JP6674020B2 - セルロース微細繊維の製造方法 - Google Patents
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Description
〔1〕 ギ酸又は高濃度ギ酸水溶液をセルロースに浸透させて、セルロースを解繊するセルロース微細繊維の製造方法。
〔2〕 ドナー数26以上の非プロトン性溶媒中にギ酸又は高濃度ギ酸水溶液を含む解繊溶液をセルロースに浸透させて、セルロースを解繊するセルロース微細繊維の製造方法。
〔3〕 ギ酸、高濃度ギ酸水溶液又は上記〔2〕に記載の解繊溶液に、セルロース修飾反応化剤を加えた修飾反応性解繊溶液をセルロースに浸透させて、セルロースを解繊する表面修飾セルロース微細繊維の製造方法。
〔4〕 上記セルロース修飾反応化剤が、カルボン酸ハロゲン化物類、カルボン酸無水物類、カルボン酸類、イソシアネート類およびエポキシ類から選択された少なくとも一種である上記〔3〕に記載の製造方法。
〔5〕 セルロースとギ酸若しくは高濃度ギ酸水溶液、セルロースと上記〔2〕に記載の解繊溶液又はセルロースと上記〔3〕に記載の修飾反応性解繊溶液との重量割合が、0.5/99.5〜25/75である上記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の製造方法。
上記解繊溶液中のギ酸の割合は、より好ましくは30重量%以上、さらに好ましくは50重量%以上である。
R1−C(=O)−X (1)
(式中、R1は炭素数1〜24のアルキル基、アルキレン基、シクロアルキル基及びアリール基のいずれかを表わす。XはCl、Br又はIである。)
R2−N=C=O (2)
O=C=N−R3−N=C=O (3)
(式中、R2またはR3としては炭素数1〜24のアルキル基、アルキレン基、シクロアルキル基またはアリール基を表わす)。
R6−COOH (6)
(式中、R6は炭素数1〜24のアルキル基、アルキレン基、シクロアルキル基またはアリール基を表す)。
さらに、ギ酸はアルデヒド官能基を含んでいる。そのため、アルデヒド基はミクロフィブリル表面の水酸基とヘミアセタール又はアセタールを形成してミクロフィブリル間の水素結合を切断し、ミクロフィブリル同士は容易に離れ、解繊されることが考えられる。
そして、セルロースは、解繊溶液と混合する前に一定サイズまで千切った状態にしておくことが好ましい。一定サイズとは解繊容器に入れるサイズより小さいサイズである。
また、修飾反応化剤の極性が低い場合は、解繊溶液の浸透速度、膨潤速度、そして解繊速度を低下させないため、まず、修飾反応化剤を加えない解繊溶液をセルロースに浸透させて、解繊がある程度進んでから解繊溶液に修飾反応化剤を加えることが好ましい。この場合、解繊溶液に修飾反応化剤の全てを一度加えても良いし、修飾反応化剤を数回に分けて加えても良い。
さらに、修飾反応性解繊溶液をセルロースに浸透させた後に触媒を加えることもできる。
一方、修飾反応性解繊溶液を用いて表面修飾セルロース微細繊維を調製する際は、修飾反応を促進するために、加熱することが好ましい。加熱温度は、常圧で反応させる場合、例えば、90℃以下であり、好ましくは40℃〜90℃、より好ましくは80℃以下、さらに好ましくは70℃以下であり、特に好ましくは50℃以下である。加圧しながら反応させる場合は、好ましくは180℃以下、より好ましくは150℃以下、さらに好ましくは135℃以下である。180℃を超える温度まで加熱するとセルロースが分解するおそれがあるため好ましくない。また、180℃を超える温度になると修飾反応速度が解繊速度を上回る場合がある。そうすると解繊度合が悪くなるおそれや、収率が低くなるおそれがあるため好ましくない。
処理時間が短すぎると、解繊溶液がミクロフィブリル間まで浸透するのが不十分となり、不十分な解繊になることがある。また、処理時間が長くなると効率が悪くなり、収率が低下することがある。処理時間は、好ましくは1時間〜36時間、さらに好ましくは1.5時間〜24時間程度である。
修飾反応性解繊溶液を用いてセルロースを解繊・修飾する場合の処理時間も、ギ酸の濃度、非プロトン性極性を溶媒を用いる場合は加える溶媒のドナー数、修飾反応化剤の種類、加える溶媒のドナー数、修飾反応性解繊溶液とセルロースの混合比率、処理温度、撹拌の程度等による。上記した条件の範囲で解繊を行えば、通常0.5時間〜50時間の範囲で解繊・修飾が可能である。
処理時間は、処理温度(反応温度)を高めたり、撹拌速度を増加したりすることで短くすることができる。しかし、反応時間が短すぎると、解繊溶液がミクロフィブリル間まで浸透するのが不十分となり、解繊と修飾反応が不十分となるおそれがある。
さらに、修飾反応化剤を途中から加える場合は、修飾反応化剤を加えてからさらに0.5時間〜5時間以上反応させることが好ましい。
また、修飾反応化剤として炭素数の大きいカルボン酸無水物又は炭素数の大きいカルボン酸ハロゲン化物を用いた解繊の場合は、解繊処理時間は好ましくは2時間以上であり、更に好ましくは3時間以上であり、より好ましくは4時間以上である。
修飾セルロース微細繊維の特性(例えば、低線膨張特性、強度、耐熱性など)を樹脂に有効に発現させるためには、結晶性の高い修飾セルロース微細繊維が好ましい。
セルロースパルプ:市販木材パルプ(Georgia Pacific社製、商品名:フラッフパルプARC48000GP)をサンプル瓶に入れるサイズまで千切ったパルプ。
ギ酸、有機溶媒、カルボン酸無水物:ナカライテスク(株)製。ギ酸として88重量%のギ酸水溶液を用いた。
得られたセルロース微細繊維を光学顕微鏡(ニコン(株)製「OPTIPHOT−POL」)でセルロースの解繊度合を観察し、以下の基準で評価した。
◎:解繊が進行し、500nmを超える繊維径を有する繊維が殆ど存在しない
○:殆どの繊維径が500nm以下であるが、1μm以上の繊維径を有する繊維が少し存在する
×:原料セルロースの繊維がそのまま残存している。
(セルロース微細繊維の平均置換度)
修飾セルロース微細繊維の表面修飾率は、平均置換度で示し、下記の滴定法によって測定した。なお、平均置換度とは、セルロースの繰り返し単位1個当たりの修飾された水酸基の数(置換基の数)の平均値である。
即ち、水又は有機溶媒で洗浄して乾燥した表面修飾セルロース微細繊維(固形分0.05g)にメタノール6ml、蒸留水2mlを添加し、60℃〜70℃で30分撹拌した後、0.05N水酸化ナトリウム水溶液10mlを添加し、60℃〜70℃で15分撹拌し、さらに室温で一日撹拌した。得られた混合液に対して、フェノールフタレインを用いて0.02N塩酸水溶液で滴定し、下記式より化学修飾率を計算した。
ここで、滴定に要した0.02N塩酸水溶液の量Z(ml)から、化学修飾により導入された置換基のモル数Qは、下記式で求められる。
Q(mol)=0.05(N)×10(ml)/1000−0.02(N)×Z(ml)/1000
この置換基のモル数Qと、平均置換度Dとの関係は、以下の式で算出される[セルロース=(C6O5H10)n=(162.14)n,繰り返し単位1個当たりの水酸基数=3,OHの分子量=17]。
D=162.14×Q/[サンプル量−(T−18)×Q]
(式中、Tはエステル化置換基の前駆体であるカルボン酸の分子量である。たとえば、アセチル化修飾の場合、Tは酢酸の分子量である)。
(セルロース微細繊維の形状観察)
セルロース微細繊維の形状はFE−SEM(日本電子(株)製「JSM−6700F」、測定条件:20mA、60秒)を用いて観察した。なお、平均繊維径及び平均繊維長は、SEM写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出した。
(結晶化度)
得られた修飾セルロース微細繊維の結晶化度は、参考文献:Textile Res. J. 29:786−794(1959)に記載の方法に基づき、XRD分析法(Segal法)により測定し、下記式により算出した。
結晶化度(%)=[(I200−IAM)/I200]×100%
[式中、I200はX線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、IAMはアモルファス部(002面と110面間の最低部、回折角2θ=18.5°)の回折強度である]。
ギ酸水溶液10gとセルロースパルプ0.3gを20mlのサンプル瓶に入れ、磁性スターラーで3時間撹拌した後、200mlの遠心管に移し、蒸留水100mlを加え、遠心分離で洗浄した。同じ手順で遠心分離を3回行うことによりギ酸を除いてセルロース微細繊維を得た。得られたセルロース微細繊維について、修飾率を固体NMRにより定量した。また、光学顕微鏡で解繊度合を観察した。微細繊維の形状はFE−SEMで観察した。結果を表1に示す。表1に示すようにセルロース微細繊維の表面は修飾されていないことが分った。SEMの写真を図1に示す。セルロース微細繊維の平均繊維径は100nm以下、平均繊維長は13.9μmであった。得られた微細繊維は105℃で乾燥した後水又はエチレングリコールに再び分散できた。結晶化度の測定結果を表1に示す。
ギ酸水溶液10gに代えてギ酸水溶液9gとプロピオン酸無水物1gを用いたこと、解繊時間3時間を5時間に変更したこと以外、実施例1と同様にしてセルロース微細繊維を得た。得られたセルロース微細繊維を実施例1と同様に評価した。セルロース微細繊維の平均エステル置換度は0.5、平均繊維径は実施例1とほぼ同等の100nm以下、平均繊維長は15.0μmであった。得られた微細繊維は105℃の送風乾燥機で乾燥した後ジメチルアセトアミド、アセトン又はメチルエチルケトンに再び分散できた。微細繊維のSEM像を図2に示す。結晶化度の測定結果を表1に示す。
プロピオン酸無水物に代えて無水酢酸を用いた以外、実施例2と同様にしてセルロース微細繊維を得た。得られたセルロース微細繊維を実施例2と同様に評価した。セルロース微細繊維の平均エステル置換度は0.6、平均繊維径は100nm以下、平均繊維長は12.2μmであった。得られた微細繊維を105℃送風乾燥機で乾燥した後ジメチルアセトアミドに再び分散できた。微細繊維のSEM像を図3に示す。結晶化度の測定結果を表1に示す。
プロピオン酸無水物に代えて無水酪酸を用いた以外、実施例2と同様にしてセルロース微細繊維を得た。得られたセルロース微細繊維を実施例2と同様に評価した。微細繊維の平均エステル置換度は0.32、平均繊維径は100nm以下、平均繊維長は12.6μmであった。得られた微細繊維は105℃の送風乾燥機で乾燥した後ジメチルアセトアミド、アセトン又はメチルエチルケトンに再び分散できた。微細繊維のSEM像を図4に示す。結晶化度の測定結果を表1に示す。
ギ酸水溶液10gに代えてギ酸水溶液5gとDMSO5gを用いた以外、実施例1と同様にしてセルロース微細繊維を得た。得られたセルロース微細繊維を実施例1と同様に評価した。得られたセルロース微細繊維は表面が修飾されず、平均繊維径は100nm以下、平均繊維長は13.3μmであった。微細繊維のSEM像を図5に示す。結晶化度の測定結果を表1に示す。
室温での解繊処理に代えて解繊溶液を60℃で加熱しながら2時間撹拌した以外、実施例1と同様にしてセルロース微細繊維を得た。得られたセルロース微細繊維を実施例1と同様に評価した。微細繊維の平均繊維径、平均繊維長は実施例1とほぼ同様であった。
ギ酸水溶液を酢酸に変更した以外は実施例1と同様にして解繊を行った。セルロースパルプはほとんどシートのままで分散しなかった。
ギ酸水溶液をプロピオン酸に変更した以外は実施例1と同様にして解繊を行った。セルロースパルプはほとんどシートのままで分散しなかった。
ギ酸水溶液を35重量%の塩酸水溶液に変更した以外は実施例1と同様にして解繊を行った。セルロースパルプは繊維レベルまで分散できたが、光学顕微鏡で観察した結果繊維は全く解繊していなかった。
Claims (4)
- ギ酸又は高濃度ギ酸水溶液にセルロース修飾反応化剤を加えた修飾反応性解繊溶液をセルロースに浸透させて、セルロースを解繊する表面修飾セルロース微細繊維の製造方法。
- ドナー数26以上の非プロトン性溶媒と、ギ酸又は高濃度ギ酸水溶液とを含む解繊溶液にセルロース修飾反応化剤を加えた修飾反応性解繊溶液をセルロースに浸透させて、セルロースを解繊する表面修飾セルロース微細繊維の製造方法。
- 前記セルロース修飾反応化剤が、カルボン酸ハロゲン化物類、カルボン酸無水物類、カルボン酸類、イソシアネート類およびエポキシ類から選択された少なくとも一種である、請求項1または2に記載の製造方法。
- セルロースと前記修飾反応性解繊溶液との重量割合が、0.5/99.5〜25/75である、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
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