JP6944451B2 - 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 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.
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することで両者の相溶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)(a)ゴム成分とセルロース系繊維含む混合物を得る工程、および
(b)前記混合物を、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。
(2)前記工程(a)を、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を用いて実施し、
前記工程(b)の前に、当該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。
(3)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)または(2)に記載の製造方法。
(4)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)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(5)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、天然ゴム(NR)ポリマー、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)ポリマー、またはクロロプレンゴム(CR)ポリマーを含む、(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(6)前記(1)〜(5)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に架橋剤を混合する工程を含む、未架橋ゴム組成物の製造方法。
(7)前記(6)に記載の未架橋ゴム組成物を架橋する工程を含む、ゴム組成物の製造方法。The inventor has found that the compatibility between the rubber component and the cellulosic fiber can be improved by heating the mixture, and completed the present invention. That is, the following invention solves the above-mentioned problems.
(1) (a) a step of obtaining a mixture containing a rubber component and a cellulosic fiber, and (b) a step of heating the mixture at 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes.
Masterbatch manufacturing method.
(2) The step (a) is carried out using the dispersion liquid or solution of the rubber component or the dispersion liquid of the cellulosic fiber.
The production method according to (1), further comprising a step of removing the dispersion medium or solvent before the step (b).
(3) The production method according to (1) or (2), wherein the cellulosic fiber is a chemically modified cellulosic fiber.
(4) The production method according to any one of (1) to (3), 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.
(5) The rubber component includes an acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) polymer, a natural rubber (NR) polymer, a styrene-butadiene rubber (SBR) polymer, or a chloroprene rubber (CR) polymer (1) to (4). The manufacturing method according to any one of.
(6) A method for producing an uncrosslinked rubber composition, which comprises a step of preparing a masterbatch by the method according to (1) to (5) above, and a step of mixing a crosslinking agent with the masterbatch.
(7) A method for producing a rubber composition, which comprises a step of cross-linking the uncrosslinked rubber composition according to (6) above.
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.
以下、本発明を詳細に説明する。本発明において「X〜Y」はその端値、すなわちXとYを含む。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the present invention, "X to Y" includes its fractional values, that is, X and Y.
1.マスターバッチの製造方法
本発明のマスターバッチの製造方法は、(a)ゴム成分とセルロース系繊維を含む混合物を得る工程、および(b)前記混合物を、100〜300℃で5〜600分加熱する工程、を含む。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を含むが架橋剤を含まない組成物をいう。ゴム組成物とはマスターバッチと架橋剤とを含む未架橋ゴム組成物または当該未架橋ゴム組成物を架橋してなる架橋ゴム組成物をいう。1. 1. Method for Producing Masterbatch In the method for producing a masterbatch of the present invention, (a) a step of obtaining a mixture containing a rubber component and a cellulosic fiber, and (b) heating the mixture at 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes. Including the process. Generally, the definition of a masterbatch is diverse, but in the present invention, a masterbatch is a composition containing a rubber component and a cellulosic fiber but not a cross-linking agent. The rubber composition refers to an uncrosslinked rubber composition containing a masterbatch and a crosslinking agent, or a crosslinked rubber composition obtained by crosslinking the uncrosslinked rubber composition.
(1)工程(a)
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 (a)
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 that the ratio of the rubber composition described later can be achieved. 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(CR)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(CR)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 (CR) polymer, and styrene. Diene-based rubber polymers such as -isoprene copolymer 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 (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 non-diene 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 (CR) 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。分散媒および溶媒(以下、まとめて「液状媒体」ともいう)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. Examples of the dispersion medium and the solvent (hereinafter, collectively referred to as “liquid medium”) 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 fiber As the cellulosic fiber, a cellulosic fiber having a fiber diameter on the order of micron or a cellulose nanofiber having a fiber diameter on the nano-order obtained by chemically modifying the cellulosic fiber as necessary and then defibrating the fiber is used. 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, farmland 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 fiber 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, and even 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. Further, the iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include an alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected within the range in which the oxidation reaction can be promoted. 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, and further 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, hypohalogenic acids, subhalogenic acids, perhalogenic 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, the pH of the reaction solution tends to decrease because a carboxyl group is generated in the cellulose as the oxidation reaction progresses. 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. 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/m3以上であることが好ましい。上限は、250g/m3以下であることが好ましく、220g/m3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/m3であることが好ましく、50〜220g/m3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 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 amount of carboxyl group, carboxylate group, and aldehyde group contained in the cellulose oxide nanofiber 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), ethyl hydroxyethyl (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 the carboxymethylated cellulose or cellulose nanofiber 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, 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 mol or more, more preferably 1.0 mol or more, and further preferably 1.5 times mol 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 by mole, 1.0. 10-fold molars are more preferred, and 1.5-5-fold moles 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 by mole or more, more preferably 0.5 times by mole or more, and further preferably 0.8 times by mole 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H2SO4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H2SO4)(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H2SO4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。[Cationation]
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 cationized cellulose can be adjusted by the amount of 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 cationic substituent into cellulose, the celluloses are electrically repelled from 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.
Cation 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 cellulosic raw material with compound A, which will be described later. Examples of the method for reacting the compound A with the cellulosic raw material include a method of mixing the powder or the aqueous solution of the compound A with the cellulosic raw material, a method of adding the aqueous solution of the compound A to the slurry of the 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, polyphosphonic 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 or a combination of two or more of these. Of these, from the viewpoints of high efficiency of introducing a phosphoric acid group, easy defibration in the defibration process, and easy industrial application, phosphoric acid, sodium phosphate salt 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-based 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 phosphoric acid group into 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 after removing the water, it is heated at 100 to 170 ° C. 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。リン酸基の導入量は、セルロース1g(質量)あたり0.1〜3.5mmol/gであることが好ましく、0.2〜3.0mmol/gがより好ましく、0.4〜2.5mmol/gがさらに好ましく、0.6〜2.3mmol/gが特に好ましい。リン酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、セルロース原料のナノ解繊を容易にし、セルロースナノファイバーの安定性を高めることができる。また、リン酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、セルロースナノファイバーのスラリーの粘度を適切な範囲に調整することができる。 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 amount of the phosphoric acid group introduced is preferably 0.1 to 3.5 mmol / g, more preferably 0.2 to 3.0 mmol / g, and 0.4 to 2.5 mmol / g per 1 g (mass) of cellulose. g is more preferable, and 0.6 to 2.3 mmol / g is particularly preferable. By setting the amount of the phosphoric acid group introduced within the above range, nanofibering of the cellulose raw material can be facilitated and the stability of the cellulose nanofibers can be enhanced. Further, by setting the amount of the phosphoric acid group introduced within the above range, the viscosity of the cellulose nanofiber slurry can be adjusted within an appropriate range.
[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 timing 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 even more 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、撹拌、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 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 is a solid in an intermediate mode between the dispersion and the dry solid. 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 the dispersion 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 mixture 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, xyloglucane, 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, Polydextrose, Pectin, Chitin, Water Soluble Chitin, Chitosan, Casein, Albumin, Soy Protein Dissolved, Peptone, Polyvinyl Alcohol, Poly Acrylamide, sodium polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, vinylacetate, polyamino acid, polylactic acid, polyaronic 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. Examples include a 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, squeezing, 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. 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 is highly energy efficient and can immediately recover the dried product without applying heat more than necessary.
3)他の配合剤
本工程(a)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。3) Other compounding agents In this step (a), other compounding agents may be mixed in addition to the rubber component and the cellulosic fiber. Other compounding agents include sulfenamide (Nt-butyl-2-benzothiazole sulfenamide, etc.), vulcanization accelerators such as zinc oxide and stearic acid, 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 adjusters, etc. that can be used in the field of rubber.
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(a)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。以下、セルロースナノファイバー分散液のろ過処理について説明する。4) Filtering 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 (a), the dispersion obtained by filtering the cellulose nanofiber dispersion or the cellulose nanofiber isolated from the dispersion may be used. Hereinafter, the filtration treatment of the cellulose nanofiber dispersion liquid will be described.
本発明においては、セルロースナノファイバー分散液を0.01MPa以上のろ過差圧で加圧ろ過または減圧ろ過することが好ましい。ろ過に供するセルロースナノファイバー分散液におけるセルロースナノファイバー濃度は0.1〜5重量%、好ましくは0.2〜4重量%、より好ましくは0.5〜3重量%である。前記ろ過差圧でろ過を行うことにより、セルロースナノファイバー分散液の濃度や粘度が高くても充分なろ過処理量が可能となる。ろ過差圧は0.01〜10MPaであることが好ましい。当該差が0.01MPa未満であると充分なろ過処理量が得られず、また、ろ過処理量を得るためには相当の希釈が必要であり、その後の工程を考慮すると適当でない。ろ過に用いる装置としては、ヌッチェ型、キャンドル型、リーフディスク型、ドラム型、フィルタープレス型、ベルトフィルター型等が挙げられる。 In the present invention, it is preferable to perform pressure filtration or vacuum filtration of the cellulose nanofiber dispersion liquid with a filtration differential pressure of 0.01 MPa or more. The cellulose nanofiber concentration in the cellulose nanofiber dispersion to be filtered is 0.1 to 5% by weight, preferably 0.2 to 4% by weight, and more preferably 0.5 to 3% by weight. By performing filtration with the filtration differential pressure, a sufficient amount of filtration treatment can be performed even if the concentration and viscosity of the cellulose nanofiber dispersion liquid are high. The filtration differential pressure is preferably 0.01 to 10 MPa. If the difference is less than 0.01 MPa, a sufficient filtration treatment amount cannot be obtained, and a considerable dilution is required to obtain the filtration treatment amount, which is not appropriate in consideration of the subsequent steps. Examples of the apparatus used for filtration include a nutche type, a candle type, a leaf disc type, a drum type, a filter press type, a belt filter type and the like.
ろ過処理量は1時間当たり10L/m2以上であることが好ましく、100L/m2以上であることがより好ましい。ろ過の方法としては、ろ過助剤を用いる助剤ろ過、多孔質ろ材を用いるろ材ろ過が挙げられる。本発明においては、適宜方法を選択でき、前記二つのろ過方法を併用してもよい。この場合、ろ過方法の順序は任意に選択できる。さらに2つ以上のろ過工程を実施する場合、いずれか1つのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されていればよいが、すべてのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されてもよい。以下、ろ過助剤およびろ材について詳細に説明する。The amount of filtration treatment is preferably 10 L / m 2 or more per hour, and more preferably 100 L / m 2 or more. Examples of the filtration method include auxiliary agent filtration using a filtration auxiliary agent and filter medium filtration using a porous filter medium. In the present invention, an appropriate method can be selected, and the above two filtration methods may be used in combination. In this case, the order of the filtration methods can be arbitrarily selected. When two or more filtration steps are further carried out, any one of the filtration steps may be carried out at the filtration differential pressure, but all the filtration steps may be carried out at the filtration differential pressure. Hereinafter, the filtration aid and the filter medium will be described in detail.
(i)ろ過助剤
ろ過助剤を用いる助剤ろ過は、ろ過助剤で形成されたろ過層を取り除くことによりろ過処理で生じたろ材の目詰まりを容易に解消することができるので好ましい。このため、連続的なろ過処理を行うことが可能である。ろ過助剤は平均粒子径が150μm以下の粒状物であることが好ましく、1〜150μmの粒状物がより好ましく、10〜75μmの粒状物がさらに好ましく、15〜45μmの粒状物がよりさらに好ましく、25〜45μmの粒状物が特に好ましい。平均粒子径がこれより小さいとろ過速度が低下し、これより大きな粒径の場合は異物を捉えきれないためろ過処理の効果が得られない。ろ過助剤は後述するとおり珪藻土等の略球形である場合、粉末セルロースのように棒状である場合があるが、いずれの場合でもJIS Z8825−1に従いレーザー回折式測定器により平均粒子径を測定できる。(I) Filtration Auxiliary Auxiliary agent filtration using a filtration aid is preferable because clogging of the filter medium caused by the filtration treatment can be easily eliminated by removing the filtration layer formed by the filtration aid. Therefore, continuous filtration processing can be performed. The filtration aid is preferably particles having an average particle size of 150 μm or less, more preferably 1 to 150 μm, further preferably 10 to 75 μm, and even more preferably 15 to 45 μm. Granules of 25 to 45 μm are particularly preferred. If the average particle size is smaller than this, the filtration rate will decrease, and if the particle size is larger than this, foreign matter cannot be captured and the effect of the filtration process cannot be obtained. As will be described later, the filtration aid may be rod-shaped like powdered cellulose when it is substantially spherical such as diatomaceous earth, but in either case, the average particle size can be measured with a laser diffraction measuring device according to JIS Z8825-1. ..
ろ過助剤を用いるろ過は、ろ材の上にろ過助剤の層を形成するプレコートろ過、ろ過助剤とセルロースナノファイバー分散液を予め混合し、これをろ過するボディーフィードろ過のいずれによって行ってもよいが、両者を組合せると処理量が向上しかつろ液の品質が良好となるためより好ましい。また、助剤の種類を変えて多段で助剤ろ過を行ってもよい。ろ過助剤を用いて2つ以上のろ過工程を実施する場合、いずれか1つのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されていればよいが、すべてのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されてもよい。ろ過助剤としては無機化合物、有機化合物のいずれを用いてもよいが、粒状のものが好ましい。好ましい例としては、珪藻土、粉末セルロース、パーライト、活性炭等が挙げられる。以下、一例として珪藻土および粉末セルロースについて詳細に説明する。 Filtration using a filtration aid can be performed by either precoat filtration in which a layer of the filtration aid is formed on the filter medium, or body feed filtration in which the filtration aid and the cellulose nanofiber dispersion are mixed in advance and filtered. It is good, but it is more preferable to combine both of them because the processing amount is improved and the quality of the filtrate is improved. Further, the auxiliary agent may be filtered in multiple stages by changing the type of the auxiliary agent. When two or more filtration steps are carried out using a filtration aid, it is sufficient that any one of the filtration steps is carried out at the filtration differential pressure, but all the filtration steps are carried out at the filtration differential pressure. May be good. As the filtration aid, either an inorganic compound or an organic compound may be used, but a granular one is preferable. Preferred examples include diatomaceous earth, powdered cellulose, pearlite, activated carbon and the like. Hereinafter, diatomaceous earth and powdered cellulose will be described in detail as examples.
(ii)珪藻土
珪藻土とは、主に珪藻の殻からなる軟質の岩石または土壌であり、シリカを主成分とするが、シリカ以外にもアルミナ、酸化鉄、アルカリ金属の酸化物等を含んでいてもよい。また、多孔質で高い空隙率を有し、ケーク嵩密度が0.2〜0.45g/cm3程度のものが好ましい。珪藻土の中でも、焼成品や融剤焼成品が好ましく、さらには淡水産珪藻土が好ましいが、他の珪藻土も使用できる。このような珪藻土の具体例としては、セライト社製のセライト(登録商標)、イーグルピッチャーミネラルズ社製のよりセラトム(登録商標)が挙げられる。(Ii) Diatomaceous earth Diatomaceous earth is a soft rock or soil mainly composed of diatom shells, which is mainly composed of silica, but also contains alumina, iron oxide, alkali metal oxides, etc. in addition to silica. May be good. Further, it is preferable that the cake is porous, has a high porosity, and has a cake bulk density of about 0.2 to 0.45 g / cm 3. Among the diatomaceous earths, calcined products and flux-fired products are preferable, and freshwater diatomaceous earth is preferable, but other diatomaceous earths can also be used. Specific examples of such diatomaceous earth include Celite (registered trademark) manufactured by Celite and Yori Ceratom (registered trademark) manufactured by Eagle Pitcher Minerals.
(iii)粉末セルロース
粉末セルロースとは、木材パルプの非結晶部分を酸加水分解処理で除去した後、粉砕、篩分けして得られる微結晶性セルロースからなる棒軸状粒子である。粉末セルロースにおけるセルロースの重合度は好ましくは100〜500程度であり、X線回折法による粉末セルロースの結晶化度は好ましくは70〜90%であり、レーザー回折式粒度分布測定装置による体積平均粒子径は好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下である。体積平均粒子径が100μm以下であると、流動性に優れるセルロースナノファイバー分散液を得ることができる。本発明で用いる粉末セルロースとしては、例えば、精選パルプを酸加水分解した後に得られる未分解残渣を精製かつ乾燥し、粉砕、篩い分けする方法により製造される棒軸状であって一定の粒径分布を有する結晶性セルロース粉末、日本製紙社製KCフロック(登録商標)、旭化成ケミカルズ社製セオラス(登録商標)、FMC社製アビセル(登録商標)が挙げられる。(Iii) Powdered Cellulose Powdered cellulose is rod-axis particles made of microcrystalline cellulose obtained by removing a non-crystalline portion of wood pulp by acid hydrolysis treatment, and then pulverizing and sieving. The degree of polymerization of cellulose in powdered cellulose is preferably about 100 to 500, the degree of crystallinity of powdered cellulose by X-ray diffraction is preferably 70 to 90%, and the volume average particle diameter by a laser diffraction type particle size distribution measuring device. Is preferably 100 μm or less, and more preferably 50 μm or less. When the volume average particle size is 100 μm or less, a cellulose nanofiber dispersion having excellent fluidity can be obtained. The powdered cellulose used in the present invention has, for example, a rod-shaped shaft and a constant particle size produced by a method of purifying, drying, pulverizing, and sieving an undecomposed residue obtained after acid hydrolysis of selected pulp. Examples thereof include crystalline cellulose powder having a distribution, KC Flock (registered trademark) manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd., Theoras (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd., and Abyssel (registered trademark) manufactured by FMC.
(iv)ろ材
ろ材としては、金属繊維、セルロース、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ガラス、コットン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド等の素材からなるフィルター、メンブレン、ろ布、金属粉を焼結させてなるフィルター、またはスリット状フィルター等が挙げられる。このうち特に金属フィルターあるいはメンブレンフィルターが好ましい。(Iv) Filter media The filter media is made by sintering filters, membranes, filter cloths, and metal powders made of materials such as metal fibers, cellulose, polypropylene, polyester, nylon, glass, cotton, polytetrafluoroethylene, and polyphenylene sulfide. Examples thereof include a filter and a slit-shaped filter. Of these, a metal filter or a membrane filter is particularly preferable.
ろ材の好ましい平均孔径は、上記のろ過助剤と併用する場合は特に限定されず、公知のものを用いることができる。一方、上記のろ過助剤を併用せず、ろ材のみによりろ過する場合、ろ材の平均孔径は好ましくは0.01〜100μm、より好ましくは0.1〜50μm、さらに好ましくは1〜30μmである。平均孔径がこれより小さいと十分なろ過速度が得られず、これより大きいとろ過助剤を捉えきれないためろ過効果が得られにくくなる。 The preferable average pore size of the filter medium is not particularly limited when used in combination with the above-mentioned filtration aid, and known ones can be used. On the other hand, when filtering only with the filter medium without using the above-mentioned filtration aid, the average pore size of the filter medium is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 0.1 to 50 μm, and further preferably 1 to 30 μm. If the average pore size is smaller than this, a sufficient filtration rate cannot be obtained, and if it is larger than this, the filtration aid cannot be captured and the filtration effect becomes difficult to obtain.
(v)分散性評価
ろ過後のセルロースナノファイバー分散液の分散性は、以下の方法で評価することが好ましい。
1)当該セルロースナノファイバーの分散液に表面張力調整剤を添加した後に薄膜化し、
2)当該薄膜の両面に、一対の偏光板を互いに偏光軸が直交するように配置し、
3)一方の偏光板側から光を照射し、他方の偏光板側から透過画像を取得し、
4)当該画像を画像解析して異物面積を特定し、前記セルロースナノファイバー絶乾重量1gあたりの異物面積比率を算出する。
当該方法の詳細は特願2016−044675に記載されており、本発明においてはその内容を援用する。
ろ過後のセルロースナノファイバー分散液は、当該評価方法において25%以下の異物面積比率を有することが好ましい。(V) Evaluation of dispersibility The dispersibility of the cellulose nanofiber dispersion liquid after filtration is preferably evaluated by the following method.
1) After adding a surface tension adjusting agent to the dispersion liquid of the cellulose nanofibers, the film is thinned.
2) A pair of polarizing plates are arranged on both sides of the thin film so that their polarization axes are orthogonal to each other.
3) Irradiate light from one polarizing plate side and acquire a transmitted image from the other polarizing plate side.
4) The foreign matter area is specified by image analysis of the image, and the foreign matter area ratio per 1 g of the absolute dry weight of the cellulose nanofibers is calculated.
Details of the method are described in Japanese Patent Application No. 2016-044675, the contents of which are incorporated in the present invention.
The filtered cellulose nanofiber dispersion liquid preferably has a foreign matter area ratio of 25% or less in the evaluation method.
(2)工程(b)
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。本発明において相溶性とは親和性と同義である。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。(2) Step (b)
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. In the present invention, compatibility is synonymous with affinity. If the temperature is less than 100 ° C, this effect is not sufficiently exhibited, and if it 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 viewpoint, the heating time is preferably 5 to 300 minutes, more preferably 10 to 120 minutes, still more preferably 15 to 70 minutes.
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、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を用いて工程(a)を実施できる。この場合、混合物中に液状媒体が存在するので、工程(b)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, the step (a) is carried out using a dispersion in which the rubber component is dispersed in a dispersion medium, a solution in which the rubber component is dissolved in a solvent, a dispersion in which cellulosic fibers are dispersed in a dispersion medium, or the like. can. In this case, since the liquid medium is present in the mixture, it is preferable to remove it before the step (b). 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.
2.ゴム組成物の製造方法
前記の方法で製造したマスターバッチに、架橋剤を添加して混練りすることで未架橋ゴム組成物(架橋性ゴム組成物)を製造できる。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。架橋剤の配合量は適宜調整してよい。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。他の配合剤をマスターバッチに添加することもできる。2. Method for Producing Rubber Composition An uncrosslinked rubber composition (crosslinkable rubber composition) can be produced by adding a crosslinking agent to the masterbatch produced by the above method and kneading the masterbatch. 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 can be carried out by using, for example, a Banbury mixer, a kneader, an open roll or the like. Examples of the cross-linking agent include sulfur and peroxide. The blending amount of the cross-linking agent may be adjusted as appropriate. Other compounding agents include sulfenamide (Nt-butyl-2-benzothiazole sulfenamide, etc.), vulcanization accelerators such as zinc oxide and stearic acid, 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 adjusters, etc. that can be used in the field of rubber. Other formulations can also be added to the masterbatch.
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したゴム組成物とすることもできる。 Further, it is also possible to add a rubber component together with a cross-linking agent to the master batch and knead the master batch to obtain a rubber composition in which the cellulosic fiber concentration is diluted.
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 kneading temperature may be about room temperature (about 15 to 30 ° C.), but may be heated to a high temperature so that the rubber component does not undergo a cross-linking 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.
架橋については、架橋反応が進む条件であれば、温度に特に制限は無いが、一般的には、混練りして得た未架橋ゴム組成物を加熱して架橋(硫黄を含む場合は加硫ともいう)すると架橋ゴム組成物が得られる。加熱温度は、140℃以上が好ましく、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。 Regarding cross-linking, the temperature is not particularly limited as long as the cross-linking reaction proceeds, but in general, the uncross-linked rubber composition obtained by kneading is heated for cross-linking (vulcanization when sulfur is contained). Also referred to as), a crosslinked rubber composition is obtained. The heating temperature is preferably 140 ° C. or higher, 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 cross-linking reaction more rapidly than the composition containing no cellulose nanofibers. The reason for this is not limited, but it is presumed 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 of these treatments may be performed.
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.
<実施例1>
[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重量%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1.1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。<Example 1>
[Manufacture of cellulose oxide nanofibers]
5.00 g (absolutely dry) of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from coniferous trees, 39 mg (0.05 mmol with respect to 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 in which 1.0 mmol) was dissolved in 1 g of absolute dry cellulose, and the mixture was 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% by weight, 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 1.1% by mass (w / v), and the mixture was treated with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa) three times to obtain an oxidized cellulose nanofiber dispersion. The average fiber diameter was 3 nm and the aspect ratio was 250.
[マスターバッチの製造]
1)混合および乾燥工程
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1.1%(w/v)(1.1重量%)水分散液636gと、ゴム成分としてアクリロニトリル−ブタジエンゴムポリマーラテックス(商品名:Nipol511A、日本ゼオン株式会社製、固形分濃度46重量%)76g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一晩乾燥して乾燥物を得た。[Manufacturing of masterbatch]
1) Mixing and drying steps 636 g of an aqueous dispersion having a solid content concentration of 1.1% (w / v) (1.1% by weight) of the cellulose oxide nanofibers obtained as described above and acrylonitrile-butadiene rubber polymer latex as a rubber component. (Product name: Nipol511A, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., solid content concentration 46% by weight) Mix 76 g so that the weight ratio of the rubber component and the cellulose nanofibers is 100:20, and use a TK homomixer (8000 rpm). The mixture was stirred for 10 minutes. The aqueous suspension was dried overnight in a heating oven at 70 ° C. to give a dried product.
2)加熱工程
この乾燥物を、オーブン中で、120℃にて30分加熱して、マスターバッチを製造した。2) Heating step This dried product was heated at 120 ° C. for 30 minutes in an oven to produce a masterbatch.
3)加硫および成形工程
前記マスターバッチに、硫黄1.2g(ゴム成分に対し3.5重量%)、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)0.25g(ゴム成分に対し0.7重量%)、酸化亜鉛2.1g(ゴム成分に対し6重量%)、ステアリン酸0.18g(ゴム成分に対し0.5重量%)を加え、オープンロール(関西ロール株式会社製)を用い、30℃で10分間混練して、未架橋ゴム組成物のシートを得た。3) Vulcanization and molding process 1.2 g of sulfur (3.5% by weight based on rubber component) and 0.25 g of vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-benzothiazolyl sulphenamide) in the master batch. (0.7% by weight based on rubber component), 2.1 g zinc oxide (6% by weight based on rubber component), 0.18 g stearic acid (0.5% by weight based on rubber component), and open roll (Kansai) Using Roll Co., Ltd.), the mixture was kneaded at 30 ° C. for 10 minutes to obtain a sheet of an uncrosslinked rubber composition.
このシートを、金型にはさみ、160℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmの架橋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として、50%ひずみ時、100%ひずみ時、および破断時における応力をそれぞれ測定した。各々の数値が大きい程、架橋ゴム組成物(加硫ゴム組成物)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 160 ° C. for 15 minutes to obtain a sheet of a crosslinked rubber composition having a thickness of about 2 mm. This is cut into a test piece having a predetermined shape, and according to JIS K6251 "Vulcanized rubber and thermoplastic rubber-How to obtain tensile properties", the tensile characteristics, which is one of the reinforcing properties, is 50% strain and 100% strain. The stress at time and at break was measured, respectively. The larger each value is, the better the crosslinked rubber composition (vulcanized rubber composition) is reinforced, indicating that the mechanical strength of the rubber is excellent.
<実施例2>
前記加熱工程における加熱時間を60分とした以外は、実施例1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 2>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heating time in the heating step was 60 minutes.
<実施例3>
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と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 3>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature in the heating step was set to 150 ° C.
<実施例4>
前記加熱工程における加熱温度を150℃、加熱時間を60分とした以外は、実施例1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 4>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature in the heating step was 150 ° C. and the heating time was 60 minutes.
<実施例5>
前記加熱工程における加熱温度を180℃、加熱時間を30分とした以外は、実施例1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 5>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature in the heating step was 180 ° C. and the heating time was 30 minutes.
<実施例6>
TEMPO酸化CNFの代わりに以下のようにして調製したカチオン化CNFを用いた以外は、実施例1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 6>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the cationized CNF prepared as follows was used instead of the TEMPO oxidized CNF.
[カチオン化セルロースナノファイバーの製造]
パルプを撹拌することができるパルパーに、パルプ(NBKP、日本製紙株式会社製)を乾燥重量で200g、水酸化ナトリウムを乾燥重量で24g加え、パルプ固形濃度が15重量%になるように水を加えた。その後、30℃で30分撹拌した後に70℃まで昇温し、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200g(有効成分換算)添加した。1時間反応した後に、反応物を取り出して中和、洗浄して、グルコース単位当たりのカチオン置換度0.05のカチオン変性されたセルロースを得た。その後、カチオン変性したパルプを固形濃度1重量%(w/v)とし、高圧ホモジナイザーにより20℃、140MPaの圧力で2回処理した。得られた繊維の平均繊維径は25nm、アスペクト比は50であった。[Manufacture of cationized cellulose nanofibers]
To a pulper capable of stirring pulp, 200 g of pulp (NBKP, manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.) by dry weight and 24 g of sodium hydroxide by dry weight are added, and water is added so that the pulp solid concentration becomes 15% by weight. rice field. Then, after stirring at 30 ° C. for 30 minutes, the temperature was raised to 70 ° C., and 200 g (in terms of active ingredient) of 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride was added as a cationizing agent. After reacting for 1 hour, the reaction product was taken out, neutralized and washed to obtain a cationically modified cellulose having a degree of cation substitution of 0.05 per glucose unit. Then, the cation-modified pulp was adjusted to a solid concentration of 1% by weight (w / v), and treated twice with a high-pressure homogenizer at a pressure of 20 ° C. and 140 MPa. The average fiber diameter of the obtained fibers was 25 nm, and the aspect ratio was 50.
<実施例7>
加熱時間を60分に変更した以外は、実施例6と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<実施例8>
加熱温度を150℃に変更した以外は、実施例6と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<実施例9>
加熱温度を150℃、加熱時間を60分に変更した以外は、実施例6と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 7>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 6 except that the heating time was changed to 60 minutes.
<Example 8>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 6 except that the heating temperature was changed to 150 ° C.
<Example 9>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 6 except that the heating temperature was changed to 150 ° C. and the heating time was changed to 60 minutes.
<実施例10>
アクリロニトリルブタジエンゴムポリマーの代わりに天然ゴム(商品名HA−LATEX、株式会社レヂテックス製、固形分濃度61.7重量%)を用いた以外は、実施例1と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<実施例11>
アクリロニトリルブタジエンゴムポリマーの代わりに天然ゴム(商品名HA−LATEX、株式会社レヂテックス製、固形分濃度61.7重量%)を用いた以外は、実施例3と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 10>
A rubber composition was produced in the same manner as in Example 1 except that natural rubber (trade name HA-LATEX, manufactured by Reditex Co., Ltd., solid content concentration 61.7% by weight) was used instead of the acrylonitrile butadiene rubber polymer. evaluated.
<Example 11>
A rubber composition was produced in the same manner as in Example 3 except that natural rubber (trade name HA-LATEX, manufactured by Reditex Co., Ltd., solid content concentration 61.7% by weight) was used instead of the acrylonitrile butadiene rubber polymer. evaluated.
<実施例12>
以下のようにして調製したTEMPO酸化CNFを用いた以外は、実施例11と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 12>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 11 except that TEMPO-oxidized CNF prepared as follows was used.
[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)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3.5mmol/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て系内の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を分離し、分離されたパルプを十分に水洗して、酸化されたパルプ(酸化(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91重量%であり、酸化反応に要した時間は80分、カルボキシル基量は1.0mmol/gであった。これを水で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(カルボキシル化)セルロースナノファイバー分散液(1.0重量%(w/v))を得た。平均繊維径は3nm、アスペクト比は270であった。[Manufacture of cellulose oxide nanofibers]
5.00 g (absolutely dry) of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from coniferous trees, 39 mg (0.05 mmol per 1 g of absolute dry cellulose) and 514 mg of sodium bromide (absolutely dry). It was added to 500 mL of an aqueous solution in which 1.0 mmol) was dissolved in 1 g of cellulose, and the mixture was 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 3.5 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 pulp, and the separated pulp was thoroughly washed with water to obtain oxidized pulp (oxidized (carboxylated) cellulose). The pulp yield at this time was 91% by weight, the time required for the oxidation reaction was 80 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.0 mmol / g. This was adjusted to 1.0% by weight (w / v) with water, treated three times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa), and oxidized (carboxylated) cellulose nanofiber dispersion liquid (1.0% by weight). (W / v)) was obtained. The average fiber diameter was 3 nm and the aspect ratio was 270.
<実施例13>
以下のようにして調製したカルボキシメチル化CNFを用いた以外は、実施例11と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 13>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 11 except that the carboxymethylated CNF prepared as follows was used.
[カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの製造]
パルプを混ぜることができる撹拌機に、パルプ(NBKP(針葉樹晒クラフトパルプ)、日本製紙製)を乾燥質量で200g、水酸化ナトリウムを乾燥質量で111g(出発原料の無水グルコース残基当たり2.25倍モル)加え、パルプ固形分が20重量%になるように水を加えた。その後、30℃で30分撹拌した後にモノクロロ酢酸ナトリウムを216g(有効成分換算、パルプのグルコース残基当たり1.5倍モル)添加した。30分撹拌した後に、70℃まで昇温し1時間撹拌した。その後、反応物を取り出して中和、洗浄して、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度0.25のカルボキシルメチル化したパルプを得た。これに水を加えて固形分濃度1重量%とし、高圧ホモジナイザーにより20℃、150MPaの圧力で5回処理することにより解繊しカルボキシメチル化セルロースナノファイバー(1重量%(w/v))を得た。平均繊維径は15nm、アスペクト比は50であった。[Manufacture of carboxymethylated cellulose nanofibers]
In a stirrer capable of mixing pulp, 200 g of pulp (NBKP (coniferous bleached kraft pulp), manufactured by Nippon Paper Industries) by dry mass and 111 g of sodium hydroxide by dry mass (2.25 per anhydrous glucose residue of starting material). (Double mol) was added, and water was added so that the pulp solid content was 20% by weight. Then, after stirring at 30 ° C. for 30 minutes, 216 g of sodium monochloroacetate (in terms of active ingredient, 1.5 times by mole per glucose residue of pulp) was added. After stirring for 30 minutes, the temperature was raised to 70 ° C. and the mixture was stirred for 1 hour. Then, the reaction product was taken out, neutralized and washed to obtain a carboxylmethylated pulp having a carboxymethyl substitution degree of 0.25 per glucose unit. Water was added to this to make the solid content concentration 1% by weight, and the carboxymethylated cellulose nanofibers (1% by weight (w / v)) were defibrated by treating with a high-pressure homogenizer at a pressure of 20 ° C. and 150 MPa five times. Obtained. The average fiber diameter was 15 nm and the aspect ratio was 50.
<実施例14>
以下のようにして調製したリン酸エステル化CNFを用いた以外は、実施例11と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 14>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 11 except that the phosphoric acid esterified CNF prepared as follows was used.
[リン酸エステル化セルロースナノファイバーの製造]
リン酸二水素ナトリウム二水和物6.75g、リン酸水素二ナトリウム4.83gを19.62gの水に溶解し、リン酸系化合物の水溶液(以下、「リン酸化試薬」という。)を得た。針葉樹未晒クラフトパルプ(NUKP、水分80重量%、JIS P8121に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)580mL)に、濃度が4重量%になるように水を加えた。その後、ダブルディスクリファイナーを用いて、変則CSF(平織り80メッシュ、パルプ採取量を0.3gとした以外はJIS P8121に準ずる)が200mL、長さ平均繊維長が0.66mmになるまで叩解した。これにより得たセルロース懸濁液を0.3重量%に希釈し、含水率90重量%、固形分(絶乾質量)3gのパルプシート(厚み200μm)を抄紙法で得た。このパルプシートを前記リン酸化試薬31.2g(乾燥パルプ100重量部に対してリン元素量として80重量部)に浸漬し、105℃の送風乾燥機(ヤマト科学株式会社DKM400)で1時間加熱後、さらに150℃で30分間加熱処理して、セルロース繊維にリン酸基を導入した。次いで、セルロース繊維にリン酸基を導入したパルプシートに500mLのイオン交換水を加え、撹拌洗浄後、脱水した。脱水後のシートを300mLのイオン交換水で希釈し、撹拌しながら、1Nの水酸化ナトリウム水溶液5mLを少しずつ添加し、pHが12〜13のセルロース懸濁液を得た。その後、このセルロース懸濁液を脱水し、500mLのイオン交換水を加えて洗浄を行った。この脱水洗浄をさらに2回繰り返した。洗浄脱水後に得られたシートにイオン交換水を添加した後、撹拌し、0.5重量%のセルロース懸濁液にした。このセルロース懸濁液を、解繊処理装置(エムテクニック社製、クレアミックス−2.2S)を用いて、21500回転/分の条件で30分間解繊処理して、解繊セルロース(リン酸エステル化セルロースナノファイバー)懸濁液を得た。解繊セルロース懸濁液に含まれるセルロースについて透過型電子顕微鏡により観察したところ、幅4nm程度の微細繊維状セルロースが含まれていることが確認された。また、X線回折により、セルロースはセルロースI型結晶を維持していることが確認された。また、FT−IRによる赤外線吸収スペクトルの測定により、1230〜1290cm−1にリン酸基に基づく吸収が見られ、リン酸基の付加が確認された。この時のリン酸基導入量は微細繊維状セルロース1g(重量)あたり1.4mmol/gであった。[Manufacture of Phosphate Esterified Cellulose Nanofibers]
6.75 g of sodium dihydrogen phosphate dihydrate and 4.83 g of disodium hydrogen phosphate are dissolved in 19.62 g of water to obtain an aqueous solution of a phosphoric acid compound (hereinafter referred to as "phosphorylation reagent"). rice field. Water was added to unbleached softwood kraft pulp (NUKP, water content 80% by weight, Canadian standard drainage (CSF) 580 mL as measured according to JIS P8121) to a concentration of 4% by weight. Then, using a double disc refiner, the irregular CSF (similar to JIS P8121 except that the plain weave was 80 mesh and the pulp sampling amount was 0.3 g) was beaten to 200 mL and the average fiber length was 0.66 mm. The cellulose suspension thus obtained was diluted to 0.3% by weight, and a pulp sheet (thickness 200 μm) having a water content of 90% by weight and a solid content (absolute dry mass) of 3 g was obtained by a papermaking method. This pulp sheet is immersed in 31.2 g of the phosphorylation reagent (80 parts by weight of phosphorus element with respect to 100 parts by weight of dried pulp) and heated in a blower dryer (Yamato Scientific Co., Ltd. DKM400) at 105 ° C. for 1 hour. Further, heat treatment was performed at 150 ° C. for 30 minutes to introduce a phosphoric acid group into the cellulose fibers. Next, 500 mL of ion-exchanged water was added to a pulp sheet in which a phosphate group was introduced into cellulose fibers, and the pulp sheet was stirred and washed, and then dehydrated. The dehydrated sheet was diluted with 300 mL of ion-exchanged water, and 5 mL of a 1N aqueous sodium hydroxide solution was added little by little with stirring to obtain a cellulose suspension having a pH of 12 to 13. Then, this cellulose suspension was dehydrated, and 500 mL of ion-exchanged water was added for washing. This dehydration washing was repeated twice more. Ion-exchanged water was added to the sheet obtained after washing and dehydration, and the mixture was stirred to obtain a 0.5% by weight cellulose suspension. This cellulose suspension is defibrated for 30 minutes under the condition of 21500 rpm using a defibration treatment device (Clearmix-2.2S manufactured by M-Technique) to defibrate cellulose (phosphate ester). Cellulose-forming nanofibers) suspension was obtained. When the cellulose contained in the defibrated cellulose suspension was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that fine fibrous cellulose having a width of about 4 nm was contained. In addition, it was confirmed by X-ray diffraction that cellulose maintained cellulose type I crystals. Further, by measuring the infrared absorption spectrum by FT-IR, absorption based on a phosphate group was observed at 1230 to 1290 cm-1, and the addition of a phosphate group was confirmed. The amount of phosphoric acid group introduced at this time was 1.4 mmol / g per 1 g (weight) of fine fibrous cellulose.
<実施例15>
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となるようにした以外は、実施例11と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 15>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 11 except that the weight ratio of the rubber component to the cellulose nanofibers was 100: 5.
<実施例16>
ゴム成分としてアクリロニトリル−ブタジエンゴムポリマーラテックスの代わりに、クロロプレンゴムポリマーラテックス(昭和電工株式会社 ショウプレン571、固形分濃度50.6重量%)を用いた以外は実施例3と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 16>
A rubber composition was prepared in the same manner as in Example 3 except that chloroprene rubber polymer latex (Showa Denko 571, solid content concentration 50.6% by weight) was used instead of acrylonitrile-butadiene rubber polymer latex as the rubber component. Manufactured and evaluated.
<実施例17>
ゴム成分としてアクリロニトリル−ブタジエンゴムポリマーラテックスの代わりにスチレン−ブタジエンゴムポリマーラテックス(日本ゼオン株式会社 Nipol LX110、固形分濃度40.5重量%)を用いた以外は実施例3と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Example 17>
A rubber composition similar to Example 3 except that styrene-butadiene rubber polymer latex (Nippon Zeon Corporation Nipol LX110, solid content concentration 40.5% by weight) was used instead of acrylonitrile-butadiene rubber polymer latex as the rubber component. Was manufactured and evaluated.
<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 except that the heating step was not carried out.
<比較例2>
酸化セルロースナノファイバーを用いない以外は、実施例1と同様にして繊維非含有ゴム組成物を製造し、評価した。<Comparative example 2>
A fiber-free rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the cellulose oxide nanofibers were not used.
<比較例3>
加熱工程を実施しない以外は、比較例2と同様にして繊維非含有ゴム組成物を製造し、評価した。
<比較例4>
加熱工程を実施しない以外は、実施例6と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<比較例5>
加熱工程を実施しない以外は、実施例10と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<比較例6〜9>
加熱工程を実施しない以外は、実施例12〜15と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。<Comparative example 3>
A fiber-free rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 2 except that the heating step was not carried out.
<Comparative example 4>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 6 except that the heating step was not carried out.
<Comparative example 5>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 10 except that the heating step was not carried out.
<Comparative Examples 6-9>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Examples 12 to 15 except that the heating step was not carried out.
<比較例10>
酸化セルロースナノファイバーを用いず、かつ加熱工程を実施しない以外は、実施例10と同様にして繊維非含有ゴム組成物を製造し、評価した。
<比較例11>
加熱工程を実施しない以外は、実施例16と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<比較例12>
酸化セルロースナノファイバーを用いず、かつ加熱工程を実施しない以外は、実施例16と同様にして繊維非含有ゴム組成物を製造し、評価した。<Comparative Example 10>
A fiber-free rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 10 except that the cellulose oxide nanofibers were not used and the heating step was not carried out.
<Comparative Example 11>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 16 except that the heating step was not carried out.
<Comparative Example 12>
A fiber-free rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 16 except that the cellulose oxide nanofibers were not used and the heating step was not carried out.
<比較例13>
加熱工程を実施しない以外は、実施例17と同様にしてゴム組成物を製造し、評価した。
<比較例14>
酸化セルロースナノファイバーを用いず、かつ加熱工程を実施しない以外は、実施例17と同様にして繊維非含有ゴム組成物を製造し、評価した。
これらの結果を表1に示す。<Comparative Example 13>
A rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 17 except that the heating step was not carried out.
<Comparative Example 14>
A fiber-free rubber composition was produced and evaluated in the same manner as in Example 17 except that the cellulose oxide nanofibers were not used and the heating step was not carried out.
These results are shown in Table 1.
加熱工程を経て得た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。
The rubber composition produced from the masterbatch of the present invention obtained through the heating step 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.
Claims (9)
(b)前記混合物を、120〜300℃で15〜600分加熱する工程、を含む、
マスターバッチの製造方法。 It comprises (a) a step of obtaining a mixture containing a rubber component and a cellulosic fiber, and (b) a step of heating the mixture at 120 to 300 ° C. for 15 to 600 minutes.
Masterbatch manufacturing method.
前記工程(b)の前に、当該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 step (a) is carried out using the dispersion liquid or solution of the rubber component or the dispersion liquid of the cellulosic fiber.
A step of removing the dispersion medium or solvent is further included before the step (b).
The manufacturing method according to claim 1.
当該マスターバッチに架橋剤を混合する工程を含む、未架橋ゴム組成物の製造方法。 A method for producing an uncrosslinked rubber composition, which comprises a step of preparing a masterbatch by the method according to claims 1 to 7 and a step of mixing a crosslinking agent with the masterbatch.
A method for producing a rubber composition, which comprises the step of cross-linking the uncrosslinked rubber composition according to claim 8.
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