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JP7638751B2 - Method for producing microfiber cellulose, method for producing microfiber cellulose composite resin, and microfiber cellulose - Google Patents
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Description

本発明は、マイクロ繊維セルロースの製造方法、マイクロ繊維セルロース複合樹脂の製造方法、及びマイクロ繊維セルロースに関するものである。 The present invention relates to a method for producing microfiber cellulose, a method for producing a microfiber cellulose composite resin, and microfiber cellulose.

近年、原料パルプを解繊して得られるセルロースナノファイバーや、マイクロ繊維セルロース(ミクロフィブリル化セルロース)等の微細繊維は、樹脂の補強材としての使用が注目され、研究開発が進められている。微細繊維は、補強材として有用ではあるが、親水性であり、疎水性の性質を有する樹脂とは反発し合うので、そのことが、樹脂の補強材としての効果を十分に引き出せていないのではないかという問題がある。この問題に対しては、微細繊維に疎水基を付与する等の変性処理を行い、樹脂と同様の疎水性の性質を付与し、樹脂との親和性を高めることで補強効果を持たせるという技術が提案されている。 In recent years, fine fibers such as cellulose nanofibers obtained by defibrating raw pulp and microfiber cellulose (microfibrillated cellulose) have attracted attention for their use as reinforcing materials for resins, and research and development into these materials is underway. Although fine fibers are useful as reinforcing materials, they are hydrophilic and repel hydrophobic resins, which raises the issue that their effectiveness as a reinforcing material for resins may not be fully realized. To address this issue, a technology has been proposed in which fine fibers are modified by adding hydrophobic groups, giving them the same hydrophobic properties as resins and increasing their affinity with resins to provide a reinforcing effect.

特許文献1は、微細繊維に疎水基を付与する技術として、「セルロース原料に疎水性基を有する炭素数が15以上の環状多塩基酸無水物(a)を付加してエステル化した変性セルロース原料(A)」を開示し、この変性セルロース原料(A)と分散用樹脂(B)とを含む変性セルロース原料含有樹脂組成物が、成形材料用樹脂に対する分散性や機械的強度に優れたものになる、との提案をしている。 Patent Document 1 discloses a technique for imparting hydrophobic groups to fine fibers, which involves "modifying a cellulose raw material (A) by adding a hydrophobic group-containing cyclic polybasic acid anhydride (a) having 15 or more carbon atoms to the cellulose raw material to esterify it," and proposes that a modified cellulose raw material-containing resin composition that contains the modified cellulose raw material (A) and a dispersing resin (B) has excellent dispersibility and mechanical strength in molding resins.

特許文献2は、「水酸基を有するセルロースに無水多塩基酸構造を分子内に有する樹脂を反応させて変性セルロースを得る工程と、得られた変性セルロースを微細化処理する工程とを同一工程で行う変性セルロースナノファイバーの製造方法であって、該無水多塩基酸構造は、カルボキシル基が分子内で脱水縮合し環状構造を形成した環状無水多塩基酸構造であることを特徴とする変性セルロースナノファイバーの製造方法」に関する技術を提案し、この技術によれば、溶剤中に分散しやすい変性セルロースナノファイバーを簡便に製造できる、としている。 Patent Document 2 proposes a technology for "a method for producing modified cellulose nanofibers in which a step of obtaining modified cellulose by reacting cellulose having hydroxyl groups with a resin having a polybasic anhydride structure in the molecule and a step of micronizing the obtained modified cellulose are carried out in the same process, the polybasic anhydride structure being a cyclic polybasic anhydride structure in which carboxyl groups are dehydrated and condensed within the molecule to form a cyclic structure," and claims that this technology makes it possible to easily produce modified cellulose nanofibers that are easily dispersible in a solvent.

特開2016-216605号公報JP 2016-216605 A WO2015/040884号WO2015/040884

特許文献1は、酸無水物のセルロース原料に対する変性率(反応率)が所定範囲であることが望ましいとしているが、どのような製造方法を採れば、変性率を向上させることができるかに関して十分な考慮がなされていない。特許文献2は、セルロースと無水多塩基酸構造を分子内に有する樹脂とを所定の比率で反応させて、変性セルロースナノファイバーを製造するとしているが、これもまた変性率を向上させることに関しては、やはり十分な考慮がなされていない。これらの点を踏まえ、本発明者は、変性率をより向上させる余地があるのではないかと考え、本発明が解決しようとする課題を、変性処理の変性率が向上されたマイクロ繊維セルロース、マイクロ繊維セルロースの製造方法、及びマイクロ繊維セルロース複合樹脂の製造方法を提供することとする。 Patent Document 1 states that it is desirable for the modification rate (reaction rate) of the acid anhydride to the cellulose raw material to be within a specified range, but does not give sufficient consideration to what manufacturing method should be adopted to improve the modification rate. Patent Document 2 states that cellulose is reacted with a resin having an anhydride polybasic acid structure in the molecule in a specified ratio to produce modified cellulose nanofibers, but again, there is no sufficient consideration given to improving the modification rate. In light of these points, the inventor believes that there is room for further improvement in the modification rate, and the problem that the present invention aims to solve is to provide microfiber cellulose with an improved modification rate in the modification treatment, a manufacturing method for microfiber cellulose, and a manufacturing method for microfiber cellulose composite resin.

セルロースを変性させる手法の一例としては、セルロースと尿素を混ぜて加熱処理を行う手法を挙げることができる。この場合、セルロースと尿素の接触具合や加熱温度等が変性率を左右することになる。加熱温度を高めると尿素が活性化エネルギーを得て、セルロースとの化学反応が活発化して、変性率が向上する。しかしながら、その半面、熱によりセルロースが部分的に損傷してしまうおそれがある。損傷の多いセルロースは強度が弱く、樹脂の補強材としては不向きとなる場合がある。この点を踏まえ完成させた発明の態様が次に示すものである。 One example of a method for denaturing cellulose is to mix cellulose with urea and heat it. In this case, the degree of contact between the cellulose and urea and the heating temperature determine the denaturation rate. Increasing the heating temperature gives the urea activation energy, which intensifies the chemical reaction with cellulose and improves the denaturation rate. However, there is a risk that the cellulose may be partially damaged by heat. Cellulose that is heavily damaged has low strength and may be unsuitable as a reinforcing material for resins. The following is an embodiment of the invention that was completed with this in mind.

[第1の態様]
セルロース原料を変性してカルバメート化セルロースを得る変性工程と、
前記カルバメート化セルロースを解繊してマイクロ繊維セルロースを得る解繊工程を有し、
前記変性工程は、セルロース原料に、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を添加して、100~300℃に加熱して行うものである、
ことを特徴とするマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[First aspect]
a modification step of modifying a cellulose raw material to obtain carbamate cellulose;
A defibration step of defibrating the carbamate cellulose to obtain microfibrous cellulose,
The modification step is carried out by adding urea or a derivative thereof and a zwitterionic compound to a cellulose raw material and heating the mixture to 100 to 300°C.
A method for producing microfibrous cellulose.

変性工程で、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を添加して加熱すると、これらが深共晶溶媒のように振る舞う。この状態化では尿素又はその誘導体が反応性に富み、セルロース原料との反応が容易に進行する。したがって、反応系を過度に加熱することなく、変性率が相対的に高いカルバメート化セルロースを得ることができる。 In the modification process, when urea or its derivatives and a zwitterionic compound are added and heated, they behave like a deep eutectic solvent. In this state, urea or its derivatives are highly reactive and react easily with the cellulose raw material. Therefore, carbamate cellulose with a relatively high degree of modification can be obtained without excessively heating the reaction system.

[第2の態様]
前記セルロース原料がシート状のパルプである、
第1の態様のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[Second aspect]
The cellulose raw material is a sheet-like pulp.
A method for producing the microfibrous cellulose of the first aspect.

セルロース原料の形態としては、スラリー状やシート状、繊維状、粉砕された、その他のパルプの形態を挙げることができるが、中でもシート状のパルプをセルロース原料に用いると、高い変性率のカルバメート化セルロースを相対的に短い反応時間で得ることができる。短時間でカルバメート化が進行するメカニズムは明らかではないが、おそらく熱の伝導性が一因ではないかと推測される。仮に所定の濃度のパルプが入った液体に熱を加えた場合を考えてみると、スラリー状や繊維状のパルプでは、個々のパルプは大きさが小さいので、パルプ間の熱の伝導が液体を介して行われることになる。液体が熱伝導性に乏しいものであれば、液中のパルプ全体に熱が伝わるのに一定の時間がかかることになる。一方で、シート状のパルプでは、個々のパルプは大きさが大きく、液体の熱伝導性にかかわらず、シート内で熱が直接伝わり、シート全体が短時間で化学反応が促進される温度に達するものと思われる。また、カルバメート化反応が促進される温度に晒される時間が少なければ、セルロースへのダメージが小さいので、結晶化度が相対的に高いマイクロ繊維セルロースを得ることができる。 The cellulose raw material can be in the form of a slurry, sheet, fiber, crushed, or other pulp, but when sheet-shaped pulp is used as the cellulose raw material, carbamate cellulose with a high degree of modification can be obtained in a relatively short reaction time. The mechanism by which carbamate conversion progresses in a short time is not clear, but it is speculated that thermal conductivity is probably one of the factors. If heat is applied to a liquid containing pulp of a certain concentration, in slurry or fiber-shaped pulp, the individual pulps are small in size, so heat is conducted between the pulps through the liquid. If the liquid has poor thermal conductivity, it will take a certain amount of time for the heat to be transmitted to all the pulp in the liquid. On the other hand, in sheet-shaped pulp, the individual pulps are large in size, so heat is directly transmitted within the sheet, regardless of the thermal conductivity of the liquid, and it is believed that the entire sheet will reach a temperature at which chemical reactions are promoted in a short time. Furthermore, if the time spent exposed to temperatures that accelerate the carbamate reaction is short, damage to the cellulose is minimal, making it possible to obtain microfiber cellulose with a relatively high degree of crystallinity.

[第3の態様]
前記双性イオン化合物がベタインである、
第1又は第2の態様のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[Third aspect]
the zwitterionic compound is a betaine;
A method for producing the microfibrous cellulose according to the first or second aspect.

双性イオン化合物がベタインであれば、尿素又はその誘導体と混合されて容易に深共晶溶媒となり、カルバメート化反応が促進される。 If the zwitterionic compound is a betaine, it can be easily mixed with urea or its derivatives to form a deep eutectic solvent, accelerating the carbamate reaction.

[第4の態様]
前記双性イオン化合物がトリメチルグリシン又はその誘導体である、
第1~第3の態様のいずれかの態様のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[Fourth aspect]
The zwitterionic compound is trimethylglycine or a derivative thereof;
A method for producing microfibrous cellulose according to any one of the first to third aspects.

双性イオン化合物がトリメチルグリシン又はその誘導体であれば、尿素又はその誘導体と混合されて容易に深共晶溶媒となり、カルバメート化反応が促進される。 If the zwitterionic compound is trimethylglycine or a derivative thereof, it can be easily mixed with urea or a derivative thereof to form a deep eutectic solvent, accelerating the carbamate reaction.

[第5の態様]
尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を1:99~99:1の質量比で添加する、
第1~第4の態様のいずれかの態様のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[Fifth aspect]
adding urea or a derivative thereof and a zwitterionic compound in a mass ratio of 1:99 to 99:1;
A method for producing microfibrous cellulose according to any one of the first to fourth aspects.

当該態様の質量比で添加すれば、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物とで生成される液体の融点が下がり、イソシアン酸が発生し易くなるのでセルロースのカルバメート化反応が促進される。 When added in this mass ratio, the melting point of the liquid produced by the urea or its derivative and the zwitterionic compound is lowered, facilitating the generation of isocyanic acid, which promotes the carbamate reaction of cellulose.

[第6の態様]
前記マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅が0.1~20.0μmである、
第1~第5の態様のいずれかの態様のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[Sixth aspect]
The microfiber cellulose has an average fiber width of 0.1 to 20.0 μm.
A method for producing microfibrous cellulose according to any one of the first to fifth aspects.

マイクロ繊維セルロースが当該態様の平均繊維幅であれば、樹脂の補強材としての十分な強度が備わったものとなる。 If the microfiber cellulose has this average fiber width, it will have sufficient strength to act as a reinforcing material for resin.

[第7の態様]
前記変性工程は、1秒以上かつ2時間以下加熱して行う、
第1~第6の態様のいずれかの態様のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
[Seventh aspect]
The denaturation step is carried out by heating for 1 second or more and 2 hours or less.
A method for producing microfibrous cellulose according to any one of the first to sixth aspects.

当該態様の加熱時間であれば、製造されるマイクロ繊維セルロースは、熱による損傷が少ないので、優れた強度を有するものとなる。 When the heating time is set in this manner, the microfiber cellulose produced is less damaged by heat and has excellent strength.

[第8の態様]
第1~第7の態様のいずれかの態様の製造方法によって得られたマイクロ繊維セルロースと樹脂を混練してセルロース複合樹脂を得る混練工程を有する、
ことを特徴とするセルロース複合樹脂の製造方法。
[Eighth aspect]
A kneading step of kneading the microfiber cellulose obtained by the production method of any one of the first to seventh aspects with a resin to obtain a cellulose composite resin,
A method for producing a cellulose composite resin comprising the steps of:

上記態様によって製造されたマイクロ繊維セルロースは、高い変性率で変性されて親水性が低下しており、疎水性の性質を有する樹脂と混練させたときの反発が抑制されるので、より均質な混ざり具合となる。 The microfiber cellulose produced in the above manner is modified at a high modification rate, reducing its hydrophilicity, and when kneaded with a hydrophobic resin, the repulsion is suppressed, resulting in a more homogeneous mixture.

[第9の態様]
セルロース原料を変性してカルバメート化セルロースを得る変性工程と、
前記カルバメート化セルロースを解繊する解繊工程を有し、
前記変性工程は、セルロース原料に、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を添加して、100~300℃に加熱して行うものであり、
前記解繊工程によって得られ、結晶化度が50~95%である、
ことを特徴とするマイクロ繊維セルロース。
[Ninth aspect]
a modification step of modifying a cellulose raw material to obtain carbamate cellulose;
The method includes a defibration step of defibrating the carbamate cellulose,
The modification step is carried out by adding urea or a derivative thereof and a zwitterionic compound to a cellulose raw material and heating the mixture to 100 to 300° C.
The fiber is obtained by the defibration process and has a crystallinity of 50 to 95%.
Microfiber cellulose.

上記態様のマイクロ繊維セルロースは上記範囲の結晶化度を備えるので、樹脂の補強材として十分な強度を備えたものとなる。 The microfiber cellulose of the above embodiment has a degree of crystallinity within the above range, so it has sufficient strength to be used as a reinforcing material for resins.

本発明によると、変性処理の変性率が向上されたマイクロ繊維セルロース、マイクロ繊維セルロースの製造方法、及びマイクロ繊維セルロース複合樹脂の製造方法となる。 The present invention provides microfiber cellulose with an improved modification rate in the modification treatment, a method for producing microfiber cellulose, and a method for producing a microfiber cellulose composite resin.

マイクロ繊維セルロースの製造方法の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for producing microfiber cellulose.

次に、発明を実施するための形態を説明する。なお、本実施の形態は、本発明の一例である。本発明の範囲は、本実施の形態の範囲に限定されない。 Next, a description will be given of an embodiment of the invention. Note that this embodiment is an example of the present invention. The scope of the present invention is not limited to the scope of this embodiment.

本形態のマイクロ繊維セルロースの製造方法は、セルロース原料を変性してカルバメート化セルロースを得る変性工程と、前記カルバメート化セルロースを解繊してマイクロ繊維セルロースを得る解繊工程を有し、前記変性工程は、セルロース原料に、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を添加して、100~300℃に加熱して行うものである、ことを特徴とする。以下、詳細に説明する。 The method for producing microfiber cellulose in this embodiment includes a modification step of modifying a cellulose raw material to obtain carbamate cellulose, and a defibration step of defibrating the carbamate cellulose to obtain microfiber cellulose, and the modification step is carried out by adding urea or a derivative thereof and a zwitterionic compound to the cellulose raw material and heating to 100 to 300°C. This will be described in detail below.

(変性工程)
変性工程は、セルロース原料を変性させて、セルロース原料のヒドロキシ基がカルバメート基に置換されたカルバメート化セルロースを得る工程である。変性工程に用いるセルロース原料の形態としては、シート状のパルプ、スラリー化されたパルプ、粉砕されたパルプ、繊維状のパルプ等を例示できる。特にシート状のパルプであれば、セルロース原料全体に熱が伝わりやすいので、カルバメート化の反応効率がよく、加熱時間の短縮化が図られ好ましい。
(Modification step)
The modification step is a step of modifying a cellulose raw material to obtain carbamate cellulose in which the hydroxyl groups of the cellulose raw material are replaced with carbamate groups. Examples of the form of the cellulose raw material used in the modification step include sheet-like pulp, slurry pulp, crushed pulp, fibrous pulp, etc. In particular, sheet-like pulp is preferred because it allows heat to be easily transferred to the entire cellulose raw material, resulting in good reaction efficiency for carbamate conversion and shortening the heating time.

セルロース原料をカルバメート化するのに用いられる反応物として、尿素又はその誘導体を例示できる。尿素又はその誘導体は、常温常圧下で固体であり、セルロース原料と化学反応させるには、加熱された反応系で行うことになる。しかしながら、加熱された反応系の下では、セルロース原料が部分的に熱により損傷してしまうおそれがある。そこで、本実施態様では、セルロース原料と、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物が含まれた反応系で化学反応させる手法によって、過度に加熱せずにセルロース原料のカルバメート化を行っている。この手法によれば、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物とが深共晶溶媒のように振る舞うので、過度の加熱を要することなくカルバメート化が促進される。 An example of a reactant used to carbamate the cellulose raw material is urea or a derivative thereof. Urea or a derivative thereof is solid at room temperature and pressure, and chemically reacts with the cellulose raw material in a heated reaction system. However, in a heated reaction system, there is a risk that the cellulose raw material may be partially damaged by heat. Therefore, in this embodiment, the cellulose raw material is carbamate-converted without excessive heating by a method of chemically reacting the cellulose raw material in a reaction system containing urea or a derivative thereof and a zwitterionic compound. According to this method, urea or a derivative thereof and a zwitterionic compound behave like a deep eutectic solvent, so that carbamate-conversion is promoted without the need for excessive heating.

セルロース原料と尿素又はその誘導体の化学反応は、およそ次のとおりとなる。尿素又はその誘導体は加熱されると下記の反応式(1)に示すようにイソシアン酸及びアンモニアに分解される。イソシアン酸は反応性が高く不安定であり、例えば、下記の反応式(2)に示すように化学反応することで、セルロースのヒドロキシ基がカルバメート基に置換される。
NH2-CO-NH2 → H-N=C=O + NH3 …(1)
Cell-OH + H-N=C=O → Cell-O-CO-NH2 …(2)
The chemical reaction between the cellulose raw material and urea or its derivatives is roughly as follows: When urea or its derivatives are heated, they are decomposed into isocyanic acid and ammonia as shown in the following reaction formula (1). Isocyanic acid is highly reactive and unstable, and for example, when it undergoes a chemical reaction as shown in the following reaction formula (2), the hydroxyl groups of cellulose are replaced with carbamate groups.
NH 2 -CO-NH 2 → H-N=C=O + NH 3 ...(1)
Cell-OH + H-N=C=O → Cell-O-CO-NH 2 …(2)

尿素又はその誘導体と双性イオン化合物が共存した反応系では、上記反応式(1)の反応が起こりやすく、双性イオン化合物を有しない反応系よりも、イソシアン酸が多く生成される。そして、イソシアン酸がセルロース原料と容易に化学反応するので、カルバメート基に置換されたセルロースが多く生成する、すなわちセルロース原料の変性率が高まると考えられる。 In a reaction system in which urea or a derivative thereof coexists with a zwitterionic compound, the reaction of reaction formula (1) above is likely to occur, and more isocyanic acid is produced than in a reaction system without a zwitterionic compound. In addition, since isocyanic acid easily reacts chemically with the cellulose raw material, more cellulose substituted with carbamate groups is produced, which is thought to increase the modification rate of the cellulose raw material.

変性工程では、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物が添加されたセルロース原料を加熱する際の温度(加熱温度)を、好ましくは100℃以上、より好ましくは140℃以上、さらに好ましくは160℃以上とするとよい。加熱する温度が100℃を下回ると、上記カルバメート化反応が促進されにくい。一方、加熱温度は、好ましくは300℃以下、より好ましくは280℃以下、特に好ましくは260℃以下であるとよい。加熱温度が300℃を上回ると、セルロース原料が分解したり熱変性したりして、樹脂の補強効果が不十分となるおそれがある。 In the modification step, the temperature (heating temperature) at which the cellulose raw material to which urea or its derivative and zwitterionic compound have been added is heated is preferably 100°C or higher, more preferably 140°C or higher, and even more preferably 160°C or higher. If the heating temperature is below 100°C, the carbamate reaction is unlikely to be promoted. On the other hand, the heating temperature is preferably 300°C or lower, more preferably 280°C or lower, and particularly preferably 260°C or lower. If the heating temperature exceeds 300°C, the cellulose raw material may decompose or be thermally modified, which may result in insufficient reinforcing effect of the resin.

変性工程では、上記加熱温度の範囲で好ましくは1秒以上、より好ましくは5秒以上、特に好ましくは10秒以上加熱するとよい。加熱する時間が1秒を下回ると上記カルバメート化反応が促進されないおそれがある。他方、上記加熱温度の範囲で好ましくは2時間以下、より好ましくは1時間以下、特に好ましくは0.5時間以下、加熱するとよい。2時間加熱すればカルバメート化反応がほぼ完結するので、その時間を超えて加熱する利点が乏しい。セルロース原料がシート状のパルプである場合は、上記加熱温度の範囲で好ましくは60秒以下、より好ましくは30秒以下、特に好ましくは20秒以下に加熱するものとすることができる。セルロース原料がシート状のパルプであると、熱が容易に伝わるので、パルプ内及びパルプ間で温度差が小さく、セルロース原料全体においてカルバメート化反応が、ムラなく促進され比較的短時間で完結する。 In the modification step, the heating is preferably performed for 1 second or more, more preferably 5 seconds or more, and particularly preferably 10 seconds or more within the above heating temperature range. If the heating time is less than 1 second, the carbamate reaction may not be promoted. On the other hand, the heating is preferably performed for 2 hours or less, more preferably 1 hour or less, and particularly preferably 0.5 hours or less within the above heating temperature range. Since the carbamate reaction is almost completed by heating for 2 hours, there is little advantage to heating for longer than that time. When the cellulose raw material is a sheet-like pulp, the heating can be performed for 60 seconds or less, more preferably 30 seconds or less, and particularly preferably 20 seconds or less within the above heating temperature range. When the cellulose raw material is a sheet-like pulp, heat is easily transferred, so the temperature difference within and between pulps is small, and the carbamate reaction is promoted uniformly throughout the cellulose raw material and completed in a relatively short time.

変性工程においては、反応温度及び反応時間の他に、pHを調整することも化学反応が促進され好ましい。pHは、好ましくはpH8以上、より好ましくはpH9~13のアルカリ性条件であるとよい。又は、pH7以下、好ましくはpH3~7の酸性条件又は中性条件であるとよい。ただし、pH13を超えるアルカリ性条件であると、セルロース原料の平均繊維長が短くなり、樹脂の補強効果に劣る可能性がある。これに対し、pH9~13のアルカリ性条件であると、セルロース原料の反応性が高まり、尿素又はその誘導体への反応が促進され、効率良くカルバメート化反応するため、セルロース原料の平均繊維長を十分に確保することができる。他方、pH6以下の酸性条件であると、尿素又はその誘導体からイソシアン酸及びアンモニアに分解する反応が進み、セルロース原料への反応が促進され、効率良くカルバメート化反応するため、セルロース原料の平均繊維長を十分に確保することができる。ただし、酸性条件であるとセルロースの一部が酸加水分解する場合があるため、アルカリ性条件で加熱処理する方が好ましい。pHの調整は、混合物に酸性化合物(例えば、酢酸、クエン酸等。)やアルカリ性化合物(例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等。)を添加すること等によって行うことができる。 In the modification step, in addition to the reaction temperature and reaction time, it is also preferable to adjust the pH to promote the chemical reaction. The pH is preferably 8 or more, more preferably an alkaline condition of 9 to 13. Alternatively, it is preferably an acidic or neutral condition of 7 or less, preferably 3 to 7. However, under alkaline conditions exceeding pH 13, the average fiber length of the cellulose raw material may be shortened, and the reinforcing effect of the resin may be inferior. On the other hand, under alkaline conditions of pH 9 to 13, the reactivity of the cellulose raw material is increased, the reaction to urea or its derivatives is promoted, and the carbamate reaction occurs efficiently, so that the average fiber length of the cellulose raw material can be sufficiently secured. On the other hand, under acidic conditions of pH 6 or less, the reaction of decomposing urea or its derivatives into isocyanic acid and ammonia proceeds, the reaction to the cellulose raw material is promoted, and the carbamate reaction occurs efficiently, so that the average fiber length of the cellulose raw material can be sufficiently secured. However, since a part of the cellulose may be acid-hydrolyzed under acidic conditions, it is preferable to perform the heat treatment under alkaline conditions. The pH can be adjusted by adding an acidic compound (e.g., acetic acid, citric acid, etc.) or an alkaline compound (e.g., sodium hydroxide, calcium hydroxide, etc.) to the mixture.

変性工程の加熱に用いる方式としては、例えば、熱風方式、高周波加熱方式、低周波加熱方式、ロータリーキルン方式、誘導加熱ロール方式、オイル加熱ロール方式、遠赤外線加熱方式、マイクロ波方式、等を使用することができる。 Methods that can be used for heating in the modification process include, for example, hot air, high-frequency heating, low-frequency heating, rotary kiln, induction heating roll, oil heating roll, far-infrared heating, microwave, etc.

変性工程によって生成した生成物は、次工程に供するために洗浄してもよい。この洗浄は、水等で行えばよい。この洗浄によって残留している未反応の尿素又はその誘導体や副生成物等を除去することができる。 The product produced by the modification process may be washed in order to be used in the next process. This washing may be carried out with water or the like. This washing can remove any remaining unreacted urea or its derivatives, by-products, etc.

変性工程では、有機溶剤を加えて行うこともできるし、加えないで行うこともできる。有機溶剤を加える場合は、セルロース原料のヒドロキシ基との反応性を有しない有機溶剤を用いるとよい。有機溶剤としては、例えば、シクロヘキサン、トルエン、キシレンなどの炭化水素系溶媒、塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタンなどのハロゲン系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドンなどのアミド系溶媒、酢酸、プロピオン酸、酪酸などのカルボン酸系溶媒、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、イソプロピルエーテル、1,4-ジオキサンなどのエーテル系溶媒を挙げることができる。しかしながら、有機溶剤を加えると、反応系における尿素又はその誘導体の濃度が薄まり、反応物たるセルロース原料との遭遇率が低下し、カルバメート基の変性率の低下を招く場合があるため、有機溶剤を加える場合は、反応物それぞれの分率に注意を要する。 The modification step can be carried out with or without the addition of an organic solvent. When an organic solvent is added, it is advisable to use an organic solvent that does not have reactivity with the hydroxyl groups of the cellulose raw material. Examples of organic solvents include hydrocarbon solvents such as cyclohexane, toluene, and xylene; halogen solvents such as methylene chloride, chloroform, and dichloroethane; ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; amide solvents such as N,N-dimethylformamide, N,N-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone; carboxylic acid solvents such as acetic acid, propionic acid, and butyric acid; and ether solvents such as tetrahydrofuran, diethyl ether, isopropyl ether, and 1,4-dioxane. However, when an organic solvent is added, the concentration of urea or its derivatives in the reaction system is diluted, the encounter rate with the cellulose raw material as a reactant is reduced, and this may lead to a reduction in the modification rate of the carbamate group. Therefore, when an organic solvent is added, attention must be paid to the proportion of each reactant.

セルロース原料と、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物とを反応させるには、例えば次のように行うことができる。先ず尿素又はその誘導体の水溶液に双性イオン化合物を混ぜて、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物からなる溶液Aを得る。当該溶液Aにセルロース原料を浸漬させ、セルロース原料と溶液Aを十分に混ぜ合わせる。 The cellulose raw material, urea or its derivatives, and a zwitterionic compound can be reacted, for example, as follows. First, the zwitterionic compound is mixed with an aqueous solution of urea or its derivatives to obtain solution A consisting of urea or its derivatives and the zwitterionic compound. The cellulose raw material is immersed in solution A, and the cellulose raw material and solution A are thoroughly mixed.

ここで、発明者等は、研究を進める中でセルロース原料の変性率(カルバメート化率)が、反応物全体に占めるセルロース原料の濃度にある程度依存するとの知見を得た。その知見は、当該濃度が高いと変性率が高くなる傾向にあるが、ある一定以上当該濃度が高くなると尿素又はその誘導体に双性イオン化合物を均一に浸透させることが困難というものである。この傾向となる理由は、定かではないがおそらく、セルロース原料の濃度が変わることで、反応系全体の伝熱性能が変わることによるのではないかと推測される。反応物全体に占めるセルロース原料の濃度は、好ましくは1.0~99.0質量%、より好ましくは10.0~90.0質量%、当該セルロース原料の濃度が1.0質量%よりも低いと、変性率が低くなり、99.0質量%よりも高いと溶液Aとセルロース原料が十分に混ざり合わない。特にセルロース原料がシート状である場合は、反応物全体に占めるセルロース原料の濃度を50質量%以上としても、短時間で高い変性率を有するカルバメート化されたセルロースを得ることができる。ここで、反応物全体とは、変性工程のカルバメート反応に用いられる物質全体をいい、例えば、セルロース原料と尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を用いてカルバメート反応を行う場合は、セルロース原料と尿素又はその誘導体と双性イオン化合物の全てをいう。 Here, the inventors, in the course of their research, have found that the modification rate (carbamation rate) of the cellulose raw material depends to some extent on the concentration of the cellulose raw material in the entire reactant. The finding is that the modification rate tends to be higher when the concentration is high, but when the concentration is higher than a certain level, it becomes difficult to uniformly penetrate the zwitterionic compound into urea or its derivatives. The reason for this tendency is unclear, but it is presumed that the heat transfer performance of the entire reaction system changes as the concentration of the cellulose raw material changes. The concentration of the cellulose raw material in the entire reactant is preferably 1.0 to 99.0 mass%, more preferably 10.0 to 90.0 mass%. If the concentration of the cellulose raw material is lower than 1.0 mass%, the modification rate will be low, and if it is higher than 99.0 mass%, solution A and the cellulose raw material will not mix sufficiently. In particular, when the cellulose raw material is in a sheet form, even if the concentration of the cellulose raw material in the entire reactant is 50 mass% or more, carbamate-modified cellulose with a high modification rate can be obtained in a short time. Here, the term "total reactants" refers to all of the substances used in the carbamate reaction in the modification step. For example, when a carbamate reaction is carried out using a cellulose raw material, urea or a derivative thereof, and a zwitterionic compound, the term refers to all of the cellulose raw material, urea or a derivative thereof, and the zwitterionic compound.

変性工程では、セルロース原料と、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物が混合された状態でカルバメート化を行う。カルバメート化に先立って、反応物全体から水分を脱水や加熱等により除去しておくことが好ましい。尿素又はその誘導体と、双性イオン化合物との質量比は、好ましくは99~1:1~99、より好ましくは9~1:1~9とするとよい。尿素又はその誘導体と、双性イオン化合物との質量比が上記範囲から外れ、例えば尿素又はその誘導体の量に対して双性イオン化合物の量が多過ぎたり、少な過ぎたりすると、尿素又はその誘導体と双性イオン化合物を含む混合物が深共晶溶媒として振る舞い難くなり、セルロース原料の変性率が低いものとなる。 In the modification step, carbamate conversion is carried out in a state where the cellulose raw material, urea or its derivative, and zwitterionic compound are mixed. Prior to carbamate conversion, it is preferable to remove moisture from the entire reaction mixture by dehydration, heating, or the like. The mass ratio of urea or its derivative to the zwitterionic compound is preferably 99-1:1-99, more preferably 9-1:1-9. If the mass ratio of urea or its derivative to the zwitterionic compound falls outside the above range, for example, if the amount of the zwitterionic compound is too large or too small relative to the amount of urea or its derivative, the mixture containing urea or its derivative and the zwitterionic compound will be less likely to act as a deep eutectic solvent, resulting in a low modification rate of the cellulose raw material.

また、尿素又はその誘導体は水100質量部に対して50質量部以下となるように加えると、十分に尿素が水に溶解しセルロース原料へ均一に浸透し、セルロース原料の変性率が高くなり好ましい。 Additionally, when urea or its derivatives are added in an amount of 50 parts by mass or less per 100 parts by mass of water, the urea dissolves sufficiently in the water and penetrates uniformly into the cellulose raw material, which is preferable as it increases the denaturation rate of the cellulose raw material.

カルバメート化反応を行う場合、セルロース原料と尿素又はその誘導体との混合比は、固形分換算で尿素又はその誘導体1質量部に対してセルロース原料を好ましくは1~1,000質量部、より好ましくは10~100質量部、混合するとよい。尿素又はその誘導体1質量部に対してセルロース原料が1質量部未満だと、尿素又はその誘導体が過剰であり、1,000質量部超だとセルロース原料と尿素又はその誘導体とが十分に混ざり合わないおそれがある。 When a carbamate reaction is carried out, the mixing ratio of the cellulose raw material and urea or its derivative is preferably 1 to 1,000 parts by mass, more preferably 10 to 100 parts by mass, of the cellulose raw material per 1 part by mass of urea or its derivative, calculated as solid content. If the cellulose raw material is less than 1 part by mass per 1 part by mass of urea or its derivative, there will be an excess of urea or its derivative, and if it exceeds 1,000 parts by mass, there is a risk that the cellulose raw material and urea or its derivative will not be mixed sufficiently.

変性工程に用いられる尿素又はその誘導体としては、尿素、チオ尿素、ビウレット、フェニル尿素、ベンジル尿素、ジメチル尿素、ジエチル尿素、テトラメチル尿素、尿素の水素原子をアルキル基で置換した化合物等のから1種又は2種以上選択されたものを例示できる。特に尿素であれば、反応性及び作業性に優れるので好ましい。 Examples of urea or its derivatives used in the modification step include one or more selected from urea, thiourea, biuret, phenylurea, benzylurea, dimethylurea, diethylurea, tetramethylurea, and compounds in which the hydrogen atoms of urea are substituted with alkyl groups. Urea is particularly preferred because of its excellent reactivity and workability.

変性工程に用いられる双性イオン化合物は、1分子内に正電荷と負電荷の両方を持つ化合物である。正電荷をもつ分子としては、第四級アンモニウムカチオン化合物、スルホニウム化合物、ホスホニウム化合物等を例示でき、負電荷をもつ分子としては、カルボニル化合物、スルホニル化合物、ホスフォニル化合物、塩化物等を例示できる。具体的に用いられるものとしては、ベタイン(例えば、アルキルベタイン、アミドベタイン、スルホベタイン、アルキルスルホベタイン)、グリシン、スルファミン酸、塩化コリン、トリメチルグリシン、シドノン、アミンオキシド、アゾキシ化合物、ニトリルオキシド、ニトリルイミド、ホスフィンオキシド、リンイリド、3-ヒドロキシ-2-(トリメチルアミニオ)プロパン酸イオン、ジメチル(2-ヒドロキシエチル)アミニオアセタート、及びこれらそれぞれの誘導体等を挙げることができる。取り扱い性、洗浄のし易さ、容易な深共晶溶媒化等の観点から、特にトリメチルグリシン又はその誘導体を用いるのが好ましい。 The zwitterionic compound used in the modification step is a compound having both positive and negative charges in one molecule. Examples of molecules having a positive charge include quaternary ammonium cation compounds, sulfonium compounds, and phosphonium compounds, while examples of molecules having a negative charge include carbonyl compounds, sulfonyl compounds, phosphonyl compounds, and chlorides. Specific examples of the zwitterionic compound include betaines (e.g., alkyl betaines, amido betaines, sulfo betaines, and alkyl sulfo betaines), glycine, sulfamic acid, choline chloride, trimethyl glycine, sydnone, amine oxides, azoxy compounds, nitrile oxides, nitrile imides, phosphine oxides, phosphorus ylides, 3-hydroxy-2-(trimethyl amino) propanoic acid ions, dimethyl (2-hydroxyethyl) amino acetate, and derivatives thereof. In terms of ease of handling, ease of cleaning, and ease of deep eutectic solventization, trimethyl glycine or its derivatives are particularly preferred.

(解繊工程)
セルロース原料の解繊は、例えば、ビーター、高圧ホモジナイザー、高圧均質化装置等のホモジナイザー、グラインダー、摩砕機等の石臼式摩擦機、単軸混練機、多軸混練機、ニーダーリファイナー、ジェットミル等を使用してセルロース原料を叩解することによって行うことができる。特に、リファイナーやジェットミルを使用して行うと繊維の損傷が抑制でき、繊維が均質なものになるので好ましい。
(Fibrillation process)
The defibration of the cellulose raw material can be carried out by beating the cellulose raw material using, for example, a homogenizer such as a beater, a high-pressure homogenizer, or a high-pressure homogenizer, a stone mill-type friction machine such as a grinder or a grinder, a single-shaft kneader, a multi-shaft kneader, a kneader refiner, a jet mill, etc. In particular, the use of a refiner or a jet mill is preferred because damage to the fibers can be suppressed and the fibers become homogeneous.

セルロース原料を解繊して得られるマイクロ繊維セルロースの平均繊維長(単繊維の長さの平均)は、好ましくは0.10~2.00mm、より好ましくは0.12~1.50mm、特に好ましくは0.15~1.00mmである。平均繊維長が0.10mmを下回ると、繊維同士の三次元ネットワークを形成できず、複合樹脂の曲げ弾性率等が低下するおそれがあり、補強効果が向上しないとされる可能性がある。他方、平均繊維長が2.00mmを上回ると、原料パルプと変わらない長さのため補強効果が不十分となるおそれがある。 The average fiber length (average length of single fibers) of microfiber cellulose obtained by defibrating cellulose raw materials is preferably 0.10 to 2.00 mm, more preferably 0.12 to 1.50 mm, and particularly preferably 0.15 to 1.00 mm. If the average fiber length is less than 0.10 mm, a three-dimensional network cannot be formed between the fibers, and the flexural modulus of the composite resin may decrease, and the reinforcing effect may not be improved. On the other hand, if the average fiber length exceeds 2.00 mm, the reinforcing effect may be insufficient because the length is the same as that of the raw pulp.

マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅(平均繊維径ともいう。)は特に限定されないが、平均繊維幅が好ましくは0.1~20μm、より好ましくは0.2~15μm、好ましくは0.3超~10μmのマイクロ繊維セルロース(ミクロフィブリル化セルロース)となるように解繊するとよい。平均繊維幅が上記範囲であるマイクロ繊維セルロースは、複合化に用いられる樹脂を補強するのに適し、同マイクロ繊維セルロースを材料に製造された複合樹脂の強度は著しく向上する。なお、本実施形態において、平均繊維幅が上記範囲に解繊されたセルロースを、マイクロ繊維セルロース、あるいはミクロフィブリル化セルロース、あるいはMFCという。マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅が0.1μm未満だと、もはやセルロースナノファイバーの同等物といえ、樹脂の強度(特に曲げ弾性率)の向上効果が十分に発揮されないおそれがある。また、解繊に多くの時間と大きなネルギーを要することとなり不経済である。さらに、繊維をスラリー状にしたとき脱水性が悪化する。脱水性の悪化は、繊維の乾燥物を得たいときに乾燥に大きなエネルギーが必要になるし、過大なエネルギーの付与は、繊維を傷める原因となり、樹脂の強度を向上する効果が奏されないおそれがある。特に、平均繊維幅が0.10μm未満になると、熱分解温度が著しく低下するため、耐熱性が低下し、樹脂との混練に不向きなものとなる。他方、マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅が20μmを超えると、もはやパルプとの差がほとんどなく、補強効果が得られなくなるおそれがある。 The average fiber width (also called the average fiber diameter) of the microfiber cellulose is not particularly limited, but it is preferable to defibrate the microfiber cellulose (microfibrillated cellulose) so that the average fiber width is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 15 μm, and preferably more than 0.3 to 10 μm. Microfiber cellulose with an average fiber width in the above range is suitable for reinforcing the resin used in compounding, and the strength of the compound resin manufactured from the microfiber cellulose is significantly improved. In this embodiment, cellulose defibrated to an average fiber width in the above range is called microfiber cellulose, microfibrillated cellulose, or MFC. If the average fiber width of the microfiber cellulose is less than 0.1 μm, it can be said to be equivalent to cellulose nanofiber, and there is a risk that the effect of improving the strength of the resin (especially the bending modulus) will not be fully exerted. In addition, it takes a lot of time and energy to defibrate, which is uneconomical. Furthermore, when the fibers are made into a slurry, the dewatering property is deteriorated. Deterioration of dewaterability requires a large amount of energy for drying when obtaining a dried fiber product, and applying excessive energy can cause damage to the fiber, which may not improve the strength of the resin. In particular, if the average fiber width is less than 0.10 μm, the thermal decomposition temperature drops significantly, which reduces the heat resistance and makes it unsuitable for kneading with resin. On the other hand, if the average fiber width of microfiber cellulose exceeds 20 μm, there is almost no difference between it and pulp, and there is a risk that the reinforcing effect will not be obtained.

本形態においてマイクロ繊維セルロースの平均繊維幅の測定方法は、次のとおりである。まず、固形分濃度0.01~0.1質量%の微細繊維の水分散液100mlをテフロン(登録商標)製メンブレンフィルターでろ過し、エタノール100mlで1回、t-ブタノール20mlで3回溶媒置換する。次に、凍結乾燥し、オスミウムコーティングして試料とする。この試料について、構成する繊維の幅に応じて3,000倍~30,000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡SEM画像による観察を行う。具体的には、観察画像に二本の対角線を引き、対角線の交点を通過する直線を任意に三本引く。さらに、この三本の直線と交錯する合計100本の繊維の幅を目視で計測する。そして、計測値の中位径を平均繊維幅とする。 In this embodiment, the average fiber width of the microfiber cellulose is measured as follows. First, 100 ml of an aqueous dispersion of fine fibers with a solid content concentration of 0.01 to 0.1% by mass is filtered through a Teflon (registered trademark) membrane filter, and the solvent is replaced once with 100 ml of ethanol and three times with 20 ml of t-butanol. Next, the sample is freeze-dried and osmium-coated to obtain a sample. This sample is observed using an electron microscope SEM image at a magnification of 3,000 to 30,000 times depending on the width of the fibers that make up the sample. Specifically, two diagonal lines are drawn on the observed image, and three straight lines are arbitrarily drawn that pass through the intersections of the diagonal lines. Furthermore, the widths of a total of 100 fibers that intersect with these three straight lines are visually measured. The median diameter of the measured values is then taken as the average fiber width.

前述したようにマイクロ繊維セルロースは、セルロース原料を解繊(微細化)することで得ることができる。セルロース原料に用いられる原料パルプとしては、例えば、広葉樹、針葉樹等を原料とする木材パルプ、ワラ・バガス・綿・麻・じん皮繊維等を原料とする非木材パルプ、回収古紙、損紙等を原料とする古紙パルプ(DIP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。なお、以上の各種原料は、例えば、セルロース系パウダーなどと言われる粉砕物(粉状物)の状態等であってもよい。ただし、不純物の混入を可及的に避けるために、原料パルプとしては、木材パルプを使用するのが好ましい。木材パルプとしては、例えば、広葉樹クラフトパルプ(LKP)、針葉樹クラフトパルプ(NKP)等の化学パルプ、機械パルプ(TMP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As mentioned above, microfiber cellulose can be obtained by defibrating (refining) cellulose raw materials. As the raw pulp used for the cellulose raw material, one or more types can be selected from wood pulp made from broadleaf trees, coniferous trees, etc., non-wood pulp made from straw, bagasse, cotton, hemp, bast fibers, etc., and waste paper pulp (DIP) made from recycled waste paper, broke paper, etc. The above various raw materials may be in the form of a pulverized material (powdered material) called cellulose-based powder, for example. However, in order to avoid the inclusion of impurities as much as possible, it is preferable to use wood pulp as the raw pulp. As the wood pulp, one or more types can be selected from chemical pulps such as broadleaf kraft pulp (LKP) and coniferous kraft pulp (NKP), mechanical pulp (TMP), etc.

広葉樹クラフトパルプは、広葉樹晒クラフトパルプ、広葉樹未晒クラフトパルプ、広葉樹半晒クラフトパルプ等を用いることができる。針葉樹クラフトパルプは、針葉樹晒クラフトパルプ、針葉樹未晒クラフトパルプ、針葉樹半晒クラフトパルプを用いることができる。 Hardwood kraft pulp can be bleached hardwood kraft pulp, unbleached hardwood kraft pulp, semi-bleached hardwood kraft pulp, etc. Softwood kraft pulp can be bleached softwood kraft pulp, unbleached softwood kraft pulp, semi-bleached softwood kraft pulp, etc.

機械パルプは、特に限定なく使用することができるが、例えば、ストーングランドパルプ(SGP)、加圧ストーングランドパルプ(PGW)、リファイナーグランドパルプ(RGP)、ケミグランドパルプ(CGP)、サーモグランドパルプ(TGP)、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)、リファイナーメカニカルパルプ(RMP)、漂白サーモメカニカルパルプ(BTMP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 Mechanical pulp can be used without any particular limitation, but for example, one or more types can be selected from stone ground pulp (SGP), pressed stone ground pulp (PGW), refiner ground pulp (RGP), chemi-ground pulp (CGP), thermo-ground pulp (TGP), ground pulp (GP), thermo-mechanical pulp (TMP), chemi-thermomechanical pulp (CTMP), refiner mechanical pulp (RMP), bleached thermo-mechanical pulp (BTMP), etc.

セルロース原料(原料パルプ)は、解繊するに先立って化学的手法によって前処理することができる。化学的手法による前処理としては、例えば、酸による多糖の加水分解(酸処理)、酵素による多糖の加水分解(酵素処理)、アルカリによる多糖の膨潤(アルカリ処理)、酸化剤による多糖の酸化(酸化処理)、還元剤による多糖の還元(還元処理)等を例示することができる。これらの処理のうち特に酵素処理は繊維が傷まず好ましい。酵素処理に加えて酸処理、アルカリ処理、及び酸化処理の中から選択された1又は2以上の処理を施すと、解繊が容易になされ好ましい。 The cellulose raw material (raw pulp) can be pretreated by a chemical method prior to defibration. Examples of pretreatment by a chemical method include hydrolysis of polysaccharides with acid (acid treatment), hydrolysis of polysaccharides with enzymes (enzyme treatment), swelling of polysaccharides with alkali (alkali treatment), oxidation of polysaccharides with an oxidizing agent (oxidation treatment), and reduction of polysaccharides with a reducing agent (reduction treatment). Of these treatments, enzyme treatment is particularly preferred as it does not damage the fibers. Defibration is facilitated by carrying out one or more treatments selected from acid treatment, alkali treatment, and oxidation treatment in addition to enzyme treatment, which is preferred.

前処理は、セルロース原料(原料パルプ)の解繊を容易にする処理であり、セルロース原料のカルバメート化する変性工程の前に行ってもよいし、変性工程の後に前処理を行って、その後解繊する工程を行ってもよい。以下、酵素処理について詳細に説明する。 Pretreatment is a process that facilitates defibration of the cellulose raw material (raw pulp), and may be carried out before the modification process in which the cellulose raw material is carbamate-converted, or the pretreatment may be carried out after the modification process, followed by the defibration process. The enzyme treatment is described in detail below.

酵素処理に使用する酵素としては、セルラーゼ系酵素及びヘミセルラーゼ系酵素の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましく、両方を併用するのがより好ましい。これらの酵素を使用すると、セルロース原料の解繊がより容易になる。なお、セルラーゼ系酵素は、水共存下でセルロースの分解を惹き起こす。また、ヘミセルラーゼ系酵素は、水共存下でヘミセルロースの分解を惹き起こす。 As the enzymes used in the enzymatic treatment, it is preferable to use at least one of cellulase enzymes and hemicellulase enzymes, and it is more preferable to use both in combination. The use of these enzymes makes it easier to defibrate the cellulose raw material. Note that cellulase enzymes cause the decomposition of cellulose in the presence of water. Also, hemicellulase enzymes cause the decomposition of hemicellulose in the presence of water.

セルラーゼ系酵素としては、例えば、トリコデルマ(Trichoderma、糸状菌)属、アクレモニウム(Acremonium、糸状菌)属、アスペルギルス(Aspergillus、糸状菌)属、ファネロケエテ(Phanerochaete、担子菌)属、トラメテス(Trametes、担子菌)属、フーミコラ(Humicola、糸状菌)属、バチルス(Bacillus、細菌)属、スエヒロタケ(Schizophyllum、担子菌)属、ストレプトミセス(Streptomyces、細菌)属、シュードモナス(Pseudomonas、細菌)属などが産生する酵素を使用することができる。これらのセルラーゼ系酵素は、試薬や市販品として購入可能である。市販品としては、例えば、セルロイシンT2(エイチピィアイ社製)、メイセラ-ゼ(明治製菓社製)、ノボザイム188(ノボザイム社製)、マルティフェクトCX10L(ジェネンコア社製)、セルラーゼ系酵素GC220(ジェネンコア社製)等を例示することができる。 Examples of cellulase enzymes that can be used include enzymes produced by the genera Trichoderma (filamentous fungi), Acremonium (filamentous fungi), Aspergillus (filamentous fungi), Phanerochaete (basidiomycetes), Trametes (basidiomycetes), Humicola (filamentous fungi), Bacillus (bacteria), Schizophyllum (basidiomycetes), Streptomyces (bacteria), and Pseudomonas (bacteria). These cellulase enzymes can be purchased as reagents or commercial products. Examples of commercially available products include Celluleucin T2 (manufactured by HPI), Meicelase (manufactured by Meiji Seika Kaisha), Novozyme 188 (manufactured by Novozyme), Multifect CX10L (manufactured by Genencor), and cellulase enzyme GC220 (manufactured by Genencor).

また、セルラーゼ系酵素としては、EG(エンドグルカナーゼ)及びCBH(セロビオハイドロラーゼ)を使用することもできる。EG及びCBHは、それぞれを単体で使用しても、混合して使用してもよい。また、ヘミセルラーゼ系酵素と混合して使用してもよい。 Also, EG (endoglucanase) and CBH (cellobiohydrolase) can be used as cellulase enzymes. EG and CBH can be used alone or in combination. They can also be used in combination with hemicellulase enzymes.

ヘミセルラーゼ系酵素としては、例えば、キシランを分解する酵素であるキシラナーゼ(xylanase)、マンナンを分解する酵素であるマンナーゼ(mannase)、アラバンを分解する酵素であるアラバナーゼ(arabanase)等を使用することができる。また、ペクチンを分解する酵素であるペクチナーゼも使用することができる。 As hemicellulase enzymes, for example, xylanase, which is an enzyme that breaks down xylan, mannase, which is an enzyme that breaks down mannan, and arabanase, which is an enzyme that breaks down araban, can be used. In addition, pectinase, which is an enzyme that breaks down pectin, can also be used.

ヘミセルロースは、植物細胞壁のセルロースミクロフィブリル間にあるペクチン類を除いた多糖類である。ヘミセルロースは多種多様で木材の種類や細胞壁の壁層間でも異なる。針葉樹の2次壁では、グルコマンナンが主成分であり、広葉樹の2次壁では4-O-メチルグルクロノキシランが主成分である。そこで、針葉樹晒クラフトパルプ(NBKP)から微細繊維を得る場合は、マンナーゼを使用するのが好ましい。また、広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)から微細繊維を得る場合は、キシラナーゼを使用するのが好ましい。 Hemicellulose is a polysaccharide excluding pectins found between cellulose microfibrils in plant cell walls. Hemicellulose is diverse and differs depending on the type of wood and between the layers of the cell wall. The main component of the secondary wall of softwood is glucomannan, while the main component of the secondary wall of hardwood is 4-O-methylglucuronoxylan. Therefore, when obtaining fine fibers from softwood bleached kraft pulp (NBKP), it is preferable to use mannase. Also, when obtaining fine fibers from hardwood bleached kraft pulp (LBKP), it is preferable to use xylanase.

セルロース原料に対する酵素の添加量は、例えば、酵素の種類、原料となる木材の種類(針葉樹か広葉樹か)、機械パルプの種類等によって決まる。ただし、セルロース原料100質量部に対する酵素の添加量は、好ましくは0.1~3質量部、より好ましくは0.3~2.5質量部、特に好ましくは0.5~2質量部である。酵素の添加量が0.1質量部を下回ると、酵素の添加による効果が十分に得られないおそれがある。他方、酵素の添加量が3質量%を上回ると、セルロースが糖化され、セルロース原料の収率が低下するおそれがある。また、添加量の増量に見合う効果の向上を認めることができないとの問題もある。 The amount of enzyme added to the cellulose raw material is determined by, for example, the type of enzyme, the type of wood used as the raw material (coniferous or broadleaf), the type of mechanical pulp, etc. However, the amount of enzyme added to 100 parts by mass of cellulose raw material is preferably 0.1 to 3 parts by mass, more preferably 0.3 to 2.5 parts by mass, and particularly preferably 0.5 to 2 parts by mass. If the amount of enzyme added is less than 0.1 part by mass, the effect of adding the enzyme may not be sufficient. On the other hand, if the amount of enzyme added is more than 3% by mass, cellulose may be saccharified, and the yield of the cellulose raw material may decrease. There is also the problem that the effect may not be improved commensurate with the increase in the amount added.

酵素としてセルラーゼ系酵素を使用する場合、酵素処理時のpHは、酵素反応の反応性の観点から、弱酸性領域(pH=3.0~6.9)であるのが好ましい。他方、酵素としてヘミセルラーゼ系酵素を使用する場合、酵素処理時のpHは、弱アルカリ性領域(pH=7.1~10.0)であるのが好ましい。 When using a cellulase enzyme as the enzyme, the pH during the enzyme treatment is preferably in the weak acidic range (pH = 3.0 to 6.9) from the viewpoint of the reactivity of the enzyme reaction. On the other hand, when using a hemicellulase enzyme as the enzyme, the pH during the enzyme treatment is preferably in the weak alkaline range (pH = 7.1 to 10.0).

酵素処理時の温度は、酵素としてセルラーゼ系酵素及びヘミセルラーゼ系酵素のいずれを使用する場合においても、好ましくは30~70℃、より好ましくは35~65℃、特に好ましくは40~60℃である。酵素処理時の温度が30℃以上であれば、酵素活性が活発化し易くなり、短時間で酵素処理が完結する。他方、酵素処理時の温度が70℃以下であれば、酵素の失活を防止することができる。 The temperature during the enzyme treatment is preferably 30 to 70°C, more preferably 35 to 65°C, and particularly preferably 40 to 60°C, regardless of whether a cellulase enzyme or a hemicellulase enzyme is used as the enzyme. If the temperature during the enzyme treatment is 30°C or higher, the enzyme activity is easily activated and the enzyme treatment is completed in a short time. On the other hand, if the temperature during the enzyme treatment is 70°C or lower, the deactivation of the enzyme can be prevented.

酵素処理の時間は、例えば、酵素の種類、酵素処理の温度、酵素処理時のpH等によって決まる。ただし、一般的な酵素処理の時間は、0.5~24時間である。 The time for enzyme treatment depends on, for example, the type of enzyme, the temperature of the enzyme treatment, the pH during the enzyme treatment, etc. However, the general time for enzyme treatment is 0.5 to 24 hours.

酵素処理した後には、酵素を失活させるのが好ましい。酵素を失活させる方法としては、例えば、アルカリ水溶液(好ましくはpH10以上、より好ましくはpH11以上)を添加する方法、80~100℃の熱水を添加する方法等が存在する。 After the enzyme treatment, it is preferable to inactivate the enzyme. Methods for inactivating the enzyme include, for example, adding an alkaline aqueous solution (preferably pH 10 or higher, more preferably pH 11 or higher) and adding hot water at 80 to 100°C.

次に、アルカリ処理の方法について説明する。解繊に先立ってアルカリ処理すると、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの水酸基が一部解離し、分子がアニオン化することで分子内及び分子間水素結合が弱まり、解繊におけるセルロース原料の分散が促進される。 Next, we will explain the alkaline treatment method. When alkaline treatment is performed prior to defibration, some of the hydroxyl groups in the hemicellulose and cellulose contained in the pulp are dissociated, and the molecules become anionic, weakening intra- and intermolecular hydrogen bonds and promoting the dispersion of the cellulose raw material during defibration.

アルカリ処理に使用するアルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、アンモニア水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等の有機アルカリ等を使用することができる。ただし、製造コストの観点からは、水酸化ナトリウムを使用するのが好ましい。 Examples of alkalis that can be used in the alkaline treatment include sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, aqueous ammonia, and organic alkalis such as tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, and benzyltrimethylammonium hydroxide. However, from the viewpoint of production costs, it is preferable to use sodium hydroxide.

以上解繊に先立つ前処理の一例を示したが、前処理を施すと、マイクロ繊維セルロースの保水度を低く、結晶化度を高くすることができ、かつ均質性を高くすることができる。マイクロ繊維セルロースの保水度が低いと脱水し易くなり、セルロース原料スラリーの脱水性が向上する。また、前処理をすると、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの非晶領域が分解される。非晶領域が分解されると、解繊のエネルギーを低減することができ、解繊されたマイクロ繊維セルロースの均一性や分散性を向上することができる。ただし、前処理は、マイクロ繊維セルロースのアスペクト比を低下させるため、樹脂の補強材として使用する場合には、過度の前処理を避けるのが好ましい。 The above is an example of pretreatment prior to defibration. Pretreatment can reduce the water retention of microfiber cellulose, increase the crystallinity, and increase homogeneity. Low water retention of microfiber cellulose makes it easier to dehydrate, improving the dehydration of the cellulose raw material slurry. Pretreatment also breaks down the hemicellulose and amorphous regions of cellulose contained in the pulp. Breaking down the amorphous regions can reduce the energy required for defibration, and improve the uniformity and dispersibility of the defibrated microfiber cellulose. However, because pretreatment reduces the aspect ratio of microfiber cellulose, excessive pretreatment is preferably avoided when using it as a resin reinforcement material.

セルロース原料の平均繊維長は、好ましくは0.50~5.00mmである。当該平均繊維長が0.50mmを下回ると、解繊して得られたマイクロ繊維セルロースによる樹脂の補強効果が十分に得られないおそれがある。他方、当該 平均繊維長が5.00mmを上回ると、セルロース原料相互の解繊にかかるエネルギーが大きく、製造コストの面で不利となるおそれがある。 The average fiber length of the cellulose raw material is preferably 0.50 to 5.00 mm. If the average fiber length is less than 0.50 mm, the microfiber cellulose obtained by defibration may not sufficiently reinforce the resin. On the other hand, if the average fiber length is more than 5.00 mm, the energy required to defibrate the cellulose raw materials may be large, which may be disadvantageous in terms of production costs.

セルロース原料の平均繊維長は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整可能である。 The average fiber length of the cellulose raw material can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.

本形態においてセルロース原料の平均繊維長は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定した値である。 In this embodiment, the average fiber length of the cellulose raw material is a value measured using a fiber analyzer "FS5" manufactured by Valmet.

セルロース原料がシート状である場合のシートの坪量は、好ましくは10~1,000g/m2、より好ましくは50~800g/m2、であるとよい。セルロース原料の坪量が1,000g/m2を上回ると、変性工程の反応系において、熱の伝導性が相対的に低く、加熱に多くの時間を費やすこととなり、得られたカルバメート化セルロースにおけるカルバメート化の変性率が低くなってしまうおそれがある。当該坪量が上記範囲であれば、尿素が浸み込み易く、十分にカルバメート化されたセルロースを得ることができる。 When the cellulose raw material is in the form of a sheet, the basis weight of the sheet is preferably 10 to 1,000 g/m 2 , more preferably 50 to 800 g/m 2 . If the basis weight of the cellulose raw material exceeds 1,000 g/m 2 , the thermal conductivity in the reaction system in the modification step is relatively low, and a long time is required for heating, which may result in a low degree of modification of carbamate in the obtained carbamate cellulose. If the basis weight is within the above range, urea can easily penetrate, and sufficiently carbamate-modified cellulose can be obtained.

解繊して得られたマイクロ繊維セルロースのファイン率は、10%以上であるのが好ましく、20~90%であるのがより好ましく、30~80%であるのが特に好ましい。ファイン率が90%を超えると、均質な繊維の割合が多く、複合樹脂中でマイクロ繊維セルロースが凝集し易くなり、補強効果に寄与し難くなる。ただし、ファイン率が10%未満となると、曲げ弾性率が不十分になる可能性がある。 The fineness ratio of the microfiber cellulose obtained by defibration is preferably 10% or more, more preferably 20 to 90%, and particularly preferably 30 to 80%. If the fineness ratio exceeds 90%, the proportion of homogeneous fibers is high, and the microfiber cellulose is likely to aggregate in the composite resin, making it difficult to contribute to the reinforcing effect. However, if the fineness ratio is less than 10%, the bending modulus may be insufficient.

また、解繊前のセルロース原料のファイン率も所定の範囲内としておくとより好ましいものとなる。具体的には、解繊前のセルロース原料のファイン率が、1%以上であるのが好ましく、3~20%であるのがより好ましく、5~18%であるのが特に好ましい。解繊前のセルロース原料のファイン率が上記範囲内であれば、マイクロ繊維セルロースのファイン率が30%以上になるように解繊したとしても繊維のダメージが少なく、樹脂の補強効果が向上すると考えられる。 It is also more preferable to set the fineness ratio of the cellulose raw material before defibration within a specified range. Specifically, the fineness ratio of the cellulose raw material before defibration is preferably 1% or more, more preferably 3 to 20%, and particularly preferably 5 to 18%. If the fineness ratio of the cellulose raw material before defibration is within the above range, it is believed that even if the microfiber cellulose is defibrated to a fineness ratio of 30% or more, damage to the fibers will be small and the reinforcing effect of the resin will be improved.

ファイン率の調整は、酵素処理等の前処理によって行うことができる。ただし、特に酵素処理する場合は、繊維内の結合状態が部分的に破壊されてしまい、樹脂の補強効果が低下する場合がある。よって、酵素の添加率は、少なくした方がよく、例えば2質量%以下であるのが好ましく、1質量%以下であるのがより好ましく、0.5質量%以下であるのが特に好ましい。また、酵素処理しない(添加量0質量%)のも1つの選択枠である。 The fineness ratio can be adjusted by pretreatment such as enzyme treatment. However, when enzyme treatment is used, the bonds within the fibers may be partially destroyed, reducing the reinforcing effect of the resin. Therefore, it is better to keep the enzyme addition rate low, for example, preferably 2% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, and particularly preferably 0.5% by mass or less. Another option is to not use enzyme treatment (addition amount 0% by mass).

「ファイン率」とは、繊維長が0.2mm以下であるパルプ繊維の質量基準の割合をいう。このファイン率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定することができる。繊維分析計「FS5」は、希釈したセルロース繊維が繊維分析計内部の測定セルを通過する際の画像分析により高い精度でセルロース繊維の長さ、幅を測定できる "Fine ratio" refers to the mass ratio of pulp fibers with a fiber length of 0.2 mm or less. This fine ratio can be measured using the fiber analyzer "FS5" manufactured by Valmet. The fiber analyzer "FS5" can measure the length and width of cellulose fibers with high accuracy by image analysis when diluted cellulose fibers pass through the measurement cell inside the fiber analyzer.

マイクロ繊維セルロースのアスペクト比は、好ましくは2~15,000、より好ましくは10~10,000である。アスペクト比が2を下回ると、三次元ネットワークを十分に構築することができないため、たとえ平均繊維長が0.10mm以上であるとしても、補強効果が不十分となるおそれがある。他方、アスペクト比が15,000を上回ると、マイクロ繊維セルロース相互の絡み合いが多くなり、樹脂中での分散が不十分となるおそれがある。 The aspect ratio of the microfiber cellulose is preferably 2 to 15,000, and more preferably 10 to 10,000. If the aspect ratio is less than 2, a three-dimensional network cannot be sufficiently constructed, and even if the average fiber length is 0.10 mm or more, the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, if the aspect ratio exceeds 15,000, the microfiber cellulose may become entangled with each other to a large extent, resulting in insufficient dispersion in the resin.

本形態においてアスペクト比とは、平均繊維長を平均繊維幅で除した値である。アスペクト比が大きいほど引っかかりが生じる箇所が多くなるため補強効果が上がるが、他方で引っかかりが多くなる分、樹脂の延性が低下するものと考えられる。 In this embodiment, the aspect ratio is the value obtained by dividing the average fiber length by the average fiber width. The larger the aspect ratio, the more points at which snagging occurs, and therefore the reinforcement effect is improved, but on the other hand, it is thought that the ductility of the resin decreases due to the increased number of snagging points.

マイクロ繊維セルロースのフィブリル化率は、好ましくは1.0~30.0%、より好ましくは1.5~20.0%、特に好ましくは2.0~15.0%である。フィブリル化率が30.0%を上回ると、単位面積当たりのマイクロ繊維セルロースと水分子との結合が多く、脱水が困難になる可能性がある。他方、フィブリル化率が1.0%を下回ると、フィブリルは、水分子との結合量が少なく、水素結合によって形成される三次元ネットワークが強硬なものとならなくなるおそれがある。 The fibrillation rate of microfiber cellulose is preferably 1.0 to 30.0%, more preferably 1.5 to 20.0%, and particularly preferably 2.0 to 15.0%. If the fibrillation rate exceeds 30.0%, there will be many bonds between the microfiber cellulose and water molecules per unit area, which may make dehydration difficult. On the other hand, if the fibrillation rate is below 1.0%, there will be few bonds between the fibrils and water molecules, and the three-dimensional network formed by hydrogen bonds may not be strong enough.

本形態においてフィブリル化率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定した値をいう。 In this embodiment, the fibrillation rate refers to the value measured using a fiber analyzer "FS5" manufactured by Valmet.

マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、好ましくは50%以上、より好ましくは55%以上、特に好ましくは60%以上であるとよい。結晶化度が50%を下回ると、繊維自体の強度が低下して、樹脂の強度を向上することができなくなるおそれがある。また、結晶化度が50%を下回ると、カルバメート化されたマイクロ繊維セルロースの耐熱性が不十分になるおそれがある。結晶化度が低いと外部から加えられた熱によってただちにマイクロ繊維セルロースの熱分解反応が進んでしまう。他方、マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、好ましくは95%以下、より好ましくは90%以下である。結晶化度が95%を上回ると、セルロース分子内及びセルロース分子間での水素結合の量が多くなり、分散性が劣るようになる。 The crystallinity of the microfiber cellulose is preferably 50% or more, more preferably 55% or more, and particularly preferably 60% or more. If the crystallinity is less than 50%, the strength of the fiber itself may decrease, making it impossible to improve the strength of the resin. If the crystallinity is less than 50%, the heat resistance of the carbamate-modified microfiber cellulose may be insufficient. If the crystallinity is low, the thermal decomposition reaction of the microfiber cellulose will immediately proceed due to heat applied from the outside. On the other hand, the crystallinity of the microfiber cellulose is preferably 95% or less, more preferably 90% or less. If the crystallinity is more than 95%, the amount of hydrogen bonds within and between the cellulose molecules will increase, resulting in poor dispersibility.

マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、微細化処理で任意に調整可能である。 The crystallinity of microfiber cellulose can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, and refining it.

本実施形態において結晶化度は、JIS K 0131(1996)に準拠して測定した値である。 In this embodiment, the degree of crystallinity is a value measured in accordance with JIS K 0131 (1996).

マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度は、好ましくは2cps以上、より好ましくは4cps以上である。マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度が2cpsを下回ると、マイクロ繊維セルロースの分散性が悪化するおそれがある。 The pulp viscosity of the microfiber cellulose is preferably 2 cps or more, more preferably 4 cps or more. If the pulp viscosity of the microfiber cellulose is below 2 cps, the dispersibility of the microfiber cellulose may deteriorate.

本形態においてパルプ粘度は、TAPPI T 230に準拠して測定した値である。 In this embodiment, the pulp viscosity is a value measured in accordance with TAPPI T 230.

マイクロ繊維セルロースのフリーネスは、好ましくは500ml以下、より好ましくは300ml以下、特に好ましくは100ml以下であるとよい。マイクロ繊維セルロースのフリーネスが500mlを上回ると、樹脂の強度向上効果が十分に得られなくなるおそれがある。 The freeness of the microfiber cellulose is preferably 500 ml or less, more preferably 300 ml or less, and particularly preferably 100 ml or less. If the freeness of the microfiber cellulose exceeds 500 ml, the strength improving effect of the resin may not be sufficiently obtained.

本形態においてフリーネスは、JIS P8121-2(2012)に準拠して測定した値である。 In this embodiment, freeness is a value measured in accordance with JIS P8121-2 (2012).

マイクロ繊維セルロースの固形分1%水分散液のゼータ電位は、好ましくは-150~20mV、より好ましくは-100~0mVである。ゼータ電位が-150mVを下回ると、樹脂との相溶性が著しく低下し補強効果が不十分となるおそれがある。他方、ゼータ電位が20mVを上回ると、分散安定性が低下するおそれがある。 The zeta potential of an aqueous dispersion of microfiber cellulose with a solid content of 1% is preferably -150 to 20 mV, more preferably -100 to 0 mV. If the zeta potential is below -150 mV, compatibility with the resin may decrease significantly, resulting in insufficient reinforcing effect. On the other hand, if the zeta potential is above 20 mV, dispersion stability may decrease.

マイクロ繊維セルロースの保水度は、好ましくは50~400%、より好ましくは90~350%である。保水度が50%を下回ると、セルロース原料の保水度と変わらず、補強効果が不十分となるおそれがある。他方、保水度が400%を上回ると、乾燥し難いものとなる。マイクロ繊維セルロースの保水度は、マイクロ繊維セルロースにおけるカルバメート基の変性率が高いほど、低くなる傾向にあるので、当該変性率を調節することで、保水度を所望の値にすることができる。 The water retention of microfiber cellulose is preferably 50 to 400%, more preferably 90 to 350%. If the water retention is below 50%, it will be the same as the water retention of the cellulose raw material, and the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, if the water retention exceeds 400%, it will be difficult to dry. The water retention of microfiber cellulose tends to decrease as the modification rate of the carbamate group in the microfiber cellulose increases, so the water retention can be adjusted to the desired value by adjusting the modification rate.

マイクロ繊維セルロースの保水度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整可能である。 The water retention of microfiber cellulose can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.

本形態において保水度は、JAPAN TAPPI No.26(2000)に準拠して測定した値である。 In this embodiment, the water retention is a value measured in accordance with JAPAN TAPPI No. 26 (2000).

本実施形態において、カルバメート化されたマイクロ繊維セルロースは、カルバメート基を有する。ここで、カルバメート基は、-O-CO-NH-で表される基であり、例えば、-O-CO-NH2、-O-CONHR、-O-CO-NR2等で表わされる基を挙げることができる。カルバメート基は、下記の構造式(1)で示すことができる。 In this embodiment, the carbamate-modified microfibrous cellulose has a carbamate group. Here, the carbamate group is a group represented by -O-CO-NH-, and examples thereof include groups represented by -O-CO-NH 2 , -O-CONHR, -O-CO-NR 2 , etc. The carbamate group can be represented by the following structural formula (1).

Figure 0007638751000001
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ここでR(R1、R2)は、それぞれ独立して、飽和直鎖状炭化水素基、飽和分岐鎖状炭化水素基、飽和環状炭化水素基、不飽和直鎖状炭化水素基、不飽和分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、及びこれらの誘導基の少なくともいずれかである。 Here, R (R1, R2) are each independently at least one of a saturated linear hydrocarbon group, a saturated branched hydrocarbon group, a saturated cyclic hydrocarbon group, an unsaturated linear hydrocarbon group, an unsaturated branched hydrocarbon group, an aromatic group, and derivatives thereof.

飽和直鎖状炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1~10の直鎖状のアルキル基を挙げることができる。飽和分岐鎖状炭化水素基としては、例えば、イソプロピル基、sec-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基等の炭素数3~10の分岐鎖状アルキル基を挙げることができる。飽和環状炭化水素基としては、例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基等のシクロアルキル基を挙げることができる。不飽和直鎖状炭化水素基としては、例えば、エテニル基、プロペン-1-イル基、プロペン-3-イル基等の炭素数2~10の直鎖状のアルケニル基、エチニル基、プロピン-1-イル基、プロピン-3-イル基等の炭素数2~10の直鎖状のアルキニル基等を挙げることができる。不飽和分岐鎖状炭化水素基としては、例えば、プロペン-2-イル基、ブテン-2-イル基、ブテン-3-イル基等の炭素数3~10の分岐鎖状アルケニル基、ブチン-3-イル基等の炭素数4~10の分岐鎖状アルキニル基等を挙げることができる。芳香族基としては、例えば、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等を挙げることができる。誘導基としては、例えば、上記飽和直鎖状炭化水素基、飽和分岐鎖状炭化水素基、飽和環状炭化水素基、不飽和直鎖状炭化水素基、不飽和分岐鎖状炭化水素基及び芳香族基が有する1又は複数の水素原子が、置換基(例えば、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ハロゲン原子等)で置換された基を挙げることができる。 Examples of saturated linear hydrocarbon groups include linear alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, such as methyl, ethyl, and propyl groups. Examples of saturated branched hydrocarbon groups include branched alkyl groups having 3 to 10 carbon atoms, such as isopropyl, sec-butyl, isobutyl, and tert-butyl groups. Examples of saturated cyclic hydrocarbon groups include cycloalkyl groups such as cyclopentyl, cyclohexyl, and norbornyl groups. Examples of unsaturated linear hydrocarbon groups include linear alkenyl groups having 2 to 10 carbon atoms, such as ethenyl, propen-1-yl, and propen-3-yl groups, and linear alkynyl groups having 2 to 10 carbon atoms, such as ethynyl, propyn-1-yl, and propyn-3-yl groups. Examples of unsaturated branched hydrocarbon groups include branched alkenyl groups having 3 to 10 carbon atoms, such as propen-2-yl, buten-2-yl, and buten-3-yl, and branched alkynyl groups having 4 to 10 carbon atoms, such as butyn-3-yl. Examples of aromatic groups include phenyl, tolyl, xylyl, and naphthyl. Examples of derived groups include the above-mentioned saturated linear hydrocarbon groups, saturated branched hydrocarbon groups, saturated cyclic hydrocarbon groups, unsaturated linear hydrocarbon groups, unsaturated branched hydrocarbon groups, and aromatic groups in which one or more hydrogen atoms are substituted with a substituent (e.g., a hydroxy group, a carboxy group, a halogen atom, etc.).

カルバメート基を有する(カルバメート基が導入された)マイクロ繊維セルロースは、極性基たるヒドロキシ基の一部又は全部が、相対的に非極性基であるカルバメート基に置換されている。カルバメート基を有するマイクロ繊維セルロースは、単体としてカルバメート化されていないマイクロ繊維セルロースよりも非極性的であり、すなわち疎水的であるので、疎水性の性質を有する樹脂等との反発が弱い。したがって、樹脂に混ぜたカルバメート基を有するマイクロ繊維セルロースは、相互に凝集し難く、分散性よく、樹脂に付着する。また、カルバメート基を有するマイクロ繊維セルロースのスラリーは、粘性が低く、ハンドリング性が良い。 In microfiber cellulose having carbamate groups (introduced with carbamate groups), some or all of the polar hydroxyl groups are replaced with carbamate groups, which are relatively non-polar groups. Microfiber cellulose having carbamate groups is more non-polar, i.e., more hydrophobic, than microfiber cellulose that is not carbamate-converted as a single entity, and therefore has weak repulsion with hydrophobic resins and the like. Therefore, microfiber cellulose having carbamate groups mixed with resin is less likely to aggregate with each other, has good dispersibility, and adheres to the resin. In addition, a slurry of microfiber cellulose having carbamate groups has low viscosity and good handleability.

マイクロ繊維セルロースのヒドロキシ基に対するカルバメート基の変性率(カルバメート化率)は、好ましくは0.1~5.0mmol/g、より好ましくは0.5~3.0mmol/gである。変性率を0.1mmol/g以上にすると、カルバメート基を導入した効果、特に樹脂の曲げ弾性率の向上効果が確実に奏せられる。これは、変性率が0.1mmol/g以上であるマイクロ繊維セルロースは、親水性が低下しているので樹脂との反発が弱く、樹脂に対して適度に分散するので、製造される複合樹脂単体において、局所的な強度の強弱が生じにくく、均質なものとなると考えられる。他方、カルバメート基の変性率が5.0mmol/gを超えると、複合樹脂の強度が低下する。これは、マイクロ繊維セルロースは、水素結合により強硬な三次元ネットワークが形成されるものであるが、カルバメート基の変性率が高すぎると、三次元ネットワーク形成に寄与するヒドロキシ基が相対的に減少するので、三次元ネットワークを強硬に形成することが困難になることによるものと考えられる。 The modification rate of the carbamate group relative to the hydroxyl group of the microfiber cellulose (carbamation rate) is preferably 0.1 to 5.0 mmol/g, more preferably 0.5 to 3.0 mmol/g. When the modification rate is 0.1 mmol/g or more, the effect of introducing the carbamate group, particularly the effect of improving the bending modulus of the resin, can be reliably achieved. This is because microfiber cellulose with a modification rate of 0.1 mmol/g or more has a reduced hydrophilicity, so that it has a weak repulsion with the resin and disperses appropriately in the resin, and it is thought that the composite resin produced is homogeneous and does not easily have localized strength variations. On the other hand, when the modification rate of the carbamate group exceeds 5.0 mmol/g, the strength of the composite resin decreases. This is thought to be because, although the microfiber cellulose forms a strong three-dimensional network by hydrogen bonding, if the modification rate of the carbamate group is too high, the hydroxyl groups that contribute to the formation of the three-dimensional network are relatively reduced, making it difficult to form a strong three-dimensional network.

本形態においてカルバメート基の変性率(mmol/g)とは、カルバメート基を有するマイクロ繊維セルロース1gあたりに含まれるカルバメート基の物質量をいう。カルバメート基の変性率は、カルバメート化したパルプ内に存在するN原子をケルダール法によって測定し、単位質量当たりのカルバメート化率を算出する。セルロースは、無水グルコースを構造単位とする重合体であり、一構造単位当たり3つのヒドロキシ基を有する。 In this embodiment, the modification rate of carbamate groups (mmol/g) refers to the amount of carbamate groups contained per gram of microfiber cellulose having carbamate groups. The modification rate of carbamate groups is calculated by measuring the N atoms present in the carbamate-modified pulp by the Kjeldahl method and calculating the carbamate conversion rate per unit mass. Cellulose is a polymer whose structural unit is anhydroglucose, and has three hydroxyl groups per structural unit.

(スラリー)
製造されたマイクロ繊維セルロースは、水系媒体中に分散させて分散液(スラリー)にしておくと保管、取り扱いが容易にでき好ましい。水系媒体は、全量が水であるのが特に好ましいが、一部が水と相溶性を有する液体である水系媒体を使用することができる。液体としては、炭素数3以下の低級アルコール類等を使用することができる。
(slurry)
The produced microfiber cellulose is preferably dispersed in an aqueous medium to form a dispersion (slurry) for easy storage and handling. The aqueous medium is particularly preferably entirely water, but an aqueous medium in which a part of the medium is a liquid compatible with water can be used. As the liquid, lower alcohols having 3 or less carbon atoms can be used.

スラリーの固形分濃度は、好ましくは0.1~10.0質量%、より好ましくは0.5~5.0質量%にしておくとよい。固形分濃度が0.1質量%を下回ると、複合樹脂の製造にスラリーを多量に用意することになり、煩雑であるし、脱水や乾燥する際に過大なエネルギーが必要となるおそれがある。他方、固形分濃度が10.0質量%を上回ると、スラリー自体の流動性が低下してしまい、均一に混合できなくなり使い勝手がよくない。 The solids concentration of the slurry is preferably 0.1 to 10.0% by mass, and more preferably 0.5 to 5.0% by mass. If the solids concentration is below 0.1% by mass, a large amount of slurry must be prepared to produce the composite resin, which is cumbersome and may require excessive energy for dehydration and drying. On the other hand, if the solids concentration exceeds 10.0% by mass, the fluidity of the slurry itself decreases, making it difficult to mix uniformly and making it difficult to use.

(酸変性樹脂)
マイクロ繊維セルロースは、好ましくは酸変性樹脂と混合する。酸変性樹脂を混合すると、酸基がカルバメート基の一部又は全部とイオン結合する。このイオン結合により、樹脂の補強効果が向上する。
(Acid-modified resin)
The microfiber cellulose is preferably mixed with an acid-modified resin. When the acid-modified resin is mixed, the acid groups are ionically bonded to some or all of the carbamate groups. This ionic bond improves the reinforcing effect of the resin.

酸変性樹脂としては、例えば、酸変性ポリオレフィン樹脂、酸変性エポキシ樹脂、酸変性スチレン系エラストマー樹脂等を使用することができる。ただし、酸変性ポリオレフィン樹脂を使用するのが好ましい。酸変性ポリオレフィン樹脂は、不飽和カルボン酸成分とポリオレフィン成分との共重合体である。 As the acid-modified resin, for example, an acid-modified polyolefin resin, an acid-modified epoxy resin, an acid-modified styrene-based elastomer resin, etc. can be used. However, it is preferable to use an acid-modified polyolefin resin. An acid-modified polyolefin resin is a copolymer of an unsaturated carboxylic acid component and a polyolefin component.

ポリオレフィン成分としては、例えば、エチレン、プロピレン、ブタジエン、イソプレン等のアルケンの重合体の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には、プロピレンの重合体であるポリプロピレン樹脂を用いることが好ましい。 As the polyolefin component, one or more types can be selected from polymers of alkenes such as ethylene, propylene, butadiene, and isoprene. However, it is preferable to use polypropylene resin, which is a polymer of propylene.

不飽和カルボン酸成分としては、例えば、無水マレイン酸類、無水フタル酸類、無水イタコン酸類、無水シトラコン酸類、無水クエン酸類等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には、無水マレイン酸類を使用するのが好ましい。つまり、無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂を用いることが好ましい。 As the unsaturated carboxylic acid component, for example, one or more selected from maleic anhydrides, phthalic anhydrides, itaconic anhydrides, citraconic anhydrides, citric anhydrides, etc. can be used. However, it is preferable to use maleic anhydrides. In other words, it is preferable to use maleic anhydride-modified polypropylene resin.

酸変性樹脂の混合量は、マイクロ繊維セルロース100質量部に対して、好ましくは0.1~1,000質量部、より好ましくは1~500質量部、特に好ましくは10~200質量部である。特に酸変性樹脂が無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂である場合は、好ましくは1~200質量部、より好ましくは10~100質量部である。酸性変性樹脂の混合量が0.1質量部を下回ると強度の向上が十分ではない。他方、混合量が1,000質量部を上回ると、過剰となり強度が低下する傾向となる。 The amount of acid-modified resin mixed is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and particularly preferably 10 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of microfiber cellulose. In particular, when the acid-modified resin is maleic anhydride-modified polypropylene resin, the amount is preferably 1 to 200 parts by mass, more preferably 10 to 100 parts by mass. If the amount of acid-modified resin mixed is less than 0.1 parts by mass, the improvement in strength is insufficient. On the other hand, if the amount mixed is more than 1,000 parts by mass, it becomes excessive and the strength tends to decrease.

無水マレイン酸変性ポリプロピレンの重量平均分子量は、例えば1,000~100,000、好ましくは3,000~50,000である。 The weight average molecular weight of the maleic anhydride modified polypropylene is, for example, 1,000 to 100,000, preferably 3,000 to 50,000.

また、無水マレイン酸変性ポリプロピレンの酸価は、0.5mgKOH/g以上、100mgKOH/g以下が好ましく、1mgKOH/g以上、50mgKOH/g以下がより好ましい。 The acid value of the maleic anhydride-modified polypropylene is preferably 0.5 mgKOH/g or more and 100 mgKOH/g or less, and more preferably 1 mgKOH/g or more and 50 mgKOH/g or less.

さらに、酸変性樹脂のMFR(メルトフローレート)が2000g/10分(190℃/2.16kg)以下であるのが好ましく、1500g/10分以下であるのがより好ましく、500g/10分以下であるのが特に好ましい。MFRが2000g/10分を上回ると、マイクロ繊維セルロースの分散性が低下する可能性がある。 Furthermore, the MFR (melt flow rate) of the acid-modified resin is preferably 2000 g/10 min (190°C/2.16 kg) or less, more preferably 1500 g/10 min or less, and particularly preferably 500 g/10 min or less. If the MFR exceeds 2000 g/10 min, the dispersibility of the microfiber cellulose may decrease.

なお、酸価の測定は、JIS-K2501に準拠し、水酸化カリウムで滴定する。また、MFRの測定は、JIS-K7210に準拠し、190℃で2.16kgの荷重を載せ、10分間に流れ出る試料の重量で決める。 The acid value is measured in accordance with JIS-K2501 by titration with potassium hydroxide. The MFR is measured in accordance with JIS-K7210 by placing a load of 2.16 kg at 190°C and determining the weight of the sample that flows out in 10 minutes.

(分散剤)
本形態のマイクロ繊維セルロースは、好ましくは分散剤と混合しておくとよい。マイクロ繊維セルロースに分散剤が混在していると、マイクロ繊維セルロースが相互に凝集し難くなる。これは、分散剤がマイクロ繊維セルロース相互の水素結合を阻害する働きがあるからである。分散剤の混在により、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の混練に際して、樹脂に対するマイクロ繊維セルロースの分散性が向上する。また、分散剤はマイクロ繊維セルロース及び樹脂の相溶性を向上させる役割も有する。
(Dispersant)
The microfiber cellulose of this embodiment is preferably mixed with a dispersant. When a dispersant is mixed with the microfiber cellulose, the microfiber cellulose is less likely to aggregate with each other. This is because the dispersant has the function of inhibiting hydrogen bonding between the microfiber cellulose. The presence of a dispersant improves the dispersibility of the microfiber cellulose in the resin when the microfiber cellulose and the resin are kneaded. The dispersant also plays a role in improving the compatibility of the microfiber cellulose and the resin.

分散剤としては、芳香族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物、脂肪族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物が好ましい。 As dispersants, preferred are aromatic compounds having amine groups and/or hydroxyl groups, and aliphatic compounds having amine groups and/or hydroxyl groups.

芳香族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物としては、例えば、アニリン類、トルイジン類、トリメチルアニリン類、アニシジン類、チラミン類、ヒスタミン類、トリプタミン類、フェノール類、ジブチルヒドロキシトルエン類、ビスフェノールA類、クレゾール類、オイゲノール類、没食子酸類、グアイアコール類、ピクリン酸類、フェノールフタレイン類、セロトニン類、ドーパミン類、アドレナリン類、ノルアドレナリン類、チモール類、チロシン類、サリチル酸類、サリチル酸メチル類、アニスアルコール類、サリチルアルコール類、シナピルアルコール類、ジフェニドール類、ジフェニルメタノール類、シンナミルアルコール類、スコポラミン類、トリプトフォール類、バニリルアルコール類、3-フェニル‐1-プロパノール類、フェネチルアルコール類、フェノキシエタノール類、ベラトリルアルコール類、ベンジルアルコール類、ベンゾイン類、マンデル酸類、マンデロニトリル類、安息香酸類、フタル酸類、イソフタル酸類、テレフタル酸類、メリト酸類、ケイ皮酸類などが挙げられる。 Examples of compounds having an amine group and/or a hydroxyl group in an aromatic group include anilines, toluidines, trimethylanilines, anisidines, tyramines, histamines, tryptamines, phenols, dibutylhydroxytoluenes, bisphenol A, cresols, eugenols, gallic acids, guaiacols, picric acids, phenolphthalein, serotonins, dopamines, adrenalines, noradrenalines, thymols, tyrosines, salicylic acids, methyl salicylates, and a These include varnish alcohols, salicyl alcohols, sinapyl alcohols, diphenidols, diphenylmethanols, cinnamyl alcohols, scopolamines, tryptophols, vanillyl alcohols, 3-phenyl-1-propanols, phenethyl alcohols, phenoxyethanols, veratryl alcohols, benzyl alcohols, benzoins, mandelic acids, mandelonitriles, benzoic acids, phthalic acids, isophthalic acids, terephthalic acids, mellitic acids, and cinnamic acids.

脂肪族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物としては、例えば、カプリルアルコール類、2-エチルヘキサノール類、ペラルゴンアルコール類、カプリンアルコール類、ウンデシルアルコール類、ラウリルアルコール類、トリデシルアルコール類、ミリスチルアルコール類、ペンタデシルアルコール類、セタノール類、ステアリルアルコール類、エライジルアルコール類、オレイルアルコール類、リノレイルアルコール類、メチルアミン類、ジメチルアミン類、トリメチルアミン類、エチルアミン類、ジエチルアミン類、エチレンジアミン類、トリエタノールアミン類、N,N-ジイソプロピルエチルアミン類、テトラメチルエチレンジアミン類、ヘキサメチレンジアミン類、スペルミジン類、スペルミン類、アマンタジン類、ギ酸類、酢酸類、プロピオン酸類、酪酸類、吉草酸類、カプロン酸類、エナント酸類、カプリル酸類、ペラルゴン酸類、カプリン酸類、ラウリン酸類、ミリスチン酸類、パルミチン酸類、マルガリン酸類、ステアリン酸類、オレイン酸類、リノール酸類、リノレン酸類、アラキドン酸類、エイコサペンタエン酸類、ドコサヘキサエン酸類、ソルビン酸類などが挙げられる。 Examples of compounds having an amine group and/or a hydroxyl group in the aliphatic group include capryl alcohols, 2-ethylhexanols, pelargonic alcohols, capric alcohols, undecyl alcohols, lauryl alcohols, tridecyl alcohols, myristyl alcohols, pentadecyl alcohols, cetanols, stearyl alcohols, elaidyl alcohols, oleyl alcohols, linoleyl alcohols, methylamines, dimethylamines, trimethylamines, ethylamines, diethylamines, ethylenediamines, trimethylamines, ethylamines, diethylamines, ethylenediamines, trimethylamines, ethylamines, diethylamines, ethylenediamines, ethyl ... These include triethanolamines, N,N-diisopropylethylamines, tetramethylethylenediamines, hexamethylenediamines, spermidines, spermines, amantadines, formic acids, acetic acids, propionic acids, butyric acids, valeric acids, caproic acids, enanthic acids, caprylic acids, pelargonic acids, capric acids, lauric acids, myristic acids, palmitic acids, margaric acids, stearic acids, oleic acids, linoleic acids, linolenic acids, arachidonic acids, eicosapentaenoic acids, docosahexaenoic acids, and sorbic acids.

分散剤の混合量は、マイクロ繊維セルロース100質量部に対して、好ましくは0.1~1,000質量部、より好ましくは1~500質量部、特に好ましくは10~200質量部である。分散剤の混合量が0.1質量部を下回ると、分散剤を加えた効果が弱く、樹脂の強度向上が十分になされないおそれがある。他方、混合量が1,000質量部を上回ると、過剰な分散剤によってマイクロ繊維セルロースの分散性が低下するおそれがある。 The amount of dispersant mixed is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and particularly preferably 10 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of microfiber cellulose. If the amount of dispersant mixed is less than 0.1 parts by mass, the effect of adding the dispersant is weak and there is a risk that the strength of the resin will not be sufficiently improved. On the other hand, if the amount mixed is more than 1,000 parts by mass, there is a risk that the dispersibility of the microfiber cellulose will decrease due to the excess dispersant.

前述した酸変性樹脂は酸基とマイクロ繊維セルロースのカルバメート基とがイオン結合することで相溶性を向上し、もって補強効果を上げるためのものであり、分子量が大きいため混練用の樹脂とともに分散しやすい。分散剤は、マイクロ繊維セルロース間のヒドロキシ基相互に介在して凝集を防ぐものであり、また、分子量が酸変性樹脂に比べ小さいため、酸変性樹脂が入り込めないようなマイクロ繊維セルロース間の狭いスペースに入ることができ、マイクロ繊維セルロースの分散性を向上する役割を果たす。したがって、上記酸変性樹脂の分子量は、分散剤の分子量の2~2,000倍、好ましくは5~1,000倍であると好適である。 The acid-modified resin described above is intended to improve compatibility by forming ionic bonds between the acid groups and the carbamate groups of the microfiber cellulose, thereby enhancing the reinforcing effect, and is easily dispersed with the resin used for kneading due to its large molecular weight. The dispersant prevents aggregation by interposing between the hydroxyl groups of the microfiber cellulose, and since its molecular weight is smaller than that of the acid-modified resin, it can enter the narrow spaces between the microfiber cellulose that the acid-modified resin cannot enter, thereby improving the dispersibility of the microfiber cellulose. Therefore, the molecular weight of the acid-modified resin is preferably 2 to 2,000 times, and preferably 5 to 1,000 times, the molecular weight of the dispersant.

(粉末)
本形態のマイクロ繊維セルロースは、粉末と混合しておくと好適である。粉末と混合しておくことで、マイクロ繊維セルロースは凝集化が抑制され、樹脂の補強性を発揮できる形態とすることができる。マイクロ繊維セルロースは、樹脂と複合化するまでは、含有水分率を所定の範囲に調節しておくとよく、当該範囲を超えると水系媒体を除去する過程で、マイクロ繊維セルロースが相互に水素結合して凝集化してしまい、樹脂との分散性が悪化して、樹脂を補強する効果を十分に発揮できなくなる可能性がある。
(Powder)
The microfiber cellulose of this embodiment is preferably mixed with a powder. By mixing with a powder, the microfiber cellulose can be made into a form that suppresses aggregation and can exhibit the reinforcing properties of the resin. The moisture content of the microfiber cellulose should be adjusted to a predetermined range until it is combined with the resin. If the moisture content exceeds the range, the microfiber cellulose will be hydrogen-bonded with each other and aggregated during the process of removing the aqueous medium, and the dispersibility with the resin will deteriorate, and the effect of reinforcing the resin may not be fully exhibited.

用いる粉末は、マイクロ繊維セルロースとの反応性に乏しいものであるとよい。反応性に乏しいとは、化学的な反応、例えば共有結合、イオン結合、金属結合、水素結合、ファンデルワールス力による結合が促進し難い、ということを意味する。また、粉末とマイクロ繊維セルロースとが化学反応する際の活性化エネルギーが100kJ/molを超える粉末、ということもできる。 The powder used should preferably be poorly reactive with microfiber cellulose. Poorly reactive means that chemical reactions, such as covalent bonds, ionic bonds, metallic bonds, hydrogen bonds, and bonds due to van der Waals forces, are difficult to promote. It can also be said that the activation energy of the powder when it chemically reacts with microfiber cellulose exceeds 100 kJ/mol.

粉末は、無機性粉末や樹脂粉末を選択して用いることができるが、好ましくは無機性のものが良い。無機性粉末であれば、セルロースの繊維が有するカルボキシ基を水酸化物イオンへ解離させ難いので、反応抑制効果があり、好ましい。特に無機粉末であると、操業上有利である。というのも、マイクロ繊維セルロース含有物の含有水分率の調節手法としては、例えば、熱源である金属ドラムに、マイクロ繊維セルロースと粉末の混合液を直接あてて、乾燥する手法や、熱源に当該混合液を直接触れさせずに加温する手法等を、含有水分率の調製手法として挙げることができる。しかしながら、樹脂粉末を使用すると、加温した金属板(例えば、ヤンキードライヤー、シリンダードライヤー等。)に接触させて乾燥した際に、金属板表面に皮膜ができ熱伝導が悪化し、乾燥効率が著しく低下する懸念があり、無機性粉末であれば、このような問題が生じ難い。 The powder can be selected from inorganic powders and resin powders, but inorganic powders are preferable. Inorganic powders are preferable because they have a reaction suppressing effect because they are less likely to dissociate the carboxyl groups of cellulose fibers into hydroxide ions. In particular, inorganic powders are advantageous in terms of operation. For example, the moisture content of a microfiber cellulose-containing material can be adjusted by directly applying a mixture of microfiber cellulose and powder to a metal drum, which is a heat source, to dry the mixture, or by heating the mixture without directly contacting the heat source. However, when resin powder is used, there is a concern that when the resin powder is dried by contacting it with a heated metal plate (e.g., Yankee dryer, cylinder dryer, etc.), a film is formed on the surface of the metal plate, which deteriorates heat conduction and significantly reduces drying efficiency. Inorganic powders are less likely to cause such problems.

粉末の平均粒子径は、1~10,000μmが好ましく、10~5,000μmがより好ましく、100~1,000μmが特に好ましい。平均粒子径が10,000μmを超えると、セルロースの繊維相互の間隙に入って凝集を阻害する効果が損なわれるおそれがある。平均粒子径が1μm未満であると、セルロースの繊維に対して粉末の粒子径が小さ過ぎ、セルロースの繊維相互の凝集化を阻害する効果が発揮されないおそれがある。 The average particle size of the powder is preferably 1 to 10,000 μm, more preferably 10 to 5,000 μm, and particularly preferably 100 to 1,000 μm. If the average particle size exceeds 10,000 μm, there is a risk that the powder will enter the gaps between the cellulose fibers and lose its effect of inhibiting aggregation. If the average particle size is less than 1 μm, the powder particle size is too small compared to the cellulose fibers, and there is a risk that the effect of inhibiting aggregation between the cellulose fibers will not be exerted.

樹脂粉末は、物理的にセルロースの繊維相互の隙間に介在することで水素結合を阻害し、マイクロ繊維セルロースの分散性を向上する役割がある。一方で前述した酸変性樹脂は、酸基とマイクロ繊維セルロースのカルバメート基とをイオン結合することで相溶性を向上して補強効果を上げるものである。分散剤がマイクロ繊維セルロース相互の水素結合を阻害する作用は同じであるが、樹脂粉末は粒子径がマイクロオーダーであるため、物理的に介在して水素結合を抑制するものである。樹脂粉末は、分散性が分散剤に比べ低いものの、樹脂粉末自身が溶融してマトリックス化するため、物性低下に寄与しない。一方、分散剤は、粒子径が分子レベルであり、極めて小さいためマイクロ繊維セルロースを覆うようにして水素結合を阻害し、マイクロ繊維セルロースの分散性を向上する効果は高い。しかしながら、樹脂中に残り、物性低下をもたらす可能性がある。 Resin powders physically intervene between the cellulose fibers, inhibiting hydrogen bonding and improving the dispersibility of microfiber cellulose. On the other hand, the acid-modified resin described above ionically bonds the acid groups with the carbamate groups of the microfiber cellulose to improve compatibility and enhance the reinforcing effect. Dispersants have the same effect of inhibiting hydrogen bonding between microfiber cellulose, but resin powders have a particle size on the order of microns, so they physically intervene and suppress hydrogen bonding. Although resin powders have lower dispersibility than dispersants, they do not contribute to a decrease in physical properties because the resin powder itself melts and forms a matrix. On the other hand, dispersants have extremely small particle sizes at the molecular level, so they cover the microfiber cellulose and inhibit hydrogen bonding, and are highly effective in improving the dispersibility of microfiber cellulose. However, they may remain in the resin and cause a decrease in physical properties.

粉末の平均粒子径は、粉体をそのまま又は水分散体の状態で粒度分布測定装置(例えば株式会社堀場製作所のレーザー回折・散乱式粒度分布測定器)を用いて測定される体積基準粒度分布から算出される中位径である。 The average particle size of a powder is the median diameter calculated from the volumetric particle size distribution measured using a particle size distribution measuring device (e.g., a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device manufactured by Horiba, Ltd.) either as is or in the form of a water dispersion.

無機粉末としては、例えば、Fe、Na、K、Cu、Mg、Ca、Zn、Ba、Al、Ti、ケイ素元素等の周期律表第I族~第VIII族中の金属元素の単体、酸化物、水酸化物、炭素塩、硫酸塩、ケイ酸塩、亜硫酸塩、これらの化合物よりなる各種粘土鉱物等を例示することができる。具体的には、例えば、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、酸化亜鉛、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、ほう酸アルミニウム、アルミナ、酸化鉄、チタン酸カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、クレー、ワラストナイト、ガラスビーズ、ガラスパウダー、シリカゲル、乾式シリカ、コロイダルシリカ、珪砂、硅石、石英粉、珪藻土、ホワイトカーボン、ガラスファイバー等を例示することができる。これらの無機充填剤は、複数が含有されていてもよい。また、古紙パルプに含まれるものであってもよいし、製紙スラッジ中の無機物を再生したいわゆる再生填料等であってもよい。 Examples of inorganic powders include, for example, Fe, Na, K, Cu, Mg, Ca, Zn, Ba, Al, Ti, silicon, and other metal elements in Groups I to VIII of the periodic table, as well as oxides, hydroxides, carbonates, sulfates, silicates, sulfites, and various clay minerals made of these compounds. Specific examples include barium sulfate, calcium sulfate, magnesium sulfate, sodium sulfate, calcium sulfite, zinc oxide, heavy calcium carbonate, light calcium carbonate, aluminum borate, alumina, iron oxide, calcium titanate, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium carbonate, calcium silicate, clay, wollastonite, glass beads, glass powder, silica gel, dry silica, colloidal silica, silica sand, silica stone, quartz powder, diatomaceous earth, white carbon, and glass fiber. A plurality of these inorganic fillers may be included. It may also be something contained in waste paper pulp, or it may be so-called recycled filler made by regenerating inorganic matter in papermaking sludge.

製紙用の填料や顔料として好適に使用される炭酸カルシウム、タルク、ホワイトカーボン、クレー、焼成クレー、二酸化チタン、水酸化アルミニウム及び再生填料等の中から選択される少なくとも1種以上の無機粉末を使用するのが好ましく、炭酸カルシウム、タルク、クレーの中からから選択される少なくとも1種以上を使用するのがより好ましく、軽質炭酸カルシウム及び重質炭酸カルシウムの少なくともいずれか一方を使用するのが特に好ましい。炭酸カルシウム、タルク、クレーは、樹脂等のマトリックスとの複合化が容易であり、汎用的な無機材料であるため、用途の制限が生じることが少ない等のメリットがある。さらに、炭酸カルシウムは特に好ましい。軽質炭酸カルシウムの粉末は、サイズや形状を所望に制御でき、セルロース原料のサイズや形状に合わせて、間隙に入り込むよう成形して、セルロース原料相互の凝集を抑制する効果を生じ易くすることができる。また、重質炭酸カルシウムは、不定形であるので、スラリー中に様々なサイズの繊維が存在する場合でも、乾燥工程時に水系媒体が除去されて繊維が凝集する過程において、間隙に入り込んでセルロース原料相互の凝集を抑制することができる。 It is preferable to use at least one inorganic powder selected from calcium carbonate, talc, white carbon, clay, calcined clay, titanium dioxide, aluminum hydroxide, and regenerated fillers, which are suitable for use as fillers and pigments for papermaking. It is more preferable to use at least one inorganic powder selected from calcium carbonate, talc, and clay, and it is particularly preferable to use at least one of light calcium carbonate and heavy calcium carbonate. Calcium carbonate, talc, and clay have the advantage that they are easy to compound with matrices such as resins, and are versatile inorganic materials, so there are few restrictions on their use. Furthermore, calcium carbonate is particularly preferable. Light calcium carbonate powder can be controlled in size and shape as desired, and can be molded to fit into gaps according to the size and shape of the cellulose raw material, making it easier to produce the effect of suppressing the aggregation of the cellulose raw material. In addition, heavy calcium carbonate is amorphous, so even if fibers of various sizes are present in the slurry, it can enter the gaps and suppress the aggregation of the cellulose raw material during the process in which the aqueous medium is removed and the fibers aggregate during the drying process.

樹脂粉末に用いる樹脂は、特に限定されずに種々のものを用いることができるが、複合樹脂を得る際に使用する樹脂と同様のものを使用すると、一つの樹脂で用途を選択でき好ましい。 There are no particular limitations on the resin used for the resin powder, and various resins can be used, but it is preferable to use the same resin as that used to obtain the composite resin, since a single resin can be used for a variety of purposes.

粉末の混合比は、マイクロ繊維セルロース1質量部に対して、好ましくは0.01~99質量部、より好ましくは0.05~19質量部、特に好ましくは0.1~9質量部である。マイクロ繊維セルロースに対する粉末の混合比が0.01質量部を下回ると、粉末が不足し、セルロース原料の間隙に入って凝集抑制する作用が不十分となるおそれがある。当該混合比が99質量部を上回ると、繊維が粉末に埋もれてしまい、マイクロ繊維セルロースと樹脂の混練工程に支障をきたすおそれがある。 The mixing ratio of the powder is preferably 0.01 to 99 parts by mass, more preferably 0.05 to 19 parts by mass, and particularly preferably 0.1 to 9 parts by mass, per part by mass of microfiber cellulose. If the mixing ratio of the powder to the microfiber cellulose is less than 0.01 parts by mass, there is a risk that the powder will be insufficient and will enter the gaps in the cellulose raw material and will not be able to sufficiently inhibit aggregation. If the mixing ratio exceeds 99 parts by mass, the fibers will be buried in the powder, which may interfere with the kneading process of the microfiber cellulose and the resin.

粉末として例示した無機粉末及び樹脂粉末は双方を併用することもできる。無機粉末及び樹脂粉末を併用すると、無機粉体と樹脂粉末のどちらか一方が凝集する条件で混合した場合でも無機粉末及び樹脂粉末の双方を混合しておくことで、凝集化を防ぐ効果が発揮される。一般的に、粒子径が小さい粉末は相対的に表面積が大きく重力作用のほかに分子間力の作用を受け、凝集化し易い傾向にあるが、無機粉末及び樹脂粉末を併用すると、粒子径が小さい粉末相互の凝集化が抑制される。この観点より、無機粉末及び樹脂粉末を併用する場合、無機粉末の平均粒子径:樹脂粉末の平均粒子径の比は、1:0.1~1:10000が好ましく、1:1~1:1000がより好ましい。 The inorganic powder and resin powder exemplified as powders can be used in combination. When inorganic powder and resin powder are used in combination, even if either the inorganic powder or the resin powder is mixed under conditions that cause agglomeration, the effect of preventing agglomeration is exhibited by mixing both the inorganic powder and the resin powder. Generally, powders with small particle sizes have a relatively large surface area and tend to be easily agglomerated due to the effects of intermolecular forces in addition to the effects of gravity, but when inorganic powder and resin powder are used in combination, agglomeration between powders with small particle sizes is suppressed. From this viewpoint, when inorganic powder and resin powder are used in combination, the ratio of the average particle size of the inorganic powder to the average particle size of the resin powder is preferably 1:0.1 to 1:10,000, and more preferably 1:1 to 1:1,000.

本実施形態のマイクロ繊維セルロースの製造方法を図1を参照しつつ説明する。容器10にセルロース原料Cを入れ、尿素又はその誘導体U、双性イオン化合物Bを添加して混合し、これを乾燥・加熱Pして変性工程を行い、変性処理されたセルロース繊維を得る。その後、得られたセルロース繊維を解繊工程20に供して、マイクロ繊維セルロースXを得る。 The method for producing microfiber cellulose of this embodiment will be described with reference to FIG. 1. Cellulose raw material C is placed in a container 10, urea or its derivative U, and zwitterionic compound B are added and mixed, and the mixture is dried and heated P to carry out a modification process, thereby obtaining modified cellulose fibers. The obtained cellulose fibers are then subjected to a defibration process 20 to obtain microfiber cellulose X.

(複合樹脂の製造方法)
樹脂との混練に供される、マイクロ繊維セルロース及び酸変性樹脂、分散剤、粉末等の混合物は、含有水分率を18%未満とする乾燥体としておくとよい。この乾燥体は、好ましくは粉砕して粉状物にする。粉状物の形態にすると、樹脂と混練して得られるマイクロ繊維セルロース複合樹脂の着色が低減される。一般にセルロース原料と樹脂から複合樹脂を製造すると、複合樹脂が黄色味がかった色彩を呈する。しかしながら、当該粉状物から製造された複合樹脂は、樹脂の本来の色彩に近い色彩を呈する。また、粉状物の形態であれば、容易に乾燥し、樹脂との混練に際してマイクロ繊維セルロースを敢えて乾燥させる必要がなく、混練の熱効率が良い。混合物に粉末や、分散剤が混合されている場合は、当該混合物を乾燥したとしても、マイクロ繊維セルロース(マイクロ繊維セルロース)が再分散しなくなるおそれが低い。
(Method of manufacturing composite resin)
The mixture of microfiber cellulose, acid-modified resin, dispersant, powder, etc., to be kneaded with resin, is preferably dried to a moisture content of less than 18%. This dried product is preferably pulverized into a powder. When the dried product is in the form of a powder, the coloring of the microfiber cellulose composite resin obtained by kneading with resin is reduced. In general, when a composite resin is produced from a cellulose raw material and a resin, the composite resin exhibits a yellowish color. However, the composite resin produced from the powder exhibits a color close to the original color of the resin. In addition, if the product is in the form of a powder, it is easily dried, and there is no need to dry the microfiber cellulose when kneading with resin, and the thermal efficiency of kneading is good. When a powder or a dispersant is mixed in the mixture, there is a low risk that the microfiber cellulose (microfiber cellulose) will not be redispersed even if the mixture is dried.

混合物を乾燥して乾燥体とする場合は、乾燥させる前に脱水して脱水物にするとよい。この脱水は、脱水装置を用いて行うことができる。脱水装置としては、例えば、ベルトプレス、スクリュープレス、フィルタープレス、ツインロール、ツインワイヤーフォーマ、バルブレスフィルタ、センターディスクフィルタ、膜処理、遠心分離機等を挙げることができる。 When drying the mixture to obtain a dry product, it is advisable to dehydrate the mixture before drying. This dehydration can be performed using a dehydration device. Examples of dehydration devices include belt presses, screw presses, filter presses, twin rolls, twin wire formers, valveless filters, center disc filters, membrane treatments, and centrifuges.

混合物、あるいは脱水物の乾燥は、乾燥装置を用いて行うことができる。乾燥装置としては、例えば、ロータリーキルン乾燥、円板式乾燥、気流式乾燥、媒体流動乾燥、スプレー乾燥、ドラム乾燥、スクリューコンベア乾燥、パドル式乾燥、一軸混練乾燥、多軸混練乾燥、真空乾燥、攪拌乾燥等を挙げることができる。 The mixture or the dehydrated product can be dried using a drying device. Examples of drying devices include rotary kiln drying, disk drying, air flow drying, media flow drying, spray drying, drum drying, screw conveyor drying, paddle drying, single-axis kneading drying, multi-axis kneading drying, vacuum drying, and stirring drying.

前述の乾燥体や脱水物の粉砕は、粉砕装置を用いて粉状物とすることができる。粉砕装置としては、例えば、ビーズミル、ニーダー、ディスパー、ツイストミル、カットミル、ハンマーミル等を挙げることができる。 The dried or dehydrated materials can be pulverized into powder using a pulverizer. Examples of pulverizers include a bead mill, kneader, disperser, twist mill, cut mill, hammer mill, etc.

粉状物は、平均粒子径が好ましくは10,000μm以下、より好ましくは10~5,000μm、特に好ましくは100~1,000μmであるとよい。平均粒子径が10,000μmを上回ると、容易な乾燥がなされないおそれがある。他方、平均粒子径の下限は厳密に定める必要はないが、例えば、平均粒子径が1μmを下回るものにすることは、大きなエネルギーが必要になるため、経済的でない。 The powder preferably has an average particle size of 10,000 μm or less, more preferably 10 to 5,000 μm, and particularly preferably 100 to 1,000 μm. If the average particle size exceeds 10,000 μm, there is a risk that drying will not be easy. On the other hand, although it is not necessary to strictly set a lower limit for the average particle size, for example, making the average particle size less than 1 μm is not economical because a large amount of energy is required.

粉状物の平均粒子径の制御は、分級装置(フィルター、サイクロン等)を使用した分級によることができる。 The average particle size of powder can be controlled by classification using a classification device (filter, cyclone, etc.).

混合物(粉状物)の嵩比重は、好ましくは0.03~1.0、より好ましくは0.04~0.9、特に好ましくは0.05~0.8であるとよい。嵩比重が1.0を超えるとマイクロ繊維セルロース相互の水素結合により強固な凝集がなされ、樹脂中で分散させることが困難となる。他方、嵩比重が0.03を下回ると、混練工程で混合物とマイクロ繊維セルロースとに重力による分離作用が働き、優れた分散性が保たれず、補強効果に優れる複合樹脂や、補強効果に乏しい複合樹脂等が製造され、均質な製品にならないおそれがある。 The bulk density of the mixture (powder material) is preferably 0.03 to 1.0, more preferably 0.04 to 0.9, and particularly preferably 0.05 to 0.8. If the bulk density exceeds 1.0, hydrogen bonds between the microfiber cellulose cause strong aggregation, making it difficult to disperse the microfiber cellulose in the resin. On the other hand, if the bulk density is below 0.03, the mixture and microfiber cellulose will separate due to gravity during the kneading process, and excellent dispersibility will not be maintained. Composite resins with excellent reinforcing effects or composite resins with poor reinforcing effects may be produced, resulting in an inability to produce a homogeneous product.

嵩比重は、JIS K7365に準じて測定した値である。 The bulk density is a value measured in accordance with JIS K7365.

混合物(マイクロ繊維セルロース含有物)の含有水分率は、好ましくは18%未満、より好ましくは0~17%、特に好ましくは0~16%である。含有水分率が18%以上になると、マイクロ繊維セルロース複合樹脂は、着色したものとなるおそれがある。特にカルバメート基の変性率を1mmol/g以上とする場合においては、着色を低減することができない可能性がある。 The moisture content of the mixture (material containing microfiber cellulose) is preferably less than 18%, more preferably 0 to 17%, and particularly preferably 0 to 16%. If the moisture content is 18% or more, the microfiber cellulose composite resin may become colored. In particular, when the modification rate of the carbamate group is 1 mmol/g or more, it may not be possible to reduce coloration.

着色を低減するには、例えばセルロースの一構成物質であるヘミセルロース等(着色原因物質)を低分子化して水溶化し、カルバメート化セルロースの洗浄工程で着色原因物質を除去する手法を採り得る。着色原因物質がマイクロ繊維セルロースに残留していると、混練工程の際に、樹脂と着色原因物質とが接触して着色が顕著になってしまう。 To reduce discoloration, for example, a method can be used in which hemicellulose, a component of cellulose (a substance that causes discoloration), is broken down into smaller molecules to make it water-soluble, and the discoloration substance is removed during the carbamate cellulose washing process. If the discoloration substance remains in the microfiber cellulose, the resin and the discoloration substance will come into contact during the kneading process, causing noticeable discoloration.

含有水分率は、定温乾燥機を用いて、試料を105℃で6時間以上保持し質量の変動が認められなくなった時点の質量を乾燥後質量とし、下記式にて算出した値である。
含有水分率(%)=[(乾燥前質量-乾燥後質量)÷乾燥前質量]×100
The moisture content was calculated by the following formula using a sample kept at 105° C. for 6 hours or more in a constant temperature dryer, and the mass after drying was determined as the mass at which no change in mass was observed.
Moisture content (%) = [(mass before drying - mass after drying) ÷ mass before drying] x 100

(混練工程)
以上のようにして得たマイクロ繊維セルロース含有物(樹脂の補強材)は、樹脂と混練し、マイクロ繊維セルロース複合樹脂を得る。この混練は、例えば、ペレット状の樹脂と補強材とを混ぜ合わす方法によることのほか、樹脂をまず溶融し、この溶融物の中に補強材を添加するという方法によることもできる。なお、酸変性樹脂や分散剤等は、この段階で添加することもできる。
(Kneading process)
The microfiber cellulose-containing material (resin reinforcing material) obtained as described above is kneaded with a resin to obtain a microfiber cellulose composite resin. This kneading can be performed, for example, by mixing the pellet-shaped resin with the reinforcing material, or by melting the resin first and adding the reinforcing material to the melt. Note that acid-modified resins, dispersants, etc. can also be added at this stage.

混練工程には、例えば、単軸混練機、又は二軸以上の多軸混練機、ミキシングロール、ニーダー、ロールミル、バンバリーミキサー、スクリュープレス、ディスパーザー等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。これらの中では、二軸以上の多軸混練機を使用することが好ましい。二軸以上の多軸混練機を2機以上、並列又は直列にして、使用しても良い。 For the kneading step, one or more of a single-shaft kneader, a multi-shaft kneader having two or more shafts, a mixing roll, a kneader, a roll mill, a Banbury mixer, a screw press, a disperser, etc. can be selected and used. Of these, it is preferable to use a multi-shaft kneader having two or more shafts. Two or more multi-shaft kneaders having two or more shafts may be used in parallel or in series.

混練工程の温度は、樹脂のガラス転移点以上であるとよく、樹脂の種類によって異なるが、80~350℃とするのが好ましく、90~300℃とするのがより好ましく、100~280℃とするのが特に好ましい。 The temperature of the kneading process should be equal to or higher than the glass transition point of the resin, and although it varies depending on the type of resin, it is preferably 80 to 350°C, more preferably 90 to 300°C, and particularly preferably 100 to 280°C.

樹脂としては、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましい。 It is preferable to use at least one of a thermoplastic resin and a thermosetting resin as the resin.

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のポリオレフィン、脂肪族ポリエステル樹脂や芳香族ポリエステル樹脂等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、メタアクリレート、アクリレート等のポリアクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the thermoplastic resin, one or more of the following may be selected and used: polyolefins such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE); polyester resins such as aliphatic polyester resins and aromatic polyester resins; polyacrylic resins such as polystyrene, methacrylate, and acrylate; polyamide resins; polycarbonate resins; and polyacetal resins.

ただし、ポリオレフィン及びポリエステル樹脂の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましい。また、ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンを使用するのが好ましい。さらに、ポリエステル樹脂としては、脂肪族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン等を例示することができ、芳香族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリエチレンテレフタレート等を例示することができるが、生分解性を有するポリエステル樹脂(単に「生分解性樹脂」ともいう。)を使用するのが好ましい。 However, it is preferable to use at least one of polyolefin and polyester resin. As the polyolefin, it is preferable to use polypropylene. Furthermore, as the polyester resin, examples of aliphatic polyester resins include polylactic acid and polycaprolactone, and examples of aromatic polyester resins include polyethylene terephthalate, but it is preferable to use a biodegradable polyester resin (also simply called "biodegradable resin").

生分解性樹脂としては、例えば、ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステル、カプロラクトン系脂肪族ポリエステル、二塩基酸ポリエステル等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the biodegradable resin, for example, one or more types can be selected from hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyesters, caprolactone-based aliphatic polyesters, dibasic acid polyesters, etc.

ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、乳酸、リンゴ酸、グルコース酸、3-ヒドロキシ酪酸等のヒドロキシカルボン酸の単独重合体や、これらのヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種を用いた共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、ポリ乳酸、乳酸と乳酸を除く上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体、ポリカプロラクトン、上記ヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種とカプロラクトンとの共重合体を使用するのが好ましく、ポリ乳酸を使用するのが特に好ましい。この乳酸としては、例えば、L-乳酸やD-乳酸等を使用することができ、これらの乳酸を単独で使用しても、2種以上を選択して使用してもよい。 As the hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyester, one or more of homopolymers of hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid, glucose acid, 3-hydroxybutyric acid, etc., and copolymers using at least one of these hydroxycarboxylic acids can be selected and used. However, it is preferable to use polylactic acid, copolymers of lactic acid and the above hydroxycarboxylic acids other than lactic acid, polycaprolactone, and copolymers of at least one of the above hydroxycarboxylic acids and caprolactone, and it is particularly preferable to use polylactic acid. As this lactic acid, for example, L-lactic acid, D-lactic acid, etc. can be used, and these lactic acids may be used alone or two or more of them may be selected and used.

カプロラクトン系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、ポリカプロラクトンの単独重合体や、ポリカプロラクトン等と上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the caprolactone-based aliphatic polyester, one or more types can be selected and used from, for example, a homopolymer of polycaprolactone, a copolymer of polycaprolactone or the like with the above-mentioned hydroxycarboxylic acid, etc.

二塩基酸ポリエステルとしては、例えば、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリブチレンアジペート等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the dibasic acid polyester, for example, one or more of polybutylene succinate, polyethylene succinate, polybutylene adipate, etc. can be selected and used.

生分解性樹脂は、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。 Biodegradable resins may be used alone or in combination of two or more types.

熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性ポリイミド系樹脂等を使用することができる。これらの樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。 Examples of thermosetting resins that can be used include phenolic resins, urea resins, melamine resins, furan resins, unsaturated polyesters, diallyl phthalate resins, vinyl ester resins, epoxy resins, urethane resins, silicone resins, and thermosetting polyimide resins. These resins can be used alone or in combination of two or more.

樹脂には、無機充填剤が含有されていてもよく、無機充填剤としては、例えば、Fe、Na、K、Cu、Mg、Ca、Zn、Ba、Al、Ti、ケイ素元素等の周期律表第I族~第VIII族中の金属元素の単体、酸化物、水酸化物、炭素塩、硫酸塩、ケイ酸塩、亜硫酸塩、これらの化合物よりなる各種粘土鉱物等を例示することができる。 The resin may contain an inorganic filler, and examples of inorganic fillers include simple metal elements in Groups I to VIII of the periodic table, such as Fe, Na, K, Cu, Mg, Ca, Zn, Ba, Al, Ti, and silicon, as well as oxides, hydroxides, carbonates, sulfates, silicates, and sulfites, and various clay minerals made of these compounds.

具体的には、例えば、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、酸化亜鉛、シリカ、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、ほう酸アルミニウム、アルミナ、酸化鉄、チタン酸カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、クレーワラストナイト、ガラスビーズ、ガラスパウダー、珪砂、硅石、石英粉、珪藻土、ホワイトカーボン、ガラスファイバー等を例示することができる。これらの無機充填剤は、複数が含有されていてもよい。また、古紙パルプに含まれるものであってもよい。 Specific examples include barium sulfate, calcium sulfate, magnesium sulfate, sodium sulfate, calcium sulfite, zinc oxide, silica, heavy calcium carbonate, light calcium carbonate, aluminum borate, alumina, iron oxide, calcium titanate, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium carbonate, calcium silicate, clay wollastonite, glass beads, glass powder, silica sand, silica stone, quartz powder, diatomaceous earth, white carbon, glass fiber, etc. A plurality of these inorganic fillers may be contained. Also, they may be those contained in waste paper pulp.

マイクロ繊維セルロースと樹脂との配合比は、好ましくはマイクロ繊維セルロース:樹脂=1~99質量%:99~1質量%、より好ましくは5~95質量%:95~5質量%、さらに好ましくは10~90質量%:90~10質量%であるとよい。マイクロ繊維セルロースの割合が上記配合比の範囲よりも低いと、マイクロ繊維セルロースが少ないので、複合樹脂中の樹脂間をつなぐマイクロ繊維セルロースが相互に形成する三次元ネットワークの強度が弱く、樹脂の補強効果に乏しいものとなる。他方、マイクロ繊維セルロースの割合が上記配合率の範囲よりも高いと、マイクロ繊維セルロースが樹脂の補強効果を有しているとしても、樹脂本来に備わる強度が発揮されず、複合樹脂としたときに所望の強度が備わったものとならないおそれがある。 The blending ratio of microfiber cellulose to resin is preferably microfiber cellulose:resin = 1-99% by mass:99-1% by mass, more preferably 5-95% by mass:95-5% by mass, and even more preferably 10-90% by mass:90-10% by mass. If the ratio of microfiber cellulose is lower than the above blending ratio range, the amount of microfiber cellulose is small, so the strength of the three-dimensional network formed by the microfiber cellulose connecting the resins in the composite resin is weak, and the reinforcing effect of the resin is poor. On the other hand, if the ratio of microfiber cellulose is higher than the above blending ratio range, even if the microfiber cellulose has a reinforcing effect on the resin, the strength inherent to the resin is not exerted, and the composite resin may not have the desired strength.

なお、最終的に得られる複合樹脂に含まれるマイクロ繊維セルロース及び樹脂の含有割合は、通常、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の上記配合比と同じとなる。 The content ratio of microfiber cellulose and resin in the final composite resin is usually the same as the above-mentioned blend ratio of microfiber cellulose and resin.

マイクロ繊維セルロース及び樹脂の溶解パラメータ(cal/cm3)1/2(SP値)の差は、マイクロ繊維セルロースのSPMFC値、樹脂のSPPOL値とすると、SP値の差=SPMFC値-SPPOL値とすることができる。SP値の差は10~0.1が好ましく、8~0.5がより好ましく、5~1が特に好ましい。SP値の差が10を超えると、樹脂中におけるマイクロ繊維セルロースの分散性が不十分であり、補強効果を得ることはできない可能性がある。他方、SP値の差が0.1未満であるとマイクロ繊維セルロースが樹脂に溶解してしまい、フィラーとして機能せず、補強効果が得られない。樹脂(溶媒)のSPPOL値とマイクロ繊維セルロース(溶質)のSPMFC値の差が小さい程、補強効果が大きいといえる。 The difference in the solubility parameters (cal/cm 3 ) 1/2 (SP value) of the microfiber cellulose and the resin can be expressed as the SP value difference=SPMFC value-SPPOL value, where the SPMFC value of the microfiber cellulose and the SPPOL value of the resin are the SP value difference. The SP value difference is preferably 10 to 0.1, more preferably 8 to 0.5, and particularly preferably 5 to 1. If the SP value difference exceeds 10, the dispersibility of the microfiber cellulose in the resin is insufficient, and it is possible that the reinforcing effect cannot be obtained. On the other hand, if the SP value difference is less than 0.1, the microfiber cellulose dissolves in the resin, does not function as a filler, and the reinforcing effect cannot be obtained. It can be said that the smaller the difference between the SPPOL value of the resin (solvent) and the SPMFC value of the microfiber cellulose (solute), the greater the reinforcing effect.

なお、溶解パラメータ(cal/cm3)1/2(SP値)とは、溶媒-溶質間に作用する分子間力を表す尺度であり、SP値が近い溶媒と溶質であるほど、溶解度が増す。 The solubility parameter (cal/cm 3 ) 1/2 (SP value) is a measure of the intermolecular force acting between a solvent and a solute, and the closer the SP values of a solvent and a solute are, the higher the solubility.

(成形工程)
マイクロ繊維セルロース含有物及び樹脂の混練物は、必要により再度混練する等した後、所望の形状に成形することができる。この成形の大きさや厚さ、形状等は、特に限定されず、例えば、シート状、ペレット状、粉末状、繊維状等とすることができる。
(Molding process)
The mixture of the microfiber cellulose-containing material and the resin can be molded into a desired shape after being kneaded again as necessary. The size, thickness, shape, etc. of the molded product are not particularly limited, and can be, for example, a sheet, pellet, powder, fiber, etc.

成形工程を行う際の温度は、樹脂のガラス転移点以上であるとよく、樹脂の種類によって異なるが、例えば90~260℃、好ましくは100~240℃であると十分な混練がなされ好ましい。 The temperature during the molding process should be equal to or higher than the glass transition point of the resin. This varies depending on the type of resin, but for example, a temperature of 90 to 260°C, preferably 100 to 240°C, is preferred to ensure sufficient kneading.

混練物の成形は、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等により行うことができる。また、混練物を紡糸して繊維状にし、植物材料等と混繊してマット形状、ボード形状とすることもできる。混繊は、例えば、エアーレイにより同時堆積させる方法等によることができる。混練物を成形する装置としては、例えば、射出成形機、吹込成形機、中空成形機、ブロー成形機、圧縮成形機、押出成形機、真空成形機、圧空成形機等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 The kneaded material can be molded, for example, by mold molding, injection molding, extrusion molding, blow molding, foam molding, etc. The kneaded material can also be spun into fibers and mixed with plant materials, etc., to form a mat or board shape. The fibers can be mixed, for example, by a method of simultaneous deposition using air laying. The kneaded material can be molded using one or more machines selected from, for example, an injection molding machine, a blow molding machine, a blow molding machine, a compression molding machine, an extrusion molding machine, a vacuum molding machine, a compressed air molding machine, etc.

植物材料等として混繊するものの例としては、ケナフ、ジュート麻、マニラ麻、サイザル麻、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、各種針葉樹(スギ及びヒノキ等)、広葉樹及び綿花などの各種植物体から得られた植物材料に由来する繊維を挙げることができる。 Examples of plant materials that can be mixed include fibers derived from plant materials obtained from various plants such as kenaf, jute, Manila hemp, sisal, gampi, mitsumata, paper mulberry, banana, pineapple, coconut, corn, sugarcane, bagasse, palm, papyrus, reed, esparto, sabai grass, wheat, rice, bamboo, various coniferous trees (such as cedar and cypress), broadleaf trees, and cotton.

以上の成形は、混練に続いて行うことも、混練物をいったん冷却し、破砕機等を使用してチップ化した後、このチップを押出成形機や射出成形機等の成形機に投入して行うこともできる。もちろん、成形は、本発明の必須の要件ではない。 The above molding can be carried out following kneading, or the kneaded material can be cooled and chipped using a crusher or the like, and the chips can then be fed into a molding machine such as an extrusion molding machine or an injection molding machine. Of course, molding is not an essential requirement of the present invention.

次に、本発明の実施例を説明する。セルロース原料として、シート状の水分率10%以下の針葉樹クラフトパルプ(NBKP)を用意した。このセルロース原料は、坪量が50~800g/m2となるものである。このセルロース原料に、20質量%尿素水溶液とベタインを含浸して混合物とし、これを105℃、6時間放置して乾燥させた。セルロース原料(針葉樹クラフトパルプ)、20質量%尿素水溶液、ベタインの各添加量(固形分換算の質量)は、[表1]に示すとおりである。その後、[表1]に記載の反応温度、反応時間で当該混合物を反応させ、カルバメート化セルロースを得た。得られたカルバメート化セルロースに蒸留水を加えて希釈し、攪拌し、脱水する洗浄作業を2回繰り返した。洗浄作業後のカルバメート化セルロースを、叩解機を用いてファイン率(繊維分析計「FS5」による繊維長分布測定で0.2mm以下の繊維の割合)が77%以上となるまで叩解して、カルバメート化されたマイクロ繊維セルロースを得た。セルロース原料(NBKP)の結晶化度及びカルバメート化セルロースについての結晶化度、マイクロ繊維セルロースについての変性率(カルバメート化率)を測定した。得られた結果を[表1]に示す。 Next, an example of the present invention will be described. As the cellulose raw material, a sheet-shaped softwood kraft pulp (NBKP) with a moisture content of 10% or less was prepared. The cellulose raw material had a basis weight of 50 to 800 g/ m2 . The cellulose raw material was impregnated with a 20% by mass aqueous urea solution and betaine to form a mixture, which was then left to dry at 105°C for 6 hours. The amounts of the cellulose raw material (softwood kraft pulp), the 20% by mass aqueous urea solution, and the betaine added (mass in terms of solid content) are as shown in [Table 1]. The mixture was then reacted at the reaction temperature and reaction time shown in [Table 1] to obtain carbamate cellulose. The obtained carbamate cellulose was diluted with distilled water, stirred, and dehydrated, and the washing process was repeated twice. The carbamate cellulose after the washing operation was beaten with a beater until the fine ratio (the ratio of fibers of 0.2 mm or less as measured by fiber length distribution using a fiber analyzer "FS5") was 77% or more, to obtain carbamate microfiber cellulose. The crystallinity of the cellulose raw material (NBKP) and the crystallinity of the carbamate cellulose, and the modification rate (carbamation rate) of the microfiber cellulose were measured. The results are shown in [Table 1].

Figure 0007638751000002
Figure 0007638751000002

カルバメート化率については、以下の基準で評価した。
◎:カルバメート化率が1.80mmol/g以上である。
〇:カルバメート化率が1.25mmol/gを超え、1.80mmol/g未満である。
×:カルバメート化率が1.25mmol/g以下である。
The carbamate conversion rate was evaluated according to the following criteria.
⊚: The carbamate conversion rate is 1.80 mmol/g or more.
◯: The carbamate conversion rate is greater than 1.25 mmol/g and less than 1.80 mmol/g.
×: The carbamate conversion rate is 1.25 mmol/g or less.

また、試験例1の結晶化度について測定した結果は、カルバメート化する前のものが85%、カルバメート化セルロース(叩解する前のもの)が84%であり、カルバメート化の前後において結晶化度が大きく変化することはなかった。試験例4の結晶化度の結果についても、カルバメート化する前のものが85%、カルバメート化セルロース(叩解する前のもの)が84%であった。 The results of measuring the degree of crystallinity of Test Example 1 were 85% before carbamate conversion and 84% for the carbamate cellulose (before beating), showing that the degree of crystallinity did not change significantly before and after carbamate conversion. The results of measuring the degree of crystallinity of Test Example 4 were also 85% before carbamate conversion and 84% for the carbamate cellulose (before beating).

本発明は、マイクロ繊維セルロースの製造方法及びマイクロ繊維セルロース複合樹脂の製造方法、マイクロ繊維セルロースとして利用可能である。 The present invention can be used as a method for producing microfiber cellulose, a method for producing a microfiber cellulose composite resin, and as microfiber cellulose.

Claims (7)

セルロース原料を変性してカルバメート化セルロースを得る変性工程と、
前記カルバメート化セルロースを解繊してマイクロ繊維セルロースを得る解繊工程を有し、
前記変性工程は、セルロース原料に、尿素又はその誘導体とベタインを添加して、100~300℃に加熱して行うものであ
前記マイクロ繊維セルロースにおけるカルバメート基の変性率が0.5~3.0mmol/gである、
ことを特徴とするマイクロ繊維セルロースの製造方法。
a modification step of modifying a cellulose raw material to obtain carbamate cellulose;
A defibration step of defibrating the carbamate cellulose to obtain microfibrous cellulose,
The modification step is carried out by adding urea or a derivative thereof and betaine to a cellulose raw material and heating the mixture to 100 to 300° C.
The modification rate of the carbamate group in the microfibrous cellulose is 0.5 to 3.0 mmol/g.
A method for producing microfibrous cellulose.
前記セルロース原料がシート状のパルプである、
請求項1に記載のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
The cellulose raw material is a sheet-like pulp.
The method for producing the microfibrous cellulose according to claim 1 .
尿素又はその誘導体とベタインを1:99~99:1の質量比で添加する、
請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
Add urea or its derivative and betaine in a mass ratio of 1:99 to 99:1;
The method for producing the microfibrous cellulose according to claim 1 or 2 .
前記マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅が0.1~15μmである、
請求項1~のいずれか1項に記載のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
The microfiber cellulose has an average fiber width of 0.1 to 15 μm.
The method for producing the microfibrous cellulose according to any one of claims 1 to 3 .
前記変性工程は、1秒以上かつ2時間以下加熱して行う、
請求項1~のいずれか1項に記載のマイクロ繊維セルロースの製造方法。
The denaturation step is carried out by heating for 1 second or more and 2 hours or less.
The method for producing the microfibrous cellulose according to any one of claims 1 to 4 .
請求項1~のいずれか1項に記載の製造方法によって得られたマイクロ繊維セルロースと樹脂を混練してセルロース複合樹脂を得る混練工程を有する、
ことを特徴とするセルロース複合樹脂の製造方法。
A kneading step of kneading the microfiber cellulose obtained by the production method according to any one of claims 1 to 5 with a resin to obtain a cellulose composite resin.
A method for producing a cellulose composite resin comprising the steps of:
セルロース原料を変性してカルバメート化セルロースを得る変性工程と、
前記カルバメート化セルロースを解繊する解繊工程を有し、
前記変性工程は、セルロース原料に、尿素又はその誘導体とベタインを添加して、100~300℃に加熱して行うものであり、
前記解繊工程によって得られ、結晶化度が50~95%であカルバメート基の変性率が0.5~3.0mmol/gである、
ことを特徴とするマイクロ繊維セルロース。
a modification step of modifying a cellulose raw material to obtain carbamate cellulose;
The method includes a defibration step of defibrating the carbamate cellulose,
The modification step is carried out by adding urea or a derivative thereof and betaine to a cellulose raw material and heating the mixture to 100 to 300° C.
The fiber is obtained by the defibration step, has a crystallinity of 50 to 95%, and has a modification rate of carbamate groups of 0.5 to 3.0 mmol/g.
Microfiber cellulose.
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