JP7636195B2 - Dithioesterified cellulose nanofiber - Google Patents
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Description
この発明は、ザンテート化セルロースナノファイバーの変性物に関する。 This invention relates to modified xanthated cellulose nanofibers.
セルロースには樹脂やゴムに対する補強効果のあることが以前より知られている(特許文献1)。ただし、一般的な微粉末セルロース繊維は、繊維が裁断された粒子状であるため、セルロースの微細繊維によるネットワークを活かした高い補強効果は期待しにくい。 It has long been known that cellulose has a reinforcing effect on resins and rubbers (Patent Document 1). However, because typical finely powdered cellulose fibers are in the form of cut particles, it is difficult to expect a high reinforcing effect that utilizes the network of fine cellulose fibers.
植物由来のセルロース材料をナノレベルまで細分化させたナノセルロースと呼ばれる新たな材料が注目されている。このうち、セルロース中の繊維を細かくほぐして繊維径3~100nm程度とした材料は、比表面積が大きく、補強用繊維として優れた性質を持つため、盛んに研究開発が進められている。この材料には様々な名称が提案されているが、本出願ではこの材料をセルロースナノファイバーと呼ぶ。このセルロースナノファイバーを製造するには、パルプなどのセルロース材料を細かく解繊する必要があるが、セルロース材料自体をそのまま解繊しようとしても繊維同士が強固な水素結合で結び付いた材料であるため、多大なエネルギーを必要とする。このため、セルロース材料を化学変性させて解繊させやすくすることで、セルロースナノファイバーを得やすくする技術が提案されている。 A new material called nanocellulose, which is made by breaking down plant-derived cellulose material to the nano level, is attracting attention. Of these, materials in which the fibers in cellulose have been finely disintegrated to a fiber diameter of about 3 to 100 nm have been actively researched and developed because of their large specific surface area and excellent properties as reinforcing fibers. Various names have been proposed for this material, but in this application, this material is called cellulose nanofiber. To produce this cellulose nanofiber, it is necessary to finely defibrate cellulose materials such as pulp, but even if you try to defibrate the cellulose material itself, it requires a large amount of energy because the fibers are bound together by strong hydrogen bonds. For this reason, a technology has been proposed to make it easier to obtain cellulose nanofibers by chemically denaturing the cellulose material to make it easier to defibrate it.
このような化学変性によって得られるセルロースナノファイバーとしては、例えば次のものが挙げられる。2,2,6,6-テトラメチル-1-ピペリジン-N-オキシラジカル(以下、「TEMPO」とする)を触媒として用いることでカルボキシル基をセルロースに導入して解繊したTEMPO酸化セルロースナノファイバーや、アルカリ処理したセルロースに二硫化炭素を加えてザンテート基(-OCSS-M+)を導入したザンテート化セルロースナノファイバー、リン酸基を導入したリン酸エステル化セルロースナノファイバーなどが挙げられる。 Examples of cellulose nanofibers obtained by such chemical modification include the following: TEMPO-oxidized cellulose nanofibers, which are defibrated by introducing carboxyl groups into cellulose using 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxy radical (hereinafter referred to as "TEMPO") as a catalyst, xanthated cellulose nanofibers, which are obtained by adding carbon disulfide to alkali-treated cellulose to introduce xanthate groups (-OCSS - M + ), and phosphated cellulose nanofibers, which are obtained by introducing phosphate groups.
中でもザンテート化セルロースナノファイバーは、樹脂やゴムに導入すると高い補強効果を得られることが、特許文献2で報告されている。特にゴムにおいて、ナノファイバーとしての補強効果に加えて、ザンテート基に含まれる硫黄が加硫促進効果も発揮すると考えられる。 It has been reported in Patent Document 2 that xanthate cellulose nanofibers, when introduced into resins or rubbers, provide a high reinforcing effect. In particular, in rubber, it is believed that in addition to the reinforcing effect of the nanofibers, the sulfur contained in the xanthate group also exerts a vulcanization-accelerating effect.
しかしながら、ザンテート化セルロースナノファイバーは熱安定性が劣るため、常温下でもザンテート基の一部が脱離しやすく、保管性に問題があった。また、ザンテート化セルロースナノファイバーは、セルロース自体は親水性だが、ザンテート基が導入されたことで親水性がより高くなっているため、疎水性である樹脂やゴムと混練する際に混ざりにくく、不均一な分散状態となってセルロースナノファイバーによる補強効果を十分に発揮できないという問題があった。 However, xanthate-modified cellulose nanofibers have poor thermal stability, and some of the xanthate groups tend to detach even at room temperature, making them difficult to store. In addition, although cellulose itself is hydrophilic, the introduction of xanthate groups makes xanthate-modified cellulose nanofibers more hydrophilic, making them difficult to mix with hydrophobic resins and rubbers when kneaded together, resulting in an uneven dispersion and preventing the reinforcing effect of the cellulose nanofibers from being fully realized.
そこでこの発明は、ザンテート化セルロースナノファイバーの有用な性質を活かすため、熱安定性と樹脂やゴムへの分散性が向上したナノファイバーを得ることを目的とする。 Therefore, the purpose of this invention is to obtain nanofibers with improved thermal stability and dispersibility in resins and rubbers in order to take advantage of the useful properties of xanthated cellulose nanofibers.
この発明は、分子構造中にセルロース骨格を有するナノファイバーであるセルロースナノファイバーであって、セルロースが有する水酸基を置換して、そのいずれかの代わりに、下記式(1)で表されるジチオエステル基を有する、ジチオエステル化セルロースナノファイバーにより、上記の課題を解決したのである。 This invention solves the above problems by providing a cellulose nanofiber that has a cellulose skeleton in its molecular structure, and is a dithioesterified cellulose nanofiber in which the hydroxyl groups of cellulose are replaced with dithioester groups represented by the following formula (1):
-OCSSR (1)
(Rは炭素数1~12の炭化水素基)
-OCSSR (1)
(R is a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms)
具体的には、セルロース骨格を構成するグルコース単位当たりの前記ジチオエステル基で置換された水酸基の平均個数である置換度が0.1以上0.4以下であり、平均繊維径が3nm以上250nm以下であるジチオエステル化セルロースナノファイバーを実施形態として採用できる。 Specifically, an embodiment can employ a dithioesterified cellulose nanofiber having a degree of substitution, which is the average number of hydroxyl groups substituted with the dithioester group per glucose unit constituting the cellulose skeleton, of 0.1 to 0.4 and an average fiber diameter of 3 nm to 250 nm.
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーは、ザンテート化セルロースナノファイバーの水系懸濁液に、ハロゲン化炭化水素を添加してザンテート基と反応させることで製造することができる。 The dithioesterified cellulose nanofibers of this invention can be produced by adding a halogenated hydrocarbon to an aqueous suspension of xanthated cellulose nanofibers and reacting it with the xanthate groups.
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーを樹脂やゴム中に含有させた樹脂組成物は、強度が向上された樹脂組成物として有用である。 A resin composition containing the dithioesterified cellulose nanofibers of this invention in a resin or rubber is useful as a resin composition with improved strength.
この発明により得られるジチオエステル化セルロースナノファイバーは、ザンテート化セルロースナノファイバーに比べて熱安定性が向上しており、製造後に保管して時間を置いてから樹脂やゴムに添加する場合でも有用に用いることができる。また、末端が-OCSS-M+のイオンとなっているザンテート基に比べて、-OCSSR基であるジチオエステル基は疎水性が高いため、樹脂やゴム中に添加した際に親和性が高く、混練しやすくなるので、樹脂組成物中に均一に分散して、品質を向上させることができる。さらに、酸性溶液中での安定性もザンテート化セルロースナノファイバーに比べて向上しており、樹脂やゴムなどの添加剤などとして広く用いられる。 The dithioesterified cellulose nanofibers obtained by this invention have improved thermal stability compared to xanthated cellulose nanofibers, and can be usefully used even when they are stored after production and then added to resins or rubbers after a period of time. In addition, compared to xanthate groups whose terminals are -OCSS - M + ions, dithioester groups which are -OCSSR groups have high hydrophobicity, and therefore have high affinity when added to resins or rubbers and are easy to knead, so that they can be uniformly dispersed in the resin composition and improve quality. Furthermore, their stability in acidic solutions is also improved compared to xanthated cellulose nanofibers, and they are widely used as additives for resins, rubbers, etc.
以下、この発明について詳細に説明する。この発明は、ジチオエステル基を有するジチオエステル化セルロースナノファイバーと、その製造方法、およびジチオエステル化セルロースナノファイバーを含有する樹脂組成物である。 The present invention is described in detail below. The present invention relates to a dithioesterified cellulose nanofiber having dithioester groups, a method for producing the same, and a resin composition containing the dithioesterified cellulose nanofiber.
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーは、基本構造としてグルコース単位が連なったセルロース骨格を有するセルロースナノファイバーである。基本構造がセルロース骨格であれば、全ての構成単位がグルコースという訳ではなく、一部の末端基が変性しているものや、一部の構造が変化しているものも含む。 The dithioesterified cellulose nanofibers of this invention are cellulose nanofibers that have a cellulose skeleton in which glucose units are linked together as the basic structure. If the basic structure is a cellulose skeleton, not all of the constituent units are glucose, and some of the end groups may be modified, or some of the structure may be changed.
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーは、セルロース骨格が有するグルコース単位の水酸基のいずれかの代わりに、水酸基が置換されたジチオエステル基を有する変性化合物である。セルロースは構成するグルコース単位当たり3つの水酸基を有するが、平均してグルコース単位当たり0.1以上の水酸基がジチオエステル基に置換されていると好ましい。以下、このグルコース単位あたりのジチオエステル基で置換された水酸基の平均個数を置換度という。置換度が0.1未満では、ジチオエステル基による疎水性向上効果や加硫促進効果などが不十分で、無置換のセルロースナノファイバーと比べての利点が十分ではない。基本的には補強効果の点からは置換度が高いほど好ましいが、製造上、置換度は0.4を超えることは好ましくない。0.4を超えて置換させると、ジチオエステル化セルロースナノファイバーの原料となるザンテート化セルロースナノファイバーを製造する際、解繊処理において分散媒としての水に溶解するおそれがある。 The dithioesterified cellulose nanofiber according to the present invention is a modified compound having a dithioester group in which a hydroxyl group is substituted for one of the hydroxyl groups of the glucose unit of the cellulose skeleton. Cellulose has three hydroxyl groups per glucose unit, and it is preferable that an average of 0.1 or more hydroxyl groups per glucose unit are substituted with a dithioester group. Hereinafter, the average number of hydroxyl groups substituted with a dithioester group per glucose unit is referred to as the degree of substitution. If the degree of substitution is less than 0.1, the hydrophobicity improving effect and vulcanization accelerating effect of the dithioester group are insufficient, and the advantages compared to unsubstituted cellulose nanofibers are not sufficient. Basically, the higher the degree of substitution, the better from the viewpoint of reinforcing effect, but in terms of production, it is not preferable for the degree of substitution to exceed 0.4. If the degree of substitution exceeds 0.4, there is a risk that the xanthate cellulose nanofiber, which is the raw material for the dithioesterified cellulose nanofiber, will dissolve in water as a dispersion medium during the defibration process when producing the xanthate cellulose nanofiber.
上記のジチオエステル基は、下記式(1)の構造を有する。Rは炭素数1~12の炭化水素基である。Rとしては、具体的にはブチル基やオクチル基などの直鎖アルキル基やベンジル基などの芳香族アルキル基、ビニル基やアリル基などのアルケニル基が挙げられる。飽和炭化水素基でもよいし、不飽和炭化水素基でもよい。また、Rは直鎖状のものに限定されない。水への溶解させやすさの点から、Rが炭素数8以下であると好ましく、4以下であると反応させやすさの点からより好ましい。 The dithioester group has the structure of the following formula (1). R is a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms. Specific examples of R include linear alkyl groups such as butyl and octyl groups, aromatic alkyl groups such as benzyl groups, and alkenyl groups such as vinyl and allyl groups. R may be a saturated or unsaturated hydrocarbon group. R is not limited to linear groups. From the viewpoint of ease of dissolving in water, it is preferable that R has 8 or less carbon atoms, and from the viewpoint of ease of reaction, it is more preferable that R has 4 or less carbon atoms.
-OCSSR (1) -OCSSR (1)
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーは、平均繊維径が3nm以上であると好ましく、5nm以上であるとより好ましい。天然セルロースの構成単位であるミクロフィブリルの繊維径が高等植物で2~3nmであることから、3nm未満とするには解繊に多大なエネルギーが必要で、製造コストが高額になるおそれがある。一方で、250nm以下が好ましく、200nm以下であるとより好ましい。解繊が不十分なために太すぎるものは、樹脂組成物に含めた際に、ナノファイバーによるネットワーク構造を形成することが難しく、補強効果が十分に発揮されないおそれがある。 The dithioesterified cellulose nanofibers of the present invention preferably have an average fiber diameter of 3 nm or more, and more preferably 5 nm or more. Since the fiber diameter of microfibrils, the structural unit of natural cellulose, is 2 to 3 nm in higher plants, a large amount of energy is required for defibration to make it less than 3 nm, which may increase the production cost. On the other hand, a diameter of 250 nm or less is preferable, and a diameter of 200 nm or less is more preferable. If the nanofibers are too thick due to insufficient defibration, it is difficult to form a network structure of nanofibers when they are included in a resin composition, and the reinforcing effect may not be fully exerted.
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーを製造するにあたっては、例えばザンテート化セルロースナノファイバーの水系懸濁液に、ハロゲン化炭化水素を添加してザンテート基と反応させることで得ることができる。この水系懸濁液の分散媒としては、水のみでもよいし、反応させる際、ハロゲン化炭化水素を溶解させやすくするために、水に水以外の極性溶媒を混合した液としてもよい。これらの極性溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド(DMSO)や、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)などを用いることができる。また、水系の分散媒にハロゲン化炭化水素を均一に分散させるため、乳化助剤を添加させても良い。ハロゲン化炭化水素は疎水性であり、そのままでは水系懸濁液中で分散しにくいためである。 The dithioesterified cellulose nanofibers of the present invention can be produced, for example, by adding a halogenated hydrocarbon to an aqueous suspension of xanthated cellulose nanofibers and reacting with the xanthate group. The dispersion medium of this aqueous suspension may be water alone, or a liquid in which a polar solvent other than water is mixed with water to facilitate dissolving the halogenated hydrocarbon during the reaction may be used. Examples of such polar solvents include dimethyl sulfoxide (DMSO) and N,N-dimethylformamide (DMF). In addition, an emulsifying aid may be added to uniformly disperse the halogenated hydrocarbon in the aqueous dispersion medium. This is because halogenated hydrocarbons are hydrophobic and difficult to disperse in an aqueous suspension as is.
ザンテート化セルロースナノファイバーの水系懸濁液は、ザンテート化セルロースを解繊したあとの分散液をそのまま用いてもよいし、一旦乾燥させたザンテート化セルロースナノファイバーを再度分散媒に分散させたものでもよい。解繊に用いるザンテート化セルロースは通常、陽イオンとしてNa+であるものが用いられるが、イオン交換されて別の陽イオンを有するものでもよい。 The aqueous suspension of xanthated cellulose nanofibers may be the dispersion liquid obtained after defibrating the xanthated cellulose, or may be the one obtained by dispersing the xanthated cellulose nanofibers once dried in a dispersion medium again. The xanthated cellulose used for defibration is usually one having Na + as a cation, but may be one having another cation by ion exchange.
上記のハロゲン化炭化水素は、ハロゲンとしてCl、Br、Iが好適に用いることができる。また、上記のハロゲン化炭化水素の炭化水素基は、上記のジチオエステル基のRに対応する官能基となる。すなわち、ブチル基やオクチル基などの直鎖アルキル基やベンジル基などの芳香族アルキル基、ビニル基やアリル基などのアルケニル基が挙げられる。 In the above halogenated hydrocarbons, Cl, Br, and I can be suitably used as the halogen. The hydrocarbon group of the above halogenated hydrocarbons is a functional group corresponding to R in the above dithioester group. That is, examples of such groups include linear alkyl groups such as butyl and octyl groups, aromatic alkyl groups such as benzyl groups, and alkenyl groups such as vinyl and allyl groups.
なお、ジチオエステル基を有するジチオエステル化セルロースナノファイバーを得ることができるのであれば、製造方法は上記のエステル化反応を用いた方法に限定されるものではない。 However, as long as dithioesterified cellulose nanofibers having dithioester groups can be obtained, the production method is not limited to the method using the above-mentioned esterification reaction.
この発明にかかるジチオエステル化セルロースナノファイバーは、樹脂やゴム中に含有させて樹脂組成物として用いることで、その樹脂組成物の強度を向上させる効果を好適に発揮する。特に、樹脂として天然ゴムや合成ゴムなどのゴムを用いた樹脂組成物にジチオエステル化セルロースナノファイバーを含有させると、ナノファイバーとしての強度向上効果だけでなく、ジチオエステル基が有する硫黄による加硫促進効果も得られる。樹脂組成物の添加方法としては特に限定されるものではない。例えば、樹脂組成物の混練中にジチオエステル化セルロースナノファイバーを添加して混練させた後で、硬化、加硫などの作業を行うとよい。 The dithioesterified cellulose nanofibers according to the present invention can be incorporated into resins or rubbers to form resin compositions, and can effectively improve the strength of the resin compositions. In particular, when dithioesterified cellulose nanofibers are incorporated into resin compositions that use rubbers such as natural rubber and synthetic rubber as the resin, not only can the nanofibers improve the strength of the nanofibers, but the sulfur contained in the dithioester groups can also promote vulcanization. There are no particular limitations on the method of adding the resin composition. For example, it is advisable to add dithioesterified cellulose nanofibers during kneading of the resin composition, knead the composition, and then perform operations such as curing and vulcanization.
上記の樹脂組成物は、その用途に応じて、ジチオエステル化セルロースナノファイバー以外の加硫促進剤、加硫剤、老化防止剤、フィラー、ワックス、補強剤、軟化剤、充填剤、着色剤、難燃剤、滑剤、可塑剤、その他の添加剤を含んでいてもよい。フィラーとしては例えば、カーボンブラック、シリカ、炭酸カルシウムなどが挙げられる。ゴムの加硫剤としては、別途添加する硫黄分などが挙げられる。 The above resin composition may contain additives other than the dithioesterified cellulose nanofiber, such as vulcanization accelerators, vulcanizing agents, antioxidants, fillers, waxes, reinforcing agents, softeners, bulking agents, colorants, flame retardants, lubricants, plasticizers, and other additives, depending on the application. Examples of fillers include carbon black, silica, and calcium carbonate. Examples of vulcanizing agents for rubber include sulfur, which is added separately.
以下、この発明を具体的に実施した実施例を示す。
まず、ジチオエステル化セルロースナノファイバーを得るための前段階として、原料となるザンテート化セルロースナノファイバーを得る製造手順とそのザンテート化セルロースナノファイバーの物性の測定方法から説明する。なお、セルロースナノファイバーを「CNF」と略記することがある。材料として、以下のものを用いた。
・クラフトパルプ(日本製紙(株)製:NBKP、α-セルロース含有率:90質量%、α-セルロースの平均重合度:1000)以下、「NBKP」と表記する。
The following describes specific examples of the present invention.
First, as a preliminary step to obtain dithioesterified cellulose nanofibers, the manufacturing procedure for obtaining the raw material xanthated cellulose nanofibers and the method for measuring the physical properties of the xanthated cellulose nanofibers will be described. Note that cellulose nanofibers are sometimes abbreviated as "CNF". The following materials were used.
Kraft pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.: NBKP, α-cellulose content: 90% by mass, average degree of polymerization of α-cellulose: 1000) hereinafter referred to as "NBKP".
(実施例1:ジチオエステル化CNF・アリル)
<アルカリ処理:ジチオエステル化CNFの作製の1>
NBKPをパルプ固形分(パルプ中の水分を除いたものをパルプ固形分とする。以下同じ。)1kgとなるように秤量した。このNBKPに8.5質量%水酸化ナトリウム水溶液25kgを加え、室温にて3時間撹拌してアルカリ処理を行った。このアルカリ処理後のパルプを遠心脱水機((株)コクサン社製、H-130C、ろ布400メッシュ)により固液分離してアルカリセルロースの脱水物を得た。このアルカリセルロースの脱水物における水酸化ナトリウム含有率は7.5質量%、パルプ固形分含有率は27.4質量%であった。
(Example 1: Dithioesterified CNF Allyl)
<Alkaline treatment: Preparation of dithioesterified CNF 1>
NBKP was weighed so that the pulp solid content (pulp solid content is the content excluding water in pulp; the same applies below) was 1 kg. 25 kg of an 8.5% by mass aqueous sodium hydroxide solution was added to this NBKP, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours to perform an alkali treatment. The pulp after this alkali treatment was subjected to solid-liquid separation using a centrifugal dehydrator (Kokusan Co., Ltd., H-130C,
<ザンテート化処理:ジチオエステル化CNFの作製の2>
上記で作製したアルカリセルロースの脱水物をパルプ固形分300gとなるように秤量した。この脱水物へ二硫化炭素を105g(対パルプ固形分として35質量%)加え、室温で4.5時間硫化反応を進行させてザンテート化処理を行い、ザンテート化セルロースを得た。
<Xanthate treatment: Preparation of dithioesterified CNF 2>
The dehydrated alkali cellulose prepared above was weighed to have a pulp solid content of 300 g. 105 g of carbon disulfide (35% by mass relative to the pulp solid content) was added to the dehydrated alkali cellulose, and the sulfurization reaction was carried out at room temperature for 4.5 hours to perform a xanthate treatment, thereby obtaining xanthated cellulose.
<ザンテート置換度測定>
前記ザンテート化セルロースについて、ザンテート置換度をBredee法により測定したところ、0.312であった。なお、このザンテート置換度はセルロースのグルコース単位当たりのザンテート基で置換された水酸基の平均個数である。Bredee法によるザンテート置換度の測定は次のように行った。ザンテート化セルロースを固形分として1.5g秤量し、5℃に冷却した飽和塩化アンモニウム水溶液を40mL添加した。ガラス棒で試料のザンテート化セルロースを潰しながらよく混合し、15分間放置後、GFPろ紙(ADVANTEC社製GS-25)でろ過して、飽和塩化アンモニウム水溶液で十分に洗浄した。GFPろ紙上に残った試料に、5℃に冷却した0.5mol/L水酸化ナトリウム水溶液を50mL添加して、GFPろ紙ごと撹拌した。撹拌した液を15分間放置後、1.5mol/L酢酸水溶液で中和した。指示薬には、フェノールフタレイン指示薬を用いた。中和後、蒸留水を250mL添加してよく撹拌し、1.5mol/L酢酸水溶液10mLと、0.05mol/Lヨウ素水溶液10mLとを添加した。この溶液を0.05mol/Lチオ硫酸ナトリウム水溶液で滴定した。指示薬には、1質量%澱粉水溶液を用いた。チオ硫酸ナトリウム水溶液の滴定量と、試料中のセルロース含有量とにより次式(1)からザンテート置換度を算出した。なお、試料であるザンテート化セルロース中のセルロース含有量は、ザンテート化セルロースに水を加えて分散させ、塩酸を添加して再生処理を行い、次に再生処理後のセルロースをろ過し、十分に洗浄後、絶乾してセルロースのみの質量を測定して求めた。
<Xanthate Substitution Degree Measurement>
The degree of xanthate substitution of the xanthated cellulose was measured by the Breedee method and found to be 0.312. The degree of xanthate substitution is the average number of hydroxyl groups substituted with xanthate groups per glucose unit of cellulose. The measurement of the degree of xanthate substitution by the Breedee method was carried out as follows. 1.5 g of xanthated cellulose was weighed as a solid content, and 40 mL of saturated ammonium chloride aqueous solution cooled to 5 ° C. was added. The xanthated cellulose sample was crushed with a glass rod and mixed well, and then left for 15 minutes, filtered with GFP filter paper (GS-25 manufactured by ADVANTEC Co., Ltd.), and thoroughly washed with saturated ammonium chloride aqueous solution. 50 mL of 0.5 mol / L sodium hydroxide aqueous solution cooled to 5 ° C. was added to the sample remaining on the GFP filter paper, and the GFP filter paper was stirred. The stirred liquid was left for 15 minutes and then neutralized with 1.5 mol / L acetic acid aqueous solution. Phenolphthalein indicator was used as the indicator. After neutralization, 250 mL of distilled water was added and thoroughly stirred, and 10 mL of 1.5 mol/L acetic acid aqueous solution and 10 mL of 0.05 mol/L iodine aqueous solution were added. This solution was titrated with 0.05 mol/L sodium thiosulfate aqueous solution. A 1% by mass starch aqueous solution was used as the indicator. The degree of xanthate substitution was calculated from the following formula (1) based on the titration amount of the sodium thiosulfate aqueous solution and the cellulose content in the sample. The cellulose content in the xanthated cellulose sample was determined by adding water to the xanthated cellulose to disperse it, adding hydrochloric acid to perform a regeneration treatment, filtering the cellulose after the regeneration treatment, thoroughly washing it, and then drying it to measure the mass of only the cellulose.
ザンテート置換度=(0.05×10×2-0.05×チオ硫酸ナトリウム滴定量(mL))÷1000÷(試料中のセルロース含有量(g)/162.1)……(1) Xanthate substitution degree = (0.05 x 10 x 2 - 0.05 x sodium thiosulfate titration (mL)) ÷ 1000 ÷ (cellulose content in sample (g) / 162.1) ... (1)
<解繊処理:ジチオエステル化CNFの作製の3>
上記のザンテート化処理で作製したザンテート化セルロースを固形分300gとなるように秤量し、固形分濃度5質量%となる様に蒸留水を添加して撹拌機で撹拌して分散させた。この分散させた分散液を、前記遠心脱水機を使用して遠心脱水しながら、蒸留水を添加して十分に洗浄することで、不純物、アルカリ、未反応の二硫化炭素等を除去した。洗浄後のザンテート化セルロースをすべて回収し、蒸留水を添加してザンテート化セルロースに含まれるセルロース分の濃度(以下、「セルロース濃度」と表記する。)0.5質量%の水懸濁液60kgとした。この水懸濁液を、高圧ホモジナイザー(三和エンジニアリング(株)製、H20型)を用いて、流速2.5L/分、圧力40MPaで5回パスさせて解繊処理して、ザンテート化CNFを得た。得られたザンテート化CNFのザンテート置換度は0.294であった。
<Defibrillation treatment: Part 3 of preparation of dithioesterified CNF>
The xanthated cellulose produced by the above xanthation treatment was weighed to a solid content of 300 g, and distilled water was added to a solid content concentration of 5% by mass, and the mixture was stirred and dispersed with a stirrer. The dispersed dispersion was centrifuged using the centrifugal dehydrator, and distilled water was added to thoroughly wash the dispersion to remove impurities, alkali, unreacted carbon disulfide, etc. All the xanthated cellulose after washing was collected, and distilled water was added to obtain a 60 kg aqueous suspension having a cellulose content concentration (hereinafter referred to as "cellulose concentration") of 0.5% by mass. This aqueous suspension was defibrated by passing it five times at a flow rate of 2.5 L/min and a pressure of 40 MPa using a high-pressure homogenizer (manufactured by Sanwa Engineering Co., Ltd., H20 type) to obtain xanthated CNF. The degree of xanthate substitution of the obtained xanthated CNF was 0.294.
<ザンテート化CNFの解繊の度合い>
前記ザンテート化CNFの水懸濁液(セルロース濃度0.5質量%)に蒸留水を添加してセルロース濃度を0.1質量%に希釈した。この希釈した水懸濁液を、遠心分離機(ベックマンコールター社製、Avanti J-25I)を使用して12000Gで10分間遠心分離して未解繊物を沈降させた。上清は分離し、沈降した未解繊物に蒸留水を添加して再度遠心分離を行い、未解繊物を洗浄した。未解繊物をるつぼに移して絶乾し、未解繊物の質量を測定した。未解繊物の質量とザンテート化セルロース中のセルロース含有量より次式(2)から生成したナノファイバーの生成率を求めたところ、99.0質量%であった。
<Degree of defibration of xanthate-conjugated CNF>
Distilled water was added to the aqueous suspension of the xanthated CNF (cellulose concentration 0.5% by mass) to dilute the cellulose concentration to 0.1% by mass. This diluted aqueous suspension was centrifuged at 12,000 G for 10 minutes using a centrifuge (Avanti J-25I, manufactured by Beckman Coulter) to settle the undefibrated material. The supernatant was separated, distilled water was added to the settled undefibrated material, and centrifugation was performed again to wash the undefibrated material. The undefibrated material was transferred to a crucible and completely dried, and the mass of the undefibrated material was measured. The production rate of nanofibers produced was calculated from the mass of the undefibrated material and the cellulose content in the xanthated cellulose using the following formula (2), which was 99.0% by mass.
ナノファイバーの生成率(質量%)=(ザンテート化セルロース中のセルロース含有量-未解繊物の質量)÷(ザンテート化セルロース中のセルロース含有量)×100……(2) Nanofiber production rate (mass%) = (Cellulose content in xanthate cellulose - mass of undefibrated material) ÷ (Cellulose content in xanthate cellulose) x 100... (2)
<ザンテート化CNFの繊維径の測定>
水でセルロース濃度0.1質量%に希釈したザンテート化CNFの水懸濁液を遠沈管に入れ、前記遠心分離機を使用して12000Gで10分間遠心分離を行い、遠心上清を回収した。この遠心上清をさらに蒸留水で希釈後に支持膜上に塗布して酢酸ウラニルで染色を施し、支持膜上で乾燥して乾燥検体とした。透過型電子顕微鏡(TEM:日本電子(株)製、JEM-1400)を使用し、加速電圧120kVでこの乾燥検体の観察を行った。こうして得られた50,000倍の画像よりナノファイバー50本を選択し、繊維径を計測したところ、繊維径は3.0nmから7.4nmの範囲であり、それらの測定値の平均である平均繊維径は6.1nmであった。
<Measurement of fiber diameter of xanthate-conjugated CNF>
A water suspension of xanthated CNF diluted with water to a cellulose concentration of 0.1% by mass was placed in a centrifuge tube, and centrifuged at 12,000 G for 10 minutes using the centrifuge to recover the centrifugal supernatant. This centrifugal supernatant was further diluted with distilled water, applied to a support film, stained with uranyl acetate, and dried on the support film to obtain a dried specimen. The dried specimen was observed at an accelerating voltage of 120 kV using a transmission electron microscope (TEM: JEM-1400, manufactured by JEOL Ltd.). 50 nanofibers were selected from the 50,000x image thus obtained, and the fiber diameter was measured. The fiber diameter was in the range of 3.0 nm to 7.4 nm, and the average fiber diameter, which is the average of these measured values, was 6.1 nm.
<ザンテート化CNFの硫黄含有率の測定>
以上の解繊処理までの手順と同様の処理で得られたザンテート化CNFの水懸濁液(セルロース含有率0.5質量%)を凍結乾燥して、ザンテート化CNFの凍結乾燥物を得た。この凍結乾燥物の硫黄含有率を、塩素・硫黄分析装置((株)三菱ケミカルアナリテック社製、TOX-2100H)を使用して測定した。ザンテート化CNF中の硫黄含有率は8.7質量%であった。
<Measurement of sulfur content of xanthate-converted CNF>
The aqueous suspension of xanthated CNF (cellulose content 0.5% by mass) obtained by the same procedure as the above defibration process was freeze-dried to obtain a freeze-dried product of xanthated CNF. The sulfur content of this freeze-dried product was measured using a chlorine/sulfur analyzer (TOX-2100H, manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.). The sulfur content in the xanthated CNF was 8.7% by mass.
<ジチオエステル化処理及び再分散処理:ジチオエステル化CNFの作製の4>
以上の解繊処理までの手順と同様の処理で得られたザンテート化CNFの水懸濁液5kg(セルロース含有率0.5質量%)に蒸留水を添加して濃度を0.25質量%に希釈し、1.5mol/Lの酢酸で中和した。中和後、0℃の水浴中にて1時間撹拌して、液温が5℃以下となったところでアリルブロマイド(東京化成工業(株)製)55gを添加して、液温を5℃以下に維持したまま12時間撹拌してジチオエステル化処理を行い、アリル基を有するジチオエステル化CNFを作製した(以下、「アリルジチオエステル化CNF」という場合がある)。
<Dithioesterification treatment and redispersion treatment: Part 4 of preparation of dithioesterified CNF>
Distilled water was added to 5 kg of an aqueous suspension of xanthate-containing CNF (cellulose content 0.5% by mass) obtained by the same process as the above defibration process, and the concentration was diluted to 0.25% by mass, and neutralized with 1.5 mol / L of acetic acid. After neutralization, the mixture was stirred in a water bath at 0 ° C. for 1 hour, and when the liquid temperature reached 5 ° C. or less, 55 g of allyl bromide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added, and the mixture was stirred for 12 hours while maintaining the liquid temperature at 5 ° C. or less to perform a dithioesterification process, thereby producing dithioesterified CNF having an allyl group (hereinafter, sometimes referred to as "allyl dithioesterified CNF").
ジチオエステル化処理後のザンテート化CNF(本願発明にかかるジチオエステル化CNFである)の水懸濁液を、前記遠心脱水機を使用して遠心脱水しながら、エタノール及び蒸留水を添加して十分に洗浄した。洗浄したジチオエステル化CNFをすべて回収し、蒸留水を添加して、ジチオエステル化CNFの含有率が1質量%である水懸濁液10kgを調製した。この水懸濁液を、高圧ホモジナイザー(三和エンジニアリング(株)製、H20型)を用いて、流速2.5L/分、圧力40MPaで2回パスさせて再分散処理した。再分散処理後、ジチオエステル化CNFの再分散体の顕微鏡写真を撮影して繊維径を計測したところ、繊維径は3.2nmから7.4nmの範囲で、平均繊維径は6.1nmであった。また、硫黄含有率を測定したところ、8.6質量%であった。変性前のザンテート化CNFの硫黄含有率は上記の通り8.7質量%であったので、ジチオエステル化処理によって、ザンテート基は変性するもののほとんど脱離せず、置換度は維持されていることが確認された。 The aqueous suspension of xanthate-treated CNF (the dithioesterified CNF according to the present invention) after dithioesterification was thoroughly washed by adding ethanol and distilled water while centrifuging using the centrifugal dehydrator. All the washed dithioesterified CNF was collected, and distilled water was added to prepare 10 kg of aqueous suspension with a dithioesterified CNF content of 1% by mass. This aqueous suspension was redispersed by passing it twice using a high-pressure homogenizer (H20 type, manufactured by Sanwa Engineering Co., Ltd.) at a flow rate of 2.5 L/min and a pressure of 40 MPa. After the redispersion process, a micrograph of the redispersed dithioesterified CNF was taken to measure the fiber diameter, which was in the range of 3.2 nm to 7.4 nm and the average fiber diameter was 6.1 nm. The sulfur content was also measured and found to be 8.6% by mass. As mentioned above, the sulfur content of the xanthate-modified CNF before modification was 8.7% by mass, so it was confirmed that the dithioesterification treatment modified the xanthate groups but did not result in much elimination, and the degree of substitution was maintained.
(実施例2:置換度を変更したジチオエステル化CNF・アリル)
置換度の異なるアリルジチオエステル化CNFを得るため、前駆体であるザンテート化CNFの作製工程のうち、「ザンテート化処理:ジチオエステル化CNFの作製の2」において、アルカリセルロースの脱水物をパルプ固形分100g、添加する二硫化炭素の量を24g(対パルプ固形分として24質量%)に変更した以外は同様の操作を行って、置換度の異なるザンテート化CNFを得た。なお、得られたザンテート化CNFの繊維径は3.2~14.5nm、平均繊維径は10.3nm、また置換度は、0.204、硫黄含有率は6.3質量%であった。
(Example 2: Dithioesterified CNF·allyl with varying degrees of substitution)
In order to obtain allyl dithioesterified CNF with different degrees of substitution, in the "xanthation treatment: dithioesterified CNF preparation 2" of the precursor xanthated CNF production process, the dehydrated alkali cellulose was changed to 100 g of pulp solids, and the amount of carbon disulfide added was changed to 24 g (24% by mass relative to the pulp solids), and the same operation was performed to obtain xanthated CNF with different degrees of substitution. The fiber diameter of the obtained xanthated CNF was 3.2 to 14.5 nm, the average fiber diameter was 10.3 nm, the degree of substitution was 0.204, and the sulfur content was 6.3% by mass.
この置換度の異なるザンテート化CNFの水懸濁液を用い、「ジチオエステル化処理及び再分散処理:ジチオエステル化CNFの作製の4」と同様の操作を行って、置換度の異なるアリルジチオエステル化CNFを得た。得られたアリルジチオエステル化CNFの繊維径は3.1~14.9nm、平均繊維径は11.1nm、また硫黄含有率は6.3%となった。 Using this aqueous suspension of xanthate-modified CNF with different degrees of substitution, the same procedure as in "Dithioesterification and redispersion treatment: Preparation of dithioesterified CNF 4" was carried out to obtain allyldithioesterified CNF with different degrees of substitution. The fiber diameter of the obtained allyldithioesterified CNF was 3.1 to 14.9 nm, the average fiber diameter was 11.1 nm, and the sulfur content was 6.3%.
(実施例3:エステル基変更・ブチル)
実施例1のジチオエステル化処理において、アリルブロマイドをブチルブロマイド62.5g(東京化成工業(株)製)に変更し、アリルジチオエステルからブチルジチオエステルに変更した。それ以外は実施例1と同様の手順によりブチルジチオエステル化CNFを作製した。なお、得られたブチルジチオエステル化CNFの繊維径は3.1~7.2nm、平均繊維径は6.0nm、また硫黄含有率は8.3%となった。
(Example 3: Ester group change: butyl)
In the dithioesterification treatment of Example 1, allyl bromide was changed to 62.5 g of butyl bromide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), and allyl dithioester was changed to butyl dithioester. Except for the above, butyl dithioesterified CNF was produced by the same procedure as in Example 1. The fiber diameter of the obtained butyl dithioesterified CNF was 3.1 to 7.2 nm, the average fiber diameter was 6.0 nm, and the sulfur content was 8.3%.
(実施例4:エステル基変更・オクチル)
実施例1のジチオエステル化処理において、アリルブロマイドをオクチルブロマイド87.5g(東京化成工業(株)製)に変更し、アリルジチオエステルからオクチルジチオエステルに変更した。それ以外は実施例1と同様の手順によりオクチルジチオエステル化CNFを作製した。なお、得られたオクチルジチオエステル化CNFの繊維径は3.2~7.7nm、平均繊維径は6.2nm、また硫黄含有率は8.1%となった。
(Example 4: Ester group change: Octyl)
In the dithioesterification treatment of Example 1, allyl bromide was changed to 87.5 g of octyl bromide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), and allyl dithioester was changed to octyl dithioester. Except for the above, octyl dithioesterified CNF was produced by the same procedure as in Example 1. The fiber diameter of the obtained octyl dithioesterified CNF was 3.2 to 7.7 nm, the average fiber diameter was 6.2 nm, and the sulfur content was 8.1%.
<置換度の差による物性評価>
(比較例1:置換度の増加)
実施例1の前駆体であるザンテート化CNFの作製工程のうち、<ザンテート化処理:ジチオエステル化CNFの作製の2>において、アルカリセルロースの脱水物をパルプ固形分100g、添加する二硫化炭素の量を70g(対パルプ固形分として70質量%)に変更した以外は同様の操作を行って、ザンテート置換度の異なるザンテート化セルロースを得た。得られたザンテート化セルロースのザンテート置換度は0.412であった。このザンテート化セルロース100gを用いて、<解繊処理:ジチオエステル化CNFの作製の3>と同様の操作を行ったところ、回収された洗浄後のザンテート化CNFの量は19.2gとなり、大部分が洗浄中に溶解する結果となった。このため、ザンテート置換度が高すぎるザンテート化CNFを用いてジチオエステル化CNFを作製しようとすると、製造自体は可能であるが製造効率が著しく悪化することがわかった。
<Evaluation of physical properties based on difference in degree of substitution>
(Comparative Example 1: Increase in Substitution Degree)
Among the steps of producing xanthated CNF, which is the precursor of Example 1, in <Xanthation treatment: Preparation of dithioesterified CNF 2>, the dehydrated alkali cellulose was changed to 100 g of pulp solids, and the amount of carbon disulfide added was changed to 70 g (70% by mass relative to the pulp solids), and the same operation was performed to obtain xanthated cellulose with different degrees of xanthate substitution. The degree of xanthate substitution of the obtained xanthated cellulose was 0.412. When the same operation as in <Defibrillation treatment: Preparation of dithioesterified CNF 3> was performed using 100 g of this xanthated cellulose, the amount of xanthated CNF recovered after washing was 19.2 g, and most of it was dissolved during washing. For this reason, it was found that if dithioesterified CNF is produced using xanthated CNF with a high degree of xanthate substitution, the production itself is possible, but the production efficiency is significantly deteriorated.
<ジチオエステル化CNFの熱安定性確認>
実施例1にて作製したアリルジチオエステル化CNF水懸濁液(ジチオエステル化CNF含有率1質量%、硫黄含有率8.6質量%)に蒸留水を添加して、ジチオエステル化CNFの含有率を0.5質量%に希釈した。この希釈した水懸濁液を100g分取り出してポリ容器に入れ、30℃の箱型乾燥機内で保管した。保管開始前(0時間)、保管開始から18時間、24時間、48時間、72時間、144時間経過後に硫黄含有率を測定した。また比較としてジチオエステル化処理を行わないザンテート化CNF水懸濁液(CNF濃度1質量%、硫黄含有率8.7質量%)についても同様の操作を行った。それらの結果を表1に示す。
<Confirmation of thermal stability of dithioesterified CNF>
Distilled water was added to the allyl dithioesterified CNF aqueous suspension (dithioesterified CNF content 1% by mass, sulfur content 8.6% by mass) prepared in Example 1 to dilute the dithioesterified CNF content to 0.5% by mass. 100 g of this diluted aqueous suspension was taken out and placed in a plastic container and stored in a box-type dryer at 30 ° C. The sulfur content was measured before the start of storage (0 hours), and after 18 hours, 24 hours, 48 hours, 72 hours, and 144 hours from the start of storage. In addition, the same operation was performed on a xanthated CNF aqueous suspension (CNF concentration 1% by mass, sulfur content 8.7% by mass) that was not subjected to dithioesterification treatment for comparison. The results are shown in Table 1.
(考察)
ジチオエステル化処理を行っていないザンテート化CNFでは経過時間ごとに硫黄含有率が低下していく傾向であったが、アリルジチオエステル化CNFでは硫黄含有率はほぼ一定となった。このことから、ザンテート化CNFにジチオエステル化処理を行うことにより、加熱した状態でも-CSS-基が脱離しにくくなり、熱安定性が向上することがわかった。
(Discussion)
In the case of xanthate-treated CNF that had not been subjected to dithioesterification treatment, the sulfur content tended to decrease over time, but in the case of allyl dithioesterified CNF, the sulfur content remained almost constant. From this, it was found that by subjecting xanthate-treated CNF to dithioesterification treatment, the -CSS- group was less likely to be eliminated even when heated, improving the thermal stability.
<ジチオエステル化CNFの酸溶液中における安定性確認>
実施例1にて作製したアリルジチオエステル化CNF水懸濁液(ジチオエステル化CNF含有率1質量%、硫黄含有率8.6質量%)に蒸留水を添加して、ジチオエステル化CNFの含有率を0.5質量%に希釈した。この希釈した水懸濁液にギ酸を添加して水懸濁液のpHを4に調整し、室温にて静置した。静置開始直後(0時間)、静置開始から1時間、2時間、4時間、6時間経過後に、上記のザンテート化CNFの場合と同じ手順で硫黄含有率を測定した。また比較としてジチオエステル化処理を行わないザンテート化CNF水懸濁液(CNF濃度1質量%、硫黄含有率8.7質量%)についても同様の操作を行った。それらの結果を表2に示す。
<Confirmation of stability of dithioesterified CNF in acid solution>
Distilled water was added to the allyl dithioesterified CNF aqueous suspension (dithioesterified CNF content 1% by mass, sulfur content 8.6% by mass) prepared in Example 1 to dilute the dithioesterified CNF content to 0.5% by mass. Formic acid was added to this diluted aqueous suspension to adjust the pH of the aqueous suspension to 4, and the suspension was allowed to stand at room temperature. The sulfur content was measured in the same manner as in the case of the xanthated CNF described above immediately after the start of standing (0 hours), and after 1 hour, 2 hours, 4 hours, and 6 hours from the start of standing. In addition, the same operation was performed on a xanthated CNF aqueous suspension (CNF concentration 1% by mass, sulfur content 8.7% by mass) that was not subjected to dithioesterification treatment for comparison. The results are shown in Table 2.
(考察)
ジチオエステル化処理を行っていないザンテート化CNFでは経過時間ごとに硫黄含有率が低下していく傾向であったが、アリルジチオエステル化CNF(実施例1)では時間経過しても硫黄含有率はほぼ一定となった。このことから、ザンテート化CNFにジチオエステル化処理を行うことにより、ギ酸と接触しても-CSS-基が脱離しにくくなり、pHが低くなった場合においても安定性が向上することがわかった。
(Discussion)
In the case of xanthate-modified CNF that was not subjected to dithioesterification treatment, the sulfur content tended to decrease with time, but in the case of allyl dithioesterified CNF (Example 1), the sulfur content remained almost constant over time. From this, it was found that by subjecting xanthate-modified CNF to dithioesterification treatment, the -CSS- group is less likely to be eliminated even when it comes into contact with formic acid, and stability is improved even when the pH is low.
以下に実施例にて作製したジチオエステル化CNFを樹脂に添加した実験例を示す。
<1.天然ゴムラテックスへの混合による天然ゴムシート強度増強効果確認>
(置換度による対比)
(実験例1-1)
・加熱凝固によるマスターバッチの作製
実施例1にて作製したアリルジチオエステル化CNF水懸濁液(ジチオエステル化CNF含有率1質量%)と、天然ゴム(以下、「NR」と略記する。)ラテックス((株)レジテックス社製HA NR LATEX、固形分60質量%、アンモニア0.7質量%)と、14質量%アンモニア水とを混合した。ジチオエステル化CNFの含有量はNR固形分100質量部に対して5質量部となる。これらを混合した液を回転式ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、AM-7)を使用して8000rpmで5分間撹拌混合処理を行った。撹拌混合を終えたスラリーを70℃にて2日間置いて乾燥し、次いで減圧乾燥を行い、NRマスターバッチを作製した。
Below is an experimental example in which the dithioesterified CNF prepared in the examples was added to a resin.
<1. Confirmation of the effect of increasing the strength of natural rubber sheets by mixing with natural rubber latex>
(Comparison by degree of substitution)
(Experimental Example 1-1)
Preparation of Masterbatch by Heat Coagulation The allyldithioesterified CNF aqueous suspension (dithioesterified CNF content 1% by mass) prepared in Example 1, natural rubber (hereinafter abbreviated as "NR") latex (HA NR LATEX manufactured by Resitex Co., Ltd., solid content 60% by mass, ammonia 0.7% by mass), and 14% by mass ammonia water were mixed. The content of dithioesterified CNF was 5 parts by mass per 100 parts by mass of NR solid content. The mixture of these was stirred and mixed at 8000 rpm for 5 minutes using a rotary homogenizer (manufactured by Nippon Seiki Seisakusho Co., Ltd., AM-7). The slurry after stirring and mixing was left to dry at 70 ° C for 2 days, and then dried under reduced pressure to prepare an NR masterbatch.
・コンパウンドシート及び加硫ゴムシートの作製
上記で作製したNRマスターバッチ300gを、50℃に加温した二本ロール(日本ロール製造(株)製φ200mm×L500mmミキシングロール機)を使用して素練りした。次いで、ステアリン酸(ナカライテスク(株)製)1.5g、酸化亜鉛(ナカライテスク(株)製)18g、硫黄(ナカライテスク(株)製)10.5g、加硫促進剤(三新化学工業(株)製サンセラーNS-G)2.1gを添加混合し、厚さ2mm以上のコンパウンドシートを作製した。
- Preparation of compound sheet and vulcanized rubber sheet 300 g of the NR master batch prepared above was masticated using a two-roll (φ200 mm × L500 mm mixing roll machine manufactured by Nippon Roll Manufacturing Co., Ltd.) heated to 50 ° C. Next, 1.5 g of stearic acid (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.), 18 g of zinc oxide (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.), 10.5 g of sulfur (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.), and 2.1 g of vulcanization accelerator (Suncerer NS-G manufactured by Sanshin Chemical Industry Co., Ltd.) were added and mixed to prepare a compound sheet having a thickness of 2 mm or more.
得られたコンパウンドシートを用いて加硫判定機((株)オリンテック製:キュラストメーターV型測定温度150℃、測定時間20分)により、90%加硫時間(Tc90)を測定した。この時、Tc90は6.6分であった。
The 90% vulcanization time (Tc90) was measured using the obtained compound sheet with a vulcanization judging device (Olintec Co., Ltd.: Curastometer V type, measurement temperature 150°C,
得られたコンパウンドシートを金型に入れ、測定したTc90の値に基づき、150℃、6.6分間圧縮成形して、厚さ2mmの加硫ゴムシートを作製した。 The resulting compound sheet was placed in a mold and compression molded at 150°C for 6.6 minutes based on the measured Tc90 value to produce a vulcanized rubber sheet with a thickness of 2 mm.
・強度物性測定
得られた加硫ゴムシートからJIS3号形のダンベル形状に試験片を打ち抜き(n=5)、各試験片について(株)尾崎製作所製:膜厚測定機ダイヤルゲージ0.001mmを用いて厚みを測定した(n=3)。試験片は引張試験機((株)島津製作所 精密万能試験機 AG-1000D)にて引張試験(つかみ幅:50mm、速度:500mm/分JIS K6251準拠:ISO37に対応する)を行い、引張応力、及び伸びを求めた。この結果を表3に示す。なお、phrは、ゴム100質量部に対するCNFの添加質量部(添加量)を示し、M100は伸び100%での引張応力、M300は伸び300%での引張応力、M500は伸び500%での引張応力を示す。
Measurement of strength properties Test pieces were punched out from the obtained vulcanized rubber sheet into a JIS No. 3 dumbbell shape (n=5), and the thickness of each test piece was measured using a thickness measuring machine dial gauge 0.001 mm manufactured by Ozaki Seisakusho Co., Ltd. (n=3). The test pieces were subjected to a tensile test (gripping width: 50 mm, speed: 500 mm/min JIS K6251 compliant: corresponding to ISO37) using a tensile tester (Shimadzu Corporation Precision Universal Tester AG-1000D) to determine the tensile stress and elongation. The results are shown in Table 3. Note that phr indicates the added mass parts (addition amount) of CNF relative to 100 mass parts of rubber, M100 indicates the tensile stress at 100% elongation, M300 indicates the tensile stress at 300% elongation, and M500 indicates the tensile stress at 500% elongation.
(実験例1-2)
実施例2にて作製した置換度の異なるアリルジチオエステル化CNFを用いて、実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」「コンパウンドシート及び加硫ゴムシートの作製」「強度物性測定」を同様に行った。その結果を表3に示す。
(Experimental Example 1-2)
Using the allyldithioesterified CNF with different degrees of substitution prepared in Example 2, the "Preparation of master batch by heat solidification", "Preparation of compound sheet and vulcanized rubber sheet", and "Measurement of strength properties" of Experimental Example 1-1 were carried out in the same manner. The results are shown in Table 3.
(実験比較例1-1)
実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」において、ジチオエステル化CNFを添加しないこと以外は、同様の手順により加硫ゴムシートを作製して強度物性測定を行った。その結果を表3に示す。Tc90は8.0分であった。
(Experimental Comparative Example 1-1)
A vulcanized rubber sheet was prepared in the same manner as in "Preparation of a master batch by heat solidification" in Experimental Example 1-1, except that dithioesterified CNF was not added, and strength properties were measured. The results are shown in Table 3. Tc90 was 8.0 minutes.
(実験比較例1-2)
実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」において、ジチオエステル化CNFの代わりに、ザンテート化CNFを用いた以外は同様の手順によりゴムシートを作製して強度物性測定を行った。その結果を表3に示す。Tc90は5.4分であった。
(Experimental Comparative Example 1-2)
In the "Preparation of Masterbatch by Heat Coagulation" of Experimental Example 1-1, a rubber sheet was prepared in the same manner as above, except that xanthated CNF was used instead of dithioesterified CNF, and strength properties were measured. The results are shown in Table 3. Tc90 was 5.4 minutes.
(考察)
実験例1-1、1-2と実験比較例1-1、1-2について、ひずみ(=伸び)を横軸に、応力を縦軸にとった応力ひずみ曲線であるグラフを図1に示す。同じひずみにおける応力は、ザンテート化CNFとジチオエステル化CNFとのどちらの添加でも向上したが、ジチオエステル化CNFの方がザンテート化CNFよりも高い値を示し、強度向上効果はジチオエステル化CNFの方が高いことが確認された。また、置換度の異なるジチオエステル化CNF同士の比較では、置換度が約0.3と高い実験例1-1の方が、置換度が約0.2である実験例1-2よりも強度向上効果が高いことが示された。さらに、ジチオエステル化CNF(実験例1-1)はザンテート化CNF(実験比較例1-2)と比べて、Tc90にはそれほど変化がなく、加硫促進効果が維持されていることが確認された。
(Discussion)
For Experimental Examples 1-1 and 1-2 and Experimental Comparative Examples 1-1 and 1-2, a graph showing a stress-strain curve with strain (=elongation) on the horizontal axis and stress on the vertical axis is shown in FIG. 1. The stress at the same strain was improved by the addition of either xanthated CNF or dithioesterified CNF, but the dithioesterified CNF showed a higher value than the xanthated CNF, and it was confirmed that the strength improvement effect of the dithioesterified CNF was higher. In addition, in a comparison between dithioesterified CNFs with different degrees of substitution, it was shown that Experimental Example 1-1, which has a high degree of substitution of about 0.3, has a higher strength improvement effect than Experimental Example 1-2, which has a degree of substitution of about 0.2. Furthermore, it was confirmed that the Tc90 of the dithioesterified CNF (Experimental Example 1-1) was not changed much compared to the xanthated CNF (Experimental Comparative Example 1-2), and the vulcanization acceleration effect was maintained.
(添加量の差に関する物性評価)
(実験例1-3:添加量増加)
実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」段階において、実施例1のジチオエステル化CNFの含有量がNR固形分100質量部に対して5質量部から10質量部(10phr)となるように、ジチオエステル化CNFの量を増量した。それ以外は実験例1-1と同様の手順により加硫ゴムシートを作製した。Tc90は7.3分であった。
(Evaluation of physical properties regarding differences in added amounts)
(Experimental Example 1-3: Increased Addition Amount)
In the "Preparation of master batch by heat solidification" stage of Experimental Example 1-1, the amount of dithioesterified CNF was increased so that the content of dithioesterified CNF of Example 1 was 5 to 10 parts by mass (10 phr) per 100 parts by mass of NR solid content. A vulcanized rubber sheet was prepared in the same manner as in Experimental Example 1-1 except for the above. Tc90 was 7.3 minutes.
実験例1-3についても、上記の強度物性測定を行い、破断点応力、及び伸び(=ひずみ)を求めた。その結果を実験例1-1(アリルジチオエステル化CNF添加量5phr)と、実験例1-3(アリルジチオエステル化CNF添加量10phr)とを比較し、さらに参考として実験比較例1-1(添加なし)、実験比較例1-2(ザンテート化CNF)とともに表4及び図2に示す。なお、M30は伸び30%での引張応力、M100は伸び100%での引張応力、M300は伸び300%での引張応力を示す。ジチオエステル化CNFで添加量を変えると、全般にわたって添加量が多い実験例1-3の方が、添加量が少ない実験例1-1よりも強度向上効果が高くなることが示された。
The above strength property measurements were also performed on Experimental Example 1-3 to determine the stress at break and elongation (= strain). The results were compared between Experimental Example 1-1 (allyl dithioesterified CNF added
(エステル基の変更についての評価)
(実験例1-4:エステル基変更・ブチル)
実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」において、アリルジチオエステル化CNFの代わりに、実施例3にて作製したブチルジチオエステル化CNFを用いた以外は同様の手順によりゴムシートを作製して強度物性測定を行った。Tc90は7.0分であった。
(Evaluation of modification of ester group)
(Experimental Example 1-4: Ester group change: butyl)
In the "Preparation of a master batch by heat solidification" of Experimental Example 1-1, a rubber sheet was prepared in the same manner as in the previous example, except that the butyl dithioesterified CNF prepared in Example 3 was used instead of the allyl dithioesterified CNF, and strength properties were measured. Tc90 was 7.0 minutes.
(実験例1-5:エステル基変更・オクチル)
実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」において、アリルジチオエステル化CNFの代わりに、実施例4にて作製したオクチルジチオエステル化CNFを用いた以外は同様の手順によりゴムシートを作製して強度物性測定を行った。Tc90は7.1分であった。
(Experimental Example 1-5: Ester group change: Octyl)
In the "Preparation of a master batch by heat solidification" of Experimental Example 1-1, a rubber sheet was prepared in the same manner as in the previous example, except that the octyldithioesterified CNF prepared in Example 4 was used instead of the allyldithioesterified CNF, and strength properties were measured. Tc90 was 7.1 minutes.
実験例1-4,1-5についても、上記の強度物性測定を行い、破断点応力、及び伸びを求めた。その結果をエステル基がアリル基である実験例1-1、ブチル基である実験例1-4、オクチル基である実験例1-5、CNFを添加しない実験比較例1-1を比較して表5及び図3に示す。なお、M30は伸び30%での引張応力、M100は伸び100%での引張応力、M300は伸び300%での引張応力を示す。 The above strength property measurements were also performed on Experimental Examples 1-4 and 1-5 to determine the stress at break and elongation. The results are shown in Table 5 and Figure 3, comparing Experimental Example 1-1, in which the ester group is an allyl group, Experimental Example 1-4, in which the ester group is a butyl group, Experimental Example 1-5, in which the ester group is an octyl group, and Comparative Experimental Example 1-1, in which no CNF was added. Note that M30 indicates the tensile stress at an elongation of 30%, M100 indicates the tensile stress at an elongation of 100%, and M300 indicates the tensile stress at an elongation of 300%.
(考察)
いずれの置換基であっても未添加の実験比較例1-1より優れた値を示し、応力の変化については置換基による違いはほとんど見られなかった。
(Discussion)
All of the substituents showed values superior to those of Comparative Experiment 1-1 in which no substituent was added, and almost no difference was observed in the change in stress due to the substituent.
(凝固方法の変更についての評価)
(実験例1-6:ギ酸凝固によるマスターバッチの作製)
実施例1にて作製したアリルジチオエステル化CNFを用い、実験例1-1の「加熱凝固によるマスターバッチの作製」に示す構成の通り、ジチオエステル化CNFと、NRラテックスと、14質量%アンモニア水とを混合した。混合を終えたスラリーを撹拌しながら、2質量%ギ酸水溶液を、pHが4になるまで滴下した。さらに、析出したゴム粒子を減圧濾過により回収し、中性となるまで洗浄した。その上で、70℃にて2日間乾燥し、次いで減圧乾燥を行い、NRマスターバッチを作製した。NRマスターバッチ中の硫黄含有率を実施例1<ザンテート化CNFの硫黄含有率の測定>と同様の手順により測定した結果、306.6ppmとなった。得られたNRマスターバッチは実験例1-1と同様の手順によりゴムシートを作製して強度物性測定を行った。Tc90は7.6分であった。
(Evaluation of changes in coagulation method)
(Experimental Example 1-6: Preparation of master batch by formic acid coagulation)
Using the allyl dithioesterified CNF prepared in Example 1, the dithioesterified CNF, NR latex, and 14% by mass ammonia water were mixed as shown in the configuration of "Preparation of master batch by heat coagulation" in Experimental Example 1-1. While stirring the mixed slurry, a 2% by mass formic acid aqueous solution was dropped until the pH became 4. Furthermore, the precipitated rubber particles were collected by vacuum filtration and washed until neutral. Then, the mixture was dried at 70 ° C for 2 days, and then dried under reduced pressure to prepare an NR master batch. The sulfur content in the NR master batch was measured by the same procedure as in Example 1 <Measurement of sulfur content of xanthate-treated CNF>, and the result was 306.6 ppm. The obtained NR master batch was used to prepare a rubber sheet by the same procedure as in Experimental Example 1-1, and strength properties were measured. Tc90 was 7.6 minutes.
(実験比較例1-3,1-4)
実験例1-6において、ジチオエステル化CNFを添加しないこと以外は実験例1-6と同様の手順により作製したNRマスターバッチ(実験比較例1-3)と、ジチオエステル化CNFの代わりにザンテート化CNFを用いたこと以外は実験例1-6と同様の手順により作製したNRマスターバッチ(実験比較例1-4)とから、同様の手順によりゴムシートを作製して強度物性測定を行った。実験比較例1-3のNRマスターバッチ中の硫黄含有率は45ppm、Tc90は7.8分、また実験比較例1-4のNRマスターバッチ中の硫黄含有率は49ppm、Tc90は8.1分であった。
(Experimental Comparative Examples 1-3 and 1-4)
In Experimental Example 1-6, except that dithioesterified CNF was not added, the NR master batch (Experimental Comparative Example 1-3) was prepared by the same procedure as in Experimental Example 1-6, and except that xanthated CNF was used instead of dithioesterified CNF, the NR master batch (Experimental Comparative Example 1-4) was prepared by the same procedure as in Experimental Example 1-6, and a rubber sheet was prepared by the same procedure and strength properties were measured. The sulfur content in the NR master batch of Experimental Comparative Example 1-3 was 45 ppm, Tc90 was 7.8 minutes, and the sulfur content in the NR master batch of Experimental Comparative Example 1-4 was 49 ppm, Tc90 was 8.1 minutes.
実験例1-6、実験比較例1-3,1-4について、それぞれのNRマスターバッチ中の硫黄含有量の測定を行った結果を表6に示す。また、上記の強度物性測定を行い、破断点応力、及び伸びを求めた結果も併せて表6に示すとともに、図4にグラフを示す。なお、M30は伸び30%での引張応力、M100は伸び100%での引張応力、M300は伸び300%での引張応力を示す。 Table 6 shows the results of measuring the sulfur content in the NR master batch for Experimental Example 1-6 and Comparative Experimental Examples 1-3 and 1-4. The strength properties were measured as described above, and the results of determining the stress at break and elongation are also shown in Table 6, and a graph is shown in Figure 4. Note that M30 indicates the tensile stress at 30% elongation, M100 indicates the tensile stress at 100% elongation, and M300 indicates the tensile stress at 300% elongation.
(考察)
ギ酸を添加して凝固させたアリルジチオエステル化CNFを含有するマスターバッチ(実験例1-6)では、硫黄含有率が高い結果となった。これに比べて、ギ酸を添加して凝固させたザンテート化CNF(実験比較例1-4)は、未添加の場合(実験比較例1-3)とほぼ同等の低い硫黄含有率を示した。これは、ギ酸によりザンテート化CNFの-SCC-基は脱離するものの、ジチオエステル化CNFではギ酸を添加して凝固させても官能基が脱離しなかったためと考えられる。また、図4の応力ひずみ曲線から、強度向上効果はザンテート化CNF(実験比較例1-4)よりジチオエステル化CNF(実験例1-6)の方が高いことが確認された。これは、ギ酸により官能基が脱離しないために疎水性が高いまま維持され、ゴム中での分散性が良くなったためと考えられる。
(Discussion)
The master batch (Experimental Example 1-6) containing allyl dithioesterified CNF solidified by adding formic acid resulted in a high sulfur content. In comparison, the xanthated CNF solidified by adding formic acid (Experimental Comparative Example 1-4) showed a low sulfur content almost equivalent to that of the non-added case (Experimental Comparative Example 1-3). This is thought to be because the -SCC- group of xanthated CNF is eliminated by formic acid, but the functional group was not eliminated even when dithioesterified CNF was solidified by adding formic acid. In addition, from the stress-strain curve in FIG. 4, it was confirmed that the strength improvement effect was higher for dithioesterified CNF (Experimental Example 1-6) than for xanthated CNF (Experimental Comparative Example 1-4). This is thought to be because the hydrophobicity was maintained high because the functional group was not eliminated by formic acid, and the dispersibility in the rubber improved.
(カーボンブラックとの併用の検討)
(実験例1-7)
実験例1-1において、アリルジチオエステル化CNFを5phr分添加したNRマスターバッチからコンパウンドシートを作製する際に、併せて20phr分のカーボンブラック(東海カーボン(株)製:シースト3:表中「CB」と略記する。)を添加した以外は、実験例1-1と同様の手順により、加硫ゴムシートを得た。Tc90は7.9分であった。その破断点応力及び伸びの測定結果を表7及び図5に示す。なお、M30は伸び30%での引張応力、M100は伸び100%での引張応力、M300は伸び300%での引張応力を示す。
(Consideration of combined use with carbon black)
(Experimental Example 1-7)
In Experimental Example 1-1, when preparing a compound sheet from the NR master batch to which 5 phr of allyldithioesterified CNF was added, 20 phr of carbon black (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.: SEAT 3: abbreviated as "CB" in the table) was also added, and a vulcanized rubber sheet was obtained in the same manner as in Experimental Example 1-1. Tc90 was 7.9 minutes. The measurement results of the stress at break and elongation are shown in Table 7 and FIG. 5. Note that M30 indicates the tensile stress at 30% elongation, M100 indicates the tensile stress at 100% elongation, and M300 indicates the tensile stress at 300% elongation.
(実験比較例1-5,1-6)
実験例1-7において、ジチオエステル化CNFを添加せず、コンパウンドシート作製の際にカーボンブラック20phrのみを添加した以外は同様の手順により加硫ゴムシートを得た(実験比較例1-5)。また、同様にカーボンブラック40phrのみを添加した以外は同様の手順により加硫ゴムシートを得た(実験比較例1-6)。その破断点応力及び伸びの測定結果を表7及び図5に示す。
(Experimental Comparative Examples 1-5 and 1-6)
A vulcanized rubber sheet was obtained in the same manner as in Experimental Example 1-7, except that dithioesterified CNF was not added and only 20 phr of carbon black was added when preparing the compound sheet (Experimental Comparative Example 1-5). Similarly, a vulcanized rubber sheet was obtained in the same manner as in Experimental Example 1-7, except that only 40 phr of carbon black was added (Experimental Comparative Example 1-6). The measurement results of the breaking stress and elongation are shown in Table 7 and Figure 5.
(考察)
カーボンブラック20phrのみを添加した実験比較例1-5よりも、ジチオエステル化CNF5phrを併用した実験例1-7の方が応力は良好な値を示した。また、カーボンブラック40phrのみを添加した実験比較例1-6と、ジチオエステル化CNF5phr及びカーボンブラック20phrを併用した実験例1-7とは、応力ひずみ曲線において伸び200%程度まではほぼ同様の挙動を示した。このことから、ジチオエステル化CNFは樹脂への添加時にカーボンブラックとの間で相乗効果が発揮されることが示された。これにより、カーボンブラックの一部をジチオエステル化CNFに置き換えて添加量を減らすこともできることが示された。
(Discussion)
The stress was better in Experimental Example 1-7, which used 5 phr of dithioesterified CNF in combination, than in Experimental Example 1-5, which used only 20 phr of carbon black. In addition, Experimental Example 1-6, which used only 40 phr of carbon black, and Experimental Example 1-7, which used 5 phr of dithioesterified CNF and 20 phr of carbon black in combination, showed almost the same behavior in the stress-strain curve up to about 200% elongation. This shows that dithioesterified CNF exerts a synergistic effect with carbon black when added to a resin. This shows that it is possible to replace a part of carbon black with dithioesterified CNF and reduce the amount of carbon black added.
(加硫促進効果)
上記の実験例及び実験比較例について、加硫時間を測定した結果を表8に示す。
(Vulcanization acceleration effect)
The vulcanization times of the above experimental examples and comparative examples were measured, and the results are shown in Table 8.
(考察)
加熱して凝固させたジチオエステル化CNF(実験例1-1,1-3,1-4,1-5,1-7)では、未添加の場合(実験比較例1-1)と比較してTc90の値が小さい値となった。これは、ジチオエステル基の影響で加硫促進効果がみられたと考えられる。また、ギ酸を添加して凝固させたジチオエステル化CNF(実験例1-6)では、ギ酸を添加して凝固させたザンテート化CNF(実験比較例1-4)と未添加の場合(実験比較例1-3)と比較してTc90の値が小さい値となった。これは、ギ酸によりザンテート化CNFの-SCC-基は脱離するものの、ジチオエステル化CNFではギ酸を添加して凝固させても官能基が脱離せず、加硫促進効果がみられたと考えられる。
(Discussion)
In the dithioesterified CNF (Experimental Examples 1-1, 1-3, 1-4, 1-5, 1-7) coagulated by heating, the Tc90 value was smaller than that in the case where no formic acid was added (Experimental Comparative Example 1-1). This is thought to be due to the effect of accelerating vulcanization due to the influence of dithioester groups. In addition, in the dithioesterified CNF (Experimental Example 1-6) coagulated by adding formic acid, the Tc90 value was smaller than that in the xanthated CNF (Experimental Comparative Example 1-4) coagulated by adding formic acid and the case where no formic acid was added (Experimental Comparative Example 1-3). This is thought to be due to the fact that although the -SCC- group of xanthated CNF is eliminated by formic acid, the functional group is not eliminated even when dithioesterified CNF is coagulated by adding formic acid, and thus the vulcanization accelerating effect was observed.
<2.熱可塑性エラストマーへの混合によるTPEフィルム強度増強効果確認>
(実験例2-1)
・CNF組成物の作製
実施例1にて作製したアリルジチオエステル化CNF水懸濁液(ジチオエステル化CNF含有率1質量%、硫黄含有率8.6質量%)に、乾燥後の再分散剤として1,4-ブタンジオール(東京化成工業(株)社製)を、ジチオエステル化CNFに対して質量比で10倍量となるように添加し、CNF濃度0.7質量%、ポリオール濃度7.0質量%の混合物30gを作製した。この混合物を、熱風乾燥機を用いて60℃で、15時間乾燥させてジチオエステル化CNF組成物を得た。得られたジチオエステル化CNF組成物のCNF固形分は9.4質量%、含水率は5.8質量%、1,4-ブタンジオール含有率は84.8質量%となった。
<2. Confirmation of the effect of enhancing the strength of TPE film by mixing with thermoplastic elastomer>
(Experimental Example 2-1)
Preparation of CNF composition To the allyl dithioesterified CNF aqueous suspension (dithioesterified CNF content 1 mass%, sulfur content 8.6 mass%) prepared in Example 1, 1,4-butanediol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a redispersant after drying in a mass ratio of 10 times the dithioesterified CNF to prepare 30 g of a mixture with a CNF concentration of 0.7 mass% and a polyol concentration of 7.0 mass%. This mixture was dried for 15 hours at 60°C using a hot air dryer to obtain a dithioesterified CNF composition. The obtained dithioesterified CNF composition had a CNF solid content of 9.4 mass%, a water content of 5.8 mass%, and a 1,4-butanediol content of 84.8 mass%.
・ジチオエステル化CNFのDMF分散体の作製
上記で得られたジチオエステル化CNF組成物に、ジチオエステル化CNFの固形分の濃度が0.2質量%となるように、N,N´-ジメチルホルムアミド(DMF)(関東化学(株)製)を添加し、回転式ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、AM-7)を使用して10000rpmで10分間撹拌混合処理を行い、ジチオエステル化CNFをDMF中に分散した。アリルジチオエステル化CNFのDMF分散体の組成を表9に示す。
Preparation of DMF Dispersion of Dithioesterified CNF To the dithioesterified CNF composition obtained above, N,N'-dimethylformamide (DMF) (Kanto Chemical Co., Ltd.) was added so that the solid concentration of dithioesterified CNF was 0.2 mass%, and the mixture was stirred and mixed at 10,000 rpm for 10 minutes using a rotary homogenizer (AM-7, Nippon Seiki Seisakusho Co., Ltd.) to disperse the dithioesterified CNF in DMF. The composition of the DMF dispersion of allyldithioesterified CNF is shown in Table 9.
・TPEとの混合処理及び成膜処理
上記で得られたアリルジチオエステル化CNFのDMF分散体を、熱可塑性エラストマー(TPE)溶液(大日精化工業(株)製T-78F)に、TPE100質量部に対してジチオエステル化CNFの固形分が1質量部(=1phr)となるように混合し、回転式ホモジナイザーを使用して8000rpmで15分間撹拌混合処理を行った。このジチオエステル化CNF混合TPE溶液を、遠心分離機(ベックマンコールター(株)製Avanti J-251)を使用して3000rpmで3分間脱泡処理を行った。脱泡した溶液を、ベーカー式アプリケーター(テスター産業(株)製)を用いて380μmの厚さでOPPフィルム(厚み40μm)上にキャストし、熱風乾燥機を用いて120℃で5分間乾燥してアリルジチオエステル化CNFを含有するTPEフィルム(250mm×200mm)を作製した。
Mixing with TPE and film formation The DMF dispersion of allyldithioesterified CNF obtained above was mixed with a thermoplastic elastomer (TPE) solution (T-78F manufactured by Dainichiseika Color & Chemicals Mfg. Co., Ltd.) so that the solid content of dithioesterified CNF was 1 part by mass (=1 phr) per 100 parts by mass of TPE, and a stirring and mixing process was carried out for 15 minutes at 8000 rpm using a rotary homogenizer. This dithioesterified CNF mixed TPE solution was degassed for 3 minutes at 3000 rpm using a centrifuge (Avanti J-251 manufactured by Beckman Coulter, Inc.). The degassed solution was cast onto an OPP film (thickness 40 μm) to a thickness of 380 μm using a Baker-type applicator (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.), and dried at 120°C for 5 minutes using a hot air dryer to produce a TPE film (250 mm x 200 mm) containing allyldithioesterified CNF.
・TPEフィルムの膜厚測定
得られたTPEフィルムについて、(株)尾崎製作所製:膜厚測定機ダイヤルゲージ0.001mmを用いて、JIS Z1702に準じ、無作為に6か所(1m×1mあたりに換算して120か所)を測定し、その測定値の平均を膜厚とした。その結果を表10に示す。
Measurement of thickness of TPE film The obtained TPE film was measured at six random locations (120 locations per 1 m x 1 m) according to JIS Z1702 using a thickness measuring instrument dial gauge 0.001 mm manufactured by Ozaki Seisakusho Co., Ltd., and the average of the measured values was taken as the thickness. The results are shown in Table 10.
・引張強度の測定
得られたTPEフィルムから、横幅20mm×縦幅100mmの短冊状試験片を打ち抜き、(株)島津製作所製オートグラフAG-500NXを用いて、つかみ幅20mm、引張速度300mm/分の条件で引張試験(n=3)を行って、その結果から引張応力及び伸び(=ひずみ)を求めた。その結果を表10及び図6に示す。なお、phrは、TPE100質量部に対するCNFの添加質量部(添加量)を示し、M100は伸び100%での引張応力、M300は伸び300%での引張応力を示す。
Measurement of tensile strength: Strip-shaped test pieces measuring 20 mm wide x 100 mm long were punched out from the obtained TPE film, and a tensile test (n=3) was performed using an autograph AG-500NX manufactured by Shimadzu Corporation under the conditions of a gripping width of 20 mm and a tensile speed of 300 mm/min, and the tensile stress and elongation (=strain) were obtained from the results. The results are shown in Table 10 and Figure 6. Note that phr indicates the added mass part (addition amount) of CNF relative to 100 parts by mass of TPE, M100 indicates the tensile stress at 100% elongation, and M300 indicates the tensile stress at 300% elongation.
(添加量の差に関する物性評価)
(実験例2-2:添加量増加)
実験例2-1のアリルジチオエステル化CNFのDMF分散体の作製段階において、ジチオエステル化CNFの固形分濃度が1質量%となるように増量し、それによりTPE溶液との混合の際にTPE100質量部に対してジチオエステル化CNFの固形分が5質量部(=5phr)となるように、ジチオエステル化CNFのDMF分散体と混合した。それ以外は実験例2-1と同様の手順によりジチオエステル化CNFを含有するTPEフィルムを作製した。アリルジチオエステル化CNFのDMF分散体の組成は表9に、強度測定結果を表10及び図6に示す。
(Evaluation of physical properties regarding differences in added amounts)
(Experimental Example 2-2: Increased Addition Amount)
In the preparation stage of the DMF dispersion of allyl dithioesterified CNF in Experimental Example 2-1, the solid content concentration of dithioesterified CNF was increased to 1 mass%, and the dithioesterified CNF was mixed with the DMF dispersion of dithioesterified CNF so that the solid content of dithioesterified CNF was 5 mass parts (=5 phr) per 100 mass parts of TPE when mixed with the TPE solution. A TPE film containing dithioesterified CNF was prepared by the same procedure as in Experimental Example 2-1. The composition of the DMF dispersion of allyl dithioesterified CNF is shown in Table 9, and the strength measurement results are shown in Table 10 and FIG. 6.
(実験比較例2-1:ジチオエステル化CNF未添加)
実験例2-1の「TPEとの混合処理及び成膜処理」の手順において、ジチオエステル化CNFのDMF分散体を添加せず、TPE溶液のみを使用して、フィルムを作製した。作製したフィルムの膜厚測定、引張強度の測定は実験例2-1と同様の操作を行った。その結果を表10及び図6に示す。
(Experimental Comparative Example 2-1: Dithioesterified CNF not added)
In the procedure of "mixing with TPE and film formation" in Experimental Example 2-1, a film was produced using only the TPE solution without adding the DMF dispersion of dithioesterified CNF. The film thickness and tensile strength of the produced film were measured in the same manner as in Experimental Example 2-1. The results are shown in Table 10 and Figure 6.
(実験比較例2-2:ザンテート化CNFを添加したもの)
実験例2-1の方法と同様に、実施例1にて作製したザンテート化CNF水懸濁液(硫黄含有率8.7質量%)に、乾燥後の再分散剤として1,4-ブタンジオールを、ザンテート化CNFに対して10倍量となるように添加し、CNF濃度0.7質量%、ポリオール濃度7.0質量%の混合物30gを作製した。この混合物を、熱風乾燥機を用いて60℃で、15時間乾燥させてCNF組成物を得た。得られた組成物のCNF固形分は9.7質量%、含水率は6.8質量%、1,4-ブタンジオール含有率は83.5質量%となった。このCNF組成物にDMFを添加して再分散処理を行ったが、再分散処理後のDMF中に凝集物が多数確認された。このDMF分散体とTPE溶液を混合して成膜し、フィルムの強度を測定した結果を表10及び図6に示す。
(Experimental Comparative Example 2-2: Xanthate-treated CNF added)
In the same manner as in the method of Experimental Example 2-1, 1,4-butanediol was added as a redispersant after drying to the xanthated CNF aqueous suspension (sulfur content 8.7% by mass) prepared in Example 1 so that the amount was 10 times that of the xanthated CNF, and 30 g of a mixture with a CNF concentration of 0.7% by mass and a polyol concentration of 7.0% by mass was prepared. This mixture was dried for 15 hours at 60 ° C. using a hot air dryer to obtain a CNF composition. The CNF solid content of the obtained composition was 9.7% by mass, the water content was 6.8% by mass, and the 1,4-butanediol content was 83.5% by mass. DMF was added to this CNF composition and a redispersion process was performed, but many aggregates were confirmed in the DMF after the redispersion process. This DMF dispersion was mixed with a TPE solution to form a film, and the results of measuring the strength of the film are shown in Table 10 and FIG. 6.
ザンテート化CNFを含有するTPEフィルム(実験比較例2-2)はアリルジチオエステル化CNF(実験例2-1,2-2)と比べて熱安定性が低く、CNF組成物を作製する際の乾燥中にザンテート基が脱離して、CNFが凝集したと考えられる。凝集したCNFはDMFへの再分散処理では分散されず、TPE溶液と混合して成膜した際に凝集物として存在し、それにより実験比較例2-2では実験例2-1,2-2に比べてフィルムの伸びが小さくなったと考えられる。 The TPE film containing xanthated CNF (Experimental Comparative Example 2-2) has lower thermal stability than allyldithioesterified CNF (Experimental Examples 2-1 and 2-2), and it is believed that the xanthate groups were eliminated during drying when the CNF composition was prepared, causing the CNF to aggregate. The aggregated CNF was not dispersed by redispersion processing in DMF, and existed as aggregates when mixed with the TPE solution and formed into a film, which is believed to have resulted in less film elongation in Experimental Comparative Example 2-2 compared to Experimental Examples 2-1 and 2-2.
<3.ポリプロピレンへの混合による強度増強効果確認>
(実験例3-1)
・CNF組成物の作製
実施例1にて作製したアリルジチオエステル化CNF水懸濁液(ジチオエステル化CNF含有率1質量%、硫黄含有率8.6質量%)に、乾燥後の再分散剤としてジプロピレングリコール(ナカライテスク社製)を、ジチオエステル化CNFに対して5倍量となるように添加し、CNF濃度0.7質量%、ポリオール濃度3.5質量%の混合物30gを作製した。この混合物を、熱風乾燥機を用いて60℃で15時間乾燥させてジチオエステル化CNF組成物を得た。得られたジチオエステル化CNF組成物のCNF固形分は15.2質量%、含水率は5.8質量%、ジプロピレングリコール含有率は79.0質量%となった。
<3. Confirmation of the strength enhancement effect by mixing with polypropylene>
(Experimental Example 3-1)
Preparation of CNF composition To the allyl dithioesterified CNF aqueous suspension (dithioesterified CNF content 1% by mass, sulfur content 8.6% by mass) prepared in Example 1, dipropylene glycol (manufactured by Nacalai Tesque) was added as a redispersing agent after drying in an
・PP樹脂への混練処理及び試験片作製
ポリプロピレン樹脂(日本ポリプロ(株)製ウィンテックWFX4M)15gに、PP100質量部に対してアリルジチオエステル化CNFの固形分が1質量部(=1phr)となるように、上記で得られたジチオエステル化CNF組成物1.0gを混合し、卓上型小型混練機(Xplore Instruments社製、DSM Xplore MC15M)を用いて、180℃で5分間混練して混練樹脂を得た。その後、試験片作製用射出成形機(Xplore Instruments社製 DSM Xplore IM12M)を用いてダンベル試験片(JIS K 7162-1BA型)を作製した。
-Kneading treatment into PP resin and preparation of test pieces 1.0 g of the dithioesterified CNF composition obtained above was mixed with 15 g of polypropylene resin (Wintec WFX4M manufactured by Japan Polypropylene Co., Ltd.) so that the solid content of allyl dithioesterified CNF was 1 part by mass (= 1 phr) per 100 parts by mass of PP, and kneaded at 180 ° C. for 5 minutes using a small tabletop kneader (DSM Xplore MC15M manufactured by Xplore Instruments) to obtain a kneaded resin. Then, a dumbbell test piece (JIS K 7162-1BA type) was prepared using an injection molding machine for preparing test pieces (DSM Xplore IM12M manufactured by Xplore Instruments).
・ダンベル試験片の膜厚測定
得られたダンベル試験片において、(株)尾崎製作所製:膜厚測定機ダイヤルゲージ0.001mmを用いて、ネック部分の3か所について膜厚を測定し、その平均値を求めた。その結果を表11に示す。
Measurement of film thickness of dumbbell test piece The film thickness of the obtained dumbbell test piece was measured at three points on the neck part using a film thickness measuring instrument dial gauge 0.001 mm manufactured by Ozaki Seisakusho Co., Ltd., and the average value was calculated. The results are shown in Table 11.
・引張強度の測定
(株)島津製作所製オートグラフAG-500NXを用いて、つかみ幅55mm、引張速度100mm/分の条件で引張試験(n=3)を行って、その結果から引張降伏応力、破断点歪み(図中「ひずみ」=伸び)を求めた。その結果を表11及び図7に示す。なお、phrは、PP100質量部に対するCNFの添加質量部(添加量)を示す。
Measurement of tensile strength Using an autograph AG-500NX manufactured by Shimadzu Corporation, a tensile test (n=3) was carried out under the conditions of a grip width of 55 mm and a tensile speed of 100 mm/min, and the tensile yield stress and the breaking strain ("strain" in the figure = elongation) were obtained from the results. The results are shown in Table 11 and Figure 7. Note that phr indicates the parts by mass (amount added) of CNF added to 100 parts by mass of PP.
(実験比較例3-1:ジチオエステル化CNF未添加)
実験例3-1の「PP樹脂への混練処理及び試験片作製」の方法において、ジチオエステル化CNF組成物を添加せず、PPのみを使用してダンベル試験片を作製した。作製した試験片の膜厚測定、引張強度の測定は実験例3-1と同様の操作を行った。その結果を表11及び図7に示す。
(Experimental Comparative Example 3-1: Dithioesterified CNF not added)
In the method of "Kneading into PP resin and preparation of test pieces" in Experimental Example 3-1, a dumbbell test piece was prepared using only PP without adding the dithioesterified CNF composition. The film thickness and tensile strength of the prepared test piece were measured in the same manner as in Experimental Example 3-1. The results are shown in Table 11 and Figure 7.
(実験比較例3-2:ザンテート化CNF)
実験例3-1の方法と同様に、実施例1にて作製したザンテート化CNF水懸濁液(硫黄含有率8.7質量%)に、乾燥後の再分散剤としてジプロピレングリコールを、ザンテート化CNFに対して5倍量となるように添加し、CNF濃度0.7質量%、ポリオール濃度3.5質量%の混合物30gを作製した。この混合物を、熱風乾燥機を用いて60℃で15時間乾燥させてCNF組成物を得た。得られた組成物のCNF固形分は16.1質量%、含水率は6.2質量%、ジプロピレングリコール含有率は77.7質量%となった。このCNF組成物をPP樹脂に添加して混練処理を行ったが、ダンベル試験片中に凝集物が多数確認された。このダンベル試験片の強度を測定した結果を表11及び図7に示す。
(Experimental Comparative Example 3-2: Xanthated CNF)
In the same manner as in the method of Experimental Example 3-1, dipropylene glycol was added as a redispersant after drying to the xanthated CNF aqueous suspension (sulfur content 8.7% by mass) prepared in Example 1 so that the amount was 5 times that of the xanthated CNF, and 30 g of a mixture with a CNF concentration of 0.7% by mass and a polyol concentration of 3.5% by mass was prepared. This mixture was dried at 60 ° C. for 15 hours using a hot air dryer to obtain a CNF composition. The CNF solid content of the obtained composition was 16.1% by mass, the water content was 6.2% by mass, and the dipropylene glycol content was 77.7% by mass. This CNF composition was added to PP resin and kneaded, but many aggregates were confirmed in the dumbbell test piece. The results of measuring the strength of this dumbbell test piece are shown in Table 11 and FIG. 7.
(考察)
ザンテート化CNF(実験比較例3-2)はジチオエステル化CNF(実験例3-1)と比べて熱安定性が低く、CNF組成物を作製する際の乾燥中にザンテート基が脱離して、CNFが凝集したと考えられる。凝集したCNFはPP樹脂への混練処理では分散されず、PP樹脂中で凝集物として存在し、それにより応力、伸びが小さくなったと考えられる。
(Discussion)
The xanthate-treated CNF (Experimental Comparative Example 3-2) has lower thermal stability than the dithioesterified CNF (Experimental Example 3-1), and it is believed that the xanthate group was eliminated during drying when preparing the CNF composition, causing the CNF to aggregate. The aggregated CNF was not dispersed by kneading with the PP resin, and existed as aggregates in the PP resin, which is believed to have reduced the stress and elongation.
Claims (4)
-OCSSR (1)
(Rは炭素数1~12の炭化水素基) A cellulose nanofiber is a nanofiber having a cellulose skeleton, and has a dithioester group represented by the following formula (1) in place of any of the hydroxyl groups of cellulose.
-OCSSR (1)
(R is a hydrocarbon group having 1 to 12 carbon atoms)
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