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JP7394573B2 - modified cellulose - Google Patents
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Description

本発明は改質セルロースに関する。更に詳しくは、本発明は、日用雑貨品、家電部品、自動車部品、三次元造形用樹脂等にフィラーとして好適に配合し得る改質セルロース、ならびに該改質セルロースの製造方法に関する。 The present invention relates to modified cellulose. More specifically, the present invention relates to a modified cellulose that can be suitably incorporated as a filler into daily necessities, home appliance parts, automobile parts, resins for three-dimensional modeling, etc., and a method for producing the modified cellulose.

従来、有限な資源である石油由来のプラスチック材料が多用されていたが、近年、環境に対する負荷の少ない技術が脚光を浴びるようになり、かかる技術背景の下、天然に多量に存在するバイオマスであるセルロースを用いた材料が注目されている。 In the past, plastic materials derived from petroleum, which is a finite resource, were often used, but in recent years, technologies with less environmental impact have been in the spotlight, and against this technological background, biomass, which naturally exists in large quantities, has been used. Materials using cellulose are attracting attention.

例えば特許文献1には、吸湿性とともに熱時着色の改善されたセルロース繊維を提供すること等を目的として、セルロースの水酸基の一部がカルボキシル基およびアルデヒド基の少なくとも一方で置換されてなるセルロース繊維であって、前記セルロースの水酸基の置換されていない残基の少なくとも一部がアセチル基により置換された、特定の置換基構造を有する改質セルロース繊維が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a cellulose fiber in which a part of the hydroxyl groups of cellulose is substituted with at least one of a carboxyl group and an aldehyde group, for the purpose of providing a cellulose fiber with improved hygroscopicity and heat coloring. Disclosed is a modified cellulose fiber having a specific substituent structure, in which at least a portion of the unsubstituted hydroxyl residues of the cellulose are substituted with acetyl groups.

特開2011-99064号公報Japanese Patent Application Publication No. 2011-99064

前記特許文献1において具体的に開示されている改質セルロース繊維は、原料のカルボキシ基を有するセルロースをフィルム化した後に、無水酢酸、酢酸ナトリウムの修飾剤で表面のアセチル化改質を行う方法によって調製されている。しかし、本発明者らが、当該方法に従って改質セルロース繊維を調製したところ、再分散性が十分ではなく、また製造面においても、実用的な生産性が得られない場合があることから、かかる技術は使用場面が非常に限定的であり、環境負荷や製造コスト低減の観点から更なる改善が求められる。 The modified cellulose fiber specifically disclosed in Patent Document 1 is produced by a method in which the raw material cellulose having a carboxy group is formed into a film, and then the surface is acetylated and modified using modifiers such as acetic anhydride and sodium acetate. It is prepared. However, when the present inventors prepared modified cellulose fibers according to the method, the redispersibility was insufficient, and practical productivity may not be obtained in terms of production. The use of this technology is extremely limited, and further improvements are required from the perspective of reducing environmental impact and manufacturing costs.

かかる事項を鑑みて、本発明は、各種溶媒に配合した際に、安定分散可能で、再分散性に優れた改質セルロース、及びその製造方法に関する。 In view of such matters, the present invention relates to a modified cellulose that can be stably dispersed and has excellent redispersibility when blended with various solvents, and a method for producing the same.

そこで、本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、セルロースにイオン性基と非イオン性置換基を導入することにより得られた改質セルロースは、溶媒除去後でもセルロースの凝集を起こすことなく、再分散性に優れたものであることを見出した。 Therefore, as a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that modified cellulose obtained by introducing ionic groups and nonionic substituents into cellulose has the ability to retain cellulose even after solvent removal. It has been found that it has excellent redispersibility without causing aggregation.

本発明は、下記〔1〕~〔4〕に関する。
〔1〕 イオン性基及び非イオン性置換基を有し、セルロースI型結晶構造を有する改質セルロースであって、該非イオン性置換基はエーテル結合を介してセルロースと結合している改質セルロース。
〔2〕 原料のセルロースに対し、イオン性基を導入する工程、及び非イオン性置換基をエーテル結合を介してセルロースのヒドロキシ基に導入する工程を有する、セルロースI型結晶構造を有する改質セルロースの製造方法。
〔3〕 イオン性基を有するセルロースのヒドロキシ基にエーテル結合を介して非イオン性置換基を導入する工程を含む、前記〔2〕に記載の製造方法。
〔4〕 非イオン性置換基を有するセルロースのヒドロキシ基にイオン性基を導入する工程を含む、前記〔2〕又は〔3〕に記載の製造方法。
The present invention relates to the following [1] to [4].
[1] A modified cellulose having an ionic group and a nonionic substituent and having a cellulose I type crystal structure, wherein the nonionic substituent is bonded to the cellulose via an ether bond. .
[2] Modified cellulose having a cellulose type I crystal structure, which includes a step of introducing an ionic group into the raw material cellulose, and a step of introducing a nonionic substituent into the hydroxyl group of the cellulose via an ether bond. manufacturing method.
[3] The production method according to [2] above, which includes a step of introducing a nonionic substituent into the hydroxyl group of cellulose having an ionic group via an ether bond.
[4] The production method described in [2] or [3] above, which includes a step of introducing an ionic group into a hydroxyl group of cellulose having a nonionic substituent.

本発明の改質セルロースは、溶媒の除去過程においてセルロースの凝集を起こすことなく、再分散性に優れており、粉体として扱うことができるため、製造時、流通時又は保存時におけるハンドリング性の向上や、用途展開の拡大という優れた効果を奏するものである。 The modified cellulose of the present invention does not cause cellulose aggregation during the solvent removal process, has excellent redispersibility, and can be handled as a powder, making it easy to handle during production, distribution, and storage. This has the excellent effect of improving performance and expanding the range of applications.

<改質セルロース>
本発明の改質セルロースは、セルロースに二種類の置換基、即ち、イオン性基及び非イオン性置換基を有していることを特徴とする。ここで、前記非イオン性置換基はエーテル結合を介してセルロースと結合しており、本明細書において、「エーテル結合を介してセルロースと結合」とは、セルロースのヒドロキシ基と後述のエーテル化剤とが反応して、エーテル化剤が有する非イオン性置換基が、セルロースのヒドロキシ基から水素原子を除いた基にエーテル結合した状態を意味する。さらに本発明の改質セルロースはセルロースI型結晶構造を有することを特徴とする。
<Modified cellulose>
The modified cellulose of the present invention is characterized in that cellulose has two types of substituents, namely, an ionic group and a nonionic substituent. Here, the nonionic substituent is bonded to cellulose via an ether bond, and in this specification, "bonded to cellulose via an ether bond" refers to the hydroxy group of cellulose and the etherification agent described below. This means a state in which the nonionic substituent of the etherifying agent is ether bonded to a group obtained by removing a hydrogen atom from a hydroxyl group of cellulose. Furthermore, the modified cellulose of the present invention is characterized by having a cellulose I type crystal structure.

かかる本発明の改質セルロースが再分散性に優れることの推定されるメカニズムとしては、詳細は不明だが、非イオン性置換基がエーテル結合を介してセルロースのヒドロキシ基に導入されることで、何らかの効果を発現しているものと考えられる。本明細書において「再分散性」とは、乾燥した状態の改質セルロースを媒体に懸濁させたときの分散性をいう。 Although the details are unknown, the presumed mechanism for the superior redispersibility of the modified cellulose of the present invention is that nonionic substituents are introduced into the hydroxyl groups of cellulose via ether bonds, resulting in some kind of It is considered that the effect is being realized. As used herein, "redispersibility" refers to the dispersibility when dry modified cellulose is suspended in a medium.

本発明の改質セルロースの一つの好ましい態様は、下記一般式(Ce)で示される構造を有する。 One preferred embodiment of the modified cellulose of the present invention has a structure represented by the following general formula (Ce).

Figure 0007394573000001
Figure 0007394573000001

(式中、Rはそれぞれ独立して、水素原子、イオン性基及び非イオン性置換基からなる群より選択され、Rの少なくとも一つはイオン性基であり、かつRの少なくとも一つは非イオン性置換基である。mは20以上3,000以下の整数である。) (wherein each R is independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, an ionic group, and a nonionic substituent, at least one of R is an ionic group, and at least one of R is a nonionic substituent) It is an ionic substituent. m is an integer from 20 to 3,000.)

本発明において、より好ましい態様の改質セルロースは、セルロースを構成するグルコースの6位のヒドロキシ基の一部又は全てがカルボキシ基で置換され、かつ、3位又は4位の一部又は全ての炭素原子に、エーテル結合を介して非イオン性置換基が結合した構造を有する改質セルロースである。 In a more preferred embodiment of the present invention, the modified cellulose is such that a part or all of the hydroxyl group at the 6-position of glucose constituting the cellulose is substituted with a carboxy group, and a part or all of the carbon atoms at the 3- or 4-position are substituted with a carboxy group. It is a modified cellulose having a structure in which nonionic substituents are bonded to atoms via ether bonds.

〔イオン性基〕
イオン性基としてはアニオン性基及びカチオン性基が挙げられる。アニオン性基としては、例えば、カルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基などが挙げられ、カチオン性基としては、その基内にアンモニウム、ホスホニウム、スルホニウムなどのオニウムを有する基などが挙げられる。セルロースへの導入効率の観点から、好ましくはアニオン性基であり、より好ましくはカルボキシ基である。イオン性基は、単独で又は2種以上を組み合わせて導入されていてもよい。
[Ionic group]
Ionic groups include anionic groups and cationic groups. Examples of the anionic group include a carboxy group, a sulfonic acid group, and a phosphoric acid group, and examples of the cationic group include groups having onium in the group, such as ammonium, phosphonium, and sulfonium. From the viewpoint of introduction efficiency into cellulose, anionic groups are preferred, and carboxy groups are more preferred. The ionic groups may be introduced singly or in combination of two or more.

本発明における、イオン性基を含むセルロースは、セルロース中にアニオン性基を含むようにアニオン変性されたセルロース、すなわちアニオン変性セルロースであっても良い。アニオン変性セルロースの好ましい態様として、後述のTEMPO酸化由来のもの、即ち、セルロース構成単位のC6位のヒドロキシ基(-CHOH)がカルボキシ基(-COOH又は-COO;Xは金属イオン又は有機カチオン)に変換されたセルロースが挙げられる(本明細書において、かかるカルボキシ基に変換されたセルロースを「酸化セルロース」という場合がある。)。ここで、前記金属イオンとしては、再分散性の観点から好ましくはアルカリ金属イオンであり、ナトリウムイオン、カリウムイオンが例示される。前記有機カチオンとしては、再分散性の観点から好ましくは1~4級のアンモニウムカチオンであり、アンモニア、アルキルアミン、共重合部を伴う炭化水素基を有するアルキルアミンが例示される。アルキルアミンの具体例としては、特開2019-094388号公報の段落0055に記載の第1級アミン~第3級アミン及び第4級アンモニウム化合物が挙げられ、共重合部を伴う炭化水素基を有するアルキルアミンとしては、特開2019-094388号公報の段落0069~0077に記載のEOPOアミンが挙げられる。 In the present invention, the cellulose containing an ionic group may be an anion-modified cellulose such that the cellulose contains an anionic group, that is, an anion-modified cellulose. A preferred embodiment of the anion-modified cellulose is one derived from TEMPO oxidation, which will be described later, in which the hydroxy group (-CH 2 OH) at the C6 position of the cellulose structural unit is a carboxy group (-COOH or -COO - X + ; X + is a metal ions or organic cations) (herein, cellulose converted to such carboxy groups may be referred to as "oxidized cellulose"). Here, the metal ion is preferably an alkali metal ion from the viewpoint of redispersibility, and examples thereof include sodium ion and potassium ion. The organic cation is preferably a primary to quaternary ammonium cation from the viewpoint of redispersibility, and examples include ammonia, an alkylamine, and an alkylamine having a hydrocarbon group with a copolymerization moiety. Specific examples of alkyl amines include primary amines to tertiary amines and quaternary ammonium compounds described in paragraph 0055 of JP-A-2019-094388, which have a hydrocarbon group with a copolymerized part. Examples of the alkylamine include EOPO amines described in paragraphs 0069 to 0077 of JP 2019-094388A.

(イオン性基の含有量)
改質セルロースにおけるイオン性基含有量としては、再分散性の観点から、好ましくは0.1mmol/g-セルロース以上、より好ましくは0.4mmol/g-セルロース以上、更に好ましくは0.6mmol/g-セルロース以上である。また、取り扱い性を向上させる観点から、好ましくは3mmol/g-セルロース以下、より好ましくは2mmol/g-セルロース以下、更に好ましくは1.8mmol/g-セルロース以下、更に好ましくは1.5mmol/g-セルロース以下である。なお、「イオン性基含有量」とは、改質セルロース中のイオン性基の総量を意味し、イオン性基がアニオン性基(カルボキシ基)の場合、改質セルロース中のアニオン性基(カルボキシ基)の総量を意味する。なお、上述カルボキシ基は、-COOH又は-COO;Xは金属イオン又は有機カチオンと定義する。「g-セルロース」とは、「改質セルロースからイオン性基及び非イオン性置換基を除いたセルロースの1g」を意味する。イオン性基がアニオン性基の場合のアニオン性基含有量は、後述の実施例に記載の方法により測定される。
(Content of ionic groups)
From the viewpoint of redispersibility, the ionic group content in the modified cellulose is preferably 0.1 mmol/g-cellulose or more, more preferably 0.4 mmol/g-cellulose or more, and even more preferably 0.6 mmol/g. - More than cellulose. In addition, from the viewpoint of improving handling properties, it is preferably 3 mmol/g-cellulose or less, more preferably 2 mmol/g-cellulose or less, even more preferably 1.8 mmol/g-cellulose or less, and even more preferably 1.5 mmol/g-cellulose. It is lower than cellulose. In addition, "ionic group content" means the total amount of ionic groups in the modified cellulose, and when the ionic groups are anionic groups (carboxy groups), the anionic groups (carboxy groups) in the modified cellulose are means the total amount of Note that the above-mentioned carboxy group is defined as -COOH or -COO - X + ; X + is a metal ion or an organic cation. "g-cellulose" means "1 g of cellulose obtained by removing ionic groups and nonionic substituents from modified cellulose". When the ionic group is an anionic group, the anionic group content is measured by the method described in Examples below.

〔非イオン性置換基〕
非イオン性置換基とは、例えば、酸素原子を有していても良い一価の炭化水素基である。非イオン性置換基の炭素数としては、再分散性の観点から、好ましくは2以上、より好ましくは4以上、より好ましくは6以上、より好ましくは10以上であり、一方、非イオン性置換基の導入効率の観点から、好ましくは100以下、より好ましくは50以下、より好ましくは30以下、より好ましくは20以下である。
[Nonionic substituent]
The nonionic substituent is, for example, a monovalent hydrocarbon group that may have an oxygen atom. From the viewpoint of redispersibility, the number of carbon atoms in the nonionic substituent is preferably 2 or more, more preferably 4 or more, more preferably 6 or more, and even more preferably 10 or more. From the viewpoint of introduction efficiency, it is preferably 100 or less, more preferably 50 or less, more preferably 30 or less, and even more preferably 20 or less.

より具体的には、以下の一般式(1)、(2)、及び(3)からなる群より選択される1種以上の置換基が、非イオン性置換基として好ましい。なお、一般式(1)に該当する置換基は複数個存在するが、セルロースに導入される一般式(1)としての置換基は同一であっても2種以上であってもよい。このことは一般式(2)及び(3)においても同様である。
-R (1)
-CH-CH(OH)-R (2)
-CH-CH(OH)-CH-(OA)-O-R (3)
(式中、Rは炭素数2以上100以下の炭化水素基であり、Rは炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、Rは炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、nは0以上100以下の数であり、Aは炭素数1以上6以下の2価の炭化水素基である。)
More specifically, one or more substituents selected from the group consisting of the following general formulas (1), (2), and (3) are preferable as the nonionic substituent. In addition, although there are a plurality of substituents corresponding to general formula (1), the substituents as general formula (1) introduced into cellulose may be the same or two or more types. This also applies to general formulas (2) and (3).
-R 1 (1)
-CH 2 -CH(OH)-R 2 (2)
-CH 2 -CH(OH)-CH 2 -(OA) n -O-R 3 (3)
(In the formula, R 1 is a hydrocarbon group having 2 to 100 carbon atoms, R 2 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms, and R 3 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms. (n is a number from 0 to 100, and A is a divalent hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms.)

一般式(1)におけるRの炭素数は、再分散性発現の観点から、好ましくは3以上、より好ましくは4以上であり、入手性及び反応性の観点から、好ましくは30以下、より好ましくは25以下、更に好ましくは20以下である。Rの好ましい具体例としては、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、2-エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、イコシル基、トリアコンチル基等の飽和アルキル基;ビニル基、アリル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、ヘキサデセニル基、オクタデセニル基等の不飽和アルキル基;シクロヘキシル基、フェニル基、ベンジル基、ナフチル基、トリチル基等の環状構造を有する置換基が例示される。 The number of carbon atoms in R 1 in general formula (1) is preferably 3 or more, more preferably 4 or more from the viewpoint of redispersibility, and preferably 30 or less, more preferably from the viewpoint of availability and reactivity. is 25 or less, more preferably 20 or less. Preferred specific examples of R 1 include a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group, an octyl group, a 2-ethylhexyl group, a nonyl group, a decyl group, an undecyl group, a dodecyl group, a hexadecyl group, an octadecyl group, Saturated alkyl groups such as icosyl group and triacontyl group; unsaturated alkyl groups such as vinyl group, allyl group, hexenyl group, heptenyl group, octenyl group, nonenyl group, decenyl group, undecenyl group, dodecenyl group, hexadecenyl group, octadecenyl group; Examples include substituents having a cyclic structure such as a cyclohexyl group, a phenyl group, a benzyl group, a naphthyl group, and a trityl group.

一般式(2)におけるRの炭素数は、再分散性発現の観点から、好ましくは2以上、より好ましくは3以上、更に好ましくは4以上であり、入手性及び反応性の観点から、好ましくは30以下、より好ましくは25以下、更に好ましくは20以下である。Rの好ましい具体例としては、メチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、2-エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、イコシル基、トリアコンチル基等の飽和アルキル基;ビニル基、アリル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、ヘキサデセニル基、オクタデセニル基等の不飽和アルキル基;シクロヘキシル基、フェニル基、ベンジル基、ナフチル基、トリチル基等の環状構造を有する置換基が例示される。 The number of carbon atoms in R 2 in general formula (2) is preferably 2 or more, more preferably 3 or more, even more preferably 4 or more from the viewpoint of redispersibility, and from the viewpoint of availability and reactivity, it is preferable. is 30 or less, more preferably 25 or less, even more preferably 20 or less. Preferred specific examples of R2 include a methyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group, an octyl group, a 2-ethylhexyl group, a nonyl group, a decyl group, an undecyl group, a dodecyl group, a hexadecyl group, Saturated alkyl groups such as octadecyl, icosyl and triacontyl groups; unsaturated such as vinyl, allyl, hexenyl, heptenyl, octenyl, nonenyl, decenyl, undecenyl, dodecenyl, hexadecenyl and octadecenyl groups Alkyl group: Examples include substituents having a cyclic structure such as cyclohexyl group, phenyl group, benzyl group, naphthyl group, and trityl group.

一般式(3)におけるRの好ましい炭素数の範囲及び好ましい具体例は、前記の一般式(2)におけるRのそれらと同様である。 The preferable carbon number range and preferable specific examples of R 3 in general formula (3) are the same as those of R 2 in general formula (2).

一般式(3)におけるAは、炭素数1以上6以下の2価の飽和炭化水素基であり、隣接する酸素原子とオキシアルキレン基を形成する。入手性及びコストの観点から、Aの炭素数は好ましくは2以上であり、同様の観点から、好ましくは4以下、より好ましくは3以下である。Aの好ましい具体例としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基等が例示される。 A in general formula (3) is a divalent saturated hydrocarbon group having 1 or more and 6 or less carbon atoms, and forms an oxyalkylene group with an adjacent oxygen atom. From the viewpoint of availability and cost, the number of carbon atoms in A is preferably 2 or more, and from the same viewpoint, preferably 4 or less, more preferably 3 or less. Preferred specific examples of A include methylene group, ethylene group, propylene group, butylene group, pentylene group, hexylene group, and the like.

一般式(3)におけるnはアルキレンオキサイドの付加モル数を示す。入手性及びコストの観点から、nは好ましくは3以上、より好ましくは5以上、更に好ましくは10以上であり、同様の観点から、好ましくは40以下、より好ましくは30以下、更に好ましくは20以下、更に好ましくは15以下である。あるいは、アルキレンオキサイドが付加されない態様も好ましく、この場合、n=0である。 n in general formula (3) represents the number of moles of alkylene oxide added. From the viewpoint of availability and cost, n is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, even more preferably 10 or more, and from the same viewpoint, preferably 40 or less, more preferably 30 or less, even more preferably 20 or less. , more preferably 15 or less. Alternatively, an embodiment in which no alkylene oxide is added is also preferred, and in this case, n=0.

一般式(3)で示される置換基における、nとAの好ましい組み合わせとしては、nが0以上20以下の数であり、Aが炭素数2以上3以下の2価の飽和炭化水素基である。 A preferred combination of n and A in the substituent represented by general formula (3) is that n is a number of 0 to 20, and A is a divalent saturated hydrocarbon group having 2 to 3 carbon atoms. .

(非イオン性置換基の導入率(モル置換度))
本発明の改質セルロースにおいて、セルロースの無水グルコースユニット1モルに対する非イオン性置換基が導入されたモル量(モル置換度:MS)は、再分散性発現の観点から、好ましくは0.001以上であり、より好ましくは0.005以上であり、より好ましくは0.01以上であり、更に好ましくは0.03以上である。一方、コストの観点から、MSとしては、好ましくは1.5以下であり、より好ましくは1.0以下であり、更に好ましくは0.75以下である。なお、本明細書において、無水グルコースユニットを「AGU」と略記することがある。ここで、非イオン性置換基が複数種の置換基で構成されている場合、非イオン性置換基のMSは各置換基のMSの合計である。本明細書において、モル置換度(MS)は、後述の実施例に記載の方法に従って測定することができる。
(Introduction rate of nonionic substituent (molar degree of substitution))
In the modified cellulose of the present invention, the molar amount (molar substitution degree: MS) of nonionic substituents introduced per mole of anhydroglucose units of cellulose is preferably 0.001 or more from the viewpoint of redispersibility. It is more preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more, and still more preferably 0.03 or more. On the other hand, from the viewpoint of cost, MS is preferably 1.5 or less, more preferably 1.0 or less, and still more preferably 0.75 or less. In addition, in this specification, anhydroglucose unit may be abbreviated as "AGU". Here, when the nonionic substituent is composed of multiple types of substituents, the MS of the nonionic substituent is the sum of the MS of each substituent. In this specification, the degree of molar substitution (MS) can be measured according to the method described in Examples below.

〔セルロースI型結晶構造及び結晶化度〕
本発明の改質セルロースは、その原料として天然セルロースを使用していることに起因して、セルロースI型結晶構造を有する。
本発明の改質セルロースの結晶化度は、改質セルロースを樹脂組成物に適用した際に得られる成形体の強度発現の観点から、好ましくは10%以上であり、より好ましくは15%以上であり、更に好ましくは20%以上である。また、原料入手性の観点から、好ましくは90%以下であり、より好ましくは85%以下であり、更に好ましくは80%以下であり、更に好ましくは75%以下である。
[Cellulose type I crystal structure and crystallinity]
The modified cellulose of the present invention has a cellulose type I crystal structure due to the use of natural cellulose as its raw material.
The degree of crystallinity of the modified cellulose of the present invention is preferably 10% or more, more preferably 15% or more, from the viewpoint of strength development of a molded product obtained when the modified cellulose is applied to a resin composition. It is more preferably 20% or more. Further, from the viewpoint of raw material availability, it is preferably 90% or less, more preferably 85% or less, still more preferably 80% or less, and still more preferably 75% or less.

本明細書において、セルロースの結晶化度は、X線回折法による回折強度値から算出したセルロースI型結晶化度であり、後述の実施例に記載の方法に従って測定することができる。セルロースI型とは天然セルロースの結晶形のことであり、セルロースI型結晶化度とは、セルロース全体のうち結晶領域量の占める割合のことを意味する。セルロースI型結晶構造の有無は、後述の実施例に記載のX線回折測定において、2θ=22.6°にピークがあることで判定することができる。 In this specification, the crystallinity of cellulose is cellulose type I crystallinity calculated from the diffraction intensity value by X-ray diffraction, and can be measured according to the method described in Examples below. Cellulose type I is a crystalline form of natural cellulose, and cellulose type I crystallinity refers to the ratio of crystalline regions to the total cellulose. The presence or absence of a cellulose type I crystal structure can be determined by the presence of a peak at 2θ=22.6° in the X-ray diffraction measurement described in Examples below.

〔平均繊維径〕
本発明の改質セルロースの平均繊維径の好適な範囲は、原料のセルロースと同様の範囲であってもよく、必要に応じて微細化を行い、数ナノメートル~数百ナノメートルの平均繊維径であってもよい。後者の場合、改質セルロースの平均繊維径は、取扱い性、入手性、及びコストの観点から、好ましくは1nm以上、より好ましくは3nm以上、更に好ましくは10nm以上、更に好ましくは20nm以上であり、取扱い性の観点から、好ましくは1μm未満、好ましくは500nm以下、より好ましくは300nm以下、更に好ましくは200nm以下である。改質セルロース等の各種セルロースの平均繊維径等は、具体的には後述の実施例に記載の方法により測定される。
[Average fiber diameter]
The preferred range of the average fiber diameter of the modified cellulose of the present invention may be the same range as that of the raw material cellulose, and if necessary, the average fiber diameter of the modified cellulose may be refined from several nanometers to several hundred nanometers. It may be. In the latter case, the average fiber diameter of the modified cellulose is preferably 1 nm or more, more preferably 3 nm or more, still more preferably 10 nm or more, and even more preferably 20 nm or more, from the viewpoints of handling, availability, and cost. From the viewpoint of handleability, the diameter is preferably less than 1 μm, preferably 500 nm or less, more preferably 300 nm or less, and still more preferably 200 nm or less. The average fiber diameter of various celluloses such as modified cellulose is specifically measured by the method described in Examples below.

〔平均繊維長〕
改質セルロースの平均繊維長は、例えば、後述の微細化処理を行った場合、好ましくは150nm以上、1,000nm以下である。一方、微細化処理を行わない場合の平均繊維長は特に限定されず、原料のセルロースと同程度でよい。かかる範囲の平均繊維長を有する改質セルロースは、前記一般式(Ce)における「mは20以上3,000以下の整数である」ことを満たすものである。改質セルロースの平均繊維長は、後述の実施例に記載の方法によって測定することができる。
[Average fiber length]
The average fiber length of the modified cellulose is preferably 150 nm or more and 1,000 nm or less, for example, when the below-mentioned micronization treatment is performed. On the other hand, the average fiber length in the case where the micronization treatment is not performed is not particularly limited, and may be approximately the same as that of the raw material cellulose. The modified cellulose having an average fiber length within this range satisfies the condition "m is an integer of 20 or more and 3,000 or less" in the general formula (Ce). The average fiber length of modified cellulose can be measured by the method described in Examples below.

<改質セルロースの製造方法>
本発明のセルロースI型結晶構造を有する改質セルロースの製造方法は、原料のセルロースに対し、イオン性基を導入する工程、及び非イオン性置換基をエーテル結合を介してセルロースのヒドロキシ基を導入する工程を有する。本発明の製造方法において、イオン性基を導入する工程及び非イオン性置換基を導入する工程とは、どちらの工程を先に実施しても構わない。
<Production method of modified cellulose>
The method for producing modified cellulose having a cellulose type I crystal structure of the present invention includes a step of introducing an ionic group into cellulose as a raw material, and a step of introducing a nonionic substituent into a hydroxyl group of cellulose through an ether bond. It has a process of In the production method of the present invention, either the step of introducing an ionic group or the step of introducing a nonionic substituent may be performed first.

具体的には、イオン性基を有するセルロースのヒドロキシ基にエーテル結合を介して非イオン性置換基を導入する工程を含む、セルロースI型結晶構造を有する改質セルロースの製造方法(態様1)、及び非イオン性置換基を有するセルロースのヒドロキシ基にイオン性基を導入する工程を含む、セルロースI型結晶構造を有する改質セルロースの製造方法(態様2)が挙げられる。 Specifically, a method for producing a modified cellulose having a cellulose I type crystal structure (aspect 1), which includes a step of introducing a nonionic substituent into a hydroxyl group of cellulose having an ionic group via an ether bond; and a method for producing a modified cellulose having a cellulose type I crystal structure (aspect 2), which includes a step of introducing an ionic group into a hydroxyl group of cellulose having a nonionic substituent.

〔原料のセルロース〕
本発明で用いられる原料のセルロースは、木本系(針葉樹・広葉樹)、草本系(イネ科、アオイ科、マメ科の植物原料、ヤシ科の植物の非木質原料)、パルプ類(綿の種子の周囲の繊維から得られるコットンリンターパルプ等)、紙類(新聞紙、段ボール、雑誌、上質紙等)等が挙げられる。なかでも、入手性及びコストの観点から、木本系、草本系が好ましい。
[Raw material cellulose]
The raw material cellulose used in the present invention is woody (coniferous and broad-leaved trees), herbaceous (grass, mallow, leguminous plant materials, non-woody palm material of palmaceous plants), and pulp (cotton seeds). (cotton linter pulp, etc. obtained from the surrounding fibers), papers (newspapers, cardboard, magazines, high-quality paper, etc.), and the like. Among these, woody plants and herbaceous plants are preferred from the viewpoint of availability and cost.

原料のセルロースの形状は、特に制限はないが、取扱い性の観点から、繊維状、粉末状、球状、チップ状、フレーク状が好ましい。また、これらの混合物であってもよい。 The shape of the raw material cellulose is not particularly limited, but from the viewpoint of ease of handling, fibrous, powder, spherical, chip, and flake shapes are preferable. Alternatively, a mixture of these may be used.

また、原料のセルロースは、取扱い性等の観点から、特開2018-145571号公報の段落0017~0018に記載された生化学的処理、化学処理、及び機械処理から選ばれる少なくとも1つの前処理を予め行うことができる。 In addition, the raw material cellulose is subjected to at least one pretreatment selected from biochemical treatment, chemical treatment, and mechanical treatment described in paragraphs 0017 to 0018 of JP2018-145571 from the viewpoint of ease of handling. This can be done in advance.

原料のセルロースの平均繊維径は、取扱い性及びコストの観点から、好ましくは5μm以上、より好ましくは7μm以上である。また、上限は特に設定されないが、取扱い性の観点から、好ましくは10,000μm以下、より好ましくは5,000μm以下である。なお、必要に応じて予め微細化処理を施した繊維径1~200nmの微細セルロースを原料のセルロースとして使用することもできる。原料のセルロースの平均繊維長は、入手容易性の観点から、好ましくは1,000μm以上、10,000μm以下である。原料のセルロース繊維の平均繊維径や平均繊維長は、実施例に記載の方法によって測定することができる。 The average fiber diameter of the raw material cellulose is preferably 5 μm or more, more preferably 7 μm or more, from the viewpoint of handleability and cost. Further, the upper limit is not particularly set, but from the viewpoint of handleability, it is preferably 10,000 μm or less, more preferably 5,000 μm or less. Note that, if necessary, fine cellulose having a fiber diameter of 1 to 200 nm, which has been subjected to a refinement treatment in advance, can also be used as the raw material cellulose. From the viewpoint of availability, the average fiber length of the raw material cellulose is preferably 1,000 μm or more and 10,000 μm or less. The average fiber diameter and average fiber length of the raw material cellulose fibers can be measured by the method described in Examples.

〔イオン性基導入工程〕
本工程はセルロースに対してイオン性基を導入する工程である。態様1では、本工程は原料のセルロースに対して実施され、態様2では、本工程はヒドロキシ基に非イオン性置換基が導入されたセルロース、即ち、非イオン性置換基導入工程を経た後のセルロースに対して実施される。本工程を経ることによって、態様1の場合、イオン性基を有するセルロースが得られ、態様2の場合、イオン性基及び非イオン性置換基を有する改質セルロースが得られる。
[Ionic group introduction step]
This step is a step of introducing ionic groups into cellulose. In Aspect 1, this step is carried out on cellulose as a raw material, and in Aspect 2, this step is carried out on cellulose in which a nonionic substituent has been introduced into the hydroxyl group, that is, after passing through the nonionic substituent introduction step. Performed on cellulose. By going through this step, cellulose having ionic groups is obtained in the case of aspect 1, and modified cellulose having ionic groups and nonionic substituents is obtained in the case of aspect 2.

(イオン性基がカルボキシ基の場合)
イオン性基導入工程において導入されるイオン性基がカルボキシ基の場合、例えば、触媒として2,2,6,6,-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシル(TEMPO)を使用し、更に次亜塩素酸ナトリウム等の酸化剤、臭化ナトリウム等の臭化物を併用して、セルロースのヒドロキシ基を酸化することにより、カルボキシ基を導入することができる。より詳細には、特開2011-140632号公報に記載の方法を参照することができる。かかるセルロースの酸化を行うことにより、セルロース構成単位のC6位の基(-CHOH)が選択的にカルボキシ基に変換される。
(When the ionic group is a carboxy group)
When the ionic group introduced in the ionic group introduction step is a carboxy group, for example, 2,2,6,6,-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl (TEMPO) is used as a catalyst, and the following Carboxy groups can be introduced by oxidizing the hydroxy groups of cellulose using a combination of an oxidizing agent such as sodium chlorite and a bromide such as sodium bromide. More specifically, reference can be made to the method described in Japanese Patent Application Laid-open No. 2011-140632. By performing such oxidation of cellulose, the group (-CH 2 OH) at the C6 position of the cellulose structural unit is selectively converted into a carboxy group.

態様1の場合、原料のセルロースをTEMPO酸化することにより、セルロース構成単位のC6位のヒドロキシ基がカルボキシ基に変換された酸化セルロースが得られる。 In the case of Embodiment 1, TEMPO oxidation of cellulose as a raw material yields oxidized cellulose in which the hydroxy group at the C6 position of the cellulose structural unit is converted to a carboxy group.

(イオン性基がスルホン酸基又はリン酸基の場合)
セルロースにアニオン性基としてスルホン酸基又はリン酸基を導入する場合、スルホン酸基を導入する方法としては、セルロースに硫酸を添加し加熱する方法等が挙げられる。セルロースへリン酸基を導入する方法としては、乾燥状態又は湿潤状態のセルロースに、リン酸又はリン酸誘導体の粉末や水溶液を混合する方法等が挙げられる。
(When the ionic group is a sulfonic acid group or a phosphoric acid group)
When introducing a sulfonic acid group or a phosphoric acid group as an anionic group into cellulose, examples of the method for introducing the sulfonic acid group include a method of adding sulfuric acid to cellulose and heating it. Examples of methods for introducing phosphoric acid groups into cellulose include a method of mixing dry or wet cellulose with a powder or aqueous solution of phosphoric acid or a phosphoric acid derivative.

イオン性基を有するセルロースにおけるイオン性基含有量としては、再分散性の観点から、好ましくは0.1mmol/g-セルロース以上、より好ましくは0.4mmol/g-セルロース以上、更に好ましくは0.6mmol/g-セルロース以上である。また、取り扱い性を向上させる観点から、好ましくは3mmol/g-セルロース以下、より好ましくは2mmol/g-セルロース以下、更に好ましくは1.8mmol/g-セルロース以下、更に好ましくは1.5mmol/g-セルロース以下である。イオン性基がアニオン性基の場合のアニオン性基含有量は、後述の実施例に記載の方法により測定される。 From the viewpoint of redispersibility, the ionic group content in the cellulose having ionic groups is preferably 0.1 mmol/g-cellulose or more, more preferably 0.4 mmol/g-cellulose or more, and even more preferably 0.1 mmol/g-cellulose or more. 6 mmol/g-cellulose or more. In addition, from the viewpoint of improving handling properties, it is preferably 3 mmol/g-cellulose or less, more preferably 2 mmol/g-cellulose or less, even more preferably 1.8 mmol/g-cellulose or less, and even more preferably 1.5 mmol/g-cellulose. It is lower than cellulose. When the ionic group is an anionic group, the anionic group content is measured by the method described in Examples below.

反応終了後は、未反応の化合物や塩基等を除去するために、適宜後処理を行うことが好ましい。該後処理の方法としては、例えば、未反応の塩基を酸(有機酸、無機酸等)で中和し、その後、未反応の化合物や塩基が溶解する溶媒を用いて洗浄することができる。所望により、更に乾燥(真空乾燥等)を行ってもよい。 After the reaction is completed, it is preferable to carry out an appropriate post-treatment in order to remove unreacted compounds, bases, and the like. As a method for the post-treatment, for example, an unreacted base can be neutralized with an acid (organic acid, inorganic acid, etc.), and then washed using a solvent in which the unreacted compound and base can be dissolved. If desired, further drying (vacuum drying, etc.) may be performed.

〔非イオン性置換基導入工程〕
本工程はセルロースのヒドロキシ基にエーテル結合を介して非イオン性置換基を導入する工程である。態様1では、本工程はイオン性基が導入されたセルロース、即ち、イオン性導入工程を経た後のセルロースに対して実施され、態様2では、本工程は原料のセルロースに対して実施される。具体的には、好ましくは塩基及び溶媒の存在下で、セルロースと前記置換基を導入するためのエーテル化剤とを混合することにより、本工程を達成することができる。本工程を経ることによって、態様1の場合、イオン性基及び非イオン性置換基を有する改質セルロースが得られ、態様2の場合、非イオン性置換基を有するセルロースが得られる。
[Nonionic substituent introduction step]
This step is a step of introducing a nonionic substituent into the hydroxyl group of cellulose via an ether bond. In aspect 1, this step is performed on cellulose into which ionic groups have been introduced, that is, after the ionic introduction step, and in aspect 2, this step is performed on cellulose as a raw material. Specifically, this step can be achieved by mixing cellulose and an etherification agent for introducing the substituent, preferably in the presence of a base and a solvent. By going through this step, in the case of Aspect 1, a modified cellulose having an ionic group and a nonionic substituent is obtained, and in the case of Aspect 2, a cellulose having a nonionic substituent is obtained.

(エーテル化剤)
本明細書において「エーテル化剤」とは、非イオン性置換基を導入するために用いられる、非イオン性置換基を有する化合物である。セルロースのヒドロキシ基とエーテル化剤との反応により、エーテル結合を介して、非イオン性置換基がセルロースと結合する。
(etherification agent)
As used herein, the term "etherification agent" refers to a compound having a nonionic substituent that is used to introduce the nonionic substituent. The reaction between the hydroxyl group of cellulose and the etherification agent causes the nonionic substituent to bond to the cellulose through an ether linkage.

エーテル化剤としては、反応性の観点から、反応性を有する環状構造基を有する化合物及び/又は有機ハロゲン化合物が好ましく、エポキシ基及び/又はハロゲン化炭化水素基を有する化合物がより好ましい。以下に、前記一般式(1)、(2)、又は(3)で示される置換基を導入するためのエーテル化剤を例示する。 From the viewpoint of reactivity, the etherifying agent is preferably a compound having a reactive cyclic structural group and/or an organic halogen compound, and more preferably a compound having an epoxy group and/or a halogenated hydrocarbon group. Examples of etherifying agents for introducing the substituent represented by the general formula (1), (2), or (3) are shown below.

一般式(1)で示される置換基を有するエーテル化剤としては、例えば、下記一般式(1A)で示されるノニオン性のハロゲン化炭化水素基を有する化合物が好ましい。かかる化合物は公知技術に従って調製したものを用いてもよく、市販品を用いてもよい。なお、下記一般式(1A)におけるRの詳細は、前記一般式(1)で説明したとおりである。 As the etherifying agent having a substituent represented by the general formula (1), for example, a compound having a nonionic halogenated hydrocarbon group represented by the following general formula (1A) is preferable. Such compounds may be prepared according to known techniques, or commercially available products may be used. In addition, the details of R 1 in the following general formula (1A) are as explained in the above general formula (1).

X-R (1A)
(式中、Xはハロゲン原子を示し、Rは炭素数2以上100以下の炭化水素基である。)
X-R 1 (1A)
(In the formula, X represents a halogen atom, and R 1 is a hydrocarbon group having 2 to 100 carbon atoms.)

一般式(1A)で示される化合物の具体例としては、クロロエタン、1-クロロプロパン及びその異性体、1-クロロブタン及びその異性体、1-クロロペンタン及びその異性体、1-クロロヘキサンおよびその異性体、1-クロロデカンおよびその異性体、1-クロロドデカンおよびその異性体、1-クロロヘキサデカンおよびその異性体、1-クロロオクタデカンおよびその異性体、1-クロロエイコサンおよびその異性体、1-クロロトリアコンサンおよびその異性体、1-クロロ-5-ヘキセンおよびその異性体、クロロシクロヘキサン、クロロベンゼン、ベンジルクロリド、ナフチルクロリド、トリチルクロリド、および前記化合物の塩素を臭素もしくはヨウ素に置換したものが挙げられる。 Specific examples of the compound represented by the general formula (1A) include chloroethane, 1-chloropropane and its isomers, 1-chlorobutane and its isomers, 1-chloropentane and its isomers, 1-chlorohexane and its isomers. , 1-chlorodecane and its isomers, 1-chlorododecane and its isomers, 1-chlorohexadecane and its isomers, 1-chlorooctadecane and its isomers, 1-chloroeicosane and its isomers, 1-chlorotria Examples include consan and its isomers, 1-chloro-5-hexene and its isomers, chlorocyclohexane, chlorobenzene, benzyl chloride, naphthyl chloride, trityl chloride, and compounds in which bromine or iodine replaces chlorine in the above compounds.

一般式(2)で示される置換基を有するエーテル化剤としては、例えば、下記一般式(2A)で示されるノニオン性の酸化アルキレン化合物が好ましい。かかる化合物は公知技術に従って調製したものを用いてもよく、市販品を用いてもよい。なお、下記一般式(2A)におけるRの詳細は、前記一般式(2)で説明したとおりである。 As the etherifying agent having a substituent represented by the general formula (2), for example, a nonionic alkylene oxide compound represented by the following general formula (2A) is preferable. Such compounds may be prepared according to known techniques, or commercially available products may be used. Note that the details of R 2 in the following general formula (2A) are as explained in the above general formula (2).

Figure 0007394573000002
Figure 0007394573000002

(式中、Rは炭素数1以上100以下の炭化水素基を示す。) (In the formula, R2 represents a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms.)

一般式(2A)で示される化合物の具体例としては、酸化プロピレン、酸化ブチレン、3,4-エポキシ-1-ブテン、1,2-エポキシペンタン、1,2-エポキシヘキサン、1,2-エポキシ-5-ヘキセン、1,2-エポキシオクタン、1,2-エポキシデカン、1,2-エポキシ-9-デセン、1,2-エポキシドデカン、1,2-エポキシヘキサデカン、1,2-エポキシオクタデカン、1,2-エポキシ-17-オクタデセン、1,2-エポキシエイコサン、スチレンオキシド及びその誘導体が挙げられる。 Specific examples of the compound represented by the general formula (2A) include propylene oxide, butylene oxide, 3,4-epoxy-1-butene, 1,2-epoxypentane, 1,2-epoxyhexane, 1,2-epoxy -5-hexene, 1,2-epoxyoctane, 1,2-epoxydecane, 1,2-epoxy-9-decene, 1,2-epoxydodecane, 1,2-epoxyhexadecane, 1,2-epoxyoctadecane, Examples include 1,2-epoxy-17-octadecene, 1,2-epoxyeicosane, styrene oxide and derivatives thereof.

一般式(3)で示される置換基を有するエーテル化剤としては、例えば、下記一般式(3A)で示されるノニオン性のグリシジルエーテル化合物が好ましい。かかる化合物は公知技術に従って調製したものを用いてもよく、市販品を用いてもよい。なお、下記一般式(3A)におけるR、A、nの詳細は、前記一般式(3)で説明したとおりである。 As the etherifying agent having a substituent represented by the general formula (3), for example, a nonionic glycidyl ether compound represented by the following general formula (3A) is preferable. Such compounds may be prepared according to known techniques, or commercially available products may be used. In addition, the details of R 3 , A, and n in the following general formula (3A) are as explained in the above general formula (3).

Figure 0007394573000003
Figure 0007394573000003

(式中、Rは炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、nは0以上100以下の数であり、Aは炭素数1以上6以下の2価の炭化水素基である。) (In the formula, R3 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms, n is a number of 0 to 100, and A is a divalent hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms.)

一般式(3A)で示される化合物の具体例としては、メチルグリシジルエーテル、エチルグリシジルエーテル、プロピルグリシジルエーテル、イソプレニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテル、2-エチルヘキシルグリシジルエーテル、ラウリルグリシジルエーテル、ステアリルグリシジルエーテル、イソステアリルグリシジルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、5-ヘキセニルグリシジルエーテル、9-デセニルグリシジルエーテル、9-オクタデセニルグリシジルエーテル、17-オクタデセニルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、トリチルグリシジルエーテル、ベンジルグリシジルエーテルおよびこれらの誘導体が挙げられる。 Specific examples of the compound represented by the general formula (3A) include methyl glycidyl ether, ethyl glycidyl ether, propyl glycidyl ether, isoprenyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, butyl glycidyl ether, 2-ethylhexyl glycidyl ether, lauryl glycidyl ether, Stearyl glycidyl ether, isostearyl glycidyl ether, polyoxyalkylene alkyl ether, 5-hexenyl glycidyl ether, 9-decenyl glycidyl ether, 9-octadecenyl glycidyl ether, 17-octadecenyl glycidyl ether, phenyl glycidyl ether , trityl glycidyl ether, benzyl glycidyl ether and derivatives thereof.

(塩基)
本発明の改質セルロースの製造方法では、エーテル化反応を進行させる観点から、塩基の存在下でセルロースとエーテル化剤等を混合することが好ましい。
(base)
In the method for producing modified cellulose of the present invention, from the viewpoint of promoting the etherification reaction, it is preferable to mix cellulose, etherification agent, etc. in the presence of a base.

塩基としては、エーテル化反応を進行させる観点から、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、1~3級アミン、4級アンモニウム塩、イミダゾール及びその誘導体、ピリジン及びその誘導体、並びにアルコキシドからなる群より選ばれる1種又は2種以上が好ましい。 From the viewpoint of advancing the etherification reaction, bases include alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides, primary to tertiary amines, quaternary ammonium salts, imidazole and its derivatives, pyridine and its derivatives, and alkoxides. One or more selected from the group consisting of are preferred.

アルカリ金属水酸化物及びアルカリ土類金属水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム等が挙げられる。 Examples of the alkali metal hydroxide and alkaline earth metal hydroxide include sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide, and the like.

1~3級アミンとは、1級アミン、2級アミン、及び3級アミンのことであり、具体例としては、エチレンジアミン、ジエチルアミン、プロリン、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,3-プロパンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,6-ヘキサンジアミン、トリス(3-ジメチルアミノプロピル)アミン、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミン、トリエチルアミン等が挙げられる。 Primary to tertiary amines refer to primary amines, secondary amines, and tertiary amines, and specific examples include ethylenediamine, diethylamine, proline, N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,3-propanediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, tris(3-dimethylaminopropyl)amine, Examples include N,N-dimethylcyclohexylamine and triethylamine.

4級アンモニウム塩としては、水酸化テトラブチルアンモニウム、塩化テトラブチルアンモニウム、フッ化テトラブチルアンモニウム、臭化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、塩化テトラエチルアンモニウム、フッ化テトラエチルアンモニウム、臭化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、塩化テトラメチルアンモニウム、フッ化テトラメチルアンモニウム、臭化テトラメチルアンモニウム等が挙げられる。 Examples of quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium hydroxide, tetrabutylammonium chloride, tetrabutylammonium fluoride, tetrabutylammonium bromide, tetraethylammonium hydroxide, tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium fluoride, tetraethylammonium bromide, and water. Examples include tetramethylammonium oxide, tetramethylammonium chloride, tetramethylammonium fluoride, and tetramethylammonium bromide.

イミダゾール及びその誘導体としては、1-メチルイミダゾール、3-アミノプロピルイミダゾール、カルボニルジイミダゾール等が挙げられる。 Examples of imidazole and its derivatives include 1-methylimidazole, 3-aminopropylimidazole, and carbonyldiimidazole.

ピリジン及びその誘導体としては、N,N-ジメチル-4-アミノピリジン、ピコリン等が挙げられる。 Examples of pyridine and its derivatives include N,N-dimethyl-4-aminopyridine and picoline.

アルコキシドとしては、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウム-t-ブトキシド等が挙げられる。 Examples of the alkoxide include sodium methoxide, sodium ethoxide, potassium-t-butoxide, and the like.

(溶媒)
セルロース及びエーテル化剤等の混合は、溶媒の存在下で行ってもよい。溶媒としては、特に制限はなく、例えば、水、イソプロパノール、t-ブタノール、ジメチルホルムアミド、トルエン、メチルイソブチルケトン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、ヘキサン、1,4-ジオキサン、及びこれらの混合物が挙げられる。
(solvent)
Mixing of cellulose, etherification agent, etc. may be performed in the presence of a solvent. The solvent is not particularly limited and includes, for example, water, isopropanol, t-butanol, dimethylformamide, toluene, methyl isobutyl ketone, acetonitrile, dimethyl sulfoxide, dimethyl acetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexane, 1,4-dioxane, and mixtures thereof.

(エーテル化反応及び反応条件)
セルロースとエーテル化剤とのエーテル化反応を進めるための混合条件としては、セルロースやエーテル化剤等が均一に混合され、十分に反応が進行できるのであれば特に制限はなく、連続的な混合処理を行っても行わなくてもよい。
(Etherification reaction and reaction conditions)
There are no particular restrictions on the mixing conditions for promoting the etherification reaction between cellulose and the etherification agent, as long as the cellulose, etherification agent, etc. are mixed uniformly and the reaction can proceed sufficiently, and continuous mixing treatment is possible. You may or may not do so.

本工程における全成分の混合物中のセルロース濃度としては、製造効率の観点から、好ましくは1質量%以上であり、より好ましくは3質量%以上であり、更に好ましくは5質量%以上であり、一方、ハンドリング性の観点から、好ましくは60質量%以下であり、より好ましくは50質量%以下であり、更に好ましくは45質量%以下であり、更に好ましくは40質量%以下である。 From the viewpoint of production efficiency, the cellulose concentration in the mixture of all components in this step is preferably 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, still more preferably 5% by mass or more, while From the viewpoint of handling properties, the content is preferably 60% by mass or less, more preferably 50% by mass or less, still more preferably 45% by mass or less, and even more preferably 40% by mass or less.

エーテル化剤の使用量は、非イオン性置換基の導入効率の観点から、セルロースの無水グルコースユニットの1ユニットに対して、好ましくは0.02当量以上であり、より好ましくは0.05当量以上であり、更に好ましくは0.1当量以上であり、更に好ましくは0.3当量以上であり、更に好ましくは1.0当量以上であり、一方、改質セルロースを樹脂組成物に適用した際に得られる樹脂組成物の成形体の機械的強度の観点から、セルロースの無水グルコースユニットの1ユニットに対して、好ましくは10.0当量以下であり、より好ましくは8.0当量以下であり、更に好ましくは7.0当量以下であり、更に好ましくは6.0当量以下である。 The amount of the etherification agent used is preferably 0.02 equivalent or more, more preferably 0.05 equivalent or more with respect to 1 unit of anhydroglucose unit of cellulose, from the viewpoint of introduction efficiency of nonionic substituent. and is more preferably 0.1 equivalent or more, still more preferably 0.3 equivalent or more, and even more preferably 1.0 equivalent or more. On the other hand, when the modified cellulose is applied to the resin composition, From the viewpoint of mechanical strength of the molded article of the resulting resin composition, the amount is preferably 10.0 equivalents or less, more preferably 8.0 equivalents or less, and Preferably it is 7.0 equivalents or less, more preferably 6.0 equivalents or less.

塩基の使用量としては、エーテル化反応を進行させる観点から、セルロースの無水グルコースの1ユニットに対して、好ましくは0.01当量以上、より好ましくは0.05当量以上、更に好ましくは0.1当量以上、更に好ましくは0.2当量以上であり、製造コストの観点から、好ましくは10当量以下、より好ましくは8当量以下、更に好ましくは5当量以下、更に好ましくは3当量以下である。 The amount of the base to be used is preferably 0.01 equivalent or more, more preferably 0.05 equivalent or more, and even more preferably 0.1 equivalent to 1 unit of anhydroglucose in cellulose from the viewpoint of advancing the etherification reaction. The amount is at least an equivalent, more preferably at least 0.2 equivalents, and from the viewpoint of production cost, it is preferably at most 10 equivalents, more preferably at most 8 equivalents, even more preferably at most 5 equivalents, and even more preferably at most 3 equivalents.

溶媒の使用量としては、セルロース100質量部に対して、反応性の観点から、好ましくは30質量部以上であり、より好ましくは50質量部以上であり、更に好ましくは75質量部以上であり、より好ましくは200質量部以上であり、一方、生産性の観点から、好ましくは10,000質量部以下であり、より好ましくは7,500質量部以下であり、更に好ましくは5,000質量部以下、より好ましくは2,000質量部以下である。 From the viewpoint of reactivity, the amount of the solvent used is preferably 30 parts by mass or more, more preferably 50 parts by mass or more, and even more preferably 75 parts by mass or more, based on 100 parts by mass of cellulose. More preferably, it is 200 parts by mass or more, while from the viewpoint of productivity, it is preferably 10,000 parts by mass or less, more preferably 7,500 parts by mass or less, and even more preferably 5,000 parts by mass or less. , more preferably 2,000 parts by mass or less.

反応温度としては、反応性を向上させる観点から、好ましくは25℃以上であり、より好ましくは30℃以上であり、更に好ましくは35℃以上であり、更に好ましくは40℃以上、更に好ましくは45℃以上であり、一方、熱分解を抑制する観点から、好ましくは120℃以下であり、より好ましくは110℃以下であり、更に好ましくは100℃以下であり、更に好ましくは90℃以下であり、更に好ましくは80℃以下であり、更に好ましくは70℃以下である。また、必要に応じて適宜昇温・降温過程を設けてもよい。 From the viewpoint of improving reactivity, the reaction temperature is preferably 25°C or higher, more preferably 30°C or higher, even more preferably 35°C or higher, even more preferably 40°C or higher, and still more preferably 45°C or higher. ℃ or higher, and on the other hand, from the viewpoint of suppressing thermal decomposition, the temperature is preferably 120℃ or lower, more preferably 110℃ or lower, still more preferably 100℃ or lower, still more preferably 90℃ or lower, The temperature is more preferably 80°C or lower, and even more preferably 70°C or lower. Further, a temperature raising/lowering process may be provided as appropriate.

反応時間としては、反応性の観点から、好ましくは0.1時間以上であり、より好ましくは0.5時間以上であり、更に好ましくは1時間以上であり、更に好ましくは2時間以上であり、更に好ましくは4時間以上であり、生産性の観点から、好ましくは60時間以下であり、より好ましくは48時間以下であり、更に好ましくは36時間以下である。 From the viewpoint of reactivity, the reaction time is preferably 0.1 hour or more, more preferably 0.5 hour or more, still more preferably 1 hour or more, and even more preferably 2 hours or more, More preferably, the time is 4 hours or more, and from the viewpoint of productivity, the time is preferably 60 hours or less, more preferably 48 hours or less, and still more preferably 36 hours or less.

反応終了後は、未反応の化合物や塩基等を除去するために、適宜後処理を行うことが好ましい。該後処理の方法としては、例えば、未反応の塩基を酸(有機酸、無機酸等)で中和し、その後、未反応の化合物や塩基が溶解する溶媒を用いて洗浄することができる。所望により、更に乾燥(真空乾燥等)を行ってもよい。 After the reaction is completed, it is preferable to carry out an appropriate post-treatment in order to remove unreacted compounds, bases, and the like. As a method for the post-treatment, for example, an unreacted base can be neutralized with an acid (organic acid, inorganic acid, etc.), and then washed using a solvent in which the unreacted compound and base can be dissolved. If desired, further drying (vacuum drying, etc.) may be performed.

かかる製造方法により、好ましくは前記一般式(Ce)で示される構造を有する改質セルロースを製造することができる。 By this production method, a modified cellulose preferably having a structure represented by the general formula (Ce) can be produced.

〔微細化工程〕
本発明の改質セルロースの製造方法により得られる改質セルロースを、さらに微細化処理に供してもよい。例えば、マスコロイダー等の磨砕機を用いた処理や溶媒中で高圧ホモジナイザー等を用いた処理を行うことで微細化することができる。
適宜、前工程で使用した溶媒を変更する操作や、前工程で生成した副生物や残余の試薬等を洗浄する操作を行うことができる。
[Refining process]
The modified cellulose obtained by the method for producing modified cellulose of the present invention may be further subjected to a refining treatment. For example, it can be made fine by processing using a grinder such as a mass colloider or processing using a high-pressure homogenizer or the like in a solvent.
As appropriate, operations can be performed to change the solvent used in the previous step, and to wash by-products, residual reagents, etc. generated in the previous step.

以下、実施例及び比較例等を示して本発明を具体的に説明する。なお、これらの実施例等は単なる本発明の例示であり、何ら限定を意味するものではない。例中の部は、特記しない限り質量部である。なお、「常圧」とは101.3kPaを、「常温」とは25℃を示す。 Hereinafter, the present invention will be specifically explained by showing Examples, Comparative Examples, etc. It should be noted that these Examples and the like are merely illustrative of the present invention, and do not mean any limitation. Parts in the examples are parts by weight unless otherwise specified. Note that "normal pressure" refers to 101.3 kPa, and "normal temperature" refers to 25°C.

〔非イオン性置換基の導入率(モル置換度)〕
最初に、測定対象のセルロース中に含有される置換基の含有量%(質量%)を、Analytical Chemistry, Vol. 51, No. 13, 2172 (1979)、「第十五改正日本薬局方(ヒドロキシプロピルセルロースの分析方法の項)」等に記載の、セルロースエーテルのアルコキシ基の平均付加モル数を分析する手法として知られるZeisel法に準じて算出する。以下に手順を示す。
[Introduction rate of nonionic substituent (molar degree of substitution)]
First, the content% (mass%) of substituents contained in the cellulose to be measured is determined according to the Japanese Pharmacopoeia 15th Edition (Hydroxy It is calculated according to the Zeisel method, which is known as a method for analyzing the average number of added moles of alkoxy groups in cellulose ether, as described in "Propyl cellulose analysis method section)". The procedure is shown below.

(i) 200mLメスフラスコにn-テトラデカン0.1gを加え、ヘキサンにて標線までメスアップを行い、内標溶液を調製する。
(ii) 精製、乾燥を行った測定対象のセルロース70mg、アジピン酸80mgを10mLバイアル瓶に精秤し、ヨウ化水素酸2mLを加えて密栓する。
(iii) 前記バイアル瓶中の混合物を、スターラーチップにより攪拌しながら、160℃のブロックヒーターにて1時間加熱する。
(iv) 加熱後、バイアルに内標溶液2mL、ジエチルエーテル2mLを順次注入し、常温で1分間攪拌する。
(v) バイアル瓶中の2相に分離した混合物の上層(ジエチルエーテル層)をガスクロマトグラフィー(SHIMADZU社製、商品名:GC2010Plus)にて分析する。
(vi) 測定対象のセルロースを、その改質に用いたエーテル化剤5mg、10mg、15mgにそれぞれ変更する以外は、(ii)~(v)と同様の方法で分析を行い、エーテル化剤の検量線を作成する。
(vii) 作成した検量線と、測定対象のセルロースの分析結果から、測定対象のセルロース中に含有される置換基を定量する。分析条件は以下のとおりである。
(i) Add 0.1 g of n-tetradecane to a 200 mL volumetric flask and make up to the marked line with hexane to prepare an internal standard solution.
(ii) Accurately weigh 70 mg of purified and dried cellulose to be measured and 80 mg of adipic acid into a 10 mL vial, add 2 mL of hydroiodic acid, and seal the vial.
(iii) The mixture in the vial is heated with a block heater at 160° C. for 1 hour while stirring with a stirrer chip.
(iv) After heating, 2 mL of the internal standard solution and 2 mL of diethyl ether are sequentially poured into the vial and stirred for 1 minute at room temperature.
(v) Analyze the upper layer (diethyl ether layer) of the mixture separated into two phases in the vial using gas chromatography (manufactured by SHIMADZU, trade name: GC2010Plus).
(vi) Analyzes were conducted in the same manner as in (ii) to (v) except that the cellulose to be measured was changed to 5 mg, 10 mg, and 15 mg of the etherifying agent used to modify the cellulose. Create a calibration curve.
(vii) Quantify the substituents contained in the cellulose to be measured from the prepared calibration curve and the analysis results of the cellulose to be measured. The analysis conditions are as follows.

カラム:アジレント・テクノロジー社製、商品名:DB-5(12m、0.2mm×0.33μm)
カラム温度:30℃(10min Hold)→10℃/min→300℃(10min Hold)
インジェクター温度:300℃
検出器温度:300℃
打ち込み量:1μL
使用したエーテル化剤の検出量から、測定対象のセルロース中に含有される置換基の含有量(質量%)を算出する。
Column: Manufactured by Agilent Technologies, product name: DB-5 (12 m, 0.2 mm x 0.33 μm)
Column temperature: 30°C (10min Hold) → 10°C/min → 300°C (10min Hold)
Injector temperature: 300℃
Detector temperature: 300℃
Injection amount: 1μL
The content (% by mass) of substituents contained in the cellulose to be measured is calculated from the detected amount of the etherification agent used.

次いで、得られた置換基含有量から、下記数式(1)を用いてモル置換度(MS)(無水グルコースユニット1モルに対する置換基モル量)を算出する。
数式(1)
MS=(W/Mw)/((100-W)/162.14)
W:測定対象のセルロース中の、非イオン性置換基導入工程で導入された置換基の含有量(質量%)
Mw:非イオン性置換基導入工程で使用したエーテル化剤の分子量(g/mol)
Next, from the obtained substituent content, the degree of molar substitution (MS) (the molar amount of substituents per mole of anhydroglucose unit) is calculated using the following mathematical formula (1).
Formula (1)
MS=(W/Mw)/((100-W)/162.14)
W: Content of substituents introduced in the nonionic substituent introduction step in the cellulose to be measured (% by mass)
Mw: Molecular weight (g/mol) of the etherification agent used in the nonionic substituent introduction step

〔セルロースの結晶構造の確認〕
原料のセルロース、アニオン変性セルロースや改質セルロース等の各種セルロースの結晶構造は、回折計(リガク社製、商品名:MiniFlexII)を用いて以下の条件で測定することにより確認する。
測定ペレット調製条件:錠剤成形機で10~20MPaの範囲で、対象のセルロースに圧力を印加することで、面積320mm×厚さ1mmの平滑なペレットを調製する。
X線回折分析条件:ステップ角0.01°、スキャンスピード10°/min、測定範囲:回折角2θ=5~40°
X線源:Cu/Kα-radiation、管電圧:15kv、管電流:30mA
ピーク分割条件:バックグラウンドノイズを除去した後、2θ=13-23°の間の誤差が5%以内に収まるようにガウス関数でフィッティングする。
[Confirmation of crystal structure of cellulose]
The crystal structure of various celluloses, such as raw material cellulose, anion-modified cellulose, and modified cellulose, is confirmed by measurement using a diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation, trade name: MiniFlex II) under the following conditions.
Measurement pellet preparation conditions: A smooth pellet with an area of 320 mm 2 × thickness of 1 mm is prepared by applying pressure to the target cellulose in a range of 10 to 20 MPa using a tablet press.
X-ray diffraction analysis conditions: step angle 0.01°, scan speed 10°/min, measurement range: diffraction angle 2θ = 5 to 40°
X-ray source: Cu/Kα-radiation, tube voltage: 15kv, tube current: 30mA
Peak division conditions: After removing background noise, fitting is performed using a Gaussian function so that the error between 2θ=13 and 23° is within 5%.

各種セルロースの結晶構造は、上述の回折計を用いて、上述の条件で測定することにより確認する。
セルロースI型結晶構造の結晶化度は上述のピーク分割により得られたX線回折ピークの面積を用いて、以下の式(A)に基づいて算出する。
セルロースI型結晶化度(%)=[Icr/(Icr+Iam)]×100 (A)
〔式中、Icrは、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22-23°)の回折ピークの面積、Iamはアモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折ピークの面積を示す。〕
The crystal structure of each type of cellulose is confirmed by measurement using the above-mentioned diffractometer under the above-mentioned conditions.
The crystallinity of cellulose type I crystal structure is calculated based on the following formula (A) using the area of the X-ray diffraction peak obtained by the above-mentioned peak division.
Cellulose type I crystallinity (%) = [I cr / (I cr + I am )] x 100 (A)
[In the formula, I cr is the area of the diffraction peak of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22-23°) in X-ray diffraction, I am is the area of the amorphous part (diffraction angle 2θ = 18.5°) The area of the diffraction peak is shown. ]

〔各種セルロースの平均繊維径及び平均繊維長〕
(1) 測定対象のセルロースの平均繊維径が数ナノメートル~数百ナノメートルであると見込まれる場合、次のようにしてセルロースの平均繊維径を求める。
測定対象のセルロースに適切な溶媒を加えて、その濃度が0.0001質量%の分散液を調製し、該分散液をマイカ(雲母)上に滴下して乾燥したものを観察試料として、原子間力顕微鏡(AFM)(Digital instrument社製、Nanoscope III Tapping mode AFM、プローブはナノセンサーズ社製、Point Probe (NCH)を使用)を用いて、該観察試料中のセルロースの繊維高さ(繊維のあるところとないところの高さの差)を測定する。適切な溶媒とは、測定対象のセルロースが膨潤する溶媒であればよく、セルロースの場合は水やエタノールが好ましく、改質セルロース又は微細改質セルロースの場合はジメチルホルムアミド(DMF)やメチルエチルケトン(MEK)、トルエンなどが好ましい。その際、該セルロースが確認できる顕微鏡画像において、セルロースを100本以上抽出し、それらの繊維高さから平均繊維径を算出する。繊維方向の距離より、平均繊維長を算出する。平均アスペクト比は平均繊維長/平均繊維径より算出し、標準偏差も算出する。一般に、高等植物から調製されるセルロースナノファイバーの最小単位は6×6の分子鎖がほぼ正方形の形でパッキングされていることから、AFMによる画像で分析される高さを繊維の幅とみなすことができる。
[Average fiber diameter and average fiber length of various celluloses]
(1) If the average fiber diameter of cellulose to be measured is expected to be from several nanometers to several hundred nanometers, determine the average fiber diameter of cellulose as follows.
A suitable solvent was added to the cellulose to be measured to prepare a dispersion liquid with a concentration of 0.0001% by mass, and the dispersion liquid was dropped onto mica (mica), dried, and used as an observation sample. Using a force microscope (AFM) (manufactured by Digital Instrument, Inc., Nanoscope III Tapping mode AFM, probe manufactured by Nanosensors, Inc., using Point Probe (NCH)), the height of the cellulose fibers (fiber height) in the observation sample was measured. Measure the difference in height between one place and the other. A suitable solvent may be any solvent that swells the cellulose to be measured, preferably water or ethanol in the case of cellulose, and dimethylformamide (DMF) or methyl ethyl ketone (MEK) in the case of modified cellulose or finely modified cellulose. , toluene, etc. are preferred. At that time, 100 or more cellulose fibers are extracted from a microscopic image in which the cellulose can be confirmed, and the average fiber diameter is calculated from the height of these fibers. The average fiber length is calculated from the distance in the fiber direction. The average aspect ratio is calculated from the average fiber length/average fiber diameter, and the standard deviation is also calculated. In general, the minimum unit of cellulose nanofibers prepared from higher plants is a 6 x 6 molecular chain packed in an almost square shape, so the height analyzed in an AFM image can be regarded as the width of the fiber. I can do it.

(2) 測定対象のセルロースの平均繊維径が数百ナノメートル~数千マイクロメートルであると見込まれる場合、次のようにしてセルロースの平均繊維径を求める。
測定対象のセルロースに媒体を加えて、その含有量が0.01質量%の分散液を調製する。該分散液を湿式分散タイプ画像解析粒度分布計(ジャスコインターナショナル社製、商品名:IF-3200)を用いて、フロントレンズ:2倍、テレセントリックズームレンズ:1倍、画像分解能:0.835μm/ピクセル、シリンジ内径:6515μm、スペーサー厚み:500μm、画像認識モード:ゴースト、閾値:8、分析サンプル量:1mL、サンプリング:15%の条件で測定する。セルロースを100本以上測定し、それらの平均ISO繊維径を平均繊維径をとして、平均ISO繊維長を平均繊維長として算出する。平均アスペクト比は平均繊維長/平均繊維径より算出し、標準偏差も算出する。
(2) If the average fiber diameter of the cellulose to be measured is expected to be from several hundred nanometers to several thousand micrometers, determine the average fiber diameter of cellulose as follows.
A medium is added to the cellulose to be measured to prepare a dispersion having a content of 0.01% by mass. The dispersion liquid was measured using a wet dispersion type image analysis particle size distribution analyzer (manufactured by Jusco International Co., Ltd., trade name: IF-3200), front lens: 2x, telecentric zoom lens: 1x, image resolution: 0.835 μm/pixel. , Syringe inner diameter: 6515 μm, Spacer thickness: 500 μm, Image recognition mode: Ghost, Threshold: 8, Analysis sample amount: 1 mL, Sampling: 15%. Measure 100 or more pieces of cellulose, use their average ISO fiber diameter as the average fiber diameter, and calculate the average ISO fiber length as the average fiber length. The average aspect ratio is calculated from the average fiber length/average fiber diameter, and the standard deviation is also calculated.

〔各種セルロースのアニオン性基含有量〕
乾燥質量0.5g-セルロースの測定対象のセルロースを100mLビーカーにとり、脱イオン水、又はメタノール/脱イオン水=2/1の混合溶媒を加えて全体で55mLとする。ここに0.01M塩化ナトリウム水溶液5mLを加えて分散液を調製する。測定対象のセルロースが十分に分散するまで該分散液を撹拌する。この分散液に0.1M塩酸を加えてpHを2.5~3に調整し、自動滴定装置(東亜ディーケーケー社製、商品名「AUT-701」)を用い、0.05M水酸化ナトリウム水溶液を待ち時間60秒の条件で該分散液に滴下し、1分ごとの電導度及びpHの値を測定する。pH11程度になるまで測定を続け、電導度曲線を得る。この電導度曲線から水酸化ナトリウム滴定量を求め、次式により、測定対象のセルロースのアニオン性基含有量を算出する。
アニオン性基含有量(mmol/g-セルロース)=水酸化ナトリウム滴定量×水酸化ナトリウム水溶液濃度(0.05M)/測定対象のセルロースの質量(0.5g-セルロース)
[Anionic group content of various celluloses]
Dry mass 0.5 g - Cellulose to be measured is taken into a 100 mL beaker, and deionized water or a mixed solvent of methanol/deionized water = 2/1 is added to make a total of 55 mL. Add 5 mL of 0.01M sodium chloride aqueous solution to this to prepare a dispersion. The dispersion is stirred until the cellulose to be measured is sufficiently dispersed. 0.1M hydrochloric acid was added to this dispersion to adjust the pH to 2.5-3, and a 0.05M aqueous sodium hydroxide solution was added using an automatic titrator (manufactured by DKK Toa Co., Ltd., trade name "AUT-701"). It is added dropwise to the dispersion with a waiting time of 60 seconds, and the conductivity and pH values are measured every minute. The measurement is continued until the pH reaches about 11, and a conductivity curve is obtained. The sodium hydroxide titer is determined from this conductivity curve, and the anionic group content of the cellulose to be measured is calculated using the following formula.
Anionic group content (mmol/g-cellulose) = sodium hydroxide titration x sodium hydroxide aqueous solution concentration (0.05M)/mass of cellulose to be measured (0.5g-cellulose)

測定対象のセルロースが化学修飾を受けていないセルロース又はイオン性基を有するセルロースの場合、「セルロースの質量(g-セルロース)」=「化学修飾を受けていないセルロースの質量又はイオン性基を有するセルロースの質量」と扱うことができ、測定対象のセルロースが非イオン性置換基を有するセルロースの場合、「セルロースの質量(g-セルロース)」=「非イオン性置換基を有するセルロースの質量(g)×162/〔162+エーテル化剤の分子量(g/mol)×モル置換度〕」と扱うことができる。なお、用いるエーテル化剤が2種類以上の場合、各エーテル化剤のモル比率を考慮して、セルロースの質量を算出する。 When the cellulose to be measured is cellulose that has not undergone chemical modification or cellulose that has ionic groups, "mass of cellulose (g-cellulose)" = "mass of cellulose that has not undergone chemical modification or cellulose that has ionic groups" If the cellulose to be measured is cellulose with nonionic substituents, then "mass of cellulose (g - cellulose)" = "mass of cellulose with nonionic substituents (g)" ×162/[162+molecular weight of etherifying agent (g/mol)×molar substitution degree]”. In addition, when two or more types of etherification agents are used, the mass of cellulose is calculated in consideration of the molar ratio of each etherification agent.

〔アニオン変性セルロースの調製〕
調製例1
針葉樹の漂白クラフトパルプ(ウエストフレザー社製、商品名:ヒントン)を天然セルロースとして用いた。TEMPOとしては、市販品(ALDRICH社製、Free radical、98質量%)を用いた。次亜塩素酸ナトリウム及び臭化ナトリウムは市販品(和光純薬工業社製)を用いた。
[Preparation of anion-modified cellulose]
Preparation example 1
Bleached softwood kraft pulp (manufactured by West Fraser, trade name: Hinton) was used as the natural cellulose. As TEMPO, a commercially available product (manufactured by ALDRICH, Free radical, 98% by mass) was used. Commercially available products (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used as sodium hypochlorite and sodium bromide.

まず、前記漂白クラフトパルプ10gを990gの脱イオン水で十分に撹拌した後、該パルプ10gに対し、TEMPO 0.13g、臭化ナトリウム1.3g、10.5質量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液27gをこの順で添加した。自動滴定装置(東亜ディーケーケー社製、商品名:AUT-701)でpHスタット滴定を用い、0.5M水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHを10.5に保持した。撹拌速度200rpmにて反応を120分(20℃)行った後、水酸化ナトリウム水溶液の滴下を停止し、アニオン性基としてカルボキシ基を有するアニオン変性セルロース(酸化セルロース)を得た。 First, 10 g of the bleached kraft pulp was thoroughly stirred with 990 g of deionized water, and then 0.13 g of TEMPO, 1.3 g of sodium bromide, and 27 g of a 10.5% by mass sodium hypochlorite aqueous solution were added to 10 g of the pulp. were added in this order. A 0.5M aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise to the solution to maintain the pH at 10.5 using a pH-stat titration using an automatic titrator (manufactured by DKK Toa Co., Ltd., trade name: AUT-701). After the reaction was carried out at a stirring speed of 200 rpm for 120 minutes (20° C.), the dropping of the aqueous sodium hydroxide solution was stopped to obtain anion-modified cellulose (oxidized cellulose) having a carboxy group as an anionic group.

得られた酸化セルロースを0.01Mの塩酸で中和処理を行った後、脱イオン水を用いてコンパクト電気伝導率計(堀場製作所製、LAQUAtwin EC-33B)によるろ液の電導度測定において200μs/cm以下になるまで十分に洗浄した。次いで脱水処理を行うことで、酸型の酸化セルロースを得た。この酸型の酸化セルロースのカルボキシ基含有量は1.3mmol/g-セルロースであった。 After neutralizing the obtained oxidized cellulose with 0.01M hydrochloric acid, the electrical conductivity of the filtrate was measured using deionized water using a compact electrical conductivity meter (Horiba, Ltd., LAQUAtwin EC-33B) for 200 μs. /cm or less. Then, by performing a dehydration treatment, acid-type oxidized cellulose was obtained. The carboxy group content of this acid type oxidized cellulose was 1.3 mmol/g-cellulose.

実施例1
調製例1で得られた酸型の酸化セルロースをジメチルスルホキシド(DMF)で溶媒置換した。得られた分散液3.0g(固形分含有量26.4質量%)に、アセトニトリル1.21g、触媒としてのN,N-ジメチル-4-アミノピリジン(DMAP) 0.74g(1.00当量/AGU)を添加し、均一に混合した。次いで、エーテル化剤としてラウリルグリシジルエーテル3.66g(四日市合成社製、2.5当量/AGU)を添加し、密閉した。次いで、70℃、24時間ブロックヒーターによる撹拌反応を行った。反応終了後、1Mの塩酸で中和し、次いでエタノールを添加して再沈殿を行った。得られた沈殿物を、ろ過操作においてエタノールにより十分に洗浄することで不純物を取り除き、70℃で一晩真空乾燥を行うことで、セルロースI型結晶構造を有する改質セルロースを得た。この改質セルロースのセルロースI型結晶化度は65%であり、カルボキシ基含有量は1.3mmol/g-セルロースであった。
Example 1
The acid type oxidized cellulose obtained in Preparation Example 1 was solvent-substituted with dimethyl sulfoxide (DMF). To 3.0 g of the obtained dispersion (solid content 26.4% by mass), 1.21 g of acetonitrile and 0.74 g (1.00 equivalents) of N,N-dimethyl-4-aminopyridine (DMAP) as a catalyst were added. /AGU) and mixed uniformly. Next, 3.66 g of lauryl glycidyl ether (manufactured by Yokkaichi Gosei Co., Ltd., 2.5 equivalents/AGU) was added as an etherification agent, and the container was sealed. Next, the reaction was stirred at 70° C. for 24 hours using a block heater. After the reaction was completed, it was neutralized with 1M hydrochloric acid, and then ethanol was added to perform reprecipitation. The obtained precipitate was thoroughly washed with ethanol in a filtration operation to remove impurities, and vacuum dried at 70° C. overnight to obtain a modified cellulose having a cellulose I type crystal structure. The cellulose type I crystallinity of this modified cellulose was 65%, and the carboxy group content was 1.3 mmol/g-cellulose.

実施例2
ラウリルグリシジルエーテルの使用量を6.0当量/AGUに変更した点以外は実施例1と同様の方法で、セルロースI型結晶構造を有する改質セルロースを得た。
Example 2
A modified cellulose having a cellulose I type crystal structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of lauryl glycidyl ether used was changed to 6.0 equivalents/AGU.

比較例1
調製例1で得られた酸型の酸化セルロースを評価対象のセルロースとして、後述の試験例に供した。
Comparative example 1
The acid-type oxidized cellulose obtained in Preparation Example 1 was used as the cellulose to be evaluated in the test examples described below.

比較例2
調製例1で得られた酸型の酸化セルロースをDMFで溶媒置換して分散液を得た(固形分含有量0.5質量%)。得られた分散液に、酸化セルロース100質量部に対して24質量部(酸化セルロースのカルボキシ基あたり0.5当量)のラウリルアミン(花王株式会社製、商品名:ファーミン 20D)を添加した後、常温で1時間反応させた。反応終了後ろ過し、ケークをDMFで洗浄し、70℃で一晩真空乾燥を行った。得られた改質セルロースのカルボキシ基含有量は1.3mmol/g-セルロースであったことから、得られた改質セルロースのカルボキシ基の一部は、下式LAに示すような、酸化セルロースのカルボキシ基とラウリルアミンのアミノ基とがイオン結合で結合していると推定された。
Comparative example 2
The acid type oxidized cellulose obtained in Preparation Example 1 was solvent-substituted with DMF to obtain a dispersion (solid content 0.5% by mass). After adding 24 parts by mass (0.5 equivalent per carboxy group of oxidized cellulose) of laurylamine (manufactured by Kao Corporation, trade name: Firmin 20D) to 100 parts by mass of oxidized cellulose to the obtained dispersion, The reaction was allowed to proceed at room temperature for 1 hour. After the reaction was completed, it was filtered, and the cake was washed with DMF and vacuum dried at 70° C. overnight. Since the carboxy group content of the obtained modified cellulose was 1.3 mmol/g-cellulose, a part of the carboxy groups of the obtained modified cellulose was oxidized cellulose as shown in the following formula LA. It was presumed that the carboxyl group and the amino group of laurylamine were bonded through an ionic bond.

Figure 0007394573000004
Figure 0007394573000004

比較例3
調製例1で得られた酸型の酸化セルロースをN-メチルピロリドン(NMP)で溶媒置換して分散液を得た(固形分含有量13.4質量%)。得られた分散液37.3gに、無水酢酸1.5g及び炭酸カリウム1.25gを添加し、80℃で1.5時間静置して、酸化セルロースにおけるヒドロキシ基のアセチル化反応を行った。反応終了後、ろ過及び水による十分な洗浄を行い、80℃で一晩真空乾燥を行うことで、ヒドロキシ基がアセチル化された改質セルロースを得た。
Comparative example 3
The acid type oxidized cellulose obtained in Preparation Example 1 was solvent-substituted with N-methylpyrrolidone (NMP) to obtain a dispersion (solid content 13.4% by mass). 1.5 g of acetic anhydride and 1.25 g of potassium carbonate were added to 37.3 g of the obtained dispersion, and the mixture was allowed to stand at 80° C. for 1.5 hours to carry out an acetylation reaction of hydroxyl groups in the oxidized cellulose. After the reaction was completed, it was filtered and thoroughly washed with water, and vacuum dried at 80° C. overnight to obtain modified cellulose in which the hydroxy groups were acetylated.

得られた改質セルロースにおける、非イオン性置換基に該当するアセチル基の導入の程度は、特開2016-176052号公報の段落0249~0253に記載された逆滴定方法によって求められる化学修飾度で示し、表1に値を記載した。なお、化学修飾度は、かかるアセチル化におけるアセチル化剤の量、反応温度、反応時間等を調節することにより調整することができる。 The degree of introduction of acetyl groups corresponding to nonionic substituents in the obtained modified cellulose is determined by the degree of chemical modification determined by the back titration method described in paragraphs 0249 to 0253 of JP-A-2016-176052. The values are listed in Table 1. Note that the degree of chemical modification can be adjusted by adjusting the amount of acetylating agent, reaction temperature, reaction time, etc. in the acetylation.

試験例1(分散安定性)
各実施例及び比較例で得られた改質セルロース又はアニオン変性セルロースを、表1に示す各媒体を用いて高圧ホモジナイザー(吉田機械社製、「ナノヴェイタL-ES」)処理に計10回供して分散処理を実施し、分散体(固形分含有量:0.5質量%)を得た。各分散体を常温で1日間静置し、透明性や沈殿物の有無を目視で確認し、以下の評価基準に基づいて評価した。なお、ここでの分散体中の改質セルロース又はアニオン変性セルロースの量は、改質セルロース又はアニオン変性セルロースからイオン性基及び非イオン性置換基を除いたセルロースが0.5質量%となる量である。
Test example 1 (dispersion stability)
The modified cellulose or anion-modified cellulose obtained in each Example and Comparative Example was subjected to a high-pressure homogenizer ("Nano Veita L-ES" manufactured by Yoshida Kikai Co., Ltd.) treatment 10 times in total using each medium shown in Table 1. A dispersion treatment was performed to obtain a dispersion (solid content: 0.5% by mass). Each dispersion was allowed to stand at room temperature for one day, and the transparency and presence of precipitates were visually confirmed and evaluated based on the following evaluation criteria. In addition, the amount of modified cellulose or anion-modified cellulose in the dispersion here is an amount in which the amount of cellulose obtained by removing ionic groups and nonionic substituents from modified cellulose or anion-modified cellulose is 0.5% by mass. It is.

評価A:透明状態又はやや白濁状態であり、沈殿物は確認されなかった。
評価B:一部沈殿物が確認された。
評価C:完全に分離し、全量が沈殿していた。
分散安定性はA>B>Cの序列で評価され、評価Aが優れた分散安定性を有していること、評価Bが実使用に支障を来さない程度の分散安定性を有していることを示す。
Evaluation A: Transparent state or slightly cloudy state, and no precipitate was observed.
Evaluation B: Some precipitates were observed.
Evaluation C: Complete separation and the entire amount was precipitated.
Dispersion stability is evaluated in the order of A>B>C, with evaluation A indicating excellent dispersion stability, and evaluation B indicating dispersion stability that does not pose a problem in actual use. Indicates that there is a

試験例2(分散体の透過度)
試験例1で調製された、各実施例及び比較例に関して得られた分散体を使用して、分散体の透過度を次のようにして評価した。光透過率の測定は常温常圧下で実施した。
Test example 2 (permeability of dispersion)
Using the dispersion prepared in Test Example 1 and obtained for each Example and Comparative Example, the permeability of the dispersion was evaluated as follows. The measurement of light transmittance was carried out at room temperature and pressure.

具体的には、分散処理直後の各分散体30mLをスクリュー管(アズワン社製No.7)に移し、分散体をスクリュー管ごと振り、目視で均一になった状態の試料を光路長10mmの石英セルに3mL入れた。セルを1分間静置した後、ダブルビーム分光光度計(日立ハイテクサイエンス社製、「U-2910」)用いて、波長660nmの吸光度を測定した。それぞれの分散体の調製に用いた媒体をブランク(即ち、透過度100%)とし、各分散体の吸光度から透過度を求めた。
結果等を表1にまとめた。
Specifically, 30 mL of each dispersion immediately after the dispersion treatment was transferred to a screw tube (No. 7 manufactured by As One), the dispersion was shaken together with the screw tube, and the sample, which was visually homogeneous, was transferred to a quartz tube with an optical path length of 10 mm. 3 mL was put into the cell. After the cell was allowed to stand for 1 minute, absorbance at a wavelength of 660 nm was measured using a double beam spectrophotometer (manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd., "U-2910"). The medium used to prepare each dispersion was used as a blank (ie, transmittance 100%), and the transmittance was determined from the absorbance of each dispersion.
The results are summarized in Table 1.

Figure 0007394573000005
Figure 0007394573000005

Figure 0007394573000006
Figure 0007394573000006

Figure 0007394573000007
Figure 0007394573000007

前記の実験結果より、本発明の改質セルロースは、分散体にした時の分散安定性及び透過度に優れたものであることが分かった(実施例1~2)。
一方、比較例によれば、非イオン性置換基を有さない酸化セルロース(比較例1、2)の分散体は、分散安定性及び透過度の評価が非常に劣っていることが分かった。さらに、非イオン性置換基がエーテル結合ではなくエステル結合で結合した改質セルロース(比較例3)の分散体も分散安定性及び透過度の評価が非常に劣っていることが分かった。
From the above experimental results, it was found that the modified cellulose of the present invention had excellent dispersion stability and permeability when made into a dispersion (Examples 1 and 2).
On the other hand, according to Comparative Examples, it was found that dispersions of oxidized cellulose without nonionic substituents (Comparative Examples 1 and 2) had very poor evaluations of dispersion stability and permeability. Furthermore, it was found that a dispersion of modified cellulose (Comparative Example 3) in which nonionic substituents were bonded not through ether bonds but through ester bonds also had very poor evaluations of dispersion stability and permeability.

本発明の改質セルロースは、自動車、航空機、船舶等の産業用途やスポーツ用途等の各種部材の材料として利用することができる。 The modified cellulose of the present invention can be used as a material for various parts for industrial applications such as automobiles, aircraft, and ships, and for sports applications.

Claims (9)

カルボキシ基及び下記一般式(1)、(2)及び(3)からなる群より選択される1種以上の非イオン性置換基を有し、結晶化度が10%以上90%以下のセルロースI型結晶構造を有する改質セルロースであって、
該カルボキシ基の含有量が0.1mmol/g-セルロース以上3mmol/g-セルロース以下であり、
該非イオン性置換基の導入率が、セルロースの無水グルコースユニット1モルに対して0.001モル以上1.5モル以下であり、
該非イオン性置換基はエーテル結合を介してセルロースと結合している改質セルロース。
-R (1)
-CH -CH(OH)-R (2)
-CH -CH(OH)-CH -(OA) -O-R (3)
(式中、R は炭素数2以上100以下の炭化水素基であり、R は炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、R は炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、nは0以上100以下の数であり、Aは炭素数1以上6以下の2価の炭化水素基である。)
Cellulose I having a carboxy group and one or more nonionic substituents selected from the group consisting of the following general formulas (1), (2) and (3) , and having a crystallinity of 10% or more and 90% or less A modified cellulose having a type crystal structure,
The content of the carboxy group is 0.1 mmol/g-cellulose or more and 3 mmol/g-cellulose or less,
The introduction rate of the nonionic substituent is 0.001 mol or more and 1.5 mol or less per 1 mol of anhydroglucose unit of cellulose,
Modified cellulose in which the nonionic substituent is bonded to cellulose via an ether bond.
-R 1 (1)
-CH 2 -CH(OH)-R 2 (2)
-CH 2 -CH(OH)-CH 2 -(OA) n -O-R 3 (3)
(In the formula, R 1 is a hydrocarbon group having 2 to 100 carbon atoms, R 2 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms, and R 3 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms. (n is a number from 0 to 100, and A is a divalent hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms.)
改質セルロースが下記一般式(Ce)で示される、請求項1に記載の改質セルロース。
Figure 0007394573000008

(式中、Rはそれぞれ独立して、水素原子、カルボキシ基及び非イオン性置換基からなる群より選択され、Rの少なくとも一つはカルボキシ基であり、かつRの少なくとも一つは非イオン性置換基である。mは20以上3,000以下の整数である。)
The modified cellulose according to claim 1, wherein the modified cellulose is represented by the following general formula (Ce).
Figure 0007394573000008

(wherein each R is independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a carboxy group , and a nonionic substituent, at least one of R is a carboxy group , and at least one of R is a nonionic substituent) It is a substituent. m is an integer from 20 to 3,000.)
非イオン性置換基の導入率が、セルロースの無水グルコースユニット1モルに対して0.005モル以上1.0モル以下である、請求項1又は2に記載の改質セルロース。 The modified cellulose according to claim 1 or 2 , wherein the introduction rate of the nonionic substituent is 0.005 mol or more and 1.0 mol or less per 1 mol of anhydroglucose unit of cellulose. 原料のセルロースに対し、カルボキシ基を導入する工程、及び下記一般式(1)、(2)及び(3)からなる群より選択される1種以上の非イオン性置換基をエーテル結合を介してセルロースのヒドロキシ基に導入する工程を有する、結晶化度が10%以上90%以下のセルロースI型結晶構造を有する改質セルロースの製造方法であって、
該カルボキシ基の含有量が0.1mmol/g-セルロース以上3mmol/g-セルロース以下であり、
該非イオン性置換基の導入率が、セルロースの無水グルコースユニット1モルに対して0.001モル以上1.5モル以下である、改質セルロースの製造方法
-R (1)
-CH -CH(OH)-R (2)
-CH -CH(OH)-CH -(OA) -O-R (3)
(式中、R は炭素数2以上100以下の炭化水素基であり、R は炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、R は炭素数1以上100以下の炭化水素基であり、nは0以上100以下の数であり、Aは炭素数1以上6以下の2価の炭化水素基である。)
A step of introducing a carboxy group into the raw material cellulose, and one or more nonionic substituents selected from the group consisting of the following general formulas (1), (2) and (3) via an ether bond. A method for producing modified cellulose having a cellulose type I crystal structure with a crystallinity of 10% or more and 90% or less, the method comprising the step of introducing into the hydroxyl group of cellulose ,
The content of the carboxy group is 0.1 mmol/g-cellulose or more and 3 mmol/g-cellulose or less,
A method for producing modified cellulose, wherein the introduction rate of the nonionic substituent is 0.001 mol or more and 1.5 mol or less per 1 mol of anhydroglucose unit of cellulose .
-R 1 (1)
-CH 2 -CH(OH)-R 2 (2)
-CH 2 -CH(OH)-CH 2 -(OA) n -O-R 3 (3)
(In the formula, R 1 is a hydrocarbon group having 2 to 100 carbon atoms, R 2 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms, and R 3 is a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms. (n is a number from 0 to 100, and A is a divalent hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms.)
カルボキシ基を有するセルロースのヒドロキシ基にエーテル結合を介して非イオン性置換基を導入する工程を含む、請求項に記載の製造方法。 5. The production method according to claim 4 , comprising a step of introducing a nonionic substituent into the hydroxyl group of cellulose having a carboxy group via an ether bond. 非イオン性置換基を有するセルロースのヒドロキシ基にカルボキシ基を導入する工程を含む、請求項に記載の製造方法。 5. The production method according to claim 4 , comprising a step of introducing a carboxy group into a hydroxy group of cellulose having a nonionic substituent. 改質セルロースが下記一般式(Ce)で示される、請求項4~6のいずれか1項に記載の製造方法。
Figure 0007394573000009

(式中、Rはそれぞれ独立して、水素原子、カルボキシ基及び非イオン性置換基からなる群より選択され、Rの少なくとも一つはカルボキシ基であり、かつRの少なくとも一つは非イオン性置換基である。mは20以上3,000以下の整数である。)
The manufacturing method according to any one of claims 4 to 6 , wherein the modified cellulose is represented by the following general formula (Ce).
Figure 0007394573000009

(wherein each R is independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a carboxy group , and a nonionic substituent, at least one of R is a carboxy group , and at least one of R is a nonionic substituent) It is a substituent. m is an integer from 20 to 3,000.)
非イオン性置換基の導入率が、セルロースの無水グルコースユニット1モルに対して0.005モル以上1.0モル以下である、請求項4~7のいずれか1項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 4 to 7 , wherein the introduction rate of the nonionic substituent is 0.005 mol or more and 1.0 mol or less per 1 mol of anhydroglucose unit of cellulose. 一般式(3)で示される置換基のnが0以上20以下の数であり、Aが炭素数2以上3以下の2価の飽和炭化水素基である、請求項4~8のいずれか1項に記載の製造方法。 Any one of claims 4 to 8 , wherein n of the substituent represented by general formula (3) is a number of 0 to 20, and A is a divalent saturated hydrocarbon group having 2 to 3 carbon atoms. The manufacturing method described in section .
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