ensure that the reaction is terminated and the excess reaction solution is removed to bring the reaction solution into a neutral state, the handleability can be improved.

この洗浄工程は、スルホ基を導入した後のスルホン化パルプ繊維がほぼ中性になるようにできれば、とくに限定されない。例えば、スルホ基を導入した後のスルホン化パルプ繊維が中性になるまで純水等で洗浄するという方法を採用することができる。また、アルカリ等を用いた中和洗浄を行ってもよい。かかる中和洗浄を行う場合、アルカリ溶液に含まれアルカリ化合物としては、無機アルカリ化合物、有機アルカリ化合物などを挙げることができる。そして、無機アルカリ化合物としては、アルカリ金属の水酸化物、炭酸塩、リン酸塩等を挙げることができる。有機アルカリ化合物としては、アンモニア、脂肪族アミン、芳香族アミン、脂肪族アンモニウム、芳香族アンモニウム、複素環式化合物、複素環式化合物の水酸化物などを挙げることができる。 This washing step is not particularly limited as long as the sulfonated pulp fiber after introducing the sulfo group can be made substantially neutral. For example, a method of washing with pure water or the like until the sulfonated pulp fiber after introducing the sulfo group becomes neutral can be adopted. Further, neutralization cleaning using alkali or the like may be performed. When such neutralization cleaning is performed, examples of the alkaline compound contained in the alkaline solution include an inorganic alkaline compound and an organic alkaline compound. Examples of the inorganic alkali compound include alkali metal hydroxides, carbonates, phosphates and the like. Examples of the organic alkaline compound include ammonia, an aliphatic amine, an aromatic amine, an aliphatic ammonium, an aromatic ammonium, a heterocyclic compound, and a hydroxide of a heterocyclic compound.

(微細化処理工程S3)
微細化処理工程S3は、化学処理工程S2で得られたスルホン化パルプ繊維を微細化して所定の大きさの(例えば、ナノレベル)微細繊維にする工程である。
この微細化処理工程S3に用いられる処理装置(解繊機器)は、上記機能を有するものであれば、とくに限定されない。
例えば、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー(石臼型粉砕機)、ボールミル、カッターミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用のミキサーなどを使用することができるが、処理装置は、これらの装置に限定されるものはない。これらのうち、材料に均等に力を加えることができ、均質化に優れているという点で、高圧ホモジナイザーを用いるのが望ましいが、かかる装置に限定されない。
(Miniaturization processing step S3)
The micronization treatment step S3 is a step of refining the sulfonated pulp fiber obtained in the chemical treatment step S2 into fine fibers having a predetermined size (for example, nano level).
The processing apparatus (defibration equipment) used in the miniaturization processing step S3 is not particularly limited as long as it has the above functions.
For example, a low pressure homogenizer, a high pressure homogenizer, a grinder (stone mill type crusher), a ball mill, a cutter mill, a jet mill, a short shaft extruder, a twin shaft extruder, an ultrasonic stirrer, a household mixer, etc. can be used. , The processing device is not limited to these devices. Of these, it is desirable to use a high-pressure homogenizer in that the force can be applied evenly to the material and the homogenization is excellent, but the device is not limited to this.

微細化処理工程S3において、高圧ホモジナイザーを用いる場合、上述した製法で得られたスルホン化パルプ繊維を水などの水溶性溶媒に分散させた状態で供給する。なお、以下では、スルホン化パルプ繊維を分散させた状態の溶液をスラリーという。 When a high-pressure homogenizer is used in the miniaturization treatment step S3, the sulfonated pulp fibers obtained by the above-mentioned production method are supplied in a state of being dispersed in a water-soluble solvent such as water. In the following, a solution in which sulfonated pulp fibers are dispersed is referred to as a slurry.

このスラリーのスルホン化パルプ繊維の固形分濃度は、とくに限定されない。例えば、このスラリーのスルホン化パルプ繊維の固形分濃度が、0.1質量%〜20質量%となるように調整した溶液を高圧ホモジナイザー等の処理装置に供給すればよい。
例えば、スルホン化パルプ繊維の固形分濃度が0.5質量%となるように調整したスラリーを高圧ホモジナイザー等の処理装置に供給した場合、同じ固形分濃度のスルホン化微細セルロース繊維が水溶性溶媒に分散した状態の分散液を得ることができる。つまり、この場合であればスルホン化微細セルロース繊維の固形分濃度が0.5質量%となるように調整された分散液を得ることができる。
The solid content concentration of the sulfonated pulp fiber of this slurry is not particularly limited. For example, a solution adjusted so that the solid content concentration of the sulfonated pulp fiber of this slurry is 0.1% by mass to 20% by mass may be supplied to a processing apparatus such as a high-pressure homogenizer.
For example, when a slurry adjusted so that the solid content concentration of the sulfonated pulp fiber is 0.5% by mass is supplied to a processing device such as a high-pressure homogenizer, the sulfonated fine cellulose fiber having the same solid content concentration becomes a water-soluble solvent. A dispersion liquid in a dispersed state can be obtained. That is, in this case, it is possible to obtain a dispersion liquid adjusted so that the solid content concentration of the sulfonated fine cellulose fibers is 0.5% by mass.

微細化処理工程S3において、処理装置として高圧ホモジナイザーを用いる場合の解繊圧力や解繊回数は、所望の粘度特性(粘度、TI値)を有するスルホン化微細セルロース繊維を適切に調製することができれば、とくに限定されない。 In the miniaturization treatment step S3, when a high-pressure homogenizer is used as the treatment apparatus, the defibration pressure and the number of defibrations are determined if sulfonated fine cellulose fibers having desired viscosity characteristics (viscosity, TI value) can be appropriately prepared. , Not particularly limited.

(解繊圧力により調整する場合)
例えば、高圧ホモジナイザーの解繊圧力により調製する場合、スラリーのスルホン化パルプ繊維の固形分濃度が0.5質量%の状態において、解繊圧力が100MPa以下となるように調整するのが好ましく、より好ましくは60MPa以下である。
解繊圧力を100MPaよりも高い高圧の解繊力でスルホン化パルプ繊維を解繊すれば、ユニット繊維の連結数が減少してスルホン化微細セルロース繊維の繊維長が短くなる傾向にある。かかる理由は、スルホン化微細セルロース繊維の製造方法では、微細化処理工程S3に供するスルホン化パルプ繊維は重合度低下処理工程S1により解重合された状態となっていることに起因するものと推測される。
このため、100MPaよりも高圧の解繊力により得られるスルホン化微細セルロース繊維の繊維長つまりユニット繊維の連結数が低下する傾向にある。そして、このユニット繊維の連結数の低下は、スルホン化微細セルロース繊維の繊維長の低下となり、その分散液の粘性も低下する傾向にある。
したがって、微細化処理工程S3において処理装置(解繊機器)として高圧ホモジナイザーを用いて、その解繊圧力によりスルホン化微細セルロース繊維の粘性を調整する場合には、その解繊圧力は100MPa以下となるように調整するのが好ましく、より好ましくは60MPa以下である。
また、解繊圧力とスルホン化微細セルロース繊維の粘性は、相関性を有する傾向にあることから、高い粘性を有するスルホン化微細セルロース繊維を調製する場合には解繊圧力を低くしながら適宜調整すればよい。例えば、解繊圧力を30MPa以下、15MPa以下となるように調整することができる。つまり、解繊圧力を調整することにより、スルホン化微細セルロース繊維の粘度特性を調整することができる。
(When adjusting by defibration pressure)
For example, when preparing by the defibration pressure of a high-pressure homogenizer, it is preferable to adjust the defibration pressure to be 100 MPa or less when the solid content concentration of the sulfonated pulp fiber of the slurry is 0.5% by mass. It is preferably 60 MPa or less.
If the sulfonated pulp fiber is defibrated with a defibration force having a defibration pressure higher than 100 MPa, the number of connected unit fibers tends to decrease and the fiber length of the sulfonated fine cellulose fiber tends to be shortened. It is presumed that the reason for this is that in the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber, the sulfonated pulp fiber to be subjected to the micronization treatment step S3 is in a state of being depolymerized by the degree of polymerization reduction treatment step S1. To.
Therefore, the fiber length of the sulfonated fine cellulose fiber obtained by the defibrating force higher than 100 MPa, that is, the number of connected unit fibers tends to decrease. Then, the decrease in the number of connected unit fibers tends to decrease the fiber length of the sulfonated fine cellulose fibers, and the viscosity of the dispersion liquid also tends to decrease.
Therefore, when a high-pressure homogenizer is used as a processing device (defibration equipment) in the miniaturization processing step S3 and the viscosity of the sulfonated fine cellulose fibers is adjusted by the defibration pressure, the defibration pressure is 100 MPa or less. It is preferable to adjust as such, and more preferably 60 MPa or less.
Further, since the defibration pressure and the viscosity of the sulfonated fine cellulose fiber tend to have a correlation, when preparing a sulfonated fine cellulose fiber having a high viscosity, the defibration pressure should be adjusted appropriately while being lowered. Just do it. For example, the defibration pressure can be adjusted to be 30 MPa or less and 15 MPa or less. That is, the viscosity characteristics of the sulfonated fine cellulose fibers can be adjusted by adjusting the defibration pressure.

(解繊回数により調整する場合)
また、例えば、高圧ホモジナイザーの解繊圧力を固定した状態で解繊回数(パス数)により調製する場合、スラリーのスルホン化パルプ繊維の固形分濃度が0.5質量%の状態において、解繊回数が30パス以下となるように調整するのが好ましい。また、操作性等の観点からは、25パス以下が好ましく、より好ましくは20パス以下であり、さらに好ましくは15パス以下であり、より好ましくは10パス以下である。
解繊回数が30パスよりも多くなると、ユニット繊維の連結数が減少してスルホン化微細セルロース繊維の繊維長が短くなる傾向にある。かかる理由は、上述した解繊圧力で調製する場合と同様の理由である。
したがって、微細化処理工程S3において処理装置(解繊機器)として高圧ホモジナイザーを用いて、その解繊回数(パス数)によりスルホン化微細セルロース繊維の粘性を調整する場合には、その解繊回数は上記範囲内となるように調整するのが好ましい。
(When adjusting according to the number of defibration)
Further, for example, when the high-pressure homogenizer is prepared by the number of defibration (number of passes) while the defibration pressure is fixed, the number of defibration is performed when the solid content concentration of the sulfonated pulp fiber of the slurry is 0.5% by mass. It is preferable to adjust so that the number of passes is 30 or less. From the viewpoint of operability and the like, 25 passes or less is preferable, 20 passes or less is more preferable, 15 passes or less is more preferable, and 10 passes or less is more preferable.
When the number of defibration is more than 30 passes, the number of connected unit fibers tends to decrease and the fiber length of the sulfonated fine cellulose fibers tends to be shortened. The reason for this is the same as in the case of preparing with the above-mentioned defibration pressure.
Therefore, when a high-pressure homogenizer is used as a processing device (defibration device) in the miniaturization processing step S3 and the viscosity of the sulfonated fine cellulose fiber is adjusted by the number of defibration (number of passes), the number of defibration is It is preferable to adjust so as to be within the above range.

また、解繊回数(パス数)とスルホン化微細セルロース繊維の粘性(つまり粘度)は、相関性を有する傾向にあることから、高い粘性を有するスルホン化微細セルロース繊維を調製する場合には解繊回数(パス数)を少なくすればよいし、粘性(粘度)を低くしたい場合には解繊回数(パス数)を多くしながら適宜調整すればよい。つまり、解繊回数(パス数)を調整することにより、スルホン化微細セルロース繊維の粘度特性を調整することができる。 Further, since the number of defibration (number of passes) and the viscosity (that is, viscosity) of the sulfonated fine cellulose fiber tend to have a correlation, defibration is performed when preparing a sulfonated fine cellulose fiber having a high viscosity. The number of times (number of passes) may be reduced, and when it is desired to reduce the viscosity (viscosity), the number of defibration (number of passes) may be increased and adjusted appropriately. That is, the viscosity characteristics of the sulfonated fine cellulose fibers can be adjusted by adjusting the number of defibration (number of passes).

一方、解繊回数(パス数)は、生産性の観点では、解繊回数は少ないほうが操作が少なくなる分、処理量を増加させることができ、しかも作業性を向上させることができ、さらにはコストを低減させることができるので、好ましい。かかる観点では、例えば、解繊回数(パス数)は、20パス以下が好ましく、より好ましくは15パス以下であり、さらに好ましくは10パス以下であり、特に好ましくは5パス以下である。 On the other hand, regarding the number of defibration (number of passes), from the viewpoint of productivity, the smaller the number of defibration, the smaller the number of operations, the more the processing amount can be increased, and the workability can be improved. It is preferable because the cost can be reduced. From this point of view, for example, the number of defibration (number of passes) is preferably 20 passes or less, more preferably 15 passes or less, still more preferably 10 passes or less, and particularly preferably 5 passes or less.

(解繊圧力と解繊回数により調整する場合)
また、スルホン化微細セルロース繊維は、解繊圧力と解繊回数に基づく解繊強度を調整することにより、所望の粘度特性(粘度、TI値)を発揮するように調製することができる。
(When adjusting according to the defibration pressure and the number of defibration)
Further, the sulfonated fine cellulose fiber can be prepared so as to exhibit desired viscosity characteristics (viscosity, TI value) by adjusting the defibration strength based on the defibration pressure and the number of defibration.

例えば、解繊圧力を30MPa以下で固定し、解繊回数(パス数)を増加させることで、解繊強度を調製することができる。
この解繊強度は、スルホン化パルプ繊維を解繊処理の際のスルホン化パルプ繊維に付与される解繊エネルギー(J)として定義することも可能である。
例えば、解繊処理に用いられる解繊機器の配管内を流れる水と解繊処理時の解繊圧力に基づいて、各解繊時の圧力における流量を算出する。ついで、この流量から水の流速を算出する。そして、このときの流量と各解繊処理時の解繊圧力に基づいて、各解繊処理における運動エネルギー(J)を算出することができる。この解繊強度を解繊エネルギー(J)で表す方法についての具体的な算出例は、後述する実施例に記載する。
For example, the defibration strength can be adjusted by fixing the defibration pressure at 30 MPa or less and increasing the number of defibration (number of passes).
This defibration strength can also be defined as the defibration energy (J) applied to the sulfonated pulp fiber during the defibration treatment.
For example, the flow rate at each defibration pressure is calculated based on the water flowing in the piping of the defibration equipment used for the defibration treatment and the defibration pressure during the defibration treatment. Then, the flow velocity of water is calculated from this flow rate. Then, the kinetic energy (J) in each defibration treatment can be calculated based on the flow rate at this time and the defibration pressure in each defibration treatment. Specific calculation examples of the method of expressing the defibration strength by the defibration energy (J) will be described in Examples described later.

例えば、透明性(例えば、ヘイズ値が20%以下)を発揮するスルホン化微細セルロース繊維を調製するには、解繊エネルギー(J)が10J以上となるように調製する。この解繊エネルギー(J)は、好ましくは20J以上であり、より好ましくは40J以上であり、さらに好ましくは50J以上である(図8参照)。一方、生産性の観点では、解繊エネルギー(J)は、2000J以下であればよく、好ましく1000J以下であり、より好ましくは500J以下であり、さらに好ましくは250J以下であり、さらにより好ましくは100J以下である。
また、例えば、分散液が粘性と透明性を発揮するスルホン化微細セルロース繊維を調製する際には、解繊エネルギー(J)の下限値が上記値と同様であり、上限値が500J以下とすればよく、好ましくは100J以下である。
For example, in order to prepare a sulfonated fine cellulose fiber exhibiting transparency (for example, a haze value of 20% or less), the defibration energy (J) is adjusted to 10 J or more. The defibration energy (J) is preferably 20 J or more, more preferably 40 J or more, and further preferably 50 J or more (see FIG. 8). On the other hand, from the viewpoint of productivity, the defibration energy (J) may be 2000 J or less, preferably 1000 J or less, more preferably 500 J or less, still more preferably 250 J or less, still more preferably 100 J. It is as follows.
Further, for example, when preparing a sulfonated fine cellulose fiber in which the dispersion liquid exhibits viscosity and transparency, the lower limit value of the defibration energy (J) is the same as the above value, and the upper limit value is 500 J or less. It is good, preferably 100 J or less.

また、例えば、分散液が透明性を有しつつ、高い粘度と低いTI値を発揮するスルホン化微細セルロース繊維を調製するには、解繊エネルギー(J)は、下限値が上記値と同様であり、上限値が200J以下とすればよく、好ましくは150J以下であり、より好ましくは100J以下である(図6における実施例に記載の第1極大点を含むCNF、第1の、図8、表1、表5〜表9、参照)。
一方、分散液が透明性を有しつつ、分散液が高い粘度と高いTI値を発揮するスルホン化微細セルロース繊維を調製するには、解繊エネルギー(J)は、下限値が上記値と同様であり、上限値が150J以上とすればよく、好ましくは200J以上である(図6における実施例に記載の第2極大点を含むCNF、図8、表1、表5〜表9、参照)。
Further, for example, in order to prepare a sulfonated fine cellulose fiber exhibiting a high viscosity and a low TI value while the dispersion liquid has transparency, the lower limit value of the defibration energy (J) is the same as the above value. The upper limit may be 200 J or less, preferably 150 J or less, and more preferably 100 J or less (CNF including the first maximum point described in the examples in FIG. 6, first, FIG. 8, See Table 1, Tables 5-9).
On the other hand, in order to prepare sulfonated fine cellulose fibers in which the dispersion liquid exhibits high viscosity and high TI value while the dispersion liquid has transparency, the lower limit value of the defibration energy (J) is the same as the above value. The upper limit may be 150 J or more, preferably 200 J or more (see CNF including the second maximum point described in the example in FIG. 6, FIG. 8, Table 1, Tables 5 to 9). ..

解繊処理とスルホン化微細セルロース繊維の粘性の関係をまとめると、以下のとおりである。
従来、解繊処理の処理装置(解繊機器)として高圧ホモジナイザーを用いる場合、高圧ホモジナイザーの解繊圧力が高圧になればなるほど処理能力が大きく落ちてしまうといった問題が生じている。例えば、所望の大きさの繊維を製造するために、解繊圧力が100MPa以上で解繊処理を行う一般的な汎用機を用いた場合には、一時間当たりの処理量が数百Lと非常に製造効率が悪い。一方で、この解繊圧力を数十MPaで行えば、一時間当たりの処理量を数千Lと、桁違いに高い量を処理することができる。しかし、解繊圧力を低く設定しているので、繊維を所望の大きさまで解繊することができないとった問題が生じている。
The relationship between the defibration treatment and the viscosity of the sulfonated fine cellulose fibers is summarized below.
Conventionally, when a high-pressure homogenizer is used as a processing device (defibration equipment) for defibration processing, there is a problem that the processing capacity is greatly reduced as the defibration pressure of the high-pressure homogenizer becomes higher. For example, when a general general-purpose machine that performs defibration processing at a defibration pressure of 100 MPa or more is used in order to produce fibers of a desired size, the processing amount per hour is as high as several hundred liters. The manufacturing efficiency is poor. On the other hand, if this defibration pressure is applied at several tens of MPa, the amount of processing per hour can be several thousand L, which is an order of magnitude higher. However, since the defibration pressure is set low, there is a problem that the fibers cannot be defibrated to a desired size.

一方、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法では、上記のごとく微細化処理工程S3における解繊圧力および解繊回数(パス数)が上記範囲内でも所望の粘度特性(粘性(粘度)とTI値)を発揮させることができるスルホン化微細セルロース繊維を適切に製造することができる。
この理由は、上述したように、微細化処理工程S3に供するスルホン化パルプ繊維は重合度低下処理工程S1により解重合された状態となっている。このため、スルホン化パルプ繊維は、繊維間の水素結合が緩くなっているので、繊維はほぐれ易い状態となっているものと推察される。
On the other hand, in the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment, the desired viscosity characteristics (viscosity (viscosity)) are obtained even if the defibration pressure and the number of defibration (number of passes) in the pulverization treatment step S3 are within the above ranges as described above. And TI value) can be appropriately produced to produce sulfonated fine cellulose fibers.
The reason for this is that, as described above, the sulfonated pulp fibers used in the micronization treatment step S3 are in a state of being depolymerized in the degree of polymerization reduction treatment step S1. Therefore, it is presumed that the sulfonated pulp fibers are in a state where the fibers are easily loosened because the hydrogen bonds between the fibers are loosened.

上記のごとく、本製法を用いれば、スムースな微細化(解繊)を行うことができるようになるので、微細化処理工程に要する時間をより短縮することができるから、上述した機能を有するスルホン化微細セルロース繊維の生産性を向上させることができる。例えば、従来の技術では解繊処理時の解繊圧力が高く、解繊回数も多数必要であったものを、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法を用いれば、より低い解繊圧力、より少ない解繊回数で処理することができるようになる。 As described above, if this production method is used, smooth miniaturization (defibration) can be performed, so that the time required for the miniaturization processing step can be further shortened. Therefore, a sulfone having the above-mentioned function can be obtained. The productivity of the refined fine cellulose fiber can be improved. For example, in the conventional technique, the defibration pressure during the defibration treatment is high and a large number of defibration times are required. However, if the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment is used, the defibration pressure is lower. , It will be possible to process with a smaller number of defibration.

したがって、本製法を用いれば、従来では想定されないような低い解繊圧力でも上述したような優れた粘度特性を発揮させることができるスルホン化微細セルロース繊維を簡単に製造することができるのである。しかも、解繊回数を少なくできるので、処理操作の効率性を向上させることができる。そうすると、例えば表5と図6に示すように、少ないエネルギーで所望の粘度特性を発揮するスルホン化微細セルロース繊維を生産性を低下させることなく製造することができる。
また、微細化処理工程における解繊処理の条件(例えば、解繊圧力および/または解繊回数(パス数)など)を調整することにより、スルホン化微細セルロース繊維の粘性(粘度)やTI値といった粘度特性を制御することができる。
よって、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法を用いれば、優れた粘度特性を発揮させることができるスルホン化微細セルロース繊維を簡単かつ効率的に、しかも適切に製造することができる。
Therefore, by using this production method, it is possible to easily produce a sulfonated fine cellulose fiber capable of exhibiting the above-mentioned excellent viscosity characteristics even at a low defibration pressure which is not expected in the past. Moreover, since the number of times of defibration can be reduced, the efficiency of the processing operation can be improved. Then, for example, as shown in Tables 5 and 6, sulfonated fine cellulose fibers exhibiting desired viscosity characteristics with less energy can be produced without lowering the productivity.
Further, by adjusting the defibration treatment conditions (for example, defibration pressure and / or number of defibration (number of passes)) in the defibration treatment step, the viscosity (viscosity) and TI value of the sulfonated fine cellulose fibers can be adjusted. Viscosity characteristics can be controlled.
Therefore, by using the method for producing a sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment, it is possible to easily, efficiently and appropriately produce a sulfonated fine cellulose fiber capable of exhibiting excellent viscosity characteristics.

本発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法を用いることによって本発明のスルホン化微細セルロース繊維を製造できることを確認した。また、調製された本発明のスルホン化微細セルロース繊維が所定の特性を有していることを確認した。 It was confirmed that the sulfonated fine cellulose fiber of the present invention can be produced by using the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present invention. Moreover, it was confirmed that the prepared sulfonated fine cellulose fiber of the present invention had a predetermined property.

<実験1>
繊維原料として、丸住製紙製の針葉樹クラフトパルプ(NBKP)(平均繊維長が2.6mm)を使用した。以下では、実験に供したNBKPを単にパルプとして説明する。
パルプは、大量の純水で洗浄後、200メッシュのふるいで水を切り、固形分濃度を測定後、乾燥させることなく実験に供した。
<Experiment 1>
As a fiber raw material, softwood kraft pulp (NBKP) manufactured by Marusumi Paper Co., Ltd. (average fiber length of 2.6 mm) was used. In the following, NBKP used in the experiment will be simply described as pulp.
The pulp was washed with a large amount of pure water, drained with a 200-mesh sieve, the solid content concentration was measured, and the pulp was subjected to an experiment without being dried.

(重合度低下処理工程)
純水で洗浄したパルプの重合度を低下させる処理を行った。
重合度低下処理工程で使用する試薬は、水酸化ナトリウム(濃度約48%、住友化学株式会社製)を使用した。これら試薬を1mol/Lの濃度に調整し、処理液として重合度低下処理に用いた。
この調製した水酸化ナトリウム水溶液に対してパルプを加えた。このとき、1molの水酸化ナトリウムの水溶液に対して、パルプの固形分濃度が10%となるように調整し、室温で1晩静置して、重合度低下処理パルプを調製した。
例えば、上記試薬900gにパルプ100g(乾燥重量)を加え、試薬とパルプを均一に混合後、常温常圧24時間室温で静置し、重合度低下処理を行った。
(Polymerization degree reduction treatment step)
A treatment was performed to reduce the degree of polymerization of the pulp washed with pure water.
Sodium hydroxide (concentration: about 48%, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was used as the reagent used in the polymerization degree reduction treatment step. These reagents were adjusted to a concentration of 1 mol / L and used as a treatment liquid for the degree of polymerization reduction treatment.
Pulp was added to the prepared aqueous sodium hydroxide solution. At this time, the solid content concentration of the pulp was adjusted to 10% with respect to 1 mol of an aqueous solution of sodium hydroxide, and the pulp was allowed to stand overnight at room temperature to prepare a pulp having a degree of polymerization reduced.
For example, 100 g (dry weight) of pulp was added to 900 g of the above reagent, the reagent and pulp were uniformly mixed, and then allowed to stand at room temperature for 24 hours at normal temperature and pressure to reduce the degree of polymerization.

なお、重合度低下処理が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法における重合度低下処理工程の接触工程に相当し、使用した試薬が、重合度低下剤に相当する。 The degree of polymerization reduction treatment corresponds to the contact step of the degree of polymerization reduction treatment step in the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment, and the reagent used corresponds to the degree of polymerization reducing agent.

(重合度低下処理後の洗浄工程)
重合度低下処理工程後の重合度低下処理パルプを0.5M硫酸で中和してpHが中性になったことを確認した。その後、大量の純水で洗浄して化学処理工程に供した。
(Washing step after polymerization degree reduction treatment)
It was confirmed that the pulp reduced in degree of polymerization after the step of reducing the degree of polymerization was neutralized with 0.5 M sulfuric acid to neutralize the pH. Then, it was washed with a large amount of pure water and subjected to a chemical treatment step.

(化学処理工程)
供給された重合度低下処理パルプを以下のように調製した反応液に加え、薬液を含浸し、スラリー状にした。
なお、重合度低下処理パルプを反応液に加えてスラリー状にする工程が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の化学処理工程における接触工程に相当する。
(Chemical treatment process)
The supplied pulp for reducing the degree of polymerization was added to the reaction solution prepared as follows, and impregnated with the chemical solution to form a slurry.
The step of adding the polymerized pulp to the reaction solution to form a slurry corresponds to the contact step in the chemical treatment step of the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment.

(反応液の調製)
スルホン化剤と尿素および/またはその誘導体が以下の濃度となるように調製した。
実験ではスルホン化剤として、スルファミン酸(純度98.5%、扶桑化学工業製)を使用し、尿素またはその誘導体として、尿素溶液(純度99%、和光純薬工業製、型番;特級試薬)を使用した。
両者の混合比は、濃度比(g/L)において、2:1(1:0.5)となるように混合して水溶液を調整した。
スルファミン酸と尿素は、次のように混合した。スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))=200/100
(Preparation of reaction solution)
The sulfonate and urea and / or its derivatives were prepared to have the following concentrations.
In the experiment, sulfamic acid (purity 98.5%, manufactured by Fuso Chemical Industries) was used as the sulfonate, and urea solution (purity 99%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., model number; special grade reagent) was used as urea or a derivative thereof. used.
The mixing ratio of the two was adjusted so that the concentration ratio (g / L) was 2: 1 (1: 0.5) to prepare an aqueous solution.
Sulfamic acid and urea were mixed as follows. Sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) = 200/100

反応液の調製方法の一例を以下に示す。
容器に水100mlを加えた。ついで、この容器にスルファミン酸20g、尿素10gを加えて、スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))が200/100(1:0.5)の反応液を調製した。つまり、尿素は、スルファミン酸100重量部に対して50重量部となるように加えた。
An example of the method for preparing the reaction solution is shown below.
100 ml of water was added to the container. Then, 20 g of sulfamic acid and 10 g of urea were added to this container to prepare a reaction solution having a sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) of 200/100 (1: 0.5). .. That is, urea was added so as to be 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sulfamic acid.

(反応液と重合度低下処理パルプの接触方法)
この調製した反応液に対して重合度低下処理パルプ(乾燥重量)を加えた。このとき、反応液中の薬品と重合度低下処理パルプ(乾燥重量)の比率が、パルプ:薬品=1:1.5となるようにスラリーを調整した。
実験では、スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))が200/100(1:0.5)の反応液の場合、重合度低下処理パルプ1g(乾燥重量)に対して、反応液を約6.5g加え、薬品を含浸させた。
(Method of contact between reaction solution and pulp with reduced degree of polymerization)
The polymerized pulp (dry weight) was added to the prepared reaction solution. At this time, the slurry was adjusted so that the ratio of the chemicals in the reaction solution to the polymerized pulp (dry weight) was pulp: chemicals = 1: 1.5.
In the experiment, in the case of a reaction solution having a sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) of 200/100 (1: 0.5), the degree of polymerization was reduced with respect to 1 g (dry weight) of the treated pulp. Then, about 6.5 g of the reaction solution was added and impregnated with the chemical.

反応液に重合度低下処理パルプを添加して調製したスラリーを30分間手でほぐし、重合度低下処理パルプに反応液を均一に含浸させた。この反応液を含浸させた重合度低下処理パルプを、乾燥機(いすゞ製作所製、型番;VTR−115)に入れた。乾燥機の恒温槽の温度は、50℃に設定した。この重合度低下処理パルプは、含水率が平衡状態になるまで乾燥した。そして、この加熱反応の前に乾燥処理を行った状態の重合度低下処理パルプを次工程の加熱反応の工程に供給した。 The slurry prepared by adding the polymerized pulp to the reaction solution was loosened by hand for 30 minutes, and the polymerized pulp was uniformly impregnated with the reaction solution. The polymerized pulp impregnated with this reaction solution was placed in a dryer (manufactured by Isuzu Seisakusho, model number; VTR-115). The temperature of the constant temperature bath of the dryer was set to 50 ° C. The polymerized pulp was dried until the water content reached an equilibrium state. Then, the pulp reduced in degree of polymerization, which had been dried before the heating reaction, was supplied to the next heating reaction step.

加熱反応の工程へ供給する際の反応液を接触させた重合度低下処理パルプの含水率は、下記式を用いて算出した。
また、「含水率が平衡状態」は、以下のようにして評価した。
まず、恒温槽の温度を50℃に設定した上記乾燥機で1時間乾燥した。その後、連続して測定した2回の重量の変化量が乾燥開始時の重量に対して1%以内となった状態を平衡状態にあるとした(ただし、2回目の重量の測定は1回目に要した乾燥時間の半分以上とした)。

含水率(%)=100−(パルプの固形分重量(g)/反応液に接触させた後の含水率測定時におけるパルプ重量(g))×100

パルプの固形分重量(g)とは、測定対象のパルプ自体の乾燥重量をいい、本実験では実験に供した乾燥パルプ2gが相当する。なお、乾燥パルプの重量は、上記乾燥機を用いて温度105℃、2時間乾燥したものを測定した。
本実験では、加熱反応へ供給する前に乾燥機を用いて乾燥させた乾燥後のパルプ重量が、反応液に接触させた後の含水率測定時におけるパルプ重量(g)に相当する。
実験では、乾燥後のパルプの含水率は、数%〜10%程度(乾燥温度50℃)であった。つまり、本実験では、この乾燥工程において、乾燥後のパルプの含水率が1%以下(いわゆる絶乾状態)にならないように調製した。
The water content of the polymerized pulp reduced in degree of polymerization, which was brought into contact with the reaction solution when it was supplied to the heating reaction step, was calculated using the following formula.
The "water content is in equilibrium" was evaluated as follows.
First, it was dried for 1 hour in the above-mentioned dryer in which the temperature of the constant temperature bath was set to 50 ° C. After that, the state in which the amount of change in weight measured twice in succession was within 1% of the weight at the start of drying was regarded as an equilibrium state (however, the second weight measurement was performed the first time). More than half of the drying time required).

Moisture content (%) = 100- (Pulp solid content weight (g) / Pulp weight at the time of water content measurement after contact with reaction solution (g)) x 100

The solid content weight (g) of the pulp means the dry weight of the pulp itself to be measured, and in this experiment, 2 g of the dry pulp used in the experiment corresponds to it. The weight of the dried pulp was measured by using the above-mentioned dryer to dry the pulp at a temperature of 105 ° C. for 2 hours.
In this experiment, the weight of the pulp after drying, which was dried using a dryer before being supplied to the heating reaction, corresponds to the weight of the pulp (g) at the time of measuring the water content after contacting with the reaction solution.
In the experiment, the water content of the pulp after drying was about several% to 10% (drying temperature 50 ° C.). That is, in this experiment, in this drying step, the water content of the dried pulp was adjusted so as not to be 1% or less (so-called absolute dry state).

この反応液を含浸させた重合度低下処理パルプを乾燥させる工程が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の化学処理工程における乾燥工程に相当する。 The step of drying the polymerized pulp impregnated with the reaction solution corresponds to the drying step in the chemical treatment step of the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment.

(加熱反応)
ついで、この反応液を含浸させた重合度低下処理パルプを乾燥した乾燥パルプを次工程の加熱反応の工程に供して加熱反応を行わせた。
加熱反応には、乾燥機(いすゞ製作所製、型番;VTR―115)を用いた。
加熱反応の反応条件は以下の通りとした。
恒温槽の温度:120℃、加熱時間:25分
(Heating reaction)
Then, the dried pulp obtained by drying the polymerized pulp impregnated with the reaction solution was subjected to the heating reaction step of the next step to carry out the heating reaction.
A dryer (manufactured by Isuzu Seisakusho, model number; VTR-115) was used for the heating reaction.
The reaction conditions of the heating reaction were as follows.
Constant temperature bath temperature: 120 ° C, heating time: 25 minutes

この加熱反応が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の化学処理工程における反応工程に相当する。
この加熱反応における反応条件の温度が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の化学処理工程における反応工程の反応温度に相当する。
この加熱反応における反応条件の加熱時間が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の化学処理工程における反応工程の反応時間に相当する。
This heating reaction corresponds to the reaction step in the chemical treatment step of the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment.
The temperature of the reaction conditions in this heating reaction corresponds to the reaction temperature of the reaction step in the chemical treatment step of the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment.
The heating time of the reaction conditions in this heating reaction corresponds to the reaction time of the reaction step in the chemical treatment step of the method for producing the sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment.

加熱反応後、反応させたパルプを炭酸水素ナトリウムで中和してpHが中性になったことを確認した。その後、大量の純水で洗浄して、スルファミン酸/尿素処理パルプを調製した。 After the heating reaction, it was confirmed that the reacted pulp was neutralized with sodium hydrogen carbonate and the pH became neutral. Then, it was washed with a large amount of pure water to prepare a sulfamic acid / urea-treated pulp.

この反応させたパルプを中性になるまで純水で洗浄する工程が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法の化学処理工程における洗浄工程に相当する。
調製されたスルファミン酸/尿素処理パルプを構成する反応パルプ繊維が、本実施形態にいうスルホン化パルプ繊維に相当する。
The step of washing the reacted pulp with pure water until it becomes neutral corresponds to the washing step in the chemical treatment step of the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment.
The reactive pulp fibers constituting the prepared sulfamic acid / urea-treated pulp correspond to the sulfonated pulp fibers referred to in the present embodiment.

(微細化処理工程)
ついで、調製したスルファミン酸/尿素処理パルプを固形分濃度は、0.5質量%となるように調製し、高圧ホモジナイザー(株式会社コスにじゅういち社製、型番;N2000―2C―045型)を用いて微細化(ナノ化)を行ってナノセルロース繊維を調製した。
高圧ホモジナイザーの処理条件は、以下の通りとした。
まず、高圧ホモジナイザーを用いて予備解繊を行った。予備解繊は、解繊圧力10MPaで解繊回数2回(2パス)で処理した。
そして、この予備解繊を行ったスラリーを高圧ホモジナイザーに供して解繊圧力15MPaで微細化処理することにより、ナノセルロース繊維を調製した。
なお、高圧ホモジナイザーの解繊回数(パス数)に応じた各ナノセルロース繊維試料(試料A;3パス、試料B;5パス、試料C;7パス、試料D;9パス、試料E;11パス、試料F;15パス)を調製した。
(Miniaturization process)
Then, the prepared sulfamic acid / urea-treated pulp was prepared so that the solid content concentration was 0.5% by mass, and a high-pressure homogenizer (manufactured by Kos Nijuichi Co., Ltd., model number; N2000-2C-045 type) was used. Nanocellulose fibers were prepared by performing micronization (nanogenization).
The treatment conditions for the high-pressure homogenizer were as follows.
First, preliminary defibration was performed using a high-pressure homogenizer. The preliminary defibration was performed at a defibration pressure of 10 MPa with two defibration times (2 passes).
Then, the pre-defibrated slurry was subjected to a high-pressure homogenizer and subjected to a defibration treatment at a defibration pressure of 15 MPa to prepare nanocellulose fibers.
Each nanocellulose fiber sample (sample A; 3 passes, sample B; 5 passes, sample C; 7 passes, sample D; 9 passes, sample E; 11 passes) according to the number of defibration (number of passes) of the high-pressure homogenizer. , Sample F; 15 passes).

この高圧ホモジナイザーを用いた解繊操作が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法における微細化処理工程に相当する。調製されたナノセルロース繊維が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維に相当する。 The defibration operation using this high-pressure homogenizer corresponds to the miniaturization treatment step in the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment. The prepared nanocellulose fiber corresponds to the sulfonated fine cellulose fiber of the present embodiment.

(電気伝導度測定による硫黄導入量の測定)
スルホ基に起因する硫黄導入量は、調製されたナノセルロース繊維をイオン交換樹脂で処理した後、水酸化ナトリウム水溶液による滴定によって測定した。
イオン交換樹脂による処理では、0.2質量%のナノセルロース繊維含有スラリー100mLに体積比で1/10の強酸性イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、アンバージェット1024;コンディショニング済)を加え、1時間振とう処理を行った。その後、目開き200μmのメッシュ上に注ぎ、樹脂とスラリーを分離した。
水酸化ナトリウム水溶液を用いた滴定では、イオン交換樹脂による処理後のナノセルロース繊維含有スラリーに、0.5Nの水酸化ナトリウム水溶液を10μL〜50μLずつ加えながら、電気伝導度の値の変化を計測し、縦軸に電気伝導度、横軸に水酸化ナトリウム滴定量としてプロットし曲線を得て、得られた曲線から変曲点を確認した。
この変曲点での水酸化ナトリウム滴定量がスルホ基量に相当する。このため、この変曲点の水酸化ナトリウム量を測定に供したナノセルロース繊維含固形分量で除することで、ナノセルロース繊維中のスルホ基量すなわちスルホ基に起因する硫黄導入量を測定した。
(Measurement of sulfur introduction amount by measuring electrical conductivity)
The amount of sulfur introduced due to the sulfo group was measured by treating the prepared nanocellulose fiber with an ion exchange resin and then titrating with an aqueous sodium hydroxide solution.
In the treatment with an ion exchange resin, a strongly acidic ion exchange resin (manufactured by Organo Corporation, Amber Jet 1024; conditioned) with a volume ratio of 1/10 was added to 100 mL of a slurry containing 0.2% by mass of nanocellulose fibers for 1 hour. Shaking processing was performed. Then, it was poured onto a mesh having a mesh size of 200 μm to separate the resin and the slurry.
In titration using an aqueous sodium hydroxide solution, the change in the value of electrical conductivity is measured while adding 10 μL to 50 μL each of 0.5 N aqueous sodium hydroxide solution to the nanocellulose fiber-containing slurry treated with an ion exchange resin. , The vertical axis was plotted as electrical conductivity and the horizontal axis was titrated with sodium hydroxide titration to obtain a curve, and the inflection point was confirmed from the obtained curve.
The titration of sodium hydroxide at this inflection point corresponds to the amount of sulfo groups. Therefore, the amount of sulfo groups in the nanocellulose fibers, that is, the amount of sulfur introduced due to the sulfo groups was measured by dividing the amount of sodium hydroxide at the inflection point by the solid content of the nanocellulose fibers used for the measurement.

(SPMを用いた繊維形態の観察および繊維幅の測定)
高圧ホモジナイザー処理後のナノセルロース繊維を純水で観察に適した固形分濃度0.0005〜0.001質量%に調製した。その後、PEI(ポリエチレンイミン)をコーティングしたシリカ基盤上にスピンコートを行った。
このシリカ基盤上のナノセルロース繊維の観察を、走査型プローブ顕微鏡(島津製作所製、型番;SPM―9700)を用いて行った。
繊維幅および繊維長の測定は、観察画像中の繊維をランダムに20本選び測定した。
(Observation of fiber morphology and measurement of fiber width using SPM)
The nanocellulose fibers treated with the high-pressure homogenizer were prepared with pure water to a solid content concentration of 0.0005 to 0.001% by mass suitable for observation. Then, spin coating was performed on a silica substrate coated with PEI (polyethyleneimine).
Observation of the nanocellulose fibers on the silica substrate was performed using a scanning probe microscope (manufactured by Shimadzu Corporation, model number; SPM-9700).
The fiber width and fiber length were measured by randomly selecting 20 fibers in the observation image.

(ヘイズ値の測定および全光線透過率の測定)
ヘイズ値の測定および全光線透過率の測定には、ナノセルロース繊維を純水で、固形分濃度が0.5〜1.0質量%となるように調製した測定溶液を用いた。
なお、微細化処理工程において、高圧ホモジナイザーに供給したスラリー中のスルファミン酸/尿素処理パルプの固形分濃度(処理パルプ固形分濃度)が0.5質量%となるように調製したものは、微細処理後に得られた分散液中のナノセルロース繊維の固形分濃度も同じ0.5質量%となる。このため、この分散液は、調整することなく、そのままナノセルロース繊維の固形分濃度が0.5質量%として測定に供した。
(Measurement of haze value and measurement of total light transmittance)
For the measurement of the haze value and the measurement of the total light transmittance, a measurement solution prepared by using pure water for nanocellulose fibers and having a solid content concentration of 0.5 to 1.0% by mass was used.
In the micronization treatment step, those prepared so that the solid content concentration (processed pulp solid content concentration) of the sulfamic acid / urea-treated pulp in the slurry supplied to the high-pressure homogenizer is 0.5% by mass are micro-treated. The solid content concentration of the nanocellulose fibers in the dispersion obtained later is also 0.5% by mass, which is the same. Therefore, this dispersion was used for measurement as it was without adjusting the solid content concentration of the nanocellulose fibers as 0.5% by mass.

調製した測定溶液から所定量を分取して測定用CNFスラリーとした。
ヘイズ値の測定および全光線透過率は、分光光度計(日本分光(株)社製、型番0V―570)にて積分球形(日本分光(株)製 ISN―470)を取り付け、ヘイズ値の測定および全光線透過率をJIS K 7105を参考に、以下のとおり測定した。
純水を入れた石英セルをブランク測定値とし、0.5質量%のナノセルロース分散液の光透過度を測定した。測定波長の範囲は、380〜780nmとした。
全光線透過率(%)およびヘイズ値(%)の算出は、分光光度計により得られた数値から付属の計算ソフトを用いて計算した。
A predetermined amount was separated from the prepared measurement solution to prepare a CNF slurry for measurement.
For the measurement of haze value and total light transmittance, a spectrophotometer (manufactured by JASCO Corporation, model number 0V-570) is attached with an integrating sphere (ISN-470 manufactured by JASCO Corporation) to measure the haze value. And the total light transmittance was measured as follows with reference to JIS K 7105.
A quartz cell containing pure water was used as a blank measurement value, and the light transmittance of 0.5% by mass of the nanocellulose dispersion was measured. The measurement wavelength range was 380 to 780 nm.
The total light transmittance (%) and the haze value (%) were calculated from the numerical values obtained by the spectrophotometer using the attached calculation software.

上記分光光度計に供した測定溶液が、本実施形態のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法における分散液に相当する。 The measurement solution used in the spectrophotometer corresponds to the dispersion in the method for producing sulfonated fine cellulose fibers of the present embodiment.

(重合度の測定)
JIS P 8215 (1998)に従い、ナノセルロース繊維の極限粘度(固有粘度)を測定した。
このJIS規格の極限粘度の測定は、A法とB法とが記載されている。本実験では「A法―希薄濃度におけるセルロース極限粘度数の測定」に従い測定した。測定時の変更点は、原料のパルプおよびナノセルロース繊維をそれぞれ固形分量が0.1gとなるように分取して測定に供した。測定値には、3回の測定結果の平均値を用いた。
下記式により、各固有粘度(η)から、ナノセルロース繊維の平均重合度(DP)を算出した。この平均重合度は、粘度法によって測定された平均重合度であることから、「粘度平均重合度」と称されることもある。

DP=1.75×[η]
(Measurement of degree of polymerization)
The intrinsic viscosity (intrinsic viscosity) of the nanocellulose fiber was measured according to JIS P 8215 (1998).
For the measurement of the ultimate viscosity of this JIS standard, the A method and the B method are described. In this experiment, it was measured according to "Method A-Measurement of ultimate cellulose viscosity at dilute concentration". The changes at the time of measurement were that the raw material pulp and nanocellulose fibers were separated so that the solid content was 0.1 g and used for the measurement. As the measured value, the average value of the results of three measurements was used.
The average degree of polymerization (DP) of the nanocellulose fiber was calculated from each intrinsic viscosity (η) by the following formula. Since this average degree of polymerization is the average degree of polymerization measured by the viscosity method, it is sometimes called "viscosity average degree of polymerization".

DP = 1.75 × [η]

(粘度の測定)
粘度の測定には、密閉し24時間室温で静置したものを使用した。静置後、100gを110mLのトールビーカーへ分取して、B型粘度計(英弘精機(株)製、LVDV―I Prime)を用いて粘度を測定した。
粘度測定の測定条件は、以下のとおりとした。
測定条件:回転数6rpm、測定温度25℃、測定時間3分、スピンドルはNo.64、データの記録方法はシングルポイント
(Measurement of viscosity)
The viscosity was measured by using a sealed one that had been allowed to stand at room temperature for 24 hours. After standing, 100 g was dispensed into a 110 mL tall beaker, and the viscosity was measured using a B-type viscometer (LVDV-I Prime, manufactured by Eiko Seiki Co., Ltd.).
The measurement conditions for viscosity measurement were as follows.
Measurement conditions: Rotation speed 6 rpm, measurement temperature 25 ° C., measurement time 3 minutes, spindle No. 64, data recording method is single point

(TI値の測定)
チキソトロピー性指数(TI値)は、以下のように測定した。
TI値の算出は、上述のB型粘度計を用いて、回転数6rpmと60rpmで測定を行い、各々の粘度を下記式より算出した。その他条件は上述のとおりとした。

TI値=(回転数6rpmでの粘度)/(回転数60rpmでの粘度)
(Measurement of TI value)
The thixotropy index (TI value) was measured as follows.
The TI value was calculated using the above-mentioned B-type viscometer at rotation speeds of 6 rpm and 60 rpm, and the respective viscosities were calculated by the following formulas. Other conditions are as described above.

TI value = (viscosity at 6 rpm) / (viscosity at 60 rpm)

(実験結果)
ナノセルロース繊維(試料A;3パス、試料B;5パス、試料C;7パス、試料D;9パス、試料E;11パス、試料F;15パス)中のスルホ基に起因する硫黄導入量は、1.0〜1.5mmol/gであり、平均1.3mmol/gであった。
微細化処理する前のスルファミン酸/尿素処理パルプ繊維の平均重合度は、404であった。微細化処理した後の各ナノセルロース繊維の平均重合度は、300〜314であり、これらの平均は308であった。
各ナノセルロース繊維の平均繊維幅は、いずれも30nm以下であった。
(Experimental result)
Amount of sulfur introduced due to sulfo groups in nanocellulose fibers (Sample A; 3 passes, Sample B; 5 passes, Sample C; 7 passes, Sample D; 9 passes, Sample E; 11 passes, Sample F; 15 passes) Was 1.0 to 1.5 mmol / g, with an average of 1.3 mmol / g.
The average degree of polymerization of the sulfamic acid / urea-treated pulp fibers before the micronization treatment was 404. The average degree of polymerization of each nanocellulose fiber after the micronization treatment was 300 to 314, and the average of these was 308.
The average fiber width of each nanocellulose fiber was 30 nm or less.

各ナノセルロース繊維の全光線透過率(%)、ヘイズ値(%)、粘度(mPa・s)、TI値および平均重合度は、以下の表のとおりであった。 The total light transmittance (%), haze value (%), viscosity (mPa · s), TI value and average degree of polymerization of each nanocellulose fiber were as shown in the table below.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

図2には、解繊回数と平均重合度と粘度(mPa・s)との関係を示した。
図2に示すように、解繊回数を制御することで粘性をコントロールすることができることが確認できた。一方、解繊回数毎の平均重合度は、ほぼバラツキの範囲内であり、いずれもセルロースのレベルオフ重合度付近であった。
FIG. 2 shows the relationship between the number of defibration, the average degree of polymerization, and the viscosity (mPa · s).
As shown in FIG. 2, it was confirmed that the viscosity can be controlled by controlling the number of defibration. On the other hand, the average degree of polymerization for each number of defibration was almost within the range of variation, and all of them were near the level-off degree of polymerization of cellulose.

実験結果から、重合度低下処理により重合度低下処理後のパルプは解重合された状態となっていた。そして、この状態のパルプを化学処理することにより、化学処理後のスルファミン酸/尿素処理パルプは、繊維間の水素結合が緩くなり、繊維はほぐれ易い状態となっていたと推察される。
このため、低い解繊圧力・少ない解繊回数(パス数)でも所望の粘性、透明性を有するナノセルロース繊維を調製することができたものと推察された。言い換えれば、重合度低下処理により、セルロース分子鎖が短くなって繊維の切れ目が増加した。そして、繊維が整然と並んだ結晶領域が減少して水素結合が緩んだことから、上記現象が生じていると推察される。
そして、解繊圧力を一定にした状態で解繊回数(パス数)を変動すれば、ナノセルロース繊維の各試料の重合度がほぼ同じレベルにあるにもかかわらず、解繊回数(パス数)が5パスを超えた段階で粘性が低くなる傾向にある。このため、各ナノセルロース繊維における平均重合度は、ナノセルロース繊維を構成するさらに微細なセルロース繊維(本実施形態におけるユニット繊維に相当する)の平均重合度を表しているものと推察された。
つまり、各ナノセルロース繊維で平均重合度がほぼ同じであるにもかかわらず粘性に差が生じたという実験結果から、ナノセルロース繊維を構成する微細なセルロース繊維(ユニット繊維)は、隣接するユニット繊維同士の連結が、解繊回数(パス数)に応じて、切断される。その結果、解繊回数(パス数)の増加に伴い粘性が低下したものと推察された。
From the experimental results, the pulp after the degree of polymerization reduction treatment was in a depolymerized state by the degree of polymerization reduction treatment. Then, it is presumed that by chemically treating the pulp in this state, the hydrogen bonds between the fibers of the sulfamic acid / urea-treated pulp after the chemical treatment were loosened, and the fibers were in a state of being easily loosened.
Therefore, it was presumed that the nanocellulose fibers having the desired viscosity and transparency could be prepared even with a low defibration pressure and a small number of defibrations (number of passes). In other words, the degree of polymerization reduction treatment shortened the cellulose molecular chains and increased the number of fiber breaks. Then, it is presumed that the above phenomenon occurs because the crystal region in which the fibers are lined up is reduced and the hydrogen bond is loosened.
Then, if the number of defibration (number of passes) is changed while the defibration pressure is constant, the number of defibration (number of passes) even though the degree of polymerization of each sample of nanocellulose fiber is almost the same level. The viscosity tends to decrease when the number of passes exceeds 5 passes. Therefore, it is presumed that the average degree of polymerization of each nanocellulose fiber represents the average degree of polymerization of the finer cellulose fibers (corresponding to the unit fibers in the present embodiment) constituting the nanocellulose fibers.
That is, from the experimental result that the viscosity of each nanocellulose fiber was different even though the average degree of polymerization was almost the same, the fine cellulose fibers (unit fibers) constituting the nanocellulose fibers were adjacent unit fibers. The connection between the fibers is broken according to the number of fibers (number of passes). As a result, it was presumed that the viscosity decreased as the number of defibration (number of passes) increased.

以上の結果から、本発明のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法を用いることにより、所望の優れた粘性を有するスルホン化微細セルロース繊維を適切にしかも効率よく製造することができることが確認できた。例えば、解繊回数を調整することにより、スルホン化微細セルロース繊維の粘性を制御できることが確認できた。
しかも、得られたスルホン化微細セルロース繊維は、平均重合度がセルロースのレベルオフ重合度付近のユニット繊維を複数連結させた状態になっていることが確認できた。
From the above results, it was confirmed that by using the method for producing a sulfonated fine cellulose fiber of the present invention, a sulfonated fine cellulose fiber having a desired excellent viscosity can be appropriately and efficiently produced. For example, it was confirmed that the viscosity of the sulfonated fine cellulose fiber can be controlled by adjusting the number of defibration.
Moreover, it was confirmed that the obtained sulfonated fine cellulose fibers were in a state in which a plurality of unit fibers having an average degree of polymerization near the level-off degree of polymerization of cellulose were linked.

<実験2>
(粘度と繊維形態について)
重合度低下処理により、重合度の異なるナノセルロース繊維(以下、CNF)を調製し、重合度の粘度および繊維形態への影響を確認した。つまり、重合度と繊維形態および粘度の関係に焦点をあて、重合度が低いものでありながら粘度の高いCNFを調製できることを確認した。
<Experiment 2>
(Viscosity and fiber morphology)
Nanocellulose fibers (hereinafter referred to as CNF) having different degrees of polymerization were prepared by the treatment for lowering the degree of polymerization, and the influence of the degree of polymerization on the viscosity and fiber morphology was confirmed. That is, focusing on the relationship between the degree of polymerization and the fiber morphology and viscosity, it was confirmed that a CNF having a low degree of polymerization but a high viscosity can be prepared.

サンプル1として、実験1の試料B(粘度:17396mPa・s)を用いた。
サンプル2として、試料Fをさらに高強度で解繊して調製した試料G(粘度:3000mPa・s)を用いた。試料Gは、試料F(15パス)に対して同様の解繊機を用いてさらに100MPaで5回の解繊処理を行った。
As Sample 1, Sample B (viscosity: 17396 mPa · s) of Experiment 1 was used.
As Sample 2, Sample G (viscosity: 3000 mPa · s) prepared by further defibrating Sample F with high strength was used. Sample G was further defibrated at 100 MPa five times using the same defibrator for sample F (15 passes).

(比較サンプル1の調製)
比較サンプル1として、重合度低下処理を行っていないスルホン化パルプを調製した。以下の条件と重合度低下処理を実施しなかった以外は、実施例1と同様に行った。
スルファミン酸と尿素の混合比は、濃度比(g/L)において、2:5(1:2.5)となるように混合した。具体的には、容器に水100mlを加え、ついで、この容器にスルファミン酸20g、尿素50gを加えて、スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))が200/500(1:2.5)の反応液を調製した。つまり、尿素は、スルファミン酸100重量部に対して50重量部となるように加えた。
この調製した反応液に対して、反応液中の薬品と各パルプ(乾燥重量)の比率がパルプ:薬品=1:2.5となるようにスラリーを調整した。
実験では、スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))が200/500(1:2.5)の反応液の場合、絶乾換算でパルプ1gに対して、反応液を約3.6g加え、薬品を含浸させた。
解繊処理は、NanoVater(吉田機械興業製、L−ES008−D10)を用いて、解繊圧力10MPaで2回、解繊圧力50MPaで1回、解繊圧力60MPaで5回処理した。以下、単に圧力MPaを記載している場合には、解繊処理に用いた解繊処理機器の解繊圧力を意味する。
粘度の測定は、密閉し24時間室温で放置後、ポリプロピレン製の50mLファルコンチューブ(コーニング社製)へ50g入れ、B型粘度計(英弘精機社製、型番;RV−DV2T)を用いて測定した。
粘度測定の測定条件は、以下のとおりとした。
測定条件:回転数6rpm、測定温度25℃、測定時間3分、スピンドルはRV−06
(Preparation of Comparative Sample 1)
As Comparative Sample 1, a sulfonated pulp which had not been subjected to the degree of polymerization reduction treatment was prepared. It was carried out in the same manner as in Example 1 except that the following conditions and the treatment for lowering the degree of polymerization were not carried out.
The mixing ratio of sulfamic acid and urea was such that the concentration ratio (g / L) was 2: 5 (1: 2.5). Specifically, 100 ml of water is added to the container, and then 20 g of sulfamic acid and 50 g of urea are added to this container, so that the sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) is 200/500 (. The reaction solution of 1: 2.5) was prepared. That is, urea was added so as to be 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of sulfamic acid.
The slurry was adjusted so that the ratio of the chemicals in the reaction solution to each pulp (dry weight) was pulp: chemicals = 1: 2.5 with respect to the prepared reaction solution.
In the experiment, in the case of a reaction solution having a sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) of 200/500 (1: 2.5), the reaction solution was compared with 1 g of pulp in terms of absolute dryness. Was added in an amount of about 3.6 g and impregnated with a chemical.
The defibration treatment was carried out using NanoVatter (manufactured by Yoshida Kikai Kogyo Co., Ltd., L-ES008-D10) twice at a defibration pressure of 10 MPa, once at a defibration pressure of 50 MPa, and five times at a defibration pressure of 60 MPa. Hereinafter, when the pressure MPa is simply described, it means the defibration pressure of the defibration processing device used for the defibration treatment.
The viscosity was measured using a B-type viscometer (Eiko Seiki Co., Ltd., model number; RV-DV2T) after sealing and leaving it at room temperature for 24 hours, and then putting 50 g into a polypropylene 50 mL falcon tube (manufactured by Corning Inc.). ..
The measurement conditions for viscosity measurement were as follows.
Measurement conditions: Rotation speed 6 rpm, measurement temperature 25 ° C, measurement time 3 minutes, spindle RV-06

(実験2の結果)
調製した比較サンプル1のスルホン化微細セルロース繊維のスルホ基に起因する硫黄導入量は1.0mmol/gであった。
従来、重合度が低いと得られるCNFは、繊維長が短くなり、高粘度のCNFが得られないと考えられてきた。このため、従来の技術では、ゲルのように粘度の高いCNFを得るには、重合度が下がらないように化学処理を行い、その後に解繊処理が行われていた。そして、このような処理をすることで、透明で粘度の高いCNFが得られている。
このような技術常識から考えると、重合度を高く保つことが、透明で高粘度のCNFの調製において必要であると考えられている。
(Result of Experiment 2)
The amount of sulfur introduced due to the sulfo group of the sulfonated fine cellulose fiber of the prepared comparative sample 1 was 1.0 mmol / g.
Conventionally, it has been considered that a CNF obtained when the degree of polymerization is low has a short fiber length, and a high-viscosity CNF cannot be obtained. Therefore, in the conventional technique, in order to obtain a CNF having a high viscosity like a gel, a chemical treatment is performed so that the degree of polymerization does not decrease, and then a defibration treatment is performed. By performing such a treatment, a transparent and highly viscous CNF is obtained.
Considering such common general knowledge, it is considered necessary to maintain a high degree of polymerization in the preparation of a transparent and highly viscous CNF.

一方、本発明では、重合度と繊維形態および粘度の関係に焦点をあて、重合度が低いものでありながら高粘度のCNFの製造が可能か否かについて検討した。
サンプルとして、重合度低下処理の有無により重合度の異なるパルプを調製した。調製した各パルプを解繊処理して解繊状況ごとの重合度、繊維形態、粘度を調べた。
表2にサンプルの特性と各種測定結果を示す。
On the other hand, in the present invention, focusing on the relationship between the degree of polymerization and the fiber morphology and viscosity, it was examined whether or not it is possible to produce a CNF having a low degree of polymerization and a high viscosity.
As a sample, pulps having different degrees of polymerization were prepared depending on the presence or absence of the degree of polymerization reduction treatment. Each of the prepared pulps was defibrated to examine the degree of polymerization, fiber morphology, and viscosity for each defibration condition.
Table 2 shows the characteristics of the sample and various measurement results.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

本発明でのCNFの定義として、ヘイズが20%以下になったときを、CNFの調製(すなわち解繊)が完了したと考えた。
実験1の表1と本実験の表2の結果から、スルホン化工程の前に重合度低下処理(アルカリ処理)を行うことで、解繊後の重合度が300付近のCNFを調製することができた。これらの各パルプの解繊状況ごとの重合度と粘度変化を見ると、解繊状況ごとに重合度はほとんど変化ないが、粘度は一度極大値を取り、その後減少した。
また、実験1の表1および本実験の表2から、CNFの粘度の最大値は、重合度低下処理の有無にかかわらず、いずれも15000mPa・sを超えており、比較サンプル1の重合度が400のCNFと同様であることがわかる。これらのことから、粘度は重合度に完全に依存するものではないことが示唆された。
As the definition of CNF in the present invention, it was considered that the preparation of CNF (that is, defibration) was completed when the haze was 20% or less.
From the results of Table 1 of Experiment 1 and Table 2 of this experiment, it is possible to prepare a CNF having a degree of polymerization of around 300 after defibration by performing a degree of polymerization reduction treatment (alkaline treatment) before the sulfonation step. did it. Looking at the degree of polymerization and the change in viscosity of each of these pulps in each defibration state, the degree of polymerization hardly changed in each defibration state, but the viscosity once reached a maximum value and then decreased.
Further, from Table 1 of Experiment 1 and Table 2 of this experiment, the maximum value of the viscosity of CNF exceeds 15,000 mPa · s regardless of the presence or absence of the degree of polymerization reduction treatment, and the degree of polymerization of Comparative Sample 1 is high. It turns out that it is similar to 400 CNFs. From these facts, it was suggested that the viscosity does not completely depend on the degree of polymerization.

図3に、重合度がほぼ同じで、粘度の異なるCNFの繊維形態の観察結果を示す。
図3(A)の写真がサンプル1であり、図3(B)の写真がサンプル2である。
粘度が10000mPa・s以上であるサンプル1は、幅が数nmで、繊維長1μm〜2μmの繊維が絡まり合っている状態が多く観察された(図3の(A))。一方で、粘度が3000mPa・s程度のサンプル2は、繊維同士の絡まりは少なく幅数nm、長さ500nm程度の繊維も多く見られた(図3の(B))。
この結果から、粘度への影響は重合度ではなく、いかに解繊工程において繊維長が長く、繊維同士の絡まり合いが多いCNFを調製するかが重要であることが確認できた。
FIG. 3 shows the observation results of the fiber morphology of CNFs having almost the same degree of polymerization and different viscosities.
The photograph of FIG. 3 (A) is sample 1, and the photograph of FIG. 3 (B) is sample 2.
In Sample 1 having a viscosity of 10000 mPa · s or more, a state in which fibers having a width of several nm and a fiber length of 1 μm to 2 μm were often entangled was observed ((A) in FIG. 3). On the other hand, in Sample 2 having a viscosity of about 3000 mPa · s, there was little entanglement between the fibers, and many fibers having a width of several nm and a length of about 500 nm were observed ((B) in FIG. 3).
From this result, it was confirmed that the influence on the viscosity is not the degree of polymerization, but how to prepare a CNF having a long fiber length and a lot of entanglement between fibers in the defibration process is important.

以上の結果から、本発明の製法を用いれば、本発明のスルホン化微細セルロース繊維は、図4のイメージ図に示すように、重合度低下処理されたセルロース分子(本実施形態のユニット繊維に相当する、図4の左図)から構成される、幅が数nmで長さが数μmのCNFを調製可能であることが確認できた。
すなわち、上記の結果においては、粘度が同一であったとしても(CNFの長さが同一)、CNFを構成するセルロース分子の長さが異なるCNFを調製可能であると考えられる。これらの構造を有するCNFであるので、低重合度にもかかわらず高い粘度を発現させることができることが確認できた。
From the above results, using the production method of the present invention, the sulfonated fine cellulose fiber of the present invention corresponds to the cellulose molecule (the unit fiber of the present embodiment) which has been subjected to the degree of polymerization reduction treatment, as shown in the image diagram of FIG. It was confirmed that a CNF having a width of several nm and a length of several μm, which is composed of (the left figure of FIG. 4), can be prepared.
That is, in the above results, it is considered that CNFs having different lengths of cellulose molecules constituting CNF can be prepared even if the viscosities are the same (the lengths of CNFs are the same). Since it is a CNF having these structures, it was confirmed that a high viscosity can be developed in spite of a low degree of polymerization.

<実験3>
(色味試験)
実験3では、重合度低下処理による色味への影響を確認した。
本実験では、以下に記載の条件以外は、実験1と同様にしてスルホン化微細セルロース繊維(サンプル3)を調製した。
解繊処理には、コスにじゅういち社製の高圧ホモジナイザー(型番N2000−2C−045型)を使用した。
スルホン化パルプの固形分濃度は、1.0%に調製したものを用いた。
解繊処理は、解繊圧力10MPaで2回、50MPaで1回、60MPaで3回行った。
サンプル3の色味は、分光ヘーズメーターを用いて測定した。
<Experiment 3>
(Color test)
In Experiment 3, the effect of the degree of polymerization reduction treatment on the color was confirmed.
In this experiment, sulfonated fine cellulose fibers (Sample 3) were prepared in the same manner as in Experiment 1 except for the conditions described below.
A high-pressure homogenizer (model number N2000-2C-045 type) manufactured by Kos Nijuichi Co., Ltd. was used for the defibration treatment.
The solid content concentration of the sulfonated pulp was adjusted to 1.0%.
The defibration treatment was performed twice at a defibration pressure of 10 MPa, once at 50 MPa, and three times at 60 MPa.
The color of Sample 3 was measured using a spectroscopic haze meter.

(色味の測定)
色味の測定には、分光ヘーズメーター(日本電色工業社製、型番;SH−7000)を用いて以下のとおり測定した。
測定用パルプスラリーの光透過度の測定には、上記分光ヘーズメーターのオプションのガラスセル(部品番号:2277、角セル、光路長10mm×幅40×高さ55)を用いた。ブランク測定には、上記分光ヘーズメーターのガラスセルに純水を入れた値をブランク測定値とした。
測定条件:光源D65、視野角2°、測定波長の範囲380〜780nm
設定したJIS:JIS K 7105
L*、a*、b*値は、分光ヘーズメーターのコントロールユニット(型番CU−II、Ver2.00.02)により得られた数値を用いた。
(Measurement of color)
The tint was measured as follows using a spectroscopic haze meter (manufactured by Nippon Denshoku Kogyo Co., Ltd., model number; SH-7000).
An optional glass cell (part number: 2277, square cell, optical path length 10 mm × width 40 × height 55) of the spectroscopic haze meter was used for measuring the light transmittance of the pulp slurry for measurement. For the blank measurement, the value obtained by adding pure water to the glass cell of the spectroscopic haze meter was used as the blank measurement value.
Measurement conditions: Light source D65, viewing angle 2 °, measurement wavelength range 380 to 780 nm
JIS set: JIS K 7105
For the L *, a *, and b * values, the values obtained by the control unit of the spectroscopic haze meter (model number CU-II, Ver2.00.02) were used.

(重合度の測定)
重合度の測定は、実験1と同様にして実施した。
(Measurement of degree of polymerization)
The degree of polymerization was measured in the same manner as in Experiment 1.

(サンプル4)
本実験では、さらにサンプル4を調製して、サンプル3と同様の分析を行った。
サンプル4は、実験1のスルホン化パルプの調製条件において、スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))を200/200にし、スルホン化パルプを調製した以外は、サンプル3と同様の方法で調製した。サンプル4は、スルホ基に起因する硫黄導入量が1.5mmol/gであった。
(Sample 4)
In this experiment, sample 4 was further prepared and the same analysis as sample 3 was performed.
Sample 4 is sample 3 except that the sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) was set to 200/200 under the preparation conditions of the sulfonated pulp of Experiment 1 to prepare the sulfonated pulp. It was prepared in the same manner as above. In Sample 4, the amount of sulfur introduced due to the sulfo group was 1.5 mmol / g.

(比較サンプル2)
比較サンプル2は、重合度低下処理を行わない以外、サンプル3と同様の方法で調製した。比較サンプル2は、スルホ基に起因する硫黄導入量が1.3mmol/gであった。
(Comparison sample 2)
Comparative sample 2 was prepared in the same manner as sample 3 except that the degree of polymerization reduction treatment was not performed. In Comparative Sample 2, the amount of sulfur introduced due to the sulfo group was 1.3 mmol / g.

(実験3の結果)
実験結果を表3に示す。
(Result of Experiment 3)
The experimental results are shown in Table 3.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

CNFは高透明であることに加えて、無色であることが求められる場面が考えられる。そこで、重合度低下処理によるCNFの色味への影響について調べた。
その結果、サンプル3、4は、どちらも重合度が300付近であり、比較サンプル2の重合度は400程度であった。
表3に、重合度低下処理の有無によるCNFの色味への影響を示す。
重合度低下処理を行ったサンプル3、4は、どちらも比較サンプル2と比べて、L*値が高い傾向にあった。また、a*値およびb*値が0に近い傾向となっていることから、いずれも無色であることがわかる。これは重合度低下処理を行ったパルプをスルホン化処理する際において、色味の元になる成分が除去されているためと推測された。
In addition to being highly transparent, CNF may be required to be colorless. Therefore, the effect of the degree of polymerization reduction treatment on the color of CNF was investigated.
As a result, the degree of polymerization of each of Samples 3 and 4 was around 300, and the degree of polymerization of Comparative Sample 2 was about 400.
Table 3 shows the effect of CNF on the tint depending on the presence or absence of the degree of polymerization reduction treatment.
Samples 3 and 4 that had been subjected to the degree of polymerization reduction treatment tended to have higher L * values than the comparative sample 2. Further, since the a * value and the b * value tend to be close to 0, it can be seen that both are colorless. It was presumed that this was because the components that are the source of color were removed when the pulp that had been subjected to the degree of polymerization reduction treatment was sulfonated.

<実験4>
(生分解性試験)
木材からセルロースを抽出して、機械処理により製造したCNFは生分解性があるといわれているが、化学処理を行ったものについては不明確なことが多い。生分解性は、自然界での菌や酵素による分解であり、分解酵素の基質特異性に問題がない場合ではCNFは分解される。しかし、そうでない場合、例えば、化学修飾されたセルロースの生分解性においては課題もある。具体的な例として、セルロースがエステル化された酢酸セルロースは生分解性を有しているが、分解速度がセルロースと比べると遅いと言われる。
環境負荷という点で、CNFの用途を考えるのであれば、少しでも生分解性に優れたCNFであることが望ましい。
そこで、本実験では、スルホン化微細セルロース繊維が生分解性を有するかを調べ、その結果に基づいて重合度が生分解性に及ぼす影響について確認した。
<Experiment 4>
(Biodegradability test)
CNFs produced by extracting cellulose from wood and mechanically treating them are said to be biodegradable, but those that have been chemically treated are often unclear. Biodegradability is degradation by bacteria and enzymes in nature, and CNF is degraded if there is no problem with the substrate specificity of the degrading enzyme. However, if this is not the case, there are problems, for example, in the biodegradability of chemically modified cellulose. As a specific example, cellulose acetate obtained by esterifying cellulose has biodegradability, but it is said that the decomposition rate is slower than that of cellulose.
Considering the use of CNF in terms of environmental load, it is desirable that CNF has excellent biodegradability as much as possible.
Therefore, in this experiment, it was investigated whether the sulfonated fine cellulose fiber had biodegradability, and based on the result, the effect of the degree of polymerization on biodegradability was confirmed.

(サンプル5)
実験1と同様の方法により、スルホン化パルプの調製を行い、得られたスルホン化パルプを解繊処理してスルホン化微細セルロース繊維(サンプル5)を調製した。
解繊処理は、高圧ホモジナイザーNanoVater(吉田機械興業製、型番:L−ES008−D10)を用いて行った。
解繊処理に供したスルホン化パルプの固形分濃度は、0.5%とした。
まず、10MPaで2回、50MPaで1回行った。その後、60MPaで3回処理した。調製したサンプル5は、以下の酵素処理に供した。
(Sample 5)
Sulfonized pulp was prepared by the same method as in Experiment 1, and the obtained sulfonated pulp was defibrated to prepare sulfonated fine cellulose fibers (Sample 5).
The defibration treatment was performed using a high-pressure homogenizer NanoVator (manufactured by Yoshida Kikai Kogyo Co., Ltd., model number: L-ES008-D10).
The solid content concentration of the sulfonated pulp subjected to the defibration treatment was 0.5%.
First, it was carried out twice at 10 MPa and once at 50 MPa. Then, it was treated three times at 60 MPa. The prepared sample 5 was subjected to the following enzyme treatment.

(酵素処理によるサンプル5の分解性測定)
ポリプロピレン製の50mLファルコンチューブ(コーニング社製)に、0.5%に調製したサンプル5を20g、0.1M酢酸緩衝液を30g入れ、セルロース分解酵素(Aspergillus niger由来セルラーゼ、ナカライテスク社製品コード:07550−74)10mgを加え、50℃に設定した恒温槽に入れ、24時間反応させた。
各反応時間に、適宜溶液を回収して、0.1μmフィルターでろ過した後、HPLCで糖分析を行った。
(Measurement of Degradability of Sample 5 by Enzyme Treatment)
20 g of sample 5 prepared at 0.5% and 30 g of 0.1 M acetate buffer were placed in a polypropylene 50 mL falcon tube (manufactured by Corning), and cellulase derived from Aspergillus niger, Nacalai Tesque product code: 07550-74) 10 mg was added, and the mixture was placed in a constant temperature bath set at 50 ° C. and reacted for 24 hours.
At each reaction time, the solution was appropriately recovered, filtered through a 0.1 μm filter, and then sugar analysis was performed by HPLC.

糖分析には、島津製作所製の高速液体クロマトグラフ(10Aシリーズ)を用いた。カラムは、バイオラッド社製の糖分析用カラム(アミネックス糖分析カラム:HPX‐87P)を用いた。検出には、示差屈折計を用いた。移動相には、超純水を用いた。
基準物質としてグルコースを用いて検出時間を確認した。
サンプル5を酵素処理した後に得られたピークと、グルコースのHPLC検出ピークがほぼ同一時間であった。よって、酵素処理によりサンプル5からグルコースが得られていると推測した。定量は、濃度既知のグルコースで検量線を作成し算出した。
A high performance liquid chromatograph (10A series) manufactured by Shimadzu Corporation was used for sugar analysis. As the column, a sugar analysis column (Aminex sugar analysis column: HPX-87P) manufactured by Bio-Rad Laboratories was used. A differential refractometer was used for detection. Ultrapure water was used as the mobile phase.
The detection time was confirmed using glucose as a reference substance.
The peak obtained after the enzyme treatment of sample 5 and the HPLC detection peak of glucose were approximately the same time. Therefore, it was presumed that glucose was obtained from sample 5 by the enzyme treatment. The quantification was calculated by preparing a calibration curve with glucose of known concentration.

(比較サンプル3)
比較サンプル3は、解繊処理を以下の条件とした以外、実験2の比較サンプル1と同様の製法で調製した。
解繊処理に供したスルホン化パルプの固形分濃度は、0.5%とした。
まず、10MPaで2回、50MPaで1回行った。その後、60MPaで5回処理した。
調製した比較サンプル3は、サンプル5と同様に酵素処理に供し、同様に糖分析を行った。
なお、ブランクサンプルには、丸住製紙製のNBKP(図5ではNBKPと表示、以下単にNBKPという)を使用した。
(Comparison sample 3)
The comparative sample 3 was prepared by the same production method as that of the comparative sample 1 of the experiment 2 except that the defibration treatment was set as follows.
The solid content concentration of the sulfonated pulp subjected to the defibration treatment was 0.5%.
First, it was carried out twice at 10 MPa and once at 50 MPa. Then, it was treated 5 times at 60 MPa.
The prepared comparative sample 3 was subjected to enzyme treatment in the same manner as in sample 5, and sugar analysis was carried out in the same manner.
As the blank sample, NBKP manufactured by Marusumi Paper Co., Ltd. (indicated as NBKP in FIG. 5, hereinafter simply referred to as NBKP) was used.

(実験4の結果)
生分解性の確認として、セルロース分解作用の有するセルラーゼを用いた。
サンプル5の重合度は300付近、比較サンプル3の重合度は400付近、NBKPは重合度900程度であった。
図5には、酵素による分解速度の結果を示す。
CNFは、重合度にかかわらず、時間経過と共にグルコースへと変換した。
本実験結果から、スルホン化したセルロースは、セルラーゼで分解可能であり、生分解性を有することが確認できた。
また、重合度における分解速度を比較すると、サンプル5(図5では三角)のグルコース収率は、1.6%→4.1%→10.9%であった。比較サンプル3(図5では四角)の収率は、1.6%→4.4%→9.9%であり、NBKP(図5では菱形)の収率は、1.5%→3.7%→7.7%であった。
この結果から、CNFは、重合度が低いほうが、重合度が高いCNFと比べて優れた生分解性を有していることが確認できた。
なお、酵素量を10倍にした実験では、サンプル5のグルコース収率は、24時間後に80%を超えていた。
(Result of Experiment 4)
To confirm the biodegradability, cellulase having a cellulolytic activity was used.
The degree of polymerization of sample 5 was around 300, the degree of polymerization of comparative sample 3 was around 400, and the degree of polymerization of NBKP was around 900.
FIG. 5 shows the results of the enzymatic decomposition rate.
CNF was converted to glucose over time, regardless of the degree of polymerization.
From the results of this experiment, it was confirmed that the sulfonated cellulose can be decomposed by cellulase and has biodegradability.
Comparing the decomposition rates in the degree of polymerization, the glucose yield of sample 5 (triangle in FIG. 5) was 1.6% → 4.1% → 10.9%. The yield of Comparative Sample 3 (square in FIG. 5) is 1.6% → 4.4% → 9.9%, and the yield of NBKP (diamond in FIG. 5) is 1.5% → 3. It was 7% → 7.7%.
From this result, it was confirmed that CNF having a lower degree of polymerization has better biodegradability than CNF having a high degree of polymerization.
In the experiment in which the amount of enzyme was increased 10 times, the glucose yield of sample 5 exceeded 80% after 24 hours.

<実験5>
(分散性試験)
一般的に、CNFの構造や化学的特性が、粘度やTI値に由来するものと考えられていることから、このような粘度特性を制御することができれば、CNFの用途展開がさらに広がることが期待できる。本実験では、重合度低下処理を行うことにより、所定の粘度特性を有するCNFを制御できることを確認した。
実験2の結果から、解繊強度を上げていくと、スルホン化パルプは一度粘度の極大値を取り、その後減少していくことが明らかになった。
そこで、本実験では、解繊強度の設定をさらに低い値とすることで、より繊細なレベルでの、繊維の分散状態の変化(粘性変化)の確認を試みた。
本実験では、重合度低下処理による分散性への影響を、解繊状況ごとの粘度特性から判断した。
<Experiment 5>
(Dispersibility test)
Generally, it is considered that the structure and chemical properties of CNF are derived from the viscosity and TI value. Therefore, if such viscosity properties can be controlled, the application development of CNF can be further expanded. You can expect it. In this experiment, it was confirmed that CNF having a predetermined viscosity characteristic can be controlled by performing the degree of polymerization reduction treatment.
From the results of Experiment 2, it was clarified that as the defibration strength was increased, the sulfonated pulp once reached a maximum viscosity and then decreased.
Therefore, in this experiment, we tried to confirm the change in the dispersion state (viscosity change) of the fibers at a more delicate level by setting the defibration strength to a lower value.
In this experiment, the effect of the degree of polymerization reduction treatment on the dispersibility was judged from the viscosity characteristics of each defibration condition.

(サンプル6)
本実験のスルホン化微細セルロース繊維(サンプル6)は、以下に示す以外、実験1と同様の方法で調製した。
実験1の試料Bの条件において、重合度低下処理工程を25質量%硫酸溶液中にパルプの固形分濃度が10質量%になるように調製した。その後、0.5M水酸化ナトリウム水溶液で中和した。そして、スルファミン酸/尿素比((g/L)/(g/L))を200/200にし、反応液中の薬品と各パルプ(乾燥重量)の比率がパルプ:薬品=1:10となるようにスラリーを調整し、反応温度を140℃、反応時間を30分にした。
(Sample 6)
The sulfonated fine cellulose fiber (Sample 6) of this experiment was prepared by the same method as in Experiment 1 except as shown below.
Under the conditions of Sample B in Experiment 1, the degree of polymerization reduction treatment step was prepared so that the solid content concentration of the pulp was 10% by mass in a 25% by mass sulfuric acid solution. Then, it was neutralized with 0.5 M aqueous sodium hydroxide solution. Then, the sulfamic acid / urea ratio ((g / L) / (g / L)) is set to 200/200, and the ratio of the chemicals in the reaction solution to each pulp (dry weight) is pulp: chemicals = 1:10. The slurry was adjusted in this manner so that the reaction temperature was 140 ° C. and the reaction time was 30 minutes.

解繊処理は高圧ホモジナイザー(吉田機械興業製、NanoVater、型番L−ES008−D10)を用いて行った。
解繊条件は、パルプの固形分濃度を0.5%にし、解繊強度を1〜7段階に設定し、解繊を行った。解繊強度設定は以下のとおりとした。
解繊強度1:10MPaで1回、
解繊強度2:10MPaで2回、
解繊強度3:10MPaで3回、
解繊強度4:10MPaで4回、
解繊強度5:10MPaで3回+30MPaで2回、
解繊強度6:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで2回、
解繊強度7:100MPaで7回、
とし、解繊強度の設定数値が上がるほど、解繊強度が強くなるように設定した。
粘度の測定は、実験2の比較サンプル1と同様にして行った。
重合度の測定は、実験1と同様にして実施した。尚、解繊強度6で調製したCNFを使用した。
全光線透過率とヘイズ値の測定は、CNFの固形分濃度を0.5%にした以外、実験3と同様に行った。
The defibration treatment was performed using a high-pressure homogenizer (NanoVatter, manufactured by Yoshida Kikai Kogyo Co., Ltd., model number L-ES008-D10).
As for the defibration conditions, the solid content concentration of the pulp was set to 0.5%, the defibration strength was set to 1 to 7 steps, and defibration was performed. The defibration strength was set as follows.
Defibering strength 1:10 MPa once,
Twice at a defibration strength of 2:10 MPa,
Defibering strength 3:10 MPa 3 times,
Defibering strength 4:10 MPa 4 times,
Defibering strength 5:10 MPa 3 times + 30 MPa twice,
Defibering strength 6: 10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 2 times,
Defibering strength 7: 7 times at 100 MPa,
The higher the set value of the defibration strength, the stronger the defibration strength.
The viscosity was measured in the same manner as in Comparative Sample 1 of Experiment 2.
The degree of polymerization was measured in the same manner as in Experiment 1. CNF prepared with a defibration strength of 6 was used.
The total light transmittance and the haze value were measured in the same manner as in Experiment 3 except that the solid content concentration of CNF was set to 0.5%.

(比較サンプル4)
比較サンプル4は、解繊処理を以下の条件とした以外、実験2の比較サンプル1と同様の製法で調製した。
(Comparison sample 4)
The comparative sample 4 was prepared by the same production method as that of the comparative sample 1 of the experiment 2 except that the defibration treatment was made under the following conditions.

解繊条件は、パルプの固形分濃度を0.5%にし、解繊強度を1〜9段階設定し、解繊を行った。
解繊強度設定は、以下のとおりとした。
解繊強度1:パナソニック社製ミキサー(型番:MX−X701)の強設定で200ml容量を2分間とした。
解繊強度2〜9は、上記解繊強度1の処理に加えて、以下のとおりとした。
解繊強度2:10MPaで1回、
解繊強度3:10MPaで3回+30MPaで2回、
解繊強度4:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで1回、
解繊強度5:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで2回、
解繊強度6:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで4回、
解繊強度7:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで2回+100MPaで2回、
解繊強度8:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで2回+100MPaで5回、
解繊強度9:10MPaで3回+30MPaで2回+60MPaで2回+100MPaで10回、
とし、解繊強度の設定数値が上がるほど、解繊強度が強くなるように設定した。つまり、比較サンプル4は、サンプル6より強い解繊強度で解繊を行った。
得られた比較サンプル4の粘度、透明性、重合度は、サンプル6と同様に測定を行った。
重合度の測定には、解繊強度5で得られたスルホン化微細セルロース繊維を用いた。
As for the defibration conditions, the solid content concentration of the pulp was set to 0.5%, the defibration strength was set in 1 to 9 steps, and defibration was performed.
The defibration strength was set as follows.
Disintegration strength 1: The 200 ml capacity was set to 2 minutes by setting the strength of a Panasonic mixer (model number: MX-X701).
The defibration strengths 2 to 9 were set as follows in addition to the treatment of the defibration strength 1.
Once at a defibration strength of 2:10 MPa,
Defibering strength 3 times at 3:10 MPa + 2 times at 30 MPa,
Defibering strength 4:10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 1 time,
Defibering strength 5:10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 2 times,
Defibering strength 6: 10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 4 times,
Defibering strength 7:10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 2 times + 100 MPa 2 times,
Defibering strength 8:10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 2 times + 100 MPa 5 times,
Defibering strength 9:10 MPa 3 times + 30 MPa 2 times + 60 MPa 2 times + 100 MPa 10 times,
The higher the set value of the defibration strength, the stronger the defibration strength. That is, the comparative sample 4 was defibrated with a defibration strength stronger than that of the sample 6.
The viscosity, transparency, and degree of polymerization of the obtained comparative sample 4 were measured in the same manner as in sample 6.
A sulfonated fine cellulose fiber obtained with a defibration strength of 5 was used for measuring the degree of polymerization.

(実験5の実験結果)
表4には、解繊前のスルホン化パルプの重合度と、解繊処理後のスルホン化微細セルロース繊維(以下、単にCNFとする)の重合度の関係性を示す。サンプル6は、スルホ基に起因する硫黄導入量が1.6mmol/gであった。
(Experimental result of Experiment 5)
Table 4 shows the relationship between the degree of polymerization of the sulfonated pulp before defibration and the degree of polymerization of the sulfonated fine cellulose fibers (hereinafter, simply referred to as CNF) after the defibration treatment. In sample 6, the amount of sulfur introduced due to the sulfo group was 1.6 mmol / g.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

表4に示すように、重合度低下処理を行ったスルホン化パルプの重合度は420であり、重合度低下処理を行っていないスルホン化パルプの重合度は860であった。 As shown in Table 4, the degree of polymerization of the sulfonated pulp subjected to the degree of polymerization reduction treatment was 420, and the degree of polymerization of the sulfonated pulp not subjected to the degree of polymerization reduction treatment was 860.

CNFが、増粘性(高い粘度)と、高いTI値を発揮するということは、静置状態では繊維同士が絡まり合うことにより粘度が発現するが、所定の力がかかると繊維の絡まりあいが崩れるということである。このとき粘度に寄与する繊維の絡まり合いは、繊維幅が細く、長い程強いと考えられる。一方、増粘性(高い粘度)、かつ、低いTI値を発揮するCNFを調製するには、高いTI値のCNFと比べて、所定の力がかかっても繊維の絡まり合いが崩れないという分散状態を形成しなければならない。
そこで、本実験では、重合度の異なるCNFの分散状態を粘度およびTI値から判断した。
The fact that CNF exhibits thickening (high viscosity) and high TI value means that the fibers are entangled with each other in a stationary state to develop viscosity, but when a predetermined force is applied, the entanglement of the fibers is broken. That's what it means. At this time, the entanglement of the fibers that contributes to the viscosity is considered to be stronger as the fiber width is narrower and longer. On the other hand, in order to prepare a CNF that has a high viscosity (high viscosity) and exhibits a low TI value, a dispersed state in which the entanglement of fibers does not break even when a predetermined force is applied as compared with a CNF having a high TI value. Must be formed.
Therefore, in this experiment, the dispersed state of CNFs having different degrees of polymerization was judged from the viscosity and the TI value.

表5には、各解繊強度における、粘度およびTI値、透明性(全光線透過率およびヘイズ値)の変化を示す。図6には、解繊強度設定と粘度およびTI値の関係性を示す。 Table 5 shows changes in viscosity, TI value, and transparency (total light transmittance and haze value) at each defibration strength. FIG. 6 shows the relationship between the defibration strength setting and the viscosity and TI value.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

低重合度化処理したサンプル6は、解繊設定2で解繊処理した際のヘイズが20%以下になっていたことから、適切にCNFが得られたことが確認できた。解繊後のCNFの重合度は、330程度であった。CNFの分散体の目視観察において粗大な繊維が見られなくなってからは、重合度の大きな変化は確認されなかった。
図6(A)に示すように、解繊圧力の設定が10MPaの解繊処理においては、サンプル6の粘度挙動として、粘度の極大点が2点生じることが明らかになった。この2つの極大点における粘度の値は同程度の値を示した。そして、粘度が極大点を取る時のTI値の範囲は、表5と図6(B)に示すように、一度目の極大点(第1極大点)が1.5〜4であり、二度目の極大点(第2極大点)におけるTI値が4以上であることがわかった。つまり、同程度の粘度を発揮するCNFにおいて、異なるTI値を発揮することから、第1極大点を含む範囲におけるCNFと、第2極大点を含む範囲におけるCNFでは、繊維の分散状態が異なっていることが推測された。
In the sample 6 subjected to the low polymerization degree treatment, the haze when the defibration treatment was performed in the defibration setting 2 was 20% or less, so that it was confirmed that CNF was appropriately obtained. The degree of polymerization of CNF after defibration was about 330. No significant change in the degree of polymerization was confirmed after the coarse fibers were no longer observed in the visual observation of the CNF dispersion.
As shown in FIG. 6A, it was clarified that in the defibration treatment in which the defibration pressure was set to 10 MPa, two maximum viscosity points were generated as the viscosity behavior of the sample 6. The values of viscosity at these two maximum points showed similar values. As shown in Table 5 and FIG. 6 (B), the range of the TI value when the viscosity takes the maximum point is 1.5 to 4 for the first maximum point (first maximum point), and two. It was found that the TI value at the second maximum point (second maximum point) was 4 or more. That is, since different TI values are exhibited in the CNF exhibiting the same viscosity, the dispersed state of the fibers is different between the CNF in the range including the first maximum point and the CNF in the range including the second maximum point. It was speculated that there was.

表6には、比較サンプル4の各解繊強度における、粘度およびTI値、透明性(全光線透過率およびヘイズ値)の変化を示す。
図7には、比較サンプル4の解繊強度設定と粘度およびTI値の関係性を示す。
Table 6 shows changes in viscosity, TI value, and transparency (total light transmittance and haze value) at each defibration intensity of Comparative Sample 4.
FIG. 7 shows the relationship between the defibration strength setting of the comparative sample 4 and the viscosity and TI value.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

比較サンプル4では、解繊前のパルプの重合度が高く(800以上)、サンプル6と同様の解繊強度設定ではCNFを得ることができなかった。そこで、比較サンプル4では、より強い強度設定で解繊を行った。
図7に示すように、重合度の高いパルプを用いた比較サンプル4では、解繊強度設定が3(サンプル6の解繊強度設定5に相当)以降でヘイズが20%以下となった。つまり、比較サンプル4では、この設定強度で初めてCNFが得られたことが確認できた。そして、得られた比較サンプル4は、重合度が400程度、TI値が3.5程度であり、サンプル6と比べて高い傾向にあった。
In Comparative Sample 4, the degree of polymerization of the pulp before defibration was high (800 or more), and CNF could not be obtained with the same defibration strength setting as in Sample 6. Therefore, in Comparative Sample 4, defibration was performed with a stronger strength setting.
As shown in FIG. 7, in the comparative sample 4 using the pulp having a high degree of polymerization, the haze was 20% or less after the defibration strength setting was 3 (corresponding to the defibration strength setting 5 of the sample 6). That is, in Comparative Sample 4, it was confirmed that CNF was obtained for the first time at this set intensity. The obtained comparative sample 4 had a degree of polymerization of about 400 and a TI value of about 3.5, which tended to be higher than that of sample 6.

以上の結果から、本製法では、従来の製法と比べて低い解繊強度設定でCNFを調製できることが確認できた。つまり、本製法を用いれば、従来の製法と比べて低いエネルギーで透明なCNFが得られることが確認できた。
また、本製法では、解繊強度の低い領域では、粘度が高くTI値が低いCNFが調製でき、解繊強度の高い領域では、粘度が高くTI値が高いCNFが調製できることが確認できた。高いTI値を有するCNFは、CNFの分散体に力を加えた際に、CNFの絡み合いがほぐれ易い構造を有していると考えられる。その逆に、低いTI値を有するCNFは、その分散体に力を加えた際、CNFの絡み合いがほどけ難い構造を有していると考えられる。
したがって、本製法では、従来の製法よりもより低エネルギーでCNFを調製することができ、しかも、異なる構造を有するCNFを制御しながら調製できることが確認できた。さらに、本製法で得られるCNFは、所定の濃度に分散させた際に高い透明性を発揮させることができることも確認できた。また、本製法を用いれば、重合度が低いにもかかわらず、高い粘性(粘度)を有しつつ、低いTI値または高いTI値を発揮するCNFをコントロールしながら調製できることが確認できた。
From the above results, it was confirmed that in this production method, CNF can be prepared with a lower defibration strength setting than in the conventional production method. That is, it was confirmed that when this production method is used, a transparent CNF can be obtained with lower energy than the conventional production method.
Further, in this production method, it was confirmed that a CNF having a high viscosity and a low TI value can be prepared in a region having a low defibration strength, and a CNF having a high viscosity and a high TI value can be prepared in a region having a high defibration strength. It is considered that the CNF having a high TI value has a structure in which the entanglement of the CNF is easily disentangled when a force is applied to the dispersion of the CNF. On the contrary, the CNF having a low TI value is considered to have a structure in which the entanglement of the CNF is difficult to be disentangled when a force is applied to the dispersion.
Therefore, it was confirmed that in this production method, CNF can be prepared with lower energy than the conventional production method, and moreover, CNF having a different structure can be prepared while being controlled. Furthermore, it was also confirmed that the CNF obtained by this production method can exhibit high transparency when dispersed at a predetermined concentration. Further, it was confirmed that by using this production method, it is possible to prepare while controlling CNF exhibiting a low TI value or a high TI value while having a high viscosity (viscosity) despite a low degree of polymerization.

<実験6>
(解繊性)
重合度低下処理がスルホン化パルプの解繊性へ与える影響について確認した。
本実験では、スルホン化パルプの解繊性へ与える影響を、解繊処理における解繊エネルギーと重合度の関係性から評価した。
本実験では、解繊処理に用いた機器と、調製したサンプル6(実験5のサンプル6)に基づいて、解繊処理に必要な解繊エネルギー(J)を求めた。
<Experiment 6>
(Deflexibility)
The effect of the degree of polymerization reduction treatment on the defibration of the sulfonated pulp was confirmed.
In this experiment, the effect of sulfonated pulp on the defibration property was evaluated from the relationship between the defibration energy and the degree of polymerization in the defibration treatment.
In this experiment, the defibration energy (J) required for the defibration treatment was determined based on the equipment used for the defibration treatment and the prepared sample 6 (sample 6 of the experiment 5).

(解繊エネルギー(J)の算出)
まず、パルプの解繊処理の完了は、他の実験と同様に、解繊処理後に得られるCNFの分散液(CNFスラリー)のヘイズ値が20%以下になったときと定義した。これは、分散液のヘイズ値が20%以下になっていれば、得られるCNFの繊維幅がおおよそ20nm以下となっており、スラリーを目視で評価した際、透明であると判断できるからである。
(Calculation of defibration energy (J))
First, the completion of the pulp defibration treatment was defined as when the haze value of the CNF dispersion (CNF slurry) obtained after the defibration treatment became 20% or less, as in other experiments. This is because if the haze value of the dispersion is 20% or less, the fiber width of the obtained CNF is about 20 nm or less, and when the slurry is visually evaluated, it can be judged to be transparent. ..

つぎに、解繊に用いた高圧ホモジナイザーの各圧力時のパルプへの付与エネルギーの考え方について以下に示す。
実験に使用した解繊機器のノズル(吉田機械興業社製、ノズル型番:クロス型XT260、溝幅160μm)は一定であり、使用液体として水を用いた。このため、各圧力時において、この配管内を流れる水の流速から運動エネルギーを求め、この運動エネルギーを解繊エネルギーとみなし、この解繊エネルギーに基づいて各解繊状態を比較した。
本算出方法では、溶媒を水、流路等を一定としたとき、水平配管内を流れる水の圧力変化による理論的な流速変化を考えているため、粘性の影響 や配管抵抗は無いものとした。
Next, the concept of the energy applied to the pulp at each pressure of the high-pressure homogenizer used for defibration is shown below.
The nozzle of the defibrating equipment used in the experiment (manufactured by Yoshida Kikai Kogyo Co., Ltd., nozzle model number: cross type XT260, groove width 160 μm) was constant, and water was used as the liquid used. Therefore, at each pressure, the kinetic energy was obtained from the flow velocity of the water flowing in the pipe, this kinetic energy was regarded as the defibration energy, and each defibration state was compared based on this defibration energy.
In this calculation method, when the solvent is water, the flow path, etc. is constant, the theoretical flow velocity change due to the pressure change of the water flowing in the horizontal pipe is considered, so there is no influence of viscosity or pipe resistance. ..

配管内を流れる液体の流量と流速は、以下の式から求められる。

Q=C×A×V
(Q:流量、C:流量係数、V:流速、A:流路面積)
ベルヌーイの定理の応用から、以下の式で流速が算出される。
V=(2×P÷ρ)^0.5
(p:圧力差圧、ρ:流体密度)

この式から、流量は(2×P÷ρ)^0.5に比例(つまり、圧力Pの平方根に比例)し、密度ρの平方根に反比例することがわかる。
抵抗を考慮していないとき、この圧力Pは解繊機器(高圧ホモジナイザー)の設定圧力の変化に比例すると考えることができる。つまり、設定圧力が10MPaから30MPaに変化したとき、流速Vは、V=(2×P÷ρ)^0.5のベルヌーイの定理の応用から、圧力が3倍になる。このため流速Vは√3倍(つまり流速が1.73倍)になる(このとき流体密度、流量係数は一定とする)。そして、この流体のエネルギーを運動エネルギーの式(運動エネルギー=1/2mv)に基づいて算出すれば、この流体のエネルギーが、本実験のパルプに解繊力として付与されたエネルギーとして求められる。
The flow rate and flow velocity of the liquid flowing in the pipe can be calculated from the following equations.

Q = C × A × V
(Q: flow rate, C: flow coefficient, V: flow rate, A: flow path area)
From the application of Bernoulli's theorem, the flow velocity is calculated by the following formula.
V = (2 × P ÷ ρ) ^ 0.5
(P: Pressure differential pressure, ρ: Fluid density)

From this equation, it can be seen that the flow rate is proportional to (2 × P ÷ ρ) ^ 0.5 (that is, proportional to the square root of the pressure P) and inversely proportional to the square root of the density ρ.
When resistance is not taken into consideration, this pressure P can be considered to be proportional to the change in the set pressure of the defibrating equipment (high pressure homogenizer). That is, when the set pressure changes from 10 MPa to 30 MPa, the flow velocity V triples the pressure from the application of Bernoulli's theorem of V = (2 × P ÷ ρ) ^ 0.5. Therefore, the flow velocity V becomes √3 times (that is, the flow velocity is 1.73 times) (at this time, the fluid density and the flow coefficient are constant). Then, if the energy of this fluid is calculated based on the equation of kinetic energy (kinetic energy = 1/2 mv 2 ), the energy of this fluid can be obtained as the energy given to the pulp of this experiment as the defibrating force.

つぎに、各圧力における流速と運動エネルギーの考え方について説明する。
本実験で使用した解繊機(高圧ホモジナイザー)の最大設定圧力は200MPaであり、そのときの吐出流量は7.8mL/sである。流量は、圧力Pの平方根に比例するので、10MPaのときの流量は7.8/√20≒1.74cm/sとなる。表7に各圧力と、その時の流量を示す。
Next, the concept of flow velocity and kinetic energy at each pressure will be described.
The maximum set pressure of the defibrator (high pressure homogenizer) used in this experiment is 200 MPa, and the discharge flow rate at that time is 7.8 mL / s. Since the flow rate is proportional to the square root of the pressure P, the flow rate at 10 MPa is 7.8 / √20≈1.74 cm 3 / s. Table 7 shows each pressure and the flow rate at that time.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

実験で使用した解繊機器のノズル溝幅(ノズル径)は160μmであった。このノズルを円形である配管と想定すると、流路面積は0.00020096cmとなる。そして、流速(cm/s)=(流量(cm/s))/(流路面積(cm))から流速を算出できる。
表8に、各圧力の流速を示す。
The nozzle groove width (nozzle diameter) of the defibrating equipment used in the experiment was 160 μm. Assuming that this nozzle is a circular pipe, the flow path area is 0.0002096 cm 2 . Then, the flow velocity can be calculated from the flow velocity (cm / s) = (flow rate (cm 3 / s)) / (flow path area (cm 2)).
Table 8 shows the flow velocity of each pressure.

Figure 2021046541
Figure 2021046541

表8の数値から、圧力設定10MPa、装置のワンショット設定量が3.9mLのとき、ノズル径160μmの配管内を3.9gの水が(水の密度は1g/cm)が8679cm/sで動いている。これらの条件時の各圧力での運動エネルギーを以下の式から算出すると各圧力における運動エネルギー(J)は表9のとおりとなる。

運動エネルギー(J)=1/2mv
(m:質量(kg)、v:速度(m/s))
From the values in Table 8, when the pressure setting is 10 MPa and the one-shot set amount of the device is 3.9 mL, 3.9 g of water (water density is 1 g / cm 3 ) is 8679 cm / s in the pipe with a nozzle diameter of 160 μm. It is moving in. When the kinetic energy at each pressure under these conditions is calculated from the following formula, the kinetic energy (J) at each pressure is as shown in Table 9.

Kinetic energy (J) = 1/2 mv 2
(M: mass (kg), v: velocity (m / s))

Figure 2021046541
Figure 2021046541

表9に示す運動エネルギー(J)が、パルプを解繊するときに、パルプに付与される解繊エネルギー(J)となる。
そして、表9に示す圧力と運動エネルギー(J)の関係に基づいて、本実験の各解繊設定強度における、解繊エネルギー(J)は、算出される。各解繊設定強度における処理回数による影響は、各圧力での一回当たりの解繊エネルギー(J)値に処理回数を掛けて算出した。算出結果を図8に示す。
The kinetic energy (J) shown in Table 9 is the defibration energy (J) given to the pulp when the pulp is defibrated.
Then, based on the relationship between the pressure and the kinetic energy (J) shown in Table 9, the defibration energy (J) at each defibration set intensity in this experiment is calculated. The effect of the number of treatments on each defibration set strength was calculated by multiplying the defibration energy (J) value per treatment at each pressure by the number of treatments. The calculation result is shown in FIG.

図8には、各CNFを調製するのに必要な解繊エネルギーと重合度の関係を示す。
図8の(B)のグラフは、図8(A)のグラフの点線で囲った範囲を拡大したものである。図8の矢印で示しているのは、ヘイズ値が20%のラインであり、このラインより上であるとパルプが未解繊の状態であり、下であると解繊が完了して適切なCNFが得られている。
サンプル6(図8では四角)では、解繊エネルギーが20J付近で、すでにヘイズ値が20%を下回っていた。一方、比較サンプル4(図8では丸)では、ヘイズ値が20%以下となるには、130J以上の解繊エネルギーが必要であった。
以上の結果から、サンプル6は、比較サンプル4よりも解繊にかかるエネルギーが非常に低く設定できたことから、比較サンプル4と比べて、優れた解繊性を有していることが確認できた。
FIG. 8 shows the relationship between the defibration energy required to prepare each CNF and the degree of polymerization.
The graph of FIG. 8 (B) is an enlargement of the range surrounded by the dotted line of the graph of FIG. 8 (A). The arrow in FIG. 8 indicates a line with a haze value of 20%. Above this line, the pulp is in an unfibered state, and below this line, defibration is completed and appropriate. CNF has been obtained.
In sample 6 (square in FIG. 8), the defibration energy was around 20 J, and the haze value was already below 20%. On the other hand, in the comparative sample 4 (circled in FIG. 8), a defibration energy of 130 J or more was required for the haze value to be 20% or less.
From the above results, it can be confirmed that the sample 6 has excellent defibration property as compared with the comparative sample 4 because the energy required for defibration can be set to be much lower than that of the comparative sample 4. It was.

したがって、本発明の製法を用いれば、重合度低下処理により、重合度が高いパルプからは調製困難な低いTI値を発揮する本発明のスルホン化微細セルロース繊維(以下、単に本発明のCNFという)を得ることができる。また、このような高い透明性、高い粘度を発揮する本発明のCNFを、従来の製法と比べて非常に少ないエネルギーで調製できることが確認できた。
また、本発明の製法を用いれば、得られる本発明のCNFは、低重合度ゆえに繊維がしなやかになるので、さまざまな分散形態を形成させることができる。しかも、製造エネルギーも非常に少なくてすむ。
そして、本発明のCNFは、従来の技術では得られなかった粘度特性を発揮する。具体的には、本発明のCNFは、高い透明性・高い粘度・低いTI値を発揮するもの、または高い透明性・高い粘度・高いTI値を発揮するもの、である。前者の本発明のCNFは、外的応力を加えられた場合でも繊維同士の絡まりを維持する繊維構造を有しており、後者の本発明のCNFは、外的応力により繊維同士の絡まりが崩れ易い繊維構造となっている。
よって、本発明の製法により得られる本発明のCNFは、様々な分野に使用することができる。例えば、ドラッグデリバリーシステムへの応用や、繊維の形態を維持することができるのでゼリー等の高粘度品、食料用粘度調整品、化粧料用増粘剤、塗料や油圧機器の作動油などの工業製品、細胞や微生物、ウイルスの培地、結晶化の核剤などの実験用デバイス、コンタクトレンズ等のソフトマテリアル、油制振部材や免震装置などの免制震デバイスに使用することができる。
また、本発明の製法では、上記のごとく解繊エネルギー(J)を調整することにより、得られる本発明のCNFのTI値(つまり繊維構造)を制御することができる。このため、グリスのような増粘制御剤として利用も期待できる。
Therefore, if the production method of the present invention is used, the sulfonated fine cellulose fiber of the present invention (hereinafter, simply referred to as CNF of the present invention) exhibits a low TI value that is difficult to prepare from pulp having a high degree of polymerization by the treatment for reducing the degree of polymerization. Can be obtained. Further, it was confirmed that the CNF of the present invention exhibiting such high transparency and high viscosity can be prepared with much less energy than the conventional production method.
Further, by using the production method of the present invention, the obtained CNF of the present invention can form various dispersed forms because the fiber becomes supple due to the low degree of polymerization. Moreover, the manufacturing energy is very low.
The CNF of the present invention exhibits viscosity characteristics that cannot be obtained by conventional techniques. Specifically, the CNF of the present invention is one that exhibits high transparency, high viscosity, and low TI value, or one that exhibits high transparency, high viscosity, and high TI value. The former CNF of the present invention has a fiber structure that maintains the entanglement of fibers even when an external stress is applied, and the latter CNF of the present invention breaks the entanglement of fibers due to external stress. It has an easy fiber structure.
Therefore, the CNF of the present invention obtained by the production method of the present invention can be used in various fields. For example, it can be applied to drug delivery systems and can maintain the morphology of fibers, so it can be used in industries such as high-viscosity products such as jelly, food viscosity adjusters, cosmetic thickeners, paints and hydraulic oils for hydraulic equipment. It can be used for products, experimental devices such as cells and microorganisms, virus media, crystallization nucleating agents, soft materials such as contact lenses, and seismic isolation devices such as oil damping members and seismic isolation devices.
Further, in the production method of the present invention, the TI value (that is, the fiber structure) of the CNF of the present invention obtained can be controlled by adjusting the defibration energy (J) as described above. Therefore, it can be expected to be used as a thickening control agent such as grease.

本発明のスルホン化微細セルロース繊維およびスルホン化微細セルロース繊維の製造方法は、工業分野や、食品分野、医療分野、化粧品分野など様々な分野で多くの用途に好適に用いることができ、これらの分野に用いられる複合化材料の原料などとしても好適に用いることができる。 The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber and a sulfonated fine cellulose fiber of the present invention can be suitably used for many uses in various fields such as an industrial field, a food field, a medical field, and a cosmetics field, and these fields It can also be suitably used as a raw material for a composite material used in the above.

S1 重合度低下処理工程
S2 化学処理工程
S3 微細処理工程
S1 Degree of polymerization reduction treatment step S2 Chemical treatment step S3 Fine treatment step

Claims (12)

セルロース繊維が微細化された微細セルロース繊維であって、
該微細セルロース繊維の水酸基の一部が、スルホ基で置換されたものであり、
該スルホ基に起因する硫黄導入量が、0.42mmol/gよりも高くなるように調製されたものであり、
前記微細セルロース繊維は、
複数のユニット繊維からなる平均繊維幅30nm以下の繊維であり、
該微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態の25℃における該分散液の粘度が、5,000mPa・s以上である
ことを特徴とするスルホン化微細セルロース繊維。
Cellulose fiber is a finely divided fine cellulose fiber,
A part of the hydroxyl group of the fine cellulose fiber is substituted with a sulfo group.
The amount of sulfur introduced due to the sulfo group was adjusted to be higher than 0.42 mmol / g.
The fine cellulose fiber is
It is a fiber consisting of a plurality of unit fibers and having an average fiber width of 30 nm or less.
The fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass, and the viscosity of the dispersion liquid at 25 ° C. is 5,000 mPa · s or more. Sulfated fine cellulose fibers.
前記微細セルロース繊維は、
該微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態において、該分散液の、B型粘度計を用いて、温度25℃、回転数6rpmと回転数60rpmで測定を行い、各々の粘度を算出し、各粘度比(回転数6rpmでの粘度/回転数60rpmでの粘度)から算出されるチキソトロピー性指数が、5.0以上である
ことを特徴とする請求項1記載のスルホン化微細セルロース繊維。
The fine cellulose fiber is
In a state where the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass, the dispersion liquid is rotated at a temperature of 25 ° C. and a rotation speed of 6 rpm using a B-type viscometer. It is characterized in that the thixotropy index calculated from each viscosity ratio (viscosity at 6 rpm / viscosity at 60 rpm) is 5.0 or more after measurement is performed at several 60 rpm and each viscosity is calculated. The sulfonated fine cellulose fiber according to claim 1.
前記微細セルロース繊維は、
該微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態において、該分散液の、B型粘度計を用いて、温度25℃、回転数6rpmと回転数60rpmで測定を行い、各々の粘度を算出し、各粘度比(回転数6rpmでの粘度/回転数60rpmでの粘度)から算出されるチキソトロピー性指数が、5.0よりも低いものである
ことを特徴とする請求項1記載のスルホン化微細セルロース繊維。
The fine cellulose fiber is
In a state where the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass, the dispersion liquid is rotated at a temperature of 25 ° C. and a rotation speed of 6 rpm using a B-type viscometer. The thixotropy index calculated from each viscosity ratio (viscosity at 6 rpm / viscosity at 60 rpm) is lower than 5.0 by measuring at several 60 rpm and calculating each viscosity. The sulfonated fine cellulose fiber according to claim 1, wherein the sulfonated fine cellulose fiber.
前記ユニット繊維は、平均重合度が350以下である
ことを特徴とする請求項1、2または3記載のスルホン化微細セルロース繊維。
The sulfonated fine cellulose fiber according to claim 1, 2 or 3, wherein the unit fiber has an average degree of polymerization of 350 or less.
前記微細セルロース繊維は、
前記微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態における該分散液のヘイズ値が10%以下である
ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載のスルホン化微細セルロース繊維。
The fine cellulose fiber is
Claims 1, 2 and 1. The haze value of the dispersion liquid in a state where the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass is 10% or less. 3 or 4 sulfonated fine cellulose fibers.
前記微細セルロース繊維は、
前記微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態における該分散液の全光線透過率が90%以上である
ことを特徴とする請求項1、2、3、4または5記載のスルホン化微細セルロース繊維。
The fine cellulose fiber is
Claim 1, characterized in that the total light transmittance of the dispersion liquid in a state where the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass is 90% or more. 2, 3, 4 or 5 sulfonated fine cellulose fibers.
前記微細セルロース繊維は、
前記微細セルロース繊維を水溶性溶媒に固形分濃度が0.5質量%となるように分散させた状態における該分散液において、
JIS Z 8781-4:2013に準拠して算出されるL色空間が、下記のL、aおよびb
が、95%以上である、
が、―5以上、+5以下である、
が、―5以上、+5以下である、
の内の少なくとも一つを満たす
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のスルホン化微細セルロース繊維。
The fine cellulose fiber is
In the dispersion liquid in which the fine cellulose fibers are dispersed in a water-soluble solvent so that the solid content concentration is 0.5% by mass.
The L * a * b * color space calculated in accordance with JIS Z 8781-4: 2013 is the following L * , a * and b * :
L * is 95% or more,
a * is -5 or more and +5 or less,
b * is -5 or more and +5 or less,
The sulfonated fine cellulose fiber according to any one of claims 1 to 6, wherein the sulfonated fine cellulose fiber satisfies at least one of the above.
パルプから請求項1〜7のいずれかに記載のスルホン化微細セルロース繊維を製造する方法であって、
前記パルプを化学的に処理する化学処理工程と、該化学処理工程後のパルプを微細化する微細化処理工程と、を順に行う方法であり、
前記化学処理工程の前に、前記パルプを解重合する重合度低下処理工程を含む
ことを特徴とするスルホン化微細セルロース繊維の製造方法。
The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber according to any one of claims 1 to 7 from pulp.
It is a method of sequentially performing a chemical treatment step of chemically treating the pulp and a miniaturization treatment step of refining the pulp after the chemical treatment step.
A method for producing a sulfonated fine cellulose fiber, which comprises a degree-reducing treatment step of depolymerizing the pulp before the chemical treatment step.
前記重合度低下処理工程では、
前記パルプを、酸溶液またはアルカリ溶液に、接触または浸漬して解重合したパルプを調製する
ことを特徴とする請求項8記載のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法。
In the polymerization degree reduction treatment step,
The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber according to claim 8, wherein the pulp is brought into contact with or immersed in an acid solution or an alkaline solution to depolymerize the pulp.
前記微細化処理工程において、
前記化学処理工程後のパルプを解繊機器に供給し、5MPa〜60MPaの解繊圧力で微細化する
ことを特徴とする請求項8または9記載のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法。
In the miniaturization processing step
The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber according to claim 8 or 9, wherein the pulp after the chemical treatment step is supplied to a defibration apparatus and pulverized at a defibration pressure of 5 MPa to 60 MPa.
前記微細化処理工程において、
前記化学処理工程後のパルプを解繊機器で繰り返し解繊する回数を、30パス以下とする
ことを特徴とする請求項10記載のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法。
In the miniaturization processing step
The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber according to claim 10, wherein the number of times of repeatedly defibrating the pulp after the chemical treatment step with a defibration apparatus is 30 passes or less.
前記微細化処理工程において、
前記化学処理工程後のパルプに対して1000J以下の解繊エネルギーを付与する
ことを特徴とする請求項8、9、10または11記載のスルホン化微細セルロース繊維の製造方法。
In the miniaturization processing step
The method for producing a sulfonated fine cellulose fiber according to claim 8, 9, 10 or 11, wherein 1000 J or less of defibration energy is applied to the pulp after the chemical treatment step.
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