JP7660809B2 - Polymer composition containing cellulose nanocrystals derived from wheat bran, and molded articles and fibers thereof - Google Patents
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Description
本発明は、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有するポリマー組成物及びその成形品並びに繊維に関する。具体的には、本発明のポリマー組成物は、小麦ふすまの化学的な解繊により製造される小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルをフィラーとして種々のポリマー樹脂の基材に含有させた組成物であって、引張強さ、弾性率、透明性等の点で優れた物性を示し、シートやフィルムをはじめとして、様々な成形品に加工し、広範な分野で利用することが期待される。また、本発明の繊維は、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有する紡糸液から紡糸することにより製造される。 The present invention relates to a polymer composition containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals, and molded articles and fibers thereof. Specifically, the polymer composition of the present invention is a composition in which wheat bran-derived cellulose nanocrystals, produced by chemically defibrating wheat bran, are incorporated as a filler into the substrate of various polymer resins, and it is expected to exhibit excellent physical properties in terms of tensile strength, elastic modulus, transparency, etc., and to be processed into various molded articles, including sheets and films, and to be used in a wide range of fields. In addition, the fibers of the present invention are produced by spinning from a spinning solution containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
ポリマー材料を基材(母材)とし、ナノサイズに粒子化した充填剤(ナノフィラー)を分散させた複合材料をナノコンポジットという。ナノコンポジットは、その形成によって、引張強さ、弾性率、熱変形温度等の様々な物性が飛躍的に向上するため、各種技術分野で利用されており、更なる高機能性を得るための開発が続けられている。 A composite material in which nano-sized particles of filler (nanofiller) are dispersed in a polymer material as the base material (parent material) is called a nanocomposite. Nanocomposites are used in a variety of technical fields because their formation dramatically improves various physical properties such as tensile strength, elastic modulus, and heat distortion temperature, and development is ongoing to achieve even higher functionality.
ナノフィラーとしては、従来は主に無機材料が使用されてきたが、近年では、古くから繊維材料として利用されてきたセルロースから得られるナノセルロースもナノフィラーとして用いられている。植物由来の繊維質を物理的又は化学的に解繊処理して得られる繊維状の素材であるナノセルロースをフィラーとして用いると、無機材料のフィラーに比べて軽量なポリマー組成物が得られる。また、ナノセルロースは生分解性であるため、環境負荷の側面でも利点がある。 Traditionally, inorganic materials have been used primarily as nanofillers, but in recent years, nanocellulose obtained from cellulose, which has long been used as a fiber material, has also been used as a nanofiller. When nanocellulose, a fibrous material obtained by physically or chemically defibrating plant-derived fibers, is used as a filler, a lighter polymer composition can be obtained compared to inorganic fillers. Nanocellulose is also biodegradable, which is an advantage in terms of environmental impact.
これまで、物理的又は化学的に処理した植物バイオマス材料をフィラーとして含むポリマー組成物が知られている。
特許文献1には、水と炭素数4~8の脂肪族アルコールとの混合溶媒中で植物系バイオマスを加熱処理して得られるセルロース含有固形物が、熱可塑性樹脂との混合性がよく、樹脂の熱安定性を向上させることが記載されている。
特許文献2には、植物原料から得られたセルロース繊維と、カルボキシ基を有するポリアルケンである特定の性質を有するポリオレフィンとからなる組成物が、オレフィン樹脂への分散性が高いことが記載されている。
Heretofore, polymer compositions containing physically or chemically treated plant biomass materials as a filler have been known.
Patent Document 1 describes that a cellulose-containing solid obtained by heat-treating plant biomass in a mixed solvent of water and an aliphatic alcohol having 4 to 8 carbon atoms has good mixability with thermoplastic resins and improves the thermal stability of the resins.
Patent Document 2 describes that a composition consisting of cellulose fibers obtained from plant raw materials and a polyolefin having specific properties, that is, a polyalkene having a carboxy group, has high dispersibility in olefin resins.
特許文献3、4には、小麦ふすま等の多孔性草本系バイオマスを粉砕して得られた多孔性粉末に無機質フィラーを含浸させた含浸混合物とポリオレフィン系樹脂を含むシート又はフィルム状組成物が記載されている。 Patent Documents 3 and 4 describe a sheet or film-like composition that contains an impregnated mixture in which porous powder obtained by pulverizing porous herbaceous biomass such as wheat bran is impregnated with an inorganic filler, and a polyolefin resin.
特許文献5には、天然繊維を原料とするセルロース繊維(TEMPO酸化処理後、粉砕)と、天然及び/又は合成樹脂エマルジョンを含み、高い弾性を有する乾燥被膜を形成できる樹脂組成物が開示されており、平均繊維径200nm以下のセルロース繊維を含み、セルロースのカルボキシル基含有量が0.1~2mmol/gであることが記載されている。
特許文献6には、ふすまを物理的に解繊して得られた解繊物を2~30質量%含有する熱可塑性樹脂組成物が記載されている。
Patent Document 6 describes a thermoplastic resin composition containing 2 to 30 mass % of defibrated material obtained by physically defibrating bran.
また、ナノセルロース類を使用した繊維もこれまでに知られている。
特許文献7には、木材などのセルロースに富む材料から抽出したセルロースナノフィブリルの懸濁液を紡糸口金から押し出すことによってセルロースナノフィブリルを含む繊維を紡ぐ方法で得られるセルロース繊維が開示されている。
特許文献8には、PVA(ポリビニルアルコール)にセルロースナノファイバーを添加した紡糸溶液を、ノズルを通して冷却メタノール中に押し出すことによって紡糸ゲル状原糸を得て、さらにこの紡糸ゲル状原糸を延伸することにより製造することのできる、高強度のPVA系コンポジット繊維が開示されている。
特許文献9には、N,N-ジメチルホルムアミド等に微晶セルロースを溶解した溶液を、ノズルからメタノール中に吐出し延伸するなどの工程を経て得られる繊維が記載されている。
Fibers using nanocellulose are also known.
Patent Document 7 discloses cellulose fibers obtained by a method of spinning fibers containing cellulose nanofibrils by extruding a suspension of cellulose nanofibrils extracted from a cellulose-rich material such as wood through a spinneret.
Patent Document 8 discloses a high-strength PVA-based composite fiber that can be produced by extruding a spinning solution in which cellulose nanofibers are added to PVA (polyvinyl alcohol) through a nozzle into cooled methanol to obtain a spun gel-like raw yarn, and then stretching this spun gel-like raw yarn.
Patent Document 9 describes fibers obtained through a process in which a solution of microcrystalline cellulose dissolved in N,N-dimethylformamide or the like is discharged from a nozzle into methanol and stretched.
一方、植物由来のナノセルロースの例として、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルが報告されている。
非特許文献1には、小麦ふすまを脱脂、脱デンプン、脱タンパク処理することにより精製した小麦ふすまセルロースを、さらに酸加水分解して得られるセルロースナノクリスタルが報告されている。
On the other hand, cellulose nanocrystals derived from wheat bran have been reported as an example of plant-derived nanocellulose.
Non-Patent Document 1 reports that wheat bran cellulose is purified by subjecting wheat bran to defatted, destarched, and deproteinized treatments, and then the purified wheat bran cellulose is subjected to acid hydrolysis to obtain cellulose nanocrystals.
これまで知られているセルロース繊維をフィラーとして含有するポリマー組成物は、様々な改良が図られてはいるものの、強度や透明度の点で未だ満足できるものではなく、十分な強度及び透明度を有するフィルムやシート又は繊維を得ることが困難であったため、強度及び透明度の点でさらに改善されたポリマー組成物が求められていた。また、セルロース繊維としては、これまでは、主に海外から輸入される綿由来のナノセルロースが使用されており、国内でも容易に大量の原料を入手することができ、かつ強度及び透明度の点で同等以上の優れた性能を示すナノセルロース類を使用した繊維が求められていた。 Although various improvements have been made to polymer compositions containing cellulose fibers as a filler, they are still not satisfactory in terms of strength and transparency, and it has been difficult to obtain films, sheets, or fibers with sufficient strength and transparency, so there has been a demand for polymer compositions with further improvements in strength and transparency. In addition, cotton-derived nanocellulose imported from overseas has been the main source of cellulose fibers used so far, and there has been a demand for fibers using nanocelluloses that can be easily obtained in large quantities domestically and that exhibit the same or better performance in terms of strength and transparency.
上記の課題は、以下のポリマー組成物及びその成形品並びに小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含んでなる繊維によって解決することができる。
1.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有するポリマー組成物。
2.ポリマーが熱可塑性樹脂である、1.に記載のポリマー組成物。
3.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの平均径が2~100nm、平均長が100~2000nmであり、カルボキシ基が30~2000μmol/gである、1.又は2.に記載のポリマー組成物。
4.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを1~20質量%含有する、1.~3.の
いずれかに記載のポリマー組成物。
5.1.~4.のいずれかに記載されたポリマー組成物の成形品。
6.成形品がシート又はフィルムである5.に記載の成形品。
7.(1)小麦ふすまを硫酸加水分解処理して小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを調製する工程、
(2)小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとを混合する工程、及び、
(3)得られた混合物を成形する工程、
を含む、5.又は6.に記載の成形品の製造方法。
8.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有する繊維。
9.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの平均径が2~100nm、平均長が100~2000nmであり、カルボキシ基が30~2000μmol/gである、8.に記載の繊維。
10.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルに加え、他のポリマーを含有する、8.又は9.に記載の繊維。
11.他のポリマーが、カニ甲殻からのキチン由来ナノセルロース、ホヤ由来ナノセルロース、綿由来のナノセルロースから選ばれる1種以上である、10.に記載の繊維。
12.他のポリマーが、ポリビニルアルコール又はナイロンから選ばれる1種以上である、10.に記載の繊維。
13.(1)小麦ふすまを硫酸加水分解処理して小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを調製する工程、
(2)小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを溶媒に分散する工程、及び、
(3)得られた混合物を紡糸する工程、
を含む、
8.~12.のいずれかに記載の繊維の製造方法。
14.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを溶媒に分散して、紡糸ドープを調製する工程、及び
得られた紡糸ドープから繊維を成形する工程、
を含み、紡糸ドープは小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを1~10質量%含有する、13.に記載の製造方法。
15.小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとを溶媒に分散、混合して、紡糸ドープを調製する工程、及び
得られた紡糸ドープから繊維を成形する工程、
を含み、紡糸ドープは小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを1~10質量%含有する、14.に記載の製造方法。
The above problems can be solved by the following polymer composition and molded article thereof, as well as a fiber comprising wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
1. A polymer composition containing cellulose nanocrystals derived from wheat bran.
2. The polymer composition according to claim 1, wherein the polymer is a thermoplastic resin.
3. The polymer composition according to 1. or 2., wherein the wheat bran-derived cellulose nanocrystals have an average diameter of 2 to 100 nm, an average length of 100 to 2000 nm, and a carboxyl group content of 30 to 2000 μmol/g.
4. The polymer composition according to any one of 1. to 3., containing 1 to 20 mass% of wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
5. A molded article of the polymer composition according to any one of 1. to 4.
6. The molded article according to 5., which is a sheet or film.
7. (1) A process for preparing wheat bran-derived cellulose nanocrystals by subjecting wheat bran to sulfuric acid hydrolysis;
(2) mixing wheat bran-derived cellulose nanocrystals with a polymer; and
(3) molding the resulting mixture;
The method for producing the molded article according to 5. or 6., comprising:
8. Fiber containing cellulose nanocrystals derived from wheat bran.
9. The fiber according to 8., wherein the wheat bran-derived cellulose nanocrystals have an average diameter of 2 to 100 nm, an average length of 100 to 2000 nm, and a carboxyl group content of 30 to 2000 μmol/g.
10. The fiber according to 8. or 9., which contains other polymers in addition to the wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
11. The fiber according to 10., wherein the other polymer is one or more selected from chitin-derived nanocellulose from crab shells, sea squirt-derived nanocellulose, and cotton-derived nanocellulose.
12. The fiber according to 10., wherein the other polymer is at least one selected from polyvinyl alcohol and nylon.
13. (1) A process for preparing wheat bran-derived cellulose nanocrystals by subjecting wheat bran to sulfuric acid hydrolysis;
(2) Dispersing wheat bran-derived cellulose nanocrystals in a solvent; and
(3) spinning the resulting mixture;
Including,
A method for producing a fiber according to any one of 8. to 12.
14. A step of dispersing wheat bran-derived cellulose nanocrystals in a solvent to prepare a spinning dope, and forming fibers from the resulting spinning dope;
13. The method according to 12., wherein the spinning dope contains 1 to 10% by mass of wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
15. A step of dispersing and mixing wheat bran-derived cellulose nanocrystals and a polymer in a solvent to prepare a spinning dope, and forming fibers from the obtained spinning dope;
14. The method according to 14., wherein the spinning dope contains 1 to 10% by mass of wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
本発明における小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有するポリマー組成物からは、簡単な方法によりナノコンポジットを製造することができ、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルをフィラーとして含有することから軽量で安全であることに加え、強度や透明度に優れた様々な成形品を得ることができる。例えば、本発明における小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有するポリマー組成物からは、強度に優れた透明性の高いフィルム、シート及び繊維を製造することができる。 Nanocomposites can be produced by a simple method from the polymer composition containing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals of the present invention, and various molded products that are lightweight and safe because they contain wheat bran-derived cellulose nanocrystals as a filler, as well as excellent in strength and transparency, can be obtained. For example, films, sheets, and fibers that are strong and highly transparent can be produced from the polymer composition containing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals of the present invention.
また、本発明において、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有する紡糸ドープから公知の紡糸方法によって製造される繊維は、軽量で、しなやかであり、しかも強度や透明度に優れているので、軽く強靭で染色性に優れた繊維を得ることができる。 In addition, in the present invention, the fibers produced by a known spinning method from a spinning dope containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals are lightweight, flexible, and have excellent strength and transparency, making it possible to obtain fibers that are light, strong, and have excellent dyeability.
以下に、本発明の小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有するポリマー組成物及び繊維の製造方法について、説明する。 The following describes the method for producing the polymer composition and fiber containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals of the present invention.
(セルロースナノクリスタル)
セルロース系原料を物理的及び/又は化学的に解繊することによって得られるセルロースミクロフィブリルがナノセルロースであり、セルロースナノファイバーやセルロースナノクリスタルなどと呼ばれる。
セルロースナノファイバーは、一般に、機械的解繊法等で製造され、平均径4~100nm、平均長5μm以上で、高アスペクト比を持つ。
セルロースナノクリスタルは、セルロースナノウィスカーとも呼ばれ、一般に、酸加水分解法で製造される、平均径3~50nm、平均長100~500nm程度の針又はひげ状の結晶である。
セルロースナノクリスタルを製造する酸加水分解法では、硫酸を使用して加水分解を行う方法が、特に好ましいとされている。
(Cellulose nanocrystals)
Nanocellulose is cellulose microfibrils obtained by physically and/or chemically defibrating cellulosic raw materials, and is also called cellulose nanofibers or cellulose nanocrystals.
Cellulose nanofibers are generally produced by mechanical fiberization methods and have an average diameter of 4 to 100 nm, an average length of 5 μm or more, and a high aspect ratio.
Cellulose nanocrystals, also known as cellulose nanowhiskers, are generally needle- or whisker-like crystals with an average diameter of 3 to 50 nm and an average length of about 100 to 500 nm, produced by an acid hydrolysis method.
Of the acid hydrolysis methods for producing cellulose nanocrystals, a method in which hydrolysis is carried out using sulfuric acid is considered to be particularly preferred.
(小麦ふすま)
小麦ふすま(wheat bran)は、小麦種子の皮部である。小麦ふすまは、一般に、小麦粉の製粉過程で、小麦種子の胚乳部や胚芽部から分離されることによって製造される。しかし、通常の製粉過程で、皮部と胚乳部や胚芽部とを完全に分離することは困難であるため、通常流通する小麦ふすまは、胚乳部や胚芽部を含んでいることがある。また、小麦ふすまには、製粉過程で生じたままのものと、そこから油脂を除去した脱脂ふすまがある。本発明で使用される小麦ふすまは、小麦種子から分離された皮部であればよいが、上述した通常流通する小麦ふすまや、脱脂ふすまであってもよい。小麦ふすまは、製粉会社等から種々な種類が市販されており、本発明においてはこれら市販の小麦ふすまを利用することができる。
(Wheat bran)
Wheat bran is the skin of wheat seeds. Wheat bran is generally produced by separating it from the endosperm and germ of wheat seeds during the milling process of wheat flour. However, since it is difficult to completely separate the skin from the endosperm and germ during the normal milling process, wheat bran that is normally distributed may contain the endosperm and germ. In addition, wheat bran may be either the bran that is generated during the milling process or the defatted bran from which fats and oils have been removed. The wheat bran used in the present invention may be the skin separated from the wheat seeds, but may also be the above-mentioned normally distributed wheat bran or defatted bran. Various types of wheat bran are commercially available from flour milling companies, and these commercially available wheat brans can be used in the present invention.
(小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル)
本発明で用いる小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルは、上述の原料小麦ふすまを、精製して得られたセルロースを用いて、これを酸加水分解処理することにより調製することができる。
(Cellulose nanocrystals derived from wheat bran)
The wheat bran-derived cellulose nanocrystals used in the present invention can be prepared by using cellulose obtained by purifying the above-mentioned raw material wheat bran and subjecting it to acid hydrolysis treatment.
原料小麦ふすまから精製セルロースを得るための処理としては。脱脂処理及び/又は脱リグニン処理及び/又は脱タンパク処理がある。 Processes for obtaining refined cellulose from raw wheat bran include degreasing and/or delignification and/or deproteinization.
脱脂処理においては、原料小麦ふすまを溶媒と混合し、必要に応じて混合液を撹拌しながら、原料小麦ふすまと溶媒とを接触させる。溶媒の種類は特に限定されないが、例えば、メタノール、エタノール、ベンゼン、トルエン、キシレン、アセトン、クロロホルム等が挙げられる。溶媒と接触させた後、風乾して脱脂ふすまを得る。 In the degreasing process, the raw wheat bran is mixed with a solvent, and the raw wheat bran is brought into contact with the solvent while stirring the mixture as necessary. The type of solvent is not particularly limited, but examples include methanol, ethanol, benzene, toluene, xylene, acetone, and chloroform. After contact with the solvent, the bran is air-dried to obtain defatted bran.
脱脂された小麦ふすまは、好ましくは、次いで、脱リグニン(漂白)処理される。
漂白処理では、脱脂小麦ふすまに漂白用溶液を加えて加熱還流する。漂白用溶液の種類は特に限定されないが、例えば、水、水酸化ナトリウム、酢酸、亜塩素酸ナトリウムの混合液等が挙げられる。漂白用溶液中で加熱還流処理した後に、遠心分離と水洗を繰り返して洗浄し、漂白小麦ふすまを得る。
The defatted wheat bran is preferably then subjected to a delignification (bleaching) process.
In the bleaching process, the defatted wheat bran is added with a bleaching solution and heated under reflux. The type of the bleaching solution is not particularly limited, but examples thereof include a mixture of water, sodium hydroxide, acetic acid, and sodium chlorite. After the heating and refluxing process in the bleaching solution, the bran is washed by repeated centrifugation and washing with water to obtain bleached wheat bran.
次いで、脱タンパク処理を行うことが、さらに好ましい。
脱タンパク処理では、漂白小麦ふすまとアルカリ溶液とを接触させる。アルカリ溶液の種類は特に限定されないが、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化バリウム等の水溶液が挙げられる。アルカリ溶液との接触処理後に、遠心分離と水洗を繰り返して洗浄し、脱タンパク小麦ふすま(精製小麦ふすま)を得る。
脱リグニン処理及び脱タンパク処理は、試料が純白になるまで繰り返して行うのが、最も好ましい。
It is further preferable to then carry out a deproteinization treatment.
In the deproteinization process, the bleached wheat bran is brought into contact with an alkaline solution. The type of alkaline solution is not particularly limited, but examples include aqueous solutions of potassium hydroxide, sodium hydroxide, barium hydroxide, etc. After contact with the alkaline solution, the bran is repeatedly centrifuged and washed with water to obtain deproteinized wheat bran (refined wheat bran).
Most preferably, the delignification and deproteinization processes are repeated until the sample is pure white.
精製小麦ふすまは、次いで酸加水分解処理を行う。酸加水分解処理では、精製小麦ふすまに酸溶液を加えて、加熱しながら撹拌する。酸溶液の種類は特に限定されないが、例えば、硫酸、塩酸、臭化水素酸等の水溶液が挙げられる。加熱撹拌処理後に遠心分離と水洗を繰り返して洗浄し、白濁した上澄みが得られたら、これを回収して、透析して中性にして、セルロースナノクリスタルを得る。 The refined wheat bran is then subjected to acid hydrolysis. In the acid hydrolysis, an acid solution is added to the refined wheat bran and stirred while heating. The type of acid solution is not particularly limited, but examples include aqueous solutions of sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, etc. After the heating and stirring process, the mixture is repeatedly centrifuged and washed with water to clean it, and when a cloudy supernatant is obtained, this is collected and dialyzed to neutralize it, and cellulose nanocrystals are obtained.
本発明で使用する小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとしては、平均径が2~100nm、平均長100~2000nm、表面官能基のカルボキシ基含量30~2000μmol/gのものを用いることが好ましい。 The wheat bran-derived cellulose nanocrystals used in the present invention preferably have an average diameter of 2 to 100 nm, an average length of 100 to 2000 nm, and a carboxyl group content of the surface functional groups of 30 to 2000 μmol/g.
(ポリマー)
本発明のポリマー組成物の製造に用いるポリマーとしては、特に限定されず、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれも使用することができる。ポリマーは1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、熱可塑性樹脂が特に好ましい。
本発明で使用する熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、スチレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、酢酸セルロース樹脂、ポリアミド樹脂等、及びこれらと他のモノマーとの共重合体が挙げられる。このうち、ポリビニルアルコール系樹脂は、特に好ましい。
(polymer)
The polymer used in the production of the polymer composition of the present invention is not particularly limited, and both thermoplastic resins and thermosetting resins can be used. The polymer may be used alone or in combination of two or more. Among these, thermoplastic resins are particularly preferred.
The thermoplastic resin used in the present invention is not particularly limited, but examples thereof include polyvinyl alcohol resins, polycarbonate resins, styrene resins, polystyrene resins, polyethylene resins, polypropylene resins, polyacrylic resins, polyvinyl chloride resins, cellulose acetate resins, polyamide resins, and copolymers of these with other monomers. Among these, polyvinyl alcohol resins are particularly preferred.
本発明のポリマー組成物は、上述した小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとを混合することによって製造できる。次いで、得られた混合物を成形することによって様々な成形品を製造することができる。本発明のポリマー組成物の製造において、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとの混合及び混合物の成形の手順は、ふすま由来ナノセルロースとポリマーとの均一な混合物の成形物を得ることができる手順であれば、特に限定されず、キャスト成形、押出成形、射出成形、ブロー成形等や繊維製造のための紡糸等、ポリマーの成形に使用されている公知の手段を、目的とする成形品の形状、大きさ等に応じて、適宜に採用することができる。 The polymer composition of the present invention can be produced by mixing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals and a polymer as described above. The resulting mixture can then be molded to produce various molded products. In producing the polymer composition of the present invention, the procedure for mixing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals and the polymer and molding the mixture is not particularly limited as long as it is a procedure that can produce a molded product of a uniform mixture of bran-derived nanocellulose and a polymer. Known means used in polymer molding, such as cast molding, extrusion molding, injection molding, blow molding, and spinning for fiber production, can be appropriately adopted depending on the shape, size, etc. of the desired molded product.
本発明による小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとの混合及び混合物の成形の手順の好ましい例としては、ポリマーを加熱溶融し、これに上述した小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを、水、メタノール、エタノール、アセトン等の媒体に分散させた分散液を添加、混合し、得られた混合物を、乾燥させて分散液の液分を除去し、次いで成形する工程が挙げられる。 A preferred example of the procedure for mixing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals and polymer according to the present invention and molding the mixture includes the steps of heating and melting the polymer, adding and mixing a dispersion of the wheat bran-derived cellulose nanocrystals described above in a medium such as water, methanol, ethanol, or acetone, drying the resulting mixture to remove the liquid content of the dispersion, and then molding the mixture.
本発明のポリマー組成物における小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーの配合割合(乾燥物換算)は、可塑性及び強度の観点から、ポリマー組成物の固形分(樹脂+ナノセルロース)中、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの配合量が好ましくは1~20質量%、より好ましくは1~15質量%、さらに好ましくは1~10質量%である。 The blending ratio (dry matter equivalent) of wheat bran-derived cellulose nanocrystals and polymer in the polymer composition of the present invention is, from the viewpoint of plasticity and strength, preferably 1 to 20 mass% of wheat bran-derived cellulose nanocrystals in the solid content of the polymer composition (resin + nanocellulose), more preferably 1 to 15 mass%, and even more preferably 1 to 10 mass%.
本発明のポリマー組成物は、上述した小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル及びポリマーに加えて、通常のポリマー組成物に用いられる他の添加物を含有していてもよい。 The polymer composition of the present invention may contain, in addition to the wheat bran-derived cellulose nanocrystals and polymer described above, other additives that are typically used in polymer compositions.
当該他の添加物としては、シリカ粉末、アルミナ粉末、ガラス粉末、ガラス繊維、ガラスフレーク、マイカ、タルク、炭酸カルシウム、アルミナ、水和アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化チタン、酸化亜鉛、炭化タングステン、酸化マグネシウム等の無機フィラー;炭素繊維、アラミド繊維、紙粉、セルロース繊維、セルロース粉、籾殻粉、果実殻・ナッツ粉、キチン粉、澱粉等の有機フィラー;相溶化剤;界面活性剤;安定剤;紫外線吸収剤;難燃剤;帯電防止剤;消泡剤;離型剤;酸化防止剤;可塑剤;染料;熱硬化性樹脂などが挙げられる。当該他の添加物は、上述した小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとの混合の際に添加してもよく、又は混合の前に、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーのいずれかに添加してもよい。 Examples of such other additives include inorganic fillers such as silica powder, alumina powder, glass powder, glass fiber, glass flakes, mica, talc, calcium carbonate, alumina, hydrated alumina, boron nitride, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, titanium nitride, zinc oxide, tungsten carbide, and magnesium oxide; organic fillers such as carbon fiber, aramid fiber, paper powder, cellulose fiber, cellulose powder, rice husk powder, fruit shell/nut powder, chitin powder, and starch; compatibilizers; surfactants; stabilizers; UV absorbers; flame retardants; antistatic agents; defoamers; release agents; antioxidants; plasticizers; dyes; and thermosetting resins. The other additives may be added when mixing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals with the polymer, or may be added to either the wheat bran-derived cellulose nanocrystals or the polymer before mixing.
(繊維)
本発明の小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを含有する繊維は、上述した小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを溶媒中で混合して得られた、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルが均一に分散された懸濁液を紡糸溶液(ドープ)として、これをノズル等を通して凝固浴中に押し出すなどして紡糸ゲル状原糸を成形し、乾燥することによって製造することができる。
紡糸溶液中の小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの含量は、1~10質量%が好ましい。
(fiber)
The fibers containing the wheat bran-derived cellulose nanocrystals of the present invention can be produced by mixing the above-mentioned wheat bran-derived cellulose nanocrystals in a solvent to obtain a suspension in which the wheat bran-derived cellulose nanocrystals are uniformly dispersed, using this as a spinning solution (dope), and extruding this through a nozzle or the like into a coagulation bath to form a spun gel-like raw yarn, which is then dried.
The content of wheat bran-derived cellulose nanocrystals in the spinning solution is preferably 1 to 10% by mass.
紡糸溶液の溶媒としては、ポリマーを溶解し、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを十分に分散させることが容易な物であれば特に限定されず、例えば、水、ジメチルスルホキシド或いは水とジメチルスルホキシドの混合物等のこれらの混合溶媒が挙げられる。このうち、水を用いることが好ましい。 The solvent for the spinning solution is not particularly limited as long as it can easily dissolve the polymer and disperse the wheat bran-derived cellulose nanocrystals sufficiently. Examples of the solvent include water, dimethyl sulfoxide, and a mixture of these, such as a mixture of water and dimethyl sulfoxide. Of these, it is preferable to use water.
また、溶媒中にさらに他のポリマー、例えばポリビニルアルコール、ナイロン6、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエステルや、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル以外のナノクリスタル、例えば、カニ甲殻由来キチンナノクリスタル、ホヤ由来セルロースナノクリスタル、綿由来セルロースナノクリスタル等の由来の異なるナノクリスタルを併用することにより、多様なナノコンポジット繊維にすることができる。 In addition, by combining other polymers in the solvent, such as polyvinyl alcohol, nylon 6, polystyrene, polyethylene, polyester, or nanocrystals of different origins other than wheat bran-derived cellulose nanocrystals, such as chitin nanocrystals derived from crab shells, cellulose nanocrystals derived from sea squirts, and cellulose nanocrystals derived from cotton, a variety of nanocomposite fibers can be produced.
例えば、他のポリマーとしてポリビニルアルコールを使用した繊維は、特許文献8(特開2011-208293号公報)に記載された方法に準じて、特許文献8のセルロースナノファイバーに代えて、上述した小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを使用することにより製造することができる。 For example, fibers using polyvinyl alcohol as the other polymer can be produced according to the method described in Patent Document 8 (JP Patent Publication 2011-208293 A), by using the above-mentioned wheat bran-derived cellulose nanocrystals instead of the cellulose nanofibers in Patent Document 8.
紡糸工程はゲル紡糸法により行うことができる。紡糸溶液をゾルからゲルへ転移させるゲル紡糸法としては、紡糸溶液をノズルからメタノール等の溶媒の入った凝固浴に押し出す湿式の押出ゲル紡糸、冷却気体の吹きつけによる乾式のゲル紡糸等のいずれも採用することができるが、押出ゲル紡糸が好ましい。
湿式の押出ゲル紡糸の際の凝固浴としては、特に限定されるものではないが、例えば、水とメタノールの混合液を挙げることができるが、例えば、0.1%CaCl2を含む70%メタノール水溶液は、特に好ましい凝固浴として使用できる。
The spinning step can be carried out by a gel spinning method. As the gel spinning method for converting the spinning solution from a sol to a gel, any of wet extrusion gel spinning in which the spinning solution is extruded from a nozzle into a coagulation bath containing a solvent such as methanol, and dry gel spinning in which a cooling gas is blown onto the solution can be used, but extrusion gel spinning is preferred.
The coagulation bath in wet extrusion gel spinning is not particularly limited, but may be, for example, a mixture of water and methanol. For example, a 70% aqueous methanol solution containing 0.1% CaCl2 may be used as a particularly preferred coagulation bath.
紡糸後には、脱溶媒・乾燥工程を行うが、紡糸ゲル状原糸を有機溶媒中に浸漬して脱溶媒し、風乾あるいは減圧乾燥する。なお、脱溶媒工程を省略して、そのまま風乾あるいは
減圧乾燥することもできる。
After spinning, a desolvation and drying step is performed, in which the spun gel-like raw yarn is immersed in an organic solvent to remove the solvent, and then air-dried or dried under reduced pressure. It is also possible to omit the desolvation step and directly air-dried or dried under reduced pressure.
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
(小麦ふすまからのセルロースナノクリスタルの調製)
(脱脂)
エタノール/ベンゼン混合液(2:1、1.5L)を用い、小麦ふすま(ウィートブランM、日清ファルマ製)100gを一晩ソックスレー抽出した後、風乾して脱脂ふすまを得た。
(脱リグニン)
脱脂ふすま50gに漂白用溶液(水500mL、NaOH6.75g、酢酸18.75mL、亜塩素酸ナトリウム4.25g)を加え、80℃で7時間加熱還流して漂白した。漂白後の固体は遠心分離を用いて繰り返し水洗して、湿潤状態の固体を得た。
(脱タンパク)
脱リグニン処理を行った試料50gを5%KOH水溶液(1L)中で一晩撹拌した。撹拌処理後、遠心分離を用いて5%KOHで、引き続いて、水で繰り返し洗浄した。
脱タンパク処理の後、試料を純白にするため、さらに脱リグニン処理を行い、精製小麦ふすまを得た。
Example 1
(Preparation of cellulose nanocrystals from wheat bran)
(Degreasing)
100 g of wheat bran (Wheat Bran M, Nisshin Pharma) was subjected to Soxhlet extraction overnight using an ethanol/benzene mixture (2:1, 1.5 L), and then air-dried to obtain defatted bran.
(Delignification)
A bleaching solution (500 mL of water, 6.75 g of NaOH, 18.75 mL of acetic acid, and 4.25 g of sodium chlorite) was added to 50 g of defatted bran, and the mixture was heated under reflux at 80° C. for 7 hours for bleaching. The solid after bleaching was repeatedly washed with water using centrifugation to obtain a wet solid.
(Deproteinization)
50 g of the delignified sample was stirred overnight in 5% KOH aqueous solution (1 L) and then repeatedly washed with 5% KOH and then with water using a centrifuge.
After deproteinization, the sample was further subjected to delignification treatment to make it pure white, and refined wheat bran was obtained.
(酸加水分解による小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの調製)
精製小麦ふすま2gに65%硫酸(60mL)を加え、均一に撹拌した後に、70℃のウォーターバス中で10分間撹拌した。反応終了後は水で3倍に希釈し、遠心分離を用いて繰り返し水洗した。白濁した上澄みが得られたら回収し、透析して中性にして、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの水懸濁液を得た。
(Preparation of cellulose nanocrystals from wheat bran by acid hydrolysis)
2 g of purified wheat bran was added with 65% sulfuric acid (60 mL), stirred uniformly, and then stirred in a water bath at 70 ° C for 10 minutes. After the reaction was completed, the mixture was diluted 3 times with water and repeatedly washed with water using centrifugation. When a cloudy white supernatant was obtained, it was collected and dialyzed to neutrality to obtain an aqueous suspension of wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
(伝導度滴定による表面官能基量の定量)
伝導度計(Seven Go Duo-SG78、電導度電極InLab 751-4mm、メトラー・トレド)を用い、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル150mgを含む水懸濁液を、0.01MのNaOH水溶液を用いて滴定し、伝導度の変化を追跡した。第一屈曲点までのNaOH量は強酸性基(硫酸エステル基)、第一屈曲点~第二屈曲点の間のNaOH量は弱酸性基(カルボキシ基)に対応するとして、セルロースナノクリスタルの表面官能基の量に換算した。
(Quantitative Determination of Surface Functional Group Amount by Conductometric Titration)
Using a conductivity meter (Seven Go Duo-SG78, conductivity electrode InLab 751-4 mm, Mettler Toledo), an aqueous suspension containing 150 mg of wheat bran-derived cellulose nanocrystals was titrated with 0.01 M NaOH aqueous solution to track the change in conductivity. The amount of NaOH up to the first bending point corresponds to a strong acidic group (sulfate ester group), and the amount of NaOH between the first bending point and the second bending point corresponds to a weak acidic group (carboxy group), and was converted into the amount of surface functional groups of the cellulose nanocrystals.
上記の伝導度滴定により求めた表面官能基の量を表1に示す。比較のため、ほぼ同じ条件で綿および木材パルプを酸加水分解して得られたセルロースナノクリスタルの官能基量も併記した。 The amount of surface functional groups determined by the above-mentioned conductometric titration is shown in Table 1. For comparison, the amount of functional groups in cellulose nanocrystals obtained by acid hydrolysis of cotton and wood pulp under almost the same conditions is also shown.
表1から、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルは、表面に存在するカルボキシ基の量が、木材パルプ由来のものや綿由来のものに比べて極めて多量である(木材パルプ由来の12.3倍、綿由来ではほとんどカルボキシ基が存在しない)ことがわかる。また、硫酸加水分解により導入される硫酸エステル基の量も、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルは、木材パルプ由来のものや綿由来のものに比べ多い(木材パルプ由来の4.4倍、綿由来の2.6倍)。 From Table 1, it can be seen that the amount of carboxyl groups present on the surface of wheat bran-derived cellulose nanocrystals is extremely large compared to those derived from wood pulp or cotton (12.3 times that of wood pulp-derived, while cotton-derived has almost no carboxyl groups). Furthermore, the amount of sulfate ester groups introduced by sulfuric acid hydrolysis is also large in wheat bran-derived cellulose nanocrystals compared to those derived from wood pulp or cotton (4.4 times that of wood pulp-derived, 2.6 times that of cotton).
(粒子形態観察)
透過型電子顕微鏡(TEM、FEM-2100、JOEL)を用いて、加圧電圧80kV、無染色にて小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル粒子の形態を観察し、平均径、平均長を計測したところ、平均径27.5±3.5nm、平均長300~1000nm程度であった。
(Observation of particle morphology)
Using a transmission electron microscope (TEM, FEM-2100, JOEL), the morphology of the wheat bran-derived cellulose nanocrystal particles was observed without staining at a voltage of 80 kV, and the average diameter and length were measured. The average diameter was 27.5±3.5 nm, and the average length was approximately 300 to 1000 nm.
(実施例2)
(ナノコンポジットフィルムの調製)
ポリビニルアルコール系樹脂(PVA)は、けん化度98%、重合度1800の試料を和光純薬株式会社より購入した。PVAの10wt%水溶液(PVAを加熱した脱イオン水に溶解して調製)及び小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル2wt%懸濁液を調製し、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル/(PVA+小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル)の比が2.5%、5%および10%となるように混合した。
混合液をテフロンシャーレにキャストし、五酸化二リンをいれたデシケータ内で固化するまで乾燥して、ナノコンポジットフィルムを得た。比較対照として表面をTEMPO酸化し、カルボキシ基を導入した綿由来ナノセルロースを用いた。
以下の物性測定には、フィルムを幅5((長さ40mmの短冊型試験片に切り出して用いた。
Example 2
Preparation of Nanocomposite Films
A polyvinyl alcohol resin (PVA) sample with a saponification degree of 98% and a polymerization degree of 1800 was purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. A 10 wt % aqueous solution of PVA (prepared by dissolving PVA in heated deionized water) and a 2 wt % suspension of wheat bran-derived cellulose nanocrystals were prepared and mixed so that the ratios of wheat bran-derived cellulose nanocrystals/(PVA + wheat bran-derived cellulose nanocrystals) were 2.5%, 5%, and 10%.
The mixture was cast onto a Teflon petri dish and dried in a desiccator containing diphosphorus pentoxide until solidified, to obtain a nanocomposite film. As a control, cotton-derived nanocellulose with its surface oxidized by TEMPO and carboxyl groups introduced was used.
For the following physical property measurements, the film was cut into a rectangular test piece having a width of 5 mm and a length of 40 mm.
(引張試験)
力学物性は引張試験機(EZ-S、島津製作所)を用い、ロードセル50N、つかみ間距離20mm、引張速度4mm/minで行ってヤング率および破断強度の値を得た。
(Tensile test)
The mechanical properties were measured using a tensile tester (EZ-S, Shimadzu Corporation) with a load cell of 50 N, a grip distance of 20 mm, and a tensile speed of 4 mm/min to obtain Young's modulus and breaking strength.
(透明度)
フィルムの透明度は、紫外-可視光吸光光度計(UV-2700、島津製作所)を用いてフィルムを直接測定し、Lambert-Beerの法則が成り立つとして厚み50μmのフィルムの透過率に換算した。
(Transparency)
The transparency of the film was directly measured using an ultraviolet-visible light absorptiometer (UV-2700, Shimadzu Corporation) and converted into the transmittance of a film with a thickness of 50 μm, assuming that the Lambert-Beer law holds true.
(結果)
得られた小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル含有フィルムの外観を図1に示す。極めて透明度の高いフィルムが得られた。同じナノセルロース含有率の綿由来ナノセルロース含有フィルムよりも、目視において透明度が高かった。
(result)
The appearance of the obtained wheat bran-derived cellulose nanocrystal-containing film is shown in Figure 1. A film with extremely high transparency was obtained. It was more transparent to the naked eye than a cotton-derived nanocellulose-containing film with the same nanocellulose content.
紫外可視光の透過率の測定結果を図2に示す。ここでもやはり、本発明の小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル含有フィルムの透明度が高いことが、明確に示された。小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル含有フィルム同士の相対的な比較では、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル含有率5%のフィルムの透明度が最も低く、含有率2.5%および10%のフィルムはより透明度が高いという結果が得られた。 The results of measuring the transmittance of ultraviolet and visible light are shown in Figure 2. Here again, it is clearly shown that the wheat bran-derived cellulose nanocrystal-containing film of the present invention has high transparency. In a relative comparison between the wheat bran-derived cellulose nanocrystal-containing films, the film with a wheat bran-derived cellulose nanocrystal content of 5% had the lowest transparency, while the films with a content of 2.5% and 10% had higher transparency.
フィルムの力学物性を表2に示す。含量2.5%では、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル含有フィルム(WBM)と綿由来セルロースナノクリスタル含有フィルム(Cotton)で、フィルムのヤング率に差はみられないが、5%以上では小麦ふすま由来セルロー
スナノクリスタル含有フィルムのほうが大きく上回る。破断強度は、含量2.5%の場合、製品のバラツキが大きい傾向はあったが、どの混合比においても小麦ふすま由来セルロースナノクリスタル含有フィルムが綿由来セルロースナノクリスタル含有フィルムを上回る。
以上のことから、小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを補強フィラーとして用いることで、綿由来セルロースナノクリスタルよりも力学物性が高く透明度も高いナノコンポジットフィルムを調製することができる。
The mechanical properties of the films are shown in Table 2. At a content of 2.5%, there was no difference in Young's modulus between the film containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals (WBM) and the film containing cotton-derived cellulose nanocrystals (Cotton), but at 5% or more, the film containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals was significantly superior. At a content of 2.5%, there was a tendency for the products to vary greatly in terms of breaking strength, but at all mixing ratios, the film containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals exceeded the film containing cotton-derived cellulose nanocrystals.
Based on the above, by using wheat bran-derived cellulose nanocrystals as a reinforcing filler, it is possible to prepare nanocomposite films with higher mechanical properties and transparency than those of cotton-derived cellulose nanocrystals.
(実施例3)
(湿式紡糸)
ナノセルロースを湿式紡糸することで、100%結晶から構成される繊維を調製した。
上記で調製したふすま由来ナノセルロースの水懸濁液を浸透圧濃縮法(水懸濁液を透析チューブに封じたのち、ポリエチレングリコール20000の10%水溶液に浸し、浸透圧によって水分のみをチューブ外に追い出し、濃縮する手法)により約10%程度まで濃縮したのちに脱イオン水で4.1%まで希釈し、紡糸溶液(ドープ)とした。このドープをシリンジに封じ、23Gのニードルを通じて凝固浴(0.1%CaCl2を含む70%メタノール)中に射出速度0.10mL/minで射出した。ゲル状繊維を引き上げて回収後、風乾し、繊維を得た。比較対照として、綿由来ナノセルロース繊維(ドープ濃度13%)およびホヤ由来ナノセルロース繊維(ドープ濃度8%)を調製した。
Example 3
(Wet spinning)
Nanocellulose was wet spun to prepare fibers composed of 100% crystals.
The aqueous suspension of bran-derived nanocellulose prepared above was concentrated to about 10% by osmotic concentration (a method in which the aqueous suspension is sealed in a dialysis tube, then immersed in a 10% aqueous solution of polyethylene glycol 20,000, and only the water is expelled from the tube by osmotic pressure to concentrate), and then diluted to 4.1% with deionized water to obtain a spinning solution (dope). This dope was sealed in a syringe and injected through a 23G needle into a coagulation bath (70% methanol containing 0.1% CaCl 2 ) at an injection rate of 0.10 mL/min. The gel-like fibers were pulled up and collected, then air-dried to obtain fibers. As a comparative control, cotton-derived nanocellulose fibers (dope concentration 13%) and sea squirt-derived nanocellulose fibers (dope concentration 8%) were prepared.
湿式紡糸により得られた繊維を風乾すると図3に示すような軽量で、しなやかで、透明な繊維が得られた。 When the fibers obtained by wet spinning were air-dried, a lightweight, flexible, and transparent fiber was obtained, as shown in Figure 3.
調製した繊維の光学顕微鏡観察、引張試験を行い、ヤング率、破断強度を測定した。本発明の小麦由来を含め、各種ナノセルロース源から調製した繊維のヤング率および破断強度を表3に示す。 The prepared fibers were observed under an optical microscope and tensile tests were performed to measure the Young's modulus and breaking strength. The Young's modulus and breaking strength of fibers prepared from various nanocellulose sources, including the wheat-derived nanocellulose of the present invention, are shown in Table 3.
ふすま由来ナノセルロース繊維は、綿繊維と比較してドープ濃度が低いにもかかわらず、高結晶性セルロースとして知られる綿繊維に匹敵する、あるいは超える力学物性を示した(綿繊維の物性値は種々の紡糸条件の中で最も高い力学物性値を引用しており、典型的な値はドープ濃度10~13%においてヤング率5~10GPa、破断強度30~50MPa程度である)。天然セルロースのうち最も高い結晶化度を示すホヤ由来ナノセルロース繊維の値とも比較しうる値を示しており、ホヤ由来ナノセルロースのドープが8wt%必要な点を考慮に入れると、より低いドープ濃度で高い力学物性値を示すので、より軽量な繊維とすることができる。 Despite the lower dope concentration compared to cotton fiber, bran-derived nanocellulose fiber exhibited mechanical properties comparable to or even surpassing those of cotton fiber, which is known to be a highly crystalline cellulose (the physical properties of cotton fiber are the highest mechanical properties quoted under various spinning conditions, with typical values being a Young's modulus of 5-10 GPa and a breaking strength of about 30-50 MPa at a dope concentration of 10-13%). The values shown are comparable to those of sea squirt-derived nanocellulose fiber, which has the highest degree of crystallinity of any natural cellulose. Considering that sea squirt-derived nanocellulose requires a dope of 8 wt%, the higher mechanical properties are achieved at a lower dope concentration, making it possible to produce a lighter fiber.
(引張試験)
力学物性は引張試験機(EZ-S、島津製作所)を用い、ロードセル5N、つかみ間距離20mm、ひずみ速度2mm/minで行ってヤング率および破断強度の値を得た。
(Tensile test)
The mechanical properties were measured using a tensile tester (EZ-S, Shimadzu Corporation) with a load cell of 5 N, a grip distance of 20 mm, and a strain rate of 2 mm/min to obtain Young's modulus and breaking strength.
また、特許文献8の実施例1~5に記載された方法において、綿(コットン)由来のセルロースナノクリスタルに代えて、本発明の小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを使用することにより、強度及び弾性率に優れ、しかも繊維の透明度が高いことによって優れた染色性を示すナノコンポジット繊維を製造することができる。 In addition, in the method described in Examples 1 to 5 of Patent Document 8, by using the wheat bran-derived cellulose nanocrystals of the present invention instead of the cotton-derived cellulose nanocrystals, it is possible to produce nanocomposite fibers that are excellent in strength and elastic modulus, and also have excellent dyeability due to their high fiber transparency.
本発明のポリマー組成物は、上に示したキャスト成形によるシートやフィルム以外にも、ポリマーの成形に使用されている射出成形やブロー成形等の公知の成形手段を適用することができるので、上に示したシートやフィルムだけでなく、電化製品、通信機器、印刷機器、複写機等の筐体や自動車・船舶等の部品などの様々な成形品として、広範な分野で利用することが期待できる。
また、本発明の繊維は、国内でも容易に、かつ大量に入手できる小麦ふすまを原料として、軽量かつしなやかで、綿由来のナノセルロースを使用した繊維と同等以上の強度に優れた性能を示す上、透明度に優れているため染色性が良く、繊維材料として、衣料品やインテリアなどの家庭用だけでなく、様々な産業分野における用途にも利用することが期待できる。
The polymer composition of the present invention can be used to form sheets and films by cast molding as described above, as well as by known molding methods used in polymer molding, such as injection molding and blow molding. Therefore, the polymer composition of the present invention can be expected to be used in a wide range of fields, not only as the sheets and films described above, but also as various molded products such as housings for electrical appliances, communication devices, printing devices, copiers, etc., and parts for automobiles, ships, etc.
In addition, the fiber of the present invention is made from wheat bran, which is easily and abundantly available in Japan, and is lightweight and flexible, exhibiting excellent performance with strength equal to or greater than that of fibers made from cotton-derived nanocellulose. It also has excellent transparency and therefore good dyeability, and is expected to be used as a fiber material not only for household purposes such as clothing and interior decoration, but also for various industrial applications.
Claims (9)
小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの、透過型電子顕微鏡を用いて、加圧電圧80kV、無染色にて形態を観察して計測される平均径が2~100nm、平均長が100~2000nmであり、カルボキシ基が30~2000μmol/gであり、
小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを2.5~10質量%含有する、
ポリマー組成物。 A polymer composition containing wheat bran-derived cellulose nanocrystals ,
The wheat bran-derived cellulose nanocrystals have an average diameter of 2 to 100 nm, an average length of 100 to 2000 nm, and a carboxyl group content of 30 to 2000 μmol/g, as measured by observing the morphology of the nanocrystals without dyeing using a transmission electron microscope at a voltage of 80 kV.
Contains 2.5 to 10% by mass of cellulose nanocrystals derived from wheat bran.
Polymer composition .
(2)小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルとポリマーとを混合する工程、及び、
(3)得られた混合物を成形する工程、
を含む、
請求項3又は4に記載の成形品の製造方法。 (1) A step of preparing wheat bran-derived cellulose nanocrystals by subjecting wheat bran to sulfuric acid hydrolysis;
(2) mixing wheat bran-derived cellulose nanocrystals with a polymer; and
(3) molding the resulting mixture;
Including,
A method for producing the molded article according to claim 3 or 4 .
小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルの、透過型電子顕微鏡を用いて、加圧電圧80kV、無染色にて形態を観察して計測される平均径が2~100nm、平均長が100~2000nmであり、カルボキシ基が30~2000μmol/gであり、
小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルに加え、他のポリマーを含有し、
他のポリマーが、カニ甲殻からのキチン由来ナノセルロース、ホヤ由来ナノセルロース
、綿由来のナノセルロースから選ばれる1種以上である、
繊維。 A fiber comprising wheat bran-derived cellulose nanocrystals,
The wheat bran-derived cellulose nanocrystals have an average diameter of 2 to 100 nm, an average length of 100 to 2000 nm, and a carboxyl group content of 30 to 2000 μmol/g, as measured by observing the morphology of the nanocrystals without dyeing using a transmission electron microscope at a voltage of 80 kV.
Contains cellulose nanocrystals derived from wheat bran as well as other polymers.
Other polymers include nanocellulose derived from chitin from crab shells and nanocellulose derived from sea squirts.
, and one or more selected from cotton-derived nanocellulose;
fiber .
(2)小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを溶媒に分散する工程、及び、
(3)得られた混合物を紡糸する工程、
を含む、
請求項6に記載の繊維の製造方法。 (1) A step of preparing wheat bran-derived cellulose nanocrystals by subjecting wheat bran to sulfuric acid hydrolysis;
(2) Dispersing wheat bran-derived cellulose nanocrystals in a solvent; and
(3) spinning the resulting mixture;
Including,
A method for producing the fiber of claim 6 .
得られた紡糸ドープから繊維を成形する工程、
を含み、紡糸ドープは小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを1~10質量%含有する、請求項7に記載の製造方法。 A step of dispersing wheat bran-derived cellulose nanocrystals in a solvent to prepare a spinning dope; and a step of forming fibers from the obtained spinning dope.
The method according to claim 7 , wherein the spinning dope contains 1 to 10% by mass of wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
得られた紡糸ドープから繊維を成形する工程、
を含み、紡糸ドープは小麦ふすま由来セルロースナノクリスタルを1~10質量%含有する、請求項8に記載の製造方法。 A step of dispersing and mixing wheat bran-derived cellulose nanocrystals and a polymer in a solvent to prepare a spinning dope; and A step of forming fibers from the obtained spinning dope.
The method according to claim 8 , wherein the spinning dope contains 1 to 10% by mass of wheat bran-derived cellulose nanocrystals.
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