JP6721222B2 - セルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物、その製造方法、これを用いた超延伸性樹脂フィルム及び超延伸性樹脂製品 - Google Patents
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Description
[1]水溶性セルロース化合物を併存させたセルロースナノファイバーを含む水分散液中で重合性不飽和単量体を重合させてなることを特徴とする、セルロースナノファイバーと、重合体とを含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物であって、前記重合体が、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上重合した共重合体Aであり、且つ、前記水系樹脂組成物で作製した、セルロースナノファイバー含有樹脂シートにおける、引張速度20mm/分の条件で測定した引張伸度A1が2000%以上、及び/又は、前記引張伸度A1と、前記水溶性セルロース化合物及び前記セルロースナノファイバーを含まずに共重合体Aに用いたのと同一の重合性不飽和単量体を重合してなる共重合体(共重合体B)で作製したセルロースナノファイバーを含有しない樹脂シートの、前記引張伸度A1と同じ条件で測定した引張伸度B1と、を用いて下記式で計算される相対引張伸度Cが200%以上、である、形成した樹脂シートが超延伸性を示すことを特徴とするセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
相対引張伸度C(%)=(A1/B1)×100
[2]前記共重合体Aの100質量部に対して、前記セルロースナノファイバーが、0.2質量部以上、5.0質量部以下の範囲で含有されている[1]に記載のCNF含有の水系樹脂組成物。
[3]前記共重合体Aは、(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を有する[1]又は[2]に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
[4]前記ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体として、水酸基を有するエチレン性不飽和単量体、窒素原子含有エチレン性不飽和単量体又はフッ素原子含有エチレン性不飽和単量体のいずれかを含む[1]〜[3]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物。
[5]前記水溶性セルロース化合物が、カルボキシメチルセルロース又はヒドロキシエチルセルロースの少なくともいずれかであって、且つ、前記共重合体Aの100質量部に対して、前記水溶性セルロース化合物を、0.1質量部以上、10質量部以下の範囲で含む[1]〜[4]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物。
[6]前記引張伸度A1が、4000%以上、及び/又は、前記相対引張伸度Cが、400%以上である[1]〜[5]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物。
[7]前記引張伸度A1が、8000%以上、及び/又は、前記相対引張伸度Cが、800%以上である[1]〜[5]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物。
[8]前記[1]〜[7]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物の製造方法であって、予め、水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物と、重合性不飽和単量体と、水とを含むセルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製し、撹拌動力が0.5kw/L以下の撹拌状態にある重合開始剤を含む水中に、前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合させて重合体を得る重合工程を有し、且つ、該重合工程で、前記重合性不飽和単量体としてビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上重合させて共重合体Aを得ることを特徴とするセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[9]前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記セルロースナノファイバーを、0.2質量部以上、5.0質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水分散型のセルロースナノファイバーの量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する[8]に記載のCNF含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[10]前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記水溶性セルロース化合物を、0.1質量部以上、10質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水溶性セルロース化合物の量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する[8]に記載のCNF含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[11]前記[1]〜[7]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物の製造方法であって、水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物とを含んで調製された、撹拌動力が0.5kw/L以下の撹拌状態にあるセルロースナノファイバーを含む水分散液中に、予め調製した、重合性不飽和単量体として、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含む不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合させて共重合体Aを得る重合工程を有することを特徴とするセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[12]前記セルロースナノファイバーを含む水分散液及び前記不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記セルロースナノファイバーを、0.2質量部以上、5.0質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水分散型のセルロースナノファイバーの量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する[11]に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[13]前記セルロースナノファイバーを含む水分散液及び前記不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記水溶性セルロース化合物を、0.1質量部以上、10質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水溶性セルロース化合物の量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する[11]に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[14]前記撹拌動力が、0.2kw/L以下である[8]〜[13]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[15]前記撹拌動力が、0.1kw/L以下である[8]〜[13]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物の製造方法。
[16]前記[1]〜[7]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物を、厚さ200μm以下の樹脂皮膜にしてなることを特徴とするCNF含有の超延伸性樹脂フィルムを提供する。また、好適には、[17]前記樹脂皮膜は、塗布法又は溶媒キャスト法のいずれかによる形成物である[16]に記載のCNF含有の超延伸性樹脂フィルムを提供する。
[18]前記[1]〜[7]のいずれかに記載のCNF含有の水系樹脂組成物を、繊維状又はフィラー状又は粒子状に成形してなることを特徴とするセルロースナノファイバー含有の超延伸性樹脂製品を提供する。
本発明の水系樹脂組成物は、水溶性セルロース化合物を併存させたCNFの水分散液中で、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含む重合性不飽和単量体を重合してなることを特徴とする共重合体Aと、CNFとを含む水系樹脂組成物(以下、エマルションと呼ぶ場合もある)としたことを特徴とする。そして、上記構成としたことで、該水系樹脂組成物で形成した樹脂シートや樹脂フィルムは、従来にない超延伸性を示すものになる。本発明では、本発明の水系樹脂組成物で形成した樹脂シートや樹脂フィルムによって実現される従来にない超延伸性について、下記のように規定する。本発明の水系樹脂組成物で作製した、CNF含有樹脂シートの、引張速度20mm/分の条件で測定した引張伸度A1が2000%以上である、及び/又は、前記引張伸度A1と、前記水溶性セルロース化合物及び前記セルロースナノファイバーを含まずに共重合体Aに用いたのと同一の重合性不飽和単量体を重合してなる、CNFを含まない、共重合体(共重合体B)で作製した樹脂シートの、前記引張伸度A1と同じ条件で測定した引張伸度B1と、を用いて、下記式で計算される相対引張伸度Cが200%以上であることを特徴とする。なお、「引張伸度A1と同じ条件で測定」とは、引張伸度A1の測定に用いたセルロースナノファイバー含有樹脂シートと同じ形状にした共重合体Bで作製した樹脂シートを、引張速度20mm/分で測定することをいう。
相対引張伸度C(%)=(A1/B1)×100
本発明の水系樹脂組成物は、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含む重合性不飽和単量体を重合させてなる共重合体を含み、特に、水溶性セルロース化合物を併存させたCNFの水分散液中で、上記重合性不飽和単量体を重合させる構成としたことを特徴としており、この特有の製法で、CNFと共重合体とを含有させたことで、CNFと共重合体が均質に分散された状態の水系樹脂組成物になる。その結果、本発明の水系樹脂組成物で形成した樹脂シートや樹脂フィルムは、本発明で規定する従来にない高い延伸性を示す顕著な効果を発現したものになる。すなわち、上記したCNFと共重合体が均質に分散した本発明の樹脂組成物によって、形成した樹脂フィルム等に発現する優れた特性は、水溶性セルロース化合物を併存させたCNFの水分散液中で重合性不飽和単量体を重合させ、共重合体を含む水系樹脂組成物とする従来にない製法によって達成される。本発明では、CNF含有の水系樹脂組成物における、CNFと共重合体が均質に分散された状態にあることで生じる特性を、その用途となる、該樹脂組成物で形成した樹脂シートにおける引張伸度及び/又は相対引張伸度で特定した。当該特定は、「CNF含有の水系樹脂組成物」の特性を直接特定したものではない。
〔水溶性セルロース化合物〕
本発明者らは、水溶性セルロース化合物を併存させたCNFを含む水分散液中で、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含む重合性不飽和単量体(モノマー)を共重合させるという簡便な方法で、CNFが均質に分散した状態で配合されてなる水系樹脂組成物が得られ、該組成物で形成した樹脂シートや樹脂フィルムが従来にない超延伸性を示すものになることを見出して本発明に至った。本発明で必要なことは、水溶性セルロース化合物を併存させたCNFを含む水分散液中で複数のモノマーを共重合させる構成とすることであり、このような重合状態にできればいずれの製法であってもよい。例えば、水溶性セルロース化合物と、CNFと、複数のモノマーとを含む不飽和単量体混合乳化物を予め調製し、重合開始剤を含む水中に、予め調製した不飽和単量体混合乳化物を滴下して乳化重合する方法や、CNFと、水溶性セルロース化合物とを含んで調製されたCNFの水分散液中に、予め調製した、複数のモノマーを含む不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合する方法などが挙げられる。詳細については後述する。
本発明で使用するCNFは、例えば、TEMPO酸化解繊(化学的解繊)で得られるものでも、物理・機械的粉砕解繊で得られるものでも、セルロース含有材料を水熱処理し、次いで、解繊処置する工程を含む方法により得られるもの(特開2014−177437号公報参照)でも、現在或いは将来に開発されるセルロースの解繊技術で得られたものも、問題なく用いることができる。CNFが化学修飾されていないものが好ましい。このためには、物理・機械的粉砕解繊で得られるCNF、或いは、上記した物理・機械的粉砕解繊する前にセルロース含有材料を水熱処理して得られるCNFを使用するとよい。本発明者らの検討によれば、特に、セルロース含有材料を、亜臨界水を用いて水熱処理することで得られるCNFを用いることが好ましい。また、本発明で使用するCNFは、そのアスペクト比が20〜250であることが好ましい。
(重合性不飽和単量体)
本発明の水系樹脂組成物を構成する共重合体Aは、先述した水溶性セルロース化合物を併存させたCNFを含む水分散液中で、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含む重合性不飽和単量体を重合してなるものである。共重合体Aの重合に用いられる重合性不飽和単量体は、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含むこと以外、特に限定はなく、従来公知の単量体を使用することができる。共重合体Aは、例えば、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体として、(メタ)アクリル系単量体を含む単量体成分を重合させて得られた、(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を有するものであることが好ましい。また、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体として、例えば、水酸基を有するエチレン性不飽和単量体、窒素原子を有するエチレン性不飽和単量体及び含フッ素エチレン性不飽和単量体からなる群から選ばれる単量体を含むことがより好ましい。本明細書において、(メタ)アクリル系単量体とは、(メタ)アクリロイル基(アクリロイル基又はメタクリロイル基)を有する単量体を意味する。
上記したようなビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上有する重合性不飽和単量体(以下、単に重合性不飽和単量体と呼ぶ)を、水溶性セルロース化合物を併存させたCNFを含む水分散液中で重合する重合工程を有する本発明の製造方法で、共重合体Aと、CNFとを均質に含む本発明の水系樹脂組成物を簡便に得ることができる。具体的には、本発明の製造方法では、異なる構成の、下記の第1の形態と、第2の形態とを規定したが、いずれの方法も極めて簡便であり、本発明の水系樹脂組成物を安定して得ることができる。第1の形態では、予め、水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物と、重合性不飽和単量体と、水とを含むセルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製し、撹拌動力が0.5kw/L以下の比較的に緩い撹拌状態にある重合開始剤を含む水中に、前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合させて共重合体Aを得る重合工程を有することを特徴とする。また、第2の形態では、水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物とを含んで調製された、撹拌動力が0.5kw/L以下の比較的に緩い撹拌状態にあるセルロースナノファイバーを含む水分散液中に、予め調製した、重合性不飽和単量体を含む不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合させて共重合体Aを得る重合工程を有することを特徴とする。
本発明のCNF含有の水系樹脂組成物を得る際の重合性不飽和単量体の重合には、重合開始剤を使用することができる。重合開始剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、過硫酸塩、有機過酸化物、及び、過酸化水素等の過酸化物、並びに、アゾ化合物等を挙げることができ、1種又は2種以上を用いることができる。また、過酸化物と併用したレドックス重合開始剤や、重合促進剤として、1種又は2種以上の還元剤を用いることもできる。
本発明のCNF含有の水系樹脂組成物を得るための重合性不飽和単量体の重合の際に、乳化剤として界面活性剤を用いることができる。例えば、前記した第1の形態の本発明の製造方法で行う、水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物と、重合性不飽和単量体と、水とを含むセルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製する場合や、前記した第2の形態の本発明の製造方法で行う、重合性不飽和単量体を含む不飽和単量体混合乳化物を調製する場合に乳化剤を使用することが好ましい。使用する乳化剤は、特に限定されるものではないが、例えば、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、及び両性界面活性剤等を挙げることができ、1種又は2種以上の乳化剤を用いることができる。本発明においては、中でも、アニオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤を用いることが好ましく、アニオン性界面活性剤がより好ましい。
本発明のCNF含有の水系樹脂組成物を得るための重合性不飽和単量体の重合の際に、必要に応じて連鎖移動剤を用いてもよい。連鎖移動剤は、特に限定されるものではないが、例えば、ヘキシルメルカプタン、ラウリルメルカプタン、オクチルメルカプタン、n−ドデシルメルカプタン、及び、t−ドデシルメルカプタン等のアルキルメルカプタン類等を用いることができる。なお、連鎖移動剤は、本発明が目的としている、水系樹脂組成物中にCNFを添加剤として均質に分散させることを達成し、得られたCNF含有の水系樹脂組成物で形成した、CNFを含有させた樹脂フィルムや樹脂シートの延性を、飛躍的、画期的に上昇させた従来にない特性の超延伸性を示す樹脂製品の提供することに関しては、特に重要な意味をもつものではない。したがって、適宜に使用すればよい。
(引張伸度A1、相対引張伸度C)
以上で述べたような本発明の製造方法で簡便に得られる重合性不飽和単量体を重合してなる共重合体Aと、CNFとを含有する本発明の水系樹脂組成物は、形成した樹脂シートが、下記に示す通りの超延伸性を示すことを特徴とする。具体的には、本発明の水系樹脂組成物で作製したCNF含有樹脂シートを用いて評価した場合に、引張速度20mm/分の条件で測定した引張伸度A1が2000%以上、及び/又は、後述する相対引張伸度Cが200%以上である、超延伸性を示すことを特徴とする。
相対引張伸度C(%)=(A1/B1)×100
本発明は、上記した本発明のCNF含有の水系樹脂組成物を、厚さ200μm以下の樹脂皮膜にしてなることを特徴とするCNF含有の超延伸性樹脂フィルムを提供する。なお、本発明において「フィルム」とは、特段の定めがない限り、厚さが200μm以下のフィルム状に成形されたものを言い、一般的なフィルム状物は当然として、例えば、被塗装物に塗装された塗膜であって、被塗装物から分離されていても、分離されていなくても、当該塗膜を「フィルム」という。
上記した本発明のCNF含有の水系樹脂組成物を用いることで、樹脂シートや樹脂フィルム以外に、繊維状又はフィラー状又は粒子状に成形されてなるCNF含有の超延伸性樹脂製品の提供が可能になる。本発明の水性樹脂組成物により得られる樹脂製品は超延伸性を有するものとなるため、繊維状に成形することが期待できる。また、フィラー状や粒子状に成形することで、柔軟な製品の提供や、これらの材料を混合させることで、対象物に柔軟性を与えることが可能となることが期待できる。
●水分散型のセルロースナノファイバー
・CNF1:機械解繊CNF BiNFi−s WFo−100(商品名:濃度1%、スギノマシン社製)
●水溶性セルロース化合物
・CMC1:カルボキシメチルセルロース、第一工業製薬社製 セロゲン5A(商品名:2%希釈粘度5mPa・s/25℃以下)
・CMC2:カルボキシメチルセルロース、第一工業製薬社製 セロゲン6A(商品名:2%希釈粘度6〜10mPa・s/25℃)
・HEC:ヒドロキシエチルセルロース、住友精化社製 HEC AL−15(商品名:2%希釈粘度20〜30mPa・s/25℃)
●重合性不飽和単量体
・MA:メチルアクリレート
・EA:エチルアクリレート
・BA:ブチルアクリレート
・2EHA:2−エチルヘキシルアクリレート
・MMA:メチルメタクリレート
・CHMA:シクロヘキシルメタクリレート
・ST:スチレン
・2HEMA:2−ヒドロキシエチルメタクリレート
・2HEA:2−ヒドロキシエチルアクリレート
・4HBA:4−ヒドロキシブチルアクリレート
・AM:アクリルアミド
・AN:アクリルニトリル
・NVP:N−ビニル−2−ピロリドン
・DAAM:ジアセトンアクリルアミド
・DMAEM:ジメチルアミノエチルメタクリレート
・ER−10:(商品名、アデカ社製)、重合型ノニオン乳化剤(ラジカル重合モノマー)
・PF6EA:2−(パーフルオロヘキシル)エチルアクリレート
●乳化剤
・PD−104:花王社製 ラテムルPD−104(商品名:20%ポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム)
●開始剤
・PBH:日本油脂製 パーブチルH69(商品名:69%t−ブチルハイドロパーオキサイド)
予め、水分散型のセルロースナノファイバーとして、CNF1を100部、水溶性セルロース化合物として、CMC1を1.0部、水を20部、エチレン性不飽和単量体成分として、ブチルアクリレート(BA)を50部、メチルメタクリレート(MMA)を45部、2−ヒドロキシエチルメタクリレート(2HEMA)を5.0部、連鎖移動剤として、N−ドデシルメルカプタン(L−SH)を0.5部、乳化剤として、ラテムルPD−104を12.5部、還元剤として、エリソルビン酸を0.3部添加し、撹拌動力0.25kw/Lのホモミキサーを用いて、5000rpmで10分間撹拌混合して、CNF含有の不飽和単量体混合乳化物を調製した。
実施例1で用いた水溶性セルロース化合物を、CMC1を1.0部に替えて、CMC2を0.5部とした以外は同様にして調製したCNF含有の不飽和単量体混合乳化物を用い、実施例1に記載の方法と同様にして乳化重合を行った。そして、冷却後に調整水を11部添加し、平均粒子径φ:240nm、蒸発残分約30%である、本実施例のCNF含有の水系樹脂組成物を調製した。これをCNF含有の水性樹脂エマルション−2とした。
実施例1で用いた水溶性セルロース化合物を、CMC1を1.0部に替えて、CMC2を1.0部とした以外は同様にして調製したCNF含有の不飽和単量体混合乳化物を用い、実施例1に記載の方法と同様にして乳化重合を行った。そして、冷却後に調整水を12部添加し、平均粒子径φ:240nm、蒸発残分約30%である、本実施例のCNF含有の水系樹脂組成物を調製した。これをCNF含有の水性樹脂エマルション−3とした。
実施例1で用いた水溶性セルロース化合物を、CMC1を1.0部に替えて、CMC2を5.0部とした以外は同様にして調製したCNF含有の不飽和単量体混合乳化物を用い、実施例1に記載の方法と同様にして乳化重合を行った。そして、冷却後に調整水を22部添加し、平均粒子径φ:240nm、蒸発残分約30%である、本実施例のCNF含有の水系樹脂組成物を調製した。これをCNF含有の水性樹脂エマルション−4とした。
予め、水100部、ブチルアクリレート(BA)を50部、メチルメタクリレート(MMA)を45部、2−ヒドロキシエチルメタクリレート(2HEMA)を5.0部、連鎖移動剤として、N−ドデシルメルカプタン(L−SH)を0.5部、乳化剤として、PD−104を12.5部、還元剤として、エリソルビン酸を0.3部添加し、撹拌混合して、不飽和単量体混合乳化物を調製した。
表1に示した種類と配合で、CNF、水溶性セルロース化合物、重合性不飽和単量体を用い、CNF含有の水性樹脂エマルション−6〜−30を得た。実施例9で連鎖移動剤を使用しなかったこと以外は、連鎖移動剤、乳化剤、還元剤及び重合開始剤は、実施例1〜5と同様のものを同じ量で用いた。製造には、実施例1で行った形態1の製造方法を用いた。
実施例1に記載の反応方法に準じて、CNFを含有しない本比較例の水系樹脂組成物を調製した。具体的には、水分散型のセルロースナノファイバーであるCNF1と、水溶性セルロース化合物であるCMC1を使用せずに、且つ、水の使用量を20部から114部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、不飽和単量体混合乳化物を調製した。そして、実施例1と同様にして乳化重合及び熟成を行った。冷却後に調整水を12部添加し、平均粒子径φ:230nm、蒸発残分約30%の水性樹脂エマルション−比較1を調製した。
実施例1に記載の反応方法に準じて、CNFを含有する本比較例の水系樹脂組成物を調製した。具体的には、水溶性セルロース化合物CMC1と、連鎖移動剤L−SHを使用しないこと以外は、実施例1と同様にして、水分散型のセルロースナノファイバーであるCNF1を用いたCNF含有の不飽和単量体混合乳化物を調製した。そして、実施例1と同様にして乳化重合及び熟成を行った。冷却後に調整水を9部添加したが、凝集物が多く、重合安定性が不良であった。このため、150メッシュの濾布で濾過できず、後述する、粒子径測定、フィルム強伸度等の試験に供することはできなかった。
実施例1に記載の反応方法に準じて、CNFを含有しない本比較例の水系樹脂組成物を調製した。具体的には、水分散型のセルロースナノファイバーCNF1を使用せずに、水を20部から117部に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、水溶性セルロース化合物CMC1を1.0部用いてCNFを含有しない不飽和単量体混合乳化物を調製した。そして、実施例1と同様にして乳化重合及び熟成を行った。冷却後に調整水を12部添加し、平均粒子径φ:250nm、蒸発残分約30%の、CNFを含有しない水性樹脂エマルション−比較3を調製した。
実施例1に記載の反応方法に準じて、まず、下記のようにしてCNFを含有しない水性樹脂エマルションを調製し、次に、得られた水性樹脂エマルションに水分散型のセルロースナノファイバーをコールドブレンドして、本比較例のCNF含有の水系樹脂組成物を調製した。具体的には、まず、水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物とを使用せずに、水を20部から37部に変更したこと以外は実施例1と同様にして、不飽和単量体混合乳化物を調製した。次いで、撹拌機、温度計、還流コンデンサー付の2Lの4つ口丸底フラスコに、水を20部仕込み、撹拌下で75℃まで昇温した。そして、内温を75℃に保ち、重合開始剤として、PBH0.5部に水4.5部を加えて希釈したものを添加し、予め調製した不飽和単量体混合乳化物を2時間かけて滴下し、乳化重合反応し、滴下終了後、内温80℃で、2時間熟成を行った。熟成後、室温まで冷却して、平均粒子径φ:250nm、蒸発残分約59%に調整した水性樹脂エマルションを調製した。
実施例1に記載の反応方法に準じて、CNFを含有する本比較例の水系樹脂組成物を調製した。具体的には、水溶性セルロース化合物CMC1を使用しないこと以外は、実施例1と同様にして、水分散型のセルロースナノファイバーであるCNF1を用いたCNF含有の不飽和単量体混合乳化物を調製した。そして、実施例1と同様にして乳化重合及び熟成を行った。冷却後に調整水を9部添加したが、凝集物が多く、重合安定性が不良であった。このため、150メッシュの濾布で濾過できず、後述する、粒子径測定、フィルム強伸度等の試験に供することはできなかった。
それぞれ以下の方法にしたがって、実施例及び比較例の水性樹脂エマルションを得る際の重合安定性、CNFの分散状態及び形成した樹脂シートの引張強伸度を評価した。結果を表1及び表2に示した。
(1)重合安定性(凝集物の有無)
実施例1〜30、比較例1、比較例3及び比較例4のCNFを含む各水性樹脂エマルションを、150メッシュの濾布で濾過し、凝集物の有無を目視で観察し、表中に凝集物の有無を記載した。凝集物があった場合、重合安定性を×と評価し、凝集物がなかった場合、重合安定性を○と評価した。
実施例1〜30、比較例1、比較例3及び比較例4のCNFを含む各水性樹脂エマルションをガラス板上に塗布して得られた樹脂フィルムを、デジタルマイクロスコープ(光学500倍から2000倍)を用いて観察し、CNFの分散状態を、以下の規準で評価した。なお、実施例1及び比較例4の樹脂フィルムについては、それぞれ図1及び図2にデジタルマイクロスコープの写真の図を示した。
○:凝集物が認められず、分散性良好
△:やや凝集物が認められる
×:凝集物多い
実施例1〜30、比較例1、比較例3及び比較例4の各水性樹脂エマルションを用い、乾燥厚さが0.5mm、幅10mm、長さ60mmの短冊状の樹脂シート試料(断面積=5mm2)を作製した。作製した樹脂シート試料(試験片)を用いて、以下の条件で、引張強度、引張伸度を測定した。また、各CNF含有の水性樹脂エマルションについての相対引張伸度C(%)は、「共重合体のみの樹脂シートの引張伸度」として、それぞれの実施例で使用したエチレン性不飽和単量体成分を用い、比較例1で行ったと同様の方法で共重合して得たCNFを含まない各水性樹脂エマルションを用いて作製した樹脂シートにおける引張伸度B1を用い、それぞれ、下記の式から算出した値である。
相対引張伸度C(%)=
(CNF含有の水性樹脂エマルションで形成した樹脂シートの引張伸度A1/CNF含有しない水性樹脂エマルションのみを用いて作製した樹脂シートの引張伸度B1)×100
引張り速度:20mm/分
引張強度 :最大ずり応力(MPa)
引張伸度 :最大ひずみ(%)
Claims (17)
- 水溶性セルロース化合物を併存させたセルロースナノファイバーを含む水分散液(但し、カルボキシレート基含有セルロースナノファイバーを含む場合を除く)中で重合性不飽和単量体を重合させてなることを特徴とする、セルロースナノファイバーと、重合体とを含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物であって、
前記重合体が、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上重合した(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を有する共重合体Aであり、前記ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体が、水酸基を有するエチレン性不飽和単量体、窒素原子含有エチレン性不飽和単量体、フッ素原子含有エチレン性不飽和単量体又はメチルアクリレートのいずれかを含み、該共重合体Aを構成する単量体成分において、(メタ)アクリル酸エステルを単量体成分の全質量を基準として50質量%以上有し、さらに、メチルメタクリレートを有する場合は、単量体成分の全質量を基準として49質量%を超えない範囲で有し、且つ、
前記水系樹脂組成物で作製した、セルロースナノファイバー含有樹脂シートにおける、引張速度20mm/分の条件で測定した引張伸度A1が2000%以上、及び/又は、前記引張伸度A1と、前記水溶性セルロース化合物及び前記セルロースナノファイバーを含まずに共重合体Aに用いたのと同一の重合性不飽和単量体を重合してなる共重合体(共重合体B)で作製したセルロースナノファイバーを含有しない樹脂シートの、前記引張伸度A1と同じ条件で測定した引張伸度B1と、を用いて下記式で計算される相対引張伸度Cが200%以上、
である、形成した樹脂シートが超延伸性を示すことを特徴とするセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
相対引張伸度C(%)=(A1/B1)×100 - 前記共重合体Aの100質量部に対して、前記セルロースナノファイバーが、0.2質量部以上、5.0質量部以下の範囲で含有されている請求項1に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
- 前記(メタ)アクリル酸エステルが、メチルメタクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、sec−ブチル(メタ)アクリレート、tert−ブチル(メタ)アクリレート、n−アミル(メタ)アクリレート、イソアミル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、n−ノニル(メタ)アクリレート、イソノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、ウンデシル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、テトラデシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、エチルカルビトールアクリレート、β−カルボキシエチル(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、2−クロロエチル(メタ)アクリレート、トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、及びパーフルオロオクチルエチル(メタ)アクリレートからなる群から選ばれるいずれかを含む請求項1又は2に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
- 前記水溶性セルロース化合物が、カルボキシメチルセルロース又はヒドロキシエチルセルロースの少なくともいずれかであって、且つ、前記共重合体Aの100質量部に対して、前記水溶性セルロース化合物を、0.1質量部以上、10質量部以下の範囲で含む請求項1〜3のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
- 前記引張伸度A1が、4000%以上、及び/又は、前記相対引張伸度Cが、400%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
- 前記引張伸度A1が、8000%以上、及び/又は、前記相対引張伸度Cが、800%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法であって、
予め、水分散型のセルロースナノファイバー(但し、カルボキシレート基含有セルロースナノファイバーを含む場合を除く)と、水溶性セルロース化合物と、重合性不飽和単量体と、水とを含むセルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製し、撹拌動力が0.5kw/L以下の撹拌状態にある重合開始剤を含む水中に、前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合させて重合体を得る重合工程を有し、且つ、該重合工程で、前記重合性不飽和単量体としてビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上重合させて(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を有する共重合体Aを得る際に、前記ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体に、水酸基を有するエチレン性不飽和単量体、窒素原子含有エチレン性不飽和単量体、フッ素原子含有エチレン性不飽和単量体又はメチルアクリレートのいずれかを使用し、さらに、(メタ)アクリル酸エステルを、単量体成分の全質量を基準として50質量%以上使用し、且つ、メチルメタクリレートを使用する場合は、単量体成分の全質量を基準として49質量%を超えない範囲で使用することを特徴とするセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。 - 前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記セルロースナノファイバーを、0.2質量部以上、5.0質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水分散型のセルロースナノファイバーの量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する請求項7に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
- 前記セルロースナノファイバー含有の不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記水溶性セルロース化合物を、0.1質量部以上、10質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水溶性セルロース化合物の量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する請求項7に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法であって、
水分散型のセルロースナノファイバーと、水溶性セルロース化合物とを含んで調製された、撹拌動力が0.5kw/L以下の撹拌状態にあるセルロースナノファイバーを含む水分散液(但し、カルボキシレート基含有セルロースナノファイバーを含む場合を除く)中に、予め調製した、重合性不飽和単量体として、ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体を2種以上含む不飽和単量体混合乳化物を滴下しながら乳化重合させて(メタ)アクリル系単量体に由来する構造単位を有する共重合体Aを得る際に、前記ビニル基を有するエチレン性不飽和単量体に、水酸基を有するエチレン性不飽和単量体、窒素原子含有エチレン性不飽和単量体、フッ素原子含有エチレン性不飽和単量体又はメチルアクリレートのいずれかを使用し、さらに、(メタ)アクリル酸エステルを、単量体成分の全質量を基準として50質量%以上使用し、且つ、メチルメタクリレートを使用する場合は、単量体成分の全質量を基準として49質量%を超えない範囲で使用する重合工程を有することを特徴とするセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。 - 前記セルロースナノファイバーを含む水分散液及び前記不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記セルロースナノファイバーを、0.2質量部以上、5.0質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水分散型のセルロースナノファイバーの量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する請求項10に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
- 前記セルロースナノファイバーを含む水分散液及び前記不飽和単量体混合乳化物を調製する際に、前記共重合体Aの100質量部に対し、前記水溶性セルロース化合物を、0.1質量部以上、10質量部以下の範囲の量で含むセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物が得られるように、前記水溶性セルロース化合物の量と、前記重合性不飽和単量体の量を調整する請求項10に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
- 前記撹拌動力が、0.2kw/L以下である請求項7〜12のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
- 前記撹拌動力が、0.1kw/L以下である請求項7〜12のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物を、厚さ200μm以下の樹脂皮膜にしてなることを特徴とするセルロースナノファイバー含有の超延伸性樹脂フィルム。
- 前記樹脂皮膜は、塗布法又は溶媒キャスト法のいずれかによる形成物である請求項15に記載のセルロースナノファイバー含有の超延伸性樹脂フィルム。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のセルロースナノファイバー含有の水系樹脂組成物を、繊維状又はフィラー状又は粒子状に成形してなることを特徴とするセルロースナノファイバー含有の超延伸性樹脂製品。
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