JP7802292B2 - water-based paint composition - Google Patents
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Description
本発明は、水性塗料組成物に関するものである。 The present invention relates to an aqueous coating composition.
従来より、美しい描画や心を楽しませる描画を備えた伝統工芸品、和洋食器、装飾品、インテリア小物等がある。これらの焼物素地への描画は、例えば、水性塗料組成物により行われる。水性塗料で描画された焼物素地は、釉薬をかけた後、焼成して完成品となる。 Traditionally, there have been traditional crafts, Japanese and Western tableware, decorative items, interior accessories, and other items that feature beautiful or pleasing designs. These designs are applied to the ceramic base using, for example, an aqueous paint composition. After the design is applied with the aqueous paint, the ceramic base is glazed and fired to become the finished product.
画師が描画する際には、例えば水性塗料組成物を乳鉢に適量注ぎ、筆に含ませて描画する。この水性塗料組成物には顔料等の着色基材が含まれており、乳鉢に注がれた水性塗料組成物を放置しておくと、重力によりこの着色基材が水性塗料組成物中で沈殿し、着色基材の相と水相に分離してしまう。分離した水性塗料組成物を用いて描画すると色ムラや塗りムラが生じることがある。これらを防止するため、例えば、適当な頻度で、乳棒で水性塗料組成物を十分に掻き混ぜて均一にする作業が加わる。 When an artist paints, for example, they pour an appropriate amount of the aqueous coating composition into a mortar and soak a brush in it to paint. This aqueous coating composition contains a coloring base material such as a pigment. If the aqueous coating composition poured into the mortar is left standing, the coloring base material will settle in the aqueous coating composition due to gravity, resulting in separation into a coloring base phase and an aqueous phase. When painting with the separated aqueous coating composition, color unevenness or uneven application may occur. To prevent this, for example, the artist frequently stirs the aqueous coating composition thoroughly with a pestle to make it uniform.
分離が生じ難い水性塗料組成物とするには、例えば、増粘剤を添加することが一つの手法として考えられる。増粘剤を添加する技術として、特許文献1がある。特許文献1では、少量で効果を発現する増粘剤(レオロジーコントロール剤)を水性塗料組成物に含ませて、所望の粘度を担保している。しかしながら、粘度が高い水性塗料組成物を筆に含ませて、焼物素地(描画対象物)に描画すると、水性塗料組成物の伸びが良くなく、描画しづらい。 One way to make an aqueous paint composition less susceptible to separation is to add a thickener. Patent Document 1 describes a technique for adding a thickener. In Patent Document 1, a thickener (rheology control agent) that is effective in small amounts is added to the aqueous paint composition to ensure the desired viscosity. However, when a highly viscous aqueous paint composition is applied to a brush and used to paint on a ceramic base (the object to be painted), the aqueous paint composition does not spread well, making it difficult to paint.
伸びを良くするためには、水や有機溶剤で水性塗料組成物を希釈して使用することも一つの手法であるが、増粘剤の濃度が薄まり粘度が低下してしまうので、希釈した水性塗料組成物は時間が経つと分離してしまう。 One way to improve spreadability is to dilute the water-based paint composition with water or an organic solvent, but this dilutes the concentration of the thickener and reduces the viscosity, causing the diluted water-based paint composition to separate over time.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、時間を置いても着色基材が沈降し難い水性塗料組成物を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide an aqueous coating composition that prevents the colored substrate from settling even after a period of time.
発明者は鋭意研究を重ね、リンオキソ酸によりエステル化されたセルロースナノファイバーが極めて高い分散性と、分散された状態が長時間継続するという性質を備えることに着目した。このセルロースナノファイバーを水性塗料組成物に含有することで、着色基材が長時間分散した状態が持続されることを知見した。この知見を踏まえて課題を解決した態様が次記に示すものである。
(第1の態様)
着色基材と亜リン酸のエステル基が導入されたセルロースナノファイバーとを含有し、
24時間静置後の液面部分の濃度指数が90以上である、
ことを特徴とする水性塗料組成物。
The inventors conducted extensive research and discovered that cellulose nanofibers esterified with phosphorus oxoacid have extremely high dispersibility and maintain a dispersed state for a long period of time. They discovered that by including this cellulose nanofiber in an aqueous coating composition, the colored substrate can be maintained in a dispersed state for a long period of time. Based on this discovery, the following aspects solve the problem.
(First Aspect)
The present invention comprises a coloring base material and cellulose nanofibers having an ester group of phosphorous acid introduced therein,
The concentration index of the liquid surface after standing for 24 hours is 90 or more.
1. A water-based coating composition comprising:
リンオキソ酸のエステル基で変性されたセルロースナノファイバーは優れた粘度を有し、それゆえ、沈降せず分散状態が維持される。また、着色基材はセルロースナノファイバーに付着したり、セルロースナノファイバー相互で形成される隙間に留まったりして分散した状態が維持される。よって、本態様の水性塗料組成物は、着色基材が長時間沈降しない状態が維持されるものとなる。 Cellulose nanofibers modified with ester groups of phosphorus oxoacid have excellent viscosity, and therefore remain dispersed without settling. Furthermore, the colored substrate remains dispersed by adhering to the cellulose nanofibers or remaining in the gaps formed between the cellulose nanofibers. Therefore, the aqueous coating composition of this embodiment allows the colored substrate to remain dispersed for an extended period of time without settling.
(第2の態様)
前記セルロースナノファイバーが2~4質量%含まれ、
前記セルロースナノファイバーは、化学パルプを解繊して得られたセルロースナノファイバーを有するものであり、
前記化学パルプを解繊した得られたセルロースナノファイバーは、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部が、下記構造式(1)に示す官能基で置換されてリンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバー(A)を有する、
水性塗料組成物。
[構造式(1)]
A1,A2,・・・,An及びA’のうちの少なくとも1つはOであり、残りはR、OR、NHR、及び、なしのいずれかである。Rは、水素原子、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いずれかである。αは有機物又は無機物からなる陽イオンである。
(Second Aspect)
The cellulose nanofibers are contained in an amount of 2 to 4% by mass,
The cellulose nanofibers have cellulose nanofibers obtained by defibrating chemical pulp,
The cellulose nanofibers obtained by defibrating the chemical pulp have cellulose nanofibers (A) in which some of the hydroxy groups of the cellulose fibers have been substituted with functional groups represented by the following structural formula (1) and an ester of a phosphorus oxoacid has been introduced:
Water-based paint composition.
[Structural formula (1)]
At least one of A1, A2, ..., An and A' is O, and the rest are R, OR, NHR, or none. R is a hydrogen atom, 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, or a group derived from any of these. α is a cation made of an organic or inorganic substance.
セルロースナノファイバーは、例えば、機械パルプや化学パルプを解繊して得ることができる。その中でも化学パルプは、リグニン含有量が少なく、純度が相対的に高いため、解繊が容易であることを発明者は知見している。純度が高いと、解繊したときに繊維径及び繊維長の分散が小さい、すなわち繊維径及び繊維長のばらつきが小さいセルロースナノファイバーとなる。繊維径及び繊維長のばらつきが小さいセルロースナノファイバーは水性塗料組成物中への分散性に優れるので、定着性が良く垂れにくく、かつ伸びのよい水性塗料組成物となる。また、セルロースナノファイバー(A)は相対的に高い粘度を有するので、分散した状態が維持され、沈降しにくい。よって、着色基材も、長時間、沈降せず安定的に分散した状態が維持される。 Cellulose nanofibers can be obtained, for example, by defibrating mechanical pulp or chemical pulp. The inventors have found that chemical pulp, in particular, is easy to defibrate because it has a low lignin content and relatively high purity. High purity pulp results in cellulose nanofibers with small variance in fiber diameter and fiber length after defibration, i.e., small variations in fiber diameter and fiber length. Cellulose nanofibers with small variations in fiber diameter and fiber length are highly dispersible in aqueous paint compositions, resulting in aqueous paint compositions with good adhesion, resistance to sagging, and good spreadability. Furthermore, because cellulose nanofiber (A) has a relatively high viscosity, it maintains a dispersed state and is resistant to settling. Therefore, the colored substrate also maintains a stably dispersed state without settling for an extended period of time.
(第3の態様)
前記セルロース繊維のヒドロキシ基の一部が、カルバメート基で置換されて、カルバメートが導入されている、
水性塗料組成物。
(Third Aspect)
A part of the hydroxy groups of the cellulose fibers is substituted with carbamate groups to introduce carbamate.
Water-based paint composition.
本態様のセルロースナノファイバーは、リンオキソ酸のエステルが導入されたものとカルバメートが導入されたものを含む。リンオキソ酸のエステルとカルバメートの相互作用により水性塗料組成物のせん断力が大きくなり粘度が向上する。高い粘度により、水性塗料組成物に分散したセルロースナノファイバーが沈降しづらくなり、長時間、優れた分散性が維持される。 The cellulose nanofibers of this embodiment include those into which an ester of phosphorus oxoacid has been introduced and those into which a carbamate has been introduced. The interaction between the ester of phosphorus oxoacid and the carbamate increases the shear force of the aqueous coating composition, improving viscosity. The high viscosity makes it difficult for the cellulose nanofibers dispersed in the aqueous coating composition to settle, maintaining excellent dispersibility for an extended period of time.
(第4の態様)
前記セルロースナノファイバー(A)は、セルロース繊維のヒドロキシ基のうち2箇所以上、前記構造式(1)に示す官能基で置換されてリンオキソ酸のエステルが導入されたものである、
水性塗料組成物。
(Fourth Aspect)
The cellulose nanofibers (A) are cellulose fibers in which two or more of the hydroxy groups are substituted with functional groups represented by the structural formula (1) and an ester of a phosphorus oxoacid is introduced.
Water-based paint composition.
リンオキソ酸のエステル基は極性を有するので、水素結合が容易に起こると推測される。水素結合した状態では、セルロースナノファイバーは、自由な移動が抑制され、沈降しにくくなる。本態様ではリンオキソ酸のエステルが2箇所以上導入されているので、水素結合が起こる部位が相対的に多く、セルロースナノファイバーの自由な移動がより抑制される。 Since the ester group of phosphorus oxoacid is polar, it is presumed that hydrogen bonding occurs easily. In a hydrogen-bonded state, the free movement of cellulose nanofibers is restricted, making them less likely to settle. In this embodiment, because two or more phosphorus oxoacid esters are introduced, there are relatively more sites where hydrogen bonding can occur, further restricting the free movement of cellulose nanofibers.
(第5の態様)
レーザー回折法により測定される擬似粒度分布において体積基準での累積50%径(D50)と累積90%径(D90)の比(D50/D90)が0.50~1である、
水性塗料組成物。
(Fifth Aspect)
In a pseudo particle size distribution measured by a laser diffraction method, the ratio (D50/D90) of the cumulative 50% diameter (D50) to the cumulative 90% diameter (D90) on a volume basis is 0.50 to 1.
Water-based paint composition.
比(D50/D90)が1に近いほど、水性塗料組成物に含まれる固形分全体の擬似粒度のばらつきが少なく、固形分全体の擬似粒度が揃っているといえる。固形分全体の擬似粒度が揃っているほど、固形分が長時間、分散した状態が維持される。 The closer the ratio (D50/D90) is to 1, the less variation there is in the pseudo-particle size of the entire solid content contained in the aqueous paint composition, and the more uniform the pseudo-particle size of the entire solid content. The more uniform the pseudo-particle size of the entire solid content, the longer the solid content will remain dispersed.
本発明によると、時間を置いても着色基材が沈降し難い水性塗料組成物となる。 This invention results in an aqueous coating composition in which the colored substrate is less likely to settle even after time has passed.
本発明を実施するための形態を次記に説明する。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。 The following describes an embodiment of the present invention. Note that this embodiment is merely an example of the present invention. The scope of the present invention is not limited to the scope of this embodiment.
本実施形態の水性塗料組成物は、着色基材とセルロースナノファイバーとを有し、前記セルロースナノファイバーはリンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバー(A)を有し、レーザー回折法により測定される擬似粒度分布曲線において単一のピークを有するものである。以下各組成物について詳述する。 The aqueous coating composition of this embodiment comprises a colored substrate and cellulose nanofibers, the cellulose nanofibers comprising cellulose nanofibers (A) into which an ester of a phosphorus oxoacid has been introduced, and which have a single peak in a pseudo-particle size distribution curve measured by laser diffraction. Each composition is described in detail below.
(着色基材)
着色基材は、焼物素地を着色する物質であり、基材の種類により様々な色を呈するものである。焼物素地に水性塗料組成物で絵付けをする方法として、上絵付けと下絵付けがある。下絵付けとは、絵付を施釉前に行うものであり、一例に次記の手法で行うことができる。素焼された焼物素地に着色基材を含む水性塗料組成物等で絵柄を描画し、その後釉薬をかけ焼成する。下絵付けは、複数回焼成をしてもよいが、二次焼成を行わない場合は、手間がかからず製造コストが安価なものとなる。一部の顔料等の着色基材は釉薬に溶け込むなど釉薬と反応する。この反応により、描画がにじんだり、ぼやけたりすることがある。釉薬に対して難反応性の顔料である、金属塩化物や硝酸化合物の着色基材を用いることで、上記反応が抑制され、にじみやぼやけを避けることができる。なお、意図的に描画をにじませたりぼやかしたりする場合もある。
(Colored base material)
A coloring base material is a substance that colors the pottery base and exhibits various colors depending on the type of base material. Methods for decorating pottery base materials with an aqueous coating composition include overglazing and underglazing. Underglazing involves painting a design on a bisque-fired pottery base using an aqueous coating composition containing a coloring base material, followed by application of a glaze and firing. Underglazing can involve multiple firings, but omitting a secondary firing reduces the labor and manufacturing costs. Some coloring base materials, such as pigments, react with the glaze, such as by dissolving in the glaze. This reaction can cause the image to bleed or blur. Using a coloring base material made of a metal chloride or nitrate compound, which is a pigment that is less reactive with the glaze, suppresses the reaction and prevents bleed or blur. In some cases, the image may be intentionally bled or blurred.
上絵付けは、一例に次記の手法で行うことができる。まず、素焼された焼物素地に釉薬をかけ、高温焼成し、釉薬層を形成させる。この釉薬層が形成された焼物素地を釉薬層成形体という。この釉薬成形体の表面に、筆等で水性塗料組成物を使用して絵柄を描画する。次に描画された焼物素地を低温焼成する。低温で焼成する場合には、着色基材として、着色顔料を用いることが好ましい。この顔料の色としては、様々な色、例えば赤色、青色、黄色、その他の色や、金彩を用いることができる。 Overglaze painting can be performed, for example, using the following method. First, a glaze is applied to a bisque-fired pottery body, which is then fired at a high temperature to form a glaze layer. The pottery body with this glaze layer is called a glaze-layered body. A design is painted onto the surface of this glaze-layered body using a brush or other tool with an aqueous paint composition. The painted pottery body is then fired at a low temperature. When firing at a low temperature, it is preferable to use a colored pigment as the coloring base. This pigment can be in a variety of colors, such as red, blue, yellow, and other colors, as well as gold.
着色基材には、上記で示した着色顔料のほかに、シリカ、アルミナ、シリカ・アルミナ複合体に金属酸化物を固溶させたもの、又はこれらの複合化合物を固溶させたものを含めることができる。この金属酸化物としては、特に限定されないが、酸化コバルト、酸化鉄、酸化銅、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ニッケル、酸化スズ等を例示できる。また、着色基材には、ジルコニウム、ケイ素、プラセオジム、バナジウム、チタン、アンチモン、亜鉛、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、銅、鉛、カドミウム又はその化合物、クロム又はその化合物(例えば、オキサイド・オブ・クロミウム、ビリジアン、コバルトターコイズ)を例示できる。また、着色基材には、セラミック顔料を含めることができる。 In addition to the color pigments listed above, the coloring base material can include silica, alumina, silica-alumina composites with metal oxides in solid solution, or composite compounds of these. Examples of metal oxides include, but are not limited to, cobalt oxide, iron oxide, copper oxide, manganese oxide, chromium oxide, nickel oxide, and tin oxide. Examples of coloring base materials include zirconium, silicon, praseodymium, vanadium, titanium, antimony, zinc, manganese, cobalt, nickel, aluminum, copper, lead, cadmium or its compounds, and chromium or its compounds (e.g., chromium oxide, viridian, and cobalt turquoise). The coloring base material can also include ceramic pigments.
セラミック顔料は、耐熱性、対候性、耐薬品性に優れ、主に酸化物や複合酸化物、ケイ酸塩等からなるものがある。しかしながら、これらに限られるものではない。セラミック顔料としては、スピネル系の固溶体やアンチモンスズグレーやジルコングレー、プラセオジム黄、バナジウムスズ黄(Sn-V系及びSn-Ti-V系等がある)、バナジウムジルコニウム黄、ピーコック、ビクトリアグリーン、クロムグリーン(Al-Cr系)、紺青、海碧、Co-Zn-Si系、Co-Si系、バナジウムジルコニウム青、クロムスズライラック、ライラック、クロムスズピンク、陶試紅、サーモンピンク、クロムアルミナピンク、ファイアーレッドを例示することができる。 Ceramic pigments have excellent heat resistance, weather resistance, and chemical resistance, and are primarily composed of oxides, composite oxides, silicates, etc. However, they are not limited to these. Examples of ceramic pigments include spinel-based solid solutions, antimony tin gray, zircon gray, praseodymium yellow, vanadium tin yellow (including Sn-V and Sn-Ti-V), vanadium zirconium yellow, peacock, Victoria green, chrome green (Al-Cr), Prussian blue, sea blue, Co-Zn-Si, Co-Si, vanadium zirconium blue, chrome tin lilac, lilac, chrome tin pink, ceramic red, salmon pink, chrome alumina pink, and fire red.
本形態による着色基材の平均粒子径は、例えば、1μm~20μm、好ましくは、5μm~10μmとするとよい。20μmを超えると、水性塗料組成物を薄く塗った場合に描画部分に着色基材による凹凸が発生し、見た目の色合いが均一にならないことがある。また、1μm未満だと、水性塗料組成物中における着色基材の分散性が不十分となる場合があり、塗りムラの原因となる。また、着色基材がセルロースナノファイバーを介して適度に水性塗料組成物中に分散されたものとするためには、着色基材の粒子径分布とセルロースナノファイバーの擬似粒度分布が近似している方がよい。当該範囲1μm~20μmを上回ったり、下回ったりすると、セルロースナノファイバーの径とのズレが大きくなり、分散性が良くなくなり、水性塗料組成物が二相に分離し易くなる。 The average particle diameter of the colored substrate in this embodiment is, for example, 1 μm to 20 μm, preferably 5 μm to 10 μm. If it exceeds 20 μm, unevenness may occur in the painted area when the aqueous coating composition is applied thinly, resulting in an uneven appearance of the color tone. Furthermore, if it is less than 1 μm, the colored substrate may not disperse sufficiently in the aqueous coating composition, causing uneven coating. Furthermore, to ensure that the colored substrate is adequately dispersed in the aqueous coating composition via the cellulose nanofibers, it is preferable that the particle size distribution of the colored substrate and the pseudo-particle size distribution of the cellulose nanofibers are similar. If the particle size is above or below the range of 1 μm to 20 μm, the difference with the diameter of the cellulose nanofiber becomes significant, resulting in poor dispersibility and the aqueous coating composition being more susceptible to separation into two phases.
なお、焼物素地の、特に表面の主成分がケイ酸やケイ酸化合物(例えば、ガラスその他の固溶体)である場合は、上記、釉薬層成形体の製造を省略して、この焼物素地に筆等で水性塗料組成物を使用して絵柄を描画してもよい。この場合、描画された後の焼物素地を低温焼成する。 If the main component of the ceramic body, especially the surface, is silicic acid or a silicic acid compound (for example, glass or other solid solutions), the production of the glaze layer molded body described above can be omitted, and a design can be painted onto the ceramic body with a brush or other device using an aqueous paint composition. In this case, the ceramic body after painting is fired at a low temperature.
(セルロースナノファイバー)
セルロースナノファイバーは、セルロース繊維の水素結合点を増やし、もって成形体の強度を向上する役割を有する。セルロースナノファイバーは、原料パルプを解繊(微細化)することで得ることができ、化学処理、機械処理等公知の処理手法で製造することができる。
(Cellulose nanofiber)
Cellulose nanofibers increase the number of hydrogen bonding points in cellulose fibers, thereby improving the strength of molded articles. Cellulose nanofibers can be obtained by defibrating (refining) raw pulp, and can be produced by known processing methods such as chemical processing and mechanical processing.
セルロースナノファイバーの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の状態等であってもよい。 The raw pulp for cellulose nanofibers can be selected from one or more of 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 raw materials may also be in a pulverized state, such as cellulose powder.
ただし、不純物の混入を可及的に避けるために、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)、サルファイトパルプ(SP)、溶解パルプ等(DP)等の化学パルプ、機械パルプ(TMP)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, to minimize the inclusion of impurities, it is preferable to use wood pulp. Examples of wood pulp that can be used include chemical pulps such as hardwood kraft pulp (LKP), softwood kraft pulp (NKP), sulfite pulp (SP), and dissolving pulp (DP), and mechanical pulp (TMP).
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)、晒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.
セルロースナノファイバーの解繊に先立っては、化学的手法によって前処理することもできる。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)、TEMPO触媒による酸化(酸化処理)、リン酸エステル化(化学的処理)等を例示することができる。 Before defibrating cellulose nanofibers, they can also be pretreated by chemical methods. 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), reduction of polysaccharides with a reducing agent (reduction treatment), oxidation with a TEMPO catalyst (oxidation treatment), and phosphate esterification (chemical treatment).
解繊に先立って酵素処理や酸処理、酸化処理を施すと、保水度を比較的低くでき、かつ均質性を高くすることができる。この点、セルロースナノファイバーの保水度が高過ぎると、水性塗料組成物がよく伸びにくくなる。これはおそらく、水性塗料組成物が水分を多く含むため、水分子相互の水素結合により水分子が凝集して液滴化しやすくなることによるものと推測される。 By carrying out enzyme treatment, acid treatment, or oxidation treatment prior to defibration, it is possible to reduce water retention relatively and increase homogeneity. However, if the water retention of cellulose nanofibers is too high, the aqueous paint composition will not spread well. This is probably because the aqueous paint composition contains a lot of water, which makes it easier for the water molecules to aggregate and form droplets due to hydrogen bonding between them.
原料パルプ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、結果、微細化処理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。セルロース繊維の分散性は、例えば、成形体の均質性向上に資する。ただし、前処理は、セルロースナノファイバーのアスペクト比を低下させるため、過度の前処理は避けるのが好ましい。 When raw pulp is treated with enzymes, acids, or oxidation, the amorphous regions of hemicellulose and cellulose contained in the pulp are broken down, resulting in a reduction in the energy required for the refining process and improved uniformity and dispersibility of the cellulose fibers. Dispersibility of cellulose fibers contributes to improving the homogeneity of the molded product, for example. However, since pretreatment reduces the aspect ratio of the cellulose nanofibers, excessive pretreatment is preferably avoided.
特に、機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーを有する水性塗料組成物で描画対象物(例えば、焼物素地が釉薬層で覆われた釉薬層成形素地や、焼物素地)に描画すると、この水性塗料組成物は伸びがよく、描画対象物への密着性が良く、塗りムラが発生しづらいものとなる。従来の水性塗料組成物には、粘度を高め、密着性を良くするため、カルボキシメチルセルロース等の増粘剤を組成に加えたものがある。カルボキシメチルセルロースは水性塗料組成物の粘度を高めるが、釉薬を塗布した際に水溶性のため溶出し、焼成後のひび割れの原因となる。 In particular, when an aqueous paint composition containing cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp is used to paint on an object (for example, a glaze-coated base where a ceramic base is covered with a glaze layer, or a ceramic base), the aqueous paint composition spreads well, adheres well to the object, and is less likely to produce uneven paint. Some conventional aqueous paint compositions contain thickeners such as carboxymethyl cellulose to increase viscosity and improve adhesion. Carboxymethyl cellulose increases the viscosity of the aqueous paint composition, but because it is water-soluble, it dissolves when the glaze is applied, causing cracks after firing.
セルロースナノファイバーは、水や有機溶剤等の液体に混入させ、分散させて分散液とすることができる。 Cellulose nanofibers can be mixed and dispersed in liquids such as water or organic solvents to form a dispersion.
描画時における水性塗料組成物の密着性や伸びの観点からは、機械パルプを使用するのが好ましく、着色基材の本来の色あいを発揮させるには晒機械パルプを使用するのがより好ましく、BTMPを使用するのが特に好ましい。描画するときの水性塗料組成物の密着性がよい。描画するときの水性塗料組成物の密着性がよいと、乾燥後に水性塗料組成物が被塗布物から剥がれにくくなり、描画作業を効率的に行い易くなる。 From the standpoint of adhesion and spread of the aqueous paint composition during painting, it is preferable to use mechanical pulp, and to bring out the original color of the colored substrate, it is more preferable to use bleached mechanical pulp, with BTMP being particularly preferable. The aqueous paint composition has good adhesion when painting. If the aqueous paint composition has good adhesion when painting, it will be less likely to peel off from the substrate after drying, making it easier to carry out painting work efficiently.
水性塗料組成物中に含まれるセルロースナノファイバーは、機械パルプを解繊して得たものや化学パルプを解繊して得たものを好適に用いることができる。特に化学パルプとしては、セルロース繊維にリンオキソ酸類及びリンオキソ酸金属塩類の少なくともいずれか一方を含む添加物を添加して、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部がリンオキソ酸でエステル化されたパルプを解繊して得たものや、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部がカルバメート基で置換されてカルバメートが導入されたパルプを解繊して得たもの、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部がリンオキソ酸でエステル化され、かつ他のヒドロキシ基の一部がカルバメート基で置換されてカルバメートが導入されたパルプを解繊して得たものを用いてもよい。 The cellulose nanofibers contained in the aqueous coating composition can be suitably obtained by defibrating mechanical pulp or chemical pulp. In particular, chemical pulp may be obtained by adding an additive containing at least one of phosphorus oxoacids and phosphorus oxoacid metal salts to cellulose fibers, and defibrating pulp in which some of the hydroxy groups of the cellulose fibers have been esterified with phosphorus oxoacids; by defibrating pulp in which some of the hydroxy groups of the cellulose fibers have been substituted with carbamate groups to introduce carbamate; or by defibrating pulp in which some of the hydroxy groups of the cellulose fibers have been esterified with phosphorus oxoacids and some of the other hydroxy groups have been substituted with carbamate groups to introduce carbamate.
これらのセルロースナノファイバーは、水性塗料組成物に固形分基準で2~4質量%、好ましくは3~4質量%含まれるとよい。4質量%を超えると、セルロースナノファイバーの濃度が高く、セルロースナノファイバー間の相互作用が強く働き、高粘度となり、水性塗料組成物の伸びが不十分となる。2質量%を下回ると、長時間沈降しにくいものの、描画したときに描画部分から水性塗料組成物が外側に垂れてしまう懸念がある。 These cellulose nanofibers should be included in the aqueous coating composition at 2 to 4 mass %, preferably 3 to 4 mass %, based on the solids content. If the content exceeds 4 mass %, the concentration of cellulose nanofibers will be high, and the interactions between the cellulose nanofibers will be strong, resulting in high viscosity and insufficient spreadability of the aqueous coating composition. If the content is below 2 mass %, although sedimentation will be less likely to occur over a long period of time, there is a risk that the aqueous coating composition may drip outward from the drawn area when painting.
化学パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーからなる分散液と、機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーからなる分散液を比較すると化学パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーからなる分散液の方が粘性が高いことを発明者は知見している。化学パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーと機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーとの比率(質量比)を調整することで、粘度が相対的に高い水性塗料組成物とすることができる。 The inventors have found that when comparing a dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibrating chemical pulp with a dispersion of cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp, the latter has a higher viscosity. By adjusting the ratio (mass ratio) of cellulose nanofibers obtained by defibrating chemical pulp to cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp, it is possible to create an aqueous coating composition with a relatively high viscosity.
水性塗料組成物が機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーと化学パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーを含む場合、機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーと化学パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーとの質量比が1~9:1、特に1~3:1である態様は好ましい。質量比が9:1を上回ると、機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーを相対的に多く用いることになるため、コストがかかる。質量比が1:1を下回ると、描画部分から水性塗料組成物が外側に垂れにくくなるが、機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーの濃度が低いので、このセルロースナノファイバーが備える分散性の効果が弱まる。 When the aqueous coating composition contains cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp and cellulose nanofibers obtained by defibrating chemical pulp, a preferred embodiment is one in which the mass ratio of the cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp to the cellulose nanofibers obtained by defibrating chemical pulp is 1 to 9:1, and particularly 1 to 3:1. If the mass ratio exceeds 9:1, a relatively large amount of cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp will be used, resulting in increased costs. If the mass ratio is below 1:1, the aqueous coating composition will be less likely to drip outward from the painted area, but the concentration of cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp will be low, weakening the dispersibility effect of this cellulose nanofiber.
解繊に先立ってリンオキソ酸によるエステル化(化学的処理)を施すと、繊維原料を微細化でき、製造されるセルロースナノファイバーは、アスペクト比が大きく強度に優れ、光透過度及び粘度が高いものとなる。リンオキソ酸によるエステル化は、特許文献3(特開2019-199671号公報)に掲げる手法で行うことができる。リンオキソ酸によりエステル化されたセルロースナノファイバー(A)の一例を次記に示す。セルロース繊維のヒドロキシ基の一部が、下記構造式(1)に示す官能基で置換されてリンオキソ酸でエステル化されており、構造式(1)に示す官能基の導入量が、セルロース繊維1gあたり2mmоlを超えるセルロースナノファイバーを例示できる。当該官能基の導入量の上限はセルロース繊維1gあたり3.4mmоlである。この上限を超えると、セルロースナノファイバーが水に溶けやすくなるおそれがある。
〔構造式(1)〕
A1,A2,・・・,AnおよびA’のうちの少なくとも1つはOであり、残りはR、OR、NHR、及び、なしのいずれかである。Rは、水素原子、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いずれかである。αは有機物又は無機物からなる陽イオンである。
Esterification (chemical treatment) with phosphorus oxoacid prior to defibration can refine the fiber raw material, resulting in cellulose nanofibers with a large aspect ratio, excellent strength, and high light transmittance and viscosity. Esterification with phosphorus oxoacid can be carried out by the method described in Patent Document 3 (JP 2019-199671 A). An example of cellulose nanofiber (A) esterified with phosphorus oxoacid is shown below. An example of a cellulose nanofiber (A) esterified with phosphorus oxoacid is shown below. A portion of the hydroxy groups of the cellulose fiber is esterified with phosphorus oxoacid by substitution with a functional group shown in structural formula (1) below. An example of such a cellulose nanofiber is one in which the amount of the functional group shown in structural formula (1) introduced exceeds 2 mmol per gram of cellulose fiber. The upper limit of the amount of the functional group introduced is 3.4 mmol per gram of cellulose fiber. Exceeding this upper limit may result in the cellulose nanofiber becoming more soluble in water.
[Structural formula (1)]
At least one of A1, A2, ..., An and A' is O, and the rest are R, OR, NHR, or none. R is any of a hydrogen atom, 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. α is a cation made of an organic or inorganic substance.
また、前記セルロースナノファイバー(A)は、セルロース繊維のヒドロキシ基のうち2箇所以上、前記構造式(1)に示す官能基で置換されてリンオキソ酸のエステルが導入されたものであってもよい。水素結合等によるセルロースナノファイバーの相互作用により、粘度が向上する。 The cellulose nanofibers (A) may also be those in which two or more of the hydroxyl groups of the cellulose fibers have been substituted with the functional group shown in structural formula (1) and an ester of phosphorus oxoacid has been introduced. The viscosity is improved by interactions between the cellulose nanofibers through hydrogen bonds, etc.
セルロース繊維は、β-グルコースを一構成単位として、β-グルコースが複数重合した構造を形成している。重合された一つのセルロース繊維において、リンオキソ酸のエステル基は、ある特定のβ-グルコースで置換され、別のβ-グルコースでは置換されていなくてもよい。また、ある特定のβ-グルコースにおいて複数個所に、リンオキソ酸のエステル基が置換されて導入されていてもよい。 Cellulose fibers have a structure in which multiple β-glucose units are polymerized, with β-glucose being one structural unit. In one polymerized cellulose fiber, the ester group of the phosphorus oxoacid may be substituted with a specific β-glucose and not with another β-glucose. Furthermore, the ester group of the phosphorus oxoacid may be introduced and substituted at multiple positions in a specific β-glucose.
このリンオキソ酸によりエステル化されたセルロースナノファイバーは光透過度及び粘度が極めて高いものである。 Cellulose nanofibers esterified with this phosphorus oxoacid have extremely high light transmittance and viscosity.
リンオキソ酸によるエステル化の反応は、セルロース繊維に、リンオキソ酸類及びリンオキソ酸金属塩類の少なくともいずれか一方を含む添加物(A)からなるpH3.0未満の溶液を添加し、加熱し、解繊することで進行する。 The esterification reaction with phosphorus oxoacids proceeds by adding a solution of additive (A) containing at least one of phosphorus oxoacids and phosphorus oxoacid metal salts, with a pH of less than 3.0, to cellulose fibers, heating them, and defibrating them.
添加物(A)としては、例えば、リン酸、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、ポリリン酸アンモニウム、リン酸二水素リチウム、リン酸三リチウム、リン酸水素二リチウム、ピロリン酸リチウム、ポリリン酸リチウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、ポリリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、ポリリン酸カリウム、亜リン酸、亜リン酸水素ナトリウム、亜リン酸水素アンモニウム、亜リン酸水素カリウム、亜リン酸二水素ナトリウム、亜リン酸ナトリウム、亜リン酸リチウム、亜リン酸カリウム、亜リン酸マグネシウム、亜リン酸カルシウム、亜リン酸トリエチル、亜リン酸トリフェニル、ピロ亜リン酸等の亜リン酸化合物等を使用することができる。これらの添加物は、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、リンオキソ酸類の一部又は全部としては、ホスホン酸類を使用するのが好ましい。ホスホン酸類を使用すると、セルロース繊維の黄変化が防止されるので、着色基材の本来の色あいを備えた水性塗料組成物となる。 Examples of additives (A) that can be used include phosphoric acid, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium polyphosphate, lithium dihydrogen phosphate, trilithium phosphate, dilithium hydrogen phosphate, lithium pyrophosphate, lithium polyphosphate, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, sodium polyphosphate, potassium dihydrogen phosphate, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium polyphosphate, phosphorous acid, sodium hydrogen phosphite, ammonium hydrogen phosphite, potassium hydrogen phosphite, sodium dihydrogen phosphite, sodium phosphite, lithium phosphite, potassium phosphite, magnesium phosphite, calcium phosphite, triethyl phosphite, triphenyl phosphite, and phosphorous acid compounds such as pyrophosphorous acid. These additives can be used alone or in combination. However, it is preferable to use phosphonic acids as part or all of the phosphorus oxoacids. The use of phosphonic acids prevents yellowing of cellulose fibers, resulting in an aqueous coating composition that retains the original color of the colored substrate.
リンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバーは、水性塗料組成物に固形分基準で2~4質量%、好ましくは3~4質量%含まれるとよい。4質量%を超えると、セルロースナノファイバーの濃度が高く、セルロースナノファイバー間の相互作用が強く働き、高粘度となり、水性塗料組成物の伸びが不十分となり、均一な色合いで描画することが困難なものとなる。2質量%を下回ると、長時間沈降しにくいものの、描画したときに描画部分から水性塗料組成物が外側に垂れてしまう懸念がある。 The cellulose nanofibers incorporating an ester of phosphorus oxoacid should be present in the aqueous paint composition at 2 to 4 mass %, preferably 3 to 4 mass %, based on the solids content. If the content exceeds 4 mass %, the concentration of cellulose nanofibers will be high, and the interactions between the cellulose nanofibers will be strong, resulting in high viscosity and insufficient spread of the aqueous paint composition, making it difficult to paint with a uniform color. If the content is below 2 mass %, although sedimentation will be less likely to occur over a long period of time, there is a risk that the aqueous paint composition may drip outward from the painted area when painting.
(カルバメート化)
リンオキソ酸でエステル化されたセルロース繊維には、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部がカルバメート基で置換されて、カルバメートが導入されたものを含めることもできる。
(Carbamate formation)
The cellulose fibers esterified with phosphorus oxoacid may also include those in which some of the hydroxy groups of the cellulose fibers have been substituted with carbamate groups to introduce carbamate groups.
カルバメート基で置換するために用いる添加物(B)は、尿素及び尿素誘導体の少なくともいずれか一方を含む。この添加物としては、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、テトラメチル尿素等を使用することができる。これらの尿素又は尿素誘導体は、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、尿素を使用するのが好ましい。 The additive (B) used to substitute with a carbamate group includes at least one of urea and a urea derivative. Examples of this additive include urea, thiourea, biuret, phenylurea, benzylurea, dimethylurea, diethylurea, and tetramethylurea. These ureas or urea derivatives can be used alone or in combination. However, urea is preferred.
上記、 添加物(B)は、加熱されると、下記の反応式(1)に示すようにイソシアン酸及びアンモニアに分解される。そして、イソシアン酸は反応性が高く、下記の反応式(2)に示すようにセルロースの水酸基及びカルバメートを形成する。したがって、セルロース繊維に添加物(B)を添加するとカルバメートの導入が進む。 When the additive (B) is heated, it decomposes into isocyanic acid and ammonia, as shown in reaction formula (1) below. Isocyanic acid is highly reactive and forms hydroxyl groups in cellulose and carbamate, as shown in reaction formula (2) below. Therefore, adding additive (B) to cellulose fibers promotes the introduction of carbamate.
添加物(B)の添加量は、添加物(A)1molに対して、好ましくは0.01~100mol、より好ましくは0.2~20molである。添加量が0.01mol未満であると、カルバメートの導入が進まないおそれがある。他方、添加量が100molを超えても、尿素の添加による効果が頭打ちとなるおそれがある。 The amount of additive (B) added is preferably 0.01 to 100 mol, more preferably 0.2 to 20 mol, per 1 mol of additive (A). If the amount added is less than 0.01 mol, the introduction of carbamate may not proceed smoothly. On the other hand, if the amount added exceeds 100 mol, the effect of adding urea may plateau.
NH2-CO-NH2 → HN=C=O+NH3 …(1)
Cell-OH+H-N=C=O → Cell-O-CO-NH2 …(2)
なお、Cellは、セルロース分子を指す。
NH 2 -CO-NH 2 → HN=C=O+NH 3 ...(1)
Cell-OH+H-N=C=O → Cell-O-CO-NH 2 ...(2)
Note that Cell refers to a cellulose molecule.
リンオキソ酸によるエステルの導入やカルバメートの導入には、特に限定されなく公知のパルプを適宜用いることができるが、針葉樹晒クラフトパルプや広葉樹晒クラフトパルプを用いるとよく、針葉樹晒クラフトパルプが好適である。針葉樹晒クラフトパルプや広葉樹晒クラフトパルプはヘミセルラーゼ系酵素により分解が容易になされ、その後の解繊処理も容易である。 There are no particular limitations on the type of pulp that can be used to introduce esters or carbamates using phosphorus oxoacids, and any known pulp can be used as appropriate. However, bleached softwood kraft pulp or bleached hardwood kraft pulp is preferably used, with bleached softwood kraft pulp being preferred. Bleached softwood kraft pulp and bleached hardwood kraft pulp are easily decomposed by hemicellulase enzymes, and subsequent defibration processing is also easy.
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.
セルロース繊維の解繊は、例えば、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、コニカルリファイナー、ディスクリファイナー等のリファイナー、各種バクテリア等の中から1種又は2種以上の手段を選択使用して行うことができる。ただし、セルロース繊維の解繊は、水流、特に高圧水流で微細化する装置・方法を使用して行うのが好ましい。この装置・方法によると、得られるセルロース微細繊維の寸法均一性、分散均一性が非常に高いものとなる。これに対し、例えば、回転する砥石間で磨砕するグラインダーを使用すると、セルロース繊維を均一に微細化するのが難しく、場合によっては、一部に解れない繊維塊が残ってしまうおそれがある。 Cellulose fibers can be defibrated using one or more of the following means: homogenizers such as high-pressure homogenizers and high-pressure homogenizers; grinders, millstone-type friction machines such as attritors; refiners such as conical refiners and disc refiners; and various bacteria. However, defibration of cellulose fibers is preferably carried out using a device or method that uses a water flow, particularly a high-pressure water flow, to refine the fibers. This device or method results in extremely uniform dimensions and uniform dispersion of the resulting cellulose fine fibers. In contrast, using a grinder that grinds the fibers between rotating grindstones, for example, makes it difficult to uniformly refine the cellulose fibers, and in some cases, there is a risk that some undisintegrated fiber clumps may remain.
セルロース繊維の解繊に使用するグラインダーとしては、例えば、増幸産業株式会社のマスコロイダー等が存在する。また、高圧水流で微細化する装置としては、例えば、株式会社スギノマシンのスターバースト(登録商標)や、吉田機械興業株式会社のナノヴェイタ\Nanovater(登録商標)等が存在する。また、セルロース繊維の解繊に使用する高速回転式ホモジナイザーとしては、エムテクニック社製のクレアミックス-11S等が存在する。 Grinders used to defibrate cellulose fibers include, for example, the Masscolloider manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd. Furthermore, devices that use high-pressure water flow to pulverize the fibers include, for example, the Starburst (registered trademark) manufactured by Sugino Machine Co., Ltd. and the Nanovater (registered trademark) manufactured by Yoshida Kikai Kogyo Co., Ltd. Furthermore, high-speed rotary homogenizers used to defibrate cellulose fibers include the Clearmix-11S manufactured by M Technique Co., Ltd.
本発明者等は、回転する砥石間で磨砕する方法と、高圧水流で微細化する方法とで、それぞれセルロース繊維を解繊し、得られた各繊維を顕微鏡観察した場合に、高圧水流で微細化する方法で得られた繊維の方が、繊維幅が均一であることを知見している。 The inventors have found that when cellulose fibers are defibrated using both a method of grinding between rotating grindstones and a method of refining with a high-pressure water jet, and the resulting fibers are observed under a microscope, the fibers obtained using the method of refining with a high-pressure water jet have a more uniform fiber width.
高圧水流による解繊は、セルロース繊維の分散液を増圧機で、例えば30MPa以上、好ましくは100MPa以上、より好ましくは150MPa以上、特に好ましくは220MPa以上に加圧し(高圧条件)、細孔直径50μm以上のノズルから噴出させ、圧力差が、例えば30MPa以上、好ましくは80MPa以上、より好ましくは90MPa以上となるように減圧する(減圧条件)方式で行うと好適である。この圧力差で生じるへき開現象によって、パルプ繊維が解繊される。高圧条件の圧力が低い場合や、高圧条件から減圧条件への圧力差が小さい場合には、解繊効率が下がり、所望の繊維幅とするために繰り返し解繊(ノズルから噴出)する必要が生じる。 Defibration using a high-pressure water stream is preferably carried out by pressurizing a cellulose fiber dispersion using a pressure intensifier to, for example, 30 MPa or more, preferably 100 MPa or more, more preferably 150 MPa or more, and particularly preferably 220 MPa or more (high-pressure conditions), spraying it from a nozzle with a pore diameter of 50 μm or more, and then reducing the pressure to, for example, 30 MPa or more, preferably 80 MPa or more, and more preferably 90 MPa or more (reduced-pressure conditions). The pulp fibers are defibrated by the cleavage phenomenon caused by this pressure difference. If the pressure under the high-pressure conditions is low or the pressure difference from the high-pressure conditions to the reduced-pressure conditions is small, the defibration efficiency decreases, and repeated defibration (spraying from the nozzle) becomes necessary to achieve the desired fiber width.
高圧水流によって解繊する装置としては、高圧ホモジナイザーを使用するのが好ましい。高圧ホモジナイザーとは、例えば10MPa以上、好ましくは100MPa以上の圧力でセルロース繊維のスラリーを噴出する能力を有するホモジナイザーをいう。セルロース繊維を高圧ホモジナイザーで処理すると、セルロース繊維同士の衝突、圧力差、マイクロキャビテーションなどが作用し、セルロース繊維の解繊が効果的に生じる。したがって、解繊の処理回数を減らすことができ、セルロース微細繊維の製造効率を高めることができる。 A high-pressure homogenizer is preferably used as the device for defibrating using a high-pressure water stream. A high-pressure homogenizer is one that is capable of spraying a cellulose fiber slurry at a pressure of, for example, 10 MPa or more, preferably 100 MPa or more. When cellulose fibers are treated with a high-pressure homogenizer, collisions between the cellulose fibers, pressure differences, microcavitation, and other factors act to effectively defibrate the cellulose fibers. This means that the number of defibration treatments can be reduced, and the production efficiency of cellulose microfibers can be improved.
高圧ホモジナイザーとしては、セルロース繊維のスラリーを一直線上で対向衝突させるものを使用するのが好ましい。具体的には、例えば、対向衝突型高圧ホモジナイザー(マイクロフルイダイザー/MICROFLUIDIZER(登録商標)、湿式ジェットミル)である。この装置においては、加圧されたセルロース繊維のスラリーが合流部で対向衝突するように2本の上流側流路が形成されている。また、セルロース繊維のスラリーは合流部で衝突し、衝突したセルロース繊維のスラリーは下流側流路から流出する。上流側流路に対して下流側流路は垂直に設けられており、上流側流路と下流側流路とでT字型の流路が形成されている。このような対向衝突型の高圧ホモジナイザーを用いると高圧ホモジナイザーから与えられるエネルギーが衝突エネルギーに最大限に変換されるため、より効率的にセルロース繊維を解繊することができる。 It is preferable to use a high-pressure homogenizer that causes cellulose fiber slurry to collide in a straight line. Specifically, for example, a counter-impingement type high-pressure homogenizer (MICROFLUIDIZER (registered trademark), wet jet mill) is used. In this device, two upstream flow paths are formed so that the pressurized cellulose fiber slurry collides in a counter-impingement manner at the confluence. The cellulose fiber slurry collides at the confluence, and the collided cellulose fiber slurry flows out from the downstream flow path. The downstream flow path is arranged perpendicular to the upstream flow path, and the upstream and downstream flow paths form a T-shaped flow path. Using such a counter-impingement type high-pressure homogenizer maximizes the conversion of energy imparted by the high-pressure homogenizer into collision energy, allowing for more efficient defibration of cellulose fibers.
原料パルプの解繊は、得られるセルロースナノファイバーの平均繊維径、平均繊維長、保水度、擬似粒度分布のピーク値、水性塗料組成物のB型粘度が、以下に示すような所望の値又は評価となるように行うのが好ましい。 The raw material pulp is preferably defibrated so that the average fiber diameter, average fiber length, water retention, peak value of the pseudo-particle size distribution, and B-type viscosity of the aqueous coating composition of the resulting cellulose nanofibers reach the desired values or evaluations shown below.
擬似粒度分布において体積基準での累積50%径(D50)と累積90%径(D90)の比(D50/D90)が0.5~1である水性塗料組成物の態様は、着色基材が沈降し難く、着色基材が分散した状態が維持されるので、好ましい。 An aqueous coating composition in which the ratio (D50/D90) of the cumulative 50% diameter (D50) to the cumulative 90% diameter (D90) on a volume basis in the pseudo particle size distribution is 0.5 to 1 is preferred because the colored substrate is less likely to settle and remains dispersed.
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、1~200nm、好ましくは2~100nm、さらに好ましくは3~80nm、特に好ましくは3~60nmである。平均繊維径が1nmを下回るセルロースナノファイバーは製造に高コストを要する。他方、セルロースナノファイバーの平均繊維径が200nmを上回ると、水素結合点の増加効果が得られないおそれがある。分散液中のセルロースナノファイバーはゲル化して粘度を有するが、特に、平均繊維径が100nm以下だと、ゲル化したセルロースナノファイバーは、静置粘度が相対的に高いため、沈降が抑制され、着色基材も沈降が抑制される。 The average fiber diameter (average fiber width; average diameter of a single fiber) of cellulose nanofibers is 1 to 200 nm, preferably 2 to 100 nm, more preferably 3 to 80 nm, and especially preferably 3 to 60 nm. Cellulose nanofibers with an average fiber diameter of less than 1 nm are expensive to produce. On the other hand, if the average fiber diameter of cellulose nanofibers exceeds 200 nm, the effect of increasing the number of hydrogen bonding points may not be achieved. Cellulose nanofibers in a dispersion gel and have viscosity. In particular, if the average fiber diameter is 100 nm or less, the gelled cellulose nanofibers have a relatively high static viscosity, which inhibits sedimentation, and the colored substrate also inhibits sedimentation.
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.
セルロースナノファイバー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%のセルロースナノファイバーの水分散液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 cellulose nanofibers was measured as follows.
First, 100 ml of an aqueous dispersion of cellulose nanofibers with a solid content 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 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 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200~1300μm、より好ましくは200~1000μm、特に好ましくは200~800μmである。セルロースナノファイバーの平均繊維長が200μmを下回ると、水性塗料組成物中においてセルロースナノファイバーが均一に分散しづらくなるおそれがある。分散性の低下は、垂れにくさと伸びの良さの点で不具合をもたらす原因となる。 The average fiber length (single fiber length) of the cellulose nanofibers is preferably 200 to 1,300 μm, more preferably 200 to 1,000 μm, and particularly preferably 200 to 800 μm. If the average fiber length of the cellulose nanofibers is less than 200 μm, it may be difficult for the cellulose nanofibers to disperse uniformly in the aqueous coating composition. Decreased dispersibility can cause problems with sagging resistance and spreadability.
他方、セルロースナノファイバーの平均繊維長が1300μmを上回ると、繊維相互が絡み易くなり、繊維と着色基材との付着度合が比較的小さいと推測され、結果、水性塗料組成物で描画する際に、掠れが発生しやすくなる。 On the other hand, if the average fiber length of the cellulose nanofibers exceeds 1,300 μm, the fibers tend to become entangled with each other, and it is presumed that the degree of adhesion between the fibers and the colored substrate is relatively low, resulting in more likely smearing when drawing with the aqueous paint composition.
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平均繊維長の測定方法は、平均繊維径の場合と同様にして、各繊維の長さを目視で計測する。計測値の中位長を平均繊維長とする。 The average fiber length of cellulose nanofibers is measured in the same way as for the average fiber diameter: the length of each fiber is measured visually. The median length of the measured values is taken as the average fiber length.
セルロースナノファイバーは、アスペクト比が100~300、好ましくは100~250、より好ましくは100~200であるとよい。この範囲のアスペクト比を有するセルロースナノファイバーは、細長く、相互に立体的に絡み合ったり、水素結合したりして分散した状態(すなわち、三次元ネットワーク)が維持されると推測される。アスペクト比が300を上回ると、セルロースナノファイバー相互の絡みつきが多く、伸びの良くない水性塗料組成物とある。アスペクト比が100を下回ると、いわゆる、三次元ネットワーク構造が長期間維持しにくく、着色基材が短時間のうちに沈降するおそれがある。 Cellulose nanofibers should have an aspect ratio of 100 to 300, preferably 100 to 250, and more preferably 100 to 200. Cellulose nanofibers with an aspect ratio within this range are long and thin, and are presumed to maintain a dispersed state (i.e., a three-dimensional network) by sterically entangling with each other or by hydrogen bonding. If the aspect ratio exceeds 300, the cellulose nanofibers will be highly entangled with each other, resulting in an aqueous coating composition with poor spreadability. If the aspect ratio is below 100, it will be difficult to maintain the so-called three-dimensional network structure over the long term, and there is a risk that the colored substrate will settle within a short period of time.
セルロースナノファイバーの保水度は、例えば150%以上とするとよく、好ましくは200%、より好ましくは220%、さらに好ましくは250%である。セルロースナノファイバーの保水度が150%を下回ると、セルロースナノファイバーの分散性が悪化し、ひいてはセルロースナノファイバーに付着する着色基材の分散性も悪化するおそれがある。 The water retention of cellulose nanofibers should be, for example, 150% or higher, preferably 200%, more preferably 220%, and even more preferably 250%. If the water retention of cellulose nanofibers is below 150%, the dispersibility of the cellulose nanofibers will deteriorate, which may in turn deteriorate the dispersibility of the colored substrate attached to the cellulose nanofibers.
他方、セルロースナノファイバーの保水度は、例えば500%以下とするとよい。500%を上回ると、セルロースナノファイバー自体の保水力が高いため、水分子相互による液滴化が生じ、素地又は釉薬層において水性塗料組成物による薄膜形成がしづらくなる。 On the other hand, the water retention of cellulose nanofibers should be, for example, 500% or less. If it exceeds 500%, the water retention capacity of the cellulose nanofibers themselves will be so high that water molecules will form droplets, making it difficult to form a thin film of the aqueous coating composition on the base or glaze layer.
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 cellulose nanofibers was measured in accordance with JAPAN TAPPI No. 26 (2000).
セルロースナノファイバーの擬似粒度分布における体積基準での累積50%径(以下、D50、中位径ともいう。)は、1~20μm、より好ましくは5~15μmとするとよい。中位径が上記サイズであることで、セルロースナノファイバーが水性塗料組成物に適度に分散され、水性塗料組成物による均質な描画を行うことができる。中位径が20μmを上回ると、セルロースナノファイバーが水性塗料組成物に均一に分散し難くなる。中位径が1μmを下回るセルロースナノファイバーの製造は、技術的に困難な面がある。 The cumulative 50% diameter (hereinafter referred to as D50, median diameter) on a volume basis in the pseudo-particle size distribution of cellulose nanofibers should be 1 to 20 μm, more preferably 5 to 15 μm. A median diameter of this size allows the cellulose nanofibers to be adequately dispersed in the aqueous paint composition, enabling uniform drawing with the aqueous paint composition. If the median diameter exceeds 20 μm, it becomes difficult for the cellulose nanofibers to be uniformly dispersed in the aqueous paint composition. There are technical difficulties in producing cellulose nanofibers with a median diameter of less than 1 μm.
機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーの擬似粒度分布の中位径と、リンオキソ酸によりエステル化されたセルロースナノファイバーの擬似粒度分布の中位径とがどちらも5~20μmであると、セルロースナノファイバー全体としての擬似粒度がほぼ揃い、セルロースナノファイバー全体が偏り少なく分散するので、色ムラなく描画でき好ましい。 When the median diameter of the pseudo-particle size distribution of cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp and the median diameter of the pseudo-particle size distribution of cellulose nanofibers esterified with phosphorus oxoacid are both 5 to 20 μm, the pseudo-particle size of the cellulose nanofibers as a whole is roughly uniform, and the cellulose nanofibers as a whole are dispersed with little bias, which is preferable as it allows for drawing without color unevenness.
本実施形態の水性塗料組成物の擬似粒度分布曲線におけるピーク値は、1つのピークであるのが好ましい。1つのピークである場合、1種又は複数種のパルプから解繊されたセルロースナノファイバーは、繊維長及び繊維径の均一性が高く、水性塗料組成物中におけるセルロースナノファイバーの分散性が優れたものとなる。ピーク値は、ISO-13320(2009)に準拠して測定した値である。セルロースナノファイバーは、水分散状態でレーザー回折法により測定される擬似粒度分布曲線において単一のピークを有することが好ましい。このように、一つのピークを有するセルロースナノファイバーは、十分な微細化が進行しており、セルロースナノファイバーとしての良好な物性を発揮することができ、得られる水性塗料組成物による描画が均一化され好ましい。「擬似粒度分布曲線」とは、粒度分布測定装置( 例えば堀場製作所の粒度分布測定装置「LA-960S」)を用いて測定される体積基準粒度分布を示す曲線を意味する。 The pseudo-particle size distribution curve of the aqueous coating composition of this embodiment preferably has a single peak. When there is a single peak, the cellulose nanofibers defibrated from one or more types of pulp have high uniformity in fiber length and fiber diameter, resulting in excellent dispersibility of the cellulose nanofibers in the aqueous coating composition. The peak value is a value measured in accordance with ISO-13320 (2009). It is preferable that the cellulose nanofibers have a single peak in the pseudo-particle size distribution curve measured by laser diffraction in an aqueous dispersion state. Cellulose nanofibers with a single peak are sufficiently refined and can exhibit good physical properties as cellulose nanofibers, resulting in uniform drawing with the resulting aqueous coating composition. The term "pseudo-particle size distribution curve" refers to a curve showing the volumetric particle size distribution measured using a particle size distribution analyzer (e.g., Horiba's LA-960S particle size distribution analyzer).
擬似粒度分布曲線において単一のピークを有する構成となっている形態の水性塗料組成物は好ましい。この形態では、水性塗料組成物に含まれる固形分(具体的には、着色基材、セルロースナノファイバー)全体の粒度のばらつきが少ない。粒度のばらつきが少ないので、セルロースナノファイバーが水性塗料組成物中において偏在しにくく水性塗料組成物全体に分散し易いものとなると推測される。 An aqueous paint composition having a configuration that has a single peak in the pseudo-particle size distribution curve is preferred. In this configuration, there is little variation in particle size across the solids contained in the aqueous paint composition (specifically, the colored substrate and cellulose nanofibers). It is presumed that the small particle size variation makes it difficult for the cellulose nanofibers to be unevenly distributed within the aqueous paint composition, making them easier to disperse throughout the aqueous paint composition.
機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーとカルボキシル化セルロース微細繊維を有する水性塗料組成物では、擬似粒度分布曲線におけるピーク値が複数となる。この水性塗料組成物を調製後、長時間静置すると着色基材の相と液相が分離する。この水性塗料組成物が二相に分離する作用機序は明らかではないが次のように推測される。カルボキシル化セルロース微細繊維、セルロース繊維の一構成単位であるグルコースのC6位の水酸基が選択的にアルデヒド基及びカルボキシ基に変性されたものであり、グルコースの電荷に偏りが生じている。そのため、セルロース繊維間の相互作用においても偏りが生じ、均一な分散が維持され難い。 An aqueous paint composition containing cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp and carboxylated cellulose microfibers exhibits multiple peaks in its pseudo-particle size distribution curve. When this aqueous paint composition is prepared and allowed to stand for an extended period of time, it separates into a colored substrate phase and a liquid phase. The mechanism by which this aqueous paint composition separates into two phases is unclear, but is presumed to be as follows: carboxylated cellulose microfibers are formed by selectively modifying the hydroxyl group at the C6 position of glucose, a structural unit of cellulose fiber, to an aldehyde group and a carboxy group, resulting in an imbalance in the charge of the glucose. This also leads to an imbalance in the interactions between the cellulose fibers, making it difficult to maintain uniform dispersion.
これに対して、リンオキソ酸によりエステル化されたセルロースナノファイバーは、セルロース繊維の一構成単位であるグルコースの6つのC原子のうちのいずれか一つ以上がランダムにリンオキソ酸によりエステル化されたものである。よって、エステル化されたグルコース群全体では電荷の偏りが緩和される。そのため、均一な分散が長時間維持される。 In contrast, cellulose nanofibers esterified with phosphorus oxoacids have one or more of the six carbon atoms of glucose, a structural unit of cellulose fibers, randomly esterified with phosphorus oxoacids. This reduces the charge imbalance across the esterified glucose groups. As a result, uniform dispersion is maintained for a long period of time.
セルロースナノファイバーの粒径における最頻値、及び擬似粒度分布の中位径は、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 mode of particle size and the median diameter of the pseudo-particle size distribution of cellulose nanofibers can be adjusted, for example, by selecting the raw pulp, pre-treating it, defibrating it, etc.
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、着色基材と混合するの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 prior to mixing with the coloring substrate. 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.
(粘度)
セルロースナノファイバーの分散液は、液体全体に分散する性質を有する。しかしながら、セルロースナノファイバーの分散液については、しばらく放置するとセルロースナノファイバーの相と水相に分離して、両相間の界面が現れ、この界面が下がる場合がある。この相が分離する現象は、粘度が関与するものと推測される。セルロースナノファイバーの分散液は粘度を備える。セルロースナノファイバーの原材料や加工手段、物性等により、粘度は異なる。
(viscosity)
Cellulose nanofiber dispersions have the property of dispersing throughout the liquid. However, when cellulose nanofiber dispersions are left for a while, they separate into a cellulose nanofiber phase and an aqueous phase, and an interface between the two phases appears, and this interface may drop. It is believed that viscosity is involved in this phase separation phenomenon. Cellulose nanofiber dispersions have viscosity. Viscosity varies depending on the raw materials, processing methods, physical properties, etc. of the cellulose nanofibers.
例えば、機械パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーは相対的に粘度が低く、化学パルプを解繊して得たセルロースナノファイバーは相対的に粘度が高いことが知見されている。また、リンオキソ酸のエステルやカルバメートが導入されたセルロースナノファイバーは、電荷の偏りが局所的にあり、分散液中の水や有機溶剤と水素結合を容易に形成するので、粘度の高いものとなると考えられる。 For example, it has been found that cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp have a relatively low viscosity, while cellulose nanofibers obtained by defibrating chemical pulp have a relatively high viscosity. Furthermore, cellulose nanofibers into which phosphorus oxoacid esters or carbamates have been introduced have localized charge imbalances, which facilitate the formation of hydrogen bonds with water and organic solvents in the dispersion, and are therefore thought to have a high viscosity.
また、特定の原料から同一の製造工程で得られたセルロースナノファイバーの分散液であっても、セルロースナノファイバーの濃度により粘度が異なり、高濃度ほど高粘度となる。なお、粘度はB型粘度により評価できる。 Furthermore, even for cellulose nanofiber dispersions obtained from specific raw materials using the same manufacturing process, the viscosity will vary depending on the concentration of cellulose nanofibers, with higher concentrations resulting in higher viscosity. Viscosity can be evaluated using Type B viscosity.
(水性塗料組成物)
本実施形態の水性塗料組成物では、セルロースナノファイバーに着色基材が付着されているものと推測される。そのため、セルロースナノファイバーが適度に水性塗料組成物中に分散していることで、着色基材も分散性に優れたものとなる。そして、着色基材の分散が長時間持続するためには、リンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバーによる高粘度の付与が効果的である。例えば、着色基材とリンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバーとの混合比が1:0.005~0.045、好ましくは1:0.010~0.045である形態を例示できる。この混合比を上回ってリンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバーが含まれていると、着色基材に対してセルロースナノファイバー量が多すぎて、塗料全体における着色基材の分散性に偏りが生じる。また、この混合比を下回ってリンオキソ酸のエステルが導入されたセルロースナノファイバーが含まれていると、セルロースナノファイバーが少なく、水性塗料組成物全体における着色基材の分散性が良くなく、描画する際に色ムラの原因となる。
(Water-based paint composition)
In the aqueous coating composition of this embodiment, it is assumed that the colored substrate is attached to the cellulose nanofiber. Therefore, by adequately dispersing the cellulose nanofiber in the aqueous coating composition, the colored substrate also exhibits excellent dispersibility. Furthermore, imparting high viscosity by cellulose nanofibers incorporating a phosphorus oxoacid ester is effective in maintaining the dispersion of the colored substrate for a long period of time. For example, a mixing ratio of the colored substrate to the cellulose nanofibers incorporating a phosphorus oxoacid ester can be 1:0.005-0.045, preferably 1:0.010-0.045. If the cellulose nanofibers incorporating a phosphorus oxoacid ester are present at a ratio greater than this, the amount of cellulose nanofiber relative to the colored substrate will be too high, resulting in uneven dispersibility of the colored substrate in the overall coating. Furthermore, if the cellulose nanofibers incorporating a phosphorus oxoacid ester are present at a ratio less than this, the cellulose nanofibers will be too low, resulting in poor dispersibility of the colored substrate in the overall aqueous coating composition, which can cause color unevenness when painting.
水性塗料組成物を構成するセルロースナノファイバーのB型粘度は、固形分濃度2.0質量%分散液で、例えば、600cP以上、より好ましくは700cP以上、特に好ましくは800cP以上であると好ましい。B型粘度が600cP未満だと、水性塗料組成物が描画された箇所から当該箇所以外の箇所に予期せずに流れ出る場合がある。また、水性塗料組成物のB型粘度は2000cP以下とするとよい。B型粘度が2000cPを超えると、塗料を描画する際、塗料の伸びが悪くなり、塗りムラや掠れの原因となる。なお、分散液の溶媒は水を用いた。 The B-type viscosity of the cellulose nanofibers that make up the aqueous paint composition is, for example, 600 cP or more, more preferably 700 cP or more, and particularly preferably 800 cP or more, in a dispersion with a solids concentration of 2.0% by mass. If the B-type viscosity is less than 600 cP, the aqueous paint composition may unexpectedly flow out of the area where it is applied to other areas. It is also recommended that the B-type viscosity of the aqueous paint composition be 2000 cP or less. If the B-type viscosity exceeds 2000 cP, the paint will not spread well when applied to a drawing, causing uneven application and peeling. Water was used as the solvent for the dispersion.
本実施形態の水性塗料組成物を構成するセルロースナノファイバーは、固形分濃度2.0質量%分散液で、ハイシェア粘度の最小値が3.5cP以下、好ましくはせん断速度1×105~2×105(1/sec)までの間でハイシェア粘度の最小値が3.3cP以下、より好ましくはせん断速度1×105~2×105(1/sec)までの間でハイシェア粘度の最小値が3.0cP以下、さらに好ましくはせん断速度1×105~2×105(1/sec)までの間でハイシェア粘度の最小値が3.5cP以下であるとよい。ハイシェア粘度の最小値が3.5cPを超えると、水性塗料組成物を筆に含ませて描画するときに、水性塗料組成物の伸びが良くなく、描画しづらいものとなる。なお、分散液の溶媒は水を用いた。 The cellulose nanofibers constituting the aqueous coating composition of this embodiment, in a dispersion with a solids concentration of 2.0% by mass, have a minimum high-shear viscosity of 3.5 cP or less, preferably 3.3 cP or less at a shear rate of 1 x 10 to 2 x 10 (1/sec), more preferably 3.0 cP or less at a shear rate of 1 x 10 to 2 x 10 (1/sec), and even more preferably 3.5 cP or less at a shear rate of 1 x 10 to 2 x 10 (1/sec). If the minimum high-shear viscosity exceeds 3.5 cP, the aqueous coating composition will not spread well when applied to a brush for drawing, making it difficult to draw. Water was used as the solvent for the dispersion.
塗料組成物には、例えば、着色基材、セルロースナノファイバーのほか、珪石粉(SiO2粉末)や増粘剤を加えることができる。特に増粘剤は、B型粘度とハイシェア粘度を高めるため、過度に添加すべきではないが、適度な添加により、粘度を補助的に高めることが可能である。増粘剤としては公知のものを適宜用いることができるが、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)やキサンタンガム、グアーガム、ペクチン、カラギナンを用いることができる。着色基材やセルロースナノファイバーの種類にもよるが、増粘剤が水性塗料組成物に20~30質量%含まれている形態が好ましい。しかしながら、増粘剤は必ずしも水性塗料組成物に含めなくてもよい。 In addition to the coloring substrate and cellulose nanofibers, silica powder ( SiO2 powder) and thickeners can be added to the coating composition. Thickeners, in particular, should not be added in excess because they increase B-type viscosity and high-shear viscosity, but adding an appropriate amount can supplementarily increase viscosity. Known thickeners can be used as appropriate, including carboxymethylcellulose (CMC), xanthan gum, guar gum, pectin, and carrageenan. Depending on the type of coloring substrate and cellulose nanofiber, a thickener content of 20 to 30% by mass in the aqueous coating composition is preferred. However, a thickener does not necessarily need to be included in the aqueous coating composition.
(焼物素地)
焼物素地は、公知の素地であれば特に限定されないが、陶器や磁器、ガラス器、琺瑯、土器、素焼物等を例示できる。焼物素地の原料に、例えば、粘土、珪石、長石、及びこれらの混合物を用いることができる。焼物素地をガラス器とする場合は、例えば、ケイ酸、ケイ酸化合物、ホウ酸、ホウ酸化合物、リン酸、リン酸化合物、チタン酸、チタン酸化合物、テルル、テルル化合物、アルミナ、アルミナ化合物、並びにこれらの化合物及び混合物を用いてガラス器とすることができる。
(Ceramic base)
The pottery base is not particularly limited as long as it is a known base, and examples include pottery, porcelain, glassware, enamel, earthenware, and unglazed pottery. For example, clay, silica stone, feldspar, and mixtures thereof can be used as raw materials for the pottery base. When the pottery base is glassware, for example, silicic acid, silicate compounds, boric acid, boric acid compounds, phosphoric acid, phosphoric acid compounds, titanic acid, titanic acid compounds, tellurium, tellurium compounds, alumina, alumina compounds, and compounds and mixtures thereof can be used to make the glassware.
(釉薬)
釉薬は、ガラス質であり、公知の組成を含むが、例えば、灰(媒熔原料)、粘土(接着材)、長石(接着材・媒熔原料・ガラス原料)、けい石(ガラス原料)を含んでよい。灰は、酸化カルシウム等の石灰質を主成分とするものであり、高温で溶けてガラス化したり、媒熔原料として他の成分も溶けやすくして、釉薬の流動性を高める機能がある。さらに、発色成分(銅や鉄分等)が含まれていると発色効果が奏される。
(glaze)
Glazes are vitreous and contain known compositions, but may also contain, for example, ash (a melting agent), clay (an adhesive), feldspar (an adhesive, melting agent, and glass raw material), and silica (a glass raw material). Ash is primarily composed of calcareous substances such as calcium oxide, and melts and vitrifies at high temperatures, and as a melting agent, it facilitates the dissolution of other components, thereby increasing the fluidity of the glaze. Furthermore, the inclusion of color-producing components (such as copper and iron) enhances the color-producing effect.
釉薬の化学成分は、ケイ酸及びケイ酸化合物、アルミナ及びアルミナ化合物、酸化カリウム及び酸化カリウム化合物、酸化カリウム及び酸化カリウム化合物、酸化ナトリウム及び酸化ナトリウム化合物、酸化鉄及び酸化鉄化合物等であり、その他カドミウム及びカドミウム化合物や鉛及び鉛化合物等が含有されていてもよい。また、換言するとケイ酸及びケイ酸化合物は、焼成された釉薬の主成分であり、釉薬の種類にもよるが、この釉薬のうちのおよそ45~80%を占める。 The chemical components of glazes include silicic acid and silicic acid compounds, alumina and alumina compounds, potassium oxide and potassium oxide compounds, potassium oxide and potassium oxide compounds, sodium oxide and sodium oxide compounds, iron oxide and iron oxide compounds, and may also contain cadmium and cadmium compounds, lead and lead compounds, etc. In other words, silicic acid and silicic acid compounds are the main components of fired glazes, accounting for approximately 45-80% of the glaze, depending on the type of glaze.
釉薬は、例えば、次記の組成とすることができるが、これに限られるものではない。福島長石35.4wt%、石灰石18.6wt%、朝鮮カオリン17wt%、けい石29wt%に同量の水を加えてボールミルで攪拌した後、ふるいを通して脱鉄し、水を加えて比重を調製したものを釉薬Aとする。さらに、この釉薬A297gに対して3gのCMCを加えて溶解させたものを釉薬Bとする。 Glazes can have the following composition, for example, but are not limited to: 35.4 wt% Fukushima feldspar, 18.6 wt% limestone, 17 wt% Korean kaolin, and 29 wt% silica are mixed with an equal amount of water and stirred in a ball mill. The mixture is then sieved to remove iron, and water is added to adjust the specific gravity. This gives Glaze A. 3 g of CMC is then added to 297 g of this Glaze A and dissolved, giving Glaze B.
24時間静置後の液面部分の濃度指数が、90以上、好ましくは95以上である形態は好ましい。液面部分の濃度指数が90未満だと分散安定性に欠け、調整した水性塗料組成物内で組成物が分離しないように適度に攪拌する必要がある。液面部分とは、実施例で用いたポリビンに水性塗料組成物を調製して30mLとしたときの、液表面から深さ方向に5mmまでの深さ範囲にある、特に液表面から深さ方向に3mmにある、水性塗料組成物をいう。 A preferred embodiment is one in which the concentration index of the liquid surface portion after standing for 24 hours is 90 or more, preferably 95 or more. If the concentration index of the liquid surface portion is less than 90, the dispersion stability is lacking, and appropriate stirring is required to prevent separation of the composition within the prepared aqueous coating composition. The liquid surface portion refers to the aqueous coating composition located within a depth range of 5 mm from the liquid surface, particularly 3 mm from the liquid surface, when 30 mL of the aqueous coating composition is prepared in the polyvinyl chloride bottle used in the examples.
(製造)
<施釉層形成工程>
水性塗料組成物は、和洋食器、装飾品、インテリア小物等の完成品の基となる素地11に描画することができる。素地11に釉薬をかけて(すなわち、施釉して)、室温~105℃で乾燥させ(製造工程S11)、1200~1300℃で焼成することで、表面が釉薬層で覆われた素地(釉薬層成形素地ともいう。)を得る(製造工程12)。焼成条件は、例えば、950℃まで9時間30分かけて昇温させ、続いて、1250℃まで5時間かけて昇温させる。1250℃を30分間維持し、その後、自然冷却する。完成品は、一例として陶磁器製品や琺瑯製品として利用できる。
(Manufacturing)
<Glazed layer formation process>
The aqueous coating composition can be applied to a substrate 11, which serves as the base for finished products such as Japanese and Western tableware, decorative items, and interior accessories. The substrate 11 is glazed (i.e., glazed), dried at room temperature to 105°C (manufacturing step S11), and fired at 1200 to 1300°C to obtain a substrate with a glaze layer (also referred to as a glazed substrate) (manufacturing step S12). The firing conditions include, for example, raising the temperature to 950°C over 9 hours and 30 minutes, and then raising the temperature to 1250°C over 5 hours. The temperature is maintained at 1250°C for 30 minutes, followed by natural cooling. The finished product can be used, for example, as a ceramic product or an enamel product.
施釉は、素地表面の全体に行ってもよいし、一部に行ってもよい。貫入を生じることもあるが、素地表面の全体を覆う形態が好ましい。水分は釉薬層に滲入し難い。なお、水などに釉薬を分散させたものを素地にかける場合も施釉に含まれる。 Glazing can be applied to the entire surface of the base, or to just a portion of it. Although crazing may occur, it is preferable to cover the entire surface. Water is less likely to penetrate the glaze layer. Note that glazing also includes pouring a glaze dispersed in water or other liquid onto the base.
ガラス器用の素地である場合は、前述の施釉層形成工程を省略して、描画工程から製造することができる。 If the base is for glassware, the glaze layer formation process described above can be omitted and production can begin with the drawing process.
<描画工程>
得られた釉薬層成形素地に、水性塗料組成物で図柄30aを描画し、例えば、60~105℃で1時間乾燥して描画成形体を得る(製造工程S13)。
<Drawing process>
A pattern 30a is drawn on the obtained glaze layer molded body using an aqueous coating composition, and then dried, for example, at 60 to 105° C. for 1 hour to obtain a drawn molded body (manufacturing step S13).
描画成形体を施釉(浸漬)し、図柄に釉薬をかけて、例えば、再度60~105℃で1時間乾燥させ(製造工程S21)、1220℃で焼成することで、焼成された水性塗料組成物が釉薬で被覆されて、釉薬層20aが形成される。すなわち、釉薬層20aは焼成された水性塗料組成物が釉薬で被覆されてなるものであり、釉薬層20aで描画成形体が被覆されて、釉薬層成形体が形成される(製造工程S22)。焼成条件は、例えば、950℃まで9時間30分かけて昇温させ、続いて、1220℃まで5時間かけて昇温させる。1220℃を30分間維持し、その後、自然冷却する。なお、この釉薬層成形体を完成品とすることもできるが、釉薬層成形体に、さらに釉薬層が1層以上重なった、複数層からなる完成品を製造することができる。 The patterned molded body is glazed (immersed), the design is glazed, and the body is then dried again, for example, at 60-105°C for one hour (manufacturing step S21). The glaze is then fired at 1220°C, coating the fired aqueous paint composition with the glaze to form the glaze layer 20a. That is, the glaze layer 20a is formed by coating the fired aqueous paint composition with the glaze. The patterned molded body is then coated with the glaze layer 20a to form a glaze-layered molded body (manufacturing step S22). The firing conditions are, for example, to raise the temperature to 950°C over 9 hours and 30 minutes, then to 1220°C over 5 hours. The temperature is maintained at 1220°C for 30 minutes, and then the body is allowed to cool naturally. While this glaze-layered molded body can be used as a finished product, a multi-layered finished product can also be produced by layering one or more glaze layers on top of the glaze-layered molded body.
素地がガラス器用の素地である場合は、素地に、水性塗料組成物で図柄30aを描画し、例えば、60~105℃で1時間乾燥して描画成形体を得る(製造工程S33)。 If the substrate is for glassware, the pattern 30a is drawn on the substrate using an aqueous coating composition, and then dried, for example, at 60 to 105°C for 1 hour to obtain a drawn molded product (manufacturing step S33).
描画成形体を施釉(浸漬)し、図柄に釉薬をかけて、例えば、再度60~105℃で1時間乾燥させ(製造工程S41)、580~780℃で焼成することで、焼成された水性塗料組成物が釉薬で被覆されて、釉薬層20aが形成される。すなわち、釉薬層20aは焼成された水性塗料組成物が釉薬で被覆されてなるものであり、釉薬層20aで描画成形体が被覆されて、釉薬層成形体が形成される(製造工程S42)。焼成条件は、例えば、550℃まで5時間30分かけて昇温させ、続いて、780℃まで5時間かけて昇温させる。780℃を30分間維持し、その後、自然冷却する。なお、この釉薬層成形体を完成品とすることもできるが、釉薬層成形体に、さらに釉薬層が1層以上重なった、複数層からなる完成品を製造することができる。 The patterned molded body is glazed (immersed), the glaze is applied to the design, and then it is dried again, for example, at 60-105°C for one hour (manufacturing step S41). Then, it is fired at 580-780°C, whereby the fired aqueous paint composition is coated with the glaze, forming a glaze layer 20a. That is, the glaze layer 20a is formed by coating the fired aqueous paint composition with the glaze, and the patterned molded body is coated with the glaze layer 20a, forming a glaze-layered molded body (manufacturing step S42). The firing conditions are, for example, to raise the temperature to 550°C over 5 hours and 30 minutes, then to 780°C over 5 hours. 780°C is maintained for 30 minutes, and then the body is allowed to cool naturally. This glaze-layered molded body can be used as a finished product, or a multi-layered finished product can be produced by layering one or more glaze layers on top of the glaze-layered molded body.
セルロースナノファイバーはその主な化学組成が有機物であり、僅かに無機物も含まれる。焼成する工程でセルロースナノファイバーの有機分は消失する。 Cellulose nanofiber is primarily composed of organic matter, with traces of inorganic matter also present. The organic components of cellulose nanofiber are lost during the firing process.
従来、釉薬層成形体の表面、すなわち釉薬層の表面は非常に滑らかであり、この表面に水性塗料組成物で描画したとしても、表面が水性塗料組成物をはじき、水性塗料組成物が同表面に定着しづらいものであった。しかしながら、セルロースナノファイバーが含有された塗料は、同表面に定着し易いので、同表面からはじかれにくく、かつ、乾燥後には、親水性となるため、釉薬を容易にかけることができる。よって、この水性塗料組成物の描画とそれに続く釉薬層による被覆を行うことが可能となる。 Conventionally, the surface of a glaze layer molded body, i.e., the surface of the glaze layer, is very smooth, and even if an aqueous paint composition is applied to this surface, the surface repels the aqueous paint composition, making it difficult for the aqueous paint composition to adhere to the surface. However, paint containing cellulose nanofibers adheres easily to the surface, is less likely to be repelled, and becomes hydrophilic after drying, making it easy to apply a glaze. This makes it possible to apply the aqueous paint composition and then coat it with a glaze layer.
釉薬層の表面に描く方法としては、上絵付けが知られているが、図柄表面に釉薬層が形成できないため、耐久性に劣り、例えば、完成品が和洋食器である場合、食洗器の繰り返し洗浄などで容易に退色してしまうことが知られている。 Overglaze painting is a known method of painting on the surface of a glaze layer, but because it does not form a glaze layer on the surface of the design, it is less durable. For example, if the finished product is Japanese or Western tableware, it is known that the color will easily fade after repeated washing in the dishwasher.
(水性塗料組成物の調製)
顔料(日陶顔料工業(株)グリーンM-142)1.0g、セルロースナノファイバー分散液、水を混合して水性塗料組成物、比較例1~比較例5及び実施例1~実施例3を製造した。セルロースナノファイバー分散液は、BTMPセルロースナノファイバー水分散液(機械パルプ漂白品)、LBKPセルロースナノファイバー水分散液(広葉樹パルプ由来の化学パルプ漂白品)、亜リン酸エステル化セルロースナノファイバー、カルボキシル化セルロース微細繊維から1種又は2種以上選択して混合量を変化させて、混合したものを使用した。各組成物の混合量は表1に示すとおりである。BTMPセルロースナノファイバーについては、ナイヤガラビーター又はシングルディスクリファイナーで微細繊維の割合が80%以上まで叩解処理して処理物を得て、その処理物を高圧ホモジナイザーで10~20回循環させて微細化処理して、得たものが3~4質量%になるように水でメスアップして調製した。LBKPセルロースナノファイバーについては、ナイヤガラビーター又はシングルディスクリファイナーで微細繊維の割合が80%以上まで叩解処理して処理物を得て、その処理物を高圧ホモジナイザーで3~4回循環させて微細化処理して調整した。亜リン酸エステル化セルロースナノファイバーについては、亜リン酸及び尿素を含む水に化学パルプを含浸させ、170℃で2時間反応させて生成物を得た。この生成物を水洗浄して高圧ホモジナイザーで2~3回循環させて微細化処理して調整した。なお、亜リン酸エステル化セルロースナノファイバーは亜リン酸エステル化法により製造されたセルロースナノファイバー分散液である。
(Preparation of aqueous coating composition)
Aqueous coating compositions, Comparative Examples 1 to 5 and Examples 1 to 3, were prepared by mixing 1.0 g of pigment (Nittoh Pigment Co., Ltd. Green M-142), a cellulose nanofiber dispersion, and water. The cellulose nanofiber dispersions were prepared by mixing one or more selected from the group consisting of a BTMP cellulose nanofiber aqueous dispersion (bleached mechanical pulp), an LBKP cellulose nanofiber aqueous dispersion (bleached chemical pulp derived from hardwood pulp), a phosphite-esterified cellulose nanofiber, and a carboxylated cellulose fine fiber in varying amounts. The amounts of each composition were as shown in Table 1. The BTMP cellulose nanofibers were beaten in a Niagara beater or single-disc refiner to obtain a treated product with a fine fiber content of 80% or more. This treated product was then circulated 10 to 20 times in a high-pressure homogenizer for micronization, and the resulting product was diluted with water to a concentration of 3 to 4% by mass. For LBKP cellulose nanofibers, a processed product was obtained by beating using a Niagara beater or single-disc refiner until the proportion of fine fibers was 80% or more, and the processed product was then circulated through a high-pressure homogenizer 3 to 4 times for refinement. For phosphite-esterified cellulose nanofibers, chemical pulp was impregnated with water containing phosphorous acid and urea, and the product was reacted at 170°C for 2 hours to obtain a product. This product was washed with water and circulated through a high-pressure homogenizer 2 to 3 times for refinement. The phosphite-esterified cellulose nanofibers are cellulose nanofiber dispersions produced by the phosphite esterification method.
(評価試験)
比較例1~比較例6、及び実施例1~実施例3について、沈降の具合、液面部分の固形分濃度、粒度分布の評価試験をした。結果を図4~図9に示す。比較例1をa1、比較例2をa2、比較例3をa3、比較例4をa4、比較例5をa5、比較例6をa6、実施例1をb1、実施例2をb2、実施例3をb3と符号を付した。
(Evaluation test)
Evaluation tests were conducted on the sedimentation state, solids concentration at the liquid surface, and particle size distribution for Comparative Examples 1 to 6 and Examples 1 to 3. The results are shown in Figures 4 to 9. Comparative Example 1 is labeled a1, Comparative Example 2 a2, Comparative Example 3 a3, Comparative Example 4 a4, Comparative Example 5 a5, Comparative Example 6 a6, Example 1 b1, Example 2 b2, and Example 3 b3.
<沈降の具合その1>
比較例1~比較例4、及び実施例1~実施例3それぞれを100mLビーカー又はポリビン(アズワン社の製品「ラボランスクリュー管瓶」、容量30mL、内径30mm×長さ65mm)を用いて30mL調製した。これら試験例及び実施例を室温で静置して10分後、60時間後、130時間後における着色基材の界面の沈降の程度を評価した。結果について、10分後の沈降の具合を図5、60時間後の沈降の具合を図6、130時間後の沈降の具合を図7、表2に示した。評価基準は以下のとおりである。
〇:水性塗料組成物が着色基材の相50のみであり、泡の相51や液相52が確認されなかった。
△:水塗料組成物が着色基材の相50と、泡の相51及び/又は液相52とに分離し、水性塗料組成物の液面から下に5mm未満の間に、着色基材の相50の界面が生じた。
×:水塗料組成物が着色基材の相50と、泡の相51及び/又は液相52とに分離し、水性塗料組成物の液面から5mm以上、下に着色基材の相50の界面が生じた。
なお、水性塗料組成物は着色基材の相50と泡の相51と液相52を有する。
<Sedimentation status 1>
30 mL of each of Comparative Examples 1 to 4 and Examples 1 to 3 was prepared using a 100 mL beaker or a poly bottle ("Labolan screw cap" product of AS ONE Corporation, 30 mL capacity, 30 mm inner diameter x 65 mm length). These Test Examples and Examples were left to stand at room temperature, and the degree of sedimentation at the interface of the colored substrate was evaluated after 10 minutes, 60 hours, and 130 hours. The results are shown in Figure 5 for the state of sedimentation after 10 minutes, Figure 6 for the state of sedimentation after 60 hours, and Figure 7 and Table 2 for the state of sedimentation after 130 hours. The evaluation criteria are as follows:
◯: The aqueous coating composition consisted of only the colored substrate phase 50, and neither the foam phase 51 nor the liquid phase 52 was observed.
Δ: The water-based coating composition separated into a colored substrate phase 50 and a foam phase 51 and/or a liquid phase 52, and an interface of the colored substrate phase 50 was formed less than 5 mm below the liquid surface of the water-based coating composition.
×: The aqueous coating composition separated into a colored substrate phase 50 and a foam phase 51 and/or liquid phase 52, with the interface of the colored substrate phase 50 occurring 5 mm or more below the liquid surface of the aqueous coating composition.
The aqueous coating composition has a pigmented base phase 50, a foam phase 51, and a liquid phase 52.
静置してから10分後では、比較例1~比較例4の液面付近に泡の相51が見られ、着色基材の相50と分離していることがわかる。実施例1~実施例3に泡の相51は確認されなかった。静置してから60時間後では、比較例1~比較例4について、泡の相51は液相52に変わり、着色基材の相50と液相52の間に界面が生じていた。なお、着色基材の相50が下の相であり、液相52が上の相である。静置してから130時間後では、比較例1~比較例4で着色基材の相50と液相52に分離して、界面が生じていた。実施例1で着色基材の相50と液相52にわずかに分離して、界面が生じていた。描画作業において水性塗料組成物を乳鉢やパレットに入れてから130時間静置することは想定されにくく、130時間経過前に描画作業を終えると考えられるため、実施例1は着色基材が長時間分散した状態が持続すると評価してよい。 After 10 minutes of standing, a foam phase 51 was observed near the liquid surface in Comparative Examples 1 to 4, indicating separation from the colored substrate phase 50. No foam phase 51 was observed in Examples 1 to 3. After 60 hours of standing, the foam phase 51 had changed to a liquid phase 52 in Comparative Examples 1 to 4, and an interface had formed between the colored substrate phase 50 and the liquid phase 52. Note that the colored substrate phase 50 was the lower phase, and the liquid phase 52 was the upper phase. After 130 hours of standing, the colored substrate phase 50 had separated from the liquid phase 52 in Comparative Examples 1 to 4, forming an interface. In Example 1, the colored substrate phase 50 had slightly separated from the liquid phase 52, forming an interface. It is unlikely that an aqueous coating composition would be placed in a mortar or palette and left to stand for 130 hours during painting work, and it is likely that the painting work would be completed before 130 hours had elapsed. Therefore, it can be said that Example 1 maintains a dispersed state of the colored substrate for a long period of time.
<沈降の具合その2>
比較例5、及び実施例2それぞれを上記ポリビン内で調製した。これら試験例及び実施例を室温で静置して16時間後における着色基材の界面の沈降の程度を評価した。結果を図8、表5に示した。評価基準は<沈降の具合その1>と同様である。
<Sedimentation condition 2>
Comparative Example 5 and Example 2 were each prepared in the same plastic bottle. These test examples and examples were left standing at room temperature for 16 hours, and the degree of sedimentation at the interface of the colored substrate was evaluated. The results are shown in Figure 8 and Table 5. The evaluation criteria were the same as those in <Sedimentation Level Part 1>.
静置してから16時間後、実施例5では、着色基材の相50と泡の相51の間に界面が生じていた。 After 16 hours of standing, in Example 5, an interface had formed between the colored substrate phase 50 and the foam phase 51.
<沈降の具合その3>
実施例2と水とを1:1で希釈したもの試験例c1、この実施例2と水とを1:2で希釈したもの試験例c2、この実施例2と水とを1:3で希釈したもの試験例c3について、室温で静置して24時間後における着色基材の界面の沈降の程度を評価した。結果を図9、表6に示した。評価基準は<沈降の具合その1>と同様である。
<Sedimentation status 3>
Test Example c1, which was a 1:1 dilution of Example 2 and water, Test Example c2, which was a 1:2 dilution of Example 2 and water, and Test Example c3, which was a 1:3 dilution of Example 2 and water, were left at room temperature for 24 hours and the degree of sedimentation at the interface of the colored substrate was evaluated. The results are shown in Figure 9 and Table 6. The evaluation criteria were the same as those for <Sedimentation Level Part 1>.
試験例c2、試験例c3では着色基材の相50と泡の相51の間に界面が生じていた。 In test examples c2 and c3, an interface was formed between the colored substrate phase 50 and the foam phase 51.
<濃度指数>
上記、ポリビンに調製して、比較例1~比較例4、実施例1~実施例3それぞれについて、調製直後と室温で24時間静置後に、ピペット先端を液表面から3mmの深さまで液面部分を波立たせないように挿入して液体を1mL採取して、固形分濃度を測定した。固形分濃度は、JIS P 8225:2003に準拠して測定した。得られた、水性塗料組成物における調製直後の固形分濃度と24時間静置後の固形分濃度の濃度結果、及び24時間静置後の液面部分の濃度指数を表3に示す。ここで、液面部分の濃度指数は、水性塗料組成物をポリビンに調製した直後の液面部分の固形分濃度を100とした場合に、前記水性塗料組成物をポリビンに調製して24時間静置後の液面部分の固形分濃度をいい、以下の式(1)で求めた値である。
[式(1)]
24時間静置後の液面部分の濃度指数=(水性塗料組成物における24時間静置後の液面部分の固形分濃度(質量%)/水性塗料組成物における調製直後の液面部分の固形分濃度(質量%))×100
< Concentration index >
The aqueous coating compositions prepared in the above-mentioned polyethylene bottles were measured for the solids concentration of each of Comparative Examples 1 to 4 and Examples 1 to 3. The solids concentration was measured immediately after preparation and after 24 hours at room temperature by inserting the tip of a pipette to a depth of 3 mm from the liquid surface without disturbing the liquid surface. The solids concentration was measured in accordance with JIS P 8225:2003. The solids concentration of the aqueous coating compositions immediately after preparation and after 24 hours of standing, as well as the concentration index of the liquid surface after 24 hours of standing, are shown in Table 3. The concentration index of the liquid surface refers to the solids concentration of the aqueous coating composition prepared in the polyethylene bottle and after 24 hours of standing, where the solids concentration of the liquid surface immediately after preparation of the aqueous coating composition is set to 100. The concentration index is calculated using the following formula (1):
[Formula (1)]
Concentration index of the liquid surface portion after standing for 24 hours = (solids concentration (mass%) of the liquid surface portion of the aqueous coating composition after standing for 24 hours / solids concentration (mass%) of the liquid surface portion of the aqueous coating composition immediately after preparation) × 100
<粒子径分布>
比較例及び実施例について粒子径分布を測定した。結果を図4及び表4に示す。
<Particle size distribution>
The particle size distribution was measured for the comparative example and the example, and the results are shown in Figure 4 and Table 4.
図4においてa1が比較例1を、a3が比較例3を、a5が比較例5を、a6が比較例6を、b2が実施例2を、それぞれ示す。図4の縦軸の頻度(%)は、例えば、比較例1の全粒子の数を100%とした場合において、比較例1の特定の粒子径(μm)における粒子の数(%)を表す。頻度(%)は、比較例3、比較例5、比較例6、及び実施例2についても同様である。 In Figure 4, a1 represents Comparative Example 1, a3 represents Comparative Example 3, a5 represents Comparative Example 5, a6 represents Comparative Example 6, and b2 represents Example 2. The frequency (%) on the vertical axis of Figure 4 represents the number (%) of particles with a specific particle diameter (μm) in Comparative Example 1, assuming that the total number of particles in Comparative Example 1 is 100%, for example. The frequency (%) is the same for Comparative Examples 3, 5, 6, and Example 2.
表4において、擬似粒度分布が累積10%径をD10、累積50%径をD50、累積90%径をD90で表した。 In Table 4, the cumulative 10% diameter of the pseudo particle size distribution is represented as D10, the cumulative 50% diameter as D50, and the cumulative 90% diameter as D90.
比較例5では、ピーク値が2つとなった。 In Comparative Example 5, there were two peak values.
本発明は、上記の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
セルロースナノファイバーの形態は、粉末、ペースト、スラリー等のどのような形態でも適用可能であり、セルロースナノファイバーを分散させる媒体は、水に限らず、有機溶媒その他の流動体を適宜適用可能である。 The cellulose nanofibers can be in any form, such as powder, paste, or slurry, and the medium for dispersing the cellulose nanofibers is not limited to water; organic solvents or other fluids can also be used as appropriate.
(その他)
・ハイシェア粘度は、調整した水性塗料組成物について、温度25℃の粘度を、ハイシェア粘度計(SMT社、製品「PM-9000HV」)を使用し、Eボブを用いて、せん断速度を変化させて測定した。ハイシェア粘度は、試料を特定のせん断速度の状態にして、安定した時点の数値を測定値とした。ハイシェア粘度とは、特定のせん断速度(1/sec)で流れる流体の粘度(cP)をいう。一般的に非ニュートン流体は、ずり速度(せん断速度)により粘度が異なる性質を有する。ハイシェア粘度を測定することで、同非ニュートン流体におけるずり速度に応じた粘度が得られる。
・遠心分離機は、HITATHI冷却遠心分離機CR22Nを使用した。
・顔料その他の平均粒子径はJIS Z 8825:2013に準拠して測定した値である。
・室温とは、一般的な家屋内の温度をいうが、例えば、1~30℃、より好ましくは15~25℃をいう。
・B型粘度(固形分濃度は適宜調整する。)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(又は水分散液)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。B型粘度は25℃で測定した。
(others)
- The high shear viscosity of the prepared aqueous coating composition was measured at a temperature of 25°C using a high shear viscometer (SMT, product "PM-9000HV") and an E-bob, while varying the shear rate. The high shear viscosity was measured by subjecting the sample to a specific shear rate and measuring the value at which it stabilized. High shear viscosity refers to the viscosity (cP) of a fluid flowing at a specific shear rate (1/sec). Non-Newtonian fluids generally have the property that their viscosity varies depending on the shear rate (shear rate). By measuring the high shear viscosity, the viscosity of the non-Newtonian fluid corresponding to the shear rate can be obtained.
The centrifuge used was a Hitachi refrigerated centrifuge CR22N.
The average particle size of pigments and other particles is a value measured in accordance with JIS Z 8825:2013.
Room temperature refers to the temperature in a typical house, for example, 1 to 30°C, more preferably 15 to 25°C.
The B-type viscosity (solid content concentration is adjusted as appropriate) is a value measured in accordance with JIS-Z8803 (2011) "Method for measuring viscosity of liquids." The B-type viscosity is the resistance torque when stirring a dispersion (or aqueous dispersion), and the higher the value, the more energy is required for stirring. The B-type viscosity was measured at 25°C.
本発明は、伝統工芸品、和洋食器、装飾品、インテリア小物等に描画する水性塗料組成物として利用可能である。 The present invention can be used as an aqueous coating composition for painting on traditional crafts, Japanese and Western tableware, decorative items, interior accessories, etc.
10 完成品
11 素地
20a 釉薬層
21 釉薬層
30a 第1図柄
10 Finished product 11 Base 20a Glaze layer 21 Glaze layer 30a First design
Claims (4)
前記セルロースナノファイバーは、機械パルプを解繊して得られたセルロースナノファイバーと、亜リン酸のエステル基が導入されたセルロースナノファイバーとを含有し、
前記亜リン酸のエステル基が導入されたセルロースナノファイバーは、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部が、カルバメート基で置換されて、カルバメートが導入されたものであり、
24時間静置後の液面部分の濃度指数が90以上である、
ことを特徴とする水性塗料組成物。 Contains a colored base material and cellulose nanofibers,
The cellulose nanofibers contain cellulose nanofibers obtained by defibrating mechanical pulp and cellulose nanofibers into which a phosphorous acid ester group has been introduced,
The cellulose nanofibers into which ester groups of phosphorous acid have been introduced are those into which carbamate groups have been introduced by substituting some of the hydroxy groups of the cellulose fibers with carbamate groups,
The concentration index of the liquid surface after standing for 24 hours is 90 or more.
1. A water-based coating composition comprising:
前記機械パルプを解繊して得られたセルロースナノファイバーと前記亜リン酸のエステル基が導入されたセルロースナノファイバーとの質量比が、1~9:1となるものである、
請求項1に記載の水性塗料組成物。 The cellulose nanofibers having phosphorous acid ester groups introduced therein are obtained by defibrating chemical pulp,
the mass ratio of the cellulose nanofibers obtained by defibrating the mechanical pulp to the cellulose nanofibers having phosphorous acid ester groups introduced therein is 1 to 9:1;
The aqueous coating composition according to claim 1.
請求項1に記載の水性塗料組成物。 the mixing ratio of the colored base material to the cellulose nanofibers having phosphorous acid ester groups introduced therein is 1:0.005 to 0.045;
The aqueous coating composition according to claim 1.
請求項1に記載の水性塗料組成物。
In a pseudo particle size distribution measured by a laser diffraction method, the ratio (D50/D90) of the cumulative 50% diameter (D50) to the cumulative 90% diameter (D90) on a volume basis is 0.5 to 1.
The aqueous coating composition according to claim 1.
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