JP7350570B2 - Modified cellulose nanofiber and method for producing the same - Google Patents

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本発明は、繊維表面が二塩基カルボン酸無水物でエステル化された修飾セルロースナノファイバーおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to modified cellulose nanofibers whose fiber surfaces are esterified with a dibasic carboxylic acid anhydride, and a method for producing the same.

セルロース繊維(細胞壁単位)は、セルロース微細繊維(ミクロフィブリル)の集合体である。セルロース微細繊維は、鋼鉄に匹敵する機械特性を有し、直径約30nmのナノ構造を有するため、補強剤として社会的に熱く注目されている。しかし、セルロース微細繊維は、繊維間が水素結合により結束されており、その微細繊維を取り出すためには、水素結合を解いてミクロフィブリルを分離(解繊)する必要がある。そこで、このようなミクロフィブリルの分離は、解繊と称され、セルロース微細繊維(セルロースナノファイバー)の解繊法として、激しい物理力を加えた機械解繊法が開発された。 Cellulose fibers (cell wall units) are aggregates of cellulose fine fibers (microfibrils). Cellulose fine fibers have mechanical properties comparable to steel and have a nanostructure with a diameter of about 30 nm, so they are attracting hot social attention as reinforcing agents. However, cellulose fine fibers are bound together by hydrogen bonds, and in order to extract the fine fibers, it is necessary to break the hydrogen bonds and separate (fibrillate) the microfibrils. Therefore, such separation of microfibrils is called fibrillation, and a mechanical fibrillation method in which intense physical force is applied has been developed as a method for defibrating cellulose fine fibers (cellulose nanofibers).

機械解繊法は、水中でセルロース繊維を機械的に解繊する水中機械解繊法が汎用されており、水中機械解繊法では、セルロース繊維は、水により膨潤され、柔らかくなった状態で高圧ホモジナイザーなどの強力な機械剪断によりナノ化される。しかし、天然のセルロースミクロフィブリルは、結晶ゾーン(結晶域)と非晶ゾーン(非晶域)とから構成されるが、非晶ゾーンは、水などの膨潤性溶媒を吸収、膨潤した状態になると、強力な剪断により変形する。そのため、セルロース繊維は、剪断によりダメージを受け、絡み合いや引っ掛かりが生じ易い分岐形状となる。また、ボールミルなどの強力な機械粉砕法により、固体状態特有のメカノケミカル反応が起こり、この作用によりセルロースの結晶構造が破壊されたり、溶解されたりすることが避けられなくなる。その結果、収率は低くなり、結晶化度が低くなり易い。さらに、セルロース微細繊維は樹脂の強化材料として利用できるが、樹脂と複合化するためには、水中機械解繊法では、解繊の後、脱水して繊維表面を修飾して疎水化する必要があり、この脱水工程には高いエネルギーが必要となる。 The most commonly used mechanical defibration method is the underwater mechanical defibration method, in which cellulose fibers are mechanically defibrated in water. It is nano-ized by strong mechanical shearing using a homogenizer or the like. However, natural cellulose microfibrils are composed of a crystalline zone (crystalline region) and an amorphous zone (amorphous region), but when the amorphous zone absorbs a swelling solvent such as water and becomes swollen, , deformed by strong shear. Therefore, the cellulose fibers are damaged by shearing and take on a branched shape that is likely to become entangled or caught. In addition, a strong mechanical grinding method such as a ball mill causes a mechanochemical reaction peculiar to the solid state, and this action inevitably destroys or dissolves the crystal structure of cellulose. As a result, the yield is low and the degree of crystallinity tends to be low. Furthermore, cellulose fine fibers can be used as reinforcing materials for resins, but in order to form composites with resins, underwater mechanical defibration requires dehydration after defibration to modify the fiber surface to make it hydrophobic. This dehydration process requires high energy.

そこで、繊維表面をエステル化し、樹脂や有機溶媒などの有機媒体への分散性に優れたセルロース微細繊維の製造方法として、特開2010-104768号公報(特許文献1)には、塩化ブチルメチルイミダゾリウムなどのイオン液体と有機溶媒とを含有する混合溶媒を用いてセルロース系物質を膨潤および/または部分溶解させた後、エステル化する多糖類ナノファイバーの製造方法が開示されている。この文献の実施例では、エステル化剤として、無水酢酸、無水酪酸が使用されている。 Therefore, as a method for producing cellulose fine fibers that have excellent dispersibility in organic media such as resins and organic solvents by esterifying the fiber surface, JP 2010-104768A (Patent Document 1) discloses butyl chloride methyl imidazo A method for producing polysaccharide nanofibers is disclosed in which a cellulose-based material is swollen and/or partially dissolved using a mixed solvent containing an ionic liquid such as chlorine and an organic solvent, and then esterified. In the examples of this document, acetic anhydride and butyric anhydride are used as esterifying agents.

また、強力な解繊や粉砕を必要としない化学解繊法として、2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシラジカル(TEMPO)を用いたTEMPO酸化法も注目されている。WO2010/116794号パンフレット(特許文献2)には、TEMPOなどのN-オキシル化合物と臭化物および/またはヨウ化物との存在下で酸化剤を用いセルロース系原料を酸化した後、湿式微粒化処理するセルロースナノファイバー分散液の製造方法が開示されている。 Additionally, the TEMPO oxidation method using 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyradical (TEMPO) is also attracting attention as a chemical defibration method that does not require strong defibration or crushing. There is. WO2010/116794 pamphlet (Patent Document 2) describes cellulose in which a cellulose raw material is oxidized using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound such as TEMPO and bromide and/or iodide, and then subjected to wet atomization treatment. A method of making a nanofiber dispersion is disclosed.

さらに、簡便かつ効率良く均一なナノサイズのセルロース微細を製造できる方法として、特開2017-82188号公報(特許文献3)には、塩基触媒または酸触媒を含む触媒と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロースに浸透させて、セルロースをエステル化して化学解繊し、カルボキシル基含有セルロース微細繊維を得る修飾解繊工程を含む修飾セルロース微細繊維の製造方法が開示されている。また、特開2017-190437号公報(特許文献4)には、塩基または酸触媒を含む触媒と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロース(原料セルロース)に浸透させて、セルロースをエステル化して化学解繊し、カルボキシル基含有セルロース微細繊維を得る修飾解繊工程と、得られたカルボキシル基含有セルロース微細繊維と分散媒とを2000rpm以上の回転速度で攪拌し、カルボキシル基含有セルロース微細繊維を得る攪拌工程とを含む修飾セルロース微細繊維の製造方法が開示されている。特許文献2および3では、触媒としてピリジン類が好ましいと記載され、特許文献3の実施例ではピリジンまたはトルエンスルホン酸が使用され、特許文献4の実施例ではピリジンが使用されている。 Furthermore, as a method for easily and efficiently producing uniform nano-sized cellulose particles, JP 2017-82188A (Patent Document 3) discloses a method that uses a catalyst containing a base catalyst or an acid catalyst and a dibasic carboxylic acid anhydride. Disclosed is a method for producing modified cellulose fine fibers, which includes a modified defibration step of impregnating cellulose with a reactive fibrillation liquid containing the above, esterifying and chemically defibrating the cellulose, and obtaining carboxyl group-containing cellulose fine fibers. . Furthermore, in JP 2017-190437 A (Patent Document 4), cellulose (raw material cellulose) is infiltrated with a reactive fibrillation liquid containing a catalyst containing a base or acid catalyst and a dibasic carboxylic acid anhydride. A modified defibration step in which cellulose is esterified and chemically defibrated to obtain carboxyl group-containing cellulose fine fibers, and the obtained carboxyl group-containing cellulose fine fibers and a dispersion medium are stirred at a rotational speed of 2000 rpm or more to obtain carboxyl group-containing cellulose fine fibers. A method for producing modified cellulose fine fibers is disclosed, which includes a stirring step to obtain cellulose fine fibers. Patent Documents 2 and 3 describe that pyridines are preferable as catalysts; Examples of Patent Document 3 use pyridine or toluenesulfonic acid, and Examples of Patent Document 4 use pyridine.

特開2010-104768号公報Japanese Patent Application Publication No. 2010-104768 WO2010/116794号パンフレットWO2010/116794 pamphlet 特開2017-82188号公報JP2017-82188A 特開2017-190437号公報JP 2017-190437 Publication

しかし、特許文献1の製造方法では、特殊なイオン液体を使用する必要があり、イオン液体を回収や再利用するための精製工程はセルロースナノファイバーの製造コストの上昇や製造工程の複雑化につながる。 However, the manufacturing method of Patent Document 1 requires the use of a special ionic liquid, and the purification process for recovering and reusing the ionic liquid increases the manufacturing cost of cellulose nanofibers and complicates the manufacturing process. .

また、特許文献2のTEMPO法で得られたセルロースナノファイバーは高い親水性や水分散性を有するが、有機媒体への分散性が低い。さらに、高価なTEMPO触媒や大量のアルカリ物質を用いるため、経済性が低く、排水処理も困難であり、環境に対する負荷も大きい。 Further, cellulose nanofibers obtained by the TEMPO method of Patent Document 2 have high hydrophilicity and water dispersibility, but have low dispersibility in organic media. Furthermore, since an expensive TEMPO catalyst and a large amount of alkaline substances are used, the cost efficiency is low, wastewater treatment is difficult, and the burden on the environment is large.

さらに、特許文献3および4の製造方法では、特許文献1および2よりも簡便かつ効率良く均一なセルロースナノファイバーを製造できるものの、特許文献3および4の製造方法でも、均一なセルロースナノファイバーを十分に製造することはできなかった。さらに、特許文献4の製造方法では、特許文献3よりも均一なセルロースナノファイバーが得られるものの、解繊工程において、攪拌処理が必要であり、簡便な方法ではなかった。 Furthermore, although the manufacturing methods of Patent Documents 3 and 4 can produce uniform cellulose nanofibers more easily and efficiently than Patent Documents 1 and 2, the manufacturing methods of Patent Documents 3 and 4 can sufficiently produce uniform cellulose nanofibers. could not be manufactured. Furthermore, although the manufacturing method of Patent Document 4 provides more uniform cellulose nanofibers than that of Patent Document 3, stirring treatment is required in the defibration step, and it is not a simple method.

従って、本発明の目的は、簡便かつ効率良く生産できるとともに、均一なナノサイズで結晶化度が高く、繊維形状の損傷が少なくてアスペクト比が大きく、かつ吸水性の大きい修飾セルロースナノファイバーおよびその製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a modified cellulose nanofiber that can be easily and efficiently produced, has a uniform nanosize, a high degree of crystallinity, little damage to the fiber shape, a large aspect ratio, and a high water absorption capacity. The purpose is to provide a manufacturing method.

本発明の他の目的は、強力な機械的な剪断をすることなく、省エネルギーな方法で生産できる修飾セルロースナノファイバーおよびその製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide modified cellulose nanofibers that can be produced in an energy-saving manner without strong mechanical shearing, and a method for producing the same.

本発明のさらに他の目的は、透明性に優れた修飾セルロースナノファイバーの製造方法を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a method for producing modified cellulose nanofibers with excellent transparency.

本発明の別の目的は、チキソトロピー性、成膜性および有機溶媒への分散性に優れた高い修飾セルロースナノファイバーおよびその製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide highly modified cellulose nanofibers with excellent thixotropy, film-forming properties, and dispersibility in organic solvents, and a method for producing the same.

本発明者らは、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、金属化合物と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロースに浸透させて、セルロースをエステル化して化学解繊した後、得られた修飾セルロース微細繊維に分散媒を添加して攪拌することにより、特定の修飾セルロースナノファイバー、すなわち均一なナノサイズで、結晶化度が高く、繊維形状の損傷が少なくてアスペクト比が大きく、かつ吸水性の大きい修飾セルロースナノファイバーを、簡便かつ効率良く生産できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have chemically defibrated the cellulose by infiltrating the cellulose with a reactive defibrating liquid containing a metal compound and a dibasic carboxylic acid anhydride to esterify the cellulose. After that, by adding a dispersion medium to the obtained modified cellulose fine fibers and stirring them, a specific modified cellulose nanofiber, that is, a uniform nanosize, high crystallinity, less damage to the fiber shape, and a high aspect ratio. The present invention was completed based on the discovery that modified cellulose nanofibers with large water absorption properties can be easily and efficiently produced.

すなわち、本発明の修飾セルロースナノファイバーの製造方法は、金属化合物を含む触媒と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロースに浸透させて、セルロースをエステル化して化学解繊し、二塩基酸カルボン酸無水物で修飾され、かつ金属塩の形態を含むセルロースで形成された修飾セルロース微細繊維を得る修飾解繊工程と、得られた修飾セルロース微細繊維に分散媒を添加して攪拌し、修飾セルロースナノファイバーを得る攪拌工程とを含む。前記金属化合物は、例えば、アルカリ金属化合物(特に、アルカリ金属炭酸水素塩)であってもよい。前記金属化合物は、弱塩基性の金属化合物であってもよい。前記反応性解繊液は、さらにドナー数25以上の非プロトン性溶媒、例えば、アルキルスルホキシド類、アルキルアミド類およびピロリドン類からなる群より選択された少なくとも1種(特に、ジC1-2アルキルスルホキシド)を含んでいてもよい。前記二塩基カルボン酸無水物は、脂肪族ジカルボン酸無水物、脂環族ジカルボン酸無水物および芳香族ジカルボン酸無水物からなる群より選択された少なくとも1種(特に、炭素数4~6の飽和脂肪族ジカルボン酸無水物)であってもよい。前記触媒の割合は、二塩基カルボン酸無水物100質量部に対して100質量部以上であってもよい。前記二塩基カルボン酸無水物の割合は、セルロース100質量部に対して60質量部以上であってもよい。前記攪拌工程において、修飾セルロース微細繊維を液-液剪断してもよい。 That is, the method for producing modified cellulose nanofibers of the present invention involves infiltrating cellulose with a reactive defibrating liquid containing a catalyst containing a metal compound and a dibasic carboxylic acid anhydride, esterifying the cellulose, and chemically defibrating it. , a modified fibrillation step for obtaining modified cellulose fine fibers modified with dibasic acid carboxylic acid anhydride and formed of cellulose containing a metal salt form, and adding a dispersion medium to the obtained modified cellulose fine fibers. and a stirring step of stirring to obtain modified cellulose nanofibers. The metal compound may be, for example, an alkali metal compound (particularly an alkali metal hydrogen carbonate). The metal compound may be a weakly basic metal compound. The reactive defibration liquid further includes at least one aprotic solvent having a donor number of 25 or more, such as at least one solvent selected from the group consisting of alkyl sulfoxides, alkylamides, and pyrrolidones (particularly diC 1-2 alkyl sulfoxide). The dibasic carboxylic anhydride is at least one selected from the group consisting of aliphatic dicarboxylic anhydrides, alicyclic dicarboxylic anhydrides, and aromatic dicarboxylic anhydrides (particularly saturated dicarboxylic anhydrides having 4 to 6 carbon atoms). aliphatic dicarboxylic acid anhydride). The proportion of the catalyst may be 100 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the dibasic carboxylic acid anhydride. The proportion of the dibasic carboxylic acid anhydride may be 60 parts by mass or more based on 100 parts by mass of cellulose. In the stirring step, the modified cellulose fine fibers may be subjected to liquid-liquid shearing.

本発明には、二塩基カルボン酸無水物で修飾され、かつ金属塩の形態を含むセルロースで形成されているとともに、下記特性(1)~(4)を充足する修飾セルロースナノファイバーも含まれる。
(1)平均置換度が0.05~2である
(2)平均繊維径が150nm以下である
(3)繊維径300nm以上の繊維数が全繊維数に対して5%以下である
(4)平均繊維長が1μm以上である
The present invention also includes modified cellulose nanofibers that are modified with a dibasic carboxylic acid anhydride and are formed of cellulose containing a metal salt form, and that satisfy the following characteristics (1) to (4).
(1) The average degree of substitution is 0.05 to 2. (2) The average fiber diameter is 150 nm or less. (3) The number of fibers with a fiber diameter of 300 nm or more is 5% or less of the total number of fibers. (4) Average fiber length is 1 μm or more

本発明では、金属化合物と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロースに浸透させて、セルロースをエステル化して化学解繊した後、得られた修飾セルロース微細繊維に分散媒を添加して攪拌するため、天然由来のセルロース結晶構造やミクロフィブリル構造を破壊することなく解繊できる。特に、本発明では、前記反応性解繊液の浸透に伴ってセルロースを膨潤させることができ、強力な機械的な剪断をすることなく、セルロースの解繊効率を向上できる。そのため、均一なナノサイズで結晶化度が高く、繊維形状の損傷が少なくてアスペクト比が大きく、かつ吸水性も大きい修飾セルロースナノファイバーを、省エネルギーな方法で簡便かつ効率良く生産できる。また、ナノサイズであり、かつ繊維径の均一性も高いため、透明性が高く、チキソトロピー性および成膜性を向上できる。 In the present invention, a reactive defibration liquid containing a metal compound and a dibasic carboxylic acid anhydride is permeated into cellulose to esterify and chemically defibrate the cellulose, and then a dispersion medium is applied to the obtained modified cellulose fine fibers. Since it is added and stirred, it can be defibrated without destroying the naturally derived cellulose crystal structure or microfibril structure. In particular, in the present invention, the cellulose can be swollen as the reactive fibrillation liquid permeates, and the fibrillation efficiency of cellulose can be improved without strong mechanical shearing. Therefore, modified cellulose nanofibers with uniform nanosize, high crystallinity, little damage to fiber shape, large aspect ratio, and high water absorption can be easily and efficiently produced using an energy-saving method. Moreover, since it is nano-sized and has a high uniformity in fiber diameter, it has high transparency and can improve thixotropy and film-forming properties.

図1は、実施例で使用した原料のセルロースパルプの走査型電子顕微鏡(SEM)写真(10000倍)である。FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (10,000 times magnification) of cellulose pulp, which is the raw material used in the examples. 図2は、実施例1で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 2 is a SEM photograph (10,000 times magnification) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 1. 図3は、実施例2で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 3 is a SEM photograph (10,000x magnification) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 2. 図4は、実施例3で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 4 is a SEM photograph (10,000 times magnification) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 3. 図5は、実施例4で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 5 is a SEM photograph (10,000x magnification) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 4. 図6は、実施例5で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 6 is a SEM photograph (10,000 times) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 5. 図7は、実施例6で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 7 is a SEM photograph (10,000x magnification) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 6. 図8は、実施例7で得られた修飾セルロースナノファイバーのSEM写真(10000倍)である。FIG. 8 is a SEM photograph (10,000 times magnification) of the modified cellulose nanofibers obtained in Example 7. 図9は、比較例1で得られた処理セルロースのSEM写真(1000倍)である。FIG. 9 is a SEM photograph (1000x magnification) of the treated cellulose obtained in Comparative Example 1. 図10は、比較例2で得られた処理セルロースのSEM写真(1000倍)である。FIG. 10 is a SEM photograph (1000x magnification) of the treated cellulose obtained in Comparative Example 2.

[修飾解繊工程]
本発明の修飾セルロースナノファイバーの製造方法は、無機塩基触媒を含む触媒と二塩基カルボン酸無水物(アルカン二酸無水物)とを含む反応性解繊液(反応性解繊溶液または混合液)をセルロースに浸透させてセルロースをエステル化して化学解繊し、修飾セルロース微細繊維を得る修飾解繊工程を含む。本発明では、この工程によってセルロースが修飾されると同時に、解繊される理由は次のように推定できる。すなわち、前記触媒および二塩基カルボン酸無水物(特に、さらに非プロトン性溶媒)を含む反応性解繊液は、セルロースに対する溶解性の低い溶液であり、この溶液がセルロースのミクロフィブリル間に浸透してセルロースを膨潤させ、ミクロフィブリルの表面の水酸基を修飾する。さらに、この修飾によりミクロフィブリル間の水素結合が破壊され、ミクロフィブリル同士は容易に離れ、解繊される。また、前記溶液は、ミクロフィブリルの結晶ゾーン(ドメイン)に浸透しないため、得られた修飾セルロース微細繊維は、ダメージが少なく、天然のミクロフィブリルに近い構造を有している。同時に、この工程では、強力な剪断力の働きによる機械的解繊手段を用いることなく、セルロースを解繊できるため、物理的な作用によるダメージも少ない。特に、触媒が無機塩基触媒を含むため、無機塩基が修飾セルロース微細繊維のカルボキシル基と無機塩を形成する。本発明の方法では、この無機塩が繊維間で強い静電反発を生じるため、セルロースの繊維間に反応性解繊液が均一に浸透することなどにより、解繊が速やかに進行していると推定できる。そのため、得られた修飾セルロース微細繊維は、高い強度を保持していると推定できる。
[Modified defibration process]
The method for producing modified cellulose nanofibers of the present invention includes a reactive fibrillation solution (reactive fibrillation solution or mixed liquid) containing a catalyst containing an inorganic base catalyst and a dibasic carboxylic acid anhydride (alkanedioic anhydride). The method includes a modified defibration step of infiltrating cellulose to esterify the cellulose and chemically defibrate it to obtain modified cellulose fine fibers. In the present invention, the reason why cellulose is modified and at the same time defibrated in this step can be presumed as follows. That is, the reactive defibration solution containing the catalyst and the dibasic carboxylic acid anhydride (especially an aprotic solvent) is a solution with low solubility for cellulose, and this solution penetrates between the microfibrils of cellulose. to swell cellulose and modify the hydroxyl groups on the surface of microfibrils. Furthermore, this modification breaks the hydrogen bonds between microfibrils, and the microfibrils easily separate from each other and become fibrillated. Further, since the solution does not penetrate into the crystalline zone (domain) of the microfibrils, the obtained modified cellulose fine fibers have less damage and have a structure close to that of natural microfibrils. At the same time, in this step, cellulose can be defibrated without using mechanical defibration means using strong shearing force, so there is little damage caused by physical action. In particular, since the catalyst includes an inorganic base catalyst, the inorganic base forms an inorganic salt with the carboxyl group of the modified cellulose fine fibers. In the method of the present invention, this inorganic salt causes strong electrostatic repulsion between the fibers, so that the reactive defibration liquid permeates uniformly between the cellulose fibers, and fibrillation progresses rapidly. It can be estimated. Therefore, it can be estimated that the obtained modified cellulose fine fibers maintain high strength.

(セルロース)
原料となるセルロースは、セルロース単独の形態であってもよく、リグニンやヘミセルロースなどの非セルロース成分を含む混合形態であってもよい。
(cellulose)
The cellulose used as a raw material may be in the form of cellulose alone, or may be in the form of a mixture containing non-cellulose components such as lignin and hemicellulose.

単独形態のセルロース(または非セルロース成分の含有量が少ないセルロース)としては、例えば、パルプ(例えば、木材パルプ、竹パルプ、ワラパルプ、バガスパルプ、リンターパルプ、亜麻パルプ、麻パルプ、楮パルプ、三椏パルプなど)、ホヤセルロース、バクテリアセルロース、セルロースパウダー、結晶セルロースなどが挙げられる。 Cellulose in its own form (or cellulose with a small content of non-cellulose components) includes, for example, pulp (for example, wood pulp, bamboo pulp, straw pulp, bagasse pulp, linter pulp, flax pulp, hemp pulp, mulberry pulp, mitsumata pulp, etc.) ), ascidian cellulose, bacterial cellulose, cellulose powder, crystalline cellulose, etc.

混合形態のセルロース(セルロース組成物)としては、例えば、木材[例えば、針葉樹(マツ、モミ、トウヒ、ツガ、スギなど)、広葉樹(ブナ、カバ、ポプラ、カエデなど)など]、草本類[麻類(麻、亜麻、マニラ麻、ラミーなど)、ワラ、バガス、ミツマタなど]、種子毛繊維(コットンリンター、ボンバックス綿、カポックなど)、竹、サトウキビ、紙などが挙げられる。 Mixed forms of cellulose (cellulose compositions) include, for example, wood [e.g., conifers (pine, fir, spruce, hemlock, cedar, etc.), hardwoods (beech, birch, poplar, maple, etc.)], herbs [hemp, etc.] (hemp, flax, Manila hemp, ramie, etc.), straw, bagasse, mitsumata, etc.], seed wool fibers (cotton linters, bombax cotton, kapok, etc.), bamboo, sugar cane, paper, etc.

これらのセルロースは、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。混合形態のセルロースにおいて、非セルロース成分の割合は90質量%以下であってもよく、例えば1~90質量%、好ましくは3~80質量%、さらに好ましくは5~70質量%である。他の成分の割合が多すぎると、修飾セルロース微細繊維の製造が困難となる虞がある。 These celluloses can be used alone or in combination of two or more. In the mixed form of cellulose, the proportion of non-cellulose components may be 90% by weight or less, for example 1 to 90% by weight, preferably 3 to 80% by weight, more preferably 5 to 70% by weight. If the proportion of other components is too large, it may become difficult to produce modified cellulose fine fibers.

セルロースは、結晶セルロース(特に、I型結晶セルロース)を含むのが好ましく、結晶セルロースと非晶セルロース(不定形セルロースなど)との組み合わせであってもよい。結晶セルロース(特に、I型結晶セルロース)の割合は、セルロース全体に対して10質量%以上であってもよく、例えば30~99質量%、好ましくは50~98.5質量%、さらに好ましくは60~98質量%である。結晶セルロースの割合が少なすぎると、修飾セルロース微細繊維の耐熱性や強度が低下する虞がある。 The cellulose preferably includes crystalline cellulose (especially type I crystalline cellulose), and may be a combination of crystalline cellulose and amorphous cellulose (such as amorphous cellulose). The proportion of crystalline cellulose (especially type I crystalline cellulose) may be 10% by mass or more based on the whole cellulose, for example 30 to 99% by mass, preferably 50 to 98.5% by mass, more preferably 60% by mass. ~98% by mass. If the proportion of crystalline cellulose is too small, there is a risk that the heat resistance and strength of the modified cellulose fine fibers will decrease.

これらのうち、植物由来の原料セルロースが汎用され、修飾および解繊し易い点から、木材パルプ(例えば、針葉樹パルプ、広葉樹パルプなど)、種子毛繊維のパルプ(例えば、コットンリンターパルプ)、セルロースパウダーなどが汎用される。なお、パルプは、パルプ材を機械的に処理した機械パルプであってもよいが、非セルロース成分の含有量が少ないことからパルプ材を化学的に処理した化学パルプが好ましい。 Among these, cellulose, a raw material derived from plants, is commonly used and is easy to modify and defibrate, resulting in wood pulp (e.g., softwood pulp, hardwood pulp, etc.), pulp of seed hair fibers (e.g., cotton linter pulp), and cellulose powder. etc. are commonly used. Note that the pulp may be mechanical pulp obtained by mechanically processing pulp material, but chemical pulp obtained by chemically processing pulp material is preferable because the content of non-cellulose components is low.

セルロースの含水率(乾燥セルロースに対する水分の質量割合)は1質量%以上であってもよく、例えば1~100質量%、好ましくは2~80質量%、さらに好ましくは3~60質量%、最も好ましくは5~50質量%である。本発明では、解繊性度合や解繊効率の観点から、セルロースは、このような範囲で水分を含むのが好ましく、例えば、市販のセルロースパルプの場合、セルロースパルプを乾燥せずに、そのまま利用してもよい。含水率が小さすぎると、セルロースの解繊性が低下する虞がある。 The water content of cellulose (mass ratio of water to dry cellulose) may be 1% by mass or more, for example 1 to 100% by mass, preferably 2 to 80% by mass, more preferably 3 to 60% by mass, most preferably is 5 to 50% by mass. In the present invention, from the viewpoint of the degree of fibrillation and the efficiency of fibrillation, cellulose preferably contains water within this range. For example, in the case of commercially available cellulose pulp, the cellulose pulp can be used as it is without drying. You may. If the water content is too low, there is a risk that the fibrillation properties of cellulose will decrease.

原料となるセルロースの平均繊維径は、通常1μm以上であり、例えば5~500μm、好ましくは10~300μm、さらに好ましくは20~100μm、最も好ましくは30~50μmである。なお、本明細書および特許請求の範囲では、原料セルロースの平均繊維径は、光学顕微鏡写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出してもよい。 The average fiber diameter of cellulose as a raw material is usually 1 μm or more, for example 5 to 500 μm, preferably 10 to 300 μm, more preferably 20 to 100 μm, and most preferably 30 to 50 μm. In this specification and claims, the average fiber diameter of the raw material cellulose may be calculated by randomly selecting 50 fibers from an optical micrograph and averaging them.

セルロースと反応性解繊液との質量割合は、前者/後者=1/99~30/70程度の範囲から選択でき、例えば1.2/98.8~25/75、好ましくは1.3/98.7~20/80、さらに好ましくは1.5/98.5~15/85、最も好ましくは2/98~10/90である。セルロースの割合が少なすぎると、修飾セルロース微細繊維の生産量が低くなり、多すぎると、反応時間が長くなるため、いずれにしても生産性が低下する虞がある。さらに、セルロースの割合が多すぎると得られた微細繊維のサイズと修飾率の均一性が低下する虞がある。 The mass ratio of cellulose and reactive defibration liquid can be selected from the range of former/latter = 1/99 to 30/70, for example 1.2/98.8 to 25/75, preferably 1.3/ 98.7 to 20/80, more preferably 1.5/98.5 to 15/85, most preferably 2/98 to 10/90. If the proportion of cellulose is too small, the production amount of modified cellulose fine fibers will be low, and if it is too large, the reaction time will become long, so there is a risk that productivity will decrease in any case. Furthermore, if the proportion of cellulose is too high, the uniformity of the size and modification rate of the obtained fine fibers may decrease.

反応性解繊液に対するセルロースの飽和吸収率は、例えば10倍以上(例えば10~200倍程度)、好ましくは20倍以上(例えば20~150倍程度)、さらに好ましくは30倍以上(例えば30~100倍程度)である。飽和吸収率が低すぎると、セルロースの解繊性及び得られた微細繊維の均一性が低下する虞がある。 The saturated absorption rate of cellulose with respect to the reactive defibration liquid is, for example, 10 times or more (for example, about 10 to 200 times), preferably 20 times or more (for example, about 20 to 150 times), and more preferably 30 times or more (for example, 30 to 200 times). (approximately 100 times). If the saturated absorption rate is too low, there is a risk that the fibrillation properties of cellulose and the uniformity of the obtained fine fibers will deteriorate.

(二塩基カルボン酸無水物)
二塩基カルボン酸(ジカルボン酸)無水物(エステル化剤)には、脂肪族ジカルボン酸無水物、脂環族ジカルボン酸無水物、芳香族ジカルボン酸無水物が含まれる。
(Dibasic carboxylic acid anhydride)
Dibasic carboxylic acid anhydrides (esterifying agents) include aliphatic dicarboxylic anhydrides, alicyclic dicarboxylic anhydrides, and aromatic dicarboxylic anhydrides.

脂肪族ジカルボン酸無水物としては、例えば、無水コハク酸などの飽和脂肪族ジカルボン酸無水物;無水マレイン酸、無水イタコン酸などの不飽和脂肪族ジカルボン酸無水物などが挙げられる。脂環族ジカルボン酸無水物としては、例えば、1-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸などが挙げられる。芳香族ジカルボン酸無水物としては、例えば、無水フタル酸、無水ナフタル酸などが挙げられる。これらの二塩基カルボン酸無水物は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of aliphatic dicarboxylic anhydrides include saturated aliphatic dicarboxylic anhydrides such as succinic anhydride; unsaturated aliphatic dicarboxylic anhydrides such as maleic anhydride and itaconic anhydride. Examples of the alicyclic dicarboxylic anhydride include 1-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, and methyltetrahydrophthalic anhydride. Examples of the aromatic dicarboxylic anhydride include phthalic anhydride and naphthalic anhydride. These dibasic carboxylic acid anhydrides can be used alone or in combination of two or more.

これらの二塩基カルボン酸無水物のうち、修飾性及び解繊性の点から、無水コハク酸や無水マレイン酸などの炭素数4~8の飽和または不飽和脂肪族ジカルボン酸無水物が好ましく、炭素数4~6の飽和脂肪族ジカルボン酸無水物がさらに好ましく、炭素数4~5の飽和脂肪族ジカルボン酸無水物が最も好ましい。炭素数が大きすぎると、ミクロフィブリル間への浸透性とセルロース水酸基に対する反応性が低下する虞がある。 Among these dibasic carboxylic acid anhydrides, saturated or unsaturated aliphatic dicarboxylic acid anhydrides having 4 to 8 carbon atoms, such as succinic anhydride and maleic anhydride, are preferred from the viewpoint of modification properties and fibrillation properties; Saturated aliphatic dicarboxylic acid anhydrides having 4 to 6 carbon atoms are more preferred, and saturated aliphatic dicarboxylic acid anhydrides having 4 to 5 carbon atoms are most preferred. If the number of carbon atoms is too large, there is a risk that the permeability between microfibrils and the reactivity with cellulose hydroxyl groups will decrease.

反応性解繊液中の二塩基カルボン酸無水物の濃度(質量割合)は、ミクロフィブリル間への浸透性とセルロース水酸基に対する反応性のバランスに優れる点から、0.5~50質量%程度の範囲から選択でき、本発明の方法では反応性解繊液の浸透性に優れるため、二塩基カルボン酸無水物の濃度は低くてもよく、例えば1~30質量%、好ましくは1.5~10質量%、さらに好ましくは2~5質量%、最も好ましくは2.5~4質量%である。 The concentration (mass percentage) of the dibasic carboxylic acid anhydride in the reactive fibrillation solution is approximately 0.5 to 50% by mass from the viewpoint of achieving a good balance between permeability between microfibrils and reactivity to cellulose hydroxyl groups. The concentration of the dibasic carboxylic acid anhydride may be low, for example, from 1 to 30% by mass, preferably from 1.5 to 10% by mass, since the method of the present invention has excellent permeability to the reactive defibration liquid. % by weight, more preferably 2-5% by weight, most preferably 2.5-4% by weight.

セルロースと二塩基カルボン酸無水物との割合は、ミクロフィブリル間への浸透性とセルロース水酸基に対する反応性のバランスに優れる点から、セルロースの無水グルカンユニット(無水グルコース単位)換算のモル比で、前者/後者=10/1~1/10程度の範囲から選択でき、例えば1/1~1/8、好ましくは1/2~1/6、さらに好ましくは1/3~1/5程度である。両者の質量割合は、例えば、セルロース/二塩基カルボン酸無水物=70/30~5/95、好ましくは65/35~10/90、さらに好ましくは60/40~20/80、より好ましくは55/45~30/70、最も好ましくは50/50~40/60である。 The ratio of cellulose to dibasic carboxylic acid anhydride is the molar ratio in terms of anhydroglucose units (anhydroglucose units) of cellulose, and the former /latter=approximately 10/1 to 1/10, for example, 1/1 to 1/8, preferably 1/2 to 1/6, and more preferably 1/3 to 1/5. The mass ratio of both is, for example, cellulose/dibasic carboxylic acid anhydride=70/30 to 5/95, preferably 65/35 to 10/90, more preferably 60/40 to 20/80, more preferably 55 /45 to 30/70, most preferably 50/50 to 40/60.

(触媒)
本発明では、セルロースのエステル化を促進するために、二塩基カルボン酸無水物に加えて、金属化合物を含む触媒を用いる。本発明では、触媒として、金属化合物を含む触媒を用いることにより、セルロース微細繊維に導入されたカルボキシル基が金属塩を形成し、解繊効率を向上できる。
(catalyst)
In the present invention, a catalyst containing a metal compound in addition to a dibasic carboxylic acid anhydride is used to promote esterification of cellulose. In the present invention, by using a catalyst containing a metal compound as the catalyst, the carboxyl groups introduced into the cellulose fine fibers form a metal salt, and the fibrillation efficiency can be improved.

金属化合物としては、例えば、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物などが挙げられる。これらの金属化合物は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of the metal compound include alkali metal compounds and alkaline earth metal compounds. These metal compounds can be used alone or in combination of two or more.

アルカリ金属化合物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物;炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩;炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩;水素化ナトリウム、水素化カリウムなどのアルカリ金属水素化物;酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、プロピオン酸ナトリウム、プロピオン酸カリウム、酪酸ナトリウムなどのカルボン酸アルカリ金属塩;メタホウ酸ナトリウム、四ホウ酸ナトリウム(ホウ砂)などのホウ酸アルカリ金属塩;リン酸三ナトリウムなどのリン酸アルカリ金属塩;リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二ナトリウムなどのアルカリ金属リン酸水素塩;ナトリウムメトキシド、カリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムエトキシド、ナトリウムt-ブトキシド、カリウムt-ブトキシドなどのアルカリ金属C1-4アルコキシドなどが挙げられる。 Examples of alkali metal compounds include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide; alkali metal carbonates such as lithium carbonate, sodium carbonate, and potassium carbonate; sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc. alkali metal bicarbonates; alkali metal hydrides such as sodium hydride and potassium hydride; alkali metal carboxylates such as lithium acetate, sodium acetate, potassium acetate, sodium propionate, potassium propionate, and sodium butyrate; metaboric acid Alkali metal borates such as sodium, sodium tetraborate (borax); alkali metal phosphates such as trisodium phosphate; alkalis such as sodium dihydrogen phosphate, potassium dihydrogen phosphate, and disodium hydrogen phosphate Metal hydrogen phosphate; alkali metal C 1-4 alkoxides such as sodium methoxide, potassium methoxide, sodium ethoxide, potassium ethoxide, sodium t-butoxide, potassium t-butoxide, and the like.

アルカリ土類金属化合物としては、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属水酸化物;炭酸マグネシウムなどの炭酸アルカリ土類金属塩;炭酸水素マグネシウムなどの炭酸水素アルカリ土類金属塩;酢酸カルシウムなどのカルボン酸アルカリ土類金属塩;カルシウムジt-ブトキシドなどのアルカリ土類金属C1-4アルコキシドなどが挙げられる。 Examples of alkaline earth metal compounds include alkaline earth metal hydroxides such as magnesium hydroxide and calcium hydroxide; alkaline earth metal carbonate salts such as magnesium carbonate; and alkaline earth metal hydrogen carbonate salts such as magnesium hydrogen carbonate. ; carboxylic acid alkaline earth metal salts such as calcium acetate; and alkaline earth metal C 1-4 alkoxides such as calcium di-t-butoxide.

これらの金属化合物のうち、エステル化反応における触媒作用だけでなく、二塩基カルボン酸無水物のミクロフィブリル間への浸透性も促進できる点から、弱塩基性の塩基触媒(特に、弱塩基性の塩)が特に好ましい。金属化合物が塩基触媒であっても、強塩基性であると、エステル化剤のミクロフィブリル間への浸透の前にセルロースの表面での反応が進行し、解繊性が低下する虞がある。弱塩基性の金属化合物は、1モル/リットルの水溶液におけるpHが7~11、好ましくは7.5~10、さらに好ましくは7.8~9(特に8~8.5)程度であってもよい。 Of these metal compounds, weakly basic base catalysts (especially weakly salt) is particularly preferred. Even if the metal compound is a basic catalyst, if the metal compound is strongly basic, the reaction will proceed on the surface of cellulose before the esterifying agent penetrates between the microfibrils, and there is a possibility that the fibrillation property will be reduced. The weakly basic metal compound may have a pH of about 7 to 11, preferably 7.5 to 10, more preferably 7.8 to 9 (especially 8 to 8.5) in a 1 mol/liter aqueous solution. good.

このような弱塩基性の金属化合物としては、炭酸ナトリウムなどのアルカリ金属炭酸塩;炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩;酢酸リチウム、酢酸ナトリウムなどのカルボン酸アルカリ金属塩;四ホウ酸ナトリウム(ホウ砂)などのアルカリ金属ホウ酸塩;リン酸三ナトリウムなどのアルカリ金属リン酸塩;リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二ナトリウムなどのアルカリ金属リン酸水素塩;炭酸マグネシウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩;炭酸水素マグネシウムなどのアルカリ土類金属炭酸水素塩;酢酸カルシウムなどのアルカリ土類金属カルボン酸塩などが挙げられる。これらの金属化合物は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。これらのうち、炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩、酢酸リチウムなどのアルカリ金属C1-4アルカン-モノカルボン酸塩が好ましく、均一なナノサイズのセルロースナノファイバーを製造できる点から、アルカリ金属炭酸水素塩が特に好ましい。 Such weakly basic metal compounds include alkali metal carbonates such as sodium carbonate; alkali metal hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate; alkali metal carboxylates such as lithium acetate and sodium acetate; sodium tetraborate ( Alkali metal borates such as borax; alkali metal phosphates such as trisodium phosphate; alkali metal hydrogen phosphates such as sodium dihydrogen phosphate, potassium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate; carbonic acid Examples include alkaline earth metal carbonates such as magnesium; alkaline earth metal hydrogen carbonates such as magnesium hydrogen carbonate; alkaline earth metal carboxylates such as calcium acetate. These metal compounds can be used alone or in combination of two or more. Among these, alkali metal hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate, alkali metal C 1-4 alkane monocarboxylate such as lithium acetate are preferred, and alkali metal Particularly preferred are hydrogen carbonates.

金属化合物(特に、アルカリ金属化合物)は、触媒中50質量%以上であってもよく、例えば80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、最も好ましくは100質量%(金属化合物単独)である。金属化合物の割合が少なすぎると、解繊効率が低下する虞がある。 The metal compound (particularly the alkali metal compound) may be 50% by mass or more in the catalyst, for example 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and most preferably 100% by mass (metal compound alone). . If the proportion of the metal compound is too small, there is a risk that the fibrillation efficiency will decrease.

触媒は、前記金属化合物に加えて、他の触媒(金属を含まない触媒)をさらに含んでいてもよい。他の触媒には、塩基触媒、酸触媒(プロトン酸、ルイス酸など)が含まれる。 In addition to the metal compound, the catalyst may further contain another catalyst (catalyst not containing metal). Other catalysts include base catalysts, acid catalysts (protic acids, Lewis acids, etc.).

塩基触媒としては、例えば、アンモニア、第三級アミン類(例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミンなどのトリC1-4アルキルアミンなど)、複素環式アミン類(4-ジメチルアミノピリジン、モルホリン、ピペリジンなど)、第4級アンモニウム塩(例えば、塩化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウムなどのテトラC1-4アルキルアンモニウムハライド;塩化ベンジルトリメチルアンモニウムなどのベンジルトリC1-4アルキルアンモニウムハライドなど)などが挙げられる。 Examples of the base catalyst include ammonia, tertiary amines (for example, tri-C 1-4 alkylamines such as trimethylamine and triethylamine), heterocyclic amines (4-dimethylaminopyridine, morpholine, piperidine, etc.), Examples include quaternary ammonium salts (eg, tetraC 1-4 alkyl ammonium halides such as tetraethylammonium chloride and tetraethylammonium bromide; benzyltriC 1-4 alkyl ammonium halides such as benzyltrimethylammonium chloride), and the like.

酸触媒としては、例えば、無機酸[例えば、硫酸、塩化水素(または塩酸)、硝酸、リン酸など]、有機酸[例えば、スルホン酸(メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸などのアルカンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p-トルエンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸などのアレーンスルホン酸)など]が挙げられる。 Examples of acid catalysts include inorganic acids [for example, sulfuric acid, hydrogen chloride (or hydrochloric acid), nitric acid, phosphoric acid, etc.], organic acids [for example, sulfonic acids (such as methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, etc.)] arenesulfonic acids such as alkanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, and naphthalenesulfonic acid].

他の触媒の割合は、前記金属化合物100質量部に対して50質量部以下(例えば0.1~50質量部)であってもよく、好ましくは30質量部以下、さらに好ましくは10質量部以下である。他の触媒の割合が多すぎると、解繊効率や透明性が低下する虞がある。 The proportion of the other catalyst may be 50 parts by mass or less (for example, 0.1 to 50 parts by mass), preferably 30 parts by mass or less, more preferably 10 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the metal compound. It is. If the proportion of other catalysts is too large, the fibrillation efficiency and transparency may decrease.

触媒(特に、金属化合物)の割合は、原料となるセルロース100質量部に対して反応性解繊液全体に対して10~1000質量部であればよく、例えば30~500質量部、好ましくは50~400質量部、さらに好ましくは80~300質量部、より好ましくは100~250質量部、最も好ましくは150~200質量部である。触媒(特に、金属化合物)の割合は、反応性解繊液全体に対して0.5~50質量%であればよく、例えば1~30質量%、好ましくは2~20質量%、さらに好ましくは2.5~15質量%、より好ましくは3~10質量%、最も好ましくは5~8質量%である。触媒の割合が少なすぎると、セルロースの修飾率が低下し、セルロースを解繊する作用も低下する虞がある。一方、触媒の割合が多すぎると、修飾率が高すぎるためセルロースが分解する虞がある上に、セルロースへの反応性解繊液の浸透性が低下し、セルロースを解繊する作用も低下する虞がある。 The proportion of the catalyst (particularly the metal compound) may be 10 to 1000 parts by mass, for example 30 to 500 parts by mass, preferably 50 to 1000 parts by mass, based on the entire reactive fibrillation liquid per 100 parts by mass of cellulose as a raw material. ~400 parts by weight, more preferably 80 to 300 parts by weight, more preferably 100 to 250 parts by weight, and most preferably 150 to 200 parts by weight. The proportion of the catalyst (particularly the metal compound) may be 0.5 to 50% by mass based on the entire reactive defibration liquid, for example 1 to 30% by mass, preferably 2 to 20% by mass, more preferably 2.5-15% by weight, more preferably 3-10% by weight, most preferably 5-8% by weight. If the proportion of the catalyst is too small, the modification rate of cellulose may decrease, and the effect of fibrillating cellulose may also decrease. On the other hand, if the proportion of the catalyst is too high, the modification rate is too high and there is a risk that cellulose will decompose, and the permeability of the reactive fibrillation liquid to cellulose will decrease, and the effect of fibrillating cellulose will also decrease. There is a possibility.

触媒の割合は、二塩基カルボン酸無水物100質量部に対して30質量部以上であればよく、例えば50~1000質量部程度の範囲から選択でき、例えば50~500質量部、好ましくは80~400質量部、さらに好ましくは100~300質量部、最も好ましくは150~200質量部である。触媒の割合が少なすぎると、セルロースの修飾率が低下し、セルロースを解繊する作用も低下する虞がある。 The proportion of the catalyst may be 30 parts by mass or more based on 100 parts by mass of the dibasic carboxylic acid anhydride, and can be selected from a range of about 50 to 1000 parts by mass, for example 50 to 500 parts by mass, preferably 80 to 100 parts by mass. The amount is 400 parts by weight, more preferably 100 to 300 parts by weight, and most preferably 150 to 200 parts by weight. If the proportion of the catalyst is too small, the modification rate of cellulose may decrease, and the effect of fibrillating cellulose may also decrease.

(溶媒)
溶媒としては、二塩基カルボン酸無水物の反応性およびセルロースの解繊を損なわない溶媒であれば特に限定されないが、二塩基カルボン酸無水物のミクロフィブリル間への浸透性を促進でき、かつセルロースの水酸基に対する反応性を適度に調整できるため、ドナー数25以上の非プロトン性溶媒を含む溶媒が好ましい。このような非プロトン性溶媒のドナー数は、例えば25~35、好ましくは26~33、さらに好ましくは28~33、最も好ましくは29~31である。ドナー数が低すぎると、カルボン酸無水物のミクロフィブリル間への浸透性を向上させる効果が発現しない虞がある。なお、ドナー数については、文献「Netsu Sokutei 28(3)135-143」を参照できる。
(solvent)
The solvent is not particularly limited as long as it does not impair the reactivity of the dibasic carboxylic anhydride and the fibrillation of cellulose, but it can promote the permeability of the dibasic carboxylic anhydride between microfibrils and is suitable for cellulose. A solvent containing an aprotic solvent having 25 or more donors is preferable because the reactivity toward hydroxyl groups can be adjusted appropriately. The donor number of such an aprotic solvent is, for example, 25 to 35, preferably 26 to 33, more preferably 28 to 33, and most preferably 29 to 31. If the number of donors is too low, there is a possibility that the effect of improving the permeability of the carboxylic acid anhydride between microfibrils will not be expressed. Regarding the number of donors, reference can be made to the document "Netsu Sokutei 28 (3) 135-143".

前記非プロトン性溶媒としては、例えば、アルキルスルホキシド類、アルキルアミド類、ピロリドン類などが挙げられる。これらの溶媒は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of the aprotic solvent include alkyl sulfoxides, alkylamides, and pyrrolidones. These solvents can be used alone or in combination of two or more.

アルキルスルホキシド類としては、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、メチルエチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのジC1-4アルキルスルホキシドなどが挙げられる。 Examples of the alkyl sulfoxides include di-C 1-4 alkyl sulfoxides such as dimethyl sulfoxide (DMSO), methyl ethyl sulfoxide, and diethyl sulfoxide.

アルキルアミド類としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N-ジエチルホルムアミドなどのN,N-ジC1-4アルキルホルムアミド;N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N-ジエチルアセトアミドなどのN,N-ジC1-4アルキルアセトアミドなどが挙げられる。 Examples of the alkylamides include N,N-diC 1-4 alkylformamides such as N,N-dimethylformamide (DMF) and N,N-diethylformamide; N,N-dimethylacetamide (DMAc), N, Examples include N,N-diC 1-4 alkyl acetamides such as N-diethylacetamide.

ピロリドン類としては、例えば、2-ピロリドン、3-ピロリドンなどのピロリドン;N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などのN-C1-4アルキル-ピロリドンなどが挙げられる。 Examples of the pyrrolidones include pyrrolidones such as 2-pyrrolidone and 3-pyrrolidone; N-C 1-4 alkyl-pyrrolidones such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

これらの非プロトン性溶媒は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。これらの非プロトン性溶媒(括弧内の数字はドナー数)のうち、DMSO(29.8)、DMF(26.6)、DMAc(27.8)、NMP(27.3)などが汎用される。 These aprotic solvents can be used alone or in combination of two or more. Among these aprotic solvents (the number in parentheses is the number of donors), DMSO (29.8), DMF (26.6), DMAc (27.8), NMP (27.3), etc. are commonly used. .

これらのうち、非プロトン性溶媒のうち、二塩基カルボン酸無水物のミクロフィブリル間への浸透性を高度に促進できる点から、アルキルスルホキシド類および/またはアルキルアセトアミド類(特に、DMSOなどのジC1-2アルキルスルホキシド)が好ましく、セルロースの解繊効果を向上できる点から、DMSOが特に好ましく、変色を抑制できる点からDMAcが特に好ましい。特に、化学解繊性に優れる点から、アルキルスルホキシド類が好ましく、DMSOなどのジC1-2アルキルスルホキシドが特に好ましい。 Among these aprotic solvents, alkyl sulfoxides and/or alkyl acetamides (especially dicarbonate such as DMSO) can highly promote the permeability of dibasic carboxylic acid anhydrides between microfibrils. 1-2 alkyl sulfoxide) is preferred, DMSO is particularly preferred because it can improve the fibrillation effect of cellulose, and DMAc is particularly preferred because it can suppress discoloration. In particular, alkyl sulfoxides are preferred from the viewpoint of excellent chemical defibration properties, and di-C 1-2 alkyl sulfoxides such as DMSO are particularly preferred.

溶媒は、他の溶媒として、ドナー数25未満の慣用の溶媒、例えば、メタノール、アセトニトリル、ジオキサン、アセトン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフランなどを含んでいてもよいが、ドナー数25以上の非プロトン性溶媒を主溶媒として含むのが好ましい。ドナー数25以上の非プロトン性溶媒の割合は、溶媒全体に対して50質量%以上であってもよく、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上であり、100質量%(ドナー数25以上の非プロトン性溶媒単独)であってもよい。ドナー数25未満の溶媒が多すぎると、セルロースミクロフィブリル間への反応性解繊液の浸透性が低下するため、セルロースの解繊率が低下する虞がある。 The solvent may contain, as other solvents, conventional solvents with a donor number of less than 25, such as methanol, acetonitrile, dioxane, acetone, dimethyl ether, tetrahydrofuran, etc., but is mainly an aprotic solvent with a donor number of 25 or more. Preferably, it is included as a solvent. The proportion of the aprotic solvent having 25 or more donors may be 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and 100% by mass (donors). (25 or more aprotic solvents alone) may be used. If there is too much solvent having a donor number of less than 25, the permeability of the reactive fibrillation liquid between cellulose microfibrils will decrease, and there is a possibility that the fibrillation rate of cellulose will decrease.

溶媒の割合は、セルロース1質量部に対して1質量部以上であってもよく、例えば1~1000質量部、好ましくは5~500質量部、さらに好ましくは10~100質量部、最も好ましくは20~50質量部である。触媒(特に、炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩)と、溶媒(特に、アルキルスルホキシド類および/またはアルキルアミド類などの非プロトン性溶媒)との質量比は、触媒/溶媒=100/0~0.1/99.9程度の範囲から選択でき、修飾反応速度およびミクロフィブリル間への反応性解繊液の浸透速度を向上できる点から、例えば50/50~0.5/99.5、好ましくは20/80~2/98、さらに好ましくは15/85~2.5/97.5、より好ましくは10/90~3/97、最も好ましくは8/90~4/96である。溶媒の割合が多すぎると、セルロースの修飾率が低下し、セルロースを解繊する作用も低下する虞がある。 The proportion of the solvent may be 1 part by weight or more per 1 part by weight of cellulose, for example 1 to 1000 parts by weight, preferably 5 to 500 parts by weight, more preferably 10 to 100 parts by weight, most preferably 20 parts by weight. ~50 parts by mass. The mass ratio of catalyst (especially alkali metal hydrogen carbonate such as sodium hydrogen carbonate) and solvent (especially aprotic solvent such as alkyl sulfoxides and/or alkylamides) is catalyst/solvent = 100/0. ~0.1/99.9, for example, 50/50~0.5/99.5 from the viewpoint of improving the modification reaction rate and the permeation rate of the reactive defibration liquid between microfibrils. , preferably 20/80 to 2/98, more preferably 15/85 to 2.5/97.5, more preferably 10/90 to 3/97, most preferably 8/90 to 4/96. If the proportion of the solvent is too large, the modification rate of cellulose may decrease, and the effect of fibrillating cellulose may also decrease.

(他のエステル化剤)
修飾解繊工程では、本発明の効果を損なわない範囲で、二塩基カルボン酸無水物に加えて、他のエステル化剤を用いてもよい。他のエステル化剤としては、二塩基カルボン酸(例えば、コハク酸、アジピン酸、マレイン酸、イタコン酸などの脂肪族ジカルボン酸;1-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸、ヘキサヒドロフタル酸、メチルテトラヒドロフタル酸などの脂環族ジカルボン酸;フタル酸、ナフタル酸などの芳香族ジカルボン酸など)、一塩基カルボン酸またはその無水物[例えば、(無水)酢酸、(無水)プロピオン酸、(無水)酪酸、(無水)イソ酪酸、(無水)吉草酸、エタン酸プロピオン酸無水物、(無水)(メタ)アクリル酸、(無水)クロトン酸、(無水)オレイン酸などの(無水)脂肪族モノカルボン酸;(無水)シクロヘキサンカルボン酸、(無水)テトラヒドロ安息香酸などの(無水)脂環族カルボン酸;(無水)安息香酸、(無水)4-メチル安息香酸などの(無水)芳香族モノカルボン酸など]、多塩基カルボン酸類[例えば、トリメリット酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などの(無水)ポリカルボン酸など]などが挙げられる。これらのエステル化剤は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。
(Other esterifying agents)
In the modified defibration step, other esterifying agents may be used in addition to the dibasic carboxylic anhydride within a range that does not impair the effects of the present invention. Other esterifying agents include dibasic carboxylic acids (e.g., aliphatic dicarboxylic acids such as succinic acid, adipic acid, maleic acid, itaconic acid; 1-cyclohexene-1,2-dicarboxylic acid, hexahydrophthalic acid, methyl alicyclic dicarboxylic acids such as tetrahydrophthalic acid; aromatic dicarboxylic acids such as phthalic acid and naphthalic acid), monobasic carboxylic acids or their anhydrides [e.g. (anhydrous) acetic acid, (anhydrous) propionic acid, (anhydrous) (anhydrous) aliphatic monocarboxylic acid such as butyric acid, (anhydrous) isobutyric acid, (anhydrous) valeric acid, ethanoic acid propionic anhydride, (meth)acrylic acid (anhydrous), (anhydrous) crotonic acid, (anhydrous) oleic acid, etc. Acids; (anhydrous) alicyclic carboxylic acids such as (anhydrous) cyclohexanecarboxylic acid and (anhydrous) tetrahydrobenzoic acid; (anhydrous) aromatic monocarboxylic acids such as (anhydrous) benzoic acid and (anhydrous) 4-methylbenzoic acid; ], polybasic carboxylic acids [for example, (anhydrous) polycarboxylic acids such as trimellitic acid, trimellitic anhydride, and pyromellitic anhydride]. These esterifying agents can be used alone or in combination of two or more.

他のエステル化剤の割合は、二塩基カルボン酸無水物100質量部に対して50質量部以下であり、例えば0~30質量部、好ましくは0.01~10質量部、さらに好ましくは0.1~5質量部である。他のエステル化剤の割合が多すぎると、二塩基カルボン酸無水物による修飾率が低下したり、解繊性が低下する虞がある。 The proportion of other esterifying agents is 50 parts by weight or less, for example 0 to 30 parts by weight, preferably 0.01 to 10 parts by weight, more preferably 0.01 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the dibasic carboxylic anhydride. It is 1 to 5 parts by mass. If the proportion of other esterifying agents is too large, there is a possibility that the modification rate with the dibasic carboxylic anhydride may decrease or the fibrillating property may decrease.

(反応条件)
修飾解繊工程では、金属化合物を含む触媒と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロースに浸透させて、セルロースをエステル化反応させて、セルロースのミクロフィブリルの表面にある水酸基をエステル化して修飾し、かつセルロースに導入されたカルボキシル基が金属化合物の金属イオンで金属塩を形成するとともに、セルロースを解繊できればよく、このような化学解繊方法は特に限定されないが、通常、触媒および二塩基カルボン酸無水物(および必要に応じて溶媒)を含む反応性解繊液を調製し、調製した反応性解繊液にセルロースを添加して混合する方法を利用できる。
(Reaction conditions)
In the modified fibrillation process, a reactive fibrillation liquid containing a catalyst containing a metal compound and a dibasic carboxylic acid anhydride is permeated into cellulose to cause an esterification reaction in the cellulose, thereby removing the hydroxyl groups on the surface of cellulose microfibrils. It is sufficient if the carboxyl group introduced into the cellulose forms a metal salt with the metal ion of the metal compound and the cellulose can be defibrated. Although such chemical defibration methods are not particularly limited, they are usually A method can be used in which a reactive fibrillation liquid containing a catalyst and a dibasic carboxylic acid anhydride (and a solvent if necessary) is prepared, and cellulose is added to and mixed with the prepared reactive fibrillation liquid.

反応性解繊液の調製方法は、予め前記触媒と二塩基カルボン酸無水物と(必要に応じて溶媒と)を攪拌などによって混合し、二塩基カルボン酸無水物を前記触媒(および溶媒)中に均一に溶解させてもよい。 The method for preparing the reactive fibrillation liquid is to mix the catalyst and dibasic carboxylic acid anhydride (with a solvent if necessary) in advance by stirring, etc., and mix the dibasic carboxylic acid anhydride in the catalyst (and solvent). It may be dissolved uniformly in

得られた反応性解繊液は、セルロースに対する高い浸透性を有している。そのため、セルロースを反応性解繊液に添加して混合することにより、二塩基カルボン酸無水物および触媒は、ミクロフィブリル間に浸入して、ミクロフィブリルの表面に存在する水酸基を修飾することにより、セルロースの修飾と解繊とを同時に行うことができる。 The obtained reactive defibration liquid has high permeability to cellulose. Therefore, by adding cellulose to the reactive defibration liquid and mixing it, the dibasic carboxylic acid anhydride and catalyst penetrate between the microfibrils and modify the hydroxyl groups present on the surface of the microfibrils. Cellulose modification and fibrillation can be performed simultaneously.

詳しくは、化学解繊方法は、反応性解繊液にセルロースを混合して2時間以上放置してエステル化する方法であってもよく、混合後、さらに溶液中でセルロースが均一な状態を維持できる程度の攪拌や混練(物理的にセルロースを解繊または破砕しない程度の攪拌や混練)を行ってもよい。すなわち、本発明の方法では、セルロースを修飾したカルボキシル基が金属塩を形成することにより、反応性解繊液の浸透性が劇的に改善されているため、反応は、反応性解繊液にセルロースを混合して放置するだけでも進行するが、浸透または均一性を促進するために、セルロースを粉砕または解繊させることなく攪拌可能な攪拌手段(低濃度の反応性解繊液における手段)や混練手段(高濃度の反応性解繊液における手段)を用いて攪拌や混練を行ってもよい。 Specifically, the chemical defibration method may be a method in which cellulose is mixed with a reactive defibration liquid and left to stand for 2 hours or more to esterify, and after mixing, the cellulose is further maintained in a uniform state in the solution. Stirring and kneading to the extent possible (stirring and kneading to the extent that cellulose is not physically defibrated or crushed) may be performed. That is, in the method of the present invention, the permeability of the reactive fibrillation liquid is dramatically improved by the carboxyl groups modifying cellulose forming metal salts. Although cellulose can proceed simply by mixing and leaving it, in order to promote penetration or uniformity, stirring means that can stir the cellulose without crushing or defibrating it (such as in a low-concentration reactive defibrating solution) or Stirring and kneading may be performed using a kneading means (means using a high concentration reactive defibration liquid).

前記攪拌手段は、物理的にセルロースを粉砕または解繊させる強力な攪拌ではなく、通常、化学反応で汎用されているマグネティックスターラまたは攪拌翼(例えば10~2000rpm、好ましくは50~1500rpm、さらに好ましくは50~1000rpm、特に50~500rpmの回転速度による攪拌)による攪拌であればよい。また、攪拌は、連続的に攪拌してもよく、断続的に攪拌してもよい。 The stirring means is not a strong stirring that physically crushes or defibrates the cellulose, but a magnetic stirrer or stirring blade (for example, 10 to 2000 rpm, preferably 50 to 1500 rpm, more preferably 50 to 1500 rpm, more preferably Stirring at a rotational speed of 50 to 1000 rpm, particularly 50 to 500 rpm may be sufficient. Further, stirring may be performed continuously or intermittently.

一方、前記混練手段も、物理的にセルロースを粉砕または解繊させる強力な混練ではなく、慣用の混練手段(通常、常温での混練手段)により、例えば10~2000rpm、好ましくは20~1500rpm、さらに好ましくは30~1000rpm、特に50~500rpm程度の回転速度で混練してもよい。慣用の混練方法としては、例えば、ミキシングローラ、ニーダ、バンバリーミキサー、押出機(一軸または二軸押出機など)などを用いた方法などが挙げられる。混練手段を利用すると、セルロースの化学解繊とその後の浸透または均一性の促進工程とを工業的に連続に行える点で有利である。 On the other hand, the kneading means is not a strong kneading method of physically pulverizing or defibrating the cellulose, but a conventional kneading means (usually kneading means at room temperature), for example, from 10 to 2000 rpm, preferably from 20 to 1500 rpm, and The kneading may be carried out preferably at a rotational speed of about 30 to 1000 rpm, particularly about 50 to 500 rpm. Examples of conventional kneading methods include methods using mixing rollers, kneaders, Banbury mixers, extruders (such as single-screw or twin-screw extruders), and the like. The use of kneading means is advantageous in that the chemical defibration of cellulose and the subsequent step of promoting infiltration or uniformity can be carried out industrially and continuously.

本発明では、化学解繊における反応温度は、加熱する必要はなく、室温で反応させればよいが、室温が溶媒の融点未満である場合は溶媒の融点以上に加熱するのが好ましい。このような反応温度で、2時間以上反応させることにより、剪断力の働きによる機械的解繊手段を用いることなく、セルロースを化学的に解繊できる。そのため、本発明では、余分なエネルギーを使用することなくセルロースを解繊できる。なお、反応を促進するために、加熱してもよく、加熱温度は、例えば90℃以下(例えば40~90℃程度)、好ましくは80℃以下、さらに好ましくは70℃以下程度である。 In the present invention, the reaction temperature in chemical defibration does not need to be heated, and the reaction may be carried out at room temperature, but if the room temperature is lower than the melting point of the solvent, it is preferable to heat it to a temperature higher than the melting point of the solvent. By reacting at such a reaction temperature for 2 hours or more, cellulose can be chemically defibrated without using mechanical defibration means using shearing force. Therefore, in the present invention, cellulose can be defibrated without using extra energy. In order to promote the reaction, heating may be performed, and the heating temperature is, for example, 90° C. or lower (eg, about 40 to 90° C.), preferably 80° C. or lower, and more preferably about 70° C. or lower.

反応時間は、二塩基カルボン酸無水物および触媒の種類や、前記溶媒のドナー数によって選択でき、例えば3~72時間、好ましくは5~48時間、さらに好ましくは10~36時間(特に18~30時間)程度である。反応時間が短すぎると、反応性解繊液がミクロフィブリル間まで浸透するのが不十分となり、反応が不十分となり、解繊度合いも低下する虞がある。一方、反応時間は長すぎると修飾セルロース微細繊維の収率が低下する虞がある。 The reaction time can be selected depending on the type of dibasic carboxylic acid anhydride and catalyst, and the number of donors in the solvent, and is, for example, 3 to 72 hours, preferably 5 to 48 hours, more preferably 10 to 36 hours (especially 18 to 30 hours). time). If the reaction time is too short, the reactive fibrillation liquid may not sufficiently penetrate between the microfibrils, the reaction may become insufficient, and the degree of fibrillation may decrease. On the other hand, if the reaction time is too long, the yield of modified cellulose fine fibers may decrease.

反応は、不活性ガス(窒素、アルゴンなどの希ガスなど)雰囲気下または減圧下で行ってもよいが、通常、密閉反応容器内で行う場合が多い。このような反応条件であれば、空気中の水分が系内に吸入されないため、好ましい。 Although the reaction may be carried out under an inert gas atmosphere (nitrogen, rare gas such as argon, etc.) or under reduced pressure, it is usually carried out in a closed reaction vessel in many cases. Such reaction conditions are preferable because moisture in the air is not sucked into the system.

化学解繊して得られた修飾セルロース微細繊維は、反応終了後、水などの失活剤を添加して、二塩基カルボン酸無水物(エステル化剤)を失活させた後、慣用の方法(例えば、遠心分離、濾過、濃縮、抽出など)により分離精製してもよい。例えば、失活させたエステル化剤、触媒および溶媒を溶解可能な洗浄溶媒を反応混合物に添加し、前記遠心分離、濾過、抽出などの分離法(慣用の方法)で分離精製(洗浄)してもよい。なお、分離操作は複数回(例えば、2~5回程度)行うことができる。前記洗浄溶媒としては、例えば、水、アセトンなどのケトン類、エタノール、イソプロパノールなどのC1-4アルカノールなどが挙げられる。 After the reaction, the modified cellulose fine fibers obtained by chemical defibration are processed by a conventional method by adding a deactivating agent such as water to deactivate the dibasic carboxylic acid anhydride (esterifying agent). Separation and purification may be performed (for example, centrifugation, filtration, concentration, extraction, etc.). For example, a washing solvent capable of dissolving the deactivated esterifying agent, catalyst, and solvent is added to the reaction mixture, and the separation and purification (washing) is carried out by a separation method (commonly used) such as centrifugation, filtration, or extraction. Good too. Note that the separation operation can be performed multiple times (for example, about 2 to 5 times). Examples of the cleaning solvent include water, ketones such as acetone, and C 1-4 alkanols such as ethanol and isopropanol.

[攪拌工程]
得られた修飾セルロース微細繊維は、化学解繊によりナノサイズにまで解繊されているが、一部に繊維同士が緩く凝集したミクロンサイズの繊維が残存している。そのため、攪拌工程で分散媒と攪拌することにより、より均一な繊維径を有するナノファイバーを調製できる。
[Stirring process]
The obtained modified cellulose fine fibers have been chemically defibrated to nano-sized fibers, but some micron-sized fibers in which the fibers are loosely aggregated remain. Therefore, by stirring with a dispersion medium in the stirring step, nanofibers having a more uniform fiber diameter can be prepared.

攪拌方法としては、攪拌できれば特に限定されず、慣用の攪拌方法を利用でき、例えば、攪拌翼を有する攪拌機(例えば、ミキサー、乳化装置など)、摩砕機(例えば、マスコロイダーなど)、高圧分散装置(例えば、スターバーストなど)を用いた方法などを利用できる。 The stirring method is not particularly limited as long as it can stir, and any conventional stirring method can be used, such as a stirrer with stirring blades (e.g., mixer, emulsifier, etc.), a grinder (e.g., mass colloider, etc.), and a high-pressure dispersion device. (For example, a method using starburst, etc.) can be used.

なかでも、攪拌方法としては、均一なナノサイズで、繊維形状の損傷が少なくてアスペクト比が大きい修飾セルロースナノファイバーが得られる点から、修飾セルロース微細繊維を液-液剪断する攪拌方法が好ましい。液-液剪断とは、流体と接触壁面との外部剪断力による剪断とは異なり、乱流域を発生させ、速度の不規則な変動のために生じるレイノルズ応力と称される内部剪断力(流体自身の分子間引力)を利用した剪断である。本発明では、このような液-液剪断する攪拌機として、スクリーン(スリット状の複数の孔部を有する円錐体)とローター(スクリーン内部に収容された攪拌翼)とを組み合わせた乳化装置を利用できる。この乳化装置では、ロータによって攪拌された修飾セルロース微細繊維および分散媒がスクリーンを通過することにより、修飾セルロース微細繊維に対してレイノルズ応力を付与できる。このような乳化装置としては、市販の乳化装置(例えば、エム・テクニック(株)製「クレアミックス」)を利用できる。 Among these, a preferred stirring method is a stirring method in which modified cellulose fine fibers are subjected to liquid-liquid shearing, since modified cellulose nanofibers with a uniform nanosize, less damage to the fiber shape, and a high aspect ratio can be obtained. Liquid-liquid shear differs from shear caused by external shear forces between the fluid and the contacting wall surface. Liquid-liquid shear generates a turbulent area and is caused by an internal shear force called Reynolds stress (the fluid itself) caused by irregular fluctuations in velocity. This is shearing that utilizes the intermolecular attraction of In the present invention, an emulsifying device that combines a screen (a conical body having a plurality of slit-like holes) and a rotor (stirring blades housed inside the screen) can be used as a stirrer for shearing liquid-liquid. . In this emulsification device, the modified cellulose fine fibers and the dispersion medium stirred by the rotor pass through a screen, thereby applying Reynolds stress to the modified cellulose fine fibers. As such an emulsifying device, a commercially available emulsifying device (for example, “Clearmix” manufactured by M Technique Co., Ltd.) can be used.

攪拌の回転速度は、2000rpm以上であればよく、例えば2000~100000rpm、好ましくは3000~50000rpm、さらに好ましくは5000~30000rpm、最も好ましくは10000~25000rpmである。回転速度が小さすぎると、繊維径の均一性が低下する虞がある。 The rotational speed of stirring may be 2000 rpm or more, for example 2000 to 100000 rpm, preferably 3000 to 50000 rpm, more preferably 5000 to 30000 rpm, and most preferably 10000 to 25000 rpm. If the rotation speed is too low, there is a risk that the uniformity of the fiber diameter will decrease.

攪拌時間は、回転速度に応じて適宜選択でき、例えば30秒以上であってもよく、例えば30秒~1時間、好ましくは1~30分、さらに好ましくは2~10分である。 The stirring time can be appropriately selected depending on the rotation speed, and may be, for example, 30 seconds or more, for example, 30 seconds to 1 hour, preferably 1 to 30 minutes, and more preferably 2 to 10 minutes.

本発明では、メディアミル、コロイドミル、ロールミル、回転式、高圧式ホモジナイザーなどの外部剪断力を利用することなく、均一なナノファイバーが得られる。そのため、外部剪断力を利用しない攪拌方法が好ましい。 In the present invention, uniform nanofibers can be obtained without using external shearing force such as a media mill, colloid mill, roll mill, rotary type, or high-pressure homogenizer. Therefore, a stirring method that does not utilize external shearing force is preferred.

分散媒は、水であってもよく、有機溶媒であってもよい。有機溶媒としては、例えば、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどのC1-4アルカノールなど)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフランなどの環状エーテル類)、ケトン類(アセトンなど)、アミド類(ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジエチルアセトアミドなど)、スルホキシド類(ジメチルスルホキシドなど)、アルカンジオール(例えば、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのC2-4アルカンジオール)、セロソルブ類(メチルセロソルブ、エチルセロソルブ)、カルビトール類(エチルカルビトールなど)、カーボネート類(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネートなど)などが挙げられる。これらの分散媒は、単独でまたは二種以上組み合わせてもよい。なお、分散媒は、攪拌工程で新たに添加してもよく、修飾解繊工程の洗浄などで利用した溶媒を利用してもよい。 The dispersion medium may be water or an organic solvent. Examples of organic solvents include alcohols (C 1-4 alkanols such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol), ethers (cyclic ethers such as dioxane and tetrahydrofuran), ketones (acetone, etc.), and amides (such as dioxane and tetrahydrofuran). dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, diethylacetamide, etc.), sulfoxides (dimethylsulfoxide, etc.), alkanediols (e.g., C2-4 alkanediols such as ethylene glycol and propylene glycol), cellosolves (methyl cellosolve, ethyl cellosolve) , carbitols (such as ethyl carbitol), carbonates (cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate; dimethyl carbonate, etc.). These dispersion media may be used alone or in combination of two or more. Note that the dispersion medium may be newly added in the stirring step, or the solvent used in the washing or the like in the modified defibration step may be used.

分散媒の溶解度パラメーター(SP値)は高い方が好ましく、具体的な溶解度パラメーターは10以上であってもよく、例えば10~30、好ましくは12~28、さらに好ましくは15~26、最も好ましくは20~25である。溶解度パラメーターが低すぎると、繊維径の均一性が低下する虞がある。なお、本明細書および特許請求の範囲におけるSP値は、HildebrandのSP値である。 The higher the solubility parameter (SP value) of the dispersion medium, the more preferable it is, and the specific solubility parameter may be 10 or more, for example 10 to 30, preferably 12 to 28, more preferably 15 to 26, most preferably It is 20-25. If the solubility parameter is too low, the uniformity of fiber diameter may decrease. Note that the SP value in this specification and claims is Hildebrand's SP value.

これらの分散媒のうち、繊維径の均一性を向上できる点から、水、溶解度パラメーター10以上の有機溶媒(特にC1-4アルカノール)が好ましい。さらに、分散媒は、水を含むのが特に好ましく、水単独、水とC1-4アルカノール(エタノールなど)との混合溶媒であってもよい。 Among these dispersion media, water and organic solvents with a solubility parameter of 10 or more (particularly C 1-4 alkanols) are preferred from the standpoint of improving the uniformity of fiber diameter. Further, the dispersion medium particularly preferably contains water, and may be water alone or a mixed solvent of water and a C 1-4 alkanol (such as ethanol).

分散媒の割合は、修飾セルロース微細繊維1質量部に対して、例えば10~1000質量部、好ましくは20~500質量部、さらに好ましくは30~300質量部、最も好ましくは50~200質量部である。分散媒の割合が少なすぎると、高速で攪拌するのが困難となる上に、繊維に対するダメージが大きくなり、繊維径の均一性が低下する虞がある。一方、分散媒の割合が多すぎると、効率が低下し、修飾セルロースナノファイバーの回収が難しくなる虞がある。 The proportion of the dispersion medium is, for example, 10 to 1000 parts by mass, preferably 20 to 500 parts by mass, more preferably 30 to 300 parts by mass, and most preferably 50 to 200 parts by mass, per 1 part by mass of modified cellulose fine fibers. be. If the proportion of the dispersion medium is too small, it will be difficult to stir at high speed, and there is a risk that damage to the fibers will increase and the uniformity of the fiber diameter will decrease. On the other hand, if the proportion of the dispersion medium is too high, the efficiency may decrease and recovery of the modified cellulose nanofibers may become difficult.

[修飾セルロースナノファイバー]
本発明の修飾セルロースナノファイバーは、前記攪拌工程を経て得られ、二塩基カルボン酸無水物で修飾され、かつ金属塩の形態を含むとともに、極細のナノサイズであり、かつ均一な繊維径に解繊されている。修飾セルロースナノファイバーの平均繊維径は200nm以下(好ましくは150nm以下、さらに好ましくは120nm以下、最も好ましくは100nm以下)であってもよく、例えば1~200nm、好ましくは10~150nm、さらに好ましくは30~120nm、最も好ましくは50~100nmである。繊維径が大きすぎると、膜や溶液の状態における透明性、チキソトロピー性、成膜性などが低下したり、補強材としての効果が低下する虞がある。一方、繊維径が小さすぎると、微細繊維の取り扱い性や耐熱性も低下する虞がある。
[Modified cellulose nanofiber]
The modified cellulose nanofibers of the present invention are obtained through the above-mentioned stirring step, are modified with dibasic carboxylic acid anhydride, contain metal salts, are extremely fine nano-sized, and are dissolved into uniform fiber diameters. It is made of fiber. The average fiber diameter of the modified cellulose nanofibers may be 200 nm or less (preferably 150 nm or less, more preferably 120 nm or less, most preferably 100 nm or less), for example 1 to 200 nm, preferably 10 to 150 nm, more preferably 30 nm or less. ~120 nm, most preferably 50-100 nm. If the fiber diameter is too large, there is a risk that transparency, thixotropy, film formability, etc. in the state of a film or solution may be reduced, or the effect as a reinforcing material may be reduced. On the other hand, if the fiber diameter is too small, the handling properties and heat resistance of the fine fibers may also be reduced.

本発明の修飾セルロースナノファイバーは、二塩基カルボン酸無水物で修飾されたカルボキシル基を有しているが、このカルボキシル基の少なくとも一部は金属塩の形態である。カルボキシル基全体に対して、金属塩の形態であるカルボキシル基の割合は、全カルボキシル基中50モル%以上であってもよく、好ましくは80モル%以上、さらに好ましくは90モル%以上であり、最も好ましくは100モル%である。金属塩の割合が少なすぎると、解繊効率が低下し、均一なナノファイバーを製造するのが困難となる虞がある。 The modified cellulose nanofiber of the present invention has a carboxyl group modified with a dibasic carboxylic acid anhydride, and at least a part of this carboxyl group is in the form of a metal salt. The proportion of carboxyl groups in the form of metal salts may be 50 mol% or more, preferably 80 mol% or more, more preferably 90 mol% or more, based on the total carboxyl groups, Most preferably it is 100 mol%. If the proportion of the metal salt is too small, the fibrillation efficiency may decrease and it may be difficult to produce uniform nanofibers.

本発明の修飾セルロースナノファイバーは、均一な繊維径を有しており、繊維径300nm以上の繊維数が全繊維数に対して10%以下(特に5%以下)であってもよく、300nm以上の繊維を実質的に含んでいない(0%である)のが好ましい。そのため、本発明の修飾セルロースナノファイバーの最大繊維径は500nm以下(特に300nm以下)であってもよく、好ましくは200nm以下、さらに好ましくは100nm以下であってもよい。繊維径の均一性が低すぎると、透明性、チキソトロピー性、成膜性などが低下したり、緻密または均一な膜を形成できない虞がある。 The modified cellulose nanofiber of the present invention has a uniform fiber diameter, and the number of fibers with a fiber diameter of 300 nm or more may be 10% or less (especially 5% or less) of the total number of fibers, and the number of fibers with a fiber diameter of 300 nm or more may be 10% or less (especially 5% or less), and Preferably, it contains substantially no (0%) fibers. Therefore, the maximum fiber diameter of the modified cellulose nanofiber of the present invention may be 500 nm or less (especially 300 nm or less), preferably 200 nm or less, and more preferably 100 nm or less. If the uniformity of the fiber diameter is too low, transparency, thixotropy, film formability, etc. may deteriorate, or a dense or uniform film may not be formed.

本発明の修飾セルロースナノファイバーは、化学解繊されてナノサイズに解繊された後、強力な外部外部剪断力を付与することなく攪拌されているため、従来の強力な機械解繊法で得られたナノファイバーよりも長い繊維長を有しており、平均繊維長は1μm以上であってもよく、例えば1~1000μm程度の範囲から選択でき、例えば1~1000μm、好ましくは3~500μm、さらに好ましくは5~200μmである。繊維長が短すぎると、繊維長が短すぎると、補強効果や成膜機能が低下する虞がある。また、長すぎると、繊維が絡み易くなるため、溶媒や樹脂への分散性が低下する虞がある。 The modified cellulose nanofibers of the present invention are chemically defibrated into nano-sized fibers and then stirred without applying a strong external shearing force. The average fiber length may be 1 μm or more, for example, from a range of about 1 to 1000 μm, for example, 1 to 1000 μm, preferably 3 to 500 μm, and Preferably it is 5 to 200 μm. If the fiber length is too short, there is a risk that the reinforcing effect and film forming function will be reduced. Furthermore, if the length is too long, the fibers tend to become entangled, which may reduce the dispersibility in solvents and resins.

修飾セルロースナノファイバーの平均繊維径に対する平均繊維長の割合(アスペクト比)は用途に応じて対応でき、例えば10以上であってもよく、例えば30~10000、好ましくは50~8000、さらに好ましくは100~5000である。 The ratio (aspect ratio) of the average fiber length to the average fiber diameter of the modified cellulose nanofibers can be adjusted depending on the application, and may be, for example, 10 or more, for example, 30 to 10,000, preferably 50 to 8,000, and more preferably 100. ~5000.

なお、本明細書および特許請求の範囲では、修飾セルロースナノファイバーの平均繊維径は、SEM写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出し、平均繊維長は、走査型電子顕微鏡写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出し、アスペクト比は、それらの結果から算出してもよい。 In this specification and claims, the average fiber diameter of the modified cellulose nanofibers is calculated by randomly selecting 50 fibers from SEM photographic images and averaging them, and the average fiber length is calculated by averaging The aspect ratio may be calculated by randomly selecting 50 fibers from the electron micrograph images and averaging them, and calculating the aspect ratio from the results.

また、修飾セルロースナノファイバーは各繊維または全ての繊維がむら無くエステル化修飾されているため、有機溶媒や樹脂などの有機媒体によく分散できる。修飾セルロースナノファイバーの特性(例えば、低線膨張特性、強度、耐熱性など)を樹脂に有効に発現させるためには、結晶性の高い修飾セルロースナノファイバーが好ましい。本発明の修飾セルロース微細繊維は、化学解繊され、原料セルロースの結晶性を維持できるため、高い結晶化度を有している。修飾セルロースナノファイバーの結晶化度は50%以上(特に65%以上)であってもよく、例えば50~98%、好ましくは65~95%、さらに好ましくは70~92%、最も好ましくは75~90%である。結晶化度が小さすぎると、線膨張特性や強度などの特性を低下させる虞がある。 In addition, each fiber or all of the modified cellulose nanofibers are evenly esterified and modified, so that they can be well dispersed in organic media such as organic solvents and resins. In order for the resin to effectively exhibit the properties of modified cellulose nanofibers (for example, low linear expansion properties, strength, heat resistance, etc.), highly crystalline modified cellulose nanofibers are preferred. The modified cellulose fine fibers of the present invention are chemically defibrated and can maintain the crystallinity of the raw material cellulose, so they have a high degree of crystallinity. The crystallinity of the modified cellulose nanofibers may be 50% or more (particularly 65% or more), for example 50-98%, preferably 65-95%, more preferably 70-92%, most preferably 75-98%. It is 90%. If the degree of crystallinity is too low, there is a risk that properties such as linear expansion properties and strength may be deteriorated.

なお、本明細書および特許請求の範囲において、結晶化度は、参考文献:Textile Res. J. 29:786-794(1959)に基づき、XRD分析法(Segal法)により測定し、下記式により算出した。 In addition, in this specification and the claims, the crystallinity is measured by the XRD analysis method (Segal method) based on the reference literature: Textile Res. J. 29:786-794 (1959), and is calculated by the following formula. Calculated.

結晶化度(%)=[(I200-IAM)/I200]×100%
[式中、I200はX線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、IAMはアモルファス部(002面と110面間の最低部、回折角2θ=18.5°)の回折強度である]。
Crystallinity (%) = [(I 200 - I AM )/I 200 ] x 100%
[In the formula, I 200 is the diffraction intensity of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22.6°) in X-ray diffraction, I AM is the amorphous part (lowest part between 002 plane and 110 plane, diffraction angle 2θ = 18.5°).

修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は、ナノファイバーの直径とエステル化剤の種類によるが、2.0以下(例えば0.05~2.0)であり、例えば0.1~1.5、好ましくは0.15~1.0、さらに好ましくは0.2~0.7、最も好ましくは0.3~0.5である。平均置換度が大きすぎると、修飾セルロースナノファイバーの結晶化度または収率が低下する虞がある。平均置換度(DS:degree of substitution)は、セルロースの基本構成単位であるグルコース当たりの置換された水酸基の平均数であり、Biomacromolecules 2007, 8, 1973-1978やWO2012/124652A1又はWO2014/142166A1などを参照できる。なお、本明細書および特許請求の範囲において、平均置換度は、後述の実施例に記載の方法で測定でき、滴定法で測定するのが好ましい。 The average degree of substitution of the modified cellulose nanofibers depends on the diameter of the nanofibers and the type of esterifying agent, but is 2.0 or less (for example, 0.05 to 2.0), for example, 0.1 to 1.5, preferably is from 0.15 to 1.0, more preferably from 0.2 to 0.7, most preferably from 0.3 to 0.5. If the average degree of substitution is too large, the crystallinity or yield of the modified cellulose nanofibers may decrease. The average degree of substitution (DS) is the average number of substituted hydroxyl groups per glucose, which is the basic structural unit of cellulose, and is described in Biomacromolecules 2007, 8, 1973-1978, WO2012/124652A1 or WO2014/142166A1, etc. You can refer to it. Note that in this specification and claims, the average degree of substitution can be measured by the method described in Examples below, and is preferably measured by titration.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。なお、用いた原料の詳細は以下の通りであり、得られた修飾セルロースナノファイバーの特性および評価は以下のようにして測定した。 The present invention will be explained in more detail below based on Examples, but the present invention is not limited by these Examples. The details of the raw materials used are as follows, and the properties and evaluation of the obtained modified cellulose nanofibers were measured as follows.

(セルロースパルプ)
原料となるセルロースパルプとしては、ユーカリ由来のパルプ(L-BKP)をサンプル瓶に入れるサイズまで切断したパルプを用いた。また、このパルプのSEM写真を図1に示す。パルプの平均繊維径は約10μmであった。
(cellulose pulp)
As the cellulose pulp used as a raw material, eucalyptus-derived pulp (L-BKP) was cut into pieces to a size that could be placed in a sample bottle. Moreover, a SEM photograph of this pulp is shown in FIG. The average fiber diameter of the pulp was about 10 μm.

(他の原料、触媒および溶媒)
他の原料、触媒および溶媒としては、ナカライテスク(株)製の試薬を用いた。
(other raw materials, catalysts and solvents)
As other raw materials, catalysts, and solvents, reagents manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd. were used.

(修飾セルロースナノファイバーの形状観察)
修飾セルロースナノファイバーの形状は、走査型電子顕微鏡SEM(日本電子(株)製「JSM-6510」、測定条件:20mA、60秒)を用いて観察した。なお、平均繊維径および平均繊維長は、SEM写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出した。
(Observation of shape of modified cellulose nanofibers)
The shape of the modified cellulose nanofibers was observed using a scanning electron microscope SEM (JSM-6510 manufactured by JEOL Ltd., measurement conditions: 20 mA, 60 seconds). Note that the average fiber diameter and average fiber length were calculated by randomly selecting 50 fibers from the SEM photograph and averaging them.

(修飾セルロースナノファイバーの平均置換度)
修飾セルロースナノファイバーの修飾率は平均置換度で示し、以下に示す滴定法(電気伝導度滴定法)によって測定した。なお、平均置換度とは、セルロースの繰り返し単位1個当たりの修飾された水酸基の数(置換基の数)の平均値である。
(Average degree of substitution of modified cellulose nanofibers)
The modification rate of the modified cellulose nanofibers was expressed as an average degree of substitution, and was measured by the titration method (electrical conductivity titration method) shown below. Note that the average degree of substitution is the average value of the number of modified hydroxyl groups (number of substituents) per repeating unit of cellulose.

修飾セルロースナノファイバー0.5質量%スラリーを60ml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水溶液量(a)から、化学修飾により導入された置換基のモル数Qは、下記式で求められる。 Prepare 60ml of 0.5% by mass slurry of modified cellulose nanofibers, add 0.1M hydrochloric acid aqueous solution to adjust the pH to 2.5, and then dropwise add 0.05N sodium hydroxide aqueous solution to conduct electricity until the pH reaches 11. The degree of From the amount (a) of the aqueous sodium hydroxide solution consumed in the neutralization step of the weak acid where the electrical conductivity changes slowly, the number of moles Q of the substituents introduced by chemical modification is determined by the following formula.

Q(mol)=a[ml]×0.05/1000 Q (mol) = a [ml] x 0.05/1000

この置換基のモル数Qと、平均置換度Dとの関係は、以下の式で算出される[セルロース=(グルコースC10=(162.14),繰り返し単位1個当たりの水酸基数=3,OHの分子量=17]。 The relationship between the number of moles Q of this substituent and the average degree of substitution D is calculated by the following formula [cellulose = (glucose C 6 O 5 H 10 ) n = (162.14) n , 1 repeating unit Number of hydroxyl groups per unit = 3, molecular weight of OH = 17].

D=162.14×Q/[サンプル量-(T-17)×Q]
(式中、Tはエステル化置換基の前駆体である二塩基カルボン酸無水物の分子量である)。
D=162.14×Q/[sample amount-(T-17)×Q]
(where T is the molecular weight of the dibasic carboxylic acid anhydride that is the precursor of the esterification substituent).

さらに一部のサンプルをフーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)で分析したところ、何れのサンプルも1730cm-1でのエステル結合の吸収バンドが検出された。なお、測定は、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製「Nicolet iS5」を用い、ATR法(全反射法)で分析した。 Furthermore, when some of the samples were analyzed using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR), an absorption band of ester bond at 1730 cm -1 was detected in all samples. Note that the measurement was performed using "Nicolet iS5" manufactured by Thermo Fisher Scientific, and analyzed by the ATR method (total reflection method).

実施例1
ジメチルスルホキシド90gを仕込んだビーカーに無水コハク酸3.3gおよび炭酸水素ナトリウム5.6gを加えて撹拌溶解させた。次いで、セルロースパルプ3.0gを添加した後、24時間23℃に調整された室温でスターラー攪拌(回転数400rpm)することにより、コハク酸で修飾されたセルロース微細繊維を含む分散液を得た。この分散液を遠心分離で30分処理し、上澄みの溶液部分を除去したのち、蒸留水400mLを加えて遠心分離法で3回洗浄することにより、残留しているジメチルスルホキシド、コハク酸、炭酸水素ナトリウムを除去した。洗浄後の解繊液に蒸留水を加えて全量700mLになるように調整したのち、乳化装置(エム・テクニック(株)製「クレアミックス CLM-0.8S」)で15000rpm、3分間の条件で解繊処理を行った。得られた分散液の外観は透明であった。SEM画像を図2に示す。図2から明らかなように、得られた修飾セルロースナノファイバーにおいて、300nmを超える太い繊維はほとんど観察されず、良好に解繊されていた。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.39であり、平均繊維径は80nm、平均繊維長は5μm以上であった。
Example 1
3.3 g of succinic anhydride and 5.6 g of sodium hydrogen carbonate were added to a beaker containing 90 g of dimethyl sulfoxide and dissolved with stirring. Next, after adding 3.0 g of cellulose pulp, the mixture was stirred with a stirrer (rotation speed: 400 rpm) at room temperature adjusted to 23° C. for 24 hours to obtain a dispersion containing cellulose fine fibers modified with succinic acid. This dispersion was centrifuged for 30 minutes to remove the supernatant solution, and then 400 mL of distilled water was added and washed three times by centrifugation to remove remaining dimethyl sulfoxide, succinic acid, and hydrogen carbonate. Sodium was removed. Distilled water was added to the defibrated solution after washing to adjust the total volume to 700 mL, and then the defibration solution was adjusted to a total volume of 700 mL, and then it was processed using an emulsifier ("Clearmix CLM-0.8S" manufactured by M Technique Co., Ltd.) at 15,000 rpm for 3 minutes. A defibration treatment was performed. The appearance of the obtained dispersion was transparent. The SEM image is shown in Figure 2. As is clear from FIG. 2, in the obtained modified cellulose nanofibers, almost no thick fibers exceeding 300 nm were observed, and the fibers were well defibrated. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.39, the average fiber diameter was 80 nm, and the average fiber length was 5 μm or more.

実施例2
炭酸水素ナトリウムの使用量を2.8gにした以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた分散液の外観は透明であった。SEM画像を図3に示す。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.47であり、SEM画像から得られた平均繊維径100nm、平均繊維長5μm以上であった。実施例1と同様の理由で実際の平均繊維径はSEM画像より得られる平均繊維径よりも細いものと考えられる。
Example 2
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of sodium hydrogen carbonate used was 2.8 g. The appearance of the obtained dispersion was transparent. The SEM image is shown in Figure 3. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.47, the average fiber diameter was 100 nm, and the average fiber length was 5 μm or more as determined from the SEM image. For the same reason as in Example 1, the actual average fiber diameter is considered to be smaller than the average fiber diameter obtained from the SEM image.

実施例3
無水コハク酸の使用量を2.8gにした以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた分散液の外観は透明であった。SEM画像を図4に示す。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.29であり、SEM画像から得られた平均繊維径90nm、平均繊維長5μm以上であった。実施例1と同様の理由で実際の平均繊維径はSEM画像より得られる平均繊維径よりも細いものと考えられる。
Example 3
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the amount of succinic anhydride used was 2.8 g. The appearance of the obtained dispersion was transparent. The SEM image is shown in Figure 4. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.29, the average fiber diameter was 90 nm, and the average fiber length was 5 μm or more as determined from the SEM image. For the same reason as in Example 1, the actual average fiber diameter is considered to be smaller than the average fiber diameter obtained from the SEM image.

実施例4
無水コハク酸を無水マレイン酸3.3gにした以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた分散液の外観はほぼ透明であった。無水コハク酸と比較するとやや太い繊維も残存していたが、多くは繊維径100nm以下に良好に解繊されていた。SEM画像を図5に示す。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.18であり、SEM画像から得られた平均繊維径90nm、平均繊維長5μm以上であった。実施例1と同様の理由で実際の平均繊維径はSEM画像より得られる平均繊維径よりも細いものと考えられる。
Example 4
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that 3.3 g of maleic anhydride was used instead of succinic anhydride. The appearance of the resulting dispersion was almost transparent. Although some fibers that were slightly thicker than those of succinic anhydride remained, most of them were well defibrated to a fiber diameter of 100 nm or less. The SEM image is shown in FIG. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.18, the average fiber diameter was 90 nm, and the average fiber length was 5 μm or more as determined from the SEM image. For the same reason as in Example 1, the actual average fiber diameter is considered to be smaller than the average fiber diameter obtained from the SEM image.

実施例5
炭酸水素ナトリウムを炭酸カリウム5.6gにした以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた分散液の外観はほぼ透明であった。炭酸水素ナトリウムと比較するとやや太い繊維も残存していたが、多くは繊維径100nm以下に良好に解繊されていた。SEM画像を図6に示す。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.25であり、SEM画像から得られた平均繊維径80nm、平均繊維長5μm以上であった。実施例1と同様の理由で実際の平均繊維径はSEM画像より得られる平均繊維径よりも細いものと考えられる。
Example 5
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that 5.6 g of potassium carbonate was used instead of sodium hydrogen carbonate. The appearance of the resulting dispersion was almost transparent. Although some fibers that were slightly thicker than those of sodium hydrogen carbonate remained, most of them were well defibrated to fiber diameters of 100 nm or less. The SEM image is shown in FIG. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.25, the average fiber diameter was 80 nm, and the average fiber length was 5 μm or more as determined from the SEM image. For the same reason as in Example 1, the actual average fiber diameter is considered to be smaller than the average fiber diameter obtained from the SEM image.

実施例6
炭酸水素ナトリウムを酢酸リチウム5.6gにした以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた分散液の外観はほぼ透明であった。炭酸水素ナトリウムと比較するとやや太い繊維も残存していたが、多くは繊維径100nm以下に良好に解繊されていた。SEM画像を図7に示す。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.41であり、SEM画像から得られた平均繊維径90nm、平均繊維長5μm以上であった。実施例1と同様の理由で実際の平均繊維径はSEM画像より得られる平均繊維径よりも細いものと考えられる。
Example 6
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that 5.6 g of lithium acetate was used instead of sodium hydrogen carbonate. The appearance of the resulting dispersion was almost transparent. Although some fibers that were slightly thicker than those of sodium hydrogen carbonate remained, most of them were well defibrated to fiber diameters of 100 nm or less. The SEM image is shown in FIG. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.41, the average fiber diameter was 90 nm, and the average fiber length was 5 μm or more as determined from the SEM image. For the same reason as in Example 1, the actual average fiber diameter is considered to be smaller than the average fiber diameter obtained from the SEM image.

実施例7
ジメチルスルホキシドをジメチルホルムアミド90gにした以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた分散液の外観はほぼ透明であった。ジメチルスルホキシドと比較するとやや太い繊維も残存していたが、多くは繊維径100nm以下に良好に解繊されていた。SEM画像を図8に示す。得られた修飾セルロースナノファイバーの平均置換度は0.20であり、SEM画像から得られた平均繊維径70nm、平均繊維長5μm以上であった。実施例1と同様の理由で実際の平均繊維径はSEM画像より得られる平均繊維径よりも細いものと考えられる。
Example 7
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that 90 g of dimethyl formamide was used instead of dimethyl sulfoxide. The appearance of the resulting dispersion was almost transparent. Although some fibers that were slightly thicker than dimethyl sulfoxide remained, most of them were well defibrated to a fiber diameter of 100 nm or less. The SEM image is shown in FIG. The average degree of substitution of the obtained modified cellulose nanofibers was 0.20, the average fiber diameter was 70 nm, and the average fiber length was 5 μm or more as determined from the SEM image. For the same reason as in Example 1, the actual average fiber diameter is considered to be smaller than the average fiber diameter obtained from the SEM image.

比較例1
無水コハク酸を加えなかったこと以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた液は一部繊維表面がナノファイバー化している箇所も見られたが、ほぼ数μmを超える原料セルロースのままであった。SEM画像を図9に示す。
Comparative example 1
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that succinic anhydride was not added. In the obtained liquid, some portions of the fiber surface were found to have become nanofibers, but the cellulose remained as a raw material with a size of approximately several μm. The SEM image is shown in FIG.

比較例2
炭酸水素ナトリウムを加えなかったこと以外は実施例1と同様の方法で解繊操作を実施した。得られた液は一部繊維表面がナノファイバー化している箇所も見られたが、ほぼ数μmを超える原料セルロースのままであった。SEM画像を図10に示す。
Comparative example 2
The defibration operation was carried out in the same manner as in Example 1 except that sodium hydrogen carbonate was not added. In the obtained liquid, some portions of the fiber surface were found to have become nanofibers, but the cellulose remained as a raw material with a size of approximately several μm. The SEM image is shown in FIG.

本発明の修飾セルロースナノファイバーは、各種複合材料、コーティング剤に利用でき、シートやフィルムに成形して利用することもできる。 The modified cellulose nanofibers of the present invention can be used in various composite materials and coating agents, and can also be used by being formed into sheets and films.

Claims (11)

弱塩基性の金属化合物からなる触媒と二塩基カルボン酸無水物とを含む反応性解繊液をセルロースに浸透させて、セルロースをエステル化して化学解繊し、二塩基カルボン酸無水物で修飾され、かつ金属塩の形態を含むセルロースで形成された修飾セルロース微細繊維を得る修飾解繊工程と、得られた修飾セルロース微細繊維に分散媒を添加して攪拌し、修飾セルロースナノファイバーを得る攪拌工程とを含む、修飾セルロースナノファイバーの製造方法。 Cellulose is esterified and chemically defibrated by infiltrating cellulose with a reactive defibration liquid containing a catalyst made of a weakly basic metal compound and a dibasic carboxylic anhydride, and then the cellulose is esterified and chemically defibrated. Modified fibrillation step to obtain modified cellulose fine fibers formed from cellulose that is modified and contains a metal salt form, and a dispersion medium is added to the obtained modified cellulose fine fibers and stirred to obtain modified cellulose nanofibers. A method for producing modified cellulose nanofibers, comprising a stirring step. 弱塩基性の金属化合物がアルカリ金属化合物である請求項1記載の製造方法。 2. The manufacturing method according to claim 1, wherein the weakly basic metal compound is an alkali metal compound. 弱塩基性の金属化合物がアルカリ金属炭酸水素塩である請求項1または2記載の製造方法。 3. The method according to claim 1, wherein the weakly basic metal compound is an alkali metal hydrogen carbonate. 反応性解繊液が、さらにドナー数25以上の非プロトン性溶媒を含む請求項1~のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the reactive fibrillation liquid further contains an aprotic solvent having 25 or more donors. ドナー数25以上の非プロトン性溶媒が、アルキルスルホキシド類、アルキルアミド類およびピロリドン類からなる群より選択された少なくとも1種である請求項記載の製造方法。 5. The production method according to claim 4 , wherein the aprotic solvent having 25 or more donors is at least one selected from the group consisting of alkyl sulfoxides, alkylamides, and pyrrolidones. ドナー数25以上の非プロトン性溶媒が、ジC1-2アルキルスルホキシドである請求項記載の製造方法。 5. The production method according to claim 4, wherein the aprotic solvent having 25 or more donors is di-C 1-2 alkyl sulfoxide. 二塩基カルボン酸無水物が、脂肪族ジカルボン酸無水物、脂環族ジカルボン酸無水物および芳香族ジカルボン酸無水物からなる群より選択された少なくとも1種である請求項1~のいずれか一項に記載の製造方法。 Any one of claims 1 to 6 , wherein the dibasic carboxylic anhydride is at least one selected from the group consisting of aliphatic dicarboxylic anhydrides, alicyclic dicarboxylic anhydrides, and aromatic dicarboxylic anhydrides. The manufacturing method described in section. 二塩基カルボン酸無水物が炭素数4~6の飽和脂肪族ジカルボン酸無水物である請求項1~のいずれか一項に記載の製造方法。 8. The production method according to claim 1, wherein the dibasic carboxylic anhydride is a saturated aliphatic dicarboxylic anhydride having 4 to 6 carbon atoms. 触媒の割合が、二塩基カルボン酸無水物100質量部に対して100質量部以上である請求項1~のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 8 , wherein the proportion of the catalyst is 100 parts by mass or more based on 100 parts by mass of the dibasic carboxylic acid anhydride. 二塩基カルボン酸無水物の割合が、セルロース100質量部に対して60質量部以上である請求項1~のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 9 , wherein the proportion of dibasic carboxylic acid anhydride is 60 parts by mass or more based on 100 parts by mass of cellulose. 攪拌工程において、修飾セルロース微細繊維を液-液剪断する請求項1~10のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 10 , wherein in the stirring step, the modified cellulose fine fibers are subjected to liquid-liquid shearing.
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