Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7650462B2 - Modified cellulose and resin composition - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7650462B2 - Modified cellulose and resin composition - Google Patents

Modified cellulose and resin composition Download PDF

Info

Publication number
JP7650462B2
JP7650462B2 JP2021101077A JP2021101077A JP7650462B2 JP 7650462 B2 JP7650462 B2 JP 7650462B2 JP 2021101077 A JP2021101077 A JP 2021101077A JP 2021101077 A JP2021101077 A JP 2021101077A JP 7650462 B2 JP7650462 B2 JP 7650462B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cellulose
resin
acid
modified cellulose
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021101077A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023000328A (en
Inventor
雅行 杉本
昌宏 山田
于懿 徐
浩 宇山
隆彬 麻生
礎生 小田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Gas Co Ltd
University of Osaka NUC
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
Osaka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Gas Co Ltd, Osaka University NUC filed Critical Osaka Gas Co Ltd
Priority to JP2021101077A priority Critical patent/JP7650462B2/en
Publication of JP2023000328A publication Critical patent/JP2023000328A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7650462B2 publication Critical patent/JP7650462B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)

Description

本発明は、3-ヒドロキシ酪酸(以下、単に「3HB」と称する場合がある)またはそのオリゴマーで変性されたセルロースおよびこの変性セルロースを含む樹脂組成物に関する。 The present invention relates to cellulose modified with 3-hydroxybutyric acid (hereinafter sometimes simply referred to as "3HB") or its oligomer, and a resin composition containing this modified cellulose.

環境保全や持続可能な社会の実現などの観点からプラスチック原料の一部または全部のバイオマス化が進められ、バイオベースプラスチック(または生分解性プラスチック)の利用が進んでいる。このようなプラスチックは、耐久性や強度などの観点から、一般に様々な添加剤や補強材と組み合わせて樹脂組成物の形態で使用されている。補強材としては、繊維状補強材、例えば、炭素繊維、ガラス繊維などが使用されているが、これらの繊維状補強材は、製造過程で多くの二酸化炭素を排出し、リサイクル性に乏しい。一方、植物由来の繊維であるセルロースは、環境負荷が小さく、かつ持続型資源であるとともに、高弾性率、高強度、低線膨張係数などの優れた特性を有する。そのため、補強材として、セルロースなどの植物由来の繊維に代替することが求められている。しかし、セルロース繊維やそのナノ繊維であるセルロースナノファイバーは、一般にプラスチックとの相性(親和性、混和性)に劣り、相溶化剤などが併用される。 In order to protect the environment and realize a sustainable society, the use of bio-based plastics (or biodegradable plastics) is increasing, with the partial or total conversion of plastic raw materials to biomass. From the viewpoint of durability and strength, such plastics are generally used in the form of resin compositions in combination with various additives and reinforcing materials. As reinforcing materials, fibrous reinforcing materials such as carbon fiber and glass fiber are used, but these fibrous reinforcing materials emit a lot of carbon dioxide during the manufacturing process and are poorly recyclable. On the other hand, cellulose, a fiber derived from plants, has a small environmental impact and is a sustainable resource, and has excellent properties such as a high elastic modulus, high strength, and a low linear expansion coefficient. Therefore, there is a demand for plant-derived fibers such as cellulose to replace cellulose as a reinforcing material. However, cellulose fibers and their nanofibers, cellulose nanofibers, generally have poor compatibility (affinity, miscibility) with plastics, and compatibilizers are used in combination.

特開2017-171713号公報(特許文献1)には、アシル化修飾植物繊維と、熱可塑性樹脂と、相溶化剤とを含み、希釈用樹脂で希釈されるマスターバッチが記載され、前記アシル化修飾植物繊維としてアセチル化修飾植物繊維を用い、前記熱可塑性樹脂としてポリ乳酸を用い、希釈用樹脂としてポリプロピレン、ポリエチレンを用いた例が記載されている。 JP 2017-171713 A (Patent Document 1) describes a master batch that contains acylated modified plant fibers, a thermoplastic resin, and a compatibilizer, and is diluted with a diluting resin, and describes an example in which acetylated modified plant fibers are used as the acylated modified plant fibers, polylactic acid is used as the thermoplastic resin, and polypropylene and polyethylene are used as the diluting resin.

特開2016-79369号公報(特許文献2)には、樹脂に対して分散性の高い修飾セルロースとして、9,9-ビスアリールフルオレン骨格を有する化合物で修飾され、樹脂を複合化する材料として有用な修飾セルロースが記載され、樹脂として、ポリ乳酸などのバイオマス由来の脂肪族ポリエステル系樹脂も例示されている。 JP 2016-79369 A (Patent Document 2) describes modified cellulose that is highly dispersible in resins and is modified with a compound having a 9,9-bisarylfluorene skeleton, and is useful as a material for compounding resins. Examples of resins include aliphatic polyester resins derived from biomass, such as polylactic acid.

また、前記樹脂組成物が、一部または全部が生分解性を示さない成分(プラスチック、添加剤、補強材など)を含むと、土壌、湖沼、河川を含む環境や、海洋中に流出した非生分解性成分が、紫外線などにより崩壊、細分化され、直径5mm以下のマイクロプラスチックが生成する。このマイクロプラスチックが、鳥類、魚類などの生体内に取り込まれると、内分泌かく乱を引き起こすことが懸念されている。 Furthermore, if the resin composition contains components that are partially or completely non-biodegradable (plastics, additives, reinforcing materials, etc.), the non-biodegradable components that end up in the environment, including soil, lakes, and rivers, or in the ocean, are broken down and fragmented by ultraviolet rays and other factors, generating microplastics with diameters of 5 mm or less. There are concerns that these microplastics, when ingested into the living bodies of birds, fish, and other animals, could cause endocrine disruption.

なお、生分解性プラスチックとしては、ポリ乳酸(PLA)、ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)、ポリブチレンサクシネート(PBS)、ポリカプロラクトン(PCL)などが挙げられる。しかし、これらの生分解性プラスチックは、嫌気条件での生分解性(またはバイオガス化)が低く、海洋中での生分解性が低い。前記生分解性プラスチックは密度が高く海洋中に沈むため、マイクロプラスチック問題の解決には、海洋中などの嫌気条件においても高い生分解性を有するプラスチックの開発が必要である。 Examples of biodegradable plastics include polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoate (PHA), polybutylene succinate (PBS), and polycaprolactone (PCL). However, these biodegradable plastics have low biodegradability (or biogasification) under anaerobic conditions, and low biodegradability in the ocean. Since the biodegradable plastics are highly dense and sink in the ocean, solving the microplastic problem requires the development of plastics that have high biodegradability even in anaerobic conditions such as in the ocean.

H.Yagi et al., Polymer Degradation and Stability, 110, (2014), 278-283(非特許文献1)には、各種生分解性ポリエステルの嫌気条件における生分解性が評価されており、PLA、PCL、PBSに比べて、ポリ-3-ヒドロキシ酪酸(PHB)が嫌気条件で高い生分解性を示すことが開示されている。しかし、微生物によって産生(生合成)されるPHBなどのポリ-3-ヒドロキシアルカン酸は、汎用のプラスチック成形体に必要な機械的特性が不足している上に、経済性も低いため、普及が進んでいなかった。 H.Yagi et al., Polymer Degradation and Stability, 110, (2014), 278-283 (Non-Patent Document 1) evaluates the biodegradability of various biodegradable polyesters under anaerobic conditions, and discloses that poly-3-hydroxybutyrate (PHB) exhibits higher biodegradability under anaerobic conditions than PLA, PCL, and PBS. However, poly-3-hydroxyalkanoates such as PHB produced (biosynthesized) by microorganisms lack the mechanical properties required for general-purpose plastic molded bodies and are also less economical, so they have not been widely used.

一方、化学合成により3HBを導入した生分解性プラスチックとして、特開2017-025138号公報(特許文献3)には、3-ヒドロキシ酪酸(3HB)単位の割合が、全構成単位に対して1~20モル%である生分解性コポリマーが開示されている。特許文献3には、3HB単位がランダムに導入された生分解性コポリマーが、好気条件下および嫌気条件下において高い生分解性を有することなどが記載されている。 On the other hand, as a biodegradable plastic into which 3HB has been introduced by chemical synthesis, JP 2017-025138 A (Patent Document 3) discloses a biodegradable copolymer in which the ratio of 3-hydroxybutyric acid (3HB) units to the total constituent units is 1 to 20 mol %. Patent Document 3 describes that a biodegradable copolymer into which 3HB units have been randomly introduced has high biodegradability under aerobic and anaerobic conditions.

特開2017-171713号公報JP 2017-171713 A 特開2016-79369号公報JP 2016-79369 A 特開2017-025138号公報JP 2017-025138 A

H.Yagi et al., Polymer Degradation and Stability, 110, (2014), 278-283H.Yagi et al., Polymer Degradation and Stability, 110, (2014), 278-283

特許文献1に記載のマスターバッチは、繊維強化樹脂組成物を調製するのに適している。しかし、前記マスターバッチの相溶化剤が生分解性を示さないため、持続的な環境保全の観点からは必ずしも十分ではない。特に、生分解性を示さない希釈用樹脂を用いると、繊維強化樹脂組成物の生分解性が期待できなくなる。また、各成分が所定の溶解度パラメータの関係を有しているため、材料の選択の幅が狭くなる虞がある。さらに、アシル化修飾植物繊維は、必ずしも生分解性、特に、嫌気条件での分解性が十分ではない。 The masterbatch described in Patent Document 1 is suitable for preparing a fiber-reinforced resin composition. However, since the compatibilizer of the masterbatch does not exhibit biodegradability, it is not necessarily sufficient from the viewpoint of sustainable environmental conservation. In particular, if a dilution resin that does not exhibit biodegradability is used, the fiber-reinforced resin composition cannot be expected to be biodegradable. In addition, since each component has a predetermined solubility parameter relationship, there is a risk that the range of material selection will be narrowed. Furthermore, acylated modified plant fibers are not necessarily sufficiently biodegradable, particularly in terms of decomposition under anaerobic conditions.

特許文献2に記載の前記修飾セルロースは、樹脂に対する混和性が高いものの、生分解性が十分ではない。そのため、上記修飾セルロースを生分解性プラスチックに添加しても、樹脂組成物全体の生分解性を向上できない。 The modified cellulose described in Patent Document 2 has high compatibility with resins, but is not sufficiently biodegradable. Therefore, even if the modified cellulose is added to a biodegradable plastic, the biodegradability of the entire resin composition cannot be improved.

特許文献3に記載の生分解性コポリマーは、3HBの反応性が低い上に、熱や酸により容易に分子内脱水が生じるため、高分子量化が困難であり、機械的特性が不十分な場合がある。 The biodegradable copolymer described in Patent Document 3 has low reactivity with 3HB and is easily dehydrated intramolecularly by heat or acid, making it difficult to increase the molecular weight and sometimes resulting in insufficient mechanical properties.

従って、本発明の目的は、生分解性成分で形成され、樹脂に対する補強材として有用な変性セルロース繊維(または修飾セルロース繊維)およびこの変性セルロース繊維を含む樹脂組成物を提供することにある。 The object of the present invention is therefore to provide modified cellulose fibers (or modified cellulose fibers) formed from biodegradable components and useful as reinforcing materials for resins, and to provide resin compositions containing the modified cellulose fibers.

本発明の他の目的は、相溶化剤を必ずしも必要とせず、生分解性プラスチックを有効に補強でき、かつ生分解性を有する補強材として有用な変性セルロース繊維(または修飾セルロース繊維)およびこの変性セルロース繊維を含む樹脂組成物を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide modified cellulose fibers (or modified cellulose fibers) that can effectively reinforce biodegradable plastics without necessarily requiring a compatibilizer, and that are useful as a biodegradable reinforcing material, and a resin composition that contains the modified cellulose fibers.

本発明のさらに他の目的は、土壌、海洋を含む水中などの嫌気性条件下でも、セルロースを含む全てのポリマー成分が生分解性を有する生分解性樹脂組成物を提供することにある。 Yet another object of the present invention is to provide a biodegradable resin composition in which all polymer components, including cellulose, are biodegradable even under anaerobic conditions in soil, water including the ocean, and the like.

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、生分解性を有するセルロース繊維を3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーで修飾した3-ヒドロキシ酪酸変性セルロース(3HB-C)が、生分解性成分で形成され、樹脂に対する補強材として有用であることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive research into solving the above problems, the inventors discovered that 3-hydroxybutyric acid-modified cellulose (3HB-C), in which biodegradable cellulose fibers are modified with 3-hydroxybutyric acid or its oligomers, is made of biodegradable components and is useful as a reinforcing material for resins, thus completing the present invention.

すなわち、本発明の変性セルロースは、セルロース繊維に、3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーが結合している。前記変性セルロースは、前記セルロース繊維の無水グルコース単位の6位に、前記3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーがエステル結合していてもよい。前記3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーの平均重合度は1~10であってもよい。前記3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーによるグラフト化率は5~30モル%であってもよい。前記3-ヒドロキシ酪酸はR-3-ヒドロキシ酪酸であってもよい。 That is, the modified cellulose of the present invention has 3-hydroxybutyric acid or an oligomer thereof bound to cellulose fibers. The modified cellulose may have the 3-hydroxybutyric acid or an oligomer thereof ester-bonded to the 6-position of an anhydroglucose unit of the cellulose fibers. The average degree of polymerization of the 3-hydroxybutyric acid or an oligomer thereof may be 1 to 10. The grafting rate of the 3-hydroxybutyric acid or an oligomer thereof may be 5 to 30 mol %. The 3-hydroxybutyric acid may be R-3-hydroxybutyric acid.

本発明には、前記変性セルロースと、熱可塑性樹脂および硬化性樹脂から選択された少なくとも一種の樹脂とを含む樹脂組成物も含まれる。前記樹脂は、生分解性プラスチックを含んでいてもよい。前記樹脂は、ヒドロキシアルカン酸およびラクトンから選択された少なくとも一種の単量体の単独または共重合体であってもよい。前記変性セルロースの割合は、前記樹脂100質量部に対して0.1~20質量部であってもよい。 The present invention also includes a resin composition containing the modified cellulose and at least one resin selected from a thermoplastic resin and a curable resin. The resin may contain a biodegradable plastic. The resin may be a homopolymer or copolymer of at least one monomer selected from a hydroxyalkanoic acid and a lactone. The proportion of the modified cellulose may be 0.1 to 20 parts by mass relative to 100 parts by mass of the resin.

本発明には、樹脂に前記変性セルロースを配合して前記樹脂の機械的特性を向上する方法も含まれる。前記樹脂は生分解性プラスチックであってもよい。 The present invention also includes a method of improving the mechanical properties of a resin by blending the modified cellulose with the resin. The resin may be a biodegradable plastic.

本発明では、生分解性を有するセルロース繊維が3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーで修飾されているため、生分解性成分で形成され、かつ樹脂に対する補強材として有用である。 In the present invention, the biodegradable cellulose fibers are modified with 3-hydroxybutyric acid or its oligomers, and are therefore made of biodegradable components and are useful as reinforcing materials for resins.

また、セルロース系フィラーは一般に樹脂との親和性は低いが、3HBで修飾することにより、PHBHなどのポリヒドロキシアルカノエート(PHA)との界面親和性が向上する。そのため、本発明では、相溶化剤を必ずしも必要とせず、生分解性プラスチックを有効に補強でき、かつ生分解性を有する補強材として有用である。 In addition, cellulose-based fillers generally have low affinity with resins, but by modifying them with 3HB, their interfacial affinity with polyhydroxyalkanoates (PHAs) such as PHBH is improved. Therefore, the present invention does not necessarily require a compatibilizer, can effectively reinforce biodegradable plastics, and is useful as a biodegradable reinforcing material.

さらに、非特許文献1に示されている通り、PHA(およびそのモノマーである3HA)およびセルロースは、全て、土壌、海洋を含む水中などの嫌気条件下においても生分解性を示す数少ないポリマーである。そのため、3HB-CとPHAとを組み合わせると、双方ともに嫌気条件下で分解できる成分のみで構成されたバイオマスフィラーを形成でき、低炭素・脱炭素化に貢献できる。 Furthermore, as shown in Non-Patent Document 1, PHA (and its monomer 3HA) and cellulose are all among the few polymers that are biodegradable even under anaerobic conditions, such as in soil and in water, including the ocean. Therefore, by combining 3HB-C and PHA, it is possible to form a biomass filler composed only of components that can be decomposed under anaerobic conditions, which can contribute to low carbon and decarbonization.

図1は、実施例で使用した原料および得られた変性セルロースのFT-IR(フーリエ変換赤外分光法)を示すチャートである。FIG. 1 is a chart showing FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) of the raw materials used in the examples and the resulting modified cellulose. 図2は、実施例および比較例で得られた変性セルロースの固体13C-NMRスペクトルのチャートである。FIG. 2 is a chart of the solid-state 13 C-NMR spectrum of the modified cellulose obtained in the examples and comparative examples. 図3は、比較例1~2および実施例7で得られたフィルムにおける引張試験の結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of the tensile tests on the films obtained in Comparative Examples 1 and 2 and Example 7. 図4は、比較例1、3および実施例8で得られたフィルムにおける引張試験の結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of the tensile test on the films obtained in Comparative Examples 1 and 3 and Example 8. 図5は、比較例1、4および実施例9で得られたフィルムにおける引張試験の結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of the tensile test on the films obtained in Comparative Examples 1 and 4 and Example 9. 図6は、実施例8および比較例4で得られたフィルムにおける引張破断面の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the tensile fracture surfaces of the films obtained in Example 8 and Comparative Example 4.

[変性セルロース]
本開示の変性セルロースは、セルロース繊維と、3-ヒドロキシ酪酸(3-ヒドロキシブタン酸)またはそのオリゴマーとが結合している。
[Modified cellulose]
The modified cellulose of the present disclosure comprises cellulose fibers and 3-hydroxybutyric acid (3-hydroxybutanoic acid) or an oligomer thereof bonded thereto.

(セルロース繊維)
セルロース繊維を構成するセルロースとしては、リグニン、ヘミセルロースなどの非セルロース成分の含有量が少ないパルプ、例えば、植物由来のセルロース原料{例えば、木材[例えば、針葉樹(マツ、モミ、トウヒ、ツガ、スギなど)、広葉樹(ブナ、カバ、ポプラ、カエデなど)など]、草本類[麻類(麻、亜麻、マニラ麻、ラミーなど)、ワラ、バガス、ミツマタなど]、種子毛繊維(コットンリンター、ボンバックス綿、カポックなど)、竹、サトウキビなど}、動物由来のセルロース原料(ホヤセルロースなど)、バクテリア由来のセルロース原料(ナタデココに含まれるセルロースなど)などから製造されたパルプなどが例示できる。これらのセルロースは、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。これらのセルロースのうち、木材パルプ(例えば、針葉樹パルプ、広葉樹パルプなど)、種子毛繊維パルプ(例えば、コットンリンターパルプ)由来のセルロースなどが好ましい。なお、パルプは、パルプ材を機械的に処理した機械パルプであってもよいが、非セルロース成分の含有量が少ない点から、パルプ材を化学的に処理した化学パルプが好ましい。
(Cellulose fiber)
Examples of cellulose constituting the cellulose fiber include pulps with low content of non-cellulose components such as lignin and hemicellulose, for example, pulps produced from plant-derived cellulose raw materials {for example, wood [e.g., coniferous trees (pine, fir, spruce, hemlock, cedar, etc.), broad-leaved trees (beech, birch, poplar, maple, etc.)], herbaceous plants [hemp (hemp, flax, Manila hemp, ramie, etc.), straw, bagasse, Mitsumata, etc.], seed hair fibers (cotton linters, bombax cotton, kapok, etc.), bamboo, sugar cane, etc.}, animal-derived cellulose raw materials (such as sea squirt cellulose), and bacterial-derived cellulose raw materials (such as cellulose contained in nata de coco). These celluloses can be used alone or in combination of two or more kinds. Among these celluloses, celluloses derived from wood pulp (e.g., coniferous pulp, broad-leaved pulp, etc.), and seed hair fiber pulp (e.g., cotton linter pulp) are preferred. The pulp may be mechanical pulp obtained by mechanically treating a pulp material, but chemical pulp obtained by chemically treating a pulp material is preferred because it has a low content of non-cellulose components.

セルロースは、結晶性の高いセルロース(またはセルロース繊維)であってもよく、セルロースの結晶化度は、例えば40~100%(例えば50~100%)、好ましくは60~100%、さらに好ましくは70~100%(特に75~99%)であってもよく、通常、結晶化度が60%以上(例えば60~98%)であってもよい。また、セルロースの結晶構造としては、例えば、I型、II型、III型、IV型などが例示でき、線膨張特性や弾性率などに優れたI型結晶構造が好ましい。なお、結晶化度は、粉末X線回折装置((株)リガク製「Ultima IV」)などを用いて測定できる。 The cellulose may be cellulose (or cellulose fiber) having high crystallinity, and the crystallinity of the cellulose may be, for example, 40 to 100% (e.g., 50 to 100%), preferably 60 to 100%, more preferably 70 to 100% (particularly 75 to 99%), and usually the crystallinity may be 60% or more (e.g., 60 to 98%). Examples of the crystal structure of the cellulose include type I, type II, type III, and type IV, and type I crystal structure, which has excellent linear expansion properties and elastic modulus, is preferred. The crystallinity can be measured using a powder X-ray diffraction device (Ultima IV, manufactured by Rigaku Corporation).

セルロース繊維(特に、セルロースナノファイバー)は、セルロース成分の含有量(またはセルロース純度)が高い。セルロース成分の含有量は、セルロース繊維全体に対して、例えば60~100質量%程度の範囲から選択でき、例えば70~100質量%(例えば、70~98質量%)、好ましくは80~100質量%(例えば80~99質量%)、さらに好ましくは90~100質量%である。 Cellulose fibers (particularly cellulose nanofibers) have a high cellulose component content (or cellulose purity). The cellulose component content can be selected from a range of, for example, about 60 to 100% by mass relative to the entire cellulose fiber, for example, 70 to 100% by mass (e.g., 70 to 98% by mass), preferably 80 to 100% by mass (e.g., 80 to 99% by mass), and more preferably 90 to 100% by mass.

セルロースは、ヘミセルロースやリグニンなどの非セルロース成分を含んでいてもよく、セルロース繊維(特に、セルロースナノ繊維)の場合、非セルロース成分の割合は繊維状セルロース中30質量%以下、好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは10質量%以下である。セルロース繊維は、非セルロース成分を実質的に含まないセルロース繊維(特に、非セルロース成分を含まないセルロース繊維)であってもよい。 Cellulose may contain non-cellulose components such as hemicellulose and lignin, and in the case of cellulose fibers (particularly, cellulose nanofibers), the proportion of non-cellulose components in the fibrous cellulose is 30% by mass or less, preferably 20% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less. The cellulose fibers may be cellulose fibers that are substantially free of non-cellulose components (particularly, cellulose fibers that do not contain non-cellulose components).

セルロースの重合度は、500以上であってもよく、好ましくは600以上(例えば600~10万程度)であってもよく、ナノ繊維の場合、粘度平均重合度が、例えば100~10000、好ましくは200~5000、より好ましくは300~2000であってもよい。 The degree of polymerization of cellulose may be 500 or more, preferably 600 or more (e.g., about 600 to 100,000), and in the case of nanofibers, the viscosity average degree of polymerization may be, for example, 100 to 10,000, preferably 200 to 5,000, and more preferably 300 to 2,000.

粘度平均重合度は、TAPPI T230に記載の粘度法により測定できる。すなわち、変性セルロース繊維(または原料セルロース繊維)0.04gを精秤し、水10mLと1M銅エチレンジアミン水溶液10mLとを加え、5分間程度攪拌して修飾セルロースを溶解する。得られた溶液をウベローデ型粘度管に入れ、25℃下で流下速度を測定する。水10mLと1M銅エチレンジアミン水溶液10mLとの混合液をブランクとして測定する。これらの測定値に基づいて算出した固有粘度[η]を用い、木質科学実験マニュアル(日本木材学会編、文永堂出版)に記載の下記式に従って粘度平均重合度を算出できる。 The viscosity average degree of polymerization can be measured by the viscosity method described in TAPPI T230. That is, 0.04 g of modified cellulose fiber (or raw cellulose fiber) is weighed out, 10 mL of water and 10 mL of 1 M copper ethylenediamine aqueous solution are added, and the mixture is stirred for about 5 minutes to dissolve the modified cellulose. The resulting solution is placed in an Ubbelohde type viscosity tube, and the flow rate is measured at 25°C. A mixture of 10 mL of water and 10 mL of 1 M copper ethylenediamine aqueous solution is measured as a blank. Using the intrinsic viscosity [η] calculated based on these measured values, the viscosity average degree of polymerization can be calculated according to the following formula described in the Wood Science Experiment Manual (edited by the Japan Wood Research Society, Bun'ei-do Publishing).

粘度平均重合度=175×[η]。 Viscosity average degree of polymerization=175×[η].

セルロース繊維の繊維径は、ミクロンオーダーであってもよく、ナノメーターサイズであってもよい。 The fiber diameter of the cellulose fibers may be on the order of microns or nanometers.

詳しくは、セルロース繊維の平均繊維径は3nm~100μm程度の範囲から選択でき、例えば4nm~50μm、好ましくは5nm~30μm、さらに好ましくは10nm~20μmである。また、セルロース繊維がミクロンオーダーの場合は、セルロース繊維の平均繊維径は、例えば1~100μm、好ましくは3~50μm、さらに好ましくは5~30μm、より好ましくは10~20μmであってもよい。さらに、セルロース繊維がナノメータサイズである場合、セルロース繊維の平均繊維径は、例えば1~1000nm、好ましくは3~500nm、さらに好ましくは5~300nm、より好ましくは10~100nmであってもよい。繊維径が小さすぎると、補強材として樹脂に配合した場合、樹脂中で均一に分散させるのが困難になったり、セルロース繊維自体を調製するのが困難となる虞があり、逆に大きすぎると、補強材として樹脂の機械的特性を向上できない虞がある。 In detail, the average fiber diameter of the cellulose fibers can be selected from the range of about 3 nm to 100 μm, for example, 4 nm to 50 μm, preferably 5 nm to 30 μm, and more preferably 10 nm to 20 μm. In addition, when the cellulose fibers are on the order of microns, the average fiber diameter of the cellulose fibers may be, for example, 1 to 100 μm, preferably 3 to 50 μm, more preferably 5 to 30 μm, and more preferably 10 to 20 μm. In addition, when the cellulose fibers are nanometer-sized, the average fiber diameter of the cellulose fibers may be, for example, 1 to 1000 nm, preferably 3 to 500 nm, more preferably 5 to 300 nm, and more preferably 10 to 100 nm. If the fiber diameter is too small, when it is blended into a resin as a reinforcing material, it may be difficult to disperse the cellulose fibers uniformly in the resin, or it may be difficult to prepare the cellulose fibers themselves. Conversely, if the fiber diameter is too large, it may not be possible to improve the mechanical properties of the resin as a reinforcing material.

セルロース繊維の平均繊維長は、例えば0.01~500μm(特に0.1~400μm)程度の範囲から選択でき、通常1μm以上(例えば5~300μm)、好ましくは10μm以上(例えば20~200μm)、さらに好ましくは30μm以上(特に50~150μm)である。平均繊維長が短すぎると、樹脂の機械的特性が低下する虞があり、逆に長すぎると、樹脂中での分散性が低下する虞がある。 The average fiber length of the cellulose fibers can be selected, for example, from the range of about 0.01 to 500 μm (particularly 0.1 to 400 μm), and is usually 1 μm or more (e.g. 5 to 300 μm), preferably 10 μm or more (e.g. 20 to 200 μm), and more preferably 30 μm or more (particularly 50 to 150 μm). If the average fiber length is too short, there is a risk that the mechanical properties of the resin will decrease, and conversely, if it is too long, there is a risk that dispersibility in the resin will decrease.

セルロース繊維の平均繊維径に対する平均繊維長の割合(アスペクト比)は、例えば1.5以上(例えば1.5~10000)、好ましくは2以上(例えば2~1000)、さらに好ましくは2.5以上(例えば2.5~500)、特に3以上(例えば3~100)であってもよく、4以上(例えば4~50)、さらには5以上(例えば5~10)であってもよい。また、アスペクト比が小さすぎると、樹脂に対する補強効果が低下し、逆に大きすぎると、均一な分散が困難となり、繊維が分解(または損傷)し易くなる虞がある。 The ratio of the average fiber length to the average fiber diameter of the cellulose fibers (aspect ratio) may be, for example, 1.5 or more (e.g., 1.5 to 10,000), preferably 2 or more (e.g., 2 to 1,000), more preferably 2.5 or more (e.g., 2.5 to 500), particularly 3 or more (e.g., 3 to 100), 4 or more (e.g., 4 to 50), or even 5 or more (e.g., 5 to 10). If the aspect ratio is too small, the reinforcing effect on the resin decreases, and conversely, if it is too large, uniform dispersion becomes difficult and the fibers may be easily decomposed (or damaged).

なお、本明細書および特許請求の範囲において、セルロース繊維の平均繊維径、平均繊維長およびアスペクト比は、走査型電子顕微鏡写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出してもよい。 In this specification and claims, the average fiber diameter, average fiber length, and aspect ratio of cellulose fibers may be calculated by randomly selecting 50 fibers from a scanning electron microscope image and averaging them.

セルロース繊維がナノファイバーである場合は、前記セルロース原料を慣用の方法、例えば、高圧ホモジナイザー法、水中対抗衝突法、グラインダー法、ボールミル法、二軸混練法などの物理的または機械的方法、TEMPO触媒、リン酸、二塩基酸、硫酸、塩酸などを用いた化学的方法により、繊維径をナノメータサイズまで解繊処理することにより調製できる。 When the cellulose fibers are nanofibers, they can be prepared by defibrating the cellulose raw material to nanometer sizes using a conventional method, for example, a physical or mechanical method such as a high-pressure homogenizer method, an underwater collision method, a grinder method, a ball mill method, or a biaxial kneading method, or a chemical method using a TEMPO catalyst, phosphoric acid, a dibasic acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, or the like.

(変性剤)
変性セルロースは、変性剤(エステル化剤)として3HBを含んでおり、前記セルロースに3HBまたはそのオリゴマー[以下「(ポリ)3HB」と称する場合もある]が化学結合している。(ポリ)3HBは、セルロースの繰り返し単位である無水グルコース単位(またはグルコース単位)の2位、3位および6位のいずれの水酸基と化学結合していてもよいが、生産性などの点から、少なくとも6位にエステル結合しているのが好ましい。
(Modifier)
The modified cellulose contains 3HB as a modifying agent (esterifying agent), and 3HB or its oligomer (hereinafter sometimes referred to as "(poly)3HB") is chemically bonded to the cellulose. (Poly)3HB may be chemically bonded to any of the hydroxyl groups at the 2-, 3-, or 6-positions of the anhydroglucose unit (or glucose unit) which is a repeating unit of cellulose, but from the viewpoint of productivity, it is preferable that the (poly)3HB is ester-bonded to at least the 6-position.

3HBは、光学異性体(R体またはS体)であってもよく、ラセミ体であってもよいが、生分解性の観点から、R体(R-3-ヒドロキシ酪酸)を少なくとも含むのが好ましい。3HB中のR体の割合、すなわち光学純度(鏡像体または光学異性体過剰率)は、例えば50%e.e.以上(例えば80%e.e.以上)、好ましくは90%e.e.以上(例えば95~100%e.e.)、さらに好ましくは98~100%e.e.(例えば99~100%e.e.、特に実質的に100%e.e.)である。光学純度が低すぎると生分解性が低下する虞がある。なお、3HBは、市販品を用いてもよく、バイオマス原料(生物由来の資源)を用いて微生物により発酵生産した3HBを利用してもよい。 3HB may be an optical isomer (R or S isomer) or may be a racemate, but from the viewpoint of biodegradability, it is preferable to contain at least the R isomer (R-3-hydroxybutyric acid). The ratio of the R isomer in 3HB, i.e., the optical purity (enantiomer or optical isomer excess), is, for example, 50% e.e. or more (e.g., 80% e.e. or more), preferably 90% e.e. or more (e.g., 95 to 100% e.e.), and more preferably 98 to 100% e.e. (e.g., 99 to 100% e.e., particularly substantially 100% e.e.). If the optical purity is too low, there is a risk of reduced biodegradability. 3HB may be a commercially available product, or 3HB produced by fermentation of a biomass raw material (a biological resource) by a microorganism may be used.

(ポリ)3HBの平均重合度は1以上であればよいが、例えば1~100、好ましくは1~10(例えば2~5)、さらに好ましくは1.5~5、より好ましくは2~4.5、最も好ましくは3~4である。(ポリ)3HBの平均重合度が小さすぎると、(ポリ)3HBによる変性の効果が発現しない虞があり、逆に大きすぎると、補強材としての機能が低下する虞がある。 The average degree of polymerization of (poly)3HB may be 1 or more, for example, 1 to 100, preferably 1 to 10 (e.g., 2 to 5), more preferably 1.5 to 5, even more preferably 2 to 4.5, and most preferably 3 to 4. If the average degree of polymerization of (poly)3HB is too small, there is a risk that the effect of modification by (poly)3HB will not be manifested, and conversely, if it is too large, there is a risk that the function as a reinforcing material will be reduced.

なお、本明細書および特許請求の範囲において、(ポリ)3HBの平均重合度は、セルロース繊維の水酸基にグラフトしている部分の平均重合度であり、NMRを用いて算出でき、詳細には、後述する実施例に記載の方法で測定できる。 In this specification and claims, the average degree of polymerization of (poly)3HB is the average degree of polymerization of the portion grafted to the hydroxyl groups of the cellulose fibers, and can be calculated using NMR, and more specifically, can be measured by the method described in the examples below.

(ポリ)3HBによるグラフト化率は1モル%以上であればよく、例えば1~80モル%、好ましくは3~50モル%、さらに好ましくは5~30モル%、より好ましくは7~20モル%、最も好ましくは10~15モル%である。グラフト化率が小さすぎると、(ポリ)3HBによる変性の効果が発現しない虞がある。 The grafting rate with (poly)3HB should be 1 mol% or more, for example, 1 to 80 mol%, preferably 3 to 50 mol%, further preferably 5 to 30 mol%, even more preferably 7 to 20 mol%, and most preferably 10 to 15 mol%. If the grafting rate is too low, there is a risk that the effect of modification with (poly)3HB will not be manifested.

なお、本明細書および特許請求の範囲において、(ポリ)3HBによるグラフト化率は、セルロース繊維の無水グルコース単位当たりの(ポリ)3HB(グラフト鎖)の割合[無水グルコース単位の水酸基に対してエステル結合で結合した(ポリ)3HBのグラフト化率]を意味する。(ポリ)3HBによるグラフト化率は、NMRを用いて算出でき、詳細には、後述する実施例に記載の方法で測定できる。 In this specification and claims, the grafting rate with (poly)3HB means the ratio of (poly)3HB (graft chain) per anhydroglucose unit of cellulose fiber [the grafting rate of (poly)3HB bonded to the hydroxyl group of the anhydroglucose unit via an ester bond]. The grafting rate with (poly)3HB can be calculated using NMR, and in detail, can be measured by the method described in the examples below.

変性セルロースは、(ポリ)3HBに加えて、他の変性剤[(ポリ)3HB以外の変性剤]でさらに変性されていてもよい。 The modified cellulose may be further modified with other modifiers [modifiers other than (poly)3HB] in addition to (poly)3HB.

他の変性剤(エステル化剤)としては、例えば、カルボン酸、他のヒドロキシアルカン酸(3HB以外のアルカン酸)またはそのオリゴマー、3HBと他のヒドロキシアルカン酸とのオリゴマーなどが挙げられる。 Other modifiers (esterifying agents) include, for example, carboxylic acids, other hydroxyalkanoic acids (alkanoic acids other than 3HB) or their oligomers, and oligomers of 3HB and other hydroxyalkanoic acids.

カルボン酸としては、例えば、モノカルボン酸またはその無水物[例えば、(無水)酢酸、(無水)プロピオン酸、(無水)酪酸、(無水)イソ酪酸、(無水)吉草酸、エタン酸プロピオン酸無水物、(無水)(メタ)アクリル酸、(無水)クロトン酸、(無水)オレイン酸などの(無水)脂肪族モノカルボン酸;(無水)シクロヘキサンカルボン酸、(無水)テトラヒドロ安息香酸などの(無水)脂環族カルボン酸;(無水)安息香酸、(無水)4-メチル安息香酸などの(無水)芳香族モノカルボン酸など]、ジカルボン酸(例えば、コハク酸、アジピン酸、マレイン酸、イタコン酸などの脂肪族ジカルボン酸;1-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸、ヘキサヒドロフタル酸、メチルテトラヒドロフタル酸などの脂環族ジカルボン酸;フタル酸、ナフタル酸などの芳香族ジカルボン酸など)、ポリカルボン酸類[例えば、トリメリット酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などの(無水)ポリカルボン酸など]などが挙げられる。 Examples of carboxylic acids include monocarboxylic acids or their anhydrides [for example, aliphatic monocarboxylic acids such as acetic anhydride, propionic anhydride, butyric anhydride, isobutyric anhydride, valeric anhydride, ethanoic propionic anhydride, (meth)acrylic anhydride, crotonic anhydride, and oleic anhydride; alicyclic carboxylic acids such as cyclohexane carboxylic acid and tetrahydrobenzoic acid; benzoic acid and 4-methylbenzoic acid; (Aromatic monocarboxylic acid anhydride, etc.), dicarboxylic acids (for example, aliphatic dicarboxylic acids such as succinic acid, adipic acid, maleic acid, itaconic acid, etc.; alicyclic dicarboxylic acids such as 1-cyclohexene-1,2-dicarboxylic acid, hexahydrophthalic acid, methyltetrahydrophthalic acid, etc.; aromatic dicarboxylic acids such as phthalic acid, naphthalic acid, etc.), polycarboxylic acids [for example, (anhydrous) polycarboxylic acids such as trimellitic acid, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, etc.], etc.

他のヒドロキシアルカン酸としては、例えば、グリコール酸、2-ヒドロキシプロパン酸(乳酸)、3-ヒドロキシプロパン酸、2-ヒドロキシブタン酸(2-ヒドロキシ酪酸)、4-ヒドロキシブタン酸、3-ヒドロキシ-3-メチル-ブタン酸、2-ヒドロキシペンタン酸(2-ヒドロキシ吉草酸)、3-ヒドロキシペンタン酸、5-ヒドロキシペンタン酸、2-ヒドロキシ-2-メチル-ペンタン酸、3-ヒドロキシヘキサン酸、6-ヒドロキシ-ヘプタン酸、3-ヒドロキシヘプタン酸、7-ヒドロキシヘプタン酸、3-ヒドロキシオクタン酸、8-ヒドロキシオクタン酸、3-ヒドロキシノナン酸、9-ヒドロキシノナン酸、3-ヒドロキシデカン酸、10-ヒドロキシデカン酸などのC1-6アルキル基を有していてもよいヒドロキシC2-15アルカン酸などが挙げられる。なお、他のヒドロキシアルカン酸は、対応するラクトンであってもよい。 Examples of other hydroxyalkanoic acids include hydroxy C 2-15 alkanoic acids which may have a C 1-6 alkyl group, such as glycolic acid, 2-hydroxypropanoic acid (lactic acid), 3-hydroxypropanoic acid, 2-hydroxybutanoic acid (2-hydroxybutyric acid), 4-hydroxybutanoic acid, 3-hydroxy-3-methyl-butanoic acid, 2-hydroxypentanoic acid (2-hydroxyvaleric acid), 3-hydroxypentanoic acid, 5-hydroxypentanoic acid, 2-hydroxy-2-methyl-pentanoic acid, 3-hydroxyhexanoic acid, 6-hydroxy-heptanoic acid, 3-hydroxyheptanoic acid, 7- hydroxyheptanoic acid, 3-hydroxyoctanoic acid, 8-hydroxyoctanoic acid, 3-hydroxynonanoic acid, 9-hydroxynonanoic acid, 3 - hydroxydecanoic acid, and 10-hydroxydecanoic acid. The other hydroxyalkanoic acids may be the corresponding lactones.

他の変性剤の割合は、(ポリ)3HB100質量部に対して100質量部以下(例えば0.01~100質量部)であってもよく、例えば50質量部以下、好ましくは30質量部以下、さらに好ましくは10質量部以下であり、0質量部が最も好ましい。他の変性剤の割合が多すぎると、生分解性が低下する虞がある。 The proportion of the other modifier may be 100 parts by mass or less (e.g., 0.01 to 100 parts by mass) relative to 100 parts by mass of (poly)3HB, and is, for example, 50 parts by mass or less, preferably 30 parts by mass or less, more preferably 10 parts by mass or less, and most preferably 0 parts by mass. If the proportion of the other modifier is too high, there is a risk of reduced biodegradability.

(変性セルロースの特性)
本開示の変性セルロースの形態は、特に制限されず、分散液の形態であってもよいが、通常、粉末状の形態を有しているため、取り扱い性に優れる。さらに、変性セルロースに結合した(ポリ)3HBが種々の有機媒体(樹脂を含む)に対して高い親和性または混和性を有するため、変性セルロースは、樹脂に対して高い分散性を示し、かつ高い補強性を有する。そのため、本開示の変性セルロースは、樹脂の補強材として有用である。
(Characteristics of modified cellulose)
The form of the modified cellulose of the present disclosure is not particularly limited, and may be in the form of a dispersion, but usually has a powder form, so that it is easy to handle.Furthermore, since the (poly)3HB bonded to the modified cellulose has high affinity or miscibility with various organic media (including resin), the modified cellulose shows high dispersibility in resin and has high reinforcing properties.Therefore, the modified cellulose of the present disclosure is useful as a reinforcing material for resin.

[変性セルロースの製造方法]
本開示の変性セルロースは、セルロース繊維(原料セルロース繊維)を3HB(原料3HB)でエステル化反応させることにより得られる。
[Method of producing modified cellulose]
The modified cellulose of the present disclosure can be obtained by esterifying cellulose fibers (raw cellulose fibers) with 3HB (raw 3HB).

変性セルロースの製造方法において、原料3HBの割合は、目的の変性度合に応じて、原料セルロース繊維100質量部に対して50~10000質量部程度の範囲から選択でき、例えば100~5000質量部、好ましくは150~4000質量部、さらに好ましくは200~3000質量部である。 In the method for producing modified cellulose, the proportion of raw material 3HB can be selected from the range of about 50 to 10,000 parts by mass per 100 parts by mass of raw material cellulose fiber depending on the desired degree of modification, and is, for example, 100 to 5,000 parts by mass, preferably 150 to 4,000 parts by mass, and more preferably 200 to 3,000 parts by mass.

原料セルロース繊維と原料3HBとの反応は、触媒の非存在下または存在下で行ってもよい。本開示の変性セルロースは、触媒の非存在下であっても、3HBを十分にエステル化できるが、(ポリ)3HBの重合度やグラフト化率を調整するために触媒を用いてもよい。操作性に優れ、着色も抑制できる点からは、触媒の非存在下で反応させるのが好ましい。 The reaction between the raw cellulose fiber and the raw 3HB may be carried out in the absence or presence of a catalyst. The modified cellulose of the present disclosure can sufficiently esterify 3HB even in the absence of a catalyst, but a catalyst may be used to adjust the polymerization degree and grafting rate of (poly)3HB. From the viewpoints of excellent operability and suppression of coloration, it is preferable to carry out the reaction in the absence of a catalyst.

触媒としては、慣用のエステル化触媒を利用できる。慣用のエステル化触媒は、塩基触媒であってもよく、酸触媒であってもよい。 As the catalyst, a conventional esterification catalyst can be used. The conventional esterification catalyst may be a base catalyst or an acid catalyst.

塩基触媒としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物;炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩;炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩;水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属水酸化物;炭酸マグネシウムなどの炭酸アルカリ土類金属塩;炭酸水素マグネシウムなどの炭酸水素アルカリ土類金属塩;アンモニア;トリメチルアミン、トリエチルアミンなどのトリC1-4アルキルアミンなどの第三級アミン類;4-ジメチルアミノピリジン、モルホリン、ピペリジンなどの複素環式アミン類などが挙げられる。 Examples of the base catalyst include alkali metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc.; alkali metal carbonates such as lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, etc.; alkali metal hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc.; alkaline earth metal hydroxides such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, etc.; alkaline earth metal carbonates such as magnesium carbonate; alkaline earth metal hydrogen carbonates such as magnesium hydrogen carbonate; ammonia; tertiary amines such as tri-C 1-4 alkylamines such as trimethylamine, triethylamine, etc.;

酸触媒としては、例えば、硫酸、塩化水素(または塩酸)、硝酸、リン酸などの無機酸;スルホン酸(メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸などのアルカンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p-トルエンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸などのアレーンスルホン酸)などの有機酸などが挙げられる。 Examples of acid catalysts include inorganic acids such as sulfuric acid, hydrogen chloride (or hydrochloric acid), nitric acid, and phosphoric acid; and organic acids such as sulfonic acids (alkanesulfonic acids such as methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, and trifluoromethanesulfonic acid, and arenesulfonic acids such as benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, and naphthalenesulfonic acid).

触媒の使用量は、セルロース繊維100質量部に対して、例えば0.01~100質量部、好ましくは0.05~50質量部、さらに好ましくは0.1~30質量部である。 The amount of catalyst used is, for example, 0.01 to 100 parts by mass, preferably 0.05 to 50 parts by mass, and more preferably 0.1 to 30 parts by mass, per 100 parts by mass of cellulose fiber.

反応は、有機溶媒の非存在下で行ってもよく、有機溶媒の存在下で行ってもよい。有機溶媒としては、例えば、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどのC1-4アルカノールなど)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフランなどの環状エーテル類)、ケトン類(アセトンなど)、アミド類(ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジエチルアセトアミドなど)、ピロリドン類(N-メチル-2-ピロリドンなど)、スルホキシド類(ジメチルスルホキシドなど)、アルカンジオール(例えば、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのC2-4アルカンジオール)、セロソルブ類(メチルセロソルブ、エチルセロソルブ)、カルビトール類(エチルカルビトールなど)、カーボネート類(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなど)などが挙げられる。これらの溶媒は、単独でまたは二種以上組み合わせてもよい。 The reaction may be carried out in the absence of an organic solvent or in the presence of an organic solvent. Examples of the organic solvent include alcohols (C 1-4 alkanols such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol), ethers (cyclic ethers such as dioxane and tetrahydrofuran), ketones (acetone, etc.), amides (dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, diethylacetamide, etc.), pyrrolidones (N-methyl-2-pyrrolidone, etc.), sulfoxides (dimethyl sulfoxide, etc.), alkanediols (C 2-4 alkanediols such as ethylene glycol and propylene glycol), cellosolves (methyl cellosolve, ethyl cellosolve), carbitols (ethyl carbitol, etc.), and carbonates (ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, etc.). These solvents may be used alone or in combination of two or more.

本開示の変性セルロースは、有機溶媒の非存在下であっても、セルロースを3HBで十分にエステル化できるため、操作性などの点から、有機溶媒の非存在下で反応させるのが好ましい。 The modified cellulose of the present disclosure can be sufficiently esterified with 3HB even in the absence of an organic solvent, so it is preferable to carry out the reaction in the absence of an organic solvent from the standpoint of operability, etc.

反応は、常圧下、加圧下、減圧下のいずれで行ってもよいが、反応性を向上できる点から、減圧下で行うのが好ましい。減圧させる圧力(ゲージ圧)は、例えば10~300kPa、好ましくは30~200kPa、さらに好ましくは50~150kPaである。 The reaction may be carried out under normal pressure, elevated pressure, or reduced pressure, but is preferably carried out under reduced pressure in order to improve reactivity. The reduced pressure (gauge pressure) is, for example, 10 to 300 kPa, preferably 30 to 200 kPa, and more preferably 50 to 150 kPa.

反応温度は、例えば50~200℃、好ましくは70~180℃、さらに好ましくは80~150℃、より好ましくは100~130℃である。また、反応時間は、例えば10分~48時間、好ましくは30分~24時間、さらに好ましくは1~12時間、より好ましくは2~8時間である。さらに、反応は、空気中または不活性ガス(窒素ガス、アルゴンガスなどの希ガスなど)雰囲気下、混合または攪拌しながら行うことができる。 The reaction temperature is, for example, 50 to 200°C, preferably 70 to 180°C, more preferably 80 to 150°C, and more preferably 100 to 130°C. The reaction time is, for example, 10 minutes to 48 hours, preferably 30 minutes to 24 hours, more preferably 1 to 12 hours, and more preferably 2 to 8 hours. The reaction can be carried out in air or in an inert gas atmosphere (such as nitrogen gas or a rare gas such as argon gas) with mixing or stirring.

混合または攪拌の方法としては、慣用の混合または攪拌手段により、例えば10~2000rpm、好ましくは20~1500rpm、さらに好ましくは30~1000rpm、特に50~500rpm程度の回転速度で混練してもよい。慣用の混合または攪拌方法としては、例えば、ボールミル、タンブルミキサー、リボンブレンダー、ヘンシェルミキサー、ミキシングローラ、ニーダ、バンバリーミキサー、押出機(一軸または二軸押出機など)などを用いた方法などが挙げられる。 As a method of mixing or stirring, the mixture may be kneaded by a conventional mixing or stirring means at a rotation speed of, for example, about 10 to 2000 rpm, preferably 20 to 1500 rpm, more preferably 30 to 1000 rpm, and particularly about 50 to 500 rpm. Examples of conventional mixing or stirring methods include methods using a ball mill, tumble mixer, ribbon blender, Henschel mixer, mixing roller, kneader, Banbury mixer, extruder (such as a single-screw or twin-screw extruder), etc.

反応により生成した変性セルロースは、慣用の方法(例えば、遠心分離、濾過、濃縮、抽出など)により分離精製してもよい。例えば、少なくとも3HBを溶解可能な溶媒を反応混合物に添加し、前記遠心分離、濾過、抽出などの分離法(慣用の方法)で未反応3HBを除去し、分離精製してもよい。なお、前記分離操作は複数回(例えば2~5回程度)行うことができる。さらに、分離精製した変性セルロースを常温または加熱下において、減圧下または常圧下で乾燥することにより、粉末状の形態を有する変性セルロースを得ることができる。 The modified cellulose produced by the reaction may be separated and purified by a conventional method (e.g., centrifugation, filtration, concentration, extraction, etc.). For example, a solvent capable of dissolving at least 3HB may be added to the reaction mixture, and unreacted 3HB may be removed by a separation method (conventional method) such as centrifugation, filtration, extraction, etc., to separate and purify the cellulose. The separation operation may be carried out multiple times (e.g., about 2 to 5 times). Furthermore, modified cellulose in a powder form may be obtained by drying the separated and purified modified cellulose at room temperature or under heating, under reduced pressure or under normal pressure.

なお、未反応3HBを前記分離方法などにより繰り返し除去して精製した変性セルロースを、FT-IR分析などの方法により分析すると、エステル結合に由来するピークと3HBに由来するピークとが存在し、セルロースに3HBが結合していることが確認できる。 When the modified cellulose that has been purified by repeatedly removing unreacted 3HB using the above-mentioned separation method is analyzed using a method such as FT-IR analysis, a peak derived from the ester bond and a peak derived from 3HB are present, confirming that 3HB is bonded to the cellulose.

[樹脂組成物]
本開示の樹脂組成物は、前記変性セルロースと、熱可塑性樹脂および硬化性樹脂から選択された少なくとも一種の樹脂とを含む。
[Resin composition]
The resin composition of the present disclosure contains the modified cellulose and at least one resin selected from a thermoplastic resin and a curable resin.

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、フッ素樹脂、セルロース誘導体(本開示の変性セルロースを除く)などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of thermoplastic resins include polyolefin resins, styrene resins, acrylic resins, vinyl chloride resins, polyvinyl alcohol resins, polyacetal resins, polyester resins, polycarbonate resins, polyamide resins, polyimide resins, polysulfone resins, polyphenylene ether resins, polyphenylene sulfide resins, fluororesins, and cellulose derivatives (excluding the modified cellulose of the present disclosure). These thermoplastic resins can be used alone or in combination of two or more.

硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン系樹脂などが挙げられる。これらの硬化性樹脂は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of the curable resin include phenolic resin, melamine resin, urea resin, benzoguanamine resin, silicone resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, polyurethane resin, etc. These curable resins can be used alone or in combination of two or more kinds.

これらのうち、成形性などの点から、熱可塑性樹脂が好ましく、変性セルロースとの親和性に優れる点から、エステル結合および/またはカーボネート結合を有する熱可塑性樹脂(例えば、ポリエチレンテレフタレートなどのポリアルキレンアリレート系樹脂;ビスフェノールA型ポリカーボネートなどのポリカーボネート系樹脂など)がさらに好ましく、ポリエステル系樹脂が最も好ましい。 Among these, thermoplastic resins are preferred from the viewpoint of moldability, and thermoplastic resins having ester bonds and/or carbonate bonds (for example, polyalkylene arylate resins such as polyethylene terephthalate; polycarbonate resins such as bisphenol A polycarbonate, etc.) are more preferred from the viewpoint of excellent affinity with modified cellulose, with polyester resins being the most preferred.

ポリエステル系樹脂としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリエステルカーボネート樹脂などが挙げられる。これらのうち、変性セルロースとの親和性に優れる点から、ポリエステル樹脂が好ましく、ヒドロキシアルカン酸およびラクトンから選択された少なくとも一種の単量体の単独または共重合体が特に好ましい。ヒドロキシアルカン酸としては、前記変性セルロースの変性剤の項で例示されたヒドロキシアルカン酸などが挙げられる。 Examples of polyester resins include polyester resins and polyester carbonate resins. Of these, polyester resins are preferred because of their excellent affinity with modified cellulose, and homopolymers or copolymers of at least one monomer selected from hydroxyalkanoic acids and lactones are particularly preferred. Examples of hydroxyalkanoic acids include the hydroxyalkanoic acids exemplified in the section on modifiers for modified cellulose.

本開示の変性セルロースは、生分解性に優れるため、前記樹脂も生分解性プラスチックであるのが好ましい。生分解性プラスチックとしては、例えば、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリエーテル系樹脂、脂肪族ポリエステル系樹脂、脂肪族ポリアミド系樹脂、セルロース誘導体(本開示の変性セルロースを除く)などが挙げられる。これらのうち、変性セルロースとの親和性に優れる点から、脂肪族ポリエステル系樹脂が好ましい。 Since the modified cellulose of the present disclosure has excellent biodegradability, it is preferable that the resin is also a biodegradable plastic. Examples of biodegradable plastics include polyvinyl alcohol-based resins, polyether-based resins, aliphatic polyester-based resins, aliphatic polyamide-based resins, and cellulose derivatives (excluding the modified cellulose of the present disclosure). Of these, aliphatic polyester-based resins are preferable because of their excellent affinity with the modified cellulose.

脂肪族ポリエステル系樹脂としては、例えば、ポリ乳酸(PLA)、ポリ3-ヒドロキシ酪酸(PHB)、3-ヒドロキシブチレート・3-ヒドロキシへキサノエート共重合体(PHBH)、ポリヒドロキシ吉草酸などのポリヒドロキシアルカノエート(PHA);ポリエチレンアジペート、ポリブチレンサクシネート(PBS)などの脂肪族ジカルボンと脂肪族ジオールとの重合体;ポリカプロラクトン(PCL)などのラクトン開環重合体などが挙げられる。これらの脂肪族ポリエステル系樹脂は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of aliphatic polyester resins include polyhydroxyalkanoates (PHAs) such as polylactic acid (PLA), poly3-hydroxybutyrate (PHB), 3-hydroxybutyrate-3-hydroxyhexanoate copolymer (PHBH), and polyhydroxyvaleric acid; polymers of aliphatic dicarboxylic acids and aliphatic diols such as polyethylene adipate and polybutylene succinate (PBS); and lactone ring-opening polymers such as polycaprolactone (PCL). These aliphatic polyester resins can be used alone or in combination of two or more.

これらの脂肪族ポリエステル系樹脂のうち、変性セルロースとの親和性が高い点から、PHAが好ましく、嫌気性条件下においても高い生分解性を有する点から、3HB(特に、R-3HB)の単独または共重合体を含む生分解性樹脂(例えば、PHB、PHBHなど)がより好ましく、機械的特性などの諸特性のバランスに優れる点から、PHBHなどの3HBの共重合体が最も好ましい。 Of these aliphatic polyester resins, PHA is preferred because of its high affinity with modified cellulose, biodegradable resins (e.g., PHB, PHBH, etc.) containing homopolymers or copolymers of 3HB (particularly R-3HB) are more preferred because they have high biodegradability even under anaerobic conditions, and 3HB copolymers such as PHBH are most preferred because they have an excellent balance of various properties such as mechanical properties.

熱可塑性樹脂(特に、PHBHなどのPHA)の分子量は、特に制限されず、重量平均分子量(単位:×10)は、例えば0.1~100、好ましくは1~80、さらに好ましくは2~70程度;数平均分子量(単位:×10)は、例えば0.1~100、好ましくは1~80、さらに好ましくは2~70であってもよく、分散度(M/M)は、例えば1~5、好ましくは1~3、さらに好ましくは1~2、特に1~1.5であってもよい。なお、樹脂の重量平均分子量(M)および数平均分子量(M)は、GPC(Gel Permeation Chromatography、ゲル浸透クロマトグラフィー)によりポリスチレン換算で測定できる。 The molecular weight of the thermoplastic resin (particularly, PHA such as PHBH) is not particularly limited, and the weight average molecular weight (unit: ×10 4 ) may be, for example, 0.1 to 100, preferably 1 to 80, and more preferably about 2 to 70; the number average molecular weight (unit: ×10 4 ) may be, for example, 0.1 to 100, preferably 1 to 80, and more preferably 2 to 70; and the dispersity (M w /M n ) may be, for example, 1 to 5, preferably 1 to 3, more preferably 1 to 2, and particularly 1 to 1.5. The weight average molecular weight (M w ) and number average molecular weight (M n ) of the resin can be measured in polystyrene equivalent by GPC (Gel Permeation Chromatography).

変性セルロースの割合は、前記樹脂(特に、PHBHなどのPHA)100質量部に対して0.01~100質量部程度の範囲から選択でき、例えば0.05~30質量部、好ましくは0.1~20質量部、さらに好ましくは0.2~10質量部、より好ましくは0.3~5質量部、最も好ましくは0.5~3質量部である。変性セルロースの割合が少なすぎると、補強材としての効果が発現しない虞があり、逆に多すぎると、機械的特性が低下する虞がある。 The proportion of modified cellulose can be selected from the range of about 0.01 to 100 parts by mass per 100 parts by mass of the resin (particularly PHA such as PHBH), and is, for example, 0.05 to 30 parts by mass, preferably 0.1 to 20 parts by mass, further preferably 0.2 to 10 parts by mass, more preferably 0.3 to 5 parts by mass, and most preferably 0.5 to 3 parts by mass. If the proportion of modified cellulose is too low, there is a risk that the effect as a reinforcing material will not be expressed, and conversely, if it is too high, there is a risk that the mechanical properties will decrease.

樹脂組成物は、必要に応じて、各種添加剤[例えば、可塑剤、難燃剤、安定剤(熱安定剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤など)、着色剤(顔料など)、充填材、帯電防止剤、滑剤、離形剤、抗菌剤、防カビ剤など]をさらに含んでいてもよい。これらの添加剤は、単独でまたは2種以上組み合わせてもよい。これら添加剤の合計割合は、添加剤の種類に応じて選択でき、添加剤の総量は、前記樹脂100質量部に対して、0.001~100質量部の範囲から選択でき、例えば100質量部以下(例えば0.01~80質量部)、好ましくは70質量部以下(例えば0.1~60質量部)、さらに好ましくは50質量部以下(例えば0.1~40質量部)である。 The resin composition may further contain various additives [e.g., plasticizers, flame retardants, stabilizers (thermal stabilizers, antioxidants, UV absorbers, etc.), colorants (pigments, etc.), fillers, antistatic agents, lubricants, release agents, antibacterial agents, antifungal agents, etc.] as necessary. These additives may be used alone or in combination of two or more. The total proportion of these additives can be selected according to the type of additive, and the total amount of additives can be selected from the range of 0.001 to 100 parts by mass relative to 100 parts by mass of the resin, and is, for example, 100 parts by mass or less (e.g., 0.01 to 80 parts by mass), preferably 70 parts by mass or less (e.g., 0.1 to 60 parts by mass), and more preferably 50 parts by mass or less (e.g., 0.1 to 40 parts by mass).

樹脂組成物で形成された成形体は、機械的特性に優れており、例えば、変性セルロースを2質量%含む樹脂組成物において、引張試験のヤング率は1200MPa以上であってもよく、例えば1200~2000MPa、好ましくは1230~1500MPa、さらに好ましくは1250~1300MPaである。また、変性セルロースを2質量%含む樹脂組成物において、引張試験の破断点伸度は10%以上であってもよく、例えば10~50%、好ましくは12~40%、さらに好ましくは13~30%である。 Molded articles made from the resin composition have excellent mechanical properties. For example, in a resin composition containing 2% by mass of modified cellulose, the Young's modulus in a tensile test may be 1200 MPa or more, for example, 1200 to 2000 MPa, preferably 1230 to 1500 MPa, and more preferably 1250 to 1300 MPa. In addition, in a resin composition containing 2% by mass of modified cellulose, the elongation at break in a tensile test may be 10% or more, for example, 10 to 50%, preferably 12 to 40%, and more preferably 13 to 30%.

なお、本明細書および特許請求の範囲において、引張試験の最大応力および破断点伸度は、後述する実施例に記載の方法で測定できる。 In this specification and claims, the maximum stress and elongation at break in the tensile test can be measured by the method described in the examples below.

樹脂組成物は、慣用の成形法(加熱プレス成形法、押出成形法、射出成形法、カレンダー成形法などの溶融成形法、キャスティング法など)により、線状、フィルム状またはシート状、筒状またはパイプ状、ケーシング、ハウジングなどの三次元形状などの所定の形態の成形体を作製できる。成形温度は、例えば130~230℃、好ましくは140~200℃、さらに150~190℃、より好ましくは160~180℃である。成形において、加圧してもよく、圧力は、例えば1~100MPa、好ましくは5~50MPa、さらに好ましくは10~30MPaである。 The resin composition can be molded into a desired shape, such as a line, film or sheet, cylinder or pipe, or three-dimensional shape such as a casing or housing, by conventional molding methods (such as hot press molding, extrusion molding, injection molding, and melt molding methods such as calendar molding, and casting). The molding temperature is, for example, 130 to 230°C, preferably 140 to 200°C, further 150 to 190°C, and more preferably 160 to 180°C. Pressurization may be applied during molding, and the pressure is, for example, 1 to 100 MPa, preferably 5 to 50 MPa, and further preferably 10 to 30 MPa.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。用いた原料および評価方法は以下の通りである。 The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples. The raw materials and evaluation methods used are as follows.

(原料)
セルロース:ナカライテスク(株)製セルロース粉末、製品番号07748-75平均繊維径12.6μm、平均繊維長77.3μm(平均繊維径および平均繊維長は走査型電子顕微鏡を用いて測定した20個の測定値の平均値である)
(Raw materials)
Cellulose: Cellulose powder manufactured by Nacalai Tesque, Inc., product number 07748-75, average fiber diameter 12.6 μm, average fiber length 77.3 μm (average fiber diameter and average fiber length are the average values of 20 measurements taken using a scanning electron microscope)

3HB:下記方法で合成したR-3-ヒドロキシ酪酸
(3HBの合成方法)
特開2019-176839号公報の実施例1に記載された方法に準じて製造したR-3-ヒドロキシ酪酸水溶液を、70℃に設定したエバポレーターで水分が出なくなるまで濃縮した。得られた濃縮液の質量に対して30質量%の酢酸エチルと、0.1質量%程度のR-3-ヒドロキシ酪酸の種結晶とを入れて4℃に一晩放置した後、濾別、乾燥した。
3HB: R-3-hydroxybutyric acid synthesized by the following method (method of synthesis of 3HB)
An aqueous solution of R-3-hydroxybutyric acid produced according to the method described in Example 1 of JP 2019-176839 A was concentrated until no water was released using an evaporator set at 70° C. 30% by mass of ethyl acetate and about 0.1% by mass of seed crystals of R-3-hydroxybutyric acid were added to the concentrated solution, which was then left overnight at 4° C., filtered, and dried.

PHBH:(株)カネカ製、商品名「AONILEX X131A」。 PHBH: Made by Kaneka Corporation, product name "AONILEX X131A".

(FT-IR分析)
原料3HB、原料セルロース、変性セルロースについて、FT-IR分析装置を用いて、反応前後の分子構造や官能基の導入を測定し、3HBの導入を確認した。FT-IR分析装置としては、iD5ATRアタッチメントを備えたNicoletiS5分光計(Thermo Fisher SCIENTIFIC(株)製)を用いた。測定範囲は4000~400cm-1とした。
(FT-IR analysis)
The molecular structures and functional group introduction of the raw material 3HB, raw material cellulose, and modified cellulose were measured before and after the reaction using an FT-IR analyzer to confirm the introduction of 3HB. The FT-IR analyzer used was a Nicoleti S5 spectrometer (manufactured by Thermo Fisher SCIENTIFIC Co., Ltd.) equipped with an iD5ATR attachment. The measurement range was 4000 to 400 cm -1 .

(変性セルロースのグラフト化率)
変性セルロースについて、固体13C-NMRとして、Bruker AVANCE III WB(BRUKER社製)を用いて、核種は13Cとして定量分析を行った。図2に、変性セルロースの固体13C-NMRスペクトルのチャートを示すが、グラフト化率は、C7,11の炭素量(積分強度に基づく値)と、C1の炭素量との比較に基づいて求めた。すなわち、セルロースに結合している3HBは、オリゴマーであるため、C7,11の炭素量/(n+1)によりグラフト鎖の本数を計算し(n+1は、3HBの平均重合度を示す)、セルロース主鎖のグルコース単位数に相当するC1の炭素量と比較した。詳しくは、グラフト化率は、C7,11の炭素量/(n+1)/C1の炭素量×100%として求めた。
(Grafting rate of modified cellulose)
The modified cellulose was quantitatively analyzed by solid-state 13 C-NMR using a Bruker AVANCE III WB (manufactured by BRUKER) with the nuclide 13 C. FIG. 2 shows a chart of the solid-state 13 C-NMR spectrum of the modified cellulose, and the grafting ratio was calculated based on a comparison between the carbon amount of C7,11 (value based on integral intensity) and the carbon amount of C1. That is, since 3HB bonded to cellulose is an oligomer, the number of graft chains was calculated by the carbon amount of C7,11/(n+1) (n+1 indicates the average degree of polymerization of 3HB) and compared with the carbon amount of C1, which corresponds to the number of glucose units in the cellulose main chain. In detail, the grafting ratio was calculated by the carbon amount of C7,11/(n+1)/carbon amount of C1×100%.

(3HBの平均重合度n+1)
変性セルロースについて、固体13C-NMRとして、Bruker AVANCE III WB(BRUKER社製)を用いて、核種は13Cとして定量分析を行って3HBの平均重合度(n+1)を測定した。
(Average degree of polymerization of 3HB n+1)
The modified cellulose was quantitatively analyzed by solid-state 13 C-NMR using a Bruker AVANCE III WB (manufactured by BRUKER) with 13 C as the nuclide to measure the average degree of polymerization (n+1) of 3HB.

(引張試験)
樹脂組成物について、小型卓上試験機((株)島津製作所製「EZ-Graph」)を用いて、JIS K 7161に準拠し、ヤング率、最大応力、破断店伸度を測定した。試験条件は、クロスヘッドの速さを10mm/minとして、試験片の長さを20mm、幅を2mm、厚さを約0.1mmとした。ロードセルは100Nを使用した。
(Tensile test)
The resin composition was subjected to measurement of Young's modulus, maximum stress, and breaking elongation using a small tabletop testing machine ("EZ-Graph" manufactured by Shimadzu Corporation) in accordance with JIS K 7161. The test conditions were a crosshead speed of 10 mm/min, a test piece length of 20 mm, a width of 2 mm, and a thickness of approximately 0.1 mm. A load cell of 100 N was used.

実施例1
セルロース1gと3HB 5gを混合し、110℃、-97kPa(G)の条件で4時間反応した。反応物に過剰量のメタノールを加えて攪拌し、濾過した。次いで過剰量のクロロホルムを加えて攪拌し、濾過した後に室温で減圧乾燥することで、粉末状の3HB変性セルロース(3HB-C)を得た。
Example 1
1 g of cellulose and 5 g of 3HB were mixed and reacted for 4 hours under conditions of 110°C and -97 kPa (G). An excess amount of methanol was added to the reaction product, which was then stirred and filtered. An excess amount of chloroform was then added, which was then stirred and filtered, followed by drying under reduced pressure at room temperature to obtain powdered 3HB-modified cellulose (3HB-C).

実施例2
3HBを10gに変更した以外は実施例1と同じ条件で反応、洗浄することで3HB-Cを得た。
Example 2
3HB-C was obtained by reaction and washing under the same conditions as in Example 1, except that the amount of 3HB was changed to 10 g.

実施例3
3HBを15gに変更した以外は実施例1と同じ条件で反応、洗浄することで3HB-Cを得た。
Example 3
3HB-C was obtained by reaction and washing under the same conditions as in Example 1, except that the amount of 3HB was changed to 15 g.

実施例4
3HBを30gに変更した以外は実施例1と同じ条件で反応、洗浄することで3HB-Cを得た。
Example 4
3HB-C was obtained by reaction and washing under the same conditions as in Example 1, except that the amount of 3HB was changed to 30 g.

実施例5
反応時間を2時間に変更した以外は実施例2と同じ条件で反応、洗浄することで3HB-Cを得た。
Example 5
The reaction and washing were carried out under the same conditions as in Example 2, except that the reaction time was changed to 2 hours, to obtain 3HB-C.

実施例6
反応時間を8時間に変更した以外は実施例2と同じ条件で反応、洗浄することで3HB-Cを得た。
Example 6
The reaction and washing were carried out under the same conditions as in Example 2, except that the reaction time was changed to 8 hours, to obtain 3HB-C.

実施例1~6で得られた3HB-CをFT-IR分析した結果を原料3HBおよび原料セルロースの結果とともに図1に示す。図1から明らかなように、実施例1~6で得られた3HB-Cは、3HBのカルボン酸に由来する1700cm-1付近のピークは消失しており、1730cm-1付近にエステルに由来するピークが観測されたことから、3HBとセルロースはエステルを形成していることを確認した。 The results of FT-IR analysis of 3HB-C obtained in Examples 1 to 6 are shown in Figure 1 together with the results for the raw material 3HB and raw material cellulose. As is clear from Figure 1, in the 3HB-C obtained in Examples 1 to 6, the peak at around 1700 cm -1 derived from the carboxylic acid of 3HB disappeared, and a peak derived from an ester was observed at around 1730 cm -1 , confirming that 3HB and cellulose formed an ester.

さらに、実施例1~6で得られた3HB-Cについて、固体13C-NMRよりグラフト化率、平均重合度を算出した結果を表1に示す。 Furthermore, for the 3HB-C obtained in Examples 1 to 6, the grafting ratio and average polymerization degree were calculated from solid 13 C-NMR, and the results are shown in Table 1.

Figure 0007650462000001
Figure 0007650462000001

なお、固体13C-NMRの結果から、実施例1~6で得られた変性セルロースは、無水グルコース単位の炭素6位(C6)に3HBが、グラフト化率7~15%程度および平均重合度3~4程度で結合していることが確認できた。 It was confirmed from the results of solid-state 13C -NMR that the modified celluloses obtained in Examples 1 to 6 had 3HB bonded to the 6th carbon position (C6) of the anhydroglucose unit at a grafting rate of about 7 to 15% and an average degree of polymerization of about 3 to 4.

比較例1
PHBHを170℃、20MPaの条件でホットプレスすることで引張試験用のフィルムを得た。
Comparative Example 1
The PHBH was hot pressed at 170° C. and 20 MPa to obtain a film for tensile testing.

比較例2
原料セルロース 0.01gとPHBH 1.99gをクロロホルムに投入、攪拌し、過剰量のメタノールを加えて再沈殿させた。濾別した沈殿物を室温(20℃程度)で減圧乾燥してセルロース/PHBH複合粉末を得た。次に、この粉末を170℃、20MPaの条件でホットプレスすることで引張試験用のフィルムを得た。
Comparative Example 2
0.01 g of raw cellulose and 1.99 g of PHBH were added to chloroform, stirred, and reprecipitated by adding an excess amount of methanol. The precipitate was filtered and dried under reduced pressure at room temperature (about 20°C) to obtain a cellulose/PHBH composite powder. This powder was then hot pressed at 170°C and 20 MPa to obtain a film for tensile testing.

比較例3
原料セルロースを0.02g、PHBHを1.98gとする以外は比較例2と同様の方法で引張試験用のフィルムを得た。
Comparative Example 3
A film for tensile testing was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that the amount of raw cellulose was 0.02 g and the amount of PHBH was 1.98 g.

比較例4
原料セルロースを0.04g、PHBHを1.96gとする以外は比較例2と同様の方法で引張試験用のフィルムを得た。
Comparative Example 4
A film for tensile testing was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that the amount of raw cellulose was 0.04 g and the amount of PHBH was 1.96 g.

実施例7
実施例2で得られた3HB―C 0.01gとPHBH 1.99gをクロロホルムに投入、攪拌し、過剰量のメタノールを加えて再沈殿させた。これを濾別したものを室温で減圧乾燥して3HB-C/PHBH複合粉末を得た。次に、この粉末を170℃、20MPaの条件でホットプレスすることで引張試験用のフィルムを得た。
Example 7
0.01 g of 3HB-C and 1.99 g of PHBH obtained in Example 2 were put into chloroform, stirred, and reprecipitated by adding an excess amount of methanol. The precipitate was filtered and dried under reduced pressure at room temperature to obtain a 3HB-C/PHBH composite powder. Next, this powder was hot pressed under conditions of 170°C and 20 MPa to obtain a film for tensile testing.

実施例8
3HB―Cを0.02g、PHBHを1.98gとする以外は実施例7と同様の方法で引張試験用のフィルムを得た。
Example 8
A film for tensile testing was obtained in the same manner as in Example 7, except that the amount of 3HB-C was 0.02 g and the amount of PHBH was 1.98 g.

実施例9
3HB―Cを0.04g、PHBHを1.96gとする以外は実施例7と同様の方法で引張試験用のフィルムを得た。
Example 9
A film for tensile testing was obtained in the same manner as in Example 7, except that the amount of 3HB-C was 0.04 g and the amount of PHBH was 1.96 g.

実施例7~9および比較例1~4で得られたフィルムを引張試験に供した結果を表2に示す。 The films obtained in Examples 7 to 9 and Comparative Examples 1 to 4 were subjected to tensile tests, and the results are shown in Table 2.

Figure 0007650462000002
Figure 0007650462000002

表2の結果から明らかなように、実施例の複合フィルムは、セルロースを配合していない比較例1よりもヤング率および最大応力が向上した。また、比較例2~4と実施例7~9との比較から、セルロースを変性することにより、ヤング率、最大応力、破断点伸度がいずれも向上した。すなわち、引張試験の結果から、明らかに3HB-C/PHBH複合フィルムは原料セルロース/PHBH複合材料と比較して弾性率、強度、破断伸びの全ての値が改善していることがわかる。図3に、比較例1~2および実施例7で得られた複合フィルムにおける引張試験の結果を示し、図4に、比較例1、3および実施例8で得られた複合フィルムにおける引張試験の結果を示し、図5に、比較例1、4および実施例9で得られた複合フィルムにおける引張試験の結果を示す。いずれの図面においても、セルロースを変性することにより、引張特性が改善されていることが容易に理解できる。 As is clear from the results in Table 2, the composite films of the examples had improved Young's modulus and maximum stress compared to Comparative Example 1, which did not contain cellulose. In addition, a comparison of Comparative Examples 2 to 4 with Examples 7 to 9 shows that the Young's modulus, maximum stress, and elongation at break were all improved by modifying cellulose. In other words, the results of the tensile test clearly show that the 3HB-C/PHBH composite film has improved elastic modulus, strength, and elongation at break compared to the raw cellulose/PHBH composite material. Figure 3 shows the results of the tensile test on the composite films obtained in Comparative Examples 1 and 2 and Example 7, Figure 4 shows the results of the tensile test on the composite films obtained in Comparative Examples 1, 3, and Example 8, and Figure 5 shows the results of the tensile test on the composite films obtained in Comparative Examples 1, 4, and Example 9. In all of these figures, it is easy to see that the tensile properties are improved by modifying cellulose.

実施例8(PHBH/3HB-C)および比較例4(PHBH/原料セルロース)で得られた複合フィルムの引張破断面のSEM写真を図6に示す。実施例および比較例ともに、それぞれ界面の様子がよくわかるように、拡大図も添えた。図6から明らかなように、比較例4では、原料セルロースとPHBHとの界面は剥離が生じていたが、実施例8では、3HB-CとPHBHとの界面ではそのような剥離は見られなかった。例えば、3HB-Cを配合した実施例8の写真の拡大図における矢印の部分では、3HB-CとPHBHとの界面が相溶していることが明確に観察できるのに対して、比較例4の写真の拡大図では、界面に大きな空洞の隙間が発生している。すなわち、3HBをセルロースに修飾することで、セルロース表面の3HB(オリゴマー)は相溶化剤として機能していることがわかった。 Figure 6 shows SEM photographs of the tensile fracture surfaces of the composite films obtained in Example 8 (PHBH/3HB-C) and Comparative Example 4 (PHBH/raw cellulose). Enlarged views are also provided for both the examples and comparative examples so that the interface can be clearly seen. As is clear from Figure 6, in Comparative Example 4, peeling occurred at the interface between the raw cellulose and PHBH, but in Example 8, no such peeling was observed at the interface between 3HB-C and PHBH. For example, in the enlarged view of the photograph of Example 8, in which 3HB-C was blended, the interface between 3HB-C and PHBH can be clearly observed to be compatible, whereas in the enlarged view of the photograph of Comparative Example 4, a large hollow gap has occurred at the interface. In other words, it was found that by modifying cellulose with 3HB, 3HB (oligomer) on the cellulose surface functions as a compatibilizer.

本開示の変性セルロースは、樹脂に対する添加剤、特に補強材などとして利用できる。本開示の樹脂組成物は、樹脂の種類に応じて、日用品、電気・電子機器、建築材料などの各種成形体を形成するために使用できる。特に、生分解性プラスチックの補強材として使用すると、変性セルロースが好気性および嫌気性条件下(特に、嫌気性条件下)における生分解性を示すため、変性セルロース繊維を含む樹脂組成物は、食器類(ストロー、コップ、皿、箸、スプーン、フォークなど)、包装材料(例えば、食品、日用品、電気、電子機器および部品などの容器;レジ袋、エコバッグ(登録商標)、ゴミ袋などの袋など)などの使い捨て製品(ディスポーザブル製品)などに有用である。 The modified cellulose of the present disclosure can be used as an additive for resins, particularly as a reinforcing material. The resin composition of the present disclosure can be used to form various molded articles, such as daily necessities, electrical and electronic devices, and building materials, depending on the type of resin. In particular, when used as a reinforcing material for biodegradable plastics, the modified cellulose exhibits biodegradability under aerobic and anaerobic conditions (particularly under anaerobic conditions), and therefore the resin composition containing the modified cellulose fiber is useful for disposable products such as tableware (straws, cups, plates, chopsticks, spoons, forks, etc.) and packaging materials (e.g., containers for food, daily necessities, electrical and electronic devices and parts; bags such as plastic shopping bags, Eco Bags (registered trademark), and garbage bags).

Claims (11)

セルロース繊維に、平均重合度が1.5以上である3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーが結合した変性セルロース。 A modified cellulose in which 3-hydroxybutyric acid or its oligomer having an average degree of polymerization of 1.5 or more is bonded to cellulose fibers. 前記セルロース繊維の無水グルコース単位の6位に、前記3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーがエステル結合している請求項1記載の変性セルロース。 The modified cellulose according to claim 1, in which the 3-hydroxybutyric acid or its oligomer is ester-bonded to the 6-position of the anhydroglucose unit of the cellulose fiber. 前記3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーの平均重合度が1.5~10である請求項1または2記載の変性セルロース。 3. The modified cellulose according to claim 1, wherein the average degree of polymerization of said 3-hydroxybutyric acid or its oligomer is from 1.5 to 10. 前記3-ヒドロキシ酪酸またはそのオリゴマーによるグラフト化率が5~30モル%である請求項1~3のいずれか一項に記載の変性セルロース。 The modified cellulose according to any one of claims 1 to 3, wherein the grafting rate of the 3-hydroxybutyric acid or its oligomer is 5 to 30 mol %. 前記3-ヒドロキシ酪酸がR-3-ヒドロキシ酪酸である請求項1~4のいずれか一項に記載の変性セルロース。 The modified cellulose according to any one of claims 1 to 4, wherein the 3-hydroxybutyric acid is R-3-hydroxybutyric acid. 請求項1~5のいずれか一項に記載の変性セルロースと、熱可塑性樹脂および硬化性樹脂から選択された少なくとも一種の樹脂とを含む樹脂組成物。 A resin composition comprising the modified cellulose according to any one of claims 1 to 5 and at least one resin selected from thermoplastic resins and curable resins. 前記樹脂が、生分解性プラスチックを含む請求項6記載の樹脂組成物。 The resin composition according to claim 6, wherein the resin includes a biodegradable plastic. 前記樹脂が、ヒドロキシアルカン酸およびラクトンから選択された少なくとも一種の単量体の単独または共重合体である請求項6または7記載の樹脂組成物。 The resin composition according to claim 6 or 7, wherein the resin is a homopolymer or copolymer of at least one monomer selected from hydroxyalkanoic acid and lactone. 前記変性セルロースの割合が、前記樹脂100質量部に対して0.1~20質量部である請求項6~8のいずれか一項に記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 6 to 8, wherein the proportion of the modified cellulose is 0.1 to 20 parts by mass per 100 parts by mass of the resin. 樹脂に請求項1~5のいずれか一項に記載の変性セルロースを配合して前記樹脂の機械的特性を向上する方法。 A method for improving the mechanical properties of a resin by blending the modified cellulose described in any one of claims 1 to 5 with the resin. 前記樹脂が生分解性プラスチックである請求項10記載の方法。 The method according to claim 10, wherein the resin is a biodegradable plastic.
JP2021101077A 2021-06-17 2021-06-17 Modified cellulose and resin composition Active JP7650462B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021101077A JP7650462B2 (en) 2021-06-17 2021-06-17 Modified cellulose and resin composition

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021101077A JP7650462B2 (en) 2021-06-17 2021-06-17 Modified cellulose and resin composition

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023000328A JP2023000328A (en) 2023-01-04
JP7650462B2 true JP7650462B2 (en) 2025-03-25

Family

ID=84687823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021101077A Active JP7650462B2 (en) 2021-06-17 2021-06-17 Modified cellulose and resin composition

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7650462B2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003013324A (en) 2001-06-26 2003-01-15 Toray Ind Inc Method for producing thermoplastic cellulose ester-based multifilament
WO2010106234A1 (en) 2009-03-20 2010-09-23 Stora Enso Oyj Treatment of fibres to endure processing
JP2014148629A (en) 2013-02-01 2014-08-21 Kyoto Univ Modified nanocellulose, and resin composition containing modified nanocellulose
JP2019137711A (en) 2018-02-06 2019-08-22 大王製紙株式会社 Fibrous cellulose and manufacturing method therefor, and resin composition
JP2021025055A (en) 2019-08-07 2021-02-22 国立大学法人九州工業大学 Surface-modified nanocellulose and method for producing the same

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003013324A (en) 2001-06-26 2003-01-15 Toray Ind Inc Method for producing thermoplastic cellulose ester-based multifilament
WO2010106234A1 (en) 2009-03-20 2010-09-23 Stora Enso Oyj Treatment of fibres to endure processing
JP2014148629A (en) 2013-02-01 2014-08-21 Kyoto Univ Modified nanocellulose, and resin composition containing modified nanocellulose
JP2019137711A (en) 2018-02-06 2019-08-22 大王製紙株式会社 Fibrous cellulose and manufacturing method therefor, and resin composition
JP2021025055A (en) 2019-08-07 2021-02-22 国立大学法人九州工業大学 Surface-modified nanocellulose and method for producing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023000328A (en) 2023-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5275549B2 (en) Starch-vegetable oil graft copolymer and biological fiber composite material thereof, and production method thereof
KR101834283B1 (en) Blends of a polylactic acid and a water soluble polymer
Johansson et al. Effect of lignin acetylation on the mechanical properties of lignin-poly-lactic acid biocomposites for advanced applications
Lee et al. Surface functionalisation of bacterial cellulose as the route to produce green polylactide nanocomposites with improved properties
Cui et al. Cellulose modified by citric acid reinforced Poly (lactic acid) resin as fillers
JP5544301B2 (en) Soluble starch-based thermoplastic compositions and methods for preparing such compositions
TWI687481B (en) Polyester resin composition and molded body
KR102179075B1 (en) Method for preparing epoxidized soybean oil modified lignin and biodegradable polymeric composite comprising the modified lignin
JP2011516670A (en) Biological plasticizers for biopolymers
WO2009073197A1 (en) Biodegradable thermoplasticized starch-polyester reactive blends for thermoforming applications
Dai et al. Fabricating highly reactive bio-based compatibilizers of epoxidized citric acid to improve the flexural properties of polylactide/microcrystalline cellulose blends
JP2013001719A (en) Polylactic acid resin composition
KR102179831B1 (en) Method for preparing epoxidized soybean oil modified cellulose fiber and biodegradable polymeric composite comprising the modified cellulose fiber
Priyadarsini et al. Preparation and property analysis of extruded blown guar gum based PBAT/PLA composite film: approach towards sustainable packaging
JPH11124485A (en) Composite resin composition
Dewi et al. Characterization of sago starch-based degradable plastic with agricultural waste cellulose fiber as filler.
JP2004359840A (en) Resin composition, molded product thereof and dispersing aid
JP7650462B2 (en) Modified cellulose and resin composition
Quiroz‐Castillo et al. Crystallization of PLA and its blends and composites
JP5119432B2 (en) Microfibrillated cellulose-containing resin molding with improved strength
Mudoi et al. Biodegradable polymer-based natural fiber composites
CN117897429A (en) Polyester impact modifier
Graninger et al. Introduction to polylactic acid (PLA) composites: state of the art, opportunities, new challenges, and future outlook
Jonqua Effect of different compatibilizers on the final properties of the PLA/PBSA biopolymers-based blend prepared by reactive extrusion
Teymoorzadeh Composites and foams based on polylactic acid (PLA)

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210702

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231106

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241022

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241217

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250218

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250304

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7650462

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150