TEMPO触媒酸化CNF電顕写真

ナノセルロースの単繊維、セルロースミクロフィブリルを得る方法

ナノセルロースの基本単位は、径が3~4nmのセルロースミクロフィブリルです。これは単繊維あるいはシングルナノファイバーとも呼ばれ、径が最も細くかつ揃っており、水中で完全分散させることができるものです。この単繊維は高等植物、バクテリア、ホヤが作ったセルロースを物理的な方法で解繊するだけでは得られません。

セルロースは水酸基(-OH)を持っているため、セルロース繊維の内部では多数のセルロースミクロフィブリルの水酸基どうしが水素結合で結びついています。そのため外部から物理的なエネルギーを与えるだけでは、内部の水素結合まで切断してセルロース繊維をバラバラにして、セルロースミクロフィブリルを得ることは困難です。そこでセルロースの表面に存在する水酸基を別の官能基で置き換えることによって、水との親和性を高め、水素結合の生成を妨げることが必要となってきます。

この方法としてもっとも広く使われているのが、TEMPO触媒酸化です。TEMPO触媒酸化では、セルロース繊維の表面に露出したC6位の水酸基(-OH)がカルボキシ基(-COOH)に変換されます。セルロース繊維の表面に高密度で親水性のカルボキシ基のNa塩が生成することで、セルロース繊維どうしが水中で分散しやすくなり、少量の物理的なエネルギーで、セルロースミクロフィブリルを得ることができます。同様な方法として、リン酸エステル化(-OH → -OPO3Na2)、亜リン酸エステル化(-OH → -OPO2Na2)、カルボキシメチル化(-OH → -OCH2COONa)、ザンテート化(-OH → -OCS2Na)、硫酸エステル化(-OH → – OSO3Na)、スルホン化があります。

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