JP7748255B2 - Fibrous cellulose composite resin - Google Patents
Fibrous cellulose composite resinInfo
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Description
本発明は、繊維状セルロース複合樹脂に関するものである。 The present invention relates to a fibrous cellulose composite resin.
近年、セルロースナノファイバー、マイクロ繊維セルロース(ミクロフィブリル化セルロース)等の微細繊維は、樹脂の補強材としての使用が脚光を浴びている。もっとも、微細繊維が親水性であるのに対し、樹脂は疎水性であるため、微細繊維を樹脂の補強材として使用するには、微細繊維の分散性に問題があった。そこで、微細繊維のヒドロキシ基をカルバメート基で置換する(カルバメート化)方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この提案によると、微細繊維の分散性が向上し、もって樹脂の剛直性が高まることに起因して樹脂の曲げ弾性率等が向上する。もっとも、カルバメート化によって樹脂の曲げ弾性率等が高まるとしても、柔軟性に起因する耐衝撃性は高まらない。そこで、耐衝撃性の向上に効果があるとされる「α-オレフィンコポリマー」を樹脂に添加することが考えられる。しかしながら、本発明者等は、樹脂に対して微細繊維と共にα-オレフィンコポリマーを単純に添加するのみであると、樹脂の曲げ弾性率が低下することを知見した。 In recent years, fine fibers such as cellulose nanofibers and microfiber cellulose (microfibrillated cellulose) have been attracting attention for their use as resin reinforcing materials. However, because fine fibers are hydrophilic while resins are hydrophobic, using fine fibers as resin reinforcing materials poses problems with the dispersibility of the fine fibers. To address this issue, a method has been proposed in which the hydroxy groups of the fine fibers are replaced with carbamate groups (carbamation) (see, for example, Patent Document 1). This proposal improves the dispersibility of the fine fibers, thereby increasing the rigidity of the resin and improving the flexural modulus and other properties of the resin. However, even if carbamate conversion increases the flexural modulus and other properties of the resin, it does not improve the impact resistance due to its flexibility. Therefore, adding an "α-olefin copolymer," which is believed to be effective in improving impact resistance, to the resin has been considered. However, the inventors have discovered that simply adding an α-olefin copolymer to the resin along with the fine fibers reduces the flexural modulus of the resin.
発明が解決しようとする課題は、曲げ弾性率及び耐衝撃性に優れる繊維状セルロース複合樹脂を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide a fibrous cellulose composite resin that has excellent flexural modulus and impact resistance.
前述したように、当初、本発明者等は、樹脂に対して微細繊維と共にα-オレフィンコポリマーを添加することで、微細繊維による曲げ弾性率の向上効果と、α-オレフィンコポリマーによる耐衝撃性の向上効果とがともに得られるものと想定した。しかしながら、α-オレフィンコポリマーを添加すると耐衝撃性は向上するものの、曲げ弾性率が低下する結果となった。このような背景のもと、想到するに至った手段は次のとおりである。 As mentioned above, the inventors initially assumed that adding an α-olefin copolymer to a resin along with fine fibers would improve the flexural modulus due to the fine fibers and the impact resistance due to the α-olefin copolymer. However, while adding the α-olefin copolymer improved impact resistance, it resulted in a decrease in the flexural modulus. Based on this background, the inventors came up with the following solution.
(請求項1に記載の手段)
繊維状セルロース及び樹脂を含む繊維状セルロース複合樹脂であり、
α-オレフィンコポリマーを1質量%以上、20質量%以下の割合で含み、
前記繊維状セルロースは、ヒドロキシ基がカルバメート基で置換されたカルバメート変性微細繊維であり、
前記ヒドロキシ基に対する前記カルバメート基の置換度が0.05~0.5である、
ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 1)
A fibrous cellulose composite resin containing fibrous cellulose and a resin,
The composition contains an α-olefin copolymer in an amount of 1% by mass or more and 20% by mass or less,
the fibrous cellulose is a carbamate-modified fine fiber in which a hydroxy group is substituted with a carbamate group,
the degree of substitution of the carbamate group with the hydroxy group is 0.05 to 0.5;
A fibrous cellulose composite resin characterized by:
(請求項2に記載の手段)
前記微細繊維の平均繊維幅が8~25μm、かつ平均繊維長が0.1~1.00mmである、
請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 2)
The fine fibers have an average fiber width of 8 to 25 μm and an average fiber length of 0.1 to 1.00 mm.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1 .
(請求項3に記載の手段)
前記微細繊維のフィブリル化率が2~7%である、
請求項1又は請求項2に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 3)
The fibrillation rate of the fine fibers is 2 to 7%.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1 or 2.
(請求項4に記載の手段)
酸変性樹脂を含み、
前記カルバメート基の一部又は全部が前記酸変性樹脂の酸基とイオン結合している、
請求項1~3のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 4)
Contains acid-modified resin,
a part or all of the carbamate groups are ionically bonded to the acid groups of the acid-modified resin;
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 3.
(請求項5に記載の手段)
分散剤を含み、
前記酸変性樹脂の分子量が前記分散剤の分子量の2~2000倍である、
請求項4に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 5)
Contains a dispersant,
the molecular weight of the acid-modified resin is 2 to 2000 times the molecular weight of the dispersant;
The fibrous cellulose composite resin according to claim 4.
(請求項6に記載の手段)
前記微細繊維の結晶化度が50~95%である、
請求項1~5のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 6)
The crystallinity of the fine fibers is 50 to 95%.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 5.
(請求項7に記載の手段)
前記微細繊維のパルプ粘度が2cps以上である、
請求項1~6のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 7)
The pulp viscosity of the fine fibers is 2 cps or more.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 6.
(請求項8に記載の手段)
前記微細繊維のゼータ電位が-150~20mVである、
請求項1~7のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means described in claim 8)
The zeta potential of the fine fibers is −150 to 20 mV.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 7.
(請求項9に記載の手段)
前記微細繊維の保水度が80~400%である、
請求項1~8のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 9)
The water retention of the fine fibers is 80 to 400%.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 8.
本発明によると、曲げ弾性率及び耐衝撃性に優れる繊維状セルロース複合樹脂となる。 This invention results in a fibrous cellulose composite resin with excellent flexural modulus and impact resistance.
次に、発明を実施するための形態を説明する。なお、本実施の形態は本発明の一例である。本発明の範囲は、本実施の形態の範囲に限定されない。 Next, we will explain the form for implementing the invention. Note that this embodiment is an example of the present invention. The scope of the present invention is not limited to the scope of this embodiment.
本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、繊維状セルロース(以下、「セルロース繊維」ともいう。)及び樹脂を含む繊維状セルロース複合樹脂である。そして、この繊維状セルロース複合樹脂は、更にα-オレフィンコポリマーを所定の割合で含み、また、繊維状セルロースはヒドロキシ基(-OH基)がカルバメート基によって所定の置換度で置換されたカルバメート変性微細繊維である。前述したようにα-オレフィンコポリマーを含有すると耐衝撃性が向上するが、α-オレフィンコポリマーの含有量を多くすると曲げ弾性率が低下する。そこで、α-オレフィンコポリマーの含有量を所定の量以下に制限する必要があるが、α-オレフィンコポリマーの含有量を制限すると耐衝撃性が不十分なものとなる。しかるに、本形態にように微細繊維をカルバメート化すると、耐衝撃性が向上し、結果、α-オレフィンコポリマーの含有量制限による不利益が補完される。したがって、本形態によると、曲げ弾性率及び耐衝撃性の両者に優れる繊維状セルロース複合樹脂となる。なお、微細繊維の添加は曲げ弾性率の向上にも寄与するが、微細繊維の添加がカルバメート化するという手段によって耐衝撃性の向上にも寄与することに、本形態の大きな意義がある。以下、詳細に説明する。 The fibrous cellulose composite resin of this embodiment is a fibrous cellulose composite resin containing fibrous cellulose (hereinafter also referred to as "cellulose fiber") and a resin. This fibrous cellulose composite resin further contains a predetermined proportion of α-olefin copolymer, and the fibrous cellulose is carbamate-modified fine fibers in which hydroxy groups (-OH groups) are substituted with carbamate groups to a predetermined degree of substitution. As mentioned above, the inclusion of α-olefin copolymer improves impact resistance, but increasing the α-olefin copolymer content decreases the flexural modulus. Therefore, it is necessary to limit the α-olefin copolymer content to a predetermined amount or less, but limiting the α-olefin copolymer content results in insufficient impact resistance. However, carbamate-modifying the fine fibers as in this embodiment improves impact resistance, thereby compensating for the disadvantages of limiting the α-olefin copolymer content. Therefore, this embodiment results in a fibrous cellulose composite resin with excellent flexural modulus and impact resistance. The addition of fine fibers not only contributes to improving the flexural modulus, but the significant significance of this embodiment is that the addition of fine fibers also contributes to improving impact resistance by means of carbamate formation. This is explained in detail below.
(微細繊維)
本形態においては、繊維状セルロースの一部又は全部として微細繊維であるセルロースナノファイバーやマイクロ繊維セルロース(ミクロフィブリル化セルロース)を、好ましくはマイクロ繊維セルロースを使用する。マイクロ繊維セルロースを使用すると、樹脂の補強効果が著しく向上する。また、カルバメート化反応の後に未反応で残留している尿素等を除去する目的で行う洗浄工程において、洗浄する繊維がセルロースナノファイバーであると脱水性が非常に悪い。これに対し、マイクロ繊維セルロースは、同じく微細繊維であるセルロースナノファイバーよりもカルバメート基で変性する(カルバメート化)のが脱水性の観点で容易である。ただし、微細化する前のセルロース原料をカルバメート化するのがより好ましく、この場合においてはセルロース原料を洗浄することになるため、マイクロ繊維セルロース及びセルロースナノファイバーは同等である。
(Fine fibers)
In this embodiment, cellulose nanofibers or microfiber cellulose (microfibrillated cellulose), which are fine fibers, are used as part or all of the fibrous cellulose, preferably microfiber cellulose. The use of microfiber cellulose significantly improves the reinforcing effect of the resin. Furthermore, in the washing step performed to remove unreacted residual urea and the like after the carbamate reaction, if the fibers to be washed are cellulose nanofibers, the dehydration properties are very poor. In contrast, microfiber cellulose is easier to modify with carbamate groups (carbamation) than cellulose nanofibers, which are also fine fibers, from the standpoint of dehydration. However, it is more preferable to carbamate the cellulose raw material before pulverization, and in this case, the cellulose raw material is washed, so microfiber cellulose and cellulose nanofiber are equivalent.
本形態において、マイクロ繊維セルロースは、セルロースナノファイバーよりも平均繊維径(幅)の太い繊維を意味する。具体的には、例えば0.1~28μm、好ましくは8~25μm、より好ましくは9~20μm、特に好ましくは10~19μmである。マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が0.1μmを下回ると(未満になると)、セルロースナノファイバーであるのと変わらなくなり、樹脂の強度(特に曲げ弾性率)向上効果が十分に得られないおそれがある。また、解繊時間が長くなり、大きなエネルギーが必要になる。さらに、セルロース繊維スラリーの脱水性が悪化する。脱水性が悪化すると、乾燥に大きなエネルギーが必要になり、乾燥に大きなエネルギーをかけるとマイクロ繊維セルロースが熱劣化して、強度が低下するおそれがある。さらに、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が8μmを下回ると、α-オレフィンコポリマーを使用する本形態においては、樹脂の強度(特に曲げ弾性率)向上効果が十分に得られないおそれがある。これは、α-オレフィンコポリマー及び他の樹脂は完全には相溶せず2相に分かれた海島状態になる場合があるが、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が8μm未満であるとα-オレフィンコポリマー及び他の樹脂のいずれか一方のみとしか相互作用を示さず、結果、複合樹脂全体としての補強強度が向上しないためと考えられる。 In this embodiment, microfiber cellulose refers to fibers with a larger average fiber diameter (width) than cellulose nanofibers. Specifically, it is, for example, 0.1 to 28 μm, preferably 8 to 25 μm, more preferably 9 to 20 μm, and particularly preferably 10 to 19 μm. When the average fiber diameter of microfiber cellulose is less than 0.1 μm, it becomes no different from cellulose nanofibers, and the effect of improving the strength (particularly the flexural modulus) of the resin may not be fully achieved. Furthermore, the defibration time increases, requiring a large amount of energy. Furthermore, the dewaterability of the cellulose fiber slurry deteriorates. When dewaterability deteriorates, a large amount of energy is required for drying, and applying a large amount of energy to dry the microfiber cellulose may thermally deteriorate it, resulting in a decrease in strength. Furthermore, when the average fiber diameter of microfiber cellulose is less than 8 μm, in this embodiment using an α-olefin copolymer, the effect of improving the strength (particularly the flexural modulus) of the resin may not be fully achieved. This is thought to be because α-olefin copolymers and other resins are not completely compatible and may form two separate phases in an island-sea state. However, when the average fiber diameter of microfiber cellulose is less than 8 μm, it only interacts with either the α-olefin copolymer or the other resin, resulting in no improvement in the reinforcing strength of the composite resin as a whole.
他方、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が28μmを上回ると(超えると)、繊維本数が少なくなるため、繊維同士が相互作用せず、補強効果が十分でなくなるおそれがある。また、マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅が25μmを上回ると、衝撃が加わった際に、繊維自体が異物等と同様に損壊起点となってしまい、当該起点から破損、損壊等が広がり、耐衝撃性が低下するおそれがある。 On the other hand, if the average fiber diameter of the microfiber cellulose exceeds 28 μm, the number of fibers will be reduced, which may result in a lack of interaction between the fibers and insufficient reinforcing effect. Furthermore, if the average fiber width of the microfiber cellulose exceeds 25 μm, the fibers themselves may become the starting point of damage when an impact is applied, just like foreign matter, and breakage or damage may spread from this starting point, resulting in a decrease in impact resistance.
マイクロ繊維セルロースの平均繊維径の測定方法は、次のとおりである。
まず、固形分濃度0.01~0.1質量%の微細繊維(マイクロ繊維セルロース)の水分散液100mlをテフロン(登録商標)製メンブレンフィルターでろ過し、エタノール100mlで1回、t-ブタノール20mlで3回溶媒置換する。次に、凍結乾燥し、オスミウムコーティングして試料とする。この試料について、構成する繊維の幅に応じて3,000倍~30,000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡SEM画像による観察を行う。具体的には、観察画像に二本の対角線を引き、対角線の交点を通過する直線を任意に三本引く。さらに、この三本の直線と交錯する合計100本の繊維の幅を目視で計測する。そして、計測値の中位径を平均繊維径とする。
The average fiber diameter of the microfiber cellulose is measured as follows.
First, 100 ml of an aqueous dispersion of fine fibers (microfiber cellulose) with a solid content of 0.01 to 0.1% by mass is filtered through a Teflon (registered trademark) membrane filter, and the solvent is replaced once with 100 ml of ethanol and three times with 20 ml of t-butanol. The sample is then freeze-dried and osmium-coated to obtain a sample. This sample is then observed using an SEM electron microscope at a magnification of 3,000x to 30,000x depending on the width of the fibers constituting it. Specifically, two diagonal lines are drawn on the observed image, and three straight lines passing through the intersections of the diagonal lines are arbitrarily drawn. Furthermore, the widths of a total of 100 fibers intersecting with these three straight lines are visually measured. The median diameter of the measured values is then taken as the average fiber diameter.
マイクロ繊維セルロースは、セルロース原料(以下、「原料パルプ」ともいう。)を解繊(微細化)することで得ることができる。原料パルプとしては、例えば、広葉樹、針葉樹等を原料とする木材パルプ、ワラ・バガス・綿・麻・じん皮繊維等を原料とする非木材パルプ、回収古紙、損紙等を原料とする古紙パルプ(DIP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。なお、以上の各種原料は、例えば、セルロース系パウダーなどと言われる粉砕物(粉状物)の状態等であってもよい。 Microfiber cellulose can be obtained by defibrating (refining) cellulose raw materials (hereinafter also referred to as "raw material pulp"). The raw material pulp can be one or more selected from the following: wood pulp made from hardwoods, softwoods, etc.; non-wood pulp made from straw, bagasse, cotton, hemp, bast fibers, etc.; and recycled paper pulp (DIP) made from recycled waste paper, broke, etc. The above-mentioned raw materials may also be in a pulverized (powdered) state, such as cellulose-based powder.
ただし、不純物の混入を可及的に避けるために、原料パルプとしては、木材パルプを使用するのが好ましい。木材パルプとしては、例えば、広葉樹クラフトパルプ(LKP)、針葉樹クラフトパルプ(NKP)等の化学パルプ、機械パルプ(TMP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 However, in order to minimize the inclusion of impurities, it is preferable to use wood pulp as the raw material pulp. As wood pulp, for example, one or more types can be selected from chemical pulps such as hardwood kraft pulp (LKP) and softwood kraft pulp (NKP), and mechanical pulp (TMP), etc.
広葉樹クラフトパルプは、広葉樹晒クラフトパルプであっても、広葉樹未晒クラフトパルプであっても、広葉樹半晒クラフトパルプであってもよい。同様に、針葉樹クラフトパルプは、針葉樹晒クラフトパルプであっても、針葉樹未晒クラフトパルプであっても、針葉樹半晒クラフトパルプであってもよい。 Hardwood kraft pulp may be bleached hardwood kraft pulp, unbleached hardwood kraft pulp, or semi-bleached hardwood kraft pulp. Similarly, softwood kraft pulp may be bleached softwood kraft pulp, unbleached softwood kraft pulp, or semi-bleached softwood kraft pulp.
機械パルプとしては、例えば、ストーングランドパルプ(SGP)、加圧ストーングランドパルプ(PGW)、リファイナーグランドパルプ(RGP)、ケミグランドパルプ(CGP)、サーモグランドパルプ(TGP)、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)、リファイナーメカニカルパルプ(RMP)、漂白サーモメカニカルパルプ(BTMP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As mechanical pulp, one or more types can be selected and used from, for example, stone ground pulp (SGP), pressed stone ground pulp (PGW), refiner ground pulp (RGP), chemi-ground pulp (CGP), thermo-ground pulp (TGP), ground pulp (GP), thermo-mechanical pulp (TMP), chemi-thermomechanical pulp (CTMP), refiner mechanical pulp (RMP), bleached thermo-mechanical pulp (BTMP), etc.
原料パルプは、解繊する(なお、この解繊は、好ましくはカルバメート化よりも後段で行う。)に先立って化学的手法によって前処理することができる。化学的手法による前処理としては、例えば、酸による多糖の加水分解(酸処理)、酵素による多糖の加水分解(酵素処理)、アルカリによる多糖の膨潤(アルカリ処理)、酸化剤による多糖の酸化(酸化処理)、還元剤による多糖の還元(還元処理)等を例示することができる。ただし、化学的手法による前処理としては、酵素処理を施すのが好ましく、加えて酸処理、アルカリ処理、及び酸化処理の中から選択された1又は2以上の処理を施すのがより好ましい。以下、酵素処理について詳細に説明する。 The raw pulp can be pretreated by a chemical method prior to defibration (this defibration is preferably carried out after the carbamate conversion). Examples of chemical pretreatments include hydrolysis of polysaccharides with acid (acid treatment), hydrolysis of polysaccharides with enzymes (enzyme treatment), swelling of polysaccharides with alkali (alkali treatment), oxidation of polysaccharides with an oxidizing agent (oxidation treatment), and reduction of polysaccharides with a reducing agent (reduction treatment). However, as a chemical pretreatment, enzyme treatment is preferred, and it is even more preferred to additionally carry out one or more treatments selected from acid treatment, alkali treatment, and oxidation treatment. Enzyme treatment is described in detail below.
酵素処理に使用する酵素としては、セルラーゼ系酵素及びヘミセルラーゼ系酵素の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましく、両方を併用するのがより好ましい。これらの酵素を使用すると、セルロース原料の解繊がより容易になる。なお、セルラーゼ系酵素は、水共存下でセルロースの分解を惹き起こす。また、ヘミセルラーゼ系酵素は、水共存下でヘミセルロースの分解を惹き起こす。 The enzymes used in the enzymatic treatment are preferably cellulase enzymes or hemicellulase enzymes, and more preferably both. The use of these enzymes makes it easier to defibrate the cellulose raw material. Cellulose enzymes decompose cellulose in the presence of water. Hemicellulase enzymes decompose hemicellulose in the presence of water.
セルラーゼ系酵素としては、例えば、トリコデルマ(Trichoderma、糸状菌)属、アクレモニウム(Acremonium、糸状菌)属、アスペルギルス(Aspergillus、糸状菌)属、ファネロケエテ(Phanerochaete、担子菌)属、トラメテス(Trametes、担子菌)属、フーミコラ(Humicola、糸状菌)属、バチルス(Bacillus、細菌)属、スエヒロタケ(Schizophyllum、担子菌)属、ストレプトミセス(Streptomyces、細菌)属、シュードモナス(Pseudomonas、細菌)属などが産生する酵素を使用することができる。これらのセルラーゼ系酵素は、試薬や市販品として購入可能である。市販品としては、例えば、セルロイシンT2(エイチピィアイ社製)、メイセラ-ゼ(明治製菓社製)、ノボザイム188(ノボザイム社製)、マルティフェクトCX10L(ジェネンコア社製)、セルラーゼ系酵素GC220(ジェネンコア社製)等を例示することができる。 Cellulase enzymes that can be used include those produced by species of the Trichoderma (filamentous fungi), Acremonium (filamentous fungi), Aspergillus (filamentous fungi), Phanerochaete (basidiomycetes), Trametes (basidiomycetes), Humicola (filamentous fungi), Bacillus (bacteria), Schizophyllum (basidiomycetes), Streptomyces (bacteria), and Pseudomonas (bacteria). These cellulase enzymes are available commercially as reagents or reagent products. Examples of commercially available products include Celluleucin T2 (manufactured by HPI Corporation), Meicelase (manufactured by Meiji Seika Kaisha), Novozym 188 (manufactured by Novozym), Multifect CX10L (manufactured by Genencor), and cellulase enzyme GC220 (manufactured by Genencor).
また、セルラーゼ系酵素としては、EG(エンドグルカナーゼ)及びCBH(セロビオハイドロラーゼ)のいずれかもを使用することもできる。EG及びCBHは、それぞれを単体で使用しても、混合して使用してもよい。また、ヘミセルラーゼ系酵素と混合して使用してもよい。 Also, as the cellulase enzyme, either EG (endoglucanase) or CBH (cellobiohydrolase) can be used. EG and CBH can be used alone or in combination. They can also be used in combination with a hemicellulase enzyme.
ヘミセルラーゼ系酵素としては、例えば、キシランを分解する酵素であるキシラナーゼ(xylanase)、マンナンを分解する酵素であるマンナーゼ(mannase)、アラバンを分解する酵素であるアラバナーゼ(arabanase)等を使用することができる。また、ペクチンを分解する酵素であるペクチナーゼも使用することができる。 Hemicellulase enzymes that can be used include, for example, xylanase, an enzyme that breaks down xylan, mannase, an enzyme that breaks down mannan, and arabanase, an enzyme that breaks down araban. Pectinase, an enzyme that breaks down pectin, can also be used.
ヘミセルロースは、植物細胞壁のセルロースミクロフィブリル間にあるペクチン類を除いた多糖類である。ヘミセルロースは多種多様で木材の種類や細胞壁の壁層間でも異なる。針葉樹の2次壁では、グルコマンナンが主成分であり、広葉樹の2次壁では4-O-メチルグルクロノキシランが主成分である。そこで、針葉樹晒クラフトパルプ(NBKP)から微細繊維を得る場合は、マンナーゼを使用するのが好ましい。また、広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)から微細繊維を得る場合は、キシラナーゼを使用するのが好ましい。 Hemicellulose is a polysaccharide excluding pectins found between the cellulose microfibrils in plant cell walls. Hemicellulose is diverse and differs depending on the type of wood and the wall layers of the cell wall. Glucomannan is the main component in the secondary walls of softwoods, while 4-O-methylglucuronoxylan is the main component in the secondary walls of hardwoods. Therefore, when obtaining fine fibers from softwood bleached kraft pulp (NBKP), it is preferable to use mannase. Furthermore, when obtaining fine fibers from hardwood bleached kraft pulp (LBKP), it is preferable to use xylanase.
セルロース繊維に対する酵素の添加量は、例えば、酵素の種類、原料となる木材の種類(針葉樹か広葉樹か)、機械パルプの種類等によって決まる。ただし、セルロース繊維に対する酵素の添加量は、好ましくは0.1~3質量%、より好ましくは0.3~2.5質量%、特に好ましくは0.5~2質量%である。酵素の添加量が0.1質量%を下回ると、酵素の添加による効果が十分に得られないおそれがある。他方、酵素の添加量が3質量%を上回ると、セルロースが糖化され、微細繊維の収率が低下するおそれがある。また、添加量の増量に見合う効果の向上を認めることができないとの問題もある。 The amount of enzyme added to cellulose fibers is determined by, for example, the type of enzyme, the type of wood used as raw material (coniferous or broadleaf), the type of mechanical pulp, etc. However, the amount of enzyme added to cellulose fibers is preferably 0.1 to 3 mass%, more preferably 0.3 to 2.5 mass%, and particularly preferably 0.5 to 2 mass%. If the amount of enzyme added is less than 0.1 mass%, the effect of adding the enzyme may not be fully achieved. On the other hand, if the amount of enzyme added is more than 3 mass%, the cellulose may be saccharified, resulting in a decrease in the yield of fine fibers. There is also the problem that the improvement in effect may not be commensurate with the increase in the amount added.
酵素としてセルラーゼ系酵素を使用する場合、酵素処理時のpHは、酵素反応の反応性の観点から、弱酸性領域(pH=3.0~6.9)であるのが好ましい。他方、酵素としてヘミセルラーゼ系酵素を使用する場合、酵素処理時のpHは、弱アルカリ性領域(pH=7.1~10.0)であるのが好ましい。 When using a cellulase enzyme as the enzyme, the pH during enzymatic treatment is preferably in the weak acidic range (pH = 3.0 to 6.9) from the perspective of the reactivity of the enzymatic reaction. On the other hand, when using a hemicellulase enzyme as the enzyme, the pH during enzymatic treatment is preferably in the weak alkaline range (pH = 7.1 to 10.0).
酵素処理時の温度は、酵素としてセルラーゼ系酵素及びヘミセルラーゼ系酵素のいずれを使用する場合においても、好ましくは30~70℃、より好ましくは35~65℃、特に好ましくは40~60℃である。酵素処理時の温度が30℃以上であれば、酵素活性が低下し難くなり、処理時間の長期化を防止することができる。他方、酵素処理時の温度が70℃以下であれば、酵素の失活を防止することができる。 Whether a cellulase enzyme or a hemicellulase enzyme is used, the temperature during enzyme treatment is preferably 30 to 70°C, more preferably 35 to 65°C, and particularly preferably 40 to 60°C. If the temperature during enzyme treatment is 30°C or higher, enzyme activity is less likely to decrease, and prolonged treatment time can be prevented. On the other hand, if the temperature during enzyme treatment is 70°C or lower, enzyme inactivation can be prevented.
酵素処理の時間は、例えば、酵素の種類、酵素処理の温度、酵素処理時のpH等によって決まる。ただし、一般的な酵素処理の時間は、0.5~24時間である。 The enzyme treatment time depends on factors such as the type of enzyme, the temperature of the enzyme treatment, and the pH during the enzyme treatment. However, the typical enzyme treatment time is 0.5 to 24 hours.
酵素処理した後には、酵素を失活させるのが好ましい。酵素を失活させる方法としては、例えば、アルカリ水溶液(好ましくはpH10以上、より好ましくはpH11以上)を添加する方法、80~100℃の熱水を添加する方法等が存在する。 After enzymatic treatment, it is preferable to inactivate the enzyme. Methods for inactivating the enzyme include, for example, adding an alkaline aqueous solution (preferably pH 10 or higher, more preferably pH 11 or higher) or adding hot water at 80 to 100°C.
次に、アルカリ処理の方法について説明する。
解繊に先立ってアルカリ処理すると、セルロース繊維が持つヘミセルロースやセルロースの水酸基が一部解離し、分子がアニオン化することで分子内及び分子間水素結合が弱まり、解繊におけるセルロース原料の分散が促進される。
Next, the alkali treatment method will be described.
When cellulose fibers are treated with alkali prior to defibration, some of the hydroxyl groups in the hemicellulose and cellulose contained in the fibers are dissociated, and the molecules become anionic, weakening the intramolecular and intermolecular hydrogen bonds, which promotes the dispersion of the cellulose raw material during defibration.
アルカリ処理に使用するアルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、アンモニア水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等の有機アルカリ等を使用することができる。ただし、製造コストの観点からは、水酸化ナトリウムを使用するのが好ましい。 The alkali used in the alkaline treatment can be, for example, sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, aqueous ammonia, or organic alkalis such as tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, and benzyltrimethylammonium hydroxide. However, from the perspective of production costs, it is preferable to use sodium hydroxide.
解繊に先立って酵素処理や酸処理、酸化処理を施すと、セルロース繊維の保水度を低く、結晶化度を高くすることができ、かつ均質性を高くすることができる。この点、セルロース繊維の保水度が低いと脱水し易くなり、セルロース繊維スラリーの脱水性が向上する。 By subjecting cellulose fibers to enzyme, acid, or oxidation treatment prior to defibration, it is possible to reduce the water retention of the fibers, increase their crystallinity, and improve their homogeneity. In this regard, cellulose fibers with low water retention are easier to dehydrate, improving the dewaterability of the cellulose fiber slurry.
セルロース繊維を酵素処理や酸処理、酸化処理すると、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの非晶領域が分解される。結果、解繊のエネルギーを低減することができ、セルロース繊維の均一性や分散性を向上することができる。ただし、前処理は、マイクロ繊維セルロースのアスペクト比を低下させるため、過度の前処理を避けるのが好ましい。 When cellulose fibers are treated with enzymes, acids, or oxidation, the hemicellulose and amorphous regions of cellulose in the pulp are broken down. As a result, the energy required for defibration can be reduced, and the uniformity and dispersibility of the cellulose fibers can be improved. However, since pretreatment reduces the aspect ratio of microfiber cellulose, excessive pretreatment is preferably avoided.
セルロース繊維の解繊は、例えば、ビーター、高圧ホモジナイザー、高圧均質化装置等のホモジナイザー、グラインダー、摩砕機等の石臼式摩擦機、単軸混練機、多軸混練機、ニーダーリファイナー、ジェットミル等を使用して原料パルプを叩解することによって行うことができる。ただし、リファイナーやジェットミルを使用して行うのが好ましい。 Cellulose fibers can be defibrated by beating the raw pulp using, for example, a homogenizer such as a beater, high-pressure homogenizer, or high-pressure homogenizer, a grinder, a millstone-type friction machine such as a grinder, a single-shaft kneader, a multi-shaft kneader, a kneader refiner, or a jet mill. However, it is preferable to use a refiner or jet mill.
マイクロ繊維セルロースの平均繊維長(単繊維の長さの平均)は、例えば0.1~1.00mm、好ましくは0.15~0.9mm、より好ましくは0.20~0.8mmである。平均繊維長が0.1mmを下回ると、繊維補強効果が不足し、α-オレフィンコポリマーによる柔軟性付与の効果が大きく発現し、樹脂の補強効果が低下するおそれがある。また、平均繊維長が0.15mmを下回ると、前述した平均繊維径が8μmを下回る場合と同様の問題が生じる可能性がある。 The average fiber length of microfiber cellulose (average length of single fibers) is, for example, 0.1 to 1.00 mm, preferably 0.15 to 0.9 mm, and more preferably 0.20 to 0.8 mm. If the average fiber length is less than 0.1 mm, the fiber reinforcing effect may be insufficient, and the flexibility-imparting effect of the α-olefin copolymer may be significantly enhanced, resulting in a reduced reinforcing effect of the resin. Furthermore, if the average fiber length is less than 0.15 mm, the same problems as those described above when the average fiber diameter is less than 8 μm may occur.
他方、平均繊維長が1.00mmを上回ると、原料パルプと変わらない長さのため補強効果が不十分となるおそれがある。また、平均繊維長が1.00mmを上回ると、前述した平均繊維径が25μmを上回る場合と同様の問題が生じる可能性がある。 On the other hand, if the average fiber length exceeds 1.00 mm, the reinforcing effect may be insufficient because the length is the same as that of the raw material pulp. Furthermore, if the average fiber length exceeds 1.00 mm, the same problems as those described above when the average fiber diameter exceeds 25 μm may occur.
マイクロ繊維セルロースの平均繊維長は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整可能である。 The average fiber length of microfiber cellulose can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-processing, defibrating, etc.
マイクロ繊維セルロースの繊維長は、0.2mm以下の割合(Fine率)が、好ましくは20%以上、より好ましくは40%以上、特に好ましくは60%以上である。当該割合が20%を下回ると、樹脂の補強効果が十分に得られない可能性がある。他方、マイクロ繊維セルロースの繊維長は、0.2mm以下の割合の上限がなく、全てが0.2mm以下であっても良い。 The proportion of microfiber cellulose fibers with a length of 0.2 mm or less (fine ratio) is preferably 20% or more, more preferably 40% or more, and particularly preferably 60% or more. If this ratio is below 20%, the reinforcing effect of the resin may not be fully achieved. On the other hand, there is no upper limit to the proportion of microfiber cellulose fibers with a length of 0.2 mm or less, and all fibers may be 0.2 mm or less.
マイクロ繊維セルロースのアスペクト比は、好ましくは2~15,000、より好ましくは10~10,000である。アスペクト比が2を下回ると、三次元ネットワークを構築できないため補強効果が不十分となるおそれがある。他方、アスペクト比が15,000を上回ると、マイクロ繊維セルロース同士の絡み合いが高くなり、樹脂中での分散が不十分となるおそれがある。 The aspect ratio of the microfiber cellulose is preferably 2 to 15,000, more preferably 10 to 10,000. If the aspect ratio is below 2, a three-dimensional network cannot be formed, which may result in insufficient reinforcing effect. On the other hand, if the aspect ratio exceeds 15,000, the microfiber cellulose may become highly entangled, resulting in insufficient dispersion in the resin.
マイクロ繊維セルロースのフィブリル化率は、例えば1.0~30.0%、好ましくは2~7%、より好ましくは2~6%、特に好ましくは3~5%である。フィブリル化率が30.0%を上回ると、水との接触面積が広くなり過ぎるため、たとえ平均繊維幅が0.1μm以上に留まる範囲で解繊できたとしても、脱水が困難になる可能性がある。また、フィブリル化率が7%を上回ると、混練過程で繊維同士が纏まってしまい、外部から衝撃が加わった際に繊維の纏まり部分が異物のようにきっかけとなってそこから破断し、曲げ物性や耐衝撃性が低下するおそれがある。 The fibrillation rate of microfiber cellulose is, for example, 1.0 to 30.0%, preferably 2 to 7%, more preferably 2 to 6%, and particularly preferably 3 to 5%. If the fibrillation rate exceeds 30.0%, the contact area with water becomes too large, which may make dehydration difficult even if the fibers are defibrated to an average fiber width of 0.1 μm or more. Furthermore, if the fibrillation rate exceeds 7%, the fibers may clump together during the kneading process, and when an external impact is applied, the clumped fibers may act like a foreign object and break from that point, which may result in reduced bending properties and impact resistance.
他方、フィブリル化率が1.0%下回ると、フィブリル同士の水素結合が少なく、強硬な三次元ネットワークを形成することができなくなるおそれがある。また、フィブリル化率が2%を下回ると、樹脂と接触する部位が減ることで界面接着性が低下し、耐衝撃性が低下するおそれがある。 On the other hand, if the fibrillation rate is below 1.0%, there will be fewer hydrogen bonds between the fibrils, and it may not be possible to form a strong three-dimensional network. Furthermore, if the fibrillation rate is below 2%, the number of areas in contact with the resin will decrease, which may result in reduced interfacial adhesion and reduced impact resistance.
セルロース繊維の繊維長やフィブリル化率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定する。 The fiber length and fibrillation rate of cellulose fibers are measured using a Valmet FS5 fiber analyzer.
マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、好ましくは50%以上、より好ましくは55%以上、特に好ましくは60%以上である。結晶化度が50%を下回ると、パルプやセルロースナノファイバーとの混合性は向上するものの、繊維自体の強度が低下するため、樹脂の強度を向上することができなくなるおそれがある。他方、マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、好ましくは95%以下、より好ましくは90%以下、特に好ましくは85%以下である。結晶化度が95%を上回ると、分子内の強固な水素結合割合が多くなり、繊維自体が剛直となり、耐衝撃性が劣るようになる。 The crystallinity of the microfiber cellulose is preferably 50% or more, more preferably 55% or more, and particularly preferably 60% or more. If the crystallinity is below 50%, although mixability with pulp and cellulose nanofibers will improve, the strength of the fiber itself will decrease, and there is a risk that the strength of the resin will not be improved. On the other hand, the crystallinity of the microfiber cellulose is preferably 95% or less, more preferably 90% or less, and particularly preferably 85% or less. If the crystallinity is above 95%, the proportion of strong hydrogen bonds within the molecule will increase, making the fiber itself rigid and resulting in poor impact resistance.
マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、微細化処理で任意に調整可能である。 The crystallinity of microfiber cellulose can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, and refining it.
マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、JIS K 0131(1996)に準拠して測定した値である。 The crystallinity of microfiber cellulose is measured in accordance with JIS K 0131 (1996).
マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度は、好ましくは2cps以上、より好ましくは4cps以上である。マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度が2cpsを下回ると、マイクロ繊維セルロースの凝集を抑制するのが困難になるおそれがある。セルロース繊維の凝集が耐衝撃性の向上にとって好ましくないのは、前述したとおりである。 The pulp viscosity of the microfiber cellulose is preferably 2 cps or more, more preferably 4 cps or more. If the pulp viscosity of the microfiber cellulose is below 2 cps, it may be difficult to suppress the aggregation of the microfiber cellulose. As mentioned above, aggregation of cellulose fibers is undesirable for improving impact resistance.
マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度は、TAPPI T 230に準拠して測定した値である。 The pulp viscosity of microfiber cellulose is measured in accordance with TAPPI T 230.
マイクロ繊維セルロースのフリーネスは、好ましくは500ml以下、より好ましくは300ml以下、特に好ましくは100ml以下である。マイクロ繊維セルロースのフリーネスが500mlを上回ると、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が10μmを超え、樹脂の強度向上効果が十分に得られなくなるおそれがある。 The freeness of the microfiber cellulose is preferably 500 ml or less, more preferably 300 ml or less, and particularly preferably 100 ml or less. If the freeness of the microfiber cellulose exceeds 500 ml, the average fiber diameter of the microfiber cellulose will exceed 10 μm, which may result in the resin not being able to fully improve its strength.
マイクロ繊維セルロースのフリーネスは、JIS P8121-2(2012)に準拠して測定した値である。 The freeness of microfiber cellulose is measured in accordance with JIS P8121-2 (2012).
マイクロ繊維セルロースのゼータ電位は、好ましくは-150~20mV、より好ましくは-100~0mV、特に好ましくは-80~-10mVである。ゼータ電位が-150mVを下回ると、樹脂との相溶性が著しく低下し補強効果が不十分となるおそれがある。他方、ゼータ電位が20mVを上回ると、分散安定性が低下するおそれがある。 The zeta potential of the microfibrous cellulose is preferably -150 to 20 mV, more preferably -100 to 0 mV, and particularly preferably -80 to -10 mV. If the zeta potential is below -150 mV, compatibility with the resin may be significantly reduced, resulting in insufficient reinforcing effect. On the other hand, if the zeta potential is above 20 mV, dispersion stability may be reduced.
マイクロ繊維セルロースの保水度は、好ましくは80~400%、より好ましくは90~350%、特に好ましくは100~300%である。保水度が80%を下回ると、原料パルプと変わらないため補強効果が不十分となるおそれがある。他方、保水度が400%を上回ると、脱水性が劣る傾向にあり、また、凝集し易くなる。この点、マイクロ繊維セルロースの保水度は、当該繊維のヒドロキシ基がカルバメート基に置換されていることで、より低くすることができ、脱水性や乾燥性を高めることができる。 The water retention of microfiber cellulose is preferably 80 to 400%, more preferably 90 to 350%, and especially preferably 100 to 300%. If the water retention is below 80%, it will be no different from the raw material pulp, and the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, if the water retention is above 400%, dewatering tends to be poor and the material is more susceptible to aggregation. In this regard, the water retention of microfiber cellulose can be further reduced by substituting the hydroxy groups of the fiber with carbamate groups, thereby improving dewatering and drying properties.
マイクロ繊維セルロースの保水度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整可能である。 The water retention capacity of microfiber cellulose can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-processing, and defibrating it.
マイクロ繊維セルロースの保水度は、JAPAN TAPPI No.26(2000)に準拠して測定した値である。 The water retention of microfiber cellulose was measured in accordance with JAPAN TAPPI No. 26 (2000).
マイクロ繊維セルロースのα-セルロース含有率は、好ましくは80~93%、より好ましくは83~91%、特に好ましくは85~90%である。α-セルロース含有率が80%未満では、マイクロ繊維セルロースの繊維以外の成分が多すぎるため、複合樹脂とした場合に着色やにおい発生の要因となり、耐衝撃強度や曲げ弾性率が所望の数値を満たしていても用途に大きな制限が生じる可能性がある。他方、α-セルロース含有率が93%を超えると、α-オレフィンコポリマーや他の樹脂との相溶性が不足し、α-オレフィンコポリマーの持つ柔軟性がうまく発揮されず、耐衝撃強度が低下し、曲げ弾性率及び耐衝撃強度を両立できなくなる可能性がある。 The α-cellulose content of the microfiber cellulose is preferably 80 to 93%, more preferably 83 to 91%, and particularly preferably 85 to 90%. If the α-cellulose content is less than 80%, the microfiber cellulose will contain too many components other than the fibers, which can cause discoloration and odor when used in a composite resin, potentially limiting its applications even if the desired impact strength and flexural modulus are met. On the other hand, if the α-cellulose content exceeds 93%, compatibility with α-olefin copolymers and other resins will be insufficient, the flexibility of the α-olefin copolymer will not be fully exhibited, impact strength will decrease, and it may become impossible to achieve both flexural modulus and impact strength.
α-セルロース含有率は、例えば、セルロース原料をカルバメート処理し、洗浄することでセルロース原料中の不要な成分を除去し、もって所望の値に調製することができる。 The α-cellulose content can be adjusted to the desired value, for example, by treating the cellulose raw material with carbamate and washing it to remove unnecessary components from the cellulose raw material.
セルロース繊維中におけるマイクロ繊維セルロースの含有率は、好ましくは60~100質量%、より好ましくは70~99質量%、特に好ましくは80~98質量%である。マイクロ繊維セルロースの含有率が60質量%を下回ると、十分な補強効果が得られないおそれがある。また、マイクロ繊維セルロースの含有率が60質量%を下回ると、相対的にパルプやセルロースナノファイバーの含有率が増えることになり、マイクロ繊維セルロースを含有することによる効果が得られないおそれがある。 The content of microfiber cellulose in the cellulose fibers is preferably 60 to 100% by mass, more preferably 70 to 99% by mass, and particularly preferably 80 to 98% by mass. If the microfiber cellulose content is less than 60% by mass, a sufficient reinforcing effect may not be obtained. Furthermore, if the microfiber cellulose content is less than 60% by mass, the pulp and cellulose nanofiber content will increase relatively, and the benefits of including microfiber cellulose may not be obtained.
マイクロ繊維セルロースは、例えば、後述する方法によって、カルバメート基を有するものとする。つまり、マイクロ繊維セルロースにカルバメート(カルバミン酸のエステル)が導入された状態にする。カルバメート基は、-O-CO-NH-で表される基であり、例えば、-O-CO-NH2、-O-CONHR、-O-CO-NR2等で表わされる基である。つまり、カルバメート基は、下記の構造式(1)で示すことができる。 The microfibrous cellulose is provided with a carbamate group, for example, by the method described below. That is, a carbamate (an ester of carbamic acid) is introduced into the microfibrous cellulose. The carbamate group is a group represented by -O-CO-NH-, such as -O-CO-NH 2 , -O-CONHR, or -O-CO-NR 2. That is, the carbamate group can be represented by the following structural formula (1):
ここでnは1以上の整数を表す。Rは、それぞれ独立して、飽和直鎖状炭化水素基、飽和分岐鎖状炭化水素基、飽和環状炭化水素基、不飽和直鎖状炭化水素基、不飽和分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、及びこれらの誘導基の少なくともいずれかである。 Here, n represents an integer of 1 or greater. Each R is independently at least one of a saturated linear hydrocarbon group, a saturated branched hydrocarbon group, a saturated cyclic hydrocarbon group, an unsaturated linear hydrocarbon group, an unsaturated branched hydrocarbon group, an aromatic group, and derivatives thereof.
飽和直鎖状炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1~10の直鎖状のアルキル基を挙げることができる。 Examples of saturated linear hydrocarbon groups include linear alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, such as methyl, ethyl, and propyl groups.
飽和分岐鎖状炭化水素基としては、例えば、イソプロピル基、sec-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基等の炭素数3~10の分岐鎖状アルキル基を挙げることができる。 Examples of saturated branched hydrocarbon groups include branched alkyl groups having 3 to 10 carbon atoms, such as isopropyl, sec-butyl, isobutyl, and tert-butyl groups.
飽和環状炭化水素基としては、例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基等のシクロアルキル基を挙げることができる。 Examples of saturated cyclic hydrocarbon groups include cycloalkyl groups such as cyclopentyl, cyclohexyl, and norbornyl.
不飽和直鎖状炭化水素基としては、例えば、エテニル基、プロペン-1-イル基、プロペン-3-イル基等の炭素数2~10の直鎖状のアルケニル基、エチニル基、プロピン-1-イル基、プロピン-3-イル基等の炭素数2~10の直鎖状のアルキニル基等を挙げることができる。 Examples of unsaturated linear hydrocarbon groups include linear alkenyl groups having 2 to 10 carbon atoms, such as ethenyl, propen-1-yl, and propen-3-yl, and linear alkynyl groups having 2 to 10 carbon atoms, such as ethynyl, propyn-1-yl, and propyn-3-yl.
不飽和分岐鎖状炭化水素基としては、例えば、プロペン-2-イル基、ブテン-2-イル基、ブテン-3-イル基等の炭素数3~10の分岐鎖状アルケニル基、ブチン-3-イル基等の炭素数4~10の分岐鎖状アルキニル基等を挙げることができる。 Examples of unsaturated branched hydrocarbon groups include branched alkenyl groups having 3 to 10 carbon atoms, such as propen-2-yl, buten-2-yl, and buten-3-yl, and branched alkynyl groups having 4 to 10 carbon atoms, such as butyn-3-yl.
芳香族基としては、例えば、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等を挙げることができる。 Examples of aromatic groups include phenyl, tolyl, xylyl, and naphthyl groups.
誘導基としては、上記飽和直鎖状炭化水素基、飽和分岐鎖状炭化水素基、飽和環状炭化水素基、不飽和直鎖状炭化水素基、不飽和分岐鎖状炭化水素基及び芳香族基が有する1又は複数の水素原子が、置換基(例えば、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ハロゲン原子等。)で置換された基を挙げることができる。 Examples of derivative groups include groups in which one or more hydrogen atoms in the above-mentioned saturated linear hydrocarbon groups, saturated branched hydrocarbon groups, saturated cyclic hydrocarbon groups, unsaturated linear hydrocarbon groups, unsaturated branched hydrocarbon groups, and aromatic groups have been substituted with a substituent (e.g., a hydroxy group, a carboxy group, a halogen atom, etc.).
カルバメート基を有する(カルバメートが導入された)マイクロ繊維セルロースにおいては、極性の高いヒドロキシ基の一部又は全部が、相対的に極性の低いカルバメート基に置換されている。したがって、当該マイクロ繊維セルロースは、親水性が低く、極性の低い樹脂等との親和性が高い。結果、当該マイクロ繊維セルロースは、樹脂との均一分散性に優れる。また、当該マイクロ繊維セルロースのスラリーは、粘性が低く、ハンドリング性が良い。 In microfiber cellulose containing carbamate groups (carbamate-introduced microfibers), some or all of the highly polar hydroxyl groups are substituted with relatively less polar carbamate groups. Therefore, this microfiber cellulose has low hydrophilicity and a high affinity for low-polarity resins. As a result, this microfiber cellulose exhibits excellent uniform dispersion in resins. Furthermore, the slurry of this microfiber cellulose has low viscosity and is easy to handle.
なお、セルロースは、無水グルコースを構造単位とする重合体であり、一構造単位当たり3つのヒドロキシ基を有する。したがって、全てのヒドロキシ基がカルバメート基に置換されると、置換度は3になる。カルバメート基の置換度は、ケルダール法による窒素定量により測定する。 Cellulose is a polymer whose structural unit is anhydroglucose, and each structural unit has three hydroxyl groups. Therefore, if all hydroxyl groups are substituted with carbamate groups, the degree of substitution is 3. The degree of carbamate substitution is measured by nitrogen quantification using the Kjeldahl method.
<カルバメート化>
マイクロ繊維セルロース(解繊前にカルバメート化する場合は、セルロース原料。)にカルバメートを導入する(カルバメート化)点については、セルロース原料をカルバメート化してから微細化する方法と、セルロース原料を微細化してからカルバメート化する方法とがある。この点、本明細書においては、先にセルロース原料の解繊について説明し、その後にカルバメート化(変性)について説明している。しかしながら、解繊及びカルバメート化は、どちらを先に行うこともできる。ただし、先にカルバメート化を行い、その後に、解繊をする方が好ましい。解繊する前のセルロース原料は脱水効率が高く、また、カルバメート化に伴う加熱によってセルロース原料が解繊され易い状態になるためである。
<Carbamate formation>
Regarding the introduction of carbamate (carbamation) into microfiber cellulose (or the cellulose raw material if carbamate conversion is performed before defibration), there are two methods: one is to carbamate the cellulose raw material and then pulverize it, and the other is to pulverize the cellulose raw material and then carbamate it. In this specification, defibration of the cellulose raw material is explained first, and then carbamate conversion (modification). However, either defibration or carbamate conversion can be performed first. However, it is preferable to perform carbamate conversion first, followed by defibration. This is because the cellulose raw material before defibration has high dehydration efficiency, and the heating associated with carbamate conversion puts the cellulose raw material in a state that is easy to defibrate.
セルロース繊維(マイクロ繊維セルロース、セルロース原料等。)をカルバメート化する工程は、例えば、混合工程、除去工程、及び加熱工程に、主に区分することができる。なお、混合工程及び除去工程は合わせて、加熱工程に供される混合物を調製する調製工程ということもできる。 The process of carbamate-converting cellulose fibers (microfiber cellulose, cellulose raw materials, etc.) can be divided into, for example, a mixing process, a removal process, and a heating process. The mixing process and removal process can also be collectively referred to as a preparation process for preparing a mixture to be subjected to the heating process.
混合工程においては、セルロース繊維と尿素又は尿素の誘導体(以下、単に「尿素等」ともいう。)とを分散媒中で混合する。 In the mixing process, cellulose fibers and urea or a urea derivative (hereinafter simply referred to as "urea, etc.") are mixed in a dispersion medium.
尿素や尿素の誘導体としては、例えば、尿素、チオ尿素、ビウレット、フェニル尿素、ベンジル尿素、ジメチル尿素、ジエチル尿素、テトラメチル尿素、尿素の水素原子をアルキル基で置換した化合物等を使用することができる。これらの尿素又は尿素の誘導体は、それぞれを単独で又は複数を組み合わせて使用することができる。ただし、安価で産業的に利用しやすく、水への溶解性が高く、原料パルプへの薬品接触を環境負荷の少ない水溶液で行うことが可能となることから、尿素を使用するのが好ましい。 Examples of urea and urea derivatives that can be used include urea, thiourea, biuret, phenylurea, benzylurea, dimethylurea, diethylurea, tetramethylurea, and compounds in which the hydrogen atoms of urea are substituted with alkyl groups. These ureas and urea derivatives can be used alone or in combination. However, urea is preferred because it is inexpensive, easily available industrially, highly soluble in water, and allows the chemical to come into contact with the raw pulp in an aqueous solution that places less strain on the environment.
セルロース繊維に対する尿素等の混合質量比(セルロース繊維/尿素等)の下限は、好ましくは100/10、より好ましくは100/20である。他方、上限は、好ましくは100/100、より好ましくは100/50である。混合質量比を100/10以上にすることで、カルバメート化の効率が向上する。他方、混合質量比が100/50を上回ると、カルバメート化反応が進みすぎる恐れがある。 The lower limit of the mixture mass ratio of urea etc. to cellulose fiber (cellulose fiber/urea etc.) is preferably 100/10, more preferably 100/20. On the other hand, the upper limit is preferably 100/100, more preferably 100/50. By setting the mixture mass ratio to 100/10 or more, the efficiency of carbamate formation is improved. On the other hand, if the mixture mass ratio exceeds 100/50, the carbamate formation reaction may proceed too quickly.
分散媒は、通常、水である。ただし、アルコール、エーテル等の他の分散媒や、水と他の分散媒との混合物を用いてもよい。 The dispersion medium is usually water. However, other dispersion media such as alcohol or ether, or a mixture of water and another dispersion medium, may also be used.
混合工程においては、例えば、水にセルロース繊維及び尿素等を添加しても、尿素等の水溶液にセルロース繊維を添加しても、セルロース繊維を含むスラリーに尿素等を添加してもよい。また、均一に混合するために、添加後、攪拌してもよい。さらに、セルロース繊維と尿素等とを含む分散液には、その他の成分が含まれていてもよい。 In the mixing process, for example, cellulose fibers and urea, etc. may be added to water, cellulose fibers may be added to an aqueous solution of urea, etc., or urea, etc. may be added to a slurry containing cellulose fibers. Furthermore, stirring may be performed after addition to ensure uniform mixing. Furthermore, the dispersion containing cellulose fibers and urea, etc. may contain other components.
除去工程においては、混合工程において得られたセルロース繊維及び尿素等を含む分散液から分散媒を除去する。分散媒を除去することで、これに続く加熱工程において効率的に尿素等を反応させることができる。 In the removal process, the dispersion medium is removed from the dispersion liquid containing cellulose fibers, urea, etc. obtained in the mixing process. By removing the dispersion medium, the urea, etc. can be reacted efficiently in the subsequent heating process.
分散媒の除去は、加熱によって分散媒を揮発させることで行うのが好ましい。この方法によると、尿素等の成分を残したまま分散媒のみを効率的に除去することができる。 The dispersion medium is preferably removed by volatilizing it through heating. This method allows for efficient removal of only the dispersion medium while leaving behind components such as urea.
除去工程における加熱温度の下限は、分散媒が水である場合は、好ましくは50℃、より好ましくは70℃、特に好ましくは90℃である。加熱温度を50℃以上にすることで効率的に分散媒を揮発させる(除去する)ことができる。他方、加熱温度の上限は、好ましくは120℃、より好ましくは100℃である。加熱温度が120℃を上回ると、分散媒と尿素が反応し、尿素が単独分解するおそれがある。 When the dispersion medium is water, the lower limit of the heating temperature in the removal step is preferably 50°C, more preferably 70°C, and particularly preferably 90°C. By setting the heating temperature to 50°C or higher, the dispersion medium can be efficiently volatilized (removed). On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 120°C, more preferably 100°C. If the heating temperature exceeds 120°C, the dispersion medium and urea may react, resulting in the urea decomposing independently.
除去工程における加熱時間は、分散液の固形分濃度等に応じて適宜調節することができる。具体的には、例えば、6~24時間である。 The heating time in the removal process can be adjusted appropriately depending on the solids concentration of the dispersion, etc. Specifically, it is, for example, 6 to 24 hours.
除去工程に続く加熱工程においては、セルロース繊維と尿素等との混合物を加熱処理する。この加熱工程において、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部又は全部が尿素等と反応してカルバメート基に置換される。より詳細には、尿素等が加熱されると下記の反応式(1)に示すようにイソシアン酸及びアンモニアに分解される。そして、イソシアン酸はとても反応性が高く、例えば、下記の反応式(2)に示すようにセルロースの水酸基にカルバメートを形成する。 In the heating process following the removal process, the mixture of cellulose fibers and urea, etc. is heat-treated. In this heating process, some or all of the hydroxyl groups of the cellulose fibers react with urea, etc., and are converted into carbamate groups. More specifically, when urea, etc. is heated, it decomposes into isocyanic acid and ammonia, as shown in the following reaction formula (1). Isocyanic acid is highly reactive, and forms carbamate with the hydroxyl groups of cellulose, for example, as shown in the following reaction formula (2).
NH2-CO-NH2 → H-N=C=O + NH3 …(1) NH 2 -CO-NH 2 → H-N=C=O + NH 3 ...(1)
Cell-OH + H-N=C=O → Cell-O-CO-NH2 …(2) Cell-OH + H-N=C=O → Cell-O-CO-NH 2 ...(2)
加熱工程における加熱温度の下限は、好ましくは120℃、より好ましくは130℃、特に好ましくは尿素の融点(約134℃)以上、さらに好ましくは140℃、最も好ましくは150℃である。加熱温度を120℃以上にすることで、カルバメート化が効率的に行われる。加熱温度の上限は、好ましくは200℃、より好ましくは180℃、特に好ましくは170℃である。加熱温度が200℃を上回ると、セルロース繊維が分解し、補強効果が不十分となるおそれがある。 The lower limit of the heating temperature in the heating step is preferably 120°C, more preferably 130°C, particularly preferably above the melting point of urea (approximately 134°C), even more preferably 140°C, and most preferably 150°C. A heating temperature of 120°C or higher ensures efficient carbamate formation. The upper limit of the heating temperature is preferably 200°C, more preferably 180°C, and particularly preferably 170°C. If the heating temperature exceeds 200°C, the cellulose fibers may decompose, resulting in insufficient reinforcing effect.
加熱工程における加熱時間の下限は、好ましくは1分、より好ましくは5分、特に好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、最も好ましくは2時間である。加熱時間を1分以上にすることで、カルバメート化の反応を確実に行うことができる。他方、加熱時間の上限は、好ましくは15時間、より好ましくは10時間である。加熱時間が15時間を上回ると、経済的ではなく、15時間で十分カルバメート化を行うことができる。 The lower limit of the heating time in the heating step is preferably 1 minute, more preferably 5 minutes, particularly preferably 30 minutes, even more preferably 1 hour, and most preferably 2 hours. A heating time of 1 minute or more ensures that the carbamate reaction can be carried out reliably. On the other hand, the upper limit of the heating time is preferably 15 hours, more preferably 10 hours. A heating time of more than 15 hours is not economical, and 15 hours is sufficient for carbamate formation.
以上の加熱処理は、酸性下で行うのが好ましい。酸性下で行うことで、カルバメート化がより確実に進む。加熱工程における混合物のpHの上限は、好ましくは6、より好ましくは5、特に好ましくは4である。他方、pHの下限は、好ましくは1、より好ましくは2、特に好ましくは3である。このpHの調整は、混合物に酸性化合物(例えば、酢酸、クエン酸等。)やアルカリ性化合物(例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等。)を添加すること等によって行うことができる。 The above heat treatment is preferably carried out under acidic conditions. Carbamate formation proceeds more reliably by carrying out the treatment under acidic conditions. The upper limit of the pH of the mixture in the heating step is preferably 6, more preferably 5, and particularly preferably 4. On the other hand, the lower limit of the pH is preferably 1, more preferably 2, and particularly preferably 3. This pH adjustment can be carried out by adding an acidic compound (e.g., acetic acid, citric acid, etc.) or an alkaline compound (e.g., sodium hydroxide, calcium hydroxide, etc.) to the mixture.
加熱工程において加熱する装置としては、例えば、熱風乾燥機、抄紙機、ドライパルプマシン等を使用することができる。 The heating device used in the heating process may be, for example, a hot air dryer, paper machine, or dry pulp machine.
加熱処理後の混合物は、洗浄してもよい。この洗浄は、水等で行えばよい。この洗浄によって未反応で残留している尿素等を除去することができる。 The mixture after the heat treatment may be washed. This washing can be done with water or the like. This washing can remove any unreacted urea or other substances that remain.
本形態においては、繊維状セルロース(セルロース繊維)としてマイクロ繊維セルロースと共にセルロースナノファイバーを含むことができる。セルロースナノファイバーは、マイクロ繊維セルロースと同様に微細繊維であり、樹脂の強度向上にとってマイクロ繊維セルロースを補完する役割を有する。ただし、可能であれば、微細繊維としてセルロースナノファイバーを含むことなくマイクロ繊維セルロースのみによる方が好ましいが、もしセルロースナノファイバーを含む場合は、以下のセルロースナノファイバーを推奨する。 In this embodiment, cellulose nanofibers can be included in addition to microfiber cellulose as fibrous cellulose (cellulose fibers). Cellulose nanofibers are fine fibers like microfiber cellulose, and play a role in complementing microfiber cellulose in improving the strength of the resin. However, if possible, it is preferable to use only microfiber cellulose as fine fibers without including cellulose nanofibers, but if cellulose nanofibers are to be included, the following cellulose nanofibers are recommended.
まず、セルロースナノファイバーは、原料パルプ(セルロース原料)を解繊(微細化)することで得ることができる。原料パルプとしては、マイクロ繊維セルロースと同じものを使用することができ、マイクロ繊維セルロースと同じものを使用するのが好ましい。 First, cellulose nanofibers can be obtained by defibrating (refining) raw pulp (cellulose raw material). The raw pulp used can be the same as that used for microfiber cellulose, and it is preferable to use the same pulp as that used for microfiber cellulose.
セルロースナノファイバーの原料パルプは、マイクロ繊維セルロースの場合と同様の方法で前処理や解繊をすることができる。ただし、解繊の程度は異なり、例えば、平均繊維径が0.1μmを下回るように行う必要がある。以下、マイクロ繊維セルロースの場合と異なる点を中心に説明する。 The raw pulp for cellulose nanofibers can be pretreated and defibrated in the same way as for microfiber cellulose. However, the degree of defibration differs; for example, it must be defibrated so that the average fiber diameter is below 0.1 μm. Below, we will focus on the differences from microfiber cellulose.
セルロースナノファイバーの平均繊維径(平均繊維幅。単繊維の直径平均。)は、好ましくは4~100nm、より好ましくは10~80nmである。セルロースナノファイバーの平均繊維径が4nmを下回ると、脱水性が悪化するおそれがある。また、セルロースナノファイバーを分散剤と混合する形態においては、分散剤がセルロースナノファイバーを十分に覆わなくなり(に十分に纏わりつかなくなり)、分散性が十分に向上しないおそれがある。他方、セルロースナノファイバーの平均繊維径が100nmを上回ると、セルロースナノファイバーとは言えなくなる。 The average fiber diameter (average fiber width; average diameter of a single fiber) of cellulose nanofibers is preferably 4 to 100 nm, more preferably 10 to 80 nm. If the average fiber diameter of cellulose nanofibers is below 4 nm, dewatering properties may deteriorate. Furthermore, when cellulose nanofibers are mixed with a dispersant, the dispersant may not sufficiently cover (stick to) the cellulose nanofibers, and dispersibility may not be sufficiently improved. On the other hand, if the average fiber diameter of cellulose nanofibers exceeds 100 nm, they can no longer be called cellulose nanofibers.
セルロースナノファイバーの平均繊維径は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等によって調整することができる。 The average fiber diameter of cellulose nanofibers can be adjusted, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.
なお、セルロースナノファイバーの物性に関する計測方法は、特にこれに反する記載のない限り、マイクロ繊維セルロースの場合と同様である。また、パルプの平均繊維径の測定方法は、次のとおりである。
まず、固形分濃度0.01~0.1質量%のパルプの水分散液100mlをテフロン(登録商標)製メンブレンフィルターでろ過し、エタノール100mlで1回、t-ブタノール20mlで3回溶媒置換する。次に、凍結乾燥し、オスミウムコーティングして試料とする。この試料について、構成する繊維の幅に応じて100倍~1000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡SEM画像による観察を行う。具体的には、観察画像に二本の対角線を引き、対角線の交点を通過する直線を任意に三本引く。さらに、この三本の直線と交錯する合計100本の繊維の幅を目視で計測する。そして、計測値の中位径を平均繊維径とする。
The methods for measuring the physical properties of cellulose nanofibers are the same as those for microfiber cellulose unless otherwise specified. The average fiber diameter of pulp is measured as follows.
First, 100 ml of an aqueous dispersion of pulp with a solid content concentration of 0.01 to 0.1% by mass is filtered through a Teflon (registered trademark) membrane filter and solvent-substituted once with 100 ml of ethanol and three times with 20 ml of t-butanol. The sample is then freeze-dried and osmium-coated to obtain a sample. This sample is then observed using an SEM electron microscope at a magnification of 100x to 1000x depending on the width of the fibers that make up the sample. Specifically, two diagonal lines are drawn on the observed image, and three straight lines are arbitrarily drawn passing through the intersections of the diagonal lines. Furthermore, the widths of a total of 100 fibers intersecting with these three straight lines are visually measured. The median diameter of the measured values is then taken as the average fiber diameter.
セルロースナノファイバーの平均繊維長(単繊維の長さ)は、好ましくは0.1~1,000μm、より好ましくは0.5~500μmである。セルロースナノファイバーの平均繊維長が0.1μmを下回ると、セルロースナノファイバー同士の三次元ネットワークを構築できず、補強効果が不十分となるおそれがある。他方、セルロースナノファイバーの平均繊維長が1,000μmを上回ると、繊維同士が絡み易くなり、分散性が十分に向上しないおそれがある。 The average fiber length (length of a single fiber) of the cellulose nanofibers is preferably 0.1 to 1,000 μm, and more preferably 0.5 to 500 μm. If the average fiber length of the cellulose nanofibers is less than 0.1 μm, a three-dimensional network cannot be formed between the cellulose nanofibers, and the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, if the average fiber length of the cellulose nanofibers is more than 1,000 μm, the fibers may become easily entangled, and dispersibility may not be sufficiently improved.
セルロースナノファイバーの平均繊維長は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等によって調整することができる。 The average fiber length of cellulose nanofibers can be adjusted, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.
セルロースナノファイバーの保水度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等によって調整することができる。 The water retention of cellulose nanofibers can be adjusted, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.
セルロースナノファイバー結晶化度は、好ましくは95~50%、より好ましくは90~60%である。セルロースナノファイバーの結晶化度が以上の範囲内であれば、樹脂の強度を確実に向上することができる。 The crystallinity of the cellulose nanofiber is preferably 95-50%, and more preferably 90-60%. If the crystallinity of the cellulose nanofiber is within this range, the strength of the resin can be reliably improved.
結晶化度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整することができる。 The degree of crystallinity can be adjusted as desired, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.
セルロースナノファイバーのパルプ粘度は、好ましくは1.0cps以上、より好ましくは2.0cps以上である。パルプ粘度は、セルロースを銅エチレンジアミン液に溶解させた後の溶解液の粘度であり、パルプ粘度が大きいほどセルロースの重合度が大きいことを示している。パルプ粘度が1.0cps以上であれば、スラリーに脱水性を付与しつつ、樹脂と混練する際にセルロースナノファイバーの分解を抑えられ、十分な補強効果を得ることができる。 The pulp viscosity of the cellulose nanofiber is preferably 1.0 cps or more, and more preferably 2.0 cps or more. Pulp viscosity is the viscosity of the solution obtained after dissolving cellulose in a copper ethylenediamine solution, and a higher pulp viscosity indicates a higher degree of polymerization of the cellulose. A pulp viscosity of 1.0 cps or more imparts dewaterability to the slurry while suppressing decomposition of the cellulose nanofiber when kneaded with the resin, thereby achieving a sufficient reinforcing effect.
解繊して得られたセルロースナノファイバーは、必要により、他のセルロース繊維と混合するに先立って水系媒体中に分散して分散液としておくことができる。水系媒体は、全量が水であるのが特に好ましい(水溶液)。ただし、水系媒体は、一部が水と相溶性を有する他の液体であってもよい。他の液体としては、例えば、炭素数3以下の低級アルコール類等を使用することができる。 If necessary, the cellulose nanofibers obtained by defibration can be dispersed in an aqueous medium to form a dispersion before mixing with other cellulose fibers. It is particularly preferable that the aqueous medium is entirely water (aqueous solution). However, the aqueous medium may also contain other liquids, some of which are compatible with water. Examples of other liquids that can be used include lower alcohols with 3 or fewer carbon atoms.
セルロースナノファイバーの分散液(濃度1%)のB型粘度は、好ましくは10~2,000cp、より好ましくは30~1,500cpである。分散液のB型粘度を以上の範囲内にすると、他のセルロース繊維との混合が容易になり、また、セルロース繊維スラリーの脱水性が向上する。 The Brookfield viscosity of a cellulose nanofiber dispersion (1% concentration) is preferably 10 to 2,000 cp, and more preferably 30 to 1,500 cp. Keeping the Brookfield viscosity of the dispersion within this range facilitates mixing with other cellulose fibers and improves the dewatering properties of the cellulose fiber slurry.
分散液のB型粘度(固形分濃度1%)は、JIS-Z8803(2011)の「液体の粘度測定方法」に準拠して測定した値である。B型粘度は分散液を攪拌したときの抵抗トルクであり、高いほど攪拌に必要なエネルギーが多くなることを意味する。 The B-type viscosity of the dispersion (solids concentration 1%) was measured in accordance with JIS-Z8803 (2011), "Method for measuring viscosity of liquids." B-type viscosity is the resistance torque when stirring the dispersion; the higher the viscosity, the more energy is required for stirring.
セルロース繊維中におけるセルロースナノファイバーの含有率は、好ましくは40質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。セルロースナノファイバーの含有率が40質量%を超えると、セルロースナノファイバー同士の凝集が強く、樹脂中で分散できず、補強効果、耐衝撃性が十分とならないおそれがある。なお、前述したとおり、セルロースナノファイバーは、配合しないのが、つまり含有率0質量%であるのが最も好ましい。 The cellulose nanofiber content in the cellulose fiber is preferably 40% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less. If the cellulose nanofiber content exceeds 40% by mass, the cellulose nanofibers will aggregate strongly and may not be able to disperse in the resin, resulting in insufficient reinforcing effect and impact resistance. As mentioned above, it is most preferable to not include cellulose nanofibers, i.e., to have a content of 0% by mass.
セルロースナノファイバーは、必要により、マイクロ繊維セルロースと同様の方法による等して、カルバメート化することができる。ただし、セルロースナノファイバーのカルバメート化は、通常、困難である。 If necessary, cellulose nanofibers can be carbamate-converted using methods similar to those used for microfiber cellulose. However, carbamate-converting cellulose nanofibers is generally difficult.
繊維状セルロースには、微細繊維に加えて、パルプを含ませることができる。パルプは、セルロース繊維スラリーの脱水性を大幅に向上する役割を有する。ただし、パルプは、含有率を所定の範囲内(下記)とするのが好ましい。 In addition to fine fibers, fibrous cellulose can also contain pulp. Pulp plays a role in significantly improving the dewatering properties of the cellulose fiber slurry. However, it is preferable to keep the pulp content within a specified range (see below).
セルロース繊維中におけるパルプの含有率は、好ましくは40質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。パルプの含有率が40質量%を上回ると、結果的に微細繊維の含有率が減るため、樹脂の強度が担保されないおそれがある。なお、パルプについてもセルロースナノファイバーの場合と同様に、配合しないのが、つまり含有率0質量%であるのが最も好ましい。 The pulp content in the cellulose fiber is preferably 40% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less. If the pulp content exceeds 40% by mass, the fine fiber content will decrease, which may result in the resin strength not being guaranteed. As with cellulose nanofibers, it is most preferable to not include any pulp, i.e., to have a content of 0% by mass.
パルプとしては、マイクロ繊維セルロース等の原料パルプと同様のものを使用することができ、マイクロ繊維セルロースの原料パルプと同じものを使用するのが好ましい。パルプとしてマイクロ繊維セルロースの原料パルプと同じものを使用すると、セルロース繊維の親和性が向上し、結果、セルロース繊維スラリーの均質性が向上する。 The pulp used can be the same as the raw pulp used for microfiber cellulose, etc., and it is preferable to use the same raw pulp as the raw pulp used for microfiber cellulose. Using the same pulp as the raw pulp used for microfiber cellulose improves the affinity of the cellulose fibers, resulting in improved homogeneity of the cellulose fiber slurry.
微細繊維を含む繊維状セルロースは、必要により、水系媒体中に分散して分散液(スラリー)にする。水系媒体は、全量が水であるのが特に好ましいが、一部が水と相溶性を有する他の液体である水系媒体も使用することができる。他の液体としては、炭素数3以下の低級アルコール類等を使用することができる。 If necessary, the fibrous cellulose containing fine fibers is dispersed in an aqueous medium to form a dispersion (slurry). It is particularly preferable for the aqueous medium to be entirely water, but aqueous media containing a portion of another liquid that is compatible with water can also be used. Examples of other liquids that can be used include lower alcohols with 3 or fewer carbon atoms.
スラリーの固形分濃度は、好ましくは0.1~10.0質量%、より好ましくは0.5~5.0質量%である。固形分濃度が0.1質量%を下回ると、脱水や乾燥する際に過大なエネルギーが必要となるおそれがある。他方、固形分濃度が10.0質量%を上回ると、スラリー自体の流動性が低下してしまい分散剤を均一に混合できなくなるおそれがある。 The solids concentration of the slurry is preferably 0.1 to 10.0% by mass, more preferably 0.5 to 5.0% by mass. If the solids concentration is below 0.1% by mass, excessive energy may be required for dehydration and drying. On the other hand, if the solids concentration exceeds 10.0% by mass, the fluidity of the slurry itself may decrease, making it impossible to uniformly mix the dispersant.
(α-オレフィンコポリマー)
本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、α-オレフィンコポリマーを含む。α-オレフィンコポリマーは、α-オレフィン(炭素-炭素の二重結合が末端にあるオレフィン)と、エチレンやプロピレン等のモノマーとが共重合したポリマーであり、側鎖の長いα-オレフィンが存在する。したがって、高分子鎖が整列しづらく、結晶化、剛直化しないため、ポリエチレンやポリプロピレンと異なって複合樹脂に柔軟性を付与することができ、耐衝撃性を向上することができる。もっとも、α-オレフィンコポリマーは、複合樹脂の剛性を損なうため繊維補強することで剛性を保つことになるが、繊維とα-オレフィンコポリマーとの相溶性が不足すると、外力が加わった際に繊維を起点として破壊が進み、剛性は保てたとしてもα-オレフィンコポリマーを添加したことによる耐衝撃性向上効果が十分に発揮されない。そこで、本形態においては、カルバメート基でセルロース原料を変性することで、セルロース原料とα-オレフィンコポリマーとの相溶性を向上させ、耐衝撃性及び剛性を両立するものである。
(α-olefin copolymer)
The fibrous cellulose composite resin of this embodiment contains an α-olefin copolymer. An α-olefin copolymer is a polymer obtained by copolymerizing an α-olefin (an olefin having a terminal carbon-carbon double bond) with a monomer such as ethylene or propylene, and contains an α-olefin with a long side chain. Therefore, the polymer chains are less likely to align, crystallize, or become rigid. Unlike polyethylene or polypropylene, this polymer can impart flexibility to the composite resin and improve impact resistance. Since α-olefin copolymers impair the rigidity of composite resins, fiber reinforcement is used to maintain rigidity. However, if the compatibility between the fibers and the α-olefin copolymer is insufficient, fracture will occur starting from the fibers when an external force is applied, and even if rigidity is maintained, the impact resistance improvement effect of adding the α-olefin copolymer will not be fully realized. Therefore, in this embodiment, the cellulose raw material is modified with a carbamate group to improve the compatibility between the cellulose raw material and the α-olefin copolymer, thereby achieving both impact resistance and rigidity.
以上の観点で、カルバメート基の置換度は、好ましくは0.05~0.5、より好ましくは0.1~0.4、特に好ましくは0.2~0.3である。カルバメート基の置換度を0.05以上にすることで、α-オレフィンコポリマーとセルロ-ス原料との相溶性が十分向上し、カルバメート基を導入した効果が確実に奏せられる。他方、置換度が0.5を超えると、α-オレフィンコポリマーとの相溶性は十分であるものの、繊維自体の補強性が損なわれ、α-オレフィンコポリマーにより付与された柔軟性をカバーでなくなる恐れがある。 From the above perspectives, the degree of substitution of the carbamate group is preferably 0.05 to 0.5, more preferably 0.1 to 0.4, and particularly preferably 0.2 to 0.3. By setting the degree of substitution of the carbamate group to 0.05 or more, the compatibility between the α-olefin copolymer and the cellulose raw material is sufficiently improved, ensuring the benefits of introducing the carbamate group. On the other hand, if the degree of substitution exceeds 0.5, although compatibility with the α-olefin copolymer is sufficient, the reinforcing properties of the fiber itself may be impaired, and the flexibility imparted by the α-olefin copolymer may not be achieved.
なお、α-オレフィンとしては、例えば、プロピレン、1ーブテン、1-ペンテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセン、1-テトラデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセン、1-エイコセン等の直鎖型ユニットや、シクロペンテン、シクロへプテン、ノルボルネン、5-メチル-2ーノルボルネン、テトラシクロドデセン、2-メチル-1,4,5,8-ジメタノ-1,2,3,4,4a,5,8,8a-オクタヒドロナフタレン等の環状ユニットなどが挙げられる。 Examples of α-olefins include linear units such as propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 4-methyl-1-pentene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene, 1-octadecene, and 1-eicosene, as well as cyclic units such as cyclopentene, cycloheptene, norbornene, 5-methyl-2-norbornene, tetracyclododecene, and 2-methyl-1,4,5,8-dimethano-1,2,3,4,4a,5,8,8a-octahydronaphthalene.
α-オレフィンコポリマーの混合割合は、複合樹脂全量中において、好ましくは20質量部以下であり、より好ましくは1~18質量部、特に好ましくは3~15質量部である。α-オレフィンコポリマーの混合割合が1質量%を上回ると、複合樹脂への柔軟性が十分に付与され、複合樹脂の耐衝撃性が不足する可能性を低減することができる。他方、混合割合が20質量%を上回ると、柔軟性が付与されすぎるため、繊維との相溶性が高くても、繊維による補強性を十分に発揮できずに、剛性が不足する。 The blending ratio of the α-olefin copolymer is preferably 20 parts by mass or less, more preferably 1 to 18 parts by mass, and particularly preferably 3 to 15 parts by mass, based on the total amount of composite resin. If the blending ratio of the α-olefin copolymer exceeds 1% by mass, sufficient flexibility is imparted to the composite resin, reducing the possibility of the composite resin lacking in impact resistance. On the other hand, if the blending ratio exceeds 20% by mass, excessive flexibility is imparted, and even if compatibility with the fiber is high, the reinforcing properties of the fiber cannot be fully exerted, resulting in insufficient rigidity.
(酸変性樹脂)
本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、酸変性樹脂を含み、カルバメート基の一部又は全部が酸変性樹脂の酸基とイオン結合していると好適である。このイオン結合により、樹脂の補強効果が向上する。
(acid-modified resin)
The fibrous cellulose composite resin of this embodiment preferably contains an acid-modified resin, and some or all of the carbamate groups are ionic-bonded to the acid groups of the acid-modified resin, which improves the reinforcing effect of the resin.
酸変性樹脂としては、例えば、酸変性ポリオレフィン樹脂、酸変性エポキシ樹脂、酸変性スチレン系エラストマー樹脂等を使用することができる。ただし、酸変性ポリオレフィン樹脂を使用するのが好ましい。酸変性ポリオレフィン樹脂は、不飽和カルボン酸成分とポリオレフィン成分との共重合体である。 Examples of acid-modified resins that can be used include acid-modified polyolefin resins, acid-modified epoxy resins, and acid-modified styrene-based elastomer resins. However, acid-modified polyolefin resins are preferred. Acid-modified polyolefin resins are copolymers of unsaturated carboxylic acid components and polyolefin components.
ポリオレフィン成分としては、例えば、エチレン、プロピレン、ブタジエン、イソプレン等のアルケンの重合体の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には、プロピレンの重合体であるポリプロピレン樹脂を用いることが好ましい The polyolefin component can be one or more selected from polymers of alkenes such as ethylene, propylene, butadiene, and isoprene. However, polypropylene resin, which is a polymer of propylene, is preferred.
不飽和カルボン酸成分としては、例えば、無水マレイン酸類、無水フタル酸類、無水イタコン酸類、無水シトラコン酸類、無水クエン酸類等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には、無水マレイン酸類を使用するのが好ましい。つまり、無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂を用いることが好ましい。 As the unsaturated carboxylic acid component, one or more selected from maleic anhydrides, phthalic anhydrides, itaconic anhydrides, citraconic anhydrides, citric anhydrides, etc. can be used. However, it is preferable to use maleic anhydrides. In other words, it is preferable to use maleic anhydride-modified polypropylene resin.
酸変性樹脂の混合量は、微細繊維100質量部に対して、好ましくは0.1~1,000質量部、より好ましくは1~500質量部、特に好ましくは10~200質量部である。特に酸変性樹脂が無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂である場合は、好ましくは1~200質量部、より好ましくは10~100質量部である。酸性変性樹脂の混合量が0.1質量部を下回ると強度の向上が十分ではない。他方、混合量が1,000質量部を上回ると、過剰となり強度が低下する傾向となる。 The amount of acid-modified resin mixed is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and particularly preferably 10 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of fine fibers. In particular, when the acid-modified resin is maleic anhydride-modified polypropylene resin, the amount is preferably 1 to 200 parts by mass, more preferably 10 to 100 parts by mass. If the amount of acid-modified resin mixed is less than 0.1 part by mass, the improvement in strength will be insufficient. On the other hand, if the amount mixed is more than 1,000 parts by mass, it will be excessive and strength will tend to decrease.
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの重量平均分子量は、例えば1,000~100,000、好ましくは3,000~50,000である。 The weight-average molecular weight of the maleic anhydride-modified polypropylene is, for example, 1,000 to 100,000, preferably 3,000 to 50,000.
また、無水マレイン酸変性ポリプロピレンの酸価は、0.5mgKOH/g以上、100mgKOH/g以下が好ましく、1mgKOH/g以上、50mgKOH/g以下がより好ましい。 The acid value of the maleic anhydride-modified polypropylene is preferably 0.5 mgKOH/g or more and 100 mgKOH/g or less, and more preferably 1 mgKOH/g or more and 50 mgKOH/g or less.
さらに、酸変性樹脂のMFR(メルトフローレート)が2000g/10分(190℃/2.16kg)以下であるのが好ましく、1500g/10分以下であるのがより好ましく、500g/10分以下であるのが特に好ましい。MFRが2000g/10分を上回ると、セルロース繊維の分散性が低下する可能性がある。 Furthermore, the MFR (melt flow rate) of the acid-modified resin is preferably 2000 g/10 min (190°C/2.16 kg) or less, more preferably 1500 g/10 min or less, and particularly preferably 500 g/10 min or less. If the MFR exceeds 2000 g/10 min, the dispersibility of the cellulose fibers may decrease.
なお、酸価の測定は、JIS-K2501に準拠し、水酸化カリウムで滴定する。また、MFRの測定は、JIS-K7210に準拠し、190℃で2.16kgの荷重を載せ、10分間に流れ出る試料の重量で決める。 Acid value is measured in accordance with JIS-K2501 by titration with potassium hydroxide. MFR is measured in accordance with JIS-K7210 by placing a load of 2.16 kg on the sample at 190°C and determining the weight of the sample that flows out in 10 minutes.
(分散剤)
マイクロ繊維セルロース等を含む繊維状セルロースは、分散剤と混合するとより好ましいものになる。分散剤としては、芳香族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物、脂肪族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物が好ましい。
(Dispersant)
Fibrous cellulose, including microfibrous cellulose, is more preferably mixed with a dispersant, which is preferably an aromatic compound having an amine group and/or a hydroxyl group, or an aliphatic compound having an amine group and/or a hydroxyl group.
芳香族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物としては、例えば、アニリン類、トルイジン類、トリメチルアニリン類、アニシジン類、チラミン類、ヒスタミン類、トリプタミン類、フェノール類、ジブチルヒドロキシトルエン類、ビスフェノールA類、クレゾール類、オイゲノール類、没食子酸類、グアイアコール類、ピクリン酸類、フェノールフタレイン類、セロトニン類、ドーパミン類、アドレナリン類、ノルアドレナリン類、チモール類、チロシン類、サリチル酸類、サリチル酸メチル類、アニスアルコール類、サリチルアルコール類、シナピルアルコール類、ジフェニドール類、ジフェニルメタノール類、シンナミルアルコール類、スコポラミン類、トリプトフォール類、バニリルアルコール類、3-フェニル-1-プロパノール類、フェネチルアルコール類、フェノキシエタノール類、ベラトリルアルコール類、ベンジルアルコール類、ベンゾイン類、マンデル酸類、マンデロニトリル類、安息香酸類、フタル酸類、イソフタル酸類、テレフタル酸類、メリト酸類、ケイ皮酸類などが挙げられる。 Examples of compounds having an amine group and/or a hydroxyl group in an aromatic group include anilines, toluidines, trimethylanilines, anisidines, tyramines, histamines, tryptamines, phenols, dibutylhydroxytoluenes, bisphenol A, cresols, eugenols, gallic acids, guaiacols, picric acids, phenolphthalein, serotonins, dopamines, adrenalines, noradrenalines, thymols, tyrosines, salicylic acids, methyl salicylates, and These include varnish alcohols, salicylic alcohols, sinapyl alcohols, diphenidol, diphenylmethanols, cinnamyl alcohols, scopolamines, tryptophols, vanillyl alcohols, 3-phenyl-1-propanols, phenethyl alcohols, phenoxyethanols, veratryl alcohols, benzyl alcohols, benzoins, mandelic acids, mandelonitriles, benzoic acids, phthalic acids, isophthalic acids, terephthalic acids, mellitic acids, and cinnamic acids.
また、脂肪族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物としては、例えば、カプリルアルコール類、2-エチルヘキサノール類、ペラルゴンアルコール類、カプリンアルコール類、ウンデシルアルコール類、ラウリルアルコール類、トリデシルアルコール類、ミリスチルアルコール類、ペンタデシルアルコール類、セタノール類、ステアリルアルコール類、エライジルアルコール類、オレイルアルコール類、リノレイルアルコール類、メチルアミン類、ジメチルアミン類、トリメチルアミン類、エチルアミン類、ジエチルアミン類、エチレンジアミン類、トリエタノールアミン類、N,N-ジイソプロピルエチルアミン類、テトラメチルエチレンジアミン類、ヘキサメチレンジアミン類、スペルミジン類、スペルミン類、アマンタジン類、ギ酸類、酢酸類、プロピオン酸類、酪酸類、吉草酸類、カプロン酸類、エナント酸類、カプリル酸類、ペラルゴン酸類、カプリン酸類、ラウリン酸類、ミリスチン酸類、パルミチン酸類、マルガリン酸類、ステアリン酸類、オレイン酸類、リノール酸類、リノレン酸類、アラキドン酸類、エイコサペンタエン酸類、ドコサヘキサエン酸類、ソルビン酸類などが挙げられる。 Furthermore, examples of compounds having an amine group and/or a hydroxyl group in an aliphatic group include capryl alcohols, 2-ethylhexanols, pelargonic alcohols, capric alcohols, undecyl alcohols, lauryl alcohols, tridecyl alcohols, myristyl alcohols, pentadecyl alcohols, cetyl alcohols, stearyl alcohols, elaidyl alcohols, oleyl alcohols, linoleyl alcohols, methylamines, dimethylamines, trimethylamines, ethylamines, diethylamines, and ethylenediamines. , triethanolamines, N,N-diisopropylethylamines, tetramethylethylenediamines, hexamethylenediamines, spermidines, spermines, amantadine, formic acids, acetic acids, propionic acids, butyric acids, valeric acids, caproic acids, enanthic acids, caprylic acids, pelargonic acids, capric acids, lauric acids, myristic acids, palmitic acids, margaric acids, stearic acids, oleic acids, linoleic acids, linolenic acids, arachidonic acids, eicosapentaenoic acids, docosahexaenoic acids, and sorbic acids.
以上の分散剤は、微細繊維同士の水素結合を阻害する。したがって、微細繊維及び樹脂の混練に際して微細繊維が樹脂中において確実に分散(再分散)するようになる。また、以上の分散剤は、微細繊維及び樹脂の相溶性を向上させる役割も有する。この点で微細繊維の樹脂中における分散性が向上する。 These dispersants inhibit hydrogen bonding between the fine fibers. This ensures that the fine fibers are dispersed (re-dispersed) in the resin when they are mixed with the resin. These dispersants also improve the compatibility between the fine fibers and the resin. This improves the dispersibility of the fine fibers in the resin.
なお、微細繊維及び樹脂の混練に際して、別途、相溶剤(薬剤)を添加することも考えられるが、この段階で薬剤を添加するよりも、樹脂と混錬する前に予め微細繊維と分散剤(薬剤)を混合する方が、微細繊維に対する薬剤の纏わりつきが均一になり、樹脂との相溶性向上効果が高くなる。 It is possible to add a separate compatibilizer (chemical) when kneading the fine fibers and resin, but rather than adding the chemical at this stage, mixing the fine fibers with a dispersant (chemical) before kneading with the resin will ensure that the chemical adheres more evenly to the fine fibers, resulting in a greater effect of improving compatibility with the resin.
また、例えば、ポリプロピレンは融点が160℃であり、したがって微細繊維及び樹脂の混練は、180℃程度で行う。しかるに、この状態で分散剤(液)を添加すると、一瞬で乾燥してしまう。そこで、融点の低い樹脂を使用してマスターバッチ(微細繊維の濃度の濃い複合樹脂)を作製し、その後に通常の樹脂で濃度を下げる方法が存在する。しかしながら、融点の低い樹脂は一般的に強度が低い。したがって、当該方法によると、複合樹脂の強度が下がるおそれがある。 For example, polypropylene has a melting point of 160°C, so the fine fibers and resin are mixed at around 180°C. However, if a dispersant (liquid) is added in this state, it will dry out instantly. Therefore, one method is to create a masterbatch (a composite resin with a high concentration of fine fibers) using a resin with a low melting point, and then reduce the concentration with a regular resin. However, resins with low melting points generally have low strength. Therefore, this method may reduce the strength of the composite resin.
分散剤の混合量は、微細繊維100質量部に対して、好ましくは0.1~1,000質量部、より好ましくは1~500質量部、特に好ましくは10~200質量部である。分散剤の混合量が0.1質量部を下回ると、強度の向上が十分ではないとされるおそれがある。他方、混合量が1,000質量部を上回ると、過剰となり強度が低下する傾向がある。 The amount of dispersant mixed is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and particularly preferably 10 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of fine fibers. If the amount of dispersant mixed is less than 0.1 part by mass, the improvement in strength may not be sufficient. On the other hand, if the amount mixed is more than 1,000 parts by mass, the amount becomes excessive and strength tends to decrease.
この点、前述した酸変性樹脂は酸基と微細繊維のカルバメート基とがイオン結合することで相溶性を向上し、補強効果を上げるためのものであり、分子量が大きいため樹脂とも馴染み易く、強度向上に寄与していると考えられる。一方、上記の分散剤は、微細繊維の水酸基同士の間に介在して凝集を防ぎ、もって樹脂中での分散性を向上するものであり、また、分子量が酸変性樹脂に比べ小さいため、酸変性樹脂が入り込めないような微細繊維間の狭いスペースに入ることができ、分散性を向上して強度向上する役割を果たす。以上のような観点から、上記酸変性樹脂の分子量は、分散剤の分子量の2~2,000倍、好ましくは5~1,000倍であると好適である。 In this regard, the acid-modified resin described above improves compatibility and enhances reinforcing effects by forming ionic bonds between the acid groups and the carbamate groups of the fine fibers. Its large molecular weight also makes it compatible with the resin, which is thought to contribute to improved strength. Meanwhile, the dispersant described above intervenes between the hydroxyl groups of the fine fibers to prevent aggregation, thereby improving dispersibility in the resin. Furthermore, because its molecular weight is smaller than that of the acid-modified resin, it can enter the narrow spaces between the fine fibers that the acid-modified resin cannot, improving dispersibility and improving strength. From these perspectives, the molecular weight of the acid-modified resin described above is preferably 2 to 2,000 times, and preferably 5 to 1,000 times, the molecular weight of the dispersant.
この点をより詳細に説明すると、樹脂粉末は物理的に微細繊維同士の間に介在することで水素結合を阻害し、もって微細繊維の分散性を向上する。これに対し、酸変性樹脂は、酸基と微細繊維のカルバメート基とをイオン結合することで相溶性を向上し、もって補強効果を上げる。この点、分散剤が微細繊維同士の水素結合を阻害する点は同じであるが、樹脂粉末はマイクロオーダーであるため、物理的に介在して水素結合を抑制する。したがって、分散性が分散剤にくらべ低いものの、樹脂粉末自身が溶融してマトリックスになるため物性低下に寄与しない。一方、分散剤は分子レベルであり、極めて小さいため微細繊維を覆うようにして水素結合を阻害し、微細繊維の分散性を向上する効果は高い。しかしながら、樹脂中に残り、物性低下に働く可能性がある。 Explaining this point in more detail, resin powder physically intervenes between the fine fibers, inhibiting hydrogen bonding and thereby improving the dispersibility of the fine fibers. In contrast, acid-modified resins improve compatibility by forming ionic bonds between the acid groups and the carbamate groups of the fine fibers, thereby enhancing the reinforcing effect. While dispersants also inhibit hydrogen bonding between the fine fibers, resin powder, being on the micron order, physically intervenes and inhibits hydrogen bonding. Therefore, although dispersibility is lower than that of dispersants, the resin powder itself melts and becomes a matrix, so it does not contribute to a decrease in physical properties. On the other hand, dispersants are at the molecular level and are extremely small, so they coat the fine fibers, inhibiting hydrogen bonding and are highly effective in improving the dispersibility of the fine fibers. However, they may remain in the resin and contribute to a decrease in physical properties.
(製造方法)
微細繊維や酸変性樹脂、分散剤等の混合物は、樹脂と混練するに先立って乾燥及び粉砕して粉状物にすることができる。この形態によると、樹脂との混練に際して微細繊維を乾燥させる必要がなく、熱効率が良い。また、特に混合物に分散剤が混合されている場合は、当該混合物を乾燥したとしても、マイクロ繊維セルロース等の微細繊維が再分散しなくなるおそれが低い。
(Manufacturing method)
The mixture of fine fibers, acid-modified resin, dispersant, etc. can be dried and pulverized to form a powder prior to kneading with the resin. This form eliminates the need to dry the fine fibers before kneading with the resin, resulting in good thermal efficiency. Furthermore, particularly when a dispersant is mixed into the mixture, there is little risk that the fine fibers, such as microfiber cellulose, will not redisperse even if the mixture is dried.
混合物は、必要により、乾燥するに先立って脱水して脱水物にする。この脱水は、例えば、ベルトプレス、スクリュープレス、フィルタープレス、ツインロール、ツインワイヤーフォーマ、バルブレスフィルタ、センターディスクフィルタ、膜処理、遠心分離機等の脱水装置の中から1種又は2種以上を選択使用して行うことができる。 If necessary, the mixture may be dehydrated prior to drying to produce a dehydrated product. This dehydration can be carried out using one or more dehydration devices selected from the following: belt press, screw press, filter press, twin roll, twin wire former, valveless filter, center disc filter, membrane treatment, centrifuge, etc.
混合物の乾燥は、例えば、ロータリーキルン乾燥、円板式乾燥、気流式乾燥、媒体流動乾燥、スプレー乾燥、ドラム乾燥、スクリューコンベア乾燥、パドル式乾燥、一軸混練乾燥、多軸混練乾燥、真空乾燥、攪拌乾燥等の中から1種又は2種以上を選択使用して行うことができる。 The mixture can be dried using one or more of the following methods: rotary kiln drying, disc drying, airflow drying, media flow drying, spray drying, drum drying, screw conveyor drying, paddle drying, single-axis kneading drying, multi-axis kneading drying, vacuum drying, and agitator drying.
乾燥した混合物(乾燥物)は、粉砕して粉状物にする。乾燥物の粉砕は、例えば、ビーズミル、ニーダー、ディスパー、ツイストミル、カットミル、ハンマーミル等の中から1種又は2種以上を選択使用して行うことができる。 The dried mixture (dried material) is pulverized to form a powder. The dried material can be pulverized using one or more mills selected from the group consisting of a bead mill, kneader, disperser, twist mill, cut mill, and hammer mill.
粉状物の平均粒子径は、好ましくは1~10,000μm、より好ましくは10~5,000μm、特に好ましくは100~1,000μmである。粉状物の平均粒子径が10,000μmを上回ると、樹脂との混練性に劣るものになるおそれがある。他方、粉状物の平均粒子径が1μmを下回るものにするには大きなエネルギーが必要になるため、経済的でない。 The average particle size of the powder is preferably 1 to 10,000 μm, more preferably 10 to 5,000 μm, and particularly preferably 100 to 1,000 μm. If the average particle size of the powder exceeds 10,000 μm, it may be difficult to knead with resin. On the other hand, reducing the average particle size of the powder to less than 1 μm requires a large amount of energy, which is not economical.
粉状物の平均粒子径の制御は、粉砕の程度を制御することのほか、フィルター、サイクロン等の分級装置を使用した分級によることができる。 The average particle size of powdered materials can be controlled by controlling the degree of pulverization, as well as by classification using classification devices such as filters and cyclones.
混合物(粉状物)の嵩比重は、好ましくは0.03~1.0、より好ましくは0.04~0.9、特に好ましくは0.05~0.8である。嵩比重が1.0を超えるということは繊維状セルロース同士の水素結合がより強固であり、樹脂中で分散させることは容易ではなくなることを意味する。他方、嵩比重が0.03を下回るものにするのは、移送コストの面から不利である。 The bulk density of the mixture (powder) is preferably 0.03 to 1.0, more preferably 0.04 to 0.9, and particularly preferably 0.05 to 0.8. A bulk density of more than 1.0 means that the hydrogen bonds between the fibrous cellulose are stronger, making it difficult to disperse in the resin. On the other hand, a bulk density of less than 0.03 is disadvantageous in terms of transportation costs.
嵩比重は、JIS K7365に準じて測定した値である。 Bulk specific gravity is a value measured in accordance with JIS K7365.
混合物(粉状物)の水分率は、好ましくは50%以下、より好ましくは30%以下、特に好ましくは10%以下である。水分率が50%を上回ると、樹脂と混練する際のエネルギーが膨大になり、経済的でない。 The moisture content of the mixture (powder) is preferably 50% or less, more preferably 30% or less, and particularly preferably 10% or less. If the moisture content exceeds 50%, the energy required to knead it with the resin becomes enormous, making it uneconomical.
水分率は、定温乾燥機を用いて、試料を105℃で6時間以上保持し質量の変動が認められなくなった時点の質量を乾燥後質量とし、下記式にて算出した値である。
水分率(%)=[(乾燥前質量-乾燥後質量)÷乾燥前質量]×100
The moisture content was calculated using the following formula, in which a sample was kept at 105°C for 6 hours or more using a constant temperature dryer, and the mass at which no change in mass was observed was taken as the mass after drying.
Moisture percentage (%) = [(mass before drying - mass after drying) ÷ mass before drying] x 100
脱水・乾燥した乾燥物には、樹脂が含まれていても良い。樹脂が含まれていると、脱水・乾燥した微細繊維同士の水素結合が阻害され、混練の際の樹脂中での分散性を向上することができる。 The dehydrated and dried product may contain resin. If resin is present, it will inhibit hydrogen bonding between the dehydrated and dried fine fibers, improving their dispersibility in the resin when kneaded.
脱水・乾燥した乾燥物に含まれる樹脂の形態としては、例えば、粉末状、ペレット状、シート状等が挙げられる。ただし、粉末状(粉末樹脂)が好ましい。 The resin contained in the dehydrated and dried product may be in the form of, for example, powder, pellets, or sheets. However, powder (powdered resin) is preferred.
粉末状とする場合、脱水・乾燥した乾燥物に含まれる樹脂粉末の平均粒子径は、1~10,000μmが好ましく、10~5,000μmがより好ましく、100~1,000μmが特に好ましい。平均粒子径が10,000μmを超えると、粒子径が大きいために混練装置内に入らないおそれがある。他方、平均粒子径が1μm未満であると、微細なために微細繊維同士の水素結合を阻害することができないおそれがある。なお、ここで使用する樹脂粉末等の樹脂は、微細繊維と混練する樹脂(主原料としての樹脂)と同種であっても異種であってもよいが、同種である方が好ましい。 When powdered, the average particle size of the resin powder contained in the dehydrated and dried product is preferably 1 to 10,000 μm, more preferably 10 to 5,000 μm, and particularly preferably 100 to 1,000 μm. If the average particle size exceeds 10,000 μm, the particles may be too large to enter the kneading device. On the other hand, if the average particle size is less than 1 μm, the particles may be too small to inhibit the hydrogen bonding between the fine fibers. The resin used here, such as the resin powder, may be the same or different from the resin (main raw material resin) to be kneaded with the fine fibers, but it is preferable that they are the same type.
平均粒子径1~10,000μmの樹脂粉末は、脱水・乾燥前の水系分散状態で混合するのが好ましい。水系分散状態で混合することで、樹脂粉末を微細繊維間へ均一に分散することができ、混練後の複合樹脂中に微細繊維を均一に分散できることができ、強度物性をより向上することができる。 Resin powder with an average particle size of 1 to 10,000 μm is preferably mixed in an aqueous dispersion state before dehydration and drying. Mixing in an aqueous dispersion state allows the resin powder to be uniformly dispersed among the fine fibers, which in turn allows the fine fibers to be uniformly dispersed in the composite resin after kneading, further improving strength properties.
以上のようにして得た粉状物(樹脂の補強材)は、樹脂と混練し、繊維状セルロース複合樹脂を得る。この混練は、例えば、ペレット状の樹脂と粉状物とを混ぜ合わす方法によることのほか、樹脂をまず溶融し、この溶融物の中に粉状物を添加するという方法によることもできる。なお、酸変性樹脂や分散剤等は、この段階で添加することもできる。 The powdery material (resin reinforcing material) obtained in this manner is kneaded with resin to obtain a fibrous cellulose composite resin. This kneading can be performed, for example, by mixing the powdery material with pelletized resin, or by first melting the resin and then adding the powdery material to the melt. Acid-modified resins, dispersants, etc. can also be added at this stage.
混練処理には、例えば、単軸又は二軸以上の多軸混練機、ミキシングロール、ニーダー、ロールミル、バンバリーミキサー、スクリュープレス、ディスパーザー等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。これらのなかで、二軸以上の多軸混練機を使用することが好ましい。二軸以上の多軸混練機を2機以上、並列又は直列にして、使用しても良い。 For the kneading process, one or more of the following may be selected and used: a single-screw or multi-screw kneader with two or more screws, a mixing roll, a kneader, a roll mill, a Banbury mixer, a screw press, a disperser, etc. Among these, it is preferable to use a multi-screw kneader with two or more screws. Two or more multi-screw kneaders with two or more screws may also be used in parallel or in series.
また、二軸以上の多軸混練機のスクリューの周速は、0.2~200m/分が好ましく、0.5~150m/分がさらに好ましく、1~100m/分が特に好ましい。周速が0.2m/分未満の場合は、樹脂中に微細繊維を分散させることができないおそれがある。他方、周速が200m/分を超える場合、微細繊維へのせん断力が過多となり、補強効果が得られないおそれがある。 The peripheral speed of the screws of a twin or more screw multi-screw kneader is preferably 0.2 to 200 m/min, more preferably 0.5 to 150 m/min, and particularly preferably 1 to 100 m/min. If the peripheral speed is less than 0.2 m/min, it may not be possible to disperse the fine fibers in the resin. On the other hand, if the peripheral speed exceeds 200 m/min, the shear force on the fine fibers may be excessive, and the reinforcing effect may not be achieved.
本形態において使用される混練機のスクリュー径と混練部との長さの比は、15~60が好ましい。比が15未満の場合は、混練部が短く、微細繊維と樹脂を混ぜることができないおそれがある。他方、比が60を超える場合は、混練部が長すぎるため、微細繊維へのせん断的負荷が高くなり、補強効果が得られないおそれがある。 The ratio of the screw diameter to the length of the kneading section of the kneader used in this embodiment is preferably 15 to 60. If the ratio is less than 15, the kneading section will be too short and the fine fibers and resin may not be able to be mixed. On the other hand, if the ratio exceeds 60, the kneading section will be too long, which may increase the shear load on the fine fibers and prevent the reinforcing effect from being achieved.
混練処理の温度は、樹脂のガラス転移点以上であり、樹脂の種類によって異なるが、80~280℃とするのが好ましく、90~260℃とするのがより好ましく、100~240℃とするのが特に好ましい。 The kneading temperature is above the glass transition point of the resin, and varies depending on the type of resin, but is preferably 80 to 280°C, more preferably 90 to 260°C, and especially preferably 100 to 240°C.
樹脂としては、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方を使用することができる。 The resin can be either a thermoplastic resin or a thermosetting resin.
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のポリオレフィン、脂肪族ポリエステル樹脂や芳香族ポリエステル樹脂等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、メタアクリレート、アクリレート等のポリアクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 Thermoplastic resins can be selected from one or more of the following: polyolefins such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE); polyester resins such as aliphatic polyester resins and aromatic polyester resins; polyacrylic resins such as polystyrene, methacrylate, and acrylate; polyamide resins; polycarbonate resins; and polyacetal resins.
ただし、ポリオレフィン及びポリエステル樹脂の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましい。また、ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンを使用するのが好ましい。さらに、ポリエステル樹脂としては、脂肪族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン等を例示することができ、芳香族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリエチレンテレフタレート等を例示することができるが、生分解性を有するポリエステル樹脂(単に「生分解性樹脂」ともいう。)を使用するのが好ましい。 However, it is preferable to use at least one of polyolefin and polyester resin. Furthermore, it is preferable to use polypropylene as the polyolefin. Furthermore, examples of polyester resins include aliphatic polyester resins such as polylactic acid and polycaprolactone, and aromatic polyester resins such as polyethylene terephthalate, but it is preferable to use biodegradable polyester resins (also simply referred to as "biodegradable resins").
生分解性樹脂としては、例えば、ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステル、カプロラクトン系脂肪族ポリエステル、二塩基酸ポリエステル等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As biodegradable resins, for example, one or more selected from hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyesters, caprolactone-based aliphatic polyesters, dibasic acid polyesters, etc. can be used.
ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、乳酸、リンゴ酸、グルコース酸、3-ヒドロキシ酪酸等のヒドロキシカルボン酸の単独重合体や、これらのヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種を用いた共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、ポリ乳酸、乳酸と乳酸を除く上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体、ポリカプロラクトン、上記ヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種とカプロラクトンとの共重合体を使用するのが好ましく、ポリ乳酸を使用するのが特に好ましい。 Hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyesters can be selected from one or more of the following: homopolymers of hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid, glucose acid, and 3-hydroxybutyric acid; and copolymers using at least one of these hydroxycarboxylic acids. However, polylactic acid, copolymers of lactic acid and the above hydroxycarboxylic acids excluding lactic acid, polycaprolactone, and copolymers of caprolactone and at least one of the above hydroxycarboxylic acids are preferred, with polylactic acid being particularly preferred.
この乳酸としては、例えば、L-乳酸やD-乳酸等を使用することができ、これらの乳酸を単独で使用しても、2種以上を選択して使用してもよい。 For example, L-lactic acid or D-lactic acid can be used as this lactic acid, and these lactic acids may be used alone or in combination of two or more.
カプロラクトン系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、ポリカプロラクトンの単独重合体や、ポリカプロラクトン等と上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As caprolactone-based aliphatic polyesters, one or more types can be selected and used from, for example, homopolymers of polycaprolactone, copolymers of polycaprolactone or the like with the above-mentioned hydroxycarboxylic acids, etc.
二塩基酸ポリエステルとしては、例えば、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリブチレンアジペート等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the dibasic acid polyester, for example, one or more selected from polybutylene succinate, polyethylene succinate, polybutylene adipate, etc. can be used.
生分解性樹脂は、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。 Biodegradable resins may be used alone or in combination of two or more types.
熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性ポリイミド系樹脂等を使用することができる。これらの樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。 Examples of thermosetting resins that can be used include phenolic resins, urea resins, melamine resins, furan resins, unsaturated polyesters, diallyl phthalate resins, vinyl ester resins, epoxy resins, urethane resins, silicone resins, and thermosetting polyimide resins. These resins can be used alone or in combination.
樹脂には、無機充填剤が、好ましくはサーマルリサイクルに支障が出ない割合で含有されていてもよい。 The resin may contain inorganic fillers, preferably in a proportion that does not interfere with thermal recycling.
無機充填剤としては、例えば、Fe、Na、K、Cu、Mg、Ca、Zn、Ba、Al、Ti、ケイ素元素等の周期律表第I族~第VIII族中の金属元素の単体、酸化物、水酸化物、炭素塩、硫酸塩、ケイ酸塩、亜硫酸塩、これらの化合物よりなる各種粘土鉱物等を例示することができる。 Examples of inorganic fillers include simple metal elements from Groups I to VIII of the periodic table, such as Fe, Na, K, Cu, Mg, Ca, Zn, Ba, Al, Ti, and silicon, as well as oxides, hydroxides, carbonates, sulfates, silicates, and sulfites, and various clay minerals composed of these compounds.
具体的には、例えば、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、酸化亜鉛、シリカ、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、ほう酸アルミニウム、アルミナ、酸化鉄、チタン酸カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、クレーワラストナイト、ガラスビーズ、ガラスパウダー、珪砂、硅石、石英粉、珪藻土、ホワイトカーボン、ガラスファイバー等を例示することができる。これらの無機充填剤は、複数が含有されていてもよい。また、古紙パルプに含まれるものであってもよい。 Specific examples include barium sulfate, calcium sulfate, magnesium sulfate, sodium sulfate, calcium sulfite, zinc oxide, silica, heavy calcium carbonate, light calcium carbonate, aluminum borate, alumina, iron oxide, calcium titanate, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium carbonate, calcium silicate, clay wollastonite, glass beads, glass powder, silica sand, silica stone, quartz powder, diatomaceous earth, white carbon, and glass fiber. A combination of these inorganic fillers may be used. They may also be those contained in recycled paper pulp.
微細繊維及び樹脂の配合割合は、好ましくは微細繊維が1質量部以上、樹脂が99質量部以下、より好ましくは微細繊維が2質量部以上、樹脂が98質量部以下、特に好ましくは微細繊維が3質量部以上、樹脂が97質量部以下である。また、好ましくは微細繊維が50質量部以下、樹脂が50質量部以上、より好ましくは微細繊維が40質量部以下、樹脂が60質量部以上、特に好ましくは微細繊維が30質量部以下、樹脂が70質量部以上である。特に微細繊維が10~50質量部であると、樹脂組成物の強度、特に曲げ強度及び引張り弾性率の強度を著しく向上させることができる。 The blending ratio of fine fibers and resin is preferably 1 part by mass or more of fine fibers and 99 parts by mass or less of resin, more preferably 2 parts by mass or more of fine fibers and 98 parts by mass or less of resin, and particularly preferably 3 parts by mass or more of fine fibers and 97 parts by mass or less of resin. Also, preferably 50 parts by mass or less of fine fibers and 50 parts by mass or more of resin, more preferably 40 parts by mass or less of fine fibers and 60 parts by mass or more of resin, and particularly preferably 30 parts by mass or less of fine fibers and 70 parts by mass or more of resin. In particular, when the fine fibers are 10 to 50 parts by mass, the strength of the resin composition, particularly the bending strength and tensile modulus, can be significantly improved.
なお、最終的に得られ樹脂組成物に含まれる微細繊維及び樹脂の含有割合は、通常、微細繊維及び樹脂の上記配合割合と同じとなる。 The content ratio of fine fibers and resin in the final resin composition is usually the same as the above-mentioned blend ratio of fine fibers and resin.
微細繊維及び樹脂の溶解パラメータ(cal/cm3)1/2(SP値)の差、つまり、微細繊維のSPMFC値、樹脂のSPPOL値とすると、SP値の差=SPMFC値-SPPOL値とすることができる。SP値の差は10~0.1が好ましく、8~0.5がより好ましく、5~1が特に好ましい。SP値の差が10を超えると、樹脂中で微細繊維が分散せず、補強効果を得ることはできない可能性がある。他方、SP値の差が0.1未満であると微細繊維が樹脂に溶解してしまい、フィラーとして機能せず、補強効果が得られない可能性がある。この点、樹脂(溶媒)のSPPOL値と微細繊維(溶質)のSPMFC値の差が小さい程、補強効果が大きい。なお、溶解パラメータ(cal/cm3)1/2(SP値)とは、溶媒-溶質間に作用する分子間力を表す尺度であり、SP値が近い溶媒と溶質であるほど、溶解度が増す。 The difference in solubility parameters (cal/cm 3 ) 1/2 (SP value) between the fine fibers and the resin, that is, the SP MFC value of the fine fibers and the SP POL value of the resin, can be expressed as SP value difference = SP MFC value - SP POL value. The SP value difference is preferably 10 to 0.1, more preferably 8 to 0.5, and particularly preferably 5 to 1. If the SP value difference exceeds 10, the fine fibers may not disperse in the resin, and the reinforcing effect may not be obtained. On the other hand, if the SP value difference is less than 0.1, the fine fibers may dissolve in the resin, not function as a filler, and the reinforcing effect may not be obtained. In this regard, the smaller the difference between the SP POL value of the resin (solvent) and the SP MFC value of the fine fibers (solute), the greater the reinforcing effect. The solubility parameter (cal/cm 3 ) 1/2 (SP value) is a measure of the intermolecular force acting between a solvent and a solute, and the closer the SP values of a solvent and a solute are, the greater the solubility.
(その他の組成物)
樹脂組成物(複合樹脂)には、前述した微細繊維やパルプ等のほか、ケナフ、ジュート麻、マニラ麻、サイザル麻、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、各種針葉樹(スギ及びヒノキ等)、広葉樹及び綿花などの各種植物体から得られた植物材料に由来する繊維を含ませることもでき、含まれていてもよい。
(Other Compositions)
In addition to the above-mentioned fine fibers and pulp, the resin composition (composite resin) can also contain or may contain fibers derived from plant materials obtained from various plants such as kenaf, jute, Manila hemp, sisal, gampi, mitsumata, kozo, banana, pineapple, coconut, corn, sugarcane, bagasse, palm, papyrus, reed, esparto, sabaigrass, wheat, rice, bamboo, various conifers (such as cedar and cypress), broad-leaved trees, and cotton.
樹脂組成物には、例えば、帯電防止剤、難燃剤、抗菌剤、着色剤、ラジカル捕捉剤、発泡剤等の中から1種又は2種以上を選択して、本発明の効果を阻害しない範囲で添加することができる。これらの原料は、微細繊維の分散液に添加しても、微細繊維及び樹脂の混練の際に添加しても、これらの混練物に添加しても、その他の方法で添加してもよい。ただし、製造効率の面からは、微細繊維及び樹脂の混練の際に添加するのが好ましい。 One or more of the following may be added to the resin composition, as long as they do not impair the effects of the present invention: antistatic agents, flame retardants, antibacterial agents, colorants, radical scavengers, foaming agents, etc. These raw materials may be added to the dispersion of fine fibers, when kneading the fine fibers and resin, to the kneaded product, or by other methods. However, from the standpoint of production efficiency, it is preferable to add them when kneading the fine fibers and resin.
樹脂組成物には、ゴム成分として、エチレン-αオレフィン共重合エラストマー又はスチレン-ブタジエンブロック共重合体が含有されていてもよい。α-オレフィンの例としては、例えば、ブテン、イソブテン、ペンテン、ヘキセン、メチル-ペンテン、オクテン、デセン、ドデセン等が挙げられる。 The resin composition may contain an ethylene-α-olefin copolymer elastomer or a styrene-butadiene block copolymer as a rubber component. Examples of α-olefins include butene, isobutene, pentene, hexene, methylpentene, octene, decene, and dodecene.
(第2の添加剤:エチレングリコール等)
微細繊維及び樹脂の混練に際しては、多塩基酸等の添加剤のほか、エチレングリコール、エチレングリコールの誘導体、エチレングリコール重合体、及びエチレングリコール重合体の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上の添加剤(第2の添加剤)を添加することができる。この第2の添加剤を添加することで、マイクロ繊維セルロースの分散性が著しく向上する。この点、本発明者等は、セルロース繊維がセルロースナノファイバーである場合は、当該セルロース繊維の分散性が劣ることを知見している。一方、第2の添加剤がマイクロ繊維セルロース同士の間に入ることで、樹脂中での凝集が抑えられ、分散性を向上すると推測する。なお、セルロースナノファイバーはマイクロ繊維セルロースよりも著しく比表面積が高くなるため、第2の添加剤を過剰に添加してもセルロースナノファイバー同士の間に入り込まないものと推定される。
(Second additive: ethylene glycol, etc.)
When kneading the fine fibers and resin, in addition to additives such as polybasic acids, at least one additive (second additive) selected from ethylene glycol, ethylene glycol derivatives, ethylene glycol polymers, and ethylene glycol polymer derivatives can be added. Addition of this second additive significantly improves the dispersibility of the microfibrous cellulose. In this regard, the present inventors have found that when the cellulose fibers are cellulose nanofibers, the dispersibility of the cellulose fibers is poor. On the other hand, it is presumed that the second additive enters between the microfibrous cellulose particles, suppressing aggregation in the resin and improving dispersibility. Furthermore, because cellulose nanofibers have a significantly higher specific surface area than microfibrous cellulose, it is presumed that even if an excessive amount of the second additive is added, it will not enter between the cellulose nanofibers.
第2の添加剤の添加量は、マイクロ繊維セルロース100質量部に対して、0.1~1,000質量部であるのが好ましく、1~500質量部であるのがより好ましく、10~200質量部であるのが特に好ましい。第2の添加剤の添加量が0.1質量部を下回ると、マイクロ繊維セルロースの分散性を向上に寄与しないおそれがある。他方、第2の添加剤の添加量が1,000質量部を上回ると、過剰となり逆に樹脂強度を低下させてしまうおそれがある。 The amount of the second additive added is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and particularly preferably 10 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of microfiber cellulose. If the amount of the second additive added is less than 0.1 parts by mass, it may not contribute to improving the dispersibility of the microfiber cellulose. On the other hand, if the amount of the second additive added exceeds 1,000 parts by mass, it will be excessive and may actually reduce the strength of the resin.
第2の添加剤の分子量は、1~20,000であるのが好ましく、10~4,000であるのがより好ましく、100~2,000であるのが特に好ましい。第2の添加剤の分子量が1を下回ることは、物理的に不可能である。他方、第2の添加剤の分子量が20,000を上回ると、嵩高くなるためマイクロ繊維セルロース同士の間に入らないおそれがある。 The molecular weight of the second additive is preferably 1 to 20,000, more preferably 10 to 4,000, and particularly preferably 100 to 2,000. It is physically impossible for the molecular weight of the second additive to be less than 1. On the other hand, if the molecular weight of the second additive exceeds 20,000, it becomes too bulky and may not fit between the microfiber cellulose.
(成形処理)
微細繊維等及び樹脂の混練物は、必要により再度混練する等した後、所望の形状に成形することができる。この成形の大きさや厚さ、形状等は、特に限定されず、例えば、シート状、ペレット状、粉末状、繊維状等とすることができる。
(Molding process)
The kneaded mixture of fine fibers and resin can be molded into a desired shape after further kneading, if necessary. The size, thickness, shape, etc. of the molded product are not particularly limited, and may be, for example, a sheet, pellet, powder, fiber, etc.
成形処理の際の温度は、樹脂のガラス転移点以上であり、樹脂の種類によって異なるが、例えば90~260℃、好ましくは100~240℃である。 The temperature during the molding process is above the glass transition point of the resin, and varies depending on the type of resin, but is, for example, 90 to 260°C, preferably 100 to 240°C.
混練物の成形は、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等によることができる。また、混練物を紡糸して繊維状にし、前述した植物材料等と混繊してマット形状、ボード形状とすることもできる。混繊は、例えば、エアーレイにより同時堆積させる方法等によることができる。 The kneaded material can be molded by, for example, mold molding, injection molding, extrusion molding, blow molding, foam molding, etc. The kneaded material can also be spun into fibers and mixed with the plant materials mentioned above to form a mat or board. Mixing can be achieved, for example, by simultaneous deposition using air laying.
混練物を成形する装置としては、例えば、射出成形機、吹込成形機、中空成形機、ブロー成形機、圧縮成形機、押出成形機、真空成形機、圧空成形機等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As an apparatus for molding the kneaded material, one or more types can be selected from, for example, an injection molding machine, a blow molding machine, a hollow molding machine, a blow molding machine, a compression molding machine, an extrusion molding machine, a vacuum molding machine, a pressure molding machine, etc.
以上の成形は、混練に続いて行うことも、混練物をいったん冷却し、破砕機等を使用してチップ化した後、このチップを押出成形機や射出成形機等の成形機に投入して行うこともできる。もちろん、成形は、本発明の必須の要件ではない。 The above molding can be carried out following kneading, or the kneaded material can be cooled and then chipped using a crusher or similar device, and the chips can then be fed into a molding machine such as an extruder or injection molding machine. Of course, molding is not an essential requirement of the present invention.
次に、本発明の実施例を説明する。
水分率50%以下の針葉樹晒クラフトパルプに、固形分濃度30%の尿素水溶液を用いて、固形分換算の質量比でパルプ:尿素が100:50の割合となるように尿素を混合した後、105℃で乾燥させた。その後、160℃で1時間静置することで反応させ、カルバメート化変性パルプを得た。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
Softwood bleached kraft pulp with a moisture content of 50% or less was mixed with an aqueous urea solution with a solids concentration of 30% so that the mass ratio of pulp to urea was 100:50 in terms of solids, and the mixture was dried at 105° C. Thereafter, the mixture was allowed to stand at 160° C. for 1 hour to allow the mixture to react, thereby obtaining a carbamate-modified pulp.
得られたカルバメート変性パルプを蒸留水で希釈撹拌して脱水洗浄を2回繰り返し、固形分濃度3.0質量%に調製することで洗浄カルバメート変性パルプを得た。 The resulting carbamate-modified pulp was diluted with distilled water, stirred, and dehydrated and washed twice to a solids concentration of 3.0% by mass, yielding washed carbamate-modified pulp.
洗浄カルバメート変性パルプは、叩解機を用いてFine率(FS5による繊維長分布測定で0.2mm以下の繊維の割合)が40%以上となるまで叩解して、カルバメート変性マイクロ繊維セルロースを得た。 The washed carbamate-modified pulp was beaten using a beater until the fine ratio (the proportion of fibers 0.2 mm or less as measured by FS5 fiber length distribution) reached 40% or more, yielding carbamate-modified microfibrous cellulose.
固形分濃度3.0質量%のカルバメート変性マイクロ繊維セルロース1,833gに、無水マレイン酸変性ポリプロピレンを27.5g添加し、更にポリプロピレン粉末17.5gを添加し、撹拌後、140℃に加熱した接触式乾燥機を用いて加熱乾燥し、カルバメート変性マイクロ繊椎セルロース含有物を得た。カルパメート変性マイクロ繊維セルロース含有物の含水率5~22%であった。 27.5 g of maleic anhydride-modified polypropylene was added to 1,833 g of carbamate-modified microfibrous cellulose with a solids concentration of 3.0% by mass, followed by 17.5 g of polypropylene powder. After stirring, the mixture was heated and dried in a contact dryer heated to 140°C to obtain a carbamate-modified microfibrous cellulose-containing material. The moisture content of the carbamate-modified microfibrous cellulose-containing material was 5-22%.
カルバメート変性マイクロ繊維セルロース含有物を、180℃、200rpmの条件で二軸混練機にて混練し、ベレッターで2mm径、2mm長の円柱状にカットすることで、繊維配合率55%のカルパメート変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂を得た。 The carbamate-modified microfiber cellulose material was kneaded in a twin-screw kneader at 180°C and 200 rpm, and then cut into cylindrical shapes with a belleter, measuring 2 mm in diameter and 2 mm in length, to obtain a carbamate-modified microfiber cellulose composite resin with a fiber loading ratio of 55%.
繊維配合率55%の複合樹脂と、ポリプロピレン(PP)のペレットと、α-オレフィンコポリマー(三井化学株式会社製のタフマーDF640)とを表1に記載の配合比でドライブレンドし、180℃、200rpmの条件で二軸混練機にて混練し、ベレッターで2mm径、2mm長の円柱状にカットすることで、繊維配合率10%のカルパメート変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂を得た。 A composite resin with a fiber loading ratio of 55%, polypropylene (PP) pellets, and an α-olefin copolymer (Tafmer DF640 manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) were dry-blended in the ratios shown in Table 1, kneaded in a twin-screw kneader at 180°C and 200 rpm, and cut into cylindrical shapes with a diameter of 2 mm and a length of 2 mm using a beletter, to obtain a carbamate-modified microfiber cellulose composite resin with a fiber loading ratio of 10%.
各種繊維配合率10%のカルバメート変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂を、180℃で直方体試験片(長さ59mm、幅9.6mm、厚さ3.8mm)に射出成形した。 Carbamate-modified microfiber cellulose composite resins containing 10% of each fiber were injection molded at 180°C into rectangular specimens (length 59 mm, width 9.6 mm, thickness 3.8 mm).
なお、試験例1~4は、カルバメート変性パルプの代わりに、針葉樹晒クラフトパルプを固形分濃度3.0質量%に調製して上記の叩解処理から行ったものであり、未変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂となっている。 In addition, in Test Examples 1 to 4, softwood bleached kraft pulp was used instead of carbamate-modified pulp, adjusted to a solids concentration of 3.0% by mass, and the beating process was carried out as described above, resulting in an unmodified microfiber cellulose composite resin.
各種繊維状セルロース複合樹脂について、曲げ弾性率、曲げ強度、耐衝撃性を調べた。結果を表1に示した。なお、各種試験における測定方法は、下記のとおりとした。また、耐衝撃比として、α-オレフィンコポリマーの配合率を0とした場合に対する比を示した。 The flexural modulus, flexural strength, and impact resistance of various fibrous cellulose composite resins were examined. The results are shown in Table 1. The measurement methods for each test were as follows. The impact resistance ratio is shown as the ratio to the case where the α-olefin copolymer blending ratio was set to 0.
(曲げ弾性率)
各種繊維状セルロース複合樹脂を曲げ試験片に成形し、この成形物について曲げ弾性率を調べた。曲げ弾性率は、JIS K 7171:2008に準拠して概定した。
(Flexural modulus)
Various fibrous cellulose composite resins were molded into bending test pieces, and the bending modulus of the molded pieces was measured. The bending modulus was roughly determined in accordance with JIS K 7171:2008.
(曲げ強度)
曲げ試験片に成形し、この成形物について曲げ強度を調べた。曲げ強度は、JIS K 7171:2008に準拠して測定した。
(Bending strength)
The resultant was molded into a bending test piece, and the bending strength of the molded product was measured in accordance with JIS K 7171:2008.
(耐衝撃試験)
各種繊維状セルロース複合樹脂をJIS K 7139に準拠した多目的試験片に成形し、この成形物について耐衝撃性を調べた。耐衝撃性は、JIS K 7111-1:2008に準拠してシャルピー衝撃強度を測定した。
(Impact resistance test)
Various fibrous cellulose composite resins were molded into multipurpose test pieces in accordance with JIS K 7139, and the impact resistance of these molded pieces was examined. The impact resistance was measured by measuring the Charpy impact strength in accordance with JIS K 7111-1:2008.
本発明は、繊維状セルロース複合樹脂として利用可能である。例えば、繊維状セルロース複合樹脂は、自動車、電車、船舶、飛行機等の輸送機器の内装材、外装材、構造材等;パソコン、テレビ、電話、時計等の電化製品等の筺体、構造材、内部部品等;携帯電話等の移動通信機器等の筺体、構造材、内部部品等;携帯音楽再生機器、映像再生機器、印刷機器、複写機器、スポーツ用品、オフィス機器、玩具、スポーツ用品等の筺体、構造材、内部部品等;建築物、家具等の内装材、外装材、構造材等;文具等の事務機器等;その他、包装体、トレイ等の収容体、保護用部材、パーティション部材等;に利用可能である。 The present invention can be used as a fibrous cellulose composite resin. For example, the fibrous cellulose composite resin can be used for interior, exterior, and structural materials for transportation vehicles such as automobiles, trains, ships, and airplanes; housings, structural materials, and internal parts for electrical appliances such as personal computers, televisions, telephones, and watches; housings, structural materials, and internal parts for mobile communication devices such as mobile phones; housings, structural materials, and internal parts for portable music players, video players, printing machines, copying machines, sporting goods, office equipment, toys, and sporting goods; interior, exterior, and structural materials for buildings and furniture; office equipment such as stationery; and other applications such as packaging, trays, and other containers, protective materials, and partition materials.
Claims (9)
α-オレフィンコポリマーを1質量%以上、20質量%以下の割合で含み、
前記繊維状セルロースは、ヒドロキシ基がカルバメート基で置換されたカルバメート変性微細繊維であり、
前記ヒドロキシ基に対する前記カルバメート基の置換度が0.05~0.5である、
ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。 A fibrous cellulose composite resin containing fibrous cellulose and a resin,
The composition contains an α-olefin copolymer in an amount of 1% by mass or more and 20% by mass or less,
the fibrous cellulose is a carbamate-modified fine fiber in which a hydroxy group is substituted with a carbamate group,
the degree of substitution of the carbamate group with the hydroxy group is 0.05 to 0.5;
A fibrous cellulose composite resin characterized by:
請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The fine fibers have an average fiber width of 8 to 25 μm and an average fiber length of 0.1 to 1.00 mm.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1 .
請求項1又は請求項2に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The fibrillation rate of the fine fibers is 2 to 7%.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1 or 2.
前記カルバメート基の一部又は全部が前記酸変性樹脂の酸基とイオン結合している、
請求項1~3のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 Contains acid-modified resin,
a part or all of the carbamate groups are ionically bonded to the acid groups of the acid-modified resin;
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 3.
前記酸変性樹脂の分子量が前記分散剤の分子量の2~2000倍である、
請求項4に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 Contains a dispersant,
the molecular weight of the acid-modified resin is 2 to 2000 times the molecular weight of the dispersant;
The fibrous cellulose composite resin according to claim 4.
請求項1~5のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The crystallinity of the fine fibers is 50 to 95%.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 5.
請求項1~6のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The pulp viscosity of the fine fibers is 2 cps or more.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 6.
請求項1~7のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The zeta potential of the fine fibers is −150 to 20 mV.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 7.
請求項1~8のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The water retention of the fine fibers is 80 to 400%.
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 8.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005126601A (en) | 2003-10-24 | 2005-05-19 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Fiber reinforced resin composition and molded article thereof |
| WO2016181641A1 (en) | 2015-05-12 | 2016-11-17 | 三井化学株式会社 | Resin composition and synthetic wood using same |
| WO2020203147A1 (en) | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 大王製紙株式会社 | Fibrous cellulose composite resin and production method therefor, and resin reinforcing material |
| JP2021143239A (en) | 2020-03-11 | 2021-09-24 | 大王製紙株式会社 | Fibrous cellulose, fibrous cellulose composite resin, and method for producing fibrous cellulose |
| JP2021155545A (en) | 2020-03-26 | 2021-10-07 | 大王製紙株式会社 | Method for producing fibrous cellulose, fibrous cellulose composite resin and fibrous cellulose |
| JP2021167392A (en) | 2020-04-10 | 2021-10-21 | 日本ポリプロ株式会社 | Fiber-reinforced polypropylene resin composition having excellent transferability |
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