JP7488096B2 - Dried cellulose fiber body, its manufacturing method, and manufacturing method of resin composite - Google Patents
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Description
本発明は、セルロース繊維乾燥体及びその製造方法、並びにセルロース繊維と樹脂とを含む樹脂複合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a dried cellulose fiber body and a method for producing the same, as well as a method for producing a resin composite containing cellulose fibers and a resin.
樹脂材料は、軽く、加工特性に優れるため、自動車部材、電気・電子部材、事務機器ハウジング、精密部品等の多方面に広く使用されているが、樹脂単体では、機械特性、寸法安定性等が不十分である場合が多いことから、樹脂と各種フィラーとをコンポジットしたものが一般的に用いられている。近年、このようなフィラーとして、セルロースナノファイバー(CNF)等のナノ繊維を使用することが検討されている。CNFをはじめとしたナノ繊維は、乾燥状態では凝集し易いという性質があるため、安定分散が可能な分散液として製造される。例えば、セルロースナノファイバーを各種用途に適用する際には、上記分散液を一旦乾燥した後、分散媒中に分散し、又は乾燥体のままで、マトリクス樹脂中に再分散させる場合がある。しかしセルロースナノファイバーにおいて、セルロース分子間の水素結合による凝集は極めて強固であることから、従来、乾燥工程におけるセルロースナノファイバーの凝集を抑制するための手法が種々提案されている。 Resin materials are light and have excellent processing properties, and are therefore widely used in many areas, such as automobile parts, electrical and electronic parts, office equipment housings, and precision parts. However, resin alone often has insufficient mechanical properties and dimensional stability, so composites of resin and various fillers are generally used. In recent years, the use of nanofibers such as cellulose nanofibers (CNF) as such fillers has been considered. Nanofibers such as CNF tend to aggregate easily in a dry state, so they are manufactured as a dispersion liquid that allows stable dispersion. For example, when applying cellulose nanofibers to various applications, the above dispersion liquid may be dried once and then dispersed in a dispersion medium, or may be redispersed in a matrix resin while still in the dried form. However, in cellulose nanofibers, aggregation due to hydrogen bonds between cellulose molecules is extremely strong, so various methods have been proposed to suppress aggregation of cellulose nanofibers during the drying process.
例えば、特許文献1は、(A)粉末状のナノファイバーに対し、(B)分散剤を固形分換算で1~40重量%配合してなり、かつ嵩密度が90~200g/Lであることを特徴とする粉末状ナノファイバーを記載する。また、特許文献2は、有機溶媒の存在下、セルロースナノファイバーをホモジナイズ処理した後、有機溶媒を除去し、水分含有量0~1質量%の乾燥した微小繊維を製造する方法を記載する。また、特許文献3は、セルロースナノファイバーと溶媒との混合物を、真空乾燥装置を用いて乾燥することを含む、セルロースナノファイバー乾燥固形物の製造方法を記載する。
For example,
特許文献1~3に記載される技術はいずれも、セルロースナノファイバーの乾燥時の凝集を低減することで、乾燥後のセルロースナノファイバーを分散媒中又はマトリクス樹脂中に良好に再分散させようとするものであるが、これら技術によっても、一旦乾燥されたセルロースナノファイバーの再分散性は十分ではなく、特に、セルロースナノファイバーを乾燥状態のまま樹脂と混合した際にも当該セルロースナノファイバーを樹脂中に良好に分散できるような技術は確立されていなかった。したがって、従来の技術では、セルロースナノファイバーによる樹脂の物性向上効果が満足できるレベルでは発現できず、加えて量産時にはスクリーンメッシュを通過しない凝集塊が存在するために、スクリーンメッシュの交換頻度が非常に多く、量産が困難であるという課題があった。
All of the techniques described in
本発明の一態様は、上記の課題を解決し、樹脂との混合時に、黒点等の欠点の原因となる凝集物を形成し難く、成形加工時のスクリーンメッシュ交換頻度を低減することで生産性に優れ、高靭性でかつ外観に優れる樹脂複合体を与えることができるセルロース繊維乾燥体、及び当該セルロース繊維乾燥体と樹脂とを含む樹脂複合体の提供を目的とする。 One aspect of the present invention aims to solve the above problems and provide a dried cellulose fiber body that is unlikely to form aggregates that cause defects such as black spots when mixed with resin, has excellent productivity by reducing the frequency of screen mesh replacement during molding processing, and can give a resin composite that has high toughness and excellent appearance, as well as a resin composite containing the dried cellulose fiber body and a resin.
本発明は、以下の態様を包含する。
[1] セルロース繊維を含み、安息角40°~60°、差角10°以下、ゆるめ嵩密度0.01g/cm3~0.40g/cm3、あつめ嵩密度0.1g/cm3~0.55g/cm3、及び圧縮度20%~40%を有し、粒径710μm以下の粒子成分の含有率が50質量%~90質量%である、セルロース繊維乾燥体。
[2] 粒径710μm超1000μm以下の粒子成分の含有率が10質量%~30質量%である、上記態様1に記載のセルロース繊維乾燥体。
[3] 粒径1000μm超の粒子成分の含有率が1質量%~10質量%である、上記態様1又は2に記載のセルロース繊維乾燥体。
[4] 前記セルロース繊維の数平均繊維径が2nm~1000nmである、上記態様1~3のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[5] 前記セルロース繊維の平均繊維長(L)/繊維径(D)比が30~5000である、上記態様1~4のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[6] 前記セルロース繊維が、重量平均分子量(Mw)100000以上、及び重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)比6以下を有する、上記態様1~5のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[7] 前記セルロース繊維の結晶化度が60%以上である、上記態様1~6のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[8] 前記セルロース繊維のアルカリ可溶多糖類含有率が、20質量%以下である、上記態様1~7のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[9] 前記セルロース繊維が化学修飾されている、上記態様1~8のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[10] 前記化学修飾が、エステル化である、上記態様9に記載のセルロース繊維乾燥体。
[11] 前記エステル化が、アセチル化である、上記態様10に記載のセルロース繊維乾燥体。
[12] 前記セルロース繊維の平均置換度(DS)が0.1~1.2である、上記態様9~11のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[13] 水分率が30質量%以下である、上記態様1~12のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[14] 分散剤を更に含み、
前記分散剤が、HLB値0.1以上、8.0未満、融点80℃以下、及び数平均分子量1000~50000を有する化合物である、上記態様1~13のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体。
[15] 上記態様1~14のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体の製造方法であって、
セルロース繊維と水性媒体とを含むスラリーを調製するスラリー調製工程、及び
前記スラリーを、乾燥速度10%/分~10000%/分の条件下で乾燥させてセルロース繊維乾燥体を形成する乾燥工程、
を含む、方法。
[16] 前記乾燥工程を、乾燥温度20℃~200℃での滞留時間が0.01分間~10分間である連続プロセスで行う、上記態様15に記載の方法。
[17] セルロース繊維と樹脂とを含む樹脂複合体の製造方法であって、
上記態様1~16のいずれかに記載のセルロース繊維乾燥体と、樹脂とを混合することを含み、
前記樹脂複合体の引張破断伸度が、8%以上である、方法。
[18] 前記樹脂が熱可塑性樹脂である、上記態様17に記載の方法。
[19] 前記熱可塑性樹脂がポリアミド系樹脂である、上記態様18に記載の方法。
The present invention includes the following aspects.
[1] A dried cellulose fiber body containing cellulose fibers, having an angle of repose of 40° to 60°, a difference angle of 10° or less, a loose bulk density of 0.01 g/cm 3 to 0.40 g/cm 3 , a packed bulk density of 0.1 g/cm 3 to 0.55 g/cm 3 , and a compression degree of 20% to 40%, and having a content of particle components having a particle size of 710 μm or less of 50% by mass to 90% by mass.
[2] The dried cellulose fiber according to the
[3] The dried cellulose fiber according to the
[4] The dried cellulose fiber material according to any one of
[5] The dried cellulose fiber according to any one of the
[6] The dried cellulose fiber according to any one of
[7] The dried cellulose fiber material according to any one of
[8] The dried cellulose fiber material according to any one of
[9] The dried cellulose fiber material according to any one of the
[10] The dried cellulose fiber material according to the above-mentioned aspect 9, wherein the chemical modification is esterification.
[11] The dried cellulose fiber material according to the
[12] The dried cellulose fiber according to any one of aspects 9 to 11, wherein the cellulose fiber has an average degree of substitution (DS) of 0.1 to 1.2.
[13] The dried cellulose fiber according to any one of
[14] Further comprising a dispersant,
The dried cellulose fiber material according to any one of the
[15] A method for producing a dried cellulose fiber material according to any one of
A slurry preparation step of preparing a slurry containing cellulose fibers and an aqueous medium; and A drying step of drying the slurry under conditions of a drying rate of 10%/min to 10,000%/min to form a dried cellulose fiber body.
A method comprising:
[16] The method according to the above-mentioned aspect 15, wherein the drying step is carried out in a continuous process with a residence time of 0.01 minutes to 10 minutes at a drying temperature of 20°C to 200°C.
[17] A method for producing a resin composite containing cellulose fibers and a resin, comprising:
The present invention includes mixing the dried cellulose fiber material according to any one of
The resin composite has a tensile elongation at break of 8% or more.
[18] The method according to claim 17, wherein the resin is a thermoplastic resin.
[19] The method according to claim 18, wherein the thermoplastic resin is a polyamide resin.
本発明の一態様によれば、樹脂との混合時に、黒点等の欠点の原因となる凝集物を形成し難く、成形加工時のスクリーンメッシュ交換頻度を低減することで生産性に優れ、高靭性でかつ外観に優れる樹脂複合体を与えることができるセルロース繊維乾燥体、及び当該セルロース繊維乾燥体と樹脂とを含む樹脂複合体が提供され得る。 According to one aspect of the present invention, a dried cellulose fiber body that is unlikely to form aggregates that cause defects such as black spots when mixed with a resin, has excellent productivity by reducing the frequency of screen mesh replacement during molding processing, and can give a resin composite that has high toughness and excellent appearance, and a resin composite containing the dried cellulose fiber body and a resin can be provided.
本発明の例示の態様について以下具体的に説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。 The following describes exemplary embodiments of the present invention in detail, but the present invention is not limited to these embodiments.
≪セルロース繊維乾燥体≫
本発明の一態様は、粒子状であってよいセルロース繊維乾燥体を提供する。一態様に係るセルロース繊維乾燥体は、粒子径、安息角、崩潰角、差角、ゆるめ嵩密度、あつめ嵩密度、及び圧縮度が特定範囲に制御されている。このようなセルロース繊維乾燥体は、粒子のサイズ、セルロース分子凝集状態、及び粒子間相互作用が適切に制御されていることで、樹脂中に分散された際に、黒点等の欠点の原因となるセルロース凝集物を形成し難い。したがって、本発明の一態様に係るセルロース繊維乾燥体を用いることで、高靭性であるとともに、セルロース由来の黒点等の欠点が少なく良好な外観を呈する樹脂複合体を形成できる。
<Dried cellulose fiber>
One aspect of the present invention provides a dried cellulose fiber material, which may be particulate. The dried cellulose fiber material according to one aspect has a particle size, angle of repose, angle of collapse, difference angle, loose bulk density, packed bulk density, and degree of compression controlled within specific ranges. Such dried cellulose fiber material is unlikely to form cellulose aggregates that cause defects such as black spots when dispersed in a resin, because the particle size, cellulose molecular aggregation state, and interparticle interaction are appropriately controlled. Therefore, by using the dried cellulose fiber material according to one aspect of the present invention, a resin composite can be formed that has high toughness, has few defects such as cellulose-derived black spots, and exhibits a good appearance.
一態様において、セルロース繊維乾燥体の安息角は40°~60°であり、好ましくは、42°以上、又は44°以上、又は46°以上であってよく、好ましくは、58°以下、又は56°以下、又は54°以下であってよい。セルロース繊維乾燥体のサイズは、大き過ぎると樹脂中への分散が困難であるが、小さ過ぎると粒子間での凝集が顕著になり樹脂中での分散性がかえって悪くなる。安息角が上記範囲であるセルロース繊維乾燥体は、粒子サイズが適度な範囲にあることで、セルロース繊維を樹脂中に均一に分散させることができる。なおこの際の分散サイズは必ずしも極めて微細ではないが、凝集物の生成が少ないことによって樹脂複合体の物性(特に靭性)は極めて良好なものとなる。 In one embodiment, the angle of repose of the dried cellulose fiber body is 40° to 60°, preferably 42° or more, or 44° or more, or 46° or more, and preferably 58° or less, or 56° or less, or 54° or less. If the size of the dried cellulose fiber body is too large, it is difficult to disperse it in the resin, but if it is too small, aggregation between particles becomes significant and dispersibility in the resin worsens. The dried cellulose fiber body having an angle of repose in the above range can disperse the cellulose fibers uniformly in the resin because the particle size is in a moderate range. Note that the dispersion size in this case is not necessarily extremely fine, but the physical properties (especially toughness) of the resin composite are extremely good due to the small amount of aggregates generated.
セルロース繊維乾燥体の崩潰角は、安息角及び差角を本開示の範囲に制御するのに有用である範囲に制御され、一態様において、30°~50°、又は35°~48°、又は38°~46°であってよい。 The collapse angle of the dried cellulose fiber body is controlled to a range that is useful for controlling the angle of repose and the difference angle within the ranges disclosed herein, and in one embodiment may be 30° to 50°, or 35° to 48°, or 38° to 46°.
一態様において、セルロース繊維乾燥体の差角(すなわち、安息角と崩潰角との差)は、10°以下であり、好ましくは、9°以下、又は8°以下、又は7°以下であってよい。差角が上記範囲であるセルロース繊維乾燥体は、粒子間の相互作用(摩擦力等)が比較的大きいことにより取扱い性に優れる。差角は、セルロース繊維乾燥体の製造容易性の観点から、例えば1°以上、又は2°以上、又は3°以上であってよい。 In one embodiment, the difference angle of the dried cellulose fiber body (i.e., the difference between the angle of repose and the angle of collapse) is 10° or less, and may be preferably 9° or less, or 8° or less, or 7° or less. A dried cellulose fiber body having a difference angle in the above range has excellent handleability due to a relatively large interaction between particles (frictional force, etc.). From the viewpoint of ease of manufacturing the dried cellulose fiber body, the difference angle may be, for example, 1° or more, or 2° or more, or 3° or more.
安息角及び崩潰角は、本開示の[実施例]の項に記載した方法で測定される値である。差角は安息角と崩潰角との差として算出される。 The angle of repose and the angle of collapse are values measured using the method described in the [Examples] section of this disclosure. The difference angle is calculated as the difference between the angle of repose and the angle of collapse.
一態様において、セルロース繊維乾燥体のゆるめ嵩密度は、セルロース繊維乾燥体が軽質過ぎることによって、粒子が飛散したり、流動状態の樹脂との混合時に樹脂相上部にセルロース繊維乾燥体が浮遊して混合不良となったりする不都合を回避する観点から、0.01g/cm3以上であり、好ましくは、0.05g/cm3以上、又は0.08g/cm3以上、又は0.1g/cm3以上であってよい。また上記ゆるめ嵩密度は、セルロース繊維が樹脂中に良好に分散できる点、及び、セルロース繊維乾燥体が重質過ぎずセルロース繊維乾燥体と樹脂との混合不良を回避できる点で、0.40g/cm3以下であり、好ましくは、0.38g/cm3以下、又は0.36g/cm3以下、又は0.35g/cm3以下であってよい。 In one embodiment, the loose bulk density of the dried cellulose fiber body is 0.01 g/cm 3 or more, preferably 0.05 g/cm 3 or more, or 0.08 g/cm 3 or more, or 0.1 g/cm 3 or more, from the viewpoint of avoiding inconveniences such as particles scattering due to the dried cellulose fiber body being too light, or the dried cellulose fiber body floating on the upper part of the resin phase when mixed with a fluidized resin, resulting in poor mixing. The loose bulk density may be 0.40 g/cm 3 or less, preferably 0.38 g/cm 3 or less, or 0.36 g / cm 3 or less, or 0.35 g/cm 3 or less, from the viewpoints that the cellulose fibers can be well dispersed in the resin, and that the dried cellulose fiber body is not too heavy and poor mixing between the dried cellulose fiber body and the resin can be avoided.
セルロース繊維乾燥体のあつめ嵩密度は、ゆるめ嵩蜜度及び圧縮度を本開示の範囲に制御するのに有用である範囲に制御され、一態様において、0.1g/cm3~0.55g/cm3、又は0.12g/cm3~0.52g/cm3、又は0.13g/cm3~0.2g/cm3であってよい。 The packed bulk density of the dry cellulose fiber body is controlled within a range that is useful for controlling the loose bulk density and compressibility within the ranges of the present disclosure, and in one embodiment, may be 0.1 g/cm 3 to 0.55 g/cm 3 , or 0.12 g/cm 3 to 0.52 g/cm 3 , or 0.13 g/cm 3 to 0.2 g/cm 3 .
一態様において、セルロース繊維乾燥体の圧縮度は、20%~40%である。圧縮度は嵩減りの程度を表す。セルロース繊維乾燥体の流動性が高過ぎず自然流動を抑制する点で、圧縮度は、20%以上であり、好ましくは、23%以上、又は25%以上、又は27%以上であってよい。また、セルロース繊維乾燥体の流動性が良好である点で、圧縮度は、40%以下であり、好ましくは、39%以下、又は38%以下、又は37%以下であってよい。 In one embodiment, the compression degree of the dried cellulose fiber body is 20% to 40%. The compression degree indicates the degree of bulk loss. In order to prevent the fluidity of the dried cellulose fiber body from being too high and to suppress natural flow, the compression degree is 20% or more, and preferably 23% or more, or 25% or more, or 27% or more. In order to ensure good fluidity of the dried cellulose fiber body, the compression degree is 40% or less, and preferably 39% or less, or 38% or less, or 37% or less.
ゆるめ嵩密度及びあつめ嵩密度は、本開示の[実施例]の項に記載した方法で測定される値である。圧縮度は、圧縮度=(あつめ嵩密度-ゆるめ嵩密度)/あつめ嵩密度、で算出される値である。 The loose bulk density and packed bulk density are values measured using the method described in the [Examples] section of this disclosure. The compression degree is calculated as follows: compression degree = (packed bulk density - loose bulk density) / packed bulk density.
セルロース繊維乾燥体の、粒径710μm以下の粒子成分の含有率は、一態様において50~90質量%であり、好ましくは、55~85質量%、又は60~80質量%、又は63~77質量%であってよい。また、粒径710μm超1000μm以下の粒子の含有率は、好ましくは、10~30質量%、又は12~25質量%であってよい。また、粒径1000μm超の粒子の含有率は、好ましくは、1~22質量%、又は5~10質量%であってよい。セルロース繊維乾燥体において、粒径710μm以下という小粒子が主成分であることで、樹脂中へのセルロース繊維乾燥体の分散が容易となり、靭性を向上させつつ、スクリーンメッシュの詰まりを抑制することができる。また、粒径710μmより大きい粒子を適度に含むことで、剛性を発現することができるため、物性のバランスに優れた樹脂複合体を得ることができる。セルロース繊維乾燥体の粒度分布は、本開示の[実施例]の項に記載した方法で測定される値である。 In one embodiment, the content of particle components having a particle diameter of 710 μm or less in the dried cellulose fiber body is 50 to 90% by mass, and may be preferably 55 to 85% by mass, or 60 to 80% by mass, or 63 to 77% by mass. The content of particles having a particle diameter of more than 710 μm and not more than 1000 μm may be preferably 10 to 30% by mass, or 12 to 25% by mass. The content of particles having a particle diameter of more than 1000 μm may be preferably 1 to 22% by mass, or 5 to 10% by mass. In the dried cellulose fiber body, small particles having a particle diameter of 710 μm or less are the main component, so that the dried cellulose fiber body can be easily dispersed in the resin, and clogging of the screen mesh can be suppressed while improving toughness. In addition, by appropriately containing particles having a particle diameter larger than 710 μm, rigidity can be expressed, and therefore a resin composite having excellent balance of physical properties can be obtained. The particle size distribution of the dried cellulose fiber body is a value measured by the method described in the section [Examples] of this disclosure.
一態様において、セルロース繊維乾燥体の平均粒径は、好ましくは、50μm以上、又は100μm以上、又は200μm以上、又は500μm以上であり、好ましくは、5000μm以下、又は4000μm以下、又は3000μm以下、又は2000μm以下である。上記平均粒径は、レーザー回折・散乱法で測定される値である。 In one embodiment, the average particle size of the dried cellulose fiber body is preferably 50 μm or more, or 100 μm or more, or 200 μm or more, or 500 μm or more, and is preferably 5000 μm or less, or 4000 μm or less, or 3000 μm or less, or 2000 μm or less. The above average particle size is a value measured by a laser diffraction/scattering method.
一態様において、セルロース繊維乾燥体の水分率は、30質量%以下、又は20質量%以下、又は10質量%以下であってよい。水分率は、0質量%であってよいが、セルロース繊維乾燥体の製造容易性の観点から、例えば、0.1質量%以上、又は1質量%以上、又は1.5質量%以上であってよい。水分率は、赤外加熱式水分計を用いて測定される値である。 In one embodiment, the moisture content of the dried cellulose fiber body may be 30% by mass or less, or 20% by mass or less, or 10% by mass or less. The moisture content may be 0% by mass, but from the viewpoint of ease of production of the dried cellulose fiber body, it may be, for example, 0.1% by mass or more, 1% by mass or more, or 1.5% by mass or more. The moisture content is a value measured using an infrared heating moisture meter.
セルロース繊維乾燥体の原料としては、天然セルロース及び再生セルロースを用いることができる。天然セルロースとしては、木材種(広葉樹又は針葉樹)から得られる木材パルプ、非木材種(綿、竹、麻、バガス、ケナフ、コットンリンター、サイザル、ワラ等)から得られる非木材パルプ、動物(例えばホヤ類)や藻類、微生物(例えば酢酸菌)、が産生するセルロース繊維集合体を使用できる。再生セルロースとしては、再生セルロース繊維(ビスコース、キュプラ、テンセル等)、セルロース誘導体繊維、エレクトロスピニング法により得られた再生セルロース又はセルロース誘導体の極細糸等を使用できる。 As the raw material for the dried cellulose fiber body, natural cellulose and regenerated cellulose can be used. As the natural cellulose, wood pulp obtained from wood species (broadleaf or coniferous trees), non-wood pulp obtained from non-wood species (cotton, bamboo, hemp, bagasse, kenaf, cotton linters, sisal, straw, etc.), and cellulose fiber aggregates produced by animals (e.g., sea squirts), algae, and microorganisms (e.g., acetic acid bacteria) can be used. As the regenerated cellulose, regenerated cellulose fibers (viscose, cupra, tencel, etc.), cellulose derivative fibers, and ultra-fine threads of regenerated cellulose or cellulose derivatives obtained by the electrospinning method can be used.
一態様において、セルロース繊維はセルロースナノファイバーである。セルロースナノファイバーとは、パルプ等を100℃以上の熱水等で処理し、ヘミセルロースを加水分解して脆弱化したのち、高圧ホモジナイザー、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ディスクミル、ミキサー(例えばホモミキサー)等の粉砕法により解繊した微細なセルロース繊維を指す。一態様において、セルロースナノファイバーは数平均繊維径1nm以上1000nm以下である。セルロース繊維は後述のように化学修飾されたものであってもよい。 In one embodiment, the cellulose fibers are cellulose nanofibers. Cellulose nanofibers refer to fine cellulose fibers that are obtained by treating pulp or the like with hot water of 100°C or higher to hydrolyze and weaken the hemicellulose, and then defibrating the fibers by a pulverizing method using a high-pressure homogenizer, microfluidizer, ball mill, disk mill, mixer (e.g., homomixer), or the like. In one embodiment, the cellulose nanofibers have a number-average fiber diameter of 1 nm or more and 1000 nm or less. The cellulose fibers may be chemically modified as described below.
スラリーは、セルロース繊維(例えば上記解繊を経て得たセルロースナノファイバー)を液体媒体中に分散させることによって調製でき、分散は、高圧ホモジナイザー、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ディスクミル、ミキサー(例えばホモミキサー)等を用いて行ってよく、例えば上記解繊の生成物を本開示のスラリー調製工程の生成物として得てもよい。スラリー中の液体媒体は、水に加えて、任意に1種単独又は2種以上の組合せで他の液体媒体(例えば有機溶媒)を更に含み得る。有機溶媒としては、一般的に用いられる水混和性有機溶媒、例えば:沸点が50℃~170℃のアルコール(例えばメタノール、エタノール、n-プロパノール、i-プロパノール、n-ブタノール、i-ブタノール、s-ブタノール、t-ブタノール等);エーテル(例えばプロピレングリコールモノメチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン等);カルボン酸(例えばギ酸、酢酸、乳酸等);エステル(例えば酢酸エチル、酢酸ビニル等);ケトン(例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等);含窒素溶媒(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、アセトニトリル等)、等を使用できる。典型的な態様においては、スラリー中の液体媒体は実質的に水のみである。スラリーは、セルロース繊維と液体媒体とに加えて、後述の追加の成分(分散剤、バインダー、酸化防止剤、防腐剤、増粘剤等)を含んでもよい。 The slurry can be prepared by dispersing cellulose fibers (e.g., cellulose nanofibers obtained through the above-mentioned defibration) in a liquid medium. The dispersion may be performed using a high-pressure homogenizer, a microfluidizer, a ball mill, a disk mill, a mixer (e.g., a homomixer), or the like. For example, the product of the above-mentioned defibration may be obtained as the product of the slurry preparation process of the present disclosure. In addition to water, the liquid medium in the slurry may further contain other liquid media (e.g., organic solvents) in any combination of one or more types. As the organic solvent, a commonly used water-miscible organic solvent, for example: alcohols having a boiling point of 50°C to 170°C (e.g., methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, n-butanol, i-butanol, s-butanol, t-butanol, etc.); ethers (e.g., propylene glycol monomethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diisopropyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, etc.); carboxylic acids (e.g., formic acid, acetic acid, lactic acid, etc.); esters (e.g., ethyl acetate, vinyl acetate, etc.); ketones (e.g., acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclopentanone, cyclohexanone, etc.); nitrogen-containing solvents (dimethylformamide, dimethylacetamide, acetonitrile, etc.), etc. can be used. In a typical embodiment, the liquid medium in the slurry is substantially only water. In addition to the cellulose fibers and the liquid medium, the slurry may contain additional components (dispersants, binders, antioxidants, preservatives, thickeners, etc.) described below.
セルロース繊維原料は、アルカリ可溶分、及び硫酸不溶成分(リグニン等)を含有するため、蒸解処理による脱リグニン等の精製工程及び漂白工程を経て、アルカリ可溶分及び硫酸不溶成分を減らしても良い。他方、蒸解処理による脱リグニン等の精製工程及び漂白工程はセルロースの分子鎖を切断し、重量平均分子量、及び数平均分子量を変化させてしまうため、セルロース繊維原料の精製工程及び漂白工程は、セルロースの重量平均分子量、及び重量平均分子量と数平均分子量との比が、適切な範囲から逸脱しない程度にコントロールされていることが望ましい。 Cellulose fiber raw materials contain alkali-soluble and sulfuric acid-insoluble components (such as lignin), so they may be subjected to a refining process such as delignification by cooking and a bleaching process to reduce the alkali-soluble and sulfuric acid-insoluble components. On the other hand, refining processes such as delignification by cooking and a bleaching process cut the molecular chains of cellulose, changing the weight-average molecular weight and number-average molecular weight, so it is desirable that the refining and bleaching processes of cellulose fiber raw materials are controlled so that the weight-average molecular weight of cellulose and the ratio of the weight-average molecular weight to the number-average molecular weight do not deviate from the appropriate range.
また、蒸解処理による脱リグニン等の精製工程及び漂白工程はセルロース分子の分子量を低下させるため、これらの工程によって、セルロースが低分子量化すること、及びセルロース繊維原料が変質してアルカリ可溶分の存在比率が増加することが懸念される。アルカリ可溶分は耐熱性に劣るため、セルロース繊維原料の精製工程及び漂白工程は、セルロース繊維原料に含有されるアルカリ可溶分の量が一定の値以下の範囲となるようにコントロールされていることが望ましい。 In addition, refining processes such as delignification by cooking and bleaching processes reduce the molecular weight of cellulose molecules, and there is concern that these processes will result in low molecular weight cellulose and alter the cellulose fiber raw material, increasing the proportion of alkali-soluble matter present. Since alkali-soluble matter has poor heat resistance, it is desirable that the refining and bleaching processes of cellulose fiber raw materials be controlled so that the amount of alkali-soluble matter contained in the cellulose fiber raw material is within a certain range or less.
一態様において、セルロース繊維の数平均繊維径は、セルロース繊維による物性向上効果を良好に得る観点から、好ましくは2~1000nmである。セルロース繊維の数平均繊維径は、より好ましくは4nm以上、又は5nm以上、又は10nm以上、又は15nm以上、又は20nm以上であり、より好ましくは500nm以下、又は450nm以下、又は400nm以下、又は350nm以下、又は300nm以下、又は250nm以下である。 In one aspect, the number average fiber diameter of the cellulose fibers is preferably 2 to 1000 nm from the viewpoint of obtaining a good effect of improving physical properties by the cellulose fibers. The number average fiber diameter of the cellulose fibers is more preferably 4 nm or more, or 5 nm or more, or 10 nm or more, or 15 nm or more, or 20 nm or more, and more preferably 500 nm or less, or 450 nm or less, or 400 nm or less, or 350 nm or less, or 300 nm or less, or 250 nm or less.
セルロース繊維の平均L/Dは、セルロース繊維を含む樹脂複合体の機械的特性を少量のセルロース繊維で良好に向上させる観点から、好ましくは、50以上、又は80以上、又は100以上、又は120以上、又は150以上である。上限は特に限定されないが、取扱い性の観点から好ましくは5000以下である。 The average L/D of the cellulose fibers is preferably 50 or more, or 80 or more, or 100 or more, or 120 or more, or 150 or more, from the viewpoint of effectively improving the mechanical properties of the resin composite containing the cellulose fibers with a small amount of cellulose fibers. The upper limit is not particularly limited, but is preferably 5000 or less from the viewpoint of handleability.
本開示で、セルロース繊維の各々の長さ、径、及びL/D比は、セルロース繊維の水分散液を、高剪断ホモジナイザー(例えば日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED-7」)を用い、処理条件:回転数15,000rpm×5分間で分散させた水分散体を、0.1~0.5質量%まで純水で希釈し、マイカ上にキャストし、風乾したものを測定サンプルとし、高分解能走査型顕微鏡(SEM)又は原子間力顕微鏡(AFM)で計測して求める。具体的には、少なくとも100本のセルロース繊維が観測されるように倍率が調整された観察視野にて、無作為に選んだ100本のセルロース繊維の長さ(L)及び径(D)を計測し、比(L/D)を算出する。セルロース繊維について、長さ(L)の数平均値、径(D)の数平均値、及び比(L/D)の数平均値を算出する。 In the present disclosure, the length, diameter, and L/D ratio of each cellulose fiber are determined by dispersing an aqueous dispersion of cellulose fibers using a high-shear homogenizer (e.g., Nippon Seiki Co., Ltd., product name "Excel Auto Homogenizer ED-7") under processing conditions: rotation speed 15,000 rpm x 5 minutes, diluting the aqueous dispersion with pure water to 0.1 to 0.5 mass%, casting it on mica, and air-drying it to obtain a measurement sample, and measuring it with a high-resolution scanning microscope (SEM) or atomic force microscope (AFM). Specifically, the length (L) and diameter (D) of 100 randomly selected cellulose fibers are measured in an observation field where the magnification is adjusted so that at least 100 cellulose fibers are observed, and the ratio (L/D) is calculated. The number average value of the length (L), the number average value of the diameter (D), and the number average value of the ratio (L/D) are calculated for the cellulose fibers.
又は、樹脂複合体中のセルロース繊維の長さ、径、及びL/D比は、固体である樹脂複合体を測定サンプルとして、上述の測定方法により測定することで確認することができる。 Alternatively, the length, diameter, and L/D ratio of the cellulose fibers in the resin composite can be confirmed by measuring the solid resin composite as a measurement sample using the measurement method described above.
又は、樹脂複合体中のセルロース繊維の長さ、径、及びL/D比は、樹脂複合体の樹脂成分を溶解できる有機又は無機の溶媒に樹脂複合体中の樹脂成分を溶解させ、セルロース繊維を分離し、前記溶媒で充分に洗浄した後、溶媒を純水に置換した水分散液を調製し、セルロース繊維濃度を、0.1~0.5質量%まで純水で希釈し、マイカ上にキャストし、風乾したものを測定サンプルとして上述の測定方法により測定することで確認することができる。この際、測定するセルロース繊維は無作為に選んだ100本以上での測定を行う。 Alternatively, the length, diameter, and L/D ratio of the cellulose fibers in the resin composite can be confirmed by dissolving the resin components in the resin composite in an organic or inorganic solvent capable of dissolving the resin components of the resin composite, separating the cellulose fibers, thoroughly washing the fibers with the solvent, and then replacing the solvent with pure water to prepare an aqueous dispersion. The cellulose fiber concentration is diluted with pure water to 0.1 to 0.5% by mass, cast on mica, and air-dried to obtain a measurement sample, which is then measured using the above-mentioned measurement method. At this time, the measurement is performed on 100 or more randomly selected cellulose fibers.
セルロース繊維の結晶化度は、好ましくは55%以上である。結晶化度がこの範囲にあると、セルロース繊維自体の力学物性(強度、寸法安定性)が高いため、セルロース繊維を樹脂に分散した際に、樹脂複合体の強度、寸法安定性が高い傾向にある。より好ましい結晶化度の下限は、60%であり、さらにより好ましくは70%であり、最も好ましくは80%である。セルロース繊維の結晶化度について上限は特に限定されず、高い方が好ましいが、生産上の観点から好ましい上限は99%である。 The crystallinity of the cellulose fibers is preferably 55% or more. When the crystallinity is in this range, the mechanical properties (strength, dimensional stability) of the cellulose fibers themselves are high, so that when the cellulose fibers are dispersed in a resin, the strength and dimensional stability of the resin composite tend to be high. A more preferable lower limit of the crystallinity is 60%, even more preferably 70%, and most preferably 80%. There is no particular upper limit for the crystallinity of the cellulose fibers, and the higher the better, but from a production standpoint, a preferable upper limit is 99%.
植物由来のセルロースのミクロフィブリル同士の間、及びミクロフィブリル束同士の間には、ヘミセルロース等のアルカリ可溶多糖類、及びリグニン等の酸不溶成分が存在する。ヘミセルロースはマンナン、キシラン等の糖で構成される多糖類であり、セルロースと水素結合して、ミクロフィブリル間を結びつける役割を果たしている。またリグニンは芳香環を有する化合物であり、植物の細胞壁中ではヘミセルロースと共有結合していることが知られている。セルロース繊維中のリグニン等の不純物の残存量が多いと、加工時の熱により変色をきたすことがあるため、押出加工時及び成形加工時の樹脂複合体の変色を抑制する観点からも、セルロース繊維の結晶化度は上述の範囲内にすることが望ましい。 Between the microfibrils of plant-derived cellulose and between the microfibril bundles, there are alkali-soluble polysaccharides such as hemicellulose, and acid-insoluble components such as lignin. Hemicellulose is a polysaccharide composed of sugars such as mannan and xylan, and forms hydrogen bonds with cellulose to bind the microfibrils together. Lignin is also a compound with an aromatic ring, and is known to be covalently bonded to hemicellulose in the cell walls of plants. If there is a large amount of impurities such as lignin remaining in the cellulose fibers, discoloration may occur due to heat during processing. Therefore, from the viewpoint of suppressing discoloration of the resin composite during extrusion processing and molding processing, it is desirable to keep the crystallinity of the cellulose fibers within the above-mentioned range.
ここでいう結晶化度は、セルロースがセルロースI型結晶(天然セルロース由来)である場合には、サンプルを広角X線回折により測定した際の回折パターン(2θ/deg.が10~30)からSegal法により、以下の式で求められる。
結晶化度(%)=([2θ/deg.=22.5の(200)面に起因する回折強度]-[2θ/deg.=18の非晶質に起因する回折強度])/[2θ/deg.=22.5の(200)面に起因する回折強度]×100
When the cellulose is cellulose I type crystal (derived from natural cellulose), the degree of crystallinity is determined by the Segal method from a diffraction pattern (2θ/deg. is 10 to 30) obtained by measuring a sample by wide-angle X-ray diffraction, according to the following formula:
Crystallinity (%)=([diffraction intensity attributable to the (200) plane at 2θ/deg.=22.5]−[diffraction intensity attributable to amorphous at 2θ/deg.=18])/[diffraction intensity attributable to the (200) plane at 2θ/deg.=22.5]×100
また結晶化度は、セルロースがセルロースII型結晶(再生セルロース由来)である場合には、広角X線回折において、セルロースII型結晶の(110)面ピークに帰属される2θ=12.6°における絶対ピーク強度h0 とこの面間隔におけるベースラインからのピーク強度h1 とから、下記式によって求められる。
結晶化度(%) =h1 /h0 ×100
When the cellulose is cellulose II type crystal (derived from regenerated cellulose), the degree of crystallinity can be calculated from the absolute peak intensity h0 at 2θ=12.6° assigned to the (110) plane peak of cellulose II type crystal in wide-angle X-ray diffraction and the peak intensity h1 from the baseline at this interplanar spacing, according to the following formula:
Crystallinity (%) = h1 / h0 × 100
セルロースの結晶形としては、I型、II型、III型、IV型などが知られており、その中でも特にI型及びII型は汎用されており、III型、IV型は実験室スケールでは得られているものの工業スケールでは汎用されていない。本開示のセルロース繊維としては、構造上の可動性が比較的高く、当該セルロース繊維を樹脂に分散させることにより、線膨張係数がより低く、引っ張り、曲げ変形時の強度及び伸びがより優れた樹脂複合体が得られることから、セルロースI型結晶又はセルロースII型結晶を含有するセルロース繊維が好ましく、セルロースI型結晶を含有し、かつ結晶化度が55%以上のセルロース繊維がより好ましい。 Known crystalline forms of cellulose include types I, II, III, and IV, of which types I and II are particularly widely used, and types III and IV have been obtained on a laboratory scale but are not widely used on an industrial scale. The cellulose fibers disclosed herein have relatively high structural mobility, and by dispersing the cellulose fibers in a resin, a resin composite is obtained that has a lower linear expansion coefficient and is superior in strength and elongation during tensile and bending deformation. Therefore, cellulose fibers containing cellulose type I crystals or cellulose type II crystals are preferred, and cellulose fibers containing cellulose type I crystals and having a crystallinity of 55% or more are more preferred.
また、セルロース繊維の重合度は、好ましくは100以上、より好ましくは150以上であり、より好ましくは200以上、より好ましくは300以上、より好ましくは400以上、より好ましくは450以上であり、好ましくは3500以下、より好ましく3300以下、より好ましくは3200以下、より好ましくは3100以下、より好ましくは3000以下である。 The degree of polymerization of the cellulose fibers is preferably 100 or more, more preferably 150 or more, more preferably 200 or more, more preferably 300 or more, more preferably 400 or more, more preferably 450 or more, and preferably 3500 or less, more preferably 3300 or less, more preferably 3200 or less, more preferably 3100 or less, more preferably 3000 or less.
加工性と機械的特性発現との観点から、セルロース繊維の重合度を上述の範囲内とすることが望ましい。加工性の観点から、重合度は高すぎない方が好ましく、機械的特性発現の観点からは低すぎないことが望まれる。 From the viewpoint of processability and mechanical property expression, it is desirable that the degree of polymerization of the cellulose fibers is within the above-mentioned range. From the viewpoint of processability, it is preferable that the degree of polymerization is not too high, and from the viewpoint of mechanical property expression, it is desirable that the degree of polymerization is not too low.
セルロース繊維の重合度は、「第十五改正日本薬局方解説書(廣川書店発行)」の確認試験(3)に記載の銅エチレンジアミン溶液による還元比粘度法に従って測定される平均重合度を意味する。 The degree of polymerization of cellulose fibers refers to the average degree of polymerization measured according to the reduced specific viscosity method using a copper-ethylenediamine solution as described in the Verification Test (3) of the "Japanese Pharmacopoeia Commentary, 15th Edition (published by Hirokawa Shoten)."
一態様において、セルロース繊維の重量平均分子量(Mw)は100000以上であり、より好ましくは200000以上である。重量平均分子量と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)は6以下であり、好ましくは5.4以下である。重量平均分子量が大きいほどセルロース分子の末端基の数は少ないことを意味する。また、重量平均分子量と数平均分子量との比(Mw/Mn)は分子量分布の幅を表すものであることから、Mw/Mnが小さいほどセルロース分子の末端の数は少ないことを意味する。セルロース分子の末端は熱分解の起点となるため、セルロース繊維のセルロース分子の重量平均分子量が大きいだけでなく、重量平均分子量が大きいと同時に分子量分布の幅が狭い場合に、特に高耐熱性のセルロース繊維、及びセルロース繊維と樹脂とを含む樹脂複合体が得られる。セルロース繊維の重量平均分子量(Mw)は、セルロース繊維原料の入手容易性の観点から、例えば600000以下、又は500000以下であってよい。重量平均分子量と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)はセルロース繊維の製造容易性の観点から、例えば1.5以上、又は2以上であってよい。Mwは、目的に応じたMwを有するセルロース繊維原料を選択すること、セルロース繊維原料に対して物理的処理及び/又は化学的処理を適度な範囲で適切に行うこと、等によって上記範囲に制御できる。Mw/Mnもまた、目的に応じたMw/Mnを有するセルロース繊維原料を選択すること、セルロース繊維原料に対して物理的処理及び/又は化学的処理を適度な範囲で適切に行うこと、等によって上記範囲に制御できる。Mwの制御、及びMw/Mnの制御の両者において、上記物理的処理としては、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ディスクミル等の乾式粉砕若しくは湿式粉砕、擂潰機、ホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波装置等による衝撃、剪断、ずり、摩擦等の機械的な力を加える物理的処理を例示でき、上記化学的処理としては、蒸解、漂白、酸処理、再生セルロース化等を例示できる。 In one embodiment, the weight average molecular weight (Mw) of the cellulose fiber is 100,000 or more, more preferably 200,000 or more. The ratio (Mw/Mn) of the weight average molecular weight to the number average molecular weight (Mn) is 6 or less, preferably 5.4 or less. The larger the weight average molecular weight, the fewer the number of terminal groups of the cellulose molecule. In addition, since the ratio (Mw/Mn) of the weight average molecular weight to the number average molecular weight represents the width of the molecular weight distribution, the smaller the Mw/Mn, the fewer the number of terminals of the cellulose molecule. Since the terminals of the cellulose molecules are the starting points of thermal decomposition, when the cellulose molecules of the cellulose fibers not only have a large weight average molecular weight but also have a narrow molecular weight distribution, a particularly high heat resistant cellulose fiber and a resin composite containing the cellulose fiber and the resin can be obtained. The weight average molecular weight (Mw) of the cellulose fiber may be, for example, 600,000 or less, or 500,000 or less, from the viewpoint of the ease of availability of the cellulose fiber raw material. From the viewpoint of ease of production of cellulose fibers, the ratio (Mw/Mn) of the weight average molecular weight to the number average molecular weight (Mn) may be, for example, 1.5 or more, or 2 or more. Mw can be controlled to the above range by selecting a cellulose fiber raw material having an Mw appropriate for the purpose, performing physical and/or chemical treatment on the cellulose fiber raw material appropriately in a moderate range, etc. Mw/Mn can also be controlled to the above range by selecting a cellulose fiber raw material having an Mw/Mn appropriate for the purpose, performing physical and/or chemical treatment on the cellulose fiber raw material appropriately in a moderate range, etc. In both the control of Mw and the control of Mw/Mn, examples of the physical treatment include dry or wet grinding using a microfluidizer, ball mill, disk mill, etc., physical treatment that applies mechanical forces such as impact, shear, shear, and friction using a crusher, homomixer, high-pressure homogenizer, ultrasonic device, etc., and examples of the chemical treatment include digestion, bleaching, acid treatment, regenerated cellulose, etc.
ここでいうセルロース繊維の重量平均分子量及び数平均分子量とは、セルロース繊維を塩化リチウムが添加されたN,N-ジメチルアセトアミドに溶解させたうえで、N,N-ジメチルアセトアミドを溶媒としてゲルパーミエーションクロマトグラフィによって求めた値である。 The weight average molecular weight and number average molecular weight of the cellulose fiber referred to here are values obtained by dissolving the cellulose fiber in N,N-dimethylacetamide containing lithium chloride and then performing gel permeation chromatography using N,N-dimethylacetamide as a solvent.
セルロース繊維の重合度(すなわち平均重合度)又は分子量を制御する方法としては、加水分解処理等が挙げられる。加水分解処理によって、セルロース繊維内部の非晶質セルロースの解重合が進み、平均重合度が小さくなる。また同時に、加水分解処理により、上述の非晶質セルロースに加え、ヘミセルロースやリグニン等の不純物も取り除かれるため、繊維質内部が多孔質化する。 Methods for controlling the degree of polymerization (i.e., average degree of polymerization) or molecular weight of cellulose fibers include hydrolysis. Hydrolysis promotes depolymerization of the amorphous cellulose inside the cellulose fibers, decreasing the average degree of polymerization. At the same time, hydrolysis removes impurities such as hemicellulose and lignin in addition to the amorphous cellulose described above, making the inside of the fibers more porous.
加水分解の方法は、特に制限されないが、酸加水分解、アルカリ加水分解、熱水分解、スチームエクスプロージョン、マイクロ波分解等が挙げられる。これらの方法は、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。酸加水分解の方法では、例えば、繊維性植物からパルプとして得たα-セルロースをセルロース繊維原料とし、これを水系媒体に分散させた状態で、プロトン酸、カルボン酸、ルイス酸、ヘテロポリ酸等を適量加え、攪拌しながら加温することにより、容易に平均重合度を制御できる。この際の温度、圧力、時間等の反応条件は、セルロース種、セルロース濃度、酸種、酸濃度等により異なるが、目的とする平均重合度が達成されるよう適宜調製されるものである。例えば、2質量%以下の鉱酸水溶液を使用し、100℃以上、加圧下で、10分間以上セルロース繊維を処理するという条件が挙げられる。この条件のとき、酸等の触媒成分がセルロース繊維内部まで浸透し、加水分解が促進され、使用する触媒成分量が少なくなり、その後の精製も容易になる。なお、加水分解時のセルロース繊維原料の分散液は、水の他、本発明の効果を損なわない範囲において有機溶媒を少量含んでいてもよい。 The hydrolysis method is not particularly limited, and examples thereof include acid hydrolysis, alkali hydrolysis, hydrothermal decomposition, steam explosion, and microwave decomposition. These methods may be used alone or in combination of two or more. In the acid hydrolysis method, for example, α-cellulose obtained as pulp from a fibrous plant is used as the cellulose fiber raw material, and this is dispersed in an aqueous medium, and an appropriate amount of protonic acid, carboxylic acid, Lewis acid, heteropolyacid, etc. is added and heated while stirring, so that the average degree of polymerization can be easily controlled. The reaction conditions such as temperature, pressure, and time at this time vary depending on the cellulose type, cellulose concentration, acid type, acid concentration, etc., but are appropriately adjusted so that the desired average degree of polymerization is achieved. For example, a condition is that a mineral acid aqueous solution of 2% by mass or less is used, and the cellulose fiber is treated at 100°C or higher under pressure for 10 minutes or more. Under these conditions, the catalyst component such as acid penetrates into the inside of the cellulose fiber, promoting hydrolysis, reducing the amount of catalyst component used, and making subsequent purification easier. In addition, the dispersion of the cellulose fiber raw material during hydrolysis may contain a small amount of an organic solvent in addition to water, as long as the effects of the present invention are not impaired.
セルロース繊維が含み得るアルカリ可溶多糖類は、ヘミセルロースのほか、β-セルロース及びγ-セルロースも包含する。アルカリ可溶多糖類とは、植物(例えば木材)を溶媒抽出及び塩素処理して得られるホロセルロースのうちのアルカリ可溶部として得られる成分(すなわちホロセルロースからα-セルロースを除いた成分)として当業者に理解される。アルカリ可溶多糖類は、水酸基を含む多糖であり耐熱性が悪く、熱がかかった場合に分解すること、熱エージング時に黄変を引き起こすこと、セルロース繊維の強度低下の原因になること等の不都合を招来し得ることから、セルロース繊維中のアルカリ可溶多糖類含有量は少ない方が好ましい。 Alkali-soluble polysaccharides that cellulose fibers may contain include hemicellulose, β-cellulose, and γ-cellulose. Alkali-soluble polysaccharides are understood by those skilled in the art as components obtained as the alkali-soluble portion of holocellulose obtained by solvent extraction and chlorine treatment of plants (e.g., wood) (i.e., components obtained by removing α-cellulose from holocellulose). Alkali-soluble polysaccharides are polysaccharides that contain hydroxyl groups and have poor heat resistance, and can cause problems such as decomposition when exposed to heat, yellowing during thermal aging, and a decrease in the strength of cellulose fibers. Therefore, it is preferable that the content of alkali-soluble polysaccharides in cellulose fibers is low.
一態様において、セルロース繊維中のアルカリ可溶多糖類平均含有率は、セルロース繊維の良好な分散性を得る観点から、セルロース繊維100質量%に対して、好ましくは、20質量%以下、又は18質量%以下、又は15質量%以下、又は12質量%以下である。上記含有率は、セルロース繊維の製造容易性の観点から、1質量%以上、又は2質量%以上、又は3質量%以上であってもよい。 In one embodiment, the average content of alkali-soluble polysaccharides in the cellulose fibers is preferably 20% by mass or less, 18% by mass or less, 15% by mass or less, or 12% by mass or less, based on 100% by mass of the cellulose fibers, from the viewpoint of obtaining good dispersibility of the cellulose fibers. From the viewpoint of ease of production of the cellulose fibers, the above content may be 1% by mass or more, 2% by mass or more, or 3% by mass or more.
アルカリ可溶多糖類平均含有率は、非特許文献(木質科学実験マニュアル、日本木材学会編、92~97頁、2000年)に記載の手法より求めることができ、ホロセルロース含有率(Wise法)からαセルロース含有率を差し引くことで求められる。なおこの方法は当業界においてヘミセルロース量の測定方法として理解されている。1つのサンプルにつき3回アルカリ可溶多糖類含有率を算出し、算出したアルカリ可溶多糖類含有率の数平均をアルカリ可溶多糖類平均含有率とする。 The average alkali-soluble polysaccharide content can be determined by the method described in the non-patent literature (Wood Science Experiment Manual, edited by the Japan Wood Research Society, pp. 92-97, 2000), by subtracting the α-cellulose content from the holocellulose content (Wise method). This method is understood in the industry as a method for measuring the amount of hemicellulose. The alkali-soluble polysaccharide content is calculated three times for each sample, and the number average of the calculated alkali-soluble polysaccharide contents is taken as the average alkali-soluble polysaccharide content.
一態様において、セルロース繊維中の酸不溶成分平均含有率は、セルロース繊維の耐熱性低下及びそれに伴う変色を回避する観点から、セルロース繊維100質量%に対して、好ましくは、10質量%以下、又は5質量%以下、又は3質量%以下である。上記含有率は、セルロース繊維の製造容易性の観点から、0.1質量%以上、又は0.2質量%以上、又は0.3質量%以上であってもよい。 In one embodiment, the average content of acid-insoluble components in the cellulose fibers is preferably 10% by mass or less, 5% by mass or less, or 3% by mass or less, based on 100% by mass of the cellulose fibers, from the viewpoint of avoiding a decrease in the heat resistance of the cellulose fibers and the associated discoloration. From the viewpoint of ease of production of the cellulose fibers, the above content may be 0.1% by mass or more, 0.2% by mass or more, or 0.3% by mass or more.
酸不溶成分平均含有率は、非特許文献(木質科学実験マニュアル、日本木材学会編、92~97頁、2000年)に記載のクラーソン法を用いた酸不溶成分の定量として行う。なおこの方法は当業界においてリグニン量の測定方法として理解されている。硫酸溶液中でサンプルを撹拌してセルロース及びヘミセルロース等を溶解させた後、ガラスファイバーろ紙で濾過し、得られた残渣が酸不溶成分に該当する。この酸不溶成分重量より酸不溶成分含有率を算出し、そして、3サンプルについて算出した酸不溶成分含有率の数平均を酸不溶成分平均含有率とする。 The average acid-insoluble content is determined by quantifying the acid-insoluble content using the Clason method described in the non-patent literature (Wood Science Experiment Manual, edited by the Japan Wood Research Society, pp. 92-97, 2000). This method is understood in the industry as a method for measuring the amount of lignin. The sample is stirred in a sulfuric acid solution to dissolve cellulose, hemicellulose, etc., and then filtered through a glass fiber filter. The resulting residue corresponds to the acid-insoluble components. The acid-insoluble component content is calculated from the weight of the acid-insoluble components, and the number average of the acid-insoluble component contents calculated for the three samples is taken as the average acid-insoluble component content.
セルロース繊維の熱分解開始温度(TD)は、車載用途等で望まれる耐熱性及び機械強度を発揮できるという観点から、一態様において270℃以上であり、好ましくは275℃以上、より好ましくは280℃以上、さらに好ましくは285℃以上である。熱分解開始温度は高いほど好ましいが、セルロース繊維の製造容易性の観点から、例えば、320℃以下、又は300℃以下であってもよい。 From the viewpoint of exhibiting the heat resistance and mechanical strength desired for in-vehicle applications and the like, the thermal decomposition onset temperature (T D ) of the cellulose fiber in one embodiment is 270° C. or higher, preferably 275° C. or higher, more preferably 280° C. or higher, and even more preferably 285° C. or higher. The higher the thermal decomposition onset temperature, the more preferable it is, but from the viewpoint of ease of production of the cellulose fiber, it may be, for example, 320° C. or lower, or 300° C. or lower.
本開示で、TDとは、図2の説明図に示すように、熱重量(TG)分析における、横軸が温度、縦軸が重量残存率%のグラフから求めた値である(尚、図2(B)は図2(A)の拡大図である。)。セルロース繊維の150℃(水分がほぼ除去された状態)での重量(重量減少量0wt%)を起点としてさらに昇温を続け、1wt%重量減少時の温度(T1%)と2wt%重量減少時の温度(T2%)とを通る直線を得る。この直線と、重量減少量0wt%の起点を通る水平線(ベースライン)とが交わる点の温度をTDと定義する。
In this disclosure, T D is a value obtained from a graph in which the horizontal axis is temperature and the vertical axis is weight residual rate % in thermogravimetry (TG) analysis, as shown in the explanatory diagram of Figure 2 (note that Figure 2 (B) is an enlarged view of Figure 2 (A)). Starting from the weight (
1%重量減少温度(T1%)は、上記TDの手法で昇温を続けた際の、150℃の重量を起点とした1重量%重量減少時の温度である。 The 1% weight loss temperature (T 1% ) is the temperature at which a 1% weight loss occurs from a weight of 150° C. as a starting point when the temperature is continued to be raised by the above-mentioned T D method.
セルロース繊維の250℃重量減少率(T250℃)は、TG分析において、セルロース繊維を250℃、窒素フロー下で2時間保持した時の重量減少率である。 The 250° C. weight loss rate (T 250° C. ) of a cellulose fiber is the weight loss rate when the cellulose fiber is held at 250° C. under a nitrogen flow for 2 hours in a TG analysis.
(化学修飾)
セルロース繊維は、化学修飾されたセルロース繊維であってよい。セルロース繊維は、例えば原料パルプ又はリンターの段階、解繊処理中、又は解繊処理後に予め化学修飾されたものであっても良いし、スラリー調製工程中又はその後、或いは乾燥(造粒)工程中又はその後に化学修飾されてもよい。
(Chemical Modification)
The cellulose fibers may be chemically modified cellulose fibers, for example, the cellulose fibers may be chemically modified in advance at the raw pulp or linter stage, during or after the defibration process, or during or after the slurry preparation process, or during or after the drying (granulation) process.
セルロース繊維の修飾化剤としては、セルロースの水酸基と反応する化合物を使用でき、エステル化剤、エーテル化剤、及びシリル化剤が挙げられる。好ましい態様において、化学修飾は、エステル化剤を用いたアシル化である。エステル化剤としては、酸ハロゲン化物、酸無水物、及びカルボン酸ビニルエステル、カルボン酸が好ましい。 As a modification agent for cellulose fibers, a compound that reacts with the hydroxyl groups of cellulose can be used, and examples of such agents include esterifying agents, etherifying agents, and silylating agents. In a preferred embodiment, the chemical modification is acylation using an esterifying agent. As an esterifying agent, acid halides, acid anhydrides, vinyl carboxylates, and carboxylic acids are preferred.
酸ハロゲン化物は、下記式(1)で表される化合物からなる群より選択された少なくとも1種であってよい。
R1-C(=O)-X (1)
(式中、R1は炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基、炭素数3~24のシクロアルキル基、又は炭素数6~24のアリール基を表し、XはCl、Br又はIである。)
酸ハロゲン化物の具体例としては、塩化アセチル、臭化アセチル、ヨウ化アセチル、塩化プロピオニル、臭化プロピオニル、ヨウ化プロピオニル、塩化ブチリル、臭化ブチリル、ヨウ化ブチリル、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、ヨウ化ベンゾイル等が挙げられるが、これらに限定されない。中でも、酸塩化物は反応性と取り扱い性の点から好適に採用できる。尚、酸ハロゲン化物の反応においては、触媒として働くと同時に副生物である酸性物質を中和する目的で、アルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。アルカリ性化合物としては、具体的には:トリエチルアミン、トリメチルアミン等の3級アミン化合物;及びピリジン、ジメチルアミノピリジン等の含窒素芳香族化合物;が挙げられるが、これに限定されない。
The acid halide may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following formula (1):
R 1 -C(=O)-X (1)
(In the formula, R1 represents an alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 24 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 24 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 24 carbon atoms, and X represents Cl, Br, or I.)
Specific examples of acid halides include, but are not limited to, acetyl chloride, acetyl bromide, acetyl iodide, propionyl chloride, propionyl bromide, propionyl iodide, butyryl chloride, butyryl bromide, butyryl iodide, benzoyl chloride, benzoyl bromide, and benzoyl iodide. Among them, acid chlorides can be preferably used in terms of reactivity and handling. In addition, in the reaction of acid halides, one or more alkaline compounds may be added to act as a catalyst and neutralize the by-product acidic substances. Specific examples of alkaline compounds include, but are not limited to, tertiary amine compounds such as triethylamine and trimethylamine; and nitrogen-containing aromatic compounds such as pyridine and dimethylaminopyridine.
酸無水物としては、任意の適切な酸無水物類を用いることができる。例えば、
酢酸、プロピオン酸、(イソ)酪酸、吉草酸等の飽和脂肪族モノカルボン酸無水物;(メタ)アクリル酸、オレイン酸等の不飽和脂肪族モノカルボン酸無水物;
シクロヘキサンカルボン酸、テトラヒドロ安息香酸等の脂環族モノカルボン酸無水物;
安息香酸、4-メチル安息香酸等の芳香族モノカルボン酸無水物;
二塩基カルボン酸無水物として、例えば、無水コハク酸、アジピン酸等の無水飽和脂肪族ジカルボン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等の無水不飽和脂肪族ジカルボン酸無水物、無水1-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水メチルテトラヒドロフタル酸等の無水脂環族ジカルボン酸、及び、無水フタル酸、無水ナフタル酸等の無水芳香族ジカルボン酸無水物等;
3塩基以上の多塩基カルボン酸無水物類として、例えば、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸等の(無水)ポリカルボン酸等が挙げられる。
尚、酸無水物の反応においては、触媒として、硫酸、塩酸、燐酸等の酸性化合物、又はルイス酸、(例えば、MYnで表されるルイス酸化合物であって、MはB、As,Ge等の半金属元素、又はAl、Bi、In等の卑金属元素、又はTi、Zn、Cu等の遷移金属元素、又はランタノイド元素を表し、nはMの原子価に相当する整数であり、2又は3を表し、Yはハロゲン原子、OAc、OCOCF3、ClO4、SbF6、PF6又はOSO2CF3(OTf)を表す。)、又はトリエチルアミン、ピリジン等のアルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。
As the acid anhydride, any suitable acid anhydride can be used. For example,
Saturated aliphatic monocarboxylic acid anhydrides, such as acetic acid, propionic acid, (iso)butyric acid, and valeric acid; unsaturated aliphatic monocarboxylic acid anhydrides, such as (meth)acrylic acid and oleic acid;
Alicyclic monocarboxylic acid anhydrides such as cyclohexanecarboxylic acid and tetrahydrobenzoic acid;
Aromatic monocarboxylic acid anhydrides such as benzoic acid and 4-methylbenzoic acid;
Examples of dibasic carboxylic acid anhydrides include saturated aliphatic dicarboxylic acid anhydrides such as succinic anhydride and adipic acid, unsaturated aliphatic dicarboxylic acid anhydrides such as maleic anhydride and itaconic anhydride, alicyclic dicarboxylic acid anhydrides such as 1-cyclohexene-1,2-dicarboxylic acid anhydride, hexahydrophthalic anhydride and methyltetrahydrophthalic anhydride, and aromatic dicarboxylic acid anhydrides such as phthalic anhydride and naphthalic anhydride;
Examples of the polybasic carboxylic acid anhydrides having three or more bases include polycarboxylic acids (anhydrides) such as trimellitic anhydride and pyromellitic anhydride.
In addition, in the reaction of an acid anhydride, one or more types of acidic compounds such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, etc., or Lewis acids (for example, Lewis acid compounds represented by MYn, where M represents a semimetal element such as B, As, Ge, etc., or a base metal element such as Al, Bi, In, etc., or a transition metal element such as Ti, Zn, Cu, etc., or a lanthanoid element, n is an integer corresponding to the atomic valence of M and represents 2 or 3, and Y represents a halogen atom, OAc, OCOCF3 , ClO4 , SbF6 , PF6 , or OSO2CF3 (OTf)), or alkaline compounds such as triethylamine, pyridine, etc. may be added as a catalyst .
カルボン酸ビニルエステルとしては、下記式(1):
R-COO-CH=CH2 …式(1)
{式中、Rは、炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基、炭素数3~16のシクロアルキル基、又は炭素数6~24のアリール基のいずれかである。}で表されるカルボン酸ビニルエステルが好ましい。カルボン酸ビニルエステルは、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、カプロン酸ビニル、シクロヘキサンカルボン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ミリスチン酸ビニル、パルミチン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、ピバリン酸ビニル、オクチル酸ビニルアジピン酸ジビニル、メタクリル酸ビニル、クロトン酸ビニル、ピバリン酸ビニル、オクチル酸ビニル、安息香酸ビニル、及び桂皮酸ビニルからなる群より選択された少なくとも1種であることがより好ましい。カルボン酸ビニルエステルによるエステル化反応のとき、触媒として、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩、1~3級アミン、4級アンモニウム塩、イミダゾール及びその誘導体、ピリジン及びその誘導体、並びにアルコキシドからなる群より選ばれる1種又は2種以上を添加しても良い。
The vinyl carboxylate may be represented by the following formula (1):
R-COO-CH= CH2 Formula (1)
{wherein R is any one of an alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 24 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 16 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 24 carbon atoms.} is preferred. The vinyl carboxylate is more preferably at least one selected from the group consisting of vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl caproate, vinyl cyclohexanecarboxylate, vinyl caprylate, vinyl caprate, vinyl laurate, vinyl myristate, vinyl palmitate, vinyl stearate, vinyl pivalate, vinyl octylate, divinyl adipate, vinyl methacrylate, vinyl crotonate, vinyl pivalate, vinyl octylate, vinyl benzoate, and vinyl cinnamate. In the esterification reaction with a vinyl carboxylate, one or more catalysts selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides, alkali metal carbonates, alkaline earth metal carbonates, alkali metal hydrogencarbonates, primary to tertiary amines, quaternary ammonium salts, imidazole and derivatives thereof, pyridine and derivatives thereof, and alkoxides may be added as a catalyst.
アルカリ金属水酸化物及びアルカリ土類金属水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム等が挙げられる。 アルカリ金属炭酸塩、アルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素セシウム等が挙げられる。 Examples of alkali metal hydroxides and alkaline earth metal hydroxides include sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide, etc. Examples of alkali metal carbonates, alkaline earth metal carbonates, and alkali metal hydrogen carbonates include lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, cesium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, lithium hydrogen carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and cesium hydrogen carbonate, etc.
1~3級アミンとは、1級アミン、2級アミン、及び3級アミンのことであり、具体例としては、エチレンジアミン、ジエチルアミン、プロリン、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,3-プロパンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,6-ヘキサンジアミン、トリス(3-ジメチルアミノプロピル)アミン、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミン、トリエチルアミン等が挙げられる。 Primary, secondary and tertiary amines refer to primary, secondary and tertiary amines, and specific examples include ethylenediamine, diethylamine, proline, N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,3-propanediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, tris(3-dimethylaminopropyl)amine, N,N-dimethylcyclohexylamine and triethylamine.
イミダゾール及びその誘導体としては、1-メチルイミダゾール、3-アミノプロピルイミダゾール、カルボニルジイミダゾール等が挙げられる。 Imidazole and its derivatives include 1-methylimidazole, 3-aminopropylimidazole, carbonyldiimidazole, etc.
ピリジン及びその誘導体としては、N,N-ジメチル-4-アミノピリジン、ピコリン等が挙げられる。 Examples of pyridine and its derivatives include N,N-dimethyl-4-aminopyridine and picoline.
アルコキシドとしては、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウム-t-ブトキシド等が挙げられる。 Examples of alkoxides include sodium methoxide, sodium ethoxide, and potassium t-butoxide.
カルボン酸としては、下記式(1)で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1種が挙げられる。
R-COOH …(1)
(式中、Rは、炭素数1~16のアルキル基、炭素数2~16のアルケニル基、炭素数3~16のシクロアルキル基、又は炭素数6~16のアリール基を表す。)
The carboxylic acid may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following formula (1).
R-COOH... (1)
(In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 16 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 16 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 16 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 16 carbon atoms.)
カルボン酸の具体例としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸、カプロン酸、シクロヘキサンカルボン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ピバリン酸、メタクリル酸、クロトン酸、ピバリン酸、オクチル酸、安息香酸、及び桂皮酸からなる群より選択される少なくとも1種が挙げられる。 Specific examples of carboxylic acids include at least one selected from the group consisting of acetic acid, propionic acid, butyric acid, caproic acid, cyclohexane carboxylic acid, caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, pivalic acid, methacrylic acid, crotonic acid, pivalic acid, octylic acid, benzoic acid, and cinnamic acid.
これらカルボン酸の中でも、酢酸、プロピオン酸、及び酪酸からなる群から選択される少なくとも一種、特に酢酸が、反応効率の観点から好ましい。
尚、カルボン酸の反応においては、触媒として、硫酸、塩酸、燐酸等の酸性化合物、又はルイス酸、(例えば、MYnで表されるルイス酸化合物であって、MはB、As,Ge等の半金属元素、又はAl、Bi、In等の卑金属元素、又はTi、Zn、Cu等の遷移金属元素、又はランタノイド元素を表し、nはMの原子価に相当する整数であり、2又は3を表し、Yはハロゲン原子、OAc、OCOCF3、ClO4、SbF6、PF6又はOSO2CF3(OTf)を表す。)、又はトリエチルアミン、ピリジン等のアルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。
Among these carboxylic acids, at least one selected from the group consisting of acetic acid, propionic acid, and butyric acid, and particularly acetic acid, is preferred from the viewpoint of reaction efficiency.
In addition, in the reaction of carboxylic acid, one or more types of acidic compounds such as sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, etc., or Lewis acids (for example, Lewis acid compounds represented by MYn, where M represents a semimetal element such as B, As, Ge, etc., or a base metal element such as Al, Bi, In, etc., or a transition metal element such as Ti, Zn, Cu, etc., or a lanthanoid element, n is an integer corresponding to the atomic valence of M and represents 2 or 3, and Y represents a halogen atom, OAc, OCOCF3 , ClO4 , SbF6 , PF6 , or OSO2CF3 ( OTf )), or alkaline compounds such as triethylamine, pyridine, etc. may be added as a catalyst.
これらエステル化反応剤の中でも、特に、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、及び酪酸ビニル、酢酸からなる群から選択された少なくとも一種、中でも無水酢酸及び酢酸ビニルが、反応効率の観点から好ましい。 Among these esterification reactants, at least one selected from the group consisting of acetic anhydride, propionic anhydride, butyric anhydride, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, and acetic acid, and among these, acetic anhydride and vinyl acetate are preferred from the viewpoint of reaction efficiency.
セルロース繊維乾燥体中のセルロース繊維が化学修飾(例えばアシル化等の疎水化によって)されている場合、乾燥体の樹脂中での分散性は良好である傾向があるが、本開示のセルロース繊維乾燥体は、非置換又は低置換度であっても樹脂中で良好な分散性を示すことができる。セルロース繊維乾燥体中のセルロース繊維がエステル化セルロース繊維である場合、アシル置換度(DS)は、熱分解開始温度が高い、エステル化セルロース繊維及びこれを含む樹脂複合体を得ることができる点で、好ましくは、0.1以上、又は0.2以上、又は0.25以上、又は0.3以上、又は0.5以上であり、エステル化セルロース繊維中に未修飾のセルロース骨格が残存するため、セルロース由来の高い引張強度及び寸法安定性と化学修飾由来の高い熱分解開始温度を兼ね備えた、エステル化セルロース繊維及びこれを含む樹脂複合体を得ることができる点で、好ましくは、1.2以下、又は1.0以下、又は0.8以下、又は0.7以下、又は0.6以下、又は0.5以下である。 When the cellulose fibers in the dried cellulose fiber body are chemically modified (for example, by hydrophobization such as acylation), the dispersibility of the dried body in the resin tends to be good, but the dried cellulose fiber body of the present disclosure can exhibit good dispersibility in the resin even if it is unsubstituted or has a low degree of substitution. When the cellulose fibers in the dried cellulose fiber body are esterified cellulose fibers, the acyl substitution degree (DS) is preferably 0.1 or more, or 0.2 or more, or 0.25 or more, or 0.3 or more, or 0.5 or more, in terms of being able to obtain esterified cellulose fibers and resin composites containing the same with a high thermal decomposition onset temperature, and is preferably 1.2 or less, or 1.0 or less, or 0.8 or less, or 0.7 or less, or 0.6 or less, or 0.5 or less, in terms of being able to obtain esterified cellulose fibers and resin composites containing the same with a high thermal decomposition onset temperature due to the remaining unmodified cellulose skeleton in the esterified cellulose fibers.
化学修飾セルロース繊維の修飾基がアシル基の場合、アシル置換度(DS)は、エステル化セルロース繊維の反射型赤外吸収スペクトルから、アシル基由来のピークとセルロース骨格由来のピークとのピーク強度比に基づいて算出することができる。アシル基に基づくC=Oの吸収バンドのピークは1730cm-1に出現し、セルロース骨格鎖に基づくC-Oの吸収バンドのピークは1030cm-1に出現する(図1参照)。エステル化セルロース繊維のDSは、後述するエステル化セルロース繊維の固体NMR測定から得られるDSと、セルロース骨格鎖C-Oの吸収バンドのピーク強度に対するアシル基に基づくC=Oの吸収バンドのピーク強度の比率で定義される修飾化率(IRインデックス1030)との相関グラフを作製し、相関グラフから算出された検量線
置換度DS = 4.13 × IRインデックス(1030)
を使用することで求めることができる。
When the modifying group of the chemically modified cellulose fiber is an acyl group, the degree of acyl substitution (DS) can be calculated from the reflection infrared absorption spectrum of the esterified cellulose fiber based on the peak intensity ratio between the peak derived from the acyl group and the peak derived from the cellulose skeleton. The peak of the absorption band of C=O based on the acyl group appears at 1730 cm -1 , and the peak of the absorption band of C-O based on the cellulose skeleton appears at 1030 cm -1 (see FIG. 1). The DS of the esterified cellulose fiber is calculated by preparing a correlation graph between the DS obtained from the solid-state NMR measurement of the esterified cellulose fiber described below and the modification ratio (IR index 1030) defined as the ratio of the peak intensity of the absorption band of C=O based on the acyl group to the peak intensity of the absorption band of C-O of the cellulose skeleton, and calculating the calibration curve substitution degree DS=4.13×IR index (1030) from the correlation graph.
It can be found by using
固体NMRによるエステル化セルロース繊維のDSの算出方法は、凍結粉砕したエステル化セルロース繊維について13C固体NMR測定を行い、50ppmから110ppmの範囲に現れるセルロースのピラノース環由来の炭素C1-C6に帰属されるシグナルの合計面積強度(Inp)に対する修飾基由来の1つの炭素原子に帰属されるシグナルの面積強度(Inf)より下記式で求めることができる。
DS=(Inf)×6/(Inp)
たとえば、修飾基がアセチル基の場合、-CH3に帰属される23ppmのシグナルを用いれば良い。
用いる13C固体NMR測定の条件は例えば以下の通りである。
装置 :Bruker Biospin Avance500WB
周波数 :125.77MHz
測定方法 :DD/MAS法
待ち時間 :75sec
NMR試料管 :4mmφ
積算回数 :640回(約14Hr)
MAS :14,500Hz
化学シフト基準:グリシン(外部基準:176.03ppm)
The DS of the esterified cellulose fiber can be calculated by solid-state NMR by performing 13C solid-state NMR measurement on the frozen and pulverized esterified cellulose fiber, and calculating the DS from the total intensity (Inp) of the signals assigned to carbons C1 to C6 derived from the pyranose ring of cellulose appearing in the range from 50 ppm to 110 ppm relative to the intensity (Inf) of a signal assigned to one carbon atom derived from the modifying group, using the following formula:
DS = (Inf) x 6 / (Inp)
For example, when the modifying group is an acetyl group, the signal at 23 ppm assigned to --CH.sub.3 may be used.
The conditions for the 13 C solid state NMR measurement are, for example, as follows:
Equipment: Bruker Biospin Avance 500WB
Frequency: 125.77MHz
Measurement method: DD/MAS method Waiting time: 75 sec
NMR sample tube: 4 mm diameter
Total number of times: 640 times (approximately 14 hours)
MAS: 14,500Hz
Chemical shift reference: glycine (external reference: 176.03 ppm)
化学修飾セルロース繊維の繊維全体の修飾度(DSt)(これは上記のアシル置換度(DS)と同義である。)に対する繊維表面の修飾度(DSs)の比率で定義されるDS不均一比(DSs/DSt)は、好ましくは1.05以上である。DS不均一比の値が大きいほど、鞘芯構造様の不均一構造(すなわち、繊維表層が高度に化学修飾される一方で繊維中心部が元の未修飾に近いセルロースの構造を保持している構造)が顕著であり、セルロース由来の高い引張強度及び寸法安定性を有しつつ、樹脂との複合化時の樹脂との親和性の向上、及び樹脂複合体の寸法安定性の向上が可能である。DS不均一比は、より好ましくは、1.1以上、又は1.2以上、又は1.3以上、又は1.5以上、又は2.0であり、化学修飾セルロース繊維の製造容易性の観点から、好ましくは、30以下、又は20以下、又は10以下、又は6以下、又は4以下、又は3以下である。
DSsの値は、エステル化セルロース繊維の修飾度に応じて変わるが、一例として、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上、さらに好ましくは0.3以上、さらに好ましくは0.5以上であり、好ましくは3.0以下、より好ましくは2.5以下、特に好ましくは2.0以下、さらに好ましくは1.5以下、特に好ましくは1.2以下、最も好ましくは1.0以下である。DStの好ましい範囲は、アシル置換基(DS)について前述したとおりである。
The DS heterogeneity ratio (DSs/DSt), defined as the ratio of the degree of modification (DSs) of the fiber surface to the degree of modification (DSt) of the entire fiber of the chemically modified cellulose fiber (which is synonymous with the above-mentioned degree of acyl substitution (DS)), is preferably 1.05 or more. The larger the value of the DS heterogeneity ratio, the more pronounced the heterogeneous structure of the sheath-core structure (i.e., the fiber surface is highly chemically modified while the fiber center maintains the structure of cellulose close to the original unmodified cellulose), and while having high tensile strength and dimensional stability derived from cellulose, it is possible to improve the affinity with the resin when composited with the resin and to improve the dimensional stability of the resin composite. The DS heterogeneity ratio is more preferably 1.1 or more, or 1.2 or more, or 1.3 or more, or 1.5 or more, or 2.0, and from the viewpoint of ease of production of the chemically modified cellulose fiber, it is preferably 30 or less, or 20 or less, or 10 or less, or 6 or less, or 4 or less, or 3 or less.
The value of DSs varies depending on the degree of modification of the esterified cellulose fiber, but, for example, it is preferably 0.1 or more, more preferably 0.2 or more, even more preferably 0.3 or more, even more preferably 0.5 or more, and is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, particularly preferably 2.0 or less, even more preferably 1.5 or less, particularly preferably 1.2 or less, and most preferably 1.0 or less. The preferred range of DSt is as described above for the acyl substituent (DS).
化学修飾セルロース繊維のDS不均一比の変動係数(CV)は、小さいほど、樹脂複合体の各種物性のバラつきが小さくなるため好ましい。上記変動係数は、好ましくは、50%以下、又は40%以下、又は30%以下、又は20%以下である。上記変動係数は、例えば、セルロース繊維原料を解繊した後に化学修飾を行って化学修飾セルロース繊維を得る方法(すなわち逐次法)ではより低減され得る一方、セルロース繊維原料の解繊と化学修飾とを同時に行う方法(すなわち同時法)では増大され得る。この作用機序は明確になっていないが、同時法では、解繊の初期に生成した細い繊維において化学修飾がより進行しやすく、そして、化学修飾によってセルロースミクロフィブリル間の水素結合が減少すると解繊がさらに進行する結果、DS不均一比の変動係数が増大すると考えられる。 The smaller the coefficient of variation (CV) of the DS heterogeneity ratio of the chemically modified cellulose fiber, the smaller the variation in various physical properties of the resin composite, and therefore the more preferable. The coefficient of variation is preferably 50% or less, or 40% or less, or 30% or less, or 20% or less. The coefficient of variation can be further reduced, for example, by a method in which the cellulose fiber raw material is defibrated and then chemically modified to obtain chemically modified cellulose fiber (i.e., a sequential method), whereas it can be increased by a method in which the defibration and chemical modification of the cellulose fiber raw material are performed simultaneously (i.e., a simultaneous method). Although the mechanism of this action is not clear, in the simultaneous method, chemical modification is more likely to proceed in the thin fibers generated in the early stages of defibration, and it is believed that defibration proceeds further when the hydrogen bonds between cellulose microfibrils are reduced by chemical modification, resulting in an increase in the coefficient of variation of the DS heterogeneity ratio.
DS不均一比の変動係数(CV)は、化学修飾セルロース繊維の水分散体(固形分率10質量%以上)を100g採取し、10gずつ凍結粉砕したものを測定サンプルとし、10サンプルのDSt及びDSsからDS不均一比を算出した後、得られた10個のサンプル間でのDS不均一比の標準偏差(σ)及び算術平均(μ)から、下記式で算出できる。
DS不均一比=DSs/DSt
変動係数(%)=標準偏差σ/算術平均μ×100
The coefficient of variation (CV) of the DS heterogeneity ratio can be calculated by taking 100 g of an aqueous dispersion of chemically modified cellulose fiber (solid content of 10 mass% or more), freeze-pulverizing 10 g each to prepare measurement samples, calculating the DS heterogeneity ratio from the DSt and DSs of the 10 samples, and then using the standard deviation (σ) and arithmetic mean (μ) of the DS heterogeneity ratio among the obtained 10 samples, using the following formula.
DS heterogeneity ratio = DSs / DSt
Coefficient of variation (%) = standard deviation σ/arithmetic mean μ × 100
DSsの算出方法は以下のとおりである。すなわち、凍結粉砕により粉末化したエステル化セルロース繊維を2.5mmφの皿状試料台に載せ、表面を抑えて平らにし、X線光電子分光法(XPS)による測定を行う。XPSスペクトルは、サンプルの表層のみ(典型的には数nm程度)の構成元素及び化学結合状態を反映する。得られたC1sスペクトルについてピーク分離を行い、セルロースのピラノース環由来の炭素C2-C6帰属されるピーク(289eV、C-C結合)の面積強度(Ixp)に対する修飾基由来の1つの炭素原子に帰属されるピークの面積強度(Ixf)より下記式で求めることができる。
DSs=(Ixf)×5/(Ixp)
たとえば、修飾基がアセチル基の場合、C1sスペクトルを285eV、286eV,288eV,289eVでピーク分離を行った後、Ixpには289evのピークを、Ixfにはアセチル基のO-C=O結合由来のピーク(286eV)を用いれば良い。
用いるXPS測定の条件は例えば以下の通りである。
使用機器 :アルバックファイVersaProbeII
励起源 :mono.AlKα 15kV×3.33mA
分析サイズ :約200μmφ
光電子取出角 :45°
取込領域
Narrow scan:C 1s、O 1s
Pass Energy:23.5eV
The DSs is calculated as follows. That is, the esterified cellulose fiber powdered by freeze-pulverization is placed on a dish-shaped sample stage with a diameter of 2.5 mm, the surface is pressed down to make it flat, and measurement is performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The XPS spectrum reflects the constituent elements and chemical bond state of only the surface layer of the sample (typically about a few nm). Peak separation is performed on the obtained C1s spectrum, and DSs can be calculated by the following formula based on the integrated intensity (Ixf) of the peak attributable to one carbon atom derived from the modifying group relative to the integrated intensity (Ixp) of the peak (289 eV, C-C bond) attributable to carbons C2-C6 derived from the pyranose ring of cellulose.
DSs = (Ixf) x 5/(Ixp)
For example, when the modifying group is an acetyl group, the C1s spectrum is subjected to peak separation at 285 eV, 286 eV, 288 eV, and 289 eV, and then the peak at 289 eV is used as Ixp, and the peak (286 eV) derived from the O—C═O bond of the acetyl group is used as Ixf.
The conditions for the XPS measurement are, for example, as follows:
Equipment used: ULVAC-Phi VersaProbe II
Excitation source: mono. AlKα 15 kV x 3.33 mA
Analysis size: Approximately 200 μm φ
Photoelectron take-off angle: 45°
Capture area Narrow scan: C 1s, O 1s
Pass Energy: 23.5 eV
[追加の成分]
セルロース繊維乾燥体は、セルロース繊維に加えて、分散剤、バインダー、酸化防止剤、防腐剤、増粘剤等の追加の成分を更に含んでもよい。
[Additional Ingredients]
In addition to the cellulose fibers, the dry cellulose fiber material may further contain additional components such as a dispersant, a binder, an antioxidant, a preservative, and a thickener.
(分散剤)
分散剤は、樹脂中でのセルロース繊維の分散性を向上させることに寄与する。分散剤は、1種の物質でも2種以上の物質の混合物であってもよい。後者の場合、本開示の特性値(例えば融点、分子量、HLB値、SP値)は、当該混合物の値を意味する。
(Dispersant)
The dispersant contributes to improving the dispersibility of cellulose fibers in the resin. The dispersant may be one kind of substance or a mixture of two or more kinds of substances. In the latter case, the property values (e.g., melting point, molecular weight, HLB value, SP value) in the present disclosure refer to the values of the mixture.
分散剤の融点は、セルロース繊維の周囲を分散剤がより均一にコーティングでき、セルロース繊維を樹脂中でより均一に分散させることができる点で、80℃以下、又は70℃以下であってよく、-100℃以上、又は-50℃以上であってよい。分散剤の数平均分子量は、セルロース繊維の周囲を分散剤がより均一にコーティングでき、セルロース繊維を樹脂中でより均一に分散させることができる点で、、1000以上、又は2000以上であってよく、50000以下、又は20000以下であってよい。分散剤の数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィを用い、標準ポリスチレン換算で求められる値である。 The melting point of the dispersant may be 80°C or less, or 70°C or less, and may be -100°C or more, or -50°C or more, in order to allow the dispersant to coat the cellulose fibers more uniformly and disperse the cellulose fibers more uniformly in the resin. The number average molecular weight of the dispersant may be 1000 or more, or 2000 or more, and may be 50000 or less, or 20000 or less, in order to allow the dispersant to coat the cellulose fibers more uniformly and disperse the cellulose fibers more uniformly in the resin. The number average molecular weight of the dispersant is a value determined using gel permeation chromatography in terms of standard polystyrene.
分散剤は、セルロース繊維の凝集を抑制する観点で、水溶性ポリマーであることが好ましい。本開示で、「水溶性」とは、23℃で100gの水に対して0.1g以上溶解することを意味する。更には、分散剤は親水性セグメント及び疎水性セグメントを有する(すなわち両親媒性分子である)ことが、樹脂中にセルロース繊維をより均一に分散させる観点で更に好ましい。両親媒性分子としては、炭素原子を基本骨格とし、炭素、水素、酸素、窒素、塩素、硫黄、及びリンから選ばれる元素から構成される官能基を有するものが挙げられる。分子中に上述の構造を有していれば、無機化合物と上記官能基とが化学結合したものも好ましい。親水性セグメントは、セルロース繊維の表面との親和性が良好であり、疎水性セグメントは、親水性セグメントを介してセルロース繊維同士の凝集を抑制し、更には樹脂と相溶し易い特徴がある。そのため分散剤において親水性セグメントと疎水性セグメントとは同一分子内に存在することが好ましい。 From the viewpoint of suppressing the aggregation of cellulose fibers, the dispersant is preferably a water-soluble polymer. In this disclosure, "water-soluble" means that 0.1 g or more is dissolved in 100 g of water at 23°C. Furthermore, it is more preferable that the dispersant has a hydrophilic segment and a hydrophobic segment (i.e., is an amphipathic molecule) from the viewpoint of dispersing cellulose fibers more uniformly in the resin. Examples of amphipathic molecules include those having a carbon atom as a basic skeleton and a functional group composed of an element selected from carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, chlorine, sulfur, and phosphorus. As long as the molecule has the above structure, those in which an inorganic compound and the above functional group are chemically bonded are also preferable. The hydrophilic segment has good affinity with the surface of the cellulose fiber, and the hydrophobic segment has the characteristic of suppressing the aggregation of cellulose fibers through the hydrophilic segment and being easily compatible with the resin. Therefore, it is preferable that the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are present in the same molecule in the dispersant.
分散剤のHLB値は、好ましくは0.1以上8.0未満である。HLB値とは、界面活性剤の疎水性と親水性とのバランスを示す値であり、1~20までの値をとり、数値が小さいほど疎水性が強く、数値が大きいほど親水性が強いことを示す。本開示で、HLB値は、以下のグリフィン法による式より求められる値である。なお下記式において、「親水基の式量の総和/分子量」とは、親水基の質量%である。
式1) グリフィン法:HLB値=20×(親水基の式量の総和/分子量)
The HLB value of the dispersant is preferably 0.1 or more and less than 8.0. The HLB value is a value indicating the balance between the hydrophobicity and hydrophilicity of a surfactant, and takes values from 1 to 20, with a smaller value indicating stronger hydrophobicity and a larger value indicating stronger hydrophilicity. In the present disclosure, the HLB value is a value calculated by the following formula according to the Griffin method. In the following formula, the "sum of formula weights of hydrophilic groups/molecular weight" is the mass % of the hydrophilic groups.
Formula 1) Griffin method: HLB value = 20 x (sum of formula weights of hydrophilic groups / molecular weight)
分散剤のHLB値の下限値は、水への易溶解性の観点から、好ましくは0.1、より好ましくは0.2、最も好ましくは1である。また、当該HLB値の上限値は、セルロース繊維の樹脂への均一分散性の観点から、好ましくは8未満、より好ましくは7.5、最も好ましくは7である。 From the viewpoint of ease of solubility in water, the lower limit of the HLB value of the dispersant is preferably 0.1, more preferably 0.2, and most preferably 1. From the viewpoint of uniform dispersion of cellulose fibers in the resin, the upper limit of the HLB value is preferably less than 8, more preferably 7.5, and most preferably 7.
典型的な態様において、親水性セグメントは、親水性構造(例えば水酸基、カルボキシ基、カルボニル基、アミノ基、アンモニウム基、アミド基、スルホ基等から選ばれる1つ以上の親水性基)を含むことによって、セルロース繊維との良好な親和性を示す部分である。親水性セグメントとしては、ポリエチレングリコールのセグメント(すなわち複数のオキシエチレンユニットのセグメント)(PEGブロック)、4級アンモニウム塩構造を含む繰り返し単位が含まれるセグメント、ポリビニルアルコールのセグメント、ポリビニルピロリドンのセグメント、ポリアクリル酸のセグメント、カルボキシビニルポリマーのセグメント、カチオン化グアガムのセグメント、ヒドロキシエチルセルロースのセグメント、メチルセルロースのセグメント、カルボキシメチルセルロースのセグメント、ポリウレタンのソフトセグメント(具体的にはジオールセグメント)等を例示できる。好ましい態様において、親水性セグメントは、オキシエチレンユニットを含む。 In a typical embodiment, the hydrophilic segment is a portion that exhibits good affinity with cellulose fibers by containing a hydrophilic structure (e.g., one or more hydrophilic groups selected from hydroxyl groups, carboxy groups, carbonyl groups, amino groups, ammonium groups, amide groups, sulfo groups, etc.). Examples of hydrophilic segments include polyethylene glycol segments (i.e., segments of multiple oxyethylene units) (PEG blocks), segments containing repeating units containing quaternary ammonium salt structures, polyvinyl alcohol segments, polyvinylpyrrolidone segments, polyacrylic acid segments, carboxyvinyl polymer segments, cationized guar gum segments, hydroxyethyl cellulose segments, methyl cellulose segments, carboxymethyl cellulose segments, and polyurethane soft segments (specifically diol segments). In a preferred embodiment, the hydrophilic segment contains an oxyethylene unit.
疎水性セグメントとしては、炭素数3以上のアルキレンオキシド単位を有するセグメント(例えば、PPGブロック)、また以下のポリマー構造を含むセグメント等を例示できる:
アクリル系ポリマー、スチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、塩化ビニリデン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリヘキサメチレンアジパミド(6,6ナイロン)、ポリヘキサメチレンアゼラミド(6,9ナイロン)、ポリヘキサメチレンセバカミド(6,10ナイロン)、ポリヘキサメチレンドデカノアミド(6,12ナイロン)、ポリビス(4‐アミノシクロヘキシル)メタンドデカン等の、炭素数4~12の有機ジカルボン酸と炭素数2~13の有機ジアミンとの重縮合物、ω-アミノ酸(例えばω-アミノウンデカン酸)の重縮合物(例えば、ポリウンデカンアミド(11ナイロン)等)、ε-アミノカプロラクタムの開環重合物であるポリカプラミド(6ナイロン)、ε-アミノラウロラクタムの開環重合物であるポリラウリックラクタム(12ナイロン)等の、ラクタムの開環重合物を含むアミノ酸ラクタム、ジアミンとジカルボン酸とから構成されるポリマー、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルケトン系樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、疎水性シリコーン系樹脂、メラミン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂。
Examples of the hydrophobic segment include a segment having an alkylene oxide unit having 3 or more carbon atoms (for example, a PPG block) and a segment containing the following polymer structure:
Examples of the polycondensates include acrylic polymers, styrene resins, vinyl chloride resins, vinylidene chloride resins, polyolefin resins, polyhexamethylene adipamide (6,6 nylon), polyhexamethylene azelamide (6,9 nylon), polyhexamethylene sebacamide (6,10 nylon), polyhexamethylene dodecanoamide (6,12 nylon), polybis(4-aminocyclohexyl)methanedodecane, and other polycondensates of organic dicarboxylic acids having 4 to 12 carbon atoms and organic diamines having 2 to 13 carbon atoms, and polycondensates of ω-amino acids (for example, ω-aminoundecanoic acid) (for example, polyundecaneamide (1 poly(aminocaprolactam) (nylon 1), etc.), amino acid lactams including ring-opening polymerization products of lactams such as polycapramide (nylon 6) which is a ring-opening polymerization product of ε-aminocaprolactam, and polylauriclactam (nylon 12) which is a ring-opening polymerization product of ε-aminolaurolactam, polymers composed of diamines and dicarboxylic acids, polyacetal resins, polycarbonate resins, polyester resins, polyphenylene sulfide resins, polysulfone resins, polyether ketone resins, polyimide resins, fluorine-based resins, hydrophobic silicone resins, melamine resins, epoxy resins, and phenolic resins.
好ましい態様において、分散剤は、分子内に、親水性基としてPEGブロック、及び疎水性基としてPPGブロックを有する。 In a preferred embodiment, the dispersant has a PEG block as a hydrophilic group and a PPG block as a hydrophobic group in the molecule.
分散剤は、グラフト共重合体構造、及び/又はブロック共重合体構造を有することができる。これら構造は1種単独でもよいし、2種以上でもよい。2種以上の場合は、ポリマーアロイでもよい。またこれら共重合体の部分変性体、又は末端変性体(酸変性)でも良い。 The dispersant may have a graft copolymer structure and/or a block copolymer structure. These structures may be one type alone or two or more types. When two or more types are used, the dispersant may be a polymer alloy. In addition, the dispersant may be a partially modified or terminally modified (acid modified) copolymer.
分散剤の構造は、特に限定されないが、親水性セグメントをA、疎水性セグメントをBとしたときに、AB型ブロック共重合体、ABA型ブロック共重合体、BAB型ブロック共重合体、ABAB型ブロック共重合体、ABABA型ブロック共重合体、BABAB型共重合体、AとBを含む3分岐型共重合体、AとBを含む4分岐型共重合体、AとBを含む星型共重合体、AとBを含む単環状共重合体、AとBを含む多環状共重合体、AとBを含むかご型共重合体、等が挙げられる。 The structure of the dispersant is not particularly limited, but when the hydrophilic segment is A and the hydrophobic segment is B, examples include AB block copolymers, ABA block copolymers, BAB block copolymers, ABAB block copolymers, ABABA block copolymers, BABAB block copolymers, tri-branched copolymers containing A and B, tetra-branched copolymers containing A and B, star copolymers containing A and B, monocyclic copolymers containing A and B, polycyclic copolymers containing A and B, cage copolymers containing A and B, etc.
分散剤の構造は、好ましくはAB型ブロック共重合体、ABA型トリブロック共重合体、AとBを含む3分岐型共重合体、又はAとBを含む4分岐型共重合体であり、より好ましくはABA型トリブロック共重合体、3分岐構造体(すなわちAとBを含む3分岐型共重合体)、又は4分岐構造体(すなわちAとBを含む4分岐型共重合体)である。セルロース繊維との良好な親和性を確保するために、分散剤の構造は上記構造であることが望ましい。 The structure of the dispersant is preferably an AB block copolymer, an ABA triblock copolymer, a three-branched copolymer containing A and B, or a four-branched copolymer containing A and B, and more preferably an ABA triblock copolymer, a three-branched structure (i.e., a three-branched copolymer containing A and B), or a four-branched structure (i.e., a four-branched copolymer containing A and B). In order to ensure good affinity with cellulose fibers, it is desirable for the dispersant to have the above structure.
分散剤の好適例としては、親水性セグメントを与える化合物(例えば、ポリエチレングリコール)、疎水性セグメントを与える化合物(例えば、ポリプロピレングリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール(PTMEG)、ポリブタジエンジオール等)をそれぞれ1種以上用いて得られる共重合体(例えば、プロピレンオキシドとエチレンオキシドとのブロック共重合体、テトラヒドロフランとエチレンオキシドとのブロック共重合体)等が挙げられる。分散剤は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合は、ポリマーアロイとして用いてもよい。また、上記した共重合体が変性されたもの(例えば、不飽和カルボン酸、その酸無水物又はその誘導体から選ばれる少なくとも1種の化合物により変性されたもの)も用いることもできる。 Suitable examples of dispersants include copolymers (e.g., block copolymers of propylene oxide and ethylene oxide, block copolymers of tetrahydrofuran and ethylene oxide) obtained by using one or more compounds that provide hydrophilic segments (e.g., polyethylene glycol) and one or more compounds that provide hydrophobic segments (e.g., polypropylene glycol, poly(tetramethylene ether) glycol (PTMEG), polybutadiene diol, etc.). The dispersants may be used alone or in combination of two or more. When two or more types are used in combination, they may be used as a polymer alloy. In addition, the above-mentioned copolymers modified (e.g., modified with at least one compound selected from unsaturated carboxylic acids, their acid anhydrides, or their derivatives) can also be used.
これらの中でも、耐熱性(臭気性)及び機械特性の観点から、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールの共重合体、ポリエチレングリコールとポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール(PTMEG)の共重合体、及びこれらの混合物が好ましく挙げられ、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールの共重合体が、取り扱い性・コストの観点からより好ましい。 Among these, from the viewpoints of heat resistance (odor) and mechanical properties, copolymers of polyethylene glycol and polypropylene glycol, copolymers of polyethylene glycol and poly(tetramethylene ether) glycol (PTMEG), and mixtures thereof are preferred, and copolymers of polyethylene glycol and polypropylene glycol are more preferred from the viewpoints of ease of handling and cost.
典型的な態様において、分散剤は曇点を有する。親水性部位としてポリオキシエチレン鎖等のポリエーテル鎖をもつ非イオン性界面活性剤の水溶液の温度を上昇させていくと、透明又は半透明であった水溶液がある温度(この温度を曇点という)で白濁する現象がみられる。すなわち、低温で透明又は半透明である水溶液を加温した際に、ある温度を境に非イオン性界面活性剤の溶解度が急激に低下し、それまで溶けていた界面活性剤同士が凝集・白濁して、水と分離する。これは、高温になると非イオン性界面活性剤が水和力を失う(ポリエーテル鎖と水との水素結合が切れ水への溶解度が急激に下がる)ためと考えられる。曇点はポリエーテル鎖が長いほど低い傾向にある。曇点以下の温度であれば、水に任意の割合で溶解することから、曇点は、分散剤における親水性の尺度となる。 In a typical embodiment, the dispersant has a cloud point. When the temperature of an aqueous solution of a nonionic surfactant having a polyether chain such as a polyoxyethylene chain as a hydrophilic site is increased, the transparent or translucent aqueous solution becomes cloudy at a certain temperature (this temperature is called the cloud point). That is, when an aqueous solution that is transparent or translucent at low temperatures is heated, the solubility of the nonionic surfactant drops sharply at a certain temperature, and the surfactants that were dissolved up until that point aggregate and become cloudy, separating from the water. This is thought to be because the nonionic surfactant loses its hydration power at high temperatures (the hydrogen bonds between the polyether chain and water are broken, and the solubility in water drops sharply). The longer the polyether chain, the lower the cloud point tends to be. Since the dispersant dissolves in any proportion in water at temperatures below the cloud point, the cloud point is a measure of the hydrophilicity of the dispersant.
分散剤の曇点は以下の方法で測定する事ができる。音叉型振動式粘度計(例えば株式会社エー・アンド・デイ社製SV-10A)を用いて、分散剤の水溶液を0.5質量%、1.0質量%、5質量%に調整し、温度0~100℃の範囲で測定を行う。この時、各濃度において変曲点(粘度の上昇変化、又は水溶液が曇化した点)を示した部分を曇点とする。 The cloud point of a dispersant can be measured by the following method. Using a tuning fork type vibration viscometer (e.g. SV-10A manufactured by A&D Co., Ltd.), the aqueous solution of the dispersant is adjusted to 0.5 mass%, 1.0 mass%, and 5 mass%, and measurements are taken at temperatures ranging from 0 to 100°C. At this time, the point showing the inflection point (the point where the viscosity increases or the aqueous solution becomes cloudy) at each concentration is taken as the cloud point.
分散剤の曇点の下限値は、取扱い性の観点から、好ましくは10℃であり、より好ましくは20℃であり、最も好ましくは30℃である。また、当該曇点の上限値は、特に限定されないが、好ましくは120℃であり、より好ましくは110℃であり、さらに好ましくは100℃であり、最も好ましくは60℃である。セルロース繊維との良好な親和性を確保するために、分散剤の曇点は上述の範囲内にあることが望ましい。 From the viewpoint of ease of handling, the lower limit of the cloud point of the dispersant is preferably 10°C, more preferably 20°C, and most preferably 30°C. The upper limit of the cloud point is not particularly limited, but is preferably 120°C, more preferably 110°C, even more preferably 100°C, and most preferably 60°C. To ensure good affinity with cellulose fibers, it is desirable for the cloud point of the dispersant to be within the above-mentioned range.
分散剤としては、溶解パラメーター(SP値)が7.25以上であるものがより好ましい。分散剤がこの範囲のSP値を有することで、セルロース繊維の樹脂中での分散性が向上する。 Dispersants with a solubility parameter (SP value) of 7.25 or more are preferred. When the dispersant has an SP value in this range, the dispersibility of the cellulose fibers in the resin is improved.
SP値は、Fodersの文献(R.F.Foders:Polymer Engineering & SCienCe,vol.12(10),p.2359-2370(1974))によると、物質の凝集エネルギー密度とモル分子量の両方に依存し、またこれらは物質の置換基の種類及び数に依存していると考えられ、上田らの文献(塗料の研究、No.152、OCt.2010)によると、後述する実施例に示す既存の主要な溶剤についてのSP値(Cal/Cm3)1/2が公開されている。 According to a document by Foders (R.F. Foders: Polymer Engineering & Science, vol. 12(10), p. 2359-2370 (1974)), the SP value depends on both the cohesive energy density and the molar molecular weight of the substance, and these are also thought to depend on the type and number of substituents of the substance. According to a document by Ueda et al. (Research on Paints, No. 152, October 2010), the SP values (Cal/ Cm3 ) 1/2 for existing major solvents shown in the examples below are published.
分散剤のSP値は、実験的には、SP値が既知の種々の溶剤に分散剤を溶解させたときの、可溶と不溶の境目から求めることができる。例えば、SP値が異なる各種溶剤(10mL)に、分散剤1mLを室温においてスターラー撹拌下で1時間溶解させた場合に、全量が溶解するかどうかで判断可能である。例えば、分散剤がジエチルエーテルに可溶であった場合は、その分散剤のSP値は7.25以上となる。 The SP value of a dispersant can be experimentally determined from the boundary between soluble and insoluble when the dispersant is dissolved in various solvents with known SP values. For example, when 1 mL of dispersant is dissolved in various solvents (10 mL) with different SP values at room temperature for 1 hour under stirring with a stirrer, it can be determined whether the entire amount dissolves. For example, if a dispersant is soluble in diethyl ether, the SP value of that dispersant will be 7.25 or more.
分散剤(特に両親媒性分子)としては、水より高い沸点を有するものが好ましく、樹脂の融点よりも高い沸点を有するものが、樹脂中にセルロース繊維を溶融混練時に均一に分散させる観点でより好ましい。なお、水よりも高い沸点とは、水の蒸気圧曲線における各圧力における沸点(例えば、1気圧下では100℃)よりも高い沸点を指す。 Dispersants (especially amphipathic molecules) preferably have a boiling point higher than that of water, and more preferably have a boiling point higher than the melting point of the resin from the viewpoint of uniformly dispersing the cellulose fibers in the resin during melt kneading. A boiling point higher than that of water refers to a boiling point higher than the boiling point of water at each pressure on the vapor pressure curve (for example, 100°C at 1 atmosphere).
分散剤として水より高い沸点を有するものを選択することにより、例えば、分散剤の存在下で、液体媒体として水を含むスラリーを乾燥させてセルロース繊維乾燥体を得る工程において、水が蒸発する過程で水と分散剤とが置換されてセルロース繊維表面に分散剤が存在するようになるため、セルロース繊維の凝集を大幅に抑制する効果を奏することができる。 By selecting a dispersant that has a boiling point higher than that of water, for example, in the process of drying a slurry containing water as a liquid medium in the presence of the dispersant to obtain a dried cellulose fiber body, the water and the dispersant are replaced during the evaporation of the water, and the dispersant is present on the surface of the cellulose fibers, thereby achieving the effect of significantly suppressing the aggregation of the cellulose fibers.
なお、分散剤の添加方法は限定されず、
セルロース繊維乾燥体の製造において、乾燥工程後のセルロース繊維に分散剤を混合してセルロース繊維乾燥体を得る方法、
セルロース繊維乾燥体の製造において、セルロース繊維が液体媒体に分散してなるスラリー中に分散剤を添加した後乾燥させてセルロース繊維乾燥体を得る方法、
樹脂複合体の製造において、樹脂、セルロース繊維乾燥体又はこれを液体媒体に分散してなる再分散液、及び分散剤をあらかじめ混合し溶融混練した後、成形加工する方法、
樹脂複合体の製造において、樹脂にあらかじめ分散剤を添加し、必要により予備混練した後、セルロース繊維乾燥体又はこれを液体媒体に分散してなる再分散液を添加して溶融混練し、成形加工する方法、
等が挙げられる。
The method of adding the dispersant is not limited.
A method for producing a dried cellulose fiber body by mixing a dispersant with cellulose fibers after a drying step,
A method for producing a dried cellulose fiber body, comprising adding a dispersant to a slurry in which cellulose fibers are dispersed in a liquid medium, and then drying the slurry to obtain a dried cellulose fiber body;
In the production of a resin composite, a resin, a dried cellulose fiber or a redispersion obtained by dispersing the dried cellulose fiber in a liquid medium, and a dispersant are mixed in advance, melt-kneaded, and then molded;
In the production of a resin composite, a dispersant is added to the resin in advance, and if necessary, pre-mixing is performed. Then, a dried cellulose fiber or a re-dispersion obtained by dispersing the dried cellulose fiber in a liquid medium is added, and the mixture is melt-kneaded and molded.
etc.
分散剤の量は、セルロース繊維100質量部に対して、5~100質量部であることがセルロース繊維を樹脂複合体中に均一に分散させる観点で好ましく、10~70質量部であることがより好ましく、20~50質量部であることが最も好ましい。 The amount of dispersant is preferably 5 to 100 parts by mass per 100 parts by mass of cellulose fibers in order to uniformly disperse the cellulose fibers in the resin composite, more preferably 10 to 70 parts by mass, and most preferably 20 to 50 parts by mass.
一態様において、樹脂複合体中の分散剤の含有量は、それぞれ、好ましくは、0.3質量%以上、又は0.5質量%以上、又は1.0質量%以上であり、好ましくは、10.0質量%以下、又は5.0質量%以下、又は3.0質量%以下である。 In one embodiment, the content of the dispersant in the resin composite is preferably 0.3% by mass or more, or 0.5% by mass or more, or 1.0% by mass or more, and preferably 10.0% by mass or less, or 5.0% by mass or less, or 3.0% by mass or less.
樹脂複合体において、分散剤の量は当業者に一般的な方法で容易に確認する事が出来る。確認方法は限定されないが、以下の方法を例示できる。樹脂複合体の破断片を用い、樹脂を溶解させる溶媒に破断片を溶解させたときの、可溶分1(樹脂及び分散剤)と不溶分1(セルロース繊維及び分散剤)を分離する。可溶分1を、樹脂を溶解させないが分散剤を溶解させる溶媒で再沈殿させ、不溶分2(樹脂)と可溶分2(分散剤)に分離する。また、不溶分1を分散剤溶解性溶媒に溶解させ、可溶分3(分散剤)と不溶分3(セルロース繊維)に分離する。可溶分2、可溶分3を濃縮(乾燥・風乾・減圧乾燥等)させることで分散剤の定量が可能である。濃縮後の分散剤について、前述の方法によって同定及び分子量の測定を行うことができる。
In a resin complex, the amount of dispersant can be easily confirmed by a method common to those skilled in the art. The confirmation method is not limited, but the following method can be exemplified. Using broken pieces of a resin complex, the broken pieces are dissolved in a solvent that dissolves resin, and soluble portion 1 (resin and dispersant) and insoluble portion 1 (cellulose fiber and dispersant) are separated.
≪セルロース繊維乾燥体の製造方法≫
本発明の一態様はまた、本開示のセルロース繊維乾燥体の製造方法を提供する。当該方法は、セルロース繊維及び水性媒体を含むスラリーを調製するスラリー調製工程と、該スラリーを乾燥させてセルロース繊維乾燥体を形成する乾燥工程とを含む。
<Method for producing dried cellulose fiber body>
Another aspect of the present invention provides a method for producing the dried cellulose fiber body of the present disclosure, the method including a slurry preparation step of preparing a slurry containing cellulose fibers and an aqueous medium, and a drying step of drying the slurry to form the dried cellulose fiber body.
(スラリー調製工程)
本工程では、セルロース繊維及び液体媒体を含むスラリーを調製する。液体媒体としては、前述の水混和性有機溶媒を好適に使用できる。スラリー中のセルロース繊維の濃度は、後続の乾燥工程におけるプロセス効率の観点から、好ましくは、5質量%以上、又は10質量%以上、又は15質量%以上、又は20質量%以上、又は25質量%以上であり、スラリーの粘度の過度な増大、及び凝集による固化を回避して良好な取扱い性を保持する観点から、好ましくは、60質量%以下、又は55質量%以下、又は50質量%以下、又は45質量%以下である。例えば、セルロースナノファイバーの製造は希薄な分散液中で行われることが多いが、このような希薄分散液を濃縮することで、スラリー中のセルロース繊維濃度を前記好ましい範囲に調整してもよい。濃縮には、吸引ろ過、加圧ろ過、遠心脱液、加熱等の方法を用いることができる。
(Slurry preparation process)
In this step, a slurry containing cellulose fibers and a liquid medium is prepared. As the liquid medium, the above-mentioned water-miscible organic solvent can be suitably used. The concentration of cellulose fibers in the slurry is preferably 5% by mass or more, or 10% by mass or more, or 15% by mass or more, or 20% by mass or more, or 25% by mass or more from the viewpoint of process efficiency in the subsequent drying step, and is preferably 60% by mass or less, or 55% by mass or less, or 50% by mass or less, or 45% by mass or less from the viewpoint of maintaining good handleability by avoiding excessive increase in the viscosity of the slurry and solidification due to aggregation. For example, the production of cellulose nanofibers is often carried out in a dilute dispersion, and the cellulose fiber concentration in the slurry may be adjusted to the preferred range by concentrating such a dilute dispersion. For concentration, methods such as suction filtration, pressure filtration, centrifugal deliquation, and heating can be used.
(乾燥工程)
本工程では、上記スラリーを、制御された乾燥条件で乾燥させることにより、セルロース繊維乾燥体を形成する。セルロース繊維乾燥体が、セルロース繊維と追加の成分とを含む場合には、セルロース繊維スラリーの乾燥前、乾燥中、及び/又は乾燥後に、当該追加の成分を添加してよい。乾燥には、上記乾燥速度を可能にする乾燥装置、例えば、スプレードライヤー、押出機等を使用できる。乾燥装置は市販品であってもよく、例えば、マイクロミストスプレードライヤー(藤崎電機製)、スプレードライヤー(大川原化工機製)、二軸押出機(日本製鋼所製)等を例示できる。乾燥条件の中でも、乾燥速度、乾燥温度、及び/又は圧力(減圧度)、特に乾燥速度を制御することは本開示のセルロース繊維乾燥体の生成に有用である。
(Drying process)
In this step, the slurry is dried under controlled drying conditions to form a dried cellulose fiber body. When the dried cellulose fiber body contains cellulose fibers and additional components, the additional components may be added before, during, and/or after drying of the cellulose fiber slurry. For drying, a drying device that enables the above drying speed, such as a spray dryer or an extruder, can be used. The drying device may be a commercially available product, and examples of the drying device include a micromist spray dryer (manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.), a spray dryer (manufactured by Okawara Kakoki Co., Ltd.), and a twin-screw extruder (manufactured by Japan Steel Works, Ltd.). Among the drying conditions, controlling the drying speed, drying temperature, and/or pressure (degree of reduced pressure), especially the drying speed, is useful for producing the dried cellulose fiber body of the present disclosure.
スラリー100質量部当たりの液体媒体の1分当たりの脱離量(質量部)である乾燥速度は、スラリーを急速乾燥させることで望ましい粒子サイズのセルロース繊維乾燥体を形成する観点から、例えば、10%/分以上、又は50%/分以上、又は100%/分以上であってよく、セルロース繊維の過度な微粉化を回避することで当該セルロース繊維の凝集を抑制するとともに良好な取扱い性を得る観点から、例えば、10000%/分以下、又は1000%/分以下、又は500%/分以下であってよい。乾燥速度は、下記式:
乾燥速度(%/分)=(乾燥開始時のスラリー水分率(質量%)-乾燥終点の乾燥体の水分率(質量%))/乾燥開始から乾燥終点までに要した時間(分)
に従って求められる値(すなわち、乾燥工程を通じての平均値)である。
ここで、乾燥開始とは、乾燥対象となるスラリーまたはケークを装置に供給して目的の乾燥温度、減圧度、ずり速度で乾燥する工程を始めた時点であり、乾燥温度、減圧度、ずり速度が乾燥工程とは異なる状態で予備混合をする時間は乾燥時間に含めない。
また、乾燥終点とは、乾燥開始から長くとも10分の間隔でサンプリングを行い、水分率が初めて7質量%以下になった時点をいう。
連続式の乾燥装置の場合、乾燥開始から乾燥終点までに要した時間は、滞留時間と解釈することができる。スプレードライヤーの場合、滞留時間は加熱風量と乾燥室の容積によって計算することができる。また、押出機を乾燥装置として用いる場合、滞留時間はスクリュー回転数とスクリューの総ピッチ数から計算することができる。
The drying speed, which is the amount (parts by mass) of liquid medium desorbed per minute per 100 parts by mass of the slurry, may be, for example, 10%/min or more, or 50%/min or more, or 100%/min or more, from the viewpoint of forming a dried cellulose fiber body of a desired particle size by rapidly drying the slurry, and may be, for example, 10,000%/min or less, or 1,000%/min or less, or 500%/min or less, from the viewpoint of suppressing aggregation of the cellulose fibers by avoiding excessive pulverization of the cellulose fibers and obtaining good handleability. The drying speed is calculated by the following formula:
Drying rate (%/min) = (water content of slurry at the start of drying (% by mass) - water content of dried body at the end of drying (% by mass)) / time required from the start of drying to the end of drying (min)
(i.e., the average value throughout the drying process).
Here, the start of drying refers to the time when the process of supplying the slurry or cake to be dried to the device and drying at the intended drying temperature, degree of vacuum, and shear rate begins, and the time for premixing under conditions where the drying temperature, degree of vacuum, and shear rate are different from those in the drying process is not included in the drying time.
The end point of drying refers to the time when the moisture content first becomes 7% by mass or less when sampling is performed at intervals of at most 10 minutes from the start of drying.
In the case of a continuous drying device, the time required from the start of drying to the end of drying can be interpreted as the residence time. In the case of a spray dryer, the residence time can be calculated from the heating air volume and the volume of the drying chamber. In addition, when an extruder is used as a drying device, the residence time can be calculated from the screw rotation speed and the total pitch number of the screw.
乾燥温度は、乾燥効率、及びセルロース繊維を適度に凝集させて望ましい粒子サイズのセルロース繊維乾燥体を形成する観点から、例えば20℃以上、又は30℃以上、又は40℃以上、又は50℃以上であってよく、セルロース繊維及び追加の成分の熱劣化を生じ難くする観点、及びセルロース繊維の過度な微粉化を回避する観点から、例えば200℃以下、又は150℃以下、又は140℃以下、又は130℃以下、又は100℃以下であってよい。
乾燥温度は、スラリーに接触する熱源の温度であり、例えば、乾燥装置の温調ジャケットの表面温度や、加熱シリンダーの表面温度、熱風の温度で定義される。
The drying temperature may be, for example, 20°C or more, or 30°C or more, or 40°C or more, or 50°C or more from the viewpoints of drying efficiency and of appropriately agglomerating the cellulose fibers to form a dried cellulose fiber body of a desired particle size, and may be, for example, 200°C or less, or 150°C or less, or 140°C or less, or 130°C or less, or 100°C or less from the viewpoints of preventing thermal deterioration of the cellulose fibers and additional components and avoiding excessive pulverization of the cellulose fibers.
The drying temperature is the temperature of the heat source in contact with the slurry, and is defined, for example, as the surface temperature of the temperature-regulating jacket of the drying device, the surface temperature of the heating cylinder, or the temperature of the hot air.
減圧度は、乾燥効率、及びセルロース繊維を適度に凝集させて望ましい粒子サイズのセルロース繊維乾燥体を形成する観点から、-1kPa以下、又は-10kPa以下、又は-20kPa以下、又は-30kPa以下、又は-40kPa以下、又は-50kPa以下であってよく、セルロース繊維の過度な微粉化を回避する観点から、-100kPa以上、又は-95kPa以上、又は-90kPa以上であってよい。 The degree of reduced pressure may be -1 kPa or less, or -10 kPa or less, or -20 kPa or less, or -30 kPa or less, or -40 kPa or less, or -50 kPa or less from the viewpoint of drying efficiency and of appropriately agglomerating the cellulose fibers to form a dried cellulose fiber body of a desired particle size, and may be -100 kPa or more, or -95 kPa or more, or -90 kPa or more from the viewpoint of avoiding excessive pulverization of the cellulose fibers.
乾燥工程において、スラリーの温度20℃~200℃での滞留時間は、好ましくは、0.01分間~10分間、又は0.05分間~5分間、又は0.1分間~2分間に設定してよい。このような条件での乾燥により、セルロース繊維が急速乾燥されて、望ましい粒子サイズのセルロース繊維乾燥体が良好に生成する。 In the drying step, the residence time of the slurry at a temperature of 20°C to 200°C may be set to preferably 0.01 to 10 minutes, or 0.05 to 5 minutes, or 0.1 to 2 minutes. Drying under such conditions rapidly dries the cellulose fibers, and successfully produces dried cellulose fibers of the desired particle size.
例えばスプレードライヤ―を用いる場合には、熱ガスを流通させた乾燥室内に噴霧機構(回転ディスク、加圧ノズル等)でスラリーを噴霧導入して乾燥させる。噴霧導入時のスラリー液滴サイズは、例えば、0.01μm~500μm、又は0.1μm~100μm、又は0.5μm~10μmであってよい。熱ガスは、窒素、アルゴン等の不活性ガス、空気等であってよい。熱ガス温度は、例えば、50℃~300℃、又は80℃~250℃、又は100℃~200℃であってよい。乾燥室内でのスラリーの液滴と熱ガスとの接触は、並流、向流、又は並向流であってよい。液滴の乾燥により生じた粒子状のセルロース繊維乾燥体を、サイクロン、ドラム等で補集する。 For example, when using a spray dryer, the slurry is sprayed and introduced into a drying chamber through which hot gas is circulated using a spray mechanism (rotating disk, pressurized nozzle, etc.) and dried. The size of the slurry droplets when sprayed may be, for example, 0.01 μm to 500 μm, or 0.1 μm to 100 μm, or 0.5 μm to 10 μm. The hot gas may be an inert gas such as nitrogen or argon, or air, etc. The hot gas temperature may be, for example, 50°C to 300°C, or 80°C to 250°C, or 100°C to 200°C. The contact between the slurry droplets and the hot gas in the drying chamber may be parallel, counter, or parallel. The particulate cellulose fiber dried body produced by drying the droplets is collected using a cyclone, drum, etc.
また、例えば押出機を用いる場合には、スクリューを備える混練部内にホッパーよりスラリーを投入し、減圧及び/又は加熱下の混練部内でスラリーをスクリューで連続的に輸送することで当該スラリーを乾燥させる。スクリューの態様としては、搬送スクリュー、反時計回りスクリュー、及びニーディングディスクを任意の順番に組み合わせてよい。乾燥温度は、例えば、50℃~300℃、又は80℃~250℃、又は100℃~200℃であってよい。 For example, when an extruder is used, the slurry is fed from a hopper into a kneading section equipped with a screw, and the slurry is dried by continuously transporting the slurry with the screw in the kneading section under reduced pressure and/or heating. The screw may be a combination of a conveying screw, a counterclockwise screw, and a kneading disk in any order. The drying temperature may be, for example, 50°C to 300°C, or 80°C to 250°C, or 100°C to 200°C.
≪樹脂複合体の製造方法≫
本発明の一態様は、セルロース繊維と樹脂とを含む樹脂複合体の製造方法を提供する。該方法は、前述したような本開示のセルロース繊維乾燥体と、樹脂とを混合することを含む。
<Method for producing resin composite>
One aspect of the present invention provides a method for producing a resin composite containing cellulose fibers and a resin, the method comprising mixing the dried cellulose fiber material of the present disclosure as described above with a resin.
<樹脂>
樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、及び光硬化性樹脂を用いることができる。樹脂はエラストマーであってもよい。成形性及び生産性の観点から、熱可塑性樹脂がより好ましい。
<Resin>
The resin may be a thermoplastic resin, a thermosetting resin, or a photocurable resin. The resin may be an elastomer. From the viewpoints of moldability and productivity, a thermoplastic resin is more preferable.
(熱可塑性樹脂)
樹脂が熱可塑性樹脂である場合の当該熱可塑性樹脂の融点は、樹脂複合体の用途等に応じて適宜選択してよい。熱可塑性樹脂の融点としては、例えば比較的低融点の樹脂(例えばポリオレフィン系樹脂)について、150℃~190℃、又は160℃~180℃、また例えば比較的高融点の樹脂(例えばポリアミド系樹脂)について、220℃~350℃、又は230℃~320℃、を例示できる。
(Thermoplastic resin)
When the resin is a thermoplastic resin, the melting point of the thermoplastic resin may be appropriately selected depending on the application of the resin composite, etc. The melting point of the thermoplastic resin can be, for example, 150°C to 190°C or 160°C to 180°C for a resin with a relatively low melting point (e.g., a polyolefin resin), or 220°C to 350°C or 230°C to 320°C for a resin with a relatively high melting point (e.g., a polyamide resin).
熱可塑性樹脂は、好ましくは、ポリオレフィン系樹脂、ポリアセテート系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、及びアクリル系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種であることができる。 The thermoplastic resin is preferably at least one selected from the group consisting of polyolefin-based resins, polyacetate-based resins, polycarbonate-based resins, polyamide-based resins, polyester-based resins, polyphenylene ether-based resins, and acrylic-based resins.
熱可塑性樹脂として好ましいポリオレフィン系樹脂は、オレフィン類(例えばα-オレフィン類)及び/又はアルケン類をモノマー単位として重合して得られる高分子である。ポリオレフィン系樹脂の具体例としては、低密度ポリエチレン(例えば線状低密度ポリエチレン)、高密度ポリエチレン、超低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等に例示されるエチレン系(共)重合体、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体、エチレン-プロピレン-ジエン共重合体等に例示されるポリプロピレン系(共)重合体、エチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-メタクリル酸メチル共重合体、エチレン-グリシジルメタクリレート共重合体等に代表されるエチレンとα-オレフィンとの共重合体が挙げられる。 Polyolefin resins that are preferred as thermoplastic resins are polymers obtained by polymerizing olefins (e.g., α-olefins) and/or alkenes as monomer units. Specific examples of polyolefin resins include ethylene (co)polymers such as low-density polyethylene (e.g., linear low-density polyethylene), high-density polyethylene, ultra-low-density polyethylene, and ultra-high-molecular-weight polyethylene; polypropylene (co)polymers such as polypropylene, ethylene-propylene copolymer, and ethylene-propylene-diene copolymer; and copolymers of ethylene and α-olefins such as ethylene-acrylic acid copolymer, ethylene-methyl methacrylate copolymer, and ethylene-glycidyl methacrylate copolymer.
ここで最も好ましいポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレンが挙げられる。特に、ISO1133に準拠して230℃、荷重21.2Nで測定されたメルトマスフローレイト(MFR)が、3g/10分以上30g/10分以下であるポリプロピレンが好ましい。MFRの下限値は、より好ましくは5g/10分であり、さらにより好ましくは6g/10分であり、最も好ましくは8g/10分である。また、上限値は、より好ましくは25g/10分であり、さらにより好ましくは20g/10分であり、最も好ましくは18g/10分である。MFRは、樹脂複合体の靱性向上の観点から上記上限値を超えないことが望ましく、樹脂複合体の流動性の観点から上記下限値を超えないことが望ましい。 Here, the most preferred polyolefin resin is polypropylene. In particular, polypropylene having a melt mass flow rate (MFR) of 3 g/10 min or more and 30 g/10 min or less, measured at 230° C. and a load of 21.2 N in accordance with ISO 1133, is preferred. The lower limit of the MFR is more preferably 5 g/10 min, even more preferably 6 g/10 min, and most preferably 8 g/10 min. The upper limit is more preferably 25 g/10 min, even more preferably 20 g/10 min, and most preferably 18 g/10 min. It is desirable that the MFR does not exceed the above upper limit from the viewpoint of improving the toughness of the resin composite, and it is desirable that the MFR does not exceed the above lower limit from the viewpoint of the fluidity of the resin composite.
また、セルロース繊維との親和性を高めるため、酸変性されたポリオレフィン系樹脂も好適に使用可能である。酸変性に用いる酸としては、モノ又はポリカルボン酸を使用でき、例えば、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、フタル酸及びこれらの無水物、並びにクエン酸等を例示できる。変性率の高めやすさから、マレイン酸又はその無水物が特に好ましい。変性方法については特に制限はないが、過酸化物の存在下又は非存在下でポリオレフィン系樹脂を融点以上に加熱して溶融混練する方法が一般的である。酸変性するポリオレフィン樹脂としては前出のポリオレフィン系樹脂をすべて使用可能であるが、ポリプロピレンが特に好適である。酸変性されたポリプロピレン系樹脂は、単独で用いても構わないが、樹脂全体としての変性率を調整するため、変性されていないポリプロピレン系樹脂と混合して使用することがより好ましい。この際のすべてのポリプロピレン系樹脂に対する酸変性されたポリプロピレン系樹脂の割合は、好ましくは0.5質量%~50質量%である。より好ましい下限は、1質量%、又は2質量%、又は3質量%、又は4質量%、又は5質量%である。また、より好ましい上限は、45質量%、又は40質量%、又は35質量%、又は30質量%、又は20質量%である。樹脂とセルロース繊維との界面強度を維持するためには、下限以上が好ましく、樹脂としての延性を維持するためには、上限以下が好ましい。 In addition, in order to increase the affinity with cellulose fibers, acid-modified polyolefin resins can also be suitably used. As the acid used for acid modification, mono- or polycarboxylic acids can be used, and examples thereof include maleic acid, fumaric acid, succinic acid, phthalic acid and their anhydrides, as well as citric acid. Maleic acid or its anhydride is particularly preferred because it is easy to increase the modification rate. There are no particular restrictions on the modification method, but a method in which a polyolefin resin is heated to above its melting point in the presence or absence of a peroxide and melt-kneaded is common. As the polyolefin resin to be acid-modified, all of the above-mentioned polyolefin resins can be used, but polypropylene is particularly suitable. The acid-modified polypropylene resin may be used alone, but it is more preferable to use it in combination with an unmodified polypropylene resin in order to adjust the modification rate of the resin as a whole. In this case, the ratio of the acid-modified polypropylene resin to all polypropylene resins is preferably 0.5% by mass to 50% by mass. A more preferable lower limit is 1% by mass, or 2% by mass, or 3% by mass, or 4% by mass, or 5% by mass. More preferably, the upper limit is 45% by mass, 40% by mass, 35% by mass, 30% by mass, or 20% by mass. In order to maintain the interfacial strength between the resin and the cellulose fibers, the lower limit or higher is preferable, and in order to maintain the ductility of the resin, the upper limit or lower is preferable.
酸変性されたポリプロピレン系樹脂の、ISO1133に準拠して230℃、荷重21.2Nで測定されるメルトマスフローレイト(MFR)は、樹脂とセルロース繊維との界面における親和性を高める観点から、好ましくは、50g/10分以上、又は100g/10分以上、又は150g/10分以上、又は200g/10分以上である。上限は特に限定されないが、機械的強度の維持から、好ましくは500g/10分である。 The melt mass flow rate (MFR) of the acid-modified polypropylene resin, measured in accordance with ISO1133 at 230°C and a load of 21.2 N, is preferably 50 g/10 min or more, 100 g/10 min or more, 150 g/10 min or more, or 200 g/10 min or more, from the viewpoint of increasing the affinity at the interface between the resin and the cellulose fiber. There is no particular upper limit, but it is preferably 500 g/10 min in order to maintain mechanical strength.
熱可塑性樹脂として好ましいポリアミド系樹脂としては:ラクタム類の重縮合反応により得られるポリアミド(例えばポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12等);ジアミン類(例えば1,6-ヘキサンジアミン、2-メチル-1,5-ペンタンジアミン、1,7-ヘプタンジアミン、2-メチル-1-6-ヘキサンジアミン、1,8-オクタンジアミン、2-メチル-1,7-ヘプタンジアミン、1,9-ノナンジアミン、2-メチル-1,8-オクタンジアミン、1,10-デカンジアミン、1,11-ウンデカンジアミン、1,12-ドデカンジアミン、m-キシリレンジアミン等)とジカルボン酸類(例えばブタン二酸、ペンタン二酸、ヘキサン二酸、ヘプタン二酸、オクタン二酸、ノナン二酸、デカン二酸、ベンゼン-1,2-ジカルボン酸、ベンゼン-1,3-ジカルボン酸、ベンゼン-1,4ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,3-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,4-ジカルボン酸等)との共重合体として得られるポリアミド(例えばポリアミド6,6、ポリアミド6,10、ポリアミド6,11、ポリアミド6,12、ポリアミド6,T、ポリアミド6,I、ポリアミド9,T、ポリアミド10,T、ポリアミド2M5,T、ポリアミドMXD,6、ポリアミド6、C、ポリアミド2M5,C等);及びこれらがそれぞれ共重合された共重合体(例えばポリアミド6,T/6,I等)、が挙げられる。 Preferred polyamide resins as thermoplastic resins include: polyamides obtained by polycondensation reaction of lactams (e.g., polyamide 6, polyamide 11, polyamide 12, etc.); diamines (e.g., 1,6-hexanediamine, 2-methyl-1,5-pentanediamine, 1,7-heptanediamine, 2-methyl-1-6-hexanediamine, 1,8-octanediamine, 2-methyl-1,7-heptanediamine, 1,9-nonanediamine, 2-methyl-1,8-octanediamine, 1,10-decanediamine, 1,11-undecanediamine, 1,12-dodecanediamine, m-xylylenediamine, etc.) and dicarboxylic acids (e.g., butanedioic acid, pentanedioic acid, hexanedioic acid, Polyamides obtained as copolymers with heptanedioic acid, octanedioic acid, nonanedioic acid, decanedioic acid, benzene-1,2-dicarboxylic acid, benzene-1,3-dicarboxylic acid, benzene-1,4-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,3-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,4-dicarboxylic acid, etc. (e.g. polyamide 6,6, polyamide 6,10, polyamide 6,11, polyamide 6,12, polyamide 6,T, polyamide 6,I, polyamide 9,T, polyamide 10,T, polyamide 2M5,T, polyamide MXD,6, polyamide 6,C, polyamide 2M5,C, etc.); and copolymers in which these are copolymerized (e.g. polyamide 6,T/6,I, etc.).
これらポリアミド系樹脂の中でも、ポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド6,6、ポリアミド6,10、ポリアミド6,11、ポリアミド6,12等の脂肪族ポリアミド、及び、ポリアミド6,C、ポリアミド2M5,C等の脂環式ポリアミドがより好ましい。
Among these polyamide resins, aliphatic polyamides such as polyamide 6, polyamide 11, polyamide 12, polyamide 6,6,
樹脂複合体の耐熱性を良好にする観点から、ポリアミド系樹脂の融点は、好ましくは220℃以上、又は230℃以上、又は240℃以上、又は245℃以上、又は250℃以上であり、樹脂複合体の製造容易性の観点から、上記融点は、好ましくは、350℃以下、又は320℃以下、又は300℃以下である。 From the viewpoint of improving the heat resistance of the resin composite, the melting point of the polyamide resin is preferably 220°C or higher, or 230°C or higher, or 240°C or higher, or 245°C or higher, or 250°C or higher, and from the viewpoint of ease of manufacturing the resin composite, the melting point is preferably 350°C or lower, or 320°C or lower, or 300°C or lower.
ポリアミド系樹脂の末端カルボキシル基濃度に特に制限はないが、好ましくは、20μモル/g以上、又は30μモル/g以上であり、好ましくは、150μモル/g以下、又は100μモル/g以下、又は80μモル/g以下である。 There is no particular restriction on the terminal carboxyl group concentration of the polyamide resin, but it is preferably 20 μmol/g or more, or 30 μmol/g or more, and preferably 150 μmol/g or less, or 100 μmol/g or less, or 80 μmol/g or less.
ポリアミド系樹脂において、全末端基に対するカルボキシル末端基比率([COOH]/[全末端基])は、セルロース繊維の樹脂複合体中での分散性の観点から、好ましくは、0.30以上、又は0.35以上、又は0.40以上、又は0.45以上であり、樹脂複合体の色調の観点から、好ましくは、0.95以下、又は0.90以下、又は0.85以下、又は0.80以下である。 In the polyamide resin, the ratio of carboxyl end groups to all end groups ([COOH]/[total end groups]) is preferably 0.30 or more, or 0.35 or more, or 0.40 or more, or 0.45 or more, from the viewpoint of dispersibility of the cellulose fiber in the resin composite, and is preferably 0.95 or less, or 0.90 or less, or 0.85 or less, or 0.80 or less, from the viewpoint of the color tone of the resin composite.
ポリアミド系樹脂の末端基濃度は、公知の方法で調整できる。調整方法としては、ポリアミドの重合時に、所定の末端基濃度となるように末端基と反応する末端調整剤(例えば、ジアミン化合物、モノアミン化合物、ジカルボン酸化合物、モノカルボン酸化合物、酸無水物、モノイソシアネート、モノ酸ハロゲン化物、モノエステル、モノアルコール等)を重合液に添加する方法が挙げられる。 The end group concentration of polyamide resins can be adjusted by known methods. One adjustment method is to add a terminal regulator (e.g., diamine compounds, monoamine compounds, dicarboxylic acid compounds, monocarboxylic acid compounds, acid anhydrides, monoisocyanates, monoacid halides, monoesters, monoalcohols, etc.) that reacts with the end groups during polymerization of polyamide to the polymerization liquid so as to achieve a predetermined end group concentration.
末端アミノ基と反応する末端調整剤としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ピバリン酸、イソ酪酸等の脂肪族モノカルボン酸;シクロヘキサンカルボン酸等の脂環式モノカルボン酸;安息香酸、トルイル酸、α-ナフタレンカルボン酸、β-ナフタレンカルボン酸、メチルナフタレンカルボン酸、フェニル酢酸等の芳香族モノカルボン酸;及びこれらから任意に選ばれる複数の混合物が挙げられる。これらの中でも、反応性、封止末端の安定性、価格等の点から、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、カプリル酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸及び安息香酸からなる群より選ばれる1種以上の末端調整剤が好ましく、酢酸が最も好ましい。 Examples of terminal regulators that react with terminal amino groups include aliphatic monocarboxylic acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, caprylic acid, lauric acid, tridecanoic acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, pivalic acid, and isobutyric acid; alicyclic monocarboxylic acids such as cyclohexanecarboxylic acid; aromatic monocarboxylic acids such as benzoic acid, toluic acid, α-naphthalenecarboxylic acid, β-naphthalenecarboxylic acid, methylnaphthalenecarboxylic acid, and phenylacetic acid; and mixtures of a plurality of terminal regulators selected from the group consisting of acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, caprylic acid, lauric acid, tridecanoic acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and benzoic acid, and acetic acid is the most preferred, from the standpoints of reactivity, stability of the blocked terminal, and price.
末端カルボキシル基と反応する末端調整剤としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、デシルアミン、ステアリルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン等の脂肪族モノアミン;シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン等の脂環式モノアミン;アニリン、トルイジン、ジフェニルアミン、ナフチルアミン等の芳香族モノアミン及びこれらの任意の混合物が挙げられる。これらの中でも、反応性、沸点、封止末端の安定性、価格等の点から、ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、デシルアミン、ステアリルアミン、シクロヘキシルアミン及びアニリンからなる群より選ばれる1種以上の末端調整剤が好ましい。 Examples of terminal regulators that react with terminal carboxyl groups include aliphatic monoamines such as methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, hexylamine, octylamine, decylamine, stearylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, and dibutylamine; alicyclic monoamines such as cyclohexylamine and dicyclohexylamine; aromatic monoamines such as aniline, toluidine, diphenylamine, and naphthylamine, and any mixtures thereof. Among these, one or more terminal regulators selected from the group consisting of butylamine, hexylamine, octylamine, decylamine, stearylamine, cyclohexylamine, and aniline are preferred in terms of reactivity, boiling point, stability of the blocked terminals, price, and the like.
ポリアミド系樹脂のアミノ末端基及びカルボキシル末端基の濃度は、1H-NMRにより、各末端基に対応する特性シグナルの積分値から求めることができる。この方法は、精度及び簡便さの点で好ましい。より具体的には、特開平7-228775号公報に記載された方法を用い、測定溶媒として重トリフルオロ酢酸を用い、積算回数を300スキャン以上とすることが推奨される。 The concentrations of amino end groups and carboxyl end groups of a polyamide resin can be determined from the integrated values of characteristic signals corresponding to each end group by 1 H-NMR. This method is preferred in terms of accuracy and simplicity. More specifically, it is recommended to use the method described in JP-A-7-228775, deuterated trifluoroacetic acid as the measurement solvent, and to set the number of integration scans to 300 or more.
ポリアミド系樹脂の、濃硫酸中30℃の条件下で測定した固有粘度[η]は、樹脂複合体を例えば射出成形する際に、金型内流動性が良好で成形片の外観が良好であるという観点から、好ましくは、0.6~2.0dL/g、又は0.7~1.4dL/g、又は0.7~1.2dL/g、又は0.7~1.0dL/gである。本開示において、「固有粘度」とは、一般的に極限粘度と呼ばれている粘度と同義である。固有粘度は、96%濃硫酸中、30℃の温度条件下で、濃度の異なるいくつかの測定溶媒のηsp/cを測定し、そのそれぞれのηsp/cと濃度(c)との関係式を導き出し、濃度をゼロに外挿する方法で求められる。このゼロに外挿された値が固有粘度である。上記方法の詳細は、例えば、Polymer Process Engineering(Prentice-Hall,Inc 1994)の291ページ~294ページ等に記載されている。上記の濃度の異なるいくつかの測定溶媒における濃度は、少なくとも4点(例えば、0.05g/dL、0.1g/dL、0.2g/dL、0.4g/dL)とすることが精度の観点から望ましい。 The intrinsic viscosity [η] of a polyamide resin measured in concentrated sulfuric acid at 30°C is preferably 0.6 to 2.0 dL/g, or 0.7 to 1.4 dL/g, or 0.7 to 1.2 dL/g, or 0.7 to 1.0 dL/g, from the viewpoint of good in-mold fluidity and good appearance of the molded piece when the resin composite is, for example, injection molded. In this disclosure, "intrinsic viscosity" is synonymous with the viscosity generally called limiting viscosity. The intrinsic viscosity is determined by measuring the ηsp/c of several measurement solvents with different concentrations in 96% concentrated sulfuric acid at a temperature of 30°C, deriving the relationship between each of the ηsp/c and the concentration (c), and extrapolating the concentration to zero. This value extrapolated to zero is the intrinsic viscosity. Details of the above method are described, for example, in Polymer Process Engineering (Prentice-Hall, Inc. 1994), pages 291 to 294. From the viewpoint of accuracy, it is desirable to set the concentrations in the above-mentioned measurement solvents having different concentrations to at least four points (e.g., 0.05 g/dL, 0.1 g/dL, 0.2 g/dL, 0.4 g/dL).
熱可塑性樹脂として好ましいポリエステル系樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリブチレンサクシネート(PBS)、ポリブチレンサクシネートアジペート(PBSA)、ポリブチレンアジペートテレフタレート(PBAT)、ポリヒドロキシアルカン酸(PHA)、ポリ乳酸(PLA)、ポリアリレート(PAR)等から選ばれる1種又は2種以上を用いることができる。中でも、PET、PBS、PBSA、PBT及びPENがより好ましく、PBS、PBSA、及びPBTが特に好ましい。 Preferred polyester resins as thermoplastic resins include one or more selected from polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polybutylene terephthalate (PBT), polybutylene succinate (PBS), polybutylene succinate adipate (PBSA), polybutylene adipate terephthalate (PBAT), polyhydroxyalkanoic acid (PHA), polylactic acid (PLA), polyarylate (PAR), etc. Among these, PET, PBS, PBSA, PBT, and PEN are more preferable, and PBS, PBSA, and PBT are particularly preferable.
ポリエステル系樹脂の末端基は、重合時のモノマー比率、末端安定化剤の添加の有無及び量、等によって任意に変えることができる。ポリエステル系樹脂の全末端基に対するカルボキシル末端基比率([COOH]/[全末端基])は、樹脂複合体中のセルロース繊維の分散性の観点から、好ましくは、0.30以上、又は0.35以上、又は0.40以上、又は0.45以上であり、樹脂複合体の色調の観点から、好ましくは、0.95以下、又は0.90以下、又は0.85以下、又は0.80以下である。 The terminal groups of the polyester resin can be changed as desired by the monomer ratio during polymerization, the presence or absence and amount of addition of a terminal stabilizer, etc. The ratio of carboxyl terminal groups to all terminal groups of the polyester resin ([COOH]/[total terminal groups]) is preferably 0.30 or more, or 0.35 or more, or 0.40 or more, or 0.45 or more from the viewpoint of dispersibility of cellulose fibers in the resin composite, and is preferably 0.95 or less, or 0.90 or less, or 0.85 or less, or 0.80 or less from the viewpoint of the color tone of the resin composite.
熱可塑性樹脂として好ましいポリアセタール系樹脂としては、ホルムアルデヒドを原料とするホモポリアセタールと、トリオキサンを主モノマーとし、1,3-ジオキソランをコモノマー成分として含むコポリアセタールとが一般的であり、両者とも使用可能であるが、加工時の熱安定性の観点から、コポリアセタールが好ましい。コモノマー成分(例えば1,3-ジオキソラン)由来構造の量は、押出加工及び成形加工時の熱安定性の観点から、好ましくは、0.01モル%以上、又は0.05モル%以上、又は0.1モル%以上、又は0.2モル%以上であり、機械的強度の観点から、好ましくは、4.0モル%以下、又は3.5モル%以下、又は3.0モル%以下、又は2.5モル%以下、又は2.3モル%以下である。 Preferred polyacetal resins as thermoplastic resins are homopolyacetals made from formaldehyde and copolyacetals containing trioxane as the main monomer and 1,3-dioxolane as a comonomer component. Both can be used, but copolyacetals are preferred from the viewpoint of thermal stability during processing. The amount of the structure derived from the comonomer component (e.g., 1,3-dioxolane) is preferably 0.01 mol% or more, or 0.05 mol% or more, or 0.1 mol% or more, or 0.2 mol% or more from the viewpoint of thermal stability during extrusion and molding, and is preferably 4.0 mol% or less, or 3.5 mol% or less, or 3.0 mol% or less, or 2.5 mol% or less, or 2.3 mol% or less from the viewpoint of mechanical strength.
(熱硬化性樹脂)
熱硬化性樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビスフェノールE型エポキシ樹脂、ビスフェノールM型エポキシ樹脂、ビスフェノールP型エポキシ樹脂、ビスフェノールZ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ビスフェノールAノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラックエポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、アリールアルキレン型エポキシ樹脂、テトラフェニロールエタン型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、アントラセン型エポキシ樹脂、フェノキシ型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ノルボルネン型エポキシ樹脂、アダマンタン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、グリシジルメタアクリレート共重合系エポキシ樹脂、シクロヘキシルマレイミドとグリシジルメタアクリレートとの共重合エポキシ樹脂、エポキシ変性のポリブタジエンゴム誘導体、CTBN変性エポキシ樹脂、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、フェニル-1,3-ジグリシジルエーテル、ビフェニル-4,4’-ジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、エチレングリコール又はプロピレングリコールのジグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、トリス(2,3-エポキシプロピル)イソシアヌレート、トリグリシジルトリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレート、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールAノボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂、未変性のレゾールフェノール樹脂、桐油、アマニ油、クルミ油等で変性した油変性レゾールフェノール樹脂等のレゾール型フェノール樹脂等のフェノール樹脂、フェノキシ樹脂、尿素(ユリア)樹脂、メラミン樹脂等のトリアジン環含有樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ベンゾオキサジン環を有する樹脂、ノルボルネン系樹脂、シアネート樹脂、イソシアネート樹脂、ウレタン樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、マレイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、ポリアゾメチン樹脂、熱硬化性ポリイミド等が挙げられる。
(Thermosetting resin)
Examples of the thermosetting resin include bisphenol type epoxy resins such as bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, bisphenol E type epoxy resin, bisphenol M type epoxy resin, bisphenol P type epoxy resin, and bisphenol Z type epoxy resin; novolac type epoxy resins such as bisphenol A novolac type epoxy resin, phenol novolac type epoxy resin, and cresol novolac epoxy resin; biphenyl type epoxy resin, biphenyl aralkyl type epoxy resin, aryl alkylene type epoxy resin, tetraphenylolethane type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, anthracene type epoxy resin, phenoxy type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin, norbornene type epoxy resin, adamantane type epoxy resin, fluorene type epoxy resin, glycidyl methacrylate copolymer epoxy resin, cyclohexylmaleimide and glycidyl methacrylate copolymer epoxy resin, epoxy modified polybutadiene rubber derivative, CTBN modified epoxy resin, trimethylolpropane polyglycidyl ether, Phenyl-1,3-diglycidyl ether, biphenyl-4,4'-diglycidyl ether, 1,6-hexanediol diglycidyl ether, diglycidyl ether of ethylene glycol or propylene glycol, sorbitol polyglycidyl ether, tris(2,3-epoxypropyl)isocyanurate, triglycidyl tris(2-hydroxyethyl)isocyanurate, novolac-type phenolic resins such as phenol novolac resin, cresol novolac resin, and bisphenol A novolac resin, unmodified resol phenolic resin, paulownia wood Examples of the resin include phenolic resins such as resol-type phenolic resins, such as oil-modified resol phenolic resins modified with oil, linseed oil, walnut oil, etc.; triazine ring-containing resins, such as phenoxy resins, urea (urea) resins, and melamine resins; unsaturated polyester resins, bismaleimide resins, diallyl phthalate resins, silicone resins, resins having a benzoxazine ring, norbornene resins, cyanate resins, isocyanate resins, urethane resins, benzocyclobutene resins, maleimide resins, bismaleimide triazine resins, polyazomethine resins, and thermosetting polyimides.
(光硬化性樹脂)
光硬化性樹脂としては、(メタ)アクリレート樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは、反応機構により、概ね光により発生したラジカルによりモノマーが反応するラジカル反応型と、モノマーがカチオン重合するカチオン反応型とに分類される。ラジカル反応型のモノマーには、(メタ)アクリレート化合物、ビニル化合物(例えばある種のビニルエーテル)等が該当する。カチオン反応型としては、エポキシ化合物、ある種のビニルエーテル等が該当する。なお、例えば、カチオン反応型として用いることができるエポキシ化合物は、熱硬化性樹脂及び光硬化性樹脂の両者のモノマーとなり得る。
(Photocurable resin)
Examples of photocurable resins include (meth)acrylate resins, vinyl resins, and epoxy resins. These are generally classified into radical reaction types in which a monomer reacts with radicals generated by light, and cationic reaction types in which a monomer undergoes cationic polymerization, according to the reaction mechanism. Examples of radical reaction type monomers include (meth)acrylate compounds, vinyl compounds (e.g., certain vinyl ethers), and the like. Examples of cationic reaction types include epoxy compounds, certain vinyl ethers, and the like. For example, an epoxy compound that can be used as a cationic reaction type can be a monomer for both thermosetting resins and photocurable resins.
(メタ)アクリレート化合物は、(メタ)アクリレート基を分子内に一つ以上有する化合物である。(メタ)アクリレート化合物としては、単官能(メタ)アクリレート、多官能(メタ)アクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、ウレタンアクリレート等が挙げられる。 A (meth)acrylate compound is a compound that has one or more (meth)acrylate groups in the molecule. Examples of (meth)acrylate compounds include monofunctional (meth)acrylates, polyfunctional (meth)acrylates, epoxy acrylates, polyester acrylates, and urethane acrylates.
ビニル化合物としては、ビニルエーテル、スチレン及びスチレン誘導体等が挙げられる。ビニルエーテルとしては、エチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル、ヒドロキシエチルビニルエーテル、エチレングリコールジビニルエーテル等が挙げられる。スチレン誘導体としては、メチルスチレン、エチルスチレン等が挙げられる。その他のビニル化合物としては、トリアリルイソイシアヌレート、トリメタアリルイソシアヌレート等が挙げられる。 Examples of vinyl compounds include vinyl ether, styrene, and styrene derivatives. Examples of vinyl ethers include ethyl vinyl ether, propyl vinyl ether, hydroxyethyl vinyl ether, and ethylene glycol divinyl ether. Examples of styrene derivatives include methyl styrene and ethyl styrene. Other examples of vinyl compounds include triallyl isocyanurate and trimethallyl isocyanurate.
光硬化性樹脂の原料として、いわゆる反応性オリゴマーを用いてもよい。反応性オリゴマーとしては、(メタ)アクリレート基、エポキシ基、ウレタン結合、及びエステル結合から選ばれる任意の組合せを同一分子内に併せ持つオリゴマー、例えば、(メタ)アクリレート基とウレタン結合とを同一分子内に併せ持つウレタンアクリレート、(メタ)アクリレート基とエステル結合とを同一分子内に併せ持つポリエステルアクリレート、エポキシ樹脂から誘導され、エポキシ基と(メタ)アクリレート基とを同一分子内に併せ持つエポキシアクリレート、等が挙げられる。 As a raw material for the photocurable resin, so-called reactive oligomers may be used. Examples of reactive oligomers include oligomers that have any combination selected from (meth)acrylate groups, epoxy groups, urethane bonds, and ester bonds in the same molecule, such as urethane acrylates that have (meth)acrylate groups and urethane bonds in the same molecule, polyester acrylates that have (meth)acrylate groups and ester bonds in the same molecule, and epoxy acrylates derived from epoxy resins that have epoxy groups and (meth)acrylate groups in the same molecule.
(エラストマー)
エラストマー(すなわちゴム)としては、天然ゴム(NR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレン-ブタジエン共重合体ゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブチルゴム(IIR)、アクリロニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、アクリロニトリル-スチレン-ブタジエン共重合体ゴム、クロロプレンゴム、スチレン-イソプレン共重合体ゴム、スチレン-イソプレン-ブタジエン共重合体ゴム、イソプレン-ブタジエン共重合体ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、改質天然ゴム(エポキシ化天然ゴム(ENR)、水素化天然ゴム、脱タンパク天然ゴム等)、エチレン-プロピレン共重合体ゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。
(Elastomer)
Examples of elastomers (i.e., rubber) include natural rubber (NR), butadiene rubber (BR), styrene-butadiene copolymer rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butyl rubber (IIR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer rubber, chloroprene rubber, styrene-isoprene copolymer rubber, styrene-isoprene-butadiene copolymer rubber, isoprene-butadiene copolymer rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, modified natural rubber (epoxidized natural rubber (ENR), hydrogenated natural rubber, deproteinized natural rubber, etc.), ethylene-propylene copolymer rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, polysulfide rubber, silicone rubber, fluororubber, urethane rubber, and the like.
樹脂が熱可塑性樹脂である場合、セルロース繊維(本開示の乾燥体、又はこれを分散媒中に分散させてなる再分散液の形態であってよい)を熱可塑性樹脂と溶融混練して樹脂複合体を製造できる。樹脂複合体のより具体的な製造方法としては、
-樹脂モノマーとセルロース繊維とを混合し、重合反応を行い、得られた樹脂複合体をストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る方法、
-単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂とセルロース繊維との混合物を溶融混練し、ストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る方法、
-単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂とセルロース繊維との混合物を溶融混練し、棒状又は筒状に押出し冷却して押出成形体を得る方法、
-単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂とセルロース繊維との混合物を溶融混練し、Tダイより押出しシート、又はフィルム状の成形体を得る方法、
等が挙げられる。好ましい態様においては、単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂とセルロース繊維との混合物を溶融混練し、ストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る。
樹脂とセルロース繊維の溶融混練方法の具体例としては、樹脂と、所望の比率で搬送されたセルロース繊維とを混合した後、溶融混練する方法が挙げられる。
When the resin is a thermoplastic resin, the cellulose fiber (which may be in the form of a dried body of the present disclosure or a redispersion obtained by dispersing the dried body in a dispersion medium) can be melt-kneaded with the thermoplastic resin to produce a resin composite.
- A method in which a resin monomer is mixed with cellulose fibers, a polymerization reaction is carried out, the resulting resin composite is extruded into a strand shape, and cooled and solidified in a water bath to obtain a pellet-shaped molded product;
A method in which a mixture of resin and cellulose fibers is melt-kneaded using a single-screw or twin-screw extruder, extruded into a strand shape, and cooled and solidified in a water bath to obtain a pellet-shaped molded product;
A method in which a mixture of resin and cellulose fibers is melt-kneaded using a single-screw or twin-screw extruder, extruded into a rod or tube, and cooled to obtain an extrusion molded product;
A method in which a mixture of resin and cellulose fibers is melt-kneaded using a single-screw or twin-screw extruder and extruded through a T-die to obtain a sheet or film-like molded product;
In a preferred embodiment, a mixture of resin and cellulose fibers is melt-kneaded using a single-screw or twin-screw extruder, extruded into a strand shape, and cooled and solidified in a water bath to obtain a pellet-shaped molded product.
A specific example of a method for melt-kneading a resin and cellulose fibers is a method in which a resin and cellulose fibers transported in a desired ratio are mixed together and then melt-kneaded.
溶融混練には、単軸押出機、二軸押出機等の押出機を使用できるが、二軸押出機がセルロース繊維の分散性を制御する上で好ましい。押出機のシリンダー長(L)をスクリュー径(D)で除したL/Dは、30以上が好ましく、特に好ましくは40以上である。また、混練時のスクリュー回転数は、50~800rpmの範囲が好ましく、より好ましくは100~600rpmの範囲内である。 For melt kneading, an extruder such as a single screw extruder or a twin screw extruder can be used, but a twin screw extruder is preferred in terms of controlling the dispersibility of the cellulose fibers. The ratio L/D, obtained by dividing the cylinder length (L) of the extruder by the screw diameter (D), is preferably 30 or more, and particularly preferably 40 or more. The screw rotation speed during kneading is preferably in the range of 50 to 800 rpm, and more preferably in the range of 100 to 600 rpm.
押出機のシリンダー内の各スクリューは、楕円形の二翼のねじ形状の搬送スクリュー、ニーディングディスクと呼ばれる混練エレメント、等を組み合わせて最適化される。 Each screw in the extruder cylinder is optimized by combining an elliptical two-blade screw-shaped conveying screw, a kneading element called a kneading disk, and other components.
樹脂が熱可塑性樹脂である場合、熱可塑性樹脂供給業者が推奨する最低加工温度は、ナイロン66では255~270℃、ナイロン6では225~240℃、ポリアセタール樹脂では170℃~190℃、ポリプロピレンでは160~180℃である。加熱設定温度は、これらの推奨最低加工温度より20℃高い温度の範囲が好ましい。混合温度をこの温度範囲とすることにより、セルロース繊維と樹脂とを均一に混合することができる。 When the resin is a thermoplastic resin, the minimum processing temperatures recommended by thermoplastic resin suppliers are 255-270°C for nylon 66, 225-240°C for nylon 6, 170°C-190°C for polyacetal resin, and 160-180°C for polypropylene. The heating temperature setting is preferably in the range of 20°C higher than these recommended minimum processing temperatures. By setting the mixing temperature within this temperature range, the cellulose fibers and resin can be mixed uniformly.
樹脂として熱可塑性樹脂を含む樹脂複合体は、種々の形状での提供が可能である。具体的には、樹脂ペレット状、シート状、繊維状、板状、棒状等が挙げられるが、樹脂ペレット形状が、後加工の容易性や運搬の容易性からより好ましい。この際の好ましいペレット形状としては、丸型、楕円型、円柱型などが挙げられ、これらは押出加工時のカット方式により異なる。アンダーウォーターカットと呼ばれるカット方法で切断されたペレットは、丸型になることが多く、ホットカットと呼ばれるカット方法で切断されたペレットは丸型又は楕円型になることが多く、ストランドカットと呼ばれるカット方法で切断されたペレットは円柱状になることが多い。丸型ペレットの場合、その好ましい大きさは、ペレット直径として1mm以上、3mm以下である。また、円柱状ペレットの場合の好ましい直径は、1mm以上3mm以下であり、好ましい長さは、2mm以上10mm以下である。上記の直径及び長さは、押出時の運転安定性の観点から、下限以上とすることが望ましく、後加工での成形機への噛み込み性の観点から、上限以下とすることが望ましい。 Resin composites containing thermoplastic resins as resins can be provided in various shapes. Specifically, resin pellets, sheets, fibers, plates, rods, etc. can be mentioned, but the resin pellet shape is more preferable from the viewpoint of ease of post-processing and ease of transportation. Preferred pellet shapes in this case include round, elliptical, cylindrical, etc., which differ depending on the cutting method used during extrusion processing. Pellets cut by a cutting method called underwater cutting are often round, pellets cut by a cutting method called hot cutting are often round or elliptical, and pellets cut by a cutting method called strand cutting are often cylindrical. In the case of round pellets, the preferred size is a pellet diameter of 1 mm or more and 3 mm or less. In the case of cylindrical pellets, the preferred diameter is 1 mm or more and 3 mm or less, and the preferred length is 2 mm or more and 10 mm or less. It is desirable to set the above diameter and length to the lower limit or more from the viewpoint of operational stability during extrusion, and it is desirable to set them to the upper limit or less from the viewpoint of bite into the molding machine in post-processing.
樹脂として熱可塑性樹脂を含む樹脂複合体は、種々の樹脂成形体として利用が可能である。樹脂成形体の製造方法に関しては特に制限はなく、いずれの製造方法でも構わないが、射出成形法、押出成形法、ブロー成形法、インフレーション成形法、発泡成形法などが使用可能である。これらの中では射出成形法がデザイン性とコストの観点より、最も好ましい。 Resin composites containing a thermoplastic resin as the resin can be used as various resin molded products. There are no particular limitations on the manufacturing method for the resin molded products, and any manufacturing method can be used, including injection molding, extrusion molding, blow molding, inflation molding, and foam molding. Of these, injection molding is the most preferable from the standpoint of design and cost.
樹脂が熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂である場合、例えば、樹脂溶液又は樹脂粉末分散体中にセルロース繊維を十分に分散させて乾燥する方法、樹脂モノマー液中にセルロース繊維を十分に分散させて熱、UV照射、重合開始剤等によって重合する方法、セルロース繊維乾燥体に樹脂溶液又は樹脂粉末分散体を十分に含浸させて乾燥する方法、セルロース繊維乾燥体に樹脂モノマー液を十分に含浸させて熱、UV照射、重合開始剤等によって重合する方法等によって、樹脂複合体を製造できる。硬化に際し、種々の重合開始剤、硬化剤、硬化促進剤、重合禁止剤等を配合することができる。 When the resin is a thermosetting resin or a photocurable resin, the resin composite can be produced by, for example, a method of thoroughly dispersing cellulose fibers in a resin solution or resin powder dispersion and drying the resulting mixture, a method of thoroughly dispersing cellulose fibers in a resin monomer liquid and polymerizing the resulting mixture by heat, UV irradiation, a polymerization initiator, etc., a method of thoroughly impregnating a dried cellulose fiber body with a resin solution or resin powder dispersion and drying the resulting mixture, or a method of thoroughly impregnating a dried cellulose fiber body with a resin monomer liquid and polymerizing the resulting mixture by heat, UV irradiation, a polymerization initiator, etc. When curing the resulting mixture, various polymerization initiators, curing agents, curing accelerators, polymerization inhibitors, etc. can be added.
樹脂が熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂である場合、未硬化又は半硬化のプリプレグと呼ばれるシートを作製した後、プリプレグを単層又は積層にして、加圧及び加熱によって樹脂を硬化及び成形する方法を用いてよい。加圧及び加熱の方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法等が挙げられる。 When the resin is a thermosetting resin or a photocurable resin, a method may be used in which an uncured or semi-cured sheet called a prepreg is prepared, the prepreg is then made into a single layer or laminated, and the resin is cured and molded by applying pressure and heat. Methods for applying pressure and heat include press molding, autoclave molding, bagging molding, wrapping tape method, and internal pressure molding.
樹脂が光硬化性樹脂である場合、活性エネルギー線を用いた各種硬化方法を用いて樹脂複合体を製造できる。 When the resin is a photocurable resin, the resin composite can be produced using various curing methods that use active energy rays.
樹脂がエラストマーである場合、セルロース繊維乾燥体と原料ゴムとを乾式で混練する方法、セルロース繊維と原料ゴムとを分散媒中に分散又は溶解させた後、乾燥させて混合する方法等によって、樹脂複合体を製造できる。混合方法としては、高い剪断力と圧力とをかけ、分散を促進できる点で、ホモジナイザーによる混合方法が好ましいが、その他、プロペラ式攪拌装置、ロータリー攪拌装置、電磁攪拌装置、手動による攪拌、等の方法を用いることもできる。エラストマーを含む樹脂複合体を、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等の所望の成形方法を用いて成形し、シート、ペレット、粉末等の所望の形状の未加硫の成形体を得ることができる。未加硫の成形体を、必要に応じて熱処理等で加硫して、樹脂複合体を得ることができる。 When the resin is an elastomer, a resin composite can be produced by a method of dry kneading dried cellulose fibers with raw rubber, or a method of dispersing or dissolving cellulose fibers and raw rubber in a dispersion medium, then drying and mixing. As a mixing method, a mixing method using a homogenizer is preferable because it can apply high shear force and pressure and promote dispersion, but other methods such as a propeller stirrer, rotary stirrer, electromagnetic stirrer, and manual stirring can also be used. A resin composite containing an elastomer can be molded using a desired molding method such as mold molding, injection molding, extrusion molding, hollow molding, and foam molding to obtain an unvulcanized molded product in the desired shape such as a sheet, pellet, or powder. The unvulcanized molded product can be vulcanized by heat treatment or the like as necessary to obtain a resin composite.
熱可塑性樹脂又はエラストマーを含む樹脂複合体は、その一部(例えば数箇所)を加熱処理して溶融させ、例えば樹脂又は金属の基板に接着して用いても構わない。また、樹脂複合体は、樹脂又は金属の基板に塗布された塗膜であってもよく、基板との積層体を形成してもよい。また、シート状、フィルム状又は繊維状の樹脂複合体には、アニール処理、エッチング処理、コロナ処理、プラズマ処理、シボ転写、切削、表面研磨等の二次加工を行っても構わない。 A resin composite containing a thermoplastic resin or elastomer may be partially (e.g., several locations) melted by heat treatment and then bonded to, for example, a resin or metal substrate. The resin composite may be a coating applied to a resin or metal substrate, or may form a laminate with the substrate. Furthermore, sheet-, film-, or fiber-shaped resin composites may be subjected to secondary processing such as annealing, etching, corona treatment, plasma treatment, embossing transfer, cutting, and surface polishing.
樹脂複合体において、樹脂100質量部に対するセルロース繊維の量は、加工性と機械的特性のバランスの観点から、好ましくは、0.001質量部以上、又は0.01質量部以上、又は0.1質量部以上、又は1質量部以上であってよく、好ましくは、100質量部以下、又は80質量部以下、又は70質量部以下、又は50質量部以下であってよい。 In the resin composite, the amount of cellulose fibers per 100 parts by mass of resin may be, from the viewpoint of the balance between processability and mechanical properties, preferably 0.001 parts by mass or more, or 0.01 parts by mass or more, or 0.1 parts by mass or more, or 1 part by mass or more, and may be preferably 100 parts by mass or less, or 80 parts by mass or less, or 70 parts by mass or less, or 50 parts by mass or less.
樹脂複合体の引張破断伸度は、一態様において、5%以上、又は8%以上、又は10%以上であることができる。引張破断伸度は、樹脂複合体の製造容易性の観点から、一態様において、200%以下、又は100%以下、又は50%以下であってよい。 In one embodiment, the tensile elongation at break of the resin composite can be 5% or more, or 8% or more, or 10% or more. In one embodiment, from the viewpoint of ease of manufacturing the resin composite, the tensile elongation at break can be 200% or less, or 100% or less, or 50% or less.
本発明を実施例に基づいて更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。 The present invention will be further explained based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
≪セルロース繊維スラリーの製造≫
[CNF-A]
市販のセリッシュKY100G(ダイセルファインケム製)をCNF-Aケーキとして使用した。
<Production of cellulose fiber slurry>
[CNF-A]
Commercially available Celish KY100G (manufactured by Daicel Finechem) was used as the CNF-A cake.
[CNF-B](アセチル化CNF)
コットンリンターパルプを1質量部、一軸撹拌機(アイメックス社製 DKV-1 φ125mmディゾルバー)を用いジメチルスルホキサイド(DMSO)30質量部中で500rpmにて1時間、常温で攪拌した。続いて、ホースポンプでビーズミル(アイメックス社製 NVM-1.5)にフィードし、DMSOのみで180分間循環運転させ、微細セルロース繊維スラリーとして、固形分率3.2質量%のスラリーS1(DMSO溶媒)を得た。
[CNF-B] (acetylated CNF)
One part by mass of cotton linter pulp was stirred in 30 parts by mass of dimethyl sulfoxide (DMSO) at room temperature for 1 hour at 500 rpm using a single-shaft stirrer (DKV-1 φ125 mm dissolver manufactured by Imex Co., Ltd.). The mixture was then fed to a bead mill (NVM-1.5 manufactured by Imex Co., Ltd.) using a hose pump, and circulated for 180 minutes using only DMSO to obtain a slurry S1 (DMSO solvent) with a solid content of 3.2% by mass as a fine cellulose fiber slurry.
循環運転の際、ビーズミルの回転数は2500rpm、周速12m/sとし、用いたビーズはジルコニア製で、φ2.0mm、充填率70%とした(ビーズミルのスリット隙間は0.6mmとした)。また、循環運転の際は、摩擦による発熱を吸収するためにチラーによりスラリー温度を40℃に温度管理した。 During circulation operation, the rotation speed of the bead mill was 2500 rpm, the peripheral speed was 12 m/s, the beads used were made of zirconia, had a diameter of 2.0 mm, and a filling rate of 70% (the slit gap of the bead mill was 0.6 mm). During circulation operation, the slurry temperature was controlled at 40°C using a chiller to absorb heat generated by friction.
スラリーS1を防爆型ディスパーザータンクに投入した後、酢酸ビニル3.2質量部、炭酸水素ナトリウム0.49質量部を加え、タンク内温度を50℃とし、120分間撹拌を行い、固形分率2.9質量%のスラリー(DMSO溶媒)を得た。 After the slurry S1 was placed in an explosion-proof disperser tank, 3.2 parts by mass of vinyl acetate and 0.49 parts by mass of sodium bicarbonate were added, the temperature inside the tank was raised to 50°C, and the mixture was stirred for 120 minutes to obtain a slurry (DMSO solvent) with a solid content of 2.9% by mass.
反応を停止するため、純水30質量部を加えて十分に撹拌した後、脱水機に入れて濃縮した。得られたウェットケーキを再度30質量部の純水に分散、撹拌、濃縮する洗浄操作を合計5回繰り返すことで、未反応試薬及び溶媒等を除去し、固形分率10質量%のアセチル化された微細セルロース繊維ケーキ(CNF-Bケーキ)(水溶媒)を10質量部得た。このケーキから多孔質シートを作製してアシル置換度(DS)を求めたところ、DS=1.0であった。 To stop the reaction, 30 parts by mass of pure water was added and thoroughly stirred, and then the mixture was placed in a dehydrator and concentrated. The resulting wet cake was dispersed again in 30 parts by mass of pure water, stirred, and concentrated, and this washing procedure was repeated a total of five times to remove unreacted reagents and solvent, and 10 parts by mass of acetylated fine cellulose fiber cake (CNF-B cake) (water solvent) with a solids content of 10% by mass was obtained. A porous sheet was made from this cake and the degree of acyl substitution (DS) was determined, which was DS = 1.0.
[CNF-C](ディスクリファイナー処理をしたCNF)
コットンリンターパルプ3質量部を水27質量部に浸漬させてオートクレーブ内で130℃、4時間の熱処理を行った。得られた膨潤パルプは水洗し、水を含む精製パルプ(30質量部)を得た。つづいて、水を含む精製パルプ30質量部に水を170質量部入れて水中に分散させて(固形分率1.5質量%)、ディスクリファイナー装置として相川鉄工(株)製SDR14型ラボリファイナー(加圧型DISK式)を用い、ディスク間のクリアランスを1mmで該水分散体を20分間叩解処理した。そして、脱水機により固形分率10質量%まで濃縮し、CNF-Cケーキ(水溶媒)を得た。
[CNF-C] (CNF processed with a disc refiner)
3 parts by mass of cotton linter pulp was immersed in 27 parts by mass of water and heat-treated in an autoclave at 130°C for 4 hours. The resulting swollen pulp was washed with water to obtain purified pulp (30 parts by mass) containing water. Next, 170 parts by mass of water was added to 30 parts by mass of purified pulp containing water to disperse it in water (solid content rate 1.5% by mass), and the aqueous dispersion was beaten for 20 minutes with a clearance between disks of 1 mm using an SDR14 type lab refiner (pressure type DISK type) manufactured by Aikawa Iron Works Co., Ltd. as a disk refiner device. Then, the solid content rate was concentrated to 10% by mass using a dehydrator to obtain a CNF-C cake (water solvent).
[CNF-D](CNF-Cを更に高圧ホモジナイザーで解繊処理したもの)
CNF-Cケーキを、クリアランスをほとんどゼロに近いレベルにまで低減させた条件下で徹底的に叩解を行い、叩解水分散体(固形分濃度:1.5質量%)を得た。得られた叩解水分散体を、そのまま高圧ホモジナイザー(ニロ・ソアビ社(伊)製NSO15H)を用いて操作圧力100MPa下で15回微細化処理し、セルロース繊維スラリー(固形分濃度:1.5質量%)を得た。そして、脱水機により固形分率10質量%まで濃縮し、CNF-Dケーキ(水溶媒)を得た。
[CNF-D] (CNF-C further defibrated using a high-pressure homogenizer)
The CNF-C cake was thoroughly beaten under conditions that reduced the clearance to a level close to zero, to obtain a beaten water dispersion (solid content concentration: 1.5% by mass). The obtained beaten water dispersion was directly subjected to a high-pressure homogenizer (NSO15H manufactured by Niro Soavi (Italy)) for 15 cycles under an operating pressure of 100 MPa to obtain a cellulose fiber slurry (solid content concentration: 1.5% by mass). The resulting mixture was then concentrated to a solid content of 10% by mass using a dehydrator to obtain a CNF-D cake (water solvent).
[CNF-E](アセチル化CNF)
反応時間を60分とした以外はCNF-Bと同様にして製造した。このケーキから多孔質シートを作製してアシル置換度(DS)を求めたところ、DS=0.5であった。
[CNF-E] (acetylated CNF)
CNF-B was produced in the same manner as CNF-B, except that the reaction time was 60 minutes. A porous sheet was produced from this cake, and the degree of acyl substitution (DS) was determined, which was DS = 0.5.
<樹脂>
ポリアミド6(宇部興産製:1013B)
<Resin>
Polyamide 6 (Ube Industries: 1013B)
<分散剤>
ポリエチレンオキシド-ポリプロピレンオキシド共重合体(PEG-PPG)(三洋化成製:GL-3000)
<Dispersant>
Polyethylene oxide-polypropylene oxide copolymer (PEG-PPG) (Sanyo Chemical Industries, Ltd.: GL-3000)
≪セルロース繊維乾燥体の製造≫
セルロース繊維ケーキ(固形分質量10%)に、セルロース固形分100質量部に対して43質量部となる量で分散剤を加え、よく撹拌し、分散剤を配合したセルロース繊維ケーキを得た(後述のMMSD以外について)。又は、セルロース繊維ケーキ(固形分質量10%)を固形分質量1%になるように蒸留水で希釈した後、セルロース固形分100質量部に対して43質量部となる量で分散剤を加え、よく撹拌してセルロース繊維スラリーを得た(後述のMMSDについて)。これらを原料として乾燥装置に投入し、所定のずり速度、減圧度、加熱温度(ジャケット温度又は熱風温度)にて乾燥を実施した。赤外加熱式水分計(MX-50(エー・アンド・デイ製))を用いて水分率を測定し、水分率が7質量%以下(固形分質量93%以上)になった時間を乾燥の終点とした。条件は以下のとおりである。
<Production of dried cellulose fiber>
A dispersant was added to the cellulose fiber cake (
[レーディゲミキサー(LM)]
装置:中央機工(株)製レーディゲミキサー(型番:VT-20)
条件:ジャケット温度100℃、アジテーター(周速1m/s)、チョッパー(3000rpm)で撹拌しながら、真空ポンプで-90kPaまで減圧した。品温が50℃に達するまで減圧乾燥を実施した。
クリアランスとしては、チョッパー(径100mm)とジャケットとの間の最小距離を測定した。
本条件における乾燥時間は、160分であった。
乾燥温度は、ジャケットの表面温度を3点計測し、その平均値とした。
[Loedige Mixer (LM)]
Equipment: Lödige mixer (model number: VT-20) manufactured by Chuo Kiko Co., Ltd.
Conditions:
The clearance was measured as the minimum distance between the chopper (
The drying time under these conditions was 160 minutes.
The surface temperature of the jacket was measured at three points, and the average value was used as the drying temperature.
[ハイスピードバキュームドライヤー(HSVD)]
装置:(株)アーステクニカ製ハイスピードバキュームドライヤー(型番:FS10)
条件:ジャケット温度70℃、アジテーター(周速2m/s)、チョッパー(3500rpm)で撹拌しながら、真空ポンプで-70kPaまで減圧した。品温が60℃に達するまで減圧乾燥を実施した。
クリアランスとしては、チョッパー(径100mm)とアジテーターとの間の最小距離を測定した。
本条件における乾燥時間は、180分であった。
乾燥温度は、ジャケットの表面温度を3点計測し、その平均値とした。
[High Speed Vacuum Dryer (HSVD)]
Equipment: High-speed vacuum dryer manufactured by EarthTechnica Corporation (model number: FS10)
Conditions:
The clearance was measured as the minimum distance between the chopper (
The drying time under these conditions was 180 minutes.
The surface temperature of the jacket was measured at three points, and the average value was used as the drying temperature.
[FMミキサー(HM)]
装置:日本コークス工業(株)製FMミキサー(型番:FM20)
条件:ジャケット温度80℃、撹拌羽根(500rpm)で撹拌しながら、真空ポンプで-70kPaまで減圧した。品温が70℃に達するまで減圧乾燥を実施した。
クリアランスとしては、上段の撹拌羽(径400mm)とジャケットとの間の最小距離を測定した。
本条件における乾燥時間は、180分であった。
乾燥温度は、ジャケットの表面温度を3点計測し、その平均値とした。
[FM Mixer (HM)]
Equipment: FM mixer (model: FM20) manufactured by Nippon Coke & Engineering Co., Ltd.
Conditions:
The clearance was measured as the minimum distance between the upper stirring blade (
The drying time under these conditions was 180 minutes.
The surface temperature of the jacket was measured at three points, and the average value was used as the drying temperature.
[パドルドライヤー(PD)]
装置:(株)奈良機械製作所製パドルドライヤー(型番:NPD-1.6W-12L)
条件:加熱蒸気温度120℃、撹拌羽根(30rpm)で撹拌しながら品温が100℃に達するまで乾燥を実施した。
クリアランスとしては、撹拌羽(径250mm)とジャケットとの間の最小距離を測定した。
本条件における乾燥時間は、50分であった。
乾燥温度は、加熱蒸気を流通させた撹拌羽の表面温度を3点計測し、その平均値とした。
[Paddle dryer (PD)]
Equipment: Paddle dryer manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. (Model number: NPD-1.6W-12L)
Conditions: heating steam temperature 120°C, drying was carried out while stirring with a stirring blade (30 rpm) until the product temperature reached 100°C.
The clearance was measured as the minimum distance between the stirring blade (
The drying time under these conditions was 50 minutes.
The surface temperature of the stirring blade through which heated steam was circulated was measured at three points, and the average value was used as the drying temperature.
[マイクロミストスプレードライヤー(MMSD)]
装置:藤崎電気(株)製マイクロミストスプレードライヤー(型番:MDL050-M)
条件:セルロース繊維スラリーを、入口温度200℃、給気風量1m3/min、ノズルエア流量80NL/min、スラリー50mL/minで乾燥し、サイクロン式回収器にて乾燥粉を回収した。
本装置におけるずり速度は、撹拌機構等を持たないため、実質的に発生しないものとした。
本条件における乾燥時間及び滞留時間は、1分であった。
乾燥温度は、乾燥処理中に、熱風の入口温度を3回計測し、その平均値とした。
[Micro Mist Spray Dryer (MMSD)]
Equipment: Fujisaki Electric Co., Ltd. Micro Mist Spray Dryer (Model: MDL050-M)
Conditions: The cellulose fiber slurry was dried at an inlet temperature of 200° C., an air supply volume of 1 m 3 /min, a nozzle air flow rate of 80 NL/min, and a slurry volume of 50 mL/min, and the dried powder was collected in a cyclone collector.
In this apparatus, since it does not have a stirring mechanism or the like, it is assumed that no shear rate is generated.
The drying time and residence time in this condition was 1 minute.
The inlet temperature of the hot air was measured three times during the drying process, and the average value was used as the drying temperature.
[二軸押出機(Ex-dry)]
装置:株式会社日本製鋼所製二軸押出機(型番:TEX54αIII:L/D=63)
条件:シリンダー温度200℃、66rpmでスクリューを回転させながら、重量式フィーダーを用いて20kg/hで原料を最上段のバレルに供給し、吐出口から乾燥粉を得た。
クリアランスとしては、ニーディングディスク(径54mm)とシリンダーとの間の最小距離を測定した。
本条件における乾燥時間及び滞留時間は、1分であった。
乾燥温度は、最も下流のニーディングディスクが配置されているシリンダーの温度を3回計測し、その平均値とした。
[Twin-screw extruder (Ex-dry)]
Equipment: Twin-screw extruder manufactured by Japan Steel Works, Ltd. (Model: TEX54αIII: L/D=63)
Conditions:
The clearance was measured as the minimum distance between the kneading disc (diameter 54 mm) and the cylinder.
The drying time and residence time in this condition was 1 minute.
The temperature of the cylinder in which the most downstream kneading disk is disposed was measured three times, and the average value was used as the drying temperature.
[プラネタリーミキサー(PM)]
装置:株式会社小平製作所製プラネタリーミキサー(型番:ACM-5LVT:フック型)
条件:ジャケット温度60℃、307rpmで撹拌しながら、真空ポンプで-90kPaまで減圧した。品温が50℃に達するまで減圧乾燥を実施した。
クリアランスとしては、フック羽(径100mm)とジャケットとの間の最小距離を測定した。
本条件における乾燥時間は、180分であった。
乾燥温度は、ジャケットの表面温度を3点計測し、その平均値とした。
[Planetary Mixer (PM)]
Equipment: Planetary mixer manufactured by Kodaira Manufacturing Co., Ltd. (Model: ACM-5LVT: hook type)
Conditions:
The clearance was measured as the minimum distance between the hook fin (
The drying time under these conditions was 180 minutes.
The surface temperature of the jacket was measured at three points, and the average value was used as the drying temperature.
[実施例1~12、比較例8]
表1に示すCNFを用い、上記装置を表2に示すように用い、CNF、乾燥温度、及びずり速度を表3及び4に示すとおりとして、セルロース繊維乾燥体を得た。なお、実施例12については、原料の調製において、分散剤を用いずにセルロース繊維スラリーを得た。
[Examples 1 to 12, Comparative Example 8]
A dried cellulose fiber body was obtained using the CNF shown in Table 1 and the above-mentioned apparatus shown in Table 2 with the CNF, drying temperature, and shear rate shown in Tables 3 and 4. Note that for Example 12, a cellulose fiber slurry was obtained without using a dispersant in the preparation of the raw material.
≪樹脂複合体の製造≫
上記で製造したセルロース繊維乾燥体と、熱可塑性樹脂(宇部興産株式会社製 UBEナイロン 1013B)とを、セルロース繊維が樹脂複合体中の10質量%となる割合で配合し、下記手順で樹脂複合体を製造した。
<Production of resin composite>
The dried cellulose fiber produced above and a thermoplastic resin (UBE nylon 1013B manufactured by Ube Industries, Ltd.) were mixed in such a ratio that the cellulose fiber accounted for 10 mass % of the resin composite, and a resin composite was produced according to the following procedure.
[押出機の構成]
シリンダーブロック数が13個ある二軸押出機(STEER社製 OMEGA30H、L/D=60)のシリンダー1を水冷、シリンダー2を80℃、シリンダー3を150℃、シリンダー4~ダイスを250℃に設定した。
[Extruder Configuration]
スクリュー構成としては、シリンダー1~3を搬送スクリューのみで構成される搬送ゾーンとし、シリンダー4に上流側より2個の時計回りニーディングディスク(送りタイプニーディングディスク:以下、単にRKDと呼ぶことがある。)、2個のニュートラルニーディングディスク(無搬送タイプニーディングディスク:以下、単にNKDと呼ぶことがある。)を順に配した。シリンダー5は搬送ゾーンとし、シリンダー6に1個のRKD及び引き続いての2個のNKDを配し、シリンダー7及び8は搬送ゾーンとし、シリンダー9に2個のNKDを配した。続くシリンダー10は搬送ゾーンとし、シリンダー11に2個のNKD、引き続いての1個の反時計回りスクリューを配し、シリンダー12及び13は搬送ゾーンとした。なお、シリンダー12にはシリンダー上部にベントポートを設置し減圧吸引できるようにし、真空吸引を実施した。
As for the screw configuration,
セルロース繊維乾燥体と熱可塑性樹脂とを混合し、二軸押出機を用いて250rpmの回転数で溶融混練してストランド状に押出し、水冷・切断しペレットとして得た。得られたペレットを、付属の射出成形機にて260℃で溶融し、JIS K7127規格のダンベル状試験片を作製し、評価に用いた。 The dried cellulose fiber was mixed with a thermoplastic resin, melt-kneaded at 250 rpm using a twin-screw extruder, extruded into strands, cooled with water, cut, and obtained as pellets. The resulting pellets were melted at 260°C using an attached injection molding machine, and dumbbell-shaped test pieces according to JIS K7127 were prepared and used for evaluation.
≪評価≫
<セルロース繊維の評価>
[多孔質シートの作製]
まず、ウェットケーキをtert-ブタノール中に添加し、さらにミキサー等で凝集物が無い状態まで分散処理を行った。セルロース繊維固形分重量0.5gに対し、濃度が0.5質量%となるように調整した。得られたtert-ブタノール分散液100gをろ紙上で濾過し、150℃にて乾燥させた後、ろ紙を剥離してシートを得た。このシートの透気抵抗度がシート目付10g/m2あたり100sec/100ml以下のものを多孔質シートとし、測定サンプルとして使用した。
23℃、50%RHの環境で1日静置したサンプルの目付W(g/m2)を測定した後、王研式透気抵抗試験機(旭精工(株)製、型式EG01)を用いて透気抵抗度R(sec/100ml)を測定した。この時、下記式に従い、10g/m2目付あたりの値を算出した。
目付10g/m2あたり透気抵抗度(sec/100ml)=R/W×10
Evaluation
<Evaluation of Cellulose Fibers>
[Preparation of porous sheet]
First, the wet cake was added to tert-butanol, and further dispersed in a mixer or the like until no aggregates were formed. The concentration was adjusted to 0.5% by mass per 0.5 g of cellulose fiber solids. 100 g of the obtained tert-butanol dispersion was filtered on filter paper, dried at 150°C, and then the filter paper was peeled off to obtain a sheet. The sheet with an air resistance of 100 sec/100 ml or less per 10 g/ m2 sheet basis weight was used as a porous sheet and was used as a measurement sample.
After measuring the basis weight W (g/ m2 ) of the sample left to stand for one day in an environment of 23°C and 50% RH, the air resistance R (sec/100 ml) was measured using an Oken type air resistance tester (manufactured by Asahi Seiko Co., Ltd., model EG01). At this time, the value per basis weight of 10 g/ m2 was calculated according to the following formula.
Air resistance per unit area of 10 g/ m2 (sec/100 ml) = R/
[アシル置換度(DS)]
多孔質シートの5か所のATR-IR法による赤外分光スペクトルを、フーリエ変換赤外分光光度計(JASCO社製 FT/IR-6200)で測定した。赤外分光スペクトル測定は以下の条件で行った。
積算回数:64回、
波数分解能:4cm-1、
測定波数範囲:4000~600cm-1、
ATR結晶:ダイヤモンド、
入射角度:45°
得られたIRスペクトルよりIRインデックスを、下記式(1):
IRインデックス= H1730/H1030・・・(1)
に従って算出した。式中、H1730及びH1030は1730cm-1、1030cm-1(セルロース骨格鎖C-O伸縮振動の吸収バンド)における吸光度である。ただし、それぞれ1900cm-1と1500cm-1を結ぶ線と800cm-1と1500cm-1を結ぶ線をベースラインとして、このベースラインを吸光度0とした時の吸光度を意味する。
そして、各測定場所の平均置換度をIRインデックスより下記式(2)に従って算出し、その平均値をDSとした。
DS=4.13×IRインデックス・・・(2)
[Degree of acyl substitution (DS)]
The infrared spectrum of the porous sheet at five points was measured by an ATR-IR method using a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT/IR-6200 manufactured by JASCO Corp.) The infrared spectrum measurement was performed under the following conditions.
Number of times: 64
Wave number resolution: 4 cm
Measurement wave number range: 4000 to 600 cm -1 ,
ATR crystal: Diamond,
Incident angle: 45°
From the obtained IR spectrum, the IR index was calculated according to the following formula (1):
IR index = H1730/H1030 (1)
In the formula, H1730 and H1030 are the absorbances at 1730 cm -1 and 1030 cm -1 (absorption bands of C-O stretching vibration of the cellulose backbone chain). However, the lines connecting 1900 cm -1 and 1500 cm -1 and the line connecting 800 cm -1 and 1500 cm -1 are taken as baselines, and the absorbances are calculated based on these baselines as 0 absorbance.
Then, the average degree of substitution at each measurement location was calculated from the IR index according to the following formula (2), and the average value was taken as DS.
DS = 4.13 × IR index (2)
[結晶化度]
多孔質シートのX線回折測定を行い、下記式より結晶化度を算出した。
結晶化度(%)=[I(200)-I(amorphous)]/I(200)×100
I(200):セルロースI型結晶における200面(2θ=22.5°)による回折ピーク強度
I(amorphous):セルロースI型結晶におけるアモルファスによるハローピーク強度であって、200面の回折角度より4.5°低角度側(2θ=18.0°)のピーク強度
(X線回折測定条件)
装置 MiniFlex(株式会社リガク製)
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=30°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 2.0°/min
サンプル:試料ホルダー上に多孔質シートを貼り付け
[Crystallization degree]
The porous sheet was subjected to X-ray diffraction measurement, and the crystallinity was calculated according to the following formula.
Crystallinity (%) = [I (200) - I (amorphous) ] / I (200) x 100
I (200) : Diffraction peak intensity due to the 200 plane (2θ = 22.5°) in cellulose I type crystals I (amorphous) : Halo peak intensity due to amorphous in cellulose I type crystals, which is the peak intensity at an angle 4.5° lower than the diffraction angle of the 200 plane (2θ = 18.0°) (X-ray diffraction measurement conditions)
Device: MiniFlex (manufactured by Rigaku Corporation)
Operation axis 2θ/θ
Radiation source: CuKα
Measurement method: Continuous Voltage: 40 kV
Current: 15mA
Starting angle 2θ=5°
End angle 2θ = 30°
Sampling width 0.020°
Scan speed: 2.0°/min
Sample: A porous sheet is attached onto the sample holder.
[平均繊維径]
セルロース繊維ケーキ又はセルロース繊維スラリーをtert-ブタノールで0.01質量%まで希釈し、高剪断ホモジナイザー(IKA製、商品名「ウルトラタラックスT18」)を用い、処理条件:回転数25,000rpm×5分間で分散させ、マイカ上にキャストし、風乾したものを、高分解能走査型電子顕微鏡で測定した。測定は、少なくとも100本のセルロース繊維が観測されるように倍率を調整して行い、無作為に選んだ100本のセルロース繊維の長径(L)を測定し、100本のセルロース繊維の加算平均を算出した。
[Average fiber diameter]
The cellulose fiber cake or cellulose fiber slurry was diluted with tert-butanol to 0.01% by mass, dispersed using a high-shear homogenizer (manufactured by IKA, product name "Ultra Turrax T18") under processing conditions of 25,000 rpm for 5 minutes, cast onto mica, air-dried, and measured using a high-resolution scanning electron microscope. The measurement was performed by adjusting the magnification so that at least 100 cellulose fibers were observed, the major axis (L) of 100 randomly selected cellulose fibers was measured, and the arithmetic average of the 100 cellulose fibers was calculated.
[重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)及びMw/Mn比]
多孔質シートを0.88g秤量し、ハサミで小片に切り刻んだ後、軽く攪拌したうえで、純水20mLを加え1日放置した。次に遠心分離によって水と固形分を分離した。続いてアセトン20mLを加え、軽く攪拌したうえで1日放置した。次に遠心分離によってアセトンと固形分を分離した。続いてN、N-ジメチルアセトアミド20mLを加え、軽く攪拌したうえで1日放置した。再度、遠心分離によってN、N-ジメチルアセトアミドと固形分を分離したのち、N,N-ジメチルアセトアミド20mLを加え、軽く攪拌したうえで1日放置した。遠心分離によってN,N-ジメチルアセトアミドと固形分を分離し、固形分に塩化リチウムが8質量パーセントになるように調液したN,N-ジメチルアセトアミド溶液を19.2g加え、スターラーで攪拌し、目視で溶解するのを確認した。セルロース繊維を溶解させた溶液を0.45μmフィルターでろ過し、ろ液をゲルパーミエーションクロマトグラフィ用の試料として供した。用いた装置と測定条件は下記である。
装置 :東ソー社 HLC-8120
カラム:TSKgel SuperAWM-H(6.0mmI.D.×15cm)×2本
検出器:RI検出器
溶離液:N、N-ジメチルアセトアミド(塩化リチウム0.2%)
流速:0.6mL/分
検量線:プルラン換算
[Weight average molecular weight (Mw), number average molecular weight (Mn) and Mw/Mn ratio]
0.88 g of the porous sheet was weighed, cut into small pieces with scissors, lightly stirred, and then 20 mL of pure water was added and left for one day. Next, water and solids were separated by centrifugation. Then, 20 mL of acetone was added, lightly stirred, and left for one day. Next, acetone and solids were separated by centrifugation. Then, 20 mL of N,N-dimethylacetamide was added, lightly stirred, and left for one day. N,N-dimethylacetamide and solids were separated again by centrifugation, and then 20 mL of N,N-dimethylacetamide was added, lightly stirred, and left for one day. N,N-dimethylacetamide and solids were separated by centrifugation, and 19.2 g of N,N-dimethylacetamide solution prepared so that lithium chloride was 8 mass percent was added to the solids, and the mixture was stirred with a stirrer, and it was confirmed that the solids had dissolved. The solution in which the cellulose fibers were dissolved was filtered through a 0.45 μm filter, and the filtrate was used as a sample for gel permeation chromatography. The apparatus and measurement conditions used are as follows.
Equipment: Tosoh HLC-8120
Column: TSKgel SuperAWM-H (6.0 mm ID x 15 cm) x 2 Detector: RI detector Eluent: N,N-dimethylacetamide (lithium chloride 0.2%)
Flow rate: 0.6 mL/min. Calibration curve: Pullulan equivalent
[アルカリ可溶多糖類平均含有率]
アルカリ可溶多糖類含有率はセルロース繊維について非特許文献(木質科学実験マニュアル、日本木材学会編、92~97頁、2000年)に記載の手法より、ホロセルロース含有率(Wise法)からαセルロース含有率を差し引くことで求めた。1つのサンプルにつき3回アルカリ可溶多糖類含有率を算出し、算出したアルカリ可溶多糖類含有率の数平均をセルロース繊維のアルカリ可溶多糖類平均含有率とした。
[Average content of alkali-soluble polysaccharides]
The alkali-soluble polysaccharide content was determined by subtracting the α-cellulose content from the holocellulose content (Wise method) according to the method described in the non-patent literature (Wood Science Experiment Manual, edited by the Japan Wood Research Society, pp. 92-97, 2000) for cellulose fibers. The alkali-soluble polysaccharide content was calculated three times for each sample, and the number average of the calculated alkali-soluble polysaccharide contents was taken as the average alkali-soluble polysaccharide content of the cellulose fibers.
<セルロース繊維乾燥体の評価>
ホソカワミクロン株式会社製パウダーテスター(型番:PT-X)を用いて測定を行った。
<Evaluation of dried cellulose fiber body>
The measurements were carried out using a powder tester (model number: PT-X) manufactured by Hosokawa Micron Corporation.
[安息角]
水平に設置した直径80mmのステンレス製計測台の中心に、薬さじを用いて、セルロース繊維乾燥体100gを約10g/分にて漏斗(ステンレス製、上側開口径70mm、下側開口径7mm、傾斜角60°)経由で漏斗の下側開口部と計測台の間が110mmとなる高さから静かに落とし、計測台上にセルロース繊維乾燥体を円錐形状に堆積させた。円錐形状を真横から写真撮影し、円錐の母線と水平面との間の角度を測定した。3回の測定の数平均値を安息角とした。
[Angle of repose]
Using a medicine spoon, 100 g of dried cellulose fiber was gently dropped at about 10 g/min through a funnel (made of stainless steel,
[崩潰角]
安息角を測定した試料に対して、計測台と同じ台座上にある109gの分銅を160mmの高さから2秒の間隔で3回落下させた後、試料の円錐形状を真横から写真撮影し、円錐の母線と水平面との間の角度を測定した。3回の測定の数平均値を崩潰角とした。
[Collapse angle]
A 109 g weight placed on the same base as the measurement table was dropped three times at intervals of two seconds onto the sample for which the angle of repose was measured, from a height of 160 mm, and then the conical shape of the sample was photographed from the side, and the angle between the generatrix of the cone and the horizontal plane was measured. The number average value of the three measurements was taken as the angle of collapse.
[差角]
安息角と崩潰角との差を差角として算出した。
[Difference angle]
The difference between the angle of repose and the angle of collapse was calculated as the difference angle.
[ゆるめ嵩密度]
ステンレス製100mL(内径50.46mm×深さ50mm)有底円筒容器にセルロース繊維乾燥体を薬さじを用いて10g/分にて溢れる量まで入れ、当該乾燥体をすり切り後、0.01gの位で重量を測定した。当該重量の3回の測定の数平均値を上記有底円筒容器の内容積で除して、ゆるめ嵩密度として算出した。
[Loose bulk density]
The dried cellulose fiber was poured into a 100 mL (inner diameter 50.46 mm ×
[あつめ嵩密度]
ゆるめ嵩密度で用いたのと同様の有底円筒容器の上部に、十分な容量の樹脂製アダプター(内径50.46mm×長さ40mm)を密着するように接続し、ゆるめ嵩密度の測定と同様の手順でセルロース繊維乾燥体を溢れる量まで入れた後、アダプターを接続したまま有底円筒容器に、回転軸に偏心錘を取り付けたモーターで振幅1.5mm、50Hzの振動を30秒間与えた。続いて、アダプターを除き、乾燥体をすり切り後、0.01gの位で重量を測定した。当該重量の3回の測定の数平均値を上記有底円筒容器の内容積で除して、あつめ嵩密度として算出した。
[Collected bulk density]
A resin adapter (inner diameter 50.46
[圧縮度]
上記のあつめ嵩密度及びゆるめ嵩密度の値から、下記式:
圧縮度=(あつめ嵩密度-ゆるめ嵩密度)/あつめ嵩密度
に従って圧縮度を算出した。
[Compression level]
From the values of the packed bulk density and the loose bulk density, the following formula:
The degree of compression was calculated according to the formula: Compressibility=(Packed bulk density-Loose bulk density)/Packed bulk density.
[水分率]
赤外加熱式水分計(MX-50(エー・アンド・デイ製))を用いて測定を行った。
[Moisture percentage]
The measurements were carried out using an infrared heating type moisture meter (MX-50 (manufactured by A&D)).
[粒度分布]
精秤したφ100mmの篩を、精秤したφ100mmの受け器に、目開き710μm、1000μm、1700μmの順に重ね、最上の篩上に1~20gの範囲で精秤したセルロース繊維乾燥体を入れた後、振幅1.5mm、振幅50Hzの振動を10分間与えた。続いて、分画された試料を篩ごと精秤し、各分画の重量分率を計算して、粒度分布を得た。
[Particle size distribution]
A precisely weighed φ100 mm sieve was placed in a precisely weighed φ100 mm receiver in the order of 710 μm, 1000 μm, and 1700 μm mesh, and a precisely weighed dried cellulose fiber material in the range of 1 to 20 g was placed on the top sieve, followed by vibration at an amplitude of 1.5 mm and 50 Hz for 10 minutes. The fractionated sample was then precisely weighed together with the sieve, and the weight fraction of each fraction was calculated to obtain a particle size distribution.
[スクリーンメッシュ評価]
ダイアダプターとダイヘッドの間に50メッシュのスクリーンメッシュを取り付けた状態で押出機を吐出量20kg/hで1時間運転し、スクリーンメッシュにて補足された粒子の量を下記の3段階で評価した。
A ・・・ ほとんど補足されなかった
B ・・・ 一部の粒子が補足され、スクリーンメッシュの交換が必要
C ・・・ 運転完了前にダイ圧が上昇し、スクリーンメッシュの交換が必要になった
[Screen mesh evaluation]
With a 50-mesh screen mesh attached between the die adaptor and the die head, the extruder was operated at a discharge rate of 20 kg/h for 1 hour, and the amount of particles captured by the screen mesh was evaluated on the following three-level scale.
A: Almost no particles were trapped. B: Some particles were trapped, and the screen mesh needed to be replaced. C: The die pressure rose before the operation was completed, and the screen mesh needed to be replaced.
<樹脂複合体の評価>
[引張破断伸度、曲げ弾性率]
得られたペレットから、射出成形機を用いて、JIS K6920-2に準拠した条件で成形を行い、ISO294-3に準拠した多目的試験片を成形した。
多目的試験片について、ISO527に準拠して引張破断伸度、並びにISO179に準拠して曲げ弾性率を測定した。なお、ポリアミド樹脂は、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋に保管し、吸湿を抑制した。
結果を表1に示す。
<Evaluation of Resin Composite>
[Tensile elongation at break, bending modulus]
The obtained pellets were molded using an injection molding machine under conditions in accordance with JIS K6920-2 to form multipurpose test pieces in accordance with ISO294-3.
The multipurpose test specimens were measured for tensile elongation at break in accordance with ISO 527 and for flexural modulus in accordance with ISO 179. Since polyamide resins change due to moisture absorption, they were stored in aluminum moisture-proof bags immediately after molding to suppress moisture absorption.
The results are shown in Table 1.
本発明が提供し得る高靭性の樹脂複合体は、種々の樹脂成形体用途に好適に適用され得る。 The highly tough resin composites that the present invention can provide can be suitably used in a variety of resin molding applications.
Claims (17)
前記化学修飾が、エステル化であり、
前記セルロース繊維が、数平均繊維径2nm~1000nmを有し、
前記セルロース繊維乾燥体が、安息角40°~60°、差角10°以下、ゆるめ嵩密度0.01g/cm3~0.40g/cm3、あつめ嵩密度0.1g/cm3~0.55g/cm3、及び圧縮度20%~40%を有し、
前記セルロース繊維乾燥体において、粒径710μm以下の粒子成分の含有率が50質量%~90質量%である、セルロース繊維乾燥体。 A cellulose fiber dry body containing chemically modified cellulose fibers,
the chemical modification is esterification,
The cellulose fibers have a number average fiber diameter of 2 nm to 1000 nm,
the dried cellulose fiber material has an angle of repose of 40° to 60°, a difference angle of 10° or less, a loose bulk density of 0.01 g/cm 3 to 0.40 g/cm 3 , a packed bulk density of 0.1 g/cm 3 to 0.55 g/cm 3 , and a compressibility of 20% to 40%,
In the dried cellulose fiber material, the content of particle components having a particle size of 710 μm or less is 50% by mass to 90% by mass.
前記セルロース繊維が、数平均繊維径2nm~1000nmを有し、
前記セルロース繊維乾燥体が、安息角40°~60°、差角10°以下、ゆるめ嵩密度0.01g/cm3~0.40g/cm3、あつめ嵩密度0.1g/cm3~0.55g/cm3、及び圧縮度20%~40%を有し、
前記セルロース繊維乾燥体において、粒径710μm以下の粒子成分の含有率が50質量%~90質量%である、セルロース繊維乾燥体。 A dried cellulose fiber material comprising cellulose fibers and a dispersant,
The cellulose fibers have a number average fiber diameter of 2 nm to 1000 nm,
the dried cellulose fiber material has an angle of repose of 40° to 60°, a difference angle of 10° or less, a loose bulk density of 0.01 g/cm 3 to 0.40 g/cm 3 , a packed bulk density of 0.1 g/cm 3 to 0.55 g/cm 3 , and a compressibility of 20% to 40%,
In the dried cellulose fiber material, the content of particle components having a particle size of 710 μm or less is 50% by mass to 90% by mass.
セルロース繊維と水性媒体とを含むスラリーを調製するスラリー調製工程、及び
前記スラリーを、乾燥速度10%/分~10000%/分の条件下で乾燥させてセルロース繊維乾燥体を形成する乾燥工程、
を含む、方法。 A method for producing a dried cellulose fiber material according to any one of claims 1 to 12 ,
A slurry preparation step of preparing a slurry containing cellulose fibers and an aqueous medium; and A drying step of drying the slurry under conditions of a drying rate of 10%/min to 10,000%/min to form a dried cellulose fiber body.
A method comprising:
請求項1~12のいずれか一項に記載のセルロース繊維乾燥体と、樹脂とを混合することを含み、
前記樹脂複合体の引張破断伸度が、8%以上である、方法。 A method for producing a resin composite containing cellulose fibers and a resin, comprising:
The method includes mixing the dried cellulose fiber material according to any one of claims 1 to 12 with a resin,
The resin composite has a tensile elongation at break of 8% or more.
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