JP6914758B2 - セルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、樹脂にセルロースナノファイバーを均一に分散させたセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法に関するものである。
植物繊維をナノレベルまで微細化して得られたセルロースナノファイバーは、鉄鋼の１／５程度の軽さであり、鉄鋼の５倍以上の強度を有し、しかもガラスの１／５０の低線熱膨張係数を示す繊維である。従ってセルロースナノファイバーを樹脂に添加することで、軽量・高強度で熱による寸法変化が小さい複合材料を実現することができると期待されている。ここでセルロースナノファイバーは、樹脂との相溶性が低いことから、樹脂に均一に分散させる場合には、セルロースナノファイバーの表面を疎水化処理して樹脂との相溶性を高める必要がある。
特許文献１には、疎水化したパルプと樹脂とを混練し、同時に疎水化したパルプを解繊してセルロースナノファイバーが分散した樹脂を製造する方法が開示されている。
従来はシート状のパルプをセパラブルフラスコに入れた無水酢酸に浸し、１００℃程度の温度で疎水化反応を行わせる等して疎水化パルプを製造していた。しかしながら、このような方法で疎水化パルプを製造する場合には、疎水化反応の均一性が維持できない場合があり、また疎水化反応に時間がかかる等の問題があり、セルロースナノファイバー強化樹脂の製造量を増大させることが困難であった。
本発明は、製造量を増大させ効率的に製造を行うことができるセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、以下の（１）及び（２）を提供する。
（１）下記（Ａ）〜（Ｇ）の工程を有することを特徴とするセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法。
工程（Ａ）：ミキサーのドラム内にパルプを投入し該パルプを解砕する工程、
工程（Ｂ）：前記ドラム内に疎水化処理を行う薬液を投入する工程、
工程（Ｃ）：前記ドラム内において前記パルプの疎水化処理を行う工程、
工程（Ｄ）：前記ドラムから疎水化パルプを抜出する工程、
工程（Ｅ）：工程（Ｄ）において抜出した前記疎水化パルプ及び樹脂を多軸押し出し機 に投入する工程、
工程（Ｆ）：前記多軸押し出し機において前記疎水化パルプ及び前記樹脂を混練する工 程、
工程（Ｇ）：前記多軸押し出し機からセルロースナノファイバー強化樹脂を排出する工 程。
（２）前記ミキサーは、レーディゲミキサーであることを特徴とする（１）記載のセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法。
（１）下記（Ａ）〜（Ｇ）の工程を有することを特徴とするセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法。
工程（Ａ）：ミキサーのドラム内にパルプを投入し該パルプを解砕する工程、
工程（Ｂ）：前記ドラム内に疎水化処理を行う薬液を投入する工程、
工程（Ｃ）：前記ドラム内において前記パルプの疎水化処理を行う工程、
工程（Ｄ）：前記ドラムから疎水化パルプを抜出する工程、
工程（Ｅ）：工程（Ｄ）において抜出した前記疎水化パルプ及び樹脂を多軸押し出し機 に投入する工程、
工程（Ｆ）：前記多軸押し出し機において前記疎水化パルプ及び前記樹脂を混練する工 程、
工程（Ｇ）：前記多軸押し出し機からセルロースナノファイバー強化樹脂を排出する工 程。
（２）前記ミキサーは、レーディゲミキサーであることを特徴とする（１）記載のセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法。
本発明によれば、製造量を増大させ効率的に製造を行うことができるセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法を提供することができる。
本発明において、セルロースナノファイバー強化樹脂とは、セルロースナノファイバーと樹脂を含む混合物であり、セルロースナノファイバーの含有量は樹脂に対して１〜５０質量％程度である。
本発明の実施の形態に係るセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法について説明する。
まず、ミキサーのドラム内にパルプを投入しパルプを解砕する（工程Ａ）。ミキサーには、レーディゲミキサーを使用する。レーディゲミキサーは、横型ドラム、横型ドラムの中に設置され所定速度で回転駆動される主軸、主軸に固定された所定形状のすき状ショベル、及び高速回転するチョッパーを備えている。横型ドラム内のすき状ショベルを回転させることにより処理物を三次元流動させて混合する。またチョッパーを高速回転させることによりダマと呼ばれる塊を破砕する。またパルプは特に限定されるものではないが、繊維の強度が強い針葉樹由来の未晒クラフトパルプ（ＮＵＫＰ）を用いることが好ましい。
工程Ａにおいて、レーディゲミキサーの操業条件は特に限定されるものではないが、主軸の回転数は１０〜３００ｒｐｍ、チョッパーの回転数は１２００〜３６００ｒｐｍ、ドラム内温度は１０〜８０℃、ドラム内圧力（常圧）の範囲で調整して、パルプを解砕することが好ましい。
次にミキサーのドラム内にパルプの疎水化処理を行う薬液を投入する（工程Ｂ）。パルプの疎水化処理を行う薬液には、酢酸、無水酢酸、有機酸、アミン等を用いる。
次に、ミキサーのドラム内においてパルプの疎水化処理を行う（工程Ｃ）。即ちレーディゲミキサーの横型ドラム内に、例えば未晒針葉樹クラフトパルプ（ＮＵＫＰ）及び無水酢酸等の薬液を投入し、すき状ショベルを回転させることによりパルプ及び疎水化処理を行う薬液を撹拌し、更にチョッパーによりダマと呼ばれる塊を破砕してパルプの疎水化処理をおこない、パルプ表面に存在する水酸基を疎水性の官能基で置換した疎水化パルプを製造する。
工程Ｂ及び工程Ｃにおけるレーディゲミキサーの操業条件は、主軸の回転数は１０〜３００ｒｐｍ、チョッパーの回転数は１２００〜３６００ｒｐｍ、ドラム内温度は５０〜１２０℃、ドラム内圧力は常圧の範囲で調整して、疎水化反応を行い、疎水化パルプを製造することが好ましい。
次に、ミキサーのドラムから未反応の無水酢酸等の薬液を留去する。（工程Ｄ）。即ち疎水化処理により製造された疎水化パルプを減圧し、薬液を蒸発させレーディゲミキサーの横型ドラムから抜出する。
工程Ｄにおける操業条件は、主軸の回転数１０〜３００ｒｐｍ、チョッパーの回転数は１２００〜３６００ｒｐｍ、ドラム内温度は６０〜１３０℃、ドラム内圧力は０〜５０Ｔｏｒｒの範囲で調整して、未反応の無水酢酸等の薬液を留去する。未反応薬液留去後、疎水化パルプを抜出する。
次に、レーディゲミキサーの横型ドラムから抜出した疎水化パルプ及び樹脂を多軸押し出し機に投入する（工程Ｅ）。ここで樹脂への疎水化パルプの配合比率は、１〜５０％が好ましい。多軸押し出し機としては、４軸押し出し機を用いる。４軸押し出し機は、バレル内に４本のスクリューを備え、４本のスクリューを同方向または異方向に回転させながら樹脂を混練し定量で押し出す。
樹脂としては、ポリアミド系、ポリオレフィン系、フッ化ポリオレフィン系、ポリアセタール系、ポリイミド系、アクリル樹脂系、生分解性プラスチック系、エポシキ樹脂系等の樹脂を用いる。
次に、多軸押し出し機において疎水化パルプ及び樹脂を混練する（工程Ｆ）。即ち４軸押し出し機の４軸のスクリューの回転により疎水化パルプと樹脂とを混練し、同時に疎水化したパルプを解繊してセルロースナノファイバーを樹脂に均一に分散させる。
次に、多軸押し出し機からセルロースナノファイバー強化樹脂を排出する（工程Ｇ）。
即ち上述の工程Ａ〜工程Ｇにより、セルロースナノファイバーが均一に分散したセルロースナノファイバー強化樹脂の製造することができる。
本実施の形態に係るセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法によれば、パルプの疎水化処理をレーディゲミキサーを用いて行っているため、チョッパーによりダマを破砕することができ疎水化反応の反応性や反応の均一性を高めることができる。従って疎水化パルプの歩留まりを増加させることができる。また疎水化反応の反応時間を短縮することができる。更に製造設備のスケールアップも容易に行うことができる。
なお上述の実施の形態においては、ミキサーとしてレーディゲミキサーを用いているが、竪型のヘンシェルミキサーを用いてもよい。竪型ヘンシェルミキサーは、竪型の混合槽、混合槽の下部に設置された上羽根及び下羽根を備えている。混合槽内で上羽根及び下羽根を回転させることにより、混合槽内の処理物は下羽根の回転により旋回しながら上下方向に流動し、対流した処理物に上羽根によりせん断力を付与することにより処理物を短時間で混合する。
また上述の実施の形態においては多軸押し出し機として４軸押し出し機を用いているが、２軸押し出し機、または８軸押し出し機等を用いてもよい。
（レーディゲミキサーの仕様）
真空乾燥タイプの横型ドラム（１２００Ｌ）を備えたレーディゲミキサー。
（４軸押し出し機の仕様）
同方向完全噛合型４軸混練押出機（株式会社テクノベル製）。
（操業条件）
ＮＵＫＰの解砕は、ショベルが設置された主軸の回転数（１００ｒｐｍ）、チョッパーの回転数（１２００〜３６００ｒｐｍ）、ドラム内温度（５０℃）、ドラム内圧力（常圧）で行う。
真空乾燥タイプの横型ドラム（１２００Ｌ）を備えたレーディゲミキサー。
（４軸押し出し機の仕様）
同方向完全噛合型４軸混練押出機（株式会社テクノベル製）。
（操業条件）
ＮＵＫＰの解砕は、ショベルが設置された主軸の回転数（１００ｒｐｍ）、チョッパーの回転数（１２００〜３６００ｒｐｍ）、ドラム内温度（５０℃）、ドラム内圧力（常圧）で行う。
その後、ドラム内へ無水酢酸等の薬液を投入し、ショベルが設置された主軸の回転数（１００ｒｐｍ）、チョッパーの回転数（１２００〜３６００ｒｐｍ）、ドラム内温度（８０℃）、ドラム内圧力（常圧）で疎水化反応を行い疎水化パルプを製造する。
反応終了後、未反応の無水酢酸等の薬液をショベルが設置された主軸の回転数（１００ｒｐｍ）、チョッパーの回転数（１２００〜３６００ｒｐｍ）、ドラム内温度（１０５℃）、ドラム内圧力（５０Ｔｏｒｒ）で留去する。未反応薬液留去後、疎水化パルプを抜出する。
次に４軸押し出し機に疎水化パルプ及び樹脂を投入する。樹脂への疎水化パルプの配合比率は、３０％とする。４軸押し出し機により疎水化パルプ及び樹脂を混練し、同時に疎水化パルプを解繊して樹脂にセルロースナノファイバーを均一に分散させる。４軸押し出し機からセルロースナノファイバーが均一に分散したセルロースナノファイバー強化樹脂を排出する。
Claims (1)
- 下記（Ａ）〜（Ｇ）工程を有することを特徴とするセルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法。
工程（Ａ）：チョッパーを備えるレーディゲミキサーのドラム内にパルプを投入し該パルプを解砕する工程、
工程（Ｂ）：前記ドラム内に疎水化処理を行う薬液を投入する工程、
工程（Ｃ）：前記ドラム内において、前記チョッパーにより前記パルプの塊を破砕しながら前記パルプの疎水化処理を行う工程であって、前記レーディゲミキサーの操業条件は、主軸の回転数が１０〜３００ｒｐｍ、前記チョッパーの回転数が１２００〜３６００ｒｐｍ、前記ドラム内の温度が５０〜１２０℃、前記ドラム内の圧力が常圧である工程、
工程（Ｄ）：前記ドラムから疎水化パルプを抜出する工程、
工程（Ｅ）：工程（Ｄ）において抜出した前記疎水化パルプ及び樹脂を多軸押し出し機 に投入する工程、
工程（Ｆ）：前記多軸押し出し機において前記疎水化パルプ及び前記樹脂を混練する工 程、
工程（Ｇ）：前記多軸押し出し機からセルロースナノファイバー強化樹脂を排出する工 程。
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| JP2017134554A JP6914758B2 (ja) | 2017-07-10 | 2017-07-10 | セルロースナノファイバー強化樹脂の製造方法 |
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