JP7645160B2 - Method for producing cellulose nanofiber aqueous suspension - Google Patents
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Description
本発明は、セルロースナノファイバーの水懸濁液の製造方法に関する。より詳細には、セルロースナノファイバーの粉末を用い、ゲル粒の残留が少ない水懸濁液を効率よく製造することができる方法を提供する。 The present invention relates to a method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers. More specifically, it provides a method for efficiently producing an aqueous suspension with minimal residual gel particles using cellulose nanofiber powder.
セルロースナノファイバーは、水系媒体での分散性に優れている約3nm~数百nm程度の繊維径を有する微細繊維であり、食品、化粧品、医療品又は塗料等の粘度の保持、食品原料生地の強化、水分の保持、食品安定性向上、低カロリー添加物又は乳化安定化助剤としての利用が期待されている。しかし、水に分散している状態(湿潤状態)のセルロースナノファイバーを乾燥させて乾燥固形物とした場合には、通常、微細セルロース繊維の繊維間に水素結合が形成されるため、この乾燥固形物に水を加えて再分散させようとしても、均一に再分散させることは一般的には難しい。このため、セルロースナノファイバーは水に分散している状態(湿潤状態)で製造され、通常、乾燥させずに湿潤状態のままで各種用途に使用されている。 Cellulose nanofibers are fine fibers with fiber diameters of about 3 nm to several hundred nm that have excellent dispersibility in aqueous media, and are expected to be used in maintaining the viscosity of foods, cosmetics, medical products, paints, etc., strengthening food raw material dough, retaining moisture, improving food stability, and as a low-calorie additive or emulsion stabilization aid. However, when cellulose nanofibers dispersed in water (wet state) are dried to form a dry solid, hydrogen bonds are usually formed between the fine cellulose fibers, so even if water is added to this dry solid to redisperse it, it is generally difficult to redisperse it uniformly. For this reason, cellulose nanofibers are manufactured in a state dispersed in water (wet state) and are usually used for various purposes in a wet state without drying.
しかしながら、この湿潤状態のセルロースナノファイバーを安定に保つためには、セルロースナノファイバーに対して数倍~数百倍の質量の水が必要であり、保存スペースの確保、保存及び輸送コストの増大等、種々の問題点がある。 However, to keep cellulose nanofibers stable in this wet state, several to several hundred times the mass of water is required compared to the mass of cellulose nanofibers, which poses various problems such as the need to secure storage space and increased storage and transportation costs.
上記の問題点に対し、本出願人は、アニオン変性セルロースナノファイバーに対し、水溶性高分子を5~300質量%含有させて乾燥固形物とすることにより、セルロースナノファイバー乾燥固形物の再分散性を向上させる方法(特許文献1)、また、セルロースナノファイバーと溶媒との混合物を真空乾燥装置を用いて乾燥することにより、セルロースナノファイバー乾燥固形物の再分散性を向上させる方法(特許文献2)を提案した。 In response to the above problems, the applicant has proposed a method for improving the redispersibility of a cellulose nanofiber dry solid by adding 5 to 300% by mass of a water-soluble polymer to anion-modified cellulose nanofiber to form a dry solid (Patent Document 1), and a method for improving the redispersibility of a cellulose nanofiber dry solid by drying a mixture of cellulose nanofiber and a solvent using a vacuum drying device (Patent Document 2).
特許文献1及び2に記載の方法は、再分散性のよいセルロースナノファイバー乾燥固形物を製造するのに有効な方法であるが、セルロースナノファイバーの乾燥固形物を用いて、さらにゲル粒の少ない水分散液/懸濁液を、効率よく製造することができる新たな方法を開発することは望ましい。 The methods described in Patent Documents 1 and 2 are effective methods for producing a cellulose nanofiber dry solid with good redispersibility, but it is desirable to develop a new method for efficiently producing an aqueous dispersion/suspension with fewer gel particles using a cellulose nanofiber dry solid.
本発明は、セルロースナノファイバーの粉末を用いて、水懸濁液を製造する際に、ゲル粒の残留が少ない水懸濁液を効率よく製造することができる新たな方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a new method for efficiently producing an aqueous suspension with minimal residual gel particles when producing an aqueous suspension using cellulose nanofiber powder.
本発明者らは、鋭意検討した結果、セルロースナノファイバーの粉末を用いて水懸濁液を製造する際に、媒体として、増粘性を有する物質が水に溶解することにより得られた高せん断粘度の媒体を用いることにより、低い回転数の撹拌機を用いた場合であっても、よりゲル粒の残留が少ない水懸濁液を製造することができることを見出した。この際、セルロースナノファイバーの粉末に対し、まず水を混合してセルロースナノファイバーと水との混合物とし、その後、この混合物に対して、増粘性を有する物質を加えて高せん断粘度とすることにより、より再分散性が高まることを見出した。最終的に得られる水懸濁液のせん断粘度が、25℃、せん断速度1560(1/s)で測定した時に0.25Pa・s以上である。本発明は、以下を含む。
[1]セルロースナノファイバーを含む粉末と水とを混合する工程、
前記粉末と水との混合物に、増粘性を有する物質を混合する工程、及び
前記粉末と水と増粘性を有する物質との混合物を撹拌する工程
を含む、セルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法であって、
25℃、せん断速度1560(1/s)で測定した時の水懸濁液のせん断粘度が0.25Pa・s以上である、上記製造方法。
[2]セルロースナノファイバーが、アニオン変性セルロースナノファイバーである、[1]に記載のセルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法。
[3]アニオン変性セルロースナノファイバーが、カルボキシアルキル基を有するセルロースナノファイバーまたはカルボキシル基を有するセルロースナノファイバーである、[2]に記載のセルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法。
[4]アニオン変性セルロースナノファイバーが、カルボキシメチル基を有するセルロースナノファイバーであり、0.01~0.50の範囲内のカルボキシメチル置換度を有する、[3]に記載のセルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法。
[5]セルロースナノファイバーを含む粉末が、カルボキシメチルセルロースをさらに含む、[1]~[4]のいずれか一項に記載のセルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法。
[6]前記増粘性を有する物質が、ショ糖である、[1]~[5]のいずれか一項に記載のセルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法。
[7]ショ糖の混合量が、水とショ糖との合計に対して60質量%以上となる量である、[1]~[6]のいずれか一項に記載のセルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法。
As a result of intensive research, the present inventors have found that when producing an aqueous suspension using cellulose nanofiber powder, by using a medium with a high shear viscosity obtained by dissolving a substance having viscosity-increasing properties in water as the medium, an aqueous suspension with fewer residual gel particles can be produced even when a stirrer with a low rotation speed is used. In this case, it has been found that redispersibility can be further improved by first mixing water with the cellulose nanofiber powder to obtain a mixture of cellulose nanofiber and water, and then adding a substance having viscosity-increasing properties to this mixture to give it a high shear viscosity. The shear viscosity of the finally obtained aqueous suspension is 0.25 Pa·s or more when measured at 25°C and a shear rate of 1560 (1/s). The present invention includes the following.
[1] A step of mixing a powder containing cellulose nanofibers with water;
A method for producing a cellulose nanofiber aqueous suspension, comprising: mixing a thickening substance into a mixture of the powder and water; and stirring the mixture of the powder, water, and thickening substance,
The above-mentioned production method, wherein the shear viscosity of the aqueous suspension is 0.25 Pa·s or more when measured at 25° C. and a shear rate of 1560 (1/s).
[2] The method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers according to [1], wherein the cellulose nanofibers are anion-modified cellulose nanofibers.
[3] The method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers described in [2], wherein the anion-modified cellulose nanofibers are cellulose nanofibers having a carboxyalkyl group or cellulose nanofibers having a carboxyl group.
[4] The method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers according to [3], wherein the anion-modified cellulose nanofibers are cellulose nanofibers having a carboxymethyl group and have a degree of carboxymethyl substitution in the range of 0.01 to 0.50.
[5] The method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers according to any one of [1] to [4], wherein the powder containing cellulose nanofibers further contains carboxymethyl cellulose.
[6] The method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers according to any one of [1] to [5], wherein the thickening substance is sucrose.
[7] The method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers according to any one of [1] to [6], wherein the amount of sucrose mixed is 60% by mass or more relative to the total amount of water and sucrose.
本発明により、セルロースナノファイバーの粉末を用いて、ゲル粒の残留の少ない水懸濁液を効率よく製造することができるようになる。より詳細には、懸濁時に低い回転数の撹拌機を用いた場合でも、セルロースナノファイバーの粉末由来のゲル粒の残留を低減させることが可能となる。低い回転数の撹拌機でも良好に懸濁できることにより、高回転数の撹拌機等の設備を持たない工場などにおいてもゲル粒が少ない懸濁液を製造することが可能となる。また、高回転数の撹拌機を用いる場合、液跳ねを起こして歩留まりが低下することがあるが、低回転数の撹拌機を用いることでそのような歩留まりの低下を抑制することができる。 The present invention makes it possible to efficiently produce an aqueous suspension with few residual gel particles using cellulose nanofiber powder. More specifically, even when a low-speed agitator is used during suspension, it is possible to reduce the amount of residual gel particles derived from the cellulose nanofiber powder. Since good suspension can be achieved even with a low-speed agitator, it is possible to produce a suspension with few gel particles even in factories that do not have equipment such as high-speed agitators. In addition, when a high-speed agitator is used, liquid splashing can occur, resulting in a decrease in yield, but by using a low-speed agitator, such a decrease in yield can be suppressed.
また、撹拌機を用いずに、泡だて器や撹拌棒などを用いて手で撹拌を行う場合でも、本発明を用いると、本発明を用いない場合に比べて、ゲル粒の残留がより少ない懸濁液を得やすくなる。 Even if the stirring is done by hand using a whisk or stirring rod without using a stirrer, the use of the present invention makes it easier to obtain a suspension with fewer residual gel particles than when the present invention is not used.
また、本発明により効率よく懸濁させることができるようになるため、懸濁にかかる時間を短縮させることもできると考えられる。 In addition, because the present invention enables efficient suspension, it is believed that the time required for suspension can also be shortened.
本発明は、セルロースナノファイバー(以下、「CNF」という。)の水懸濁液の製造方法に関する。詳細には、CNFを含む粉末と水とを混合する工程、前記粉末と水との混合物に増粘性を有する物質を混合する工程、及び前記粉末と水と増粘性を有する物質との混合物を撹拌する工程を含む、CNF水懸濁液の製造方法であって、25℃、せん断速度1560(1/s)で測定した時のせん断粘度が0.25Pa・s以上である、上記方法である。本発明により、低い回転数の撹拌機などを用いた場合でも、ゲル粒の残留が少ないCNF水懸濁液を得ることができる。なお、本発明において、「懸濁」の語と「分散」の語は、特に断りがない限り同じ意味を有することを意図しており、互換可能に用いられる。 The present invention relates to a method for producing an aqueous suspension of cellulose nanofibers (hereinafter referred to as "CNF"). In detail, the method for producing an aqueous suspension of CNF includes a step of mixing a powder containing CNF with water, a step of mixing a substance having thickening properties with the mixture of the powder and water, and a step of stirring the mixture of the powder, water, and the substance having thickening properties, and the method has a shear viscosity of 0.25 Pa·s or more when measured at 25°C and a shear rate of 1560 (1/s). According to the present invention, even when a stirrer with a low rotation speed is used, a CNF aqueous suspension with little residual gel particles can be obtained. In addition, in the present invention, the terms "suspension" and "dispersion" are intended to have the same meaning unless otherwise specified, and are used interchangeably.
(セルロースナノファイバー)
本発明において、セルロースナノファイバー(CNF)は、セルロース原料であるパルプなどがナノメートルレベルの繊維幅まで微細化されたものである。CNFの繊維幅(平均繊維径)は、通常、約3nm~数百nm程度であり、例えば、3~500nm程度である。本発明ではCNFの平均繊維径として3~100nm程度のものを用いることが好ましく、3~20nm程度のものがさらに好ましい。アスペクト比は30以上、好ましくは50以上、さらに好ましくは100以上である。アスペクト比の上限は限定されないが、500以下程度である。
(Cellulose nanofiber)
In the present invention, cellulose nanofibers (CNF) are cellulose raw materials such as pulp that have been refined to a fiber width on the nanometer level. The fiber width (average fiber diameter) of CNF is usually about 3 nm to several hundred nm, for example, about 3 to 500 nm. In the present invention, it is preferable to use CNF with an average fiber diameter of about 3 to 100 nm, and more preferably about 3 to 20 nm. The aspect ratio is 30 or more, preferably 50 or more, and more preferably 100 or more. There is no upper limit to the aspect ratio, but it is about 500 or less.
CNFの平均繊維径および平均繊維長は、径が20nm未満の場合は原子間力顕微鏡(AFM)、20nm以上の場合は電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて、ランダムに選んだ200本の繊維について解析し、平均を算出することにより、測定することができる。また、アスペクト比は下記の式により算出することができる:
アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径。
The average fiber diameter and average fiber length of CNFs can be measured by analyzing 200 randomly selected fibers using an atomic force microscope (AFM) if the diameter is less than 20 nm, or a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) if the diameter is 20 nm or more, and calculating the average. The aspect ratio can be calculated using the following formula:
Aspect ratio = average fiber length/average fiber diameter.
CNFは、後述するパルプなどのセルロース原料に機械的な力を加えて微細化(解繊)することにより得ることができる。セルロース原料としては、後述するような未変性のセルロースや製紙用のパルプ等を用いてもよいし、製紙用のパルプ等をさらに化学変性させた化学変性セルロースを用いてもよい。化学変性させたセルロースの例としては、これらに限定されないが、セルロース鎖にアニオン性基を導入したアニオン変性セルロースや、カチオン性基を導入したカチオン変性セルロースが挙げられる。これらの中では、アニオン変性セルロースを用いることが好ましい。アニオン変性セルロースを、1μm未満の平均繊維径となるように解繊することにより、アニオン変性CNFを得ることができる。解繊方法は特に限定されず、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの公知の解繊装置を用いればよい。中でも、湿式の高圧または超高圧ホモジナイザを用いることは好ましい。アニオン変性CNFの例としては、カルボキシアルキル基を導入したカルボキシアルキル化CNF、カルボキシル基を導入したカルボキシル化CNF、リン酸系の基を導入したリン酸エステル化CNF、硫酸系の基を導入した硫酸エステル化CNFなどがあげられる。これらの中では、カルボキシアルキル基を有するCNF(カルボキシアルキル化CNF)またはカルボキシル基を有するCNF(カルボキシル化CNF)が好ましい。 CNF can be obtained by applying mechanical force to pulp or other cellulose raw materials to make them fine (fibrillation). As the cellulose raw material, unmodified cellulose or pulp for papermaking, as described below, may be used, or chemically modified cellulose obtained by further chemically modifying pulp for papermaking, etc. may be used. Examples of chemically modified cellulose include, but are not limited to, anion-modified cellulose in which anionic groups are introduced into the cellulose chain, and cation-modified cellulose in which cationic groups are introduced. Among these, anion-modified cellulose is preferably used. Anion-modified CNF can be obtained by fibrillating anion-modified cellulose to an average fiber diameter of less than 1 μm. The defibration method is not particularly limited, and known defibration devices such as high-speed rotation, colloid mill, high-pressure, roll mill, and ultrasonic may be used. Among them, it is preferable to use a wet high-pressure or ultra-high-pressure homogenizer. Examples of anion-modified CNF include carboxyalkylated CNF with carboxyalkyl groups introduced, carboxylated CNF with carboxyl groups introduced, phosphate esterified CNF with phosphoric acid groups introduced, and sulfate esterified CNF with sulfate groups introduced. Among these, CNF with carboxyalkyl groups (carboxyalkylated CNF) or CNF with carboxyl groups (carboxylated CNF) is preferred.
(セルロース原料)
CNFの原料となるセルロースとしては、植物、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物等を起源とするものが知られており、本発明ではそのいずれも使用できる。植物由来のものとしては、例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、再生パルプ、古紙等)が挙げられる。本発明においては、植物または微生物由来のセルロース繊維が好ましく、植物由来のセルロース繊維がより好ましい。セルロース原料は、以下に説明するように化学変性を行ってもよい。上述のセルロース原料またはアニオン変性などの化学変性を行ったセルロース原料(化学変性セルロース)の繊維幅をナノメートルレベルにまで微細化することにより、CNFまたはアニオン変性CNFなどの化学変性CNFを得ることができる。
(Cellulose raw material)
Cellulose as a raw material for CNF is known to originate from plants, animals (e.g., ascidians), algae, microorganisms (e.g., acetic acid bacteria (Acetobacter)), microbial products, etc., and any of them can be used in the present invention. Examples of plant-derived cellulose include wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, agricultural waste, cloth, and pulp (softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), hardwood bleached kraft pulp (LBKP), softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP), thermomechanical pulp (TMP), recycled pulp, waste paper, etc.). In the present invention, cellulose fibers derived from plants or microorganisms are preferred, and cellulose fibers derived from plants are more preferred. The cellulose raw material may be chemically modified as described below. By miniaturizing the fiber width of the above-mentioned cellulose raw material or a cellulose raw material that has been chemically modified, such as anionically modified (chemically modified cellulose), to the nanometer level, it is possible to obtain CNF or chemically modified CNF, such as anionically modified CNF.
(カルボキシアルキル基を有するCNF(カルボキシアルキル化CNF))
アニオン変性CNFの一例として、カルボキシアルキル基を有するカルボキシアルキル化CNFを挙げることができる。本明細書においてカルボキシアルキル基とは、-RCOOH(酸型)および-RCOOM(金属塩型)をいう。ここでRはメチレン基、エチレン基等のアルキレン基であり、Mは金属イオンである。中でも、Rがメチレン基であるCM基を有するCM化CNFが最も好ましい。カルボキシアルキル化CNFは、セルロース原料をマーセル化剤で処理した後にカルボキシアルキル化剤で処理してカルボキシアルキル基を導入する公知の方法を用いてカルボキシアルキル化セルロースを得て、次いで解繊することにより得ることができる。
(CNF having carboxyalkyl groups (carboxyalkylated CNF))
An example of anion-modified CNF is carboxyalkylated CNF having a carboxyalkyl group. In this specification, carboxyalkyl group refers to -RCOOH (acid type) and -RCOOM (metal salt type). Here, R is an alkylene group such as a methylene group or an ethylene group, and M is a metal ion. Among them, CM-modified CNF having a CM group in which R is a methylene group is most preferred. Carboxyalkylated CNF can be obtained by treating a cellulose raw material with a mercerizing agent, and then treating it with a carboxyalkylating agent to obtain carboxyalkylated cellulose using a known method to introduce a carboxyalkyl group, and then defibrating the cellulose raw material.
カルボキシアルキル化CNFの無水グルコース単位当たりのカルボキシアルキル置換度は、0.50以下であることが好ましい。また、カルボキシアルキル置換度の下限値は0.01以上が好ましい。操業性を考慮すると当該置換度は0.02以上0.40以下であることが好ましく、0.02以上0.35以下であることが更に好ましく、0.10以上0.35以下であることが更に好ましく、0.15以上0.35以下であることが更に好ましく、0.15以上0.30以下であることが更に好ましい。なお、無水グルコース単位とは、セルロースを構成する個々の無水グルコース(グルコース残基)を意味し、カルボキシアルキル置換度とは、セルロースを構成するグルコース残基中の水酸基(-OH)のうちカルボキシアルキル基(-ORCOOHまたは-ORCOOM)に置換されているものの割合(1つのグルコース残基当たりのカルボキシアルキル基の数)を示す。カルボキシアルキル置換度は、マーセル化剤の量や反応時間等の反応条件をコントロールすることで調整することができる。グルコース単位当たりのCM置換度は、以下の方法で測定することができる:
CM化CNF(絶乾)約2.0gを精秤して、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。メタノール900mLに特級濃硝酸100mLを加えた液100mLを加え、3時間振とうして、塩型のCM化CNFを水素型CM化CNFに変換する。水素型CM化CNF(絶乾)を1.5g~2.0g精秤し、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。80質量%メタノール15mLで水素型CM化CNFを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうする。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのH2SO4で過剰のNaOHを逆滴定する。CM置換度(DS)を、次式によって算出する:
A=[(100×F’-(0.1NのH2SO4)(mL)×F)×0.1]/(水素型CM化CNFの絶乾質量(g))
DS=0.162×A/(1-0.058×A)
A:水素型CM化CNFの1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F:0.1NのH2SO4のファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター
CM基以外のカルボキシアルキル基置換度の測定も、上記と同様の方法で行うことができる。
The degree of carboxyalkyl substitution per anhydrous glucose unit of carboxyalkylated CNF is preferably 0.50 or less. The lower limit of the degree of carboxyalkyl substitution is preferably 0.01 or more. In consideration of operability, the degree of substitution is preferably 0.02 to 0.40, more preferably 0.02 to 0.35, more preferably 0.10 to 0.35, more preferably 0.15 to 0.35, and even more preferably 0.15 to 0.30. The anhydrous glucose unit means each anhydrous glucose (glucose residue) constituting cellulose, and the degree of carboxyalkyl substitution indicates the ratio of hydroxyl groups (-OH) in the glucose residues constituting cellulose that are substituted with carboxyalkyl groups (-ORCOOH or -ORCOOM) (the number of carboxyalkyl groups per glucose residue). The degree of carboxyalkyl substitution can be adjusted by controlling the reaction conditions such as the amount of mercerizing agent and the reaction time. The degree of CM substitution per glucose unit can be measured by the following method:
Approximately 2.0 g of carboxymethylated CNF (bone dry) is weighed out and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. 100 mL of a solution of 100 mL of concentrated nitric acid in 900 mL of methanol is added and shaken for 3 hours to convert the salt-type carboxymethylated CNF to hydrogen-type carboxymethylated CNF. 1.5 g to 2.0 g of hydrogen-type carboxymethylated CNF (bone dry) is weighed out and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. The hydrogen-type carboxymethylated CNF is moistened with 15 mL of 80% by mass methanol, 100 mL of 0.1 N NaOH is added, and the mixture is shaken at room temperature for 3 hours. Using phenolphthalein as an indicator, the excess NaOH is back-titrated with 0.1 N H 2 SO 4. The degree of CM substitution (DS) is calculated by the following formula:
A = [(100 x F' - (0.1 N H2SO4 ) (mL) x F) x 0.1] / (bone dry mass of hydrogen-type CM-CNF (g))
DS=0.162×A/(1-0.058×A)
A: The amount of 1N NaOH required to neutralize 1 g of hydrogenated CM-CNF (mL)
F: Factor of 0.1N H 2 SO 4 F': Factor of 0.1N NaOH The degree of substitution of carboxyalkyl groups other than CM groups can also be measured by the same method as above.
なお、本明細書において、CM化CNFの調製に用いるアニオン変性セルロースの一種である「CM化セルロース」及びCM化セルロースを解繊して得られた「CM化CNF」は、水に分散した際にも繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるものをいう。したがって、「CM化セルロース」及び「CM化CNF」は、水溶性高分子の一種であるカルボキシメチルセルロース(以下、「CMC」という。)とは区別される。「CM化セルロース」の水分散液を電子顕微鏡で観察すると、繊維状の物質を観察することができる。一方、水溶性高分子の一種であるCMCの水分散液を観察しても、繊維状の物質は観察されない。また、「CM化セルロース」及び「CM化CNF」はX線回折で測定した際にセルロースI型結晶のピークを観測することができるが、水溶性高分子のCMCではセルロースI型結晶はみられない。 In this specification, "CM-cellulose", which is a type of anion-modified cellulose used in the preparation of CM-CNF, and "CM-CNF" obtained by defibrating CM-cellulose, refer to those that maintain at least a part of their fibrous shape even when dispersed in water. Therefore, "CM-cellulose" and "CM-CNF" are distinguished from carboxymethyl cellulose (hereinafter referred to as "CMC"), which is a type of water-soluble polymer. When observing an aqueous dispersion of "CM-cellulose" with an electron microscope, a fibrous substance can be observed. On the other hand, when observing an aqueous dispersion of CMC, which is a type of water-soluble polymer, no fibrous substance is observed. Furthermore, when "CM-cellulose" and "CM-CNF" are measured by X-ray diffraction, peaks of cellulose type I crystals can be observed, but cellulose type I crystals are not observed in the water-soluble polymer CMC.
(カルボキシル基を有するCNF(カルボキシル化CNF))
アニオン性CNFの一例として、カルボキシル基を有するカルボキシル化CNFを挙げることができる。本明細書においてカルボキシル基とは、-COOH(酸型)および-COOM(金属塩型)(式中、Mは金属イオンである)、または-COO-をいう。カルボキシル化CNFは、セルロースのピラノース環の水酸基をカルボキシル基に酸化する公知の方法を用いてカルボキシル化セルロースを得て、次いで解繊することにより得ることができる。セルロースの酸化方法としては、例えば、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシラジカル(TEMPO)のようなN-オキシル化合物と、臭化物及び/又はヨウ化物との存在下で、酸化剤を用いてセルロースを水中で酸化する方法や、オゾンを含む気体を酸化剤として用いてセルロース原料と接触させることによりセルロースを酸化する方法を挙げることができる。
(CNF having carboxyl groups (carboxylated CNF))
An example of anionic CNF is carboxylated CNF having a carboxyl group. In this specification, the term "carboxyl group" refers to -COOH (acid type) and -COOM (metal salt type) (wherein M is a metal ion), or -COO- . Carboxylated CNF can be obtained by obtaining carboxylated cellulose using a known method of oxidizing the hydroxyl group of the pyranose ring of cellulose to a carboxyl group, and then defibrating the cellulose. Examples of the method for oxidizing cellulose include a method of oxidizing cellulose in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxy radical (TEMPO) and a bromide and/or iodide, and a method of oxidizing cellulose by contacting a cellulose raw material with a gas containing ozone as an oxidizing agent.
カルボキシル化CNFにおけるカルボキシル基の量は、カルボキシル化CNFの絶乾質量に対して、0.4~3.0mmol/gが好ましく、0.6~2.0mmol/gがさらに好ましく、1.0~2.0mmol/gがさらに好ましく、1.1~2.0mmol/gがさらに好ましい。カルボキシル化CNFのカルボキシル基の量は、酸化剤の添加量や反応時間等の反応条件をコントロールすることで調整することができる。カルボキシル基の量は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシル化CNFの0.5質量%スラリー(水分散液)60mlを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出する:
カルボキシ基量〔mmol/gカルボキシル化CNF〕=a〔ml〕×0.05/カルボキシル化CNF質量〔g〕。
The amount of carboxyl groups in carboxylated CNF is preferably 0.4 to 3.0 mmol/g, more preferably 0.6 to 2.0 mmol/g, even more preferably 1.0 to 2.0 mmol/g, and even more preferably 1.1 to 2.0 mmol/g, based on the bone dry mass of carboxylated CNF. The amount of carboxyl groups in carboxylated CNF can be adjusted by controlling reaction conditions such as the amount of oxidizing agent added and reaction time. The amount of carboxyl groups can be measured by the following method:
60 ml of a 0.5% by mass slurry (aqueous dispersion) of carboxylated CNF is prepared, and a 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution is added to adjust the pH to 2.5. A 0.05 N aqueous sodium hydroxide solution is then added dropwise to measure the electrical conductivity until the pH reaches 11. The electrical conductivity is calculated from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization stage of the weak acid, where the change in electrical conductivity is gradual, using the following formula:
Amount of carboxyl group [mmol/g carboxylated CNF] = a [ml] × 0.05/mass of carboxylated CNF [g].
(リン酸エステル化CNF)
アニオン性CNFの一例として、リン酸エステル化CNFを挙げることができる。リン酸エステル化CNFは、上述したセルロース原料にリン酸系化合物の粉末又は水溶液を混合する、あるいは、セルロース原料のスラリーにリン酸系化合物の水溶液を添加するなどにより、リン酸系化合物由来のリン酸系の基をセルロースに導入してリン酸エステル化セルロースとし、これを解繊することにより得ることができる。リン酸系化合物としては、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、次亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸あるいはこれらのエステル又は塩が挙げられる。具体的には、例えば、これらに限定されないが、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、リン酸三ナトリウム、亜リン酸ナトリウム、亜リン酸カリウム、次亜リン酸ナトリウム、次亜リン酸カリウム、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウム等が挙げられる。これらの1種、あるいは2種以上を併用してセルロースにリン酸系化合物由来のリン酸系の基を導入することができる。本明細書において、リン酸系化合物由来のリン酸系の基には、リン酸基、亜リン酸基、次亜リン酸基、ピロリン酸基、メタリン酸基、ポリリン酸基、ホスホン酸基、及びポリホスホン酸基が含まれる。リン酸エステル化セルロース及びリン酸エステル化CNFは、セルロースの分子鎖にこれらのリン酸系の基の1種または2種以上が導入されているものを含む。セルロース原料をリン酸系化合物と反応させる際には、反応を均一に進行できかつ上記基の導入の効率が高くなることから前記リン酸系化合物は水溶液として用いることが望ましく、その際、水溶液のpHは、pH3~7が好ましい。また、尿素等の窒素含有化合物を添加してもよい。
(Phosphate-esterified CNF)
An example of anionic CNF is phosphoric acid esterified CNF. The phosphoric acid esterified CNF can be obtained by mixing a powder or an aqueous solution of a phosphoric acid compound with the above-mentioned cellulose raw material, or by adding an aqueous solution of a phosphoric acid compound to a slurry of the cellulose raw material, thereby introducing a phosphoric acid group derived from a phosphoric acid compound into cellulose to form phosphoric acid esterified cellulose, and then defibrating the cellulose. Examples of phosphoric acid compounds include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, and esters or salts thereof. Specific examples include, but are not limited to, phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium phosphite, potassium phosphite, sodium hypophosphite, potassium hypophosphite, sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate, and the like. One or more of these compounds can be used in combination to introduce a phosphoric acid group derived from a phosphoric acid compound into cellulose. In this specification, the phosphoric acid group derived from a phosphoric acid compound includes a phosphoric acid group, a phosphorous acid group, a hypophosphorous acid group, a pyrophosphate group, a metaphosphate group, a polyphosphate group, a phosphonic acid group, and a polyphosphonic acid group. Phosphated cellulose and phosphoric acid esterified CNF include those in which one or more of these phosphoric acid groups are introduced into the molecular chain of cellulose. When reacting a cellulose raw material with a phosphoric acid compound, it is desirable to use the phosphoric acid compound as an aqueous solution, since this allows the reaction to proceed uniformly and increases the efficiency of the introduction of the above groups, and in this case, the pH of the aqueous solution is preferably pH 3 to 7. In addition, a nitrogen-containing compound such as urea may be added.
リン酸エステル化CNFにおけるグルコース単位当たりのリン酸系の基の置換度(以下、単に「リン酸基置換度」と呼ぶ。)は、0.001以上0.40未満であることが好ましい。グルコース単位当たりのリン酸基置換度は、以下の方法で測定することができる:
固形分量が0.2質量%のリン酸エステル化CNFのスラリーを調製する。スラリーに対し、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;オルガノ社製、コンディショニング済)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とを分離することにより、水素型リン酸エステル化CNFを得る。次いで、イオン交換樹脂による処理後のスラリーに、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。計測結果のうち、急激に電気伝導度が低下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)で除すことにより、水素型リン酸エステル化CNF1g当たりのリン酸基量(mmol/g)を算出する。さらに、リン酸エステル化CNFのグルコース単位当たりのリン酸基置換度(DS)を、次式によって算出する:
DS=0.162×A/(1-0.079×A)
A:水素型リン酸エステル化CNFの1gあたりのリン酸基量(mmol/g)。
The degree of substitution of phosphate-based groups per glucose unit in the phosphated CNF (hereinafter simply referred to as "phosphate group substitution degree") is preferably 0.001 or more and less than 0.40. The degree of substitution of phosphate groups per glucose unit can be measured by the following method:
A slurry of phosphoric acid esterified CNF with a solid content of 0.2 mass% is prepared. A strongly acidic ion exchange resin (Amberjet 1024; manufactured by Organo Corporation, conditioned) is added to the slurry in an amount of 1/10 by volume, and the slurry is shaken for 1 hour. The slurry is then poured onto a mesh with an opening of 90 μm to separate the resin and the slurry, thereby obtaining hydrogen-type phosphoric acid esterified CNF. Next, 50 μL of 0.1 N sodium hydroxide solution is added to the slurry after the ion exchange resin treatment once every 30 seconds, while measuring the change in the electrical conductivity value of the slurry. The amount of alkali (mmol) required in the region where the electrical conductivity drops sharply among the measurement results is divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated to calculate the amount of phosphoric acid groups (mmol/g) per 1 g of hydrogen-type phosphoric acid esterified CNF. Furthermore, the degree of phosphoric acid substitution (DS) per glucose unit of phosphoric acid esterified CNF is calculated by the following formula:
DS=0.162×A/(1-0.079×A)
A: Amount of phosphate groups per gram of hydrogen phosphate esterified CNF (mmol/g).
(硫酸エステル化CNF)
アニオン性CNFの一例として、硫酸エステル化CNFを挙げることができる。硫酸エステル化CNFは、上述したセルロース原料に硫酸系化合物を反応させることにより、硫酸系化合物由来の硫酸系の基をセルロースに導入して硫酸エステル化セルロースとし、これを解繊することにより得ることができる。硫酸系化合物としては、例えば、硫酸、スルファミン酸、クロロスルホン酸、三酸化硫黄、あるいはこれらのエステル又は塩が挙げられる。これらの中では、セルロースの溶解性が小さく、また、酸性度が低いことから、スルファミン酸を用いることが好ましい。
(Sulfated CNF)
An example of anionic CNF is sulfated CNF. Sulfated CNF can be obtained by reacting the above-mentioned cellulose raw material with a sulfate compound to introduce sulfate groups derived from the sulfate compound into cellulose to form sulfated cellulose, which is then defibrated. Examples of the sulfate compound include sulfuric acid, sulfamic acid, chlorosulfonic acid, sulfur trioxide, and esters or salts of these. Of these, it is preferable to use sulfamic acid because it has low solubility in cellulose and low acidity.
例えば、硫酸系化合物としてスルファミン酸を用いる場合、スルファミン酸の使用量は、セルロース鎖へのアニオン基の導入量を考慮して適宜調整することができる。例えば、セルロース分子中のグルコース単位1mol当たり、好ましくは0.01~50molの量で用いることができ、より好ましくは0.1~3.0molの量で用いることができる。 For example, when sulfamic acid is used as the sulfate compound, the amount of sulfamic acid used can be adjusted appropriately taking into consideration the amount of anion groups introduced into the cellulose chain. For example, it can be used in an amount of preferably 0.01 to 50 mol, more preferably 0.1 to 3.0 mol, per 1 mol of glucose units in the cellulose molecule.
硫酸エステル化CNFにおけるグルコース単位当たりの硫酸系の基の量(以下、単に「硫酸基量」と呼ぶ。)は、0.1~3.0mmol/gであることが好ましい。グルコース単位当たりの硫酸基量は、以下の方法で測定することができる:
硫酸エステル化CNFの水分散液をエタノール、t-ブタノールの順に溶媒置換した後、凍結乾燥する。得られた試料200mgにエタノール15ml及び水5mlを加え、30分間撹拌する。その後、0.5Nの水酸化ナトリウム水溶液を10ml加え、70℃で30分間撹拌し、さらに30℃で24時間撹拌する。次いで、指示薬としてフェノールフタレインを加え、塩酸で滴定を行い、下式を用いて算出する:
硫酸基量[mmol/g試料]=(5-(0.1×塩酸滴定量[ml]×2))/0.2。
The amount of sulfate groups per glucose unit in the sulfated CNF (hereinafter simply referred to as the "amount of sulfate groups") is preferably 0.1 to 3.0 mmol/g. The amount of sulfate groups per glucose unit can be measured by the following method:
The aqueous dispersion of sulfated CNF is subjected to solvent replacement with ethanol and then t-butanol, and then freeze-dried. 15 ml of ethanol and 5 ml of water are added to 200 mg of the obtained sample, and the mixture is stirred for 30 minutes. Then, 10 ml of 0.5N aqueous sodium hydroxide solution is added, and the mixture is stirred at 70°C for 30 minutes, and further stirred at 30°C for 24 hours. Next, phenolphthalein is added as an indicator, and titration is performed with hydrochloric acid, and the following formula is used to calculate:
Amount of sulfate group [mmol/g sample]=(5-(0.1×titer of hydrochloric acid [ml]×2))/0.2.
(カチオン変性CNF)
カチオン変性CNFとは、セルロースの分子鎖にカチオン性基が導入されたCNFである。カチオン変性CNFは、セルロースのピラノース環にカチオン性基を導入して得られたカチオン変性セルロースを1μm未満の平均繊維径となるように解繊することにより得ることができる。
(Cation-modified CNF)
Cationically modified CNF is CNF in which cationic groups have been introduced into the molecular chains of cellulose. Cationically modified CNF can be obtained by defibrating cationically modified cellulose obtained by introducing cationic groups into the pyranose rings of cellulose to an average fiber diameter of less than 1 μm.
カチオン変性セルロースは、前記のカルボキシル化セルロースに、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライトまたはそのハロヒドリン型などのカチオン化剤と、触媒である水酸化アルカリ金属(水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど)とを、水または炭素数1~4のアルコールの存在下で反応させる公知の方法によって得ることができ、得られたカチオン変性セルロースを解繊することによりカチオン変性CNFを得ることができる。 Cationically modified cellulose can be obtained by a known method in which the above-mentioned carboxylated cellulose is reacted with a cationizing agent such as glycidyl trimethylammonium chloride, 3-chloro-2-hydroxypropyl trialkylammonium hydrite or its halohydrin type, and an alkali metal hydroxide catalyst (sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc.) in the presence of water or an alcohol having 1 to 4 carbon atoms, and the resulting cationically modified cellulose can be defibrated to obtain cationically modified CNF.
カチオン変性CNFにおけるグルコース単位当たりのカチオン置換度は0.02~0.50であることが好ましい。カチオン置換度は、反応させるカチオン化剤の添加量、水または炭素数1~4のアルコールの組成比率によって調整できる。グルコース単位当たりのカチオン置換度は、以下の方法で測定することができる:
カチオン変性CNFを乾燥させた後、全窒素分析計(三菱化学社製TN-10)を用いて窒素含有量を測定し、次式によりカチオン置換度(無水グルコース単位1モル当たりの置換基のモル数の平均値)を算出する:
カチオン置換度=(162×N)/(1-151.6×N)
N:窒素含有量。
The degree of cationic substitution per glucose unit in the cation-modified CNF is preferably 0.02 to 0.50. The degree of cationic substitution can be adjusted by the amount of the cationizing agent to be reacted and the composition ratio of water or alcohol having 1 to 4 carbon atoms. The degree of cationic substitution per glucose unit can be measured by the following method:
After drying the cation-modified CNF, the nitrogen content was measured using a total nitrogen analyzer (TN-10 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and the degree of cation substitution (the average value of the number of moles of substituents per mole of anhydrous glucose unit) was calculated according to the following formula:
Degree of cation substitution = (162 x N) / (1 - 151.6 x N)
N: Nitrogen content.
(CNFを含む粉末)
本発明の製造方法では、上記のCNFを含む粉末を用いてCNFの水懸濁液を製造する。本発明において「粉末」とは、水分量が0~15質量%となるまで乾燥させて得られた乾燥固形物をいう。好ましくは水分量が0~10質量%である。CNFは、このような水分量となるまで乾燥を行うと通常再分散させることが困難になる傾向があるが、本発明の方法により、再分散性が向上し、低い回転数の撹拌機を用いた場合でも残留するゲル粒の量を低減させることができるようになる。粉末における水分量は、粉末を105℃で3時間以上乾燥させた後の質量(絶乾質量)と、乾燥前の質量とを用いて算出することができる。
(Powder containing CNF)
In the manufacturing method of the present invention, a CNF aqueous suspension is manufactured using the powder containing the above-mentioned CNF. In the present invention, the term "powder" refers to a dry solid obtained by drying until the moisture content is 0 to 15% by mass. The moisture content is preferably 0 to 10% by mass. When CNF is dried until the moisture content is such, it usually tends to become difficult to redisperse, but the method of the present invention improves redispersibility, and even when a stirrer with a low rotation speed is used, the amount of remaining gel particles can be reduced. The moisture content of the powder can be calculated using the mass (absolute dry mass) of the powder after drying at 105°C for 3 hours or more and the mass before drying.
乾燥固形物である「粉末」の形状は、懸濁のさせやすさを考慮すると、微細で均質な粉状であることが好ましいが、粉の一部が凝集して塊を形成しているような形状であってもよいし、顆粒状であってもよい。 The shape of the "powder" which is a dry solid is preferably a fine, homogeneous powder, taking into consideration the ease of suspension, but it may also be in a form in which parts of the powder aggregate to form lumps, or in a granular form.
CNFを含む粉末は、例えば、これに限定されないが、上記のCNFを含む分散液を乾燥させることにより製造することができる。乾燥に供する分散液における分散媒は特に限定されないが、水、親水性有機溶媒、疎水性有機溶媒またはこれらの混合溶媒であることが好ましく、水、または水と親水性有機溶媒との混合溶媒がさらに好ましい。乾燥に用いる装置は特に限定されない。例えば、真空ドラム乾燥機、常圧ドラム乾燥機、スプレー乾燥機、熱風乾燥機、温風乾燥機などを用いることができる。 The powder containing CNF can be produced, for example, but not limited to, by drying the dispersion liquid containing CNF described above. The dispersion medium in the dispersion liquid to be dried is not particularly limited, but is preferably water, a hydrophilic organic solvent, a hydrophobic organic solvent, or a mixed solvent thereof, and more preferably water or a mixed solvent of water and a hydrophilic organic solvent. The device used for drying is not particularly limited. For example, a vacuum drum dryer, an atmospheric drum dryer, a spray dryer, a hot air dryer, a warm air dryer, etc. can be used.
本発明で懸濁に供する「CNFを含む粉末」は、CNFに加えて他の成分を含んでいてもよい。例えば、再分散性の向上のために、水溶性高分子の粉末を含んでいてもよい。水溶性高分子としては、例えば、セルロース誘導体(CMC、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、エチルセルロース)、キサンタンガム、キシログルカン、デキストリン、デキストラン、カラギーナン、ローカストビーンガム、アルギン酸、アルギン酸塩、プルラン、デンプン、かたくり粉、クズ粉、加工デンプン(カチオン化デンプン、リン酸化デンプン、リン酸架橋デンプン、リン酸モノエステル化リン酸架橋デンプン、ヒドロキシプロピルデンプン、ヒドロキシプロピル化リン酸架橋デンプン、アセチル化アジピン酸架橋デンプン、アセチル化リン酸架橋デンプン、アセチル化酸化デンプン、オクテニルコハク酸デンプンナトリウム、酢酸デンプン、酸化デンプン)、コーンスターチ、アラビアガム、ジェランガム、ポリデキストロース、ペクチン、キチン、水溶性キチン、キトサン、カゼイン、アルブミン、大豆タンパク溶解物、ペプトン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸塩、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリアミノ酸、ポリ乳酸、ポリリンゴ酸、ポリグリセリン、ラテックス、ロジン系サイズ剤、石油樹脂系サイズ剤、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミド・ポリアミン樹脂、ポリエチレンイミン、ポリアミン、植物ガム、ポリエチレンオキサイド、親水性架橋ポリマー、デンプンポリアクリル酸共重合体、タマリンドガム、グァーガム、コロイダルシリカ、又はこれらの1種以上の混合物が挙げられる。中でも、セルロース誘導体は、CNFとの相溶性の点から好ましく、CMC及びその塩が特に好ましい。CMC及びその塩のような水溶性高分子は、CNFの繊維の間に入り込み、繊維間の距離を広げることで、再分散性を向上させると考えられる。また、デキストリンも上記の水溶性高分子として好ましく用いることができる。 The "powder containing CNF" used for suspension in the present invention may contain other components in addition to CNF. For example, it may contain a powder of a water-soluble polymer to improve redispersibility. Examples of water-soluble polymers include cellulose derivatives (CMC, methylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethylcellulose), xanthan gum, xyloglucan, dextrin, dextran, carrageenan, locust bean gum, alginic acid, alginates, pullulan, starch, potato starch, kudzu flour, modified starch (cationized starch, phosphorylated starch, phosphate crosslinked starch, phosphate monoesterified phosphate crosslinked starch, hydroxypropyl starch, hydroxypropylated phosphate crosslinked starch, acetylated adipate crosslinked starch, acetylated phosphate crosslinked starch, acetylated oxidized starch, sodium octenylsuccinate starch, starch acetate, oxidized starch), corn starch, and the like. Chi, gum arabic, gellan gum, polydextrose, pectin, chitin, water-soluble chitin, chitosan, casein, albumin, soy protein lysate, peptone, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetate, polyamino acid, polylactic acid, polymalic acid, polyglycerin, latex, rosin-based sizing agent, petroleum resin-based sizing agent, urea resin, melamine resin, epoxy resin, polyamide resin, polyamide-polyamine resin, polyethyleneimine, polyamine, vegetable gum, polyethylene oxide, hydrophilic crosslinked polymer, starch polyacrylic acid copolymer, tamarind gum, guar gum, colloidal silica, or a mixture of one or more of these. Among them, cellulose derivatives are preferred in terms of compatibility with CNF, and CMC and its salts are particularly preferred. It is believed that water-soluble polymers such as CMC and its salts penetrate between the fibers of CNF and increase the distance between the fibers, thereby improving redispersibility. Dextrin can also be preferably used as the water-soluble polymer.
水溶性高分子としてCMCを用いる場合は、CMCのCM置換度は、0.55~1.60の範囲であることが好ましく、0.55~1.10がさらに好ましく、0.65~1.10がさらに好ましい。なお、このようなCM置換度を有するCMCは、水に溶解するため、水中でセルロース由来の繊維の形状を維持しない。上述した通り、水溶性高分子としての「CMC」と、水中で繊維状の形状を維持する「CM化セルロース」とは、区別される。また、「CM化セルロース」を1μm未満の平均繊維径となるように解繊して得た「CM化CNF」も、「CMC」とは区別される。 When CMC is used as the water-soluble polymer, the CM substitution degree of the CMC is preferably in the range of 0.55 to 1.60, more preferably 0.55 to 1.10, and even more preferably 0.65 to 1.10. Note that CMC with such a CM substitution degree dissolves in water and does not maintain the cellulose-derived fibrous shape in water. As described above, there is a distinction between "CMC" as a water-soluble polymer and "CM-cellulose" which maintains a fibrous shape in water. In addition, "CM-CNF" obtained by defibrating "CM-cellulose" to an average fiber diameter of less than 1 μm is also distinguished from "CMC".
CNFを含む粉末に水溶性高分子を配合する場合、水溶性高分子の配合量は、CNF(絶乾固形分)に対して、5~300質量であることが好ましく、20~300質量%がさらに好ましく、25~200質量%がさらに好ましく、25~60質量%がさらに好ましい。 When a water-soluble polymer is blended with a powder containing CNF, the blending amount of the water-soluble polymer is preferably 5 to 300 mass% relative to the CNF (bone dry solids), more preferably 20 to 300 mass%, even more preferably 25 to 200 mass%, and even more preferably 25 to 60 mass%.
その他、CNFを含む粉末は、本発明の効果を阻害しない範囲で、CNFや水溶性高分子以外の成分、例えば微量な金属成分などを含んでいてもよい。
(CNFを含む粉末と水との混合工程)
本発明の方法では、まずCNFを含む粉末を、水と混合する。CNFを含む粉末と水との混合割合は、特に限定されない。粉末の量が少ない方が、最終的に粉末をより均一に分散させることができると言えるが、粉末の量が多い場合でも、本発明の方法を用いない場合と比べればゲル粒の残留がより少ない懸濁液を得ることができると言えるから、水に対する粉末の量は、用途に応じて適宜設定すればよい。例えば、水を100質量%とした際の粉末の混合割合を0.1~10.0質量%程度とすることができ、また、1.0~6.0質量%程度にすることができるが、これらの範囲に限定されない。
In addition, the powder containing CNF may contain components other than CNF and the water-soluble polymer, such as trace amounts of metal components, as long as the effects of the present invention are not impaired.
(Mixing process of powder containing CNF and water)
In the method of the present invention, first, a powder containing CNF is mixed with water. The mixing ratio of the powder containing CNF to water is not particularly limited. It can be said that the smaller the amount of powder, the more uniformly the powder can be dispersed in the end, but even if the amount of powder is large, it can be said that a suspension with fewer residual gel particles can be obtained compared to the case where the method of the present invention is not used. Therefore, the amount of powder to water can be appropriately set according to the application. For example, the mixing ratio of the powder when the water is 100% by mass can be about 0.1 to 10.0% by mass, or about 1.0 to 6.0% by mass, but is not limited to these ranges.
CNFを含む粉末と水との混合の際には、撹拌機で撹拌するなどして、CNFを含む粉末の全体を水で十分に湿潤させることが好ましい。CNFを含む粉末をまず水で湿潤させてから、後述する増粘性を有する物質を混合して撹拌することにより、増粘性を有する物質を添加しない場合や、増粘性を有する物質の水溶液にCNFを含む粉末を添加する場合に比べて、よりゲル粒の残留の少ないCNF水懸濁液を製造することができる。 When mixing the powder containing CNF with water, it is preferable to thoroughly wet the entire powder containing CNF with water, for example by stirring with a stirrer. By first wetting the powder containing CNF with water and then mixing and stirring the thickening substance described below, it is possible to produce a CNF aqueous suspension with fewer residual gel particles compared to when no thickening substance is added or when the powder containing CNF is added to an aqueous solution of a thickening substance.
(増粘性を有する物質の混合工程)
CNFを含む粉末と水とを混合した後、この混合物に増粘性を有する物質を添加して混合する。増粘性を有する物質とは、水に溶解させることが可能であり、水に一定量溶解させることで、せん断速度1560(1/s)において高いせん断粘度を達成することができる物質をいう。例えば、ショ糖、デキストリン、タマリンドシードガム、CMC、カルボキシビニルポリマー、水あめ(マルトースやマルトトリオースの混合物)、グァーガム、カラギナン、キサンタンガム、ローカストビーンガム、タラガム、カシアガム、グルコマンナン、ジェランガム、ペクチン、サイリウムシードガム、トラガントガム、カラヤガム、アラビアガム、マクロホモプシスガム、ラムザンガム、寒天、アルギン酸類(アルギン酸、アルギン酸塩)、カードラン、プルラン、セルロース誘導体(CMC、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等)、微結晶セルロース、発酵セルロース、ゼラチン、水溶性大豆多糖類、デンプン、加工デンプン、ポリエチレングリコール等を挙げることができる。これらの中では、ショ糖、デキストリン、タマリンドシードガム、CMC、及びカルボキシビニルポリマーが特に好ましい。
(Mixing process of substance having viscosity increasing property)
After mixing the powder containing CNF with water, a thickening substance is added to the mixture and mixed in. The thickening substance is a substance that can be dissolved in water and can achieve a high shear viscosity at a shear rate of 1560 (1/s) by dissolving a certain amount in water. Examples of the cellulose include sucrose, dextrin, tamarind seed gum, CMC, carboxyvinyl polymer, starch syrup (a mixture of maltose and maltotriose), guar gum, carrageenan, xanthan gum, locust bean gum, tara gum, cassia gum, glucomannan, gellan gum, pectin, psyllium seed gum, tragacanth gum, karaya gum, gum arabic, macrophomopsis gum, rhamsan gum, agar, alginic acids (alginic acid, alginate), curdlan, pullulan, cellulose derivatives (CMC, methylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxyethylcellulose, etc.), microcrystalline cellulose, fermented cellulose, gelatin, water-soluble soybean polysaccharides, starch, modified starch, polyethylene glycol, etc. Among these, sucrose, dextrin, tamarind seed gum, CMC, and carboxyvinyl polymer are particularly preferred.
増粘性を有する物質の混合量は、特に限定されない。各物質に応じて、最終的に得られる水懸濁液が25℃、せん断速度1560(1/s)において0.25Pa・s以上のせん断粘度を達成することができるような量とすればよい。例えば、ショ糖を用いる場合にはショ糖の混合量が、水とショ糖との合計に対して60質量%以上となる量であることが好ましい。 There are no particular limitations on the amount of thickening substance mixed in. Depending on the substance, the amount should be such that the final aqueous suspension has a shear viscosity of 0.25 Pa·s or more at 25°C and a shear rate of 1560 (1/s). For example, when sucrose is used, it is preferable that the amount of sucrose mixed in is 60% by mass or more of the total of water and sucrose.
(混合物の撹拌工程)
CNFを含む粉末と、水と、増粘性を有する物質との混合物を撹拌することにより、粉末中のCNFを媒体である水に懸濁させて、CNFの水懸濁液を得る。上述した通り、本発明において、「懸濁」の語と「分散」の語は、特に断りがない限り同じ意味を有することを意図しており、互換可能に用いられる。
(Stirring the mixture)
By stirring a mixture of a powder containing CNF, water, and a substance having viscosity-increasing properties, the CNF in the powder is suspended in the water medium to obtain a CNF aqueous suspension. As described above, in the present invention, the terms "suspension" and "dispersion" are intended to have the same meaning unless otherwise specified, and are used interchangeably.
撹拌の際には、例えば、ホモミキサー、ホモディスパー、インラインミキサー、ジューサー、工業用粉体吸引連続溶解分散装置、ヘンシェルミキサーなどの撹拌機等を用いることができるが、これらに限定されない。本発明の方法を用いることにより、本発明の方法を用いない場合に比べて、撹拌機の回転数が低い場合でもゲル粒の残留がより少ない懸濁液を得ることができる。例えば、上述のような撹拌機を用いずに、泡だて器や撹拌棒などを用いて手で撹拌を行う場合でも、本発明の方法を用いない場合に比べれば、ゲル粒の残留がより少ない懸濁液を得やすくなるといえる。このように、本発明によって、低回転数の場合でも本発明を用いない場合に比べるとよりゲル粒の少ない懸濁液が得られるという利点が得られる。しかし、高回転数の撹拌機を用いることを除外するものではない。例えば、同じ回転数同士の撹拌で比べれば、本発明の方法では、本発明を用いない場合に比べて、より短い時間でゲル粒の少ない懸濁液を得ることができる可能性がある。したがって、本発明において撹拌時の撹拌機の回転数は特に限定されない。例えば、従来は3000rpm以上、または12000rpm以上のような高回転数の撹拌/分散装置を用いて懸濁/分散液を製造していたところ、これに限定されないが、600~800rpm程度の回転数の撹拌機を用いてもゲル粒の少ない水懸濁液を得ることができるようになる。 When stirring, a stirrer such as a homomixer, homodisper, in-line mixer, juicer, industrial powder suction continuous dissolving and dispersing device, Henschel mixer, etc. can be used, but are not limited to these. By using the method of the present invention, a suspension with fewer gel particles remaining can be obtained even when the rotation speed of the stirrer is low, compared to when the method of the present invention is not used. For example, even when stirring is performed by hand using a whisk or a stirring rod without using the above-mentioned stirrer, it can be said that a suspension with fewer gel particles remaining is more likely to be obtained than when the method of the present invention is not used. In this way, the present invention has the advantage that a suspension with fewer gel particles can be obtained even at a low rotation speed compared to when the present invention is not used. However, this does not exclude the use of a stirrer with a high rotation speed. For example, when comparing stirring at the same rotation speed, the method of the present invention may be able to obtain a suspension with fewer gel particles in a shorter time than when the present invention is not used. Therefore, the rotation speed of the stirrer during stirring in the present invention is not particularly limited. For example, while conventionally suspensions/dispersions were produced using stirring/dispersing equipment with high rotation speeds of 3,000 rpm or more, or 12,000 rpm or more, it is now possible to obtain aqueous suspensions with fewer gel particles using stirrers with rotation speeds of around 600 to 800 rpm, although this is not limited to this.
(CNF水懸濁液)
本発明により得られるCNF水懸濁液は、上述の通り増粘性を有する物質を含むことにより、25℃、せん断速度1560(1/s)で測定した際に、0.25Pa・s以上のせん断粘度を有する。より好ましくは0.30Pa・s以上である。せん断粘度の上限は特に限定されない。懸濁時の撹拌のしやすさを考慮すると、3Pa・s以下程度が好ましいと考えられる。
(CNF water suspension)
The CNF aqueous suspension obtained by the present invention contains a substance having a thickening property as described above, and therefore has a shear viscosity of 0.25 Pa·s or more when measured at 25°C and a shear rate of 1560 (1/s). More preferably, it is 0.30 Pa·s or more. There is no particular upper limit to the shear viscosity. Considering the ease of stirring during suspension, it is considered preferable that the shear viscosity is about 3 Pa·s or less.
せん断粘度は、例えば、後述する実施例で記載するように、レオメーター(粘弾性測定装置)を用いて測定することができる。
本発明にしたがって得られたCNF水懸濁液は、水中に、粉末由来のCNFと、粉末が水溶性高分子を含む場合は水溶性高分子と、上記の増粘性を有する物質とを少なくとも含む。本発明の効果を阻害しない範囲で、これら以外の他の物質を含んでいてもよい。
The shear viscosity can be measured, for example, by using a rheometer (a viscoelasticity measuring device) as described in the Examples below.
The CNF aqueous suspension obtained according to the present invention contains at least powder-derived CNF, a water-soluble polymer if the powder contains a water-soluble polymer, and the above-mentioned substance having viscosity-increasing properties in water. Other substances may also be contained in the water as long as they do not impair the effects of the present invention.
本発明にしたがって得られたCNF水懸濁液は、本発明の方法を用いないで得た水懸濁液と比べると、CNFのゲル粒の残留がより少なくなる。「ゲル粒」とは、凝集したCNFによるゲル状の粒である。懸濁液中に残留するゲル粒の量は、例えば、特許第6769947号に記載される色材(墨滴など)を用いる方法を用いて評価することができる。 The CNF aqueous suspension obtained according to the present invention has fewer residual CNF gel particles compared to aqueous suspensions obtained without using the method of the present invention. "Gel particles" are gel-like particles of aggregated CNF. The amount of gel particles remaining in the suspension can be evaluated, for example, using the method using a coloring material (such as ink drops) described in Patent No. 6769947.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<せん断粘度の測定>
水懸濁液の温度を25℃に調整し、レオメーター(Anton Paar社製 Physica MCRxx1)を用いて、せん断速度を1×10-3~2×103の範囲内で対数的に上昇させ、5秒間隔で60点粘度を測定した。測定結果のうちのせん断速度1560(1/s)におけるせん断粘度を表に記載した。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
<Measurement of shear viscosity>
The temperature of the aqueous suspension was adjusted to 25° C., and the shear rate was logarithmically increased within the range of 1×10 −3 to 2×10 3 to measure the 60-point viscosity at 5-second intervals using a rheometer (Physica MCRxx1 manufactured by Anton Paar). Among the measurement results, the shear viscosity at a shear rate of 1560 (1/s) is shown in the table.
<CNF水懸濁液に残留するCNFゲル粒の評価>
水懸濁液中のゲル粒を、墨滴を用いる方法を用いて評価した。この方法は、CNF懸濁液に色材(墨滴)を添加してから光学顕微鏡で観察することにより、目視では判別できない懸濁液中のCNF同士の凝集物(ゲル粒)の有無を、確認しやすくしたものである。評価方法は具体的には以下の通りである:
水懸濁液に、墨滴(株式会社呉竹製、固形分10%)を2滴垂らし、ボルテックスミキサー(IUCHI社製Automatic Lab-mixer HM-10H)の回転数の目盛りを最大に設定して30秒間撹拌した。撹拌後の液を二枚のガラス板に挟み、膜厚が0.15mmになるようにし、光学顕微鏡(KEYENCE社製デジタルマイクロスコープVHX-6000)を用いて倍率100倍で観察し、画像を3か所撮影した。画像内にゲル粒が見られなかったものを「〇」、比較的小さいゲル粒が画像内に2割程度あるいは大きなゲル粒が1割程度観察されたものを「△」、それより多くゲル粒が観察されたものを「×」と評価した。観察箇所でムラがあるなどして、〇、△、×のそれぞれ中間程度のものは、「△~〇」、「×~△」などと表記するようにした。
<Evaluation of CNF gel particles remaining in CNF aqueous suspension>
Gel particles in a water suspension were evaluated using a method using ink drops. This method adds a coloring material (ink drops) to the CNF suspension and then observes it under an optical microscope, making it easier to check for the presence or absence of CNF aggregates (gel particles) in the suspension, which cannot be detected by the naked eye. The specific evaluation method is as follows:
Two drops of ink (Kuretake Corporation, solid content 10%) were dropped into the water suspension, and the mixture was stirred for 30 seconds by setting the rotation speed of a vortex mixer (Iuchi Automatic Lab-mixer HM-10H) to the maximum. The stirred liquid was sandwiched between two glass plates so that the film thickness became 0.15 mm, and observed at 100 times magnification using an optical microscope (KEYENCE Digital Microscope VHX-6000), and images were taken at three locations. Images in which no gel particles were observed were evaluated as "Good", images in which relatively small gel particles were observed in about 20% of the images or large gel particles were observed in about 10% of the images were evaluated as "Good", and images in which more gel particles were observed were evaluated as "Poor". Images in which there was unevenness in the observed locations and other intermediate results between Good, Good, and Bad were expressed as "Good to Good", "Poor to Good", and so on.
<参考例1>
CM化CNF(CM置換度0.30)に対しCMCが40質量%混合された粉末(水分量10質量%)をCNFを含む粉末として用いた。
<Reference Example 1>
A powder in which 40% by mass of CMC was mixed with carboxylated CNF (degree of CM substitution: 0.30) (water content: 10% by mass) was used as the powder containing CNF.
600ml容器にイオン交換水150mlをとり、上記の粉末1.5gを加えた。これを3000rpmで60分間撹拌して水懸濁液を得た。
<比較例1>
撹拌時の回転数を600rpmに変更した以外は参考例1と同様にして水懸濁液を得た。
150 ml of ion-exchanged water was placed in a 600 ml container, and 1.5 g of the powder was added thereto. This was stirred at 3000 rpm for 60 minutes to obtain a water suspension.
<Comparative Example 1>
An aqueous suspension was obtained in the same manner as in Reference Example 1, except that the rotation speed during stirring was changed to 600 rpm.
<比較例2>
600ml容器にイオン交換水75mlと、ショ糖(三井製糖社製上白糖)とを加え、ホモディスパーで撹拌して50質量%のショ糖水溶液を調製した。ショ糖が溶解したことを確認した後、参考例1に記載の粉末0.75gを加え、600rpmで60分間撹拌して水懸濁液を得た。
<Comparative Example 2>
75 ml of ion-exchanged water and sucrose (Mitsui Sugar Co., Ltd., white sugar) were added to a 600 ml container and stirred with a homodisper to prepare a 50% by mass sucrose aqueous solution. After confirming that the sucrose was dissolved, 0.75 g of the powder described in Reference Example 1 was added and stirred at 600 rpm for 60 minutes to obtain a water suspension.
<比較例3>
600ml容器にイオン交換水75mlと、参考例1に記載の粉末0.75gとを加え、ホモディスパーで600rpmで撹拌し、粉末を湿潤させた。撹拌開始から5分後に、水とショ糖との合計に対して50質量%の濃度となるショ糖(三井製糖社製上白糖)を撹拌下で加え、さらに60分間撹拌して水懸濁液を得た。
<Comparative Example 3>
75 ml of ion-exchanged water and 0.75 g of the powder described in Reference Example 1 were added to a 600 ml container, and the powder was moistened by stirring at 600 rpm with a homodisper. Five minutes after the start of stirring, sucrose (Mitsui Sugar Co., Ltd., white sugar) was added with stirring to a concentration of 50% by mass based on the total amount of water and sucrose, and the mixture was further stirred for 60 minutes to obtain a water suspension.
<比較例4>
ショ糖水溶液の濃度を60質量%に変更した以外は比較例2と同様にして、水懸濁液を得た。
<Comparative Example 4>
An aqueous suspension was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that the concentration of the sucrose aqueous solution was changed to 60% by mass.
<実施例1>
水とショ糖との合計に対して60質量%の濃度となるショ糖を加えた以外は比較例3と同様にして、水懸濁液を得た。
Example 1
An aqueous suspension was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that sucrose was added to a concentration of 60% by mass based on the total amount of water and sucrose.
<比較例5>
ショ糖水溶液の濃度を67質量%に変更した以外は比較例2と同様にして、水懸濁液を得た。
<Comparative Example 5>
An aqueous suspension was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that the concentration of the sucrose aqueous solution was changed to 67% by mass.
<実施例2>
水とショ糖との合計に対して67質量%の濃度となるショ糖を加えた以外は比較例3と同様にして、水懸濁液を得た。
Example 2
An aqueous suspension was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that sucrose was added to a concentration of 67% by mass based on the total amount of water and sucrose.
得られた参考例、比較例、及び実施例の水懸濁液のせん断速度1560(1/s)におけるせん断粘度(25℃)を上述の方法で測定し、また水懸濁液中に残留するCNFゲル粒を上述の方法で評価した。結果を表1に示す。 The shear viscosity (25°C) of the aqueous suspensions of the obtained reference examples, comparative examples, and examples at a shear rate of 1560 (1/s) was measured by the method described above, and the CNF gel particles remaining in the aqueous suspensions were evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1.
表1の結果より、ショ糖を加えない場合、3000rpmの撹拌ではゲル粒が残留しなかったが(参考例1)、600rpmの撹拌ではゲル粒が多くみられた(比較例1)。
比較例1の撹拌条件に対し、ショ糖を加えることで、ショ糖の添加量に応じて残留するゲル粒の量が減少する傾向が見られた(比較例2~5、実施例1、2)。
As can be seen from the results in Table 1, when sucrose was not added, no gel particles remained when the mixture was stirred at 3000 rpm (Reference Example 1), but many gel particles were observed when the mixture was stirred at 600 rpm (Comparative Example 1).
By adding sucrose to the stirring conditions of Comparative Example 1, the amount of remaining gel particles tended to decrease according to the amount of sucrose added (Comparative Examples 2 to 5, Examples 1 and 2).
さらに、水懸濁液のせん断粘度が0.25Pa・s以上である場合(比較例4、5、実施例1、2)には、先にCNFと水とを混合した後にショ糖を加えたもの(実施例1、2)の方が、ショ糖の水溶液にCNFを添加したもの(比較例4、5)に比べて、ゲル粒がより減少し、再分散性が良化することがわかった。 Furthermore, when the shear viscosity of the aqueous suspension was 0.25 Pa·s or more (Comparative Examples 4 and 5, Examples 1 and 2), it was found that the gel particles were reduced more and redispersibility was improved when CNF and water were mixed first and then sucrose was added (Examples 1 and 2) compared to when CNF was added to an aqueous sucrose solution (Comparative Examples 4 and 5).
Claims (5)
前記粉末と水との混合物に、増粘性を有する物質を混合する工程、及び
前記粉末と水と増粘性を有する物質との混合物を撹拌する工程
を含む、セルロースナノファイバー水懸濁液の製造方法であって、
セルロースナノファイバーが、アニオン変性セルロースナノファイバーであり、
増粘性を有する物質が、ショ糖であり、
25℃、せん断速度1560(1/s)で測定した時の水懸濁液のせん断粘度が0.25Pa・s以上である、上記製造方法。 A step of mixing a powder containing cellulose nanofibers with water;
A method for producing a cellulose nanofiber aqueous suspension, comprising: mixing a thickening substance into a mixture of the powder and water; and stirring the mixture of the powder, water, and thickening substance,
The cellulose nanofiber is an anion-modified cellulose nanofiber,
The substance having viscosity-increasing properties is sucrose,
The above-mentioned production method, wherein the shear viscosity of the aqueous suspension is 0.25 Pa·s or more when measured at 25° C. and a shear rate of 1560 (1/s).
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