JPWO2017154568A1 - Redispersion method of cellulose nanofiber dispersion - Google Patents

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丈史 中谷
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Abstract

【課題】セルロースナノファイバーの分散液から保管や搬送の際の利便性のために生成したセルロースナノファイバーの粉粒体を、再度水系溶媒に分散させた際に、均一に分散させて安定した分散状態を維持できるようにしたセルロースナノファイバー分散液の再分散方法を提供する。【解決手段】木材繊維等から生成されて製造されたセルロースナノファイバーの粉粒体を水系溶媒に再分散させる際に、攪拌しながら機械的せん断力を付与して行う。【選択図】 図1Dispersion of cellulose nanofibers produced for the convenience of storage and transportation from a dispersion of cellulose nanofibers, when dispersed again in an aqueous solvent, uniformly dispersed and stably dispersed Provided is a method for redispersing a cellulose nanofiber dispersion which can maintain the state. When re-dispersing cellulose nanofiber particles produced from wood fibers and the like in an aqueous solvent, mechanical shearing force is applied while stirring. [Selection] Figure 1

Description

この発明は、木材繊維等から生成されて製造された粉粒体のセルロースナノファイバーを再度水系溶媒に分散させるセルロースナノファイバー分散液の再分散方法に関する。   The present invention relates to a method for redispersing a cellulose nanofiber dispersion, in which cellulose nanofibers in powder form produced from wood fibers and the like are dispersed again in an aqueous solvent.

物質をナノメートルの領域すなわち原子や分子のスケールにおいて、自在に制御する技術であるナノテクノロジーから、利便性の高い様々な新素材やデバイスが生まれることが期待される。特に、繊維を極限まで細くすると、従来の繊維にはなかった、まったく新しい物理学的な性質が生まれることから、ナノオーダーの繊維、いわゆるナノファイバーが非常に注目されている。このナノファイバーを応用することで、例えば、どんな細かい異物も通過させない高性能フィルターによる浄化装置の実現、化学繊維の強度アップや高機能衣服の実現、燃料電池の効率アップなどへの展開が期待されている。この種のナノファイバーのうちのセルロースナノファイバーは木材繊維から生成される植物繊維由来のものであるから、再生可能な資源であり、生産・廃棄に関する環境負荷が小さいことから、種々の分野において注目されている。   It is expected that various new materials and devices with high convenience will be born from nanotechnology, which is a technology that freely controls substances in the nanometer range, that is, atomic and molecular scales. In particular, when the fiber is made extremely thin, a completely new physical property, which was not found in conventional fibers, is born. Therefore, nano-order fibers, so-called nanofibers, are attracting a great deal of attention. By applying this nanofiber, for example, it is expected to develop a purification device with a high-performance filter that does not allow any fine foreign substances to pass through, increase the strength of chemical fibers and high-performance clothing, and increase the efficiency of fuel cells. ing. Among these types of nanofibers, cellulose nanofibers are derived from plant fibers produced from wood fibers, so they are renewable resources and have a low environmental impact on production and disposal. Has been.

セルロースナノファイバーは、1000nm以下のナノレベルの繊維径を持つ繊維であり、一般的には化学変性したセルロース繊維を機械的せん断力で解繊することにより得ることができる(特許文献1参照)。また、セルロースナノファイバーの製造方法に関して、特許文献1に記載されている製造方法を含め、様々な製造方法が検討されている。   Cellulose nanofibers are fibers having a nano-level fiber diameter of 1000 nm or less, and can be generally obtained by defibrating chemically modified cellulose fibers with mechanical shearing force (see Patent Document 1). Moreover, regarding the manufacturing method of a cellulose nanofiber, various manufacturing methods including the manufacturing method described in patent document 1 are examined.

特開2008−1728号公報JP 2008-1728 A

ところで、セルロースナノファイバーは植物繊維由来のものであるため、木材から製造されるパルプを原料として紙を抄造する製紙工場では、セルロースナノファイバーの製造に適した環境を具備している。しかも、塗工紙等に用いられる顔料を水溶液中に安定させて分散させるためにセルロースナノファイバーが適していることから、製造されたセルロースナノファイバーを顔料と混合して塗工工程に供給する等の応用が期待されている。   By the way, since cellulose nanofibers are derived from plant fibers, paper mills that make paper from pulp made from wood have an environment suitable for the production of cellulose nanofibers. Moreover, since cellulose nanofibers are suitable for stabilizing and dispersing pigments used in coated paper in aqueous solutions, the produced cellulose nanofibers are mixed with pigments and supplied to the coating process, etc. The application of is expected.

製紙工場では製造されたセルロースナノファイバーを分散液の状態で利用することができるが、該セルロースナノファイバーの性質を利用した製品を製造する需要者に対しては、分散液の状態で供給することは搬送の際の容量や重量が大きくなり、大量のセルロースナノファイバーを納入するには不都合である。このため、セルロースナノファイバー分散液から脱水して乾燥させた粉粒体のセルロースナノファイバーを納入することが要求される。需要者ではこの粉粒体のセルロースナノファイバーを水系溶媒に再分散させてセルロースナノファイバー分散液として利用する。また、製紙工場においても、粉粒体であれば保管や管理が容易となる。   In paper mills, manufactured cellulose nanofibers can be used in the form of a dispersion. However, for customers who manufacture products using the properties of the cellulose nanofibers, supply them in the form of a dispersion. Is inconvenient for delivering large quantities of cellulose nanofibers because of its large capacity and weight during transportation. For this reason, it is required to deliver cellulose nanofibers in the form of granules that are dehydrated and dried from the cellulose nanofiber dispersion. The customer re-disperses the cellulose nanofibers in this granular form in an aqueous solvent and uses them as a cellulose nanofiber dispersion. Also in a paper mill, storage and management are facilitated if it is a granular material.

しかしながら、粉粒体のセルロースナノファイバーを水系溶媒に再分散させて攪拌した場合には、セルロースナノファイバーの塊、いわゆるダマが生成されてしまい、該ダマの内部には水系溶媒が浸透していない状態となってしまうおそれがある。このようなダマが存在しているセルロースナノファイバー分散液では、均等に分散しているものでなく、また分散した状態が安定していないために、該セルロースナノファイバー分散液を十分に利用することができない。   However, when cellulose nanofibers in powder form are redispersed in an aqueous solvent and stirred, a lump of cellulose nanofibers, so-called lumps, are formed, and the aqueous solvent does not penetrate into the dams. There is a risk of becoming a state. The cellulose nanofiber dispersion in which such lumps are present is not evenly dispersed, and since the dispersed state is not stable, the cellulose nanofiber dispersion should be fully utilized. I can't.

そこで、この発明は、乾燥されて粉粒体で製造されたセルロースナノファイバーを水系溶媒に再分散させた際に、ダマ等が形成されず、均一に分散されたセルロースナノファイバー分散液に再生させるためのセルロースナノファイバー分散液の再分散方法を提供することを目的としている。   Therefore, when the cellulose nanofibers that have been dried and manufactured in the form of powder are redispersed in an aqueous solvent, the present invention does not form lumps or the like and regenerates the cellulose nanofiber dispersion liquid that is uniformly dispersed. It aims at providing the re-dispersion method of the cellulose nanofiber dispersion liquid.

前記目的のため、本発明に係るセルロースナノファイバー分散液の再分散方法は、製造されたセルロースナノファイバー分散液を乾燥させて生成されたセルロースナノファイバーの粉粒体を再度水系溶媒に分散させてセルロースナノファイバー分散液を再分散する方法において、セルロースナノファイバーの粉粒体を水系溶媒に再分散させる際に、攪拌すると共に、機械的せん断力を付与することを特徴としている。   For the above purpose, the method for redispersing a cellulose nanofiber dispersion according to the present invention comprises dispersing the cellulose nanofiber powder produced by drying the produced cellulose nanofiber dispersion again in an aqueous solvent. The method of redispersing the cellulose nanofiber dispersion is characterized in that, when the cellulose nanofiber particles are redispersed in an aqueous solvent, stirring and mechanical shearing force are applied.

本発明において、水系溶媒としては、特に限定されるのもではなく、水あるいは低級アルコールなどの貧溶媒などを例示することができるが、これららの中では、水あるいは水と相溶性の良いアルコールなどの混合溶媒であることが好ましい。なお、水とアルコールなどの混合溶媒の場合、アルコールなどの混合比率は20重量%未満とすることが好ましい。     In the present invention, the aqueous solvent is not particularly limited, and examples thereof include water and poor solvents such as lower alcohols. Among these, water or alcohols having good compatibility with water are exemplified. It is preferable that it is a mixed solvent. In the case of a mixed solvent such as water and alcohol, the mixing ratio of alcohol or the like is preferably less than 20% by weight.

すなわち、水系溶媒等の処理液中にセルロースナノファイバーの粉体を投入し、機械的にせん断力を付与しながら攪拌するものである。機械的なせん断力を付与することにより、形成されようとするダマを分解して処理液中に分散させるものである。   That is, cellulose nanofiber powder is put into a treatment liquid such as an aqueous solvent and stirred while mechanically applying a shearing force. By applying a mechanical shearing force, lumps to be formed are decomposed and dispersed in the treatment liquid.

また、請求項2の発明に係るセルロースナノファイバー分散液の再分散方法は、前記機械的せん断力を付与する装置として、高速せん断型、衝突型、ビーズミル型、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のいずれか一または二以上の装置を組み合わせて使用することを特徴としている。   The cellulose nanofiber dispersion redispersion method according to the invention of claim 2 is a high-speed shear type, a collision type, a bead mill type, a high-speed rotation type, a colloid mill type, a high pressure as the device for applying the mechanical shear force. It is characterized by using any one or two or more of a formula, roll mill type, and ultrasonic type in combination.

機械的せん断力を付与する装置としては、高速せん断型、衝突型、ビーズミル型、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のいずれのものも使用することができる。また、これらの型式による装置の複数を組み合わせても構わない。特に、高速せん断型、衝突型、高速回転式の解繊装置を使用することがより強いせん断力を付与できるので好ましい。   As a device for applying a mechanical shearing force, any of a high speed shear type, a collision type, a bead mill type, a high speed rotation type, a colloid mill type, a high pressure type, a roll mill type, and an ultrasonic type can be used. Further, a plurality of devices of these types may be combined. In particular, it is preferable to use a high-speed shearing type, collision type, or high-speed rotation type defibrating device because a stronger shearing force can be applied.

また、請求項3の発明に係るセルロースナノファイバー分散液の再分散方法は、前記セルロースナノファイバーが化学変性されているセルロースナノファイバーであることを特徴としている。   The cellulose nanofiber dispersion redispersion method according to the invention of claim 3 is characterized in that the cellulose nanofiber is a chemically modified cellulose nanofiber.

製造されたセルロースナノファイバーを需要者に供給送する際に、軽量で一度に大量のセルロースナノファイバーを搬送することができ、需要者の所望に応じた量のセルロースナノファイバーを容易かつ確実に供給することができる。   When supplying manufactured cellulose nanofibers to consumers, a large amount of cellulose nanofibers can be transported at a time with a light weight, and easily and reliably supply the amount of cellulose nanofibers as desired by the customer. can do.

しかも、需要者においてセルロースナノファイバー分散液の濃度の調製を所望により行うことができて、用途に応じたセルロースナノファイバー分散液を確実に入手できる。   In addition, the customer can adjust the concentration of the cellulose nanofiber dispersion as desired, and the cellulose nanofiber dispersion according to the application can be obtained with certainty.

加えて、製造されたセルロースナノファイバーの保管や管理が容易となる。   In addition, storage and management of the produced cellulose nanofiber is facilitated.

セルロースナノファイバーの製造方法を実施するための設備の概要を説明する図である。It is a figure explaining the outline | summary of the equipment for enforcing the manufacturing method of a cellulose nanofiber.

以下、好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係るセルロースナノファイバー分散液の再分散方法を説明する。なお、この再分散方法を説明するのに先立って、製紙工場において実施されるセルロースナノファイバーの製造方法を説明する。   Hereinafter, based on preferable embodiment, the re-dispersion method of the cellulose nanofiber dispersion concerning this invention is demonstrated. Prior to describing this redispersion method, a method for producing cellulose nanofibers carried out in a paper mill will be described.

図1はセルロースナノファイバーの製造方法を実施する場合の一例の設備の概略を説明する図である。各種薬液タンク10には反応工程においてセルロース原料を化学変性させるための薬液が貯留されており、図示しないポンプ等の供給装置により、原料セルロースの攪拌装置11と反応タンク12のそれぞれに供給されている。また、前記攪拌装置11からは原料セルロースが前記反応タンク12に供給される。反応タンク12から図示しないポンプ等の供給装置によって固液分離装置13に供給され、該固液分離装置13から貯留タンク14に供給される。この貯留タンク14から図示しないポンプ等の供給装置によって前記固液分離装置13と解繊装置15に供給される。   FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of an example of equipment when a method for producing cellulose nanofiber is carried out. Various chemical tanks 10 store chemical solutions for chemically modifying the cellulose raw material in the reaction step, and are supplied to the raw material cellulose agitator 11 and the reaction tank 12 by a supply device such as a pump (not shown). . Further, the raw material cellulose is supplied from the stirring device 11 to the reaction tank 12. The reaction tank 12 is supplied to the solid-liquid separation device 13 by a supply device such as a pump (not shown), and is supplied from the solid-liquid separation device 13 to the storage tank 14. The solid-liquid separator 13 and the defibrating device 15 are supplied from the storage tank 14 by a supply device such as a pump (not shown).

セルロース原料とは、セルロースを主体とした様々な形態の材料であり、パルプ(晒又は未晒木材パルプ、晒又は未晒非木材パルプ、精製リンター、ジュート、マニラ麻、ケナフ等の草本由来のパルプなど)、酢酸菌等の微生物によって生産されるセルロース等の天然セルロース、セルロースを銅アンモニア溶液、モルホリン誘導体等の何らかの溶媒に溶解した後に紡糸された再生セルロース、及び上記セルロース原料に加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、爆砕処理、振動ボールミル等の機械的処理等をすることによってセルロースを解重合した微細セルロースなどが例示される。   Cellulose raw materials are materials in various forms mainly composed of cellulose, such as pulp (bleached or unbleached wood pulp, bleached or unbleached non-wood pulp, refined linter, jute, Manila hemp, kenaf-derived pulp, etc. ), Natural cellulose such as cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria, regenerated cellulose spun after dissolving cellulose in some solvent such as copper ammonia solution and morpholine derivative, and hydrolysis to the above cellulose raw material, alkaline hydrolysis Examples thereof include fine cellulose obtained by depolymerizing cellulose by carrying out mechanical treatment such as enzymatic decomposition, blasting treatment, and vibration ball mill.

また、前記セルロース原料にシート状のものを用いる場合には、前記攪拌装置11に供給されるに先立って、粗砕工程に供して0.5〜5cm角程度の大きさに粗砕することが好ましい。前記大きさに粗砕することにより、効率的、且つ均一に、セルロース原料を変性させることができる。なお、粗砕する方法は特に限定されるものではないが、一軸回転せん断式粉砕機、二軸回転せん断式粉砕機、多軸スクリュー式粉砕機、シュレッダー、ギロチンカッターなどを使用することができる。これらの中でも一軸回転せん断式粉砕機、シュレッダーを使用することが粗砕の観点から好ましい。   In addition, when a sheet-like material is used as the cellulose raw material, it may be subjected to a crushing step before being supplied to the stirring device 11 to be crushed to a size of about 0.5 to 5 cm square. preferable. By roughly crushing to the size, the cellulose raw material can be modified efficiently and uniformly. The method for coarse crushing is not particularly limited, and a uniaxial rotary shear pulverizer, a biaxial rotary shear pulverizer, a multi-screw screw pulverizer, a shredder, a guillotine cutter, or the like can be used. Among these, it is preferable from the viewpoint of coarse crushing to use a uniaxial rotary shearing type pulverizer and a shredder.

本発明においては、セルロース原料は未変性であっても、化学変性されていてもよいが、化学変性されている方がより好ましい。化学変性を施したセルロース原料を用いて製造されたセルロースナノファイバーは、未変性のセルロース原料を用いて製造されたセルロースナノファイバーに対し、繊維長・繊維径が均一になるため、水中分散性が安定であり、より優れた効果を発揮すると推測される。化学変性の方法は特に制限されないが、例えば、酸化、エーテル化、リン酸化、エステル化、シランカップリング、フッ素化、カチオン化などを行うことができる。中でも、N−オキシル化合物を用いた酸化、カルボキシメチル化、カチオン化のいずれかであることが好ましく、食品用途であることから、カルボキシメチル化または酸化であることが特に好ましい。   In the present invention, the cellulose raw material may be unmodified or chemically modified, but is more preferably chemically modified. Cellulose nanofibers manufactured using chemically modified cellulose raw materials have a uniform fiber length and fiber diameter compared to cellulose nanofibers manufactured using unmodified cellulose raw materials. It is assumed that it is stable and exhibits a superior effect. Although the method of chemical modification is not particularly limited, for example, oxidation, etherification, phosphorylation, esterification, silane coupling, fluorination, cationization and the like can be performed. Among these, any of oxidation, carboxymethylation, and cationization using an N-oxyl compound is preferable, and carboxymethylation or oxidation is particularly preferable because it is used for food.

(1)アニオン変性
(1−1)カルボキシメチル化
前記セルロース原料を発底原料にし、溶媒に3〜20重量倍の低級アルコール、具体的にはメタノール、エタノール、N−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、N−ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノール等の単独、又は2種以上の混合物の水の混合媒体を使用する。なお、低級アルコールの混合割合は、60〜95重量%である。マーセル化剤としては、発底原料のグルコース残基当たり0.5〜20倍モルの水酸化アルカリ金属、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用する。発底原料と溶媒、マーセル化剤を混合し、反応温度0〜70℃、好ましくは10〜60℃、かつ反応時間15分〜8時間、好ましくは30分〜7時間、マーセル化処理を行う。その後、カルボキシメチル化剤をグルコース残基当たり0.05〜10.0倍モル添加し、反応温度30〜90℃、好ましくは40〜80℃、かつ反応時間30分〜10時間、好ましくは1時間〜4時間、エーテル化反応を行う。
(1) Anion-modified (1-1) Carboxymethylation Using the cellulose raw material as a starting material, 3 to 20 times by weight of a lower alcohol, specifically methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N -A mixed medium of water such as butanol, isobutanol, tertiary butanol, etc., alone or in a mixture of two or more. The mixing ratio of the lower alcohol is 60 to 95% by weight. As the mercerizing agent, 0.5 to 20 times moles of alkali metal hydroxide, specifically sodium hydroxide or potassium hydroxide is used per glucose residue of the bottoming material. A bottoming raw material, a solvent, and a mercerizing agent are mixed and subjected to mercerization treatment at a reaction temperature of 0 to 70 ° C., preferably 10 to 60 ° C., and a reaction time of 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours. Thereafter, a carboxymethylating agent is added in an amount of 0.05 to 10.0 times mol per glucose residue, a reaction temperature of 30 to 90 ° C., preferably 40 to 80 ° C., and a reaction time of 30 minutes to 10 hours, preferably 1 hour. Perform etherification reaction for ~ 4 hours.

アニオン変性されたセルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が0.02〜0.50であることが好ましい。セルロースにカルボキシメチル置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カルボキシメチル置換基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。なお、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.02より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.50より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。   It is preferable that the degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of the anion-modified cellulose is 0.02 to 0.50. By introducing a carboxymethyl substituent into cellulose, the celluloses are electrically repelled. For this reason, the cellulose which introduce | transduced the carboxymethyl substituent can be nano-defibrated easily. In addition, when the carboxymethyl substituent per glucose unit is smaller than 0.02, nano-defibration cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the carboxymethyl substituent per glucose unit is larger than 0.50, it may swell or dissolve, and may not be obtained as a nanofiber.

グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度の測定方法としては、例えば、次の方法によって得ることができる。すなわち、1)カルボキシメチル化セルロース繊維(絶乾)約2.0gを精秤して、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。2)メタノール900mLに特級濃硝酸100mLを加えた液100mLを加え、3時間振とうして、カルボキシメチルセルロース塩(CM化セルロース)を水素型CM化セルロースにする。3)水素型CM化セルロース(絶乾)を1.5〜2.0g精秤し、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。4)80%メタノール15mLで水素型CM化セルロースを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうする。5)指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのH2SO4で過剰のNaOHを逆滴定する。6)カルボキシメチル置換度(DS)を、次式によって算出する:
A=[(100×F’−(0.1NのH2SO4)(mL)×F)×0.1]/(水素型CM化セルロースの絶乾質量(g))
DS=0.162×A/(1−0.058×A)
A:水素型CM化セルロースの1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F:0.1NのH2SO4のファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター
As a measuring method of the carboxymethyl substitution degree per glucose unit, it can obtain by the following method, for example. That is, 1) About 2.0 g of carboxymethylated cellulose fiber (absolutely dry) is precisely weighed and put into a 300 mL conical stoppered Erlenmeyer flask. 2) Add 100 mL of a solution obtained by adding 100 mL of special concentrated nitric acid to 900 mL of methanol, and shake for 3 hours to convert the carboxymethyl cellulose salt (CM-modified cellulose) into hydrogenated CM-converted cellulose. 3) Weigh accurately 1.5 to 2.0 g of hydrogenated CM-modified cellulose (absolutely dry) and put into a 300 mL conical flask with a stopper. 4) Wet the hydrogenated CM cellulose with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. 5) Back titrate excess NaOH with 0.1 N H2SO4 using phenolphthalein as indicator. 6) The degree of carboxymethyl substitution (DS) is calculated by the following formula:
A = [(100 × F ′ − (0.1N H 2 SO 4) (mL) × F) × 0.1] / (absolute dry mass of hydrogenated CM-modified cellulose (g))
DS = 0.162 × A / (1−0.058 × A)
A: 1N NaOH amount (mL) required for neutralizing 1 g of hydrogenated CM-modified cellulose
F: Factor of 0.1N H2SO4 F ': Factor of 0.1N NaOH

(1−2)酸化
前記セルロース原料を、N−オキシル化合物、及び、臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化することでカルボキシル基をセルロースに導入した酸化セルロースを得ることができる。
(1-2) Oxidation Carboxyl is obtained by oxidizing the cellulose raw material in water using an oxidizing agent in the presence of a compound selected from the group consisting of N-oxyl compounds and bromides, iodides or mixtures thereof. Oxidized cellulose having a group introduced into cellulose can be obtained.

N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物である。本発明で用いるN−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。   An N-oxyl compound is a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound used in the present invention, any compound can be used as long as it promotes the target oxidation reaction.

N−オキシル化合物の使用量は、セルロースをナノファイバー化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.05〜0.5mmolがさらに好ましい。   The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of forming cellulose into nanofibers. For example, 0.01 to 10 mmol is preferable, 0.01 to 1 mmol is more preferable, and 0.05 to 0.5 mmol is more preferable with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material.

臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜100mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。   Bromide is a compound containing bromine, examples of which include alkali metal bromides that can dissociate and ionize in water. Further, an iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected as long as the oxidation reaction can be promoted. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably from 0.1 to 100 mmol, more preferably from 0.1 to 100 mmol, and even more preferably from 0.5 to 5 mmol, based on 1 g of an absolutely dry cellulose raw material.

酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、コストの観点から、現在工業用プロセスにおいて最も汎用されている安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムが特に好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5〜500mmolが好ましく、0.5〜50mmolがより好ましく、1〜25mmolがさらに好ましく、3〜10mmolが最も好ましい。   As the oxidizing agent, known ones can be used, and for example, halogen, hypohalous acid, halous acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxide, peroxide and the like can be used. Among these, from the viewpoint of cost, sodium hypochlorite, which is the most widely used in industrial processes at present and has low environmental impact, is particularly preferable. The appropriate amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, still more preferably 1 to 25 mmol, and most preferably 3 to 10 mmol with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material. preferable.

セルロースの酸化工程は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は15〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってパルプを構成するセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを9〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。このpHの調製は前記貯留タンク14内で行われ、その際の反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくい等から、水が好ましい。   The cellulose oxidation process allows the reaction to proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature may be a room temperature of about 15 to 30 ° C. As the reaction proceeds, a carboxyl group is generated in the cellulose constituting the pulp, so that the pH of the reaction solution is reduced. In order to advance the oxidation reaction efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution at about 9 to 12, preferably about 10 to 11. The pH is adjusted in the storage tank 14, and the reaction medium at that time is preferably water because it is easy to handle and hardly causes side reactions.

酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5〜6時間、好ましくは2〜6時間、さらに好ましくは4〜6時間程度である。しかしながら、前述のとおり酸化時間を低減できるので、反応時間は30分以上120分が好ましく、30〜100分がより好ましく、30〜70分がさらに好ましい。   The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the progress of oxidation, and is usually 0.5 to 6 hours, preferably 2 to 6 hours, more preferably about 4 to 6 hours. However, since the oxidation time can be reduced as described above, the reaction time is preferably 30 minutes to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, and even more preferably 30 to 70 minutes.

また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、セルロース原料に効率よくカルボキシル基を導入でき、セルロース原料の酸化を促進することができる。   The oxidation reaction may be performed in two stages. For example, oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first stage reaction is oxidized again under the same or different reaction conditions, so that the cellulose is not subject to reaction inhibition by the salt produced as a by-product in the first stage reaction. A carboxyl group can be efficiently introduced into the raw material, and oxidation of the cellulose raw material can be promoted.

酸化セルロースのカルボキシル基量が、セルロースの絶乾質量に対して、0.2mmol/g以上となるように条件を設定することが好ましい。この場合のカルボキシル基量は、より好ましくは0.6mmol/g〜2.0mmol/g、さらに好ましくは1.0mmol/g〜1.8mmol/gである。カルボキシル基量は、酸化反応時間の調整、酸化反応速度の調整、酸化反応時のpHの調整、N−オキシル化合物や臭化物、ヨウ化物、酸化剤の添加量の調整などを行うことにより調製できる。   The conditions are preferably set so that the amount of carboxyl groups of oxidized cellulose is 0.2 mmol / g or more with respect to the absolute dry mass of cellulose. In this case, the carboxyl group amount is more preferably 0.6 mmol / g to 2.0 mmol / g, and still more preferably 1.0 mmol / g to 1.8 mmol / g. The amount of the carboxyl group can be adjusted by adjusting the oxidation reaction time, adjusting the oxidation reaction rate, adjusting the pH during the oxidation reaction, adjusting the addition amount of the N-oxyl compound, bromide, iodide, or oxidizing agent.

カルボキシル化(酸化)方法の別の例として、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、グルコピラノース環の少なくとも2位及び6位の水酸基が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾンを含む気体中のオゾン濃度は、50〜250g/m3であることが好ましく、50〜220g/m3であることがより好ましい。セルロース原料に対するオゾン添加量は、セルロース原料の固形分を100重量%とした際に、0.1〜30重量%であることが好ましく、5〜30重量%であることがより好ましい。オゾン処理温度は、0〜50℃であることが好ましく、20〜50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、特に限定されないが、1〜360分程度であり、30〜360分程度が好ましい。オゾン処理の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度に酸化及び分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。オゾン処理を施した後に、酸化剤を用いて、追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物や、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸などが挙げられる。例えば、これらの酸化剤を水またはアルコール等の極性有機溶媒中に溶解して酸化剤溶液を作成し、溶液中にセルロース原料を浸漬させることにより追酸化処理を行うことができる。   Another example of the carboxylation (oxidation) method is a method of oxidizing by contacting a gas containing ozone and a cellulose raw material. By this oxidation reaction, at least the hydroxyl groups at the 2nd and 6th positions of the glucopyranose ring are oxidized and the cellulose chain is decomposed. The ozone concentration in the gas containing ozone is preferably 50 to 250 g / m 3, and more preferably 50 to 220 g / m 3. The amount of ozone added to the cellulose raw material is preferably 0.1 to 30% by weight and more preferably 5 to 30% by weight when the solid content of the cellulose raw material is 100% by weight. The ozone treatment temperature is preferably 0 to 50 ° C, and more preferably 20 to 50 ° C. The ozone treatment time is not particularly limited, but is about 1 to 360 minutes, and preferably about 30 to 360 minutes. When the conditions for the ozone treatment are within these ranges, the cellulose can be prevented from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of oxidized cellulose is improved. After the ozone treatment, an additional oxidation treatment may be performed using an oxidizing agent. The oxidizing agent used for the additional oxidation treatment is not particularly limited, and examples thereof include chlorine compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, and peracetic acid. For example, these oxidizing agents can be dissolved in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and a cellulose raw material can be immersed in the solution for additional oxidation treatment.

セルロース系ファイバーのカルボキシル基、カルボキシレート基、アルデヒド基の量は、上記した酸化剤の添加量、反応時間をコントロールすることで調整することができる。   The amount of the carboxyl group, carboxylate group, and aldehyde group of the cellulose fiber can be adjusted by controlling the amount of the oxidizing agent added and the reaction time.

カルボキシル基量の測定方法は例えば、酸化セルロースの0.5重量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出することができる:
カルボキシル基量〔mmol/g酸化セルロース又はセルロースナノファイバー〕=a〔ml〕×0.05/酸化セルロース重量〔g〕。
The carboxyl group content is measured, for example, by preparing 60 ml of a 0.5 wt% slurry (aqueous dispersion) of oxidized cellulose, adding 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to pH 2.5, and then adding 0.05 N sodium hydroxide. The electrical conductivity was measured by dropping the aqueous solution until the pH reached 11, and the amount was calculated from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of the weak acid where the change in electrical conductivity was slow, using the following formula: can do:
Amount of carboxyl group [mmol / g oxidized cellulose or cellulose nanofiber] = a [ml] × 0.05 / oxidized cellulose weight [g].

(1−3)エステル化
化学変性セルロースとして、エステル化したセルロースを使用できる。当該セルロースは、前述のセルロース系原料にリン酸系化合物Aの粉末や水溶液を混合する方法、セルロース系原料のスラリーにリン酸系化合物Aの水溶液を添加する方法により得られる。
(1-3) Esterification As chemically modified cellulose, esterified cellulose can be used. The said cellulose is obtained by the method of mixing the powder and aqueous solution of phosphoric acid compound A with the above-mentioned cellulose raw material, and the method of adding the aqueous solution of phosphoric acid compound A to the slurry of a cellulose raw material.

リン酸系化合物Aとしては、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸あるいはこれらのエステルが挙げられる。これらは塩の形態であってもよい。これらの中でも、低コストであり、扱いやすく、またパルプ繊維のセルロースにリン酸基を導入して、解繊効率の向上が図れるなどの理由からリン酸基を有する化合物が好ましい。リン酸基を有する化合物としては、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウム等が挙げられる。これらは1種、あるいは2種以上を併用できる。これらのうち、リン酸基導入の効率が高く、下記解繊工程で解繊しやすく、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩がより好ましい。特にリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムが好ましい。また、反応の均一性が高まり、かつリン酸基導入の効率が高くなることから前記リン酸系化合物Aは水溶液として用いることが好ましい。リン酸系化合物Aの水溶液のpHは、リン酸基導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましいが、パルプ繊維の加水分解を抑える観点からpH3〜7が好ましい。   Examples of the phosphoric acid compound A include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, and esters thereof. These may be in the form of salts. Among these, a compound having a phosphate group is preferable because it is low in cost, easy to handle, and can improve the fibrillation efficiency by introducing a phosphate group into cellulose of the pulp fiber. Compounds having a phosphate group include phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, phosphorus Examples include tripotassium acid, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate, and the like. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, phosphoric acid, phosphoric acid sodium salt, phosphoric acid potassium salt, phosphoric acid, from the viewpoint that phosphoric acid group introduction efficiency is high, is easy to be defibrated in the following defibrating process, and is industrially applicable. The ammonium salt is more preferred. In particular, sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are preferred. In addition, the phosphoric acid compound A is preferably used as an aqueous solution because the uniformity of the reaction is enhanced and the efficiency of introduction of phosphate groups is increased. The pH of the aqueous solution of the phosphoric acid compound A is preferably 7 or less because the efficiency of introducing phosphoric acid groups is high, but is preferably pH 3 to 7 from the viewpoint of suppressing hydrolysis of pulp fibers.

リン酸エステル化セルロースの製造方法の一例として以下の方法を挙げることができる。固形分濃度0.1〜10重量%のセルロース系原料の分散液に、リン酸系化合物Aを撹拌しながら添加してセルロースにリン酸基を導入する。セルロース系原料を100重量部とした際に、リン酸系化合物Aの添加量はリン元素量として、0.2〜500重量部であることが好ましく、1〜400重量部であることがより好ましい。リン酸系化合物Aの割合が前記下限値以上であれば、微細繊維状セルロースの収率をより向上させることができる。しかし、前記上限値を超えると収率向上の効果は頭打ちとなるのでコスト面から好ましくない。   The following method can be mentioned as an example of the manufacturing method of phosphate esterified cellulose. Phosphoric acid compound A is added to a cellulose-based raw material dispersion having a solid content of 0.1 to 10% by weight with stirring to introduce phosphate groups into the cellulose. When the cellulose-based raw material is 100 parts by weight, the addition amount of the phosphoric acid compound A is preferably 0.2 to 500 parts by weight, more preferably 1 to 400 parts by weight as the amount of phosphorus element. . If the ratio of the phosphoric acid type compound A is more than the said lower limit, the yield of a fine fibrous cellulose can be improved more. However, if the upper limit is exceeded, the effect of improving the yield reaches its peak, which is not preferable from the viewpoint of cost.

この際、セルロース原料、リン酸系化合物Aの他に、これ以外の化合物Bの粉末や水溶液を混合してもよい。化合物Bは特に限定されないが、塩基性を示す窒素含有化合物が好ましい。ここでの「塩基性」は、フェノールフタレイン指示薬の存在下で水溶液が桃〜赤色を呈すること、または水溶液のpHが7より大きいことと定義される。本発明で用いる塩基性を示す窒素含有化合物は、本発明の効果を奏する限り特に限定されないが、アミノ基を有する化合物が好ましい。例えば、尿素、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられるが、特に限定されない。この中でも低コストで扱いやすい尿素が好ましい。化合物Bの添加量はセルロース原料の固形分100重量部に対して、2〜1000重量部が好ましく、100〜700重量部がより好ましい。反応温度は0〜95℃が好ましく、30〜90℃がより好ましい。反応時間は特に限定されないが、1〜600分程度であり、30〜480分がより好ましい。エステル化反応の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度にエステル化されて溶解しやすくなることを防ぐことができ、リン酸エステル化セルロースの収率が良好となる。得られたリン酸エステル化セルロース懸濁液を脱水した後、セルロースの加水分解を抑える観点から、100〜170℃で加熱処理することが好ましい。さらに、加熱処理の際に水が含まれている間は130℃以下、好ましくは110℃以下で加熱し、水を除いた後、100〜170℃で加熱処理することが好ましい。   At this time, in addition to the cellulose raw material and the phosphoric acid compound A, powders or aqueous solutions of other compounds B may be mixed. Compound B is not particularly limited, but a nitrogen-containing compound showing basicity is preferable. “Basic” as used herein is defined as an aqueous solution exhibiting a pink to red color in the presence of a phenolphthalein indicator, or an aqueous solution having a pH greater than 7. Although the nitrogen-containing compound which shows the basicity used by this invention is not specifically limited as long as there exists an effect of this invention, the compound which has an amino group is preferable. For example, urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like can be mentioned, but not particularly limited. Among these, urea which is easy to handle at low cost is preferable. The amount of compound B added is preferably 2 to 1000 parts by weight, more preferably 100 to 700 parts by weight, based on 100 parts by weight of the solid content of the cellulose raw material. The reaction temperature is preferably 0 to 95 ° C, more preferably 30 to 90 ° C. The reaction time is not particularly limited, but is about 1 to 600 minutes, and more preferably 30 to 480 minutes. When the conditions for the esterification reaction are within these ranges, the cellulose can be prevented from being excessively esterified and easily dissolved, and the yield of phosphorylated esterified cellulose is improved. After dehydrating the obtained phosphate esterified cellulose suspension, it is preferable to heat-treat at 100 to 170 ° C. from the viewpoint of suppressing hydrolysis of cellulose. Furthermore, while water is contained during the heat treatment, it is preferably heated at 130 ° C. or less, preferably 110 ° C. or less, and after removing water, heat treatment is preferably performed at 100 to 170 ° C.

リン酸エステル化されたセルロースのグルコース単位当たりのリン酸基置換度は0.001〜0.40であることが好ましい。セルロースにリン酸基置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、リン酸基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。なお、グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.001より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.40より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。解繊を効率よく行なうために、上記で得たリン酸エステル化されたセルロース系原料は煮沸した後、冷水で洗浄されることが好ましい。   It is preferable that the phosphate group substitution degree per glucose unit of phosphorylated cellulose is 0.001 to 0.40. By introducing a phosphate group substituent into cellulose, the celluloses are electrically repelled. For this reason, the cellulose which introduce | transduced the phosphate group can be nano-defibrated easily. In addition, when the phosphate group substitution degree per glucose unit is smaller than 0.001, nano-defibration cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the degree of phosphate group substitution per glucose unit is greater than 0.40, it may swell or dissolve, and may not be obtained as a nanofiber. In order to perform defibration efficiently, it is preferable that the phosphoric esterified cellulose raw material obtained above is boiled and then washed with cold water.

(2)カチオン変性
前記セルロース原料にグリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3−クロロ−2ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライト又はそのハロヒドリン型などのカチオン化剤と触媒である水酸化アルカリ金属(水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど)を水及び/又は炭素数1〜4のアルコールの存在下で反応させることによって、カチオン変性されたセルロースを得ることができる。なお、この方法において、得られるカチオン変性されたセルロースのグルコース単位当たりのカチオン置換度は、反応させるカチオン化剤の添加量、水及び/又は炭素数1〜4のアルコールの組成比率をコントロールすることによって、調製することができる。
(2) Cation modification The cellulose raw material is a cationizing agent such as glycidyltrimethylammonium chloride, 3-chloro-2hydroxypropyltrialkylammonium hydride or its halohydrin type and an alkali metal hydroxide (sodium hydroxide, hydroxide). Cation-modified cellulose can be obtained by reacting potassium and the like in the presence of water and / or alcohol having 1 to 4 carbon atoms. In this method, the cation substitution degree per glucose unit of the cation-modified cellulose obtained is controlled by the amount of the cationizing agent to be reacted, the composition ratio of water and / or alcohol having 1 to 4 carbon atoms. Can be prepared.

カチオン変性されたセルロースのグルコース単位当たりのカチオン置換度が0.012〜0.045であることが好ましい。セルロースにカチオン置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カチオン置換基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。なお、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.012より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.045より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。次の解繊を効率よく行うために、上記で得た酸化されたセルロース系原料は洗浄されることが好ましい。   It is preferable that the cation substitution degree per glucose unit of the cation-modified cellulose is 0.012 to 0.045. By introducing a cationic substituent into cellulose, the celluloses repel each other electrically. For this reason, the cellulose which introduce | transduced the cation substituent can be nano-defibrated easily. In addition, when the cation substitution degree per glucose unit is smaller than 0.012, nano-fibrosis cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the degree of cation substitution per glucose unit is greater than 0.045, it may swell or dissolve, and may not be obtained as a nanofiber. In order to efficiently perform the next defibration, the oxidized cellulose raw material obtained above is preferably washed.

カチオン置換度の測定方法としては、グルコース単位当たりのカチオン置換度は、試料(カチオン変性されたセルロース)を乾燥させた後に、全窒素分析計TN−10(三菱化学株式会社製)で窒素含有量を測定し、次式により算出することができる。ここで言う置換度とは、無水グルコース単位1モル当たりの置換基のモル数の平均値を表している。
カチオン置換度=(162×N)/(1−116×N)
N:窒素含有量
As a method for measuring the degree of cation substitution, the degree of cation substitution per glucose unit was determined by measuring the nitrogen content with a total nitrogen analyzer TN-10 (Mitsubishi Chemical Corporation) after drying the sample (cation-modified cellulose). Can be calculated by the following formula. The degree of substitution referred to here represents the average value of the number of moles of substituents per mole of anhydroglucose unit.
Degree of cation substitution = (162 × N) / (1-116 × N)
N: Nitrogen content

反応工程に続く固液分離・洗浄工程は、反応工程で得られた変性セルロースの分散液を、固液分離処理後に分散媒で洗浄する工程であり、この工程は、不純物が少ないセルロースナノファイバーを得るための必須の工程である。   The solid-liquid separation / washing process following the reaction process is a process in which the modified cellulose dispersion obtained in the reaction process is washed with a dispersion medium after the solid-liquid separation treatment. It is an essential process for obtaining.

この工程では、遠心分離式、真空式、加圧式のタイプの固液分離機15を利用することができる。具体的には、遠心分離式のものとしてタナベウィルテック製遠心分離機、コクサン製遠心分離機など、真空式のものとしてドラム型真空脱水機、月島機械製水平ベルトフィルターなど、加圧式のものとしてフィルタープレス、チューブプレス、ベルトプレス水平ベルトフィルター、ポリディスクフィルター、振動スクリーンなどを挙げることができる。これらの中でも固液分離原料に強いせん断力を加えることなく固液分離を行うことができるため、加圧式のフィルタープレス、チューブプレスや、遠心分離式のタナベウィルテック製遠心分離機、コクサン製遠心分離機など、真空式のドラム型真空脱水機、月島機械製水平ベルトフィルターが好ましい。また、これらの複数を組み合わせて使用することができる。   In this step, a centrifugal, vacuum, or pressure type solid-liquid separator 15 can be used. Specifically, as a centrifugal type, such as a Tanabe Wiltec centrifugal separator, a Kokusan centrifugal separator, etc., as a vacuum type drum-type vacuum dehydrator, a Tsukishima machine horizontal belt filter, etc. as a pressurized type A filter press, a tube press, a belt press, a horizontal belt filter, a polydisc filter, a vibrating screen, and the like can be given. Among these, since solid-liquid separation can be performed without applying a strong shearing force to the solid-liquid separation raw material, a pressurized filter press, a tube press, a centrifugal Tanabe Wiltec centrifuge, a Kokusan centrifuge A vacuum drum type vacuum dehydrator such as a separator or a horizontal belt filter manufactured by Tsukishima Kikai is preferred. A plurality of these can be used in combination.

前記固液分離・洗浄工程に後続する解繊工程での解繊を円滑に行うために、変性セルロースの分散液を濃度0.1重量%〜10重量%に調製する。この濃度が0.1重量%未満であると変性パルプの存在が少なすぎるために十分に解繊できない。一方、10重量%を超えると解繊が進行するに従い、変性パルプ分散液の粘度が高くなり、変性パルプに十分な力を加えることができなくなるため十分に解繊することができなくなる。   In order to smoothly perform defibration in the defibrating step subsequent to the solid-liquid separation / washing step, a dispersion of modified cellulose is prepared to a concentration of 0.1 wt% to 10 wt%. When the concentration is less than 0.1% by weight, the presence of the modified pulp is too small to sufficiently defibrate. On the other hand, when the amount exceeds 10% by weight, as the defibration progresses, the viscosity of the modified pulp dispersion increases, and a sufficient force cannot be applied to the modified pulp.

続く解繊工程では、前記調製工程において濃度が調製された変性セルロースの分散液を解繊装置15に供して解繊させるもので、必須の工程である。この工程に使用される解繊装置15は、高速せん断型、衝突型、ビーズミル型、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のいずれのタイプのものも使用することができ、具体的には、高速回転式として石臼式摩砕機スーパーマスコロイダー(増幸産業製)や、コロイドミル式として乳化機(イワキ製)、ロールミル式として3本ロールミル(アメックス製)、超音波式としてエアパージ型超音波分散機(エス・エム・テー製)、高速せん断型としてナノメーカー(アドバンス・ナノ・テクノロジィ製)、衝突型として湿式微粒化装置スターバースト(スギノマシン製)、ビーズミル型ビーズミルMSCミル(日本コークス工業製)を挙げることができる。また、これらの複数を組み合わせて使用することもできる。これらの中では高速せん断型、衝突型、高速回転式の解繊装置を使用することが、より強いせん断力をメディアによる汚染のリスクが低い条件で処理できる観点から好ましい。   In the subsequent defibrating process, the dispersion of the modified cellulose whose concentration is adjusted in the preparation process is subjected to the defibrating apparatus 15 for defibrating, which is an essential process. As the defibrating device 15 used in this process, any type of high-speed shear type, collision type, bead mill type, high-speed rotation type, colloid mill type, high-pressure type, roll mill type, and ultrasonic type may be used. Specifically, a stone mill mill Supermass colloider (made by Masuyuki Sangyo) as a high-speed rotary type, an emulsifier (made by Iwaki) as a colloid mill type, a three-roll mill (made by Amex), an ultrasonic type as a roll mill type As an air purge type ultrasonic dispersion machine (manufactured by SMT), as a high-speed shear type as a nano maker (manufactured by Advanced Nano Technology), as a collision type as a wet atomizer Starburst (manufactured by Sugino Machine), as a bead mill type bead mill MSC A mill (manufactured by Nippon Coke Industries) can be mentioned. A plurality of these can also be used in combination. Among these, it is preferable to use a high-speed shearing type, collision type, and high-speed rotation type defibrating device from the viewpoint of processing a stronger shearing force under a condition where the risk of contamination by media is low.

セルロースナノファイバー分散液に含まれる固形分は0.1〜10重量%であり、僅かなセルロースナノファイバーが得られるに過ぎない。これを需要者に供給することとすると、殆ど水を搬送することとなってしまう。このため、需要者へは、セルロースナノファイバーの粉粒体を供給することを要する。すなわち、セルロースナノファイバー分散液を乾燥させてセルロースナノファイバーの粉粒体を生成することになる。   The solid content contained in the cellulose nanofiber dispersion is 0.1 to 10% by weight, and only a few cellulose nanofibers are obtained. If this is supplied to a consumer, water will almost be conveyed. For this reason, it is necessary to supply a cellulose nanofiber granular material to a consumer. That is, the cellulose nanofiber dispersion is dried to produce cellulose nanofiber particles.

本発明において、セルロースナノファイバーの形態は特に限定されるものではなく、セルロースナノファイバーの分散液あるいはセルロースナノファイバーの乾燥固形物、あるいはその中間的な状態である湿潤固形物であってもよい。なお、本発明において、セルロースナノファイバーの乾燥固形物とは、セルロースナノファイバーを含む分散液を水分量12%以下に脱水・乾燥したものを意味する。   In the present invention, the form of the cellulose nanofiber is not particularly limited, and may be a dispersion of cellulose nanofiber, a dry solid of cellulose nanofiber, or a wet solid in an intermediate state. In addition, in this invention, the dry solid substance of a cellulose nanofiber means what dehydrated and dried the dispersion liquid containing a cellulose nanofiber to 12% or less of moisture content.

セルロースナノファイバーを乾燥固形物として使用する場合、セルロースナノファイバーの分散液を乾燥させたもの、あるいはセルロースナノファイバーと水溶性高分子と混合液を乾燥させたものを例示することができる。なお、再分散性の点では後者が好ましい。上記水溶性高分子としては、例えば、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、エチルセルロース)、キサンタンガム、キシログルカン、デキストリン、デキストラン、カラギーナン、ローカストビーンガム、アルギン酸、アルギン酸塩、プルラン、澱粉、かたくり粉、クズ粉、陽性澱粉、燐酸化澱粉、コーンスターチ、アラビアガム、ローカストビーンガム、ジェランガム、ゲランガム、ポリデキストロース、ペクチン、キチン、水溶性キチン、キトサン、カゼイン、アルブミン、大豆蛋白溶解物、ペプトン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ソーダ、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリアミノ酸、ポリ乳酸、ポリリンゴ酸、ポリグリセリン、ラテックス、ロジン系サイズ剤、石油樹脂系サイズ剤、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミド・ポリアミン樹脂、ポリエチレンイミン、ポリアミン、植物ガム、ポリエチレンオキサイド、親水性架橋ポリマー、ポリアクリル酸塩、でんぷんポリアクリル酸共重合体、タマリンドガム、ジェランガム、ペクチン、グァーガム及びコロイダルシリカ並びにそれら1つ以上の混合物をいう。この中でも、カルボキシメチルセルロース及びその塩を用いることが相溶性の点から好ましい。   When cellulose nanofibers are used as a dry solid, examples include those obtained by drying a dispersion of cellulose nanofibers, or those obtained by drying a mixture of cellulose nanofibers and a water-soluble polymer. The latter is preferable in terms of redispersibility. Examples of the water-soluble polymer include cellulose derivatives (carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethylcellulose), xanthan gum, xyloglucan, dextrin, dextran, carrageenan, locust bean gum, alginic acid, alginate, pullulan, starch, and hard starch. , Scrap flour, Positive starch, Phosphorylated starch, Corn starch, Arabic gum, Locust bean gum, Gellan gum, Gellan gum, Polydextrose, Pectin, Chitin, Water-soluble chitin, Chitosan, Casein, Albumin, Soy protein lysate, Peptone, Polyvinyl alcohol , Polyacrylamide, sodium polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetate, polyamino acid, polylactic acid, polymalic acid, polyglyce Latex, rosin sizing agent, petroleum resin sizing agent, urea resin, melamine resin, epoxy resin, polyamide resin, polyamide / polyamine resin, polyethyleneimine, polyamine, plant gum, polyethylene oxide, hydrophilic cross-linked polymer, polyacrylic Refers to acid salts, starch polyacrylic acid copolymers, tamarind gum, gellan gum, pectin, guar gum and colloidal silica and mixtures of one or more thereof. Among these, it is preferable from a compatible point to use carboxymethylcellulose and its salt.

上記セルロースナノファイバーの乾燥固形物は、セルロースナノファイバーの水分散液、あるいはセルロースナノファイバー分散液と水溶性高分子を含有した混合液を、pHを9〜11に調整した後に、脱水・乾燥することが再分散性の点から好ましい。セルロースナノファイバーの分散液に水溶性高分子を配合する場合、水溶性高分子の配合量は、セルロースナノファイバーの絶乾固形分に対して、5〜50重量%であることが好ましい。5重量%未満であると十分な再分散性の効果が発現しない。一方、50重量%を超えるとセルロースナノファイバーの特徴である粘度特性、分散安定性の低下などの問題が生じる。   The dry solid of the cellulose nanofiber is dehydrated and dried after adjusting the pH of the cellulose nanofiber aqueous dispersion or the mixture containing the cellulose nanofiber dispersion and the water-soluble polymer to 9-11. It is preferable from the viewpoint of redispersibility. When the water-soluble polymer is blended in the cellulose nanofiber dispersion, the amount of the water-soluble polymer is preferably 5 to 50% by weight based on the absolutely dry solid content of the cellulose nanofiber. If it is less than 5% by weight, the effect of sufficient redispersibility is not exhibited. On the other hand, when it exceeds 50% by weight, problems such as viscosity characteristics and dispersion stability, which are characteristic of cellulose nanofiber, occur.

セルロースナノファイバー分散液あるいはセルロースナノファイバー分散液と水溶性高分子を含有した混合液の脱水・乾燥方法としては、従来公知のものであれば良く、例えば、スプレードライ、圧搾、風乾、熱風乾燥、及び真空乾燥を挙げることができる。本発明方法で具体的に用いる乾燥装置の例としては、以下のようなものである。すなわち、連続式のトンネル乾燥装置、バンド乾燥装置、縦型乾燥装置、垂直ターボ乾燥装置、多重段円板乾燥装置、通気乾燥装置、回転乾燥装置、気流乾燥装置、スプレードライヤ乾燥装置、噴霧乾燥装置、円筒乾燥装置、ドラム乾燥装置、スクリューコンベア乾燥装置、加熱管付回転乾燥装置、振動輸送乾燥装置等、回分式の箱型乾燥装置、通気乾燥装置、真空箱型乾燥装置、及び撹拌乾燥装置等の乾燥装置を単独で又は2つ以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、ドラム乾燥装置を用いることが、均一に被乾燥物に熱エネルギーを直接供給するためエネルギー効率の点から好ましい。また、ドラム乾燥装置は必要以上に熱を加えずに、直ちに乾燥物を回収できる点からも好ましい。   As the dehydration / drying method of the cellulose nanofiber dispersion or the mixture containing the cellulose nanofiber dispersion and the water-soluble polymer, any conventionally known method may be used, for example, spray drying, pressing, air drying, hot air drying, And vacuum drying. Examples of the drying apparatus specifically used in the method of the present invention are as follows. That is, continuous tunnel dryer, band dryer, vertical dryer, vertical turbo dryer, multi-stage disk dryer, aeration dryer, rotary dryer, air dryer, spray dryer dryer, spray dryer , Cylindrical dryers, drum dryers, screw conveyor dryers, rotary dryers with heating tubes, vibration transport dryers, batch-type box dryers, aeration dryers, vacuum box dryers, stirring dryers, etc. These drying apparatuses can be used alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to use a drum drying apparatus from the viewpoint of energy efficiency because the heat energy is uniformly supplied directly to an object to be dried. The drum drying apparatus is also preferable in that it can immediately collect a dried product without applying heat more than necessary.

上記乾燥固形物は、必要に応じ粉砕、分級することができる。特に乾式粉砕や湿式粉砕を施すと、より微細化された添加物を得ることができ好ましい。乾式粉砕で用いる装置としてはハンマーミル、ピンミル等の衝撃式ミル、ボールミル、タワーミル等の媒体ミル、ジェットミル等が例示される。湿式粉砕で用いる装置としてはホモジナイザー、マスコロイダー、パールミル等の装置が例示される。   The dried solid can be pulverized and classified as necessary. In particular, dry pulverization or wet pulverization is preferable because a more refined additive can be obtained. Examples of the apparatus used in the dry pulverization include impact mills such as a hammer mill and a pin mill, medium mills such as a ball mill and a tower mill, and jet mills. Examples of the apparatus used in the wet pulverization include apparatuses such as a homogenizer, a mass collider, and a pearl mill.

セルロースナノファイバーが粉粒体で供給された需要者では、水系溶媒に分散させてセルロースナノファイバー分散液を再分散することになる。このとき、所望の濃度に調整しながらセルロースナノファイバー分散液を生成する。   A consumer to whom cellulose nanofibers are supplied in powder form is dispersed in an aqueous solvent to redisperse the cellulose nanofiber dispersion. At this time, a cellulose nanofiber dispersion is produced while adjusting to a desired concentration.

セルロースナノファイバーの粉粒体を水系溶媒に投入してセルロースナノファイバー分散液を再生する際には、セルロースナノファイバーの製造の際の解繊工程で用いた解繊装置を利用して、せん断力を付与しながら攪拌することで、ダマを生成することなく溶液中にセルロースナノファイバーが均等に分散されたセルロースナノファイバー分散液を粉粒体のセルロースナノファイバーから再分散することができる。なお、前記解繊装置には、解繊工程におけるものと同様に、高速せん断型、衝突型、ビーズミル型、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のいずれのタイプのものも使用することができる。また、これらの複数を組み合わせて使用することもできる。これらの中では高速せん断型、衝突型、高速回転式の解繊装置を使用することがより強いせん断力を付与できるので好ましい。   When the cellulose nanofiber dispersion is regenerated by adding the cellulose nanofiber powder into an aqueous solvent, the shear force is applied using the defibrating device used in the defibrating process during the production of the cellulose nanofiber. The cellulose nanofiber dispersion liquid in which the cellulose nanofibers are uniformly dispersed in the solution can be redispersed from the cellulose nanofibers in a granular form without stirring to produce the mixture. In the defibrating device, as in the defibrating process, any type of high-speed shear type, collision type, bead mill type, high-speed rotation type, colloid mill type, high-pressure type, roll mill type, and ultrasonic type is used. Things can also be used. A plurality of these can also be used in combination. Among these, it is preferable to use a high-speed shearing type, collision type, and high-speed rotation type defibrating device because a stronger shearing force can be applied.

前述した各工程を経て、例えば、以下の条件でセルロースナノファイバー分散液を生成した。   Through the above-described steps, for example, a cellulose nanofiber dispersion was produced under the following conditions.

一軸回転せん断式粉砕機であるオリエント粉砕機を用いて20mm角程度に粉砕した漂白クラフトパルプをリボン型混合装置へ苛性ソーダ、モノクロロ酢酸ソーダと共に混合攪拌し、80℃まで徐々に加温してCM化反応を進めた後、アジテータ付タンクにて固形分0.5重量%まで希釈し、5m3のスラリーとした。次に、スラリーをフィルタープレス(栗田機械製作所製)にて固形分15重量%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5重量%まで希釈し、5m3のスラリーとした。本スラリーを再びフィルタープレスにて10重量%まで脱水し、アジテータ付タンクにて0.5重量%まで希釈する操作を3回繰り返し、洗浄を進めた。次に得られたスラリーを石臼式摩砕機スーパーマスコロイダー(増幸産業製)にて解繊を行い、直後に熱交換により冷却し、ストックタンクにスラリーを貯蔵する操作を5回繰り返し、固形分0.5重量%のCM化セルロースナノファイバー水分散液4.5m3を得た。   Bleached kraft pulp pulverized to about 20mm square using an oriental pulverizer, which is a uniaxial rotary shearing pulverizer, is mixed and stirred with caustic soda and monochloroacetic acid soda into a ribbon-type mixing device, and gradually heated to 80 ° C for commercialization. After the reaction proceeded, the slurry was diluted to 0.5% by weight in a tank with an agitator to form a 5 m3 slurry. Next, the slurry was dehydrated to a solid content of 15% by weight with a filter press (manufactured by Kurita Kikai Seisakusho) and diluted to 0.5% by weight in a tank with an agitator to give a 5 m3 slurry. The slurry was again dehydrated to 10% by weight with a filter press and diluted to 0.5% by weight in a tank with an agitator, and the washing was repeated three times. Next, the slurry obtained was defibrated with a stone mill grinder Supermass colloider (manufactured by Masuko Sangyo), immediately after cooling by heat exchange, and storing the slurry in a stock tank was repeated 5 times to obtain a solid content of 0 Thus, 4.5 m3 of a 5% by weight CM-modified cellulose nanofiber aqueous dispersion was obtained.

得られた固形分0.5重量%のCM化セルロースナノファイバー水分散液4.5m3をドラム乾燥装置D−0303型(カツラギ工業社製)で固形分95重量%になるまで乾燥し、CM化セルロースナノファイバー乾燥固形物23kgを得た。これを高速せん断型粉体分散機CMS2000/4(IKAジャパン製)を6000rpm、1.6kW/hで運転することにより、ダマなく乾燥前と同品質の固形分0.5重量%のCM化セルロースナノファイバー水分散液4m3を製造することができた。   The obtained CM-converted cellulose nanofiber aqueous dispersion (4.5 m3) having a solid content of 0.5% by weight was dried with a drum drying apparatus D-0303 (manufactured by Katsuragi Industry Co., Ltd.) until the solid content became 95% by weight, and converted to CM 23 kg of cellulose nanofiber dry solid was obtained. By operating this with a high-speed shearing type powder disperser CMS2000 / 4 (manufactured by IKA Japan) at 6000 rpm and 1.6 kW / h, CM-modified cellulose having a solid content of 0.5% by weight with the same quality as before drying. A nanofiber aqueous dispersion 4 m3 could be produced.

セルロースナノファイバーの粉粒体を水系溶媒に投入してセルロースナノファイバーを再分散する際には、湿式粉砕で用いられるホモジナイザーや乾式粉砕で用いられるミルで再分散すると再分散後の粘度や繊維長が短くなり解繊時と品質が変わる為、適していない。   When cellulose nanofiber powder is put into an aqueous solvent and re-dispersed, the re-dispersed viscosity and fiber length are re-dispersed with a homogenizer used in wet pulverization or a mill used in dry pulverization. Is not suitable because it becomes shorter and the quality changes at the time of defibration.

分散液中に製造されたセルロースナノファイバーを乾燥させて粉粒体にするため、搬送や保管が容易であり、需要者に供給した場合にも均一に分散されたセルロース分散液を再分散できるので、セルロースナノファイバーの汎用性の向上に寄与する。   Since the cellulose nanofibers produced in the dispersion are dried to form a powder, it is easy to transport and store, and even when supplied to the customer, the cellulose dispersion that is uniformly dispersed can be redispersed. Contributes to the improvement of versatility of cellulose nanofibers.

10 各種薬液タンク
11 攪拌装置
12 反応タンク
13 固液分離装置
14 貯留タンク
15 解繊装置
10 Various chemical tanks
11 Stirrer
12 Reaction tank
13 Solid-liquid separator
14 Storage tank
15 Defibration equipment

Claims (3)

製造されたセルロースナノファイバー分散液を乾燥させて生成されたセルロースナノファイバーの粉粒体を再度水系溶媒に分散させてセルロースナノファイバー分散液を再分散する方法において、
セルロースナノファイバーの粉粒体を水系溶媒に再分散させる際に、攪拌すると共に、機械的せん断力を付与することを特徴とするセルロースナノファイバー分散液の再分散方法。
In the method of redispersing the cellulose nanofiber dispersion by dispersing the cellulose nanofiber powder produced by drying the produced cellulose nanofiber dispersion again in an aqueous solvent,
A method for redispersing a cellulose nanofiber dispersion, comprising stirring and applying mechanical shear force when redispersing cellulose nanofiber particles in an aqueous solvent.
前記機械的せん断力を付与する装置として、高速せん断型、衝突型、ビーズミル型、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のいずれか一または二以上の装置を組み合わせて使用することを特徴とする請求項1に記載のセルロースナノファイバー分散液の再分散方法。   As a device for applying the mechanical shearing force, a high-speed shear type, a collision type, a bead mill type, a high-speed rotation type, a colloid mill type, a high-pressure type, a roll mill type, or an ultrasonic type is used in combination. The method for redispersing a cellulose nanofiber dispersion according to claim 1, wherein the method is used. 前記セルロースナノファイバーが化学変性されているセルロースナノファイバーであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセルロースナノファイバー分散液の再分散方法。   The method for redispersing a cellulose nanofiber dispersion according to claim 1 or 2, wherein the cellulose nanofiber is a chemically modified cellulose nanofiber.
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