JP7316750B2 - Method for producing hydrophobized cellulose nanofiber dispersion - Google Patents
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Landscapes
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Description
本発明は、疎水化セルロースナノファイバーおよびその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to hydrophobized cellulose nanofibers and methods for producing the same.
セルロースなどの天然繊維材料を原料として酸化セルロースナノファイバーを製造する方法としては2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシル(以下、「TEMPO」と称することがある)触媒の存在下で酸化させる方法などが知られている(特許文献1)。
この製造方法で得られる酸化セルロースナノファイバーは親水性であるため、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリ乳酸(PLA)などの疎水性の合成高分子とは相溶性が低い。これらの疎水性の合成高分子との複合材料を得る方法としては酸化セルロースナノファイバーに疎水化剤を結合させる方法が知られている(特許文献2)。この製造方法によりセルロース分子にカルボキシル基及びアミノ基を介して分子量300以上の直鎖状あるいは分岐状分子が結合された疎水化セルロースナノファイバー分散液が得られ、疎水性の高分子材料との親和性に優れ、高分子材料との複合体を容易に形成できるとされる。
2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl (hereinafter sometimes referred to as “TEMPO”) catalyst is used as a method for producing oxidized cellulose nanofibers using natural fiber materials such as cellulose as raw materials. A method of oxidizing in the presence of is known (Patent Document 1).
Since the oxidized cellulose nanofibers obtained by this production method are hydrophilic, they have low compatibility with hydrophobic synthetic polymers such as polyethylene terephthalate (PET) and polylactic acid (PLA). As a method of obtaining a composite material with these hydrophobic synthetic polymers, a method of binding a hydrophobizing agent to oxidized cellulose nanofibers is known (Patent Document 2). According to this production method, a hydrophobic cellulose nanofiber dispersion in which linear or branched molecules having a molecular weight of 300 or more are bound to cellulose molecules via carboxyl groups and amino groups is obtained, and has affinity with hydrophobic polymer materials. It is said that it has excellent properties and can easily form a composite with a polymer material.
特許文献2で開示されている疎水化セルロースナノファイバー分散液を製造する方法では、解繊後の酸化セルロースナノファイバーの水分散液は、洗浄、脱水する事が困難なため、解繊後、疎水化剤の添加工程以前に、有機溶媒に溶媒置換を行うことで洗浄、脱水を行っている。この溶媒置換の工程では、有機溶媒による分散、洗浄を複数回行う事で溶媒置換を行っている。そのため、得られる疎水化セルロースナノファイバーの歩留りが減少する問題があった。また疎水化剤との反応後に残った未反応物を除去するためには、再度有機溶媒による分散、洗浄を複数回行う必要があり、工程が煩雑で、且つ歩留りが減少する。更に安全性の面から水系の分散媒が要望されているが、水系に分散するためには有機溶媒から水への溶媒置換を行わなければならず、工程が煩雑となり、更に歩留りが減少する。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、歩留りを向上させた疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法を提供する事を目的とする。 In the method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion disclosed in Patent Document 2, it is difficult to wash and dehydrate an aqueous dispersion of oxidized cellulose nanofibers after defibration. Washing and dehydration are carried out by replacing the solvent with an organic solvent before the addition step of the agent. In this solvent replacement step, solvent replacement is performed by performing dispersion and washing with an organic solvent multiple times. Therefore, there is a problem that the yield of the obtained hydrophobized cellulose nanofibers is reduced. Moreover, in order to remove the unreacted substances remaining after the reaction with the hydrophobizing agent, it is necessary to re-disperse with an organic solvent and wash several times, which complicates the process and reduces the yield. Furthermore, from the viewpoint of safety, an aqueous dispersion medium is desired, but in order to disperse in an aqueous system, it is necessary to replace the organic solvent with water, which complicates the process and further reduces the yield. The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion with improved yield.
本発明の疎水化セルロースナノファイバー分散液は、以下の[1]~[6]によって提供される。
[1]:以下の工程を有する疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
(工程1):N-オキシル化合物、及び共酸化剤を含む反応液中でセルロース原料を処理して酸化セルロース繊維の分散液を得る工程
(工程2):工程1で得られた酸化セルロース繊維の分散液に酸を添加して、酸化セルロース繊維中のカルボキシレート基の、少なくとも一部をカルボキシル基に置換する工程
(工程3):工程2で得られたカルボキシル基を有する酸化セルロース繊維の分散液に、アミノ基を有する化合物(疎水化剤)を添加して、疎水化セルロース繊維の分散液を得る工程
(工程4):工程3で得られた分散液中の疎水化セルロース繊維を解繊する工程
[2]:前記工程2と前記工程3の間に洗浄工程を含まない請求項1記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[3]:前記工程3記載のアミノ基を有する化合物が、平均分子量300以上の直鎖状の化合物であることを特徴とする請求項1または2記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[4]:前記のアミノ基を有する化合物が、ポリエチレングリコールアミンであることを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[5]:前記疎水化セルロースナノファイバー分散液の分散媒が水あるいは水性有機溶媒であることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[6]:前記疎水化セルロースナノファイバー分散液の分散媒が有機溶媒であることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
The hydrophobized cellulose nanofiber dispersion of the present invention is provided by the following [1] to [6].
[1]: A method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion having the following steps.
(Step 1): A step of treating a cellulose raw material in a reaction solution containing an N-oxyl compound and a co-oxidant to obtain a dispersion of oxidized cellulose fibers (Step 2): The oxidized cellulose fibers obtained in Step 1 Step of adding an acid to the dispersion to substitute at least part of the carboxylate groups in the oxidized cellulose fibers with carboxyl groups (step 3): the dispersion of oxidized cellulose fibers having carboxyl groups obtained in step 2. A step of adding a compound having an amino group (hydrophobizing agent) to obtain a dispersion of hydrophobized cellulose fibers (step 4): defibrating the hydrophobized cellulose fibers in the dispersion obtained in step 3 Step [2]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to Claim 1, wherein no washing step is included between the steps 2 and 3.
[3]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion liquid according to [1] or [2], wherein the compound having an amino group in the step 3 is a linear compound having an average molecular weight of 300 or more. .
[4]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to any one of [1] to [3], wherein the compound having an amino group is polyethylene glycol amine.
[5]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to any one of [1] to [4], wherein the dispersion medium of the hydrophobized cellulose nanofiber dispersion is water or an aqueous organic solvent. .
[6]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to any one of [1] to [4], wherein the dispersion medium of the hydrophobized cellulose nanofiber dispersion is an organic solvent.
本発明によれば、歩留りを向上させた疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法を提供する事が出来る。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion with improved yield.
本発明の疎水化セルロースナノファイバー分散液は、以下の[1]~[6]によって提供される。
[1]:以下の工程を有する疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
(工程1):N-オキシル化合物、及び共酸化剤を含む反応液中でセルロース原料を処理して酸化セルロース繊維の分散液を得る工程
(工程2):工程1で得られた酸化セルロース繊維の分散液に酸を添加して、酸化セルロース繊維中のカルボキシレート基の、少なくとも一部をカルボキシル基に置換する工程
(工程3):工程2で得られたカルボキシル基を有する酸化セルロース繊維の分散液に、アミノ基を有する化合物(疎水化剤)を添加して、疎水化セルロース繊維の分散液を得る工程
(工程4):工程3で得られた分散液中の疎水化セルロース繊維を解繊する工程
[2]:前記工程2と前記工程3の間に洗浄工程を含まない請求項1記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[3]:前記工程3記載のアミノ基を有する化合物が、平均分子量300以上の直鎖状の化合物であることを特徴とする請求項1または2記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[4]:前記のアミノ基を有する化合物が、ポリエチレングリコールアミンであることを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[5]:前記疎水化セルロースナノファイバー分散液の分散媒が水あるいは水性有機溶媒であることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
[6]:前記疎水化セルロースナノファイバー分散液の分散媒が有機溶媒であることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法。
The hydrophobized cellulose nanofiber dispersion of the present invention is provided by the following [1] to [6].
[1]: A method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion having the following steps.
(Step 1): A step of treating a cellulose raw material in a reaction solution containing an N-oxyl compound and a co-oxidant to obtain a dispersion of oxidized cellulose fibers (Step 2): The oxidized cellulose fibers obtained in Step 1 Step of adding an acid to the dispersion to substitute at least part of the carboxylate groups in the oxidized cellulose fibers with carboxyl groups (step 3): the dispersion of oxidized cellulose fibers having carboxyl groups obtained in step 2. A step of adding a compound having an amino group (hydrophobizing agent) to obtain a dispersion of hydrophobized cellulose fibers (step 4): defibrating the hydrophobized cellulose fibers in the dispersion obtained in step 3 Step [2]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to Claim 1, wherein no washing step is included between the steps 2 and 3.
[3]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion liquid according to [1] or [2], wherein the compound having an amino group in the step 3 is a linear compound having an average molecular weight of 300 or more. .
[4]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to any one of [1] to [3], wherein the compound having an amino group is polyethylene glycol amine.
[5]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to any one of [1] to [4], wherein the dispersion medium of the hydrophobized cellulose nanofiber dispersion is water or an aqueous organic solvent. .
[6]: The method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion according to any one of [1] to [4], wherein the dispersion medium of the hydrophobized cellulose nanofiber dispersion is an organic solvent.
<工程1:酸化>
酸化工程は、N-オキシル化合物、及び、臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化する方法が挙げられる。この方法によれば、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、表面に主にカルボキシレート基(-COO-)を有する酸化セルロース繊維を得ることができる。反応時のセルロース系原料の濃度は特に限定されないが、5重量%以下が好ましい。
<Step 1: Oxidation>
The oxidation step includes a method of oxidation in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a compound selected from the group consisting of bromides, iodides or mixtures thereof. According to this method, the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring on the cellulose surface is selectively oxidized, and oxidized cellulose fibers having mainly carboxylate groups ( --COO.sup.- ) on the surface can be obtained. The concentration of the cellulosic raw material during the reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by weight or less.
-セルロース系原料-
セルロース系原料の由来は、特に限定されないが、例えば、植物(例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(例えば、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)、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)サーモメカニカルパルプ(TMP)、再生パルプ、古紙等)、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば、酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物等が挙げられる。本発明で用いるセルロース系原料は、それらのいずれかであってもよいし2以上の組み合わせであってもよいが、好ましくは植物又は微生物由来のセルロース系原料(例えば、セルロース繊維)であり、より好ましくは植物由来のセルロース系原料(例えば、セルロース繊維)である。
- Cellulose-based raw materials -
The origin of the cellulosic raw material is not particularly limited, but for example, plants (e.g., wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, agricultural waste, cloth, pulp (e.g., unbleached softwood kraft pulp (NUKP), bleached softwood kraft) Pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), hardwood bleached kraft pulp (LBKP), softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP) thermomechanical pulp (TMP), recycled pulp, waste paper, etc.), animals (e.g. sea squirts), algae, microorganisms (e.g. acetic acid bacteria (Acetobacter)), microbial products, etc. The cellulosic raw material used in the present invention may be any one of them. It may be a combination of two or more, preferably a plant- or microorganism-derived cellulosic raw material (eg, cellulose fiber), more preferably a plant-derived cellulosic raw material (eg, cellulose fiber).
セルロース繊維原料の繊維径は特に制限されないが、一般的なパルプである針葉樹クラフトパルプの数平均繊維径は、通常10~40μm程度、広葉樹クラフトパルプの場合は、通常10~30μm程度である。その他のパルプの場合、一般的な精製を経たものは50μm程度である。例えばチップ等の数cm大のものを精製したものである場合、リファイナーやビーター等の離解機で機械的処理を行い、50μm程度にすることが好ましい。 The fiber diameter of the cellulose fiber raw material is not particularly limited, but the number average fiber diameter of softwood kraft pulp, which is a general pulp, is usually about 10 to 40 μm, and the number average fiber diameter of hardwood kraft pulp is usually about 10 to 30 μm. In the case of other pulps, those that have undergone general refining are about 50 μm. For example, in the case of refining a chip or the like having a size of several cm, it is preferable to perform a mechanical treatment with a disaggregator such as a refiner or a beater to reduce the size to about 50 μm.
-N-オキシル化合物-
N-オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物をいう。N-オキシル化合物としては例えば、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン1-オキシル(TEMPO)が挙げられる。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。
-N-oxyl compound-
An N-oxyl compound means a compound capable of generating a nitroxy radical. Examples of N-oxyl compounds include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO). As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it promotes the desired oxidation reaction.
N-オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であればに制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01mmol以上が好ましく、0.05mmol以上がより好ましい。上限は、10mmol以下が好ましく、1mmol以下がより好ましく、0.5mmol以下が更に好ましい。従って、N-オキシル化合物の使用量は絶乾1gのセルロースに対して、0.01~10mmolが好ましく、0.01~1mmolがより好ましく、0.05~0.5mmolがさらに好ましい。 The amount of the N-oxyl compound to be used is not limited as long as it is a catalyst amount capable of oxidizing the raw material cellulose. For example, it is preferably 0.01 mmol or more, more preferably 0.05 mmol or more, relative to 1 g of absolutely dry cellulose. The upper limit is preferably 10 mmol or less, more preferably 1 mmol or less, and even more preferably 0.5 mmol or less. Therefore, the amount of the N-oxyl compound used is preferably 0.01 to 10 mmol, more preferably 0.01 to 1 mmol, and even more preferably 0.05 to 0.5 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose.
-臭化物-
臭化物とは臭素を含む化合物であり、例えば、臭化ナトリウム等の、水中で解離してイ
オン化可能な臭化アルカリ金属が挙げられる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物で
あり、例えば、ヨウ化アルカリ金属が挙げられる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸
化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾
1gのセルロースに対して、0.1mmol以上が好ましく、0.5mmol以上がより
好ましい。上限は、100mmol以下が好ましく、10mmol以下がより好ましく、
5mmol以下が更に好ましい。従って、臭化物及びヨウ化物の合計量は絶乾1gのセル
ロースに対して、0.1~100mmolが好ましく、0.1~10mmolがより好ま
しく、0.5~5mmolがさらに好ましい。
-Bromide-
Bromide is a compound containing bromine, and examples thereof include alkali metal bromides such as sodium bromide that can be dissociated and ionized in water. Also, iodides are compounds containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodides. The amount of bromide or iodide to be used can be selected within a range capable of promoting the oxidation reaction. The total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 mmol or more, more preferably 0.5 mmol or more, relative to 1 g of absolute dry cellulose, for example. The upper limit is preferably 100 mmol or less, more preferably 10 mmol or less,
5 mmol or less is more preferable. Therefore, the total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, even more preferably 0.5 to 5 mmol, per 1 g of absolute dry cellulose.
-酸化剤-
酸化剤としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲ
ン酸、過ハロゲン酸、それらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などが挙げられる。中でも
、安価で環境負荷の少ないことから、次亜ハロゲン酸又はその塩が好ましく、次亜塩素酸
又はその塩がより好ましく、次亜塩素酸ナトリウムがさらに好ましい。酸化剤の使用量は
、0.5mmol以上が好ましく、1mmol以上がより好ましく、3mmol以上が更
に好ましい。上限は、500mmol以下が好ましく、50mmol以下がより好ましく
、25mmol以下が更に好ましい。従って、酸化剤の使用量は絶乾1gのセルロースに
対して、0.5~500mmolが好ましく、0.5~50mmolがより好ましく、1
~25mmolがさらに好ましく、3~10mmolが最も好ましい。また、N-オキシ
ル化合物を用いる場合、酸化剤の使用量はN-オキシル化合物1molに対して1mol
以上が好ましい。上限は、40molが好ましい。従って、酸化剤の使用量は、N-オキ
シル化合物1molに対して1~40molが好ましい。
-Oxidant-
Examples of the oxidizing agent include, but are not limited to, halogens, hypohalous acids, halogenous acids, perhalogenates, salts thereof, halogen oxides, and peroxides. Among them, hypohalous acid or a salt thereof is preferable, hypochlorous acid or a salt thereof is more preferable, and sodium hypochlorite is even more preferable, because it is inexpensive and has a low environmental load. The amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 mmol or more, more preferably 1 mmol or more, and even more preferably 3 mmol or more. The upper limit is preferably 500 mmol or less, more preferably 50 mmol or less, and even more preferably 25 mmol or less. Therefore, the amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, per 1 g of absolute dry cellulose.
~25mmol is more preferred, and 3-10mmol is most preferred. When using an N-oxyl compound, the amount of oxidizing agent used is 1 mol per 1 mol of the N-oxyl compound.
The above is preferable. The upper limit is preferably 40 mol. Therefore, the amount of the oxidizing agent to be used is preferably 1-40 mol per 1 mol of the N-oxyl compound.
酸化反応時のpH、温度等の条件は特に限定されず、一般に、比較的温和な条件であっても反応は効率よく進行する。反応温度は4℃以上が好ましく、15℃以上がより好ましい。上限は40℃以下が好ましく、30℃以下がより好ましい。従って、反応温度は4~40℃が好ましく、15~30℃程度、すなわち室温であってもよい。反応液のpHは、8以上が好ましく、10以上がより好ましい。上限は、12以下が好ましく、11以下がより好ましい。従って、反応液のpHは、好ましくは8~12、より好ましくは10~11程度である。通常、酸化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の低下する傾向にある。そのため、酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを上記の範囲に維持することが好ましい。酸化の際の反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。 Conditions such as pH and temperature during the oxidation reaction are not particularly limited, and generally the reaction proceeds efficiently even under relatively mild conditions. The reaction temperature is preferably 4°C or higher, more preferably 15°C or higher. The upper limit is preferably 40°C or lower, more preferably 30°C or lower. Therefore, the reaction temperature is preferably 4 to 40°C, and may be about 15 to 30°C, that is, room temperature. The pH of the reaction solution is preferably 8 or higher, more preferably 10 or higher. The upper limit is preferably 12 or less, more preferably 11 or less. Therefore, the pH of the reaction solution is preferably about 8-12, more preferably about 10-11. Normally, carboxyl groups are generated in cellulose as the oxidation reaction progresses, so the pH of the reaction solution tends to decrease. Therefore, in order to allow the oxidation reaction to proceed efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution within the above range. The reaction medium for oxidation is preferably water because of its ease of handling and the fact that side reactions are less likely to occur.
酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5時間以上である。上限は通常は6時間以下、好ましくは4時間以下である。従って、酸化における反応時間は通常0.5~6時間、例えば、0.5~4時間程度である。 The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the progress of oxidation, and is usually 0.5 hours or longer. The upper limit is usually 6 hours or less, preferably 4 hours or less. Therefore, the reaction time for oxidation is usually 0.5 to 6 hours, for example, about 0.5 to 4 hours.
酸化は、2段階以上の反応に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾
別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることに
より、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させ
ることができる。
Oxidation may be carried out in two or more steps. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the reaction in the first step, again under the same or different reaction conditions, the reaction can be efficiently It can be oxidized well.
酸化セルロースに主に含まれるカルボキシレート基や、カルボキシル基、アルデヒド基の量は、上記した酸化剤の添加量、反応時間をコントロールすることで調整することができる。 The amounts of carboxylate groups, carboxyl groups, and aldehyde groups mainly contained in the oxidized cellulose can be adjusted by controlling the amount of the oxidizing agent added and the reaction time.
(カルボキシレート基+カルボキシル基)の量の測定方法の一例を以下に説明する。酸化セルロースの0.5重量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.4とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出することができる:
カルボキシル基量〔mmol/g酸化セルロース又はセルロースナノファイバー〕=a
〔ml〕×0.05/酸化セルロース質量〔g〕。
An example of a method for measuring the amount of (carboxylate group+carboxyl group) is described below. Prepare 60 ml of 0.5% by weight slurry (aqueous dispersion) of oxidized cellulose, add 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to adjust the pH to 2.4, and then drop 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution to adjust the pH to 11. It can be calculated from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of the weak acid, where the change in conductivity is gradual, using the following formula:
Carboxyl group amount [mmol/g oxidized cellulose or cellulose nanofiber] = a
[ml]×0.05/mass of oxidized cellulose [g].
得られた酸化セルロース繊維は、後述する置換工程へと送る前に、特に洗浄を行う必要は無いが、蒸留水等で洗浄することも可能である。 The obtained oxidized cellulose fibers do not need to be particularly washed before being sent to the replacement step described later, but they can be washed with distilled water or the like.
<工程2:置換>
酸化セルロース繊維に含まれるカルボキシレート基(-COO-)を置換し、カルボキシル基(-COOH基)とする。表面にカルボキシレート基を有する酸化セルロース繊維は、水中ではカルボキシレート基同士の荷電反発力によりセルロースナノファイバーを良好に分散させることができる。しかし、一般に有機溶媒は、水よりも極性が小さいものが多いため、有機溶媒中では上記のイオン化の程度が低い場合があり、セルロースナノファイバー同士が凝集してゲル化しやすい。
<Step 2: Substitution>
A carboxylate group ( --COO.sup.- ) contained in the oxidized cellulose fiber is replaced with a carboxyl group (--COOH group). Oxidized cellulose fibers having carboxylate groups on their surfaces can well disperse cellulose nanofibers in water due to charge repulsion between carboxylate groups. However, since many organic solvents generally have a lower polarity than water, the degree of ionization described above may be low in organic solvents, and cellulose nanofibers tend to aggregate and gel.
そこで、本発明においては、カルボキシレート基の対イオンを疎水性を発現しやすい直鎖状分子又は分岐状分子(分岐鎖状分子)と交換することにより、PETやPLAなどの疎水性の高分子材料との親和性を高めることとした。 Therefore, in the present invention, a hydrophobic polymer such as PET or PLA is obtained by exchanging the counterion of the carboxylate group with a linear molecule or branched molecule (branched molecule) that easily exhibits hydrophobicity. We decided to increase the affinity with the material.
工程2においては、直鎖状あるいは分岐状分子と交換する処理の前処理として、酸化セルロース繊維に含まれるカルボキシレート基(-COO-)を置換し、カルボキシル基(-COOH基)とし、直鎖状あるいは分岐状分子との交換が容易な構造に変換している。 In step 2, as a pretreatment for the treatment of exchanging with linear or branched molecules, the carboxylate groups (—COO − ) contained in the oxidized cellulose fibers are replaced with carboxyl groups (—COOH groups) to form linear chains. It is transformed into a structure that can be easily exchanged with a branched molecule.
本実施形態の場合、酸化セルロース繊維に含まれるカルボキシレート基をカルボキシル基に置換するので、所望の置換率となるように酸化セルロース繊維を酸性溶液(酸を加えた分散液)に保持する時間を管理する。 In the case of the present embodiment, the carboxylate groups contained in the oxidized cellulose fibers are substituted with carboxyl groups. to manage.
保持時間は、加えた酸の種類や酸性溶液のpH、酸化セルロース繊維の含有量などに応じて設定する。酸性溶液のpHが一定であれば、カルボキシル基への置換率は、保持時間を長くするほど高くなり、保持時間の変化に対して単調に変化するので、保持時間によって管理するのが簡便である。なお処理後の酸化セルロース繊維におけるカルボキシレート基とカルボキシル基との比率は、FT-IR等の分析装置を用いて測定することができる。 The retention time is set according to the type of acid added, the pH of the acid solution, the content of oxidized cellulose fibers, and the like. If the pH of the acidic solution is constant, the substitution rate with carboxyl groups increases as the retention time increases, and changes monotonously with changes in retention time. . The ratio of carboxylate groups to carboxyl groups in the treated oxidized cellulose fibers can be measured using an analyzer such as FT-IR.
工程2では、酸化セルロース繊維の水分散液を酸性に維持できればよいため、酸の種類は特に限定されず、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、酢酸、過酸化水素などの無機酸、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、アジピン酸、セバシン酸、セバシン酸ソーダ、ステアリン酸、マレイン酸、コハク酸、酒石酸、フマール酸、グルコン酸などの有機酸のいずれであっても用いることができる。酸によるセルロースナノファイバーの変質や損傷を回避でき、廃液処理の容易さなどの観点から、塩酸を用いることが好ましい。 In step 2, the type of acid is not particularly limited as long as the aqueous dispersion of oxidized cellulose fibers can be maintained acidic. Any of organic acids such as malic acid, lactic acid, adipic acid, sebacic acid, sodium sebacate, stearic acid, maleic acid, succinic acid, tartaric acid, fumaric acid and gluconic acid can be used. Hydrochloric acid is preferably used from the viewpoints of avoiding deterioration and damage of cellulose nanofibers due to acid and easiness of waste liquid treatment.
カルボキシル基に置換にした酸化セルロース繊維は、ブフナー漏斗等を用いて吸引ろ過することにより回収する。回収した酸化セルロース繊維は、歩留り向上のため洗浄しないことが好ましいが、蒸留水等で洗浄することも可能である。なお、本工程の酸化セルロース繊維は解繊処理を行っていないため、回収が容易である。 The carboxyl group-substituted oxidized cellulose fibers are collected by suction filtration using a Buchner funnel or the like. Although it is preferable not to wash the collected oxidized cellulose fibers in order to improve the yield, it is possible to wash them with distilled water or the like. In addition, since the oxidized cellulose fibers in this step are not defibrated, they are easy to collect.
<工程3:疎水化>
本工程における疎水化とは疎水性の高分子との相溶性を向上させることである。従って、本工程に用いられる疎水化剤は、疎水性だけではなく、親水性、疎水性の両方の溶媒に相溶性を持つ、両親媒性の高分子も含まれる。特に置換工程で得られたカルボキシル基を有する酸化セルロース繊維分散液に疎水化剤として、末端にアミノ基を有する平均分子量300以上の直鎖状あるいは分岐状分子を混合し、カルボキシル基とアミノ基が結合することにより酸化セルロース繊維を疎水化させる事が好ましい。
<Step 3: Hydrophobicization>
Hydrophobization in this step is to improve compatibility with a hydrophobic polymer. Therefore, the hydrophobizing agent used in this step includes not only hydrophobic but also amphiphilic polymers that are compatible with both hydrophilic and hydrophobic solvents. In particular, the oxidized cellulose fiber dispersion having a carboxyl group obtained in the substitution step is mixed with a linear or branched molecule having an amino group at the terminal and an average molecular weight of 300 or more as a hydrophobizing agent. Preferably, the oxidized cellulose fibers are hydrophobized by bonding.
工程3で用いられる疎水化剤は、例えばポリエチレングリコールなどの分子量の大きい直鎖状分子であり、このポリエチレングリコールに対して、酸化セルロース繊維のカルボキシル基と反応して塩を形成することができるアミノ基が結合している。直鎖状あるいは分岐状分子を含むアミンの添加量は、アミンの種類に応じて適宜変更すればよいが、例えば、酸化セルロース繊維が有するカルボキシル基量に対して、当量から10倍量の範囲である。 The hydrophobizing agent used in step 3 is, for example, a linear molecule with a large molecular weight, such as polyethylene glycol, to which an amino acid is added that can react with the carboxyl groups of the oxidized cellulose fibers to form a salt. groups are attached. The amount of the amine containing a linear or branched molecule to be added may be appropriately changed according to the type of amine. be.
工程3で用いる疎水化剤としては、分岐型および直鎖状型カチオン性ポリアクリルアミド、カチオン性ポリアクリルアミド-ポリエチレングリコール共重合体、末端にアミノ基を有するポリプロピレンポリエチレングリコール共重合体などを用いてもよい。 Branched and linear cationic polyacrylamides, cationic polyacrylamide-polyethylene glycol copolymers, polypropylene-polyethylene glycol copolymers having terminal amino groups, and the like may be used as hydrophobizing agents used in step 3. good.
本実施形態において、疎水化剤は平均分子量(重量平均分子量)が300以上のものが用いられ、平均分子量が500以上の直鎖状あるいは分岐状分子を用いることがより好ましく、さらに好ましくは上記平均分子量は1000以上である。このように分子量の大きい直鎖状分子を用いて酸化セルロース繊維を修飾することで、元々親水性である酸化セルロース繊維の表面が疎水性(あるいは両親媒性)の直鎖状あるいは分岐状分子で被覆される。これにより、PETやPLAなどの疎水性の高分子材料と混合したときに、疎水性の高分子材料に対して親水性のセルロース主鎖部分が露出しにくくなり、酸化セルロース繊維の凝集が防止される。なお、直鎖状あるいは分岐状分子の分子量が大きいほど、酸化セルロース繊維の表面から外側へ延びる直鎖状あるいは分岐状分子が長くなるため、セルロース主鎖部分の親水性がより発現しにくくなり、疎水性高分子中での分散性を高めることができる。 In the present embodiment, the hydrophobizing agent used has an average molecular weight (weight average molecular weight) of 300 or more, more preferably a linear or branched molecule with an average molecular weight of 500 or more, more preferably the above average The molecular weight is 1000 or more. By modifying the oxidized cellulose fiber with a linear molecule having a large molecular weight in this way, the surface of the oxidized cellulose fiber, which is originally hydrophilic, can be replaced with hydrophobic (or amphiphilic) linear or branched molecules. covered. As a result, when mixed with a hydrophobic polymeric material such as PET or PLA, the hydrophilic cellulose main chain portion is less likely to be exposed to the hydrophobic polymeric material, and aggregation of the oxidized cellulose fibers is prevented. be. Note that the larger the molecular weight of the linear or branched molecule, the longer the linear or branched molecule extending outward from the surface of the oxidized cellulose fiber, making it more difficult for the cellulose main chain portion to exhibit hydrophilicity. Dispersibility in hydrophobic polymers can be enhanced.
疎水化工程で得られた疎水化セルロース繊維は、後述する解繊工程へと送る前に、洗浄を行う事が望ましい。洗浄には水を用いることが好ましい。例えば、ブフナー漏斗等を用いて吸引ろ過することにより洗浄することができる。洗浄の回数は、1回であってもよいし、複数回であってもよい。前記洗浄により、未反応の酸化剤や各種副生成物を容易に除去することができる。 The hydrophobized cellulose fibers obtained in the hydrophobization step are desirably washed before being sent to the defibration step described later. Water is preferably used for washing. For example, it can be washed by suction filtration using a Buchner funnel or the like. The number of washings may be one or more. By the washing, unreacted oxidizing agents and various by-products can be easily removed.
<工程4:解繊>
疎水化セルロース繊維を解繊する事で、カルボン酸基及びアミノ基を介して結合された疎水化剤により修飾された酸化セルロース繊維を、1本1本が分離した状態(セルロースナノファイバー)に分散させた分散液を得ることができる。この工程は特許文献2記載の解繊とは異なり、解繊前にカルボキシル基に疎水化剤を反応させることでセルロース繊維同士の親和性を弱めるため、より小さなせん断力での解繊が可能である。
<Step 4: defibration>
By defibrating the hydrophobized cellulose fibers, the oxidized cellulose fibers modified with a hydrophobizing agent bonded via a carboxylic acid group and an amino group are dispersed individually (cellulose nanofibers). A fine dispersion can be obtained. Unlike the defibration described in Patent Document 2, this process weakens the affinity between cellulose fibers by reacting carboxyl groups with a hydrophobizing agent before defibration, so defibration can be performed with a smaller shear force. be.
解繊に用いる装置は特に限定されないが例えば、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などのタイプの装置が挙げられ、高圧又は超高圧ホモジナイザーが好ましく、湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーがより好ましい。装置は、セルロース系原料又は変性セルロース(通常は分散液)に強力なせん断力を印加できることが好ましい。装置が印加できる圧力は、50MPa以上が好ましく、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。装置は、セルロース系原料又は変性セルロース(通常は分散液)に上記圧力を印加でき、かつ強力なせん断力を印加できる、湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーが好ましい。これにより、解繊を効率的に行うことができる。解繊装置での処理(パス)回数は、1回でもよいし2回以上でもよく、2回以上が好ましい。 The device used for fibrillation is not particularly limited, but examples thereof include devices of types such as high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, and ultrasonic type. Ultra high pressure homogenizers are more preferred. The apparatus is preferably capable of applying strong shear forces to the cellulosic raw material or modified cellulose (usually the dispersion). The pressure that can be applied by the device is preferably 50 MPa or higher, more preferably 100 MPa or higher, and still more preferably 140 MPa or higher. The apparatus is preferably a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer capable of applying the above-described pressure to the cellulosic raw material or modified cellulose (usually a dispersion liquid) and applying a strong shearing force. Thereby, defibration can be performed efficiently. The number of times of treatment (pass) in the fibrillation device may be one or two or more, preferably two or more.
分散体中の変性セルロースの固形分濃度は、通常は0.1重量%以上、好ましくは0.2重量%以上、より好ましくは0.3重量%以上である。これにより、セルロース繊維原料の量に対する液量が適量となり効率的である。上限は、通常10重量%以下、好ましくは6重量%以下である。これにより流動性を保持することができる。解繊処理に先立ち、必要に応じて予備処理を行ってもよい。予備処理は、高速せん断ミキサーなどの混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて行えばよい。 The solid content concentration of the modified cellulose in the dispersion is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.2% by weight or more, and more preferably 0.3% by weight or more. As a result, the amount of liquid becomes appropriate with respect to the amount of cellulose fiber raw material, which is efficient. The upper limit is usually 10% by weight or less, preferably 6% by weight or less. Thereby, fluidity can be maintained. Prior to defibration treatment, a preliminary treatment may be performed as necessary. Pretreatment may be performed using a mixing, stirring, emulsifying, or dispersing device such as a high-speed shear mixer.
解繊工程で得られるセルロースナノファイバーの平均繊維径は、2nm以上、50
0nm以下であることが好ましい。セルロースナノファイバーの平均繊維径及び平均繊維長の測定は、例えば、セルロースナノファイバーの0.001重量%水分散液を調製し、この希釈分散液をマイカ製試料台に薄く延ばし、50℃で加熱乾燥させて観察用試料を作成し、原子間力顕微鏡(AFM)にて観察した形状像の断面高さを計測することにより、数平均繊維径あるいは繊維長として算出することができる。
The average fiber diameter of the cellulose nanofibers obtained in the fibrillation step is 2 nm or more and 50
It is preferably 0 nm or less. The average fiber diameter and average fiber length of cellulose nanofibers are measured by, for example, preparing a 0.001% by weight aqueous dispersion of cellulose nanofibers, thinly spreading this diluted dispersion on a mica sample table, and heating at 50°C. A sample for observation is prepared by drying, and the cross-sectional height of the shape image observed with an atomic force microscope (AFM) is measured to calculate the number average fiber diameter or fiber length.
解繊工程で得られる疎水化セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、通常は50以上である。上限は特に限定されないが、通常は1000以下である。平均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 aspect ratio of the hydrophobized cellulose nanofibers obtained in the defibration step is usually 50 or more. Although the upper limit is not particularly limited, it is usually 1000 or less. Average aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length/average fiber diameter
工程[1]~[4]で使用する分散媒は、水もしくは水と任意に混合できる水系の有機溶媒が利用できるが、水を用いることが好ましく、用いた分散媒での疎水化セルロースナノファイバー分散液が得られる。 The dispersion medium used in steps [1] to [4] can be water or an aqueous organic solvent that can be arbitrarily mixed with water, but it is preferable to use water. A dispersion is obtained.
<工程5:溶媒置換1>
工程[4]で分散媒に水を用いた場合は、得られた疎水化セルロースナノファイバー分散液を水性有機溶媒で溶媒置換する事が出来る。水性有機溶媒に分散させる工程と、分散した疎水化セルロースナノファイバーをブフナー等で回収する工程とを、疎水化セルロースナノファイバーに含まれる水が水性有機溶媒に置換されるまで、数回(2~10回程度)繰り返ことで、溶媒が置換される。
<Step 5: Solvent replacement 1>
When water is used as the dispersion medium in step [4], the resulting hydrophobized cellulose nanofiber dispersion can be replaced with an aqueous organic solvent. The step of dispersing in an aqueous organic solvent and the step of collecting the dispersed hydrophobized cellulose nanofibers with a Buchner or the like are repeated several times (2 to 10 times) to replace the solvent.
水性有機溶媒とは、水と任意に混合できる有機溶媒である。その例として、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、グリセリン、アセトン、メチルエチルケトン、1,4-ジオキサン、N-メチル-2-ピロリドン、テトラヒドロフラン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、酢酸エチル、およびこれらの組合せが挙げられる。中でもメタノール、エタノール、2-プロパノール等の炭素数が1~4の低級アルコールが好ましく、安全性および入手容易性の観点から、エタノールが最も好ましい。 Aqueous organic solvents are organic solvents that are optionally miscible with water. Examples include methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, glycerin, acetone, methyl ethyl ketone, 1,4-dioxane, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, Dimethylsulfoxide, acetonitrile, ethyl acetate, and combinations thereof. Among them, lower alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol and 2-propanol are preferred, and ethanol is most preferred from the viewpoint of safety and availability.
<工程6:溶媒置換2>
工程[4]若しくは工程[5]で得られた疎水化セルロースナノファイバー分散液を炭化水素系又はエーテル系の有機溶媒で溶媒置換する事が出来る。有機溶媒に分散させる工程と、分散した疎水化セルロースナノファイバーをブフナー等で回収する工程とを、疎水化セルロースナノファイバーに含まれる元の溶媒が有機溶媒に置換されるまで、数回(2~10回程度)繰り返すことで、溶媒が置換される。置換する有機溶媒は、作製するセルロースナノファイバー分散液の用途に応じて選択すればよい。またこの工程では既にセルロースナノファイバーが疎水化されているので、有機溶媒との溶媒置換は容易に行う事が可能である。
<Step 6: Solvent replacement 2>
The hydrophobized cellulose nanofiber dispersion obtained in step [4] or step [5] can be solvent-substituted with a hydrocarbon-based or ether-based organic solvent. The step of dispersing in an organic solvent and the step of collecting the dispersed hydrophobized cellulose nanofibers with a Buchner or the like are repeated several times (2 to 10 times) to replace the solvent. The organic solvent to be substituted may be selected according to the application of the cellulose nanofiber dispersion to be produced. In addition, since the cellulose nanofibers are already hydrophobized in this step, solvent replacement with an organic solvent can be easily performed.
炭化水素系の有機溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、n-ヘキサン、n-オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン、四塩化炭素、フルオロトリクロロメタン、トリクロロトリフルオロメタン、ヘキサフルオロベンゼンなどが挙げられる。 Hydrocarbon organic solvents include benzene, toluene, xylene, n-hexane, n-octane, cyclohexane, methylcyclohexane, dichloromethane, dichloroethane, chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, fluorotrichloromethane, trichlorotrifluoromethane, hexa fluorobenzene and the like.
エーテル系の有機溶媒としては、テトラヒドロフラン(THF)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、シクロペンチルメチルエーテル(CPME)、メチルターシャリーブチルエーテル(MTBE)、1,4-ジオキサン、メチルセロソルブ(2-メトキシエタノール)などが挙げられる。 Ether-based organic solvents include tetrahydrofuran (THF), 1,2-dimethoxyethane (DME), cyclopentyl methyl ether (CPME), methyl tertiary butyl ether (MTBE), 1,4-dioxane, methyl cellosolve (2-methoxy ethanol).
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
<実施例1>
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)500g(絶乾)をTE
MPO(Sigma Aldrich社)1.95g(絶乾1gのセルロースに対し0.
025mmol)と臭化ナトリウム51.4g(絶乾1gのセルロースに対し1mmol
)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に
次亜塩素酸ナトリウム水溶液を次亜塩素酸ナトリウムが6.0mmol/gになるように
添加し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、3M水酸化ナトリウム
水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムを消費し、系内のpH
が変化しなくなった時点で反応を終了した。酸化反応に要した時間は90分、カルボキシレート基とカルボキシル基の合計量は1.6mmol/gであった。(工程[1])
<Example 1>
500 g (absolutely dry) of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from softwood is TE
MPO (Sigma Aldrich) 1.95 g (0.95 g per 1 g of absolute dry cellulose)
025 mmol) and 51.4 g of sodium bromide (1 mmol per 1 g of absolute dry cellulose)
) was added to 500 ml of the aqueous solution and stirred until the pulp was uniformly dispersed. An aqueous solution of sodium hypochlorite was added to the reaction system so that sodium hypochlorite was 6.0 mmol/g to initiate an oxidation reaction. The pH in the system decreased during the reaction, but was adjusted to pH 10 by successively adding 3M sodium hydroxide aqueous solution. Consumes sodium hypochlorite, pH in the system
The reaction was terminated when no change occurred. The time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the total amount of carboxylate groups and carboxyl groups was 1.6 mmol/g. (Step [1])
反応後の混合物に塩酸を添加し、pHを1に調節した後、60分間攪拌を継続した。(工程[2]) Hydrochloric acid was added to the mixture after the reaction to adjust the pH to 1, and then stirring was continued for 60 minutes. (Step [2])
次に、得られた酸化セルロース繊維に蒸留水を加え、水分散液(濃度0.1%(g/mL))とした後、酸化セルロース繊維のカルボキシル基と等モル量のポリエチレングリコールアミン(分子量2000)を添加し反応を行い、疎水化セルロース繊維の水分散液を得た(工程[3])。 Next, distilled water was added to the obtained oxidized cellulose fibers to form an aqueous dispersion (concentration 0.1% (g/mL)), and then polyethylene glycol amine (molecular weight 2000) was added and reacted to obtain an aqueous dispersion of hydrophobized cellulose fibers (step [3]).
得られた疎水化セルロース繊維の水分散液を、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、水で洗浄し副生した塩類、未反応のポリエチレングリコールアミン等を除去した。 The resulting aqueous dispersion of hydrophobized cellulose fibers was subjected to suction filtration using a Buchner funnel, and then washed with water to remove by-produced salts, unreacted polyethylene glycol amine, and the like.
洗浄した疎水化セルロース繊維を水に分散(0.1%(g/mL))した後、高圧ホモジナイザーで2回解繊する事で、実施例1の疎水化セルロース繊維を解繊した疎水化セルロースナノファイバー分散液を得た(工程[4])。 After dispersing the washed hydrophobized cellulose fibers in water (0.1% (g/mL)), the hydrophobized cellulose was fibrillated twice with a high-pressure homogenizer to defibrate the hydrophobized cellulose fibers of Example 1. A nanofiber dispersion was obtained (step [4]).
<実施例2>
前記の実施例1で得られた疎水化セルロースナノファイバーの水分散液を、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収した疎水化セルロースナノファイバーにエタノールを加えて撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、再びブフナー漏斗を用いて吸引ろ過する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをエタノールで溶媒置換した(工程[5])。
<Example 2>
The aqueous dispersion of the hydrophobized cellulose nanofibers obtained in Example 1 was subjected to suction filtration using a Buchner funnel, and then ethanol was added to the recovered hydrophobized cellulose nanofibers and stirred to obtain a dispersion (concentration of 0). .1% (g/mL)), and the step of performing suction filtration again using a Buchner funnel was repeated five times to replace the solvent of the cellulose nanofibers with ethanol (step [5]).
次に、エタノールで溶媒置換した疎水化セルロースナノファイバーにエタノールを加え撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、実施例2の疎水化セルロースナノファイバーの分散液を得た。 Next, ethanol is added to the hydrophobized cellulose nanofibers whose solvent has been replaced with ethanol and stirred to obtain a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)) to obtain a dispersion of the hydrophobized cellulose nanofibers of Example 2. rice field.
<実施例3>
前記の実施例2で得られた疎水化セルロースナノファイバーのエタノール分散液を、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、クロロホルムを加え撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収した疎水化セルロースナノファイバーにクロロホルムを加えて撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、再びブフナー漏斗を用いて吸引ろ過する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをクロロホルムで溶媒置換した(工程[6])。
<Example 3>
The ethanol dispersion of the hydrophobized cellulose nanofibers obtained in Example 2 was subjected to suction filtration using a Buchner funnel, and then chloroform was added and stirred to obtain a dispersion (concentration 0.1% (g/mL)). Then, after suction filtration using a Buchner funnel, chloroform was added to the recovered hydrophobized cellulose nanofibers and stirred to make a dispersion (concentration 0.1% (g / mL)), and suction was performed using the Buchner funnel again. By repeating the filtering step five times, the cellulose nanofibers were solvent-substituted with chloroform (step [6]).
次に、クロロホルムで溶媒置換した疎水化セルロースナノファイバーにクロロホルムを加え撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、実施例3の疎水化セルロースナノファイバーの分散液を得た。 Next, chloroform is added to the hydrophobized cellulose nanofibers after solvent substitution with chloroform and stirred to obtain a dispersion (concentration 0.1% (g/mL)) to obtain a dispersion of the hydrophobized cellulose nanofibers of Example 3. rice field.
<比較例1>
工程1は実施例1と同様に行い、それ以降は下記のように行い、比較例1の疎水化セルロースナノファイバー分散液を得た。
<Comparative example 1>
Step 1 was carried out in the same manner as in Example 1, and the subsequent steps were carried out as follows to obtain a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion of Comparative Example 1.
工程1で得られた酸化セルロース繊維をブフナー漏斗を用いて吸引ろ過し回収した。この酸化セルロース繊維に水を加え、濃度0.1%(g/mL)の水分散液とした後、当該水分散液を高圧ホモジナイザーで2回解繊する事で、酸化セルロース繊維を解繊し、酸化セルロースナノファイバーを得た。 The oxidized cellulose fibers obtained in step 1 were collected by suction filtration using a Buchner funnel. Water is added to the oxidized cellulose fibers to form an aqueous dispersion with a concentration of 0.1% (g/mL), and then the aqueous dispersion is fibrillated twice with a high-pressure homogenizer to defibrate the oxidized cellulose fibers. , to obtain oxidized cellulose nanofibers.
次に、上記の濃度0.1%(g/mL)酸化セルロースナノファイバー100mLに対して、1M塩酸を加えpHを1に調節し、1mLを攪拌しながら加えた後、60分間攪拌を継続し酸化処理を行った。その後、酸化セルロースナノファイバーをブフナー漏斗を用いて吸引ろ過し回収した。以上の工程により、セルロース表面のカルボキシレート基は、90%以上がカルボキシル基に置換されていた。 Next, 1M hydrochloric acid was added to 100 mL of oxidized cellulose nanofibers with a concentration of 0.1% (g/mL) to adjust the pH to 1, and 1 mL was added with stirring, and then stirring was continued for 60 minutes. Oxidation treatment was performed. After that, the oxidized cellulose nanofibers were recovered by suction filtration using a Buchner funnel. Through the above steps, 90% or more of the carboxylate groups on the surface of the cellulose were substituted with carboxyl groups.
回収した酸化セルロースナノファイバーにエタノールを加えて分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収した酸化セルロースナノファイバーにエタノールを加えて撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、再びブフナー漏斗を用いて吸引ろ過する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをエタノールで溶媒置換した。 Ethanol was added to the collected oxidized cellulose nanofibers to form a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), and suction filtration was performed using a Buchner funnel, and then ethanol was added to the collected oxidized cellulose nanofibers and stirred. A dispersion liquid (concentration of 0.1% (g/mL)) was obtained by using a Buchner funnel, and the step of performing suction filtration again using a Buchner funnel was repeated five times to replace the solvent of the cellulose nanofibers with ethanol.
次に、エタノールで溶媒置換したセルロースナノファイバーにクロロホルムを加えて分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをクロロホルムで溶媒置換した。 Next, chloroform is added to the cellulose nanofibers whose solvent has been replaced with ethanol to form a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), suction filtration is performed using a Buchner funnel, and the process of collecting is repeated five times. , the cellulose nanofibers were solvent-exchanged with chloroform.
次に、回収した酸化セルロースナノファイバーのクロロホルム分散液(0.1%(g/mL))に、セルロースナノファイバーのカルボキシル基と等モル量のポリエチレングリコールアミン(分子量2000)を添加し反応を行った。 Next, to the recovered oxidized cellulose nanofibers chloroform dispersion (0.1% (g/mL)), polyethylene glycol amine (molecular weight: 2000) was added in an amount equimolar to the carboxyl groups of the cellulose nanofibers to carry out a reaction. rice field.
次に、反応液をブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、クロロホルムを加えて分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、再度ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収する工程を5回繰り返すことで、未反応のポリエチレングリコールアミンを除去した。 Next, after the reaction solution is subjected to suction filtration using a Buchner funnel, chloroform is added to obtain a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), suction filtration is again performed using a Buchner funnel, and the step of recovery. was repeated 5 times to remove unreacted polyethylene glycol amine.
次にクロロホルムを加えて分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、比較例1の疎水化セルロースナノファイバー分散液を作製した。 Next, chloroform was added to obtain a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), and a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion of Comparative Example 1 was prepared.
<比較例2>
比較例1の疎水化セルロースナノファイバー分散液にエタノールを加えて分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収した酸化セルロースナノファイバーにエタノールを加えて撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、再びブフナー漏斗を用いて吸引ろ過する工程を5回繰り返すことで、セルロースナノファイバーをエタノールで溶媒置換した。
<Comparative Example 2>
Ethanol was added to the hydrophobized cellulose nanofiber dispersion of Comparative Example 1 to obtain a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), and after suction filtration using a Buchner funnel, ethanol was added to the recovered oxidized cellulose nanofibers. was added and stirred to obtain a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), and the step of performing suction filtration again using a Buchner funnel was repeated five times to replace the solvent of the cellulose nanofibers with ethanol.
次に、エタノールで溶媒置換したセルロースナノファイバーに蒸留水を加えて分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、ブフナー漏斗を用いて吸引ろ過した後、回収する工程を5回繰り返すことで、疎水化セルロースナノファイバーを水で溶媒置換した。 Next, distilled water is added to the cellulose nanofibers whose solvent has been replaced with ethanol to form a dispersion (concentration of 0.1% (g/mL)), suction filtration is performed using a Buchner funnel, and the process of collecting is repeated five times. Thus, the hydrophobized cellulose nanofibers were solvent-substituted with water.
次に、水で溶媒置換した疎水化セルロースナノファイバーに水を加え撹拌して分散液(濃度0.1%(g/mL))とし、比較例2の疎水化セルロースナノファイバーの分散液を得た。 Next, water is added to the hydrophobized cellulose nanofibers whose solvent has been replaced with water and stirred to obtain a dispersion (concentration 0.1% (g/mL)) to obtain a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion of Comparative Example 2. rice field.
本発明の実施例では、疎水化剤と反応させた後の洗浄が、解繊前なので水で容易に行えるのに対し、比較例では解繊し、カルボキシル基に置換したセルロースナノファイバーを溶媒置換後、疎水化剤と反応させ、得られた疎水化ナノファイバーを分散媒で数回洗浄する必要がある。従って本発明では、歩留りを大きく向上させた疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法を提供する事が出来る。 In the examples of the present invention, the washing after the reaction with the hydrophobizing agent is before defibration, so it can be easily washed with water. After that, it is necessary to react with a hydrophobizing agent and wash the resulting hydrophobized nanofibers with a dispersion medium several times. Therefore, the present invention can provide a method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion with greatly improved yield.
表
凡例 ◎:歩留りが非常に良好、○:歩留りが良好、
△:歩留りがやや不良、×:歩留りが不良
table
Legend ◎: Very good yield, ○: Good yield,
△: Slightly poor yield, ×: Poor yield
Claims (6)
(工程1)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からなる群から選択される化合物と、酸化剤とを含む反応液中でセルロース原料を処理して酸化セルロース繊維の分散液を得る工程、
(工程2)工程1で得られた酸化セルロース繊維の分散液に酸を添加して、酸化セルロース繊維中のカルボキシレート基の、少なくとも一部をカルボキシル基に置換する工程、
(工程3)工程2で得られたカルボキシル基を有する酸化セルロース繊維の分散液に、ポリエチレングリコールアミンを添加して、疎水化セルロース繊維の分散液を得る工程、及び
(工程4)工程3で得られた分散液中の疎水化セルロース繊維を解繊する工程
を有する疎水化セルロースナノファイバー分散液の製造方法であって、上記工程2と上記工程3の間に洗浄工程を含まない、上記製造方法。 Steps 1-4 below:
(Step 1) A cellulose raw material is treated in a reaction liquid containing an N-oxyl compound, a compound selected from the group consisting of bromides, iodides, or mixtures thereof, and an oxidizing agent to obtain a dispersion of oxidized cellulose fibers. the step of obtaining
(Step 2) a step of adding an acid to the oxidized cellulose fiber dispersion obtained in step 1 to substitute at least a portion of the carboxylate groups in the oxidized cellulose fibers with carboxyl groups;
(Step 3) adding polyethylene glycol amine to the dispersion of oxidized cellulose fibers having carboxyl groups obtained in Step 2 to obtain a dispersion of hydrophobized cellulose fibers; A method for producing a hydrophobized cellulose nanofiber dispersion having a step of defibrating the hydrophobized cellulose fibers in the dispersion, wherein the above manufacturing method does not include a washing step between the step 2 and the step 3. .
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