JP4894078B2

JP4894078B2 - 改質剤およびそれを用いた材料の改質方法

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Publication number: JP4894078B2
Application number: JP36972699A
Authority: JP
Inventors: 敦子原澤; 龍吉松尾; 純一神永
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001181599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オルガノシラン由来化合物からなる改質剤、およびその改質剤を用いた材料の改質方法に関するものである。従来のように溶剤を必要とせず、水を媒介とする条件下で、水中での処理が容易であるため、容易、かつ均一に、高濃度のシランによる機能付与により材料を改質できる。
【０００２】
【従来の技術】
オルガノシラン化合物はさまざまな工業材料に機能を付与する材料として知られている。材料の分野においては、その表面に処理することにより滑り性、材料強度、耐水性、撥水性、耐溶剤性などを付与することが出来、容易に材料の特性を向上させることが出来る手法として知られている。しかしその手法の多くは、複数種のオルガノシラン化合物と加水分解触媒とを有機溶剤に溶かし、これをコーティングしたり、吹き付けたりする方法であり、複雑な工程を必要とした。有機溶剤を用いる最大の理由は、オルガノシラン化合物あるいはその加水分解物が水の中でゲル化しやすく、均一な処理が行えないことにあった。さらに、オルガノシラン化合物を水溶性とすれば、水中では溶液の方への親和性が高く、材料表面が効率的に処理されないという問題点もあった。また、溶剤を用いる処理は、たとえば紙などの親水性材料への処理には不向きであるため、親水性で、改質効果の高い改質剤が求められていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、材料にオルガノシラン化合物からなる薬剤を効果的に、かつ均一に付与することのできる改質剤、およびその改質剤を用いて、水を媒介とする条件下で、材料にその薬剤を高濃度で保持でき、高濃度のシランによる、滑り性、材料強度、耐水性、撥水性、耐溶剤性などの機能を付与することのできる材料の改質方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
改質剤を用いて被改質材料を改質する材料の改質方法であって、
前記改質剤が、下記一般式１に示されるオルガノシラン化合物１種以上の混合物と、シラノール基をその構造に含まず、かつ、アミノ基とアルコール性水酸基を有するアミノアルコール化合物とを含み、
前記被改質材料が、木材又は繊維であり、
前記被改質材料を水中に投じて改質剤を添加する
ことを特徴とする材料の改質方法。
Ｒ^１ _ｎＳｉ（ＯＲ^２）_ｍ（ＯＨ）_{４−ｍ−ｎ} （一般式１）
（式中、ｎ＝１または０、ｍ＝０、１、２または３。
Ｒ^１は、２−（３，４エポキシシクロヘキシルエチル）又は３−グリシドオキシプロピルである官能基、Ｒ^２は、メチル基又はエチル基をあらわす。）
【０００５】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の材料の改質方法において、前記改質剤が、さらにアルコール溶媒又は酸水溶液を含むことを特徴とする。
【０００６】
請求項３記載の発明は、
請求項１又は請求項２記載の材料の改質方法において、前記アミノアルコール化合物の分子量が、５００以下であることを特徴とする。
【０００７】
請求項４記載の発明は、
請求項１〜請求項３いずれか１項に記載の材料の改質方法において、前記オルガノシラン化合物と前記アミノアルコール化合物との混合モル比が、オルガノシラン化合物／アミノアルコール化合物＝５／５〜９．９／０．１の範囲を満たすことを特徴とする。
【０００８】
請求項５記載の発明は、
請求項１〜４いずれか１項に記載の材料の改質方法において、前記被改質材料に対して、乾燥重量で、前記オルガノシラン化合物を２〜２０質量％の範囲を満たすように含有するように改質することを特徴とする。
【０００９】
請求項６記載の発明は、
請求項１〜５いずれか１項に記載の材料の改質方法において、アミノアルコール化合物が、２−（アミノエチルアミノ）エタノールであることを特徴とする。
【００１２】
＜作用＞
珪素（Ｓｉ）の高定着は、アミノアルコール化合物により効果的に進められる。オルガノシラン化合物に由来するシラノール基と、アミノアルコール化合物に由来する１級水酸基の一部が縮合し、複合化が起こる。併せてオルガノシラン化合物どうしのシロキサン結合も形成されるため、本複合体はアミノアルコール化合物を軸とした傘状になっていると推定される。オルガノシラン化合物と複合化されていないアミノアルコール化合物は、この複合体が水中で均一分散するのを助け、一時的に材料に停滞して、アミノアルコール-シラン複合体が材料に定着するのを助ける。アミノアルコール化合物に由来するアミノ基は、電気的な作用もしくは材料の分子構造に存在する水素結合に取り込まれるような形で、ちょうど材料に撥水性の傘を開いたような状態を作りながら定着する。その上に、オルガノシラン化合物が均一に広がり、材料が適度に機能性シランで覆われているような状態を作っているものと推定される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の改質剤は、下記一般式１に示されるオルガノシラン化合物１種以上の混合物を主成分として含むことを特徴とするもであり、
Ｒ¹ _nＳｉ（ＯＲ²）_m（ＯＨ）_4-m-n（一般式１）
（式中、０≦ｎ≦１、ｎ、ｍは整数。Ｒ¹は、１〜１０個の炭素を主鎖とする官能基１種以上を含む。Ｒ²は、炭素数１から３の炭化水素をあらわす。）
本発明で用いられるオルガノシラン化合物は、工業材料としてもさまざまな種類が普及しており利用しやすい。このとき、オルガノシラン化合物自身にアミノ基が含まれないものが望ましい。
具体的には、テトラエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等のアルキル置換したオルガノシラン、２−（３，４エポキシシクロヘキシルエチル）トリメトシシラン、３−グリシドオキシプロピルトリメトキシシランなどが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１５】
本発明の改質剤は、上記オルガノシラン化合物１種以上の混合物を主成分とする薬剤に、さらにシラノール基を含まないアミノ基とアルコール性水酸基を有するアミノアルコール化合物を添加してなることを特徴とするものであり、本発明で用いられるアミノアルコール化合物は、シラノールをその構造中に含まないものを使用する。シラノール基が含まれていると、オルガノシランとアミノアルコール化合物と双方由来のシラノールどうしの縮重合が進みすぎ、改質剤の成分が３次元的に高分子化されすぎて、材料への定着率が低くなる。その際、物性の向上に限界がある。
【００１６】
本発明で用いられるアミノアルコール化合物の分子量が、５００以下であることを特徴とするもであり、アミノアルコール化合物は、１級アミン、２級アミンのいずれでもよいが、望ましくは構造中に１、２級アミンの双方を有することが望ましい。このアミンの分子量が大きすぎると逆に材料への定着を阻害する傾向があり、そのことから分子量は５００未満が望ましい。
【００１７】
本発明の改質剤は、オルガノシラン化合物とアミノアルコール化合物との混合モル比が、オルガノシラン化合物／アミノアルコール化合物＝５／５〜９．９／０．１の範囲を満たすことを特徴とするものであり、アミノアルコール化合物中のアミンがリッチな条件を設定しても可能ではあるが、材料の改質に寄与するのはシラン化合物であるため、有効な手法とは言えない。
この範囲であれば、材料の濡れ性、サイズ安定性などの改善効果が期待できる。オルガノシラン化合物の材料への定着を効率的に行うためにも、オルガノシラン化合物とアミノアルコール化合物との混合比は上記の範囲内とする。オルガノシラン化合物の比がこれ以上増えると定着効率が著しく低下する。アミノアルコール化合物による材料の黄変は、本処方ではわずかである。
オルガノシラン化合物とアミノアルコール化合物との混合は、用いるオルガノシラン化合物の性質により、１時間から２０時間程度行う。オルガノシラン化合物のアルキル置換基の分子量が比較的小さかったり、アルコキシ基が加水分解を受けやすいような化合物であれば１時間〜数時間の混合で十分な効果が得られる。
【００１８】
アミノアルコール化合物とオルガノシラン化合物とは、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などのアルコール系溶媒中で穏やかに混合する。この混合により、双方が適度に、かつ一時的に複合化された状態が作られる。この時にオルガノシラン化合物の加水分解を促進する意味で、０．１Ｎ程度の酸水溶液を添加するとより効果的に複合化が進められる。
【００１９】
本発明の材料の改質方法は、上記の改質剤を用いて、水を媒介する条件下で被改質材料を改質することを特徴とするもので、予め処理される材料を水中に投じ、改質剤を添加する。改質剤は、計量性やハンドリング性向上の目的で、希釈して用いることも出来る。希釈にはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、ＩＰＡ／水混合液などが適当である。
【００２０】
また、本発明の材料の改質方法は、上記改質剤を用いて、被改質材料に対して、乾燥重量で、オルガノシラン化合物を２〜２０質量％の範囲を満たすように含有するように改質することを特徴とするもので、本処方で材料へのオルガノシラン化合物からなる改質剤処理を行った場合、その定着率は６０〜９０％であり、かつ材料乾燥重量に対して最大２０％程度まで改質薬剤を定着させることが出来るため、求める物性に応じて所定濃度の薬剤添加を行う。なお、添加の際には処理浴槽内を中性から弱酸性の範囲に調製することが望ましい。
【００２１】
本発明で用いられる被改質材料は、天然材料、人工材料を問わない。天然材料としては、羊毛、綿、絹などの天然繊維、木材パルプ、サトウキビやコーヒーかす等を利用した繊維もしくはそれらの再生品などが列挙できる。人工材料としては、金属、プラスチックを挙げることが出来る。
【００２２】
上記改質材料表面に改質剤を被覆することによって改質する方法、又は被改質材料が、木材、繊維の場合は、該被改質材料の層内部全体に改質剤を分布せしめて改質する方法が採用できる。材料表面に改質剤を被覆する方法としては、例えば、ブレードコーティング、ロッドコーティング、ナイフコーティング、リバースロールコーティング、スプレーコーティング、オフセットグラビアコーティング等の任意の塗布方法が挙げられる。また、材料の層内部全体に改質剤を分布せしめる方法としては、含浸、内添等の任意の方法が挙げられる。但し、これらの方法に限定されるものではない。
【００２３】
上記の木材、プラスチック、金属、繊維等の材料は、本発明の改質方法によって、水を媒介とする条件下で、オルガノシラン化合物からなる薬剤を効果的に、かつ均一に、高濃度で保持でき、高濃度のシランによる滑り性、材料強度、耐水性、撥水性、耐溶剤性などの機能を付与することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２５】
＜実施例１＞（本発明の処方）
ＮＢＫＰ、叩解度３７０ｃｓｆ、固形分濃度約０．７％のパルプスラリー４３８ｇに下記内添液（１）１５ｇを添加し、ｐＨを約７に調整した後５分間攪拌し定着処理を行った。このパルプスラリーを用いて１００ｇ／ｍ²の紙を手すき抄紙した。
[内添液（１）]
２−（アミノエチルアミノ）エタノール１．２５ｇ（０．０１２ｍｏｌ）、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン（チッソ製サイラーエースＳ５３０）４．５２ｇ（０．０１８ｍｏｌ）、イソプロピルアルコール８．１ｇ（０．１３５ｍｏｌ）、０．１Ｎ塩酸水溶液４．８６ｇを１８時間室温で混合した。これにＩＰＡ／水＝１：１液を加えてＳｉＯ₂濃度０．６％となる内添液を調整した。
【００２６】
＜実施例２＞（従来の処方）
ＮＢＫＰ、叩解度３７０ｃｓｆ、固形分濃度約０．７％のパルプスラリー４３８ｇに下記内添液（２）１５ｇを添加し、ｐＨを約７に調整した後５分間攪拌し定着処理を行った。このパルプスラリーを用いて１００ｇ／ｍ²の紙を手すき抄紙した。
[内添液（２）]
２−（アミノエチルアミノ）プロピルトリエトキシシラン（チッソ製サイラーエースＳ３２０）２．７７ｇ、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン（チッソ製サイラーエースＳ５３０）４．５２ｇ（０．０１８ｍｏｌ）、イソプロピルアルコール８．１ｇ（０．１３５ｍｏｌ）、０．１Ｎ塩酸水溶液８．１ｇを１８時間室温で混合した。これに塩酸水溶液を加えてＳｉＯ２濃度１％となる内添液を調整した。
【００２７】
＜試験例１＞
実施例１〜２及び比較例１で作製した紙について、蛍光Ｘ線で紙中へ定着したＳｉＯ₂濃度を測定した。結果を図１に示す。図１より、本発明における処方の方が、従来処方に比較して、よりＳｉの高濃度定着が可能になることが分かる。
【００２８】
＜試験例２＞
実施例１〜２で作製した紙について、ＸＰＳによるＳｉマッピングを行い、Ｓｉ分布を観察した、その結果、拡大率１０万倍の範囲で、均一にＳｉが分散定着している様子が観察された。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、木材、プラスチック、金属、繊維等の材料に対しオルガノシラン化合物からなる薬剤を高定着効率で効果的に、かつ均一に付与することのできる改質剤、およびその改質剤を用いて、水を媒介とする条件下で、材料にその薬剤を高濃度で保持でき、高濃度のシランによる、従来にない高い効果を示す滑り性、材料強度、耐水性、撥水性、耐溶剤性などの機能を付与することのできる材料の改質方法を提供することが可能となった。
また、薬剤の定着効率が高いため、薬剤のロスや廃液のロスが少なく、リサイクル性が可能であり、環境への負荷が小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例として本発明のケイ素含有紙と従来のケイ素含有紙のケイ素定着率を比較した図である。

Claims

改質剤を用いて被改質材料を改質する材料の改質方法であって、
前記改質剤が、下記一般式１に示されるオルガノシラン化合物１種以上の混合物と、シラノール基をその構造に含まず、かつ、アミノ基とアルコール性水酸基を有するアミノアルコール化合物とを含み、
前記被改質材料が、木材又は繊維であり、
前記被改質材料を水中に投じて改質剤を添加する
ことを特徴とする材料の改質方法。
Ｒ^１ _ｎＳｉ（ＯＲ^２）_ｍ（ＯＨ）_{４−ｍ−ｎ} （一般式１）
（式中、ｎ＝１または０、ｍ＝０、１、２または３。
Ｒ^１は、２−（３，４エポキシシクロヘキシルエチル）又は３−グリシドオキシプロピルである官能基、Ｒ^２は、メチル基又はエチル基をあらわす。）
前記改質剤が、さらにアルコール溶媒又は酸水溶液を含むことを特徴とする請求項１に記載の材料の改質方法。
前記アミノアルコール化合物の分子量が、５００以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の材料の改質方法。
前記オルガノシラン化合物と前記アミノアルコール化合物との混合モル比が、オルガノシラン化合物／アミノアルコール化合物＝５／５〜９．９／０．１の範囲を満たすことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の材料の改質方法。
前記被改質材料に対して、乾燥重量で、前記オルガノシラン化合物を２〜２０質量％の範囲を満たすように含有するように改質することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の材料の改質方法。
アミノアルコール化合物が、２−（アミノエチルアミノ）エタノールであることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の材料の改質方法。