JP7225517B2 - 疎水化ナノセルロース中間体及び疎水化ナノセルロースの製造 - Google Patents
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Description
a)20重量%未満の水、好ましくは10重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を提供する工程と、
b)セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程と、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄、濾過、及び/又は遠心分離する工程と、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程と、
e)工程d)で得られた洗浄材料を含む懸濁液を調製する工程と、
f)懸濁液からナノセルロースを回収する工程と、
を含み、前記ナノセルロースがナノ結晶セルロース及び/又はナノフィブリル化セルロースである、方法が提供される。
a.20重量%未満の水、好ましくは10重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を提供する工程と、
b.セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程と、
c.工程b)から生じた混合物を洗浄、濾過、及び/又は遠心分離する工程と、
を含み、前記ナノセルロース中間体がナノ結晶セルロース中間体及び/又はナノフィブリル化セルロース中間体である、方法が提供される。
a)20重量%未満の水、好ましくは10重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を提供する工程と、
b)セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程と、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄する工程と、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程と、
e)工程d)で得られた洗浄材料を含む懸濁液を調製する工程と、
f)懸濁液からナノセルロースを回収する工程と、
を含み、前記ナノセルロースがナノ結晶セルロース及び/又はナノフィブリル化セルロースである、方法が提供される。
a)20重量%未満の水、好ましくは10重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を提供する工程と、
b)セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程と、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄する工程と、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程と、
を含み、前記ナノセルロース中間体がナノ結晶セルロース中間体及び/又はナノフィブリル化セルロース中間体である、方法が提供される。
図2に示されるように、ナノセルロース中間体のスペクトル(実施例20)における1739cm-1の可視吸収ピークは、前記ナノセルロース中間体(すなわち、シュウ酸セルロース)におけるカルボニル基におけるC=Oの延伸に対応する。実施例24~実施例33のスペクトル(図2)において、1728cm-1で新しいピークが観察されたが、このことは、新しく形成されたエステル結合におけるカルボニル基におけるC=Oの延伸を示す。このことは、以前に記載されているように(Hafren,J. and Cordova,A.2005.Macromolecular Rapid Communications 26:82-86.;Lonnberg,H.,Zhou,Q.,Brumer III,H.,Teeri,T.T.,Malmstrom,E. and Hult,A.2006.Grafting of cellulose fibers with poly(ε-caprolactone) and poly(L-lactic acid)via ring-opening polymerization.Biomacromolecules 7:2178-2185)、セルロースの表面上のヒドロキシルを開始剤として用いたε-カプロラクトンの開環重合を経ての、ナノセルロース中間体(すなわち、シュウ酸セルロース)の表面上におけるポリカプロラクトンのグラフティングの成功を示すが、現行の方法において触媒の添加は必要でなかった。
本発明の例示的な態様を以下に記載する。
<1>
a)20重量%未満の水、好ましくは10重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を提供する工程、
b)前記セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、前記シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄、濾過、及び/又は遠心分離する工程、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程、ここで前記ナノセルロース中間体はシュウ酸セルロースである、
e)工程d)で得られた前記材料を含む懸濁液を調製する工程、ここで、前記懸濁液は、音波処理、マイクロフルイダイゼーション、及び機械的破砕からなる群より選択される少なくとも1つを用いて調製される、及び
f)前記懸濁液から疎水化ナノセルロースを回収する工程
を含み、
前記疎水化ナノセルロースは疎水化ナノ結晶セルロース及び/又は疎水化ナノフィブリル化セルロースであり、
工程b)における反応は無溶媒であり、且つ
セルロース含有材料は、深共晶溶媒とは接触させられない、
疎水化ナノセルロースを製造する方法。
<2>
工程a)で提供される前記セルロース含有材料は、セルロースを80重量%以上、好ましくは90重量%以上含む、<1>に記載の方法。
<3>
工程a)で提供される前記セルロース含有材料は漂白されている、<1>又は<2>に記載の方法。
<4>
前記セルロース含有材料とシュウ酸二水和物との間の乾燥重量比は、1:1~1:100、好ましくは1:1~1:50、より好ましくは1:1~1:10、最も好ましくは1:2.3~1:3.9である、<1>~<3>のいずれか一項に記載の方法。
<5>
シュウ酸二水和物の純度は、95~100重量%、好ましくは99重量%以上である、<1>~<4>のいずれか一項に記載の方法。
<6>
前記セルロース含有材料及び前記シュウ酸二水和物は工程b)において106℃より高温に加熱され、好ましくは、工程b)において前記セルロース含有材料及び前記シュウ酸二水和物は工程b)において110℃より高温に加熱され、さらに好ましくは、工程b)の温度は120℃を超えない、<1>~<5>のいずれか一項に記載の方法。
<7>
前記セルロース含有材料及び前記シュウ酸二水和物は、5分~120分、好ましくは30~60分の範囲の時間、シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱される、<1>~<6>のいずれか一項に記載の方法。
<8>
前記混合物は、工程c)において、シュウ酸二水和物を溶解することができる1種以上の溶媒で洗浄され、好ましくは、前記混合物は、工程c)において、エタノール、アセトン、水、及びTHFからなる群より選択される少なくとも1つで洗浄される、<1>~<7>のいずれか一項に記載の方法。
<9>
工程d)におけるグラフティングは、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させることによって実施され、前記油又は前記ラクトンはアルキル鎖(-R)及び(-R’)を含み、ここで各アルキル鎖は直鎖、分枝鎖又は環状鎖であ
ってよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)はそれぞれ1つ又は複数の二重結合又は三重結合を含んでもよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)は置換されていてもよく、前記油は好ましくは有機油を含み、より好ましくは前記油は植物油を含み、前記ラクトンは好ましくはε-カプロラクトン及び/又はヒドロキシカルボン酸の環状エステル、例えばβ-プロピオラクトン、γ-ブチロラクトン、若しくは乳酸の環状エステル/ラクチドである、<1>~<8>のいずれか一項に記載の方法。
<10>
前記油は、ナタネ油、ヒマワリ油、パーム油、キャノーラ油、ダイズ油、サフラワー油、ココナッツ油、オリーブ油、アボカド油、トウモロコシ油、綿実油、亜麻油、亜麻仁油、パーム油、落花生油、芥子油、扁桃油及び/又はゴマ油、ブナ実油、ブラジルナッツ油、カシュー油、ヘイゼルナッツ油、マカダミア油、モンゴンゴナッツ油、ペカン油、松果油、ピスタチオ油、胡桃油、グレープフルーツ種子油、レモン油、オレンジ油、瓢箪油(ツルレイシ、ユウガオ又はバッファローカボチャの種子に由来するものなど)、バターナッツカボチャ種子油、エグシ種子油(egusi seed oil)、カボチャ種子油、スイカ種子油、アサイー油、ブラックシード油、クロフサスグリ種子油、ルリヂサ種子油、イヴニングプリムローズ油、アマランス油、アプリコット油、リンゴ種子油、アルガン油、ババス油、ベン油、ボルネオタローナッツ油、ケープチェストナッツ油(cape chestnut oil)、イナゴマメさや油、カカオバター、オナモミ油、コフネヤシ油、コリアンダー種子油、ナツメヤシ種子油、ディーカ油、アマナズナ油、大麻油、カポック油、ケナフ種子油、ラレマンチア油(lallemantia oil)、マフラ油、マルーラ油、メドウフォーム種子油、カラシ油、ニガー種子油、ナツメグバター、オクラ種子油、パパイア種子油、シソ種子油、柿種子油、ペキー油、ピリナット油、ザクロ種子油、ケシ種子油、プラカシー油(pracaxi oil)、プルーン仁油、キノア油、ラムティル油、米糠油、ロイル油(royle oil)、サチャインチ油(sacha inchi oil)、サポーテ油、セジェ油(seje oil)、シアバター、タラミラ油(taramira oil)、茶種子油、アザミ油、ショクヨウカヤツリ油、タバコ種油、トマト種子油及び/又は麦芽油を含み、好ましくはナタネ油及び/又はヒマワリ油を含む、<1>~<9>のいずれか一項に記載の方法。
<11>
前記油は、1種又は複数種のグリセリド(例えばモノグリセリド、ジグリセリド又はトリグリセリド)、1種又は複数種の遊離脂肪酸及び/又は脂肪酸複合体、例えば脂肪酸エステルを含み、好ましくは前記トリグリセリドは、グリセロールと、例えばオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、エルカ酸、リシノール酸、ペトロセリン酸、カレンド酸、α-エレオステアリン酸、サンタルビン酸及び/又はベルノル酸などの脂肪酸とのトリエステルであり、好ましくは前記脂肪酸はオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、エルカ酸、リシノール酸、ペトロセリン酸、カレンド酸、α-エレオステアリン酸、サンタルビン酸及び/又はベルノル酸である、<1>~<10>のいずれか一項に記載の方法。
<12>
工程d)におけるグラフティングが、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させ、次いで、30分間以上、100℃超で前記混合物を加熱することによって実施され、好ましくは、前記混合物を、少なくとも1時間~24時間、110℃以上で加熱する、<1>~<11>のいずれか一項に記載の方法。
<13>
工程d)から得られた疎水化ナノセルロース中間体を、液体、好ましくは低極性液体若しくは無極性液体又は疎水性液体と混合して、懸濁液を得る、<1>~<12>のいずれか一項に記載の方法。
<14>
<1>~<13>のいずれか一項に記載の方法で製造された疎水性ナノセルロースを含む組成物。
<15>
a)20重量%未満の水、好ましくは10重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を準備する工程、
b)前記セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、前記シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄、濾過、及び/又は遠心分離する工程、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程、ここで前記ナノセルロース中間体はシュウ酸セルロースである、
を含む、疎水化ナノセルロース中間体を製造する方法であって、
前記疎水化ナノセルロース中間体は疎水化ナノ結晶セルロース中間体又は疎水化ナノフィブリル化セルロース中間体であり、
工程b)における反応は無溶媒であり、且つ
セルロース含有材料は、深共晶溶媒とは接触させられない、
前記方法。
<16>
工程a)で提供されるセルロース含有材料は、セルロースを80重量%、好ましくは90重量%以上含む、<15>に記載の方法。
<17>
工程a)で提供される前記セルロース含有材料は漂白されている、<15>又は<16>に記載の方法。
<18>
前記セルロース含有材料とシュウ酸二水和物との間の乾燥重量比は、1:1~1:100、好ましくは1:1~1:50、より好ましくは1:1~1:10、最も好ましくは1:2.3~1:3.9である、<15>~<17>のいずれか一項に記載の方法。
<19>
シュウ酸二水和物の純度は、95~100重量%、好ましくは99重量%以上である、<15>~<18>のいずれか一項に記載の方法。
<20>
前記セルロース含有材料及び前記シュウ酸二水和物は工程b)において106℃より高温に加熱され、好ましくは、前記セルロース含有材料及び前記シュウ酸二水和物は工程b)において110℃より高温に加熱され、さらに好ましくは、工程b)の温度は120℃を超えない、<15>~<19>のいずれか一項に記載の方法。
<21>
前記セルロース含有材料及び前記シュウ酸二水和物は、5分~120分、好ましくは30~60分の範囲の時間、シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱される、<15>~<20>のいずれか一項に記載の方法。
<22>
前記混合物は、工程c)において、シュウ酸二水和物を溶解することができる1種以上の溶媒で洗浄され、好ましくは、前記混合物は、工程c)において、エタノール、アセトン、水、及びTHFからなる群より選択される少なくとも1つで洗浄される、<15>~<21>のいずれか一項に記載の方法。
<23>
工程d)におけるグラフティングは、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させることによって実施され、前記油又は前記ラクトンはアルキル鎖(-R)及び(-R’)を含み、ここで各アルキル鎖は直鎖、分枝鎖又は環状鎖であってよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)はそれぞれ1つ又は複数の二重結合又は三重結合を含んでもよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)は置換されていてもよく、前記油は好ましくは有機油を含み、より好ましくは前記油は植物油を含み、前記ラクトンは好ましくはカプロラクトン及び/又はヒドロキシカルボン酸の環状エステル、例えばβ-プロピオラクトン、γ-ブチロラクトン、若しくは乳酸の環状エステル/ラクチドである、<15>~<22>のいずれか一項に記載の方法。
<24>
前記油は、ナタネ油、ヒマワリ油、パーム油、キャノーラ油、ダイズ油、サフラワー油、ココナッツ油、オリーブ油、アボカド油、トウモロコシ油、綿実油、亜麻油、亜麻仁油、パーム油、落花生油、芥子油、扁桃油及び/又はゴマ油、ブナ実油、ブラジルナッツ油、カシュー油、ヘイゼルナッツ油、マカダミア油、モンゴンゴナッツ油、ペカン油、松果油、ピスタチオ油、胡桃油、グレープフルーツ種子油、レモン油、オレンジ油、瓢箪油(ツルレイシ、ユウガオ又はバッファローカボチャの種子に由来するものなど)、バターナッツカボチャ種子油、エグシ種子油(egusi seed oil)、カボチャ種子油、スイカ種子油、アサイー油、ブラックシード油、クロフサスグリ種子油、ルリヂサ種子油、イヴニングプリムローズ油、アマランス油、アプリコット油、リンゴ種子油、アルガン油、ババス油、ベン油、ボルネオタローナッツ油、ケープチェストナッツ油(cape chestnut oil)、イナゴマメさや油、カカオバター、オナモミ油、コフネヤシ油、コリアンダー種子油、ナツメヤシ種子油、ディーカ油、アマナズナ油、大麻油、カポック油、ケナフ種子油、ラレマンチア油(lallemantia oil)、マフラ油、マルーラ油、メドウフォーム種子油、カラシ油、ニガー種子油、ナツメグバター、オクラ種子油、パパイア種子油、シソ種子油、柿種子油、ペキー油、ピリナット油、ザクロ種子油、ケシ種子油、プラカシー油(pracaxi oil)、プルーン仁油、キノア油、ラムティル油、米糠油、ロイル油(royle oil)、サチャインチ油(sacha inchi oil)、サポーテ油、セジェ油(seje oil)、シアバター、タラミラ油(taramira oil)、茶種子油、アザミ油、ショクヨウカヤツリ油、タバコ種油、トマト種子油及び/又は麦芽油を含む、<15>~<23>のいずれか一項に記載の方法。
<25>
前記油は、1種又は複数種のグリセリド(例えばモノグリセリド、ジグリセリド又はトリグリセリド)、1種又は複数種の遊離脂肪酸及び/又は脂肪酸複合体、例えば脂肪酸エステルを含み、好ましくは前記トリグリセリドは、グリセロールと、例えばオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、エルカ酸、リシノール酸、ペトロセリン酸、カレンド酸、α-エレオステアリン酸、サンタルビン酸及び/又はベルノル酸などの脂肪酸とのトリエステルであり、好ましくは前記脂肪酸はオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、エルカ酸、リシノール酸、ペトロセリン酸、カレンド酸、α-エレオステアリン酸、サンタルビン酸及び/又はベルノル酸であり、好ましくはナタネ油及び/又はヒマワリ油である、<15>~<24>のいずれか一項に記載の方法。
<26>
工程d)におけるグラフティングが、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させ、次いで、30分間以上、100℃超で前記混合物を加熱することによって実施され、好ましくは、前記混合物を、少なくとも1時間~24時間、110℃以上で加熱する、<15>~<25>のいずれか一項に記載の方法。
<27>
<15>~<26>のいずれか一項に記載の方法で製造されたナノセルロース中間体を含む組成物。
<28>
構造用途又は非構造用途のためのガラス繊維代替物等の自動車用バイオベース複合材料、セメント添加剤、湿潤強度添加剤、乾燥強度添加剤、ウェットエンド添加剤、例えば、包装用塗膜中又はフィルム中のウェットエンド添加剤、食品包装用透明フィルム、複合材料中のポリマー複合添加剤、紙、電子包装、フィラー等の医薬品添加物、優れた強度特性を有する紙複合材料、衛生製品及び吸収製品、機械的強化紡績繊維又は機械的強化テキスタイル、フィラー等の化粧品添加物、食品添加剤、音響障壁及び/又は熱障壁等の建物用断熱材、航空宇宙複合材料、石油及びガス用のエアロゲル、建築用顔料等の顔料、コーティング、疎水性及び自己洗浄性のコーティング、塗料、分散剤、粘度調節剤、構造複合材料等の建築材料、スイッチ可能な光学デバイス、骨置換材、歯修復医療複合材料、歪みセンサ、水用フィルタ又は空気用フィルタ等のフィルタ、フレキシブルディスプレイ、OLEDディスプレイ、フレキシブル回路、プリンタブルエレクトロニクス、導電性基材、フレキシブルソーラーパネル等のソーラーパネル、スマート包装、フォトニクス、及び/又は薬物送達のうちの少なくとも1つにおける、<15>に記載の疎水化ナノセルロースを含む組成物>又は<27>に記載のナノセルロース中間体を含む組成物の使用。
Claims (11)
- a)20重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を提供する工程、
b)前記セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、前記シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄、濾過、及び/又は遠心分離する工程、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程、ここで前記ナノセルロース中間体はシュウ酸セルロースである、
e)工程d)で得られた前記材料を含む懸濁液を調製する工程、ここで、前記懸濁液は、音波処理、マイクロフルイダイゼーション、及び機械的破砕からなる群より選択される少なくとも1つを用いて調製される、及び
f)前記懸濁液から疎水化ナノセルロースを回収する工程
を含み、
前記疎水化ナノセルロースは疎水化ナノ結晶セルロース及び/又は疎水化ナノフィブリル化セルロースであり、
工程b)における反応は無溶媒であり、且つ
セルロース含有材料は、深共晶溶媒とは接触させられない、
疎水化ナノセルロースを製造する方法。 - 前記セルロース含有材料とシュウ酸二水和物との間の乾燥重量比は、1:1~1:100である、請求項1に記載の方法。
- 工程d)におけるグラフティングは、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させることによって実施され、前記油又は前記ラクトンはアルキル鎖(-R)及び(-R’)を含み、ここで各アルキル鎖は直鎖、分枝鎖又は環状鎖であってよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)はそれぞれ1つ又は複数の二重結合又は三重結合を含んでもよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)は置換されていてもよい、請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 工程d)におけるグラフティングが、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させ、次いで、30分間以上、100℃超で前記混合物を加熱することによって実施される、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の方法で製造された疎水性ナノセルロースを含む組成物。
- a)20重量%未満の水を含有するセルロース含有材料を準備する工程、
b)前記セルロース含有材料をシュウ酸二水和物と接触させ、前記シュウ酸二水和物の融点より高温に加熱してシュウ酸セルロースを得る工程、
c)工程b)から生じた混合物を洗浄、濾過、及び/又は遠心分離する工程、
d)工程c)から生じたナノセルロース中間体の表面上にアルキル基をグラフティングする工程、ここで前記ナノセルロース中間体はシュウ酸セルロースである、
を含む、疎水化ナノセルロース中間体を製造する方法であって、
前記疎水化ナノセルロース中間体は疎水化ナノ結晶セルロース中間体又は疎水化ナノフィブリル化セルロース中間体であり、
工程b)における反応は無溶媒であり、且つ
セルロース含有材料は、深共晶溶媒とは接触させられない、
前記方法。 - 前記セルロース含有材料とシュウ酸二水和物との間の乾燥重量比は、1:1~1:100である、請求項6に記載の方法。
- 工程d)におけるグラフティングは、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させることによって実施され、前記油又は前記ラクトンはアルキル鎖(-R)及び(-R’)を含み、ここで各アルキル鎖は直鎖、分枝鎖又は環状鎖であってよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)はそれぞれ1つ又は複数の二重結合又は三重結合を含んでもよく、前記アルキル鎖(-R)及び(-R’)は置換されていてもよい、請求項6又は請求項7に記載の方法。
- 工程d)におけるグラフティングが、少なくとも1種の油又はラクトンの中に前記ナノセルロース中間体を分散させ、次いで、30分間以上、100℃超で前記混合物を加熱することによって実施される、請求項6~請求項8のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項6~請求項9のいずれか一項に記載の方法で製造されたナノセルロース中間体を含む組成物。
- 自動車用バイオベース複合材料、セメント添加剤、湿潤強度添加剤、乾燥強度添加剤、ウェットエンド添加剤、食品包装用透明フィルム、複合材料中のポリマー複合添加剤、紙、電子包装、医薬品添加物、紙複合材料、衛生製品及び吸収製品、機械的強化紡績繊維又は機械的強化テキスタイル、化粧品添加物、食品添加剤、建物用断熱材、航空宇宙複合材料、石油及びガス用のエアロゲル、顔料、コーティング、疎水性及び自己洗浄性のコーティング、塗料、分散剤、粘度調節剤、建築材料、スイッチ可能な光学デバイス、骨置換材、歯修復医療複合材料、歪みセンサ、フィルタ、フレキシブルディスプレイ、OLEDディスプレイ、フレキシブル回路、プリンタブルエレクトロニクス、導電性基材、ソーラーパネル、スマート包装、フォトニクス、及び/又は薬物送達のうちの少なくとも1つにおける、請求項5に記載の疎水化ナノセルロースを含む組成物又は請求項10に記載のナノセルロース中間体を含む組成物の使用。
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