JP5329279B2 - Method for producing cellulose nanofiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、N−オキシル化合物で酸化したセルロース系原料から、従来よりも低エネルギーで高濃度のセルロースナノファイバー分散液を製造できる方法に関する。 The present invention relates to a method capable of producing a cellulose nanofiber dispersion liquid having a lower energy and higher concentration than conventional from a cellulose-based raw material oxidized with an N-oxyl compound.
セルロース系原料を触媒量の2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシラジカル(以下、TEMPOと称する)と安価な酸化剤である次亜塩素酸ナトリウムとの共存下で処理すると、セルロースのミクロフィブリルの表面にカルボキシル基を効率よく導入することができ、このカルボキシル基を導入したセルロース系原料は、水中でミキサーなどの簡単な機械処理を行なうことにより、高粘度で透明なセルロースナノファイバー水分散液へと調製することができることが知られている(非特許文献1)。 Cellulose-based raw materials in the presence of a catalytic amount of 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxy radical (hereinafter referred to as TEMPO) and sodium hypochlorite which is an inexpensive oxidizing agent. When treated, carboxyl groups can be efficiently introduced onto the surface of cellulose microfibrils. Cellulosic raw materials into which these carboxyl groups have been introduced are highly viscous and transparent by performing a simple mechanical treatment with a mixer in water. It is known that it can be prepared into an aqueous cellulose nanofiber dispersion (Non-Patent Document 1).
セルロースナノファイバーは、生分解性のある水分散型新規素材である。セルロースナノファイバーの表面には酸化反応によりカルボキシル基が導入されているため、セルロースナノファイバーを、カルボキシル基を基点として、自由に改質することができる。また、上記の方法により得られたセルロースナノファイバーは、分散液の形態であるため、各種水溶性ポリマーとブレンドしたり、或いは有機・無機系顔料と複合化することで品質の改変を図ることもできる。さらに、セルロースナノファイバーをシート化したり繊維化することも可能である。セルロースナノファイバーのこのような特性を活かし、高機能包装材料、透明有機基盤部材、高機能繊維、分離膜、再生医療材料などに応用することが想定されている。今後、セルロースナノファイバーの特徴を最大限活用することで循環型の安全・安心社会形成に不可欠な新規高機能性商品の開発が期待されている。 Cellulose nanofibers are a novel biodegradable water-dispersed material. Since the carboxyl group is introduced into the surface of the cellulose nanofiber by an oxidation reaction, the cellulose nanofiber can be freely modified with the carboxyl group as a base point. In addition, since the cellulose nanofibers obtained by the above method are in the form of a dispersion, the quality can be modified by blending with various water-soluble polymers or by combining with organic / inorganic pigments. it can. Furthermore, cellulose nanofibers can be made into sheets or fibers. Taking advantage of these characteristics of cellulose nanofibers, it is envisaged to be applied to highly functional packaging materials, transparent organic base members, high performance fibers, separation membranes, regenerative medical materials, and the like. In the future, it is expected to develop new high-functional products that are essential for the formation of a recycling-type safety and security society by making the best use of the characteristics of cellulose nanofibers.
しかしながら、上記の方法、すなわち、セルロース系原料をTEMPOを用いて酸化してミキサーで解繊することにより得られたセルロースナノファイバー分散液は、0.3〜0.5%(w/v)といった程度の低い濃度でもB型粘度(60rpm、20℃)が800〜4000mPa・s程度というように、非常に高い粘度を有しており、取り扱いが容易ではなく、その応用範囲は実際には限られていた。例えば、セルロースナノファイバー分散液を基材に塗布して基材上にフィルムを形成させる場合、分散液の粘度が高すぎると均質に塗布することができないため、分散液のB型粘度(60rpm、20℃)を500〜3000mPa・s程度に調整しなければならず、そのためには、分散液中のセルロースナノファイバーの濃度を0.2〜0.4%(w/v)程度の低い濃度に設定せざるを得なかった。しかしながら、そのような低濃度の分散液を用いる場合には、所望のフィルム厚みが達成されるまで何度も塗布と乾燥とを繰り返し実施せざるを得ず、効率が悪いという問題があった。 However, the cellulose nanofiber dispersion obtained by oxidizing the cellulose raw material using TEMPO and defibrating with a mixer is 0.3 to 0.5% (w / v). Even at low concentrations, the B-type viscosity (60 rpm, 20 ° C.) has a very high viscosity, such as about 800 to 4000 mPa · s, is not easy to handle, and its application range is actually limited. It was. For example, when a cellulose nanofiber dispersion is applied to a substrate to form a film on the substrate, the dispersion cannot be uniformly applied if the viscosity of the dispersion is too high, so the B-type viscosity of the dispersion (60 rpm, 20 ° C.) must be adjusted to about 500 to 3000 mPa · s, and for that purpose, the concentration of cellulose nanofibers in the dispersion is reduced to a low concentration of about 0.2 to 0.4% (w / v). I had to set it. However, when such a low-concentration dispersion is used, there is a problem that the application and drying must be repeated many times until the desired film thickness is achieved, resulting in poor efficiency.
また、セルロースナノファイバー分散液を顔料及びバインダーを含む塗料に混ぜて紙などに塗布する場合、分散液の粘度が高すぎると塗料中に均一に混合させることができないため、分散液の濃度を低くして低粘度化させなければならないが、このような低濃度の分散液を用いると塗料の濃度が希薄となり、塗布に必要な十分な粘性が確保できないため塗布し難くなったり、乾燥負荷が増大したり、また、塗料が原紙に浸透することにより有効塗膜が薄くなって光沢発現性や表面強度、印刷むらの抑制などの塗膜に期待される所望の機能が発現しないという問題もあった。 In addition, when the cellulose nanofiber dispersion is mixed with a paint containing a pigment and a binder and applied to paper or the like, the dispersion cannot be uniformly mixed if the viscosity of the dispersion is too high. However, if such a low-concentration dispersion liquid is used, the concentration of the paint becomes dilute, making it difficult to apply the sufficient viscosity necessary for application and increasing the drying load. In addition, there is also a problem that the desired function expected for the coating film such as gloss development, surface strength, and suppression of printing unevenness does not appear because the effective coating film becomes thin by the penetration of the paint into the base paper. .
このように、TEMPOを用いて酸化して得られたセルロース系原料をミキサーを用いて解繊処理する従来の方法では、得られる分散液の粘度が非常に高くなり、様々な問題を生じていた。また、粘度が高すぎると、攪拌羽周辺のみで分散が進行するため、不均一な分散が生じ、透明性の低い分散液となるという問題もあった。 Thus, in the conventional method in which the cellulose-based raw material obtained by oxidation using TEMPO is defibrated using a mixer, the viscosity of the obtained dispersion becomes very high, causing various problems. . Further, if the viscosity is too high, the dispersion proceeds only around the stirring blades, resulting in non-uniform dispersion, resulting in a dispersion with low transparency.
また、酸化されたセルロース系原料を、ミキサーよりも解繊・分散力の高いホモジナイザーを用いて解繊処理すると、分散初期にセルロース系原料が顕著に増粘して流動性が悪化し、分散処理時に要する消費電力量が大幅に増大するという問題があり、また、装置内部にセルロースナノファイバー分散液が付着して分散が十分に行なわれなくなったり、また、装置から分散液を取り出すなどの操作が困難になって分散液の歩留りが低下するという問題もあった。 In addition, if the oxidized cellulosic material is defibrated using a homogenizer with higher defibration / dispersion power than the mixer, the cellulosic material will thicken significantly in the initial stage of dispersion and fluidity will deteriorate. There is a problem that the amount of power consumption required sometimes increases significantly, the cellulose nanofiber dispersion liquid adheres to the inside of the apparatus and the dispersion is not sufficiently performed, and operations such as taking out the dispersion liquid from the apparatus are performed. There is also a problem that the yield of the dispersion is lowered due to difficulty.
以上の課題に鑑み、本発明は、流動性と透明性に優れた高濃度のセルロースナノファイバー分散液を低エネルギーで製造できる方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method capable of producing a high-concentration cellulose nanofiber dispersion excellent in fluidity and transparency with low energy.
本発明者らは、かかる従来技術の問題を解決するために鋭意検討した結果、TEMPOにより酸化して得られたセルロース系原料を、過酸化水素及びオゾンで処理した後、解繊・分散処理することにより、1〜3%(w/v)くらいの高濃度であっても流動性と透明性とに優れているセルロースナノファイバー分散液を効率良く調製できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the problems of the prior art, the present inventors treated cellulose raw materials obtained by oxidation with TEMPO with hydrogen peroxide and ozone, and then defibrated and dispersed. As a result, it was found that a cellulose nanofiber dispersion excellent in fluidity and transparency can be efficiently prepared even at a high concentration of 1 to 3% (w / v), and the present invention was completed. It was.
本発明によれば、N−オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物との存在下でセルロース系原料を酸化し、得られた酸化されたセルロース系原料を過酸化水素とオゾンで処理し、次いで解繊・分散処理することにより、高濃度であっても流動性に優れていて取り扱いがしやすく、かつ透明性にも優れているセルロースナノファイバーの分散液を低い消費電力量で効率的に製造することができる。本発明により得られたセルロースナノファイバー分散液は、高濃度であっても流動性に優れているため、例えば、セルロースナノファイバーを基材に塗布して基材上にフィルムを形成させる際に、1〜3%(w/v)といった高濃度のセルロースナノファイバーを含有する塗料を500〜3000mPa・s(B型粘度、60rpm、20℃)といった低い粘度で調製することができ、塗料を1回塗布するだけで5〜30μm程度の厚さを有するフィルムを形成できるといった利点がある。従来は、500〜3000mPa・s(B型粘度、60rpm、20℃)程度の粘度を有する塗料を調製するためには、セルロースナノファイバーの濃度を0.2〜0.4%(w/v)といった低い濃度に設定せざるを得ず、5〜30μm程度の厚さを有するフィルムを作成するには、塗布と乾燥を何度も繰り返し行なう必要があった。本発明により得られるセルロースナノファイバー分散液の高濃度で流動性が高いという特徴は、非常に優れたものである。 According to the present invention, a cellulosic raw material is oxidized in the presence of an N-oxyl compound and bromide, iodide, or a mixture thereof, and the resulting oxidized cellulosic raw material is treated with hydrogen peroxide and ozone. Then, by performing defibration / dispersion treatment, a cellulose nanofiber dispersion that is excellent in fluidity, easy to handle, and excellent in transparency even at high concentrations can be efficiently consumed with low power consumption. Can be manufactured. The cellulose nanofiber dispersion obtained by the present invention is excellent in fluidity even at a high concentration.For example, when a cellulose nanofiber is applied to a substrate to form a film on the substrate, A paint containing cellulose nanofibers at a high concentration of 1 to 3% (w / v) can be prepared at a low viscosity of 500 to 3000 mPa · s (B-type viscosity, 60 rpm, 20 ° C.). There is an advantage that a film having a thickness of about 5 to 30 μm can be formed only by coating. Conventionally, in order to prepare a paint having a viscosity of about 500 to 3000 mPa · s (B-type viscosity, 60 rpm, 20 ° C.), the concentration of cellulose nanofiber is 0.2 to 0.4% (w / v). In order to produce a film having a thickness of about 5 to 30 μm, it has been necessary to repeat coating and drying many times. The feature of the cellulose nanofiber dispersion obtained by the present invention having a high fluidity at a high concentration is very excellent.
本発明は、(1)N−オキシル化合物、及び(2)臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物の存在下で、酸化剤を用い水中にてセルロース系原料を酸化し、酸化されたセルロース系原料を過酸化水素水及びオゾンで処理し、次いで解繊・分散処理することを特徴としており、これにより、解繊・分散処理における消費電力量を低減させることができ、セルロースナノファイバーを低エネルギーで効率よく製造することができる。 The present invention comprises (1) an N-oxyl compound and (2) an oxidized cellulosic material by oxidizing the cellulosic material in water using an oxidizing agent in the presence of bromide, iodide or a mixture thereof. It is characterized by treatment with hydrogen peroxide solution and ozone, followed by defibration / dispersion treatment, which can reduce power consumption in defibration / dispersion treatment, and make cellulose nanofibers efficient with low energy Can be manufactured well.
(N−オキシル化合物)
本発明で用いるN−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。例えば、本発明で使用されるN−オキシル化合物としては、下記一般式(式1)で示される物質が挙げられる。
(N-oxyl compound)
As the N-oxyl compound used in the present invention, any compound can be used as long as it promotes the target oxidation reaction. For example, the N-oxyl compound used in the present invention includes a substance represented by the following general formula (Formula 1).
(式1中、R1〜R4は同一又は異なる炭素数1〜4程度のアルキル基を示す。)
式1で表される化合物のうち、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−オキシラジカル(以下TEMPOと称する)及び4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−オキシラジカル(以下、4−ヒドロキシTEMPOと称する)を発生する化合物が好ましい。また、下記式2〜4のいずれかで表されるN−オキシル化合物のラジカル、すなわち、4−ヒドロキシTEMPOの水酸基をアルコールでエーテル化、またはカルボン酸若しくはスルホン酸でエステル化し、適度な疎水性を付与した4−ヒドロキシTEMPO誘導体は、安価であり、かつ均一な酸化セルロースを得ることができるため、とりわけ好ましい。
(In Formula 1, R 1 to R 4 represent the same or different alkyl groups having about 1 to 4 carbon atoms.)
Among the compounds represented by Formula 1, 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-oxy radical (hereinafter referred to as TEMPO) and 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1 A compound that generates a piperidine-oxy radical (hereinafter referred to as 4-hydroxy TEMPO) is preferable. In addition, the radical of the N-oxyl compound represented by any one of the following formulas 2 to 4, that is, the hydroxyl group of 4-hydroxy TEMPO is etherified with alcohol, or esterified with carboxylic acid or sulfonic acid, and has an appropriate hydrophobicity. The imparted 4-hydroxy TEMPO derivative is particularly preferable because it is inexpensive and can provide uniform oxidized cellulose.
(式2〜4中、Rは炭素数4以下の直鎖又は分岐状炭素鎖である。)
さらに、下記式5で表されるN−オキシル化合物のラジカル、すなわち、アザアダマンタン型ニトロキシラジカルは、短時間で、均一なセルロースナノファイバーを製造できるため、とりわけ好ましい。
(In formulas 2 to 4, R is a linear or branched carbon chain having 4 or less carbon atoms.)
Furthermore, the radical of the N-oxyl compound represented by the following formula 5, that is, an azaadamantane type nitroxy radical, is particularly preferable because it can produce uniform cellulose nanofibers in a short time.
(式5中、R5及びR6は、同一又は異なる水素又はC1〜C6の直鎖若しくは分岐鎖アルキル基を示す。)
N−オキシル化合物の使用量は、セルロース系原料をナノファイバー化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロース系原料に対して、0.01〜10mmol、好ましくは0.01〜1mmol、さらに好ましくは0.05〜0.5mmol程度を用いることができる。
(In Formula 5, R 5 and R 6 represent the same or different hydrogen or a C 1 to C 6 linear or branched alkyl group.)
The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalyst amount that can make the cellulose-based raw material into nanofibers. For example, about 0.01 to 10 mmol, preferably 0.01 to 1 mmol, and more preferably about 0.05 to 0.5 mmol can be used with respect to 1 g of the cellulosic raw material.
(臭化物またはヨウ化物)
セルロース系原料の酸化の際に用いる臭化物またはヨウ化物としては、水中で解離してイオン化可能な化合物、例えば、臭化アルカリ金属やヨウ化アルカリ金属などを使用することができる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。例えば、絶乾1gのセルロース系原料に対して、0.1〜100mmol、好ましくは0.1〜10mmol、さらに好ましくは0.5〜5mmol程度を用いることができる。
(Bromide or iodide)
As the bromide or iodide used in oxidizing the cellulosic raw material, a compound that can be dissociated and ionized in water, such as an alkali metal bromide or an alkali metal iodide, can be used. The amount of bromide or iodide used can be selected as long as the oxidation reaction can be promoted. For example, 0.1 to 100 mmol, preferably 0.1 to 10 mmol, and more preferably about 0.5 to 5 mmol can be used for 1 g of cellulosic raw material.
(酸化剤)
セルロース系原料の酸化の際に用いる酸化剤としては、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物など、目的の酸化反応を推進し得る酸化剤であれば、いずれの酸化剤も使用できる。中でも、ナノファイバー生産コストの観点から、現在工業プロセスにおいて最も汎用されている安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムが、特に好適である。酸化剤の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。例えば、絶乾1gのセルロース系原料に対して、0.5〜500mmol、好ましくは0.5〜50mmol、さらに好ましくは2.5〜25mmol程度を用いることができる。
(Oxidant)
As the oxidizing agent used for oxidizing the cellulosic raw material, the target oxidation reaction such as halogen, hypohalous acid, halous acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxide, peroxide can be promoted. Any oxidizing agent can be used as long as it is an oxidizing agent. Among these, from the viewpoint of nanofiber production costs, sodium hypochlorite, which is currently most widely used in industrial processes and has low environmental impact, is particularly suitable. The amount of the oxidizing agent used can be selected within a range that can promote the oxidation reaction. For example, 0.5 to 500 mmol, preferably 0.5 to 50 mmol, and more preferably about 2.5 to 25 mmol can be used for 1 g of cellulosic raw material.
(セルロース系原料)
本発明で用いるセルロース系原料は特に限定されるものではなく、各種木材由来のクラフトパルプ又はサルファイトパルプ、それらを高圧ホモジナイザーやミル等で粉砕した粉末セルロース、あるいはそれらを酸加水分解などの化学処理により精製した微結晶セルロース粉末などを使用することができる他、ケナフ、麻、イネ、バカス、竹等の植物を使用することもできる。このうち、漂白済みクラフトパルプ、漂白済みサルファイトパルプ、粉末セルロース、または微結晶セルロース粉末を用いることが量産化やコストの観点から好ましい。また、粉末セルロース及び微結晶セルロース粉末を用いると、高濃度であってもより低い粘度を有するセルロースナノファイバー分散液を製造することができるから、とりわけ好ましい。
(Cellulosic material)
The cellulose-based raw material used in the present invention is not particularly limited, and kraft pulp or sulfite pulp derived from various woods, powdered cellulose obtained by pulverizing them with a high-pressure homogenizer or a mill, or chemical treatment such as acid hydrolysis. In addition to the microcrystalline cellulose powder purified by the above, plants such as kenaf, hemp, rice, bacus, and bamboo can also be used. Of these, bleached kraft pulp, bleached sulfite pulp, powdered cellulose, or microcrystalline cellulose powder is preferably used from the viewpoint of mass production and cost. In addition, it is particularly preferable to use powdered cellulose and microcrystalline cellulose powder because a cellulose nanofiber dispersion having a lower viscosity can be produced even at a high concentration.
粉末セルロースとは、木材パルプの非結晶部分を酸加水分解処理で除去した後、粉砕・篩い分けすることで得られる微結晶性セルロースからなる棒軸状粒子である。粉末セルロースにおけるセルロースの重合度は好ましくは100〜500程度であり、X線回折法による粉末セルロースの結晶化度は好ましくは70〜90%であり、レーザー回折式粒度分布測定装置による体積平均粒子径は好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下である。体積平均粒子径が、100μm以下であると、流動性に優れるセルロースナノファイバー分散液を得ることができる。本発明で用いる粉末セルロースとしては、例えば、精選パルプを酸加水分解した後に得られる未分解残渣を精製・乾燥し、粉砕・篩い分けするといった方法により製造される棒軸状である一定の粒径分布を有する結晶性セルロース粉末を用いてもよいし、KCフロックR(日本製紙ケミカル社製)、セオラスTM(旭化成ケミカルズ社製)、アビセルR(FMC社製)などの市販品を用いてもよい。 Powdered cellulose is a rod-like particle made of microcrystalline cellulose obtained by removing a non-crystalline part of wood pulp by acid hydrolysis and then pulverizing and sieving. The degree of polymerization of cellulose in the powdered cellulose is preferably about 100 to 500, the degree of crystallinity of the powdered cellulose by X-ray diffraction is preferably 70 to 90%, and the volume average particle size by a laser diffraction type particle size distribution measuring device. Is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. When the volume average particle size is 100 μm or less, a cellulose nanofiber dispersion having excellent fluidity can be obtained. As the powdered cellulose used in the present invention, for example, a fixed particle size in the form of a rod shaft produced by a method of purifying and drying an undegraded residue obtained after acid hydrolysis of a selected pulp, pulverizing and sieving. it may be a crystalline cellulose powder having a distribution, (manufactured by Nippon Paper Chemicals Co.) KC flock R, Ceolus TM (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation), a commercially available product may be used, such as Avicel R (FMC Corp.) .
(酸化反応条件)
本発明の方法は温和な条件であっても酸化反応を円滑に進行させることができるという特色がある。そのため、反応温度は15〜30℃程度の室温であってもよい。なお、反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率良く進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加することにより、反応液のpHを9〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが望ましい。酸化反応における反応時間は、適宜設定することができ、特に限定されないが、例えば、0.5〜4時間程度である。
(Oxidation reaction conditions)
The method of the present invention is characterized in that the oxidation reaction can proceed smoothly even under mild conditions. Therefore, the reaction temperature may be a room temperature of about 15 to 30 ° C. In addition, since a carboxyl group produces | generates in a cellulose with progress of reaction, the fall of pH of a reaction liquid is recognized. In order to advance the oxidation reaction efficiently, it is desirable to maintain the pH of the reaction solution at about 9 to 12, preferably about 10 to 11, by adding an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution. The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set and is not particularly limited, but is, for example, about 0.5 to 4 hours.
(過酸化水素及びオゾンによる酸化分解処理)
本発明では、N−オキシル化合物を用いて得られた酸化されたセルロース系原料に過酸化水素及びオゾンを添加し、該原料を酸化分解処理する。本発明で使用するオゾンは、空気あるいは酸素を原料としてオゾン発生装置で公知の方法で発生させることができる。本発明におけるオゾンの添加量(質量)は、セルロース系原料の絶乾質量の0.1〜3倍が好ましい。オゾンの添加量がセルロース系原料の絶乾質量の0.1倍以上であればセルロースの非晶部を十分に分解することができ、次工程での解繊・分散処理に要するエネルギーを大幅に削減することができる。また、3倍以下であればセルロースの過度の分解を抑制でき、セルロース系原料の収率の低下を防ぐことができる。オゾン添加量は、セルロース系原料の絶乾質量の0.3〜2.5倍がより好ましく、0.5〜1.5倍がさらに好ましい。
(Oxidative decomposition treatment with hydrogen peroxide and ozone)
In the present invention, hydrogen peroxide and ozone are added to an oxidized cellulose raw material obtained using an N-oxyl compound, and the raw material is oxidatively decomposed. The ozone used in the present invention can be generated by a known method using an ozone generator using air or oxygen as a raw material. The addition amount (mass) of ozone in the present invention is preferably 0.1 to 3 times the absolute dry mass of the cellulosic material. If the amount of ozone added is at least 0.1 times the absolute dry mass of the cellulosic material, the amorphous part of the cellulose can be sufficiently decomposed, greatly increasing the energy required for the defibration / dispersion treatment in the next step. Can be reduced. Moreover, if it is 3 times or less, the excessive decomposition | disassembly of a cellulose can be suppressed and the fall of the yield of a cellulose raw material can be prevented. The amount of ozone added is more preferably 0.3 to 2.5 times the absolute dry mass of the cellulosic material, and even more preferably 0.5 to 1.5 times.
本発明で使用する過酸化水素の添加量(質量)は、セルロース系原料の絶乾質量の0.001〜1.5倍が好ましい。セルロース系原料の添加量の0.001倍以上の量で過酸化水素を使用すると、オゾンと過酸化水素との相乗作用が発揮される。また、セルロース系原料の分解には、過酸化水素を、セルロース系原料の1.5倍以下程度の量で使用すれば十分であり、それより多い添加量はコストアップにつながると考えられる。過酸化水素の添加量は、セルロース系原料の絶乾質量の0.1〜1.0倍がより好ましい。 The addition amount (mass) of hydrogen peroxide used in the present invention is preferably 0.001 to 1.5 times the absolute dry mass of the cellulosic material. When hydrogen peroxide is used in an amount of 0.001 times or more of the addition amount of the cellulosic material, a synergistic effect between ozone and hydrogen peroxide is exhibited. In addition, it is sufficient to use hydrogen peroxide in an amount about 1.5 times or less that of the cellulosic raw material for decomposing the cellulosic raw material, and it is thought that a larger addition amount leads to an increase in cost. The amount of hydrogen peroxide added is more preferably 0.1 to 1.0 times the absolute dry mass of the cellulosic material.
オゾン及び過酸化水素による酸化分解処理は、pH2〜12、好ましくは、pH4〜10、さらに好ましくは、pH6〜8で、温度は10〜90℃、好ましくは、20〜70℃、さらに好ましくは30〜50℃で、1〜20時間、好ましくは、2〜10時間、さらに好ましくは、3〜6時間程度行なうことが、酸化分解反応効率の観点から好ましい。 The oxidative decomposition treatment with ozone and hydrogen peroxide is pH 2 to 12, preferably pH 4 to 10, more preferably pH 6 to 8, and the temperature is 10 to 90 ° C, preferably 20 to 70 ° C, more preferably 30. It is preferable from about oxidative decomposition reaction efficiency to carry out at -50 degreeC for 1 to 20 hours, Preferably it is 2 to 10 hours, More preferably, it is about 3 to 6 hours.
オゾン及び過酸化水素による処理を行なうための装置は、当業者に通常使用される装置を用いることができ、例えば、反応室、攪拌機、薬品注入装置、加熱器、及びpH電極を備えた通常の反応器を使用することができる。 As a device for performing treatment with ozone and hydrogen peroxide, a device commonly used by those skilled in the art can be used. For example, a normal chamber equipped with a reaction chamber, a stirrer, a chemical injection device, a heater, and a pH electrode. A reactor can be used.
オゾン及び過酸化水素による処理後、水溶液中に残留するオゾンや過酸化水素は次工程の解繊・分散処理でも有効に作用し、セルロースナノファイバー分散液の低粘度化を一層促進することができる。 After the treatment with ozone and hydrogen peroxide, ozone and hydrogen peroxide remaining in the aqueous solution can effectively work in the defibration / dispersion treatment in the next step, and can further promote the lowering of the viscosity of the cellulose nanofiber dispersion. .
(解繊・分散処理)
本発明では、酸化されたセルロース系原料に紫外線を照射した後、解繊・分散処理する。解繊・分散装置の種類としては、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が挙げられるが、透明性と流動性に優れるセルロースナノファイバー分散液を効率よく得るには、50MPa以上、好ましくは100MPa以上、さらに好ましくは140MPa以上の条件下で分散できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーで処理することが好ましい。
(Defibration / dispersion processing)
In the present invention, the oxidized cellulose-based raw material is irradiated with ultraviolet rays and then subjected to defibration and dispersion treatment. Examples of types of defibrating / dispersing devices include high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, ultrasonic type, etc. Cellulose nanofiber dispersion liquid with excellent transparency and fluidity can be efficiently used. In order to obtain, it is preferable to treat with a wet high pressure or ultra high pressure homogenizer that can be dispersed under conditions of 50 MPa or more, preferably 100 MPa or more, and more preferably 140 MPa or more.
(セルロースナノファイバー)
本発明により製造されるセルロースナノファイバーは、幅2〜5nm、長さ1〜5μm程度のセルロースのシングルミクロフィブリルである。本発明において、「ナノファイバー化する」とは、セルロース系原料を、幅2〜5nm、長さ1〜5μm程度のセルロースのシングルミクロフィブリルであるセルロースナノファイバーへと加工することを意味する。
(Cellulose nanofiber)
The cellulose nanofiber produced by the present invention is a single microfibril of cellulose having a width of 2 to 5 nm and a length of about 1 to 5 μm. In the present invention, “to form a nanofiber” means that a cellulose-based raw material is processed into cellulose nanofiber which is a single microfibril of cellulose having a width of about 2 to 5 nm and a length of about 1 to 5 μm.
本発明により得られたセルロースナノファイバー分散液は、1.0質量%濃度(w/v)におけるB型粘度(60rpm、20℃)が1000mPa・s以下、好ましくは800mPa・s以下、さらに好ましくは500mPa・s以下であり、かつ、0.1質量%濃度(w/v)における光透過率(660nm)が90%以上、好ましくは95%以上であることが好ましい。本発明により製造されるセルロースナノファイバーは、流動性と透明性に優れ、さらに、バリヤー性および耐熱性にも優れるので、包装材料等の様々な用途に使用することが可能である。 The cellulose nanofiber dispersion obtained by the present invention has a B-type viscosity (60 rpm, 20 ° C.) at a concentration of 1.0% by mass (w / v) of 1000 mPa · s or less, preferably 800 mPa · s or less, more preferably It is 500 mPa · s or less, and the light transmittance (660 nm) at a concentration of 0.1% by mass (w / v) is 90% or more, preferably 95% or more. Cellulose nanofibers produced according to the present invention are excellent in fluidity and transparency, and are also excellent in barrier properties and heat resistance, and thus can be used for various applications such as packaging materials.
なお、本発明において、セルロースナノファイバー分散液のB型粘度は、当業者に慣用される通常のB型粘度計を用いて測定することができ、例えば、東機産業社のTV−10型粘度計を用いて、20℃及び60rpmの条件で測定することができる。 In the present invention, the B-type viscosity of the cellulose nanofiber dispersion can be measured using a normal B-type viscometer commonly used by those skilled in the art, for example, TV-10 type viscosity of Toki Sangyo Co., Ltd. Using a meter, it can be measured at 20 ° C. and 60 rpm.
また、セルロースナノファイバー分散液の光透過率は、紫外・可視分光光度計によって測定することができる。 The light transmittance of the cellulose nanofiber dispersion can be measured with an ultraviolet / visible spectrophotometer.
(本発明の作用)
本発明では、N−オキシル化合物を用いて酸化されたセルロース系原料をオゾン及び過酸化水素で処理し、次いで解繊・分散処理することで、高濃度であっても流動性と透明性に優れているセルロースナノファイバー分散液を低い消費電力量で得ることができる。その理由は、以下のように推察される。N−オキシル化合物を用いて酸化されたセルロース系原料の表面にはカルボキシル基が局在しており、水和層が形成されている。そのため、該原料同士の間には、カルボキシル基同士の電荷反発力の作用で、通常のパルプでは見られない微視的隙間が存在すると考えられる。そして、該原料をオゾン及び過酸化水素で処理すると、オゾン及び過酸化水素から、酸化力に優れるヒドロキシラジカルが発生し、該原料中のセルロース鎖を効率良く酸化分解し、最終的にセルロース系原料を短繊維化すると考えられる。このセルロース系原料の短繊維化により、次工程での解繊・分散処理における分散液のB型粘度が顕著に低下し、分散系の流動性が向上すると考えられる。また、セルロース系原料の短繊維化により、透明性に優れたセルロースナノファイバー分散液が得られると考えられる。
(Operation of the present invention)
In the present invention, the cellulosic raw material oxidized using an N-oxyl compound is treated with ozone and hydrogen peroxide, and then defibrated and dispersed to provide excellent fluidity and transparency even at high concentrations. The cellulose nanofiber dispersion can be obtained with low power consumption. The reason is guessed as follows. Carboxyl groups are localized on the surface of the cellulose-based raw material oxidized using the N-oxyl compound, and a hydrated layer is formed. Therefore, it is considered that there is a microscopic gap between the raw materials which is not found in ordinary pulp due to the action of the charge repulsive force between the carboxyl groups. Then, when the raw material is treated with ozone and hydrogen peroxide, hydroxy radicals having excellent oxidizing power are generated from ozone and hydrogen peroxide, and the cellulose chains in the raw material are efficiently oxidized and decomposed, and finally the cellulose-based raw material Is considered to be a short fiber. By shortening the cellulose-based raw material, it is considered that the B-type viscosity of the dispersion in the defibration / dispersion treatment in the next step is significantly reduced, and the fluidity of the dispersion is improved. Moreover, it is thought that the cellulose nanofiber dispersion liquid excellent in transparency is obtained by shortening the fiber of a cellulose raw material.
次に実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。 Next, based on an Example, this invention is demonstrated still in detail.
針葉樹由来の漂白済み未叩解サルファイトパルプ(日本製紙ケミカル社)5g(絶乾)をTEMPO(Sigma Aldrich社)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム755mg(7mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで攪拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液(有効塩素5%)18ml添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHは低下するが、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。2時間反応した後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することで酸化パルプを得た。酸化パルプの1%(w/v)スラリー2Lにオゾン濃度6g/L(セルロース系原料の絶乾質量の0.6倍に相当する)、過酸化水素濃度3g/L(セルロース系原料の絶乾質量の0.3倍に相当する)となるように添加し、室温で6時間処理した。オゾンと過酸化水素で処理した酸化パルプスラリーを超高圧ホモジナイザー(処理圧140MPa)で10回処理したところ、透明なゲル状分散液が得られた。得られた1%(w/v)のセルロースナノファイバー分散液のB型粘度(60rpm、20℃)をTV−10型粘度計(東機産業社)を用いて測定した。また、0.1%(w/v)のセルロースナノファーバー分散液の透明度(660nm光の透過率)をUV−VIS分光光度計UV−265FS(島津製作所社)を用いて測定した。解繊・分散処理に要した消費電力を(処理時における電力)×(処理時間)÷(処理したサンプル量)により求めた。結果を表1に示す。 5 g (absolutely dried) bleached unbeaten sulfite pulp (Nippon Paper Chemical Co., Ltd.) derived from coniferous tree was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (Sigma Aldrich) and 755 mg (7 mmol) of sodium bromide were dissolved, Stir until the pulp is uniformly dispersed. After adding 18 ml of an aqueous sodium hypochlorite solution (effective chlorine 5%) to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with an aqueous 0.5N hydrochloric acid solution to initiate the oxidation reaction. During the reaction, the pH in the system was lowered, but a 0.5N aqueous sodium hydroxide solution was successively added to adjust the pH to 10. After reacting for 2 hours, it was filtered through a glass filter and washed thoroughly with water to obtain oxidized pulp. Ozone concentration 6g / L (corresponding to 0.6 times the absolute dry mass of cellulosic raw material), hydrogen peroxide concentration 3g / L (absolutely dry cellulosic raw material) in 2L of 1% (w / v) slurry of oxidized pulp (Corresponding to 0.3 times the mass) and treated at room temperature for 6 hours. When the oxidized pulp slurry treated with ozone and hydrogen peroxide was treated 10 times with an ultra-high pressure homogenizer (treatment pressure 140 MPa), a transparent gel dispersion was obtained. The B-type viscosity (60 rpm, 20 ° C.) of the obtained 1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion was measured using a TV-10 viscometer (Toki Sangyo Co., Ltd.). In addition, the transparency (660 nm light transmittance) of a 0.1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion was measured using a UV-VIS spectrophotometer UV-265FS (Shimadzu Corporation). The power consumption required for the defibration / dispersion processing was determined by (power during processing) × (processing time) ÷ (amount of sample processed). The results are shown in Table 1.
超高圧ホモジナイザーの処理圧を100MPaとした以外、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the treatment pressure of the ultrahigh pressure homogenizer was 100 MPa. The results are shown in Table 1.
超高圧ホモジナイザーの処理圧を50MPaとした以外、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the treatment pressure of the ultrahigh pressure homogenizer was 50 MPa. The results are shown in Table 1.
超高圧ホモジナイザーの処理圧を30MPaとした以外、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the treatment pressure of the ultrahigh pressure homogenizer was 30 MPa. The results are shown in Table 1.
セルロース系原料として粉末セルロース(日本製紙ケミカル社、粒径75μm)を使用した以外は、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that powdered cellulose (Nippon Paper Chemical Co., Ltd., particle size 75 μm) was used as the cellulose-based material. The results are shown in Table 1.
セルロース系原料として粉末セルロース(日本製紙ケミカル社、粒径75μm)を使用した以外は、実施例3と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 3 except that powdered cellulose (Nippon Paper Chemical Co., Ltd., particle size 75 μm) was used as the cellulose-based material. The results are shown in Table 1.
セルロース系原料として粉末セルロース(日本製紙ケミカル社、粒径75μm)を使用した以外は、実施例4と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 4 except that powdered cellulose (Nippon Paper Chemical Co., Ltd., particle size 75 μm) was used as the cellulose-based material. The results are shown in Table 1.
分散装置として回転刃を装備したハイシェアーミキサー(周速37m/s、日本精機製作所)を使用した以外は、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that a high shear mixer (circumferential speed 37 m / s, Nippon Seiki Seisakusho) equipped with a rotary blade was used as a dispersing device. The results are shown in Table 1.
オゾンの濃度を10g/L(セルロース系原料の絶乾質量の1.0倍に相当する)、過酸化水素の濃度を3g/L(セルロース系原料の絶乾質量の0.3倍に相当する)となるように添加した以外は、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。 The ozone concentration is 10 g / L (corresponding to 1.0 times the absolute dry mass of the cellulosic material), and the hydrogen peroxide concentration is 3 g / L (corresponding to 0.3 times the absolute dry mass of the cellulosic material). The nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the addition was performed so that The results are shown in Table 1.
[比較例1]
オゾン及び過酸化水素による処理を行なわない以外、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that the treatment with ozone and hydrogen peroxide was not performed. The results are shown in Table 1.
[比較例2]
オゾン単独で処理した以外、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that treatment with ozone alone was performed. The results are shown in Table 1.
[比較例3]
過酸化水素単独で処理した以外、実施例1と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 1 except that treatment with hydrogen peroxide alone was performed. The results are shown in Table 1.
[比較例4]
オゾン及び過酸化水素による処理を行なわない以外、実施例8と同様にしてナノファイバー分散液を得た。結果を表1に示す。
[Comparative Example 4]
A nanofiber dispersion was obtained in the same manner as in Example 8 except that treatment with ozone and hydrogen peroxide was not performed. The results are shown in Table 1.
実施例1により製造した1%(w/v)のセルロースナノファイバー分散液を、ポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み20μm)片面に、手塗り専用のバーで(バーNo.16)塗工し、50℃で乾燥させてフィルムを形成した。フィルムの厚みは約5.3μmであった。 The 1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion produced in Example 1 was coated on one side of a polyethylene terephthalate film (thickness 20 μm) with a bar exclusively for hand-coating (bar No. 16), and at 50 ° C. Dried to form a film. The thickness of the film was about 5.3 μm.
実施例3により製造した1%(w/v)のセルロースナノファイバー分散液を、ポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み20μm)片面に、手塗り専用のバー(バーNo.16)で塗工し、50℃で乾燥させてフィルムを形成した。フィルムの厚みは約7.1μmであった。 The 1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion produced in Example 3 was applied to one side of a polyethylene terephthalate film (thickness 20 μm) with a bar (bar No. 16) dedicated to hand coating, at 50 ° C. Dried to form a film. The thickness of the film was about 7.1 μm.
実施例5により製造した1%(w/v)のセルロースナノファイバー分散液を、ポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み20μm)片面に、手塗り専用のバー(バーNo.16)で塗工し、50℃で乾燥させてフィルムを形成した。フィルムの厚みは約3.6μmであった。 The 1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion produced in Example 5 was applied to one side of a polyethylene terephthalate film (thickness 20 μm) with a bar (bar No. 16) dedicated to hand coating, at 50 ° C. Dried to form a film. The film thickness was about 3.6 μm.
実施例9により製造した1%(w/v)のセルロースナノファイバー分散液を、ポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み20μm)片面に、手塗り専用のバー(バーNo.16)で塗工し、50℃で乾燥させてフィルムを形成した。フィルムの厚みは約5.7μmであった。 The 1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion produced in Example 9 was applied to one side of a polyethylene terephthalate film (thickness 20 μm) with a hand-painted bar (bar No. 16) at 50 ° C. Dried to form a film. The thickness of the film was about 5.7 μm.
[比較例5]
比較例1により製造した1%(w/v)のセルロースナノファイバー分散液を、B型粘度600mPa・s(60rpm、20℃)となるように濃度を調整した。、このときのセルロースナノファイバー濃度は、0.4%(w/v)であった。この分散液を、ポリエチレンテレフタレートフィルム(厚み20μm)片面に、手塗り専用のバー(バーNo.16)で塗工し、50℃で乾燥させてフィルムを形成した。フィルムの厚みは約2.0μmであった。実施例10と同じ厚さである5.3μmのフィルムを形成させるためには、塗布と乾燥を少なくとも3回繰り返す必要があった。
[Comparative Example 5]
The concentration of the 1% (w / v) cellulose nanofiber dispersion produced in Comparative Example 1 was adjusted to have a B-type viscosity of 600 mPa · s (60 rpm, 20 ° C.). The cellulose nanofiber concentration at this time was 0.4% (w / v). This dispersion was applied to one side of a polyethylene terephthalate film (thickness: 20 μm) with a hand-painted bar (bar No. 16) and dried at 50 ° C. to form a film. The film thickness was about 2.0 μm. In order to form a 5.3 μm film having the same thickness as in Example 10, it was necessary to repeat coating and drying at least three times.
Claims (4)
(B)前記(A)からのセルロース系原料に、過酸化水素及びオゾンを添加して酸化分解処理すること、及び、
(C)前記(B)からのセルロース系原料を解繊・分散処理することによりナノファイバー化すること、
を含むことを特徴とするセルロースナノファイバーの製造方法。 (A) (1) N-oxyl compound, and (2) oxidizing a cellulosic raw material using an oxidizing agent in the presence of a compound selected from the group consisting of bromide, iodide or a mixture thereof,
(B) Addition of hydrogen peroxide and ozone to the cellulosic material from (A) for oxidative decomposition treatment; and
(C) Nanofiberization by defibrating and dispersing the cellulosic material from (B),
The manufacturing method of the cellulose nanofiber characterized by including.
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