JP5193591B2 - Method for producing methylcellulose - Google Patents
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Description
本発明は、メチルセルロースの製造法に関する。より詳しくは、化粧品用の乳化安定化剤、建材用の分散剤や懸濁安定化剤、増粘剤、接着剤、医薬品等における分散剤や安定化剤、バインダー、保護コロイド剤、食品用の乳化安定化剤等、極めて多様な用途を有するメチルセルロースの製造法に関する。 The present invention relates to a method for producing methylcellulose. More specifically, emulsion stabilizers for cosmetics, dispersants and suspension stabilizers for building materials, thickeners, adhesives, dispersants and stabilizers in pharmaceuticals, binders, protective colloids, foods The present invention relates to a method for producing methylcellulose having extremely various uses such as an emulsion stabilizer.
一般的なメチルセルロースの製造方法は、カルボキシメチルセルロースといった他のセルロースエーテルの製造法と同様に、まずパルプ等のセルロース原料を大量の水および大過剰の水酸化ナトリウム等のアルカリ金属水酸化物を含浸・混合してアルカリセルロースとする、いわゆるアルセル化またはマーセル化と呼ばれるセルロースの活性化処理を行った後、これにエーテル化剤である塩化メチルをスラリー状態で反応させ、副生する中和塩等の洗浄除去、乾燥、更に粉砕といった工程を経て製造されている。
このアルセル化工程では、アルセル化処理で調製したアルカリセルロースから過剰のアルカリや水を除くため、ろ過洗浄や圧搾等の煩雑な操作が行われている。このアルカリセルロースは、セルロース分子中の大部分の水酸基がアルコラートとなっていると考えられており、実際にセルロース分子中のグルコース単位当たり、通常1〜3モル量程度、少なくとも1モル量以上に相当するアルカリが含有されており、更にはセルロースと同重量以上の水も残存している。したがってエーテル化剤と反応を行う際には、この水もまたエーテル化剤と反応する可能性があるため、反応にともなって大量の中和塩が副生するだけでなく、これらの水和物に由来する副生物も生じることになる。
As with other cellulose ether production methods such as carboxymethylcellulose, a common method for producing methylcellulose is to first impregnate cellulose raw materials such as pulp with a large amount of water and a large excess of alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide. After the cellulose activation process called so-called acerylation or mercerization, which is mixed into alkali cellulose, is reacted with methyl chloride, which is an etherifying agent, in a slurry state, and as a by-product neutralized salt, etc. It is manufactured through steps such as washing and removal, drying, and pulverization.
In this arselle formation process, in order to remove excess alkali and water from the alkali cellulose prepared by the arselle treatment, complicated operations such as filtration and washing are performed. Alkali cellulose is considered to have an alcoholate in most of the hydroxyl groups in the cellulose molecule, and is usually equivalent to about 1 to 3 mol amount, at least 1 mol amount or more per glucose unit in the cellulose molecule. In addition, an amount of water equal to or greater than that of cellulose remains. Therefore, when reacting with an etherifying agent, this water may also react with the etherifying agent, so that not only a large amount of neutralized salt is produced as a by-product during the reaction, but also these hydrates. By-products derived from this will also be produced.
また反応は固体であるセルロースとエーテル化剤とを効率良く接触させる必要があることから、通常はアルカリセルロースを、種々の極性溶媒を用いて分散性の良いスラリー状態にして行われる。この極性溶媒としては、イソプロパノール等の比較的反応性の低い低級2級または3級アルコール性溶媒やエーテル類やケトン類といった各種極性溶媒が添加されることもあり、例えば、特許文献1及び2にはアルセル化およびエーテル化剤との反応の際に、tert−ブタノールやメチルイソブチルケトン等の水とは容易に相溶しない極性溶媒を添加し、反応後に溶媒を水相と分離・回収する方法が開示されている。
しかしながらアルカリおよび水量を大幅に減らすことが出来ない限り、中和塩等の副生物を大幅に低減することは、実質的には困難である。
In addition, since the reaction needs to efficiently bring the cellulose that is solid and the etherifying agent into contact with each other, the alkali cellulose is usually made into a slurry state having good dispersibility using various polar solvents. As the polar solvent, various secondary solvents such as lower secondary or tertiary alcoholic solvents having relatively low reactivity such as isopropanol, ethers, and ketones may be added. Is a method of adding a polar solvent that is not readily compatible with water, such as tert-butanol or methyl isobutyl ketone, during the reaction with the acerylation and etherification agent, and separating and recovering the solvent from the aqueous phase after the reaction. It is disclosed.
However, unless the amount of alkali and water can be greatly reduced, it is practically difficult to significantly reduce by-products such as neutralized salts.
一方、硫酸等の強酸触媒の存在下、アルコールとメタノールを反応させてメチルエーテルを得る方法は、古くから知られている極めて古典的な方法であり、エチレングリコール等の1,2-ジオール類のメチルエーテル化も、例えば特許文献3等で開示されている。
しかしながらこれらの方法は、アルデヒドのような酸に敏感な官能基を有する場合には容易に副反応を引き起こし、例えばセルロース等の多糖類では主鎖の1,4-グリコシル結合が容易に切断され、著しく分子量が低下してしまう問題がある。
また特許文献4には、触媒としてカオリン系粘土鉱物を用い、反応管にこの触媒を充填し、反応温度200〜300℃で、エチレングリコールおよびメタノールを液相で流通させて反応させる方法が開示されている。
また特許文献5にはアルカリ金属−リン−ケイ素系複合酸化物等の固体酸塩基触媒を用いて、メタノールの臨界温度;Tc=239℃(512K)の0.9〜1.5倍の反応温度かつ臨界圧力;Pc=8.1MPaの0.5〜4.5倍の圧力条件下で、エチレングリコールのメタノール溶液を管型の触媒槽に流通させて反応させる方法が開示されている。しかしこの方法に応用しようとしても、通常セルロースはメタノールにほとんど溶解しないために、前述した液相で流通させる方法は難しく、またバッチ式で反応させる場合にも、固体である触媒と、同様に固体であるセルロースまたはメチルセルロースとを分離することは極めて困難となる。
したがって、簡便かつ効率的で廃棄物が少なく、また触媒的なメチルセルロース製造法を開発することは、工業的な観点から極めて有用な課題である。
On the other hand, the method of obtaining methyl ether by reacting alcohol with methanol in the presence of a strong acid catalyst such as sulfuric acid is a very classic method that has been known for a long time, and includes 1,2-diols such as ethylene glycol. Methyl etherification is also disclosed in Patent Document 3, for example.
However, these methods easily cause side reactions in the case of having an acid-sensitive functional group such as an aldehyde. For example, in a polysaccharide such as cellulose, the 1,4-glycosyl bond of the main chain is easily cleaved, There is a problem that the molecular weight is significantly reduced.
Patent Document 4 discloses a method of using kaolin clay mineral as a catalyst, filling the reaction tube with the catalyst, and reacting ethylene glycol and methanol in a liquid phase at a reaction temperature of 200 to 300 ° C. ing.
In Patent Document 5, a solid acid-base catalyst such as an alkali metal-phosphorus-silicon composite oxide is used, and the reaction temperature is 0.9 to 1.5 times the critical temperature of methanol; Tc = 239 ° C. (512 K). In addition, a method is disclosed in which a methanol solution of ethylene glycol is allowed to flow through a tubular catalyst tank under a pressure condition of 0.5 to 4.5 times that of Pc = 8.1 MPa. However, even when trying to apply to this method, since cellulose is hardly dissolved in methanol, it is difficult to circulate in the liquid phase described above, and even when it is reacted in batch mode, it is solid as well as a solid catalyst. It is very difficult to separate the cellulose or methyl cellulose.
Therefore, it is a very useful problem from an industrial viewpoint to develop a simple, efficient, low waste, and catalytic methylcellulose production method.
本発明は、工業的にも簡便でかつ効率的なメチルセルロースの製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the manufacturing method of methylcellulose which is industrially simple and efficient.
本発明者らは、セルロース、好ましくは結晶化度を低下させた粉末状のセルロースを、亜臨界状態のメタノール中で、触媒量の触媒存在下、好ましくは工業的に利用可能な中和塩であるアルカリ金属塩を触媒として用いれば、メタノールによるセルロースのメチルエーテル化が極めて良好かつ選択的に進行することを見出した。 We have made cellulose, preferably powdered cellulose with reduced crystallinity, in a subcritical state of methanol in the presence of a catalytic amount of catalyst, preferably with a neutral salt that is industrially available. It has been found that if a certain alkali metal salt is used as a catalyst, methyl etherification of cellulose with methanol proceeds very well and selectively.
すなわち本発明は、セルロース、好ましくは低結晶性の粉末セルロースを、触媒量の触媒、好ましくは特定の無機酸のアルカリ金属塩等の触媒存在下、亜臨界状態のメタノールを用いて反応させる、メチルセルロースの製造方法である。 That is, the present invention relates to methylcellulose in which cellulose, preferably low-crystalline powdery cellulose, is reacted with methanol in a subcritical state in the presence of a catalytic amount of a catalyst, preferably a catalyst such as an alkali metal salt of a specific inorganic acid. It is a manufacturing method.
本発明によれば、工業的にも簡便でかつ効率的なメチルセルロースの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, an industrially simple and efficient method for producing methyl cellulose can be provided.
〔セルロース〕
本発明で用いるセルロースは、特に制限されるものではないが、低結晶性の粉末セルロースを用いることが好ましい。中でも、低結晶性の粉末セルロースの結晶化度が50%以下のセルロースがより好ましい。
一般にセルロースは幾つかの結晶構造が知られており、また一部に存在するアモルファス部と結晶部との割合から結晶化度として定義されるが、本発明における「結晶化度」とは、天然セルロースの結晶構造に由来するI型の結晶化度を示し、粉末X線結晶回折スペクトルから求められる下記計算式(1)で表される結晶化度によって定義される。
結晶化度(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100 ・・・計算式(1)
〔I22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、及びI18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す〕
〔cellulose〕
The cellulose used in the present invention is not particularly limited, but it is preferable to use low crystalline powdery cellulose. Among these, cellulose having a crystallinity of low-crystalline powdery cellulose of 50% or less is more preferable.
In general, cellulose has several known crystal structures, and is defined as the crystallinity from the ratio of the amorphous part and the crystal part present in a part. The “crystallinity” in the present invention is natural. The degree of crystallinity of type I derived from the crystal structure of cellulose is shown, and is defined by the degree of crystallinity represented by the following formula (1) obtained from the powder X-ray crystal diffraction spectrum.
Crystallinity (%) = [(I 22.6 −I 18.5 ) / I 22.6 ] × 100 Formula (1)
[I 22.6 is the diffraction intensity of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22.6 °) in X-ray diffraction, and I 18.5 is the diffraction intensity of the amorphous portion (diffraction angle 2θ = 18.5 °). Show
また、本発明における低結晶性の粉末セルロースの「低結晶性」とは、上記のセルロースの結晶構造においてアモルファス部の割合が多い状態を示し、好ましくは上記計算式(1)から得られる結晶化度が50%以下となることが望ましい。
一般的に知られている粉末セルロースにも極めて少量のアモルファス部が存在するため、それらの結晶化度は、上記計算式(1)によれば、概ね60〜80%の範囲に含まれる、いわゆる結晶性のセルロースであり、セルロースエーテル合成における反応性は極めて低い。
Further, the “low crystallinity” of the low crystalline powdery cellulose in the present invention indicates a state in which the ratio of the amorphous part is large in the crystal structure of the above cellulose, and preferably the crystallization obtained from the above formula (1). The degree is desirably 50% or less.
Since there is a very small amount of amorphous part in generally known powdered cellulose, the crystallinity thereof is so-called in the range of approximately 60 to 80% according to the calculation formula (1). It is crystalline cellulose and has very low reactivity in cellulose ether synthesis.
本発明で用いる低結晶性の粉末セルロースは、汎用原料として得られるシート状やロール状のセルロース純度の高いパルプから極めて簡便に調製することができる。低結晶性の粉末セルロースを調製する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、特開昭62−236801号公報、特開2003−64184号公報、特開2004−331918号公報等に記載の調製方法を挙げることができる。
また例えば、シート状パルプを粗粉砕して得られるチップ状パルプを、押出機で処理して、更にボールミルで処理することにより調製するような方法も挙げることができる。
この方法に用いられる押出機としては、単軸又は二軸の押出機を用いることができ、強い圧縮せん断力を加える観点から、スクリューのいずれかの部分に、いわゆるニーディングディスク部を備えるものであってもよい。押出機を用いる処理方法としては、特に制限はないが、チップ状パルプを押出機に投入し、連続的に処理する方法が好ましい。
また、ボールミルとしては、公知の振動ボールミル、媒体攪拌ミル、転動ボールミル、遊星ボールミル等を用いることができる。媒体として用いるボールの材質に特に制限はなく、例えば、鉄、ステンレス、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。ボールの外径は、効率的にセルロースを非晶化させる観点から、好ましくは0.1〜100mmである。また媒体としては、ボール以外にもロッド状のものやチューブ状のものも用いることが可能である。
尚、ボールミルの処理時間としては、結晶化度を低下させる観点から好ましくは5分〜72時間である。またこの処理の際には、発生する熱による変性や劣化を最小限に抑えるためにも、250℃以下、好ましくは5〜200℃の温度範囲内で処理を行うことが好ましく、更には必要に応じて、窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うことができる。
The low crystalline powdery cellulose used in the present invention can be prepared very easily from a sheet-like or roll-like pulp having a high cellulose purity obtained as a general-purpose raw material. The method for preparing the low-crystalline powdery cellulose is not particularly limited. For example, JP-A-62-236801, JP-A-2003-64184, JP-A-2004-331918, etc. Mention may be made of the preparation methods described.
Further, for example, a method of preparing a chip-like pulp obtained by roughly pulverizing a sheet-like pulp by an extruder and further by a ball mill can be mentioned.
As the extruder used in this method, a single-screw or twin-screw extruder can be used, and from the viewpoint of applying a strong compressive shear force, a so-called kneading disk portion is provided in any part of the screw. There may be. Although there is no restriction | limiting in particular as a processing method using an extruder, The method of throwing a chip-form pulp into an extruder and processing continuously is preferable.
As the ball mill, a known vibration ball mill, medium stirring mill, rolling ball mill, planetary ball mill, or the like can be used. There is no restriction | limiting in particular in the material of the ball | bowl used as a medium, For example, iron, stainless steel, an alumina, a zirconia etc. are mentioned. The outer diameter of the ball is preferably 0.1 to 100 mm from the viewpoint of efficiently amorphizing the cellulose. In addition to the ball, a medium such as a rod or tube can be used as the medium.
The ball mill treatment time is preferably 5 minutes to 72 hours from the viewpoint of reducing the crystallinity. Further, in this treatment, it is preferable to carry out the treatment within a temperature range of 250 ° C. or less, preferably 5 to 200 ° C., and further necessary, in order to minimize denaturation and deterioration due to the generated heat. Accordingly, the reaction can be performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen.
前述のような方法を用いれば、分子量の制御も可能であり、一般には入手困難な、重合度が高く、かつ低結晶性の粉末セルロースを容易に調製することが可能であるが、好ましい重合度としては、100〜2000であり、より好ましくは100〜1000である。
本発明に用いる低結晶性の粉末セルロースの結晶化度は、好ましくは前記計算式(1)から求められる結晶化度が50%以下である。この結晶化度が50%以下であれば、各種エーテル化剤との反応が極めて良好に進行する。この観点から、40%以下がより好ましく、30%以下が更に好ましい。特に、本発明において、完全に非晶質化した、すなわち前記計算式から求められる結晶化度がほぼ0%となる非晶化セルロースを用いることが最も好ましい。
この低結晶性の粉末セルロースの平均粒径は、メタノール中で良好に分散できる状態であれば特に限定されないが、300μm以下が好ましく、20〜150μmがより好ましく、25〜50μmが更に好ましい。
By using the method as described above, it is possible to control the molecular weight, and it is possible to easily prepare powdered cellulose having a high degree of polymerization and low crystallinity, which is generally difficult to obtain. As, it is 100-2000, More preferably, it is 100-1000.
The crystallinity of the low-crystalline powdery cellulose used in the present invention is preferably 50% or less as determined from the calculation formula (1). When the crystallinity is 50% or less, the reaction with various etherifying agents proceeds extremely well. In this respect, 40% or less is more preferable, and 30% or less is still more preferable. In particular, in the present invention, it is most preferable to use amorphous cellulose that has been completely amorphized, that is, the degree of crystallinity obtained from the above formula is approximately 0%.
The average particle size of the low crystalline powdery cellulose is not particularly limited as long as it can be dispersed well in methanol, but is preferably 300 μm or less, more preferably 20 to 150 μm, and even more preferably 25 to 50 μm.
〔メチルセルロースの製造〕
本発明のメチルセルロースの製造方法は、セルロース、好ましくは低結晶性の粉末セルロースを、触媒量の触媒存在下、亜臨界状態のメタノールを用いて反応させることを特徴とする。本発明における亜臨界状態とは、反応温度及び反応圧力が、前述の特許文献5の段落〔0041〕に定義されているメタノールの亜臨界および超臨界条件領域〔すなわち、臨界温度;Tc=512K(239℃)の0.9〜1.5倍の反応温度、かつ臨界圧力;Pc=8.1MPaの0.5〜4.5倍の反応圧力領域〕よりも低い領域を示し、特に反応圧力が低い領域を示す。具体的には、反応温度として臨界温度;Tc=512K(239℃)の0.75〜1.0倍の範囲の反応温度領域(180〜239℃)、および反応圧力として臨界圧力;Pc=8.1MPaの0.1倍以上0.5倍未満の反応圧力領域(0.8MPa以上4.0MPa未満)を示す。このうち、本発明における反応温度領域としては、原料セルロースや生成メチルセルロースの分解や着色を抑える観点から、更に180〜230℃の範囲が好ましい。
この反応温度領域および反応圧力領域であれば、本発明におけるセルロース、好ましくは低結晶性の粉末セルロースのメチルエーテル化が、極めて良好に進行する。
[Production of methylcellulose]
The method for producing methylcellulose of the present invention is characterized by reacting cellulose, preferably low crystalline powdered cellulose, in the presence of a catalytic amount of catalyst using subcritical methanol. In the present invention, the subcritical state means that the reaction temperature and the reaction pressure are the subcritical and supercritical condition regions of methanol defined in paragraph [0041] of the aforementioned Patent Document 5 [that is, critical temperature; Tc = 512K ( The reaction temperature is 0.9 to 1.5 times that of 239 ° C. and the critical pressure; the reaction pressure region is 0.5 to 4.5 times that of Pc = 8.1 MPa]. Indicates a low area. Specifically, the reaction temperature is a critical temperature; a reaction temperature region (180 to 239 ° C.) in the range of 0.75 to 1.0 times Tc = 512 K (239 ° C.), and the reaction pressure is a critical pressure; Pc = 8 A reaction pressure region (0.8 MPa or more and less than 4.0 MPa) of 0.1 MPa or more and less than 0.5 times of 0.1 MPa is shown. Among these, the reaction temperature region in the present invention is more preferably in the range of 180 to 230 ° C. from the viewpoint of suppressing decomposition and coloring of the raw material cellulose and generated methyl cellulose.
Within this reaction temperature region and reaction pressure region, methyl etherification of cellulose, preferably low crystalline powdered cellulose in the present invention proceeds very well.
本発明で用いる触媒としては、特に限定されるものではないが、金属塩が好ましく、例えば、硫酸、リン酸、ホウ酸の中から選ばれる無機酸のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩またはアルミニウム塩であり、更に詳しくは、水溶性の中和塩が好ましい。この水溶性という特長を利用すれば、反応終了後に未反応メタノールを留去・回収し、生成物を水洗または一般のセルロースエーテル製造で使われるような含水イソプロパノール等で洗浄することにより容易に触媒を除去することが可能であり、メチルセルロース合成のように一般的な固体触媒では難しい固体生成物と触媒との分離が極めて容易となる。これら触媒としては、例えばリン酸ナトリウム、リン酸セシウム、硫酸セシウム、リン酸マグネシウム、リン酸アルミニウム、ホウ酸アルミニウム等が挙げられる。
これら触媒の使用量としては、セルロースに対して触媒量で十分であり、具体的にはセルロースに対して1〜30重量%程度用いるのが好ましく、10〜25重量%用いるのが更に好ましい。これらの触媒は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることも可能である。
The catalyst used in the present invention is not particularly limited, but a metal salt is preferable. For example, an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, or aluminum of an inorganic acid selected from sulfuric acid, phosphoric acid, and boric acid. More specifically, a water-soluble neutralized salt is preferable. By utilizing this water-soluble feature, after the reaction is completed, unreacted methanol is distilled off and collected, and the product can be easily washed with water or with water-containing isopropanol used in general cellulose ether production. It is possible to remove the solid product from the catalyst, which is difficult with a general solid catalyst such as methylcellulose synthesis. Examples of these catalysts include sodium phosphate, cesium phosphate, cesium sulfate, magnesium phosphate, aluminum phosphate, and aluminum borate.
With respect to the amount of these catalysts used, a catalytic amount relative to cellulose is sufficient, and specifically, it is preferably about 1 to 30% by weight, more preferably 10 to 25% by weight based on cellulose. These catalysts can be used alone or in combination of two or more.
また本発明においては、セルロースと触媒をメタノール中で十分に分散している状態で反応させるが、そのためには攪拌翼等で反応系内を効果的に攪拌させることが好ましい。この観点から、メタノールの使用量としては、セルロースに対して5重量倍以上用いるのが好ましく、更には10〜50重量倍量を用いるのがより好ましい。
本発明におけるセルロースと亜臨界状態のメタノールとの反応は、通常は反応容器としてオートクレーブ等の耐圧容器を用いて行われるが、加温されている耐圧の管型反応容器中に、セルロースおよび触媒のメタノール分散液をスラリー状態で流通させて反応させることも可能である。
また更には、特開2002-114801号公報で開示しているような、樹脂等の混錬に用いられる、いわゆるニーダー等の混合機を反応容器として用い、メタノール使用量を反応時に耐圧圧力以下になるように調整し、熱油等の高温媒体により加温して反応させることも可能である。
In the present invention, the cellulose and the catalyst are reacted in a sufficiently dispersed state in methanol. For this purpose, it is preferable to effectively stir the reaction system with a stirring blade or the like. From this viewpoint, the amount of methanol used is preferably 5 times by weight or more, more preferably 10 to 50 times by weight the amount of cellulose.
The reaction of cellulose and subcritical methanol in the present invention is usually carried out using a pressure vessel such as an autoclave as a reaction vessel, but in a heated pressure-resistant tube reaction vessel, cellulose and catalyst It is also possible to react the methanol dispersion in a slurry state.
Furthermore, a mixer such as a so-called kneader used for kneading resins as disclosed in JP-A-2002-114801 is used as a reaction vessel, and the amount of methanol used is reduced to a pressure pressure or lower during the reaction. It is also possible to adjust so that it is heated and to react with a hot medium such as hot oil.
また本発明は、反応容器中にセルロース、触媒、およびメタノールを加えた後、攪拌しながら使用する温度領域まで加温することで行うことが好ましいが、反応時の着色を避けるためにも必要に応じてあらかじめ窒素等の不活性ガスで十分に置換した後、加温して反応させることがより好ましい。
本発明において、メチル基はセルロース分子中のグルコース単位におけるいかなる位置の水酸基に結合していてもよいが、反応時間や温度、メタノール量、ならびに触媒使用量といった反応条件を調整することで、グルコース単位あたり任意の置換度に調製することが可能であり、各種組成物用途の配合成分として極めて広範に利用することが可能である。
In addition, the present invention is preferably performed by adding cellulose, catalyst, and methanol to the reaction vessel and then heating to the temperature range to be used with stirring, but it is also necessary to avoid coloring during the reaction. Accordingly, it is more preferable that the reaction is sufficiently performed after sufficiently substituting with an inert gas such as nitrogen in advance.
In the present invention, the methyl group may be bonded to the hydroxyl group at any position in the glucose unit in the cellulose molecule, but the glucose unit can be adjusted by adjusting the reaction conditions such as reaction time, temperature, amount of methanol, and amount of catalyst used. It can be prepared to have any substitution degree, and can be used very widely as a blending component for various compositions.
(1)セルロースの結晶化度、重合度、平均粒径の算出
本発明で用いたセルロースの結晶化度の算出は、株式会社リガク製「Rigaku RINT 2500VC X-RAY diffractometer」を用いて以下の条件で測定した回折スペクトルのピーク強度から前記計算式に従って行った。
X線源:Cu/Kα−radiation,管電圧:40kv,管電流:120mA,測定範囲:2θ=5〜45°,測定用サンプル:面積320mm2×厚さ1mmのペレットを圧縮し作製,X線のスキャンスピード:10°/min
尚、重合度はISO−4312法に記載の銅アンモニア法により測定した。また平均粒径は、株式会社堀場製作所製レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「LA−920」を用いて測定した。
(1) Calculation of cellulose crystallinity, degree of polymerization, and average particle diameter Calculation of the crystallinity of cellulose used in the present invention was performed under the following conditions using "Rigaku RINT 2500VC X-RAY diffractometer" manufactured by Rigaku Corporation. It was carried out according to the above calculation formula from the peak intensity of the diffraction spectrum measured in (1).
X-ray source: Cu / Kα-radiation, tube voltage: 40 kv, tube current: 120 mA, measurement range: 2θ = 5 to 45 °, measurement sample: produced by compressing pellets with an area of 320 mm 2 × thickness of 1 mm, X-ray Scan speed: 10 ° / min
The degree of polymerization was measured by the copper ammonia method described in ISO-4312 method. The average particle size was measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer “LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.
(2)メチル化の置換度の算出
置換度はセルロース中のグルコース単位当たりの、メチル基の平均付加モル数を示す。その算出法としては、まずピリジン溶媒中でメトキシアセチルクロリドを用いて生成物中のメチルエーテル化されていない水酸基のメトキシアセチル化を行い、そのメトキシアセチル化物の1H NMRスペクトルを測定し、3.3〜4.3ppm(重クロロホルム溶媒中、トリメトキシシラン基準)に観察されるメトキシアセチル基中のメチルプロトンおよびメチレンプロトンシグナルと、メチルエーテル化されたメチル基中のメチルプロトンシグナルとの積分比から算出した。
(2) Calculation of substitution degree of methylation The degree of substitution indicates the average number of moles of methyl group added per glucose unit in cellulose. As the calculation method, first, methoxyacetylation of a hydroxyl group which is not methyletherified in a product is performed using methoxyacetyl chloride in a pyridine solvent, and a 1 H NMR spectrum of the methoxyacetylated product is measured, and 3. From the integral ratio of methyl proton and methylene proton signals in the methoxyacetyl group and methyl proton signals in the methyl etherified methyl group observed at 3 to 4.3 ppm (in deuterated chloroform solvent, based on trimethoxysilane) Calculated.
製造例1(非晶化粉末セルロースの製造)
まず木材パルプシート(ボレガード社製パルプシート、結晶化度74%)をシュレッダー(株式会社明光商会製、「MSX2000−IVP440F」)を用いて裁断しチップ状にした。
次に、得られたチップ状パルプを二軸押出機(株式会社スエヒロEPM製、「EA−20」)に2kg/hrで投入し、せん断速度660sec-1、スクリュー回転数300rpmで外部を冷却水により冷却しながら、1パスの処理で粉末状にした。
次に、得られた粉末セルロースを、バッチ式媒体攪拌ミル(五十嵐機械社製「サンドグラインダー」:容器容積800mL、5mmφジルコニアビーズを720g充填、充填率25%、攪拌翼径70mm)に投入した。容器外部を冷却水で冷却しながら、攪拌回転数2000rpm、温度30〜70℃の範囲で、2.5時間処理を行い、非晶化粉末セルロース(結晶化度0%、重合度600、平均粒径40μm)を得た。この粉末セルロースの反応には更に32μm目開きの篩をかけた篩下品(投入量の90%)を使用した。
なお、各結晶化度の異なる粉末セルロースは、ボールミル処理における処理時間を変えることで調製した。
Production Example 1 (Production of Amorphized Powdered Cellulose)
First, a wood pulp sheet (a pulp sheet manufactured by Boleguard, crystallinity 74%) was cut into a chip by using a shredder (“MSX2000-IVP440F” manufactured by Meiko Shokai Co., Ltd.).
Next, the obtained chip-like pulp was charged into a twin screw extruder (“EA-20” manufactured by Suehiro EPM Co., Ltd.) at 2 kg / hr, and the outside was cooled with a shear rate of 660 sec −1 and a screw rotation speed of 300 rpm. The powder was formed by a one-pass treatment while being cooled.
Next, the obtained powdered cellulose was put into a batch-type medium stirring mill (“Sand grinder” manufactured by Igarashi Machine Co., Ltd .: container volume 800 mL, filled with 720 g of 5 mmφ zirconia beads, filling rate 25%, stirring blade diameter 70 mm). While cooling the outside of the container with cooling water, the mixture was treated for 2.5 hours at a stirring speed of 2000 rpm and a temperature of 30 to 70 ° C. to obtain amorphous powdered cellulose (0% crystallinity, 600 polymerization degree, average particle size) 40 μm in diameter) was obtained. For the reaction of the powdered cellulose, an unsieved product (90% of the input amount) with a sieve having an opening of 32 μm was used.
In addition, the powder cellulose from which each crystallinity differs was prepared by changing the processing time in a ball mill process.
実施例1
小型のオートクレーブ(容器容量30ml)中に、上記製造例1で得られた非晶化粉末セルロース(結晶化度0%、重合度600)0.50gを加え、リン酸ナトリウム0.1g、メタノール10mlを加え、窒素置換後、脱気した。攪拌しながら、高温オイルバスで220℃まで昇温した。容器内の圧力は初期に2MPaを示した。そのまま16時間攪拌後、室温まで冷却した。未反応メタノールを留去後、含水イソプロパノール(含水量15%)およびアセトンで洗浄後、減圧下乾燥して、メチルセルロースを淡茶色固体として得た。メトキシアセチル化後の1HNMR分析から、メチルセルロースのメチル基としての置換度はグルコース単位当たり2.8となり、反応は極めて良好に進行していた。またセルロース中の全ての水酸基に対して同じ反応性を示した。
Example 1
In a small autoclave (container capacity: 30 ml), 0.50 g of the non-crystalline powdery cellulose (crystallinity 0%, polymerization degree 600) obtained in Production Example 1 was added, 0.1 g of sodium phosphate, 10 ml of methanol. Was added and purged with nitrogen, followed by deaeration. While stirring, the temperature was raised to 220 ° C. in a high-temperature oil bath. The pressure in the container initially showed 2 MPa. The mixture was stirred for 16 hours and then cooled to room temperature. Unreacted methanol was distilled off, washed with hydrous isopropanol (water content 15%) and acetone, and then dried under reduced pressure to obtain methylcellulose as a light brown solid. From 1 HNMR analysis after methoxyacetylation, the substitution degree of methylcellulose as a methyl group was 2.8 per glucose unit, and the reaction proceeded very well. Moreover, the same reactivity was shown with respect to all the hydroxyl groups in a cellulose.
実施例2
触媒としてリン酸セシウム0.1gを用いる以外は実施例1と同様にして反応を行った結果、メチルセルロースを淡茶色固体として得た。生成メチルセルロース中のメチル基としての置換度はセルロース分子中のグルコース単位当たり2.0となり反応は極めて良好に進行していた。
Example 2
The reaction was conducted in the same manner as in Example 1 except that 0.1 g of cesium phosphate was used as a catalyst. As a result, methylcellulose was obtained as a light brown solid. The degree of substitution as methyl groups in the produced methylcellulose was 2.0 per glucose unit in the cellulose molecule, and the reaction proceeded very well.
実施例3
触媒として硫酸セシウム0.1gを用いる以外は実施例1と同様にして反応を行った結果、メチルセルロースを淡茶色固体として得た。生成メチルセルロース中のメチル基としての置換度はセルロース分子中のグルコース単位当たり2.0となり反応は極めて良好に進行していた。
Example 3
A reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that 0.1 g of cesium sulfate was used as a catalyst. As a result, methylcellulose was obtained as a light brown solid. The degree of substitution as methyl groups in the produced methylcellulose was 2.0 per glucose unit in the cellulose molecule, and the reaction proceeded very well.
実施例4
触媒としてリン酸マグネシウム0.1gを用いる以外は実施例1と同様にして反応を行った結果、メチルセルロースを淡茶色固体として得た。生成メチルセルロース中のメチル基としての置換度はセルロース分子中のグルコース単位当たり2.5となり反応は極めて良好に進行していた。
Example 4
A reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that 0.1 g of magnesium phosphate was used as a catalyst. As a result, methylcellulose was obtained as a light brown solid. The degree of substitution as methyl groups in the produced methylcellulose was 2.5 per glucose unit in the cellulose molecule, and the reaction proceeded very well.
本発明は、工業的にも簡便でかつ効率的な製造方法によって、メチルセルロースを製造することができ、得られたメチルセルロースは、化粧品用や食品用の乳化安定化剤、建材用の分散剤や懸濁安定化剤、増粘剤、接着剤、医薬品等における分散剤や安定化剤、バインダー、保護コロイド剤等の多様な用途に好適に用いることができる。 In the present invention, methylcellulose can be produced by an industrially simple and efficient production method, and the obtained methylcellulose is used as an emulsion stabilizer for cosmetics and foods, as a dispersant or suspension for building materials. It can be suitably used for various applications such as turbid stabilizers, thickeners, adhesives, pharmaceuticals, dispersants and stabilizers, binders, protective colloids, and the like.
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