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JP7239294B2 - Method for producing anion-modified cellulose nanofiber - Google Patents
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JP7239294B2 - Method for producing anion-modified cellulose nanofiber - Google Patents

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JP7239294B2 JP2018192492A JP2018192492A JP7239294B2 JP 7239294 B2 JP7239294 B2 JP 7239294B2 JP 2018192492 A JP2018192492 A JP 2018192492A JP 2018192492 A JP2018192492 A JP 2018192492A JP 7239294 B2 JP7239294 B2 JP 7239294B2
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Description

本発明は、アニオン変性セルロースナノファイバーの製造方法に関する。より詳細には、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーから酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを効率よく製造する方法に関し、また、この酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを用いて、透明度の高いアニオン変性セルロースナノファイバー分散体を製造する方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing anion-modified cellulose nanofibers. More specifically, it relates to a method for efficiently producing acid-type anion-modified cellulose nanofibers from metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers. It relates to a method for producing a modified cellulose nanofiber dispersion.

セルロース分子鎖にカルボキシル基やカルボキシメチル基などのアニオン性基を導入し、機械的に処理(解繊)すると、ナノスケールの繊維径を有するセルロースナノファイバーへと変換することができることが知られている。セルロースナノファイバーは、軽くて強度が高く、生分解性を有し、フィルムとした際の透明度が高いといった特徴があるため、様々な分野への応用が検討されている。 It is known that by introducing anionic groups such as carboxyl groups and carboxymethyl groups into the cellulose molecular chain and mechanically processing (fibrillating) it can be converted into cellulose nanofibers with nanoscale fiber diameters. there is Cellulose nanofibers are lightweight, have high strength, are biodegradable, and have high transparency when formed into films.

通常、アニオン変性セルロースナノファイバーは、導入されたアニオン性基がナトリウム塩などの塩を形成し、親水性が高い状態となっているため、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリ乳酸(PLA)などの疎水性の剛性高分子とは相溶性が低い。また、低極性の有機溶媒中での分散性が低い。この問題を解決する方法としては、金属塩型のアニオン性基(例えば、-COONa)を酸性にすることで、酸型(例えば、-COOH)に変換し、アニオン変性セルロースナノファイバーの親水性を下げる手法が考えられる。酸型に変換する手法として、本出願人は、鉱酸等の酸を添加する方法(特許文献1)と、陽イオン交換樹脂を用いて脱塩を行う方法(特許文献2)を開示した。 Usually, anion-modified cellulose nanofibers are highly hydrophilic because the introduced anionic groups form salts such as sodium salts. It has low compatibility with other rigid polymers. In addition, the dispersibility in low-polarity organic solvents is low. As a method to solve this problem, by acidifying the metal salt type anionic group (eg, —COONa), it is converted to the acid type (eg, —COOH), and the hydrophilicity of the anion-modified cellulose nanofiber is increased. There are ways to lower it. As a method for converting to an acid form, the present applicant disclosed a method of adding an acid such as a mineral acid (Patent Document 1) and a method of desalting using a cation exchange resin (Patent Document 2).

国際公開第2010/116795号WO2010/116795 特開2018-100383号公報JP 2018-100383 A

親水性を低下させ、疎水性の高分子や有機溶媒との親和性を高めるために、金属塩型を酸型に変換するに際し、特許文献1の方法では、酸を添加した際にアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集が起こる。凝集したセルロースナノファイバーを再度機械的に粉砕することにより、分散体を得ることができるが、得られる分散体は透明度に劣る。一方、特許文献2の方法では、セルロースナノファイバーが高濃度でゲル状である場合には、陽イオン交換樹脂と充分に混合、接触させることや、接触後に樹脂とセルロースナノファイバーをと濾別することが難しく、効率のよい製造が難しい。 In order to reduce the hydrophilicity and increase the affinity with hydrophobic polymers and organic solvents, when converting the metal salt form to the acid form, in the method of Patent Document 1, when an acid is added, anion-modified cellulose Aggregation of nanofibers occurs. A dispersion can be obtained by mechanically pulverizing the aggregated cellulose nanofibers again, but the resulting dispersion has poor transparency. On the other hand, in the method of Patent Document 2, when the cellulose nanofibers are highly concentrated and gel-like, they are sufficiently mixed and brought into contact with the cation exchange resin, or the resin and cellulose nanofibers are separated by filtration after contact. difficult and difficult to manufacture efficiently.

本発明は、透明度の高い分散体を形成することができる酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを効率よく製造することができる方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method capable of efficiently producing acid-type anion-modified cellulose nanofibers capable of forming a highly transparent dispersion.

本発明者らは鋭意検討を行った結果、金属塩型のアニオン変性セルロースを用意し、これに両親媒性高分子化合物を加えてから解繊して金属塩型のセルロースナノファイバーとし、得られたナノファイバーに酸を添加して酸型に変換することにより、透明度が高い分散体を形成することができる酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを効率よく製造することができることを見出した。本発明は、これらに限定されないが、以下を含む。
(1)金属塩型のアニオン変性セルロースと両親媒性高分子化合物とを含む混合物を準備する工程1、
工程1で得られた混合物を機械的に処理し、前記金属塩型のアニオン変性セルロースを金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーに変換して、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体を形成する工程2、及び
工程2で得られた金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体に酸と水溶性有機溶媒とを添加し、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを、酸型に変換する工程3、
を含む、酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを製造する方法。
(2)工程3の後に、濾過を行い、両親媒性高分子化合物を水溶性有機溶媒と共に除去して酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体を製造する工程4をさらに含む、(1)に記載の方法。
(3)工程4で得られた酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体に有機溶媒を添加し、混合物を形成する工程5、
工程5で得られた混合物に疎水化剤を添加する工程6、および
工程6で得られた疎水化剤を含有する混合物を機械的に処理し、前記有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を形成する工程7
をさらに含む、(1)または(2)に記載の方法。
(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、(1)~(3)のいずれか1つに記載の方法。
As a result of intensive studies, the present inventors prepared metal salt-type anion-modified cellulose, added an amphipathic polymer compound to it, defibrated it, and obtained metal salt-type cellulose nanofibers. It was found that by adding an acid to the nanofibers to convert them into an acid form, it is possible to efficiently produce acid-type anion-modified cellulose nanofibers capable of forming a highly transparent dispersion. The invention includes, but is not limited to:
(1) Step 1 of preparing a mixture containing a metal salt-type anion-modified cellulose and an amphipathic polymer compound;
The mixture obtained in step 1 is mechanically treated to convert the metal salt-type anion-modified cellulose into metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers, thereby producing a dispersion containing metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers. An acid and a water-soluble organic solvent are added to the dispersion containing the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers obtained in the step 2 of forming the body, and the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers. , step 3 of converting to the acid form,
A method for producing acid-form anion-modified cellulose nanofibers.
(2) After step 3, further comprising step 4 of performing filtration to remove the amphipathic polymer compound together with the water-soluble organic solvent to produce aggregates of acid-type anion-modified cellulose nanofibers, (1) The method described in .
(3) Step 5 of adding an organic solvent to the aggregates of acid-type anion-modified cellulose nanofibers obtained in Step 4 to form a mixture;
Step 6 of adding a hydrophobizing agent to the mixture obtained in Step 5, and Mechanically treating the mixture containing the hydrophobizing agent obtained in Step 6 to obtain an anion-modified cellulose nano Step 7 of forming a dispersion of fibers
The method of (1) or (2), further comprising
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the anion-modified cellulose nanofibers are cellulose nanofibers having carboxyalkyl groups or cellulose nanofibers having carboxyl groups.

本発明により、透明度の高い分散体を形成することができる酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを効率よく製造することができる。金属塩型のアニオン変性セルロースに両親媒性高分子化合物を添加してからセルロースの解繊を行うことにより、得られた金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバー中に両親媒性高分子化合物が含有されることになる。酸を添加する際にこの両親媒性高分子化合物が存在することにより、セルロースナノファイバーの凝集が抑制され、酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーから、高い透明度を有するアニオン変性セルロースナノファイバー分散体を得ることができるようになる。両親媒性高分子化合物は、水溶性有機溶媒中に溶解するため、低極性の分散媒中に分散させる前に溶媒添加及び吸引濾過等の洗浄操作を繰り返すことにより、セルロースナノファイバーから取り除くことができる。本発明では比較的高濃度の金属塩型アニオン変性セルロースセルロースナノファイバーから、透明度の高い分散体を形成することができる酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを製造することが可能であり、効率のよい製造が可能である。また、本発明では粘度の高い分散体を形成することができる酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを製造することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, acid-type anion-modified cellulose nanofibers capable of forming highly transparent dispersions can be efficiently produced. By adding an amphipathic polymer compound to a metal salt-type anion-modified cellulose and then defibrating the cellulose, the resulting metal salt-type anion-modified cellulose nanofiber contains an amphiphilic polymer compound. will be The presence of this amphiphilic polymer compound when the acid is added suppresses the aggregation of the cellulose nanofibers, and an anion-modified cellulose nanofiber dispersion having high transparency is obtained from the acid-type anion-modified cellulose nanofibers. be able to obtain Since the amphiphilic polymer compound dissolves in a water-soluble organic solvent, it can be removed from the cellulose nanofibers by repeating washing operations such as solvent addition and suction filtration before dispersing in a low-polarity dispersion medium. can. In the present invention, it is possible to produce acid-type anion-modified cellulose nanofibers capable of forming a highly transparent dispersion from relatively high-concentration metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers, which is efficient. Manufacturing is possible. Moreover, in the present invention, acid-type anion-modified cellulose nanofibers capable of forming a highly viscous dispersion can be produced.

本発明は、アニオン変性セルロースナノファイバーの製造方法に関する。より詳細には、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーから酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを製造する方法に関する。具体的には、金属塩型のアニオン変性セルロースと両親媒性高分子化合物とを含む混合物を準備し(工程1)、工程1の混合物を機械的に処理して、混合物中の金属塩型のアニオン変性セルロースを解繊して金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーに変換し、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体を形成し(工程2)、工程2で得られた分散体に酸と水溶性有機溶媒とを添加し、金属塩型を酸型に変換することを含む(工程3)。工程3の後に、両親媒性高分子化合物は、濾過により、水溶性有機溶媒と共に除去してもよい(工程4)。工程4で得られた酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体を有機溶媒に添加し(工程5)、さらに疎水化剤を添加し(工程6)、疎水化剤を含有する混合物を有機溶媒中で機械的に処理(解繊)して、有機溶媒に分散したアニオン変性セルロースナノファイバー分散体を形成してもよい(工程7)。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing anion-modified cellulose nanofibers. More particularly, it relates to a method for producing acid-type anion-modified cellulose nanofibers from metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers. Specifically, a mixture containing a metal salt-type anion-modified cellulose and an amphiphilic polymer compound is prepared (step 1), and the mixture in step 1 is mechanically treated to remove the metal salt-type in the mixture. Anion-modified cellulose is fibrillated and converted into metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers to form a dispersion containing metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers (step 2), and the dispersion obtained in step 2 adding an acid and a water-soluble organic solvent to the body to convert the metal salt form to the acid form (Step 3). After step 3, the amphiphilic polymer compound may be removed together with the water-soluble organic solvent by filtration (step 4). The aggregate of acid-form anion-modified cellulose nanofibers obtained in step 4 is added to an organic solvent (step 5), a hydrophobizing agent is added (step 6), and the mixture containing the hydrophobizing agent is added to the organic solvent. It may be mechanically treated (defibrated) in an organic solvent to form an anion-modified cellulose nanofiber dispersion (Step 7).

(1)工程1
工程1では、金属塩型のアニオン変性セルロースと両親媒性高分子化合物とを含む混合物を準備する。
(1) Process 1
In step 1, a mixture containing metal salt-type anion-modified cellulose and an amphipathic polymer compound is prepared.

(1-1)アニオン変性セルロース
アニオン変性セルロースとは、セルロースの分子鎖にアニオン性基を導入したものをいう。このうち、導入したアニオン性基の対イオンがナトリウムやカリウムなどの金属イオンであるものを、金属塩型のアニオン変性セルロースとよぶ。金属塩型のアニオン変性セルロースは、例えば、以下の方法により得ることができる。また、市販のものを用いてもよい。アニオン変性セルロースの種類としては、カルボキシル基を有するセルロースまたはカルボキシアルキル基を有するセルロースが好ましい。特に、N-オキシル化合物と酸化剤とを用いてセルロースを酸化することにより得られたカルボキシル化セルロース、またはカルボキシアルキル化セルロースは、アニオン性基が均一に導入されており、均一に解繊しやすく、透明度の高いセルロースナノファイバーが得られる点で好ましい。
(1-1) Anion-Modified Cellulose Anion-modified cellulose refers to cellulose in which an anionic group is introduced into the molecular chain. Among these, those in which the counter ion of the introduced anionic group is a metal ion such as sodium or potassium are referred to as metal salt-type anion-modified cellulose. Metal salt-type anion-modified cellulose can be obtained, for example, by the following method. Moreover, you may use a commercial thing. As the type of anion-modified cellulose, cellulose having a carboxyl group or cellulose having a carboxyalkyl group is preferable. In particular, carboxylated cellulose obtained by oxidizing cellulose using an N-oxyl compound and an oxidizing agent, or carboxyalkylated cellulose, has anionic groups uniformly introduced therein, and is easily fibrillated uniformly. , is preferable in that cellulose nanofibers with high transparency can be obtained.

アニオン変性セルロースとしては、水や水溶性有機溶媒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用いる。繊維状の形状が維持されないもの(すなわち、溶解するもの)を用いると、ナノファイバーを得ることができない。分散した際に繊維状の形状の少なくとも一部が維持されるとは、アニオン変性セルロースの分散体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ものである。また、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アニオン変性セルロースは好ましい。 As the anion-modified cellulose, one that maintains at least a part of its fibrous shape even when dispersed in water or a water-soluble organic solvent is used. Nanofibers cannot be obtained by using materials that do not maintain their fibrous shape (that is, materials that dissolve). The expression that at least a part of the fibrous shape is maintained when dispersed means that a fibrous substance can be observed when an anion-modified cellulose dispersion is observed with an electron microscope. In addition, anion-modified cellulose is preferable, since a peak of cellulose type I crystals can be observed when measured by X-ray diffraction.

アニオン変性セルロースにおけるセルロースの結晶化度は、結晶I型が50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。結晶性を上記範囲に調整することにより、解繊により繊維を微細化した後も溶解することのない結晶性セルロース繊維を充分に得ることができる。セルロースの結晶性は、原料であるセルロースの結晶化度、及びアニオン変性の度合によって制御できる。アニオン変性セルロースの結晶化度の測定方法は、以下の通りである:
試料をガラスセルに乗せ、X線回折測定装置(LabX XRD-6000、株式会社島津製作所製)を用いて測定する。結晶化度の算出はSegal等の手法を用いて行い、X線回折図の2θ=10゜~30゜の回折強度をベースラインとして、2θ=22.6゜の002面の回折強度と2θ=18.5゜のアモルファス部分の回折強度から次式により算出する。
Xc=(I002c-Ia)/I002c×100
Xc:セルロースのI型の結晶化度(%)
I002c:2θ=22.6゜、002面の回折強度
Ia:2θ=18.5゜、アモルファス部分の回折強度。
The degree of crystallinity of cellulose in the anion-modified cellulose is preferably 50% or more, more preferably 60% or more for crystalline type I. By adjusting the crystallinity to the above range, it is possible to sufficiently obtain crystalline cellulose fibers that do not dissolve even after the fibers are refined by fibrillation. The crystallinity of cellulose can be controlled by the crystallinity of the raw material cellulose and the degree of anion modification. The method for measuring the crystallinity of anion-modified cellulose is as follows:
A sample is placed in a glass cell and measured using an X-ray diffraction measurement device (LabX XRD-6000, manufactured by Shimadzu Corporation). The degree of crystallinity is calculated using the method of Segal et al. Using the diffraction intensity at 2θ = 10° to 30° in the X-ray diffraction diagram as a baseline, the diffraction intensity at 2θ = 22.6° at the 002 plane and 2θ = It is calculated from the diffraction intensity of the amorphous portion at 18.5° by the following equation.
Xc=(I002c−Ia)/I002c×100
Xc: Crystallinity of type I of cellulose (%)
I002c: 2θ=22.6°, diffraction intensity of 002 plane Ia: 2θ=18.5°, diffraction intensity of amorphous portion.

アニオン変性セルロースのセルロースI型結晶の割合と、同アニオン変性セルロースをナノファイバーとしたときのセルロースI型結晶の割合は、通常同じである。
(1-1-1)セルロース
アニオン変性セルロースの原料となるセルロースの種類は、特に限定されない。セルロースは、一般に起源、製法等から、天然セルロース、再生セルロース、微細セルロース、非結晶領域を除いた微結晶セルロース等に分類される。本発明では、これらのセルロースのいずれも、原料として用いることができる。
The proportion of cellulose type I crystals in the anion-modified cellulose and the proportion of cellulose type I crystals when the anion-modified cellulose is used as nanofibers are usually the same.
(1-1-1) Cellulose The type of cellulose used as a raw material for anion-modified cellulose is not particularly limited. Cellulose is generally classified into natural cellulose, regenerated cellulose, fine cellulose, microcrystalline cellulose excluding non-crystalline regions, etc., according to its origin, production method, and the like. Any of these celluloses can be used as a raw material in the present invention.

天然セルロースとしては、晒パルプまたは未晒パルプ(晒木材パルプまたは未晒木材パルプ);リンター、精製リンター;酢酸菌等の微生物によって生産されるセルロース等が例示される。晒パルプ又は未晒パルプの原料は特に限定されず、例えば、木材、木綿、わら、竹、麻、ジュート、ケナフ等が挙げられる。また、晒パルプ又は未晒パルプの製造方法も特に限定されず、機械的方法、化学的方法、あるいはその中間で二つを組み合せた方法でもよい。製造方法により分類される晒パルプ又は未晒パルプとしては例えば、メカニカルパルプ(サーモメカニカルパルプ(TMP)、砕木パルプ)、ケミカルパルプ(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)等の亜硫酸パルプ、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)等のクラフトパルプ)等が挙げられる。さらに、製紙用パルプの他に溶解パルプを用いてもよい。溶解パルプとは、化学的に精製されたパルプであり、主として薬品に溶解して使用され、人造繊維、セロハンなどの主原料となる。 Examples of natural cellulose include bleached or unbleached pulp (bleached wood pulp or unbleached wood pulp); linters, purified linters; cellulose produced by microorganisms such as acetic acid bacteria. Raw materials for bleached or unbleached pulp are not particularly limited, and examples thereof include wood, cotton, straw, bamboo, hemp, jute, and kenaf. Also, the method for producing the bleached pulp or the unbleached pulp is not particularly limited, and may be a mechanical method, a chemical method, or a combination of the two. Examples of bleached pulp or unbleached pulp classified by manufacturing method include mechanical pulp (thermomechanical pulp (TMP), groundwood pulp), chemical pulp (softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP) ), softwood unbleached kraft pulp (NUKP), softwood bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), hardwood bleached kraft pulp (LBKP) and other kraft pulps). Further, dissolving pulp may be used in addition to paper pulp. Dissolving pulp is pulp that has been chemically refined, and is mainly used by dissolving it in chemicals, and serves as a main raw material for artificial fibers, cellophane, and the like.

再生セルロースとしては、セルロースを銅アンモニア溶液、セルロースザンテート溶液、モルフォリン誘導体など何らかの溶媒に溶解し、改めて紡糸されたものが例示される。
微細セルロースとしては、上記天然セルロースや再生セルロースをはじめとする、セルロース系素材を、解重合処理(例えば、酸加水分解、アルカリ加水分解、酵素分解、爆砕処理、振動ボールミル処理等)して得られるものや、前記セルロース系素材を、機械的に処理して得られるものが例示される。
Examples of regenerated cellulose include those obtained by dissolving cellulose in some solvent such as cuprammonium solution, cellulose xanthate solution, morpholine derivative, and spinning again.
The fine cellulose is obtained by subjecting cellulosic materials such as the natural cellulose and regenerated cellulose to depolymerization (for example, acid hydrolysis, alkaline hydrolysis, enzymatic decomposition, explosion treatment, vibration ball mill treatment, etc.). and those obtained by mechanically processing the above cellulosic materials.

(1-1-2)アニオン変性
アニオン変性とはセルロースにアニオン性基を導入することをいい、具体的には酸化または置換反応によってセルロースのピラノース環にアニオン性基を導入することをいう。本発明において前記酸化反応とはピラノース環の水酸基を直接カルボキシル基に酸化する反応をいう。また、本発明において置換反応とは、当該酸化以外の置換反応によってピラノース環にアニオン性基を導入する反応をいう。
(1-1-2) Anion Modification Anion modification refers to the introduction of an anionic group into cellulose, specifically the introduction of an anionic group into the pyranose ring of cellulose by oxidation or substitution reaction. In the present invention, the oxidation reaction means a reaction of directly oxidizing a hydroxyl group of a pyranose ring to a carboxyl group. Further, in the present invention, a substitution reaction means a reaction for introducing an anionic group into a pyranose ring by a substitution reaction other than the oxidation.

(1-1-2-1)カルボキシアルキル化
アニオン変性の一例として、カルボキシメチル基等のカルボキシアルキル基の導入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。
(1-1-2-1) Carboxyalkylation An example of anion modification is the introduction of a carboxyalkyl group such as a carboxymethyl group. As used herein, a carboxyalkyl group refers to -RCOOH (acid form) and -RCOOM (metal salt form). Here, R is an alkylene group such as a methylene group or ethylene group, and M is a metal ion.

カルボキシアルキル化セルロースは公知の方法で得てもよく、また市販品を用いてもよい。セルロース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0.40未満であることが好ましい。さらにアニオン性基がカルボキシメチル基である場合、カルボキシメチル置換度は0.40未満であることが好ましい。当該置換度が0.40以上であるとセルロースナノファイバーとしたときの分散性が低下する。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0.02~0.35であることが特に好ましく、0.10~0.30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エーテル基(-ORCOOHまたは-ORCOOM)で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エーテル基の数)を示す。 Carboxyalkylated cellulose may be obtained by a known method, or a commercially available product may be used. Preferably, the degree of carboxyalkyl substitution per anhydroglucose unit of the cellulose is less than 0.40. Furthermore, when the anionic group is a carboxymethyl group, the degree of carboxymethyl substitution is preferably less than 0.40. If the degree of substitution is 0.40 or more, the dispersibility of the cellulose nanofibers is lowered. Also, the lower limit of the degree of carboxyalkyl substitution is preferably 0.01 or more. Considering workability, the degree of substitution is particularly preferably 0.02 to 0.35, more preferably 0.10 to 0.30. The anhydroglucose unit means an individual anhydroglucose (glucose residue) constituting cellulose, and the degree of carboxyalkyl substitution refers to the hydroxyl group (—OH) in the glucose residue constituting cellulose. The percentage of those substituted with ether groups (-ORCOOH or -ORCOOM) (the number of carboxyalkyl ether groups per glucose residue) is shown.

カルボキシアルキル化セルロースを製造する方法の一例として、以下の工程を含む方法が挙げられる。当該変性は置換反応による変性である。カルボキシメチル化セルロースを例にして説明する。 An example of a method for producing carboxyalkylated cellulose includes the following steps. The modification is modification by a substitution reaction. Carboxymethylated cellulose will be described as an example.

i)発底原料と溶媒、マーセル化剤を混合し、反応温度0℃~70℃、好ましくは10℃~60℃、かつ反応時間15分~8時間、好ましくは30分~7時間、マーセル化処理する工程、
ii)次いで、カルボキシメチル化剤をグルコース残基当たり0.05~10.0倍モル添加し、反応温度30℃~90℃、好ましくは40℃~80℃、かつ反応時間30分~10時間、好ましくは1時間~4時間、エーテル化反応を行う工程。
i) Mixing the raw material with the solvent and the mercerizing agent, and mercerizing at a reaction temperature of 0° C. to 70° C., preferably 10° C. to 60° C., and a reaction time of 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours. the process of processing,
ii) then, 0.05 to 10.0 times mol of a carboxymethylating agent per glucose residue is added, the reaction temperature is 30° C. to 90° C., preferably 40° C. to 80° C., and the reaction time is 30 minutes to 10 hours; A step of conducting the etherification reaction preferably for 1 hour to 4 hours.

発底原料としては前述のセルロース原料を使用できる。溶媒としては、3~20質量倍の水または低級アルコール、具体的には水、メタノール、エタノール、N-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、N-ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノール等の単独、または2種以上の混合媒体を使用できる。低級アルコールを混合する場合、その混合割合は60質量%~95質量%が好ましい。マーセル化剤としては、発底原料の無水グルコース残基当たり0.5~20倍モルの水酸化アルカリ金属、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用することが好ましい。 The above-mentioned cellulose raw material can be used as the bottom raw material. As the solvent, 3 to 20 times by weight of water or a lower alcohol, specifically water, methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, tertiary butanol, etc. alone, or two Mixed media of more than one species can be used. When a lower alcohol is mixed, the mixing ratio is preferably 60% by mass to 95% by mass. As the mercerizing agent, it is preferable to use an alkali metal hydroxide, specifically sodium hydroxide or potassium hydroxide, in an amount of 0.5 to 20 times the moles of the anhydroglucose residue of the starting material.

前述のとおり、セルロースのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度は0.40未満であり、0.01以上0.40未満であることが好ましい。セルロースにカルボキシメチル置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カルボキシメチル置換基を導入したセルロースはナノ解繊することができるようになる。なお、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.02より小さいと、ナノ解繊が十分にできない場合がある。カルボキシアルキル化セルロースにおけるカルボキシアルキル置換度と、同カルボキシアルキル化セルロースをナノファイバーとしたときのカルボキシアルキル置換度とは通常、同じである。 As described above, the degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of cellulose is less than 0.40, preferably 0.01 or more and less than 0.40. By introducing carboxymethyl substituents into cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, cellulose into which carboxymethyl substituents have been introduced can be nano-fibrillated. If the number of carboxymethyl substituents per glucose unit is less than 0.02, nano-fibrillation may not be sufficient. The degree of carboxyalkyl substitution in the carboxyalkylated cellulose is generally the same as the degree of carboxyalkyl substitution when the carboxyalkylated cellulose is made into nanofibers.

グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシメチル化セルロース(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、カルボキシメチル化セルロース塩(CM化セルロース)を水素型CM化セルロースに変換する。水素型CM化セルロース(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化セルロースを湿潤し、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を逆滴定した。カルボキシメチル置換度(DS)を、次式によって算出する:
A=[(100×F’-(0.1NのHSO)(mL)×F)×0.1]/(水素型CM化セルロースの絶乾質量(g))
DS=0.162×A/(1-0.058×A)
A:水素型CM化セルロースの1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F:0.1NのHSOのファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター。
The degree of carboxymethyl substitution per glucose unit can be measured by the following method:
About 2.0 g of carboxymethylated cellulose (absolute dry) is precisely weighed and placed in a 300 mL conical flask with a common stopper. 100 mL of a solution obtained by adding 100 mL of special grade concentrated nitric acid to 900 mL of methanol is added and shaken for 3 hours to convert carboxymethylated cellulose salt (CM cellulose) into hydrogenated CM cellulose. 1.5 g to 2.0 g of hydrogenated CM cellulose (absolutely dried) is accurately weighed and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask equipped with a common stopper. Hydrogenated CM-cellulose is wetted with 15 mL of 80% by mass methanol, 100 mL of 0.1 N NaOH is added, and shaken at room temperature for 3 hours. Excess NaOH was back-titrated with 0.1 N H2SO4 using phenolphthalein as an indicator. The degree of carboxymethyl substitution (DS) is calculated by the formula:
A=[(100×F′−(0.1N H 2 SO 4 ) (mL)×F)×0.1]/(absolute dry weight of hydrogen-type CM cellulose (g))
DS = 0.162 x A/(1 - 0.058 x A)
A: Amount of 1N NaOH (mL) required to neutralize 1 g of hydrogenated CM-cellulose
F: factor of 0.1N H2SO4 F': factor of 0.1N NaOH .

カルボキシメチル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。
(1-1-2-2)カルボキシル化(酸化)
アニオン変性の一例として、カルボキシル化(カルボキシル基のセルロースへの導入、「酸化」とも呼ぶ。)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)をいう(式中、Mは金属イオンである)。カルボキシル化セルロース(「酸化セルロース」とも呼ぶ)は、上記のセルロース原料を公知の方法でカルボキシル化(酸化)することにより得ることができる。特に限定されないが、カルボキシル基の量はアニオン変性セルロースまたはアニオン変性セルロースナノファイバーの絶乾質量に対して、0.6mmol/g~3.0mmol/gが好ましく、1.0mmol/g~2.0mmol/gがさらに好ましい。
The degree of substitution with carboxyalkyl groups other than carboxymethyl groups can also be measured in the same manner as described above.
(1-1-2-2) carboxylation (oxidation)
An example of anionic modification is carboxylation (introduction of carboxyl groups to cellulose, also called "oxidation"). As used herein, a carboxyl group refers to -COOH (acid form) and -COOM (metal salt form) (wherein M is a metal ion). Carboxylated cellulose (also referred to as “oxidized cellulose”) can be obtained by carboxylating (oxidizing) the above cellulose raw material by a known method. Although not particularly limited, the amount of carboxyl groups is preferably 0.6 mmol/g to 3.0 mmol/g, more preferably 1.0 mmol/g to 2.0 mmol, relative to the absolute dry mass of anion-modified cellulose or anion-modified cellulose nanofibers. /g is more preferred.

アニオン変性セルロースまたはアニオン変性セルロースナノファイバーのカルボキシル基量は、以下の方法で測定することができる:
カルボキシル化セルロースの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:
カルボキシル基量〔mmol/gカルボキシル化セルロース〕=a〔ml〕×0.05/カルボキシル化セルロース質量〔g〕。
The carboxyl group content of anion-modified cellulose or anion-modified cellulose nanofibers can be measured by the following method:
60 ml of a 0.5% by mass slurry (aqueous dispersion) of carboxylated cellulose was prepared, and 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution was added to adjust the pH to 2.5. and calculated from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of the weak acid, where the change in conductivity is gradual, using the following formula:
Carboxyl group amount [mmol/g carboxylated cellulose]=a [ml]×0.05/carboxylated cellulose mass [g].

カルボキシル化(酸化)方法の一例として、セルロース原料を、N-オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物、およびこれらの混合物からなる群から選択される化合物との存在下で酸化剤を用いて水中で酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、表面にアルデヒド基と、カルボキシル基(-COOH)またはカルボキシレート基(-COO)とを有するセルロース繊維を得ることができる。反応時のセルロースの濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。 As an example of a carboxylation (oxidation) method, a cellulose feedstock is oxidized in water with an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a compound selected from the group consisting of bromides, iodides, and mixtures thereof. You can mention how to do it. This oxidation reaction selectively oxidizes the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring on the cellulose surface, resulting in a cellulose fiber having an aldehyde group and a carboxyl group (-COOH) or carboxylate group ( -COO- ) on the surface. can be obtained. Although the concentration of cellulose during the reaction is not particularly limited, it is preferably 5% by mass or less.

N-オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物をいう。N-オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であればいずれの化合物も使用できる。例えば、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシラジカル(TEMPO)およびその誘導体(例えば4-ヒドロキシTEMPO)が挙げられる。N-オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であればよく、特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01mmol~10mmolが好ましく、0.01mmol~1mmolがより好ましく、0.05mmol~0.5mmolがさらに好ましい。また、反応系に対し0.1mmol/L~4mmol/L程度がよい。 An N-oxyl compound means a compound capable of generating a nitroxy radical. As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it promotes the desired oxidation reaction. Examples include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxy radical (TEMPO) and its derivatives (eg 4-hydroxy TEMPO). The amount of the N-oxyl compound to be used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount that can oxidize the raw material cellulose. For example, it is preferably 0.01 mmol to 10 mmol, more preferably 0.01 mmol to 1 mmol, even more preferably 0.05 mmol to 0.5 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose. Further, it is preferable that the concentration is about 0.1 mmol/L to 4 mmol/L with respect to the reaction system.

臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.1mmol~100mmolが好ましく、0.1mmol~10mmolがより好ましく、0.5mmol~5mmolがさらに好ましい。当該変性は酸化反応による変性である。 Bromides are compounds containing bromine, examples of which include alkali metal bromides that can be dissociated and ionized in water. Also, iodides are compounds containing iodine, examples of which include alkali metal iodides. The amount of bromide or iodide to be used can be selected within a range capable of promoting the oxidation reaction. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably 0.1 mmol to 100 mmol, more preferably 0.1 mmol to 10 mmol, and even more preferably 0.5 mmol to 5 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose. The modification is modification by an oxidation reaction.

酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムは好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.5mmol~500mmolが好ましく、0.5mmol~50mmolがより好ましく、1mmol~25mmolがさらに好ましく、3mmol~10mmolが最も好ましい。また、例えば、N-オキシル化合物1molに対して1mol~40molが好ましい。 Known oxidizing agents can be used, for example, halogens, hypohalous acids, halogenous acids, perhalogenates or salts thereof, halogen oxides, peroxides and the like can be used. Among them, sodium hypochlorite is preferable because it is inexpensive and has less environmental load. An appropriate amount of the oxidizing agent to be used is, for example, preferably 0.5 mmol to 500 mmol, more preferably 0.5 mmol to 50 mmol, even more preferably 1 mmol to 25 mmol, and most preferably 3 mmol to 10 mmol, relative to 1 g of absolute dry cellulose. . Further, for example, 1 mol to 40 mol is preferable with respect to 1 mol of the N-oxyl compound.

セルロースの酸化工程は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は4℃~40℃が好ましく、また15℃~30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを8~12、好ましくは10~11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5時間~6時間、例えば、0.5時間~4時間程度である。 The oxidation process of cellulose allows the reaction to proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature is preferably 4°C to 40°C, and may be room temperature of about 15°C to 30°C. Since carboxyl groups are generated in the cellulose as the reaction progresses, the pH of the reaction solution decreases. In order to allow the oxidation reaction to proceed efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution at about 8-12, preferably about 10-11. Water is preferable as the reaction medium because it is easy to handle and less likely to cause side reactions. The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the degree of progress of the oxidation, and is usually 0.5 hours to 6 hours, for example, about 0.5 hours to 4 hours.

また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。 Moreover, the oxidation reaction may be carried out in two stages. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the reaction in the first step, again under the same or different reaction conditions, the reaction can be efficiently It can be oxidized well.

カルボキシル化(酸化)方法の別の例として、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより酸化する方法を挙げることができる。この酸化反応により、グルコピラノース環の少なくとも2位および6位の水酸基が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾンを含む気体中のオゾン濃度は、50g/m~250g/mであることが好ましく、50g/m~220g/mであることがより好ましい。セルロース原料に対するオゾン添加量は、セルロース原料の固形分を100質量部とした際に、0.1質量部~30質量部であることが好ましく、5質量部~30質量部であることがより好ましい。オゾン処理温度は、0℃~50℃であることが好ましく、20℃~50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、特に限定されないが、1分~360分程度であり、30分~360分程度が好ましい。オゾン処理の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度に酸化および分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。オゾン処理を施した後に、酸化剤を用いて、追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物や、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸などが挙げられる。例えば、これらの酸化剤を水またはアルコール等の極性有機溶剤中に溶解して酸化剤溶液を作製し、溶液中にセルロース原料を浸漬させることにより追酸化処理を行うことができる。 Another example of the carboxylation (oxidation) method is a method of oxidizing by contacting a cellulose raw material with an ozone-containing gas. This oxidation reaction oxidizes at least the hydroxyl groups at the 2- and 6-positions of the glucopyranose ring and causes degradation of the cellulose chain. The ozone concentration in the gas containing ozone is preferably 50 g/m 3 to 250 g/m 3 , more preferably 50 g/m 3 to 220 g/m 3 . The amount of ozone added to the cellulose raw material is preferably 0.1 to 30 parts by mass, more preferably 5 to 30 parts by mass, when the solid content of the cellulose raw material is 100 parts by mass. . The ozone treatment temperature is preferably 0°C to 50°C, more preferably 20°C to 50°C. The ozone treatment time is not particularly limited, but is about 1 minute to 360 minutes, preferably about 30 minutes to 360 minutes. When the ozone treatment conditions are within these ranges, cellulose can be prevented from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of oxidized cellulose is improved. After the ozone treatment, additional oxidation treatment may be performed using an oxidizing agent. The oxidizing agent used in the additional oxidation treatment is not particularly limited, but examples include chlorine-based compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, and peracetic acid. For example, these oxidizing agents can be dissolved in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and the cellulose raw material can be immersed in the solution for additional oxidation treatment.

酸化セルロースのカルボキシル基の量は、上記した酸化剤の添加量、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。酸化セルロースにおけるカルボキシル基量と同酸化セルロースをナノファイバーとしたときのカルボキシル基量は、通常、同じである。 The amount of carboxyl groups in the oxidized cellulose can be adjusted by controlling the reaction conditions such as the amount of the oxidizing agent added and the reaction time. The amount of carboxyl groups in the oxidized cellulose and the amount of carboxyl groups when the oxidized cellulose is used as nanofibers are usually the same.

(1-1-2-3)エステル化
アニオン変性の一例としてエステル化を挙げることができる。エステル化の方法としては、セルロース原料にリン酸系化合物の粉末や水溶液を混合する方法、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方法等が挙げられる。リン酸系化合物はリン酸、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が挙げられる。これらは塩の形態であってもよい。上記の中でも、低コストであり、扱いやすく、またパルプ繊維のセルロースにリン酸基を導入して、解繊効率の向上が図れるなどの理由からリン酸基を有する化合物が好ましい。リン酸基を有する化合物としては、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基を導入することができる。これらのうち、リン酸基導入の効率が高く、下記解繊工程で解繊しやすく、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が好ましい。特にリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムが好ましい。また、反応を均一に進行できかつリン酸基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い。リン酸系化合物の水溶液のpHは、リン酸基導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましいが、パルプ繊維の加水分解を抑える観点からpH3~7が好ましい。
(1-1-2-3) Esterification One example of anion modification is esterification. Examples of the esterification method include a method of mixing a cellulose raw material with powder or an aqueous solution of a phosphoric acid compound, a method of adding an aqueous solution of a phosphoric acid compound to a slurry of a cellulose raw material, and the like. Phosphoric acid compounds include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, and esters thereof. These may be in the form of salts. Among the above, a compound having a phosphate group is preferable because it is low cost, easy to handle, and can introduce a phosphate group into the cellulose of the pulp fiber to improve defibration efficiency. Compounds having a phosphate group include 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. Phosphate groups can be introduced into cellulose by using one or more of these in combination. Among these, phosphoric acid, sodium salt of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, phosphoric acid, from the viewpoint of high efficiency of introduction of phosphate group, easy fibrillation in the fibrillation process described below, and easy industrial application is preferred. Sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are particularly preferred. Further, it is desirable to use the phosphoric acid-based compound in the form of an aqueous solution, since the reaction can proceed uniformly and the efficiency of introduction of the phosphoric acid group is increased. The pH of the aqueous solution of the phosphoric acid-based compound is preferably 7 or less because the efficiency of introducing phosphoric acid groups is increased, but from the viewpoint of suppressing hydrolysis of pulp fibers, pH 3 to 7 is preferable.

リン酸エステル化セルロースの製造方法の例として、以下の方法を挙げることができる。固形分濃度0.1質量%~10質量%のセルロース系原料の懸濁液に、リン酸系化合物を撹拌しながら添加してセルロースにリン酸基を導入する。セルロース系原料を100質量部とした際に、リン酸系化合物の添加量はリン元素量として、0.2質量部~500質量部であることが好ましく、1質量部~400質量部であることがより好ましい。リン酸系化合物の割合が前記下限値以上であれば、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。しかし、前記上限値を超えると収率向上の効果は頭打ちとなるので、コスト面から好ましくない。 Examples of the method for producing the phosphorylated cellulose include the following method. A phosphoric acid compound is added to a suspension of a cellulosic raw material having a solid concentration of 0.1% by mass to 10% by mass while stirring to introduce a phosphoric acid group into the cellulose. When the cellulosic raw material is 100 parts by mass, the amount of the phosphoric acid compound added is preferably 0.2 parts by mass to 500 parts by mass, and 1 part by mass to 400 parts by mass, as the elemental amount of phosphorus. is more preferred. If the proportion of the phosphoric acid-based compound is at least the lower limit, the yield of fine fibrous cellulose can be further improved. However, if the above upper limit is exceeded, the effect of improving the yield reaches a ceiling, which is not preferable from the viewpoint of cost.

リン酸系化合物に加えて、他の化合物の粉末や水溶液を混合してもよい。リン酸系化合物以外の他の化合物としては、特に限定されないが、塩基性を示す窒素含有化合物が好ましい。ここでの「塩基性」は、フェノールフタレイン指示薬の存在下で水溶液が桃色から赤色を呈すること、または水溶液のpHが7より大きいことと定義される。本発明で用いる塩基性を示す窒素含有化合物は、本発明の効果を奏する限り特に限定されないが、アミノ基を有する化合物が好ましい。例えば、尿素、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。中でも低コストで扱いやすい尿素が好ましい。他の化合物の添加量はセルロース原料の固形分100質量部に対して、2質量部~1000質量部が好ましく、100質量部~700質量部がより好ましい。反応温度は0℃~95℃が好ましく、30℃~90℃がより好ましい。反応時間は特に限定されないが、1分~600分程度であり、30分~480分がより好ましい。エステル化反応の条件がこれらの範囲内であると、セルロースが過度にエステル化されて溶解しやすくなることを防ぐことができ、リン酸エステル化セルロースの収率が良好となる。得られたリン酸エステル化セルロース懸濁液を脱水した後、セルロースの加水分解を抑える観点から、100℃~170℃で加熱処理することが好ましい。さらに、加熱処理の際に水が含まれている間は130℃以下、好ましくは110℃以下で加熱し、水を除いた後、100℃~170℃で加熱処理することが好ましい。 In addition to the phosphoric acid-based compound, powders or aqueous solutions of other compounds may be mixed. The compound other than the phosphoric acid-based compound is not particularly limited, but a basic nitrogen-containing compound is preferable. "Basic" here is defined as a pink to red color of the aqueous solution in the presence of the phenolphthalein indicator or pH of the aqueous solution greater than 7. The basic nitrogen-containing compound used in the present invention is not particularly limited as long as the effect of the present invention is exhibited, but a compound having an amino group is preferable. Examples include urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like. Among them, urea is preferable because it is inexpensive and easy to handle. The amount of the other compound added is preferably 2 parts by mass to 1000 parts by mass, more preferably 100 parts by mass to 700 parts by mass, based on 100 parts by mass of the solid content of the cellulose raw material. The reaction temperature is preferably 0°C to 95°C, more preferably 30°C to 90°C. Although the reaction time is not particularly limited, it is about 1 minute to 600 minutes, more preferably 30 minutes to 480 minutes. When the esterification reaction conditions are within these ranges, cellulose can be prevented from being excessively esterified and easily dissolved, and the yield of phosphate-esterified cellulose is improved. After dehydrating the obtained phosphate-esterified cellulose suspension, it is preferable to heat-treat at 100° C. to 170° C. from the viewpoint of suppressing hydrolysis of cellulose. Further, it is preferable to heat at 130° C. or less, preferably 110° C. or less while water is contained in the heat treatment, and heat at 100° C. to 170° C. after removing the water.

リン酸エステル化されたセルロースのグルコース単位当たりのリン酸基置換度は0.001以上0.40未満であることが好ましい。セルロースにリン酸基置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、リン酸基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.001より小さいと、十分にナノ解繊することができない。一方、グルコース単位当たりのリン酸基置換度が0.40より大きいと、膨潤あるいは溶解するため、ナノファイバーとして得られなくなる場合がある。解繊を効率よく行なうために、上記で得たリン酸エステル化されたセルロース系原料は煮沸した後、冷水を用いて洗浄することが好ましい。これらのエステル化による変性は置換反応による変性である。エステル化セルロースにおける置換度と、同エステル化セルロースをナノファイバーとしたときの置換度は、通常、同じである。 The degree of phosphate group substitution per glucose unit of the phosphated cellulose is preferably 0.001 or more and less than 0.40. By introducing a phosphate group substituent into cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, cellulose into which a phosphate group has been introduced can be easily nano-fibrillated. If the degree of phosphate group substitution per glucose unit is less than 0.001, sufficient nanofibrillation cannot be achieved. On the other hand, if the degree of phosphate group substitution per glucose unit is greater than 0.40, the nanofibers may not be obtained due to swelling or dissolution. In order to defibrate efficiently, it is preferable to wash the cellulose-based raw material obtained above with cold water after boiling it. Modification by these esterifications is modification by a substitution reaction. The degree of substitution in the esterified cellulose and the degree of substitution when the same esterified cellulose is made into nanofibers are usually the same.

(1-2)両親媒性高分子化合物
工程1では、上記の金属塩型のアニオン変性セルロースに両親媒性高分子化合物を添加して、混合物を形成する。両親媒性高分子化合物とは、1つの分子内に親水性基と疎水性基の両方を有し、分子量が200~20000程度の化合物をいう。両親媒性高分子化合物としては、水と下記の水溶性有機溶媒の両方に可溶なものが好ましい。具体的には、セルロース誘導体(ヒドロキシプロピルメチルセルロース、セルロースアセテート、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルメチルセルロース、ニトロセルロース)、各種ポリマー(塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ABS樹脂、ポリイソブチレン、PMMA樹脂、ポリカーボネート、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル)、ポリエチレングリコールとその誘導体、非イオン界面活性剤などを挙げることができるが、これらに限定されない。これらの中では、分子量が200~4000程度のポリエチレングリコールは、分散性が良好である点から好ましい。
(1-2) Amphiphilic Polymer Compound In step 1, an amphiphilic polymer compound is added to the metal salt-type anion-modified cellulose to form a mixture. An amphipathic polymer compound means a compound having both a hydrophilic group and a hydrophobic group in one molecule and having a molecular weight of about 200 to 20,000. As the amphipathic polymer compound, those soluble in both water and the following water-soluble organic solvents are preferred. Specifically, cellulose derivatives (hydroxypropylmethylcellulose, cellulose acetate, ethylcellulose, methylcellulose, ethylmethylcellulose, nitrocellulose), various polymers (vinyl chloride resin, vinylidene chloride, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polystyrene, ABS resin, polyisobutylene , PMMA resins, polycarbonates, urea resins, epoxy resins, unsaturated polyesters), polyethylene glycol and its derivatives, nonionic surfactants, and the like. Among these, polyethylene glycol having a molecular weight of about 200 to 4000 is preferable from the viewpoint of good dispersibility.

両親媒性高分子化合物の添加量は、アニオン変性セルロースの質量に対して、1.0~15.0倍程度が好ましく、1.5~12.5倍程度がさらに好ましい。添加量が少なすぎると、アニオン変性セルロースをナノファイバーに変換して酸を添加した際の凝集を防ぐ効果が小さくなる。一方、量が多すぎても上記の効果が高まるわけではないので、適度な量とするのがコストの観点から好ましい。 The amount of the amphipathic polymer compound to be added is preferably about 1.0 to 15.0 times, more preferably about 1.5 to 12.5 times the mass of the anion-modified cellulose. If the amount added is too small, the effect of converting the anion-modified cellulose into nanofibers and preventing aggregation when an acid is added is reduced. On the other hand, even if the amount is too large, the above effects are not enhanced, so a moderate amount is preferable from the viewpoint of cost.

(2)工程2
工程2では、工程1で得られた金属塩型のアニオン変性セルロースと両親媒性高分子化合物との混合物を機械的に処理して金属塩型のアニオン変性セルロースを解繊し、金属塩型のアニオン変性セルロースを、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーに変換して、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体を形成する。
(2) Process 2
In step 2, the mixture of the metal salt-type anion-modified cellulose obtained in step 1 and the amphipathic polymer compound is mechanically treated to defibrate the metal salt-type anion-modified cellulose, and the metal salt-type anion-modified cellulose is fibrillated. Anion-modified cellulose is converted to metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers to form a dispersion containing metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers.

(2-1)機械的処理(解繊)
機械的処理(アニオン変性セルロースの解繊)には、これらに限定されないが、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの強力なせん断力を印加できる装置を用いる。効率よく解繊するには、50MPa以上の圧力を印加し、かつ強力なせん断力を印加できる湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。高圧または超高圧ホモジナイザーとは、ポンプにより流体を加圧して高圧にし、流路に設けた非常に繊細な間隙より噴出させることにより、粒子間の衝突、圧力差による剪断力等の総合エネルギーによって乳化、分散、解細、粉砕、及び超微細化を行う装置である。高圧ホモジナイザーでの解繊および分散処理の前に、必要に応じて高速せん断ミキサーなどの公知の混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて予備処理を施すこともできる。
(2-1) Mechanical treatment (fibrillation)
For the mechanical treatment (fibrillation of anion-modified cellulose), an apparatus capable of applying a strong shearing force such as, but not limited to, high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, and ultrasonic type is used. For efficient defibration, it is preferable to use a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer capable of applying a pressure of 50 MPa or more and a strong shearing force. The pressure is more preferably 100 MPa or higher, still more preferably 140 MPa or higher. A high-pressure or ultra-high-pressure homogenizer pressurizes a fluid with a pump to make it high pressure, and by jetting it out from very fine gaps provided in the flow path, it emulsifies with total energy such as shear force due to collision between particles and pressure difference. , dispersing, disintegrating, pulverizing, and ultra-fine. Prior to fibrillation and dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, pretreatment can be performed using a known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device such as a high-speed shear mixer, if necessary.

解繊に際しては、アニオン変性セルロースの固形分濃度を0.01質量%~10質量%に調整することが解繊の効率の観点から好ましい。解繊時の分散媒は、水または有機溶媒、あるいはこれらの混合物を適宜選択できる。有機溶媒の種類は問わないが、例えばセルロース中の水酸基との親和性が高い極性溶媒が好ましく、メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec-ブタノール、tert-ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール、グリセリン、エチレングリコールジメチルエーテル、1,4-ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトン、メチルエチルケトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキサイド等を挙げることができる。上記分散媒は単独で用いても良いし、2種類以上を混合して用いてもよい。例えば、有機溶媒を2種類以上混合する形態、水と有機溶媒を含む形態、水のみの形態などを適宜選択することができる。水のみを分散媒として用いること(すなわち、水100%)は、取扱いの容易性から好ましい。水と有機溶媒とを混合する場合の混合割合は特に限定されず、使用する有機溶媒の種類に応じて適宜混合割合を調整すればよい。 At the time of defibration, it is preferable to adjust the solid content concentration of the anion-modified cellulose to 0.01% by mass to 10% by mass from the viewpoint of defibration efficiency. Water, an organic solvent, or a mixture thereof can be appropriately selected as a dispersion medium for fibrillation. Although the type of organic solvent is not limited, polar solvents having a high affinity for hydroxyl groups in cellulose are preferred, such as methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol. , glycerin, ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, acetone, methyl ethyl ketone, N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide and the like. The dispersion medium may be used alone, or two or more of them may be mixed and used. For example, a form in which two or more kinds of organic solvents are mixed, a form in which water and an organic solvent are contained, a form in which only water is used, or the like can be appropriately selected. Using only water as the dispersion medium (ie, 100% water) is preferred for ease of handling. When water and an organic solvent are mixed, the mixing ratio is not particularly limited, and the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the type of organic solvent used.

(1-2)アニオン変性セルロースナノファイバー
上述の機械的処理(解繊)により、金属塩型のアニオン変性セルロースは、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーに変換される。
(1-2) Anion-Modified Cellulose Nanofibers By the mechanical treatment (fibrillation) described above, the metal salt-type anion-modified cellulose is converted into metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers.

アニオン変性セルロースナノファイバーは、平均繊維径が3nm~500nm程度、好ましくは3nm~150nm程度、更に好ましくは3nm~20nm程度の繊維である。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以下程度となる。 Anion-modified cellulose nanofibers are fibers having an average fiber diameter of about 3 nm to 500 nm, preferably about 3 nm to 150 nm, more preferably about 3 nm to 20 nm. The aspect ratio is 30 or more, preferably 50 or more, more preferably 100 or more. Although the upper limit of the aspect ratio is not limited, it is about 500 or less.

アニオン変性セルロースナノファイバー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 the anion-modified cellulose nanofibers are measured using an atomic force microscope (AFM) when the diameter is less than 20 nm, and a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) when the diameter is 20 nm or more. It can be measured by analyzing 200 randomly selected fibers and calculating the average. Also, the aspect ratio can be calculated by the following formula:
Aspect ratio = average fiber length/average fiber diameter.

金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーとは、アニオン変性の反応時に使用した薬品由来の金属(例えば、ナトリウム、カリウムなど)をアニオン性基の対イオンとして有するセルロースナノファイバーである。例えば、金属塩型のカルボキシル化セルロースナノファイバーは、カルボキシル基が-COOとなっており、金属塩型のカルボキシアルキル化セルロースナノファイバーでは、カルボキシルアルキル基が-RCOOとなっている(式中、Mはナトリウム、カリウム等の金属であり、Rはメチレン基、エチレン基等のアルキレン基である。)。 Metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers are cellulose nanofibers having metals (eg, sodium, potassium, etc.) derived from chemicals used in the anion-modification reaction as counter ions for anionic groups. For example, in metal salt-type carboxylated cellulose nanofibers, the carboxyl group is -COO - M + , and in metal salt-type carboxyalkylated cellulose nanofibers, the carboxyl alkyl group is -RCOO - M + . (wherein M is a metal such as sodium or potassium, and R is an alkylene group such as a methylene group or an ethylene group).

上述の方法により得られる金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーは、水及び/または極性溶媒を分散媒とした分散体の形態となっている。金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体における濃度は、後の工程3において酸との混合が可能な濃度であればよく、特に限定されないが、0.5~10.0質量%であることが好ましい。本発明では、例えば、1.5質量%以上、さらには2.5質量%以上のような高濃度のアニオン変性セルロースナノファイバー分散体であっても扱うことができる。高濃度のアニオン変性セルロースナノファイバー分散体を用いると、一度に処理することができるセルロースナノファイバーの量が増えるため、効率のよい処理ができるようになる。 The metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers obtained by the above method are in the form of a dispersion using water and/or a polar solvent as a dispersion medium. The concentration in the metal salt-type anion-modified cellulose nanofiber dispersion is not particularly limited as long as it can be mixed with the acid in the subsequent step 3, but is 0.5 to 10.0% by mass. is preferred. In the present invention, for example, even high-concentration anion-modified cellulose nanofiber dispersions of 1.5% by mass or more, or even 2.5% by mass or more can be handled. The use of a high-concentration anion-modified cellulose nanofiber dispersion increases the amount of cellulose nanofibers that can be treated at one time, thereby enabling efficient treatment.

(3)工程3
工程3では、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体に、酸と水溶性有機溶媒とを加えることにより、金属塩型における金属を水素に置換した形態である酸型(例えば、-COOH、-RCOOHなど)に変換する。
(3) Process 3
In step 3, by adding an acid and a water-soluble organic solvent to the dispersion containing the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers, an acid form (for example, —COOH, —RCOOH, etc.).

(3-1)酸
金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを酸型に変換するために、酸を加える。用いる酸の種類は特に限定されず、無機酸でも有機酸でも良い。無機酸としては、硫酸、塩酸、硝酸、亜硫酸、亜硝酸、リン酸などを挙げることができる。有機酸としては、酢酸、乳酸、蓚酸、クエン酸、蟻酸、アジピン酸、セバシン酸、ステアリン酸、マレイン酸、コハク酸、酒石酸、フマル酸、グルコン酸などを挙げることができる。好適には、汎用的で入手しやすい塩酸または硫酸である。酸処理時のpHは、1~6の範囲が好ましく、2~5がより好ましい。酸の添加量は、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを酸型に変換できる量であればよく、特に限定されないが、例えば、強酸であれば、アニオン性基に対して1当量以上が好ましく、弱酸であれば10当量以上が好ましい。
(3-1) Acid An acid is added to convert the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers into an acid-type. The type of acid used is not particularly limited, and may be an inorganic acid or an organic acid. Examples of inorganic acids include sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfurous acid, nitrous acid, phosphoric acid, and the like. Examples of organic acids include acetic acid, lactic acid, oxalic acid, citric acid, formic acid, adipic acid, sebacic acid, stearic acid, maleic acid, succinic acid, tartaric acid, fumaric acid, and gluconic acid. Hydrochloric acid or sulfuric acid, which are commonly available and readily available, are preferred. The pH during acid treatment is preferably in the range of 1-6, more preferably 2-5. The amount of acid to be added is not particularly limited as long as it is an amount that can convert the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers into the acid form. For example, if it is a strong acid, it is preferably 1 equivalent or more with respect to the anionic group. , and if it is a weak acid, it is preferably 10 equivalents or more.

(3-2)水溶性有機溶媒
工程3で酸を加えるのと同時に、または酸を加える前に、アニオン変性セルロースナノファイバーに水溶性有機溶媒を加える。水溶性有機溶媒とは、水と分離せずに任意に混合可能な有機溶媒をいう。水溶性有機溶媒の例としては、これらに限定されないが、メタノール、エタノール、2-プロパノール、ブタノール、グリセリン、アセトン、メチルエチルケトン、1,4-ジオキサン、N-メチル-2-ピロリドン、テトラヒドロフラン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、酢酸エチルなどを挙げることができ、これらを単独でまたは組み合せて使用してもよい。
(3-2) Water-Soluble Organic Solvent Simultaneously with or before adding the acid in step 3, a water-soluble organic solvent is added to the anion-modified cellulose nanofibers. A water-soluble organic solvent refers to an organic solvent that can be optionally mixed with water without separating. Examples of water-soluble organic solvents include, but are not limited to, methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, glycerin, acetone, methyl ethyl ketone, 1,4-dioxane, N-methyl-2-pyrrolidone, tetrahydrofuran, N,N -dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, acetonitrile, ethyl acetate and the like, which may be used alone or in combination.

水溶性有機溶媒の添加量は特に限定されず、後の工程においてアニオン変性セルロースナノファイバー分散体から脱液可能な量であればよいが、アニオン変性セルロースナノファイバーの分散体中の固形分濃度が0.5~2.0質量%程度となるような量が好ましい。 The amount of the water-soluble organic solvent to be added is not particularly limited as long as it is an amount that can be removed from the anion-modified cellulose nanofiber dispersion in a later step. An amount of about 0.5 to 2.0% by mass is preferred.

(4)工程4
工程3においてアニオン変性セルロースナノファイバーを金属塩型から酸型に変換した後、任意に、工程4において、濾過を行い、両親媒性高分子化合物を酸及び水溶性有機溶媒と共に除去してもよい。両親媒性高分子化合物は、水と水溶性有機溶媒の両方に溶解することから、酸を添加したセルロースナノファイバー分散体の濾過を行うことにより、酸と溶媒と両親媒性高分子化合物とをセルロースナノファイバーから濾別することができる。
(4) Step 4
After converting the anion-modified cellulose nanofibers from the metal salt form to the acid form in step 3, optionally in step 4, filtration may be performed to remove the amphipathic polymer compound together with the acid and the water-soluble organic solvent. . Since the amphipathic polymer compound dissolves in both water and a water-soluble organic solvent, the acid, the solvent, and the amphiphilic polymer compound are separated by filtering the cellulose nanofiber dispersion to which the acid has been added. It can be filtered out from cellulose nanofibers.

濾過の方法は特に限定されず、フィルターを用いるなどの通常の方法で濾過を行なえばよいが、セルロースナノファイバー分散体は水等の溶媒を吸収して膨潤するため、自然濾過では時間がかかるので、吸引濾過等の圧力などで濾過を促進する方法を用いることが好ましい。濾過に用いるフィルターは特に限定されず、例えば、ろ布、ガラスフィルター、金属メッシュ、ろ紙等を用いることにより、酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを凝集体の形態で濾別することができる。 The method of filtration is not particularly limited, and filtration may be performed by a conventional method such as using a filter. However, since the cellulose nanofiber dispersion absorbs solvents such as water and swells, natural filtration takes time. It is preferable to use a method of promoting filtration by pressure such as suction filtration. The filter used for filtration is not particularly limited, and for example, by using a filter cloth, a glass filter, a metal mesh, a filter paper, or the like, the acid-type anion-modified cellulose nanofibers can be filtered out in the form of aggregates.

一度目の濾過を行った後、再び、水溶性有機溶媒を添加して、再度濾過を行うことにより、酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの洗浄を行ってもよい。水溶性有機溶媒と濾過による洗浄の回数は特に限定されず、例えば、1~5回、好ましくは2~3回程度行ってもよい。この洗浄を繰り返すことにより、酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体中に残存する両親媒性高分子化合物の除去を促進することができる。 After the first filtration, the acid-form anion-modified cellulose nanofibers may be washed by adding a water-soluble organic solvent and filtering again. The number of times of washing with a water-soluble organic solvent and filtration is not particularly limited, and may be, for example, 1 to 5 times, preferably 2 to 3 times. By repeating this washing, the removal of the amphiphilic polymer compound remaining in the aggregates of the acid-type anion-modified cellulose nanofibers can be promoted.

工程4で得られるアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体は、酸型であり、通常、少量の水溶性有機溶媒を含有する(少量の水溶性有機溶媒により膨潤した)形態となっている。両親媒性高分子化合物の大半は、濾過により水溶性有機溶媒と共に除去されているが、セルロースナノファイバーへの物理的吸着などにより多少残存することも考えられる。工程4で得られるアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体中の両親媒性高分子化合物の残存量は、好ましくは、アニオン変性セルロースナノファイバーに対して30質量%以下であり、更に好ましくは、10質量%以下である。 The aggregate of anion-modified cellulose nanofibers obtained in step 4 is in an acid form, and usually in a form containing a small amount of water-soluble organic solvent (swollen with a small amount of water-soluble organic solvent). Most of the amphiphilic polymer compound is removed by filtration together with the water-soluble organic solvent, but it is conceivable that some of it may remain due to physical adsorption to cellulose nanofibers or the like. The residual amount of the amphipathic polymer compound in the aggregate of the anion-modified cellulose nanofibers obtained in step 4 is preferably 30% by mass or less, more preferably 10% by mass, relative to the anion-modified cellulose nanofibers. % or less.

得られた酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体は、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーに比べて、親水性が低くなっているため、疎水性の化合物との複合化などに用いることができる。また、さらに疎水性を高めるために、公知の疎水化剤と反応させてもよい。 The resulting aggregates of acid-type anion-modified cellulose nanofibers have lower hydrophilicity than metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers, so they can be used for compositing with hydrophobic compounds. can be done. Moreover, in order to further increase hydrophobicity, it may be reacted with a known hydrophobizing agent.

また、以下に記載するように、有機溶媒(水溶性有機溶媒と、より低極性の有機溶媒の両方を含む)中に再度分散してもよい。
(5)工程5
工程4で得られた酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体に有機溶媒を添加して混合物を形成し(工程5)、疎水化剤と反応させて(工程6)、再度機械的に処理する(工程7)ことにより、有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を製造してもよい。
It may also be redispersed in organic solvents, including both water-soluble organic solvents and less polar organic solvents, as described below.
(5) Step 5
An organic solvent is added to the aggregates of acid-form anion-modified cellulose nanofibers obtained in step 4 to form a mixture (step 5), reacted with a hydrophobizing agent (step 6), and mechanically treated again. (Step 7), a dispersion of anion-modified cellulose nanofibers using an organic solvent as a dispersion medium may be produced.

工程5では、上述の水溶性有機溶媒よりも低極性である(水と混合した際に分離するような)有機溶媒を用いる。アニオン変性セルロースナノファイバーが酸型となっていることにより、低極性の有機溶媒に対する親和性が高くなっている。 In step 5, an organic solvent that is less polar (separates when mixed with water) than the above water-soluble organic solvents is used. Since the anion-modified cellulose nanofibers are in an acid form, they have a high affinity for low-polarity organic solvents.

低極性の有機溶媒としては、これに限定されないが、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、n-ヘキサン、n-オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、塩化メチレン、四塩化炭素、フルオロトリクロロメタン、トリクロロトリフルオロメタン、ヘキサフルオロベンゼン、テトラヒドロフラン、1,2-ジメトキシエタン、シクロペンチルメチルエーテル、メチルターシャリーブチルエーテルなどが挙げられる。これらの1種または2種以上を、最終的なアニオン変性セルロースナノファイバーの用途に応じて、適宜選択して使用することができる。 Low polarity organic solvents include, but are not limited to, benzene, toluene, xylene, n-hexane, n-octane, cyclohexane, methylcyclohexane, dichloromethane, dichloroethane, chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, fluorotrichloro. methane, trichlorotrifluoromethane, hexafluorobenzene, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, cyclopentyl methyl ether, methyl tertiary butyl ether and the like. One or more of these can be appropriately selected and used according to the final application of the anion-modified cellulose nanofibers.

有機溶媒を添加して混合物を形成する際に使用する装置は特に限定されず、公知の撹拌手段や、上述のアニオン変性セルロースの解繊に用いる装置と同様のものを使用することができる。 The device used when adding the organic solvent to form the mixture is not particularly limited, and known stirring means or the same device as used for defibrating the above-described anion-modified cellulose can be used.

有機溶媒を添加して混合物を形成する際には、有機溶媒の添加と濾過を数回(2~10回程度)繰り返す。これにより、元の水溶性有機溶媒から、所望の有機溶媒へと溶媒が置換される。 When adding the organic solvent to form a mixture, the addition of the organic solvent and filtration are repeated several times (about 2 to 10 times). As a result, the original water-soluble organic solvent is replaced with the desired organic solvent.

工程5で得られる混合物における最終的な有機溶媒の含有量は特に限定されないが、次の工程6での反応性を高める観点からは、混合物中のアニオン変性セルロースナノファイバーの固形分量が、0.1~10.0質量%程度となるような量で添加することが好ましい。 The final content of the organic solvent in the mixture obtained in step 5 is not particularly limited, but from the viewpoint of enhancing the reactivity in the next step 6, the solid content of the anion-modified cellulose nanofibers in the mixture is 0.5. It is preferable to add it in such an amount that it becomes about 1 to 10.0% by mass.

(6)工程6
工程5で得られた混合物に疎水化剤を添加し、アニオン変性セルロースナノファイバーに疎水化剤を結合させる。
(6) Step 6
A hydrophobizing agent is added to the mixture obtained in step 5 to bind the anion-modified cellulose nanofibers with the hydrophobizing agent.

疎水化剤としては、メチルアミン、エチルアミン、オレイルアミン、プロピルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン、テトラデシルアミン、1-ヘキセニルアミン、1-ドデセニルアミン、9,12-オクタデカジエニルアミン(リノールアミン)、9,12,15-オクタデカトリエニルアミン、リノレイルアミン等の1級アミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン等の2級アミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン等の3級アミン、塩化ベンザルコニウム、塩化ベンゼトニウム、塩化メチルベンゼトニウム、塩化セチルピリジニウム、セトリモニウム、塩化ドファニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、塩化ジデシルジメチルアンモニウム等の4級アンモニウム、アニリン、ピリジン、ベンジルアミン等の芳香族アミン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のジアミン、HUNTSMAN社製のJEFFAMINE(登録商標) M600、JEFFAMINE(登録商標) M1000、JEFFAMINE(登録商標) M2005、JEFFAMINE(登録商標) M2070等のポリエーテルアミン、トリフェニルホスフィン、トリメチルホスフィン等のホスフィンなどが挙げられるが、これらに限定されない。これらの中では、溶剤中での分散性の観点から1級アミン、2級アミン、3級アミン、4級アンモニウム、ホスフィン、ポリエーテルアミンを用いることが好ましく、3級アミン、4級アンモニウム、ホスフィン、ポリエーテルアミンを用いることがより好ましい。 Hydrophobizing agents include methylamine, ethylamine, oleylamine, propylamine, dodecylamine, stearylamine, tetradecylamine, 1-hexenylamine, 1-dodecenylamine, 9,12-octadecadienylamine (linoleamine), 9 , 12,15-octadecatrienylamine, primary amines such as linoleylamine, secondary amines such as dimethylamine and diethylamine, tertiary amines such as trimethylamine and triethylamine, benzalkonium chloride, benzethonium chloride, methylbenzethonium chloride , cetylpyridinium chloride, cetrimonium chloride, dophanium chloride, tetraethylammonium bromide, didecyldimethylammonium chloride and other quaternary ammoniums; aniline, pyridine, aromatic amines such as benzylamine; diamines such as ethylenediamine and hexamethylenediamine; JEFFAMINE (registered trademark) M600, JEFFAMINE (registered trademark) M1000, JEFFAMINE (registered trademark) M2005, JEFFAMINE (registered trademark) M2070 and other polyether amines, and phosphines such as triphenylphosphine and trimethylphosphine. It is not limited to these. Among these, primary amines, secondary amines, tertiary amines, quaternary ammoniums, phosphines, and polyether amines are preferably used from the viewpoint of dispersibility in solvents, and tertiary amines, quaternary ammoniums, and phosphines. , more preferably polyetheramine.

疎水化剤の添加量は、用いる疎水化剤の種類、アニオン変性セルロースナノファイバーにおけるアニオン変性の度合いなどに応じて、適宜決めればよい。例えば、アニオン性基の量(モル数)に対して、50~150%程度の量となるように添加すればよく、好ましくは70~130%、より好ましくは80~120%の量となるように添加すればよい。 The amount of hydrophobizing agent to be added may be appropriately determined according to the type of hydrophobizing agent used, the degree of anion modification in the anion-modified cellulose nanofiber, and the like. For example, it may be added in an amount of about 50 to 150%, preferably 70 to 130%, more preferably 80 to 120%, relative to the amount (number of moles) of the anionic group. should be added to

(7)工程7
工程6で疎水化剤を添加し、撹拌するなどして充分に混合した後、工程7では、上述のアニオン変性セルロースの解繊に用いる装置と同様のものを使用して、有機溶媒中で機械的処理を行い、有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を形成する。
(7) Step 7
In step 6, a hydrophobizing agent is added and thoroughly mixed by stirring, etc., and then in step 7, using the same equipment as used for defibrating the anion-modified cellulose described above, mechanically in an organic solvent. A dispersion of anion-modified cellulose nanofibers is formed using an organic solvent as a dispersion medium.

本発明により、有機溶媒に分散した際にも高い透明度を有するアニオン変性セルロースナノファイバーが得られる。透明度は、例えば、以下の方法で測定される:
所定の濃度のセルロースナノファイバー分散体を調製し、UV-VIS分光光度計 UV-1800(株式会社島津製作所製)を用い、光路長10mmの角型セルを用いて、660nm 光の透過率を測定する。
According to the present invention, anion-modified cellulose nanofibers having high transparency even when dispersed in an organic solvent can be obtained. Transparency is measured, for example, in the following way:
A cellulose nanofiber dispersion with a predetermined concentration is prepared, and a UV-VIS spectrophotometer UV-1800 (manufactured by Shimadzu Corporation) is used to measure the transmittance of 660 nm light using a prismatic cell with an optical path length of 10 mm. do.

本発明では、例えば、分散媒をトルエンとし、セルロースナノファイバーの固形分量(疎水化剤を含まない)を1.0質量%とした酸型アニオン変性セルロースナノファイバー分散体について、上記の方法で測定した透明度が80.0%以上となる分散体を製造することができる。 In the present invention, for example, an acid-type anion-modified cellulose nanofiber dispersion in which toluene is used as a dispersion medium and the solid content of cellulose nanofibers (not including a hydrophobizing agent) is 1.0% by mass is measured by the above method. Dispersions can be produced with a transparency of 80.0% or higher.

また、本発明により、有機溶媒に分散した際に高い粘度を有するアニオン変性セルロースナノファイバーが得られる。粘度は、例えば、以下の方法で測定される:
所定の濃度のセルロースナノファイバー分散体を調製し、JIS-Z-8803の方法に準じて、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、回転数60rpmまたは6rpmで3分後の値を測定する。
Moreover, according to the present invention, anion-modified cellulose nanofibers having high viscosity when dispersed in an organic solvent can be obtained. Viscosity is measured, for example, by the following method:
A cellulose nanofiber dispersion with a predetermined concentration is prepared, and a Brookfield viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) is used according to the method of JIS-Z-8803, and the value after 3 minutes at a rotation speed of 60 rpm or 6 rpm. to measure.

本発明では、例えば、分散媒をトルエンとし、セルロースナノファイバーの固形分量(疎水化剤を含まない)を1.0質量%とした酸型アニオン変性セルロースナノファイバー分散体について、上記の方法で測定した60rpmにおけるB型粘度が、100mPa・s以上、好ましくは300mPa・s以上となる分散体を形成することができ、また、6rpmにおけるB型粘度が、500mPa・s以上、好ましくは1500mPa・s以上となる分散体を形成することができる。 In the present invention, for example, an acid-type anion-modified cellulose nanofiber dispersion in which toluene is used as a dispersion medium and the solid content of cellulose nanofibers (not including a hydrophobizing agent) is 1.0% by mass is measured by the above method. It is possible to form a dispersion having a B-type viscosity of 100 mPa s or more, preferably 300 mPa s or more at 60 rpm, and a B-type viscosity of 500 mPa s or more, preferably 1500 mPa s or more at 6 rpm. It is possible to form a dispersion of

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。
<実施例1>
パルプを混ぜることができる撹拌機に、パルプ(NBKP、日本製紙株式会社製)を乾燥重量で200g、水酸化ナトリウムを乾燥重量で440g加え、パルプ固形濃度が15重量%になるように水を加えた。その後、30℃で30分撹拌した後に70℃まで昇温し、モノクロロ酢酸ナトリウムを585g(有効成分換算)添加した。1時間反応させた後に、反応物を取り出して中和、洗浄して、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度0.24のカルボキシメチル化パルプを得た。
EXAMPLES 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.
<Example 1>
200 g of pulp (NBKP, manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) in dry weight and 440 g of sodium hydroxide in dry weight are added to a stirrer capable of mixing pulp, and water is added so that the pulp solid concentration becomes 15% by weight. rice field. Then, after stirring at 30°C for 30 minutes, the temperature was raised to 70°C, and 585 g (converted to active ingredient) of sodium monochloroacetate was added. After reacting for 1 hour, the reactant was taken out, neutralized and washed to obtain a carboxymethylated pulp having a degree of carboxymethyl substitution of 0.24 per glucose unit.

上記の工程で得られたカルボキシメチル化パルプを水で3.2質量%に調整した。このナトリウム塩型のカルボキシメチル化パルプに、カルボキシメチル化パルプの2倍の質量となるポリエチレングリコール(分子量:600)を添加し、ホモジナイザーを用いて混合した。得られた混合物を、水でカルボキシメチル化パルプの固形分量が3.0質量%になるように調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150MPa)で3回解繊処理を行い、固形分3.0質量%の水を分散媒とするナトリウム塩型のカルボキシメチル化セルロースナノファイバー(以下、セルロースナノファイバーを「CNF」とも呼ぶ。)とポリエチレングリコールとを含有する分散体を作製した。 The carboxymethylated pulp obtained in the above step was adjusted to 3.2% by mass with water. Polyethylene glycol (molecular weight: 600) having twice the mass of the carboxymethylated pulp was added to the sodium salt type carboxymethylated pulp and mixed using a homogenizer. The resulting mixture was adjusted with water so that the solid content of the carboxymethylated pulp was 3.0% by mass, and defibrated three times with an ultrahigh-pressure homogenizer (20° C., 150 MPa) to reduce the solid content to 3.0% by mass. A dispersion containing sodium salt-type carboxymethylated cellulose nanofibers (hereinafter, cellulose nanofibers are also referred to as “CNF”) using 0% by mass of water as a dispersion medium and polyethylene glycol was prepared.

このカルボキシメチル化CNF(ナトリウム塩型)の分散体300gに、アセトン300gと、濃度10%の塩酸を9.5g添加し、ナトリウム塩型のカルボキシメチル化CNF(-CHCOONa)を、酸型に変換した(-CHCOOH)。 To 300 g of this carboxymethylated CNF (sodium salt type) dispersion, 300 g of acetone and 9.5 g of hydrochloric acid having a concentration of 10% are added, and the sodium salt type carboxymethylated CNF (—CH 2 COONa) is converted into an acid form. (-CH 2 COOH).

得られた酸型のカルボキシメチル化CNF凝集体とアセトンとポリエチレングリコールと塩酸の混合物を、ガラスフィルター(柴田科学社製、15G3)を用いて吸引濾過(アルバック機工社製 ダイアフラム型真空ポンプ、DCT-40)を行い、カルボキシメチル化CNFの凝集体を濾別した。ここに再度前記と同量のアセトンを加え、混合した後、再度吸引濾過を行った。このアセトンの添加と吸引濾過を3回繰り返した。ここまでに使用したアセトンの量を記録した。また、最初にアセトンを添加した時点から、最後の吸引濾過が終わるまでの時間を記録した。得られた酸型のカルボキシメチル化CNF1gに対する上記アセトンの量と、時間について、表1に示す。また、収率(用いた金属塩型のCNFのNaイオンを除いた質量に対する得られた酸型のCNFの質量の割合)を表1に示す。 A mixture of the resulting acid-type carboxymethylated CNF aggregates, acetone, polyethylene glycol and hydrochloric acid was filtered using a glass filter (manufactured by Shibata Kagaku Co., Ltd., 15G3) (diaphragm type vacuum pump manufactured by ULVAC KIKO Co., Ltd., DCT- 40) was performed, and aggregates of carboxymethylated CNF were separated by filtration. After adding the same amount of acetone as the above and mixing again, suction filtration was performed again. This addition of acetone and suction filtration was repeated three times. The amount of acetone used so far was recorded. Also, the time from the first addition of acetone to the end of the final suction filtration was recorded. Table 1 shows the amount of acetone and the time for 1 g of the acid-form carboxymethylated CNF obtained. In addition, Table 1 shows the yield (ratio of the mass of the obtained acid-type CNF to the mass of the used metal salt-type CNF excluding Na ions).

得られた酸型のカルボキシメチル化CNF凝集体のアセトン混合液にトルエンを添加して混合し、上記と同様の方法でトルエン添加と吸引ろ過を3回繰り返した。得られた酸型のカルボキシメチル化CNFのトルエン混合液に、疎水化剤としてJEFFAMINE(登録商標) M2005(HUNTSMAN社製)をCNFのカルボキシメチル基に対して1当量となるよう添加し、ホモジナイザーを用いて8000rpm、10分混合撹拌した後、超高圧ホモジナイザーを用いて20℃で80MPaの圧力で1回、150MPaで3回処理(解繊)することにより、トルエンを分散媒とするカルボキシメチル化CNFの分散体を得た。得られた分散体の固形分量をトルエンを用いて3.7質量%(疎水化剤を含まないカルボキシメチル化CNFの固形分量は1.0質量%)に調整し、UV-VIS分光光度計 UV-1800(株式会社島津製作所製)を用い、光路長10mmの角型セルを用いて、660nm 光の透過率(「透明度」と呼ぶ)を測定した。結果を表2に示す。 Toluene was added to the acetone mixed solution of the obtained acid-type carboxymethylated CNF aggregates and mixed, and toluene addition and suction filtration were repeated three times in the same manner as above. JEFFAMINE (registered trademark) M2005 (manufactured by HUNTSMAN) as a hydrophobizing agent was added to the toluene mixed solution of the obtained acid-type carboxymethylated CNF so that it would be 1 equivalent with respect to the carboxymethyl group of CNF, and a homogenizer was used. After mixing and stirring at 8000 rpm for 10 minutes using an ultra-high pressure homogenizer, treatment (fibrillation) is performed once at 20 ° C. at a pressure of 80 MPa and 3 times at 150 MPa to obtain carboxymethylated CNF with toluene as a dispersion medium. was obtained. The solid content of the resulting dispersion was adjusted to 3.7% by mass using toluene (the solid content of carboxymethylated CNF containing no hydrophobizing agent was 1.0% by mass), and the UV-VIS spectrophotometer UV -1800 (manufactured by Shimadzu Corporation) was used to measure the transmittance of 660 nm light (referred to as "transparency") using a rectangular cell with an optical path length of 10 mm. Table 2 shows the results.

また、得られた分散体(分散媒:トルエン、固形分量:3.7質量%)の25℃における粘度について、JIS-Z-8803の方法に準じて、B型粘度計(東機産業社製)を用いて、回転数60rpmまたは6rpmで測定した。結果を表2に示す。粘度の値は、3分後の値である。 In addition, the viscosity at 25 ° C. of the obtained dispersion (dispersion medium: toluene, solid content: 3.7% by mass) was measured according to the method of JIS-Z-8803 using a B-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. ) at a rotation speed of 60 rpm or 6 rpm. Table 2 shows the results. Viscosity values are those after 3 minutes.

<実施例2>
ポリエチレングリコールの添加量をCNFの質量の10倍の量とした以外は実施例1と同様にして、酸型のカルボキシメチル化CNF凝集体のアセトン混合液を得た。実施例1と同様に、使用したアセトンの量と、最初にアセトンを添加した時点から最後の吸引濾過が終わるまでの時間を記録した。結果を表1に示す。また、収率(用いた金属塩型のCNFのNaイオンを除いた質量に対する得られた酸型のCNFの質量の割合)を表1に示す。
<Example 2>
An acetone mixture of acid-type carboxymethylated CNF aggregates was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of polyethylene glycol added was 10 times the mass of CNF. As in Example 1, the amount of acetone used and the time from the first addition of acetone to the end of the final suction filtration were recorded. Table 1 shows the results. In addition, Table 1 shows the yield (ratio of the mass of the obtained acid-type CNF to the mass of the used metal salt-type CNF excluding Na ions).

次いで、実施例1と同様にして、固形分3.7質量%(疎水化剤を含まないカルボキシメチル化CNFの固形分量は1.0質量%)のトルエンを分散媒とするカルボキシメチル化CNF分散体を製造し、透明度及び粘度を測定した。結果を表2に示す。 Next, in the same manner as in Example 1, carboxymethylated CNF dispersion with toluene having a solid content of 3.7% by mass (the solid content of carboxymethylated CNF not containing a hydrophobizing agent is 1.0% by mass) as a dispersion medium. Bodies were prepared and measured for clarity and viscosity. Table 2 shows the results.

<比較例1>
固形分を1.0質量%とし、ポリエチレングリコールを添加しなかった以外は実施例1と同様にして、ナトリウム塩型のカルボキシメチル化CNFの分散体(分散媒:水)を用意した。ここに陽イオン交換樹脂(オルガノ社製「アンバージェット1024」)を添加し、20℃で0.3時間撹拌して接触させ、ナトリウム塩型のカルボキシメチル化CNF(-CHCOONa)を、酸型に変換した(-CHCOOH)。
<Comparative Example 1>
A dispersion of sodium salt-type carboxymethylated CNF (dispersion medium: water) was prepared in the same manner as in Example 1, except that the solid content was 1.0% by mass and polyethylene glycol was not added. A cation exchange resin (“Amberjet 1024” manufactured by Organo Co., Ltd.) is added thereto and brought into contact with the sodium salt type carboxymethylated CNF (—CH 2 COONa) by stirring at 20° C. for 0.3 hours. converted to the form (-CH 2 COOH).

得られた酸型のカルボキシメチル化CNFと陽イオン交換樹脂との混合物を、目開き30μmの金属メッシュフィルターを用いて吸引濾過(アルバック機工社製ダイアフラム型真空ポンプ、DCT-40)を行った。濾過液320gに対し400gのアセトンを加え、混合した後、遠心分離(3000rpm、10分間、装置:久保田製作所社製7800)を行った。その後、沈殿物に640gのアセトンを加え混合した後、再度、同じ条件で遠心分離を行った。次いで、再度300gの量のアセトンを加え、実施例1と同じ条件で吸引濾過を行った。このアセトンの添加と吸引濾過を3回繰り返した。ここまでに使用したアセトンの量を記録した。また、最初にアセトンを添加した時点から、最後の吸引濾過が終わるまでの時間を記録した。得られた酸型のカルボキシメチル化CNF1gに対する上記アセトンの量と、時間について、表1に示す。また、収率(用いた金属塩型のCNFのNaイオンを除いた質量に対する得られた酸型のCNFの質量の割合)を表1に示す。 The resulting mixture of acid-type carboxymethylated CNF and cation exchange resin was subjected to suction filtration (diaphragm vacuum pump, DCT-40 manufactured by Ulvac Kiko) using a metal mesh filter with an opening of 30 μm. After adding 400 g of acetone to 320 g of the filtrate and mixing, centrifugation (3000 rpm, 10 minutes, device: 7800 manufactured by Kubota Seisakusho Co., Ltd.) was performed. Then, after adding 640 g of acetone to the precipitate and mixing, centrifugation was performed again under the same conditions. Next, 300 g of acetone was added again, and suction filtration was performed under the same conditions as in Example 1. This addition of acetone and suction filtration was repeated three times. The amount of acetone used so far was recorded. Also, the time from the first addition of acetone to the end of the final suction filtration was recorded. Table 1 shows the amount of acetone and the time for 1 g of the acid-form carboxymethylated CNF obtained. In addition, Table 1 shows the yield (ratio of the mass of the obtained acid-type CNF to the mass of the used metal salt-type CNF excluding Na ions).

また、得られた酸型のカルボキシメチル化CNF凝集体のアセトン混合液を用い、実施例1と同様にして、酸型のカルボキシメチル化CNF凝集体のトルエン混合液を作製し、次いで、実施例1と同様にして疎水化剤を添加して撹拌、解繊し、固形分量3.7質量%(疎水化剤を含まないカルボキシメチル化CNFの固形分量は1.0質量%)(分散媒:トルエン)のカルボキシメチル化CNF分散体を得た。この分散体について、実施例1と同様にして透明度及び粘度を測定した。結果を表2に示す。 Further, using the obtained acetone mixed solution of the acid-form carboxymethylated CNF aggregates, in the same manner as in Example 1, to prepare a toluene mixed solution of the acid-form carboxymethylated CNF aggregates, and then, In the same manner as in 1, a hydrophobizing agent is added, stirred, defibrated, and the solid content is 3.7% by mass (the solid content of carboxymethylated CNF that does not contain a hydrophobizing agent is 1.0% by mass) (dispersion medium: toluene) to give a carboxymethylated CNF dispersion. The transparency and viscosity of this dispersion were measured in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the results.

<比較例2>
ポリエチレングリコールを添加しなかった以外は実施例1と同様にして、酸型のカルボキシメチル化CNF凝集体のアセトン混合液を得た。実施例1と同様に、使用したアセトンの量と、最初にアセトンを添加した時点から最後の吸引濾過が終わるまでの時間を記録した。結果を表1に示す。また、収率(用いた金属塩型のCNFのNaイオンを除いた質量に対する得られた酸型のCNFの質量の割合)を表1に示す。
<Comparative Example 2>
An acetone mixture of acid-type carboxymethylated CNF aggregates was obtained in the same manner as in Example 1, except that polyethylene glycol was not added. As in Example 1, the amount of acetone used and the time from the first addition of acetone to the end of the final suction filtration were recorded. Table 1 shows the results. In addition, Table 1 shows the yield (ratio of the mass of the obtained acid-type CNF to the mass of the used metal salt-type CNF excluding Na ions).

また、実施例1と同様にして、固形分3.7質量%(疎水化剤を含まないカルボキシメチル化CNFの固形分量は1.0質量%)のトルエンを分散媒とするカルボキシメチル化CNF分散体を製造し、透明度及び粘度を測定した。結果を表2に示す。 In addition, in the same manner as in Example 1, carboxymethylated CNF dispersion with toluene having a solid content of 3.7% by mass (the solid content of carboxymethylated CNF not containing a hydrophobizing agent is 1.0% by mass) as a dispersion medium Bodies were prepared and measured for clarity and viscosity. Table 2 shows the results.

Figure 0007239294000001
Figure 0007239294000001

Figure 0007239294000002
表1の結果より、金属塩型のアニオン変性セルロースにポリエチレングリコールを加えてから解繊を行った実施例1及び2では、陽イオン交換樹脂を用いた比較例1に比べて、CNF1gに対するアセトンの使用量を節約でき、また、操作にかかる時間も短期化することができることがわかる。また、実施例1及び2では、比較例1に比べて、収率も高いことがわかる。
Figure 0007239294000002
From the results in Table 1, in Examples 1 and 2 in which polyethylene glycol was added to metal salt-type anion-modified cellulose before defibration, compared to Comparative Example 1 using a cation exchange resin, the amount of acetone per 1 g of CNF It can be seen that the amount of usage can be saved and the time required for operation can be shortened. Moreover, in Examples 1 and 2, compared with Comparative Example 1, it can be seen that the yield is also higher.

実施例1及び2では初めに固形分3.0質量%の金属塩型のCNF分散体を用いたのに対し、比較例1では固形分1.0質量%の金属塩型のCNF分散体を用いた。これは、比較例1の方法では、CNF分散体が高濃度で高粘度(ゲル状)であると、陽イオン交換樹脂と充分に接触させることが困難であり、さらに陽イオン交換樹脂との濾別が困難であったため、実施例1よりも低い濃度を採用したものである。また、比較例1では、アセトンの添加と吸引濾過を3回繰り返す前に、アセトンの添加と遠心分離の操作を2回繰り返した。これは、固形分1.0質量%の酸型のCNF分散体にアセトンを添加しても、混合溶媒中のアセトン濃度が低く、CNFが容易に水分除去の可能レベルに凝集せず、吸引濾過に非常に多くの時間を要するため、先に遠心分離を行ったものである。比較例1において遠心分離を行わない場合、吸引濾過に2~3倍の時間を要すると考えられる。 In Examples 1 and 2, a metal salt-type CNF dispersion with a solid content of 3.0% by mass was first used, whereas in Comparative Example 1, a metal salt-type CNF dispersion with a solid content of 1.0% by mass was used. Using. This is because, in the method of Comparative Example 1, when the CNF dispersion is highly concentrated and highly viscous (gel-like), it is difficult to bring it into sufficient contact with the cation exchange resin. A concentration lower than that of Example 1 was adopted because it was difficult to distinguish between them. Further, in Comparative Example 1, the addition of acetone and centrifugation were repeated twice before the addition of acetone and suction filtration were repeated three times. This is because even if acetone is added to an acid-type CNF dispersion with a solid content of 1.0% by mass, the acetone concentration in the mixed solvent is low, and the CNF does not easily aggregate to a level where moisture can be removed, and suction filtration Centrifugation was performed first, because it takes a very long time to perform the separation. If centrifugation is not performed in Comparative Example 1, it is considered that suction filtration takes 2 to 3 times longer.

比較例1ではアセトンの添加と遠心分離、及び、アセトンの添加と吸引濾過の操作が必要であったために、酸型のCNFが陽イオン交換樹脂と共に多少失われ、実施例1及び2よりも低い収率になったと考えられる。 In Comparative Example 1, addition of acetone and centrifugal separation, and addition of acetone and suction filtration were required, so the acid-form CNF was somewhat lost together with the cation exchange resin, and was lower than in Examples 1 and 2. It is thought that it became a yield.

以上の通り、表1より、本発明の方法(実施例1)では、比較例1及び2に比べて、高い濃度の金属塩型CNF分散体を用いて高い収率で酸型のCNFを製造できることがわかる。 As described above, from Table 1, in the method of the present invention (Example 1), compared to Comparative Examples 1 and 2, acid-type CNF is produced at a high yield using a high concentration metal salt-type CNF dispersion. I know you can.

また、表2の結果より、金属塩型のアニオン変性セルロースにポリエチレングリコールを加えてから解繊を行った実施例1及び2により得られたトルエン(低極性の有機溶媒)を分散媒とするカルボキシメチル化CNF分散体は、陽イオン交換樹脂を用いた比較例1と同等の透明度を有し、また、ポリエチレングリコールを用いなかった比較例2に比べて有意に高い透明度を有することがわかる。 In addition, from the results in Table 2, it was found that the carboxyl cellulose obtained in Examples 1 and 2, in which polyethylene glycol was added to the metal salt-type anion-modified cellulose before fibrillation was performed, and toluene (low-polarity organic solvent) was used as a dispersion medium. It can be seen that the methylated CNF dispersion has a transparency equivalent to that of Comparative Example 1 using a cation exchange resin, and a significantly higher transparency than Comparative Example 2 using no polyethylene glycol.

また、実施例1及び2のトルエンを分散媒とするカルボキシメチル化CNF分散体は、比較例1及び2の分散体に比べて、有意に高い粘度を有することがわかる。実施例1及び2の分散体が、比較例1及び2の分散体に比べて有意に高い粘度を示す理由は明らかではないが、陽イオン交換樹脂法を用いた比較例1では超高圧ホモジナイザーによる解繊処理の際にCNFの切断が起こりやすく、CNFの繊維長が短くなったため粘度が低くなったと推測され、また、塩酸法を用いた比較例2では、酸型に変換する際にポリエチレングリコールが存在しないため、PEG-塩酸法を用いた実施例1及び2よりも酸型に変換する際のCNFの凝集が強く、有機溶媒(トルエン)中で機械的に処理する際に解繊しにくくなり、粘度が低くなったと推測される。


Moreover, it can be seen that the carboxymethylated CNF dispersions of Examples 1 and 2 using toluene as a dispersion medium have significantly higher viscosities than the dispersions of Comparative Examples 1 and 2. It is not clear why the dispersions of Examples 1 and 2 exhibit significantly higher viscosities than the dispersions of Comparative Examples 1 and 2, but in Comparative Example 1 using the cation exchange resin method, It is presumed that the CNF is likely to be cut during the fibrillation treatment, and the fiber length of the CNF is shortened, resulting in a lower viscosity. Since there is no It is presumed that the viscosity decreased.


Claims (4)

金属塩型のアニオン変性セルロースと両親媒性高分子化合物とを含む混合物を準備する工程1、
工程1で得られた混合物を機械的に処理し、前記金属塩型のアニオン変性セルロースを金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーに変換して、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体を形成する工程2、及び
工程2で得られた金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを含有する分散体に酸と水溶性有機溶媒とを添加し、金属塩型のアニオン変性セルロースナノファイバーを、酸型に変換する工程3、
を含み、
前記金属塩型のアニオン変性セルロースは、セルロースの分子鎖にアニオン性基が導入されており、アニオン性基の対イオンとして金属イオンを有するセルロースであり、
前記酸型は、前記金属塩型のアニオン変性セルロースにおけるアニオン性基の対イオンの金属イオンを水素に置換した形態であり、
前記両親媒性高分子化合物は、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、セルロースアセテート、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルメチルセルロース、ニトロセルロース、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ABS樹脂、ポリイソブチレン、PMMA樹脂、ポリカーボネート、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ポリエチレングリコールとその誘導体、及び非イオン界面活性剤から選択される1以上である
酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーを製造する方法。
Step 1 of preparing a mixture containing a metal salt-type anion-modified cellulose and an amphipathic polymer compound;
The mixture obtained in step 1 is mechanically treated to convert the metal salt-type anion-modified cellulose into metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers, thereby producing a dispersion containing metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers. An acid and a water-soluble organic solvent are added to the dispersion containing the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers obtained in the step 2 of forming the body, and the metal salt-type anion-modified cellulose nanofibers. , step 3 of converting to the acid form,
including
The metal salt-type anion-modified cellulose is a cellulose in which an anionic group is introduced into the molecular chain of cellulose and has a metal ion as a counterion for the anionic group,
The acid form is a form in which the metal ion counter ion of the anionic group in the metal salt type anion-modified cellulose is substituted with hydrogen,
The amphipathic polymer compound includes hydroxypropylmethylcellulose, cellulose acetate, ethylcellulose, methylcellulose, ethylmethylcellulose, nitrocellulose, vinyl chloride resin, vinylidene chloride, polyvinyl alcohol, polystyrene, ABS resin, polyisobutylene, PMMA resin, polycarbonate, urea. one or more selected from resins, epoxy resins, unsaturated polyesters, polyethylene glycol and derivatives thereof, and nonionic surfactants ;
A method for producing an acid-type anion-modified cellulose nanofiber.
工程3の後に、濾過を行い、両親媒性高分子化合物を水溶性有機溶媒と共に除去して酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体を製造する工程4をさらに含む、請求項1に記載の方法。 2. The method according to claim 1, further comprising a step 4 of performing filtration after step 3 to remove the amphipathic polymer compound together with the water-soluble organic solvent to produce aggregates of acid-form anion-modified cellulose nanofibers. Method. 工程4で得られた酸型のアニオン変性セルロースナノファイバーの凝集体に有機溶媒を添加し、混合物を形成する工程5、
工程5で得られた混合物に疎水化剤を添加する工程6、および
工程6で得られた疎水化剤を含有する混合物を機械的に処理し、前記有機溶媒を分散媒とするアニオン変性セルロースナノファイバーの分散体を形成する工程7
をさらに含む、請求項1または2に記載の方法。
step 5 of adding an organic solvent to the aggregates of the acid-type anion-modified cellulose nanofibers obtained in step 4 to form a mixture;
Step 6 of adding a hydrophobizing agent to the mixture obtained in Step 5, and Mechanically treating the mixture containing the hydrophobizing agent obtained in Step 6 to obtain an anion-modified cellulose nano Step 7 of forming a dispersion of fibers
3. The method of claim 1 or 2, further comprising:
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、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the anion-modified cellulose nanofibers are cellulose nanofibers having a carboxyalkyl group or cellulose nanofibers having a carboxyl group.
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