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JP7829864B2 - Polymer composite cellulose and its manufacturing method, resin body, carbon fiber - Google Patents
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JP7829864B2 - Polymer composite cellulose and its manufacturing method, resin body, carbon fiber - Google Patents

Polymer composite cellulose and its manufacturing method, resin body, carbon fiber

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JP7829864B2 JP2022103381A JP2022103381A JP7829864B2 JP 7829864 B2 JP7829864 B2 JP 7829864B2 JP 2022103381 A JP2022103381 A JP 2022103381A JP 2022103381 A JP2022103381 A JP 2022103381A JP 7829864 B2 JP7829864 B2 JP 7829864B2
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Description

この発明は、ポリマー複合セルロース及びその製造方法、ポリマー複合セルロースを含む樹脂体、ポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維に関するものである。 This invention relates to polymer composite cellulose, a method for producing the same, a resin body containing polymer composite cellulose, and carbon fiber which is a carbonized product of polymer composite cellulose.

植物から得られるセルロースナノファイバー(CNF)は、セルロース繊維を極限まで解繊した素材であり、高弾性、高強度、低熱膨張の特性をもつことから、近年、樹脂の補強材料として注目されている。CNFは、元来、親水性で、水酸基の強い水素結合によって樹脂との混練時に凝集するため、樹脂の衝撃強度が低下してしまう。そこで、樹脂との相溶化のために、CNFに疎水性官能基を導入することが提案されている(例えば特許文献1参照)。 Cellulose nanofibers (CNF), obtained from plants, are materials obtained by defibrating cellulose fibers to the extreme. Due to their high elasticity, high strength, and low thermal expansion properties, they have recently attracted attention as a reinforcing material for resins. However, CNF is inherently hydrophilic, and its strong hydroxyl groups cause aggregation during mixing with resins, reducing the resin's impact strength. Therefore, introducing hydrophobic functional groups into CNF to improve compatibility with resins has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2019-137711号公報Japanese Patent Publication No. 2019-137711

セルロースに疎水性官能基を導入する場合、触媒として塩基を用いたりするなど、様々な化学的処理が行われる。このような化学的処理によって、CNFの糖鎖がダメージを受けて、疎水化したCNFの強度が低下するおそれがある。 When introducing hydrophobic functional groups into cellulose, various chemical treatments are performed, such as using bases as catalysts. Such chemical treatments can damage the sugar chains of CNF, potentially reducing the strength of the hydrophobic CNF.

本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、良好な強度を有するポリマー複合セルロース及びその製造方法、樹脂体、炭素繊維を提供することを目的とする。 In view of the aforementioned problems relating to the prior art, this invention was proposed to suitably solve these problems, and aims to provide polymer composite cellulose with good strength, a method for producing the same, a resin body, and carbon fibers.

本発明に係るポリマー複合セルロースの第1態様は、
セルロース類と、
前記セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーと、を有し、
前記芳香族ポリマーが、架橋構造を有していることを要旨とする。
A first aspect of the polymer-composite cellulose according to the present invention is:
Celluloses and,
The cellulose has an aromatic polymer attached to its surface,
The gist of this is that the aromatic polymer has a cross-linked structure.

本発明に係るポリマー複合セルロースの第2態様として、前記ポリマー複合セルロースの第1態様において、
前記セルロース類が、前記芳香族ポリマーで被覆されていてもよい。
As a second embodiment of the polymer composite cellulose according to the present invention, in the first embodiment of the polymer composite cellulose,
The celluloses may be coated with the aromatic polymer.

本発明に係るポリマー複合セルロースの第3態様として、前記ポリマー複合セルロースの第1態様又は前記ポリマー複合セルロースの第2態様において、
前記芳香族ポリマーで繋がった網状構造になっていてもよい。
As a third embodiment of the polymer composite cellulose according to the present invention, in the first embodiment of the polymer composite cellulose or the second embodiment of the polymer composite cellulose,
The aromatic polymer may be linked together to form a network structure.

本発明に係るポリマー複合セルロースの製造方法の第1態様は、
水を含まない溶媒に、セルロース類、環状アミン及び芳香族炭化水素類を分散して混合液を調製し、
前記混合液を加熱することで、前記環状アミンと前記芳香族炭化水素類とを反応させて芳香族ポリマーを形成し、
前記セルロース類の表面に、前記芳香族ポリマーを付着させることを要旨とする。
A first aspect of the method for producing polymer-compound cellulose according to the present invention is:
A mixture is prepared by dispersing cellulose, cyclic amines, and aromatic hydrocarbons in a water-free solvent.
By heating the aforementioned mixture, the cyclic amine and the aromatic hydrocarbons react to form an aromatic polymer.
The gist of this method is to attach the aromatic polymer to the surface of the cellulose.

本発明に係るポリマー複合セルロースの製造方法の第2態様として、前記ポリマー複合セルロースの製造方法の第1態様において、
前記溶媒が、アルコール類であってもよい。
As a second aspect of the method for producing polymer composite cellulose according to the present invention, in the first aspect of the method for producing polymer composite cellulose,
The solvent may be an alcohol.

本発明に係る樹脂体の一態様は、
前記第1態様、前記第2態様及び前記第3態様の何れかのポリマー複合セルロースと、合成樹脂と、を含むことを要旨とする。
One embodiment of the resin body according to the present invention is:
The gist of the invention is that it comprises a polymer composite cellulose according to any of the first, second, and third embodiments, and a synthetic resin.

本発明に係る炭素繊維の一態様は、
前記第1態様、前記第2態様及び前記第3態様の何れかのポリマー複合セルロースの炭化処理物であることを要旨とする。
One embodiment of the carbon fiber according to the present invention is:
The gist of the invention is that the polymer composite cellulose is carbonized according to any of the first, second, or third embodiments.

本発明に係るポリマー複合セルロースの第1態様によれば、良好な強度を有している。
本発明に係るポリマー複合セルロースの製造方法の第1態様によれば、良好な強度を有するポリマー複合セルロースが得られる。
本発明に係る樹脂体の一態様によれば、良好な強度を有するポリマー複合セルロースによって強度を向上できる。
本発明に係る炭素繊維の一態様によれば、ポリマー複合セルロースに基づく形状が保たれている。
According to the first embodiment of the polymer-composite cellulose of the present invention, it has good strength.
According to a first embodiment of the method for producing polymer composite cellulose according to the present invention, polymer composite cellulose having good strength can be obtained.
According to one embodiment of the resin body of the present invention, the strength can be improved by polymer composite cellulose having good strength.
According to one embodiment of the carbon fiber of the present invention, the shape based on polymer composite cellulose is maintained.

実施例のモノマー及び得られた芳香族ポリマーを示す構造式である。This shows the monomers of the examples and the structural formulas of the resulting aromatic polymers. 赤外吸収スペクトルを示すグラフ図である。This is a graph showing the infrared absorption spectrum. 実施例4における芳香族ポリマーの付着状況を示す写真である。This is a photograph showing the adhesion status of the aromatic polymer in Example 4. 比較例1における芳香族ポリマーの付着状況を示す写真である。This is a photograph showing the adhesion status of the aromatic polymer in Comparative Example 1. 芳香族ポリマーを付着させる前のろ紙を示す写真である。This is a photograph showing filter paper before the aromatic polymer was applied. 赤外吸収スペクトルを示すグラフ図である。反応温度の影響を示す。This graph shows the infrared absorption spectrum, illustrating the effect of reaction temperature. 赤外吸収スペクトルを示すグラフ図である。反応時間の影響を示す。This graph shows the infrared absorption spectrum, illustrating the effect of reaction time. 実施例11のポリマー複合セルロースを、10万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the polymer composite cellulose of Example 11, observed at 100,000x magnification. 実施例11のポリマー複合セルロースを、5万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the polymer composite cellulose of Example 11, observed at 50,000x magnification. CNFを、10万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of CNF observed at 100,000x magnification. CNFを、5万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of CNF observed at 50,000x magnification. (a)は試験例1のTMTA-DHNポリマーの示差走査熱量測定の結果を示すグラフ図であり、(b)は実施例11及びCNFの示差走査熱量測定の結果を示すグラフ図である。(a) is a graph showing the results of differential scanning calorimetry for the TMTA-DHN polymer in Test Example 1, and (b) is a graph showing the results of differential scanning calorimetry for Example 11 and CNF. (a)はCNFの示差走査熱量測定の結果を示すグラフ図であり、(b)は試験例2のTMTA-DHNポリマーの示差走査熱量測定の結果を示すグラフ図である。(a) is a graph showing the results of differential scanning calorimetry of CNF, and (b) is a graph showing the results of differential scanning calorimetry of TMTA-DHN polymer in Test Example 2. (a)は、ヘキサンと水との混合液中でのCNFの分散状態を示し、(b)は、ヘキサンと水との混合液中での実施例11のポリマー複合セルロースの分散状態を示す。(a) shows the dispersion state of CNF in a mixture of hexane and water, and (b) shows the dispersion state of the polymer composite cellulose of Example 11 in a mixture of hexane and water. 乾燥試験の結果を示す写真である。This is a photograph showing the results of a drying test. 実施例11のポリマー複合セルロースと、CNFとの耐熱性試験の結果を示すグラフ図である。This graph shows the results of the heat resistance test between the polymer-compound cellulose of Example 11 and CNF. 実施例11のポリマー複合セルロースを吸着させたポリプロピレン粒子を、30倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of polypropylene particles adsorbed with the polymer composite cellulose of Example 11, observed at 30x magnification. 実施例11のポリマー複合セルロースを吸着させたポリプロピレン粒子を、5000倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of polypropylene particles adsorbed with the polymer composite cellulose of Example 11, observed at 5000x magnification. CNFを吸着させたポリプロピレン粒子を、30倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of polypropylene particles with CNF adsorbed onto them, observed at 30x magnification. CNFを吸着させたポリプロピレン粒子を、5000倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of polypropylene particles with CNF adsorbed onto them, observed at 5000x magnification. ポリプロピレン粒子を、30倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of polypropylene particles observed at 30x magnification. ポリプロピレン粒子を、5000倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of polypropylene particles observed at 5000x magnification. 実施例の樹脂体におけるポリマー複合セルロースのイメージ図である。This is an illustrative diagram of the polymer composite cellulose in the resin body of the example. 樹脂体の曲げ強度試験の結果を示すグラフ図である。This graph shows the results of a bending strength test on a resin body. 実施例の炭素繊維を、10万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the carbon fiber used in the example, observed at 100,000x magnification. 実施例の炭素繊維を、5万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the carbon fiber used in the example, observed at 50,000x magnification. 実施例の炭素繊維を、2万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the carbon fiber used in the example, observed at 20,000x magnification. 比較例の炭素繊維を、5万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the comparative carbon fiber observed at 50,000x magnification. 比較例の炭素繊維を、2万倍で観察した電子顕微鏡写真である。This is an electron microscope image of the comparative carbon fiber observed at 20,000x magnification.

(ポリマー複合セルロース)
本開示に係るポリマー複合セルロースは、セルロース類と、セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーとを有している。芳香族ポリマーは、セルロース類に官能基として導入されたものではなく、また、セルロース類と架橋などしている訳ではなく、芳香族ポリマーをセルロース類に付けるために、セルロース類を改質していない。ポリマー複合セルロースは、芳香族ポリマーを付ける前のセルロース類の糖鎖や官能基などの構造が保たれた状態のまま、芳香族ポリマーによって補強されている。すなわち、ポリマー複合セルロースは、芳香族ポリマーを付ける前のセルロース類の性質や強度に加えて、芳香族ポリマーによる性質や強度が付加されている。なお、芳香族ポリマーは、セルロース類の表面に、物理的吸着、水素結合等の化学的吸着、あるいは物理的吸着及び化学的吸着により配置されていると考えられる。ポリマー複合セルロースは、例えば、糸状や紙状など、複数まとまった集合体になっていてもよい。
(Polymer-complexed cellulose)
The polymer-compound cellulose according to this disclosure comprises celluloses and aromatic polymers attached to the surface of the celluloses. The aromatic polymers are not introduced into the celluloses as functional groups, nor are they crosslinked with the celluloses; the celluloses are not modified in order to attach the aromatic polymers. The polymer-compound cellulose is reinforced by the aromatic polymer while maintaining the structure of the celluloses before the attachment of the aromatic polymer, such as sugar chains and functional groups. In other words, the polymer-compound cellulose has the properties and strength of the celluloses before the attachment of the aromatic polymer, plus the properties and strength of the aromatic polymer. It is thought that the aromatic polymers are positioned on the surface of the celluloses by physical adsorption, chemical adsorption such as hydrogen bonding, or a combination of physical and chemical adsorption. The polymer-compound cellulose may be in the form of aggregates of multiple materials, such as threads or paper.

ポリマー複合セルロースにおいて、芳香族ポリマーが、セルロース類の表面の一部又は全体を被覆している。後述するモノマーの反応温度及び反応時間の調節により、セルロース類の表面に対する芳香族ポリマーの付着度合いを簡単に制御できる。例えば、モノマーの反応温度を低くしたり、モノマーの反応時間を短くしたりすることで、芳香族ポリマーをセルロース類の表面の一部範囲に配置することができる。モノマーの反応温度を高くしたり、モノマーの反応時間を長くしたりすることで、芳香族ポリマーをセルロース類の表面全体に配置することができる。 In polymer-compound cellulose, aromatic polymers coat part or all of the surface of the cellulose. The degree of adhesion of the aromatic polymer to the cellulose surface can be easily controlled by adjusting the reaction temperature and reaction time of the monomers, as described later. For example, by lowering the reaction temperature or shortening the reaction time of the monomers, the aromatic polymer can be positioned over a portion of the cellulose surface. By raising the reaction temperature or lengthening the reaction time of the monomers, the aromatic polymer can be positioned over the entire surface of the cellulose.

ポリマー複合セルロースにおいて、芳香族ポリマーは、互いに接する部分が融着していてもよい。そして、ポリマー複合セルロースは、芳香族ポリマー同士がネットワーク状に繋がった網状構造になっていてもよい。後述するモノマーの反応温度及び反応時間の調節により、芳香族ポリマー同士の融着やポリマー複合セルロースのネットワーク化を簡単に制御できる。例えば、モノマーの反応温度を低くしたり、モノマーの反応時間を短くしたりすることで、芳香族ポリマー同士の融着を抑えて、ポリマー複合セルロースの網状構造の成長を抑制することができる。また、モノマーの反応温度を高くしたり、モノマーの反応時間を長くしたりすることで、芳香族ポリマー同士の融着を進行させて、ポリマー複合セルロースの網状構造を促進することができる。 In polymer-compound cellulose, aromatic polymers may be fused together at their contact points. Furthermore, the polymer-compound cellulose may have a network-like structure in which the aromatic polymers are interconnected. The fusion of aromatic polymers and the networking of the polymer-compound cellulose can be easily controlled by adjusting the reaction temperature and reaction time of the monomers, as described later. For example, lowering the reaction temperature of the monomers or shortening the reaction time can suppress the fusion of aromatic polymers and inhibit the growth of the network structure in the polymer-compound cellulose. Conversely, increasing the reaction temperature of the monomers or lengthening the reaction time can promote the fusion of aromatic polymers and accelerate the formation of the network structure in the polymer-compound cellulose.

芳香族ポリマーの表面形状が平滑であってもよいが、芳香族ポリマーの表面形状が凸凹形状であってもよい。また、芳香族ポリマーの表面形状は、粒状に隆起した部分を有し、複数の隆起部分が珠のように連なった連珠形状になっていてもよい。後述するモノマーの反応温度及び反応時間の調節により、芳香族ポリマーの表面形状を簡単に制御できる。例えば、モノマーの反応温度を低くしたり、モノマーの反応時間を短くしたりすることで、芳香族ポリマーの表面形状を平滑にすることができる。また、モノマーの反応温度を高くしたり、モノマーの反応時間を長くしたりすることで、芳香族ポリマーの表面を隆起させて連珠形状にすることができる。 The surface shape of the aromatic polymer may be smooth, or it may be uneven. Furthermore, the surface shape of the aromatic polymer may have granular raised areas, and multiple raised areas may be linked together in a bead-like pattern. The surface shape of the aromatic polymer can be easily controlled by adjusting the reaction temperature and reaction time of the monomer, as described later. For example, by lowering the reaction temperature of the monomer or shortening the reaction time of the monomer, the surface shape of the aromatic polymer can be made smooth. Conversely, by raising the reaction temperature of the monomer or lengthening the reaction time of the monomer, the surface of the aromatic polymer can be raised to create a bead-like pattern.

ポリマー複合セルロースにおいて、芳香族ポリマーが、架橋構造を有している。架橋している芳香族ポリマーであると、芳香族ポリマー分子同士が繋がっているので、無架橋の芳香族ポリマーと比べて、芳香族ポリマー自体の強度を向上させることができる。 In polymer-compound cellulose, the aromatic polymer has a cross-linked structure. Because the aromatic polymer molecules are linked together in the cross-linked aromatic polymer, the strength of the aromatic polymer itself can be improved compared to non-cross-linked aromatic polymers.

(セルロース類)
セルロース類は、セルロースそのもの(化学修飾されていないセルロース)、又は化学修飾(官能基が導入)されたセルロース誘導体であってもよい。また、セルロース類は、竹由来セルロース、木材由来セルロース、バクテリアセルロース、ホヤセルロースなどであってもよい。セルロース誘導体としては、例えば、TEMPO酸化セルロース、カルボキシメチルセルロース、硫酸化セルロースなどのセルロース誘導体が挙げられる。セルロース類は、繊維状であっても、糸状や紙状などの集合体になっていてもよい。繊維状のセルロース類としては、マイクロファイバー、ナノファイバー(特にセルロースナノファイバー又はCNFと呼ぶ場合がある)、ナノクリスタルあるいはアモルファスなどが挙げられる。なお、1種類のセルロース類であっても、複数種類のセルロース類を組み合わせて用いても、何れであってもよい。なお、繊維幅が1nm~999nmの範囲にあるセルロース類を、特に区別してナノセルロース類と呼び、繊維幅が1μm~999μmの範囲にあるセルロース類を、特に区別してマイクロセルロース類と呼ぶ場合がある。
(Celluloses)
Celluloses may be cellulose itself (unmodified cellulose) or chemically modified (introduced functional groups) cellulose derivatives. Celluloses may also be bamboo-derived cellulose, wood-derived cellulose, bacterial cellulose, or ascidian cellulose. Examples of cellulose derivatives include TEMPO-oxidized cellulose, carboxymethyl cellulose, and sulfated cellulose. Celluloses may be fibrous, thread-like, or paper-like aggregates. Examples of fibrous celluloses include microfibers, nanofibers (sometimes specifically called cellulose nanofibers or CNF), nanocrystals, or amorphous materials. It is also acceptable to use a single type of cellulose or a combination of multiple types. Celluloses with fiber widths in the range of 1 nm to 999 nm are sometimes specifically called nanocelluloses, and celluloses with fiber widths in the range of 1 μm to 999 μm are sometimes specifically called microcelluloses.

(セルロース類のサイズ)
セルロース類は、マイクロセルロース類であっても、ナノセルロース類であっても、何れでもよいが、樹脂に配合するならば、ナノセルロース類が好ましい。ナノセルロース類である場合、その繊維幅が10nm~50nmであると好ましい。セルロース類は、その繊維長が200nm~15000nmであると好ましい。なお、ナノセルロース類において、繊維幅が約3nm~1500nm、繊維長が約200nm~10000nmであるものをナノファイバーと称し、繊維幅が約1nm~10nm、繊維長が約100nm~300nmであるものをナノクリスタルという場合がある。また、セルロース類において、繊維幅が約1nm~10nm、繊維長が約100nm~300nmであるものをアモルファスという場合がある。例えば、セルロース類は、ナノクリスタル状よりもナノフィブリル化が進むと、アモルファス状になり、結晶化度が小さくなる傾向がある。例えば、樹脂と混ぜる場合、セルロース類としては、ナノファイバー状およびナノクリスタル状が好ましく、ナノファイバー状であるとより好ましい。
(Size of cellulose compounds)
The cellulose can be either microcellulose or nanocellulose, but nanocellulose is preferred when compounded into a resin. If nanocellulose is used, its fiber width is preferably 10 nm to 50 nm. The cellulose is preferably 200 nm to 15,000 nm in length. In nanocellulose, fibers with a fiber width of approximately 3 nm to 1,500 nm and a fiber length of approximately 200 nm to 10,000 nm are sometimes called nanofibers, and fibers with a fiber width of approximately 1 nm to 10 nm and a fiber length of approximately 100 nm to 300 nm are sometimes called nanocrystals. In addition, cellulose with a fiber width of approximately 1 nm to 10 nm and a fiber length of approximately 100 nm to 300 nm are sometimes called amorphous. For example, as cellulose undergoes nanofibrillation beyond the nanocrystalline state, it tends to become amorphous and its degree of crystallinity decreases. For example, when mixed with resin, cellulose is preferably in the form of nanofibers or nanocrystals, and more preferably in the form of nanofibers.

(芳香族ポリマー)
本開示の芳香族ポリマーは、水酸基を有する芳香族炭化水素類と環状アミンとの反応により得られるポリマーであることが好ましい。芳香族ポリマーは、クレゾールなどのフェノール類に属する有機化合物を用いて合成されたものを含む広義のフェノール樹脂であるといえる。芳香族ポリマーとしては、例えば、オキサジン樹脂、レゾール樹脂、レソルシノール樹脂、ノボラックなど、およびこれらの誘導体からなるものを用いることができる。この中でも、以下の化学式1に示すようなベンゾオキサジン樹脂、または化学式2に示すようなナフトオキサジン樹脂であることが好ましい。
(Aromatic polymers)
The aromatic polymers of this disclosure are preferably polymers obtained by the reaction of aromatic hydrocarbons having hydroxyl groups with cyclic amines. Aromatic polymers can be broadly defined as phenolic resins, including those synthesized using organic compounds belonging to phenols such as cresol. As aromatic polymers, for example, those consisting of oxazine resins, resol resins, resorcinol resins, novolacs, and derivatives thereof can be used. Among these, benzoxazine resins as shown in Chemical Formula 1 below, or naphthoxazine resins as shown in Chemical Formula 2 below, are preferred.

上記化学式1および化学式2において、Rは、水素または炭化水素を指す。また、上記化学式1および化学式2において、nは括弧内の繰り返しを示す。 In chemical formulas 1 and 2 above, R1 refers to hydrogen or a hydrocarbon. Also, in chemical formulas 1 and 2 above, n indicates the repetition of the expression in parentheses.

(芳香族炭化水素類)
水酸基を有する芳香族炭化水素類としては、クレゾール、フェノール、アルキルフェノール、ジヒドロナフタレン、ジヒドロアントラセン、ビスフェノールAなどが挙げられる。この中でも、1,5-ジヒドロナフタレンや2,6-ジヒドロナフタレンなどのジヒドロナフタレン(DHN)が好ましく、更に好ましくは、以下の化学式5に示すような1,5-ジヒドロナフタレン(DHN)である。
(Aromatic hydrocarbons)
Aromatic hydrocarbons having hydroxyl groups include cresol, phenol, alkylphenol, dihydronaphthalene, dihydroanthracene, and bisphenol A. Among these, dihydronaphthalene (DHN), such as 1,5-dihydronaphthalene and 2,6-dihydronaphthalene, is preferred, and more preferably, 1,5-dihydronaphthalene (DHN) as shown in the following chemical formula 5.

(環状アミン)
環状アミンとしては、例えば、ヘキサミン(Hezamine)、キヌクリジン(Quinuclidine)、DABCO(1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane))など、およびこれらの誘導体が挙げられる。例えば、以下の化学式3に示すようなヘキサメチレンテトラミン(HMT)(ヘキサミンとも呼ばれる)が挙げられる。
(Cyclic amine)
Examples of cyclic amines include hexamine, quinuclidine, DACO(1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane), and their derivatives. For example, hexamethylenetetramine (HMT) (also called hexamine), as shown in chemical formula 3 below, is an example.

また、環状アミンとしては、例えば、ピリジン系の飽和環状アミンであるピペリジン(Pyperidine)、ピペリデイン(Piperideine)、ピペラジン(Piperazine)、トリアジナン(Triazinane)、テトラジナン(Tetrazinane)、ペンタジナン(Pentazinane)など、およびこれらの誘導体が挙げられる。前述の環状アミンの中では、トリアジナンが好ましく、トリアジナンの中でも、以下の化学式4に示すような1,3,5-トリアジナンが好ましい。1,3,5-トリアジナンとしては、例えば、1,3,5-トリメチル-1,3,5-トリアジナン、1,3,5-トリフェニル-1,3,5-トリアジナン、1,3,5-トリへプチル-1,3,5-トリアジナン、1,3,5-トリペンチル-1,3,5-トリアジナンなどが挙げられ、この中でも1,3,5-トリメチルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジナン(TMTA)が好ましい。環状アミンは、反応溶媒への溶解度が高いものを用いることが好ましい。例えば、ヘキサミンよりも、トリアジナンの方が、水を含まない有機溶媒に溶け易い。従って、後述する水を含まない有機溶媒を反応溶媒として用いる場合、環状アミンとしてトリアジナンを用いることが好ましい。 Examples of cyclic amines include pyridine-based saturated cyclic amines such as piperidine, piperideine, piperazine, triazinane, tetrazinane, and pentadinane, as well as their derivatives. Among the aforementioned cyclic amines, triazinane is preferred, and among triazinanes, 1,3,5-triazinane, as shown in the following chemical formula 4, is preferred. Examples of 1,3,5-triazinanes include 1,3,5-trimethyl-1,3,5-triazinane, 1,3,5-triphenyl-1,3,5-triazinane, 1,3,5-triheptyl-1,3,5-triazinane, and 1,3,5-tripentyl-1,3,5-triazinane, among which 1,3,5-trimethylhexahydro-1,3,5-triazinane (TMTA) is preferred. It is preferable to use a cyclic amine with high solubility in the reaction solvent. For example, triazinanes are more soluble in water-free organic solvents than hexamines. Therefore, when using a water-free organic solvent as the reaction solvent, it is preferable to use triazinane as the cyclic amine.

(ポリマー複合セルロースの製造方法)
前述したポリマー複合セルロースは、セルロース類が存在している溶媒中で、モノマーを反応させて芳香族ポリマーを形成することで製造することができる。より具体的には、水を含まない溶媒に、セルロース類と、モノマーとしての環状アミン及び芳香族炭化水素類とを分散させて、混合液を調製する。セルロース類、環状アミン及び芳香族炭化水素類を溶媒に添加する順序は特に限定されないが、セルロース類を添加した溶媒に、環状アミン及び芳香族炭化水素類を添加する方が、セルロース類の表面でモノマーの反応を生じさせ易くできる。次に、混合液を加熱することで、環状アミンと芳香族炭化水素類とを反応させて芳香族ポリマーを形成する。このとき、混合液を加熱することで所定温度にしたら、所定温度(反応温度)に保って、混合液を撹拌しつつ所定時間(反応時間)保持するとよい。環状アミンと芳香族炭化水素類とを反応させ、環状アミンの開環と同時に重縮合することで、芳香族ポリマーが形成される。そして、セルロース類の界面近傍で生成された芳香族ポリマーが、セルロース類の表面に付着し、ポリマー複合セルロースが得られる。
(Method for producing polymer-compound cellulose)
The polymer-compound cellulose described above can be produced by reacting monomers in a solvent containing cellulose to form an aromatic polymer. More specifically, a mixture is prepared by dispersing cellulose and cyclic amines and aromatic hydrocarbons as monomers in a water-free solvent. The order in which the cellulose, cyclic amines, and aromatic hydrocarbons are added to the solvent is not particularly limited, but adding the cyclic amines and aromatic hydrocarbons to the solvent containing the cellulose makes it easier for the monomers to react on the surface of the cellulose. Next, the mixture is heated to react the cyclic amines and aromatic hydrocarbons to form an aromatic polymer. At this time, once the mixture is heated to a predetermined temperature, it is preferable to maintain the mixture at the predetermined temperature (reaction temperature) and stir it for a predetermined time (reaction time). The cyclic amines and aromatic hydrocarbons react, and polycondensation occurs simultaneously with the ring opening of the cyclic amine, forming an aromatic polymer. The aromatic polymer generated near the interface of the cellulose then adheres to the surface of the cellulose, and polymer-compound cellulose is obtained.

セルロース類として、繊維幅が小さいナノセルロースを用いる場合、ナノセルロース類を分散したセルロース水分散体に、水以外の有機溶媒を添加し、遠心分離により、水を有機溶媒に置換したセルロースアルコール分散体とするとよい。ここで、有機溶媒としては、モノマーの反応時に用いる反応溶媒と同じものを用いることが好ましく、例えば反応溶媒としてアルコール(例えばエタノール)を用いるのであれば、アルコール(エタノール)で水を置換するとよい。そして、セルロース有機溶媒分散体に、芳香族炭化水素類と環状アミンとを添加した混合液を調製すればよい。 When using nanocellulose, which has a small fiber width, as the cellulose, it is preferable to prepare a cellulose alcohol dispersion by adding an organic solvent other than water to a cellulose aqueous dispersion containing nanocellulose, and then replacing the water with the organic solvent by centrifugation. Here, it is preferable to use the same organic solvent as the reaction solvent used in the monomer reaction; for example, if an alcohol (e.g., ethanol) is used as the reaction solvent, the water should be replaced with the alcohol (ethanol). Then, a mixture can be prepared by adding aromatic hydrocarbons and cyclic amines to the cellulose organic solvent dispersion.

セルロース類は、繊維状であっても、紙状や布状など、所定単位にまとめられた集合体であってもよい。 Celluloses may be in fibrous form, or they may be aggregates formed into predetermined units, such as paper or cloth.

(反応溶媒)
モノマーが添加される反応溶媒は、水を含まない有機溶媒である。反応溶媒は、有極性分子の液体がよく、水よりも極性が低いが、水に極性が近いもの(極性有機溶媒)がよい。反応溶媒は、セルロース類と親和性があり、添加されたセルロース類を分散できるものである。反応溶媒は、pHが中性の条件において、プロトンを乖離しないものも挙げられる。反応溶媒としては、例えば、アルコール類や、アセトン等の両親媒性溶媒や、テトラヒドロフラン(THF)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非プロトン性極性溶媒などが挙げられる。アルコール類としては、例えば、エタノール、イソプロピルアルコール、メタノール、ブタノールなどが挙げられる。反応溶媒は、1種類だけからなる単独溶媒又は複数種類からなる混合溶媒の何れであってもよいが、芳香族ポリマーをセルロース類の表面に効率的に付着させるためには、水を含んでいないことが求められる。反応溶媒としては、アルコール類が好ましく、アルコール類であれば、取り扱いが容易で、セルロース類を適切に分散することができると共に、モノマーの反応速度を適度に抑えることができる。
(Reaction solvent)
The reaction solvent to which the monomer is added is an organic solvent that does not contain water. The reaction solvent is preferably a liquid with polar molecules, which is less polar than water but close in polarity to water (a polar organic solvent). The reaction solvent has an affinity for cellulose and can disperse the added cellulose. The reaction solvent may also be one that does not dissociate protons under neutral pH conditions. Examples of reaction solvents include alcohols, amphiphilic solvents such as acetone, and aprotic polar solvents such as tetrahydrofuran (THF), N,N-dimethylformamide (DMF), and dimethyl sulfoxide (DMSO). Examples of alcohols include ethanol, isopropyl alcohol, methanol, and butanol. The reaction solvent may be a single solvent or a mixed solvent of multiple types, but it is required that it does not contain water in order to efficiently attach the aromatic polymer to the surface of the cellulose. Alcohols are preferred as the reaction solvent because they are easy to handle, can appropriately disperse the cellulose, and can moderately suppress the reaction rate of the monomer.

(反応温度)
モノマーを反応させる反応温度は、反応が進行する温度であれば特に限定するものではない。モノマーの反応は、15℃~30℃の常温の範囲や、15℃未満の低温でも進行する。工業的な観点において、モノマーを反応させる反応温度は、20℃以上が好ましく、40℃以上がより好ましく、60℃以上が更に好ましい。前述した反応温度に設定することで、反応を効率的に進行させることができ、特に反応温度が60℃以上であると、反応時間を短縮できるので好ましい。モノマーを反応させる反応温度は、100℃以下が好ましく、80℃以下がより好ましく、78℃以下が更に好ましい。前述した反応温度に設定することで、反応が早期に進行し過ぎることを抑えることができ、セルロース類の表面に芳香族ポリマーを適切に配置することができる。
(Reaction temperature)
The reaction temperature for reacting monomers is not particularly limited as long as the reaction proceeds at a temperature within which it can take place. The reaction of monomers can proceed at room temperature in the range of 15°C to 30°C, or even at low temperatures below 15°C. From an industrial standpoint, the reaction temperature for reacting monomers is preferably 20°C or higher, more preferably 40°C or higher, and even more preferably 60°C or higher. Setting the reaction temperature as described above allows the reaction to proceed efficiently, and a reaction temperature of 60°C or higher is particularly preferable because it shortens the reaction time. The reaction temperature for reacting monomers is preferably 100°C or lower, more preferably 80°C or lower, and even more preferably 78°C or lower. Setting the reaction temperature as described above prevents the reaction from proceeding too quickly, and allows for the appropriate placement of aromatic polymers on the surface of celluloses.

(反応時間)
モノマーを反応させる反応時間は、特に限定するものではないが、反応時間が長くなるほど、多くの芳香族ポリマーが得られる。工業的な観点において、モノマーを反応させる反応時間は、1時間以上が好ましく、3時間以上がより好ましく、6時間以上が更に好ましい。前述した反応時間に設定することで、セルロース類の表面に芳香族ポリマーを適切に配置することができ、特に反応時間が6時間以上であると、芳香族ポリマーでセルロース類を被覆できるので好ましい。モノマーを反応させる反応時間の上限は、特にないが、工業的な観点から24時間以下であることが好ましい。
(Reaction time)
There is no particular limit to the reaction time for reacting the monomers, but the longer the reaction time, the more aromatic polymer can be obtained. From an industrial standpoint, the reaction time for reacting the monomers is preferably 1 hour or more, more preferably 3 hours or more, and even more preferably 6 hours or more. By setting the reaction time as described above, the aromatic polymer can be appropriately arranged on the surface of the cellulose, and a reaction time of 6 hours or more is particularly preferable because it allows the cellulose to be coated with the aromatic polymer. There is no particular upper limit to the reaction time for reacting the monomers, but from an industrial standpoint, it is preferably 24 hours or less.

モノマーの添加量、反応温度、反応時間などの条件を変えることで、得られる芳香族ポリマーの厚さや形状などを適宜制御することができる。モノマーの添加量、反応温度、反応時間などの条件を変えることで、得られるポリマー複合セルロースーの網状構造の成長度合いなどを適宜制御することができる。芳香族ポリマーの付与工程を複数回繰り返すことで、芳香族ポリマーを複数層重ねて形成してもよい。 By changing conditions such as the amount of monomer added, reaction temperature, and reaction time, the thickness and shape of the resulting aromatic polymer can be appropriately controlled. Similarly, by changing these conditions, the degree of growth of the network structure in the resulting polymer-compound cellulose can be appropriately controlled. The aromatic polymer addition process can be repeated multiple times to form multiple layers of aromatic polymer.

芳香族ポリマーの付与工程を複数回繰り返すことで、芳香族ポリマーを複数層重ねて形成する場合、層に応じて、芳香族ポリマーの種類を変更可能である。例えば、ある層をジヒドロナフタレンに由来する芳香族ポリマーで形成し、別の層を、ジヒドロアントラセンに由来する芳香族ポリマーで形成するなど、異種材料を組み合わせることが可能である。 When forming multiple layers of aromatic polymers by repeating the aromatic polymer application process multiple times, the type of aromatic polymer can be changed depending on the layer. For example, it is possible to combine different materials, such as forming one layer with an aromatic polymer derived from dihydronaphthalene and another layer with an aromatic polymer derived from dihydroanthracene.

ポリマー複合セルロースは、セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーによって補強されているので、セルロース類単体の場合よりも強度が向上している。また、ポリマー複合セルロースは、芳香族ポリマーが架橋構造を有しているので、芳香族ポリマー自体も無架橋のものと比べて強度が高くなっているので、全体として強度に優れている。従って、ポリマー複合セルロースを樹脂等の材料のフィラーとして用いた場合、セルロース類単体よりも少量の使用であっても、樹脂等の材料(樹脂体)の機械的強度を効果的に向上することができる。 Polymer-compound cellulose is reinforced by aromatic polymers attached to the surface of the cellulose, resulting in improved strength compared to cellulose alone. Furthermore, because the aromatic polymers in polymer-compound cellulose have a cross-linked structure, the aromatic polymers themselves are stronger than those without cross-linking, resulting in superior overall strength. Therefore, when polymer-compound cellulose is used as a filler in materials such as resins, even a smaller amount than that used for cellulose alone can effectively improve the mechanical strength of the resin material.

ポリマー複合セルロースは、セルロース類の表面に芳香族ポリマーが付着しているので疎水性になっており、セルロース類単体では難しかった樹脂などの材料との親和性が向上している。従って、ポリマー複合セルロースを樹脂等の材料(樹脂体)のフィラーとして用いた場合、樹脂等の材料(樹脂体)に適切に分散させることができる。また、ポリマー複合セルロースを樹脂粒子に吸着させることができる。ポリマー複合セルロースを吸着させた樹脂粒子から樹脂体を成形すれば、樹脂体においてポリマー複合セルロースを適切に分散させることができる。また、ポリマー複合セルロースを吸着させた樹脂粒子から樹脂体を成形することで、樹脂体においてポリマー複合セルロースをネットワーク状に分散させることができ、これにより樹脂体の強度を均一に向上できる。 Polymer-compound cellulose is hydrophobic because aromatic polymers are attached to the surface of the cellulose particles, improving its affinity with materials such as resins, which was difficult with cellulose alone. Therefore, when polymer-compound cellulose is used as a filler in materials such as resins (resin bodies), it can be appropriately dispersed in the resin body. Furthermore, polymer-compound cellulose can be adsorbed onto resin particles. By molding a resin body from resin particles adsorbed with polymer-compound cellulose, the polymer-compound cellulose can be appropriately dispersed within the resin body. Moreover, by molding a resin body from resin particles adsorbed with polymer-compound cellulose, the polymer-compound cellulose can be dispersed in a network-like structure within the resin body, thereby uniformly improving the strength of the resin body.

ポリマー複合セルロースは、セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーによって補強されているので、セルロース類単体の場合よりも、乾燥しても型崩れし難く、また乾燥しても収縮が生じ難い。 Polymer-compound cellulose is reinforced by aromatic polymers attached to the surface of the cellulose, making it less prone to deformation and shrinkage when dried compared to cellulose alone.

ポリマー複合セルロースは、セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーによって、セルロース類単体の場合よりも耐熱性が向上している。従って、ポリマー複合セルロースを樹脂等の材料(樹脂体)のフィラーとして用いた場合、樹脂等の材料(樹脂体)の耐熱性を向上させることができる。また、ポリマー複合セルロースを炭化処理して炭素繊維を製造すると、ポリマー複合セルロースに基づく炭素繊維の繊維形状を保つことができ、また繊維同士の癒着を抑えることができる。更に、ナノサイズの繊維幅のポリマー複合セルロースを炭化処理して炭素繊維を製造して、ナノサイズの繊維幅の炭素繊維を製造することができる。市販されている炭素繊維の繊維幅の下限が100nm程度であるが、これを下回る繊維幅10nm以下の炭素繊維を簡単に製造することが可能となる。 Polymer-compound cellulose exhibits improved heat resistance compared to pure cellulose due to aromatic polymers adhering to its surface. Therefore, using polymer-compound cellulose as a filler in materials such as resins can improve the heat resistance of those materials. Furthermore, carbonizing polymer-compound cellulose to produce carbon fibers maintains the fiber shape of the carbon fibers based on the polymer-compound cellulose and suppresses fiber adhesion. Moreover, carbonizing polymer-compound cellulose with nano-sized fiber widths allows for the production of carbon fibers with nano-sized fiber widths. While commercially available carbon fibers typically have a lower limit of around 100 nm in fiber width, it becomes possible to easily produce carbon fibers with widths of 10 nm or less.

ポリマー複合セルロースは、水を含まない溶媒において、セルロース類との共存下でモノマーを反応させて芳香族ポリマーを形成する簡単な工程で製造することができる。このように、いわゆるワンステップ及びワンポットのプロセスで、煩雑な工程を経ることがなく、良好な強度を有するポリマー複合セルロースを得ることができる。しかも、セルロースに官能基を導入(化学修飾)して疎水化する場合のように、酸やアルカリなどの比較的取り扱いに注意を要する薬剤を用いる必要がない。そして、セルロースに官能基を導入(化学修飾)して疎水化する場合のように、酸やアルカリなどを用いないことで、セルロース類の糖鎖にダメージがないことから、セルロース類自体の強度が保たれる。これにより、セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーによる補強と相まって、得られたポリマー複合セルロースの強度を向上できる。 Polymer-compound cellulose can be produced through a simple process involving the reaction of monomers with celluloses in a water-free solvent to form aromatic polymers. Thus, a polymer-compound cellulose with good strength can be obtained through a so-called one-step and one-pot process, without the need for complicated steps. Furthermore, unlike the process of hydrophobizing cellulose by introducing functional groups (chemical modification), there is no need to use chemicals such as acids or alkalis, which require careful handling. Because acids and alkalis are not used, the sugar chains of the celluloses are not damaged, thus preserving the strength of the celluloses themselves. This, combined with the reinforcement provided by the aromatic polymers attached to the surface of the celluloses, improves the strength of the resulting polymer-compound cellulose.

芳香族ポリマーがセルロース類を被覆していると、ポリマー複合セルロースの強度を向上できる。また、ポリマー複合セルロースにおいて、芳香族ポリマーにおける互いに接する部分が融着していると、ポリマー複合セルロースの強度を向上できる。更に、芳香族ポリマーが繋がった網状構造になっていると、ポリマー複合セルロースの強度を向上できる。更にまた、芳香族ポリマーが連珠形状になっていると、ポリマー複合セルロースの強度を向上できる。 When aromatic polymers coat celluloses, the strength of the polymer-compound cellulose can be improved. Furthermore, when the parts of the aromatic polymers in the polymer-compound cellulose are fused together, the strength of the polymer-compound cellulose can be improved. Additionally, when the aromatic polymers form a network structure, the strength of the polymer-compound cellulose can be improved. Moreover, when the aromatic polymers form a beaded structure, the strength of the polymer-compound cellulose can be improved.

(樹脂体)
前述したポリマー複合セルロースと、樹脂と、を含む樹脂体を構成することができる。本開示の樹脂体は、前述したポリマー複合セルロースを、樹脂体に所定機能(例えば強度向上)を付与するフィラーとして用いているともいえる。樹脂体の形状は、特に限定されず、フィルム状、シート状、ブロック状など、用途などに応じて様々な形状で形成可能である。
(Resin body)
A resin body can be constructed that includes the aforementioned polymer composite cellulose and a resin. The resin body of this disclosure can also be said to use the aforementioned polymer composite cellulose as a filler to impart a predetermined function (e.g., improved strength) to the resin body. The shape of the resin body is not particularly limited and can be formed in various shapes such as film, sheet, or block, depending on the application.

(樹脂)
樹脂体を構成する樹脂は、ポリマー複合セルロースと複合可能な樹脂であれば熱可塑性、熱硬化性、エンジニアプラスチックの何れでもあってもよい。具体的には、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン-酢酸ビニルアルコール共重合体、ポリ(メタ)アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ナイロン-6、ナイロン-6,6、ナイロン-6,10、ナイロン-6,12のようなポリアミド、ポリイミド樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリカーボネート、セルローストリアセテート、セルロースアセテートブチレート、ビニロン、ポリビニルブチラール等を用いることができる。
(resin)
The resin constituting the resin body may be thermoplastic, thermosetting, or engineering plastic, as long as it is a resin that can be compounded with polymer composite cellulose. Specifically, for example, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyethylene-vinyl acetate copolymer, polyethylene-vinyl acetate alcohol copolymer, poly(meth)acrylic resin, silicone resin, polyamide such as nylon-6, nylon-6,6, nylon-6,10, and nylon-6,12, polyimide resin, polyurethane, epoxy resin, phenolic resin, melamine resin, polycarbonate, cellulose triacetate, cellulose acetate butyrate, vinylon, polyvinyl butyral, etc. can be used.

(ポリマー複合セルロースの配合率)
樹脂に対するポリマー複合セルロースの配合率は、特に限定するものではないが、0.01wt%以上であると好ましく、5wt%以上であるとより好ましい。前述したようにポリマー複合セルロースの強度が優れているので、配合量を比較的少なくすることができる。樹脂に対するポリマー複合セルロースの配合率は、特に限定するものではないが、95wt%以下であると好ましく、90wt%以下であるとより好ましい。ポリマー複合セルロースの配合量が多くなり過ぎると、樹脂体の脆性化等の不具合が生じ易くなる。
(Percentage of polymer-complexed cellulose)
The blending ratio of polymer composite cellulose to the resin is not particularly limited, but is preferably 0.01 wt% or more, and more preferably 5 wt% or more. As mentioned above, polymer composite cellulose has excellent strength, so the amount blended can be relatively small. The blending ratio of polymer composite cellulose to the resin is not particularly limited, but is preferably 95 wt% or less, and more preferably 90 wt% or less. If the amount of polymer composite cellulose blended is too high, problems such as brittleness of the resin body are likely to occur.

樹脂体の製造方法は、公知の方法を用いることができる。前述したようにポリマー複合セルロースは、樹脂に吸着可能であるので、例えば樹脂を粒状にした樹脂粒子に、ポリマー複合セルロースを吸着させる粒子吸着法を用いて、樹脂体を製造することができる。ポリマー複合セルロースを吸着させた樹脂粒子を成形して、樹脂体を製造することで、樹脂中にポリマー複合セルロースを分散させることができる。また、樹脂中においてポリマー複合セルロースをネットワーク状に配置することができる(図23参照)。ポリマー複合セルロースを吸着させた樹脂粒子から樹脂体を製造する場合は、圧縮成形することが好ましい。圧縮成形することで、樹脂粒子同士の間隙をなくして、樹脂中にポリマー複合セルロースのネットワークを形成できる。 A known method can be used to manufacture the resin body. As mentioned above, polymer composite cellulose can be adsorbed onto resin, so for example, the resin body can be manufactured using a particle adsorption method in which polymer composite cellulose is adsorbed onto resin particles, which are made by granulating resin. By molding the resin particles on which polymer composite cellulose has been adsorbed, the polymer composite cellulose can be dispersed in the resin. Furthermore, the polymer composite cellulose can be arranged in a network pattern within the resin (see Figure 23). When manufacturing a resin body from resin particles on which polymer composite cellulose has been adsorbed, compression molding is preferable. By compression molding, the gaps between resin particles are eliminated, and a network of polymer composite cellulose can be formed in the resin.

このように、ポリマー複合セルロースをフィラーとして樹脂に配合することにより、良好な強度を有する樹脂体を得ることができる。また、樹脂体は、ポリマー複合セルロースが分散しているので、強度が均一である。樹脂体は、ポリマー複合セルロースのネットワークが形成されていると、より強度が向上される。 Thus, by incorporating polymer-compound cellulose as a filler into the resin, a resin body with good strength can be obtained. Furthermore, because the polymer-compound cellulose is dispersed in the resin body, its strength is uniform. The strength of the resin body is further improved when a network of polymer-compound cellulose is formed.

(炭素繊維)
前述したポリマー複合セルロースを炭化処理することで、炭素繊維を製造することができる。ポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維は、ポリマー複合セルロースに基づく繊維形状になっている。例えば、芳香族ポリマーの一部が融着したポリマー複合セルロースの炭化処理物であると、繊維の一部が繋がった炭素繊維となる。また、芳香族ポリマーで繋がった網状構造のポリマー複合セルロースの炭化処理物であると、繊維が網目状に繋がった炭素繊維となる。ポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維は、ポリマー複合セルロースの繊維幅に基づく繊維幅になっている。例えば、マイクロサイズの繊維幅のポリマー複合セルロースの炭化処理物であると、炭素繊維の繊維幅がマイクロサイズとなり、ナノサイズの繊維幅のポリマー複合セルロースの炭化処理物であると、炭素繊維の繊維幅がナノサイズとなる。
(Carbon fiber)
Carbon fibers can be manufactured by carbonizing the aforementioned polymer composite cellulose. The carbon fibers, which are the carbonized product of polymer composite cellulose, have a fiber shape based on the polymer composite cellulose. For example, if the carbonized polymer composite cellulose has some aromatic polymers fused to it, the resulting carbon fibers will have some fibers connected together. Also, if the carbonized polymer composite cellulose has a network structure connected by aromatic polymers, the resulting carbon fibers will have a network-like structure. The carbon fibers, which are the carbonized product of polymer composite cellulose, have a fiber width based on the fiber width of the polymer composite cellulose. For example, if the carbonized polymer composite cellulose has a micro-sized fiber width, the resulting carbon fibers will have a micro-sized fiber width, and if the carbonized polymer composite cellulose has a nano-sized fiber width, the resulting carbon fibers will have a nano-sized fiber width.

ポリマー複合セルロースの炭化処理は、公知の方法を用いることができる。例えば、窒素等の不活性ガスの雰囲気下で加熱することで、ポリマー複合セルロースを炭化して、炭素繊維を得ることができる。より具体的には、例えば、空気中で200℃~350℃で数時間熱処理する不融化や安定化を図る耐炎化工程を行う。次に、窒素などの不活性ガスの雰囲気下で600℃~1500℃で熱処理する炭素化工程を行う。これにより、炭素繊維が得られる。なお、炭素化工程の後に、必要に応じて、窒素などの不活性ガスの雰囲気下で2000℃~3000℃で熱処理する黒鉛化工程を行ってもよい。黒鉛化工程を経ることで炭素繊維の弾性を向上できる。なお、黒鉛化工程を経た炭素繊維を黒鉛繊維と呼ぶ場合がある。 The carbonization treatment of polymer composite cellulose can be performed using known methods. For example, carbon fibers can be obtained by carbonizing the polymer composite cellulose by heating it in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen. More specifically, for example, a flame-retardant treatment process is performed to make the material infusible and stabilize it by heat-treating it in air at 200°C to 350°C for several hours. Next, a carbonization process is performed by heat-treating it at 600°C to 1500°C in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen. This yields carbon fibers. After the carbonization process, a graphitization process may be performed as needed, by heat-treating it at 2000°C to 3000°C in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen. The elasticity of the carbon fibers can be improved by undergoing the graphitization process. Carbon fibers that have undergone the graphitization process are sometimes called graphite fibers.

ポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維は、ポリマー複合セルロースの高い耐熱性により繊維同士の癒着が抑えられ、繊維形状が保たれている。ポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維は、ポリマー複合セルロースの高い耐熱性により、得られる炭素繊維の回収率を向上できる。また、ポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維は、10nm以下の繊維径で形成することができ、非常に細くすることができる。 Carbon fibers produced by carbonizing polymer-compound cellulose maintain their shape due to the high heat resistance of the polymer-compound cellulose, which suppresses adhesion between fibers. Furthermore, the high heat resistance of the polymer-compound cellulose improves the recovery rate of the resulting carbon fibers. Additionally, carbon fibers produced by carbonizing polymer-compound cellulose can be formed with a fiber diameter of 10 nm or less, making them extremely fine.

表1に示すように、実施例1~10及び比較例1は、セルロース類として、重さ0.10gの化学分析用のろ紙(JIS P 38015 1種相当、型番101、サイズ:縦横9cm、灰分含有率:0.15%、重量:80±4g/m2、最大孔径:20μm~25μm、繊維幅:20μm程度)を用いている。ろ紙は、綿繊維を主体として構成され、綿はセルロースを主体とするものである。実施例11は、セルロース類として、重さ6.0gのセルロースナノファイバー(中越パルプ工業(株)製、商品名:nanoforest-s-BBC10、繊維幅:10nm~20nm、繊維長:15μm、解繊度合:C解繊)を用いている。実施例1~11及び比較例1では、環状アミンとしてのTMTA(1,3,5-トリメチルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジナン)と、芳香族炭化水素類としてのDHN(1,5-ジヒドロナフタレン)との反応によって、ナフトオキサジン(芳香族ポリマー)を形成している。実施例1~11は、環状アミンと芳香族炭化水素類とを反応させる溶媒として、エタノールのみのアルコール溶媒を用いている。比較例1は、環状アミンと芳香族炭化水素類とを反応させる溶媒として、水とエタノールとの混合溶媒を用いている。 As shown in Table 1, Examples 1 to 10 and Comparative Example 1 use 0.10 g of chemical analysis filter paper (equivalent to JIS P 38015 Type 1, model number 101, size: 9 cm x 9 cm, ash content: 0.15%, weight: 80 ± 4 g/ , maximum pore size: 20 μm to 25 μm, fiber width: approximately 20 μm) as the cellulose. The filter paper is mainly composed of cotton fibers, and the cotton is mainly composed of cellulose. Example 11 uses 6.0 g of cellulose nanofiber (manufactured by Chuetsu Pulp & Paper Co., Ltd., product name: nanoforest-s-BBC10, fiber width: 10 nm to 20 nm, fiber length: 15 μm, degree of defibration: C defibration) as the cellulose. In Examples 1 to 11 and Comparative Example 1, naphthoxazine (an aromatic polymer) is formed by the reaction of TMTA (1,3,5-trimethylhexahydro-1,3,5-triazinane) as a cyclic amine with DHN (1,5-dihydronaphthalene) as an aromatic hydrocarbon. In Examples 1 to 11, ethanol alone is used as the solvent for reacting the cyclic amine with the aromatic hydrocarbon. In Comparative Example 1, a mixed solvent of water and ethanol is used as the solvent for reacting the cyclic amine with the aromatic hydrocarbon.

(実施例1~10)
具体的には、実施例1~10は、ポリマー複合セルロースを以下のように作成している。200mlのエタノール溶媒中に、ろ紙を入れる。ろ紙入りの溶媒に、2mmolのTMTA(1,3,5-トリメチルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジナン)と、2mmolの1,5-DHN(1,5-ジヒドロナフタレン)とを添加し、混合液を調製する。混合液を加熱して表1に示す反応温度に保持し、回転数50rpmで表1に示す反応時間に亘って撹拌しつつ、TMTAとDHNとを付加縮合反応させることで、ろ紙を構成する繊維(セルロース)の表面に、芳香族ポリマーであるナフトオキサジン(TMTA-DHNポリマーという場合もある)を形成して、ポリマーをろ紙を構成するセルロースに付着させた。そして、得られたポリマー複合セルロースを、後処理として、水、エタノールおよびメタノールで洗浄した後、減圧乾燥する。TMTAとDHNとの反応により得られる芳香族ポリマーであるナフトオキサジン(TMTA-DHNポリマー)を図1に示す。
(Examples 1-10)
Specifically, in Examples 1 to 10, polymer composite cellulose was prepared as follows: A filter paper was placed in 200 ml of ethanol solvent. 2 mmol of TMTA (1,3,5-trimethylhexahydro-1,3,5-triazinane) and 2 mmol of 1,5-DHN (1,5-dihydronaphthalene) were added to the solvent containing the filter paper to prepare a mixture. The mixture was heated and maintained at the reaction temperature shown in Table 1, and while stirring at a rotation speed of 50 rpm for the reaction time shown in Table 1, TMTA and DHN underwent an addition-condensation reaction, forming an aromatic polymer, naphthoxazine (sometimes called TMTA-DHN polymer), on the surface of the fibers (cellulose) constituting the filter paper, thereby adhering the polymer to the cellulose constituting the filter paper. The obtained polymer composite cellulose was then washed with water, ethanol, and methanol as a post-treatment, and then dried under reduced pressure. Figure 1 shows naphthoxazine (TMTA-DHN polymer), an aromatic polymer obtained by the reaction of TMTA and DHN.

(実施例11)
6.0gのセルロースナノファイバーが分散したセルロース水分散体に、エタノールを添加し、遠心分離により、水をエタノールに置換した500mlのセルロースエタノール分散体を得た。セルロースエタノール分散体に、10mmolのTMTA(1,3,5-トリメチルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジナン)と、10mmolのDHN(1,5-ジヒドロナフタレン)とを、添加し、混合液を調製する。混合液を加熱して70℃の反応温度に保持し、回転数50rpmで6時間の反応時間に亘って撹拌しつつ、TMTAとDHNとを付加縮合反応させることで、セルロースナノファイバーの表面に、芳香族ポリマーであるナフトオキサジン(TMTA-DHNポリマー)を形成して、実施例11のポリマー複合セルロースを得た。そして、得られたポリマー複合セルロースを、後処理として、水、エタノールおよびメタノールで洗浄した後、減圧乾燥する。
(Example 11)
Ethanol was added to a cellulose aqueous dispersion containing 6.0 g of cellulose nanofibers, and centrifugation was performed to replace the water with ethanol, yielding 500 ml of cellulose ethanol dispersion. 10 mmol of TMTA (1,3,5-trimethylhexahydro-1,3,5-triazinane) and 10 mmol of DHN (1,5-dihydronaphthalene) were added to the cellulose ethanol dispersion to prepare a mixture. The mixture was heated and maintained at a reaction temperature of 70°C, and while stirring at 50 rpm for 6 hours, TMTA and DHN were subjected to an addition-condensation reaction to form naphthoxazine (TMTA-DHN polymer), an aromatic polymer, on the surface of the cellulose nanofibers, yielding the polymer composite cellulose of Example 11. The obtained polymer composite cellulose was then washed with water, ethanol, and methanol as a post-treatment, and then dried under reduced pressure.

(比較例1)
100mlの水と100mlのエタノールとからなる混合溶媒中に、ろ紙を入れる。ろ紙入りの溶媒に、2mmolのTMTA(1,3,5-トリメチルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジナン)と、2mmolの1,5-DHN(1,5-ジヒドロナフタレン)とを添加し、混合液を調製する。混合液を加熱して70℃の反応温度に保持し、回転数50rpmで6時間の反応時間に亘って撹拌しつつ、TMTAとDHNとを付加縮合反応させることで、ろ紙を構成する繊維(セルロース)の表面に、ナフトオキサジンの形成を図った比較例1のろ紙を得た。そして、比較例1のろ紙を、後処理として、水、エタノールおよびメタノールで洗浄した後、減圧乾燥する。
(Comparative Example 1)
A filter paper is placed in a mixed solvent consisting of 100 ml of water and 100 ml of ethanol. Two mmol of TMTA (1,3,5-trimethylhexahydro-1,3,5-triazinane) and two mmol of 1,5-DHN (1,5-dihydronaphthalene) are added to the solvent containing the filter paper to prepare a mixture. The mixture is heated and maintained at a reaction temperature of 70°C, and while stirring at a rotation speed of 50 rpm for a reaction time of 6 hours, the TMTA and DHN undergo an addition-condensation reaction to form naphthoxazine on the surface of the fibers (cellulose) constituting the filter paper, thereby obtaining the filter paper of Comparative Example 1. The filter paper of Comparative Example 1 is then washed with water, ethanol, and methanol as a post-treatment, and then dried under reduced pressure.

実施例4及び実施例11のポリマー複合セルロースとp比較例1のろ紙とについて、赤外吸収スペクトルをフーリエ変換型赤外分光装置で測定した。別途、エタノールのみからなる溶媒において、反応温度70℃で、反応時間24時間の条件にて、TMTAとDHNとを反応させることで、TMTA-DHNポリマー粒子を調製し、このTMTA-DHNポリマー粒子について、赤外吸収スペクトルをフーリエ変換型赤外分光装置で測定した。また、実施例1~10で用いたろ紙及び実施例11で用いたCNFについても、赤外吸収スペクトルをフーリエ変換型赤外分光装置で測定した。なお、赤外分光装置としては、日本分光(株)製の製品名FT/IR-6300を用いた。その結果を図2に示す。 The infrared absorption spectra of the polymer composite cellulose from Examples 4 and 11, and the filter paper from Comparative Example 1, were measured using a Fourier transform infrared spectrometer. Separately, TMTA-DHN polymer particles were prepared by reacting TMTA and DHN in a solvent consisting only of ethanol at a reaction temperature of 70°C for 24 hours. The infrared absorption spectra of these TMTA-DHN polymer particles were measured using a Fourier transform infrared spectrometer. Furthermore, the infrared absorption spectra of the filter paper used in Examples 1-10 and the CNF used in Example 11 were also measured using a Fourier transform infrared spectrometer. The infrared spectrometer used was a FT/IR-6300 manufactured by JASCO Corporation. The results are shown in Figure 2.

図2に示すように、実施例4及び実施例11の赤外吸収スペクトルの測定結果は、1602cm-1に芳香族C=C伸縮振動の吸収が出現すると共に、1502cm-1に環状アミンのCH変角振動の吸収が出現している。TMTA-DHNポリマー粒子のスペクトルの1602cm-1及び1502cm-1に出現する吸収と、実施例4及び実施例11の前述の吸収とが、一致することから、実施例4においてろ紙を構成する繊維にTMTA-DHNポリマーが付着しており、同様に実施例11においてCNFにTMTA-DHNポリマーが付着していることが判る。なお、ポリマー付与処理を行っていないろ紙やCNFについては、1602cm-1及び1502cm-1に吸収が出現していない。 As shown in Figure 2, the infrared absorption spectra of Examples 4 and 11 show that an absorption of aromatic C=C stretching vibration appears at 1602 cm⁻¹ , and an absorption of cyclic amine CH bending vibration appears at 1502 cm⁻¹ . The absorptions appearing at 1602 cm⁻¹ and 1502 cm⁻¹ in the spectra of TMTA-DHN polymer particles match the aforementioned absorptions of Examples 4 and 11. This indicates that in Example 4, the TMTA-DHN polymer is attached to the fibers constituting the filter paper, and similarly, in Example 11, the TMTA-DHN polymer is attached to the CNF. Note that no absorptions appear at 1602 cm⁻¹ and 1502 cm⁻¹ for filter paper and CNF that have not undergone polymer application treatment.

図2に示すように、エタノールのみの溶媒を用いた実施例4や実施例11と異なり、水とエタノールとの混合溶媒を用いた比較例1は、1602cm-1及び1502cm-1に吸収が出現していない。すなわち、比較例1では、ろ紙を構成するセルロースにTMTA-DHNポリマーが付着していないことが判る。比較例1のように、反応溶媒中に水が存在すると、TMTA及びDHNの反応が早く起こり、TMTA-DHNポリマーがろ紙の表面に分配されないと考えられる。このことから、溶媒中にTMTA-DHNポリマーが分散してしまい、TMTA-DHNポリマーがろ紙に付き難くなっていると推測される。 As shown in Figure 2, unlike Examples 4 and 11 which used ethanol as the solvent, Comparative Example 1, which used a mixed solvent of water and ethanol, did not show absorption at 1602 cm⁻¹ and 1502 cm⁻¹ . In other words, in Comparative Example 1, it can be seen that the TMTA-DHN polymer did not adhere to the cellulose constituting the filter paper. It is thought that when water is present in the reaction solvent, as in Comparative Example 1, the reaction between TMTA and DHN occurs quickly, and the TMTA-DHN polymer is not distributed to the surface of the filter paper. From this, it is inferred that the TMTA-DHN polymer is dispersed in the solvent, making it difficult for the TMTA-DHN polymer to adhere to the filter paper.

実施例4の調製において、混合液は反応時間とともに、徐々に茶色から緑色に変化し、6時間後には深緑色に変化した。6時間後に得られた実施例4のろ紙は、混合液の色と同様に深緑色に変化している(図3参照)。これに対して、比較例1の調製では、混合液は直ちに赤色に変色し、深緑色に変化したが、6時間経ってもろ紙の着色は起こらず、図5に示すポリマー付与処理前のろ紙と変わりの無い白色のままとなっている(図4参照)。このことからも、比較例1では、ろ紙を構成するセルロースにTMTA-DHNポリマーが付着していないことが判る。 In the preparation of Example 4, the mixture gradually changed from brown to green over time, and after 6 hours, it turned dark green. The filter paper obtained after 6 hours in Example 4 had also changed to a dark green color, similar to the color of the mixture (see Figure 3). In contrast, in the preparation of Comparative Example 1, the mixture immediately changed to red and then to dark green, but even after 6 hours, the filter paper did not change color and remained white, indistinguishable from the filter paper before polymer application shown in Figure 5 (see Figure 4). This also indicates that in Comparative Example 1, the TMTA-DHN polymer did not adhere to the cellulose constituting the filter paper.

図6は、反応時間を6時間に設定し、溶媒やモノマーの量を同じにした条件で、反応温度を変えた場合を示している。図6に示すように、反応温度を高くするほど、TMTA-DHNポリマーがろ紙を構成するセルロースに付き易いことが判る。特に、図6の結果によれば、反応温度は、60℃以上とすることが好ましく、70℃以上にすることがより好ましい。なお、反応温度を低く設定しても、反応時間を長くすることで、TMTA-DHNポリマーをセルロースに付着させることができる。 Figure 6 shows the results when the reaction temperature is varied under the same conditions, with the reaction time set to 6 hours and the amounts of solvent and monomer remaining the same. As shown in Figure 6, it can be seen that the higher the reaction temperature, the easier it is for the TMTA-DHN polymer to adhere to the cellulose constituting the filter paper. In particular, according to the results in Figure 6, a reaction temperature of 60°C or higher is preferable, and 70°C or higher is more preferable. Note that even with a lower reaction temperature, the TMTA-DHN polymer can be adhered to the cellulose by increasing the reaction time.

図7は、反応温度を70℃に設定し、溶媒やモノマーの量を同じにした条件で、反応時間を変えた場合を示している。図7に示すように、反応時間が長くなるほど、TMTA-DHNポリマーがろ紙を構成するセルロースに付くことが判る。特に、図7の結果によれば、反応時間は、6時間以上とすることが好ましく、12時間以上にすることがより好まく、24時間以上とすることが更に好ましい。なお、反応時間を短く設定しても、反応温度を高く設定することで、TMTA-DHNポリマーをセルロースに付着させることができる。 Figure 7 shows the results when the reaction temperature is set to 70°C and the amounts of solvent and monomer are kept the same, but the reaction time is varied. As shown in Figure 7, it can be seen that the longer the reaction time, the more the TMTA-DHN polymer adheres to the cellulose constituting the filter paper. In particular, according to the results in Figure 7, a reaction time of 6 hours or more is preferable, 12 hours or more is more preferable, and 24 hours or more is even more preferable. Note that even with a shorter reaction time, the TMTA-DHN polymer can be adhered to the cellulose by setting a higher reaction temperature.

図8及び図9は、ポリマー付与処理を行った実施例11のポリマー複合セルロースの表面を観察した電子顕微鏡写真である。図10及び図11は、実施例11で用いたCNFの表面を観察した電子顕微鏡写真である。図10及び図11に示すように、ポリマー付与処理を行っていないCNFの表面は平滑である。これに対して、図8及び図9に示すように、実施例11は、TMTA-DHNポリマーによりCNFが完全に被覆されていることが判る。また、実施例11において、TMTA-DHNポリマーにおける互いに接する部分が融着しており、TMTA-DHNポリマーが繋がってネットワークを形成し、得られたポリマー複合セルロースが網状構造になっていることが判る。実施例11のTMTA-DHNポリマーは、粒状に隆起した部分を有しており、複数の隆起部分が珠のように連なった連珠形状になっている。なお、本開示では、電子顕微鏡として、電解放射型走査型電子顕微鏡((株)日立ハイテクノロジーズ製、型番SU8000)を用いている。 Figures 8 and 9 are electron microscope images of the surface of the polymer-composite cellulose of Example 11, which underwent polymer-conjugation treatment. Figures 10 and 11 are electron microscope images of the surface of the CNF used in Example 11. As shown in Figures 10 and 11, the surface of the CNF that has not undergone polymer-conjugation treatment is smooth. In contrast, as shown in Figures 8 and 9, it can be seen that in Example 11, the CNF is completely coated with the TMTA-DHN polymer. Furthermore, in Example 11, it can be seen that the parts of the TMTA-DHN polymer that are in contact with each other are fused together, and the TMTA-DHN polymers are connected to form a network, resulting in a reticular structure for the resulting polymer-composite cellulose. The TMTA-DHN polymer in Example 11 has granular raised portions, and multiple raised portions are linked together in a bead-like shape. In this disclosure, an electrolytic emission scanning electron microscope (Hitachi High-Technologies Corporation, model SU8000) was used as the electron microscope.

エタノールのみからなる溶媒において、反応温度70℃で、反応時間24時間の条件にて、TMTAとDHNとを反応させることで、試験例1のTMTA-DHNポリマー粒子を得た。比較例1と同様に水とエタノールとの混合溶媒において、反応温度70℃で、反応時間24時間の条件にて、TMTAとDHNとを反応させることで、試験例2のTMTA-DHNポリマー粒子を得た。そして、実施例11のポリマー複合セルロース、試験例1のTMTA-DHNポリマー、試験例2のTMTA-DHNポリマー及びCNFのそれぞれについて、示差走査熱量測定(DSC)を行った。示差走査熱量測定は、窒素気流中において、温度を2℃/分で上昇させるように変化させながら,試料と基準物質の温度差を検出し、ヒートフローに換算した。示差走査熱量測定の結果を、図12及び図13に示す。 In a solvent consisting solely of ethanol, TMTA and DHN were reacted at a reaction temperature of 70°C for 24 hours to obtain TMTA-DHN polymer particles of Test Example 1. Similarly to Comparative Example 1, TMTA and DHN were reacted in a mixed solvent of water and ethanol at a reaction temperature of 70°C for 24 hours to obtain TMTA-DHN polymer particles of Test Example 2. Differential scanning calorimetry (DSC) was then performed on the polymer composite cellulose of Example 11, the TMTA-DHN polymer of Test Example 1, the TMTA-DHN polymer of Test Example 2, and CNF. In differential scanning calorimetry, the temperature difference between the sample and the reference substance was detected while increasing the temperature at a rate of 2°C/min in a nitrogen stream, and this difference was converted to heat flow. The results of the differential scanning calorimetry are shown in Figures 12 and 13.

図12(a)に示すように、試験例1のTMTA-DHNポリマーは、発熱ピークを有しており、TMTA-DHNポリマーにおいて架橋が生じていることが示されている(古川ら, 日本接着学会, pp. 89-96, Vol. 43, No.3 2007)。このように、水を含まないエタノールのみからなる溶媒において、TMTAとDHNとを反応させることで、架橋構造を有するTMTA-DHNポリマーが得られることが判る。図12(b)に示すように、実施例11のポリマー複合セルロースは、図12(a)に示す試験例1のTMTA-DHNポリマーと同様の発熱ピークを有していることから、実施例11においてCNFを被覆するTMTA-DHNポリマーが架橋構造になっていることが判る。 As shown in Figure 12(a), the TMTA-DHN polymer in Test Example 1 exhibits an exothermic peak, indicating that crosslinking has occurred in the TMTA-DHN polymer (Furukawa et al., Adhesion Society of Japan, pp. 89-96, Vol. 43, No. 3 2007). Thus, it can be seen that a TMTA-DHN polymer with a crosslinked structure can be obtained by reacting TMTA and DHN in a solvent consisting only of ethanol without water. As shown in Figure 12(b), the polymer composite cellulose in Example 11 exhibits an exothermic peak similar to that of the TMTA-DHN polymer in Test Example 1 shown in Figure 12(a), indicating that the TMTA-DHN polymer coating the CNF in Example 11 has a crosslinked structure.

水とエタノールとの混合溶媒において、TMTAとDHNとを反応させた試験例2のTMTA-DHNポリマーは、図13(b)に示すように、発熱ピークを有していないことから、架橋構造を有していないことが判る。なお、図12(b)及び図13(c)のCNFの測定結果によれば、発熱ピークがCNFに由来するものではないことが判る。このように、水を含まない溶媒において、モノマーを反応させることで、ポリマー複合セルロースにおいて、芳香族ポリマーを架橋構造にできることが判る。 In Test Example 2, where TMTA and DHN were reacted in a mixed solvent of water and ethanol, the TMTA-DHN polymer did not exhibit an exothermic peak, as shown in Figure 13(b), indicating that it did not have a crosslinked structure. Furthermore, the CNF measurement results in Figures 12(b) and 13(c) show that the exothermic peak was not due to CNF. Thus, it is evident that by reacting monomers in a water-free solvent, a crosslinked structure of aromatic polymers can be formed in polymer-compound cellulose.

ヘキサン及び水を1:1で混合した液に、実施例11で用いたCNFを0.5wt%になるように添加したCNF分散液を調製した。ヘキサン及び水を1:1で混合した液に、実施例11のポリマー複合セルロースを0.5wt%になるように添加したポリマー複合セルロース分散液を調製した。図14(a)に示すように、CNF分散液では、試験液の下側に分離している水に、CNFが分散している。これに対して、図14(b)に示すように、ポリマー複合セルロース分散液では、試験液の上側に分離しているヘキサンに、ポリマー複合セルロースが分散している。このように、実施例11のポリマー複合セルロースは、親水性ではなく、疎水性であることが判る。 A CNF dispersion was prepared by mixing hexane and water in a 1:1 ratio and adding the CNF used in Example 11 to a concentration of 0.5 wt%. A polymer composite cellulose dispersion was also prepared by mixing hexane and water in a 1:1 ratio and adding the polymer composite cellulose from Example 11 to a concentration of 0.5 wt%. As shown in Figure 14(a), in the CNF dispersion, the CNF is dispersed in the water separated at the bottom of the test solution. In contrast, as shown in Figure 14(b), in the polymer composite cellulose dispersion, the polymer composite cellulose is dispersed in the hexane separated at the top of the test solution. Thus, it can be seen that the polymer composite cellulose of Example 11 is hydrophobic, not hydrophilic.

試験管において、実施例11で用いたCNFを2.4wt%になるように、水に添加したCNF水分散体を調製した。実施例11のポリマー複合セルロースを2.4wt%になるように、水に添加したポリマー複合セルロース水分散体を調製した。試験管において、CNF水分散体及びポリマー複合セルロース水分散体を凍結乾燥した。図15に示すように、ポリマー複合セルロースは、試験管の内形状に倣った筒状で成形されており、型崩れや収縮が生じていないことが判る。これに対して、図15に示すように、CNFは、試験管の内形状から型崩れしており、また収縮が生じている。実施例11のポリマー複合セルロースは、CNFと比べて、強度が向上していることが判る。 In a test tube, a CNF aqueous dispersion was prepared by adding 2.4 wt% of the CNF used in Example 11 to water. A polymer-compound cellulose aqueous dispersion was also prepared by adding 2.4 wt% of the polymer-compound cellulose from Example 11 to water. The CNF aqueous dispersion and the polymer-compound cellulose aqueous dispersion were freeze-dried in test tubes. As shown in Figure 15, the polymer-compound cellulose formed a cylindrical shape conforming to the internal shape of the test tube, and no deformation or shrinkage occurred. In contrast, as shown in Figure 15, the CNF deformed from the internal shape of the test tube and also shrunk. It can be seen that the polymer-compound cellulose from Example 11 has improved strength compared to CNF.

実施例11のポリマー複合セルロースと、実施例11で用いたCNFとについて、熱重量減少率を測定した。熱重量減少率試験は、試料を窒素ガスの雰囲気下において、10℃/分の加熱速度で、30℃~900℃まで昇温し、900℃に到達したら自然冷却した。各温度での試料の重量を測定し、出発の重量からの重量の減少率を算出した。その結果を図16に示す。 The thermal weight loss rate was measured for the polymer-compound cellulose of Example 11 and the CNF used in Example 11. In the thermal weight loss test, the sample was heated in a nitrogen gas atmosphere at a heating rate of 10°C/min from 30°C to 900°C, and then allowed to cool naturally once 900°C was reached. The weight of the sample was measured at each temperature, and the weight loss rate from the starting weight was calculated. The results are shown in Figure 16.

図16に示すように、実施例11のポリマー複合セルロースは、CNFよりも分解完了温度が高く、CNFよりも耐熱性が向上していることが判る。化学修飾による疎水化CNFは、一般的にCNFより10℃程度しか分解完了温度が向上しないのに対して、実施例11のポリマー複合セルロースは、CNFより26℃程度も分解完了温度が向上しており、耐熱性に優れているといえる。なお、実施例11のポリマー複合セルロースによれば、分解完了温度が高いことで、炭化処理した際に残渣カーボンの収率が向上し、後述する炭素繊維とする際に有利である。 As shown in Figure 16, the polymer-compound cellulose of Example 11 has a higher decomposition completion temperature and improved heat resistance compared to CNF. While chemically modified hydrophobic CNF generally only shows a decomposition completion temperature increase of about 10°C compared to CNF, the polymer-compound cellulose of Example 11 shows a decomposition completion temperature increase of about 26°C compared to CNF, demonstrating superior heat resistance. Furthermore, the higher decomposition completion temperature of the polymer-compound cellulose of Example 11 improves the yield of residual carbon during carbonization, which is advantageous when producing carbon fibers as described later.

(樹脂体)
実施例の樹脂体について説明する。実施例の樹脂体は、実施例11のポリマー複合セルロースと、樹脂としてポリプロピレン(PP)とを含んでいる。ポリプロピレン粒子(平均粒子径500μm)と、実施例11のポリマー複合セルロースとを、水に入れて、分散液を調製する。ここで、実施例11のポリマー複合セルロースが、ポリプロピレン粒子に対して0.4wt%になるように配合している。分散液を振とう機で振って、ポリプロピレン粒子とポリマー複合セルロースとを混合することで、ポリプロピレン粒子の表面にポリマー複合セルロースを吸着させる。目幅500μmのメッシュで篩いにかけて、ポリプロピレン粒子に吸着していないポリマー複合セルロースを除去して、表面にポリマー複合セルロースが吸着したポリプロピレン粒子を回収して乾燥する。ポリマー複合セルロースが吸着したポリプロピレン粒子(2.3g)を、熱プレス型にセットし、20MPaの圧力を加えて155℃で5分間のプレプレスを行い、20MPaの圧力を加えて200℃で3分間のプレスを行う。これにより、縦横50mmで厚さ1mmのフィルム状である実施例の樹脂体を得た。
(Resin body)
The resin body of the example will now be described. The resin body of the example contains the polymer composite cellulose of Example 11 and polypropylene (PP) as the resin. A dispersion is prepared by adding polypropylene particles (average particle size 500 μm) and the polymer composite cellulose of Example 11 to water. Here, the polymer composite cellulose of Example 11 is blended to be 0.4 wt% relative to the polypropylene particles. The dispersion is shaken with a shaker to mix the polypropylene particles and the polymer composite cellulose, thereby adsorbing the polymer composite cellulose onto the surface of the polypropylene particles. The mixture is sieved through a mesh with a mesh size of 500 μm to remove the polymer composite cellulose that has not been adsorbed onto the polypropylene particles, and the polypropylene particles with polymer composite cellulose adsorbed on their surface are collected and dried. The polypropylene particles with adsorbed polymer composite cellulose (2.3 g) are set in a hot press mold, pre-pressed at 155°C for 5 minutes with a pressure of 20 MPa, and then pressed at 200°C for 3 minutes with a pressure of 20 MPa. This resulted in obtaining the resin body of the embodiment, which is in the form of a film with dimensions of 50 mm in length and width and 1 mm in thickness.

実施例、比較例及び参考例樹脂体の成形に用いた熱プレス型は、金属板の上にポリイミドシートを敷き、中央部にステンレス製のスペーサーを置き、その上にポリイミドシートをのせて、更にその上に金属板をのせた構造になっている。そして、スペーサー内にのせたポリプロピレン粒子を圧縮成形している。 Examples, Comparative Examples, and Reference Examples: The hot press mold used for molding the resin body has a structure in which a polyimide sheet is laid on a metal plate, a stainless steel spacer is placed in the center, another polyimide sheet is placed on top of the spacer, and then a metal plate is placed on top of that. Polypropylene particles placed within the spacer are then compressed and molded.

実施例11で用いたCNFを用いて、比較例の樹脂体を成形した。ポリプロピレン粒子(平均粒子径500μm)と、CNF(ポリマー付与処理なし)とを、水に入れて、分散液を調製する。ここで、CNFが、ポリプロピレン粒子に対して0.4wt%になるように配合している。分散液を振とう機で振って、ポリプロピレン粒子とCNFとを混合することで、ポリプロピレン粒子の表面にCNFを吸着させる。目幅500μmのメッシュで篩いにかけて、ポリプロピレン粒子に吸着していないCNFを除去して、表面にCNFが吸着したポリプロピレン粒子を回収して乾燥する。CNFが吸着したポリプロピレン粒子(2.3g)を、熱プレス型にセットし、20MPaの圧力を加えて155℃で5分間のプレプレスを行い、20MPaの圧力を加えて200℃で3分間のプレスを行う。これにより、縦横50mmで厚さ1mmのフィルム状である比較例の樹脂体を得た。 The comparative example resin was molded using the CNF used in Example 11. A dispersion was prepared by adding polypropylene particles (average particle size 500 μm) and CNF (without polymer-adding treatment) to water. The CNF was blended at a concentration of 0.4 wt% relative to the polypropylene particles. The dispersion was shaken to mix the polypropylene particles and CNF, causing the CNF to adsorb onto the surface of the polypropylene particles. The mixture was then sieved through a 500 μm mesh to remove any CNF not adsorbed onto the polypropylene particles. The polypropylene particles with adsorbed CNF were collected and dried. The CNF-adsorbed polypropylene particles (2.3 g) were placed in a hot press mold, pre-pressed at 155°C for 5 minutes under a pressure of 20 MPa, and then pressed at 200°C for 3 minutes under a pressure of 20 MPa. This yielded the comparative example resin, which was a film with dimensions of 50 mm x 50 mm and a thickness of 1 mm.

実施例及び比較例と同じポリプロピレン粒子(2.3g)を、熱プレス型にセットし、20MPaの圧力を加えて155℃で5分間のプレプレスを行い、20MPaの圧力を加えて200℃で3分間のプレスを行う。これにより、縦横50mmで厚さ1mmのフィルム状である参考例の樹脂体を得た。 The same polypropylene particles (2.3 g) as in the examples and comparative examples were placed in a hot press mold, pre-pressed at 155°C for 5 minutes under a pressure of 20 MPa, and then pressed at 200°C for 3 minutes under a pressure of 20 MPa. This yielded a reference example resin body in the form of a film with dimensions of 50 mm in length and width and 1 mm in thickness.

図18に示すように、ポリプロピレン粒子の表面に、ポリマー複合セルロースが吸着していることが、図22と比べると判る。図18に示すポリマー複合セルロースは、ポリプロピレン粒子にCNFを吸着させた図20と比べて、ポリプロピレン粒子への吸着量が多いことが判る。ポリマー複合セルロースにおいて、CNFの表面に芳香族ポリマーであるTMTA-DHNポリマーが存在していることで、CNFだけの場合よりもポリプロピレン粒子への親和性が向上していることに起因する。 As shown in Figure 18, it can be seen, compared to Figure 22, that polymer-compound cellulose is adsorbed onto the surface of the polypropylene particles. The amount of polymer-compound cellulose adsorbed onto the polypropylene particles is greater in Figure 18 compared to Figure 20, where CNF is adsorbed onto the polypropylene particles. This is because the presence of the aromatic polymer TMTA-DHN polymer on the surface of the CNF in the polymer-compound cellulose improves its affinity to the polypropylene particles compared to the case of CNF alone.

図23に示すように、表面にポリマー複合セルロースが吸着したポリプロピレン粒子を圧縮成形することで、ポリプロピレン粒子の表面に吸着していたポリマー複合セルロースが、潰れたポリプロピレン粒子の間に配置される。これにより、ポリマー複合セルロースがポリプロピレン中にネットワークを形成すると考えられる。 As shown in Figure 23, when polypropylene particles with polymer composite cellulose adsorbed on their surface are compressed and molded, the polymer composite cellulose adsorbed on the surface of the polypropylene particles is positioned between the crushed polypropylene particles. This is thought to cause the polymer composite cellulose to form a network within the polypropylene.

実施例、比較例及び参考例の樹脂体のそれぞれについて、横50mmで縦10mmの試験片を作成し、曲げ強度を測定した。曲げ強度は、試験片における横方向に32mmの間隔をあけた地点を支持し、試験片における支持地点の横方向中央部を、1.0mm/minの速度で荷重を加えて測定した。図24に、曲げひずみ(横軸)と応力(縦軸)との関係を示す。 For each of the resin bodies in the examples, comparative examples, and reference examples, test specimens measuring 50 mm horizontally and 10 mm vertically were prepared, and their bending strength was measured. Bending strength was measured by supporting the test specimen at points 32 mm apart horizontally, and applying a load at a speed of 1.0 mm/min to the horizontal center of the support points. Figure 24 shows the relationship between bending strain (horizontal axis) and stress (vertical axis).

図24に示すように、ポリマー複合セルロースを含む実施例の樹脂体は、CNFを含む比較例やPPのみの参考例と比べて、曲げ強度が向上していることが判る。実施例の樹脂体は、ポリプロピレン粒子に対してポリマー複合セルロースが0.4wt%である少量の配合であることに関わらず、比較例や参考例よりも約1.1倍の強度が向上していることが確認された。 As shown in Figure 24, the resin body of the example containing polymer-compound cellulose shows improved flexural strength compared to the comparative example containing CNF and the reference example containing only PP. Despite the small amount of polymer-compound cellulose (0.4 wt%) relative to the polypropylene particles, the resin body of the example showed approximately 1.1 times greater strength than the comparative example and the reference example.

(炭素繊維)
実施例の炭素繊維は、実施例11のポリマー複合セルロースを炭化処理して製造した。まず、実施例11のポリマー複合セルロースを加熱炉に入れて、加熱炉内部の空気を吸引しながら200℃で3時間加熱した。次に、加熱炉において窒素ガスの雰囲気下で、900℃になるまで焼結することで炭素化処理を行い、その後自然冷却した。比較例の炭素繊維は、実施例11で用いたCNFを炭化処理して製造した。まずCNFを加熱炉に入れて、加熱炉内部の空気を吸引しながら200℃で3時間加熱した。次に、加熱炉において窒素ガスの雰囲気下で、900℃になるまで焼結することで炭素化処理を行い、その後自然冷却した。
(Carbon fiber)
The carbon fibers in the example were produced by carbonizing the polymer composite cellulose of Example 11. First, the polymer composite cellulose of Example 11 was placed in a heating furnace and heated at 200°C for 3 hours while the air inside the furnace was sucked out. Next, carbonization treatment was performed by sintering in the heating furnace under a nitrogen gas atmosphere until it reached 900°C, and then it was allowed to cool naturally. The carbon fibers in the comparative example were produced by carbonizing the CNF used in Example 11. First, the CNF was placed in a heating furnace and heated at 200°C for 3 hours while the air inside the furnace was sucked out. Next, carbonization treatment was performed by sintering in the heating furnace under a nitrogen gas atmosphere until it reached 900°C, and then it was allowed to cool naturally.

図25~図27に示すように、実施例の炭素繊維は、図8及び図9に示す焼成前のポリマー複合セルロースと同様の繊維形状を保っていることが判る。図8及び図9に示す焼成前のポリマー複合セルロースの繊維幅が10nm程度であり、得られた実施例の炭素繊維の繊維幅も10nm程度である。すなわち、実施例の炭素繊維は、焼成前のポリマー複合セルロースと同様の繊維幅で形成することができる。 As shown in Figures 25 to 27, the carbon fibers of the example maintain a fiber shape similar to that of the unfired polymer composite cellulose shown in Figures 8 and 9. The fiber width of the unfired polymer composite cellulose shown in Figures 8 and 9 is approximately 10 nm, and the fiber width of the obtained carbon fibers of the example is also approximately 10 nm. In other words, the carbon fibers of the example can be formed with a fiber width similar to that of the unfired polymer composite cellulose.

図25~図27に示すように、実施例の炭素繊維は、芳香族ポリマーであるTMTA-DHNポリマーでCNFが補強されて耐熱性が向上したポリマー複合セルロースを原料とすることで、繊維形状を保っていることが判る。また、耐熱性に優れたポリマー複合セルロースを原料とすることで、得られる炭素繊維の収率を向上することができる。図28及び図29に示すように、CNFを焼成した比較例の炭素繊維は、CNF同士の癒着が起こり、CNF単体では繊維形状の維持が難しいことが判る。 As shown in Figures 25 to 27, the carbon fibers in the examples maintain their fiber shape because they are made from polymer-compound cellulose, which is reinforced with the aromatic polymer TMTA-DHN polymer to improve heat resistance. Furthermore, using polymer-compound cellulose with excellent heat resistance as the raw material improves the yield of the resulting carbon fibers. As shown in Figures 28 and 29, the carbon fibers in the comparative example, where CNF was calcined, show adhesion between the CNF fibers, indicating that maintaining the fiber shape is difficult with CNF alone.

Claims (8)

セルロース類と、
前記セルロース類の表面に付着した芳香族ポリマーと、を有するポリマー複合セルロースであって、
前記芳香族ポリマーは、何れも架橋構造を有する以下の化学式1のベンゾオキサジン樹脂又は以下の化学式2のナフトオキサジン樹脂であり、
前記ポリマー複合セルロースは、疎水性である
ことを特徴とするポリマー複合セルロース。
上記化学式1および化学式2において、R は、水素または炭化水素を指す。
Celluloses and,
A polymer composite cellulose having an aromatic polymer attached to the surface of the cellulose,
The aforementioned aromatic polymer is a benzoxazine resin of the following chemical formula 1 or a naphthoxazine resin of the following chemical formula 2, all of which have a cross-linked structure.
The polymer composite cellulose is characterized by being hydrophobic.
In the above chemical formulas 1 and 2, R1 refers to hydrogen or hydrocarbons.
前記セルロース類が、前記芳香族ポリマーで被覆されている請求項1記載のポリマー複合セルロース。 The polymer-composite cellulose according to claim 1, wherein the cellulose is coated with the aromatic polymer. 繊維状の前記セルロース類の表面に付着した前記芳香族ポリマーで繋がって、前記ポリマー複合セルロースが網状構造になっている請求項1記載のポリマー複合セルロース。 The polymer-composite cellulose according to claim 1, wherein the polymer-composite cellulose has a network structure, with the aromatic polymer attached to the surface of the fibrous celluloses connecting them. 繊維状の前記セルロース類の表面に付着した前記芳香族ポリマーで繋がって、前記ポリマー複合セルロースが網状構造になっている請求項2記載のポリマー複合セルロース。 The polymer-composite cellulose according to claim 2, wherein the polymer-composite cellulose has a network structure, with the aromatic polymer attached to the surface of the fibrous celluloses connecting them. 水を含まない溶媒に、セルロース類、環状アミン及び芳香族炭化水素類を分散して混合液を調製し、
前記混合液を加熱することで、前記環状アミンと前記芳香族炭化水素類とを反応させて芳香族ポリマーを形成し、
繊維状の前記セルロース類の表面に、前記芳香族ポリマーを付着させるポリマー複合セルロースの製造方法であって、
前記芳香族ポリマーは、以下の化学式1のベンゾオキサジン樹脂又は以下の化学式2のナフトオキサジン樹脂である
ことを特徴とするポリマー複合セルロースの製造方法。
上記化学式1および化学式2において、R は、水素または炭化水素を指す。
A mixture is prepared by dispersing cellulose, cyclic amines, and aromatic hydrocarbons in a water-free solvent.
By heating the aforementioned mixture, the cyclic amine and the aromatic hydrocarbons react to form an aromatic polymer.
A method for producing polymer-composite cellulose, comprising attaching the aromatic polymer to the surface of fibrous cellulose,
A method for producing polymer-compound cellulose, characterized in that the aromatic polymer is a benzoxazine resin of the following chemical formula 1 or a naphthoxazine resin of the following chemical formula 2.
In the above chemical formulas 1 and 2, R1 refers to hydrogen or hydrocarbons.
前記溶媒が、アルコール類である請求項5記載のポリマー複合セルロースの製造方法。 The method for producing polymer-compound cellulose according to claim 5, wherein the solvent is an alcohol. 請求項1~4の何れか一項に記載のポリマー複合セルロースと、合成樹脂と、を含む樹脂体。 A resin body comprising a polymer-composite cellulose according to any one of claims 1 to 4, and a synthetic resin. 請求項1~4の何れか一項に記載のポリマー複合セルロースの炭化処理物である炭素繊維。
A carbon fiber which is a carbonized polymer composite cellulose according to any one of claims 1 to 4.
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