JP6417490B1 - Carboxymethylated cellulose nanofiber - Google Patents
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Abstract
【課題】透明度の高い水分散体を形成するカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーを提供する。【解決手段】セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、アスペクト比が３５０以下であり、固形分１％（ｗ／ｖ）の水分散体とした際の波長６６０ｎｍの光の透過率が６０％以上である、カルボキシメチル化セルロースナノファイバー。【選択図】なしThe present invention provides a nanofiber of carboxymethylated cellulose that forms a highly transparent aqueous dispersion. SOLUTION: The transmittance of light having a wavelength of 660 nm is obtained when an aqueous dispersion having a crystallinity of cellulose I of 60% or more, an aspect ratio of 350 or less, and a solid content of 1% (w / v) is used. Is a carboxymethylated cellulose nanofiber, which is 60% or more. [Selection figure] None
Description
本発明は、カルボキシメチル化セルロースナノファイバーに関する。詳細には、水分散体としたときに高い透明度を有し、セルロースＩ型の結晶化度が高く、アスペクト比が小さい、カルボキシメチル化セルロースナノファイバーに関する。 The present invention relates to carboxymethylated cellulose nanofibers. Specifically, the present invention relates to carboxymethyl cellulose nanofibers having high transparency when made into an aqueous dispersion, high crystallinity of cellulose type I, and a low aspect ratio.
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。繊維状の形状を有するカルボキシメチル化セルロースは、機械的に解繊することにより、ナノスケールの繊維径を有するナノファイバーへと変換することができる（特許文献１）。 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. Carboxymethylated cellulose having a fibrous shape can be converted into nanofibers having a nanoscale fiber diameter by mechanically defibrating (Patent Document 1).
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を主とする溶媒下で行う方法（特許文献２）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, and a method in which both mercerization and carboxymethylation are performed using water as a solvent, and a method in which both mercerization and carboxymethylation are performed in a solvent mainly composed of an organic solvent (Patent Document 2). The former is called the “water medium method” and the latter is called the “solvent method”.
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の製法としては、カルボキシメチル化セルロースの機械的解繊だけではなく、カルボキシル基を導入したセルロースの機械的解繊などが知られている（特許文献３）。 As a method for producing cellulose nanofibers having nanoscale fiber diameters, not only mechanical defibration of carboxymethylated cellulose but also mechanical defibration of cellulose introduced with carboxyl groups is known (Patent Document 3). .
特許文献３に記載されるようなカルボキシル基を導入したセルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は透明度が高いことが知られている。一方、溶媒法により得られたカルボキシメチル化セルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は、カルボキシル基を導入したセルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体に比べて、透明性が低いものであった。また水媒法により得られたカルボキシメチル化セルロースの解繊により得られるセルロースナノファイバーの水分散体は、透明性を高めるためにはマーセル化剤やカルボキシメチル化剤などの薬剤を多量に使用する必要があり、製造上及び経済上の課題が大きい物であった。透明な素材は多様な用途に適するため、セルロースナノファイバーの透明化が求められており、特に、カルボキシメチル化セルロースは、安全性が高い素材であるため、カルボキシメチル化セルロースを用いて透明性が高いセルロースナノファイバーを得ることが求められている。本発明は、透明度の高い水分散体を形成するカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーであって、新規な特徴を有するセルロースナノファイバーを提供することを目的とする。 It is known that an aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibrating cellulose introduced with a carboxyl group as described in Patent Document 3 has high transparency. On the other hand, an aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibration of carboxymethylated cellulose obtained by a solvent method is compared to an aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibration of cellulose introduced with a carboxyl group, The transparency was low. The aqueous dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibration of carboxymethylated cellulose obtained by the aqueous medium method uses a large amount of drugs such as mercerizing agents and carboxymethylating agents in order to increase transparency. It was necessary, and the production and economic problems were great. Since transparent materials are suitable for various applications, it is necessary to make cellulose nanofibers transparent, and in particular, carboxymethylated cellulose is a highly safe material, and therefore carboxymethylated cellulose is used for transparency. There is a need to obtain high cellulose nanofibers. An object of the present invention is to provide a carboxymethylated cellulose nanofiber that forms a highly transparent aqueous dispersion and has a novel feature.
本発明者らは上記目的に対して鋭意検討を行った結果、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、カルボキシメチル化（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メチ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メチ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、解繊した際に、非常に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体を、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率で、経済的に製造することができることを見出した。このようなカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、セルロースＩ型の結晶化度が比較的高いが、アスペクト比が比較的小さく、水を分散媒として分散体とした際に、これまでにない高い透明度を呈する新規なカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーであった。従来の水媒法では、カルボキシメチル化剤などの薬剤の使用量を増加させてカルボキシメチル置換度を高めることにより、透明度の高いナノファイバー分散体を形成することができるカルボキシメチル化セルロースを得ることはできたが、そのようにして得られるカルボキシメチル化セルロース（水媒法）は、セルロースＩ型の結晶化度が低くなる一方で、アスペクト比は高いという特徴を有していた。これに対し、マーセル化を水を主とする溶媒下で行い、その後、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うことにより得たカルボキシメチル化セルロースは、セルロースＩ型の高い結晶化度を維持しながら、アスペクト比は小さいという特徴を有しており、また、従来の溶媒法で製造されたカルボキシメチル化セルロースと比べて、ナノファイバー分散体としたときの透明度が非常に高いという特徴を有していた。さらに、アスペクト比が小さいにもかかわらず、ナノファイバー分散体が比較的高い粘度を有するという特徴もみられた。 As a result of intensive studies on the above object, the present inventors have conducted mercerization (cellulose alkali treatment) in a solvent mainly composed of water, followed by carboxymethylation (ether). Is also carried out in a mixed solvent of water and an organic solvent, so that a conventional aqueous medium method (a method in which both mercerization and carboxymethylation are carried out using water as a solvent) or a solvent method (mercelization and carboxymethylation) are performed. Compared with carboxymethylated cellulose obtained by a method in which both methylation is performed in a solvent mainly composed of an organic solvent), a highly transparent cellulose nanofiber dispersion is converted into a carboxymethylating agent when fibrillated. It has been found that it can be produced economically with a high effective utilization rate. Such carboxymethylated cellulose nanofibers have a relatively high degree of crystallinity of cellulose type I, but have a relatively low aspect ratio, and when used as a dispersion medium with water as a dispersion medium, the transparency is unprecedented. It was a novel carboxymethylated cellulose nanofiber. In the conventional aqueous medium method, a carboxymethylated cellulose capable of forming a highly transparent nanofiber dispersion is obtained by increasing the amount of a carboxymethylating agent and the like to increase the degree of carboxymethyl substitution. However, the carboxymethylated cellulose thus obtained (aqueous medium method) had a feature that the crystallinity of cellulose type I was low and the aspect ratio was high. In contrast, carboxymethylated cellulose obtained by performing mercerization in a solvent mainly composed of water and then performing carboxymethylation in a mixed solvent of water and an organic solvent is a crystal having high cellulose I type. The aspect ratio is small while maintaining the degree of conversion, and the transparency when nanofiber dispersion is very high compared to carboxymethylated cellulose produced by the conventional solvent method It had the characteristics. Furthermore, although the aspect ratio was small, the nanofiber dispersion was characterized by having a relatively high viscosity.
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）セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、アスペクト比が３５０以下であり、固形分１％（ｗ／ｖ）の水分散体とした際の波長６６０ｎｍの光の透過率が６０％以上である、カルボキシメチル化セルロースナノファイバー。
（２）平均繊維径が３ｎｍ〜５００ｎｍであり、アスペクト比が２５以上３５０以下である、（１）に記載のカルボキシメチル化セルロースナノファイバー。
（３）固形分１％（ｗ／ｖ）の水分散体とした際の粘度（２５℃、６０ｒｐｍ）が、３０００ｍＰａ・ｓ以上である、（１）または（２）に記載のカルボキシメチル化セルロースナノファイバー。
（４）カルボキシメチル置換度が０．６０以下である、（１）〜（３）のいずれか１つに記載のカルボキシメチル化セルロースナノファイバー。
（５）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）〜（４）のいずれか１つに記載のカルボキシメチル化セルロースナノファイバー。
The present invention includes, but is not limited to, the following.
(1) The crystallinity of cellulose I type is 60% or more, the aspect ratio is 350 or less, and the transmittance of light having a wavelength of 660 nm when an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v) is obtained. Carboxymethylated cellulose nanofibers that are 60% or more.
(2) The carboxymethylated cellulose nanofiber according to (1), having an average fiber diameter of 3 nm to 500 nm and an aspect ratio of 25 or more and 350 or less.
(3) Carboxymethylated cellulose according to (1) or (2), having a viscosity (25 ° C., 60 rpm) of 3000 mPa · s or more when an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v) is prepared. Nanofiber.
(4) The carboxymethylated cellulose nanofiber according to any one of (1) to (3), wherein the degree of carboxymethyl substitution is 0.60 or less.
(5) Carboxymethylated cellulose nanofiber according to any one of (1) to (4), having 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、透明度の高い水分散体を形成するカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーが提供される。また、本発明のカルボキシメチル化セルロースナノファイバーは、セルロースＩ型の結晶化度が比較的高く（６０％以上）、かつ、アスペクト比が比較的小さい（３５０以下）という特徴を有する。セルロースＩ型の結晶化度が高いと、水等の溶媒中に溶解せずに結晶構造を維持するセルロースの割合が高いため、高いチキソ性を付与することができるようになり、増粘剤等の粘度調整用途に適するようになり、また、ゲル状の物質（食品や医薬品など）に添加すると保形性を向上させるという利点が得られる。また、アスペクト比が小さいと、繊維が過度に長すぎず、繊維同士の絡まり合いが少なくなり、セルロースナノファイバーの塊（ダマ）の発生を低減させることができ、透明性や塊の少なさが要求されるような用途（例えば、これらに限定されないが、化粧品や医薬品など）に適するようになる。また、アスペクト比が小さいと、流動性がよくなり、高濃度でも使用しやすくなり、高固形分が要求される用途においても使いやすくなるという利点が得られる。また、アスペクト比が小さいにもかかわらず、粘度は比較的高いという特徴を有しており、塊（ダマ）の発生を低減させながら、高い増粘効果が得られるという利点がある。 The present invention provides carboxymethylated cellulose nanofibers that form highly transparent aqueous dispersions. In addition, the carboxymethylated cellulose nanofiber of the present invention is characterized in that the crystallinity of cellulose I type is relatively high (60% or more) and the aspect ratio is relatively small (350 or less). When the crystallinity of cellulose type I is high, the ratio of cellulose that maintains the crystal structure without dissolving in a solvent such as water is high, so that high thixotropy can be imparted, such as a thickener. In addition, it is suitable for use in adjusting the viscosity of the gel, and when added to a gel-like substance (food, medicine, etc.), the advantage of improving the shape retention can be obtained. In addition, when the aspect ratio is small, the fibers are not excessively long, the entanglement between the fibers is reduced, the generation of cellulose nanofiber lumps (dama) can be reduced, and the transparency and the lumps are small. It becomes suitable for uses as required (for example, but not limited to cosmetics and pharmaceuticals). Further, when the aspect ratio is small, the fluidity is improved, and it is easy to use even at a high concentration, and the advantage that it is easy to use even in applications requiring a high solid content is obtained. In addition, although the aspect ratio is small, the viscosity is relatively high, and there is an advantage that a high thickening effect can be obtained while reducing the generation of lumps.
＜カルボキシメチル化セルロースのナノファイバー＞
本発明は、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーに関する。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。
<Carboxymethylated cellulose nanofiber>
The present invention relates to nanofibers of 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.
カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーとは、上記の構造を有するカルボキシメチル化セルロースをナノスケールの繊維径を有するナノファイバーへと変換したものをいう。カルボキシメチル化セルロースは、例えばカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩などの金属塩といった塩の形態をとる場合もあり、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーも塩の形態をとっていてもよい。 The carboxymethylated cellulose nanofibers are those obtained by converting carboxymethylated cellulose having the above structure into nanofibers having a nanoscale fiber diameter. The carboxymethylated cellulose may be in the form of a salt such as a metal salt such as a sodium salt of carboxymethylated cellulose, and the nanofibers of carboxymethylated cellulose may be in the form of a salt.
本発明のカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、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である。すなわち、カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの水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、カルボキシメチル化セルロースナノファイバーを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ものである。 The carboxymethylated cellulose nanofibers of the present invention maintain at least a part of the fibrous shape even when dispersed in water. That is, when an aqueous dispersion of carboxymethyl cellulose nanofibers is observed with an electron microscope, a fibrous substance can be observed. Moreover, when the carboxymethylated cellulose nanofiber is measured by X-ray diffraction, the peak of the cellulose I-type crystal can be observed.
＜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ナノファイバーにおけるセルロースの結晶化度は、結晶Ｉ型が６０％以上であり、好ましくは６５％以上である。セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上と高いと、水等の溶媒中で溶解せずに結晶構造を維持するセルロースの割合が高いため、チキソ性が高くなり(チキソトロピー）、増粘剤等の粘度調整用途に適するようになる。また、例えば、これに限定されないが、ゲル状の物質(例えば、食品や化粧品など）に添加した際に、優れた保形性を付与できるという利点が得られる。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 nanofibers of the present invention is 60% or more, preferably 65% or more for crystal I type. When the crystallinity of cellulose type I is as high as 60% or more, the ratio of cellulose that maintains the crystal structure without dissolving in a solvent such as water is high, so that thixotropy increases (thixotropy), thickener, etc. It becomes suitable for the viscosity adjustment use. Moreover, for example, but not limited to this, when added to a gel-like substance (for example, food or cosmetics), an advantage that excellent shape retention can be imparted is 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ナノファイバーのセルロース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。
A method for measuring the crystallinity of cellulose type I of carboxymethylated cellulose nanofibers 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のナノファイバーにおけるＩ型結晶の割合は、ナノファイバーとする前のカルボキシメチル化セルロースにおけるものと、通常、同じである。
＜繊維径、アスペクト比＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、ナノスケールの繊維径を有するものである。平均繊維径は、好ましくは３ｎｍ〜５００ｎｍ、さらに好ましくは３ｎｍ〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは３ｎｍ〜２０ｎｍ、さらに好ましくは５ｎｍ〜１９ｎｍ、さらに好ましくは５ｎｍ〜１５ｎｍである。本発明のカルボキシメチル化セルロースナノファイバーのアスペクト比は、３５０以下である。好ましくは３００以下であり、さらに好ましくは２００未満であり、さらに好ましくは１２０未満である。アスペクト比が３５０以下であると、繊維が過度に長すぎず、繊維同士の絡まり合いが少なくなり、セルロースナノファイバーの塊（ダマ）の発生を低減することができる。また、流動性が高いので、高濃度でも使用しやすくなり、高固形分が要求される用途においても使いやすくなるという利点が得られる。アスペクト比の下限は、特に限定されないが、好ましくは２５以上であり、さらに好ましくは３０以上である。アスペクト比が２５以上であると、その繊維状の形状から、チキソ性の向上といった効果が得られる。本発明のカルボキシメチル化セルロースナノファイバーは、セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上と比較的高い結晶化度を有しながら、アスペクト比が３５０以下という特徴を有する。このようなセルロースＩ型の結晶化度とアスペクト比とを有するカルボキシメチル化セルロースナノファイバーは、後述する方法により製造することができる。また、アスペクト比は、カルボキシメチル化時の溶媒と水の混合比、薬品添加量、及びカルボキシメチル化の度合によって制御できる。
The ratio of the type I crystal in the carboxymethyl cellulose nanofiber is usually the same as that in the carboxymethyl cellulose before the nanofiber.
<Fiber diameter, aspect ratio>
The nanofiber of carboxymethylated cellulose of the present invention has a nanoscale fiber diameter. The average fiber diameter is preferably 3 nm to 500 nm, more preferably 3 nm to 150 nm, further preferably 3 nm to 20 nm, more preferably 5 nm to 19 nm, and further preferably 5 nm to 15 nm. The aspect ratio of the carboxymethylated cellulose nanofiber of the present invention is 350 or less. Preferably it is 300 or less, More preferably, it is less than 200, More preferably, it is less than 120. When the aspect ratio is 350 or less, the fibers are not excessively long, the entanglement between the fibers is reduced, and the generation of lumps of cellulose nanofibers can be reduced. Further, since the fluidity is high, it is easy to use even at a high concentration, and there is an advantage that it is easy to use even in applications requiring a high solid content. Although the minimum of an aspect-ratio is not specifically limited, Preferably it is 25 or more, More preferably, it is 30 or more. When the aspect ratio is 25 or more, an effect of improving thixotropy can be obtained from the fibrous shape. The carboxymethylated cellulose nanofiber of the present invention is characterized by an aspect ratio of 350 or less, while having a relatively high crystallinity of 60% or more of cellulose I type. Carboxymethylated cellulose nanofibers having such a cellulose I-type crystallinity and aspect ratio can be produced by the method described below. The aspect ratio can be controlled by the mixing ratio of the solvent and water during carboxymethylation, the amount of chemical added, and the degree of carboxymethylation.
カルボキシメチル化セルロースの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以下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 nanofibers of carboxymethylated cellulose are determined using an atomic force microscope (AFM) when the diameter is 20 nm or less, and a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) when the diameter is 20 nm or more. Then, it is possible to measure by analyzing 200 randomly selected fibers and calculating an average. Also, the aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter.
＜水分散体における透明度＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、水を分散媒として分散体としたときに（水分散体）、高い透明度を呈するという特徴を有する。本明細書において、透明度は、カルボキシメチル化セルロースナノファイバーを固形分１％（ｗ／ｖ）の水分散体とした際の、波長６６０ｎｍの光の透過率をいうものとする。カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの透明度の測定方法は、以下の通りである：
セルロースナノファイバー分散体（固形分１％（ｗ／ｖ）、分散媒：水）を調製し、ＵＶ−ＶＩＳ分光光度計ＵＶ−１８００（島津製作所製）を用い、光路長１０ｍｍの角型セルを用いて、６６０ｎｍ光の透過率を測定する。
<Transparency in water dispersion>
The nanofibers of carboxymethylated cellulose of the present invention are characterized by exhibiting high transparency when water is used as a dispersion medium (water dispersion). In this specification, transparency refers to the transmittance of light having a wavelength of 660 nm when carboxymethylated cellulose nanofibers are made into an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v). A method for measuring the transparency of carboxymethylated cellulose nanofibers is as follows:
A cellulose nanofiber dispersion (solid content 1% (w / v), dispersion medium: water) was prepared, and a rectangular cell having an optical path length of 10 mm was prepared using a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (manufactured by Shimadzu Corporation). Used to measure the transmittance of 660 nm light.
本発明のカルボキシメチル化セルロースナノファイバーの透明度は、６０％以上である。より好ましくは６０〜１００％であり、さらに好ましくは７０〜１００％であり、さらに好ましくは８０〜１００％であり、さらに好ましくは９０〜１００％である。このようなセルロースナノファイバーは、透明性が要求されるような用途に最適に使用することができる。 The transparency of the carboxymethylated cellulose nanofiber of the present invention is 60% or more. More preferably, it is 60 to 100%, More preferably, it is 70 to 100%, More preferably, it is 80 to 100%, More preferably, it is 90 to 100%. Such cellulose nanofibers can be optimally used for applications requiring transparency.
＜水分散体における粘度＞
本発明のカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、水を分散媒として分散体（水分散体）としたときの粘度（２５℃、６０ｒｐｍ）が、３０００ｍＰａ・ｓ以上であることが好ましい。上限は、特に限定されないが、７０００ｍＰａ・ｓ程度となると考えられる。アスペクト比が小さいにもかかわらず、高い粘度を有するカルボキシメチル化セルロースナノファイバーは、高濃度に使用しても塊（ダマ）になりにくいため、高い増粘効果を付与することができるという利点を有する。カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの粘度の測定方法は、以下の通りである：
セルロースナノファイバー分散体（固形分１％（ｗ／ｖ）、分散媒：水）を調製し、２５℃で１６時間放置した後、撹拌機を用いて３０００ｒｐｍで１分間撹拌し、Ｂ型粘度計（東機産業社製）を用いて、Ｎｏ．４ローター／回転数６０ｒｐｍで３分後の粘度を測定する。
<Viscosity in water dispersion>
The carboxymethyl cellulose nanofibers of the present invention preferably have a viscosity (25 ° C., 60 rpm) of 3000 mPa · s or more when water is used as a dispersion medium (water dispersion). The upper limit is not particularly limited, but is considered to be about 7000 mPa · s. Despite having a small aspect ratio, carboxymethylated cellulose nanofibers with high viscosity are less likely to become lumps even when used at high concentrations, and therefore have the advantage of being able to impart a high thickening effect. Have. The method for measuring the viscosity of the carboxymethylated cellulose nanofiber is as follows:
A cellulose nanofiber dispersion (solid content 1% (w / v), dispersion medium: water) was prepared, allowed to stand at 25 ° C. for 16 hours, then stirred at 3000 rpm for 1 minute using a stirrer, and a B-type viscometer (Manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) The viscosity after 3 minutes is measured at 4 rotors / 60 rpm.
＜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のナノファイバーは、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、好ましくは０．６０以下である。当該置換度が０．６０を超えると水へ溶解し、繊維形状を維持できなくなると考えられる。操業性を考慮すると当該置換度は０．０２〜０．５０であることが好ましく、０．０５〜０．５０であることがさらに好ましく、０．１０〜０．４０であることがさらに好ましく、０．２０〜０．４０であることがさらに好ましい。セルロースにカルボキシメチル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ため、ナノファイバーへと解繊することができるようになるが、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０．０２より小さいと、解繊が不十分となり、透明性の高いセルロースナノファイバーが得られない場合がある。なお、従来の水媒法では、カルボキシメチル置換度が０．２０〜０．４０の範囲では、セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーを得ることは困難であったが、本発明者らは、例えば後述する方法により、カルボキシメチル置換度が０．２０〜０．４０の範囲であり、セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、アスペクト比が３５０以下であるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバー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 nanofiber of the present invention, the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit of cellulose is preferably 0.60 or less. If the degree of substitution exceeds 0.60, it will be dissolved in water and the fiber shape cannot be maintained. In consideration of operability, the degree of substitution is preferably 0.02 to 0.50, more preferably 0.05 to 0.50, and still more preferably 0.10 to 0.40. More preferably, it is 0.20 to 0.40. By introducing a carboxymethyl group into cellulose, cellulose repels each other, so that it can be fibrillated into nanofibers, but the degree of carboxymethyl substitution per anhydroglucose unit is 0.02 If it is small, defibration becomes insufficient and cellulose nanofibers with high transparency may not be obtained. In the conventional aqueous medium method, it is difficult to obtain nanofibers of carboxymethylated cellulose having a cellulose I type crystallinity of 60% or more in the range of carboxymethyl substitution of 0.20 to 0.40. However, the present inventors, for example, by the method described later, the degree of carboxymethyl substitution is in the range of 0.20 to 0.40, the degree of crystallinity of cellulose type I is 60% or more, the aspect ratio It was found that nanofibers of carboxymethylated cellulose having an N of 350 or less 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ナノファイバーの塩（ＣＭＣ）をＨ−ＣＭＣ（水素型カルボキシメチル化セルロースナノファイバー）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. Add 100 mL of special concentrated nitric acid 100 mL to 1000 mL of nitric acid methanol and shake for 3 hours to convert carboxymethylated cellulose nanofiber salt (CMC) to H-CMC (hydrogen-type carboxymethylated cellulose nanofiber) . 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
カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーにおけるカルボキシメチル置換度は、ナノファイバーとする前の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と、通常、同じである。 The degree of carboxymethyl substitution in the carboxymethylated cellulose nanofibers is usually the same as the degree of carboxymethyl substitution in the carboxymethylated cellulose prior to nanofibers.
＜その他＞
カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、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 nanofibers of 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のナノファイバーの用途は、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のナノファイバーは、アスペクト比が３５０以下であり、セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、透明度が６０％以上であることから、流動性と増粘性、また、透明性に優れており、これらが必要とされる用途（例えば、組成物の透明性や色調に影響を与えない増粘剤など）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のナノファイバーが用いられる分野は特に限定されず、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、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。 The use of the carboxymethylated cellulose nanofiber is not particularly limited, but the carboxymethylated cellulose nanofiber of the present invention has an aspect ratio of 350 or less and a cellulose I-type crystallinity of 60% or more, Since the transparency is 60% or more, it is excellent in fluidity and thickening, and is excellent in transparency, and a thickening agent that does not affect the transparency and color tone of the composition in which these are required. It is thought that it can be used particularly optimally. However, it may be used for other purposes. Fields where carboxymethyl cellulose nanofibers are used are not particularly limited, and various fields where additives are generally used, such as foods, beverages, cosmetics, medicines, papermaking, various chemicals, paints, sprays, agricultural chemicals. Civil engineering, construction, electronic materials, flame retardants, household goods, adhesives, cleaning agents, fragrances, lubricating compositions, etc., thickeners, gelling agents, glues, food additives, excipients, paints Additives for adhesives, additives for adhesives, additives for papermaking, abrasives, compounding materials for rubber and plastic, water retention agents, shape retention agents, mud adjusters, filter aids, anti-sludge agents, etc. It is considered possible.
＜カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの製造方法＞
セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、アスペクト比が３５０以下であり、固形分１％（ｗ／ｖ）の水分散体とした際の波長６６０ｎｍの光の透過率が６０％以上であるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、これに限定されないが、以下の方法により製造したカルボキシメチル化セルロースを解繊することにより、製造することができる。
<Method for producing carboxymethylated cellulose nanofiber>
Cellulose I type has a crystallinity of 60% or more, an aspect ratio of 350 or less, and a light transmittance at a wavelength of 660 nm when an aqueous dispersion having a solid content of 1% (w / v) is 60% or more. Although the carboxymethylated cellulose nanofiber is not limited to this, it can be produced by defibrating carboxymethylated cellulose produced by the following method.
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。本発明の上記特徴を有するナノファイバーを形成することができるカルボキシメチル化セルロースは、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、カルボキシメチル化（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メチ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メチ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、カルボキシメチル化剤の高い有効利用率を有しながら、解繊した際に、透明度の高くアスペクト比の小さいセルロースナノファイバー分散体へと変換することができる。 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. Carboxymethylated cellulose capable of forming nanofibers having the above characteristics of the present invention is subjected to mercerization (alkali treatment of cellulose) in a solvent mainly containing water, and then carboxymethylation (also referred to as etherification). .) In a mixed solvent of water and an organic solvent. The carboxymethylated cellulose thus obtained can be obtained by using a conventional aqueous medium method (a method in which both mercerization and carboxymethylation are performed using water as a solvent) and a solvent method (in which both mercerization and carboxymethylation are performed using an organic solvent). Cellulose nanofibers with high transparency and low aspect ratio when defibrated while having high effective utilization rate of carboxymethylating agent compared to carboxymethylated cellulose obtained in the main solvent) Can be converted to a dispersion.
＜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ナノファイバーにおいて６０％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. However, in order to maintain a cellulose I type crystallinity of 60% or more in carboxymethylated cellulose nanofibers, cellulose I It is preferable to use cellulose having a high mold 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、解繊した際に非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体とすることができる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, water is mainly used as a solvent in this mercerization reaction, and a mixed solvent of an organic solvent and water is used in the next carboxymethylation, so that Carboxymethylated cellulose that can be made into a cellulose nanofiber dispersion having a very high transparency 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％以上であり、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、カルボキシメチル化セルロースを解繊して得られるセルロースナノファイバー分散体の透明度が高まる。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, 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). The greater the proportion of water during mercerization, the greater the transparency of the cellulose nanofiber dispersion obtained by defibrating carboxymethylated cellulose. 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セルロースＩ型の結晶化度６０％以上を維持できる量であり、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 an amount capable of maintaining a cellulose I type crystallinity of 60% or more in carboxymethylated cellulose. In one embodiment, 0.1 mol or more and 2 mol per 100 g of cellulose (absolutely dry). 0.5 mol or less is preferable, 0.3 mol or more and 2.0 mol or less is more preferable, and 0.4 mol or more and 1.5 mol or less is more preferable.
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、解繊した際に非常に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体とすることができる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 mainly used as a solvent for mercerization, and a mixed solvent of water and an organic solvent is used for carboxymethylation. Carboxymethylated cellulose that can be made into a cellulose nanofiber dispersion having a very high transparency can be obtained economically.
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、セルロースＩ型の結晶化度６０％以上を維持できる量であり、また、好ましくは０．２０〜０．４０のカルボキシメチル置換度を維持できる量である。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 used is an amount capable of maintaining a cellulose I type crystallinity of 60% or more, and preferably an amount capable of maintaining a carboxymethyl substitution degree of 0.20 to 0.40. Although it does not specifically limit, In one Embodiment, it is preferable to add in the range of 0.5-1.5 mol per anhydroglucose unit of a 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）、解繊した際に高い透明度を有するセルロースナノファイバー分散体を得ることができる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。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). Carboxymethylated cellulose capable of obtaining a cellulose nanofiber dispersion having high transparency when defibrated can be produced economically without greatly increasing the use amount of. 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（測定方法は上述の通り）
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 is as described above)
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、セルロースナノファイバー分散体としたときの透明度が高くな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, an advantage that the transparency when the cellulose nanofiber dispersion is obtained becomes higher. 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ながらカルボキシメチル置換度を高くしやすくなり、解繊した際に透明度の高いセルロースナノファイバー分散体となる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 increase the degree of carboxymethyl substitution while maintaining the crystallinity of the resulting carboxymethylated cellulose, and becomes a highly transparent cellulose nanofiber dispersion when fibrillated. 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。副生物除去のために洗浄する際は、予め酸型にして線状し、洗浄後に塩型に戻しても良い。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. When washing for removing by-products, the acid form may be linearized in advance, and the salt form may be restored after washing. 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.
＜ナノファイバーへの解繊＞
上記の方法により得たカルボキシメチル化セルロースを解繊することにより、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へと変換することができる。
<Disentanglement to nanofiber>
By defibrating the carboxymethylated cellulose obtained by the above method, it can be converted into cellulose nanofibers having nanoscale fiber diameters.
解繊の際には、上記の方法で得られたカルボキシメチル化セルロースの分散体を準備する。分散媒は、取扱いの容易性から、水が好ましい。解繊時の分散体におけるカルボキシメチル化セルロースの濃度は、解繊、分散の効率を考慮すると、０．０１〜１０％（ｗ／ｖ）であることが好ましい。 At the time of defibration, a dispersion of carboxymethylated cellulose obtained by the above method is prepared. The dispersion medium is preferably water from the viewpoint of ease of handling. The concentration of carboxymethylated cellulose in the dispersion during defibration is preferably 0.01 to 10% (w / v) in consideration of the efficiency of defibration and dispersion.
カルボキシメチル化セルロースを解繊する際に用いる装置は特に限定されないが、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの装置を用いることができる。解繊の際にはカルボキシメチル化セルロースの分散体に強力な剪断力を印加することが好ましい。特に、効率よく解繊するには、前記分散体に５０ＭＰａ以上の圧力を印加し、かつ強力な剪断力を印加できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは１００ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１４０ＭＰａ以上である。また、高圧ホモジナイザーでの解繊及び分散処理に先立って、必要に応じて、高速せん断ミキサーなどの公知の混合、撹拌、乳化、分散装置を用いて、前記分散体に予備処理をほどこしてもよい。 The apparatus used for defibrating carboxymethylated cellulose is not particularly limited, and apparatuses such as a high speed rotation type, a colloid mill type, a high pressure type, a roll mill type, and an ultrasonic type can be used. In defibration, it is preferable to apply a strong shearing force to the carboxymethylated cellulose dispersion. In particular, for efficient defibration, it is preferable to use a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer that can apply a pressure of 50 MPa or more to the dispersion and can apply a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more. Further, prior to defibration and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, if necessary, the dispersion may be pretreated using a known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device such as a high-speed shear mixer. .
高圧ホモジナイザーとは、ポンプにより流体に加圧（高圧）し、流路に設けた非常に繊細な間隙より噴出させることにより、粒子間の衝突、圧力差による剪断力等の総合エネルギーによって乳化、分散、解細、粉砕、及び超微細化を行う装置である。 High-pressure homogenizer is emulsified and dispersed by total energy such as collision between particles and shear force due to pressure difference by pressurizing (high pressure) the fluid with a pump and ejecting it from a very delicate gap provided in the flow path. , A device that performs de-pulverization, pulverization, and ultra-miniaturization.
上記の方法により、透明度の高いセルロースナノファイバーを経済的な方法で得られる理由は明らかではないが、上記の方法によれば比較的高いセルロースＩ型の結晶化度を維持することができ、したがって、カルボキシメチル置換度を比較的高くして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ことを本発明者らは確認している。繊維状の形状を維持しながらカルボキシメチル置換度を高くできる（すなわち、カルボキシメチル基を多く導入する）ことは、カルボキシメチル化セルロースの解繊性の向上につながると考えられ、これが透明度が高いナノファイバー分散体が得られることの理由の１つであると推測される。しかし、これ以外の理由もあるかもしれない。 Although the reason why a highly transparent cellulose nanofiber can be obtained by an economical method is not clear by the above method, the above method can maintain a relatively high degree of crystallinity of cellulose type I, and therefore The present inventors have confirmed that the fibrous shape of carboxymethylated cellulose can be maintained even when the degree of carboxymethyl substitution is relatively high. The ability to increase the degree of carboxymethyl substitution while maintaining the fibrous shape (that is, introducing more carboxymethyl groups) is thought to lead to an improvement in the defibration properties of carboxymethylated cellulose, which is a highly transparent nanometer. It is speculated that this is one of the reasons why a fiber dispersion is obtained. However, there may be other reasons.
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。
（実施例１）
回転数を１５０ｒｐｍ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。３５℃で８０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、５０％である。反応終了後、ｐＨ７になるまで酢酸で中和、含水メタノールで洗浄、脱液、乾燥、粉砕して、カルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を得た。
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%.
Example 1
Add 130 parts of water and 20 parts of sodium hydroxide dissolved in 100 parts of water to a biaxial kneader whose rotational speed is adjusted to 150 rpm, and hardwood pulp (NBK, LBKP) 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 35 ° C. for 80 minutes. Further, 230 parts of isopropanol (IPA) and 60 parts of sodium monochloroacetate were added with stirring, and the mixture was stirred for 30 minutes, and then heated to 70 ° C. to cause carboxymethylation reaction for 90 minutes. The concentration of IPA in the reaction medium during the carboxymethylation reaction is 50%. After completion of the reaction, the reaction mixture was neutralized with acetic acid until pH 7 and washed with water-containing methanol, lysed, dried and ground to obtain a sodium salt of carboxymethylated cellulose.
得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を水に分散し、固形分１％（ｗ／ｖ）水分散体とした。これを、１４０ＭＰａの高圧ホモジナイザーで３回処理し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。得られた分散体の透明度と粘度、また、セルロースナノファイバーの平均繊維径、アスペクト比、カルボキシメチル置換度、及びセルロースＩ型の結晶化度を、上述の方法で測定した。 The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was dispersed in water to obtain a 1% (w / v) solid content aqueous dispersion. This was treated three times with a 140 MPa high-pressure homogenizer to obtain a nanofiber dispersion of carboxymethylated cellulose. The transparency and viscosity of the obtained dispersion, and the average fiber diameter, aspect ratio, carboxymethyl substitution degree, and cellulose I type crystallinity of cellulose nanofibers were measured by the above-described methods.
（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３０％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。 得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(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 30% by changing the amount of IPA added. The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（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。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(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 obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
（比較例２）
広葉樹パルプに代えて針葉樹パルプ（日本製紙（株）製、ＮＢＫＰ）を乾燥質量で２００部仕込み、乾燥質量で５０部の水酸化ナトリウムを加え、パルプ固形分が２０％（ｗ／ｖ）になるように水を添加し、カルボキシメチル化反応時にＩＰＡを加えず、モノクロロ酢酸ナトリウムを５０部（有効成分換算）添加した以外は実施例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。得られたカルボキシメチル化セルロースのナトリウム塩を実施例１と同様にして解繊し、カルボキシメチル化セルロースのナノファイバーの分散体を得た。
(Comparative Example 2)
In place of hardwood pulp, softwood pulp (Nippon Paper Industries Co., Ltd., NBKP) was charged in 200 parts by dry mass, and 50 parts by weight of sodium hydroxide was added, resulting in a pulp solid content of 20% (w / v). Thus, the sodium salt of carboxymethylated cellulose was obtained in the same manner as in Example 1 except that IPA was not added during the carboxymethylation reaction and 50 parts of sodium monochloroacetate (in terms of active ingredient) was added. . The obtained sodium salt of carboxymethylated cellulose was defibrated in the same manner as in Example 1 to obtain a dispersion of carboxymethylated cellulose nanofibers.
表１に示される通り、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、セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、アスペクト比が３５０以下であり、透明度が６０％以上であるカルボキシメチル化セルロースナノファイバーを製造することができたことがわかる。一方、従来法である溶媒法を用いた比較例１では、アスペクト比が小さく、セルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であるが、透明度が極めて低いことがわかる。また、従来法である水媒法を用いた比較例２では、実施例１及び２と同等のカルボキシメチル置換度とした場合、セルロースＩ型の結晶化度が低く、また、アスペクト比が有意に大きいことがわかる。本発明のセルロースＩ型の結晶化度が６０％以上であり、アスペクト比が３５０以下であり、透明度が６０％以上であるカルボキシメチル化セルロースのナノファイバーは、これまでにない特性を有する新規素材であり、高度な透明性が要求される用途や、チキソ性が必要な用途などにおいて、新たな選択肢となることが期待される。 As shown in 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, the crystallinity of cellulose type I It can be seen that carboxymethylated cellulose nanofibers having a ratio of 60% or more, an aspect ratio of 350 or less, and a transparency of 60% or more could be produced. On the other hand, in Comparative Example 1 using the solvent method, which is a conventional method, the aspect ratio is small, and the crystallinity of cellulose I type is 60% or more, but the transparency is very low. Further, in Comparative Example 2 using the conventional aqueous medium method, when the degree of carboxymethyl substitution is the same as in Examples 1 and 2, the cellulose I type crystallinity is low, and the aspect ratio is significantly higher You can see that it ’s big. The nanofiber of carboxymethylated cellulose having a crystallinity of cellulose type I of the present invention of 60% or more, an aspect ratio of 350 or less, and a transparency of 60% or more is a novel material having unprecedented characteristics. Therefore, it is expected to become a new option in applications that require high transparency and applications that require thixotropy.
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019111941A1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-06-13 | 日本製紙株式会社 | Carboxymethylated cellulose nanofibers |
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| WO2019230177A1 (en) * | 2018-05-29 | 2019-12-05 | 日本製紙株式会社 | Paper containing carboxymethylated cellulose |
| KR20210065232A (en) * | 2019-11-26 | 2021-06-04 | 네이처코스텍 주식회사 | Composition for dermal filler containing denatured cellulose and hyaluronic acid |
| KR102344588B1 (en) * | 2019-06-25 | 2021-12-30 | 네이처코스텍 주식회사 | Composition for dermal filler containing denatured cellulose |
| KR20220027558A (en) * | 2020-08-27 | 2022-03-08 | 충북대학교 산학협력단 | Composition of denatured cellulose and dermal filler composition comprising the same |
| US11512037B2 (en) | 2020-10-20 | 2022-11-29 | Sds Biotech K.K. | Process for producing dimethyl 2,3,5,6-tetrachloro-1,4-benzenedicarboxylate |
| US11518820B2 (en) | 2017-12-07 | 2022-12-06 | Nippon Paper Industries Co., Ltd. | Method for producing carboxymethylated cellulose and carboxymethylated cellulose nanofibers |
| US11760811B2 (en) | 2017-12-07 | 2023-09-19 | Nippon Paper Industries Co., Ltd. | Carboxymethylated cellulose |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014088072A1 (en) * | 2012-12-07 | 2014-06-12 | 日本製紙株式会社 | Carboxymethylated cellulose fiber |
| WO2017111016A1 (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | 日本製紙株式会社 | Method for producing cellulose nanofiber dry solid |
| JP6228707B1 (en) * | 2016-12-21 | 2017-11-08 | 日本製紙株式会社 | Acid-type carboxymethylated cellulose nanofiber and method for producing the same |
| JP6276489B1 (en) * | 2016-07-07 | 2018-02-07 | 日本製紙株式会社 | Modified cellulose nanofiber and rubber composition containing the same |
-
2018
- 2018-02-21 JP JP2018028561A patent/JP6417490B1/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014088072A1 (en) * | 2012-12-07 | 2014-06-12 | 日本製紙株式会社 | Carboxymethylated cellulose fiber |
| WO2017111016A1 (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | 日本製紙株式会社 | Method for producing cellulose nanofiber dry solid |
| JP6276489B1 (en) * | 2016-07-07 | 2018-02-07 | 日本製紙株式会社 | Modified cellulose nanofiber and rubber composition containing the same |
| JP6228707B1 (en) * | 2016-12-21 | 2017-11-08 | 日本製紙株式会社 | Acid-type carboxymethylated cellulose nanofiber and method for producing the same |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11760811B2 (en) | 2017-12-07 | 2023-09-19 | Nippon Paper Industries Co., Ltd. | Carboxymethylated cellulose |
| US11591412B2 (en) | 2017-12-07 | 2023-02-28 | Nippon Paper Industries Co., Ltd. | Carboxymethylated cellulose nanofibers |
| US11732055B2 (en) | 2017-12-07 | 2023-08-22 | Nippon Paper Industries Co., Ltd. | Method for manufacturing carboxymethylated cellulose nanofiber |
| US11518820B2 (en) | 2017-12-07 | 2022-12-06 | Nippon Paper Industries Co., Ltd. | Method for producing carboxymethylated cellulose and carboxymethylated cellulose nanofibers |
| WO2019111941A1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-06-13 | 日本製紙株式会社 | Carboxymethylated cellulose nanofibers |
| WO2019221273A1 (en) * | 2018-05-18 | 2019-11-21 | 日本製紙株式会社 | Dispersion composition containing carboxymethyl cellulose |
| WO2019221272A1 (en) * | 2018-05-18 | 2019-11-21 | 日本製紙株式会社 | Pulverized product of carboxymethylated pulp and additive containing said pulverized product |
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| JP7323515B2 (en) | 2018-05-29 | 2023-08-08 | 日本製紙株式会社 | Paper containing carboxymethylated cellulose |
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