JP7593329B2 - Fibrous cellulose, fibrous cellulose dispersion and sheet - Google Patents
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Description
本発明は、繊維状セルロース、繊維状セルロース分散液及びシートに関する。 The present invention relates to fibrous cellulose, a fibrous cellulose dispersion and a sheet.
従来、セルロース繊維は、衣料や吸収性物品、紙製品等に幅広く利用されている。セルロース繊維としては、繊維径が10μm以上50μm以下の繊維状セルロースに加えて、繊維径が1μm以下の微細繊維状セルロースも知られている。微細繊維状セルロースは、新たな素材として注目されており、その用途は多岐にわたる。Traditionally, cellulose fibers have been widely used in clothing, absorbent articles, paper products, etc. As cellulose fibers, in addition to fibrous cellulose with a fiber diameter of 10 μm or more and 50 μm or less, fine fibrous cellulose with a fiber diameter of 1 μm or less is also known. Fine fibrous cellulose has attracted attention as a new material and has a wide range of uses.
微細繊維状セルロースを製造する際には、セルロース原料を含むスラリーを解繊処理(機械処理)することが行われている。例えば、特許文献1には、セルロース原料を酵素で処理する工程と、酵素処理後のセルロース原料を解繊する工程を含有する微細繊維の製造方法が開示されている。ここでは、酵素処理を行うことでセルロース原料を充分に微細化し、微細繊維の収率を高めることが検討されている。また、特許文献1では、繊維長が長く、かつアスペクト比の大きな微細繊維を製造することを目的としている。When producing fine fibrous cellulose, a slurry containing cellulose raw material is subjected to a defibration process (mechanical treatment). For example,
また、特許文献2には、平均繊維幅が200nm以下であり、重合度が50以上500以下であり、所定の極性基を有する微細繊維状セルロースが開示されている。ここでは、エマルション樹脂と混ぜ合わせた際に凝集物を形成しにくい微細繊維状セルロースを得ることが検討されている。なお、特許文献2の実施例では、重合度が248~454であり、0.5%濃度における粘度が108~740の分散液が得られている。Furthermore,
微細繊維状セルロースは、分散液中では、優れた増粘作用を発揮するため、塗料や化粧品の用途に用いられる場合がある。しかしながら、微細繊維状セルロースは優れた増粘作用を発揮するが故に高濃度(例えば3質量%以上)の微細繊維状セルロース分散液とすることが困難であった。また、微細繊維状セルロースの高濃度分散液を得ようとした場合、分散液中で微細繊維状セルロースが均一に分散せず、場合によっては微細繊維状セルロースの凝集物(ダマ)等が発生することが本発明者らの検討により明らかとなった。 Because fine fibrous cellulose exhibits an excellent thickening effect in a dispersion, it is sometimes used in paints and cosmetics. However, because fine fibrous cellulose exhibits an excellent thickening effect, it has been difficult to produce a fine fibrous cellulose dispersion of high concentration (e.g., 3% by mass or more). Furthermore, the inventors' investigations have revealed that when attempting to obtain a high-concentration dispersion of fine fibrous cellulose, the fine fibrous cellulose does not disperse uniformly in the dispersion, and in some cases aggregates (lumps) of the fine fibrous cellulose are generated.
このように、従来技術においては、高濃度の微細繊維状セルロース分散液を得ることが難しく、さらに、高濃度とした場合に均一性に優れた微細繊維状セルロース分散液を得ることは困難であった。そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、高濃度の微細繊維状セルロース分散液であって、微細繊維状セルロースが均一に分散した微細繊維状セルロース分散液を提供することを目的として検討を進めた。Thus, in the prior art, it was difficult to obtain a high-concentration fine fibrous cellulose dispersion, and even more difficult to obtain a fine fibrous cellulose dispersion with excellent uniformity when the concentration was high. Therefore, in order to solve such problems of the prior art, the present inventors have conducted research with the aim of providing a high-concentration fine fibrous cellulose dispersion in which fine fibrous cellulose is uniformly dispersed.
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、イオン性置換基を有する微細繊維状セルロースの重合度を所定範囲内とし、さらに、0.5質量%濃度の水分散液における粘度が所定範囲内となる微細繊維状セルロースを得ることにより、高濃度の微細繊維状セルロース分散液であって、微細繊維状セルロースが均一に分散した微細繊維状セルロース分散液が得られることを見出した。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventors have found that by adjusting the degree of polymerization of fine fibrous cellulose having ionic substituents within a predetermined range and further obtaining fine fibrous cellulose having a viscosity within a predetermined range in an aqueous dispersion at a concentration of 0.5% by mass, it is possible to obtain a high-concentration fine fibrous cellulose dispersion in which the fine fibrous cellulose is uniformly dispersed.
Specifically, the present invention has the following configuration.
[1] 繊維幅が1000nm以下であり、イオン性置換基を有する繊維状セルロースであって、
繊維状セルロースの重合度は230以下であり、
繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度が108mPa・s未満である、繊維状セルロース。
[2] 繊維状セルロースを6.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度が500,000mPa・s以上10,000,000mPa・s以下である、[1]に記載の繊維状セルロース。
[3] 繊維状セルロースを13.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度が1,000,000mPa・s以上50,000,000mPa・s以下である、[1]又は[2]に記載の繊維状セルロース。
[4] イオン性置換基は、リンオキソ酸基、リンオキソ酸基に由来する置換基、硫黄オキソ酸基及び硫黄オキソ酸基に由来する置換基からなる群から選択される少なくとも1種である、[1]~[3]のいずれかに記載の繊維状セルロース。
[5] [1]~[4]のいずれかに記載の繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液。
[6] 繊維状セルロースの濃度が3.0質量%以上である[5]に記載の繊維状セルロース分散液。
[7] [1]~[4]のいずれかに記載の繊維状セルロースを含むシート。
[1] A fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less and having an ionic substituent,
The degree of polymerization of the fibrous cellulose is 230 or less,
A fibrous cellulose having a viscosity of less than 108 mPa·s at 23° C. when the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 0.5% by mass.
[2] The fibrous cellulose according to [1], wherein when the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 6.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is 500,000 mPa·s or more and 10,000,000 mPa·s or less.
[3] The fibrous cellulose according to [1] or [2], wherein when the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 13.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is 1,000,000 mPa·s or more and 50,000,000 mPa·s or less.
[4] The fibrous cellulose according to any one of [1] to [3], wherein the ionic substituent is at least one selected from the group consisting of a phosphorus oxoacid group, a substituent derived from a phosphorus oxoacid group, a sulfur oxoacid group, and a substituent derived from a sulfur oxoacid group.
[5] A fibrous cellulose dispersion comprising the fibrous cellulose according to any one of [1] to [4].
[6] The fibrous cellulose dispersion according to [5], wherein the concentration of the fibrous cellulose is 3.0% by mass or more.
[7] A sheet comprising the fibrous cellulose according to any one of [1] to [4].
本発明によれば、高濃度の微細繊維状セルロース分散液であって、微細繊維状セルロースが均一に分散した微細繊維状セルロース分散液を得ることができる。According to the present invention, it is possible to obtain a high-concentration fine fibrous cellulose dispersion in which the fine fibrous cellulose is uniformly dispersed.
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。The present invention will be described in detail below. The following description of the components may be based on representative embodiments or specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments.
(繊維状セルロース)
本実施形態の繊維状セルロースは、繊維幅が1000nm以下であり、イオン性置換基を有する繊維状セルロースであって、繊維状セルロースの重合度は230以下であり、繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度が108mPa・s未満である、繊維状セルロースである。繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、107mPa・s以下であることが好ましく、100mPa・s以下であることがより好ましく、95mPa・s以下であることがさらに好ましい。なお、本明細書において、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを微細繊維状セルロースともいう。
(fibrous cellulose)
The fibrous cellulose of this embodiment is a fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less, an ionic substituent, a degree of polymerization of the fibrous cellulose of 230 or less, and a viscosity of the aqueous dispersion of the fibrous cellulose at 23° C. in a concentration of 0.5% by mass is less than 108 mPa·s. When the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 0.5% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is preferably 107 mPa·s or less, more preferably 100 mPa·s or less, and even more preferably 95 mPa·s or less. In this specification, fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less is also referred to as fine fibrous cellulose.
微細繊維状セルロース分散液(水分散液)の粘度はB型粘度計を用いて、23℃で、回転速度3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値である。B型粘度計としては、例えば、BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVTを用いることができる。なお、微細繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液に希釈した際には、ディスパーザーにて4000rpmで3分間撹拌した後、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて微細繊維状セルロース分散液の脱泡処理を行う。The viscosity of the fine fibrous cellulose dispersion (aqueous dispersion) is measured using a Brookfield viscometer at 23°C with a rotation speed of 3 rpm, and is the viscosity value 3 minutes after the start of measurement. As a Brookfield viscometer, for example, an analog viscometer T-LVT manufactured by BLOOKFIELD can be used. When the fine fibrous cellulose is diluted to a 0.5% by mass aqueous dispersion, it is stirred in a disperser at 4000 rpm for 3 minutes, and then the fine fibrous cellulose dispersion is degassed using a rotation-revolution type super mixer (ARE-250 manufactured by Thinky Corporation).
また、微細繊維状セルロースを6.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、500,000mPa・s以上であることが好ましく、700,000mPa・s以上であることがより好ましく、1,000,000mPa・s以上であることがさらに好ましく、1,500,000mPa・s以上であることが一層好ましく、1,800,000mPa・s以上であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースを6.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、10,000,000mPa・s以下であることが好ましく、7,500,000mPa・s以下であることがより好ましく、4,000,000mPa・s以下であることがさらに好ましく、3,500,000mPa・s以下であることが一層好ましく、3,100,000mPa・s以下であることがより一層好ましく、3,000,000mPa・s以下であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースを13.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、1,000,000mPa・s以上であることが好ましく、3,000,000mPa・s以上であることがより好ましく、5,000,000mPa・s以上であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースを13.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、50,000,000mPa・s以下であることが好ましく、30,000,000mPa・s以下であることがより好ましく、18,000,000mPa・s未満であることが特に好ましい。6.0質量%濃度の水分散液もしくは、13.0質量%濃度の水分散液の粘度はB型粘度計を用いて、23℃で、回転速度0.3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値である。B型粘度計としては、例えば、BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVTもしくはデジタル粘度計DV2Tを用いることができる。なお、微細繊維状セルロースを6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度の水分散液に調製した際には、ディスパーザーにて4000rpmで3分間撹拌した後、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて微細繊維状セルロース分散液の脱泡処理を行う。6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度の水分散液に調製する際には、6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度よりも高濃度の水分散液を得て、該水分散液を水で希釈することにより6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度の水分散液を得てもよい。Furthermore, when the fine fibrous cellulose is made into an aqueous dispersion having a concentration of 6.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23°C is preferably 500,000 mPa·s or more, more preferably 700,000 mPa·s or more, even more preferably 1,000,000 mPa·s or more, even more preferably 1,500,000 mPa·s or more, and particularly preferably 1,800,000 mPa·s or more. When the fine fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 6.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is preferably 10,000,000 mPa·s or less, more preferably 7,500,000 mPa·s or less, even more preferably 4,000,000 mPa·s or less, even more preferably 3,500,000 mPa·s or less, even more preferably 3,100,000 mPa·s or less, and particularly preferably 3,000,000 mPa·s or less. When the fine fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 13.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is preferably 1,000,000 mPa·s or more, more preferably 3,000,000 mPa·s or more, and particularly preferably 5,000,000 mPa·s or more. In addition, when the fine fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 13.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is preferably 50,000,000 mPa·s or less, more preferably 30,000,000 mPa·s or less, and particularly preferably less than 18,000,000 mPa·s. The viscosity of the aqueous dispersion at a concentration of 6.0% by mass or the aqueous dispersion at a concentration of 13.0% by mass is measured using a Brookfield viscometer at 23° C. with a rotation speed of 0.3 rpm, and is the viscosity value 3 minutes after the start of measurement. As the Brookfield viscometer, for example, an analog viscometer T-LVT or a digital viscometer DV2T manufactured by Brookfield can be used. When fine fibrous cellulose is prepared into an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass, the mixture is stirred for 3 minutes at 4000 rpm in a disperser, and then the fine fibrous cellulose dispersion is defoamed in a planetary centrifugal super mixer (ARE-250, manufactured by Thinky Corporation). When preparing an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass, an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass may be obtained by obtaining an aqueous dispersion having a concentration higher than 6.0% by mass or 13.0% by mass, and diluting the aqueous dispersion with water to obtain an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass.
従来技術においては、3.0質量%以上の高濃度の水分散液を得ることが困難であり、6.0質量%や13.0質量%といった高濃度の水分散液を得ること自体が不可能であった。また、従来技術において得られた微細繊維状セルロース分散液を濃縮するなどして6.0質量%や13.0質量%濃度の水分散液とした場合であっても、水分散液がゲル状となったり、水分散液に粒状物(繊維の凝集物)等が発生するなどして均一な水分散液を得ることができなかった。当然ながらこのような高濃度の水分散液においては、その粘度の測定は不可能であった。例えば、0.5~2.0質量%濃度の水分散液を解繊処理に施した後、加熱処理やエバポレーターで濃縮を行った場合、濃縮の過程で壁面に膜状物が発生するなどして、微細繊維状セルロースが均一に分散した6.0質量%以上の分散液を得ることはできない。このため、たとえ、0.5~2.0質量%濃度の水分散液の粘度が本実施形態における同濃度の水分散液の粘度と同等であったとしても、6.0質量%や13.0質量%といった高濃度の水分散液を得ることがそもそも不可能であり、6.0質量%や13.0質量%といった高濃度の水分散液において上記範囲内の粘度を有する分散液を得ることはできない。In the prior art, it was difficult to obtain an aqueous dispersion with a high concentration of 3.0% by mass or more, and it was impossible to obtain an aqueous dispersion with a high concentration of 6.0% by mass or 13.0% by mass. Even when the fine fibrous cellulose dispersion obtained in the prior art was concentrated to obtain an aqueous dispersion with a concentration of 6.0% by mass or 13.0% by mass, the aqueous dispersion became gel-like or granular matter (fiber aggregates) was generated in the aqueous dispersion, making it impossible to obtain a uniform aqueous dispersion. Naturally, it was impossible to measure the viscosity of such a high-concentration aqueous dispersion. For example, when an aqueous dispersion with a concentration of 0.5 to 2.0% by mass is subjected to a defibration process and then concentrated with a heat treatment or an evaporator, a film-like matter is generated on the wall surface during the concentration process, making it impossible to obtain a dispersion with a uniform dispersion of 6.0% by mass or more in which fine fibrous cellulose is dispersed. For this reason, even if the viscosity of an aqueous dispersion with a concentration of 0.5 to 2.0 mass % is equivalent to the viscosity of the aqueous dispersion with the same concentration in this embodiment, it is impossible to obtain an aqueous dispersion with a high concentration such as 6.0 mass % or 13.0 mass %, and it is not possible to obtain a dispersion having a viscosity within the above range in an aqueous dispersion with a high concentration such as 6.0 mass % or 13.0 mass %.
一方、本実施形態においては、微細繊維状セルロースの重合度を上記範囲内とし、さらに、0.5質量%濃度の水分散液とした場合の23℃における水分散液の粘度が上記範囲内となる微細繊維状セルロースを得ることにより、高濃度であり、かつ微細繊維状セルロースが均一に分散した微細繊維状セルロースの分散液を得ることに成功した。また、本実施形態においては、解繊処理に供するリン酸化パルプの分散液を高濃度とし、このような高濃度のパルプ分散液に解繊処理を施し、また、必要に応じて後述するような低分子化処理を併せて施すことで、微細繊維状セルロースを3.0質量%以上含む水分散液(例えば、6.0質量%や13.0質量%の水分散液)においてもその粘度を測定することが可能となり、高濃度分散液としては比較的低粘度の水分散液を得ることに成功した。On the other hand, in this embodiment, the degree of polymerization of the fine fibrous cellulose is set within the above range, and further, the viscosity of the aqueous dispersion at 23°C when the aqueous dispersion is made into a 0.5% by mass concentration is set within the above range, thereby successfully obtaining a dispersion of fine fibrous cellulose with high concentration and uniform dispersion of fine fibrous cellulose. In addition, in this embodiment, the dispersion of phosphorylated pulp to be subjected to the defibration treatment is made high concentration, and the defibration treatment is performed on such a high concentration pulp dispersion, and if necessary, a low molecular weight treatment is also performed in combination as described below. This makes it possible to measure the viscosity of an aqueous dispersion containing 3.0% or more by mass of fine fibrous cellulose (for example, an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass), and thus it is possible to successfully obtain an aqueous dispersion with a relatively low viscosity for a high concentration dispersion.
このように、本実施形態においては、微細繊維状セルロースを高濃度で含む分散液を得ることができる。このため、分散液の保管コストや輸送コストの大幅な削減が可能となる。さらに、本実施形態においては、微細繊維状セルロース分散液の生産効率を高めることもできる。In this manner, in this embodiment, a dispersion liquid containing a high concentration of fine fibrous cellulose can be obtained. This allows for a significant reduction in the storage and transportation costs of the dispersion liquid. Furthermore, in this embodiment, the production efficiency of the fine fibrous cellulose dispersion liquid can also be increased.
本実施形態において、繊維状セルロースの重合度は230以下であればよく、225以下であることが好ましく、220以下であることがより好ましく、215以下であることがさらに好ましく、210以下であることが特に好ましい。なお、繊維状セルロースの重合度は100以上であることが好ましく、150以上であることがより好ましく、160以上であることがさらに好ましく、170以上であることが特に好ましい。In this embodiment, the degree of polymerization of the fibrous cellulose may be 230 or less, preferably 225 or less, more preferably 220 or less, even more preferably 215 or less, and particularly preferably 210 or less. The degree of polymerization of the fibrous cellulose is preferably 100 or more, more preferably 150 or more, even more preferably 160 or more, and particularly preferably 170 or more.
微細繊維状セルロースの重合度は、Tappi T230に従い測定されたパルプ粘度から計算した値である。具体的には、測定対象の微細繊維状セルロースを、銅エチレンジアミン水溶液に分散させて測定した粘度(η1とする)、及び分散媒体のみで測定したブランク粘度(η0とする)を測定したのち、比粘度(ηsp)、固有粘度([η])を下記式に従って測定する。
ηsp=(η1/η0)-1
[η]=ηsp/(c(1+0.28×ηsp))
ここで、式中のcは、粘度測定時の微細繊維状セルロースの濃度を示す。
さらに、下記式から重合度(DP)を算出する。
DP=1.75×[η]
この重合度は粘度法によって測定された平均重合度であることから、「粘度平均重合度」と称されることもある。
The degree of polymerization of the fine fibrous cellulose is a value calculated from the pulp viscosity measured according to Tappi T 230. Specifically, the fine fibrous cellulose to be measured is dispersed in an aqueous copper ethylenediamine solution to measure the viscosity (referred to as η1), and the blank viscosity (referred to as η0) is measured using only the dispersion medium, and then the specific viscosity (ηsp) and intrinsic viscosity ([η]) are measured according to the following formulas.
ηsp=(η1/η0)-1
[η]=ηsp/(c(1+0.28×ηsp))
Here, c in the formula represents the concentration of the fine fibrous cellulose at the time of viscosity measurement.
Furthermore, the degree of polymerization (DP) is calculated from the following formula.
DP=1.75×[η]
Since this degree of polymerization is an average degree of polymerization measured by a viscosity method, it is sometimes called the "viscosity average degree of polymerization."
本実施形態においては、微細繊維状セルロースの重合度を上記範囲内とし、さらに、0.5質量%濃度の水分散液とした場合の23℃における水分散液の粘度が上記範囲内となる微細繊維状セルロースを得ることにより、高濃度の微細繊維状セルロース分散液であって、かつ微細繊維状セルロースが均一に分散した微細繊維状セルロース分散液を得ることができる。このような高濃度の微細繊維状セルロース分散液は種々の用途に好ましく用いられる。例えば、シート形成用途や補強材用途、塗料用途に好ましく用いられ、特に、透明性が求められる用途に好ましく用いられる。In this embodiment, the degree of polymerization of the fine fibrous cellulose is set within the above range, and further, by obtaining fine fibrous cellulose having a viscosity of 0.5% by mass in aqueous dispersion at 23°C within the above range, it is possible to obtain a high-concentration fine fibrous cellulose dispersion in which the fine fibrous cellulose is uniformly dispersed. Such a high-concentration fine fibrous cellulose dispersion is preferably used for various applications. For example, it is preferably used for sheet formation, reinforcing material, and coating applications, and is particularly preferably used for applications requiring transparency.
本実施形態においては、高濃度の微細繊維状セルロース分散液を得ることができる。例えば、微細繊維状セルロース分散液の濃度は、3.0質量%以上であることが好ましく、4.0質量%以上であることがより好ましく、5.0質量%以上であることがさらに好ましく、6.0質量%以上であることが一層好ましく、10.0質量%以上であることが特に好ましい。なお、本明細書において、微細繊維状セルロース分散液の濃度とは、微細繊維状セルロース分散液の全質量に対する微細繊維状セルロースの含有量を言う。また、本明細書においては、分散液の全質量に対して微細繊維状セルロースを3.0質量%以上含む分散液(すなわち、微細繊維状セルロース分散液濃度が3.0質量%以上の分散液)を高濃度の微細繊維状セルロース分散液と言う。In this embodiment, a high concentration of fine fibrous cellulose dispersion can be obtained. For example, the concentration of the fine fibrous cellulose dispersion is preferably 3.0% by mass or more, more preferably 4.0% by mass or more, even more preferably 5.0% by mass or more, even more preferably 6.0% by mass or more, and particularly preferably 10.0% by mass or more. In this specification, the concentration of the fine fibrous cellulose dispersion refers to the content of fine fibrous cellulose relative to the total mass of the fine fibrous cellulose dispersion. In addition, in this specification, a dispersion containing 3.0% by mass or more of fine fibrous cellulose relative to the total mass of the dispersion (i.e., a dispersion having a fine fibrous cellulose dispersion concentration of 3.0% by mass or more) is referred to as a high concentration fine fibrous cellulose dispersion.
本実施形態の微細繊維状セルロースを水等の溶媒に分散させて得られる高濃度の微細繊維状セルロース分散液中において、微細繊維状セルロースは均一に分散している。このため、高濃度の微細繊維状セルロース分散液は高透明である。例えば、微細繊維状セルロースを水等の溶媒に分散させて6.0質量%の高濃度分散液とした場合、分散液中に微細繊維状セルロースが分散するため、微細繊維状セルロースを目視で確認することができない。このような場合に、高濃度の微細繊維状セルロース分散液中において、微細繊維状セルロースは均一に分散していると評価できる。また、このような場合、高濃度の微細繊維状セルロース分散液は白濁することがなく、半透明もしくは透明である。In the high-concentration fine fibrous cellulose dispersion obtained by dispersing the fine fibrous cellulose of this embodiment in a solvent such as water, the fine fibrous cellulose is uniformly dispersed. Therefore, the high-concentration fine fibrous cellulose dispersion is highly transparent. For example, when fine fibrous cellulose is dispersed in a solvent such as water to obtain a high-concentration dispersion of 6.0 mass%, the fine fibrous cellulose is dispersed in the dispersion, so that the fine fibrous cellulose cannot be visually confirmed. In such a case, it can be evaluated that the fine fibrous cellulose is uniformly dispersed in the high-concentration fine fibrous cellulose dispersion. In addition, in such a case, the high-concentration fine fibrous cellulose dispersion is not clouded, but is translucent or transparent.
本実施形態の繊維状セルロースは、繊維幅が1000nm以下である微細繊維状セルロースである。繊維状セルロースの繊維幅は100nm以下であることがより好ましく、8nm以下であることがさらに好ましい。The fibrous cellulose of this embodiment is fine fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less. The fiber width of the fibrous cellulose is more preferably 100 nm or less, and even more preferably 8 nm or less.
繊維状セルロースの繊維幅は、たとえば電子顕微鏡観察などにより測定することが可能である。繊維状セルロースの平均繊維幅は、たとえば1000nm以下である。繊維状セルロースの平均繊維幅は、たとえば2nm以上1000nm以下であることが好ましく、2nm以上100nm以下であることがより好ましく、2nm以上50nm以下であることがさらに好ましく、2nm以上10nm以下であることが特に好ましい。繊維状セルロースの平均繊維幅を2nm以上とすることにより、セルロース分子として水に溶解することを抑制し、繊維状セルロースによる強度や剛性、寸法安定性の向上という効果をより発現しやすくすることができる。なお、繊維状セルロースは、たとえば単繊維状のセルロースである。The fiber width of fibrous cellulose can be measured, for example, by observation under an electron microscope. The average fiber width of fibrous cellulose is, for example, 1000 nm or less. The average fiber width of fibrous cellulose is, for example, preferably 2 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 2 nm or more and 100 nm or less, even more preferably 2 nm or more and 50 nm or less, and particularly preferably 2 nm or more and 10 nm or less. By making the average fiber width of
繊維状セルロースの平均繊維幅は、たとえば電子顕微鏡を用いて以下のようにして測定される。まず、濃度0.05質量%以上0.1質量%以下の繊維状セルロースの水系懸濁液を調製し、この懸濁液を親水化処理したカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。幅の広い繊維を含む場合には、ガラス上にキャストした表面のSEM像を観察してもよい。次いで、観察対象となる繊維の幅に応じて1000倍、5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。但し、試料、観察条件や倍率は下記の条件を満たすように調整する。The average fiber width of fibrous cellulose is measured, for example, using an electron microscope as follows. First, an aqueous suspension of fibrous cellulose with a concentration of 0.05% by mass to 0.1% by mass is prepared, and this suspension is cast onto a hydrophilically treated carbon film-coated grid to prepare a sample for TEM observation. If the sample contains wide fibers, an SEM image of the surface cast onto glass may be observed. Next, the electron microscope image is observed at a magnification of 1000x, 5000x, 10000x, or 50000x depending on the width of the fiber to be observed. However, the sample, observation conditions, and magnification are adjusted to satisfy the following conditions.
(1)観察画像内の任意箇所に一本の直線Xを引き、該直線Xに対し、20本以上の繊維が交差する。
(2)同じ画像内で該直線と垂直に交差する直線Yを引き、該直線Yに対し、20本以上の繊維が交差する。
(1) A straight line X is drawn at an arbitrary location within the observed image, and 20 or more fibers intersect with the straight line X.
(2) Within the same image, a straight line Y is drawn that intersects the straight line perpendicularly, and 20 or more fibers intersect the straight line Y.
上記条件を満足する観察画像に対し、直線X、直線Yと交差する繊維の幅を目視で読み取る。このようにして、少なくとも互いに重なっていない表面部分の観察画像を3組以上得る。次いで、各画像に対して、直線X、直線Yと交差する繊維の幅を読み取る。これにより、少なくとも20本×2×3=120本の繊維幅を読み取る。そして、読み取った繊維幅の平均値を、繊維状セルロースの平均繊維幅とする。For observation images that satisfy the above conditions, the width of the fibers that intersect with lines X and Y is visually read. In this way, three or more sets of observation images of at least the surface portions that do not overlap each other are obtained. Next, for each image, the width of the fibers that intersect with lines X and Y is read. In this way, the width of at least 20 fibers x 2 x 3 = 120 fibers is read. The average of the read fiber widths is then determined as the average fiber width of the fibrous cellulose.
繊維状セルロースの繊維長は、特に限定されないが、たとえば0.1μm以上1000μm以下であることが好ましく、0.1μm以上800μm以下であることがより好ましく、0.1μm以上600μm以下であることがさらに好ましい。繊維長を上記範囲内とすることにより、繊維状セルロースの結晶領域の破壊を抑制できる。また、繊維状セルロースのスラリー粘度を適切な範囲とすることも可能となる。なお、繊維状セルロースの繊維長は、たとえばTEM、SEM、AFMによる画像解析より求めることができる。The fiber length of the fibrous cellulose is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm or more and 1000 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 800 μm or less, and even more preferably 0.1 μm or more and 600 μm or less. By setting the fiber length within the above range, destruction of the crystalline region of the fibrous cellulose can be suppressed. It is also possible to set the slurry viscosity of the fibrous cellulose to an appropriate range. The fiber length of the fibrous cellulose can be determined, for example, by image analysis using TEM, SEM, or AFM.
繊維状セルロースはI型結晶構造を有していることが好ましい。ここで、繊維状セルロースがI型結晶構造を有することは、グラファイトで単色化したCuKα(λ=1.5418Å)を用いた広角X線回折写真より得られる回折プロファイルにおいて同定できる。具体的には、2θ=14°以上17°以下付近と2θ=22°以上23°以下付近の2箇所の位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。微細繊維状セルロースに占めるI型結晶構造の割合は、たとえば30%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。これにより、耐熱性と低線熱膨張率発現の点でさらに優れた性能が期待できる。結晶化度については、X線回折プロファイルを測定し、そのパターンから常法により求められる(Seagalら、Textile Research Journal、29巻、786ページ、1959年)。It is preferable that the fibrous cellulose has an I-type crystal structure. Here, the fact that the fibrous cellulose has an I-type crystal structure can be identified from the diffraction profile obtained from a wide-angle X-ray diffraction photograph using CuKα (λ = 1.5418 Å) monochromatized with graphite. Specifically, it can be identified from the presence of typical peaks at two positions, around 2θ = 14° to 17° and around 2θ = 22° to 23°. The proportion of I-type crystal structure in the fine fibrous cellulose is, for example, preferably 30% or more, more preferably 40% or more, and even more preferably 50% or more. This can be expected to provide even better performance in terms of heat resistance and low linear thermal expansion coefficient. The degree of crystallinity is determined by measuring the X-ray diffraction profile and using the pattern in a conventional manner (Seagal et al., Textile Research Journal, Vol. 29, p. 786, 1959).
繊維状セルロースの軸比(繊維長/繊維幅)は、特に限定されないが、たとえば20以上10000以下であることが好ましく、50以上1000以下であることがより好ましい。なお、本明細書において、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロース(微細繊維状セルロース)は、セルロースナノファイバー(CNF)であり、繊維状セルロース(微細繊維状セルロース)にはセルロースナノクリスタル(CNC)は含まれないものとする。セルロースナノクリスタル(CNC)の軸比(繊維長/繊維幅)は通常10以上30以下程度である。また、繊維状セルロースの軸比を上記下限値以上とすることにより、たとえば繊維状セルロースを水分散液として扱う際に、希釈等のハンドリングがしやすくなる点で好ましい。The axial ratio (fiber length/fiber width) of fibrous cellulose is not particularly limited, but is preferably 20 to 10,000, more preferably 50 to 1,000. In this specification, fibrous cellulose (fine fibrous cellulose) with a fiber width of 1,000 nm or less is cellulose nanofiber (CNF), and fibrous cellulose (fine fibrous cellulose) does not include cellulose nanocrystal (CNC). The axial ratio (fiber length/fiber width) of cellulose nanocrystal (CNC) is usually about 10 to 30. In addition, by setting the axial ratio of fibrous cellulose to the above lower limit or more, it is preferable in that, for example, when handling fibrous cellulose as an aqueous dispersion, dilution and other handling are made easier.
本実施形態における繊維状セルロースは、たとえば結晶領域と非結晶領域をともに有している。結晶領域と非結晶領域をともに有し、かつ軸比が上記範囲内にある微細繊維状セルロースは、後述する微細繊維状セルロースの製造方法により実現されるものである。The fibrous cellulose in this embodiment has, for example, both crystalline and non-crystalline regions. Fine fibrous cellulose having both crystalline and non-crystalline regions and an axial ratio within the above range is realized by the method for producing fine fibrous cellulose described below.
本実施形態の繊維状セルロースは、イオン性置換基を有する。イオン性置換基としては、たとえばアニオン性基およびカチオン性基のいずれか一方または双方を含むことができる。本実施形態においては、イオン性置換基としてアニオン性基を有することが特に好ましい。また、イオン性置換基は、エステル結合を解して繊維状セルロースに連結する基であることが好ましい。この場合、エステル結合は、繊維状セルロースとイオン性置換基となる化合物の脱水縮合で形成される。The fibrous cellulose of this embodiment has an ionic substituent. The ionic substituent may include, for example, either one or both of an anionic group and a cationic group. In this embodiment, it is particularly preferable that the ionic substituent has an anionic group. In addition, it is preferable that the ionic substituent is a group that is linked to the fibrous cellulose through an ester bond. In this case, the ester bond is formed by dehydration condensation of the fibrous cellulose and the compound that becomes the ionic substituent.
イオン性置換基としてのアニオン性基としては、たとえばリンオキソ酸基またはリンオキソ酸基に由来する置換基(単にリンオキソ酸基ということもある)、カルボキシ基またはカルボキシ基に由来する置換基(単にカルボキシ基ということもある)、および硫黄オキソ酸基または硫黄オキソ酸基に由来する置換基(単に硫黄オキソ酸基ということもある)から選択される少なくとも1種であることが好ましく、リンオキソ酸基およびカルボキシ基から選択される少なくとも1種であることがより好ましく、リンオキソ酸基であることが特に好ましい。繊維状セルロースにリンオキソ酸基を導入することで、高濃度分散液とした場合に分散液の透明性をより効果的に高めることができる。また、繊維状セルロースにリンオキソ酸基を導入することで、繊維状セルロースの耐塩性を向上させることもできる。 The anionic group as the ionic substituent is preferably at least one selected from, for example, a phosphorus oxo acid group or a substituent derived from a phosphorus oxo acid group (sometimes simply referred to as a phosphorus oxo acid group), a carboxy group or a substituent derived from a carboxy group (sometimes simply referred to as a carboxy group), and a sulfur oxo acid group or a substituent derived from a sulfur oxo acid group (sometimes simply referred to as a sulfur oxo acid group), more preferably at least one selected from a phosphorus oxo acid group and a carboxy group, and particularly preferably a phosphorus oxo acid group. By introducing a phosphorus oxo acid group into fibrous cellulose, the transparency of the dispersion can be more effectively increased when a high-concentration dispersion is prepared. In addition, by introducing a phosphorus oxo acid group into fibrous cellulose, the salt resistance of the fibrous cellulose can also be improved.
リンオキソ酸基又はリンオキソ酸基に由来する置換基は、例えば下記式(1)で表される置換基である。各繊維状セルロースには、下記式(1)で表される置換基が複数種導入されていてもよい。この場合、複数導入される下記式(1)で表される置換基はそれぞれ同一であっても異なっていてもよい。The phosphorus oxoacid group or the substituent derived from the phosphorus oxoacid group is, for example, a substituent represented by the following formula (1). A plurality of types of the substituent represented by the following formula (1) may be introduced into each fibrous cellulose. In this case, the plurality of introduced substituents represented by the following formula (1) may be the same or different.
式(1)中、a、bおよびnは自然数であり、mは任意の数である(ただし、a=b×mである)。n個あるαおよびα’のうち少なくとも1つはO-であり、残りはR又はORである。なお、各αおよびα’の全てがO-であっても構わない。n個あるαは全て同じでも、それぞれ異なっていてもよい。βb+は有機物又は無機物からなる1価以上の陽イオンである。 In formula (1), a, b, and n are natural numbers, and m is an arbitrary number (wherein a=b×m). At least one of the n α and α' is O- , and the rest are R or OR. All of the α and α' may be O- . The n α may be the same or different. β b+ is a monovalent or higher cation made of an organic or inorganic substance.
Rは、各々、水素原子、飽和-直鎖状炭化水素基、飽和-分岐鎖状炭化水素基、飽和-環状炭化水素基、不飽和-直鎖状炭化水素基、不飽和-分岐鎖状炭化水素基、不飽和-環状炭化水素基、芳香族基、またはこれらの誘導基である。また、式(1)においては、nは1であることが好ましい。Each R is a hydrogen atom, a saturated linear hydrocarbon group, a saturated branched hydrocarbon group, a saturated cyclic hydrocarbon group, an unsaturated linear hydrocarbon group, an unsaturated branched hydrocarbon group, an unsaturated cyclic hydrocarbon group, an aromatic group, or a derivative thereof. In formula (1), n is preferably 1.
飽和-直鎖状炭化水素基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、又はn-ブチル基等が挙げられるが、特に限定されない。飽和-分岐鎖状炭化水素基としては、i-プロピル基、又はt-ブチル基等が挙げられるが、特に限定されない。飽和-環状炭化水素基としては、シクロペンチル基、又はシクロヘキシル基等が挙げられるが、特に限定されない。不飽和-直鎖状炭化水素基としては、ビニル基、又はアリル基等が挙げられるが、特に限定されない。不飽和-分岐鎖状炭化水素基としては、i-プロペニル基、又は3-ブテニル基等が挙げられるが、特に限定されない。不飽和-環状炭化水素基としては、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基等が挙げられるが、特に限定されない。芳香族基としては、フェニル基、又はナフチル基等が挙げられるが、特に限定されない。Examples of saturated linear hydrocarbon groups include, but are not limited to, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl groups. Examples of saturated branched hydrocarbon groups include, but are not limited to, i-propyl or t-butyl groups. Examples of saturated cyclic hydrocarbon groups include, but are not limited to, cyclopentyl or cyclohexyl groups. Examples of unsaturated linear hydrocarbon groups include, but are not limited to, vinyl or allyl groups. Examples of unsaturated branched hydrocarbon groups include, but are not limited to, i-propenyl or 3-butenyl groups. Examples of unsaturated cyclic hydrocarbon groups include, but are not limited to, cyclopentenyl or cyclohexenyl groups. Examples of aromatic groups include, but are not limited to, phenyl or naphthyl groups.
また、Rにおける誘導基としては、上記各種炭化水素基の主鎖又は側鎖に対し、カルボキシ基、カルボキシレート基(-COO-)、ヒドロキシ基、アミノ基及びアンモニウム基などの官能基から選択される少なくとも1種類が付加又は置換した状態の官能基が挙げられるが、特に限定されない。また、Rの主鎖を構成する炭素原子数は特に限定されないが、20以下であることが好ましく、10以下であることがより好ましい。Rの主鎖を構成する炭素原子数を上記範囲とすることにより、リンオキソ酸基の分子量を適切な範囲とすることができ、繊維原料への浸透を容易にし、微細セルロース繊維の収率を高めることもできる。なお、式(1)中にRが複数個存在する場合や繊維状セルロースに上記式(1)で表される複数種の置換基が導入される場合には、複数存在するRはそれぞれ同一であっても異なっていてもよい。 In addition, examples of the derivative group in R include, but are not limited to, functional groups in which at least one selected from functional groups such as a carboxy group, a carboxylate group ( -COO- ), a hydroxy group, an amino group, and an ammonium group is added to or substituted for the main chain or side chain of the above-mentioned various hydrocarbon groups. In addition, the number of carbon atoms constituting the main chain of R is not particularly limited, but is preferably 20 or less, and more preferably 10 or less. By setting the number of carbon atoms constituting the main chain of R within the above range, the molecular weight of the phosphorus oxoacid group can be set to an appropriate range, which facilitates penetration into the fiber raw material and increases the yield of fine cellulose fiber. Note that when there are multiple R in formula (1) or when multiple types of substituents represented by the above formula (1) are introduced into the fibrous cellulose, the multiple R present may be the same or different.
βb+は有機物又は無機物からなる1価以上の陽イオンである。有機物からなる1価以上の陽イオンとしては、有機オニウムイオンを挙げることができる。有機オニウムイオンとしては、例えば、有機アンモニウムイオンや有機ホスホニウムイオンを挙げることができる。有機アンモニウムイオンとしては、例えば、脂肪族アンモニウムイオンや芳香族アンモニウムイオンを挙げることができ、有機ホスホニウムイオンとしては、例えば、脂肪族ホスホニウムイオンや芳香族ホスホニウムイオンを挙げることができる。無機物からなる1価以上の陽イオンとしては、ナトリウム、カリウム、若しくはリチウム等のアルカリ金属のイオンや、カルシウム、若しくはマグネシウム等の2価金属のイオン、水素イオン、アンモニウムイオン等が挙げられる。なお、式(1)中にβb+が複数個存在する場合や繊維状セルロースに上記式(1)で表される複数種の置換基が導入される場合には、複数存在するβb+はそれぞれ同一であっても異なっていてもよい。有機物又は無機物からなる1価以上の陽イオンとしては、βb+を含む繊維原料を加熱した際に黄変しにくく、また工業的に利用し易いナトリウム、又はカリウムのイオンが好ましいが、特に限定されない。 β b+ is a monovalent or higher cation made of an organic or inorganic substance. As the monovalent or higher cation made of an organic substance, an organic onium ion can be mentioned. As the organic onium ion, for example, an organic ammonium ion or an organic phosphonium ion can be mentioned. As the organic ammonium ion, for example, an aliphatic ammonium ion or an aromatic ammonium ion can be mentioned, and as the organic phosphonium ion, for example, an aliphatic phosphonium ion or an aromatic phosphonium ion can be mentioned. As the monovalent or higher cation made of an inorganic substance, an ion of an alkali metal such as sodium, potassium, or lithium, an ion of a divalent metal such as calcium or magnesium, a hydrogen ion, an ammonium ion, etc. can be mentioned. In addition, when there are multiple β b+ in the formula (1) or when multiple types of substituents represented by the above formula (1) are introduced into the fibrous cellulose, the multiple β b + may be the same or different. As the monovalent or higher cation made of an organic or inorganic substance, sodium or potassium ions are preferable because they are less likely to yellow when a fiber raw material containing β b+ is heated and are easy to use industrially, but are not particularly limited.
リンオキソ酸基又はリンオキソ酸基に由来する置換基としては、より具体的には、リン酸基(-PO3H2)、リン酸基の塩、亜リン酸基(ホスホン酸基)(-PO2H2)、亜リン酸基(ホスホン酸基)の塩が挙げられる。また、リンオキソ酸基又はリンオキソ酸基に由来する置換基は、リン酸基が縮合した基(例えば、ピロリン酸基)、ホスホン酸が縮合した基(例えば、ポリホスホン酸基)、リン酸エステル基(例えば、モノメチルリン酸基、ポリオキシエチレンアルキルリン酸基)、アルキルホスホン酸基(例えば、メチルホスホン酸基)などであってもよい。 More specifically, examples of the phosphorus oxoacid group or a substituent derived from a phosphorus oxoacid group include a phosphate group (-PO 3 H 2 ), a salt of a phosphate group, a phosphorous acid group (phosphonic acid group) (-PO 2 H 2 ), and a salt of a phosphite group (phosphonic acid group). In addition, the phosphorus oxoacid group or a substituent derived from a phosphorus oxoacid group may be a group in which a phosphate group is condensed (e.g., a pyrophosphate group), a group in which a phosphonic acid is condensed (e.g., a polyphosphonic acid group), a phosphate ester group (e.g., a monomethyl phosphate group, a polyoxyethylene alkyl phosphate group), an alkyl phosphonic acid group (e.g., a methylphosphonic acid group), etc.
また、硫黄オキソ酸基(硫黄オキソ酸基又は硫黄オキソ酸基に由来する置換基)は、例えば下記式(2)で表される置換基である。各繊維状セルロースには、下記式(2)で表される置換基が複数種導入されていてもよい。この場合、複数導入される下記式(2)で表される置換基はそれぞれ同一であっても異なっていてもよい。 The sulfur oxoacid group (sulfur oxoacid group or a substituent derived from a sulfur oxoacid group) is, for example, a substituent represented by the following formula (2). A plurality of substituents represented by the following formula (2) may be introduced into each fibrous cellulose. In this case, the plurality of introduced substituents represented by the following formula (2) may be the same or different.
上記構造式中、bおよびnは自然数であり、pは0または1であり、mは任意の数である(ただし、1=b×mである)。なお、nが2以上である場合、複数あるpは同一の数であってもよく、異なる数であってもよい。上記構造式中、βb+は有機物または無機物からなる1価以上の陽イオンである。有機物からなる1価以上の陽イオンとしては、有機オニウムイオンを挙げることができる。有機オニウムイオンとしては、例えば、有機アンモニウムイオンや有機ホスホニウムイオンを挙げることができる。有機アンモニウムイオンとしては、例えば、脂肪族アンモニウムイオンや芳香族アンモニウムイオンを挙げることができ、有機ホスホニウムイオンとしては、例えば、脂肪族ホスホニウムイオンや芳香族ホスホニウムイオンを挙げることができる。無機物からなる1価以上の陽イオンとしては、ナトリウム、カリウム、若しくはリチウム等のアルカリ金属のイオンや、カルシウム、若しくはマグネシウム等の2価金属のイオン、水素イオン、アンモニウムイオン等が挙げられる。なお、繊維状セルロースに上記式(2)で表される複数種の置換基が導入される場合には、複数存在するβb+はそれぞれ同一であっても異なっていてもよい。有機物又は無機物からなる1価以上の陽イオンとしては、βb+を含む繊維原料を加熱した際に黄変しにくく、また工業的に利用し易いナトリウム、又はカリウムのイオンが好ましいが、特に限定されない。 In the above structural formula, b and n are natural numbers, p is 0 or 1, and m is an arbitrary number (wherein 1=b×m). When n is 2 or more, the multiple p's may be the same number or different numbers. In the above structural formula, β b+ is a monovalent or higher cation made of an organic or inorganic substance. Examples of the monovalent or higher cation made of an organic substance include organic onium ions. Examples of the organic onium ions include organic ammonium ions and organic phosphonium ions. Examples of the organic ammonium ions include aliphatic ammonium ions and aromatic ammonium ions, and examples of the organic phosphonium ions include aliphatic phosphonium ions and aromatic phosphonium ions. Examples of the monovalent or higher cation made of an inorganic substance include ions of alkali metals such as sodium, potassium, or lithium, ions of divalent metals such as calcium or magnesium, hydrogen ions, ammonium ions, etc. In addition, when multiple types of substituents represented by the above formula (2) are introduced into the fibrous cellulose, the multiple β b+ present may be the same or different. As the organic or inorganic cation having a valence of one or more, sodium or potassium ions are preferred, which are less likely to yellow when the fiber raw material containing β b+ is heated and are easy to use industrially, but are not particularly limited.
繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量は、たとえば繊維状セルロース1g(質量)あたり0.10mmol/g以上であることが好ましく、0.20mmol/g以上であることがより好ましく、0.40mmol/g以上であることがさらに好ましく、0.60mmol/g以上であることが一層好ましく、0.90mmol/g以上であることがより一層好ましく、1.00mmol/g以上であることが特に好ましい。とりわけ、繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量が1.00mmol/g以上である場合、解繊時の負荷を低減でき、得られる微細繊維状セルロース分散液やシートの透明性がより高まる。また、繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量が1.00mmol/g以上である場合、繊維状セルロースの耐塩性を向上させることもできる。また、繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量は、たとえば繊維状セルロース1g(質量)あたり5.20mmol/g以下であることが好ましく、3.65mmol/g以下であることがより好ましく、3.00mmol/g以下であることがさらに好ましく、2.50mmol/g以下であることが一層好ましく、2.00mmol/g以下であることがより一層好ましく、1.50mmol/g以下であることが特に好ましい。ここで、単位mmol/gにおける分母は、イオン性置換基の対イオンが水素イオン(H+)であるときの繊維状セルロースの質量を示す。イオン性置換基の導入量を上記範囲内とすることにより、繊維原料の微細化を容易とすることができ、繊維状セルロースの安定性を高めることが可能となる。また、イオン性置換基の導入量を上記範囲内とすることにより、高濃度であり、かつ高透明な微細繊維状セルロース分散液が得られやすくなる。 The amount of ionic substituent introduced into fibrous cellulose is, for example, preferably 0.10 mmol/g or more per 1 g (mass) of fibrous cellulose, more preferably 0.20 mmol/g or more, even more preferably 0.40 mmol/g or more, even more preferably 0.60 mmol/g or more, even more preferably 0.90 mmol/g or more, and particularly preferably 1.00 mmol/g or more. In particular, when the amount of ionic substituent introduced into fibrous cellulose is 1.00 mmol/g or more, the load during defibration can be reduced, and the transparency of the resulting fine fibrous cellulose dispersion or sheet is further increased. In addition, when the amount of ionic substituent introduced into fibrous cellulose is 1.00 mmol/g or more, the salt resistance of fibrous cellulose can also be improved. In addition, the amount of ionic substituent introduced into the fibrous cellulose is preferably 5.20 mmol/g or less per 1 g (mass) of fibrous cellulose, more preferably 3.65 mmol/g or less, even more preferably 3.00 mmol/g or less, even more preferably 2.50 mmol/g or less, even more preferably 2.00 mmol/g or less, and particularly preferably 1.50 mmol/g or less. Here, the denominator in the unit mmol/g indicates the mass of the fibrous cellulose when the counter ion of the ionic substituent is a hydrogen ion (H + ). By setting the amount of ionic substituent introduced within the above range, it is possible to easily fine the fiber raw material and to increase the stability of the fibrous cellulose. In addition, by setting the amount of ionic substituent introduced within the above range, it is easy to obtain a highly concentrated and highly transparent fine fibrous cellulose dispersion.
繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量は、たとえば中和滴定法により測定することができる。中和滴定法による測定では、得られた繊維状セルロースを含有するスラリーに、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリを加えながらpHの変化を求めることにより、導入量を測定する。The amount of ionic substituents introduced into fibrous cellulose can be measured, for example, by neutralization titration. In the measurement by neutralization titration, an alkali such as an aqueous sodium hydroxide solution is added to a slurry containing the obtained fibrous cellulose, and the amount introduced is measured by determining the change in pH.
図1は、リンオキソ酸基を有する繊維状セルロース含有スラリーに対するNaOH滴下量とpHの関係を示すグラフである。繊維状セルロースに対するリンオキソ酸基の導入量は、たとえば次のように測定される。
まず、繊維状セルロースを含有するスラリーを強酸性イオン交換樹脂で処理する。なお、必要に応じて、強酸性イオン交換樹脂による処理の前に、後述の解繊処理工程と同様の解繊処理を測定対象に対して実施してもよい。
次いで、水酸化ナトリウム水溶液を加えながらpHの変化を観察し、図1の上側部に示すような滴定曲線を得る。図1の上側部に示した滴定曲線では、アルカリを加えた量に対して測定したpHをプロットしており、図1の下側部に示した滴定曲線では、アルカリを加えた量に対するpHの増分(微分値)(1/mmol)をプロットしている。この中和滴定では、アルカリを加えた量に対して測定したpHをプロットした曲線において、増分(pHのアルカリ滴下量に対する微分値)が極大となる点が二つ確認される。これらのうち、アルカリを加えはじめて先に得られる増分の極大点を第1終点と呼び、次に得られる増分の極大点を第2終点と呼ぶ。滴定開始から第1終点までに必要としたアルカリ量が、滴定に使用したスラリー中に含まれる繊維状セルロースの第1解離酸量と等しくなり、第1終点から第2終点までに必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中に含まれる繊維状セルロースの第2解離酸量と等しくなり、滴定開始から第2終点までに必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中に含まれる繊維状セルロースの総解離酸量と等しくなる。そして、滴定開始から第1終点までに必要としたアルカリ量を滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して得られる値が、リンオキソ酸基導入量(mmol/g)となる。なお、単にリンオキソ酸基導入量(またはリンオキソ酸基量)と言った場合は、第1解離酸量のことを表す。
なお、図1において、滴定開始から第1終点までの領域を第1領域と呼び、第1終点から第2終点までの領域を第2領域と呼ぶ。例えば、リンオキソ酸基がリン酸基の場合であって、このリン酸基が縮合を起こす場合、見かけ上、リンオキソ酸基における弱酸性基量(本明細書では第2解離酸量ともいう)が低下し、第1領域に必要としたアルカリ量と比較して第2領域に必要としたアルカリ量が少なくなる。一方、リンオキソ酸基における強酸性基量(本明細書では第1解離酸量ともいう)は、縮合の有無に関わらずリン原子の量と一致する。また、リンオキソ酸基が亜リン酸基の場合は、リンオキソ酸基に弱酸性基が存在しなくなるため、第2領域に必要としたアルカリ量が少なくなるか、第2領域に必要としたアルカリ量はゼロとなる場合もある。この場合、滴定曲線において、pHの増分が極大となる点は一つとなる。
1 is a graph showing the relationship between the amount of NaOH dropped onto a slurry containing fibrous cellulose having phosphorus oxo acid groups and pH. The amount of phosphorus oxo acid groups introduced into the fibrous cellulose is measured, for example, as follows.
First, a slurry containing fibrous cellulose is treated with a strongly acidic ion exchange resin. If necessary, the measurement target may be subjected to a defibration treatment similar to the defibration treatment step described below prior to the treatment with the strongly acidic ion exchange resin.
Next, the change in pH is observed while adding the aqueous sodium hydroxide solution, and a titration curve as shown in the upper part of Figure 1 is obtained. In the titration curve shown in the upper part of Figure 1, the measured pH is plotted against the amount of alkali added, and in the titration curve shown in the lower part of Figure 1, the increment (differential value) (1/mmol) of pH against the amount of alkali added is plotted. In this neutralization titration, two points are confirmed in the curve plotting the measured pH against the amount of alkali added, where the increment (differential value of pH against the amount of alkali added) is maximum. Of these, the first maximum point of the increment obtained after starting to add the alkali is called the first endpoint, and the second maximum point of the increment obtained next is called the second endpoint. The amount of alkali required from the start of titration to the first end point is equal to the amount of the first dissociated acid of the fibrous cellulose contained in the slurry used for titration, the amount of alkali required from the first end point to the second end point is equal to the amount of the second dissociated acid of the fibrous cellulose contained in the slurry used for titration, and the amount of alkali required from the start of titration to the second end point is equal to the total amount of dissociated acid of the fibrous cellulose contained in the slurry used for titration. The value obtained by dividing the amount of alkali required from the start of titration to the first end point by the solid content (g) in the slurry to be titrated is the amount of phosphorus oxo acid group introduced (mmol/g). Note that when simply referring to the amount of phosphorus oxo acid group introduced (or the amount of phosphorus oxo acid group), it refers to the amount of the first dissociated acid.
In FIG. 1, the region from the start of titration to the first end point is called the first region, and the region from the first end point to the second end point is called the second region. For example, when the phosphorus oxoacid group is a phosphate group and this phosphate group undergoes condensation, the amount of weak acid groups in the phosphorus oxoacid group (also referred to as the second dissociated acid amount in this specification) appears to decrease, and the amount of alkali required in the second region becomes smaller than the amount of alkali required in the first region. On the other hand, the amount of strong acid groups in the phosphorus oxoacid group (also referred to as the first dissociated acid amount in this specification) is equal to the amount of phosphorus atoms regardless of the presence or absence of condensation. In addition, when the phosphorus oxoacid group is a phosphorous acid group, the weak acid groups are no longer present in the phosphorus oxoacid group, so the amount of alkali required in the second region becomes smaller, or the amount of alkali required in the second region may become zero. In this case, there is only one point in the titration curve where the pH increment is maximized.
なお、上述のリンオキソ酸基導入量(mmol/g)は、分母が酸型の繊維状セルロースの質量を示すことから、酸型の繊維状セルロースが有するリンオキソ酸基量(以降、リンオキソ酸基量(酸型)と呼ぶ)を示している。一方で、リンオキソ酸基の対イオンが電荷当量となるように任意の陽イオンCに置換されている場合は、分母を当該陽イオンCが対イオンであるときの繊維状セルロースの質量に変換することで、陽イオンCが対イオンである繊維状セルロースが有するリンオキソ酸基量(以降、リンオキソ酸基量(C型))を求めることができる。
すなわち、下記計算式によって算出する。
リンオキソ酸基量(C型)=リンオキソ酸基量(酸型)/{1+(W-1)×A/1000}
A[mmol/g]:繊維状セルロースが有するリンオキソ酸基由来の総アニオン量(リンオキソ酸基の総解離酸量)
W:陽イオンCの1価あたりの式量(たとえば、Naは23、Alは9)
The above-mentioned amount of phosphorus oxoacid groups introduced (mmol/g) indicates the amount of phosphorus oxoacid groups possessed by the acid-type fibrous cellulose (hereinafter referred to as the amount of phosphorus oxoacid groups (acid type)), since the denominator indicates the mass of the acid-type fibrous cellulose. On the other hand, when the counter ion of the phosphorus oxoacid group is replaced with an arbitrary cation C so as to be the charge equivalent, the amount of phosphorus oxoacid groups possessed by the fibrous cellulose in which the cation C is the counter ion (hereinafter referred to as the amount of phosphorus oxoacid groups (C type)) can be obtained by converting the denominator to the mass of the fibrous cellulose when the cation C is the counter ion.
That is, it is calculated according to the following formula.
Amount of phosphorus oxoacid group (C type)=Amount of phosphorus oxoacid group (acid type)/{1+(W−1)×A/1000}
A [mmol/g]: total amount of anions derived from phosphorus oxoacid groups in the fibrous cellulose (total amount of dissociated acids from phosphorus oxoacid groups)
W: Formula weight per valence of cation C (for example, Na is 23, Al is 9)
図2は、イオン性置換基としてカルボキシ基を有する繊維状セルロースを含有する分散液に対するNaOH滴下量とpHの関係を示すグラフである。繊維状セルロースに対するカルボキシ基の導入量は、たとえば次のように測定される。
まず、繊維状セルロースを含有する分散液を強酸性イオン交換樹脂で処理する。なお、必要に応じて、強酸性イオン交換樹脂による処理の前に、後述の解繊処理工程と同様の解繊処理を測定対象に対して実施してもよい。
次いで、水酸化ナトリウム水溶液を加えながらpHの変化を観察し、図2の上側部に示すような滴定曲線を得る。図2の上側部に示した滴定曲線では、アルカリを加えた量に対して測定したpHをプロットしており、図2の下側部に示した滴定曲線では、アルカリを加えた量に対するpHの増分(微分値)(1/mmol)をプロットしている。この中和滴定では、アルカリを加えた量に対して測定したpHをプロットした曲線において、増分(pHのアルカリ滴下量に対する微分値)が極大となる点が一つ確認され、この極大点を第1終点と呼ぶ。ここで、図2における滴定開始から第1終点までの領域を第1領域と呼ぶ。第1領域で必要としたアルカリ量が、滴定に使用した分散液中のカルボキシ基量と等しくなる。そして、滴定曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象の繊維状セルロースを含有する分散液中の固形分(g)で除すことで、カルボキシ基の導入量(mmol/g)を算出する。
2 is a graph showing the relationship between the amount of NaOH dropped onto a dispersion containing fibrous cellulose having a carboxy group as an ionic substituent and the pH. The amount of carboxy group introduced into the fibrous cellulose is measured, for example, as follows.
First, a dispersion liquid containing fibrous cellulose is treated with a strongly acidic ion exchange resin. If necessary, a defibration treatment similar to the defibration treatment step described below may be performed on the measurement target prior to the treatment with the strongly acidic ion exchange resin.
Next, the change in pH is observed while adding the aqueous sodium hydroxide solution, and a titration curve as shown in the upper part of FIG. 2 is obtained. In the titration curve shown in the upper part of FIG. 2, the measured pH is plotted against the amount of added alkali, and in the titration curve shown in the lower part of FIG. 2, the increment (differential value) (1/mmol) of pH against the amount of added alkali is plotted. In this neutralization titration, one point where the increment (differential value of pH against the amount of added alkali) is maximum is confirmed in the curve plotting the measured pH against the amount of added alkali, and this maximum point is called the first end point. Here, the region from the start of titration to the first end point in FIG. 2 is called the first region. The amount of alkali required in the first region is equal to the amount of carboxyl groups in the dispersion used for titration. Then, the amount of alkali required in the first region of the titration curve (mmol) is divided by the solid content (g) in the dispersion containing the fibrous cellulose to be titrated to calculate the amount of carboxyl groups introduced (mmol/g).
なお、上述のカルボキシ基導入量(mmol/g)は、分母が酸型の繊維状セルロースの質量であることから、酸型の繊維状セルロースが有するカルボキシ基量(以降、カルボキシ基量(酸型)と呼ぶ)を示している。一方で、カルボキシ基の対イオンが電荷当量となるように任意の陽イオンCに置換されている場合は、分母を当該陽イオンCが対イオンであるときの繊維状セルロースの質量に変換することで、陽イオンCが対イオンである繊維状セルロースが有するカルボキシ基量(以降、カルボキシ基量(C型))を求めることができる。すなわち、下記計算式によって算出する。
カルボキシ基量(C型)=カルボキシ基量(酸型)/{1+(W-1)×(カルボキシ基量(酸型))/1000}
W:陽イオンCの1価あたりの式量(たとえば、Naは23、Alは9)
The above-mentioned amount of carboxyl groups introduced (mmol/g) indicates the amount of carboxyl groups in the acid-type fibrous cellulose (hereinafter referred to as the amount of carboxyl groups (acid type)) since the denominator is the mass of the acid-type fibrous cellulose. On the other hand, when the counter ion of the carboxyl group is replaced with any cation C so as to be the charge equivalent, the amount of carboxyl groups in the fibrous cellulose in which the cation C is the counter ion (hereinafter referred to as the amount of carboxyl groups (C type)) can be obtained by converting the denominator to the mass of the fibrous cellulose when the cation C is the counter ion. That is, it is calculated by the following formula.
Carboxy group amount (C type)=Carboxy group amount (acid type)/{1+(W-1)×(Carboxy group amount (acid type))/1000}
W: Formula weight per valence of cation C (for example, Na is 23, Al is 9)
滴定法によるイオン性置換基量の測定においては、水酸化ナトリウム水溶液1滴の滴下量が多すぎる場合や、滴定間隔が短すぎる場合、本来より低いイオン性置換基量となるなど正確な値が得られないことがある。適切な滴下量、滴定間隔としては、例えば、0.1N水酸化ナトリウム水溶液を5~30秒に10~50μLずつ滴定するなどが望ましい。また、繊維状セルロース含有スラリーに溶解した二酸化炭素の影響を排除するため、例えば、滴定開始の15分前から滴定終了まで、窒素ガスなどの不活性ガスをスラリーに吹き込みながら測定するなどが望ましい。When measuring the amount of ionic substituents by titration, if too much sodium hydroxide solution is added or if the titration interval is too short, the amount of ionic substituents may be lower than it should be and an accurate value may not be obtained. For example, an appropriate amount of sodium hydroxide and titration interval is preferably 10 to 50 μL of 0.1 N sodium hydroxide solution added every 5 to 30 seconds. In addition, in order to eliminate the influence of carbon dioxide dissolved in the fibrous cellulose-containing slurry, it is preferable to measure while blowing an inert gas such as nitrogen gas into the slurry from 15 minutes before the start of titration until the end of titration.
また、繊維状セルロースに対する硫黄オキソ酸基の導入量は、繊維状セルロースを含むスラリーを、湿式灰化した後、適当な倍率で希釈した試料の硫黄量を測定することで算出することができる。具体的には、繊維状セルロースを過塩素酸と濃硝酸を用いて湿式灰化した後に、適当な倍率で希釈してICP発光分析により硫黄量を測定する。供試した繊維状セルロースの絶乾質量で除した値を硫黄オキソ酸基量(単位:mmol/g)とする。The amount of sulfur oxoacid groups introduced into fibrous cellulose can be calculated by wet ashing a slurry containing fibrous cellulose, diluting the sample at an appropriate ratio, and measuring the amount of sulfur. Specifically, fibrous cellulose is wet ashed using perchloric acid and concentrated nitric acid, then diluted at an appropriate ratio and the amount of sulfur is measured by ICP emission spectrometry. The value divided by the bone dry mass of the fibrous cellulose tested is taken as the amount of sulfur oxoacid groups (unit: mmol/g).
以上、本実施形態に係る繊維状セルロース及び当該繊維状セルロースを含む分散液について説明した。また、本明細書では、別の実施形態として、繊維幅が1000nm以下であり、イオン性置換基を有する微細繊維状セルロース含有分散液であって、微細繊維状セルロースの含有量が、分散液の全質量に対して5.0質量%以上14.0質量%以下であり、微細繊維状セルロースの重合度が、160以上205以下である、微細繊維状セルロース含有分散液もまた、開示される。微細繊維状セルロース含有分散液のB型粘度計を用いて測定された粘度は、1800×103mPa・s以上13000×103mPa・s以下であることが特に好ましい。微細繊維状セルロースのイオン性置換基は、リンオキソ酸基又はリンオキソ酸基に由来する置換基(その中でもリン酸基)が特に好ましい。また、微細繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量は、0.90mmol/g以上2.00mmol/g以下が特に好ましい。その他の説明については、上記の本実施形態に係る繊維状セルロース及び当該繊維状セルロースを含む分散液の説明と同様であるため、ここでは省略する。 The above describes the fibrous cellulose and the dispersion containing the fibrous cellulose according to the present embodiment. In addition, as another embodiment, the present specification also discloses a fine fibrous cellulose-containing dispersion having a fiber width of 1000 nm or less and an ionic substituent, in which the content of the fine fibrous cellulose is 5.0% by mass or more and 14.0% by mass or less with respect to the total mass of the dispersion, and the polymerization degree of the fine fibrous cellulose is 160 to 205. The viscosity of the fine fibrous cellulose-containing dispersion measured using a B-type viscometer is particularly preferably 1800 x 10 3 mPa·s or more and 13000 x 10 3 mPa·s or less. The ionic substituent of the fine fibrous cellulose is particularly preferably a phosphorus oxo acid group or a substituent derived from a phosphorus oxo acid group (especially a phosphoric acid group). In addition, the amount of the ionic substituent introduced into the fine fibrous cellulose is particularly preferably 0.90 mmol/g or more and 2.00 mmol/g or less. The rest of the description is the same as that of the fibrous cellulose and the dispersion liquid containing the fibrous cellulose according to the present embodiment described above, and therefore will not be repeated here.
(微細繊維状セルロースの製造方法)
<繊維原料>
微細繊維状セルロースは、セルロースを含む繊維原料から製造される。セルロースを含む繊維原料としては、特に限定されないが、入手しやすく安価である点からパルプを用いることが好ましい。パルプとしては、たとえば木材パルプ、非木材パルプ、および脱墨パルプが挙げられる。木材パルプとしては、特に限定されないが、たとえば広葉樹クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹クラフトパルプ(NBKP)、サルファイトパルプ(SP)、広葉樹溶解パルプ(LDKP、LDSP)、針葉樹溶解パルプ(NDKP、NDSP)、ソーダパルプ(AP)、未晒しクラフトパルプ(UKP)および酸素漂白クラフトパルプ(OKP)等の化学パルプ、セミケミカルパルプ(SCP)およびケミグラウンドウッドパルプ(CGP)等の半化学パルプ、砕木パルプ(GP)およびサーモメカニカルパルプ(TMP、BCTMP)等の機械パルプ等が挙げられる。非木材パルプとしては、特に限定されないが、たとえばコットンリンターおよびコットンリント等の綿系パルプ、麻、麦わらおよびバガス等の非木材系パルプが挙げられる。脱墨パルプとしては、特に限定されないが、たとえば古紙を原料とする脱墨パルプが挙げられる。本実施態様のパルプは上記の1種を単独で用いてもよいし、2種以上混合して用いてもよい。上記パルプの中でも、入手のしやすさという観点からは、たとえば木材パルプおよび脱墨パルプが好ましい。また、木材パルプの中でも、セルロース比率が大きく解繊処理時の微細繊維状セルロースの収率が高い観点や、パルプ中のセルロースの分解が小さく軸比の大きい長繊維の微細繊維状セルロースが得られる観点から、たとえば化学パルプがより好ましく、クラフトパルプ、サルファイトパルプがさらに好ましい。中でも、針葉樹由来のパルプは、後述する解繊処理時の解繊性が良好であり、分散液とした際の透明性がより向上するため好ましく用いられる。
(Method for producing fine fibrous cellulose)
<Fiber raw materials>
The fine fibrous cellulose is produced from a fiber raw material containing cellulose. The fiber raw material containing cellulose is not particularly limited, but it is preferable to use pulp because it is easily available and inexpensive. Examples of pulp include wood pulp, non-wood pulp, and deinked pulp. Examples of wood pulp include, but are not particularly limited, chemical pulps such as hardwood kraft pulp (LBKP), softwood kraft pulp (NBKP), sulfite pulp (SP), hardwood dissolving pulp (LDKP, LDSP), softwood dissolving pulp (NDKP, NDSP), soda pulp (AP), unbleached kraft pulp (UKP) and oxygen bleached kraft pulp (OKP), semi-chemical pulps such as semi-chemical pulp (SCP) and chemi-ground wood pulp (CGP), mechanical pulps such as groundwood pulp (GP) and thermomechanical pulp (TMP, BCTMP), etc. Examples of non-wood pulps include, but are not limited to, cotton-based pulps such as cotton linters and cotton lint, and non-wood pulps such as hemp, straw, and bagasse. Examples of deinked pulps include, but are not limited to, deinked pulp made from waste paper. The pulps of this embodiment may be used alone or in combination of two or more. Among the above pulps, wood pulp and deinked pulp are preferred from the viewpoint of availability. Among wood pulps, chemical pulps are more preferred, and kraft pulp and sulfite pulp are even more preferred, from the viewpoint of a high cellulose ratio and a high yield of fine fibrous cellulose during defibration treatment, and from the viewpoint of obtaining long-fiber fine fibrous cellulose with a large axial ratio due to a small decomposition of cellulose in the pulp. Among them, pulps derived from coniferous trees are preferably used because they have good defibration properties during defibration treatment described below and have improved transparency when made into a dispersion.
セルロースを含む繊維原料としては、たとえばホヤ類に含まれるセルロースや、酢酸菌が生成するバクテリアセルロースを利用することもできる。また、セルロースを含む繊維原料に代えて、キチン、キトサンなどの直鎖型の含窒素多糖高分子が形成する繊維を用いることもできる。As fiber raw materials containing cellulose, for example, cellulose contained in sea squirts and bacterial cellulose produced by acetic acid bacteria can be used. Also, instead of fiber raw materials containing cellulose, fibers formed from linear nitrogen-containing polysaccharide polymers such as chitin and chitosan can be used.
<リンオキソ酸基導入工程>
微細繊維状セルロースの製造工程は、イオン性置換基導入工程を含む。イオン性置換基導入工程としては、例えば、リンオキソ酸基導入工程が挙げられる。リンオキソ酸基導入工程は、セルロースを含む繊維原料が有する水酸基と反応することで、リンオキソ酸基を導入できる化合物から選択される少なくとも1種の化合物(以下、「化合物A」ともいう)を、セルロースを含む繊維原料に作用させる工程である。この工程により、リンオキソ酸基導入繊維が得られることとなる。
<Phosphorus Oxo Acid Group Introduction Step>
The manufacturing process of fine fibrous cellulose includes an ionic substituent introduction step. An example of the ionic substituent introduction step is a phosphorus oxo acid group introduction step. The phosphorus oxo acid group introduction step is a step of reacting at least one compound (hereinafter also referred to as "compound A") selected from compounds capable of introducing phosphorus oxo acid groups by reacting with hydroxyl groups possessed by a fiber raw material containing cellulose with the fiber raw material containing cellulose. This step results in the production of a fiber into which a phosphorus oxo acid group has been introduced.
本実施形態に係るリンオキソ酸基導入工程では、セルロースを含む繊維原料と化合物Aの反応を、尿素及びその誘導体から選択される少なくとも1種(以下、「化合物B」ともいう)の存在下で行ってもよい。一方で、化合物Bが存在しない状態において、セルロースを含む繊維原料と化合物Aの反応を行ってもよい。In the phosphorus oxoacid group introduction process according to this embodiment, the reaction of the cellulose-containing fiber raw material with compound A may be carried out in the presence of at least one selected from urea and its derivatives (hereinafter also referred to as "compound B"). On the other hand, the reaction of the cellulose-containing fiber raw material with compound A may be carried out in the absence of compound B.
化合物Aを化合物Bとの共存下で繊維原料に作用させる方法の一例としては、乾燥状態、湿潤状態またはスラリー状の繊維原料に対して、化合物Aと化合物Bを混合する方法が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高いことから、乾燥状態または湿潤状態の繊維原料を用いることが好ましく、特に乾燥状態の繊維原料を用いることが好ましい。繊維原料の形態は、特に限定されないが、たとえば綿状や薄いシート状であることが好ましい。化合物Aおよび化合物Bは、それぞれ粉末状または溶媒に溶解させた溶液状または融点以上まで加熱して溶融させた状態で繊維原料に添加する方法が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高いことから、溶媒に溶解させた溶液状、特に水溶液の状態で添加することが好ましい。また、化合物Aと化合物Bは繊維原料に対して同時に添加してもよく、別々に添加してもよく、混合物として添加してもよい。化合物Aと化合物Bの添加方法としては、特に限定されないが、化合物Aと化合物Bが溶液状の場合は、繊維原料を溶液内に浸漬し吸液させたのちに取り出してもよいし、繊維原料に溶液を滴下してもよい。また、必要量の化合物Aと化合物Bを繊維原料に添加してもよいし、過剰量の化合物Aと化合物Bをそれぞれ繊維原料に添加した後に、圧搾や濾過によって余剰の化合物Aと化合物Bを除去してもよい。One example of a method for allowing compound A to act on a fiber raw material in the presence of compound B is to mix compound A and compound B with a fiber raw material in a dry, wet, or slurry state. Of these, it is preferable to use a fiber raw material in a dry or wet state, and it is particularly preferable to use a fiber raw material in a dry state, because the reaction is highly uniform. The form of the fiber raw material is not particularly limited, but it is preferable to use a cotton-like or thin sheet-like form. Compound A and compound B can be added to the fiber raw material in a powder form, a solution form dissolved in a solvent, or a melted state by heating to a melting point or higher. Of these, it is preferable to add them in a solution form dissolved in a solvent, especially in an aqueous solution form, because the reaction is highly uniform. Compound A and compound B may be added to the fiber raw material simultaneously, separately, or as a mixture. The method of adding compound A and compound B is not particularly limited, but when compound A and compound B are in a solution form, the fiber raw material may be immersed in the solution to absorb the liquid and then removed, or the solution may be dripped onto the fiber raw material. In addition, the required amounts of compound A and compound B may be added to the fiber raw material, or excess amounts of compound A and compound B may be added to the fiber raw material, respectively, and then the excess compound A and compound B may be removed by squeezing or filtration.
本実施態様で使用する化合物Aとしては、リン原子を有し、セルロースとエステル結合を形成可能な化合物であればよく、リン酸もしくはその塩、亜リン酸もしくはその塩、脱水縮合リン酸もしくはその塩、無水リン酸(五酸化二リン)などが挙げられるが特に限定されない。リン酸としては、種々の純度のものを使用することができ、たとえば100%リン酸(正リン酸)や85%リン酸を使用することができる。亜リン酸としては、99%亜リン酸(ホスホン酸)が挙げられる。脱水縮合リン酸は、リン酸が脱水反応により2分子以上縮合したものであり、例えばピロリン酸、ポリリン酸等を挙げることができる。リン酸塩、亜リン酸塩、脱水縮合リン酸塩としては、リン酸、亜リン酸または脱水縮合リン酸のリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩などが挙げられ、これらは種々の中和度とすることができる。これらのうち、リン酸基の導入効率が高く、後述する解繊工程で解繊効率がより向上しやすく、低コストであり、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩または亜リン酸、亜リン酸のナトリウム塩、亜リン酸のカリウム塩、亜リン酸のアンモニウム塩が好ましく、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素アンモニウム、または亜リン酸、亜リン酸ナトリウムがより好ましい。Compound A used in this embodiment may be any compound that has a phosphorus atom and can form an ester bond with cellulose, and may include, but is not limited to, phosphoric acid or its salt, phosphorous acid or its salt, dehydrated condensed phosphoric acid or its salt, and anhydrous phosphoric acid (diphosphorus pentoxide). Phosphoric acid may be of various purities, for example, 100% phosphoric acid (orthophosphoric acid) or 85% phosphoric acid. Phosphorous acid may be 99% phosphorous acid (phosphonic acid). Dehydrated condensed phosphoric acid is phosphoric acid in which two or more molecules are condensed by a dehydration reaction, and examples of such include pyrophosphoric acid and polyphosphoric acid. Phosphates, phosphites, and dehydrated condensed phosphates include lithium salts, sodium salts, potassium salts, and ammonium salts of phosphoric acid, phosphorous acid, or dehydrated condensed phosphoric acid, and these may be neutralized to various degrees. Among these, from the viewpoints of high efficiency of introduction of phosphate groups, easier improvement of defibration efficiency in the defibration step described below, low cost, and ease of industrial application, phosphoric acid, sodium salt of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, ammonium salt of phosphoric acid, or phosphorous acid, sodium salt of phosphorous acid, potassium salt of phosphorous acid, or ammonium salt of phosphorous acid are preferred, and phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, or phosphorous acid and sodium phosphite are more preferred.
繊維原料に対する化合物Aの添加量は、特に限定されないが、たとえば化合物Aの添加量をリン原子量に換算した場合において、繊維原料(絶乾質量)に対するリン原子の添加量が0.5質量%以上100質量%以下となることが好ましく、1質量%以上50質量%以下となることがより好ましく、2質量%以上30質量%以下となることがさらに好ましい。繊維原料に対するリン原子の添加量を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースの収率をより向上させることができる。一方で、繊維原料に対するリン原子の添加量を上記上限値以下とすることにより、収率向上の効果とコストのバランスをとることができる。The amount of compound A added to the fiber raw material is not particularly limited, but for example, when the amount of compound A added is converted to the amount of phosphorus atoms, the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material (bone dry mass) is preferably 0.5% by mass or more and 100% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, and even more preferably 2% by mass or more and 30% by mass or less. By setting the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material within the above range, the yield of fine fibrous cellulose can be further improved. On the other hand, by setting the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material to the above upper limit or less, a balance can be achieved between the effect of improving the yield and costs.
本実施態様で使用する化合物Bは、上述のとおり尿素及びその誘導体から選択される少なくとも1種である。化合物Bとしては、たとえば尿素、ビウレット、1-フェニル尿素、1-ベンジル尿素、1-メチル尿素、および1-エチル尿素などが挙げられる。反応の均一性を向上させる観点から、化合物Bは水溶液として用いることが好ましい。また、反応の均一性をさらに向上させる観点からは、化合物Aと化合物Bの両方が溶解した水溶液を用いることが好ましい。 Compound B used in this embodiment is at least one selected from urea and its derivatives, as described above. Examples of compound B include urea, biuret, 1-phenylurea, 1-benzylurea, 1-methylurea, and 1-ethylurea. From the viewpoint of improving the uniformity of the reaction, it is preferable to use compound B as an aqueous solution. Furthermore, from the viewpoint of further improving the uniformity of the reaction, it is preferable to use an aqueous solution in which both compound A and compound B are dissolved.
繊維原料(絶乾質量)に対する化合物Bの添加量は、特に限定されないが、たとえば1質量%以上500質量%以下であることが好ましく、10質量%以上400質量%以下であることがより好ましく、100質量%以上350質量%以下であることがさらに好ましい。The amount of compound B added relative to the fiber raw material (bone dry mass) is not particularly limited, but is preferably, for example, 1% by mass or more and 500% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 400% by mass or less, and even more preferably 100% by mass or more and 350% by mass or less.
セルロースを含む繊維原料と化合物Aの反応においては、化合物Bの他に、たとえばアミド類またはアミン類を反応系に含んでもよい。アミド類としては、たとえばホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトアミド、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。アミン類としては、たとえばメチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。これらの中でも、特にトリエチルアミンは良好な反応触媒として働くことが知られている。In the reaction of a fiber raw material containing cellulose with compound A, in addition to compound B, for example, amides or amines may be included in the reaction system. Examples of amides include formamide, dimethylformamide, acetamide, and dimethylacetamide. Examples of amines include methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, and hexamethylenediamine. Among these, triethylamine in particular is known to act as a good reaction catalyst.
リンオキソ酸基導入工程においては、繊維原料に化合物A等を添加又は混合した後、当該繊維原料に対して加熱処理を施すことが好ましい。加熱処理温度としては、繊維の熱分解や加水分解反応を抑えながら、リンオキソ酸基を効率的に導入できる温度を選択することが好ましい。加熱処理温度は、たとえば50℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上250℃以下であることがより好ましく、130℃以上200℃以下であることがさらに好ましい。また、加熱処理には、種々の熱媒体を有する機器を利用することができ、たとえば撹拌乾燥装置、回転乾燥装置、円盤乾燥装置、ロール型加熱装置、プレート型加熱装置、流動層乾燥装置、バンド型乾燥装置、ろ過乾燥装置、振動流動乾燥装置、気流乾燥装置、減圧乾燥装置、赤外線加熱装置、遠赤外線加熱装置、マイクロ波加熱装置、高周波乾燥装置を用いることができる。In the phosphorus oxo acid group introduction step, it is preferable to add or mix compound A or the like to the fiber raw material, and then heat-treat the fiber raw material. It is preferable to select a temperature for the heat treatment that can efficiently introduce phosphorus oxo acid groups while suppressing thermal decomposition and hydrolysis of the fiber. The heat treatment temperature is preferably, for example, 50°C to 300°C, more preferably 100°C to 250°C, and even more preferably 130°C to 200°C. In addition, various devices having heat media can be used for the heat treatment, such as a stirring dryer, a rotary dryer, a disk dryer, a roll-type heater, a plate-type heater, a fluidized bed dryer, a band-type dryer, a filtration dryer, a vibration fluidized dryer, an airflow dryer, a reduced pressure dryer, an infrared heater, a far-infrared heater, a microwave heater, and a high-frequency dryer.
本実施形態に係る加熱処理においては、たとえば薄いシート状の繊維原料に化合物Aを含浸等の方法により添加した後、加熱する方法や、ニーダー等で繊維原料と化合物Aを混練又は撹拌しながら加熱する方法を採用することができる。これにより、繊維原料における化合物Aの濃度ムラを抑制して、繊維原料に含まれるセルロース繊維表面へより均一にリンオキソ酸基を導入することが可能となる。これは、乾燥に伴い水分子が繊維原料表面に移動する際、溶存する化合物Aが表面張力によって水分子に引き付けられ、同様に繊維原料表面に移動してしまう(すなわち、化合物Aの濃度ムラを生じてしまう)ことを抑制できることに起因するものと考えられる。In the heat treatment according to this embodiment, for example, a method of adding compound A to a thin sheet-like fiber raw material by a method such as impregnation and then heating the material, or a method of heating the material while kneading or stirring the fiber raw material and compound A in a kneader or the like can be adopted. This makes it possible to suppress unevenness in the concentration of compound A in the fiber raw material and introduce phosphorus oxoacid groups more uniformly onto the surface of the cellulose fibers contained in the fiber raw material. This is thought to be due to the fact that when water molecules move to the surface of the fiber raw material as it dries, the dissolved compound A is attracted to the water molecules by surface tension and is prevented from moving to the surface of the fiber raw material in the same way (i.e., causing unevenness in the concentration of compound A).
また、加熱処理に用いる加熱装置は、たとえばスラリーが保持する水分、及び化合物Aと繊維原料中のセルロース等が含む水酸基等との脱水縮合(リン酸エステル化)反応に伴って生じる水分、を常に装置系外に排出できる装置であることが好ましい。このような加熱装置としては、例えば送風方式のオーブン等が挙げられる。装置系内の水分を常に排出することにより、リン酸エステル化の逆反応であるリン酸エステル結合の加水分解反応を抑制できることに加えて、繊維中の糖鎖の酸加水分解を抑制することもできる。このため、軸比の高い微細繊維状セルロースを得ることが可能となる。 In addition, the heating device used for the heat treatment is preferably a device that can constantly discharge, to the outside of the system, for example, moisture held by the slurry and moisture generated in the dehydration condensation (phosphate esterification) reaction between compound A and hydroxyl groups contained in cellulose, etc., in the fiber raw material. Examples of such heating devices include ovens that use a blowing system. By constantly discharging moisture from within the system, it is possible to suppress the hydrolysis reaction of phosphate ester bonds, which is the reverse reaction of phosphate esterification, and also to suppress acid hydrolysis of the sugar chains in the fibers. This makes it possible to obtain fine fibrous cellulose with a high axial ratio.
加熱処理の時間は、たとえば繊維原料から実質的に水分が除かれてから1秒以上300分以下であることが好ましく、1秒以上1000秒以下であることがより好ましく、10秒以上800秒以下であることがさらに好ましい。本実施形態では、加熱温度と加熱時間を適切な範囲とすることにより、リンオキソ酸基の導入量を好ましい範囲内とすることができる。The time for the heat treatment is preferably from 1 second to 300 minutes after the moisture is substantially removed from the fiber raw material, more preferably from 1 second to 1000 seconds, and even more preferably from 10 seconds to 800 seconds. In this embodiment, the amount of phosphorus oxoacid groups introduced can be kept within a preferred range by setting the heating temperature and heating time within an appropriate range.
リンオキソ酸基導入工程は、少なくとも1回行えば良いが、2回以上繰り返して行うこともできる。2回以上のリンオキソ酸基導入工程を行うことにより、繊維原料に対して多くのリンオキソ酸基を導入することができる。The phosphorus oxo acid group introduction process needs to be carried out at least once, but can also be repeated two or more times. By carrying out the phosphorus oxo acid group introduction process two or more times, a large number of phosphorus oxo acid groups can be introduced into the fiber raw material.
繊維原料に対するリンオキソ酸基の導入量は、たとえば繊維状セルロース1g(質量)あたり0.10mmol/g以上であることが好ましく、0.20mmol/g以上であることがより好ましく、0.50mmol/g以上であることがさらに好ましく、0.60mmol/g以上であることが一層好ましく、0.90mmol/g以上であることがより一層好ましく、1.00mmol/g以上であることが特に好ましい。また、繊維原料に対するリンオキソ酸基の導入量は、たとえば繊維状セルロース1g(質量)あたり5.20mmol/g以下であることが好ましく、3.65mmol/g以下であることがより好ましく、3.00mmol/g以下であることがさらに好ましく、2.50mmol/g以下であることが一層好ましく、2.00mmol/g以下であることがより一層好ましく、1.50mmol/g以下であることが特に好ましい。リンオキソ酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、繊維原料の微細化を容易にし、微細繊維状セルロースの安定性を高めることができる。また、リンオキソ酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、高濃度であり、かつ高透明な微細繊維状セルロース分散液が得られやすくなる。また、リンオキソ酸基の導入量を1.00mmol/g以上とすることにより、繊維状セルロースの耐塩性を向上させることもできる。The amount of phosphorus oxo acid groups introduced into the fiber raw material is preferably 0.10 mmol/g or more per 1 g (mass) of fibrous cellulose, more preferably 0.20 mmol/g or more, even more preferably 0.50 mmol/g or more, even more preferably 0.60 mmol/g or more, even more preferably 0.90 mmol/g or more, and particularly preferably 1.00 mmol/g or more. The amount of phosphorus oxo acid groups introduced into the fiber raw material is preferably 5.20 mmol/g or less per 1 g (mass) of fibrous cellulose, more preferably 3.65 mmol/g or less, even more preferably 3.00 mmol/g or less, even more preferably 2.50 mmol/g or less, even more preferably 2.00 mmol/g or less, and particularly preferably 1.50 mmol/g or less. By setting the amount of phosphorus oxo acid groups introduced within the above range, it is possible to easily fine the fiber raw material and increase the stability of the fine fibrous cellulose. In addition, by setting the amount of phosphorus oxoacid groups introduced within the above range, a highly concentrated and highly transparent fine fibrous cellulose dispersion liquid can be easily obtained. In addition, by setting the amount of phosphorus oxoacid groups introduced to 1.00 mmol/g or more, the salt tolerance of the fibrous cellulose can be improved.
<カルボキシ基導入工程>
微細繊維状セルロースの製造工程は、イオン性置換基導入工程として、例えば、カルボキシ基導入工程を含んでもよい。カルボキシ基導入工程は、セルロースを含む繊維原料に対し、オゾン酸化やフェントン法による酸化、TEMPO酸化処理などの酸化処理やカルボン酸由来の基を有する化合物もしくはその誘導体、またはカルボン酸由来の基を有する化合物の酸無水物もしくはその誘導体によって処理することにより行われる。
<Carboxy Group Introduction Step>
The process for producing fine fibrous cellulose may include, for example, a carboxyl group introduction step as an ionic substituent introduction step. The carboxyl group introduction step is carried out by subjecting a fiber raw material containing cellulose to an oxidation treatment such as ozone oxidation, oxidation by the Fenton method, or TEMPO oxidation treatment, or treating the raw material with a compound having a carboxylic acid-derived group or a derivative thereof, or an acid anhydride of a compound having a carboxylic acid-derived group or a derivative thereof.
カルボン酸由来の基を有する化合物としては、特に限定されないが、たとえばマレイン酸、コハク酸、フタル酸、フマル酸、グルタル酸、アジピン酸、イタコン酸等のジカルボン酸化合物やクエン酸、アコニット酸等のトリカルボン酸化合物が挙げられる。また、カルボン酸由来の基を有する化合物の誘導体としては、特に限定されないが、たとえばカルボキシ基を有する化合物の酸無水物のイミド化物、カルボキシ基を有する化合物の酸無水物の誘導体が挙げられる。カルボキシ基を有する化合物の酸無水物のイミド化物としては、特に限定されないが、たとえばマレイミド、コハク酸イミド、フタル酸イミド等のジカルボン酸化合物のイミド化物が挙げられる。 Examples of compounds having a group derived from a carboxylic acid include, but are not limited to, dicarboxylic acid compounds such as maleic acid, succinic acid, phthalic acid, fumaric acid, glutaric acid, adipic acid, and itaconic acid, and tricarboxylic acid compounds such as citric acid and aconitic acid. Examples of derivatives of compounds having a group derived from a carboxylic acid include, but are not limited to, imidized products of acid anhydrides of compounds having a carboxy group, and derivatives of acid anhydrides of compounds having a carboxy group. Examples of imidized products of acid anhydrides of compounds having a carboxy group include, but are not limited to, imidized products of dicarboxylic acid compounds such as maleimide, succinimide, and phthalimide.
カルボン酸由来の基を有する化合物の酸無水物としては、特に限定されないが、たとえば無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水イタコン酸等のジカルボン酸化合物の酸無水物が挙げられる。また、カルボン酸由来の基を有する化合物の酸無水物の誘導体としては、特に限定されないが、たとえばジメチルマレイン酸無水物、ジエチルマレイン酸無水物、ジフェニルマレイン酸無水物等のカルボキシ基を有する化合物の酸無水物の少なくとも一部の水素原子が、アルキル基、フェニル基等の置換基により置換されたものが挙げられる。 The acid anhydrides of compounds having a group derived from carboxylic acid include, but are not limited to, the acid anhydrides of dicarboxylic acid compounds such as maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, glutaric anhydride, adipic anhydride, and itaconic anhydride. In addition, the derivatives of the acid anhydrides of compounds having a group derived from carboxylic acid include, but are not limited to, the acid anhydrides of compounds having carboxy groups such as dimethylmaleic anhydride, diethylmaleic anhydride, and diphenylmaleic anhydride, in which at least some of the hydrogen atoms are substituted with a substituent such as an alkyl group or a phenyl group.
カルボキシ基導入工程において、TEMPO酸化処理を行う場合には、たとえばその処理をpHが6以上8以下の条件で行うことが好ましい。このような処理は、中性TEMPO酸化処理ともいう。中性TEMPO酸化処理は、たとえばリン酸ナトリウム緩衝液(pH=6.8)に、繊維原料としてパルプと、触媒としてTEMPO(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル)等のニトロキシラジカル、犠牲試薬として次亜塩素酸ナトリウムを添加することで行うことができる。さらに亜塩素酸ナトリウムを共存させることによって、酸化の過程で発生するアルデヒドを、効率的にカルボキシ基まで酸化することができる。また、TEMPO酸化処理は、その処理をpHが10以上11以下の条件で行ってもよい。このような処理は、アルカリTEMPO酸化処理ともいう。アルカリTEMPO酸化処理は、たとえば繊維原料としてのパルプに対し、触媒としてTEMPO等のニトロキシラジカルと、共触媒として臭化ナトリウムと、酸化剤として次亜塩素酸ナトリウムを添加することにより行うことができる。
When TEMPO oxidation treatment is performed in the carboxyl group introduction step, it is preferable to perform the treatment under conditions of
繊維状セルロースに対するカルボキシ基の導入量は、置換基の種類によっても変わるが、たとえばTEMPO酸化によりカルボキシ基を導入する場合、繊維状セルロース1g(質量)あたり0.10mmol/g以上であることが好ましく、0.20mmol/g以上であることがより好ましく、0.40mmol/g以上であることがさらに好ましく、0.60mmol/g以上であることが一層好ましく、0.90mmol/g以上であることがより一層好ましく、1.00mmol/g以上であることが特に好ましい。また、繊維状セルロースに対するカルボキシ基の導入量は、3.65mmol/g以下であることが好ましく、3.00mmol/g以下であることがより好ましく、2.50mmol/g以下であることがさらに好ましく、2.00mmol/g以下であることが一層より好ましく、1.50mmol/g以下であることが特に好ましい。その他、置換基がカルボキシメチル基である場合、微細繊維状セルロース1g(質量)あたり5.8mmol/g以下であってもよい。カルボキシ基の導入量を上記範囲内とすることにより、繊維原料の微細化を容易とすることができ、繊維状セルロースの安定性を高めることが可能となる。また、カルボキシ基の導入量を上記範囲内とすることにより、高濃度であり、かつ高透明な微細繊維状セルロース分散液が得られやすくなる。The amount of carboxyl groups introduced into the fibrous cellulose varies depending on the type of the substituent. For example, when the carboxyl groups are introduced by TEMPO oxidation, the amount is preferably 0.10 mmol/g or more per 1 g (mass) of fibrous cellulose, more preferably 0.20 mmol/g or more, even more preferably 0.40 mmol/g or more, even more preferably 0.60 mmol/g or more, even more preferably 0.90 mmol/g or more, and particularly preferably 1.00 mmol/g or more. The amount of carboxyl groups introduced into the fibrous cellulose is preferably 3.65 mmol/g or less, more preferably 3.00 mmol/g or less, even more preferably 2.50 mmol/g or less, even more preferably 2.00 mmol/g or less, and particularly preferably 1.50 mmol/g or less. In addition, when the substituent is a carboxymethyl group, the amount may be 5.8 mmol/g or less per 1 g (mass) of fine fibrous cellulose. By setting the amount of carboxyl groups introduced within the above range, it is possible to easily refine the fiber raw material and increase the stability of the fibrous cellulose. Furthermore, by adjusting the amount of carboxyl groups introduced to fall within the above range, a highly concentrated and highly transparent fine fibrous cellulose dispersion liquid can be easily obtained.
<硫黄オキソ酸基導入工程>
微細繊維状セルロースの製造工程は、イオン性置換基導入工程として、例えば、硫黄オキソ酸基導入工程を含んでもよい。硫黄オキソ酸基導入工程は、セルロースを含む繊維原料が有する水酸基と硫黄オキソ酸が反応することで、硫黄オキソ酸基を有するセルロース繊維(硫黄オキソ酸基導入繊維)を得ることができる。
<Sulfur oxoacid group introduction step>
The process for producing fine fibrous cellulose may include, for example, a sulfur oxoacid group introduction step as an ionic substituent introduction step, in which a hydroxyl group in a fiber raw material containing cellulose reacts with a sulfur oxoacid to obtain cellulose fibers having sulfur oxoacid groups (sulfur oxoacid group-introduced fibers).
硫黄オキソ酸基導入工程では、上述した<リンオキソ酸基導入工程>における化合物Aに代えて、セルロースを含む繊維原料が有する水酸基と反応することで、硫黄オキソ酸基を導入できる化合物から選択される少なくとも1種の化合物(以下、「化合物C」ともいう)を用いる。化合物Cとしては、硫黄原子を有し、セルロースとエステル結合を形成可能な化合物であればよく、硫酸もしくはその塩、亜硫酸もしくはその塩、硫酸アミドなどが挙げられるが特に限定されない。硫酸としては、種々の純度のものを使用することができ、例えば96%硫酸(濃硫酸)を使用することができる。亜硫酸としては、5%亜硫酸水が挙げられる。硫酸塩又は亜硫酸塩としては、硫酸塩又は亜硫酸塩のリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩などが挙げられ、これらは種々の中和度とすることができる。硫酸アミドとしては、スルファミン酸などを使用することができる。硫黄オキソ酸基導入工程では、上述した<リンオキソ酸基導入工程>における化合物Bを同様に用いることが好ましい。In the sulfur oxo acid group introduction step, instead of compound A in the above-mentioned <phosphorus oxo acid group introduction step>, at least one compound (hereinafter also referred to as "compound C") selected from compounds capable of introducing sulfur oxo acid groups by reacting with hydroxyl groups possessed by fiber raw materials containing cellulose is used. Compound C may be any compound that has a sulfur atom and can form an ester bond with cellulose, and examples of such compounds include sulfuric acid or its salts, sulfurous acid or its salts, and sulfuric acid amides, but are not limited thereto. As sulfuric acid, those of various purities can be used, for example, 96% sulfuric acid (concentrated sulfuric acid). As sulfurous acid, 5% sulfurous acid water can be used. As sulfates or sulfites, lithium salts, sodium salts, potassium salts, ammonium salts of sulfates or sulfites can be used, and these can be neutralized to various degrees. As sulfuric acid amides, sulfamic acid, etc. can be used. In the sulfur oxo acid group introduction step, it is preferable to use compound B in the above-mentioned <phosphorus oxo acid group introduction step> in the same manner.
硫黄オキソ酸基導入工程においては、セルロース原料に硫黄オキソ酸、並びに、尿素及び/又は尿素誘導体を含む水溶液を混合した後、当該セルロース原料に対して加熱処理を施すことが好ましい。加熱処理温度としては、繊維の熱分解や加水分解反応を抑えながら、硫黄オキソ酸基を効率的に導入できる温度を選択することが好ましい。加熱処理温度は、100℃以上であることが好ましく、120℃以上であることがより好ましく、150℃以上であることがさらに好ましい。また、加熱処理温度は、300℃以下であることが好ましく、250℃以下であることがより好ましく、200℃以下であることがさらに好ましい。In the sulfur oxoacid group introduction process, it is preferable to mix the cellulose raw material with an aqueous solution containing sulfur oxoacid and urea and/or a urea derivative, and then heat-treat the cellulose raw material. It is preferable to select a heat-treating temperature that can efficiently introduce sulfur oxoacid groups while suppressing thermal decomposition and hydrolysis reactions of the fibers. The heat-treating temperature is preferably 100°C or higher, more preferably 120°C or higher, and even more preferably 150°C or higher. The heat-treating temperature is preferably 300°C or lower, more preferably 250°C or lower, and even more preferably 200°C or lower.
加熱処理工程では、実質的に水分がなくなるまで加熱をすることが好ましい。このため、加熱処理時間は、セルロース原料に含まれる水分量や、硫黄オキソ酸、並びに、尿素及び/又は尿素誘導体を含む水溶液の添加量によって、変動するが、例えば、10秒以上10000秒以下とすることが好ましい。加熱処理には、種々の熱媒体を有する機器を利用することができ、例えば熱風乾燥装置、撹拌乾燥装置、回転乾燥装置、円盤乾燥装置、ロール型加熱装置、プレート型加熱装置、流動層乾燥装置、バンド型乾燥装置、ろ過乾燥装置、振動流動乾燥装置、気流乾燥装置、減圧乾燥装置、赤外線加熱装置、遠赤外線加熱装置、マイクロ波加熱装置、高周波乾燥装置を用いることができる。In the heat treatment process, it is preferable to heat until substantially no moisture is present. For this reason, the heat treatment time varies depending on the amount of moisture contained in the cellulose raw material and the amount of sulfur oxoacid and the aqueous solution containing urea and/or urea derivatives added, but is preferably, for example, 10 seconds or more and 10,000 seconds or less. For the heat treatment, equipment having various heat media can be used, such as a hot air dryer, a stirring dryer, a rotary dryer, a disk dryer, a roll-type heater, a plate-type heater, a fluidized bed dryer, a band-type dryer, a filtration dryer, a vibration fluidized dryer, an airflow dryer, a reduced pressure dryer, an infrared heater, a far-infrared heater, a microwave heater, or a high-frequency dryer.
セルロース原料に対する硫黄オキソ酸基の導入量は、0.05mmol/g以上であることが好ましく、0.10mmol/g以上であることがより好ましく、0.20mmol/g以上であることがさらに好ましく、0.40mmol/g以上であることが一層好ましく、0.60mmol/g以上であることがより一層好ましく、0.90mmol/g以上であることがさらに一層好ましく、1.00mmol/g以上であることが特に好ましい。また、セルロース原料に対する硫黄オキソ酸基の導入量は、5.00mmol/g以下であることが好ましく、3.00mmol/g以下であることがより好ましく、2.50mmol/g以下であることがさらに好ましく、2.00mmol/g以下であることが一層より好ましく、1.50mmol/g以下であることが特に好ましい。硫黄オキソ酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、繊維原料の微細化を容易とすることができ、繊維状セルロースの安定性を高めることが可能となる。また、硫黄オキソ酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、高濃度であり、かつ高透明な微細繊維状セルロース分散液が得られやすくなる。The amount of sulfur oxoacid groups introduced into the cellulose raw material is preferably 0.05 mmol/g or more, more preferably 0.10 mmol/g or more, even more preferably 0.20 mmol/g or more, even more preferably 0.40 mmol/g or more, even more preferably 0.60 mmol/g or more, even more preferably 0.90 mmol/g or more, and particularly preferably 1.00 mmol/g or more. The amount of sulfur oxoacid groups introduced into the cellulose raw material is preferably 5.00 mmol/g or less, more preferably 3.00 mmol/g or less, even more preferably 2.50 mmol/g or less, even more preferably 2.00 mmol/g or less, and particularly preferably 1.50 mmol/g or less. By setting the amount of sulfur oxoacid groups introduced within the above range, it is possible to easily refine the fiber raw material and increase the stability of the fibrous cellulose. In addition, by setting the amount of sulfur oxoacid groups introduced within the above range, it is easy to obtain a highly concentrated and highly transparent fine fibrous cellulose dispersion.
<洗浄工程>
本実施形態における微細繊維状セルロースの製造方法においては、必要に応じてイオン性置換基導入繊維に対して洗浄工程を行うことができる。洗浄工程は、たとえば水や有機溶媒によりイオン性置換基導入繊維を洗浄することにより行われる。また、洗浄工程は後述する各工程の後に行われてもよく、各洗浄工程において実施される洗浄回数は、特に限定されない。
<Cleaning process>
In the method for producing fine fibrous cellulose in this embodiment, a washing step can be carried out on the ionic substituent-introduced fiber as necessary. The washing step is carried out, for example, by washing the ionic substituent-introduced fiber with water or an organic solvent. The washing step may be carried out after each step described below, and the number of washing steps carried out in each washing step is not particularly limited.
<アルカリ処理工程>
微細繊維状セルロースを製造する場合、イオン性置換基導入工程と、後述する解繊処理工程との間に、繊維原料に対してアルカリ処理を行ってもよい。アルカリ処理の方法としては、特に限定されないが、例えばアルカリ溶液中に、イオン性置換基導入繊維を浸漬する方法が挙げられる。
<Alkaline treatment step>
When producing fine fibrous cellulose, an alkali treatment may be carried out on the fiber raw material between the step of introducing an ionic substituent and the step of defibrating the fiber, which will be described later. The method of the alkali treatment is not particularly limited, but may be, for example, a method of immersing the fiber having an ionic substituent introduced therein in an alkali solution.
アルカリ溶液に含まれるアルカリ化合物は、特に限定されず、無機アルカリ化合物であってもよいし、有機アルカリ化合物であってもよい。本実施形態においては、汎用性が高いことから、たとえば水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムをアルカリ化合物として用いることが好ましい。また、アルカリ溶液に含まれる溶媒は、水または有機溶媒のいずれであってもよい。中でも、アルカリ溶液に含まれる溶媒は、水、またはアルコールに例示される極性有機溶媒などを含む極性溶媒であることが好ましく、少なくとも水を含む水系溶媒であることがより好ましい。アルカリ溶液としては、汎用性が高いことから、たとえば水酸化ナトリウム水溶液、または水酸化カリウム水溶液が好ましい。The alkaline compound contained in the alkaline solution is not particularly limited, and may be an inorganic alkaline compound or an organic alkaline compound. In this embodiment, it is preferable to use, for example, sodium hydroxide or potassium hydroxide as the alkaline compound because of its high versatility. The solvent contained in the alkaline solution may be either water or an organic solvent. Among them, the solvent contained in the alkaline solution is preferably a polar solvent including water or a polar organic solvent exemplified by alcohol, and more preferably an aqueous solvent including at least water. As the alkaline solution, for example, an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution is preferable because of its high versatility.
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液の温度は、特に限定されないが、たとえば5℃以上80℃以下であることが好ましく、10℃以上60℃以下であることがより好ましい。アルカリ処理工程におけるイオン性置換基導入繊維のアルカリ溶液への浸漬時間は、特に限定されないが、たとえば5分以上30分以下であることが好ましく、10分以上20分以下であることがより好ましい。アルカリ処理におけるアルカリ溶液の使用量は、特に限定されないが、たとえばイオン性置換基導入繊維の絶対乾燥質量に対して100質量%以上100000質量%以下であることが好ましく、1000質量%以上10000質量%以下であることがより好ましい。The temperature of the alkaline solution in the alkaline treatment step is not particularly limited, but is preferably 5°C to 80°C, and more preferably 10°C to 60°C. The immersion time of the ionic substituent-introduced fiber in the alkaline solution in the alkaline treatment step is not particularly limited, but is preferably 5 minutes to 30 minutes, and more preferably 10 minutes to 20 minutes. The amount of the alkaline solution used in the alkaline treatment is not particularly limited, but is preferably 100% by mass to 100,000% by mass, and more preferably 1000% by mass to 10,000% by mass, based on the absolute dry mass of the ionic substituent-introduced fiber.
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液の使用量を減らすために、イオン性置換基導入工程の後であってアルカリ処理工程の前に、イオン性置換基導入繊維を水や有機溶媒により洗浄してもよい。アルカリ処理工程の後であって解繊処理工程の前には、取り扱い性を向上させる観点から、アルカリ処理を行ったイオン性置換基導入繊維を水や有機溶媒により洗浄することが好ましい。In order to reduce the amount of alkaline solution used in the alkaline treatment step, the ionic substituent-introduced fiber may be washed with water or an organic solvent after the ionic substituent-introducing step and before the alkaline treatment step. From the viewpoint of improving handleability, it is preferable to wash the alkaline-treated ionic substituent-introduced fiber with water or an organic solvent after the alkaline treatment step and before the defibration treatment step.
<酸処理工程>
微細繊維状セルロースを製造する場合、イオン性置換基を導入する工程と、後述する解繊処理工程の間に、繊維原料に対して酸処理を行ってもよい。例えば、イオン性置換基導入工程、酸処理、アルカリ処理及び解繊処理をこの順で行ってもよい。
<Acid treatment step>
When producing fine fibrous cellulose, the fiber raw material may be subjected to an acid treatment between the step of introducing an ionic substituent and the defibration treatment step described later. For example, the step of introducing an ionic substituent, the acid treatment, the alkali treatment, and the defibration treatment may be performed in this order.
酸処理の方法としては、特に限定されないが、たとえば酸を含有する酸性液中に繊維原料を浸漬する方法が挙げられる。使用する酸性液の濃度は、特に限定されないが、たとえば10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。また、使用する酸性液のpHは、特に限定されないが、たとえば0以上4以下であることが好ましく、1以上3以下であることがより好ましい。酸性液に含まれる酸としては、たとえば無機酸、スルホン酸、カルボン酸等を用いることができる。無機酸としては、たとえば硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。スルホン酸としては、たとえばメタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p-トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等が挙げられる。カルボン酸としては、たとえばギ酸、酢酸、クエン酸、グルコン酸、乳酸、シュウ酸、酒石酸等が挙げられる。これらの中でも、塩酸または硫酸を用いることが特に好ましい。 The method of acid treatment is not particularly limited, but for example, a method of immersing the fiber raw material in an acidic solution containing an acid can be mentioned. The concentration of the acidic solution used is not particularly limited, but for example, it is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less. The pH of the acidic solution used is not particularly limited, but for example, it is preferably 0 to 4, more preferably 1 to 3. The acid contained in the acidic solution can be, for example, an inorganic acid, a sulfonic acid, a carboxylic acid, etc. Examples of inorganic acids include sulfuric acid, nitric acid, hydrobromic acid, hydroiodic acid, hypochlorous acid, chlorous acid, chloric acid, perchloric acid, phosphoric acid, boric acid, etc. Examples of sulfonic acids include methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, etc. Examples of carboxylic acids include formic acid, acetic acid, citric acid, gluconic acid, lactic acid, oxalic acid, tartaric acid, etc. Among these, it is particularly preferable to use hydrochloric acid or sulfuric acid.
酸処理における酸溶液の温度は、特に限定されないが、たとえば5℃以上100℃以下が好ましく、20℃以上90℃以下がより好ましい。酸処理における酸溶液への浸漬時間は、特に限定されないが、たとえば5分以上120分以下が好ましく、10分以上60分以下がより好ましい。酸処理における酸溶液の使用量は、特に限定されないが、たとえば繊維原料の絶対乾燥質量に対して100質量%以上100000質量%以下であることが好ましく、1000質量%以上10000質量%以下であることがより好ましい。The temperature of the acid solution in the acid treatment is not particularly limited, but is preferably from 5°C to 100°C, and more preferably from 20°C to 90°C. The immersion time in the acid solution in the acid treatment is not particularly limited, but is preferably from 5 minutes to 120 minutes, and more preferably from 10 minutes to 60 minutes. The amount of the acid solution used in the acid treatment is not particularly limited, but is preferably from 100% to 100,000% by mass, and more preferably from 1,000% to 10,000% by mass, based on the absolute dry mass of the fiber raw material.
<解繊処理>
イオン性置換基導入繊維を解繊処理工程で解繊処理(機械処理)することにより、微細繊維状セルロースが得られる。解繊処理工程においては、たとえば解繊処理装置を用いることができる。解繊処理装置は、特に限定されないが、たとえば高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザーや超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミル、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、またはビーターなどを使用することができる。上記解繊処理装置の中でも、粉砕メディアの影響が少なく、コンタミネーションのおそれが少ない高速解繊機、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザーを用いるのがより好ましい。
<Defibrillation treatment>
The ionic substituent-introduced fibers are defibrated (mechanically) in the defibration process to obtain fine fibrous cellulose. In the defibration process, for example, a defibration treatment device can be used. The defibration treatment device is not particularly limited, but for example, a high-speed defibrator, a grinder (stone mill type grinder), a high-pressure homogenizer, an ultra-high-pressure homogenizer, a high-pressure collision type grinder, a ball mill, a bead mill, a disk type refiner, a conical refiner, a biaxial kneader, a vibration mill, a homomixer under high-speed rotation, an ultrasonic disperser, or a beater can be used. Among the above defibration treatment devices, it is more preferable to use a high-speed defibrator, a high-pressure homogenizer, or an ultra-high-pressure homogenizer, which are less affected by the grinding media and have less risk of contamination.
解繊処理工程においては、たとえばイオン性置換基導入繊維を、分散媒により希釈してスラリー状にすることが好ましい。分散媒としては、水、および極性有機溶媒などの有機溶媒から選択される1種または2種以上を使用することができる。極性有機溶媒としては、特に限定されないが、たとえばアルコール類、多価アルコール類、ケトン類、エーテル類、エステル類、非プロトン性極性溶媒等が好ましい。アルコール類としては、たとえばメタノール、エタノール、イソプロパノール、n-ブタノール、イソブチルアルコール等が挙げられる。多価アルコール類としては、たとえばエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリンなどが挙げられる。ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)等が挙げられる。エーテル類としては、たとえばジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノn-ブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル等が挙げられる。エステル類としては、たとえば酢酸エチル、酢酸ブチル等が挙げられる。非プロトン性極性溶媒としてはジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチル-2-ピロリジノン(NMP)等が挙げられる。In the fiber defibration process, for example, it is preferable to dilute the ionic substituent-introduced fiber with a dispersion medium to make it into a slurry state. As the dispersion medium, one or more types selected from water and organic solvents such as polar organic solvents can be used. The polar organic solvent is not particularly limited, but for example, alcohols, polyhydric alcohols, ketones, ethers, esters, aprotic polar solvents, etc. are preferable. Examples of alcohols include methanol, ethanol, isopropanol, n-butanol, isobutyl alcohol, etc. Examples of polyhydric alcohols include ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, etc. Examples of ketones include acetone, methyl ethyl ketone (MEK), etc. Examples of ethers include diethyl ether, tetrahydrofuran, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol mono n-butyl ether, propylene glycol monomethyl ether, etc. Examples of esters include ethyl acetate, butyl acetate, etc. Aprotic polar solvents include dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), and N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP).
解繊処理時のセルロース繊維の濃度は適宜設定できるが、本実施形態においては、解繊処理時のセルロース繊維の濃度は3.0質量%以上であることが好ましく、4.0質量%以上であることがより好ましく、5.0質量%以上であることがさらに好ましく、6.0質量%以上であることが特に好ましい。また、解繊処理時のセルロース繊維の濃度の上限は特に限定されるものではないが、例えば、20.0質量%としてもよい。本実施形態においては、解繊処理時のセルロース繊維の濃度を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースが均一に分散し、かつ高透明の高濃度分散液を得ることが可能となる。また、解繊処理時のセルロース繊維の濃度を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースの生産効率を高めることが可能となり、結果として微細繊維状セルロースを含む分散液やシートといった加工物を効率よく生産することも可能となる。加えて、解繊処理時のセルロース繊維の濃度を上記範囲内とすることにより、高濃度の分散液を得ることが可能となり、輸送時や保管時のコストダウンも可能となる。The concentration of the cellulose fibers during the defibration process can be set appropriately, but in this embodiment, the concentration of the cellulose fibers during the defibration process is preferably 3.0% by mass or more, more preferably 4.0% by mass or more, even more preferably 5.0% by mass or more, and particularly preferably 6.0% by mass or more. The upper limit of the concentration of the cellulose fibers during the defibration process is not particularly limited, but may be, for example, 20.0% by mass. In this embodiment, by setting the concentration of the cellulose fibers during the defibration process within the above range, it is possible to uniformly disperse the fine fibrous cellulose and obtain a highly transparent high-concentration dispersion. In addition, by setting the concentration of the cellulose fibers during the defibration process within the above range, it is possible to increase the production efficiency of the fine fibrous cellulose, and as a result, it is possible to efficiently produce processed products such as dispersions and sheets containing fine fibrous cellulose. In addition, by setting the concentration of the cellulose fibers during the defibration process within the above range, it is possible to obtain a high-concentration dispersion, and it is also possible to reduce costs during transportation and storage.
また、イオン性置換基導入繊維を分散媒に分散させて得たスラリー中には、例えば水素結合性のある尿素などのイオン性置換基導入繊維以外の固形分が含まれていてもよい。In addition, the slurry obtained by dispersing the ionic substituent-introduced fiber in a dispersion medium may contain solid matters other than the ionic substituent-introduced fiber, such as urea having hydrogen bonding properties.
<低分子化処理>
本実施形態の微細繊維状セルロースの製造方法は、上述したような工程に加えて、さらに低分子化処理を施す工程を含むことが好ましい。具体的には、上述したように、適宜処理を施したセルロース繊維に解繊処理を施して繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを得る工程と、繊維状セルロースに低分子化処理を施す工程とを含むことが好ましい。すなわち、本実施形態の微細繊維状セルロースの製造方法は、例えば、セルロース繊維に解繊処理を施した後に、低分子化処理を施す工程を含むことが好ましい。なお、解繊処理工程の前に低分子化処理を施してもよく、例えば、解繊処理の前に低分子化処理を施した後に、さらに解繊処理の後に低分子化処理を施してもよい。また、低分子化処理を施した後に、解繊処理を行い、さらに低分子化処理を施した後に、再び解繊処理工程を行ってもよい。中でも、より効果的に低分子化するために、解繊処理の後に低分子化処理を施すことが好ましい。
<Low molecular weight processing>
The method for producing fine fibrous cellulose of the present embodiment preferably includes a step of performing a low molecular weight treatment in addition to the steps described above. Specifically, as described above, it is preferable to include a step of performing a defibration treatment on cellulose fibers that have been appropriately treated to obtain fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less, and a step of performing a low molecular weight treatment on the fibrous cellulose. That is, the method for producing fine fibrous cellulose of the present embodiment preferably includes, for example, a step of performing a low molecular weight treatment on cellulose fibers after performing a defibration treatment. Note that the low molecular weight treatment may be performed before the defibration treatment step, and for example, the low molecular weight treatment may be performed before the defibration treatment, and then the low molecular weight treatment may be performed after the defibration treatment. In addition, the low molecular weight treatment may be performed after the defibration treatment, and then the low molecular weight treatment may be performed again after the defibration treatment. Among these, it is preferable to perform a low molecular weight treatment after the defibration treatment in order to perform the low molecular weight treatment more effectively.
本明細書において、低分子化処理を施す工程は、微細繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度を100mPa・s以下となるように、例えば、微細繊維状セルロースの重合度を低下させる工程である。具体的には、低分子化処理を施す工程は、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースの重合度を230以下にする工程であることが好ましい。In this specification, the process of performing the low molecular weight treatment is, for example, a process of reducing the degree of polymerization of fine fibrous cellulose so that the viscosity of an aqueous dispersion at 23°C becomes 100 mPa·s or less when the fine fibrous cellulose is made into an aqueous dispersion with a concentration of 0.5% by mass. Specifically, the process of performing the low molecular weight treatment is preferably a process of reducing the degree of polymerization of fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less to 230 or less.
低分子化処理を施す工程としては、例えば、オゾン処理工程、酵素処理工程、酸処理工程、亜臨界水処理工程等を挙げることができる。低分子化処理を施す工程は、オゾン処理工程、酵素処理工程、酸処理工程及び亜臨界水処理工程から選択される少なくとも1種であることが好ましく、オゾン処理工程及び酵素処理工程から選択される少なくとも1種であることが特に好ましい。Examples of processes for carrying out low molecular weight treatment include an ozone treatment process, an enzyme treatment process, an acid treatment process, and a subcritical water treatment process. The process for carrying out low molecular weight treatment is preferably at least one selected from an ozone treatment process, an enzyme treatment process, an acid treatment process, and a subcritical water treatment process, and is particularly preferably at least one selected from an ozone treatment process and an enzyme treatment process.
オゾン処理工程では、微細繊維状セルロース分散液(スラリー)にオゾンを添加する。オゾンを添加する際には、例えば、オゾン/酸素混合気体として添加することが好ましい。この際、微細繊維状セルロース分散液(スラリー)中に含まれる微細繊維状セルロース1gに対するオゾン添加率は、1.0×10-4g以上とすることが好ましく、1.0×10-3g以上とすることがより好ましく、1.0×10-2g以上とすることがさらに好ましい。なお、微細繊維状セルロース1gに対するオゾン添加率は、1.0×101g以下とすることが好ましい。微細繊維状セルロース分散液(スラリー)にオゾンを添加した後には、10℃以上50℃以下の条件下で10秒以上10分以下撹拌を行い、その後、1分以上100分以下静置することが好ましい。 In the ozone treatment step, ozone is added to the fine fibrous cellulose dispersion (slurry). When adding ozone, it is preferable to add it as an ozone/oxygen mixed gas, for example. In this case, the ozone addition rate per 1 g of fine fibrous cellulose contained in the fine fibrous cellulose dispersion (slurry) is preferably 1.0×10 −4 g or more, more preferably 1.0×10 −3 g or more, and even more preferably 1.0×10 −2 g or more. It is preferable that the ozone addition rate per 1 g of fine fibrous cellulose is 1.0×10 1 g or less. After adding ozone to the fine fibrous cellulose dispersion (slurry), stirring is performed under conditions of 10° C. to 50° C. for 10 seconds to 10 minutes, and then it is preferably left to stand for 1 minute to 100 minutes.
酵素処理工程では、微細繊維状セルロース分散液(スラリー)に酵素を添加する。この際に用いる酵素は、セルラーゼ系酵素であることが好ましい。セルラーゼ系酵素は、セルロースの加水分解反応機能を有する触媒ドメインの高次構造に基づく糖質加水分解酵素ファミリーに分類される。セルラーゼ系酵素はセルロース分解特性によってエンド型グルカナーゼ(endo-glucanase)とセロビオヒドロラーゼ(cellobiohydrolase)に大別される。エンド型グルカナーゼはセルロースの非晶部分や可溶性セロオリゴ糖、又はカルボキシメチルセルロースのようなセルロース誘導体に対する加水分解性が高く、それらの分子鎖を内側からランダムに切断し、重合度を低下させる。これに対して、セロビオヒドロラーゼはセルロースの結晶部分を分解し、セロビオースを与える。また、セロビオヒドロラーゼはセルロース分子の末端から加水分解し、エキソ型或いはプロセッシブ酵素とも呼ばれる。酵素処理工程において使用する酵素は特に限定されるものではないが、エンド型グルカナーゼを使用することが好ましい。In the enzyme treatment process, an enzyme is added to the fine fibrous cellulose dispersion (slurry). The enzyme used in this process is preferably a cellulase enzyme. Cellulase enzymes are classified into the carbohydrate hydrolase family based on the higher-order structure of the catalytic domain that has the function of hydrolyzing cellulose. Cellulase enzymes are broadly classified into endo-glucanases and cellobiohydrolases based on their cellulose decomposition properties. Endo-glucanases have high hydrolysis properties for the amorphous part of cellulose, soluble cellooligosaccharides, and cellulose derivatives such as carboxymethylcellulose, and randomly cut the molecular chains from the inside to reduce the degree of polymerization. In contrast, cellobiohydrolases decompose the crystalline part of cellulose to give cellobiose. Cellobiohydrolases also hydrolyze the ends of cellulose molecules and are also called exo- or processive enzymes. The enzyme used in the enzyme treatment step is not particularly limited, but it is preferable to use an endo-glucanase.
酵素処理工程では、微細繊維状セルロース1gに対して酵素活性が0.1nkat以上となるよう酵素を添加することが好ましく、1.0nkat以上となるよう酵素を添加することがより好ましく、10nkat以上となるよう酵素を添加することがさらに好ましい。また、微細繊維状セルロース1gに対して100000nkat以下となるよう酵素を添加することが好ましく、50000nkat以下となるよう酵素を添加することがより好ましく10000nkat以下となるよう酵素を添加することがさらに好ましい。微細繊維状セルロース分散液(スラリー)に酵素を添加した後には、0℃以上80℃未満の条件下で1分以上100時間以下処理を行い、その後、80℃以上の条件下に置くなどして酵素を失活させることが好ましい。In the enzyme treatment step, it is preferable to add the enzyme so that the enzyme activity is 0.1 nkat or more per 1 g of fine fibrous cellulose, more preferably 1.0 nkat or more, and even more preferably 10 nkat or more. It is also preferable to add the enzyme so that the enzyme activity is 100,000 nkat or less per 1 g of fine fibrous cellulose, more preferably 50,000 nkat or less, and even more preferably 10,000 nkat or less. After adding the enzyme to the fine fibrous cellulose dispersion (slurry), it is preferable to treat it under conditions of 0°C or more and less than 80°C for 1 minute to 100 hours, and then to inactivate the enzyme by placing it under conditions of 80°C or more.
酸処理工程は、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、リン酸、ホウ酸、スルホン酸(例えばメタンスルホン酸)等と混合する工程である。中でも、酸処理工程は、次亜塩素酸と混合する工程(次亜塩素酸処理工程)であることが好ましい。次亜塩素酸処理工程では、微細繊維状セルロース分散液(スラリー)に次亜塩素酸ナトリウムも使用することができる。次亜塩素酸ナトリウムの添加率は微細繊維状セルロース1gに対して1.0×10-4g以上であることが好ましく、1.0×10-3g以上であることがより好ましく、1.0×10-2g以上であることがさらに好ましく、1.0×10-1g以上であることが特に好ましい。また、次亜塩素酸ナトリウム添加率は微細繊維状セルロース1gに対して1.0×102g以下であることが好ましい。微細繊維状セルロース分散液(スラリー)に次亜塩素酸ナトリウムを添加した後には、10℃以上50℃以下の条件下で1分以上10時間以下撹拌を行うことが好ましい。 The acid treatment step is, for example, a step of mixing with sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, hydroiodic acid, hypochlorous acid, chlorous acid, chloric acid, perchloric acid, phosphoric acid, boric acid, sulfonic acid (e.g., methanesulfonic acid), etc. Among them, the acid treatment step is preferably a step of mixing with hypochlorous acid (hypochlorous acid treatment step). In the hypochlorous acid treatment step, sodium hypochlorite can also be used in the fine fibrous cellulose dispersion (slurry). The addition rate of sodium hypochlorite is preferably 1.0×10 −4 g or more per 1 g of fine fibrous cellulose, more preferably 1.0×10 −3 g or more, even more preferably 1.0×10 −2 g or more, and particularly preferably 1.0×10 −1 g or more. In addition, the addition rate of sodium hypochlorite is preferably 1.0×10 2 g or less per 1 g of fine fibrous cellulose. After sodium hypochlorite is added to the fine fibrous cellulose dispersion (slurry), it is preferable to carry out stirring under conditions of 10° C. or higher and 50° C. or lower for 1 minute or longer and 10 hours or shorter.
亜臨界水処理工程では、微細繊維状セルロース分散液(スラリー)に高温高圧処理を施し、亜臨界状態とする。微細繊維状セルロースは亜臨界状態において加水分解される。具体的には、微細繊維状セルロース分散液(スラリー)を反応容器に入れた後、150℃以上500℃以下、好ましくは150℃以上350℃以下となるまで昇温し、反応容器内の圧力を10MPa以上80MPa以下、好ましくは10MPa以上20MPa以下に加圧する。この際の加熱加圧時間は0.1秒以上100秒以下であることが好ましく、3秒以上50秒以下であることがより好ましい。In the subcritical water treatment process, the fine fibrous cellulose dispersion (slurry) is subjected to high temperature and high pressure treatment to bring it into a subcritical state. The fine fibrous cellulose is hydrolyzed in the subcritical state. Specifically, after the fine fibrous cellulose dispersion (slurry) is placed in a reaction vessel, the temperature is raised to 150°C to 500°C, preferably 150°C to 350°C, and the pressure in the reaction vessel is increased to 10 MPa to 80 MPa, preferably 10 MPa to 20 MPa. The heating and pressurizing time in this case is preferably 0.1 seconds to 100 seconds, more preferably 3 seconds to 50 seconds.
低分子化処理工程の後には、さらに解繊処理工程を設けることが好ましい。中でも、低分子化処理工程の前後に解繊処理工程を設けることが好ましい。この場合、解繊処理工程としては、上述した工程と同様の工程を例示することができるが、中でも、低分子化処理工程後の解繊処理工程では、高圧ホモジナイザー又は超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。It is preferable to further provide a defibration process after the low molecular weight processing step. In particular, it is preferable to provide a defibration process before and after the low molecular weight processing step. In this case, the defibration process can be exemplified by the same processes as those described above, and in particular, it is preferable to use a high pressure homogenizer or ultra-high pressure homogenizer in the defibration process after the low molecular weight processing step.
なお、本実施形態は、イオン性置換基を有するセルロース繊維を解繊処理する工程と、低分子化処理とを少なくとも1工程ずつ含む、微細繊維状セルロースの製造方法に関するものであってもよい。微細繊維状セルロースの製造方法がイオン性置換基を有するセルロース繊維を解繊処理する工程と、低分子化処理とを少なくとも1工程ずつ含むことで、解繊処理時のセルロース繊維の濃度をより高めることができる。これにより、高濃度の微細繊維状セルロース分散液を効率よく得ることができる。なお、この場合、微細繊維状セルロースの製造方法は、解繊処理工程、低分子化処理工程及び解繊処理工程をこの順で含むものであってもよく、低分子化処理工程、解繊処理工程、低分子化処理工程及び解繊処理工程をこの順で含むものであってもよい。なお、最初の解繊処理工程もしくは低分子化処理工程の前には、上述したようなイオン性置換基導入工程や洗浄工程、アルカリ処理工程等が設けられることが好ましい。このような微細繊維状セルロースの製造方法において、低分子化処理工程は、オゾン処理工程、酵素処理工程、酸処理工程及び亜臨界水処理工程から選択される少なくとも1種であることが好ましく、オゾン処理工程及び酵素処理工程から選択される少なくとも1種であることが特に好ましい。 The present embodiment may relate to a method for producing fine fibrous cellulose, which includes at least one step each of a step of defibrating cellulose fibers having an ionic substituent and a step of low molecular weight processing. The method for producing fine fibrous cellulose includes at least one step each of a step of defibrating cellulose fibers having an ionic substituent and a step of low molecular weight processing, so that the concentration of cellulose fibers during defibration processing can be further increased. This makes it possible to efficiently obtain a high concentration fine fibrous cellulose dispersion. In this case, the method for producing fine fibrous cellulose may include a defibration processing step, a low molecular weight processing step, and a defibration processing step in this order, or may include a low molecular weight processing step, a defibration processing step, a low molecular weight processing step, and a defibration processing step in this order. It is preferable that an ionic substituent introduction step, a washing step, an alkali treatment step, or the like, as described above, be provided before the first defibration processing step or the low molecular weight processing step. In such a method for producing fine fibrous cellulose, the molecular weight reduction treatment step is preferably at least one selected from an ozone treatment step, an enzyme treatment step, an acid treatment step, and a subcritical water treatment step, and is particularly preferably at least one selected from an ozone treatment step and an enzyme treatment step.
(繊維状セルロース分散液)
本実施形態は、上述した微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液に関する発明であってもよい。繊維状セルロース分散液は、微細繊維状セルロースを、水を含む溶媒に分散させてなる繊維状セルロース分散液(微細繊維状セルロース含有分散液、微細繊維状セルロース含有スラリーもしくはスラリーともいう)であることが好ましく、水を主成分とする溶媒に分散させてなる繊維状セルロース水分散液であることがより好ましい。
(Fibrous Cellulose Dispersion)
This embodiment may be an invention related to a fibrous cellulose dispersion containing the above-mentioned fine fibrous cellulose. The fibrous cellulose dispersion is preferably a fibrous cellulose dispersion (also called a fine fibrous cellulose-containing dispersion, a fine fibrous cellulose-containing slurry, or a slurry) obtained by dispersing fine fibrous cellulose in a solvent containing water, and more preferably an aqueous fibrous cellulose dispersion obtained by dispersing fine fibrous cellulose in a solvent mainly composed of water.
繊維状セルロース分散液中における微細繊維状セルロースの含有量(微細繊維状セルロースの濃度)は、繊維状セルロース分散液の全質量に対して、3.0質量%以上であることが好ましく、4.0質量%以上であることがより好ましく、5.0質量%以上であることがさらに好ましく、6.0質量%以上であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースの含有量(微細繊維状セルロースの濃度)は、繊維状セルロース分散液の全質量に対して、30.0質量%以下であることが好ましく、20.0質量%以下であることがより好ましい。The content of fine fibrous cellulose in the fibrous cellulose dispersion (concentration of fine fibrous cellulose) is preferably 3.0% by mass or more, more preferably 4.0% by mass or more, even more preferably 5.0% by mass or more, and particularly preferably 6.0% by mass or more, based on the total mass of the fibrous cellulose dispersion. The content of fine fibrous cellulose (concentration of fine fibrous cellulose) is preferably 30.0% by mass or less, more preferably 20.0% by mass or less, based on the total mass of the fibrous cellulose dispersion.
繊維状セルロース分散液を、微細繊維状セルロース濃度が0.5質量%の繊維状セルロース分散液とした場合、該分散液の23℃における粘度は、108mPa・s未満であればよく、100mPa・s以下であることが好ましく、95mPa・s以下であることがより好ましい。微細繊維状セルロース分散液の粘度はB型粘度計を用いて、23℃で、回転速度3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値である。B型粘度計としては、例えば、BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVTを用いることができる。なお、微細繊維状セルロースを0.5質量%濃度の繊維状セルロース分散液を調製する際には、ディスパーザーにて4000rpmで3分間撹拌した後、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて微細繊維状セルロース分散液の脱泡処理を行う。When the fibrous cellulose dispersion is a fibrous cellulose dispersion having a fine fibrous cellulose concentration of 0.5% by mass, the viscosity of the dispersion at 23°C may be less than 108 mPa·s, preferably 100 mPa·s or less, and more preferably 95 mPa·s or less. The viscosity of the fine fibrous cellulose dispersion is measured using a Brookfield viscometer at 23°C and a rotation speed of 3 rpm, and is the viscosity value 3 minutes after the start of measurement. As the Brookfield viscometer, for example, an analog viscometer T-LVT manufactured by BLOOKFIELD can be used. When preparing a fibrous cellulose dispersion having a concentration of 0.5% by mass of fine fibrous cellulose, the dispersion is stirred at 4000 rpm for 3 minutes in a disperser, and then degassed using a revolution-type super mixer (ARE-250 manufactured by Thinky Corporation).
微細繊維状セルロースを6.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、500,000mPa・s以上であることが好ましく、700,000mPa・s以上であることがより好ましく、1,000,000mPa・s以上であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースを6.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、10,000,000mPa・s以下であることが好ましく、7,500,000mPa・s以下であることがより好ましく、4,000,000mPa・s以下であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースを13.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、1,000,000mPa・s以上であることが好ましく、3,000,000mPa・s以上であることがより好ましく、5,000,000mPa・s以上であることが特に好ましい。また、微細繊維状セルロースを13.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度は、50,000,000mPa・s以下であることが好ましく、30,000,000mPa・s以下であることがより好ましく、18,000,000mPa・s未満であることが特に好ましい。6.0質量%濃度の水分散液もしくは、13.0質量%濃度の水分散液の粘度はB型粘度計を用いて、23℃で、回転速度0.3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値である。B型粘度計としては、例えば、BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVTもしくはデジタル粘度計DV2Tを用いることができる。なお、微細繊維状セルロースを6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度の水分散液に調製した際には、ディスパーザーにて4000rpmで3分間撹拌した後、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて微細繊維状セルロース分散液の脱泡処理を行う。6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度の水分散液に調製する際には、6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度よりも高濃度の水分散液を得て、該水分散液を水で希釈することにより6.0質量%濃度もしくは13.0質量%濃度の水分散液を得てもよい。When the fine fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 6.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23°C is preferably 500,000 mPa·s or more, more preferably 700,000 mPa·s or more, and particularly preferably 1,000,000 mPa·s or more. When the fine fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 6.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23°C is preferably 10,000,000 mPa·s or less, more preferably 7,500,000 mPa·s or less, and particularly preferably 4,000,000 mPa·s or less. In addition, when the fine fibrous cellulose is made into an aqueous dispersion of 13.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is preferably 1,000,000 mPa·s or more, more preferably 3,000,000 mPa·s or more, and particularly preferably 5,000,000 mPa·s or more. In addition, when the fine fibrous cellulose is made into an aqueous dispersion of 13.0% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is preferably 50,000,000 mPa·s or less, more preferably 30,000,000 mPa·s or less, and particularly preferably less than 18,000,000 mPa·s. The viscosity of the aqueous dispersion of 6.0% by mass or the aqueous dispersion of 13.0% by mass is measured using a B-type viscometer at 23° C. with a rotation speed of 0.3 rpm, and is the viscosity value 3 minutes after the start of measurement. As the B-type viscometer, for example, an analog viscometer T-LVT or a digital viscometer DV2T manufactured by BLOOKFIELD Co., Ltd. can be used. When fine fibrous cellulose is prepared into an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass, the mixture is stirred for 3 minutes at 4000 rpm in a disperser, and then the fine fibrous cellulose dispersion is degassed with a rotation-revolution type super mixer (ARE-250 manufactured by Thinky Corporation). When preparing an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass, an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass may be obtained by obtaining an aqueous dispersion of a concentration higher than 6.0% by mass or 13.0% by mass, and diluting the aqueous dispersion with water to obtain an aqueous dispersion of 6.0% by mass or 13.0% by mass.
繊維状セルロース分散液を、微細繊維状セルロース濃度が0.2質量%の繊維状セルロース分散液とした場合、該分散液のヘーズは、80%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましく、40%以下であることがさらに好ましく、30%以下であることが一層好ましく、15%以下であることがより一層好ましく、5%以下であることが特に好ましい。分散液のヘーズが上記範囲であることは、繊維状セルロース分散液の透明度が高く、微細繊維状セルロースの分散性が良好であることを意味する。ここで、微細繊維状セルロース分散液(微細繊維状セルロース濃度0.2質量%)のヘーズは、光路長1cmの液体用ガラスセル(藤原製作所製、MG-40、逆光路)に繊維状セルロース分散液を入れ、JIS K 7136:2000に準拠し、ヘーズメーター(村上色彩技術研究所社製、HM-150)を用いて測定される値である。なお、測定対象の分散液は測定前に、23℃、相対湿度50%の環境下に24時間静置する。また、ヘーズ測定の際のゼロ点測定は、同ガラスセルに入れたイオン交換水で行う。When the fibrous cellulose dispersion is a fibrous cellulose dispersion having a fine fibrous cellulose concentration of 0.2% by mass, the haze of the dispersion is preferably 80% or less, more preferably 60% or less, even more preferably 40% or less, even more preferably 30% or less, even more preferably 15% or less, and particularly preferably 5% or less. The haze of the dispersion in the above range means that the transparency of the fibrous cellulose dispersion is high and the dispersibility of the fine fibrous cellulose is good. Here, the haze of the fine fibrous cellulose dispersion (fine fibrous cellulose concentration 0.2% by mass) is measured by putting the fibrous cellulose dispersion in a liquid glass cell (manufactured by Fujiwara Seisakusho, MG-40, reverse light path) with an optical path length of 1 cm and using a haze meter (manufactured by Murakami Color Research Laboratory, HM-150) in accordance with JIS K 7136:2000. The dispersion to be measured is allowed to stand for 24 hours in an environment of 23° C. and a relative humidity of 50% prior to the measurement. The zero point measurement for haze measurement is performed using ion-exchanged water placed in the same glass cell.
繊維状セルロース分散液は、水を含む溶媒と、微細繊維状セルロースに加えて他の添加剤を含有していてもよい。他の添加剤としては、例えば、消泡剤、潤滑剤、紫外線吸収剤、染料、顔料、安定剤、界面活性剤、防腐剤(例えば、フェノキシエタノール)等を挙げることができる。また、繊維状セルロース分散液は、任意成分としては、親水性高分子、親水性低分子、有機イオン等を含有していてもよい。The fibrous cellulose dispersion may contain other additives in addition to the solvent containing water and the fine fibrous cellulose. Examples of other additives include defoamers, lubricants, UV absorbers, dyes, pigments, stabilizers, surfactants, and preservatives (e.g., phenoxyethanol). The fibrous cellulose dispersion may also contain optional components such as hydrophilic polymers, hydrophilic low-molecular weight compounds, and organic ions.
親水性高分子は、親水性の含酸素有機化合物(但し、上記セルロース繊維は除く)であることが好ましく、含酸素有機化合物としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、カゼイン、デキストリン、澱粉、変性澱粉、ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール(アセトアセチル化ポリビニルアルコール等)、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルメチルエーテル、ポリアクリル酸塩類、アクリル酸アルキルエステル共重合体、ウレタン系共重合体、セルロース誘導体(ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等)等が挙げられる。The hydrophilic polymer is preferably a hydrophilic oxygen-containing organic compound (excluding the above-mentioned cellulose fibers), and examples of the oxygen-containing organic compound include polyethylene glycol, polyethylene oxide, casein, dextrin, starch, modified starch, polyvinyl alcohol, modified polyvinyl alcohol (acetoacetylated polyvinyl alcohol, etc.), polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl methyl ether, polyacrylates, acrylic acid alkyl ester copolymers, urethane copolymers, cellulose derivatives (hydroxyethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, etc.), etc.
親水性低分子は、親水性の含酸素有機化合物であることが好ましく、多価アルコールであることがさらに好ましい。多価アルコールとしては、例えば、グリセリン、ソルビトール、エチレングリコール等が挙げられる。The hydrophilic low molecular weight compound is preferably a hydrophilic oxygen-containing organic compound, more preferably a polyhydric alcohol. Examples of polyhydric alcohols include glycerin, sorbitol, and ethylene glycol.
有機イオンとしては、テトラアルキルアンモニウムイオンやテトラアルキルホスホニウムイオンを挙げることができる。テトラアルキルアンモニウムイオンとしては、例えば、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラペンチルアンモニウムイオン、テトラヘキシルアンモニウムイオン、テトラヘプチルアンモニウムイオン、トリブチルメチルアンモニウムイオン、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン、セチルトリメチルアンモニウムイオン、ステアリルトリメチルアンモニウムイオン、オクチルジメチルエチルアンモニウムイオン、ラウリルジメチルエチルアンモニウムイオン、ジデシルジメチルアンモニウムイオン、ラウリルジメチルベンジルアンモニウムイオン、トリブチルベンジルアンモニウムイオンが挙げられる。テトラアルキルホスホニウムイオンとしては、例えばテトラメチルホスホニウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラプロピルホスホニウムイオン、テトラブチルホスホニウムイオン、およびラウリルトリメチルホスホニウムイオンが挙げられる。また、テトラプロピルオニウムイオン、テトラブチルオニウムイオンとして、それぞれテトラn-プロピルオニウムイオン、テトラn-ブチルオニウムイオンなども挙げることができる。Examples of organic ions include tetraalkylammonium ions and tetraalkylphosphonium ions. Examples of tetraalkylammonium ions include tetramethylammonium ion, tetraethylammonium ion, tetrapropylammonium ion, tetrabutylammonium ion, tetrapentylammonium ion, tetrahexylammonium ion, tetraheptylammonium ion, tributylmethylammonium ion, lauryltrimethylammonium ion, cetyltrimethylammonium ion, stearyltrimethylammonium ion, octyldimethylethylammonium ion, lauryldimethylethylammonium ion, didecyldimethylammonium ion, lauryldimethylbenzylammonium ion, and tributylbenzylammonium ion. Examples of tetraalkylphosphonium ions include tetramethylphosphonium ion, tetraethylphosphonium ion, tetrapropylphosphonium ion, tetrabutylphosphonium ion, and lauryltrimethylphosphonium ion. Examples of tetrapropylonium ion and tetrabutylonium ion include tetra n-propylonium ion and tetra n-butylonium ion, respectively.
(用途)
本実施形態の微細繊維状セルロースは、高濃度の分散液になり得る。このため、微細繊維状セルロースを高濃度で添加したい用途に特に好ましく用いられる。例えば、本実施形態の微細繊維状セルロースは、食品、化粧品、セメント、塗料(自動車、船舶、航空機等の乗り物塗装用、建材用、日用品用など)、インク、医薬品などへの添加物として用いることができる。また、本実施形態の微細繊維状セルロースは、樹脂系材料やゴム系材料に添加したりすることで、日用品への応用も可能である。
(Application)
The fine fibrous cellulose of this embodiment can be made into a high-concentration dispersion. Therefore, it is particularly preferably used in applications where it is desired to add fine fibrous cellulose at a high concentration. For example, the fine fibrous cellulose of this embodiment can be used as an additive to food, cosmetics, cement, paint (for painting vehicles such as automobiles, ships, and aircraft, for building materials, for daily necessities, etc.), ink, medicines, etc. In addition, the fine fibrous cellulose of this embodiment can be applied to daily necessities by adding it to resin-based materials or rubber-based materials.
また、本実施形態の微細繊維状セルロースを高濃度で含む分散液からシートや塗膜を形成した場合には、シートや塗膜中における微細繊維状セルロースの含有量を高めることができる。これにより、得られるシートや塗膜の機械的強度を高めることができる。例えば、シートや塗膜の引張強度や引張弾性率をより効果的に高めることができる。このように本実施形態の微細繊維状セルロース分散液はシート形成用分散液であることが好ましく、本実施形態は、上述した微細繊維状セルロースを含むシートに関するものであってもよい。 In addition, when a sheet or coating is formed from a dispersion containing a high concentration of the fine fibrous cellulose of this embodiment, the content of fine fibrous cellulose in the sheet or coating can be increased. This can increase the mechanical strength of the resulting sheet or coating. For example, the tensile strength and tensile modulus of the sheet or coating can be more effectively increased. In this way, the fine fibrous cellulose dispersion of this embodiment is preferably a dispersion for forming a sheet, and this embodiment may relate to a sheet containing the above-mentioned fine fibrous cellulose.
本実施形態の微細繊維状セルロースを高濃度で含む分散液からシートや塗膜を形成する際には、微細繊維状セルロース分散液を基材上に塗工する塗工工程、または該シート形成用組成物を抄紙する抄紙工程を含むことが好ましい。このようにして得られたシートには、さらに、樹脂層や無機層が積層されてもよい。When forming a sheet or coating from a dispersion containing a high concentration of the fine fibrous cellulose of this embodiment, it is preferable to include a coating step of coating the fine fibrous cellulose dispersion onto a substrate, or a papermaking step of making the sheet-forming composition. The sheet thus obtained may further include a resin layer or an inorganic layer laminated thereon.
また、本実施形態は、以下の構成を有するものであってもよい。
<101>繊維幅が1000nm以下であり、イオン性置換基を有する微細繊維状セルロース含有分散液であって、
微細繊維状セルロースの含有量が、分散液の全質量に対して5.0質量%以上14.0質量%以下であり、
微細繊維状セルロースの重合度が、160以上205以下である、
微細繊維状セルロース含有分散液。
<102> B型粘度計を用いて測定された粘度が、1800×103mPa・s以上13000×103mPa・s以下である、<101>に記載の微細繊維状セルロース含有分散液。
<103> イオン性置換基が、リンオキソ酸基又はリンオキソ酸基に由来する置換基である、<101>又は<102>に記載の微細繊維状セルロース含有分散液。
<104> 微細繊維状セルロースに対するイオン性置換基の導入量が、0.90mmol/g以上2.00mmol/g以下である、<101>~<103>のいずれかに記載の微細繊維状セルロース含有分散液。
This embodiment may also have the following configuration.
<101> A dispersion containing fine fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less and having an ionic substituent,
The content of the fine fibrous cellulose is 5.0% by mass or more and 14.0% by mass or less based on the total mass of the dispersion,
The degree of polymerization of the fine fibrous cellulose is 160 or more and 205 or less.
A dispersion containing fine fibrous cellulose.
<102> The fine fibrous cellulose-containing dispersion according to <101>, having a viscosity measured using a B-type viscometer of 1,800×10 3 mPa·s or more and 13,000×10 3 mPa·s or less.
<103> The fine fibrous cellulose-containing dispersion according to <101> or <102>, wherein the ionic substituent is a phosphorus oxoacid group or a substituent derived from a phosphorus oxoacid group.
<104> The fine fibrous cellulose-containing dispersion according to any one of <101> to <103>, wherein the amount of ionic substituents introduced into the fine fibrous cellulose is 0.90 mmol/g or more and 2.00 mmol/g or less.
<111> イオン性置換基を有するセルロース繊維に解繊処理を施して繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを得る工程と、
繊維状セルロースに低分子化処理を施す工程とを含む、繊維状セルロースの製造方法であって、
繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における水分散液の粘度が108mPa・s未満である、繊維状セルロースの製造方法。
<112> 解繊処理を施して繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを得る工程におけるセルロース繊維の濃度は、3.0質量%以上である、<111>に記載の繊維状セルロースの製造方法。
<113> 低分子化処理を施す工程は、繊維状セルロースの重合度を230以下にする工程である、<111>又は<112>に記載の繊維状セルロースの製造方法。
<114> 低分子化処理を施す工程は、オゾン処理工程、酵素処理工程、酸処理工程及び亜臨界水処理工程から選択される少なくとも1種である、<111>~<113>のいずれかに記載の繊維状セルロースの製造方法。
<115> 低分子化処理を施す工程の後に、さらに解繊処理を施す工程を含む、<111>~<114>のいずれかに記載の繊維状セルロースの製造方法。
<116> <111>~<115>のいずれかに記載の繊維状セルロースの製造方法で製造される繊維状セルロース。
<111> A step of subjecting cellulose fibers having ionic substituents to a defibration treatment to obtain fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less;
and subjecting the fibrous cellulose to a molecular weight reduction treatment,
A method for producing fibrous cellulose, in which, when the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 0.5% by mass, the aqueous dispersion has a viscosity of less than 108 mPa·s at 23°C.
<112> The method for producing fibrous cellulose according to <111>, wherein the concentration of cellulose fibers in the step of obtaining fibrous cellulose having a fiber width of 1,000 nm or less by defibration treatment is 3.0 mass% or more.
<113> The method for producing fibrous cellulose according to <111> or <112>, wherein the step of carrying out a molecular weight reduction treatment is a step of reducing the degree of polymerization of the fibrous cellulose to 230 or less.
<114> The method for producing fibrous cellulose according to any one of <111> to <113>, wherein the step of performing the low molecular weight treatment is at least one selected from an ozone treatment step, an enzyme treatment step, an acid treatment step, and a subcritical water treatment step.
<115> The method for producing fibrous cellulose according to any one of <111> to <114>, further comprising a step of carrying out defibration treatment after the step of carrying out the low-molecular-weight treatment.
<116> Fibrous cellulose produced by the method for producing fibrous cellulose according to any one of <111> to <115>.
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。The features of the present invention are explained in more detail below with reference to examples and comparative examples. The materials, amounts used, ratios, processing contents, processing procedures, etc. shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be interpreted as being limited by the specific examples shown below.
<製造例1>
〔リン酸化パルプの製造〕
原料パルプとして、王子製紙製の針葉樹クラフトパルプ(固形分93質量%、坪量245g/m2シート状、離解してJIS P 8121-2:2012に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)が700ml)を使用した。この原料パルプに対してリンオキソ酸化処理を次のようにして行った。まず、上記原料パルプ100質量部(絶乾質量)に、リン酸二水素アンモニウムと尿素の混合水溶液を添加して、リン酸二水素アンモニウム45質量部、尿素120質量部、水150質量部となるように調整し、薬液含浸パルプを得た。次いで、得られた薬液含浸パルプを165℃の熱風乾燥機で250秒加熱し、パルプ中のセルロースにリン酸基を導入し、リン酸化パルプを得た。
<Production Example 1>
[Production of phosphorylated pulp]
As the raw material pulp, softwood kraft pulp (solid content 93% by mass, basis weight 245 g/ m2 sheet form, Canadian standard freeness (CSF) measured according to JIS P 8121-2:2012 after disintegration is 700 ml) manufactured by Oji Paper Co., Ltd. was used. This raw material pulp was subjected to phosphorus oxo-oxidation treatment as follows. First, a mixed aqueous solution of ammonium dihydrogen phosphate and urea was added to 100 parts by mass (bone dry mass) of the raw material pulp to adjust the composition to 45 parts by mass of ammonium dihydrogen phosphate, 120 parts by mass of urea, and 150 parts by mass of water, thereby obtaining a chemical-impregnated pulp. Next, the obtained chemical-impregnated pulp was heated in a hot air dryer at 165°C for 250 seconds to introduce phosphoric acid groups into the cellulose in the pulp, thereby obtaining a phosphorylated pulp.
次いで、得られたリン酸化パルプに対して洗浄処理を行った。洗浄処理は、リン酸化パルプ100g(絶乾質量)に対して10Lのイオン交換水を注いで得たパルプ分散液を、パルプが均一に分散するよう撹拌した後、濾過脱水する操作を繰り返すことにより行った。ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下となった時点で、洗浄終点とした。The phosphorylated pulp obtained was then subjected to a washing process. The washing process was carried out by repeatedly pouring 10 L of ion-exchanged water per 100 g (bone dry weight) of phosphorylated pulp to obtain a pulp dispersion, stirring the pulp to uniformly disperse the pulp, and then filtering and dehydrating the pulp. The washing was completed when the electrical conductivity of the filtrate reached 100 μS/cm or less.
次いで、洗浄後のリン酸化パルプに対して中和処理を次のようにして行った。まず、洗浄後のリン酸化パルプを10Lのイオン交換水で希釈した後、撹拌しながら1Nの水酸化ナトリウム水溶液を少しずつ添加することにより、pHが12以上13以下のリン酸化パルプスラリーを得た。次いで、当該リン酸化パルプスラリーを脱水して、中和処理が施されたリン酸化パルプを得た。次いで、中和処理後のリン酸化パルプに対して、上記洗浄処理を行い、リン酸化パルプAを得た。 Next, the washed phosphorylated pulp was subjected to a neutralization treatment as follows. First, the washed phosphorylated pulp was diluted with 10 L of ion exchange water, and then a 1N aqueous solution of sodium hydroxide was added little by little while stirring to obtain a phosphorylated pulp slurry with a pH of 12 to 13. Next, the phosphorylated pulp slurry was dehydrated to obtain phosphorylated pulp that had been subjected to a neutralization treatment. Next, the neutralized phosphorylated pulp was subjected to the above-mentioned washing treatment to obtain phosphorylated pulp A.
これにより得られたリン酸化パルプAに対しFT-IRを用いて赤外線吸収スペクトルの測定を行った。その結果、1230cm-1付近にリン酸基に基づく吸収が観察され、パルプにリン酸基が付加されていることが確認された。 The infrared absorption spectrum of the phosphorylated pulp A thus obtained was measured using FT-IR, and as a result, absorption due to the phosphate group was observed around 1230 cm −1 , confirming that the phosphate group had been added to the pulp.
また、得られたリン酸化パルプAを供試して、X線回折装置にて分析を行ったところ、2θ=14°以上17°以下付近と2θ=22°以上23°以下付近の2箇所の位置に典型的なピークが確認され、セルロースI型結晶を有していることが確認された。 In addition, the obtained phosphorylated pulp A was used as a test sample and analyzed using an X-ray diffraction device. Typical peaks were confirmed at two positions, near 2θ = 14° to 17° and near 2θ = 22° to 23°, confirming that it contains cellulose type I crystals.
<製造例2>
熱風乾燥機での加熱時間を150秒に変更した以外は製造例1と同様の処理を行い、リン酸化パルプBを得た。
<Production Example 2>
Phosphated pulp B was obtained by carrying out the same treatment as in Production Example 1, except that the heating time in the hot air dryer was changed to 150 seconds.
<製造例3>
製造例1で得られた洗浄後のリン酸化パルプに対して、更に製造例1のリン酸化処理及び洗浄処理を1回ずつ行うことでリン酸化パルプCを得た。
<Production Example 3>
The washed phosphorylated pulp obtained in Production Example 1 was subjected to the phosphorylation treatment and washing treatment of Production Example 1 once each to obtain phosphorylated pulp C.
<製造例4>
製造例1で用いた原料パルプを王子製紙社製広葉樹溶解パルプ(ドライシート)とした以外は製造例1と同様の処理を行い、リン酸化パルプDを得た。
<Production Example 4>
Phosphated pulp D was obtained by carrying out the same treatment as in Production Example 1, except that the raw material pulp used in Production Example 1 was changed to hardwood dissolving pulp (dry sheet) manufactured by Oji Paper Co., Ltd.
<製造例5>
製造例1で用いた原料パルプをセニブラ社製広葉樹クラフトパルプ(ドライシート)とした以外は製造例1と同様の処理を行い、リン酸化パルプEを得た。
<Production Example 5>
Phosphated pulp E was obtained by carrying out the same treatment as in Production Example 1, except that the raw material pulp used in Production Example 1 was changed to hardwood kraft pulp (dry sheet) manufactured by Cenibra.
<製造例6>
[前加水分解]
針葉樹材チップを絶乾質量で300g採取し、水道水10リットルに一晩浸漬した。その後、チップを取り出して400メッシュの篩に空け、濾別した。この脱水後のチップを2.5リットル容量のオートクレーブに入れ、液質量比(絶乾後のチップの質量を1とした場合)が3になるように水道水を加えた後、165℃で30分間加熱し、前加水分解を行った。この時のPファクターは380であった。
[蒸解]
前加水分解後、オートクレーブの脱気コックから廃ガスを抜き出し、オートクレーブ内の圧力が0になったことを確認した後、処理後のチップを400メッシュの篩に空け、濾別した。濾別後のチップを再度2.5リットル容量のオートクレーブに入れ、液比が5となるように蒸解液を加え、蒸解温度165℃、蒸解時間120分の条件下でクラフト蒸解を行った。蒸解液は、チップの絶乾質量に対して活性アルカリを21質量%含み、硫化度は28%であった。蒸解後、黒液とパルプを分離し、パルプを8カットのスクリーンプレートを備えたフラットスクリーンで精選して、蒸解後パルプを得た。
[漂白]
蒸解後パルプを絶乾質量で70g採取し、絶乾パルプの全質量に対して苛性ソーダを2.0質量%添加し、次いでイオン交換水で希釈してパルプ濃度を10質量%に調整した。このスラリーを間接加熱式オートクレーブに入れ、99.9%の圧縮酸素ガスを注入してゲージ圧力を0.5MPaとし、100℃で60分間、酸素晒を行った。酸素晒終了後、ゲージ圧力が0.05MPa以下になるまで減圧し、パルプをオートクレーブから取り出し、イオン交換水7リットルを用いて洗浄した後、脱水した。このようにして、酸素晒後パルプを得た。
酸素晒後パルプを絶乾質量で60g採取し、プラスチック袋に入れ、イオン交換水を添加してパルプ濃度を10質量%に調整した。その後、絶乾パルプの全質量に対して1.8質量%の二酸化塩素を添加し、温度が70℃の恒温水槽に70分間浸漬した(D0段処理)。D0段処理後に得られたパルプをイオン交換水で3質量%に希釈した後、ブフナーロートで脱水、洗浄した。D0段処理後のパルプをプラスチック袋に入れ、イオン交換水を加えてパルプ濃度を10質量%に調整した後、絶乾パルプの全質量に対して苛性ソーダを1.0質量%、過酸化水素を0.3質量%となるように添加してよく混合した。その後、温度が70℃の恒温水槽に100分間浸漬してE/P段処理を行った。得られたパルプをイオン交換水で3質量%に希釈した後、ブフナーロートで脱水、洗浄した。E/P段処理後のパルプをプラスチック袋に入れ、イオン交換水を用いてパルプ濃度10質量%に調整した後、絶乾パルプの全質量に対して二酸化塩素を0.3質量%添加し、温度が70℃の恒温水槽に80分間浸漬し、D1段漂白処理を行った。得られたパルプをイオン交換水で3質量%に希釈した後、ブフナーロートで脱水、洗浄し、漂白パルプを得た。
[リン酸化]
この漂白パルプにリン酸二水素アンモニウム45質量部、尿素120質量部、水150質量部となるように調整し、薬液含浸パルプを得た。次いで、得られた薬液含浸パルプを165℃の熱風乾燥機で250秒加熱し、パルプ中のセルロースにリン酸基を導入し、リン酸化パルプFを得た。
<Production Example 6>
[Prehydrolysis]
300g of softwood chips were collected by bone dry weight and soaked in 10L of tap water overnight. Then, the chips were taken out and sieved through a 400 mesh sieve, and filtered. The dehydrated chips were placed in a 2.5L autoclave, tap water was added so that the liquid mass ratio (when the mass of the bone dry chips is taken as 1) was 3, and the chips were heated at 165°C for 30 minutes to perform prehydrolysis. The P factor at this time was 380.
[Digestion]
After prehydrolysis, the waste gas was extracted from the degassing cock of the autoclave, and after confirming that the pressure inside the autoclave had become 0, the treated chips were emptied into a 400-mesh sieve and filtered. The filtered chips were again placed in a 2.5-liter autoclave, and cooking liquor was added so that the liquor ratio was 5, and kraft cooking was performed under the conditions of a cooking temperature of 165°C and a cooking time of 120 minutes. The cooking liquor contained 21% by mass of active alkali relative to the bone dry mass of the chips, and the sulfidity was 28%. After cooking, the black liquor and pulp were separated, and the pulp was refined using a flat screen equipped with an 8-cut screen plate to obtain a cooked pulp.
[bleaching]
After cooking, 70 g of pulp was collected in bone dry mass, and 2.0% by mass of caustic soda was added to the total mass of the bone dry pulp, and then the pulp concentration was adjusted to 10% by mass by diluting with ion-exchanged water. The slurry was placed in an indirect heating autoclave, and 99.9% compressed oxygen gas was injected to set the gauge pressure to 0.5 MPa, and oxygen exposure was performed at 100°C for 60 minutes. After oxygen exposure was completed, the pressure was reduced until the gauge pressure was 0.05 MPa or less, and the pulp was removed from the autoclave, washed with 7 liters of ion-exchanged water, and then dehydrated. In this way, oxygen-exposed pulp was obtained.
After the oxygen exposure, 60 g of the pulp was collected by bone dry weight, put into a plastic bag, and ion-exchanged water was added to adjust the pulp concentration to 10% by weight. Then, 1.8% by weight of chlorine dioxide was added to the total weight of the bone dry pulp, and the mixture was immersed in a thermostatic water bath at a temperature of 70° C. for 70 minutes (D0 stage treatment). The pulp obtained after the D0 stage treatment was diluted to 3% by weight with ion-exchanged water, and then dehydrated and washed with a Buchner funnel. The pulp after the D0 stage treatment was put into a plastic bag, and ion-exchanged water was added to adjust the pulp concentration to 10% by weight, and then caustic soda was added to 1.0% by weight and hydrogen peroxide was added to 0.3% by weight with respect to the total weight of the bone dry pulp, and mixed well. Then, the mixture was immersed in a thermostatic water bath at a temperature of 70° C. for 100 minutes to perform E/P stage treatment. The pulp obtained was diluted to 3% by weight with ion-exchanged water, and then dehydrated and washed with a Buchner funnel. The pulp after the E/P stage treatment was placed in a plastic bag and adjusted to a pulp concentration of 10% by mass using ion-exchanged water, after which chlorine dioxide was added in an amount of 0.3% by mass based on the total mass of the bone-dry pulp, and the pulp was immersed in a thermostatic water bath at 70° C. for 80 minutes to perform a D1 stage bleaching treatment. The resulting pulp was diluted to 3% by mass with ion-exchanged water, and then dehydrated and washed using a Buchner funnel to obtain bleached pulp.
[Phosphorylation]
The bleached pulp was mixed with 45 parts by mass of ammonium dihydrogen phosphate, 120 parts by mass of urea, and 150 parts by mass of water to obtain a chemical-impregnated pulp. The chemical-impregnated pulp was then heated in a hot air dryer at 165° C. for 250 seconds to introduce phosphoric acid groups into the cellulose in the pulp, thereby obtaining phosphorylated pulp F.
<製造例7>
[TEMPO酸化パルプの製造]
原料パルプとして、王子製紙製の針葉樹クラフトパルプ(未乾燥)を使用した。この原料パルプに対してアルカリTEMPO酸化処理を次のようにして行った。まず、乾燥質量100質量部相当の上記原料パルプと、TEMPO(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル)1.6質量部と、臭化ナトリウム10質量部を、水10000質量部に分散させた。次いで、13質量%の次亜塩素酸ナトリウム溶液を、1.0gのパルプに対して3.8mmolになるように加えて反応を開始した。反応中は0.5Mの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHを10以上10.5以下に保ち、pHに変化が見られなくなった時点で反応終了と見なした。
<Production Example 7>
[Production of TEMPO oxidized pulp]
As the raw material pulp, softwood kraft pulp (undried) manufactured by Oji Paper Co., Ltd. was used. This raw material pulp was subjected to an alkaline TEMPO oxidation treatment as follows. First, the raw material pulp equivalent to 100 parts by mass of dry mass, 1.6 parts by mass of TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl), and 10 parts by mass of sodium bromide were dispersed in 10,000 parts by mass of water. Next, a 13% by mass sodium hypochlorite solution was added so that the amount was 3.8 mmol per 1.0 g of pulp to start the reaction. During the reaction, a 0.5 M aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise to keep the pH at 10 to 10.5, and the reaction was deemed to have ended when no change in pH was observed.
次いで、得られたTEMPO酸化パルプに対して洗浄処理を行った。洗浄処理は、TEMPO酸化後のパルプスラリーを脱水し、脱水シートを得た後、5000質量部のイオン交換水を注ぎ、撹拌して均一に分散させた後、濾過脱水する操作を繰り返すことにより行った。ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下となった時点で、洗浄終点とした。The resulting TEMPO oxidized pulp was then subjected to a washing process. The washing process was carried out by dehydrating the pulp slurry after TEMPO oxidation to obtain a dehydrated sheet, pouring in 5,000 parts by mass of ion-exchanged water, stirring to disperse uniformly, and then repeatedly filtering and dehydrating the sheet. The washing was completed when the electrical conductivity of the filtrate reached 100 μS/cm or less.
この脱水シートに対して、残存するアルデヒド基の追酸化処理を次のようにして行った。乾燥質量100質量部相当の上記脱水シートを、0.1mol/L酢酸緩衝液(pH4.8)10000質量部に分散させた。次いで80質量%の亜塩素酸ナトリウム113質量部を加え、直ちに密閉した後、マグネチックスターラーを用いて500rpmで撹拌しながら室温で48時間反応させ、パルプスラリーを得た。The remaining aldehyde groups in this dehydrated sheet were subjected to a post-oxidation treatment as follows. 100 parts of the above dehydrated sheet equivalent to the dry mass were dispersed in 10,000 parts of 0.1 mol/L acetate buffer (pH 4.8). Next, 113 parts of 80% sodium chlorite were added, and the container was immediately sealed. The mixture was stirred at 500 rpm using a magnetic stirrer and reacted at room temperature for 48 hours to obtain a pulp slurry.
次いで、得られた追酸化済みTEMPO酸化パルプに対して洗浄処理を行った。洗浄処理は、追酸化後のパルプスラリーを脱水し、脱水シートを得た後、5000質量部のイオン交換水を注ぎ、撹拌して均一に分散させた後、濾過脱水する操作を繰り返すことにより行った。ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下となった時点で、洗浄終点とし、TEMPO酸化パルプAを得た。The resulting TEMPO oxidized pulp was then subjected to a washing process. The washing process was carried out by dehydrating the pulp slurry after the additional oxidation to obtain a dehydrated sheet, pouring in 5,000 parts by mass of ion-exchanged water, stirring to disperse uniformly, and then repeatedly filtering and dehydrating the sheet. The washing was completed when the electrical conductivity of the filtrate reached 100 μS/cm or less, and TEMPO oxidized pulp A was obtained.
また、得られたTEMPO酸化パルプAを供試して、X線回折装置にて分析を行ったところ、2θ=14°以上17°以下付近と2θ=22°以上23°以下付近の2箇所の位置に典型的なピークが確認され、セルロースI型結晶を有していることが確認された。 In addition, the obtained TEMPO oxidized pulp A was tested and analyzed using an X-ray diffraction device, and typical peaks were confirmed at two positions, near 2θ = 14° to 17° and near 2θ = 22° to 23°, confirming that it contains cellulose type I crystals.
<製造例8>
製造例7で用いた原料パルプを王子製紙社製広葉樹溶解パルプ(未乾燥)とした以外は製造例7と同様の処理を行い、TEMPO酸化パルプBを得た。
<Production Example 8>
The same treatment as in Production Example 7 was carried out, except that the raw material pulp used in Production Example 7 was changed to hardwood dissolving pulp (undried) manufactured by Oji Paper Co., Ltd., to obtain TEMPO oxidized pulp B.
<製造例9>
製造例7で用いた原料パルプを王子製紙社製広葉樹クラフトパルプ(未乾燥)とした以外は製造例7と同様の処理を行い、TEMPO酸化パルプCを得た。
<Production Example 9>
TEMPO oxidized pulp C was obtained in the same manner as in Production Example 7, except that the raw material pulp used in Production Example 7 was hardwood kraft pulp (undried) manufactured by Oji Paper Co., Ltd.
<製造例10>
〔亜リン酸化パルプの製造〕
原料パルプとして、王子製紙製の針葉樹クラフトパルプ(固形分93質量%、坪量245g/m2シート状、離解してJIS P 8121-2:2012に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)が700ml)を使用した。この原料パルプに対してリンオキソ酸化処理を次のようにして行った。まず、上記原料パルプ100質量部(絶乾質量)に、亜リン酸(ホスホン酸)と尿素の混合水溶液を添加して、亜リン酸(ホスホン酸)33質量部、尿素120質量部、水150質量部となるように調製し、薬液含浸パルプを得た。次いで、得られた薬液含浸パルプを165℃の熱風乾燥機で250秒加熱し、パルプ中のセルロースに亜リン酸基を導入し、亜リン酸化パルプを得た。
<Production Example 10>
[Production of Phosphosphite Pulp]
As the raw material pulp, softwood kraft pulp (solid content 93% by mass, basis weight 245 g/ m2 sheet form, Canadian standard freeness (CSF) measured according to JIS P 8121-2:2012 after disintegration is 700 ml) manufactured by Oji Paper Co., Ltd. was used. This raw material pulp was subjected to phosphorus oxo-oxidation treatment as follows. First, a mixed aqueous solution of phosphorous acid (phosphonic acid) and urea was added to 100 parts by mass (bone dry mass) of the raw material pulp to prepare 33 parts by mass of phosphorous acid (phosphonic acid), 120 parts by mass of urea, and 150 parts by mass of water, thereby obtaining a chemical solution-impregnated pulp. Next, the obtained chemical solution-impregnated pulp was heated in a hot air dryer at 165°C for 250 seconds to introduce phosphorous acid groups into the cellulose in the pulp, thereby obtaining a phosphorous-sulphated pulp.
次いで、得られた亜リン酸化パルプに対して洗浄処理を行った。洗浄処理は、亜リン酸化パルプ100g(絶乾質量)に対して10Lのイオン交換水を注いで得たパルプ分散液を、パルプが均一に分散するよう撹拌した後、濾過脱水する操作を繰り返すことにより行った。ろ液の電気伝導度が100μS/cm以下となった時点で、洗浄終点とした。The resulting phosphorus-substituted pulp was then subjected to a washing process. The washing process was carried out by repeatedly pouring 10 L of ion-exchanged water per 100 g (bone dry weight) of phosphorus-substituted pulp to obtain a pulp dispersion, stirring the resulting solution so that the pulp was uniformly dispersed, and then filtering and dehydrating the resulting solution. The washing was completed when the electrical conductivity of the filtrate reached 100 μS/cm or less.
次いで、洗浄後の亜リン酸化パルプに対して中和処理を次のようにして行った。まず、洗浄後の亜リン酸化パルプを10Lのイオン交換水で希釈した後、撹拌しながら1Nの水酸化ナトリウム水溶液を少しずつ添加することにより、pHが12以上13以下の亜リン酸化パルプスラリーを得た。次いで、当該亜リン酸化パルプスラリーを脱水して、中和処理が施された亜リン酸化パルプを得た。次いで、中和処理後の亜リン酸化パルプに対して、上記洗浄処理を行い、亜リン酸化パルプAを得た。 The washed phosphited pulp was then subjected to a neutralization treatment as follows. First, the washed phosphited pulp was diluted with 10 L of ion exchange water, and then a 1N aqueous solution of sodium hydroxide was added little by little while stirring to obtain a phosphited pulp slurry with a pH of 12 to 13. The phosphited pulp slurry was then dehydrated to obtain a phosphited pulp that had been subjected to a neutralization treatment. The neutralized phosphited pulp was then subjected to the above-mentioned washing treatment to obtain phosphited pulp A.
これにより得られた亜リン酸化パルプAに対しFT-IRを用いて赤外線吸収スペクトルの測定を行った。その結果、1210cm-1付近に亜リン酸基の互変異性体であるホスホン酸基のP=Oに基づく吸収が観察され、パルプに(亜)リン酸基(ホスホン酸基)が付加されていることが確認された。また、得られた亜リン酸化パルプを供試して、X線回折装置にて分析を行ったところ、2θ=14°以上17°以下付近と2θ=22°以上23°以下付近の2箇所の位置に典型的なピークが確認され、セルロースI型結晶を有していることが確認された。 The infrared absorption spectrum of the phosphorous pulp A thus obtained was measured using FT-IR. As a result, absorption due to P=O of the phosphonic acid group, which is a tautomer of the phosphorous acid group, was observed around 1210 cm -1 , confirming that a phosphorous acid group (phosphonic acid group) was added to the pulp. In addition, when the phosphorous pulp thus obtained was analyzed using an X-ray diffractometer, typical peaks were confirmed at two positions, around 2θ=14° to 17° and around 2θ=22° to 23°, confirming that the pulp had cellulose type I crystals.
<製造例11>
製造例10で用いた原料パルプを王子製紙社製広葉樹溶解パルプ(ドライシート)とした以外は製造例10と同様の処理を行い、亜リン酸化パルプBを得た。
<Production Example 11>
The same treatment as in Production Example 10 was carried out, except that the raw material pulp used in Production Example 10 was changed to hardwood dissolving pulp (dry sheet) manufactured by Oji Paper Co., Ltd., to obtain phosphorous-subtilized pulp B.
<製造例12>
製造例10で用いた原料パルプをセニブラ社製広葉樹クラフトパルプ(ドライシート)とした以外は製造例10と同様の処理を行い、亜リン酸化パルプCを得た。
<Production Example 12>
The same treatment as in Production Example 10 was carried out, except that the raw material pulp used in Production Example 10 was hardwood kraft pulp (dry sheet) manufactured by Cenibra, to obtain phosphorous-subtilized pulp C.
<製造例13>
〔硫黄オキソ酸化パルプの製造〕
リン酸化パルプの製造においてリン酸二水素アンモニウムの代わりにアミド硫酸(スルファミン酸)38質量部を用いて、加熱時間を20分間に延長した以外は、製造例1と同様に操作を行い、硫酸化パルプを得た。
<Production Example 13>
[Production of sulfur oxo-oxidized pulp]
The same procedure as in Production Example 1 was repeated to produce a sulfated pulp, except that 38 parts by mass of amidosulfuric acid (sulfamic acid) was used instead of ammonium dihydrogen phosphate and the heating time was extended to 20 minutes.
これにより得られた硫酸化パルプに対しFT-IRを用いて赤外線吸収スペクトルの測定を行った。その結果、1220-1260cm-1付近に硫酸基(スルホン基に基づく吸収が観察され、パルプに硫酸基(スルホン基)が付加されていることが確認された。また、X線回折により、得られた硫酸化パルプがセルロースI型結晶を維持していることが確認された。 The infrared absorption spectrum of the sulfated pulp thus obtained was measured using FT-IR. As a result, absorption due to sulfate groups (sulfonic groups) was observed around 1220-1260 cm -1 , confirming that sulfate groups (sulfonic groups) were added to the pulp. Furthermore, it was confirmed by X-ray diffraction that the sulfated pulp thus obtained maintained cellulose type I crystals.
<実施例1>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。この分散液1000g(固形分濃度6.0質量%、固形分60g)に対して、33000nkatの活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して550nkatとなるようにした。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて3回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。得られた分散液の温度を100℃とし、酵素を熱失活させた。後述する〔リンオキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定されるリン酸基量(第1解離酸量)は、1.45mmol/gだった。なお、総解離酸量は、2.45mmol/gであった。
Example 1
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a slurry with a solid content concentration of 6.0% by mass. This slurry was treated once with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. An enzyme-containing solution having an activity of 33,000 nkat was added to 1000 g of this dispersion (solid content concentration 6.0% by mass, solid content 60 g) and subjected to enzyme treatment at a temperature of 50 ° C. The amount of enzyme added at this time was 550 nkat per 1 g of fine fibrous cellulose. Then, the high-pressure homogenizer was used to treat three times at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The temperature of the obtained dispersion was set to 100 ° C., and the enzyme was thermally inactivated. The amount of phosphoric acid groups (amount of first dissociated acid) measured by the measurement method described in [Measurement of the amount of phosphorus oxo acid groups] described later was 1.45 mmol / g. The total amount of dissociated acid was 2.45 mmol / g.
<実施例2>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が7.5質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて1回処理し、1000g(固形分濃度7.5質量%、固形分75g)に対して、次亜塩素酸ナトリウム溶液(有効塩素濃度12質量%)を250g添加し、室温でよく混ぜた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて3回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 2
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a slurry with a solid content of 7.5% by mass. This slurry was treated once with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa, and 250 g of sodium hypochlorite solution (
<実施例3>
実施例1の繊維状セルロース分散液1000g(固形分濃度6.0質量%、固形分60g)において、微細繊維状セルロース1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて3回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 3
In 1000 g of the fibrous cellulose dispersion of Example 1 (solid content concentration 6.0 mass%, solid content 60 g), ozone was added at a ratio of 0.2 mass parts per mass part of fine fibrous cellulose, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. The mixture was then treated three times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例4>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、実施例1と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。後述する測定方法で測定されるカルボキシ基量は、1.30mmolgだった。
Example 4
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 1, except for using the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7. The amount of carboxy groups measured by the measurement method described below was 1.30 mmolg.
<実施例5>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、実施例2と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 5
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 2, except that the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was used.
<実施例6>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、実施例3と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 6
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 3, except that the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was used.
<実施例7>
製造例10得られた亜リン酸化パルプを使用した以外は、実施例1と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。後述する〔リンオキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定される亜リン酸基量(第1解離酸量)は、1.51mmol/gだった。なお、総解離酸量は、1.54mmol/gであった。
Example 7
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 1, except that the phosphorous pulp obtained in Production Example 10 was used. The amount of phosphorous groups (amount of first dissociated acid) measured by the measurement method described in [Measurement of amount of phosphorous oxo acid group] below was 1.51 mmol/g. The total amount of dissociated acid was 1.54 mmol/g.
<実施例8>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプを使用した以外は、実施例2と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 8
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 2, except that the phosphited pulp obtained in Production Example 10 was used.
<実施例9>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプを使用した以外は、実施例3と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 9>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 3, except that the phosphited pulp obtained in Production Example 10 was used.
<実施例10>
製造例1で得られたリン酸化パルプAをシングルディスクリファイナーで1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。その他の処理は、実施例1と同様にして微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 10
The phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 was treated once with a single disc refiner to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. The other treatments were the same as in Example 1 to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例11>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAをシングルディスクリファイナーで1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液Eを得た。その他の処理は、実施例3と同様にして微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 11
The TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was treated once with a single disc refiner to obtain a fibrous cellulose dispersion E containing fine fibrous cellulose. The other treatments were the same as in Example 3 to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例12>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプをシングルディスクリファイナーで1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。その他の処理は、実施例3と同様にして微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 12
The phosphorous-subtilized pulp obtained in Production Example 10 was treated once with a single disc refiner to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. The other treatments were the same as in Example 3 to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例13>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のパルプスラリーを調製した。このスラリー1000g(固形分60g)に対して、33000nkatの活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して550nkatとなるようにした。得られたスラリーを湿式微粒化装置((株)スギノマシン製、スターバースト)で200MPaの圧力にて1回処理した後、酵素処理を進めた。その後200MPaの圧力にて3回処理し、得られた分散液を100℃にして熱失活させ、微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 13>
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a pulp slurry with a solid content concentration of 6.0% by mass. An enzyme-containing solution having an activity of 33,000 nkat was added to 1000 g of this slurry (solid content 60 g) and subjected to enzyme treatment at a temperature of 50 ° C. The amount of enzyme added at this time was 550 nkat per 1 g of fine fibrous cellulose. The obtained slurry was treated once at a pressure of 200 MPa with a wet pulverizer (Starburst, manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.), and then the enzyme treatment was carried out. Thereafter, the slurry was treated three times at a pressure of 200 MPa, and the obtained dispersion was heat-inactivated at 100 ° C. to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例14>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のパルプスラリーを調製した。パルプ1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて4回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 14>
Ion-exchanged water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a pulp slurry with a solid content of 6.0% by mass. Ozone was added to the pulp in an amount of 0.2 parts by mass per part by mass of pulp, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. The mixture was then treated four times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例15>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、実施例14と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
Example 15
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 14, except that the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was used.
<実施例16>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプAを使用した以外は、実施例13と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 16>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 13, except that the phosphite pulp A obtained in Production Example 10 was used.
<実施例17>
製造例4で得られたリン酸化パルプDを使用した以外は、実施例1と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 17>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 1, except that the phosphorylated pulp D obtained in Production Example 4 was used.
<実施例18>
製造例5で得られたリン酸化パルプEを使用した以外は、実施例3と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 18>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 3, except that the phosphorylated pulp E obtained in Production Example 5 was used.
<実施例19>
製造例6で得られたリン酸化パルプFを使用した以外は、実施例1と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 19>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 1, except that the phosphorylated pulp F obtained in Production Example 6 was used.
<実施例20>
製造例8で得られたTEMPO酸化パルプBを使用した以外は、実施例3と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 20>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 3, except that the TEMPO oxidized pulp B obtained in Production Example 8 was used.
<実施例21>
製造例11で得られた亜リン酸化パルプBを使用した以外は、実施例3と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 21>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 3, except that the phosphite pulp B obtained in Production Example 11 was used.
<実施例22>
製造例12で得られた亜リン酸化パルプCにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。この分散液1000g(固形分濃度6.0質量%、固形分60g)に対して、48000nkatの活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して800nkatとなるようにした。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて3回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。得られた分散液の温度を100℃とし、酵素を熱失活させた。
<Example 22>
Ion exchange water was added to the hypophosphite pulp C obtained in Production Example 12 to prepare a slurry with a solid content concentration of 6.0% by mass. This slurry was treated once with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. An enzyme-containing solution having an activity of 48,000 nkat was added to 1000 g of this dispersion (solid content concentration 6.0% by mass, solid content 60 g) and subjected to enzyme treatment at a temperature of 50 ° C. The amount of enzyme added at this time was 800 nkat per 1 g of fine fibrous cellulose. Then, the mixture was treated three times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The temperature of the obtained dispersion was set to 100 ° C., and the enzyme was thermally inactivated.
<実施例23>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が13.0質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。この分散液1000g(固形分濃度13.0質量%、固形分130g)に対して、71500nkatの活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して550nkatとなるようにした。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて4回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。得られた分散液の温度を100℃とし、酵素を熱失活させた。後述する〔リンオキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定されるリン酸基量(第1解離酸量)は、1.45mmol/gだった。なお、総解離酸量は、2.45mmol/gであった。
<Example 23>
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a slurry with a solid content concentration of 13.0% by mass. This slurry was treated once with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. An enzyme-containing solution having an activity of 71,500 nkat was added to 1,000 g of this dispersion (solid content concentration 13.0% by mass, solid content 130 g) and subjected to enzyme treatment at a temperature of 50 ° C. The amount of enzyme added at this time was 550 nkat per 1 g of fine fibrous cellulose. Then, the high-pressure homogenizer was used to treat four times at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The temperature of the obtained dispersion was set to 100 ° C., and the enzyme was thermally inactivated. The amount of phosphoric acid groups (amount of first dissociated acid) measured by the measurement method described in [Measurement of the amount of phosphorus oxo acid groups] described later was 1.45 mmol / g. The total amount of dissociated acid was 2.45 mmol/g.
<実施例24>
実施例23で得られた繊維状セルロース分散液に、パルプ1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて4回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 24>
Ozone was added to the fibrous cellulose dispersion obtained in Example 23 at a ratio of 0.2 parts by mass per part by mass of pulp, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and the mixture was stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. The mixture was then treated four times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例25>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、実施例23と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 25>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 23, except that the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was used.
<実施例26>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、実施例24と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 26>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 24, except that the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was used.
<実施例27>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプAを使用した以外は、実施例23と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 27>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 23, except that the phosphite pulp A obtained in Production Example 10 was used.
<実施例28>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプAを使用した以外は、実施例24と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 28>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 24, except that the phosphite pulp A obtained in Production Example 10 was used.
<実施例29>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が13.0質量%のパルプスラリーを調製した。このパルプスラリー1000g(固形分濃度13.0質量%、固形分130g)に対して、71500nkatの酵素活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して550nkatとなるようにした。得られたスラリーを湿式微粒化装置((株)スギノマシン製、スターバースト)で200MPaの圧力にて1回処理した後、酵素処理を進めた。その後200MPaの圧力にて4回処理し、得られた分散液を100℃にして熱失活させ、微細繊維状セルロース分散液を得た。後述する〔リンオキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定されるリン酸基量(第1解離酸量)は、1.45mmol/gだった。なお、総解離酸量は、2.45mmol/gであった。
<Example 29>
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a pulp slurry with a solid content concentration of 13.0% by mass. An enzyme-containing solution having an enzyme activity of 71500 nkat was added to 1000 g of this pulp slurry (solid content concentration 13.0% by mass, solid content 130 g) and subjected to enzyme treatment at a temperature of 50 ° C. The amount of enzyme added at this time was 550 nkat per 1 g of fine fibrous cellulose. The obtained slurry was treated once at a pressure of 200 MPa with a wet pulverizer (Starburst, manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.), and then the enzyme treatment was carried out. Thereafter, the slurry was treated four times at a pressure of 200 MPa, and the obtained dispersion was heat-inactivated at 100 ° C. to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The amount of phosphoric acid groups (amount of first dissociated acid) measured by the measurement method described in [Measurement of the amount of phosphorus oxo acid groups] described later was 1.45 mmol / g. The total amount of dissociated acid was 2.45 mmol/g.
<実施例30>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が13.0質量%のパルプスラリーを調製した。パルプ1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて5回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 30>
Ion-exchanged water was added to the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 to prepare a pulp slurry with a solid content of 13.0% by mass. Ozone was added to the pulp in an amount of 0.2 parts by mass per part by mass of pulp, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. The mixture was then treated five times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例31>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が13.0質量%のパルプスラリーを調製した。パルプ1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて5回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 31>
Ion exchange water was added to the phosphorus-subtilized pulp A obtained in Production Example 10 to prepare a pulp slurry with a solid content of 13.0% by mass. Ozone was added to the mixture in an amount of 0.2 parts by mass per part by mass of pulp, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. The mixture was then treated five times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<実施例32>
製造例4で得られたリン酸化パルプDを使用した以外は、実施例23と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 32>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 23, except that the phosphorylated pulp D obtained in Production Example 4 was used.
<実施例33>
製造例5で得られたリン酸化パルプEを使用した以外は、実施例24と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 33>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 24, except that the phosphorylated pulp E obtained in Production Example 5 was used.
<実施例34>
製造例6で得られたリン酸化パルプFを使用した以外は、実施例23と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 34>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 23, except that the phosphorylated pulp F obtained in Production Example 6 was used.
<実施例35>
製造例9で得られたTEMPO酸化パルプCにイオン交換水を添加し、固形分濃度が13.0質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。この分散液1000g(固形分濃度13.0質量%、固形分130g)に対して、104000nkatの活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して800nkatとなるようにした。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて4回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。得られた分散液の温度を100℃とし、酵素を熱失活させた。
<Example 35>
Ion-exchanged water was added to the TEMPO oxidized pulp C obtained in Production Example 9 to prepare a slurry with a solid content concentration of 13.0% by mass. This slurry was treated once with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. An enzyme-containing solution having an activity of 104,000 nkat was added to 1,000 g of this dispersion (solid content concentration 13.0% by mass, solid content 130 g) and subjected to enzyme treatment at a temperature of 50 ° C. The amount of enzyme added at this time was 800 nkat per 1 g of fine fibrous cellulose. Then, the mixture was treated four times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The temperature of the obtained dispersion was set to 100 ° C., and the enzyme was thermally inactivated.
<実施例36>
製造例8で得られたTEMPO酸化パルプBを使用した以外は、実施例24と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 36>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 24, except that the TEMPO oxidized pulp B obtained in Production Example 8 was used.
<実施例37>
製造例12で得られた亜リン酸化パルプCを使用した以外は、実施例35と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 37>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 35, except that the phosphite pulp C obtained in Production Example 12 was used.
<実施例38>
製造例11で得られた亜リン酸化パルプBを使用した以外は、実施例24と同様の方法で微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Example 38>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained in the same manner as in Example 24, except that the phosphite pulp B obtained in Production Example 11 was used.
<実施例39>
製造例2で得られたリン酸化パルプBにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のパルプスラリーを調製した。パルプ1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて4回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。後述する〔リンオキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定されるリン酸基量(第1解離酸量)は、0.90mmol/gだった。なお、総解離酸量は、1.60mmol/gであった。
<Example 39>
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp B obtained in Production Example 2 to prepare a pulp slurry with a solid content concentration of 6.0% by mass. Ozone was added to 1 part by mass of pulp at a ratio of 0.2 parts by mass, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. After that, the mixture was treated four times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The amount of phosphoric acid groups (amount of first dissociated acid) measured by the measurement method described in [Measurement of phosphorus oxo acid group amount] described later was 0.90 mmol/g. The total amount of dissociated acid was 1.60 mmol/g.
<実施例40>
製造例3で得られたリン酸化パルプCにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のパルプスラリーを調製した。パルプ1質量部に対して0.2質量部の割合となるようにオゾンを添加し、密閉容器内において25℃で撹拌したのち、30分間静置した。次いで、容器を開放して5時間撹拌し、分散液中に残存するオゾンを揮散させた。その後、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて4回処理し微細繊維状セルロース分散液を得た。後述する〔リンオキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定されるリン酸基量(第1解離酸量)は、2.00mmol/gだった。なお、総解離酸量は、3.35mmol/gであった。
<Example 40>
Ion exchange water was added to the phosphorylated pulp C obtained in Production Example 3 to prepare a pulp slurry with a solid content concentration of 6.0% by mass. Ozone was added to 1 part by mass of pulp at a ratio of 0.2 parts by mass, and the mixture was stirred at 25°C in a sealed container and allowed to stand for 30 minutes. The container was then opened and stirred for 5 hours to volatilize the ozone remaining in the dispersion. After that, the mixture was treated four times at a pressure of 200 MPa with a high-pressure homogenizer to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The amount of phosphoric acid groups (amount of first dissociated acid) measured by the measurement method described in [Measurement of phosphorus oxo acid group amount] described later was 2.00 mmol/g. The total amount of dissociated acid was 3.35 mmol/g.
<実施例41>
製造例13で得られた硫酸化パルプにイオン交換水を添加し、固形分濃度が6質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、湿式微粒化装置((株)スギノマシン製、スターバースト)で200MPaの圧力にて1回処理し、微細繊維状セルロースを含む繊維状セルロース分散液を得た。得られた微細繊維状セルロース分散液1000g(固形分濃度6質量%、固形分60g)に対して、33000nkatの活性を有する酵素含有液を添加し温度50℃で酵素処理した。この時の酵素添加量は微細繊維状セルロース1gに対して550nkatとなるようにした。得られた微細繊維状セルロース分散液を湿式微粒化装置((株)スギノマシン製、スターバースト)で200MPaの圧力にて3回処理した後、100℃にして熱失活させ、微細繊維状セルロース分散液を得た。この微細繊維状セルロース分散液中における微細繊維状セルロースの濃度は6質量%であった。また、後述する〔硫黄オキソ酸基量の測定〕に記載の測定方法で測定される硫酸基量は1.47mmol/gであった。
<Example 41>
Ion exchange water was added to the sulfated pulp obtained in Production Example 13 to prepare a slurry with a solid content concentration of 6% by mass. This slurry was treated once with a wet pulverization device (Starburst, manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.) at a pressure of 200 MPa to obtain a fibrous cellulose dispersion containing fine fibrous cellulose. An enzyme-containing solution having an activity of 33,000 nkat was added to 1000 g of the obtained fine fibrous cellulose dispersion (
実施例1~41の微細繊維状セルロースについて、X線回折により、これらの微細繊維状セルロースがセルロースI型結晶を維持していることが確認された。また、これらの微細繊維状セルロースの繊維幅を透過型電子顕微鏡を用いて測定したところ、いずれも3~5nmであった。 X-ray diffraction confirmed that the fine fibrous cellulose of Examples 1 to 41 maintained cellulose type I crystals. In addition, the fiber width of the fine fibrous cellulose was measured using a transmission electron microscope and was 3 to 5 nm in all cases.
実施例1~41の微細繊維状セルロース分散液を用いて、以下の手順でシートを作製した。イオン交換水に、ポリエチレンオキサイド(住友精化社製、PEO-3P)を5質量%になるように加え、撹拌して溶解させポリエチレンオキサイド水溶液を得た。次いで、得られた微細繊維状セルロース分散液と上記ポリエチレンオキサイド水溶液を微細繊維状セルロース(固形分):ポリエチレンオキサイド(固形分)=100質量部:20質量部の比率となるように混合し塗工液とした。その際、実施例1~22、39、40及び41では固形分濃度が5質量%、実施例23~38では固形分濃度が10質量%となるよう適宜イオン交換水で希釈し塗工液とした。次いで、得られるシート(上記塗工液の固形分から構成される層)の仕上がり厚みが40μmになるように塗工液を計量して、市販のポリカーボネート板に塗工し、100℃の乾燥機にて30分乾燥した。なお、所定の坪量となるようポリカーボネート板上には堰止用の金枠(内寸が180mm×180mm、高さ5cmの金枠)を配置した。次いで、上記ポリカーボネート板から乾燥後のシートを剥離し、微細繊維状セルロース含有シートを得た。 Using the fine fibrous cellulose dispersions of Examples 1 to 41, sheets were prepared by the following procedure. Polyethylene oxide (PEO-3P, manufactured by Sumitomo Seika Chemicals) was added to ion-exchanged water to a concentration of 5% by mass, and dissolved by stirring to obtain an aqueous polyethylene oxide solution. Next, the obtained fine fibrous cellulose dispersion and the above-mentioned aqueous polyethylene oxide solution were mixed in a ratio of fine fibrous cellulose (solid content):polyethylene oxide (solid content) = 100 parts by mass:20 parts by mass to obtain a coating liquid. At that time, the coating liquid was appropriately diluted with ion-exchanged water to obtain a solid content concentration of 5% by mass in Examples 1 to 22, 39, 40, and 41, and a solid content concentration of 10% by mass in Examples 23 to 38. Next, the coating liquid was weighed so that the finished thickness of the obtained sheet (a layer composed of the solid content of the above-mentioned coating liquid) would be 40 μm, and the coating liquid was applied to a commercially available polycarbonate plate and dried for 30 minutes in a dryer at 100 ° C. In addition, a metal frame for damming (metal frame with inner dimensions of 180 mm × 180 mm and height of 5 cm) was placed on the polycarbonate plate so as to obtain a predetermined basis weight. Next, the dried sheet was peeled off from the polycarbonate plate to obtain a fine fibrous cellulose-containing sheet.
<比較例1>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が2質量%のパルプスラリーを調製した。調製したパルプスラリーを高圧ホモジナイザーで6回処理し、微細繊維状セルロース分散液を得た。得られた微細繊維状セルロース分散液を100℃の送風乾燥機にて固形分濃度が6.0質量%となるまで濃縮して微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Comparative Example 1>
Ion-exchanged water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a pulp slurry having a solid content of 2% by mass. The prepared pulp slurry was treated six times with a high-pressure homogenizer to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. The obtained fine fibrous cellulose dispersion was concentrated in a 100°C air blower until the solid content became 6.0% by mass, to obtain a fine fibrous cellulose dispersion.
<比較例2>
製造例7で得られたTEMPO酸化パルプAを使用した以外は、比較例1と同様の方法で濃縮して微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Comparative Example 2>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained by concentrating in the same manner as in Comparative Example 1, except that the TEMPO oxidized pulp A obtained in Production Example 7 was used.
<比較例3>
製造例10で得られた亜リン酸化パルプAを使用した以外は、比較例1と同様の方法で濃縮して微細繊維状セルロース分散液を得た。
<Comparative Example 3>
A fine fibrous cellulose dispersion was obtained by concentrating in the same manner as in Comparative Example 1, except that the phosphited pulp A obtained in Production Example 10 was used.
<比較例4>
王子製紙社製針葉樹パルプ(未乾燥)にイオン交換水を添加し、固形分濃度が6.0質量%のスラリーを調製した。このスラリーを、高圧ホモジナイザーで200MPaの圧力にて6回処理し、繊維状セルロース分散液を得た。
<Comparative Example 4>
Ion-exchanged water was added to softwood pulp (undried) manufactured by Oji Paper Co., Ltd. to prepare a slurry having a solid content concentration of 6.0% by mass. This slurry was treated six times with a high-pressure homogenizer at a pressure of 200 MPa to obtain a fibrous cellulose dispersion.
<比較例5>
製造例1で得られたリン酸化パルプAにイオン交換水を添加し、固形分濃度が2質量%のパルプスラリーを調製した。調製したパルプスラリーを高圧ホモジナイザーで6回処理し、微細繊維状セルロース分散液を得た。次いで、この微細繊維状セルロースの分散液を0.4質量%に希釈した。希釈液100mLに対して濃縮剤として塩化カルシウム1gを加えてゲル化させ、濾過後、ろ紙にて圧搾した。0.1N塩酸水溶液100mLに30分間浸漬後、濾過し、固形分濃度20質量%の濃縮物を得た。得られた濃縮物の濃度が6.0質量%となるよう、イオン交換水で希釈した後、撹拌したが、均一な分散液は得られなかった。
<Comparative Example 5>
Ion-exchanged water was added to the phosphorylated pulp A obtained in Production Example 1 to prepare a pulp slurry with a solid content concentration of 2% by mass. The prepared pulp slurry was treated six times with a high-pressure homogenizer to obtain a fine fibrous cellulose dispersion. Then, this fine fibrous cellulose dispersion was diluted to 0.4% by mass. 1 g of calcium chloride was added as a thickening agent to 100 mL of the diluted solution to gel it, and after filtration, it was squeezed with filter paper. After immersing in 100 mL of 0.1N hydrochloric acid aqueous solution for 30 minutes, it was filtered to obtain a concentrate with a solid content concentration of 20% by mass. The obtained concentrate was diluted with ion-exchanged water so that the concentration was 6.0% by mass, and then stirred, but a uniform dispersion was not obtained.
<測定>
〔リンオキソ酸基量の測定〕
微細繊維状セルロースのリンオキソ酸基量は、対象となる微細繊維状セルロースを含む微細繊維状セルロース分散液をイオン交換水で含有量が0.2質量%となるように希釈して作製した繊維状セルロース含有スラリーに対し、イオン交換樹脂による処理を行った後、アルカリを用いた滴定を行うことにより測定した。
イオン交換樹脂による処理は、上記繊維状セルロース含有スラリーに体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(アンバージェット1024;オルガノ株式会社、コンディショング済)を加え、1時間振とう処理を行った後、目開き90μmのメッシュ上に注いで樹脂とスラリーを分離することにより行った。
また、アルカリを用いた滴定は、イオン交換樹脂による処理後の繊維状セルロース含有スラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を5秒に10μLずつ加えながら、スラリーが示すpHの値の変化を計測することにより行った。なお、滴定開始の15分前から窒素ガスをスラリーに吹き込みながら滴定を行った。この中和滴定では、アルカリを加えた量に対して測定したpHをプロットした曲線において、増分(pHのアルカリ滴下量に対する微分値)が極大となる点が二つ観測される。これらのうち、アルカリを加えはじめて先に得られる増分の極大点を第1終点と呼び、次に得られる増分の極大点を第2終点と呼ぶ(図1)。滴定開始から第1終点までに必要としたアルカリ量が、滴定に使用したスラリー中の第1解離酸量と等しくなる。また、滴定開始から第2終点までに必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中の総解離酸量と等しくなる。なお、滴定開始から第1終点までに必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除した値をリンオキソ酸基量(mmol/g)とした。
<Measurement>
[Measurement of phosphorus oxoacid group content]
The amount of phosphorus oxoacid groups in the fine fibrous cellulose was measured by treating a fibrous cellulose-containing slurry with an ion exchange resin after diluting a fine fibrous cellulose dispersion containing the target fine fibrous cellulose with ion exchange water to a content of 0.2 mass%, and then titrating the slurry with an alkali.
Treatment with ion exchange resin was carried out by adding 1/10 by volume of a strongly acidic ion exchange resin (Amberjet 1024; Organo Corporation, conditioned) to the above fibrous cellulose-containing slurry, shaking for 1 hour, and then pouring onto a mesh with 90 μm openings to separate the resin and the slurry.
In addition, the titration using alkali was performed by measuring the change in the pH value of the slurry while adding 10 μL of 0.1N sodium hydroxide aqueous solution to the fibrous cellulose-containing slurry after the treatment with the ion exchange resin every 5 seconds. The titration was performed while blowing nitrogen gas into the slurry 15 minutes before the start of the titration. In this neutralization titration, two points are observed where the increment (differential value of pH with respect to the amount of alkali added) is maximum in the curve plotting the measured pH against the amount of alkali added. Of these, the maximum point of the increment obtained first after the addition of alkali is called the first end point, and the maximum point of the increment obtained next is called the second end point (FIG. 1). The amount of alkali required from the start of the titration to the first end point is equal to the amount of first dissociated acid in the slurry used for the titration. In addition, the amount of alkali required from the start of the titration to the second end point is equal to the total amount of dissociated acid in the slurry used for the titration. The amount of alkali (mmol) required from the start of titration to the first end point was divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated, and this value was taken as the amount of phosphorus oxoacid groups (mmol/g).
〔カルボキシ基量の測定〕
微細繊維状セルロースのカルボキシ基量は、対象となる微細繊維状セルロースを含む微細繊維状セルロース分散液をイオン交換水で含有量が0.2質量%となるように希釈して作製した繊維状セルロース含有スラリーに対し、イオン交換樹脂による処理を行った後、アルカリを用いた滴定を行うことにより測定した。
イオン交換樹脂による処理は、上記繊維状セルロース含有スラリーに体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(アンバージェット1024;オルガノ株式会社、コンディショング済)を加え、1時間振とう処理を行った後、目開き90μmのメッシュ上に注いで樹脂とスラリーを分離することにより行った。
また、アルカリを用いた滴定は、イオン交換樹脂による処理後の繊維状セルロース含有スラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を30秒に1回、50μLずつ加えながら、スラリーが示す電気伝導度の値の変化を計測することにより行った。カルボキシ基量(mmol/g)は、計測結果のうち図2に示す第1領域に相当する領域において必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して算出した。
[Measurement of Carboxy Group Amount]
The amount of carboxy groups in the fine fibrous cellulose was measured by treating a fibrous cellulose-containing slurry with an ion exchange resin after diluting a fine fibrous cellulose dispersion containing the target fine fibrous cellulose with ion exchange water to a content of 0.2 mass%, and then titrating the slurry with an alkali.
Treatment with ion exchange resin was carried out by adding 1/10 by volume of a strongly acidic ion exchange resin (Amberjet 1024; Organo Corporation, conditioned) to the above fibrous cellulose-containing slurry, shaking for 1 hour, and then pouring onto a mesh with 90 μm openings to separate the resin and the slurry.
The titration using alkali was carried out by adding 50 μL of 0.1 N aqueous sodium hydroxide solution to the fibrous cellulose-containing slurry after the ion exchange resin treatment once every 30 seconds and measuring the change in the electrical conductivity value of the slurry. The amount of carboxyl groups (mmol/g) was calculated by dividing the amount of alkali (mmol) required in the region corresponding to the first region shown in Figure 2 by the solid content (g) in the slurry to be titrated.
〔硫黄オキソ酸基量の測定〕
得られた繊維状セルロースを過塩素酸と濃硝酸を用いて湿式灰化した後に、適当な倍率で希釈してICP発光分析により硫黄量を測定した。この硫黄量を、供試した繊維状セルロースの絶乾質量で除した値を硫黄オキソ酸基量(単位:mmol/g)とした。
[Measurement of the amount of sulfur oxoacid groups]
The obtained fibrous cellulose was wet-ashed using perchloric acid and concentrated nitric acid, then appropriately diluted and the amount of sulfur was measured by ICP emission spectrometry. The amount of sulfur was divided by the bone dry mass of the fibrous cellulose to be tested, and the amount of sulfur oxoacid groups (unit: mmol/g) was determined.
〔0.5質量%微細繊維状セルロース分散液の粘度の測定〕
実施例1~41及び比較例1~5で得た微細繊維状セルロース分散液の粘度は、次のように測定した。まず、微細繊維状セルロース分散液を固形分濃度が0.5質量%となるようにイオン交換水により希釈した後に、ディスパーザーにて4000rpmで3分間撹拌した。得られた分散液を、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて脱泡処理を行った。次いで、これにより得られた分散液の粘度をB型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVT)を用いて測定した。測定条件は、回転速度3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値を当該分散液の粘度とした。
[Measurement of Viscosity of 0.5% by Mass Fine Fibrous Cellulose Dispersion]
The viscosity of the fine fibrous cellulose dispersion obtained in Examples 1 to 41 and Comparative Examples 1 to 5 was measured as follows. First, the fine fibrous cellulose dispersion was diluted with ion-exchanged water so that the solid content concentration was 0.5% by mass, and then stirred in a disperser at 4000 rpm for 3 minutes. The obtained dispersion was subjected to a degassing treatment using a rotation-revolution type super mixer (ARE-250, manufactured by Thinky Corporation). Next, the viscosity of the dispersion thus obtained was measured using a B-type viscometer (analog viscometer T-LVT, manufactured by BLOOKFIELD Corporation). The measurement conditions were a rotation speed of 3 rpm, and the viscosity value 3 minutes after the start of the measurement was taken as the viscosity of the dispersion.
〔6.0質量%微細繊維状セルロース分散液の粘度の測定〕
実施例1~22、39、40及び41、比較例1~4で得た微細繊維状セルロース分散液の粘度は、次のように測定した。まず、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて微細繊維状セルロース分散液の脱泡処理を行った。次いで、得られた分散液の粘度をB型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T-LVT)を用いて測定した。測定条件は、回転速度0.3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値を当該分散液の粘度とした。
[Measurement of Viscosity of 6.0% by Mass Fine Fibrous Cellulose Dispersion]
The viscosity of the fine fibrous cellulose dispersions obtained in Examples 1 to 22, 39, 40, and 41 and Comparative Examples 1 to 4 was measured as follows. First, the fine fibrous cellulose dispersions were degassed using a rotation-revolution type super mixer (ARE-250, manufactured by Thinky Corporation). Next, the viscosity of the obtained dispersions was measured using a Brookfield type viscometer (analog viscometer T-LVT, manufactured by BLOOKFIELD). The measurement conditions were a rotation speed of 0.3 rpm, and the viscosity value 3 minutes after the start of the measurement was taken as the viscosity of the dispersion.
〔13.0質量%微細繊維状セルロース分散液の粘度の測定〕
実施例23~38で得た微細繊維状セルロース分散液の粘度は、次のように測定した。まず、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて微細繊維状セルロース分散液の脱泡処理を行った。次いで、得られた分散液の粘度をB型粘度計(BLOOKFIELD社製、デジタル粘度計DV2T)を用いて測定した。測定条件は、回転速度0.3rpmとし、測定開始から3分後の粘度値を当該分散液の粘度とした。
[Measurement of Viscosity of 13.0% by Mass Fine Fibrous Cellulose Dispersion]
The viscosity of the fine fibrous cellulose dispersions obtained in Examples 23 to 38 was measured as follows. First, the fine fibrous cellulose dispersions were degassed using a rotation-revolution type super mixer (ARE-250, manufactured by Thinky Corporation). Next, the viscosity of the obtained dispersions was measured using a Brookfield type viscometer (DV2T digital viscometer, manufactured by BLOOKFIELD). The measurement conditions were a rotation speed of 0.3 rpm, and the viscosity value 3 minutes after the start of the measurement was taken as the viscosity of the dispersion.
〔微細繊維状セルロースの比粘度および重合度の測定〕
微細繊維状セルロースの比粘度および重合度は、Tappi T230に従い測定した。すなわち、測定対象の微細繊維状セルロースを分散媒に分散させて測定した粘度(η1とする)、および分散媒体のみで測定したブランク粘度(η0とする)を測定したのち、比粘度(ηsp)、固有粘度([η])を下記式に従って測定した。
ηsp=(η1/η0)-1
[η]=ηsp/(c(1+0.28×ηsp))
ここで、式中のcは、粘度測定時のセルロース繊維の濃度を示す。
さらに、下記式から微細繊維状セルロースの重合度(DP)を算出した。
DP=1.75×[η]
この重合度は粘度法によって測定された平均重合度であることから、「粘度平均重合度」と称されることもある。また、比較例1~3、5では濃縮前の微細繊維状セルロースについて測定した。
[Measurement of specific viscosity and polymerization degree of fine fibrous cellulose]
The specific viscosity and degree of polymerization of the fine fibrous cellulose were measured according to Tappi T230. That is, the fine fibrous cellulose to be measured was dispersed in a dispersion medium to measure the viscosity (referred to as η1), and the blank viscosity (referred to as η0) was measured using only the dispersion medium, and then the specific viscosity (ηsp) and intrinsic viscosity ([η]) were measured according to the following formulas.
ηsp=(η1/η0)-1
[η]=ηsp/(c(1+0.28×ηsp))
Here, c in the formula represents the concentration of cellulose fibers at the time of viscosity measurement.
Furthermore, the degree of polymerization (DP) of the fine fibrous cellulose was calculated from the following formula.
DP=1.75×[η]
Since this degree of polymerization is an average degree of polymerization measured by a viscosity method, it is sometimes called the “viscosity average degree of polymerization.” In Comparative Examples 1 to 3 and 5, the measurement was performed on the fine fibrous cellulose before concentration.
〔微細繊維状セルロース分散液のヘーズの測定〕
実施例1~41及び比較例1~5で得た微細繊維状セルロース分散液のヘーズの測定は微細繊維状セルロース分散液をイオン交換水で0.2質量%となるように希釈した後、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて脱泡処理を行った。ヘーズメーター(村上色彩技術研究所社製、HM-150)で、光路長1cmの液体用ガラスセル(藤原製作所製、MG-40、逆光路)を用いて、JIS K 7136:2000に準拠して測定した。なお、ゼロ点測定は、同ガラスセルに入れたイオン交換水で行った。
[Measurement of haze of fine fibrous cellulose dispersion]
The haze of the fine fibrous cellulose dispersions obtained in Examples 1 to 41 and Comparative Examples 1 to 5 was measured by diluting the fine fibrous cellulose dispersions with ion-exchanged water to 0.2% by mass, and then degassing the dispersions with a rotation-revolution type super mixer (ARE-250, manufactured by Thinky Corporation). The haze was measured in accordance with JIS K 7136:2000 using a glass cell for liquids with an optical path length of 1 cm (MG-40, manufactured by Fujiwara Seisakusho, reverse optical path) with a haze meter (HM-150, manufactured by Murakami Color Research Laboratory Co., Ltd.). The zero point measurement was performed with ion-exchanged water placed in the same glass cell.
〔微細繊維状セルロース分散液の外観評価〕
実施例1~41及び比較例1~5で得た微細繊維状セルロース分散液について、自転公転型スーパーミキサー(シンキー社製、ARE-250)にて脱泡処理を行った。その後、目視にて、下記の基準にしたがって外観を評価した。
A:目視で繊維がほぼ確認できず、分散液は透明である。
B:目視にて繊維が確認でき、分散液は半透明である。
C:繊維が均一に分散しておらず分散液は白濁している、もしくは粒状物(繊維の凝集物)が確認できる。
[Appearance evaluation of fine fibrous cellulose dispersion]
The fine fibrous cellulose dispersions obtained in Examples 1 to 41 and Comparative Examples 1 to 5 were subjected to a defoaming treatment using a planetary centrifugal super mixer (ARE-250, manufactured by Thinky Corporation). Thereafter, the appearance was visually evaluated according to the following criteria.
A: Almost no fibers are visible to the naked eye, and the dispersion is transparent.
B: Fibers are visually observed and the dispersion is translucent.
C: The fibers are not uniformly dispersed and the dispersion is cloudy, or particulate matter (fiber agglomerates) can be seen.
実施例では、高濃度で均一な微細繊維状セルロース分散液が得られており、かつ高濃度の微細繊維状セルロース分散液の透明性が高かった。なお、比較例1~3及び5においては、分散液中に粒状物(繊維の凝集物)があり6.0質量%濃度における粘度の測定ができなかった。In the examples, a high-concentration, uniform dispersion of fine fibrous cellulose was obtained, and the high-concentration dispersion of fine fibrous cellulose had high transparency. In Comparative Examples 1 to 3 and 5, particulate matter (fiber aggregates) was present in the dispersion, and viscosity at a concentration of 6.0% by mass could not be measured.
Claims (6)
前記繊維状セルロースの重合度は230以下であり、
前記繊維状セルロースを0.5質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における前記水分散液の粘度が108mPa・s未満であり、
前記繊維状セルロースを6.0質量%濃度の水分散液とした場合、23℃における前記水分散液の粘度が,500,000mPa・s以上10,000,000mPa・s以下である、繊維状セルロース。 A fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less and having an ionic substituent,
The degree of polymerization of the fibrous cellulose is 230 or less,
When the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 0.5% by mass, the viscosity of the aqueous dispersion at 23° C. is less than 108 mPa s,
The fibrous cellulose has a viscosity of 500,000 mPa·s or more and 10,000,000 mPa·s or less at 23° C. when the fibrous cellulose is dispersed in water at a concentration of 6.0% by mass.
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