JP6351821B1 - Method for producing carboxymethylated cellulose nanofiber - Google Patents
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Abstract
【課題】透明度の高いセルロースナノファイバー分散体を経済的に得ることができるカルボキシメチル化セルロースの新規な製造方法を提供する。【解決手段】セルロースのカルボキシメチル化において、マーセル化を水を主とする溶媒下で行い、その後、カルボキシメチル化を水と有機溶媒との混合溶媒下で行う。得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊することにより透明度の高いカルボキシメチル化セルロースのナノファイバー分散体を経済的に得ることができる。【選択図】なしA novel method for producing carboxymethylated cellulose capable of economically obtaining a cellulose nanofiber dispersion having high transparency is provided. In carboxymethylation of cellulose, mercerization is carried out in a solvent mainly containing water, and then carboxymethylation is carried out in a mixed solvent of water and an organic solvent. By defibrating the obtained carboxymethylated cellulose, a highly transparent carboxymethylated cellulose nanofiber dispersion can be economically obtained. [Selection figure] None
Description
本発明は、カルボキシメチル化セルロース及びカルボキシメチル化セルロースナノファイバーの新規な製造方法に関する。 The present invention relates to a novel method for producing carboxymethylated cellulose and carboxymethylated cellulose nanofibers.
カルボキシメチル化セルロースは、セルロースの誘導体であり、セルロースの骨格を構成するグルコース残基中の水酸基の一部にカルボキシメチル基をエーテル結合させたものである。カルボキシメチル基の量が増えると（すなわち、カルボキシメチル置換度が増加すると）、カルボキシメチル化セルロースは水に溶解するようになる。一方、カルボキシメチル置換度を適度な範囲に調整することにより、水中でもカルボキシメチル化セルロースの繊維状の形状を維持させることができるようになる。繊維状の形状を有するカルボキシメチル化セルロースは、機械的に解繊することにより、ナノスケールの繊維径を有するナノファイバーへと変換することができる（特許文献１）。 Carboxymethylated cellulose is a derivative of cellulose, and is obtained by ether-bonding a carboxymethyl group to a part of hydroxyl groups in a glucose residue constituting the skeleton of cellulose. As the amount of carboxymethyl groups increases (ie, the degree of carboxymethyl substitution increases), the carboxymethylated cellulose becomes soluble in water. On the other hand, by adjusting the degree of carboxymethyl substitution within an appropriate range, the fibrous shape of carboxymethylated cellulose can be maintained even in water. Carboxymethylated cellulose having a fibrous shape can be converted into nanofibers having a nanoscale fiber diameter by mechanically defibrating (Patent Document 1).
カルボキシメチル化セルロースの製造方法としては、一般に、セルロースをアルカリで処理（マーセル化）した後、エーテル化剤（カルボキシメチル化剤ともいう。）で処理（カルボキシメチル化。エーテル化とも呼ぶ。）する方法が知られており、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行う方法と、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒下または有機溶媒と水との混合溶媒下で行う方法（特許文献２）が知られており、前者は「水媒法」、後者は「溶媒法」と呼ばれる。 As a method for producing carboxymethylated cellulose, generally, cellulose is treated with alkali (mercelization) and then treated with an etherifying agent (also referred to as carboxymethylating agent) (carboxymethylated, also referred to as etherification). A method is known, in which both mercerization and carboxymethylation are performed using water as a solvent, and both mercerization and carboxymethylation are performed in an organic solvent or a mixed solvent of an organic solvent and water ( Patent Document 2) is known. The former is called “water medium method” and the latter is called “solvent method”.
ナノスケールの繊維径を有するセルロースナノファイバーの製法としては、カルボキシメチル化セルロースの機械的解繊だけではなく、カルボキシル基を導入したセルロースの機械的解繊などが知られている（特許文献３）。この様なカルボキシル基を導入したセルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は透明度が高いことが知られているが、溶媒法により得られたカルボキシメチル化セルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は、カルボキシル基を導入したセルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体に比べて、透明性が低いものであった。また水媒法により得られたカルボキシメチル化セルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は、透明性を高めるためにはマーセル化剤やカルボキシメチル化剤などの薬剤を多量に使用する必要があり、製造上及び経済上の課題が大きい物であった。透明な素材は多様な用途に適するため、セルロースナノファイバーの透明化が求められており、特に、カルボキシメチル化セルロースは、安全性が高い素材であるため、カルボキシメチル化セルロースを用いて透明性が高いセルロースナノファイバーを経済的な方法で得ることが求められている。 As a method for producing cellulose nanofibers having nanoscale fiber diameters, not only mechanical defibration of carboxymethylated cellulose but also mechanical defibration of cellulose introduced with carboxyl groups is known (Patent Document 3). . It is known that the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by fibrillation of cellulose introduced with such a carboxyl group has high transparency, but is obtained by fibrillation of carboxymethylated cellulose obtained by a solvent method. The aqueous dispersion of cellulose nanofibers was lower in transparency than the aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibrating cellulose introduced with carboxyl groups. The aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibration of carboxymethylated cellulose obtained by the aqueous medium method uses a large amount of drugs such as mercerizing agents and carboxymethylating agents in order to increase transparency. It was necessary, and the production and economic problems were great. Since transparent materials are suitable for various applications, it is necessary to make cellulose nanofibers transparent, and in particular, carboxymethylated cellulose is a highly safe material, and therefore carboxymethylated cellulose is used for transparency. There is a need to obtain high cellulose nanofibers in an economical manner.
本発明は、透明なセルロースナノファイバー分散体を得ることができるカルボキシメチル化セルロースの新規な製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the novel manufacturing method of the carboxymethylated cellulose which can obtain a transparent cellulose nanofiber dispersion.
本発明者らは上記目的に対して鋭意検討を行った結果、セルロースのカルボキシメチル化において、マーセル化（セルロースのアルカリ処理）を水を主とする溶媒下で行い、その後、カルボキシメチル化（エーテル化ともいう。）を水と有機溶媒との混合溶媒下で行うことにより、従来の水媒法（マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行う方法）や溶媒法（マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒下または水と有機溶媒との混合溶媒下で行う方法）で得たカルボキシメチル化セルロースに比べて、解繊した際に、非常に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体を、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で、経済的に製造することができることを見出した。 The present inventors have result of intensive studies with respect to the object, in the carboxymethylation of cellulose is performed mercerization (the alkali treatment of the cellulose) under solvent composed mainly of water, then, carboxy methylation ( also referred to as etherification.) by the carried out in a solvent mixture of water and an organic solvent, a method conventional water medium method (both mercerized and carboxy methylation performed using water as a solvent) or solvent method (mercerized and both carboxy methylation compared to carboxymethyl cellulose, obtained by the method) carried out in a solvent mixture of an organic solvent or under water and an organic solvent, when defibrating, highly transparent cellulose nanofibers It has been found that the dispersion can be produced economically with a high effective utilization of the carboxymethylating agent.
本発明としては、以下に限定されないが、次のものが挙げられる。
（１）セルロースをマーセル化剤で処理して、マーセル化セルロースを得る工程、及び
マーセル化セルロースをカルボキシメチル化剤と反応させて、カルボキシメチル化セルロースを得る工程、
を含み、マーセル化セルロースを得る工程を、水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化セルロースを得る工程を、水と有機溶媒との混合溶媒下で行う、カルボキシメチル化セルロースの製造方法。
（２）マーセル化セルロースを得る工程における水を主とする溶媒が、水を５０質量％より高い割合で含む溶媒である、（１）に記載の方法。
（３）マーセル化セルロースを得る工程における水を主とする溶媒が、水である、（２）に記載の方法。
（４）カルボキシメチル化剤の有効利用率が、１５％以上である、（１）〜（３）のいずれか１つに記載の方法。
（５）マーセル化剤が、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、またはこれらの２種以上の組み合せである、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の方法。
（６）カルボキシメチル化剤が、モノクロロ酢酸またはモノクロロ酢酸ナトリウムである、（１）〜（５）のいずれか１つに記載の方法。
（７）カルボキシメチル化セルロースを得る工程における混合溶媒が、有機溶媒を、２０〜９９質量％含む溶媒である、（１）〜（６）のいずれか１つに記載の方法。
（８）有機溶媒が、イソプロパノール、メタノール、エタノール、アセトン、またはこれらの２種以上の組み合せである、（１）〜（７）のいずれか１つに記載の方法。
（９）カルボキシメチル化セルロースにおける無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が、０．５０未満である、（１）〜（８）のいずれか１つに記載の方法。
（１０）カルボキシメチル化セルロースのセルロースＩ型の結晶化度が５０％以上である、（１）〜（９）のいずれか記載の方法。
（１１）（１）〜（１０）のいずれか１つに記載の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊することを含む、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの製造方法。
The present invention includes, but is not limited to, the following.
(1) A step of treating cellulose with a mercerizing agent to obtain mercerized cellulose, and a step of reacting mercerized cellulose with a carboxymethylating agent to obtain carboxymethylated cellulose,
The process for obtaining mercerized cellulose is carried out under a solvent mainly containing water, and the step for obtaining carboxymethylated cellulose is carried out under a mixed solvent of water and an organic solvent.
(2) The method according to (1), wherein the solvent mainly containing water in the step of obtaining mercerized cellulose is a solvent containing water in a proportion higher than 50% by mass.
(3) The method according to (2), wherein the water-based solvent in the step of obtaining mercerized cellulose is water.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is 15% or more.
(5) The method according to any one of (1) to (4), wherein the mercerizing agent is sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or a combination of two or more thereof.
(6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the carboxymethylating agent is monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the mixed solvent in the step of obtaining carboxymethylated cellulose is a solvent containing 20 to 99% by mass of an organic solvent.
(8) The method according to any one of (1) to (7), wherein the organic solvent is isopropanol, methanol, ethanol, acetone, or a combination of two or more thereof.
(9) The method according to any one of (1) to (8), wherein the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit in carboxymethylated cellulose is less than 0.50.
(10) The method according to any one of (1) to (9), wherein the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose is 50% or more.
(11) A method for producing carboxymethylated cellulose nanofibers, comprising defibrating the carboxymethylated cellulose obtained by the method according to any one of (1) to (10).
本発明の方法によれば、解繊した際に透明度の高いセルロースナノファイバーの分散体を得ることができるカルボキシメチル化セルロースを、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で、製造することができる。 According to the method of the present invention, carboxymethylated cellulose capable of obtaining a highly transparent cellulose nanofiber dispersion upon defibration can be produced with a high effective utilization rate of a carboxymethylating agent.
本発明は、カルボキシメチル化セルロースの製造方法である。カルボキシメチル化セルロースは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基の一部がカルボキシメチル基とエーテル結合した構造を有する。カルボキシメチル化セルロースは、塩の形態をとる場合もあり、カルボキシメチル化セルロースの塩としては、例えばカルボキシメチルセルロースナトリウム塩などの金属塩などが挙げられる。 The present invention is a method for producing carboxymethylated cellulose. Carboxymethylated cellulose has a structure in which a part of hydroxyl groups in a glucose residue constituting cellulose is ether-bonded to a carboxymethyl group. Carboxymethylated cellulose may take the form of a salt. Examples of the salt of carboxymethylated cellulose include metal salts such as sodium carboxymethylcellulose.
カルボキシメチル化セルロースは、一般に、セルロースをアルカリで処理（マーセル化）した後、得られたマーセル化セルロース（アルカリセルロースともいう。）を、カルボキシメチル化剤（エーテル化剤ともいう。）と反応させることにより製造することができる。 In general, carboxymethylated cellulose is obtained by treating cellulose with an alkali (mercelization), and then reacting the obtained mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) with a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent). Can be manufactured.
＜セルロース＞
本発明においてセルロースとは、Ｄ−グルコピラノース（単に「グルコース残基」、「無水グルコース」ともいう。）がβ−１，４結合で連なった構造の多糖を意味する。セルロースは、一般に起源、製法等から、天然セルロース、再生セルロース、微細セルロース、非結晶領域を除いた微結晶セルロース等に分類される。本発明では、これらのセルロースのいずれも、マーセル化セルロースの原料として用いることができる。
<Cellulose>
In the present invention, cellulose means a polysaccharide having a structure in which D-glucopyranose (also simply referred to as “glucose residue” or “anhydroglucose”) is linked by β-1,4 bonds. Cellulose is generally classified into natural cellulose, regenerated cellulose, fine cellulose, microcrystalline cellulose excluding non-crystalline regions, and the like, based on the origin, production method, and the like. In the present invention, any of these celluloses can be used as a raw material for mercerized cellulose.
天然セルロースとしては、晒パルプまたは未晒パルプ（晒木材パルプまたは未晒木材パルプ）；リンター、精製リンター；酢酸菌等の微生物によって生産されるセルロース等が例示される。晒パルプ又は未晒パルプの原料は特に限定されず、例えば、木材、木綿、わら、竹、麻、ジュート、ケナフ等が挙げられる。また、晒パルプ又は未晒パルプの製造方法も特に限定されず、機械的方法、化学的方法、あるいはその中間で二つを組み合せた方法でもよい。製造方法により分類される晒パルプ又は未晒パルプとしては例えば、メカニカルパルプ（サーモメカニカルパルプ（ＴＭＰ）、砕木パルプ）、ケミカルパルプ（針葉樹未漂白サルファイトパルプ（ＮＵＳＰ）、針葉樹漂白サルファイトパルプ（ＮＢＳＰ）等の亜硫酸パルプ、針葉樹未漂白クラフトパルプ（ＮＵＫＰ）、針葉樹漂白クラフトパルプ（ＮＢＫＰ）、広葉樹未漂白クラフトパルプ（ＬＵＫＰ）、広葉樹漂白クラフトパルプ（ＬＢＫＰ）等のクラフトパルプ）等が挙げられる。さらに、製紙用パルプの他に溶解パルプを用いてもよい。溶解パルプとは、化学的に精製されたパルプであり、主として薬品に溶解して使用され、人造繊維、セロハンなどの主原料となる。 Examples of natural cellulose include bleached pulp or unbleached pulp (bleached wood pulp or unbleached wood pulp); linters, refined linters; cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria, and the like. The raw material of bleached pulp or unbleached pulp is not particularly limited, and examples thereof include wood, cotton, straw, bamboo, hemp, jute, kenaf and the like. Moreover, the manufacturing method of a bleached pulp or an unbleached pulp is not specifically limited, either, a mechanical method, a chemical method, or the method which combined two in the middle may be sufficient. Examples of bleached or unbleached pulp classified according to the production method include mechanical pulp (thermomechanical pulp (TMP), groundwood pulp), chemical pulp (conifer unbleached sulfite pulp (NUSP), conifer bleach sulfite pulp (NBSP). ) And the like, and softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), and hardwood bleached kraft pulp (LBKP)). Furthermore, dissolving pulp may be used in addition to papermaking pulp. Dissolving pulp is chemically refined pulp, which is mainly used by dissolving in chemicals, and is a main raw material for artificial fibers, cellophane and the like.
再生セルロースとしては、セルロースを銅アンモニア溶液、セルロースザンテート溶液、モルフォリン誘導体など何らかの溶媒に溶解し、改めて紡糸されたものが例示される。
微細セルロースとしては、上記天然セルロースや再生セルロースをはじめとする、セルロース系素材を、解重合処理（例えば、酸加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、爆砕処理、振動ボールミル処理等）して得られるものや、前記セルロース系素材を、機械的に処理して得られるものが例示される。
Examples of the regenerated cellulose include those obtained by dissolving cellulose in some solvent such as a copper ammonia solution, a cellulose xanthate solution, and a morpholine derivative and spinning again.
The fine cellulose is obtained by depolymerizing a cellulose-based material such as the above natural cellulose or regenerated cellulose (for example, acid hydrolysis, alkali hydrolysis, enzyme decomposition, explosion treatment, vibration ball mill treatment, etc.). And those obtained by mechanically treating the cellulose-based material.
＜マーセル化＞
原料として前述のセルロースを用い、マーセル化剤（アルカリ）を添加することによりマーセル化セルロース（アルカリセルロースともいう。）を得る。本発明では、このマーセル化反応における溶媒に水を主として用い、次のカルボキシメチル化の際に有機溶媒と水との混合溶媒を使用することにより、解繊した際に非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体とすることができるカルボキシメチル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Mercelization>
The cellulose described above is used as a raw material, and mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) is obtained by adding a mercerizing agent (alkali). In the present invention, cellulose having a very high transparency when defibrated by mainly using water as a solvent in the mercerization reaction and using a mixed solvent of an organic solvent and water in the next carboxymethylation Carboxymethylated cellulose that can be made into a nanofiber dispersion can be obtained economically.
溶媒に水を主として用いる（水を主とする溶媒）とは、水を５０質量％より高い割合で含む溶媒をいう。水を主とする溶媒中の水は、好ましくは５５質量％以上あり、より好ましくは６０質量％以上であり、より好ましくは７０質量％以上であり、より好ましくは８０質量％以上であり、さらに好ましくは９０質量％以上であり、さらに好ましくは９５質量％以上である。特に好ましくは水を主とする溶媒は、水が１００質量％（すなわち、水）である。マーセル化時の水の割合が多いほど、カルボキシメチル化セルロースを解繊して得られるセルロースナノファイバー分散体の透明度が高まる。水を主とする溶媒中の水以外の（水と混合して用いられる）溶媒としては、後段のカルボキシメチル化の際の溶媒として用いられる有機溶媒が挙げられる。例えば、メタノール、エタノール、Ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、Ｎ−ブタノール、イソブタノール、第３級ブタノール等のアルコールや、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン、ならびに、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン、ジクロロメタンなどを挙げることができ、これらの単独または２種以上の混合物を水に５０質量％未満の量で添加してマーセル化の際の溶媒として用いることができる。水を主とする溶媒中の有機溶媒は、好ましくは４５質量％以下であり、さらに好ましくは４０質量％以下であり、さらに好ましくは３０質量％以下であり、さらに好ましくは２０質量％以下であり、さらに好ましくは１０質量％以下であり、さらに好ましくは５質量％以下であり、より好ましくは０質量％である。 The main use of water as a solvent (a solvent mainly containing water) refers to a solvent containing water in a proportion higher than 50% by mass. Water in the solvent mainly composed of water is preferably 55% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, Preferably it is 90 mass% or more, More preferably, it is 95 mass% or more. Particularly preferably, the solvent mainly composed of water is 100% by mass of water (that is, water). The greater the proportion of water during mercerization, the greater the transparency of the cellulose nanofiber dispersion obtained by defibrating carboxymethylated cellulose. Examples of the solvent other than water (used by mixing with water) in the solvent mainly containing water include organic solvents used as a solvent in the subsequent carboxymethylation. For example, alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol and tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, benzene and dichloromethane These can be used alone or a mixture of two or more thereof can be added to water in an amount of less than 50% by mass and used as a solvent for mercerization. The organic solvent in the solvent mainly composed of water is preferably 45% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, further preferably 30% by mass or less, and further preferably 20% by mass or less. More preferably, it is 10 mass% or less, More preferably, it is 5 mass% or less, More preferably, it is 0 mass%.
マーセル化剤としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物が挙げられ、これらのうちいずれか１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。マーセル化剤は、これに限定されないが、これらのアルカリ金属水酸化物を、例えば、１〜６０質量％、好ましくは２〜４５質量％、より好ましくは３〜２５質量％の水溶液として反応器に添加することができる。マーセル化剤の使用量は、一実施形態において、セルロース１００ｇ（絶乾）に対して０．１モル以上２．５モル以下であることが好ましく、０．３モル以上２．０モル以下であることがより好ましく、０．４モル以上１．５モル以下であることがさらに好ましい。 Examples of mercerizing agents include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and any one or two or more of these can be used in combination. The mercerizing agent is not limited to this, but these alkali metal hydroxides are added to the reactor as an aqueous solution of, for example, 1 to 60% by mass, preferably 2 to 45% by mass, more preferably 3 to 25% by mass. Can be added. In one embodiment, the mercerizing agent is preferably used in an amount of 0.1 mol to 2.5 mol, preferably 0.3 mol to 2.0 mol, per 100 g of cellulose (absolutely dry). More preferably, it is 0.4 mol or more and 1.5 mol or less.
マーセル化の際の水を主とする溶媒の量は、原料の撹拌混合が可能な量であればよく特に限定されないが、セルロース原料に対し、１．５〜２０質量倍が好ましく、２〜１０質量倍であることがより好ましい。 The amount of the solvent mainly composed of water at the time of mercerization is not particularly limited as long as it is an amount capable of stirring and mixing the raw materials, but is preferably 1.5 to 20 times by mass with respect to the cellulose raw material, and 2 to 10 It is more preferable that the mass is.
マーセル化処理は、発底原料（セルロース）と水を主とする溶媒とを混合し、反応器の温度を０〜７０℃、好ましくは１０〜６０℃、より好ましくは１０〜４０℃に調整して、マーセル化剤の水溶液を添加し、１５分〜８時間、好ましくは３０分〜７時間、より好ましくは３０分〜３時間撹拌することにより行う。これによりマーセル化セルロース（アルカリセルロース）を得る。 In the mercerization treatment, the bottoming material (cellulose) and a solvent mainly composed of water are mixed, and the temperature of the reactor is adjusted to 0 to 70 ° C, preferably 10 to 60 ° C, more preferably 10 to 40 ° C. Then, an aqueous solution of mercerizing agent is added, and the mixture is stirred for 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours, more preferably 30 minutes to 3 hours. Thereby, mercerized cellulose (alkali cellulose) is obtained.
マーセル化の際のｐＨは、９以上が好ましく、これによりマーセル化反応を進めることができる。該ｐＨは、より好ましくは１１以上であり、更に好ましくは１２以上であり、１３以上でもよい。ｐＨの上限は特に限定されない。 The pH during mercerization is preferably 9 or more, whereby the mercerization reaction can proceed. The pH is more preferably 11 or more, still more preferably 12 or more, and may be 13 or more. The upper limit of pH is not particularly limited.
マーセル化は、温度制御しつつ上記各成分を混合撹拌することができる反応機を用いて行うことができ、従来からマーセル化反応に用いられている各種の反応機を用いることができる。例えば、２本の軸が撹拌し、上記各成分を混合するようなバッチ型攪拌装置は、均一混合性と生産性の両観点から好ましい。 Mercerization can be performed using a reactor capable of mixing and stirring the above components while controlling the temperature, and various reactors conventionally used in mercerization reactions can be used. For example, a batch type stirring apparatus in which two shafts are stirred and the above components are mixed is preferable from the viewpoints of both uniform mixing and productivity.
＜カルボキシメチル化＞
マーセル化セルロースに対し、カルボキシメチル化剤（エーテル化剤ともいう。）を添加することにより、カルボキシメチル化セルロースを得る。本発明では、このカルボキシメチル化反応における溶媒として、水と有機溶媒との混合溶媒を用いる。マーセル化の際は水を主とする溶媒として用い、カルボキシメチル化の際には水と有機溶媒との混合溶媒を用いることにより、解繊した際に非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体とすることができるカルボキシメチル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Carboxymethylation>
Carboxymethylated cellulose is obtained by adding a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent) to mercerized cellulose. In the present invention, a mixed solvent of water and an organic solvent is used as a solvent in this carboxymethylation reaction. Cellulose nanofiber dispersion with very high transparency when fibrillated by using water as the main solvent during mercerization and using a mixed solvent of water and organic solvent during carboxymethylation The carboxymethylated cellulose can be obtained economically.
カルボキシメチル化剤としては、モノクロロ酢酸、モノクロロ酢酸ナトリウム、モノクロロ酢酸メチル、モノクロロ酢酸エチル、モノクロロ酢酸イソプロピルなどが挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさという点でモノクロロ酢酸、またはモノクロロ酢酸ナトリウムが好ましい。カルボキシメチル化剤は、セルロースの無水グルコース単位当たり、０．５〜１．５モルの範囲で添加することが好ましい。上記範囲の下限はより好ましくは０．６モル以上、さらに好ましくは０．７モル以上であり、上限はより好ましくは１．３モル以下、さらに好ましくは１．１モル以下である。カルボキシメチル化剤は、これに限定されないが、例えば、５〜８０質量％、より好ましくは３０〜６０質量％の水溶液として反応器に添加することができるし、溶解せず、粉末状態で添加することもできる。 Examples of the carboxymethylating agent include monochloroacetic acid, sodium monochloroacetate, methyl monochloroacetate, ethyl monochloroacetate, isopropyl monochloroacetate and the like. Of these, monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is preferable from the viewpoint of easy availability of raw materials. The carboxymethylating agent is preferably added in the range of 0.5 to 1.5 mol per anhydroglucose unit of cellulose. The lower limit of the above range is more preferably 0.6 mol or more, still more preferably 0.7 mol or more, and the upper limit is more preferably 1.3 mol or less, still more preferably 1.1 mol or less. The carboxymethylating agent is not limited to this, but for example, it can be added to the reactor as an aqueous solution of 5 to 80% by mass, more preferably 30 to 60% by mass, does not dissolve, and is added in a powder state. You can also.
マーセル化剤とカルボキシメチル化剤のモル比（マーセル化剤／カルボキシメチル化剤）は、カルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムを使用する場合では、０．９〜２．４５が一般的に採用される。その理由は、０．９未満であるとカルボキシメチル化反応が不十分となる可能性があり、未反応のモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムが残って無駄が生じる可能性があること、及び２．４５を超えると過剰のマーセル化剤とモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムによる副反応が進行してグリコール酸アルカリ金属塩が生成する恐れがあるため、不経済となる可能性があることにある。 The molar ratio of mercerizing agent to carboxymethylating agent (mercellizing agent / carboxymethylating agent) is generally 0.9 to 2.45 when monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is used as the carboxymethylating agent. Adopted. The reason is that if it is less than 0.9, the carboxymethylation reaction may be insufficient, and unreacted monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may remain, resulting in waste, and 2.45. If it exceeds 1, the side reaction between the excess mercerizing agent and monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may proceed to produce an alkali metal glycolate, which may be uneconomical.
また、本発明では、カルボキシメチル化剤の有効利用率が、１５％以上であることが好ましい。より好ましくは２０％以上であり、さらに好ましくは２５％以上であり、特に好ましくは３０％以上である。カルボキシメチル化剤の有効利用率とは、カルボキシメチル化剤におけるカルボキシメチル基のうち、セルロースに導入されたカルボキシメチル基の割合を指す。本発明では、マーセル化の際に水を主とする溶媒を用い、カルボキシメチル化の際に水と有機溶媒との混合溶媒を用いることにより、高いカルボキシメチル化剤の有効利用率で（すなわち、カルボキシメチル化剤の使用量を大きく増やすことなく、経済的に）、解繊した際に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を得ることができるカルボキシメチル化セルロースを製造することができる。カルボキシメチル化剤の有効利用率の上限は特に限定されないが、現実的には８０％程度が上限となる。なお、カルボキシメチル化剤の有効利用率は、ＡＭと略すことがある。 Moreover, in this invention, it is preferable that the effective utilization factor of a carboxymethylating agent is 15% or more. More preferably, it is 20% or more, more preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. The effective utilization rate of a carboxymethylating agent refers to the proportion of carboxymethyl groups introduced into cellulose among carboxymethyl groups in the carboxymethylating agent. In the present invention, by using a solvent mainly composed of water at the time of mercerization and using a mixed solvent of water and an organic solvent at the time of carboxymethylation, the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is high (that is, Carboxymethylated cellulose can be produced which can obtain a cellulose nanofiber dispersion having high transparency when defibrated without economically increasing the amount of carboxymethylating agent used. The upper limit of the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is not particularly limited, but in reality, the upper limit is about 80%. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent may be abbreviated as AM.
カルボキシメチル化剤の有効利用率の算出方法は以下の通りである：
ＡＭ ＝ （ＤＳ ×セルロースのモル数）／ カルボキシメチル化剤のモル数
ＤＳ： カルボキシメチル置換度（測定方法は後述する）
セルロースのモル数：パルプ質量（１００℃で６０分間乾燥した際の乾燥質量）／１６２
（１６２はセルロースのグルコース単位当たりの分子量）。
The calculation method of the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is as follows:
AM = (DS × number of moles of cellulose) / number of moles of carboxymethylating agent DS: Degree of carboxymethyl substitution (measurement method will be described later)
Number of moles of cellulose: Pulp mass (dry mass when dried at 100 ° C. for 60 minutes) / 162
(162 is the molecular weight of cellulose per glucose unit).
カルボキシメチル化反応におけるセルロース原料の濃度は、特に限定されないが、カルボキシメチル化剤の有効利用率を高める観点から、１〜４０％（ｗ／ｖ）であることが好ましい。 Although the density | concentration of the cellulose raw material in a carboxymethylation reaction is not specifically limited, From a viewpoint of raising the effective utilization factor of a carboxymethylating agent, it is preferable that it is 1-40% (w / v).
カルボキシメチル化剤を添加するのと同時に、あるいはカルボキシメチル化剤の添加の前または直後に、反応器に有機溶媒または有機溶媒の水溶液を適宜添加し、又は減圧などによりマーセル化処理時の水以外の有機溶媒等を適宜削減して、水と有機溶媒との混合溶媒を形成する。本発明では、この水と有機溶媒との混合溶媒下で、カルボキシメチル化反応を進行させる。有機溶媒の添加または削減のタイミングは、マーセル化反応の終了後からカルボキシメチル化剤を添加した直後までの間であればよく、特に限定されないが、例えば、カルボキシメチル化剤を添加する前後３０分以内が好ましい。 Simultaneously with the addition of the carboxymethylating agent, or before or immediately after the addition of the carboxymethylating agent, an organic solvent or an aqueous solution of the organic solvent is appropriately added to the reactor, or water other than the water used in the mercerization process by reducing the pressure. The organic solvent is appropriately reduced to form a mixed solvent of water and the organic solvent. In the present invention, the carboxymethylation reaction proceeds under a mixed solvent of water and an organic solvent. The timing of addition or reduction of the organic solvent may be from the end of the mercerization reaction to immediately after the addition of the carboxymethylating agent, and is not particularly limited. For example, 30 minutes before and after adding the carboxymethylating agent Is preferred.
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、Ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、Ｎ−ブタノール、イソブタノール、第３級ブタノール等のアルコールや、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン、ならびに、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン、ジクロロメタンなどを挙げることができ、これらの単独または２種以上の混合物を水に添加してカルボキシメチル化の際の溶媒として用いることができる。これらのうち、水との相溶性が優れることから、炭素数１〜４の一価アルコールが好ましく、炭素数１〜３の一価アルコールがさらに好ましい。 Examples of organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol and tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, Benzene, dichloromethane, etc. can be mentioned, These alone or a mixture of two or more thereof can be added to water and used as a solvent for carboxymethylation. Among these, a monohydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms is preferable, and a monohydric alcohol having 1 to 3 carbon atoms is more preferable because of excellent compatibility with water.
カルボキシメチル化の際の混合溶媒中の有機溶媒の割合は、水と有機溶媒との総和に対して有機溶媒が２０〜９９質量％であることが好ましく、３０〜９９質量％であることがより好ましく、４０〜９９質量％であることがさらに好ましく、４５〜９９質量％であることがさらに好ましい。 The proportion of the organic solvent in the mixed solvent at the time of carboxymethylation is preferably 20 to 99% by mass, more preferably 30 to 99% by mass with respect to the sum of water and the organic solvent. Preferably, it is 40-99 mass%, More preferably, it is 45-99 mass%.
カルボキシメチル化の際の反応媒（セルロースを含まない、水と有機溶媒等との混合溶媒）は、マーセル化の際の反応媒よりも、水の割合が少ない（言い換えれば、有機溶媒の割合が多い）ことが好ましい。本範囲を満たすことで、得られるカルボキシメチル化セルロースの結晶化度を維持しながらカルボキシメチル置換度を高くしやすくなり、解繊した際に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体となるカルボキシメチル化セルロースを、より効率的に得ることができるようになる。また、カルボキシメチル化の際の反応媒が、マーセル化の際の反応媒よりも水の割合が少ない（有機溶媒の割合が多い）場合、マーセル化反応からカルボキシメチル化反応に移行する際に、マーセル化反応終了後の反応系に所望の量の有機溶媒を添加するという簡便な手段でカルボキシメチル化反応用の混合溶媒を形成させることができるという利点も得られる。 The reaction medium at the time of carboxymethylation (a mixed solvent of water and an organic solvent, which does not contain cellulose) has a smaller proportion of water than the reaction medium at the time of mercerization (in other words, the proportion of the organic solvent is lower). Many). By satisfying this range, it becomes easy to increase the degree of carboxymethyl substitution while maintaining the crystallinity of the resulting carboxymethylated cellulose, and becomes a highly transparent cellulose nanofiber dispersion when fibrillated. Can be obtained more efficiently. In addition, when the reaction medium at the time of carboxymethylation is less than the reaction medium at the time of mercerization (the ratio of the organic solvent is large), when shifting from the mercerization reaction to the carboxymethylation reaction, There is also an advantage that a mixed solvent for the carboxymethylation reaction can be formed by a simple means of adding a desired amount of an organic solvent to the reaction system after completion of the mercerization reaction.
水と有機溶媒との混合溶媒を形成し、マーセル化セルロースにカルボキシメチル化剤を投入した後、温度を好ましくは１０〜４０℃の範囲で一定に保ったまま１５分〜４時間、好ましくは１５分〜１時間程度撹拌する。マーセル化セルロースを含む液とカルボキシメチル化剤との混合は、反応混合物が高温になることを防止するために、複数回に分けて、または、滴下により行うことが好ましい。カルボキシメチル化剤を投入して一定時間撹拌した後、必要であれば昇温して、反応温度を３０〜９０℃、好ましくは４０〜９０℃、さらに好ましくは６０〜８０℃として、３０分〜１０時間、好ましくは１時間〜４時間、エーテル化（カルボキシメチル化）反応を行い、カルボキシメチル化セルロースを得る。 After forming a mixed solvent of water and an organic solvent and adding a carboxymethylating agent to mercerized cellulose, the temperature is preferably kept constant in the range of 10 to 40 ° C. for 15 minutes to 4 hours, preferably 15 Stir for about 1 to 1 hour. The mixing of the mercerized cellulose-containing liquid and the carboxymethylating agent is preferably performed in a plurality of times or by dropping in order to prevent the reaction mixture from becoming high temperature. After adding a carboxymethylating agent and stirring for a certain time, the temperature is raised if necessary, and the reaction temperature is set to 30 to 90 ° C, preferably 40 to 90 ° C, more preferably 60 to 80 ° C, and 30 minutes to The etherification (carboxymethylation) reaction is performed for 10 hours, preferably 1 hour to 4 hours, to obtain carboxymethylated cellulose.
カルボキシメチル化の際には、マーセル化の際に用いた反応器をそのまま用いてもよく、あるいは、温度制御しつつ上記各成分を混合撹拌することが可能な別の反応器を用いてもよい。 In the carboxymethylation, the reactor used in the mercerization may be used as it is, or another reactor capable of mixing and stirring the above components while controlling the temperature may be used. .
反応終了後、残存するアルカリ金属塩を鉱酸または有機酸で中和してもよい。また、必要に応じて、副生する無機塩、有機酸塩等を含水メタノールで洗浄して除去し、乾燥、粉砕、分級してカルボキシメチル化セルロース又はその塩としてもよい。乾式粉砕で用いる装置としてはハンマーミル、ピンミル等の衝撃式ミル、ボールミル、タワーミル等の媒体ミル、ジェットミル等が例示される。湿式粉砕で用いる装置としてはホモジナイザー、マスコロイダー、パールミル等の装置が例示される。 After completion of the reaction, the remaining alkali metal salt may be neutralized with a mineral acid or an organic acid. If necessary, by-product inorganic salts, organic acid salts, and the like may be removed by washing with water-containing methanol, dried, pulverized, and classified to obtain carboxymethylated cellulose or a salt thereof. Examples of the apparatus used in the dry pulverization include impact mills such as a hammer mill and a pin mill, medium mills such as a ball mill and a tower mill, and jet mills. Examples of the apparatus used in the wet pulverization include apparatuses such as a homogenizer, a mass collider, and a pearl mill.
＜カルボキシメチル化セルロース＞
本発明で製造されるカルボキシメチル化セルロースは、水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるものが好ましい。すなわち、カルボキシメチル化セルロースの水分散体を電子顕微鏡で観察すると、繊維状の物質を観察することができ、カルボキシメチル化セルロースをＸ線回折で測定した際にセルロースＩ型結晶のピークを観測することができるものが好ましい。
<Carboxymethylated cellulose>
The carboxymethylated cellulose produced in the present invention is preferably one in which at least a part of the fibrous shape is maintained even when dispersed in water. That is, when an aqueous dispersion of carboxymethylated cellulose is observed with an electron microscope, fibrous substances can be observed, and the peak of cellulose I-type crystals is observed when carboxymethylated cellulose is measured by X-ray diffraction. Those that can be used are preferred.
水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるカルボキシメチル化セルロースは、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が０．５０未満である。当該置換度が０．５０以上であると水への溶解が起こりやすくなり、繊維形態を維持できなくなる。操業性を考慮すると当該置換度は０．０２〜０．５０であることが特に好ましく、０．０５〜０．５０であることが更に好ましく、０．１０〜０．４０であることが更に好ましく、０．２０〜０．４０であることが更に好ましい。セルロースにカルボキシメチル基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発するため、ナノファイバーへと解繊することができるようになるが、無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が０．０２より小さいと、ナノファイバーへの解繊が十分にできない場合がある。カルボキシメチル置換度は、反応させるカルボキシメチル化剤の添加量、マーセル化剤の量、水と有機溶媒の組成比率をコントロールすること等によって調整することができる。 Carboxymethylated cellulose that retains at least a portion of the fibrous shape when dispersed in water has a degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit of cellulose of less than 0.50. When the degree of substitution is 0.50 or more, dissolution in water tends to occur, and the fiber form cannot be maintained. In consideration of operability, the degree of substitution is particularly preferably 0.02 to 0.50, more preferably 0.05 to 0.50, and still more preferably 0.10 to 0.40. More preferably, it is 0.20 to 0.40. By introducing a carboxymethyl group into cellulose, cellulose repels each other, so that it can be fibrillated into nanofibers, but the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit is 0.02 If it is small, the fiber may not be sufficiently defibrated. The degree of carboxymethyl substitution can be adjusted by controlling the amount of carboxymethylating agent to be reacted, the amount of mercerizing agent, the composition ratio of water and organic solvent, and the like.
本発明において無水グルコース単位とは、セルロースを構成する個々の無水グルコース（グルコース残基）を意味する。また、カルボキシメチル置換度（エーテル化度ともいう。）とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基のうちカルボキシメチルエーテル基に置換されているものの割合（１つのグルコース残基当たりのカルボキシメチルエーテル基の数）を示す。なお、カルボキシメチル置換度はＤＳと略すことがある。 In the present invention, the anhydroglucose unit means individual anhydroglucose (glucose residue) constituting cellulose. The degree of carboxymethyl substitution (also referred to as etherification degree) is the proportion of hydroxyl groups in the glucose residues constituting cellulose that are substituted with carboxymethyl ether groups (carboxymethyl per glucose residue). The number of ether groups). The degree of carboxymethyl substitution may be abbreviated as DS.
カルボキシメチル置換度の測定方法は以下の通りである：
試料約２．０ｇを精秤して、３００ｍＬ共栓付き三角フラスコに入れる。硝酸メタノール１０００ｍＬに特級濃硝酸１００ｍＬを加えた液１００ｍＬを加え、３時間振盪して、カルボキシメチル化セルロースの塩（ＣＭＣ）をＨ−ＣＭＣ（水素型カルボキシメチル化セルロース）に変換する。その絶乾Ｈ−ＣＭＣを１．５〜２．０ｇ精秤し、３００ｍＬ共栓付き三角フラスコに入れる。８０％メタノール１５ｍＬでＨ−ＣＭＣを湿潤し、０．１Ｎ−ＮａＯＨを１００ｍＬ加え、室温で３時間振盪する。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、０．１Ｎ−Ｈ２ＳＯ４で過剰のＮａＯＨを逆滴定し、次式によってカルボキシメチル置換度（ＤＳ値）を算出する。
Ａ＝［（１００×Ｆ’−０．１Ｎ−Ｈ２ＳＯ４（ｍＬ）×Ｆ）×０．１］／（Ｈ−ＣＭＣの絶乾質量（ｇ））
カルボキシメチル置換度＝０．１６２×Ａ／（１−０．０５８×Ａ）
Ｆ’：０．１Ｎ−Ｈ２ＳＯ４のファクター
Ｆ：０．１Ｎ−ＮａＯＨのファクター。
The method for measuring the degree of carboxymethyl substitution is as follows:
About 2.0 g of sample is precisely weighed and placed in a 300 mL conical flask with a stopper. A solution of 100 mL of special concentrated nitric acid added to 1000 mL of nitric acid methanol is added and shaken for 3 hours to convert the salt of carboxymethylated cellulose (CMC) into H-CMC (hydrogen-type carboxymethylated cellulose). The absolute dry H-CMC is accurately weighed in an amount of 1.5 to 2.0 g and put into an Erlenmeyer flask with a 300 mL stopper. Wet H-CMC with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. Using phenolphthalein as an indicator, excess NaOH is back titrated with 0.1N—H 2 SO 4 and the degree of carboxymethyl substitution (DS value) is calculated according to the following formula.
A = [(100 × F′−0.1N—H 2 SO 4 (mL) × F) × 0.1] / (absolute dry mass of H-CMC (g))
Carboxymethyl substitution degree = 0.162 × A / (1−0.058 × A)
F ′: Factor of 0.1N—H 2 SO 4 F: Factor of 0.1N—NaOH
本発明のカルボキシメチル化セルロース繊維におけるセルロースの結晶化度は、結晶Ｉ型が５０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましい。結晶性を上記範囲に調整すると解繊により得られるセルロースナノファイバー分散体の透明度が向上する。セルロースの結晶性は、マーセル化剤の濃度と処理時の温度、並びにカルボキシメチル化の度合によって制御できる。マーセル化及びカルボキシメチル化においては高濃度のアルカリが使用されるために、セルロースのＩ型結晶がＩＩ型に変換されやすいが、アルカリ（マーセル化剤）の使用量を調整するなどして変性の度合いを調整することによって、所望の結晶性を維持させることができる。 The crystallinity of cellulose in the carboxymethylated cellulose fiber of the present invention is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more in the crystal I type. When the crystallinity is adjusted to the above range, the transparency of the cellulose nanofiber dispersion obtained by defibration is improved. The crystallinity of cellulose can be controlled by the concentration of mercerizing agent and the temperature during processing, as well as the degree of carboxymethylation. In mercerization and carboxymethylation, a high concentration of alkali is used, so cellulose type I crystals are likely to be converted to type II. However, modification by adjusting the amount of alkali (mercellizing agent) used, etc. The desired crystallinity can be maintained by adjusting the degree.
カルボキシメチル化セルロースのセルロースＩ型の結晶化度の測定方法は、以下の通りである：
試料をガラスセルに乗せ、Ｘ線回折測定装置（ＬａｂＸ ＸＲＤ−６０００、島津製作所製）を用いて測定する。結晶化度の算出はＳｅｇａｌ等の手法を用いて行い、Ｘ線回折図の２θ＝１０°〜３０°の回折強度をベースラインとして、２θ＝２２．６°の００２面の回折強度と２θ＝１８．５°のアモルファス部分の回折強度から次式により算出する。
The method for measuring the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose is as follows:
The sample is placed on a glass cell and measured using an X-ray diffractometer (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). The degree of crystallinity is calculated using a method such as Segal and the diffraction intensity of 2θ = 10 ° to 30 ° in the X-ray diffraction diagram is used as a baseline, and the diffraction intensity of the 002 plane of 2θ = 22.6 ° It is calculated by the following formula from the diffraction intensity of the amorphous part at 18.5 °.
Ｘc＝（Ｉ002c―Ｉa）/Ｉ002c×１００
Ｘc＝セルロースのＩ型の結晶化度（％）
Ｉ002c：２θ＝２２．６°、００２面の回折強度
Ｉa：２θ＝１８．５°、アモルファス部分の回折強度。
Xc = (I002c−Ia) / I002c × 100
Xc = crystallinity of cellulose type I (%)
I002c: 2θ = 22.6 °, diffraction intensity of 002 plane Ia: 2θ = 18.5 °, diffraction intensity of amorphous part.
本発明により製造されたカルボキシメチル化セルロースは、反応後に得られる分散体の状態で使用することも可能であるが、必要に応じて乾燥し、また水に再分散して使用することもできる。乾燥方法は何ら限定されないが、例えば凍結乾燥法、噴霧乾燥法、棚段式乾燥法、ドラム乾燥法、ベルト乾燥法、ガラス板等に薄く伸展し乾燥する方法、流動床乾燥法、マイクロウェーブ乾燥法、起熱ファン式減圧乾燥法などの既知の方法を使用できる。乾燥後に必要に応じて、カッターミル、ハンマーミル、ピンミル、ジェットミル等で粉砕しても良い。また、水への再分散の方法も特に限定されず、既知の分散装置を使用することができる。 The carboxymethylated cellulose produced according to the present invention can be used in the form of a dispersion obtained after the reaction. However, it can be dried and redispersed in water as necessary. The drying method is not limited in any way, for example, freeze drying method, spray drying method, shelf drying method, drum drying method, belt drying method, method of thinly extending and drying on a glass plate, fluidized bed drying method, microwave drying And known methods such as a heating fan type vacuum drying method can be used. You may grind | pulverize with a cutter mill, a hammer mill, a pin mill, a jet mill etc. as needed after drying. Further, the method for redispersion in water is not particularly limited, and a known dispersion apparatus can be used.
＜カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの製造＞
本発明の方法により得たカルボキシメチル化セルロースを解繊することにより、ナノスケールの繊維径を有するセルロースナノファイバーへと変換することができる。本発明の方法により得られるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、従来の水媒法または溶媒法で得られたカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーに比べて、経済的に製造でき、また、水分散体の状態で、高い透明度を有する。
<Manufacture of carboxymethyl cellulose nanofiber>
By defibrillating the carboxymethylated cellulose obtained by the method of the present invention, it can be converted into cellulose nanofibers having nanoscale fiber diameters. The carboxymethylated cellulose nanofibers obtained by the method of the present invention can be produced more economically than the carboxymethylated cellulose nanofibers obtained by the conventional aqueous medium method or solvent method. In this state, it has high transparency.
解繊の際には、上記の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースの分散体を準備する。分散媒は、取扱いの容易性から、水が好ましい。カルボキシメチル化セルロースの濃度は、解繊、分散の効率を考慮すると、０．０１〜１０％（ｗ／ｖ）であることが好ましい。 At the time of defibration, a dispersion of carboxymethylated cellulose obtained by the above method is prepared. The dispersion medium is preferably water from the viewpoint of ease of handling. The concentration of carboxymethylated cellulose is preferably 0.01 to 10% (w / v) in consideration of the efficiency of defibration and dispersion.
カルボキシメチル化セルロースを解繊する際に用いる装置は特に限定されないが、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの装置を用いることができる。解繊の際にはカルボキシメチル化セルロースの分散体に強力な剪断力を印加することが好ましい。特に、効率よく解繊するには、前記分散体に５０ＭＰａ以上の圧力を印加し、かつ強力な剪断力を印加できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは１００ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１４０ＭＰａ以上である。また、高圧ホモジナイザーでの解繊及び分散処理に先立って、必要に応じて、高速せん断ミキサーなどの公知の混合、撹拌、乳化、分散装置を用いて、前記分散体に予備処理をほどこしてもよい。 The apparatus used for defibrating carboxymethylated cellulose is not particularly limited, and apparatuses such as a high speed rotation type, a colloid mill type, a high pressure type, a roll mill type, and an ultrasonic type can be used. In defibration, it is preferable to apply a strong shearing force to the carboxymethylated cellulose dispersion. In particular, for efficient defibration, it is preferable to use a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer that can apply a pressure of 50 MPa or more to the dispersion and can apply a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more. Further, prior to defibration and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, if necessary, the dispersion may be pretreated using a known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device such as a high-speed shear mixer. .
高圧ホモジナイザーとは、ポンプにより流体に加圧（高圧）し、流路に設けた非常に繊細な間隙より噴出させることにより、粒子間の衝突、圧力差による剪断力等の総合エネルギーによって乳化、分散、解細、粉砕、及び超微細化を行う装置である。 High-pressure homogenizer is emulsified and dispersed by total energy such as collision between particles and shear force due to pressure difference by pressurizing (high pressure) the fluid with a pump and ejecting it from a very delicate gap provided in the flow path. , A device that performs de-pulverization, pulverization, and ultra-miniaturization.
上記のカルボキシメチル化セルロースの解繊により、平均繊維径が３〜５００ｎｍ、アスペクト比が５０以上のカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーを得ることができる。平均繊維径は好ましくは、３〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは３〜２０ｎｍ、さらに好ましくは５〜１９ｎｍ、さらに好ましくは５〜１５ｎｍである。 By defibrating the carboxymethylated cellulose, carboxymethylated cellulose nanofibers having an average fiber diameter of 3 to 500 nm and an aspect ratio of 50 or more can be obtained. The average fiber diameter is preferably 3 to 150 nm, more preferably 3 to 20 nm, further preferably 5 to 19 nm, and further preferably 5 to 15 nm.
カルボキシメチル化セルロースまたはカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの平均繊維径および平均繊維長は、径が２０ｎｍ以下の場合は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、２０ｎｍ以上の場合は電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、ランダムに選んだ２００本の繊維について解析し、平均を算出することにより、測定することができる。また、アスペクト比は下記の式により算出することができる：
アスペクト比＝平均繊維長／平均繊維径。
The average fiber diameter and average fiber length of carboxymethylated cellulose or carboxymethylated cellulose nanofibers are atomic force microscope (AFM) when the diameter is 20 nm or less, and field emission scanning electron microscope (FE) when the diameter is 20 nm or more. -SEM) can be measured by analyzing 200 randomly selected fibers and calculating the average. Also, the aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter.
カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーにおけるカルボキシメチル置換度は、ナノファイバーとする前のカルボキシメチル化セルロースにおけるカルボキシメチル置換度と、通常、同じである。また、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーにおけるＩ型結晶の割合は、ナノファイバーとする前のカルボキシメチル化セルロースにおけるものと、通常、同じである。 The degree of carboxymethyl substitution in the carboxymethylated cellulose nanofibers is usually the same as the degree of carboxymethyl substitution in the carboxymethylated cellulose prior to nanofibers. Moreover, the ratio of the type I crystal in the carboxymethylated cellulose nanofiber is usually the same as that in the carboxymethylated cellulose before the nanofiber.
本発明の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊してナノファイバーとすることにより、透明度の高いカルボキシメチル化セルロースのセルロースナノファイバー分散体を得ることができる。本発明により得られるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、例えば、固形分１％（ｗ／ｖ）の水分散体の透明度（６６０ｎｍ光の透過率）が５０％以上である。より好ましくは６０％以上であり、さらに好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは８０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上である。このようなセルロースナノファイバーは、透明性が要求されるような用途に最適に使用することができる。本発明では、このような透明性の高いセルロースナノファイバーを、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で（すなわち、カルボキシメチル化剤の量を大きく増やすことなく、経済的に）、製造することができる。 By defibrating the carboxymethylated cellulose obtained by the method of the present invention into nanofibers, a highly transparent cellulose nanofiber dispersion of carboxymethylated cellulose can be obtained. The carboxymethylated cellulose nanofibers obtained by the present invention have, for example, an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v) and a transparency (660 nm light transmittance) of 50% or more. More preferably, it is 60% or more, More preferably, it is 70% or more, More preferably, it is 80% or more, More preferably, it is 90% or more. Such cellulose nanofibers can be optimally used for applications requiring transparency. In the present invention, such highly transparent cellulose nanofibers can be produced with a high effective utilization rate of the carboxymethylating agent (that is, economically without greatly increasing the amount of the carboxymethylating agent). it can.
本発明の製法により、透明度の高いセルロースナノファイバーを経済的な方法で得られる理由は明らかではないが、本発明の製法によれば比較的高いセルロースＩ型の結晶化度を維持することができ、したがって、カルボキシメチル置換度を比較的高くしてもカルボキシメチル化セルロースの繊維状の形状を維持させることができることを本発明者らは確認している。繊維状の形状を維持しながらカルボキシメチル置換度を高くできる（すなわち、カルボキシメチル基を多く導入する）ことは、カルボキシメチル化セルロースの解繊性の向上につながると考えられ、これが透明度の高いナノファイバー分散体が得られることの理由の１つであると推測される。しかし、これ以外の理由もあるかもしれない。 The reason why a highly transparent cellulose nanofiber can be obtained economically by the production method of the present invention is not clear, but the production method of the present invention can maintain a relatively high degree of crystallinity of cellulose type I. Therefore, the present inventors have confirmed that the fibrous shape of carboxymethylated cellulose can be maintained even when the degree of carboxymethyl substitution is relatively high. The ability to increase the degree of carboxymethyl substitution while maintaining the fibrous shape (that is, introducing a large number of carboxymethyl groups) is thought to lead to an improvement in the defibration properties of carboxymethylated cellulose. It is speculated that this is one of the reasons why a fiber dispersion is obtained. However, there may be other reasons.
以下、本発明を実施例及び比較例をあげてより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、特に断らない限り、部および％は質量部および質量％を示す。
（実施例１）
回転数を１００ｒｐｍに調節した二軸ニーダーに、水１３０部と、水酸化ナトリウム２０部を水１００部に溶解したものとを加え、広葉樹パルプ（日本製紙（株）製、ＬＢＫＰ）を１００℃６０分間乾燥した際の乾燥質量で１００部仕込んだ。３０℃で９０分間撹拌、混合しマーセル化セルロースを調製した。更に撹拌しつつイソプロパノール（ＩＰＡ）２３０部と、モノクロロ酢酸ナトリウム６０部を添加し、３０分間撹拌した後、７０℃に昇温して９０分間カルボキシメチル化反応をさせた。カルボキシメチル化反応時の反応媒中のＩＰＡの濃度は、５０％である。反応終了後、中和、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度０．３１、セルロースＩ型の結晶化度６７％のカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル化剤の有効利用率は、３７％であった。なお、カルボキシメチル置換度及びセルロースＩ型の結晶化度の測定方法、ならびにカルボキシメチル化剤の有効利用率の算出方法は、上述の通りである。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these. In addition, unless otherwise indicated, a part and% show a mass part and mass%.
Example 1
130 parts of water and 20 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water are added to a biaxial kneader whose rotational speed is adjusted to 100 rpm, and hardwood pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., LBKP) is added at 100 ° C. 60 100 parts were charged in a dry mass when dried for a minute. Mercerized cellulose was prepared by stirring and mixing at 30 ° C. for 90 minutes. Further, 230 parts of isopropanol (IPA) and 60 parts of sodium monochloroacetate were added with stirring, and the mixture was stirred for 30 minutes, and then heated to 70 ° C. to cause carboxymethylation reaction for 90 minutes. The concentration of IPA in the reaction medium during the carboxymethylation reaction is 50%. After completion of the reaction, neutralization, liquid removal, drying and pulverization were carried out to obtain a sodium salt of carboxymethylated cellulose having a carboxymethyl substitution degree of 0.31 and a cellulose I type crystallinity of 67%. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 37%. In addition, the measuring method of the carboxymethyl substitution degree and the crystallinity degree of cellulose I type, and the calculation method of the effective utilization factor of a carboxymethylating agent are as above-mentioned.
得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を水に分散し、１％（ｗ／ｖ）水分散体とした。これを、１５０ＭＰａの高圧ホモジナイザーで３回処理し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。得られた分散体の透明度と粘度を以下の方法で測定した。 The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was dispersed in water to give a 1% (w / v) aqueous dispersion. This was treated three times with a 150 MPa high-pressure homogenizer to obtain a nanofiber dispersion of carboxymethylated cellulose. The transparency and viscosity of the obtained dispersion were measured by the following methods.
＜セルロースナノファイバー分散体の透明度の測定＞
セルロースナノファイバー分散体（固形分１％（ｗ／ｖ）、分散媒：水）の透明度（６６０ｎｍ光の透過率）は、ＵＶ−ＶＩＳ分光光度計 ＵＶ−１８００（島津製作所社）を用いて測定した。
<Measurement of transparency of cellulose nanofiber dispersion>
The transparency (660 nm light transmittance) of the cellulose nanofiber dispersion (solid content 1% (w / v), dispersion medium: water) was measured using a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (Shimadzu Corporation). did.
＜粘度の測定＞
セルロースナノファイバー分散体（固形分１％（ｗ／ｖ）、分散媒：水）を１６時間放置した後、撹拌機を用いて３０００ｒｐｍで１分間撹拌し、Ｂ型粘度計（東機産業社製）を用いて、Ｎｏ．４ローター／回転数６０ｒｐｍまたは６ｒｐｍで３分後の粘度を測定した。
<Measurement of viscosity>
A cellulose nanofiber dispersion (solid content: 1% (w / v), dispersion medium: water) was allowed to stand for 16 hours, and then stirred at 3000 rpm for 1 minute using a stirrer. A B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) ), No. The viscosity after 3 minutes was measured at 4 rotors / 60 rpm or 6 rpm.
（実施例２）
ＩＰＡの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のＩＰＡの濃度を９０％とした以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．４７、セルロースＩ型の結晶化度は６３％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は５６％であった。
(Example 2)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution during the carboxymethylation reaction was changed to 90% by changing the amount of IPA added. The degree of carboxymethyl substitution was 0.47, the crystallinity of cellulose type I was 63%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 56%.
得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
（実施例３）
マーセル化反応時の溶媒を水９０％、ＩＰＡ１０％とし、ＩＰＡの添加量を変えることによりカルボキシメチル反応時の混合溶媒中のＩＰＡ濃度を実施例１と同様に５０％に調整した以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２８、セルロースＩ型の結晶化度は６９％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３４％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
(Example 3)
Example except that the solvent during the mercerization reaction was 90% water and 10% IPA, and the IPA concentration in the mixed solvent during the carboxymethyl reaction was adjusted to 50% as in Example 1 by changing the amount of IPA added. In the same manner as in Example 1, a sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the crystallinity of cellulose type I was 69%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 34%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例４）
マーセル化反応時の溶媒を水７０％、ＩＰＡ３０％とし、ＩＰＡの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の混合溶媒中のＩＰＡ濃度を実施例１と同様に５０％に調整した以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２８、セルロースＩ型の結晶化度は６４％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３４％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
Example 4
Except that the solvent during the mercerization reaction was 70% water and IPA 30%, and the IPA concentration in the mixed solvent during the carboxymethylation reaction was adjusted to 50% as in Example 1 by changing the amount of IPA added. In the same manner as in Example 1, a sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the crystallinity of cellulose type I was 64%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 34%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers .
（実施例５）
マーセル化剤として水酸化ナトリウムに代えて水酸化リチウムを用いた以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのリチウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２５、セルロースＩ型の結晶化度は６２％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３０％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのリチウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 5 )
A lithium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that lithium hydroxide was used in place of sodium hydroxide as the mercerizing agent. The degree of carboxymethyl substitution was 0.25, the crystallinity of cellulose type I was 62%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 30%. The obtained lithium salt of carboxymethylated cellulose was fibrillated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例６）
マーセル化剤として水酸化ナトリウムに代えて水酸化カリウムを用いた以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのカリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２５、セルロースＩ型の結晶化度は６１％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３０％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのカリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 6 )
A potassium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that potassium hydroxide was used in place of sodium hydroxide as the mercerizing agent. The degree of carboxymethyl substitution was 0.25, the crystallinity of cellulose type I was 61%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 30%. The obtained potassium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例７）
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をＩＰＡからメタノールに変更した以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２９、セルロースＩ型の結晶化度は６６％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３５％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 7 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to methanol. The degree of carboxymethyl substitution was 0.29, the crystallinity of cellulose type I was 66%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 35%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例８）
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をＩＰＡからエタノールに変更した以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．３０、セルロースＩ型の結晶化度は６７％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３６％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 8 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to ethanol. The degree of carboxymethyl substitution was 0.30, the crystallinity of cellulose type I was 67%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 36%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例９）
カルボキシメチル化反応時に添加する有機溶媒をＩＰＡからアセトンに変更した以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２６、セルロースＩ型の結晶化度は６３％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３１％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 9 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent added during the carboxymethylation reaction was changed from IPA to acetone. The degree of carboxymethyl substitution was 0.26, the crystallinity of cellulose type I was 63%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 31%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例１０）
マーセル化反応時に水酸化ナトリウム２０部を水１００部に溶解したものに代えて水酸化ナトリウム４０部を水１００部に溶解したものを用い、カルボキシメチル化反応時のカルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸ナトリウム６０部に代えてモノクロロ酢酸５０部を用いた以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．３１、セルロースＩ型の結晶化度は６０％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３６％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 10 )
Sodium monochloroacetate was used as a carboxymethylating agent in the carboxymethylation reaction using 20 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water during the mercerization reaction instead of 40 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water. A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that 50 parts of monochloroacetic acid was used instead of 60 parts. The degree of carboxymethyl substitution was 0.31, the degree of crystallinity of cellulose type I was 60%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 36%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例１１）
ＩＰＡの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のＩＰＡの濃度を３０％とした以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２４、セルロースＩ型の結晶化度は７３％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は２９％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 11 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution during the carboxymethylation reaction was changed to 30% by changing the amount of IPA added. The degree of carboxymethyl substitution was 0.24, the crystallinity of cellulose type I was 73%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 29%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（実施例１２）
ＩＰＡの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のＩＰＡの濃度を２０％とした以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２０、セルロースＩ型の結晶化度は７４％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は２４％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Example 12 )
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution during the carboxymethylation reaction was changed to 20% by changing the amount of IPA added. The degree of carboxymethyl substitution was 0.20, the crystallinity of cellulose type I was 74%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 24%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（比較例１）
カルボキシメチル化反応時の溶媒を水１００％とした以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．１１、セルロースＩ型の結晶化度は７２％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は１３％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative Example 1)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solvent during the carboxymethylation reaction was changed to 100% water. The degree of carboxymethyl substitution was 0.11, the degree of crystallinity of cellulose type I was 72%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 13%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（比較例２）
マーセル化反応時の溶媒を水１０％、ＩＰＡ９０％とし、カルボキシメチル化反応時にも同じ組成の溶媒を用いた以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２７、セルロースＩ型の結晶化度は６４％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３２％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative Example 2)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solvent during the mercerization reaction was 10% water and 90% IPA, and the solvent having the same composition was used during the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution was 0.27, the crystallinity of cellulose type I was 64%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 32%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（比較例３）
マーセル化反応時に水酸化ナトリウム２０部を水１００部に溶解したものに代えて水酸化ナトリウム４５部を水１００部に溶解したものを用い、カルボキシメチル化反応時のカルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸ナトリウム６０部に代えてモノクロロ酢酸ナトリウム１５０部を用いた以外は比較例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２８、セルロースＩ型の結晶化度は４５％、カルボキシメチル化剤の有効利用率は１３％であった。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative Example 3)
Sodium monochloroacetate was used as a carboxymethylating agent in the carboxymethylation reaction by using 20 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water during the mercerization reaction instead of 45 parts of sodium hydroxide in 100 parts of water. A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that 150 parts of sodium monochloroacetate was used instead of 60 parts. The degree of carboxymethyl substitution was 0.28, the crystallinity of cellulose type I was 45%, and the effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 13%. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
表１の結果より、マーセル化を水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化を水と有機溶媒との混合溶媒下で行った実施例１〜１２では、従来法である、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行った比較例２（溶媒法）に比べて、非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を製造することができることがわかる。また、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行った比較例１及び３に比べて、高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を、高いカルボキシメチル化剤の有効利用率で製造することができることがわかる。 From the results in Table 1, mercerization was carried out in a solvent mainly composed of water, and in Examples 1 to 12 in which carboxymethylation was carried out in a mixed solvent of water and an organic solvent, conventional mercerization and It can be seen that a cellulose nanofiber dispersion having very high transparency can be produced as compared with Comparative Example 2 (solvent method) in which both carboxymethylation was performed in a solvent mainly composed of an organic solvent. In addition, compared to Comparative Examples 1 and 3 in which both mercerization and carboxymethylation were performed using water as a solvent, a cellulose nanofiber dispersion having high transparency was produced with a high effective utilization rate of the carboxymethylating agent. You can see that
Claims (10)
マーセル化セルロースをカルボキシメチル化剤と反応させて、カルボキシメチル化セルロースを得る工程、及び
得られたカルボキシメチル化セルロースを解繊してカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーを得る工程
を含み、マーセル化セルロースを得る工程を、水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化セルロースを得る工程を、水と有機溶媒との混合溶媒下で行う、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの製造方法。 Treating cellulose with a mercerizing agent to obtain mercerized cellulose ;
Reacting mercerized cellulose with a carboxymethylating agent to obtain carboxymethylated cellulose; and
A step of defibrating the obtained carboxymethylated cellulose to obtain nanofibers of carboxymethylated cellulose, and a step of obtaining mercerized cellulose in a solvent mainly comprising water, The manufacturing method of the nanofiber of carboxymethylated cellulose which performs the process of obtaining a cellulose in the mixed solvent of water and an organic solvent.
Priority Applications (24)
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