JP6831935B1 - セルロース組成物及びセルロース組成物の製造方法 - Google Patents
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(A)数平均繊維径が2nm以上500nm以下
(B)平均アスペクト比が50以上3000以下
(C)セルロースI型結晶構造を有する
(D)前記硫酸化セルロース繊維の含有量に対する前記置換基の含有量(置換基の含有量[mmol]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])が、0.01mmol/g以上3.0mmol/g以下
本発明の一実施形態であるセルロース組成物は、セルロース繊維の一部の水酸基が下記式(1)で表される置換基によって修飾されている硫酸化セルロース繊維と、水溶性セルロースと、を含有する。下記式(1)では、波線部分がセルロース分子を表す。つまり、硫酸化セルロース繊維は、セルロース中の水酸基の酸素原子に対して、水素原子の代わりに−SO3 −Mが結合した構造を有し、セルロース繊維表面に硫酸基が導入されている。
(A)数平均繊維径が2nm以上500nm以下
(B)平均アスペクト比が50以上3000以下
(C)セルロースI型結晶構造を有する
(D)前記硫酸化セルロース繊維の含有量に対する前記置換基の含有量(置換基の含有量[mmol]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])が、0.01mmol/g以上3.0mmol/g以下
本明細書において、「硫酸化セルロース繊維」とは、セルロース繊維の一部の水酸基が下記式(1)で表される置換基によって修飾されているセルロース繊維を示す。下記式(1)では、波線部分がセルロース分子を表す。つまり、硫酸化セルロース繊維は、セルロース中の水酸基の酸素原子に対して、水素原子の代わりに−SO3 −Mが結合した構造を有し、セルロース繊維表面に硫酸基が導入されている。
本実施形態の硫酸化セルロース繊維において、硫酸化セルロース繊維1gあたりにおける前記式(1)で表される置換基の含有量(置換基の含有量[mmol]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])は、0.01mmol/g以上3.0mmol/g以下である。セルロース結晶構造の保持効果を高めるという観点から、この含有量は、より好ましくは2.8mmol/g以下であり、さらに好ましくは2.7mmol/g以下であり、特に好ましくは2.5mmol/g以下である。また、セルロース繊維の表面を置換基で覆うという観点から、この含有量は、0.05mmol以上/gであることが好ましく、より好ましくは0.1mmol/g以上であり、さらに好ましくは1.0mmol/g以上であり、特に好ましくは1.2mmol/g以上である。
本実施形態の硫酸化セルロース繊維は、セルロースI型結晶構造を有するものであり、硫酸化セルロース繊維の結晶化度が50%以上であることが好ましい。結晶化度が50%以上であることにより、セルロース結晶構造に由来する特性をより効果的に発現することができる結果として、増粘性や沈降抑制効果を向上させることができる。結晶化度は、より好ましくは60%以上、さらに好ましくは65%以上であり、70%以上でもよい。結晶化度の上限は特に限定されないが、硫酸エステル化反応の反応効率を向上させる観点から、98%以下が好ましく、より好ましくは95%以下であり、更に好ましくは90%以下であり、特に好ましくは85%以下である。
セルロースI型結晶化度(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100
〔式中、I22.6は、X線回折における格子面(200面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度を示し、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す。〕
なお、セルロースI型とは天然セルロースの結晶型のことであり、セルロースI型結晶化度とは、セルロース全体のうち結晶領域量の占める割合のことを意味する。
硫酸化セルロース繊維の数平均繊維径は2nm以上500nm以下であるが、好ましくは2nm以上150nm以下であり、より好ましくは2nm以上100nm以下であり、特に好ましくは3nm以上80nm以下である。数平均繊維径が2nm未満であると、セルロースが溶解してナノファイバーとして得られず、高い増粘性や優れたスプレー性などの効果が得られない虞がある。一方、数平均繊維径が500nm超の場合、繊維が太すぎるため、高い増粘性や優れたスプレー性などの効果が得られない虞がある。硫酸化セルロース繊維の最大繊維径は、高い増粘性と優れたスプレー性を発揮する観点から、1000nm以下であることが好ましく、特に好ましくは500nm以下である。
上記硫酸化セルロース繊維の平均アスペクト比は50以上3000以下であるが、好ましくは2000以下、より好ましくは1000以下であり、好ましくは100以上、より好ましくは200以上である。平均アスペクト比が50未満であると増粘性が低くなるという問題が生じる。
平均アスペクト比=数平均繊維長[nm]/数平均繊維径[nm]
硫酸化セルロース繊維の製造方法は、特に限定されないが、例えば、セルロース原料と硫酸化試薬を反応させる方法が挙げられる。この製造方法は、繊維形状を保ったままのセルロース繊維を硫酸化試薬で処理することによって、硫酸化試薬と当該セルロース繊維の構成要素であるセルロース微細繊維を反応させることにより、セルロース微細繊維を硫酸エステル化する工程(化学修飾工程)を含む。
上記の化学修飾工程で用いるセルロース繊維(セルロース原料)の具体例としては、特に限定されないが、例えば、植物、動物(例えば、ホヤ類)、藻類、微生物(例えば、酢酸菌)、微生物産生物等を起源とするもの等が挙げられる。植物としては、例えば、木材、綿、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ、再生パルプ、古紙等が挙げられる。これらの中で、植物由来パルプが好ましい原材料として挙げられる。
嵩密度が10kg/m3以上のセルロース原料を用いる場合は、化学修飾工程の反応に先立ち、前処理を行い、嵩密度を0.1〜5.0kg/m3にしてもよい。この前処理を予め行うことにより、硫酸エステル化工程をより効率的に行うことができる。前処理方法としては、特に限定されないが、機械処理を行うことにより、セルロース原料を適度な嵩密度にすることができる。機械処理としては、使用する機械や処理条件に制限はなく、例えばシュレッダー、ボールミル、振動ミル、石臼、グラインダー、ブレンダー、高速回転ミキサー等が挙げられる。嵩密度は好ましくは、0.1〜5.0kg/m3であり、より好ましくは0.1〜3.0kg/m3であり、さらにより好ましくは0.1〜1.0kg/m3である。
硫酸エステル化工程において、セルロース繊維と硫酸化試薬との反応(即ち、硫酸エステル化反応)は、硫酸化試薬を含む薬液にセルロース原料(セルロース繊維)を浸漬することにより行うことができる。
本実施形態では、必要に応じて、硫酸エステル塩を中和する工程を設けてもよい。硫酸エステル塩は、得られた粗製物のpHが低下することによって酸性を示した場合、粗製物の保存安定性が低い。そのため、この硫酸エステル塩に塩基性化合物を添加して中和させることにより、pHを中性もしくはアルカリ性に調整することが好ましい。中和に用いる塩基性化合物としては、特に限定されるものではないが、例えば、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、その他の無機塩、アミン類、オニウム化合物等が挙げられる。具体的には、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、酢酸カルシウム、乳酸カルシウム、シュウ酸カルシウム、水酸化マグネシウム、酢酸マグネシウム、乳酸マグネシウム、シュウ酸マグネシウム、塩基性乳酸アルミニウム、塩基性塩化アルミニウム、アンモニア、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルホスホニウムヒドロキシド等が挙げられる。なお、本実施形態において、一種以上の塩基性化合物を使用して中和することができる。
本実施形態のセルロース組成物は、水溶性セルロースを含有する。本明細書において、「水溶性セルロース」とは、20℃1気圧下において、水に対して、1g/L以上溶解するセルロースを意味する。水溶性セルロースとしては、20℃1気圧下において、水に対して、3g/L以上溶解することが好ましい。
一般的に、マイクロオーダーの硫酸化セルロース繊維に対して、機械的解繊による微細化工程を経ることにより、ナノオーダーの硫酸化セルロース繊維を得ることができる。硫酸化セルロース繊維の微細化工程を行う一般的な装置としては、例えば、リファイナー、二軸混錬機(二軸押出機)、高圧ホモジナイザー、媒体撹拌ミル(例えば、ロッキングミル、ボールミル、ビーズミル等)、石臼、グラインダー、振動ミル、サンドグラインダー等が挙げられる。
まず、実験に用いる硫酸化セルロース繊維を下記の製造例1〜3に従って合成する。
まず、反応工程として、スルファミン酸14.4g(セルロース分子中のアンヒドログルコース単位1モル当たり1.2モル)に、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)620gを添加した後、30分撹拌を行った。その後、室温(25℃)下において、セルロース原料として針葉樹クラフトパルプ20.0gを添加した。その後、55℃で4時間反応させた後、室温(25℃)まで冷却した。次に、繊維を取り出した後に、水で洗浄した後、中和剤として2N水酸化ナトリウム水溶液を添加することにより、pHを7.6に調整した。その後、脱水を行うことによって、硫酸化セルロース繊維A1を得た。
反応工程においてスルファミン酸の仕込み量を23.9gとした点以外は、製造例1と同様の手順により硫酸化セルロース繊維A2を得た。
反応工程においてスルファミン酸の仕込み量を41.9gとした点以外は、製造例1と同様の手順により硫酸化セルロース繊維A3を得た。
製造例1〜3により得られたセルロース繊維について硫酸基量と、結晶化度とを測定した。測定結果を表1に示す。各測定の詳細については、以下に示す。
硫酸基量は、電位差滴定により算出した。ここで、硫酸基量は、硫酸化セルロース繊維の含有量に対する置換基の含有量(置換基の含有量[mmol]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])と同義である。乾燥質量を精秤した硫酸化セルロース繊維試料を用いて、固形分率0.5%に調製した硫酸化セルロース繊維の水分散体を60mL調製した。その後、1N塩酸水溶液によって、水分散体のpHを約1.0とした。その後、ろ過及び水洗浄をした後、硫酸エステル化セルロース繊維を再び固形分率0.5%となるように水に再分散させた。その後、0.1N水酸化カリウム水溶液を滴下することにより電位差測定を行った。そして、この滴下量を用いて硫酸基量を算出した。
硫酸化セルロース繊維のX線回折強度を、X線回折法を用いて測定した。そして、その測定結果からSegal法を用いて、下記式により結晶化度を算出した。
セルロースI型結晶化度(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100
X線源:Cu/Kα―radiation
管電圧:40kV
管電流:30mA
測定範囲:回折角2θ=5〜35°
X線のスキャンスピード:10°/min
比較例に用いるTEMPO酸化セルロース繊維について、製造例4に従って合成した。
針葉樹クラフトパルプ2.0gに、水150mL、臭化ナトリウム0.25g、2,2,6,6−テトラメチルピペリジノオキシラジカル(TEMPO)0.025gを加えた後、十分撹拌させた。その後、13質量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液を、上記パルプ1.0gに対して次亜塩素酸ナトリウム量が10mmol/gとなるように加えることにより、反応を開始した。さらに、反応中のpHが10〜11に保持するように0.5N水酸化ナトリウム水溶液を滴下しながら、45分間反応させた。反応後、0.1N塩酸を加えてpHを7.0とした後、脱水を行うことにより、TEMPO酸化セルロース繊維B1を得た。
製造例4により得られたTEMPO酸化セルロース繊維B1についてカルボキシ基量と、結晶化度とを測定した。なお、カルボキシ基量の測定方法は以下の方法で行い、結晶化度の測定方法は硫酸化セルロース繊維の評価と同様の手法で行った。測定結果を表1に示す。
上記セルロース繊維0.25gを水に分散させたセルロース水分散体60mlを調製した後、0.1Nの塩酸水溶液によってpHを約2.5とした。その後、0.05Mの水酸化ナトリウム水溶液を滴下することにより、電気伝導度測定を行った。測定は、pHが11になるまで続けた。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において、消費された水酸化ナトリウム量(V)を用いて、下記式に基づいてカルボキシ基量を求めた。
カルボキシ基量[mmol/g]=V[ml]×(0.05/セルロース質量[g])
水溶性セルロースとして用いる硫酸化セルロースを製造例5に従って合成した。
結晶性セルロース50.0gにDMF150mLを加えた後、1時間撹拌させた。18質量%無水硫酸―DMF溶液480mLを氷冷下でゆっくり滴下した後、室温(25℃)で6時間反応させた。その後、反応液を5℃まで冷却した後、氷冷下において反応液を水400gに滴下した。pHが10となるよう5N水酸化ナトリウム水溶液を加えた後、さらに1N塩酸を加えることにより、pHを7.0とした。その後、析出物を濾別した後、ろ液をイソプロピルアルコール2Lに滴下した後、ろ過及びろ物の乾燥を行うことにより、水溶性セルロースとしての硫酸化セルロースを得た。
その他の水溶性セルロースとして、以下のものを用いた。
・カルボキシメチルセルロース(CMC)(第一工業製薬社製 セロゲンWS−A)
・ヒドロキシエチルセルロース(HEC)(三晶社製 SANHEC)
・ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)(三晶社製 NEOVISCO MC)
上述の水溶性セルロースを乾燥固形分量が1.0gとなるように秤量した後、水を添加し、その後、一日スターラーで撹拌することにより1質量%のセルロース溶液を得た。
次に、上記製造方法により得られたセルロース繊維等を用いてセルロース組成物を調製した。
製造例1により得られた硫酸化セルロース繊維A1 6.7g(固形分濃度15%)に水93.3mLを加え固形分濃度が1%となるように調製した。その後、硫酸化セルロース溶液を5.0g添加した後、ホモミキサー(プライミクス社製 ホモミキサーMARKII2.5型)によって10,000rpmで30分間撹拌することにより、セルロース組成物を調製した。
製造例1〜3により得られた硫酸化セルロース繊維を用いて、表2、3に示す条件となるように、実施例1と同様の操作を行うことでセルロース組成物を調製した。
製造例1により得られた硫酸化セルロース繊維A1 6.7g(固形分濃度15%)に水93.3mLを加え固形分濃度が1%となるように調製した。その後、ホモミキサー(プライミクス社製 ホモミキサーMARKII2.5型)によって10,000rpmで60分間撹拌することにより、セルロース組成物を調製した。
製造例1により得られた硫酸化セルロース繊維A1の代わりに製造例3により得られた硫酸化セルロース繊維A3を用いた点、ホモミキサーによる攪拌時間を10分とした点以外は、比較例1と同様の操作でセルロース組成物を調製した。
製造例1により得られた硫酸化セルロース繊維A1の代わりに製造例4により得られたTEMPO酸化セルロース繊維B1を用いた点、ホモミキサーによる攪拌時間を30分とした点以外は、比較例1と同様の操作でセルロース組成物を調製した。
水溶性セルロースを用いた点以外は、表3に示す条件となるように、比較例3と同様の操作でセルロース組成物を調製した。
実施例及び比較例について、以下の測定及び評価を行った。
セルロース繊維の平均繊維径及び平均繊維長は、光学顕微鏡又は原子間力顕微鏡(AFM)で観察した繊維50本の数平均値である。また、平均アスペクト比は、数平均繊維長/数平均繊維径の値である。
セルロース組成物50.0gに水50mLを加えた後、ホモミキサーを用いて8,000rpm、5分間撹拌した。そして、脱気した後、100mLのスクリュー管に移し、1日静置した。25℃1気圧の条件下において、BM型粘度計を用いて6rpmで3分間攪拌させた後のサンプルの粘度を、「初期粘度」とした。
粘度低下率(%)=〔1−(長期撹拌後粘度/初期粘度)〕×100
初期粘度を測定したサンプルと、長期撹拌後粘度を測定したサンプルと、を、それぞれ2枚の偏光板で挟んだ後、複屈折の有無を目視にて観察した。複屈折の判定の基準を以下に示す。
〇:複屈折が全部に見える。
△:複屈折が一部に見える。
×:複屈折が見えない。
セルロース組成物50.0gに水50mLを加えた後、ホモミキサーを用いて8,000rpm、5分間撹拌した。そして、脱気した後、一日静置した。波長660nmにおけるこの溶液の透過率を分光光度計により測定した。
セルロース組成物50.0gに水50mLを加え、ホモミキサーを用いて8,000rpm、5分間撹拌した後、スプレー容器(サンラテック社製分注瓶(スプレー式)S−50)に入れ、噴射を試みた。そして、噴射の可否を目視で観察した。スプレー性の判定の基準を以下に示す。
〇:ノズルからミスト状に噴射される。
△:ノズルから噴射されるがミスト状ではない。
×:ノズルから噴射できない。
容量200mLのポリカップに、水性セルロース組成物10.0gと水90mLとを加えた後、ホモミキサーを用いて8,000rpm、5分間撹拌することにより、固形分濃度が0.1質量%のセルロース組成物を得た。得られたセルロース組成物にアルミナ(粒子径0.5μm)1.0gを添加した後、ホモディスパー(プライミクス社製、ホモディスパー2.5型)を用いて2,000rpm、2時間撹拌した。その後、この分散液を直径3cm×30cm長の目盛付試験管に25mL移した後、25℃で3日静置した。その後、この分散液の離水量を測定し、この離水量と以下の式とを用いて、沈降度を算出した。
沈降度=離水量(mL)/25(mL)
〇:沈降度が0.1未満
△:沈降度が0.1以上、0.3未満
×:0.3以上
P2…点
F…繊維
Claims (6)
- セルロース繊維の一部の水酸基が下記式(1)で表される置換基によって修飾されている硫酸化セルロース繊維と、水溶性セルロースと、を含有し、
前記硫酸化セルロース繊維は、以下の(A)から(D)の条件を満たすことを特徴とする、セルロース組成物。
(A)数平均繊維径が2nm以上500nm以下
(B)平均アスペクト比が50以上3000以下
(C)セルロースI型結晶構造を有する
(D)前記硫酸化セルロース繊維の含有量に対する前記置換基の含有量(置換基の含有量[mmol]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])が、0.01mmol/g以上3.0mmol/g以下
- 前記水溶性セルロースは、20℃1気圧下において、水に対して、3g/L以上溶解することを特徴とする、請求項1に記載のセルロース組成物。
- 前記水溶性セルロースの一部がアニオン性官能基によって置換されていることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のセルロース組成物。
- 前記硫酸化セルロース繊維の質量に対して、前記硫酸化セルロース繊維の含有量に対する前記水溶性セルロースの含有量の割合(水溶性セルロースの含有量[g]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])が、0.001%以上500%以下であることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のセルロース組成物。
- 前記硫酸化セルロース繊維の含有量に対する前記置換基の含有量(置換基の含有量[mmol]/硫酸化セルロース繊維の含有量[g])が、1.2mmol/g以上2.7mmol/g以下であることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のセルロース組成物。
- 前記硫酸化セルロース繊維の結晶化度が50%以上98%以下であることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のセルロース組成物。
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