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JP7274341B2 - Apparatus and method for producing chemically modified biomass nanofiber dispersion, and method for producing chemically modified biomass nanofiber - Google Patents
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本発明は、化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置および製造方法、ならびに化学修飾バイオマスナノファイバーの製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus and method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion, and a method for producing chemically modified biomass nanofibers.

世の中には、化学修飾したバイオマスナノファイバーが多く存在する。従来、このようなバイオマスナノファイバーの製造方法が種々開発されている。
例えば、特許文献1には、イオン液体と有機溶媒を含有する混合溶媒を用いてセルロース系物質またはキチン物質を膨潤および/または部分溶解させる工程と、膨潤および/または部分溶解された成分にエステル化、エーテル化または同時にエステル化とエーテル化を行う工程と、イオン液体などを除去する洗浄工程とを有することを特徴とする多糖類ナノファイバーの製造方法が開示されている。
There are many chemically modified biomass nanofibers in the world. Conventionally, various methods for producing such biomass nanofibers have been developed.
For example, Patent Document 1 discloses a step of swelling and/or partially dissolving a cellulosic material or chitin material using a mixed solvent containing an ionic liquid and an organic solvent, and esterifying the swollen and/or partially dissolved component. , etherification or simultaneous esterification and etherification, and a washing step for removing ionic liquids and the like are disclosed.

また、特許文献2には、セルロース原料を、イオン液体を含む溶液中で解繊処理する工程と、修飾剤を用いてセルロースナノファイバーの水酸基を化学修飾する工程を一段階で行う方法が開示されている。
また、特許文献3には、セルロース含有原料と、イオン性液体および希釈液からなる処理液とを混合して、解繊処理する方法が開示されている。
また、特許文献4には、リグノセルロースをアセチル化した後、熱可塑性樹脂と混練することで、疎水化セルロースナノファイバーと熱可塑性樹脂との複合体を製造する方法が開示されている。
In addition, Patent Document 2 discloses a method in which a step of fibrillating a cellulose raw material in a solution containing an ionic liquid and a step of chemically modifying the hydroxyl groups of cellulose nanofibers using a modifier are performed in one step. ing.
Further, Patent Document 3 discloses a method of defibrating by mixing a cellulose-containing raw material with a treatment liquid composed of an ionic liquid and a diluent.
Further, Patent Document 4 discloses a method of producing a composite of hydrophobic cellulose nanofibers and a thermoplastic resin by acetylating lignocellulose and then kneading it with a thermoplastic resin.

特許第5676860号Patent No. 5676860 特開2013-44076号公報JP 2013-44076 A 特開2013-155445号公報JP 2013-155445 A 特許第6091589号Patent No. 6091589

特許文献1に記載の発明は、イオン液体による膨潤および/または部分溶解工程、ホモジナイザーによる解繊工程、最後にアセチル化工程を実施しており、工程数が多く、管理の手間があった。また、化学修飾工程と解繊工程とに分けているので、トータルの処理時間が長くなってしまっていた。
特許文献2に記載の発明は、イオン液体による膨潤工程およびアセチル化工程は一度に実施しているものの、反応終了後に洗浄および回収し、最後にホモジナイザーによる解繊工程を実施しているので、やはり工程数は多い。さらに精度の点でバラつきが発生していた。
特許文献3に記載の発明は、単なるナノファイバーを製造することを目的としており、化学修飾をするものではない。
また、特許文献1~3に記載の発明は、イオン液体という特殊な試薬を用いており、汎用的な製造方法ではない。
特許文献4に記載の発明は、熱可塑性樹脂との複合化のみに有効であるため、用途は限定的である。また、得られたセルロースナノファイバーの繊維径は比較的太いため、より繊細なセルロースナノファイバーを求められる場合には適していない。
The invention described in Patent Document 1 involves a swelling and/or partial dissolution step using an ionic liquid, a fibrillation step using a homogenizer, and finally an acetylation step. In addition, since the chemical modification process and the fibrillation process are separated, the total processing time is lengthened.
In the invention described in Patent Document 2, although the swelling step with the ionic liquid and the acetylation step are performed at once, the fibers are washed and recovered after the reaction is completed, and finally the fibrillation step is performed using a homogenizer. The number of processes is large. Furthermore, there were variations in accuracy.
The invention described in Patent Literature 3 aims at simply producing nanofibers, not chemically modifying them.
Moreover, the inventions described in Patent Documents 1 to 3 use a special reagent called an ionic liquid, and are not general-purpose production methods.
The invention described in Patent Document 4 is effective only for forming a composite with a thermoplastic resin, so its application is limited. In addition, since the obtained cellulose nanofibers have a relatively large fiber diameter, it is not suitable for the case where finer cellulose nanofibers are required.

本発明は、バイオマスの化学修飾工程と解繊工程を同時に一工程で行うことができる化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置および製造方法、ならびに化学修飾バイオマスナノファイバーの製造方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide an apparatus and method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion, and a method for producing chemically modified biomass nanofibers, which can simultaneously perform a chemical modification step and a fibrillation step of biomass in one step. Make it an issue.

前記課題を解決するため、本発明に係る化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置(以下、適宜、製造装置という)は、原料タンクと、前記原料タンクに投入された、バイオマスと前記バイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を流通させる低圧配管と、前記原料タンクに投入された前記分散流体を前記低圧配管に供給する給液ポンプと、前記低圧配管に供給された前記分散流体を加圧する増圧機と、前記増圧機で加圧された前記分散流体を流通させる高圧配管と、前記高圧配管に供給された前記分散流体を、高圧噴射処理により、衝突用硬質体に衝突させる、または、互いに衝突させる衝突チャンバーと、前記衝突チャンバーで衝突させた分散流体を冷却する熱交換器と、を備え、前記低圧配管は、前記衝突チャンバーと前記熱交換器との間に反応用低圧配管を備え、前記高圧配管は、前記増圧機と前記衝突チャンバーとの間に反応用高圧配管を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, an apparatus for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion liquid (hereinafter referred to as a production apparatus as appropriate) according to the present invention includes a raw material tank, biomass put into the raw material tank, and the biomass A low-pressure pipe for circulating a dispersion fluid containing a reagent for modification, a feed pump for supplying the dispersion fluid input to the raw material tank to the low-pressure pipe, and the dispersion fluid supplied to the low-pressure pipe. A pressure intensifier that pressurizes, a high-pressure pipe through which the dispersion fluid pressurized by the pressure intensifier flows, and the dispersion fluid supplied to the high-pressure pipe collide with a collision hard body by high-pressure injection processing, or a collision chamber for colliding with each other; and a heat exchanger for cooling the dispersed fluid collided in the collision chamber, wherein the low-pressure piping connects the reaction low-pressure piping between the collision chamber and the heat exchanger. The high-pressure piping includes reaction high-pressure piping between the intensifier and the collision chamber.

また、本発明に係る化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法(以下、適宜、分散液の製造方法という)は、バイオマスと、前記バイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を、高圧噴射処理により、衝突用硬質体に衝突させる、または、互いに衝突させることで、バイオマスの化学修飾工程と解繊工程を同時に一工程で行うことを特徴とする。 In addition, the method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion according to the present invention (hereinafter referred to as a method for producing a dispersion as appropriate) comprises dispersing a dispersion fluid containing biomass and a reagent for chemically modifying the biomass under high pressure. The biomass chemical modification step and fibrillation step are simultaneously performed in one step by colliding against the collision hard body or colliding with each other by jetting.

また、本発明に係る化学修飾バイオマスナノファイバーの製造方法(以下、適宜、ナノファイバーの製造方法という)は、前記記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法で製造された化学修飾バイオマスナノファイバー分散液中の未反応の前記試薬を除去し、化学修飾バイオマスナノファイバーを回収することを特徴とする。 Further, the method for producing chemically modified biomass nanofibers according to the present invention (hereinafter referred to as a method for producing nanofibers as appropriate) is a chemically modified biomass nanofiber produced by the method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion described above. It is characterized by removing the unreacted reagent in the dispersion and recovering the chemically modified biomass nanofibers.

本発明によれば、バイオマスの化学修飾工程と解繊工程を同時に一工程で行うことができる化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置および製造方法、ならびに化学修飾バイオマスナノファイバーの製造方法を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an apparatus and method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion, and a method for producing chemically modified biomass nanofibers, in which the biomass chemical modification step and fibrillation step can be performed simultaneously in one step. .

実施形態に係る化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置の概略模式図Schematic schematic diagram of a chemically modified biomass nanofiber dispersion manufacturing apparatus according to an embodiment 実施形態に係る化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法のフローチャートFlowchart of a method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion according to an embodiment 実施例1、2における、処理回数と、置換度(DS)および温度変化との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the number of treatments, degree of substitution (DS), and temperature change in Examples 1 and 2 実施例1で得られたサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the sample obtained in Example 1 実施例2で得られたサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the sample obtained in Example 2 実施例3で得られたサンプルのSPM観察像SPM observation image of the sample obtained in Example 3 実施例4で得られたサンプルのSPM観察像SPM observation image of the sample obtained in Example 4 実施例5で得られたサンプルのSPM観察像SPM observation image of the sample obtained in Example 5 実施例1で得られた1passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of 1pass sample obtained in Example 1 実施例1で得られた6passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 6pass sample obtained in Example 1 実施例1で得られた10passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 10pass sample obtained in Example 1 実施例1で得られた14passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 14pass sample obtained in Example 1 実施例1で得られた22passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 22-pass sample obtained in Example 1 実施例1で得られた26passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 26-pass sample obtained in Example 1 実施例2で得られた1passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of 1pass sample obtained in Example 2 実施例2で得られた6passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 6pass sample obtained in Example 2 実施例2で得られた10passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 10pass sample obtained in Example 2 実施例2で得られた14passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 14pass sample obtained in Example 2 実施例2で得られた22passのサンプルのFE-SEM観察像FE-SEM observation image of the 22-pass sample obtained in Example 2

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In addition, in each figure, the same code|symbol is attached|subjected about a common component and a similar component, and those overlapping description is abbreviate|omitted suitably.

<製造装置>
まず、化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置について説明する。
本発明の実施形態に係る製造装置について、図1を適宜参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置の概略模式図である。
<Manufacturing equipment>
First, an apparatus for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion will be described.
A manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with appropriate reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion liquid according to an embodiment of the present invention.

製造装置100は、原料タンク10と、給液ポンプ20と、油圧発生および制御部30と、増圧機40と、チェックバルブ50と、衝突チャンバー60と、熱交換器70と、低圧配管80と、高圧配管90と、を備えている。 The manufacturing apparatus 100 includes a raw material tank 10, a liquid supply pump 20, a hydraulic pressure generation and control unit 30, a pressure booster 40, a check valve 50, a collision chamber 60, a heat exchanger 70, a low pressure pipe 80, A high-pressure pipe 90 is provided.

原料タンク10は、原料、具体的には、バイオマスとバイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を投入するものである。
給液ポンプ20は、原料タンク10に投入された分散流体を低圧配管80に供給するものである。
油圧発生および制御部30は、増圧機40を油圧により駆動および制御するものである。
増圧機40は、低圧配管80に供給された分散流体を加圧するものである。増圧機40は、ここでは2つ設けられており、それぞれの増圧機40は、チェックバルブ50に接続されている。
チェックバルブ50は、分散流体が一方向のみに流れ、他方向に流れるのを阻止するものである。
The raw material tank 10 is for charging a raw material, specifically, a dispersing fluid containing biomass and a reagent for chemically modifying the biomass.
The liquid supply pump 20 supplies the dispersion fluid introduced into the raw material tank 10 to the low-pressure pipe 80 .
The hydraulic pressure generation and control section 30 drives and controls the pressure booster 40 by hydraulic pressure.
The pressure booster 40 pressurizes the dispersion fluid supplied to the low pressure pipe 80 . Two pressure boosters 40 are provided here, and each pressure booster 40 is connected to a check valve 50 .
The check valve 50 prevents the dispersion fluid from flowing in only one direction and from flowing in the other direction.

衝突チャンバー60は、高圧配管90に供給された分散流体を、高圧噴射処理により、衝突用硬質体に衝突させる、または、互いに衝突させるものである。衝突チャンバー60は、オリフィスノズル61内蔵している。分散流体はオリフィスノズル61から噴射される。オリフィスノズル61の直径は、例えば、0.08~0.8mmである。直径が0.08mm以上であれば、原料がオリフィスノズル61に詰まりにくく分散流体を噴射し安い。一方、直径が0.8mm以下であれば、分散流体の噴射の際の圧力を所望の範囲に制御し易くなる。
熱交換器70は、衝突チャンバー60で衝突させた分散流体を冷却するものである。
The collision chamber 60 causes the dispersion fluid supplied to the high-pressure pipe 90 to collide with the collision hard body or with each other by high-pressure jetting. The impingement chamber 60 contains an orifice nozzle 61 . The dispersion fluid is jetted from orifice nozzles 61 . The diameter of the orifice nozzle 61 is, for example, 0.08-0.8 mm. If the diameter is 0.08 mm or more, the orifice nozzle 61 is less likely to be clogged with the raw material, and the dispersion fluid can be easily jetted. On the other hand, if the diameter is 0.8 mm or less, it becomes easier to control the pressure in the injection of the dispersion fluid within a desired range.
The heat exchanger 70 cools the dispersed fluid impinged in the impingement chamber 60 .

低圧配管80は、原料タンク10に投入された分散流体を流通させるものである。また、低圧配管80は、衝突チャンバー60で衝突させた分散流体を流通させるものである。
低圧配管80は、給液ポンプ20と増圧機40、衝突チャンバー60と熱交換器70、熱交換器70と原料タンク10とを接続している。なお、給液ポンプ20と増圧機40は、チェックバルブ50を介して低圧配管80により接続されている。低圧配管80は、衝突チャンバー60と熱交換器70との間に、低圧配管80の一部として反応用低圧配管81を備えている。
反応用低圧配管81は、バイオマスと試薬との化学反応を促進させるためのものである。
The low-pressure pipe 80 circulates the dispersion fluid introduced into the raw material tank 10 . Also, the low-pressure pipe 80 circulates the dispersion fluid that has been collided in the collision chamber 60 .
The low-pressure pipe 80 connects the liquid supply pump 20 and the pressure booster 40 , the collision chamber 60 and the heat exchanger 70 , and the heat exchanger 70 and the raw material tank 10 . The liquid supply pump 20 and the pressure booster 40 are connected by a low-pressure pipe 80 via a check valve 50 . The low pressure piping 80 includes a reaction low pressure piping 81 as part of the low pressure piping 80 between the collision chamber 60 and the heat exchanger 70 .
The reaction low-pressure pipe 81 is for promoting the chemical reaction between the biomass and the reagent.

高圧配管90は、増圧機40で加圧された分散流体を流通させるものである。
高圧配管90は、増圧機40と衝突チャンバー60とを接続している。なお、増圧機40と衝突チャンバー60は、チェックバルブ50を介して高圧配管90により接続されている。高圧配管90は、増圧機40と衝突チャンバー60との間に、高圧配管90の一部として、反応用高圧配管91を備えている。
高圧配管90は、バイオマスと試薬との化学反応を促進させるためのものである。
The high-pressure pipe 90 circulates the dispersion fluid pressurized by the pressure booster 40 .
A high-pressure pipe 90 connects the intensifier 40 and the collision chamber 60 . The pressure intensifier 40 and the collision chamber 60 are connected by a high pressure pipe 90 via a check valve 50 . The high pressure piping 90 includes a reaction high pressure piping 91 as part of the high pressure piping 90 between the intensifier 40 and the collision chamber 60 .
The high-pressure pipe 90 is for promoting the chemical reaction between biomass and reagents.

反応用低圧配管81および反応用高圧配管91は、スパイラル形状で形成されている。反応用低圧配管81および反応用高圧配管91をスパイラル形状にすることで、小さな設置面積で必要分の長さを確保できる。
反応用低圧配管81および反応用高圧配管91の長さ、太さ、角度、形状、表面処理の状態、大きさ(スパイラル円径)などに制限はない。しかし、反応用低圧配管81および反応用高圧配管91は、分散流体が通過する距離を長くすることによって、後記するように、分散流体中のバイオマスが試薬により化学修飾されるための時間を確保することができる。
なお、反応用低圧配管81および反応用高圧配管91は、スパイラル形状に限定されるものではなく、例えば、管を折り畳んだ形状であってもよい。また、設置面積を考慮しない場合は、直線状であってもよい。
The reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 are formed in a spiral shape. By making the reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 spiral, the required length can be secured with a small installation area.
There are no restrictions on the length, thickness, angle, shape, state of surface treatment, size (spiral circle diameter), etc., of the reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 . However, by lengthening the distance through which the dispersion fluid passes, the reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 ensure time for the biomass in the dispersion fluid to be chemically modified by the reagent, as will be described later. be able to.
The reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 are not limited to a spiral shape, and may be, for example, a folded pipe shape. Moreover, when the installation area is not taken into consideration, it may be linear.

反応用低圧配管81および反応用高圧配管91は、容易に脱着できるように設けられている。すなわち、反応用低圧配管81は、図1の符号Aの部位が容易に脱着可能である。また、反応用高圧配管91は、図1の符号Bの部位が容易に脱着可能である。したがって、化学修飾の内容、試薬の種類などによって、容易に反応用低圧配管81および反応用高圧配管91の長さ、太さ、角度、形状、表面処理の状態、大きさ(スパイラル円径)などを、適宜、変更、選択することが可能である。ただし、反応用低圧配管81は、他の低圧配管80と一体となっていてもよい。同様に、反応用高圧配管91は、他の高圧配管90と一体となっていてもよい。 The reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 are provided so as to be easily detachable. That is, the reaction low-pressure pipe 81 can be easily attached and detached at the portion indicated by symbol A in FIG. Also, the reaction high-pressure pipe 91 can be easily attached and detached at the portion indicated by symbol B in FIG. Therefore, depending on the content of chemical modification, the type of reagent, etc., the length, thickness, angle, shape, state of surface treatment, size (spiral circle diameter), etc. of the low-pressure reaction pipe 81 and the high-pressure reaction pipe 91 can be easily changed. can be changed or selected as appropriate. However, the reaction low-pressure pipe 81 may be integrated with the other low-pressure pipe 80 . Similarly, the reaction high-pressure pipe 91 may be integrated with another high-pressure pipe 90 .

反応用低圧配管81および反応用高圧配管91の長さは、50~20000mmであることが好ましい。長さが50mm以上であれば、バイオマスと試薬との化学反応を促進させ易くなる。また、部品加工がし易く、また、配管を取り付け易くなる。一方、長さが20000mm以下であれば、装置を小型化できる。また、部品加工がし易く、また、配管を取り付け易くなる。反応用高圧配管91および反応用低圧配管81の長さは、バイオマスと試薬との化学反応をより促進させ易くする観点から、また、部品加工のし易さおよび取り付け易さの観点から、特に100mm以上が好ましい。 The length of the reaction low-pressure pipe 81 and the reaction high-pressure pipe 91 is preferably 50 to 20000 mm. If the length is 50 mm or more, it becomes easier to promote the chemical reaction between the biomass and the reagent. Moreover, it becomes easy to process parts and to install piping. On the other hand, if the length is 20000 mm or less, the size of the device can be reduced. Moreover, it becomes easy to process parts and to install piping. The length of the reaction high-pressure pipe 91 and the reaction low-pressure pipe 81 is particularly 100 mm from the viewpoint of facilitating the chemical reaction between the biomass and the reagent, and from the viewpoint of easiness in processing parts and easiness in mounting. The above is preferable.

<製造装置の動作>
次に、製造装置100の動作の概略について説明する。
原料タンク10に投入された分散流体は、給液ポンプ20により低圧配管80に供給される。低圧配管80に供給された分散流体は、増圧機40により加圧されて高圧配管90に供給される。分散流体は、高圧配管90の反応用高圧配管91を通過する際に、分散流体中のバイオマスと試薬との化学反応が促進され、バイオマスが試薬により化学修飾される。その後、分散流体は衝突チャンバー60に供給され、衝突チャンバー60により高圧噴射されて、分散流体中のバイオマスが試薬により化学修飾されるとともに衝突によるエネルギーにより解繊される。その後、分散流体は低圧配管80に供給され、低圧配管80の反応用低圧配管81を通過する際に、分散流体中のバイオマスと試薬との化学反応が促進され、バイオマスが試薬により化学修飾される。その後、分散流体は熱交換器70に供給されて冷却される。このようにして得られた分散流体(化学修飾バイオマスナノファイバー分散液)は、回収されるか、必要に応じて、再度、原料タンク10に投入され、循環処理される。
<Operation of manufacturing equipment>
Next, an outline of the operation of the manufacturing apparatus 100 will be described.
The dispersion fluid introduced into the raw material tank 10 is supplied to the low-pressure pipe 80 by the liquid supply pump 20 . The dispersion fluid supplied to the low-pressure pipe 80 is pressurized by the pressure booster 40 and supplied to the high-pressure pipe 90 . When the dispersing fluid passes through the reaction high-pressure pipe 91 of the high-pressure pipe 90, the chemical reaction between the biomass in the dispersing fluid and the reagent is promoted, and the biomass is chemically modified by the reagent. After that, the dispersion fluid is supplied to the collision chamber 60, and is injected at high pressure by the collision chamber 60, so that the biomass in the dispersion fluid is chemically modified with the reagent and defibrated by the collision energy. After that, the dispersion fluid is supplied to the low-pressure pipe 80, and when passing through the reaction low-pressure pipe 81 of the low-pressure pipe 80, the chemical reaction between the biomass in the dispersion fluid and the reagent is promoted, and the biomass is chemically modified by the reagent. . The dispersion fluid is then supplied to heat exchanger 70 to be cooled. The dispersion fluid (chemically modified biomass nanofiber dispersion) obtained in this way is recovered, or, if necessary, is put into the raw material tank 10 again and circulated.

<分散液の製造方法>
次に、化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法の一例について説明する。
本発明の実施形態に係る分散液の製造方法について、図1、2を適宜参照しながら詳細に説明する。
図2は、実施形態に係る化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法のフローチャートである。
本実施形態の分散液の製造方法は、前記した製造装置100を用いて行うことができる。ただし、製造装置100以外の装置を用いて行ってもよい。
<Method for producing dispersion>
Next, an example of a method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion will be described.
A method for producing a dispersion liquid according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 2 is a flow chart of a method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion according to an embodiment.
The method for producing a dispersion liquid according to the present embodiment can be performed using the production apparatus 100 described above. However, a device other than the manufacturing device 100 may be used.

分散液の製造方法は、分散流体を準備する工程S101と、化学修飾および解繊する工程S102と、分散流体を冷却する工程S103と、を含み、この順に行う。また、分散流体を冷却する工程S103の後、高圧噴射処理(化学修飾および解繊する工程)を繰り返すか否かを判断し(S104)、必要であれば、工程S102、S103を繰り返す。 The dispersion manufacturing method includes a step S101 of preparing a dispersion fluid, a step S102 of chemically modifying and fibrillating, and a step S103 of cooling the dispersion fluid, which are performed in this order. After the step S103 of cooling the dispersion fluid, it is determined whether or not to repeat the high-pressure injection treatment (the step of chemical modification and fibrillation) (S104), and if necessary, steps S102 and S103 are repeated.

[分散流体を準備する工程]
分散流体を準備する工程S101は、バイオマスと、バイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を準備する工程である。
バイオマスとしては、例えば、セルロース(粉末セルロースやパルプ)、キチン、キトサンなどが挙げられる。
バイオマスを化学修飾させるための試薬としては、目的の化学反応によって異なるが、代表的なエステル化であるアセチル化を例にすると無水酢酸、塩化アセチルなどが挙げられる。
[Step of preparing dispersion fluid]
The step S101 of preparing a dispersing fluid is a step of preparing a dispersing fluid containing biomass and a reagent for chemically modifying the biomass.
Examples of biomass include cellulose (powdered cellulose and pulp), chitin, chitosan, and the like.
Reagents for chemically modifying biomass vary depending on the desired chemical reaction, but acetic anhydride, acetyl chloride, and the like are exemplified for acetylation, which is a typical esterification.

その他、分散剤や触媒を混合してもよい。分散剤としては、例えば、DMF(N,N-ジメチルホルムアミド)が挙げられる。触媒としては、例えば、DMAP(4-(ジメチルアミノ)ピリジン、4-ジメチルアミノピリジンなど)、TEA(トリエチルアミン)、ピリジンなどが挙げられる。 In addition, a dispersant or catalyst may be mixed. Dispersants include, for example, DMF (N,N-dimethylformamide). Examples of catalysts include DMAP (4-(dimethylamino)pyridine, 4-dimethylaminopyridine, etc.), TEA (triethylamine), pyridine and the like.

バイオマスと試薬との割合は特に限定されるものではなく、化学修飾の内容、試薬の種類などによって適宜調整すればよい。一例として、試薬をバイオマスに対して1.0~20.0当量添加することが挙げられる。 The ratio of biomass to reagent is not particularly limited, and may be appropriately adjusted depending on the details of chemical modification, the type of reagent, and the like. One example is adding 1.0 to 20.0 equivalents of the reagent to the biomass.

[化学修飾および解繊する工程]
化学修飾および解繊する工程S102は、バイオマスと、バイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を、高圧噴射処理により、衝突用硬質体に衝突させる、または、互いに衝突させることで、バイオマスの化学修飾工程と解繊工程を同時に一工程で行う工程である。
[Step of chemical modification and fibrillation]
In the chemical modification and fibrillation step S102, a dispersion fluid containing biomass and a reagent for chemically modifying the biomass is collided with a collision hard body or with each other by high-pressure jetting, thereby This is a process in which the chemical modification process and the fibrillation process are performed simultaneously in one process.

この工程S102では、製造装置100の原料タンク10から分散流体を増圧機40に送り、増圧機40にて高圧化し、高圧配管90に流通させて衝突チャンバー60により高圧噴射し、衝突用硬質体に衝突させた、または、互いに衝突させた後、反応用低圧配管81を流通させて、熱交換器70まで送っている。 In this step S102, the dispersion fluid is sent from the raw material tank 10 of the manufacturing apparatus 100 to the pressure booster 40, pressurized by the pressure booster 40, circulated through the high pressure pipe 90, and injected at high pressure from the collision chamber 60 to form a hard body for collision. After colliding or colliding with each other, the reaction low-pressure pipe 81 is circulated and sent to the heat exchanger 70 .

前記した製造装置100を用いることで、製造装置100が化学反応のリアクターとなり、化学修飾と解繊を同時に1工程で行うことができる。化学修飾は、一瞬で起きるものではなく、時間と相関関係がある。すなわち、化学修飾は徐々に進行していく。解繊は高圧噴射し、衝突させた回数と相関がある。したがって、かける時間、衝突させる回数によって、化学修飾の度合いと解繊の度合いが変化する。また、セルロースのエステル化およびエーテル化においては、反応中の温度を上げることで、反応が促進する。つまり、目的の化学修飾の度合い(置換度)と解繊の度合い(繊維径)になる反応条件(圧力や処理時間など)を見出し、設定することが重要である。よって、反応用高圧配管91の長さや径、高圧噴射処理の際の圧力などを、目的に応じて適宜、設定する。 By using the manufacturing apparatus 100 described above, the manufacturing apparatus 100 serves as a chemical reaction reactor, and chemical modification and fibrillation can be performed simultaneously in one step. Chemical modification does not occur instantaneously, but is correlated with time. That is, chemical modification proceeds gradually. There is a correlation with the number of collisions caused by high-pressure jetting for fibrillation. Therefore, the degree of chemical modification and the degree of fibrillation change depending on the time spent and the number of times of collision. Moreover, in the esterification and etherification of cellulose, the reaction is promoted by raising the temperature during the reaction. In other words, it is important to find and set reaction conditions (pressure, treatment time, etc.) that achieve the desired degree of chemical modification (degree of substitution) and degree of fibrillation (fiber diameter). Therefore, the length and diameter of the reaction high-pressure pipe 91, the pressure during the high-pressure injection process, and the like are appropriately set according to the purpose.

高圧噴射処理は、100~245MPaの圧力で行うことが好ましい。圧力が100MPa以上であれば、高圧噴射が行い易くなる。一方、圧力が245MPa以下であれば、製造装置100にかかる負担を軽減できる。
分散流体は、衝突チャンバー60に設けられた衝突用硬質体に衝突させてもよいし、分散流体同士を衝突させてもよい。衝突用硬質体としては、例えば、炭化タングステンを主原料とした超硬合金や窒化珪素、ジルコニア、アルミナなどの硬質セラミックスなどが挙げられる。
The high-pressure injection treatment is preferably performed at a pressure of 100-245 MPa. If the pressure is 100 MPa or higher, high-pressure injection can be easily performed. On the other hand, if the pressure is 245 MPa or less, the burden on the manufacturing apparatus 100 can be reduced.
The dispersion fluid may collide with a collision hard body provided in the collision chamber 60, or the dispersion fluids may collide with each other. Examples of the collision hard body include cemented carbides mainly made of tungsten carbide, and hard ceramics such as silicon nitride, zirconia, and alumina.

また、高圧噴射処理した後に、反応用低圧配管81により、バイオマスと試薬との化学反応、および、解繊を促進させることができる。
バイオマスの化学修飾および解繊は、化学修飾および解繊する工程S102を経ることで行われるが、高圧噴射処理により分散流体が高温になっているため、この状態を利用し、分散流体が反応用低圧配管81を通る際に、さらに化学修飾を促進させることができる。
なお、本発明は、分散流体に混合する触媒として、例えば、DMAPのような反応促進効果の高いものを用いた場合に、その効果がより発揮される。
化学修飾の種類としては、エステル化、エーテル化などが挙げられる。
In addition, after the high-pressure injection treatment, the reaction low-pressure pipe 81 can promote the chemical reaction between the biomass and the reagent, and defibration.
The chemical modification and fibrillation of biomass are performed through the chemical modification and fibrillation step S102. Chemical modification can be further promoted when passing through the low-pressure pipe 81 .
The present invention is more effective when a catalyst having a high reaction promoting effect such as DMAP is used as the catalyst mixed with the dispersion fluid.
Types of chemical modification include esterification and etherification.

[分散流体を冷却する工程]
分散流体を冷却する工程S103は、高圧噴射処理された分散流体を冷却する工程である。分散流体の冷却は、熱交換器70により行うことができる。
熱交換器70による冷却の際は、熱交換器70に流す冷却水の流量や温度を制御する。冷却水の供給方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、水道からのかけ流しやチラーを用いるなどが挙げられる。また、熱交換器70の構造は限定されるものではなく、例えば、プレート式、多重管式などが挙げられる。
[Step of cooling dispersion fluid]
The step S103 of cooling the dispersion fluid is a step of cooling the dispersion fluid that has undergone the high-pressure injection process. Cooling of the dispersing fluid can be provided by a heat exchanger 70 .
During cooling by the heat exchanger 70, the flow rate and temperature of cooling water flowing through the heat exchanger 70 are controlled. The method of supplying the cooling water is not particularly limited, and examples thereof include the use of free-flowing water from a tap and the use of a chiller. Moreover, the structure of the heat exchanger 70 is not limited, and examples thereof include a plate type and a multi-tube type.

これらの工程S101~S103を経て、化学修飾バイオマスナノファイバー分散液が製造される。化学修飾バイオマスナノファイバー分散液は、高圧噴射処理を繰り返すか否かを判断し(工程S104)、必要であれば、再度、原料タンク10に投入され、工程S102、S103を繰り返し行う。繰り返しは、複数回行ってもよい。これにより、化学修飾の度合いと解繊の度合いを調整することができる。 A chemically modified biomass nanofiber dispersion is produced through these steps S101 to S103. The chemically modified biomass nanofiber dispersion is determined whether to repeat the high-pressure injection process (step S104), and if necessary, is put into the raw material tank 10 again, and steps S102 and S103 are repeated. Repeating may be performed multiple times. Thereby, the degree of chemical modification and the degree of fibrillation can be adjusted.

化学反応は、温度の影響を大きく受ける。そのため、分散流体の温度制御は重要となる。通常、温度が高いほど化学反応は促進するため、分散流体の温度は高いほど好ましい。しかしながら、製造装置100への負担、バイオマスの耐熱性、加熱によるエネルギー消費の面を考慮すると、原料タンク10から増圧機40までは10~80℃が好ましい。つまり、原料タンク10内の分散流体の温度を10~80℃で制御することが好ましい。また、高圧配管90内では10~150℃が好ましい。つまり、高圧配管90の表面を加温することで分散流体を加温してもよく、高圧配管90内の分散流体の温度を10~150℃で制御することが好ましい。その後、衝突チャンバー60にて衝突用硬質体に衝突させる、または、お互いを衝突させた際に衝突前の分散流体の温度から約50℃上昇するため、反応用低圧配管81内の分散流体の温度は、高圧配管90内の分散流体の温度+50℃程度となる。よって、反応用低圧配管81内の分散流体の温度は、60~200℃が好ましい。もちろん、反応用低圧配管81の表面を加温して、分散流体をさらに加温してもよい。
反応用低圧配管81から熱交換器70に送られ、熱交換器70で冷却し、分散流体の温度を10~80℃に制御することで、原料タンク10内の分散流体の温度を制御できる。
Chemical reactions are greatly affected by temperature. Therefore, temperature control of the dispersing fluid is important. Generally, the higher the temperature, the faster the chemical reaction, so the higher the temperature of the dispersing fluid, the better. However, considering the load on the manufacturing apparatus 100, the heat resistance of biomass, and the energy consumption due to heating, the temperature from the raw material tank 10 to the pressure booster 40 is preferably 10 to 80.degree. In other words, it is preferable to control the temperature of the dispersion fluid in the raw material tank 10 at 10 to 80.degree. Also, the temperature in the high-pressure pipe 90 is preferably 10 to 150.degree. That is, the dispersion fluid may be heated by heating the surface of the high-pressure pipe 90, and it is preferable to control the temperature of the dispersion fluid in the high-pressure pipe 90 at 10 to 150.degree. Thereafter, the temperature of the dispersion fluid in the reaction low-pressure pipe 81 rises by about 50° C. from the temperature of the dispersion fluid before collision when it collides with the collision hard body or collides with each other in the collision chamber 60. is about +50° C. of the dispersion fluid in the high-pressure pipe 90 . Therefore, the temperature of the dispersion fluid in the reaction low-pressure pipe 81 is preferably 60 to 200.degree. Of course, the surface of the reaction low-pressure pipe 81 may be heated to further heat the dispersed fluid.
The temperature of the dispersion fluid in the raw material tank 10 can be controlled by sending it from the reaction low-pressure pipe 81 to the heat exchanger 70 and cooling it in the heat exchanger 70 to control the temperature of the dispersion fluid to 10 to 80°C.

分散流体の温度の制御は、原料タンク10、高圧配管90、反応用低圧配管81内の分散流体の液温をモニタリングし、必要に応じて実施する。分散流体の温度の制御は、熱交換器70による冷却の制御だけではなく、反応用低圧配管81や高圧配管90の表面を加熱することによっても行う。反応用低圧配管81や高圧配管90の表面を加熱する方法としては、特に限定されるものではく、例えば、配管の周りにヒーターを巻いたり、配管をオイルヒーターに漬けたり、配管を高温槽に入れたりするなどが挙げられる。また、ヒーター自体の温度制御はもちろんのこと、熱電対を用いて分散流体の温度を直接測定し、ヒーターの温度を制御することも可能である。 The temperature of the dispersion fluid is controlled by monitoring the liquid temperature of the dispersion fluid in the raw material tank 10, the high-pressure pipe 90, and the reaction low-pressure pipe 81, if necessary. The temperature of the dispersion fluid is controlled not only by controlling the cooling by the heat exchanger 70 but also by heating the surfaces of the reaction low-pressure pipe 81 and the high-pressure pipe 90 . The method for heating the surfaces of the reaction low-pressure pipe 81 and the high-pressure pipe 90 is not particularly limited. For example, putting it in. In addition to controlling the temperature of the heater itself, it is also possible to directly measure the temperature of the dispersion fluid using a thermocouple and control the temperature of the heater.

<ナノファイバーの製造方法>
ナノファイバーの製造方法は、前記した化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法で製造された化学修飾バイオマスナノファイバー分散液中の未反応の試薬を除去し、化学修飾バイオマスナノファイバーを回収するものである。
<Method for producing nanofiber>
The nanofiber production method is to remove unreacted reagents in the chemically modified biomass nanofiber dispersion produced by the chemically modified biomass nanofiber dispersion production method described above and recover the chemically modified biomass nanofibers. be.

未反応の試薬を除去する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、加圧ろ過、減圧ろ過、遠心ろ過などが挙げられる。
具体的には、例えば、まず、純水に分散液を加えて化学修飾バイオマスナノファイバーを沈殿させる。次に、ろ過によって純水を取り除き、さらに純水洗浄を繰り返すことで化学修飾バイオマスナノファイバーを得る。
Methods for removing unreacted reagents are not particularly limited, and include, for example, pressure filtration, vacuum filtration, centrifugal filtration and the like.
Specifically, for example, first, a dispersion is added to pure water to precipitate chemically modified biomass nanofibers. Next, pure water is removed by filtration, and pure water washing is repeated to obtain chemically modified biomass nanofibers.

化学修飾バイオマスナノファイバーがセルロースナノファイバー(CNF)である場合、置換度の好ましい範囲は、疎水性の付与の程度およびセルロースI型の結晶構造保持の観点から、0.05~2.5であり、より好ましくは、0.1~1.8である。
また、CNFの平均繊維径の好ましい範囲は、機能性や応用範囲の広さの観点から、3~1000nmである。より好ましくは、3~100nmである。
When the chemically modified biomass nanofibers are cellulose nanofibers (CNF), the preferred range of the degree of substitution is 0.05 to 2.5 from the viewpoint of the degree of hydrophobicity imparted and the retention of the cellulose type I crystal structure. , more preferably 0.1 to 1.8.
Moreover, the preferred range of the average fiber diameter of CNF is 3 to 1000 nm from the viewpoint of functionality and wide application range. More preferably, it is 3 to 100 nm.

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
実施例として、アセチル化の化学修飾の例を示す。なお、化学修飾はアセチル化に限定されることはなく、セルロースのエステル化やエーテル化を中心として幅広いセルロースの化学修飾に対応できる。
以下に示す実施例1~5の化学修飾およびCNF化(解繊)工程の基本装置としては、実施形態で説明した製造装置に準じた製造装置(スギノマシン社製)を用いた。なお、製造装置は、反応用高圧配管および反応用低圧配管の長さを容易に種々変更可能である。また実施例1~5および比較例1で得られたサンプルは、実施例6に記した洗浄方法で洗浄した後、回収している。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these.
As an example, an example of chemical modification of acetylation is shown. The chemical modification is not limited to acetylation, and a wide range of chemical modification of cellulose, mainly esterification and etherification of cellulose, can be dealt with.
As the basic equipment for the chemical modification and CNF formation (defibration) steps of Examples 1 to 5 below, a manufacturing equipment (manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.) according to the manufacturing equipment described in the embodiment was used. In the manufacturing apparatus, the lengths of the high-pressure reaction pipe and the low-pressure reaction pipe can be easily changed. Also, the samples obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were washed by the washing method described in Example 6 and then recovered.

[実施例1(通常回路、温度制御なし)]
ジメチルホルムアミド(DMF)に2質量%となるようにセルロース粉末を分散させ、アセチル化剤として無水酢酸をセルロース(グルコース1分子)に対して10当量、触媒としてDMAP(4-(ジメチルアミノ)ピリジン、4-ジメチルアミノピリジン)およびTEA(トリエチルアミン)をセルロース(グルコース1分子)に対して0.1当量を添加し、サンプルを作製した。そのセルロース・DMF分散液を本製造装置を用いて下記の条件で高圧処理することで、アセチル化とCNF化(解繊)の同時処理を実施した。
なお、実施例1については、14pass(14回衝突)の処理を行った後、さらに26passまで処理を実施した。
[Embodiment 1 (normal circuit, no temperature control)]
Cellulose powder was dispersed in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 2% by mass, 10 equivalents of acetic anhydride was added to cellulose (one molecule of glucose) as an acetylating agent, and DMAP (4-(dimethylamino)pyridine, 4-dimethylaminopyridine) and TEA (triethylamine) were added in an amount of 0.1 equivalent to cellulose (one molecule of glucose) to prepare a sample. The cellulose/DMF dispersion was subjected to high-pressure treatment using this production apparatus under the following conditions to simultaneously perform acetylation and CNF conversion (fibrillation).
In Example 1, after processing 14 passes (collision 14 times), processing was further performed up to 26 passes.

合計仕込量(分散流体量):3516.4g(1、6、10、14、18、22passでサンプリング、各約250g)
処理圧力:200MPa
処理回数:14回(約39min)
反応用高圧配管:105mm
反応用低圧配管:300mm
衝突前反応液温度:22~48℃
衝突後反応液温度:衝突前反応液温度+50℃
Total charged amount (dispersion fluid amount): 3516.4 g (sampling at 1, 6, 10, 14, 18, 22 passes, about 250 g each)
Processing pressure: 200 MPa
Processing times: 14 times (about 39 min)
High pressure pipe for reaction: 105 mm
Low pressure pipe for reaction: 300 mm
Pre-collision reaction liquid temperature: 22-48°C
Post-collision reaction liquid temperature: Pre-collision reaction liquid temperature + 50°C

「実施例2(反応用高圧配管延長、温度制御なし)」
ジメチルホルムアミド(DMF)に2質量%となるようにセルロース粉末を分散させ、アセチル化剤として無水酢酸をセルロース(グルコース1分子)に対して10当量、触媒としてDMAP(4-(ジメチルアミノ)ピリジン、4-ジメチルアミノピリジン)およびTEA(トリエチルアミン)をセルロース(グルコース1分子)に対して0.1当量を添加し、サンプルを作製した。そのセルロース・DMF分散液を本製造装置を用いて下記の条件で高圧処理することで、アセチル化とCNF化(解繊)の同時処理を実施した。
なお、実施例2については、14pass(14回衝突)の処理を行った後、さらに22passまで処理を実施した。
"Example 2 (extension of high pressure piping for reaction, no temperature control)"
Cellulose powder was dispersed in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 2% by mass, 10 equivalents of acetic anhydride was added to cellulose (one molecule of glucose) as an acetylating agent, and DMAP (4-(dimethylamino)pyridine, 4-dimethylaminopyridine) and TEA (triethylamine) were added in an amount of 0.1 equivalent to cellulose (one molecule of glucose) to prepare a sample. The cellulose/DMF dispersion was subjected to high-pressure treatment using this production apparatus under the following conditions to simultaneously perform acetylation and CNF conversion (fibrillation).
In Example 2, after processing 14 passes (collision 14 times), processing was further performed up to 22 passes.

合計仕込量(分散流体量):1758.3g(1、6、10、14、18passでサンプリング、各約150g)
処理圧力:200MPa
処理回数:14回(約21min)
反応用高圧配管:5684mm
反応用低圧配管:300mm
衝突前反応液温度:24~59℃
衝突後反応液温度:衝突前反応液温度+50℃
Total charged amount (dispersion fluid amount): 1758.3 g (sampling at 1, 6, 10, 14, 18 passes, about 150 g each)
Processing pressure: 200 MPa
Processing times: 14 times (about 21 min)
High pressure pipe for reaction: 5684mm
Low pressure pipe for reaction: 300mm
Pre-collision reaction liquid temperature: 24-59°C
Post-collision reaction liquid temperature: Pre-collision reaction liquid temperature + 50°C

[実施例3(触媒変更、温度制御)]
ジメチルホルムアミド(DMF)に2質量%となるようにセルロース粉末を分散させ、アセチル化剤として無水酢酸をセルロース(グルコース1分子)に対して10当量、触媒としてTEA(トリエチルアミン)をセルロース(グルコース1分子)に対して各0.1当量を添加し、サンプルを作製した。そのセルロース・DMF分散液を本製造装置を用いて下記の条件で高圧処理することで、アセチル化とCNF化(解繊)の同時処理を実施した。
[Example 3 (catalyst change, temperature control)]
Cellulose powder was dispersed in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 2% by mass, 10 equivalents of acetic anhydride was added to cellulose (1 molecule of glucose) as an acetylating agent, and TEA (triethylamine) was added to cellulose (1 molecule of glucose) as a catalyst. ) was added to prepare a sample. The cellulose/DMF dispersion was subjected to high-pressure treatment using this production apparatus under the following conditions to simultaneously perform acetylation and CNF conversion (fibrillation).

処理圧力:200MPa
処理時間:40min
反応用高圧配管:105mm
反応用低圧配管:300mm
衝突前反応液温度:35~50℃
衝突後反応液温度:衝突前反応液温度+50℃
Processing pressure: 200 MPa
Processing time: 40min
High pressure pipe for reaction: 105 mm
Low pressure pipe for reaction: 300mm
Pre-collision reaction liquid temperature: 35-50°C
Post-collision reaction liquid temperature: Pre-collision reaction liquid temperature + 50°C

[実施例4(触媒変更、温度制御)]
ジメチルホルムアミド(DMF)に2質量%となるようにセルロース粉末を分散させ、アセチル化剤として無水酢酸をセルロース(グルコース1分子)に対して10当量、触媒としてTEA(トリエチルアミン)をセルロース(グルコース1分子)に対して各0.1当量を添加し、サンプルを作製した。そのセルロース・DMF分散液を本製造装置を用いて下記の条件で高圧処理することで、アセチル化とCNF化(解繊)の同時処理を実施した。
[Example 4 (catalyst change, temperature control)]
Cellulose powder was dispersed in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 2% by mass, 10 equivalents of acetic anhydride was added to cellulose (1 molecule of glucose) as an acetylating agent, and TEA (triethylamine) was added to cellulose (1 molecule of glucose) as a catalyst. ) was added to prepare a sample. The cellulose/DMF dispersion was subjected to high-pressure treatment using this production apparatus under the following conditions to simultaneously perform acetylation and CNF conversion (fibrillation).

処理圧力:200MPa
処理時間:40min
反応用高圧配管:5684mm
反応用低圧配管:300mm
衝突前反応液温度:35~50℃
衝突後反応液温度:衝突前反応液温度+50℃
Processing pressure: 200 MPa
Processing time: 40min
High pressure pipe for reaction: 5684 mm
Low pressure pipe for reaction: 300mm
Pre-collision reaction liquid temperature: 35-50°C
Post-collision reaction liquid temperature: Pre-collision reaction liquid temperature + 50°C

[実施例5(無触媒、温度制御)]
ジメチルホルムアミド(DMF)に2質量%となるようにセルロース粉末を分散させ、アセチル化剤として無水酢酸をセルロース(グルコース1分子)に対して10当量添加し、サンプルを作製した。そのセルロース・DMF分散液を本製造装置を用いて下記の条件で高圧処理することで、アセチル化とCNF化(解繊)の同時処理を実施した。
[Example 5 (no catalyst, temperature control)]
A sample was prepared by dispersing cellulose powder in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 2% by mass, and adding 10 equivalents of acetic anhydride as an acetylating agent to cellulose (one molecule of glucose). The cellulose/DMF dispersion was subjected to high-pressure treatment using this production apparatus under the following conditions to simultaneously perform acetylation and CNF conversion (fibrillation).

処理圧力:200MPa
処理時間:40min
反応用高圧配管:5684mm
反応用低圧配管:300mm
衝突前反応液温度:35~50℃
衝突後反応液温度:衝突前反応液温度+50℃
Processing pressure: 200 MPa
Processing time: 40min
High pressure pipe for reaction: 5684mm
Low pressure pipe for reaction: 300mm
Pre-collision reaction liquid temperature: 35-50°C
Post-collision reaction liquid temperature: Pre-collision reaction liquid temperature + 50°C

[比較例1(ビーカー内アセチル化)]
ジメチルホルムアミド(DMF)に2質量%となるようにセルロース粉末を分散させ、アセチル化剤として無水酢酸をセルロース(グルコース1分子)に対して10当量、触媒としてTEA(トリエチルアミン)をセルロース(グルコース1分子)に対して各0.1当量を添加し、サンプルを作製した。そのセルロース・DMF分散液を下記の条件で撹拌し、アセチル化を実施した。
[Comparative Example 1 (acetylation in a beaker)]
Cellulose powder was dispersed in dimethylformamide (DMF) to a concentration of 2% by mass, 10 equivalents of acetic anhydride was added to cellulose (1 molecule of glucose) as an acetylating agent, and TEA (triethylamine) was added to cellulose (1 molecule of glucose) as a catalyst. ) was added to prepare a sample. The cellulose/DMF dispersion was stirred under the following conditions to carry out acetylation.

撹拌速度:150rpm
撹拌時間:40min
反応液温度:40℃
Stirring speed: 150 rpm
Stirring time: 40min
Reaction liquid temperature: 40°C

[実施例6(洗浄方法)]
本製造装置による処理後、または、撹拌による処理後、純水に処理液を加えてアセチル化CNFを沈殿させた。減圧ろ過によって純水を取り除き、さらに純水洗浄を繰り返すことでアセチル化CNFを得た。
[Example 6 (washing method)]
After the treatment by this production apparatus or after the treatment by stirring, the treated liquid was added to pure water to precipitate acetylated CNF. Pure water was removed by filtration under reduced pressure, and acetylated CNF was obtained by repeating washing with pure water.

[評価方法]
評価方法としては、反応効率をセルロース中の水酸基の置換度で評価し、解繊度を比表面積と、走査型プローブ顕微鏡(SPM)および電界放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いた形状観察で評価した。
[Evaluation method]
As an evaluation method, the reaction efficiency is evaluated by the degree of substitution of hydroxyl groups in cellulose, the degree of fibrillation is evaluated by the specific surface area, and the shape is observed using a scanning probe microscope (SPM) and a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). evaluated with

[置換度測定(反応効率評価)]
洗浄済みの実施例1~5、比較例1で得られたサンプルにアセトンを添加し、ろ過することでアセトンを除去した。その後、恒温乾燥機を用いて40℃で乾燥した。得られた乾燥サンプルの置換度(DS)は、赤外線(IR)吸収スペクトルを測定することにより求めた。なお、実施例1、2は、14passでサンプリングしたサンプルを用いたものである。
DSは下記の式にて算出した。
DS=0.0113X-0.0122(Xは1733cm-1付近のエステルカルボニルの吸収ピーク面積である。スペクトルは1315cm-1の値を1で規格化)
[Measurement of degree of substitution (evaluation of reaction efficiency)]
Acetone was added to the washed samples obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, and filtered to remove acetone. After that, it was dried at 40° C. using a constant temperature dryer. The degree of substitution (DS) of the dried sample obtained was determined by measuring the infrared (IR) absorption spectrum. In Examples 1 and 2, samples sampled at 14 passes are used.
DS was calculated by the following formula.
DS = 0.0113X - 0.0122 (X is the absorption peak area of ester carbonyl near 1733 cm -1 . The spectrum is normalized by 1 at 1315 cm -1 )

[比表面積測定(解繊度評価)]
洗浄済みの実施例1~5で得られたサンプルにt-ブタノールを添加し、よく撹拌した後、高速冷却遠心機(Suprema 21、トミー工業)を用いて4800Gで5minの遠心分離を行い、サンプルを沈降された。上澄みを除去した後、さらに除去した上澄み量と同量のt-ブタノールを添加し、よく撹拌した後、再度同条件で遠心分離を行った。この作業を2回繰り返すことで、サンプル中のDMFをt-ブタノールに置換した。その後、再度t-ブタノールに分散させ、冷凍庫で一昼夜放置することで凍結させた。凍結したサンプルは真空凍結乾燥機(ALPHA2-4,CHRIST)を用いて乾燥させた。得られた凍結乾燥サンプルは、自動比表面積/細孔分布測定装置(トライスターII 3020、島津製作所)を用いてBET法で比表面積を測定することで、CNF化したサンプルの解繊度を評価した。
[Specific surface area measurement (defibration degree evaluation)]
After adding t-butanol to the washed samples obtained in Examples 1 to 5 and stirring well, centrifugation was performed at 4800 G for 5 min using a high-speed cooling centrifuge (Suprema 21, Tommy Industry), and the sample was sedimented. After removing the supernatant, the same amount of t-butanol as the amount of the removed supernatant was added, and after stirring well, centrifugation was performed again under the same conditions. By repeating this operation twice, DMF in the sample was replaced with t-butanol. After that, it was dispersed again in t-butanol and left in a freezer for a whole day and night to freeze. Frozen samples were dried using a vacuum freeze dryer (ALPHA2-4, CHRIST). The resulting freeze-dried sample was subjected to measurement of the specific surface area by the BET method using an automatic specific surface area/pore size distribution measuring device (Tristar II 3020, Shimadzu Corporation) to evaluate the defibration degree of the CNF sample. .

[SPM観察(解繊度評価)]
洗浄済みの実施例3~5で得られたサンプルを、DMFに極低濃度で添加し、超音波処理することで均一に分散させた。その後、マイカ上に少量滴下し、乾燥させることで観察用サンプルを作製した。本サンプルをSPM(SPM-9700、島津製作所)を用いて形状観察し、解繊度を評価した。
[SPM observation (defibration degree evaluation)]
The washed samples obtained in Examples 3 to 5 were added to DMF at a very low concentration and dispersed uniformly by ultrasonic treatment. After that, a small amount of the solution was dropped on mica and dried to prepare an observation sample. The shape of this sample was observed using an SPM (SPM-9700, Shimadzu Corporation) to evaluate the defibration degree.

[FE-SEM観察(解繊度評価)]
洗浄済みの実施例1~2で得られた1、6、10、14、22passのサンプル、および、実施例1で得られた26passのサンプルを、比表面積測定に記載した方法と同様な方法で凍結乾燥した。凍結乾燥したサンプルに白金を約3nm蒸着し、観察用サンプルを作製した。本サンプルをFE-SEM(JSM-6700F、日本電子)を用いて形状観察をし、解繊度を評価した。
[FE-SEM observation (defibration degree evaluation)]
The washed 1, 6, 10, 14, and 22-pass samples obtained in Examples 1 and 2 and the 26-pass sample obtained in Example 1 were measured in the same manner as described for specific surface area measurement. Lyophilized. About 3 nm of platinum was vapor-deposited on the freeze-dried sample to prepare a sample for observation. The shape of this sample was observed using FE-SEM (JSM-6700F, JEOL Ltd.) to evaluate the defibration degree.

[結果と考察]
以上の結果を表1および図3~図6Eに示す。表1中の「-」は、比表面積の測定を行っていないものである。
図3は、実施例1、2における、処理回数と、置換度(DS)および温度変化との関係を示すグラフである。図4A~図4Eは、それぞれ、実施例1~5で得られたサンプルのFE-SEM観察像もしくはSPM観察像である。図5A~図5Fは、それぞれ、実施例1で得られた1、6、10、14、22、26passのサンプルのFE-SEM観察像である。図6A~図6Eは、それぞれ、実施例2で得られた1、6、10、14、22passのサンプルのFE-SEM観察像である。なお、図5A~図6E中の括弧内の数値は、比表面積である。また、図4Aは、図5Dを拡大したものであり、図4Bは、図6Dを拡大したものである。
また、原料セルロースの置換度は、0.00であり、原料セルロースの比表面積は、2.13m/gである。
[Results and discussion]
The above results are shown in Table 1 and FIGS. 3 to 6E. "-" in Table 1 indicates that the specific surface area was not measured.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the number of treatments, degree of substitution (DS), and temperature change in Examples 1 and 2. FIG. 4A to 4E are FE-SEM observation images and SPM observation images of the samples obtained in Examples 1 to 5, respectively. 5A to 5F are FE-SEM observation images of samples of 1, 6, 10, 14, 22 and 26 passes obtained in Example 1, respectively. 6A to 6E are FE-SEM observation images of 1, 6, 10, 14 and 22 pass samples obtained in Example 2, respectively. Numerical values in parentheses in FIGS. 5A to 6E are specific surface areas. 4A is an enlarged view of FIG. 5D, and FIG. 4B is an enlarged view of FIG. 6D.
The degree of substitution of the raw cellulose is 0.00, and the specific surface area of the raw cellulose is 2.13 m 2 /g.

Figure 0007274341000001
Figure 0007274341000001

表1に示すように、実施例1~4のいずれの条件でも、置換度および比表面積の向上が見られるため、アセチル化とCNF化の同時進行が起きていることが分かる。また、実施例1、2の各passのFE-SEM像を見てみると、pass回数が増えるたびにCNF化が進行している様子も観察できる。実施例5に関しては、無触媒のため、CNF化はかなり進行しているが、アセチル化の進行はわずかである。 As shown in Table 1, the degree of substitution and the specific surface area were improved under all conditions of Examples 1 to 4, indicating that acetylation and CNF formation proceeded simultaneously. In addition, when looking at the FE-SEM images of each pass in Examples 1 and 2, it can be observed that CNF formation progresses as the number of passes increases. As for Example 5, since there is no catalyst, CNF formation proceeds considerably, but acetylation proceeds only slightly.

実施例1、2と実施例3、4を比較すると、実施例1、2の方が置換度が高く、比表面積も高くなっている。このことから、触媒としてはTEAよりDMAPを用いる方がアセチル化の進行が早くなることが分かる。また、アセチル化が進行するほど、DMF中での解繊効率が向上し、比表面積も高くなる傾向がある。 Comparing Examples 1 and 2 with Examples 3 and 4, Examples 1 and 2 have a higher degree of substitution and a higher specific surface area. From this, it can be seen that the use of DMAP as a catalyst makes the progress of acetylation faster than that of TEA. Further, as the acetylation progresses, the fibrillation efficiency in DMF tends to improve and the specific surface area tends to increase.

実施例1と実施例2を比較すると、反応用高圧配管が長い実施例2の方がアセチル化が進行している。また、反応時間および反応温度を揃えた実施例3と実施例4を比較すると、置換度および比表面積に大きな差は見られないことが分かる。つまり、TEAのような反応促進効果の低い触媒を用いると、反応用高圧配管を長くしても反応促進効果は低いことが分かる。 Comparing Example 1 and Example 2, acetylation progresses in Example 2, which has a longer reaction high-pressure pipe. Further, when comparing Example 3 and Example 4 in which the reaction time and reaction temperature were the same, it can be seen that there is no large difference in the degree of substitution and specific surface area. In other words, it can be seen that when a catalyst such as TEA having a low reaction promotion effect is used, the reaction promotion effect is low even if the reaction high-pressure pipe is lengthened.

実施例3、4と比較例1を比較すると(同一触媒、同一時間、ほぼ同一温度)、実施例3、4では置換度が向上しているため、超高圧処理をすることによりアセチル化の反応促進効果があると考えられる。なお、比較例1では、アセチル化とCNF化(解繊)の同時処理を行うことはできない。 Comparing Examples 3 and 4 with Comparative Example 1 (same catalyst, same time, almost same temperature), the degree of substitution is improved in Examples 3 and 4; It is considered to have a stimulating effect. In addition, in Comparative Example 1, simultaneous treatment of acetylation and CNF formation (fibrillation) cannot be performed.

[結論]
本発明の製造装置および分散液の製造方法、ならびにナノファイバーの製造方法を用いることで、化学修飾とCNF化の同時進行が可能であることがわかる。
[Conclusion]
It can be seen that simultaneous progress of chemical modification and CNF formation is possible by using the production apparatus, dispersion production method, and nanofiber production method of the present invention.

10 原料タンク
20 給液ポンプ
30 油圧発生および制御部
40 増圧機
50 チェックバルブ
60 衝突チャンバー
61 オリフィスノズル
70 熱交換器
80 低圧配管
81 反応用低圧配管
90 高圧配管
91 反応用高圧配管
100 製造装置
A 反応用低圧配管の範囲
B 反応用高圧配管の範囲
REFERENCE SIGNS LIST 10 raw material tank 20 feed pump 30 hydraulic pressure generation and control unit 40 pressure booster 50 check valve 60 collision chamber 61 orifice nozzle 70 heat exchanger 80 low pressure piping 81 low pressure piping for reaction 90 high pressure piping 91 high pressure piping for reaction 100 manufacturing equipment A reaction Range of low-pressure piping for B Range of high-pressure piping for reaction

Claims (9)

原料タンクと、前記原料タンクに投入された、バイオマスと前記バイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を流通させる低圧配管と、前記原料タンクに投入された前記分散流体を前記低圧配管に供給する給液ポンプと、前記低圧配管に供給された前記分散流体を加圧する増圧機と、前記増圧機で加圧された前記分散流体を流通させる高圧配管と、前記高圧配管に供給された前記分散流体を、高圧噴射処理により、衝突用硬質体に衝突させる、または、互いに衝突させる衝突チャンバーと、前記衝突チャンバーで衝突させた分散流体を冷却する熱交換器と、を備え、
前記低圧配管は、前記衝突チャンバーと前記熱交換器との間に反応用低圧配管を備え、
前記高圧配管は、前記増圧機と前記衝突チャンバーとの間に反応用高圧配管を備えることを特徴とする化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置。
a raw material tank; a low-pressure pipe for circulating a dispersing fluid containing biomass and a reagent for chemically modifying the biomass and being put into the raw material tank; and passing the dispersion fluid put into the raw material tank to the low-pressure pipe a feed pump for supplying, a pressure intensifier for pressurizing the dispersion fluid supplied to the low-pressure pipe, a high-pressure pipe for circulating the dispersion fluid pressurized by the pressure intensifier, and the a collision chamber in which the dispersion fluid is caused to collide with the collision hard body or collide with each other by high-pressure injection treatment; and a heat exchanger that cools the dispersion fluid collided in the collision chamber;
the low pressure piping comprises reaction low pressure piping between the collision chamber and the heat exchanger;
An apparatus for producing a chemically-modified biomass nanofiber dispersion, wherein the high-pressure piping includes a reaction high-pressure piping between the pressure booster and the collision chamber.
前記反応用低圧配管および前記反応用高圧配管は、スパイラル形状であることを特徴とする請求項1に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置。 2. The apparatus for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion according to claim 1, wherein the reaction low-pressure pipe and the reaction high-pressure pipe have a spiral shape. 前記反応用低圧配管および前記反応用高圧配管の長さは、50~20000mmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置。 3. The apparatus for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion according to claim 1, wherein lengths of the reaction low-pressure pipe and the reaction high-pressure pipe are 50 to 20000 mm. 前記反応用低圧配管および前記反応用高圧配管は、脱着可能であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置。 The apparatus for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion liquid according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction low-pressure pipe and the reaction high-pressure pipe are detachable. バイオマスと、前記バイオマスを化学修飾させるための試薬とを含む分散流体を、高圧噴射処理により、衝突用硬質体に衝突させる、または、互いに衝突させることで、バイオマスの化学修飾工程と解繊工程を同時に一工程で行うことを特徴とする化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法。 A dispersion fluid containing biomass and a reagent for chemically modifying the biomass is caused to collide with a collision hard body or with each other by high-pressure jetting, thereby performing a biomass chemical modification step and a fibrillation step. A method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion, characterized in that it is carried out simultaneously in one step. 前記高圧噴射処理は、100~245MPaの圧力で行うことを特徴とする請求項5に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法。 6. The method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion liquid according to claim 5, wherein the high-pressure injection treatment is performed at a pressure of 100 to 245 MPa. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造装置を用い、前記原料タンク内の前記分散流体の温度を10~80℃で制御し、前記高圧配管内の前記分散流体の温度を10~150℃で制御し、前記反応用低圧配管内の前記分散流体の温度を60~200℃に制御することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法。 Using the chemically modified biomass nanofiber dispersion manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4, the temperature of the dispersion fluid in the raw material tank is controlled at 10 to 80 ° C., and the high pressure pipe The temperature of the dispersion fluid in the reaction low-pressure pipe is controlled at 10 to 150°C, and the temperature of the dispersion fluid in the reaction low-pressure pipe is controlled at 60 to 200°C. A method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion. 前記高圧噴射処理を繰り返し行うことを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法。 The method for producing a chemically modified biomass nanofiber dispersion according to any one of claims 5 to 7, wherein the high pressure injection treatment is repeated. 請求項5から請求項8のいずれか一項に記載の化学修飾バイオマスナノファイバー分散液の製造方法で製造された化学修飾バイオマスナノファイバー分散液中の未反応の前記試薬を除去し、化学修飾バイオマスナノファイバーを回収することを特徴とする化学修飾バイオマスナノファイバーの製造方法。 The unreacted reagent in the chemically modified biomass nanofiber dispersion produced by the chemically modified biomass nanofiber dispersion production method according to any one of claims 5 to 8 is removed, and chemically modified biomass A method for producing chemically modified biomass nanofibers, which comprises recovering nanofibers.
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