JP2021172697A - 複合粒子および複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、マイクロサイズオーダーのマイクロ粒子は高比表面積のため一般的に凝集しやすく、分散安定性が課題となっている。また、用途によっては生分解性や生体親和性が要求される。
本発明の一態様に係る複合粒子は、複合粒子は、少なくとも1種類のコア粒子を含み、前記コア粒子の表面にアニオン性官能基を有する微細化セルロースが結合し、前記微細化セルロースは、体積基準粒度分布が2以上の粒径ピークを有し、前記粒径ピークは、体積基準粒径が0.01μm以上20μm以下の範囲に有る。
まず、本発明の一実施形態に係る微細化セルロース/コア粒子の複合粒子5について説明する。なお、コア粒子の一様態は樹脂であり、少なくとも1種類のポリマーを含む。図1は、微細化セルロース1を用いたO/W型ピッカリングエマルションと、エマルション内部の液体状のコア粒子前駆体2(以下、単に「液滴2」とも称する)を固体化することで得られる複合粒子5の概略図である。
なお、コア粒子前駆体を固体化とは、(1)重合性モノマー液滴を重合すること、(2)ポリマー液滴を固体化すること、(3)重合性モノマー液滴およびポリマー液滴を固体化することを含む。
ここで、O/W型エマルションは、水中油滴型(Oil−in−Water)とも言われ、水を連続相とし、その中に油が油滴(油粒子)として分散しているものである。
次に、本実施形態の複合粒子の製造方法について説明する。本実施形態に係る複合粒子の製造方法は、セルロース原料を溶媒中で解繊して、体積基準粒径が0.01μm以上20μm以下の範囲に2以上の粒径ピークを有する微細化セルロース1の分散液を得る工程(第1工程)と、前記分散液を含む媒体中においてコア粒子前駆体を液滴2として分散させ、前記コア粒子前駆体の表面を微細化セルロース1で被覆し、エマルションとして安定化させる工程(第2工程)と、液滴2を固体化して微細化セルロース1でコア粒子3が被覆された複合粒子5を得る工程(第3工程)とを備える複合粒子の製造方法である。
第1工程は、セルロース原料を溶媒中で解繊して微細化セルロース分散液を得る工程である。まず、各種セルロース原料を溶媒中に分散し、懸濁液とする。懸濁液中のセルロース原料の濃度としては0.1%以上10%未満が好ましい。0.1%未満であると、溶媒過多となり生産性を損なうため好ましくない。10%以上になると、セルロース原料の解繊に伴い懸濁液が急激に増粘し、均一な解繊処理が困難となるため好ましくない。懸濁液作製に用いる溶媒としては、水を50%以上含むことが好ましい。懸濁液中の水の割合が50%以下になると、後述するセルロース原料を溶媒中で解繊して微細化セルロース分散液を得る工程において、微細化セルロース1の分散が阻害される。また、水以外に含まれる溶媒としては親水性溶媒が好ましい。親水性溶媒については特に制限はないが、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール類、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類が好ましい。必要に応じて、セルロースや生成する微細化セルロース1の分散性を上げるために、懸濁液のpH調整を行ってもよい。pH調整に用いられるアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、水酸化テトラエチルアンモニウム水溶液、水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム水溶液などの有機アルカリなどが挙げられる。コストなどの面から水酸化ナトリウム水溶液が好ましい。
第2工程は、微細化セルロースの分散液中において液体状のコア粒子前駆体2の表面を微細化セルロース1で被覆して、エマルションとして安定化させる工程である。
なお、「(メタ)アクリレート」の表記は、「アクリレート」と「メタクリレート」との両方を含むこと示す。
単官能ビニル系モノマーのうち(メタ)アクリレートとしては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、アルキル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、ヘプタフルオロデシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、トリシクロデカニル(メタ)アクリレートなどが挙げられる。
また、単官能芳香族ビニル系モノマーとしては、スチレン、α−メチルスチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、エチルスチレン、イソプロペニルトルエン、イソブチルトルエン、tert−ブチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルビフェニル、1,1−ジフェニルエチレンなどが挙げられる。
例えば多官能性ビニル系モノマーとしては、具体的には、(1)ジビニルベンゼン、1,2,4−トリビニルベンゼン、1,3,5−トリビニルベンゼン等のジビニル類、(2)エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、1,3−プロピレングリコールジメタクリレート、1,4−ブチレングリコールジメタクリレート、1,6−ヘキサメチレングリコールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ジプロピレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、2,2−ビス(4−メタクリロキシジエトキシフェニル)プロパン等のジメタクリレート類、(3)トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリエチロールエタントリメタクリレート等のトリメタクリレート類、(4)エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、1,3−ジプロピレングリコールジアクリレート、1,4−ジブチレングリコールジアクリレート、1,6−ヘキシレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、2,2−ビス(4−アクリロキシプロポキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−アクリロキシジエトキシフェニル)プロパン等のジアクリレート類、(5)トリメチロールプロパントリアクリレート、トリエチロールエタントリアクリレート等のトリアクリレート類、(6)テトラメチロールメタンテトラアクリレート等のテトラアクリレート類、(7)その他に、例えばテトラメチレンビス(エチルフマレート)、ヘキサメチレンビス(アクリルアミド)、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレートが挙げられる。
例えば官能性スチレン系モノマーとしては、具体的には、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、ジビニルトルエン、ジビニルナフタレン、ジビニルキシレン、ジビニルビフェニル、ビス(ビニルフェニル)メタン、ビス(ビニルフェニル)エタン、ビス(ビニルフェニル)プロパン、ビス(ビニルフェニル)ブタン等が挙げられる。
例えば2,2−アゾビス(イソブチロニトリル)(AIBN)、2,2−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(AMBN)、2,2−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)(ADVN)、1,1−アゾビス(1−シクロヘキサンカルボニトリル)(ACHN)、ジメチル−2,2−アゾビスイソブチレート(MAIB)、4,4−アゾビス(4−シアノバレリアン酸)(ACVA)、1,1−アゾビス(1−アセトキシ−1−フェニルエタン)、2,2−アゾビス(2−メチルブチルアミド)、2,2−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2−アゾビス(2−メチルアミジノプロパン)二塩酸塩、2,2−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]、2,2−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]、2,2−アゾビス(2,4,4−トリメチルペンタン)、2−シアノ−2−プロピルアゾホルムアミド、2,2−アゾビス(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2−アゾビス(N−シクロヘキシル−2−メチルプロピオンアミド)等が挙げられる。
第3工程は、液体状のコア粒子前駆体(液滴)2を固体化させて微細化セルロース1でコア粒子3が被覆された複合粒子5を得る工程である。
本実施形態に係る複合粒子5によれば、コア粒子3に対して高密度かつ強固に微細化セルロースが安定して結合した粉体状微粒子を提供することができる。
(第1工程:セルロースナノファイバー分散液を得る工程)
(木材セルロースのTEMPO酸化)
針葉樹クラフトパルプ70gを蒸留水3500gに懸濁し、蒸留水350gにTEMPOを0.7g、臭化ナトリウムを7g溶解させた溶液を加え、20℃まで冷却した。ここに2mol/L、密度1.15g/mLの次亜塩素酸ナトリウム水溶液450gを滴下により添加し、酸化反応を開始した。系内の温度は常に20℃に保ち、反応中のpHの低下は0.5Nの水酸化ナトリウム水溶液を添加することでpH10に保ち続けた。セルロースの重量に対して、水酸化ナトリウムの添加量の合計が3.50mmol/gに達した時点で、約100mLのエタノールを添加し反応を停止させた。その後、ガラスフィルターを用いて蒸留水によるろ過洗浄を繰り返し、酸化パルプを得た。得られた酸化パルプをpH2に調整した塩化水素水溶液に加え、脱水した後水洗し、続いてpH3に調整した塩化水素水溶液に加えた。その後脱水、水洗を繰り返し、精製した酸化パルプを得た。
上記TEMPO酸化で得た酸化パルプおよび再酸化パルプを固形分重量で0.1gを量りとり、1%濃度で水に分散させ、塩酸を加えてpHを2.5とした。その後0.5M水酸化ナトリウム水溶液を用いた電導度滴定法により、カルボキシ基量(mmol/g)を求めた。結果は1.6mmol/gであった。
上記方法により得た酸化パルプを蒸留水に分散させ、ジューサーミキサーで120分間微細化処理し、CNF濃度0.5%のCNF分散液NC−1が得られた(表1参照)。また、同様に作製した酸化パルプを用いて、ジューサーミキサーで30分間微細化処理し、CNF濃度0.5%のCNF分散液NC−2が得られた(表1参照)。CNF分散液NC−1およびNC−2は、必要に応じて、脱泡のために遠心脱泡器により処理された。得られたCNF分散液NC−1およびNC−2は、高い透明性を示した。また、CNF分散液NC−1およびNC−2は、チキソトロピック性を示した。得られたCNF分散液NC−1とNC−2とは混合された。
次に、コア粒子前駆体として非硬化性ポリマーであるセルロースアセテートプロピオネート(以下、CAPとも称する。)を用い、酢酸エチルに対してCAP濃度が20%となるように溶解させ、CAP/酢酸エチル溶液をコア粒子前駆体として作製した。飽和量の酢酸エチルを予め溶解させたCNF濃度0.5%に、CNF/酢酸エチル溶液とCAP/酢酸エチル溶液を各溶液中の樹脂(CAP)とCNFの固形分重量比が10:1になるように添加したところ、2液はそれぞれ透明性の高い状態で2層に分離した。
O/W型エマルション分散液を10倍量の純水に投入し、CAP溶液から酢酸エチルを溶出させてCAPを固化した。得られた分散液に対し、遠心力75,000gで5分間処理したところ、沈降物を得た。デカンテーションにより上澄みを除去して沈降物を回収し、さらに孔径0.01μmのPTFEメンブレンフィルターを用いて、純水で繰り返し洗浄した。こうして得られた精製・回収物を1%濃度で再分散させ、粒度分布計(NANOTRAC UPA−EX150、日機装株式会社)を用いて粒径を評価したところ平均粒径0.4μmであった。次に精製・回収物を風乾し、さらに室温25度にて真空乾燥処理を24時間実施したところ、肌理細やかな乾燥粉体(複合粒子5)を得た。
得られた乾燥粉体を走査型電子顕微鏡にて観察した結果を図2および図3に示す。図2から明らかなように、O/W型エマルション液滴を鋳型として固化を実施したことにより、エマルション液滴の形状に由来した、真球状の複合粒子5が無数に形成していることが確認され、さらに図3に示されるように、その表面は幅数nmのCNFによって均一に被覆されていることが確認された。また、ろ過洗浄によって繰り返し洗浄したにも拘らず、複合粒子5の表面は等しく均一にCNFによって被覆されていることから、本発明の複合粒子5において、複合粒子内部のモノマーとCNFは結合した状態にあることが示された。
(第1工程:セルロースナノファイバー分散液を得る工程)
非特許文献1に従い針葉樹クラフトパルプにリン酸エステル化処理して得られた化学処理パルプに対して解繊処理を施し、CNF分散液NC−3を作製した(表1参照)。
実施例1において、コア粒子前駆体として酢酸エチルに溶解させたCAPを分散させて酢酸エチルを溶出させることで固体化する代わりに、ポリカプロラクトン(PCL、分子量10,000、融点61℃)を20%MEK溶液として用い、75℃に加熱したCNF分散液中で乳化処理した後に氷水へ投入することによって固体化したこと以外は、実施例1と同様の条件で複合粒子5を作製した(表2参照)。
実施例1において、コア粒子前駆体としてコア粒子前駆体として酢酸エチルに溶解させたCAPを分散させて酢酸エチルを溶出させることで固体化する代わりに、ジビニルベンゼン(以下、DVBと記す)と開始剤ADVNを用いて70℃で8時間重合反応させて固体化したこと以外は、実施例1と同様の条件で複合粒子5を作製した(表2参照)。
表3に示すように、CNF分散液の混合比率を変更し、実施例1と同様の条件で複合粒子を作製した。
<比較例4>
<比較例5>
なお、表2および表3において、平均粒径は得られた複合粒子に対して走査型電子顕微鏡観察を実施し、ランダムに抽出した100個の粒径測定から平均を求めた。また、「剥がれ」の評価は、複合粒子を50,000倍に拡大観察した際、粒子表面のCNF層の剥がれが観察されないものを「〇」、観察されたものを「×」とした。さらに、CNF吸着量については、得られた複合粒子を濃硫酸で処理して粒子表面のセルロースを溶解させ、フェノール水溶液を加えて490nm吸光度からセルロース濃度を算出するフェノール硫酸法により求め、セルロース濃度を複合粒子の乾燥重量で除算することにより求めた。
2 液滴(コア粒子前駆体)
3 コア粒子
4 CNF分散液
5 複合粒子
Claims (14)
- 少なくとも1種類のコア粒子を含み、
前記コア粒子の表面にアニオン性官能基を有する微細化セルロースが結合し、
前記微細化セルロースは、体積基準粒度分布が2以上の粒径ピークを有し、
前記粒径ピークは、体積基準粒径が0.01μm以上20μm以下の範囲に有る、
複合粒子。 - 前記体積基準粒径が0.01μm以上1μm以下の範囲に1以上の粒径ピークを有し、
前記体積基準粒径が1μm以上20μm以下の範囲に1以上の粒径ピークを有する、
請求項1に記載の複合粒子。 - 前記微細化セルロースの数平均短軸径が1nm以上50nm以下である、
請求項1または請求項2に記載の複合粒子。 - 前記コア粒子が、少なくとも1種類以上のポリマーを含む、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の複合粒子。 - 前記コア粒子が、重合性官能基を少なくとも1以上有するモノマーを重合して得られる
請求項1から4のいずれか一項に記載の複合粒子。 - 前記コア粒子が、熱可塑性を有し、融点が40℃以上85℃以下である、
請求項1から4のいずれか一項に記載の複合粒子。 - 前記コア粒子が、非硬化性を有し、水を除く溶剤に溶解し、液体状を呈する、
請求項1から4のいずれか一項に記載の複合粒子。 - セルロース原料を溶媒中で解繊して、体積基準粒径が0.01μm以上20μm以下の範囲に2以上の粒径ピークを有する微細化セルロースの分散液を得る第1工程と、
前記分散液を含む媒体中においてコア粒子前駆体を液滴として分散させ、前記コア粒子前駆体の表面を前記微細化セルロースで被覆し、エマルションとして安定化させる第2工程と、
前記液滴を固体化して前記微細化セルロースでコア粒子が被覆された複合粒子を得る第3工程と、
を備える、
複合粒子の製造方法。 - 前記コア粒子前駆体が、熱可塑性を有する
請求項8に記載の複合粒子の製造方法。 - 前記コア粒子前駆体が、非硬化性を有する
請求項8または請求項9に記載の複合粒子の製造方法。 - 前記コア粒子前駆体は、20℃における水溶解度が水1Lに対して20g以上2000g以下であるの溶剤で溶解または分散して形成させた液滴である、
請求項10に記載の複合粒子の製造方法。 - 前記第2工程は、前記分散液に重合開始剤を含む重合性モノマーを添加してエマルション化させる、
請求項8に記載の複合粒子の製造方法。 - 前記第2工程は、前記コア粒子前駆体を前記分散液への相溶性が低い溶媒で溶解し、微細化セルロース分散液に添加しエマルション化させる、
請求項8に記載の複合粒子の製造方法。 - 前記第2工程は、前記分散液に常温にて固体である前記コア粒子前駆体を添加し融点以上に加熱し融解させエマルション化させる、
請求項8に記載の複合粒子の製造方法。
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