JP2020079423A - Method for producing phosphorylated cellulose fiber and cellulose-containing material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リン酸化セルロース繊維の製造方法及びセルロース含有物に関する。 The present invention relates to a method for producing phosphorylated cellulose fiber and a cellulose-containing material.
近年、石油資源の代替及び環境意識の高まりから、再生産可能な天然繊維を利用した材料が着目されている。天然繊維の中でも、繊維径が10μm以上50μm以下の繊維状セルロース、特に木材由来の繊維状セルロース(パルプ)は、主に紙製品としてこれまで幅広く使用されてきた。 In recent years, materials that use reproducible natural fibers have been attracting attention due to the substitution of petroleum resources and increasing environmental awareness. Among natural fibers, fibrous cellulose having a fiber diameter of 10 μm or more and 50 μm or less, in particular, fibrous cellulose (pulp) derived from wood has been widely used as paper products until now.
また、繊維状セルロースとしては、繊維径が1μm以下の微細繊維状セルロースも知られている。微細繊維状セルロースはシートや複合体の構成原料として用いることができる。微細繊維状セルロースを用いた場合、繊維同士の接点が著しく増加することから、引張強度等が大きく向上することが知られている。また、微細繊維状セルロースは、増粘剤などの用途へ使用することも検討されている。 As the fibrous cellulose, fine fibrous cellulose having a fiber diameter of 1 μm or less is also known. The fine fibrous cellulose can be used as a constituent raw material for a sheet or a composite. It is known that when fine fibrous cellulose is used, the number of contact points between fibers remarkably increases, so that the tensile strength and the like are greatly improved. Further, the use of fine fibrous cellulose in applications such as thickeners is also under study.
微細繊維状セルロースは、従来のセルロース繊維を機械処理することで製造可能であるが、セルロース繊維同士は水素結合により、強く結合している。したがって、単純に機械処理を行うのみでは、微細繊維状セルロースを得るまでに膨大なエネルギーが必要となる。 The fine fibrous cellulose can be produced by mechanically treating conventional cellulose fibers, but the cellulose fibers are strongly bonded to each other by hydrogen bonding. Therefore, enormous energy is required to obtain fine fibrous cellulose simply by performing mechanical treatment.
より小さな機械処理エネルギーで微細繊維状セルロースを製造するためには、機械処理と合わせて、化学処理や生物処理といった前処理を行うことが有効であることが知られている。特に、化学処理により、セルロース表面のヒドロキシル基に親水性の官能基(例えば、カルボキシル基、カチオン基、リン酸基など)を導入すると、イオン同士の電気的な反発が生じ、かつイオンが水和することで、特に水系溶媒への分散性が著しく向上する。このため、化学処理を施さない場合に比べて微細化のエネルギー効率が高くなる。 It is known that pretreatment such as chemical treatment or biological treatment is effective in addition to mechanical treatment in order to produce fine fibrous cellulose with smaller mechanical treatment energy. In particular, when a hydrophilic functional group (for example, a carboxyl group, a cation group, a phosphate group, etc.) is introduced into the hydroxyl group on the surface of cellulose by chemical treatment, electric repulsion between the ions occurs and the ions are hydrated. By doing so, the dispersibility in an aqueous solvent is remarkably improved. Therefore, the energy efficiency of miniaturization is higher than that in the case where no chemical treatment is applied.
例えば、特許文献1及び2には、リン酸基がセルロースのヒドロキシル基とエステルを形成したリン酸化微細繊維状セルロース及びリン酸化微細繊維状セルロースの製造方法が開示されている。特許文献2では、リン酸化反応工程を尿素の存在下で行うことや、リン酸化反応工程を複数回行うことでリン酸基導入量を増加させることが検討されている。 For example, Patent Documents 1 and 2 disclose a phosphorylated fine fibrous cellulose in which a phosphoric acid group forms an ester with a hydroxyl group of cellulose and a method for producing phosphorylated fine fibrous cellulose. In Patent Document 2, it is considered to carry out the phosphorylation reaction step in the presence of urea or to increase the phosphate group introduction amount by carrying out the phosphorylation reaction step a plurality of times.
本発明者らは、さらに効率よくリン酸化セルロース繊維を製造する方法を提供することを目的として検討を進めた。 The present inventors have conducted studies for the purpose of providing a method for more efficiently producing phosphorylated cellulose fibers.
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、セルロース繊維をリン酸化する工程における反応系の初期含水率を所定値以下とすることにより、リン酸化セルロース繊維の生産効率を高め得ることを見出した。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors, by setting the initial water content of the reaction system in the step of phosphorylating the cellulose fiber to a predetermined value or less, the production of phosphorylated cellulose fiber It has been found that the efficiency can be increased.
Specifically, the present invention has the following configurations.
[1] セルロース繊維をリン酸化する工程を含むリン酸化セルロース繊維の製造方法であって、反応系の初期含水率が40質量%未満であるリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[2] リン酸化する工程は、セルロース繊維と、有機溶媒と、リン酸化剤と、を混合する工程を含む[1]に記載のリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[3] 有機溶媒が、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)、アニリン、ピリジン、キノリン、ルチジン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジオキサン及び尿素から選ばれる少なくとも1種を含む[2]に記載のリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[4] リン酸化剤は、脱水縮合リン酸、無水リン酸及びリン酸から選ばれる少なくとも1種を含む[2]又は[3]に記載のリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[5] リン酸化する工程は、加熱をする工程を含み、加熱をする工程において140℃で加熱をした場合に、加熱開始時から60分経過時までのリン酸化反応速度が0.018mmol/g・min以上である[1]〜[4]のいずれかに記載のリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[6] リン酸化する工程を経る前のセルロース繊維を含むセルロース含有物のTappi T230に準じて測定した比粘度を∨1とし、リン酸化する工程で得られるセルロース繊維を含むセルロース含有物のTappi T230に準じて測定した比粘度を∨2とした場合、∨2/∨1の値が0.74以上である[1]〜[5]のいずれかに記載のリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[7] リン酸化する工程で得られるセルロース繊維を含むセルロース含有物のTappi T230に準じて測定される比粘度が8.0以上である[1]〜[6]のいずれかに記載のリン酸化セルロース繊維の製造方法。
[8] 繊維幅が1000nm以下であるセルロース繊維を含むセルロース含有物であって、セルロース含有物を固形分濃度が0.4質量%となるように水により希釈して得られるスラリーの、3rpm、液温25℃の条件にてB型粘度計により測定される粘度が14500mPa・s以上であるセルロース含有物。
[9] 0.1mmol/g以上のリン酸基を有するセルロース繊維を含み、かつTappi T230に準じて測定される比粘度が8.0以上であるセルロース含有物。
[10] Tappi T230に準じて測定して得られる重合度が870以上である[9]に記載のセルロース含有物。
[11] 有機溶媒成分を含む[9]又は[10]に記載のセルロース含有物。
[1] A method for producing a phosphorylated cellulose fiber, which comprises a step of phosphorylating a cellulose fiber, wherein the initial water content of the reaction system is less than 40% by mass.
[2] The method for producing phosphorylated cellulose fiber according to [1], wherein the step of phosphorylating includes the step of mixing the cellulose fiber, an organic solvent, and a phosphorylating agent.
[3] The organic solvent is dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), aniline, pyridine, quinoline, lutidine, acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide (DMSO), dioxane and The method for producing a phosphorylated cellulose fiber according to [2], which contains at least one selected from urea.
[4] The method for producing a phosphorylated cellulose fiber according to [2] or [3], wherein the phosphorylating agent contains at least one selected from dehydrated condensed phosphoric acid, phosphoric anhydride, and phosphoric acid.
[5] The phosphorylation step includes a heating step, and when heating at 140° C. in the heating step, the phosphorylation reaction rate from the start of heating to the time of 60 minutes is 0.018 mmol/g. -The manufacturing method of the phosphorylated cellulose fiber in any one of [1]-[4] which is min or more.
[6] The specific viscosity measured according to Tappi T230 of the cellulose-containing material containing the cellulose fibers before undergoing the phosphorylation step is set to ∨1, and the cellulose-containing material Tappi T230 containing the cellulose fibers obtained in the phosphorylation step. The method for producing phosphorylated cellulose fibers according to any one of [1] to [5], wherein the value of ∨2/∨1 is 0.74 or more, where the specific viscosity measured according to the above is ∨2.
[7] The phosphorylation according to any one of [1] to [6], wherein the cellulose-containing material containing cellulose fibers obtained in the phosphorylation step has a specific viscosity of 8.0 or more as measured according to Tappi T230. Method for producing cellulose fiber.
[8] A cellulose-containing material containing cellulose fibers having a fiber width of 1000 nm or less, and 3 rpm of a slurry obtained by diluting the cellulose-containing material with water to a solid content concentration of 0.4% by mass, A cellulose-containing material having a viscosity of 14500 mPa·s or higher as measured by a B-type viscometer at a liquid temperature of 25°C.
[9] A cellulose-containing material containing cellulose fibers having a phosphoric acid group of 0.1 mmol/g or more and having a specific viscosity of 8.0 or more measured according to Tappi T230.
[10] The cellulose-containing material according to [9], which has a degree of polymerization of 870 or more, which is obtained by measurement according to Tappi T230.
[11] The cellulose-containing material according to [9] or [10], which contains an organic solvent component.
本発明の製造方法によれば、リン酸化セルロース繊維の生産効率を高めることができる。 According to the production method of the present invention, the production efficiency of phosphorylated cellulose fibers can be increased.
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent requirements described below may be made based on typical embodiments or specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments.
(リン酸化セルロース繊維の製造方法)
本発明は、セルロース繊維をリン酸化する工程(以下、リン酸化反応工程ともいう)を含むリン酸化セルロース繊維の製造方法に関する。本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法における反応系の初期含水率は40質量%未満である。
(Method for producing phosphorylated cellulose fiber)
The present invention relates to a method for producing phosphorylated cellulose fibers, which includes a step of phosphorylating cellulose fibers (hereinafter, also referred to as a phosphorylation reaction step). The initial water content of the reaction system in the method for producing a phosphorylated cellulose fiber of the present invention is less than 40% by mass.
本発明では、反応系の初期含水率を所定値未満とすることにより、効率よくリン酸化セルロース繊維を製造することができる。本発明においては、リン酸化セルロース繊維を製造する際にかかるエネルギーコストを削減することができる。また、リン酸化反応工程におけるリン酸化反応時間を短縮することができる。これにより、リン酸化セルロース繊維の生産効率を高めることができる。
セルロース繊維のリン酸化反応は実質的に水が存在しない条件下で進行する。しかし、従来は、リン酸化反応工程におけるセルロース繊維の溶媒は、リン酸化剤の溶解性を高め均一分散をさせやすくするために水系溶媒であることが好ましいと考えられていた。このためリン酸化反応が進行するまでに時間を要するという問題があった。本発明では、敢えて、リン酸化反応工程における溶媒の初期含水率を低くすることにより、セルロース繊維のリン酸化反応の開始時点を早め、さらに、リン酸化反応時のリン酸基導入速度を速めることに成功したものである。特に、リン酸化反応の開始時から所定時間経過時までのリン酸化反応の速度を速めることができるため、リン酸化反応工程にかかる時間を大幅に短縮することができる。これにより、リン酸化セルロース繊維の生産効率を効果的に高めることができる。
In the present invention, the phosphorylated cellulose fiber can be efficiently produced by setting the initial water content of the reaction system to be less than the predetermined value. In the present invention, the energy cost required for producing phosphorylated cellulose fibers can be reduced. In addition, the phosphorylation reaction time in the phosphorylation reaction step can be shortened. Thereby, the production efficiency of the phosphorylated cellulose fiber can be increased.
The phosphorylation reaction of cellulose fibers proceeds under the condition that water is substantially absent. However, conventionally, it has been considered that the solvent of the cellulose fiber in the phosphorylation reaction step is preferably an aqueous solvent in order to enhance the solubility of the phosphorylating agent and facilitate the uniform dispersion. Therefore, there is a problem that it takes time for the phosphorylation reaction to proceed. In the present invention, by intentionally lowering the initial water content of the solvent in the phosphorylation reaction step, to accelerate the start point of the phosphorylation reaction of the cellulose fiber, and further to accelerate the phosphate group introduction rate during the phosphorylation reaction. It was successful. In particular, since the rate of the phosphorylation reaction from the start of the phosphorylation reaction to the elapse of a predetermined time can be increased, the time required for the phosphorylation reaction step can be significantly shortened. Thereby, the production efficiency of the phosphorylated cellulose fiber can be effectively increased.
ここで、反応系の初期含水率とは、リン酸化反応工程において、セルロース繊維とリン酸化反応に必要なリン酸化剤を混合した直後の含水率であり、実質的にはリン酸化反応が始まる前の混合物の含水率である。反応系の初期含水率は、リン酸化反応工程において、はじめに混合される各種成分の含水率から算出することができる。例えば、リン酸化反応工程において、セルロース繊維とリン酸化剤のみが混合される場合は、セルロース繊維の含水率と、リン酸化剤が有する含水率から、反応系の初期含水率を算出することができる。また、リン酸化反応工程において、セルロース繊維と、リン酸化剤と、溶媒が混合される場合や、セルロース繊維が溶媒に分散したスラリー状である場合には、セルロース繊維の含水率と、リン酸化剤が有する含水率と、溶媒の含水率から反応系の初期含水率を算出することができる。さらに、セルロース繊維がヘミセルロースなどを含むセルロース含有物として混合される場合には、セルロース含有物の含水率と、リン酸化剤などの他成分の含水率を算出して初期含水率を求めることができる。 Here, the initial water content of the reaction system is the water content immediately after mixing the cellulose fiber and the phosphorylating agent necessary for the phosphorylation reaction in the phosphorylation reaction step, and substantially before the phosphorylation reaction starts. Is the water content of the mixture. The initial water content of the reaction system can be calculated from the water content of various components that are first mixed in the phosphorylation reaction step. For example, in the phosphorylation reaction step, when only the cellulose fiber and the phosphorylating agent are mixed, the initial water content of the reaction system can be calculated from the water content of the cellulose fiber and the water content of the phosphorylating agent. . Further, in the phosphorylation reaction step, when the cellulose fiber, the phosphorylating agent, and the solvent are mixed, or when the cellulose fiber is in the form of a slurry dispersed in the solvent, the water content of the cellulose fiber and the phosphorylating agent The initial water content of the reaction system can be calculated from the water content contained in and the water content of the solvent. Furthermore, when the cellulose fibers are mixed as a cellulose-containing material containing hemicellulose and the like, the initial water content can be calculated by calculating the water content of the cellulose-containing material and the water content of other components such as a phosphorylating agent. .
反応系の初期含水率は、40質量%未満であればよく、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、10質量%以下であることがさらに好ましく、5質量%以下であることがよりさらに好ましく、3.5質量%以下であることが特に好ましく、1質量%以下であることが最も好ましい。反応系の初期含水率を上記範囲内とすることにより、リン酸化反応時のリン酸基導入速度を速めることができ、リン酸化セルロース繊維の生産効率を高めることができる。 The initial water content of the reaction system may be less than 40% by mass, preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, further preferably 10% by mass or less, 5 The content is more preferably not more than mass%, particularly preferably not more than 3.5 mass%, and most preferably not more than 1 mass%. By setting the initial water content of the reaction system within the above range, the rate of introduction of phosphate groups during the phosphorylation reaction can be increased, and the production efficiency of phosphorylated cellulose fibers can be increased.
本発明においては、たとえばセルロース繊維を含むセルロース含有物のリン酸化反応を行うことにより、セルロース繊維をリン酸化することができる。セルロース含有物は、セルロース繊維からなるものであってもよいが、セルロース繊維以外に、グリコシド結合によって単糖が2個以上結合した多糖類などの他の成分を含んでいてもよい。単糖としては、例えば、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、キシロース等が挙げられる。多糖類には、これらの単糖が2個結合した二糖類やオリゴ糖類も含まれる。セルロース繊維以外の多糖類としては、例えば、ヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヘミセルロース等が挙げられる。また、上記他の成分としては、パルプなどの原料に由来する、多糖類以外の成分が含まれていてもよい。
本実施形態において、リン酸化反応工程に供されるセルロース含有物は、たとえばセルロース繊維を75質量%以上含むものであることが好ましく、80質量%以上含むことがより好ましく、85質量%以上含むことがさらに好ましい。これにより、リン酸化セルロース繊維の製造効率をより効果的に向上させることが可能となる。一方で、セルロース含有物中に含まれるセルロース繊維の含有量の上限値は、特に限定されず、たとえば100質量%とすることができる。なお、セルロース含有物としては、たとえば後述するパルプを挙げることができる。
In the present invention, the cellulose fibers can be phosphorylated by, for example, performing a phosphorylation reaction of a cellulose-containing substance containing cellulose fibers. The cellulose-containing material may be composed of cellulose fibers, but may contain other components such as polysaccharides in which two or more monosaccharides are bonded by glycoside bonds, in addition to the cellulose fibers. Examples of monosaccharides include glucose, galactose, mannose, fructose, xylose and the like. Polysaccharides also include disaccharides and oligosaccharides in which two of these monosaccharides are linked. Examples of polysaccharides other than cellulose fibers include hydroxyethyl cellulose, methyl hydroxypropyl cellulose, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, hemicellulose and the like. In addition, as the above-mentioned other components, components other than polysaccharides derived from raw materials such as pulp may be contained.
In the present embodiment, the cellulose-containing material used in the phosphorylation reaction step preferably contains, for example, 75% by mass or more of cellulose fibers, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 85% by mass or more. preferable. This makes it possible to more effectively improve the production efficiency of the phosphorylated cellulose fiber. On the other hand, the upper limit of the content of the cellulose fibers contained in the cellulose-containing material is not particularly limited, and may be 100% by mass, for example. In addition, as the cellulose-containing material, for example, pulp described later can be mentioned.
リン酸化セルロース繊維の製造方法は、たとえばリン酸化反応工程の後には、さらに解繊処理工程を含むことができる。このような解繊処理工程を経ることにより、リン酸化されたセルロース繊維は微細化され、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロース(微細繊維状セルロース)を得ることができる。 The method for producing a phosphorylated cellulose fiber can further include a defibration treatment step after the phosphorylation reaction step, for example. By passing through such a defibration treatment step, the phosphorylated cellulose fibers are miniaturized, and fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less (fine fibrous cellulose) can be obtained.
<リン酸化反応工程>
リン酸化反応工程は、セルロース繊維にリン酸基又はリン酸基に由来する置換基(単にリン酸基ということもある)を導入する工程である。リン酸基はリン酸からヒドロキシル基を取り除いたものにあたる、2価の官能基である。具体的には−PO3H2で表される基である。リン酸基に由来する置換基は、リン酸基が縮重合した基、リン酸基の塩、リン酸エステル基などの置換基が含まれ、イオン性置換基であっても、非イオン性置換基であってもよい。
<Phosphorylation reaction step>
The phosphorylation reaction step is a step of introducing a phosphoric acid group or a substituent derived from a phosphoric acid group (sometimes simply referred to as a phosphoric acid group) into the cellulose fiber. The phosphoric acid group is a divalent functional group corresponding to phosphoric acid from which a hydroxyl group has been removed. Specifically, it is a group represented by —PO 3 H 2 . Substituents derived from a phosphoric acid group include substituents such as a group obtained by polycondensing a phosphoric acid group, a salt of a phosphoric acid group, and a phosphoric acid ester group. It may be a group.
本発明では、リン酸基又はリン酸基に由来する置換基は、下記式(1)で表される置換基であってもよい。
式(1)中、a、b、m及びnはそれぞれ独立に整数を表す(ただし、a=b×mである);αn(n=1以上n以下の整数)およびα’はそれぞれ独立にR又はORを表す。Rは、水素原子、飽和−直鎖状炭化水素基、飽和−分岐鎖状炭化水素基、飽和−環状炭化水素基、不飽和−直鎖状炭化水素基、不飽和−分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、又はこれらの誘導基である;βは有機物または無機物からなる1価以上の陽イオンである。 In the formula (1), a, b, m and n each independently represent an integer (where a=b×m); α n (n=1 or more and n or less) and α′ are independent of each other. Represents R or OR. R is a hydrogen atom, a saturated-linear hydrocarbon group, a saturated-branched hydrocarbon group, a saturated-cyclic hydrocarbon group, an unsaturated-linear hydrocarbon group, an unsaturated-branched hydrocarbon group , An aromatic group, or a derivative group thereof; β is a monovalent or higher cation composed of an organic substance or an inorganic substance.
セルロース繊維の原料(以下、繊維原料ともいう)としては特に限定されないが、入手しやすく安価である点から、パルプを用いることが好ましい。パルプとしては、木材パルプ、非木材パルプ、脱墨パルプを挙げることができる。木材パルプとしては例えば、広葉樹クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹クラフトパルプ(NBKP)、サルファイトパルプ(SP)、溶解パルプ(DP)、ソーダパルプ(AP)、未晒しクラフトパルプ(UKP)、酸素漂白クラフトパルプ(OKP)等の化学パルプ等が挙げられる。また、セミケミカルパルプ(SCP)、ケミグラウンドウッドパルプ(CGP)等の半化学パルプ、砕木パルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP、BCTMP)等の機械パルプ等が挙げられるが、特に限定されない。非木材パルプとしてはコットンリンターやコットンリント等の綿系パルプ、麻、麦わら、バガス等の非木材系パルプ、ホヤや海草等から単離されるセルロース、キチン、キトサン等が挙げられるが、特に限定されない。脱墨パルプとしては古紙を原料とする脱墨パルプが挙げられるが、特に限定されない。本実施態様のパルプは上記の1種を単独で用いてもよいし、2種以上混合して用いてもよい。上記パルプの中で、入手のしやすさという点で、セルロースを含む木材パルプ、脱墨パルプが好ましい。木材パルプの中でも化学パルプはセルロース比率が大きく、重合度の高い長繊維の微細繊維状セルロースが得られる点で好ましい。中でもクラフトパルプ、サルファイトパルプが最も好ましく選択される。重合度の高い微細繊維状セルロースを用いると高粘度が得られる傾向がある。 The raw material of cellulose fiber (hereinafter, also referred to as fiber raw material) is not particularly limited, but it is preferable to use pulp because it is easily available and inexpensive. Examples of pulp include wood pulp, non-wood pulp, and deinked pulp. Examples of the wood pulp include hardwood kraft pulp (LBKP), softwood kraft pulp (NBKP), sulfite pulp (SP), dissolving pulp (DP), soda pulp (AP), unbleached kraft pulp (UKP), oxygen bleaching kraft. Examples include chemical pulp such as pulp (OKP). Further, semi-chemical pulp such as semi-chemical pulp (SCP), chemi-groundwood pulp (CGP), mechanical pulp such as ground wood pulp (GP), thermomechanical pulp (TMP, BCTMP), etc. are mentioned, but are not particularly limited. Examples of the non-wood pulp include cotton-based pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood-based pulp such as hemp, straw and bagasse, cellulose isolated from ascidian and seaweed, chitin, chitosan and the like, but are not particularly limited. . Examples of the deinked pulp include deinked pulp made from waste paper, but are not particularly limited. The pulp of this embodiment may be used alone or as a mixture of two or more kinds. Among the above pulps, wood pulp containing cellulose and deinked pulp are preferable from the viewpoint of easy availability. Among the wood pulps, the chemical pulp is preferable in that it has a high cellulose ratio and can obtain long fibrous cellulose having a high degree of polymerization. Of these, kraft pulp and sulfite pulp are most preferably selected. If fine fibrous cellulose having a high degree of polymerization is used, high viscosity tends to be obtained.
リン酸化反応工程では、セルロース繊維に対し、リン酸基を有する化合物及びその塩から選択される少なくとも1種(以下、「リン酸化剤」又は「化合物A」ともいう)を反応させることにより行うことができる。このようなリン酸化剤は、乾燥状態または湿潤状態のセルロース繊維に粉末や水溶液の状態で混合してもよい。また別の例としては、セルロース繊維のスラリーにリン酸化剤の粉末や水溶液を添加してもよい。すなわち、リン酸化反応工程は、少なくとも、セルロース繊維とリン酸化剤を混合する工程を含む。 In the phosphorylation reaction step, it is carried out by reacting the cellulose fiber with at least one compound selected from a compound having a phosphoric acid group and a salt thereof (hereinafter, also referred to as “phosphorylating agent” or “compound A”). You can Such a phosphorylating agent may be mixed with dry or wet cellulose fibers in the form of powder or aqueous solution. As another example, a phosphoric acid powder or an aqueous solution may be added to a slurry of cellulose fibers. That is, the phosphorylation reaction step includes at least a step of mixing the cellulose fiber and the phosphorylating agent.
また、リン酸化反応工程は、セルロース繊維と、リン酸化剤と、溶媒と、を混合する工程を含むことがより好ましい。ここで、溶媒は、セルロース繊維のスラリーに含まれる溶媒であってもよく、セルロース繊維もしくはセルロース繊維スラリーとは別に添加される溶媒であってもよい。溶媒の含水率は、40質量%未満であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることがさらに好ましく、10質量%以下であることがよりさらに好ましく、5質量%以下であることが特に好ましく、3.5質量%以下であることがより特に好ましく、1質量%以下であることが最も好ましい。中でも、溶媒は有機溶媒であることが特に好ましく、有機溶媒のみからなるものであることが最も好ましい。 It is more preferable that the phosphorylation reaction step includes a step of mixing the cellulose fiber, the phosphorylating agent, and the solvent. Here, the solvent may be a solvent contained in the slurry of cellulose fibers, or may be a solvent added separately from the cellulose fibers or the cellulose fiber slurry. The water content of the solvent is preferably less than 40% by mass, more preferably 30% by mass or less, further preferably 20% by mass or less, further preferably 10% by mass or less, It is particularly preferably 5% by mass or less, more preferably 3.5% by mass or less, and most preferably 1% by mass or less. Among them, the solvent is particularly preferably an organic solvent, and most preferably composed of only the organic solvent.
リン酸化反応工程において用いられる有機溶媒は、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチルピロリドン(NMP)、アニリン、ピリジン、キノリン、ルチジン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジオキサン及び尿素から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。中でも、有機溶媒は、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)及び尿素から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。なお、有機溶媒としては、上述した有機溶媒を1種のみ用いてもよいが、2種以上を混合した有機溶媒を用いてもよい。この場合、有機溶媒には尿素を混合することが好ましい。なお、尿素は、リン酸化反応工程中では、有機溶媒として用いられるが、後述するリン酸化剤として機能してもよい。 The organic solvent used in the phosphorylation reaction step is dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), N-methylpyrrolidone (NMP), aniline, pyridine, quinoline, lutidine, acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide (DMSO). ), dioxane and urea. Among them, the organic solvent is preferably at least one selected from dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) and urea. As the organic solvent, only one kind of the above-mentioned organic solvent may be used, or an organic solvent obtained by mixing two or more kinds may be used. In this case, it is preferable to mix urea with the organic solvent. Urea is used as an organic solvent in the phosphorylation reaction step, but may function as a phosphorylating agent described later.
リン酸化反応工程は、セルロース繊維にリン酸化剤を反応させることにより行うことができるが、この反応は、尿素及びその誘導体から選択される少なくとも1種(以下、「化合物B」ともいう)の存在下で行ってもよい。 The phosphorylation reaction step can be performed by reacting a cellulose fiber with a phosphorylating agent, and this reaction is the presence of at least one selected from urea and its derivatives (hereinafter, also referred to as “compound B”). You may go down.
化合物Aを化合物Bの共存下でセルロース繊維に作用させる方法の一例としては、乾燥状態または湿潤状態のセルロース繊維に化合物A及び化合物Bの粉末や水溶液を混合する方法が挙げられる。また別の例としては、セルロース繊維のスラリーに化合物A及び化合物Bの粉末や水溶液を添加する方法が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高いことから、乾燥状態のセルロース繊維に化合物Aおよび化合物Bの水溶液を添加する方法、または湿潤状態のセルロース繊維に化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を添加する方法が好ましい。また、化合物Aと化合物Bは同時に添加してもよいし、別々に添加してもよい。また、初めに反応に供試する化合物Aと化合物Bを水溶液として添加して、圧搾により余剰の薬液を除いてもよい。セルロース繊維の形態は綿状や薄いシート状であることが好ましいが、特に限定されない。 As an example of the method of allowing the compound A to act on the cellulose fiber in the coexistence of the compound B, a method of mixing the powder or the aqueous solution of the compound A and the compound B to the dry or wet cellulose fiber can be mentioned. Another example is a method of adding powders or aqueous solutions of Compound A and Compound B to a slurry of cellulose fibers. Among these, since the reaction is highly uniform, a method of adding an aqueous solution of the compound A and the compound B to the cellulose fiber in a dry state, or a method of adding a powder or an aqueous solution of the compound A and the compound B to the cellulose fiber in a wet state. The method is preferred. Further, the compound A and the compound B may be added simultaneously or separately. Alternatively, the compound A and the compound B to be tested in the reaction may be first added as an aqueous solution, and the excessive chemical solution may be removed by pressing. The form of the cellulose fiber is preferably cotton or thin sheet, but is not particularly limited.
リン酸化剤(化合物A)は、リン酸基を有する化合物及びその塩から選択される少なくとも1種である。リン酸化剤としては、例えば、リン酸のリチウム塩、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩、脱水縮合リン酸、無水リン酸、リン酸等が挙げられる。中でも、リン酸化剤は、脱水縮合リン酸、無水リン酸及びリン酸から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。なお、リン酸としては、種々の純度のものを使用することができ、たとえば100%リン酸(正リン酸)や85%リン酸を使用することが可能である。正リン酸は、例えば、五酸化二リンとリン酸を反応させることにより得ることができる。具体的には、氷浴中で、五酸化二リンに対し、85%リン酸をゆっくり滴下することで得ることができる。脱水縮合リン酸は、リン酸が脱水反応により無機高分子となったものであり、例えばピロリン酸、ポリリン酸等を挙げることができる。無水リン酸としては、五酸化二リン等を挙げることができる。 The phosphorylating agent (compound A) is at least one selected from compounds having a phosphoric acid group and salts thereof. Examples of the phosphorylating agent include lithium salts of phosphoric acid, sodium salts of phosphoric acid, potassium salts of phosphoric acid, ammonium salts of phosphoric acid, dehydrated condensed phosphoric acid, phosphoric anhydride, phosphoric acid and the like. Among them, the phosphorylating agent is preferably at least one selected from dehydrated condensed phosphoric acid, phosphoric anhydride, and phosphoric acid. As the phosphoric acid, those having various purities can be used, and for example, 100% phosphoric acid (orthophosphoric acid) or 85% phosphoric acid can be used. Orthophosphoric acid can be obtained, for example, by reacting phosphorus pentoxide with phosphoric acid. Specifically, it can be obtained by slowly adding 85% phosphoric acid to diphosphorus pentoxide in an ice bath. The dehydrated condensed phosphoric acid is phosphoric acid converted into an inorganic polymer by a dehydration reaction, and examples thereof include pyrophosphoric acid and polyphosphoric acid. Examples of phosphoric anhydride include diphosphorus pentoxide and the like.
反応の均一性が高まり、かつリン酸基導入の効率がより高くなることからリン酸化剤(化合物A)は水溶液として用いることが好ましい。リン酸化剤(化合物A)の水溶液のpHは特に限定されないが、リン酸基の導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましく、パルプ繊維の加水分解を抑える観点からpH3以上pH7以下がさらに好ましい。化合物Aの水溶液のpHは例えば、リン酸基を有する化合物のうち、酸性を示すものとアルカリ性を示すものを併用し、その量比を変えて調整してもよい。リン酸化剤(化合物A)の水溶液のpHは、リン酸基を有する化合物のうち、酸性を示すものに無機アルカリまたは有機アルカリを添加すること等により調整してもよい。 It is preferable to use the phosphorylating agent (Compound A) as an aqueous solution because the homogeneity of the reaction is enhanced and the efficiency of introducing the phosphate group is further enhanced. The pH of the aqueous solution of the phosphorylating agent (Compound A) is not particularly limited, but it is preferably 7 or less because the efficiency of introducing the phosphate group is high, and pH 3 or more and pH 7 or less from the viewpoint of suppressing hydrolysis of pulp fiber. Is more preferable. The pH of the aqueous solution of the compound A may be adjusted by, for example, using a compound having an acid group and a compound having an alkalinity among the compounds having a phosphoric acid group and changing the amount ratio. The pH of the aqueous solution of the phosphorylating agent (Compound A) may be adjusted by adding an inorganic alkali or an organic alkali to a compound having a phosphoric acid group and showing an acidity.
繊維原料に対するリン酸化剤(化合物A)の添加量は特に限定されないが、リン酸化剤(化合物A)の添加量をリン原子量に換算した場合、繊維原料(絶乾質量)に対するリン原子の添加量は0.5質量%以上100質量%以下が好ましく、1質量%以上50質量%以下がより好ましく、2質量%以上30質量%以下が最も好ましい。繊維原料に対するリン原子の添加量が上記範囲内であれば、リン酸化セルロース繊維の収率をより向上させることができる。繊維原料に対するリン原子の添加量は100質量%以下とすることにより、収率向上の効果とコストのバランスをとることができる。一方、繊維原料に対するリン原子の添加量を上記下限値以上とすることにより、収率を高めることができる。 The addition amount of the phosphorylating agent (Compound A) to the fiber raw material is not particularly limited, but when the addition amount of the phosphorylating agent (Compound A) is converted into the phosphorus atom amount, the addition amount of the phosphorus atom to the fiber raw material (absolute dry mass) Is preferably 0.5% by mass or more and 100% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, and most preferably 2% by mass or more and 30% by mass or less. When the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material is within the above range, the yield of phosphorylated cellulose fibers can be further improved. By adjusting the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material to 100% by mass or less, the effect of improving the yield and the cost can be balanced. On the other hand, the yield can be increased by adjusting the amount of phosphorus atoms added to the fiber raw material to the above lower limit or more.
本実施態様で使用する化合物Bとしては、尿素、ビウレット、1−フェニル尿素、1−ベンジル尿素、1−メチル尿素、1−エチル尿素などが挙げられる。 Examples of the compound B used in this embodiment include urea, biuret, 1-phenylurea, 1-benzylurea, 1-methylurea and 1-ethylurea.
化合物Bは化合物A同様に水溶液として用いることが好ましい。また、反応の均一性が高まることから化合物Aと化合物Bの両方が溶解した水溶液を用いることが好ましい。繊維原料(絶乾質量)に対する化合物Bの添加量は1質量%以上500質量%以下であることが好ましく、10質量%以上400質量%以下であることがより好ましく、100質量%以上350質量%以下であることがさらに好ましく、150質量%以上300質量%以下であることが特に好ましい。 Like the compound A, the compound B is preferably used as an aqueous solution. Further, it is preferable to use an aqueous solution in which both the compound A and the compound B are dissolved because the uniformity of the reaction is enhanced. The addition amount of the compound B to the fiber raw material (absolute dry mass) is preferably 1% by mass or more and 500% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 400% by mass or less, and 100% by mass or more and 350% by mass. It is more preferable that the amount is 150% by mass or more and 300% by mass or less.
化合物Aと化合物Bの他に、アミド類またはアミン類を反応系に含んでもよい。アミド類としては、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトアミド、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。アミン類としては、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。これらの中でも、特にトリエチルアミンは良好な反応触媒として働くことが知られている。 In addition to the compounds A and B, amides or amines may be included in the reaction system. Examples of the amides include formamide, dimethylformamide, acetamide, dimethylacetamide and the like. Examples of amines include methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, and hexamethylenediamine. Among these, triethylamine is known to work particularly as a good reaction catalyst.
本実施形態においては、たとえばリン酸化反応工程は、セルロース繊維を含むセルロース含有物をリン酸化する工程であってもよい。この場合、リン酸化反応工程は、たとえばセルロース含有物と、溶媒と、化合物Aと、必要に応じて化合物Bと、を混合する工程を含むこととなる。なお、セルロース含有物としては、たとえば上記に例示した繊維原料を用いることが可能である。 In the present embodiment, for example, the phosphorylation reaction step may be a step of phosphorylating a cellulose-containing material containing cellulose fibers. In this case, the phosphorylation reaction step includes a step of mixing, for example, a cellulose-containing material, a solvent, compound A, and optionally compound B. As the cellulose-containing material, for example, the fiber raw materials exemplified above can be used.
リン酸化反応工程は、さらに加熱をする工程(以下、加熱処理工程ともいう)を有することが好ましい。加熱処理工程における加熱処理温度は、セルロース繊維の熱分解や加水分解反応を抑えながら、リン酸基を効率的に導入できる温度を選択することが好ましい。具体的には50℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上250℃以下であることがより好ましく、130℃以上200℃以下であることがさらに好ましい。また、加熱には減圧乾燥機、赤外線加熱装置、マイクロ波加熱装置を用いてもよい。 The phosphorylation reaction step preferably has a step of further heating (hereinafter, also referred to as a heat treatment step). As the heat treatment temperature in the heat treatment step, it is preferable to select a temperature at which the phosphate group can be efficiently introduced while suppressing the thermal decomposition or hydrolysis reaction of the cellulose fiber. Specifically, it is preferably 50° C. or higher and 300° C. or lower, more preferably 100° C. or higher and 250° C. or lower, and further preferably 130° C. or higher and 200° C. or lower. Further, a vacuum dryer, an infrared heating device, or a microwave heating device may be used for heating.
加熱処理の際、化合物Aを添加したセルロース繊維スラリーに水が含まれている間において、セルロース繊維を静置する時間が長くなると、乾燥に伴い水分子と溶存する化合物Aが繊維原料表面に移動する。そのため、繊維原料中の化合物Aの濃度にムラが生じる可能性があり、繊維表面へのリン酸基の導入が均一に進行しない恐れがある。乾燥による繊維原料中の化合物Aの濃度ムラ発生を抑制するためには、ごく薄いシート状の繊維原料を用いるか、ニーダー等で繊維原料と化合物Aを混練又は撹拌しながら加熱乾燥又は減圧乾燥させる方法を採ればよい。 During the heat treatment, while the cellulose fiber slurry to which the compound A is added contains water, if the time for which the cellulose fibers are allowed to stand is prolonged, the compound A dissolved in water molecules and the water molecules moves to the fiber raw material surface with drying. To do. Therefore, the concentration of the compound A in the fiber raw material may be uneven, and the phosphoric acid group may not be uniformly introduced into the fiber surface. In order to suppress the occurrence of uneven concentration of the compound A in the fiber raw material due to drying, a very thin sheet-shaped fiber raw material is used, or the fiber raw material and the compound A are heated or dried under reduced pressure while kneading or stirring the fiber raw material and the compound A. Just take the method.
加熱処理に用いる加熱装置としては、スラリーが保持する水分及びリン酸基などの繊維の水酸基への付加反応で生じる水分を常に装置系外に排出できる装置であることが好ましく、例えば送風方式のオーブン等が好ましい。装置系内の水分を常に排出すれば、リン酸エステル化の逆反応であるリン酸エステル結合の加水分解反応を抑制できることに加えて、繊維中の糖鎖の酸加水分解を抑制することもでき、重合度の高い微細繊維を得ることができる。 The heating device used for the heat treatment is preferably a device that can always discharge the water held by the slurry and the water generated by the addition reaction of the fibers such as phosphate groups to the hydroxyl groups of the fiber to the outside of the system, for example, a blower type oven. Etc. are preferred. If water in the device system is constantly discharged, in addition to suppressing the hydrolysis reaction of the phosphoric acid ester bond, which is the reverse reaction of phosphoric acid esterification, it is also possible to suppress the acid hydrolysis of sugar chains in the fiber. Therefore, fine fibers having a high degree of polymerization can be obtained.
加熱処理の時間は、加熱温度にも影響されるが繊維原料スラリーから実質的に水分が除かれてから1秒以上300分以下であることが好ましく、1秒以上60分以下であることがより好ましく、10秒以上1500秒以下であることがさらに好ましい。本発明では、加熱温度と加熱時間を適切な範囲とすることにより、リン酸基の導入量を好ましい範囲内とすることができる。 Although the time of the heat treatment is affected by the heating temperature, it is preferably 1 second or more and 300 minutes or less and more preferably 1 second or more and 60 minutes or less after the water is substantially removed from the fiber raw material slurry. It is preferably 10 seconds or more and 1500 seconds or less. In the present invention, by introducing the heating temperature and the heating time in appropriate ranges, the amount of phosphate groups introduced can be kept within the preferred range.
セルロース繊維へのリン酸基の導入量は、0.1mmol/g以上3.65mmol/g以下であることが好ましく、0.14mmol/g以上3.5mmol/g以下がより好ましく、0.2mmol/g以上3.2mmol/g以下がさらに好ましく、0.4mmol/g以上3.0mmol/g以下が特に好ましく、最も好ましくは0.6mmol/g以上2.5mmol/g以下である。リン酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、リン酸化セルロース繊維に解繊処理を施す際にはセルロース繊維の微細化を容易にし、微細繊維状セルロースの安定性を高めることができる。 The amount of the phosphate group introduced into the cellulose fibers is preferably 0.1 mmol/g or more and 3.65 mmol/g or less, more preferably 0.14 mmol/g or more and 3.5 mmol/g or less, and 0.2 mmol/g. It is more preferably g or more and 3.2 mmol/g or less, particularly preferably 0.4 mmol/g or more and 3.0 mmol/g or less, and most preferably 0.6 mmol/g or more and 2.5 mmol/g or less. When the amount of the phosphate group introduced is within the above range, it is possible to facilitate the micronization of the cellulose fibers when the phosphatized cellulose fibers are subjected to the defibration treatment, and to enhance the stability of the microfibrous cellulose.
セルロース繊維へのリン酸基の導入量は、伝導度滴定法により測定することができる。具体的にはリン酸化反応工程後に得られたスラリーをイオン交換樹脂で処理した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら電気伝導度の変化を求めることにより、導入量を測定することができる。なお、上記測定は、解繊処理を施したリン酸化セルロース繊維を用いて行ってもよい。本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法が解繊処理工程を含む場合、リン酸基の導入量の測定は、解繊処理工程後に得られたスラリーを用いて行ってもよく、リン酸化セルロース繊維の製造方法が解繊処理工程を含まない場合は、上記測定前に解繊処理を行ってもよい。 The amount of phosphate groups introduced into the cellulose fibers can be measured by the conductivity titration method. Specifically, the amount introduced can be measured by treating the slurry obtained after the phosphorylation reaction step with an ion exchange resin and then determining the change in electrical conductivity while adding an aqueous sodium hydroxide solution. In addition, you may perform the said measurement using the phosphating cellulose fiber which performed the defibration process. When the method for producing a phosphorylated cellulose fiber of the present invention includes a defibration treatment step, the introduction amount of the phosphate group may be measured using the slurry obtained after the defibration treatment step. When the manufacturing method of 1 does not include a defibration process step, a defibration process may be performed before the measurement.
伝導度滴定では、アルカリを加えていくと、図1に示した曲線を与える。最初は、急激に電気伝導度が低下する(以下、「第1領域」という)。その後、わずかに伝導度が上昇を始める(以下、「第2領域」という)。さらにその後、伝導度の増分が増加する(以下、「第3領域」という)。すなわち、3つの領域が現れる。このうち、第1領域で必要としたアルカリ量が、滴定に使用したスラリー中の強酸性基量と等しく、第2領域で必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中の弱酸性基量と等しくなる。リン酸基が縮合を起こす場合、見かけ上弱酸性基が失われ、第1領域に必要としたアルカリ量と比較して第2領域に必要としたアルカリ量が少なくなる。一方、強酸性基量は、縮合の有無に関わらずリン原子の量と一致することから、単にリン酸基導入量(またはリン酸基量)、または置換基導入量(または置換基量)と言った場合は、強酸性基量のことを表す。すなわち、図1に示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して、置換基導入量(mmol/g)とする。 In conductivity titration, the addition of alkali gives the curve shown in FIG. At first, the electrical conductivity is sharply reduced (hereinafter, referred to as "first region"). After that, the conductivity starts to slightly increase (hereinafter, referred to as “second region”). After that, the increment of conductivity increases (hereinafter, referred to as “third region”). That is, three areas appear. Of these, the amount of alkali required in the first region is equal to the amount of strong acidic groups in the slurry used for titration, and the amount of alkali required in the second region is equal to the amount of weak acidic groups in the slurry used for titration. Will be equal. When the phosphoric acid groups undergo condensation, apparently weak acidic groups are lost, and the amount of alkali required in the second region is smaller than the amount of alkali required in the first region. On the other hand, since the amount of strongly acidic group is the same as the amount of phosphorus atom regardless of the presence or absence of condensation, simply the amount of introduced phosphate group (or amount of phosphate group) or the introduced amount of substituent group (or amount of substituent group) When said, it means the amount of strongly acidic groups. That is, the amount of alkali (mmol) required in the first region of the curve shown in FIG. 1 is divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated to obtain the amount of introduced substituent (mmol/g).
本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法は、加熱処理工程においては、リン酸化反応速度が速い点にも特徴がある。例えば、加熱処理工程において、140℃で加熱をした場合に、加熱開始時から60分経過時までのリン酸化反応速度は、0.018mmol/g・min以上であることが好ましく、0.020mmol/g・min以上であることがより好ましく、0.022mmol/g・min以上であることがさらに好ましい。本発明においては、加熱開始時から所定時間経過時までの初期のリン酸化反応速度が十分に高く、これにより、リン酸化セルロース繊維の製造工程におけるエネルギー効率を高めることができる。 The method for producing phosphorylated cellulose fibers of the present invention is also characterized in that the phosphorylation reaction rate is high in the heat treatment step. For example, in the heat treatment step, when heating at 140° C., the phosphorylation reaction rate from the start of heating to the time of 60 minutes is preferably 0.018 mmol/g·min or more, and 0.020 mmol/g It is more preferably g·min or more, further preferably 0.022 mmol/g·min or more. In the present invention, the initial phosphorylation reaction rate from the start of heating to the elapse of a predetermined time is sufficiently high, whereby the energy efficiency in the production process of phosphorylated cellulose fibers can be increased.
加熱処理工程において、140℃で加熱をした場合に、加熱開始時から60分経過時までのリン酸化反応速度は、以下の方法で算出することができる。まず、加熱開始時から10分経過時、20分経過時、30分経過時、40分経過時、50分経過時、60分経過時のそれぞれの時間におけるリン酸基導入量を上述した方法で測定する。次いで、縦軸がリン酸基導入量(mmol/g)、横軸が反応時間(min)とし、得られたデータをグラフにプロットする。プロットしたグラフにて近似直線を作成し、近似直線の傾きを反応速度a(mmol/g・min)とする。 In the heat treatment step, when heating is performed at 140° C., the phosphorylation reaction rate from the start of heating to the time of 60 minutes can be calculated by the following method. First, the amount of phosphate group introduced at each time of 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 50 minutes, and 60 minutes from the start of heating by the method described above. taking measurement. Next, the vertical axis represents the amount of introduced phosphate group (mmol/g) and the horizontal axis represents the reaction time (min), and the obtained data is plotted in a graph. An approximate straight line is created from the plotted graph, and the slope of the approximate straight line is defined as the reaction rate a (mmol/g·min).
リン酸化反応工程を経る前のセルロース繊維を含むセルロース含有物のTappi T230に準じて測定した比粘度を∨1とし、リン酸化反応工程で得られるセルロース繊維を含むセルロース含有物(以下、リン酸化セルロース含有物ともいう)のTappi T230に準じて測定した比粘度を∨2とした場合、∨2/∨1の値は0.74以上であることが好ましく、0.80以上であることがより好ましく、0.81以上であることがさらに好ましい。また、∨2/∨1の値は1.5以下であることが好ましい。本発明においては、リン酸化反応工程を経てもリン酸化セルロース含有物の比粘度の低下が少ない点に特徴があり、このようにして得られたセルロース含有物は優れた増粘特性を発揮することができる。なお、セルロース含有物は、たとえばセルロース繊維を75質量%以上含むものであることが好ましく、80質量%以上含むことがより好ましく、85質量%以上含むことがさらに好ましい。セルロース含有物はセルロース繊維からなるものであってもよく、上述した多糖類などの他の成分を含むものであってもよい。 The specific viscosity of the cellulose-containing material containing cellulose fibers before the phosphorylation reaction step measured according to Tappi T230 is set to ∨1, and the cellulose-containing material containing the cellulose fibers obtained in the phosphorylation reaction step (hereinafter referred to as phosphorylated cellulose (Also referred to as inclusions), where the specific viscosity measured according to Tappi T230 is ∨2, the value of ∨2/∨1 is preferably 0.74 or more, more preferably 0.80 or more. , 0.81 or more is more preferable. The value of ∨2/∨1 is preferably 1.5 or less. The present invention is characterized in that the decrease in specific viscosity of the phosphorylated cellulose-containing product is small even after the phosphorylation reaction step, and the cellulose-containing product thus obtained exhibits excellent thickening properties. You can The cellulose-containing material preferably contains, for example, 75% by mass or more of cellulose fibers, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 85% by mass or more. The cellulose-containing material may be composed of cellulose fibers, or may contain other components such as the above-mentioned polysaccharides.
セルロース含有物及びリン酸化セルロース含有物の比粘度はTappi T230に従って、以下の方法で測定することができる。まず、リン酸化前のセルロース含有物もしくはリン酸化セルロース含有物を、分散媒に分散させたスラリーの粘度(η1とする)、および分散媒体のみで測定したブランク粘度(η0とする)を測定する。その後、比粘度(ηsp)及び固有粘度([η])を下記式に従って算出する。
ηsp=(η1/η0)−1
[η]=ηsp/(c(1+0.28×ηsp))
ここで、式中のcは、粘度測定時のセルロース含有物またはリン酸化セルロース含有物の濃度を示す。
The specific viscosity of the cellulose-containing material and the phosphorylated cellulose-containing material can be measured by the following method according to Tappi T230. First, the viscosity of the slurry in which the cellulose-containing material before phosphorylation or the phosphorylated cellulose-containing material is dispersed in the dispersion medium (η 1 ) and the blank viscosity measured only in the dispersion medium (η 0 ) are measured. To do. Then, the specific viscosity (η sp ) and the intrinsic viscosity ([η]) are calculated according to the following formulas.
η sp =(η 1 /η 0 )-1
[Η]=η sp /(c(1+0.28×η sp ))
Here, c in the formula represents the concentration of the cellulose-containing material or the phosphorylated cellulose-containing material at the time of viscosity measurement.
リン酸化前のセルロース含有物の比粘度は、8.0以上であることが好ましく、9.0以上であることがより好ましく、10.0以上であることがさらに好ましい。また、リン酸化セルロース含有物の比粘度は8.0以上であることが好ましく、8.5以上であることがより好ましく、8.8以上であることがさらに好ましい。 The specific viscosity of the cellulose-containing material before phosphorylation is preferably 8.0 or more, more preferably 9.0 or more, and further preferably 10.0 or more. Further, the specific viscosity of the phosphorylated cellulose-containing material is preferably 8.0 or more, more preferably 8.5 or more, and further preferably 8.8 or more.
リン酸化反応工程を経る前のセルロース含有物の重合度をDPaとし、リン酸化反応工程で得られるリン酸化セルロース含有物の重合度をDPbとした場合、DPb/DPaの値は0.92以上であることが好ましく、0.93以上であることがより好ましく、0.94以上であることがさらに好ましい。また、DPb/DPaの値は1.5以下であることが好ましい。本発明においては、リン酸化反応工程を経てのリン酸化セルロース含有物の重合度の低下が少ない点に特徴がある。これは、リン酸化反応工程において、セルロース含有物の加水分解が抑制されているためであると推定される。 When the degree of polymerization of the cellulose-containing material before the phosphorylation reaction step is DPa and the degree of polymerization of the phosphorylated cellulose-containing material obtained in the phosphorylation reaction step is DPb, the value of DPb/DPa is 0.92 or more. Preferably, it is preferably 0.93 or more, more preferably 0.94 or more. The value of DPb/DPa is preferably 1.5 or less. The present invention is characterized in that the decrease in the degree of polymerization of the phosphorylated cellulose-containing product after the phosphorylation reaction step is small. It is presumed that this is because the hydrolysis of the cellulose-containing material is suppressed in the phosphorylation reaction step.
セルロース含有物及びリン酸化セルロース含有物の重合度は、Tappi T230に従い測定することができる。まず、上述した方法で比粘度(ηsp)及び固有粘度([η])を算出する。そして、下記式から重合度(DP)を算出する。
DP=1.75×[η]
このような重合度は粘度法によって測定された平均重合度であることから、「粘度平均重合度」と称されることもある。
The degree of polymerization of the cellulose-containing material and the phosphorylated cellulose-containing material can be measured according to Tappi T230. First, the specific viscosity (η sp ) and the intrinsic viscosity ([η]) are calculated by the method described above. Then, the degree of polymerization (DP) is calculated from the following formula.
DP=1.75×[η]
Since such a degree of polymerization is an average degree of polymerization measured by a viscosity method, it may be referred to as a “viscosity average degree of polymerization”.
リン酸化前のセルロース含有物の重合度は、500以上であることが好ましく、600以上であることがより好ましく、800以上であることがさらに好ましく、900以上であることが特に好ましい。また、リン酸化セルロース含有物の重合度は、500以上であることが好ましく、600以上であることがより好ましく、800以上であることがさらに好ましく、870以上であることが特に好ましい。 The degree of polymerization of the cellulose-containing material before phosphorylation is preferably 500 or more, more preferably 600 or more, further preferably 800 or more, particularly preferably 900 or more. The degree of polymerization of the phosphorylated cellulose-containing material is preferably 500 or more, more preferably 600 or more, further preferably 800 or more, and particularly preferably 870 or more.
上述したようなリン酸化反応工程は、少なくとも1回行えば良いが、複数回繰り返すこともできる。なお、本発明においては、リン酸化反応速度が早く、リン酸化の効率が高められているため、リン酸化反応工程の工程数を少なくすることも可能である。例えば、リン酸化反応工程の工程数は、1回以上3回以下であることが好ましく、1回とすることもできる。本発明では、リン酸化反応工程数を少ない回数とした場合であっても十分量のリン酸基をセルロース繊維に導入することができる。 The above-mentioned phosphorylation reaction step may be performed at least once, but may be repeated a plurality of times. In the present invention, since the phosphorylation reaction rate is high and the phosphorylation efficiency is enhanced, it is possible to reduce the number of phosphorylation reaction steps. For example, the number of phosphorylation reaction steps is preferably 1 or more and 3 or less, and may be 1 or more. In the present invention, a sufficient amount of phosphoric acid groups can be introduced into cellulose fibers even when the number of phosphorylation reaction steps is small.
<アルカリ処理工程>
本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法は、リン酸化反応工程を含み、さらに解繊処理工程を含むことができる。リン酸化セルロース繊維の製造方法が解繊処理工程を含む場合は、リン酸化反応工程と、後述する解繊処理工程の間にアルカリ処理工程を設けることが好ましい。アルカリ処理の方法としては、特に限定されないが、例えば、アルカリ溶液中に、リン酸化セルロース繊維を浸漬する方法が挙げられる。なお、当該アルカリ処理に供されるのは、リン酸化反応工程により得られたリン酸化セルロース含有物であってもよい。
<Alkali treatment step>
The method for producing a phosphorylated cellulose fiber of the present invention includes a phosphorylation reaction step and may further include a defibration treatment step. When the method for producing a phosphorylated cellulose fiber includes a defibration treatment step, it is preferable to provide an alkali treatment step between the phosphorylation reaction step and the defibration treatment step described below. The method of alkali treatment is not particularly limited, and examples thereof include a method of immersing phosphorylated cellulose fibers in an alkaline solution. In addition, what is provided to the said alkali process may be the phosphorylated cellulose containing material obtained by the phosphorylation reaction process.
アルカリ溶液に含まれるアルカリ化合物は、特に限定されないが、無機アルカリ化合物であってもよいし、有機アルカリ化合物であってもよい。アルカリ溶液における溶媒としては水または有機溶媒のいずれであってもよい。溶媒は、極性溶媒(水、またはアルコール等の極性有機溶媒)が好ましく、水系溶媒であってもよい。また、アルカリ溶液のうちでは、汎用性が高いことから、水酸化ナトリウム水溶液、または水酸化カリウム水溶液が特に好ましい。 The alkaline compound contained in the alkaline solution is not particularly limited, but may be an inorganic alkaline compound or an organic alkaline compound. The solvent in the alkaline solution may be either water or an organic solvent. The solvent is preferably a polar solvent (water or a polar organic solvent such as alcohol), and may be an aqueous solvent. Further, among the alkaline solutions, an aqueous solution of sodium hydroxide or an aqueous solution of potassium hydroxide is particularly preferable because of its high versatility.
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液の温度は特に限定されないが、5℃以上80℃以下が好ましく、10℃以上60℃以下がより好ましい。
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液への浸漬時間は特に限定されないが、5分以上30分以下が好ましく、10分以上20分以下がより好ましい。
アルカリ処理におけるアルカリ溶液の使用量は特に限定されないが、リン酸化セルロース繊維の絶対乾燥質量に対して100質量%以上100000質量%以下であることが好ましく、1000質量%以上10000質量%以下であることがより好ましい。
The temperature of the alkaline solution in the alkaline treatment step is not particularly limited, but is preferably 5°C or higher and 80°C or lower, more preferably 10°C or higher and 60°C or lower.
The immersion time in the alkali solution in the alkali treatment step is not particularly limited, but is preferably 5 minutes or more and 30 minutes or less, more preferably 10 minutes or more and 20 minutes or less.
The amount of the alkaline solution used in the alkaline treatment is not particularly limited, but is preferably 100% by mass or more and 100000% by mass or less, and 1000% by mass or more and 10000% by mass or less, based on the absolute dry mass of the phosphorylated cellulose fiber. Is more preferable.
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液使用量を減らすために、アルカリ処理工程の前に、リン酸化セルロース繊維を水や有機溶媒により洗浄しても構わない。アルカリ処理後には、取り扱い性を向上させるために、解繊処理工程の前に、アルカリ処理済みリン酸化セルロース繊維を水や有機溶媒により洗浄することが好ましい。 In order to reduce the amount of the alkaline solution used in the alkali treatment step, the phosphorylated cellulose fiber may be washed with water or an organic solvent before the alkali treatment step. After the alkali treatment, in order to improve the handling property, it is preferable to wash the alkali-treated phosphorylated cellulose fibers with water or an organic solvent before the defibration treatment step.
<酸処理工程>
本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法が解繊処理工程を含む場合は、リン酸化反応工程と、後述する解繊処理工程の間に酸処理工程を設けてもよい。また、リン酸化反応工程、酸処理、アルカリ処理及び解繊処理をこの順で行ってもよい。
<Acid treatment step>
When the method for producing phosphorylated cellulose fibers of the present invention includes a defibration treatment step, an acid treatment step may be provided between the phosphorylation reaction step and the defibration treatment step described below. Further, the phosphorylation reaction step, the acid treatment, the alkali treatment and the defibration treatment may be performed in this order.
酸処理の方法としては、特に限定されないが、例えば、酸を含有する酸性液中に、リン酸化セルロース繊維を浸漬する方法が挙げられる。使用する酸性液の濃度は特に限定されないが、10質量%以下が好ましく、より好ましくは5質量%以下である。酸性液に含まれる酸としては、例えば、無機酸、スルホン酸、カルボン酸等を用いることができる。無機酸としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、リン酸、ホウ酸等が挙げられる。スルホン酸としては、例えば、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p-トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等が挙げられる。カルボン酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、クエン酸、グルコン酸、乳酸、シュウ酸、酒石酸等が挙げられる。中でも、酸としては塩酸を用いることが好ましい。また、当該酸処理に供されるのは、リン酸化反応工程により得られたリン酸化セルロース含有物であってもよい。 The method of acid treatment is not particularly limited, and examples thereof include a method of immersing the phosphorylated cellulose fiber in an acidic liquid containing an acid. The concentration of the acidic liquid used is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less. As the acid contained in the acidic liquid, for example, an inorganic acid, a sulfonic acid, a carboxylic acid or the like can be used. Examples of the inorganic acid include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, hydroiodic acid, hypochlorous acid, chlorous acid, chloric acid, perchloric acid, phosphoric acid, boric acid and the like. Examples of the sulfonic acid include methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid and the like. Examples of the carboxylic acid include formic acid, acetic acid, citric acid, gluconic acid, lactic acid, oxalic acid, tartaric acid and the like. Of these, hydrochloric acid is preferably used as the acid. Moreover, what is provided to the said acid treatment may be the phosphorylated cellulose-containing material obtained by the phosphorylation reaction step.
酸処理工程における酸溶液の温度は特に限定されないが、5℃以上80℃以下が好ましく、10℃以上60℃以下がより好ましい。
酸処理工程における酸溶液への浸漬時間は特に限定されないが、5分以上30分以下が好ましく、10分以上20分以下がより好ましい。
酸処理における酸溶液の使用量は特に限定されないが、リン酸化セルロース繊維の絶対乾燥質量に対して100質量%以上100000質量%以下であることが好ましく、1000質量%以上10000質量%以下であることがより好ましい。
The temperature of the acid solution in the acid treatment step is not particularly limited, but is preferably 5°C or higher and 80°C or lower, more preferably 10°C or higher and 60°C or lower.
The immersion time in the acid solution in the acid treatment step is not particularly limited, but is preferably 5 minutes or more and 30 minutes or less, more preferably 10 minutes or more and 20 minutes or less.
The amount of the acid solution used in the acid treatment is not particularly limited, but is preferably 100% by mass or more and 100000% by mass or less, and 1000% by mass or more and 10000% by mass or less based on the absolute dry mass of the phosphorylated cellulose fiber. Is more preferable.
<解繊処理工程>
リン酸化セルロース繊維は、たとえば解繊処理工程で解繊処理されてもよい。解繊処理工程では、通常、解繊処理装置を用いて、繊維を解繊処理して、微細繊維状セルロース含有スラリーを得るが、処理装置、処理方法は、特に限定されない。なお、当該解繊処理に供されるのは、リン酸化反応工程により得られたリン酸化セルロース含有物であってもよい。
<Defibration process>
The phosphorylated cellulose fiber may be defibrated in a defibration process step, for example. In the defibration treatment step, usually, a defibration treatment device is used to defibrate the fibers to obtain a fine fibrous cellulose-containing slurry, but the treatment device and the treatment method are not particularly limited. The defibration treatment may be a phosphorylated cellulose-containing material obtained in the phosphorylation reaction step.
解繊処理装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザーや超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミルなどを使用できる。あるいは、解繊処理装置としては、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、またはビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできる。解繊処理装置は、上記に限定されるものではない。好ましい解繊処理方法としては、粉砕メディアの影響が少なく、コンタミの心配が少ない高速解繊機、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザーが挙げられる。 As the defibration treatment device, a high-speed defibration machine, a grinder (stone mill type crusher), a high-pressure homogenizer or an ultra-high pressure homogenizer, a high-pressure collision type crusher, a ball mill, a bead mill and the like can be used. Alternatively, as the defibration treatment device, use a device such as a disk-type refiner, a conical refiner, a twin-screw kneader, a vibration mill, a homomixer under high-speed rotation, an ultrasonic disperser, or a beater, for wet pulverization. You can also The defibration processing device is not limited to the above. Preferred defibration treatment methods include a high-speed defibrator, a high-pressure homogenizer, and an ultrahigh-pressure homogenizer, which are less affected by grinding media and less likely to cause contamination.
解繊処理の際には、リン酸化セルロースもしくはリン酸化セルロース含有物を水と有機溶媒を単独または組み合わせて希釈してスラリー状にすることが好ましいが、特に限定されない。分散媒としては、水の他に、極性有機溶媒を使用することができる。好ましい極性有機溶媒としては、アルコール類、ケトン類、エーテル類、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、またはジメチルアセトアミド(DMAc)等が挙げられるが、特に限定されない。アルコール類としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、またはt−ブチルアルコール等が挙げられる。ケトン類としては、アセトンまたはメチルエチルケトン(MEK)等が挙げられる。エーテル類としては、ジエチルエーテルまたはテトラヒドロフラン(THF)等が挙げられる。分散媒は1種であってもよいし、2種以上でもよい。また、分散媒中にリン酸化セルロースもしくはリン酸化セルロース含有物以外の固形分、例えば水素結合性のある尿素などを含んでも構わない。 At the time of the defibration treatment, it is preferable to dilute the phosphorylated cellulose or the phosphorylated cellulose-containing material alone or in combination with water and the organic solvent to form a slurry, but it is not particularly limited. As the dispersion medium, a polar organic solvent can be used in addition to water. Preferred polar organic solvents include alcohols, ketones, ethers, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), etc., but are not particularly limited. Examples of alcohols include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, and t-butyl alcohol. Examples of ketones include acetone and methyl ethyl ketone (MEK). Examples of ethers include diethyl ether and tetrahydrofuran (THF). The dispersion medium may be one type or two or more types. Further, the dispersion medium may contain a solid content other than the phosphorylated cellulose or the phosphorylated cellulose-containing material, such as urea having hydrogen bonding property.
本発明では、リン酸化セルロース繊維を濃縮、乾燥させた後に解繊処理を行ってもよい。この場合、濃縮、乾燥の方法は特に限定されないが、例えば、リン酸化セルロース繊維を含有するスラリーに濃縮剤を添加する方法、一般に用いられる脱水機、プレス、乾燥機を用いる方法等が挙げられる。また、公知の方法、例えばWO2014/024876、WO2012/107642、およびWO2013/121086に記載された方法を用いることができる。また、濃縮したリン酸化セルロース繊維をシート化してもよい。該シートを粉砕して解繊処理を行うこともできる。 In the present invention, the fibrillation treatment may be performed after the phosphorylated cellulose fiber is concentrated and dried. In this case, the method of concentration and drying is not particularly limited, and examples thereof include a method of adding a condensing agent to a slurry containing phosphorylated cellulose fibers, a commonly used dehydrator, a press, and a method of using a dryer. In addition, known methods, for example, methods described in WO2014/024876, WO2012/107642, and WO2013/121086 can be used. Further, the concentrated phosphorylated cellulose fiber may be formed into a sheet. The sheet may be crushed and defibrated.
リン酸化セルロース繊維を粉砕する際に粉砕に用いる装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミル、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、ビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできるが特に限定されない。また、処理条件も好ましい重合度が得られる条件であれば特に限定されない。 As a device used for crushing the phosphorylated cellulose fiber, a high-speed defibrator, a grinder (stone mill type crusher), a high pressure homogenizer, an ultra-high pressure homogenizer, a high pressure collision type crusher, a ball mill, a bead mill, a disc type refiner, a conical A wet milling device such as a refiner, a twin-screw kneader, a vibration mill, a homomixer under high speed rotation, an ultrasonic disperser, or a beater can also be used, but is not particularly limited. Further, the treatment condition is not particularly limited as long as a preferable degree of polymerization is obtained.
本発明においては、リン酸化セルロース繊維の原料や製造条件をそれぞれ適切に選択することによりリン酸化セルロース繊維の平均重合度を好ましい範囲内に制御しやすくなる。このような製造条件としては、特に限定されないが、たとえばリン酸基導入工程における条件を調整したり、解繊処理工程における解繊処理条件を調整したり、製造装置の種類を選択したりすることなどが挙げられる。例えば、解繊処理装置(エムテクニック社製、クレアミックス−2.2S)を用いた場合、10000回転/分以上21500回転/分以下の条件で10分以上60分以下解繊処理を行うことが好ましい。 In the present invention, it becomes easy to control the average degree of polymerization of the phosphorylated cellulose fiber within a preferable range by appropriately selecting the raw material and the production conditions of the phosphorylated cellulose fiber. Such manufacturing conditions are not particularly limited, for example, adjusting the conditions in the phosphate group introduction step, adjusting the defibration processing conditions in the defibration processing step, or selecting the type of manufacturing apparatus And so on. For example, in the case of using a defibration treatment device (Clearmix-2.2S, manufactured by M Technique Co., Ltd.), defibration treatment may be performed for 10 minutes or more and 60 minutes or less under conditions of 10,000 rotations/minute or more and 21500 rotations/minute or less preferable.
(セルロース含有物)
<微細繊維状セルロースを含むセルロース含有物>
本発明は、微細繊維状セルロースを含むセルロース含有物に関するものでもある。ここで、セルロース含有物を固形分濃度が0.4質量%となるように水により希釈して得られるスラリーの、3rpm、液温25℃の条件にてB型粘度計により測定される粘度は、14500mPa・s以上である。なお、粘度測定時間は3分とする。上記スラリーの粘度は、15000mPa・s以上であることがより好ましく、15500mPa・s以上であることがさらに好ましい。なお、該スラリーの粘度の上限値は、特に限定されないが、たとえば40000mPa・sとすることができる。なお、セルロース含有物には、上述のように、たとえばヘミセルロースなどの他成分が含まれていてもよく、含まれていなくてもよい。
(Cellulose-containing material)
<Cellulose-containing material containing fine fibrous cellulose>
The present invention also relates to a cellulose-containing material containing fine fibrous cellulose. Here, the viscosity of the slurry obtained by diluting the cellulose-containing material with water so that the solid content concentration becomes 0.4% by mass under the conditions of 3 rpm and a liquid temperature of 25° C. by a B-type viscometer is , 14500 mPa·s or more. The viscosity measurement time is 3 minutes. The viscosity of the slurry is more preferably 15000 mPa·s or more, and further preferably 15500 mPa·s or more. The upper limit of the viscosity of the slurry is not particularly limited, but can be, for example, 40,000 mPa·s. The cellulose-containing material may or may not contain other components such as hemicellulose, as described above.
微細繊維状セルロースを含むセルロース含有物を固形分濃度が0.4質量%となるように水により希釈して得られるスラリーの粘度を上記範囲内とする方法としては、たとえば微細繊維状セルロースにリン酸基を導入することが挙げられる。すなわち、本発明のセルロース含有物は、リン酸基を有する繊維幅が1000nm以下のセルロース繊維を含むものであることが好ましい。
本実施形態においては、上述のとおり、たとえばリン酸化セルロース繊維を含むセルロース含有物に対して解繊工程を行うことができる。これにより、リン酸化セルロース繊維が微細化された繊維幅が1000nm以下のセルロース繊維(微細繊維状セルロース)を含むセルロース含有物が得られることとなる。リン酸基を有する繊維幅が1000nm以下のセルロース繊維のリン酸基量は、0.1mmol/g以上であることが好ましい。
As a method for adjusting the viscosity of the slurry obtained by diluting a cellulose-containing material containing fine fibrous cellulose with water so that the solid content concentration becomes 0.4% by mass, for example, phosphorus in fine fibrous cellulose is used. Introducing an acid group may be mentioned. That is, the cellulose-containing material of the present invention preferably contains a cellulose fiber having a phosphoric acid group and having a fiber width of 1000 nm or less.
In the present embodiment, as described above, for example, the defibration step can be performed on the cellulose-containing material containing the phosphorylated cellulose fibers. As a result, a cellulose-containing material containing cellulose fibers (fine fibrous cellulose) having a fiber width of 1000 nm or less obtained by making the phosphorylated cellulose fibers finer is obtained. The amount of phosphoric acid groups in the cellulose fiber having a phosphoric acid group and having a fiber width of 1000 nm or less is preferably 0.1 mmol/g or more.
微細繊維状セルロースの平均繊維幅は、電子顕微鏡で観察して、1000nm以下である。平均繊維幅は、好ましくは2nm以上1000nm以下、より好ましくは2nm以上100nm以下であり、さらに好ましくは2nm以上50nm以下であり、よりさらに好ましくは2nm以上10nm以下であるが、特に限定されない。微細繊維状セルロースの平均繊維幅が2nm未満であると、セルロース分子として水に溶解しているため、微細繊維状セルロースとしての物性(強度や剛性、寸法安定性)が発現しにくくなる傾向がある。なお、微細繊維状セルロースは、たとえば繊維幅が1000nm以下である単繊維状のセルロースである。 The average fiber width of the fine fibrous cellulose is 1000 nm or less as observed with an electron microscope. The average fiber width is preferably 2 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 2 nm or more and 100 nm or less, further preferably 2 nm or more and 50 nm or less, and still more preferably 2 nm or more and 10 nm or less, but is not particularly limited. When the average fiber width of the fine fibrous cellulose is less than 2 nm, the fine fibrous cellulose is dissolved in water as a cellulose molecule, so that the physical properties (strength, rigidity, dimensional stability) as the fine fibrous cellulose tend not to be easily exhibited. . The fine fibrous cellulose is, for example, a single fibrous cellulose having a fiber width of 1000 nm or less.
微細繊維状セルロースの電子顕微鏡観察による繊維幅の測定は以下のようにして行う。濃度0.05質量%以上0.1質量%以下の微細繊維状セルロースの水系懸濁液を調製し、この懸濁液を親水化処理したカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。幅の広い繊維を含む場合には、ガラス上にキャストした表面のSEM像を観察してもよい。構成する繊維の幅に応じて1000倍、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。但し、試料、観察条件や倍率は下記の条件を満たすように調整する。 The measurement of the fiber width of the fine fibrous cellulose by observation with an electron microscope is performed as follows. An aqueous suspension of fine fibrous cellulose having a concentration of 0.05% by mass or more and 0.1% by mass or less was prepared, and this suspension was cast on a hydrophilized carbon film-covered grid to obtain a sample for TEM observation. To do. When a wide fiber is included, an SEM image of the surface cast on glass may be observed. Observation with an electron microscope image is performed at a magnification of 1000 times, 5000 times, 10000 times or 50000 times depending on the width of the constituent fibers. However, the sample, observation conditions and magnification are adjusted so as to satisfy the following conditions.
(1)観察画像内の任意箇所に一本の直線Xを引き、該直線Xに対し、20本以上の繊維が交差する。
(2)同じ画像内で該直線と垂直に交差する直線Yを引き、該直線Yに対し、20本以上の繊維が交差する。
(1) A straight line X is drawn at an arbitrary position in the observed image, and 20 or more fibers intersect the straight line X.
(2) A straight line Y perpendicular to the straight line is drawn in the same image, and 20 or more fibers intersect the straight line Y.
上記条件を満足する観察画像に対し、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を目視で読み取る。こうして少なくとも重なっていない表面部分の画像を3組以上観察し、各々の画像に対して、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を読み取る。このように少なくとも20本×2×3=120本の繊維幅を読み取る。微細繊維状セルロースの平均繊維幅(単に、「繊維幅」ということもある。)はこのように読み取った繊維幅の平均値である。 The width of the fiber intersecting the straight line X and the straight line Y is visually read from the observed image satisfying the above conditions. In this way, three or more sets of images of the surface portion that do not at least overlap are observed, and the width of the fiber intersecting the straight line X and the straight line Y is read for each image. In this way, the fiber width of at least 20 fibers×2×3=120 fibers is read. The average fiber width of the fine fibrous cellulose (simply referred to as “fiber width”) is the average value of the fiber width thus read.
微細繊維状セルロースの繊維長は特に限定されないが、0.1μm以上1000μm以下が好ましく、0.1μm以上800μm以下がさらに好ましく、0.1μm以上600μm以下が特に好ましい。繊維長を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースの結晶領域の破壊を抑制でき、また微細繊維状セルロースのスラリー粘度を適切な範囲とすることができる。なお、微細繊維状セルロースの繊維長は、TEM、SEM、AFMによる画像解析より求めることができる。 The fiber length of the fine fibrous cellulose is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm or more and 1000 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 800 μm or less, and particularly preferably 0.1 μm or more and 600 μm or less. By setting the fiber length within the above range, it is possible to suppress the destruction of the crystalline region of the fine fibrous cellulose, and it is possible to set the slurry viscosity of the fine fibrous cellulose in an appropriate range. The fiber length of the fine fibrous cellulose can be determined by image analysis using TEM, SEM, or AFM.
微細繊維状セルロースはI型結晶構造を有していることが好ましい。ここで、微細繊維状セルロースがI型結晶構造をとっていることは、グラファイトで単色化したCuKα(λ=1.5418Å)を用いた広角X線回折写真より得られる回折プロファイルにおいて同定できる。具体的には、2θ=14°以上17°以下付近と2θ=22°以上23°以下付近の2箇所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 fine fibrous cellulose preferably has a type I crystal structure. Here, the fact that the fine fibrous cellulose has the I-type crystal structure can be identified in the diffraction profile obtained from the wide-angle X-ray diffraction photograph using CuKα (λ=1.5418Å) monochromated with graphite. Specifically, it can be identified because it has typical peaks at two positions near 2θ=14° or more and 17° or less and 2θ=22° or more and 23° or less.
微細繊維状セルロースに占めるI型結晶構造の割合(結晶化度)は、本発明においては特に限定されないが、たとえば30%以上であることが好ましく、より好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上である。この場合、耐熱性と低線熱膨張率発現の点でさらに優れた性能が期待できる。結晶化度については、X線回折プロファイルを測定し、そのパターンから常法により求められる(Seagalら、Textile Research Journal、29巻、786ページ、1959年)。 The proportion of I-type crystal structure in the fine fibrous cellulose (crystallinity) is not particularly limited in the present invention, but is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, further preferably 70%. That is all. In this case, more excellent performance can be expected in terms of heat resistance and low linear thermal expansion coefficient. The crystallinity is determined by measuring the X-ray diffraction profile and using the pattern in a conventional manner (Seagal et al., Textile Research Journal, Vol. 29, page 786, 1959).
微細繊維状セルロースへのリン酸基の導入量は、0.1mmol/g以上3.65mmol/g以下であることが好ましく、0.14mmol/g以上3.5mmol/g以下がより好ましく、0.2mmol/g以上3.2mmol/g以下がさらに好ましく、0.4mmol/g以上3.0mmol/g以下が特に好ましく、最も好ましくは0.6mmol/g以上2.5mmol/g以下である。リン酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、例えば増粘剤として用いた際には、良好な増粘特性を発揮することができる。なお、微細繊維状セルロースへのリン酸基の導入量は、たとえば上述したセルロース繊維へのリン酸基の導入量と同様に測定することが可能である。 The amount of the phosphate group introduced into the fine fibrous cellulose is preferably 0.1 mmol/g or more and 3.65 mmol/g or less, more preferably 0.14 mmol/g or more and 3.5 mmol/g or less, and 0.1. It is more preferably 2 mmol/g or more and 3.2 mmol/g or less, particularly preferably 0.4 mmol/g or more and 3.0 mmol/g or less, and most preferably 0.6 mmol/g or more and 2.5 mmol/g or less. When the amount of the phosphate group introduced is within the above range, good thickening properties can be exhibited when used as a thickener, for example. The amount of phosphate groups introduced into the fine fibrous cellulose can be measured, for example, in the same manner as the amount of phosphate groups introduced into the cellulose fibers described above.
また、微細繊維状セルロースを含むセルロース含有物は、たとえば有機溶媒成分を含むものであってもよい。この有機溶媒成分は、セルロース含有物をリン酸化する際に反応系で混合された有機溶媒に由来するものである。本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法においては、リン酸化反応工程において、有機溶媒が用いられることが好ましく、この有機溶媒の一部は最終生成物であるセルロース含有物からも検出される場合がある。 The cellulose-containing material containing fine fibrous cellulose may contain, for example, an organic solvent component. This organic solvent component is derived from the organic solvent mixed in the reaction system when phosphorylating the cellulose-containing material. In the method for producing phosphorylated cellulose fiber of the present invention, in the phosphorylation reaction step, it is preferable to use an organic solvent, and a part of this organic solvent may be detected also from the cellulose-containing product as the final product. is there.
<セルロース繊維を含むセルロース含有物>
本明細書においては、セルロース繊維には、微細繊維状セルロースと、繊維幅が1000nmよりも大きい繊維状セルロースが含まれる。本発明は、セルロース繊維を含むセルロース含有物に関するものであってもよい。すなわち、本発明は微細化していないセルロース繊維を含むセルロース含有物に関するものであってもよい。このようなセルロース含有物は、0.1mmol/g以上のリン酸基を有するセルロース繊維を含み、かつセルロース含有物のTappi T230に準じて測定される比粘度は8.0以上であることが好ましい。比粘度は9.0以上であることがより好ましく、10.0以上であることがさらに好ましい。なお、セルロース繊維を含むセルロース含有物の比粘度はTappi T230に従って、上述した方法で測定することができる。
<Cellulose-containing material containing cellulose fiber>
In the present specification, the cellulose fibers include fine fibrous cellulose and fibrous cellulose having a fiber width of more than 1000 nm. The present invention may relate to a cellulose-containing material containing a cellulose fiber. That is, the present invention may relate to a cellulose-containing material containing non-micronized cellulose fibers. It is preferable that such a cellulose-containing material contains a cellulose fiber having a phosphoric acid group of 0.1 mmol/g or more, and the specific viscosity measured according to Tappi T230 of the cellulose-containing material is 8.0 or more. .. The specific viscosity is more preferably 9.0 or more, further preferably 10.0 or more. The specific viscosity of the cellulose-containing material containing the cellulose fibers can be measured by the above-described method according to Tappi T230.
セルロース繊維を含むセルロース含有物のTappi T230に準じて測定して得られる重合度は870以上であることが好ましい。なお、セルロース含有物の重合度はTappi T230に従って、上述した方法で算出することができる。 The degree of polymerization obtained by measuring according to Tappi T230 of a cellulose-containing material containing cellulose fibers is preferably 870 or more. The degree of polymerization of the cellulose-containing material can be calculated according to Tappi T230 by the method described above.
セルロース繊維を含むセルロース含有物は、たとえば有機溶媒成分を含むものであってもよい。この有機溶媒成分は、セルロース含有物をリン酸化する際に反応系で混合された有機溶媒に由来するものである。 The cellulose-containing material containing cellulose fibers may include, for example, an organic solvent component. This organic solvent component is derived from the organic solvent mixed in the reaction system when phosphorylating the cellulose-containing material.
(微細繊維状セルロース含有スラリー)
本発明は、微細繊維状セルロース含有スラリーに関するものであってもよい。微細繊維状セルロース含有スラリーは、上述した微細繊維状セルロースを含有するものであるため、高粘度を発揮することができ、さらに、高透明度を有するものである。
(Slurry containing fine fibrous cellulose)
The present invention may relate to a slurry containing fine fibrous cellulose. Since the fine fibrous cellulose-containing slurry contains the fine fibrous cellulose described above, it can exhibit high viscosity and further has high transparency.
微細繊維状セルロース含有スラリーを固形分濃度0.4質量%となるように水で希釈して得られるスラリー試料の粘度は、14500mPa・s以上であることが好ましく、15000mPa・s以上であることがより好ましく、15500mPa・s以上であることがさらに好ましい。なお、該スラリー試料の粘度の上限値は、特に限定されないが、たとえば40000mPa・sとすることができる。 The viscosity of the slurry sample obtained by diluting the fine fibrous cellulose-containing slurry with water to a solid concentration of 0.4 mass% is preferably 14500 mPa·s or more, and 15000 mPa·s or more. More preferably, it is more preferably 15500 mPa·s or more. The upper limit of the viscosity of the slurry sample is not particularly limited, but can be, for example, 40,000 mPa·s.
微細繊維状セルロース含有スラリーを固形分濃度0.4質量%となるように水で希釈して得られるスラリー試料の粘度は、B型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T−LVT)を用いて測定することができる。測定条件は液温25℃とし、回転数3rpm、測定時間3分とする。 The viscosity of a slurry sample obtained by diluting a fine fibrous cellulose-containing slurry with water to a solid content concentration of 0.4% by mass was measured using a B-type viscometer (Analog viscometer T-LVT manufactured by BLOOKFIELD). Can be measured. The measurement conditions are a liquid temperature of 25° C., a rotation speed of 3 rpm, and a measurement time of 3 minutes.
微細繊維状セルロース含有スラリー(微細繊維状セルロース濃度0.2質量%)のヘーズは、20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。微細繊維状セルロース含有スラリーのヘーズが上記範囲であることは、微細繊維状セルロース含有スラリーの透明度が高く、微細繊維状セルロースの微細化が良好であることを意味する。このような微細繊維状セルロース含有スラリーにおいては、微細繊維状セルロースが有する特有の機能が発揮される。
ここで、微細繊維状セルロース含有スラリー(微細繊維状セルロース濃度0.2質量%)のヘーズは、光路長1cmの液体用ガラスセル(藤原製作所製、MG−40、逆光路)に微細繊維状セルロース含有スラリーを入れ、JIS K 7136に準拠し、ヘーズメーター(村上色彩技術研究所社製、HM−150)を用いて測定される値である。なお、ゼロ点測定は、同ガラスセルに入れたイオン交換水で行う。
The haze of the fine fibrous cellulose-containing slurry (fine fibrous cellulose concentration 0.2% by mass) is preferably 20% or less, more preferably 15% or less, and further preferably 10% or less. .. When the haze of the fine fibrous cellulose-containing slurry is within the above range, it means that the fine fibrous cellulose-containing slurry has high transparency and the fine fibrous cellulose is finely refined. In such a slurry containing fine fibrous cellulose, the unique function of fine fibrous cellulose is exhibited.
Here, the haze of the slurry containing fine fibrous cellulose (fine fibrous cellulose concentration of 0.2% by mass) is obtained by adding fine fibrous cellulose to a glass cell for liquid (Fujiwara Seisakusho, MG-40, reverse optical path) having an optical path length of 1 cm. It is a value measured by using a haze meter (HM-150 manufactured by Murakami Color Research Laboratory Co., Ltd.) in accordance with JIS K 7136 after containing the contained slurry. The zero point measurement is performed with ion-exchanged water contained in the glass cell.
(用途)
本発明のリン酸化セルロース繊維の製造方法により製造された微細繊維状セルロースは、各種のディスプレイ装置、各種の太陽電池、等の光透過性基板の用途に適している。また、電子機器の基板、家電の部材、各種の乗り物や建物の窓材、内装材、外装材、包装用資材等の用途にも適している。さらに、糸、フィルタ、織物、緩衝材、スポンジ、研磨材などの他、シートそのものを補強材として使う用途にも適している。
また、微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度は高く、このような特性を活かす観点から、本発明の繊維状セルロースは、増粘剤として各種用途(例えば、食品、化粧品、セメント、塗料、インクなどへの添加物など)に使用することができる。
(Use)
The fine fibrous cellulose produced by the method for producing a phosphorylated cellulose fiber of the present invention is suitable for use as a light-transmissive substrate for various display devices, various solar cells, and the like. Further, it is also suitable for use as substrates of electronic devices, members of home appliances, window materials for various vehicles and buildings, interior materials, exterior materials, packaging materials, and the like. Further, in addition to threads, filters, woven fabrics, cushioning materials, sponges, abrasives, etc., it is also suitable for applications where the sheet itself is used as a reinforcing material.
Further, the viscosity of the fine fibrous cellulose-containing slurry is high, and from the viewpoint of utilizing such characteristics, the fibrous cellulose of the present invention is used as a thickener in various applications (for example, foods, cosmetics, cement, paints, inks, etc. Additives, etc.).
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。 The features of the present invention will be described more specifically below with reference to Examples and Comparative Examples. The materials, usage amounts, ratios, processing contents, processing procedures, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limitedly interpreted by the following specific examples.
<パルプの固形分濃度測定方法>
質量既知の秤量瓶にパルプシートもしくはパルプシートをフラッフ化処理した原料2gを入れ、乾燥機(ヤマト科学製、送風低温乾燥機DK600)にて16時間乾燥させた。乾燥後、乾燥機内で容器のふたをし、デシケーターに入れて放冷した。放冷後、容器内外の圧力差を除く為、容器のふたを半開きにして、素早く再び閉じ、乾燥後の質量を測定した。測定した重量を用い、下記式(1)よりパルプの固形分濃度を算出した。
Wdm=m1÷m0×100 (1)
Wdm:質量分率で表した絶乾率(%)
m0:乾燥前の質量(g)
m1:恒量まで乾燥後の質量(g)
<Pulp solid content concentration measuring method>
2 g of a pulp sheet or a fluffed raw material obtained by fluffing a pulp sheet was placed in a weighing bottle having a known mass, and dried for 16 hours by a dryer (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., blower low temperature dryer DK600). After drying, the container was capped in a dryer, placed in a desiccator and allowed to cool. After cooling, in order to remove the pressure difference between the inside and outside of the container, the lid of the container was opened halfway and quickly closed again, and the mass after drying was measured. Using the measured weight, the solid content concentration of pulp was calculated from the following formula (1).
W dm =m 1 ÷m 0 ×100 (1)
W dm : Drying rate (%) expressed as mass fraction
m 0 : mass before drying (g)
m 1 : Mass after drying to constant weight (g)
<正リン酸の調整法>
氷浴中で、五酸化二リン(関東化学社製)100質量部に対し、85%リン酸(関東化学社製)254質量部をゆっくり滴下し、正リン酸を調製した。
<Method for adjusting orthophosphoric acid>
In an ice bath, 254 parts by mass of 85% phosphoric acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was slowly added dropwise to 100 parts by mass of diphosphorus pentoxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) to prepare orthophosphoric acid.
<リン酸化反応工程>
(実施例A−1)
セルロース含有物として、王子製紙製のパルプシート(固形分93質量%、坪量208g/m2シート状、離解してJIS P 8121に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)700ml)を原料として使用した。パルプシート(絶乾質量)100質量部に、正リン酸32質量部、尿素(関東化学社製)100質量部、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)(関東化学社製)150質量部を加え、防爆型乾燥機(ESPEC製、SPH−200)にて140℃、30分間加熱乾燥を行い、パルプ中のセルロース繊維にリン酸基を導入し、リン酸化セルロース含有物Aを得た。
<Phosphorylation reaction step>
(Example A-1)
As a cellulose-containing material, a pulp sheet made by Oji Paper Co., Ltd. (solid content 93% by mass, basis weight 208 g/m 2 sheet shape, Canadian standard freeness (CSF) 700 ml which is disaggregated and measured according to JIS P 8121) is used. Used as raw material. 32 parts by mass of orthophosphoric acid, 100 parts by mass of urea (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), and 150 parts by mass of N,N-dimethylformamide (DMF) (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were added to 100 parts by mass of pulp sheet (absolutely dry mass). , Heat-dried at 140° C. for 30 minutes with an explosion-proof dryer (SPH-200, manufactured by ESPEC), phosphoric acid groups were introduced into the cellulose fibers in the pulp, and phosphorylated cellulose-containing material A was obtained.
<洗浄・アルカリ処理工程>
得られたリン酸化セルロース含有物Aに、イオン交換水を注ぎ、攪拌して均一に分散させた後、濾過脱水して脱水シートを得る操作を繰り返すことにより、余剰の薬液を十分に洗い流した。次いで、セルロース含有物濃度が2質量%となるようイオン交換水で希釈し、攪拌しながら、1N水酸化ナトリウム水溶液を少しずつ添加して、pHが12±0.2のパルプスラリーを得た。その後、このパルプスラリーを脱水し、脱水シートを得た後、再びイオン交換水を注ぎ、攪拌して均一に分散させた後、濾過脱水して脱水シートを得る操作を繰り返すことにより、余剰の水酸化ナトリウムを十分に洗い流して、リン酸化セルロース含有物Bを得た。
<Cleaning and alkali treatment process>
Ion-exchanged water was poured into the obtained phosphorylated cellulose-containing material A, and the mixture was stirred, uniformly dispersed, and then filtered and dehydrated to obtain a dehydrated sheet. By repeating the operation, the surplus chemical solution was sufficiently washed out. Then, it was diluted with ion-exchanged water so that the concentration of the cellulose-containing material was 2% by mass, and 1N aqueous sodium hydroxide solution was added little by little while stirring to obtain a pulp slurry having a pH of 12±0.2. After that, the pulp slurry is dehydrated to obtain a dehydrated sheet, and then ion-exchanged water is poured again, and the mixture is stirred and uniformly dispersed, and then filtered and dehydrated to obtain a dehydrated sheet. The sodium oxide was thoroughly washed off to obtain a phosphorylated cellulose-containing material B.
<機械処理>
得られたリン酸化セルロース含有物Bにイオン交換水を添加して、固形分濃度が0.5質量%の懸濁液にした。この懸濁液を、解繊処理装置(エムテクニック社製、クレアミックス−2.2S)を用いて、21500回転/分の条件で30分間解繊処理して、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
<Machine processing>
Ion-exchanged water was added to the obtained phosphorylated cellulose-containing material B to obtain a suspension having a solid content concentration of 0.5% by mass. This suspension is defibrated for 30 minutes using a defibration treatment device (CLEARMIX-2.2S, manufactured by M Technique Co., Ltd.) under the condition of 21,500 rotations/minute to give a defibration pulp slurry (fine fibrous form). A cellulose-containing slurry) was obtained.
(実施例A−2)
N,N−ジメチルホルムアミド150質量部の代わりに、尿素300質量部を用いた以外は、実施例A−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Example A-2)
A defibrated pulp slurry (slurry containing fine fibrous cellulose) was obtained in the same manner as in Example A-1 except that 300 parts by mass of urea was used instead of 150 parts by mass of N,N-dimethylformamide.
(実施例A−3)
正リン酸32質量部の代わりに、85%リン酸(関東化学社製)38質量部を用いた以外は、実施例A−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Example A-3)
A defibrated pulp slurry (fine fibrous cellulose-containing slurry) was prepared in the same manner as in Example A-1, except that 85 parts by mass of 85% phosphoric acid (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was used instead of 32 parts by mass of orthophosphoric acid. ) Got.
(比較例A−1)
N,N−ジメチルホルムアミド150質量部の代わりに、イオン交換水150質量部を用い、加熱乾燥時間を50分間とした以外は実施例A−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Comparative Example A-1)
Instead of 150 parts by mass of N,N-dimethylformamide, 150 parts by mass of ion-exchanged water was used, and the heating and drying time was 50 minutes, in the same manner as in Example A-1. A cellulose-containing slurry) was obtained.
(評価)
<リン酸基の導入量(リン酸基量)の測定>
リン酸基の導入量は、伝導度滴定法により測定した。具体的には、解繊処理工程により微細化を行い、得られた微細繊維状セルロース含有スラリーをイオン交換樹脂で処理した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら電気伝導度の変化を求めることにより、導入量を測定した。
イオン交換樹脂による処理では、0.2質量%微細繊維状セルロース含有スラリーに体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(アンバージェット1024;オルガノ株式会社、コンディショング済)を加え、1時間振とう処理を行った。その後、目開き90μmのメッシュ上に注ぎ、樹脂とスラリーを分離した。アルカリを用いた滴定では、イオン交換後の微細繊維状セルロース含有スラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を加えながら、スラリーが示す電気伝導度の値の変化を計測した。
(Evaluation)
<Measurement of Amount of Phosphate Group Introduced (Amount of Phosphate Group)>
The amount of phosphate group introduced was measured by the conductivity titration method. Specifically, it is refined by the defibration process step, after treating the resulting fine fibrous cellulose-containing slurry with an ion exchange resin, by determining the change in electrical conductivity while adding an aqueous sodium hydroxide solution, The amount introduced was measured.
In the treatment with an ion exchange resin, a 1/10 volume of a strongly acidic ion exchange resin (Amber Jet 1024; Organo Co., Ltd., already conditioned) is added to a slurry containing 0.2% by mass of fine fibrous cellulose and shaken for 1 hour. Processed. Then, it was poured onto a mesh having an opening of 90 μm to separate the resin and the slurry. In the titration using alkali, a change in the value of electric conductivity exhibited by the slurry was measured while adding a 0.1 N sodium hydroxide aqueous solution to the slurry containing fine fibrous cellulose after ion exchange.
この伝導度滴定では、アルカリを加えていくと、図1に示した曲線を与える。最初は、急激に電気伝導度が低下する(以下、「第1領域」という)。その後、わずかに伝導度が上昇を始める(以下、「第2領域」という)。さらにその後、伝導度の増分が増加する(以下、「第3領域」という)。すなわち、3つの領域が現れる。このうち、第1領域で必要としたアルカリ量が、滴定に使用したスラリー中の強酸性基量と等しく、第2領域で必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中の弱酸性基量と等しくなる。
図1に示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して、リン酸基導入量(mmol/g)とした。
In this conductivity titration, the addition of alkali gives the curve shown in FIG. At first, the electrical conductivity is sharply reduced (hereinafter, referred to as "first region"). After that, the conductivity starts to slightly increase (hereinafter, referred to as “second region”). After that, the increment of conductivity increases (hereinafter, referred to as “third region”). That is, three areas appear. Of these, the amount of alkali required in the first region is equal to the amount of strong acidic groups in the slurry used for titration, and the amount of alkali required in the second region is equal to the amount of weak acidic groups in the slurry used for titration. Will be equal.
The amount of alkali (mmol) required in the first region of the curve shown in FIG. 1 was divided by the solid content (g) in the slurry to be titrated to obtain the amount of phosphate group introduction (mmol/g).
<反応速度の求め方>
実施例A−1〜A−3及び比較例A−1のそれぞれについて以下のように反応速度を測定した。まず、加熱乾燥時間を60分にした以外は上述したリン酸化反応工程と同様にして、リン酸基導入を行った。その際、10分から60分まで10分毎にリン酸基導入量を測定した。縦軸がリン酸基導入量(mmol/g)、横軸が反応時間(min)とし、得られたデータをグラフにプロットした。プロットしたグラフにて近似直線を作成し、近似直線の傾きを反応速度a(mmol/g・min)とした。
<How to obtain reaction rate>
The reaction rate was measured as follows for each of Examples A-1 to A-3 and Comparative Example A-1. First, phosphoric acid group introduction was performed in the same manner as in the phosphorylation reaction step described above except that the heating and drying time was 60 minutes. At that time, the phosphate group introduction amount was measured every 10 minutes from 10 minutes to 60 minutes. The vertical axis represents the amount of introduced phosphate group (mmol/g) and the horizontal axis represents the reaction time (min), and the obtained data was plotted in a graph. An approximate straight line was created from the plotted graph, and the slope of the approximate straight line was used as the reaction rate a (mmol/g·min).
表1からわかるように、実施例においては、比較例に比べて加熱乾燥時間が短いが、十分量のリン酸基が導入されていた。また、リン酸化反応速度も速かった。すなわち、実施例においては、リン酸化微細繊維状セルロースの製造効率をより効果的に高め得ることがわかった。 As can be seen from Table 1, in the example, the heating and drying time was shorter than that in the comparative example, but a sufficient amount of phosphate group was introduced. The phosphorylation reaction rate was also fast. That is, it was found that the production efficiency of the phosphorylated fine fibrous cellulose can be more effectively increased in the examples.
(実施例B−1)
セルロース含有物として、王子製紙製のパルプシート(固形分93質量%、坪量208g/m2シート状、離解してJIS P 8121に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)700ml)をフラッフ化処理し、フラッフ化パルプを得て、原料として使用した。フラッフ化パルプ(絶乾質量)100質量部に、正リン酸167質量部、尿素(関東化学社製)1000質量部、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)(関東化学社製)1000質量部を丸底フラスコに加え、150℃で15分間加熱還流処理し、パルプ中のセルロース繊維にリン酸基を導入し、リン酸化セルロース含有物Cを得た。その後、前述の実施例A−1と同様にして解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Example B-1)
As a cellulose-containing material, a pulp sheet made by Oji Paper Co., Ltd. (solid content 93% by mass, basis weight 208 g/m 2 sheet shape, Canadian standard freeness (CSF) 700 ml which is disaggregated and measured according to JIS P 8121) is used. It was fluffed to obtain fluffed pulp, which was used as a raw material. 100 parts by mass of fluffed pulp (absolute dry mass), 167 parts by mass of orthophosphoric acid, 1000 parts by mass of urea (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), and 1000 parts by mass of N,N-dimethylformamide (DMF) (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) The mixture was added to a round bottom flask and heated under reflux at 150° C. for 15 minutes to introduce a phosphoric acid group into the cellulose fibers in the pulp to obtain a phosphorylated cellulose-containing material C. Then, a defibrated pulp slurry (fine fibrous cellulose-containing slurry) was obtained in the same manner as in Example A-1 described above.
(実施例B−2)
正リン酸167質量部の代わりに、85%リン酸196質量部を用いた以外は、実施例B−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Example B-2)
A defibrated pulp slurry (slurry containing fine fibrous cellulose) was obtained in the same manner as in Example B-1 except that 196 parts by mass of 85% phosphoric acid was used instead of 167 parts by mass of orthophosphoric acid.
(実施例B−3)
N,N−ジメチルホルムアミドの代わりに、ジメチルスルホキシド(DMSO)(関東化学社製)を用いた以外は、実施例B−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Example B-3)
A defibrated pulp slurry (fine fibrous cellulose-containing slurry) was prepared in the same manner as in Example B-1 except that dimethyl sulfoxide (DMSO) (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was used instead of N,N-dimethylformamide. Obtained.
(実施例B−4)
N,N−ジメチルホルムアミドの代わりに、尿素を用いた以外は、実施例B−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Example B-4)
A defibrated pulp slurry (fine fibrous cellulose-containing slurry) was obtained in the same manner as in Example B-1 except that urea was used instead of N,N-dimethylformamide.
(比較例B−1)
N,N−ジメチルホルムアミド1000質量部、尿素1000質量部の代わりに、N,N−ジメチルホルムアミド433質量部、尿素433質量部、イオン交換水1133質量部とした以外は実施例B−1と同様にして、解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Comparative Example B-1)
The same as Example B-1 except that N,N-dimethylformamide (1000 parts by mass) and urea (1000 parts by mass) were replaced by N,N-dimethylformamide (433 parts by mass), urea (433 parts by mass), and ion-exchanged water (1133 parts by mass). Then, a defibrated pulp slurry (slurry containing fine fibrous cellulose) was obtained.
(比較例B−2)
比較例A−1と同様にして解繊パルプスラリー(微細繊維状セルロース含有スラリー)を得た。
(Comparative Example B-2)
A defibrated pulp slurry (slurry containing fine fibrous cellulose) was obtained in the same manner as Comparative Example A-1.
(評価)
実施例B−1〜B−4、比較例B−1及びB−2で得られた、リン酸化反応工程で供試したフラッフ化パルプ(リン酸化前セルロース含有物)、洗浄アルカリ処理工程後に得られたリン酸化セルロース繊維(リン酸化セルロース含有物)を供試して、後述する方法で比粘度及び重合度を測定した。また、機械処理後の解繊パルプスラリーを供試して上述した<リン酸基の導入量(リン酸基量)の測定>に記載した方法と同様の方法でリン酸基導入量を測定した。さらに、機械処理後の解繊パルプスラリーを供試して後述する方法で粘度を測定した。
(Evaluation)
Fluffed pulp (pre-phosphorylated cellulose-containing material) tested in the phosphorylation reaction step obtained in Examples B-1 to B-4 and Comparative Examples B-1 and B-2, obtained after the washing alkali treatment step The phosphorylated cellulose fibers (containing phosphorylated cellulose) thus obtained were tested, and the specific viscosity and the degree of polymerization were measured by the methods described below. Further, the defibrated pulp slurry after the mechanical treatment was tested, and the amount of introduced phosphate groups was measured by the same method as described above in <Measurement of amount of introduced phosphate groups (amount of phosphate groups)>. Further, the defibrated pulp slurry after mechanical treatment was tested and the viscosity was measured by the method described below.
<比粘度及び重合度の測定>
比粘度及び重合度は、Tappi T230に従い測定した。すなわち、測定対象のリン酸化前セルロース含有物もしくはリン酸化セルロース含有物を分散媒に分散させて測定した粘度(η1とする)、および分散媒体のみで測定したブランク粘度(η0とする)を測定したのち、比粘度(ηsp)、固有粘度([η])を下記式に従って測定した。
ηsp=(η1/η0)−1
[η]=ηsp/(c(1+0.28×ηsp))
ここで、式中のcは、粘度測定時のセルロース含有物またはリン酸化セルロース含有物の濃度を示す。
さらに、下記式から本発明における重合度(DP)を算出した。
DP=1.75×[η]
この重合度は粘度法によって測定された平均重合度であることから、「粘度平均重合度」と称されることもある。
<Measurement of specific viscosity and degree of polymerization>
The specific viscosity and the degree of polymerization were measured according to Tappi T230. That is, the viscosity (η 1 ) measured by dispersing the pre-phosphorylated cellulose-containing material or the phosphorylated cellulose-containing material to be measured in a dispersion medium, and the blank viscosity (η 0 ) measured only in the dispersion medium are After the measurement, the specific viscosity (η sp ) and the intrinsic viscosity ([η]) were measured according to the following formulas.
η sp =(η 1 /η 0 )-1
[Η]=η sp /(c(1+0.28×η sp ))
Here, c in the formula represents the concentration of the cellulose-containing material or the phosphorylated cellulose-containing material at the time of viscosity measurement.
Furthermore, the degree of polymerization (DP) in the present invention was calculated from the following formula.
DP=1.75×[η]
Since this degree of polymerization is an average degree of polymerization measured by a viscosity method, it may be referred to as a “viscosity average degree of polymerization”.
<微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度の測定>
微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度は、微細繊維状セルロース含有スラリーの固形分濃度が0.4質量%となるように希釈した後に、ディスパーザーにて1500rpmで5分間攪拌した。得られたスラリーの粘度をB型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T−LVT)を用いて測定した。測定条件は、3rpm、液温25℃の条件とした。
<Measurement of viscosity of slurry containing fine fibrous cellulose>
Regarding the viscosity of the fine fibrous cellulose-containing slurry, the fine fibrous cellulose-containing slurry was diluted so that the solid concentration of the fine fibrous cellulose-containing slurry was 0.4% by mass, and then stirred with a disperser at 1500 rpm for 5 minutes. The viscosity of the obtained slurry was measured using a B-type viscometer (manufactured by BLOOKFIELD, analog viscometer T-LVT). The measurement conditions were 3 rpm and a liquid temperature of 25°C.
表2からわかるように、実施例においては、リン酸化反応後のリン酸化セルロース繊維含有スラリーの比粘度が高く、微細繊維状セルロースとした後においても高い溶液粘度を発現し得ることがわかった。 As can be seen from Table 2, in the examples, it was found that the phosphorylated cellulose fiber-containing slurry after the phosphorylation reaction had a high specific viscosity and that a high solution viscosity could be exhibited even after the fine fibrous cellulose was formed.
Claims (4)
前記セルロース含有物を固形分濃度が0.4質量%となるように水により希釈して得られるスラリーの、3rpm、液温25℃の条件にてB型粘度計により測定される粘度が14500mPa・s以上であるセルロース含有物。 A cellulose-containing material containing a cellulose fiber having a fiber width of 1000 nm or less,
The viscosity of the slurry obtained by diluting the cellulose-containing material with water so that the solid content concentration becomes 0.4 mass% has a viscosity of 14500 mPa·s measured by a B-type viscometer at 3 rpm and a liquid temperature of 25°C. Cellulose-containing material of s or more.
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