JP5918496B2 - Gel-like body and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、セルロースナノファイバー及び液状の有機媒体を含有した、高弾性で高い耐熱性を有するゲル状体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a highly elastic and highly heat-resistant gel-like material containing cellulose nanofibers and a liquid organic medium, and a method for producing the same.

ゲル材料(ゲル状体)は、三次元に架橋された高分子ネットワークを有し、該高分子ネットワークの内部に水又は有機溶媒を含んで膨潤したソフトマテリアルであり、水をゲル化したものはハイドロゲル、有機溶媒をゲル化したものはオルガノゲル等と呼ばれる。ゲル材料は、従来、紙おむつ、コンタクトレンズ、高吸水性樹脂、徐放剤等の日用品や、食品、化粧品等に利用されており、近年では、ハップ剤やドラッグデリバリーシステム、再生医療基材等の医療用材料、リチウムイオンポリマー電池等の電子材料、衝撃吸収剤や制振・防音材料等、その応用は多岐にわたる。ところが、ゲル材料は一般に機械強度が低く、わずかな応力で破壊されてしまうため、安定な機械強度を必要とする用途には適さない。安定な機械強度を必要とする用途に適したゲル材料としては、高弾性で高い耐熱性を有するゲル材料が挙げられる。   A gel material (gel-like body) is a soft material that has a polymer network that is three-dimensionally cross-linked and swells with water or an organic solvent inside the polymer network. Hydrogels and organic gels are called organogels. Gel materials have been used for daily necessities such as disposable diapers, contact lenses, superabsorbent resins, sustained-release agents, foods, cosmetics, etc., and in recent years, such as haps, drug delivery systems, and regenerative medical base materials. Applications are wide-ranging, such as medical materials, electronic materials such as lithium ion polymer batteries, shock absorbers and vibration-damping / sound-proofing materials. However, gel materials generally have low mechanical strength and are broken by a slight stress, so that they are not suitable for applications that require stable mechanical strength. Examples of the gel material suitable for the application requiring stable mechanical strength include a gel material having high elasticity and high heat resistance.

また、従来、有限な資源である石油由来の高分子材料が多用されていたが、近年、環境に対する負荷の少ない技術が脚光を浴びるようになり、斯かる技術背景の下、天然に多量に存在するバイオマスであるセルロース繊維を使った材料が注目され、これに関して種々の改良技術が提案されている。例えば特許文献1には、ナノサイズの繊維径をもったセルロース繊維(セルロースナノファイバー)に関する発明が開示されており、セルロースナノファイバーを水や親水性有機溶媒に分散した分散液が開示されている。また特許文献1には、特許文献1に記載のセルロースナノファイバーがゲル化剤として使用できる可能性がある旨記載されているが、具体的なゲル材料の製造方法やその機械強度については記載されていない。   Conventionally, polymer materials derived from petroleum, which is a finite resource, have been used extensively, but in recent years, technologies with low environmental impact have come into the spotlight, and in such a technical background, they exist in large quantities naturally. Attention has been focused on materials using cellulose fibers, which are biomass to be produced, and various improved techniques have been proposed in this regard. For example, Patent Document 1 discloses an invention related to cellulose fibers (cellulose nanofibers) having nano-sized fiber diameters, and discloses a dispersion liquid in which cellulose nanofibers are dispersed in water or a hydrophilic organic solvent. . Patent Document 1 describes that the cellulose nanofiber described in Patent Document 1 may be used as a gelling agent. However, a specific method for producing a gel material and its mechanical strength are described. Not.

また特許文献2には、高い強度を有する乾燥皮膜を形成することができ、接着剤、塗料、ワックス又はそれらの製造原料として適用可能な樹脂組成物として、セルロースナノファイバーと樹脂とを含む樹脂組成物が開示されている。但し、特許文献2には、セルロースナノファイバーを用いて有機媒体をゲル化できることは開示されていない。   Patent Document 2 discloses a resin composition containing cellulose nanofibers and a resin as a resin composition that can form a dry film having high strength and can be used as an adhesive, paint, wax, or a raw material for producing them. Things are disclosed. However, Patent Document 2 does not disclose that an organic medium can be gelled using cellulose nanofibers.

また特許文献3には、セルロースナノファイバー及び水を含むゲル状組成物が開示されている。また特許文献4には、ある荷重領域で荷重の増加につれて摩擦力が降下する挙動を示すオルガノゲルとして、網目状高分子中に有機溶媒を含んでなるオルガノゲルが開示されている。   Patent Document 3 discloses a gel composition containing cellulose nanofibers and water. Patent Document 4 discloses an organogel comprising an organic solvent in a network polymer as an organogel that exhibits a behavior in which a frictional force decreases as the load increases in a certain load region.

特許文献1及び3は、セルロースナノファイバーを用いたゲル状体について言及している。このうち、特許文献3に記載のゲル状組成物は、水を多く含んだハイドロゲルであって、特許文献3に記載の技術を利用しても、セルロースナノファイバー及び液状の有機媒体を十分に含むゲルを得ることは困難である。また、特許文献3に記載のゲル状組成物は、多量の水を含み、セルロースナノファイバーが分散性を有する主原因である静電反発力(即ち、後述するセルロース繊維に含まれるカルボキシル基の解離による負電荷)が維持されているため、弾性が低く流動性に富んだゲルとなりやすく、安定な機械強度を必要とする用途に適しているとは言い難い。   Patent Documents 1 and 3 refer to a gel-like body using cellulose nanofibers. Among these, the gel composition described in Patent Document 3 is a hydrogel containing a large amount of water, and even if the technique described in Patent Document 3 is used, cellulose nanofibers and a liquid organic medium are sufficiently obtained. It is difficult to obtain a gel containing. Further, the gel composition described in Patent Document 3 contains a large amount of water, and the electrostatic repulsion force (that is, the dissociation of carboxyl groups contained in the cellulose fiber described later), which is the main cause of the dispersibility of the cellulose nanofibers. Therefore, it is difficult to say that it is suitable for applications requiring stable mechanical strength.

また、特許文献1及び3に記載のゲル状組成物は、好ましい組成として水を多く含むため、ゲル表面からの水分の揮発により大気中で一定の形状や物性を保つことが困難であり、これに起因して、水が液体として存在できる温度以上での使用が困難である等の耐熱性の問題から、実用上の課題が改善されているとは言い難い。   Moreover, since the gel-like composition of patent documents 1 and 3 contains many water as a preferable composition, it is difficult to maintain a fixed shape and physical property in air | atmosphere by the volatilization of the water | moisture content from a gel surface. Due to the above, it is difficult to say that practical problems have been improved due to heat resistance problems such as difficulty in use at a temperature above which water can exist as a liquid.

また従来、ゲル状体として、増粘剤等として使用される各種高分子(カルボキシメチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸ナトリウム等)をゲル化剤として用いて得られる、物理ゲルと、溶媒中でポリマーを重合反応又は架橋反応させることで該溶媒をゲル化して得られる、化学ゲルとが知られているところ、物理ゲルは、高分子間の架橋点が固定されていないため、高温領域でゾル化しやすい、溶媒と高分子とが分離する等、耐熱性に課題を有しており、化学ゲルは、その製造時において反応制御や均一なゲルを得ることが困難で、機械強度の低いゲルとなるおそれがある。   In addition, as a gel material, a physical gel obtained by using various polymers (carboxymethylcellulose, sodium alginate, sodium polyacrylate, etc.) used as a thickener as a gelling agent, and a polymer in a solvent Chemical gels obtained by gelling the solvent by polymerizing or cross-linking are known, and physical gels are solated at high temperatures because the cross-linking points between polymers are not fixed. There is a problem in heat resistance, such as easy separation of solvent and polymer, and chemical gel is difficult to obtain reaction control and uniform gel during its production, and it becomes gel with low mechanical strength There is a fear.

また、特許文献4に記載のオルガノゲルは、主にシリコーンオイル等の有機溶媒を網目状高分子によりゲル化したものであるところ、ゲル化剤として用いられる高分子はポリシロキサン等の従来から用いられてきたポリマーであり、耐熱性、機械強度に課題を有している。   In addition, the organogel described in Patent Document 4 is obtained by gelling an organic solvent such as silicone oil mainly with a network polymer, and a polymer used as a gelling agent has been conventionally used such as polysiloxane. This polymer has problems in heat resistance and mechanical strength.

特開2008−1728号公報JP 2008-1728 A 特開2009−197122号公報JP 2009-197122 A 特開2010−37348号公報JP 2010-37348 A 国際公開第2004/015012号International Publication No. 2004/015012

従って本発明の課題は、高弾性で高い耐熱性を有するゲル状体及びその製造方法を提供することにある。   Therefore, the subject of this invention is providing the gel-like body which has high elasticity and high heat resistance, and its manufacturing method.

本発明者らは、セルロースナノファイバーを用いた新規なゲル状体について種々検討した結果、後述する方法によって得られる特定のセルロースナノファイバーと水よりも20℃における蒸気圧の低い液状の有機媒体を含むゲル状体が、高弾性で高い耐熱性を有することを知見した。   As a result of various studies on novel gel-like bodies using cellulose nanofibers, the present inventors have found that a specific cellulose nanofiber obtained by the method described later and a liquid organic medium having a lower vapor pressure at 20 ° C. than water. It was found that the contained gel-like body has high elasticity and high heat resistance.

本発明は、前記知見に基づきなされたもので、セルロースナノファイバーと液状の有機媒体とを含むゲル状体であって、該有機媒体が水よりも20℃における蒸気圧が小さく、含水率が50質量%以下であるゲル状体を提供することにより、前記課題を解決したものである。   The present invention has been made based on the above knowledge, and is a gel-like body containing cellulose nanofibers and a liquid organic medium, and the organic medium has a vapor pressure at 20 ° C. lower than that of water and a water content of 50. The problem is solved by providing a gel-like body having a mass% or less.

また本発明は、前記ゲル状体の製造方法であって、セルロースナノファイバーと有機媒体とを分散媒中で混合してゲル前駆体を得、該ゲル前駆体から該分散媒を除去する工程を有するゲル状体の製造方法を提供することにより、前記課題を解決したものである。   The present invention is also a method for producing the gel-like body, comprising: mixing a cellulose nanofiber and an organic medium in a dispersion medium to obtain a gel precursor; and removing the dispersion medium from the gel precursor. The above-mentioned problems are solved by providing a method for producing a gel-like body.

本発明のゲル状体は、高弾性で高い耐熱性を有するゲル状体であり、機械強度や耐熱性を要求されるゲル材料として、化学、医療、電子・電気、建築、薬学、農業等の分野において有用である。また、本発明のゲル状体の製造方法は、斯かる特性を有する本発明のゲル状体を安定的に提供することができる。   The gel-like body of the present invention is a gel-like body having high elasticity and high heat resistance, and as a gel material requiring mechanical strength and heat resistance, such as chemical, medical, electronic / electrical, architectural, pharmaceutical, agricultural, etc. Useful in the field. Moreover, the manufacturing method of the gel-like body of this invention can provide the gel-like body of this invention which has such a characteristic stably.

本発明のゲル状体は、セルロースナノファイバーと液状の有機媒体とを含み、該有機媒体が水よりも20℃における蒸気圧が小さく、且つ含水率が50質量%以下のものである。本発明のゲル状体は、高弾性、高耐熱性で機械強度が強く、引張、曲げ、捻りに対して柔軟で、変形後の復元性が高い。   The gel-like body of the present invention contains cellulose nanofibers and a liquid organic medium, and the organic medium has a vapor pressure at 20 ° C. lower than that of water and a water content of 50% by mass or less. The gel-like body of the present invention has high elasticity, high heat resistance, high mechanical strength, is flexible with respect to tension, bending and twisting, and has high resilience after deformation.

本発明のゲル状体は、広範な温度領域で一定のゲル物性を維持し得る高い耐熱性を有していることが好ましく、斯かる観点から、弾性率の温度依存性が小さいことが好ましい。より具体的には、温度25〜110℃の範囲における、弾性率の変化率(以下、弾性率の温度依存性変化率ともいう)が0.5〜5、特に0.7〜4、とりわけ0.9〜1.5であることが好ましい。弾性率の温度依存性変化率とは、後述する方法によって測定されるゲル状体の動的粘弾性における貯蔵弾性率の変化を表すものであり、その値が1に近いほど温度によるゲル物性の変化が少ない、即ち耐熱性が高いことを意味する。   The gel-like body of the present invention preferably has high heat resistance capable of maintaining certain gel physical properties in a wide temperature range. From this viewpoint, it is preferable that the temperature dependence of the elastic modulus is small. More specifically, the change rate of the elastic modulus (hereinafter also referred to as the temperature dependency change rate of the elastic modulus) in the temperature range of 25 to 110 ° C. is 0.5 to 5, particularly 0.7 to 4, particularly 0. It is preferably 9 to 1.5. The temperature-dependent change rate of the elastic modulus represents a change in the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity of the gel-like body measured by the method described later. It means that there is little change, that is, heat resistance is high.

また、本発明のゲル状体は、ゲルの状態を長期に亘って維持し得る高い形状安定性を有していることが好ましく、斯かる観点から、弾性率の周波数依存性が小さいことが好ましい。より具体的には、本発明のゲル状体は、周波数0.01〜10Hzの範囲における、弾性率の変化率(以下、弾性率の周波数依存性変化率ともいう)が0.1〜20、特に0.5〜10、とりわけ0.8〜5であることが好ましい。弾性率の周波数依存性変化率とは、後述する方法によって測定されるゲル状体の動的粘弾性における貯蔵弾性率の変化を表すものであり、その値が1に近いほど周波数によるゲル物性の変化が少ないことを意味する。弾性率の周波数依存性変化率が斯かる範囲にある本発明のゲル状体は、外力が加えられてもゾル化し難く、高弾性なゲルの状態を長期に亘って維持し得る。   Further, the gel-like body of the present invention preferably has high shape stability capable of maintaining the gel state over a long period of time, and from this viewpoint, it is preferable that the frequency dependence of the elastic modulus is small. . More specifically, the gel-like body of the present invention has an elastic modulus change rate (hereinafter also referred to as an elastic modulus frequency-dependent change rate) of 0.1 to 20, in a frequency range of 0.01 to 10 Hz. It is particularly preferably 0.5 to 10, particularly 0.8 to 5. The frequency-dependent change rate of the elastic modulus represents a change in the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity of the gel-like body measured by the method described later. It means less change. The gel-like body of the present invention in which the frequency-dependent change rate of the elastic modulus is in such a range is difficult to be sol even when an external force is applied, and can maintain a highly elastic gel state for a long period of time.

また、本発明のゲル状体は、ゲルの状態を有していることが好ましく、斯かる観点から、損失正接(tanδ)が小さいことが好ましい。損失正接とは、後述する方法によって測定されるゲル状体の動的粘弾性における測定正弦歪み波と検出正弦応力波との間の位相差δのtan値で、物理的な意味合いは粘性応答/弾性応答比である。損失正接の値は損失弾性率/貯蔵弾性率で定義され、その値(tanδ値)が1より大きければ粘性応答が支配的で、1より小さければ弾性応答が支配的ということになる。ゲルについては、tanδ値が小さいほど固体的なゲルであることを意味する。より具体的には、本発明のゲル状体は、損失正接が0.6未満、特に0.1未満、とりわけ0.07未満であることが好ましい。一般に、ゲルは損失正接が1未満であり、高分子(本発明においてはセルロースナノファイバー)によって溶媒を不動化している状態と考えられているが、外力の負荷(大きな歪みや周波数領域)によって損失正接1以上、即ち流動化したゾル状態となるものもある。損失正接(tanδ)が斯かる範囲にある本発明のゲル状体は、高弾性、高耐熱性で機械強度が強く、引張、曲げ、捻りに対して柔軟で、変形後の復元性が高い。   Further, the gel-like body of the present invention preferably has a gel state, and from this viewpoint, it is preferable that the loss tangent (tan δ) is small. The loss tangent is the tan value of the phase difference δ between the measured sine strain wave and the detected sine stress wave in the dynamic viscoelasticity of the gel-like body measured by the method described later. The physical meaning is the viscosity response / Elastic response ratio. The value of loss tangent is defined as loss elastic modulus / storage elastic modulus. If the value (tan δ value) is larger than 1, the viscous response is dominant, and if it is smaller than 1, the elastic response is dominant. About a gel, it means that it is a solid gel, so that a tan-delta value is small. More specifically, the gel-like body of the present invention preferably has a loss tangent of less than 0.6, particularly less than 0.1, especially less than 0.07. In general, the gel has a loss tangent of less than 1, and it is considered that the solvent is immobilized by a polymer (cellulose nanofiber in the present invention), but the loss is caused by an external force load (large strain or frequency range). Some have a tangent of 1 or more, that is, a fluidized sol state. The gel-like body of the present invention having a loss tangent (tan δ) within such a range has high elasticity, high heat resistance, high mechanical strength, flexibility against tension, bending, and twisting, and high resilience after deformation.

同様の観点から、本発明のゲル状体は損失正接の温度変化率が小さいことが好ましい。より具体的には、25℃における損失正接値(E)及び110℃における損失正接値(F)から定義される、F/Eが0.1〜5、特に0.4〜2、とりわけ0.5〜1.5であることが好ましい。損失正接値E及びFは、下記測定方法(ii)で測定される。損失正接の変化率が斯かる範囲にある本発明のゲル状体は、温度変化に依らず高弾性のゲル状態を維持し得る。   From the same viewpoint, the gel-like body of the present invention preferably has a small loss tangent temperature change rate. More specifically, the F / E is defined as 0.1 to 5, particularly 0.4 to 2, especially 0.4, as defined by the loss tangent value (E) at 25 ° C. and the loss tangent value (F) at 110 ° C. It is preferable that it is 5-1.5. The loss tangent values E and F are measured by the following measurement method (ii). The gel-like body of the present invention in which the loss tangent change rate falls within such a range can maintain a highly elastic gel state regardless of temperature changes.

前記の貯蔵弾性率、損失弾性率及び損失正接は、例えば回転型レオメーター(装置:MCR300、PHYSICA社製)を用いて測定される。測定セルは直径25mmのパラレルプレートでサンプル厚みは0.5〜1mmであった。ゲルサンプルの測定にあたっては、測定セル表面とサンプルと界面での滑りの抑制、及び熱膨張によるサンプル厚みの変化に対応するため、セル表面を介してサンプルに1N程度の力が加わる測定制御モードを選択して用いた。本発明のゲル状体は、揮発成分の蒸発により物性が変化し難いものであることから、斯かるゲル状体の特徴を考慮し、レオロジー測定は温度制御した乾燥窒素ガス(液体窒素を気化させたもの)を測定セル部に流しながら行った。また、サンプルからの揮発成分の蒸発程度を見積もれるよう、測定は、予め25℃に制御した測定セルにサンプルをマウントし、最初に弾性率の周波数依存性変化率(周波数依存性)を下記測定方法(i)に従って測定し、続いて弾性率の温度依存性変化率(温度依存性)を下記測定方法(ii)に従って測定した。損失正接は、下記測定方法(ii)における25℃での測定値を使用した。   The storage elastic modulus, loss elastic modulus and loss tangent are measured using, for example, a rotary rheometer (apparatus: MCR300, manufactured by PHYSICA). The measurement cell was a parallel plate with a diameter of 25 mm, and the sample thickness was 0.5 to 1 mm. In the measurement of the gel sample, a measurement control mode in which a force of about 1 N is applied to the sample through the cell surface in order to cope with the suppression of the slip between the measurement cell surface and the sample and the interface and the change of the sample thickness due to thermal expansion. Selected and used. Since the physical properties of the gel-like material of the present invention are unlikely to change due to evaporation of volatile components, the rheological measurement is performed in consideration of the characteristics of the gel-like material, and the rheological measurement is performed by controlling the temperature of dry nitrogen gas (liquid nitrogen is vaporized). Was carried out while flowing through the measurement cell section. In order to estimate the degree of evaporation of volatile components from the sample, the sample is mounted in a measurement cell that has been controlled to 25 ° C in advance, and the frequency-dependent change rate (frequency dependency) of the elastic modulus is first measured as follows. Measurement was carried out according to method (i), and then the temperature-dependent change rate (temperature dependence) of the elastic modulus was measured according to the following measurement method (ii). As the loss tangent, the measured value at 25 ° C. in the following measuring method (ii) was used.

測定方法(i):弾性率の周波数依存性変化率(周波数依存性)は、温度25℃、線形歪みにおいて、0.01Hzから100Hzへ変動させたときに測定される0.01Hzにおける貯蔵弾性率(C)及び10Hzにおける貯蔵弾性率(D)から、D/Cで定義する。
測定方法(ii):弾性率の温度依存性変化率(温度依存性)は、線形歪み、周波数2Hzにおいて、2.5℃/分で25℃から110℃へ昇温したときに測定される25℃における貯蔵弾性率(A)及び110℃における貯蔵弾性率(B)から、B/Aで定義する。尚、昇温過程での弾性率の低下が大きく、同条件で110℃まで測定できなかったゲル状体の弾性率の変化率は0とした。
Measurement method (i): Frequency-dependent change rate (frequency dependency) of elastic modulus is a storage elastic modulus at 0.01 Hz measured when the temperature is changed from 0.01 Hz to 100 Hz at a linear strain of 25 ° C. It is defined by D / C from (C) and the storage elastic modulus (D) at 10 Hz.
Measurement method (ii): The temperature-dependent change rate (temperature dependency) of the elastic modulus is measured when the temperature is increased from 25 ° C. to 110 ° C. at 2.5 ° C./min at a linear strain of 2 Hz. It is defined as B / A from the storage elastic modulus (A) at 100 ° C. and the storage elastic modulus (B) at 110 ° C. Note that the rate of change of the elastic modulus of the gel-like body that could not be measured up to 110 ° C. under the same conditions was greatly reduced in the temperature rising process.

本発明のゲル状体は、高弾性のゲルであることが好ましく、斯かる観点から貯蔵弾性率の値が大きいことが好ましい。より具体的には、前記測定方法(ii)で測定される25℃での貯蔵弾性率が102Pa以上、特に103Pa以上、とりわけ104Pa以上が好ましい。貯蔵弾性率が斯かる範囲にある本発明のゲル状体は、高強度なゲルとして用いることができる。 The gel-like body of the present invention is preferably a highly elastic gel, and from this viewpoint, it is preferable that the value of the storage elastic modulus is large. More specifically, the storage elastic modulus at 25 ° C. measured by the measurement method (ii) is preferably 10 2 Pa or more, particularly 10 3 Pa or more, and particularly preferably 10 4 Pa or more. The gel-like body of the present invention having a storage elastic modulus in such a range can be used as a high-strength gel.

また、本発明のゲル状体は、内包する有機媒体が加熱によって溶出し難い、高い耐熱性を有していることが好ましく、より具体的には、下記測定方法により測定される有機媒体の溶出量が50質量%以下、特に20質量%以下、とりわけ5%以下であることが好ましい。   In addition, the gel-like body of the present invention preferably has high heat resistance, in which the organic medium to be contained is not easily eluted by heating, and more specifically, the organic medium is measured by the following measurement method. The amount is preferably 50% by mass or less, particularly preferably 20% by mass or less, and particularly preferably 5% or less.

<有機媒体の溶出量の測定方法>
測定対象のゲル状体を槽内温度105℃に設定された恒温槽内に30分間放置することで加熱する。この操作は、例えば、ガラスシャーレに約2gのゲル状体を収容し、このガラスシャーレごと恒温槽内に入れて30分間放置することで実施できる。30分後、ガラスシャーレを恒温槽から取り出し、ゲル状体の温度が室温になるまで室温下で放置する。その後、ゲル状体の表面の溶出物(有機媒体等)を除去してから、該ゲル状体の質量を測定し、その測定値(質量B)を記録する。溶出物の除去は、例えば、ゲル状体を紙(例えば、日本製紙クレシア製のキムワイプ)で挟む等して、ゲル状体の表面の溶出物を紙に吸収させることによって実施することができる。そして、前記質量Bと、予め測定したゲル状体の加熱前の質量(質量A、前記具体例では約2g)とから、次式により有機媒体の溶出量を算出する。
有機媒体の溶出量(%)={(A―B)/A}×100
<Measurement method of elution amount of organic medium>
The gel-like body to be measured is heated by being left for 30 minutes in a thermostatic chamber set at a bath temperature of 105 ° C. This operation can be carried out, for example, by storing about 2 g of a gel-like body in a glass petri dish, putting the glass petri dish together with the glass petri dish in a constant temperature bath, and leaving it for 30 minutes. After 30 minutes, the glass petri dish is removed from the thermostat and left at room temperature until the temperature of the gel-like body reaches room temperature. Thereafter, the eluate (organic medium or the like) on the surface of the gel-like body is removed, the mass of the gel-like body is measured, and the measured value (mass B) is recorded. The removal of the eluate can be performed, for example, by allowing the paper to absorb the eluate on the surface of the gel-like body by sandwiching the gel-like body with paper (for example, Kimwipe made by Nippon Paper Crecia). Then, the elution amount of the organic medium is calculated from the mass B and the previously measured mass of the gel-like body before heating (mass A, about 2 g in the specific example) by the following formula.
Elution amount of organic medium (%) = {(AB) / A} × 100

また、本発明のゲル状体は、高弾性で高い耐熱性を有していることに加えて、柔軟性を有していることが好ましく、斯かる観点から、ASTM D 2240の規格に準拠する方法で測定される硬度が20度以下、特に0.1 〜15度、とりわけ1〜10度であることが好ましい。硬度は一般に用いられるゴム、プラスチック用硬度計(例えば、ゴム硬度計GS−709 Aタイプ、株式会社テクロック製)を用いて測定される。   Further, the gel-like body of the present invention preferably has flexibility in addition to having high elasticity and high heat resistance. From such a viewpoint, it conforms to the standard of ASTM D 2240. The hardness measured by the method is preferably 20 degrees or less, particularly 0.1 to 15 degrees, particularly 1 to 10 degrees. The hardness is measured using a generally used rubber or plastic hardness meter (for example, a rubber hardness meter GS-709 A type, manufactured by Teclock Corporation).

本発明のゲル状体は、必須成分として、セルロースナノファイバーと液状の有機媒体とを含んでいる。本発明においては、ゲル状体にこれら2成分が含有されていれば良く、その含有形態は特に制限されず、ゲル状体が所定の物性を有しうる範囲で適宜の含有形態を選択することができる。以下に各成分について詳細に説明する。   The gel-like body of the present invention contains cellulose nanofibers and a liquid organic medium as essential components. In the present invention, it is sufficient that these two components are contained in the gel-like body, and the containing form is not particularly limited, and an appropriate containing form is selected as long as the gel-like body can have predetermined physical properties. Can do. Each component will be described in detail below.

本発明で用いるセルロースナノファイバーは、液状の有機媒体をゲル化するゲル化剤として機能するもので、前述した本発明のゲル状体の諸特性、特に高弾性、高耐熱性を発現させる上で、重要な役割を果たす成分である。本発明のゲル状体は、セルロースナノファイバーによる網目状のネットワークが形成する多数の微小な空間に、液状の有機媒体が保持される構造を有し、斯かる構造に起因して高弾性で耐熱性の高いゲル状体となっていると考えられる。   The cellulose nanofiber used in the present invention functions as a gelling agent that gels a liquid organic medium, and exhibits various properties of the gel-like material of the present invention described above, particularly high elasticity and high heat resistance. Is an ingredient that plays an important role. The gel-like body of the present invention has a structure in which a liquid organic medium is held in a large number of minute spaces formed by a network of cellulose nanofibers, and is highly elastic and heat-resistant due to such a structure. It is thought that it is a highly gel-like body.

本発明のゲル状体におけるセルロースナノファイバーの含有量は、所定の性質を有しうる範囲で任意に設定することができるが、ゲル状体に高弾性、高耐熱性という特性を付与することに加えて、ゲル状体の柔軟性や透明性を両立する観点から、0.1〜90質量%が好ましく、特に1〜50質量%、とりわけ2〜20質量%が好ましい。特に、以下に説明するセルロースナノファイバー(平均繊維径及びカルボキシル基含有量が特定範囲にあるセルロースナノファイバー)を用いることで、0.1質量%という極めて少量のセルロースナノファイバー含有量であっても、高弾性、高耐熱性のゲル状体が得られる。尚、ゲル状体の透明性は、主として液状の有機媒体自体の透明性に由来するものであり、セルロースナノファイバーは、透明性の高い液状の有機媒体を用いた場合に、その有機媒体の高い透明性を損なわずに、高弾性、高耐熱性を実現する。斯かる観点から、ゲル状体の透過率は、70〜100%、特に80〜100%、とりわけ90〜100%であることが好ましい。透過率は紫外可視分光硬度計(例えば、紫外可視分光硬度計U−3310、島津製作所(株)製)を用いて、波長660nmでの透過率で測定することで評価できる。尚、透過率が低い液状の有機媒体を用いた場合、ゲル状体の透過率は斯かる範囲外になることもある。   The content of cellulose nanofibers in the gel-like body of the present invention can be arbitrarily set within a range that can have predetermined properties, but imparts the properties of high elasticity and high heat resistance to the gel-like body. In addition, from the viewpoint of achieving both flexibility and transparency of the gel-like body, 0.1 to 90% by mass is preferable, particularly 1 to 50% by mass, and particularly 2 to 20% by mass is preferable. In particular, by using cellulose nanofibers (cellulose nanofibers having an average fiber diameter and a carboxyl group content in a specific range) described below, even if the cellulose nanofiber content is as small as 0.1% by mass, A highly elastic and heat-resistant gel is obtained. The transparency of the gel-like body is mainly derived from the transparency of the liquid organic medium itself, and cellulose nanofibers have a high organic medium when a highly transparent liquid organic medium is used. Realizes high elasticity and high heat resistance without losing transparency. From such a viewpoint, it is preferable that the transmittance of the gel-like body is 70 to 100%, particularly 80 to 100%, particularly 90 to 100%. The transmittance can be evaluated by measuring the transmittance at a wavelength of 660 nm using an ultraviolet-visible spectral hardness meter (for example, an ultraviolet-visible spectral hardness meter U-3310, manufactured by Shimadzu Corporation). When a liquid organic medium having a low transmittance is used, the transmittance of the gel-like body may be out of such a range.

本発明で用いるセルロースナノファイバーは、好ましくは平均繊維径が200nm以下であり、更に好ましくは50nm以下、特に好ましくは10〜1nmである。平均繊維径は下記測定方法により測定される。   The cellulose nanofibers used in the present invention preferably have an average fiber diameter of 200 nm or less, more preferably 50 nm or less, and particularly preferably 10 to 1 nm. The average fiber diameter is measured by the following measuring method.

<平均繊維径の測定方法>
固形分濃度で0.0001質量%のセルロース繊維に水を加えて分散液を調製し、該分散液を、マイカ(雲母)上に滴下して乾燥したものを観察試料として、原子間力顕微鏡(NanoNaVi IIe, SPA400,エスアイアイナノテクノロジー(株)製、プローブは 同社製 SI−DF40Alを使用)を用いて、該観察試料中のセルロース繊維の繊維高さを測定する。セルロース繊維が確認できる顕微鏡画像において、セルロース繊維を5本以上抽出し、それらの繊維高さから平均繊維径を算出する。一般に高等植物から調製されるセルロースナノファイバーの最小単位は36×36の分子鎖がほぼ正方形の形でパッキングされていることから、前記原子間力顕微鏡画像で分析できる高さを繊維の径と見なすことができる。
<Measurement method of average fiber diameter>
Water is added to 0.0001% by mass of cellulose fibers at a solid content concentration to prepare a dispersion, and the dispersion is dropped onto mica (mica) and dried, and an atomic force microscope ( NanoNaVi IIe, SPA400, manufactured by SII Nano Technology, Inc., and the probe uses SI-DF40Al manufactured by the same company), and the fiber height of the cellulose fiber in the observed sample is measured. In a microscopic image in which cellulose fibers can be confirmed, five or more cellulose fibers are extracted, and the average fiber diameter is calculated from the fiber heights. In general, the smallest unit of cellulose nanofibers prepared from higher plants is a 36 × 36 molecular chain packed in a substantially square shape. Therefore, the height that can be analyzed by the atomic force microscope image is regarded as the fiber diameter. be able to.

本発明で用いるセルロースナノファイバーは、平均アスペクト比(繊維長/繊維径)が、好ましくは10〜1000、更に好ましくは10〜500、特に好ましくは100〜350である。平均アスペクト比が斯かる範囲にあるセルロースナノファイバーを本発明のゲル状体の材料として用いることで、後述する方法によって得られる該セルロースナノファイバーと液状の有機媒体とを含むゲル状体において、少ない該セルロースナノファイバーの含有率でも高い弾性や耐熱性が奏される。平均アスペクト比は下記測定方法により測定される。   The cellulose nanofiber used in the present invention has an average aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of preferably 10 to 1000, more preferably 10 to 500, and particularly preferably 100 to 350. By using cellulose nanofibers having an average aspect ratio in such a range as a material for the gel-like body of the present invention, the gel-like body containing the cellulose nanofibers obtained by the method described later and a liquid organic medium is small. Even with the content of the cellulose nanofiber, high elasticity and heat resistance are exhibited. The average aspect ratio is measured by the following measurement method.

<平均アスペクト比の測定方法>
平均アスペクト比は、セルロース繊維に水を加えて調製した分散液(セルロース繊維の質量濃度0.005〜0.04質量%)の粘度から算出する。分散液の粘度は、レオメーター(MCR、DG42(二重円筒)、PHYSICA社製)を用いて20℃で測定する。分散液のセルロース繊維の質量濃度と分散液の水に対する比粘度との関係から、下記式(1)によりセルロース繊維のアスペクト比を逆算し、これを平均アスペクト比とする。下記式(1)は、The Theory of Polymer Dynamics,M.DOI and D.F.EDWARDS,CLARENDON PRESS・OXFORD,1986,P312に記載の剛直棒状分子の粘度式(8.138)と、Lb2×ρ=M/NAの関係〔式中、Lは繊維長、bは繊維幅(セルロース繊維断面は正方形とする)、ρはセルロース繊維の濃度(kg/m3)、Mは分子量、NAはアボガドロ数を表す〕から導出される。尚、粘度式(8.138)において、剛直棒状分子=セルロース繊維とした。また、下記式(1)中、ηSPは比粘度、πは円周率、lnは自然対数、Pはアスペクト比(L/b)、γ=0.8、ρSは分散媒の密度(kg/m3)、ρ0はセルロース結晶の密度(kg/m3)、Cはセルロースの質量濃度(C=ρ/ρS)を表す。
<Measuring method of average aspect ratio>
The average aspect ratio is calculated from the viscosity of a dispersion liquid prepared by adding water to cellulose fibers (mass concentration of cellulose fibers: 0.005 to 0.04 mass%). The viscosity of the dispersion is measured at 20 ° C. using a rheometer (MCR, DG42 (double cylinder), manufactured by PHYSICA). From the relationship between the mass concentration of the cellulose fibers in the dispersion and the specific viscosity of the dispersion with respect to water, the aspect ratio of the cellulose fibers is calculated by the following formula (1) to obtain the average aspect ratio. The following formula (1) is obtained from The Theory of Polymer Dynamics, M .; DOI and D.D. F. EDWARDS, CLARENDON PRESS · OXFORD, 1986 , P312 viscosity rigid-rod molecules according to equation (8.138), the relationship wherein the Lb 2 × ρ = M / N A, L is the fiber length, b is fiber width (The cross section of the cellulose fiber is a square), ρ is the concentration of the cellulose fiber (kg / m 3 ), M is the molecular weight, and N A is the Avogadro number. In the viscosity formula (8.138), rigid rod-like molecules = cellulose fibers. In the following formula (1), η SP is the specific viscosity, π is the circumference ratio, ln is the natural logarithm, P is the aspect ratio (L / b), γ = 0.8, ρ S is the density of the dispersion medium ( kg / m 3 ), ρ 0 represents the density of cellulose crystals (kg / m 3 ), and C represents the mass concentration of cellulose (C = ρ / ρ S ).

Figure 0005918496
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本発明で用いるセルロースナノファイバーは、該セルロースナノファイバーが平均繊維径200nm以下という微小な繊維径を安定的に有するようになる観点、及び本発明のゲル状体の諸物性の観点から、カルボキシル基含有量(該セルロースナノファイバーを構成するセルロースのカルボキシル基含有量)が0.1〜3mmol/gであることが好ましく、特に0.4〜1.8mmol/g、とりわけ0.6〜1.5mmol/gであることが好ましい。カルボキシル基含有量は下記測定方法により測定される。   The cellulose nanofiber used in the present invention has a carboxyl group from the viewpoint of the cellulose nanofiber stably having a fine fiber diameter of an average fiber diameter of 200 nm or less and various physical properties of the gel-like material of the present invention. The content (carboxyl group content of cellulose constituting the cellulose nanofiber) is preferably 0.1 to 3 mmol / g, particularly 0.4 to 1.8 mmol / g, especially 0.6 to 1.5 mmol. / G is preferable. The carboxyl group content is measured by the following measuring method.

<カルボキシル基含有量の測定方法>
乾燥質量0.5gのセルロース繊維を100mlビーカーにとり、イオン交換水を加えて全体で55mlとし、そこに0.01M塩化ナトリウム水溶液5mlを加えて分散液を調製し、セルロース繊維が十分に分散するまで該分散液を攪拌する。この分散液に0.1M塩酸を加えてpHを2.5〜3に調整し、自動滴定装置(AUT−50、東亜ディーケーケー(株)製)を用い、0.05M水酸化ナトリウム水溶液を待ち時間60秒の条件で該分散液に滴下し、1分ごとの電導度及びpHの値を測定し、pH11程度になるまで測定を続け、電導度曲線を得る。この電導度曲線から、水酸化ナトリウム滴定量を求め、次式により、セルロース繊維のカルボキシル基含有量を算出する。
カルボキシル基含有量(mmol/g)=水酸化ナトリウム滴定量×水酸化ナトリウム水溶液濃度(0.05M)/セルロース繊維の質量(0.5g)
<Measurement method of carboxyl group content>
Take a cellulose fiber with a dry mass of 0.5 g in a 100 ml beaker, add ion-exchanged water to make a total of 55 ml, add 5 ml of 0.01 M sodium chloride aqueous solution to prepare a dispersion, and until the cellulose fibers are sufficiently dispersed The dispersion is stirred. 0.1M hydrochloric acid is added to this dispersion to adjust the pH to 2.5-3, and 0.05M sodium hydroxide aqueous solution is waited for using an automatic titrator (AUT-50, manufactured by Toa DKK Co., Ltd.). The solution is dropped into the dispersion under the condition of 60 seconds, and the conductivity and pH values are measured every minute, and the measurement is continued until the pH is about 11, thereby obtaining an conductivity curve. From this conductivity curve, the sodium hydroxide titration amount is obtained, and the carboxyl group content of the cellulose fiber is calculated by the following formula.
Carboxyl group content (mmol / g) = sodium hydroxide titration × sodium hydroxide aqueous solution concentration (0.05 M) / mass of cellulose fiber (0.5 g)

前記カルボキシル基含有量は、特に、平均繊維径が好ましくは200nm以下という微小な繊維径のセルロースナノファイバーを安定的に得る上で重要な要素である。即ち、天然セルロースの生合成の過程においては、通常、ミクロフィブリルと呼ばれるナノファイバーがまず形成され、これらが多束化して高次な固体構造を構築しているところ、本発明で用いるセルロースナノファイバーは、後述するように、これを原理的に利用して得られるものであり、天然由来のセルロース固体原料においてミクロフィブリル間の強い凝集力の原動となっている表面間の水素結合を弱めるために、その一部を酸化し、カルボキシル基に変換することによって得られる。従って、セルロースに存在するカルボキシル基の量の総和(カルボキシル基含有量)が多い方が、より微小な繊維径として安定に存在することができ、また水中においては、電気的な反発力が生じることにより、ミクロフィブリルが凝集を維持せずにばらばらになろうとする傾向が高まり、ナノファイバーの分散安定性がより増大する。前記カルボキシル基含有量が0.1mmol/g未満では、繊維径200nm以下という微小な繊維径をもつナノファイバーとして得られ難くなり、また、水等の極性溶媒中における分散安定性が低下するおそれがある。   In particular, the carboxyl group content is an important factor in stably obtaining cellulose nanofibers having a fine fiber diameter of preferably an average fiber diameter of preferably 200 nm or less. That is, in the process of biosynthesis of natural cellulose, usually, nanofibers called microfibrils are first formed, and these are bundled to form a higher-order solid structure. Cellulose nanofibers used in the present invention As will be described later, this is obtained by using this in principle, in order to weaken the hydrogen bond between the surfaces, which is the driving force of the strong cohesive force between microfibrils in the naturally-derived cellulose solid raw material. , Part of which is obtained by oxidation and conversion to a carboxyl group. Therefore, the larger the total amount of carboxyl groups present in the cellulose (carboxyl group content), the smaller the fiber diameter, the more stable it can exist, and the electrical repulsive force is generated in water. As a result, the tendency of the microfibrils to break apart without maintaining aggregation is increased, and the dispersion stability of the nanofibers is further increased. When the carboxyl group content is less than 0.1 mmol / g, it is difficult to obtain nanofibers having a fine fiber diameter of 200 nm or less, and dispersion stability in a polar solvent such as water may be reduced. is there.

尤も、本発明で用いるセルロースナノファイバーは、前記カルボキシル基含有量が0.1〜3mmol/gの範囲内にあることを要しない。例えば、セルロースナノファイバーと他のゲル状体構成成分(液状の有機媒体、分散媒等)との親和性を向上させる等の目的で、前記カルボキシル基含有量が0.1〜3mmol/gであるセルロースナノファイバーに化学変性処理を施し、そのセルロースに存在するカルボキシル基の一部を他の変性基へ誘導体化しても構わない。このような化学変性処理により得られる変性セルロースナノファイバーには、前記カルボキシル基含有量が0.1〜3mmol/gの範囲外であるものも含まれる可能性があるが、そのような変性セルロースナノファイバーであっても本発明で好適に用いられる。   However, the cellulose nanofiber used in the present invention does not require the carboxyl group content to be in the range of 0.1 to 3 mmol / g. For example, the carboxyl group content is 0.1 to 3 mmol / g for the purpose of improving the affinity between cellulose nanofibers and other gel-like constituents (liquid organic medium, dispersion medium, etc.). Cellulose nanofibers may be chemically modified, and a part of carboxyl groups present in the cellulose may be derivatized to other modified groups. The modified cellulose nanofiber obtained by such chemical modification treatment may include those having a carboxyl group content outside the range of 0.1 to 3 mmol / g. Even fibers are preferably used in the present invention.

セルロースナノファイバーのカルボキシル基に対する化学変性処理の例としては、アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、2−プロピル基、ブチル基、2−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、ミリスチル基、パルミチル基、ステアリル基等)とのカルボン酸エステル化又はカルボン酸アミド化等が挙げられる。また、セルロースナノファイバー表面における水酸基に対して化学変性処理を行ってセルロースナノファイバー誘導体を得てもよい。セルロースナノファイバーの水酸基に対する化学変性処理の例としては、アシル基(アセチル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、プロピオニル基、プロピオロイル基、ブチリル基、2−ブチリル基、ペンタノイル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基、ノナノイル基、デカノイル基、ウンデカノイル基、ドデカノイル基、ミリストイル基、パルミトイル基、ステアロイル基、ピバロイル基、ベンゾイル基、ナフトイル基、ニコチノイル基、イソニコチノイル基、フロイル基、シンナモイル基等)、イソシアネート基(2−メタクリロイルオキシエチルイソシアノイル基等)、アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、2−プロピル基、ブチル基、2−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、ミリスチル基、パルミチル基、ステアリル基等)、オキシラン基、オキセタン基、チイラン基、チエタン基等とのエステル化又はエーテル化等が挙げられる。このような各種の化学変性処理によって得られたセルロースナノファイバー誘導体は、未変性のセルロースナノファイバーに対して親疎水性が変化することに起因して、ゲル状体に用いる有機媒体や分散媒中での分散性が向上する場合があり、必要に応じて任意に選択することができる。   Examples of chemical modification treatment for the carboxyl group of cellulose nanofiber include alkyl groups (methyl group, ethyl group, propyl group, 2-propyl group, butyl group, 2-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group). , Heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, myristyl group, palmityl group, stearyl group, and the like). In addition, a cellulose nanofiber derivative may be obtained by chemically modifying the hydroxyl group on the surface of the cellulose nanofiber. Examples of chemical modification treatment for the hydroxyl group of cellulose nanofiber include acyl groups (acetyl group, acryloyl group, methacryloyl group, propionyl group, propioyl group, butyryl group, 2-butyryl group, pentanoyl group, hexanoyl group, heptanoyl group, octanoyl group) Group, nonanoyl group, decanoyl group, undecanoyl group, dodecanoyl group, myristoyl group, palmitoyl group, stearoyl group, pivaloyl group, benzoyl group, naphthoyl group, nicotinoyl group, isonicotinoyl group, furoyl group, cinnamoyl group), isocyanate group (2 -Methacryloyloxyethyl isocyanoyl group), alkyl group (methyl group, ethyl group, propyl group, 2-propyl group, butyl group, 2-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, Ptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, myristyl group, palmityl group, stearyl group, etc.), oxirane group, oxetane group, thiirane group, thietane group, etc. Can be mentioned. Cellulose nanofiber derivatives obtained by such various chemical modification treatments are modified in the organic medium and dispersion medium used for the gel-like body due to the change in hydrophilicity / hydrophobicity of unmodified cellulose nanofibers. May be arbitrarily selected as necessary.

本発明で用いるセルロースナノファイバーは、例えば次の方法により製造することができる。即ち、本発明で用いるセルロースナノファイバーは、天然セルロース繊維を酸化して反応物繊維を得る酸化反応工程、及び該反応物繊維を微細化処理する微細化工程を含む製造方法により得ることができる。以下に各工程について詳細に説明する。   The cellulose nanofiber used in the present invention can be produced, for example, by the following method. That is, the cellulose nanofiber used in the present invention can be obtained by a production method including an oxidation reaction step in which a natural cellulose fiber is oxidized to obtain a reactant fiber, and a refinement step in which the reactant fiber is refined. Each step will be described in detail below.

前記酸化反応工程では、先ず、水中に天然セルロース繊維を分散させたスラリーを調製する。スラリーは、原料となる天然セルロース繊維(絶対乾燥基準)に対して約10〜1000倍量(質量基準)の水を加え、ミキサー等で処理することにより得られる。天然セルロース繊維としては、例えば、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ等の木材パルプ;コットンリンター、コットンリントのような綿系パルプ;麦わらパルプ、バガスパルプ等の非木材系パルプ;バクテリアセルロース等が挙げられ、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。天然セルロース繊維は、叩解等の表面積を高める処理が施されていても良い。   In the oxidation reaction step, first, a slurry in which natural cellulose fibers are dispersed in water is prepared. The slurry is obtained by adding about 10 to 1000 times (mass basis) of water to the natural cellulose fiber (absolute dry basis) as a raw material, and processing with a mixer or the like. Examples of natural cellulose fibers include wood pulp such as softwood pulp and hardwood pulp; cotton pulp such as cotton linter and cotton lint; non-wood pulp such as straw pulp and bagasse pulp; bacterial cellulose and the like. These 1 type can be used individually or in combination of 2 or more types. The natural cellulose fiber may be subjected to a treatment for increasing the surface area such as beating.

次に、水中においてN−オキシル化合物を酸化触媒として天然セルロース繊維を酸化処理して反応物繊維を得る。セルロースの酸化触媒として使用可能なN−オキシル化合物としては、例えば、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル(以下、TEMPOとも表記する)、4−アセトアミド−TEMPO、4−カルボキシ−TEMPO、4−フォスフォノオキシ−TEMPO等を用いることができる。これらN−オキシル化合物の添加は触媒量で十分であり、通常、原料として用いた天然セルロース繊維(絶対乾燥基準)に対して0.1〜10質量%となる範囲である。   Next, a natural fiber is oxidized in water using an N-oxyl compound as an oxidation catalyst to obtain a reactant fiber. Examples of N-oxyl compounds that can be used as an oxidation catalyst for cellulose include 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl (hereinafter also referred to as TEMPO), 4-acetamide-TEMPO, 4-carboxy-TEMPO, 4-phosphonooxy-TEMPO, etc. can be used. A catalytic amount is sufficient for the addition of these N-oxyl compounds, and is usually in a range of 0.1 to 10% by mass with respect to natural cellulose fibers (absolute dry basis) used as a raw material.

前記天然セルロース繊維の酸化処理においては、酸化剤(例えば、次亜ハロゲン酸又はその塩、亜ハロゲン酸又はその塩、過ハロゲン酸又はその塩、過酸化水素、過有機酸等)と、共酸化剤(例えば、臭化ナトリウム等の臭化アルカリ金属)とを併用する。酸化剤としては、特に、次亜塩素酸ナトリウムや次亜臭素酸ナトリウム等のアルカリ金属次亜ハロゲン酸塩が好ましい。酸化剤の使用量は、通常、原料として用いた天然セルロース繊維(絶対乾燥基準)に対して約1〜100質量%となる範囲である。また、共酸化剤の使用量は、通常、原料として用いた天然セルロース繊維(絶対乾燥基準)に対して約1〜30質量%となる範囲である。   In the oxidation treatment of the natural cellulose fiber, cooxidation with an oxidizing agent (for example, hypohalous acid or a salt thereof, hypohalous acid or a salt thereof, perhalogenic acid or a salt thereof, hydrogen peroxide, a perorganic acid, etc.) An agent (for example, an alkali metal bromide such as sodium bromide) is used in combination. As the oxidizing agent, alkali metal hypohalites such as sodium hypochlorite and sodium hypobromite are particularly preferable. The amount of the oxidizing agent used is usually in the range of about 1 to 100% by mass with respect to the natural cellulose fiber (absolute dry standard) used as a raw material. Moreover, the usage-amount of a co-oxidant is the range used as about 1-30 mass% normally with respect to the natural cellulose fiber (absolute dry reference | standard) used as a raw material.

また、前記天然セルロース繊維の酸化処理においては、酸化反応を効率良く進行させる観点から、反応液(前記スラリー)のpHは9〜12の範囲で維持されることが望ましい。また、酸化処理の温度(前記スラリーの温度)は、1〜50℃において任意であるが、室温で反応可能であり、特に温度制御は必要としない。また、反応時間は1〜240分間が望ましい。   Moreover, in the oxidation treatment of the natural cellulose fiber, the pH of the reaction solution (the slurry) is preferably maintained in the range of 9 to 12 from the viewpoint of allowing the oxidation reaction to proceed efficiently. The temperature of the oxidation treatment (the temperature of the slurry) is arbitrary at 1 to 50 ° C., but the reaction is possible at room temperature, and no temperature control is required. The reaction time is preferably 1 to 240 minutes.

前記酸化反応工程後、前記微細化工程前に精製工程を実施し、未反応の酸化剤や各種副生成物等の、前記スラリー中に含まれる反応物繊維及び水以外の不純物を除去する。反応物繊維は通常、この段階ではナノファイバー単位までばらばらに分散していないため、精製工程では、例えば水洗とろ過を繰り返す精製法を行うことができ、その際に用いる精製装置は特に制限されない。こうして得られる精製処理された酸化セルロース繊維(もしくはセルロースナノファイバー中間体と呼ぶ)は、通常、適量の水を含浸させた状態で次工程(微細化工程)に送られるが、必要に応じ、乾燥処理した繊維状や粉末状としても良い。   After the oxidation reaction step, a purification step is performed before the miniaturization step to remove impurities other than reactant fibers and water contained in the slurry, such as unreacted oxidant and various by-products. At this stage, the reaction product fibers are usually not dispersed evenly to the nanofiber unit. Therefore, in the purification process, for example, a purification method in which water washing and filtration are repeated can be performed, and the purification apparatus used in that case is not particularly limited. The purified oxidized cellulose fiber (or cellulose nanofiber intermediate) thus obtained is usually sent to the next step (miniaturization step) in the state of being impregnated with an appropriate amount of water, but if necessary, dried. A treated fiber or powder may be used.

前記微細化工程では、前記精製工程を経た反応物繊維を水等の溶媒中に分散させ微細化処理を施す。この微細化工程を経ることにより、平均繊維径及び平均アスペクト比がそれぞれ前記範囲にあるセルロースナノファイバーが得られる。   In the refinement step, the reaction product fibers that have undergone the purification step are dispersed in a solvent such as water, and the refinement process is performed. By passing through this refinement | miniaturization process, the cellulose nanofiber which has an average fiber diameter and an average aspect ratio in the said range, respectively is obtained.

前記微細化処理において、分散媒としての溶媒は通常は水が好ましいが、水以外にも目的に応じて水に可溶な有機溶媒(アルコール類、エーテル類、ケトン類等)を使用しても良く、これらの混合物も好適に使用できる。また、微細化処理で使用する分散機としては、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等を用いることができる。また、微細化処理における酸化セルロース繊維の固形分濃度は50質量%以下が好ましい。該固形分濃度が50質量%を超えると、分散に極めて高いエネルギーを必要とするため好ましくない。   In the above-mentioned micronization treatment, the solvent as the dispersion medium is usually preferably water, but water-soluble organic solvents (alcohols, ethers, ketones, etc.) may be used in addition to water depending on the purpose. These mixtures can also be suitably used. Examples of the disperser used in the miniaturization process include a disaggregator, a beater, a low pressure homogenizer, a high pressure homogenizer, a grinder, a cutter mill, a ball mill, a jet mill, a short shaft extruder, a twin screw extruder, and an ultrasonic stirrer. A home juicer mixer or the like can be used. The solid content concentration of the oxidized cellulose fiber in the refining treatment is preferably 50% by mass or less. When the solid content concentration exceeds 50% by mass, it is not preferable because extremely high energy is required for dispersion.

前記微細化工程後に得られるセルロースナノファイバーの形態としては、必要に応じ、固形分濃度を調整した懸濁液状(目視的に無色透明又は不透明な液)、あるいは乾燥処理した粉末状(但し、セルロースナノファイバーが凝集した粉末状であり、セルロース粒子を意味するものではない)とすることもできる。尚、懸濁液状にする場合、分散媒として水のみを使用しても良く、水と他の有機溶媒(例えば、エタノール等のアルコール類)や界面活性剤、酸、塩基等との混合溶媒を使用しても良い。   As the form of the cellulose nanofibers obtained after the above-mentioned micronization step, the solids concentration is adjusted as required (sustainedly colorless transparent or opaque liquid), or the dried powder (however, cellulose It is also a powder form in which nanofibers are aggregated and does not mean cellulose particles). In the case of a suspension, only water may be used as a dispersion medium, and a mixed solvent of water and other organic solvents (for example, alcohols such as ethanol), surfactants, acids, bases, etc. May be used.

このような天然セルロース繊維の酸化処理及び微細化処理により、セルロース構成単位のC6位の水酸基がアルデヒド基を経由してカルボキシル基へと選択的に酸化され、好ましくは平均繊維径が200nm以下にまで微細化された、高結晶性セルロース繊維を得ることができる。この高結晶性セルロース繊維は、セルロースI型結晶構造を有している。これは、本発明で用いるセルロースナノファイバーが、I型結晶構造を有する天然由来のセルロース固体原料が表面酸化され微細化された繊維であることを意味する。即ち、天然セルロース繊維は、その生合成の過程において生産されるミクロフィブリルと呼ばれる微細な繊維が多束化して高次な固体構造を構築しており、そのミクロフィブリル間の強い凝集力(表面間の水素結合)を、前記酸化処理によるアルデヒド基あるいはカルボキシル基の導入によって弱め、更に前記微細化処理を経ることで、セルロースナノファイバーが得られる。そして、前記酸化処理の条件を調整することにより、前記カルボキシル基含有量を所定範囲内にて増減させ、極性を変化させたり、該カルボキシル基の静電反発や前記微細化処理により、セルロース繊維の平均繊維径、平均繊維長、平均アスペクト比等を制御することができる。   By such oxidation treatment and refinement treatment of natural cellulose fibers, the hydroxyl group at the C6 position of the cellulose constituent unit is selectively oxidized to a carboxyl group via an aldehyde group, and preferably the average fiber diameter is 200 nm or less. Finely divided highly crystalline cellulose fibers can be obtained. This highly crystalline cellulose fiber has a cellulose I-type crystal structure. This means that the cellulose nanofiber used in the present invention is a fiber obtained by surface-oxidizing and refining a naturally-derived cellulose solid raw material having an I-type crystal structure. In other words, natural cellulose fibers have a high-order solid structure in which fine fibers called microfibrils produced in the process of biosynthesis are bundled to form a high-order solid structure. The cellulose nanofibers can be obtained by weakening the hydrogen bond) by introducing the aldehyde group or carboxyl group by the oxidation treatment, and further through the refinement treatment. Then, by adjusting the conditions of the oxidation treatment, the carboxyl group content is increased or decreased within a predetermined range, the polarity is changed, or the electrostatic repulsion of the carboxyl group or the refinement treatment is performed on the cellulose fiber. The average fiber diameter, average fiber length, average aspect ratio, etc. can be controlled.

このように得られたセルロースナノファイバーを固形分1質量%に希釈した水分散液は、高弾性のゲル状体を得る観点から、光透過率が40%以上であることが好ましく、より好ましくは60%以上、さらに好ましくは80%以上である。セルロースナノファイバーの水分散液の透過率は、前述したゲル状体の透過率の測定方法と同様の方法で測定できる。   The aqueous dispersion obtained by diluting the cellulose nanofibers thus obtained to a solid content of 1% by mass preferably has a light transmittance of 40% or more, more preferably from the viewpoint of obtaining a highly elastic gel. 60% or more, more preferably 80% or more. The transmittance of the cellulose nanofiber aqueous dispersion can be measured by the same method as the method for measuring the transmittance of the gel-like material described above.

本発明のゲル状体は、セルロースナノファイバーに加えて、液状の有機媒体を必須成分とする。本発明のゲル状体は、前記セルロースナノファイバーをゲル化剤として用いた、物理ゲルであるとも言える。本発明のゲル状体は、物理ゲルでありながら、従来の物理ゲルのように耐熱性の課題を有しておらず、前述したように高弾性で耐熱性が高いという特長を有している。   The gel-like body of the present invention contains a liquid organic medium as an essential component in addition to cellulose nanofibers. It can be said that the gel-like body of the present invention is a physical gel using the cellulose nanofiber as a gelling agent. Although the gel-like body of the present invention is a physical gel, it does not have the problem of heat resistance unlike the conventional physical gel, and has the features of high elasticity and high heat resistance as described above. .

本発明で用いる液状の有機媒体としては、水よりも20℃における蒸気圧が小さいことを特徴とし、本発明のゲル状体が使用される温度領域(通常1〜150℃)で液状である有機物質であれば特に制限なく用いることができ、親水性有機媒体でも疎水性有機媒体でも良い。特に、本発明のゲル状物に高弾性、高耐熱性という特性を付与することに加えて、ゲル状体の柔軟性や透明性を両立する観点から、液状の有機媒体としては親水性有機媒体が好ましい。   The liquid organic medium used in the present invention is characterized by having a vapor pressure at 20 ° C. lower than that of water, and is an organic liquid in the temperature range (usually 1 to 150 ° C.) in which the gel-like material of the present invention is used. Any substance can be used without particular limitation, and may be a hydrophilic organic medium or a hydrophobic organic medium. In particular, in addition to imparting the properties of high elasticity and high heat resistance to the gel-like material of the present invention, the liquid organic medium is a hydrophilic organic medium from the viewpoint of achieving both flexibility and transparency of the gel-like material. Is preferred.

本発明のゲル状体は、液状の有機媒体が水よりも20℃における蒸気圧が小さいことが好ましい。液状の有機媒体の20℃における蒸気圧(mmHg、20℃)をP1、水の20℃における蒸気圧(17.5mmHg、20℃)をPwとした場合、P1/Pwは、好ましくは0.001〜0.9、更に好ましくは0.001〜0.5である。P1/Pwが斯かる範囲にあることで、高温(水の沸点以上)でも形状や物性を維持し得る、高耐熱性のゲル状体が得られる。   In the gel-like body of the present invention, the liquid organic medium preferably has a vapor pressure at 20 ° C. lower than that of water. When the vapor pressure (mmHg, 20 ° C.) of a liquid organic medium at 20 ° C. is P1, and the vapor pressure of water at 20 ° C. (17.5 mmHg, 20 ° C.) is Pw, P1 / Pw is preferably 0.001. It is -0.9, More preferably, it is 0.001-0.5. By having P1 / Pw within such a range, a highly heat-resistant gel-like body that can maintain its shape and physical properties even at high temperatures (above the boiling point of water) can be obtained.

本発明で用いる液状の有機媒体は、親水性でも疎水性でも良い。液状の親水性有機媒体としては、例えば、グリセリン、2−ブタノール、2-メチル−1−プロパノールグリセリン、1−ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール等のアルコール類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、コハク酸メチルジグリコールエステル等のエステル類、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類、ポリエチレングリコール、ポリメチレンオキシド等のポリオキシド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムエチルスルファート等のイオン液体、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、プロピオニトリル等が挙げられる。液状の疎水性有機媒体としては、例えば、ポリジメチルシロキサン等のシリコーンオイル、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、オレイン酸、ステアリン等の高級脂肪酸、オクチルアルコール、デシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、ステアリンアルコール等の高級アルコール、流動パラフィン等の炭化水素油、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン誘導体、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルカノールアミド、アルキルアミン、第4級アンモニウム塩、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等の界面活性剤、エステル油、軽油、灯油、原油、サラダ油、大豆油、ヒマシ油、トリグリセライド、ポリイソプレン、フッ素変性油等が挙げられる。本発明ではこれらの液状の有機媒体の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。   The liquid organic medium used in the present invention may be hydrophilic or hydrophobic. Examples of the liquid hydrophilic organic medium include alcohols such as glycerin, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol glycerin, 1-pentanol, ethylene glycol, propylene glycol, and polyethylene glycol, ethylene carbonate, propylene carbonate, Esters such as methyl diglycol succinate, amides such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, polyoxides such as polyethylene glycol and polymethylene oxide, and ionic liquids such as 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate , Dimethyl sulfoxide, acetonitrile, propionitrile and the like. Examples of liquid hydrophobic organic media include silicone oils such as polydimethylsiloxane, higher fatty acids such as caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, oleic acid, stearin, octyl alcohol, decyl alcohol, and lauryl. Alcohols, higher alcohols such as myristyl alcohol and stearic alcohol, hydrocarbon oils such as liquid paraffin, polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyalkylene derivatives, sorbitan fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters, polyoxyethylene sorbitol fatty acid esters, glycerin Fatty acid ester, polyoxyethylene fatty acid ester, polyoxyethylene alkylamine, alkylalkanolamide, alkylamine, quaternary ammonia Surfactants such as salt, alkyl sulfate ester, polyoxyethylene alkyl ether sulfate, alkylbenzene sulfonate, ester oil, light oil, kerosene, crude oil, salad oil, soybean oil, castor oil, triglyceride, polyisoprene, fluorine Examples include modified oils. In the present invention, one of these liquid organic media can be used alone or in combination of two or more.

本発明において特に好ましく用いられる液状の有機媒体は、グリセリン、グリセリン誘導体(例えば、モノステアリン酸グリセリン、モノオレイン酸グリセリン、トリ2−エチルヘキサン酸グリセリル、モノカプリル酸グリセリン、トリカプリル酸グリセリル及びトリ(カプリル酸・カプリン酸)グリセリンなどのグリセリン脂肪酸エステルや、ポリグリセリンなどが挙げられる)、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール(PEG)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、コハク酸メチルトリグリコールジエステル、イオン液体(以上、液状の親水性有機媒体)、シリコーンオイル、流動パラフィン(以上、液状の疎水性有機媒体)である。液状の有機媒体としてこれらの1種以上を用いることで、本発明のゲル状体の諸物性がより好ましいものとなる。   Liquid organic media particularly preferably used in the present invention are glycerin, glycerin derivatives (for example, glyceryl monostearate, glyceryl monooleate, glyceryl tri-2-ethylhexanoate, glyceryl monocaprylate, glyceryl tricaprylate and tri (capryl). Glycerin fatty acid esters such as acid / capric acid glycerin and polyglycerin), ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol (PEG), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl sulfoxide (DMSO) Succinic acid methyltriglycol diester, ionic liquid (above, liquid hydrophilic organic medium), silicone oil, liquid paraffin (above, liquid hydrophobic organic medium)By using one or more of these as the liquid organic medium, the physical properties of the gel-like body of the present invention are more preferable.

本発明のゲル状体における液状の有機媒体の含有量は、所定の性質を有しうる範囲で任意に設定することができるが、ゲル状体に高弾性、高耐熱性という特性を付与することに加えて、ゲル状体の柔軟性や透明性を両立する観点から、10〜99.9質量%が好ましく、特に50〜98質量%、とりわけ70〜97質量%が好ましい。液状の有機媒体の含有量は、後述するゲル状体の製造方法において各成分の仕込量から算出する方法の他、例えば熱重量分析によってゲル状体中の構成成分の熱分解温度の違いを利用する方法や、各種溶媒への溶解性や揮発性の違いを利用して重量変化から算出する方法等により求めることができる。   The content of the liquid organic medium in the gel-like body of the present invention can be arbitrarily set as long as it can have a predetermined property, but imparts the properties of high elasticity and high heat resistance to the gel-like body. In addition, from the viewpoint of achieving both flexibility and transparency of the gel-like body, the content is preferably 10 to 99.9% by mass, particularly preferably 50 to 98% by mass, and particularly preferably 70 to 97% by mass. The content of the liquid organic medium uses the difference in the thermal decomposition temperature of the components in the gel-like body by, for example, thermogravimetric analysis in addition to the method of calculating from the charged amount of each component in the gel-like body manufacturing method described later And a method of calculating from a change in weight using a difference in solubility and volatility in various solvents.

本発明のゲル状体は、物性に悪影響を及ぼさない範囲内で水を含んでいても良いが、含水率は50質量%以下であり、好ましくは25質量%以下、更に好ましくは15質量%以下である。一般に、含水率が50質量%を超えるような水分を多量に含むゲルは、水の揮発による形状や物性の変化が大きいため、大気中で一定の形状や物性を保つことが困難であり、本発明においては斯かる観点から、ゲル状体の含水率を50質量%以下としている。また、本発明のゲル状体の必須成分であるセルロースナノファイバーは、その静電反発力(即ち、カルボキシル基の解離による負電荷)に起因し、特に水中において流動性の高いゾル状態の分散体となりやすいところ、該ゲル状体の含水率を50質量%以下とすることにより、そのようなゾル状態を効果的に防止できる。ゲル状体の含水率を前記範囲内に調整することは、高弾性で高い耐熱性を有するゲル状体を得る上で有効である。   The gel-like body of the present invention may contain water within a range that does not adversely affect physical properties, but the water content is 50% by mass or less, preferably 25% by mass or less, more preferably 15% by mass or less. It is. In general, gels containing a large amount of water whose water content exceeds 50% by mass have a large change in shape and physical properties due to volatilization of water, so it is difficult to maintain a certain shape and physical properties in the atmosphere. In the invention, from such a viewpoint, the moisture content of the gel-like body is set to 50% by mass or less. In addition, the cellulose nanofiber, which is an essential component of the gel-like material of the present invention, is caused by its electrostatic repulsion (that is, a negative charge due to dissociation of carboxyl groups), and is particularly a sol-state dispersion having high fluidity in water. However, such a sol state can be effectively prevented by setting the water content of the gel-like body to 50% by mass or less. Adjusting the moisture content of the gel-like body within the above range is effective in obtaining a gel-like body having high elasticity and high heat resistance.

また、本発明のゲル状体が、セルロースナノファイバー及び液状の有機媒体に加えて、更に分散媒を含む場合、該液状の有機媒体の20℃における蒸気圧は、該分散媒の20℃における蒸気圧よりも小さいことが好ましい。分散媒とは、前述の液状の有機媒体以外の液体であり、セルロースナノファイバー及び有機媒体を実質的に分散又は溶解し得るものであれば良く、水もそれに含まれる。特に、本発明のゲル状体を、後述する製造方法(分散媒の揮発工程を有する製造方法)により製造する場合には、液状の有機媒体としては、併用される分散媒よりも20℃における蒸気圧が小さいものが好ましい。液状の有機媒体の20℃における蒸気圧(mmHg、20℃)をP1、分散媒の20℃における蒸気圧(mmHg、20℃)をP2とした場合、P1/P2は、好ましくは0.001〜0.9、更に好ましくは0.001〜0.5である。例えば分散媒が水である場合、20℃において水よりも蒸気圧が小さく、本発明で好ましく用いられる液状の有機媒体としては、グリセリン、グリセリン誘導体、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール(PEG)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、コハク酸メチルトリグリコールジエステル、イオン液体、シリコーンオイル、及び流動パラフィン等が挙げられる。   When the gel-like material of the present invention further contains a dispersion medium in addition to the cellulose nanofibers and the liquid organic medium, the vapor pressure of the liquid organic medium at 20 ° C. is the vapor pressure of the dispersion medium at 20 ° C. The pressure is preferably smaller than the pressure. The dispersion medium is a liquid other than the liquid organic medium described above, and may be any liquid that can substantially disperse or dissolve the cellulose nanofiber and the organic medium, and includes water. In particular, when the gel-like material of the present invention is produced by a production method (a production method having a dispersion medium volatilization step) to be described later, the liquid organic medium is a vapor at 20 ° C. than the dispersion medium used in combination. A thing with a small pressure is preferable. When the vapor pressure (mmHg, 20 ° C) at 20 ° C of the liquid organic medium is P1, and the vapor pressure (mmHg, 20 ° C) at 20 ° C of the dispersion medium is P2, P1 / P2 is preferably 0.001 to 0.001. 0.9, more preferably 0.001 to 0.5. For example, when the dispersion medium is water, the vapor pressure is lower than water at 20 ° C., and the liquid organic medium preferably used in the present invention includes glycerin, glycerin derivatives, ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol (PEG), Examples thereof include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl sulfoxide (DMSO), succinic acid methyl triglycol diester, ionic liquid, silicone oil, and liquid paraffin.

前述したように、本発明のゲル状体は、セルロースナノファイバー及び液状の有機媒体のみを含んで構成されていても良いが、これらに加えて更に分散媒を含んでいても良い。分散媒としては、通常、水が用いられるが、ゲル状体の製造やゲル物性に悪影響を与えない限りにおいて、水以外の分散媒、例えば、非水溶性有機溶媒、水溶性有機溶媒、あるいはこれらと水との混合媒体等を用いることができる。具体的にどのような分散媒を用いるかは、セルロースナノファイバー及び液状の有機媒体の溶解性や分散性に応じて適宜決定すれば良い。また、本発明のゲル状体を、後述する製造方法(分散媒の除去工程を有する製造方法)により製造する場合には、分散媒を揮発させる等して本発明のゲル状体が得られるため、分散媒としては、併用される液状の有機媒体よりも20℃における蒸気圧が大きいものが好ましい。両者の20℃における蒸気圧の関係は、前述した通りである。   As described above, the gel-like body of the present invention may contain only cellulose nanofibers and a liquid organic medium, but may further contain a dispersion medium in addition to these. As the dispersion medium, water is usually used. However, a dispersion medium other than water, such as a water-insoluble organic solvent, a water-soluble organic solvent, or the like, may be used as long as it does not adversely affect the production of the gel-like body and the gel properties. A mixed medium of water and water can be used. The specific dispersion medium to be used may be appropriately determined according to the solubility and dispersibility of the cellulose nanofiber and the liquid organic medium. Moreover, when manufacturing the gel-like body of the present invention by a manufacturing method (a manufacturing method having a dispersion medium removing step) described later, the gel-like body of the present invention is obtained by volatilizing the dispersion medium. The dispersion medium preferably has a higher vapor pressure at 20 ° C. than the liquid organic medium used in combination. The relationship between the vapor pressures at 20 ° C. of both is as described above.

本発明で用いる水以外の分散媒としては、例えば、トルエン、クロロホルム、酢酸エチル、ヘキサン、ベンゼン、塩化メチレン、ジエチルエーテル、キシレン、フェノール、ピリジン等の非水溶性有機溶媒;エタノール、メタノール、イソプロパノール、t−ブチルアルコール、アセトン、N−メチル−2−ピロリドン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の水溶性有機溶媒が挙げられ、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。   Examples of the dispersion medium other than water used in the present invention include water-insoluble organic solvents such as toluene, chloroform, ethyl acetate, hexane, benzene, methylene chloride, diethyl ether, xylene, phenol, and pyridine; ethanol, methanol, isopropanol, Water-soluble organic solvents such as t-butyl alcohol, acetone, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, and acetonitrile can be used, and one of these can be used alone or two or more can be used in combination.

本発明のゲル状体が水以外の分散媒を含んでいる場合、該ゲル状体における水以外の分散媒の含有量は、ゲル状体の強度や耐熱性の観点から、好ましくは50質量%以下、更に好ましくは25質量%以下、特に好ましくは15質量%以下である。水以外の分散媒の含有量が多すぎると、ゲル状体の流動性が高まってゾルに近い状態となるため好ましくない。   When the gel-like body of the present invention contains a dispersion medium other than water, the content of the dispersion medium other than water in the gel-like body is preferably 50% by mass from the viewpoint of the strength and heat resistance of the gel-like body. Hereinafter, it is more preferably 25% by mass or less, particularly preferably 15% by mass or less. If the content of the dispersion medium other than water is too large, the fluidity of the gel-like body is increased and the state becomes close to a sol, which is not preferable.

本発明のゲル状体は、前述したセルロースナノファイバー及び液状の有機媒体並びに分散媒に加えて、更に必要に応じて、セルロースナノファイバー以外の各種ポリマー、架橋剤や粘土鉱物、着色剤、帯電防止剤、香料成分、電解質、生理活性成分、無機粉体等の各種機能剤を含んでいても良い。本発明のゲル状体におけるこれら機能剤の含有量(総含有量)は、通常0.01〜30質量%程度である。   In addition to the cellulose nanofibers and the liquid organic medium and dispersion medium described above, the gel-like body of the present invention may further include various polymers other than cellulose nanofibers, cross-linking agents, clay minerals, colorants, antistatic agents, as necessary. Various functional agents such as an agent, a fragrance component, an electrolyte, a physiologically active component, and an inorganic powder may be included. The content (total content) of these functional agents in the gel-like body of the present invention is usually about 0.01 to 30% by mass.

本発明のゲル状体は、例えば次のようにして製造することができる。本実施態様の製造方法は、セルロースナノファイバー、有機媒体及び分散媒の3成分を必須成分として含む、ゲル状体の製造方法であり、(i)セルロースナノファイバーと有機媒体とを分散媒中で混合してゲル前駆体を得る工程、及び(ii)前記ゲル前駆体から前記分散媒を除去する工程を有する。   The gel-like body of the present invention can be produced, for example, as follows. The production method of the present embodiment is a method for producing a gel-like body containing three components of cellulose nanofibers, an organic medium and a dispersion medium as essential components. (I) Cellulose nanofibers and an organic medium are dispersed in the dispersion medium. Mixing to obtain a gel precursor, and (ii) removing the dispersion medium from the gel precursor.

前記(i)の工程においては、セルロースナノファイバー、有機媒体及び分散媒の3成分を混合すれば良く、具体的な混合方法としては、例えば、1)分散媒にセルロースナノファイバーを分散させたナノファイバー分散液を調製しておくと共に、別途液状の有機媒体(必要に応じて、有機媒体も分散媒に溶解させておく)を調製しておき、これら両液を混合する方法、2)乾燥した繊維状あるいは粉末状等のセルロースナノファイバーと有機媒体とを分散媒に同時にあるいは順次添加・混合する方法等が挙げられる。分散媒は、セルロースナノファイバー及び有機媒体を実質的に分散又は溶解し得るものであれば良く、特に前述したものの中から適宜選択することができるが、セルロースナノファイバーの分散媒中での分散はセルロース表面のカルボキシル基の存在によるところが大きく、そのためセルロースナノファイバーは特に水も含めた水溶性有機媒体中で分散しやすい傾向があることを考慮すると、分散媒としては水も含めた親水性有機媒体が好ましい。尚、本発明のゲル状体に前記各種機能剤を含有させる場合には、前記(i)の工程において、セルロースナノファイバー、有機媒体及び分散媒と共にこれらを混合させれば良い。   In the step (i), the three components of cellulose nanofiber, organic medium and dispersion medium may be mixed. As a specific mixing method, for example, 1) nanofiber in which cellulose nanofiber is dispersed in the dispersion medium Prepare a fiber dispersion and prepare a liquid organic medium separately (if necessary, also dissolve the organic medium in the dispersion medium) and mix these two liquids. 2) Dry Examples thereof include a method in which cellulose nanofibers such as fibers or powders and an organic medium are added or mixed simultaneously or sequentially into a dispersion medium. Any dispersion medium may be used as long as it can substantially disperse or dissolve the cellulose nanofibers and the organic medium. Particularly, the dispersion medium can be appropriately selected from those described above. Considering the fact that cellulose nanofibers tend to disperse in water-soluble organic media including water, especially due to the presence of carboxyl groups on the surface of cellulose, hydrophilic organic media including water as a dispersion medium. Is preferred. In addition, what is necessary is just to mix these with a cellulose nanofiber, an organic medium, and a dispersion medium in the process of said (i), when making the gel-like body of this invention contain the said various functional agents.

また前記(i)の工程で用いられる有機媒体は、分散媒に分子レベルで溶解するもの(例えば前記水溶性有機媒体)でも良いし、エマルジョン状態で分散媒に分散するもの(エマルジョン化された有機媒体)でも良い。エマルジョン化された有機媒体としては、特に前記疎水性有機媒体をエマルジョンの分散質としたものが好ましく、具体的にはポリジメチルシロキサン等のシリコーンオイル、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、オレイン酸、ステアリン等の高級脂肪酸、オクチルアルコール、デシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、ステアリンアルコール等の高級アルコール、流動パラフィン等の炭化水素油、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン誘導体、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルカノールアミド、アルキルアミン、第4級アンモニウム塩、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等の界面活性剤、エステル油、軽油、灯油、原油、サラダ油、大豆油、ヒマシ油、トリグリセライド、ポリイソプレン、フッ素変性油等を、界面活性剤の添加や変性により、エマルジョン化したものが好適に用いられ、その場合、エマルジョンの分散媒としては通常水が用いられる。   The organic medium used in the step (i) may be one that dissolves in a dispersion medium at a molecular level (for example, the water-soluble organic medium) or one that is dispersed in a dispersion medium in an emulsion state (emulsified organic medium). Medium). As the emulsified organic medium, those in which the hydrophobic organic medium is an emulsion dispersoid are particularly preferable. Specifically, silicone oil such as polydimethylsiloxane, caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, Higher fatty acids such as palmitic acid, oleic acid, stearin, higher alcohols such as octyl alcohol, decyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, stearic alcohol, hydrocarbon oils such as liquid paraffin, polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyalkylene derivatives, Sorbitan fatty acid ester, polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester, polyoxyethylene sorbitol fatty acid ester, glycerin fatty acid ester, polyoxyethylene fatty acid ester, polyoxyethylene Surfactants such as alkylamines, alkylalkanolamides, alkylamines, quaternary ammonium salts, alkyl sulfate esters, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, alkylbenzene sulfonates, ester oils, light oils, kerosene, crude oils, salad oils , Soybean oil, castor oil, triglyceride, polyisoprene, fluorine-modified oil, etc., which are emulsified by addition or modification of surfactants, are preferably used. In that case, water is usually used as the dispersion medium for the emulsion. It is done.

前記(i)の工程で得られるゲル前駆体におけるセルロースナノファイバーの濃度は、分散媒の種類にかかわらず、0.05〜30質量%、特に0.1〜10質量%とすることが、セルロースナノファイバーと有機媒体とを均一に分散させる観点、及び前記(ii)の工程における分散媒の除去(ゲル前駆体の乾燥)に要するエネルギー負荷を軽減する観点から好ましい。同様の観点から、ゲル前駆体における有機媒体の濃度は0.1〜90質量%、特に0.2〜80質量%であることが好ましい。また、ゲル前駆体は、前記(ii)の工程において、後述するように所望の形態に成形されてから乾燥されて本発明のゲル状体とされるため、このような工程をスムーズに進行させる観点から、ある程度の流動性を有していることが好ましいところ、各成分がそれぞれ前記範囲にあることで、適度な流動性を有し成形性に優れたゲル前駆体を得ることができる。   The cellulose nanofiber concentration in the gel precursor obtained in the step (i) is 0.05 to 30% by mass, particularly 0.1 to 10% by mass, regardless of the type of dispersion medium. It is preferable from the viewpoint of uniformly dispersing the nanofiber and the organic medium and from the viewpoint of reducing the energy load required for removing the dispersion medium (drying of the gel precursor) in the step (ii). From the same viewpoint, the concentration of the organic medium in the gel precursor is preferably 0.1 to 90% by mass, particularly preferably 0.2 to 80% by mass. Further, since the gel precursor is formed into a desired form and then dried into the gel-like body of the present invention as described later in the step (ii), such a step is smoothly advanced. From the viewpoint, it is preferable to have a certain degree of fluidity. When each component is in the above range, a gel precursor having an appropriate fluidity and excellent moldability can be obtained.

前記(ii)の工程では、前記(i)の工程で得られたゲル前駆体から分散媒を除去して該ゲル前駆体をゲル化し、本発明のゲル状体を得る。分散媒の除去方法は特に制限されないが、主にゲル前駆体の乾燥(分散媒の揮発)によって行う。ゲル前駆体の乾燥は、ゲル前駆体を室温下で放置するだけの自然乾燥でも良く、あるいは加熱乾燥、真空乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥等の公知の乾燥方法でも良い。噴霧乾燥は、ゲル前駆体をノズルから噴出させて微細な液滴となし、次いで対流空気中で該液滴を加熱乾燥することによりなされる。特に、自然乾燥や加熱乾燥を用いる場合には、ゲル前駆体をキャスト(流延)する等して膜状あるいはシート状に成形してからその成形体を乾燥させることが、乾燥効率の点から好ましい。   In the step (ii), the dispersion medium is removed from the gel precursor obtained in the step (i) to gel the gel precursor to obtain the gel-like body of the present invention. The method for removing the dispersion medium is not particularly limited, but is mainly performed by drying the gel precursor (volatilization of the dispersion medium). The gel precursor may be dried by natural drying in which the gel precursor is allowed to stand at room temperature, or by a known drying method such as heat drying, vacuum drying, freeze drying, or spray drying. Spray drying is performed by ejecting the gel precursor from a nozzle to form fine droplets, and then heating and drying the droplets in convection air. In particular, when natural drying or heat drying is used, from the viewpoint of drying efficiency, the gel precursor may be cast (cast) and then formed into a film or sheet and then dried. preferable.

ゲル前駆体から分散媒を除去することにより、その除去方法の種類を問わず、高弾性で高い耐熱性を有し、強い応力や熱負荷に対して構造変化し難いゲル状体が得られる。その理由は、セルロースナノファイバーが有するカルボキシル基の静電反発力によって、乾燥過程においてセルロースナノファイバーが凝集せずに均一に有機媒体中に配置され、それによってセルロースナノファイバーの網目状のネットワークが形成する多数の微小な空間に、有機媒体が保持された構造が形成されるためと考えられる。また、前述した方法で得られるセルロースナノファイバーが高い結晶性を持つこと、及び有機媒体中では前述した静電反発力が弱まりナノファイバー間の結合(いわゆる架橋点)が固定化されることも、強い応力や熱負荷に対して構造変化し難いゲル状体が得られる要因と考えられる。   By removing the dispersion medium from the gel precursor, regardless of the type of removal method, a gel-like body having high elasticity and high heat resistance and hardly undergoing structural change against strong stress or thermal load can be obtained. The reason is that the cellulose nanofibers are uniformly arranged in the organic medium without agglomeration during the drying process due to the electrostatic repulsion of the carboxyl groups of the cellulose nanofibers, thereby forming a network of cellulose nanofibers. This is probably because a structure in which an organic medium is held is formed in a large number of minute spaces. In addition, the cellulose nanofibers obtained by the above-described method have high crystallinity, and in the organic medium, the above-described electrostatic repulsion force is weakened, and the bonds between nanofibers (so-called cross-linking points) are fixed. This is considered to be a factor for obtaining a gel-like body that hardly undergoes structural change against strong stress or thermal load.

本発明においては、分散媒の除去方法として、前述したゲル前駆体の乾燥以外の方法を利用することもでき、例えば、透析法(浸透圧差を利用して分散媒のみを除去)や沈殿法(ゲル前駆体を貧溶媒に注いでゲル化)を利用することもでき、あるいはモレキュラーシーブスのような脱水剤を用いることもできる。   In the present invention, as a method for removing the dispersion medium, a method other than the above-described drying of the gel precursor can be used. For example, a dialysis method (removing only the dispersion medium using an osmotic pressure difference) or a precipitation method ( The gel precursor can be poured into a poor solvent for gelation), or a dehydrating agent such as molecular sieves can be used.

前記(ii)の工程において、ゲル前駆体から分散媒をどの程度除去するかは、最終的に得られるゲル状体が所定の諸物性(高弾性、高耐熱性等)を得る範囲において任意に選択できる。前述したように、本発明のゲル状体における水等の分散媒の含有量は、諸物性の観点から50質量%以下とすることが好ましく、分散媒を完全に除去してその含有量を0質量%としても良い。従って、ゲル前駆体からの分散媒の除去量は、斯かる分散媒の含有量を達成するように適宜調整することが好ましい。   In the step (ii), how much the dispersion medium is removed from the gel precursor is arbitrarily determined within a range in which the finally obtained gel-like body obtains predetermined physical properties (high elasticity, high heat resistance, etc.). You can choose. As described above, the content of the dispersion medium such as water in the gel-like material of the present invention is preferably 50% by mass or less from the viewpoint of various physical properties, and the content of the dispersion medium is reduced to 0 by completely removing the dispersion medium. It is good also as mass%. Therefore, it is preferable to appropriately adjust the removal amount of the dispersion medium from the gel precursor so as to achieve the content of the dispersion medium.

本発明のゲル状体の形態は特に制限されず、例えば、立体状、膜状やシート状、あるいは粉末状や粒状等とすることができる。ゲル状体の形態は、前述した製造方法において、ゲル前駆体からの分散媒の除去方法を適宜選択することによって調整することができ、例えば、ゲル前駆体をキャスト(流延)して乾燥させることで膜状やシート状のゲル状体を得ることができ、また、噴霧乾燥を用いることで粉末状や粒状のゲル状体を得ることができる。また、ゲル前駆体を任意の形状の型に流し込んで乾燥することで、立体形状のゲル状体を製造することもできる。   The form of the gel-like body of the present invention is not particularly limited, and may be, for example, a three-dimensional shape, a film shape or a sheet shape, or a powder shape or a granular shape. The form of the gel-like body can be adjusted by appropriately selecting a method for removing the dispersion medium from the gel precursor in the manufacturing method described above. For example, the gel precursor is cast (cast) and dried. Thus, a film-like or sheet-like gel can be obtained, and a powder or granular gel can be obtained by using spray drying. Moreover, a three-dimensional gel-like body can also be manufactured by pouring a gel precursor into the mold | die of arbitrary shapes and drying.

本発明のゲル状体は、前述した製造方法(分散媒の除去工程を有する製造方法)以外の製造方法によって製造することができ、例えば、セルロースナノファイバー分散液を有機媒体中に滴下するドリッピング法や、予め調製したセルロースナノファイバーが網目状に配置されたエアロゲルに有機媒体を含浸、注入する方法によっても製造することができる。   The gel-like body of the present invention can be manufactured by a manufacturing method other than the above-described manufacturing method (manufacturing method having a dispersion medium removing step). For example, dripping in which a cellulose nanofiber dispersion is dropped into an organic medium. It can also be produced by a method or a method of impregnating and injecting an organic medium into an airgel in which cellulose nanofibers prepared in advance are arranged in a network.

前述したように、ゲル状体の必須成分(ゲル化剤)としてセルロースナノファイバーを用いることで、そのゲル状体の製造方法において極めて高いゲル化率を達成すること可能となる。即ち、有機媒体中に広く均一にセルロースナノファイバーの網目状ネットワークが形成されることで、少ないセルロースナノファイバーの使用量(含有量)であっても多量の有機媒体をゲル化することが可能となる。   As described above, by using cellulose nanofibers as an essential component (gelator) of a gel-like body, it is possible to achieve a very high gelation rate in the method for producing the gel-like body. That is, since a network network of cellulose nanofibers is formed widely and uniformly in an organic medium, a large amount of organic medium can be gelled even with a small amount of cellulose nanofiber used (content). Become.

以上のようにして得られる本発明のゲル状体は、高弾性で高い耐熱性を有し、機械強度が強く、引張、曲げ、捻りに対して柔軟で、変形後の復元性が高いという特長を有する。特に、本発明のゲル状体は、その高い形状安定性や耐熱性により、日用品、具体的には例えば貼付剤や再生医療基材等の医療材料;二次電池用ゲル電解質等の電子材料;口紅等の化粧品;香りや洗浄剤の徐放基材;衝撃吸収剤等に応用でき、化学、医療、電子・電気、建築、薬学、農業等の幅広い分野において好適に用いられる。例えば、現在貼付剤として、グリセリンを含むゲルシートを用いたハップ剤が使用されているが、シート状の本発明のゲル状体を患部に貼り付けることで、該ゲル状体をハップ剤として使用することもできるし、また、本発明の製造方法に係るゲル前駆体を皮膚等の患部に塗って乾燥させることで、膜状の本発明のゲル状体を該患部上に直接形成することもできる。   The gel-like body of the present invention obtained as described above has high elasticity and high heat resistance, high mechanical strength, flexibility against tension, bending and twisting, and high resilience after deformation. Have In particular, the gel-like body of the present invention has high shape stability and heat resistance, so that it can be used for daily necessities, specifically medical materials such as patches and regenerative medical base materials; electronic materials such as gel electrolytes for secondary batteries; It can be applied to cosmetics such as lipsticks; sustained release base materials for fragrances and cleaning agents; shock absorbers, etc., and is suitably used in a wide range of fields such as chemistry, medicine, electronics / electricity, architecture, pharmacy and agriculture. For example, a haptic agent using a gel sheet containing glycerin is currently used as an adhesive patch, and the gel-like material is used as a haptic agent by sticking the gel-like material of the present invention to the affected area. In addition, the gel precursor of the present invention can be directly formed on the affected area by applying the gel precursor according to the production method of the present invention to the affected area such as the skin and drying it. .

また本発明のゲル状体は、機械特性に加えて、液状の有機溶媒を高濃度で保持できることを特徴とする。例えば、本発明のゲル状体に水への親和性の高い機能剤を内包することで、機能剤の有機媒体から肌や内臓などの高含水表面に対する分配移動を促進し、高い徐放性を有する基材とすることもできる。   In addition to the mechanical properties, the gel-like material of the present invention is characterized in that a liquid organic solvent can be retained at a high concentration. For example, by encapsulating a functional agent having a high affinity for water in the gel-like body of the present invention, it promotes the distribution and movement of the functional agent from the organic medium to the highly water-containing surface such as skin and internal organs, and has a high sustained release property. It can also be set as the base material which has.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は斯かる実施例に限定されるものではない。以下、特に断らない限り、「%」は「質量%」を意味する。尚、実施例4及び5は参考例である。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to such examples. Hereinafter, unless otherwise specified, “%” means “mass%”. Examples 4 and 5 are reference examples.

〔酸化セルロース繊維の製造方法〕
原料となる天然セルロース繊維として針葉樹晒しクラフトパルプ(フレッチャー チャレンジ カナダ製、CSF650ml)を用い、酸化触媒としてTEMPO(ALDRICH製、Free radical、98%製)を用い、酸化剤として次亜塩素酸ナトリウム(和光純薬工業(株)、Cl:5%製)を用い、共酸化剤として臭化ナトリウム(和光純薬工業(株)製)を用いた。天然セルロース繊維100gにイオン交換水9900gを加えて十分に攪拌してスラリーを得、該スラリーに、TEMPOを対パルプ1.25質量%、臭化ナトリウムを対パルプ12.5質量%、次亜塩素酸ナトリウムを対パルプ28.4質量%、それぞれこの順で添加し、更にpHスタッドを用い、0.5Mの水酸化ナトリウムの滴下にてスラリーのpHを10.5に保持し、温度20〜0℃で天然セルロース繊維の酸化処理を行った。120分間の酸化時間で水酸化ナトリウムの滴下を停止し、酸化処理後の天然セルロース繊維をイオン交換水にて十分に洗浄し、脱水処理を行った。こうして、カルボキシル基含有量1.2mmol/gの酸化セルロース繊維を得た。
[Method for producing oxidized cellulose fiber]
Soft cellulose bleached kraft pulp (Fletcher Challenge Canada, CSF 650 ml) is used as the raw natural cellulose fiber, TEMPO (ALDRICH, Free radical, 98%) is used as the oxidation catalyst, and sodium hypochlorite (Japanese) Kobunyaku Kogyo Co., Ltd., Cl: 5%) was used, and sodium bromide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as a co-oxidant. 9900 g of ion-exchanged water is added to 100 g of natural cellulose fibers and sufficiently stirred to obtain a slurry. In the slurry, TEMPO is 1.25% by mass of pulp, sodium bromide is 12.5% by mass of pulp, hypochlorite. 28.4% by mass of sodium acid to pulp was added in this order, and the pH of the slurry was maintained at 10.5 by adding 0.5 M sodium hydroxide dropwise using a pH stud, and the temperature was 20 to 0. The natural cellulose fiber was oxidized at 0 ° C. The dropping of sodium hydroxide was stopped after an oxidation time of 120 minutes, and the natural cellulose fiber after the oxidation treatment was sufficiently washed with ion-exchanged water and dehydrated. Thus, an oxidized cellulose fiber having a carboxyl group content of 1.2 mmol / g was obtained.

〔セルロースナノファイバーの製造方法〕
前記〔酸化セルロース繊維の製造方法〕で得られた酸化セルロース繊維10g(固形分換算)とイオン交換水990gとを、ミキサー(大阪ケミケル(株)製、Vita-mix-Blender ABSOLUTE)にて120分間攪拌した(即ち微細化処理時間120分間)。こうして、平均繊維径4nm、カルボキシル基含有量1.2mmol/gのセルロースナノファイバーの水分散液(固形分濃度1.0質量%)を得た。
[Method for producing cellulose nanofiber]
Oxidized cellulose fiber 10 g (converted to solid content) obtained in [Oxidized cellulose fiber production method] and 990 g of ion-exchanged water were mixed for 120 minutes with a mixer (Vita-mix-Blender ABSOLUTE, manufactured by Osaka Chemikel Co., Ltd.). Stirring was performed (that is, the fine processing time was 120 minutes). Thus, an aqueous dispersion (solid content concentration: 1.0% by mass) of cellulose nanofibers having an average fiber diameter of 4 nm and a carboxyl group content of 1.2 mmol / g was obtained.

〔実施例1〕
ゲル化剤として前記〔セルロースナノファイバーの製造方法〕で得られたセルロースナノファイバー(略称:CSNF)を用い、液状の有機媒体としてグリセリン(和光純薬工業(株)製)を用い、分散媒としてイオン交換水を用い、前述したゲル状体の製造方法(分散媒の除去工程を有する製造方法)に準じた方法でゲル状体を製造した。より具体的には、前記セルロースナノファイバーの水分散液(固形分濃度1.0質量%)100質量部に対して、グリセリンを32質量部添加し、30分間マグネチックスターラーで攪拌して、ゲル前駆体を調製した。このゲル前駆体をポリスチレン製シャーレ(φ80mm)に12.4g注いで、室温環境下で2週間保持することで、該ゲル前駆体中のイオン交換水を所定量揮発させて乾燥処理を行い、該ゲル前駆体をゲル化した。こうして得られたゲル状体を実施例1とした。実施例1のゲル状体は、ピンセットで摘んでもそのシート状(膜状)の形態を維持できる透明なゲルであった。
[Example 1]
The cellulose nanofiber (abbreviation: CSNF) obtained in the above [Method for producing cellulose nanofiber] is used as a gelling agent, glycerin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is used as a liquid organic medium, and the dispersion medium is used. Using ion-exchanged water, a gel-like body was produced by a method according to the above-described method for producing a gel-like body (a production method having a dispersion medium removing step). More specifically, 32 parts by mass of glycerin is added to 100 parts by mass of the aqueous dispersion of cellulose nanofiber (solid content concentration: 1.0% by mass), and the mixture is stirred with a magnetic stirrer for 30 minutes to obtain a gel. A precursor was prepared. By pouring 12.4 g of this gel precursor into a petri dish made of polystyrene (φ80 mm) and holding it in a room temperature environment for 2 weeks, a predetermined amount of ion-exchanged water in the gel precursor is volatilized to perform a drying treatment, The gel precursor was gelled. The gel-like body thus obtained was referred to as Example 1. The gel-like body of Example 1 was a transparent gel that could maintain its sheet-like (film-like) form even when picked with tweezers.

〔実施例2〕
実施例1において、グリセリンの添加量を19質量部とし且つゲル前駆体のシャーレへの注ぎ量を18.4gとした以外は、実施例1と同様にしてゲル状体を得、これを実施例2とした。実施例2のゲル状体は、ピンセットで摘んでもそのシート状(膜状)の形態を維持できる透明なゲルであった。
[Example 2]
In Example 1, a gel-like body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of glycerin added was 19 parts by mass and the amount of the gel precursor poured into the petri dish was 18.4 g. 2. The gel-like body of Example 2 was a transparent gel that could maintain its sheet-like (film-like) form even when picked with tweezers.

〔実施例3〕
実施例1において、グリセリンの添加量を4質量部とし且つゲル前駆体のシャーレへの注ぎ量を40gとした以外は、実施例1と同様にしてゲル状体を得、これを実施例3とした。実施例3のゲル状体は、ピンセットで摘んでもそのシート状(膜状)の形態を維持できる透明なゲルであった。
Example 3
In Example 1, a gel-like body was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of glycerin added was 4 parts by mass and the amount of the gel precursor poured into the petri dish was 40 g. did. The gel-like body of Example 3 was a transparent gel that could maintain its sheet-like (film-like) form even when picked with tweezers.

〔実施例4〕
実施例1において、グリセリンに代えてジメチルスルホキシド(DMSO、和光純薬工業(株)製)を用いた以外は、実施例1と同様にしてゲル状体を得、これを実施例4とした。実施例4のゲル状体は、ピンセットで摘んでもそのシート状(膜状)の形態を維持できる透明なゲルであった。
Example 4
In Example 1, a gel was obtained in the same manner as in Example 1 except that dimethyl sulfoxide (DMSO, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of glycerin. The gel-like body of Example 4 was a transparent gel capable of maintaining its sheet-like (film-like) form even when picked with tweezers.

〔実施例5〕
実施例1において、グリセリンに代えてポリエチレングリコール(和光純薬工業(株)製、PEG400)を用いた以外は、実施例1と同様にしてゲル状体を得、これを実施例5とした。実施例5のゲル状体は、ピンセットで摘んでもそのシート状(膜状)の形態を維持できる透明なゲルであった。
Example 5
A gel-like body was obtained in the same manner as in Example 1 except that polyethylene glycol (PEG 400 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used in place of glycerin. The gel-like body of Example 5 was a transparent gel that could maintain its sheet-like (film-like) form even when picked with tweezers.

〔実施例6〕
実施例1において、グリセリンに代えてイオン液体である1−エチル−3−メチルイミダゾリウムエチルスルファート(シグマアルドリッチ製)を用いた以外は、実施例1と同様にしてゲル状体を得、これを実施例6とした。実施例6のゲル状体は、ピンセットで摘んでもそのシート状(膜状)の形態を維持できる透明なゲルであった。
Example 6
In Example 1, a gel was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate (manufactured by Sigma Aldrich), which is an ionic liquid, was used instead of glycerin. Was taken as Example 6. The gel-like body of Example 6 was a transparent gel that could maintain its sheet-like (film-like) form even when picked with tweezers.

〔比較例1〕
カルボキシメチルセルロース(略称:CMC、商品名:HE1500F、第一工業製薬(株)製)1gをイオン交換水99gに加えて攪拌し、固形分濃度1質量%のCMC水溶液を得た。そして、実施例1において、セルロースナノファイバーの水分散液に代えて該CMC水溶液を用いた以外は、実施例2と同様にしてゲル状体を得、これを比較例1とした。比較例1のゲル状体は、ピンセットで摘むことができない程度の粘凋性(流動性)を有する透明なゲルであった。
[Comparative Example 1]
1 g of carboxymethylcellulose (abbreviation: CMC, trade name: HE1500F, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) was added to 99 g of ion-exchanged water and stirred to obtain a CMC aqueous solution having a solid content concentration of 1% by mass. In Example 1, a gel-like body was obtained in the same manner as in Example 2 except that the CMC aqueous solution was used in place of the aqueous dispersion of cellulose nanofibers. The gel-like body of Comparative Example 1 was a transparent gel having a viscosity (fluidity) that cannot be picked with tweezers.

〔比較例2〕
前記〔酸化セルロース繊維の製造方法〕で得られた酸化セルロース繊維50g(固形分換算)とイオン交換水950gと混合し、高圧ホモジナイザー(スターバーストラボ HJP−25005、スギノマシン株式会社製)を用いて、245MPaで微細化処理を1回行い、こうしてカルボキシル基含有量1.2mmol/gのセルロースナノファイバーの水分散液(固形分濃度5.0質量%)を得た。前記セルロースナノファイバーの水分散液67質量部にグリセリンを33質量部加えてよく攪拌してゲル前駆体を得、該ゲル前駆体(分散媒の除去工程を経ていないもの)を比較例2とした。比較例2のゲル状体は、ピンセットで摘むことができない程度の粘凋性(流動性)を有する半透明なゲルであった。
[Comparative Example 2]
50 g of oxidized cellulose fiber (in terms of solid content) obtained in the above [Method for producing oxidized cellulose fiber] and 950 g of ion-exchanged water are mixed, and a high-pressure homogenizer (Starburst Lab HJP-25005, manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.) is used. A refinement treatment was performed once at 245 MPa, and thus an aqueous dispersion of cellulose nanofibers having a carboxyl group content of 1.2 mmol / g (solid content concentration 5.0 mass%) was obtained. 33 parts by mass of glycerin was added to 67 parts by mass of the aqueous dispersion of cellulose nanofibers and stirred well to obtain a gel precursor, and this gel precursor (not subjected to the dispersion medium removal step) was used as Comparative Example 2. . The gel-like body of Comparative Example 2 was a translucent gel having a viscosity (fluidity) that cannot be picked with tweezers.

〔評価〕
実施例及び比較例のサンプル(ゲル状体)について、前記方法により各条件において貯蔵弾性率、損失弾性率、及び有機媒体の溶出量をそれぞれ測定すると共に、弾性率の変化率(温度依存性、周波数依存性)、損失正接を算出し、また、下記方法によりゲル状体の含水率(分散媒としての水の含有量)の測定及びセルロースナノファイバー含有量の算出を実施した。これらの結果を下記表1に示す。
[Evaluation]
For the samples of Examples and Comparative Examples (gel bodies), the storage elastic modulus, loss elastic modulus, and elution amount of the organic medium were measured under the respective conditions by the above method, and the elastic modulus change rate (temperature dependence, Frequency dependence) and loss tangent were calculated, and the water content of the gel (the content of water as a dispersion medium) was measured and the cellulose nanofiber content was calculated by the following method. These results are shown in Table 1 below.

<含水率の測定方法及びセルロースナノファイバー含有量の算出方法>
ゲル状体を、水分計(ハロゲン水分計HR83、メトラー・トレド製)を用いて、105℃で40分間加熱し、その含水率を評価した。また、この含水率からゲル状体におけるセルロースナノファイバー含有量を算出した。
<Measurement method of moisture content and calculation method of cellulose nanofiber content>
The gel-like body was heated at 105 ° C. for 40 minutes using a moisture meter (halogen moisture meter HR83, manufactured by METTLER TOLEDO), and its moisture content was evaluated. Moreover, the cellulose nanofiber content in a gel-like body was computed from this moisture content.

Figure 0005918496
Figure 0005918496

表1より明らかなように、含水率が50質量%以下でゲル化剤としてセルロースナノファイバーを用いた実施例1〜6は、弾性率の変化率(温度依存性)が0.7〜4の範囲、弾性率の変化率(周波数依存性)が0.8〜5の範囲にあり、高弾性で耐熱性の高いゲル状体であった。一方、セルロースナノファイバーが含まれず、CMCをゲル化剤として用いた比較例1は、前述した粘弾性測定において、温度約80℃でゲル状体がゾル化して測定不能(弾性率の変化率0)となったことから分かる通り、耐熱性の低いゲル状体であり、また周波数による弾性率の変化率も14と大きかった。特に、ゲル化剤の含有量が比較例1とほぼ同量の実施例1は、弾性率の変化率、損失正接、貯蔵弾性率の何れもが前述した好ましい範囲に含まれ、比較例1に比して良好な結果が得られたことから、セルロースナノファイバーがCMC等の従来のゲル化剤に比べて、高弾性で高い耐熱性を有するゲル状体を得るのに有用であることが分かる。
As apparent from Table 1, Examples 1 to 6 using cellulose nanofibers as a gelling agent with a moisture content of 50% by mass or less have a rate of change in elastic modulus (temperature dependence) of 0.7 to 4. The range and the rate of change in elastic modulus (frequency dependency) were in the range of 0.8 to 5, and the gel-like body was highly elastic and highly heat resistant. On the other hand, in Comparative Example 1 in which cellulose nanofibers were not contained and CMC was used as a gelling agent, in the above-described viscoelasticity measurement, the gel-like body was solated at a temperature of about 80 ° C., and measurement was not possible (the rate of change in elastic modulus was 0). ), It was a gel-like body with low heat resistance, and the rate of change in elastic modulus with frequency was as large as 14. Particularly, in Example 1 in which the content of the gelling agent is almost the same as that of Comparative Example 1, all of the elastic modulus change rate, loss tangent, and storage elastic modulus are included in the above-described preferred ranges. Compared with conventional gelling agents such as CMC, it can be seen that cellulose nanofibers are useful for obtaining a gel-like body having high elasticity and high heat resistance. .

また、含水率が50質量%である比較例2は、ゲル化剤としてセルロースナノファイバーを用いているため、その網目状構造によって、弾性率の変化率(周波数依存性)は小さいものの、100℃以上では水の相転移に伴った急激な弾性率の上昇が生じた。そのため比較例2は、弾性率の変化率(温度依存性)が7.5と大きく、耐熱性の低いゲル状体となった。 Further, Comparative Example 2 having a water content of more than 50% by mass uses cellulose nanofibers as a gelling agent. Therefore, the rate of change in elastic modulus (frequency dependence) is small due to its network structure, but 100 Above ℃, the elastic modulus increased rapidly with the water phase transition. Therefore, Comparative Example 2 was a gel-like body having a large elastic modulus change rate (temperature dependency) of 7.5 and low heat resistance.

実施例1〜3は、液状の有機媒体としてグリセリンを用い、セルロースナノファイバーの含有率(ゲル化剤含有量)を変化させたものであり、該含有率の多い実施例3が貯蔵弾性率は最も大きくなるが、損失正接は実施例1及び2の方が好ましい範囲(0.07未満)であった。また、実施例1及び4〜6は、液状の有機媒体の種類が互いに異なっているが、何れも良好な結果が得られたことから、ゲル化剤としてセルロースナノファイバーを用いることで、各種液状の有機媒体を高弾性で耐熱性の高いゲル状体とすることが可能となることが分かる。   In Examples 1 to 3, glycerin was used as the liquid organic medium, and the content (gelator content) of the cellulose nanofiber was changed. Although it becomes the largest, the loss tangent was in the range (less than 0.07) in Examples 1 and 2. In Examples 1 and 4 to 6, although the types of liquid organic media are different from each other, since good results were obtained, various liquids were obtained by using cellulose nanofiber as a gelling agent. It can be seen that the organic medium can be made into a gel-like body having high elasticity and high heat resistance.

Claims (7)

セルロースナノファイバーと液状の有機媒体とを含むゲル状体であって、該有機媒体が水よりも20℃における蒸気圧が小さく、含水率が50質量%以下、温度25〜110℃の範囲における、弾性率の変化率が0.9〜1.5であり、
前記有機媒体が、グリセリン、グリセリン誘導体及びイオン液体からなる群から選択される1種以上であるゲル状体。
A gel-like body containing cellulose nanofibers and a liquid organic medium, the organic medium having a lower vapor pressure at 20 ° C. than water, a water content of 50% by mass or less , and a temperature in the range of 25 to 110 ° C. The rate of change of elastic modulus is 0.9 to 1.5,
A gel-like body in which the organic medium is at least one selected from the group consisting of glycerin, glycerin derivatives and ionic liquids .
周波数0.01〜10Hzの範囲における、弾性率の変化率が0.1〜20である請求項1記載のゲル状体。   The gel-like body according to claim 1, wherein the elastic modulus has a rate of change of 0.1 to 20 in a frequency range of 0.01 to 10 Hz. 温度25℃、周波数2Hzの条件における損失正接が0.6未満である請求項1又は2記載のゲル状体。 The gel-like body according to claim 1 or 2 , wherein a loss tangent under conditions of a temperature of 25 ° C and a frequency of 2 Hz is less than 0.6. 下記測定方法により測定される前記有機媒体の溶出量が20質量%以下である請求項1〜の何れか1項に記載のゲル状体。
有機媒体の溶出量の測定方法:測定対象のゲル状体を槽内温度105℃に設定された恒温槽内に30分間放置することで加熱した後、恒温槽から取り出して該ゲル状体の温度が室温(25℃)になるまで室温下で放置する。その後、ゲル状体の表面の溶出物を除去してから、該ゲル状体の質量を測定し、その測定値(質量B)と、予め測定した該ゲル状体の加熱前の質量(質量A)とから、次式により有機媒体の溶出量を算出する。
有機媒体の溶出量(%)={(A―B)/A}×100
The gelled body according to any one of claims 1 to 3 , wherein the elution amount of the organic medium measured by the following measurement method is 20% by mass or less.
Measuring method of elution amount of organic medium: After heating the gel-like body to be measured in a thermostat set at 105 ° C. for 30 minutes, the gel-like body is taken out from the thermostat and the temperature of the gel-like body Leave at room temperature until the temperature reaches room temperature (25 ° C.). Then, after removing the eluate on the surface of the gel-like body, the mass of the gel-like body is measured, and the measured value (mass B) and the pre-measured mass (mass A) of the gel-like body are measured. ) And the elution amount of the organic medium is calculated by the following formula.
Elution amount of organic medium (%) = {(AB) / A} × 100
前記セルロースナノファイバーの含有量が2〜20質量%である請求項1〜の何れか1項に記載のゲル状体。 Content of the said cellulose nanofiber is 2-20 mass%, The gel-like body in any one of Claims 1-4 . 前記有機媒体が親水性有機媒体である請求項1〜の何れか1項に記載のゲル状体。 The gel-like body according to any one of claims 1 to 5 , wherein the organic medium is a hydrophilic organic medium. 請求項1〜の何れか1項に記載のゲル状体の製造方法であって、セルロースナノファイバーと有機媒体とを分散媒中で混合してゲル前駆体を得、該ゲル前駆体から該分散媒を除去する工程を有するゲル状体の製造方法。 It is a manufacturing method of the gel-like object in any one of Claims 1-6 , Comprising: Cellulose nanofiber and an organic medium are mixed in a dispersion medium, a gel precursor is obtained, and from the gel precursor, the gel precursor is obtained. The manufacturing method of the gel-like body which has the process of removing a dispersion medium.
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