JP7808486B2 - Cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition and method for producing same - Google Patents
Cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition and method for producing sameInfo
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Description
この発明は、セルロースナノファイバーを分散させた熱可塑性エラストマー組成物及びその製造方法に関する。 This invention relates to a thermoplastic elastomer composition containing dispersed cellulose nanofibers and a method for producing the same.
ポリウレタン系の樹脂組成物は、弾性、引張強度、耐摩耗性などに優れたプラスチックの一種として、様々な用途に使用されている。例えば、接着剤や塗料の原材料、伸縮性の高いスポーツ用品向けの繊維や、ウレタンフォームとしてクッションやスポンジなど、用途は多岐に亘る。基本的にはポリオールとポリイソシアネートとを重合させたポリウレタンが基本となるが、これに様々な添加物を加えて物性を改良しようとする試みが多々検討されている。 Polyurethane resin compositions are a type of plastic that excels in elasticity, tensile strength, and abrasion resistance, and are used in a wide variety of applications. Their applications are diverse, including as raw materials for adhesives and paints, highly elastic fibers for sports equipment, and urethane foam for cushions and sponges. They are essentially made from polyurethane, which is polymerized from polyol and polyisocyanate, but numerous attempts have been made to improve their physical properties by adding various additives.
特許文献1には、ポリオール中でセルロースを解繊して微細化したセルロースナノファイバーを含有させて、これをポリイソシアネートと反応させて得られるウレタン樹脂組成物が提案されている。この組成物はセルロースナノファイバーが存在することにより、高強度性に優れたものであると示されている。 Patent Document 1 proposes a urethane resin composition obtained by adding cellulose nanofibers, which are made by defibrating cellulose in a polyol and then reacting these with polyisocyanate. It is stated that the presence of cellulose nanofibers gives this composition excellent strength.
特許文献2には、ウレタンプレポリマーと、ポリアミン化合物を含む硬化剤と、微細化セルロースとを含有するウレタンエラストマー成形品が提案されている。ポリアミン化合物と微細化セルロースとの添加により、貯蔵弾性率及びクリープ性に優れたものであると示されている。 Patent Document 2 proposes a urethane elastomer molded product containing a urethane prepolymer, a curing agent containing a polyamine compound, and micronized cellulose. It is stated that the addition of the polyamine compound and micronized cellulose results in excellent storage modulus and creep properties.
特許文献3には、ポリウレタン中におけるセルロースナノファイバーの分散性を向上させて強度、耐熱性、耐水性を向上させたポリウレタン樹脂組成物が提案されている。手順として、ポリウレタン樹脂の水系分散液体と、セルロースナノファイバーの水系分散体とを混合する手法と、イソシアネート末端を有するウレタンプレポリマーの有機溶媒分散体と、セルロースナノファイバーの水系分散体とを混合してポリウレタン樹脂を生成させる手法とが示されている。 Patent Document 3 proposes a polyurethane resin composition that improves the dispersibility of cellulose nanofibers in polyurethane, thereby improving strength, heat resistance, and water resistance. The procedures proposed include mixing an aqueous dispersion of polyurethane resin with an aqueous dispersion of cellulose nanofibers, and mixing an organic solvent dispersion of an isocyanate-terminated urethane prepolymer with an aqueous dispersion of cellulose nanofibers to produce a polyurethane resin.
特許文献4には、ラウドスピーカーに用いる樹脂製の振動板について、複数の基体層を接着するコーティング層にウレタン系樹脂を用い、このウレタン系樹脂と強化材とを組み合わせることが提案されている。その強化材として、竹のナノファイバーを用いると、弾性率が向上し、ウレタン系樹脂との結着力も向上させることが示されている。 Patent Document 4 proposes using a urethane resin for the coating layer that bonds multiple substrate layers together in a resin diaphragm used in a loudspeaker, and combining this urethane resin with a reinforcing material. It has been shown that using bamboo nanofibers as the reinforcing material improves the elastic modulus and also improves the bonding strength with the urethane resin.
特許文献5には、熱可塑性エラストマーとしてポリウレタンエラストマーを、厚さ10~100μm、厚さムラが2μm以内に調整した機能性フィルムが提案されている。この機能性フィルムはスピーカーの振動系支持部材などの制振材用途や、音響振動材料、吸音材量などの音響用途に用いることが示されている。 Patent Document 5 proposes a functional film that uses a polyurethane elastomer as a thermoplastic elastomer, with a thickness of 10 to 100 μm and thickness variations adjusted to within 2 μm. It is suggested that this functional film can be used as a vibration-damping material, such as a support member for the vibration system of a speaker, as well as for acoustic applications such as acoustic vibration materials and sound-absorbing materials.
特許文献6には、セルロースナノファイバーと比較的大きいサイズのセルロース繊維を含有させた水性塗料が提案されている。この水性塗料には、比較的大きいサイズのセルロース繊維が存在することで塗膜表面に適度な凹凸が形成され、それにより滑り性が高まることが示されている。 Patent Document 6 proposes an aqueous paint containing cellulose nanofibers and relatively large cellulose fibers. It has been shown that the presence of relatively large cellulose fibers in this aqueous paint creates appropriate unevenness on the coating film surface, thereby improving slipperiness.
近年は、スマートフォン用スピーカーにも精度の高い音質が求められるようになっている。しかし、スマートフォン用スピーカーは設置型のスピーカーに比べて温度及び湿度の変化が激しい環境にあり、かつ径が小さいためにより高い精度と細かい調整が必要となる。このため、特許文献5のポリウレタンエラストマーよりもさらに音質などの変化が少ない素材が振動板に求められるようになっている。 In recent years, there has been a growing demand for smartphone speakers to have high-precision sound quality. However, smartphone speakers are placed in environments with greater temperature and humidity changes than stationary speakers, and their smaller diameters require greater precision and finer adjustments. For this reason, there is a growing demand for diaphragms made of a material that causes even less change in sound quality than the polyurethane elastomer described in Patent Document 5.
さらに、音響用振動板以外にも、温度変化や湿度変化に対して物性がより変化しにくく、性質安定性の高い素材や、滑り性と透明性に優れた素材が求められることがある。 In addition to acoustic diaphragms, there are also cases where materials with high stability of properties, less susceptible to changes in temperature and humidity, as well as materials with excellent slip properties and transparency are required.
そこでこの発明は、温度変化に対する性質変化が小さい熱可塑性エラストマー組成物を実現することを目的とする。さらに、この発明は、滑り性と透明性を両立した素材を実現することを目的とする。 The objective of this invention is to create a thermoplastic elastomer composition whose properties change little with temperature changes. Furthermore, the objective of this invention is to create a material that combines smoothness and transparency.
この発明は、セルロースナノファイバーを含有する熱可塑性エラストマー組成物からなり、上記セルロースナノファイバーが非イオン性で、数平均繊維径が2nm以上50nm以下であり、熱可塑性エラストマーに対する上記セルロースナノファイバーの含有量が0.5質量%以上15質量%以下であり、組成物中における上記セルロースナノファイバーが均一に分散したセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物により、上記の課題を解決したのである。 The present invention solves the above-mentioned problems by providing a cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition comprising a cellulose nanofiber, wherein the cellulose nanofiber is nonionic and has a number-average fiber diameter of 2 nm to 50 nm, the content of the cellulose nanofiber relative to the thermoplastic elastomer is 0.5 mass % to 15 mass %, and the cellulose nanofiber is uniformly dispersed in the composition.
熱可塑性エラストマーとしてポリウレタンを用い、セルロースナノファイバーを混合した熱可塑性エラストマーは以前より知られている。しかしながら、単にセルロースナノファイバーを添加しただけではセルロースナノファイバー同士が凝集したり偏在したりすることで、材料全体として見ると性質に偏りが生じてしまうことがあった。フィルムなどに加工したときには、この偏りによって温度変化に対する挙動や滑り性及び透明性が異なる部位を生じてしまっていた。この点に着目し、この発明にかかるセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物は、非イオン性で数平均繊維径が2nm以上50nm以下のセルロースナノファイバーを、熱可塑性エラストマーに対する含有量を0.5質量%以上15質量%以下として、組成物中に均一に分散させることにより、熱可塑性エラストマーの物性に作用するセルロースナノファイバーの偏りを抑え、温度変化に対する性質のさらなる安定性向上や滑り性と透明性の両立を実現した。 Thermoplastic elastomers that use polyurethane as the thermoplastic elastomer and blend cellulose nanofibers have long been known. However, simply adding cellulose nanofibers can cause the cellulose nanofibers to aggregate or be unevenly distributed, resulting in uneven properties across the entire material. When processed into films, this unevenness can result in regions with different behavior in response to temperature changes, slipperiness, and transparency. Focusing on this issue, the cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention uniformly disperses nonionic cellulose nanofibers with a number-average fiber diameter of 2 nm to 50 nm in a content of 0.5% by mass to 15% by mass relative to the thermoplastic elastomer throughout the composition, thereby suppressing the unevenness of the cellulose nanofibers that affect the physical properties of the thermoplastic elastomer and achieving further stability in properties with temperature changes while simultaneously achieving both slipperiness and transparency.
セルロースナノファイバーを上記のように分散させたセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物を得る手順としては、次のような製造方法が実施できる。
ポリオール、ポリオール誘導体、又はその両方からなるポリオール化合物と、セルロースナノファイバーと、水と、を含有するセルロースナノファイバー組成物を、第一の有機溶媒と混合して、液中にセルロースナノファイバーを分散させたセルロースナノファイバー分散液を調製し、熱可塑性エラストマーを第二の有機溶媒中に溶解または分散させた熱可塑性エラストマー溶液または分散液と、上記セルロースナノファイバー分散液とを混合し、その混合した後の混合液から分散媒を蒸発させる。
The following production method can be carried out as a procedure for obtaining a cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition in which cellulose nanofibers are dispersed as described above.
A cellulose nanofiber composition containing a polyol compound consisting of a polyol, a polyol derivative, or both, cellulose nanofibers, and water is mixed with a first organic solvent to prepare a cellulose nanofiber dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in the liquid, and the cellulose nanofiber dispersion is mixed with a thermoplastic elastomer solution or dispersion in which a thermoplastic elastomer is dissolved or dispersed in a second organic solvent, and the dispersion medium is evaporated from the mixed liquid after mixing.
セルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物を製造する際に、フィルム状に成型することでセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物から成る機能性フィルムを得ることができる。この機能性フィルムは、例えばスマートフォン用スピーカーの振動板に用いた際に、スマートフォンの使用温度域における温度変化に伴って生じる音質変化が、従来のセルロースナノファイバーを含有しない熱可塑性エラストマーのみから成るフィルムよりも小さくなり、またスマートフォン用液晶パネルの保護フィルムに用いた際には、透明性を損なわずに滑り性が良いことから液晶パネル表示の視認性や操作性に優れ、さらに貼り付けも容易にできる。 When the cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition is produced, it can be molded into a film to obtain a functional film made from the cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition. When this functional film is used, for example, as the diaphragm of a smartphone speaker, the change in sound quality that occurs with temperature changes in the smartphone's operating temperature range is smaller than with conventional films made only of thermoplastic elastomer that do not contain cellulose nanofiber. Furthermore, when used as a protective film for smartphone LCD panels, it has good slip properties without compromising transparency, resulting in excellent visibility and operability of the LCD panel display, and is also easy to apply.
またこの製造方法では、上記セルロースナノファイバー組成物が、含水率が1質量%以上10質量%以下であり、上記セルロースナノファイバーと上記ポリオール化合物との質量混合比が1:2~1:20である実施形態を採用することができる。 Furthermore, this manufacturing method can employ an embodiment in which the cellulose nanofiber composition has a moisture content of 1% by mass or more and 10% by mass or less, and the mass mixing ratio of the cellulose nanofiber to the polyol compound is 1:2 to 1:20.
さらにこの製造方法では、上記セルロースナノファイバー組成物が、セルロースナノファイバーを含有するセルロースナノファイバー水懸濁液に分散剤として上記ポリオール化合物を添加して、後に水分を蒸発させたものである、実施形態を採用することができる。 Furthermore, this manufacturing method can employ an embodiment in which the cellulose nanofiber composition is prepared by adding the polyol compound as a dispersant to a cellulose nanofiber aqueous suspension containing cellulose nanofibers, and then evaporating the water.
この発明にかかるセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物は、高い分散性を確保して分散されたセルロースナノファイバーが合わさることで、温度変化による物性変化を抑制することができ、大きな温度変化に曝される環境で使用される精密物品において、安定した性質を提供することができる。 The cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition of this invention ensures high dispersibility, and by combining dispersed cellulose nanofibers, it is possible to suppress changes in physical properties due to temperature changes, and to provide stable properties to precision articles used in environments exposed to large temperature changes.
また、この発明にかかるセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物は、上記の特性以外にも優れた特徴を有する。含有するセルロースナノファイバーによって表面に微細な凹凸が生じることで、フィルムやシートとしたときの表面の摩擦係数が小さくなり、高い滑り性を発揮する。さらにこの滑り性を、透明性を損なわずに実現できるという特徴も有する。一般的な熱可塑性エラストマーのフィルムやシートに滑り性を与えようとして、接触面積を減らすために凹凸を形成する表面加工を行うと、透明性を損なうことが多く、滑り性と透明性との両立は難しかった。これに対して、この発明にかかるセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物では、凹凸の形成に寄与するセルロースナノファイバーの繊維径が可視光の波長より十分細いために可視光を散乱させず、樹脂に含有されていても透明性を損ないにくい。なお、フィルムやシートとしたときの表面の微細な凹凸は、例えばJIS B 6101に規定された表面粗さ等で評価することができる。 In addition to the above properties, the cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention also has other excellent features. The cellulose nanofibers contained therein create fine irregularities on the surface, which reduces the coefficient of friction and provides high slipperiness when formed into a film or sheet. Another advantage is that this slipperiness can be achieved without compromising transparency. When conventional thermoplastic elastomer films or sheets are treated with surface processing to create irregularities and reduce the contact area in an attempt to impart slipperiness, transparency is often compromised, making it difficult to achieve both slipperiness and transparency. In contrast, the cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention has a fiber diameter that is sufficiently smaller than the wavelength of visible light, so it does not scatter visible light and is less likely to impair transparency even when incorporated into a resin. The fine irregularities on the surface when formed into a film or sheet can be evaluated, for example, by surface roughness as specified in JIS B 6101.
ただし、この発明に用いるセルロースナノファイバーは、化学変性させる置換基で置換されていないことが望ましい。セルロースナノファイバーに置換基が導入されていると、セルロースナノファイバー同士の相互作用により樹脂中に均一に分散させることができず、温度変化による物性変化を抑制することが困難になり、また十分な滑り性と透明性が得られないことがあるためである。 However, it is desirable that the cellulose nanofibers used in this invention are not substituted with chemically modifying substituents. If substituents are introduced into the cellulose nanofibers, they will not be able to be uniformly dispersed in the resin due to interactions between the cellulose nanofibers, making it difficult to suppress changes in physical properties due to temperature changes, and may not achieve sufficient slip properties and transparency.
以下、この発明について詳細に説明する。この発明は、セルロースナノファイバーを含有する熱可塑性エラストマー組成物からなり、上記セルロースナノファイバーが非イオン性で、数平均繊維径が2nm以上50nm以下であり、熱可塑性エラストマーに対する上記セルロースナノファイバーの含有量が0.5質量%以上15質量%以下であり、組成物中における上記セルロースナノファイバーが均一に分散したセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物である。 The present invention is described in detail below. This invention relates to a cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition comprising a cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition, wherein the cellulose nanofibers are nonionic and have a number-average fiber diameter of 2 nm to 50 nm, the content of the cellulose nanofibers relative to the thermoplastic elastomer is 0.5% by mass to 15% by mass, and the cellulose nanofibers are uniformly dispersed in the composition.
この発明において用いるセルロースナノファイバー(以下、「CNF」と略記する)は、セルロースに加工を加えて微細繊維化したものである。セルロースの分子構造に変化のないものだけでなく、セルロースの分子構造の一部を化学変性したものと一旦化学変性したものをセルロースに再生したものであってもよく、これらを含みうる。 The cellulose nanofibers (hereinafter abbreviated as "CNF") used in this invention are cellulose that has been processed to produce fine fibers. They may include not only cellulose whose molecular structure remains unchanged, but also cellulose whose molecular structure has been partially chemically modified, or cellulose that has been chemically modified and then regenerated into cellulose.
化学変性したセルロースとしては、例えば、TEMPO(2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical)酸化したTEMPO酸化セルロース、カルボキシメチル化したカルボキシメチルセルロース、リン酸エステル化したリン酸エステル化セルロース、アルカリ処理したセルロースに二硫化炭素を加えてザンテート基(-OCSS-M+)を導入したザンテート化セルロースなどが挙げられる。パルプ等の材料からなるセルロース材料を化学変性すると、セルロース材料をそのまま解繊するよりも容易にナノファイバーの状態にしやすい。この化学変性して解繊されたCNFを「化学変性CNF」と呼ぶ。また、化学変性したセルロースのうち、リン酸エステル化セルロースとザンテート化セルロースは、再生処理して容易にセルロースに戻すことが可能なため好ましい。化学変性CNFの化学変性したセルロースの分子構造をセルロースに戻す再生処理をして得られるCNFを「再生CNF」と呼ぶ。 Examples of chemically modified cellulose include TEMPO-oxidized cellulose (oxidized with TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical)), carboxymethylated carboxymethyl cellulose, phosphoric acid esterified cellulose, and xanthated cellulose (caused by adding carbon disulfide to alkali-treated cellulose to introduce xanthate groups (-OCSS - M + ). Chemically modifying cellulose materials such as pulp makes it easier to convert them into nanofibers than directly defibrating the cellulose material. This chemically modified and defibrated CNF is called "chemically modified CNF." Furthermore, among chemically modified celluloses, phosphated cellulose and xanthated cellulose are preferred because they can be easily regenerated and restored to cellulose. CNF obtained by performing a regeneration process to return the molecular structure of chemically modified cellulose to cellulose is called "regenerated CNF."
この発明においては、以下の説明の中で、単純にセルロース材料を解繊したものだけでなく、上記の化学変性CNFや再生CNFを含めてCNFと呼ぶ。また、再生CNFの中には、水酸基から一旦ザンテート基などの他の官能基に変性したものの全てが元の水酸基に戻されているものだけでなく、一部が他の官能基として残っているものが含まれていてもよい。さらに、これらのCNFは、必要があれば精製処理を施して使用してもよい。 In the following description of this invention, the term "CNF" refers not only to CNF obtained by simply defibrating cellulose materials, but also to the above-mentioned chemically modified CNF and regenerated CNF. Furthermore, regenerated CNF may include not only CNF in which hydroxyl groups have been temporarily modified to other functional groups such as xanthate groups, but in which all of the hydroxyl groups have been returned to their original hydroxyl groups, but also CNF in which some of the functional groups remain. Furthermore, these CNF may be purified before use if necessary.
CNFとしては、化学変性していないセルロースや、再生CNFのように非イオン性のものが好ましい。ザンテート化セルロースやTEMPO酸化セルロースなどのイオン性の化学変性をしたセルロースは好ましくないが、一旦はザンテート化セルロースなどのイオン性の化学変性をしたセルロースであっても、それを十分に再生してセルロースに戻したものであれば好適に用いることができる。イオン性のナノファイバーは後述する有機溶媒中で凝集しやすく、十分な分散性が確保しにくくなるが、非イオン性であれば有機溶媒中で凝集しにくく分散性が確保しやすいためである。 CNF is preferably non-ionic, such as chemically unmodified cellulose or regenerated CNF. Ionic, chemically modified cellulose such as xanthated cellulose or TEMPO-oxidized cellulose is not preferred, but cellulose that has been chemically modified with ionic modifications such as xanthated cellulose can be used suitably if it has been sufficiently regenerated back into cellulose. Ionic nanofibers tend to aggregate in organic solvents, as described below, making it difficult to ensure sufficient dispersibility, but non-ionic nanofibers are less likely to aggregate in organic solvents, making it easier to ensure dispersibility.
また、このCNFは、繊維径2nm以上50nm以下の微細繊維が主成分として含まれているものが好適に用いられる。なお、ここで主成分とは、存在する繊維のうちの50%以上が上記の繊維径の条件に含まれることをいう。ただし、組成物の製造や利用の際に差支えない限り、上記の範囲外の繊維径の微細繊維が含まれていてもよい。また、CNFの数平均繊維径は2nm以上であるとよく、3nm以上であると好ましい。これより小さくても本発明は実施できるが、2nm未満とするには多大なエネルギーが必要である上に、作業効率の面でもあまり現実的ではなく、さらに、滑り性を向上させたい場合は不利になる。一方で、CNFの数平均繊維径は50nm以下であると好ましい。50nmを超えると繊維が大きすぎて分散性が不十分になり、得られるフィルム等の物性における偏りが無視できなくなるおそれがある。 The CNF preferably contains, as its primary component, fine fibers with a fiber diameter of 2 nm to 50 nm. Here, "primary component" means that 50% or more of the fibers present fall within the above fiber diameter range. However, as long as it does not interfere with the production or use of the composition, fine fibers with diameters outside the above range may also be present. The number-average fiber diameter of the CNF is preferably 2 nm or more, and preferably 3 nm or more. While the present invention can be implemented with a diameter smaller than this, achieving a diameter of less than 2 nm requires a great deal of energy, is not very practical in terms of work efficiency, and is disadvantageous when improving slipperiness is desired. On the other hand, the number-average fiber diameter of the CNF is preferably 50 nm or less. If the diameter exceeds 50 nm, the fibers will be too large and will be insufficiently dispersible, potentially resulting in significant variations in the physical properties of the resulting film, etc.
なお、この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物は、含有するCNFの繊維径が上記の範囲内で、可視光の波長よりも十分に細いため、CNFが含有されていても可視光を散乱させることがほとんどない。これにより、後述する含有量の範囲では含有されていても透明性を損ないにくく、CNFを含有させることによる有利な効果を、透明性を維持しながら発揮させることができる。 In addition, the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention contains CNF whose fiber diameter is within the above-mentioned range and is sufficiently finer than the wavelength of visible light, so that visible light is hardly scattered even when CNF is contained. As a result, transparency is not easily impaired even when CNF is contained within the content range described below, and the beneficial effects of containing CNF can be exerted while maintaining transparency.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物は、熱可塑性エラストマー中に上記のCNFを所定の条件となるように分散させたものである。 The CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is prepared by dispersing the above-mentioned CNF in a thermoplastic elastomer under specified conditions.
この発明で用いる熱可塑性エラストマーとしては、熱可塑性を有するエラストマーの中で一般的なものを目的に応じて選択して用いることができる。例えば、ポリウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、オレフィン系エラストマー、スチレン系エラストマーなどが挙げられる。これらのエラストマーは1種類で用いてもよいし、2種類以上のエラストマーを組み合わせて用いてもよい。 The thermoplastic elastomer used in this invention can be selected from common thermoplastic elastomers depending on the purpose. Examples include polyurethane-based elastomers, polyester-based elastomers, polyamide-based elastomers, olefin-based elastomers, and styrene-based elastomers. These elastomers may be used alone or in combination of two or more types.
上記のポリウレタン系エラストマーとしては、例えば、ポリオールとポリイソシアネートとを重合したポリウレタンエラストマーが挙げられる。この重合に用いられるポリオールは、エステル型ポリオールとエーテル型ポリオール、ポリカーボネート型ポリオールが挙げられる。エステル型ポリオールとしては、例えば、ポリエチレンアジペート(PEA)、ポリブチレンアジペート(PBA)、ポリヘキサメチレンアジペート(PHA)、ポリ3-メチルペンタンアジペート(PMPA)、ポリカプロラクトン(PCL)などが挙げられる。また、エーテル型ポリオールとしては、例えば、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロプレングリコール(PPG)、ポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTMG)などのポリオールが挙げられる。さらに、ポリカーボネート型ポリオールとしては、例えば、ポリヘキサメチレンカーボネートジオール(PHC)、ポリヘキサメチレンカーボネートと他のエステル型ポリオールやエーテル型ポリオールとの共縮合物などが挙げられる。 The polyurethane elastomer may be, for example, a polyurethane elastomer obtained by polymerizing a polyol and a polyisocyanate. Examples of polyols used in this polymerization include ester polyols, ether polyols, and polycarbonate polyols. Examples of ester polyols include polyethylene adipate (PEA), polybutylene adipate (PBA), polyhexamethylene adipate (PHA), poly 3-methylpentane adipate (PMPA), and polycaprolactone (PCL). Examples of ether polyols include polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol (PPG), and polytetramethylene ether glycol (PTMG). Examples of polycarbonate polyols include polyhexamethylene carbonate diol (PHC) and co-condensates of polyhexamethylene carbonate with other ester polyols or ether polyols.
一方、ここで用いるポリイソシアネートとしては、一つの分子の中に2つ以上のイソシアネート基を有する化合物であって、例えば、トリレンジイソシアネート(TDI)やジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、あるいはポリオールと過剰のポリイソシアネートを反応させた中間物であるイソシアネート基末端のポリウレタンプレポリマーなどを使用することができる。 On the other hand, the polyisocyanate used here is a compound having two or more isocyanate groups in one molecule, such as tolylene diisocyanate (TDI), diphenylmethane diisocyanate (MDI), or an isocyanate-terminated polyurethane prepolymer, which is an intermediate product obtained by reacting a polyol with excess polyisocyanate.
これらのポリオール及びポリイソシアネートからなるポリウレタンエラストマーを、1種類で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。 These polyurethane elastomers made from polyols and polyisocyanates may be used alone or in combination of two or more types.
上記のポリエステル系エラストマーとしては、例えば、ハードセグメントにポリブチレンテレフタレート(PBT)、ソフトセグメントにポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTMG)を用いたポリエステル・エーテルタイプ、ハードセグメントにポリブチレンテレフタレート(PBT)、ソフトセグメントにポリブチレンアジペート(PBA)を用いたポリエステル・エステルタイプなどが挙げられる。これらのいずれかの樹脂を1種類で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。 Examples of the polyester-based elastomer include polyester ether types that use polybutylene terephthalate (PBT) for the hard segment and polytetramethylene ether glycol (PTMG) for the soft segment, and polyester ester types that use polybutylene terephthalate (PBT) for the hard segment and polybutylene adipate (PBA) for the soft segment. Any of these resins may be used alone or in combination of two or more.
上記のオレフィン系エラストマーとしては、例えば、ハードセグメントにポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのオレフィン樹脂、ソフトセグメントにエチレンプロピレンゴム(EPM)、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)などのゴムを混合したものなどが挙げられる。これらのいずれかの樹脂を1種類で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。 Examples of the above-mentioned olefin-based elastomers include those in which the hard segment is a mixture of an olefin resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), and the soft segment is a mixture of rubber such as ethylene propylene rubber (EPM) or ethylene propylene diene rubber (EPDM). Any of these resins may be used alone, or two or more types may be combined.
上記のスチレン系エラストマーとしては、例えば、スチレンエチレンブチレンスチレンブロック共重合体(SEBS)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体(SEPS)、スチレンブタジエン(SB)、スチレンブロック共重合体(SBC)などが挙げられる。これらのいずれかの樹脂を1種類で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。 Examples of the styrene-based elastomer include styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer (SEBS), styrene-butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene-propylene-styrene block copolymer (SEPS), styrene-butadiene (SB), and styrene block copolymer (SBC). Any of these resins may be used alone or in combination of two or more.
上記のポリアミド系エラストマーとしては、例えば、ハードセグメントにナイロン6、ナイロン11、ナイロン12、ソフトセグメントにポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロプレングリコール(PPG)ポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTMG)などを用いたポリエーテルエステルタイプ、ソフトセグメントにポリプロピレンジアミン、ポリブチレンジアミンなどを用いたポリエーテルアミドタイプなどが挙げられる。これらのいずれかの樹脂を1種類で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせてもよい。 Examples of the polyamide-based elastomers include polyether ester types that use nylon 6, nylon 11, or nylon 12 for the hard segment and polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol (PPG), or polytetramethylene ether glycol (PTMG) for the soft segment, and polyether amide types that use polypropylene diamine or polybutylene diamine for the soft segment. Any of these resins may be used alone or in combination of two or more.
これらの中でも、特にポリウレタン系エラストマーは、この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物をスピーカー振動板に用いる機能性フィルムに使用する際に好適に用いられる。スピーカー振動板に用いる場合、-10~80℃における貯蔵弾性率の変化が少ないものが好ましいからである。 Of these, polyurethane-based elastomers are particularly suitable when the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is used in functional films for speaker diaphragms. This is because, when used in speaker diaphragms, elastomers with minimal change in storage modulus at temperatures between -10 and 80°C are preferred.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物中における、上記熱可塑性エラストマーに対するCNFの含有量は、0.5質量%以上であることが好ましく、1.0質量%以上であるとより好ましい。0.5質量%未満ではCNF含有熱可塑性エラストマー組成物の物性の温度変化に対するCNFによる安定化効果が十分に発揮されないおそれがある。一方で、CNFの含有量は15質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であるとより好ましい。15質量%を超えるとフィルム中でCNFが偏りやすくなり、それにより、フィルムとしての伸びや引張強度などの機械的性質を必要な程度に確保することが難しくなるおそれがある。 In the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention, the CNF content relative to the thermoplastic elastomer is preferably 0.5% by mass or more, and more preferably 1.0% by mass or more. If the CNF content is less than 0.5% by mass, the stabilizing effect of the CNF on the physical properties of the CNF-containing thermoplastic elastomer composition against temperature changes may not be fully exerted. On the other hand, the CNF content is preferably 15% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less. If the CNF content exceeds 15% by mass, the CNF may become unevenly distributed in the film, which may make it difficult to ensure the required mechanical properties of the film, such as elongation and tensile strength.
また、この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物は、CNFの含有量が5質量%以下であると、透明性を十分に確保することができる。CNFの含有量が増加するのに伴い、透明性は徐々に低下するが、上記の繊維径の範囲内であるCNFを用い、かつ含有量が5質量%以下であれば、透明性の低下はほとんどない。一方、摩擦係数の低減効果の点から、CNFの含有量は0.5質量%以上が好ましく、1質量%以上であるとより好ましい。 Furthermore, the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention can ensure sufficient transparency when the CNF content is 5% by mass or less. Transparency gradually decreases as the CNF content increases, but if CNF within the above fiber diameter range is used and the content is 5% by mass or less, there is almost no decrease in transparency. On the other hand, from the perspective of the effect of reducing the friction coefficient, the CNF content is preferably 0.5% by mass or more, and more preferably 1% by mass or more.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物は、上記の含有量でCNFを含んでいることにより、表面に微細な凹凸を生じさせて接触面積を減らし、摩擦係数を低減させることができる。すなわち、この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなるフィルムは、CNFを含有しない熱可塑性エラストマー組成物からのそれに比べて滑り性に優れている。通常、一般的な熱可塑性エラストマー組成物の滑り性を向上させるために、滑剤をフィルム製造時に練り込んだり、バインダーとともに塗布したりすることが行われるが、これらでは滑剤が欠落したり、生じる凹凸が大きく、その凹凸によって透明性が低下してしまうといった問題を有している。この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物を成形すると、上記の通り、透明性の低下を抑えながら、滑り性も向上させた透明フィルムが実現できる。これにより、上記のスピーカー振動板以外にも、透明性が求められる箇所を保護する保護材としての利用も可能である。具体的な用途として、例えば、表面でスライド操作を行うスマートフォンの液晶パネルの保護フィルムとして、液晶画面の視認性と指での操作性を損ねることなく、液晶画面の表面保護効果を発揮することができる。このほか、自動販売機などのスイッチのように、人の指が幾度も触れる部分の防護フィルムとしても利用することができ、貼った部分の下に表示された内容を視認する際に邪魔とならず、高い防護効果も発揮する。 The CNF-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention contains CNF at the above-mentioned content, which creates fine irregularities on the surface, reducing the contact area and the coefficient of friction. In other words, films made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention have superior slipperiness compared to films made from thermoplastic elastomer compositions without CNF. To improve the slipperiness of conventional thermoplastic elastomer compositions, lubricants are typically incorporated into the film during production or applied together with a binder. However, these methods often result in problems such as loss of the lubricant or significant irregularities, which can reduce transparency. By molding the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of the present invention, transparent films can be produced that exhibit improved slipperiness while minimizing the loss of transparency, as described above. This allows for use as a protective material for protecting areas requiring transparency in addition to the speaker diaphragm described above. Specific applications include, for example, as a protective film for the LCD panel of a smartphone that performs slide operations on the surface, providing surface protection for the LCD screen without compromising visibility or finger operability. It can also be used as a protective film for areas that are frequently touched by people's fingers, such as switches on vending machines, and provides a high level of protection without interfering with the visibility of the content displayed underneath.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物において、CNFは均一に分散していることが望ましい。フィルム中でCNFの分布が偏ると、場所によって温度変化に対する性質に大きなばらつきが生じやすくなってしまう。また、部分的に透明性が低下する箇所が生じてしまう場合もある。このCNFが良好に分散している分散性の指標としては、例えば、CNF含有熱可塑性エラストマー組成物中のCNFの凝集物の量で評価することができる。具体的には、CNF含有熱可塑性エラストマー組成物をフィルム状に成形して、偏光フィルターを通してデジタルマイクロスコープで観察したときの画像のうち、CNF凝集物が占める面積率を用いることができる。ソフトウェアで処理する場合は、例えば、撮影した画像をCNFの凝集物とそうでないものとが区分できる閾値で二値化処理し、画像中の着色部をCNFの凝集物として、画像全体に対する着色部の面積率を算出して評価する。この面積率は5.0%以下であると分散性の点から好ましく、1.0%以下であるとより好ましい。 In the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention, it is desirable for the CNF to be uniformly dispersed. Uneven CNF distribution within the film can lead to significant variations in temperature-related properties. Furthermore, some areas may experience reduced transparency. The degree of CNF dispersion can be evaluated, for example, by measuring the amount of CNF aggregates in the CNF-containing thermoplastic elastomer composition. Specifically, the CNF-containing thermoplastic elastomer composition can be molded into a film and observed with a digital microscope through a polarizing filter. The area ratio of CNF aggregates in an image can be used. When processing with software, the captured image can be binarized using a threshold value that distinguishes between CNF aggregates and non-CNF aggregates. The colored areas in the image are then considered to be CNF aggregates, and the area ratio of the colored areas to the entire image is calculated and evaluated. From the perspective of dispersibility, this area ratio is preferably 5.0% or less, and more preferably 1.0% or less.
なお、この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物を、透明性を活かしたフィルム又はシートとして用いる場合にも、含有するCNFは、セルロースの分子構造の一部を化学変性したものを含まない方が望ましい。再生CNFを用いる場合には、十分に再生されたものであると好ましい。セルロースに置換基が導入されていると、ナノファイバー同士の相互作用により樹脂中での均一分散が不十分になりやすく、十分な滑り性と透明性を確保しにくくなる場合がある。 Even when the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is used as a film or sheet that takes advantage of its transparency, it is preferable that the CNF contained does not contain cellulose whose molecular structure has been chemically modified. When recycled CNF is used, it is preferable that it is fully recycled. If a substituent is introduced into the cellulose, interactions between the nanofibers can easily result in insufficient uniform dispersion in the resin, making it difficult to ensure sufficient slip properties and transparency.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムを上記のスピーカー振動板に用いる場合、厚さは10μm以上であるとよく、15μm以上であると好ましい。10μm未満では耐久性に問題を生じたり、上記の分散性を確保してもCNFの繊維径の影響が無視できず、物性に与える偏りが無視できなくなるおそれがある。一方、厚さは100μm以下であるとよく、40μm以下であると好ましい。100μmを超えると、後述する厚さムラを抑えることが難しくなり、製造が困難になるとともに、コストの点からも高価になるため100μmを超えて厚くするメリットに乏しい。なお、透明性を活かしたフィルム又はシートとして用いる場合には、厚さが100μm以下であると好ましい。厚さが100μmを超えると、フィルム自体による透明性の低下が無視できなくなる。一方で、透明性を活かしたフィルム又はシートとして用いる場合も、耐久性の点から厚さが10μm以上であると好ましい。 When a functional film made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is used for the speaker diaphragm, the thickness should be 10 μm or more, and preferably 15 μm or more. A thickness of less than 10 μm can cause durability problems, and even if the above-mentioned dispersibility is ensured, the influence of the CNF fiber diameter cannot be ignored, which may result in significant bias in physical properties. On the other hand, the thickness should be 100 μm or less, and preferably 40 μm or less. If the thickness exceeds 100 μm, it becomes difficult to suppress thickness unevenness (described below), making manufacturing difficult and expensive, so there is little benefit to increasing the thickness beyond 100 μm. When used as a film or sheet that takes advantage of its transparency, the thickness should be 100 μm or less. If the thickness exceeds 100 μm, the loss of transparency due to the film itself cannot be ignored. On the other hand, even when used as a film or sheet that takes advantage of its transparency, a thickness of 10 μm or more is preferable from the standpoint of durability.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムは、その公差(厚さムラ)が2μm以内であると好ましく、1μm以内であるとより好ましい。公差が2μmを超えると、応力の変動を抑えることが難しくなり、スピーカー振動板や制振材に用いたときに、スピーカーに十分に良好な音質を提供できなくなるおそれがある。なお、透明性を活かしたフィルム又はシートとして用いる場合には、この範囲の公差でなくても十分に利用可能である。ただし、貼り付ける対象が液晶や有機ELなどの光学デバイスである場合には、公差が大きいと表示される画像が歪むおそれがあるため、公差が2μm以内であると好ましい。 The tolerance (thickness variation) of the functional film made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is preferably within 2 μm, and more preferably within 1 μm. If the tolerance exceeds 2 μm, it becomes difficult to suppress stress fluctuations, and when used as a speaker diaphragm or vibration-damping material, it may not be possible to provide the speaker with sufficiently good sound quality. However, when used as a film or sheet that takes advantage of its transparency, a tolerance outside this range is sufficient for use. However, when the object to be attached is an optical device such as a liquid crystal or organic electroluminescent device, a large tolerance may cause the displayed image to be distorted, so a tolerance of within 2 μm is preferable.
なお、この機能性フィルムの厚さは、JIS Z 1702に準じて測定することができる。この条件では、得られた1m×1mのフィルムにおいて、無作為に30か所を測定して算出した平均値を採用する。必ずしもこの条件に従う必要はなく、異なる大きさのフィルムにおいて1m×1mあたりに換算したときに測定箇所が30か所以上となる程度の複数回の測定を行い、その平均値を求めれば、十分に有意な厚さの値が得られる。 The thickness of this functional film can be measured in accordance with JIS Z 1702. Under these conditions, the obtained 1m x 1m film is measured at 30 random locations and the average value calculated is used. It is not necessary to follow these conditions; for films of different sizes, multiple measurements can be taken so that the number of measurement locations per 1m x 1m is 30 or more, and the average value can be calculated to obtain a sufficiently significant thickness value.
また、この機能性フィルムの表面に生じる微細な凹凸は、JIS B 6101に規定された表面粗さを表す指標の内、例えば高さ方向のパラメータである算術平均粗さで評価することができる。透明性を活かしたフィルム又はシートとして用いる場合には、算術平均粗さが0.080μm以上0.400μm以下であると好ましく、0.100μm以上0.250μm以下だとより好ましい。0.080μm未満では、フィルム表面の微細な凹凸が少ないため、摩擦係数の低減が不十分となる。一方で、0.400μmを超えると透明性の低下が無視できなくなってしまう。 Fine irregularities on the surface of this functional film can be evaluated, for example, by the arithmetic mean roughness, a height-direction parameter among the surface roughness indicators specified in JIS B 6101. When used as a film or sheet that takes advantage of its transparency, the arithmetic mean roughness is preferably 0.080 μm or more and 0.400 μm or less, and more preferably 0.100 μm or more and 0.250 μm or less. If it is less than 0.080 μm, the film surface will have few fine irregularities, resulting in an insufficient reduction in the coefficient of friction. On the other hand, if it exceeds 0.400 μm, the decrease in transparency will become significant.
また、この機能性フィルムの応力変動は、JIS K 7127に基づき測定することができる。上記の厚さ測定に用いるフィルムにおいて、無作為に5か所にて測定した値の差を変動値とする。良好な音質を安定して提供するには、安定したフィルムの剛性が必要となる。その指標は一般的に弾性率で表されるが、フィルムが厚くなるに連れて剛性は変化するため、上述のフィルムを伸長させた際の伸長の応力(伸長時応力)の安定が求められる。この伸長時応力が安定していれば、スマートフォンのスピーカーに搭載して遭遇することになる生活環境で想定され得る温度下での貯蔵弾性率も安定し、優れた音響特性を示すことができる。 The stress variation of this functional film can be measured in accordance with JIS K 7127. The variation value is the difference between values measured at five random locations on the film used for the thickness measurement above. Stable film rigidity is required to consistently provide good sound quality. This is generally expressed as elastic modulus, but since rigidity changes as the film becomes thicker, stability of the elongation stress (stress at extension) when the above-mentioned film is stretched is required. If this stress at extension is stable, the storage modulus will also be stable at temperatures expected in the living environment that the film will encounter when installed in a smartphone speaker, allowing for excellent acoustic properties to be exhibited.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムの引張弾性率は、用途に応じて調整する。例えば上記のスピーカー振動板に用いるフィルムである場合、引張弾性率は10MPa以上であるとよく、35MPa以上であると好ましい。また、実用上、引張弾性率は100MPa以下であるとよい。 The tensile modulus of a functional film made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is adjusted depending on the application. For example, in the case of a film used for the above-mentioned speaker diaphragm, the tensile modulus should be 10 MPa or more, and preferably 35 MPa or more. Furthermore, for practical purposes, the tensile modulus should be 100 MPa or less.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムの熱膨張率は、40℃の環境下において、4.0%以下であると好ましく、3.5%以下であるとより好ましい。熱膨張率が4.0%を超えると、温度による物性の変化が大きくなりすぎ、特に安定した音響特性を求める場合には不適格となる。 The thermal expansion coefficient of a functional film made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is preferably 4.0% or less, and more preferably 3.5% or less, in an environment of 40°C. If the thermal expansion coefficient exceeds 4.0%, the changes in physical properties due to temperature will be too great, making it unsuitable for applications requiring stable acoustic properties.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムの、-10℃と60℃とにおける貯蔵弾性率の比(-10℃/60℃)は、1以上15以下であると好ましく、1以上13以下であるとより好ましい。熱可塑性エラストマーは温度が上昇すると貯蔵弾性率が低下するため、CNFを含有させても1未満になることは現実的ではない。一方で、15を超えると、物性の変化が大きくなりすぎ、特に安定した音響特性を求める場合には不適格となる。 The ratio of the storage modulus at -10°C and 60°C (-10°C/60°C) of a functional film made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is preferably 1 or more and 15 or less, and more preferably 1 or more and 13 or less. Because the storage modulus of a thermoplastic elastomer decreases as the temperature rises, it is not realistic to achieve a ratio of less than 1, even when CNF is added. On the other hand, if the ratio exceeds 15, the changes in physical properties will be too great, making it unsuitable, especially when stable acoustic properties are required.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムの透明性を表す指標であるヘーズは、透明性を活かした用途に用いる場合には、20%以下であると好ましく、15%以下であるとより好ましい。ヘーズが20%を超えると、スイッチ等の防護フィルムとして利用した場合、貼った部分の下に表示された内容を視認しにくく、視認性が確保できなくなる。 The haze, an index of transparency for functional films made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention, is preferably 20% or less, and more preferably 15% or less, when used in applications where transparency is important. If the haze exceeds 20%, when used as a protective film for switches, etc., it will be difficult to see the content displayed underneath, making it impossible to ensure visibility.
また、この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物からなる機能性フィルムの滑り性を表す指標である摩擦係数は、滑り性を活かした用途に用いる場合には、動摩擦係数として5以下であると好ましく、3以下であるとより好ましい。動摩擦係数が5を超えると、スマートフォン等の液晶パネルの保護フィルムとして利用した場合、表面でスライド操作を行うことが難しくなってしまう。 Furthermore, when the functional film made from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention is used in applications that utilize its slipperiness, the coefficient of friction, which is an index of slipperiness, is preferably 5 or less, and more preferably 3 or less, as a dynamic friction coefficient. If the dynamic friction coefficient exceeds 5, it becomes difficult to perform sliding operations on the surface when used as a protective film for the LCD panel of a smartphone or the like.
この発明にかかるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物を製造する際には、CNFが上記の分散性を実現するように、適切に分散させることが必要となる。これを実現するための手順例を説明する。 When producing the CNF-containing thermoplastic elastomer composition of this invention, it is necessary to properly disperse the CNF so that it achieves the above-mentioned dispersibility. An example procedure for achieving this is described below.
まず、CNFと、水と、ポリオール化合物とを含有するCNF組成物を調製する(S1)。実際にはCNFは単独では分散性を維持することが困難であり、CNFが水または水を含む極性溶媒中で分散したCNF水分散液として取り扱うことが多い。CNF水分散液とポリオール化合物とを混合することで、CNF組成物を調製できる。 First, a CNF composition containing CNF, water, and a polyol compound is prepared (S1). In practice, it is difficult for CNF to maintain dispersibility on its own, so CNF is often handled as a CNF aqueous dispersion in which CNF is dispersed in water or a polar solvent containing water. The CNF composition can be prepared by mixing the CNF aqueous dispersion with a polyol compound.
ここで用いるポリオール化合物としては、ジオールやグリセリン、トリエチレングリコールなどのポリオール、その誘導体であるポリオール誘導体、又はその両方が用いられる。ただし、上記の機能性フィルムとして用いる場合、この機能性フィルム中に残存すると不都合が生じるときには、この中でも、除去しやすさの点からジオール化合物を用いると特に好ましい。なお、このポリオール化合物とともに、他の極性溶媒が混合されていても、CNF組成物を得ることはできる。ただし、他の極性溶媒は意図せぬタイミングで蒸発したり、あるいは逆に別途除去するためのステップが必要になったりするため、ポリオール化合物以外の極性溶媒は少ないほど好ましい。 The polyol compounds used here include polyols such as diols, glycerin, and triethylene glycol, their derivatives, and/or polyol derivatives. However, when used as the functional film described above, if remaining in the functional film causes problems, it is particularly preferable to use diol compounds among these compounds because of their ease of removal. It is also possible to obtain a CNF composition even if other polar solvents are mixed with this polyol compound. However, since other polar solvents may evaporate at unintended times or, conversely, require a separate step for their removal, it is preferable to use as few polar solvents as possible other than the polyol compound.
ここで、ポリオールとは、分子中に複数の水酸基を有する化合物である。また、ポリオール誘導体とは、その水酸基のうちの一つまたは複数を変性させて官能基を付与した化合物である。ここで変性する方法としては、例えばエーテル化やエステル化反応が挙げられる。具体的には、ポリオールのアルキルエーテルやポリオールのアルキルエステルが挙げられる。 Here, a polyol is a compound that has multiple hydroxyl groups in its molecule. Furthermore, a polyol derivative is a compound in which one or more of the hydroxyl groups have been modified to provide a functional group. Modification methods include, for example, etherification and esterification reactions. Specific examples include alkyl ethers of polyols and alkyl esters of polyols.
上記ポリオール化合物としては、例えば、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,3-ブチレングリコール、1,4-ブチレングリコール、1,6-へキシレングリコール、3-メチル-1,3-ブチレングリコールなどのジオールや、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテートなどのジオール誘導体、グリセリンなどを用いることができる。これらを1種類で用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。 Examples of the polyol compound that can be used include diols such as diethylene glycol, triethylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, 1,3-butylene glycol, 1,4-butylene glycol, 1,6-hexylene glycol, and 3-methyl-1,3-butylene glycol; diol derivatives such as dipropylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol ethyl ether acetate, diethylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol methyl ether, and dipropylene glycol methyl ether acetate; and glycerin. These may be used alone or in combination.
上記の中でも、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、1,4-ブチレングリコール、1,6-へキシレングリコールが、混合後の上記CNF組成物を水分の大半を除去した乾燥体とした場合でも、その後に後述するセルロースナノファイバー分散液(CNF分散液)とした際にも、良好な分散性を維持することができる。また、必要な加熱を行った場合には、容易に除去しやすいため特に好ましい。 Of the above, diethylene glycol, triethylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, dipropylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol ethyl ether acetate, 1,4-butylene glycol, and 1,6-hexylene glycol maintain good dispersibility even when the CNF composition after mixing is dried to remove most of the water, and when it is subsequently made into a cellulose nanofiber dispersion (CNF dispersion) as described below. Furthermore, they are particularly preferred because they are easily removed when the necessary heating is performed.
上記CNF組成物における、上記CNFと上記ポリオール化合物との質量混合比は、1:2~1:20が好ましい。上記ポリオール化合物の種類にもよるが、1:2よりも上記CNFが多すぎると、分散性を維持するための上記ポリオール化合物が少ないため、CNF組成物を水またはポリオール化合物中に再度分散させようとしても、うまく分散できないおそれがある。一方、1:20よりも上記ポリオール化合物が多いと、分散自体は十分に可能であるが、それ以上に上記ポリオール化合物の比率を増やしても再分散性の向上にはほとんど寄与することがなく、CNF含有熱可塑性エラストマー組成物を得る際に、分散媒の一部として蒸発させるのに時間がかかるおそれがある。また、水を除去しても、上記ポリオール化合物の質量によって上記CNF組成物の質量が大きいままになり、上記CNF組成物を用いる利点が低下してしまう。 The mass mixing ratio of the CNF to the polyol compound in the CNF composition is preferably 1:2 to 1:20. Depending on the type of polyol compound, if the CNF content is greater than 1:2, there may not be enough polyol compound to maintain dispersibility, which may result in poor redispersion of the CNF composition in water or the polyol compound. On the other hand, if the polyol compound content is greater than 1:20, dispersion is possible, but increasing the polyol compound content beyond this point does little to improve redispersibility, and evaporating it as part of the dispersion medium may take a long time when preparing a CNF-containing thermoplastic elastomer composition. Furthermore, even after removing the water, the mass of the CNF composition remains large due to the mass of the polyol compound, thereby reducing the benefits of using the CNF composition.
上記CNF組成物の含水率は、10質量%以下であると好ましく、7質量%以下であるとより好ましい。上記CNF組成物の保管や輸送の際に、水は質量を増加させて容積も増加させる要素であるため、できるだけ少ない方が望ましい。一方、1質量%未満にまで乾燥させることは困難であり、1質量%以上が現実的である。 The moisture content of the CNF composition is preferably 10% by mass or less, and more preferably 7% by mass or less. Since water increases the mass and volume of the CNF composition during storage and transportation, it is desirable to have as little water as possible. However, it is difficult to dry the CNF composition to less than 1% by mass, so a moisture content of 1% by mass or more is more realistic.
上記CNF組成物の製造手順としては、まずCNFの水懸濁液中に、分散剤として上記ポリオール化合物を添加して混合し、次いでこの混合物を乾燥させて水分を蒸発させることで水分の含有量を減らし、上記CNF組成物を得る。乾燥方法としては、常温で放置しても乾燥させることはできるが、製造時間を短縮するために加熱することが望ましい。乾燥温度としては50℃以上が好ましく、60℃以上であるとより好ましい。50℃未満では、混合物から水分が蒸発する速度が遅すぎて、上記CNF組成物の製造に時間がかかり過ぎてしまう。一方、110℃以下が好ましく、90℃以下であるとより好ましい。110℃を超えると、上記ポリオール化合物まで蒸発してしまい、CNFの再分散が困難になってしまう。上記ポリオール化合物の選択にもよるが、90℃以下とすることで、上記ポリオール化合物の蒸発も抑制できる。なお、上記CNF組成物を得るための乾燥方法には、公知の熱風乾燥、噴霧乾燥、または真空乾燥など、あるいはそれら二種類以上を組み合わせた方法を利用することができる。具体的な乾燥設備としては、ドラムドライヤーやディスクドライヤー、あるいはそれらを真空式としたドライヤー、さらにコニカルドライヤー、スプレードライヤーなどが挙げられる。 The CNF composition is produced by first adding the polyol compound as a dispersant to an aqueous CNF suspension and mixing. The mixture is then dried to evaporate the water, reducing the water content and obtaining the CNF composition. While drying can be achieved by leaving the mixture at room temperature, heating is desirable to shorten production time. A drying temperature of 50°C or higher is preferred, with 60°C or higher being more preferred. Below 50°C, the evaporation rate from the mixture is too slow, resulting in excessive time required for production of the CNF composition. Meanwhile, a drying temperature of 110°C or lower is preferred, with 90°C or lower being more preferred. Above 110°C, the polyol compound evaporates, making redispersion of the CNF difficult. While this depends on the polyol compound selected, keeping the temperature below 90°C can also suppress evaporation of the polyol compound. The drying method for obtaining the CNF composition can be known, such as hot air drying, spray drying, or vacuum drying, or a combination of two or more of these methods. Specific drying equipment includes drum dryers, disc dryers, vacuum versions of these, conical dryers, and spray dryers.
上記CNF組成物は、CNFを解繊させた後の水懸濁液の状態よりも、含水率を大きく減少させているので、保管、輸送などを容易に行うことができる。一方で、分散性を確保しやすい性質を有しており、このCNF組成物を用いて水や有機溶媒等に再分散することにより、CNFの高い分散性を実現することができる。 The water content of the above CNF composition is significantly reduced compared to the state of the aqueous suspension after defibration of the CNF, making it easy to store and transport. On the other hand, it has the property of easily ensuring dispersibility, and by using this CNF composition and redispersing it in water, organic solvents, etc., high dispersibility of the CNF can be achieved.
次に、このCNF組成物を第一の有機溶媒と混合して、CNFがこの有機溶媒中に好適に分散されたCNF分散液を調製する(S2)。この第一の有機溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミドなどが使用できる。この中でも、熱可塑性エラストマー(TPE)の溶解性と溶液粘度がフィルム成形に適しているため、ジメチルホルムアミドが最も好ましい。 Next, this CNF composition is mixed with a first organic solvent to prepare a CNF dispersion in which the CNF is suitably dispersed in this organic solvent (S2). Dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, etc. can be used as this first organic solvent. Of these, dimethylformamide is most preferred because its solubility and solution viscosity for thermoplastic elastomers (TPEs) are suitable for film formation.
このCNF分散液におけるCNFの含有量は、0.1質量%以上であると好ましく、0.2質量%以上であるとより好ましい。CNFの含有量が0.1質量%未満であると、最終的に分散媒を除去するために必要な負荷が増大しすぎてしまう。一方で、2.0質量%以下であると好ましく、1.5質量%以下であるとより好ましい。含有量が2.0質量%を超えると、次の工程S4において適度に分散することが難しくなってしまうおそれがある。 The CNF content in this CNF dispersion is preferably 0.1% by mass or more, and more preferably 0.2% by mass or more. If the CNF content is less than 0.1% by mass, the load required to ultimately remove the dispersion medium will be too large. On the other hand, it is preferably 2.0% by mass or less, and more preferably 1.5% by mass or less. If the CNF content exceeds 2.0% by mass, it may be difficult to achieve adequate dispersion in the next step S4.
また、上記CNF分散液の含水率は、1.0質量%以下であると好ましく、0.5質量%以下であるとより好ましい。含水率が1.0質量%を超えると、上記ポリウレタン系エラストマーなどの上記熱可塑性エラストマーが水分と反応して、物性に影響が生じる可能性があるため、できるだけ含水率は小さい方が望ましい。 Furthermore, the water content of the CNF dispersion is preferably 1.0% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or less. If the water content exceeds 1.0% by mass, the thermoplastic elastomer, such as the polyurethane-based elastomer, may react with moisture, affecting its physical properties. Therefore, it is desirable to have as low a water content as possible.
また、このCNF分散液中におけるCNFは、遠心分離を行ってもCNFの沈降が生じないことが好ましい。CNFの沈降性は、例えば、このCNF分散液を遠心分離機(ベックマンコールター社製、AvantiJ-251)を用いて遠心分離(1400G、3分間)することで評価されるが、予めCNFの含有量が0.3質量%の分散液を調製し、紫外可視分光光度計(V-730、日本分光株式会社製)を使用して、光路長10mmの波長660nmの光透過率を測定し、その値が7.0%以上であるとCNFの沈降は認められないため、事前評価の目安として有用に用いることができる。 Furthermore, it is preferable that the CNFs in this CNF dispersion do not settle even when centrifuged. The settling properties of CNFs can be evaluated, for example, by centrifuging the CNF dispersion (1400 G, 3 minutes) using a centrifuge (Avanti J-251, manufactured by Beckman Coulter). However, a dispersion containing 0.3% CNF by mass is prepared in advance, and the light transmittance at a wavelength of 660 nm with an optical path length of 10 mm is measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer (V-730, manufactured by JASCO Corporation). If this value is 7.0% or higher, no CNF settling is observed, and this value can be used as a useful guide for preliminary evaluation.
一方で、上記の熱可塑性エラストマーを、第二の有機溶媒中に溶解または分散させて熱可塑性エラストマー溶液または分散液を調製する(S3)。第二の有機溶媒としては、上記の第一の有機溶媒と同様に、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミドなどが使用できる。この中でも、熱可塑性エラストマー(TPE)の溶解性と溶液粘度がフィルム成形に適しているため、ジメチルホルムアミドが最も好ましい。 Separately, the thermoplastic elastomer is dissolved or dispersed in a second organic solvent to prepare a thermoplastic elastomer solution or dispersion (S3). As with the first organic solvent, the second organic solvent can be dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, or the like. Among these, dimethylformamide is most preferred because its solubility and solution viscosity for the thermoplastic elastomer (TPE) make it suitable for film formation.
この熱可塑性エラストマー溶液または分散液における、上記の熱可塑性エラストマーの含有量は1.0質量%以上であると好ましく、5.0質量%以上であるとより好ましい。含有量が1.0質量%未満であると、最終的に溶媒を除去するために必要な負荷が増大する上に、熱可塑性エラストマー溶液または分散液の粘度が低すぎるために膜厚のムラが生じ易くなってしまう。一方で、20質量%以下であると好ましく、10質量%以下であるとより好ましい。含有量が20質量%を超えると、次のS4においてCNFを速やかに分散することが難しくなってしまうおそれがある。 The content of the thermoplastic elastomer in this thermoplastic elastomer solution or dispersion is preferably 1.0% by mass or more, and more preferably 5.0% by mass or more. If the content is less than 1.0% by mass, the load required to finally remove the solvent increases, and the viscosity of the thermoplastic elastomer solution or dispersion is too low, making it more likely that unevenness in the film thickness will occur. On the other hand, it is preferably 20% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less. If the content exceeds 20% by mass, it may become difficult to quickly disperse the CNF in the next step S4.
次に、上記のCNF分散液と、熱可塑性エラストマー溶液または分散液とを混合し、混合液を得る(S4)。このとき、CNF分散液中に十分にCNFが分散されていることにより、熱可塑性エラストマー溶液または分散液に含まれる熱可塑性エラストマー組成物に対しても、CNFが好適に分散された混合液が得られる。 Next, the CNF dispersion is mixed with a thermoplastic elastomer solution or dispersion to obtain a mixed liquid (S4). At this time, since the CNF is sufficiently dispersed in the CNF dispersion, a mixed liquid is obtained in which the CNF is suitably dispersed in the thermoplastic elastomer composition contained in the thermoplastic elastomer solution or dispersion.
ここで、上記のCNF分散液と上記の熱可塑性エラストマー溶液または分散液との混合比は、それぞれ液体の質量比において、1:2~5:1が好ましく、1:1~3:1であるとより好ましい。CNFが少なすぎると、CNF含有熱可塑性エラストマー組成物の物性の温度変化に対する安定化効果が少なくなり、添加する効果が乏しくなってしまう。一方で、CNFが多すぎると、混合液を撹拌することが難しくなる上に分布が偏りやすくなり、フィルム中に分散させるCNFの分散性を確保することが難しくなってしまう。 The mixing ratio of the CNF dispersion to the thermoplastic elastomer solution or dispersion is preferably 1:2 to 5:1, and more preferably 1:1 to 3:1, by mass, of the respective liquids. If there is too little CNF, the effect of stabilizing the physical properties of the CNF-containing thermoplastic elastomer composition against temperature changes will be reduced, and the effect of adding it will be diminished. On the other hand, if there is too much CNF, it will be difficult to stir the mixture and the distribution will be prone to bias, making it difficult to ensure the dispersibility of the CNF dispersed in the film.
この混合液には、上記のCNF分散液、上記の熱可塑性エラストマー溶液または分散液の他に、着色剤、老化防止剤、帯電防止剤等の添加剤を、目的に応じて適宜使用してもよい。 In addition to the above-mentioned CNF dispersion and thermoplastic elastomer solution or dispersion, additives such as colorants, antioxidants, and antistatic agents may also be used in this mixed liquid, as appropriate, depending on the purpose.
この混合液から分散媒を除去し、CNF含有熱可塑性エラストマー組成物を得る。ここで除去する分散媒とは、第一の有機溶媒、第二の有機溶媒、ポリオール化合物、さらにCNF組成物に含まれていた水や、その他含有されている場合はその他の極性溶媒等である。 The dispersion medium is removed from this mixture to obtain a CNF-containing thermoplastic elastomer composition. The dispersion medium to be removed here includes the first organic solvent, the second organic solvent, the polyol compound, and the water contained in the CNF composition, as well as other polar solvents, if any.
こうして得られるCNF含有熱可塑性エラストマー組成物を機能性フィルムとして得るための手順としては、例えばコーティング法を用いると好ましい。コーティング法は上記混合液を一定の厚さ(塗工量)で塗工し、分散媒を蒸発させることにより除去することで、溶質のみの皮膜を得る製法である。コーティング法は、押し出し法に比べて、厚さムラが生じにくく、均一な厚みのフィルムが得やすいという点で好ましい。また、フィルムを構成するCNF含有熱可塑性エラストマー組成物内部でのCNFの分散性を確保しやすい。 A preferred procedure for obtaining a functional film from the CNF-containing thermoplastic elastomer composition thus obtained is, for example, a coating method. The coating method involves applying the above-mentioned mixed liquid to a uniform thickness (coating amount) and then removing the dispersion medium by evaporation, thereby obtaining a film consisting only of the solute. Compared to the extrusion method, the coating method is preferable because it is less likely to result in uneven thickness and makes it easier to obtain a film of uniform thickness. It also makes it easier to ensure the dispersion of CNF within the CNF-containing thermoplastic elastomer composition that constitutes the film.
コーティング法を実施する際における上記の混合液は、温度を10~40℃、粘度を100~50,000mPa・sの範囲で一定に保ちつつフィルム化すると、最終的に得られる機能性フィルムの厚みを均一にしやすい。温度が低すぎても高すぎても、上記の混合液の粘度が変化し、厚さムラを所定の範囲内に制御しきれなくなるおそれが高くなる。 When forming the above mixture into a film using the coating method, maintaining a constant temperature of 10 to 40°C and a viscosity of 100 to 50,000 mPa·s makes it easier to achieve a uniform thickness for the final functional film. If the temperature is too low or too high, the viscosity of the above mixture will change, increasing the risk that thickness variations will not be able to be controlled within the specified range.
コーティング法を実施する際における上記の混合液中の熱可塑性エラストマー組成物の濃度は、5質量%以上であると好ましく、10質量%以上であるとより好ましい。5重量%未満であると、粘度が低くなりすぎてフィルムに厚みムラができやすくなる。一方、50質量%以下であると好ましく、20質量%以下であるとより好ましい。50重量%を超えると、粘度が高くなりすぎてやはり厚さムラが生じやすくなる。 When carrying out the coating method, the concentration of the thermoplastic elastomer composition in the mixed liquid is preferably 5% by mass or more, and more preferably 10% by mass or more. If it is less than 5% by mass, the viscosity will be too low and the film will be prone to uneven thickness. On the other hand, it is preferably 50% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less. If it exceeds 50% by mass, the viscosity will be too high and the film will be prone to uneven thickness.
上記のコーティング法を実施する際における上記の混合液の粘度は、100mPa・s以上であると好ましく、500mPa・s以上であるとより好ましい。100mPa・s未満であると、フィルムの厚みムラができやすくなるおそれがある。一方で、50000mPa・s以下であると好ましく、3000mPa・s以下であるとより好ましい。50,000mPa・sを超えると、やはり厚さムラを所望の範囲内に抑えることが困難となる。なお、粘度は、JIS Z 7117-1に従って測定することができる。 When carrying out the coating method, the viscosity of the mixed solution is preferably 100 mPa·s or more, and more preferably 500 mPa·s or more. If it is less than 100 mPa·s, there is a risk that the film will be prone to uneven thickness. On the other hand, it is preferably 50,000 mPa·s or less, and more preferably 3,000 mPa·s or less. If it exceeds 50,000 mPa·s, it will again be difficult to keep thickness unevenness within the desired range. Viscosity can be measured in accordance with JIS Z 7117-1.
上記の混合液中の固形分や塗工厚は、用いる製造装置の性能やスケール等により異なり、具体的な範囲を定めることはできない。 The solid content and coating thickness of the above mixture will vary depending on the performance and scale of the manufacturing equipment used, and it is not possible to determine a specific range.
上記のコーティング法を実施する際に得られる機能性フィルムの厚さを均一にするには、溶液を一定量で塗工するために、実験的にはアプリケーターやドクターブレードなどが利用できるが、工業的には上記の混合液の液圧をできるだけ一定に保つことが望ましい。たとえば、コンマコータでは液面の高さ、ダイコータでは液の供給量を一定に保つことで可能となる。 To ensure a uniform thickness for the functional film obtained when using the above coating method, experimentally, an applicator or doctor blade can be used to apply a constant amount of solution, but industrially, it is desirable to keep the liquid pressure of the above-mentioned mixed liquid as constant as possible. For example, this can be achieved by keeping the liquid level constant in a comma coater, or by keeping the liquid supply rate constant in a die coater.
上記のコーティング法を実施する際における塗工量(厚さ)は、たとえばロールナイフコータにおけるバックアップロールとナイフロールの隙間のように、隙間の広さでも決定される。このため、あらかじめ別途、上記の混合液で製膜した機能性フィルムの厚さを測定し、本発明の所望の範囲内であることを確認した後、塗工する上記の混合液での塗工厚みを計測し、設定した一定の塗工厚みに調整する。 When carrying out the above coating method, the coating amount (thickness) is also determined by the width of the gap, such as the gap between the backup roll and knife roll in a roll knife coater. Therefore, the thickness of the functional film formed using the above mixed solution is measured separately in advance to confirm that it is within the desired range of the present invention. After that, the coating thickness of the above mixed solution to be applied is measured and adjusted to the set constant coating thickness.
上記のコーティングに用いるコータとしては、例えば、グラビアコータ、リバースロールコータ、キスコータ、ロールナイフコータ、ダイコータ等が挙げられる。中でも、塗工厚みの制御が比較的容易なことから、ロールナイフコータ、ダイコータが好ましい。ロールナイフコータであればバックアップロールとナイフロールの隙間を、ダイコータであればダイ口の隙間とダイ内圧を、それぞれ一定にすることで、均一な塗工厚みにすることができる。 Examples of coaters used for the above coating include gravure coaters, reverse roll coaters, kiss coaters, roll knife coaters, and die coaters. Of these, roll knife coaters and die coaters are preferred because they allow for relatively easy control of the coating thickness. A uniform coating thickness can be achieved by keeping the gap between the backup roll and knife roll constant in the case of a roll knife coater, or by keeping the gap at the die opening and the internal die pressure constant in the case of a die coater.
上記のコーティング法で上記の混合液を塗工した後、溶媒を除去する際の加熱温度や時間は、用いる第一の有機溶媒、第二の有機溶媒、ポリオール化合物などの分散媒の種類や量に応じて、適宜好ましい温度と時間を選択する。ただ、多くの場合、加熱温度は50℃以上であると好ましく、上記分散媒の蒸発を進めやすくなる。一方で、高温すぎると発火のおそれがあったり、上記分散媒を蒸発させて残すべき樹脂等の方が変性しやすくなったりしてしまう。このため、樹脂の物性変化が許容できる範囲の温度であると好ましい。熱可塑性エラストマーの種類にもよるが、200℃以下が好ましく、150℃以下がより好ましく、さらに120℃以下であればより多くの樹脂で利用可能となる。また、加熱時間は、長時間になると作業効率上も不利であり、しかも樹脂等を変性し易くなってしまうので、上記分散媒が十分に蒸発する範囲でできるだけ短いと良く、1時間以内であると好ましい。 After applying the mixed solution using the coating method, the heating temperature and time for removing the solvent are selected appropriately depending on the type and amount of the dispersant used, such as the first organic solvent, second organic solvent, and polyol compound. However, in many cases, a heating temperature of 50°C or higher is preferred, as this facilitates evaporation of the dispersant. On the other hand, temperatures that are too high can pose a risk of fire or can easily denature the resin, etc., that should remain after the dispersant has evaporated. For this reason, a temperature within a range that allows for acceptable changes in the resin's physical properties is preferred. Depending on the type of thermoplastic elastomer, a temperature of 200°C or lower is preferred, with 150°C or lower being more preferred. Furthermore, a temperature of 120°C or lower can be used with a wider range of resins. Furthermore, a long heating time is detrimental to work efficiency and can easily denature the resin, etc., so it is best to keep the heating time as short as possible while still allowing the dispersant to evaporate sufficiently, preferably within one hour.
以下に、この発明の実施例を示す。
まず、化学変性したセルロースを解繊した化学変性CNFであるザンテート化CNFの製造手順について説明する。材料として、以下のものを用いた。
・クラフトパルプ(日本製紙(株)製:NBKP、α-セルロース含有率:90質量%、α-セルロースの平均重合度1000)以下、「NBKP」と表記する。
An embodiment of the present invention will be described below.
First, we will explain the manufacturing procedure of xanthated CNF, which is chemically modified CNF obtained by defibrating chemically modified cellulose. The following materials were used.
Kraft pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.: NBKP, α-cellulose content: 90% by mass, average degree of polymerization of α-cellulose: 1000) hereinafter referred to as "NBKP".
<アルカリ処理>
NBKPを、パルプ固形分(パルプ中の水分を除いたものをパルプ固形分とする。以下同じ。)100gとなるように秤量した。これを3Lのビーカーに入れて、8.5質量%水酸化ナトリウム水溶液2500gを加え、室温にて3時間撹拌してアルカリ処理を行った。このアルカリ処理後のパルプを遠心脱水機((株)コクサン製、H-110A、ろ布400メッシュ)により固液分離して、アルカリセルロースの脱水物を得た。このアルカリセルロースの脱水物における水酸化ナトリウム含有率は7.5質量%、パルプ固形分含有率は27.4質量%であった。
<Alkali treatment>
NBKP was weighed so that the pulp solids (pulp solids excluding water in the pulp; the same applies hereinafter) was 100 g. This was placed in a 3 L beaker, and 2500 g of an 8.5 mass% aqueous sodium hydroxide solution was added and stirred at room temperature for 3 hours to perform an alkali treatment. The alkali-treated pulp was subjected to solid-liquid separation using a centrifugal dehydrator (manufactured by Kokusan Co., Ltd., H-110A, filter cloth 400 mesh) to obtain a dehydrated alkali cellulose. The sodium hydroxide content of this dehydrated alkali cellulose was 7.5 mass% and the pulp solids content was 27.4 mass%.
<ザンテート化処理>
上記で作製したアルカリセルロースの脱水物を、パルプ固形分100gとなるように秤量し、ナス型フラスコに入れた。このナス型フラスコ内へ二硫化炭素を35g(対パルプ固形分として35質量%)加え、室温で4.5時間硫化反応を進行させてザンテート化処理を行い、ザンテート化セルロースを得た。
<Xanthate treatment>
The dehydrated alkali cellulose prepared above was weighed to a pulp solids content of 100 g and placed in an eggplant-shaped flask. 35 g of carbon disulfide (35% by mass relative to the pulp solids content) was added to the eggplant-shaped flask, and the sulfurization reaction was allowed to proceed at room temperature for 4.5 hours to perform a xanthation treatment, thereby obtaining xanthated cellulose.
<ザンテート置換度測定>
上記ザンテート化セルロースについて、ザンテート置換度をBredee法により測定したところ、0.312であった。なお、このザンテート置換度は、セルロースのグルコース単位当たりのザンテート基で置換された水酸基の平均個数である。Bredee法によるザンテート置換度の測定は、次のように行った。100mLビーカーに、ザンテート化セルロースを固形分として1.5g秤量し、5℃に冷却した飽和塩化アンモニウム水溶液を40mL添加した。ガラス棒で試料のザンテート化セルロースを潰しながらよく混合し、15分間放置後、GFPろ紙(ADVANTEC社製GS-25)でろ過して、飽和塩化アンモニウム水溶液で十分に洗浄した。試料を、GFPろ紙ごと500mLのトールビーカーに入れ、5℃に冷却した0.5mol/L水酸化ナトリウム水溶液を50mL添加して撹拌した。撹拌した液を15分間放置後、1.5mol/L酢酸水溶液で中和した。指示薬には、フェノールフタレイン指示薬を用いた。中和後、蒸留水を250mL添加してよく撹拌し、1.5mol/L酢酸水溶液10mLと、0.05mol/Lヨウ素水溶液10mLをホールピペットによって添加した。この溶液を0.05mol/Lチオ硫酸ナトリウム水溶液で滴定した。指示薬には、1質量%澱粉水溶液を用いた。チオ硫酸ナトリウム水溶液の滴定量と、サンプル中のセルロース含有量とにより、次式(1)からザンテート置換度を算出した。なお、試料であるザンテート化セルロース中のセルロース含有量は、ザンテート化セルロースに水を加えて分散させ、塩酸を添加して再生処理を行い、次に再生処理後のセルロースをろ過し、十分に洗浄後、絶乾してセルロースのみの質量を測定して求めた。
<Xanthate substitution degree measurement>
The degree of xanthate substitution for the xanthated cellulose was measured by the Breedee method and found to be 0.312. The degree of xanthate substitution is the average number of hydroxyl groups substituted with xanthate groups per glucose unit of cellulose. The measurement of the degree of xanthate substitution by the Breedee method was carried out as follows. 1.5 g of xanthated cellulose was weighed as a solid content in a 100 mL beaker, and 40 mL of saturated ammonium chloride aqueous solution cooled to 5 ° C. was added. The xanthated cellulose sample was crushed with a glass rod and mixed well, left for 15 minutes, and then filtered with GFP filter paper (GS-25 manufactured by ADVANTEC Co., Ltd.) and thoroughly washed with saturated ammonium chloride aqueous solution. The sample was placed in a 500 mL tall beaker together with the GFP filter paper, and 50 mL of 0.5 mol / L aqueous sodium hydroxide solution cooled to 5 ° C. was added and stirred. The stirred solution was left for 15 minutes and then neutralized with a 1.5 mol/L aqueous acetic acid solution. Phenolphthalein indicator was used as the indicator. After neutralization, 250 mL of distilled water was added and stirred well, and 10 mL of a 1.5 mol/L aqueous acetic acid solution and 10 mL of a 0.05 mol/L aqueous iodine solution were added using a volumetric pipette. This solution was titrated with a 0.05 mol/L aqueous sodium thiosulfate solution. A 1% by mass aqueous starch solution was used as the indicator. The degree of xanthate substitution was calculated from the titration amount of the aqueous sodium thiosulfate solution and the cellulose content in the sample using the following formula (1). The cellulose content in the xanthated cellulose sample was determined by adding water to the xanthated cellulose to disperse it, adding hydrochloric acid to perform a regeneration treatment, filtering the cellulose after the regeneration treatment, thoroughly washing it, and then drying it to measure the mass of the cellulose alone.
ザンテート置換度=(0.05×10×2-0.05×チオ硫酸ナトリウム滴定量(mL))÷1000÷(サンプル中のセルロース含有量(g)/162.1)……(1) Xanthate substitution degree = (0.05 x 10 x 2 - 0.05 x sodium thiosulfate titration (mL)) ÷ 1000 ÷ (cellulose content in sample (g) / 162.1) ... (1)
<解繊処理>
上記のザンテート化処理で作製したザンテート化セルロースを、5L手付きビーカーにパルプ固形分100gとなるように秤量し、パルプ固形分濃度5質量%となる様に蒸留水を添加して分散させた。この分散液を、上記遠心脱水機を使用して遠心脱水しながら、蒸留水を添加して十分に洗浄することで、不純物、アルカリ、未反応の二硫化炭素等を除去した。洗浄後のザンテート化セルロースをすべて回収し、蒸留水を添加して、ザンテート化セルロースに含まれるセルロース分の濃度(以下、「セルロース濃度」と表記する。)0.5質量%の水懸濁液20kgとした。この水懸濁液を、高圧ホモジナイザー(三和エンジニアリング(株)製、H20型)を用いて、流速2.5L/分、圧力40MPaで計5回パスさせて解繊処理して、ザンテート化CNFを得た。
<Defibrillation processing>
The xanthated cellulose produced by the above xanthation treatment was weighed into a 5 L beaker with a handle so that the pulp solids content was 100 g, and distilled water was added and dispersed to a pulp solids concentration of 5% by mass. This dispersion was centrifuged using the centrifugal dehydrator, and distilled water was added and thoroughly washed to remove impurities, alkali, unreacted carbon disulfide, etc. All of the washed xanthated cellulose was recovered, and distilled water was added to obtain a 20 kg aqueous suspension with a cellulose concentration (hereinafter referred to as "cellulose concentration") of 0.5% by mass. This aqueous suspension was defibrated using a high-pressure homogenizer (manufactured by Sanwa Engineering Co., Ltd., H20 type) at a flow rate of 2.5 L / min and a pressure of 40 MPa for a total of 5 passes to obtain xanthated CNF.
<CNFの解繊の度合い>
上記ザンテート化CNFの水懸濁液(セルロース濃度0.5質量%)に、蒸留水を添加してセルロース濃度を0.1質量%に希釈した。この希釈した水懸濁液を、遠心分離機(ベックマンコールター社製、Avanti J-25I)を使用して12000Gで10分間遠心分離して、未解繊物を沈降させた。上清は分離して三角フラスコに移し、沈降した未解繊物に蒸留水を添加して再度遠心分離を行い、未解繊物を洗浄した。未解繊物をるつぼに移して絶乾し、未解繊物の質量を測定した。未解繊物の質量とザンテート化セルロース中のセルロース含有量より、次式(2)から生成したナノファイバーの生成率を求めたところ、99.0質量%であった。
<Degree of CNF defibration>
Distilled water was added to the aqueous suspension of xanthated CNF (cellulose concentration 0.5% by mass) to dilute the cellulose concentration to 0.1% by mass. This diluted aqueous suspension was centrifuged at 12,000 G for 10 minutes using a centrifuge (Avanti J-25I, manufactured by Beckman Coulter) to settle the undefibrated material. The supernatant was separated and transferred to an Erlenmeyer flask, and distilled water was added to the settled undefibrated material and centrifuged again to wash the undefibrated material. The undefibrated material was transferred to a crucible and dried, and the mass of the undefibrated material was measured. The production rate of nanofibers produced was calculated from the mass of the undefibrated material and the cellulose content in the xanthated cellulose using the following formula (2), which was 99.0% by mass.
ナノファイバーの生成率(質量%)=(ザンテート化セルロース中のセルロース含有量-未解繊物の質量)÷(ザンテート化セルロース中のセルロース含有量)×100……(2) Nanofiber production rate (mass%) = (cellulose content in xanthate cellulose - mass of undefibrated material) ÷ (cellulose content in xanthate cellulose) × 100... (2)
<CNFの繊維径の測定>
水でセルロース濃度0.1質量%に希釈したザンテート化CNFの水懸濁液を遠沈管に入れ、上記遠心分離機を使用して12000Gで10分間遠心分離を行い、遠心上清を回収した。この遠心上清をさらに蒸留水で希釈後に、支持膜上に塗布して酢酸ウラニルで染色を施し、支持膜上で乾燥して乾燥検体とした。透過型電子顕微鏡(TEM:日本電子(株)製、JEM-1400)を使用し、加速電圧120kVでこの乾燥検体の観察を行った。こうして得られた50,000倍の画像よりナノファイバー50本を選択し、繊維径を測定したところ、繊維径は3.0nmから7.4nmであり、それらの測定値の平均である数平均繊維径は6.1nmであった。
<Measurement of CNF fiber diameter>
An aqueous suspension of xanthated CNF diluted with water to a cellulose concentration of 0.1% by mass was placed in a centrifuge tube and centrifuged at 12,000 G for 10 minutes using the centrifuge. The supernatant was then collected. This supernatant was further diluted with distilled water, applied to a support membrane, stained with uranyl acetate, and dried on the support membrane to obtain a dried specimen. A transmission electron microscope (TEM: JEOL Ltd., JEM-1400) was used to observe this dried specimen at an accelerating voltage of 120 kV. 50 nanofibers were selected from the 50,000x image obtained in this way, and the fiber diameter was measured. The fiber diameter was 3.0 nm to 7.4 nm, and the number average fiber diameter, which is the average of these measurements, was 6.1 nm.
<再生処理及び再分散処理>
上記の手順で得られたザンテート化CNFの水懸濁液16.4kg(セルロース濃度0.5質量%)に、1mol/L硫酸水溶液を360ml(硫酸量4.4mmol/g-セルロース含有量)添加し、アジテーターで1時間撹拌して再生処理を行った。処理終了後、1mol/L水酸化ナトリウム水溶液にてpH7まで中和して、再生CNF水懸濁液を得た。この再生CNFのザンテート置換度を測定したところ、測定下限である0.001未満であったので、酸処理によりザンテート基がほぼ完全に脱離して水酸基に戻っていることが確認された。
<Recycling and redispersion processing>
To 16.4 kg of the aqueous suspension of xanthated CNF obtained by the above procedure (cellulose concentration 0.5% by mass), 360 ml of 1 mol / L aqueous sulfuric acid solution (sulfuric acid amount 4.4 mmol / g - cellulose content) was added, and the mixture was stirred with an agitator for 1 hour to perform a regeneration treatment. After completion of the treatment, the mixture was neutralized to pH 7 with a 1 mol / L aqueous sodium hydroxide solution to obtain a regenerated CNF aqueous suspension. When the degree of xanthate substitution of this regenerated CNF was measured, it was found to be less than 0.001, which is the lower limit of measurement, and it was confirmed that the xanthate groups had almost completely been released by the acid treatment and had returned to hydroxyl groups.
上記で得られた再生CNFの水懸濁液を、上記遠心脱水機を使用して遠心脱水しながら、蒸留水を添加して十分に洗浄した。洗浄後の再生CNFをすべて回収し、蒸留水を添加してCNF濃度1.0質量%の水懸濁液8kgとした。この水懸濁液を、上記高圧ホモジナイザーを用いて、流速2.5L/分、圧力40MPaで計3回パスさせて再分散処理した。処理後、再生CNFの再分散体の繊維径を測定したところ、繊維径は3.0nmから7.4nm、数平均繊維径は6.0nmであった。 The aqueous suspension of regenerated CNF obtained above was thoroughly washed by adding distilled water while being centrifuged using the centrifugal dehydrator. All of the washed regenerated CNF was collected, and distilled water was added to make 8 kg of an aqueous suspension with a CNF concentration of 1.0% by mass. This aqueous suspension was redispersed using the high-pressure homogenizer at a flow rate of 2.5 L/min and a pressure of 40 MPa, passing it three times in total. After processing, the fiber diameter of the redispersed regenerated CNF was measured, and the fiber diameter was found to be 3.0 nm to 7.4 nm, with a number-average fiber diameter of 6.0 nm.
<CNF組成物の製造手順>
次に、CNF組成物の製造について説明する。
ポリオール化合物として、以下のものを用いた。
・トリエチレングリコール(TEG:ポリオール:ナカライテスク(株)製:トリエチレングリコール)
・1,3-ブチレングリコール(1,3-BG:ポリオール:関東化学(株)製:1,3-ブタンジオール)
・グリセリン(Gly:ポリオール:ナカライテスク(株)製:グリセリン)
・ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート(DGMEA:ポリオール誘導体:東京化成工業(株)製:ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート)
<Procedure for producing CNF composition>
Next, the production of the CNF composition will be described.
The following polyol compounds were used:
Triethylene glycol (TEG: polyol: manufactured by Nacalai Tesque, Inc.: triethylene glycol)
1,3-butylene glycol (1,3-BG: polyol: manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.: 1,3-butanediol)
Glycerin (Gly: polyol: manufactured by Nacalai Tesque, Inc.: glycerin)
Diethylene glycol ethyl ether acetate (DGMEA: polyol derivative: manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.: diethylene glycol monoethyl ether acetate)
また、熱可塑性エラストマー(TPE)溶液または分散液(S3)として、以下のものを用いた。
・T-78F(固形分20質量%でアジペート系ポリウレタンTPEをDMF等の有機溶媒に溶解した溶液:大日精化工業(株)製)
・U-289HS(固形分20質量%でポリカプロラクトン系ポリウレタンTPEをDMF等の有機溶媒に溶解した溶液:大日精化工業(株)製)
Further, the following was used as the thermoplastic elastomer (TPE) solution or dispersion (S3).
T-78F (a solution of adipate-based polyurethane TPE dissolved in an organic solvent such as DMF with a solid content of 20% by mass: manufactured by Dainichiseika Color & Chemicals Mfg. Co., Ltd.)
U-289HS (a solution of polycaprolactone-based polyurethane TPE dissolved in an organic solvent such as DMF with a solid content of 20% by mass: manufactured by Dainichiseika Color & Chemicals Mfg. Co., Ltd.)
(実施例1~6)
上記の<再生処理及び再分散処理>で得られた再生CNF水懸濁液に、ポリオールである1,3-ブチレングリコールを、再生CNFに対して質量比で10倍量となるように添加した。CNF濃度0.7質量%、ポリオール濃度7.0質量%とした混合物30gを、熱風乾燥機を用いて60℃で、15時間乾燥させてCNF組成物を得た(S1)。
このCNF組成物とN-ジメチルホルムアミド(DMF)(関東化学(株)製)を混合し、回転式ホモジナイザー((株)日本精機製作所製、AM-7)を使用して10000rpmで10分間撹拌して、再生CNFをDMF中に分散したCNF分散液を調製した(S2)。実施例1について、透過型電子顕微鏡(TEM:日本電子(株)製、JEM-1400)を使用して、この再生CNFのDMF分散体(CNF分散液)の画像から繊維径を計測したところ、繊維径は3.2nmから7.4nmの範囲で、平均繊維径は6.1nmであったので、DMF中で再生CNFがよく分散していることが確認された。
上記の再生CNFのDMF分散体(CNF分散液)と、熱可塑性エラストマー(TPE)溶液または分散液(S3)として大日精化工業(株)製T-78Fとを用い、TPE100質量部に対して表1に示す再生CNFの含有量(質量%:表中「%」で示す。)となるように混合し、回転式ホモジナイザーを使用して8000rpmで15分間撹拌して混合液を得た(S4)。得られた再生CNF及びTPEを含む混合液を、遠心分離機(ベックマンコールター(株)製Avanti J-251)を使用して3000rpmで3分間脱泡処理を行った。脱泡した再生CNF混合TPE溶液である混合液を、ベーカー式アプリケーター(テスター産業(株)製)を用いて380μmの厚さでOPPフィルム(厚み40μm)上にキャストし、熱風乾燥機を用いて120℃で5分間乾燥して再生CNFを含有するTPEフィルム(CNF含有熱可塑性エラストマー組成物)250mm×200mmを作製した。
Examples 1 to 6
To the aqueous suspension of regenerated CNF obtained in the above <Regeneration and re-dispersion treatment>, 1,3-butylene glycol, a polyol, was added in an amount 10 times the mass of the regenerated CNF. 30 g of a mixture with a CNF concentration of 0.7 mass% and a polyol concentration of 7.0 mass% was dried at 60°C for 15 hours using a hot air dryer to obtain a CNF composition (S1).
This CNF composition was mixed with N-dimethylformamide (DMF) (Kanto Chemical Co., Ltd.) and stirred for 10 minutes at 10,000 rpm using a rotary homogenizer (AM-7, manufactured by Nippon Seiki Seisakusho Co., Ltd.) to prepare a CNF dispersion in which the recycled CNF was dispersed in DMF (S2). For Example 1, the fiber diameter was measured from an image of the DMF dispersion of the recycled CNF (CNF dispersion) using a transmission electron microscope (TEM: JEM-1400, manufactured by JEOL Ltd.). The fiber diameter ranged from 3.2 nm to 7.4 nm, with an average fiber diameter of 6.1 nm, confirming that the recycled CNF was well dispersed in DMF.
The DMF dispersion of recycled CNF (CNF dispersion) was mixed with T-78F manufactured by Dainichiseika Color & Chemicals Mfg. Co., Ltd. as a thermoplastic elastomer (TPE) solution or dispersion (S3) to obtain the recycled CNF content (mass %: indicated as "%" in the table) shown in Table 1 per 100 parts by mass of TPE, and the mixture was stirred at 8000 rpm for 15 minutes using a rotary homogenizer to obtain a mixture (S4). The mixture containing the recycled CNF and TPE was degassed for 3 minutes at 3000 rpm using a centrifuge (Avanti J-251 manufactured by Beckman Coulter, Inc.). The degassed recycled CNF-blended TPE solution was cast onto an OPP film (40 μm thick) using a Baker applicator (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) to a thickness of 380 μm, and then dried at 120°C for 5 minutes using a hot air dryer to produce a 250 mm x 200 mm TPE film containing recycled CNF (CNF-containing thermoplastic elastomer composition).
このそれぞれの実施例の再生CNF(表中「RCNF」と表記する。)の含有量と、下記のそれぞれの測定による測定結果を表1に示す。 Table 1 shows the recycled CNF (referred to as "RCNF" in the table) content of each example and the results of each of the measurements below.
<厚さ測定>
JIS Z1702に準じ、得られたTPEフィルムにおいて、(株)尾崎製作所製膜厚測定機「ダイヤルゲージ0.001mm」を用いて、無作為に6か所(1m×1mあたりに換算して120か所)を測定し、その測定値の平均を厚さとした。
<Thickness measurement>
In accordance with JIS Z1702, the thickness of the obtained TPE film was measured at six random locations (120 locations per 1 m × 1 m) using a film thickness measuring device "Dial Gauge 0.001 mm" manufactured by Ozaki Manufacturing Co., Ltd., and the average of the measured values was taken as the thickness.
<CNF分散性評価>
得られたTPEフィルムを、偏光フィルターを通してデジタルマイクロスコープで観察し、その画像を二値化処理して算出した着色部をCNFの凝集部分として、画像全体に占める着色部の面積率をCNF分散性の指標とした。表1には百分率として示す。
<CNF Dispersibility Evaluation>
The obtained TPE film was observed with a digital microscope through a polarizing filter, and the image was binarized to calculate the colored areas, which were considered to be CNF aggregation areas. The area ratio of the colored areas to the entire image was used as an index of CNF dispersibility. This is shown as a percentage in Table 1.
<引張強度の測定>
JIS K7127に準じ、得られたTPEフィルムから横幅を20mm×縦幅100mmの短冊状試験片を打ち抜き、(株)島津製作所製オートグラフAG-500NXを用いて、つかみ幅30mm、引張速度300mm/分の条件で引張試験(n=3)を行って、その測定値の平均から引張弾性率を求めた。
<Measurement of tensile strength>
In accordance with JIS K7127, rectangular test pieces measuring 20 mm wide x 100 mm long were punched out from the obtained TPE film, and a tensile test (n=3) was carried out using an Autograph AG-500NX manufactured by Shimadzu Corporation under conditions of a gripping width of 30 mm and a tensile speed of 300 mm/min, and the tensile modulus was calculated from the average of the measured values.
<動的粘弾性の測定>
JIS K7244-4に準じ、得られたTPEフィルムから横幅5mm×縦幅10mmの短冊状試験片を打ち抜き 、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン(株)製動的粘弾性測定装置Q850を用いて、温度範囲-20℃→80℃、3℃/分、スパン10mm、ひずみ2%、周波数10Hzという条件で 、貯蔵弾性率を測定した。その結果から、-10℃および60℃における貯蔵弾性率の値をそれぞれE1、E2として、貯蔵弾性率比(E1/E2)を算出した。また、30℃での貯蔵弾性率の測定値(F1)において、CNFを含有しないTPEフィルムのそれ(F2)に対する増加率((F1-F2)/F2×100)を、貯蔵弾性率増加率として算出した。
<Measurement of dynamic viscoelasticity>
In accordance with JIS K7244-4, rectangular test specimens measuring 5 mm wide x 10 mm long were punched out from the resulting TPE film, and the storage modulus was measured using a dynamic viscoelasticity measuring device Q850 manufactured by TA Instruments Japan Co., Ltd. under the following conditions: temperature range -20°C to 80°C, 3°C/min, span 10 mm, strain 2%, and frequency 10 Hz. From the results, the storage modulus values at -10°C and 60°C were designated as E1 and E2, respectively, and the storage modulus ratio (E1/E2) was calculated. In addition, the increase rate of the storage modulus measured at 30°C (F1) relative to that of a TPE film containing no CNF (F2) ((F1-F2)/F2 x 100) was calculated as the storage modulus increase rate.
<熱膨張率の測定>
得られたTPEフィルムから横幅5mm×縦幅8mmの短冊状試験片を打ち抜き、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン(株)製:熱機械分析装置Q400SRを用いて、引張モード(試験片幅5mm、つかみ幅8mm、荷重0.01N、昇温降温3℃/分)で室温から80℃までの昇温時と、80℃から室温までの降温時のひずみを測定し、降温時の40℃のひずみを熱膨張率とした。
<Measurement of thermal expansion coefficient>
A rectangular test piece measuring 5 mm wide x 8 mm long was punched out from the obtained TPE film, and the strain was measured using a thermomechanical analyzer Q400SR manufactured by TA Instruments Japan Co., Ltd. in a tensile mode (test piece width 5 mm, grip width 8 mm, load 0.01 N, temperature increase/decrease rate 3°C/min) while heating from room temperature to 80°C and while cooling from 80°C to room temperature, and the strain at 40°C while cooling was taken as the thermal expansion coefficient.
(実施例7、8)
実施例2または4において、TPE分散液(S3)として大日精化工業(株)製U-289HSを用いた以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。実施例7、8の測定結果を表2に示す。
(Examples 7 and 8)
A TPE film containing recycled CNF was produced in the same manner as in Example 2 or 4, except that U-289HS manufactured by Dainichiseika Color & Chemicals Mfg. Co., Ltd. was used as the TPE dispersion (S3). The measurement results of Examples 7 and 8 are shown in Table 2.
貯蔵弾性率比および熱膨張率の低いU-289HSにCNFを含有させること(実施例7~8)で、低い貯蔵弾性率比と熱膨張率を維持したまま、引張弾性率は増大し、また貯蔵弾性率増加比も向上させることができた。 By incorporating CNF into U-289HS, which has a low storage modulus ratio and thermal expansion coefficient (Examples 7-8), the tensile modulus was increased while maintaining a low storage modulus ratio and thermal expansion coefficient, and the storage modulus increase ratio was also improved.
(実施例9~11)
実施例3において、ポリオールとして1,3-ブチレングリコール(1,3-BG)の代わりにトリエチレングリコール(TEG:実施例9)、グリセリン(Gly:実施例10)、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート(DGMEA:実施例11)を用いた以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。実施例9~11の測定結果を表2に示す。
Examples 9 to 11
TPE films containing recycled CNF were produced in the same manner as in Example 3, except that triethylene glycol (TEG: Example 9), glycerin (Gly: Example 10), or diethylene glycol ethyl ether acetate (DGMEA: Example 11) was used instead of 1,3-butylene glycol (1,3-BG) as the polyol. The measurement results for Examples 9 to 11 are shown in Table 2.
(実施例12~14)
実施例2~4において、CNFとして再生CNFの代わりに、機械解繊により製造されたCNF(BiNFi―S:品番WFo10005:スギノマシン(株)製:平均繊維径31nm)を用いた以外は、同様の手順でCNFを含有するTPEフィルムを作製した。実施例12~14の測定結果を表2に示す。
Examples 12 to 14
CNF-containing TPE films were produced in the same manner as in Examples 2 to 4, except that CNF produced by mechanical defibration (BiNFi-S: product number WFo10005: manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.: average fiber diameter 31 nm) was used instead of recycled CNF. The measurement results for Examples 12 to 14 are shown in Table 2.
(比較例1、2)
実施例1、7において、再生CNFを用いない以外は、同様の手順によりTPEフィルムを作製した。比較例1の測定結果を表3に示す。
(Comparative Examples 1 and 2)
A TPE film was produced in the same manner as in Examples 1 and 7, except that recycled CNF was not used. The measurement results of Comparative Example 1 are shown in Table 3.
(比較例3、4)
実施例2、4において、CNFとして再生CNFの代わりに、TEMPO酸化CNF(特許第6668558号の実施例に準じて作製:平均酸化度2mmol/g:平均繊維径6.3nm)を用いた以外は、同様の手順によりTPEフィルムを作製した。比較例3、4の測定結果を表3に示す。
(Comparative Examples 3 and 4)
TPE films were produced in the same manner as in Examples 2 and 4, except that TEMPO-oxidized CNF (prepared in accordance with the examples of Japanese Patent No. 6,668,558: average oxidation degree 2 mmol/g; average fiber diameter 6.3 nm) was used instead of recycled CNF. The measurement results for Comparative Examples 3 and 4 are shown in Table 3.
(比較例5)
実施例1において、再生CNFの添加量をTPE100質量部に対して20質量部とした以外は、同様の手順によりTPEフィルムを作製した。比較例5の測定結果を表3に示す。
(Comparative Example 5)
A TPE film was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of recycled CNF added was 20 parts by mass per 100 parts by mass of TPE. The measurement results of Comparative Example 5 are shown in Table 3.
(比較例6)
実施例3において、再生CNFの代わりに、物理処理で微細化された微小繊維状セルロース(セリッシュ:品番KY100S:ダイセルミライズ(株)製:平均繊維径198nm)を用いた以外は、同様の手順によりTPEフィルムを作製した。比較例6の測定結果を表3に示す。
(Comparative Example 6)
A TPE film was produced in the same manner as in Example 3, except that microfibrous cellulose (Cerish: product number KY100S, manufactured by Daicel Miraize Co., Ltd.: average fiber diameter 198 nm) pulverized by physical treatment was used instead of the recycled CNF. The measurement results of Comparative Example 6 are shown in Table 3.
TPEフィルムに微小繊維状セルロースを含有させても、同程度のCNFを含有した場合よりも引張弾性率はそれほど向上せず、また貯蔵弾性率比も高いままであることから、添加効果はCNFに比べて小さいという結果となった。 Even when microfibrous cellulose was added to a TPE film, the tensile modulus did not improve significantly compared to when the same amount of CNF was added, and the storage modulus ratio remained high, indicating that the effect of adding it was smaller than that of CNF.
<滑り性・透明性の検証>
上記の再生CNFの製造手順において、上記の<解繊処理>における高圧ホモジナイザーによるパス回数をそれぞれ5回,3回,2回とした再生CNFを調製した。それぞれをRCNF(A),(B),(C)とする。それぞれの数平均繊維径は、RCNF(A)が6.1nm、RCNF(B)が19.1nm、RCNF(C)が35.8nmとなった。
<Verification of smoothness and transparency>
In the above-mentioned manufacturing procedure for recycled CNF, recycled CNFs were prepared by passing the material through a high-pressure homogenizer five times, three times, and two times in the above-mentioned "defibration treatment." These were designated RCNF (A), (B), and (C), respectively. The number-average fiber diameters of RCNF (A) were 6.1 nm, RCNF (B) was 19.1 nm, and RCNF (C) was 35.8 nm.
(実施例15)
実施例1において、再生CNFとしてRCNF(A)を用い、ポリオールとしてTEGを用い、TPE分散液(S3)として大日精化工業(株)製U-289HSを用いた以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。このフィルムについて、下記のヘーズ測定と摩擦係数測定を行った。その結果を表4に示す。
Example 15
A TPE film containing recycled CNF was produced in the same manner as in Example 1, except that RCNF (A) was used as the recycled CNF, TEG was used as the polyol, and U-289HS manufactured by Dainichiseika Color & Chemicals Mfg. Co., Ltd. was used as the TPE dispersion (S3). The haze and friction coefficient of this film were measured as described below. The results are shown in Table 4.
<ヘーズ測定方法>
(株)村上色彩技術研究所製のヘーズメーター:HM-65Nを用い、JIS K 7136「プラスチック-透明材料のヘーズの求め方」に準じて測定した。それぞれの実施例において、キャストして得られたフィルムを50mm×50mmに切り出してサンプルとした。フィルムをキャストした際の上面側が光源側に位置するようにサンプルをセットし、任意の5か所についてヘーズを測定し、平均値をそのフィルムのヘーズとした。
<Haze measurement method>
Measurements were made using a haze meter HM-65N manufactured by Murakami Color Research Laboratory Co., Ltd., in accordance with JIS K 7136 "Method of determining haze for plastics - transparent materials." In each example, the film obtained by casting was cut into a 50 mm x 50 mm sample. The sample was set so that the upper surface of the film when cast faced the light source, and the haze was measured at any five points, and the average value was taken as the haze of the film.
<摩擦係数測定方法>
ASTM D1894に準拠し、ステンレス板に対する静摩擦係数、動摩擦係数を測定した。200gの錘に、フィルムをキャストした際の上面側が外側にきてステンレス板と接するように巻き付けて試験片とした。オートグラフの上部チャックに取り付けた紐に試験片を繋ぎ、試験片をステンレス板上に静置して30秒間保持した。その後、オートグラフにて100mm/minの速度で試験片を滑らせたときの滑り出しの荷重から静摩擦係数を算出し、滑り時の荷重から動摩擦係数を算出した。試験は温度23℃、湿度50%RHで実施した。
<Method for measuring friction coefficient>
The static and dynamic coefficients of friction against a stainless steel plate were measured according to ASTM D1894. A test specimen was prepared by wrapping the film around a 200 g weight so that the upper surface of the film, when cast, was facing outward and in contact with the stainless steel plate. The test specimen was tied to a string attached to the upper chuck of an autograph, and the test specimen was placed on the stainless steel plate and held there for 30 seconds. The static and dynamic coefficients of friction were calculated from the load at the start of sliding when the test specimen was slid at a speed of 100 mm/min on the autograph, and the dynamic coefficient of friction was calculated from the load during sliding. The test was carried out at a temperature of 23°C and a humidity of 50% RH.
<算術平均粗さ測定方法>
測定装置として、オリンパス(株)製、3D測定レーザー顕微鏡LEXT OLS5000を用いた。レンズとして、50倍対物レンズMPLAPON50xLEXT(開口数0.95、作動距離0.35mm)を使用し、フィルムをキャストした際の上面側の0.256mm×0.256mmの範囲を観察した。波長405nm、ビーム広がり角0.15~1.25radのレーザーで画像サイズ1024×1024の3D画像を得た。得られた3D画像に任意で6つの測定ラインを引き、そのライン上の断面プロファイルからJIS B 0601:2013に準拠して算術平均粗さを算出した。算出にあたって、粗さ成分とうねり成分とを区別するため、λcフィルターを100μmに設定し、粗さ成分のみを抽出した。同様の操作を1つのサンプルにつき5か所で行い、6ライン×5か所=30か所の測定値を求め、平均値をそのサンプルの算術平均粗さとした。
<Arithmetic mean roughness measurement method>
The measurement device used was a 3D measuring laser microscope LEXT OLS5000 manufactured by Olympus Corporation. A 50x objective lens, MPLAPON50xLEXT (numerical aperture 0.95, working distance 0.35 mm), was used to observe an area of 0.256 mm x 0.256 mm on the top surface of the cast film. A 3D image with an image size of 1024 x 1024 was obtained using a laser with a wavelength of 405 nm and a beam divergence angle of 0.15 to 1.25 rad. Six measurement lines were arbitrarily drawn on the obtained 3D image, and the arithmetic mean roughness was calculated from the cross-sectional profile on the lines in accordance with JIS B 0601:2013. In the calculation, a λc filter was set to 100 μm to distinguish between roughness and waviness components, and only the roughness component was extracted. The same procedure was carried out at five locations per sample, and measurements were taken at 6 lines x 5 locations = 30 locations, and the average value was taken as the arithmetic mean roughness of the sample.
(実施例16~18)
実施例15において、再生CNFの含有量をそれぞれ2倍(実施例16)、3倍(実施例17)、5倍(実施例18)に変更した以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Examples 16 to 18)
TPE films containing recycled CNF were produced in the same manner as in Example 15, except that the recycled CNF content was doubled (Example 16), tripled (Example 17), and five times (Example 18). The results are shown in Table 4.
(実施例19、20)
実施例17において、用いる再生CNFを繊維径が異なるRCNF(B),RCNF(C)にそれぞれ変更した以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Examples 19 and 20)
TPE films containing recycled CNF were produced in the same manner as in Example 17, except that the recycled CNF used was changed to RCNF (B) and RCNF (C), each having a different fiber diameter. The results are shown in Table 4.
(実施例21)
実施例17において、用いるTPE分散液をT-78Fに変更した以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Example 21)
A TPE film containing recycled CNF was produced in the same manner as in Example 17, except that the TPE dispersion used was changed to T-78F. The results are shown in Table 4.
(参考例1)
実施例15において、再生CNFの含有量を10倍に変更した以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Reference example 1)
A TPE film containing recycled CNF was produced in the same manner as in Example 15, except that the content of recycled CNF was increased by 10 times. The results are shown in Table 4.
(比較例7)
実施例15において、再生CNFを添加しないこと以外は、同様の手順でTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Comparative Example 7)
A TPE film was produced in the same manner as in Example 15, except that recycled CNF was not added. The results are shown in Table 4.
(比較例8)
実施例15において、再生CNFの代わりに、比較例6で用いた物理処理で微細化された微小繊維状セルロース(セリッシュ:品番KY100S:ダイセルミライズ(株)製:平均繊維径198nm)を用いた以外は、同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Comparative Example 8)
In Example 15, a TPE film containing recycled CNF was produced in the same manner as in Comparative Example 6, except that the recycled CNF was replaced with microfibrous cellulose (Cerish: product number KY100S, manufactured by Daicel Miraize Co., Ltd.: average fiber diameter 198 nm) refined by physical treatment. The results are shown in Table 4.
(比較例9)
実施例17において、再生CNFの代わりに、比較例3、4と同じTEMPO酸化CNFを用いた以外は同様の手順で再生CNFを含有するTPEフィルムを作製した。その結果を表4に示す。
(Comparative Example 9)
A TPE film containing recycled CNF was produced in the same manner as in Example 17, except that the recycled CNF was replaced with the same TEMPO-oxidized CNF as in Comparative Examples 3 and 4. The results are shown in Table 4.
(小括)
再生CNFを含有しない比較例7に比べて、CNFの含有量が増加するにつれて(実施例15~18,参考例1)、ヘーズが少しずつ上昇する一方で、静摩擦係数及び動摩擦係数は徐々に減少していった。ただし、含有量が10%となった参考例1では、動摩擦係数及び静摩擦係数の値は十分に小さくなり、滑り性は優れたものとなったが、ヘーズが25%となってしまい、透明性の点からは問題となった。含有量が5%以下では、優れた滑り性を発揮しつつ、ヘーズの上昇は抑えられたフィルムとなった。
(summary)
Compared to Comparative Example 7, which did not contain recycled CNF, as the CNF content increased (Examples 15 to 18, Reference Example 1), the haze increased gradually, while the static and dynamic friction coefficients gradually decreased. However, in Reference Example 1, where the CNF content was 10%, the values of the dynamic and static friction coefficients became sufficiently small, and the slipperiness was excellent, but the haze reached 25%, which was a problem in terms of transparency. When the CNF content was 5% or less, the film exhibited excellent slipperiness while suppressing the increase in haze.
一方、CNFではない微小繊維状セルロースを用いた場合では(比較例8)、同じ含有量の再生CNFを含有する実施例17に比べてヘーズが高くなり、透明性の点から問題となった。また、再生CNFの代わりにTOCNを用いた比較例9では、同じ含有量の再生CNFを含有する実施例17に比べて著しくヘーズが増大しており、セルロースナノファイバーの化学変性繊維であっても、セルロースが置換基を有すると透明性が著しく低下することがわかった。 On the other hand, when microfibrous cellulose other than CNF was used (Comparative Example 8), the haze was higher than in Example 17, which contained the same amount of recycled CNF, posing a problem in terms of transparency. Furthermore, in Comparative Example 9, which used TOCN instead of recycled CNF, the haze was significantly higher than in Example 17, which contained the same amount of recycled CNF, demonstrating that even in chemically modified cellulose nanofiber fibers, transparency is significantly reduced when the cellulose has a substituent.
また、再生CNFが異なる実施例17、19,20では、繊維径が大きくなるほどわずかにヘーズが増加したが、許容範囲であり、透明性を維持することができた。 In addition, in Examples 17, 19, and 20, which used different recycled CNF, haze increased slightly as the fiber diameter increased, but this was within an acceptable range and transparency was maintained.
Claims (5)
上記セルロースナノファイバーが非イオン性で、数平均繊維径が2nm以上50nm以下であり、熱可塑性エラストマーに対する上記セルロースナノファイバーの含有量が0.5質量%以上15質量%以下であり、組成物中において上記セルロースナノファイバーが均一に分散したセルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物からなる、
厚さが10μm以上100μm以下である機能性フィルム。 A thermoplastic elastomer composition containing cellulose nanofibers,
the cellulose nanofibers are nonionic and have a number average fiber diameter of 2 nm or more and 50 nm or less, the content of the cellulose nanofibers relative to the thermoplastic elastomer is 0.5 mass % or more and 15 mass % or less, and the cellulose nanofibers are uniformly dispersed in the composition,
A functional film having a thickness of 10 μm or more and 100 μm or less .
熱可塑性エラストマーを第二の有機溶媒中に溶解または分散させた熱可塑性エラストマー溶液または分散液と、上記セルロースナノファイバー分散液とを混合し、
その混合した後の混合液から分散媒を蒸発させて成型する、セルロースナノファイバー含有熱可塑性エラストマー組成物の製造方法。 A cellulose nanofiber composition containing a polyol, a polyol derivative, or a polyol compound consisting of both, cellulose nanofibers, and water is mixed with a first organic solvent to prepare a cellulose nanofiber dispersion in which the cellulose nanofibers are dispersed in the liquid;
A thermoplastic elastomer solution or dispersion in which a thermoplastic elastomer is dissolved or dispersed in a second organic solvent is mixed with the cellulose nanofiber dispersion,
This method for producing a thermoplastic elastomer composition containing cellulose nanofibers involves evaporating the dispersion medium from the mixed liquid and molding it.
成型させる形状がフィルム状である、
機能性フィルムの製造方法。 The method for producing a cellulose nanofiber-containing thermoplastic elastomer composition according to claim 3 or 4 ,
The shape to be molded is a film.
A method for manufacturing functional films.
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