JP2021091895A - Cellulose nanocrystal dispersion - Google Patents

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JP2021091895A JP2020202496A JP2020202496A JP2021091895A JP 2021091895 A JP2021091895 A JP 2021091895A JP 2020202496 A JP2020202496 A JP 2020202496A JP 2020202496 A JP2020202496 A JP 2020202496A JP 2021091895 A JP2021091895 A JP 2021091895A
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英昭 長▲浜▼
Hideaki Nagahama
英昭 長▲浜▼
友貴 木下
Tomoki Kinoshita
友貴 木下
慎一郎 前田
Shinichiro Maeda
慎一郎 前田
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Abstract

To provide a cellulose nanocrystal dispersion that is excellent in dispersibility of cellulose nanocrystal, can express excellent barrier properties and handleability, and also has excellent productivity and economical efficiency.SOLUTION: A cellulose nanocrystal dispersion contains a sulfate group and/or a sulfo group derived from sulfuric acid treatment, and an anionic functional group derived from hydrophilicization treatment. In a water dispersion with the cellulose nanocrystal of 2 mass% in solid content, a visible light transmittance at 600 nm is 45%T or more.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、セルロースナノクリスタル分散液に関するものであり、より詳細には、分散性及び塗工性に優れ、透明性及びガスバリア性に優れた塗膜を形成可能なセルロースナノクリスタル分散液に関する。 The present invention relates to a cellulose nanocrystal dispersion, and more specifically, to a cellulose nanocrystal dispersion capable of forming a coating film having excellent dispersibility and coatability, and excellent transparency and gas barrier property.

ナノセルロースは、高度バイオマス原料として、機能性添加剤、フィルム複合材料等として種々な用途に使用することが提案されている。特に、セルロースナノファイバー(CNF)から成る膜やセルロースナノファイバーを含有する積層体等の材料は、セルロース繊維間の水素結合や架橋的な強い相互作用から、ガスの溶解、拡散を抑制できるため酸素バリア性等のガスバリア性に優れていることが知られており、セルロースナノファイバーを利用したバリア材料が提案されている。
セルロース繊維の微細化のため、機械的処理と共に、カルボキシル基やリン酸基等の親水性の官能基を、セルロースの水酸基に導入する化学的処理を行うことが行われており、これにより微細化処理に要するエネルギーを低減可能であると共に、バリア性や水系溶媒への分散性が向上する。
It has been proposed that nanocellulose is used as an advanced biomass raw material, as a functional additive, as a film composite material, and for various purposes. In particular, materials such as a film made of cellulose nanofibers (CNF) and a laminate containing cellulose nanofibers can suppress the dissolution and diffusion of gas due to hydrogen bonds between cellulose fibers and strong cross-linking interactions, so that oxygen can be suppressed. It is known to have excellent gas barrier properties such as barrier properties, and barrier materials using cellulose nanofibers have been proposed.
In order to make the cellulose fibers finer, a chemical treatment is carried out in which hydrophilic functional groups such as a carboxyl group and a phosphoric acid group are introduced into the hydroxyl groups of the cellulose in addition to the mechanical treatment. The energy required for the treatment can be reduced, and the barrier property and the dispersibility in an aqueous solvent are improved.

このようなセルロースナノファイバーを用いた分散液も知られており、例えば、下記特許文献1には、結晶化度が70%以上、銅エチレンジアミン溶液を用いた粘度法による重合度が160以下、且つ繊維径が50nm以下であるセルロースナノファイバーが分散媒に分散している分散液が提案されている。
また下記特許文献2には、数平均繊維長250nm以下、かつ数平均繊維径2〜5nmのセルロースナノファイバーが分散媒に分散している分散液が提案されている。
A dispersion liquid using such cellulose nanofibers is also known. For example, in Patent Document 1 below, the crystallinity is 70% or more, the degree of polymerization by the viscosity method using a copper ethylenediamine solution is 160 or less, and the degree of polymerization is 160 or less. A dispersion liquid in which cellulose nanofibers having a fiber diameter of 50 nm or less are dispersed in a dispersion medium has been proposed.
Further, Patent Document 2 below proposes a dispersion in which cellulose nanofibers having a number average fiber length of 250 nm or less and a number average fiber diameter of 2 to 5 nm are dispersed in a dispersion medium.

特開2013−256546号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-256546 国際公開2014/061485International release 2014/061485

しかしながら、上記特許文献1に記載されたセルロースナノファイバー分散液においては、分散媒に分散させるセルロースナノファイバーを調製する工程として、TEMPO触媒を用いて化学処理されたセルロースナノファイバーを低粘度化する工程や、或いはナノファイバー化させる微粒化工程が必要であり、生産性や経済性の点で十分満足するものではない。またセルロースナノファイバーは繊維長が長いことからガスバリア性の点で満足するものではなく、繊維長を短くすれば高いガスバリア性を得ることも可能であるが、そのためには更なる処理が必要であり、経済性に劣る。
また上記特許文献2では、分散液の分散性を向上するために低粘度化が可能な繊維長の短いセルロースナノファイバーを調製しているが、繊維長の短いセルロースナノファイバーを調製するために特別な原料を使用する必要があり、やはり生産性や経済性に劣る。
However, in the cellulose nanofiber dispersion liquid described in Patent Document 1, as a step of preparing the cellulose nanofibers to be dispersed in the dispersion medium, a step of reducing the viscosity of the cellulose nanofibers chemically treated using a TEMPO catalyst. Or, a micronization step for making nanofibers is required, and the productivity and economic efficiency are not sufficiently satisfied. In addition, cellulose nanofibers are not satisfactory in terms of gas barrier properties due to their long fiber length, and it is possible to obtain high gas barrier properties by shortening the fiber length, but further treatment is required for that purpose. , Inferior in economy.
Further, in Patent Document 2 above, cellulose nanofibers having a short fiber length capable of lowering the viscosity are prepared in order to improve the dispersibility of the dispersion liquid, but specially for preparing cellulose nanofibers having a short fiber length. It is necessary to use various raw materials, which is also inferior in productivity and economy.

セルロースナノファイバーに比して繊維長の短いナノセルロースとして、セルロース繊維を強酸で加水分解処理して成るセルロースナノクリスタル(CNC)が知られている。セルロースナノクリスタルは繊維長が短いことから、塗工時の取扱い性に優れていると共に、塗工面の平滑性にも優れている。しかしながら、一般にセルロースナノクリスタルは、上述したようなカルボキシル基等が導入されたセルロースナノファイバーに比してガスバリア性に劣っている。
本発明者等は、セルロースナノクリスタルがアニオン性官能基を多く含有することにより、優れたガスバリア性を発現できることを見出した(特願2018−177610)。
しかしながら、かかるセルロースナノクリスタルは、保存性や搬送性等の観点から一般にパウダー状に固形化されており、分散液を得るには、パウダー化されたセルロースナノクリスタルを分散媒に凝集を抑制しながら分散させることが必要であり、やはり生産性や経済性の点で満足するものではない。また本発明者等の研究により、このような固形化(パウダー状)されたセルロースナノクリスタルを分散させた分散液は、アニオン性官能基を含有するセルロースナノクリスタルのガスバリア性を低下させてしまうことが分かった。
As nanocellulose having a shorter fiber length than cellulose nanofibers, cellulose nanocrystals (CNC) formed by hydrolyzing cellulose fibers with a strong acid are known. Since cellulose nanocrystals have a short fiber length, they are excellent in handleability at the time of coating and also excellent in smoothness of the coated surface. However, in general, cellulose nanocrystals are inferior in gas barrier properties to cellulose nanofibers into which a carboxyl group or the like has been introduced as described above.
The present inventors have found that cellulose nanocrystals can exhibit excellent gas barrier properties by containing a large amount of anionic functional groups (Japanese Patent Application No. 2018-177610).
However, such cellulose nanocrystals are generally solidified in the form of powder from the viewpoint of storage stability, transportability, etc., and in order to obtain a dispersion liquid, powdered cellulose nanocrystals are used as a dispersion medium while suppressing aggregation. It needs to be dispersed, and it is not satisfactory in terms of productivity and economy. Further, according to the research by the present inventors, the dispersion liquid in which such solidified (powder-like) cellulose nanocrystals are dispersed reduces the gas barrier property of the cellulose nanocrystals containing anionic functional groups. I understood.

従って本発明の目的は、セルロースナノクリスタルの分散性に優れ、優れたバリア性及び取扱い性を発現可能であると共に、生産性及び経済性にも優れたセルロースナノクリスタル分散液を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a cellulose nanocrystal dispersion liquid which is excellent in dispersibility of cellulose nanocrystals, can exhibit excellent barrier properties and handleability, and is also excellent in productivity and economy. ..

本発明によれば、硫酸処理由来の硫酸基及び/又はスルホ基、及び親水化処理由来のアニオン性官能基を含有するセルロースナノクリスタル分散液であって、前記セルロースナノクリスタルの固形分量が2質量%の水分散の600nmの可視光線透過率が45%T以上であることを特徴とするセルロースナノクリスタル分散液が提供される。 According to the present invention, a cellulose nanocrystal dispersion containing a sulfate group and / or a sulfo group derived from a sulfuric acid treatment and an anionic functional group derived from a hydrophilic treatment, wherein the solid content of the cellulose nanocrystals is 2% by mass. Provided is a cellulose nanocrystal dispersion liquid characterized by having a visible light transmittance at 600 nm of% aqueous dispersion of 45% T or more.

本発明のセルロースナノクリスタル分散液においては、
1.前記セルロースナノクリスタル分散液のレーザ回折式粒度分布測定装置によるセルロースナノクリスタルの平均粒径が10.1μm以下且つメディアン径が10.6μm以下且つモード径が10.9μm以下であること、
2.前記硫酸基及び/又はスルホ基、及びアニオン性官能基の総量が0.17mmol/gより多く且つ4.0mmol/g以下であること、
3.前記セルロースナノクリスタルの結晶化度が60%以上であり、且つ繊維幅が50nm以下でアスペクト比が5〜50であること、
4.前記アニオン性官能基が、硫酸基、スルホ基、リン酸基、カルボキシル基のうちの少なくとも1つであること、
5.前記親水化処理が、ネバードライ処理、又はネバードライ処理と、カルボジイミド、硫酸、三酸化硫黄−ピリジン錯体、リン酸−尿素、TEMPO触媒、酸化剤の何れかを用いた処理との組み合わせであること、
が好適である。
In the cellulose nanocrystal dispersion of the present invention,
1. 1. The average particle size of the cellulose nanocrystals by the laser diffraction type particle size distribution measuring device of the cellulose nanocrystal dispersion is 10.1 μm or less, the median diameter is 10.6 μm or less, and the mode diameter is 10.9 μm or less.
2. The total amount of the sulfate group and / or the sulfo group and the anionic functional group is more than 0.17 mmol / g and 4.0 mmol / g or less.
3. 3. The degree of crystallinity of the cellulose nanocrystal is 60% or more, the fiber width is 50 nm or less, and the aspect ratio is 5 to 50.
4. The anionic functional group is at least one of a sulfuric acid group, a sulfo group, a phosphoric acid group, and a carboxyl group.
5. The hydrophilization treatment is a combination of a never dry treatment or a never dry treatment and a treatment using any one of carbodiimide, sulfuric acid, sulfur trioxide-pyridine complex, phosphoric acid-urea, TEMPO catalyst, and oxidizing agent. ,
Is preferable.

本発明のセルロースナノクリスタル分散液においては、繊維長が短く且つ繊維径の小さいセルロースナノクリスタルが、凝集することなく均一に分散されているため、塗工性及び取扱い性に優れていると共に、透明性にも優れており、セルロースナノクリスタルの固形分量が2質量%の水分散における可視光線透過率が45%T以上と優れた透明性を有している。
また本発明において、セルロースナノクリスタルは硫酸処理由来の硫酸基及び/又はスルホ基、及び親水化処理由来のアニオン性官能基を有しており、セルロースナノクリスタル間の荷電反発による緻密な自己組織化構造が形成されていることから、優れたガスバリア性を発現できる。また繊維長の短いセルロースナノクリスタルから成り、これらが分散液中に均一に分散していることにより、上述した自己組織化構造と相まって、ガスバリア性がより向上されている。
本発明のセルロースナノクリスタル分散液は、後述する実施例の結果から明らかなように、固形化されたセルロースナノクリスタルを同一固形分量として分散させた分散液に比して、透明性(可視光線透過率)やガスバリア性に優れている。また固形化されたセルロースナノクリスタルを再分散させて分散液を調製する必要もなく、経済性や取扱い性の点でも優れている。
またセルロースナノクリスタルが、乾燥固化を経ることのないネバードライ処理されたものであることにより、セルロースナノクリスタルが微細且つ均質な分散状態にある分散液とすることができる。
In the cellulose nanocrystal dispersion liquid of the present invention, the cellulose nanocrystals having a short fiber length and a small fiber diameter are uniformly dispersed without agglomeration, so that they are excellent in coatability and handleability and are transparent. It is also excellent in properties, and has excellent transparency with a visible light transmittance of 45% T or more in an aqueous dispersion in which the solid content of the cellulose nanocrystal is 2% by mass.
Further, in the present invention, the cellulose nanocrystals have a sulfuric acid group and / or a sulfo group derived from the sulfuric acid treatment and an anionic functional group derived from the hydrophilic treatment, and are densely self-assembled by charge repulsion between the cellulose nanocrystals. Since the structure is formed, excellent gas barrier properties can be exhibited. Further, since it is composed of cellulose nanocrystals having a short fiber length and these are uniformly dispersed in the dispersion liquid, the gas barrier property is further improved in combination with the above-mentioned self-assembled structure.
As is clear from the results of Examples described later, the cellulose nanocrystal dispersion liquid of the present invention is more transparent (visible light transmission) than the dispersion liquid in which solidified cellulose nanocrystals are dispersed as the same solid content. Excellent rate) and gas barrier properties. Further, it is not necessary to redisperse the solidified cellulose nanocrystals to prepare a dispersion liquid, which is excellent in terms of economy and handleability.
Further, since the cellulose nanocrystals are never-dried without undergoing drying and solidification, it is possible to obtain a dispersion liquid in which the cellulose nanocrystals are in a fine and homogeneous dispersed state.

粒子径の計算方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of a particle diameter. 実施例1の分散液中のセルロースナノクリスタルの分散状態を示すクライオSEM写真であり、(A)は実際大きさの5000倍写真であり、(B)は(A)のX部分の拡大写真(実際の大きさの20000倍)、(C)は(A)のY部分の拡大写真(実際の大きさの20000倍)、(D)は(B)のZ部分の拡大写真(実際の大きさの100000倍)、(E)は(C)のZ部分の拡大写真(実際の大きさの100000倍)である。It is a cryo-SEM photograph which shows the dispersion state of the cellulose nanocrystal in the dispersion liquid of Example 1, (A) is the photograph which is 5000 times the actual size, and (B) is the enlarged photograph of the X part of (A) (A). (20,000 times the actual size), (C) is an enlarged photograph of the Y part of (A) (20,000 times the actual size), (D) is an enlarged photograph of the Z part of (B) (actual size) (100,000 times), (E) is an enlarged photograph (100,000 times the actual size) of the Z portion of (C). 比較例1の分散液中のセルロースナノクリスタルの分散状態を示すクライオSEM写真であり、(A)は実際大きさの5000倍写真であり、(B)は(A)のX部分の拡大写真(実際の大きさの20000倍)、(C)は(A)のY部分の拡大写真(実際の大きさの20000倍)、(D)は(B)のZ部分の拡大写真(実際の大きさの100000倍)、(E)は(C)のZ部分の倍拡大写真(実際の大きさの100000倍)である。It is a cryo-SEM photograph showing the dispersion state of the cellulose nanocrystal in the dispersion liquid of Comparative Example 1, (A) is a photograph which is 5000 times the actual size, and (B) is an enlarged photograph of the X part of (A) (A). (20,000 times the actual size), (C) is an enlarged photograph of the Y part of (A) (20,000 times the actual size), (D) is an enlarged photograph of the Z part of (B) (actual size) (100,000 times), (E) is a double-magnified photograph (100,000 times the actual size) of the Z portion of (C).

本発明のセルロースナノクリスタル分散液は、硫酸処理由来の硫酸基及び/又はスルホ基、及び親水化処理由来のアニオン性官能基を含有するセルロールナノクリスタルが分散媒中に凝集することなく、均一に分散して成る分散液であることから、セルロースナノクリスタルの固形分量が2質量%の水分散の可視光線透過率が45%T以上と、優れた透明性を有している。
また、セルロースナノクリスタルによるガスバリア性は、セルロースナノクリスタル同士の荷電反発により形成される自己組織化構造が透過ガスの透過経路の障壁になることにより発現されるが、本発明のセルロースナノクリスタル分散液においては、セルロースナノクリスタルの表面に硫酸基及び/又はスルホ基やカルボキシル基等のアニオン性官能基が存在することにより、これらのアニオン性官能基が有する電荷(アニオン)により自己組織化構造を効率よく形成し、上述した均一分散性と相俟って優れたガスバリア性を発現できる。
In the cellulose nanocrystal dispersion of the present invention, cellol nanocrystals containing a sulfate group and / or a sulfo group derived from a sulfuric acid treatment and an anionic functional group derived from a hydrophilization treatment are uniform without agglomeration in the dispersion medium. Since it is a dispersion liquid dispersed in, it has excellent transparency with a visible light transmittance of 45% T or more in an aqueous dispersion having a solid content of 2% by mass of cellulose nanocrystals.
Further, the gas barrier property of the cellulose nanocrystals is expressed by the self-assembled structure formed by the charge repulsion between the cellulose nanocrystals acting as a barrier of the permeation path of the permeated gas. In the case, since anionic functional groups such as sulfate group and / or sulfo group and carboxyl group are present on the surface of the cellulose nanocrystal, the self-assembled structure is made efficient by the charge (anion) possessed by these anionic functional groups. It is well formed and can exhibit excellent gas barrier properties in combination with the above-mentioned uniform dispersibility.

更に本発明のセルロースナノクリスタル分散液においては、レーザ回折式粒度分布測定装置によるセルロースナノクリスタルの平均粒径が10.1μm以下且つメディアン径が10.6μm以下且つモード径が10.9μm以下であることが好適である。
粒度分布とは、測定対象となる分散液のサンプル粒子群の中に、どのような大きさ(粒子径)の粒子が、どのような割合(全体を100%とする相対粒子量)で含まれているかを示す指標である。レーザ回折式粒度分布装置によってレーザ回折・散乱法での光強度分布データパターンから粒子径を特定し、計算によって体積基準の粒度分布を求める。また体積基準の粒度分布に基づいて個数基準の粒度分布を計算することもできる。
レーザ回折式粒度分布測定装置は、測定対象となる粒子群にレーザ光を照射すると、空間的に回折・散乱光の光強度分布パターンが生じ、このうち前方散乱光の光強度分布パターンは、レンズによって集光され、焦点距離の位置にある検出面に、リング状の回折・散乱像を結ぶ。これを同心円状に検出素子を配置したリングセンサで検出する。また、側方散乱光および後方散乱光は、側方散乱光センサおよび後方散乱光センサでそれぞれ検出する。このように各種検出素子を用いて光強度分布パターンを検出し、光強度分布データを得る。
分散液中のセルロースナノクリスタルが希薄な濃度で存在する状態において、レーザ回折式粒度分布装置の測定結果を解析することにより、セルロースナノクリスタルの平均粒径およびメディアン径およびモード径を求めることができる。分散液中のセルロースナノクリスタルの平均粒径及びメディアン径及びモード径が上記範囲にある分散液においては、分散性が良く、ガスバリア性及び塗工時のハンドリング性に優れていると共に、塗工表面の平滑性に優れるという利点もある。
Further, in the cellulose nanocrystal dispersion liquid of the present invention, the average particle size of the cellulose nanocrystals by the laser diffraction type particle size distribution measuring device is 10.1 μm or less, the median diameter is 10.6 μm or less, and the mode diameter is 10.9 μm or less. Is preferable.
The particle size distribution means that particles of what size (particle size) are included in the sample particle group of the dispersion liquid to be measured, and at what ratio (relative particle amount with the whole as 100%). It is an index showing whether or not it is. The particle size is specified from the light intensity distribution data pattern by the laser diffraction / scattering method using a laser diffraction type particle size distribution device, and the volume-based particle size distribution is obtained by calculation. It is also possible to calculate the number-based particle size distribution based on the volume-based particle size distribution.
In the laser diffraction type particle size distribution measuring device, when the particle group to be measured is irradiated with laser light, a light intensity distribution pattern of diffracted / scattered light is spatially generated, and the light intensity distribution pattern of the forward scattered light is a lens. A ring-shaped diffracted / scattered image is formed on the detection surface at the focal distance. This is detected by a ring sensor in which detection elements are arranged concentrically. Further, the side scattered light and the backscattered light are detected by the side scattered light sensor and the backscattered light sensor, respectively. In this way, the light intensity distribution pattern is detected using various detection elements, and the light intensity distribution data is obtained.
The average particle size, median diameter, and mode diameter of the cellulose nanocrystals can be obtained by analyzing the measurement results of the laser diffraction type particle size distribution device in a state where the cellulose nanocrystals in the dispersion liquid are present at a dilute concentration. .. In a dispersion in which the average particle size, median diameter, and mode diameter of the cellulose nanocrystals in the dispersion are in the above ranges, the dispersibility is good, the gas barrier property and the handling property at the time of coating are excellent, and the coating surface is excellent. It also has the advantage of being excellent in smoothness.

粒度分布は、通常、粒子径スケールに対する粒子量(積算または頻度)として表現される。また、レーザ回折式粒度分布測定装置の測定原理であるレーザ回折・散乱法では、粒子が球形であると仮定して計算された回折・散乱光の光強度分布パターンに基づいて粒度分布を求められる。したがって、粒度分布測定では、常に粒子が球形であるという前提や仮定に基づいて測定が行われる。
セルロースナノクリスタルのような繊維状粒子の場合、得られる粒度分布は、繊維状粒子の短径が分布下限に、長径が分布上限にほぼ相当するような比較的広い分布が得られる。これは、セル内部では、繊維状粒子の方向がランダムであると考えられること、また、ある程度粒子の方向が一定であったとしても、回折・散乱光を検出するセンサの形状が1/4円となっているため、結果的に一定方向のみの回折・散乱光を検出することにはならないからである。
さまざまな形状・サイズの繊維状粒子が含まれている場合、測定結果の分布範囲は、その中で最も小さな短径から、最も大きな長径へと広がり、繊維状粒子の場合でも、測定対象の粒子群に含まれる粒子の形状・サイズのばらつきが大きくなれば分布範囲は広がり、ばらつきが小さくなれば分布範囲は狭くなり、形状やサイズが大きくなれば、粒度分布は全体として大きいほうに移動し、形状・サイズが小さくなれば、粒度分布は全体として小さいほうに移動する。繊維状粒子が凝集していれば、粒度分布は全体として大きいほうに移動し、分散していれば、粒度分布は全体として小さいほうに移動する。このように、レーザ回折式粒度分布測定装置によってセルロースナノクリスタルの繊維特性を定量的に評価できる。
The particle size distribution is usually expressed as a particle size (integration or frequency) relative to the particle size scale. Further, in the laser diffraction / scattering method, which is the measurement principle of the laser diffraction type particle size distribution measuring device, the particle size distribution can be obtained based on the light intensity distribution pattern of the diffraction / scattered light calculated on the assumption that the particles are spherical. .. Therefore, the particle size distribution measurement is always based on the assumption or assumption that the particles are spherical.
In the case of fibrous particles such as cellulose nanocrystals, the obtained particle size distribution is such that the minor axis of the fibrous particles corresponds to the lower limit of the distribution and the major axis substantially corresponds to the upper limit of the distribution. This is because it is considered that the directions of the fibrous particles are random inside the cell, and even if the directions of the particles are constant to some extent, the shape of the sensor that detects diffracted / scattered light is 1/4 yen. As a result, it is not possible to detect diffracted / scattered light only in a certain direction.
When fibrous particles of various shapes and sizes are included, the distribution range of the measurement result extends from the smallest minor axis to the largest major axis, and even in the case of fibrous particles, the particles to be measured. The larger the variation in the shape and size of the particles contained in the group, the wider the distribution range, the smaller the variation, the narrower the distribution range, and the larger the shape and size, the larger the particle size distribution as a whole. As the shape and size become smaller, the particle size distribution shifts to the smaller one as a whole. If the fibrous particles are agglomerated, the particle size distribution moves to the larger side as a whole, and if they are dispersed, the particle size distribution moves to the smaller side as a whole. In this way, the fiber characteristics of the cellulose nanocrystals can be quantitatively evaluated by the laser diffraction type particle size distribution measuring device.

平均粒径については対数スケールに基いて計算し、各粒子径の値に相対粒子量(差分%)を掛けて、相対粒子量の合計(100%)で割ることによって計算する。具体的には、まず測定対象となる粒子径範囲(最大粒子径:x1、最小粒子径:xn+1)をn分割し、それぞれの粒子径区間を、[xj、xj+1](j=1,2,・・・・n)とする。この場合の分割は対数スケール上での等分割となる。また、対数スケールに基いてそれぞれの粒子径区間での代表粒子径は下記式(1) The average particle size is calculated based on a logarithmic scale, and is calculated by multiplying the value of each particle size by the relative particle amount (difference%) and dividing by the total relative particle amount (100%). Specifically, first, the particle size range (maximum particle size: x1, minimum particle size: xn + 1) to be measured is divided into n, and each particle size section is divided into [xj, xj + 1] (j = 1, 2, 2,・ ・ ・ ・ N). The division in this case is an equal division on a logarithmic scale. Further, based on the logarithmic scale, the representative particle size in each particle size section is given by the following equation (1).

Figure 2021091895
で計算する。
この代表粒子径は対数により表されていることからこの時点で粒子径の単位ではなくなる。さらにqj(j=1,2,・・・・n)を、粒子径区間[xj、xj+1]に対応する相対粒子量(差分%)とし、全区間の合計を100%とすると、対数スケール上での平均値μは下記式(2)
Figure 2021091895
Calculate with.
Since this representative particle size is represented by a logarithm, it is no longer a unit of particle size at this point. Further, assuming that qj (j = 1, 2, ... n) is the relative particle amount (difference%) corresponding to the particle size interval [xj, xj + 1] and the total of all the intervals is 100%, it is on the logarithmic scale. The average value μ in is calculated by the following equation (2).

Figure 2021091895
で計算できる。
このμは、対数スケール上の数値であり、粒子径としての単位を持たないので、粒子径の単位に戻すために10μすなわち10のμ乗を計算している。この10μが平均粒子径となる。
Figure 2021091895
Can be calculated with.
Since this μ is a numerical value on a logarithmic scale and does not have a unit as a particle size, 10 μ, that is, 10 μ power is calculated in order to return to the unit of particle size. This 10 μ is the average particle size.

粒度分布データは、粒子径スケールに対する積算%や頻度%として表現されるが、積算%のスケールに対する粒子径として表現することができる。例えば、積算%の分布曲線が10%の横軸と交差するポイントの粒子径を10%径、50%の横軸と交差するポイントの粒子径を50%径、90%の横軸と交差するポイントの粒子径を90%径と言うことができ、必要に応じて任意の積算%が用いられる。任意%粒子径の計算方法を図1および下記式(3)、(4)に示す。 The particle size distribution data is expressed as an integrated% or frequency% with respect to the particle size scale, but can also be expressed as a particle size with respect to the integrated% scale. For example, the particle size at the point where the integrated% distribution curve intersects the 10% horizontal axis intersects with the 10% diameter, and the particle size at the point where the 50% horizontal axis intersects with the 50% diameter and 90% horizontal axis. The particle size of the point can be said to be 90%, and an arbitrary integrated% is used if necessary. The calculation method of the arbitrary% particle size is shown in FIG. 1 and the following formulas (3) and (4).

Figure 2021091895
積算%Qにおける任意%粒子径xを求め、このxの両側の2つの粒子径xj+1およびxにおける積算%Qj+1およびQが既知であるとき、積算%Qにおける任意%粒子径xは、上記式(3)及び(4)を用いて計算することができる。50%粒子径がメディアン径となり、Qを50%として計算することでメディアン径を求めることができる。また出現される頻度(%)の比率が最も大きい粒径によってモード径を求めることができる。
Figure 2021091895
Obtains any% particle size x a in cumulative% Q a, when cumulative% Q j + 1 and Q j in the x 2 one particle size on either side of a x j + 1 and x j are known, any% in cumulative% Q a The particle size x a can be calculated using the above equations (3) and (4). The 50% particle size becomes the median diameter, and the median diameter can be obtained by calculating with Q a as 50%. Further, the mode diameter can be obtained from the particle size having the largest ratio of appearance frequency (%).

また本発明のセルロースナノクリスタル分散液においては、セルロースナノクリスタルがネバードライ処理を経たものであることが好適であるが、セルロースナノクリスタル分散液中のセルロースナノクリスタルが、ネバードライ処理を経たものか、或いは乾燥固化処理を経たものであるかについては、セルロースナノクリスタル分散液についての分子運動性と分散性の違いについて、パルスNMRによる緩和時間測定解析及びクライオSEM観察によって評価することができる。
すなわち、セルロースナノクリスタル分散液について、Bruker製TD−NMR THE MINISPEC MQ20を用いて、パルスNMRのソリッドエコー法で測定された自由誘導減衰(M(t))を、下記式(5)を用いて、解析ソフト(TDNMR−A)によりフィッティングを行い、1成分(α)(成分(α):分子運動性が低く分子運動が拘束されている最も運動性の低い成分)に近似して解析することができる。さらに下記式(6)、式(7)を用いることにより、2成分以上(上記成分(α)、成分(β):成分(α)より分子運動性がより高く分子運動が拘束されていない成分、成分(γ):成分(β)よりも運動性が高い成分)において解析できるかどうかを検討することができ、解析ソフト上でエラーが返される場合、2成分以上は存在しないことが示唆される。
Further, in the cellulose nanocrystal dispersion of the present invention, it is preferable that the cellulose nanocrystals have undergone the never dry treatment, but the cellulose nanocrystals in the cellulose nanocrystal dispersion have undergone the never dry treatment. Or, whether or not the cellulose nanocrystal dispersion has undergone the dry solidification treatment can be evaluated by relaxation time measurement analysis by pulse NMR and cryo-SEM observation for the difference in molecular motility and dispersibility of the cellulose nanocrystal dispersion.
That is, with respect to the cellulose nanocrystal dispersion, the free induction decay (M (t)) measured by the solid echo method of pulse NMR using Bruker's TD-NMR THE MINISPEC MQ20 was subjected to the following formula (5). , Fitting with analysis software (TDNMR-A), and analyze by approximating one component (α) (component (α): the component with low molecular motion and the lowest molecular motion in which molecular motion is constrained). Can be done. Further, by using the following formulas (6) and (7), two or more components (component (α), component (β): a component having higher molecular motility than the component (α) and whose molecular motion is not constrained). , Component (γ): A component with higher motility than component (β)) can be examined, and if an error is returned on the analysis software, it is suggested that two or more components do not exist. To.

M(t)=αexp{−(1/Wa)×(t/Tα)×Wa}・・・(5)
M(t)=αexp{−(1/Wa)×(t/Tα)×Wa}
+βexp{−(1/Wa)×(t/Tβ)×Wa}・・・(6)
M(t)=αexp{−(1/Wa)×(t/Tα)×Wa}
+βexp{−(1/Wa)×(t/Tβ)×Wa}
+γexp{−(1/Wa)×(t/Tγ)×Wa}・・・(7)
M (t) = αexp {-(1 / Wa) x (t / Tα) x Wa} ... (5)
M (t) = αexp {-(1 / Wa) x (t / Tα) x Wa}
+ Βexp {-(1 / Wa) x (t / Tβ) x Wa} ... (6)
M (t) = αexp {-(1 / Wa) x (t / Tα) x Wa}
+ Βexp {-(1 / Wa) x (t / Tβ) x Wa}
+ Γexp {-(1 / Wa) x (t / Tγ) x Wa} ... (7)

上記(5)〜(7)中の記号は以下のとおりである。
α:成分(α)のプロトン比率(%)
Tα:成分(α)のT2緩和時間(μsec)
β:成分(β)のプロトン比率(%)
Tβ:成分(β)のT2緩和時間(μsec)
γ:成分(γ)のプロトン比率(%)
Tγ:成分(γ)のT2緩和時間(μsec)
t:観測時間(μsec)
Wa:形状係数(1<Wa<2)
The symbols in (5) to (7) above are as follows.
α: Proton ratio (%) of component (α)
Tα: T2 relaxation time (μsec) of component (α)
β: Proton ratio (%) of component (β)
Tβ: T2 relaxation time (μsec) of component (β)
γ: Proton ratio (%) of component (γ)
Tγ: T2 relaxation time (μsec) of component (γ)
t: Observation time (μsec)
Wa: Shape coefficient (1 <Wa <2)

ネバードライ処理によるセルロースナノクリスタルを濃縮することによって得られた分散液(後述する実施例1に相当)は、スプレードライなどの乾燥を経てから分散機を用いて再分散処理した分散液(後述する比較例1に相当)に比べて粘度と透明性が高い分散液になる。
すなわち、後述する実施例の結果からも明らかなように、ネバードライ処理によるセルロースナノクリスタル分散液である実施例1においては、上記式(5)〜(7)に従って解析した結果、緩和時間の短い成分(α)のみの1成分での数値の解析結果が得られている。このことは、ネバードライ処理によるセルロースナノクリスタルのみが溶媒中に存在し、1成分の均一な運動性を有していることを示しており、分散液中でのセルロースナノクリスタルの均質性の良さを示している。
また、実施例1のセルロースナノクリスタル分散液のクライオSEM観察像を示す図2から明らかなように、ネバードライ処理によるセルロースナノクリスタルは、分散液中で微細且つ均質に分散されていることが観察される。この結果はパルスNMRの解析結果と相関があることが示唆されている。
The dispersion obtained by concentrating the cellulose nanocrystals by the never-dry treatment (corresponding to Example 1 described later) is a dispersion treated by spray-drying or the like and then redispersed using a disperser (described later). It becomes a dispersion liquid having higher viscosity and transparency than (corresponding to Comparative Example 1).
That is, as is clear from the results of Examples described later, in Example 1, which is a cellulose nanocrystal dispersion liquid obtained by never-drying, as a result of analysis according to the above formulas (5) to (7), the relaxation time is short. The analysis result of the numerical value with only one component (α) is obtained. This indicates that only the cellulose nanocrystals subjected to the never-dry treatment are present in the solvent and have uniform motility of one component, and the homogeneity of the cellulose nanocrystals in the dispersion is good. Is shown.
Further, as is clear from FIG. 2 showing the cryo-SEM observation image of the cellulose nanocrystal dispersion liquid of Example 1, it was observed that the cellulose nanocrystals subjected to the never-dry treatment were finely and uniformly dispersed in the dispersion liquid. Will be done. It is suggested that this result correlates with the analysis result of pulse NMR.

これに対して、乾燥処理による固化を経たセルロースナノクリスタル分散液である比較例1においては、上記式(5)〜(7)に従って解析した結果、緩和時間の短い成分(α)及び緩和時間のより長い成分(β)の2成分での数値の解析結果が得られている。このことは、乾燥固化を経たセルロースナノクリスタル及びさらに再分散化に限度があり凝集化したセルロースナノクリスタルの2成分が溶媒中に存在し、均一でない運動性を有していることを示しており、分散液中でのセルロースナノクリスタルの不均質性を示している。
また、比較例1のセルロースナノクリスタル分散液のクライオSEM観察像を示す図3から明らかなように、凝集化したセルロースナノクリスタルが存在し均質な分散ではない様子が観察され、この結果はパルスNMRの解析結果と相関があることが示唆されている。
On the other hand, in Comparative Example 1, which is a cellulose nanocrystal dispersion liquid that has been solidified by a drying treatment, as a result of analysis according to the above formulas (5) to (7), the component (α) having a short relaxation time and the relaxation time Numerical analysis results for the two components of the longer component (β) have been obtained. This indicates that the two components of the cellulose nanocrystals that have undergone dry solidification and the cellulose nanocrystals that have been redispersed and aggregated are present in the solvent and have non-uniform motility. , Shows the inhomogeneity of cellulose nanocrystals in the dispersion.
Further, as is clear from FIG. 3 showing a cryo-SEM observation image of the cellulose nanocrystal dispersion liquid of Comparative Example 1, it was observed that aggregated cellulose nanocrystals were present and the dispersion was not uniform, and the result was pulse NMR. It is suggested that there is a correlation with the analysis results of.

本発明の分散液においては、セルロースナノクリスタルは、硫酸基及び/又はスルホ基、及びカルボキシル基等のアニオン性官能基の総量が0.17mmol/gより多く且つ4.0mmol/g以下の範囲で含有していることが好適であり、上記範囲よりもアニオン性官能基の総量が少ない場合には、上記範囲にある場合に比して、十分な自己組織化構造が形成されず、所望のガスバリア性が得られないおそれがある。その一方上記範囲よりもアニオン性官能基の総量が多い場合は、セルロースナノクリスタルの結晶構造が維持できず、かえってガスバリア性を損なうおそれがある。
尚、本明細書において、硫酸基は、硫酸エステル基を含む概念である。
In the dispersion of the present invention, the cellulose nanocrystal has a total amount of anionic functional groups such as sulfate group and / or sulfo group and carboxyl group of more than 0.17 mmol / g and 4.0 mmol / g or less. It is preferable that the mixture is contained, and when the total amount of anionic functional groups is smaller than the above range, a sufficient self-assembled structure is not formed as compared with the case where the total amount of anionic functional groups is in the above range, and a desired gas barrier is not formed. There is a risk that sex cannot be obtained. On the other hand, when the total amount of anionic functional groups is larger than the above range, the crystal structure of the cellulose nanocrystals cannot be maintained, and the gas barrier property may be impaired.
In addition, in this specification, a sulfuric acid group is a concept including a sulfuric acid ester group.

本発明においては、セルロースナノクリスタルが、硫酸処理により加水分解されたセルロースナノクリスタルであることにより、自己組織化構造の形成に寄与する硫酸基及び/又はスルホ基を既に含有していることから特に好ましい。すなわち、セルロースナノクリスタルには、セルロース繊維を硫酸処理或いは塩酸処理により酸加水分解するものがあるが、塩酸処理によるセルロースナノクリスタルは硫酸基及び/又はスルホ基を有しないため、自己組織化構造の形成に寄与する硫酸基及び/又はスルホ基を有する、硫酸処理によるセルロースナノクリスタルに比してバリア性を向上できない。
本発明のセルロースナノクリスタルが有するアニオン性官能基は、後述するセルロースナノクリスタルの親水化処理の方法によって決まり、特にカルボキシル基、リン酸基、硫酸基及び/又はスルホ基であることが好適である。これにより前述した自己組織化構造が効率よく形成され、ガスバリア性が向上する。
In the present invention, since the cellulose nanocrystal is a cellulose nanocrystal hydrolyzed by sulfuric acid treatment, it already contains a sulfuric acid group and / or a sulfo group that contributes to the formation of a self-assembled structure. preferable. That is, some cellulose nanocrystals acid-hydrolyze cellulose fibers by sulfuric acid treatment or hydrochloric acid treatment, but since cellulose nanocrystals by hydrochloric acid treatment do not have sulfuric acid groups and / or sulfo groups, they have a self-assembled structure. Barrier properties cannot be improved as compared with cellulose nanocrystals treated with sulfuric acid, which have a sulfuric acid group and / or a sulfo group that contribute to the formation.
The anionic functional group contained in the cellulose nanocrystal of the present invention is determined by the method for hydrophilizing the cellulose nanocrystal described later, and is particularly preferably a carboxyl group, a phosphoric acid group, a sulfate group and / or a sulfo group. .. As a result, the above-mentioned self-organizing structure is efficiently formed, and the gas barrier property is improved.

本発明においてセルロースナノクリスタルは、硫酸基及び/又はスルホ基、並びにアニオン性官能基の総量が上記した範囲にあり、結晶化度が60%以上の範囲にあることが望ましい。
またセルロースナノクリスタルは、繊維径が50nm以下でアスペクト比が5〜50であるセルロースナノクリスタルであることが好適である。
In the present invention, it is desirable that the total amount of the sulfate group and / or the sulfo group and the anionic functional group of the cellulose nanocrystal is in the above range and the crystallinity is in the range of 60% or more.
Further, the cellulose nanocrystal is preferably a cellulose nanocrystal having a fiber diameter of 50 nm or less and an aspect ratio of 5 to 50.

(セルロースナノクリスタル分散液の製造方法)
上述した特徴を有する本発明のセルロースナノクリスタル分散液は、セルロースナノクリスタルの調製において、パウダー等の固形化を経ていない(ネバードライ処理)セルロースナノクリスタル分散液であることが重要である。前述したとおり、固形化されたセルロースナノクリスタルを用いて分散液を調製すると、固形化処理や固形状のセルロースナノクリスタルの分散処理等により製造工程が煩雑になるだけでなく、ガスバリア性が低下するという問題がある。すなわち、乾燥処理に付され固形化されたセルロースナノクリスタルは分散液中で繊維の配向が整いにくく、緻密な自己組織化構造を形成することが困難であり、本発明の分散液に比してガスバリア性が劣っている。
従って本発明のセルロースナノクリスタル分散液は、セルロース原料を硫酸処理することにより得られた、硫酸基及び/又はスルホ基含有セルロースナノクリスタルを、親水化処理し、親水化処理工程の後、遠心分離工程、及び濾過分離工程に付することにより得られた分散液であり、固形化のための噴霧乾燥(スプレードライ)工程等を経ることはない。
(Manufacturing method of cellulose nanocrystal dispersion)
In the preparation of cellulose nanocrystals, it is important that the cellulose nanocrystal dispersion liquid of the present invention having the above-mentioned characteristics is a cellulose nanocrystal dispersion liquid that has not undergone solidification such as powder (never dry treatment). As described above, when the dispersion liquid is prepared using the solidified cellulose nanocrystals, not only the manufacturing process becomes complicated due to the solidification treatment and the dispersion treatment of the solid cellulose nanocrystals, but also the gas barrier property is lowered. There is a problem. That is, the cellulose nanocrystals that have been subjected to the drying treatment and solidified are difficult to align the fibers in the dispersion liquid, and it is difficult to form a dense self-assembled structure, as compared with the dispersion liquid of the present invention. Poor gas barrier property.
Therefore, in the cellulose nanocrystal dispersion of the present invention, a cellulose nanocrystal containing a sulfuric acid group and / or a sulfo group obtained by treating a cellulose raw material with sulfuric acid is hydrophilized, and after the hydrophilization treatment step, centrifugation is performed. It is a dispersion obtained by subjecting it to a step and a filtration separation step, and does not undergo a spray drying step or the like for solidification.

[セルロースナノクリスタル]
セルロースナノクリスタルは、パルプなどのセルロース繊維を硫酸や塩酸で酸加水分解処理することにより得られる、ロッド状のセルロース結晶繊維であるが、本発明においては、自己組織化構造の形成に寄与可能な硫酸基及び/又はスルホ基を有する、硫酸処理によるセルロースナノクリスタルを使用する。
セルロースナノクリスタルは、硫酸基及び/又はスルホ基を0.18〜4.0mmol/g、特に0.20〜2.0mmol/gの量で含有することが好適である。またセルロースナノクリスタルは、前述したとおり、繊維径が50nm以下、特に2〜50nmの範囲にあり、繊維長が100〜500nmの範囲にあり、アスペクト比が5〜50の範囲にあり、結晶化度が60%以上、特に70%以上であるものを好適に用いることができる。
[Cellulose nanocrystal]
Cellulose nanocrystals are rod-shaped cellulose crystal fibers obtained by acid-hydrolyzing cellulose fibers such as pulp with sulfuric acid or hydrochloric acid, but in the present invention, they can contribute to the formation of a self-assembled structure. Sulfuric acid-treated cellulose nanocrystals with sulfuric acid and / or sulfo groups are used.
Cellulose nanocrystals preferably contain a sulfate group and / or a sulfo group in an amount of 0.18 to 4.0 mmol / g, particularly 0.20 to 2.0 mmol / g. As described above, the cellulose nanocrystals have a fiber diameter of 50 nm or less, particularly in the range of 2 to 50 nm, a fiber length in the range of 100 to 500 nm, an aspect ratio in the range of 5 to 50, and a degree of crystallinity. 60% or more, particularly 70% or more can be preferably used.

[親水化処理]
本発明においては、上述した硫酸基及び/又はスルホ基を有するセルロースナノクリスタルの親水化処理を行うことにより、硫酸基及び/又はスルホ基量を調整、或いは、カルボキシル基、リン酸基等のアニオン性官能基をセルロースの6位の水酸基に導入し、硫酸基、スルホ基、カルボキシル基、リン酸基等のアニオン性官能基の総量が0.17mmol/gより多く且つ4.0mmol/g以下、特に0.20〜2.0mmol/gの範囲にあるセルロースナノクリスタルを調製する。
親水化処理としては、ネバードライ処理、又はネバードライ処理と、水溶性カルボジイミド、硫酸、三酸化硫黄−ピリジン錯体、リン酸−尿素、TEMPO触媒、酸化剤の何れかを用いた処理とを組み合わせて行う。カルボジイミド、硫酸、三酸化硫黄−ピリジン錯体の何れかを用いた処理により、セルロースナノクリスタルの硫酸基及び/又はスルホ基量が調整されると共に、更にナノセルロースが更に短繊維化される。またリン酸−尿素又はTEMPO触媒、酸化剤の何れかを用いた処理により、リン酸基又はカルボキシル基のアニオン性官能基が導入されて、セルロースナノクリスタルの総アニオン性官能基量が上記範囲に調整される。
尚、親水化処理は、アニオン性官能基の総量が上記範囲となる限り、いずれか一つの処理を行えばよいが、同一の処理を複数回、或いは他の処理と組み合わせて複数回行ってもよい。
[Hydrophilic treatment]
In the present invention, the amount of sulfate group and / or sulfo group is adjusted or anions such as carboxyl group and phosphoric acid group are adjusted by hydrophilizing the cellulose nanocrystal having a sulfate group and / or sulfo group described above. A sex functional group is introduced into the hydroxyl group at the 6-position of cellulose, and the total amount of anionic functional groups such as sulfate group, sulfo group, carboxyl group and phosphoric acid group is more than 0.17 mmol / g and 4.0 mmol / g or less. In particular, cellulose nanocrystals in the range of 0.25 to 2.0 mmol / g are prepared.
The hydrophilization treatment is a combination of a never-dry treatment or a never-dry treatment and a treatment using any of water-soluble carbodiimide, sulfuric acid, sulfur trioxide-pyridine complex, phosphoric acid-urea, TEMPO catalyst, and oxidant. Do. Treatment with any of carbodiimide, sulfuric acid, and sulfur trioxide-pyridine complex adjusts the amount of sulfuric acid group and / or sulfo group of the cellulose nanocrystal, and further shortens the nanocellulose. Further, by treatment with either phosphoric acid-urea, a TEMPO catalyst, or an oxidizing agent, an anionic functional group of a phosphoric acid group or a carboxyl group is introduced, and the total amount of anionic functional groups of the cellulose nanocrystal is within the above range. It will be adjusted.
The hydrophilization treatment may be performed by any one of them as long as the total amount of anionic functional groups is within the above range, but the same treatment may be performed a plurality of times or a plurality of times in combination with other treatments. Good.

<ネバードライ処理による親水化処理>
セルロースナノクリスタルは、スプレードライ、加熱、減圧などによる乾燥処理を行ってパウダー等の固形化を経るが、乾燥処理による固形化の際にセルロースナノクリスタルに含有するアニオン性官能基の一部が脱離して親水性が低下する。すなわち、アニオン性官能基を含有するセルロースナノクリスタルについてパウダー等の固形化を経ないネバードライ処理は親水化処理として挙げられる。アニオン性官能基は、硫酸基及び/又はスルホ基、リン酸基、カルボキシル基などが挙げられる。
<Hydrophilic treatment by never dry treatment>
Cellulose nanocrystals undergo drying treatments such as spray drying, heating, and reduced pressure to solidify powders and the like, but when solidified by drying treatments, some of the anionic functional groups contained in the cellulose nanocrystals are removed. Separation reduces hydrophilicity. That is, a never-drying treatment of cellulose nanocrystals containing anionic functional groups without solidification of powder or the like can be mentioned as a hydrophilic treatment. Examples of the anionic functional group include a sulfate group and / or a sulfo group, a phosphoric acid group, a carboxyl group and the like.

<カルボジイミドを用いた親水化処理>
カルボジイミドを用いた処理においては、ジメチルホルムアミド等の溶媒中でセルロースナノクリスタルとカルボジイミドを撹拌し、これに硫酸を添加した後、0〜80℃の温度で5〜300分反応させて硫酸エステルとする。カルボジイミド及び硫酸は、セルロースナノクリスタル1g(固形分)に対して5〜30mmol及び5〜30mmolの量で使用することが好ましい。
次いで水酸化ナトリウム等のアルカリ性化合物を添加して、セルロースナノクリスタルに導入されたスルホ基をH型からNa型に変換することが、収率を向上する上で好ましい。その後、透析膜等を用いた濾過処理に付して不純物等を除去することにより、硫酸基及び/又はスルホ基変性セルロースナノクリスタルが調製される。
カルボジイミドとしては、分子内にカルボジイミド基(−N=C=N−)を有する水溶性化合物である1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド等を例示できる。また有機溶媒に溶解するジシクロヘキシルカルボジイミド等を使用することもできる。
<Hydrophilic treatment using carbodiimide>
In the treatment using carbodiimide, cellulose nanocrystals and carbodiimide are stirred in a solvent such as dimethylformamide, sulfuric acid is added thereto, and then the reaction is carried out at a temperature of 0 to 80 ° C. for 5 to 300 minutes to obtain a sulfuric acid ester. .. Carbodiimide and sulfuric acid are preferably used in an amount of 5 to 30 mmol and 5 to 30 mmol with respect to 1 g (solid content) of cellulose nanocrystals.
Next, it is preferable to add an alkaline compound such as sodium hydroxide to convert the sulfo group introduced into the cellulose nanocrystal from H type to Na type in order to improve the yield. After that, impurities and the like are removed by filtration using a dialysis membrane or the like to prepare cellulose nanocrystals modified with a sulfate group and / or a sulfo group.
Examples of the carbodiimide include 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide, which is a water-soluble compound having a carbodiimide group (-N = C = N-) in the molecule. Further, dicyclohexylcarbodiimide or the like dissolved in an organic solvent can also be used.

<硫酸を用いた親水化処理>
本発明で使用するセルロースナノクリスタルは、セルロース繊維を硫酸で加水分解処理して成るものであるが、このセルロースナノクリスタルを更に硫酸を用いて親水化処理する。硫酸は、セルロースナノクリスタル1g(固形分)に対して40〜60質量%で使用することが好ましい。40〜60℃の温度で5〜300分反応させ、その後、透析膜等を用いた濾過処理に付して不純物等を除去することにより、硫酸基及び/又はスルホ基変性セルロースナノクリスタルが調製される。
<Hydrophilic treatment with sulfuric acid>
The cellulose nanocrystals used in the present invention are formed by hydrolyzing cellulose fibers with sulfuric acid, and the cellulose nanocrystals are further hydrophilized with sulfuric acid. Sulfuric acid is preferably used in an amount of 40 to 60% by mass with respect to 1 g (solid content) of cellulose nanocrystals. Sulfate group and / or sulfo group-modified cellulose nanocrystals are prepared by reacting at a temperature of 40 to 60 ° C. for 5 to 300 minutes and then subjecting to filtration treatment using a dialysis membrane or the like to remove impurities and the like. To.

<三酸化硫黄−ピリジン錯体を用いた親水化処理>
三酸化硫黄−ピリジン錯体を用いた処理においては、ジメチルスルホキシド中でセルロースナノクリスタルと三酸化硫黄−ピリジン錯体を、0〜60℃の温度で5〜240分反応させることにより、セルロースグルコースユニットの6位の水酸基に硫酸基及び/又はスルホ基を導入する。
三酸化硫黄−ピリジン錯体は、セルロースナノクリスタル1g(固形分)に対して0.5〜4gの質量で配合することが好ましい。
反応後、水酸化ナトリウム等のアルカリ性化合物を添加して、セルロースナノクリスタルに導入された硫酸基及び/又はスルホ基をH型からNa型に変換することが、収率を向上する上で好ましい。その後、ジメチルホルムアミド又はイソプロピルアルコールを添加して、遠心分離等によって洗浄した後、透析膜等を用いた濾過処理によって不純物等を除去し、得られた濃縮液を水に分散させることにより、硫酸基及び/又はスルホ基変性セルロースナノクリスタルが調製される。
<Hydrophilic treatment using sulfur trioxide-pyridine complex>
In the treatment using the sulfur trioxide-pyridine complex, the cellulose nanocrystal and the sulfur trioxide-pyridine complex are reacted in dimethylsulfoxide at a temperature of 0 to 60 ° C. for 5 to 240 minutes to form 6 of the cellulose glucose unit. A sulfate group and / or a sulfo group is introduced into the hydroxyl group at the position.
The sulfur trioxide-pyridine complex is preferably blended in a mass of 0.5 to 4 g with respect to 1 g (solid content) of the cellulose nanocrystal.
After the reaction, it is preferable to add an alkaline compound such as sodium hydroxide to convert the sulfate group and / or the sulfo group introduced into the cellulose nanocrystal from the H type to the Na type in order to improve the yield. Then, dimethylformamide or isopropyl alcohol is added, and the mixture is washed by centrifugation or the like, impurities and the like are removed by filtration using a dialysis membrane or the like, and the obtained concentrate is dispersed in water to form a sulfate group. And / or a sulfo group-modified cellulose nanocrystal is prepared.

<リン酸−尿素を用いた親水化処理>
リン酸−尿素を用いた親水化処理は、リン酸−尿素を用いてリン酸基を導入する従来公知の処理と同様に行うことができる。具体的には、尿素含有化合物の存在下で、セルロースナノクリスタルとリン酸基含有化合物を、135〜180℃の温度で5〜120分反応させることによって、セルロースグルコースユニットの水酸基にリン酸基を導入する。
リン酸基含有化合物としては、リン酸、リン酸のリチウム塩、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩等を例示できる。中でもリン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸等を好適に単独または混合して使用できる。リン酸基含有化合物は、セルロースナノクリスタル10g(固形分)に対して10〜100mmolの量で添加することが好ましい。
また尿素含有化合物としては、尿素、チオ尿素、ビュウレット、フェニル尿素、ベンジル尿素、ジメチル尿素などを例示できる。中でも尿素を好適に使用できる。尿素含有化合物は、セルロースナノクリスタル10g(固形分)に対して150〜200mmolの量で使用することが好ましい。
<Hydrophilic treatment using phosphoric acid-urea>
The hydrophilization treatment using phosphoric acid-urea can be carried out in the same manner as the conventionally known treatment for introducing a phosphoric acid group using phosphoric acid-urea. Specifically, the cellulose nanocrystal and the phosphate group-containing compound are reacted at a temperature of 135 to 180 ° C. for 5 to 120 minutes in the presence of a urea-containing compound to form a phosphate group on the hydroxyl group of the cellulose glucose unit. Introduce.
Examples of the phosphoric acid group-containing compound include phosphoric acid, a lithium salt of phosphoric acid, a sodium salt of phosphoric acid, a potassium salt of phosphoric acid, and an ammonium salt of phosphoric acid. Among them, sodium dihydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, phosphoric acid and the like can be preferably used alone or in combination. The phosphoric acid group-containing compound is preferably added in an amount of 10 to 100 mmol with respect to 10 g (solid content) of cellulose nanocrystals.
Examples of the urea-containing compound include urea, thiourea, biuret, phenylurea, benzylurea, and dimethylurea. Among them, urea can be preferably used. The urea-containing compound is preferably used in an amount of 150 to 200 mmol with respect to 10 g (solid content) of cellulose nanocrystals.

<TEMPO触媒を用いた親水化処理>
TEMPO触媒(2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)を用いた親水化処理は、TEMPO触媒を用いた従来公知の酸化方法と同様に行うことができる。具体的には、硫酸基及び/又はスルホ基を有するセルロースナノクリスタルを、TEMPO触媒(2,2,6,6−テトラメチルピペリジン 1−オキシル)を介した水系、常温、常圧の条件下で、セルロースグルコースユニットの6位の水酸基をカルボキシル基に酸化する親水化反応を生じさせる。
TEMPO触媒としては、上記2,2,6,6−テトラメチルピペリジン 1−オキシルの他、4−アセトアミドーTEMPO、4−カルボキシーTEMPO、4−フォスフォノキシーTEMPO等のTEMPOの誘導体を用いることもできる。
TEMPO触媒の使用量は、セルロースナノクリスタル(固形分)1gに対して0.01〜100mmol、好ましくは0.01〜5mmolの量である。
<Hydrophilic treatment using TEMPO catalyst>
The hydrophilization treatment using a TEMPO catalyst (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl) can be carried out in the same manner as a conventionally known oxidation method using a TEMPO catalyst. Specifically, cellulose nanocrystals having a sulfate group and / or a sulfo group are subjected to TEMPO catalyst (2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl) under aqueous conditions, normal temperature, and normal pressure. , The hydroxyl group at the 6-position of the cellulose glucose unit is oxidized to a carboxyl group to cause a hydrophilic reaction.
As the TEMPO catalyst, in addition to the above 2,2,6,6-tetramethylpiperidin 1-oxyl, TEMPO derivatives such as 4-acetamido-TEMPO, 4-carboxy-TEMPO, and 4-phosphonoxy TEMPO can also be used.
The amount of the TEMPO catalyst used is 0.01 to 100 mmol, preferably 0.01 to 5 mmol, per 1 g of cellulose nanocrystals (solid content).

また親水化酸化処理時には、単独又はTEMPO触媒と共に、酸化剤、臭化物又はヨウ化物等の共酸化剤を併用することが好適である。
酸化剤としては、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸又はそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物等公知の酸化剤を例示することができ、特に次亜塩素酸ナトリウムや次亜臭素酸ナトリウムを好適に使用できる。酸化剤は、セルロースナノクリスタル(固形分)1gに対して0.5〜500mmol、好ましくは5〜50mmolの量である。酸化剤を添加して一定時間が経過した後、更に酸化剤を加えることで追酸化処理することもできる。
また共酸化剤としては、臭化ナトリウム等の臭化アルカリ金属、ヨウ化ナトリウム等のヨウ化物アルカリ金属を好適に使用できる。共酸化剤は、セルロースナノクリスタル(固形分)1gに対して0.1〜100mmol、好ましくは0.5〜5mmolの量である。
また反応液は、水やアルコール溶媒を反応媒体とすることが好ましい。
Further, at the time of hydrophilization oxidation treatment, it is preferable to use an oxidizing agent, a bromide, an iodide or the like in combination with an oxidizing agent or a TEMPO catalyst.
Examples of the oxidizing agent include known oxidizing agents such as halogen, hypobromous acid, hypochlorous acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxides, and peroxides, and in particular, sodium hypochlorite and the like. Sodium hypobromite can be preferably used. The amount of the oxidizing agent is 0.5 to 500 mmol, preferably 5 to 50 mmol per 1 g of cellulose nanocrystal (solid content). After a certain period of time has passed after adding the oxidizing agent, the additional oxidation treatment can be performed by further adding the oxidizing agent.
Further, as the copolymerizer, an alkali metal bromide such as sodium bromide and an alkali metal iodide such as sodium iodide can be preferably used. The amount of the copolymer is 0.1 to 100 mmol, preferably 0.5 to 5 mmol, based on 1 g of the cellulose nanocrystal (solid content).
The reaction solution preferably uses water or an alcohol solvent as a reaction medium.

親水化処理の反応温度は1〜50℃、特に10〜50℃の範囲であり、室温であってもよい。また反応時間は1〜360分、特に60〜240分であることが好ましい。
反応の進行に伴い、セルロース中にカルボキシル基が生成するため、スラリーのpHの低下が認められるが、酸化反応を効率よく進行させるため、水酸化ナトリウム等のpH調整剤を用いてpH9〜12の範囲に維持することが望ましい。
The reaction temperature of the hydrophilization treatment is in the range of 1 to 50 ° C., particularly 10 to 50 ° C., and may be room temperature. The reaction time is preferably 1 to 360 minutes, particularly preferably 60 to 240 minutes.
As the reaction progresses, a carboxyl group is generated in the cellulose, so that the pH of the slurry is lowered. However, in order to promote the oxidation reaction efficiently, a pH adjuster such as sodium hydroxide is used to adjust the pH to 9-12. It is desirable to keep it in the range.

[洗浄・解繊処理]
親水化処理前又は後のセルロースナノクリスタルは、水洗、或いは水を加えながら遠心分離することによって、親水化処理に用いた酸や触媒等を洗浄する。
次いで、解繊処理を行うことが好ましいが、セルロースナノクリスタルは繊維長が短いことから必ずしも解繊処理を行わなくてもよい。
尚、微細化装置として超高圧ホモジナイザー、ミキサー、グラインダー等を用い、水等を分散媒として解繊処理を行うことにより、解繊と同時に分散液の調製を行ってもよい。
[Washing / defibration treatment]
The cellulose nanocrystals before or after the hydrophilization treatment are washed with water or centrifuged while adding water to wash the acid, catalyst, etc. used in the hydrophilic treatment.
Next, it is preferable to perform a defibration treatment, but since the cellulose nanocrystal has a short fiber length, the defibration treatment does not necessarily have to be performed.
A dispersion liquid may be prepared at the same time as defibration by using an ultra-high pressure homogenizer, a mixer, a grinder or the like as a miniaturization device and performing a defibration treatment using water or the like as a dispersion medium.

[分散処理]
親水化処理、或いは必要により解繊処理に付されたセルロースナノクリスタルは、固形化(パウダー状になるように噴霧乾燥)されることなく、分散処理に付される。固形化されていないことにより再分散の必要がなく、生産性及び経済性に優れている。また固形化されていないことにより、前述した緻密な自己組織化構造を形成することが可能となり、優れたガスバリア性を発現することが可能になる。
分散処理は超音波分散機、ホモジナイザー、ミキサー等の分散機を好適に使用することができ、また、攪拌棒、攪拌石等による攪拌方法を用いても良い。
分散液の分散媒は、水だけでもよいが、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール、2−ブタノン、アセトン等のケトン、トルエン等の芳香族系溶剤と水との混合溶媒であってもよい。
セルロースナノクリスタル分散液は、セルロースナノクリスタル(固形分)が0.1〜90質量%の範囲で含有されていることが好適であり、固形分2質量%の水分散で、粘度が5.5〜40mPa・s(回転式粘度計、温度30℃、スピンドル回転速度100rpm)、ゼータ電位が−50〜−55mVの範囲にあり、取扱い性、塗工性に優れている。また固形分2質量%の水分散で、可視光線透過率が45%T以上と透明性に優れている。
[Distributed processing]
Cellulose nanocrystals that have been subjected to a hydrophilization treatment or, if necessary, a defibration treatment, are subjected to a dispersion treatment without being solidified (spray-dried so as to become a powder). Since it is not solidified, there is no need for redispersion, and it is excellent in productivity and economy. Further, since it is not solidified, it is possible to form the above-mentioned dense self-assembled structure, and it is possible to exhibit excellent gas barrier properties.
For the dispersion treatment, a disperser such as an ultrasonic disperser, a homogenizer, or a mixer can be preferably used, and a stirring method using a stirring rod, a stirring stone, or the like may be used.
The dispersion medium of the dispersion may be water alone, or may be a mixed solvent of water with an alcohol such as methanol, ethanol or isopropanol, a ketone such as 2-butanone or acetone, or an aromatic solvent such as toluene.
The cellulose nanocrystal dispersion liquid preferably contains cellulose nanocrystals (solid content) in the range of 0.1 to 90% by mass, and is aqueous dispersion having a solid content of 2% by mass and has a viscosity of 5.5. ~ 40 mPa · s (rotary viscometer, temperature 30 ° C., spindle rotation speed 100 rpm), zeta potential is in the range of -50 to -55 mV, and it is excellent in handleability and coatability. Further, it is excellent in transparency with a visible light transmittance of 45% T or more with water dispersion having a solid content of 2% by mass.

以下に本発明の実施例を説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例であり、本発明はこれらの実施例には限定されない。各項目の測定方法は、次の通りである。 Examples of the present invention will be described below. The following examples are examples of the present invention, and the present invention is not limited to these examples. The measurement method for each item is as follows.

<アニオン性官能基量>
ナノセルロース含有分散液を秤量し、イオン交換水を加えて0.05〜0.3質量%のナノセルロース含有分散液100mlを調製した。陽イオン交換樹脂を0.1g加えて攪拌処理した。その後、ろ過を行い陽イオン交換樹脂とナノセルロース分散液を分離した。陽イオン交換後の分散液に対して電位差自動滴定装置(京都電子社製)を用いて0.05M水酸化ナトリウム溶液を滴下し、ナノセルロース含有分散液が示す電気伝導度の変化を計測した。得られた伝導度曲線からアニオン性官能基の中和の為に消費された水酸化ナトリウム滴定量を求め、下記式を用いてアニオン性官能基量(mmol/g)を算出した。
アニオン性官能基量(mmol/g)=アニオン性官能基の中和の為に消費した水酸化ナトリウム滴定量(ml)×前記水酸化ナトリウム濃度(mmol/ml)÷ナノセルロースの固形質量(g)
<Amount of anionic functional groups>
The nanocellulose-containing dispersion was weighed, and ion-exchanged water was added to prepare 100 ml of a nanocellulose-containing dispersion of 0.05 to 0.3% by mass. 0.1 g of a cation exchange resin was added and the mixture was stirred. Then, filtration was performed to separate the cation exchange resin and the nanocellulose dispersion. A 0.05 M sodium hydroxide solution was added dropwise to the dispersion after cation exchange using an automatic potential difference titrator (manufactured by Kyoto Electronics Co., Ltd.), and the change in electrical conductivity exhibited by the nanocellulose-containing dispersion was measured. From the obtained conductivity curve, the amount of sodium hydroxide droplets consumed for neutralizing the anionic functional groups was determined, and the amount of anionic functional groups (mmol / g) was calculated using the following formula.
Amount of anionic functional group (mmol / g) = Quantitative amount of sodium hydroxide droplets consumed for neutralization of anionic functional group (ml) × sodium hydroxide concentration (mmol / ml) ÷ solid mass of nanocellulose (g) )

<可視光線透過率>
分光光度計(UV−3100PC、島津製作所)を用い、セルロースナノクリスタルが固形分2質量%の水分散液にしたときの600nmにおける可視光線透過率(%T)を求めた。
<Visible light transmittance>
Using a spectrophotometer (UV-3100PC, Shimadzu Corporation), the visible light transmittance (% T) at 600 nm when the cellulose nanocrystals were made into an aqueous dispersion having a solid content of 2% by mass was determined.

<粒度分布>
レーザ回折式粒度分布測定装置(SALD−3100、島津製作所)を用い、セルロースナノクリスタルが固形分2質量%の水分散液を使って平均粒径、メディアン径、モード径を求めた。装置の光源は半導体レーザ、波長は690nmである。吸光度は0.015以下で屈折率は1.55での測定結果を解析に用いた。
<Particle size distribution>
Using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (SALD-3100, Shimadzu Corporation), the average particle size, median diameter, and mode diameter were determined using an aqueous dispersion containing 2% by mass of solids of cellulose nanocrystals. The light source of the device is a semiconductor laser, and the wavelength is 690 nm. The measurement results at an absorbance of 0.015 or less and a refractive index of 1.55 were used for the analysis.

<実施例1>
パルプを64質量%の硫酸で分解処理することによってセルロースナノクリスタルを調製した。前記セルロースナノクリスタルは乾燥固化させず超遠心分離機にて濃縮と洗浄を行うことでネバードライ処理したセルロースナノクリスタルを調製し、最終的にセルロースナノクリスタルが固形分2質量%になるようにイオン交換水に加え、超音波分散機にて10分処理することでセルロースナノクリスタル分散液を調製した。
<Example 1>
Cellulose nanocrystals were prepared by decomposing pulp with 64% by weight sulfuric acid. The cellulose nanocrystals are not dried and solidified, but are concentrated and washed in an ultracentrifuge to prepare cellulose nanocrystals that have been never dried, and finally the cellulose nanocrystals are ionized so that the solid content is 2% by mass. A cellulose nanocrystal dispersion was prepared by treating with an ultrasonic disperser for 10 minutes in addition to the exchanged water.

<実施例2>
実施例1と同様にネバードライ処理したセルロースナノクリスタルを調製し、最終的にセルロースナノクリスタルが固形分2質量%になるようにイオン交換水に加え、超高圧ホモジナイザーにて10分処理することでセルロースナノクリスタル分散液を調製した。
<Example 2>
A cellulose nanocrystal that has been never-dried in the same manner as in Example 1 is prepared, finally added to ion-exchanged water so that the cellulose nanocrystal has a solid content of 2% by mass, and treated with an ultra-high pressure homogenizer for 10 minutes. A cellulose nanocrystal dispersion was prepared.

<実施例3>
実施例1と同様にネバードライ処理したセルロースナノクリスタルを調製した。セルロースナノクリスタルが10g(固形量)の水分散液に対し、TEMPO触媒(Sigma Aldrich社製)0.8mmolと臭化ナトリウム12.1mmolを添加し、イオン交換水を加えて1Lにメスアップし、均一に分散するまで攪拌した。その後5mmolの次亜塩素酸ナトリウムを添加し、酸化反応を開始した。反応中は0.5N水酸化ナトリウム水溶液でpH10.0から10.5に系内のpHを保持し、30℃で4時間攪拌しながら親水化処理を行った。親水化処理したセルロースナノクリスタルはイオン交換水を加えながら超遠心分離機(50000rpm、10分)を用いてpHが8になるまで洗浄した。その後透析膜(スペクトラム社製・分画分子量3500〜5000D)の内部に入れてイオン交換水中で静置して不純物等を除去し、セルロースナノクリスタルを調製した。前記の洗浄したセルロースナノクリスタル分散液にイオン交換水を加え、超音波分散機にて分散処理することで、セルロースナノクリスタルを工程において固化させずにTEMPO触媒によって酸化したセルロースナノクリスタルの固形量が2質量%のセルロースナノクリスタル分散液を調製した。
<Example 3>
Never-dried cellulose nanocrystals were prepared in the same manner as in Example 1. To an aqueous dispersion containing 10 g (solid content) of cellulose nanocrystals, 0.8 mmol of TEMPO catalyst (manufactured by Sigma-Aldrich) and 12.1 mmol of sodium bromide were added, and ion-exchanged water was added to increase the volume to 1 L. Stirred until uniformly dispersed. Then, 5 mmol of sodium hypochlorite was added to start the oxidation reaction. During the reaction, the pH in the system was maintained from 10.0 to 10.5 with a 0.5 N aqueous sodium hydroxide solution, and the hydrophilization treatment was carried out with stirring at 30 ° C. for 4 hours. The hydrophilized cellulose nanocrystals were washed with an ultracentrifugator (50,000 rpm, 10 minutes) while adding ion-exchanged water until the pH reached 8. After that, it was placed inside a dialysis membrane (manufactured by Spectrum Co., Ltd., molecular weight cut off of 3,000 to 5000D) and allowed to stand in ion-exchanged water to remove impurities and the like to prepare cellulose nanocrystals. By adding ion-exchanged water to the washed cellulose nanocrystal dispersion and dispersing it with an ultrasonic disperser, the solid amount of cellulose nanocrystals oxidized by the TEMPO catalyst without solidifying the cellulose nanocrystals in the process can be obtained. A 2% by mass cellulose nanocrystal dispersion was prepared.

<比較例1>
パルプを64質量%の硫酸で分解処理後に洗浄し、乾燥固化させることで乾燥固化させたセルロースナノクリスタルを調製した。前記セルロースナノクリスタル1g(固形量)をイオン交換水に加え、超音波分散機にて10分間分散処理を行う事で、セルロースナノクリスタルの固形量が2質量%のセルロースナノクリスタル分散液を得た。
<Comparative example 1>
The pulp was decomposed with 64% by mass of sulfuric acid, washed, and dried and solidified to prepare cellulose nanocrystals that were dried and solidified. By adding 1 g (solid amount) of the cellulose nanocrystals to ion-exchanged water and performing a dispersion treatment with an ultrasonic disperser for 10 minutes, a cellulose nanocrystal dispersion having a solid amount of 2% by mass of the cellulose nanocrystals was obtained. ..

<比較例2>
比較例1と同様に乾燥固化させたセルロースナノクリスタルを調製した。前記セルロースナノクリスタルについて、実施例3と同様にTEMPO触媒によって酸化を行い、セルロースナノクリスタルの固形量が2質量%のセルロースナノクリスタル分散液を調製した。
<Comparative example 2>
Cellulose nanocrystals dried and solidified were prepared in the same manner as in Comparative Example 1. The cellulose nanocrystals were oxidized with a TEMPO catalyst in the same manner as in Example 3 to prepare a cellulose nanocrystal dispersion having a solid content of 2% by mass of the cellulose nanocrystals.

Figure 2021091895
Figure 2021091895

<パルスNMR>
上述した実施例1及び比較例1で得られたセルロースナノクリスタル分散液を濃縮して固形量5質量%にし、パルスNMRのソリッドエコー法で測定された30℃におけるセルロースナノファイバー分散液の自由誘導減衰(M(t))を、下記条件で測定した。
測定装置:Bruker製 TD−NMR the minispec mq20
サンプル量:約200mg
観測核:1H
測定:T2
測定法:ソリッドエコー法
90°パルス幅:2.2μsec
積算回数:32回
測定温度:30℃(装置温度が設定温度に達してから15分後にサンプル内部温度が測
定温度になるように装置温度を調整し、測定を開始した)
繰り返し時間:8sec
<Pulse NMR>
The cellulose nanocrystal dispersions obtained in Example 1 and Comparative Example 1 described above were concentrated to a solid content of 5% by mass, and free induction of the cellulose nanofiber dispersion at 30 ° C. measured by the solid echo method of pulse NMR. The decay (M (t)) was measured under the following conditions.
Measuring device: Bruker TD-NMR the minispec mq20
Sample amount: Approximately 200 mg
Observation nucleus: 1H
Measurement: T2
Measurement method: Solid echo method 90 ° Pulse width: 2.2 μsec
Number of integrations: 32 times Measurement temperature: 30 ° C (15 minutes after the device temperature reached the set temperature, the device temperature was adjusted so that the sample internal temperature reached the measured temperature, and measurement was started).
Repeat time: 8 sec

また、前述した式(5)を用いて、解析ソフト(TDNMR−A)によりフィッティングを行い、前述した成分(α)に近似して解析した。また前述した式(6)、式(7)を用いて、前述した成分(α)、成分(β)、成分(γ)の2成分以上で解析し、解析ソフト上でエラーが返される場合は2成分以上が存在しないことを確認した。 Further, using the above-mentioned formula (5), fitting was performed by analysis software (TDNMR-A), and the analysis was performed by approximating the above-mentioned component (α). If two or more of the above-mentioned components (α), (β), and (γ) are analyzed using the above-mentioned equations (6) and (7) and an error is returned on the analysis software. It was confirmed that two or more components did not exist.

実施例1のセルロースナノクリスタル分散液においては、成分(α)のプロトン比率100(%)、成分(α)のT2緩和時間1579(μsec)となり、1成分での数値の解析結果が得られた。これによりネバードライ処理によるセルロースナノクリスタルのみが溶媒中に分散し、1成分の均一な運動性を有していることを示しており、セルロースナノクリスタルが分散液中で優れた均質性を有していることがわかる。
また比較例1のセルロースナノクリスタル分散液においては、成分(α)のプロトン比率86.7(%)、成分(α)のT2緩和時間1519(μsec)、及び成分(β)のプロトン比率13.6(%)、成分(β)のT2緩和時間7723(μsec)となり、成分(α)及び成分(β)の2成分での数値の解析結果が得られた。この結果から、溶媒中には、乾燥固化を経たセルロースナノクリスタルと、凝集化して分散されたセルロースナノクリスタルの2成分が存在し、2成分で均一でない運動性を有し、分散液中でのセルロースナノクリスタルの不均質性がわかる。
In the cellulose nanocrystal dispersion of Example 1, the proton ratio of the component (α) was 100 (%) and the T2 relaxation time of the component (α) was 1579 (μsec), and the numerical analysis results of one component were obtained. .. This indicates that only the cellulose nanocrystals obtained by the never-dry treatment are dispersed in the solvent and have uniform motility of one component, and the cellulose nanocrystals have excellent homogeneity in the dispersion liquid. You can see that.
Further, in the cellulose nanocrystal dispersion liquid of Comparative Example 1, the proton ratio of the component (α) was 86.7 (%), the T2 relaxation time of the component (α) was 1519 (μsec), and the proton ratio of the component (β) was 13. The T2 relaxation time of 6 (%) and the component (β) was 7723 (μsec), and the numerical analysis results of the two components of the component (α) and the component (β) were obtained. From this result, there are two components in the solvent, cellulose nanocrystals that have undergone dry solidification and cellulose nanocrystals that have been aggregated and dispersed, and the two components have non-uniform motility and are contained in the dispersion liquid. The inhomogeneity of cellulose nanocrystals can be seen.

<クライオSEM>
実施例1及び比較例1で得られたセルロースナノクリスタル分散液を濃縮して固形量5質量%にし、分取して−160℃で凍結破断し、−80℃にして水を昇華させ、冷却状態を保持したまま破断面についてFIBによる断面調整およびFE−SEM観察を行った。SEM観察写真を図2及び図3に示す。
装置:FEI, Helios NanoLab 600, Helios G4
UX
加速電圧:FIB30kV, SEM 1〜2 kV
観察像:反射電子像
加工設定温度:−160℃
観察設定温度:−80℃
<Cryo SEM>
The cellulose nanocrystal dispersions obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were concentrated to a solid content of 5% by mass, fractionated, frozen and broken at −160 ° C., sublimated to -80 ° C., and cooled. The fracture surface was adjusted by FIB and FE-SEM observation was performed while maintaining the state. SEM observation photographs are shown in FIGS. 2 and 3.
Equipment: FEI, Helios NanoLab 600, Helios G4
UX
Acceleration voltage: FIB30 kV, SEM 1-2 kV
Observation image: Reflected electron image Processing set temperature: -160 ° C
Observation set temperature: -80 ° C

図2から明らかなように、実施例1のセルロースナノクリスタル分散液では、ネバードライ処理したセルロースナノクリスタルは微細にかつ均質に分散されていることが観察された。
また図3から明らかなように、比較例1のセルロースナノクリスタル分散液は、凝集化したセルロースナノクリスタルが存在し均質な分散ではないことが観察された。
As is clear from FIG. 2, in the cellulose nanocrystal dispersion liquid of Example 1, it was observed that the cellulose nanocrystals treated with never dry were finely and uniformly dispersed.
Further, as is clear from FIG. 3, it was observed that the cellulose nanocrystal dispersion liquid of Comparative Example 1 had aggregated cellulose nanocrystals and was not uniformly dispersed.

本発明のセルロースナノクリスタル分散液は、塗工性及び取扱い性に優れ、ガスバリア性及び透明性に優れた塗膜を形成することが可能であり、ガスバリア性能を付与可能なコーティング剤として使用される。また固形化されたセルロースナノクリスタルを分散させた分散液よりも分散性に優れており、多価カチオン樹脂や架橋剤との混合物から成る成形体とすることで、ガスバリア性フィルムとして、或いは熱可塑性樹脂等から成る疎水性の基材との界面剥離強度も向上されていることから、ガスバリア性積層体として好適に使用される。 The cellulose nanocrystal dispersion liquid of the present invention is excellent in coatability and handleability, can form a coating film having excellent gas barrier property and transparency, and is used as a coating agent capable of imparting gas barrier performance. .. In addition, it has better dispersibility than the dispersion liquid in which solidified cellulose nanocrystals are dispersed, and by forming a molded product composed of a mixture of a polyvalent cationic resin and a cross-linking agent, it can be used as a gas barrier film or thermoplastic. Since the interfacial peeling strength with a hydrophobic base material made of resin or the like is also improved, it is suitably used as a gas barrier laminate.

Claims (6)

硫酸処理由来の硫酸基及び/又はスルホ基、及び親水化処理由来のアニオン性官能基を含有するセルロースナノクリスタル分散液であって、前記セルロースナノクリスタルの固形分量が2質量%の水分散における600nmでの可視光線透過率が45%T以上であることを特徴とするセルロースナノクリスタル分散液。 A cellulose nanocrystal dispersion containing a sulfate group and / or a sulfo group derived from a sulfuric acid treatment and an anionic functional group derived from a hydrophilic treatment, wherein the solid content of the cellulose nanocrystals is 600 nm in aqueous dispersion of 2% by mass. A cellulose nanocrystal dispersion liquid having a visible light transmittance of 45% T or more. 前記セルロースナノクリスタル分散液のレーザ回折式粒度分布測定装置によるセルロースナノクリスタルの平均粒径が10.1μm以下且つメディアン径が10.6μm以下且つモード径が10.9μm以下である請求項1記載のセルロースナノクリスタル分散液。 The first aspect of claim 1, wherein the average particle size of the cellulose nanocrystals by the laser diffraction type particle size distribution measuring device of the cellulose nanocrystal dispersion is 10.1 μm or less, the median diameter is 10.6 μm or less, and the mode diameter is 10.9 μm or less. Cellulose nanocrystal dispersion. 前記硫酸基及び/又はスルホ基、及びアニオン性官能基の総量が0.17mmol/gより多く且つ4.0mmol/g以下である請求項1記載のセルロースナノクリスタル分散液。 The cellulose nanocrystal dispersion according to claim 1, wherein the total amount of the sulfate group and / or the sulfo group and the anionic functional group is more than 0.17 mmol / g and 4.0 mmol / g or less. 前記セルロースナノクリスタルの結晶化度が60%以上であり、且つ繊維幅が50nm以下でアスペクト比が5〜50である請求項1〜3の何れかに記載のセルロースナノクリスタル分散液。 The cellulose nanocrystal dispersion according to any one of claims 1 to 3, wherein the cellulose nanocrystal has a crystallinity of 60% or more, a fiber width of 50 nm or less, and an aspect ratio of 5 to 50. 前記アニオン性官能基が、硫酸基、スルホ基、リン酸基、カルボキシル基のうちの少なくとも1つである請求項1〜4の何れかに記載のセルロースナノクリスタル分散液。 The cellulose nanocrystal dispersion according to any one of claims 1 to 4, wherein the anionic functional group is at least one of a sulfate group, a sulfo group, a phosphoric acid group, and a carboxyl group. 前記親水化処理が、ネバードライ処理、又はネバードライ処理と、カルボジイミド、硫酸、三酸化硫黄−ピリジン錯体、リン酸−尿素、TEMPO触媒、酸化剤の何れかとを用いた処理との組み合わせである請求項1〜5の何れかに記載のセルロースナノクリスタル分散液。 A claim that the hydrophilization treatment is a combination of a never-dry treatment or a never-dry treatment and a treatment using any one of carbodiimide, sulfuric acid, sulfur trioxide-pyridine complex, phosphoric acid-urea, TEMPO catalyst, and an oxidizing agent. Item 2. The cellulose nanocrystal dispersion according to any one of Items 1 to 5.
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