JP6249441B2 - Method for producing cellulose nanofiber dispersion - Google Patents

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Description

本発明は、セルロースナノファイバー分散液とその製造方法、セルロースナノファイバー修飾体、セルロースナノファイバー複合体に関するものである。
本願は、2011年11月22日に日本に出願された特願2011−254945号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to a cellulose nanofiber dispersion and a method for producing the same, a cellulose nanofiber modified product, and a cellulose nanofiber composite.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2011-254945 for which it applied to Japan on November 22, 2011, and uses the content here.

本発明者らは、セルロースなどの天然繊維材料をTEMPO(2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル)触媒の存在下で酸化させ、機械的な解繊処理を施すことで、直径数ナノメートルの高結晶性極細繊維(ナノファイバー)を製造する方法をすでに提案した(特許文献1参照)。この製造方法により、水中で1本1本のセルロースナノファイバーが分離され、種々の用途への応用展開が可能な新規材料であるセルロースナノファイバー分散液を得ることができた。   The present inventors oxidize natural fiber materials such as cellulose in the presence of a TEMPO (2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl) catalyst and perform a mechanical fibrillation treatment. Thus, a method for producing highly crystalline ultrafine fibers (nanofibers) having a diameter of several nanometers has already been proposed (see Patent Document 1). By this production method, each cellulose nanofiber was separated in water, and a cellulose nanofiber dispersion, which was a novel material that could be applied to various uses, could be obtained.

特開2008−001728号公報JP 2008-001728 A

ところで、上記の製造方法で得られるセルロースナノファイバーは親水性であり、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリ乳酸(PLA)などの疎水性の合成高分子とは相溶性が低く、ナノ分散状態(ナノファイバーの1本1本が分離しつつ分散した状態)の複合材料を得ることができなかった。   By the way, the cellulose nanofibers obtained by the above production method are hydrophilic, have low compatibility with hydrophobic synthetic polymers such as polyethylene terephthalate (PET) and polylactic acid (PLA), and are in a nano-dispersed state (nanofibers). It was not possible to obtain a composite material in a state in which each of these was dispersed while being separated.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、疎水性の高分子材料との複合化にも好適に用いることができるセルロースナノファイバー分散液とその製造方法を提供することを目的の一つとする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and provides a cellulose nanofiber dispersion that can be suitably used for complexing with a hydrophobic polymer material and a method for producing the same. One of the purposes.

本発明のセルロースナノファイバー分散液の製造方法は、カルボン酸塩型の基を有するセルロースナノファイバーを酸性溶液に保持し、前記カルボン酸塩型の基をカルボン酸型の基に置換する工程と、前記カルボン酸型の基を有するセルロースナノファイバーと、有機溶媒を含む分散媒と、平均分子量が300以上である直鎖状あるいは分岐状分子を有するアミンとを混合し、前記セルロースナノファイバーを前記分散媒中に分散させ、セルロースナノファイバーの分散液を得る工程と、を有し、前記直鎖状あるいは分岐状分子が、ポリエチレングリコール、分岐型および直鎖状型カチオン性ポリアクリルアミド、カチオン性ポリアクリルアミド−ポリエチレングリコール共重合体、ならびに末端にアミノ基を有するポリプロピレンポリエチレングリコール共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする。 The method for producing a cellulose nanofiber dispersion of the present invention comprises a step of holding cellulose nanofibers having a carboxylate type group in an acidic solution, and substituting the carboxylate type group with a carboxylic acid type group; The cellulose nanofiber having the carboxylic acid type group, a dispersion medium containing an organic solvent, and an amine having a linear or branched molecule having an average molecular weight of 300 or more are mixed, and the cellulose nanofiber is dispersed. dispersed in medium, comprising the steps of obtaining a dispersion of cellulose nanofibers, wherein the linear or branched molecules, polyethylene glycol, branched and straight chain-like type cationic polyacrylamide, cationic polyacrylamide -Polyethylene glycol copolymer and polypropylene polyethylene having terminal amino groups Characterized in that at least one selected from the group consisting of glycol copolymer.

本発明のセルロースナノファイバー複合体は、上記のセルロースナノファイバー修飾体を、他の材料と複合化したことを特徴とする。   The cellulose nanofiber composite of the present invention is characterized in that the above-mentioned modified cellulose nanofiber is combined with another material.

本発明のセルロースナノファイバー分散液は、直鎖状あるいは分岐状分子で修飾されたセルロースナノファイバーの分散液であるため、疎水性の高分子材料との複合化を容易に行うことができる分散液となる。
本発明によれば、簡便な方法で直鎖状あるいは分岐状分子で修飾されたセルロースナノファイバーの分散液を製造することができる。
本発明によれば、疎水性の高分子材料との親和性に優れ、高分子材料との複合体を容易に形成できるセルロースナノファイバー修飾体、及びこれを用いたセルロースナノファイバー複合体が提供される。
Since the cellulose nanofiber dispersion of the present invention is a dispersion of cellulose nanofibers modified with linear or branched molecules, it can be easily combined with a hydrophobic polymer material. It becomes.
According to the present invention, a dispersion of cellulose nanofibers modified with linear or branched molecules can be produced by a simple method.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cellulose nanofiber modified body which is excellent in affinity with a hydrophobic polymer material, and can form a complex with a polymer material easily, and a cellulose nanofiber composite using the same are provided. The

実施形態のセルロースナノファイバー分散液の製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the cellulose nanofiber dispersion liquid of embodiment. セルロースナノファイバーの修飾態様を示す図。The figure which shows the modification aspect of a cellulose nanofiber. 実施例のセルロースナノファイバーについてのFT−IRスペクトル。The FT-IR spectrum about the cellulose nanofiber of an Example. 図2のスペクトルの一部を拡大して示す図。The figure which expands and shows a part of spectrum of FIG. セルロースナノファイバー分散液の写真。Photo of cellulose nanofiber dispersion. セルロースナノファイバー複合フィルムの透過率測定結果を示すグラフ。The graph which shows the transmittance | permeability measurement result of a cellulose nanofiber composite film. セルロースナノファイバー複合フィルムの引張試験結果(応力歪み線図)を示すグラフ。The graph which shows the tensile test result (stress distortion diagram) of a cellulose nanofiber composite film. セルロースナノファイバー複合フィルムの引張試験結果(ヤング率)を示すグラフ。The graph which shows the tensile test result (Young's modulus) of a cellulose nanofiber composite film. セルロースナノファイバー複合フィルムの引張試験結果(降伏応力)を示すグラフ。The graph which shows the tensile test result (yield stress) of a cellulose nanofiber composite film. セルロースナノファイバー複合フィルムの引張試験結果(破壊仕事)を示すグラフ。The graph which shows the tensile test result (fracture work) of a cellulose nanofiber composite film.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本実施形態のセルロースナノファイバー分散液の製造方法を示す図である。図2は、セルロースナノファイバーの修飾態様を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for producing a cellulose nanofiber dispersion according to the present embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a modification mode of cellulose nanofibers.

本実施形態のセルロースナノファイバー分散液の製造方法は、以下の工程1A〜1Dを有する。
(1A)カルボン酸塩型の基を有するセルロースナノファイバーを水系溶媒に分散させてセルロースナノファイバー水分散液を調製する工程
(1B)セルロースナノファイバー水分散液に酸を加え、セルロースナノファイバーのカルボン酸塩型の基をカルボン酸型の基に置換する工程
(1C)カルボン酸型に置換されたセルロースナノファイバーのゲルを洗浄した後、エタノールで溶媒置換し、エタノール分散液を調製する工程
(1D)エタノールに溶媒置換されたセルロースナノファイバーのゲルを炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒で溶媒置換し、有機溶媒分散液を調製する工程
(1E)セルロースナノファイバーの有機溶媒分散液に、末端にアミノ基を有する平均分子量300以上の直鎖状あるいは分岐状分子を混合し分散させることによりセルロースナノファイバー分散液を調製する工程
The manufacturing method of the cellulose nanofiber dispersion liquid of the present embodiment includes the following steps 1A to 1D.
(1A) Step of preparing cellulose nanofiber aqueous dispersion by dispersing cellulose nanofibers having carboxylate type groups in an aqueous solvent (1B) Adding acid to cellulose nanofiber aqueous dispersion, carboxyl of cellulose nanofiber A step of substituting an acid salt type group with a carboxylic acid type group (1C) After washing the cellulose nanofiber gel substituted with a carboxylic acid type, substituting the solvent with ethanol to prepare an ethanol dispersion (1D ) The step of solvent substitution of the cellulose nanofiber gel substituted with ethanol with a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent to prepare an organic solvent dispersion (1E) Mix and disperse linear or branched molecules having an amino group and an average molecular weight of 300 or more Process for preparing cellulose nanofiber dispersion

「工程1A」
まず、工程1Aについて説明する。
工程1Aは、カルボン酸塩型の基を有するセルロースナノファイバーの水分散液を作製する工程である。上記の構成を備えたセルロースナノファイバー水分散液が得られるならば、その製造方法は特に限定されないが、本発明者らによりすでに提案されているTEMPO触媒酸化によるセルロースナノファイバーの製造方法を用いることが好ましい。
"Process 1A"
First, step 1A will be described.
Step 1A is a step of preparing an aqueous dispersion of cellulose nanofibers having a carboxylate type group. The method for producing the cellulose nanofiber aqueous dispersion having the above structure is not particularly limited, but the method for producing cellulose nanofiber by TEMPO catalytic oxidation already proposed by the present inventors is used. Is preferred.

すなわち、天然セルロースを原料とし、水系溶媒中においてTEMPO(2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル)などのN−オキシル化合物を酸化触媒とし、酸化剤を作用させることにより天然セルロースを酸化させる酸化処理工程と、酸化処理工程後の天然セルロースを媒体に分散させる分散工程とを含む製造方法によりセルロースナノファイバー水分散液を作製することが好ましい。   That is, natural cellulose is used as a raw material, an N-oxyl compound such as TEMPO (2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl) is used as an oxidation catalyst in an aqueous solvent, and an oxidizing agent is allowed to act. It is preferable to prepare a cellulose nanofiber aqueous dispersion by a production method including an oxidation treatment step of oxidizing natural cellulose by a method and a dispersion step of dispersing natural cellulose after the oxidation treatment step in a medium.

酸化処理工程では、まず、水中に天然セルロースを分散させた分散液を調製する。天然セルロースは、植物、動物、バクテリア産生ゲル等のセルロースの生合成系から単離した精製セルロースである。具体的には、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ、コットンリンターやコットンリント等の綿系パルプ、麦わらパルプや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、ホヤから単離されるセルロース、海草から単離されるセルロースなどを例示することができる。   In the oxidation treatment step, first, a dispersion in which natural cellulose is dispersed in water is prepared. Natural cellulose is purified cellulose isolated from cellulose biosynthetic systems such as plants, animals, and bacteria-producing gels. Specifically, it is isolated from softwood pulp, hardwood pulp, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood pulp such as straw pulp and bagasse pulp, bacterial cellulose, cellulose isolated from sea squirt, seaweed A cellulose etc. can be illustrated.

また、単離、精製された天然セルロースに対して、叩解等の表面積を拡大する処理を施してもよい。これにより反応効率を高めることができ、生産性を高めることができる。また、天然セルロースは、単離、精製の後、未乾燥状態で保存したものを用いることが好ましい。未乾燥状態で保存することで、ミクロフィブリルの集束体を膨潤しやすい状態に保持することができるので、反応効率を高めるとともに、繊維径の細いセルロースナノファイバーを得やすくなる。   Moreover, you may give the process which expands surface areas, such as beating, to the natural cellulose isolated and refine | purified. Thereby, reaction efficiency can be improved and productivity can be improved. In addition, it is preferable to use natural cellulose that has been stored in an undried state after isolation and purification. By storing in an undried state, it is possible to keep the microfibril bundle in an easily swellable state, so that the reaction efficiency is improved and cellulose nanofibers with a small fiber diameter are easily obtained.

酸化処理工程において、反応溶液における天然セルロースの分散媒には典型的には水が用いられる。反応溶液中の天然セルロース濃度は、試薬(酸化剤、触媒等)の十分な溶解が可能であれば特に限定されない。通常は、反応溶液の重量に対して5%程度以下の濃度とすることが好ましい。   In the oxidation treatment step, water is typically used as a dispersion medium for natural cellulose in the reaction solution. The natural cellulose concentration in the reaction solution is not particularly limited as long as the reagent (oxidant, catalyst, etc.) can be sufficiently dissolved. Usually, the concentration is preferably about 5% or less with respect to the weight of the reaction solution.

反応溶液に添加される触媒としては、N−オキシル化合物が用いられている。N−オキシル化合物としては、TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジンーN−オキシル)及びC4位に各種の官能基を有するTEMPO誘導体を用いることができる。TEMPO誘導体としては、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などを挙げることができる。特に、TEMPO及び4−アセトアミドTEMPOは、反応速度において好ましい結果が得られている。
N−オキシル化合物の添加は触媒量で十分であり、具体的には、反応溶液に対して0.1〜4mmol/Lの範囲で添加すればよい。好ましくは、0.1〜2mmol/Lの添加量範囲である。
An N-oxyl compound is used as a catalyst added to the reaction solution. As the N-oxyl compound, TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) and a TEMPO derivative having various functional groups at the C4 position can be used. Examples of the TEMPO derivative include 4-acetamido TEMPO, 4-carboxy TEMPO, 4-phosphonooxy TEMPO, and the like. In particular, TEMPO and 4-acetamido TEMPO have obtained favorable results in the reaction rate.
A catalytic amount is sufficient for the addition of the N-oxyl compound. Specifically, it may be added in a range of 0.1 to 4 mmol / L with respect to the reaction solution. Preferably, it is the addition amount range of 0.1-2 mmol / L.

さらに、酸化剤の種類によっては、N−オキシル化合物に、臭化物やヨウ化物を組み合わせた触媒成分を用いてもよい。例えば、アンモニウム塩(臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム)、臭化又はヨウ化アルカリ金属(臭化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウムなどの臭化物、ヨウ化リチウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化ナトリウムなどのヨウ化物)、臭化又はヨウ化アルカリ土類金属(臭化カルシウム、臭化マグネシウム、臭化ストロンチウム、ヨウ化カルシウム、ヨウ化マグネシウム、ヨウ化ストロンチウムなど)を用いることができる。これらの臭化物及びヨウ化物は、単独又は2種以上の組み合わせで使用することができる。   Further, depending on the type of oxidizing agent, a catalyst component in which a bromide or iodide is combined with an N-oxyl compound may be used. For example, ammonium salt (ammonium bromide, ammonium iodide), bromide or alkali metal iodide (bromide such as lithium bromide, potassium bromide, sodium bromide, lithium iodide, potassium iodide, sodium iodide, etc. Iodide), bromide or alkaline earth metal iodides (calcium bromide, magnesium bromide, strontium bromide, calcium iodide, magnesium iodide, strontium iodide, etc.) can be used. These bromides and iodides can be used alone or in combination of two or more.

酸化剤としては、次亜ハロゲン酸又はその塩(次亜塩素酸又はその塩、次亜臭素酸又はその塩、次亜ヨウ素酸又はその塩など)、亜ハロゲン酸又はその塩(亜塩素酸又はその塩、亜臭素酸又はその塩、亜ヨウ素酸又はその塩など)、過ハロゲン酸又はその塩(過塩素酸又はその塩、過ヨウ素酸又はその塩など)、ハロゲン(塩素、臭素、ヨウ素など)、ハロゲン酸化物(ClO、ClO、Cl、BrO、Brなど)、窒素酸化物(NO、NO、Nなど)、過酸(過酸化水素、過酢酸、過硫酸、過安息香酸など)が含まれる。これらの酸化剤は単独又は2種以上の組み合わせで使用することができる。また、ラッカーゼなどの酸化酵素と組み合わせて用いてもよい。酸化剤の含有量は、1〜50mmol/Lの範囲とすることが好ましい。As the oxidizing agent, hypohalous acid or a salt thereof (hypochlorous acid or a salt thereof, hypobromous acid or a salt thereof, hypoiodous acid or a salt thereof, etc.), a halogenous acid or a salt thereof (chlorous acid or a salt thereof) Salts thereof, bromous acid or salts thereof, iodic acid or salts thereof, perhalogen acids or salts thereof (perchloric acid or salts thereof, periodic acid or salts thereof), halogens (chlorine, bromine, iodine, etc.) ), Halogen oxides (ClO, ClO 2 , Cl 2 O 6 , BrO 2 , Br 3 O 7 etc.), nitrogen oxides (NO, NO 2 , N 2 O 3 etc.), peracids (hydrogen peroxide, hydrogen peroxide, Acetic acid, persulfuric acid, perbenzoic acid, etc.). These oxidizing agents can be used alone or in combination of two or more. Further, it may be used in combination with an oxidase such as laccase. The content of the oxidizing agent is preferably in the range of 1 to 50 mmol / L.

次亜ハロゲン酸塩としては、次亜塩素酸の場合に、次亜塩素酸リチウム、次亜塩素酸カリウム、次亜塩素酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩や、次亜塩素酸カルシウム、次亜塩素酸マグネシウム、次亜塩素酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属塩、次亜塩素酸アンモニウムなどを例示することができる。また、これらに対応する次亜臭素酸塩、次亜ヨウ素酸塩を用いることもできる。   As hypohalite, in the case of hypochlorous acid, alkali metal salts such as lithium hypochlorite, potassium hypochlorite, sodium hypochlorite, calcium hypochlorite, hypochlorous acid, etc. Examples include magnesium, alkaline earth metal salts such as strontium hypochlorite, and ammonium hypochlorite. Moreover, hypobromite and hypoiodite corresponding to these can also be used.

亜ハロゲン酸塩としては、例えば亜塩素酸の場合、亜塩素酸リチウム、亜塩素酸カリウム、亜塩素酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩や、亜塩素酸カルシウム、亜塩素酸マグネシウム、亜塩素酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属塩、亜塩素酸アンモニウムなどを例示することができる。また、これらに対応する亜臭素酸塩、亜ヨウ素酸塩を用いることもできる。   Examples of halous acid salts include, in the case of chlorous acid, alkali metal salts such as lithium chlorite, potassium chlorite, and sodium chlorite, calcium chlorite, magnesium chlorite, and strontium chlorite. Examples thereof include alkaline earth metal salts and ammonium chlorite. In addition, bromite and iodate corresponding to these can also be used.

過ハロゲン酸塩としては、例えば過塩素酸塩の場合、過塩素酸リチウム、過塩素酸カリウム、過塩素酸ナトリウムなどのアルカリ金属塩や、過塩素酸カルシウム、過塩素酸マグネシウム、過塩素酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属塩、過塩素酸アンモニウムなどを例示することができる。また、これらに対応する過臭素酸塩、過ヨウ素酸塩を用いることもできる。   As perhalogenates, for example, in the case of perchlorates, alkali metal salts such as lithium perchlorate, potassium perchlorate, sodium perchlorate, calcium perchlorate, magnesium perchlorate, strontium perchlorate Examples thereof include alkaline earth metal salts such as ammonium perchlorate. Moreover, perbromate and periodate corresponding to these can also be used.

本発明における好ましい酸化剤としては、次亜ハロゲン酸アルカリ金属塩、あるいは亜ハロゲン酸アルカリ金属塩を挙げることができ、次亜塩素酸アルカリ金属塩又は亜塩素酸アルカリ金属塩を用いることがより好ましい。
先に記載の触媒については、酸化剤の種類に応じて適宜選択すればよく、例えば、次亜塩素酸アルカリ金属塩を酸化剤とする場合には、N−オキシル化合物と、臭化物又はヨウ化物とを組み合わせた触媒成分を用いることが好ましく、亜塩素酸アルカリ金属塩を酸化剤とする場合には、N−オキシル化合物を単独で触媒成分として用いることが好ましい。
As a preferable oxidizing agent in the present invention, an alkali metal hypohalite or an alkali metal halite can be mentioned, and an alkali metal hypochlorite or an alkali metal chlorite is more preferably used. .
The catalyst described above may be appropriately selected according to the kind of the oxidizing agent. For example, when an alkali metal hypochlorite is used as the oxidizing agent, an N-oxyl compound, bromide or iodide, It is preferable to use a catalyst component in combination with N, and when an alkali metal chlorite is used as the oxidizing agent, it is preferable to use an N-oxyl compound alone as the catalyst component.

以下、代表的な酸化処理工程について2種類の具体例を呈示して説明する。   Hereinafter, a typical oxidation process will be described with two specific examples.

[酸化処理工程の第1の例]
酸化処理工程の第1の例では、セルロース原料を水に懸濁したものに、N−オキシル化合物(TEMPO等)及びアルカリ金属臭化物(又はアルカリ金属ヨウ化物)と、酸化剤としての次亜塩素酸ナトリウム(次亜塩素酸塩)とを添加した反応溶液を調製し、0℃〜室温(10℃〜30℃)の温度条件下、必要に応じて攪拌しながら酸化反応を進行させる。
[First example of oxidation treatment step]
In the first example of the oxidation treatment step, a cellulose raw material suspended in water, an N-oxyl compound (such as TEMPO) and an alkali metal bromide (or alkali metal iodide), and hypochlorous acid as an oxidizing agent A reaction solution to which sodium (hypochlorite) is added is prepared, and the oxidation reaction is allowed to proceed with stirring as necessary under a temperature condition of 0 ° C. to room temperature (10 ° C. to 30 ° C.).

反応終了後は、必要に応じて酸化剤(次亜塩素酸ナトリウムなど)を分解する処理を行い、その後、反応溶液のろ過と水洗洗浄を繰り返すことで、精製した繊維状TEMPO触媒酸化セルロース(以下、酸化セルロースと称する)を得る。   After the completion of the reaction, a treatment for decomposing an oxidizing agent (such as sodium hypochlorite) is performed as necessary, and then the purified fibrous TEMPO-catalyzed oxidized cellulose (hereinafter referred to as “filtered” TEMPO-catalyzed oxidized cellulose (hereinafter referred to as “filtered cellulose tempo catalyst”) , Referred to as oxidized cellulose).

第1の例の酸化処理工程では、反応の進行に伴ってカルボキシル基が生成するために反応溶液のpHが低下する。そこで、酸化反応を十分に進行させるためには、反応系をアルカリ性領域、例えばpH9〜12(好ましくは10〜11)の範囲に維持することが好ましい。反応系のpH調整は、アルカリ(水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ金属成分を含む水溶液など)を反応系に適宜添加することにより行うことができる。また第1の例の酸化処理工程では、酸化反応の進行に伴って反応溶液のpHが低下するため、pH低下の進行が認められなくなった時点を反応終点とすることができる。   In the oxidation treatment process of the first example, a carboxyl group is generated with the progress of the reaction, so that the pH of the reaction solution is lowered. Therefore, in order to sufficiently advance the oxidation reaction, it is preferable to maintain the reaction system in an alkaline region, for example, in the range of pH 9 to 12 (preferably 10 to 11). The pH of the reaction system can be adjusted by appropriately adding an alkali (such as an aqueous solution containing an alkali metal component such as an aqueous sodium hydroxide solution) to the reaction system. Moreover, in the oxidation treatment process of the first example, the pH of the reaction solution decreases with the progress of the oxidation reaction, so that the point in time when the progress of the pH decrease is not recognized can be set as the reaction end point.

なお、第1の例の酸化処理工程における反応温度は室温より高くすることもでき、高温で反応させることで反応効率を高めることができる。その一方で、次亜塩素酸ナトリウムから塩素ガスが発生しやすくなるので、高温で反応させる場合には塩素ガスの処理系を用意することが好ましい。   Note that the reaction temperature in the oxidation treatment step of the first example can be higher than room temperature, and the reaction efficiency can be increased by reacting at a high temperature. On the other hand, since chlorine gas is easily generated from sodium hypochlorite, it is preferable to prepare a chlorine gas treatment system when the reaction is performed at a high temperature.

[酸化処理工程の第2の例]
次に、酸化反応の第2の例では、セルロース原料を水に懸濁したものに、N−オキシル化合物と、酸化剤としての亜塩素酸ナトリウム(亜塩素酸塩)とを添加した反応溶液を調製し、室温〜100℃程度の温度条件下、必要に応じて攪拌しながら酸化反応を進行させる。酸化反応終了後の酸化セルロースを抽出する処理は、上述した第1の例の場合と同様である。
[Second Example of Oxidation Process]
Next, in a second example of the oxidation reaction, a reaction solution in which an N-oxyl compound and sodium chlorite (chlorite) as an oxidizing agent are added to a suspension of a cellulose raw material in water. The oxidation reaction is allowed to proceed with stirring as necessary under a temperature condition of room temperature to about 100 ° C. The process for extracting the oxidized cellulose after completion of the oxidation reaction is the same as in the case of the first example described above.

第2の例の酸化処理工程では、反応溶液のpHは中性から酸性の範囲で維持される。より具体的には、4以上7以下のpH範囲とすることが好ましい。特に、反応溶液のpHが8以上とならないように留意すべきである。これは、セルロースのC6位に一時的に生成するアルデヒド基によるベータ脱離反応が生じないようにするためである。   In the oxidation treatment process of the second example, the pH of the reaction solution is maintained in a neutral to acidic range. More specifically, a pH range of 4 to 7 is preferable. In particular, care should be taken that the pH of the reaction solution does not exceed 8. This is to prevent a beta elimination reaction due to an aldehyde group temporarily generated at the C6 position of cellulose.

さらに、反応溶液に緩衝液を添加することが好ましい。緩衝液としては、リン酸緩衝液、酢酸緩衝液、クエン酸緩衝液、ホウ酸緩衝液、酒石酸緩衝液、トリス緩衝液等、種々の緩衝液を用いることができる。
緩衝液を用いて反応中のpH変化を抑えるようにすることで、pHを維持するための酸やアルカリの連続的な添加が不要になり、またpHメーターの設置も不要になる。そして、酸やアルカリの添加が不要であることから、反応容器を密閉することができる。
Furthermore, it is preferable to add a buffer to the reaction solution. As the buffer solution, various buffer solutions such as a phosphate buffer solution, an acetate buffer solution, a citrate buffer solution, a borate buffer solution, a tartaric acid buffer solution, and a Tris buffer solution can be used.
By suppressing the pH change during the reaction using a buffer solution, it is not necessary to continuously add acid or alkali to maintain the pH, and it is not necessary to install a pH meter. And since addition of an acid or an alkali is unnecessary, a reaction container can be sealed.

第2の例では、酸化剤として、水酸基の酸化によって生成するアルデヒド基も酸化することができる酸化剤を用いる。このような酸化剤としては、亜塩素酸ナトリウムなどの亜ハロゲン酸又はその塩や、過酸化水素と酸化酵素(ラッカーゼ)の混合物、過酸(過硫酸(過硫酸水素カリウムなど)、過酢酸、過安息香酸など)を例示することができる。   In the second example, an oxidizing agent that can also oxidize an aldehyde group generated by oxidation of a hydroxyl group is used as the oxidizing agent. Examples of such oxidizing agents include halous acid such as sodium chlorite or salts thereof, a mixture of hydrogen peroxide and oxidase (laccase), peracid (persulfuric acid (such as potassium hydrogen persulfate), peracetic acid, Examples thereof include perbenzoic acid.

アルデヒド基をカルボキシル基に酸化することができる酸化剤を用いることで、C6位のアルデヒド基の生成を防ぐことができる。N−オキシル化合物を触媒とした酸化反応では、グルコース成分の1級水酸基が選択的に酸化されてアルデヒド基を含む中間体が生成する可能性がある。しかし第2の例の酸化反応では、アルデヒド基を酸化する酸化剤を含むため、この中間体のアルデヒド基は速やかに酸化されてカルボキシル基に変換される。
したがって、アルデヒド基によって引き起こされるベータ脱離反応を防止することができ、高分子量のセルロースナノファイバーを得ることができる。
By using an oxidizing agent capable of oxidizing an aldehyde group to a carboxyl group, generation of an aldehyde group at the C6 position can be prevented. In the oxidation reaction using an N-oxyl compound as a catalyst, the primary hydroxyl group of the glucose component may be selectively oxidized to produce an intermediate containing an aldehyde group. However, since the oxidation reaction of the second example includes an oxidizing agent that oxidizes an aldehyde group, the intermediate aldehyde group is rapidly oxidized and converted to a carboxyl group.
Therefore, the beta elimination reaction caused by the aldehyde group can be prevented, and high molecular weight cellulose nanofibers can be obtained.

また、上述した酸化剤を主酸化剤として用いるのを前提として、次亜ハロゲン酸又はその塩を添加することが好ましい。例えば、少量の次亜塩素酸ナトリウムを添加することで、反応速度を大きく向上させることができる。反応溶液に添加された次亜塩素酸ナトリウムは、TEMPOの酸化剤として機能し、酸化されたTEMPOがセルロースのC6位の1級水酸基を酸化してC6位にアルデヒド基を生成する。そして、生成したアルデヒド基は、主酸化剤である亜塩素酸ナトリウムによって迅速にカルボキシル基に酸化される。また、アルデヒド基の酸化の際に、亜塩素酸ナトリウムが次亜塩素酸ナトリウムに変化する。さらに、生成した次亜塩素酸ナトリウムはTEMPOの酸化剤として補充される。
このように、反応溶液に次亜塩素酸ナトリウム等を添加することで、TEMPOの酸化反応を促進することができ、反応速度を高めることができる。次亜ハロゲン酸塩等の添加量は、1mmol/L程度以下とすることが好ましい。
In addition, it is preferable to add hypohalous acid or a salt thereof on the premise that the above-described oxidizing agent is used as the main oxidizing agent. For example, the reaction rate can be greatly improved by adding a small amount of sodium hypochlorite. Sodium hypochlorite added to the reaction solution functions as an oxidizing agent for TEMPO, and the oxidized TEMPO oxidizes the primary hydroxyl group at the C6 position of cellulose to produce an aldehyde group at the C6 position. And the produced | generated aldehyde group is rapidly oxidized to a carboxyl group by the sodium chlorite which is a main oxidizing agent. Further, during the oxidation of the aldehyde group, sodium chlorite changes to sodium hypochlorite. Furthermore, the produced sodium hypochlorite is supplemented as an oxidizing agent for TEMPO.
Thus, by adding sodium hypochlorite or the like to the reaction solution, the oxidation reaction of TEMPO can be promoted and the reaction rate can be increased. The amount of hypohalite added is preferably about 1 mmol / L or less.

以上のような酸化処理工程を経て、図2(a)に示すようにセルロース主鎖10にカルボン酸ナトリウム塩が結合した酸化セルロース10Aを得ることができる。図1では、酸化セルロースを符号Pで示している。   Through the oxidation treatment step as described above, oxidized cellulose 10A in which sodium carboxylate is bonded to cellulose main chain 10 as shown in FIG. 2A can be obtained. In FIG. 1, oxidized cellulose is indicated by a symbol P.

[分散工程]
次に、分散工程では、酸化処理工程で得られた酸化セルロース又は精製工程を経た酸化セルロースを、媒体中に分散させる。
分散に用いる媒体(分散媒)としては、水系溶媒が用いられる。本実施形態における水系溶媒は、不可避的に混入する成分を除いて水のみである溶媒、若しくは20重量%未満の水と相溶性のアルコール等の有機溶媒と水との混合溶媒である。上記分散媒としては、典型的には、水が用いられる。図1では水を符号Wで示している。
[Dispersion process]
Next, in the dispersion step, the oxidized cellulose obtained in the oxidation treatment step or the oxidized cellulose that has undergone the purification step is dispersed in the medium.
As a medium (dispersion medium) used for dispersion, an aqueous solvent is used. The aqueous solvent in the present embodiment is a solvent that is only water except for components that are inevitably mixed, or a mixed solvent of water and an organic solvent such as an alcohol compatible with less than 20% by weight of water. Typically, water is used as the dispersion medium. In FIG. 1, water is indicated by a symbol W.

分散工程により、セルロースナノファイバーが媒体に分散されたセルロースナノファイバー分散液が得られる。図では、水系溶媒にセルロースナノファイバーが分散した分散液を符号D1で示している。工程1Aで作製されるセルロースナノファイバー水分散液は、セルロースの一部のC6位の1級水酸基がカルボン酸ナトリウム塩(カルボキシル基のナトリウム塩)に酸化されたセルロースナノファイバーが水系溶媒中に均一に分散されたものである。   A cellulose nanofiber dispersion liquid in which cellulose nanofibers are dispersed in a medium is obtained by the dispersion step. In the figure, a dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in an aqueous solvent is indicated by a symbol D1. In the cellulose nanofiber aqueous dispersion prepared in Step 1A, cellulose nanofibers in which a part of the C6-primary hydroxyl group of cellulose is oxidized to sodium carboxylate (sodium salt of carboxyl group) are uniformly in an aqueous solvent. Are distributed.

本実施形態の場合、セルロースナノファイバー水分散液の濃度は、0.05重量%以上2重量%以下の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは0.1重量%以上0.5重量%以下である。   In the case of the present embodiment, the concentration of the cellulose nanofiber aqueous dispersion is preferably in the range of 0.05% by weight to 2% by weight. More preferably, it is 0.1 weight% or more and 0.5 weight% or less.

このような範囲とすることで、後段の工程1Bにおける酸処理を効率的に行うことができる。例えば、0.05重量%未満となると、セルロールナノファイバーの処理量が少なく作業効率が低下する。また、2重量%より高い濃度とすると、工程1Bの酸処理において、早期にゲル化が生じてしまい、生じたゲルの内部に未処理のセルロースナノファイバーを包含してしまうおそれがあるからである。   By setting it as such a range, the acid treatment in latter process 1B can be performed efficiently. For example, when the amount is less than 0.05% by weight, the processing amount of cellulose nanofiber is small and the working efficiency is lowered. In addition, if the concentration is higher than 2% by weight, gelation occurs early in the acid treatment of Step 1B, and untreated cellulose nanofibers may be included in the gel that is produced. .

分散工程において用いる分散装置(解繊装置)としては、種々のものを使用することができる。例えば、家庭用ミキサー、超音波分散機、超音波ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、二軸混練り装置、石臼等の解繊装置を用いることができる。これらのほかにも、家庭用や工業生産用に汎用的に用いられる解繊装置で容易にセルロースナノファイバーの分散液を得られる。また、各種ホモジナイザーや各種レファイナーのような強力で叩解能力のある解繊装置を用いると、より効率的に繊維径の細いセルロースナノファイバーが得られる。   Various devices can be used as a dispersion device (defibration device) used in the dispersion step. For example, a household mixer, an ultrasonic disperser, an ultrasonic homogenizer, a high-pressure homogenizer, a biaxial kneading device, a defibrating device such as a stone mortar can be used. In addition to these, a dispersion of cellulose nanofibers can be easily obtained with a defibrating apparatus generally used for household use or industrial production. In addition, if a defibrating apparatus having a strong and beating ability such as various homogenizers and various refiners is used, cellulose nanofibers having a small fiber diameter can be obtained more efficiently.

「工程1B」
次に、工程1Bでは、セルロースナノファイバーに含まれるナトリウムを水素に置換し、カルボン酸型の基(−COOH基)とする。
表面にカルボン酸ナトリウム塩を有するセルロースナノファイバーは、水中ではカルボン酸がイオン化し、カルボン酸イオン同士の荷電反発力によりセルロースナノファイバーを良好に分散させることができる。しかし、一般に有機溶媒は、水よりも極性が小さいものが多いため、有機溶媒中では上記のイオン化の程度が低い場合があり、セルロースナノファイバー同士が凝集してゲル化しやすい。
"Process 1B"
Next, in Step 1B, sodium contained in the cellulose nanofiber is replaced with hydrogen to form a carboxylic acid type group (—COOH group).
Cellulose nanofibers having a carboxylic acid sodium salt on the surface can ionize the carboxylic acid in water and disperse the cellulose nanofibers well by the charge repulsion between the carboxylic acid ions. However, since organic solvents generally have a smaller polarity than water, the degree of ionization described above may be low in organic solvents, and cellulose nanofibers tend to aggregate and gel.

そこで、本発明においては、カルボン酸塩型の基の対イオンを疎水性を発現しやすい直鎖状分子又は分岐状分子(分岐鎖状分子)と交換することにより、PETやPLAなどの疎水性の高分子材料との親和性を高めることとした。   Therefore, in the present invention, by replacing the counter ion of the carboxylate type group with a linear molecule or a branched molecule (branched molecule) that easily develops hydrophobicity, hydrophobicity such as PET and PLA is obtained. It was decided to increase the affinity with other polymer materials.

工程1Bにおいては、直鎖状あるいは分岐状分子と交換する処理の前処理として、カルボン酸塩型の基のナトリウムを水素に置換してカルボン酸型の基とするセルロースナノファイバーの改質を行い、直鎖状あるいは分岐状分子との交換が容易な構造に変換している。   In Step 1B, as a pretreatment for the treatment for exchanging with a linear or branched molecule, cellulose nanofibers having a carboxylic acid type group are modified by replacing sodium of the carboxylate type group with hydrogen. The structure is converted into a structure that can be easily exchanged with a linear or branched molecule.

本実施形態の場合、セルロースナノファイバーに含まれるカルボン酸ナトリウム塩をカルボン酸型の基に置換するので、所望の置換率となるようにセルロースナノファイバーを酸性溶液(酸を加えた分散液)に保持する時間を管理する。図1では、酸性溶液を符号Waで示している。   In the case of this embodiment, the carboxylic acid sodium salt contained in the cellulose nanofibers is substituted with a carboxylic acid type group, so that the cellulose nanofibers are converted into an acidic solution (dispersed liquid with an acid) so as to obtain a desired substitution rate. Manage the retention time. In FIG. 1, the acidic solution is indicated by the symbol Wa.

保持時間は、加えた酸の種類や酸性溶液のpH、セルロースナノファイバーの含有量などに応じて設定する。酸性溶液のpHが一定であれば、カルボン酸型の基への置換率は、保持時間を長くするほど高くなり、保持時間の変化に対して単調に変化するので、保持時間によって管理するのが簡便である。
なお、処理後のセルロースナノファイバーにおけるカルボン酸塩型の基(カルボン酸ナトリウム塩)とカルボン酸型の基との比率は、FT−IR等の分析装置を用いて測定することができる。
The holding time is set according to the type of acid added, the pH of the acidic solution, the content of cellulose nanofibers, and the like. If the pH of the acidic solution is constant, the substitution rate to the carboxylic acid type group becomes higher as the retention time is increased, and changes monotonously with the change in the retention time. Convenient.
In addition, the ratio of the carboxylate type group (carboxylic acid sodium salt) and the carboxylic acid type group in the cellulose nanofiber after the treatment can be measured using an analyzer such as FT-IR.

工程1Bでは、セルロースナノファイバー水分散液を酸性に維持できればよいため、酸の種類は特に限定されず、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、酢酸、過酸化水素などの無機酸、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、アジピン酸、セバシン酸、セバシン酸ソーダ、ステアリン酸、マレイン酸、コハク酸、酒石酸、フマール酸、グルコン酸などの有機酸のいずれであっても用いることができる。酸によるセルロースナノファイバーの変質や損傷を回避でき、廃液処理の容易さなどの観点から、塩酸を用いることが好ましい。   In step 1B, since the cellulose nanofiber aqueous dispersion may be maintained acidic, the type of acid is not particularly limited, and inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, hydrogen peroxide, citric acid, apple Any organic acid such as acid, lactic acid, adipic acid, sebacic acid, sodium sebacate, stearic acid, maleic acid, succinic acid, tartaric acid, fumaric acid and gluconic acid can be used. It is preferable to use hydrochloric acid from the viewpoint of avoiding alteration and damage of the cellulose nanofibers due to acid and facilitating waste liquid treatment.

セルロースナノファイバー水分散液に酸を加えて酸性溶液にすると、セルロースナノファイバーの分散性に寄与しているカルボン酸イオンが塩基となって水素を受け取り、カルボン酸型の基となる。これにより、図2(b)に示すカルボン酸型の基を有する酸化セルロース10Bが形成される。この酸化セルロース10Bではカルボン酸イオン同士の荷電反発力が失われ、セルロースナノファイバーが凝集してゲル化する。図1では、生じるゲルを符号Gで示している。   When an acid is added to the cellulose nanofiber aqueous dispersion to form an acidic solution, the carboxylate ion contributing to the dispersibility of the cellulose nanofibers becomes a base and receives hydrogen to form a carboxylic acid type group. Thereby, the oxidized cellulose 10B having the carboxylic acid type group shown in FIG. 2B is formed. In this oxidized cellulose 10B, the charge repulsion between carboxylic acid ions is lost, and the cellulose nanofibers aggregate and gel. In FIG. 1, the resulting gel is indicated by the symbol G.

次に、セルロースナノファイバーのゲルを回収する。
まず、所定の置換率が得られる時間が経過した時点でゲル化させたセルロースナノファイバーを遠心分離により回収した後、酸(例えば1M塩酸)で洗浄する。その後、回収したセルロースナノファイバーを蒸留水で洗浄する。
Next, the cellulose nanofiber gel is collected.
First, after the time for obtaining a predetermined substitution rate has elapsed, the gelatinized cellulose nanofibers are collected by centrifugation and then washed with an acid (for example, 1M hydrochloric acid). Thereafter, the recovered cellulose nanofibers are washed with distilled water.

「工程1C」
次に、工程1Cでは、セルロースナノファイバーをエタノールで溶媒置換する。
具体的には、工程1Bで得られた水洗浄後のセルロースナノファイバーを、0.1〜1%(g/mL)程度の濃度でエタノールに分散させる工程と、エタノール中でゲル化したセルロースナノファイバーを遠心分離により回収する工程とを、セルロースナノファイバーに含まれる水がエタノールに置換されるまで、数回(2〜10回程度)繰り返す。図では、エタノールにセルロースナノファイバーが分散した分散液を、符号D2で示している。分散液D2は、セルロースナノファイバーの細かいゲルがエタノール中に浮遊した分散液となる。
"Process 1C"
Next, in Step 1C, the cellulose nanofibers are solvent-substituted with ethanol.
Specifically, the cellulose nanofibers after washing with water obtained in step 1B are dispersed in ethanol at a concentration of about 0.1 to 1% (g / mL), and the cellulose nanogel that is gelled in ethanol The step of collecting the fiber by centrifugation is repeated several times (about 2 to 10 times) until the water contained in the cellulose nanofiber is replaced with ethanol. In the figure, a dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in ethanol is indicated by reference numeral D2. The dispersion D2 is a dispersion in which a fine gel of cellulose nanofibers is suspended in ethanol.

なお、工程1Cは必要に応じて実施すればよい。すなわち、後段の工程1Dで用いる炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒による直接の溶媒置換が可能である場合には、工程1Cを省略してもよい。   Step 1C may be performed as necessary. That is, if direct solvent replacement with a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent used in the subsequent step 1D is possible, step 1C may be omitted.

「工程1D」
次に、工程1Dでは、セルロースナノファイバーを炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒で溶媒置換する。置換する有機溶媒は、作製するセルロースナノファイバー分散液の用途に応じて選択すればよい。例えば、セルロースナノファイバーと樹脂材料とを複合化する用途に用いる場合には、複合化される樹脂材料を溶解させる有機溶媒を選択する。なお、炭化水素系又はエーテル系以外の有機溶媒であっても、セルロースナノファイバーのナノ分散が可能であれば使用可能である。例えば、アセトニトリルやメチルエチルケトンなどであってもよい。
"Process 1D"
Next, in Step 1D, the cellulose nanofibers are solvent-substituted with a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent. What is necessary is just to select the organic solvent to substitute according to the use of the cellulose nanofiber dispersion liquid to produce. For example, when using for the use which combines cellulose nanofiber and a resin material, the organic solvent which dissolves the resin material to be combined is selected. In addition, even if it is organic solvents other than a hydrocarbon type or an ether type, if the nano dispersion of a cellulose nanofiber is possible, it can be used. For example, acetonitrile or methyl ethyl ketone may be used.

炭化水素系の有機溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、n−ヘキサン、n−オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン、四塩化炭素、フルオロトリクロロメタン、トリクロロトリフルオロメタン、ヘキサフルオロベンゼンなどが挙げられる。   Hydrocarbon organic solvents include benzene, toluene, xylene, n-hexane, n-octane, cyclohexane, methylcyclohexane, dichloromethane, dichloroethane, chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, fluorotrichloromethane, trichlorotrifluoromethane, hexa Examples include fluorobenzene.

エーテル系の有機溶媒としては、テトラヒドロフラン(THF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、シクロペンチルメチルエーテル(CPME)、メチルターシャリーブチルエーテル(MTBE)、1,4−ジオキサン、メチルセロソルブ(2−メトキシエタノール)などが挙げられる。   Examples of ether organic solvents include tetrahydrofuran (THF), 1,2-dimethoxyethane (DME), cyclopentyl methyl ether (CPME), methyl tertiary butyl ether (MTBE), 1,4-dioxane, methyl cellosolve (2-methoxy). Ethanol) and the like.

工程1Dでは、工程1Cで得られたエタノール置換後のセルロースナノファイバーを、0.1〜1%(g/mL)程度の濃度で上記の有機溶媒に分散させる工程と、有機溶媒中でゲル化したセルロースナノファイバーを遠心分離により回収する工程とを、セルロースナノファイバーに含まれるエタノールが上記の有機溶媒に置換されるまで、数回(2〜10回程度)繰り返す。図では、有機溶媒にセルロースナノファイバーが分散した分散液を、符号D3で示している。分散液D3は、セルロースナノファイバーの細かいゲルが有機溶媒中に浮遊した分散液となる。   In Step 1D, the cellulose nanofibers after ethanol substitution obtained in Step 1C are dispersed in the organic solvent at a concentration of about 0.1 to 1% (g / mL), and gelled in the organic solvent. The step of collecting the cellulose nanofibers by centrifugation is repeated several times (about 2 to 10 times) until the ethanol contained in the cellulose nanofibers is replaced with the organic solvent. In the figure, a dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in an organic solvent is indicated by a symbol D3. The dispersion D3 is a dispersion in which a fine gel of cellulose nanofibers is suspended in an organic solvent.

「工程1E」
次に、工程1Eでは、工程1Dで得られたセルロースナノファイバーの有機溶媒分散液に、末端にアミノ基を有する平均分子量300以上の直鎖状あるいは分岐状分子を混合し分散させることにより、セルロースナノファイバーを再分散させる。
"Process 1E"
Next, in Step 1E, the cellulose nanofiber organic solvent dispersion obtained in Step 1D is mixed with a linear or branched molecule having an amino group at the terminal and having an average molecular weight of 300 or more to disperse the cellulose. Redisperse the nanofibers.

工程1Eで用いられる直鎖状あるいは分岐状分子は、例えばポリエチレングリコールなどの分子量の大きい直鎖状分子であり、このポリエチレングリコールに対して、セルロースナノファイバーのカルボキシル基と反応して塩を形成することができるアミノ基が結合している。直鎖状あるいは分岐状分子を含むアミンの添加量は、アミンの種類に応じて適宜変更すればよいが、例えば、セルロースナノファイバーが有するカルボキシル基量に対して、当量から10倍量の範囲である。   The linear or branched molecule used in Step 1E is a linear molecule having a large molecular weight, such as polyethylene glycol, and reacts with the carboxyl group of cellulose nanofiber to form a salt with respect to this polyethylene glycol. An amino group that can be attached. The addition amount of the amine containing a linear or branched molecule may be appropriately changed according to the kind of the amine. For example, the addition amount is in the range of equivalent to 10 times the amount of carboxyl groups of the cellulose nanofiber. is there.

工程1Eで用いる直鎖状あるいは分岐状分子としては、分岐型および直鎖状型カチオン性ポリアクリルアミド、カチオン性ポリアクリルアミド−ポリエチレングリコール共重合体、末端にアミノ基を有するポリプロピレンポリエチレングリコール共重合体などを用いてもよい。   Examples of the linear or branched molecule used in Step 1E include branched and linear cationic polyacrylamide, cationic polyacrylamide-polyethylene glycol copolymer, and polypropylene polyethylene glycol copolymer having an amino group at the terminal. May be used.

本実施形態において、直鎖状あるいは分岐状分子は平均分子量(重量平均分子量)が300以上のものが用いられ、平均分子量が500以上の直鎖状あるいは分岐状分子を用いることがより好ましく、さらに好ましくは上記平均分子量は1000以上である。このように分子量の大きい直鎖状分子を用いてセルロースナノファイバーを修飾することで、元々親水性であるセルロースナノファイバーの表面が疎水性(あるいは両親媒性)の直鎖状あるいは分岐状分子で被覆される。これにより、PETやPLAなどの疎水性の高分子材料と混合したときに、疎水性の高分子材料に対して親水性のセルロース主鎖部分が露出しにくくなり、セルロースナノファイバーの凝集が防止される。
なお、直鎖状あるいは分岐状分子の分子量が大きいほど、セルロースナノファイバーの表面から外側へ延びる直鎖状あるいは分岐状分子が長くなるため、セルロース主鎖部分の親水性がより発現しにくくなり、疎水性高分子中での分散性を高めることができる。
In the present embodiment, the linear or branched molecule has an average molecular weight (weight average molecular weight) of 300 or more, more preferably a linear or branched molecule having an average molecular weight of 500 or more. Preferably, the average molecular weight is 1000 or more. By modifying cellulose nanofibers using linear molecules with a large molecular weight in this way, the surface of cellulose nanofibers that are originally hydrophilic are hydrophobic (or amphiphilic) linear or branched molecules. Covered. As a result, when mixed with a hydrophobic polymer material such as PET or PLA, the hydrophilic cellulose main chain portion is less likely to be exposed to the hydrophobic polymer material, and aggregation of cellulose nanofibers is prevented. The
In addition, since the linear or branched molecule extending from the surface of the cellulose nanofiber to the outside becomes longer as the molecular weight of the linear or branched molecule is larger, the hydrophilicity of the cellulose main chain part is more difficult to express, Dispersibility in a hydrophobic polymer can be increased.

上記のアミンを添加した後、機械的な解繊処理を施すことにより、カルボキシル基及びアミノ基を介して結合された直鎖状あるいは分岐状分子により修飾されたセルロースナノファイバーを、1本1本が分離した状態で分散させた分散液を得ることができる。
本工程で用いる解繊装置としては、工程1Aの分散工程で例示したものを用いることができる。
After adding the above-mentioned amines, each fiber nanofiber modified by a linear or branched molecule bonded through a carboxyl group and an amino group is subjected to mechanical defibration treatment one by one It is possible to obtain a dispersion liquid dispersed in a separated state.
As the defibrating apparatus used in this step, the one exemplified in the dispersion step of step 1A can be used.

以上の工程1A〜1Eにより、例えばポリエチレングリコールアミンで修飾されたセルロースナノファイバーを炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒に分散させてなるセルロースナノファイバー分散液を作製することができる。得られるセルロースナノファイバー分散液は、1本1本のセルロースナノファイバーが有機溶媒中に均一に分散された透明な懸濁液である。
図1では、得られる有機溶媒分散液を符号D4で示している。図2(c)は、ポリエチレングリコールアミンで修飾されたセルロースナノファイバー修飾体10Eを示す図である。図2(c)に示す「PEG」は、ポリエチレングリコールを指す。
By the steps 1A to 1E described above, for example, a cellulose nanofiber dispersion liquid in which cellulose nanofibers modified with polyethylene glycolamine are dispersed in a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent can be produced. The resulting cellulose nanofiber dispersion is a transparent suspension in which each cellulose nanofiber is uniformly dispersed in an organic solvent.
In FIG. 1, the obtained organic solvent dispersion is indicated by reference numeral D4. FIG.2 (c) is a figure which shows the cellulose nanofiber modification 10E modified with polyethyleneglycolamine. “PEG” shown in FIG. 2C indicates polyethylene glycol.

なお、本実施形態では、炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒で溶媒置換した(工程1D)後に、ポリエチレングリコールアミンを添加して再分散させる(工程1E)こととしたが、この工程順には限定されない。例えば、ポリエチレングリコールアミンを添加してセルロースナノファイバーの修飾を行った後、得られたセルロースナノファイバー修飾体を炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒に分散させてもよい。   In this embodiment, after solvent substitution with a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent (step 1D), polyethylene glycolamine is added and redispersed (step 1E). However, the order of the steps is limited. Not. For example, after modification of cellulose nanofiber by adding polyethylene glycolamine, the obtained modified cellulose nanofiber may be dispersed in a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent.

また、本実施形態では、セルロースナノファイバーのゲルを順次溶媒置換して目的の有機溶媒(クロロホルム、THFなど)に分散させた分散液を得ることとしたが、カルボン酸型の基を有するセルロースナノファイバーを乾燥させたものを炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒に直接分散させてもよい。   In the present embodiment, the cellulose nanofiber gel is sequentially solvent-substituted to obtain a dispersion liquid in which the cellulose nanofiber gel is dispersed in the target organic solvent (chloroform, THF, etc.). The dried fiber may be directly dispersed in a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent.

なお、ナノファイバー成形体は、例えば次のようにして製造することができる。ナノファイバー成形体の材料としては、上記の製造方法により得られるセルロースナノファイバー分散液を用いる。このときの分散液の粘度は10mPa・s以上5000mPa・s以下である。そして、ガラス板等の基板上に、セルロースナノファイバー分散液を流延塗布した後、自然乾燥、送風乾燥、真空乾燥等の乾燥法により分散液を乾燥させて膜を形成する。その後、基板から膜を剥がしてナノファイバー成形体を得る(キャスト法)。   In addition, a nanofiber molded object can be manufactured as follows, for example. As a material of the nanofiber molded body, a cellulose nanofiber dispersion obtained by the above production method is used. The viscosity of the dispersion at this time is 10 mPa · s or more and 5000 mPa · s or less. And after apply | coating the cellulose nanofiber dispersion liquid on substrates, such as a glass plate, the dispersion liquid is dried with drying methods, such as natural drying, ventilation drying, and vacuum drying, and a film | membrane is formed. Thereafter, the film is peeled off from the substrate to obtain a nanofiber molded body (cast method).

あるいは、他の成形器上にセルロースナノファイバー分散液を用いてナノファイバー層を形成してもよい。この場合、成形器の表面に塗布法、噴霧法、浸漬法等の公知の方法により、好ましくは塗布法又は噴霧法によりセルロースナノファイバー分散液を付着させ、これを乾燥固化させてナノファイバー層を形成する。
さらには、膜状に形成したナノファイバー成形体を、他の成形物の表面に貼り合わせる方法も採用することができる。貼り合わせる方法としては、接着剤を用いた方法や熱融着法などが採用できる。
Or you may form a nanofiber layer on another shaping | molding device using a cellulose nanofiber dispersion liquid. In this case, the cellulose nanofiber dispersion is attached to the surface of the molding machine by a known method such as a coating method, spraying method, dipping method, preferably by a coating method or spraying method, and this is dried and solidified to form a nanofiber layer. Form.
Furthermore, it is also possible to employ a method in which a nanofiber molded body formed in a film shape is bonded to the surface of another molded product. As a bonding method, a method using an adhesive, a heat sealing method, or the like can be employed.

上記の成形器としては、所望の形状及び大きさを有するフィルム、シート、織布、不織布等の箔状物、各種の形状及び大きさの箱やボトル等の立体容器等を用いることができる。これらの成形器は、紙、板紙、プラスチック、金属、及びこれらの複合体などからなるものを使用することができる。これらのうちでも、紙、板紙等の植物由来材料、生分解性プラスチック等の生分解性材料、又はバイオマス由来材料を用いることが好ましい。成形器は同一又は異なる材料を組み合わせた多層構造としてもよい。   As said shaping | molding machine, foil-like objects, such as a film, a sheet | seat, a woven fabric, a nonwoven fabric, etc. which have a desired shape and a magnitude | size, solid containers, such as a box and a bottle of various shapes and a magnitude | size, etc. can be used. These molding machines may be made of paper, paperboard, plastic, metal, and composites thereof. Among these, it is preferable to use plant-derived materials such as paper and paperboard, biodegradable materials such as biodegradable plastics, or biomass-derived materials. The molding device may have a multilayer structure in which the same or different materials are combined.

また、セルロースナノファイバーと他の材料との複合化を行う場合に、有機溶媒にのみ溶解ないし分散させることができる材料との複合化も容易に実施することができるため、広範な材料との複合化による繊維やフィルムへの成形に用いることができる。
例えば、ポリビニルアルコールやナイロン(登録商標)、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリ乳酸などの合成高分子は有機溶媒に溶解させて紡糸(溶液紡糸)あるいはフィルムに成形できる。この点、本実施形態のセルロースナノファイバー分散液は、有機溶媒中にセルロースナノファイバーが分散されているため、これらの合成高分子の材料と混合して用いることで、容易に合成高分子とセルロースナノファイバーとが複合化された繊維状成形物あるいはフィルム状成形物を得ることができる。
また、有機溶媒中でモノマーと、ナノ分散したセルロースナノファイバーと、を混合させ、モノマーを重合させて高分子を合成することで、セルロースナノファイバーと合成高分子の複合体を形成することも可能である。
In addition, when compounding cellulose nanofibers with other materials, it can be easily compounded with materials that can only be dissolved or dispersed in organic solvents, so it can be combined with a wide range of materials. It can be used for forming into a fiber or a film.
For example, synthetic polymers such as polyvinyl alcohol, nylon (registered trademark), polypropylene, polyethylene terephthalate, polyester, and polylactic acid can be dissolved in an organic solvent to be spun (solution spinning) or formed into a film. In this regard, since the cellulose nanofiber dispersion liquid of the present embodiment has cellulose nanofibers dispersed in an organic solvent, it can be easily mixed with these synthetic polymer materials, so that the synthetic polymer and cellulose can be easily used. A fibrous molded product or a film-shaped molded product in which nanofibers are combined can be obtained.
It is also possible to form a composite of cellulose nanofibers and synthetic polymers by mixing monomers and nanodispersed cellulose nanofibers in an organic solvent and polymerizing the monomers to synthesize polymers. It is.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(第1実施例)
本実施例では、上記実施形態の製造方法を用いてセルロースナノファイバー分散液を作製した。
まず、乾燥重量で1g相当分の針葉樹漂白クラフトパルプ、10mmolの次亜塩素酸ナトリウム、0.1g(1mmol)の臭化ナトリウム、0.16g(1mmol)のTEMPOを100mLの水に分散させ、室温で4時間穏やかに攪拌し、蒸留水で洗浄・水洗することで、TEMPO触媒酸化パルプ(酸化セルロース)を得た。
その後、未乾燥のTEMPO触媒酸化パルプに蒸留水を加え、固形分濃度0.1%の水懸濁液を調製した。そして、懸濁液に、家庭用ミキサーで1分間、超音波処理で2分間の解繊処理を施すことで、セルロースナノファイバー水分散液とした。その後、セルロースナノファイバー水分散液から、遠心分離(12000g)により未解繊成分を取り除いた。
以上により、透明な液体である濃度0.1%のセルロースナノファイバー水分散液を得た(工程1A)。
(First embodiment)
In this example, a cellulose nanofiber dispersion was prepared using the manufacturing method of the above embodiment.
First, softwood bleached kraft pulp equivalent to 1 g by dry weight, 10 mmol sodium hypochlorite, 0.1 g (1 mmol) sodium bromide, 0.16 g (1 mmol) TEMPO were dispersed in 100 mL water, The mixture was gently stirred for 4 hours, washed with distilled water and washed with water to obtain a TEMPO-catalyzed oxidized pulp (oxidized cellulose).
Thereafter, distilled water was added to the undried TEMPO catalyst oxidized pulp to prepare an aqueous suspension having a solid concentration of 0.1%. Then, the suspension was subjected to a fibrillation treatment for 1 minute with a home mixer and 2 minutes with ultrasonic treatment to obtain a cellulose nanofiber aqueous dispersion. Thereafter, undefibrated components were removed from the cellulose nanofiber aqueous dispersion by centrifugation (12000 g).
Thus, a cellulose nanofiber aqueous dispersion having a concentration of 0.1%, which is a transparent liquid, was obtained (Step 1A).

次に、セルロースナノファイバー水分散液100mLに対して、1M塩酸を加えpHを1に調節し、1mLを攪拌しながら加えた後、60分間攪拌を継続した(工程1B)。その後、ゲル化したセルロースナノファイバーを遠心分離(12000g)により回収した後、1M塩酸にて回収したセルロースナノファイバーのゲルを洗浄し、その後蒸留水で洗浄した。以上の工程により、セルロース表面のカルボキシル基は、90%以上がカルボン酸型に置換されていた。   Next, 1 M hydrochloric acid was added to 100 mL of the cellulose nanofiber aqueous dispersion to adjust the pH to 1, 1 mL was added with stirring, and stirring was continued for 60 minutes (step 1B). Then, after the gelatinized cellulose nanofibers were collected by centrifugation (12000 g), the cellulose nanofiber gel collected with 1M hydrochloric acid was washed, and then washed with distilled water. Through the above steps, 90% or more of the carboxyl groups on the cellulose surface were substituted with carboxylic acid type.

次に、回収したセルロースナノファイバーのゲルにエタノールを加えてゲル分散液(濃度0.1%(g/mL)程度)とし、続いて遠心分離(12000g)により回収する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをエタノールで溶媒置換した(工程1C)。   Next, ethanol is added to the collected cellulose nanofiber gel to obtain a gel dispersion (concentration of about 0.1% (g / mL)), and then the step of collecting by centrifugation (12000 g) is repeated five times. The cellulose nanofiber was solvent-substituted with ethanol (Step 1C).

次に、エタノールで溶媒置換したセルロースナノファイバーのゲルにクロロホルムを加えてゲル分散液(濃度0.1%(g/mL)程度)とし、続いて遠心分離(12000g)により回収する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをクロロホルムで溶媒置換した(工程1D)。   Next, chloroform is added to the gel of cellulose nanofibers solvent-substituted with ethanol to obtain a gel dispersion (concentration of about 0.1% (g / mL)), and then recovered by centrifugation (12000 g) five times. By repeating, the solvent substitution of the cellulose nanofiber was carried out with chloroform (process 1D).

次に、セルロースナノファイバーのクロロホルム分散液(0.1%(g/mL))に、セルロースナノファイバーのカルボキシル基と等モル量のポリエチレングリコールアミン(分子量2000)を添加した。その後、3分間の超音波処理を施すことで、第1実施例のセルロースナノファイバー分散液を作製した(工程1E)。   Next, polyethylene glycol amine (molecular weight 2000) in an equimolar amount with respect to the carboxyl group of the cellulose nanofiber was added to the chloroform dispersion of cellulose nanofiber (0.1% (g / mL)). Then, the cellulose nanofiber dispersion liquid of 1st Example was produced by performing the ultrasonic treatment for 3 minutes (process 1E).

(第2実施例)
工程1Dにおいて、有機溶媒としてテトラヒドロフランを用いた以外は、第1実施例と同様にして第2実施例のセルロースナノファイバー分散液を作製した。
(Second embodiment)
In Step 1D, a cellulose nanofiber dispersion of Example 2 was prepared in the same manner as Example 1 except that tetrahydrofuran was used as the organic solvent.

(第3実施例)
工程1Dにおいて、有機溶媒としてトルエンを用いた以外は、第1実施例と同様にして第3実施例のセルロースナノファイバー分散液を作製した。
(Third embodiment)
In Step 1D, a cellulose nanofiber dispersion of Example 3 was prepared in the same manner as Example 1 except that toluene was used as the organic solvent.

図3は、第1〜第3実施例のセルロースナノファイバーについてのFT−IRスペクトルである。図4は、図2のスペクトルの一部を拡大して示す図である。
図3及び図4において、「オリジナルTOCN」と示されたサンプルは、工程1Aで作製されるカルボン酸塩型の基を有するセルロースナノファイバーである。また「PEG−NH」と示されたサンプルは、ポリエチレングリコールアミンである。
FIG. 3 is an FT-IR spectrum for the cellulose nanofibers of the first to third examples. FIG. 4 is an enlarged view showing a part of the spectrum of FIG.
3 and 4, the sample indicated as “original TOCN” is a cellulose nanofiber having a carboxylate type group prepared in Step 1A. The sample indicated as “PEG-NH 2 ” is polyethylene glycol amine.

図4に示すように、各実施例のセルロースナノファイバーをFT−IRで分析したところ、カルボキシル基の振動吸収が消失し、ポリエチレングリコールアミンに由来すると思われる明確なアミン塩のピークが現れたことから、セルロース表面のカルボキシル基は、全量がカルボン酸アミン塩となっていることが分かった。   As shown in FIG. 4, when the cellulose nanofibers of each Example were analyzed by FT-IR, the vibration absorption of the carboxyl group disappeared, and a clear amine salt peak that appeared to be derived from polyethylene glycolamine appeared. From the results, it was found that the total amount of carboxyl groups on the cellulose surface was a carboxylic acid amine salt.

図5は、工程1Aで得られるカルボン酸塩型の基を有するセルロースナノファイバーの分散液と、第1〜第3実施例のセルロースナノファイバー分散液の写真である。図5(a)の写真に示されるように、分散液はいずれも透明な懸濁液であった。また図5(b)に示すように、いずれの分散液も複屈折性を示すものであることが確かめられ、セルロースナノファイバーがナノ分散していることが分かった。   FIG. 5 is a photograph of the dispersion of cellulose nanofibers having carboxylate-type groups obtained in step 1A and the cellulose nanofiber dispersions of the first to third examples. As shown in the photograph of FIG. 5A, all of the dispersions were transparent suspensions. Moreover, as shown in FIG.5 (b), it was confirmed that all the dispersion liquids show birefringence, and it turned out that the cellulose nanofiber is nanodispersed.

(比較例)
工程1Eにおいて、ドデシルアミン(C1225NH)、及びステアリルアミン(C1837NH)を用いた以外は、第1実施例と同様にして比較例のセルロースナノファイバー分散液を2種類作製した。得られたセルロースナノファイバーは、いずれも表面のカルボキシル基のほぼ全てにアルキルアミン塩がイオン結合で導入されていることが確認された(FT−IR測定)。しかし、これらのセルロースナノファイバーは、クロロホルムにはナノ分散しなかった。これは、セルロースナノファイバーの表面に結合しているアルキル鎖の長さが短いために、セルロースナノファイバーの親水性の表面をアルキル鎖が十分に覆うことができず、クロロホルムとの十分な親和性が得られなかったためであると考えられる。
(Comparative example)
In Step 1E, except that dodecylamine (C 12 H 25 NH 2 ) and stearylamine (C 18 H 37 NH 2 ) were used, a cellulose nanofiber dispersion of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in the first example. Kinds were made. As for the obtained cellulose nanofiber, it was confirmed that the alkylamine salt was introduce | transduced by the ionic bond in almost all the carboxyl groups on the surface (FT-IR measurement). However, these cellulose nanofibers were not nanodispersed in chloroform. This is because the length of the alkyl chain bonded to the surface of the cellulose nanofiber is short, and the hydrophilic surface of the cellulose nanofiber cannot be sufficiently covered with the alkyl chain, and the affinity with chloroform is sufficient. It is thought that this is because of

(第4実施例)
第1実施例で調製したセルロースナノファイバーの0.1%(g/mL)クロロホルム分散液と、ポリ−L−乳酸(PLLA)のクロロホルム溶液とを用いて、セルロースナノファイバー複合フィルム(セルロースナノファイバー複合体)を作製した。
(Fourth embodiment)
Cellulose nanofiber composite film (cellulose nanofiber) using 0.1% (g / mL) chloroform dispersion of cellulose nanofiber prepared in the first example and chloroform solution of poly-L-lactic acid (PLLA) Composite).

PLLA溶液は、濃度2%(w/v)のPLLAクロロホルム溶液である。PLLA溶液に用いたポリ−L−乳酸のMw(重量平均分子量)は110,000、Mn(数平均分子量)との比である多分散度Mw/Mnは1.4である。   The PLLA solution is a PLLA chloroform solution having a concentration of 2% (w / v). Mw (weight average molecular weight) of poly-L-lactic acid used in the PLLA solution is 110,000, and the polydispersity Mw / Mn, which is a ratio to Mn (number average molecular weight), is 1.4.

そして、セルロースナノファイバー分散液とPLLA溶液とを混合した後、30分間攪拌することで樹脂溶液サンプルを作製した。本実施例では、セルロースナノファイバー分散液とPLLA溶液の混合比を変えた4種類の樹脂溶液サンプルを調製した。また対照サンプルとして、セルロースナノファイバー分散液と混合していないPLLA溶液を用意した。   And after mixing a cellulose nanofiber dispersion and PLLA solution, the resin solution sample was produced by stirring for 30 minutes. In this example, four types of resin solution samples were prepared by changing the mixing ratio of the cellulose nanofiber dispersion and the PLLA solution. As a control sample, a PLLA solution not mixed with the cellulose nanofiber dispersion was prepared.

上記の5種類の樹脂溶液サンプルを基板上に塗布して薄膜とした後、減圧乾燥(30℃、24時間)、真空乾燥(30℃、48時間)を順次施した後、膜を剥離して自立フィルムを得た。その後、自立フィルムに対してホットプレス処理(175℃、1分)、及び冷却処理(氷冷により急冷処理)を順次施した。   After applying the above five types of resin solution samples on a substrate to form a thin film, vacuum drying (30 ° C., 24 hours) and vacuum drying (30 ° C., 48 hours) were sequentially performed, and then the film was peeled off. A self-supporting film was obtained. Thereafter, a hot press process (175 ° C., 1 minute) and a cooling process (quenching process by ice cooling) were sequentially performed on the self-supporting film.

以上の工程により、セルロースナノファイバーとPLLAの複合フィルム(セルロースナノフィブリル含有量:0〜1.0質量%、厚さ150〜200μm)と、セルロースナノファイバーを含まないPLLAフィルム(対照サンプル)を作製した。   Through the above steps, a composite film of cellulose nanofibers and PLLA (cellulose nanofibril content: 0 to 1.0 mass%, thickness 150 to 200 μm) and PLLA film (control sample) not containing cellulose nanofibers are prepared. did.

(1)透過率測定
作製したセルロースナノファイバー複合フィルム、及びPLLAフィルムの透過率を、分光光度計を用いて測定した。図6は、波長600nmにおける各フィルムの透過率を示したグラフである。
図6に示すように、セルロースナノファイバー複合フィルムは、いずれも、セルロースナノファイバーを含まないPLLAフィルムと同等の透過率を有していた。
(1) Transmittance measurement The transmittance of the produced cellulose nanofiber composite film and PLLA film was measured using a spectrophotometer. FIG. 6 is a graph showing the transmittance of each film at a wavelength of 600 nm.
As shown in FIG. 6, all the cellulose nanofiber composite films had the same transmittance as the PLLA film not containing cellulose nanofibers.

(2)引張試験
作製したセルロースナノファイバー複合フィルム、及びPLLAフィルムについて引張試験を行った。図7〜図10は、測定結果を示すグラフである。図7は、各フィルムの応力歪み線図である。図8は、セルロースナノフィブリル含有量とヤング率の関係を示すグラフである。図9は、セルロースナノフィブリル含有量と降伏応力との関係を示すグラフである。図10は、セルロースナノフィブリル含有量と破壊仕事の関係を示すグラフである。
(2) Tensile test A tensile test was performed on the produced cellulose nanofiber composite film and PLLA film. 7 to 10 are graphs showing the measurement results. FIG. 7 is a stress strain diagram of each film. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the cellulose nanofibril content and the Young's modulus. FIG. 9 is a graph showing the relationship between cellulose nanofibril content and yield stress. FIG. 10 is a graph showing the relationship between cellulose nanofibril content and fracture work.

図7〜図10に示すように、セルロースナノファイバーとPLLAを複合化したセルロースナノファイバー複合フィルムは、いずれの含有量のフィルムにおいても、対照のPLLAフィルムと比較して力学特性が向上していた。   As shown in FIGS. 7 to 10, the cellulose nanofiber composite film in which cellulose nanofibers and PLLA are combined had improved mechanical properties compared to the control PLLA film in any film content. .

セルロースナノファイバーと樹脂との複合化については、従来から複数の報告があった(例えば下記参考文献1,2参照)。しかしながら、従来の複合材料では以下の2つの課題があった。
(1)複合材料中でのセルロースナノファイバーの分散性が悪い。
(2)疎水性のポリ乳酸(PLA)と親水性のセルロースとの相互作用が弱いために材料として脆くなる。具体的には、複合材料に力を加えたときに、PLAとセルロースの間で亀裂が生じやすく、そこから材料が破断してしまう。
Conventionally, there have been a plurality of reports on the combination of cellulose nanofibers and resins (see, for example, the following references 1 and 2). However, the conventional composite material has the following two problems.
(1) The dispersibility of cellulose nanofibers in the composite material is poor.
(2) Since the interaction between hydrophobic polylactic acid (PLA) and hydrophilic cellulose is weak, the material becomes brittle. Specifically, when a force is applied to the composite material, cracks are likely to occur between PLA and cellulose, and the material breaks from there.

本発明では、セルロースナノファイバーの表面にPEGをグラフトしたことで、クロロホルム等の有機溶媒に良好に分散させることができた。これにより、セルロースナノファイバーを分散させた分散液を、PLAを有機溶媒に溶解させた溶液と均一に混合させることができるようになった。その結果、セルロースナノファイバーとPLAとを均一に混合させることができ、上記課題(1)を解決することができた。   In the present invention, PEG was grafted on the surface of the cellulose nanofiber, and thus it could be dispersed well in an organic solvent such as chloroform. Thereby, the dispersion liquid in which cellulose nanofibers are dispersed can be uniformly mixed with a solution in which PLA is dissolved in an organic solvent. As a result, the cellulose nanofibers and PLA could be mixed uniformly, and the problem (1) could be solved.

また本発明では、セルロース表面に両親媒性のPEGがグラフとされるため、PLA/セルロース間の相互作用がPEGを介して向上する。これにより、複合材料中のPLAとセルロースとの接着強度が高まるので、課題(2)におけるPLA/セルロース間の亀裂も生じにくくなる。   Further, in the present invention, since amphiphilic PEG is graphed on the cellulose surface, the interaction between PLA / cellulose is improved via PEG. Thereby, since the adhesive strength between PLA and cellulose in the composite material is increased, cracks between PLA and cellulose in the problem (2) are less likely to occur.

以上のような作用を有する本願発明によれば、参考文献1、2におけるセルロースナノファイバー添加量(3〜25質量%)と比較して大幅に少ない添加量(1質量%以下)のセルロースナノファイバー複合フィルムであっても、優れた補強効果を得ることができる。   According to the present invention having the above-described action, cellulose nanofibers having an addition amount (1% by mass or less) significantly smaller than the cellulose nanofiber addition amount (3 to 25% by mass) in References 1 and 2 Even if it is a composite film, the outstanding reinforcement effect can be acquired.

[参考文献1] Suryanegara L, Nakagaito AN, Yano H. The effect of crystallization of PLA on the thermal and mechanical properties of microfibrillated cellulose-reinforced PLA composites. Comp Sci Technol2009; 69: 1187-1192.
[参考文献2] Mathew, A.P.; Oksman, K.; Sain, M. Mechanical properties of biodegradable composites from poly lactic acid (PLA) and microcrystalline cellulose (MCC). J. Appl. Polym. Sci. 2005, 97,2014-2025.
[Reference 1] Suryanegara L, Nakagaito AN, Yano H. The effect of crystallization of PLA on the thermal and mechanical properties of microfibrillated cellulose-reinforced PLA composites. Comp Sci Technol 2009; 69: 1187-1192.
[Reference 2] Mathew, AP; Oksman, K .; Sain, M. Mechanical properties of biodegradable composites from poly lactic acid (PLA) and microcrystalline cellulose (MCC). J. Appl. Polym. Sci. 2005, 97, 2014 -2025.

本発明によれば、疎水性の高分子材料との親和性に優れ、高分子材料との複合体を容易に形成できるセルロースナノファイバー修飾体、及びこれを用いたセルロースナノファイバー複合体が提供される。そのため、本発明は産業上極めて有用である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cellulose nanofiber modified body which is excellent in affinity with a hydrophobic polymer material, and can form a complex with a polymer material easily, and a cellulose nanofiber composite using the same are provided. The Therefore, the present invention is extremely useful industrially.

10A、10B…酸化セルロース、10E…セルロースナノファイバー修飾体、D1〜D4…分散液、G…ゲル、P…酸化セルロース   10A, 10B ... oxidized cellulose, 10E ... modified cellulose nanofiber, D1-D4 ... dispersion, G ... gel, P ... oxidized cellulose

Claims (4)

カルボン酸塩型の基を有するセルロースナノファイバーを酸性溶液に保持し、前記カルボン酸塩型の基をカルボン酸型の基に置換する工程と、
前記カルボン酸型の基を有するセルロースナノファイバーと、有機溶媒を含む分散媒と、平均分子量が300以上である直鎖状あるいは分岐状分子を有するアミンとを混合し、前記セルロースナノファイバーを前記分散媒中に分散させ、セルロースナノファイバーの分散液を得る工程と、を有し、
前記直鎖状あるいは分岐状分子が、ポリエチレングリコール、分岐型および直鎖状型カチオン性ポリアクリルアミド、カチオン性ポリアクリルアミド−ポリエチレングリコール共重合体、ならびに末端にアミノ基を有するポリプロピレンポリエチレングリコール共重合体からなる群から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とするセルロースナノファイバー分散液の製造方法。
Holding a cellulose nanofiber having a carboxylate type group in an acidic solution, substituting the carboxylate type group with a carboxylic acid type group;
The cellulose nanofiber having the carboxylic acid type group, a dispersion medium containing an organic solvent, and an amine having a linear or branched molecule having an average molecular weight of 300 or more are mixed, and the cellulose nanofiber is dispersed. dispersed in medium, comprising the steps of obtaining a dispersion of cellulose nanofibers, a,
The linear or branched molecule is selected from polyethylene glycol, branched and linear cationic polyacrylamide, cationic polyacrylamide-polyethylene glycol copolymer, and polypropylene polyethylene glycol copolymer having an amino group at the terminal. A method for producing a cellulose nanofiber dispersion, wherein the cellulose nanofiber dispersion is at least one selected from the group consisting of:
前記カルボン酸型の基を有するセルロースナノファイバーを、前記有機溶媒を含む分散媒で溶媒置換した後に、前記平均分子量が300以上である直鎖状あるいは分岐状分子を有するアミンを添加する、請求項1に記載のセルロースナノファイバー分散液の製造方法。 The cellulose nanofibers having a carboxylic acid type groups, after solvent replacement with a dispersion medium containing an organic solvent, wherein the average molecular weight is added an amine having a linear or branched molecules is 300 or more, claim 2. A method for producing a cellulose nanofiber dispersion according to 1. 前記直鎖状あるいは分岐状分子がポリエチレングリコールである、請求項1又は2に記載のセルロースナノファイバー分散液の製造方法。 The method for producing a cellulose nanofiber dispersion according to claim 1 or 2 , wherein the linear or branched molecule is polyethylene glycol. 前記分散媒が炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒である、請求項1からのいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー分散液の製造方法。 The method for producing a cellulose nanofiber dispersion according to any one of claims 1 to 3 , wherein the dispersion medium is a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent.
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