JPWO2020100980A1 - Method for producing anion-modified cellulose nanofibers - Google Patents

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Abstract

低い電力消費量でアニオン変性セルロースナノファイバーを製造する方法を提供する。キャビテーション噴流装置を用いてアニオン変性セルロースを解繊し、アニオン変性セルロースナノファイバーを製造する。キャビテーション噴流装置は、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射する液体噴流の上流側圧力が0.01MPa以上30.00MPa以下であり、下流側圧力/上流側圧力の比が0.001〜0.500であり、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたはオリフィスの直後の配管の内径の50%以上130%以下の長さである。Provided is a method for producing anion-modified cellulose nanofibers with low power consumption. Anionic-modified cellulose is defibrated using a cavitation jet to produce anionic-modified cellulose nanofibers. In the cavitation jet device, the upstream pressure of the liquid jet injected through the nozzle or orifice is 0.01 MPa or more and 30.00 MPa or less, the downstream pressure / upstream pressure ratio is 0.001 to 0.500, and the nozzle. Alternatively, the maximum width of the cavitation jet generated by the liquid jet injected through the orifice is 50% or more and 130% or less of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or the orifice.

Description

本発明は、アニオン変性セルロースナノファイバーの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing anion-modified cellulose nanofibers.

原料であるセルロースを化学的に変性してカルボキシル基を導入して酸化セルロースとした後に機械的に処理(解繊)すると、ナノスケールの繊維径を有するセルロースナノファイバーを製造することができることが知られている。酸化セルロースの機械的解繊の手段として、超高圧ホモジナイザーのような高圧式分散機を用いて、10MPaから400MPaの操作圧力で処理する方法が報告されている(特許文献1)。 It is known that cellulose nanofibers having a nanoscale fiber diameter can be produced by chemically modifying cellulose as a raw material to introduce a carboxyl group to obtain oxidized cellulose and then mechanically treating (defibrating) it. Has been done. As a means for mechanically defibrating cellulose oxide, a method of treating with an operating pressure of 10 MPa to 400 MPa using a high-pressure disperser such as an ultra-high pressure homogenizer has been reported (Patent Document 1).

一方、ノズルまたはオリフィス管を通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション気泡が崩壊する際の衝撃力を酸化セルロースに与えることにより酸化セルロースを処理する方法も報告されている(特許文献2)。 On the other hand, a method of treating cellulose oxide by applying an impact force to the cellulose oxide when cavitation bubbles generated by a liquid jet injected through a nozzle or an orifice pipe collapses has also been reported (Patent Document 2).

特許第5108587号明細書Japanese Patent No. 5108587 特許第5248158号明細書Patent No. 5248158

特許文献1に記載されるような高圧式分散機を用いる方法は、高いエネルギーを被処理体に簡便に与えることができる点で優れているが、非常に高い圧力を用いるため、セルロースをナノオーダーの平均繊維径まで解繊させるには、高い電力量を必要とする。一方、特許文献2に記載されるような液体噴流によって生じるキャビテーション気泡による処理(キャビテーション噴流装置による処理)は、特許文献1に記載される高圧式分散機による処理に比べて低圧で行うことができる。しかしながら、これまで、キャビテーション噴流装置を用いてセルロースをナノオーダーの平均繊維径まで解繊させたとの報告はない。 The method using a high-pressure disperser as described in Patent Document 1 is excellent in that high energy can be easily applied to the object to be treated, but since a very high pressure is used, cellulose is nano-ordered. A high amount of electric power is required to defibrate to the average fiber diameter of. On the other hand, the treatment with cavitation bubbles generated by the liquid jet as described in Patent Document 2 (treatment by the cavitation jet device) can be performed at a lower pressure than the treatment by the high pressure type disperser described in Patent Document 1. .. However, there have been no reports so far that cellulose was defibrated to a nano-order average fiber diameter using a cavitation jet device.

本発明は、低い電力消費量でアニオン変性セルロースをナノオーダーの平均繊維径まで解繊させてアニオン変性セルロースナノファイバーを製造することができる方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method capable of producing anion-modified cellulose nanofibers by defibrating anion-modified cellulose to a nano-order average fiber diameter with low power consumption.

本発明者らは上記課題について鋭意検討を行った。具体的には、高圧ホモジナイザーに比べて少ない電力消費量で使用することができるキャビテーション噴流装置に着目して検討を行った。しかし、アニオン変性セルロースナノファイバーは、粘度が非常に高いゲル状の物質であるため、高圧ホモジナイザーに比べて低圧であるキャビテーション噴流装置を用いて製造しようとしても配管内に滞留しやすく、処理が進まなかった。この点に関し、さらに検討を進めた結果、キャビテーション噴流装置によるキャビテーション噴流の最大幅と、キャビテーション噴流装置のノズルまたはオリフィス管の直後の配管の内径とを同程度になるように調整することにより、上記の配管内の滞留を抑制し、高圧ホモジナイザーに比べて少ない電力消費量で、ナノオーダーの平均繊維径を有するアニオン変性セルロース(アニオン変性セルロースのナノファイバー)を効率的に得ることができることを見出した。本発明は、これらに限定されないが、以下を含む。
(1) アニオン変性セルロースを準備する工程1、及び
キャビテーション噴流装置を用いてアニオン変性セルロースを解繊してアニオン変性セルロースナノファイバーを製造する工程2、
を含む、アニオン変性セルロースナノファイバーの製造方法であって、
キャビテーション噴流装置が、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生ずるキャビテーション気泡が崩壊する際の衝撃力をアニオン変性セルロースに与えるものであり、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射する液体噴流の上流側圧力が0.01MPa以上30.00MPa以下であり、下流側圧力/上流側圧力の比が0.001〜0.500であり、
キャビテーション噴流装置のノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたはオリフィスの直後の配管の内径の50%以上130%以下の長さである、上記製造方法。
(2)キャビテーション噴流装置のノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたはオリフィスの直後の配管の内径の70%以上130%以下の長さである、(1)に記載の方法。
(3)アニオン変性セルロースが、カルボキシル基を有するセルロースである、(1)または(2)に記載の方法。
(4)アニオン変性セルロースにおけるカルボキシル基量が、アニオン変性セルロースの絶乾質量に対して、0.4mmol/g〜3.0mmol/gである、(3)に記載の方法。
(5)アニオン変性セルロースが、カルボキシメチル基を有するセルロースである、(1)または(2)に記載の方法。
(6)アニオン変性セルロースにおけるカルボキシメチル置換度が、0.01以上0.40未満である、(5)に記載の方法。
The present inventors have diligently studied the above-mentioned problems. Specifically, we focused on a cavitation jet device that can be used with less power consumption than a high-pressure homogenizer. However, since anion-modified cellulose nanofibers are gel-like substances with extremely high viscosity, they tend to stay in the piping even if they are manufactured using a cavitation jet device, which has a lower pressure than a high-pressure homogenizer, and the treatment proceeds. There wasn't. As a result of further studies on this point, by adjusting the maximum width of the cavitation jet by the cavitation jet device and the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice pipe of the cavitation jet device to be about the same, the above It was found that anion-modified cellulose (nanofiber of anion-modified cellulose) having a nano-order average fiber diameter can be efficiently obtained by suppressing the retention in the pipe of the pipe and using less power consumption than the high-pressure homogenizer. .. The present invention includes, but is not limited to, the following.
(1) Step 1 of preparing anion-modified cellulose, and step 2 of defibrating anion-modified cellulose using a cavitation jet device to produce anion-modified cellulose nanofibers.
A method for producing anion-modified cellulose nanofibers, which comprises.
The cavitation injection device gives an impact force to the anion-modified cellulose when the cavitation bubbles generated by the liquid injection injected through the nozzle or orifice collapse, and the upstream pressure of the liquid injection injected through the nozzle or orifice is 0.01 MPa. It is 30.00 MPa or less, and the ratio of downstream pressure / upstream pressure is 0.001 to 0.500.
The above-mentioned manufacturing method, wherein the maximum width of the cavitation jet generated by the liquid jet injected through the nozzle or orifice of the cavitation jet device is 50% or more and 130% or less of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice.
(2) The maximum width of the cavitation jet generated by the liquid jet injected through the nozzle or orifice of the cavitation jet device is 70% or more and 130% or less of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice. The method described.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the anion-modified cellulose is a cellulose having a carboxyl group.
(4) The method according to (3), wherein the amount of carboxyl groups in the anion-modified cellulose is 0.4 mmol / g to 3.0 mmol / g with respect to the absolute dry mass of the anion-modified cellulose.
(5) The method according to (1) or (2), wherein the anion-modified cellulose is a cellulose having a carboxymethyl group.
(6) The method according to (5), wherein the degree of carboxymethyl substitution in the anion-modified cellulose is 0.01 or more and less than 0.40.

本発明により、高圧ホモジナイザーを用いた場合に比べて少ない電力消費量で、ナノオーダーの平均繊維径を有するアニオン変性セルロースナノファイバーを得ることができる。 According to the present invention, anion-modified cellulose nanofibers having a nano-order average fiber diameter can be obtained with less power consumption than when a high-pressure homogenizer is used.

本発明は、アニオン変性セルロースナノファイバーの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing anion-modified cellulose nanofibers.

(1)工程1
工程1では、アニオン変性セルローを準備する。アニオン変性セルロースとは、セルロースの分子鎖にアニオン性基が導入されたものである。具体的には酸化または置換反応によってセルロースのピラノース環にアニオン性基を導入したものである。
(1) Step 1
In step 1, an anion-modified cellulose is prepared. Anionic-modified cellulose is one in which an anionic group is introduced into the molecular chain of cellulose. Specifically, an anionic group is introduced into the pyranose ring of cellulose by an oxidation or substitution reaction.

(1−1)セルロース
アニオン変性セルロースの原料となるセルロースの種類は、特に限定されない。セルロースは、一般に起源、製法等から、天然セルロース、再生セルロース、微細セルロース、非結晶領域を除いた微結晶セルロース等に分類される。本発明では、これらのセルロースのいずれも、原料として用いることができる。
(1-1) Cellulose The type of cellulose used as a raw material for anion-modified cellulose is not particularly limited. Cellulose is generally classified into natural cellulose, regenerated cellulose, fine cellulose, microcrystalline cellulose excluding non-crystalline regions, etc., based on the origin, manufacturing method, and the like. In the present invention, any of these celluloses can be used as a raw material.

天然セルロースとしては、晒パルプまたは未晒パルプ(晒木材パルプまたは未晒木材パルプ);リンター、精製リンター;酢酸菌等の微生物によって生産されるセルロース等が例示される。晒パルプ又は未晒パルプの原料は特に限定されず、例えば、木材、木綿、わら、竹、麻、ジュート、ケナフ等が挙げられる。また、晒パルプ又は未晒パルプの製造方法も特に限定されず、機械的方法、化学的方法、あるいはその中間で二つを組み合せた方法でもよい。製造方法により分類される晒パルプ又は未晒パルプとしては例えば、メカニカルパルプ(サーモメカニカルパルプ(TMP)、砕木パルプ)、ケミカルパルプ(針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)等の亜硫酸パルプ、針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)等のクラフトパルプ)等が挙げられる。さらに、製紙用パルプの他に溶解パルプを用いてもよい。溶解パルプとは、化学的に精製されたパルプであり、主として薬品に溶解して使用され、人造繊維、セロハンなどの主原料となる。 Examples of natural cellulose include bleached pulp or unbleached pulp (bleached wood pulp or unbleached wood pulp); linters, purified linters; cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria. The raw material of bleached pulp or unbleached pulp is not particularly limited, and examples thereof include wood, cotton, straw, bamboo, hemp, jute, and kenaf. Further, the method for producing bleached pulp or unbleached pulp is not particularly limited, and a mechanical method, a chemical method, or a method in which the two are combined may be used. The bleached pulp or unbleached pulp classified according to the production method includes, for example, mechanical pulp (thermomechanical pulp (TMP), crushed wood pulp), chemical pulp (conifer unbleached sulphite pulp (NUSP), conifer bleached sulphite pulp (NBSP). ) And the like, unbleached coniferous kraft pulp (NUKP), bleached coniferous kraft pulp (NBKP), unbleached broadleaf kraft pulp (LUKP), kraft pulp such as broadleaf bleached kraft pulp (LBKP)) and the like. Further, dissolved pulp may be used in addition to the pulp for papermaking. Dissolving pulp is chemically refined pulp, which is mainly dissolved in chemicals and used as a main raw material for artificial fibers, cellophane, and the like.

再生セルロースとしては、セルロースを銅アンモニア溶液、セルロースザンテート溶液、モルフォリン誘導体など何らかの溶媒に溶解し、改めて紡糸されたものが例示される。 Examples of the regenerated cellulose include those obtained by dissolving cellulose in a solvent such as a cuprammonium solution, a cellulose zantate solution, or a morpholine derivative, and spinning it again.

微細セルロースとしては、上記天然セルロースや再生セルロースをはじめとする、セルロース系素材を、解重合処理(例えば、酸加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、爆砕処理、振動ボールミル処理等)して得られるものや、前記セルロース系素材を、機械的に処理して得られるものが例示される。 The fine cellulose is obtained by subjecting a cellulosic material such as the above-mentioned natural cellulose or regenerated cellulose to a depolymerization treatment (for example, acid hydrolysis, alkali hydrolysis, enzymatic decomposition, blasting treatment, vibration ball mill treatment, etc.). Examples thereof include those obtained by mechanically processing the cellulosic material.

(1−2)アニオン変性
アニオン変性とはセルロースにアニオン性基を導入することをいい、具体的には酸化または置換反応によってセルロースのピラノース環にアニオン性基を導入することをいう。本発明において前記酸化反応とはピラノース環の水酸基を直接カルボキシル基に酸化する反応をいう。また、本発明において置換反応とは、当該酸化以外の置換反応によってピラノース環にアニオン性基を導入する反応をいう。
(1-2) Anion Degeneration Anion denaturation refers to the introduction of an anionic group into cellulose, specifically, the introduction of an anionic group into the pyranose ring of cellulose by an oxidation or substitution reaction. In the present invention, the oxidation reaction refers to a reaction in which the hydroxyl group of the pyranose ring is directly oxidized to a carboxyl group. Further, in the present invention, the substitution reaction means a reaction for introducing an anionic group into the pyranose ring by a substitution reaction other than the oxidation.

(1−2−1)カルボキシル化(酸化)
アニオン変性の一例として、カルボキシル化(カルボキシル基のセルロースへの導入、「酸化」とも呼ぶ。)を挙げることができる。本明細書においてカルボキシル基とは、−COOH(酸型)および−COOM(金属塩型)をいう(式中、Mは金属イオンである)。カルボキシル化セルロース(「酸化セルロース」とも呼ぶ)は、上記のセルロース原料を公知の方法でカルボキシル化(酸化)することにより得ることができる。特に限定されないが、カルボキシル基の量はアニオン変性セルロースまたはアニオン変性セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.4mmol/g〜3.0mmol/gが好ましく、0.6mmol/g〜2.0mmol/gがさらに好ましく、1.0mmol/g〜2.0mmol/gがさらに好ましく、1.1mmol/g〜2.0mmol/gがさらに好ましい。
(1-2-1) Carboxylation (oxidation)
As an example of anion modification, carboxylation (introduction of a carboxyl group into cellulose, also referred to as "oxidation") can be mentioned. In the present specification, the carboxyl group means -COOH (acid type) and -COOM (metal salt type) (in the formula, M is a metal ion). Carboxylated cellulose (also referred to as "oxidized cellulose") can be obtained by carboxylating (oxidizing) the above-mentioned cellulose raw material by a known method. Although not particularly limited, the amount of carboxyl groups is preferably 0.4 mmol / g to 3.0 mmol / g, preferably 0.6 mmol / g to 2.0 mmol / g, based on the absolute dry mass of the anion-modified cellulose or the anion-modified cellulose nanofibers. / G is further preferable, 1.0 mmol / g to 2.0 mmol / g is further preferable, and 1.1 mmol / g to 2.0 mmol / g is further preferable.

アニオン変性セルロースまたはアニオン変性セルロースナノファイバーのカルボキシル基量は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシル化セルロースの0.5質量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、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:
カルボキシル基量〔mmol/gカルボキシル化セルロース〕=a〔ml〕×0.05/カルボキシル化セルロース質量〔g〕。
The amount of carboxyl groups in anion-modified cellulose or anion-modified cellulose nanofibers can be measured by the following method:
60 ml of a 0.5 mass% slurry (aqueous dispersion) of carboxylated cellulose was prepared, and a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution was added to adjust the pH to 2.5, and then a 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution was added dropwise to adjust the pH to 11. The electric conductivity is measured until the value becomes, and the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of the weak acid in which the change in the electric conductivity is gradual is calculated by using the following formula:
Amount of carboxyl groups [mmol / g carboxylated cellulose] = a [ml] x 0.05 / mass of carboxylated cellulose [g].

カルボキシル化(酸化)方法の一例として、セルロース原料を、N−オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物、およびこれらの混合物からなる群から選択される化合物との存在下で酸化剤を用いて水中で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、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、表面にアルデヒド基と、カルボキシル基(−COOH)またはカルボキシレート基(−COO)とを有するセルロース繊維を得ることができる。反応時のセルロースの濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。As an example of the carboxylation (oxidation) method, a cellulose raw material is oxidized in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a compound selected from the group consisting of bromide, iodide, and a mixture thereof. There are ways to do this. This oxidation reaction, C6-position primary hydroxyl groups of the glucopyranose ring of the cellulose surface is selectively oxidized, and an aldehyde group on the surface, a carboxyl group (-COOH) or carboxylate groups (-COO -) and cellulosic fibers having a Can be obtained. The concentration of cellulose during the reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by mass or less.

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をいう。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。例えば、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシラジカル(TEMPO)およびその誘導体(例えば4−ヒドロキシTEMPO)が挙げられる。N−オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であればよく、特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01mmol〜10mmolが好ましく、0.01mmol〜1mmolがより好ましく、0.05mmol〜0.5mmolがさらに好ましい。また、反応系に対し0.1mmol/L〜4mmol/L程度がよい。 The N-oxyl compound is a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it is a compound that promotes the desired oxidation reaction. For example, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxy radical (TEMPO) and its derivative (for example, 4-hydroxy TEMPO) can be mentioned. The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of oxidizing cellulose as a raw material. For example, 0.01 mmol to 10 mmol is preferable, 0.01 mmol to 1 mmol is more preferable, and 0.05 mmol to 0.5 mmol is further preferable with respect to 1 g of cellulose that has been completely dried. Further, it is preferably about 0.1 mmol / L to 4 mmol / L with respect to the reaction system.

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のセルロースに対して、0.1mmol〜100mmolが好ましく、0.1mmol〜10mmolがより好ましく、0.5mmol〜5mmolがさらに好ましい。当該変性は酸化反応による変性である。 The bromide is a compound containing bromine, and examples thereof include alkali metals bromide that can be dissociated and ionized in water. Further, the iodide is a compound containing iodine, and an example thereof includes an alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected within a range in which the oxidation reaction can be promoted. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably 0.1 mmol to 100 mmol, more preferably 0.1 mmol to 10 mmol, still more preferably 0.5 mmol to 5 mmol with respect to 1 g of dry cellulose. The modification is a modification due to an oxidation reaction.

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、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムは好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.5mmol〜500mmolが好ましく、0.5mmol〜50mmolがより好ましく、1mmol〜25mmolがさらに好ましく、3mmol〜10mmolが最も好ましい。また、例えば、N−オキシル化合物1molに対して1mol〜40molが好ましい。 As the oxidizing agent, known ones can be used, and for example, halogen, hypohalogenic acid, subhalogenic acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxide, peroxide and the like can be used. Of these, sodium hypochlorite, which is inexpensive and has a low environmental impact, is preferable. The appropriate amount of the oxidizing agent to be used is, for example, 0.5 mmol to 500 mmol, more preferably 0.5 mmol to 50 mmol, still more preferably 1 mmol to 25 mmol, and most preferably 3 mmol to 10 mmol with respect to 1 g of cellulose that has been completely dried. .. Further, for example, 1 mol to 40 mol is preferable with respect to 1 mol of the N-oxyl compound.

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4℃〜40℃が好ましく、また15℃〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpH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8〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。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時間〜6時間、例えば、0.5時間〜4時間程度である。 In the cellulose oxidation step, the reaction can proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature is preferably 4 ° C. to 40 ° C., and may be room temperature of about 15 ° C. to 30 ° C. As the reaction progresses, carboxyl groups are generated in the cellulose, so that the pH of the reaction solution is lowered. In order to allow the oxidation reaction to proceed 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 8 to 12, preferably about 10 to 11. Water is preferable as the reaction medium because it is easy to handle and side reactions are unlikely to occur. The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the degree of progress of oxidation, and is usually about 0.5 hour to 6 hours, for example, about 0.5 hour to 4 hours.

また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、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、効率よく酸化させることができる。 Further, the oxidation reaction may be carried out in two steps. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first-stage reaction again under the same or different reaction conditions, the efficiency is not affected by the reaction inhibition by the salt produced as a by-product in the first-stage reaction. It can be oxidized well.

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位および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、50g/m〜250g/mであることが好ましく、50g/m〜220g/mであることがより好ましい。セルロース原料に対するオゾン添加量は、セルロース原料の固形分を100質量部とした際に、0.1質量部〜30質量部であることが好ましく、5質量部〜30質量部であることがより好ましい。オゾン処理温度は、0℃〜50℃であることが好ましく、20℃〜50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、特に限定されないが、1分〜360分程度であり、30分〜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およ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剤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 with a cellulose raw material. By this oxidation reaction, the hydroxyl groups at at least the 2nd and 6th positions of the glucopyranose ring are oxidized, and the cellulose chain is decomposed. Ozone concentration in the ozone containing gas is preferably 50g / m 3 ~250g / m 3 , more preferably 50g / m 3 ~220g / m 3 . The amount of ozone added to the cellulose raw material is preferably 0.1 part by mass to 30 parts by mass, and more preferably 5 parts by mass to 30 parts by mass, when the solid content of the cellulose raw material is 100 parts by mass. .. The ozone treatment temperature is preferably 0 ° C. to 50 ° C., more preferably 20 ° C. to 50 ° C. The ozone treatment time is not particularly limited, but is about 1 minute to 360 minutes, preferably about 30 minutes to 360 minutes. When the ozone treatment conditions are within these ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of the oxidized cellulose becomes good. After the ozone treatment, the 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-based compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfate, and peracetic acid. For example, the additional oxidation treatment can be performed by dissolving these oxidizing agents in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and immersing the cellulose raw material in the solution.

酸化セルロースのカルボキシル基の量は、上記した酸化剤の添加量、反応時間等の反応条件をコントロールすることで調整することができる。酸化セルロースにおけるカルボキシル基量と同酸化セルロースをナノファイバーとしたときのカルボキシル基量は、通常、同じである。 The amount of the carboxyl group of cellulose oxide can be adjusted by controlling the reaction conditions such as the amount of the oxidizing agent added and the reaction time described above. The amount of carboxyl groups in cellulose oxide and the amount of carboxyl groups when the same cellulose oxide is used as nanofibers are usually the same.

(1−2−2)カルボキシアルキル化
アニオン変性の一例として、カルボキシメチル基等のカルボキシアルキル基の導入を挙げることができる。本明細書においてカルボキシアルキル基とは、−RCOOH(酸型)および−RCOOM(金属塩型)をいう。ここでRはメチレン基、エチレン基等のアルキレン基であり、Mは金属イオンである。
(1-2-2) Carboxalkylation As an example of anion modification, introduction of a carboxyalkyl group such as a carboxymethyl group can be mentioned. As used herein, the carboxyalkyl group refers to -RCOH (acid type) and -RCOOM (metal salt type). Here, R is an alkylene group such as a methylene group and an ethylene group, and M is a metal ion.

カルボキシアルキル化セルロースは公知の方法で得てもよく、また市販品を用いてもよい。セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシアルキル置換度は0.40未満であることが好ましい。さらにアニオン性基がカルボキシメチル基である場合、カルボキシメチル置換度は0.40未満であることが好ましい。当該置換度が0.40以上であるとセルロースの結晶性が低下する。またカルボキシアルキル置換度の下限値は0.01以上が好ましい。操業性を考慮すると当該置換度は0.02以上0.35以下であることが特に好ましく、0.10以上0.35以下であることが更に好ましく、0.15以上0.35以下であることが更に好ましく、0.15以上0.30以下であることが更に好ましい。なお、無水グルコース単位とは、セルロースを構成する個々の無水グルコース(グルコース残基)を意味し、カルボキシアルキル置換度とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基(−OH)のうちカルボキシアルキルエーテル基(−ORCOOHまたは−ORCOOM)で置換されているものの割合(1つのグルコース残基当たりのカルボキシアルキルエーテル基の数)を示す。 The carboxyalkylated cellulose may be obtained by a known method, or a commercially available product may be used. The degree of carboxyalkyl substitution of cellulose per anhydrous glucose unit is preferably less than 0.40. Further, when the anionic group is a carboxymethyl group, the degree of carboxymethyl substitution is preferably less than 0.40. When the degree of substitution is 0.40 or more, the crystallinity of cellulose is lowered. The lower limit of the carboxyalkyl substitution degree is preferably 0.01 or more. Considering operability, the degree of substitution is particularly preferably 0.02 or more and 0.35 or less, further preferably 0.10 or more and 0.35 or less, and 0.15 or more and 0.35 or less. Is more preferable, and 0.15 or more and 0.30 or less is further preferable. The anhydrous glucose unit means individual anhydrous glucose (glucose residue) constituting cellulose, and the carboxyalkyl substitution degree is carboxyalkyl among the hydroxyl groups (-OH) in the glucose residue constituting cellulose. The percentage of those substituted with ether groups (-ORCOOH or -ORCOOM) (number of carboxyalkyl ether groups per glucose residue) is shown.

カルボキシアルキル化セルロースを製造する方法の一例として、以下の工程を含む方法が挙げられる。当該変性は置換反応による変性である。カルボキシメチル化セルロースを例にして説明する。
i)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、マーセル化処理する工程、
ii)次いで、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工程。
As an example of the method for producing carboxyalkylated cellulose, a method including the following steps can be mentioned. The modification is a modification by a substitution reaction. Carboxymethylated cellulose will be described as an example.
i) The bottoming material, the solvent, and the mercerizing agent are mixed, and the reaction temperature is 0 ° C. to 70 ° C., preferably 10 ° C. to 60 ° C., and the reaction time is 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours. Process to process,
ii) Next, a carboxymethylating agent was added in an amount of 0.05 to 10.0 times per glucose residue, and the reaction temperature was 30 ° C. to 90 ° C., preferably 40 ° C. to 80 ° C., and the reaction time was 30 minutes to 10 hours. A step of carrying out the etherification reaction, preferably for 1 to 4 hours.

発底原料としては前述のセルロース原料を使用できる。溶媒としては、3〜20質量倍の水または低級アルコール、具体的には水、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、または2種以上の混合媒体を使用できる。低級アルコールを混合する場合、その混合割合は60質量%〜95質量%が好ましい。マーセル化剤としては、発底原料の無水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ことが好ましい。 The above-mentioned cellulose raw material can be used as the bottoming raw material. As the solvent, 3 to 20 times by mass of water or lower alcohol, specifically water, methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, tertiary butanol, etc. alone or 2 A mixed medium of seeds or more can be used. When the lower alcohol is mixed, the mixing ratio is preferably 60% by mass to 95% by mass. As the mercerizing agent, it is preferable to use 0.5 to 20 times the mole of alkali metal hydroxide, specifically sodium hydroxide or potassium hydroxide, per anhydrous glucose residue of the bottoming material.

前述のとおり、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は0.40未満であり、0.01以上0.40未満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ナノ解繊することができるようになる。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0.01より小さいと、ナノ解繊が十分にできない場合がある。カルボキシメチル置換度は、より好ましくは0.10以上0.40未満であり、さらに好ましくは0.15以上0.40未満であり、さらに好ましくは0.20以上0.40未満である。カルボキシアルキル化セルロースにおけるカルボキシアルキル置換度と、同カルボキシアルキル化セルロースをナノファイバーとしたときのカルボキシアルキル置換度とは通常、同じである。 As described above, the degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of cellulose is less than 0.40, preferably 0.01 or more and less than 0.40. By introducing a carboxymethyl substituent into the cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, the cellulose into which the carboxymethyl substituent has been introduced can be nano-defibrated. If the carboxymethyl substituent per glucose unit is less than 0.01, nanodefibration may not be sufficient. The degree of carboxymethyl substitution is more preferably 0.10 or more and less than 0.40, still more preferably 0.15 or more and less than 0.40, and further preferably 0.20 or more and less than 0.40. The degree of carboxyalkyl substitution in carboxyalkylated cellulose is usually the same as the degree of carboxyalkyl substitution when the same carboxyalkylated cellulose is used 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は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシメチル化セルロース(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。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、カルボキシメチル化セルロース塩(CM化セルロース)を水素型CM化セルロースに変換する。水素型CM化セルロース(絶乾)を1.5g〜2.0g精秤し、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。80質量%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。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのHSOで過剰のNaOHを逆滴定した。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HSO)(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HSOのファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター。
The degree of carboxymethyl substitution per glucose unit can be measured by the following method:
Weigh approximately 2.0 g of carboxymethylated cellulose (absolutely dry) and place in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. 100 mL of a solution prepared by adding 100 mL of special grade concentrated nitric acid to 900 mL of methanol is added, and the mixture is shaken for 3 hours to convert the carboxymethylated cellulose salt (CM-modified cellulose) into hydrogen-type CM-modified cellulose. Weigh 1.5 g to 2.0 g of hydrogen-type CM-formed cellulose (absolutely dry) and place it in an Erlenmeyer flask with a 300 mL stopper. Wet hydrogen-type CM-formed cellulose with 15 mL of 80 mass% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. Excess NaOH was back titrated with 0.1 N H 2 SO 4 using phenolphthalein as an indicator. The carboxymethyl substitution degree (DS) is calculated by the following formula:
A = [(100 x F'-(0.1 N H 2 SO 4 ) (mL) x F) x 0.1] / (absolute dry mass (g) of hydrogen-type CM-formed cellulose)
DS = 0.162 × A / (1-0.058 × A)
A: 1N NaOH amount (mL) required to neutralize 1 g of hydrogen-type CM-formed cellulose
F: 0.1N H 2 SO 4 factor F': 0.1N NaOH factor.

カルボキシメチル基以外のカルボキシアルキル基置換度の測定も、上記と同様の方法で行うことができる。 The degree of substitution of the carboxyalkyl group other than the carboxymethyl group can also be measured by the same method as described above.

(1−2−3)エステル化
アニオン変性の一例としてエステル化を挙げることができる。エステル化の方法としては、セルロース原料にリン酸系化合物の粉末や水溶液を混合する方法、セルロース原料のスラリーにリン酸系化合物の水溶液を添加する方法等が挙げられる。リン酸系化合物としては、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、次亜リン酸、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。上記の中でも、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、亜リン酸ナトリウム、亜リン酸カリウム、次亜リン酸ナトリウム、次亜リン酸カリウム、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。これらの1種、あるいは2種以上を併用してセルロースにリン酸基を導入することができる。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、反応を均一に進行でき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は水溶液として用いることが望ましい。リン酸系化合物の水溶液の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。
(1-2-3) Esterification Esterification can be mentioned as an example of anion modification. Examples of the esterification method include a method of mixing a powder or an aqueous solution of a phosphoric acid compound with a cellulose raw material, a method of adding an aqueous solution of a phosphoric acid compound to a slurry of a cellulose raw material, and the like. Examples of the phosphoric acid-based compound include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, and esters thereof. These may be in the form of salts. Among the above, a compound having a phosphoric acid group is preferable because it is low in cost, easy to handle, and a phosphoric acid group can be introduced into the cellulose of pulp fibers to improve the defibration efficiency. Compounds having a phosphoric acid group include phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium phosphite, potassium phosphite, sodium hypophosphite, and potassium hypophosphite. , Sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate , Ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate and the like. A phosphoric acid group can be introduced into cellulose by using one or more of these. Of these, phosphoric acid, sodium phosphate of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, and phosphoric acid from the viewpoints of high efficiency of introducing phosphoric acid groups, easy defibration in the following defibration steps, and easy industrial application. Ammonium salt is preferred. In particular, sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are preferable. In addition, it is desirable to use the phosphoric acid-based compound as an aqueous solution because the reaction can proceed uniformly and the efficiency of introducing a phosphoric acid group is high. The pH of the aqueous solution of the phosphoric acid-based compound is preferably 7 or less because the efficiency of introducing the phosphoric acid group is high, but is preferably 3 to 7 from the viewpoint of suppressing the hydrolysis of pulp fibers.

リン酸エステル化セルロースの製造方法の例として、以下の方法を挙げることができる。固形分濃度0.1質量%〜10質量%のセルロース原料の懸濁液に、リン酸系化合物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。セルロース原料を100質量部とした際に、リン酸系化合物の添加量はリン元素量として、0.2質量部〜500質量部であることが好ましく、1質量部〜400質量部であることがより好ましい。リン酸系化合物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 methods can be mentioned as examples of the method for producing phosphoric acid esterified cellulose. A phosphoric acid-based compound is added to a suspension of a cellulosic raw material having a solid content concentration of 0.1% by mass to 10% by mass with stirring to introduce a phosphoric acid group into the cellulose. When the cellulose raw material is 100 parts by mass, the amount of the phosphoric acid compound added is preferably 0.2 parts by mass to 500 parts by mass and preferably 1 part by mass to 400 parts by mass as the amount of phosphorus element. More preferred. When the ratio of the phosphoric acid-based compound is at least the above lower limit value, the yield of fine fibrous cellulose can be further improved. However, if the upper limit is exceeded, the effect of improving the yield will reach a plateau, which is not preferable from the viewpoint of cost.

リン酸系化合物に加えて、他の化合物の粉末や水溶液を混合してもよい。リン酸系化合物以外の他の化合物としては、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色から赤色を呈すること、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。中でも低コストで扱いやすい尿素が好ましい。他の化合物の添加量はセルロース原料の固形分100質量部に対して、2質量部〜1000質量部が好ましく、100質量部〜700質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分〜600分程度であり、30分〜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。 In addition to the phosphoric acid-based compound, powders or aqueous solutions of other compounds may be mixed. The compound other than the phosphoric acid-based compound is not particularly limited, but a nitrogen-containing compound exhibiting basicity is preferable. "Basic" here is defined as the aqueous solution turning pink to red in the presence of a phenolphthalein indicator, or the pH of the aqueous solution being greater than 7. The basic nitrogen-containing compound used in the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, but a compound having an amino group is preferable. For example, urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like can be mentioned. Of these, urea, which is low in cost and easy to handle, is preferable. The amount of the other compound added is preferably 2 parts by mass to 1000 parts by mass, more preferably 100 parts by mass to 700 parts by mass, based on 100 parts by mass of the solid content of the cellulose raw material. The reaction temperature is preferably 0 ° C. to 95 ° C., more preferably 30 ° C. to 90 ° C. The reaction time is not particularly limited, but is about 1 minute to 600 minutes, more preferably 30 minutes to 480 minutes. When the conditions of the esterification reaction are within these ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively esterified and easily dissolved, and the yield of the phosphate esterified cellulose becomes good. After dehydrating the obtained phosphoric acid esterified cellulose suspension, it is preferable to heat-treat it at 100 ° C. to 170 ° C. from the viewpoint of suppressing hydrolysis of cellulose. Further, it is preferable to heat at 130 ° C. or lower, preferably 110 ° C. or lower while water is contained in the heat treatment, remove the water, and then heat-treat at 100 ° C. 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以上0.40未満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。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原料は煮沸した後、冷水を用いて洗浄することが好ましい。これらのエステル化による変性は置換反応による変性である。エステル化セルロースにおける置換度と、同エステル化セルロースをナノファイバーとしたときの置換度は、通常、同じである。 The degree of phosphoric acid group substitution per glucose unit of the phosphoric acid esterified cellulose is preferably 0.001 or more and less than 0.40. By introducing a phosphate group substituent into the cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, the cellulose into which a phosphate group has been introduced can be easily nano-defibrated. If the degree of phosphate substitution per glucose unit is less than 0.001, nano-defibration cannot be sufficiently performed. On the other hand, if the degree of phosphate substitution per glucose unit is greater than 0.40, it swells or dissolves and may not be obtained as nanofibers. In order to efficiently perform defibration, it is preferable that the phosphoric acid esterified cellulose raw material obtained above is boiled and then washed with cold water. These esterification modifications are substitution reaction modifications. The degree of substitution in esterified cellulose and the degree of substitution when the esterified cellulose is used as nanofibers are usually the same.

グルコース単位当たりのリン酸基置換度は、以下の方法で測定することができる:
固形分量が0.2質量%のリン酸エステル化セルロースのスラリーを調製する。スラリーに対し、体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(アンバージェット1024;オルガノ社製、コンディショニング済)を加え、1時間振とう処理を行った後、目開き90μmのメッシュ上に注いで樹脂とスラリーとを分離することにより、リン酸エステル化セルロースを水素型リン酸エステル化セルロースに変換する。次いで、イオン交換樹脂による処理後のスラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を、30秒に1回、50μLずつ加えながら、スラリーが示す電気伝導度の値の変化を計測する。計測結果のうち、急激に電気伝導度が低下する領域において必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除すことにより、水素型リン酸エステル化セルロース1g当たりのリン酸基量(mmol/g)を算出する。さらに、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(DS)を、次式によって算出する:
DS=0.162×A/(1−0.079×A)
A:水素型リン酸エステル化セルロースの1gあたりのリン酸基量(mmol/g)
The degree of phosphate substitution per glucose unit can be measured by the following method:
A slurry of phosphoric acid esterified cellulose having a solid content of 0.2% by mass is prepared. A strong acid ion exchange resin (Amberjet 1024; manufactured by Organo, conditioned) with a volume of 1/10 is added to the slurry, shaken for 1 hour, and then poured onto a mesh with an opening of 90 μm. And the slurry are separated to convert the phosphate esterified cellulose into hydrogen-type phosphate esterified cellulose. Next, 50 μL of a 0.1 N sodium hydroxide aqueous solution is added to the slurry treated with the ion exchange resin once every 30 seconds, and the change in the value of electrical conductivity indicated by the slurry is measured. Of the measurement results, the amount of alkali (mmol) required in the region where the electrical conductivity drops sharply is divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated, so that 1 g of hydrogen-type phosphate esterified cellulose is used. The amount of phosphate groups (mmol / g) is calculated. In addition, the degree of phosphate substitution (DS) per glucose unit of phosphate esterified cellulose is calculated by the following equation:
DS = 0.162 × A / (1-0.079 × A)
A: Amount of phosphate groups per gram of hydrogen-type phosphoric acid esterified cellulose (mmol / g)

(1−3)アニオン変性セルロース
原料であるセルロースに対し、上記で例示したようなアニオン変性を行うことにより、アニオン変性セルロースを得ることができる。また、市販のものを用いてもよい。アニオン変性セルロースの種類としては、カルボキシル基を有するセルロースまたはカルボキシアルキル基を有するセルロースが好ましい。特に、N−オキシル化合物と酸化剤とを用いてセルロースを酸化することにより得られたカルボキシル化セルロースは、カルボキシル基が均一に導入されており、均一に解繊しやすく、透明度の高いセルロースナノファイバーが得られる点で好ましい。
(1-3) Anion-modified cellulose An anion-modified cellulose can be obtained by performing anion modification as illustrated above on cellulose as a raw material. Moreover, you may use the commercially available one. As the type of anion-modified cellulose, cellulose having a carboxyl group or cellulose having a carboxylalkyl group is preferable. In particular, the carboxylated cellulose obtained by oxidizing cellulose with an N-oxyl compound and an oxidizing agent has a uniformly introduced carboxyl group, is easily defibrated uniformly, and has high transparency. Is preferable in that

アニオン変性セルロースとしては、水や水溶性有機溶媒に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるものを用いる。繊維状の形状が維持されないもの(すなわち、溶解するもの)を用いると、ナノファイバーを得ることができない。分散した際に繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるとは、アニオン変性セルロースの分散体を電子顕微鏡で観察すると、繊維状の物質を観察することができるものである。また、X線回折で測定した際にセルロースI型結晶のピークを観測することができるアニオン変性セルロースは好ましい。 As the anion-modified cellulose, those in which at least a part of the fibrous shape is maintained even when dispersed in water or a water-soluble organic solvent are used. Nanofibers cannot be obtained if fibrous shapes are not maintained (ie, those that dissolve). The fact that at least a part of the fibrous shape is maintained when dispersed means that a fibrous substance can be observed by observing the dispersion of anion-modified cellulose with an electron microscope. Further, anion-modified cellulose capable of observing the peak of cellulose type I crystal when measured by X-ray diffraction is preferable.

アニオン変性セルロースにおけるセルロースの結晶化度は、結晶I型が50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。結晶性を上記範囲に調整することにより、解繊により繊維を微細化した後も溶解することのない結晶性セルロース繊維を充分に得ることができる。セルロースの結晶性は、原料であるセルロースの結晶化度、及びアニオン変性の度合によって制御できる。アニオン変性セルロースの結晶化度の測定方法は、以下の通りである:
試料をガラスセルに乗せ、X線回折測定装置(LabX XRD−6000、株式会社島津製作所製)を用いて測定する。結晶化度の算出はSegal等の手法を用いて行い、X線回折図の2θ=10゜〜30゜の回折強度をベースラインとして、2θ=22.6゜の002面の回折強度と2θ=18.5゜のアモルファス部分の回折強度から次式により算出する。
Xc=(I002c−Ia)/I002c×100
Xc:セルロースのI型の結晶化度(%)
I002c:2θ=22.6゜、002面の回折強度
Ia:2θ=18.5゜、アモルファス部分の回折強度。
The crystallinity of cellulose in the anion-modified cellulose is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more for crystal type I. By adjusting the crystallinity to the above range, it is possible to sufficiently obtain crystalline cellulose fibers that do not dissolve even after the fibers have been refined by defibration. The crystallinity of cellulose can be controlled by the degree of crystallinity of the raw material cellulose and the degree of anion modification. The method for measuring the crystallinity of anion-modified cellulose is as follows:
The sample is placed on a glass cell and measured using an X-ray diffraction measuring device (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). The crystallinity is calculated by using a method such as Segal, and the diffraction intensity of the 002 surface of 2θ = 22.6 ° and 2θ = are based on the diffraction intensity of 2θ = 10 ° to 30 ° in the X-ray diffraction diagram. It is calculated by the following formula from the diffraction intensity of the amorphous portion of 18.5 °.
Xc = (I002c-Ia) / I002c × 100
Xc: Type I crystallinity (%) of cellulose
I002c: 2θ = 22.6 °, diffraction intensity of 002 surface Ia: 2θ = 18.5 °, diffraction intensity of amorphous part.

アニオン変性セルロースのセルロースI型結晶の割合と、同アニオン変性セルロースをナノファイバーとしたときのセルロースI型結晶の割合は、通常同じである。 The ratio of cellulose type I crystals of anion-modified cellulose and the ratio of cellulose type I crystals when the same anion-modified cellulose is used as nanofibers are usually the same.

(2)工程2
工程2では、アニオン変性セルロースをキャビテーション噴流装置を用いて処理(解繊)することにより、アニオン変性セルロースナノファイバーを製造する。
(2) Step 2
In step 2, anion-modified cellulose nanofibers are produced by treating (defibrating) anionic-modified cellulose using a cavitation jet device.

(2−1)アニオン変性セルロース分散体
解繊に際しては、アニオン変性セルロースの分散体を準備する。分散媒は、水または有機溶媒、あるいはこれらの混合物を適宜選択できる。有機溶媒の種類は問わないが、例えばセルロース中の水酸基との親和性が高い極性溶媒が好ましく、メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール、グリセリン、エチレングリコールジメチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキサイド等を挙げることができる。上記分散媒は単独で用いても良いし、2種類以上を混合して用いてもよい。例えば、有機溶媒を2種類以上混合する形態、水と有機溶媒を含む形態、水のみの形態などを適宜選択することができる。水のみを分散媒として用いること(すなわち、水100%)は、取扱いの容易性から好ましい。水と有機溶媒とを混合する場合の混合割合は特に限定されず、使用する有機溶媒の種類に応じて適宜混合割合を調整すればよい。
(2-1) Anion-modified cellulose dispersion A dispersion of anion-modified cellulose is prepared for defibration. As the dispersion medium, water, an organic solvent, or a mixture thereof can be appropriately selected. The type of organic solvent is not limited, but for example, a polar solvent having a high affinity for a hydroxyl group in cellulose is preferable, and methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, and ethylene glycol are preferable. , Glycerin, ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, acetone, methyl ethyl ketone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and the like. The dispersion medium may be used alone or in combination of two or more. For example, a form in which two or more kinds of organic solvents are mixed, a form containing water and an organic solvent, a form containing only water, and the like can be appropriately selected. It is preferable to use only water as a dispersion medium (that is, 100% water) from the viewpoint of ease of handling. The mixing ratio when water and the organic solvent are mixed is not particularly limited, and the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the type of the organic solvent used.

キャビテーション噴流装置に供するアニオン変性セルロース分散体の固形分濃度は10.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは7.0質量%以下、さらに好ましくは0.1〜5.0質量%の範囲で処理することが気泡の発生効率の点から好ましい。 The solid content concentration of the anion-modified cellulose dispersion to be used in the cavitation jet device is preferably 10.0% by mass or less, more preferably 7.0% by mass or less, still more preferably 0.1 to 5.0% by mass. Treatment within the range is preferable from the viewpoint of bubble generation efficiency.

また、アニオン変性セルロース分散体のpHは、好ましくはpH6〜13、より好ましくはpH6〜12、更に好ましくはpH6〜10である。pHが6以上であればアニオン変性セルロースの解繊が進行しやすい。一方、pHは13を超えると、パルプ繊維のアルカリ焼けが生じ、白色度が低下するので好ましくない。 The pH of the anion-modified cellulose dispersion is preferably pH 6 to 13, more preferably pH 6 to 12, and even more preferably pH 6 to 10. When the pH is 6 or more, the defibration of the anion-modified cellulose is likely to proceed. On the other hand, if the pH exceeds 13, alkaline burning of the pulp fibers occurs and the whiteness decreases, which is not preferable.

(2−2)キャビテーション噴流装置
キャビテーション噴流装置とは、噴射液体を圧縮し高速でノズル先端またはオリフィスより被噴射液体に向けて噴射することで、ノズルまたはオリフィス近傍での極めて高いせん断力と、急激な減圧で液体が膨張することにより発生するキャビテーション気泡の崩壊エネルギーと、によって噴射液体及び被噴射液体中の固形の塊を細断する装置である。繊維に対して刃物等の物理的な接触がないことから、繊維の短小化を引き起こしにくい。
(2-2) Cavitation jet device The cavitation jet device compresses the jet liquid and injects it from the tip of the nozzle or the orifice toward the liquid to be jetted at high speed, resulting in extremely high shearing force near the nozzle or orifice and rapid operation. It is a device that shreds solid lumps in the jet liquid and the liquid to be jetted by the decay energy of cavitation bubbles generated by the expansion of the liquid due to the depressurization. Since there is no physical contact with the fiber such as a blade, it is unlikely to cause the fiber to be shortened.

噴射液体としては、上述のアニオン変性セルロース分散体に用いる分散媒や、アニオン変性セルロース分散体自体を用いることができる。被噴射液体としては、上述のアニオン変性セルロース分散体を用いる。噴射液体を被噴射液体であるアニオン変性セルロース分散体に向けて噴射し、噴流を生じさせることにより、被噴射液体中でキャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡の崩壊エネルギーにより被噴射液体中のアニオン変性セルロースを解繊することができる。噴射液体として、アニオン変性セルロース分散体を用いることは効率のよい解繊を行う観点から好ましい。噴射液体にアニオン変性セルロース分散体を用いると、噴流周りに発生するキャビテーションによる作用効果に加え、高圧でノズルまたはオリフィスから噴射する際の流体力学的せん断力が得られるため、効率よく解繊を行うことができる。 As the jet liquid, the dispersion medium used for the above-mentioned anion-modified cellulose dispersion or the anion-modified cellulose dispersion itself can be used. The above-mentioned anion-modified cellulose dispersion is used as the liquid to be injected. The jet liquid is jetted toward the anion-modified cellulose dispersion which is the liquid to be jetted to generate a jet, so that cavitation is generated in the liquid to be jetted, and the decay energy of the cavitation bubbles causes the anion-modified cellulose in the liquid to be jetted. Can be defibrated. It is preferable to use an anion-modified cellulose dispersion as the jet liquid from the viewpoint of efficient defibration. When an anion-modified cellulose dispersion is used as the jet liquid, in addition to the action and effect of cavitation generated around the jet, the hydrodynamic shear force when jetting from the nozzle or orifice at high pressure can be obtained, so defibration can be performed efficiently. be able to.

キャビテーションは、液体が加速されて局所的な圧力がその液体の蒸気圧より低くなったときに発生するため、キャビテーションの発生を制御するには、流速及び圧力が重要となる。キャビテーション状態を表わす基本的な無次元数、キャビテーション数(Cavitation Number)σは次の数式1のように定義される(加藤洋治編著、新版キャビテーション基礎と最近の進歩、槇書店、1999)。 Since cavitation occurs when the liquid is accelerated and the local pressure becomes lower than the vapor pressure of the liquid, the flow velocity and pressure are important to control the occurrence of cavitation. The basic dimensionless number representing the cavitation state, the cavitation number σ, is defined as the following mathematical formula 1 (edited by Yoji Kato, new edition of cavitation basics and recent progress, Maki Shoten, 1999).

キャビテーション数が大きいということは、その流れ場がキャビテーションを発生し難い状態にあるということを示す。キャビテーション噴流のようなノズルまたはオリフィスを通してキャビテーションを発生させる場合は、ノズルまたはオリフィスの上流側圧力p、ノズルまたはオリフィスの下流側圧力p、試料水の飽和蒸気圧pから、キャビテーション数σは下記の数式2のように書きかえることができ、キャビテーション噴流では、p、p、p間の圧力差が大きく、p>>p>>pとなることから、キャビテーション数σはさらにp/pに近似することができる(H. Soyama, J. Soc. Mat. Sci. Japan, 47(4), 381 1998)。A large number of cavitations indicates that the flow field is in a state where cavitation is unlikely to occur. When cavitation is generated through a nozzle or orifice such as a cavitation jet, the cavitation number σ is derived from the upstream pressure p 1 of the nozzle or orifice, the downstream pressure p 2 of the nozzle or orifice, and the saturated vapor pressure p v of the sample water. It can be rewritten as the following formula 2, and in the cavitation jet, the pressure difference between p 1 , p 2 , and p v is large, and p 1 >> p 2 >> p v , so the cavitation number σ Can be further approximated to p 2 / p 1 (H. Soyama, J. Soc. Mat. Sci. Japan, 47 (4), 381 1998).

本発明においてキャビテーションの条件は、上述したp/pに近似することができるキャビテーション数σ(すなわち、下流側圧力/上流側圧力)が0.001以上0.500以下であり、0.003以上0.200以下であることが好ましく、0.010以上0.100以下であることが特に好ましい。キャビテーション数σが0.001未満である場合、キャビテーション気泡が崩壊する時の周囲との圧力差が低いため解繊効果が小さくなり、0.500より大である場合は、流れの圧力差が低くキャビテーションが発生し難くなる。In the present invention, the cavitation condition is that the cavitation number σ (that is, downstream pressure / upstream pressure) that can be approximated to p 2 / p 1 described above is 0.001 or more and 0.500 or less, and 0.003. It is preferably 0.200 or more, and particularly preferably 0.010 or more and 0.100 or less. When the cavitation number σ is less than 0.001, the defibration effect is small because the pressure difference from the surroundings when the cavitation bubbles collapse is small, and when it is larger than 0.500, the flow pressure difference is low. Cavitation is less likely to occur.

ノズルまたはオリフィスを通じて噴射液体を噴射してキャビテーションを発生させる際には、噴射液体の圧力(上流側圧力)は0.01MPa以上30.00MPa以下であることが望ましく、0.70MPa以上20.00MPa以下であり、2.00MPa以上10.00MPa以下であることが好ましい。上流側圧力が0.01MPa未満では下流側圧力との間で圧力差を生じ難く作用効果は小さい。また、30.00MPaより高い場合、消費エネルギーが大きくなることからコスト的に不利である。一方、容器内の圧力(下流側圧力)は静圧で0.05MPa以上0.50MPa以下が好ましい。 When injecting the jet liquid through a nozzle or orifice to generate cavitation, the pressure of the jet liquid (upstream pressure) is preferably 0.01 MPa or more and 30.00 MPa or less, and 0.70 MPa or more and 20.00 MPa or less. It is preferably 2.00 MPa or more and 10.00 MPa or less. If the upstream pressure is less than 0.01 MPa, it is difficult to generate a pressure difference with the downstream pressure, and the effect is small. Further, if it is higher than 30.00 MPa, the energy consumption becomes large, which is disadvantageous in terms of cost. On the other hand, the pressure inside the container (downstream pressure) is preferably 0.05 MPa or more and 0.50 MPa or less in static pressure.

噴射液体の噴射の速度は1m/秒以上200m/秒以下の範囲であることが望ましく、20m/秒以上100m/秒以下の範囲であることが好ましい。噴射の速度が1m/秒未満である場合、圧力低下が低く、キャビテーションが発生し難いため、その効果は弱い。一方、200m/秒より大きい場合、高圧を要し特別な装置が必要であり、コスト的に不利である。 The injection speed of the injection liquid is preferably in the range of 1 m / sec or more and 200 m / sec or less, and preferably in the range of 20 m / sec or more and 100 m / sec or less. When the injection speed is less than 1 m / sec, the pressure drop is low and cavitation is unlikely to occur, so that the effect is weak. On the other hand, if it is larger than 200 m / sec, high pressure is required and a special device is required, which is disadvantageous in terms of cost.

キャビテーション噴流装置は、液体を噴射するためのノズルまたはオリフィスの直後に、キャビテーションの発生場所となる一定の広さの配管または容器を有している。このノズルまたはオリフィスの直後の配管の内径(配管または容器の壁厚を含まない内直径)が、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅と同程度であると、アニオン変性セルロースの解繊が効率よく進行するようになる。したがって、本発明では、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたオリフィス直後の配管の内径の50%以上の長さとなるように調整する。上記範囲は、55%以上がより好ましく、60%以上がより好ましく、65%以上がより好ましく、70%以上がさらに好ましく、80%以上がさらに好ましく、85%以上がさらに好ましい。また、130%以下の長さとなるように調整する。上記範囲は、110%以下がより好ましく、100%未満がより好ましい。ここで、ノズルとは、液体を一定の方向に噴射するためのパイプ状の部品をいい、一般には、配管の円形の断面の面積を縮小させる(または配管内径を縮小させる)ことで液体を高速で噴出させる部品をいう。オリフィスとは、液体を噴射するために壁に開けられた穴をいう。ノズルまたはオリフィスから液体を噴射すると、液体噴流によって生じるキャビテーション気泡の群がノズルまたはオリフィスの出口を頂点とした円錐形状にみられる。このキャビテーション気泡の群をキャビテーション噴流と呼ぶ。キャビテーション噴流の最大幅とは、キャビテーション噴流の噴射方向に垂直な幅(直径)のうち、最大の幅をいうものとする。キャビテーション噴流の最大幅は、用いるノズルまたはオリフィス、噴射液体、被噴射液体、噴射速度、下流側圧力/上流側圧力の比、温度などの条件によって変動する。キャビテーション噴流の最大幅を測定する際、キャビテーション噴流の幅が大きく、ノズルまたはオリフィス直後の配管の内壁に接触する場合には、キャビテーション噴流が内壁に接触しないようなより大きい配管を用いて同一条件で噴射を行い、キャビテーション噴流の最大幅を求めることとする。また、ノズルまたはオリフィス直後の配管に対して複数のノズルまたはオリフィスを接続させて、それぞれのノズルまたはオリフィスから上記配管内に液体を噴射して複数のキャビテーション噴流を生じさせてもよく、この場合のキャビテーション噴流の最大幅は、各々のノズルまたはオリフィスから発生したキャビテーション噴流を1つのキャビテーション噴流と見立てた際の最大幅をいう。すなわち、複数のキャビテーション噴流が末端で合一する場合にはその合一したキャビテーション噴流の最大幅であり、一方、複数のキャビテーション噴流の少なくとも一部が合一せずに互いに独立している場合には、観察される複数のキャビテーション噴流のうちの最も外側(各噴流の噴射方向に垂直な面の中心から配管の内壁側へと離れた側)の位置同士を結んで得られる最大の幅をいう。 The cavitation jet device has a pipe or container of a certain size immediately after the nozzle or orifice for injecting the liquid, which is the place where cavitation occurs. Anion-modified cellulose if the inner diameter of the pipe immediately after this nozzle or orifice (inner diameter not including the wall thickness of the pipe or vessel) is comparable to the maximum width of the cavitation jet produced by the liquid jet jetted through the nozzle or orifice. The defibration will proceed efficiently. Therefore, in the present invention, the maximum width of the cavitation jet generated by the liquid jet injected through the nozzle or the orifice is adjusted to be 50% or more of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or the orifice. In the above range, 55% or more is more preferable, 60% or more is more preferable, 65% or more is more preferable, 70% or more is further preferable, 80% or more is further preferable, and 85% or more is further preferable. Also, adjust the length so that it is 130% or less. The above range is more preferably 110% or less, and more preferably less than 100%. Here, the nozzle refers to a pipe-shaped part for injecting a liquid in a certain direction, and generally, the liquid is speeded up by reducing the area of the circular cross section of the pipe (or reducing the inner diameter of the pipe). Refers to the parts that are ejected with. An orifice is a hole made in the wall to inject a liquid. When a liquid is injected from a nozzle or orifice, a group of cavitation bubbles generated by the liquid jet is seen in a conical shape with the outlet of the nozzle or orifice as the apex. This group of cavitation bubbles is called a cavitation jet. The maximum width of the cavitation jet means the maximum width (diameter) perpendicular to the injection direction of the cavitation jet. The maximum width of the cavitation jet varies depending on conditions such as the nozzle or orifice used, the jet liquid, the liquid to be jetted, the jet velocity, the downstream pressure / upstream pressure ratio, and the temperature. When measuring the maximum width of the cavitation jet, if the width of the cavitation jet is large and it touches the inner wall of the pipe immediately after the nozzle or orifice, use a larger pipe so that the cavitation jet does not touch the inner wall under the same conditions. The injection is performed and the maximum width of the cavitation jet is obtained. Further, a plurality of nozzles or orifices may be connected to the pipe immediately after the nozzle or orifice, and a liquid may be injected into the pipe from each nozzle or orifice to generate a plurality of cavitation jets. The maximum width of the cavitation jet is the maximum width when the cavitation jet generated from each nozzle or orifice is regarded as one cavitation jet. That is, when a plurality of cavitation jets merge at the end, it is the maximum width of the merged cavitation jets, while at least a part of the plurality of cavitation jets do not merge and are independent of each other. Is the maximum width obtained by connecting the outermost positions of a plurality of observed cavitation jets (the side away from the center of the plane perpendicular to the jet direction of each jet to the inner wall side of the pipe). ..

また、ノズルまたはオリフィス直後の配管とは、ノズルまたはオリフィスが接続しており、キャビテーション噴流が形成される場所となる任意の容器または配管をいう。配管の形状は、円筒状、角筒状、円錐状、角錐状などいずれであってもよいが、解繊後の繊維の滞留を防ぐためには、円筒状であることが好ましい。ノズルまたはオリフィス直後の配管径とは、配管のキャビテーション噴流の噴射方向に垂直な幅(配管の内直径)をいう。配管が角筒状であるなど、円筒状以外の筒状の形状である場合には、キャビテーション噴流の噴射方向に垂直な幅のうち、最小の幅をいうものとする。また、配管が円錐状または角錐状である場合には、キャビテーション噴流の幅が最大となる断面の配管内径(角錐状である場合には、同断面の最小の幅)をいうものとする。 Further, the pipe immediately after the nozzle or orifice means an arbitrary container or pipe to which the nozzle or orifice is connected and where a cavitation jet is formed. The shape of the pipe may be any of a cylindrical shape, a square tubular shape, a conical shape, a pyramidal shape, and the like, but in order to prevent the retention of fibers after defibration, the pipe shape is preferably cylindrical. The pipe diameter immediately after the nozzle or orifice means the width (inner diameter of the pipe) perpendicular to the injection direction of the cavitation jet of the pipe. When the pipe has a tubular shape other than a cylindrical shape, such as a square cylinder, it means the smallest width among the widths perpendicular to the injection direction of the cavitation jet. Further, when the pipe is conical or pyramidal, it means the inner diameter of the pipe having the maximum width of the cavitation jet (in the case of pyramid, the minimum width of the same cross section).

ノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたオリフィス直後の配管の内径の50%未満の長さである場合、ノズルまたはオリフィス直後の配管(または容器)がキャビテーション噴流に対して大きすぎるため、配管(または容器)内にアニオン変性セルロースとアニオン変性セルロースナノファイバーとが滞留し、解繊が進みにくくなる。一方、130%を超える長さである場合、キャビテーション噴流の多くの部分が、ノズルまたはオリフィス直後の配管に直接、接触し、配管の壊食が生じる場合がある。キャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたオリフィス直後の配管の内径の100%以上130%以下である場合には、キャビテーション噴流の一部(末端)がノズルまたはオリフィス直後の配管と接触することとなるが、接触は部分的なものであり、また、キャビテーション噴流の末端(ノズルまたはオリフィスから遠い部分)の衝撃はやや弱く、配管への影響が少ないため使用可能である。キャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたオリフィス直後の配管の内径の100%未満である場合には、ノズルまたはオリフィス直後の配管の壊食が生じないため、好ましい。 If the maximum width of the cavitation jet caused by the liquid jet jetted through the nozzle or orifice is less than 50% of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice, the pipe (or vessel) immediately after the nozzle or orifice becomes the cavitation jet. On the other hand, since it is too large, the anion-modified cellulose and the anion-modified cellulose nanofibers stay in the pipe (or container), and the defibration does not proceed easily. On the other hand, if the length exceeds 130%, many parts of the cavitation jet may come into direct contact with the pipe immediately after the nozzle or orifice, causing erosion of the pipe. If the maximum width of the cavitation jet is 100% or more and 130% or less of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice, a part (end) of the cavitation jet will come into contact with the nozzle or the pipe immediately after the orifice. , The contact is partial, and the impact at the end of the cavitation jet (the part far from the nozzle or orifice) is rather weak and can be used because it has little effect on the piping. When the maximum width of the cavitation jet is less than 100% of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice, corrosion of the pipe immediately after the nozzle or orifice does not occur, which is preferable.

キャビテーション噴流の最大幅とノズルまたはオリフィス直後の配管径との割合は、ノズルまたはオリフィス直後の配管の内径を調整する他、前述の下流側圧力/上流側圧力の比を調整したり、また、噴射液体の噴射速度を調整したりするなどしてキャビテーション噴流の最大幅を変化させることにより、調整することができる。 The ratio of the maximum width of the cavitation jet to the diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice adjusts the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice, adjusts the above-mentioned downstream pressure / upstream pressure ratio, or injects. It can be adjusted by changing the maximum width of the cavitation jet, such as by adjusting the injection speed of the liquid.

キャビテーションを発生させるための液体の噴射は、パルパーの様な大気開放の容器の中でなされても良いが、キャビテーションをコントロールするために圧力容器の中でなされるのが好ましい。 The injection of the liquid to generate cavitation may be carried out in an open container such as a pulper, but is preferably carried out in a pressure vessel to control cavitation.

キャビテーションは液体中の気体の量に影響され、気体が多過ぎる場合は気泡同士の衝突と合一が起こり崩壊衝撃力が他の気泡に吸収されるクッション効果を生じるため衝撃力が弱まる。液体中の気体の量は、溶存気体と蒸気圧の影響を受けるため、処理温度を一定の範囲に制御することにより、キャビテーションの衝撃力を調整することは好ましい。処理温度は、分散媒の種類にもよるが、0℃以上70℃以下であることが好ましく、10℃以上60℃以下であることがさらに好ましい。一般には、融点と沸点の中間点で衝撃力が最大となると考えられることから、水を分散媒とする場合、50℃前後が好適であるが、それ以外の温度であっても上記の範囲であれば十分な解繊効果が得られる。 Cavitation is affected by the amount of gas in the liquid, and if there is too much gas, the impact force is weakened because collision and coalescence of bubbles occur and a cushioning effect is generated in which the decay impact force is absorbed by other bubbles. Since the amount of gas in the liquid is affected by the dissolved gas and vapor pressure, it is preferable to adjust the impact force of cavitation by controlling the processing temperature within a certain range. The treatment temperature is preferably 0 ° C. or higher and 70 ° C. or lower, and more preferably 10 ° C. or higher and 60 ° C. or lower, although it depends on the type of the dispersion medium. Generally, it is considered that the impact force is maximized at the midpoint between the melting point and the boiling point. Therefore, when water is used as the dispersion medium, about 50 ° C. is preferable, but other temperatures are within the above range. If there is, a sufficient defibration effect can be obtained.

キャビテーションを発生させるために必要なエネルギーを低減するために、噴射液体及び/または被噴射液体に界面活性剤を添加してもよい。使用する界面活性剤は特に限定されず、例えば、脂肪酸塩、高級アルキル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、高級アルコール、アルキルフェノール、脂肪酸等のアルキレンオキシド付加物などの非イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、両性界面活性剤などを挙げることができる。これらを単一で、または2種以上組み合せて用いてもよい。界面活性剤を添加する場合、添加量は、噴射液体及び/または被噴射液体の表面張力を低下させるために必要な量であればよい。 Surfactants may be added to the jet liquid and / or the liquid to be jetted to reduce the energy required to generate cavitation. The surfactant to be used is not particularly limited, and for example, a nonionic surfactant such as a fatty acid salt, a higher alkyl sulfate, an alkylbenzene sulfonate, a higher alcohol, an alkylphenol, an alkylene oxide adduct such as a fatty acid, and anionic surfactant. Agents, cationic surfactants, amphoteric surfactants and the like can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. When a surfactant is added, the amount added may be any amount necessary to reduce the surface tension of the jet liquid and / or the liquid to be jetted.

所望の解繊度合となるまで、キャビテーション噴流装置による処理を複数回繰り返してもよい。複数回処理する際には、一台の装置に必要回数循環させてもよいし、複数の装置を並列に用いて、あるいは複数の装置に順に流すことにより、処理してもよい。 The treatment by the cavitation jet device may be repeated a plurality of times until the desired degree of defibration is obtained. When processing a plurality of times, it may be circulated in one device as many times as necessary, or may be processed by using a plurality of devices in parallel or by sequentially flowing them to a plurality of devices.

(2−3)アニオン変性セルロースナノファイバー
上記のキャビテーション噴流装置による解繊により、アニオン変性セルロースをナノオーダーの平均繊維径となるまで解繊してナノファイバーを得ることができる。ナノオーダーの平均繊維径とは、1μm未満の平均繊維径をいう。本発明では、アニオン変性セルロースナノファイバーは、好ましくは平均繊維径が3nm〜500nm程度、更に好ましくは3nm〜150nm程度、更に好ましくは3nm〜20nm程度である。アスペクト比は30以上、好ましくは50以上、さらに好ましくは100以上である。アスペクト比の上限は限定されないが、500以下程度となる。
(2-3) Anion-modified cellulose nanofibers By defibrating with the above-mentioned cavitation jet device, anion-modified cellulose can be defibrated to an average fiber diameter of nano-order to obtain nanofibers. The nano-order average fiber diameter means an average fiber diameter of less than 1 μm. In the present invention, the anion-modified cellulose nanofibers preferably have an average fiber diameter of about 3 nm to 500 nm, more preferably about 3 nm to 150 nm, and even more preferably about 3 nm to 20 nm. The aspect ratio is 30 or more, preferably 50 or more, and more preferably 100 or more. The upper limit of the aspect ratio is not limited, but is about 500 or less.

アニオン変性セルロースナノファイバーの平均繊維径および平均繊維長は、径が20nm未満の場合は原子間力顕微鏡(AFM)、20nm以上の場合は電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)を用いて、ランダムに選んだ200本の繊維について解析し、平均を算出することにより、測定することができる。また、アスペクト比は下記の式により算出することができる:
アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径。
The average fiber diameter and average fiber length of the anion-modified cellulose nanofibers are determined by using an atomic force microscope (AFM) when the diameter is less than 20 nm and a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) when the diameter is 20 nm or more. It can be measured by analyzing 200 randomly selected fibers and calculating the average. The aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter.

アニオン変性セルロースナノファイバーとしては、分散体とした際に透明度が高くなるものが好ましい。本発明の方法により、分散体としたときに高い透明度を示すアニオン変性セルロースナノファイバーを得ることができる。透明度は、例えば、以下の方法で測定される:
所定の濃度のセルロースナノファイバー分散体を調製し、UV−VIS分光光度計 UV−1800(株式会社島津製作所製)を用い、光路長10mmの角型セルを用いて、660nm 光の透過率(%)を測定し、透明度とする。
The anion-modified cellulose nanofibers preferably have high transparency when made into a dispersion. According to the method of the present invention, anion-modified cellulose nanofibers showing high transparency when made into a dispersion can be obtained. Transparency is measured, for example, by the following methods:
A cellulose nanofiber dispersion having a predetermined concentration was prepared, and a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (manufactured by Shimadzu Corporation) was used, and a square cell having an optical path length of 10 mm was used to transmit 660 nm light (%). ) Is measured and used as transparency.

本発明では、例えば、分散媒を水とした固形分1.0質量%のアニオン変性セルロースナノファイバー分散体について、透明度が70%以上であることが好ましく、80%以上であることがさらに好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。透明度が高いことは、未解繊の繊維が少なく、解繊が均質に進んだことを意味する。透明度の上限は特に限定されないが、例えば、99%である。 In the present invention, for example, the transparency of an anion-modified cellulose nanofiber dispersion having a solid content of 1.0% by mass using water as a dispersion medium is preferably 70% or more, more preferably 80% or more. It is more preferably 90% or more. High transparency means that there are few undefibrated fibers and the defibration has proceeded uniformly. The upper limit of transparency is not particularly limited, but is, for example, 99%.

アニオン変性セルロースナノファイバーの粘度は特に限定されないが、本発明では分散体とした際に比較的粘度が高くなるものを製造することができる。粘度は、例えば、以下の方法で測定される:
所定の濃度のセルロースナノファイバー分散体を調製し、JIS−Z−8803の方法に準じて、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、25℃で、回転数60rpmまたは6rpmで3分後の値を測定する。
The viscosity of the anion-modified cellulose nanofibers is not particularly limited, but in the present invention, it is possible to produce a dispersion having a relatively high viscosity. Viscosity is measured, for example, by the following methods:
A cellulose nanofiber dispersion having a predetermined concentration was prepared, and according to the method of JIS-Z-8803, using a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.), the rotation speed was 60 rpm or 6 rpm at 25 ° C. 3 Measure the value after minutes.

例えば、分散媒を水とした固形分1.0質量%のアニオン変性セルロースナノファイバー分散体について、上記の方法で測定した6rpmにおけるB型粘度が、5000mPa・s以上、あるいは7000mPa・s以上、あるいは10000mPa・s以上、あるいは15000mPa・s以上、あるいは17000mPa・s以上となる分散体を形成することができ、また、60rpmにおけるB型粘度が、1000mPa・s以上、あるいは2000mPa・s以上、あるいは3000mPa・s以上、あるいは4000mPa・s以上となる分散体を形成することができる。粘度が高いことは、解繊時の繊維の損傷が少ないことを意味する。キャビテーション噴流装置は、超高圧ホモジナイザーに比べて処理圧が低いため、解繊時の繊維の損傷が少なくなると考えられる。粘度の上限は特に限定されない。一方、用途によっては、低粘度の分散体が望まれる場合もあり、その際には、用いるセルロース原料の種類を変更したり、あるいはキャビテーション噴流による処理回数を増やすなどして、より低粘度のアニオン変性セルロースナノファイバー分散体を製造してもよい。 For example, for an anion-modified cellulose nanofiber dispersion having a solid content of 1.0% by mass using water as a dispersion medium, the B-type viscosity at 6 rpm measured by the above method is 5000 mPa · s or more, or 7000 mPa · s or more, or A dispersion having a value of 10000 mPa · s or more, 15000 mPa · s or more, or 17000 mPa · s or more can be formed, and the B-type viscosity at 60 rpm is 1000 mPa · s or more, 2000 mPa · s or more, or 3000 mPa · s. It is possible to form a dispersion having s or more, or 4000 mPa · s or more. High viscosity means less damage to the fibers during defibration. Since the cavitation jet device has a lower processing pressure than the ultra-high pressure homogenizer, it is considered that the fiber damage during defibration is reduced. The upper limit of the viscosity is not particularly limited. On the other hand, depending on the application, a low-viscosity dispersion may be desired. In that case, a lower-viscosity anion may be obtained by changing the type of cellulose raw material used or increasing the number of treatments by a cavitation jet. A modified cellulose nanofiber dispersion may be produced.

得られたアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体は、用途に応じて、乾燥したり、また、他の化合物と混合してもよい。乾燥方法は特に限定されないが、例えば、スプレードライ、圧搾、風乾、熱風乾燥、または真空乾燥が挙げられる。乾燥装置としては例えば、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、または撹拌乾燥装置等が挙げられる。これらの乾燥装置は、単独で用いてもよいし、2つ以上を組合せて用いてもよい。ドラム乾燥装置は、均一に被乾燥物に熱エネルギーを直接供給することができるのでエネルギー効率が高く、かつ必要以上に熱を加えずに直ちに乾燥物を回収することができるので好ましい。 The obtained dispersion of anion-modified cellulose nanofibers may be dried or mixed with other compounds, depending on the intended use. The drying method is not particularly limited, and examples thereof include spray drying, pressing, air drying, hot air drying, and vacuum drying. Examples of the drying device include a continuous tunnel drying device, a band drying device, a vertical drying device, a vertical turbo drying device, a multi-stage disk drying device, an aeration drying device, a rotary drying device, an air flow drying device, and a spray dryer drying device. , Spray drying device, Cylindrical drying device, Drum drying device, Screw conveyor drying device, Rotating drying device with heating tube, Vibration transport drying device, etc., batch type box drying device, aeration drying device, vacuum box drying device, or Examples include a stirring and drying device. These drying devices may be used alone or in combination of two or more. The drum drying device is preferable because it can uniformly supply heat energy directly to the object to be dried, so that it has high energy efficiency and can immediately recover the dried object without applying heat more than necessary.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

<実施例1>
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)5.00g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)39mg(絶乾1gのセルロースに対し0.05mmol)と臭化ナトリウム514mg(絶乾1gのセルロースに対し1.0mmol)を溶解した水溶液500mLに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を次亜塩素酸ナトリウムが5.5mmol/gになるように添加し、室温にて酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムが消費され系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物をガラスフィルターで濾過してパルプ分離し、パルプを十分に水洗することで酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は90%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.4mmol/gであった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、キャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が5.0cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.40MPaにて、キャビテーション処理を1〜24パス繰り返し行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。なお、キャビテーション処理におけるパス数は、以下の式を用いて算出した:
パス数=ノズル流量×処理時間/サンプル量
この処理時に発生したキャビテーション噴流は、ノズル出口を頂点とした円錐形に近い形状で、噴流の最大幅は約4.5cmであった。
<Example 1>
5.00 g (absolutely dry) of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from softwood, 39 mg (0.05 mmol per 1 g of absolute dry cellulose) of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) and 514 mg of sodium bromide (absolutely dry). It was added to 500 mL of an aqueous solution prepared by dissolving 1.0 mmol) in 1 g of absolute dry cellulose, and stirred until the pulp was uniformly dispersed. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system so that the sodium hypochlorite content was 5.5 mmol / g, and the oxidation reaction was started at room temperature. Although the pH in the system decreased during the reaction, a 3M aqueous sodium hydroxide solution was sequentially added to adjust the pH to 10. The reaction was terminated when sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system did not change. The mixture after the reaction was filtered through a glass filter to separate the pulp, and the pulp was thoroughly washed with water to obtain oxidized pulp (carboxylated cellulose). The pulp yield at this time was 90%, the time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.4 mmol / g. Water is added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and cavitation treatment is performed at an upstream pressure of 9 MPa and a downstream pressure of 0.40 MPa using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle is 5.0 cm). Was repeated for 1 to 24 passes to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The number of passes in the cavitation process was calculated using the following formula:
Number of passes = Nozzle flow rate x Processing time / Sample amount The cavitation jet generated during this processing had a shape close to a cone with the nozzle outlet at the apex, and the maximum width of the jet was about 4.5 cm.

カルボキシル化セルロースからカルボキシル化セルロースナノファイバーへと解繊を行う際にキャビテーション噴流装置により消費された電力量、得られたカルボキシル化セルロースナノファイバーを水を分散媒とする分散体(固形分濃度1.0質量%)とした際の粘度、及び同分散体の透明度を、表1に示す。粘度及び透明度の測定方法は、以下の通りである。 The amount of power consumed by the cavitation jet device when defibrating from carboxylated cellulose to carboxylated cellulose nanofibers, and a dispersion using the obtained carboxylated cellulose nanofibers as a dispersion medium (solid content concentration 1. Table 1 shows the viscosity when 0% by mass) and the transparency of the dispersion. The method for measuring viscosity and transparency is as follows.

<粘度の測定>
ガラスビーカーに、カルボキシル化セルロースナノファイバーの固形分濃度が1.0質量%となるように水分散体300gを調製する。水分散体を25℃とし、JIS−Z−8803の方法に準じて、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、回転数60rpmまたは6rpmで3分後の粘度を測定した。
<Measurement of viscosity>
In a glass beaker, 300 g of an aqueous dispersion is prepared so that the solid content concentration of the carboxylated cellulose nanofibers is 1.0% by mass. The aqueous dispersion was set to 25 ° C., and the viscosity after 3 minutes was measured at a rotation speed of 60 rpm or 6 rpm using a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) according to the method of JIS-Z-8803.

<透明度の測定>
固形分濃度を1.0質量%となるようにカルボキシル化セルロースナノファイバー水分散体を調製後、UV−VIS分光光度計 UV−1800(株式会社島津製作所製)を用い、光路長10mmの角型セルを用いて、660nm 光の透過率(%)を測定し、透明度とした。
<Measurement of transparency>
After preparing a carboxylated cellulose nanofiber aqueous dispersion so that the solid content concentration is 1.0% by mass, a square type with an optical path length of 10 mm is used using a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (manufactured by Shimadzu Corporation). Using a cell, the transmittance (%) of 660 nm light was measured and used as the transparency.

<実施例2>
次亜塩素酸ナトリウムを6.0mmol/gになるように添加して酸化反応を開始した以外は実施例1と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は90%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.6mmol/gであった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、ノズルの孔形状を調節したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.45MPaにて、キャビテーション処理を24パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は70%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 2>
Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in Example 1 except that sodium hypochlorite was added so as to be 6.0 mmol / g and the oxidation reaction was started. The pulp yield at this time was 90%, the time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.6 mmol / g. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and the upstream pressure was 9 MPa and the downstream pressure was 0 using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) in which the hole shape of the nozzle was adjusted. A cavitation treatment was carried out at .45 MPa for 24 passes to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 70%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例3>
TEMPO(Sigma Aldrich社製)80mg(絶乾1gのセルロースに対し0.1mmol)と臭化ナトリウム800mg(絶乾1gのセルロースに対し1.47mmol)を溶解した水溶液500mLを用い、次亜塩素酸ナトリウムが8.6mmol/gになるように添加して酸化反応を開始した以外は実施例1と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は86%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.9mmol/gであった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.45MPaにて、キャビテーション処理を16パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は59%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 3>
Sodium hypochlorite using 500 mL of an aqueous solution of 80 mg of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) (0.1 mmol per 1 g of absolute dry cellulose) and 800 mg of sodium bromide (1.47 mmol per 1 g of absolute dry cellulose). Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the oxidation reaction was started by adding the amount to 8.6 mmol / g. The pulp yield at this time was 86%, the time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.9 mmol / g. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out for 16 passes at a pressure of 0.45 MPa to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 59%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例4>
TEMPO(Sigma Aldrich社製)20mg(絶乾1gのセルロースに対し0.025mmol)を用い、次亜塩素酸ナトリウムが2.2mmol/gになるように添加して酸化反応を開始した以外は実施例1と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は93%であり、酸化反応に要した時間は60分、カルボキシル基量は0.7mmol/gであった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.40MPaにて、キャビテーション処理を70パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は61%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 4>
Examples except that 20 mg of TEMPO (manufactured by Sigma-Aldrich) (0.025 mmol with respect to 1 g of absolute dry cellulose) was added so that sodium hypochlorite was added at 2.2 mmol / g to start the oxidation reaction. Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in 1. The pulp yield at this time was 93%, the time required for the oxidation reaction was 60 minutes, and the amount of carboxyl groups was 0.7 mmol / g. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out for 70 passes at a pressure of 0.40 MPa to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 61%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例5>
実施例2と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。反応混合物に水を加えて濃度を2.5質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.40MPaにて、キャビテーション処理を63パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は62%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 5>
Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in Example 2. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 2.5% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out for 63 passes at a pressure of 0.40 MPa to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 62%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例6>
実施例2と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.9cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.04MPaにて、キャビテーション処理を30パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は51%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 6>
Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in Example 2. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.9 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out at a pressure of 0.04 MPa for 30 passes to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 51%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例7>
実施例2と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.9cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.27MPaにて、キャビテーション処理を30パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は50%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 7>
Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in Example 2. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.9 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out at a pressure of 0.27 MPa for 30 passes to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 50%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例8>
上流圧9MPa、下流圧0.45MPa、ノズル直後の配管内直径が2.3cmとした以外は実施例6と同様にして、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は65%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 8>
A carboxylated cellulose nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 6 except that the upstream pressure was 9 MPa, the downstream pressure was 0.45 MPa, and the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 65%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例9>
上流圧9MPa、下流圧0.63MPaとした以外は実施例8と同様にして、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は66%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 9>
A carboxylated cellulose nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 8 except that the upstream pressure was 9 MPa and the downstream pressure was 0.63 MPa. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 66%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例10>
実施例1と同様にして、酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.54MPaにて、キャビテーション処理を30パス行い、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は60%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 10>
Oxidized pulp (carboxylated cellulose) was obtained in the same manner as in Example 1. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out at a pressure of 0.54 MPa for 30 passes to obtain a carboxylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 60%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例11>
回転数を100rpmに調節した二軸ニーダーに、水130質量部と、水酸化ナトリウム20質量部を水100質量部に溶解したものとを加え、広葉樹パルプ(日本製紙(株)製、LBKP)を100℃60分間乾燥した際の乾燥質量で100質量部仕込んだ。30℃で90分間撹拌、混合しマーセル化セルロースを調製した。更に撹拌しつつイソプロパノール(IPA)230質量部と、モノクロロ酢酸ナトリウム60質量部を添加し、30分間撹拌した後、70℃に昇温して90分間カルボキシメチル化反応をさせた。反応終了後、中和、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度0.31、セルロースI型の結晶化度67%のカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.40MPaにて、キャビテーション処理を40パス行い、カルボキシメチル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は63%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 11>
To a biaxial kneader whose rotation speed was adjusted to 100 rpm, 130 parts by mass of water and 20 parts by mass of sodium hydroxide dissolved in 100 parts by mass of water were added to add broadleaf pulp (LBKP manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.). 100 parts by mass was charged by the dry mass when dried at 100 ° C. for 60 minutes. Mercerized cellulose was prepared by stirring and mixing at 30 ° C. for 90 minutes. Further, 230 parts by mass of isopropanol (IPA) and 60 parts by mass of sodium monochloroacetate were added with stirring, and after stirring for 30 minutes, the temperature was raised to 70 ° C. and a carboxymethylation reaction was carried out for 90 minutes. After completion of the reaction, the reaction was neutralized, deliquesed, dried and pulverized to obtain a sodium salt of carboxymethylated cellulose having a degree of carboxymethyl substitution of 0.31 and a degree of crystallinity of cellulose type I of 67%. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2 was used to increase the upstream pressure to 9 MPa and downstream. Cavitation treatment was carried out for 40 passes at a pressure of 0.40 MPa to obtain a carboxymethylated cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 63%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<実施例12>
リン酸二水素ナトリウム二水和物6.75g、リン酸水素二ナトリウム4.83gを19.62gの水に溶解させ、リン酸系化合物の水溶液(以下、「リン酸化試薬」という。)を得た。針葉樹未晒クラフトパルプ(NUKP、水分80%、JIS P8121に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)580ml)に、濃度が4質量%になるように水を加えた。その後、ダブルディスクリファイナーを用いて、変則CSF(平織り80メッシュ、パルプ採取量を0.3gとした以外はJIS P8121に準ずる)が200ml、長さ平均繊維長が0.66mmになるまで叩解した。これにより得たセルロース懸濁液を0.3%に希釈し、含水率90%、固形分(絶乾質量)3gのパルプシート(厚み200μm)を抄紙法で得た。このパルプシートを前記リン酸化試薬31.2g(乾燥パルプ100質量部に対してリン元素量として80質量部)に浸漬させ、105℃の送風乾燥機(ヤマト科学株式会社 DKM400)で1時間加熱後、さらに150℃で1時間加熱処理して、セルロース繊維にリン酸基を導入した。次いで、セルロース繊維にリン酸基を導入したパルプシートに500mlのイオン交換水を加え、攪拌洗浄後、脱水した。脱水後のシートを300mlのイオン交換水で希釈し、攪拌しながら、1Nの水酸化ナトリウム水溶液5mlを少しずつ添加し、pHが12〜13のセルロース懸濁液を得た。その後、このセルロース懸濁液を脱水し、500mlのイオン交換水を加えて洗浄を行った。この脱水洗浄をさらに2回繰り返した。この時のリン酸基置換度は0.34であった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、実施例2と同じノズルを装着したキャビテーション噴流装置(ノズル直後の配管内直径が2.3cm)を用いて上流圧9MPa、下流圧0.40MPaにて、キャビテーション処理を30パス行い、リン酸エステル化セルロースナノファイバー分散液を得た。ノズル直後の配管内直径に対する噴流の最大幅の割合は61%であった。実施例1と同様にして測定した消費電力量、分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び分散体の透明度を表1に示す。
<Example 12>
6.75 g of sodium dihydrogen phosphate dihydrate and 4.83 g of disodium hydrogen phosphate are dissolved in 19.62 g of water to obtain an aqueous solution of a phosphoric acid compound (hereinafter referred to as "phosphorylation reagent"). It was. Water was added to unbleached softwood kraft pulp (NUKP, water content 80%, Canadian standard drainage (CSF) 580 ml as measured according to JIS P8121) to a concentration of 4% by mass. Then, using a double disc refiner, the mixture was beaten until the irregular CSF (plain weave 80 mesh, conforming to JIS P8121 except that the pulp sampling amount was 0.3 g) was 200 ml and the average length fiber length was 0.66 mm. The cellulose suspension thus obtained was diluted to 0.3%, and a pulp sheet (thickness 200 μm) having a water content of 90% and a solid content (absolute dry mass) of 3 g was obtained by a papermaking method. This pulp sheet is immersed in 31.2 g of the phosphorylation reagent (80 parts by mass as the amount of phosphorus element with respect to 100 parts by mass of dried pulp) and heated in a blower dryer (Yamato Scientific Co., Ltd. DKM400) at 105 ° C. for 1 hour. Further, heat treatment was performed at 150 ° C. for 1 hour to introduce a phosphoric acid group into the cellulose fibers. Next, 500 ml of ion-exchanged water was added to a pulp sheet in which a phosphoric acid group was introduced into cellulose fibers, and the pulp sheet was stirred and washed, and then dehydrated. The dehydrated sheet was diluted with 300 ml of ion-exchanged water, and 5 ml of a 1N aqueous sodium hydroxide solution was added little by little with stirring to obtain a cellulose suspension having a pH of 12 to 13. Then, this cellulose suspension was dehydrated, and 500 ml of ion-exchanged water was added for washing. This dehydration washing was repeated twice more. The degree of phosphoric acid group substitution at this time was 0.34. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by mass, and using a cavitation jet device (the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 2.3 cm) equipped with the same nozzle as in Example 2, the upstream pressure was 9 MPa and the downstream A cavitation treatment was carried out at a pressure of 0.40 MPa for 30 passes to obtain a phosphate esterified cellulose nanofiber dispersion. The ratio of the maximum width of the jet to the diameter inside the pipe immediately after the nozzle was 61%. Table 1 shows the power consumption, the viscosity of the dispersion (solid content concentration 1.0% by mass), and the transparency of the dispersion measured in the same manner as in Example 1.

<比較例1>
実施例1と同様にして得られた反応混合物(カルボキシル化セルロース)に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150Mpa)で1〜3パス処理して、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。
<Comparative example 1>
Water was added to the reaction mixture (carboxylated cellulose) obtained in the same manner as in Example 1 to adjust the concentration to 1.0% by mass, and treated with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa) for 1 to 3 passes. , Carboxylated cellulose nanofiber dispersion was obtained.

カルボキシル化セルロースからカルボキシル化セルロースナノファイバーへと解繊を行う際に超高圧ホモジナイザーにより消費された電力量を表1に示す。また、実施例1と同様にして測定したカルボキシル化セルロースナノファイバー水分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度及び透明度を、表1に示す。 Table 1 shows the amount of electric energy consumed by the ultra-high pressure homogenizer when defibrating from carboxylated cellulose to carboxylated cellulose nanofibers. Table 1 shows the viscosities and transparency of the carboxylated cellulose nanofiber aqueous dispersion (solid content concentration 1.0% by mass) measured in the same manner as in Example 1.

<比較例2>
ノズル直後の配管内直径が3.0cmのキャビテーション噴流装置を用いた以外は、実施例1と同様に処理を行った。キャビテーション噴流はノズル出口を頂点とした円錐形に近い形状ではあるが、末端(ノズルから遠い部分)が配管に接触した。比較例2における噴流の最大幅は、実施例1と同様の条件で噴射したことから、実施例1と同様に4.5cmであると解される。比較例2では、配管にキャビテーション噴流の影響と思われる壊食が生じ、処理ができなかった。
<Comparative example 2>
The treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that a cavitation jet device having a diameter of 3.0 cm in the pipe immediately after the nozzle was used. The cavitation jet has a shape close to a cone with the nozzle outlet at the apex, but the end (the part far from the nozzle) contacts the pipe. The maximum width of the jet in Comparative Example 2 is understood to be 4.5 cm as in Example 1 because the jet was injected under the same conditions as in Example 1. In Comparative Example 2, the pipe was eroded due to the influence of the cavitation jet, and could not be treated.

<比較例3>
ノズル直後の配管内直径が30cmのキャビテーション噴流装置を用いた以外は、実施例1と同様に処理を行った。この処理時に発生したキャビテーション噴流は、実施例1と同様に、ノズル出口を頂点とした円錐形に近い形状で、噴流の最大幅は約4.5cmであった。
実施例1と同様に、カルボキシル化セルロースからカルボキシル化セルロースナノファイバーへと解繊を行う際にキャビテーション噴流装置により消費された電力量、カルボキシル化セルロースナノファイバー水分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度、及び同分散体の透明度を、表1に示す。
<Comparative example 3>
The treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that a cavitation jet device having a diameter of 30 cm in the pipe immediately after the nozzle was used. The cavitation jet generated during this process had a shape close to a cone with the nozzle outlet as the apex, and the maximum width of the jet was about 4.5 cm, as in Example 1.
Similar to Example 1, the amount of power consumed by the cavitation jet device when defibrating from carboxylated cellulose to carboxylated cellulose nanofibers, carboxylated cellulose nanofiber aqueous dispersion (solid content concentration 1.0 mass) %) Viscosity and transparency of the dispersion are shown in Table 1.

<比較例4>
実施例4と同様にして得られた反応混合物(カルボキシル化セルロース)に水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150Mpa)で5パス処理して、カルボキシル化セルロースナノファイバー分散液を得た。カルボキシル化セルロースからカルボキシル化セルロースナノファイバーへと解繊を行う際に超高圧ホモジナイザーにより消費された電力量を表1に示す。また、実施例1と同様にして測定したカルボキシル化セルロースナノファイバー水分散体(固形分濃度1.0質量%)の粘度及び透明度を、表1に示す。
<Comparative example 4>
Water was added to the reaction mixture (carboxylated cellulose) obtained in the same manner as in Example 4 to adjust the concentration to 1.0% by mass, and the reaction mixture was treated with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 150 Mpa) for 5 passes to obtain carboxyl. A cellulose nanofiber dispersion was obtained. Table 1 shows the amount of electric energy consumed by the ultra-high pressure homogenizer when defibrating from carboxylated cellulose to carboxylated cellulose nanofibers. Table 1 shows the viscosities and transparency of the carboxylated cellulose nanofiber aqueous dispersion (solid content concentration 1.0% by mass) measured in the same manner as in Example 1.

表1の結果より、実施例1〜3、5〜10のカルボキシル化セルロースナノファイバー製造時にキャビテーション噴流装置を用いる方法では、比較例1の超高圧ホモジナイザーを用いる方法に比べて、少ない消費電力量で、透明度の高いカルボキシル化セルロースナノファイバーを製造することができることがわかる。また、実施例4のカルボキシル化セルロースナノファイバー製造時にキャビテーション噴流装置を用いる方法では、比較例4の超高圧ホモジナイザーを用いる方法に比べて、少ない消費電力量で、透明度の高いカルボキシル化セルロースナノファイバーを製造することができることがわかる。また、実施例11のカルボキシメチル化セルロースナノファイバーと、実施例12のリン酸エステル化セルロースナノファイバーも、キャビテーション噴流装置を用いて、少ない消費電力量で透明度の高いセルロースナノファイバーを製造することができることがわかる。 From the results in Table 1, the method using the cavitation jet device during the production of the carboxylated cellulose nanofibers of Examples 1 to 5 to 10 consumes less power than the method using the ultra-high pressure homogenizer of Comparative Example 1. It can be seen that carboxylated cellulose nanofibers with high transparency can be produced. Further, in the method using the cavitation jet device at the time of producing the carboxylated cellulose nanofibers of Example 4, compared with the method using the ultra-high pressure homogenizer of Comparative Example 4, the carboxylated cellulose nanofibers having high transparency can be produced with less power consumption. It turns out that it can be manufactured. Further, the carboxymethylated cellulose nanofibers of Example 11 and the phosphate esterified cellulose nanofibers of Example 12 can also be produced into highly transparent cellulose nanofibers with low power consumption by using a cavitation jet device. I know I can do it.

一方、ノズル直後の配管の内直径が小さいキャビテーション噴流装置を用いた比較例2では壊食が生じ、処理ができなかった。また、ノズル直後の配管の内直径がキャビテーション噴流の最大幅よりも大きい比較例3(噴流の最大幅が、ノズル直後の配管内直径の15%)では、解繊が進行しにくく、解繊処理のパス数を増やしても透明度が上がりにくかった。カルボキシル化セルロースナノファイバーは、粘度が非常に高いゲル状の物質であり、ノズル直後の配管径がキャビテーション噴流の幅に比べて大きすぎる比較例3では、配管内に滞留して解繊が進まなかったと考えられる。 On the other hand, in Comparative Example 2 using a cavitation jet device having a small inner diameter of the pipe immediately after the nozzle, erosion occurred and the treatment could not be performed. Further, in Comparative Example 3 in which the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle is larger than the maximum width of the cavitation jet (the maximum width of the jet is 15% of the diameter inside the pipe immediately after the nozzle), defibration is difficult to proceed and the defibration treatment is performed. It was difficult to increase the transparency even if the number of passes was increased. The carboxylated cellulose nanofiber is a gel-like substance having a very high viscosity, and in Comparative Example 3 in which the pipe diameter immediately after the nozzle is too large compared to the width of the cavitation jet, it stays in the pipe and defibration does not proceed. It is thought that it was.

また、実施例1、4の方法では、それぞれ超高圧ホモジナイザーを用いた比較例1、4と比較して、同等の高い透明度を有しながら、粘度の高いナノファイバー分散体が得られることがわかる。比較例1、4の超高圧ホモジナイザーによる解繊処理では繊維の切断が起こりやすく繊維長が短くなるため粘度が低下したものと推測される。 Further, it can be seen that in the methods of Examples 1 and 4, a nanofiber dispersion having a high viscosity while having the same high transparency as that of Comparative Examples 1 and 4 using an ultra-high pressure homogenizer can be obtained. .. It is presumed that in the defibration treatment with the ultra-high pressure homogenizer of Comparative Examples 1 and 4, the fibers were easily cut and the fiber length was shortened, so that the viscosity was lowered.

Claims (6)

アニオン変性セルロースを準備する工程1、及び
キャビテーション噴流装置を用いてアニオン変性セルロースを解繊してアニオン変性セルロースナノファイバーを製造する工程2、
を含む、アニオン変性セルロースナノファイバーの製造方法であって、
キャビテーション噴流装置が、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生ずるキャビテーション気泡が崩壊する際の衝撃力をアニオン変性セルロースに与えるものであり、ノズルまたはオリフィスを通じて噴射する液体噴流の上流側圧力が0.01MPa以上30.00MPa以下であり、下流側圧力/上流側圧力の比が0.001〜0.500であり、
キャビテーション噴流装置のノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたはオリフィスの直後の配管の内径の50%以上130%以下の長さである、上記製造方法。
Step 1 of preparing anion-modified cellulose and step 2 of producing anion-modified cellulose nanofibers by defibrating anion-modified cellulose using a cavitation jet device.
A method for producing anion-modified cellulose nanofibers, which comprises.
The cavitation injection device gives an impact force to the anion-modified cellulose when the cavitation bubbles generated by the liquid injection injected through the nozzle or orifice collapse, and the upstream pressure of the liquid injection injected through the nozzle or orifice is 0.01 MPa. It is 30.00 MPa or less, and the ratio of downstream pressure / upstream pressure is 0.001 to 0.500.
The above-mentioned manufacturing method, wherein the maximum width of the cavitation jet generated by the liquid jet injected through the nozzle or orifice of the cavitation jet device is 50% or more and 130% or less of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice.
キャビテーション噴流装置のノズルまたはオリフィスを通じて噴射した液体噴流によって生じるキャビテーション噴流の最大幅が、ノズルまたはオリフィスの直後の配管の内径の70%以上130%以下の長さである、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the maximum width of the cavitation jet generated by the liquid jet injected through the nozzle or orifice of the cavitation jet device is 70% or more and 130% or less of the inner diameter of the pipe immediately after the nozzle or orifice. .. アニオン変性セルロースが、カルボキシル基を有するセルロースである、請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the anion-modified cellulose is a cellulose having a carboxyl group. アニオン変性セルロースにおけるカルボキシル基量が、アニオン変性セルロースの絶乾質量に対して、0.4mmol/g〜3.0mmol/gである、請求項3に記載の方法。 The method according to claim 3, wherein the amount of carboxyl groups in the anion-modified cellulose is 0.4 mmol / g to 3.0 mmol / g with respect to the absolute dry mass of the anion-modified cellulose. アニオン変性セルロースが、カルボキシメチル基を有するセルロースである、請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the anion-modified cellulose is a cellulose having a carboxymethyl group. アニオン変性セルロースにおけるカルボキシメチル置換度が、0.01以上0.40未満である、請求項5に記載の方法。
The method according to claim 5, wherein the degree of carboxymethyl substitution in the anion-modified cellulose is 0.01 or more and less than 0.40.
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