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JP6832110B2 - Masterbatch manufacturing method - Google Patents
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Description

本発明は、ゴム成分およびセルロース系繊維を含有するマスターバッチの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a masterbatch containing a rubber component and a cellulosic fiber.

ゴムとセルロース系繊維を含むゴム組成物は優れた機械強度を有することが知られている。例えば、特許文献1には平均繊維径が0.5μm未満のセルロース短繊維とゴムラテックスとを撹拌混合して得られるゴム/短繊維のマスターバッチが記載されている。当該文献によれば、平均繊維径が0.5μm未満の短繊維を水中でフィブリル化させた分散液とゴムラテックスと混合して乾燥させることにより短繊維をゴム中に均一に分散させたゴム/短繊維のマスターバッチからゴム補強性と耐疲労性のバランスに優れるゴム組成物を製造できるとされる。しかしながら、一般にゴムとセルロース系繊維とは相溶性が低いため十分なゴム組成物の強度が得られていなかった。そこで、相溶性を向上させるためにカップリング剤を使用することやセルロース繊維に長鎖アルキル基を導入することなどが検討されている(例えば特許文献2、3)。しかし、これらに使用する試薬は高価であるという問題がある。さらに前記方法は反応率が低く、十分な強度改善効果が得られないという問題がある。 Rubber compositions containing rubber and cellulosic fibers are known to have excellent mechanical strength. For example, Patent Document 1 describes a master batch of rubber / short fibers obtained by stirring and mixing cellulose short fibers having an average fiber diameter of less than 0.5 μm and rubber latex. According to the document, a rubber in which short fibers having an average fiber diameter of less than 0.5 μm are uniformly dispersed in rubber by mixing and drying a dispersion liquid in which short fibers are fibrillated in water and a rubber latex. It is said that a rubber composition having an excellent balance between rubber reinforcing property and fatigue resistance can be produced from a master batch of short fibers. However, in general, rubber and cellulosic fibers have low compatibility, so that sufficient strength of the rubber composition has not been obtained. Therefore, it has been studied to use a coupling agent to improve compatibility and to introduce a long-chain alkyl group into a cellulose fiber (for example, Patent Documents 2 and 3). However, there is a problem that the reagents used for these are expensive. Further, the above method has a problem that the reaction rate is low and a sufficient strength improving effect cannot be obtained.

特開2006−206864号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-206864 特開2009−191198号公報JP-A-2009-191198 特開2014−125607号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-125607

本発明は優れた機械的特性を有するゴム組成物を与える、ゴム成分とセルロース系繊維を含むマスターバッチを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a masterbatch containing a rubber component and a cellulosic fiber, which provides a rubber composition having excellent mechanical properties.

発明者は、ゴム成分とセルロース系繊維の混合物を加熱しかつメチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物を添加すること、あるいはゴム成分とセルロース系繊維とメチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物とを含む混合物を加熱することにより機械的特性を向上できることを見出し、本発明を完成した。すなわち、以下の本発明により前記課題は解決される。
(1)ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物を含む、マスターバッチの製造方法であって、
(a1)ゴム成分とセルロース系繊維を混合して混合物を得る工程、
(b1)前記工程(a1)で得た混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程、および
(c1)前記工程(b1)で得た混合物と、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物とを混合する工程を含む、マスターバッチの製造方法。
(2)ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物を含む、マスターバッチの製造方法であって、
(a2)ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物、およびメチレンドナー化合物を含む混合物を準備する工程、ならびに
(b2)前記工程(a2)で得た混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程を含む、マスターバッチの製造方法。
(3)前記工程(a1)の混合物が、少なくとも前記ゴム成分の分散液または溶液、あるいは前記セルロース系繊維の分散液由来の分散媒または溶媒を含み、
前記工程(b1)の前に、前記ゴム成分の分散液または溶液、あるいは前記セルロース系繊維の分散液由来の分散媒または溶媒を除去する工程をさらに含む、(1)に記載の製造方法。
(4)前記工程(a2)の混合物が、少なくとも前記ゴム成分の分散液または溶液、前記セルロース系繊維の分散液、あるいはメチレンアクセプター化合物またはメチレンドナー化合物の溶液もしくは分散液に由来する分散媒または溶媒を含み、
前記工程(b2)の前に、前記ゴム成分の分散液または溶液、前記セルロース系繊維の分散液、あるいはメチレンアクセプター化合物またはメチレンドナー化合物の溶液もしくは分散液に由来する分散媒または溶媒を除去する工程をさらに含む、(2)に記載の製造方法。
(5)前記セルロース系繊維が、化学変性されたセルロース系繊維である、(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(6)前記セルロース系繊維の長さ加重平均繊維長が50〜2000nm、長さ加重平均繊維径が2〜500nmである、(1)〜(5)のいずれかに記載の製造方法。
(7)前記ゴム成分が、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)ポリマーまたは天然ゴム(NR)ポリマーを含む、(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法。
(8)前記メチレンアクセプター化合物が、レゾルシン、レゾルシン誘導体、レゾルシン系樹脂、およびこれらの組合せからなる群より選択される、(1)〜(7)のいずれかに記載の製造方法。
(9)前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンである、(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(10)前記(1)〜(9)に記載の方法でマスターバッチを調製する工程、および
当該マスターバッチを架橋する工程を含む、ゴム組成物の製造方法。
The inventor heats a mixture of a rubber component and a cellulosic fiber and adds a methylene acceptor compound and a methylene donor compound, or a mixture containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound. The present invention has been completed by finding that the mechanical properties can be improved by heating. That is, the following invention solves the above problems.
(1) A method for producing a masterbatch, which comprises a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound.
(A1) A step of mixing a rubber component and a cellulosic fiber to obtain a mixture,
(B1) The step of heating the mixture obtained in the step (a1) at 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes, and (c1) the mixture obtained in the step (b1), a methylene acceptor compound and a methylene donor compound. A method of manufacturing a master batch, which comprises the step of mixing with.
(2) A method for producing a masterbatch, which comprises a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound.
(A2) A step of preparing a mixture containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound, and (b2) the mixture obtained in the step (a2) of 5 to 600 at 100 to 300 ° C. A method for producing a master batch, which comprises a step of heating for minutes.
(3) The mixture of the step (a1) contains at least a dispersion or solution of the rubber component, or a dispersion medium or solvent derived from the dispersion of the cellulosic fibers.
The production method according to (1), further comprising a step of removing the dispersion or solution of the rubber component or the dispersion medium or solvent derived from the dispersion of the cellulosic fiber before the step (b1).
(4) The mixture of the step (a2) is at least a dispersion or solution of the rubber component, a dispersion of cellulosic fibers, or a dispersion medium or a dispersion derived from a solution or dispersion of a methylene acceptor compound or a methylene donor compound. Contains solvent,
Prior to the step (b2), the dispersion medium or solvent derived from the dispersion or solution of the rubber component, the dispersion of the cellulosic fiber, or the solution or dispersion of the methylene acceptor compound or the methylene donor compound is removed. The production method according to (2), further comprising a step.
(5) The production method according to any one of (1) to (4), wherein the cellulosic fiber is a chemically modified cellulosic fiber.
(6) The production method according to any one of (1) to (5), wherein the length-weighted average fiber length of the cellulosic fiber is 50 to 2000 nm, and the length-weighted average fiber diameter is 2 to 500 nm.
(7) The production method according to any one of (1) to (6), wherein the rubber component contains an acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) polymer or a natural rubber (NR) polymer.
(8) The production method according to any one of (1) to (7), wherein the methylene acceptor compound is selected from the group consisting of resorcin, a resorcin derivative, a resorcin-based resin, and a combination thereof.
(9) The production method according to any one of (1) to (8), wherein the methylene donor compound is hexamethylenetetramine.
(10) A method for producing a rubber composition, which comprises a step of preparing a masterbatch by the method according to (1) to (9) above, and a step of cross-linking the masterbatch.

本発明により、優れた機械的特性を有するゴム組成物を与える、ゴム成分とセルロース系繊維を含むマスターバッチを提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a masterbatch containing a rubber component and a cellulosic fiber, which provides a rubber composition having excellent mechanical properties.

一般にマスターバッチの定義は多様であるが、本発明においては、マスターバッチとはゴム成分とセルロース系繊維とメチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物とを含む未架橋ゴム組成物または架橋性ゴム組成物をいう。マスターバッチを架橋することにより架橋ゴム組成物を生成する。本発明において単に「ゴム組成物」というときは架橋ゴム組成物を意味する。 In general, the definition of a masterbatch is diverse, but in the present invention, a masterbatch is an uncrosslinked rubber composition or a crosslinkable rubber composition containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound. Say. A crosslinked rubber composition is produced by crosslinking the masterbatch. In the present invention, the term "rubber composition" simply means a crosslinked rubber composition.

本発明は、ゴム成分とセルロース系繊維の混合物を加熱する工程を備える点を特徴とするが、加熱の時機の違いにより以下の態様を含む。
第1の製造方法:ゴム成分とセルロース系繊維の混合物を加熱した後にメチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物を添加する。
第2の製造方法:ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物、およびメチレンドナー化合物を含む混合物を加熱する。
以下、各態様について詳細に説明する。本発明において「X〜Y」はその端値、すなわちXとYを含む。
The present invention is characterized in that it includes a step of heating a mixture of a rubber component and a cellulosic fiber, and includes the following aspects depending on the timing of heating.
First production method: A methylene acceptor compound and a methylene donor compound are added after heating a mixture of a rubber component and a cellulosic fiber.
Second production method: A mixture containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound is heated.
Hereinafter, each aspect will be described in detail. In the present invention, "X to Y" includes its fractional values, that is, X and Y.

1.第1のマスターバッチの製造方法
本発明の第1のマスターバッチの製造方法は、(a1)ゴム成分とセルロース系繊維を混合して混合物を得る工程、(b1)前記混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程、および(c1)工程(b1)で得た混合物と、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物とを混合する工程を含む。
1. 1. Method for Producing First Master Batch The method for producing the first master batch of the present invention is a step of (a1) mixing a rubber component and a cellulose-based fiber to obtain a mixture, and (b1) mixing the mixture at 100 to 300 ° C. The step of heating for 5 to 600 minutes and the step of mixing the mixture obtained in the step (c1) (b1) with the methylene acceptor compound and the methylene donor compound are included.

(1)工程(a1)
本工程では、ゴム成分とセルロース系繊維を混合する。混合はホモミキサー、ホモジナイザー、プロペラ撹拌機等の公知の装置を用いて実施できる。混合する温度は限定されないが、室温(20〜30℃)が好ましい。混合時間も適宜調整してよい。
(1) Step (a1)
In this step, the rubber component and the cellulosic fiber are mixed. Mixing can be carried out using a known device such as a homomixer, a homogenizer, or a propeller stirrer. The mixing temperature is not limited, but room temperature (20 to 30 ° C.) is preferable. The mixing time may also be adjusted as appropriate.

本工程における混合比率は、後述するゴム組成物としたときの比率を達成できるように調整されるが、例えばゴム成分100重量部に対してセルロース系繊維を0.1〜100重量部とすることが好ましい。 The mixing ratio in this step is adjusted so as to achieve the ratio of the rubber composition described later. For example, the cellulosic fiber is set to 0.1 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the rubber component. Is preferable.

1)ゴム成分
ゴム成分とはゴムの原料であって架橋してゴムとなるものをいう。天然ゴム用のゴム成分および合成ゴム用のゴム成分が存在するが、本発明においてはいずれを用いてもよく、また両者を組合せてもよい。便宜上、天然ゴム用等のゴム成分を「天然ゴムポリマー」等という。
天然ゴム(NR)ポリマーとしては、化学修飾を施さない狭義の天然ゴムポリマー;塩素化天然ゴムポリマー、クロロスルホン化天然ゴムポリマー、エポキシ化天然ゴムポリマー等の化学修飾した天然ゴムポリマー;水素化天然ゴムポリマー;脱タンパク天然ゴムポリマーが挙げられる。合成ゴムポリマーとしては例えば、ブタジエンゴム(BR)ポリマー、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム(SBR)ポリマー、イソプレンゴム(IR)ポリマー、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)ポリマー、クロロプレンゴムポリマー、スチレン−イソプレン共重合体ゴムポリマー、スチレン−イソプレン−ブタジエン共重合体ゴムポリマー、イソプレン−ブタジエン共重合体ゴムポリマー等のジエン系ゴムポリマー;ブチルゴム(IIR)ポリマー、エチレン−プロピレンゴム(EPM、EPDM)ポリマー、アクリルゴム(ACM)ポリマー、エピクロロヒドリンゴム(CO、ECO)ポリマー、フッ素ゴム(FKM)ポリマー、シリコーンゴム(Q)ポリマー、ウレタンゴム(U)ポリマー、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)ポリマー等の非ジエン系ゴムポリマーが挙げられる。これらのゴムポリマーは一種のみ使用してもよいし、複数種を併用してもよい。これらの中でもNBRポリマー、NRポリマー、SBRポリマー、クロロプレンゴムポリマーが特に好ましい。
1) Rubber component A rubber component is a raw material for rubber that is crosslinked to form rubber. There are a rubber component for natural rubber and a rubber component for synthetic rubber, but in the present invention, either of them may be used, or both may be combined. For convenience, a rubber component for natural rubber or the like is referred to as a "natural rubber polymer" or the like.
Natural rubber (NR) polymers include natural rubber polymers in the narrow sense that are not chemically modified; chemically modified natural rubber polymers such as chlorinated natural rubber polymers, chlorosulfonated natural rubber polymers, and epoxidized natural rubber polymers; hydrogenated natural Rubber polymer; Examples thereof include deproteinized natural rubber polymer. Examples of the synthetic rubber polymer include butadiene rubber (BR) polymer, styrene-butadiene copolymer rubber (SBR) polymer, isoprene rubber (IR) polymer, acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) polymer, chloroprene rubber polymer, and styrene-isoprene. Diene-based rubber polymers such as polymer rubber polymer, styrene-isoprene-butadiene copolymer rubber polymer, isoprene-butadiene copolymer rubber polymer; butyl rubber (IIR) polymer, ethylene-propylene rubber (EPM, EPDM) polymer, acrylic rubber Non-diene type such as (ACM) polymer, epichlorohydrin rubber (CO, ECO) polymer, fluororubber (FKM) polymer, silicone rubber (Q) polymer, urethane rubber (U) polymer, chlorosulfonated polyethylene (CSM) polymer, etc. Examples include rubber polymers. Only one kind of these rubber polymers may be used, or a plurality of kinds thereof may be used in combination. Among these, NBR polymer, NR polymer, SBR polymer, and chloroprene rubber polymer are particularly preferable.

ゴム成分はそのまま混合に供してもよいが、ゴム成分を分散媒に分散させた分散液(ラテックス)や溶媒に溶解した溶液にして混合に供してもよい。本発明において分散媒および溶媒をまとめて「液状媒体」ともいう。ゴム成分の分散液等に用いる液状媒体としては例えば、水、有機溶媒が挙げられる。液状媒体の量は、ゴム成分100重量部に対して10〜1000重量部が好ましい。 The rubber component may be used for mixing as it is, or may be used for mixing as a dispersion liquid (latex) in which the rubber component is dispersed in a dispersion medium or a solution dissolved in a solvent. In the present invention, the dispersion medium and the solvent are also collectively referred to as "liquid medium". Examples of the liquid medium used for the dispersion liquid of the rubber component include water and an organic solvent. The amount of the liquid medium is preferably 10 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the rubber component.

2)セルロース系繊維
セルロース系繊維として、ミクロンオーダーの繊維径を有するセルロース繊維または当該セルロース繊維を必要に応じ化学変性した後で解繊して得たナノオーダーの繊維径を有するセルロースナノファイバーを使用できる。
2) Cellulose-based fibers As the cellulosic fibers, cellulose fibers having a fiber diameter on the order of micron or cellulose nanofibers having a fiber diameter on the nano-order obtained by chemically modifying the cellulose fibers as necessary and then defibrating the fibers are used. it can.

セルロース繊維は、特に限定されないが、例えば、植物、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物に由来するものが挙げられる。植物由来のものとしては、例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、再生パルプ、古紙等)が挙げられる。本発明で用いるセルロース原料は、これらのいずれかまたは組合せであってもよいが、好ましくは植物または微生物由来のセルロース繊維であり、より好ましくは植物由来のセルロース繊維である。 Cellulose fibers are not particularly limited, and examples thereof include those derived from plants, animals (for example, ascidians), algae, microorganisms (for example, acetobacter), and microbial products. Plant-derived materials include, for example, wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, agricultural waste, cloth, pulp (conifer unbleached kraft pulp (NUKP), conifer bleached kraft pulp (NBKP), broadleaf unbleached kraft pulp (NBKP). LUKP), broadleaf bleached kraft pulp (LBKP), conifer unbleached sulphite pulp (NUSP), conifer bleached sulphite pulp (NBSP), thermomechanical pulp (TMP), recycled pulp, used paper, etc.). The cellulose raw material used in the present invention may be any one or a combination of these, but is preferably a cellulosic fiber derived from a plant or a microorganism, and more preferably a cellulose fiber derived from a plant.

セルロース繊維の平均繊維径は特に制限されないが、一般的なパルプである針葉樹クラフトパルプの場合は30〜60μm程度、広葉樹クラフトパルプの場合は10〜30μm程度である。その他のパルプの場合、一般的な精製を経たものの平均繊維径は50μm程度である。例えばチップ等の数cm大のものを精製した原料を用いる場合、リファイナー、ビーター等の離解機で機械的処理を行い、平均繊維径を50μm程度に調整することが好ましい。 The average fiber diameter of the cellulose fibers is not particularly limited, but is about 30 to 60 μm in the case of softwood kraft pulp, which is a general pulp, and about 10 to 30 μm in the case of hardwood kraft pulp. In the case of other pulps, the average fiber diameter after undergoing general purification is about 50 μm. For example, when a raw material obtained by purifying a chip or the like having a size of several cm is used, it is preferable to perform mechanical treatment with a dissociator such as a refiner or a beater to adjust the average fiber diameter to about 50 μm.

セルロースナノファイバーの平均繊維径は、長さ加重平均繊維径にして通常2〜500nm程度であるが、好ましくは2〜50nmである。平均繊維長は長さ加重平均繊維長にして50〜2000nmが好ましい。長さ加重平均繊維径および長さ加重平均繊維長(以下、単に「平均繊維径」、「平均繊維長」ともいう)は、原子間力顕微鏡(AFM)または透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、各繊維を観察して求められる。セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、通常10以上である。上限は特に限定されないが、通常は1000以下である。平均アスペクト比は、下記の式により算出できる。
平均アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径
以下、セルロースナノファイバーの製造方法について説明する。便宜上、セルロースナノファイバーの原料となるセルロース繊維を「セルロース原料」ともいう。
The average fiber diameter of the cellulose nanofibers is usually about 2 to 500 nm in terms of the length-weighted average fiber diameter, but is preferably 2 to 50 nm. The average fiber length is preferably 50 to 2000 nm in terms of length-weighted average fiber length. Atomic force microscope (AFM) or transmission electron microscope (TEM) is used for the length-weighted average fiber diameter and the length-weighted average fiber length (hereinafter, also simply referred to as "average fiber diameter" and "average fiber length"). It is obtained by observing each fiber. The average aspect ratio of cellulose nanofibers is usually 10 or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually 1000 or less. The average aspect ratio can be calculated by the following formula.
Average aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter The following describes a method for producing cellulose nanofibers. For convenience, cellulose fibers, which are raw materials for cellulose nanofibers, are also referred to as "cellulose raw materials".

[変性]
セルロース原料は、グルコース単位あたり3つのヒドロキシル基を有しており、各種の化学変性を行うことが可能である。本発明では、化学変性がなされたセルロース原料およびなされていないセルロース原料のいずれも使用できる。しかしながら、化学変性されたセルロース原料を用いると繊維の微細化が十分に進んで均一な繊維長および繊維径のセルロースナノファイバーが得られるので、ゴムと複合化した際に十分な補強効果を発揮し得る。よって化学変性がなされたセルロース原料が好ましい。化学変性としては、例えば、酸化、エーテル化、リン酸化、エステル化、シランカップリング、フッ素化、カチオン化などが挙げられる。中でも、酸化(カルボキシル化)、エーテル化、カチオン化、エステル化が好ましく、以下、これらについて説明する。
[Degeneration]
The cellulose raw material has three hydroxyl groups per glucose unit and can be subjected to various chemical denaturations. In the present invention, both a chemically modified cellulose raw material and a non-chemically modified cellulose raw material can be used. However, when a chemically modified cellulose raw material is used, the finer fibers are sufficiently refined to obtain cellulose nanofibers having a uniform fiber length and diameter, so that a sufficient reinforcing effect is exhibited when composited with rubber. obtain. Therefore, a chemically modified cellulose raw material is preferable. Examples of chemical denaturation include oxidation, etherification, phosphorylation, esterification, silane coupling, fluorination, and cationization. Of these, oxidation (carboxylation), etherification, cationization, and esterification are preferable, and these will be described below.

[酸化]
本処理によって得られる酸化セルロースまたはセルロースナノファイバー中のカルボキシル基の量は、絶乾重量に対して、好ましくは0.5mmol/g以上、より好ましくは0.8mmol/g以上、さらに好ましくは1.0mmol/g以上である。当該量の上限は、好ましくは3.0mmol/g以下、より好ましくは2.5mmol/g以下、さらに好ましくは2.0mmol/g以下である。従って、当該量は0.5〜3.0mmol/gが好ましく、0.8〜2.5mmol/gがより好ましく、1.0〜2.0mmol/gがさらに好ましい。
[Oxidation]
The amount of carboxyl groups in the oxidized cellulose or cellulose nanofibers obtained by this treatment is preferably 0.5 mmol / g or more, more preferably 0.8 mmol / g or more, still more preferably 1. It is 0 mmol / g or more. The upper limit of the amount is preferably 3.0 mmol / g or less, more preferably 2.5 mmol / g or less, still more preferably 2.0 mmol / g or less. Therefore, the amount is preferably 0.5 to 3.0 mmol / g, more preferably 0.8 to 2.5 mmol / g, and even more preferably 1.0 to 2.0 mmol / g.

酸化方法は特に限定されないが、一例として、N−オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物およびこれらの混合物からなる群より選択される物質との存在下で、酸化剤を用いて水中でセルロース原料を酸化する方法が挙げられる。この方法によれば、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、アルデヒド基、カルボキシル基、およびカルボキシレート基からなる群より選ばれる基が生じる。反応時のセルロース原料の濃度は特に限定されないが、5重量%以下が好ましい。 The oxidation method is not particularly limited, but as an example, the cellulose raw material is oxidized in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a substance selected from the group consisting of bromide, iodide and a mixture thereof. There is a way to do it. According to this method, the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring on the surface of cellulose is selectively oxidized to generate a group selected from the group consisting of an aldehyde group, a carboxyl group, and a carboxylate group. The concentration of the cellulose raw material during the reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by weight or less.

N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物である。ニトロキシルラジカルとしては例えば、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン1−オキシル(TEMPO)が挙げられる。N−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。N−オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01mmol以上が好ましく、0.02mmol以上がより好ましい。上限は、10mmol以下が好ましく、1mmol以下がより好ましく、0.5mmol以下が更に好ましい。従って、N−オキシル化合物の使用量は絶乾1gのセルロースに対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.02〜0.5mmolがさらに好ましい。 The N-oxyl compound is a compound capable of generating a nitroxy radical. Examples of the nitroxyl radical include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO). As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it is a compound that promotes the desired oxidation reaction. The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of oxidizing cellulose as a raw material. For example, 0.01 mmol or more is preferable, and 0.02 mmol or more is more preferable with respect to 1 g of cellulose that has been completely dried. The upper limit is preferably 10 mmol or less, more preferably 1 mmol or less, still more preferably 0.5 mmol or less. Therefore, the amount of the N-oxyl compound used is preferably 0.01 to 10 mmol, more preferably 0.01 to 1 mmol, and even more preferably 0.02 to 0.5 mmol with respect to 1 g of the dry cellulose.

臭化物とは臭素を含む化合物であり、例えば、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属、例えば臭化ナトリウム等が挙げられる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、例えば、ヨウ化アルカリ金属が挙げられる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は絶乾1gのセルロースに対して、0.1mmol以上が好ましく、0.5mmol以上がより好ましい。当該量の上限は、100mmol以下が好ましく、10mmol以下がより好ましく、5mmol以下が更に好ましい。従って、臭化物およびヨウ化物の合計量は絶乾1gのセルロースに対して、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜10mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。 The bromide is a compound containing bromine, and examples thereof include alkali metals bromide that can be dissociated and ionized in water, such as sodium bromide. The iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metals iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected within a range that can promote the oxidation reaction. The total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 mmol or more, more preferably 0.5 mmol or more, based on 1 g of dry cellulose. The upper limit of the amount is preferably 100 mmol or less, more preferably 10 mmol or less, still more preferably 5 mmol or less. Therefore, the total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, still more preferably 0.5 to 5 mmol, relative to 1 g of dry cellulose.

酸化剤としては、特に限定されないが例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸、これらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などが挙げられる。中でも、安価で環境負荷が少ないことから、次亜ハロゲン酸またはその塩が好ましく、次亜塩素酸またはその塩がより好ましく、次亜塩素酸ナトリウムがさらに好ましい。酸化剤の使用量は、絶乾1gのセルロースに対して、0.5mmol以上が好ましく、1mmol以上がより好ましく、3mmol以上がさらに好ましい。当該量の上限は、500mmol以下が好ましく、50mmol以下がより好ましく、25mmol以下がさらに好ましい。従って、酸化剤の使用量は絶乾1gのセルロースに対して、0.5〜500mmolが好ましく、0.5〜50mmolがより好ましく、1〜25mmolがさらに好ましく、3〜10mmolが特に好ましい。N−オキシル化合物を用いる場合、酸化剤の使用量はN−オキシル化合物1molに対して1mol以上が好ましく、上限は40molが好ましい。従って、酸化剤の使用量はN−オキシル化合物1molに対して1〜40molが好ましい。 The oxidizing agent is not particularly limited, and examples thereof include halogens, hypochlorous acids, hypochlorous acids, perhalonic acids, salts thereof, halogen oxides, and peroxides. Among them, hypochlorous acid or a salt thereof is preferable, hypochlorous acid or a salt thereof is more preferable, and sodium hypochlorite is further preferable because it is inexpensive and has a small environmental load. The amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 mmol or more, more preferably 1 mmol or more, still more preferably 3 mmol or more, based on 1 g of the dry cellulose. The upper limit of the amount is preferably 500 mmol or less, more preferably 50 mmol or less, still more preferably 25 mmol or less. Therefore, the amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, further preferably 1 to 25 mmol, and particularly preferably 3 to 10 mmol with respect to 1 g of the dry cellulose. When an N-oxyl compound is used, the amount of the oxidizing agent used is preferably 1 mol or more with respect to 1 mol of the N-oxyl compound, and the upper limit is preferably 40 mol. Therefore, the amount of the oxidizing agent used is preferably 1 to 40 mol with respect to 1 mol of the N-oxyl compound.

酸化反応時のpH、温度等の条件は特に限定されず、一般に、比較的温和な条件であっても酸化反応は効率よく進行する。反応温度は4℃以上が好ましく、15℃以上がより好ましい。当該温度の上限は40℃以下が好ましく、30℃以下がより好ましい。従って、反応温度は4〜40℃が好ましく、15〜30℃程度、すなわち室温であってもよい。反応液のpHは、8以上が好ましく、10以上がより好ましい。pHの上限は、12以下が好ましく、11以下がより好ましい。従って、反応液のpHは、好ましくは8〜12、より好ましくは10〜11程度である。通常、酸化反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHは低下する傾向にある。そのため、酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを上記の範囲に維持することが好ましい。酸化の際の反応媒体は、取扱いの容易さや、副反応が生じにくいこと等の理由から、水が好ましい。 Conditions such as pH and temperature during the oxidation reaction are not particularly limited, and in general, the oxidation reaction proceeds efficiently even under relatively mild conditions. The reaction temperature is preferably 4 ° C. or higher, more preferably 15 ° C. or higher. The upper limit of the temperature is preferably 40 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or lower. Therefore, the reaction temperature is preferably 4 to 40 ° C, and may be about 15 to 30 ° C, that is, room temperature. The pH of the reaction solution is preferably 8 or more, more preferably 10 or more. The upper limit of pH is preferably 12 or less, more preferably 11 or less. Therefore, the pH of the reaction solution is preferably about 8 to 12, more preferably about 10 to 11. Usually, as the oxidation reaction progresses, carboxyl groups are generated in cellulose, so that the pH of the reaction solution tends to decrease. Therefore, in order to allow the oxidation reaction to proceed efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution in the above range. Water is preferable as the reaction medium for oxidation because it is easy to handle and side reactions are unlikely to occur.

酸化における反応時間は、酸化の進行程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5時間以上であり、その上限は通常は6時間以下、好ましくは4時間以下である。従って、酸化における反応時間は通常0.5〜6時間、例えば0.5〜4時間程度である。酸化は、2段階以上の反応に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。 The reaction time in oxidation can be appropriately set according to the degree of progress of oxidation, and is usually 0.5 hours or more, and the upper limit thereof is usually 6 hours or less, preferably 4 hours or less. Therefore, the reaction time in oxidation is usually about 0.5 to 6 hours, for example, about 0.5 to 4 hours. Oxidation may be carried out in two or more steps. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first-stage reaction again under the same or different reaction conditions, the efficiency is not affected by the reaction inhibition by the salt produced as a by-product in the first-stage reaction. It can be oxidized well.

カルボキシル化(酸化)方法の別の例として、オゾン酸化が挙げられる。この酸化反応により、セルロースを構成するグルコピラノース環の少なくとも2位および6位の水酸基が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾン処理は通常、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより行われる。気体中のオゾン濃度は、50g/m以上であることが好ましい。上限は、250g/m以下であることが好ましく、220g/m以下であることがより好ましい。従って、気体中のオゾン濃度は、50〜250g/mであることが好ましく、50〜220g/mであることがより好ましい。オゾン添加量は、セルロース原料の固形分100重量%に対し、0.1量部以上であることが好ましく、5重量%以上であることがより好ましい。オゾン添加量の上限は、通常30重量%以下である。従って、オゾン添加量は、セルロース原料の固形分100重量%に対し、0.1〜30重量%であることが好ましく、5〜30重量%であることがより好ましい。オゾン処理温度は、通常0℃以上であり、好ましくは20℃以上であり、上限は通常50℃以下である。従って、オゾン処理温度は、0〜50℃であることが好ましく、20〜50℃であることがより好ましい。オゾン処理時間は、通常は1分以上であり、好ましくは30分以上であり、上限は通常360分以下である。従って、オゾン処理時間は、通常は1〜360分程度であり、30〜360分程度が好ましい。オゾン処理の条件が上述の範囲内であると、セルロースが過度に酸化および分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。 Another example of the carboxylation (oxidation) method is ozonolysis. By this oxidation reaction, the hydroxyl groups at at least the 2nd and 6th positions of the glucopyranose ring constituting the cellulose are oxidized, and the cellulose chain is decomposed. Ozone treatment is usually carried out by bringing a gas containing ozone into contact with a cellulose raw material. The ozone concentration in the gas is preferably 50 g / m 3 or more. The upper limit is preferably 250 g / m 3 or less, and more preferably 220 g / m 3 or less. Therefore, the ozone concentration in the gas is preferably 50 to 250 g / m 3, more preferably 50~220g / m 3. The amount of ozone added is preferably 0.1 part by weight or more, and more preferably 5% by weight or more, based on 100% by weight of the solid content of the cellulose raw material. The upper limit of the amount of ozone added is usually 30% by weight or less. Therefore, the amount of ozone added is preferably 0.1 to 30% by weight, more preferably 5 to 30% by weight, based on 100% by weight of the solid content of the cellulose raw material. The ozone treatment temperature is usually 0 ° C. or higher, preferably 20 ° C. or higher, and the upper limit is usually 50 ° C. or lower. Therefore, the ozone treatment temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 20 to 50 ° C. The ozone treatment time is usually 1 minute or more, preferably 30 minutes or more, and the upper limit is usually 360 minutes or less. Therefore, the ozone treatment time is usually about 1 to 360 minutes, preferably about 30 to 360 minutes. When the ozone treatment conditions are within the above ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of the oxidized cellulose becomes good.

オゾン処理されたセルロースに対しさらに、酸化剤を用いて追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが例えば、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸などが挙げられる。追酸化処理の方法としては例えば、これらの酸化剤を水またはアルコール等の極性有機溶媒中に溶解して酸化剤溶液を作成し、酸化剤溶液中にセルロース原料を浸漬させる方法が挙げられる。酸化セルロースナノファイバーに含まれるカルボキシル基、カルボキシレート基、アルデヒド基の量は、酸化剤の添加量、反応時間等の酸化条件をコントロールすることで調整することができる。 The ozone-treated cellulose may be further subjected to an additional oxidation treatment using an oxidizing agent. The oxidizing agent used for the additional oxidation treatment is not particularly limited, and examples thereof include chlorine-based compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfate, and peracetic acid. Examples of the method of the additional oxidation treatment include a method of dissolving these oxidizing agents in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and immersing the cellulose raw material in the oxidizing agent solution. The amounts of the carboxyl group, carboxylate group, and aldehyde group contained in the cellulose oxide nanofibers can be adjusted by controlling the oxidation conditions such as the amount of the oxidizing agent added and the reaction time.

カルボキシル基量の測定方法の一例を以下に説明する。酸化セルロースの0.5重量%スラリー(水分散液)60mLを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定する。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出することができる。
カルボキシル基量〔mmol/g酸化セルロースまたはセルロースナノファイバー〕=a〔mL〕×0.05/酸化セルロース重量〔g〕
An example of a method for measuring the amount of carboxyl groups will be described below. Prepare 60 mL of a 0.5 wt% slurry (aqueous dispersion) of cellulose oxide, add a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to adjust the pH to 2.5, and then add a 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution to bring the pH to 11. Measure the electrical conductivity until it becomes. It can be calculated from the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of a weak acid in which the change in electrical conductivity is gradual, using the following formula.
Carboxyl group amount [mmol / g cellulose oxide or cellulose nanofiber] = a [mL] x 0.05 / cellulose oxide weight [g]

[エーテル化]
エーテル化としては、カルボキシメチル(エーテル)化、メチル(エーテル)化、エチル(エーテル)化、シアノエチル(エーテル)化、ヒドロキシエチル(エーテル)化、ヒドロキシプロピル(エーテル)化、エチルヒドロキシエチル(エーテル)化、ヒドロキシプロピルメチル(エーテル)化などが挙げられる。この中から一例としてカルボキシメチル化の方法を以下に説明する。
[Aetherization]
As etherification, carboxymethyl (ether), methyl (ether), ethyl (ether), cyanoethyl (ether), hydroxyethyl (ether), hydroxypropyl (ether), ethylhydroxyethyl (ether) And hydroxypropylmethyl (ether) conversion. The method of carboxymethylation will be described below as an example.

カルボキシメチル化により得られるカルボキシメチル化セルロースまたはセルロースナノファイバー中の無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度は、0.01以上が好ましく、0.05以上がより好ましく、0.10以上であることがさらに好ましい。当該置換度の上限は、0.50以下が好ましく、0.40以下がより好ましく、0.35以下が更に好ましい。従って、カルボキシメチル基置換度は、0.01〜0.50が好ましく、0.05〜0.40がより好ましく、0.10〜0.30がさらに好ましい。 The degree of carboxymethyl substitution per anhydrous glucose unit in carboxymethylated cellulose or cellulose nanofibers obtained by carboxymethylation is preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and preferably 0.10 or more. More preferred. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.50 or less, more preferably 0.40 or less, and even more preferably 0.35 or less. Therefore, the degree of carboxymethyl group substitution is preferably 0.01 to 0.50, more preferably 0.05 to 0.40, and even more preferably 0.10 to 0.30.

カルボキシメチル化方法は特に限定されないが、例えば、発底原料としてのセルロース原料をマーセル化し、その後エーテル化する方法が挙げられる。当該反応には、通常、溶媒が使用される。溶媒としては例えば、水、アルコール(例えば低級アルコール)およびこれらの混合溶媒が挙げられる。低級アルコールとしては例えば、メタノール、エタノール、N−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、N−ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノールが挙げられる。混合溶媒における低級アルコールの混合割合は、通常は60重量%以上または95重量%以下であり、60〜95重量%であることが好ましい。溶媒の量は、セルロース原料に対し通常は3重量倍である。当該量の上限は特に限定されないが20重量倍である。従って、溶媒の量は3〜20重量倍であることが好ましい。 The carboxymethylation method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a cellulose raw material as a bottoming raw material is marcelled and then etherified. A solvent is usually used for the reaction. Examples of the solvent include water, alcohol (for example, lower alcohol) and a mixed solvent thereof. Examples of the lower alcohol include methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butanol, isobutanol, and tertiary butanol. The mixing ratio of the lower alcohol in the mixed solvent is usually 60% by weight or more or 95% by weight or less, and is preferably 60 to 95% by weight. The amount of solvent is usually 3 times by weight with respect to the cellulose raw material. The upper limit of the amount is not particularly limited, but is 20 times by weight. Therefore, the amount of the solvent is preferably 3 to 20 times by weight.

マーセル化は通常、発底原料とマーセル化剤を混合して行う。マーセル化剤としては例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水酸化アルカリ金属が挙げられる。マーセル化剤の使用量は、発底原料の無水グルコース残基当たり0.5倍モル以上が好ましく、1.0モル以上がより好ましく、1.5倍モル以上であることがさらに好ましい。当該量の上限は、通常20倍モル以下であり、10倍モル以下が好ましく、5倍モル以下がより好ましい、従って、マーセル化剤の使用量0.5〜20倍モルが好ましく、1.0〜10倍モルがより好ましく、1.5〜5倍モルがさらに好ましい。 Mercerization is usually carried out by mixing a bottoming material and a mercerizing agent. Examples of the mercerizing agent include alkali metals hydroxide such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. The amount of the mercerizing agent used is preferably 0.5 times or more, more preferably 1.0 or more, and even more preferably 1.5 times or more per anhydrous glucose residue of the bottoming material. The upper limit of the amount is usually 20 times or less, preferably 10 times or less, more preferably 5 times or less, and therefore, the amount of the mercerizing agent used is preferably 0.5 to 20 times or less, 1.0. 10-fold molars are more preferred, and 1.5-5-fold molars are even more preferred.

マーセル化の反応温度は、通常0℃以上であり、好ましくは10℃以上であり、上限は通常70℃以下、好ましくは60℃以下である。従って、反応温度は通常0〜70℃、好ましくは10〜60℃である。反応時間は、通常15分以上、好ましくは30分以上である。当該時間の上限は、通常8時間以下、好ましくは7時間以下である。従って、反応時間は、通常は15分〜8時間、好ましくは30分〜7時間である。 The reaction temperature for mercerization is usually 0 ° C. or higher, preferably 10 ° C. or higher, and the upper limit is usually 70 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or lower. Therefore, the reaction temperature is usually 0 to 70 ° C, preferably 10 to 60 ° C. The reaction time is usually 15 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer. The upper limit of the time is usually 8 hours or less, preferably 7 hours or less. Therefore, the reaction time is usually 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours.

エーテル化反応は通常、カルボキシメチル化剤をマーセル化後に反応系に追加して行う。カルボキシメチル化剤としては例えば、モノクロロ酢酸ナトリウムが挙げられる。カルボキシメチル化剤の添加量は、セルロース原料のグルコース残基当たり通常は0.05倍モル以上が好ましく、0.5倍モル以上がより好ましく、0.8倍モル以上であることがさらに好ましい。当該量の上限は、通常10.0倍モル以下であり、5モル以下が好ましく、3倍モル以下がより好ましい、従って、当該量は好ましくは0.05〜10.0倍モルであり、より好ましくは0.5〜5であり、さらに好ましくは0.8〜3倍モルである。反応温度は通常30℃以上、好ましくは40℃以上であり、上限は通常90℃以下、好ましくは80℃以下である。従って反応温度は通常30〜90℃、好ましくは40〜80℃である。反応時間は、通常30分以上であり、好ましくは1時間以上であり、その上限は、通常は10時間以下、好ましくは4時間以下である。従って反応時間は、通常は30分〜10時間であり、好ましくは1時間〜4時間である。カルボキシメチル化反応の間必要に応じて、反応液を撹拌してもよい。 The etherification reaction is usually carried out by adding a carboxymethylating agent to the reaction system after mercerization. Examples of the carboxymethylating agent include sodium monochloroacetate. The amount of the carboxymethylating agent added is usually preferably 0.05 times or more, more preferably 0.5 times or more, and even more preferably 0.8 times or more per glucose residue of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 10.0 times mol or less, preferably 5 times or less, more preferably 3 times mol or less, and therefore the amount is preferably 0.05 to 10.0 times mol, and more. It is preferably 0.5 to 5, and more preferably 0.8 to 3 times the molar amount. The reaction temperature is usually 30 ° C. or higher, preferably 40 ° C. or higher, and the upper limit is usually 90 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower. Therefore, the reaction temperature is usually 30 to 90 ° C, preferably 40 to 80 ° C. The reaction time is usually 30 minutes or more, preferably 1 hour or more, and the upper limit thereof is usually 10 hours or less, preferably 4 hours or less. Therefore, the reaction time is usually 30 minutes to 10 hours, preferably 1 hour to 4 hours. If necessary, the reaction solution may be stirred during the carboxymethylation reaction.

カルボキシメチル化セルロースナノファイバーのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度の測定は例えば、次の方法による。すなわち、1)カルボキシメチル化セルロース(絶乾)約2.0gを精秤して、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。2)硝酸メタノール1000mLに特級濃硝酸100mLを加えた液100mLを加え、3時間振とうして、カルボキシメチルセルロース塩(カルボキシメチル化セルロース)を水素型カルボキシメチル化セルロースにする。3)水素型カルボキシメチル化セルロース(絶乾)を1.5〜2.0g精秤し、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。4)80%メタノール15mLで水素型カルボキシメチル化セルロースを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうする。5)指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのHSOで過剰のNaOHを逆滴定する。6)カルボキシメチル置換度(DS)を、次式によって算出する:
A=[(100×F’−(0.1NのHSO)(mL)×F)×0.1]/(水素型カルボキシメチル化セルロースの絶乾質量(g))
DS=0.162×A/(1−0.058×A)
A:水素型カルボキシメチル化セルロースの1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F:0.1NのHSOのファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター
The degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of carboxymethylated cellulose nanofibers is measured, for example, by the following method. That is, 1) Approximately 2.0 g of carboxymethylated cellulose (absolutely dried) is precisely weighed and placed in an Erlenmeyer flask with a 300 mL stopper. 2) Add 100 mL of a solution prepared by adding 100 mL of special grade concentrated nitric acid to 1000 mL of methanol nitrate, and shake for 3 hours to convert the carboxymethyl cellulose salt (carboxymethylated cellulose) into hydrogen-type carboxymethylated cellulose. 3) Weigh 1.5 to 2.0 g of hydrogen-type carboxymethylated cellulose (absolutely dry) and put it in an Erlenmeyer flask with a 300 mL stopper. 4) Wet hydrogen-type carboxymethylated cellulose with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. 5) Using phenolphthalein as an indicator, back titrate excess NaOH with 0.1 N H 2 SO 4. 6) Calculate the degree of carboxymethyl substitution (DS) by the following formula:
A = [(100 x F'-(0.1 N H 2 SO 4 ) (mL) x F) x 0.1] / (absolute dry mass (g) of hydrogen-type carboxymethylated cellulose)
DS = 0.162 × A / (1-0.058 × A)
A: 1N NaOH amount (mL) required to neutralize 1 g of hydrogen-type carboxymethylated cellulose
F: 0.1N H 2 SO 4 factor F': 0.1N NaOH factor

[カチオン化]
カチオン化により得られるカチオン化セルロースナノファイバーは、アンモニウム、ホスホニウム、スルホニウム等のカチオン、または該カチオンを有する基を分子中に含んでいればよい。カチオン化セルロースナノファイバーは、アンモニウムを有する基を含むことが好ましく、四級アンモニウムを有する基を含むことがより好ましい。
[Cation]
The cationized cellulose nanofiber obtained by cationization may contain a cation such as ammonium, phosphonium, or sulfonium, or a group having the cation in the molecule. The cationized cellulose nanofibers preferably contain a group having ammonium, and more preferably contain a group having quaternary ammonium.

カチオン化の方法は特に限定されないが例えば、セルロース原料にカチオン化剤と触媒を水またはアルコールの存在下で反応させる方法が挙げられる。カチオン化剤としては例えば、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライト(例:3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムハイドライト)またはこれらのハロヒドリン型などが挙げられ、これらのいずれかを用いることで、四級アンモニウムを含む基を有するカチオン化セルロースを得ることができる。触媒としては例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの水酸化アルカリ金属が挙げられる。アルコールとしては例えば、炭素数1〜4のアルコールが挙げられる。カチオン化剤の量は、好ましくはセルロース原料100重量%に対して5重量%以上であり、より好ましくは10重量%以上である。当該量の上限は通常800重量%以下であり、好ましくは500重量%以下である。触媒の量は、好ましくはセルロース繊維100重量%に対して0.5重量%以上であり、より好ましくは1重量%以上である。当該量の上限は通常7重量%以下であり、好ましくは3重量%以下である。アルコールの量は、好ましくはセルロース繊維100重量%に対して50重量%以上であり、より好ましくは100重量%以上である。当該量の上限は通常50000重量%以下であり、好ましくは500重量%以下である。 The cationization method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a cationizing agent and a catalyst are reacted with a cellulose raw material in the presence of water or alcohol. Examples of the cationizing agent include glycidyltrimethylammonium chloride, 3-chloro-2-hydroxypropyltrialkylammonium hydrite (eg, 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium hydrate), and halohydrin forms thereof. By using any of these, cationized cellulose having a group containing quaternary ammonium can be obtained. Examples of the catalyst include alkali metals hydroxide such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. Examples of the alcohol include alcohols having 1 to 4 carbon atoms. The amount of the cationizing agent is preferably 5% by weight or more, more preferably 10% by weight or more, based on 100% by weight of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 800% by weight or less, preferably 500% by weight or less. The amount of the catalyst is preferably 0.5% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, based on 100% by weight of the cellulose fibers. The upper limit of the amount is usually 7% by weight or less, preferably 3% by weight or less. The amount of alcohol is preferably 50% by weight or more, more preferably 100% by weight or more, based on 100% by weight of the cellulose fibers. The upper limit of the amount is usually 50,000% by weight or less, preferably 500% by weight or less.

カチオン化の際の反応温度は通常10℃以上、好ましくは30℃以上であり、上限は通常90℃以下、好ましくは80℃以下である。反応時間は、通常10分以上であり、好ましくは30分以上であり、上限は通常は10時間以下、好ましくは5時間以下である。カチオン化反応の間必要に応じて、反応液を撹拌してもよい。 The reaction temperature during cationization is usually 10 ° C. or higher, preferably 30 ° C. or higher, and the upper limit is usually 90 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower. The reaction time is usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more, and the upper limit is usually 10 hours or less, preferably 5 hours or less. If necessary, the reaction solution may be stirred during the cationization reaction.

カチオン化セルロースのグルコース単位当たりのカチオン置換度は、カチオン化剤の添加量、水またはアルコールの組成比率によって調整することができる。カチオン置換度とは、セルロースを構成する単位構造(グルコピラノース環)あたりの導入された置換基の個数を示す。すなわちカチオン置換度は、「導入された置換基のモル数をグルコピラノース環の水酸基の総モル数で割った値」として定義される。純粋セルロースは単位構造(グルコピラノース環)あたり3個の置換可能な水酸基を有しているため、カチオン置換度の理論最大値は3(最小値は0)である。 The degree of cation substitution per glucose unit of the cationized cellulose can be adjusted by the amount of the cationizing agent added and the composition ratio of water or alcohol. The degree of cation substitution indicates the number of introduced substituents per unit structure (glucopyranose ring) constituting cellulose. That is, the degree of cation substitution is defined as "the value obtained by dividing the number of moles of the introduced substituent by the total number of moles of the hydroxyl groups of the glucopyranose ring". Since pure cellulose has three substitutable hydroxyl groups per unit structure (glucopyranose ring), the theoretical maximum value of the degree of cation substitution is 3 (minimum value is 0).

カチオン化セルロースナノファイバーのグルコース単位当たりのカチオン置換度は、0.01以上が好ましく、0.02以上がより好ましく、0.03以上がさらに好ましい。当該置換度の上限は、0.40以下が好ましく、0.30以下がより好ましく、0.20以下がさらに好ましい。従って、カチオン置換度は0.01〜0.40であることが好ましく、0.02〜0.30がより好ましく、0.03〜0.20がさらに好ましい。セルロースにカチオン置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カチオン置換基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.01以上であることにより、十分にナノ解繊することができる。一方、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.40以下であることにより、膨潤または溶解を抑制することができ、これにより繊維形態を維持することができ、ナノファイバーとして得られない事態を防止することができる。 The degree of cation substitution per glucose unit of the cationized cellulose nanofiber is preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.03 or more. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.40 or less, more preferably 0.30 or less, and even more preferably 0.20 or less. Therefore, the degree of cation substitution is preferably 0.01 to 0.40, more preferably 0.02 to 0.30, and even more preferably 0.03 to 0.20. By introducing a cation substituent into the cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, cellulose into which a cation substituent has been introduced can be easily nano-defibrated. When the degree of cation substitution per glucose unit is 0.01 or more, nano-defibration can be sufficiently performed. On the other hand, when the degree of cation substitution per glucose unit is 0.40 or less, swelling or dissolution can be suppressed, whereby the fiber morphology can be maintained, and a situation that cannot be obtained as nanofibers can be prevented. be able to.

グルコース単位当たりのカチオン置換度の測定方法の一例を以下に説明する。試料(カチオン化セルロース)を乾燥させた後に、全窒素分析計TN−10(三菱化学株式会社製)で窒素含有量を測定する。例えば、カチオン化剤として3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライドを用いた場合、次式によりカチオン化度が算出される。ここでいうカチオン置換度とは、無水グルコース単位1モル当たりの置換基のモル数の平均値である。
カチオン置換度=(162×N)/(1−116×N)
N:カチオン化セルロース1gあたりの窒素含有量(mol)
An example of a method for measuring the degree of cation substitution per glucose unit will be described below. After the sample (cationized cellulose) is dried, the nitrogen content is measured with a total nitrogen analyzer TN-10 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). For example, when 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride is used as the cationizing agent, the degree of cationization is calculated by the following formula. The degree of cation substitution referred to here is an average value of the number of moles of substituents per mole of anhydrous glucose unit.
Degree of substitution = (162 × N) / (1-116 × N)
N: Nitrogen content per 1 g of cationized cellulose (mol)

[エステル化]
エステル化の方法は特に限定されないが、例えばセルロース系原料に対し後述する化合物Aを反応させる方法が挙げられる。セルロース系原料に対し化合物Aを反応させる方法としては、例えば、セルロース系原料に化合物Aの粉末または水溶液を混合する方法、セルロース系原料のスラリーに化合物Aの水溶液を添加する方法等が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高まり、かつエステル化効率が高くなることから、セルロース系原料またはそのスラリーに化合物Aの水溶液を混合する方法が好ましい。
[Esterification]
The method of esterification is not particularly limited, and examples thereof include a method of reacting a cellulose-based raw material with compound A, which will be described later. Examples of the method of reacting compound A with a cellulosic raw material include a method of mixing a powder or an aqueous solution of compound A with a cellulosic raw material, a method of adding an aqueous solution of compound A to a slurry of a cellulosic raw material, and the like. Of these, a method of mixing an aqueous solution of compound A with a cellulosic raw material or a slurry thereof is preferable because the uniformity of the reaction is enhanced and the esterification efficiency is increased.

化合物Aとしては例えば、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸、これらのエステル等が挙げられる。化合物Aは、塩の形態でもよい。上記の中でも、低コストであり、扱いやすく、またパルプ繊維のセルロースにリン酸基を導入して、解繊効率の向上が図れるなどの理由から、リン酸系化合物が好ましい。リン酸系化合物は、リン酸基を有する化合物であればよく、例えば、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウム等が挙げられる。用いられるリン酸系化合物は、これらの1種あるいは2種以上の組み合わせでもよい。これらのうち、リン酸基導入の効率が高く、解繊工程で解繊しやすく、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましく、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムがより好ましい。また、反応の均一性が高まり、かつリン酸基導入の効率が高くなることから、エステル化においてはリン酸系化合物の水溶液を用いることが好ましい。リン酸系化合物の水溶液のpHは、リン酸基導入の効率を高める観点から7以下が好ましく、パルプ繊維の加水分解を抑える観点から3〜7がより好ましい。 Examples of the compound A include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphoric acid, and esters thereof. Compound A may be in the form of a salt. Among the above, a phosphoric acid-based compound is preferable because it is low in cost, easy to handle, and the phosphoric acid group can be introduced into the cellulose of the pulp fiber to improve the defibration efficiency. The phosphoric acid-based compound may be a compound having a phosphoric acid group, for example, phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, diphosphate. Examples thereof include potassium hydrogen hydrogen, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate and the like. .. The phosphoric acid-based compound used may be one kind or a combination of two or more kinds thereof. Of these, from the viewpoints of high efficiency of introducing phosphoric acid groups, easy defibration in the defibration process, and easy industrial application, phosphoric acid, sodium phosphate of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, and phosphoric acid Ammonium salt is preferable, and sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are more preferable. In addition, it is preferable to use an aqueous solution of a phosphoric acid-based compound for esterification because the uniformity of the reaction is enhanced and the efficiency of introducing a phosphoric acid group is increased. The pH of the aqueous solution of the phosphoric acid compound is preferably 7 or less from the viewpoint of increasing the efficiency of introducing the phosphoric acid group, and more preferably 3 to 7 from the viewpoint of suppressing the hydrolysis of the pulp fiber.

エステル化の方法としては例えば、以下の方法が挙げられる。セルロース系原料の懸濁液(例えば、固形分濃度0.1〜10重量%)に化合物Aを撹拌しながら添加し、セルロースにリン酸基を導入する。化合物Aがリン酸系化合物の場合、セルロース系原料を100重量部に対して化合物Aの添加量はリン元素量として、0.2重量部以上が好ましく、1重量部以上がより好ましい。これにより、微細繊維状セルロースの収率をより向上できる。当該量の上限は、500重量部以下が好ましく、400重量部以下がより好ましい。これにより、化合物Aの使用量に見合った収率を効率よく得ることができる。従って、0.2〜500重量部が好ましく、1〜400重量部がより好ましい。 Examples of the esterification method include the following methods. Compound A is added to a suspension of a cellulosic raw material (for example, a solid content concentration of 0.1 to 10% by weight) with stirring to introduce a phosphate group into the cellulose. When the compound A is a phosphoric acid-based compound, the amount of the compound A added is preferably 0.2 parts by weight or more, more preferably 1 part by weight or more, as the amount of phosphorus element with respect to 100 parts by weight of the cellulosic raw material. Thereby, the yield of the fine fibrous cellulose can be further improved. The upper limit of the amount is preferably 500 parts by weight or less, more preferably 400 parts by weight or less. As a result, a yield commensurate with the amount of compound A used can be efficiently obtained. Therefore, 0.2 to 500 parts by weight is preferable, and 1 to 400 parts by weight is more preferable.

セルロース系原料に対し化合物Aを反応させる際、さらに化合物Bを反応系に加えてもよい。化合物Bを反応系に加える方法としては例えば、セルロース系原料のスラリー、化合物Aの水溶液、またはセルロース系原料と化合物Aのスラリーに、添加する方法が挙げられる。化合物Bは特に限定されないが、塩基性であることが好ましく、塩基性を示す窒素含有化合物がより好ましい。「塩基性を示す」とは通常、フェノールフタレイン指示薬の存在下で化合物Bの水溶液が桃〜赤色を呈すること、または化合物Bの水溶液のpHが7より大きいことを意味する。塩基性を示す窒素含有化合物は、本発明の効果を奏する限り特に限定されないが、アミノ基を有する化合物が好ましい。例えば、尿素、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。この中でも低コストで扱いやすい点で、尿素が好ましい。化合物Bの添加量は、2〜1000重量部が好ましく、100〜700重量部がより好ましい。反応温度は0〜95℃が好ましく、30〜90℃がより好ましい。反応時間は特に限定されないが、通常1〜600分程度であり、30〜480分が好ましい。エステル化反応の条件がこれらのいずれかの範囲内であると、セルロースが過度にエステル化されて溶解しやすくなることを防ぐことができ、リン酸エステル化セルロースの収率を向上させることができる。 When the compound A is reacted with the cellulosic raw material, the compound B may be further added to the reaction system. Examples of the method of adding the compound B to the reaction system include a method of adding the compound B to the slurry of the cellulosic raw material, an aqueous solution of the compound A, or a method of adding the compound B to the slurry of the cellulosic raw material and the compound A. Compound B is not particularly limited, but is preferably basic, and a nitrogen-containing compound exhibiting basicity is more preferable. "Exhibiting basicity" usually means that the aqueous solution of Compound B exhibits a pink to red color in the presence of a phenolphthalein indicator, or that the pH of the aqueous solution of Compound B is greater than 7. The nitrogen-containing compound exhibiting basicity is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, but a compound having an amino group is preferable. For example, urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like can be mentioned. Of these, urea is preferable because it is low in cost and easy to handle. The amount of compound B added is preferably 2 to 1000 parts by weight, more preferably 100 to 700 parts by weight. The reaction temperature is preferably 0 to 95 ° C, more preferably 30 to 90 ° C. The reaction time is not particularly limited, but is usually about 1 to 600 minutes, preferably 30 to 480 minutes. When the conditions of the esterification reaction are within any of these ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively esterified and easily dissolved, and it is possible to improve the yield of the phosphate esterified cellulose. ..

セルロース系原料に化合物Aを反応させた後、通常はエステル化セルロース懸濁液が得られる。エステル化セルロース懸濁液は必要に応じて脱水される。脱水後には加熱処理を行うことが好ましい。これにより、セルロース系原料の加水分解を抑えることができる。加熱温度は、100〜170℃が好ましく、加熱処理の際に水が含まれている間は130℃以下(更に好ましくは110℃以下)で加熱し、水を除いた後100〜170℃で加熱処理することがより好ましい。 After reacting compound A with a cellulosic raw material, an esterified cellulose suspension is usually obtained. The esterified cellulose suspension is dehydrated as needed. It is preferable to perform heat treatment after dehydration. As a result, hydrolysis of the cellulosic raw material can be suppressed. The heating temperature is preferably 100 to 170 ° C., and is heated at 130 ° C. or lower (more preferably 110 ° C. or lower) while water is contained during the heat treatment, and then heated at 100 to 170 ° C. after removing the water. It is more preferable to process.

リン酸エステル化セルロースにおいては、セルロース原料にリン酸基置換基が導入されており、セルロース同士が電気的に反発する。そのため、リン酸エステル化セルロースは容易にナノ解繊することができる。リン酸エステル化セルロースのグルコース単位当たりのリン酸基置換度は0.001以上が好ましい。これにより、十分な解繊(例えばナノ解繊)が実施できる。当該置換度の上限は0.60が好ましい。これにより、リン酸エステル化セルロースの膨潤または溶解を防止し、ナノファイバーが得られない事態を防止することができる。従って当該置換度は0.001〜0.60であることが好ましい。リン酸エステル化セルロースは、煮沸後冷水で洗浄する等の洗浄処理がなされることが好ましい。これにより解繊を効率よく行うことができる。 In phosphoric acid esterified cellulose, a phosphate group substituent is introduced into the cellulose raw material, and the celluloses electrically repel each other. Therefore, the phosphate esterified cellulose can be easily nano-defibrated. The degree of phosphoric acid group substitution per glucose unit of the phosphate esterified cellulose is preferably 0.001 or more. As a result, sufficient defibration (for example, nano-defibration) can be carried out. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.60. As a result, it is possible to prevent the swelling or dissolution of the phosphate esterified cellulose and prevent the situation where nanofibers cannot be obtained. Therefore, the degree of substitution is preferably 0.001 to 0.60. It is preferable that the phosphoric acid esterified cellulose is subjected to a washing treatment such as washing with cold water after boiling. As a result, defibration can be performed efficiently.

[解繊]
セルロース原料の解繊は、セルロース原料に化学変性を施す前に行ってもよいし、後に行ってもよい。解繊処理は1回行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回の場合それぞれの解繊の時期はいつでもよい。
[Defibration]
The defibration of the cellulose raw material may be carried out before or after the chemical modification of the cellulose raw material. The defibration treatment may be performed once or a plurality of times. In the case of multiple times, the time of each defibration may be any time.

解繊に用いる装置は特に限定されないが、例えば、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などのタイプの装置が挙げられ、高圧または超高圧ホモジナイザーが好ましく、湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーがより好ましい。装置は、セルロース原料または変性セルロース(通常は分散液)に強力なせん断力を印加できることが好ましい。装置が印加できる圧力は、50MPa以上が好ましく、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。装置は、セルロース原料又は変性セルロース(通常は分散液)に上記圧力を印加することができかつ強力なせん断力を印加できる、湿式の高圧または超高圧ホモジナイザーが好ましい。これにより、解繊を効率的に行うことができる。 The device used for defibration is not particularly limited, and examples thereof include high-speed rotary type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, ultrasonic type and the like, and a high pressure or ultrahigh pressure homogenizer is preferable, and a wet high pressure type is preferable. Alternatively, an ultrahigh pressure homogenizer is more preferable. The apparatus preferably can apply a strong shearing force to the cellulose raw material or modified cellulose (usually a dispersion). The pressure that can be applied by the device is preferably 50 MPa or more, more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more. The apparatus is preferably a wet high-pressure or ultra-high-pressure homogenizer capable of applying the above pressure to a cellulose raw material or modified cellulose (usually a dispersion) and applying a strong shearing force. As a result, defibration can be performed efficiently.

解繊をセルロース原料の分散体に対して行う場合、分散体中のセルロース原料の固形分濃度は、通常は0.1重量%以上、好ましくは0.2重量%以上、より好ましくは0.3重量%以上である。これにより、セルロース繊維原料の量に対する液量が適量となり効率的になる。当該濃度の上限は通常10重量%以下、好ましくは6重量%以下である。これにより流動性を保持することができる。 When defibration is performed on a dispersion of a cellulose raw material, the solid content concentration of the cellulose raw material in the dispersion is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.2% by weight or more, more preferably 0.3. Weight% or more. As a result, the amount of the liquid becomes appropriate with respect to the amount of the cellulose fiber raw material, and the efficiency becomes high. The upper limit of the concentration is usually 10% by weight or less, preferably 6% by weight or less. This makes it possible to maintain liquidity.

解繊(好ましくは高圧ホモジナイザーでの解繊)、または必要に応じて解繊前に行う分散処理に先立ち、必要に応じて予備処理を行ってもよい。予備処理は、高速せん断ミキサーなどの混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて行えばよい。 Pre-treatment may be performed, if necessary, prior to defibration (preferably defibration with a high-pressure homogenizer) or, if necessary, a dispersion treatment before defibration. The pretreatment may be performed using a mixing, stirring, emulsifying, or dispersing device such as a high-speed shear mixer.

[混合に供されるセルロース系繊維の形態]
ゴム成分と混合されるセルロース系繊維の形態は特に限定されない。例えば、セルロース系繊維が分散媒に分散した分散液、当該分散液の乾燥固形物、当該分散液の湿潤固形物を混合に供してよい。分散液におけるセルロース系繊維の濃度は、分散媒が水である場合は0.1〜5%(w/v)とすることができる。分散媒が水の他にアルコール等の有機溶媒を含む場合は、前記濃度を0.1〜20%(w/v)とすることができる。湿潤固形物とは、前記分散液と乾燥固形物との中間の態様の固形物である。前記分散液を通常の方法で脱水して得た湿潤固形物中の分散媒の量はセルロース系繊維に対して5〜15重量%であることが好ましいが、液状媒体の追加またはさらなる乾燥により分散媒の量は適宜調整できる。
[Form of cellulosic fibers to be mixed]
The form of the cellulosic fiber mixed with the rubber component is not particularly limited. For example, a dispersion in which cellulosic fibers are dispersed in a dispersion medium, a dry solid of the dispersion, and a wet solid of the dispersion may be mixed. The concentration of the cellulosic fibers in the dispersion can be 0.1 to 5% (w / v) when the dispersion medium is water. When the dispersion medium contains an organic solvent such as alcohol in addition to water, the concentration can be 0.1 to 20% (w / v). The wet solid matter is a solid matter having an intermediate aspect between the dispersion liquid and the dry solid matter. The amount of the dispersion medium in the wet solid obtained by dehydrating the dispersion liquid by a usual method is preferably 5 to 15% by weight based on the cellulosic fibers, but is dispersed by adding a liquid medium or further drying. The amount of medium can be adjusted as appropriate.

また、セルロース系繊維と水溶性高分子溶液との混合液、混合液の乾燥固形物、混合液の湿潤固形物などを使用できる。当該混合液および乾燥固形物における液状媒体の量は、前述の範囲であってよい。水溶性高分子としては例えば、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、エチルセルロース)、キサンタンガム、キシログルカン、デキストリン、デキストラン、カラギーナン、ローカストビーンガム、アルギン酸、アルギン酸塩、プルラン、澱粉、かたくり粉、クズ粉、陽性澱粉、燐酸化澱粉、コーンスターチ、アラビアガム、ローカストビーンガム、ジェランガム、ゲランガム、ポリデキストロース、ペクチン、キチン、水溶性キチン、キトサン、カゼイン、アルブミン、大豆蛋白溶解物、ペプトン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ソーダ、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリアミノ酸、ポリ乳酸、ポリリンゴ酸、ポリグリセリン、ラテックス、ロジン系サイズ剤、石油樹脂系サイズ剤、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミド・ポリアミン樹脂、ポリエチレンイミン、ポリアミン、植物ガム、ポリエチレンオキサイド、親水性架橋ポリマー、ポリアクリル酸塩、でんぷんポリアクリル酸共重合体、タマリンドガム、ジェランガム、ペクチン、グァーガム、およびコロイダルシリカ、ならびにこれらの混合物が挙げられる。この中でも溶解性の点から、カルボキシメチルセルロースおよびその塩を用いることが相好ましい。 Further, a mixed solution of a cellulosic fiber and a water-soluble polymer solution, a dry solid of the mixed solution, a wet solid of the mixed solution, and the like can be used. The amount of the liquid medium in the mixed solution and the dry solid may be in the above range. Examples of the water-soluble polymer include cellulose derivatives (carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, ethyl cellulose), xanthan gum, xyloglucan, dextrin, dextran, carrageenan, locust bean gum, alginic acid, alginate, purulan, starch, shavings, and waste. Powder, Positive Starch, Phosphorescent Starch, Corn Starch, Arabian Gum, Locust Bean Gum, Gellan Gum, Gellan Gum, Polydexstrose, Pectin, Chitin, Water Soluble Chitin, Chitosan, Casein, Albumin, Soy Protein Dissolved, Peptone, Polyvinyl Alcohol, Poly Acrylamide, sodium polyacrylic acid, polyvinylpyrrolidone, vinyl acetate, polyamino acid, polylactic acid, polyapple acid, polyglycerin, latex, rosin-based sizing agent, petroleum resin-based sizing agent, urea resin, melamine resin, epoxy resin, polyamide resin , Polyamide / polyamine resin, polyethyleneimine, polyamine, vegetable gum, polyethylene oxide, hydrophilic cross-linked polymer, polyacrylic acid salt, starch polyacrylic acid copolymer, tamarind gum, gellan gum, pectin, guar gum, and colloidal silica, and these. The mixture of. Among these, from the viewpoint of solubility, it is preferable to use carboxymethyl cellulose and a salt thereof.

前記乾燥固形物および湿潤固形物は、セルロース系繊維の分散液またはセルロース系繊維と水溶性高分子の混合液を乾燥して調製できる。乾燥方法は特に限定されないが、例えば、スプレードライ、圧搾、風乾、熱風乾燥、または真空乾燥が挙げられる。乾燥装置としては例えば、連続式のトンネル乾燥装置、バンド乾燥装置、縦型乾燥装置、垂直ターボ乾燥装置、多重段円板乾燥装置、通気乾燥装置、回転乾燥装置、気流乾燥装置、スプレードライヤ乾燥装置、噴霧乾燥装置、円筒乾燥装置、ドラム乾燥装置、スクリューコンベア乾燥装置、加熱管付回転乾燥装置、振動輸送乾燥装置等、回分式の箱型乾燥装置、通気乾燥装置、真空箱型乾燥装置、または撹拌乾燥装置等が挙げられる。これらの乾燥装置は、単独で用いてもよいし、2つ以上を組合せて用いてもよい。ドラム乾燥装置は、均一に被乾燥物に熱エネルギーを直接供給することができるのでエネルギー効率が高く、かつ必要以上に熱を加えずに直ちに乾燥物を回収することができるので好ましい。 The dry solid and the wet solid can be prepared by drying a dispersion of cellulosic fibers or a mixed solution of cellulosic fibers and a water-soluble polymer. The drying method is not particularly limited, and examples thereof include spray drying, pressing, air drying, hot air drying, and vacuum drying. Examples of the drying device include a continuous tunnel drying device, a band drying device, a vertical drying device, a vertical turbo drying device, a multi-stage disk drying device, an aeration drying device, a rotary drying device, an air flow drying device, and a spray dryer drying device. , Spray drying device, Cylindrical drying device, Drum drying device, Screw conveyor drying device, Rotating drying device with heating tube, Vibration transport drying device, etc., batch type box drying device, aeration drying device, vacuum box drying device, or Examples include a stirring and drying device. These drying devices may be used alone or in combination of two or more. The drum drying device is preferable because it can uniformly supply heat energy directly to the object to be dried, so that it has high energy efficiency and can immediately recover the dried object without applying heat more than necessary.

3)他の配合剤
本工程(a1)においては、ゴム成分とセルロール系繊維に加えて、他の配合剤を混合してもよい。他の配合剤としては、スルフェンアミド(N−t−ブチル−2−ベンゾチアゾールスルフェンアミド等)、酸化亜鉛、ステアリン酸等の加硫促進剤、加硫促進助剤、カーボンブラック、シリカ等の補強剤、シランカップリング剤、オイル、硬化レジン、ワックス、老化防止剤、しゃく解剤、着色剤、pH調整剤などゴムの分野で使用可能なものが挙げられる。本工程(a1)で得られる混合物は加熱工程(b1)に供される。後述するように加熱工程においてはゴム成分の架橋が進行しないように条件が調整されるが、当該条件の自由度を高める観点から本工程において架橋剤は混合しないことが好ましい。
3) Other compounding agents In this step (a1), other compounding agents may be mixed in addition to the rubber component and the cellulosic fiber. Other compounding agents include sulfenamide (Nt-butyl-2-benzothiazolesulfenamide, etc.), zinc oxide, stearic acid and other vulcanization accelerators, vulcanization accelerator aids, carbon black, silica and the like. Reinforcing agents, silane coupling agents, oils, hardened resins, waxes, anti-aging agents, vulcanizing agents, colorants, pH regulators, etc. that can be used in the field of rubber. The mixture obtained in this step (a1) is subjected to the heating step (b1). As will be described later, the conditions are adjusted so that the cross-linking of the rubber component does not proceed in the heating step, but it is preferable that the cross-linking agent is not mixed in this step from the viewpoint of increasing the degree of freedom of the conditions.

4)ろ過
セルロース系繊維としてセルロースナノファイバーを使用する場合、当該セルロースナノファイバー中には解繊が不十分なことによる未解繊繊維等の異物が存在することがある。異物を含んだままゴム組成物とすると異物等を起点としてゴム組成物が破断しやすくなり、強度の低下等が生じることがある。このため、工程(a1)におけるセルロース系繊維として、セルロースナノファイバー分散液をろ過して得た分散液またはこれから単離したセルロースナノファイバーを用いてもよい。ろ過に関しては、特願2016−136722に記載の内容を本発明において援用する。
4) Filtration When cellulose nanofibers are used as cellulosic fibers, foreign substances such as undefibrated fibers may be present in the cellulose nanofibers due to insufficient defibration. If the rubber composition contains foreign matter, the rubber composition is likely to break from the foreign matter or the like as a starting point, and the strength may decrease. Therefore, as the cellulosic fiber in the step (a1), the dispersion obtained by filtering the cellulose nanofiber dispersion or the cellulose nanofiber isolated from the dispersion may be used. Regarding filtration, the contents described in Japanese Patent Application No. 2016-136722 are incorporated in the present invention.

(2)工程(b1)
本工程では、前記混合物を100〜300℃の条件下で5〜600分加熱する。この加熱処理によってセルロース系繊維とゴム成分の相溶性が向上する。相溶性が向上するメカニズムは限定されないが、加熱によってセルロース系繊維の表面が変性されて疎水性を帯びることによると推察される。温度が100℃未満であるとこの効果が十分に発現せず、300℃を超えるとゴム成分等が劣化する。この観点から、加熱温度の下限は105℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましく、120℃以上がさらに好ましい。加熱温度の下限は200℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましい。同様に加熱時間が5分未満であるとこの効果が十分に発現せず、600分を超えるとゴム成分等が劣化する。この観点から、加熱時間は5〜300分が好ましく、10〜120分がより好ましく、15〜70分がさらに好ましい。ただし、本工程の加熱温度および時間はゴム成分の架橋反応が進行しないように選択される。
(2) Step (b1)
In this step, the mixture is heated under the condition of 100-300 ° C. for 5-600 minutes. This heat treatment improves the compatibility between the cellulosic fiber and the rubber component. The mechanism by which the compatibility is improved is not limited, but it is presumed that the surface of the cellulosic fiber is modified by heating to become hydrophobic. If the temperature is less than 100 ° C., this effect is not sufficiently exhibited, and if the temperature exceeds 300 ° C., the rubber component and the like deteriorate. From this viewpoint, the lower limit of the heating temperature is preferably 105 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, and even more preferably 120 ° C. or higher. The lower limit of the heating temperature is preferably 200 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or lower. Similarly, if the heating time is less than 5 minutes, this effect is not sufficiently exhibited, and if it exceeds 600 minutes, the rubber component and the like deteriorate. From this point of view, the heating time is preferably 5 to 300 minutes, more preferably 10 to 120 minutes, still more preferably 15 to 70 minutes. However, the heating temperature and time of this step are selected so that the cross-linking reaction of the rubber component does not proceed.

加熱処理は例えば通風オーブン等の公知の装置を用いて行える。加熱雰囲気は、酸素存在であってもよいし不存在下であってもよい。また、加熱雰囲気の圧力は常圧(1気圧)下であることが好ましい。 The heat treatment can be performed using a known device such as a ventilation oven. The heating atmosphere may be in the presence or absence of oxygen. Further, the pressure of the heating atmosphere is preferably under normal pressure (1 atm).

(3)乾燥工程
前述のとおり、工程(a1)で得た混合物には、ゴム成分を分散媒に分散させた分散液または溶媒に溶解した溶液、あるいはセルロース系繊維を分散媒に分散させた分散液等に由来する液状媒体が存在する場合があるので、工程(b1)の前にこれを除去することが好ましい。具体的には混合物を乾燥して液状媒体を除去することが好ましい。乾燥温度は50〜80℃が好ましい。乾燥時間は適宜調整してよい。乾燥後の混合物は絶乾状態でもよいが、ゴム成分とセルロース系繊維の合計量に対して10重量%以下の液状媒体を含んでいてもよい。また、上記以外の液状媒体を除去する方法としては、特に制限されず従来公知の方法で行うことができる。例えば、酸や塩を添加することにより混合物を凝固させ、脱水、洗浄して乾燥する方法が挙げられる。
(3) Drying Step As described above, in the mixture obtained in the step (a1), a dispersion liquid in which the rubber component is dispersed in a dispersion medium, a solution dissolved in a solvent, or a dispersion in which cellulosic fibers are dispersed in a dispersion medium. Since there may be a liquid medium derived from a liquid or the like, it is preferable to remove it before the step (b1). Specifically, it is preferable to dry the mixture to remove the liquid medium. The drying temperature is preferably 50 to 80 ° C. The drying time may be adjusted as appropriate. The mixture after drying may be in an absolutely dry state, but may contain a liquid medium of 10% by weight or less based on the total amount of the rubber component and the cellulosic fiber. Further, the method for removing the liquid medium other than the above is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a method of coagulating the mixture by adding an acid or a salt, dehydrating, washing and drying can be mentioned.

(4)工程(c1)
本工程では工程(b1)で得た混合物と、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物(便宜上、前者を「MA化合物」、後者を「MD化合物」、両者を合わせて「MA/MD化合物」ということがある)とを混合する。メチレンアクセプター化合物(MA化合物)とは、メチレン基を受容でき、かつメチレンドナー化合物と混合して加熱することにより重合体を形成し得る化合物である。メチレンアクセプター化合物としては例えば、フェノール、レゾルシノール、レゾルシン、クレゾールなどのフェノール化合物およびその誘導体、レゾルシン系樹脂、クレゾール系樹脂、フェノール樹脂が挙げられる。フェノール樹脂としては例えば、上記フェノール化合物およびその誘導体とホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド化合物との縮合物が挙げられる。フェノール樹脂は、縮合の際の触媒によりノボラック樹脂(酸性触媒)、レゾール樹脂(アルカリ性触媒)に分類できるが、本発明においてはいずれを使用してもよい。フェノール樹脂は、オイルまたは脂肪酸で変性されていてもよい。オイルおよび脂肪酸としては例えば、ロジン油、トール油、カシュー油、リノール酸、オレイン酸、リノレイン酸などが挙げられる。
(4) Step (c1)
In this step, the mixture obtained in step (b1), the methylene acceptor compound and the methylene donor compound (for convenience, the former is referred to as "MA compound", the latter is referred to as "MD compound", and both are collectively referred to as "MA / MD compound". There is) and mix. The methylene acceptor compound (MA compound) is a compound that can accept a methylene group and can form a polymer by mixing with a methylene donor compound and heating. Examples of the methylene acceptor compound include phenol compounds such as phenol, resorcinol, resorcin, and cresol and derivatives thereof, resorcin-based resins, cresol-based resins, and phenol resins. Examples of the phenol resin include a condensate of the above-mentioned phenol compound and its derivative and an aldehyde compound such as formaldehyde and acetaldehyde. The phenol resin can be classified into a novolak resin (acid catalyst) and a resol resin (alkaline catalyst) depending on the catalyst at the time of condensation, and any of them may be used in the present invention. The phenolic resin may be modified with oil or fatty acid. Examples of oils and fatty acids include rosin oil, tall oil, cashew oil, linoleic acid, oleic acid, linoleic acid and the like.

メチレンドナー化合物(MD化合物)とは、メチレン基を供与でき、かつメチレンアクセプター化合物と混合して加熱することにより重合体を形成し得る化合物である。メチレンアクセプター化合物としては例えば、ヘキサメチレンテトラミン、メラミン誘導体が挙げられる。メラミン誘導体としては例えば、ヘキサメチロールメラミン、ヘキサメトキシメチルメラミン、ペンタメトキシメチルメラミン、ペンタメトキシメチロールメラミン、ヘキサエトキシメチルメラミン、ヘキサキス−(メトキシメチル)メラミン等が挙げられる。 The methylene donor compound (MD compound) is a compound that can donate a methylene group and can form a polymer by mixing with a methylene acceptor compound and heating. Examples of the methylene acceptor compound include hexamethylenetetramine and melamine derivatives. Examples of the melamine derivative include hexamethylol melamine, hexamethoxymethyl melamine, pentamethoxymethyl melamine, pentamethoxymethylol melamine, hexaethoxymethyl melamine, hexaxyl- (methoxymethyl) melamine and the like.

MA化合物とMD化合物の組み合わせとしては例えば、クレゾール、クレゾール誘導体またはクレゾール系樹脂とペンタメトキシメチルメラミンとの組み合わせ、レゾルシン、レゾルシン誘導体またはレゾルシン系樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせ、カシュー変性フェノール樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせ、フェノール樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせが挙げられる。中でもクレゾール、クレゾール誘導体またはクレゾール系樹脂とペンタメトキシメチルメラミンとの組み合わせ、レゾルシン、レゾルシン誘導体またはレゾルシン系樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせが好ましい。 Examples of the combination of the MA compound and the MD compound include a combination of cresol, a cresol derivative or a cresol resin and pentamethoxymethylmelamine, a combination of resorcin, a resorcin derivative or a resorcin resin and hexamethylenetetramine, and a cashew-modified phenol resin and hexa. Examples include a combination with methylenetetramine and a combination of phenol resin and hexamethylenetetramine. Of these, a combination of cresol, cresol derivative or cresol resin and pentamethoxymethylmelamine, or a combination of resorcin, resorcin derivative or resorcin resin and hexamethylenetetramine is preferable.

MA化合物の含有量は、ゴム成分100重量%に対して1重量%が好ましく、1.3重量%以上がより好ましく、1.5重量%以上がさらに好ましい。これにより引張強度の向上効果が十分に発現し得る。上限は、50重量%以下が好ましく、20重量%以下が好ましく、10重量%以下がさらに好ましい。これにより、製造工程における加工性を保持することができる。従って、前記含有量は1〜50重量%が好ましく、1.3〜20がより好ましく、1.5〜10がさらに好ましい。 The content of the MA compound is preferably 1% by weight, more preferably 1.3% by weight or more, still more preferably 1.5% by weight or more, based on 100% by weight of the rubber component. As a result, the effect of improving the tensile strength can be sufficiently exhibited. The upper limit is preferably 50% by weight or less, preferably 20% by weight or less, and even more preferably 10% by weight or less. As a result, workability in the manufacturing process can be maintained. Therefore, the content is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 1.3 to 20, and even more preferably 1.5 to 10.

MD化合物の含有量は、MA化合物100重量%に対して10重量%が好ましく、20重量%以上がより好ましく、25重量%以上がさらに好ましい。これにより引張強度の向上効果が十分に発現し得る。上限は、100重量%以下が好ましく、90重量%以下が好ましく、85重量%以下がさらに好ましい。これにより、製造工程における加工性を保持することができる。従って、前記含有量は10〜100重量%が好ましく、20〜90重量%がより好ましく、25〜85重量%がさらに好ましい。 The content of the MD compound is preferably 10% by weight, more preferably 20% by weight or more, still more preferably 25% by weight or more, based on 100% by weight of the MA compound. As a result, the effect of improving the tensile strength can be sufficiently exhibited. The upper limit is preferably 100% by weight or less, preferably 90% by weight or less, and even more preferably 85% by weight or less. As a result, workability in the manufacturing process can be maintained. Therefore, the content is preferably 10 to 100% by weight, more preferably 20 to 90% by weight, still more preferably 25 to 85% by weight.

MA/MD化合物をマスターバッチ組成物へ添加する方法は限定されないが、溶媒を用いることなく添加することが好ましい。例えばMA/MD化合物とマスターバッチ組成物を混練することによってこれらを混合できる。混練時の温度は前記化合物の反応が過度に進行しない観点から20〜80℃が好ましい。また、マスターバッチ組成物に架橋剤等の添加剤を混練りした後に架橋することによりゴム組成物を形成できるが、当該混練りにおいてMA/MD化合物を添加することが好ましい。混練りとはマスターバッチ中に、架橋剤や他の配合剤を均一に分散させる工程である。混練りは公知のとおりに行ってよく、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、オープンロールなどを用いて実施できる。架橋剤としては硫黄や過酸化物が挙げられる。他の配合剤としては、スルフェンアミド(N−t−ブチル−2−ベンゾチアゾールスルフェンアミド等)、酸化亜鉛、ステアリン酸等の加硫促進剤、加硫促進助剤、カーボンブラック、シリカ等の補強剤、シランカップリング剤、オイル、硬化レジン、ワックス、老化防止剤、しゃく解剤、着色剤、pH調整剤などゴムの分野で使用可能なものが挙げられる。他の配合剤をマスターバッチに添加することもできる。また、マスターバッチに、架橋剤とともにさらにゴム成分を加えて混練りを行い、セルロース系繊維濃度を希釈することもできる。 The method of adding the MA / MD compound to the masterbatch composition is not limited, but it is preferable to add the MA / MD compound without using a solvent. These can be mixed, for example, by kneading the MA / MD compound and the masterbatch composition. The temperature at the time of kneading is preferably 20 to 80 ° C. from the viewpoint that the reaction of the compound does not proceed excessively. Further, a rubber composition can be formed by kneading an additive such as a cross-linking agent into the masterbatch composition and then cross-linking, but it is preferable to add the MA / MD compound in the kneading. Kneading is a step of uniformly dispersing a cross-linking agent and other compounding agents in a masterbatch. The kneading may be carried out as known, and may be carried out using, for example, a Banbury mixer, a kneader, an open roll or the like. Examples of the cross-linking agent include sulfur and peroxide. Other compounding agents include sulfenamide (Nt-butyl-2-benzothiazolesulfenamide, etc.), zinc oxide, stearic acid and other vulcanization accelerators, vulcanization accelerator aids, carbon black, silica and the like. Reinforcing agents, silane coupling agents, oils, hardened resins, waxes, anti-aging agents, vulcanizing agents, colorants, pH regulators, etc. that can be used in the field of rubber. Other formulations can also be added to the masterbatch. It is also possible to dilute the cellulosic fiber concentration by kneading the masterbatch by adding a rubber component together with a cross-linking agent.

混練りの温度は、常温程度(15〜30℃程度)でよいが、ゴム成分が架橋反応しない程度に高温に加熱してもよい。例えば温度の上限は140℃以下、より好ましくは100℃である。温度の下限は15℃以上、好ましくは20℃以上である。従って混練りの温度は、15〜140℃程度が好ましく、20〜100℃程度がより好ましい。 The temperature of the kneading may be about room temperature (about 15 to 30 ° C.), but it may be heated to a high temperature so that the rubber component does not undergo a crosslinking reaction. For example, the upper limit of the temperature is 140 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. The lower limit of the temperature is 15 ° C. or higher, preferably 20 ° C. or higher. Therefore, the kneading temperature is preferably about 15 to 140 ° C, more preferably about 20 to 100 ° C.

混合終了後に、必要に応じて成形を行ってもよい。成形装置としては、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等が挙げられ、最終製品の形状、用途、成形方法に応じて適宜選択すればよい。 After the mixing is completed, molding may be performed if necessary. Examples of the molding apparatus include mold molding, injection molding, extrusion molding, hollow molding, foam molding and the like, which may be appropriately selected according to the shape, application and molding method of the final product.

架橋反応が進む条件であれば、架橋のための加熱温度は特に限定されない。加熱温度の下限は140℃以上が好ましく、上限は200℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましい。従って、加熱温度は140〜200℃程度が好ましく、140〜180℃程度がより好ましい。架橋には、例えば、型加硫、缶加硫、連続加硫等を行う加硫装置を使用できる。本発明のゴム組成物はセルロースナノファイバーを含まない組成物に比べて架橋反応が速やかに進行する傾向にある。この理由は限定されないが、セルロースナノファイバー中のカルボキシル基等の官能基が架橋反応を促進するためではないかと推察される。 The heating temperature for crosslinking is not particularly limited as long as the crosslinking reaction proceeds. The lower limit of the heating temperature is preferably 140 ° C. or higher, the upper limit is preferably 200 ° C. or lower, and more preferably 180 ° C. or lower. Therefore, the heating temperature is preferably about 140 to 200 ° C, more preferably about 140 to 180 ° C. For cross-linking, for example, a vulcanizer that performs mold vulcanization, can vulcanization, continuous vulcanization, and the like can be used. The rubber composition of the present invention tends to undergo a rapid cross-linking reaction as compared with a composition containing no cellulose nanofibers. The reason for this is not limited, but it is speculated that functional groups such as carboxyl groups in the cellulose nanofibers promote the cross-linking reaction.

架橋後、最終製品とする前に、必要に応じ仕上げ処理を行ってもよい。仕上げ処理としては例えば、研磨、表面処理、リップ仕上げ、リップ裁断、塩素処理などが挙げられ、これらの処理のうち1つのみを行ってもよいし2つ以上の組み合わせであってもよい。 If necessary, a finishing treatment may be performed after the cross-linking and before the final product. Examples of the finishing treatment include polishing, surface treatment, lip finishing, lip cutting, chlorine treatment and the like, and only one of these treatments may be performed or a combination of two or more thereof may be performed.

2.第2のマスターバッチの製造方法
第2のマスターバッチの製造方法は、(a2)ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物、およびメチレンドナー化合物を含む混合物を準備する工程、ならびに(b2)前記混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程を含む。
2. 2. Method for Producing Second Master Batch The method for producing the second master batch is a step of preparing a mixture containing (a2) a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound, and (b2) the above. It comprises heating the mixture at 100-300 ° C. for 5-600 minutes.

(1)工程(a2)
本工程では、ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物(MA化合物)、およびメチレンドナー化合物(MD化合物)を含む混合物を準備する。ゴム成分、セルロース系繊維、MA/MD化合物、およびこれらの配合量については、第1の製造方法で述べたとおりである。
本工程は、以下の態様で実施することができる。
態様1:ゴム成分とセルロース系繊維との混合物と、MA/MD化合物とを混合する。
態様2:ゴム成分とMA/MD化合物との混合物と、セルロース系繊維とを混合する。
態様3:セルロース系繊維とMA/MD化合物との混合物と、ゴム成分とを混合する。
態様4:ゴム成分とMA化合物またはMD化合物の一方の化合物との混合物と、セルロース系繊維と他方の化合物の混合物とを混合する。
態様5:ゴム成分、セルロース系繊維、MA/MD化合物を混合する。
(1) Step (a2)
In this step, a mixture containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound (MA compound), and a methylene donor compound (MD compound) is prepared. The rubber component, the cellulosic fiber, the MA / MD compound, and the blending amount thereof are as described in the first production method.
This step can be carried out in the following aspects.
Aspect 1: A mixture of a rubber component and a cellulosic fiber and a MA / MD compound are mixed.
Aspect 2: A mixture of a rubber component and a MA / MD compound and a cellulosic fiber are mixed.
Aspect 3: A mixture of a cellulosic fiber and an MA / MD compound and a rubber component are mixed.
Aspect 4: A mixture of a rubber component and one compound of an MA compound or an MD compound and a mixture of a cellulosic fiber and the other compound are mixed.
Aspect 5: A rubber component, a cellulosic fiber, and a MA / MD compound are mixed.

i)態様1
ゴム成分とセルロース系繊維との混合物との混合物は第1の製造方法の工程(a1)と同様にして調製できる。この混合物とMA/MD化合物を混合する方法は限定されない。例えば、液状媒体を含むゴム成分とセルロース系繊維との混合物に、溶媒に溶解もしくは分散媒に分散したMA/MD化合物あるいは溶媒を用いずにMA/MD化合物を添加することができる。この場合、工程(b2)を実施する前に混合物から液状媒体を除去することが好ましい。MA化合物の溶液もしくは分散液およびMD化合物の溶液もしくは分散液の濃度は、それぞれ5〜20重量%程度が好ましい。溶媒または分散媒としては、水、アルコール等の親水性溶媒が好ましい。
i) Aspect 1
The mixture of the rubber component and the cellulosic fiber can be prepared in the same manner as in the step (a1) of the first production method. The method of mixing this mixture with the MA / MD compound is not limited. For example, the MA / MD compound dissolved in a solvent or dispersed in a dispersion medium or the MA / MD compound can be added to a mixture of a rubber component containing a liquid medium and a cellulosic fiber without using a solvent. In this case, it is preferable to remove the liquid medium from the mixture before performing step (b2). The concentrations of the MA compound solution or dispersion and the MD compound solution or dispersion are preferably about 5 to 20% by weight, respectively. As the solvent or dispersion medium, a hydrophilic solvent such as water or alcohol is preferable.

ii)態様2
ゴム成分とMA/MD化合物との混合物は、ゴム成分を分散媒に分散させた分散液または溶媒に溶解した溶液に、溶媒に溶解もしくは分散媒に分散したMA/MD化合物あるいは溶媒を用いずにMA/MD化合物を添加することで調製できる。当該混合物とセルロース系繊維との混合物は第1の製造方法の工程(a1)と同様にして調製できる。この場合、工程(b2)を実施する前に混合物から液状媒体を除去することが好ましい。MA化合物の溶液およびMD化合物の溶液もしくは分散液の濃度は態様1と同様である。
ii) Aspect 2
The mixture of the rubber component and the MA / MD compound is prepared by dissolving the rubber component in a dispersion medium or a solution dissolved in a solvent without using the MA / MD compound or the solvent dissolved in the solvent or dispersed in the dispersion medium. It can be prepared by adding a MA / MD compound. The mixture of the mixture and the cellulosic fiber can be prepared in the same manner as in the step (a1) of the first production method. In this case, it is preferable to remove the liquid medium from the mixture before performing step (b2). The concentrations of the MA compound solution and the MD compound solution or dispersion are the same as in Aspect 1.

iii)態様3
セルロース系繊維とMA/MD化合物との混合物は、セルロース系繊維分散液に溶媒に溶解もしくは分散媒に分散したMA/MD化合物あるいは溶媒を用いずにMA/MD化合物を添加することで調製できる。当該混合物とゴム成分との混合物は第1の製造方法の工程(a1)と同様にして調製できる。この場合、工程(b2)を実施する前に混合物から液状媒体を除去することが好ましい。MA化合物の溶液もしくは分散液およびMD化合物の溶液もしくは分散液の濃度は態様1と同様である。
iii) Aspect 3
A mixture of the cellulosic fiber and the MA / MD compound can be prepared by adding the MA / MD compound dissolved in the solvent or dispersed in the dispersion medium to the cellulosic fiber dispersion or the MA / MD compound without using the solvent. The mixture of the mixture and the rubber component can be prepared in the same manner as in the step (a1) of the first production method. In this case, it is preferable to remove the liquid medium from the mixture before performing step (b2). The concentrations of the solution or dispersion of the MA compound and the solution or dispersion of the MD compound are the same as those in the first aspect.

iv)態様4
ゴム成分とMA化合物との混合物は、ゴム成分を分散媒に分散させた分散液または溶媒に溶解した溶液に、溶媒に溶解もしくは分散媒に分散したMA化合物あるいは溶媒を用いずにMA化合物を添加することで調製できる。セルロース系繊維とMD化合物との混合物は、セルロース系繊維分散液に溶媒に溶解もしくは分散媒に分散したMD化合物あるいは溶媒を用いずにMD化合物を添加することで調製できる。第1の製造方法の工程(a1)と同様にして2つの混合物をさらに混合できる。MA化合物とMD化合物を入れ替えた場合も同様である。工程(b2)を実施する前に混合物から液状媒体を除去することが好ましい。MA化合物の溶液もしくは分散液およびMD化合物の溶液もしくは分散液の濃度は態様1と同様である。
iv) Aspect 4
For the mixture of the rubber component and the MA compound, the MA compound dissolved in the solvent or dispersed in the dispersion medium or the MA compound is added to the dispersion liquid in which the rubber component is dispersed in the dispersion medium or the solution dissolved in the solvent. Can be prepared by The mixture of the cellulosic fiber and the MD compound can be prepared by adding the MD compound dissolved in the solvent or dispersed in the dispersion medium or the MD compound to the cellulosic fiber dispersion without using the solvent. The two mixtures can be further mixed in the same manner as in the step (a1) of the first production method. The same applies when the MA compound and the MD compound are replaced. It is preferable to remove the liquid medium from the mixture before performing step (b2). The concentrations of the solution or dispersion of the MA compound and the solution or dispersion of the MD compound are the same as those in the first aspect.

v)態様5
本態様では、ゴム成分、セルロース系繊維、MA/MD化合物を同時に混合する。混合は液体媒体存在下で行うことが好ましい。液体媒体は、ゴム成分の分散液または溶液、セルロースナノファイバー分散液、MA化合物溶液または分散液、あるいはMD化合物溶液または分散液に由来するものであってよい。
v) Aspect 5
In this embodiment, the rubber component, the cellulosic fiber, and the MA / MD compound are mixed at the same time. The mixing is preferably carried out in the presence of a liquid medium. The liquid medium may be derived from a rubber component dispersion or solution, a cellulose nanofiber dispersion, an MA compound solution or dispersion, or an MD compound solution or dispersion.

本工程で得られる混合物は前述の配合剤を含むことができる。しかし加熱工程での架橋反応の進行を抑制する観点から、本工程で得られる混合物は架橋剤を含まないことが好ましい。 The mixture obtained in this step can contain the above-mentioned compounding agent. However, from the viewpoint of suppressing the progress of the crosslinking reaction in the heating step, it is preferable that the mixture obtained in this step does not contain a crosslinking agent.

(2)工程(b2)
工程(b2)は第1の製造方法における工程(b1)と同様にして実施できる。ただし、MA/MD化合物への熱履歴の影響を考慮すると、工程(b2)における温度は工程(b1)における温度よりも低めに設定することが好ましい。具体的には150℃以下で加熱することが好ましく、120℃以下で加熱することがより好ましい。
(2) Step (b2)
The step (b2) can be carried out in the same manner as the step (b1) in the first manufacturing method. However, considering the influence of the thermal history on the MA / MD compound, it is preferable to set the temperature in the step (b2) to be lower than the temperature in the step (b1). Specifically, it is preferable to heat at 150 ° C. or lower, and more preferably 120 ° C. or lower.

(3)混練りおよび架橋工程
工程(b2)で得たマスターバッチを混練りし、かつ架橋することでゴム組成物を形成できる。混練りおよび架橋については、第1の方法で述べたとおりである。
(3) Kneading and Cross-linking Step The rubber composition can be formed by kneading and cross-linking the master batch obtained in the step (b2). The kneading and cross-linking are as described in the first method.

3.マスターバッチおよびゴム組成物
本発明のマスターバッチは、セルロース系繊維とゴム成分との密着性に優れるので、機械的特性に優れるゴム組成物を与える。ゴム組成物におけるセルロース系繊維の含有量は、ゴム成分100重量部に対して0.1〜100重量部であることが好ましい。引張強度の向上の観点からは、前記含有量はゴム成分100重量部に対して1重量部以上がより好ましく、2重量部以上がさらに好ましく、3重量部以上がよりさらに好ましい。当該量の上限は、50重量部以下がより好ましく、40重量部以下がさらに好ましく、30重量部以下がよりさらに好ましい。当該量により製造工程における加工性を保持することができる。
3. 3. Masterbatch and Rubber Composition The masterbatch of the present invention provides a rubber composition having excellent mechanical properties because it has excellent adhesion between cellulosic fibers and rubber components. The content of the cellulosic fiber in the rubber composition is preferably 0.1 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the rubber component. From the viewpoint of improving the tensile strength, the content is more preferably 1 part by weight or more, further preferably 2 parts by weight or more, still more preferably 3 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the rubber component. The upper limit of the amount is more preferably 50 parts by weight or less, further preferably 40 parts by weight or less, and further preferably 30 parts by weight or less. With this amount, workability in the manufacturing process can be maintained.

本発明のゴム組成物の用途は、特に制限されず、例えば、自動車、電車、船舶、飛行機等の輸送機器等;パソコン、テレビ、電話、時計等の電化製品等;携帯電話等の移動通信機器等;携帯音楽再生機器、映像再生機器等のAV機器;印刷機器;複写機器;スポーツ用品;建築材;文具等の事務機器;容器、コンテナー等の梱包用品が挙げられる。これら以外であっても、ゴムや柔軟なプラスチックが用いられている部材への適用が可能であり、タイヤへの適用が好適である。タイヤとしては例えば、乗用車用、トラック用、バス用、重車両用などの空気入りタイヤが挙げられる。 The use of the rubber composition of the present invention is not particularly limited, and for example, transportation equipment such as automobiles, trains, ships, and airplanes; electrical appliances such as personal computers, televisions, telephones, and watches; mobile communication equipment such as mobile phones. Etc .; AV equipment such as portable music playback equipment and video playback equipment; printing equipment; copying equipment; sports equipment; building materials; office equipment such as stationery; packaging equipment such as containers and containers. Other than these, it can be applied to members using rubber or flexible plastic, and is preferably applied to tires. Examples of tires include pneumatic tires for passenger cars, trucks, buses, heavy vehicles, and the like.

[酸化セルロースナノファイバーの製造]
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)5.00g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)39mg(絶乾1gのセルロースに対し0.05mmol)と臭化ナトリウム514mg(絶乾1gのセルロースに対し1.0mmol)を溶解した水溶液500mLに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を次亜塩素酸ナトリウムが5.5mmol/gになるように添加し、室温にて酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムが消費され系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物をガラスフィルターで濾過してパルプ分離し、パルプを十分に水洗することで酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は90%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.6mmol/gであった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0重量%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150Mpa)で3回処理して、酸化セルロースナノファイバー分散液を得た。平均繊維径は3nm、アスペクト比は250であった。
[Manufacture of cellulose oxide nanofibers]
5.00 g (absolutely dry) of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from softwood, 39 mg (0.05 mmol per 1 g of absolute dry cellulose) of TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) and 514 mg of sodium bromide (absolutely dry). It was added to 500 mL of an aqueous solution prepared by dissolving 1.0 mmol) in 1 g of absolute dry cellulose, and stirred until the pulp was uniformly dispersed. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system so that the sodium hypochlorite content was 5.5 mmol / g, and the oxidation reaction was started at room temperature. Although the pH in the system decreased during the reaction, a 3M aqueous sodium hydroxide solution was sequentially added to adjust the pH to 10. The reaction was terminated when sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system did not change. The mixture after the reaction was filtered through a glass filter to separate the pulp, and the pulp was thoroughly washed with water to obtain oxidized pulp (carboxylated cellulose). The pulp yield at this time was 90%, the time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.6 mmol / g. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0% by weight (w / v), and the mixture was treated three times with an ultrahigh pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa) to obtain an oxidized cellulose nanofiber dispersion. The average fiber diameter was 3 nm and the aspect ratio was 250.

1.第1の製造方法による実施例
<実施例1−1>
[混合工程a1]
前述のとおり得た酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1.04%(w/v)の水分散液673.1gと、ゴム成分として天然ゴムポリマー(商品名:商品名HA−LATEX、株式会社レヂテックス製、固形分濃度61.7%)56.7gを混合してゴム成分とセルロースナノファイバーとの重量比が100:20となるようにし、TKホモミキサー(8000rpm)で10分間撹拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥して混合物を得た。
1. 1. Example by the first manufacturing method <Example 1-1>
[Mixing step a1]
673.1 g of an aqueous dispersion having a solid content concentration of 1.04% (w / v) of the cellulose oxide nanofibers obtained as described above, and a natural rubber polymer as a rubber component (trade name: HA-LATEX, REDITEX Co., Ltd.) 56.7 g (31.7% solid content concentration) was mixed so that the weight ratio of the rubber component and the cellulose nanofibers was 100:20, and the mixture was stirred with a TK homomixer (8000 rpm) for 10 minutes. The aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours to give a mixture.

[加熱工程b1]
混合工程で得た乾燥後の混合物を、オーブン中、120℃にて30分加熱した。
[Heating step b1]
The dried mixture obtained in the mixing step was heated in an oven at 120 ° C. for 30 minutes.

[MA/MD化合物の混合工程c1]
前記天然ゴムポリマーを70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した。
加熱工程で得た混合物42gに、当該混合物のうち天然ゴムポリマー分の3重量倍の前記乾燥後の天然ゴムポリマーを加え、さらに硫黄4.9g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.98g、酸化亜鉛8.4g、ステアリン酸0.7g、レゾルシン0.88g、ヘキサメチレンテトラミン0.56gを添加し、オープンロール(関西ロール株式会社製)を用い、50℃で20分間混練して、マスターバッチのシートを得た。ゴム成分とセルロースナノファイバーとの重量比は100:5であり、ゴム成分とレゾルシンとの重量比は100:0.63であり、レゾルシンとヘキサメチレンテトラミンの重量比は100:63.6であった。
[MA / MD compound mixing step c1]
The natural rubber polymer was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours.
To 42 g of the mixture obtained in the heating step, the dried natural rubber polymer, which is 3 times by weight of the natural rubber polymer of the mixture, is added, and 4.9 g of sulfur and a vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-) are added. Benzothiazolyl vulcan amide) 0.98 g, zinc oxide 8.4 g, stearic acid 0.7 g, resorcin 0.88 g, hexamethylene tetramine 0.56 g were added, and open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.) was used. The mixture was kneaded at 50 ° C. for 20 minutes to obtain a master batch sheet. The weight ratio of the rubber component to the cellulose nanofibers is 100: 5, the weight ratio of the rubber component to resorcin is 100: 0.63, and the weight ratio of resorcin to hexamethylenetetramine is 100: 63.6. It was.

[架橋(加硫)工程]
このシートを金型にはさみ、150℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmのゴム組成物のシートを得た。これを所定の形状の試験片に裁断し、JIS K6251「加硫ゴムおよび熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に従い、補強性の一つである引張特性を測定した。各々の数値が大きい程、ゴム組成物が良好に補強されており、ゴムの機械強度に優れることを示す。
[Crossing (vulcanization) process]
This sheet was sandwiched between dies and press-crosslinked at 150 ° C. for 15 minutes to obtain a sheet of a rubber composition having a thickness of about 2 mm. This was cut into a test piece having a predetermined shape, and the tensile property, which is one of the reinforcing properties, was measured according to JIS K6251 "Vulcanized rubber and thermoplastic rubber-How to obtain the tensile property". The larger each value is, the better the rubber composition is reinforced, indicating that the mechanical strength of the rubber is excellent.

<実施例1−2>
前記加熱工程における加熱温度を150℃とした以外は、実施例1−1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<Example 1-2>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1-1 except that the heating temperature in the heating step was set to 150 ° C.

<比較例1>
前記加熱工程を実施しなかった以外は、実施例1−1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<Comparative example 1>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1-1 except that the heating step was not carried out.

2.第2の製造方法による実施例
<実施例2−1>
[混合工程a2]
前述のとおり得た酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1.04%(w/v)の水分散液673.1gと、ゴム成分として天然ゴムポリマー(商品名:商品名HA−LATEX、株式会社レヂテックス製、固形分濃度61.7%)56.7gを混合してゴム成分とセルロースナノファイバーとの重量比が100:20となるようにし、さらに8.75gの10重量%レゾルシン水溶液および5.6gの10重量%ヘキサメチレンテトラミン水溶液を加え、TKホモミキサー(8000rpm)で10分間撹拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥して混合物を得た。ゴム成分とレゾルシンおよびヘキサメチレンテトラミンの合計量との重量比は100:4.1であった。
2. 2. Example by the second manufacturing method <Example 2-1>
[Mixing step a2]
673.1 g of an aqueous dispersion having a solid content concentration of 1.04% (w / v) of the cellulose oxide nanofibers obtained as described above, and a natural rubber polymer as a rubber component (trade name: HA-LATEX, REDITEX Co., Ltd.) 56.7 g of the product, solid content concentration 61.7%) was mixed so that the weight ratio of the rubber component and the cellulose nanofibers was 100:20, and 8.75 g of a 10 wt% resorcin aqueous solution and 5.6 g were added. A 10 wt% hexamethylenetetramine aqueous solution was added, and the mixture was stirred with a TK homomixer (8000 rpm) for 10 minutes. The aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours to give a mixture. The weight ratio of the rubber component to the total amount of resorcin and hexamethylenetetramine was 100: 4.1.

[加熱工程b2]
混合工程で得た乾燥後の混合物を、オーブン中、120℃にて30分加熱した。
[Heating step b2]
The dried mixture obtained in the mixing step was heated in an oven at 120 ° C. for 30 minutes.

[架橋(加硫)工程]
前記天然ゴムポリマーを70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した。
加熱工程で得た混合物43.4gに、当該混合物のうち天然ゴムポリマー分の3重量倍の乾燥した天然ゴムポリマーを加え、さらに硫黄4.9g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.98g、酸化亜鉛8.4g、ステアリン酸0.7gを加え、オープンロール(関西ロール株式会社製)を用い、50℃で20分間混練してマスターバッチのシートを得た。ゴム成分とセルロースナノファイバーとの重量比は100:5、ゴム成分とレゾルシンとの重量比は100:0.63であり、レゾルシンとヘキサメチレンテトラミンの重量比は100:63.6であった。
[Crossing (vulcanization) process]
The natural rubber polymer was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours.
To 43.4 g of the mixture obtained in the heating step, a dried natural rubber polymer three times by weight of the natural rubber polymer of the mixture was added, and 4.9 g of sulfur and a vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-) were added. Add 0.98 g of benzothiazolyl vulcan amide), 8.4 g of zinc oxide, and 0.7 g of stearic acid, and knead with open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.) at 50 ° C. for 20 minutes to prepare a master batch sheet. Obtained. The weight ratio of the rubber component to the cellulose nanofibers was 100: 5, the weight ratio of the rubber component to resorcin was 100: 0.63, and the weight ratio of resorcin to hexamethylenetetramine was 100: 63.6.

このシートを金型にはさみ、150℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmのゴム組成物のシートを得た。これを所定の形状の試験片に裁断し、JIS K6251「加硫ゴムおよび熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に従い、補強性の一つである引張特性を測定した。各々の数値が大きい程、ゴム組成物が良好に補強されており、ゴムの機械強度に優れることを示す。 This sheet was sandwiched between dies and press-crosslinked at 150 ° C. for 15 minutes to obtain a sheet of a rubber composition having a thickness of about 2 mm. This was cut into a test piece having a predetermined shape, and the tensile property, which is one of the reinforcing properties, was measured according to JIS K6251 "Vulcanized rubber and thermoplastic rubber-How to obtain the tensile property". The larger each value is, the better the rubber composition is reinforced, indicating that the mechanical strength of the rubber is excellent.

<実施例2−2>
前記加熱工程における加熱温度を150℃とした以外は、実施例2−1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<Example 2-2>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 2-1 except that the heating temperature in the heating step was set to 150 ° C.

<比較例2>
前記加熱工程を実施しなかった以外は、実施例2−1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<Comparative example 2>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 2-1 except that the heating step was not carried out.

<比較例3>
前記天然ゴムポリマーを70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した。当該天然ゴムポリマー140gに、硫黄4.9g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.98g、酸化亜鉛8.4g、ステアリン酸0.7gを加え、オープンロール(関西ロール株式会社製)を用い、50℃で20分間混練して比較用マスターバッチのシートを得た。このシートを金型にはさみ、150℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmの比較用ゴム組成物シートを得て、実施例1−1と同様にして評価した。
<Comparative example 3>
The natural rubber polymer was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours. To 140 g of the natural rubber polymer, 4.9 g of sulfur, 0.98 g of a vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-benzothiazolyl sulphenamide), 8.4 g of zinc oxide, and 0.7 g of stearic acid were added and opened. Using a roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.), kneading was performed at 50 ° C. for 20 minutes to obtain a sheet of a master batch for comparison. This sheet was sandwiched between dies and press-crosslinked at 150 ° C. for 15 minutes to obtain a comparative rubber composition sheet having a thickness of about 2 mm, which was evaluated in the same manner as in Example 1-1.

<比較例4>
前述のとおり得た酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1.04%(w/v)(1重量%)水分散液673.1gと、ゴム成分として天然ゴムポリマー(商品名:商品名HA−LATEX、株式会社レヂテックス製、固形分濃度61.7%)56.7gを混合してゴム成分とセルロースナノファイバーとの重量比が100:20となるようにし、TKホモミキサー(8000rpm)で10分間撹拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥して混合物を得た。
乾燥後の混合物42gに、当該混合物のうち天然ゴムポリマー分の3重量倍の乾燥した天然ゴムポリマーを加え、さらに硫黄4.9g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.98g、酸化亜鉛8.4g、ステアリン酸0.7gを加え、オープンロール(関西ロール株式会社製)を用い、50℃で20分間混練して、ゴム成分とセルロースナノファイバーとの重量比が100:5である比較用マスターバッチのシートを得た。比較例3と同様にして比較用ゴム組成物シートを得て、評価した。
これらの結果を表1に示す。
<Comparative example 4>
The solid content concentration of the cellulose oxide nanofibers obtained as described above is 1.04% (w / v) (1% by weight), 673.1 g of the aqueous dispersion, and a natural rubber polymer (trade name: trade name: HA-LATEX) as a rubber component. , Made by Latex Co., Ltd., solid content concentration 61.7%) 56.7 g was mixed so that the weight ratio of the rubber component and the cellulose nanofibers was 100:20, and the mixture was stirred with a TK homomixer (8000 rpm) for 10 minutes. did. The aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours to give a mixture.
To 42 g of the dried mixture, a dried natural rubber polymer 3% by weight of the natural rubber polymer of the mixture is added, and 4.9 g of sulfur and a vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-benzothiazolylsul) are added. Add 0.98 g of fenamide), 8.4 g of zinc oxide, and 0.7 g of stearic acid, and knead with an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.) at 50 ° C. for 20 minutes to combine the rubber component with the cellulose nanofibers. A sheet of a comparative master batch having a weight ratio of 100: 5 was obtained. A rubber composition sheet for comparison was obtained and evaluated in the same manner as in Comparative Example 3.
These results are shown in Table 1.

本発明のマスターバッチから製造されたゴム組成物は優れた機械的特性を有する。これは、セルロースナノファイバーの表面が疎水化してゴムとの相溶性が向上したためと推察される。さらに、MA/MD化合物の付加縮合反応によりノボラック型のポリマーが生成し、これが疎水化された繊維とゴム成分の親和性をより高めることにより、ゴム組成物の機械的強度がより向上したと考えられる。
The rubber composition produced from the masterbatch of the present invention has excellent mechanical properties. It is presumed that this is because the surface of the cellulose nanofibers became hydrophobic and the compatibility with rubber was improved. Furthermore, it is considered that the mechanical strength of the rubber composition was further improved by forming a novolak type polymer by the addition condensation reaction of the MA / MD compound, which further enhanced the affinity between the hydrophobized fiber and the rubber component. Be done.

Claims (10)

ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物を含む、マスターバッチの製造方法であって、
(a1)ゴム成分とセルロース系繊維を混合して混合物を得る工程、
(b1)前記工程(a1)で得た混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程、および
(c1)前記工程(b1)で得た混合物と、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物とを混合する工程を含
前記セルロース系繊維が、カルボキシル化セルロースまたはカルボキシメチル化セルロースであり、
前記メチレンアクセプター化合物が、フェノール化合物、その誘導体、レゾルシン系樹脂、クレゾール系樹脂、またはフェノール樹脂であり、
前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンまたはメラミン誘導体であり、
前記メチレンアクセプター化合物の含有量が、ゴム成分100重量%に対して1重量%以上であり、
前記メチレンドナー化合物の含有量が、メチレンアクセプター化合物100重量%に対して10重量%以上である、
マスターバッチの製造方法。
A method for producing a masterbatch, which comprises a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound.
(A1) A step of mixing a rubber component and a cellulosic fiber to obtain a mixture,
(B1) The step of heating the mixture obtained in the step (a1) at 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes, and (c1) the mixture obtained in the step (b1), a methylene acceptor compound and a methylene donor compound. look including a step of mixing door,
The cellulosic fiber is carboxylated cellulose or carboxymethylated cellulose.
The methylene acceptor compound is a phenol compound, a derivative thereof, a resorcin-based resin, a cresol-based resin, or a phenol resin.
The methylene donor compound is hexamethylenetetramine or a melamine derivative.
The content of the methylene acceptor compound is 1% by weight or more with respect to 100% by weight of the rubber component.
The content of the methylene donor compound is 10% by weight or more with respect to 100% by weight of the methylene acceptor compound.
How to make a masterbatch.
ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物およびメチレンドナー化合物を含む、マスターバッチの製造方法であって、
(a2)ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物、およびメチレンドナー化合物を含む混合物を準備する工程、ならびに
(b2)前記工程(a2)で得た混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程を含
前記セルロース系繊維が、カルボキシル化セルロースまたはカルボキシメチル化セルロースであり、
前記メチレンアクセプター化合物が、フェノール化合物、その誘導体、レゾルシン系樹脂、クレゾール系樹脂、またはフェノール樹脂であり、
前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンまたはメラミン誘導体であり、
前記メチレンアクセプター化合物の含有量が、ゴム成分100重量%に対して1重量%以上であり、
前記メチレンドナー化合物の含有量が、メチレンアクセプター化合物100重量%に対して10重量%以上である、
マスターバッチの製造方法。
A method for producing a masterbatch, which comprises a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound.
(A2) A step of preparing a mixture containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound, and (b2) the mixture obtained in the step (a2) of 5 to 600 at 100 to 300 ° C. the minute heating to process only contains,
The cellulosic fiber is carboxylated cellulose or carboxymethylated cellulose.
The methylene acceptor compound is a phenol compound, a derivative thereof, a resorcin-based resin, a cresol-based resin, or a phenol resin.
The methylene donor compound is hexamethylenetetramine or a melamine derivative.
The content of the methylene acceptor compound is 1% by weight or more with respect to 100% by weight of the rubber component.
The content of the methylene donor compound is 10% by weight or more with respect to 100% by weight of the methylene acceptor compound.
How to make a masterbatch.
前記工程(a1)の混合物が、少なくとも前記ゴム成分の分散液または溶液、あるいは
前記セルロース系繊維の分散液由来の分散媒または溶媒を含み、
前記工程(b1)の前に、前記ゴム成分の分散液または溶液、あるいは前記セルロース系繊維の分散液由来の分散媒または溶媒を除去する工程をさらに含む、請求項1に記載の製造方法。
The mixture of the step (a1) contains at least a dispersion or solution of the rubber component, or a dispersion medium or solvent derived from the dispersion of the cellulosic fibers.
The production method according to claim 1, further comprising a step of removing the dispersion or solution of the rubber component or the dispersion medium or solvent derived from the dispersion of the cellulosic fiber before the step (b1).
前記工程(a2)の混合物が、少なくとも前記ゴム成分の分散液または溶液、前記セルロース系繊維の分散液、あるいはメチレンアクセプター化合物またはメチレンドナー化合物の分散液または溶液に由来する分散媒または溶媒を含み、
前記工程(b2)の前に、前記ゴム成分の分散液または溶液、前記セルロース系繊維の分散液、あるいはメチレンアクセプター化合物またはメチレンドナー化合物の分散液または溶液に由来する分散媒または溶媒を除去する工程をさらに含む、請求項2に記載の製造方法。
The mixture of the step (a2) contains at least a dispersion or solution of the rubber component, a dispersion of the cellulosic fibers, or a dispersion medium or solvent derived from a dispersion or solution of a methylene acceptor compound or a methylene donor compound. ,
Prior to the step (b2), the dispersion medium or solvent derived from the dispersion liquid or solution of the rubber component, the dispersion liquid of the cellulosic fiber, or the dispersion liquid or solution of the methylene acceptor compound or the methylene donor compound is removed. The production method according to claim 2, further comprising a step.
前記メチレンアクセプター化合物の含有量が、ゴム成分100重量%に対して50重量%以下であり、
前記メチレンドナー化合物の含有量が、メチレンアクセプター化合物100重量%に対して100重量%以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
The content of the methylene acceptor compound is 50% by weight or less with respect to 100% by weight of the rubber component.
The production method according to any one of claims 1 to 4, wherein the content of the methylene donor compound is 100% by weight or less with respect to 100% by weight of the methylene acceptor compound.
前記セルロース系繊維の長さ加重平均繊維長が50〜2000nm、長さ加重平均繊維径が2〜500nmである、請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 5, wherein the length-weighted average fiber length of the cellulosic fiber is 50 to 2000 nm, and the length-weighted average fiber diameter is 2 to 500 nm. 前記ゴム成分が、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)ポリマーまたは天然ゴム(NR)ポリマーを含む、請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 6, wherein the rubber component comprises an acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) polymer or a natural rubber (NR) polymer. 前記メチレンアクセプター化合物が、レゾルシン、レゾルシン誘導体、レゾルシン系樹脂、およびこれらの組合せからなる群より選択される、請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 7, wherein the methylene acceptor compound is selected from the group consisting of resorcin, a resorcin derivative, a resorcin-based resin, and a combination thereof. 前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンである、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 1 to 8, wherein the methylene donor compound is hexamethylenetetramine. 請求項1〜9に記載の方法でマスターバッチを調製する工程、および
当該マスターバッチを架橋する工程を含む、ゴム組成物の製造方法。
A method for producing a rubber composition, which comprises a step of preparing a masterbatch by the method according to claims 1 to 9 and a step of cross-linking the masterbatch.
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