JP2022134120A - Dry solid cellulose nanofiber and production method thereof - Google Patents

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JP2022134120A JP2022030757A JP2022030757A JP2022134120A JP 2022134120 A JP2022134120 A JP 2022134120A JP 2022030757 A JP2022030757 A JP 2022030757A JP 2022030757 A JP2022030757 A JP 2022030757A JP 2022134120 A JP2022134120 A JP 2022134120A
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皓章 安井
Hiroaki Yasui
喜威 山田
Yoshitake Yamada
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Abstract

To provide dry solid cellulose nanofiber with good redispersibility, and a production method thereof.SOLUTION: The dry solid cellulose nanofiber contains cellulose nanofiber having a mean fiber length of 450 nm or less. The production method of the dry solid cellulose nanofiber includes using a spray dryer to dry a dispersion liquid containing cellulose nanofiber having a mean fiber length of 450 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、セルロースナノファイバー乾燥固形物及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cellulose nanofiber dry solid and a method for producing the same.

セルロースナノファイバーは、水系媒体での分散性に優れている約3nm~数百nm程度の繊維径を有する微細繊維であり、食品、化粧品、医療品又は塗料等の粘度の保持、食品原料生地の強化、水分の保持、食品安定性向上、低カロリー添加物又は乳化安定化助剤としての利用が期待されている。しかし、水に分散している状態(湿潤状態)のセルロースナノファイバーを乾燥させて乾燥固形物とした場合には、通常、微細セルロース繊維の繊維間に水素結合が形成されるため、この乾燥固形物に水を加えて再分散させようとしても、粘度などの諸特性が乾燥前(湿潤状態)と同等までには復元しなくなる。このため、セルロースナノファイバーは水に分散している状態(湿潤状態)で製造され、通常、乾燥させずに湿潤状態のままで各種用途に使用されている。 Cellulose nanofibers are fine fibers with a fiber diameter of about 3 nm to several hundred nm, which are excellent in dispersibility in aqueous media. It is expected to be used for fortification, moisture retention, food stability improvement, low-calorie additive or emulsion stabilization aid. However, when the cellulose nanofibers in a state of being dispersed in water (wet state) are dried to form a dry solid, hydrogen bonds are usually formed between fine cellulose fibers. Even if you try to redisperse the material by adding water, the properties such as viscosity will not be restored to the same level as before drying (wet state). Therefore, cellulose nanofibers are produced in a state of being dispersed in water (wet state), and are usually used in various applications in a wet state without being dried.

しかしながら、この湿潤状態のセルロースナノファイバーを安定に保つためには、セルロースナノファイバーに対して数倍~数百倍の質量の水が必要であり、保存スペースの確保、保存及び輸送コストの増大等、種々の問題点がある。湿潤状態のセルロースを乾燥する手段としては、凍結乾燥法(特許文献1)が提案されている。しかしながら、セルロースナノファイバーを凍結乾燥した場合、膨大なエネルギーが必要となるとともに、条件によってはセルロースナノファイバーの微細繊維間の水が凍結する際に、微細繊維間の空隙よりも大きな氷晶の成長がおこり、セルロースナノファイバーの微細繊維同士の会合が発生し、セルロースナノファイバー乾燥固形物の再分散性が悪化するという問題があった。 However, in order to keep the cellulose nanofibers in a wet state stably, a mass of water several times to several hundred times larger than that of the cellulose nanofibers is required, which increases storage space, storage and transportation costs. , there are various problems. A freeze-drying method (Patent Document 1) has been proposed as a means for drying cellulose in a wet state. However, when cellulose nanofibers are freeze-dried, a huge amount of energy is required, and depending on the conditions, when the water between the fine fibers of the cellulose nanofibers freezes, ice crystals grow larger than the voids between the fine fibers. As a result, there is a problem that fine fibers of cellulose nanofibers are associated with each other, and the redispersibility of the dry solid of cellulose nanofibers is deteriorated.

これに対し、本出願人は、アニオン変性セルロースナノファイバーに対し、水溶性高分子を5~300質量%含有させて乾燥固形物とすることにより、セルロースナノファイバー乾燥固形物の再分散性を向上させる方法(特許文献2)、また、セルロースナノファイバーと溶媒との混合物を真空乾燥装置を用いて乾燥することにより、セルロースナノファイバー乾燥固形物の再分散性を向上させる方法(特許文献3)を提案した。 In contrast, the present applicant improved the redispersibility of the dry solids of cellulose nanofibers by adding 5 to 300% by mass of a water-soluble polymer to the anion-modified cellulose nanofibers to form a dry solid. (Patent Document 2), and a method of improving redispersibility of cellulose nanofiber dry solids by drying a mixture of cellulose nanofibers and a solvent using a vacuum drying device (Patent Document 3). Proposed.

特開平6-233691号公報JP-A-6-233691 国際公開第2015/107995号WO2015/107995 国際公開第2019/189318号WO2019/189318

特許文献2及び3に記載の方法は、再分散性のよいセルロースナノファイバー乾燥固形物を製造するのに有効な方法であるが、製造工程の柔軟性を高めるために別の装置や方法を用いても製造できる新たなセルロースナノファイバー乾燥固形物をさらに開発することは好ましい。 The methods described in Patent Documents 2 and 3 are effective methods for producing cellulose nanofiber dry solids with good redispersibility. It would be desirable to further develop new cellulose nanofiber dry solids that can be produced by

本発明は、再分散性が良好な新たなセルロースナノファイバー乾燥固形物及びその製造方法を提供することを目的とする。再分散性が良好とは、乾燥前の湿潤状態のセルロースナノファイバー分散液と、セルロースナノファイバー乾燥固形物とした後に再分散して得られたセルロースナノファイバー分散液との間で、粘度や透明度の変化が少ないことをいう。 An object of the present invention is to provide a new cellulose nanofiber dry solid with good redispersibility and a method for producing the same. Good redispersibility means that the viscosity and transparency between the cellulose nanofiber dispersion in a wet state before drying and the cellulose nanofiber dispersion obtained by redispersing after making the cellulose nanofiber dry solid are different. It means that there is little change in

上記目的に対し、本発明者らが鋭意検討した結果、特定の範囲の平均繊維長を有するセルロースナノファイバーであれば、再分散性が良好となるセルロースナノファイバー乾燥固形物を製造することができることを見出した。また、乾燥の際には、スプレー乾燥装置を用いることが好ましいことを見出した。本発明は、これらに限定されないが、以下を含む。
[1]平均繊維長が450nm以下のセルロースナノファイバーを含む分散液を、スプレー乾燥装置を用いて乾燥することを含む、セルロースナノファイバー乾燥固形物の製造方法。
[2]前記スプレー乾燥装置におけるスプレー噴霧方式が、二流体ノズルまたはロータリーアトマイザーである、[1]に記載の製造方法
[3]前記乾燥固形物の固形分が、90.0質量%以上である、[1]または[2]に記載の製造方法。
[4]前記セルロースナノファイバーが、アニオン変性セルロースナノファイバーである、[1]~[3]のいずれか一項に記載の製造方法。
[5]前記アニオン変性セルロースナノファイバーが、カルボキシル化セルロースナノファイバーである、[4]に記載の製造方法。
[6]前記カルボキシル化セルロースナノファイバーが、カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、カルボキシル基量が0.6~3.0mmol/gである、[4]に記載の製造方法。
[7]平均繊維長が450nm以下のセルロースナノファイバーを含む、セルロースナノファイバー乾燥固形物。
[8]固形分が90.0質量%以上である、[7]に記載の乾燥固形物。
[9]セルロースナノファイバーの濃度が1.0質量%となるように前記乾燥固形物に水を添加し、ホモディスパー(3000rpm)で30分間撹拌して得た水分散液の、波長660nmの光の透過率(光路長10mm)が、65%以上である、[7]または[8]に記載の乾燥固形物。
[10]セルロースナノファイバーの濃度が0.5質量%となるように前記乾燥固形物に水を添加し、墨滴を加えて撹拌した後の、光学顕微鏡観察により算出されるセルロースナノファイバー凝集物の面積率が、10.0%以下である、[7]~[9]のいずれか一項に記載の乾燥固形物。
As a result of intensive studies conducted by the present inventors to achieve the above object, it was found that cellulose nanofibers having an average fiber length within a specific range can be used to produce cellulose nanofiber dry solids with good redispersibility. I found In addition, it was found that it is preferable to use a spray dryer for drying. The invention includes, but is not limited to:
[1] A method for producing a dry solid of cellulose nanofibers, which comprises drying a dispersion containing cellulose nanofibers having an average fiber length of 450 nm or less using a spray dryer.
[2] The production method according to [1], wherein the spray atomization method in the spray drying apparatus is a two-fluid nozzle or a rotary atomizer [3] The solid content of the dried solid is 90.0% by mass or more. , [1] or [2].
[4] The production method according to any one of [1] to [3], wherein the cellulose nanofibers are anion-modified cellulose nanofibers.
[5] The production method according to [4], wherein the anion-modified cellulose nanofibers are carboxylated cellulose nanofibers.
[6] The production method according to [4], wherein the carboxylated cellulose nanofibers have a carboxyl group content of 0.6 to 3.0 mmol/g relative to the absolute dry weight of the carboxylated cellulose nanofibers.
[7] A dry solid of cellulose nanofibers containing cellulose nanofibers having an average fiber length of 450 nm or less.
[8] The dry solid according to [7], which has a solid content of 90.0% by mass or more.
[9] Light with a wavelength of 660 nm in an aqueous dispersion obtained by adding water to the dry solid so that the concentration of cellulose nanofibers is 1.0% by mass, and stirring for 30 minutes with Homodisper (3000 rpm). The dry solid according to [7] or [8], which has a transmittance (optical path length 10 mm) of 65% or more.
[10] Add water to the dry solid so that the concentration of cellulose nanofibers is 0.5% by mass, add Bokushizuku, stir, and then cellulose nanofiber aggregates calculated by optical microscope observation. The dry solid according to any one of [7] to [9], wherein the area ratio of is 10.0% or less.

本発明によれば、再分散性が良好なセルロースナノファイバー乾燥固形物を得ることができる。特に、セルロースナノファイバーのうち、アニオン変性セルロースナノファイバーの一種であるカルボキシル化セルロースナノファイバーは、従来の方法では再分散性を高めることが困難な傾向にあったが、本発明では、再分散性が非常に良好なカルボキシル化セルロースナノファイバー乾燥固形物を得ることができるという利点がある。なお、再分散性が良好とは、乾燥前の湿潤状態のセルロースナノファイバー分散液と、セルロースナノファイバー乾燥固形物とした後に再分散して得られたセルロースナノファイバー分散液との間で、粘度や透明度などの変化が少ないことをいう。 According to the present invention, a cellulose nanofiber dry solid with good redispersibility can be obtained. In particular, among cellulose nanofibers, carboxylated cellulose nanofiber, which is a kind of anion-modified cellulose nanofiber, tends to be difficult to improve redispersibility by conventional methods, but in the present invention, redispersibility The advantage is that a carboxylated cellulose nanofiber dry solid with a very good In addition, good redispersibility means that between the cellulose nanofiber dispersion in a wet state before drying and the cellulose nanofiber dispersion obtained by redispersing the cellulose nanofiber dry solid, the viscosity It means that there is little change such as transparency and

実施例1、2、4~6で得られた乾燥固形物を倍率400倍の光学顕微鏡で観察したものである。The dry solids obtained in Examples 1, 2, 4 to 6 were observed with an optical microscope at a magnification of 400. 比較例1、2で得られた乾燥固形物を倍率400倍の光学顕微鏡で観察したものである。The dry solids obtained in Comparative Examples 1 and 2 were observed with an optical microscope at a magnification of 400. 実施例1、2、4~6で得られた乾燥固形物の再分散液について、CNF同士の凝集を墨汁法で評価したものである。For the redispersions of the dried solids obtained in Examples 1, 2, 4 to 6, aggregation of CNFs was evaluated by the Indian ink method. 比較例1、2で得られた乾燥固形物の再分散液について、CNF同士の凝集を墨汁法で評価したものである。Regarding the redispersions of the dry solids obtained in Comparative Examples 1 and 2, the aggregation of CNFs was evaluated by the Indian ink method.

以下、本発明を詳細に説明する。本発明において「~」はその両端の値を含む。すなわち「X~Y」はXおよびYを含む。
本発明は、セルロースナノファイバー(以下、「CNF」という。)乾燥固形物及びその製造方法である。詳細には、平均繊維長が450nm以下のCNFを含むCNF乾燥固形物、また、平均繊維長が450nm以下のCNFを含む分散液をスプレー乾燥装置を用いて乾燥することを含むCNF乾燥固形物の製造方法である。本発明により、再分散性が良好なCNF乾燥固形物を得ることができる。
The present invention will be described in detail below. In the present invention, "-" includes values at both ends thereof. That is, "X through Y" includes X and Y.
The present invention is a cellulose nanofiber (hereinafter referred to as "CNF") dry solid and a method for producing the same. Specifically, CNF dry solids containing CNFs with an average fiber length of 450 nm or less, and CNF dry solids including drying a dispersion containing CNFs with an average fiber length of 450 nm or less using a spray dryer manufacturing method. According to the present invention, a CNF dry solid with good redispersibility can be obtained.

本発明により得られるCNF乾燥固形物が、優れた再分散性を発現する理由は明らかではないが、平均繊維長が450nm以下のCNFを用いて乾燥させることにより、CNF同士の電気的な反発を低下させて再分散性を悪化させる原因と考えられる繊維間の水素結合の生成や、繊維同士の絡まりが、抑制されたのではないかと推測している。 The reason why the CNF dry solid obtained by the present invention exhibits excellent redispersibility is not clear, but by drying using CNF having an average fiber length of 450 nm or less, the electrical repulsion between CNFs is reduced. It is presumed that the formation of hydrogen bonds between fibers and entanglement between fibers, which are considered to be the causes of lowering the redispersibility and deteriorating the redispersibility, were suppressed.

(セルロースナノファイバー)
本発明において、セルロースナノファイバー(CNF)は、セルロース原料であるパルプなどがナノメートルレベルの繊維幅まで微細化されたものである。CNFの繊維幅(平均繊維径)は、通常、約3nm~数百nm程度であり、例えば、3~500nm程度である。本発明ではCNFの平均繊維径として3~100nm程度のものを用いることが好ましく、3~20nm程度のものがさらに好ましい。
(cellulose nanofiber)
In the present invention, cellulose nanofibers (CNF) are cellulose raw materials, such as pulp, which have been refined to nanometer-level fiber widths. The fiber width (average fiber diameter) of CNF is usually about 3 nm to several hundred nm, for example, about 3 to 500 nm. In the present invention, it is preferable to use CNF having an average fiber diameter of about 3 to 100 nm, more preferably about 3 to 20 nm.

本発明では、上記のような平均繊維径を有するCNFのうち、平均繊維長が450nm以下のものを用いる。平均繊維長はより好ましくは400nm以下であり、さらに好ましくは350nm以下である。平均繊維長の下限は特に限定されないが、CNFの増粘性や吸水性、保形性などの効果を得るためには、100nm以上が好ましく、150nm以上がさらに好ましい。 In the present invention, CNF having an average fiber length of 450 nm or less among the CNFs having the average fiber diameter as described above are used. The average fiber length is more preferably 400 nm or less, still more preferably 350 nm or less. Although the lower limit of the average fiber length is not particularly limited, it is preferably 100 nm or more, more preferably 150 nm or more, in order to obtain effects such as CNF thickening, water absorption, and shape retention.

CNFの平均繊維径および平均繊維長は、原子間力顕微鏡(AFM)または透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、200本程度の繊維を観察した結果から得られる繊維径および繊維長の平均値を算出することによって得ることができる。 The average fiber diameter and average fiber length of CNF are the average values of the fiber diameter and fiber length obtained from the results of observing about 200 fibers using an atomic force microscope (AFM) or a transmission electron microscope (TEM). can be obtained by calculating

CNFは、後述するパルプなどのセルロース原料に機械的な力を加えて微細化(解繊)することにより得ることができる。セルロース原料としては、後述するような未変性のセルロースや製紙用のパルプ等を用いてもよいし、製紙用のパルプ等をさらに化学変性させた化学変性セルロースを用いてもよい。化学変性させたセルロースの例としては、これらに限定されないが、セルロース鎖にアニオン性基を導入したアニオン変性セルロースや、カチオン性基を導入したカチオン変性セルロースが挙げられる。これらの中では、アニオン変性セルロースを用いることが好ましい。特に、アニオン変性セルロースの中でも、アニオン性基としてカルボキシル基を導入したカルボキシル化セルロースは、本発明に用いるCNFの原料として好適である。 CNF can be obtained by applying a mechanical force to a cellulose raw material such as pulp, which will be described later, to make it finer (fibrillation). As the cellulose raw material, unmodified cellulose, pulp for paper manufacturing, or the like, which will be described later, may be used, or chemically modified cellulose obtained by further chemically modifying pulp for paper manufacturing, or the like may be used. Examples of chemically modified cellulose include, but are not limited to, anion-modified cellulose in which an anionic group is introduced into the cellulose chain, and cation-modified cellulose in which a cationic group is introduced. Among these, it is preferable to use anion-modified cellulose. In particular, among anion-modified celluloses, carboxylated cellulose into which a carboxyl group has been introduced as an anionic group is suitable as a raw material for CNF used in the present invention.

(セルロース原料)
CNFの原料となるセルロースとしては、植物、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物等を起源とするものが知られており、本発明ではそのいずれも使用できる。植物由来のものとしては、例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)サーモメカニカルパルプ(TMP)、再生パルプ、古紙等)が挙げられる。本発明においては、植物または微生物由来のセルロース繊維が好ましく、植物由来のセルロース繊維がより好ましい。セルロース原料は、以下に説明するように化学変性を行ってもよい。上述のセルロース原料または化学変性したセルロース原料(化学変性セルロース)の繊維幅をナノメートルレベルにまで微細化することにより、CNFまたは化学変性CNFを得ることができる。
(raw material for cellulose)
Cellulose, which is a raw material for CNF, is known to originate from plants, animals (e.g. sea squirts), algae, microorganisms (e.g. acetobacter), microbial products, etc. In the present invention, it is Either can be used. Plant-derived materials include, for example, wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, agricultural waste, cloth, pulp (unbleached softwood kraft pulp (NUKP), bleached softwood kraft pulp (NBKP), unbleached hardwood kraft pulp ( LUKP), bleached hardwood kraft pulp (LBKP), unbleached softwood sulfite pulp (NUSP), bleached softwood sulfite pulp (NBSP), thermomechanical pulp (TMP), recycled pulp, waste paper, etc.). In the present invention, plant- or microorganism-derived cellulose fibers are preferred, and plant-derived cellulose fibers are more preferred. The cellulose raw material may be chemically modified as described below. CNF or chemically modified CNF can be obtained by refining the fiber width of the above cellulose raw material or chemically modified cellulose raw material (chemically modified cellulose) to the nanometer level.

(化学変性セルロース)
化学変性セルロースの例としては、これらに限定されないが、セルロース鎖にアニオン性基を導入したアニオン変性セルロースや、カチオン性基を導入したカチオン変性セルロースが挙げられる。アニオン変性セルロースの例としては、カルボキシル基を導入したカルボキシル化セルロース、カルボキシメチル基を導入したカルボキシメチル化セルロース、リン酸エステル基等を導入したリン酸エステル化セルロースなどがあげられる。これらの中では、アニオン変性セルロースを用いることが好ましく、また、カルボキシル化セルロースを用いることが好ましい。カルボキシル化セルロースを原料としたカルボキシル化CNFは、再分散性が良好な乾燥固形物とすることが従来の方法では困難な傾向があったが、本発明の方法では、再分散性が非常に良好なカルボキシル化CNFの乾燥固形物を製造することができる。
(chemically modified cellulose)
Examples of chemically modified cellulose include, but are not limited to, anion-modified cellulose in which an anionic group is introduced into the cellulose chain, and cation-modified cellulose in which a cationic group is introduced. Examples of anion-modified cellulose include carboxylated cellulose into which carboxyl groups have been introduced, carboxymethylated cellulose into which carboxymethyl groups have been introduced, and phosphate esterified cellulose into which phosphate ester groups and the like have been introduced. Among these, it is preferable to use anion-modified cellulose, and it is preferable to use carboxylated cellulose. Carboxylated CNF made from carboxylated cellulose tends to be difficult to make into a dry solid with good redispersibility by the conventional method, but the method of the present invention has very good redispersibility. A dry solid of carboxylated CNF can be produced.

(カルボキシル化セルロース)
アニオン変性セルロースの一例として、カルボキシル化(酸化)したセルロース(ルボキシル化セルロース)が挙げられる。カルボキシル化セルロースは、上記のセルロース原料を公知の方法でカルボキシル化(酸化)することにより得ることができる。特に限定されるものではないが、カルボキシル化の際には、カルボキシル化セルロースの絶乾質量に対して、カルボキシル基の量が0.6~3.0mmol/gとなるように調整することが好ましく、0.6~2.0mmol/gとなるように調整することがさらに好ましく、1.0mmol/g~2.0mmol/gになるように調整することがさらに好ましい。
(carboxylated cellulose)
An example of anionically modified cellulose is carboxylated (oxidized) cellulose (carboxylated cellulose). Carboxylated cellulose can be obtained by carboxylating (oxidizing) the above cellulose raw material by a known method. Although not particularly limited, during carboxylation, it is preferable to adjust the amount of carboxyl groups to 0.6 to 3.0 mmol/g with respect to the absolute dry weight of the carboxylated cellulose. , more preferably 0.6 to 2.0 mmol/g, more preferably 1.0 mmol/g to 2.0 mmol/g.

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

N-オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物をいう。N-オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。例えば、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシラジカル(TEMPO)およびその誘導体(例えば4-ヒドロキシTEMPO)が挙げられる。 An N-oxyl compound means a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it promotes the desired oxidation reaction. Examples include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxy radical (TEMPO) and its derivatives (eg 4-hydroxy TEMPO).

N-オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であればよく、特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01~10mmolが好ましく、0.01~1mmolがより好ましく、0.05~0.5mmolがさらに好ましい。また、反応系に対し0.1~4mmol/L程度が好ましい。 The amount of the N-oxyl compound to be used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount that can oxidize the raw material cellulose. For example, it is preferably 0.01 to 10 mmol, more preferably 0.01 to 1 mmol, even more preferably 0.05 to 0.5 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose. Also, it is preferably about 0.1 to 4 mmol/L with respect to the reaction system.

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

酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。酸化剤の使用量としては、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5~500mmolが好ましく、0.5~50mmolがより好ましく、1~25mmolがさらに好ましく、3~10mmolが最も好ましい。また、例えば、N-オキシル化合物1molに対して1~40molが好ましい。 Known oxidizing agents can be used, for example, halogens, hypohalous acids, halogenous acids, perhalogenates or salts thereof, halogen oxides, peroxides and the like can be used. Among them, sodium hypochlorite is preferable because it is inexpensive and has less environmental load. The amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, even more preferably 1 to 25 mmol, and most preferably 3 to 10 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose raw material. . Further, for example, 1 to 40 mol is preferable per 1 mol of the N-oxyl compound.

セルロースの酸化は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は4~40℃が好ましく、また15~30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを8~12、好ましくは10~11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱容易性や、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。 Oxidation of cellulose allows the reaction to proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature is preferably 4 to 40°C, and may be room temperature of about 15 to 30°C. Since carboxyl groups are generated in the cellulose as the reaction progresses, the pH of the reaction solution decreases. In order to allow the oxidation reaction to proceed efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution at about 8-12, preferably about 10-11. Water is preferable as the reaction medium because it is easy to handle and less likely to cause side reactions.

酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5~6時間、例えば、0.5~4時間程度である。
また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られたカルボキシル化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。
The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the degree of progress of the oxidation, and is usually about 0.5 to 6 hours, for example about 0.5 to 4 hours.
Moreover, the oxidation reaction may be carried out in two steps. For example, the carboxylated cellulose obtained by filtration after the completion of the reaction in the first step is oxidized again under the same or different reaction conditions, so that the reaction is not inhibited by salt produced as a by-product in the reaction in the first step. can be efficiently oxidized.

カルボキシル化(酸化)方法の別の例として、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、グルコピラノース環の少なくとも2位および6位の水酸基が酸化(カルボキシル化)されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾンを含む気体中のオゾン濃度は、50~250g/m3であることが好ましく、50~220g/m3であることがより好ましい。セルロース原料に対するオゾン添加量は、セルロース原料の固形分を100質量部とした際に、0.1~30質量部であることが好ましく、5~30質量部であることがより好ましい。オゾン処理温度は、0~50℃であることが好ましく、20~50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、特に限定されないが、1~360分程度であり、30~360分程度が好ましい。オゾン処理の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度に酸化および分解されることを防ぐことができ、カルボキシル化セルロースの収率が良好となる。オゾン処理を施した後に、酸化剤を用いて、追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物や、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸などが挙げられる。例えば、これらの酸化剤を水またはアルコール等の極性有機溶媒中に溶解して酸化剤溶液を作成し、溶液中にセルロース原料を浸漬させることにより追酸化処理を行うことができる。 Another example of the carboxylation (oxidation) method is a method of oxidizing by contacting a cellulose raw material with an ozone-containing gas. This oxidation reaction oxidizes (carboxylates) at least the hydroxyl groups at the 2- and 6-positions of the glucopyranose ring and causes degradation of the cellulose chain. The ozone concentration in the ozone-containing gas is preferably 50-250 g/m 3 , more preferably 50-220 g/m 3 . The amount of ozone added to the cellulose raw material is preferably 0.1 to 30 parts by mass, more preferably 5 to 30 parts by mass, when the solid content of the cellulose raw material is 100 parts by mass. The ozone treatment temperature is preferably 0 to 50°C, more preferably 20 to 50°C. The ozone treatment time is not particularly limited, but is about 1 to 360 minutes, preferably about 30 to 360 minutes. When the ozone treatment conditions are within these ranges, excessive oxidation and decomposition of cellulose can be prevented, and the yield of carboxylated cellulose is improved. After the ozone treatment, additional oxidation treatment may be performed using an oxidizing agent. The oxidizing agent used in the additional oxidation treatment is not particularly limited, but examples include chlorine-based compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, and peracetic acid. For example, the additional oxidation treatment can be performed by dissolving these oxidizing agents in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and immersing the cellulose raw material in the solution.

カルボキシル化セルロースのカルボキシル基の量は、上記した酸化剤の添加量、反応時間等の反応条件をコントロールすることで調整することができる。なお、カルボキシル化セルロースにおけるカルボキシル基の量と、同カルボキシル化セルロースを解繊することにより得たカルボキシル化CNFのカルボキシル基の量とは、通常同じである。 The amount of carboxyl groups in the carboxylated cellulose can be adjusted by controlling the reaction conditions such as the amount of the oxidizing agent added and the reaction time. The amount of carboxyl groups in the carboxylated cellulose and the amount of carboxyl groups in the carboxylated CNF obtained by defibrating the carboxylated cellulose are usually the same.

カルボキシル化セルロースを後述の方法で解繊することにより、カルボキシル化CNFを製造することができる。
(カルボキシメチル化セルロース)
アニオン変性セルロースの一例として、カルボキシメチル化セルロースが挙げられる(以下、カルボキシメチル化を「CM化」という)。CM化セルロースは、上記のセルロー
ス原料を公知の方法でCM化することにより得てもよいし、市販品を用いてもよい。いずれの場合も、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル基置換度が0.01~0.50となるものが好ましい。そのようなCM化セルロースを製造する方法の一例として次のような方法を挙げることができる。セルロース原料に、溶媒として3~20質量倍の水及び/又は低級アルコール、具体的には水、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n-ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノール等の単独、又は2種以上の混合媒体を添加する。なお、低級アルコールを混合する場合の低級アルコールの混合割合は、60~95質量%が好ましい。マーセル化剤としては、セルロース原料の無水グルコース残基当たり0.5~20倍モルの水酸化アルカリ金属、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用することが好ましい。セルロース原料と溶媒、マーセル化剤を混合し、反応温度0~70℃、好ましくは10~60℃、かつ反応時間15分~8時間、好ましくは30分~7時間、マーセル化処理を行う。その後、カルボキシメチル化剤をグルコース残基当たり0.05~10.0倍モル添加し、反応温度30~90℃、好ましくは40~80℃、かつ反応時間30分~10時間、好ましくは1時間~4時間、エーテル化反応を行う。
Carboxylated CNF can be produced by defibrating carboxylated cellulose by the method described below.
(Carboxymethylated cellulose)
An example of anion-modified cellulose is carboxymethylated cellulose (hereinafter, carboxymethylated cellulose is referred to as "CM-modified"). The CM-modified cellulose may be obtained by CM-processing the above cellulose raw material by a known method, or a commercially available product may be used. In any case, the degree of carboxymethyl group substitution per anhydroglucose unit of cellulose is preferably 0.01 to 0.50. The following method can be given as an example of the method for producing such CM-cellulose. To the cellulose raw material, 3 to 20 times by weight of water and / or lower alcohol as a solvent, specifically water, methanol, ethanol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butanol, isobutanol, tertiary butanol, etc. A single medium or a mixed medium of two or more types is added. When the lower alcohol is mixed, the mixing ratio of the lower alcohol is preferably 60 to 95% by mass. As the mercerizing agent, it is preferable to use an alkali metal hydroxide, specifically sodium hydroxide or potassium hydroxide, in an amount of 0.5 to 20 times the moles of the anhydroglucose residue of the cellulose raw material. A cellulose raw material, a solvent and a mercerizing agent are mixed and mercerized at a reaction temperature of 0 to 70° C., preferably 10 to 60° C., for a reaction time of 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours. Thereafter, a carboxymethylating agent is added at 0.05 to 10.0 mol per glucose residue, the reaction temperature is 30 to 90° C., preferably 40 to 80° C., and the reaction time is 30 minutes to 10 hours, preferably 1 hour. The etherification reaction is carried out for ~4 hours.

なお、本明細書において、CM化CNFの調製に用いるアニオン変性セルロースの一種である「カルボキシメチル化セルロース」または「CM化セルロース」は、水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるものをいう。したがって、「カルボキシメチル化セルロース」または「CM化セルロース」は、水溶性高分子の一種であるカルボキシメチルセルロースとは区別される。「カルボキシメチル化セルロース」または「CM化セルロース」の水分散液を電子顕微鏡で観察すると、繊維状の物質を観察することができる。一方、水溶性高分子の一種であるカルボキシメチルセルロースの水分散液を観察しても、繊維状の物質は観察されない。また、「カルボキシメチル化セルロース」または「CM化セルロース」はX線回折で測定した際にセルロースI型結晶のピークを観測することができるが、水溶性高分子のカルボキシメチルセルロースではセルロースI型結晶はみられない。 In the present specification, "carboxymethylated cellulose" or "CM-modified cellulose", which is a type of anion-modified cellulose used for preparing CM-CNF, is at least partly fibrous even when dispersed in water. is maintained. Therefore, "carboxymethylated cellulose" or "CM-modified cellulose" is distinguished from carboxymethylcellulose, which is a kind of water-soluble polymer. When an aqueous dispersion of "carboxymethylated cellulose" or "CM-modified cellulose" is observed with an electron microscope, a fibrous substance can be observed. On the other hand, no fibrous substance is observed in an aqueous dispersion of carboxymethyl cellulose, which is a type of water-soluble polymer. In addition, when "carboxymethylated cellulose" or "CM-modified cellulose" is measured by X-ray diffraction, a cellulose type I crystal peak can be observed. I can't see

CM化セルロースを後述の方法で解繊することにより、CM化CNFを製造することができる。なお、カルボキシメチル化セルロースにおけるカルボキシメチル置換度と、同CM化セルロースを解繊することにより得たCM化CNFのカルボキシメチル置換度とは、通常同じである。 CM-CNF can be produced by defibrating CM-cellulose by the method described below. The degree of carboxymethyl substitution in carboxymethylated cellulose and the degree of carboxymethyl substitution in CM CNF obtained by defibrating the same CM cellulose are usually the same.

(リン酸エステル化セルロース)
アニオン変性セルロースの一例として、リン酸エステル化セルロースが挙げられる。リン酸エステル化セルロースは、前述のセルロース原料にリン酸系化合物の粉末や水溶液を混合する方法により得ることができる。
(Phosphate esterified cellulose)
An example of anion-modified cellulose is phosphate-esterified cellulose. Phosphate-esterified cellulose can be obtained by a method of mixing powder or an aqueous solution of a phosphoric acid-based compound with the aforementioned cellulose raw material.

リン酸系化合物としては、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸、メタリン酸、ピロリン酸あるいはこれらの塩またはエステルが挙げられる。これらの中でも、低コストであり、扱いやすく、解繊効率が向上するなどの理由から、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウム等が好ましく、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩がより好ましい。特にリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムが好ましい。これらは1種、あるいは2種以上を併用できる。また、反応の均一性が高まり、かつリン酸基導入の効率が高くなることから前記リン酸系化合物は水溶液として用いることが好ましい。リン酸系化合物の水溶液のpHは、リン酸基導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましく、セルロース繊維の加水分解を抑える観点からpH3~7が好ましい。 Phosphoric acid compounds include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, metaphosphoric acid, pyrophosphoric acid, or salts or esters thereof. Among these, phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, and sodium metaphosphate are preferred because they are low in cost, easy to handle, and improve fibrillation efficiency. , potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate etc. are preferred, and phosphoric acid, sodium phosphoric acid, potassium phosphoric acid, and ammonium phosphoric acid are more preferred. Sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are particularly preferred. These can be used singly or in combination of two or more. In addition, it is preferable to use the phosphoric acid-based compound in the form of an aqueous solution because the uniformity of the reaction is enhanced and the efficiency of introduction of the phosphoric acid group is enhanced. The pH of the aqueous solution of the phosphoric acid-based compound is preferably 7 or less because the efficiency of introducing phosphoric acid groups is increased, and from the viewpoint of suppressing hydrolysis of cellulose fibers, pH 3 to 7 is preferable.

リン酸エステル化セルロースの製造方法の一例として以下の方法を挙げることができる。固形分濃度0.1~10質量%のセルロース原料の分散液に、リン酸系化合物を撹拌しながら添加してセルロースにリン酸基を導入する。セルロース原料を100質量部とした際に、リン酸系化合物の添加量はリン元素量として、0.2~500質量部であることが好ましく、1~400質量部であることがより好ましい。リン酸系化合物の割合が前記下限値以上であれば、リン酸エステル化CNFの収率をより向上させることができる。しかし、前記上限値を超えると収率向上の効果は頭打ちとなるのでコスト面から好ましくない。 The following method can be given as an example of the method for producing the phosphorylated cellulose. A phosphate group is introduced into cellulose by adding a phosphoric acid-based compound to a dispersion liquid of a cellulose raw material having a solid content concentration of 0.1 to 10% by mass while stirring. When the cellulose raw material is 100 parts by mass, the amount of the phosphoric acid compound added is preferably 0.2 to 500 parts by mass, more preferably 1 to 400 parts by mass, in terms of elemental phosphorus. If the proportion of the phosphoric acid-based compound is at least the lower limit, the yield of phosphorylated CNF can be further improved. However, if the above upper limit is exceeded, the effect of improving the yield reaches a ceiling, which is not preferable from the viewpoint of cost.

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

リン酸エステル化セルロースのグルコース単位当たりのリン酸基置換度は0.001~0.40であることが好ましい。セルロースにリン酸基置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、リン酸基を導入したセルロースは容易にナノスケールの繊維幅へと解繊することができる。なお、グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.001より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.40より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、CNFとして得られなくなる場合がある。解繊を効率よく行なうために、上記で得たリン酸エステル化セルロースは、煮沸した後、冷水で洗浄することが好ましい。 The degree of phosphate group substitution per glucose unit of the phosphorylated cellulose is preferably 0.001 to 0.40. By introducing a phosphate group substituent into cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, cellulose into which a phosphate group has been introduced can be easily defibrated into nanoscale fiber widths. If the degree of phosphate group substitution per glucose unit is less than 0.001, sufficient nano-fibrillation cannot be achieved. On the other hand, if the degree of phosphate group substitution per glucose unit is greater than 0.40, the product may swell or dissolve, and may not be obtained as CNF. In order to defibrate efficiently, it is preferable to wash the phosphate-esterified cellulose obtained above with cold water after boiling.

リン酸エステル化セルロースを後述の方法で解繊することにより、リン酸エステル化CNFを製造することができる。なお、リン酸エステル化CNFにおけるリン酸基置換度と、同リン酸エステル化セルロースを解繊することにより得たリン酸エステル化CNFのリン酸基置換度とは、通常同じである。 Phosphate-esterified CNF can be produced by defibrating the phosphate-esterified cellulose by the method described below. The degree of phosphate group substitution in the phosphate esterified CNF and the degree of phosphate group substitution in the phosphate esterified CNF obtained by defibrating the phosphate esterified cellulose are usually the same.

(カチオン変性セルロース)
化学変性CNFの調製に用いる化学変性セルロースとして、前記カルボキシル化セルロースをさらにカチオン化したカチオン変性セルロースを使用してもよい。カチオン変性セルロースは、前記カルボキシル化セルロースに、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライトまたはそのハロヒドリン型などのカチオン化剤と、触媒である水酸化アルカリ金属(水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど)を、水または炭素数1~4のアルコールの存在下で反応させることによって得ることができる。
(cation-modified cellulose)
As chemically modified cellulose used for preparing chemically modified CNF, cationically modified cellulose obtained by further cationizing the carboxylated cellulose may be used. Cation-modified cellulose is obtained by adding a cationizing agent such as glycidyltrimethylammonium chloride, 3-chloro-2-hydroxypropyltrialkylammonium hydrate or its halohydrin type to the carboxylated cellulose, and an alkali metal hydroxide (hydroxylation sodium, potassium hydroxide, etc.) in the presence of water or an alcohol having 1 to 4 carbon atoms.

グルコース単位当たりのカチオン置換度は0.02~0.50であることが好ましい。セルロースにカチオン置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カチオン置換基を導入したセルロースは容易にナノスケールの繊維幅へと解繊することができる。グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.02より小さいと、十分に解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.50より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、CNFとして得られなくなる場合がある。解繊を効率よく行なうために、上記で得たカチオン変性セルロースを解繊前に洗浄することが好ましい。当該カチオン置換度は、反応させるカチオン化剤の添加量、水または炭素数1~4のアルコールの組成比率によって調整できる。 Preferably, the degree of cation substitution per glucose unit is between 0.02 and 0.50. By introducing cationic substituents into cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, cellulose into which cationic substituents have been introduced can be easily fibrillated into nanoscale fiber widths. If the degree of cation substitution per glucose unit is less than 0.02, fibrillation cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the degree of cation substitution per glucose unit is greater than 0.50, the product may swell or dissolve and may not be obtained as CNF. In order to defibrate efficiently, it is preferable to wash the cation-modified cellulose obtained above before defibration. The degree of cation substitution can be adjusted by adjusting the amount of the cationizing agent to be reacted and the composition ratio of water or alcohol having 1 to 4 carbon atoms.

カチオン変性セルロースを後述の方法で解繊することにより、カチオン変性CNFを製造することができる。なお、カチオン変性セルロースにおけるカチオン置換度と、同カチオン変性セルロースを解繊することにより得たカチオン変性CNFのカチオン置換度とは、通常同じである。 Cation-modified CNF can be produced by defibrating cation-modified cellulose by the method described below. The degree of cation substitution in cation-modified cellulose and the degree of cation substitution in cation-modified CNF obtained by defibrating the cation-modified cellulose are usually the same.

(解繊)
上記化学変性セルロース等を含むセルロース原料を解繊することにより、CNFを得ることができる。解繊に使用する装置は特に限定されないが、強力なせん断力を印加することができる高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの装置を用いることが好ましい。特に、効率よく解繊するには、解繊に供するセルロース原料の分散液に50MPa以上の圧力を印加し、かつ強力なせん断力を印加できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。また、高圧ホモジナイザでの解繊及び分散処理に先立って、必要に応じて、高速せん断ミキサーなどの公知の混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて、予備処理を施してもよい。
(defibration)
CNF can be obtained by defibrating a cellulose raw material containing the chemically modified cellulose or the like. The device used for fibrillation is not particularly limited, but it is preferable to use a device capable of applying a strong shearing force, such as a high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, ultrasonic type, or the like. In particular, for efficient defibration, it is preferable to use a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer capable of applying a pressure of 50 MPa or more to the cellulose raw material dispersion to be defibrated and a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or higher, still more preferably 140 MPa or higher. In addition, prior to fibrillation and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, if necessary, pretreatment may be performed using a known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device such as a high-speed shear mixer.

解繊により得られるCNFの平均繊維長は、装置の種類や圧力などの解繊条件、また予備処理の組合せなどにより調整することができる。
(CNFを含む分散液)
上記の解繊により、CNFを含む分散液が得られる。本発明で乾燥に供する分散液中のCNFは、平均繊維長が450nm以下であり、好ましくは400nm以下であり、さらに好ましくは300nm以下である。
The average fiber length of CNF obtained by defibration can be adjusted by defibrating conditions such as the type of equipment and pressure, and by a combination of pretreatments.
(Dispersion containing CNF)
A dispersion liquid containing CNF is obtained by the above defibration. The CNF in the dispersion to be dried in the present invention has an average fiber length of 450 nm or less, preferably 400 nm or less, and more preferably 300 nm or less.

乾燥に供する分散液における分散媒は特に限定されないが、水、親水性有機溶媒、疎水性有機溶媒またはこれらの混合溶媒であることが好ましく、水、または水と親水性有機溶媒との混合溶媒がさらに好ましい。化学変性セルロースの多くは水を分散媒として製造されるので、アニオン変性セルロースやカルボキシル化セルロースなどの化学変性セルロース由来の化学変性CNFを用いる場合は、化学変性セルロースを解繊して得た化学変性CNFの水分散液をそのまま乾燥に供することができる。または、当該水分散液に乾燥またはろ過処理等の前処理を行ってから本発明のスプレー乾燥装置による乾燥工程に供してもよい。 The dispersion medium in the dispersion to be dried is not particularly limited, but is preferably water, a hydrophilic organic solvent, a hydrophobic organic solvent, or a mixed solvent thereof. More preferred. Since most chemically modified cellulose is produced using water as a dispersion medium, when using chemically modified CNF derived from chemically modified cellulose such as anion-modified cellulose and carboxylated cellulose, chemically modified CNF obtained by defibrating chemically modified cellulose The aqueous dispersion of CNF can be used for drying as it is. Alternatively, the aqueous dispersion may be subjected to a pretreatment such as drying or filtering, and then subjected to a drying step using the spray drying apparatus of the present invention.

溶媒を水と親水性有機溶媒との混合溶媒とする場合は、化学変性セルロースなどのセルロース原料の水分散液またはCNFの水分散液に親水性有機溶媒を添加するか、あるいは水分散液の一部を親水性有機溶媒に置換すればよい。当該置換は、水分散液から水を乾燥またはろ過等により除去し、濃縮された水分散液またはウェットケーキを得て、これに親水性有機溶媒を添加するなどして調製できる。溶媒の量は、水質量に対し、10~100質量%となる量であることが好ましく、20~80質量%となる量であることがより好ましい。 When the solvent is a mixed solvent of water and a hydrophilic organic solvent, the hydrophilic organic solvent is added to an aqueous dispersion of a cellulose raw material such as chemically modified cellulose or an aqueous dispersion of CNF, or one of the aqueous dispersions is used. part can be replaced with a hydrophilic organic solvent. The substitution can be prepared by removing water from the aqueous dispersion by drying or filtering to obtain a concentrated aqueous dispersion or wet cake, and adding a hydrophilic organic solvent thereto. The amount of the solvent is preferably 10 to 100% by mass, more preferably 20 to 80% by mass, relative to the mass of water.

親水性有機溶媒とは、水に溶解する有機溶媒である。その例として、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、グリセリン、アセトン、メチルエチルケトン、1,4-ジオキサン、N-メチル-2-ピロリドン、テトラヒドロフラン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、およびこれらの組合せが挙げられる。中でもメタノール、エタノール、2-プロパノール等の炭素数が1~4の低級アルコールが好ましく、安全性および入手容易性の観点から、メタノール、エタノールがより好ましく、エタノールがさらに好ましい。 A hydrophilic organic solvent is an organic solvent that dissolves in water. Examples include methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, glycerin, acetone, methyl ethyl ketone, 1,4-dioxane, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, Dimethylsulfoxide, acetonitrile, and combinations thereof. Among them, lower alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol, and 2-propanol are preferred, and from the viewpoint of safety and availability, methanol and ethanol are more preferred, and ethanol is even more preferred.

前記混合溶媒中の親水性有機溶媒の量は、混合溶媒の質量に対し10質量%以上が好ましく、20質量%以上がより好ましく、25質量%以上がさらに好ましい。当該量の上限は限定されないが95質量%以下が好ましく、80質量%以下がより好ましい。また、発明の効果を損なわない程度で、混合溶媒は疎水性有機溶媒を含んでいてもよい。 The amount of the hydrophilic organic solvent in the mixed solvent is preferably 10% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, and even more preferably 25% by mass or more, relative to the mass of the mixed solvent. Although the upper limit of the amount is not limited, it is preferably 95% by mass or less, more preferably 80% by mass or less. Moreover, the mixed solvent may contain a hydrophobic organic solvent to the extent that the effects of the invention are not impaired.

乾燥に供するCNFを含む分散液は、水酸化ナトリウムなどのアルカリを用いてpHを7~11に調整してもよい。pHがこのような範囲であると再分散性が向上する傾向がある。 The CNF-containing dispersion to be dried may be adjusted to pH 7-11 using an alkali such as sodium hydroxide. When the pH is in such a range, the redispersibility tends to be improved.

乾燥に供するCNFを含む分散液における固形分は、0.1~10質量%程度であることが好ましく、0.5~8質量%程度がさらに好ましく、1~5質量%程度がさらに好ましい。 The solid content in the CNF-containing dispersion to be dried is preferably about 0.1 to 10% by mass, more preferably about 0.5 to 8% by mass, and even more preferably about 1 to 5% by mass.

乾燥に供する平均繊維長が450nm以下のCNFを含む分散液に、水溶性高分子を含有させてもよい。これにより、平均繊維長が450nm以下のCNFに加えて、水溶性高分子を含む、乾燥固形物としてもよい。水溶性高分子としては、例えば、これらに限定されないが、カルボキシメチルセルロースのようなセルロース誘導体や、デキストリン等が挙げられる。水溶性高分子を配合する場合、その配合量は、CNF(絶乾固形分)に対して、1~50質量%が好ましく、20~45質量%がより好ましく、30~40質量%がさらに好ましい。 A dispersion containing CNF having an average fiber length of 450 nm or less to be dried may contain a water-soluble polymer. Thereby, in addition to CNF having an average fiber length of 450 nm or less, a dry solid containing a water-soluble polymer may be obtained. Examples of water-soluble polymers include, but are not limited to, cellulose derivatives such as carboxymethylcellulose, dextrin, and the like. When a water-soluble polymer is blended, the blending amount is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 20 to 45% by mass, more preferably 30 to 40% by mass, relative to CNF (bone dry solids). .

(乾燥)
平均繊維長が450nm以下のCNFを含む分散液を、乾燥することで、再分散性の良好なCNF乾燥固形物を得ることができる。乾燥の際には、スプレー乾燥装置を用いることが好ましい。
(dry)
By drying a dispersion containing CNF having an average fiber length of 450 nm or less, a CNF dry solid having good redispersibility can be obtained. For drying, it is preferable to use a spray dryer.

スプレー乾燥装置における微粒化装置の種類は特に限定されない。ロータリーアトマイザー式でもよく、ノズル式でもよい。ノズル式の場合、一流体ノズルでもよく、二流体ノズルでもよい。また、並流二流体ノズルでもよく、噴水式二流体ノズルでもよい。これらの中では、取り扱いが容易であることから、二流体ノズルをセットしたスプレー乾燥装置を用いることが好ましい。 The type of atomization device in the spray drying device is not particularly limited. A rotary atomizer type or a nozzle type may be used. In the case of the nozzle type, it may be a one-fluid nozzle or a two-fluid nozzle. Also, a co-current two-fluid nozzle or a fountain-type two-fluid nozzle may be used. Among these, it is preferable to use a spray drying apparatus having a two-fluid nozzle because it is easy to handle.

スプレー乾燥装置における入口温度は、100℃~350℃が好ましく、120℃~250℃がより好ましく、140℃~210℃がさらに好ましい。出口温度は、50℃~150℃が好ましく、60℃~130℃がより好ましく、70℃~120℃がさらに好ましい。これらの温度が低いと充分に乾燥が進まない可能性があり、温度が高すぎるとCNFの過乾燥により、再分散性が低下する可能性がある。 The inlet temperature of the spray dryer is preferably 100°C to 350°C, more preferably 120°C to 250°C, even more preferably 140°C to 210°C. The outlet temperature is preferably 50°C to 150°C, more preferably 60°C to 130°C, even more preferably 70°C to 120°C. If these temperatures are too low, the drying may not proceed sufficiently, and if the temperatures are too high, the CNF may be excessively dried, resulting in a decrease in redispersibility.

乾燥速度は、例えば乾燥空気の量80kg/hに対して、分散液の送液量が1.0~5.0kg/h程度が好ましく、1.2~3.5kg/h程度がより好ましく、1.5~3.0kg/h程度がさらに好ましい。これらの速度が遅いと収量が低下することがあり、速度が速いと充分に乾燥が進まない可能性がある。 The drying rate is preferably about 1.0 to 5.0 kg/h, more preferably about 1.2 to 3.5 kg/h, for a dry air amount of 80 kg/h, for example. About 1.5 to 3.0 kg/h is more preferable. If these speeds are slow, the yield may decrease, and if the speed is fast, drying may not proceed sufficiently.

(CNF乾燥固形物)
上記の乾燥により、CNF乾燥固形物が得られる。本明細書において、CNF乾燥固形物は、固形分が80質量%以上であるものを含み、固形分の量によっては湿潤状態である場合もある。輸送にかかる費用を低減させるという観点から、固形分は85質量%以上が好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、93質量%以上がさらに好ましい。通常このような高い固形分となるまで乾燥を行うと、再分散性が悪化する傾向があるが、本発明の製法により得られた乾燥固形物は、高い固形分を有しながら高い再分散性も有することができる。
(CNF dry solids)
The above drying yields a CNF dry solid. As used herein, CNF dry solids include those having a solid content of 80% by mass or more, and may be in a wet state depending on the amount of solid content. From the viewpoint of reducing transportation costs, the solid content is preferably 85% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 93% by mass or more. Normally, when drying is performed to such a high solid content, redispersibility tends to deteriorate, but the dry solid obtained by the production method of the present invention has a high solid content and high redispersibility. can also have

(再分散)
本発明により得られるCNF乾燥固形物は、良好な再分散性を有する。再分散性が良好とは、乾燥前の湿潤状態のCNF分散液と、CNF乾燥固形物とした後に再分散して得られたCNF分散液との間で、粘度や透明度などの変化が少ないことをいう。
(Redispersion)
The CNF dry solids obtained according to the invention have good redispersibility. Good redispersibility means that there is little change in viscosity, transparency, etc. between the CNF dispersion in a wet state before drying and the CNF dispersion obtained by redispersing after making the CNF dry solid. Say.

乾燥固形物を分散媒に再分散して分散液とする際に用いる装置としては、特に限定されないが、ホモミキサーなどの分散機を挙げることができる。再分散時に用いる分散媒としては、特に限定されないが、例えば、水、前記親水性有機溶媒、およびこれらの混合溶媒を挙げることができ、好ましくは水である。再分散後の分散液の固形分は、用途に応じて適宜選択すればよく、特に限定されないが、0.1~10.0質量%程度が好ましく、1.0~6.0質量%程度がより好ましい。 The device used for re-dispersing the dry solid matter in the dispersion medium to obtain a dispersion liquid is not particularly limited, but a dispersing machine such as a homomixer can be used. The dispersion medium used for redispersion is not particularly limited, but examples thereof include water, the hydrophilic organic solvent, and a mixed solvent thereof, preferably water. The solid content of the dispersion after redispersion may be appropriately selected according to the application, and is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 10.0% by mass, and about 1.0 to 6.0% by mass. more preferred.

(粘度)
再分散性が良好であることを示す指標の一つとして、上述の通り、乾燥前の湿潤状態のCNF分散液と、CNF乾燥固形物とした後に再分散して得られたCNF分散液との間で、粘度の変化が少ないことが挙げられる。例えば、これに限定されないが、乾燥前のCNF水分散液の粘度に対し、乾燥後に同じ固形分濃度となるように水を加えて再分散させて得たCNF水分散液の粘度(粘度の復元率)が、30%以上となることが好ましく、40%以上となることがより好ましく、50%以上となることがさらに好ましく、55%以上となることがさらに好ましい。粘度は、後述する実施例に記載の通り、例えば、B型粘度計を用いて、25℃、回転数6rpm又は60rpmで、3分後の粘度を測定することができる。
(viscosity)
As one of the indicators indicating that the redispersibility is good, as described above, the CNF dispersion in a wet state before drying and the CNF dispersion obtained by redispersing after making the CNF dry solid. Among them, there is little change in viscosity between them. For example, although not limited to this, the viscosity of the CNF aqueous dispersion obtained by redispersing by adding water so that the solid content concentration after drying is the same as the viscosity of the CNF aqueous dispersion before drying (restoration of viscosity ratio) is preferably 30% or more, more preferably 40% or more, even more preferably 50% or more, further preferably 55% or more. The viscosity can be measured, for example, using a Brookfield viscometer at 25° C. at 6 rpm or 60 rpm for 3 minutes, as described in Examples below.

(透明度(波長660nm光の透過率))
再分散性が良好であることを示す指標の一つとして、上述の通り、乾燥前の湿潤状態のCNF分散液と、CNF乾燥固形物とした後に再分散して得られたCNF分散液との間で、透明度の変化が少ないことが挙げられる。また、再分散後のCNF分散液(再分散液)自体の透明度が高いことも、再分散性が良好であることの一つの指標となる。透明度は、後述する実施例に記載の通り、光路長10mmの角型セルを用いて、波長660nmの光の透過率を求めることにより測定することができる。
(Transparency (transmittance of light with a wavelength of 660 nm))
As one of the indicators indicating that the redispersibility is good, as described above, the CNF dispersion in a wet state before drying and the CNF dispersion obtained by redispersing after making the CNF dry solid. Among them, there is little change in transparency. In addition, the high transparency of the CNF dispersion after redispersion (redispersion) itself is also an indicator of good redispersibility. The transparency can be measured by determining the transmittance of light with a wavelength of 660 nm using a prismatic cell with an optical path length of 10 mm, as described in Examples below.

例えば、これに限定されないが、乾燥前のCNF水分散液の透明度に対し、乾燥後に同じ固形分濃度となるように水を加えて再分散させて得たCNF水分散液の透明度(透明度の復元率)が、50%以上となることが好ましく、60%以上となることがより好ましく、70%以上となることがさらに好ましく、80%以上となることがさらに好ましく、90%以上となることがさらに好ましい。 For example, although not limited to this, the transparency of the CNF aqueous dispersion obtained by redispersing by adding water so that the solid content concentration after drying is the same as the transparency of the CNF aqueous dispersion before drying (restoration of transparency ratio) is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, even more preferably 70% or more, further preferably 80% or more, and 90% or more. More preferred.

また、CNFの濃度が1.0質量%となるように、CNF乾燥固形物に水を添加し、ホモディスパー(3000rpm)で30分間撹拌して得た水分散液(再分散液)の透明度(波長660nmの光の透過率、光路長10mm)が、60%以上となることが好ましい。より好ましくは65%以上であり、さらに好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは85%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。 In addition, water was added to the CNF dry solid so that the concentration of CNF was 1.0% by mass, and the transparency of the aqueous dispersion (redispersion) obtained by stirring at Homodisper (3000 rpm) for 30 minutes ( It is preferable that the transmittance of light with a wavelength of 660 nm and the optical path length of 10 mm be 60% or more. More preferably 65% or more, still more preferably 80% or more, still more preferably 85% or more, still more preferably 90% or more.

(再分散液中のCNF凝集物の評価)
乾燥固形物の再分散性が良好である場合、再分散液中のCNF同士の凝集物は少なくなる傾向にある。再分散液中のCNF凝集物の量は、後述する実施例に記載する方法でCNF凝集物の面積率を算出することにより、評価することができる。CNF凝集物の面積率は、10.0%以下が好ましい。8.0%以下がより好ましく、5.0%以下がより好ましく、1.0%以下がさらに好ましい。
(Evaluation of CNF aggregates in redispersion liquid)
When the redispersibility of the dry solid is good, the aggregates of CNFs in the redispersion liquid tend to decrease. The amount of CNF aggregates in the redispersion liquid can be evaluated by calculating the area ratio of the CNF aggregates by the method described in Examples below. The area ratio of CNF aggregates is preferably 10.0% or less. 8.0% or less is more preferable, 5.0% or less is more preferable, and 1.0% or less is even more preferable.

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
<カルボキシル基量の測定>
カルボキシル化CNFの0.5質量%水分散液60mLを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出した:
カルボキシル基量〔mmol/gカルボキシル化セルロース〕=a〔mL〕×0.05/カルボキシル化セルロース質量〔g〕。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these.
<Measurement of carboxyl group content>
Prepare 60 mL of a 0.5% by mass aqueous dispersion of carboxylated CNF, add 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to pH 2.5, and then add dropwise 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution until the pH reaches 11. Conductivity was measured and calculated from the amount of sodium hydroxide consumed (a) during the neutralization step of the weak acid, where the change in conductivity is gradual, using the following formula:
Carboxyl group amount [mmol/g carboxylated cellulose]=a [mL]×0.05/carboxylated cellulose mass [g].

<CNFの平均繊維径及び平均繊維長の測定>
原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、ランダムに選んだ200本の繊維について解析し、平均を取った。
<Measurement of average fiber diameter and average fiber length of CNF>
Using an atomic force microscope (AFM), 200 randomly selected fibers were analyzed and averaged.

<乾燥固形物の固形分の測定>
乾燥固形物における固形分は、乾燥固形物を105℃で3時間以上乾燥させた後の質量(絶乾質量)と、乾燥前の質量とを用いて算出することができる。
<Measurement of solid content of dry solid>
The solid content in the dry solid can be calculated using the mass after drying the dry solid at 105° C. for 3 hours or more (absolute dry mass) and the mass before drying.

<カルボキシル化CNF1の製造>
漂白済み針葉樹由来溶解クラフトパルプ(バッカイ社製DKP)5g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム755mg(7.4mmol)とを溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液16mlを添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した(酸化処理)。反応中は系内のpHは低下するが、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。2時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル化セルロースを得た。これを水で5.0%(w/v)としたカルボキシル化セルロースのスラリーを調製し、ここに過酸化水素をカルボキシル化セルロースに対して2%(w/w)添加し、3M水酸化ナトリウムでpHを11.3に調整した。このスラリーを80℃の温度下に2時間おき、加水分解を行った。これを水で5.0%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)で10回処理し、カルボキシル化CNF1を得た。得られたカルボキシル化CNF1のカルボキシル基量は、1.7mmol/g、平均繊維径は3nm、平均繊維長は350nmであった。
<Production of carboxylated CNF1>
5 g (absolute dry) of bleached softwood-derived dissolved kraft pulp (DKP manufactured by Buckeye) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (Sigma Aldrich) and 755 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved. was stirred until the pulp was evenly dispersed. After adding 16 ml of a 2M sodium hypochlorite aqueous solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with a 0.5N hydrochloric acid aqueous solution to initiate an oxidation reaction (oxidation treatment). The pH in the system decreased during the reaction, but was adjusted to pH 10 by successively adding 0.5N sodium hydroxide aqueous solution. After reacting for 2 hours, the mixture was filtered through a glass filter and thoroughly washed with water to obtain carboxylated cellulose. A carboxylated cellulose slurry was prepared by adding water to 5.0% (w/v) of this, hydrogen peroxide was added to 2% (w/w) of the carboxylated cellulose, and 3M sodium hydroxide was added. to adjust the pH to 11.3. This slurry was left at a temperature of 80° C. for 2 hours for hydrolysis. This was adjusted to 5.0% (w/v) with water and treated 10 times with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 140 MPa) to obtain carboxylated CNF1. The resulting carboxylated CNF1 had a carboxyl group content of 1.7 mmol/g, an average fiber diameter of 3 nm, and an average fiber length of 350 nm.

<カルボキシル化CNF2の製造>
カルボキシル化CNF1の製造において、2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液の添加量を14mlに変更した以外は、カルボキシル化CNF1と同様に製造した。カルボキシル基量は、1.5mmol/g、平均繊維径は3nm、平均繊維長は400nmであった。
<Production of carboxylated CNF2>
In the production of carboxylated CNF1, it was produced in the same manner as carboxylated CNF1, except that the amount of 2M sodium hypochlorite aqueous solution added was changed to 14 ml. The carboxyl group content was 1.5 mmol/g, the average fiber diameter was 3 nm, and the average fiber length was 400 nm.

<カルボキシル化CNF3の製造>
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)5g(絶乾)をTEMPO(Sigma Aldrich社)39mgと臭化ナトリウム514mgとを溶解した水溶液500mLに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を5.5mmol/gになるように添加し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムを消費し、系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物を、塩酸を用いて酸性化処理した後、ガラスフィルターで濾過してパルプを分離し、パルプを十分に水洗することで酸化されたパルプであるカルボキシル化セルロースを得た。これを水で1.0%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150MPa)で3回処理し、カルボキシル化CNF3を得た。得られたカルボキシル化CNF3のカルボキシル基量は、1.6mmol/g、平均繊維径は3nm、平均繊維長は550nmであった。
<Production of carboxylated CNF3>
5 g (absolute dry) of bleached unbeaten kraft pulp (85% whiteness) derived from softwood is added to 500 mL of an aqueous solution of 39 mg of TEMPO (Sigma Aldrich) and 514 mg of sodium bromide, and stirred until the pulp is uniformly dispersed. did. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system so as to have a concentration of 5.5 mmol/g to initiate an oxidation reaction. The pH in the system decreased during the reaction, but was adjusted to pH 10 by successively adding 3M sodium hydroxide aqueous solution. The reaction was terminated when the sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system stopped changing. After the reaction, the mixture was acidified with hydrochloric acid, filtered through a glass filter to separate the pulp, and the pulp was thoroughly washed with water to obtain carboxylated cellulose as oxidized pulp. This was adjusted to 1.0% (w/v) with water and treated three times with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 150 MPa) to obtain carboxylated CNF3. The resulting carboxylated CNF3 had a carboxyl group content of 1.6 mmol/g, an average fiber diameter of 3 nm, and an average fiber length of 550 nm.

<カルボキシル化CNF4の製造>
カルボキシル化CNF1の製造において、2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液の添加量を9mlに変更した以外は、カルボキシル化CNF1と同様に製造した。カルボキシル基量は、0.9mmol/g、平均繊維径は3nm、平均繊維長は400nmであった。
<Production of carboxylated CNF4>
In the production of carboxylated CNF1, it was produced in the same manner as carboxylated CNF1, except that the amount of 2M sodium hypochlorite aqueous solution added was changed to 9 ml. The carboxyl group content was 0.9 mmol/g, the average fiber diameter was 3 nm, and the average fiber length was 400 nm.

<カルボキシル化CNF5の製造>
超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)での処理を5回に変更した以外は、カルボキシル化CNF4と同様に製造した。カルボキシル基量は、0.9mmol/g、平均繊維径は3nm、平均繊維長は500nmであった。
<Production of carboxylated CNF5>
It was produced in the same manner as carboxylated CNF4, except that the treatment with an ultrahigh-pressure homogenizer (20° C., 140 MPa) was changed to 5 times. The carboxyl group content was 0.9 mmol/g, the average fiber diameter was 3 nm, and the average fiber length was 500 nm.

<乾燥固形物の製造>
(実施例1)
上記のカルボキシル化CNF1の水分散液(固形分3.0質量%、pH7.5)を準備し、ロータリーアトマイザー式のスプレー乾燥装置で、入り口温度200℃、出口温度90℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.12kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、95.6質量%であった。装置での乾燥の際に、乾燥固形物の壁面への付着が見られた。
<Production of dry solids>
(Example 1)
An aqueous dispersion of the above carboxylated CNF1 (solid content 3.0% by mass, pH 7.5) was prepared and dried with a rotary atomizer spray dryer at an inlet temperature of 200 ° C., an outlet temperature of 90 ° C., and a dry air volume of 80 kg / h, drying was performed at a liquid feed rate of 2.12 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 95.6% by mass. Adhesion of dry solids to the walls was observed during drying in the apparatus.

(実施例2)
上記のカルボキシル化CNF1の水分散液(固形分3.0質量%、pH7.5)を準備し、二流体ノズル式のスプレー乾燥装置で、入り口温度200℃、出口温度90℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.18kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、96.5質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Example 2)
An aqueous dispersion of the above carboxylated CNF1 (solid content 3.0% by mass, pH 7.5) was prepared, and dried with a two-fluid nozzle type spray dryer at an inlet temperature of 200 ° C., an outlet temperature of 90 ° C., and a dry air amount of 80 kg. /h and a liquid feed rate of 2.18 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 96.5% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the apparatus.

(実施例3)
カルボキシル化CNF1の代わりにカルボキシル化CNF2を用いた以外は、実施例2と同様にして乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、96.2質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Example 3)
A dry solid was obtained as in Example 2, except that carboxylated CNF2 was used instead of carboxylated CNF1. The solid content of the obtained dry solid was 96.2% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the device.

(実施例4)
上記のカルボキシル化CNF1の水分散液(固形分3.0質量%、pH7.5)を準備し、二流体ノズル式のスプレー乾燥装置で、入り口温度160℃、出口温度70℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.18kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、90.9質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Example 4)
An aqueous dispersion of the above carboxylated CNF1 (solid content 3.0% by mass, pH 7.5) was prepared, and a two-fluid nozzle type spray drying apparatus was used with an inlet temperature of 160 ° C., an outlet temperature of 70 ° C., and a dry air amount of 80 kg. /h and a liquid feed rate of 2.18 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 90.9% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the device.

(実施例5)
上記のカルボキシル化CNF1の水分散液(固形分3.0質量%、pH7.5)に1M塩酸を加えてpH5.5に調整し、二流体ノズル式のスプレー乾燥装置で、入り口温度200℃、出口温度90℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.18kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、94.9質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Example 5)
1 M hydrochloric acid was added to the aqueous dispersion of carboxylated CNF1 (solid content 3.0% by mass, pH 7.5) to adjust the pH to 5.5, and the inlet temperature was 200 ° C. with a two-fluid nozzle type spray dryer. Drying was performed at an outlet temperature of 90° C., a drying air amount of 80 kg/h, and a liquid feeding amount of 2.18 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 94.9% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the apparatus.

(実施例6)
上記のカルボキシル化CNF4の水分散液(固形分3.0質量%、pH7.5)を準備し、二流体ノズル式のスプレー乾燥装置で、入り口温度200℃、出口温度90℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.18kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、91.0質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Example 6)
An aqueous dispersion of the above carboxylated CNF4 (solid content 3.0% by mass, pH 7.5) was prepared, and a two-fluid nozzle type spray drying apparatus was used, with an inlet temperature of 200 ° C., an outlet temperature of 90 ° C., and a dry air amount of 80 kg. /h and a liquid feed rate of 2.18 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 91.0% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the device.

(比較例1)
上記のカルボキシル化CNF3の水分散液(固形分0.7質量%、pH7.5)を準備し、二流体ノズル式のスプレー乾燥装置で、入り口温度200℃、出口温度90℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.18kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、96.6質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Comparative example 1)
An aqueous dispersion of the above carboxylated CNF3 (solid content 0.7% by mass, pH 7.5) was prepared, and dried with a two-fluid nozzle type spray drying apparatus at an inlet temperature of 200 ° C., an outlet temperature of 90 ° C., and an amount of dry air of 80 kg. /h and a liquid feed rate of 2.18 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 96.6% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the apparatus.

(比較例2)
上記のカルボキシル化CNF5の水分散液(固形分3.0質量%、pH7.5)を準備し、二流体ノズル式のスプレー乾燥装置で、入り口温度200℃、出口温度90℃、乾燥空気量80kg/h、送液量2.18kg/hで乾燥を行い、乾燥固形物を得た。得られた乾燥固形物の固形分は、91.8質量%であった。乾燥固形物の装置壁面への付着はなかった。
(Comparative example 2)
An aqueous dispersion of the above carboxylated CNF5 (solid content 3.0% by mass, pH 7.5) was prepared, and a two-fluid nozzle type spray drying apparatus was dried at an inlet temperature of 200 ° C., an outlet temperature of 90 ° C., and a dry air amount of 80 kg. /h and a liquid feed rate of 2.18 kg/h to obtain a dry solid. The solid content of the obtained dry solid was 91.8% by mass. There was no adhesion of dry solids to the walls of the device.

<乾燥固形物の光学顕微鏡による観察>
実施例1、2、4~6と比較例1、2で得られた乾燥固形物を、それぞれ倍率400倍の光学顕微鏡を用いて観察した。光学顕微鏡写真を図1及び2に示す。乾燥固形物は粒子状であり、粒子の大きさは、実施例1の固形物が30μm未満程度、実施例2~6及び比較例1、2の固形物が12μm未満程度であった。
<Observation of dried solid matter with an optical microscope>
The dry solids obtained in Examples 1, 2, 4 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were each observed using an optical microscope with a magnification of 400 times. Optical micrographs are shown in FIGS. The dried solid matter was in the form of particles, and the particle size was about less than 30 μm for the solid matter of Example 1 and about less than 12 μm for the solid matter of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2.

<乾燥固形物の再分散>
実施例1~6及び比較例2で得られた乾燥固形物に水を添加し、ホモディスパー(3000rpm)で30分間撹拌して、CNFの濃度が5.0質量%、1.0質量%、又は0.5質量%となる各再分散液を得た。また、比較例1で得られた乾燥固形物についても同様に再分散液を作成しようとしたが、CNF濃度5.0質量%では再分散させることができなかったため、比較例1については濃度1.0質量%と0.5質量%の再分散液を作成した。
<Redispersion of dry solids>
Water was added to the dry solids obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Example 2 and stirred at Homodisper (3000 rpm) for 30 minutes to make the CNF concentrations 5.0% by mass, 1.0% by mass, Or each re-dispersion liquid of 0.5% by mass was obtained. In addition, although an attempt was made to similarly redisperse the dry solid obtained in Comparative Example 1, it could not be redispersed at a CNF concentration of 5.0% by mass. Redispersions of 0.0% and 0.5% by weight were made.

<CNF再分散液の粘度の測定>
実施例1~6及び比較例2のCNF再分散液については、CNF濃度5.0質量%の水分散液を用い、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、25℃で、回転数60rpmまたは6rpmで、3分後の粘度を測定した。比較例1の再分散液については、CNF濃度1.0質量%の水分散液を用いた以外は実施例1~6及び比較例2と同様にして、粘度を測定した。
<Measurement of viscosity of CNF redispersion liquid>
For the CNF redispersions of Examples 1 to 6 and Comparative Example 2, an aqueous dispersion with a CNF concentration of 5.0% by mass was used, and a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) was used at 25 ° C. The viscosity was measured after 3 minutes at 60 rpm or 6 rpm. For the redispersion liquid of Comparative Example 1, the viscosity was measured in the same manner as in Examples 1 to 6 and Comparative Example 2, except that an aqueous dispersion having a CNF concentration of 1.0% by mass was used.

<CNF再分散液の透明度の測定>
実施例1~6及び比較例1、2について、CNF濃度1.0質量%のCNF再分散液を用い、分光光度計U-3000(日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて、光路長10mmの角型セルで、波長660nmの光の透過率を測定し、透明度(単位:%)とした。
<Measurement of transparency of CNF redispersion liquid>
For Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, a CNF redispersion liquid with a CNF concentration of 1.0% by mass was used, and a spectrophotometer U-3000 (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) was used to measure an angle with an optical path length of 10 mm. The transmittance of light with a wavelength of 660 nm was measured with a mold cell and defined as transparency (unit: %).

<粘度及び透明度の復元率の評価>
乾燥前のCNF分散液の粘度及び透明度を予め測定したところ、表1に示す通りであった。なお、粘度は、カルボキシル化CNF1、2、4、5についてはCNF濃度5.0質量%で測定し、カルボキシル化CNF3についてはCNF濃度1.0質量%で測定した。また、透明度は、カルボキシル化CNF1~5共にCNF濃度1.0質量%で測定した。
<Evaluation of restoration rate of viscosity and transparency>
The viscosity and transparency of the CNF dispersion before drying were measured in advance and were as shown in Table 1. The viscosities of carboxylated CNF1, 2, 4 and 5 were measured at a CNF concentration of 5.0% by mass, and the viscosities of carboxylated CNF3 were measured at a CNF concentration of 1.0% by mass. Further, the transparency was measured at a CNF concentration of 1.0 mass % for all carboxylated CNFs 1 to 5.

Figure 2022134120000002
Figure 2022134120000002

表1の乾燥前のCNF分散液における粘度及び透明度の値と、CNF乾燥固形物とした後に再分散させて得た再分散液の粘度及び透明度の値とを用いて、以下の式により、粘度の復元率と透明度の復元率をそれぞれ計算した。:
復元率(%)=(再分散液における粘度または透明度)/(乾燥前の分散液の粘度または透明度)×100
結果を表2に示す。
Using the viscosity and transparency values of the CNF dispersion before drying in Table 1 and the viscosity and transparency values of the redispersion obtained by redispersing after making the CNF dry solid, the viscosity is calculated by the following equation. We calculated the restoration rate of , and the restoration rate of transparency, respectively. :
Restoration rate (%) = (viscosity or transparency in redispersion) / (viscosity or transparency of dispersion before drying) x 100
Table 2 shows the results.

<CNF再分散液中のCNF凝集物の面積率の測定及び光学顕微鏡による観察>
実施例1、2、4~6と比較例1、2について、CNF濃度0.5質量%のCNF再分散液を用い、再分散液中のCNF凝集物を墨滴を用いて評価した。この方法は、CNF分散液に色材(墨滴)を添加してから光学顕微鏡で観察することにより、目視では判別できない分散液中のCNF同士の凝集物の有無を、確認しやすくしたものである。評価方法は具体的には以下の通りである:
CNF濃度0.5質量%の再分散液に、墨滴(株式会社呉竹製、固形分10%)を2滴垂らし、ボルテックスミキサー(IUCHI社製、機器名:Automatic Lab-mixer HM-10H)の回転数の目盛りを最大に設定して30秒間撹拌した。撹拌後の液を二枚のガラス板に挟み、膜厚が0.15mmになるようにし、光学顕微鏡(KEYENCE社製デジタルマイクロスコープVHX-6000)を用いて倍率100倍で観察した。CNF凝集物の面積率を、KEYENCE社製のデジタルマイクロスコープVHX-6000の、輝度抽出領域の面積計測のモードを用いて測定した。詳細にはCNF凝集物の観察画像において輝度レンジを180~260に設定し、その輝度レンジ内の輝度を有する領域を抽出し、この領域の面積(輝度レンジ内の面積)を用いて、以下の式で算出した。詳細はKEYENCE社製のデジタルマイクロスコープVHX-6000の、ユーザーズマニュアルの9-29及び30頁に記載されている:
面積率(%)=(輝度レンジ内の面積 / 測定範囲の面積 )× 100。
<Measurement of area ratio of CNF aggregates in CNF redispersion and observation by optical microscope>
For Examples 1, 2, 4 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, a CNF redispersion liquid having a CNF concentration of 0.5% by mass was used, and the CNF aggregates in the redispersion liquid were evaluated using a ink drop. In this method, by adding a coloring material (Bokutetsu) to the CNF dispersion and observing it with an optical microscope, it is possible to easily check the presence or absence of aggregates between CNFs in the dispersion that cannot be visually distinguished. be. Specifically, the evaluation method is as follows:
Two drops of Bokushizuku (manufactured by Kuretake Co., Ltd., solid content 10%) are added to a redispersion liquid having a CNF concentration of 0.5% by mass, and a vortex mixer (manufactured by IUCHI, equipment name: Automatic Lab-mixer HM-10H). The rotation speed was set to maximum and stirred for 30 seconds. The stirred liquid was sandwiched between two glass plates so as to have a film thickness of 0.15 mm, and was observed with an optical microscope (Digital Microscope VHX-6000 manufactured by KEYENCE) at a magnification of 100 times. The area ratio of CNF aggregates was measured using a digital microscope VHX-6000 manufactured by KEYENCE in the area measurement mode of the luminance extraction area. Specifically, in the observation image of CNF aggregates, the brightness range is set to 180 to 260, a region having a brightness within the brightness range is extracted, and the area of this region (area within the brightness range) is used to obtain the following Calculated by the formula. Details are described on pages 9-29 and 30 of the user's manual for Digital Microscope VHX-6000 manufactured by KEYENCE:
Area ratio (%)=(Area in luminance range/Area in measurement range)×100.

面積率の結果を表2に示す。また、墨滴を垂らした再分散液を光学顕微鏡で、倍率100倍で観察した際の写真を図3及び4に示す。 Table 2 shows the area ratio results. 3 and 4 show photographs of the redispersed liquid with dripped ink droplets observed under an optical microscope at a magnification of 100 times.

Figure 2022134120000003
Figure 2022134120000003

表2の結果より、平均繊維長が450nm以下のCNFを用いることにより、再分散性が良好であり、再分散時のCNF凝集物の少ないCNF乾燥固形物を製造することができることがわかる。 From the results in Table 2, by using CNF having an average fiber length of 450 nm or less, it is possible to produce CNF dry solids with good redispersibility and less CNF aggregates during redispersion.

また、図3及び4より、実施例1、2、4の再分散液では、CNFの凝集物は見られないことがわかる。実施例5、6の再分散液では若干の凝集物が見られるが程度は少ないことがわかる。一方、比較例1、2の再分散液では、CNF同士の凝集物が粒子状に多数観察された。
3 and 4, in the redispersions of Examples 1, 2 and 4, no CNF aggregates were observed. In the re-dispersions of Examples 5 and 6, some aggregates were observed, but the extent was small. On the other hand, in the redispersions of Comparative Examples 1 and 2, a large number of particulate aggregates of CNFs were observed.

Claims (10)

平均繊維長が450nm以下のセルロースナノファイバーを含む分散液を、スプレー乾燥装置を用いて乾燥することを含む、セルロースナノファイバー乾燥固形物の製造方法。 A method for producing a dry solid of cellulose nanofibers, comprising drying a dispersion containing cellulose nanofibers having an average fiber length of 450 nm or less using a spray dryer. 前記スプレー乾燥装置におけるスプレー噴霧方式が、二流体ノズルまたはロータリーアトマイザーである、請求項1に記載の製造方法 The production method according to claim 1, wherein the spray atomization method in the spray drying device is a two-fluid nozzle or a rotary atomizer. 前記乾燥固形物の固形分が、90.0質量%以上である、請求項1または2に記載の製造方法。 The production method according to claim 1 or 2, wherein the dry solid has a solid content of 90.0% by mass or more. 前記セルロースナノファイバーが、アニオン変性セルロースナノファイバーである、請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 3, wherein the cellulose nanofibers are anion-modified cellulose nanofibers. 前記アニオン変性セルロースナノファイバーが、カルボキシル化セルロースナノファイバーである、請求項4に記載の製造方法。 The production method according to claim 4, wherein the anion-modified cellulose nanofibers are carboxylated cellulose nanofibers. 前記カルボキシル化セルロースナノファイバーが、カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、カルボキシル基量が0.6~3.0mmol/gである、請求項4に記載の製造方法。 The production method according to claim 4, wherein the carboxylated cellulose nanofibers have a carboxyl group amount of 0.6 to 3.0 mmol/g with respect to the absolute dry weight of the carboxylated cellulose nanofibers. 平均繊維長が450nm以下のセルロースナノファイバーを含む、セルロースナノファイバー乾燥固形物。 A dry solid of cellulose nanofibers containing cellulose nanofibers having an average fiber length of 450 nm or less. 固形分が90.0質量%以上である、請求項7に記載の乾燥固形物。 8. The dry solid according to claim 7, having a solids content of 90.0% by weight or more. セルロースナノファイバーの濃度が1.0質量%となるように前記乾燥固形物に水を添加し、ホモディスパー(3000rpm)で30分間撹拌して得た水分散液の、波長660nmの光の透過率(光路長10mm)が、65%以上である、請求項7または8に記載の乾燥固形物。 Water is added to the dry solid so that the concentration of cellulose nanofibers is 1.0% by mass, and the resulting aqueous dispersion is stirred at Homodisper (3000 rpm) for 30 minutes. Transmittance of light with a wavelength of 660 nm. 9. The dry solid according to claim 7 or 8, wherein (optical path length 10 mm) is 65% or more. セルロースナノファイバーの濃度が0.5質量%となるように前記乾燥固形物に水を添加し、墨滴を加えて撹拌した後の、光学顕微鏡観察により算出されるセルロースナノファイバー凝集物の面積率が、10.0%以下である、請求項7~9のいずれか一項に記載の乾燥固形物。
Water is added to the dry solid so that the concentration of cellulose nanofibers is 0.5% by mass, Bokushizuku is added and stirred, and then the area ratio of cellulose nanofiber aggregates calculated by optical microscope observation. is less than or equal to 10.0%.
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