JP7162422B2 - H-type carboxylated cellulose nanofiber - Google Patents

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Description

本発明は、H型カルボキシル化セルロースナノファイバーに関する。 The present invention relates to H-type carboxylated cellulose nanofibers.

セルロース原料を2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシラジカル(以下、「TEMPO」ともいう)と安価な酸化剤である次亜塩素酸ナトリウムとの共存下で処理すると、セルロースのミクロフィブリルの表面にカルボキシル基を効率よく導入することができる。カルボキシル基を導入したセルロースを水中にてミキサー等で処理すると、高粘度で透明なセルロースナノファイバーの水分散液が得られる。 When the cellulose raw material is treated in the presence of 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxy radical (hereinafter also referred to as "TEMPO") and sodium hypochlorite, which is an inexpensive oxidizing agent, , carboxyl groups can be efficiently introduced onto the surface of cellulose microfibrils. When the carboxyl group-introduced cellulose is treated in water with a mixer or the like, a highly viscous and transparent aqueous dispersion of cellulose nanofibers can be obtained.

上記の通り、セルロースナノファイバーの表面には、カルボキシル基が導入されているため、当該カルボキシル基を起点として自由に改質することができる。また、セルロースナノファイバーは分散液の形態なので、水溶性ポリマーとブレンドすることや、有機・無機系顔料と複合化して改質することもできる。さらに、セルロースナノファイバーをシート化又は繊維化することもできる。このような特性により、セルロースナノファイバーを高機能包装材料、透明有機基板部材、高機能繊維、分離膜、再生医療材料等に応用した新規高機能性商品の開発が検討されている。 As described above, since carboxyl groups are introduced into the surface of the cellulose nanofibers, the carboxyl groups can be used as starting points to freely modify the surface. In addition, since cellulose nanofibers are in the form of a dispersion, they can be modified by blending them with water-soluble polymers or by combining them with organic or inorganic pigments. Furthermore, cellulose nanofibers can be made into sheets or fibers. Due to these characteristics, the development of new high-performance products applying cellulose nanofibers to high-performance packaging materials, transparent organic substrate members, high-performance fibers, separation membranes, regenerative medicine materials, etc., is being studied.

上記新規高機能性商品の一例として、特許文献1には、カルボキシル化されたセルロース繊維と水とを含有するスプレー用組成物が提案されている。特許文献1に記載のスプレー用組成物に含有されるカルボキシル化されたセルロース繊維は、脱塩工程を経ていないため、製造手順からナトリウム塩型であると推認される。 As an example of the new highly functional product, Patent Document 1 proposes a spray composition containing carboxylated cellulose fibers and water. Since the carboxylated cellulose fibers contained in the composition for spraying described in Patent Document 1 have not undergone a desalting step, it is presumed to be in the sodium salt form from the manufacturing procedure.

特開2010-37200号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-37200

特許文献1には、塩類の存在下で機能が低下する添加剤があることが記載されている。そのため、カルボキシル化されたセルロース繊維をスプレー用組成物に使用する場合、カルボキシル化されたセルロース繊維は、脱塩処理して酸型に変換したものが好ましい。
しかしながら、カルボキシル化されたセルロース繊維を、塩酸等の鉱酸で酸処理して得られる酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーは、ずり速度が低い領域(以下、「低ずり領域」ともいう)において、粘度が低くなる傾向にあった。そのため、スプレー用組成物に用いる際、液だれを防止するために増粘剤を添加する場合があった。
従って、低ずり領域で高粘度の酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの開発が望まれている。
Patent Literature 1 describes that there are additives whose functions deteriorate in the presence of salts. Therefore, when carboxylated cellulose fibers are used in a spray composition, the carboxylated cellulose fibers are preferably desalted and converted to an acid form.
However, acid-type carboxylated cellulose nanofibers obtained by acid-treating carboxylated cellulose fibers with a mineral acid such as hydrochloric acid have a low shear rate region (hereinafter also referred to as a “low shear region”), Viscosity tended to be low. Therefore, when used in spray compositions, a thickener is sometimes added to prevent dripping.
Therefore, the development of acid-type carboxylated cellulose nanofibers with low shear and high viscosity is desired.

本発明の課題は、低ずり領域で高粘度である酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーを提供することである。 An object of the present invention is to provide acid-type carboxylated cellulose nanofibers with high viscosity in the low shear range.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、陽イオン交換樹脂により脱塩処理して得られる酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーが、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明者らは、下記の〔1〕~〔4〕を提供する。
〔1〕セルロース分子鎖を構成する少なくとも一部の構成単位にカルボキシル基を有するカルボキシル化セルロースナノファイバーであって、含有率が0.95~1.05質量%の水分散体における粘度が、30℃、0.003~0.01s-1のずり速度において925Pa・sを超えて100,000Pa・s以下であるH型カルボキシル化セルロースナノファイバー(以下、「ナノファイバー」ともいう)。
〔2〕前記セルロース分子鎖の少なくとも一部が、グルコピラノース単位のC6位の1級水酸基を有する炭素原子が選択的に酸化されたカルボキシル基を有する構成単位で構成される上記〔1〕に記載のH型カルボキシル化セルロースナノファイバー。
〔3〕前記カルボキシル基量が、前記カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.6~2.0mmol/gである上記〔1〕又は〔2〕に記載のH型カルボキシル化セルロースナノファイバー。
〔4〕前記カルボキシル基量が、前記カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.8~2.0mmol/gである上記〔1〕又は〔2〕に記載のH型カルボキシル化セルロースナノファイバー。
As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors found that acid-type carboxylated cellulose nanofibers obtained by desalting with a cation exchange resin can solve the above problems, and have completed the present invention. Arrived.
That is, the present inventors provide the following [1] to [4].
[1] A carboxylated cellulose nanofiber having a carboxyl group in at least a portion of the constituent units constituting the cellulose molecular chain, wherein the viscosity in an aqueous dispersion having a content of 0.95 to 1.05% by mass is 30 H-type carboxylated cellulose nanofibers (hereinafter also referred to as “nanofibers”) that are more than 925 Pa·s and not more than 100,000 Pa·s at a shear rate of 0.003 to 0.01 s −1 at ° C.
[2] The above [1], wherein at least part of the cellulose molecular chain is composed of a structural unit having a carboxyl group in which the carbon atom having a primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose unit is selectively oxidized. of H-type carboxylated cellulose nanofibers.
[3] The H-type carboxylated cellulose according to [1] or [2] above, wherein the amount of carboxyl groups is 0.6 to 2.0 mmol/g with respect to the absolute dry mass of the carboxylated cellulose nanofibers. nanofibers.
[4] The H-type carboxylated cellulose according to [1] or [2] above, wherein the amount of carboxyl groups is 0.8 to 2.0 mmol/g with respect to the absolute dry mass of the carboxylated cellulose nanofibers. nanofibers.

本発明によれば、低ずり領域で高粘度である酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide acid-type carboxylated cellulose nanofibers having a low shear region and high viscosity.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。なお、本明細書中、「H型カルボキシル化セルロースナノファイバー」とは、ナトリウム塩等の金属塩を脱塩処理して、酸型に変換したカルボキシル化セルロースナノファイバーをいう。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will now be described in detail with reference to its preferred embodiments. In the present specification, "H-type carboxylated cellulose nanofiber" refers to carboxylated cellulose nanofiber obtained by desalting a metal salt such as sodium salt and converting it into an acid form.

[1.ナノファイバー]
本発明のナノファイバーは、H型カルボキシル化セルロースナノファイバーである。また、本発明のナノファイバーは、セルロース分子鎖を構成する少なくとも一部の構成単位にカルボキシル基を有し、その含有率が0.95~1.05質量%の水分散体における粘度が、30℃、0.003~0.01s-1のずり速度において925Pa・sを超えて100,000Pa・s以下である。
そのため、本発明のナノファイバーを、例えば、スプレー用組成物に用いる場合、他の増粘剤を使用しない、或いは他の増粘剤を使用しても少ない量で液だれを防止することができる。
[1. Nanofiber]
The nanofibers of the present invention are H-type carboxylated cellulose nanofibers. In addition, the nanofiber of the present invention has a carboxyl group in at least a part of the constituent units constituting the cellulose molecular chain, and the viscosity in an aqueous dispersion having a carboxyl group content of 0.95 to 1.05% by mass is 30. °C, at a shear rate of 0.003 to 0.01 s -1 , it exceeds 925 Pa·s and is 100,000 Pa·s or less.
Therefore, when the nanofiber of the present invention is used, for example, in a composition for spraying, dripping can be prevented without using other thickening agents or even with a small amount of other thickening agents. .

本発明のナノファイバーは、その含有率が0.95~1.05質量%の水分散体における粘度が、30℃、0.003~0.01s-1のずり速度において、925Pa・sを超えて100,000Pa・s以下であり、930~50,000Pa・sであることが好ましく、950~25,000Pa・sであることがさらに好ましい。粘度の下限値は、925Pa.s超であり、930Pa.s以上が好ましく、950Pa・s以上がさらに好ましい。上限値は、100,000Pa.s以下であり、50,000Pa.s以下が好ましく、25,000Pa.s以下がさらに好ましい。
なお、粘度は、例えば、ナノファイバーに水を添加して、0.95~1.05質量%の水分散体を調製し、当該水分散体を、粘弾性レオメーター(例えば、「MCR301」、アントンパール社製)を用いて、所定のずり速度で測定することができる。
The nanofiber of the present invention has a viscosity exceeding 925 Pa s at a shear rate of 0.003 to 0.01 s −1 at 30° C. in an aqueous dispersion having a content of 0.95 to 1.05% by mass. is 100,000 Pa·s or less, preferably 930 to 50,000 Pa·s, more preferably 950 to 25,000 Pa·s. The lower limit of viscosity is 925 Pa.s. s and 930 Pa.s. s or more is preferable, and 950 Pa·s or more is more preferable. The upper limit is 100,000 Pa.s. s or less and 50,000 Pa.s or less. s or less, preferably 25,000 Pa.s or less. s or less is more preferable.
In addition, the viscosity is adjusted by, for example, adding water to nanofibers to prepare an aqueous dispersion of 0.95 to 1.05% by mass, and measuring the aqueous dispersion with a viscoelastic rheometer (eg, "MCR301", (manufactured by Anton Paar) at a predetermined shear rate.

本発明のナノファイバーは、平均繊維長が、200~2000nmであることが好ましく、250~1500nmであることがより好ましく、300~1000nmであることがさらに好ましく、550~1000nmであることがさらにより好ましい。
また、本発明のナノファイバーは、平均繊維径が、1.50~1000nmであることが好ましく、2.00~750nmであることがより好ましく、2.50~500nmであることがさらに好ましく、2.85~500nmであることがよりさらに好ましい。
The nanofibers of the present invention preferably have an average fiber length of 200 to 2000 nm, more preferably 250 to 1500 nm, even more preferably 300 to 1000 nm, even more preferably 550 to 1000 nm. preferable.
The nanofiber of the present invention preferably has an average fiber diameter of 1.50 to 1000 nm, more preferably 2.00 to 750 nm, even more preferably 2.50 to 500 nm. 0.85 to 500 nm is even more preferred.

カルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維長は、以下のようにして算出することができる。カルボキシル化セルロースナノファイバーをマイカ切片上に固定し、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて200本の繊維長を測定し、長さ(加重)平均繊維長を算出することができる。なお、繊維長の測定は、画像解析ソフトWinROOF(三谷商事社製)を用いて、任意の長さの範囲で行う。
また、カルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維径は、以下のようにして算出することができる。カルボキシル化セルロースナノファイバーの濃度が0.001質量%となるように希釈したカルボキシル化セルロースナノファイバー水分散液を調製する。この希釈分散液をマイカ製試料台に薄く延ばし、50℃で加熱乾燥させて観察用試料を作製する。原子間力顕微鏡(AFM)にて観察した形状像の断面高さを計測し、加重平均繊維径を算出することができる。
The average fiber length of carboxylated cellulose nanofibers can be calculated as follows. Carboxylated cellulose nanofibers can be immobilized on mica sections, 200 fiber lengths can be measured using atomic force microscopy (AFM), and the length (weighted) average fiber length can be calculated. The fiber length is measured within an arbitrary length range using image analysis software WinROOF (manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.).
Also, the average fiber diameter of the carboxylated cellulose nanofibers can be calculated as follows. A diluted carboxylated cellulose nanofiber aqueous dispersion is prepared so that the carboxylated cellulose nanofiber concentration is 0.001% by mass. This diluted dispersion is spread thinly on a mica sample stage and dried by heating at 50° C. to prepare an observation sample. The weighted average fiber diameter can be calculated by measuring the cross-sectional height of the shape image observed with an atomic force microscope (AFM).

本発明のナノファイバーは、セルロース分子鎖の少なくとも一部が、グルコピラノース単位のC6位の1級水酸基を有する炭素原子が選択的に酸化されたカルボキシル基を有する構成単位で構成されることが好ましい。なお、セルロース分子鎖は、グルコピラノース単位のC6位の1級水酸基を有する炭素原子が選択的に酸化されたカルボキシル基を有する構成単位のみで構成されてもよい。
ここで、グルコピラノース単位とは、下記式(0)で表される構成単位をいう。
In the nanofiber of the present invention, at least a portion of the cellulose molecular chain is preferably composed of structural units having a carboxyl group in which the carbon atom having a primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose unit is selectively oxidized. . The cellulose molecular chain may be composed only of structural units having a carboxyl group obtained by selectively oxidizing the carbon atom having a primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose unit.
Here, the glucopyranose unit refers to a structural unit represented by the following formula (0).

Figure 0007162422000001
Figure 0007162422000001

本発明のナノファイバーは、カルボキシル基量が、カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.6~2.0mmol/gであることが好ましく、0.8~2.0mmol/gであることがより好ましく、1.2~2.0mmol/gであることがさらに好ましい。カルボキシル基量が0.6mmol/g以上であると、セルロース分子鎖の表面にカルボキシル基が導入され、静電的な反発作用を持たせることができ、解繊によりナノファイバーを作製することができる。また、カルボキシル基量が0.8mmol/g以上であると、セルロース分子鎖の表面にカルボキシル基が十分導入され、解繊により容易にナノファイバーを作製することができる。
カルボキシル基量は以下のようにして測定することができる。カルボキシル化セルロースの0.5質量%スラリー(水分散液)60mlを調製する。調製したスラリーに0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5に調整した後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定する。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(a)から、下式を用いてカルボキシル基量を算出することができる:
カルボキシル基量〔mmol/gカルボキシル化セルロース〕=a〔ml〕×0.05/カルボキシル化セルロース質量〔g〕
なお、カルボキシル化セルロースナノファイバーのカルボキシル基量と、カルボキシル化セルロースのカルボキシル基量は、通常、同値である。
The nanofiber of the present invention preferably has a carboxyl group content of 0.6 to 2.0 mmol/g, more preferably 0.8 to 2.0 mmol/g, relative to the absolute dry mass of the carboxylated cellulose nanofiber. more preferably 1.2 to 2.0 mmol/g. When the amount of carboxyl groups is 0.6 mmol/g or more, carboxyl groups are introduced to the surface of the cellulose molecular chains, and electrostatic repulsion can be imparted, and nanofibers can be produced by fibrillation. . Further, when the amount of carboxyl groups is 0.8 mmol/g or more, sufficient carboxyl groups are introduced to the surface of the cellulose molecular chains, and nanofibers can be easily produced by fibrillation.
The carboxyl group content can be measured as follows. 60 ml of a 0.5% by weight slurry (aqueous dispersion) of carboxylated cellulose are prepared. After adjusting the pH to 2.5 by adding a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to the prepared slurry, a 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution is added dropwise and the electrical conductivity is measured until the pH reaches 11. From the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of a weak acid with a slow change in conductivity, the amount of carboxyl groups can be calculated using the following formula:
Carboxyl group amount [mmol/g carboxylated cellulose] = a [ml] x 0.05/carboxylated cellulose mass [g]
In addition, the amount of carboxyl groups of the carboxylated cellulose nanofiber and the amount of carboxyl groups of the carboxylated cellulose are usually the same value.

[2.製造方法]
カルボキシル化セルロースナノファイバーは、例えば、以下のようにして製造することができる。セルロース原料を酸化して酸化セルロースを調製し(以下、「酸化処理」ともいう)、調製した酸化セルロースを解繊し(以下、「解繊処理」ともいう)、解繊した酸化セルロースを陽イオン交換樹脂により脱塩処理する(以下、「脱塩処理」ともいう)ことで、ナノファイバーを製造することができる。
なお、調製した酸化セルロース又は加水分解した酸化セルロースを陽イオン交換樹脂により脱塩処理した後、解繊処理することでも酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーを製造することができる。以下の説明では、解繊の後に陽イオン交換樹脂により脱塩を行って酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーを製造する場合について説明する。
[2. Production method]
Carboxylated cellulose nanofibers can be produced, for example, as follows. A cellulose raw material is oxidized to prepare oxidized cellulose (hereinafter also referred to as "oxidation treatment"), the prepared oxidized cellulose is defibrated (hereinafter also referred to as "fibrillation treatment"), and the defibrated oxidized cellulose is treated with cations. Nanofibers can be produced by desalting with an exchange resin (hereinafter also referred to as "desalting").
Acid-type carboxylated cellulose nanofibers can also be produced by desalting the prepared oxidized cellulose or hydrolyzed oxidized cellulose with a cation exchange resin, followed by fibrillation. In the following description, the case of producing acid-type carboxylated cellulose nanofibers by desalting with a cation exchange resin after fibrillation will be described.

[2-1.酸化処理]
酸化処理は、セルロース原料を酸化して酸化セルロースを調製する処理である。酸化方法は、特に限定されないが、N-オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物又はこれらの混合物と、の存在下で酸化剤を用いる方法が好ましい。当該方法によりセルロース原料を酸化すると、セルロース分子鎖を構成するグルコピラノース単位のC6位の1級水酸基を有する炭素原子が選択的に酸化されたカルボキシル基を有する構成単位を得ることができる。
当該方法により得られる酸化セルロースの部分構造を下記一般式(1)に示す。
[2-1. Oxidation treatment]
Oxidation treatment is a treatment for preparing oxidized cellulose by oxidizing a cellulose raw material. The oxidation method is not particularly limited, but a method using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound, a bromide, an iodide, or a mixture thereof is preferred. When the cellulose raw material is oxidized by this method, a structural unit having a carboxyl group can be obtained in which the carbon atom having a primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose unit constituting the cellulose molecular chain is selectively oxidized.
The partial structure of oxidized cellulose obtained by this method is shown in the following general formula (1).

Figure 0007162422000002
(一般式(1)中、Mはカチオン塩を示す。)
Figure 0007162422000002
(In general formula (1), M 1 represents a cation salt.)

一般式(1)中、Mとして表されるカチオン塩としては、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、ホスホニウム塩、イミダゾリニウム塩、アンモニウム塩、スルホニウム塩が挙げられる。 Examples of cation salts represented by M1 in general formula ( 1 ) include alkali metal salts such as sodium salts and potassium salts, phosphonium salts, imidazolinium salts, ammonium salts and sulfonium salts.

天然のセルロースは、直鎖上のセルロース分子鎖が水素結合により多数収束したミクロフィブリル構造を有している。N-オキシル化合物を用いてセルロースを酸化すると、上記の通り、セルロース分子鎖を構成するグルコピラノース単位のC6位の1級水酸基を有する炭素原子が選択的にアルデヒド基を経てカルボキシル基に酸化される。そのため、ミクロフィブリル構造の表面に高密度でカルボキシル基が導入される。導入されたカルボキシル基は反発作用を有し、解繊により一本一本が分離したセルロースナノファイバーを得ることができる。 Natural cellulose has a microfibril structure in which a large number of linear cellulose molecular chains converge through hydrogen bonding. When cellulose is oxidized using an N-oxyl compound, as described above, the carbon atom having a primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose unit constituting the cellulose molecular chain is selectively oxidized to a carboxyl group via an aldehyde group. . Therefore, carboxyl groups are introduced at a high density on the surface of the microfibril structure. The introduced carboxyl groups have a repulsive action, and cellulose nanofibers separated one by one can be obtained by defibration.

セルロース原料は、木材由来のクラフトパルプ又はサルファイトパルプ、それらを高圧ホモジナイザーやミル等で粉砕した粉末セルロース、或いはそれらを酸加水分解等の化学処理により精製した微結晶セルロース粉末等を含む。この他に、ケナフ、麻、イネ、バガス、竹等の植物由来のセルロース原料も使用できる。量産化やコストの観点からは、粉末セルロース、微結晶セルロース粉末、或いはクラフトパルプ又はサルファイトパルプのような化学パルプを用いることが好ましい。化学パルプを用いる場合は、公知の漂白処理を施してリグニンを除去することが好ましい。漂白済みパルプとしては、例えば、白色度(ISO 2470)が80%以上の漂白済みクラフトパルプ又は漂白済みサルファイトパルプを用いることができる。 Cellulose raw materials include wood-derived kraft pulp or sulfite pulp, powdered cellulose obtained by pulverizing them with a high-pressure homogenizer, mill, or the like, or microcrystalline cellulose powder obtained by refining them by chemical treatment such as acid hydrolysis. In addition, plant-derived cellulose raw materials such as kenaf, hemp, rice, bagasse, and bamboo can also be used. From the viewpoint of mass production and cost, it is preferable to use powdered cellulose, microcrystalline cellulose powder, or chemical pulp such as kraft pulp or sulfite pulp. When chemical pulp is used, it is preferable to remove lignin by subjecting it to a known bleaching treatment. As the bleached pulp, for example, bleached kraft pulp or bleached sulfite pulp having a brightness (ISO 2470) of 80% or more can be used.

粉末セルロースは、木材パルプの非結晶部分を酸加水分解により除去した後、粉砕及び篩い分けすることで得られる微結晶性又は結晶性セルロースからなる棒軸状粒子である。粉末セルロースにおいて、セルロースの重合度は100~500程度であり、X線回折法による粉末セルロースの結晶化度は70~90%であり、レーザー回折式粒度分布装置による体積平均粒子径は通常100μm以下であり、好ましくは50μm以下である。そのような粉末セルロースは、精選パルプを酸加水分解した後に得られる未分解残渣を精製及び乾燥し、粉砕及び篩い分けすることにより調製してもよいし、KCフロック(登録商標)(日本製紙社製)、セオラス(登録商標)(旭化成ケミカルズ社製)、アビセル(登録商標)(FMC社製)等の市販品を用いてもよい。 Powdered cellulose is rod-shaped particles made of microcrystalline or crystalline cellulose obtained by removing the non-crystalline portion of wood pulp by acid hydrolysis, followed by pulverization and sieving. In powdered cellulose, the polymerization degree of cellulose is about 100 to 500, the crystallinity of powdered cellulose is 70 to 90% by X-ray diffraction method, and the volume average particle diameter by laser diffraction particle size distribution device is usually 100 μm or less. and preferably 50 μm or less. Such powdered cellulose may be prepared by purifying and drying, grinding and sieving the undegraded residue obtained after acid hydrolysis of the screened pulp, or by KC Floc® (Nippon Paper Industries Co., Ltd.). (manufactured by Asahi Kasei Chemicals), Ceolus (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Chemicals), and Avicel (registered trademark) (manufactured by FMC).

漂白処理方法としては、塩素処理(C)、二酸化塩素漂白(D)、アルカリ抽出(E)、次亜塩素酸塩漂白(H)、過酸化水素漂白(P)、アルカリ性過酸化水素処理段(Ep)、アルカリ性過酸化水素・酸素処理段(Eop)、オゾン処理(Z)、キレート処理(Q)等を組合せて行うことができる。例えば、C/D-E-H-D、Z-E-D-P、Z/D-Ep-D、Z/D-Ep-D-P、D-Ep-D、D-Ep-D-P、D-Ep-P-D、Z-Eop-D-D、Z/D-Eop-D、Z/D-Eop-D-E-D等のシーケンスで行なうことができる。なお、シーケンス中の「/」は、「/」の前後の処理を洗浄なしで連続して行なうことを意味する。 Bleaching methods include chlorine treatment (C), chlorine dioxide bleaching (D), alkali extraction (E), hypochlorite bleaching (H), hydrogen peroxide bleaching (P), alkaline hydrogen peroxide treatment stage ( Ep), alkaline hydrogen peroxide/oxygen treatment stage (Eop), ozone treatment (Z), chelate treatment (Q), etc. can be combined. For example, C/DEHD, ZEDP, Z/D-Ep-D, Z/D-Ep-DP, D-Ep-D, D-Ep-D- Sequences such as P, D-Ep-PD, Z-Eop-DD, Z/D-Eop-D, Z/D-Eop-DD, etc. can be performed. Note that "/" in the sequence means that the processing before and after "/" is performed continuously without cleaning.

また、上記したセルロース原料を高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式等の分散装置や、湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザー等で微細化したものをセルロース原料として使用することもできる。 In addition, the above-mentioned cellulose raw material can be used as a cellulose raw material after being finely divided by a dispersing device such as a high-speed rotating type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, ultrasonic type, etc., or a wet high pressure or ultrahigh pressure homogenizer. can also

N-オキシル化合物は、ニトロキシラジカルを発生し得る化合物である。N-オキシル化合物としては、目的の酸化反応を行う化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。N-オキシル化合物としては、例えば、下記一般式(2)~(5)、(7)で表される化合物や下記式(6)で表される化合物が挙げられる。 N-oxyl compounds are compounds that can generate nitroxy radicals. As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it is a compound that undergoes the desired oxidation reaction. Examples of N-oxyl compounds include compounds represented by the following general formulas (2) to (5) and (7) and compounds represented by the following formula (6).

Figure 0007162422000003
(一般式(2)中、R~Rは、同一又は異なっていてもよい炭素原子数1~4のアルキル基を示し、Rは、水素原子又はヒドロキシル基を示す。)
Figure 0007162422000003
(In general formula (2), R 1 to R 4 represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms which may be the same or different, and R 5 represents a hydrogen atom or a hydroxyl group.)

Figure 0007162422000004
(一般式(3)~(5)中、Rは、炭素原子数1~4の直鎖状又は分岐状の炭化水素基を示す。)
Figure 0007162422000004
(In general formulas (3) to (5), R 6 represents a linear or branched hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms.)

Figure 0007162422000005
(一般式(7)中、R~Rは、同一若しくは異なっていてもよい、水素原子又は炭素原子数1~6の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基を示す。)
Figure 0007162422000005
(In general formula (7), R 7 to R 8 represent a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, which may be the same or different.)

一般式(2)中、R~Rで表される炭素原子数1~4のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基が挙げられる。中でも、メチル基又はエチル基が好ましい。
一般式(3)~(5)中、Rで表される炭素原子数1~4の直鎖状又は分岐状の炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基が挙げられる。中でも、メチル基又はエチル基が好ましい。
一般式(7)中、R~Rで表される炭素原子数1~6の直鎖状又は分岐状のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基が挙げられる。中でも、メチル基又はエチル基が好ましい。
Examples of alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms represented by R 1 to R 4 in general formula (2) include methyl group, ethyl group, propyl group and butyl group. Among them, a methyl group or an ethyl group is preferable.
Examples of linear or branched hydrocarbon groups having 1 to 4 carbon atoms represented by R 6 in general formulas (3) to (5) include methyl group, ethyl group, n-propyl group, Examples include isopropyl, n-butyl, s-butyl and t-butyl groups. Among them, a methyl group or an ethyl group is preferable.
In general formula (7), linear or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms represented by R 7 to R 8 include, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group and isopropyl group. , n-butyl group, s-butyl group, t-butyl group, n-pentyl group and n-hexyl group. Among them, a methyl group or an ethyl group is preferable.

一般式(2)で表される化合物としては、例えば、2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシラジカル(以下、「TEMPO」ともいう)、又は4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシラジカル(以下、「4-ヒドロキシTEMPO」ともいう)が挙げられる。
N-オキシル化合物は、TEMPO又は4-ヒドロキシTEMPOの誘導体であってもよい。4-ヒドロキシTEMPOの誘導体としては、例えば、一般式(3)で表される化合物、即ち、4-ヒドロキシTEMPOの水酸基を、炭素原子数4以下の直鎖状又は分岐状の炭化水素基を有するアルコールでエーテル化して得られる誘導体や、一般式(4)又は(5)で表される化合物、即ち、カルボン酸又はスルホン酸でエステル化して得られる誘導体が挙げられる。
4-ヒドロキシTEMPOをエーテル化する際には、炭素原子数が4以下のアルコールを用いれば、アルコール中の飽和、不飽和結合の有無に関わらず、得られる誘導体が水溶性となり、酸化触媒として良好に機能する。
Examples of compounds represented by the general formula (2) include 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxy radical (hereinafter also referred to as “TEMPO”), or 4-hydroxy-2 , 2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxy radical (hereinafter also referred to as “4-hydroxy TEMPO”).
The N-oxyl compound may be a derivative of TEMPO or 4-hydroxy TEMPO. Derivatives of 4-hydroxy TEMPO include, for example, the compound represented by the general formula (3), that is, the hydroxyl group of 4-hydroxy TEMPO has a linear or branched hydrocarbon group having 4 or less carbon atoms. Derivatives obtained by etherification with alcohol, and compounds represented by general formula (4) or (5), ie, derivatives obtained by esterification with carboxylic acid or sulfonic acid, can be mentioned.
When etherifying 4-hydroxy TEMPO, if an alcohol having 4 or less carbon atoms is used, the resulting derivative becomes water-soluble regardless of the presence or absence of saturated or unsaturated bonds in the alcohol, and is good as an oxidation catalyst. function.

N-オキシル化合物は、式(6)で表される化合物、即ち、4-アミノTEMPOのアミノ基がアセチル化された化合物であると、適度な疎水性が付与され、安価であり、均一な酸化セルロースを得ることができるので好ましい。また、N-オキシル化合物は、一般式(7)で表される化合物、即ち、アザアダマンタン型ニトロキシラジカルであると、短時間で、均一な酸化セルロースを得ることができるので好ましい。 When the N-oxyl compound is a compound represented by the formula (6), that is, a compound in which the amino group of 4-amino TEMPO is acetylated, it is imparted with appropriate hydrophobicity, is inexpensive, and can be uniformly oxidized. It is preferable because cellulose can be obtained. Further, the N-oxyl compound is preferably a compound represented by the general formula (7), that is, an azaadamantane-type nitroxy radical, because uniform oxidized cellulose can be obtained in a short time.

N-オキシル化合物の使用量は、得られる酸化セルロースをナノファイバー化できる程度に十分にセルロース原料を酸化できる触媒量であれば特に限定されない。例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、好ましくは0.01~10mmol、より好ましくは0.01~1mmol、さらに好ましくは0.01~0.5mmolである。 The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount that can sufficiently oxidize the cellulose raw material to the extent that the resulting oxidized cellulose can be made into nanofibers. For example, it is preferably 0.01 to 10 mmol, more preferably 0.01 to 1 mmol, still more preferably 0.01 to 0.5 mmol with respect to 1 g of absolute dry cellulose raw material.

セルロース原料の酸化の際に用いられる臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。
臭化物又はヨウ化物の使用量は、目的の酸化反応を促進できる範囲で調整し得る。臭化物及びヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、好ましくは0.1~100mmol、より好ましくは0.1~10mmol、さらに好ましくは0.5~5mmolである。
Bromides used in the oxidation of cellulosic raw materials are compounds containing bromine, examples of which include alkali metal bromides that can be dissociated and ionized in water. Also, iodides are compounds containing iodine, examples of which include alkali metal iodides.
The amount of bromide or iodide used can be adjusted within a range capable of promoting the desired oxidation reaction. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, still more preferably 0.5 to 5 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose raw material.

酸化剤としては、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸又はそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物等の公知の酸化剤を使用することができる。中でも、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。
酸化剤の使用量は、酸化反応を行う量であればよく、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、好ましくは0.5~500mmol、より好ましくは0.5~50mmol、さらに好ましくは2.5~25mmolである。
As the oxidizing agent, for example, known oxidizing agents such as halogens, hypohalous acids, halogenous acids, perhalogenates or salts thereof, halogen oxides and peroxides can be used. Among them, sodium hypochlorite is preferable because it is inexpensive and has less environmental load.
The amount of the oxidizing agent to be used may be any amount as long as it performs the oxidation reaction. .5 to 25 mmol.

セルロース原料の酸化反応は、比較的温和な条件であっても反応が効率よく進行するので、反応温度は、15~30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpH値が低下する。酸化反応を効率よく進行させるために、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ性溶液を適時反応系中に添加して、反応液のpH値を9~12に、好ましくは10~11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じ難いこと等から、水が好ましい。 Since the oxidation reaction of the cellulose raw material proceeds efficiently even under relatively mild conditions, the reaction temperature may be room temperature of about 15 to 30°C. As the reaction progresses, carboxyl groups are generated in the cellulose, resulting in a decrease in the pH value of the reaction solution. In order to allow the oxidation reaction to proceed efficiently, an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution may be added to the reaction system in a timely manner to maintain the pH value of the reaction solution at about 9-12, preferably about 10-11. preferable. Water is preferable as the reaction medium because it is easy to handle and less likely to cause side reactions.

酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常、0.5~6時間程度であり、好ましくは0.5~4時間程度である。 The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the progress of oxidation, and is usually about 0.5 to 6 hours, preferably about 0.5 to 4 hours.

また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースのカチオン塩を、再度、同一又は異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する塩による反応阻害を受けることなく、セルロース原料に効率よくカルボキシル基を導入することができる。 Moreover, the oxidation reaction may be carried out in two steps. For example, the cation salt of oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the reaction in the first step is again oxidized under the same or different reaction conditions, thereby being inhibited by the salt produced as a by-product in the reaction in the first step. carboxyl groups can be efficiently introduced into the cellulose raw material.

上記の工程で得られる酸化セルロースにおいて、セルロース原料に導入したカルボキシル基は、通常、ナトリウム塩等のアルキル金属塩である。下記の脱塩処理や解繊処理の前に、酸化セルロースのアルカリ金属塩を、ホスホニウム塩、イミダゾリニウム塩、アンモニウム塩、スルホニウム塩等の他のカチオン塩に置換してもよい。置換は、公知の方法で行うことができる。 In the oxidized cellulose obtained by the above steps, the carboxyl group introduced into the cellulose raw material is usually an alkyl metal salt such as a sodium salt. Before the following desalting treatment or fibrillation treatment, the alkali metal salt of oxidized cellulose may be replaced with other cation salt such as phosphonium salt, imidazolinium salt, ammonium salt and sulfonium salt. Substitutions can be carried out by known methods.

酸化方法の他の例として、オゾンを含む気体とセルロース原料を接触させることにより酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、グルコピラノース環の少なくとも2位及び6位の水酸基を有する炭素原子が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。 Another example of the oxidation method is a method of contacting a cellulose raw material with an ozone-containing gas. This oxidation reaction oxidizes at least carbon atoms having hydroxyl groups at the 2- and 6-positions of the glucopyranose ring and causes degradation of the cellulose chain.

オゾンを含む気体中のオゾン濃度は、50~250g/mであることが好ましく、50~220g/mであることがより好ましい。セルロース原料に対するオゾン添加量は、セルロース原料の固形分を100質量部とした際に、0.1~30質量部であることが好ましく、5~30質量部であることがより好ましい。オゾン処理温度は、0~50℃であることが好ましく、20~50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、特に限定されないが、通常、1~360分程度であり、30~360分程度が好ましい。オゾン処理の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度に酸化及び分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。 The ozone concentration in the ozone-containing gas is preferably 50-250 g/m 3 , more preferably 50-220 g/m 3 . The amount of ozone added to the cellulose raw material is preferably 0.1 to 30 parts by mass, more preferably 5 to 30 parts by mass, when the solid content of the cellulose raw material is 100 parts by mass. The ozone treatment temperature is preferably 0 to 50°C, more preferably 20 to 50°C. The ozone treatment time is not particularly limited, but is usually about 1 to 360 minutes, preferably about 30 to 360 minutes. When the ozone treatment conditions are within these ranges, cellulose can be prevented from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of oxidized cellulose is improved.

オゾン処理を施した後に、酸化剤を用いて、追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物や、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸等が挙げられる。例えば、これらの酸化剤を水又はアルコール等の極性有機溶媒中に溶解して酸化剤溶液を作製し、溶液中にセルロース原料を浸漬させることにより追酸化処理を行うことができる。 After the ozone treatment, additional oxidation treatment may be performed using an oxidizing agent. The oxidizing agent used in the post-oxidation treatment is not particularly limited, but examples thereof include chlorine-based compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, and peracetic acid. For example, the additional oxidation treatment can be performed by dissolving these oxidizing agents in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and immersing the cellulose raw material in the solution.

[2-2.解繊処理]
解繊処理は、酸化セルロースを解繊する処理である。酸化セルロースは、酸化処理によりカルボキシル基が導入されているので、解繊処理により簡単にナノファイバー化することができる。
[2-2. defibration treatment]
The defibration treatment is a treatment for fibrillating oxidized cellulose. Oxidized cellulose has carboxyl groups introduced by oxidation treatment, so that it can be easily made into nanofibers by fibrillation treatment.

解繊処理としては、例えば、酸化セルロースを十分に水洗した後、高速せん断ミキサーや高圧ホモジナイザー等の公知の装置を用いて物理的処理として行うことができる。解繊装置の種類としては、例えば、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式が挙げられる。これらの装置は単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。 As the defibration treatment, for example, after sufficiently washing the oxidized cellulose with water, it can be carried out as a physical treatment using a known apparatus such as a high-speed shearing mixer or a high-pressure homogenizer. Examples of the types of defibration equipment include high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, and ultrasonic type. These devices may be used alone, or two or more of them may be used in combination.

高速せん断ミキサーを用いる場合、せん断速度は1000sec-1以上が好ましい。せん断速度が1000sec-1以上であると、凝集構造が少なく、均一にナノファイバー化することができる。
高圧ホモジナイザーを用いる場合、印加する圧力は、50MPa以上が好ましく、100MPa以上がより好ましく、140MPa以上がさらに好ましい。当該圧力の湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーで処理すると、ナノファイバー化が効率よく進行し、カルボキシル化セルロースナノファイバーを効率よく得ることができる。
When using a high-speed shear mixer, the shear rate is preferably 1000 sec -1 or higher. When the shear rate is 1000 sec −1 or more, the aggregate structure is small and nanofibers can be formed uniformly.
When using a high-pressure homogenizer, the applied pressure is preferably 50 MPa or higher, more preferably 100 MPa or higher, and even more preferably 140 MPa or higher. When treated with a wet high-pressure or ultra-high-pressure homogenizer at this pressure, nanofiber formation proceeds efficiently, and carboxylated cellulose nanofibers can be obtained efficiently.

酸化セルロースは、水等の水分散液として解繊処理に供する。水分散液中の酸化セルロースの濃度が高いと、解繊処理の途中で粘度が過度に増大して均一に解繊できない場合や、装置が停止するという場合がある。従って、酸化セルロースの濃度は、酸化セルロースの処理条件に応じて適宣設定する必要がある。一例として、酸化セルロースの濃度は、0.3~50%(w/v)が好ましく、0.5~10%(w/v)がより好ましく、1.0~5%(w/v)がさらに好ましい。 Oxidized cellulose is subjected to fibrillation treatment as an aqueous dispersion such as water. If the concentration of oxidized cellulose in the aqueous dispersion is high, the viscosity may excessively increase during the defibration process, which may result in failure to defibrate uniformly, or the apparatus may stop. Therefore, the concentration of oxidized cellulose must be appropriately set according to the treatment conditions for oxidized cellulose. As an example, the concentration of oxidized cellulose is preferably 0.3 to 50% (w/v), more preferably 0.5 to 10% (w/v), and 1.0 to 5% (w/v). More preferred.

[2-3.脱塩処理]
脱塩処理は、解繊処理した酸化セルロースを陽イオン交換樹脂により脱塩する処理である。当該処理により解繊処理した酸化セルロースのカチオン塩がプロトンに置換されて酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーを得ることができる。陽イオン交換樹脂を用いるので、不要な塩化ナトリウム等の副生成物が生成せず、陽イオン交換樹脂を用いて脱塩処理した後は、陽イオン交換樹脂を金属メッシュ等により濾過して除去するだけで、濾液としてプロトン置換された酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの水分散体が得られる。
[2-3. Desalting treatment]
The desalting treatment is a treatment for desalting the defibrated oxidized cellulose with a cation exchange resin. By this treatment, the cationic salt of the defibrated oxidized cellulose is substituted with protons, so that acid-type carboxylated cellulose nanofibers can be obtained. Since a cation exchange resin is used, unnecessary by-products such as sodium chloride are not generated, and after desalting using a cation exchange resin, the cation exchange resin is filtered through a metal mesh or the like to remove it. An aqueous dispersion of proton-substituted acid-type carboxylated cellulose nanofibers is obtained as a filtrate.

金属メッシュ等により濾物として除去する対象は陽イオン交換樹脂であり、カルボキシル化セルロースナノファイバーは、金属メッシュ等の径では除去され難く、ほぼ全量が濾液中に含まれる。そのため、収率の低下が極めて少なくなる。
濾液には繊維長の短い、カルボキシル化セルロースナノファイバーが多量に含まれている。また、濾液を洗浄や脱水せずともよいので、酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーが凝集され難い。従って、アルカリ加水分解処理を得ていない場合、カルボキシル化セルロースナノファイバーの分散液は、低ずり領域で高粘度になると推察される。
The cation exchange resin is the object to be removed as a filtrate with a metal mesh or the like, and the carboxylated cellulose nanofibers are difficult to remove due to the diameter of the metal mesh or the like, and almost all of the carboxylated cellulose nanofibers are contained in the filtrate. Therefore, the decrease in yield is extremely small.
The filtrate contains a large amount of carboxylated cellulose nanofibers with short fiber length. In addition, since the filtrate does not need to be washed or dehydrated, the acid-type carboxylated cellulose nanofibers are less likely to aggregate. Therefore, it is presumed that the dispersion of carboxylated cellulose nanofibers will have a high viscosity in the low shear region if it is not subjected to alkaline hydrolysis treatment.

カルボキシル化セルロースナノファイバー塩は、解繊工程で得られた水分散液を脱塩工程にそのまま供することができる。なお、必要に応じて水を添加して濃度を低くすることもできる。 For the carboxylated cellulose nanofiber salt, the aqueous dispersion obtained in the fibrillation step can be directly subjected to the desalting step. In addition, water can be added as needed to lower the concentration.

陽イオン交換樹脂としては、対イオンがHである限り、強酸性イオン交換樹脂及び弱酸性イオン交換樹脂のいずれも用いることができる。中でも、強酸性イオン交換樹脂を用いることが好ましい。強酸性イオン交換樹脂及び弱酸性イオン交換樹脂としては、例えば、スチレン系樹脂或いはアクリル系樹脂にスルホン酸基或いはカルボキシル基を導入したものが挙げられる。
陽イオン交換樹脂の形状は、特に限定されず、細粒(粒状)、膜状、繊維等、種々の形状のものを用いることができる。中でも、カルボキシル化セルロースナノファイバー塩を効率よく脱塩処理し、脱塩処理後の分離が容易であるとの観点から、粒状が好ましい。このような陽イオン交換樹脂としては市販品を用いることができる。市販品としては、例えば、アンバージェット1020、同1024、同1060、同1220(以上、オルガノ社製)、アンバーライトIR-200C、同IR-120B(以上、東京有機化学社製)、レバチットSP 112、同S100(以上、バイエル社製)、GEL CK08P(三菱化学社製)、Dowex 50W-X8(ダウ・ケミカル社製)等が挙げられる。
As the cation exchange resin, both strongly acidic ion exchange resins and weakly acidic ion exchange resins can be used as long as the counterion is H 2 + . Among them, it is preferable to use a strongly acidic ion exchange resin. Examples of strongly acidic ion exchange resins and weakly acidic ion exchange resins include those obtained by introducing sulfonic acid groups or carboxyl groups into styrene resins or acrylic resins.
The shape of the cation exchange resin is not particularly limited, and various shapes such as fine granules (granules), membranes, and fibers can be used. Among them, the granular form is preferable from the viewpoint of efficiently desalting the carboxylated cellulose nanofiber salt and facilitating separation after the desalting treatment. A commercial product can be used as such a cation exchange resin. Commercially available products include, for example, Amberjet 1020, Amberjet 1024, Amberjet 1060, Amberjet 1220 (manufactured by Organo Corporation), Amberlite IR-200C, Amberlite IR-120B (manufactured by Tokyo Organic Chemical Co., Ltd.), Lewatit SP 112. , S100 (manufactured by Bayer), GEL CK08P (manufactured by Mitsubishi Chemical), Dowex 50W-X8 (manufactured by Dow Chemical) and the like.

脱塩処理は、例えば、粒状の陽イオン交換樹脂と、カルボキシル化セルロースナノファイバー塩の水分散液と、を混合し、必要に応じ攪拌・振とうしながら、カルボキシル化セルロースナノファイバー塩と陽イオン交換樹脂とを一定時間接触させた後、陽イオン交換樹脂と水分散液とを分離することによって行うことができる。 For the desalting treatment, for example, a granular cation exchange resin and an aqueous dispersion of a carboxylated cellulose nanofiber salt are mixed, and the carboxylated cellulose nanofiber salt and the cation are separated while stirring and shaking as necessary. It can be carried out by separating the cation exchange resin from the aqueous dispersion after contacting the exchange resin for a certain period of time.

水分散液の濃度や陽イオン交換樹脂との比率は、特に限定されず、当業者であれば、プロトン置換を効率的に行うとの観点から適宜設定し得る。一例として、水分散液の濃度は、0.05~10質量%が好ましい。水分散液の濃度が0.05質量%未満であると、プロトン置換に要する時間がかかりすぎる場合がある。水分散液の濃度が10質量%超であると、十分なプロトン置換の効果が得られない場合がある。
接触時間も特に限定されず、当業者であれば、プロトン置換を効率的に行うとの観点から適宜設定し得る。例えば、0.2~4時間接触させて行うことができる。
The concentration of the aqueous dispersion and the ratio to the cation exchange resin are not particularly limited, and those skilled in the art can appropriately set them from the viewpoint of efficient proton substitution. As an example, the concentration of the aqueous dispersion is preferably 0.05 to 10% by mass. If the concentration of the aqueous dispersion is less than 0.05% by mass, the time required for proton substitution may be too long. If the concentration of the aqueous dispersion exceeds 10% by mass, a sufficient effect of proton substitution may not be obtained.
The contact time is also not particularly limited, and can be appropriately set by those skilled in the art from the viewpoint of efficient proton substitution. For example, it can be carried out by contacting for 0.2 to 4 hours.

この際、適切な量の陽イオン交換樹脂を用いてカルボキシル化セルロースナノファイバー塩又は酸化セルロースを十分な時間接触させた後、陽イオン交換樹脂を金属メッシュ等により濾物として除去することで、脱塩処理を行うことができる。 At this time, after contacting the carboxylated cellulose nanofiber salt or oxidized cellulose with an appropriate amount of cation exchange resin for a sufficient time, the cation exchange resin is removed as a filter with a metal mesh or the like, thereby removing the A salt treatment can be performed.

[3.用途]
本発明のナノファイバーは、スプレー用組成物、ゴム補強材、樹脂補強材料、化粧品、医療品、食品、飲料、塗料等に利用することができる。中でも、低ずり領域で高粘度であるという特性を活かすスプレー用組成物に用いることが好ましい。
[3. Application]
The nanofibers of the present invention can be used in spray compositions, rubber reinforcing materials, resin reinforcing materials, cosmetics, medical products, foods, beverages, paints, and the like. Among others, it is preferably used in a spray composition that takes advantage of the characteristics of high viscosity in a low shear region.

(スプレー用組成物)
スプレー用組成物は、上記のナノファイバーと、水と、を含有するものである。また、スプレーの用途に応じて、スプレー用組成物は、機能性添加剤を含有してもよい。
ナノファイバーが低ずり領域において高粘度であるため、スプレー用組成物は、別途増粘剤を配合しない或いは少量の配合で液だれを防止することができる。
(Spray composition)
The spray composition contains the above nanofibers and water. Depending on the application of the spray, the spray composition may also contain functional additives.
Since the nanofibers have a high viscosity in the low shear region, the spray composition can prevent dripping with no or a small amount of a thickening agent.

機能性添加剤としては、例えば、界面活性剤、オイル類、保湿剤、有機微粒子、無機微粒子、防腐剤、消臭剤、香料、有機溶媒等があげられる。これらは、スプレー用組成物の用途に応じて選択されうる。
なお、機能性添加剤は1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
Examples of functional additives include surfactants, oils, moisturizers, organic fine particles, inorganic fine particles, preservatives, deodorants, fragrances, organic solvents and the like. These can be selected according to the application of the composition for spraying.
In addition, a functional additive may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

非イオン性の界面活性剤としては、例えば、プロピレングリコール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステルソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビット脂肪酸エステル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンひまし油、ポリオキシエチレン硬化ひまし油、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンフィトステロール、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラノリン、ポリオキシエチレンラノリンアルコール、ポリオキシエチレンミツロウ誘導体、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、ポリオキシエチレンアルキルフェニルホルムアルデヒド縮合体等があげられる。 Nonionic surfactants include, for example, propylene glycol fatty acid ester, glycerin fatty acid ester, polyoxyethylene glycerin fatty acid ester, polyglycerin fatty acid ester sorbitan fatty acid ester, polyoxyethylene sorbitan fatty acid ester, polyoxyethylene sorbit fatty acid ester, Polyethylene glycol fatty acid ester, polyoxyethylene castor oil, polyoxyethylene hydrogenated castor oil, polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyethylene phytosterol, polyoxyethylene polyoxypropylene alkyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether, polyoxyethylene lanolin, polyoxy Examples include ethylene lanolin alcohol, polyoxyethylene beeswax derivatives, polyoxyethylene alkylamines, polyoxyethylene fatty acid amides, polyoxyethylene alkylphenyl formaldehyde condensates and the like.

オイル類としては、例えば、ホホバ油、マカデミアナッツ油、アボガド油、月見草油、ミンク油、ナタネ油、ひまし油、ヒマワリ油、トウモロコシ油、カカオ油、ヤシ油、コメヌカ油、オリーブ油、アーモンド油、ごま油、サフラワー油、大豆油、椿油、パーシック油、綿実油、モクロウ、パーム油、パーム核油、卵黄油、ラノリン、スクワレン等の天然動植物油脂類;合成トリグリセライド、スクワラン、流動パラフィン、ワセリン、セレシン、マイクロクリスタリンワックス、イソパラフィン等の炭化水素類;カルナバウロウ、パラフィンワックス、鯨ロウ、ミツロウ、キャンデリラワックス、ラノリン等のワックス類;高級アルコール類(セタノール、ステアリルアルコール、ラウリルアルコール、セトステアリルアルコール、オレイルアルコール、ベヘニルアルコール、ラノリンアルコール、水添ラノリンアルコール、ヘキシルデカノール、オクチルドデカノール等);ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸、イソステアリン酸、オレイン酸、リノレン酸、リノール酸、オキシステアリン酸、ウンデシレン酸、ラノリン脂肪酸、硬質ラノリン脂肪酸、軟質ラノリン脂肪酸等の高級脂肪酸類;コレステリル-オクチルドデシル-ベヘニル等のコレステロールおよびその誘導体;イソプロピルミリスチン酸、イソプロピルパルミチン酸、イソプロピルステアリン酸、2エチルヘキサン酸グリセロール、ブチルステアリン酸等のエステル類;ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンペンタエリトリトールエーテル、ポリオキシプロピレンブチルエーテル、リノール酸エチル等の極性オイル;アミノ変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン、カルボキシル変性シリコーン、カルビノール変性シリコーン、メタクリル変性シリコーン、メルカプト変性シリコーン、フェノール変性シリコーン、片末端反応性シリコーン、異種官能基変性シリコーン、ポリエーテル変性シリコーン、メチルスチリル変性シリコーン、アルキル変性シリコーン、高級脂肪酸エステル変性シリコーン、親水性特殊変性シリコーン、高級アルコキシ変性シリコーン、高級脂肪酸含有シリコーン、フッ素変性シリコーン等のシリコーン類等があげられる。
なお、シリコーン類の詳細は、ジメチルポリシロキサン、メチルフェニルポリシロキサン、メチルポリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン、ドデカメチルシクロヘキサンシロキサン、メチルシクロポリシロキサン、オクタメチルトリシロキサン、デカメチルテトラシロキサン、ポリオキシエチレン・メチルポリシロキサン共重合体、ポリオキシプロピレン・メチルポリシロキサン共重合体、ポリ(オキシエチレン・オキシプロピレン)メチルポリシロキサン共重合体、メチルハイドロジェンポリシロキサン、テトラヒドロテトラメチルシクロテトラシロキサン、ステアロキシメチルポリシロキサン、セトキシメチルポリシロキサン、メチルポリシロキサンエマルション、高重合メチルポリシロキサン、トリメチルシロキシケイ酸、架橋型メチルポリシロキサン、架橋型メチルフェニルポリシロキサン等である。
Examples of oils include jojoba oil, macadamia nut oil, avocado oil, evening primrose oil, mink oil, rapeseed oil, castor oil, sunflower oil, corn oil, cacao oil, coconut oil, rice bran oil, olive oil, almond oil, sesame oil, and coconut oil. Flower oil, soybean oil, camellia oil, persic oil, cottonseed oil, Japanese wax, palm oil, palm kernel oil, egg yolk oil, lanolin, natural animal and plant oils such as squalene; synthetic triglycerides, squalane, liquid paraffin, petroleum jelly, ceresin, microcrystalline wax , isoparaffin and other hydrocarbons; carnauba wax, paraffin wax, whale wax, beeswax, candelilla wax, lanolin and other waxes; higher alcohols (cetanol, stearyl alcohol, lauryl alcohol, cetostearyl alcohol, oleyl alcohol, behenyl alcohol, lanolin alcohol, hydrogenated lanolin alcohol, hexyldecanol, octyldodecanol, etc.); lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, behenic acid, isostearic acid, oleic acid, linolenic acid, linoleic acid, oxystearic acid, undecylenic acid, lanolin Higher fatty acids such as fatty acids, hard lanolin fatty acids, and soft lanolin fatty acids; cholesterol and derivatives thereof such as cholesteryl-octyldodecyl-behenyl; isopropyl myristate, isopropyl palmitate, isopropyl stearate, glycerol 2-ethylhexanoate, butyl stearate, etc. polar oils such as diethylene glycol monopropyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene pentaerythritol ether, polyoxypropylene butyl ether, and ethyl linoleate; amino-modified silicone, epoxy-modified silicone, carboxyl-modified silicone, carbinol-modified silicone, methacryl Modified silicone, mercapto-modified silicone, phenol-modified silicone, one-end reactive silicone, different functional group-modified silicone, polyether-modified silicone, methylstyryl-modified silicone, alkyl-modified silicone, higher fatty acid ester-modified silicone, hydrophilic special modified silicone, high grade Silicones such as alkoxy-modified silicones, higher fatty acid-containing silicones, and fluorine-modified silicones can be used.
The details of silicones are dimethylpolysiloxane, methylphenylpolysiloxane, methylpolysiloxane, octamethylcyclotetrasiloxane, decamethylcyclopentasiloxane, dodecamethylcyclohexanesiloxane, methylcyclopolysiloxane, octamethyltrisiloxane, decamethyl Tetrasiloxane, polyoxyethylene/methylpolysiloxane copolymer, polyoxypropylene/methylpolysiloxane copolymer, poly(oxyethylene/oxypropylene)methylpolysiloxane copolymer, methylhydrogenpolysiloxane, tetrahydrotetramethylcyclo Tetrasiloxane, stearoxymethylpolysiloxane, cethoxymethylpolysiloxane, methylpolysiloxane emulsion, highly polymerized methylpolysiloxane, trimethylsiloxysilicate, crosslinked methylpolysiloxane, crosslinked methylphenylpolysiloxane, and the like.

保湿剤としては、トリオクタン酸グリセリル、マルチトール、ソルビトール、グリセリン、プロピレングリコール、1,3-ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリコール等の多価アルコール;ピロリドンカルボン酸ソーダ、乳酸ソーダ、クエン酸ソーダなど有機酸およびその塩;ヒアルロン酸ソーダなどヒアルロン酸およびその塩;酵母および酵母抽出液の加水分解物;酵母培養液、乳酸菌培養液など醗酵代謝産物;コラーゲン、エラスチン、ケラチン、セリシン等の水溶性蛋白;コラーゲン加水分解物、カゼイン加水分解物、シルク加水分解物、ポリアスパラギン酸ナトリウム等のぺプチド類およびその塩;トレハロース、キシロビオース、マルトース、蔗糖、ブドウ糖、植物性粘質多糖等の糖類・多糖類およびその誘導体;水溶性キチン、キトサン、ペクチン、コンドロイチン硫酸およびその塩等のグリコサミノグリカンおよびその塩;グリシン、セリン、スレオニン、アラニン、アスパラギン酸、チロシン、バリン、ロイシン、アルギニン、グルタミン、プロリン酸等のアミノ酸;アミノカルボニル反応物等の糖アミノ酸化合物;アロエ、マロニエ等の植物抽出液、トリメチルグリシン、尿素、尿酸、アンモニア、レシチン、ラノリン、スクワラン、スクワレン、グルコサミン、クレアチニン、DNA、RNA等の核酸関連物質等があげられる。 Moisturizing agents include polyhydric alcohols such as glyceryl trioctanoate, maltitol, sorbitol, glycerin, propylene glycol, 1,3-butylene glycol, polyethylene glycol and glycol; organic acids such as sodium pyrrolidonecarboxylate, sodium lactate and sodium citrate. and salts thereof; hyaluronic acid such as sodium hyaluronate and salts thereof; hydrolysates of yeast and yeast extracts; fermentation metabolites such as yeast cultures and lactic acid bacteria cultures; water-soluble proteins such as collagen, elastin, keratin and sericin; Hydrolysates, casein hydrolysates, silk hydrolysates, peptides such as sodium polyaspartate and salts thereof; derivatives; glycosaminoglycans such as water-soluble chitin, chitosan, pectin, chondroitin sulfate and salts thereof, and salts thereof; Amino acids; Sugar amino acid compounds such as aminocarbonyl reactants; Plant extracts such as aloe and horse chestnut, trimethylglycine, urea, uric acid, ammonia, lecithin, lanolin, squalane, squalene, glucosamine, creatinine, nucleic acid-related substances such as DNA and RNA etc.

有機微粒子としては、例えば、スチレン-ブタジエン共重合系ラテックス、アクリル系エマルジョン等の乳化重合によって得られるラテックス・エマルジョンやポリウレタン水分散体があげられる。
また、無機微粒子としては、例えば、ゼオライト、モンモリロナイト、アスベスト、スメクタイト、マイカ、ヒュームドシリカ、コロイダルシリカ、酸化チタン等の無機微粒子があげられる。
Examples of organic fine particles include latex emulsions obtained by emulsion polymerization such as styrene-butadiene copolymer latexes and acrylic emulsions, and aqueous polyurethane dispersions.
Examples of inorganic fine particles include inorganic fine particles such as zeolite, montmorillonite, asbestos, smectite, mica, fumed silica, colloidal silica, and titanium oxide.

防腐剤としては、例えば、メチルパラベン、エチルパラベン等があげられる。 Examples of antiseptics include methylparaben and ethylparaben.

消臭剤・香料としては、D-リモネン、デシルアルデヒド、メントン、プレゴン、オイゲノール、シンナムアルデヒド、ベンズアルデヒド、メントール、ペパーミント油、レモン油、オレンジ油、植物の各器官より抽出した消臭有効成分(例えば、水や親水性有機溶剤により、カタバミ、ドクダミ、ツガ、イチョウ、クロマツ、カラマツ、アカマツ、キリ、ヒイラギモクセイ、ライラック、キンモクセイ、フキ、ツワブキ、レンギョウの各器官から抽出し得られた消臭有効成分)等があげられる。 Deodorants and fragrances include D-limonene, decylaldehyde, menthone, pulegone, eugenol, cinnamaldehyde, benzaldehyde, menthol, peppermint oil, lemon oil, orange oil, and active deodorizing ingredients extracted from plant organs (e.g. , Deodorant active ingredients extracted from each organ of oxalis, Houttuynia cordata, hemlock, ginkgo, black pine, larch, red pine, paulownia, holly osmanthus, lilac, osmanthus, butterbur, Japanese silverberry, and forsythia with water or hydrophilic organic solvent. ), etc.

有機溶媒としては、水に可溶するアルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec-ブタノール、tert-ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール、グリセリン等)、エーテル類(エチレングリコールジメチルエーテル、1,4-ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン)やN,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキサイド等があげられる。 Examples of organic solvents include water-soluble alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, glycerin, etc.), ethers (ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, etc.), ketones (acetone, methyl ethyl ketone), N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and the like.

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を好適に説明するためのものであって、本発明を限定するものではない。なお、物性値等の測定方法は、別途記載がない限り、上記に記載した測定方法である。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples. The following examples are intended to better illustrate the present invention and are not intended to limit the present invention. Unless otherwise specified, the method for measuring physical properties is the method described above.

[粘度(Pa・s)]:カルボキシル化セルロースナノファイバーに水を添加して、1.95~1.05質量%の水分散体を調製し、当該水分散体を、粘弾性レオメーターを用いて、所定のずり速度で測定した。 [Viscosity (Pa s)]: Water is added to carboxylated cellulose nanofibers to prepare an aqueous dispersion of 1.95 to 1.05% by mass, and the aqueous dispersion is measured using a viscoelastic rheometer. and measured at a given shear rate.

[カルボキシル基量]:カルボキシル基量は以下のようにして測定した。カルボキシル化セルロースの0.5質量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定した。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(a)から、下式を用いてカルボキシル基量を算出した:
カルボキシル基量〔mmol/gカルボキシル化セルロース〕=a〔ml〕×0.05/カルボキシル化セルロース質量〔g〕
[Carboxyl group content]: The carboxyl group content was measured as follows. 60 ml of a 0.5% by mass slurry (aqueous dispersion) of carboxylated cellulose was prepared, and 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution was added to adjust the pH to 2.5. The electrical conductivity was measured until From the amount (a) of sodium hydroxide consumed in the neutralization step of the weak acid, whose electrical conductivity changes slowly, the amount of carboxyl groups was calculated using the following formula:
Carboxyl group amount [mmol/g carboxylated cellulose] = a [ml] x 0.05/carboxylated cellulose mass [g]

[平均繊維長(nm)]:カルボキシル化セルロースナノファイバーをマイカ切片上に固定し、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて200本の繊維の繊維長を測定し、長さ(加重)平均繊維長を算出した。なお、繊維長の測定は、画像解析ソフトWinROOF(三谷商事社製)を用いて行った。 [Average fiber length (nm)]: Carboxylated cellulose nanofibers were fixed on a mica section, the fiber length of 200 fibers was measured using an atomic force microscope (AFM), and the length (weighted) average fiber length was calculated. The fiber length was measured using image analysis software WinROOF (manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.).

[平均繊維径(nm)]:カルボキシル化セルロースナノファイバーの濃度が0.001質量%となるように希釈したカルボキシル化セルロースナノファイバー水分散液を調製した。この希釈分散液をマイカ製試料台に薄く延ばし、50℃で加熱乾燥させて観察用試料を作製した。原子間力顕微鏡(AFM)にて観察した形状像の断面高さを計測し、加重平均繊維径を算出した。 [Average fiber diameter (nm)]: A diluted carboxylated cellulose nanofiber aqueous dispersion was prepared so that the concentration of the carboxylated cellulose nanofibers was 0.001% by mass. This diluted dispersion was spread thinly on a mica sample stage and dried by heating at 50° C. to prepare an observation sample. The cross-sectional height of the shape image observed with an atomic force microscope (AFM) was measured to calculate the weighted average fiber diameter.

(参考例1)
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙社製)5g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム754mg(7.4mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液14ml添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHは低下するので、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に維持した。2時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル基量1.60mmol/gの酸化セルロースを得た。
(Reference example 1)
5 g (absolute dry) of bleached softwood unbeaten pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) and 754 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved, Stir until the pulp is evenly dispersed. After adding 14 ml of a 2M sodium hypochlorite aqueous solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with a 0.5N hydrochloric acid aqueous solution to initiate an oxidation reaction. Since the pH in the system decreased during the reaction, a 0.5N sodium hydroxide aqueous solution was successively added to maintain the pH at 10. After reacting for 2 hours, the mixture was filtered through a glass filter and thoroughly washed with water to obtain oxidized cellulose having a carboxyl group content of 1.60 mmol/g.

次いで、得られた酸化セルロースのスラリーを水で1%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)で3回処理し、透明なゲル状のカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液(1%(w/v))を得た。 Next, the resulting slurry of oxidized cellulose was adjusted to 1% (w/v) with water and treated with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 140 MPa) three times to produce a transparent gel-like carboxylated cellulose nanofiber salt. A dispersion (1% (w/v)) was obtained.

得られたカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液に陽イオン交換樹脂(オルガノ社製、「アンバージェット1024」)を添加し、20℃で0.3時間撹拌して接触させた。その後、金属メッシュ(目開き100メッシュ)で陽イオン交換樹脂と水分散液を分離して、酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバー(ナノファイバー)を得た。 A cation exchange resin (“Amberjet 1024” manufactured by Organo Co., Ltd.) was added to the resulting carboxylated cellulose nanofiber salt dispersion, and the mixture was brought into contact with the mixture while stirring at 20° C. for 0.3 hours. Thereafter, the cation exchange resin and the aqueous dispersion were separated with a metal mesh (100 mesh opening) to obtain acid-type carboxylated cellulose nanofibers (nanofibers).

得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの1.00質量%の水分散液の粘度は、ずり速度(0.00417s-1、30℃)の条件では925Pa・sであり、(0.00671s-1、30℃)の条件では920Pa・sであった。結果を表1に記す。
また、得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維長は549nmであり、平均繊維径は2.83nmであった。
The resulting 1.00% by mass aqueous dispersion of acid-type carboxylated cellulose nanofibers had a viscosity of 925 Pa s under conditions of shear rate (0.00417 s −1 , 30° C.), and (0.00671 s −1 , 30° C.) was 920 Pa·s. Table 1 shows the results.
The average fiber length of the obtained acid-type carboxylated cellulose nanofibers was 549 nm, and the average fiber diameter was 2.83 nm.

(比較例1)
脱塩工程を次の通り変更したこと以外は参考例1と同様にして、カルボキシル化セルロースナノファイバーを得た。
カルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液に10%の塩酸水溶液をpH2.4になるまで添加し、20℃で0.4時間撹拌して接触させた。その後、洗浄と脱水処理を3度繰り返した後、濾過した。濾物に水を添加して1.0%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)で2回処理し、透明なゲル状のH型カルボキシル化セルロースナノファイバーの分散液(1%(w/v))を得た。
(Comparative example 1)
Carboxylated cellulose nanofibers were obtained in the same manner as in Reference Example 1, except that the desalting step was changed as follows.
A 10% hydrochloric acid aqueous solution was added to the carboxylated cellulose nanofiber salt dispersion until the pH reached 2.4, and the mixture was stirred at 20° C. for 0.4 hours to bring into contact. After that, washing and dehydration treatment were repeated three times, followed by filtration. Water was added to the filtrate to adjust the concentration to 1.0% (w/v), and treated twice with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 140 MPa) to disperse transparent gel-like H-type carboxylated cellulose nanofibers. A liquid (1% (w/v)) was obtained.

得られたカルボキシル化セルロースナノファイバーの1.00質量%の水分散液の粘度は、ずり速度(0.00417s-1、30℃)の条件では336Pa・sであり、(0.00671s-1、30℃)の条件では350Pa・sであった。結果を表1に記す。
また、得られたH型カルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維長は503nmであり、平均繊維径は2.55nmであった。
The resulting 1.00% by mass aqueous dispersion of carboxylated cellulose nanofibers had a viscosity of 336 Pa s under conditions of shear rate (0.00417 s −1 , 30° C.), and (0.00671 s −1 , 30° C.) was 350 Pa·s. Table 1 shows the results.
Moreover, the obtained H-type carboxylated cellulose nanofibers had an average fiber length of 503 nm and an average fiber diameter of 2.55 nm.

(実施例1)
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙社製)5g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム754mg(7.4mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液11ml添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHは低下するので、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に維持した。1.5時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル基量1.23mmol/gの酸化セルロースを得た。
(Example 1)
5 g (absolute dry) of bleached softwood unbeaten pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) and 754 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved, Stir until the pulp is evenly dispersed. After adding 11 ml of a 2M sodium hypochlorite aqueous solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with a 0.5N hydrochloric acid aqueous solution to initiate an oxidation reaction. Since the pH in the system decreased during the reaction, a 0.5N sodium hydroxide aqueous solution was successively added to maintain the pH at 10. After reacting for 1.5 hours, the mixture was filtered through a glass filter and thoroughly washed with water to obtain oxidized cellulose having a carboxyl group content of 1.23 mmol/g.

次いで、得られた酸化セルロースのスラリーを水で1%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)で2回処理し、透明なゲル状のカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液(1%(w/v))を得た。 Next, the resulting slurry of oxidized cellulose was adjusted to 1% (w/v) with water and treated twice with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 140 MPa) to produce a transparent gel-like carboxylated cellulose nanofiber salt. A dispersion (1% (w/v)) was obtained.

得られたカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液に陽イオン交換樹脂(オルガノ社製、「アンバージェット1024」)を添加し、20℃で0.3時間撹拌して接触させた。その後、金属メッシュ(目開き100メッシュ)で陽イオン交換樹脂と水分散液を分離して、酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバー(ナノファイバー)を得た。 A cation exchange resin (“Amberjet 1024” manufactured by Organo Co., Ltd.) was added to the resulting carboxylated cellulose nanofiber salt dispersion, and the mixture was brought into contact with the mixture while stirring at 20° C. for 0.3 hours. Thereafter, the cation exchange resin and the aqueous dispersion were separated with a metal mesh (100 mesh opening) to obtain acid-type carboxylated cellulose nanofibers (nanofibers).

得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの1.00質量%の水分散液の粘度は、ずり速度(0.00417s-1、30℃)の条件では18300Pa・sであり、(0.00671s-1、30℃)の条件では17800Pa・sであった。結果を表1に記す。
また、得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維長は624nmであり、平均繊維径は3.11nmであった。
The resulting 1.00% by mass aqueous dispersion of acid-type carboxylated cellulose nanofibers had a viscosity of 18300 Pa s under conditions of shear rate (0.00417 s −1 , 30° C.), and (0.00671 s −1 , 30° C.) was 17800 Pa·s. Table 1 shows the results.
The average fiber length of the obtained acid-type carboxylated cellulose nanofibers was 624 nm, and the average fiber diameter was 3.11 nm.

(実施例2)
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙社製)5g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム754mg(7.4mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液12ml添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHは低下するので、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に維持した。2時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル基量1.50mmol/gの酸化セルロースを得た。
(Example 2)
5 g (absolute dry) of bleached softwood unbeaten pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) and 754 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved, Stir until the pulp is evenly dispersed. After adding 12 ml of a 2M sodium hypochlorite aqueous solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with a 0.5N hydrochloric acid aqueous solution to initiate an oxidation reaction. Since the pH in the system decreased during the reaction, a 0.5N sodium hydroxide aqueous solution was successively added to maintain the pH at 10. After reacting for 2 hours, the mixture was filtered through a glass filter and thoroughly washed with water to obtain oxidized cellulose having a carboxyl group content of 1.50 mmol/g.

次いで、得られた酸化セルロースのスラリーを水で1%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)で3回処理し、透明なゲル状のカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液(1%(w/v))を得た。 Next, the resulting slurry of oxidized cellulose was adjusted to 1% (w/v) with water and treated with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 140 MPa) three times to produce a transparent gel-like carboxylated cellulose nanofiber salt. A dispersion (1% (w/v)) was obtained.

得られたカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液に陽イオン交換樹脂(オルガノ社製、「アンバージェット1024」)を添加し、20℃で0.3時間撹拌して接触させた。その後、金属メッシュ(目開き100メッシュ)で陽イオン交換樹脂と水分散液を分離して、酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバー(ナノファイバー)を得た。 A cation exchange resin (“Amberjet 1024” manufactured by Organo Co., Ltd.) was added to the resulting carboxylated cellulose nanofiber salt dispersion, and the mixture was brought into contact with the mixture while stirring at 20° C. for 0.3 hours. Thereafter, the cation exchange resin and the aqueous dispersion were separated with a metal mesh (100 mesh opening) to obtain acid-type carboxylated cellulose nanofibers (nanofibers).

得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの1.00質量%の水分散液の粘度は、ずり速度(0.00417s-1、30℃)の条件では995Pa・sであり、(0.00671s-1、30℃)の条件では970Pa・sであった。結果を表1に記す。
また、得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維長は570nmであり、平均繊維径は2.85nmであった。
The resulting 1.00% by mass aqueous dispersion of acid-type carboxylated cellulose nanofibers had a viscosity of 995 Pa s under conditions of shear rate (0.00417 s −1 , 30° C.), and (0.00671 s −1 , 30° C.) was 970 Pa·s. Table 1 shows the results.
The average fiber length of the obtained acid-type carboxylated cellulose nanofibers was 570 nm, and the average fiber diameter was 2.85 nm.

(実施例3)
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙社製)5g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム754mg(7.4mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液6ml添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHは低下するので、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に維持した。0.5時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル基量0.60mmol/gの酸化セルロースを得た。
(Example 3)
5 g (absolute dry) of bleached softwood unbeaten pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) and 754 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved, Stir until the pulp is evenly dispersed. After adding 6 ml of a 2M sodium hypochlorite aqueous solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with a 0.5N hydrochloric acid aqueous solution to initiate an oxidation reaction. Since the pH in the system decreased during the reaction, a 0.5N sodium hydroxide aqueous solution was successively added to maintain the pH at 10. After reacting for 0.5 hours, the mixture was filtered through a glass filter and thoroughly washed with water to obtain oxidized cellulose having a carboxyl group content of 0.60 mmol/g.

次いで、得られた酸化セルロースのスラリーを水で1%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、140MPa)で2回処理し、透明なゲル状のカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液(1%(w/v))を得た。 Next, the resulting slurry of oxidized cellulose was adjusted to 1% (w/v) with water and treated twice with an ultrahigh pressure homogenizer (20°C, 140 MPa) to produce a transparent gel-like carboxylated cellulose nanofiber salt. A dispersion (1% (w/v)) was obtained.

得られたカルボキシル化セルロースナノファイバー塩の分散液に陽イオン交換樹脂(オルガノ社製、「アンバージェット1024」)を添加し、20℃で0.3時間撹拌して接触させた。その後、金属メッシュ(目開き100メッシュ)で陽イオン交換樹脂と水分散液を分離して、酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバー(ナノファイバー)を得た。 A cation exchange resin (“Amberjet 1024” manufactured by Organo Co., Ltd.) was added to the resulting carboxylated cellulose nanofiber salt dispersion, and the mixture was brought into contact with the mixture while stirring at 20° C. for 0.3 hours. Thereafter, the cation exchange resin and the aqueous dispersion were separated with a metal mesh (100 mesh opening) to obtain acid-type carboxylated cellulose nanofibers (nanofibers).

得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの1.00質量%の水分散液の粘度は、ずり速度(0.00417s-1、30℃)の条件では24100Pa・sであり、(0.00671s-1、30℃)の条件では23300Pa・sであった。結果を表1に記す。
また、得られた酸型のカルボキシル化セルロースナノファイバーの平均繊維長は840nmであり、平均繊維径は3.22nmであった。
The resulting 1.00% by mass aqueous dispersion of acid-type carboxylated cellulose nanofibers had a viscosity of 24100 Pa s under conditions of shear rate (0.00417 s −1 , 30° C.), and (0.00671 s −1 , 30° C.) was 23300 Pa·s. Table 1 shows the results.
The average fiber length of the obtained acid-type carboxylated cellulose nanofibers was 840 nm, and the average fiber diameter was 3.22 nm.

Figure 0007162422000006
Figure 0007162422000006

表1からわかるように、陽イオン交換樹脂により脱塩処理をして調製したH型カルボキシル化セルロースナノファイバーにおいて、カルボキシル基量が1.50mmol/gの場合、0.00417又は0.00671s-1の低ずり領域で995又は970Pa・sであり(実施例2参照)、カルボキシル基量が1.23mmol/gの場合、18300又は17800Pa・sであり(実施例1参照)、カルボキシル基量が0.60mmol/gの場合、24100又は23300Pa・sと高粘度であった(実施例3参照)。また、カルボキシル基量が1.60mmol/gの場合、925又は920Pa・sであった(参考例1参照)。 As can be seen from Table 1, in the H-type carboxylated cellulose nanofibers prepared by desalting with a cation exchange resin, when the carboxyl group amount is 1.50 mmol / g, 0.00417 or 0.00671 s -1 is 995 or 970 Pa s in the low shear region (see Example 2), and when the carboxyl group amount is 1.23 mmol / g, it is 18300 or 17800 Pa s (see Example 1), and the carboxyl group amount is 0 In the case of 0.60 mmol/g, the viscosity was as high as 24100 or 23300 Pa·s (see Example 3). Moreover, when the amount of carboxyl groups was 1.60 mmol/g, it was 925 or 920 Pa·s (see Reference Example 1).

一方、塩酸により脱塩処理をして調製したH型カルボキシル化セルロースナノファイバーは、参考例1と同様にカルボキシル基量が1.60mmol/gの場合、0.00417又は0.00671s-1の低ずり領域で336又は350Pa・sと低粘度であった(比較例1参照)。このことから、脱塩処理の際のプロセスにより、得られるH型カルボキシル化セルロースナノファイバーの物性、とりわけ低ずり領域での粘度が異なることがわかった。従って、H型カルボキシル化セルロースナノファイバーは、用途に応じて脱塩処理のプロセスを変更することで、幅広い利用が期待できる。 On the other hand, the H-type carboxylated cellulose nanofibers prepared by desalting with hydrochloric acid have a low carboxyl group content of 0.00417 or 0.00671 s −1 when the amount of carboxyl groups is 1.60 mmol / g as in Reference Example 1. The viscosity was as low as 336 or 350 Pa·s in the shear region (see Comparative Example 1). From this, it was found that the physical properties of the resulting H-type carboxylated cellulose nanofibers, especially the viscosity in the low shear region, differed depending on the desalting process. Therefore, H-type carboxylated cellulose nanofibers can be expected to be widely used by changing the desalting process according to the application.

Claims (3)

セルロース分子鎖を構成する少なくとも一部の構成単位にカルボキシル基を有するカルボキシル化セルロースナノファイバーであって、
含有率が1.00質量%の水分散体における粘度が、30℃、0.00417s-1及び0.00671s-1のずり速度において925Pa・sを超えて50,000Pa・s以下であり、
平均繊維長が550nm~2000nmであり、
前記カルボキシル基量が、前記カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.6~2.0mmol/gである
H型カルボキシル化セルロースナノファイバー。
Carboxylated cellulose nanofibers having carboxyl groups in at least some of the structural units constituting the cellulose molecular chain,
The viscosity of the aqueous dispersion with a content of 1.00% by mass is more than 925 Pa s and 50,000 Pa s or less at 30 ° C. and shear rates of 0.00417 s -1 and 0.00671 s -1 ,
The average fiber length is 550 nm to 2000 nm ,
H-type carboxylated cellulose nanofibers, wherein the amount of carboxyl groups is 0.6 to 2.0 mmol/g relative to the absolute dry mass of the carboxylated cellulose nanofibers.
前記セルロース分子鎖の少なくとも一部が、グルコピラノース単位のC6位の1級水酸基を有する炭素原子が選択的に酸化されたカルボキシル基を有する構成単位で構成される請求項1に記載のH型カルボキシル化セルロースナノファイバー。 2. The H-type carboxyl according to claim 1, wherein at least part of the cellulose molecular chain is composed of structural units having a carboxyl group in which the carbon atom having the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose unit is selectively oxidized. modified cellulose nanofibers. 前記カルボキシル基量が、前記カルボキシル化セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.8~2.0mmol/gである請求項1又は2に記載のH型カルボキシル化セルロースナノファイバー。 The H-type carboxylated cellulose nanofiber according to claim 1 or 2, wherein the amount of carboxyl groups is 0.8 to 2.0 mmol/g relative to the absolute dry weight of the carboxylated cellulose nanofiber.
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