JP7562091B2 - Porous cellulose particles and their manufacturing method - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 http://www3.scej.org/meeting/stu22w/prog/room_M1.html(第22回化学工学会学生発表会(岡山大会)講演プログラムにおいてタイトルを公開(講演番号:M22))。掲載日:令和2年1月15日 〔刊行物等〕 http://www3.scej.org/meeting/stu22w/abst/M22.pdf(第22回化学工学会学生発表会(岡山大会)発表要旨において要旨を公開(講演番号:M22))。掲載日:令和2年2月17日 〔刊行物等〕 http://www3.scej.org/meeting/51f/appl/serial_1.html(化学工学会第51回秋季大会の講演申し込み一覧においてタイトルを公開(受理番号89)。掲載日:令和2年6月3日Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies http://www3.scej.org/meeting/stu22w/prog/room_M1.html (title published in the program of the 22nd Chemical Engineering Society Student Presentation (Okayama Conference) (lecture number: M22)). Posted on January 15, 2020 [Publications, etc.] http://www3.scej.org/meeting/stu22w/abst/M22.pdf (abstract published in the abstract of the 22nd Chemical Engineering Society Student Presentation (Okayama Conference) (lecture number: M22)). Posted on February 17, 2020 [Publications, etc.] http://www3.scej.org/meeting/stu22w/abst/M22.pdf (abstract published in the abstract of the 22nd Chemical Engineering Society Student Presentation (Okayama Conference) (lecture number: M22)). org/meeting/51f/appl/serial_1.html (title published in the list of presentation applications for the 51st Autumn Meeting of the Society of Chemical Engineers (acceptance number 89). Posting date: June 3, 2020
本発明は、セルロースナノファイバーにより形成された多孔性セルロース粒子、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to porous cellulose particles formed from cellulose nanofibers and a method for producing the same.
セルロースナノファイバーの生化学分野での研究や応用として、タンパク質などの生理活性物質とTEMPO酸化セルロースナノファイバー(TOCN)との相互作用による吸着の検討事例が報告されている(特許文献1参照)。 As part of research and applications of cellulose nanofibers in the field of biochemistry, there have been reports of studies on adsorption through interactions between biologically active substances such as proteins and TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCN) (see Patent Document 1).
しかしながら、セルロースナノファイバーを吸着剤として用いる場合、微細繊維状のままで水媒体に分散させたものでは、セルロースナノファイバーと被吸着物とを分離しにくいことや微細繊維状セルロースを回収、再利用しにくいことなど、取り扱い性に劣る。セルロースナノファイバーの取り扱い性を向上するために、ナノサイズの微細繊維状の形態をマイクロサイズの粒子に形成することが考えられる。その場合に、セルロースナノファイバーの水分散体を単に静置乾燥するだけでは、セルロースナノファイバーが凝集するため、表面積が低下し、例えば吸着剤としての性能が低下してしまう。 However, when cellulose nanofibers are used as an adsorbent, if they are dispersed in an aqueous medium in the fine fiber form, they are difficult to separate from the cellulose nanofibers and the adsorbate, and the fine fibrous cellulose is difficult to recover and reuse, making them difficult to handle. In order to improve the handleability of cellulose nanofibers, it is possible to form the nano-sized fine fiber form into micro-sized particles. In that case, simply leaving the aqueous dispersion of cellulose nanofibers to dry will cause the cellulose nanofibers to aggregate, reducing the surface area and, for example, reducing performance as an adsorbent.
本発明の実施形態は、セルロースナノファイバーからなるセルロース粒子の表面積を増大させることを目的とする。 An embodiment of the present invention aims to increase the surface area of cellulose particles made of cellulose nanofibers.
本発明は以下に示される実施形態を含む。
[1] セルロースナノファイバーにより形成された粒子であって、テンプレート粒子の除去跡である複数の穴を粒子表面に備える多孔性セルロース粒子。
[2] 前記多孔性セルロース粒子の平均粒径が1~30μmであり、前記穴の平均孔径が前記多孔性セルロース粒子の平均粒径の1/200~1/5である、[1]に記載の多孔性セルロース粒子。
[3] 前記セルロースナノファイバーがアニオン性官能基を持つ、[1]又は[2]に記載の多孔性セルロース粒子。
[4] [1]~[3]のいずれか1項の多孔性セルロース粒子を含む吸着剤。
[5] セルロースナノファイバーとテンプレート粒子を含む分散液を噴霧乾燥して、前記セルロースナノファイバーと前記テンプレート粒子が複合化された複合体粒子を得ること、及び、得られた複合体粒子に含まれる前記テンプレート粒子を有機溶剤で溶解させること、を含む、多孔性セルロース粒子の製造方法。
[6] 前記テンプレート粒子の平均粒径が100~1000nmである、[5]に記載の多孔性セルロース粒子の製造方法。
[7] 前記セルロースナノファイバーがアニオン性官能基を持つ、[5]又は[6]に記載の多孔性セルロース粒子の製造方法。
The present invention includes the embodiments set forth below.
[1] A porous cellulose particle formed from cellulose nanofibers, the particle surface having a plurality of holes that are traces of the removal of a template particle.
[2] The porous cellulose particles according to [1], wherein the average particle size of the porous cellulose particles is 1 to 30 μm, and the average pore size of the holes is 1/200 to 1/5 of the average particle size of the porous cellulose particles.
[3] The porous cellulose particles according to [1] or [2], wherein the cellulose nanofibers have anionic functional groups.
[4] An adsorbent comprising the porous cellulose particles according to any one of [1] to [3].
[5] A method for producing porous cellulose particles, comprising: spray-drying a dispersion containing cellulose nanofibers and template particles to obtain composite particles in which the cellulose nanofibers and the template particles are combined; and dissolving the template particles contained in the obtained composite particles with an organic solvent.
[6] The method for producing porous cellulose particles according to [5], wherein the average particle size of the template particles is 100 to 1000 nm.
[7] The method for producing porous cellulose particles according to [5] or [6], wherein the cellulose nanofibers have anionic functional groups.
本発明の実施形態であると、セルロースナノファイバーからなるセルロース粒子の粒子表面にテンプレート粒子の除去跡の穴を設けたことにより、セルロース粒子の表面積を増加させることができる。そのため、例えば吸着剤として用いたときの吸着性能を向上することができる。 In an embodiment of the present invention, the surface area of cellulose particles made of cellulose nanofibers can be increased by providing holes on the particle surface where the template particles were removed. This can improve the adsorption performance when used as an adsorbent, for example.
本実施形態に係る多孔性セルロース粒子は、セルロースナノファイバーにより形成されたセルロース粒子であって、粒子表面に複数の穴を備えたものである。 The porous cellulose particles according to this embodiment are cellulose particles formed from cellulose nanofibers and have multiple holes on the particle surface.
セルロースナノファイバーとしては、下記(a)~(c)を満たすものを用いることが好ましい。
(a)数平均繊維径が3nm以上100nm以下であること。
(b)セルロースI型結晶構造を有すること。
(c)平均アスペクト比が2以上5000以下であること。
It is preferable to use cellulose nanofibers that satisfy the following (a) to (c).
(a) The number average fiber diameter is 3 nm or more and 100 nm or less.
(b) Having a cellulose I type crystal structure.
(c) The average aspect ratio is 2 or more and 5,000 or less.
上記(a)の数平均繊維径は、より好ましくは50nm以下であり、更に好ましくは30nm以下であり、10nm以下でもよい。数平均繊維径は、次のようにして測定することができる。 The number average fiber diameter of (a) above is more preferably 50 nm or less, even more preferably 30 nm or less, and may be 10 nm or less. The number average fiber diameter can be measured as follows.
すなわち、固形分率で0.05~0.1質量%のセルロースナノファイバーの水分散体を調製し、その水分散体を、親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストして、透過型電子顕微鏡(TEM)の観察用試料とする。なお、大きな繊維径の繊維を含む場合には、ガラス上へキャストした表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像を観察してもよい。また、観察用試料は、例えば2質量%ウラニルアセテートでネガティブ染色してもよい。そして、構成する繊維の大きさに応じて5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。その際に、得られた画像内に縦横任意の画像幅の軸を想定し、その軸に対し、20本以上の繊維が交差するよう、試料および観察条件(倍率等)を調節する。そして、この条件を満たす観察画像を得た後、この画像に対し、1枚の画像当たり縦横2本ずつの無作為な軸を引き、軸に交錯する繊維の繊維径を目視で読み取っていく。このようにして、最低3枚の重複しない表面部分の画像を、電子顕微鏡で撮影し、各々2つの軸に交錯する繊維の繊維径の値を読み取る(したがって、最低20本×2×3=120本の繊維径の情報が得られる)。このようにして得られた繊維径の相加平均を数平均繊維径とする。 That is, an aqueous dispersion of cellulose nanofibers with a solid content of 0.05 to 0.1% by mass is prepared, and the aqueous dispersion is cast on a carbon film-coated grid that has been hydrophilized to prepare a sample for observation with a transmission electron microscope (TEM). When the sample contains fibers with a large fiber diameter, a scanning electron microscope (SEM) image of the surface cast onto glass may be observed. The observation sample may also be negatively stained with, for example, 2% by mass uranyl acetate. Then, the sample is observed with an electron microscope image at a magnification of 5,000 times, 10,000 times, or 50,000 times depending on the size of the fibers that make up the sample. In this case, an axis of any image width, vertical or horizontal, is assumed in the obtained image, and the sample and observation conditions (magnification, etc.) are adjusted so that 20 or more fibers cross the axis. After obtaining an observation image that satisfies this condition, two random axes are drawn vertically and horizontally on the image, and the fiber diameters of the fibers that cross the axis are visually read. In this way, at least three non-overlapping images of the surface area are taken with an electron microscope, and the fiber diameter values of the fibers intersecting each of the two axes are read (thus, information on the diameters of at least 20 fibers x 2 x 3 = 120 fibers is obtained). The arithmetic mean of the fiber diameters obtained in this way is the number average fiber diameter.
上記(b)のセルロースI型結晶構造を有することは、広角X線回折像測定により得られる回折プロファイルにおいて、2θ=14°~17°付近と、2θ=22°~23°付近の2つの位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。 The presence of the cellulose type I crystal structure (b) above can be identified by the presence of typical peaks at two positions, around 2θ = 14° to 17° and 2θ = 22° to 23°, in the diffraction profile obtained by wide-angle X-ray diffraction image measurement.
上記(c)の平均アスペクト比は、より好ましくは50以上であり、更に好ましくは100以上であり、200以上でもよい。平均アスペクト比は、より好ましくは1000以下であり、500以下でもよい。平均アスペクト比は、次のようにして測定することができる。 The average aspect ratio of (c) above is more preferably 50 or more, further preferably 100 or more, and may be 200 or more. The average aspect ratio is more preferably 1000 or less, and may be 500 or less. The average aspect ratio can be measured as follows.
すなわち、先に述べた方法に従い数平均繊維径を算出する。また、同様の観察画像からセルロースナノファイバーの数平均繊維長を算出する。詳細には、繊維の始点から終点までの長さ(繊維長)を最低10本目視で読み取る。なお、枝分かれしている繊維については、その繊維の最も長い部分の長さを繊維長とする。このようにして得られた繊維長の相加平均を算出し、数平均繊維長とする。これらの値を用いて平均アスペクト比を下記式に従い算出する。
平均アスペクト比=数平均繊維長(nm)/数平均繊維径(nm)
That is, the number average fiber diameter is calculated according to the method described above. The number average fiber length of the cellulose nanofibers is also calculated from the same observation image. Specifically, the length from the start point to the end point of the fiber (fiber length) of at least 10 fibers is visually read. For branched fibers, the length of the longest part of the fiber is taken as the fiber length. The arithmetic mean of the fiber lengths thus obtained is calculated to be the number average fiber length. Using these values, the average aspect ratio is calculated according to the following formula.
Average aspect ratio = number average fiber length (nm) / number average fiber diameter (nm)
セルロースナノファイバーとしては、アニオン性官能基を持つものが好ましく用いられる。アニオン性官能基を持つことにより、液中で負の電位を持つため、正の電位を持つ吸着質に対して有利な吸着性能を発揮することができる。 Cellulose nanofibers that have anionic functional groups are preferably used. The anionic functional groups have a negative potential in the liquid, and therefore can exhibit advantageous adsorption performance for adsorbates with positive potential.
アニオン性官能基としては、例えば、カルボキシ基、リン酸基、スルホン酸基、硝酸基、ホウ酸基、及び硫酸基からなる群から選択される少なくとも1種が挙げられる。本明細書において、カルボキシ基は、酸型(-COOH)だけでなく、塩型、即ちカルボン酸塩基(-COOX、ここでXはカルボン酸と塩を形成する陽イオン)も含む概念であり、酸型と塩型が混在してもよい。リン酸基、スルホン酸基、硝酸基、ホウ酸基、及び硫酸基についても、同様に、酸型だけでなく、塩型も含む概念であり、酸型と塩型が混在してもよい。塩としては、特に限定されず、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、マグネシウム塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩等のオニウム塩、1級アミン、2級アミン、3級アミン等のアミン塩等が挙げられる。 Examples of anionic functional groups include at least one selected from the group consisting of carboxyl groups, phosphate groups, sulfonic acid groups, nitrate groups, borate groups, and sulfate groups. In this specification, the term "carboxyl group" refers to a concept that includes not only the acid type (-COOH) but also the salt type, i.e., carboxylate group (-COOX, where X is a cation that forms a salt with a carboxylic acid), and the acid type and the salt type may be mixed. Similarly, the term "phosphate group, sulfonic acid group, nitrate group, borate group, and sulfate group" refers to a concept that includes not only the acid type but also the salt type, and the acid type and the salt type may be mixed. The salt is not particularly limited, and examples thereof include alkali metal salts such as sodium salts and potassium salts, alkaline earth metal salts such as magnesium salts and calcium salts, onium salts such as ammonium salts and phosphonium salts, and amine salts such as primary amines, secondary amines, and tertiary amines.
セルロースナノファイバーにおけるアニオン性官能基の量は、特に限定されず、例えば、セルロースナノファイバーの乾燥質量あたり、0.5~3.0mmol/gでもよく、1.5~2.0mmol/gでもよい。アニオン性官能基の量は、例えば、カルボキシ基の場合、0.1~1質量%の濃度に調製したセルロースナノファイバー含有スラリーを60mL調製し、0.1mol/Lの塩酸水溶液によってpHを約2.5とした後、0.05mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、電気伝導度測定を行い、pHが約11になるまで続け、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(V)から、下記式に従い求めることができる。リン酸基についても、同様の電気伝導度測定により測定することができる。その他のアニオン基についても公知の方法で測定すればよい。
アニオン性官能基量(mmol/g)=V(mL)×〔0.05/セルロースナノファイバー質量(g)〕
The amount of anionic functional groups in the cellulose nanofibers is not particularly limited, and may be, for example, 0.5 to 3.0 mmol/g or 1.5 to 2.0 mmol/g per dry mass of the cellulose nanofibers. For example, in the case of a carboxy group, the amount of anionic functional groups can be calculated by preparing 60 mL of a cellulose nanofiber-containing slurry adjusted to a concentration of 0.1 to 1% by mass, adjusting the pH to about 2.5 with a 0.1 mol/L aqueous hydrochloric acid solution, dropping a 0.05 mol/L aqueous sodium hydroxide solution, measuring the electrical conductivity, and continuing until the pH reaches about 11. The amount of sodium hydroxide consumed in the neutralization stage of the weak acid where the change in electrical conductivity is gradual (V) according to the following formula. The amount of phosphate groups can also be measured by the same electrical conductivity measurement. Other anionic groups may also be measured by known methods.
Amount of anionic functional group (mmol/g) = V (mL) x [0.05/mass of cellulose nanofiber (g)]
一実施形態において、セルロースナノファイバーとしては、アニオン性官能基としてカルボキシ基を有することが好ましい。カルボキシ基を含有するセルロースナノファイバーとしては、例えば、セルロース分子中のグルコースユニットの水酸基を酸化してなる酸化セルロースナノファイバーや、セルロース分子中のグルコースユニットの水酸基をカルボキシメチル化してなるカルボキシメチル化セルロースナノファイバーが挙げられる。 In one embodiment, the cellulose nanofiber preferably has a carboxy group as an anionic functional group. Examples of cellulose nanofibers containing a carboxy group include oxidized cellulose nanofibers obtained by oxidizing the hydroxyl groups of the glucose units in the cellulose molecules, and carboxymethylated cellulose nanofibers obtained by carboxymethylating the hydroxyl groups of the glucose units in the cellulose molecules.
酸化セルロースナノファイバーとしては、セルロース分子中のグルコースユニットのC6位の水酸基が選択的に酸化されてカルボキシ基に変性されたものが挙げられる。該酸化セルロースナノファイバーは、木材パルプなどの天然セルロースをN-オキシル化合物の存在下、共酸化剤を用いて酸化させ、解繊(微細化)処理することにより得られる。N-オキシル化合物としては、一般に酸化触媒として用いられるニトロキシラジカルを有する化合物が用いられ、例えばピペリジンニトロキシオキシラジカルであり、特に2,2,6,6-テトラメチルピペリジノオキシラジカル(TEMPO)または4-アセトアミド-TEMPOが好ましい。TEMPOで酸化されたセルロースナノファイバーは、一般にTEMPO酸化セルロースナノファイバー(TOCN)と称されている。なお、酸化セルロースナノファイバーは、カルボキシ基とともに、アルデヒド基又はケトン基を有していてもよい。 Oxidized cellulose nanofibers include those in which the hydroxyl group at the C6 position of the glucose unit in the cellulose molecule is selectively oxidized to a carboxyl group. The oxidized cellulose nanofibers are obtained by oxidizing natural cellulose such as wood pulp using a co-oxidant in the presence of an N-oxyl compound and then defibrating (refining) the cellulose. As the N-oxyl compound, a compound having a nitroxy radical, which is generally used as an oxidation catalyst, is used, for example, a piperidine nitroxyoxy radical, and in particular, 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical (TEMPO) or 4-acetamide-TEMPO is preferred. Cellulose nanofibers oxidized with TEMPO are generally called TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCN). The oxidized cellulose nanofibers may have an aldehyde group or a ketone group in addition to the carboxyl group.
セルロースナノファイバーは、解繊処理を行うことにより得てもよい。解繊処理は、アニオン性官能基を導入してから実施してもよく、導入前に実施してもよい。解繊処理は、例えば、高速回転下でのホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波分散処理機、ビーター、ディスク型レファイナー、コニカル型レファイナー、ダブルディスク型レファイナー、グラインダー等を用いて、セルロース繊維の分散液を処理することにより行うことができ、セルロースナノファイバーの分散液を得ることができる。 The cellulose nanofibers may be obtained by a defibration treatment. The defibration treatment may be performed after or before the introduction of anionic functional groups. The defibration treatment may be performed by treating a dispersion of cellulose fibers using, for example, a homomixer, a high-pressure homogenizer, an ultrasonic dispersion processor, a beater, a disk refiner, a conical refiner, a double disk refiner, a grinder, or the like under high-speed rotation, and a dispersion of cellulose nanofibers can be obtained.
実施形態に係る多孔性セルロース粒子は、テンプレート粒子の除去跡である複数の穴を粒子表面に備える。除去跡の穴は、樹脂製のテンプレート粒子を有機溶剤で溶解除去することにより形成される穴であり、セルロースナノファイバーの分散液を単に噴霧乾燥して得られるセルロース粒子における粒子表面の凹凸や隙間などによる穴とは明確に区別可能である。テンプレート粒子を用いることにより、その粒径に応じた孔径を持つ穴を形成することができる。そのため、セルロースナノファイバーからなるセルロース粒子の表面に所望の孔径を持つ穴を形成してポーラス化することができるため、表面積を増大させた多孔性セルロース粒子を容易に得ることができる。 The porous cellulose particles according to the embodiment have a plurality of holes on the particle surface that are traces of the removal of the template particles. The holes are formed by dissolving and removing the resin template particles with an organic solvent, and are clearly distinguishable from holes caused by unevenness or gaps on the particle surface of cellulose particles obtained by simply spray-drying a dispersion of cellulose nanofibers. By using the template particles, holes with a pore size according to the particle size can be formed. Therefore, holes with a desired pore size can be formed on the surface of cellulose particles made of cellulose nanofibers to make them porous, and porous cellulose particles with an increased surface area can be easily obtained.
上記除去跡の穴は、例えば吸着剤として用いる場合の吸着効果を高めるために粒子表面に設けられることが好ましく、粒子表面とともに粒子内部に設けられてもよい。 The above-mentioned removal holes are preferably provided on the particle surface to enhance the adsorption effect when used as an adsorbent, and may be provided inside the particle as well as on the particle surface.
穴の形状はテンプレート粒子の形状に対応した形状となる。テンプレート粒子として球状の粒子を用いる場合、その除去跡である穴は、多孔性セルロース粒子の粒子表面では部分球状、粒子内部では球状となる。そのため、球状のテンプレート粒子を用いる場合、多孔性セルロース粒子はその粒子表面に部分球状の穴を持つ。ここで、部分球状とは、球の一部を欠く形状のことである。但し、テンプレート粒子を溶解除去した後の処理により多孔性セルロース粒子に歪みが生じることで除去跡の穴が変形する場合もあるため、上記の球状や部分球状は必ずしも厳密に球面又は部分球面を有する必要はなく、溶解除去後に歪んだ形状のものも含まれる。 The shape of the holes corresponds to the shape of the template particles. When spherical particles are used as the template particles, the holes remaining after removal are partially spherical on the particle surface of the porous cellulose particles and spherical inside the particles. Therefore, when spherical template particles are used, the porous cellulose particles have partially spherical holes on their particle surface. Here, partially spherical means a shape in which a part of a sphere is missing. However, since the holes remaining after removal may be deformed due to distortion of the porous cellulose particles caused by processing after dissolving and removing the template particles, the above-mentioned spherical or partially spherical shapes do not necessarily have to have a strictly spherical or partially spherical surface, and also include shapes that are distorted after dissolving and removing.
実施形態に係る多孔性セルロース粒子は、取り扱い性の観点からマイクロサイズであることが好ましい。より詳細には、多孔性セルロース粒子の平均粒径は、1~30μmであることが好ましく、より好ましくは2~20μmであり、更に好ましくは3~15μmである。 From the viewpoint of ease of handling, the porous cellulose particles according to the embodiment are preferably micro-sized. More specifically, the average particle size of the porous cellulose particles is preferably 1 to 30 μm, more preferably 2 to 20 μm, and even more preferably 3 to 15 μm.
多孔性セルロース粒子に形成される上記穴の平均孔径は、特に限定されないが、多孔性セルロース粒子の平均粒径の1/200~1/5であることが好ましく、より好ましくは1/100~1/10である。例えば、上記穴の平均孔径は、100~1000nmでもよく、200~700nmでもよい。ここで、上記穴の平均孔径とは、粒子表面での孔径(開口径)の平均値である。 The average pore size of the holes formed in the porous cellulose particles is not particularly limited, but is preferably 1/200 to 1/5, and more preferably 1/100 to 1/10, of the average particle size of the porous cellulose particles. For example, the average pore size of the holes may be 100 to 1000 nm, or 200 to 700 nm. Here, the average pore size of the holes is the average value of the pore size (opening size) on the particle surface.
多孔性セルロース粒子の粒子表面に形成される上記穴の面積比率(穴比率)は、特に限定されず、粒子の表面積に対する穴の開口面積の割合として5~75%でもよく、10~60%でもよい。 The area ratio of the holes formed on the particle surface of the porous cellulose particles (hole ratio) is not particularly limited, and may be 5 to 75% or 10 to 60% as the ratio of the opening area of the holes to the surface area of the particle.
多孔性セルロース粒子の窒素吸着比表面積(BET法)は、特に限定されないが、5~50m2/gであることが好ましく、より好ましくは8~40m2/gであり、10~30m2/gでもよい。 The nitrogen adsorption specific surface area (BET method) of the porous cellulose particles is not particularly limited, but is preferably 5 to 50 m 2 /g, more preferably 8 to 40 m 2 /g, and may be 10 to 30 m 2 /g.
多孔性セルロース粒子のゼータ(ζ)電位は、特に限定されない。セルロースナノファイバーがアニオン性官能基を持つ場合、多孔性セルロース粒子は負のゼータ電位を持ち、その粒子表面にカチオン性有機化合物を静電的引力により吸着させることができる。ここで、ゼータ電位とは、電気二重層のすべり面での電位のことであり、界面動電位とも称される。多孔性セルロース粒子の純水中におけるゼータ電位は、例えば-100~-10mVでもよく、-70~-30mVでもよい。 The zeta (ζ) potential of the porous cellulose particles is not particularly limited. When the cellulose nanofibers have anionic functional groups, the porous cellulose particles have a negative zeta potential, and cationic organic compounds can be adsorbed onto the particle surface by electrostatic attraction. Here, the zeta potential refers to the potential at the slip surface of the electric double layer, and is also called the interfacial dynamic potential. The zeta potential of the porous cellulose particles in pure water may be, for example, -100 to -10 mV, or -70 to -30 mV.
本実施形態に係る多孔性セルロース粒子は、セルロースナノファイバーにより形成されるものであり、セルロースナノファイバー単独でもよいが、セルロースナノファイバーとともに他の成分を含有してもよい。例えば、多孔性セルロース粒子を液中から効率的に収集するために、酸化鉄などの磁性体粒子を他の成分として含んでもよい。また、テンプレート粒子が完全に溶解除去されずに残存している場合、テンプレート粒子を構成する樹脂を他の成分として含んでもよい。 The porous cellulose particles according to this embodiment are formed from cellulose nanofibers, and may be cellulose nanofibers alone, or may contain other components together with the cellulose nanofibers. For example, in order to efficiently collect the porous cellulose particles from the liquid, magnetic particles such as iron oxide may be contained as other components. In addition, if the template particles remain without being completely dissolved and removed, the resin that constitutes the template particles may be contained as other components.
本実施形態に係る多孔性セルロース粒子の製造方法は、以下の工程を含む。
(工程1)セルロースナノファイバーとテンプレート粒子を含む分散液を噴霧乾燥する工程、及び、
(工程2)噴霧乾燥により得られた複合体粒子に含まれるテンプレート粒子を有機溶剤で溶解させる工程。
The method for producing porous cellulose particles according to this embodiment includes the following steps.
(Step 1) spray-drying a dispersion containing cellulose nanofibers and template particles; and
(Step 2) A step of dissolving the template particles contained in the composite particles obtained by spray drying in an organic solvent.
工程1では、セルロースナノファイバーとテンプレート粒子を、例えば溶媒として水を用いて、当該溶媒に均一に混合分散させることにより分散液を調製する。 In step 1, the cellulose nanofibers and template particles are uniformly mixed and dispersed in a solvent, for example, water, to prepare a dispersion.
テンプレート粒子とは、セルロースナノファイバーからなるセルロース粒子に穴を設けて多孔性粒子とするための型となる粒子であり、セルロースナノファイバーとともに複合化された後、有機溶剤や酸やアルカリなどにより溶解除去可能な樹脂粒子であれば、特に限定なく用いることができる。テンプレート粒子としては、有機材料または無機材料ともに用いることができる。有機材料としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸メチルなどのアクリル樹脂、ポリスチレンなどのスチレン樹脂、ポリビニルアルコールなどのビニル樹脂、ポリエステル樹脂などの樹脂粒子が挙げられる。無機材料としては、例えば、酸で溶解する炭酸カルシウムなどを用いることができ、アルカリで溶解するSiO2などを用いることができる。これらはいずれか1種又は2種以上組み合わせて用いてもよい。 The template particles are particles that serve as a mold for forming holes in cellulose particles made of cellulose nanofibers to make them porous particles. There are no particular limitations on the resin particles that can be dissolved and removed by organic solvents, acids, alkalis, etc. after being composited with cellulose nanofibers. Both organic and inorganic materials can be used as the template particles. Examples of organic materials include resin particles such as acrylic resins such as polymethyl methacrylate and polymethyl acrylate, styrene resins such as polystyrene, vinyl resins such as polyvinyl alcohol, and polyester resins. Examples of inorganic materials include calcium carbonate that dissolves in acids, and SiO 2 that dissolves in alkalis. These may be used alone or in combination of two or more.
テンプレート粒子の平均粒径は、特に限定されないが、100~1000nmであることが好ましく、より好ましくは200~800nmであり、300~700nmでもよい。 The average particle size of the template particles is not particularly limited, but is preferably 100 to 1000 nm, more preferably 200 to 800 nm, and may be 300 to 700 nm.
工程1で調製する分散液において、セルロースナノファイバーの濃度としては、噴霧乾燥によりセルロース粒子を形成することができれば、特に限定されず、例えば、0.01~20質量%でもよく、0.05~10質量%でもよい。テンプレート粒子の濃度も特に限定されず、例えば、0.01~20質量%でもよく、0.1~10質量%でもよい。 In the dispersion liquid prepared in step 1, the concentration of the cellulose nanofibers is not particularly limited as long as it is possible to form cellulose particles by spray drying, and may be, for example, 0.01 to 20% by mass, or 0.05 to 10% by mass. The concentration of the template particles is also not particularly limited, and may be, for example, 0.01 to 20% by mass, or 0.1 to 10% by mass.
該分散液において、セルロースナノファイバーとテンプレート粒子との比率は、特に限定されないが、テンプレート粒子/セルロースナノファイバーの質量比で0.5~10でもよく、1~6でもよい。工程1により得られる複合体粒子におけるセルロースナノファイバーとテンプレート粒子との質量比についても同様である。 In the dispersion, the ratio of cellulose nanofibers to template particles is not particularly limited, but may be a mass ratio of template particles/cellulose nanofibers of 0.5 to 10, or 1 to 6. The same applies to the mass ratio of cellulose nanofibers to template particles in the composite particles obtained by step 1.
工程1では、該分散液を噴霧乾燥することにより、セルロースナノファイバーとテンプレート粒子が複合化された複合体粒子を得る。噴霧乾燥は、分散液を気体中に噴霧して急速に乾燥させることで、乾燥粉体を作製する方法であり、公知の噴霧乾燥機を用いて行うことができる。噴霧乾燥における乾燥温度は、特に限定されず、例えば150~200℃でもよい。 In step 1, the dispersion is spray-dried to obtain composite particles in which the cellulose nanofibers and template particles are combined. Spray drying is a method for producing a dry powder by spraying the dispersion into a gas and rapidly drying it, and can be carried out using a known spray dryer. The drying temperature in spray drying is not particularly limited, and may be, for example, 150 to 200°C.
噴霧乾燥により得られる複合体粒子は、図1(A)にその概念図を示すように、セルロースナノファイバーをマトリックスとして、該マトリックスに複数のテンプレート粒子が分散した状態に複合一体化される。 The composite particles obtained by spray drying are integrated in a state in which multiple template particles are dispersed in the cellulose nanofiber matrix, as shown in the conceptual diagram in Figure 1 (A).
工程2では、上記で得られた複合体粒子を有機溶剤や酸やアルカリなどで処理し、複合体粒子に含まれるテンプレート粒子を溶解除去する。有機溶剤としては、セルロースナノファイバーを溶解させることなく、テンプレート粒子を溶解可能であれば、特に限定されず、テンプレート粒子を構成する樹脂の種類にもよるが、例えば、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アルコール、N,N-ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。酸としては、例えば、塩酸、硫酸などが挙げられる。アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などが挙げられる。 In step 2, the composite particles obtained above are treated with an organic solvent, acid, alkali, or the like to dissolve and remove the template particles contained in the composite particles. The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the template particles without dissolving the cellulose nanofibers, and examples of the organic solvent include toluene, xylene, methyl ethyl ketone, alcohol, and N,N-dimethylformamide, although this depends on the type of resin that constitutes the template particles. Examples of the acid include hydrochloric acid and sulfuric acid. Examples of the alkali include an aqueous solution of sodium hydroxide and an aqueous solution of potassium hydroxide.
有機溶剤で処理してテンプレート粒子を溶解除去した後、有機溶剤から分離し乾燥してもよく、これにより多孔性セルロース粒子が得られる。図1(B)は多孔性セルロース粒子の概念図であり、セルロースナノファイバーからなる粒子の表面に、テンプレート粒子の除去跡である複数の穴が設けられている。 After treating with an organic solvent to dissolve and remove the template particles, the particles may be separated from the organic solvent and dried to obtain porous cellulose particles. Figure 1(B) is a conceptual diagram of a porous cellulose particle, in which the surface of a particle made of cellulose nanofiber has multiple holes that are traces of the removal of the template particles.
実施形態に係る多孔性セルロース粒子は、例えば、タンパク質などの生理活性物質用の吸着剤や担体として用いることができる。より詳細には、生理活性物質用吸着剤として、例えばタンパク質などの生理活性物質の精製、分離を行うことができ、また、カラムクロマトグラフィーの充填剤として生理活性物質の精製に利用できる。また、酵素などを担持して反応などを行うための担体として用いてもよい。なお、セルロースナノファイバーとしてアニオン性官能基を持つものを用いた場合には、等電点が7よりも大きい生理活性物質用の吸着剤として好適に用いられる。 The porous cellulose particles according to the embodiment can be used, for example, as an adsorbent or carrier for physiologically active substances such as proteins. More specifically, as an adsorbent for physiologically active substances, it can purify and separate physiologically active substances such as proteins, and can also be used as a packing material for column chromatography to purify physiologically active substances. It may also be used as a carrier for carrying enzymes and carrying out reactions. When cellulose nanofibers having anionic functional groups are used, they are preferably used as an adsorbent for physiologically active substances with an isoelectric point greater than 7.
生理活性物質としては、特に限定されず、例えば、タンパク質、ホルモン、核酸(DNA、RNA)、糖、糖鎖、ビタミン、ペプチドなどが挙げられる。タンパク質としては、例えば、酵素、抗体、レセプターなどが挙げられる。 Biologically active substances are not particularly limited, and examples thereof include proteins, hormones, nucleic acids (DNA, RNA), sugars, sugar chains, vitamins, peptides, etc. Examples of proteins include enzymes, antibodies, receptors, etc.
以下、実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。 The following provides a more detailed explanation using examples, but the present invention is not limited to these.
[測定方法]
(1)セルロースナノファイバーの数平均繊維径
セルロースナノファイバーの数平均繊維径を、透過型電子顕微鏡(TEM)(日本電子社製、JEM-1400)を用いて観察した。すなわち、試料を親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストした後、2質量%ウラニルアセテート水溶液でネガティブ染色したTEM像(倍率:10000倍)から、先に述べた方法に従い、数平均繊維径を算出した。
[Measurement method]
(1) Number-average fiber diameter of cellulose nanofibers The number-average fiber diameter of cellulose nanofibers was observed using a transmission electron microscope (TEM) (JEM-1400, manufactured by JEOL Ltd.). That is, a sample was cast on a carbon film-coated grid that had been hydrophilized, and then the number-average fiber diameter was calculated from a TEM image (magnification: 10,000 times) negatively stained with a 2% by mass aqueous solution of uranyl acetate, according to the method described above.
(2)セルロースナノファイバーの平均アスペクト比
数平均繊維径の測定と同様に調製した観察用試料を用いて、先に述べた方法に従い、セルロースナノファイバーの数平均繊維長を算出した。そして、上記数平均繊維径と数平均繊維長の値を用いて平均アスペクト比を上記式に従い算出した。
(2) Average aspect ratio of cellulose nanofibers Using the observation samples prepared in the same manner as in the measurement of the number average fiber diameter, the number average fiber length of the cellulose nanofibers was calculated according to the method described above. The average aspect ratio was then calculated according to the above formula using the number average fiber diameter and number average fiber length values.
(3)セルロースナノファイバーの結晶構造
X線回折装置(リガク社製、RINT-Ultima3)を用いて、試料の回折プロファイルを測定し、2θ=14°~17°付近と、2θ=22°~23°付近の2つの位置に典型的なピークが見られる場合は結晶構造(I型結晶構造)が「あり」と評価し、ピークが見られない場合は「なし」と評価した。
(3) Crystal structure of cellulose nanofibers The diffraction profile of the sample was measured using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, RINT-Ultima3). When typical peaks were observed at two positions, around 2θ = 14° to 17° and 2θ = 22° to 23°, the crystal structure (I-type crystal structure) was evaluated as “present,” and when no peaks were observed, the crystal structure was evaluated as “absent.”
(4)セルロースナノファイバーのカルボキシ基量
試料0.25gを水に分散させた水分散体60mLを調製し、0.1Mの塩酸水溶液によってpHを約2.5とした後、0.05Mの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して、電気伝導度測定を行い、先に述べた方法に従い、カルボキシ基量を求めた。
(4) Amount of carboxyl groups in cellulose nanofibers 0.25 g of a sample was dispersed in water to prepare 60 mL of an aqueous dispersion. The pH was adjusted to approximately 2.5 with a 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution, and then a 0.05 M aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise to measure the electrical conductivity, and the amount of carboxyl groups was determined according to the method described above.
(5)多孔性セルロース粒子、テンプレート粒子の平均粒径
多孔性セルロース粒子の平均粒径は、SEM(走査型電子顕微鏡:S-5000、日立ハイテクノロジーズ社製、20kVの条件)により、倍率5千~2万倍で写真を撮影して、任意に200個以上の粒子を選定し、それらの直径を測定し、その平均値を求めた。テンプレート粒子についての平均粒径は、DLS(動的光散乱式粒径分布測定装置)から得られる体積粒径の累積分布関数において累積度数が全体の50%になる時の体積粒径(D50)の値であり、Malvern社製の「Zetasizer nano zs」を用いて動的光散乱法により測定した。試料濃度は、0.2mg/mLとし、溶媒として純水を用いた。
(5) Average particle size of porous cellulose particles and template particles The average particle size of the porous cellulose particles was measured by taking pictures at a magnification of 5,000 to 20,000 times using a SEM (scanning electron microscope: S-5000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, under conditions of 20 kV), arbitrarily selecting 200 or more particles, measuring their diameters, and calculating the average value. The average particle size of the template particles is the value of the volume particle size (D50) when the cumulative frequency becomes 50% of the total in the cumulative distribution function of the volume particle size obtained from a DLS (dynamic light scattering particle size distribution measuring device), and was measured by dynamic light scattering using a "Zetasizer nano zs" manufactured by Malvern. The sample concentration was 0.2 mg/mL, and pure water was used as the solvent.
(6)テンプレート粒子の除去跡の穴の平均孔径
多孔性セルロース粒子についての平均孔径は、SEM(走査型電子顕微鏡:S-5000、日立ハイテクノロジーズ社製、20kVの条件)により、倍率5千~2万倍で写真を撮影して、その中の粒子から任意に350個の穴を選定し、それらの開口径を測定し、その平均値を求めた。
(6) Average pore size of holes remaining after removal of template particles The average pore size of the porous cellulose particles was determined by taking photographs at a magnification of 5,000 to 20,000 with an SEM (scanning electron microscope: S-5000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, at 20 kV), randomly selecting 350 holes from the particles, measuring their opening sizes, and calculating the average value.
(7)多孔性セルロース粒子の粒子表面における穴の面積比率(穴比率)
任意の10個以上の多孔性セルロース粒子について、SEM(走査型電子顕微鏡:S-5000、日立ハイテクノロジーズ社製、20kVの条件)により、倍率5千~2万倍で写真を撮影して、写真に表された粒子の面積(粒子の外形線よりも内側の面積)と、外形線内にある全ての除去跡の穴の開口面積(写真から読み取れる開口部での面積)の総和を、画像解析ソフトにより求め、粒子の面積に対する穴の開口面積の比率(百分率)の平均値を穴比率として求めた。
(7) Area ratio of holes on the particle surface of porous cellulose particles (hole ratio)
Photographs of any 10 or more porous cellulose particles were taken at a magnification of 5,000 to 20,000 using an SEM (scanning electron microscope: S-5000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, 20 kV conditions), and the area of the particle shown in the photograph (the area inside the outline of the particle) and the sum of the opening area of all holes in the removal traces within the outline (the area of the openings that can be read from the photograph) were calculated using image analysis software, and the average ratio (percentage) of the opening area of the holes to the area of the particle was calculated as the hole ratio.
(8)ゼータ電位
Malvern社製の「Zetasizer nano zs」を用いて、pH7.0の純水中で0.2mg/mLとし、温度25℃の条件により測定した。
(8) Zeta potential Using Malvern's "Zetasizer nano zs," the measurement was performed at 0.2 mg/mL in pure water of pH 7.0 at a temperature of 25°C.
(9)BET値
各粒子のBET法よる窒素吸着比表面積は、77Kでの窒素吸着等温線を容量測定器(ベル社製、BELSORP28SA)で測定した。
(9) BET Value The nitrogen adsorption specific surface area of each particle by the BET method was measured by measuring the nitrogen adsorption isotherm at 77K using a capacity measuring device (BELSORP28SA, manufactured by BELL).
(10)FT-IRの測定
各粒子についての化学組成をFT-IR((株)島津製作所製、FT-IR8700)で分析した。
(10) FT-IR Measurement The chemical composition of each particle was analyzed by FT-IR (FT-IR8700, manufactured by Shimadzu Corporation).
[実施例1]
(1)原料
・TOCN:TEMPO酸化セルロースナノファイバー(レオクリスタI-2SX、第一工業製薬株式会社製、セルロース濃度:2質量%、セルロースI型結晶構造:「あり」、数平均繊維径:4nm、平均アスペクト比:280、カルボキシ基量:1.9mmol/g)
[Example 1]
(1) Raw material TOCN: TEMPO oxidized cellulose nanofiber (LeoCrysta I-2SX, Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., cellulose concentration: 2 mass%, cellulose I type crystal structure: "present", number average fiber diameter: 4 nm, average aspect ratio: 280, carboxyl group amount: 1.9 mmol/g)
・PMMA粒子:ポリメタクリル酸メチル粒子(積水化成品工業(株)製、平均粒径:503nm) ・PMMA particles: Polymethyl methacrylate particles (manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., average particle size: 503 nm)
(2)操作
TOCNとPMMA粒子を純水とともに混合して、TOCNとPMMAの固形分濃度がそれぞれ0.08質量%の水分散液(PMMA/TOCN(質量比)=1/1)を調製した。その際、超音波分散(IKA社製,T10 ULTRA-TURRAX S0004)を1時間行い、均一に分散させた。得られた水分散液について、噴霧乾燥機(BUCHI(株)製、ミニスプレードライヤー B-290)を用いて、噴霧乾燥を行うことにより、TOCNとPMMA粒子との複合体粒子を得た。噴霧乾燥は、入口温度:180℃、液流量:2.5mL/min、ガス流量:357L/時間とした。
(2) Operation TOCN and PMMA particles were mixed with pure water to prepare an aqueous dispersion (PMMA/TOCN (mass ratio) = 1/1) in which the solid content concentrations of TOCN and PMMA were 0.08% by mass, respectively. At that time, ultrasonic dispersion (T10 ULTRA-TURRAX S0004, manufactured by IKA Corporation) was performed for 1 hour to uniformly disperse the particles. The obtained aqueous dispersion was spray-dried using a spray dryer (Mini Spray Dryer B-290, manufactured by BUCHI Corporation) to obtain composite particles of TOCN and PMMA particles. The spray drying was performed at an inlet temperature of 180°C, a liquid flow rate of 2.5 mL/min, and a gas flow rate of 357 L/hour.
得られた複合体粒子0.12質量部を17.3質量部のトルエンに添加し、100℃で15分間攪拌して、複合体粒子中のPMMA粒子を溶解除去した。その後、トルエン中から粒子を回収し乾燥することにより、多孔性セルロース粒子を得た。多孔性セルロース粒子の収率は49.1質量%であった。 0.12 parts by mass of the obtained composite particles were added to 17.3 parts by mass of toluene and stirred at 100°C for 15 minutes to dissolve and remove the PMMA particles in the composite particles. The particles were then recovered from the toluene and dried to obtain porous cellulose particles. The yield of the porous cellulose particles was 49.1% by mass.
(3)測定結果
トルエン処理前後の粒子のSEM画像を図2に示す。図2(A)に示すトルエン処理前の画像より、セルロースナノファイバーに複数のPMMA粒子が複合一体化された複合体粒子が得られていることがわかる。図2(B)に示すトルエン処理後の画像より、PMMA粒子が溶解除去されて、複数の部分球状の穴が粒子表面に形成され、それにより表面積が増大した多孔性セルロース粒子が得られていることがわかる。
(3) Measurement results Figure 2 shows SEM images of the particles before and after toluene treatment. The image before toluene treatment shown in Figure 2 (A) shows that composite particles were obtained in which multiple PMMA particles were integrated with cellulose nanofibers. The image after toluene treatment shown in Figure 2 (B) shows that the PMMA particles were dissolved and removed, and multiple partially spherical holes were formed on the particle surface, resulting in porous cellulose particles with an increased surface area.
多孔性セルロース粒子について平均粒径と平均孔径を測定したところ、平均粒径は3.2μmであり、平均孔径は440nmであった。多孔性セルロース粒子の穴比率は9.5%であった。 The average particle size and pore size of the porous cellulose particles were measured, and the average particle size was 3.2 μm and the average pore size was 440 nm. The hole ratio of the porous cellulose particles was 9.5%.
多孔性セルロース粒子と、トルエン処理前の複合体粒子について、ゼータ電位を測定した。また、比較のために、上記実施例における噴霧乾燥までの製法においてPMMA粒子を添加せずに噴霧乾燥することでセルロース粒子を作製し、得られた比較例のセルロース粒子についてゼータ電位を測定した。 The zeta potential was measured for the porous cellulose particles and the composite particles before the toluene treatment. For comparison, cellulose particles were produced by spray drying without adding PMMA particles in the manufacturing method up to the spray drying in the above example, and the zeta potential was measured for the cellulose particles obtained as a comparative example.
ゼータ電位の測定結果は以下のとおりであり、多孔性セルロース粒子では、トルエン処理前の複合体粒子よりもゼータ電位の絶対値がやや小さかった。多孔性セルロース粒子は、PMMA粒子と複合化していない比較例のセルロース粒子とゼータ電位が同等であり、セルロースナノファイバーからなる粒子であることがわかる。
・多孔性セルロース粒子: -54.3mV
・トルエン処理前の複合体粒子:-59.5mV
・比較例のセルロース粒子: -55.3mV
The measurement results of the zeta potential are as follows: the absolute value of the zeta potential of the porous cellulose particles was slightly smaller than that of the composite particles before the toluene treatment. The zeta potential of the porous cellulose particles was equivalent to that of the cellulose particles of the comparative example that were not composited with PMMA particles, indicating that the particles are made of cellulose nanofibers.
Porous cellulose particles: -54.3 mV
Composite particles before toluene treatment: -59.5 mV
Comparative Example Cellulose Particles: -55.3 mV
上記の各粒子についてFT-IR測定を行った。結果は図3に示す通りである。図3中、「PMMA/TOCN=1」はトルエン処理前の複合体粒子、「TOCN porous」はトルエン処理後の多孔性セルロース粒子、「TOCN」は比較例のセルロース粒子、「PMMA」はPMMA粒子についての測定結果をそれぞれ示す。波数1700cm-1を超えた付近にPMMA由来の吸収があり、これが多孔性セルロース粒子では小さくなっており、PMMA粒子の溶解除去が確認された。 FT-IR measurements were carried out on each of the above particles. The results are shown in Figure 3. In Figure 3, "PMMA/TOCN=1" shows the composite particles before toluene treatment, "TOCN porous" shows the porous cellulose particles after toluene treatment, "TOCN" shows the cellulose particles of the comparative example, and "PMMA" shows the PMMA particles. There was absorption derived from PMMA near the wave number exceeding 1700 cm -1 , which was smaller in the porous cellulose particles, confirming the dissolution and removal of the PMMA particles.
[実施例2~4]
PMMA粒子とTOCNの固形分の質量比PMMA/TOCNを、実施例2では2/1、実施例3では3/1、実施例4では4/1となるようにPMMA粒子の量を調整し、その他は実施例1と同様にして多孔性セルロース粒子を調製した。多孔性セルロース粒子の収率は、実施例2では57.5質量%、実施例3では51.2質量%、実施例4では48.0質量%であった。
[Examples 2 to 4]
The amount of PMMA particles was adjusted so that the mass ratio PMMA/TOCN of the solid content of PMMA particles to TOCN was 2/1 in Example 2, 3/1 in Example 3, and 4/1 in Example 4, and otherwise porous cellulose particles were prepared in the same manner as in Example 1. The yield of the porous cellulose particles was 57.5 mass% in Example 2, 51.2 mass% in Example 3, and 48.0 mass% in Example 4.
トルエン処理前後の粒子のSEM画像を図4~6に示す。図4(A)、図5(A)及び図6(A)に示すトルエン処理前の複合体粒子の画像に対し、図4(B)、図5(B)及び図6(B)に示すトルエン処理後の画像では、PMMA粒子が溶解除去されて、複数の部分球状の穴が粒子表面に形成され、それにより表面積が増大した多孔性セルロース粒子が得られたことがわかる。 Figures 4 to 6 show SEM images of the particles before and after toluene treatment. Compared to the images of the composite particles before toluene treatment shown in Figures 4(A), 5(A), and 6(A), the images after toluene treatment shown in Figures 4(B), 5(B), and 6(B) show that the PMMA particles have been dissolved and removed, and multiple partially spherical holes have been formed on the particle surface, resulting in porous cellulose particles with an increased surface area.
実施例2~4の多孔性セルロース粒子について、平均粒径と平均孔径と窒素吸着比表面積と穴比率を測定した結果を下記表1に示す。表1には、上記比較例のセルロース粒子について平均粒径と窒素吸着比表面積を測定した結果も示す。 The results of measuring the average particle size, average pore size, nitrogen adsorption specific surface area, and hole ratio for the porous cellulose particles of Examples 2 to 4 are shown in Table 1 below. Table 1 also shows the results of measuring the average particle size and nitrogen adsorption specific surface area for the cellulose particles of the above comparative example.
[実施例5,6]
(1)原料
・TOCN,PMMA粒子:実施例1と同じ。
・Fe3O4粒子:戸田工業株式会社製(平均粒径:100nm)
[Examples 5 and 6]
(1) Raw materials: TOCN, PMMA particles: same as in Example 1.
Fe3O4 particles : manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd. (average particle size: 100 nm)
(2)操作
TOCNとPMMA粒子を純水とともに混合し、超音波分散(IKA社製,T10 ULTRA-TURRAX S0004)を20分間行って、TOCNの固形分濃度が0.08質量%、PMMAの濃度が0.32質量%の水分散液を調製した。次いで、該水分散液にFe3O4粒子を濃度が0.08質量%となるように添加し、同様の超音波分散を40分間行うことにより、TOCNとFe3O4粒子とPMMA粒子を含む水分散液(TOCN/Fe3O4/PMMA(質量比)=1/1/4)を調製した。
(2) Operation TOCN and PMMA particles were mixed with pure water and subjected to ultrasonic dispersion (IKA Corporation, T10 ULTRA-TURRAX S0004) for 20 minutes to prepare an aqueous dispersion with a TOCN solid concentration of 0.08 mass% and a PMMA concentration of 0.32 mass%. Next, Fe3O4 particles were added to the aqueous dispersion to a concentration of 0.08 mass%, and similar ultrasonic dispersion was performed for 40 minutes to prepare an aqueous dispersion containing TOCN, Fe3O4 particles, and PMMA particles (TOCN/ Fe3O4 / PMMA (mass ratio) = 1/1/4).
得られた水分散液について、噴霧乾燥機(BUCHI(株)製、ミニスプレードライヤー B-290)を用いて、噴霧乾燥を行うことにより、TOCNとFe3O4粒子とPMMA粒子との複合体粒子を得た。噴霧乾燥は入口温度:180℃、液流量:2.5mL/min、ガス流量:357L/時間とした。得られた複合体粒子0.12質量部をバイアル瓶内で17.3質量部のトルエンに添加し、100℃で30分間攪拌して、複合体粒子中のPMMA粒子を溶解除去した。 The obtained aqueous dispersion was spray-dried using a spray dryer (Mini Spray Dryer B-290, manufactured by BUCHI Corporation) to obtain composite particles of TOCN, Fe3O4 particles , and PMMA particles. The spray drying was performed at an inlet temperature of 180°C, a liquid flow rate of 2.5 mL/min, and a gas flow rate of 357 L/hr. 0.12 parts by mass of the obtained composite particles were added to 17.3 parts by mass of toluene in a vial and stirred at 100°C for 30 minutes to dissolve and remove the PMMA particles in the composite particles.
その後、磁石によりトルエン中から粒子を回収し、乾燥することにより、実施例5の多孔性セルロース粒子を得た(収率:62.5質量%)。磁石による回収は、磁束密度が0.5テスラのネオジウム磁石(径2.5cm、高さ15cm)を、バイアル瓶の側面に室温で30~1080分間接触させ、多孔性セルロース粒子を集めた。上澄みが透明であることを確認後、バイアル瓶内のトルエンを除去した。バイアル瓶内の多孔性セルロース粒子はトルエンを用いて洗浄後、エタノール中で再分散し、常圧、60℃、1時間で乾燥を行った。 The particles were then collected from the toluene using a magnet and dried to obtain the porous cellulose particles of Example 5 (yield: 62.5% by mass). For magnetic collection, a neodymium magnet (diameter 2.5 cm, height 15 cm) with a magnetic flux density of 0.5 Tesla was brought into contact with the side of the vial at room temperature for 30 to 1,080 minutes to collect the porous cellulose particles. After confirming that the supernatant was transparent, the toluene in the vial was removed. The porous cellulose particles in the vial were washed with toluene, redispersed in ethanol, and dried at normal pressure at 60°C for 1 hour.
TOCNとFe3O4粒子とPMMA粒子の質量比TOCN/Fe3O4/PMMAを1/2/4となるようにFe3O4粒子の量を調整し、その他は実施例5と同様にして実施例6の多孔性セルロース粒子を調製した(収率:48.5質量%)。 The amount of Fe3O4 particles was adjusted so that the mass ratio of TOCN, Fe3O4 particles , and PMMA particles ( TOCN/ Fe3O4 / PMMA ) was 1/2/4, and the rest of the procedure was the same as in Example 5 to prepare porous cellulose particles of Example 6 (yield: 48.5% by mass).
(3)測定結果
実施例5,6の多孔性セルロース粒子のSEM画像をそれぞれ図7,8に示す。これらのSEM画像から明らかなように、実施例5,6の多孔性セルロース粒子は、表面にPMMA粒子の除去跡である複数の部分球状の穴を有していた。また、図7(B)及び図8(B)に示されるように、多孔性セルロース粒子の粒子表面及び穴の内部に酸化鉄(Fe3O4粒子)が付着しており、酸化鉄が複合化されていることが確認できた。
(3) Measurement results SEM images of the porous cellulose particles of Examples 5 and 6 are shown in Figures 7 and 8, respectively. As is clear from these SEM images, the porous cellulose particles of Examples 5 and 6 had multiple partially spherical holes on the surface, which were traces of the PMMA particles removed. In addition, as shown in Figures 7(B) and 8(B), it was confirmed that iron oxide ( Fe3O4 particles) was attached to the particle surface and inside the holes of the porous cellulose particles, and that the iron oxide was composited.
実施例5,6の多孔性セルロース粒子について、平均粒径と平均孔径と窒素吸着比表面積と穴比率とゼータ電位を測定した結果を下記表2に示す。 The average particle size, average pore size, nitrogen adsorption specific surface area, hole ratio, and zeta potential of the porous cellulose particles of Examples 5 and 6 were measured, and the results are shown in Table 2 below.
[タンパク質吸着性能の評価]
(1)原料
・リゾチーム、ニワトリ卵白由来:MPバイオメディカル製(ゼータ電位:7.8mV、大きさ:4.5×3.0×3.0nm、等電点:11)。
・多孔性セルロース粒子:実施例5で作製した多孔性セルロース粒子。
・セルロース粒子1:実施例1において作製した比較例のセルロース粒子。
・セルロース粒子2:JNC株式会社製、セルファインC-500(カルボキシメチル基を導入したセルロース微粒子)
[Evaluation of protein adsorption performance]
(1) Raw Materials: Lysozyme, derived from chicken egg white: manufactured by MP Biomedical (zeta potential: 7.8 mV, size: 4.5 × 3.0 × 3.0 nm, isoelectric point: 11).
Porous cellulose particles: Porous cellulose particles prepared in Example 5.
Cellulose particles 1: Comparative cellulose particles prepared in Example 1.
Cellulose particles 2: Cellufine C-500 (cellulose particles with carboxymethyl groups introduced), manufactured by JNC Corporation
(2)操作
リン酸緩衝液に溶解した0.4g/Lのリゾチーム溶液50mLに、多孔性セルロース粒子またはセルロース粒子1またはセルロース粒子2を10mg加え、振とう機を用いて撹拌し、攪拌時間が5分、10分、20分、30分、60分、90分、120分においてサンプリングを行った。サンプリングした試料から上清を分離した。粒子と上清との分離は、セルロース粒子1とセルロース粒子2については遠心分離(8000rpm,5分間)により行った。一方、多孔性セルロース粒子については、サンプリングした試料をネオジウム磁石を用いて、多孔性セルロース粒子と上清とに分離した。
(2) Operation 10 mg of porous cellulose particles, cellulose particles 1, or cellulose particles 2 was added to 50 mL of 0.4 g/L lysozyme solution dissolved in phosphate buffer, and the mixture was stirred using a shaker, and samples were taken at stirring times of 5, 10, 20, 30, 60, 90, and 120 minutes. The supernatant was separated from the sampled samples. Separation of the particles and the supernatant was performed by centrifugation (8000 rpm, 5 minutes) for cellulose particles 1 and cellulose particles 2. Meanwhile, for the porous cellulose particles, the sampled sample was separated into the porous cellulose particles and the supernatant using a neodymium magnet.
得られた上清について、紫外可視近赤外分光法(281nm)により、吸光度を測定し、別途作成した検量線との比較により、上清中の遊離のタンパク質量(C1)を定量し、その結果から、リゾチームの吸着容量を算出した。リゾチームの吸着容量は、投入したリゾチーム質量(C0)から上清中のタンパク質量(C1)を差し引くことでリゾチームの吸着量(mg)を求め、投入した吸着剤の単位質量当たりの、リゾチームの吸着量として次式より算出した。
リゾチームの吸着量(mg)=C0-C1
リゾチームの吸着容量(mg/g)=(C0-C1)(mg)/投入した吸着剤の質量(g)
The absorbance of the obtained supernatant was measured by ultraviolet-visible-near infrared spectroscopy (281 nm), and the amount of free protein in the supernatant (C 1 ) was quantified by comparing with a separately prepared calibration curve, and the adsorption capacity of lysozyme was calculated from the result. The adsorption capacity of lysozyme was calculated by subtracting the amount of protein in the supernatant (C 1 ) from the mass of lysozyme added (C 0 ) to obtain the adsorption amount of lysozyme (mg), and the adsorption amount of lysozyme per unit mass of the adsorbent added was calculated from the following formula.
Adsorbed amount of lysozyme (mg) = C 0 - C 1
Adsorption capacity of lysozyme (mg/g)=(C 0 −C 1 ) (mg)/mass of adsorbent added (g)
(3)測定結果
結果は図9に示すとおりである。実施例5の多孔性セルロース粒子では、リゾチームの吸着容量が852mg/gであった。これは、テンプレート粒子を用いてポーラス化していない比較例のセルロース粒子1および市販品のセルロース粒子2に比べて約1.4倍の吸着容量であり、タンパク質の吸着性能に優れていた。
(3) Measurement results The results are shown in Figure 9. The porous cellulose particles of Example 5 had an adsorption capacity of lysozyme of 852 mg/g. This was approximately 1.4 times the adsorption capacity of cellulose particles 1 of the comparative example, which were not porous using template particles, and commercially available cellulose particles 2, and the particles had excellent protein adsorption performance.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその省略、置き換え、変更などは、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their omissions, substitutions, modifications, etc. are included within the scope and gist of the invention as well as the invention and its equivalents as set forth in the claims.
Claims (7)
得られた複合体粒子に含まれる前記テンプレート粒子を有機溶剤で溶解させること、
を含む、多孔性セルロース粒子の製造方法。 spray-drying a dispersion liquid containing cellulose nanofibers and template particles to obtain composite particles in which the cellulose nanofibers and the template particles are composited; and
dissolving the template particles contained in the obtained composite particles in an organic solvent;
A method for producing porous cellulose particles, comprising:
The method for producing porous cellulose particles according to claim 5 or 6, wherein the cellulose nanofibers have anionic functional groups.
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