JP7127005B2 - Fine fibrous cellulose inclusions - Google Patents
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Description
本発明は、微細繊維状セルロース含有物に関する。具体的には、本発明は、リン酸基と、ウレタン結合を有する基とを有する微細繊維状セルロースを含む微細繊維状セルロース含有物に関する。 The present invention relates to fine fibrous cellulose inclusions. Specifically, the present invention relates to fine fibrous cellulose inclusions comprising fine fibrous cellulose having phosphate groups and groups having urethane linkages.
近年、石油資源の代替及び環境意識の高まりから、再生産可能な天然繊維を利用した材料が着目されている。天然繊維の中でも、繊維径が10~50μmの繊維状セルロース、特に木材由来の繊維状セルロース(パルプ)は、主に紙製品としてこれまで幅広く使用されてきた。 BACKGROUND ART In recent years, attention has been paid to materials using reproducible natural fibers due to the replacement of petroleum resources and the growing awareness of the environment. Among natural fibers, fibrous cellulose having a fiber diameter of 10 to 50 μm, particularly wood-derived fibrous cellulose (pulp) has been widely used mainly as paper products.
繊維状セルロースとしては、繊維径が1μm以下の微細繊維状セルロースも知られている。微細繊維状セルロースを含有するシートや複合体は、繊維同士の接点が著しく増加することから、引張強度が大きく向上する。また、繊維幅が可視光の波長より短くなることで、透明度が大きく向上する。例えば、特許文献1には、温度条件や波長等に影響を受けることなく、高い透明性が維持され、繊維とマトリクス材料との複合化により様々な機能性が付与された繊維強化複合材料が開示されている。また、微細繊維状セルロースは、増粘剤などの用途へ使用できることも知られている。 As fibrous cellulose, fine fibrous cellulose having a fiber diameter of 1 μm or less is also known. Sheets and composites containing fine fibrous cellulose have significantly increased contact points between fibers, resulting in greatly improved tensile strength. In addition, since the fiber width is shorter than the wavelength of visible light, the transparency is greatly improved. For example, Patent Literature 1 discloses a fiber-reinforced composite material that maintains high transparency without being affected by temperature conditions, wavelengths, etc., and is provided with various functionalities by combining fibers with a matrix material. It is It is also known that fine fibrous cellulose can be used for applications such as thickening agents.
微細繊維状セルロースは、従来のセルロース繊維を機械処理することで製造可能であるが、セルロース繊維同士は水素結合により、強く結合している。したがって、単純に機械処理を行うのみでは、微細繊維状セルロースを得るまでに膨大なエネルギーが必要となる。 Fine fibrous cellulose can be produced by mechanically treating conventional cellulose fibers, but the cellulose fibers are strongly bonded to each other by hydrogen bonding. Therefore, a mere mechanical treatment requires a huge amount of energy to obtain fine fibrous cellulose.
より小さな機械処理エネルギーで微細繊維状セルロースを製造するためには、機械処理と合わせて、化学処理や生物処理といった前処理を行うことが有効であることは良く知られている。特に、化学処理により、セルロース表面のヒドロキシル基に親水性の官能基(例えば、カルボキシル基、カチオン基、リン酸基など)を導入すると、イオン同士の電気的な反発が生じ、かつイオンが水和することで、特に水系溶媒への分散性が著しく向上する。このため、化学処理を施さない場合に比べて微細化のエネルギー効率が高くなる。 It is well known that pretreatment such as chemical treatment or biological treatment is effective in combination with mechanical treatment in order to produce fine fibrous cellulose with less mechanical treatment energy. In particular, when hydrophilic functional groups (e.g., carboxyl groups, cationic groups, phosphate groups, etc.) are introduced into the hydroxyl groups on the surface of cellulose by chemical treatment, electrical repulsion occurs between ions, and ions are hydrated. By doing so, the dispersibility in an aqueous solvent is remarkably improved. For this reason, the energy efficiency of miniaturization is higher than when no chemical treatment is applied.
例えば、特許文献2には、TEMPO触媒酸化によりセルロースのヒドロキシル基をカルボキシル基まで酸化した後に微細化する方法が開示されている。特許文献3には、4級アンモニウム基とエポキシ基などの反応性官能基を有するカチオン化剤をアルカリ活性化したセルロース繊維と反応させ、ヒドロキシル基を、カチオン性を有するエーテルに変性した後に微細化する方法が開示されている。 For example, Patent Document 2 discloses a method of oxidizing hydroxyl groups of cellulose to carboxyl groups by TEMPO-catalyzed oxidation and then refining the cellulose. In Patent Document 3, a cationizing agent having a reactive functional group such as a quaternary ammonium group and an epoxy group is reacted with an alkali-activated cellulose fiber to modify the hydroxyl group into an ether having cationic properties, and then refine it. A method for doing so is disclosed.
また、特許文献4~10には、リン酸基がセルロースのヒドロキシル基とエステルを形成した微細繊維状セルロースに関する技術が開示されている。特許文献10では、リン酸基導入工程を尿素の存在下で行うことが開示されている。 Further, Patent Documents 4 to 10 disclose techniques relating to fine fibrous cellulose in which a phosphoric acid group forms an ester with a hydroxyl group of cellulose. Patent Document 10 discloses that the phosphate group-introducing step is performed in the presence of urea.
上述したようにリン酸基を有する微細繊維状セルロースは知られているが、従来技術におけるリン酸基導入条件を採用して微細繊維状セルロース含有スラリーを作製したところ、得られたスラリーの粘度(溶液粘度)と、微粒子分散性とが十分ではない恐れがあることが本発明者らの検討により明らかとなった。 As described above, fine fibrous cellulose having a phosphate group is known, but when a slurry containing fine fibrous cellulose was prepared using the conditions for introducing a phosphate group in the prior art, the resulting slurry had a viscosity ( The present inventors' studies have revealed that there is a possibility that the solution viscosity) and the fine particle dispersibility may not be sufficient.
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、リン酸基を有する微細繊維状セルロース含有物であって、スラリーとした際の溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させ得る微細繊維状セルロース含有物を提供することを目的として検討を進めた。 Therefore, in order to solve such problems of the prior art, the present inventors have developed a fine fibrous cellulose-containing material having a phosphate group, which can increase the solution viscosity when made into a slurry, and The present inventors have investigated for the purpose of providing a fine fibrous cellulose-containing material capable of improving fine particle dispersibility.
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、リン酸基又はリン酸基に由来する置換基と、ウレタン結合を有する基とを有する微細繊維状セルロースを含む微細繊維状セルロース含有物において、ウレタン結合を有する基の含有量を所定値以上とすることにより、溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させ得ることを見出した。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found a fine fiber containing fine fibrous cellulose having a phosphoric acid group or a substituent derived from a phosphoric acid group and a group having a urethane bond. It has been found that by setting the content of groups having urethane bonds in the fibrous cellulose-containing material to a predetermined value or more, the viscosity of the solution can be increased and the dispersibility of fine particles can be improved.
Specifically, the present invention has the following configurations.
[1] (A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基と、(B)ウレタン結合を有する基とを有する微細繊維状セルロースを含む微細繊維状セルロース含有物であって、(B)ウレタン結合を有する基の含有量CBは、微細繊維状セルロース1gあたり0.05mmol/g以上である微細繊維状セルロース含有物。
[2] (A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基は、下記式(1)で表される置換基であり、(B)ウレタン結合を有する基は、下記式(2)で表される置換基である[1]に記載の微細繊維状セルロース含有物;
[3] (A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基の含有量CAが0.1mmol/g以上である[1]又は[2]に記載の微細繊維状セルロース含有物。
[4] 微細繊維状セルロースに導入されたリン酸基に由来する強酸性基と弱酸性基の導入量の差が0.5mmol/g以下である[1]~[3]のいずれかに記載の微細繊維状セルロース含有物。
[5] 微細繊維状セルロースの固形分濃度が0.4質量%の溶液であって、微細繊維状セルロースの添加後にディスパーザーにて1500rpm、5分の条件で攪拌して得られる溶液の粘度が5000mPa・s以上である[1]~[4]のいずれかに記載の微細繊維状セルロース含有物。
[6] (A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基の含有量CAが0.1~2.0mmol/gである[1]~[5]のいずれかに記載の微細繊維状セルロース含有物。
[7] (A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基の含有量CAが1.65~3.80mmol/gである[1]~[5]のいずれかに記載の微細繊維状セルロース含有物。
[1] A fine fibrous cellulose-containing material containing (A) a phosphoric acid group or a substituent derived from a phosphoric acid group, and (B) a group having a urethane bond, wherein (B) A fine fibrous cellulose-containing material, wherein the content CB of a group having a urethane bond is 0.05 mmol/g or more per 1 g of fine fibrous cellulose.
[2] (A) A phosphate group or a substituent derived from a phosphate group is a substituent represented by the following formula (1), and (B) a group having a urethane bond is represented by the following formula (2). The fine fibrous cellulose-containing material according to [1], which is a substituent represented by;
[3] ( A ) The fine fibrous cellulose-containing material according to [1] or [2], wherein the content CA of the phosphate group or the substituent derived from the phosphate group is 0.1 mmol/g or more.
[4] Any one of [1] to [3], wherein the difference between the introduced amount of the strongly acidic group and the weakly acidic group derived from the phosphoric acid group introduced into the fine fibrous cellulose is 0.5 mmol/g or less. of fine fibrous cellulose inclusions.
[5] A solution having a solid content concentration of fine fibrous cellulose of 0.4% by mass, which is obtained by stirring with a disperser at 1500 rpm for 5 minutes after the addition of fine fibrous cellulose has a viscosity of The fine fibrous cellulose-containing material according to any one of [1] to [4], which has a viscosity of 5000 mPa·s or more.
[6] ( A ) The fine fiber according to any one of [1] to [5], wherein the content CA of a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group is 0.1 to 2.0 mmol/g. cellulosic inclusions.
[7] ( A ) The fine fiber according to any one of [1] to [5], wherein the content CA of a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group is 1.65 to 3.80 mmol/g. cellulosic inclusions.
本発明によれば、溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させ得る微細繊維状セルロース含有物を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a fine fibrous cellulose-containing material capable of increasing solution viscosity and improving fine particle dispersibility.
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本願明細書において「~」を用いて表される数値範囲は「~」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、セルロース等の繊維の質量に関する値は、特に記載した場合を除き、絶乾質量(固形分)に基づく。「A及び/又はB」は、特に記載した場合を除き、AとBの少なくとも一方であることを指し、Aのみであってもよく、Bのみであってもよく、AとBとの双方であってもよいことを意味する。
The present invention will be described in detail below. Although the constituent elements described below may be described based on representative embodiments and specific examples, the present invention is not limited to such embodiments. In the specification of the present application, a numerical range represented by "-" means a range including the numerical values described before and after "-" as lower and upper limits.
In addition, unless otherwise specified, values relating to the mass of fibers such as cellulose are based on absolute dry mass (solid content). "A and/or B" refers to at least one of A and B, unless otherwise specified, and may be A only, B only, or both A and B means that it may be
(微細繊維状セルロース含有物)
本発明は、(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基と、(B)ウレタン結合を有する基、とを有する微細繊維状セルロースを含む微細繊維状セルロース含有物に関する。微細繊維状セルロースが有する(B)ウレタン結合を有する基の含有量CBは微細繊維状セルロース1g(質量)あたり0.05mmol/g以上である。
(Fine fibrous cellulose containing material)
The present invention relates to a fine fibrous cellulose-containing material containing fine fibrous cellulose having (A) a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group and (B) a group having a urethane bond. The content CB of ( B ) groups having urethane bonds in the fine fibrous cellulose is 0.05 mmol/g or more per 1 g (mass) of the fine fibrous cellulose.
本発明の微細繊維状セルロース含有物は、上記構成を有するため、微細繊維状セルロース含有物をスラリーとした際の溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させることができる。このように、本発明の微細繊維状セルロース含有物は、増粘剤等の分野に好ましく用いられる。
また、本発明の微細繊維状セルロース含有物は、スラリーとした際の分散性にも優れる。このため、微細繊維状セルロース含有物をスラリーとした際にはスラリーが高い透明性を有している。
Since the fine fibrous cellulose-containing material of the present invention has the above configuration, it is possible to increase the solution viscosity when the fine fibrous cellulose-containing material is made into a slurry, and to improve the dispersibility of fine particles. Thus, the fine fibrous cellulose-containing material of the present invention is preferably used in the field of thickeners and the like.
In addition, the fine fibrous cellulose-containing material of the present invention is excellent in dispersibility when made into a slurry. Therefore, when the fine fibrous cellulose-containing material is slurried, the slurry has high transparency.
微細繊維状セルロースは、(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基を有する。リン酸基はリン酸からヒドロキシル基を取り除いたものにあたる、2価の官能基である。具体的には-PO3H2で表される基である。リン酸基に由来する置換基は、リン酸基が縮重合した基、リン酸基の塩、リン酸エステル基などの置換基が含まれ、イオン性置換基であっても、非イオン性置換基であってもよい。 The fine fibrous cellulose has (A) a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group. A phosphate group is a divalent functional group corresponding to phosphoric acid with the hydroxyl group removed. Specifically, it is a group represented by —PO 3 H 2 . Substituents derived from phosphate groups include polycondensation groups of phosphate groups, salts of phosphate groups, phosphate ester groups, and other substituents. may be a base.
微細繊維状セルロースは、(B)ウレタン結合を有する基を有する。(B)ウレタン結合を有する基は、下記構造式で表される基であることが好ましい。 The fine fibrous cellulose has (B) a group having a urethane bond. (B) The group having a urethane bond is preferably a group represented by the following structural formula.
上記構造式中、Rは、水素原子、飽和-直鎖状炭化水素基、飽和-分岐鎖状炭化水素基、飽和-環状炭化水素基、不飽和-直鎖状炭化水素基、不飽和-分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、又はこれらの誘導基である。 In the above structural formula, R is a hydrogen atom, saturated-linear hydrocarbon group, saturated-branched hydrocarbon group, saturated-cyclic hydrocarbon group, unsaturated-linear hydrocarbon group, unsaturated-branched A chain hydrocarbon group, an aromatic group, or a derivative group thereof.
本願明細書において、ウレタン結合を有する基は、尿素由来の基であることが好ましく、後述するようなカルバメート基であることが好ましい。 In the specification of the present application, the group having a urethane bond is preferably a group derived from urea, preferably a carbamate group as described later.
本発明では、(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基は、下記式(1)で表される置換基であることが好ましく、(B)ウレタン結合を有する基は、下記式(2)で表される置換基であることが好ましい。 In the present invention, (A) a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group is preferably a substituent represented by the following formula (1), and (B) a group having a urethane bond is represented by the following formula: It is preferably a substituent represented by (2).
式(1)中、a、b、m及びnはそれぞれ独立に整数を表す(ただし、a=b×mである)。αn(n=1~nの整数)およびα’はそれぞれ独立にR又はORを表す。Rは、水素原子、飽和-直鎖状炭化水素基、飽和-分岐鎖状炭化水素基、飽和-環状炭化水素基、不飽和-直鎖状炭化水素基、不飽和-分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、又はこれらの誘導基整数である;βは有機物または無機物からなる1価以上の陽イオンである。 In formula (1), a, b, m and n each independently represent an integer (where a=b×m). α n (n=an integer from 1 to n) and α′ each independently represent R or OR. R is a hydrogen atom, saturated-linear hydrocarbon group, saturated-branched hydrocarbon group, saturated-cyclic hydrocarbon group, unsaturated-linear hydrocarbon group, unsaturated-branched hydrocarbon group , an aromatic group, or an integer derived from these groups; β is a monovalent or higher cation composed of organic or inorganic substances.
微細繊維状セルロースは、(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基(以下、置換基(A)ということもある)と、(B)ウレタン結合を有する基(以下、置換基(B)ということもある)を有する。ここで、置換基(B)の含有量CBは0.05mmol/g以上であればよく、0.06mmol/g以上であることが好ましく、0.10mmol/g以上であることがより好ましい。また、置換基(B)の含有量CBの上限値は特に限定されないが、例えば1.0mmol/g以下とすることができる。置換基(B)の含有量CBを上記範囲とすることにより、微細繊維状セルロース含有物をスラリーとした際の溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させることができる。 Fine fibrous cellulose includes (A) a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group (hereinafter sometimes referred to as a substituent (A)) and (B) a group having a urethane bond (hereinafter, a substituent ( (sometimes referred to as B)). Here, the content CB of the substituent ( B ) may be 0.05 mmol/g or more, preferably 0.06 mmol/g or more, more preferably 0.10 mmol/g or more. Although the upper limit of the content CB of the substituent ( B ) is not particularly limited, it can be, for example, 1.0 mmol/g or less. By setting the content CB of the substituent ( B ) within the above range, the viscosity of the solution when the fine fibrous cellulose-containing material is made into a slurry can be increased, and the dispersibility of fine particles can be improved. .
また、置換基(A)の含有量CAは0.10mmol/g以上であることが好ましい。置換基(A)の含有量CAを上記範囲とすることにより、微細繊維状セルロース含有物をスラリーとした際の溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させることができる。さらに、スラリーの透明性を高めることができる。
なお、好ましい一態様として、置換基(A)の含有量CAを0.1~2.0mmol/gとすることができる。これにより、十分な溶液粘度や微粒子分散性を実現しつつ、製造容易性に優れた微細繊維状セルロース含有物を得ることができる。また、好ましい他の一態様として、置換基(A)の含有量CAを1.65~3.80mmol/gとすることができる。これにより、溶液粘度、微粒子分散性、および透明性のバランスにさらに優れたスラリーを提供することが可能となる。置換基(A)の含有量CAはその用途や目的に応じて適宜調整することができる。
Also, the content CA of the substituent ( A ) is preferably 0.10 mmol/g or more. By setting the content CA of the substituent ( A ) within the above range, the viscosity of the solution when the fine fibrous cellulose-containing material is made into a slurry can be increased, and the dispersibility of fine particles can be improved. . Furthermore, the transparency of the slurry can be enhanced.
As a preferred embodiment, the content C A of the substituent (A) can be 0.1 to 2.0 mmol/g. As a result, it is possible to obtain a fine fibrous cellulose-containing material excellent in manufacturability while realizing sufficient solution viscosity and fine particle dispersibility. In another preferred embodiment, the content C A of the substituent (A) can be 1.65 to 3.80 mmol/g. As a result, it is possible to provide a slurry having an even better balance of solution viscosity, fine particle dispersibility, and transparency. The content CA of the substituent ( A ) can be appropriately adjusted according to its use and purpose.
置換基(A)の導入量に対する置換基(B)の導入量の割合は、特に限定されないが2%以上であることが好ましく、3%以上であることがより好ましく、5%以上であることがさらに好ましく、8%以上であることが特に好ましい。置換基(A)の導入量に対する置換基(B)の導入量の割合の上限値は、25%であることが好ましい。置換基(A)の導入量に対する置換基(B)の導入量の割合は、置換基(B)の含有量(mmol/g)/置換基(A)の含有量(mmol/g)×100で算出することができる。置換基(A)の導入量に対する置換基(B)の導入量の割合を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロース含有物をスラリーとした際の溶液粘度を上昇させることができ、かつ微粒子分散性を良化させることができる。 The ratio of the introduced amount of the substituent (B) to the introduced amount of the substituent (A) is not particularly limited, but is preferably 2% or more, more preferably 3% or more, and 5% or more. is more preferable, and 8% or more is particularly preferable. The upper limit of the ratio of the introduced amount of the substituent (B) to the introduced amount of the substituent (A) is preferably 25%. The ratio of the amount of the substituent (B) introduced to the amount of the substituent (A) introduced is the content of the substituent (B) (mmol/g)/the content of the substituent (A) (mmol/g)×100. can be calculated by By setting the ratio of the introduction amount of the substituent (B) to the introduction amount of the substituent (A) within the above range, the viscosity of the solution when the fine fibrous cellulose-containing material is made into a slurry can be increased, and Fine particle dispersibility can be improved.
置換基(A)の導入量は、伝導度滴定法により測定することができる。具体的には、解繊処理工程により微細化を行い、得られた微細繊維状セルロース含有スラリーをイオン交換樹脂で処理した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら電気伝導度の変化を求めることにより、導入量を測定することができる。
イオン交換樹脂による処理では、0.2質量%微細繊維状セルロース含有スラリーに体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(アンバージェット1024;オルガノ株式会社、コンディショング済)を加え、1時間振とう処理を行う。その後、目開き90μmのメッシュ上に注ぎ、樹脂とスラリーを分離する。アルカリを用いた滴定では、イオン交換後の微細繊維状セルロース含有スラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を加えながら、スラリーが示す電気伝導度の値の変化を計測する。
The introduction amount of the substituent (A) can be measured by a conductivity titration method. Specifically, after miniaturization is performed in a fibrillation treatment step, the obtained fine fibrous cellulose-containing slurry is treated with an ion exchange resin, and then a change in electrical conductivity is determined while adding an aqueous sodium hydroxide solution. The amount introduced can be measured.
In the treatment with an ion exchange resin, 1/10 by volume of a strongly acidic ion exchange resin (Amberjet 1024; Organo Co., Ltd., conditioned) was added to a slurry containing 0.2% by mass of fine fibrous cellulose, and the mixture was shaken for 1 hour. process. After that, it is poured onto a mesh with an opening of 90 μm to separate the resin from the slurry. In the titration using an alkali, the change in the electrical conductivity value of the slurry is measured while adding a 0.1N sodium hydroxide aqueous solution to the ion-exchanged fine fibrous cellulose-containing slurry.
伝導度滴定では、アルカリを加えていくと、図1に示した曲線を与える。最初は、急激に電気伝導度が低下する(以下、「第1領域」という)。その後、わずかに伝導度が上昇を始める(以下、「第2領域」という)。さらにその後、伝導度の増分が増加する(以下、「第3領域」という)。すなわち、3つの領域が現れる。このうち、第1領域で必要としたアルカリ量が、滴定に使用したスラリー中の強酸性基量と等しく、第2領域で必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中の弱酸性基量と等しくなる。リン酸基が縮合を起こす場合、見かけ上弱酸性基が失われ、第1領域に必要としたアルカリ量と比較して第2領域に必要としたアルカリ量が少なくなる。一方、強酸性基量は、縮合の有無に関わらずリン原子の量と一致することから、単にリン酸基導入量(またはリン酸基量)、または置換基導入量(または置換基量)と言った場合は、強酸性基量のことを表す。
すなわち、図1に示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して、置換基導入量(mmol/g)とする。
Conductometric titration gives the curve shown in FIG. 1 as alkali is added. At first, the electrical conductivity drops abruptly (hereinafter referred to as "first region"). After that, the conductivity starts to rise slightly (hereinafter referred to as "second region"). After that, the increment of conductivity increases (hereinafter referred to as "third region"). That is, three regions appear. Of these, the amount of alkali required in the first region is equal to the amount of strong acid groups in the slurry used for titration, and the amount of alkali required in the second region is the amount of weak acid groups in the slurry used for titration. be equal. When the phosphate groups condense, the weakly acidic groups are apparently lost, and the amount of alkali required for the second region becomes smaller than the amount of alkali required for the first region. On the other hand, the amount of strongly acidic groups is the same as the amount of phosphorus atoms regardless of the presence or absence of condensation, so it can be simply referred to as the amount of phosphate groups introduced (or the amount of phosphate groups) or the amount of substituents introduced (or the amount of substituents). When said, it represents the amount of strongly acidic groups.
That is, the alkali amount (mmol) required in the first region of the curve shown in FIG. 1 is divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated to obtain the substituent introduction amount (mmol/g).
置換基(B)の導入量は、セルロースに共有結合した窒素量を測定することで決定する。すなわち、イオン性窒素(アンモニウムイオン)を遊離させた後に、微量窒素分析法により測定する。イオン性窒素(アンモニウムイオン)の遊離は、実質的にセルロースに共有結合した窒素が除かれない条件で行う。例えば、微細化工程前にセルロースを酸またはアルカリで処理する方法、微細化工程後に強酸性イオン交換樹脂等で処理する方法が挙げられる。
微量窒素分析としては、例えば、三菱化学アナリック社の微量全窒素分析装置TN-110を使用することで測定できる。測定前に、低温で乾燥し溶媒を除いた状態で供試する。微細繊維状セルロース単位質量あたりの置換基(B)の導入量(mmol/g)は、微量窒素分析で得られた微細繊維状セルロース単位質量あたりの窒素含有量(g/g)を窒素の原子量で除することで求められる。
The introduction amount of the substituent (B) is determined by measuring the amount of nitrogen covalently bonded to cellulose. That is, after liberating ionic nitrogen (ammonium ion), it is measured by trace nitrogen analysis. Liberation of ionic nitrogen (ammonium ion) is carried out under conditions in which substantially no nitrogen covalently bound to cellulose is removed. Examples include a method of treating cellulose with an acid or alkali before the micronization step, and a method of treating the cellulose with a strongly acidic ion-exchange resin or the like after the micronization step.
For trace nitrogen analysis, for example, it can be measured by using a trace total nitrogen analyzer TN-110 manufactured by Mitsubishi Chemical Analytic. Prior to measurement, dry at a low temperature and remove the solvent before testing. The introduction amount (mmol/g) of the substituent (B) per unit mass of fine fibrous cellulose is obtained by dividing the nitrogen content (g/g) per unit mass of fine fibrous cellulose obtained by trace nitrogen analysis into the atomic weight of nitrogen. It is obtained by dividing by
置換基(A)の含有量及び置換基(B)の含有量は、後述するリン酸基導入工程における、リン酸基を有する化合物及び/又はその塩と、尿素及び/又はその誘導体の添加量を制御することによって調整することができる。特に、リン原子添加量に対する尿素及び/又はその誘導体の添加量を一定以上に調整することが、置換基(B)の含有量に影響を与え得るものとして重要であると推定される。また、置換基(A)の含有量及び置換基(B)の含有量は、リン酸基導入工程における加熱温度等を制御することによっても調整することができる。本発明は、本発明者によるこのような新たな知見に基づいて初めて実現されたものである。 The content of the substituent (A) and the content of the substituent (B) are the amounts of a compound having a phosphate group and/or a salt thereof and urea and/or a derivative thereof added in the step of introducing a phosphate group described later. can be adjusted by controlling In particular, it is presumed that adjusting the amount of urea and/or its derivative to be added relative to the amount of phosphorus atom added is important as it can affect the content of the substituent (B). Moreover, the content of the substituent (A) and the content of the substituent (B) can also be adjusted by controlling the heating temperature and the like in the phosphate group introduction step. The present invention has been realized for the first time based on such new findings by the inventors.
本発明の微細繊維状セルロース含有物は、水に分散させてスラリーとした際の溶液粘度が高い点に特徴がある。具体的には、微細繊維状セルロース含有物を、微細繊維状セルロースの固形分濃度が0.4質量%となるようにスラリーを作製した場合において、微細繊維状セルロースの添加後にディスパーザーにて1500rpm、5分の条件で攪拌して得られる溶液(スラリー)の粘度は、5000mPa・s以上であることが好ましい。溶液(スラリー)の粘度は、8000mPa・s以上であることがより好ましく、10000mPa・s以上であることがさらに好ましく、12000mPa・s以上であることがよりさらに好ましく、14000mPa・s以上であることが特に好ましい。なお、上記溶液(スラリー)の粘度は、B型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVT)を用いて、測定条件を、3rpm、25℃の条件として測定をした際の粘度である。 The fine fibrous cellulose-containing material of the present invention is characterized by its high solution viscosity when dispersed in water to form a slurry. Specifically, when a slurry containing fine fibrous cellulose was prepared so that the solid content concentration of fine fibrous cellulose was 0.4% by mass, the disperser was run at 1500 rpm after the addition of fine fibrous cellulose. The viscosity of the solution (slurry) obtained by stirring for 5 minutes is preferably 5000 mPa·s or more. The viscosity of the solution (slurry) is more preferably 8000 mPa s or more, still more preferably 10000 mPa s or more, even more preferably 12000 mPa s or more, even more preferably 14000 mPa s or more. Especially preferred. The viscosity of the solution (slurry) is measured using a Brookfield viscometer (manufactured by BLOOKFIELD, analog viscometer T-LVT) under the conditions of 3 rpm and 25°C. .
本発明の微細繊維状セルロース含有物は、スラリー等の液状物であってもよく、粉粒状物等の固形状物やゲル状物であってもよい。 The fine fibrous cellulose-containing material of the present invention may be a liquid such as a slurry, a solid such as a powder, or a gel.
微細繊維状セルロース含有物が液状物である場合、微細繊維状セルロース含有物に含まれる微細繊維状セルロースの含有量は、微細繊維状セルロース含有物の全質量に対して0.1~5.0質量%であることが好ましく、0.3~3.0質量%であることがより好ましく、0.5~3.0質量%であることがさらに好ましい。微細繊維状セルロースの含有量を上記範囲とすることにより、微細繊維状セルロースが有する特性が発揮されやすくなる。 When the fine fibrous cellulose-containing material is a liquid, the content of the fine fibrous cellulose contained in the fine fibrous cellulose-containing material is 0.1 to 5.0 with respect to the total mass of the fine fibrous cellulose-containing material. % by mass is preferable, 0.3 to 3.0% by mass is more preferable, and 0.5 to 3.0% by mass is even more preferable. By setting the content of the fine fibrous cellulose within the above range, the properties of the fine fibrous cellulose are easily exhibited.
微細繊維状セルロース含有物が微細繊維状セルロース含有粉粒物である場合、微細繊維状セルロース含有物は、粉状及び/又は粒状の物質からなる。ここで、粉状物質は、粒状物質よりも小さいものをいう。一般的には、粉状物質は粒子径が1nm以上0.1mm未満の微粒子をいい、粒状物質は、粒子径が0.1~10mmの粒子をいうが、特に限定されない。粉粒物の粒子径はレーザー回折法を用いて測定・算出することができる。具体的には、レーザー回折散乱式粒子径分布測定装置(Microtrac3300EXII、日機装株式会社)を用いて測定した値とする。 When the fine fibrous cellulose containing material is a particulate material containing fine fibrous cellulose, the fine fibrous cellulose containing material consists of a powdery and/or granular material. Here, powdery substances refer to substances smaller than granular substances. In general, powdery substances refer to fine particles having a particle size of 1 nm or more and less than 0.1 mm, and granular substances refer to particles having a particle size of 0.1 to 10 mm, but are not particularly limited. The particle size of the powder can be measured and calculated using a laser diffraction method. Specifically, it is a value measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (Microtrac 3300EXII, Nikkiso Co., Ltd.).
微細繊維状セルロース含有物が微細繊維状セルロース含有粉粒物である場合、その製造方法は公知の製造方法を採用することができる。例えば、オーブンドライ法や、スプレードライ法を採用することができる。 When the fine fibrous cellulose-containing material is fine fibrous cellulose-containing granules, a known manufacturing method can be employed as the manufacturing method thereof. For example, an oven dry method or a spray dry method can be adopted.
微細繊維状セルロース含有物が固形状物又はゲル状物である場合、微細繊維状セルロース含有物に含まれる微細繊維状セルロースの含有量は、微細繊維状セルロース含有物の全質量に対して5質量%より多いことが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることがさらに好ましく、20質量%以上であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロース含有物が固形状物又はゲル状物である場合、微細繊維状セルロース含有物に含まれる微細繊維状セルロースの含有量の上限値は、特に限定されないが、例えば99.5質量%とすることができる。微細繊維状セルロースの含有量を上記範囲とすることにより、よりハンドリング性に優れた微細繊維状セルロース含有物を得ることができる。 When the fine fibrous cellulose-containing material is a solid or gel-like material, the content of the fine fibrous cellulose contained in the fine fibrous cellulose-containing material is 5 masses with respect to the total mass of the fine fibrous cellulose-containing material. %, more preferably 10% by mass or more, even more preferably 15% by mass or more, and particularly preferably 20% by mass or more. Further, when the fine fibrous cellulose-containing material is a solid or gel-like material, the upper limit of the content of fine fibrous cellulose contained in the fine fibrous cellulose-containing material is not particularly limited, but for example 99.5 % by mass. By setting the content of the fine fibrous cellulose within the above range, it is possible to obtain a fine fibrous cellulose-containing material that is more excellent in handleability.
<他の成分>
微細繊維状セルロース含有物は、微細繊維状セルロースの他に他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、水溶性高分子や界面活性剤を挙げることができる。水溶性高分子としては、合成水溶性高分子(例えば、カルボキシビニルポリマー、ポリビニルアルコール、メタクリル酸アルキル・アクリル酸コポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、イソプレングリコール、ヘキシレングリコール、1,3-ブチレングリコール、ポリアクリルアミドなど)、増粘多糖類(例えば、キサンタンガム、グアーガム、タマリンドガム、カラギーナン、ローカストビーンガム、クインスシード、アルギン酸、プルラン、カラギーナン、ペクチンなど)、セルロース誘導体(例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒロドキシエチルセルロースなど)、カチオン化デンプン、生デンプン、酸化デンプン、エーテル化デンプン、エステル化デンプン、アミロース等のデンプン類、グリセリン、ジグリセリン、ポリグリセリン等のグリセリン類等、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸の金属塩等を挙げることができる。また、界面活性剤としては、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤を使用することができる。
<Other ingredients>
The fine fibrous cellulose containing material may contain other components in addition to the fine fibrous cellulose. Other components include water-soluble polymers and surfactants. Examples of water-soluble polymers include synthetic water-soluble polymers (e.g., carboxyvinyl polymer, polyvinyl alcohol, alkyl methacrylate/acrylic acid copolymer, polyvinylpyrrolidone, sodium polyacrylate, polyethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene oxide, propylene glycol, dipropylene glycol, polypropylene glycol, isoprene glycol, hexylene glycol, 1,3-butylene glycol, polyacrylamide, etc.), thickening polysaccharides (e.g., xanthan gum, guar gum, tamarind gum, carrageenan, locust bean gum, quince) seeds, alginic acid, pullulan, carrageenan, pectin, etc.), cellulose derivatives (e.g., carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxyethylcellulose, etc.), cationized starch, raw starch, oxidized starch, etherified starch, esterified starch, amylose, etc. Examples include starches, glycerins such as glycerin, diglycerin, and polyglycerin, hyaluronic acid, metal salts of hyaluronic acid, and the like. Moreover, as surfactant, a nonionic surfactant, an anionic surfactant, and a cationic surfactant can be used.
(微細繊維状セルロース)
微細繊維状セルロースを得るための繊維状セルロース原料としては特に限定されないが、入手しやすく安価である点から、パルプを用いることが好ましい。パルプとしては、木材パルプ、非木材パルプ、脱墨パルプを挙げることができる。木材パルプとしては例えば、広葉樹クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹クラフトパルプ(NBKP)、サルファイトパルプ(SP)、溶解パルプ(DP)、ソーダパルプ(AP)、未晒しクラフトパルプ(UKP)、酸素漂白クラフトパルプ(OKP)等の化学パルプ等が挙げられる。また、セミケミカルパルプ(SCP)、ケミグラウンドウッドパルプ(CGP)等の半化学パルプ、砕木パルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP、BCTMP)等の機械パルプ、等が挙げられるが、特に限定されない。非木材パルプとしてはコットンリンターやコットンリント等の綿系パルプ、麻、麦わら、バガス等の非木材系パルプ、ホヤや海草等から単離されるセルロース、キチン、キトサン等が挙げられるが、特に限定されない。脱墨パルプとしては古紙を原料とする脱墨パルプが挙げられるが、特に限定されない。本実施態様のパルプは上記の1種を単独で用いてもよいし、2種以上混合して用いてもよい。上記パルプの中で、入手のしやすさという点で、セルロースを含む木材パルプ、脱墨パルプが好ましい。木材パルプの中でも化学パルプはセルロース比率が大きいため、繊維微細化(解繊)時の微細繊維状セルロースの収率が高く、またパルプ中のセルロースの分解が小さく、軸比の大きい長繊維の微細繊維状セルロースが得られる点で好ましい。中でもクラフトパルプ、サルファイトパルプが最も好ましく選択される。軸比の大きい長繊維の微細繊維状セルロースを含有するシートは高強度が得られる傾向がある。
(fine fibrous cellulose)
Although the fibrous cellulose raw material for obtaining fine fibrous cellulose is not particularly limited, it is preferable to use pulp because it is readily available and inexpensive. Pulp includes wood pulp, non-wood pulp, and deinked pulp. Examples of wood pulp include hardwood kraft pulp (LBKP), softwood kraft pulp (NBKP), sulfite pulp (SP), dissolving pulp (DP), soda pulp (AP), unbleached kraft pulp (UKP), and oxygen-bleached kraft. chemical pulp such as pulp (OKP); Semi-chemical pulp (SCP), semi-chemical pulp such as chemi-groundwood pulp (CGP), mechanical pulp such as ground wood pulp (GP), thermomechanical pulp (TMP, BCTMP), etc., but not particularly limited. . Examples of non-wood pulp include, but are not limited to, cotton pulp such as cotton linters and cotton lint, non-wood pulp such as hemp, straw, and bagasse, and cellulose, chitin, and chitosan isolated from sea squirts, seaweed, and the like. . The deinked pulp includes deinked pulp made from waste paper, but is not particularly limited. The pulp of this embodiment may be used alone or in combination of two or more. Among the above pulps, cellulose-containing wood pulp and deinked pulp are preferable in terms of availability. Among wood pulps, chemical pulp has a high cellulose ratio, so the yield of fine fibrous cellulose at the time of fiber refinement (fibrillation) is high. It is preferable in that fibrous cellulose can be obtained. Among them, kraft pulp and sulfite pulp are most preferably selected. Sheets containing fine fibrous cellulose with long fibers having a large axial ratio tend to provide high strength.
微細繊維状セルロースの平均繊維幅は、電子顕微鏡で観察して、1000nm以下である。平均繊維幅は、好ましくは2~1000nm、より好ましくは2~100nmであり、より好ましくは2~50nmであり、さらに好ましくは2~10nmであるが、特に限定されない。微細繊維状セルロースの平均繊維幅が2nm未満であると、セルロース分子として水に溶解しているため、微細繊維状セルロースとしての物性(強度や剛性、寸法安定性)が発現しにくくなる傾向がある。なお、微細繊維状セルロースは、たとえば繊維幅が1000nm以下である単繊維状のセルロースである。 The average fiber width of fine fibrous cellulose is 1000 nm or less when observed with an electron microscope. The average fiber width is preferably 2 to 1000 nm, more preferably 2 to 100 nm, more preferably 2 to 50 nm, still more preferably 2 to 10 nm, but is not particularly limited. If the average fiber width of the fine fibrous cellulose is less than 2 nm, the physical properties (strength, rigidity, dimensional stability) of the fine fibrous cellulose tend to be difficult to develop because the cellulose molecules are dissolved in water. . The fine fibrous cellulose is, for example, monofibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less.
微細繊維状セルロースの電子顕微鏡観察による繊維幅の測定は以下のようにして行う。濃度0.05~0.1質量%の微細繊維状セルロースの水系懸濁液を調製し、この懸濁液を親水化処理したカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。幅の広い繊維を含む場合には、ガラス上にキャストした表面のSEM像を観察してもよい。構成する繊維の幅に応じて1000倍、5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。但し、試料、観察条件や倍率は下記の条件を満たすように調整する。 The measurement of the fiber width of fine fibrous cellulose by electron microscopic observation is carried out as follows. An aqueous suspension of fine fibrous cellulose having a concentration of 0.05 to 0.1% by mass is prepared, and this suspension is cast on a hydrophilized carbon film-coated grid to obtain a sample for TEM observation. SEM images of surfaces cast on glass may be observed if they contain wide fibers. Observation with an electron microscope image is performed at a magnification of 1,000, 5,000, 10,000, or 50,000 times depending on the width of the constituent fibers. However, the sample, observation conditions and magnification are adjusted so as to satisfy the following conditions.
(1)観察画像内の任意箇所に一本の直線Xを引き、該直線Xに対し、20本以上の繊維が交差する。
(2)同じ画像内で該直線と垂直に交差する直線Yを引き、該直線Yに対し、20本以上の繊維が交差する。
(1) A single straight line X is drawn at an arbitrary point in the observed image, and 20 or more fibers intersect the straight line X.
(2) Draw a straight line Y that intersects the straight line perpendicularly in the same image, and 20 or more fibers intersect the straight line Y.
上記条件を満足する観察画像に対し、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を目視で読み取る。こうして少なくとも重なっていない表面部分の画像を3組以上観察し、各々の画像に対して、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を読み取る。このように少なくとも20本×2×3=120本の繊維幅を読み取る。微細繊維状セルロースの平均繊維幅(単に、「繊維幅」ということもある。)はこのように読み取った繊維幅の平均値である。 The width of the fiber crossing the straight line X and the straight line Y is visually read from the observed image satisfying the above conditions. Three or more sets of images of at least non-overlapping surface portions are observed, and the width of the fiber intersecting the straight lines X and Y is read for each image. At least 20 x 2 x 3 = 120 fiber widths are thus read. The average fiber width of fine fibrous cellulose (sometimes simply referred to as "fiber width") is the average value of the fiber widths thus read.
微細繊維状セルロースの繊維長は特に限定されないが、0.1~1000μmが好ましく、0.1~800μmがさらに好ましく、0.1~600μmが特に好ましい。繊維長を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースの結晶領域の破壊を抑制でき、また微細繊維状セルロースのスラリー粘度を適切な範囲とすることができる。なお、微細繊維状セルロースの繊維長は、TEM、SEM、AFMによる画像解析より求めることができる。 Although the fiber length of fine fibrous cellulose is not particularly limited, it is preferably 0.1 to 1000 μm, more preferably 0.1 to 800 μm, and particularly preferably 0.1 to 600 μm. By setting the fiber length within the above range, destruction of the crystalline regions of the fine fibrous cellulose can be suppressed, and the slurry viscosity of the fine fibrous cellulose can be set within an appropriate range. The fiber length of fine fibrous cellulose can be determined by image analysis using TEM, SEM, and AFM.
微細繊維状セルロースはI型結晶構造を有していることが好ましい。ここで、微細繊維状セルロースがI型結晶構造をとっていることは、グラファイトで単色化したCuKα(λ=1.5418Å)を用いた広角X線回折写真より得られる回折プロファイルにおいて同定できる。具体的には、2θ=14~17°付近と2θ=22~23°付近の2箇所の位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。
微細繊維状セルロースに占めるI型結晶構造の割合は30%以上であることが好ましく、より好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上である。
Preferably, the fine fibrous cellulose has a Type I crystal structure. Here, the fact that the fine fibrous cellulose has a type I crystal structure can be identified in the diffraction profile obtained from a wide-angle X-ray diffraction photograph using CuKα (λ=1.5418 Å) monochromated with graphite. Specifically, it can be identified by having typical peaks at two positions near 2θ=14 to 17° and near 2θ=22 to 23°.
The proportion of the I-type crystal structure in the fine fibrous cellulose is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, still more preferably 70% or more.
微細繊維状セルロースが含有する結晶部分の比率は、本発明においては特に限定されないが、X線回折法によって求められる結晶化度が60%以上であるセルロースを使用することが好ましい。結晶化度は、好ましくは65%以上であり、より好ましくは70%以上であり、この場合、耐熱性と低線熱膨張率発現の点でさらに優れた性能が期待できる。結晶化度については、X線回折プロファイルを測定し、そのパターンから常法により求められる(Seagalら、Textile Research Journal、29巻、786ページ、1959年)。 Although the ratio of the crystalline portion contained in the fine fibrous cellulose is not particularly limited in the present invention, it is preferable to use cellulose with a degree of crystallinity of 60% or more as determined by X-ray diffraction. The degree of crystallinity is preferably 65% or more, more preferably 70% or more. In this case, even better performance can be expected in terms of heat resistance and low coefficient of linear thermal expansion. The degree of crystallinity is determined by a conventional method from the pattern of X-ray diffraction profiles (Seagal et al., Textile Research Journal, vol. 29, p. 786, 1959).
<リン酸化処理>
本発明においては、微細繊維状セルロースは、(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基(単にリン酸基ということもある。)と、(B)ウレタン結合を有する基とを有する。(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基と、(B)ウレタン結合を有する基は、後述するリン酸基導入工程を経ることで導入される。
<Phosphorylation treatment>
In the present invention, the fine fibrous cellulose has (A) a phosphate group or a substituent derived from a phosphate group (sometimes simply referred to as a phosphate group) and (B) a group having a urethane bond. . (A) a phosphoric acid group or a substituent derived from a phosphoric acid group, and (B) a group having a urethane bond are introduced through a phosphoric acid group-introducing step described below.
<リン酸基導入工程>
リン酸基導入工程は、セルロースを含む繊維原料に対し、リン酸基を有する化合物及び/又はその塩(以下、「化合物A」という。)を反応させることにより行うことができる。この反応は、尿素及び/又はその誘導体(以下、「化合物B」という。)の存在下で行う。これにより、微細繊維状セルロースのヒドロキシル基に、(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基と、(B)ウレタン結合を有する基を導入することができる。本発明では、このようなリン酸基導入方法は、尿素リン酸化法ということもある。
<Phosphate group introduction step>
The phosphate group-introducing step can be performed by reacting a fiber raw material containing cellulose with a compound having a phosphate group and/or a salt thereof (hereinafter referred to as "compound A"). This reaction is carried out in the presence of urea and/or its derivative (hereinafter referred to as "compound B"). Thereby, (A) a phosphoric acid group or a substituent derived from a phosphoric acid group and (B) a group having a urethane bond can be introduced into the hydroxyl group of the fine fibrous cellulose. In the present invention, such a method for introducing a phosphate group may be referred to as a urea phosphorylation method.
リン酸基導入工程は、上記のようにセルロースに置換基(A)及び置換基(B)を導入する工程を必ず含み、所望により、後述するアルカリ処理工程、余剰の試薬を洗浄する工程などを包含してもよい。 The phosphate group-introducing step necessarily includes the step of introducing the substituent (A) and the substituent (B) into the cellulose as described above, and optionally includes an alkali treatment step, a step of washing excess reagent, and the like, which will be described later. may be included.
化合物Aを化合物Bの共存下で繊維原料に作用させる方法の一例としては、乾燥状態または湿潤状態の繊維原料に化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を混合する方法が挙げられる。また別の例としては、繊維原料のスラリーに化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を添加する方法が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高いことから、乾燥状態の繊維原料に化合物Aおよび化合物Bの水溶液を添加する方法、または湿潤状態の繊維原料に化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を添加する方法が好ましい。また、化合物Aと化合物Bは同時に添加してもよいし、別々に添加してもよい。また、初めに反応に供試する化合物Aと化合物Bを水溶液として添加して、圧搾により余剰の薬液を除いてもよい。繊維原料の形態は綿状や薄いシート状であることが好ましいが、特に限定されない。 An example of the method of allowing the compound A to act on the fiber raw material in the presence of the compound B includes a method of mixing the powder or aqueous solution of the compound A and the compound B with the fiber raw material in a dry or wet state. Another example is a method of adding powder or an aqueous solution of compound A and compound B to a slurry of fiber raw materials. Among these, the method of adding an aqueous solution of the compound A and the compound B to the fiber raw material in a dry state, or the method of adding a powder or an aqueous solution of the compound A and the compound B to the fiber raw material in a wet state, because the uniformity of the reaction is high. A method is preferred. Compound A and compound B may be added simultaneously or separately. Alternatively, compound A and compound B to be tested in the reaction may be first added as an aqueous solution, and excess chemical solution may be removed by squeezing. The form of the fiber raw material is preferably cotton-like or thin sheet-like, but is not particularly limited.
本実施態様で使用する化合物Aは、リン酸基を有する化合物及び/又はその塩である。
リン酸基を有する化合物としては、リン酸、リン酸のリチウム塩、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩などが挙げられるが、特に限定されない。リン酸のリチウム塩としては、リン酸二水素リチウム、リン酸水素二リチウム、リン酸三リチウム、ピロリン酸リチウム、またはポリリン酸リチウムなどが挙げられる。リン酸のナトリウム塩としてはリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、またはポリリン酸ナトリウムなどが挙げられる。リン酸のカリウム塩としてはリン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、またはポリリン酸カリウムなどが挙げられる。リン酸のアンモニウム塩としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。
Compound A used in this embodiment is a compound having a phosphate group and/or a salt thereof.
Examples of the compound having a phosphate group include, but are not limited to, phosphoric acid, lithium phosphoric acid, sodium phosphoric acid, potassium phosphoric acid, and ammonium phosphoric acid. Lithium salts of phosphoric acid include lithium dihydrogen phosphate, dilithium hydrogen phosphate, trilithium phosphate, lithium pyrophosphate, lithium polyphosphate, and the like. Sodium salts of phosphoric acid include sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, sodium polyphosphate, and the like. Potassium salts of phosphoric acid include potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, and potassium polyphosphate. Ammonium salts of phosphoric acid include ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, and ammonium polyphosphate.
これらのうち、置換基(A)の導入の効率が高く、後述する解繊工程で解繊効率がより向上しやすく、低コストであり、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、またはリン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましい。リン酸二水素ナトリウム、またはリン酸水素二ナトリウムがより好ましい。 Among these, the efficiency of introduction of the substituent (A) is high, the fibrillation efficiency is easily improved in the fibrillation step described later, the cost is low, and it is easy to apply industrially. Sodium salts of acids, potassium phosphates, and ammonium phosphates are preferred. More preferred is sodium dihydrogen phosphate or disodium hydrogen phosphate.
また、反応の均一性が高まり、かつリン酸基導入の効率が高くなることから化合物Aは水溶液として用いることが好ましい。化合物Aの水溶液のpHは特に限定されないが、置換基(A)の導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましく、パルプ繊維の加水分解を抑える観点からpH3~7がさらに好ましい。化合物Aの水溶液のpHは例えば、リン酸基を有する化合物のうち、酸性を示すものとアルカリ性を示すものを併用し、その量比を変えて調整してもよい。化合物Aの水溶液のpHは、リン酸基を有する化合物のうち、酸性を示すものに無機アルカリまたは有機アルカリを添加すること等により調整してもよい。 In addition, it is preferable to use the compound A as an aqueous solution because the uniformity of the reaction is enhanced and the efficiency of introduction of the phosphate group is enhanced. Although the pH of the aqueous solution of compound A is not particularly limited, it is preferably 7 or less because the efficiency of introduction of the substituent (A) is increased, and from the viewpoint of suppressing hydrolysis of pulp fibers, pH 3 to 7 is more preferable. The pH of the aqueous solution of compound A may be adjusted by, for example, using both acidic and alkaline compounds among the compounds having a phosphate group and changing the amount ratio. The pH of the aqueous solution of compound A may be adjusted by adding an inorganic alkali or an organic alkali to an acidic compound having a phosphoric acid group.
繊維原料に対する化合物Aの添加量は特に限定されないが、化合物Aの添加量をリン原子量に換算した場合、繊維原料(絶乾質量)に対するリン原子の添加量は0.5~100質量%が好ましく、1~50質量%がより好ましく、2~30質量%が最も好ましい。繊維原料に対するリン原子の添加量が上記範囲内であれば、微細繊維状セルロースの収率をより向上させることができる。繊維原料に対するリン原子の添加量が100質量%を超えると、収率向上の効果は頭打ちとなり、使用する化合物Aのコストが上昇する。一方、繊維原料に対するリン原子の添加量を上記下限値以上とすることにより、収率を高めることができる。 The amount of compound A added to the fiber raw material is not particularly limited, but when the amount of compound A added is converted to the amount of phosphorus atoms, the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material (absolute dry mass) is preferably 0.5 to 100% by mass. , more preferably 1 to 50% by mass, most preferably 2 to 30% by mass. If the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material is within the above range, the yield of fine fibrous cellulose can be further improved. If the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material exceeds 100% by mass, the effect of improving the yield reaches a plateau and the cost of the compound A used increases. On the other hand, the yield can be increased by setting the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material to be equal to or higher than the above lower limit.
本実施態様で使用する化合物Bとしては、尿素、ビウレット、1-フェニル尿素、1-ベンジル尿素、1-メチル尿素、1-エチル尿素などが挙げられる。この中でも低コストで扱いやすく、置換基(B)の導入の効率が高くなることから尿素が好ましい。 Compound B used in this embodiment includes urea, biuret, 1-phenylurea, 1-benzylurea, 1-methylurea, 1-ethylurea and the like. Among these, urea is preferable because it is low cost, easy to handle, and the efficiency of introduction of the substituent (B) is high.
化合物Bは化合物Aと同様に水溶液として用いることが好ましい。また、反応の均一性が高まることから化合物Aと化合物Bの両方が溶解した水溶液を用いることが好ましい。繊維原料(絶乾質量)に対する化合物Bの添加量は1~500質量%であることが好ましく、10~400質量%であることがより好ましく、100~350質量%であることがさらに好ましく、150~300質量%であることが特に好ましい。 As with compound A, compound B is preferably used as an aqueous solution. Moreover, it is preferable to use an aqueous solution in which both the compound A and the compound B are dissolved because the uniformity of the reaction is enhanced. The amount of compound B added to the fiber raw material (absolute dry mass) is preferably 1 to 500% by mass, more preferably 10 to 400% by mass, further preferably 100 to 350% by mass, and 150% by mass. It is particularly preferred to be up to 300% by mass.
化合物Aと化合物Bの他に、アミド類またはアミン類を反応系に含んでもよい。アミド類としては、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトアミド、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。アミン類としては、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。これらの中でも、特にトリエチルアミンは良好な反応触媒として働くことが知られている。 In addition to compound A and compound B, amides or amines may be included in the reaction system. Amides include formamide, dimethylformamide, acetamide, dimethylacetamide and the like. Amines include methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like. Among these, triethylamine in particular is known to work as a good reaction catalyst.
リン酸基導入工程においては加熱処理を施すことが好ましい。加熱処理温度は、繊維の熱分解や加水分解反応を抑えながら、置換基(A)及び置換基(B)を効率的に導入できる温度を選択することが好ましい。具体的には50~300℃であることが好ましく、100~250℃であることがより好ましく、150~200℃であることがさらに好ましい。また、加熱には減圧乾燥機、赤外線加熱装置、マイクロ波加熱装置を用いてもよい。 Heat treatment is preferably performed in the step of introducing a phosphate group. As for the heat treatment temperature, it is preferable to select a temperature at which the substituent (A) and the substituent (B) can be efficiently introduced while suppressing thermal decomposition and hydrolysis reaction of the fiber. Specifically, the temperature is preferably 50 to 300°C, more preferably 100 to 250°C, even more preferably 150 to 200°C. For heating, a vacuum dryer, an infrared heating device, or a microwave heating device may be used.
加熱処理の際、化合物Aを添加した繊維原料スラリーに水が含まれている間において、繊維原料を静置する時間が長くなると、乾燥に伴い水分子と溶存する化合物Aが繊維原料表面に移動する。そのため、繊維原料中の化合物Aの濃度にムラが生じる可能性があり、繊維表面へのリン酸基の導入が均一に進行しない恐れがある。乾燥による繊維原料中の化合物Aの濃度ムラ発生を抑制するためには、ごく薄いシート状の繊維原料を用いるか、ニーダー等で繊維原料と化合物Aを混練または/および攪拌しながら加熱乾燥又は減圧乾燥させる方法を採ればよい。 During the heat treatment, when the fiber raw material slurry to which the compound A is added contains water, if the fiber raw material is allowed to stand for a longer period of time, the water molecules and the dissolved compound A move to the surface of the fiber raw material as it dries. do. Therefore, there is a possibility that the concentration of the compound A in the fiber raw material may be uneven, and the introduction of the phosphate group to the fiber surface may not proceed uniformly. In order to suppress the concentration unevenness of the compound A in the fiber raw material due to drying, a very thin sheet-like fiber raw material is used, or the fiber raw material and the compound A are kneaded with a kneader or the like and/or heated and dried while stirring or under reduced pressure. A drying method should be adopted.
加熱処理に用いる加熱装置としては、スラリーが保持する水分及びリン酸基などの繊維の水酸基への付加反応で生じる水分を常に装置系外に排出できる装置であることが好ましく、例えば送風方式のオーブン等が好ましい。装置系内の水分を常に排出すれば、リン酸エステル化の逆反応であるリン酸エステル結合の加水分解反応を抑制できることに加えて、繊維中の糖鎖の酸加水分解を抑制することもでき、軸比の高い微細繊維を得ることができる。 The heating device used for the heat treatment is preferably a device capable of constantly discharging the moisture retained by the slurry and the moisture generated by the addition reaction of the hydroxyl groups of fibers such as phosphoric acid groups to the outside of the device system. etc. are preferred. If the water in the system is constantly discharged, the hydrolysis reaction of the phosphate ester bond, which is the reverse reaction of phosphorylation, can be suppressed, and the acid hydrolysis of the sugar chains in the fiber can also be suppressed. , fine fibers with a high axial ratio can be obtained.
加熱処理の時間は、加熱温度にも影響されるが繊維原料スラリーから実質的に水分が除かれてから1秒~300分間であることが好ましく、1秒~1000秒間であることがより好ましく、10秒~800秒間であることがさらに好ましい。本発明では、加熱温度と加熱時間を適切な範囲とすることにより、上記置換基(A)及び置換基(B)の導入量を好ましい範囲内とすることができる。 The heat treatment time is preferably 1 second to 300 minutes, more preferably 1 second to 1000 seconds, after water is substantially removed from the fiber raw material slurry, although it is also affected by the heating temperature. More preferably, it is 10 seconds to 800 seconds. In the present invention, the amounts of the substituent (A) and the substituent (B) to be introduced can be set within a preferable range by setting the heating temperature and the heating time within appropriate ranges.
上述した繊維原料に対するリン原子添加量APと、繊維原料に対する化合物Bの添加量ABとの比AB/APは、たとえば7.0以上であることが好ましく、10.0以上であることがより好ましく、15.0以上であることが特に好ましい。一方で、AB/APの上限値は、とくに限定されず、たとえば100とすることができる。これにより、置換基(A)および置換基(B)の含有量を所望の範囲とすることがより容易となる。 The ratio A B /A P of the phosphorus atom addition amount A P to the fiber raw material and the addition amount A B of the compound B to the fiber raw material is, for example, preferably 7.0 or more, and is 10.0 or more. is more preferable, and 15.0 or more is particularly preferable. On the other hand, the upper limit of AB / AP is not particularly limited, and can be set to 100, for example. This makes it easier to bring the contents of the substituent (A) and the substituent (B) into the desired ranges.
また、本発明では、微細繊維状セルロースに導入されたリン酸基に由来する強酸性基と弱酸性基の導入量の差が0.5mmol/g以下であることが好ましく、0.3mmol/g以下であることがより好ましく、0.2mmol/g以下であることがさらに好ましい。すなわち、リン酸基導入工程では、微細繊維状セルロースに導入されたリン酸基に由来する強酸性基と弱酸性基の導入量の差が0.5mmol/g以下になるよう反応させることが好ましく、0.3mmol/g以下になるよう反応させることがさらに好ましく、0.2mmol/g以下になるよう反応させることが特に好ましい。強酸性基と弱酸性基の導入量の差を上記範囲とすることにより、高透明な微細繊維状セルロースを得ることができる。 In addition, in the present invention, the difference between the introduction amount of the strongly acidic group and the weakly acidic group derived from the phosphoric acid group introduced into the fine fibrous cellulose is preferably 0.5 mmol/g or less, more preferably 0.3 mmol/g. It is more preferably 0.2 mmol/g or less, more preferably 0.2 mmol/g or less. That is, in the phosphate group-introducing step, the reaction is preferably carried out so that the difference between the introduced amounts of the strongly acidic groups and the weakly acidic groups derived from the phosphate groups introduced into the fine fibrous cellulose is 0.5 mmol/g or less. , is more preferably 0.3 mmol/g or less, and particularly preferably 0.2 mmol/g or less. A highly transparent fine fibrous cellulose can be obtained by setting the difference between the introduced amounts of the strongly acidic group and the weakly acidic group within the above range.
リン酸基導入工程は、少なくとも1回行えば良いが、複数回繰り返すこともできる。この場合、より多くの置換基(A)及び置換基(B)が導入されるので好ましい。 The step of introducing a phosphate group may be performed at least once, but may be repeated multiple times. In this case, more substituents (A) and (B) are introduced, which is preferable.
上述したように本発明の微細繊維状セルロース含有物の製造工程は、リン酸基導入工程を含み、リン酸基導入工程は、尿素及び/又はその誘導体の存在下で、リン酸基を有する化合物及び/又はその塩を反応させる工程である。
リン酸基導入工程は、尿素及び/又はその誘導体の繊維原料に対するリン酸基を有する化合物及び/又はその塩の添加量は0.5~100質量%であり、尿素及び/又はその誘導体の添加量は、1~500質量%であることが好ましい。
また、リン酸基導入工程は、加熱工程を含むことが好ましい。加熱工程における加熱温度及び加熱時間は上述した範囲内であることが好ましい。
As described above, the production process of the fine fibrous cellulose-containing material of the present invention includes a phosphate group introduction step, and the phosphate group introduction step is performed in the presence of urea and / or a derivative thereof, a compound having a phosphate group and/or a step of reacting a salt thereof.
In the phosphate group introduction step, the amount of the compound having a phosphate group and/or its salt added to the fiber raw material of urea and/or its derivative is 0.5 to 100% by mass, and the addition of urea and/or its derivative The amount is preferably 1-500% by weight.
Moreover, it is preferable that the step of introducing a phosphate group includes a heating step. The heating temperature and heating time in the heating step are preferably within the ranges described above.
<アルカリ処理>
微細繊維状セルロースを製造する場合、リン酸基導入工程と、後述する解繊処理工程の間にアルカリ処理を行うことができる。アルカリ処理の方法としては、特に限定されないが、例えば、アルカリ溶液中に、リン酸基導入繊維を浸漬する方法が挙げられる。
アルカリ溶液に含まれるアルカリ化合物は、特に限定されないが、無機アルカリ化合物であってもよいし、有機アルカリ化合物であってもよい。アルカリ溶液における溶媒としては水または有機溶媒のいずれであってもよい。溶媒は、極性溶媒(水、またはアルコール等の極性有機溶媒)が好ましく、少なくとも水を含む水系溶媒がより好ましい。
また、アルカリ溶液のうちでは、汎用性が高いことから、水酸化ナトリウム水溶液、または水酸化カリウム水溶液が特に好ましい。
<Alkaline treatment>
When producing fine fibrous cellulose, alkali treatment can be performed between the step of introducing phosphate groups and the later-described fibrillation treatment step. The alkali treatment method is not particularly limited, but an example thereof includes a method of immersing the phosphate group-introduced fiber in an alkali solution.
The alkaline compound contained in the alkaline solution is not particularly limited, and may be an inorganic alkaline compound or an organic alkaline compound. Either water or an organic solvent may be used as the solvent in the alkaline solution. The solvent is preferably a polar solvent (water or a polar organic solvent such as alcohol), more preferably an aqueous solvent containing at least water.
Among alkaline solutions, sodium hydroxide aqueous solution or potassium hydroxide aqueous solution is particularly preferable because of its high versatility.
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液の温度は特に限定されないが、5~80℃が好ましく、10~60℃がより好ましい。
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液への浸漬時間は特に限定されないが、5~30分間が好ましく、10~20分間がより好ましい。
アルカリ処理におけるアルカリ溶液の使用量は特に限定されないが、リン酸基導入繊維の絶対乾燥質量に対して100~100000質量%であることが好ましく、1000~10000質量%であることがより好ましい。
Although the temperature of the alkaline solution in the alkaline treatment step is not particularly limited, it is preferably 5 to 80°C, more preferably 10 to 60°C.
The immersion time in the alkali solution in the alkali treatment step is not particularly limited, but is preferably 5 to 30 minutes, more preferably 10 to 20 minutes.
The amount of the alkaline solution used in the alkaline treatment is not particularly limited, but it is preferably 100 to 100,000% by mass, more preferably 1,000 to 10,000% by mass, relative to the absolute dry mass of the phosphate group-introduced fiber.
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液使用量を減らすために、アルカリ処理工程の前に、リン酸基導入繊維を水や有機溶媒により洗浄しても構わない。アルカリ処理後には、取り扱い性を向上させるために、解繊処理工程の前に、アルカリ処理済みリン酸基導入繊維を水や有機溶媒により洗浄することが好ましい。 In order to reduce the amount of alkaline solution used in the alkali treatment step, the phosphate group-introduced fiber may be washed with water or an organic solvent before the alkali treatment step. After the alkali treatment, it is preferable to wash the alkali-treated phosphate group-introduced fiber with water or an organic solvent before the defibration treatment step in order to improve handleability.
<解繊処理>
置換基(A)及び置換基(B)の導入繊維は、解繊処理工程で解繊処理される。解繊処理工程では、通常、解繊処理装置を用いて、繊維を解繊処理して、微細繊維状セルロース含有スラリーを得るが、処理装置、処理方法は、特に限定されない。
解繊処理装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザーや超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミルなどを使用できる。あるいは、解繊処理装置としては、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、またはビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできる。解繊処理装置は、上記に限定されるものではない。好ましい解繊処理方法としては、粉砕メディアの影響が少なく、コンタミの心配が少ない高速解繊機、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザーが挙げられる。
<Fibrillation treatment>
The fibers into which the substituent (A) and the substituent (B) have been introduced are defibrated in the fibrillation treatment step. In the defibration treatment step, fibers are usually defibrated using a fibrillation treatment apparatus to obtain fine fibrous cellulose-containing slurry, but the treatment apparatus and treatment method are not particularly limited.
A high-speed defibrator, a grinder (stone mill-type pulverizer), a high-pressure homogenizer, an ultra-high-pressure homogenizer, a high-pressure collision-type pulverizer, a ball mill, a bead mill, or the like can be used as the defibration processing device. Alternatively, as a fibrillation processing device, use a device for wet pulverization such as a disk-type refiner, conical refiner, twin-screw kneader, vibration mill, homomixer under high-speed rotation, ultrasonic disperser, or beater. can also The defibration processing device is not limited to the above. Preferable defibration treatment methods include a high-speed fibrillation machine, a high-pressure homogenizer, and an ultrahigh-pressure homogenizer, which are less affected by the grinding media and less likely to cause contamination.
解繊処理の際には、繊維原料を水と有機溶媒を単独または組み合わせて希釈してスラリー状にすることが好ましいが、特に限定されない。分散媒としては、水の他に、極性有機溶剤を使用することができる。好ましい極性有機溶剤としては、アルコール類、ケトン類、エーテル類、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、またはジメチルアセトアミド(DMAc)等が挙げられるが、特に限定されない。アルコール類としては、メタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、またはt-ブチルアルコール等が挙げられる。ケトン類としては、アセトンまたはメチルエチルケトン(MEK)等が挙げられる。エーテル類としては、ジエチルエーテルまたはテトラヒドロフラン(THF)等が挙げられる。分散媒は1種であってもよいし、2種以上でもよい。また、分散媒中に繊維原料以外の固形分、例えば水素結合性のある尿素などを含んでも構わない。 In the defibration treatment, it is preferable to dilute the fiber raw material with water and an organic solvent alone or in combination to form a slurry, but there is no particular limitation. As a dispersion medium, a polar organic solvent can be used in addition to water. Preferred polar organic solvents include, but are not limited to, alcohols, ketones, ethers, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), and the like. Alcohols include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, t-butyl alcohol, and the like. Ketones include acetone, methyl ethyl ketone (MEK), and the like. Ethers include diethyl ether, tetrahydrofuran (THF), and the like. One type of dispersion medium may be used, or two or more types may be used. Further, the dispersion medium may contain a solid content other than the fiber raw material, such as urea having hydrogen bonding properties.
本発明では、微細繊維状セルロースを濃縮、乾燥させた後に解繊処理を行ってもよい。この場合、濃縮、乾燥の方法は特に限定されないが、例えば、微細繊維状セルロースを含有するスラリーに濃縮剤を添加する方法、一般に用いられる脱水機、プレス、乾燥機を用いる方法等が挙げられる。また、公知の方法、例えばWO2014/024876、WO2012/107642、およびWO2013/121086に記載された方法を用いることができる。また、濃縮した微細繊維状セルロースをシート化してもよい。該シートを粉砕して解繊処理を行うこともできる。 In the present invention, defibration treatment may be performed after concentrating and drying the fine fibrous cellulose. In this case, the method of concentration and drying is not particularly limited, but examples thereof include a method of adding a thickening agent to a slurry containing fine fibrous cellulose, a method of using a commonly used dehydrator, a press, and a dryer. Also, known methods such as those described in WO2014/024876, WO2012/107642, and WO2013/121086 can be used. Alternatively, the concentrated fine fibrous cellulose may be formed into a sheet. The sheet can also be pulverized and defibrated.
微細繊維状セルロースを粉砕する際に粉砕に用いる装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミル、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、ビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできるが特に限定されない。 Equipment used for pulverizing fine fibrous cellulose includes high-speed fibrillators, grinders (stone mill type pulverizers), high pressure homogenizers, ultra-high pressure homogenizers, high pressure impact type pulverizers, ball mills, bead mills, disk refiners, and conicals. A wet pulverizing device such as a refiner, a twin-screw kneader, a vibration mill, a homomixer under high-speed rotation, an ultrasonic disperser, a beater, etc. may be used, but is not particularly limited.
上述した方法で得られた置換基(A)及び置換基(B)を有する微細繊維状セルロース含有物は、微細繊維状セルロース含有スラリーであり、所望の濃度となるように、水で希釈して用いてもよい。すなわち、本発明の微細繊維状セルロース含有物は、微細繊維状セルロース含有スラリーであってもよい。この場合、微細繊維状セルロース含有スラリーに含まれる微細繊維状セルロースの含有量は、微細繊維状セルロース含有物の全質量に対して0.1~5.0質量%であることが好ましく、0.3~3.0質量%であることがより好ましく、0.5~3.0質量%であることがさらに好ましい。 The fine fibrous cellulose-containing substance having the substituent (A) and the substituent (B) obtained by the method described above is a fine fibrous cellulose-containing slurry, which is diluted with water to a desired concentration. may be used. That is, the fine fibrous cellulose-containing material of the present invention may be a fine fibrous cellulose-containing slurry. In this case, the content of the fine fibrous cellulose contained in the fine fibrous cellulose-containing slurry is preferably 0.1 to 5.0% by mass with respect to the total mass of the fine fibrous cellulose-containing material. It is more preferably 3 to 3.0% by mass, even more preferably 0.5 to 3.0% by mass.
(用途)
本発明による微細繊維状セルロース含有物の用途は特に限定されない。一例としては、増粘剤として各種用途(例えば、食品、化粧品、セメント、塗料、インクなどへの添加物など)に使用することができる。この場合、添加対象には、微粒子等が含まれていてもよく、このような場合、微細繊維状セルロース含有物は微粒子を均一分散させることができる。
微細繊維状セルロース含有物を増粘剤に用いる場合は、微細繊維状セルロース含有物を濃縮した形態とすることも好ましい。このような形態としては、濃縮液や粉粒体等の形態を挙げることができる。
(Application)
The use of the fine fibrous cellulose-containing material according to the present invention is not particularly limited. For example, it can be used as a thickening agent in various applications (eg, additives for foods, cosmetics, cement, paints, inks, etc.). In this case, the object to be added may contain fine particles and the like, and in such a case, the fine fibrous cellulose containing material can uniformly disperse the fine particles.
When the fine fibrous cellulose-containing material is used as a thickening agent, it is also preferable to concentrate the fine fibrous cellulose-containing material. Examples of such a form include forms such as a concentrated liquid and a granular material.
微細繊維状セルロース含有物の用途の別の例としては、微細繊維状セルロース含有スラリーを用いてシートを形成し、各種フィルムとして使用することができる。微細繊維状セルロース含有シートを製造する場合は、上述した微細繊維状セルロース含有スラリーを基材上に塗工する工程又は、微細繊維状セルロース含有スラリーを抄紙する工程を含むことが好ましい。また、本発明の微細繊維状セルロース含有物は、マトリックス樹脂等と混合して、微細繊維状セルロース含有複合シートとしてもよい。 As another example of the application of the material containing fine fibrous cellulose, a slurry containing fine fibrous cellulose can be used to form a sheet, which can be used as various films. When producing a sheet containing fine fibrous cellulose, it is preferable to include the step of coating the slurry containing fine fibrous cellulose on a substrate or the step of making paper from the slurry containing fine fibrous cellulose. Further, the fine fibrous cellulose-containing material of the present invention may be mixed with a matrix resin or the like to form a composite sheet containing fine fibrous cellulose.
さらに、微細繊維状セルロース含有物は、樹脂やエマルションと混合し補強材としての用途に使用することもできる。 Furthermore, the fine fibrous cellulose inclusions can be mixed with resins or emulsions and used as reinforcing materials.
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。 EXAMPLES The characteristics of the present invention will be described more specifically below with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, proportions, treatment details, treatment procedures, etc. shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed to be limited by the specific examples shown below.
(製造例1)
針葉樹クラフトパルプとして、王子製紙製のパルプ(固形分93%、米坪208g/m2シート状、離解してJIS P 8121に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)700ml)を使用した。上記針葉樹クラフトパルプ(絶乾質量)100質量部に、リン酸二水素アンモニウムと尿素の混合水溶液を含浸し、リン酸二水素アンモニウム45質量部、尿素200質量部となるように圧搾し、薬液含浸パルプを得た。得られた薬液含浸パルプを165℃の熱風乾燥機で200秒間乾燥・加熱処理し、パルプ中のセルロースに置換基を導入した。
(Production example 1)
As the softwood kraft pulp, pulp manufactured by Oji Paper Co., Ltd. (solid content 93%, basis weight 208 g / m 2 sheet, defibered and Canadian standard freeness (CSF) 700 ml measured according to JIS P 8121) was used. . 100 parts by mass of the softwood kraft pulp (absolute dry mass) is impregnated with a mixed aqueous solution of ammonium dihydrogen phosphate and urea, pressed to 45 parts by mass of ammonium dihydrogen phosphate and 200 parts by mass of urea, and impregnated with a chemical solution. A pulp was obtained. The resulting chemical solution-impregnated pulp was dried and heat-treated for 200 seconds in a hot air dryer at 165° C. to introduce substituents into cellulose in the pulp.
得られたリン酸化パルプ(絶乾質量)100質量部に対して10000質量部のイオン交換水を注ぎ、攪拌して均一に分散させた後、濾過脱水して、脱水シートを得る工程を2回繰り返した。次いで、得られた脱水シートを10000質量部のイオン交換水で希釈し、攪拌しながら、1Nの水酸化ナトリウム水溶液を少しずつ添加し、pHが12~13のパルプスラリーを得た。その後、このパルプスラリーを脱水し、脱水シートを得た後、10000質量部のイオン交換水を注ぎ、攪拌して均一に分散させた後、濾過脱水して、脱水シートを得る工程を2回繰り返して、リン酸化パルプの脱水シートを得た。 Pour 10,000 parts by mass of ion-exchanged water into 100 parts by mass of the obtained phosphorylated pulp (absolute dry mass), stir to uniformly disperse, filter and dehydrate, and obtain a dehydrated sheet twice. repeated. Next, the obtained dehydrated sheet was diluted with 10,000 parts by mass of ion-exchanged water, and a 1N sodium hydroxide aqueous solution was added little by little while stirring to obtain a pulp slurry having a pH of 12-13. Thereafter, the pulp slurry is dewatered to obtain a dehydrated sheet, and then 10,000 parts by mass of ion-exchanged water is poured into the pulp slurry, stirred to uniformly disperse, filtered and dehydrated, and the process of obtaining a dehydrated sheet is repeated twice. to obtain a dehydrated sheet of phosphorylated pulp.
(製造例2)
製造例1で得たリン酸化パルプの脱水シートを原料にした以外は、製造例1と同様にして、リン酸基を導入する工程をさらに1回繰り返して(リン酸化回数の合計が2回)、リン酸化パルプの脱水シートを得た。
(Production example 2)
In the same manner as in Production Example 1, except that the dehydrated sheet of phosphorylated pulp obtained in Production Example 1 was used as a raw material, the step of introducing a phosphoric acid group was repeated once more (the total number of phosphorylation times was 2). , to obtain dehydrated sheets of phosphorylated pulp.
(製造例3)
製造例2で得たリン酸化パルプの脱水シートを原料にした以外は、製造例2と同様にして、リン酸基を導入する工程をさらに1回繰り返して(リン酸化回数の合計が3回)、リン酸化パルプの脱水シートを得た。
(Production example 3)
In the same manner as in Production Example 2, except that the dehydrated sheet of phosphorylated pulp obtained in Production Example 2 was used as a raw material, the step of introducing a phosphoric acid group was repeated once more (the total number of phosphorylation times was 3). , to obtain dehydrated sheets of phosphorylated pulp.
(製造例4)
165℃に加熱した熱風乾燥機での処理時間を150秒間とした以外は製造例1と同様にしてリン酸化パルプの脱水シートを得た。
(Production example 4)
A dehydrated sheet of phosphorylated pulp was obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the treatment time in a hot air dryer heated to 165° C. was changed to 150 seconds.
(製造例5)
針葉樹クラフトパルプ(絶乾質量)100質量部に、リン酸二水素ナトリウムと尿素の混合水溶液を含浸し、リン酸二水素ナトリウム58質量部、尿素100質量部となるように圧搾し、薬液含浸パルプを得た後、熱風乾燥機の温度を140℃、加熱時間を900秒間とした以外は製造例1と同様にして、リン酸化パルプの脱水シートを得た。
(Production example 5)
100 parts by mass of coniferous kraft pulp (absolute dry mass) is impregnated with a mixed aqueous solution of sodium dihydrogen phosphate and urea, and pressed to 58 parts by mass of sodium dihydrogen phosphate and 100 parts by mass of urea. After that, a dehydrated sheet of phosphorylated pulp was obtained in the same manner as in Production Example 1 except that the temperature of the hot air dryer was 140° C. and the heating time was 900 seconds.
(実施例1)
製造例1で得たリン酸化パルプの脱水シートにイオン交換水を添加後、攪拌し、固形分濃度が0.5質量%のスラリーにした。このスラリーを、解繊処理装置(エムテクニック社製、クレアミックス-2.2S)を用いて、21500回転/分の条件で30分間解繊処理し、微細繊維状セルロース含有スラリーを得た。この微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度、微粒子分散安定性を下記方法により測定した。また、セルロースに導入されたリン酸基に由来する強酸性基と弱酸性基の導入量、置換基(B)の含有量を求めた。
(Example 1)
After ion-exchanged water was added to the dehydrated sheet of phosphorylated pulp obtained in Production Example 1, the mixture was stirred to obtain a slurry having a solid content concentration of 0.5% by mass. This slurry was defibrated for 30 minutes at 21,500 rpm using a fibrillation treatment apparatus (Clearmix-2.2S, manufactured by M Technic Co., Ltd.) to obtain a fine fibrous cellulose-containing slurry. The viscosity and fine particle dispersion stability of this fine fibrous cellulose-containing slurry were measured by the following methods. In addition, the introduction amount of the strongly acidic group and the weakly acidic group derived from the phosphoric acid group introduced into the cellulose and the content of the substituent (B) were determined.
(実施例2~4)
製造例2~4で得たリン酸化パルプの脱水シートを各々使った以外は、実施例1と同様にして、微細繊維状セルロース含有スラリーを作製した。各微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度、微粒子分散安定性を下記方法により測定した。また、セルロースに導入されたリン酸基に由来する強酸性基と弱酸性基の導入量、置換基(B)の含有量を求めた。
(Examples 2-4)
A fine fibrous cellulose-containing slurry was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dehydrated sheets of phosphorylated pulp obtained in Production Examples 2 to 4 were used. The viscosity and fine particle dispersion stability of each fine fibrous cellulose-containing slurry were measured by the following methods. In addition, the introduction amount of the strongly acidic group and the weakly acidic group derived from the phosphoric acid group introduced into the cellulose and the content of the substituent (B) were determined.
(比較例1)
製造例5で得たリン酸化パルプの脱水シートを使った以外は、実施例1と同様にして、微細繊維状セルロース含有スラリーを作製した。微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度、微粒子分散安定性を下記方法により測定した。また、セルロースに導入されたリン酸基に由来する強酸性基と弱酸性基の導入量、置換基(B)の含有量を求めた。
(Comparative example 1)
A fine fibrous cellulose-containing slurry was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dehydrated sheet of phosphorylated pulp obtained in Production Example 5 was used. The viscosity of the fine fibrous cellulose-containing slurry and the fine particle dispersion stability were measured by the following methods. In addition, the introduction amount of the strongly acidic group and the weakly acidic group derived from the phosphoric acid group introduced into the cellulose and the content of the substituent (B) were determined.
<置換基(A)の導入量の測定>
置換基(A)の導入量は、伝導度滴定法により測定した。具体的には、解繊処理工程により微細化を行い、得られた微細繊維状セルロース含有スラリーをイオン交換樹脂で処理した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら電気伝導度の変化を求めることにより、導入量を測定した。
イオン交換樹脂による処理では、0.2質量%微細繊維状セルロース含有スラリーに体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(アンバージェット1024;オルガノ株式会社、コンディショング済)を加え、1時間振とう処理を行った。その後、目開き90μmのメッシュ上に注ぎ、樹脂とスラリーを分離した。アルカリを用いた滴定では、イオン交換後の微細繊維状セルロース含有スラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を加えながら、スラリーが示す電気伝導度の値の変化を計測した。
そして図1に示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して、置換基導入量(mmol/g)とした。
<Measurement of introduction amount of substituent (A)>
The introduction amount of the substituent (A) was measured by a conductivity titration method. Specifically, after miniaturization is performed in a fibrillation treatment step, the obtained fine fibrous cellulose-containing slurry is treated with an ion exchange resin, and then a change in electrical conductivity is determined while adding an aqueous sodium hydroxide solution. The amount introduced was measured.
In the treatment with an ion exchange resin, 1/10 by volume of a strongly acidic ion exchange resin (Amberjet 1024; Organo Co., Ltd., conditioned) was added to a slurry containing 0.2% by mass of fine fibrous cellulose, and the mixture was shaken for 1 hour. processed. After that, the slurry was separated from the resin by pouring it onto a mesh with an opening of 90 μm. In the titration with alkali, the change in the electrical conductivity value of the slurry was measured while adding 0.1N sodium hydroxide aqueous solution to the ion-exchanged fine fibrous cellulose-containing slurry.
Then, the alkali amount (mmol) required in the first region of the curve shown in FIG. 1 was divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated to obtain the substituent introduction amount (mmol/g).
<置換基(B)の導入量の測定(微量窒素分析方法)>
置換基(B)の導入量は、セルロースに共有結合した窒素量を測定することで決定した。具体的には、イオン性窒素(アンモニウムイオン)を遊離および除去させた後に、微量窒素分析法により窒素量を測定した。イオン性窒素(アンモニウムイオン)の遊離は、実質的にセルロースに共有結合した窒素が除かれない条件で行った。遊離したアンモニウムイオンの除去は、置換基(A)の導入量の測定と同様の方法で行った。すなわち、強酸性イオン交換樹脂にアンモニウムイオンを吸着させた。
微量窒素分析は、三菱化学アナリック社の微量全窒素分析装置TN-110を用いて測定した。測定前に、低温(真空乾燥器にて、40℃24時間)で乾燥し溶媒を除いた。
微細繊維状セルロース単位質量あたりの置換基(B)の導入量(mmol/g)は、微量窒素分析で得られた微細繊維状セルロース単位質量あたりの窒素含有量(g/g)を窒素の原子量で除することで求めた。
<Measurement of introduction amount of substituent (B) (trace nitrogen analysis method)>
The introduction amount of the substituent (B) was determined by measuring the amount of nitrogen covalently bonded to cellulose. Specifically, after liberating and removing ionic nitrogen (ammonium ion), the amount of nitrogen was measured by trace nitrogen analysis. Liberation of ionic nitrogen (ammonium ion) was carried out under conditions in which substantially no nitrogen covalently bound to cellulose was removed. Removal of liberated ammonium ions was carried out in the same manner as the measurement of the introduced amount of the substituent (A). That is, ammonium ions were adsorbed on a strongly acidic ion exchange resin.
Trace nitrogen analysis was performed using a total trace nitrogen analyzer TN-110 manufactured by Mitsubishi Chemical Analytic. Before the measurement, it was dried at a low temperature (40°C for 24 hours in a vacuum dryer) to remove the solvent.
The introduction amount (mmol/g) of the substituent (B) per unit mass of fine fibrous cellulose is obtained by dividing the nitrogen content (g/g) per unit mass of fine fibrous cellulose obtained by trace nitrogen analysis into the atomic weight of nitrogen. obtained by dividing by
<微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度測定方法>
微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度は、微細繊維状セルロース含有スラリーの固形分濃度が0.4質量%となるように希釈した後に、ディスパーザーにて1500rpmで5分間攪拌した。得られたスラリーの粘度をB型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVT)を用いて測定した。測定条件は、3rpm、25℃の条件とした。
<Method for measuring viscosity of fine fibrous cellulose-containing slurry>
After diluting the viscosity of the fine fibrous cellulose-containing slurry so that the solid content concentration of the fine fibrous cellulose-containing slurry was 0.4% by mass, the slurry was stirred at 1500 rpm for 5 minutes with a disperser. The viscosity of the resulting slurry was measured using a Brookfield viscometer (manufactured by BLOOKFIELD, analog viscometer T-LVT). The measurement conditions were 3 rpm and 25°C.
<微粒子分散安定性の評価>
実施例及び比較例にて得た0.5質量%の微細繊維状セルロース含有スラリーに疎水化酸化チタン(STV-455、チタン工業株式会社製)を1.0質量%となるように添加した後、ホモミキサーを用いて回転数4,000rpmで5分間攪拌した。その後30分間静置し、疎水化酸化チタンが水層と分離するか観察した。以下の基準にて評価を行った。
○:全く疎水化酸化チタンが分離せず、均一性を維持している。
△:分離して沈降または水面に存在する疎水化酸化チタンが一部見られるが、全体として
は均一性を維持している。
×:全体として疎水化酸化チタン粒子が沈殿もしくは水面に存在し、水層と分離してい
る。
<Evaluation of fine particle dispersion stability>
After adding hydrophobized titanium oxide (STV-455, manufactured by Titan Kogyo Co., Ltd.) to 0.5% by mass of fine fibrous cellulose-containing slurry obtained in Examples and Comparative Examples so that it becomes 1.0% by mass. , using a homomixer at a rotation speed of 4,000 rpm for 5 minutes. Then, it was left to stand for 30 minutes, and it was observed whether the hydrophobized titanium oxide separated from the water layer. Evaluation was performed according to the following criteria.
◯: Hydrophobized titanium oxide was not separated at all, maintaining uniformity.
Δ: Some hydrophobized titanium oxide separated and precipitated or existed on the water surface was observed, but overall uniformity was maintained.
x: As a whole, hydrophobized titanium oxide particles were precipitated or existed on the surface of the water, and separated from the water layer.
実施例で得られた微細繊維状セルロース含有スラリーは、溶液粘度が高く、微粒子分散安定性が良好であった。 The slurries containing fine fibrous cellulose obtained in Examples had high solution viscosities and good fine particle dispersion stability.
Claims (4)
前記(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基は、下記式(1)で表される置換基であり、
前記(B)ウレタン結合を有する基は、下記式(2)で表される置換基であり、
前記(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基の含有量C A が0.57mmol/g以上であり、
前記(B)ウレタン結合を有する基の含有量(mmol/g)/前記(A)リン酸基又はリン酸基に由来する置換基の含有量(mmol/g)×100で算出される値は、8%以上である微細繊維状セルロース含有物;
The (A) phosphate group or a substituent derived from a phosphate group is a substituent represented by the following formula (1),
The (B) group having a urethane bond is a substituent represented by the following formula (2),
( A ) the content CA of the phosphate group or the substituent derived from the phosphate group is 0.57 mmol/g or more,
The value calculated by (B) the content of the group having a urethane bond (mmol/g)/the content of the (A) phosphoric acid group or a substituent derived from a phosphoric acid group (mmol/g)×100 is , a fine fibrous cellulose content of 8 % or more;
A solution having a solid content concentration of the fine fibrous cellulose of 0.4% by mass, which is obtained by stirring with a disperser at 1500 rpm for 5 minutes after the addition of the fine fibrous cellulose, has a viscosity of 5000 mPa. · The fine fibrous cellulose-containing material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the content is s or more.
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