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JP7629282B2 - Dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofiber - Google Patents
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JP7629282B2 - Dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofiber - Google Patents

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新規溶媒の反応溶液によるジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの製造方法及びシングルセルロースナノファイバーのジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーを提供する。 We provide a method for producing cellulose nanofibers modified with dicarboxylic acid monoesters using a reaction solution in a new solvent, and cellulose nanofibers modified with dicarboxylic acid monoesters from single cellulose nanofibers.

セルロース繊維は植物細胞壁の約40%を占めて、地球上最も豊富な有機資源である。優れた弾性率・強度・寸法安定性を持つことに加え、環境にやさしいため、石油に由来するプラスチックの代替として高く期待されている。 Cellulose fibers make up about 40% of plant cell walls and are the most abundant organic resource on Earth. In addition to having excellent elasticity, strength, and dimensional stability, they are also environmentally friendly, making them a promising alternative to petroleum-derived plastics.

セルロースは、β-グルコース分子がグリコシド結合により直鎖状に重合した天然高分子である。セルロース繊維は、セルロース分子鎖、エレメンタリフィブリル(幅3~10nm程度)、ミクロフィブリル(幅20~50nm)、フィブリル(幅数百nm)、ラメラ等の構造的段階を経て形成される。
セルロースナノファイバーには,製造方法によって,もっとも基本となる単位である幅3~10nmのエレメンタリフィブリルフィブリル(シングルセルロースナノファイバー又は単繊維)、それが数本のゆるやかな束となって細胞壁中での基本単位として存在する幅20~50nmのセルロースミクロフィブリル束(セルロースナノファイバー)、ミクロフィブリル束がさらに数十~数百nmの束となりクモの巣状のネットワークを形成しているミクロフィブリル化セルロース(MFC)などがある。
即ち、セルロース繊維をミクロフィブリルまで微細に解すと幅数十nmの通常概念のセルロースナノファイバー(CNF、以下セルロースナノファイバーを「CNF」と略記する場合がある。)になる。さらに、エレメンタリフィブリルまで解すと幅数nmのシングルセルロースナノファイバー(シングルCNF)になる。
Cellulose is a natural polymer in which β-glucose molecules are polymerized in a linear chain through glycosidic bonds. Cellulose fibers are formed through structural stages such as cellulose molecular chains, elementary fibrils (width: about 3-10 nm), microfibrils (width: 20-50 nm), fibrils (width: several hundred nm), and lamellae.
Depending on the production method, cellulose nanofibers include elementary fibril fibrils (single cellulose nanofibers or monofilaments) with a width of 3 to 10 nm, which are the most basic unit; cellulose microfibril bundles (cellulose nanofibers) with a width of 20 to 50 nm, which exist as basic units in cell walls and are formed by loosely bundling several of these; and microfibrillated cellulose (MFC), in which microfibril bundles are further bundled to several tens to several hundreds of nm to form a spider web-like network.
That is, when cellulose fibers are finely decomposed to the microfibril level, they become cellulose nanofibers (CNFs) with a width of several tens of nm as generally understood. When cellulose fibers are further decomposed to the elementary fibrils, they become single cellulose nanofibers (single CNFs) with a width of several nm.

セルロースナノファイバーは、製造方法により無修飾CNF、アシル化修飾CNF及びジカルボン酸修飾CNFなどのアニオン性CNFなどが開発されている。
ジカルボン酸修飾CNFについては、無溶媒法(非特許文献1)と溶媒法(特許文献1、特許文献2)がこれまでに知られている。
Depending on the production method, cellulose nanofibers have been developed, including unmodified CNF, acylated modified CNF, and anionic CNF such as dicarboxylic acid modified CNF.
Regarding dicarboxylic acid modified CNF, a solventless method (Non-Patent Document 1) and a solvent method (Patent Documents 1 and 2) have been known so far.

しかし、無溶媒法ではジカルボン酸無水物がセルロースフィブリル間に浸透し難いため、得られたCNFの解繊度合と修飾基分布の均一性が低い。また、無触媒且つ高温のため、ジカルボン酸モノエステル化だけでなくジカルボン酸ジエステルも形成し、フィブリル間の架橋になる恐れがある。 However, in the solvent-free method, the dicarboxylic anhydride does not easily penetrate between the cellulose fibrils, so the degree of defibration of the resulting CNF and the uniformity of the distribution of modification groups are low. In addition, because no catalyst is used and high temperatures are used, not only dicarboxylic acid monoesters but also dicarboxylic acid diesters are formed, which may lead to cross-linking between fibrils.

一方、溶媒法の特許文献1及び2では、触媒とジカルボン酸無水物の解繊液(請求項1)又は、触媒とジカルボン酸無水物と非プロトン性溶媒を含む解繊液(請求項3)をセルロースに浸透、反応させることによりセルロースを修飾して化学解繊するジカルボン酸修飾CNFが記載されている。しかし、特許文献1の実施例の表1に示されるように解繊度合が◎で示される良好な解繊を行うには、溶媒を兼ねているピリジンを触媒として無水コハク酸又はフタル酸無水物との混合液を用いた場合(実施例1~3)、ピリジンと溶媒(DMAc、DMSO等)と無水コハク酸等のジカルボン酸(実施例4~6、10)を用いた場合の両方とも反応時間は24時間以上を要している。 On the other hand, Patent Documents 1 and 2, which are related to the solvent method, describe dicarboxylic acid-modified CNF, which is chemically defibrated by permeating and reacting cellulose with a defibration solution containing a catalyst and a dicarboxylic acid anhydride (claim 1) or a defibration solution containing a catalyst, a dicarboxylic acid anhydride, and an aprotic solvent (claim 3). However, as shown in Table 1 of the examples of Patent Document 1, in order to perform good defibration indicated by the degree of defibration marked with ◎, the reaction time required is 24 hours or more in both cases where a mixture of succinic anhydride or phthalic anhydride with pyridine, which also serves as a solvent, is used as a catalyst (Examples 1 to 3), and where pyridine, a solvent (DMAc, DMSO, etc.), and a dicarboxylic acid such as succinic anhydride (Examples 4 to 6, 10) are used.

特許文献1及び2に示されている解繊液の溶媒は、触媒を兼ねた溶媒であるピリジンを含めドナー数25以上の非プロトン性溶媒であり、それぞれ以下の問題点があった。
ピリジンは、沸点が低く、引火性の強い溶剤であり、高い毒性と独特の強い臭気があり人体及び環境に有害な溶剤でその取扱いが難しいという問題点がある。ピリジン以外の非プロトン性溶媒は、塩基性触媒との組み合わせで用いると加温によりセルロースとの間で副反応が生じ、セルロース及び溶媒が変色し加温できず反応時間の短縮ができないという問題があった。また、DMSO以外の非プロトン性溶媒の解繊液は、はセルロースへの浸透性が低いという問題もあった。
さらに、特許文献1及び2では、ジカルボン酸修飾セルロースナノファイバーのシングルシングルセルロースナノファイバーは得られていなかった。
The solvents for the defibration liquid shown in Patent Documents 1 and 2 are aprotic solvents with a donor number of 25 or more, including pyridine, which is a solvent that also serves as a catalyst, and each has the following problems.
Pyridine is a solvent with a low boiling point and high flammability, and has a high toxicity and a unique strong odor, which is harmful to the human body and the environment, making it difficult to handle. When aprotic solvents other than pyridine are used in combination with a basic catalyst, side reactions occur with cellulose when heated, causing discoloration of the cellulose and the solvent, making it impossible to heat the solution and making it impossible to shorten the reaction time. In addition, aprotic solvents other than DMSO have a problem of low permeability to cellulose.
Furthermore, in Patent Documents 1 and 2, single cellulose nanofibers modified with dicarboxylic acid were not obtained.

特開2017-082188号公報JP 2017-082188 A 特開2017-190437号公報JP 2017-190437 A

Chem.Soc.Rev.,2011,10,3941-3994Chem. Soc. Rev. , 2011, 10, 3941-3994

本発明は、溶媒としてプロトン性アミド系溶媒を用いることにより、無触媒で、好ましくは塩基触媒を添加して、ジカルボン酸無水物をセルロースに反応させてジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーを製造する方法を提供することである。
そして、本発明は、ジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーを主成分とするセルロースナノファイバーの集合体を提供することである。
The present invention provides a method for producing dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers by reacting a dicarboxylic acid anhydride with cellulose in the absence of a catalyst, preferably with the addition of a base catalyst, using a protic amide solvent as the solvent.
The present invention also provides an aggregate of cellulose nanofibers composed primarily of dicarboxylic acid monoester modified single cellulose nanofibers.

本発明者らは、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、以下に示す発明を完成するに至った。
〔1〕 ジカルボン酸無水物と下記式(1)に示すプロトン性アミド系溶媒を含む反応溶液をセルロースのフィブリル間に浸透させて、セルロースフィブリル表面の水酸基をエステル化反応して化学解繊するジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースの製造方法。
R1-C(=O)―NH(R2) (1)
(式中、R1とR2はプロトン又は炭素数1~3のアルキル基を表わす。R1とR2は同じ又は異なる。)
〔2〕 前記プロトン性アミド系溶媒が、ホルムアミド、メチルホルムアミド、アセトアミド及びN-メチルアセトアミドのいずれかの1種以上であるである前記〔1〕に記載の製造方法。
〔3〕 ジカルボン酸無水物が、無水マレイン酸、炭素数4~8の脂肪族ジカルボン酸無水物及びフタル酸無水物のいずれかの1種以上である前記〔1〕と〔2〕に記載の製造方法。
〔4〕 反応溶液が、さらに塩基触媒を含む前記〔1〕~〔3〕の何れかに記載の製造方法。
〔5〕 前記〔1〕~〔4〕に記載のいずれかの製造方法によりジカルボン酸モノエステル化修飾セルロース製造する工程を第1工程とし、第1工程で製造したジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを水又は極性溶媒50%以下の水溶液中に分散し静電反発とせん断力によりジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーに解繊する第2工程を含むジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの製造方法。
〔6〕 繊維径3~100nmのジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体であって、前記集合体を構成するセルロースナノファイバーが、セルロースIβ結晶構造を有し、ジカルボン酸モノエステル基の平均置換度が0.1~1.0であり、前記集合体の0.3重量%の水分散液の可視光透過率が65%以上であることを特徴とするジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体。
〔7〕 繊維径3~100nmのジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体であって、前記集合体を構成するセルロースナノファイバーが、セルロースIβ結晶構造を有し、ジカルボン酸モノエステル基の平均置換度が0.1~1.0であり、前記集合体を構成する繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの本数含有率が98%以上であることを特徴とするジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体。
〔8〕 前記集合体を構成する前記シングルセルロースナノファイバーの平均繊維長が200nm以上、1000nm未満であることを特徴とする前記〔6〕又は〔7〕に記載のジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体。
As a result of extensive investigations aimed at achieving the above object, the present inventors have completed the invention described below.
[1] A method for producing dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose, comprising penetrating a reaction solution containing a dicarboxylic acid anhydride and a protic amide solvent represented by the following formula (1) between cellulose fibrils to chemically disintegrate the hydroxyl groups on the surface of the cellulose fibrils through an esterification reaction:
R1-C(=O)-NH(R2) (1)
(In the formula, R1 and R2 represent a proton or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R1 and R2 may be the same or different.)
[2] The method according to [1] above, wherein the protic amide solvent is at least one of formamide, methylformamide, acetamide, and N-methylacetamide.
[3] The method according to [1] or [2] above, wherein the dicarboxylic acid anhydride is at least one of maleic anhydride, an aliphatic dicarboxylic acid anhydride having 4 to 8 carbon atoms, and phthalic anhydride.
[4] The method according to any one of [1] to [3] above, wherein the reaction solution further contains a base catalyst.
[5] A method for producing dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers, comprising: a first step of producing a dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose by the production method according to any one of [1] to [4] above; and a second step of dispersing the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose produced in the first step in water or an aqueous solution of a polar solvent at a concentration of 50% or less, and defibrating the resulting cellulose nanofibers into dicarboxylic acid monoesterified modified single cellulose nanofibers by electrostatic repulsion and shear force.
[6] An aggregate of dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers having a fiber diameter of 3 to 100 nm, wherein the cellulose nanofibers constituting the aggregate have a cellulose Iβ crystal structure, an average degree of substitution of dicarboxylic acid monoester groups is 0.1 to 1.0, and a 0.3 wt % aqueous dispersion of the aggregate has a visible light transmittance of 65% or more.
[7] An aggregate of dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers having a fiber diameter of 3 to 100 nm, wherein the cellulose nanofibers constituting the aggregate have a cellulose Iβ crystal structure and an average degree of substitution of dicarboxylic acid monoester groups of 0.1 to 1.0, and the number content of single cellulose nanofibers having a fiber diameter of 3 to 10 nm constituting the aggregate is 98% or more.
[8] An aggregate of dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers according to [6] or [7], characterized in that the average fiber length of the single cellulose nanofibers constituting the aggregate is 200 nm or more and less than 1000 nm.

ここで、前記セルロースナノファイバーの集合体とは、繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーと繊維径10~100nmのセルロースナノファイバーを含む混合体である。好ましくは、繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーと繊維径10~50nmのセルロースナノファイバーを含む混合体である。混合体の形態は特に限定しない。用途に応じて選択すればよい。例えば、水や有機溶媒の分散液状、ペースト状、ゲル状、乾燥状態、又は樹脂に分散している状態などが挙げられる。 Here, the cellulose nanofiber aggregate is a mixture containing single cellulose nanofibers with a fiber diameter of 3 to 10 nm and cellulose nanofibers with a fiber diameter of 10 to 100 nm. Preferably, it is a mixture containing single cellulose nanofibers with a fiber diameter of 3 to 10 nm and cellulose nanofibers with a fiber diameter of 10 to 50 nm. There are no particular limitations on the form of the mixture. It may be selected according to the application. For example, it may be in the form of a dispersion in water or an organic solvent, a paste, a gel, a dry state, or a state dispersed in a resin.

また、平均置換度とは、セルロースの水酸基が修飾された割合であり、より具体的には、セルロースの繰り返し単位1個当たりの修飾された水酸基の数(置換基の数)の平均値(平均置換度)である。 The average degree of substitution is the proportion of modified hydroxyl groups in cellulose, and more specifically, it is the average number of modified hydroxyl groups (number of substituents) per repeating unit of cellulose (average degree of substitution).

また、前記〔7〕に記載するジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーの本数含有率は、前記ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体からサンプリングした試料を40万倍以上のTEM画像により観察し、ランダムに選択した画像から写っている繊維径が10nmを超える大きいCNF(粗CNF)の本数を数え、繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーがその49倍以上の本数であることを確認したものである。 The number content of the dicarboxylic acid monoester modified single cellulose nanofibers described in [7] above was determined by observing a sample sampled from the aggregate of the dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers using TEM images at a magnification of 400,000 or more, counting the number of large CNFs (crude CNFs) with fiber diameters exceeding 10 nm in randomly selected images, and confirming that the number of single cellulose nanofibers with fiber diameters of 3 to 10 nm was 49 times or more that number.

前記ジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーの平均繊維長は、以下のようにして測定した。
繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの繊維長を計測するには、CNFのオーバーラップを低減するため観察用CNFの分散液をできるだけ希釈してTEM観察サンプルを作成し、40万倍以上のTEM画像により計測した。CNFが湾曲している場合は、繊維の弯曲線に沿って繊維の両端を見出し、各弯曲の間の直線距離を計測し、加算して繊維長とした。
The average fiber length of the dicarboxylic acid monoester modified single cellulose nanofibers was measured as follows.
To measure the fiber length of single cellulose nanofibers with a fiber diameter of 3 to 10 nm, the CNF dispersion for observation was diluted as much as possible to reduce CNF overlap, and a TEM observation sample was prepared, and measurements were taken using TEM images at a magnification of 400,000 or more. If the CNF was curved, both ends of the fiber were found along the fiber curvature, and the linear distance between each curvature was measured and added to obtain the fiber length.

本発明の製造方法は、反応溶液(解繊溶液)がプロトン性アミド系溶媒とジカルボン酸無水物を含む反応溶液であり、副反応が少なくセルロースへの浸透性と膨潤性に優れ、無触媒の状態でセルロースをジカルボン酸モノエステル化修飾して解繊したセルロースナノファイバーを製造することができる。 The manufacturing method of the present invention uses a reaction solution (defibration solution) containing a protic amide solvent and a dicarboxylic anhydride, which causes few side reactions and has excellent permeability and swelling properties for cellulose, and can produce cellulose nanofibers by modifying cellulose into dicarboxylic acid monoesters without a catalyst.

本発明の製造方方法によると、副反応を避けることだけでなく、反応時間を大幅に短縮するとともに、触媒を使用しなくても加熱することでジカルボン酸モノエステル化修飾反応ができる。 The manufacturing method of the present invention not only avoids side reactions, but also significantly shortens the reaction time, and allows the dicarboxylic acid monoesterification modification reaction to be carried out by heating without the use of a catalyst.

本発明の反応溶液は、セルロースフィブリル間に浸透してセルロースフィブリルの表面の水酸基をジカルボン酸モノエステル化修飾した後、静電反発とせん断力を加えることによりジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーを主成分とするセルロースナノファイバーの集合体を製造することができる。 The reaction solution of the present invention penetrates between cellulose fibrils to modify the hydroxyl groups on the surface of the cellulose fibrils with dicarboxylic acid monoesterification, and then electrostatic repulsion and shear force are applied to produce an aggregate of cellulose nanofibers whose main component is single cellulose nanofibers modified with dicarboxylic acid monoesterification.

本発明の製造方法は、反応溶液(解繊溶液)に塩基触媒を加えることにより、ジカルボン酸無水物とセルロースの水酸基とのエステル化反応が促進されて、反応時間を短縮したり、反応温度を下げたりすることが可能である。 In the manufacturing method of the present invention, the esterification reaction between the dicarboxylic anhydride and the hydroxyl groups of cellulose is promoted by adding a base catalyst to the reaction solution (defibration solution), making it possible to shorten the reaction time and lower the reaction temperature.

本発明のジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーを主成分とするセルロースナノファイバーの集合体は、CNFの平均繊維径が小さく、繊維径の分布が狭いため、透明性が高い。補強材として樹脂と複合化される際に樹脂の透明性を担保することができる。さらに、繊維長が1μm未満にもかかわらずアスペクト比が100以上であるため分散性と補強効果を両立することができる。 The cellulose nanofiber aggregates of the present invention, whose main component is the dicarboxylic acid monoester modified single cellulose nanofiber, have a small average fiber diameter of CNF and a narrow distribution of fiber diameters, and therefore are highly transparent. When composited with a resin as a reinforcing material, the transparency of the resin can be ensured. Furthermore, despite the fiber length being less than 1 μm, the aspect ratio is 100 or more, so that both dispersibility and reinforcing effect can be achieved.

実施例1、実施例3~7、実施例9と10及び比較例1で得たジカルボン酸モノエステル化修飾CNF0.3%の水分散液の写真Photographs of 0.3% aqueous dispersions of dicarboxylic acid monoesterified modified CNF obtained in Examples 1, 3 to 7, 9 and 10, and Comparative Example 1 実施例1、実施例3~7及び実施例10で得たジカルボン酸モノエステル化修飾CNFのIRスペクトルIR spectra of dicarboxylic acid monoesterified modified CNF obtained in Example 1, Examples 3 to 7, and Example 10 実施例1、実施例3~7、実施例9と10及び比較例1で得たジカルボン酸モノエステル化修飾CNF0.3%の水分散液のUVスペクトルUV spectra of 0.3% aqueous dispersions of dicarboxylic acid monoesterified modified CNF obtained in Examples 1, 3 to 7, 9 and 10, and Comparative Example 1

本発明のジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの製造方法は、ジカルボン酸無水物と前記式(1)のプロトン性アミド系溶媒を含む反応溶液をセルロースフィブリルの間に浸透させて、セルロースフィブリルの水酸基をジカルボン酸モノエステル化反応させてジカルボン酸モノエステル化修飾して化学解繊することを特徴とする。 The method for producing dicarboxylic acid monoester-modified cellulose nanofibers of the present invention is characterized in that a reaction solution containing a dicarboxylic acid anhydride and the protic amide-based solvent of formula (1) is infiltrated between cellulose fibrils, and the hydroxyl groups of the cellulose fibrils are subjected to a dicarboxylic acid monoesterification reaction to modify them into dicarboxylic acid monoesters, thereby chemically defibrating the cellulose fibrils.

本発明に用いる原料となるセルロースは、セルロース単独の形態であってもよく、リグニンやヘミセルロースなどの非セルロース成分を含む混合形態であってもよい。
単独形態のセルロース(又は非セルロース成分の含有量が少ないセルロース)としては、例えば、パルプ(例えば、木材パルプ、竹パルプ、ワラパルプ、バガスパルプ、リンターパルプ、亜麻パルプ、麻パルプ、楮パルプ、三椏パルプなど)、ホヤセルロース、バクテリアセルロース、セルロースパウダー、結晶セルロースなどが挙げられる。
混合形態のセルロース(セルロース組成物)としては、例えば、木材[例えば、針葉樹(マツ、モミ、トウヒ、ツガ、スギなど)、広葉樹(ブナ、カバ、ポプラ、カエデなど)など]、草本類[麻類(麻、亜麻、マニラ麻、ラミーなど)、ワラ、バガス、ミツマタなど]、種子毛繊維(コットンリンター、ボンバックス綿、カポックなど)、竹、サトウキビ、紙などが挙げられる。
The cellulose used as the raw material in the present invention may be in the form of cellulose alone or in a mixed form containing non-cellulose components such as lignin and hemicellulose.
Examples of cellulose in a pure form (or cellulose with a small content of non-cellulose components) include pulp (e.g., wood pulp, bamboo pulp, straw pulp, bagasse pulp, linter pulp, flax pulp, hemp pulp, paper mulberry pulp, mitsumata pulp, etc.), sea squirt cellulose, bacterial cellulose, cellulose powder, crystalline cellulose, etc.
Examples of mixed forms of cellulose (cellulose compositions) include wood (e.g., conifers (pine, fir, spruce, hemlock, cedar, etc.), broad-leaved trees (beech, birch, poplar, maple, etc.)), herbaceous plants (hemp (hemp, flax, Manila hemp, ramie, etc.), straw, bagasse, Mitsumata, etc.), seed hair fibers (cotton linters, bombax cotton, kapok, etc.), bamboo, sugar cane, paper, etc.

これらのセルロースは、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。混合形態のセルロースにおいて、非セルロース成分の割合は90重量%以下であってもよく、例えば1~90重量%、好ましくは3~80重量%、さらに好ましくは5~70重量%程度であってもよい。他の成分の割合が多すぎると、ジカルボン酸モノエステル化修飾CNFの製造が困難となる恐れがある。 These celluloses can be used alone or in combination. In mixed celluloses, the proportion of non-cellulose components may be 90% by weight or less, for example, 1 to 90% by weight, preferably 3 to 80% by weight, and more preferably 5 to 70% by weight. If the proportion of other components is too high, it may be difficult to produce dicarboxylic acid monoester modified CNF.

セルロースは、結晶セルロース(特にI型結晶セルロース)を含むのが好ましく、結晶セルロースと非晶セルロース(不定形セルロースなど)との組み合わせであってもよい。結晶セルロース(特にI型結晶セルロース)の割合は、セルロース全体に対して10重量%以上であってもよく、例えば30~99重量%、好ましくは50~98.5重量%、さらに好ましくは60~98重量%程度である。結晶セルロースの割合が少なすぎると、ジカルボン酸モノエステル化修飾CNFの耐熱性や強度が低下する恐れがある。 The cellulose preferably contains crystalline cellulose (particularly type I crystalline cellulose), or may be a combination of crystalline cellulose and non-crystalline cellulose (such as amorphous cellulose). The proportion of crystalline cellulose (particularly type I crystalline cellulose) may be 10% by weight or more of the total cellulose, for example, 30 to 99% by weight, preferably 50 to 98.5% by weight, and more preferably about 60 to 98% by weight. If the proportion of crystalline cellulose is too low, the heat resistance and strength of the dicarboxylic acid monoester modified CNF may decrease.

これらのうち、修飾及び解繊し易い点から、木材パルプ(例えば、針葉樹パルプ、広葉樹パルプなど)、種子毛繊維のパルプ(例えば、コットンリンターパルプ)、セルロースパウダーなどが汎用される。なお、パルプは、パルプ材を機械的に処理した機械パルプであってもよいが、非セルロース成分の含有量が少ないことからパルプ材を化学的に処理した化学パルプが好ましい。 Among these, wood pulp (e.g., softwood pulp, hardwood pulp, etc.), seed hair fiber pulp (e.g., cotton linter pulp), cellulose powder, etc. are commonly used because they are easy to modify and defibrate. The pulp may be mechanical pulp made by mechanically processing pulp material, but chemical pulp made by chemically processing pulp material is preferred because it contains less non-cellulose components.

セルロースの含水率(乾燥セルロースに対する水分の重量割合)は1重量%以上であってもよく、例えば1~100重量%、好ましくは2~80重量%、さらに好ましくは3~60重量%(特に5~50重量%)程度である。本発明では、反応溶液の浸透性又は膨潤効率の観点から、セルロースは、このような範囲で水分を含むのが好ましく、例えば、市販のセルロースパルプの場合、セルロースパルプを乾燥せずに、そのまま利用してもよい。含水率が小さすぎると、セルロースの解繊性が低下する虞がある。
セルロース原料の前処理について、解繊反応装置のサイズに応じてセルロース原料(特にパルプを用いた場合)を引き裂く又は千切る方法で解繊反応装置又は容器内に入る程度のサイズに破砕して解繊反応処理に供するのが好ましい。
The moisture content of cellulose (weight ratio of moisture to dry cellulose) may be 1% by weight or more, for example, about 1 to 100% by weight, preferably about 2 to 80% by weight, and more preferably about 3 to 60% by weight (particularly about 5 to 50% by weight). In the present invention, from the viewpoint of the permeability or swelling efficiency of the reaction solution, it is preferable that the cellulose contains moisture in such a range, and for example, in the case of commercially available cellulose pulp, the cellulose pulp may be used as it is without drying. If the moisture content is too low, there is a risk that the defibration property of the cellulose may decrease.
Regarding the pretreatment of the cellulose raw material, it is preferable to crush the cellulose raw material (especially when pulp is used) into a size that can fit into the defibration reaction device or container by tearing or shredding it depending on the size of the defibration reaction device, and then subject it to the defibration reaction process.

ジカルボン酸無水物としては、脂肪族ジカルボン酸無水物、脂環族ジカルボン酸無水物、芳香族ジカルボン酸無水物があるが、好ましいジカルボン酸無水物は、無水マレイン酸、炭素数4~8の脂肪族ジカルボン酸無水物及びフタル酸無水物であり、炭素数4~8の脂肪族ジカルボン酸無水物としては、無水コハク酸、グルタル酸無水物、アジピン酸無水物、ピメリン酸無水物、スベリン酸無水物、アゼライン酸無水物、セバシン酸無水物である。 Dicarboxylic acid anhydrides include aliphatic dicarboxylic acid anhydrides, alicyclic dicarboxylic acid anhydrides, and aromatic dicarboxylic acid anhydrides. Preferred dicarboxylic acid anhydrides are maleic anhydride, aliphatic dicarboxylic acid anhydrides having 4 to 8 carbon atoms, and phthalic anhydride. Examples of aliphatic dicarboxylic acid anhydrides having 4 to 8 carbon atoms include succinic anhydride, glutaric anhydride, adipic anhydride, pimelic anhydride, suberic anhydride, azelaic anhydride, and sebacic anhydride.

さらに、好ましいジカルボン酸無水物は無水コハク酸、無水マレイン酸とグルタル酸無水物である。これらの無水物は安価且つ市販から容易に入手できるため好ましい。 Furthermore, preferred dicarboxylic acid anhydrides are succinic anhydride, maleic anhydride and glutaric anhydride. These anhydrides are preferred because they are inexpensive and readily available commercially.

反応溶媒としては、下記式(1)で表されるプロトン性アミド系溶媒を用いる。
R1-C(=O)―NH(R2) (1)
(式中、R1とR2はプロトン又は炭素数1~3のアルキル基を表わす。R1とR2は同じ又は異なる。)
As the reaction solvent, a protic amide solvent represented by the following formula (1) is used.
R1-C(=O)-NH(R2) (1)
(In the formula, R1 and R2 represent a proton or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R1 and R2 may be the same or different.)

好ましいプロトン性アミド系溶媒としては、常温での誘電率が45以上、アクセプター数が20以上のプロトン性アミド系溶媒が好ましい。例えば、ホルムアミド(FA)、N-メチルホルムアミド(MFA)、N-エチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N-エチルアセトアミドなどが挙げられる。好ましくは、ホルムアミド、メチルホルムアミド、アセトアミド及びN-メチルアセトアミドであり、最も好ましくはホルムアミドとメチルホルムアミドである。 Preferred protic amide solvents are those with a dielectric constant of 45 or more at room temperature and an acceptor number of 20 or more. Examples include formamide (FA), N-methylformamide (MFA), N-ethylformamide, acetamide, N-methylacetamide, and N-ethylacetamide. Preferred are formamide, methylformamide, acetamide, and N-methylacetamide, and most preferred are formamide and methylformamide.

修飾セルロースナノファイバーの製造に用いられる溶媒は、反応化剤を溶解することに加え、セルロースへの浸透速度、セルロースの膨潤度及び修飾反応の促進作用など4つの性質が最も重要であり、修飾セルロースナノファイバーの繊維径、均一性を支配すると考えられる。
プロトン性アミド系溶媒、特に、ホルムアミド、N-メチルホルムアミド、アセトアミド及びN-メチルアセトアミドはこれらの効果を兼備え、溶媒沸点が高いため加熱反応にも適するため好ましい。加えて、プロトン性アミド系溶媒はアニオンを溶媒和により安定化する効果が高いと思われ好ましい。
また、プロトン性アミド系溶媒は、一般のプロトン性極性溶媒と異なり、溶媒自身からプロトンを供与又は放出する能力が低いため、競合反応が起こりにくい。
The solvent used in the production of modified cellulose nanofibers must be able to dissolve the reactant, and the four most important properties are the rate of penetration into cellulose, the degree of swelling of cellulose, and the ability to promote the modification reaction. These properties are thought to govern the fiber diameter and uniformity of the modified cellulose nanofibers.
Protic amide solvents, particularly formamide, N-methylformamide, acetamide and N-methylacetamide, are preferred because they combine these effects and are suitable for heating reactions due to their high solvent boiling points. In addition, protic amide solvents are preferred because they are believed to have a high effect of stabilizing anions by solvation.
Furthermore, protic amide solvents differ from general protic polar solvents in that they have a low ability to donate or release protons from the solvent itself, and therefore competitive reactions are unlikely to occur.

反応液のセルロースへの浸透性低下や副反応が起こらない限り、DMAc、DMF、NMP、DMSO、アセトンなどのケトン系、THFなどのエーテル系などの非プロトン性溶媒を含ませることもできる。プロトン性アミド系溶媒に非プロトン性溶媒に添加する割合は、溶媒全体の50wt%以下、好ましくは35wt%以下、より好ましくは30wt%以下である。
非プロトン性溶媒の含有率がこの範囲より多くなると浸透性が低下したり、副反応が起こったりするため好ましくない。
As long as the reaction solution does not reduce the permeability of the cellulose or does not cause side reactions, it may contain an aprotic solvent such as ketones such as DMAc, DMF, NMP, DMSO, acetone, etc., or ethers such as THF, etc. The proportion of the aprotic solvent added to the protic amide solvent is 50 wt % or less, preferably 35 wt % or less, more preferably 30 wt % or less of the total solvent.
If the content of the aprotic solvent exceeds this range, the permeability decreases and side reactions occur, which is undesirable.

プロトン性アミド系溶媒に含まれるジカルボン酸無水物の濃度は無水物の種類又は反応性、反応条件(温度、時間、パルプ濃度、触媒有無)により適宜に調整すればよい。例えば、1~50重量%、さらに好ましくは1.5~40重量%、もっと好ましくは2~35重量%、最も好ましくは3~30重量%である。濃度がこの範囲より低くなると反応速度が低下したり修飾率が低くなったりする恐れがあるため好ましくない。逆にこの範囲より高くなると、ジカルボン酸無水物が完全溶解できなくなったり、反応溶液がセルロースのフィブリル同士間への浸透性が低下したりする可能性があるため好ましくない。 The concentration of the dicarboxylic anhydride contained in the protic amide solvent may be adjusted appropriately depending on the type or reactivity of the anhydride and the reaction conditions (temperature, time, pulp concentration, presence or absence of catalyst). For example, it is 1 to 50% by weight, more preferably 1.5 to 40% by weight, even more preferably 2 to 35% by weight, and most preferably 3 to 30% by weight. Concentrations lower than this range are not preferred because they may slow the reaction rate or reduce the modification rate. Conversely, concentrations higher than this range are not preferred because they may not completely dissolve the dicarboxylic anhydride or the reaction solution may have reduced permeability between cellulose fibrils.

セルロースと反応溶液との重量割合は、前者/後者=1/99~35/65程度の範囲から選択でき、例えば1.2/98.8~30/70、好ましくは1.5/98.5~25/75、さらに好ましくは2/98~20/80程度である。セルロースの割合が少なすぎると、ジカルボン酸モノエステル化修飾CNFの生産効率が低くなり、多すぎると、反応時間が長くなるため、いずれにしても生産性が低下するおそれがある。さらに、セルロースの割合が多すぎると得られた微細繊維のサイズと修飾率の均一性が低下するおそれがある。 The weight ratio of cellulose to the reaction solution can be selected from the range of about 1/99 to 35/65 (former/latter), for example about 1.2/98.8 to 30/70, preferably 1.5/98.5 to 25/75, and more preferably about 2/98 to 20/80. If the cellulose ratio is too low, the production efficiency of dicarboxylic acid monoester modified CNF will be low, and if it is too high, the reaction time will be long, so in either case there is a risk of productivity decreasing. Furthermore, if the cellulose ratio is too high, there is a risk of the uniformity of the size and modification rate of the obtained fine fibers decreasing.

反応溶液には、さらに塩基触媒を加えることができる。
反応溶液に塩基触媒が含まれることで、反応温度を低下させたり、反応時間を短縮させたりすることができるため好ましい。塩基触媒としては特に限定しないが、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム等のアルカリ金属炭酸塩、炭酸水素ナトリウム等のアルカリ金属炭酸水素塩、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム等のアルキル金属酢酸塩、アルキル金属水酸化物、アミンなどが挙げられる。その中で、アルカリ金属炭酸塩、アルキル金属酢酸塩が好ましく、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウムがより好ましい。一方、アルキル金属水酸化物は塩基性が強いため、ジカルボン酸無水物の加水分解を起こす恐れがあり使用の優先順位が低い。
A base catalyst may further be added to the reaction solution.
The reaction solution preferably contains a base catalyst, since it can lower the reaction temperature and shorten the reaction time. The base catalyst is not particularly limited, but examples thereof include alkali metal carbonates such as sodium carbonate, potassium carbonate, and lithium carbonate, alkali metal hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate, alkyl metal acetates such as sodium acetate and potassium acetate, alkyl metal hydroxides, and amines. Among these, alkali metal carbonates and alkyl metal acetates are preferred, and sodium carbonate, potassium carbonate, lithium carbonate, sodium acetate, and potassium acetate are more preferred. On the other hand, alkyl metal hydroxides are highly basic, and may cause hydrolysis of dicarboxylic acid anhydrides, so their use has a low priority.

反応溶液における塩基触媒の濃度は、ジカルボン酸無水物の種類、反応温度により適宜制御すればよい。例えば、0.01~10重量%、好ましくは0.05~5重量%、より好ましくは0.1~4重量である。最も好ましくは0.2~3重量%である。この範囲より低くなると触媒作用が期待できないため好ましくない。一方、この範囲より高くなるとセルロースやジカルボン酸無水物の分解に至るおそれがあるため好ましくない。 The concentration of the base catalyst in the reaction solution may be appropriately controlled depending on the type of dicarboxylic anhydride and the reaction temperature. For example, it is 0.01 to 10% by weight, preferably 0.05 to 5% by weight, and more preferably 0.1 to 4% by weight. It is most preferably 0.2 to 3% by weight. If it is lower than this range, the catalytic action cannot be expected, which is not preferable. On the other hand, if it is higher than this range, it is not preferable because it may lead to decomposition of the cellulose and dicarboxylic anhydride.

セルロースをジカルボン酸モノエステル化で修飾する方法は、反応溶液をセルロースのフィブリル間に浸透させて、セルロースフィブリル表面の水酸基をエステル化反応して化学解繊することによって行うことができる。
前記の化学解繊する方法については特に限定されず、反応溶液と原料セルロースを混合して行えばよい。
The method of modifying cellulose with dicarboxylic acid monoesterification can be carried out by penetrating a reaction solution between cellulose fibrils and chemically defibrating the hydroxyl groups on the surface of the cellulose fibrils through an esterification reaction.
The method for chemical defibration is not particularly limited, and may be carried out by mixing the reaction solution with the raw cellulose.

反応溶液の調整は、ジカルボン酸無水物と前記式(1)に示すプロトン性アミド系溶媒を含む反応溶液を混合して、場合によってはさらに塩基触媒を加えて反応溶液を調整する。一般的な反応溶液の調整方法は、各成分を混合して攪拌し溶媒に他の成分を均一に溶解させて調整することができる。 The reaction solution is prepared by mixing a dicarboxylic anhydride and a reaction solution containing the protic amide solvent shown in formula (1) above, and optionally adding a base catalyst to prepare the reaction solution. A typical method for preparing the reaction solution is to mix and stir the components together to dissolve the other components uniformly in the solvent.

反応溶液と原料セルロースの混合は、反応容器中の反応溶液に原料セルロースを加えてもよく、反応容器中の原料セルロースに反応溶液を加えてもよい。反応容器は、ラボスケールではサンプル瓶やフラスコなどが利用できる。スケールアップの場合、通常有機合成に適用する反応装置が良い。セルロース濃度が高い場合、二軸押し出し機などの混練機も使用できる。 The reaction solution and raw cellulose can be mixed by adding the raw cellulose to the reaction solution in the reaction vessel, or by adding the reaction solution to the raw cellulose in the reaction vessel. On a laboratory scale, a sample bottle or flask can be used as the reaction vessel. For scale-up, a reaction apparatus normally used in organic synthesis is recommended. When the cellulose concentration is high, a kneader such as a twin-screw extruder can also be used.

混合液を所定温度で所定時間まで攪拌することにより、反応溶液をセルロースのフィブリル間に浸透させて、セルロースフィブリル表面の水酸基をエステル化反応して化学解繊して、ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを含む反応物を得ることができる。 By stirring the mixture at a predetermined temperature for a predetermined time, the reaction solution is allowed to penetrate between the cellulose fibrils, and the hydroxyl groups on the surface of the cellulose fibrils are esterified to chemically disintegrate them, yielding a reaction product containing dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose.

反応温度は、15℃~250℃が好ましい。15℃より低くなると反応速度が低くなり所要反応時間が長いため好ましくない。250℃より高くなるとセルロース又はジカルボン酸無水物が分解したり、ジカルボン酸モノエステル基がさらにセルロースの水酸基と脱水してアニオン性を失ったりする恐れがあるため好ましくない。より好ましくは20~200℃、最も好ましくは23~180℃である。 The reaction temperature is preferably 15°C to 250°C. Temperatures lower than 15°C are not preferred because the reaction rate is slow and the required reaction time is long. Temperatures higher than 250°C are not preferred because the cellulose or dicarboxylic anhydride may decompose, or the dicarboxylic monoester group may further dehydrate with the hydroxyl group of the cellulose, resulting in loss of anionicity. More preferred is 20°C to 200°C, and most preferred is 23°C to 180°C.

反応は空気雰囲気で行うことができるが、高温加熱した反応の場合、反応化剤やセルロースの酸化反応を下げるため、不活性ガス下で反応を行うことが好ましい。不活性ガスで行うことで副反応が抑えられるため好ましい。不活性ガスとしては、窒素又はアルゴンガスの何れも利用できる。 The reaction can be carried out in an air atmosphere, but in the case of a reaction involving high temperature heating, it is preferable to carry out the reaction under an inert gas in order to reduce the oxidation reaction of the reactant and cellulose. By carrying out the reaction under an inert gas, side reactions can be suppressed, which is preferable. Either nitrogen or argon gas can be used as the inert gas.

攪拌は、通常用いられる各種の攪拌方法の中から選択して攪拌すればよい。
ジカルボン酸モノエステル化修飾したセルロースの形状は、攪拌手法やそのせん断力により異なる。例えば、磁性スターラーや機械攪拌などのようなマイルドな攪拌を用いる場合、得られたものの繊維径はミクロンオーダーから数十ミクロンオーダーである。形状が大きいため洗浄の利便性が高く、通常のろ過、加圧ろ過、圧搾などの手法で簡単に洗浄できる。
一方、ペイントシェーカーなどの強力攪拌手法を用いると、修飾後殆どのセルロース繊維径がナノスケールとなる。よって、用途と目的により反応手法を適宜に選定すればよい。
The stirring may be carried out by a method selected from various commonly used stirring methods.
The shape of the cellulose modified by dicarboxylic acid monoesterification varies depending on the stirring method and the shear force. For example, when mild stirring such as a magnetic stirrer or mechanical stirring is used, the fiber diameter obtained is on the order of microns to tens of microns. Because the shape is large, it is easy to wash and can be easily washed by conventional filtration, pressure filtration, squeezing, etc.
On the other hand, if a strong stirring method such as a paint shaker is used, most of the cellulose fibers after modification will have a nanoscale diameter. Therefore, the reaction method should be appropriately selected depending on the application and purpose.

反応時間は、温度、ジカルボン酸無水物濃度、触媒濃度と触媒種により適宜に調整すればよい。
例えば、室温且つ触媒無添加の場合、反応時間は6~48時間が好ましい。
反応時間は、加熱あるいは塩基触媒の添加により短縮することができる。
触媒無添加の加熱反応の場合、反応時間は1時間~24時間が好ましい。
塩基触媒を添加した場合、反応時間は室温では3時間~10時間、加熱した場合では30分~6時間に短縮できる。
The reaction time may be appropriately adjusted depending on the temperature, the dicarboxylic anhydride concentration, the catalyst concentration and the catalyst type.
For example, in the case of reaction at room temperature without the addition of a catalyst, the reaction time is preferably 6 to 48 hours.
The reaction time can be shortened by the addition of heat or a base catalyst.
In the case of a heating reaction without adding a catalyst, the reaction time is preferably 1 hour to 24 hours.
When a base catalyst is added, the reaction time can be shortened to 3 to 10 hours at room temperature, and to 30 minutes to 6 hours when heated.

反応時間が短いと、修飾率が低くなったりジカルボン酸モノエステル基の分布が不均一になったりするため得られたジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの分散液の透明性が低くなる恐れがあるため好ましくない。一方、反応時間が長すぎると、ジカルボン酸モノエステル基がさらに別のセルロース水酸基と反応しジカルボン酸ジエステル化修飾セルロースを生じて解繊を抑制する恐れがあるため好ましくない。 If the reaction time is too short, the modification rate will be low or the distribution of the dicarboxylic acid monoester groups will be uneven, which is undesirable since it may result in a low transparency of the resulting dispersion of dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers. On the other hand, if the reaction time is too long, it is undesirable since the dicarboxylic acid monoester groups may further react with other cellulose hydroxyl groups to produce dicarboxylic acid diester modified cellulose, which may inhibit defibration.

続いて、反応により得られたジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを含む反応溶液からジカルボン酸モノエステル化修飾されたセルロースを分離、洗浄することにより、反応溶液中のプロトン性アミド系溶媒、ジカルボン酸無水物、ジカルボン酸、塩基触媒などを除去し、ジカルボン酸モノエステル化修飾されたセルロースを回収する。
洗浄溶媒として、特に限定しないが、反応溶液の各成分を溶解できればよい。例えば、水又はアルコール又は水とアルコールの混合液が好ましい。
洗浄方法は、特に限定しないが、圧搾法、加圧濾過法、減圧濾過法、遠心分離法、析出法などが考えられる。
Next, the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose is separated and washed from the reaction solution containing the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose obtained by the reaction, thereby removing the protic amide solvent, dicarboxylic acid anhydride, dicarboxylic acid, base catalyst, etc. in the reaction solution, and the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose is recovered.
The washing solvent is not particularly limited, but may be any solvent capable of dissolving each component of the reaction solution, and is preferably, for example, water, alcohol, or a mixture of water and alcohol.
The washing method is not particularly limited, but possible methods include squeezing, pressure filtration, reduced pressure filtration, centrifugation, and precipitation.

反応条件により洗浄途中で、中和用アルカリを用いて中和することが好ましい場合がある。中和用アルカリは特に制限しないが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物や炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウムなどのアルカリ金属の炭酸塩又はアミン系化合物などが挙げられる。 Depending on the reaction conditions, it may be preferable to neutralize the reaction mixture using a neutralizing alkali during the washing process. There are no particular limitations on the neutralizing alkali, but examples include alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, and lithium hydroxide, alkali metal carbonates such as sodium carbonate, potassium carbonate, and lithium carbonate, and amine compounds.

回収したジカルボン酸モノエステル化修飾されたセルロースの状態は特に限定しない。例えば、洗浄した後、水などのプロトン性溶媒を含んだままのウェット状又は乾燥した状態の何れでも良い。回収した修飾セルロースは乾燥させても水を加えると再び分散する。 The state of the recovered dicarboxylic acid monoester modified cellulose is not particularly limited. For example, after washing, it may be in a wet state still containing a protic solvent such as water, or in a dry state. Even if the recovered modified cellulose is dried, it will disperse again when water is added.

回収したジカルボン酸モノエステル化修飾されたセルロースの形状については、修飾反応時の反応条件、攪拌条件により様々であるが、通常は、繊維径数μm~数十μmの繊維状、繊維径数百nm~1000nmの微細繊維状又は繊維径3nm~100nmのセルロースナノファイバーである。攪拌速度が速いほど、反応と共に解繊が行われるため得られるアニオン性セルロースの中にミクロンオーダー以上の繊維の含有率が少なくなる。しかし、攪拌が強力すぎると反応過程でナノスケールまで解されて、洗浄する際に離水性が低下し洗浄に所要する洗浄溶媒の量が増えたり、洗浄時間が長くなったりするなど、生産効率の低下に至る可能性がある。 The shape of the recovered dicarboxylic acid monoester modified cellulose varies depending on the reaction conditions and stirring conditions during the modification reaction, but is usually fibrous with a fiber diameter of several μm to several tens of μm, fine fiber with a fiber diameter of several hundred nm to 1000 nm, or cellulose nanofiber with a fiber diameter of 3 nm to 100 nm. The faster the stirring speed, the more fiber is defibrated during the reaction, and the lower the content of fibers on the order of microns or larger in the resulting anionic cellulose. However, if the stirring is too strong, the cellulose is decomposed to the nanoscale during the reaction, which reduces water release during washing, increases the amount of washing solvent required for washing, or increases the washing time, which may lead to a decrease in production efficiency.

ジカルボン酸無水物と前記式(1)に示すプロトン性アミド系溶媒を含む反応溶液をセルロースフィブリルの間に浸透させて、セルロースフィブリル表面の水酸基をジカルボン酸モノエステル化修飾する前記〔1〕~〔4〕のいずれかの製造方法によりジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを製造する工程を第1工程とし、続いて、第1工程で製造したジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを水又は極性溶媒50%以下の水溶液中に分散し静電反発とせん断力によりナノ化させる第2工程とする製造方法によりシングルCNFを主成分とするジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーを製造することができる。 A dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofiber mainly composed of single CNF can be produced by a production method comprising the steps of: a first step of producing dicarboxylic acid monoester modified cellulose by any one of the production methods [1] to [4] above, in which a reaction solution containing a dicarboxylic acid anhydride and a protic amide solvent shown in formula (1) is infiltrated between cellulose fibrils to modify the hydroxyl groups on the surface of the cellulose fibrils with dicarboxylic acid monoester; and a second step of dispersing the dicarboxylic acid monoester modified cellulose produced in the first step in an aqueous solution of water or a polar solvent of 50% or less and nanoizing it by electrostatic repulsion and shear force.

第2工程で修飾セルロースをシングルCNFに解繊するためには、第1工程で製造するジカルボン酸モノエステル化修飾されたセルロースは、ジカルボン酸モノエステル基の平均置換度が0.10以上であることが好ましく、より好ましくは0.12以上、さらに好ましくは0.15以上である。
平均置換度が0.10未満になると、得られたアニオン性セルロースは水中での静電反発が不十分でのため解繊度合が低くなり、解繊後に繊維径が10nmを超える粗CNFの含有率が多くなる恐れがあるため好ましくない。
In order to defibrate the modified cellulose into single CNF in the second step, the dicarboxylic acid monoester modified cellulose produced in the first step preferably has an average degree of substitution of dicarboxylic acid monoester groups of 0.10 or more, more preferably 0.12 or more, and even more preferably 0.15 or more.
If the average degree of substitution is less than 0.10, the obtained anionic cellulose will have insufficient electrostatic repulsion in water, resulting in a low degree of defibration, and there is a risk that the content of crude CNF with a fiber diameter exceeding 10 nm after defibration will be high, which is not preferable.

第2工程では、静電反発と機械解繊(せん断力)を併用することにより繊維の形状に関わらず3~10nmまでセルロースをナノ化することができる 第2工程は、第1工程で製造したジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを水又は極性溶媒50%以下の水溶液中に分散させて静電反発させるとともに機械又は物理的なせん断力を加えることにより解繊する。
分散溶媒は、静電反発の効果から、水(蒸留水)が最も好ましいが、ナノ化解繊の後にCNFの濃縮の利便性からアルコールなどの極性溶媒50%以下の水溶液を用いてもよい。
CNFの水酸基がアニオン基で置換されていることにより、分散溶媒中での静電反発により繊維径が3~10nmのシングルCNFまで解繊することができる。
In the second step, by combining electrostatic repulsion and mechanical defibration (shear force), cellulose can be nano-sized to 3 to 10 nm regardless of the shape of the fiber.In the second step, the dicarboxylic acid monoester modified cellulose produced in the first step is dispersed in water or an aqueous solution of 50% or less polar solvent, and defibrated by electrostatic repulsion and the application of mechanical or physical shear force.
Due to the electrostatic repulsion effect, water (distilled water) is most preferable as the dispersion solvent, but for the convenience of concentrating the CNF after nano-fibrillation, an aqueous solution of 50% or less of a polar solvent such as alcohol may be used.
Because the hydroxyl groups of CNF are replaced with anionic groups, they can be defibrated down to single CNFs with fiber diameters of 3 to 10 nm due to electrostatic repulsion in the dispersion solvent.

繊維径が3~10nmのシングルCNFを主成分とする繊維径3~100nmの修飾CNFの集合体が得られる好ましい方法は、分散溶媒中の修飾セルロース繊維の固形分が約0.1~0.8%になるようにして、ミキサーやホモジナイザーなどの攪拌装置で3~20分攪拌処理する方法を挙げることができる。 A preferred method for obtaining an aggregate of modified CNF with a fiber diameter of 3 to 100 nm, mainly composed of single CNF with a fiber diameter of 3 to 10 nm, is to adjust the solid content of the modified cellulose fiber in the dispersion solvent to about 0.1 to 0.8%, and to stir the mixture for 3 to 20 minutes using a stirring device such as a mixer or homogenizer.

第2工程で粗大繊維が残留している場合は、ナイロンメッシュなどのフィルターを用いてろ過することにより残留している粗大繊維を除くこともできる。また、クレアミックスやホモジナイザーでさらに処理すると、解繊度合いを向上したり、繊維長を所要範囲まで切断して短くしたりすることもできる。 If coarse fibers remain in the second step, they can be removed by filtering using a filter such as a nylon mesh. In addition, further processing with a Clearmix or homogenizer can improve the degree of defibration or shorten the fiber length to the required range.

前記第1工程及び第2工程により、ジカルボン酸モノエステル基の平均置換度が0.1~1.0であり、集合体を構成する繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの本数含有率が98%以上であるジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体が得られる。 The first and second steps produce an aggregate of dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers in which the average substitution degree of the dicarboxylic acid monoester group is 0.1 to 1.0 and the number content of single cellulose nanofibers with fiber diameters of 3 to 10 nm that make up the aggregate is 98% or more.

本発明の前記ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体を構成するセルロースナノファイバーはセルロースIβ結晶構造を有していることが好ましい。Iβ結晶構造を持つことでジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体は強く、一般有機溶媒に溶けないため好ましい。 The cellulose nanofibers constituting the aggregate of the dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers of the present invention preferably have a cellulose Iβ crystal structure. By having an Iβ crystal structure, the aggregate of the dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers is strong and is insoluble in general organic solvents, which is preferable.

また、本発明の前記集合体を構成するセルロースナノファイバーの結晶化度は、30%~75%である。結晶化度が75%より高くなると繊維径が20nm以上のナノファイバーの本数含有率が高く、集合体の透明性が低くなるため好ましくない。通常、セルロースナノファイバーの結晶化度は繊維径に左右され、繊維径を反映する。結晶化度70%未満に制御すると集合体における繊維径3~10のシングルセルロースナノファイバーの含有率が98%以上であること確保できるため好ましい。一方、結晶化度が30%以下になると非結晶性セルロースの含有率が増えて、補強効果や増粘効果が低下する恐れがあるため好ましくない。より好ましい結晶化度は35~69%、最も好ましくは40~68%である。 The degree of crystallinity of the cellulose nanofibers constituting the aggregate of the present invention is 30% to 75%. If the degree of crystallinity is higher than 75%, the content of the number of nanofibers with a fiber diameter of 20 nm or more is high, and the transparency of the aggregate is low, which is not preferable. Usually, the degree of crystallinity of cellulose nanofibers depends on the fiber diameter and reflects the fiber diameter. It is preferable to control the degree of crystallinity to less than 70%, because it is possible to ensure that the content of single cellulose nanofibers with a fiber diameter of 3 to 10 in the aggregate is 98% or more. On the other hand, if the degree of crystallinity is 30% or less, the content of amorphous cellulose increases, which is not preferable because there is a risk of a decrease in the reinforcing effect and thickening effect. A more preferable degree of crystallinity is 35 to 69%, and most preferably 40 to 68%.

本発明の前記集合体を構成するセルロースナノファイバーのジカルボン酸モノエステルで修飾された水酸基の数(平均置換度)は、好ましくは0.1~1.0である。もっと好ましくは0.12~0.9、最も好ましくは0.15~0.8である。0.1より低くなると、繊維径10nm以上のCNF含有率が多くなり、シングルセルロースナノファイバー集合体の透明性が低下する恐れがある。一方、平均置換度が1.0以上になると、結晶化度は大きく低下する恐れがあるため好ましくない。 The number of hydroxyl groups modified with dicarboxylic acid monoester in the cellulose nanofibers constituting the aggregate of the present invention (average degree of substitution) is preferably 0.1 to 1.0. More preferably, it is 0.12 to 0.9, and most preferably 0.15 to 0.8. If it is lower than 0.1, the content of CNF with a fiber diameter of 10 nm or more will increase, and the transparency of the single cellulose nanofiber aggregate may decrease. On the other hand, an average degree of substitution of 1.0 or more is not preferable because it may significantly decrease the degree of crystallinity.

本発明の前記ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体の0.3重量%の水分散液の可視光透過率は65%以上である。65%以下になると補強したコンポジットや分散液の透明性が低いため好ましくない。可視光透過率が65%以上であれば、繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの本数含有率が98%以上であることを担保できる。可視光透過率は、さらに好ましくは75%以上、最も好ましくは80%以上である。 The visible light transmittance of a 0.3 wt% aqueous dispersion of the aggregate of the dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers of the present invention is 65% or more. If it is less than 65%, the transparency of the reinforced composite and dispersion is low, which is not preferable. If the visible light transmittance is 65% or more, it is possible to ensure that the number content of single cellulose nanofibers with a fiber diameter of 3 to 10 nm is 98% or more. The visible light transmittance is more preferably 75% or more, and most preferably 80% or more.

本発明の前記集合体を構成する繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの本数含有率は、98%以上である。繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの本数含有率が98%より低くなると補強したコンポジットや分散液の透明性が低いため好ましくない。 The number content of single cellulose nanofibers having a fiber diameter of 3 to 10 nm constituting the aggregate of the present invention is 98% or more. If the number content of single cellulose nanofibers having a fiber diameter of 3 to 10 nm is lower than 98%, it is not preferable because the transparency of the reinforced composite or dispersion is low.

前記集合体を構成する繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの平均繊維長は、200nm以上、1000nm未満である。この範囲より短くなると補強効果、増粘効果や保水効果が低くなるため好ましくない。一方、1μm以上になるとポリマーと複合化する際に凝集でき易いため補強効果を発現できなくなるため好ましくない。さらに、繊維長が長すぎると塗料や接着剤に添加する時粘度が大きく増加し塗料又は接着剤の流動性や加工性が失う恐れがあるため好ましくない。
前記集合体を構成するセルロースナノファイバーの平均繊維長は、より好ましくは250nm~900nm、最も好ましくは300~850nmである。
The average fiber length of the single cellulose nanofibers having a fiber diameter of 3 to 10 nm that constitute the aggregate is 200 nm or more and less than 1000 nm. If it is shorter than this range, the reinforcing effect, thickening effect, and water retention effect are reduced, which is not preferable. On the other hand, if it is 1 μm or more, it is not preferable because it is prone to aggregation when compounded with a polymer and the reinforcing effect cannot be expressed. Furthermore, if the fiber length is too long, it is not preferable because the viscosity increases significantly when added to a paint or adhesive, and there is a risk of the paint or adhesive losing its fluidity and processability.
The average fiber length of the cellulose nanofibers constituting the aggregate is more preferably 250 nm to 900 nm, and most preferably 300 to 850 nm.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。表1に、実施例及び比較例の反応液の組成と反応条件を一覧表にして示す。なお、用いた原料の詳細は以下の通りであり、得られた修飾セルロースナノファイバーの特性は以下のようにして測定した。 The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples. Table 1 shows a list of the composition of the reaction solution and the reaction conditions in the examples and comparative examples. The details of the raw materials used are as follows, and the properties of the obtained modified cellulose nanofibers were measured as follows.

(用いた原料と溶媒)
セルロースパルプ:市販針葉樹木材パルプ(Georgia Pacific社製、商品名:フラッフパルプARC48000GP)を用いた。1センチ角に千切ってから用いた。
粉末セルロース:日本製紙(株)製KCフロックW-100G、平均重合度450を用いた。
他の試薬は、ナカライテスク(株)から購入した。
(Materials and solvents used)
Cellulose pulp: Commercially available coniferous wood pulp (manufactured by Georgia Pacific, product name: Fluff Pulp ARC48000GP) was used. It was used after being torn into 1 cm cubes.
Powdered cellulose: KC Flock W-100G manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd., with an average degree of polymerization of 450, was used.
Other reagents were purchased from Nacalai Tesque.

(解繊に用いた機器)
ミキサー:パナソニック社製のMX-X701-T ミキサー。
クレアミックス:M TECHNIQUE 社製のクレアミックスCLM。
(Equipment used for defibration)
Mixer: Panasonic MX-X701-T mixer.
Clearmix: Clearmix CLM manufactured by M TECHNIQUE.

(セルロースナノファイバーのIR分析)
IRスペクトルによりジカルボン酸モノエステル化修飾を確認した。セルロースナノファイバーのIRスペクトルは、フーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)で測定した。なお、測定は、NICOLET社製「NICOLET MAGNA-IR760 Spectrometer」を用い、ATRモードで分析した。
(IR analysis of cellulose nanofibers)
The dicarboxylic acid monoesterification modification was confirmed by IR spectroscopy. The IR spectrum of the cellulose nanofiber was measured using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR). The measurement was performed using a NICOLET MAGNA-IR760 Spectrometer manufactured by NICOLET Corporation, and analysis was performed in ATR mode.

(セルロース又はCNFのジカルボン酸モノエステル基修飾率の定量)
セルロース又はCNFのジカルボン酸モノエステル基修飾率は平均置換度で示し、電気伝導度滴定法で定量した。即ち、ジカルボン酸モノエステル化修飾したセルロース又はジカルボン酸モノエステル化修飾したCNFの0.3%の水分散液100gを調製し、そこに0.1Nの塩酸水溶液を加えてpHを2.5に調整した後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を用いてpHが11になるまで滴下しながら電気伝導度の値を記録した。電気伝導度とpHをプロットし、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム水溶液量(a)から、カルボン酸基のモル数Qは、下記式で求められた。
Q(mol)=a[ml]×0.05/1000
この置換基のモル数Qとセルロースの構成単位である無水グルカンの分子量(162)から平均置換度を算出された。
平均置換度=162×Q/(100×0.3%-M×Q+18×Q)
(式中、100はジカルボン酸モノエステル化修飾セルロース又はジカルボン酸モノエステル化修飾CNFの水分散液の量、Mはジカルボン酸無水物の分子量、18はジカルボン酸無水物と水酸基の反応により脱水生成された水の分子量である。)
(Quantitative Determination of Dicarboxylic Acid Monoester Group Modification Rate of Cellulose or CNF)
The dicarboxylic acid monoester group modification rate of cellulose or CNF was expressed as an average substitution degree, and was quantified by electrical conductivity titration. That is, 100 g of a 0.3% aqueous dispersion of cellulose modified by dicarboxylic acid monoesterification or CNF modified by dicarboxylic acid monoesterification was prepared, and a 0.1 N hydrochloric acid aqueous solution was added thereto to adjust the pH to 2.5, and then a 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution was added dropwise until the pH reached 11, while recording the electrical conductivity value. The electrical conductivity and pH were plotted, and the mole number Q of the carboxylic acid group was calculated by the following formula from the amount (a) of the aqueous sodium hydroxide solution consumed in the neutralization stage of the weak acid where the change in electrical conductivity was gradual.
Q (mol) = a [ml] x 0.05/1000
The average degree of substitution was calculated from the number of moles Q of the substituent and the molecular weight (162) of anhydroglucan, which is a structural unit of cellulose.
Average degree of substitution = 162 x Q/(100 x 0.3% - M x Q + 18 x Q)
(In the formula, 100 is the amount of the aqueous dispersion of dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose or dicarboxylic acid monoesterified modified CNF, M is the molecular weight of the dicarboxylic acid anhydride, and 18 is the molecular weight of water produced by dehydration through the reaction of the dicarboxylic acid anhydride with a hydroxyl group.)

(SEM観察)
ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの形状はFE-SEM(日本電子(株)製「JSM-6700F」、測定条件:20mA、60秒)を用いて観察した。
(SEM Observation)
The shape of the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers was observed using an FE-SEM ("JSM-6700F" manufactured by JEOL Ltd., measurement conditions: 20 mA, 60 seconds).

(TEM観察サンプルの作製)
ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体を水により0.003%に希釈した後、最終の濃度が0.0015%以下になるように電子顕微鏡用イオン液体(日立ハイテクノロジーズ HILEM IL1000)と混合し、TEM観察用カーボン支持膜(応研商事製 スーパーハイレゾカーボン SHR-C075)上に滴下、乾燥させることによりTEM観察用サンプルを調製した。像コントラストを強調するため、酢酸ガドリニウムを主成分とする電子顕微鏡用染色剤(日新EM製 EMステイナー)を用いて上記試料に電子染色(ネガティブ染色)を施した。
(Preparation of TEM Observation Sample)
The aggregate of dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers was diluted with water to 0.003%, then mixed with an ionic liquid for electron microscopes (Hitachi High-Technologies HILEM IL1000) so that the final concentration was 0.0015% or less, and the mixture was dropped onto a carbon support film for TEM observation (Oken Shoji Super Hi-Reso Carbon SHR-C075) and dried to prepare a sample for TEM observation. To enhance the image contrast, the above sample was subjected to electron staining (negative staining) using an electron microscope staining agent (Nissin EM EM Stainer) mainly composed of gadolinium acetate.

(TEM観察)
前記TEM観察サンプルを日本電子製 電界放出型透過電子顕微鏡(FE-TEM) JEM-2100Fを用いて、加速電圧120kV、TEM明視野で観察した。
TEM写真の画像からランダムに繊維径が10nmを超えるCNFを見出し、その周りに繊維径が10nm以下のCNFの本数は49本以上であることを確認した。
繊維径3~10nmのシングルセルロースナノファイバーの平均繊維径及び平均繊維長の測定は、40万倍以上のTEM画像により観察した。TEM写真の画像からランダムに50本以上の繊維を選択し、それぞれの繊維径及び繊維長を計測した。
CNFが湾曲している場合には、繊維の弯曲線に沿って繊維の両端を見出し、各弯曲の間の直線距離を計測し、加算して繊維長とした。
(TEM Observation)
The TEM observation sample was observed in a TEM bright field at an acceleration voltage of 120 kV using a field emission transmission electron microscope (FE-TEM) JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd.
CNFs with fiber diameters exceeding 10 nm were randomly found from the TEM photograph images, and it was confirmed that there were 49 or more CNFs around them with fiber diameters of 10 nm or less.
The average fiber diameter and average fiber length of single cellulose nanofibers with a fiber diameter of 3 to 10 nm were measured by observing TEM images at a magnification of 400,000 times or more. 50 or more fibers were randomly selected from the TEM photograph, and the fiber diameter and fiber length of each were measured.
When the CNF was curved, both ends of the fiber were found along the fiber curvature, and the straight-line distance between each curvature was measured and added up to determine the fiber length.

(結晶化度の測定方法)
ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの分散液を乾燥し、粉末X線結晶回折(XRD)を用いて結晶化度を測定した。なお、X線回折装置(UltimaIV、株式会社リガク製)を使用して分析した。測定条件を次に示した。
・X線:Cu/40kV/40mA
・スキャンスピード:10°/分
・走査範囲:2θ=5~70°
また、下記式によって、結晶化度を算出した(Textile Res. J.29:786-794, 1959参照)。
結晶化度(%)=[(I200-IAM)/I200]×100
I200:2θ=22.6°の回折強度
IAM:アモルファス部の回折強度であり2θ=18.5°の回折強度
(Method of measuring crystallinity)
The dispersion of the dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofiber was dried and the crystallinity was measured by powder X-ray crystal diffraction (XRD). The analysis was performed using an X-ray diffractometer (Ultima IV, manufactured by Rigaku Corporation). The measurement conditions are as follows:
・X-ray: Cu/40kV/40mA
Scan speed: 10°/min. Scan range: 2θ=5 to 70°.
The crystallinity was calculated by the following formula (see Textile Res. J. 29:786-794, 1959).
Crystallinity (%) = [(I200-IAM)/I200] x 100
I200: Diffraction intensity at 2θ = 22.6° IAM: Diffraction intensity of the amorphous part at 2θ = 18.5°

(熱分解温度の測定方法)
ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体を105℃で2時間乾燥し、その熱分解挙動を示差熱熱重量同時測定装置(STA7200、株式会社日立ハイテクサイエンス製)を使用して分析した。測定条件を次に示した。5%減量温度を測定し、熱分解温度とした。
・雰囲気:アルゴンガス(流量300mL/分)
・温度範囲:30~400℃
・昇温速度:10℃/分
(Method of measuring thermal decomposition temperature)
The aggregate of the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers was dried at 105°C for 2 hours, and its thermal decomposition behavior was analyzed using a thermogravimetric and differential thermal analyzer (STA7200, Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.). The measurement conditions are as follows. The 5% weight loss temperature was measured and defined as the thermal decomposition temperature.
Atmosphere: Argon gas (flow rate 300 mL/min)
Temperature range: 30 to 400°C
Heating rate: 10° C./min

(可視光線透過率の測定)
ジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体の0.3重量%の水分散液を調製して紫外可視分光光度計を用いて測定し、波長589nm(D線)での可視光線透過率を測定した。測定に用いた装置は、島津製作所製のUV-3600で、測定波長範囲は300nm~800nmだった。
(Measurement of visible light transmittance)
A 0.3 wt% aqueous dispersion of the aggregate of dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers was prepared and measured using a UV-visible spectrophotometer to measure the visible light transmittance at a wavelength of 589 nm (D-ray). The device used for the measurement was Shimadzu UV-3600, and the measurement wavelength range was 300 nm to 800 nm.

[実施例1]
無水マレイン酸5gとホルムアミド45gの混合液とセルロースパルプ1.5gを100ml丸底三口フラスコに入れ、PTFE羽根型撹拌棒を取り付け、室温で30分攪拌した後、60℃のオイルバスに入れてフラスコ内にアルゴンガスをフローし続けながら6時間攪拌した。反応物を放冷した後、ナイロンメッシュ(T380)で絞って反応溶液を除いてジカルボン酸モノエステル化修飾セルロース成分と反応溶液をそれぞれ回収した。
回収した修飾セルロースを蒸留水150gに分散して再び絞ってジカルボン酸モノエステル化修飾セルロース成分を回収した。分散と絞りを2回繰り返した後、0.4g炭酸ナトリウムを水250mlに溶解した溶液に絞ったジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを分散して再度絞った後、蒸留水250mlで2回洗浄することによりマレイン酸モノエステル化修飾セルロースを得た。洗浄したマレイン酸モノエステル化修飾セルロースと蒸留水を合わせて500mlの分散液を調製してミキサーに入れて10分攪拌することによりマレイン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの水分散液を得た。
[Example 1]
A mixture of 5 g of maleic anhydride and 45 g of formamide and 1.5 g of cellulose pulp were placed in a 100 ml round-bottom three-neck flask, a PTFE blade-type stirring rod was attached, and the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes, then placed in an oil bath at 60° C. and stirred for 6 hours while argon gas was continuously flowing into the flask. After cooling, the reaction mixture was squeezed through a nylon mesh (T380) to remove the reaction solution, and the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose component and the reaction solution were collected.
The recovered modified cellulose was dispersed in 150 g of distilled water and squeezed again to recover the dicarboxylic acid monoester modified cellulose component. After repeating dispersion and squeezing twice, the squeezed dicarboxylic acid monoester modified cellulose was dispersed in a solution of 0.4 g of sodium carbonate dissolved in 250 ml of water, squeezed again, and washed twice with 250 ml of distilled water to obtain maleic acid monoester modified cellulose. The washed maleic acid monoester modified cellulose and distilled water were combined to prepare a 500 ml dispersion, which was then placed in a mixer and stirred for 10 minutes to obtain an aqueous dispersion of maleic acid monoester modified cellulose nanofibers.

水分散液の外観写真を図1に示した。マレイン酸モノエステル化修飾はIRスペクトルにより確認した(図2)。エステル化結合の吸収1730cm-1付近、末端カルボン酸ナトリウムの吸収は1600cm-1付近にそれぞれ検出された。
得たマレイン酸モノエステル化修飾CNFの0.3%の水分散液を電気伝導度滴定法によりマレイン酸モノエステル化修飾率(平均置換度)は0.46であることを確認した。
得たマレイン酸モノエステル化修飾CNFの0.3%の水分散液の紫外可視透過スペクトルチャートを測定し、結果を図3に示した。可視光透過率は67%となった。
得たマレイン酸モノエステル化修飾CNFの集合体の結晶化度をXRDで評価した結果、69%であることが判明した。また、TG-DTA分析した結果、熱分解温度が260℃であった。
得たマレイン酸モノエステル化修飾CNFの集合体をFE-SEMで観察した。50000倍まで拡大すると繊維径が10nm程度以下のナノファイバー状骨格が認められたが、正確な繊維径と繊維長をはっきり測定できなかった。
次に、TEMを用いて観察した。TEMで得られた画像より無作為で50本のセルロースナノファイバーを選んで、繊維径と繊維長をそれぞれ計測した。繊維径が10nmを超えるものが認められず、3~10nmのセルロースナノファイバーの本数含有率は98%以上であり、シングルCNFの平均繊維径は8nmであった。また、繊維長は500nm~1000nmの間に分布していることを確認でき、平均繊維長は945nmであった。
以上、得たマレイン酸モノエステル化修飾CNFの評価結果を表2に示す。
A photograph of the appearance of the aqueous dispersion is shown in Figure 1. The maleic acid monoesterification modification was confirmed by IR spectroscopy (Figure 2). The absorption of the esterified bond was detected at around 1730 cm -1 , and the absorption of the terminal sodium carboxylate was detected at around 1600 cm -1 .
A 0.3% aqueous dispersion of the obtained maleic acid monoester modified CNF was confirmed by conductometric titration to have a maleic acid monoester modification rate (average substitution degree) of 0.46.
The ultraviolet-visible transmission spectrum of a 0.3% aqueous dispersion of the obtained maleic acid monoesterified modified CNF was measured, and the results are shown in Figure 3. The visible light transmittance was 67%.
The crystallinity of the resulting aggregate of maleic acid monoester modified CNF was evaluated by XRD and found to be 69%, and the thermal decomposition temperature was found to be 260°C by TG-DTA analysis.
The resulting aggregate of maleic acid monoester modified CNF was observed by FE-SEM. When magnified up to 50,000 times, a nanofiber skeleton with a fiber diameter of about 10 nm or less was observed, but the exact fiber diameter and fiber length could not be clearly measured.
Next, observation was performed using a TEM. 50 cellulose nanofibers were randomly selected from the image obtained by TEM, and the fiber diameter and fiber length were measured. No fiber diameters exceeding 10 nm were observed, the number content of cellulose nanofibers between 3 and 10 nm was 98% or more, and the average fiber diameter of single CNF was 8 nm. It was also confirmed that the fiber lengths were distributed between 500 nm and 1000 nm, and the average fiber length was 945 nm.
The evaluation results of the obtained maleic acid monoester modified CNF are shown in Table 2.

[実施例2]
ミキサー処理後にクレアミクスでさらに20分処理した以外は実施例1と同様に実施した。即ち、実施例1と同様にミキサー処理により得られたマレイン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの水分散液(0.3%)をさらにクレアミックスCLMを用いて100mlスケールで18000rpmの回転速度で20分間処理した以外は実施例1と同様の条件及び方法で実施した。
回収したマレイン酸モノエステル化修飾CNFを実施例1と同様に評価した評価結果を表2に示す。
[Example 2]
Except for further treating with Clearmix for 20 minutes after the mixer treatment, the same procedure was followed as in Example 1. That is, the same procedure and conditions as in Example 1 were followed except that the aqueous dispersion (0.3%) of maleic acid monoesterified modified cellulose nanofiber obtained by mixer treatment as in Example 1 was further treated with Clearmix CLM at a rotation speed of 18,000 rpm on a 100 ml scale for 20 minutes.
The recovered maleic acid monoesterified modified CNF was evaluated in the same manner as in Example 1, and the evaluation results are shown in Table 2.

[実施例3]
反応温度を室温(23℃)、反応時間を24時間に変更した以外、実施例1と同じ工程でマレイン酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2、図1、2と3に示した。
[Example 3]
Except for changing the reaction temperature to room temperature (23° C.) and the reaction time to 24 hours, the maleic acid monoesterified modified CNF was prepared in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 2 and Figures 1, 2 and 3.

[実施例4]
修飾化剤を無水マレイン酸に代えて無水コハク酸を用い、溶媒をホルムアミドに代えてN-メチルホルムアミドを用い、触媒として炭酸ナトリウム0.75gを添加し、反応時間を6時間に変更した以外は、実施例3と同じ工程でコハク酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2、図1、2と3に示した。
[Example 4]
Succinic acid monoesterified modified CNF was prepared in the same manner as in Example 3, except that succinic anhydride was used instead of maleic anhydride as the modifying agent, N-methylformamide was used instead of formamide as the solvent, 0.75 g of sodium carbonate was added as a catalyst, and the reaction time was changed to 6 hours. The evaluation results are shown in Table 2 and Figures 1, 2 and 3.

[実施例5]
溶媒をN-メチルホルムアミドに代えてホルムアミドを用いた以外は、実施例4と同じ工程でコハク酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2及び図1、2と3に示した。
[Example 5]
Except for using formamide instead of N-methylformamide as the solvent, succinic acid monoesterified modified CNF was prepared in the same manner as in Example 4. The evaluation results are shown in Table 2 and Figures 1, 2 and 3.

[実施例6]
反応時間を6時間から4時間に変更した以外は、実施例5と同じ工程でコハク酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2、図1、2と3に示した。
[Example 6]
Except for changing the reaction time from 6 hours to 4 hours, succinic acid monoesterified modified CNF was prepared in the same manner as in Example 5. The evaluation results are shown in Table 2 and Figures 1, 2 and 3.

[実施例7]
無水コハク酸の添加量を5gから2.5gに、ホルムアミドの添加量を45gから47.5gに変更した以外は、実施例6と同じ工程でコハク酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2、図1、2と3に示した。
[Example 7]
The modified CNF modified with succinic acid monoester was prepared in the same manner as in Example 6, except that the amount of succinic anhydride added was changed from 5 g to 2.5 g and the amount of formamide added was changed from 45 g to 47.5 g. The evaluation results are shown in Table 2 and Figures 1, 2 and 3.

[実施例8]
無水コハク酸に代えてグルタル酸無水物を用いた以外は、実施例5と同じ工程でグルタル酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2に示した。
[Example 8]
Except for using glutaric anhydride instead of succinic anhydride, glutaric acid monoester modified CNF was prepared in the same manner as in Example 5. The evaluation results are shown in Table 2.

[実施例9]
無水コハク酸に代えて無水マレイン酸を用い、炭酸ナトリウムに代えて炭酸水素ナトリウムを用いた以外は、実施例5と同じ工程でマレイン酸モノエステル化修飾CNFを調製した。その評価結果を表2及び図1と3に示した。
[Example 9]
Maleic acid monoesterified modified CNF was prepared in the same manner as in Example 5, except that maleic anhydride was used instead of succinic anhydride and sodium bicarbonate was used instead of sodium carbonate. The evaluation results are shown in Table 2 and Figures 1 and 3.

[実施例10]
セルロースパルプに代えて粉末セルロースを用いた以外は、実施例5と同じ工程でコハク酸モノエステル化修飾CNFを調製した。修飾率、結晶化度と分散液の可視光線透過率などの測定結果を表2及び図1、2と3に示した。
[Example 10]
Except for using powdered cellulose instead of cellulose pulp, succinic acid monoesterified modified CNF was prepared in the same manner as in Example 5. The measurement results of the modification rate, crystallinity, visible light transmittance of the dispersion, etc. are shown in Table 2 and Figures 1, 2 and 3.

[比較例1]
溶媒をホルムアミドに代えてピリジンを用い、修飾化剤を無水マレイン酸に代えて無水コハク酸を用いた以外は実施例3と同じ工程でコハク酸モノエステル化修飾CNFを調製した。修飾率、結晶化度と分散液の可視光線透過率などの測定結果を表2及び図1と3に示した。
得られたコハク酸モノエステル化修飾CNFの水分散液は白濁しており、0.3%の水分散液の可視光透過率は38%と低かった。また、繊維径3~10nmのシングルCNFは存在するが、繊維径10nm以上のCNFの存在が目立った。
[Comparative Example 1]
Except for using pyridine instead of formamide as the solvent and using succinic anhydride instead of maleic anhydride as the modifying agent, succinic acid monoester modified CNF was prepared in the same manner as in Example 3. The measurement results of the modification rate, crystallinity, visible light transmittance of the dispersion, etc. are shown in Table 2 and Figures 1 and 3.
The obtained aqueous dispersion of the succinic acid monoester modified CNF was cloudy, and the visible light transmittance of the 0.3% aqueous dispersion was as low as 38%. Although single CNF with fiber diameters of 3 to 10 nm were present, the presence of CNF with fiber diameters of 10 nm or more was noticeable.

[比較例2]
溶媒をN-メチルホルムアミド(実施例4)、ホルムアミド(実施例5)に代えてDMAcを使用した以外は実施例4及び実施例5と同じ工程でコハク酸修飾セルロースナノファイバーの合成を行った。無水コハク酸のDMAc溶液に炭酸ナトリウムを加えると溶液が直ぐ赤、次に紫、さらにイカ墨色に変色した。パルプを加え、6時間攪拌した後、実施例4及び実施例5と同様に洗浄、解繊した。得られたコハク酸モノエステル化修飾CNFの水分散液は白濁しており、0.3%の水分散液の可視光透過率は9%と低かった。また、繊維径3~10nmのシングルCNFはほとんど存在しなかった。
[Comparative Example 2]
Succinic acid modified cellulose nanofibers were synthesized in the same manner as in Examples 4 and 5, except that DMAc was used instead of N-methylformamide (Example 4) or formamide (Example 5) as the solvent. When sodium carbonate was added to a DMAc solution of succinic anhydride, the solution immediately changed color to red, then purple, and then squid ink. Pulp was added and stirred for 6 hours, after which it was washed and defibrated in the same manner as in Examples 4 and 5. The resulting aqueous dispersion of succinic acid monoester modified CNF was cloudy, and the visible light transmittance of a 0.3% aqueous dispersion was low at 9%. Furthermore, single CNF with fiber diameters of 3 to 10 nm was hardly present.

[比較例3]
溶媒をホルムアミドに代えてメタノールを使用した以外は実施例5と同じ工程でコハク酸修飾セルロースナノファイバーの合成を行った。6時間攪拌した後、パルプの形状はシートのまま維持されて、ミキサーで解繊を行っても解されなかった。乾燥してIRスペクトルを測定した結果、カルボニル基が検出されなかった。この結果から、メタノールはセルロースパルプの内部に殆ど浸透できず、セルロースと無水コハク酸との反応が生じないと判明した。
[Comparative Example 3]
Succinic acid modified cellulose nanofibers were synthesized in the same manner as in Example 5, except that methanol was used instead of formamide as the solvent. After stirring for 6 hours, the pulp maintained its sheet shape and was not broken down even when defibrated in a mixer. After drying, the IR spectrum was measured, and no carbonyl groups were detected. This result demonstrated that methanol could hardly penetrate into the interior of the cellulose pulp, and no reaction occurred between cellulose and succinic anhydride.

[比較例4]
溶媒をホルムアミドに代えてジメチルスルホキシド(DMSO)を利用した以外は実施例1と同じ工程でコハク酸修飾セルロースナノファイバーの合成を行った。反応開始30分後、反応溶液が褐色になった。洗浄して得られたセルロースは黄色であった。ミキサーで解繊しても外観がほとんど変わらなかった。
これらの結果から、DMSO中におけるエステル化反応は遅いことに加え、副反応が生じてセルロース繊維が着色し繊維が解繊されていないことが分かった。
[Comparative Example 4]
Succinic acid-modified cellulose nanofibers were synthesized in the same manner as in Example 1, except that dimethyl sulfoxide (DMSO) was used instead of formamide as the solvent. Thirty minutes after the start of the reaction, the reaction solution turned brown. The cellulose obtained after washing was yellow. The appearance did not change much even after defibrating with a mixer.
These results indicate that the esterification reaction in DMSO is slow, and that side reactions occur, causing the cellulose fibers to become discolored and the fibers to not be defibrated.

以上の実施例と比較例の結果を踏まえて、本願の技術の反応溶液は、セルロースへの浸透性が優れたことに加え、副反応が少ないことで得られたジカルボン酸モノエステル化修飾CNFが着色しなく、分散液の透明性が高いことが明らかになった。さらに、触媒添加しても添加しなくても、室温でも加熱しても副反応が起こさず、ジカルボン酸化修飾セルロースナノファイバーが得られた。 Based on the results of the above examples and comparative examples, it has become clear that the reaction solution of the technology of the present application has excellent permeability into cellulose, and also has few side reactions, so that the dicarboxylic acid monoester modified CNF obtained does not discolor and the dispersion liquid has high transparency. Furthermore, no side reactions occurred whether a catalyst was added or not, and whether the mixture was heated at room temperature or not, and dicarboxylic acid modified cellulose nanofibers were obtained.

本発明のジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体は、樹脂の補強材、無機粒子との複合材、コーティング剤に利用でき、シートやフィルムに成形して利用することもできる。さらに、乳化作用(界面活性剤)、増粘作用、保水又は保湿作用などの機能を持つため、医療材・医薬剤分野、化粧品分野、食品分野などへの応用も期待できる。さらに、本発明のジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの集合体は透明性が高いため、透明樹脂の補強材として特に適する。

The aggregate of the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers of the present invention can be used as a reinforcing material for resins, composite materials with inorganic particles, coating agents, and can also be formed into sheets or films for use. Furthermore, since it has functions such as emulsifying action (surfactant), thickening action, water retention or moisturizing action, it is expected to be applied in the fields of medical materials and pharmaceuticals, cosmetics, and food. Furthermore, since the aggregate of the dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose nanofibers of the present invention has high transparency, it is particularly suitable as a reinforcing material for transparent resins.

Claims (5)

ジカルボン酸無水物と下記式(1)に示すプロトン性アミド系溶媒を含む反応溶液をセルロースのフィブリル間に浸透させて、セルロースフィブリル表面の水酸基をエステル化反応して化学解繊するジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースの製造方法。
R1-C(=O)―NH(R2) (1)
(式中、R1とR2はプロトン又は炭素数1~3のアルキル基を表わす。R1とR2は同じ又は異なる。)
A method for producing dicarboxylic acid monoesterified modified cellulose, comprising penetrating a reaction solution containing a dicarboxylic acid anhydride and a protic amide-based solvent represented by the following formula (1) between cellulose fibrils to cause an esterification reaction of hydroxyl groups on the surface of the cellulose fibrils, thereby chemically defibrating the cellulose fibrils.
R1-C(=O)-NH(R2) (1)
(In the formula, R1 and R2 represent a proton or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R1 and R2 may be the same or different.)
前記プロトン性アミド系溶媒が、ホルムアミド、メチルホルムアミド、アセトアミド及びN-メチルアセトアミドのいずれかの1種以上である請求項1に記載の製造方法。 The method according to claim 1, wherein the protic amide solvent is one or more of formamide, methylformamide, acetamide, and N-methylacetamide. 前記ジカルボン酸無水物が、無水マレイン酸、炭素数4~8の脂肪族ジカルボン酸無水物及びフタル酸無水物のいずれかの1種以上である請求項1又は請求項2に記載の製造方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the dicarboxylic anhydride is at least one of maleic anhydride, an aliphatic dicarboxylic anhydride having 4 to 8 carbon atoms, and phthalic anhydride. 前記反応溶液が、さらに塩基触媒を含む請求項1~3のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the reaction solution further contains a base catalyst. 請求項1~4に記載のいずれかの製造方法によりジカルボン酸モノエステル化修飾セルロース製造する工程を第1工程とし、第1工程で製造したジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースを水又は極性溶媒50%以下の水溶液中に分散し静電反発とせん断力によりジカルボン酸モノエステル化修飾シングルセルロースナノファイバーに解繊する第2工程を含むジカルボン酸モノエステル化修飾セルロースナノファイバーの製造方法。 A method for producing dicarboxylic acid monoester modified cellulose nanofibers, comprising a first step of producing dicarboxylic acid monoester modified cellulose by any one of the production methods described in claims 1 to 4, and a second step of dispersing the dicarboxylic acid monoester modified cellulose produced in the first step in water or an aqueous solution of 50% or less polar solvent, and defibrating it into dicarboxylic acid monoester modified single cellulose nanofibers by electrostatic repulsion and shear force.
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