JP7122789B1 - 複合樹脂組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の複合樹脂組成物は、エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子と、パラミロンナノファイバーと、水性分散媒と、を含む。
一実施形態に係るパラミロンナノファイバーは、複合樹脂組成物に対して0.1~10質量%含まれる。
一実施形態において、パラミロンナノファイバーは、1:300~1:10000のアスペクト比を有する。アスペクト比は、パラミロンナノファイバー粒子の長径と短径の比であり、長径を短径で除した数値である。パラミロンナノファイバーの長径と短径の数値は、電子顕微鏡等でパラミロンナノファイバーを観察することで得られる。
一実施形態において、PNFは、化学修飾されていないナチュラルファイバーである。そのため、PNFの親水性又は疎水性を考慮することなく、複合樹脂組成物からなる層の耐水性及び耐油性の向上を図ることが可能である。なお、PNFは、後工程で任意に化学変性することができ、例えば、疎水化(アルキルエステル化)又は親水化する。
PNFの説明に戻って、ユーグレナ(和名:ミドリムシ)は、単細胞の微細藻類のことである。ユーグレナは、ムシではなく、ワカメや昆布、テングサ等と同じ藻類に属するが、鞭毛を動かして活発に運動することから、植物と動物の両方の特徴を持つ。ユーグレナは、環境への適応力に非常に優れ、光合成での成長及び暗中での成長も可能である。
一方で、セルロースナノファイバー(以下、CNF)は、主に植物の細胞壁に由来するセルロース繊維をナノサイズまで細かく解きほぐす(解繊する)ことで得られる繊維素材である。CNFは、軽量、高強度、高弾性率、及び熱による変形が小さい等の多くの利点を有する。また、CNFは、植物由来の様々なバイオマスから取り出すことができる点で環境負荷が小さいといった持続可能型資源でもある。CNFは、例えば、ゴム又は樹脂等の他の素材と組み合わせた複合材料として利用されている。
水不溶性重合体粒子は、エチレン性不飽和単量体、好ましくは(メタ)アクリル酸エステルに由来する構造単位を有する。水不溶性重合体粒子は、1種類のエチレン性不飽和単量体からなる単独重合体、又は、2種類以上のエチレン性不飽和単量体からなる共重合体の粒子である、なお、本明細書中において、「(メタ)アクリル」の文言には、「アクリル」及び「メタクリル」の両方の文言が含まれることを意味する。
水不溶性重合体粒子は、エチレン性不飽和単量体を構成単位として含む。エチレン性不飽和単量体は、(メタ)アクリル系単量体、スチレン系単量体、(メタ)アクリロニトリル系単量体、及びその他の単量体である。
水不溶性重合体粒子は、重合開始剤、乳化剤、及び連鎖移動剤を更に含む。
重合開始剤は、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、アゾ化合物等を含む。重合開始剤は、上記の1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられても良い。また、過酸化物と併用するレドックス重合開始剤、又は、重合促進剤として1種又は2種以上の還元剤が用いられても良い。
乳化剤は、水不溶性重合体粒子を構成するエチレン性不飽和単量体を重合する際に用いられる界面活性剤であり、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である。乳化剤は、上記のうち1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられても良い。乳化剤として好ましくはアニオン性界面活性剤及びノニオン性界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性界面活性剤である。
連鎖移動剤は、必要に応じて、水不溶性重合体粒子を構成するエチレン性不飽和単量体を重合する際に用いられ、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である。連鎖移動剤は、上記のうち1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられても良い。
水不溶性重合体粒子のガラス転移温度(Tg)は、-60~100℃、好ましくは-50~80℃、より好ましくは-40~40℃である。ガラス転移温度(Tg)とは、物質がゴム状態からガラス状態になる境界温度のことをいう。
1/Tg=W1/Tg1+W2/Tg2+・・・Wn/Tgn (式1)
水不溶性重合体粒子は、溶液重合、塊状重合、乳化重合及び懸濁重合等により合成される。水不溶性重合体粒子の粒子径の調整の容易性及び生産性の観点から、水性媒体中で乳化重合を行う方法が用いられるとよい。乳化重合の方法は、水性媒体、単量体成分、及び重合開始剤等を一括で混合して乳化重合する方法を含む。また、乳化重合の方法は、水性媒体及び単量体成分等を含有するプレエマルションを用いて乳化重合する方法を含む。
複合樹脂組成物は水性分散媒を更に含むエマルションである。分散媒は、水性媒体であり、例えば、水及びイオン交換水である。
塗装品は、基材と、基材上の複合樹脂組成物からなる層と、を備える。以下、基材と、複合樹脂組成物からなる層(以下、樹脂層)について説明する。
基材は、本発明に係る複合樹脂組成物が塗布される基材である。基材は、有機材料及び無機材料のいずれでもよい。有機材料は、プラスチック、樹脂、繊維、ゴム、木材、壁紙等を含む。無機材料は、ガラス、セラミックス、シリカ、金属等を含む。
樹脂層は、本発明に係る複合樹脂組成物を硬化乾燥させた塗膜のことである。複合樹脂組成物の態様は、硬化乾燥前に液体状であり、硬化乾燥後に固体状である。基材の少なくとも一方の表面に塗布する複合樹脂組成物の塗工量は、乾燥後の樹脂層の厚さに応じた量であってよい。樹脂層の厚さは、5~1000μm、好ましくは20~800μm、より好ましくは40~600μmである。
実施例1~4は、パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒中でエチレン性不飽和単量体を重合する方法を用いて複合樹脂組成物を製造した。また参考例1~6は、水性分散媒中でエチレン性不飽和単量体を重合する方法を用いて水不溶性重合体粒子を製造した。表1及び表2の単量体、PNF、CNF1、及びCNF2の数値は、部(質量部)を表す。
表1に示した通り、エチレン性不飽和単量体としてメチルメタクリレート(MMA)33部、ブチルアクリレート(BA)66部、及びメタクリル酸(MAAC)1.0部、パラミロンナノファイバー(2%)(以下、PNF)50部、イオン交換水15部、乳化剤/ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸ナトリウム(26%)(以下、乳化剤A)2部とを撹拌混合して、単量体混合乳化物を調製した。
実施例1に準じて、表1と表2に示した通り、所定の原料を用いて複合樹脂組成物及び樹脂組成物をそれぞれ調製した。
表1に示した通り、単量体としてメチルメタクリレート(MMA)28.5部、ブチルアクリレート(BA)70部、及びメタクリル酸(MAAC)1.5部をイオン交換水40部と乳化剤A12部と、を撹拌混合して、単量体混合乳化物を調製した。
実施例10は、パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒中でエチレン性不飽和単量体を重合する方法を用いて複合樹脂組成物を製造した。表1に示した通り、単量体としてメチルメタクリレート(MMA)41部、ブチルアクリレート(BA)56部、及びメタクリル酸(MAAC)3部をパラミロンナノファイバー(2%)(PNF)50部、イオン交換水10部、乳化剤A12部と、を撹拌混合して、単量体混合乳化物を調製した。
実施例12と後述の実施例13は、エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子を含有する水性分散媒と、パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒と、を含む分散液を強アルカリ性域に調整した後、分散液を弱アルカリ性域に調整する方法を用いて、複合樹脂組成物を製造した。なお、実施例12は、分散液のpHを強アルカリ性域(pH11以上)から弱アルカリ性域(pH8以上11未満)に調整するが、分散液のpHを強アルカリ性域から中性域(pH6以上8未満)又は弱酸性域(pH3以上6未満)に調整しても良い。表1に示した通り、単量体としてメチルメタクリレート(MMA)41部、ブチルアクリレート(BA)56部、及びメタクリル酸(MAAC)3部をイオン交換水40部と乳化剤A10部と、を撹拌混合して、単量体混合乳化物を調製した。
上記のpH調整(例えば、強アルカリ性域から弱アルカリ性域への調整)は、「高pH先ブレンド法」に相当し、単量体混合乳化物とPNF分散液とを均一に混合するために行われる。高pH先ブレンド法とは、単量体混合乳化物とPNF分散液とを混合した後に、分散液(複合樹脂組成物)に対しpH調整することをいう。なお、高pH先ブレンド法ではなく後述の「高pH後ブレンド法」を用いて、複合樹脂組成物を製造しても良い。以下、高pH後ブレンド法と高pH先ブレンド法の詳細について説明する。
従来、単量体混合乳化物とPNF分散液とを均一に混合させる方法として、「ホットブレンド法」が用いられていた。ホットブレンド法とは、PNF分散液中で単量体混合乳化物の重合により生じる熱を利用し、分散液中の温度を上昇させることで、均一な複合樹脂組成物を得る方法のことをいう。
本発明では、より高均一な複合樹脂組成物を得るために、PNF分散液のpHを強アルカリ性域(pH11以上)に調製し、それを単量体混合乳化物と撹拌混合した後、pHを中性域(pH6以上8未満)又は弱酸性域(pH3以上6未満)まで戻した。すると、溶解状態にあったPNFが表出し、均一に分散した分散液(複合樹脂組成物)が得られることが判明した。このような工程で複合樹脂組成物を得る方法を「高pH後ブレンド法」と呼ぶ。高pH後ブレンド法で得られた複合樹脂組成物の分散性は、従来のホットブレンド法で得られる複合樹脂組成物よりも優れていた。なお、高pH後ブレンド法では、単量体混合乳化物のpHを、強アルカリ性域のPNF分散液のpHに合わせる必要があるため、製造工程数が増えるといった課題があった。
そこで、高pH後ブレンド法よりも製造工程数が少ない高pH先ブレンド法を用いて複合樹脂組成物を製造した。まず、単量体混合乳化物とPNF分散液とを混合した後に、複合樹脂組成物を強アルカリ性域になるまでpHを上げて、再び中性域(pH6以上8未満)又は弱酸性域(pH3以上6未満)までpHを下げた。すると、高pH後ブレンド法と同様に、高pH先ブレンド法を用いても高均一な複合樹脂組成物が得られることが判明した。
実施例12に準じて、表1に示した通り、所定の原料と高pH先ブレンド法を用いて複合樹脂組成物を調製した。
・メチルメタクリレート(MMA)、スチレン(ST)、2-エチルヘキシルアクリレート(2EHA)、ブチルアクリレート(BA)、メタクリル酸2ヒドロキシエチル(2HEMA)、メタクリル酸(MAAC)、アクリル酸(AAC)
・PNF:ミドリムシ由来パラミロンナノファイバー(ユーグリード社製、商品名:パラミロンナノファイバー(2%))
・CNF1:機械解繊タイプセルロースナノファイバー(スギノマシン社製、商品名:ビンフィス(2%))
・CNF2:化学解繊(TEMPO酸化)タイプのセルロースナノファイバー(日本製紙社製、商品名:セレンピア(1%))
・メチルメタクリレート(MMA)、スチレン(ST)、2-エチルヘキシルアクリレート(2EHA)、ブチルアクリレート(BA)、メタクリル酸2ヒドロキシエチル(2HEMA)、メタクリル酸(MAAC)、アクリル酸(AAC)
・PNF:ミドリムシ由来パラミロンナノファイバー(ユーグリード社製、商品名:パラミロンナノファイバー(2%))
・CNF1:機械解繊タイプセルロースナノファイバー(スギノマシン社製、商品名:ビンフィス(2%))
・CNF2:化学解繊(TEMPO酸化)タイプのセルロースナノファイバー(日本製紙社製、商品名:セレンピア(1%))
以下の試験例1と試験例2を行い、実施例1~13の複合樹脂組成物、比較例1~2の複合樹脂組成物、及び参考例1~6の樹脂組成物(単量体混合乳化物に相当)の性能評価を行った。
120メッシュのフィルターで単量体混合乳化物エマルション又は複合樹脂組成物エマルションを濾過したときに残存する凝集物の有無を、以下の評価基準に基づいて目視で評価した。
(評価基準)
○・・・残存凝集物なし
△・・・多少の残存凝集物あり
×・・・凝集物が多い
複合安定性試験で調整した弱アルカリ性の複合樹脂組成物エマルションを任意の基材に塗布して、70℃で16時間加熱乾燥した。その後、幅×長さ×厚さ=10mm×10mm×0.30mmのサイズに加工して試料皮膜を得た。所定の条件(チャック間距離:20mm、引張速度:200mm/min、測定雰囲気:23℃・50%RH)でテンシロン万能引張試験機を用いて試料皮膜の力学特性(皮膜強度及び皮膜伸度)を測定した。
Claims (9)
- エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子と、パラミロンナノファイバーと、水性分散媒と、を含み、
前記水不溶性重合体粒子の100質量部に対して、前記エチレン性不飽和単量体として(メタ)アクリル系単量体、スチレン系単量体、及び(メタ)アクリロニトリル系単量体の少なくともいずれかを50質量部以上含む、
ことを特徴とする複合樹脂組成物。 - 前記水不溶性重合体粒子の100質量部に対して、前記パラミロンナノファイバーを10~500質量部含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合樹脂組成物。 - 前記パラミロンナノファイバーは、前記複合樹脂組成物に対して0.1~10質量%含まれる、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合樹脂組成物。 - 前記パラミロンナノファイバーは、1:300~1:10000のアスペクト比を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合樹脂組成物。 - 前記パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒中で前記エチレン性不飽和単量体を重合する、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合樹脂組成物の製造方法。 - 前記エチレン性不飽和単量体を重合した後、前記パラミロンナノファイバーを更に添加する、
ことを特徴とする請求項5に記載の製造方法。 - エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子を含有する水性分散媒と、前記パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒とを混合する、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合樹脂組成物の製造方法。 - 前記エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子を含有する水性分散媒と、前記パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒と、を含む分散液を強アルカリ性域に調整した後、前記分散液のpHを弱アルカリ性域、中性域、及び弱酸性域のいずれかに調整する、
ことを特徴とする請求項7に記載の製造方法。 - 前記パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒を強アルカリ性域に調整し、前記エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子を含有する水性分散媒を前記強アルカリ性域に調整した後、前記強アルカリ性域の前記パラミロンナノファイバーを含有する水性分散媒と、前記強アルカリ性域の前記エチレン性不飽和単量体からなる水不溶性重合体粒子を含有する水性分散媒と、を含む分散液を混合し、前記分散液のpHを弱アルカリ性域、中性域、及び弱酸性域のいずれかに調整する、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合樹脂組成物の製造方法。
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