セルロースエーテルの特性、製造および産業への応用

セルロースエーテルの種類、調製方法、特性および特徴を概説し、石油、建設、製紙、繊維、医療、食品、光電材料および日常化学産業におけるセルロースエーテルの応用について概説した。開発の見通しのあるセルロースエーテル誘導体のいくつかの新品種を紹介し,それらの応用の見通しを展望した。

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セルロースは天然高分子化合物の一種です。その化学構造は、無水β-グルコースを基本環として、各基本環に 1 つの第一級水酸基と 2 つの第二級水酸基を持つ多糖高分子です。化学修飾によって一連のセルロース誘導体を得ることができます。セルロースエーテルもその 1 つです。セルロースエーテルは、セルロースとNaOHを反応させて得られ、副生塩やセルロースナトリウムを洗浄することにより、塩化メタン、エチレンオキシド、プロピレンオキシドなどの各種機能性モノマーとエーテル化します。セルロースエーテルはセルロースの重要な誘導体であり、医療、健康、日用化学品、製紙、食品、医薬品、建設、材料およびその他の産業で広く使用できます。したがって、セルロースエーテルの開発・利用は、再生可能なバイオマス資源の総合的利用、新素材・新技術の開発にとって積極的な意義を持っています。

1. セルロースエーテルの分類と調製

セルロースエーテルの分類は、そのイオン特性に応じて一般に 4 つのカテゴリーに分類されます。

1.1 ノニオン性セルロースエーテル

非イオン性セルロースエーテルは主にセルロースアルキルエーテルであり、製造方法はセルロースとNaOH反応、次に塩化メタン、エチレンオキシド、プロピレンオキシドなどのさまざまな機能性モノマーとのエーテル化反応、および副生成物の洗浄によって行われます。塩とセルロースナトリウムを入手します。主なメチルセルロースエーテルとしては、メチルヒドロキシエチルセルロースエーテル、メチルヒドロキシプロピルセルロースエーテル、ヒドロキシエチルセルロースエーテル、シアノエチルセルロースエーテル、ヒドロキシブチルセルロースエーテルなどが挙げられる。その応用範囲は非常に広いです。

1.2 アニオン性セルロースエーテル

アニオン性セルロースエーテルは、主にカルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースナトリウムです。調製方法は、セルロースとNaOHを反応させ、モノクロロ酢酸またはエチレンオキシド、プロピレンオキシドでエーテル化し、副生塩とセルロースナトリウムを洗浄して得ます。

1.3 カチオン性セルロースエーテル

カチオン性セルロースエーテルは、主に3-塩素-2-ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリドセルロースエーテルです。製造方法は、セルロースとNaOHを反応させた後、カチオン性エーテル化剤3-塩素-2-ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリドまたはエチレンオキシド、プロピレンオキシドをエーテル化反応させ、副生塩とナトリウムを洗浄することにより製造されます。セルロースを入手します。

1.4 両性イオン性セルロースエーテル

両性イオン性セルロースエーテルは、分子鎖上にアニオン基とカチオン基の両方を持ち、製造方法はセルロースとNaOH反応、次にクロロ酢酸とカチオン性エーテル化剤3-塩素-2ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリドによるエーテル化反応、その後洗浄です。副生塩とナトリウムセルロースにより得られる。

2.セルロースエーテルの性質と特徴

2.1 外観の特徴

セルロースエーテルは一般に白色または乳白色で、無味、無毒で、繊維状粉末の流動性があり、水分を吸収しやすく、水に溶けて透明で粘稠な安定したコロイドになります。

2.2 皮膜形成と密着性

セルロースエーテルのエーテル化は、溶解性、フィルム形成能、結合強度、耐塩性などの特性に大きな影響を与えます。セルロースエーテルは、機械的強度、柔軟性、耐熱性、耐寒性が高く、さまざまな樹脂や可塑剤との相溶性が良好で、プラスチック、フィルム、ワニス、接着剤、ラテックス、医薬品コーティング材料の製造に使用できます。

2.3 溶解性

メチルセルロース 冷水に可溶、熱水に不溶、ただし一部の有機溶媒にも可溶。メチルヒドロキシエチルセルロース 冷水に可溶、熱水および有機溶媒に不溶。しかし、メチルセルロースとメチルヒドロキシエチルセルロースの水溶液を加熱すると、メチルセルロースとメチルヒドロキシエチルセルロースが析出する。メチルセルロースは45～60℃で沈殿しますが、混合エーテル化メチルヒドロキシエチルセルロースは65～80℃で沈殿します。温度が下がると、沈殿物は再溶解します。

ヒドロキシエチルセルロースナトリウムとカルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースは、どの温度でも水に可溶ですが、有機溶媒には不溶です（いくつかの例外を除きます）。

2.4 増粘

セルロースエーテルはコロイド状で水に溶解しており、その粘度はセルロースエーテルの重合度に依存します。溶液には水和高分子が含まれています。高分子の絡み合いにより、溶液の流れ挙動はニュートン流体とは異なりますが、せん断力の変化に応じて変化する挙動を示します。セルロースエーテルの高分子構造により、溶液の粘度は濃度が増加すると急速に増加し、温度が上昇すると急速に減少します。

2.5 分解性

水相にはセルロースエーテルが使用されます。水が存在する限り細菌は増殖します。細菌が増殖すると酵素細菌が生成されます。酵素細菌はセルロースエーテルに隣接する無置換の脱水グルコース単位の結合を破壊し、ポリマーの分子量を減少させた。したがって、セルロースエーテル水溶液を長期間保存する場合には、たとえ抗菌性セルロースエーテルを使用したとしても、防腐剤を添加する必要がある。

3.セルロースエーテルの産業への応用

3.1 石油産業

カルボキシメチルセルロースナトリウムは主に石油開発に使用されます。粘度を高め、水の損失を減らすために泥の製造に使用されます。さまざまな可溶性塩類汚染に耐性があり、油回収率が向上します。

ナトリウムカルボキシメチルヒドロキシプロピルセルロースおよびナトリウムカルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースは、一種のより優れた掘削泥水処理剤および完成流体材料の調製、高いパルプ化率、耐塩性、耐カルシウム性、良好な増粘能力、耐熱性（160℃）を有する。淡水、海水、飽和塩水掘削液の調製に適しており、塩化カルシウムの重量でさまざまな密度（103〜1279 / cm3）の掘削液に混合でき、一定の粘度と低ろ過性を持たせることができます。能力、粘度、濾過能力はヒドロキシエチルセルロースよりも優れており、優れた石油生産添加剤です。ナトリウムカルボキシメチルセルロースは、セルロース誘導体の石油開発のプロセスで広く使用されており、掘削液、セメンティング液、破砕液などに使用され、石油生産の向上に使用されます。特に掘削液の消費量が多く、主な離着陸時のろ過と粘度化に使用されます。

ヒドロキシエチルセルロースは、掘削、完成、セメント固定のプロセスで泥の増粘安定剤として使用されます。ヒドロキシエチルセルロースとカルボキシメチルセルロースナトリウムは、グアーガムに比べて増粘効果が良く、懸濁砂、塩分含有量が高く、耐熱性が良く、抵抗が小さく、液体の損失が少なく、ゴムブロックの破損が少なく、残留物が少ない特性があるため、広く使用されています。

3.2 建設業および塗装業

建築および左官モルタル混和剤: ナトリウム カルボキシメチル セルロースは、遅延剤、保水剤、増粘剤および結合剤として使用でき、石膏底およびセメント底プラスター、モルタルおよび地盤均し材の分散剤、保水剤、増粘剤として使用できます。これは、カルボキシメチルセルロース製の気泡コンクリートブロック用の特殊な石材および左官用モルタル混和剤の一種であり、モルタルの作業性、保水性、耐ひび割れ性を向上させ、ブロック壁のひび割れや空洞を回避できます。

建築表面装飾材料：曹明前およびその他のメチルセルロースは一種の環境保護建築表面装飾材料で作られ、その製造プロセスはシンプルでクリーンで、高級な壁、石タイルの表面に使用でき、柱にも使用できます。 、タブレットの表面装飾。カルボキシメチルセルロース製の黄建平はセラミックタイルシーラントの一種で、接着力が強く、変形能力が高く、ひび割れや脱落が発生せず、防水効果が高く、色が明るくカラフルで、装飾効果に優れています。

塗料への応用: メチルセルロースとヒドロキシエチルセルロースは、ラテックス塗料の安定剤、増粘剤、保水剤として使用でき、さらに、カラーセメント塗料の分散剤、増粘剤、塗膜形成剤としても使用できます。適切な仕様と粘度のセルロース エーテルをラテックス ペイントに添加すると、ラテックス ペイントの施工性能が向上し、飛散を防止し、保存安定性とカバー力が向上します。海外の主な消費分野はラテックス塗料であるため、セルロースエーテル製品がラテックス塗料増粘剤の第一選択となることがよくあります。たとえば、変性メチルヒドロキシエチルセルロースエーテルは、その優れた総合特性により、ラテックスペイントの増粘剤において主導的な地位を維持することができます。例えば、セルロースエーテルは独特のサーマルゲル特性と溶解性、耐塩性、耐熱性を有し、適切な界面活性を有するため、保水剤、懸濁剤、乳化剤、皮膜形成剤、潤滑剤、結合剤、レオロジー補正剤として使用できます。 。

3.3 製紙産業

紙湿潤添加剤: CMC は繊維分散剤および紙強化剤として使用でき、カルボキシメチルセルロースナトリウムとパルプおよび充填粒子が同じ電荷を持っているためパルプに添加でき、繊維の均一性を高め、紙の強度を向上させることができます。紙。紙の内部に添加される強化剤として、繊維間の結合協力を高め、引張強度、耐破断性、紙の均一性およびその他の物理指標を向上させることができます。カルボキシメチルセルロースナトリウムもパルプのサイズ剤として使用できます。独自のサイズ度に加え、ロジン、AKD等のサイズ剤の保護剤としても使用できます。カチオン性セルロースエーテルは、紙保持補助フィルターとしても使用でき、微細繊維や充填剤の保持率を向上させ、紙の補強材としても使用できます。

コーティング接着剤：紙のコーティング接着剤のコーティングに使用され、チーズ、ラテックスの一部を置き換えることができるため、印刷インクが浸透しやすく、エッジがきれいになります。顔料分散剤、増粘剤、安定剤としても使用できます。

表面サイズ剤：カルボキシメチルセルロースナトリウムは紙の表面サイズ剤として使用でき、紙の表面強度を向上させます。現在使用されているポリビニルアルコールと比較して、加工デンプン後の表面強度は約10％増加し、用量は減少します。約30％増加します。製紙用表面サイズ剤として期待されており、一連の新品種の開発が積極的に進められるべきである。カチオン性セルロースエーテルは、カチオン性デンプンよりも表面サイズ性能が優れており、紙の表面強度を向上させるだけでなく、紙のインク吸収性を向上させ、染色効果を高めることができ、また、有望な表面サイズ剤でもあります。

3.4 繊維産業

繊維産業では、セルロースエーテルは繊維パルプのサイズ剤、レベリング剤、増粘剤として使用できます。

サイズ剤：カルボキシメチルセルロースナトリウム、ヒドロキシエチルカルボキシメチルセルロースエーテル、ヒドロキシプロピルカルボキシメチルセルロースエーテルなどのセルロースエーテルをサイズ剤として使用でき、劣化しにくく、成形、印刷、染色が容易で、サイズ除去せずに、染料を均一に得ることができます。水中のコロイド。

レベリング剤：染料の親水性と浸透力を高めることができ、粘度変化が小さいため、色差を調整しやすい。カチオン性セルロースエーテルには染色・着色効果もあります。

増粘剤: カルボキシメチルセルロースナトリウム、ヒドロキシエチルカルボキシメチルセルロースエーテル、ヒドロキシプロピルカルボキシメチルセルロースエーテルは、印刷および染色スラリーの増粘剤として使用でき、残留物が少なく、高い色率特性を持ち、非常に可能性の高い繊維添加剤の一種です。

3.5 家庭用化学品産業

安定増粘剤：固体粉末原料ペースト製品中のナトリウムメチルセルロースは、液体または乳化化粧品中での分散懸濁安定性、増粘、分散、均質化などの役割を果たします。安定剤や増粘剤として使用できます。

乳化安定剤：軟膏、シャンプー用乳化剤、増粘剤、安定剤を行います。カルボキシメチルヒドロキシプロピルセルロースナトリウムは、良好なチキソトロピー特性を備え、歯磨き粉の接着安定剤として使用でき、歯磨き粉の成形性、長期変形性、均一で繊細な味が得られます。カルボキシメチルヒドロキシプロピルセルロースナトリウムは耐塩性、耐酸性に優れており、その効果はカルボキシメチルセルロースよりはるかに優れており、洗剤の増粘剤、汚れ付着防止剤として使用できます。

分散増粘剤：洗剤の製造において、洗剤汚れ分散剤、液体洗剤増粘剤および分散剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムが一般的に使用されます。

3.6 製薬および食品産業

製薬業界では、ヒドロキシプロピルカルボキシメチルセルロースは、薬物賦形剤として使用でき、経口薬物骨格の制御放出製剤および徐放性製剤に広く使用され、薬物の放出を制御する放出ブロック材料として、コーティング材料の徐放剤、徐放性ペレットとして使用できます。 、徐放性カプセル。最も広く使用されているのはメチルカルボキシメチルセルロース、エチルカルボキシメチルセルロースで、MCなどは錠剤やカプセル、またはコーティングされた糖衣錠の製造によく使用されます。

高品質のセルロースエーテルは食品産業で使用でき、さまざまな食品に効果的な増粘剤、乳化剤、安定剤、賦形剤、保水剤、機械発泡剤として使用されます。メチルセルロースとヒドロキシプロピルメチルセルロースは、無害な代謝不活性物質として認識されています。高純度（純度99.5%以上）のカルボキシメチルセルロースは、牛乳やクリーム製品、調味料、ジャム、ゼリー、缶、テーブルシロップ、飲料などの食品に添加できます。 90％以上の純度のカルボキシメチルセルロースは、生の果物の輸送や保管などの食品関連の側面で使用でき、ラップは保存効果が高く、汚染が少なく、損傷がなく、機械化生産が容易な利点があります。

3.7 光・電気機能材料

電解質増粘安定剤：セルロースエーテルの純度が高いため、耐酸性、耐塩性に優れ、特に鉄と重金属の含有量が低いため、コロイドは非常に安定しており、アルカリ電池、亜鉛マンガン電池の電解質増粘安定剤に適しています。

液晶材料: 1976 年のヒドロキシプロピル セルロースの最初の発見以来、水系液晶相は適切な有機溶液で発見されており、高濃度の多くのセルロース誘導体は異方性溶液を形成できます。たとえば、ヒドロキシプロピル セルロースとその酢酸塩、プロピオン酸塩などです。コロイド状イオン液晶溶液を形成することに加えて、ヒドロキシプロピルセルロースのいくつかのエステルもこの特性を示します。

多くのセルロース エーテルはサーモトロピック液晶特性を示します。アセチルヒドロキシプロピルセルロースは164℃以下で熱発生性コレステリック液晶を形成した。アセトアセテートヒドロキシプロピルセルロース、トリフルオロアセテートヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースとその誘導体、エチルヒドロキシプロピルセルロース、トリメチルシリセルロースとブチルジメチルシリセルロース、ヘプチルセルロースとブトキシルエチルセルロース、酢酸ヒドロキシエチルセルロースなどは、いずれも熱発生性コレステリック液晶を示した。安息香酸セルロース、p-メトキシ安息香酸セルロース、p-メチル安息香酸セルロース、ヘプタン酸セルロースなどの一部のセルロースエステルは、熱発生性コレステリック液晶を形成することができます。

電気絶縁材料: アクリロニトリルのシアノエチルセルロースエーテル化剤。誘電率が高く、損失係数が低いため、リンおよびエレクトロルミネセントランプの樹脂マトリックスおよび変圧器絶縁として使用できます。

4. 終わりの挨拶

世界最大の天然有機物であるセルロースの新たな用途を開拓するには、化学修飾を利用して特殊な機能を備えたセルロース誘導体を得ることが効果的です。セルロース誘導体の一つであるセルロースエーテルは、その優れた特性から生理的無害・無公害の水溶性高分子材料として多くの産業で使用されており、今後の発展が期待されています。