JP2019163389A - Carboxymethylated cellulose - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カルボキシメチル化セルロースに関する。詳細には、特定範囲のショッパー・リーグラろ水度を有するカルボキシメチル化セルロースに関する。 The present invention relates to carboxymethylated cellulose. Specifically, the present invention relates to carboxymethylated cellulose having a specific range of Shopper-Legler freeness.
カルボキシメチル化セルロースは、セルロースの誘導体であり、セルロースの骨格を構成するグルコース残基中の水酸基の一部にカルボキシメチル基をエーテル結合させたものである。カルボキシメチル基の量が増えると（すなわち、カルボキシメチル置換度が増加すると）、カルボキシメチル化セルロースは水に溶解するようになる。一方、カルボキシメチル置換度を適度な範囲に調整することにより、水中でもカルボキシメチル化セルロースの繊維状の形状を維持させることができるようになる。 Carboxymethylated cellulose is a derivative of cellulose, and is obtained by ether-bonding a carboxymethyl group to a part of hydroxyl groups in a glucose residue constituting the skeleton of cellulose. As the amount of carboxymethyl groups increases (ie, the degree of carboxymethyl substitution increases), the carboxymethylated cellulose becomes soluble in water. On the other hand, by adjusting the degree of carboxymethyl substitution within an appropriate range, the fibrous shape of carboxymethylated cellulose can be maintained even in water.
カルボキシメチル化セルロースの製造方法としては、一般に、セルロースをアルカリで処理（マーセル化）した後、エーテル化剤（カルボキシメチル化剤ともいう。）で処理（カルボキシメチル化。エーテル化とも呼ぶ。）する方法が知られており、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を水を溶媒として行う方法と、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒下または有機溶媒と水との混合溶媒下で行う方法（特許文献１〜４）が知られており、前者は「水媒法」、後者は「溶媒法」と呼ばれる。 As a method for producing carboxymethylated cellulose, generally, cellulose is treated with alkali (mercelization) and then treated with an etherifying agent (also referred to as carboxymethylating agent) (carboxymethylated, also referred to as etherification). A method is known, in which both mercerization and carboxymethylation are performed using water as a solvent, and both mercerization and carboxymethylation are performed in an organic solvent or a mixed solvent of an organic solvent and water ( Patent Documents 1 to 4) are known. The former is called “water medium method” and the latter is called “solvent method”.
カルボキシメチル化セルロースは、その増粘性、吸水性、保水性等の性質から、飲食品、化粧品、水系塗料など、様々な分野において添加剤として使用されている。これらの汎用されるカルボキシメチル化セルロースは、通常、カルボキシメチル置換度（エーテル化度ともいう。）が０．５５以上の水溶性高分子である。一方、カルボキシメチル置換度を０．５０以下とし、セルロースの結晶性を残存させ、水中で完全には溶解せずに繊維状の形状を一部維持するようなカルボキシメチル化セルロースの研究も近年行われており、その形状や結晶性等の特徴を利用した新たな用途の探索が行なわれている。本発明は、特に、カルボキシメチル置換度が低く（０．５０以下）、セルロースＩ型の結晶化度が高い（５０％以上）カルボキシメチル化セルロースにおいて、新規な特徴を有するカルボキシメチル化セルロースを提供することを目的とする。 Carboxymethylated cellulose is used as an additive in various fields such as foods and drinks, cosmetics, and water-based paints due to its properties such as thickening, water absorption, and water retention. These widely used carboxymethylated celluloses are usually water-soluble polymers having a carboxymethyl substitution degree (also referred to as etherification degree) of 0.55 or more. On the other hand, research on carboxymethylated cellulose has been recently conducted in which the degree of carboxymethyl substitution is 0.50 or less, the crystallinity of cellulose remains, and a part of the fibrous shape is maintained without being completely dissolved in water. Searches for new uses that utilize features such as shape and crystallinity are being conducted. In particular, the present invention provides a carboxymethylated cellulose having novel characteristics in a carboxymethylated cellulose having a low degree of carboxymethyl substitution (0.50 or less) and a high degree of crystallinity of cellulose type I (50% or more). The purpose is to do.
本発明者らは、カルボキシメチル置換度が低く（０．５０以下）、セルロースＩ型の結晶化度が高い（５０％以上）カルボキシメチル化セルロースについて、セルロースのカルボキシメチル化において、マーセル化（セルロースのアルカリ処理）を水を主とする溶媒下で行い、その後、カルボキシル化（エーテル化ともいう。）を水と有機溶媒との混合溶媒下で行うことにより、従来の水媒法（マーセル化とカルボキシル化の両方を水を溶媒として行う方法）や溶媒法（マーセル化とカルボキシル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行う方法）で得たカルボキシメチル化セルロースに比べて、保水性の高いカルボキシメチル化セルロースを製造することができることを見出した。 The inventors of the present invention have found that carboxymethylated cellulose having a low degree of carboxymethyl substitution (0.50 or less) and a high degree of crystallinity of cellulose type I (50% or more) is mercerized (cellulose) in carboxymethylation of cellulose. Is carried out under a solvent mainly composed of water, and then carboxylation (also referred to as etherification) is carried out under a mixed solvent of water and an organic solvent, whereby the conventional aqueous medium method (mercelization and Compared to carboxymethylated cellulose obtained by the method of performing both carboxylation using water as a solvent) and the solvent method (method of performing both mercerization and carboxylation in a solvent mainly comprising an organic solvent) It has been found that high carboxymethylated cellulose can be produced.
本発明としては、以下に限定されないが、次のものが挙げられる。
（１）カルボキシメチル置換度が０．５０以下であり、セルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であり、ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上である、カルボキシメチル化セルロース。
（２）カナディアンスタンダードフリーネスが１５０ｍｌ以下である、（１）に記載のカルボキシメチル化セルロース。
（３）セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基の一部に、カルボキシメチル基がエーテル結合した構造を有する、（１）または（２）に記載のカルボキシメチル化セルロース。
The present invention includes, but is not limited to, the following.
(1) Carboxymethylated cellulose having a carboxymethyl substitution degree of 0.50 or less, a cellulose I crystallinity of 50% or more, and a Shopper-Liegra freeness of 60.0 ° SR or more.
(2) The carboxymethylated cellulose according to (1), wherein the Canadian standard freeness is 150 ml or less.
(3) The carboxymethylated cellulose according to (1) or (2), wherein the carboxymethyl group has a structure in which a carboxymethyl group is ether-bonded to a part of a hydroxyl group in a glucose residue constituting cellulose.
本発明により、カルボキシメチル置換度が０．５０以下であり、セルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であり、ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上であるという新規な特徴を有するカルボキシメチル化セルロースが提供される。ショッパー・リーグラろ水度は１００°ＳＲに近いほど保水性が高いことを意味しており、ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上であるカルボキシメチル化セルロースは、これらに限定されないが、例えば、食品や化粧品などに添加された際に、食品や化粧品の保水性をより向上させ、例えば、しっとりとしたテクスチャーを実現するのに有利であると考えられる。また、本発明のカルボキシメチル化セルロースは、置換度が０．５０以下であり、セルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であり、繊維形状や結晶性を維持しているものであるから、例えば、食品や化粧品などに添加された際に、食品や化粧品の成型性や保形性も向上すると考えられる。 According to the present invention, the carboxymethyl substitution degree is 0.50 or less, the crystallinity of cellulose type I is 50% or more, and the shopper-regula freeness is 60.0 ° SR or more. Carboxymethylated cellulose is provided. The shopper-regula freeness means that the water retention is higher as it is closer to 100 ° SR, and carboxymethylated cellulose having a shopper-regula freeness of 60.0 ° SR or more is not limited to these. For example, when added to foods or cosmetics, it is considered to be advantageous for improving the water retention of foods and cosmetics, for example, to realize a moist texture. Further, the carboxymethylated cellulose of the present invention has a substitution degree of 0.50 or less, a cellulose I type crystallinity of 50% or more, and maintains the fiber shape and crystallinity. For example, when added to foods and cosmetics, it is considered that the moldability and shape retention of foods and cosmetics are also improved.
＜カルボキシメチル化セルロース＞
本発明は、カルボキシメチル化セルロースに関する。カルボキシメチル化セルロースは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基の一部がカルボキシメチル基とエーテル結合した構造を有する。カルボキシメチル化セルロースは、塩の形態をとる場合もあり、本発明のカルボキシメチル化セルロースには、カルボキシメチル化セルロースの塩も含まれるものとする。カルボキシメチル化セルロースの塩としては、例えばカルボキシメチルセルロースナトリウム塩などの金属塩などが挙げられる。
<Carboxymethylated cellulose>
The present invention relates to carboxymethylated cellulose. Carboxymethylated cellulose has a structure in which a part of hydroxyl groups in a glucose residue constituting cellulose is ether-bonded to a carboxymethyl group. The carboxymethylated cellulose may be in the form of a salt, and the carboxymethylated cellulose of the present invention includes salts of carboxymethylated cellulose. Examples of the salt of carboxymethylated cellulose include metal salts such as carboxymethylcellulose sodium salt.
本発明のカルボキシメチル化セルロースは、水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が好ましい。すなわち、カルボキシメチル化セルロースの水分散体を電子顕微鏡等で観察すると、繊維状の物質を観察することができるものが好ましい。また、本発明のカルボキシメチル化セルロースをＸ線回折で測定すると、セルロースＩ型結晶のピークを観測することができる。 The carboxymethylated cellulose of the present invention is preferably one in which at least a part of the fibrous shape is maintained even when dispersed in water. That is, when an aqueous dispersion of carboxymethylated cellulose is observed with an electron microscope or the like, those capable of observing a fibrous substance are preferable. Moreover, when the carboxymethylated cellulose of the present invention is measured by X-ray diffraction, the peak of cellulose I-type crystal can be observed.
＜カルボキシメチル置換度＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースは、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度が０．５０以下であり、好ましくは０．４０以下である。当該置換度が０．５０を超えると水への溶解が起こりやすくなり、水中で繊維形態を維持できなくなり、保形性付与等の効果が低減する可能性がある。カルボキシメチル化セルロースによる保形性や保水性付与等の効果を得るためには、一定程度のカルボキシメチル置換度を有することは必要であり、例えば、カルボキシメチル置換度が０．０２より小さいと、用途によっては、カルボキシメチル基を導入したことによる利点が得られない場合がある。したがって、カルボキシメチル置換度は、０．０２以上であることが好ましく、０．０５以上であることが更に好ましく、０．１０以上であることが更に好ましく、０．１５以上であることが更に好ましく、０．２０以上であることがさらに好ましく、０．２５以上であることがさらに好ましい。なお、特に、カルボキシメチル置換度が０．２０以上０．５０以下の範囲では、後述するセルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であるカルボキシメチル化セルロースを得ること自体が特に従来の水媒法では困難であったが、本発明者らは、例えば後述する製法により、カルボキシメチル置換度０．２０以上０．５０以下であり、セルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であり、品質の安定したカルボキシメチル化セルロースを製造できることを見出した。カルボキシメチル置換度は、反応させるカルボキシメチル化剤の添加量、マーセル化剤の量、水と有機溶媒の組成比率をコントロールすること等によって調整することができる。
<Carboxymethyl substitution degree>
In the carboxymethylated cellulose of the present invention, the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit of cellulose is 0.50 or less, preferably 0.40 or less. If the degree of substitution exceeds 0.50, dissolution in water tends to occur, the fiber form cannot be maintained in water, and effects such as imparting shape retention may be reduced. In order to obtain effects such as shape retention and water retention by carboxymethylated cellulose, it is necessary to have a certain degree of carboxymethyl substitution. For example, when the degree of carboxymethyl substitution is less than 0.02, Depending on the application, there may be no advantage obtained by introducing a carboxymethyl group. Accordingly, the degree of carboxymethyl substitution is preferably 0.02 or more, more preferably 0.05 or more, further preferably 0.10 or more, and further preferably 0.15 or more. 0.20 or more, more preferably 0.25 or more. In particular, when the degree of carboxymethyl substitution is in the range of 0.20 to 0.50, obtaining a carboxymethylated cellulose having a cellulose I-type crystallinity of 50% or more, which will be described later, is a conventional aqueous medium. Although it was difficult by the method, the present inventors, for example, have a carboxymethyl substitution degree of 0.20 or more and 0.50 or less, a cellulose I crystallinity of 50% or more by the production method described later, It was found that a stable carboxymethylated cellulose can be produced. The degree of carboxymethyl substitution can be adjusted by controlling the amount of carboxymethylating agent to be reacted, the amount of mercerizing agent, the composition ratio of water and organic solvent, and the like.
本発明において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）を意味する。また、カルボキシメチル置換度（エーテル化度ともいう。）とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基のうちカルボキシメチルエーテル基に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メチルエーテル基の数）を示す。なお、カルボキシメチル置換度はＤＳと略すことがある。 In the present invention, the anhydroglucose unit means individual anhydroglucose (glucose residue) constituting cellulose. The degree of carboxymethyl substitution (also referred to as etherification degree) is the proportion of hydroxyl groups in the glucose residues constituting cellulose that are substituted with carboxymethyl ether groups (carboxymethyl per glucose residue). The number of ether groups). The degree of carboxymethyl substitution may be abbreviated as DS.
カルボキシメチル置換度の測定方法は以下の通りである：
試料約２．０ｇを精秤して、３００ｍＬ共栓付き三角フラスコに入れる。硝酸メタノール１０００ｍＬに特級濃硝酸１００ｍＬを加えた液１００ｍＬを加え、３時間振盪して、カルボキシメチル化セルロースの塩（ＣＭＣ）をＨ−ＣＭＣ（水素型カルボキシメチル化セルロース）に変換する。その絶乾Ｈ−ＣＭＣを１．５〜２．０ｇ精秤し、３００ｍＬ共栓付き三角フラスコに入れる。８０％メタノール１５ｍＬでＨ−ＣＭＣを湿潤し、０．１Ｎ−ＮａＯＨを１００ｍＬ加え、室温で３時間振盪する。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、０．１Ｎ−Ｈ２ＳＯ４で過剰のＮａＯＨを逆滴定し、次式によってカルボキシメチル置換度（ＤＳ値）を算出する。
Ａ＝［（１００×Ｆ’−０．１Ｎ−Ｈ２ＳＯ４（ｍＬ）×Ｆ）×０．１］／（Ｈ−ＣＭＣの絶乾質量（ｇ））
カルボキシメチル置換度＝０．１６２×Ａ／（１−０．０５８×Ａ）
Ｆ’：０．１Ｎ−Ｈ２ＳＯ４のファクター
Ｆ：０．１Ｎ−ＮａＯＨのファクター。
The method for measuring the degree of carboxymethyl substitution is as follows:
About 2.0 g of sample is precisely weighed and placed in a 300 mL conical flask with a stopper. A solution of 100 mL of special concentrated nitric acid added to 1000 mL of nitric acid methanol is added and shaken for 3 hours to convert the salt of carboxymethylated cellulose (CMC) into H-CMC (hydrogen-type carboxymethylated cellulose). The absolute dry H-CMC is accurately weighed in an amount of 1.5 to 2.0 g and put into an Erlenmeyer flask with a 300 mL stopper. Wet H-CMC with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. Using phenolphthalein as an indicator, excess NaOH is back titrated with 0.1N—H 2 SO 4 and the degree of carboxymethyl substitution (DS value) is calculated according to the following formula.
A = [(100 × F′−0.1N—H 2 SO 4 (mL) × F) × 0.1] / (absolute dry mass of H-CMC (g))
Carboxymethyl substitution degree = 0.162 × A / (1−0.058 × A)
F ′: Factor of 0.1 N—H 2 SO 4 F: Factor of 0.1 N—NaOH
＜セルロースＩ型の結晶化度＞
本発明のカルボキシメチル化セルロース繊維におけるセルロースの結晶化度は、結晶Ｉ型が５０％以上であり、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、カルボキシメチル化セルロースによる保形性付与等の効果が高く得られるようになる。セルロースの結晶性は、マーセル化剤の濃度と処理時の温度、並びにカルボキシメチル化の度合によって制御できる。マーセル化及びカルボキシメチル化においては高濃度のアルカリが使用されるために、セルロースのＩ型結晶がＩＩ型に変換されやすいが、アルカリ（マーセル化剤）の使用量を調整するなどして変性の度合いを調整することによって、所望の結晶性を維持させることができる。セルロースＩ型の結晶化度の上限は特に限定されない。現実的には９０％程度が上限となると考えられる。
<Crystallinity of cellulose type I>
The crystallinity of cellulose in the carboxymethylated cellulose fiber of the present invention is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more for crystal I type. By adjusting the crystallinity to the above range, effects such as imparting shape retention by carboxymethylated cellulose can be obtained. The crystallinity of cellulose can be controlled by the concentration of mercerizing agent and the temperature during processing, as well as the degree of carboxymethylation. In mercerization and carboxymethylation, a high concentration of alkali is used, so cellulose type I crystals are likely to be converted to type II. However, modification by adjusting the amount of alkali (mercellizing agent) used, etc. The desired crystallinity can be maintained by adjusting the degree. The upper limit of the crystallinity of cellulose type I is not particularly limited. In reality, it is considered that the upper limit is about 90%.
カルボキシメチル化セルロースのセルロースＩ型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、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。
The method for measuring the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose is as follows:
The sample is placed on a glass cell and measured using an X-ray diffractometer (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). The degree of crystallinity is calculated using a method such as Segal and the diffraction intensity of 2θ = 10 ° to 30 ° in the X-ray diffraction diagram is used as a baseline, and the diffraction intensity of the 002 plane of 2θ = 22.6 ° and 2θ = It is calculated by the following formula from the diffraction intensity of the amorphous part at 18.5 °.
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。
Xc = (I002c−Ia) / I002c × 100
Xc = crystallinity of cellulose type I (%)
I002c: 2θ = 22.6 °, diffraction intensity of 002 plane Ia: 2θ = 18.5 °, diffraction intensity of amorphous part.
カルボキシメチル化セルロースは、一般に、セルロースをアルカリで処理（マーセル化）した後、得られたマーセル化セルロース（アルカリセルロースともいう。）を、カルボキシメチル化剤（エーテル化剤ともいう。）と反応させることにより製造することができる。 In general, carboxymethylated cellulose is obtained by treating cellulose with an alkali (mercelization), and then reacting the obtained mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) with a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent). Can be manufactured.
＜ショッパー・リーグラろ水度＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースは、ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上であるという特徴を有する。本発明において、ショッパー・リーグラろ水度の測定方法は、ＪＩＳＰ ８２１２１−１：２０１２に準じるものとし、具体的には、以下の通りである：
カルボキシメチル化セルロースを水に分散し、固形分１０ｇ／Ｌの水分散体を調製し、マグネチックスターラーを用い一昼夜１０００ｒｐｍにて撹拌する。得られたスラリーを１ｇ／Ｌに希釈する。ミューテック社製ＤＦＲ−０４に６０メッシュスクリーン（ワイヤー太さ０．１７ｍｍ）をセットし、１０００ｍｌの検液から、上記メッシュを通過する液量を６０秒間計測し、ＪＩＳＰ ８１２１−１：２０１２に準じた方法で、ショッパー・リーグラろ水度を算出する。
<Shopper Liegra freeness>
The carboxymethylated cellulose of the present invention has a feature that the shopper-regula freeness is 60.0 ° SR or more. In the present invention, the method for measuring the shopper-regula freeness shall be in accordance with JISP 82121-1: 2012, and is specifically as follows:
Carboxymethylated cellulose is dispersed in water to prepare an aqueous dispersion having a solid content of 10 g / L, and stirred at 1000 rpm for a whole day and night using a magnetic stirrer. The resulting slurry is diluted to 1 g / L. A 60 mesh screen (wire thickness 0.17 mm) was set in DFR-04 manufactured by Mutek Co., Ltd., and the amount of liquid passing through the mesh was measured for 60 seconds from a 1000 ml test solution, according to JISP 8121-1: 2012 The shopper-regula freeness is calculated by the method described above.
ショッパー・リーグラろ水度は、繊維の懸濁液の水切れの程度を測定するものであり、下限値は０°ＳＲ、上限値は１００°ＳＲであり、ショッパー・リーグラろ水度が１００°ＳＲに近づくほど、水切れ（排水量）が少ないことを示し、すなわち、繊維の保水性が高いことを示す。 The shopper regula freeness measures the degree of drainage of the fiber suspension, the lower limit is 0 ° SR, the upper limit is 100 ° SR, and the shopper regula freeness is 100 ° SR. The closer to the value, the less water drainage (the amount of drainage), that is, the higher the water retention capacity of the fiber.
本発明のカルボキシメチル化セルロースのショッパー・リーグラろ水度は、６０．０°ＳＲ以上であり、好ましくは、６５．０°ＳＲ以上である。上限は特に限定されないが、１００．０°ＳＲ以下であり、好ましくは、９０．０°ＳＲ以下である。ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上であるカルボキシメチル化セルロースは、保水性が高く、例えば、これらに限定されないが、食品、化粧品、医薬品などの様々な組成物において、保水剤として用いるのに適するといえる。 The shopper-legler freeness of the carboxymethylated cellulose of the present invention is 60.0 ° SR or higher, preferably 65.0 ° SR or higher. Although an upper limit is not specifically limited, It is 100.0 degrees SR or less, Preferably, it is 90.0 degrees SR or less. Carboxymethylated cellulose having a shopper-regula freeness of 60.0 ° SR or higher has high water retention, for example, but not limited to, as a water retention agent in various compositions such as foods, cosmetics, and pharmaceuticals. It can be said that it is suitable for use.
＜カナディアンスタンダードフリーネス＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースは、カナディアンスタンダードフリーネス（カナダ標準濾水度）が１５０ｍｌ以下であることが好ましく、１２０ｍｌ以下がより好ましく、１１０ｍｌ以下がさらに好ましい。カナディアンスタンダードフリーネスは、繊維の懸濁液の水切れの程度を測定するものであり、値が小さいほど水切れ（排水量）が少ないことを示し、すなわち、繊維の保水性が高いことを示す。カナディアンスタンダードフリーネスの測定方法は、以下の通りである：
前述したショッパー・リーグラ濾水度と同様の方法で試料を調製し、ミューテック社製ＤＦＲ−０４に６０メッシュスクリーン（ワイヤー太さ０．１７ｍｍ）をセットし、１０００ｍｌの検液から、上記メッシュを通過する液量を６０秒間計測し、ＪＩＳＰ ８１２１−２：２０１２に準じた方法で、カナディアンスタンダードフリーネスを算出する。
<Canadian Standard Freeness>
The carboxymethylated cellulose of the present invention preferably has a Canadian standard freeness (Canadian standard freeness) of 150 ml or less, more preferably 120 ml or less, and even more preferably 110 ml or less. Canadian standard freeness is a measure of the degree of water drainage of the fiber suspension, and the smaller the value, the less water drainage (drainage), that is, the higher the water retention of the fiber. The Canadian Standard Freeness measurement method is as follows:
A sample was prepared in the same manner as the above-mentioned Shopper-Legler freeness, a 60 mesh screen (wire thickness: 0.17 mm) was set on DFR-04 manufactured by Mutech, and the mesh was removed from a 1000 ml test solution. The amount of liquid passing through is measured for 60 seconds, and the Canadian standard freeness is calculated by a method according to JISP 8121-2: 2012.
＜濾水量＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースは、濾水量が４００ｍｌ以下であることが好ましく、３８０ｍｌ以下がより好ましく、３７０ｍｌ以下がさらに好ましい。濾水量は、繊維の懸濁液の水切れの程度を測定するものであり、値が小さいほど水切れ（排水量）が少ないことを示し、すなわち、繊維の保水性が高いことを示す。濾水量の測定方法は、以下の通りである：
前述したショッパー・リーグラ濾水度と同様の方法で試料を調整し、ミューテック社製ＤＦＲ−０４に６０メッシュスクリーン（ワイヤー太さ０．１７ｍｍ）をセットし、１０００ｍｌの検液から、上記メッシュを通過する液量を６０秒間計測し、濾水量を算出した。
<Amount of drainage>
The carboxymethylated cellulose of the present invention preferably has a drainage amount of 400 ml or less, more preferably 380 ml or less, and even more preferably 370 ml or less. The amount of drainage is a measure of the degree of drainage of the fiber suspension, and the smaller the value, the less water drainage (drainage), that is, the higher the water retention capacity of the fiber. The method for measuring the amount of drainage is as follows:
The sample was prepared in the same manner as the above-mentioned shopper-regula freeness, a 60 mesh screen (wire thickness 0.17 mm) was set on DFR-04 manufactured by Mutech, and the above mesh was removed from a 1000 ml test solution. The amount of liquid passing through was measured for 60 seconds, and the amount of drainage was calculated.
＜その他＞
カルボキシメチル化セルロースは、製造後に得られる分散体の状態であってもよいが、必要に応じて乾燥してもよく、また水に再分散してもよい。乾燥方法は何ら限定されないが、例えば凍結乾燥法、噴霧乾燥法、棚段式乾燥法、ドラム乾燥法、ベルト乾燥法、ガラス板等に薄く伸展し乾燥する方法、流動床乾燥法、マイクロウェーブ乾燥法、起熱ファン式減圧乾燥法などの既知の方法を使用できる。乾燥後に必要に応じて、カッターミル、ハンマーミル、ピンミル、ジェットミル等で粉砕しても良い。また、水への再分散の方法も特に限定されず、既知の分散装置を使用することができる。
<Others>
The carboxymethylated cellulose may be in the form of a dispersion obtained after production, but may be dried or redispersed in water as necessary. The drying method is not limited in any way, for example, freeze drying method, spray drying method, shelf drying method, drum drying method, belt drying method, method of thinly extending and drying on a glass plate, fluidized bed drying method, microwave drying And known methods such as a heating fan type vacuum drying method can be used. You may grind | pulverize with a cutter mill, a hammer mill, a pin mill, a jet mill etc. as needed after drying. Further, the method for redispersion in water is not particularly limited, and a known dispersion apparatus can be used.
カルボキシメチル化セルロースは、解繊することによりナノファイバー化することができる。しかし、ナノファイバー化にはコストがかかることから、特に必要がなければ、ナノファイバー化せずに用いればよい。 Carboxymethylated cellulose can be made into nanofibers by defibration. However, since nanofiberization is costly, it may be used without being nanofiber unless particularly necessary.
カルボキシメチル化セルロースの用途は、特に限定されないが、本発明のカルボキシメチル化セルロースは、ショッパー・リーグラろ水度が高めで、カルボキシメチル置換度が０．５０以下かつセルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であり、保水性と保形性に優れることから、保水性や保形性が必要とされる用途に特に最適に用いることができると考えられる。しかし、それ以外の用途に用いてもよい。カルボキシメチル化セルロースが用いられる分野は限定されず、一般的に添加剤が用いられる様々な分野、例えば、食品、飲料、化粧品、医薬、製紙、各種化学用品、塗料、スプレー、農薬、土木、建築、電子材料、難燃剤、家庭雑貨、接着剤、洗浄剤、芳香剤、潤滑用組成物などで、保水剤、増粘剤、ゲル化剤、糊剤、食品添加剤、賦形剤、塗料用添加剤、接着剤用添加剤、製紙用添加剤、研磨剤、ゴム・プラスチック用配合材料、保水剤、保形剤、泥水調整剤、ろ過助剤、溢泥防止剤などとして使用することができると考えられる。 Although the use of carboxymethylated cellulose is not particularly limited, the carboxymethylated cellulose of the present invention has a high Shopper-Legler freeness, a carboxymethyl substitution degree of 0.50 or less, and a cellulose I type crystallinity. Since it is 50% or more and is excellent in water retention and shape retention, it is considered that it can be optimally used for applications requiring water retention and shape retention. However, it may be used for other purposes. The field in which carboxymethylated cellulose is used is not limited, and various fields in which additives are generally used, such as food, beverages, cosmetics, pharmaceuticals, papermaking, various chemicals, paints, sprays, agricultural chemicals, civil engineering, and architecture. , Electronic materials, flame retardants, household goods, adhesives, cleaning agents, fragrances, lubricating compositions, etc., for water retention agents, thickeners, gelling agents, glues, food additives, excipients, paints Can be used as an additive, adhesive additive, paper additive, abrasive, rubber / plastic compounding material, water retention agent, shape retention agent, mud adjuster, filter aid, anti-sludge agent, etc. it is conceivable that.
＜カルボキシメチル化セルロースの製造方法＞
カルボキシメチル化セルロースは、一般に、セルロースをアルカリで処理（マーセル化）した後、得られたマーセル化セルロース（アルカリセルロースともいう。）を、カルボキシメチル化剤（エーテル化剤ともいう。）と反応させることにより製造することができる。
<Method for producing carboxymethylated cellulose>
In general, carboxymethylated cellulose is obtained by treating cellulose with an alkali (mercelization), and then reacting the obtained mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) with a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent). Can be manufactured.
本発明のカルボキシメチル置換度が０．５０以下であり、セルロースＩ型の結晶化度が５０％以上であり、ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上であるカルボキシメチル化セルロースは、これに限定されないが、例えば、マーセル化（セルロースのアルカリ処理）を水を主とする溶媒下で行い、その後、カルボキシル化（エーテル化ともいう。）を水と有機溶媒との混合溶媒下で行うことにより、製造することができる。このようにして得たカルボキシメチル化セルロースは、従来の水媒法（マーセル化とカルボキシル化の両方を水を溶媒として行う方法）や溶媒法（マーセル化とカルボキシル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行う方法）で得たカルボキシメチル化セルロースに比べて、ショッパー・リーグラろ水度が高いという特徴を有する。また、上記の方法は、カルボキシメチル化剤の有効利用率が高いという利点がある。 Carboxymethylated cellulose having a degree of carboxymethyl substitution of 0.50 or less, a crystallinity of cellulose type I of 50% or more, and a Shopper-Legler freeness of 60.0 ° SR or more, Although not limited thereto, for example, mercerization (alkali treatment of cellulose) is performed in a solvent mainly containing water, and then carboxylation (also referred to as etherification) is performed in a mixed solvent of water and an organic solvent. Can be manufactured. The carboxymethylated cellulose thus obtained can be obtained by using a conventional aqueous medium method (a method in which both mercerization and carboxylation are performed using water as a solvent) and a solvent method (both mercerization and carboxylation are mainly performed in an organic solvent). Compared to the carboxymethylated cellulose obtained by the method carried out in a solvent, the Shopper-Liegra freeness is high. Moreover, said method has the advantage that the effective utilization factor of a carboxymethylating agent is high.
＜セルロース＞
本発明においてセルロースとは、Ｄ−グルコピラノース（単に「グルコース残基」、「無水グルコース」ともいう。）がβ−１，４結合で連なった構造の多糖を意味する。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、マーセル化セルロースの原料として用いることができるが、カルボキシメチル化セルロースにおいて５０％以上のセルロースＩ型の結晶化度を維持するためには、セルロースＩ型の結晶化度が高いセルロースを原料として用いることが好ましい。原料となるセルロースのセルロースＩ型の結晶化度は、好ましくは、７０％以上であり、さらに好ましくは８０％以上である。セルロースＩ型の結晶化度の測定方法は、上述した通りである。
<Cellulose>
In the present invention, cellulose means a polysaccharide having a structure in which D-glucopyranose (also simply referred to as “glucose residue” or “anhydroglucose”) is linked by β-1,4 bonds. Cellulose is generally classified into natural cellulose, regenerated cellulose, fine cellulose, microcrystalline cellulose excluding non-crystalline regions, and the like, based on the origin, production method, and the like. In the present invention, any of these celluloses can be used as a raw material for mercerized cellulose. In order to maintain a cellulose I type crystallinity of 50% or more in carboxymethylated cellulose, cellulose I type It is preferable to use cellulose having a high crystallinity as a raw material. The cellulose I type crystallinity of the raw material cellulose is preferably 70% or more, and more preferably 80% or more. The method for measuring the crystallinity of cellulose type I is as described above.
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, refined linters; cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria, and the like. The raw material of bleached pulp or unbleached pulp is not particularly limited, and examples thereof include wood, cotton, straw, bamboo, hemp, jute, kenaf and the like. Moreover, the manufacturing method of a bleached pulp or an unbleached pulp is not specifically limited, either, a mechanical method, a chemical method, or the method which combined two in the middle may be sufficient. Examples of bleached or unbleached pulp classified according to the production method include mechanical pulp (thermomechanical pulp (TMP), groundwood pulp), chemical pulp (conifer unbleached sulfite pulp (NUSP), conifer bleach sulfite pulp (NBSP). ) And the like, and softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), and hardwood bleached kraft pulp (LBKP)). Furthermore, dissolving pulp may be used in addition to papermaking pulp. Dissolving pulp is chemically refined pulp, which is mainly used by dissolving in chemicals, and is 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。
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。
Examples of the regenerated cellulose include those obtained by dissolving cellulose in some solvent such as a copper ammonia solution, a cellulose xanthate solution, and a morpholine derivative and spinning again.
The fine cellulose is obtained by depolymerizing a cellulose-based material such as the above natural cellulose or regenerated cellulose (for example, acid hydrolysis, alkali hydrolysis, enzyme decomposition, explosion treatment, vibration ball mill treatment, etc.). And those obtained by mechanically treating the cellulose-based material.
＜マーセル化＞
原料として前述のセルロースを用い、マーセル化剤（アルカリ）を添加することによりマーセル化セルロース（アルカリセルロースともいう。）を得る。本明細書に記載の方法にしたがって、このマーセル化反応における溶媒に水を主として用い、次のカルボキシメチル化の際に有機溶媒と水との混合溶媒を使用することにより、ショッパー・リーグラろ水度が高いカルボキシメチル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Mercelization>
The cellulose described above is used as a raw material, and mercerized cellulose (also referred to as alkali cellulose) is obtained by adding a mercerizing agent (alkali). According to the method described in this specification, by using mainly water as a solvent in this mercerization reaction and using a mixed solvent of an organic solvent and water in the next carboxymethylation, Can be obtained economically.
溶媒に水を主として用いる（水を主とする溶媒）とは、水を５０質量％より高い割合で含む溶媒をいう。水を主とする溶媒中の水は、好ましくは５５質量％以上あり、より好ましくは６０質量％以上であり、より好ましくは７０質量％以上であり、より好ましくは８０質量％以上であり、さらに好ましくは９０質量％以上であり、さらに好ましくは９５質量％以上である。特に好ましくは水を主とする溶媒は、水が１００質量％（すなわち、水）である。マーセル化時の水の割合が多いほど、カルボキシメチル基がセルロースにより均一に導入され、品質の安定したカルボキシメチル化セルロースが得られるという利点がある。水を主とする溶媒中の水以外の（水と混合して用いられる）溶媒としては、後段のカルボキシメチル化の際の溶媒として用いられる有機溶媒が挙げられる。例えば、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級ブタノール等のアルコールや、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン、ならびに、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン、ジクロロメタンなどを挙げることができ、これらの単独または２種以上の混合物を水に５０質量％未満の量で添加してマーセル化の際の溶媒として用いることができる。水を主とする溶媒中の有機溶媒は、好ましくは４５質量％以下であり、さらに好ましくは４０質量％以下であり、さらに好ましくは３０質量％以下であり、さらに好ましくは２０質量％以下であり、さらに好ましくは１０質量％以下であり、さらに好ましくは５質量％以下であり、より好ましくは０質量％である。 The main use of water as a solvent (a solvent mainly containing water) refers to a solvent containing water in a proportion higher than 50% by mass. Water in the solvent mainly composed of water is preferably 55% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, Preferably it is 90 mass% or more, More preferably, it is 95 mass% or more. Particularly preferably, the solvent mainly composed of water is 100% by mass of water (that is, water). As the ratio of water at the time of mercerization increases, the carboxymethyl group is uniformly introduced into the cellulose, and there is an advantage that carboxymethylated cellulose having stable quality can be obtained. Examples of the solvent other than water (used by mixing with water) in the solvent mainly containing water include organic solvents used as a solvent in the subsequent carboxymethylation. For example, alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol and tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, benzene and dichloromethane These can be used alone or a mixture of two or more thereof can be added to water in an amount of less than 50% by mass and used as a solvent for mercerization. The organic solvent in the solvent mainly composed of water is preferably 45% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, further preferably 30% by mass or less, and further preferably 20% by mass or less. More preferably, it is 10 mass% or less, More preferably, it is 5 mass% or less, More preferably, it is 0 mass%.
マーセル化剤としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物が挙げられ、これらのうちいずれか１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。マーセル化剤は、これに限定されないが、これらのアルカリ金属水酸化物を、例えば、１〜６０質量％、好ましくは２〜４５質量％、より好ましくは３〜２５質量％の水溶液として反応器に添加することができる。 Examples of mercerizing agents include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and any one or two or more of these can be used in combination. The mercerizing agent is not limited to this, but these alkali metal hydroxides are added to the reactor as an aqueous solution of, for example, 1 to 60% by mass, preferably 2 to 45% by mass, more preferably 3 to 25% by mass. Can be added.
マーセル化剤の使用量は、カルボキシメチル化セルロースにおけるカルボキシメチル置換度０．５０以下及びセルロースＩ型の結晶化度５０％以上を両立できる量であればよく特に限定されないが、一実施形態において、セルロース１００ｇ（絶乾）に対して０．１モル以上２．５モル以下であることが好ましく、０．３モル以上２．０モル以下であることがより好ましく、０．４モル以上１．５モル以下であることがさらに好ましい。 The amount of the mercerizing agent used is not particularly limited as long as it is an amount that can achieve both a carboxymethyl substitution degree of 0.50 or less in carboxymethylated cellulose and a crystallinity of cellulose I type of 50% or more, but in one embodiment, It is preferably 0.1 mol or more and 2.5 mol or less, more preferably 0.3 mol or more and 2.0 mol or less, and more preferably 0.4 mol or more and 1.5 mol or less with respect to 100 g (absolutely dry) of cellulose. More preferably, it is less than or equal to mol.
マーセル化の際の水を主とする溶媒の量は、原料の撹拌混合が可能な量であればよく特に限定されないが、セルロース原料に対し、１．５〜２０質量倍が好ましく、２〜１０質量倍であることがより好ましい。 The amount of the solvent mainly composed of water at the time of mercerization is not particularly limited as long as it is an amount capable of stirring and mixing the raw materials, but is preferably 1.5 to 20 times by mass with respect to the cellulose raw material, and 2 to 10 It is more preferable that the mass is.
マーセル化処理は、発底原料（セルロース）と水を主とする溶媒とを混合し、反応器の温度を０〜７０℃、好ましくは１０〜６０℃、より好ましくは１０〜４０℃に調整して、マーセル化剤の水溶液を添加し、１５分〜８時間、好ましくは３０分〜７時間、より好ましくは３０分〜３時間撹拌することにより行う。これによりマーセル化セルロース（アルカリセルロース）を得る。 In the mercerization treatment, the bottoming material (cellulose) and a solvent mainly composed of water are mixed, and the temperature of the reactor is adjusted to 0 to 70 ° C, preferably 10 to 60 ° C, more preferably 10 to 40 ° C. Then, an aqueous solution of mercerizing agent is added, and the mixture is stirred for 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours, more preferably 30 minutes to 3 hours. Thereby, mercerized cellulose (alkali cellulose) is obtained.
マーセル化の際のｐＨは、９以上が好ましく、これによりマーセル化反応を進めることができる。該ｐＨは、より好ましくは１１以上であり、更に好ましくは１２以上であり、１３以上でもよい。ｐＨの上限は特に限定されない。 The pH during mercerization is preferably 9 or more, whereby the mercerization reaction can proceed. The pH is more preferably 11 or more, still more preferably 12 or more, and may be 13 or more. The upper limit of pH is not particularly limited.
マーセル化は、温度制御しつつ上記各成分を混合撹拌することができる反応機を用いて行うことができ、従来からマーセル化反応に用いられている各種の反応機を用いることができる。例えば、２本の軸が撹拌し、上記各成分を混合するようなバッチ型攪拌装置は、均一混合性と生産性の両観点から好ましい。 Mercerization can be performed using a reactor capable of mixing and stirring the above components while controlling the temperature, and various reactors conventionally used in mercerization reactions can be used. For example, a batch type stirring apparatus in which two shafts are stirred and the above components are mixed is preferable from the viewpoints of both uniform mixing and productivity.
＜カルボキシメチル化＞
マーセル化セルロースに対し、カルボキシメチル化剤（エーテル化剤ともいう。）を添加することにより、カルボキシメチル化セルロースを得る。本明細書に記載の方法にしたがって、マーセル化の際は水を主とする溶媒として用い、カルボキシメチル化の際には水と有機溶媒との混合溶媒を用いることにより、水分散体とした際にショッパー・リーグラろ水度の高いカルボキシメチル化セルロースを経済的に得ることができる。
<Carboxymethylation>
Carboxymethylated cellulose is obtained by adding a carboxymethylating agent (also referred to as an etherifying agent) to mercerized cellulose. According to the method described in this specification, water is used as a main solvent in mercerization, and a mixed solvent of water and an organic solvent is used in carboxymethylation to form an aqueous dispersion. In addition, carboxymethylated cellulose having a high shopper liegler freeness can be economically obtained.
カルボキシメチル化剤としては、モノクロロ酢酸、モノクロロ酢酸ナトリウム、モノクロロ酢酸メチル、モノクロロ酢酸エチル、モノクロロ酢酸イソプロピルなどが挙げられる。これらのうち、原料の入手しやすさという点でモノクロロ酢酸、またはモノクロロ酢酸ナトリウムが好ましい。 Examples of the carboxymethylating agent include monochloroacetic acid, sodium monochloroacetate, methyl monochloroacetate, ethyl monochloroacetate, isopropyl monochloroacetate and the like. Of these, monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is preferable from the viewpoint of easy availability of raw materials.
カルボキシメチル化剤の使用量は、カルボキシメチル化セルロースにおけるカルボキシメチル置換度０．５０以下及びセルロースＩ型の結晶化度５０％以上を両立できる量であればよく特に限定されないが、一実施形態において、セルロースの無水グルコース単位当たり、０．５〜１．５モルの範囲で添加することが好ましい。上記範囲の下限はより好ましくは０．６モル以上、さらに好ましくは０．７モル以上であり、上限はより好ましくは１．３モル以下、さらに好ましくは１．１モル以下である。カルボキシメチル化剤は、これに限定されないが、例えば、５〜８０質量％、より好ましくは３０〜６０質量％の水溶液として反応器に添加することができるし、溶解せず、粉末状態で添加することもできる。 The amount of the carboxymethylating agent is not particularly limited as long as the amount of carboxymethyl substitution in the carboxymethylated cellulose is 0.50 or less and the crystallinity of cellulose I type is 50% or more, but is not particularly limited. It is preferable to add in the range of 0.5 to 1.5 mol per anhydroglucose unit of cellulose. The lower limit of the above range is more preferably 0.6 mol or more, still more preferably 0.7 mol or more, and the upper limit is more preferably 1.3 mol or less, still more preferably 1.1 mol or less. The carboxymethylating agent is not limited to this, but for example, it can be added to the reactor as an aqueous solution of 5 to 80% by mass, more preferably 30 to 60% by mass, does not dissolve, and is added in a powder state. You can also.
マーセル化剤とカルボキシメチル化剤のモル比（マーセル化剤／カルボキシメチル化剤）は、カルボキシメチル化剤としてモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムを使用する場合では、０．９〜２．４５が一般的に採用される。その理由は、０．９未満であるとカルボキシメチル化反応が不十分となる可能性があり、未反応のモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムが残って無駄が生じる可能性があること、及び２．４５を超えると過剰のマーセル化剤とモノクロロ酢酸又はモノクロロ酢酸ナトリウムによる副反応が進行してグリコール酸アルカリ金属塩が生成する恐れがあるため、不経済となる可能性があることにある。 The molar ratio of mercerizing agent to carboxymethylating agent (mercellizing agent / carboxymethylating agent) is generally 0.9 to 2.45 when monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate is used as the carboxymethylating agent. Adopted. The reason is that if it is less than 0.9, the carboxymethylation reaction may be insufficient, and unreacted monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may remain, resulting in waste, and 2.45. If it exceeds 1, the side reaction between the excess mercerizing agent and monochloroacetic acid or sodium monochloroacetate may proceed to produce an alkali metal glycolate, which may be uneconomical.
カルボキシメチル化において、カルボキシメチル化剤の有効利用率は、１５％以上であることが好ましい。より好ましくは２０％以上であり、さらに好ましくは２５％以上であり、特に好ましくは３０％以上である。カルボキシメチル化剤の有効利用率とは、カルボキシメチル化剤におけるカルボキシメチル基のうち、セルロースに導入されたカルボキシメチル基の割合を指す。マーセル化の際に水を主とする溶媒を用い、カルボキシメチル化の際に水と有機溶媒との混合溶媒を用いることにより、高いカルボキシメチル化剤の有効利用率で（すなわち、カルボキシメチル化剤の使用量を大きく増やすことなく、経済的に）、本発明のカルボキシメチル化セルロースを得ることができる。カルボキシメチル化剤の有効利用率の上限は特に限定されないが、現実的には８０％程度が上限となる。なお、カルボキシメチル化剤の有効利用率は、ＡＭと略すことがある。 In carboxymethylation, the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is preferably 15% or more. More preferably, it is 20% or more, more preferably 25% or more, and particularly preferably 30% or more. The effective utilization rate of a carboxymethylating agent refers to the proportion of carboxymethyl groups introduced into cellulose among carboxymethyl groups in the carboxymethylating agent. By using a solvent mainly composed of water at the time of mercerization and using a mixed solvent of water and an organic solvent at the time of carboxymethylation, the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is high (ie, the carboxymethylating agent). The carboxymethylated cellulose according to the present invention can be obtained economically without greatly increasing the amount of the styrene. The upper limit of the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is not particularly limited, but in reality, the upper limit is about 80%. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent may be abbreviated as AM.
カルボキシメチル化剤の有効利用率の算出方法は以下の通りである：
ＡＭ ＝ （ＤＳ ×セルロースのモル数）／ カルボキシメチル化剤のモル数
ＤＳ： カルボキシメチル置換度（測定方法は後述する）
セルロースのモル数：パルプ質量（１００℃で６０分間乾燥した際の乾燥質量）／１６２
（１６２はセルロースのグルコース単位当たりの分子量）。
The calculation method of the effective utilization rate of the carboxymethylating agent is as follows:
AM = (DS × number of moles of cellulose) / number of moles of carboxymethylating agent DS: Degree of carboxymethyl substitution (measurement method will be described later)
Number of moles of cellulose: Pulp mass (dry mass when dried at 100 ° C. for 60 minutes) / 162
(162 is the molecular weight of cellulose per glucose unit).
カルボキシメチル化反応におけるセルロース原料の濃度は、特に限定されないが、カルボキシメチル化剤の有効利用率を高める観点から、１〜４０％（ｗ／ｖ）であることが好ましい。 Although the density | concentration of the cellulose raw material in a carboxymethylation reaction is not specifically limited, From a viewpoint of raising the effective utilization factor of a carboxymethylating agent, it is preferable that it is 1-40% (w / v).
カルボキシメチル化剤を添加するのと同時に、あるいはカルボキシメチル化剤の添加の前または直後に、反応器に有機溶媒または有機溶媒の水溶液を適宜添加し、又は減圧などによりマーセル化処理時の水以外の有機溶媒等を適宜削減して、水と有機溶媒との混合溶媒を形成し、この水と有機溶媒との混合溶媒下で、カルボキシメチル化反応を進行させる。有機溶媒の添加または削減のタイミングは、マーセル化反応の終了後からカルボキシメチル化剤を添加した直後までの間であればよく、特に限定されないが、例えば、カルボキシメチル化剤を添加する前後３０分以内が好ましい。 Simultaneously with the addition of the carboxymethylating agent, or before or immediately after the addition of the carboxymethylating agent, an organic solvent or an aqueous solution of the organic solvent is appropriately added to the reactor, or water other than the water used in the mercerization process by reducing the pressure. The organic solvent is appropriately reduced to form a mixed solvent of water and the organic solvent, and the carboxymethylation reaction proceeds under the mixed solvent of the water and the organic solvent. The timing of addition or reduction of the organic solvent may be from the end of the mercerization reaction to immediately after the addition of the carboxymethylating agent, and is not particularly limited. For example, 30 minutes before and after adding the carboxymethylating agent Is preferred.
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、Ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、Ｎ−ブタノール、イソブタノール、第３級ブタノール等のアルコールや、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン、ならびに、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン、ジクロロメタンなどを挙げることができ、これらの単独または２種以上の混合物を水に添加してカルボキシメチル化の際の溶媒として用いることができる。これらのうち、水との相溶性が優れることから、炭素数１〜４の一価アルコールが好ましく、炭素数１〜３の一価アルコールがさらに好ましい。 Examples of organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol and tertiary butanol, ketones such as acetone, diethyl ketone and methyl ethyl ketone, and dioxane, diethyl ether, Benzene, dichloromethane, etc. can be mentioned, These alone or a mixture of two or more thereof can be added to water and used as a solvent for carboxymethylation. Among these, a monohydric alcohol having 1 to 4 carbon atoms is preferable, and a monohydric alcohol having 1 to 3 carbon atoms is more preferable because of excellent compatibility with water.
カルボキシメチル化の際の混合溶媒中の有機溶媒の割合は、水と有機溶媒との総和に対して有機溶媒が２０質量％以上であることが好ましく、３０質量％以上であることがより好ましく、４０質量％以上であることがさらに好ましく、４５質量％以上であることがさらに好ましく、５０質量％以上であることが特に好ましい。有機溶媒の割合が高いほど、均一なカルボキシメチル基の置換が起こりやすいなど、品質の安定したカルボキシメチル化セルロースが得られるという利点が得られる。有機溶媒の割合の上限は限定されず、例えば、９９質量％以下であってよい。添加する有機溶媒のコストを考慮すると、好ましくは９０質量％以下であり、更に好ましくは８５質量％以下であり、更に好ましくは８０質量％以下であり、更に好ましくは７０質量％以下である。 The ratio of the organic solvent in the mixed solvent in the carboxymethylation is preferably 20% by mass or more, more preferably 30% by mass or more, based on the sum of water and the organic solvent, It is more preferably 40% by mass or more, further preferably 45% by mass or more, and particularly preferably 50% by mass or more. As the proportion of the organic solvent is higher, there is an advantage that a carboxymethylated cellulose having a stable quality can be obtained, for example, uniform carboxymethyl group substitution is likely to occur. The upper limit of the ratio of the organic solvent is not limited, and may be 99% by mass or less, for example. Considering the cost of the organic solvent to be added, it is preferably 90% by mass or less, more preferably 85% by mass or less, still more preferably 80% by mass or less, and further preferably 70% by mass or less.
カルボキシメチル化の際の反応媒（セルロースを含まない、水と有機溶媒等との混合溶媒）は、マーセル化の際の反応媒よりも、水の割合が少ない（言い換えれば、有機溶媒の割合が多い）ことが好ましい。本範囲を満たすことで、得られるカルボキシメチル化セルロースの結晶化度を維持しやすくなり、本発明のカルボキシメチル化セルロースを、より効率的に得ることができるようになる。また、カルボキシメチル化の際の反応媒が、マーセル化の際の反応媒よりも水の割合が少ない（有機溶媒の割合が多い）場合、マーセル化反応からカルボキシメチル化反応に移行する際に、マーセル化反応終了後の反応系に所望の量の有機溶媒を添加するという簡便な手段でカルボキシメチル化反応用の混合溶媒を形成させることができるという利点も得られる。 The reaction medium at the time of carboxymethylation (a mixed solvent of water and an organic solvent, which does not contain cellulose) has a smaller proportion of water than the reaction medium at the time of mercerization (in other words, the proportion of the organic solvent is lower). Many). By satisfying this range, it becomes easy to maintain the crystallinity of the obtained carboxymethylated cellulose, and the carboxymethylated cellulose of the present invention can be obtained more efficiently. In addition, when the reaction medium at the time of carboxymethylation is less than the reaction medium at the time of mercerization (the ratio of the organic solvent is large), when shifting from the mercerization reaction to the carboxymethylation reaction, There is also an advantage that a mixed solvent for the carboxymethylation reaction can be formed by a simple means of adding a desired amount of an organic solvent to the reaction system after completion of the mercerization reaction.
水と有機溶媒との混合溶媒を形成し、マーセル化セルロースにカルボキシメチル化剤を投入した後、温度を好ましくは１０〜４０℃の範囲で一定に保ったまま１５分〜４時間、好ましくは１５分〜１時間程度撹拌する。マーセル化セルロースを含む液とカルボキシメチル化剤との混合は、反応混合物が高温になることを防止するために、複数回に分けて、または、滴下により行うことが好ましい。カルボキシメチル化剤を投入して一定時間撹拌した後、必要であれば昇温して、反応温度を３０〜９０℃、好ましくは４０〜９０℃、さらに好ましくは６０〜８０℃として、３０分〜１０時間、好ましくは１時間〜４時間、エーテル化（カルボキシメチル化）反応を行い、カルボキシメチル化セルロースを得る。 After forming a mixed solvent of water and an organic solvent and adding a carboxymethylating agent to mercerized cellulose, the temperature is preferably kept constant in the range of 10 to 40 ° C. for 15 minutes to 4 hours, preferably 15 Stir for about 1 to 1 hour. The mixing of the mercerized cellulose-containing liquid and the carboxymethylating agent is preferably performed in a plurality of times or by dropping in order to prevent the reaction mixture from becoming high temperature. After adding a carboxymethylating agent and stirring for a certain time, the temperature is raised if necessary, and the reaction temperature is set to 30 to 90 ° C, preferably 40 to 90 ° C, more preferably 60 to 80 ° C, and 30 minutes to The etherification (carboxymethylation) reaction is performed for 10 hours, preferably 1 hour to 4 hours, to obtain carboxymethylated cellulose.
カルボキシメチル化の際には、マーセル化の際に用いた反応器をそのまま用いてもよく、あるいは、温度制御しつつ上記各成分を混合撹拌することが可能な別の反応器を用いてもよい。 In the carboxymethylation, the reactor used in the mercerization may be used as it is, or another reactor capable of mixing and stirring the above components while controlling the temperature may be used. .
反応終了後、残存するアルカリ金属塩を鉱酸または有機酸で中和してもよい。また、必要に応じて、副生する無機塩、有機酸塩等を含水メタノールで洗浄して除去し、乾燥、粉砕、分級してカルボキシメチル化セルロース又はその塩としてもよい。乾式粉砕で用いる装置としてはハンマーミル、ピンミル等の衝撃式ミル、ボールミル、タワーミル等の媒体ミル、ジェットミル等が例示される。湿式粉砕で用いる装置としてはホモジナイザー、マスコロイダー、パールミル等の装置が例示される。 After completion of the reaction, the remaining alkali metal salt may be neutralized with a mineral acid or an organic acid. If necessary, by-product inorganic salts, organic acid salts, and the like may be removed by washing with water-containing methanol, dried, pulverized, and classified to obtain carboxymethylated cellulose or a salt thereof. Examples of the apparatus used in the dry pulverization include impact mills such as a hammer mill and a pin mill, medium mills such as a ball mill and a tower mill, and jet mills. Examples of the apparatus used in the wet pulverization include apparatuses such as a homogenizer, a mass collider, and a pearl mill.
上記の製法により、ショッパー・リーグラろ水度の高いカルボキシメチル化セルロースが得られる理由は明らかではないが、本発明者らは、次のように推測している：マーセル化反応を水を主とする溶媒を用いて行うことによりマーセル化剤が均一に混ざりやすくなり、マーセル化反応がより均一に生じるようになり、また、カルボキシメチル化において有機溶媒が存在することにより、カルボキシメチル化剤の有効利用率が向上し、その結果余剰のカルボキシメチル化剤による副反応（例えば、グリコール酸アルカリ金属塩の生成等）が生じにくくなり、品質が安定化すると考えられる。これにより均一にカルボキシメチル化が起こるため保水性が高まり、水切れが少なくなると考えられる。しかし、これに限定されるものではない。 Although the reason why carboxymethylated cellulose having high Shopper-Liegra freeness is obtained by the above production method is not clear, the present inventors speculate as follows: The mercerization reaction is mainly water. By using the solvent to be used, the mercerizing agent is easily mixed uniformly, the mercerization reaction is more uniformly generated, and the presence of the organic solvent in the carboxymethylation makes the carboxymethylating agent effective. It is considered that the utilization rate is improved, and as a result, the side reaction (for example, production of alkali metal glycolate, etc.) due to the excess carboxymethylating agent hardly occurs, and the quality is stabilized. As a result, carboxymethylation occurs uniformly, so water retention is increased, and it is considered that water drainage is reduced. However, it is not limited to this.
以下、本発明を実施例及び比較例をあげてより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、特に断らない限り、部および％は質量部および質量％を示す。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these. In addition, unless otherwise indicated, a part and% show a mass part and mass%.
（実施例１）
回転数を１００ｒｐｍに調節した二軸ニーダーに、水１３０部と、水酸化ナトリウム２０部を水１００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）１００部と、モノクロロ酢酸ナトリウム６０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。カルボキシメチル化反応時の反応媒中のＩＰＡの濃度は、３０％である。反応終了後、酢酸でｐＨ７程度となるように中和し、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル置換度０．２４、セルロースＩ型の結晶化度７３％、ショッパー・リーグラろ水度６６．７°ＳＲ、カナディアンスタンダードフリーネス１０６ｍｌ、濾水量３６９ｍｌ／１０秒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。カルボキシメチル化剤の有効利用率は、２９％であった。なお、カルボキシメチル置換度、セルロースＩ型の結晶化度、ショッパー・リーグラろ水度、カナディアンスタンダードフリーネス、及び濾水量の測定方法、ならびにカルボキシメチル化剤の有効利用率の算出方法は、上述の通りである。
(Example 1)
130 parts of water and 20 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water are added to a biaxial kneader whose rotational speed is adjusted to 100 rpm, and hardwood pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., LBKP) is added at 100 ° C. 60 100 parts were charged in a dry mass when dried for a minute. Mercerized cellulose was prepared by stirring and mixing at 30 ° C. for 90 minutes. Further, with stirring, 100 parts of isopropanol (IPA) and 60 parts of sodium monochloroacetate were added and stirred for 30 minutes, and then the temperature was raised to 70 ° C. to cause carboxymethylation reaction for 90 minutes. The concentration of IPA in the reaction medium during the carboxymethylation reaction is 30%. After completion of the reaction, the reaction mixture is neutralized with acetic acid so that the pH is about 7, drained, dried and pulverized. A sodium salt of carboxymethylated cellulose having a SR of 7 °, Canadian standard freeness of 106 ml, and a filtrate amount of 369 ml / 10 seconds was obtained. The effective utilization rate of the carboxymethylating agent was 29%. The method for measuring the degree of carboxymethyl substitution, the degree of crystallinity of cellulose type I, the shopper-regula freeness, Canadian standard freeness, and the amount of drainage, and the method for calculating the effective utilization rate of the carboxymethylating agent are as described above. It is.
（実施例２）
ＩＰＡの添加量を変えることによりカルボキシメチル化反応時の反応液中のＩＰＡの濃度を５０％とした以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．３１、セルロースＩ型の結晶化度は６６％、ショッパー・リーグラろ水度は７１．３°ＳＲ、カナディアンスタンダードフリーネスは８５ｍｌ、濾水量は３０２ｍｌ／１０秒、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３７％であった。
(Example 2)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of IPA in the reaction solution during the carboxymethylation reaction was changed to 50% by changing the amount of IPA added. The degree of carboxymethyl substitution is 0.31, the crystallinity of cellulose type I is 66%, the shopper regula freeness is 71.3 ° SR, the Canadian standard freeness is 85 ml, the drainage is 302 ml / 10 seconds, the carboxymethylation The effective utilization rate of the agent was 37%.
（比較例１）
マーセル化反応時の溶媒を水１０％、ＩＰＡ９０％とし、カルボキシメチル化反応時にも同じ組成の溶媒を用いた以外は実施例１と同様にして、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。カルボキシメチル置換度は０．２９、セルロースＩ型の結晶化度は６６％、ショッパー・リーグラろ水度は５７．７°ＳＲ、カナディアンスタンダードフリーネスは１５７ｍｌ、濾水量は４４７ｍｌ／１０秒、カルボキシメチル化剤の有効利用率は３５％であった。
(Comparative Example 1)
A sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that the solvent during the mercerization reaction was 10% water and 90% IPA, and the solvent having the same composition was used during the carboxymethylation reaction. The degree of carboxymethyl substitution is 0.29, the crystallinity of cellulose type I is 66%, the Shopper-Liegra freeness is 57.7 ° SR, the Canadian standard freeness is 157 ml, the drainage is 447 ml / 10 seconds, the carboxymethylation The effective utilization rate of the agent was 35%.
表１の結果より、マーセル化を水を主とする溶媒下で行い、カルボキシメチル化を水と有機溶媒との混合溶媒下で行った実施例１及び２では、従来法である、マーセル化とカルボキシメチル化の両方を有機溶媒を主とする溶媒下で行った比較例１（溶媒法）に比べて、ショッパー・リーグラろ水度が高く、カナディアンスタンダードフリーネスと濾水量の小さいカルボキシメチル化セルロースを製造することができることがわかる。また、比較例１で得られたカルボキシメチル化セルロースは局所的に水を含んで局所的に膨潤している様子が見られたが、実施例１及び２で得られたカルボキシメチル化セルロースは、より均質な分散体を形成していた。 From the results of Table 1, in Examples 1 and 2 in which mercerization was performed in a solvent mainly containing water and carboxymethylation was performed in a mixed solvent of water and an organic solvent, Compared to Comparative Example 1 (solvent method) in which both carboxymethylation was performed in a solvent mainly composed of an organic solvent, carboxymethylated cellulose having a higher shopper-regula freeness, Canadian standard freeness and a small amount of drainage. It can be seen that it can be manufactured. The carboxymethylated cellulose obtained in Comparative Example 1 was locally swollen with water, but the carboxymethylated cellulose obtained in Examples 1 and 2 was A more homogeneous dispersion was formed.
＜ショッパー・リーグラろ水度＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースは、ショッパー・リーグラろ水度が６０．０°ＳＲ以上であるという特徴を有する。本発明において、ショッパー・リーグラろ水度の測定方法は、ＪＩＳＰ８１２１−１：２０１２に準じるものとし、具体的には、以下の通りである：
カルボキシメチル化セルロースを水に分散し、固形分１０ｇ／Ｌの水分散体を調製し、マグネチックスターラーを用い一昼夜１０００ｒｐｍにて撹拌する。得られたスラリーを１ｇ／Ｌに希釈する。ミューテック社製ＤＦＲ−０４に６０メッシュスクリーン（ワイヤー太さ０．１７ｍｍ）をセットし、１０００ｍｌの検液から、上記メッシュを通過する液量を６０秒間計測し、ＪＩＳＰ８１２１−１：２０１２に準じた方法で、ショッパー・リーグラろ水度を算出する。
<Shopper Liegra freeness>
The carboxymethylated cellulose of the present invention has a feature that the shopper-regula freeness is 60.0 ° SR or more. In the present invention, the method for measuring the shopper-regula freeness shall be in accordance with JISP 81 21-1: 2012, and is specifically as follows:
Carboxymethylated cellulose is dispersed in water to prepare an aqueous dispersion having a solid content of 10 g / L, and stirred at 1000 rpm for a whole day and night using a magnetic stirrer. The resulting slurry is diluted to 1 g / L. A 60 mesh screen (wire thickness: 0.17 mm) was set on DFR-04 manufactured by Mutek Co., Ltd., and the amount of liquid passing through the mesh was measured for 60 seconds from a 1000 ml test solution, and in accordance with JISP8121-1: 2012. The shopper-regula freeness is calculated by the method.
Claims (3)
The carboxymethylated cellulose according to claim 1 or 2, wherein the carboxymethylated cellulose has a structure in which a carboxymethyl group is ether-bonded to a part of a hydroxyl group in a glucose residue constituting cellulose.
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