JP7850563B2 - Method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion, and method for producing a resin composition - Google Patents
Method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion, and method for producing a resin compositionInfo
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Description
本発明は、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の製造方法、及び樹脂組成物の製造方法に関する。 This invention relates to a method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion and a method for producing a resin composition.
熱可塑性樹脂は、軽く、加工特性に優れるため、自動車部材、電気・電子部材、事務機器ハウジング、精密部品等の多方面に広く使用されているが、樹脂単体では、機械特性、寸法安定性等が不十分である場合が多いことから、樹脂と各種フィラーとをコンポジットしたものが一般的に用いられている。近年、このようなフィラーとして、セルロース繊維等の有機繊維を使用することが検討されている。セルロースは、環境への負荷が少ない素材であること、低比重であること、及び樹脂組成物に対して優れた物性向上効果を有し得ることから、環境調和型の樹脂組成物のフィラーとして有望である。特に、セルロース微細繊維は、その微細構造に起因して少量でも樹脂組成物に対する優れた補強効果を示し得ることから、近年、樹脂組成物用のフィラーとしての利用が検討されている。セルロース微細繊維を製造する方法としては、固形分率の低い希薄な分散液をリファイナー、高圧ホモジナイザー等で処理する方法が一般に用いられる。希薄な分散液は、そのままの状態ではフィラーとして樹脂に混合することが難しいため濃縮する必要がある。しかし、セルロース微細繊維はセルロース分子間の水素結合等によって極めて凝集しやすく、過剰に濃縮すると再分散性が低下し、結果として樹脂中への均一分散が容易ではなくなってしまう。そこで、セルロース微細繊維に優れた補強効果を発現させつつ、当該セルロース微細繊維を樹脂中に良好に分散させた状態を実現するために、セルロース微細繊維の濃縮技術が種々提案されている。 Thermoplastic resins are lightweight and have excellent processing properties, making them widely used in various applications such as automotive components, electrical and electronic components, office equipment housings, and precision parts. However, since resins alone often have insufficient mechanical properties and dimensional stability, composite resins with various fillers are commonly used. In recent years, the use of organic fibers such as cellulose fibers as such fillers has been investigated. Cellulose is a promising filler for environmentally friendly resin compositions because it is an environmentally friendly material, has a low specific gravity, and can have an excellent effect on improving the physical properties of resin compositions. In particular, cellulose microfibers can show an excellent reinforcing effect on resin compositions even in small amounts due to their microstructure, and their use as a filler for resin compositions has been investigated in recent years. As a method for producing cellulose microfibers, a dilute dispersion with a low solid content is generally used, which involves processing it with a refiner, high-pressure homogenizer, etc. Since dilute dispersions are difficult to mix with resin as fillers in their original state, they need to be concentrated. However, cellulose microfibers are extremely prone to aggregation due to hydrogen bonding between cellulose molecules, and excessive concentration reduces their redispersibility, making uniform dispersion in the resin difficult. Therefore, various cellulose microfiber concentration techniques have been proposed to achieve good dispersion of these microfibers in the resin while simultaneously exhibiting excellent reinforcing effects.
例えば、特許文献1は、セルロース微細繊維の分散液に樹脂エマルジョンを添加して、セルロース微細繊維と樹脂の混合物として成形体を得て、前記成形体を粉砕して主材樹脂と溶融混練する方法を記載する。 For example, Patent Document 1 describes a method of obtaining a molded article as a mixture of cellulose microfibers and resin by adding a resin emulsion to a dispersion of cellulose microfibers, and then crushing the molded article and melt-kneading it with a main resin.
特許文献2は、化学変性したパルプの水分散液を2~10MPaの処理条件で圧搾して脱水する方法を記載する。 Patent document 2 describes a method for dewatering a chemically modified pulp aqueous dispersion by pressing it under processing conditions of 2 to 10 MPa.
セルロース微細繊維と樹脂とを混練する際には、セルロース微細繊維分散液の分散媒を除去する必要があるが、当該分散液は一般的に希薄であるため、セルロース微細繊維を大量に使用する工業プロセスでは、除去する分散媒の量も膨大であり、バッチ式のプロセスでは効率が非常に悪い。また、得られる濃縮物の固形分率がバッチごとに異なっていたり、同一バッチ内でも局所的に一部のセルロース微細繊維が高固形分率に濃縮されて不均一な状態になるという問題があった。このような固形分率のバラつきに起因して、フィラー強化樹脂用のフィラーとして使用した際の不良が発生し易く、従来の方法は大量生産に適した方法ではなかった。また、例えば製紙業界で広く用いられている抄紙プロセスは加熱乾燥工程を含むため、当該プロセスで得られる乾燥体は樹脂と混練されたときの再分散性に乏しく、フィラー強化樹脂用のフィラーとしての性能を発揮しにくいものであった。 When mixing cellulose microfibers with resin, it is necessary to remove the dispersion medium from the cellulose microfiber dispersion. However, since this dispersion is generally dilute, in industrial processes using large quantities of cellulose microfibers, the amount of dispersion medium to be removed is enormous, making batch processes extremely inefficient. Furthermore, there were problems with the solid content of the resulting concentrate varying from batch to batch, and even within the same batch, some cellulose microfibers were locally concentrated to a high solid content, resulting in a non-uniform state. Due to this variation in solid content, defects were likely to occur when used as a filler for filler-reinforced resins, making conventional methods unsuitable for mass production. Additionally, for example, the papermaking process widely used in the paper industry includes a heat drying step. The dried material obtained in this process has poor redispersibility when mixed with resin, making it difficult to exhibit its performance as a filler for filler-reinforced resins.
特許文献1には、セルロース微細繊維の分散液に樹脂エマルジョンを添加して、セルロース微細繊維と樹脂の混合物として抄紙を行い、濃縮されたセルロース微細繊維組成物を中間体として得る製造方法が記載されている。しかし、樹脂エマルジョンの性状や抄紙機の目の粗さによっては、添加した樹脂エマルジョンが100%利用されず、廃水に含まれて排出され、産業廃棄物として処分する際のエネルギー消費が大きくなることが考えられる。したがって、上記技術は、コストと環境負荷の観点から工業プロセスとして好適であるとは言えない。 Patent Document 1 describes a manufacturing method in which a resin emulsion is added to a dispersion of cellulose microfibers, and papermaking is performed using a mixture of cellulose microfibers and resin to obtain a concentrated cellulose microfiber composition as an intermediate. However, depending on the properties of the resin emulsion and the coarseness of the papermaking machine, the added resin emulsion may not be 100% utilized and may be discharged in wastewater, potentially leading to increased energy consumption when disposing of it as industrial waste. Therefore, the above technology cannot be considered suitable as an industrial process from the standpoint of cost and environmental impact.
一方、特許文献2には、加圧によって化学変性パルプの分散液を脱水する方法が記載されているが、加圧方式は連続式プロセスとするのが難しい。セルロース微細繊維組成物はパルプに比べてフィルターの目詰まりを起こし易く、加圧方式では工程初期に形成されたケーク層が緻密に圧縮される。これにより、上記技術では、固形分率の異なる生成物がバッチ内で混在するという問題が生じ易い。 On the other hand, Patent Document 2 describes a method for dewatering a dispersion of chemically modified pulp by pressurization, but the pressurization method is difficult to implement as a continuous process. Cellulose microfiber compositions are more prone to filter clogging than pulp, and in the pressurization method, the cake layer formed in the early stages of the process is densely compressed. As a result, the above technology is prone to the problem of products with different solid content ratios being mixed within the batch.
本発明は上記課題を解決し、希薄なセルロース微細繊維分散液を用いる場合にも固形分率のばらつきが少ない濃縮物を低い環境負荷で製造できる、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の製造方法、及び当該濃縮物を用いる樹脂組成物の製造方法の提供を目的とする。 The present invention aims to solve the above problems and provide a method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion, and a method for producing a resin composition using said concentrate, which allows for the production of a concentrated concentrate with low environmental impact and minimal variation in solid content, even when using a dilute cellulose microfiber dispersion.
本開示は以下の態様を包含する。
[1] セルロース微細繊維分散液の濃縮物を製造する方法であって、
前記方法が、前記セルロース微細繊維分散液を脱液して前記濃縮物を得る濃縮工程を含み、
前記セルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維の平均繊維径が50~1000nmであり、
前記濃縮工程において、前記セルロース微細繊維分散液を1.0kg-DS/h以上、45.0kg-DS/h未満の処理速度で連続的に脱液し、
前記濃縮工程において、前記濃縮物の固形分率を10回サンプリングして測定したときに、前記固形分率の平均値が5質量%以上60質量%以下であり、且つ前記固形分率のCV値(標準偏差/平均値)0.001以上0.300以下である、
方法。
[2] 周速0.01m/sec以上6.00m/secで撹拌されたセルロース微細繊維分散液を前記濃縮工程に供給する、上記態様1に記載の方法。
[3] 前記濃縮工程を、80℃以下で行う、上記態様1又は2に記載の方法。
[4] 前記セルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維が、繊維長0.1mm未満の繊維を本数基準で70%以上含む、上記態様1~3のいずれかに記載の方法。
[5] 前記濃縮工程に供される前記セルロース微細繊維分散液において、不揮発成分の総含有率100質量%に対してセルロース微細繊維の含有率が75質量%以上である、上記態様1~4のいずれかに記載の方法。
[6] 前記セルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維が疎水性置換基で化学修飾されている、上記態様1~5のいずれかに記載の方法。
[7] 前記セルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維がアセチル基で化学修飾されている、上記態様1~6のいずれかに記載の方法。
[8] 前記濃縮工程に供されるセルロース微細繊維がコットンリンターを原料とする、上記態様1~7のいずれかに記載の方法。
[9] 上記態様1~8のいずれかに記載の方法でセルロース微細繊維分散液の濃縮物を生成する工程と、
前記濃縮物を乾燥させてセルロース微細繊維乾燥体を生成する工程と、
を含む、セルロース微細繊維乾燥体の製造方法。
[10] 上記態様1~8のいずれかに記載の方法でセルロース微細繊維分散液の濃縮物を生成し、又は上記態様9に記載の方法でセルロース微細繊維乾燥体を生成する工程と、
前記セルロース微細繊維分散液の濃縮物又は前記セルロース微細繊維乾燥体を熱可塑性樹脂と混合して樹脂組成物を生成する工程と、
を含む、樹脂組成物の製造方法。
This disclosure includes the following aspects:
[1] A method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion,
The method includes a concentration step of deliquing the cellulose fine fiber dispersion to obtain the concentrate,
The average fiber diameter of the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion is 50 to 1000 nm.
In the concentration step, the cellulose fine fiber dispersion is continuously deliquidated at a processing rate of 1.0 kg-DS/h or more and less than 45.0 kg-DS/h.
In the concentration step, when the solid content of the concentrate is sampled and measured 10 times, the average value of the solid content is 5% by mass or more and 60% by mass or less, and the CV value (standard deviation/mean value) of the solid content is 0.001 or more and 0.300 or less.
method.
[2] The method according to embodiment 1, wherein a cellulose fine fiber dispersion, which has been stirred at a peripheral speed of 0.01 m/sec to 6.00 m/sec, is supplied to the concentration step.
[3] The method according to embodiment 1 or 2 above, wherein the concentration step is carried out at 80°C or below.
[4] The method according to any one of embodiments 1 to 3, wherein the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion contain 70% or more of fibers with a fiber length of less than 0.1 mm, based on the number of fibers.
[5] The method according to any one of embodiments 1 to 4, wherein in the cellulose microfiber dispersion subjected to the concentration step, the content of cellulose microfibers is 75% by mass or more with respect to 100% by mass of the total content of nonvolatile components.
[6] The method according to any one of embodiments 1 to 5, wherein the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion are chemically modified with hydrophobic substituents.
[7] The method according to any one of embodiments 1 to 6, wherein the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion are chemically modified with acetyl groups.
[8] The method according to any one of embodiments 1 to 7, wherein the cellulose fine fibers subjected to the concentration step are made from cotton linters.
[9] A step of producing a concentrate of cellulose fine fiber dispersion by any of the methods described in any of embodiments 1 to 8 above,
A step of drying the aforementioned concentrate to produce a cellulose microfiber dry body,
A method for producing a dried cellulose microfiber body, including the above.
[10] A step of producing a concentrated cellulose microfiber dispersion by the method of any one of the above embodiments 1 to 8, or producing a dried cellulose microfiber by the method of the above embodiment 9,
A step of producing a resin composition by mixing a concentrate of the cellulose microfiber dispersion or the dried cellulose microfiber with a thermoplastic resin,
A method for producing a resin composition containing [the specified element].
本発明の一態様によれば、希薄なセルロース微細繊維分散液を用いる場合にも固形分率のばらつきが少ない濃縮物を低い環境負荷で製造できる、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の製造方法、及び当該濃縮物を用いる樹脂組成物の製造方法が提供され得る。 According to one aspect of the present invention, a method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion and a method for producing a resin composition using the concentrated cellulose microfiber are provided, which enable the production of a concentrated cellulose microfiber dispersion with low environmental impact, even when using a dilute cellulose microfiber dispersion, and produce a concentrated cellulose microfiber dispersion with low solid content variation.
以下、本発明の例示の実施の形態(以下、「本実施形態」と略記する。)について説明するが、本発明はこれら実施形態に何ら限定されない。なお本開示の特性値は、特記がない限り、本開示の[実施例]の項に記載される方法又はこれと同等であることが当業者に理解される方法で測定される値である。 The following describes exemplary embodiments of the present invention (hereinafter abbreviated as "Embodiments"), but the present invention is not limited to these embodiments. Unless otherwise specified, the characteristic values in this disclosure are those measured by the methods described in the "Examples" section of this disclosure or by methods that would be understood to those skilled in the art to be equivalent thereto.
≪セルロース微細繊維分散液の濃縮物の製造方法≫
本発明の一態様は、セルロース微細繊維分散液の濃縮物(本開示で、単に濃縮物ともいう。)の製造方法を提供する。一態様において、当該方法は、セルロース微細繊維分散液を脱液して濃縮物を得る濃縮工程を含む。一態様においては、濃縮工程において、セルロース微細繊維分散液を1.0kg-DS/h以上、45.0kg-DS/h未満の処理速度で濃縮装置において連続的に脱液する。一態様に係る濃縮工程において、濃縮物の固形分率の平均値は5質量%以上60質量%以下である。一態様において、当該固形分率のCV値(標準偏差/平均値)は0.001以上0.300以下である。一態様において、セルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維の平均繊維径は50~1000nmである。一態様において、当該方法は、分散液中でセルロース原料(例えばパルプ)を叩解、及び/又は解繊してセルロース微細繊維分散液を生成する解繊工程を含んでよい。
≪Method for producing concentrated cellulose microfiber dispersions≫
One aspect of the present invention provides a method for producing a concentrate of a cellulose microfiber dispersion (hereinafter also simply referred to as a concentrate). In one aspect, the method includes a concentration step of deliquing the cellulose microfiber dispersion to obtain a concentrate. In one aspect, in the concentration step, the cellulose microfiber dispersion is continuously deliqued in a concentrator at a processing rate of 1.0 kg-DS/h or more and less than 45.0 kg-DS/h. In the concentration step according to one aspect, the average solid content of the concentrate is 5% by mass or more and 60% by mass or less. In one aspect, the CV value (standard deviation/mean value) of the solid content is 0.001 or more and 0.300 or less. In one aspect, the average fiber diameter of the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion is 50 to 1000 nm. In one aspect, the method may include a defibration step of beating and/or defibrating a cellulose raw material (e.g., pulp) in the dispersion to produce a cellulose microfiber dispersion.
セルロース微細繊維は、主に植物が天然に産出するセルロースからなる材料であるため、これを利用することで環境負荷が低くサステナブルな工業製品を提供することが期待されている。その一例が、樹脂と混合して物性を強化するフィラーとしての利用であるが、樹脂との混合のためには、希薄な分散液として製造されるセルロース微細繊維分散液から水を取り除く必要がある。また、セルロース微細繊維は希薄な分散液中では安定な分散状態を保持するが、分散媒を除去すると、微細繊維同士が接近して水素結合によって強固に結びつき、再分散が困難になるため、物性上の不具合や品質の不均一性が生じる場合があった。 Cellulose microfibers are materials primarily composed of cellulose naturally produced by plants, and their use is expected to provide environmentally friendly and sustainable industrial products. One example is their use as a filler to enhance the properties of resins. However, mixing with resins requires removing water from the dilute dispersion of cellulose microfibers. Furthermore, while cellulose microfibers maintain a stable dispersion in a dilute dispersion, removing the dispersion medium causes the microfibers to converge and bond strongly through hydrogen bonding, making redispersion difficult. This can lead to defects in physical properties and inconsistent quality.
本発明者らは、所定の平均繊維径を有するセルロース微細繊維の分散液を、特定の態様で、連続脱液装置で所定の固形分率まで濃縮する際に、ハンドリングしやすく、固形分率のバラつきが抑制され、フィラー強化樹脂用のフィラーとして用いたときに良好な物性と均一な品質を達成可能であることを見出した。セルロース微細繊維分散液の濃縮物の固形分率が適切な範囲よりも低い場合、セルロース微細繊維は脱液装置に付着し易いため、濃縮物の収率低下、及び装置に付着したまま固化して再分散しなくなった固形異物の濃縮物への混入が起こりうる。一方、濃縮物の固形分率が適切な範囲よりも高い場合は、濃縮が過剰でありセルロース微細繊維の再分散性が低下する。特に、濃縮が乾燥に近い状態まで進んだ場合、濃縮物の固形分率のバラつきは小さくなるが、再分散性は著しく低下する。例えば、バッチ式及びバッチ操作を繰り返す方式の脱液装置では、バッチ内に局所的な固形分率のムラが生じる結果、生成物をフィラーとして用いたときのフィラー強化樹脂の物性低下、バッチ間の固形分率のバラつきを抑えるために生成物から規格外品を排除することによる収率低下等の不具合が起こり易い。一方、本実施形態の方法によれば、再分散性が維持される固形分率でセルロース微細繊維分散液を濃縮し、固形分率のバラつきが少ない濃縮物を大量生産することが可能である。 The inventors have found that, in a specific manner, when a dispersion of cellulose microfibers having a predetermined average fiber diameter is concentrated to a predetermined solid content using a continuous deliquidation device, it is easy to handle, variations in solid content are suppressed, and good physical properties and uniform quality can be achieved when used as a filler for filler-reinforced resins. If the solid content of the concentrated cellulose microfiber dispersion is lower than the appropriate range, the cellulose microfibers tend to adhere to the deliquidation device, which can lead to a decrease in the yield of the concentrate and contamination of the concentrate with solid foreign matter that has solidified while adhering to the device and can no longer be redispersed. On the other hand, if the solid content of the concentrate is higher than the appropriate range, the concentration is excessive and the redispersibility of the cellulose microfibers decreases. In particular, when the concentration progresses to a state close to dryness, the variation in the solid content of the concentrate decreases, but the redispersibility decreases significantly. For example, in batch-type and batch-operated deliquidation systems, localized variations in solid content within a batch can easily occur, resulting in problems such as a decrease in the physical properties of filler-reinforced resins when the product is used as a filler, and a decrease in yield due to the removal of substandard products from the product to suppress variations in solid content between batches. On the other hand, the method of this embodiment allows for the concentration of a cellulose microfiber dispersion at a solid content ratio that maintains redispersibility, making it possible to mass-produce a concentrate with minimal variation in solid content.
本実施形態のセルロース微細繊維分散液の濃縮物の製造方法は、濃縮工程を含み、典型的には解繊工程及び濃縮工程を含む。以下、各工程について説明する。 The method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion according to this embodiment includes a concentration step, and typically includes a defibration step and a concentration step. Each step will be described below.
<解繊工程>
本工程では、セルロース原料(例えば、セルロースを含むパルプ)を希薄な分散液中で叩解及び/又は解繊してセルロース微細繊維を得る。セルロース原料としては、木材種(広葉樹又は針葉樹)から得られる木材パルプ、非木材種(竹、麻系繊維、バガス、ケナフ、リンター等)から得られる非木材パルプ、及びこれらの精製パルプ(精製リンター等)等が使用できる。非木材パルプとしては、コットンリンターパルプを含むコットン由来パルプ、麻由来パルプ、バガス由来パルプ、ケナフ由来パルプ、竹由来パルプ、ワラ由来パルプ等を使用できる。コットン由来パルプ、麻由来パルプ、バガス由来パルプ、ケナフ由来パルプ、竹由来パルプ、及びワラ由来パルプは各々、コットンリント、コットンリンター、麻系のアバカ(例えば、エクアドル産又はフィリピン産のもの)、サイザル、バガス、ケナフ、竹、ワラ等の原料から、蒸解処理による脱リグニン等の精製工程、漂白工程等を経て得られる精製パルプであってよい。セルロース原料は、結晶化度が高く、フィラー強化樹脂用のフィラーとして用いたとき機械特性に優れるセルロース微細繊維を生成できる点で、好ましくはコットンリンター由来(例えばコットンリンター由来パルプ)である。
<Defibration process>
In this process, cellulose raw materials (e.g., pulp containing cellulose) are beaten and/or defibrated in a dilute dispersion to obtain fine cellulose fibers. As cellulose raw materials, wood pulp obtained from wood species (hardwood or softwood), non-wood pulp obtained from non-wood species (bamboo, hemp fibers, bagasse, kenaf, linter, etc.), and refined pulps of these (refined linter, etc.) can be used. As non-wood pulps, cotton-derived pulp including cotton linter pulp, hemp-derived pulp, bagasse-derived pulp, kenaf-derived pulp, bamboo-derived pulp, straw-derived pulp, etc. can be used. Cotton-derived pulp, hemp-derived pulp, bagasse-derived pulp, kenaf-derived pulp, bamboo-derived pulp, and straw-derived pulp may each be refined pulp obtained from raw materials such as cotton lint, cotton linters, hemp-based abaca (e.g., from Ecuador or the Philippines), sisal, bagasse, kenaf, bamboo, and straw through purification processes such as deligninization by pulping, bleaching processes, etc. The cellulose raw material is preferably derived from cotton linters (e.g., cotton linter-derived pulp) because it has a high degree of crystallinity and can produce cellulose fine fibers with excellent mechanical properties when used as a filler for filler-reinforced resins.
セルロース微細繊維は、化学修飾されていてよい。化学修飾は、セルロース原料(例えばパルプ)に対して及び/又はセルロース微細繊維に対して行われてよいが、好ましい一態様において、パルプに対して行われる。化学修飾は、親水性の置換基を導入するものでも、疎水性の置換基を導入するものでもよく、用途に応じて適宜選択され得る。親水性の置換基を導入する方法としては、TEMPO酸化、カルボキシメチル化、リン酸エステル化、硫酸エステル化などが挙げられる。疎水性の置換基を導入する方法としては、エステル化(アシル化)、エーテル化、シリル化などが挙げられる。 Cellulose microfibers may be chemically modified. Chemical modification may be performed on the cellulose raw material (e.g., pulp) and/or on the cellulose microfibers, but in a preferred embodiment, it is performed on the pulp. Chemical modification may involve the introduction of hydrophilic substituents or hydrophobic substituents, and can be appropriately selected depending on the application. Methods for introducing hydrophilic substituents include TEMPO oxidation, carboxymethylation, phosphate esterification, and sulfuric acid esterification. Methods for introducing hydrophobic substituents include esterification (acylation), etherification, and silylation.
セルロース微細繊維をフィラー強化樹脂用のフィラーとして用いる場合は、セルロースに疎水性の置換基を導入する化学修飾が好ましく、天然セルロースが有するI型の結晶構造を壊さず、反応性も良好なエステル化がより好ましく、反応し易さやコストの観点からアセチル化が特に好ましい。したがって、疎水性置換基は、好ましくは、アシル基、エーテル基及びシリル基から成る群から選ばれる1つ以上であり、より好ましくはアシル基であり、特に好ましくはアセチル基である。化学修飾、特に疎水性の置換基の導入により、セルロース微細繊維と分散媒(特に水)との親和性が低くなると、セルロース微細繊維が分散媒と分離し易くなるが、本実施形態の方法で得られる、固形分率のバラつきが少ない濃縮物によれば、化学修飾による樹脂組成物の物性及び品質安定性の向上効果が良好に発揮され得る。 When using cellulose microfibers as a filler for filler-reinforced resins, chemical modification by introducing hydrophobic substituents to the cellulose is preferred. Esterification is more preferable because it does not disrupt the type I crystalline structure of natural cellulose and has good reactivity, while acetylation is particularly preferable from the viewpoint of ease of reaction and cost. Therefore, the hydrophobic substituent is preferably one or more selected from the group consisting of acyl groups, ether groups, and silyl groups, more preferably an acyl group, and particularly preferably an acetyl group. While chemical modification, especially the introduction of hydrophobic substituents, can lower the affinity between cellulose microfibers and the dispersion medium (especially water), making the cellulose microfibers more likely to separate from the dispersion medium, the concentrated product obtained by the method of this embodiment, which has little variation in solid content, allows for a good improvement in the physical properties and quality stability of the resin composition due to chemical modification.
エステル化反応は、エステル化剤の存在下、溶媒中で行ってよい。エステル化で用いる溶媒(本開示で、エステル化溶媒ともいう。)としては、非プロトン性溶媒、例えば、アルキルスルホキシド類、アルキルアミド類、ピロリドン類等を、単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。 The esterification reaction may be carried out in a solvent in the presence of an esterifying agent. The solvent used for esterification (hereinafter also referred to as the esterification solvent) can be aprotic solvents, such as alkyl sulfoxides, alkylamides, pyrrolidones, etc., which can be used alone or in combination of two or more.
アルキルスルホキシド類としては、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、メチルエチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのジC1-4アルキルスルホキシドなどが挙げられる。 Examples of alkyl sulfoxides include diC1-4 alkyl sulfoxides such as dimethyl sulfoxide (DMSO), methyl ethyl sulfoxide, and diethyl sulfoxide.
アルキルアミド類としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N-ジエチルホルムアミドなどのN,N-ジC1-4アルキルホルムアミド;N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N-ジエチルアセトアミドなどのN,N-ジC1-4アルキルアセトアミドなどが挙げられる。 Examples of alkylamides include N,N- diC1-4 alkylformamides such as N,N-dimethylformamide (DMF) and N,N-diethylformamide; and N,N-diC1-4 alkylacetamides such as N,N-dimethylacetamide (DMAc) and N,N- diethylacetamide .
ピロリドン類としては、例えば、2-ピロリドン、3-ピロリドンなどのピロリドン;N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などのN-C1-4アルキルピロリドンなどが挙げられる。 Examples of pyrrolidones include pyrrolidones such as 2-pyrrolidone and 3-pyrrolidone; and N- C1-4 alkylpyrrolidones such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
エステル化溶媒としては、良好なエステル化効率を得る観点から、ジメチルスルホキシド(DMSO)が特に好ましい。 From the viewpoint of obtaining good esterification efficiency, dimethyl sulfoxide (DMSO) is particularly preferred as the esterification solvent.
エステル化剤としては、酸ハロゲン化物、酸無水物、及びカルボン酸ビニルエステルが好ましく、エステル化効率の観点からカルボン酸ビニルエステルが特に好ましい。 As esterifying agents, acid halides, acid anhydrides, and vinyl carboxylates are preferred, with vinyl carboxylates being particularly preferred from the viewpoint of esterification efficiency.
酸ハロゲン化物は、下記式で表される化合物からなる群より選択された少なくとも1種であってよい。
R1-C(=O)-X
(式中、R1は炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基、炭素数3~24のシクロアルキル基、又は炭素数6~24のアリール基を表し、XはCl、Br又はIである。)
The acid halide may be at least one selected from the group consisting of compounds represented by the following formula.
R 1 -C(=O)-X
(In the formula, R1 represents an alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 24 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 24 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 24 carbon atoms, and X is Cl, Br, or I.)
酸ハロゲン化物の具体例としては、塩化アセチル、臭化アセチル、ヨウ化アセチル、塩化プロピオニル、臭化プロピオニル、ヨウ化プロピオニル、塩化ブチリル、臭化ブチリル、ヨウ化ブチリル、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、ヨウ化ベンゾイル等が挙げられるが、これらに限定されない。中でも、酸塩化物は反応性と取り扱い性の点から好適に採用できる。尚、酸ハロゲン化物の反応においては、触媒として働くと同時に副生物である酸性物質を中和する目的で、アルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。アルカリ性化合物としては、具体的には:トリエチルアミン、トリメチルアミン等の3級アミン化合物;及びピリジン、ジメチルアミノピリジン等の含窒素芳香族化合物;が挙げられるが、これに限定されない。 Specific examples of acid halides include, but are not limited to, acetyl chloride, acetyl bromide, acetyl iodide, propionyl chloride, propionyl bromide, propionyl iodide, butyryl chloride, butyryl bromide, butyryl iodide, benzoyl chloride, benzoyl bromide, and benzoyl iodide. Among these, acid chlorides are particularly suitable due to their reactivity and ease of handling. Furthermore, in the reaction of acid halides, one or more alkaline compounds may be added to act as a catalyst and neutralize the acidic by-products. Specific examples of alkaline compounds include, but are not limited to, tertiary amine compounds such as triethylamine and trimethylamine; and nitrogen-containing aromatic compounds such as pyridine and dimethylaminopyridine.
酸無水物としては、任意の適切な酸無水物類を用いることができる。例えば、
酢酸、プロピオン酸、(イソ)酪酸、吉草酸等の飽和脂肪族モノカルボン酸の無水物;(メタ)アクリル酸、オレイン酸等の不飽和脂肪族モノカルボン酸の無水物;
シクロヘキサンカルボン酸、テトラヒドロ安息香酸等の脂環族モノカルボン酸の無水物;
安息香酸、4-メチル安息香酸等の芳香族モノカルボン酸の無水物;
二塩基カルボン酸無水物として、例えば、無水コハク酸、アジピン酸等の無水飽和脂肪族ジカルボン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等の無水不飽和脂肪族ジカルボン酸無水物、無水1-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水メチルテトラヒドロフタル酸等の無水脂環族ジカルボン酸、及び、無水フタル酸、無水ナフタル酸等の無水芳香族ジカルボン酸無水物等;
3塩基以上の多塩基カルボン酸無水物類として、例えば、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸等の(無水)ポリカルボン酸等が挙げられる。
Any suitable acid anhydride can be used as the acid anhydride. For example,
Anhydrides of saturated aliphatic monocarboxylic acids such as acetic acid, propionic acid, (iso)butyric acid, and valeric acid; anhydrides of unsaturated aliphatic monocarboxylic acids such as (meth)acrylic acid and oleic acid;
Anhydrides of alicyclic monocarboxylic acids such as cyclohexanecarboxylic acid and tetrahydrobenzoic acid;
Anhydrides of aromatic monocarboxylic acids such as benzoic acid and 4-methylbenzoic acid;
Examples of dibasic carboxylic acid anhydrides include saturated aliphatic dicarboxylic anhydrides such as succinic anhydride and adipic acid, unsaturated aliphatic dicarboxylic anhydrides such as maleic anhydride and itaconic anhydride, alicyclic dicarboxylic anhydrides such as 1-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride, hexahydrophthalic anhydride and methyltetrahydrophthalic anhydride, and aromatic dicarboxylic anhydrides such as phthalic anhydride and naphthalic anhydride;
Examples of polybasic carboxylic acid anhydrides with three or more bases include (anhydride) polycarboxylic acids such as trimellitic anhydride and pyromellitic anhydride.
尚、酸無水物の反応においては、触媒として、硫酸、塩酸、燐酸等の酸性化合物、又はルイス酸、(例えば、MYnで表されるルイス酸化合物であって、MはB、As,Ge等の半金属元素、又はAl、Bi、In等の卑金属元素、又はTi、Zn、Cu等の遷移金属元素、又はランタノイド元素を表し、nはMの原子価に相当する整数であり、2又は3を表し、Yはハロゲン原子、OAc、OCOCF3、ClO4、SbF6、PF6又はOSO2CF3(OTf)を表す。)、又はトリエチルアミン、ピリジン等のアルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。 Furthermore, in the reaction of acid anhydrides, one or more acidic compounds such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or phosphoric acid, or Lewis acids (for example, Lewis acid compounds represented as MYn, where M represents a metalloid element such as B, As, or Ge, or a base metal element such as Al, Bi, or In, or a transition metal element such as Ti, Zn, or Cu, or a lanthanide element; n is an integer corresponding to the valence of M, representing 2 or 3; and Y represents a halogen atom, OAc, OCOCF3 , ClO4 , SbF6 , PF6 , or OSO2CF3 ( OTf )), or alkaline compounds such as triethylamine or pyridine may be added as catalysts.
カルボン酸ビニルエステルとしては、下記式:
R-COO-CH=CH2
{式中、Rは、炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基、炭素数3~16のシクロアルキル基、又は炭素数6~24のアリール基のいずれかである。}で表されるカルボン酸ビニルエステルが好ましい。カルボン酸ビニルエステルは、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、カプロン酸ビニル、シクロヘキサンカルボン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ミリスチン酸ビニル、パルミチン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、ピバリン酸ビニル、オクチル酸ビニルアジピン酸ジビニル、メタクリル酸ビニル、クロトン酸ビニル、ピバリン酸ビニル、オクチル酸ビニル、安息香酸ビニル、及び桂皮酸ビニルからなる群より選択された少なくとも1種であることがより好ましい。カルボン酸ビニルエステルによるエステル化反応のとき、触媒として、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩、1~3級アミン、4級アンモニウム塩、イミダゾール及びその誘導体、ピリジン及びその誘導体、並びにアルコキシドからなる群より選ばれる1種又は2種以上を添加してもよい。
Examples of vinyl carboxylates include those with the following formula:
R-COO-CH=CH 2
A vinyl carboxylate ester represented by the formula {wherein R is any of an alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 24 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 16 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 24 carbon atoms} is preferred. The vinyl carboxylate ester is more preferably at least one selected from the group consisting of vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl caproate, vinyl cyclohexanecarboxylate, vinyl caprylate, vinyl caprate, vinyl laurate, vinyl myristate, vinyl palmitate, vinyl stearate, vinyl pivalate, vinyl octoate, vinyl adipate, vinyl methacrylate, vinyl crotate, vinyl pivalate, vinyl octoate, vinyl benzoate, and vinyl cinnamate. In esterification reactions with vinyl carboxylates, one or more catalysts selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides, alkali metal carbonates, alkaline earth metal carbonates, alkali metal bicarbonates, primary to tertiary amines, quaternary ammonium salts, imidazoles and their derivatives, pyridines and their derivatives, and alkoxides may be added.
アルカリ金属水酸化物及びアルカリ土類金属水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム等が挙げられる。アルカリ金属炭酸塩、アルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素セシウム等が挙げられる。 Examples of alkali metal hydroxides and alkaline earth metal hydroxides include sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, and barium hydroxide. Examples of alkali metal carbonates, alkaline earth metal carbonates, and alkali metal bicarbonates include lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, cesium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, barium carbonate, lithium bicarbonate, sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, and cesium bicarbonate.
1~3級アミンとは、1級アミン、2級アミン、及び3級アミンのことであり、具体例としては、エチレンジアミン、ジエチルアミン、プロリン、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,3-プロパンジアミン、N,N,N’,N’-テトラメチル-1,6-ヘキサンジアミン、トリス(3-ジメチルアミノプロピル)アミン、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミン、トリエチルアミン、ジアザビシクロウンデセン等が挙げられる。 Primary, secondary, and tertiary amines refer to primary, secondary, and tertiary amines. Specific examples include ethylenediamine, diethylamine, proline, N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,3-propanediamine, N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine, tris(3-dimethylaminopropyl)amine, N,N-dimethylcyclohexylamine, triethylamine, and diazabicycloundecene.
イミダゾール及びその誘導体としては、1-メチルイミダゾール、3-アミノプロピルイミダゾール、カルボニルジイミダゾール等が挙げられる。 Examples of imidazoles and their derivatives include 1-methylimidazole, 3-aminopropylimidazole, and carbonyldiimidazole.
ピリジン及びその誘導体としては、N,N-ジメチル-4-アミノピリジン、ピコリン等が挙げられる。 Examples of pyridine and its derivatives include N,N-dimethyl-4-aminopyridine and picoline.
アルコキシドとしては、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウム-t-ブトキシド等が挙げられる。 Examples of alkoxides include sodium methoxide, sodium ethoxide, and potassium-t-butoxide.
カルボン酸としては、下記式で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1種が挙げられる。
R-COOH
(式中、Rは、炭素数1~16のアルキル基、炭素数2~16のアルケニル基、炭素数3~16のシクロアルキル基、又は炭素数6~16のアリール基を表す。)
The carboxylic acid is selected from the group consisting of compounds represented by the following formula.
R-COOH
(In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 16 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 16 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 16 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 16 carbon atoms.)
カルボン酸の具体例としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸、カプロン酸、シクロヘキサンカルボン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ピバリン酸、メタクリル酸、クロトン酸、ピバリン酸、オクチル酸、安息香酸、及び桂皮酸からなる群より選択される少なくとも1種が挙げられる。 Specific examples of carboxylic acids include at least one selected from the group consisting of acetic acid, propionic acid, butyric acid, caproic acid, cyclohexanecarboxylic acid, caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, pivalic acid, methacrylic acid, crotonic acid, pivalic acid, octic acid, benzoic acid, and cinnamic acid.
これらカルボン酸の中でも、酢酸、プロピオン酸、及び酪酸からなる群から選択される少なくとも一種、特に酢酸が、反応効率の観点から好ましい。 Among these carboxylic acids, at least one selected from the group consisting of acetic acid, propionic acid, and butyric acid, particularly acetic acid, is preferred from the viewpoint of reaction efficiency.
尚、カルボン酸の反応においては、触媒として、硫酸、塩酸、燐酸等の酸性化合物、又はルイス酸、(例えば、MYnで表されるルイス酸化合物であって、MはB、As,Ge等の半金属元素、又はAl、Bi、In等の卑金属元素、又はTi、Zn、Cu等の遷移金属元素、又はランタノイド元素を表し、nはMの原子価に相当する整数であり、2又は3を表し、Yはハロゲン原子、OAc、OCOCF3、ClO4、SbF6、PF6又はOSO2CF3(OTf)を表す。)、又はトリエチルアミン、ピリジン等のアルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。 Furthermore, in the reaction of carboxylic acids, one or more acidic compounds such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or phosphoric acid, or Lewis acids (for example, Lewis acid compounds represented as MYn, where M represents a metalloid element such as B, As, or Ge, or a base metal element such as Al, Bi, or In, or a transition metal element such as Ti, Zn, or Cu, or a lanthanide element; n is an integer corresponding to the valence of M, representing 2 or 3; and Y represents a halogen atom, OAc , OCOCF3 , ClO4 , SbF6 , PF6 , or OSO2CF3 (OTf)), or alkaline compounds such as triethylamine or pyridine may be added as catalysts.
これらエステル化剤の中でも、特に、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、及び酢酸からなる群から選択された少なくとも一種、中でも無水酢酸及び酢酸ビニルが、反応効率の観点から好ましい。 Among these esterifying agents, at least one selected from the group consisting of acetic anhydride, propionic anhydride, butyric anhydride, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, and acetic acid, with acetic anhydride and vinyl acetate being particularly preferred from the viewpoint of reaction efficiency, is preferred.
化学修飾されたセルロース原料(例えばパルプ)又は化学修飾されたセルロース微細繊維の置換度(DS)、例えばエステル化物のエステル化度は、樹脂への分散性、耐熱性等に優れる化学修飾(例えばエステル化)セルロース微細繊維を得る観点から、一態様において、0.5超、又は0.6以上、又は0.7以上であり、解繊してセルロース本来の良好な機械特性を有する化学修飾(例えばエステル化)セルロース微細繊維を得る観点から、一態様において、2.0以下、又は1.9以下、又は1.8以下である。 The degree of substitution (DS) of chemically modified cellulose raw materials (e.g., pulp) or chemically modified cellulose microfibers, such as the degree of esterification of esterified products, is, in one embodiment, greater than 0.5, or 0.6 or greater, or 0.7 or greater, from the viewpoint of obtaining chemically modified (e.g., esterified) cellulose microfibers with excellent dispersibility in resins, heat resistance, etc., and in one embodiment, less than or equal to 2.0, or less than or equal to 1.9, or less than or equal to 1.8, from the viewpoint of obtaining chemically modified (e.g., esterified) cellulose microfibers that retain the good mechanical properties inherent to cellulose after defibration.
例えば、エステル化物の置換度(DS)であるエステル化度は、エステル化セルロース原料(例えばパルプ)又はエステル化セルロース微細繊維(以下、これらを纏めてエステル化セルロースともいう。)の反射型赤外吸収スペクトルから、アシル基由来のピークとセルロース骨格由来のピークとのピーク強度比に基づいて算出することができる。アシル基に基づくC=Oの吸収バンドのピークは1730cm-1に出現し、セルロース骨格鎖に基づくC-Oの吸収バンドのピークは1030cm-1に出現する。エステル化セルロースのDSは、後述する固体NMR測定から得られるDSと、セルロース骨格鎖C-Oの吸収バンドのピーク強度に対するアシル基に基づくC=Oの吸収バンドのピーク強度の比率で定義される修飾化率(IRインデックス1030)との相関グラフを作成し、相関グラフから算出された検量線
置換度DS = 4.13 × IRインデックス(1030)
を使用することで求めることができる。
For example, the degree of esterification, which is the degree of substitution (DS) of an esterified product, can be calculated from the reflectivity infrared absorption spectrum of esterified cellulose raw material (e.g., pulp) or esterified cellulose fine fibers (hereinafter collectively referred to as esterified cellulose) based on the peak intensity ratio of the peak derived from the acyl group and the peak derived from the cellulose skeleton. The peak of the C=O absorption band based on the acyl group appears at 1730 cm⁻¹ , and the peak of the C-O absorption band based on the cellulose skeleton chain appears at 1030 cm⁻¹ . The DS of esterified cellulose is calculated by creating a correlation graph between the DS obtained from solid-state NMR measurement (described later) and the modification rate (IR index 1030), which is defined as the ratio of the peak intensity of the C=O absorption band based on the acyl group to the peak intensity of the C-O absorption band of the cellulose skeleton chain. The calibration curve substitution degree DS = 4.13 × IR index (1030) is calculated from the correlation graph.
This can be obtained by using [this method].
なお、上記反射型赤外吸収スペクトルで適切な測定が困難である場合には、固体NMRを用いる。固体NMRによるDSの算出方法は、凍結粉砕したエステル化セルロースについて13C固体NMR測定を行い、50ppmから110ppmの範囲に現れるセルロースのピラノース環由来の炭素C1-C6に帰属されるシグナルの合計面積強度(Inp)に対する修飾基由来の1つの炭素原子に帰属されるシグナルの面積強度(Inf)より下記式で求めることができる。
DS=(Inf)×6/(Inp)
たとえば、修飾基がアセチル基の場合、-CH3に帰属される23ppmのシグナルを用いればよい。
If appropriate measurement is difficult using the above-mentioned reflection-type infrared absorption spectrum, solid-state NMR may be used. The method for calculating DS by solid-state NMR involves performing 13C solid-state NMR measurements on freeze-pulverized esterified cellulose, and calculating it using the following formula based on the ratio of the area intensity (Inf) of the signal attributed to a single carbon atom derived from the modifying group to the total area intensity (Inp) of the signals attributed to carbon atoms C1-C6 derived from the pyranose ring of cellulose that appear in the range of 50 ppm to 110 ppm.
DS=(Inf)×6/(Inp)
For example, if the modifying group is an acetyl group, you can use the 23 ppm signal assigned to -CH3 .
用いる13C固体NMR測定の条件は例えば以下の通りである。
装置 :Bruker Biospin Avance500WB
周波数 :125.77MHz
測定方法 :DD/MAS法
待ち時間 :75sec
NMR試料管 :4mmφ
積算回数 :640回(約14Hr)
MAS :14,500Hz
化学シフト基準:グリシン(外部基準:176.03ppm)
The conditions used for 13C solid-state NMR measurement are, for example, as follows:
Equipment: Bruker Biospin Avance500WB
Frequency: 125.77 MHz
Measurement method: DD/MAS method Waiting time: 75 seconds
NMR sample tube: 4 mm diameter
Total number of times: 640 (approximately 14 hours)
MAS: 14,500Hz
Chemical shift standard: Glycine (External standard: 176.03 ppm)
セルロース原料又はセルロース微細繊維の結晶形としては、I型、II型、III型、IV型などが知られている。I型及びII型は汎用されており、III型及びIV型は工業スケールでは汎用されていない。セルロース原料又はセルロース微細繊維の結晶形は、構造上の可動性が高い点、線膨張係数が低く、引張強度、曲げ強度及び曲げ伸度が高い点で、好ましくはI型又はII型、より好ましくはI型である。 Known crystalline forms of cellulose raw materials or cellulose microfibers include Type I, Type II, Type III, and Type IV. Types I and II are commonly used, while Types III and IV are not widely used on an industrial scale. The crystalline form of cellulose raw materials or cellulose microfibers is preferably Type I or Type II, more preferably Type I, due to its high structural mobility, low coefficient of thermal expansion, and high tensile strength, flexural strength, and flexural elongation.
セルロース原料又はセルロース微細繊維の結晶化度は、一態様において、50%以上、又は60%以上、又は70%以上、又は73%以上、又は75%以上であり、一態様において、95%以下、又は90%以下、又は85%以下であってよい。
なお上記結晶化度は、一態様においてセルロースI型の結晶化度である。
The degree of crystallinity of the cellulose raw material or cellulose microfibers may, in one embodiment, be 50% or more, 60% or more, 70% or more, 73% or more, or 75% or more, and in one embodiment, it may be 95% or less, 90% or less, or 85% or less.
The above degree of crystallinity is, in one embodiment, the degree of crystallinity of cellulose type I.
本開示で、結晶化度は、セルロースがセルロースI型結晶(天然セルロース由来)である場合には、サンプルを広角X線回折により測定した際の回折パターン(2θ/deg.が10~30)からSegal法により、以下の式で求められる。
結晶化度(%)=[I(200)-I(amorphous)]/I(200)×100
I(200):セルロースI型結晶における200面(2θ=22.5°)による回折ピーク強度
I(amorphous):セルロースI型結晶におけるアモルファスによるハローピーク強度であって、200面の回折角度より4.5°低角度側(2θ=18.0°)のピーク強度
In this disclosure, the degree of crystallinity, when the cellulose is cellulose type I crystal (derived from natural cellulose), is determined by the Segal method from the diffraction pattern (2θ/deg. is 10 to 30) obtained by measuring the sample by wide-angle X-ray diffraction, using the following formula.
Crystallinity (%) = [I (200) - I (amorphous)] / I (200) x 100
I(200): Diffraction peak intensity due to the 200 plane (2θ = 22.5°) in a cellulose type I crystal. I(amorphous): Halo peak intensity due to amorphous material in a cellulose type I crystal, at a diffraction angle 4.5° lower than the 200 plane (2θ = 18.0°).
また結晶化度は、セルロースがセルロースII型結晶(再生セルロース由来)である場合には、広角X線回折において、セルロースII型結晶の(110)面ピークに帰属される2θ=12.6°における絶対ピーク強度h0 とこの面間隔におけるベースラインからのピーク強度h1 とから、下記式によって求められる。
結晶化度(%) =h1 /h0 ×100
Furthermore, if the cellulose is a type II cellulose crystal (derived from regenerated cellulose), the degree of crystallinity can be determined by the following formula using wide-angle X-ray diffraction, from the absolute peak intensity h0 at 2θ = 12.6°, which is attributed to the (110) plane peak of the type II cellulose crystal, and the peak intensity h1 from the baseline at this interplanar spacing.
Crystallinity (%) = h1 /h0 ×100
本工程では、セルロース原料(例えばパルプ)を叩解及び/又は解繊してセルロース微細繊維を製造する。一態様においては、溶媒(本開示で、解繊溶媒ともいう。)中で叩解及び/又は解繊を行う。例えば、セルロース原料(例えばパルプ)を解繊溶媒中、典型的にはスラリー形態で、叩解装置としてシングルディスクリファイナー、ダブルディスクリファイナー、コニカルリファイナー、ナイアガラビーター、PFIミルなどを使用し、解繊装置として高圧ホモジナイザー、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ビーズミル、ディスクミル、湿式微粒化装置などを使用して処理を行い、セルロース微細繊維を得ることができる。これらの処理は単独でも複数を併用してもよい。 In this process, cellulose raw material (e.g., pulp) is beaten and/or defibrated to produce cellulose fine fibers. In one embodiment, beating and/or defibration is performed in a solvent (hereinafter also referred to as a defibration solvent). For example, cellulose raw material (e.g., pulp), typically in slurry form, is processed in a defibration solvent using a beating device such as a single-disc refiner, double-disc refiner, conical refiner, Niagara beater, or PFI mill, and a defibration device such as a high-pressure homogenizer, microfluidizer, ball mill, bead mill, disc mill, or wet pulverizer to obtain cellulose fine fibers. These processes may be performed individually or in combination.
解繊溶媒としては、水、DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMF(ジメチルホルムアミド)、DMAc(ジメチルアセトアミド)、NMP(N-メチルピロリドン)、酢酸等を例示できる。これらの溶媒を2種以上混合して用いてもよい。 Examples of defibrillating solvents include water, DMSO (dimethyl sulfoxide), DMF (dimethylformamide), DMAc (dimethylacetamide), NMP (N-methylpyrrolidone), and acetic acid. Two or more of these solvents may also be used in mixture form.
また、叩解及び/又は解繊処理の前に、パルパーやホモミキサー等を用いて原料を解繊溶媒に均質分散させてから微細化処理することが好ましい。特に、先にセルロース原料の化学修飾を行ってから微細化処理する際は、セルロース原料の親水性が低下していることから周速度が好ましくは10m/s以上、より好ましくは20m/s以上、より好ましくは25m/s以上、好ましくは90m/s以下、より好ましくは80m/s以下、より好ましくは50m/s以下のホモミキサー等のミキサーによる分散処理を行うことが好ましい。前処理としてダマ等を低減させることにより均質な微細化処理によって均質なセルロース微細繊維を得ることができる。尚、この際に溶媒として水を使用する場合、蒸留水やイオン交換水などの純度の高い水を用いると有効であることがある。 Furthermore, it is preferable to homogeneously disperse the raw materials in a defibration solvent using a pulper or homomixer before the beating and/or defibration process. In particular, when chemically modifying the cellulose raw material before the defibration process, it is preferable to perform dispersion using a mixer such as a homomixer with a peripheral speed of preferably 10 m/s or more, more preferably 20 m/s or more, more preferably 25 m/s or more, preferably 90 m/s or less, more preferably 80 m/s or less, and more preferably 50 m/s or less, because the hydrophilicity of the cellulose raw material is reduced. By reducing clumps and other impurities as a pretreatment, homogeneous cellulose fine fibers can be obtained through a homogeneous defibration process. When using water as the solvent in this process, using highly purified water such as distilled water or ion-exchanged water may be effective.
複数の叩解及び/又は解繊処理を併用してセルロース微細繊維を製造する場合は、微細化のメカニズム、又は剪断速度の異なる2種類以上の処理を組み合わせることが有効である。前述のような多段微細化の方法としては、ディスク構成の異なるディスクリファイナーを用いて多段微細化する、若しくはディスクリファイナーでの微細化後に高圧ホモジナイザーで微細化を行うことが好ましい。ここでディスクリファイナーにはシングルディスクリファイナー、ダブルディスクリファイナー、コニカルリファイナーのいずれを用いても構わないが、微細化を高度に制御するためには固定刃と回転刃間のクリアランス精度が高いシングルディスクリファイナーが好ましい。 When producing cellulose fine fibers using multiple beating and/or defibration processes, it is effective to combine two or more processes with different refinement mechanisms or shear rates. As described above, a multi-stage refinement method is preferable, either by using disc refiners with different disc configurations, or by performing refinement in a high-pressure homogenizer after refinement in a disc refiner. While single-disc refiners, double-disc refiners, or conical refiners may be used, a single-disc refiner with high clearance accuracy between the fixed and rotating blades is preferable for highly controlled refinement.
(ディスクリファイナーによる微細化)
ディスクリファイナーを用いて微細化処理する場合、例えばパルプ又は綿状の精製セルロース繊維を解繊溶媒中に0.5質量%以上6質量%以下、好ましくは0.8質量%以上3.5質量%以下、より好ましくは1質量%以上3質量%以下の固形分濃度となるようにタンク内に分散、貯留し、ディスクリファイナーを用いて微細化させる。この際に溶媒として水を使用する場合、蒸留水やイオン交換水などの純度の高い水を用いると有効であることがある。
(Miniaturization using a disc refiner)
When performing micronization using a disc refiner, for example, purified cellulose fibers in the form of pulp or cotton are dispersed and stored in a tank in a defibration solvent at a solid content concentration of 0.5% to 6% by mass, preferably 0.8% to 3.5% by mass, and more preferably 1% to 3% by mass, and then micronized using a disc refiner. When water is used as the solvent in this process, it may be effective to use highly purified water such as distilled water or ion-exchanged water.
ディスクリファイナーの運転においては、タンクに溜めたスラリーからディスクリファイナーを介し元のタンクに戻す循環式の連続処理工程で解繊処理を行ってもよいが、ディスクリファイナーを介し配管で繋がった2つのタンクを準備し(タンクA,タンクBとする)、まずスラリーを投入したタンクAからディスクリファイナーを介しタンクBへ送液、貯留し、タンクA中のスラリーの処理を終えた段階で、連続的にタンクBからディスクリファイナーを介しタンクAへ送液、蓄積するという過程へ切り替え、以降、これらの工程を交互に繰り返す連続処理工程で解繊処理を行うと、スラリーが毎回のディスクリファイナー処理において確実に通過(パス)されるため、スラリーの全量に対し均一なパス回数を施すことができ、解繊程度の均一性、すなわちセルロース微細繊維の品質安定性の観点から、より好ましい。 In the operation of the disc refiner, defibration can be performed in a continuous circulating process where the slurry stored in the tank is returned to the original tank via the disc refiner. However, it is preferable to prepare two tanks connected by piping via the disc refiner (let's call them Tank A and Tank B), first supplying the slurry to Tank A, then transferring it to Tank B via the disc refiner for storage. Once the processing of the slurry in Tank A is complete, the process switches to continuously transferring the slurry from Tank B to Tank A via the disc refiner for storage. This process is then repeated alternately in a continuous processing manner. This ensures that the slurry is reliably passed through the disc refiner each time, allowing for a uniform number of passes across the entire slurry volume. This is preferable from the viewpoint of uniformity in the degree of defibration, i.e., the quality stability of cellulose fine fibers.
図1は、ディスクリファイナーの刃及び溝の配置例について説明する図であり、図2は、ディスクリファイナーの刃幅、溝幅及び刃間距離について説明する図である。複数のディスクリファイナーを用いて多段で微細化する場合、少なくとも2種類の異なる刃を有するリファイナーを用いることが好ましい。図1及び2を参照し、具体的な刃の構成としては、図1に示すような刃11及び溝12を有するディスクリファイナーにおいて、図2に示す刃幅WB、溝幅WG、及び刃幅WBを溝幅WGで除した値(以降、刃溝比と呼ぶ)を適切に調整することが重要である。刃幅が1.5mm以上、5mm以下、且つ、刃溝比が0.1以上、1.0以下である刃を取り付けたリファイナーで微細化処理(以降、前段と呼ぶ)を施した後、刃幅が0.1mm以上、1.0mm以下、且つ刃溝比が0.5以上、1.0以下である刃を有するリファイナーで微細化処理(以降、後段と呼ぶ)を施すことが特に好ましい。このような構成のディスクリファイナーによって解繊することで、樹脂中の凝集の原因となる長大繊維が減少するとともに、フィブリル化率の低いセルロース繊維を得ることができる。この時、前段と後段の間に別の微細化工程を加えてもよい。 Figure 1 is a diagram illustrating an example of the arrangement of blades and grooves in a disc refiner, and Figure 2 is a diagram illustrating the blade width, groove width, and inter-blade distance of a disc refiner. When performing multi-stage refinement using multiple disc refiners, it is preferable to use refiners having at least two different types of blades. Referring to Figures 1 and 2, as a specific blade configuration, in a disc refiner having blades 11 and grooves 12 as shown in Figure 1, it is important to appropriately adjust the blade width WB , groove width WG , and the value obtained by dividing the blade width WB by the groove width WG (hereinafter referred to as the blade-to-groove ratio) as shown in Figure 2. It is particularly preferable to perform a refinement process (hereinafter referred to as the first stage) with a refiner equipped with blades having a blade width of 1.5 mm or more and 5 mm or less and a blade-to-groove ratio of 0.1 or more and 1.0 or less, and then perform a refinement process (hereinafter referred to as the second stage) with a refiner having blades having a blade width of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less and a blade-to-groove ratio of 0.5 or more and 1.0 or less. By using a disc refiner with this configuration to defibrate the resin, the number of long fibers that cause aggregation in the resin is reduced, and cellulose fibers with a low fibrillation rate can be obtained. At this time, another refinement step may be added between the preceding and succeeding steps.
また、1種類の刃を用いて1段でディスクリファイナー処理する場合は、刃幅が0.1mm以上、1.0mm以下、且つ、刃溝比が0.5以上、1.0以下である刃を有するリファイナーで微細処理を施すことが特に好ましい。その際、使用する原料の繊維長は、繊維形状自動分析計(具体的にはTechpap社製Morfi Neo)の長さ加重平均繊維長として、好ましくは500μm以上、より好ましくは700μm以上、さらに好ましくは900μm以上であり、好ましくは3000μm以下、より好ましくは2000μm以下、より好ましくは1500μm以下、さらに好ましくは1300μm以下である。この範囲にある原料を使用することで、1段で効率的に樹脂中での凝集の原因となる長大繊維が減少するとともに、フィブリル率の低いセルロース微細繊維を得ることができる。 Furthermore, when disc refiner processing is performed in a single stage using one type of blade, it is particularly preferable to perform the fine processing with a refiner having a blade width of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and a blade groove ratio of 0.5 or more and 1.0 or less. In this case, the fiber length of the raw material used, as measured by a length-weighted average fiber length using an automated fiber shape analyzer (specifically, a Morfi Neo manufactured by Techpap), is preferably 500 μm or more, more preferably 700 μm or more, even more preferably 900 μm or more, preferably 3000 μm or less, more preferably 2000 μm or less, more preferably 1500 μm or less, and even more preferably 1300 μm or less. By using raw materials within this range, it is possible to efficiently reduce long fibers that cause aggregation in the resin in a single stage, and to obtain cellulose fine fibers with a low fibril content.
(ディスクリファイナー処理における刃間距離)
また、図2を参照し、ディスクリファイナーでの微細化においては、二つの刃(具体的には図2中の回転刃21及び固定刃22)の刃間距離WL(クリアランス)(以下、単に刃間距離と呼ぶ)を制御することが重要である。刃間距離を制御することで、セルロース繊維の繊維長や叩解の程度を制御することが可能であり、多段で処理する場合は、前段の処理においては、刃間距離を0.05mm以上、0.5mm以下、後段の処理においては刃間距離を0.05mm以上、0.3mm以下とすることが好ましい。また、1段で処理する場合は、刃間距離を0.05mm以上、0.3mm以下とすることが好ましい。尚、刃間距離を調整する際には、広目の刃間距離から装置の電流値を一定以下に抑えながら徐々に刃間を詰めていくことが好ましく、このように制御することで、装置の詰まりやオーバーロードを防止し、また、均質性の高いセルロース繊維が得られる。
(Distance between blades in disc refiner processing)
Referring to Figure 2, in the miniaturization process using a disc refiner, it is important to control the distance WL (clearance) between the two blades (specifically, the rotating blade 21 and the stationary blade 22 in Figure 2) (hereinafter simply referred to as the inter-blade distance). By controlling the inter-blade distance, it is possible to control the fiber length and degree of beating of the cellulose fibers. When processing in multiple stages, it is preferable to set the inter-blade distance to 0.05 mm or more and 0.5 mm or less in the first stage of processing, and to set the inter-blade distance to 0.05 mm or more and 0.3 mm or less in the second stage of processing. When processing in a single stage, it is preferable to set the inter-blade distance to 0.05 mm or more and 0.3 mm or less. When adjusting the inter-blade distance, it is preferable to gradually reduce the distance between the blades from a wider inter-blade distance while keeping the current value of the device below a certain level. By controlling it in this way, clogging and overload of the device can be prevented, and highly homogeneous cellulose fibers can be obtained.
このようにディスクリファイナーによるセルロースの微細化処理においてその固定刃と回転刃の刃間距離を高度に制御することが、均質でフィラーとしての力学物性の良いセルロース微細繊維を製造する上で有利である。例えば、従来用いられているシングルディスクリファイナーの刃間距離調整は、スクリュー式ネジジャッキ等を用いていることから、回転刃を固定するランナー部の遊びがある。そのため、ランナー部をスラスト方向に強く引っ張ると0.3mm程度動いてしまう。そのため、精度と再現性良くセルロース微細繊維を得るためには、移動量(遊び)が少ないことが好ましい。一態様においては、移動量(遊び)は0.10mm以下が好ましく、0.08mm以下がより好ましく、0.05mm以下にすることが更に好ましい。また、刃間を詰める精度は5μm以下で詰めていけることが好ましく、より好ましくは3μm以下、最も好ましくは1μm以下である。一態様においては、刃間距離調整機構をボールねじ式ジャッキにすることで、上記のトラスト方向の移動量が0.03mmのシングルディスクリファイナーを使用することができる。更には、ボールねじ式ジャッキに減速機を付け、刃間距離1μm単位で刃間距離調整することもできる。この他、ボールねじ式ジャッキとサーボモーターを組み合わせるなど前記ランナー部の移動量や刃間を詰める精度が得られるならばあらゆる機構を用いても構わない。 Thus, in the cellulose refining process using a disc refiner, precisely controlling the distance between the fixed blade and the rotating blade is advantageous for producing homogeneous cellulose fine fibers with good mechanical properties as a filler. For example, conventional single disc refiners use a screw-type screw jack to adjust the blade distance, resulting in play in the runner that fixes the rotating blade. Therefore, if the runner is strongly pulled in the thrust direction, it moves by about 0.3 mm. For this reason, in order to obtain cellulose fine fibers with good accuracy and reproducibility, it is preferable to have a small amount of movement (play). In one embodiment, the amount of movement (play) is preferably 0.10 mm or less, more preferably 0.08 mm or less, and even more preferably 0.05 mm or less. Furthermore, it is preferable that the accuracy of closing the blade distance be 5 μm or less, more preferably 3 μm or less, and most preferably 1 μm or less. In one embodiment, by using a ball screw type jack as the blade distance adjustment mechanism, a single disc refiner with the above-mentioned thrust direction movement of 0.03 mm can be used. Furthermore, by attaching a reduction gear to the ball screw jack, the blade distance can be adjusted in increments of 1 μm. In addition, any mechanism is acceptable as long as it provides sufficient precision in adjusting the runner's movement and blade distance, such as combining a ball screw jack with a servo motor.
このようにシングルディスクリファイナーを用いることで、高精度な刃間距離調整が可能となる。また、微細化処理中の刃のブレなく一定の刃間を維持して処理することが可能となり、刃間を詰めた際に固定刃と回転刃が接触する不具合も防止されるため、セルロース微細繊維の繊維長が短くなりすぎるのを防止したり、解繊不足の粗い繊維が低減される結果、形状分布の均一性の高いセルロース微細繊維が再現良く製造でき、樹脂に複合化した際に優れた力学特性を示すフィラーとなる。 By using a single-disc refiner in this way, high-precision adjustment of the blade spacing becomes possible. Furthermore, it becomes possible to maintain a constant blade spacing without blade wobble during the refinement process. This also prevents the fixed and rotating blades from contacting each other when the blade spacing is reduced, thus preventing the cellulose microfibers from becoming too short and reducing the amount of coarse fibers due to insufficient defibration. As a result, cellulose microfibers with highly uniform shape distribution can be reliably manufactured, resulting in a filler that exhibits excellent mechanical properties when compounded with resin.
(ディスクリファイナー処理でのパス回数)
微細化の工程は、セルロース繊維が回転刃と固定刃の間を通過する回数(以下、パス回数と呼ぶ)によっても制御可能である。パス回数を増加させることにより、繊維径、繊維長分布が均質なセルロース繊維を得ることができる。ここでバス回数とは、前記の刃間距離を目的の刃間距離に詰めてからのリファイナー処理を施した(回転刃と固定刃の間を通過した)回数を意味する。
(Number of passes in the discriminator process)
The refinement process can also be controlled by the number of times the cellulose fibers pass between the rotating blade and the stationary blade (hereinafter referred to as the number of passes). By increasing the number of passes, cellulose fibers with a homogeneous fiber diameter and fiber length distribution can be obtained. Here, the number of passes refers to the number of times the refiner treatment (passing between the rotating blade and the stationary blade) is performed after the blade distance has been reduced to the desired blade distance.
ディスクリファイナーのパス回数は、好ましくは5回以上、より好ましくは20回以上、さらに好ましくは40回以上である。回数を増やしていくと徐々に繊維形状の分布が一定に収束していくため多い方が好ましいが、生産性も考慮すると、パス数の上限は300回以下であってよい。 The number of passes for the disc refiner is preferably 5 or more, more preferably 20 or more, and even more preferably 40 or more. While a higher number of passes is preferable because the distribution of fiber shapes gradually converges to a more consistent pattern, considering productivity, the upper limit of the number of passes may be 300 or less.
(ディスクリファイナーによる微細化条件の決定方法)
ディスクリファイナー処理によって得られるセルロース微細繊維の形状は、前述したディスクリファイナーの刃の種類、刃間距離、パス回数、濃度などの影響が複合的に作用して制御される。繊維強化樹脂に用いる際に好ましいセルロース繊維の形状を得るためには、粘状叩解条件においてパス数を多くすることが好ましい。粘状叩解とは、繊維を毛羽立たせて微細化していく傾向が強い叩解方法であり、繊維を切断する傾向が強い叩解方法は遊離叩解と呼ばれる。ディスクリファイナーの刃の構成として、刃の数が多く、刃長が長く、刃幅と溝幅の比(刃溝比)が大きく、接触角度が大きいほど、回転刃と固定刃のブレードの交錯数が増えるため、1つの交点で繊維に加わる力が分散し、繊維への衝撃回数は増加することで粘状叩解になる傾向を示し、これが逆の時に遊離叩解となる傾向を示す。ディスクリファイナーの刃間距離は遊離叩解傾向を示す刃を用いる場合は広げることが好ましく、粘状叩解傾向を示す刃を用いる場合は刃間距離を詰めることが好ましいが、刃間距離を詰めすぎると目詰まりや繊維長の切断による短繊維化、及び微細化されすぎてフィラーとしての性能が低下することから、刃間距離は0.05mm以上であることが好ましい。セルロース原料(例えばパルプ)の形状(繊維長や繊維径)、処理濃度、及び使用する刃により、前述の刃間距離及び/又はパス回数を調整することで平均繊維径、繊維長分布等の繊維形状を好ましい範囲に制御することが可能である。
(Method for determining miniaturization conditions using a disc refiner)
The shape of cellulose fine fibers obtained by disc refiner processing is controlled by a combination of factors, including the type of disc refiner blades, the distance between blades, the number of passes, and the concentration. To obtain a desirable cellulose fiber shape for use in fiber-reinforced resins, it is preferable to increase the number of passes under viscous beating conditions. Viscous beating is a beating method that tends to make the fibers finer by fluffing them up, while a beating method that tends to cut the fibers is called free beating. In terms of the disc refiner blade configuration, the more blades there are, the longer the blade length, the larger the blade width to groove width ratio (blade-to-groove ratio), and the larger the contact angle, the more the number of intersections between the rotating blades and the stationary blades increases. As a result, the force applied to the fibers at each intersection is dispersed, and the number of impacts on the fibers increases, which tends to result in viscous beating. Conversely, when this is not the case, it tends to result in free beating. When using blades that exhibit a free beating tendency, it is preferable to widen the inter-blade distance of the disc refiner, and when using blades that exhibit a viscous beating tendency, it is preferable to narrow the inter-blade distance. However, if the inter-blade distance is narrowed too much, clogging occurs, the fibers are shortened due to cutting of the fiber length, and the performance as a filler deteriorates due to excessive fineness, so it is preferable that the inter-blade distance be 0.05 mm or more. Depending on the shape of the cellulose raw material (e.g., pulp) (fiber length and fiber diameter), the processing concentration, and the blades used, it is possible to control the fiber shape, such as the average fiber diameter and fiber length distribution, to a desirable range by adjusting the aforementioned inter-blade distance and/or the number of passes.
(ディスクリファイナーと高圧ホモジナイザーの組合せによる多段微細化処理)
ディスクリファイナーで微細化されたセルロース繊維に対し、更に高圧ホモジナイザーによる微細化処理を施すことも好ましい態様の一つである。高圧ホモジナイザーはディスクリファイナーと比べ、繊維を細くする効果が大きい。高圧ホモジナイザー処理は、好ましくは30MPa以上、より好ましくは50MPa以上、より好ましくは80MPa以上の圧力で行う。上限は装置の特性上300MPa以下、又は250MPa以下、又は150MPa以下であってよい。
(Multi-stage miniaturization process using a combination of a disc refiner and a high-pressure homogenizer)
In addition to the cellulose fibers refined by the disc refiner, further refinement is performed using a high-pressure homogenizer. Compared to the disc refiner, the high-pressure homogenizer has a greater effect in thinning the fibers. The high-pressure homogenizer treatment is preferably performed at a pressure of 30 MPa or higher, more preferably 50 MPa or higher, and more preferably 80 MPa or higher. The upper limit may be 300 MPa or lower, or 250 MPa or lower, or 150 MPa or lower, depending on the characteristics of the apparatus.
高圧ホモジナイザーとしては、ニロ・ソアビ社(伊)のNS型高圧ホモジナイザー、(株)エスエムテーのラニエタイプ(Rモデル)圧力式ホモジナイザー、三和機械(株)の高圧式ホモゲナイザー等、超高圧ホモジナイザーとしては、みづほ工業(株)のマイクロフルイダイザー、吉田機械興業(株)のナノマイザー、(株)スギノマシーンのアルティマイザー等の高圧衝突型の微細化処理機を挙げることができるが、これらの装置とほぼ同様の機構で微細化を実施する装置であれば、これら以外の装置であってもよい。 Examples of high-pressure homogenizers include the NS-type high-pressure homogenizer from Nilo Soavi GmbH (Italy), the Lanier-type (R-model) pressure homogenizer from SMT Corporation, and the high-pressure homogenizer from Sanwa Machinery Co., Ltd. Examples of ultra-high-pressure homogenizers include the microfluidizer from Mizuho Industries Co., Ltd., the nanomizer from Yoshida Machinery Industry Co., Ltd., and the ultimateizer from Sugino Machine Co., Ltd. However, any device that performs micronization using a mechanism nearly identical to these may also be used.
高圧ホモジナイザー処理においてもディスクリファイナー処理の場合と同様に、タンクに溜めたスラリーから高圧ホモジナイザーを介し元のタンクに戻す循環式の連続処理工程で解繊処理を行ってもよいが、高圧ホモジナイザーを介し配管で繋がった2つのタンクを準備し(タンクA,タンクBとする)、まずスラリーを投入したタンクAから高圧ホモジナイザーを介しタンクBへ送液、貯留し、タンクA中のスラリーの処理を終えた段階で、連続的にタンクBから高圧ホモジナイザーを介しタンクAへ送液、蓄積するという過程へ切り替え、以降、これらの工程を交互に繰り返す連続処理工程で解繊処理を行うと、スラリーが毎回の高圧ホモジナイザー処理において確実に通過(パス)されるため、スラリーの全量に対し均一なパス回数を施すことができ、解繊程度の均一性、すなわちセルロース微細繊維の品質安定性の観点から、より好ましい。 In high-pressure homogenizer processing, as in disc refiner processing, defibration can be performed in a continuous circulating process where the slurry stored in a tank is returned to the original tank via a high-pressure homogenizer. However, it is preferable to prepare two tanks connected by piping via a high-pressure homogenizer (let's call them Tank A and Tank B). First, the slurry is introduced into Tank A, sent to Tank B via the high-pressure homogenizer for storage, and once the processing of the slurry in Tank A is complete, the process switches to continuously sending the slurry from Tank B to Tank A via the high-pressure homogenizer for storage. This process is then repeated alternately in a continuous processing step. This ensures that the slurry passes through the high-pressure homogenizer reliably in each pass, allowing for a uniform number of passes across the entire slurry volume. This is more preferable from the viewpoint of uniformity in the degree of defibration, i.e., quality stability of cellulose fine fibers.
<濃縮工程>
本工程では、例えば上記の解繊工程によって解繊されたセルロース微細繊維の分散液を脱液して濃縮物を得る。セルロース微細繊維分散液としては、解繊工程で得られたセルロース微細繊維スラリーをそのまま、又は希釈して使用することができる。希釈用溶媒としては、解繊溶媒として前述で例示したのと同様の溶媒を例示でき、より好ましくは、水、又は、水と、解繊溶媒として例示した有機溶媒のうち1種以上との混合溶媒である。
<Concentration process>
In this step, for example, a dispersion of cellulose microfibers defibrated by the above-described defibration step is dehydrated to obtain a concentrate. As the cellulose microfiber dispersion, the cellulose microfiber slurry obtained in the defibration step can be used as is or diluted. As the dilution solvent, the same solvents as those exemplified above as defibration solvents can be used, and more preferably, water, or a mixed solvent of water and one or more of the organic solvents exemplified as defibration solvents.
濃縮工程に供給されるセルロース微細繊維分散液の固形分率は、一態様において、0.1質量%以上、又は0.3質量%以上、又は0.5質量%以上、又は0.7質量%以上、又は1.0質量%以上、又は1.5質量%以上であり、一態様において、5.0質量%以下、又は4.0質量%以下、又は3.0質量%以下、又は2.5質量%以下である。 The solid content of the cellulose fine fiber dispersion supplied to the concentration process is, in one embodiment, 0.1% by mass or more, or 0.3% by mass or more, or 0.5% by mass or more, or 0.7% by mass or more, or 1.0% by mass or more, or 1.5% by mass or more, and in one embodiment, 5.0% by mass or less, or 4.0% by mass or less, or 3.0% by mass or less, or 2.5% by mass or less.
濃縮工程に供給されるセルロース微細繊維分散液において、不揮発成分の総含有率100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率は、一態様において、75質量%以上、又は80質量%以上、又は90質量%以上、又は100質量%であってよい。不揮発成分がセルロース微細繊維以外の成分も含む場合、セルロース微細繊維の上記含有率は、一態様において、99質量%以下、又は95質量%以下、又は90質量%以下であってよい。不揮発成分としてセルロース微細繊維以外に存在し得る成分としては、例えば、分散剤;セルロース以外のフィラー成分;相溶化剤;可塑剤;でんぷん類、アルギン酸等の多糖類;ゼラチン、ニカワ、カゼイン等の天然たんぱく質;ゼオライト、セラミックス、タルク、シリカ、金属酸化物、金属粉末等の無機化合物;着色剤;香料;顔料;流動調整剤;レベリング剤;導電剤;酸化防止剤;帯電防止剤;紫外線吸収剤;紫外線分散剤;及び消臭剤からなる群から選択される1種以上が挙げられる。上記の各成分の好適例は、樹脂組成物における<追加の成分>の項で後述するのと同様であり得る。不揮発成分の総含有率100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率は、セルロース微細繊維分散液、又はセルロース微細繊維分散液の濃縮物を110℃のオーブン、及び/又は真空乾燥機で乾燥して溶媒を除去して、追加の成分が溶媒に可溶性であれば溶媒抽出する方法、溶媒に不溶性であれば核磁気共鳴(NMR)又は赤外(IR)分光スペクトルを標品と比較して算出する方法、無機物であれば灰分を測定する方法、又はこれら複数の方法を併用することで求められる値である。但し、セルロース微細繊維と溶媒とからなる分散液と、追加の成分との混合物を濃縮工程に供する場合には、不揮発成分の総含有率100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率を仕込み量から算出できる。 In the cellulose microfiber dispersion supplied to the concentration process, the content of cellulose microfibers relative to 100% by mass of the total content of nonvolatile components may, in one embodiment, be 75% by mass or more, 80% by mass or more, 90% by mass or more, or 100% by mass. If the nonvolatile components also include components other than cellulose microfibers, the above content of cellulose microfibers may, in one embodiment, be 99% by mass or less, 95% by mass or less, or 90% by mass or less. In addition to cellulose microfibers, other nonvolatile components that may be present include, for example, one or more selected from the group consisting of dispersants; filler components other than cellulose; compatibilizers; plasticizers; polysaccharides such as starches and alginic acid; natural proteins such as gelatin, glue, and casein; inorganic compounds such as zeolites, ceramics, talc, silica, metal oxides, and metal powders; colorants; fragrances; pigments; flow regulators; leveling agents; conductive agents; antioxidants; antistatic agents; ultraviolet absorbers; ultraviolet dispersants; and deodorants. Preferred examples of each of the above components may be the same as those described later in the section on <additional components> in the resin composition. The content of cellulose microfibers relative to 100% by mass of the total nonvolatile components is determined by drying the cellulose microfiber dispersion or concentrate of the cellulose microfiber dispersion in an oven and/or vacuum dryer at 110°C to remove the solvent. If additional components are soluble in the solvent, they can be extracted by solvent extraction; if insoluble in the solvent, they can be calculated by comparing nuclear magnetic resonance (NMR) or infrared (IR) spectroscopy spectra with a standard sample; if inorganic, they can be measured by ash content; or a combination of these methods can be used. However, when a mixture of a dispersion of cellulose microfibers and solvent with additional components is subjected to the concentration process, the content of cellulose microfibers relative to 100% by mass of the total nonvolatile components can be calculated from the amount charged.
セルロース微細繊維分散液を濃縮するための濃縮装置(より具体的には脱液装置)は、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の固形分率のばらつき低減の観点から連続式であることが有利である。濃縮装置は、セルロース微細繊維分散液を受入れて脱液する濃縮機構を備える。濃縮機構としては、セルロース微細繊維分散液をその上に保持する濾過基材と、当該濾過基材上のセルロース微細繊維分散液を濾過基材側から減圧して脱液するサクション部との組合せを例示できる。濃縮機構の他の例としては、濾過基材上のセルロース微細繊維分散液から重力によって脱液する方法、2つの濾過基材の間でセルロース微細繊維を圧搾して脱液する方法、筒状のスクリーンと筒の内部にあるスクリューによる圧搾とせん断で脱液する方法等を例示できる。上記の濾過基材とサクション部との組合せである濃縮機構は、濾過基材の端部から液漏れしにくい点、及び流動性の高い希薄な分散液であっても濃縮できる点で好適である。以下、この濃縮機構を備える連続式濃縮装置を用いる場合を例に、本実施形態の方法の手順を説明する。 A concentration device (more specifically, a deliquidation device) for concentrating a cellulose microfiber dispersion is advantageously continuous in order to reduce variations in the solid content of the concentrated cellulose microfiber dispersion. The concentration device includes a concentration mechanism that receives and deliquidates the cellulose microfiber dispersion. An example of the concentration mechanism is a combination of a filter substrate that holds the cellulose microfiber dispersion on it and a suction unit that deliquidates the dispersion from the filter substrate by reducing the pressure. Other examples of concentration mechanisms include deliquidation by gravity from the cellulose microfiber dispersion on the filter substrate, deliquidation by compressing the cellulose microfibers between two filter substrates, and deliquidation by compression and shearing using a cylindrical screen and a screw inside the cylinder. The concentration mechanism combining the filter substrate and suction unit described above is preferable because it is less prone to leakage from the ends of the filter substrate and can concentrate even highly fluid, dilute dispersions. The procedure of this embodiment will be described below using a continuous concentration device equipped with this concentration mechanism as an example.
図3は、連続式濃縮装置の構成例について説明する図である。一態様において、連続式濃縮装置300は、セルロース微細繊維分散液Dを貯蔵するタンク301と、サクション部303と、タンク301からサクション部303にセルロース微細繊維分散液を供給するポンプ302と、セルロース微細繊維分散液を固液分離する濾過基材304と、濾過基材304を連続的に送り出す/又は連続的に循環させる送り機構305と、セルロース微細繊維分散液の濃縮物Cを濾過基材304から転写により受入れる転写体306と、転写体306から濃縮物Cを分離するスクレーパー307と、濃縮物Cを回収する回収容器308とを備える。 Figure 3 illustrates an example of the configuration of a continuous concentration apparatus. In one embodiment, the continuous concentration apparatus 300 comprises a tank 301 for storing a cellulose microfiber dispersion D, a suction unit 303, a pump 302 for supplying the cellulose microfiber dispersion from the tank 301 to the suction unit 303, a filtration substrate 304 for solid-liquid separation of the cellulose microfiber dispersion, a feeding mechanism 305 for continuously feeding/or circulating the filtration substrate 304, a transfer body 306 for receiving the concentrate C of the cellulose microfiber dispersion from the filtration substrate 304 by transfer, a scraper 307 for separating the concentrate C from the transfer body 306, and a recovery container 308 for recovering the concentrate C.
濃縮物の均一性の観点から、濃縮工程には、周速0.01m/sec以上6.00m/secで撹拌されたセルロース微細繊維分散液を供給することが好ましい。例えば、タンク301は、分散液を撹拌して濃度を均一に保つ撹拌装置309を備えていることが好ましい。撹拌装置309は、例えば、撹拌機309aに撹拌羽根309bが取付けられた構成を有してよい。分散液を撹拌する場合の撹拌速度としては、周速0.01m/sec以上、又は0.05m/sec以上、又は0.10m/sec以上、又は0.25m/sec以上、又は0.50m/sec以上、又は0.70m/sec以上、又は1.00m/sec以上、又は1.50m/sec以上が好ましく、6.00m/sec以下、又は5.00m/sec以下、又は4.00m/sec以下、又は3.00m/sec以下が好ましい。周速が上記下限値以上である場合、タンク内部でセルロース微細繊維のフロック化又は沈降による濃度の分布が生じ難く、濃縮が均一になる。周速が上記上限値以下である場合、撹拌によって泡を生じたり、分散液が液跳ねしてタンクの液面以上の位置に付着し、乾燥して再分散性を失った固形物が剥落して混入し、濃縮が不均一になるという不都合が生じ難い。 From the viewpoint of uniformity of the concentrate, it is preferable to supply a cellulose fine fiber dispersion, stirred at a peripheral speed of 0.01 m/sec to 6.00 m/sec, to the concentration process. For example, it is preferable that the tank 301 is equipped with a stirring device 309 that stirs the dispersion to maintain a uniform concentration. The stirring device 309 may have a configuration in which, for example, a stirring blade 309b is attached to a stirrer 309a. When stirring the dispersion, the stirring speed is preferably a peripheral speed of 0.01 m/sec or more, or 0.05 m/sec or more, or 0.10 m/sec or more, or 0.25 m/sec or more, or 0.50 m/sec or more, or 0.70 m/sec or more, or 1.00 m/sec or more, or 1.50 m/sec or more, and preferably 6.00 m/sec or less, or 5.00 m/sec or less, or 4.00 m/sec or less, or 3.00 m/sec or less. When the peripheral speed is above the lower limit of the above, it is less likely that a concentration distribution will occur inside the tank due to flocculation or sedimentation of cellulose microfibers, and the concentration will be uniform. When the peripheral speed is below the above upper limit, problems such as foam formation due to stirring, the dispersion splashing and adhering to a position above the liquid surface in the tank, and the detachment and mixing of dried solid particles that have lost their redispersibility, resulting in uneven concentration, are less likely to occur.
タンク301からサクション部303に分散液を供給するポンプ302としては、ピストンポンプ、ダイアフラムポンプ、プランジャーポンプ、モーノポンプ、ホースポンプ、ロータリーポンプ等が挙げられる。無脈動で定量送液性に優れたモーノポンプが好ましく使用できる。 Examples of pumps 302 that supply the dispersion liquid from tank 301 to suction section 303 include piston pumps, diaphragm pumps, plunger pumps, mono pumps, hose pumps, and rotary pumps. A mono pump, which is pulsation-free and offers excellent quantitative liquid delivery, is preferably used.
連続式濃縮装置300に供給される分散液、より具体的にはサクション部303に供給される分散液に含まれるセルロース微細繊維の濃度は、好ましくは0.1質量%以上、又は0.3質量%以上、又は0.5質量%以上、又は0.7質量%以上、又は1.0質量%以上、又は1.5質量%以上であり、好ましくは5質量%以下、又は4質量%以下、又は3質量%以下、又は2.5質量%以下である。セルロース微細繊維濃度が上記下限値以上である場合、サクション部で生じたセルロース微細繊維分散液の濃縮物の膜が薄くなり過ぎないため、当該膜のピンホールが発生し難く均一な状態になり易いほか、濾過基材からの回収が容易である。セルロース微細繊維濃度が上記上限値以下である場合、分散液のチキソ性又は粘性が大きくなり過ぎないため、サクション部に供給される分散液の液厚が一定になり、当該分散液の濃縮物の固形分率にバラつきが生じ難い。 The concentration of cellulose microfibers in the dispersion supplied to the continuous concentration device 300, more specifically the dispersion supplied to the suction section 303, is preferably 0.1% by mass or more, or 0.3% by mass or more, or 0.5% by mass or more, or 0.7% by mass or more, or 1.0% by mass or more, or 1.5% by mass or more, and preferably 5% by mass or less, or 4% by mass or less, or 3% by mass or less, or 2.5% by mass or less. When the cellulose microfiber concentration is above the lower limit, the film of the concentrated cellulose microfiber dispersion produced in the suction section does not become too thin, making it less likely for pinholes to occur in the film and easier to achieve a uniform state, as well as easier recovery from the filter substrate. When the cellulose microfiber concentration is below the upper limit, the thixotropy or viscosity of the dispersion does not become too high, resulting in a constant liquid thickness of the dispersion supplied to the suction section, and making it less likely for variations in the solid content of the concentrated dispersion to occur.
セルロース微細繊維分散液を固液分離する濾過基材304は、溶媒を透過させるがセルロース微細繊維を保持することができる任意の基材であってよく、ワイヤー(網)、又は、織布若しくは不織布等の多孔質材、等が使用できる。ワイヤーの素材は金属でもプラスチックでもよい。多孔質材の素材としては未変性セルロース、変性セルロース、再生セルロース、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ガラス繊維などが挙げられ、複数の素材の組合せ、例えば混抄シートでもよい。これらの濾過基材は単独で用いてもよいし、2種以上の基材を積層して用いてもよい。濾過基材の例としては、SEFAR社(スイス)製のTETEXMONODLW07-8435-SK010(PET(ポリエチレンテレフタレート)製)、日本フィルコン社製LTT-9FE(ポリエステル製)、敷島カンバス社製NT20(PET/ナイロン混紡)、TT30(PET製)、中村製紙所社の超強和紙等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。濾過基材304は、ワイヤー等の支持体310上に保持されてもよく、2種以上の濾過基材を積層して用いる場合、濾過基材304とは異なる濾過基材を支持体310として用いてもよい。支持体310は駆動機構311を備え、循環して使用されてもよい。 The filtration substrate 304 for solid-liquid separation of the cellulose microfiber dispersion may be any substrate that allows solvent to pass through but can hold the cellulose microfibers, such as wire (mesh), or porous materials such as woven or nonwoven fabrics. The wire material may be metal or plastic. Examples of porous materials include unmodified cellulose, modified cellulose, regenerated cellulose, polyester, polypropylene, polyethylene, polyamide, and glass fiber, and combinations of multiple materials, such as mixed sheets, may also be used. These filtration substrates may be used individually or two or more substrates may be laminated together. Examples of filtration substrates include, but are not limited to, TETEXMONODLW07-8435-SK010 (made of PET (polyethylene terephthalate)) from SEFAR GmbH (Switzerland), LTT-9FE (made of polyester) from Nippon Philcon Co., Ltd., NT20 (PET/nylon blend), TT30 (made of PET) from Shikishima Canvas Co., Ltd., and ultra-strong Japanese paper from Nakamura Paper Co., Ltd. The filtration substrate 304 may be held on a support 310 such as a wire. When two or more types of filtration substrates are used in a laminated manner, a different filtration substrate from the filtration substrate 304 may be used as the support 310. The support 310 may be equipped with a drive mechanism 311 and may be used in a circulating manner.
濾過基材304を連続的に送り出す/又は連続的に循環させる送り機構305は、濾過基材304の送り出しと巻き取りとをロールトゥロールで行う機構(図3に示すような)、両端を繋ぎ合わせた濾過基材をロール駆動で循環させる機構、等であってよい。濾過基材を循環させる機構を用いる場合は、循環経路の途中で濾過基材を洗浄して目詰まりを防止する洗浄機構(図示せず)を併せて備えることが好ましい。上記の送り機構を備えた連続式(すなわち非バッチ式)の濃縮装置を用いてセルロース微細繊維分散液を連続的に濃縮することで、濃縮開始直後及び濃縮終了直前の分散液濃度の変動及び濃縮物の固形分率のバラつきを低減できるため、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の均一性を高くすることができる。 The feeding mechanism 305 for continuously feeding/circulating the filtration substrate 304 may be a roll-to-roll mechanism for feeding and winding the filtration substrate 304 (as shown in Figure 3), a mechanism for circulating the filtration substrate with both ends connected by a roll drive, etc. When using a mechanism for circulating the filtration substrate, it is preferable to also provide a cleaning mechanism (not shown) for cleaning the filtration substrate along the circulation path to prevent clogging. By continuously concentrating the cellulose microfiber dispersion using a continuous (i.e., non-batch) concentration apparatus equipped with the above feeding mechanism, fluctuations in the dispersion concentration immediately after the start of concentration and immediately before the end of concentration, as well as variations in the solid content of the concentrate, can be reduced, thereby increasing the uniformity of the concentrated cellulose microfiber dispersion.
サクション部303は、減圧によって濾過基材304上のセルロース微細繊維分散液を脱液(脱溶媒)して濃縮する。サクション部は一つでも複数でも構わない。複数のサクション部を併用して脱溶媒を制御することは、固形分率のバラつきが少ない濃縮物を生成するようにセルロース微細繊維分散液の濃縮を精度よく行うことができる点で好ましい。サクション部の減圧は、減圧機構312によって行ってよい。また、連続式濃縮装置は、濃縮効率を高めるために、セルロース微細繊維分散液をプレスしながら減圧する機構を有してもよく、例えば、減圧機構312としての減圧ポンプと、プレス機構(図示せず)としてのロールとを組合せてよい。 The suction section 303 concentrates the cellulose microfiber dispersion on the filter substrate 304 by removing the solvent (de-solvent) under reduced pressure. There may be one or more suction sections. Using multiple suction sections in combination to control solvent removal is preferable because it allows for precise concentration of the cellulose microfiber dispersion, resulting in a concentrate with less variation in solid content. Reduced pressure in the suction section may be achieved by a vacuum mechanism 312. Furthermore, to improve concentration efficiency, the continuous concentration apparatus may include a mechanism that presses the cellulose microfiber dispersion while reducing pressure; for example, a vacuum pump as the vacuum mechanism 312 and a roll as the press mechanism (not shown) may be combined.
セルロース微細繊維分散液を濃縮する処理速度は、生産性と濃縮物の固形分率のバラつき低減との観点から、一態様において、1.0kg-DS/h以上、又は1.5kg-DS/h以上、又は2.0kg-DS/h以上、又は3.0kg-DS/h以上、又は5.0kg-DS/h以上、又は10.0kg-DS/h以上であり、一態様において、45.0kg-DS/h未満、又は40.0kg-DS/h以下、又は35.0kg-DS/h以下、又は30.0kg-DS/h以下である。ここで、kg-DSとはセルロース微細繊維の絶乾重量を表す。上記処理速度は、単位時間当たりに生成する濃縮物の重量から求めてよい。具体的には、回収容器308部位から採取した濃縮物の固形分率を赤外線(IR)水分計で測定して算出することで求める。但し、分散媒が有機溶媒を含むときは、安全性の観点から真空乾燥機で乾燥した固形分重量から固形分率を算出する。上記の範囲内の処理速度で濃縮を行うことで、セルロース微細繊維の繊維サイズ分布(例えば濾過基材上に生成した濃縮物の厚み方向でのセルロース微細繊維の繊維サイズ分布)が均一になる。処理速度が上記下限値以上である場合、繊維径及び/又は繊維長が大きいセルロース微細繊維の沈降による分布のバラつきが生じ難いため、脱液(より具体的にはサクション部における脱液)が均一になり好ましい。処理速度が上記上限値以下である場合、脱液が良好に行われるため、濃縮物の回収率が高く、また濃縮物の固形分率のバラつきが小さく好ましい。 The processing rate for concentrating the cellulose microfiber dispersion is, in one embodiment, 1.0 kg-DS/h or more, or 1.5 kg-DS/h or more, or 2.0 kg-DS/h or more, or 3.0 kg-DS/h or more, or 5.0 kg-DS/h or more, or 10.0 kg-DS/h or more, from the viewpoint of productivity and reducing variability in the solid content of the concentrate, and in one embodiment, less than 45.0 kg-DS/h, or 40.0 kg-DS/h or less, or 35.0 kg-DS/h or less, or 30.0 kg-DS/h or less. Here, kg-DS represents the oven-dry weight of the cellulose microfibers. The above processing rate may be determined from the weight of concentrate produced per unit time. Specifically, it is determined by measuring the solid content of the concentrate collected from the recovery container 308 using an infrared (IR) moisture meter. However, when the dispersion medium contains an organic solvent, the solid content is calculated from the weight of the solids dried in a vacuum dryer for safety reasons. Concentration at a processing speed within the above range ensures a uniform fiber size distribution of cellulose microfibers (for example, the fiber size distribution of cellulose microfibers in the thickness direction of the concentrate formed on the filter substrate). When the processing speed is above the lower limit, variations in distribution due to sedimentation of cellulose microfibers with large fiber diameters and/or fiber lengths are less likely to occur, resulting in uniform deliquescence (more specifically, deliquescence in the suction section), which is preferable. When the processing speed is below the upper limit, deliquescence is performed well, resulting in a high recovery rate of the concentrate and smaller variations in the solid content of the concentrate, which is preferable.
上記処理速度は、例えば、濾過基材の幅(すなわち走行方向に直交する方向の寸法)、温度、サクション部が付与する減圧度、分散液の供給速度、濾過基材の走行速度等を調整することで、所定範囲に制御可能である。このとき、分散液の均一性を濃縮工程中に亘って維持するためにタンク内の撹拌を継続することは、処理速度を所望の範囲に確実に制御する点で有用である。 The processing speed described above can be controlled within a predetermined range by adjusting, for example, the width of the filtration substrate (i.e., the dimension perpendicular to the direction of travel), the temperature, the degree of pressure reduction applied by the suction section, the supply speed of the dispersion, and the travel speed of the filtration substrate. In this case, continuing to stir the tank to maintain the uniformity of the dispersion throughout the concentration process is useful in reliably controlling the processing speed within the desired range.
濾過基材304上に堆積した濃縮物Cを、例えば転写ロール又は転写フィルムであってよい転写体306に転写して濾過基材から剥離し、当該転写体から収集して回収してよい。回収方法としては、濾過基材の走行方向にスクレーパー307を設置して濃縮物を掻き取る方法等が使用できる。又は、濃縮物Cを濾過基材から直接掻き取って回収してもよい。 The concentrated material C deposited on the filtration substrate 304 may be transferred to a transfer body 306, which may be, for example, a transfer roll or a transfer film, to detach it from the filtration substrate, and then collected and recovered from the transfer body. As a recovery method, a scraper 307 can be installed in the direction of travel of the filtration substrate to scrape off the concentrated material. Alternatively, the concentrated material C may be directly scraped off and recovered from the filtration substrate.
濃縮工程で得られる、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の固形分率については、連続して行われる濃縮工程の任意のタイミングにおいて10点サンプリングし、各サンプルの固形分率をIR水分計で(但し、分散媒が有機溶媒を含む場合には真空乾燥機を用いて)測定して固形分率の数平均値と標準偏差を求め、更にCV値を算出する。一態様において、サンプリングは、一態様において15分間隔で行う。但し、連続運転時間が150分よりも短い場合は、連続運転時間の1/10のタイミングで行う。例えば、連続運転時間が100分である場合、サンプリングは10分間隔で行う。
ここで、CV値(変動係数)は以下の式で求められる値である。
CV値=標準偏差/平均値
The solid content of the concentrated cellulose microfiber dispersion obtained in the concentration process is determined by taking 10 samples at any point during the continuous concentration process. The solid content of each sample is measured using an IR moisture meter (however, if the dispersion medium contains an organic solvent, a vacuum dryer is used), and the number mean and standard deviation of the solid content are determined, and the CV value is then calculated. In one embodiment, sampling is performed at 15-minute intervals. However, if the continuous operation time is shorter than 150 minutes, sampling is performed at 1/10 of the continuous operation time. For example, if the continuous operation time is 100 minutes, sampling is performed at 10-minute intervals.
Here, the CV value (coefficient of variation) is calculated using the following formula.
CV value = Standard deviation / Mean value
セルロース微細繊維分散液の濃縮物の固形分率の平均値は、一態様において5質量%以上、又は10質量%以上、又は15質量%以上、又は20質量%以上、又は25質量%以上、又は30質量%以上であり、一態様において60質量%以下、又は50質量%以下、又は45質量%以下、又は40質量%以下である。セルロース微細繊維分散液の濃縮物の平均固形分率が上記下限値以上である場合、固形分率の制御が容易であり、バラつきが小さいほか、濾過基材に残渣が付着し難く回収率が高い。一方、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の平均固形分率が上記上限値以下である場合、濃縮物と濾過基材との接着性が大きくなり過ぎず回収が容易である。またこの場合、セルロース微細繊維同士の凝集が少なく再分散性が良好であるため、樹脂組成物のフィラーとして用いる際の補強効果が良好に発揮される。 The average solid content of the concentrate of the cellulose microfiber dispersion is, in one embodiment, 5% by mass or more, or 10% by mass or more, or 15% by mass or more, or 20% by mass or more, or 25% by mass or more, or 30% by mass or more, and in another embodiment, 60% by mass or less, or 50% by mass or less, or 45% by mass or less, or 40% by mass or less. When the average solid content of the concentrate of the cellulose microfiber dispersion is above the lower limit, the solid content is easy to control, there is little variation, and residue is less likely to adhere to the filter substrate, resulting in a high recovery rate. On the other hand, when the average solid content of the concentrate of the cellulose microfiber dispersion is below the upper limit, the adhesion between the concentrate and the filter substrate does not become too strong, making recovery easy. Furthermore, in this case, aggregation between cellulose microfibers is minimal and redispersibility is good, resulting in a good reinforcing effect when used as a filler in resin compositions.
セルロース微細繊維分散液の濃縮物の固形分率のCV値は、一態様において0.001以上、又は0.005以上、又は0.010以上、又は0.020以上、又は0.050以上、又は0.070以上、又は0.090以上であり、好ましくは0.300以下、又は0.250以下、又は0.200以下、又は0.150以下、又は0.100以下である。CV値が上記の範囲内にあることで、セルロース微細繊維分散液の濃縮物は未だ分散媒を多く含んだ状態でありながらも定量性に優れている。したがって、樹脂強化用のフィラーを製造する際の原料として当該濃縮物を用いるとき、及び当該フィラーを用いてフィラー強化樹脂を製造するときに、セルロース微細繊維の充填量を正確にコントロールできるため、フィラー強化樹脂を大量生産する際の品質が安定し、不良品を減らすことができる。セルロース微細繊維を乾燥状態、すなわち水等の分散媒が非常に少ない状態にすれば固形分率のバラつきが減るため、CV値を小さくすることは可能であるが、後工程でのセルロース微細繊維の再分散性の点では濃縮物形態での取扱いが有利である。 The CV value of the solid content of the concentrated cellulose microfiber dispersion is, in one embodiment, 0.001 or higher, or 0.005 or higher, or 0.010 or higher, or 0.020 or higher, or 0.050 or higher, or 0.070 or higher, or 0.090 or higher, and preferably 0.300 or lower, or 0.250 or lower, or 0.200 or lower, or 0.150 or lower, or 0.100 or lower. Because the CV value is within the above range, the concentrated cellulose microfiber dispersion exhibits excellent quantitative accuracy even though it still contains a large amount of dispersion medium. Therefore, when using this concentrate as a raw material for manufacturing fillers for resin reinforcement, and when manufacturing filler-reinforced resins using this filler, the amount of cellulose microfibers packed can be accurately controlled, resulting in stable quality and reduced defects when mass-producing filler-reinforced resins. While drying cellulose microfibers, i.e., using a very small amount of dispersion medium such as water, reduces variations in solid content and thus lowers the CV value, handling them in a concentrated form is advantageous in terms of redispersibility of cellulose microfibers in subsequent processes.
濃縮工程は、80℃以下で行われることが好ましく、70℃以下で行われることがより好ましく、60℃以下で行われることがさらに好ましく、50℃以下で行われることが特に好ましい。濃縮工程の温度が上記上限値以下に維持される場合、セルロース微細繊維分散液の濃縮物の表面からの乾燥を抑制でき、固形分率のバラつきを低減できる。またこの場合、濃縮物が過度に乾燥されることによるセルロース微細繊維の凝集を防止できるため、再分散性を良好に維持できる。濃縮工程の温度の下限は5℃以上が好ましく、10℃以上がより好ましく、20℃以上がさらに好ましい。濃縮工程の温度が上記下限値以上に維持される場合、系全体の温度を下げるために冷媒温度が設定温度を下回ることを抑制できるため、局所的に冷却され過ぎた水などの分散媒の凍結が生じ難い。分散媒が凍結すると解凍時にセルロース微細繊維の凝集が起こり再分散性が低下するため、分散媒の凍結を回避することが好ましい。なお濃縮工程の温度は、熱風、赤外線、マイクロ波等の加熱機構により温度調整した場合は、加熱中の温度を測定する。加熱機構による温度調整を行わない場合は、タンク中のセルロース微細繊維分散液、及び脱液直後のセルロース微細繊維分散液の濃縮物の温度として評価される。 The concentration process is preferably carried out at 80°C or below, more preferably at 70°C or below, even more preferably at 60°C or below, and particularly preferably at 50°C or below. When the temperature of the concentration process is maintained below the above upper limit, drying from the surface of the concentrated cellulose microfiber dispersion can be suppressed, and variations in the solid content can be reduced. In this case, aggregation of cellulose microfibers due to excessive drying of the concentrate can be prevented, thus maintaining good redispersibility. The lower limit of the temperature in the concentration process is preferably 5°C or above, more preferably 10°C or above, and even more preferably 20°C or above. When the temperature of the concentration process is maintained above the above lower limit, the refrigerant temperature can be prevented from falling below the set temperature in order to lower the overall system temperature, thus making it less likely for the dispersion medium, such as water, to freeze due to localized overcooling. If the dispersion medium freezes, aggregation of cellulose microfibers occurs during thawing, reducing redispersibility; therefore, it is preferable to avoid freezing of the dispersion medium. When the temperature of the concentration process is adjusted by a heating mechanism such as hot air, infrared radiation, or microwaves, the temperature during heating should be measured. If temperature control is not performed by a heating mechanism, the temperature is evaluated as the temperature of the cellulose microfiber dispersion in the tank and the concentrated cellulose microfiber dispersion immediately after dewatering.
≪セルロース微細繊維乾燥体の製造方法≫
本発明の一態様は、本開示の方法でセルロース微細繊維分散液の濃縮物を生成する工程と、当該濃縮物を乾燥させてセルロース微細繊維乾燥体を生成する工程とを含む、セルロース微細繊維乾燥体の製造方法も提供する。このような乾燥体は、セルロース微細繊維と樹脂とを含む樹脂組成物の製造において、樹脂と簡便に混合でき好ましい。
≪Method for producing dried cellulose microfibers≫
One aspect of the present invention also provides a method for producing a dried cellulose microfiber, comprising the steps of producing a concentrate of a cellulose microfiber dispersion by the method of the present disclosure, and drying the concentrate to produce a dried cellulose microfiber. Such a dried body is preferable because it can be easily mixed with a resin in the production of a resin composition containing cellulose microfibers and a resin.
濃縮物の乾燥には、例えば、ニーダー、プラネタリーミキサー、ヘンシェルミキサー、ハイスピードミキサー、プロペラミキサー、リボンミキサー、単軸又は二軸のスクリュー押出機、バンバリーミキサー、凍結乾燥機、棚乾燥機、スプレー噴霧乾燥機、流動層乾燥機等の乾燥装置を使用できる。例えば、濃縮物に追加の成分(例えば、本開示で例示する分散剤等)を添加した後に乾燥することによって、当該追加の成分を含む乾燥体を製造する場合には、乾燥体中に追加の成分を均一に分散させる観点から、押出機、ミキサー、スプレー噴霧乾燥機、流動層乾燥機等の動的な乾燥機が好ましく、生産性の観点から、高粘度のものであっても容易に撹拌、混練可能な押出機及びミキサー等が好ましい。乾燥時に造粒も併せて行うことで、所望サイズの粒子形状を形成してもよい。 For drying the concentrate, drying equipment such as a kneader, planetary mixer, Henschel mixer, high-speed mixer, propeller mixer, ribbon mixer, single-screw or twin-screw extruder, Banbury mixer, freeze dryer, shelf dryer, spray dryer, and fluidized bed dryer can be used. For example, when producing a dried product containing additional components (e.g., dispersants as illustrated in this disclosure) by adding them to the concentrate and then drying, dynamic dryers such as extruders, mixers, spray dryers, and fluidized bed dryers are preferred from the viewpoint of uniformly dispersing the additional components in the dried product. From the viewpoint of productivity, extruders and mixers that can easily stir and knead even high-viscosity products are preferred. Granulation may also be performed during drying to form particle shapes of a desired size.
乾燥温度は、乾燥効率、及び樹脂への分散性に優れる乾燥体を得る観点から、例えば20℃以上、又は30℃以上、又は40℃以上、又は50℃以上であってよく、セルロース微細繊維及び追加の成分の熱劣化を生じ難くする観点から、例えば160℃以下、又は150℃以下、又は140℃以下、又は130℃以下、又は100℃以下であってよい。乾燥温度は、濃縮物に接触する熱源の温度であり、例えば、乾燥装置の温調ジャケットの表面温度、加熱シリンダーの表面温度、熱風の温度等で定義される。 The drying temperature may be, for example, 20°C or higher, 30°C or higher, 40°C or higher, or 50°C or higher, from the viewpoint of obtaining a dried product with excellent drying efficiency and dispersibility in the resin. From the viewpoint of minimizing thermal degradation of cellulose microfibers and additional components, it may be, for example, 160°C or lower, 150°C or lower, 140°C or lower, 130°C or lower, or 100°C or lower. The drying temperature is the temperature of the heat source in contact with the concentrate, and is defined, for example, by the surface temperature of the temperature-controlled jacket of the drying apparatus, the surface temperature of the heating cylinder, the temperature of the hot air, etc.
乾燥時の圧力は、大気圧、又は減圧であってよいが、乾燥効率、及び樹脂への分散性に優れる乾燥体を得る観点から、-1kPa以下、又は-10kPa以下、又は-20kPa以下、又は-30kPa以下、又は-40kPa以下、又は-50kPa以下であってよく、濃縮物の急速乾燥による乾燥体の過度な微粉化を回避する観点から、-100kPa以上、又は-95kPa以上、又は-90kPa以上であってよい。圧力は、適切な排気能力を有する減圧ポンプをフル稼働させる方法、真空レギュレーター、リークバルブなどを用いて大気及び/又は不活性ガスを意図的に導入する方法等によって調整してよい。 The drying pressure may be atmospheric pressure or reduced pressure. However, from the viewpoint of obtaining a dried product with excellent drying efficiency and dispersibility in the resin, it may be -1 kPa or less, -10 kPa or less, -20 kPa or less, -30 kPa or less, -40 kPa or less, or -50 kPa or less. From the viewpoint of avoiding excessive pulverization of the dried product due to rapid drying of the concentrate, it may be -100 kPa or more, -95 kPa or more, or -90 kPa or more. The pressure may be adjusted by methods such as operating a vacuum pump with appropriate exhaust capacity at full capacity, or by intentionally introducing air and/or inert gas using a vacuum regulator, leak valve, etc.
一態様においては、乾燥工程における濃縮物の温度40℃~100℃での滞留時間が、例えば、30分間~600分間、又は45分間~300分間、又は60分間~200分間であってよい。 In one embodiment, the residence time of the concentrate at a temperature of 40°C to 100°C during the drying process may be, for example, 30 minutes to 600 minutes, 45 minutes to 300 minutes, or 60 minutes to 200 minutes.
一態様において、セルロース微細繊維乾燥体は粒子状であってよい。この場合の平均粒径は、好ましくは、1μm以上、又は10μm以上、又は50μm以上、又は100μm以上、又は200μm以上、又は500μm以上であり、好ましくは5000μm以下、又は4000μm以下、又は3000μm以下、又は2000μm以下である。上記平均粒径はレーザー回折・散乱法で測定される値である。 In one embodiment, the dried cellulose microfiber may be particulate. In this case, the average particle size is preferably 1 μm or more, or 10 μm or more, or 50 μm or more, or 100 μm or more, or 200 μm or more, or 500 μm or more, and preferably 5000 μm or less, or 4000 μm or less, or 3000 μm or less, or 2000 μm or less. The above average particle size is measured by laser diffraction/scattering.
<BET比表面積>
一態様において、セルロース微細繊維乾燥体のBET比表面積は、セルロース微細繊維の樹脂組成物中での分散性の観点から、好ましくは、1m2/g以上、又は3m2/g以上、又は5m2/g以上、又は8m2/g以上、又は10m2/g以上、又は12m2/g以上であり、乾燥体の製造容易性の観点から、好ましくは50m2/g以下、又は40m2/g以下、又は30m2/g以下、又は25m2/g以下、又は20m2/g以下である。比表面積は、比表面積・細孔分布測定装置(例えばNova-4200e,カンタクローム・インスツルメンツ社製)にて、乾燥体約0.2gを真空下で120℃、5時間乾燥させた後、液体窒素の沸点における窒素ガスの吸着量を相対蒸気圧(P/P0)0.05以上0.2以下の範囲にて5点測定した後(多点法)、同装置プログラムによりBET比表面積(m2/g)を算出することで得られる値である。
<BET specific surface area>
In one embodiment, the BET specific surface area of the dried cellulose microfiber is preferably 1 m²/g or more, or 3 m² /g or more, or 5 m² /g or more, or 8 m² /g or more, or 10 m² /g or more, or 12 m² /g or more, from the viewpoint of dispersibility of the cellulose microfiber in the resin composition, and preferably 50 m² /g or less, or 40 m² /g or less, or 30 m² /g or less, or 25 m² /g or less, or 20 m² / g or less, from the viewpoint of ease of manufacturing the dried product. The specific surface area is obtained by using a specific surface area and pore distribution analyzer (e.g., Nova-4200e, manufactured by Quantachrome Instruments) to dry approximately 0.2 g of the dried material under vacuum at 120°C for 5 hours, then measuring the amount of nitrogen gas adsorbed at the boiling point of liquid nitrogen at five points within a relative vapor pressure (P/P 0 ) range of 0.05 to 0.2 (multi-point method), and finally calculating the BET specific surface area ( m² /g) using the program of the same analyzer.
≪セルロース原料及びセルロース微細繊維の特性≫
以下、本開示のセルロース原料及びセルロース微細繊維の特性の例示的態様について説明する。なお以下の特性は、特記がない限り、本開示のセルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維(本開示で、濃縮前のセルロース微細繊維ということもある。)、本開示の濃縮物中のセルロース微細繊維(本開示で、濃縮後のセルロース微細繊維ということもある。)、又は本開示の乾燥体中のセルロース微細繊維に係る特性であってよい。
≪Characteristics of Cellulose Raw Materials and Cellulose Microfibers≫
The following describes exemplary embodiments of the properties of the cellulose raw materials and cellulose microfibers of this disclosure. Unless otherwise specified, the following properties may relate to the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion of this disclosure (which may also be referred to as cellulose microfibers before concentration in this disclosure), the cellulose microfibers in the concentrate of this disclosure (which may also be referred to as cellulose microfibers after concentration in this disclosure), or the cellulose microfibers in the dried product of this disclosure.
セルロース微細繊維の平均繊維径は、一態様において、50~1000nmであり、好ましくは55nm以上、又は60nm以上、又は65nm以上、又は70nm以上、又は75nm以上であり、好ましくは900nm以下、又は800nm以下、又は700nm以下、又は600nm以下、又は500nm以下である。セルロース微細繊維の平均繊維径が上記の範囲内にあると、未修飾のみならず化学修飾によって表面疎水性が増したセルロース微細繊維であっても、固形分率のバラつきが少ない濃縮が可能となる。平均繊維径が上記下限値以上である場合、保水性が高くなり過ぎずセルロース微細繊維分散液からの脱液が容易であり、濃縮装置の目詰まりや回収率の低下が生じ難い。一方、平均繊維径が上記上限値以下である場合、セルロース微細繊維が分散液中で沈降し難いため、沈降による濃度ムラが生じ難い。 The average fiber diameter of the cellulose microfibers is, in one embodiment, 50 to 1000 nm, preferably 55 nm or more, or 60 nm or more, or 65 nm or more, or 70 nm or more, or 75 nm or more, and preferably 900 nm or less, or 800 nm or less, or 700 nm or less, or 600 nm or less, or 500 nm or less. When the average fiber diameter of the cellulose microfibers is within the above range, concentration with little variation in solid content is possible, even for cellulose microfibers with increased surface hydrophobicity due to chemical modification, as well as unmodified cellulose microfibers. When the average fiber diameter is above the lower limit, the water retention is not excessively high, making dewatering from the cellulose microfiber dispersion easy, and clogging of the concentration device and a decrease in recovery rate are less likely to occur. On the other hand, when the average fiber diameter is below the upper limit, the cellulose microfibers are less likely to settle in the dispersion, thus reducing concentration unevenness due to sedimentation.
一態様において、セルロース微細繊維の数平均繊維径(D)は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて以下の手順で測定される値である。濃縮前又は濃縮後のセルロース微細繊維をtert-ブタノールで、0.1~0.5質量%まで希釈し、吸引濾過して作製したシートを150℃のオーブンで5分乾燥したものを測定サンプルとし、高分解能走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した10000倍の画像から計測して求める。具体的には、観察画像の中央点を通る直線を任意に3本引き、これらの直線と交差する繊維の幅を、少なくとも100本の繊維に対して求めて、数平均値を算出する。 In one embodiment, the number-average fiber diameter (D) of cellulose microfibers is a value measured using a scanning electron microscope (SEM) by the following procedure. Cellulose microfibers before or after concentration are diluted with tert-butanol to 0.1–0.5% by mass, and a sheet prepared by suction filtration is dried in a 150°C oven for 5 minutes. This sheet is used as the measurement sample, and the number-average diameter is determined from a 10,000x magnification image observed with a high-resolution scanning electron microscope (SEM). Specifically, three lines are drawn arbitrarily passing through the center point of the observed image, and the width of the fibers intersecting these lines is determined for at least 100 fibers, and the number-average value is calculated.
セルロース原料又はセルロース微細繊維の結晶化度は、耐熱性、機械強度及び寸法安定性に優れる樹脂組成物を得る観点から、好ましくは、55%以上、又は60%以上、又は70%以上、又は73%以上、又は75%以上である。結晶化度がこの範囲にあると、セルロース自体の力学物性(耐熱性、強度、寸法安定性)が高いため、セルロースを樹脂に分散した際に、樹脂組成物の耐熱性、強度、寸法安定性が高い傾向にある。結晶化度は高い方が好ましいが、生産上の観点から好ましい上限は99%である。 From the viewpoint of obtaining a resin composition with excellent heat resistance, mechanical strength, and dimensional stability, the crystallinity of the cellulose raw material or cellulose microfibers is preferably 55% or higher, 60% or higher, 70% or higher, 73% or higher, or 75% or higher. When the crystallinity is within this range, the mechanical properties (heat resistance, strength, and dimensional stability) of the cellulose itself are high, and therefore, when cellulose is dispersed in the resin, the resulting resin composition tends to have high heat resistance, strength, and dimensional stability. While a higher crystallinity is preferable, from a production standpoint, the preferred upper limit is 99%.
セルロース原料又はセルロース微細繊維の重合度は、機械的特性発現の観点から、好ましくは、100以上、又は150以上、又は200以上、又は300以上、又は400以上であり、加工性の観点から、好ましくは、3500以下、又は3300以下、又は3200以下、又は3100以下、又は3000以下である。 From the viewpoint of mechanical property development, the degree of polymerization of the cellulose raw material or cellulose microfibers is preferably 100 or more, 150 or more, 200 or more, 300 or more, or 400 or more. From the viewpoint of processability, it is preferably 3500 or less, 3300 or less, 3200 or less, 3100 or less, or 3000 or less.
セルロースの重合度は、「第十五改正日本薬局方解説書(廣川書店発行)」の確認試験(3)に記載の銅エチレンジアミン溶液による還元比粘度法に従って測定される平均重合度を意味する。 The degree of polymerization of cellulose refers to the average degree of polymerization measured according to the reduction ratio viscosity method using copper ethylenediamine solution, as described in the confirmation test (3) of the "Fifteenth Revised Japanese Pharmacopoeia Commentary (published by Hirokawa Shoten)".
一態様において、セルロース原料又はセルロース微細繊維の重量平均分子量(Mw)は100000以上であり、より好ましくは200000以上である。重量平均分子量と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)は6以下であり、好ましくは5.4以下である。重量平均分子量が大きいほどセルロース分子の末端基の数は少ないことを意味する。また、重量平均分子量と数平均分子量との比(Mw/Mn)は分子量分布の幅を表すものであることから、Mw/Mnが小さいほどセルロース分子の末端の数は少ないことを意味する。セルロース分子の末端は熱分解の起点となるため、セルロース分子の重量平均分子量が大きいだけでなく、重量平均分子量が大きいと同時に分子量分布の幅が狭い場合に、特に高耐熱性のセルロース、及びセルロースと樹脂とを含む樹脂組成物が得られる。セルロース微細繊維の重量平均分子量(Mw)は、セルロース原料の入手容易性の観点から、例えば600000以下、又は500000以下であってよい。重量平均分子量と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)は、セルロース微細繊維の製造容易性の観点から、例えば1.5以上、又は2以上であってよい。Mwは、目的に応じたMwを有するセルロース原料を選択すること、セルロース原料に対して物理的処理及び/又は化学的処理を適度な範囲で適切に行うこと、等によって上記範囲に制御できる。Mw/Mnもまた、目的に応じたMw/Mnを有するセルロース原料を選択すること、セルロース原料に対して物理的処理及び/又は化学的処理を適度な範囲で適切に行うこと、等によって上記範囲に制御できる。Mwの制御、及びMw/Mnの制御の両者において、上記物理的処理としては、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ディスクミル等の乾式粉砕若しくは湿式粉砕、擂潰機、ホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波装置等による衝撃、剪断、ずり、摩擦等の機械的な力を加える物理的処理を例示でき、上記化学的処理としては、蒸解、漂白、酸処理、再生セルロース化等を例示できる。 In one embodiment, the weight-average molecular weight (Mw) of the cellulose raw material or cellulose microfibers is 100,000 or more, more preferably 200,000 or more. The ratio of weight-average molecular weight to number-average molecular weight (Mn) (Mw/Mn) is 6 or less, preferably 5.4 or less. A larger weight-average molecular weight means fewer end groups in the cellulose molecule. Also, since the ratio of weight-average molecular weight to number-average molecular weight (Mw/Mn) represents the width of the molecular weight distribution, a smaller Mw/Mn means fewer end groups in the cellulose molecule. Since the end groups of cellulose molecules are the starting points for thermal decomposition, a particularly heat-resistant cellulose and a resin composition containing cellulose and resin can be obtained when the weight-average molecular weight of the cellulose molecule is large, and at the same time the width of the molecular weight distribution is narrow. From the viewpoint of the availability of cellulose raw materials, the weight-average molecular weight (Mw) of the cellulose microfibers may be, for example, 600,000 or less, or 500,000 or less. The ratio of weight-average molecular weight to number-average molecular weight (Mn) (Mw/Mn) may be, for example, 1.5 or higher, or 2 or higher, from the viewpoint of ease of manufacturing cellulose fine fibers. Mw can be controlled within the above range by selecting a cellulose raw material having an Mw appropriate to the purpose, and by appropriately performing physical and/or chemical treatments on the cellulose raw material within an appropriate range. Mw/Mn can also be controlled within the above range by selecting a cellulose raw material having an Mw/Mn appropriate to the purpose, and by appropriately performing physical and/or chemical treatments on the cellulose raw material within an appropriate range. Examples of physical treatments for both Mw and Mw/Mn control include dry or wet grinding using microfrudizers, ball mills, disc mills, etc., and applying mechanical forces such as impact, shear, shatter, and friction using grinders, homomixers, high-pressure homogenizers, ultrasonic devices, etc. Examples of chemical treatments include pulverization, bleaching, acid treatment, and regenerative celluloseization.
ここでいう重量平均分子量及び数平均分子量とは、セルロース原料又はセルロース微細繊維を塩化リチウムが添加されたN,N-ジメチルアセトアミドに溶解させたうえで、N,N-ジメチルアセトアミドを溶媒としてゲルパーミエーションクロマトグラフィによって求めた値である。 The weight-average molecular weight and number-average molecular weight referred to here are values obtained by dissolving cellulose raw materials or cellulose fine fibers in N,N-dimethylacetamide to which lithium chloride has been added, and then determining them by gel permeation chromatography using N,N-dimethylacetamide as the solvent.
セルロース微細繊維の重合度(すなわち平均重合度)又は分子量を制御する方法としては、解繊工程後の加水分解処理等が挙げられる。加水分解処理によって、セルロース内部の非晶質セルロースの解重合が進み、平均重合度が小さくなる。また同時に、加水分解処理により、非晶質セルロースに加え、ヘミセルロース、リグニン等の不純物も取り除かれるため、繊維質内部が多孔質化する。それにより、後記の混練工程中等の、セルロースに機械的せん断力を与える工程において、セルロースが機械処理を受けやすくなり、セルロースが微分散しやすくなる。 Methods for controlling the degree of polymerization (i.e., average degree of polymerization) or molecular weight of cellulose microfibers include hydrolysis treatment after the defibrillation process. Hydrolysis treatment promotes the depolymerization of amorphous cellulose within the cellulose, reducing the average degree of polymerization. Simultaneously, hydrolysis removes impurities such as hemicellulose and lignin in addition to amorphous cellulose, resulting in a porous structure within the fibrous material. This makes the cellulose more susceptible to mechanical processing during processes that apply mechanical shear force to it, such as the kneading process described later, and facilitates fine dispersion of the cellulose.
セルロース微細繊維は繊維径に対して繊維長が長い高アスペクト比の形状であることができ、かつセルロース微細繊維が屈曲した状態を取ることができるため、繊維長を定量的に測定することは難しいが、繊維形状自動分析計(例えばTechpap社製Morfi Neo)を用いて、繊維長分布を反映したファイン率を求めることができる。本開示では、長さ加重繊維長0.1mm未満の繊維の含有率をファイン率と定義して算出する。 Cellulose microfibers can have a high aspect ratio shape, where the fiber length is long relative to the fiber diameter, and can also be bent. Therefore, quantitatively measuring the fiber length is difficult. However, using an automated fiber shape analyzer (e.g., Morfi Neo from Techpap), the fineness ratio, which reflects the fiber length distribution, can be determined. In this disclosure, the fineness ratio is defined and calculated as the percentage of fibers with a length-weighted fiber length of less than 0.1 mm.
(繊維形状自動分析計)
繊維形状自動分析計(Techpap社製Morfi Neo)の測定手順を以下に説明する。測定の際の繊維パラメータは繊維長0.1mmを閾値とし、閾値以上のセルロース微細繊維を通常繊維、閾値未満の繊維をファイン繊維と定義する。
(Automatic fiber shape analyzer)
The measurement procedure for the automated fiber shape analyzer (Techpap Morfi Neo) is described below. For measurement, the fiber parameter is defined with a fiber length of 0.1 mm as the threshold. Cellulose microfibers above the threshold are defined as normal fibers, and fibers below the threshold are defined as fine fibers.
セルロース微細繊維を純水に分散し、固形分濃度を0.003~0.005質量%とした1Lの水分散液を用意する。なお、希釈前のセルロース微細繊維が2質量%以下の水分散液である場合には、スパチュラ等で簡易的に混ぜるだけで良いが、2質量%以上の水分散液、含水ケーク状若しくは粉末状等である場合においては、高せん断ホモジナイザー(IKA製、商品名「ウルトラタラックスT18」)を用い処理条件:回転数25,000rpm×5分間で分散処理を行う。水以外の媒体に分散されている場合、高せん断ホモジナイザー(例えば、IKA製、商品名「ウルトラタラックスT18」)を用い処理条件:回転数25,000rpm×5分間で、充分量の純水中に分散処理を行ったのち、吸引濾過等の手段で、媒体を除去、再度、高せん断ホモジナイザー(例えば、IKA製、商品名「ウルトラタラックスT18」)を用い純水中に、処理条件:回転数25,000rpm×5分間で、固形分濃度0.003~0.005質量%となるように分散処理を行うことで、媒体を水に置換する。上記のように調製した水分散液をオートサンプラーに供して測定を行い、結果より各形状パラメータを抽出、又は算出する。なお、当該機器における繊維長分布の測定においては、データ区間は任意に設定可能であるため、前述の繊維長を有する繊維の分布が確認できる設定であれば、どのように設定しても構わない。
以下に、それぞれの形状パラメータに関して詳細に説明する。
Prepare a 1 L aqueous dispersion by dispersing cellulose microfibers in pure water to a solid content concentration of 0.003 to 0.005% by mass. If the aqueous dispersion of cellulose microfibers before dilution is 2% by mass or less, it is sufficient to simply mix it with a spatula or the like. However, if the aqueous dispersion is 2% by mass or more, or if it is in the form of a water-containing cake or powder, dispersion treatment should be performed using a high-shear homogenizer (IKA, product name "Ultra-Turrax T18") under the following conditions: rotation speed 25,000 rpm x 5 minutes. If dispersed in a medium other than water, the material is dispersed in a sufficient amount of pure water using a high-shear homogenizer (e.g., IKA product, "Ultra-Turrax T18") under the following conditions: rotation speed 25,000 rpm x 5 minutes. After dispersing, the medium is removed by means of suction filtration or other means. Then, the material is dispersed again in pure water using a high-shear homogenizer (e.g., IKA product, "Ultra-Turrax T18") under the following conditions: rotation speed 25,000 rpm x 5 minutes, so that the solid content concentration is 0.003 to 0.005 mass%, thereby replacing the medium with water. The aqueous dispersion prepared as described above is subjected to measurement using an autosampler, and each shape parameter is extracted or calculated from the results. Note that in measuring the fiber length distribution with this instrument, the data interval can be set arbitrarily, so any setting is acceptable as long as the distribution of fibers with the aforementioned fiber length can be confirmed.
The following provides a detailed explanation of each shape parameter.
(長さ加重平均繊維長)
長さ加重平均繊維長はISO/FDIS 16065-2:2006に定義された方法に準拠して繊維形状自動分析計で測定し、平均値の算出は繊維長0.1mm以上の繊維に対して行った。屈折した繊維においてはその屈折形状を考慮した実際の繊維長に相当する繊維長の平均値である。
(Length-weighted average fiber length)
Length-weighted average fiber length was measured using an automated fiber shape analyzer in accordance with the method defined in ISO/FDIS 16065-2:2006, and the average value was calculated for fibers with a length of 0.1 mm or more. For bent fibers, the average value represents the fiber length corresponding to the actual fiber length, taking into account the bent shape.
(ファイン率)
繊維形状自動分析計において観察された全セルロース微細繊維の本数のうち、ファイン繊維(繊維長0.1mm未満の繊維)が占める本数割合である。ファイン率は、一態様において、好ましくは70%以上、又は80%以上、又は90%以上であり、好ましくは99%以下、又は98%以下、又は97%以下である。ファイン率が上記範囲で制御されることで、セルロース微細繊維をフィラー強化樹脂用のフィラーとして用いたときに良好な補強効果が得られる。ファイン率が上記下限値以上である場合、セルロース微細繊維の解繊が良好に行われている傾向を示しており、セルロース微細繊維が分散液中で沈降し難いため、沈降による濃度ムラが生じ難く好ましい。またこの場合、フィラー強化樹脂用のフィラーとしての補強効果も良好である。一方、ファイン率が上記上限値以下である場合、セルロース微細繊維の解繊が過剰ではない傾向を示しており、濃縮工程において濾過基材を通過したり、濾過基材を詰まらせる不具合が生じ難く好ましい。またこの場合、過剰な解繊によるセルロース微細繊維の耐熱性低下が生じ難いため、フィラー強化樹脂用のフィラーとしての熱劣化による激しい着色又は物性低下が生じ難く好ましい。
(Fine rate)
This is the percentage of fine fibers (fibers with a length of less than 0.1 mm) out of the total number of cellulose microfibers observed by an automated fiber shape analyzer. In one embodiment, the fine ratio is preferably 70% or more, or 80% or more, or 90% or more, and preferably 99% or less, or 98% or less, or 97% or less. By controlling the fine ratio within the above range, a good reinforcing effect can be obtained when cellulose microfibers are used as a filler for filler-reinforced resins. When the fine ratio is above the lower limit, it tends to indicate that the cellulose microfibers are defibrated well, and since the cellulose microfibers are less likely to settle in the dispersion, uneven concentration due to settling is less likely to occur, which is preferable. In this case, the reinforcing effect as a filler for filler-reinforced resins is also good. On the other hand, when the fine ratio is below the upper limit, it tends to indicate that the cellulose microfibers are not defibrated excessively, and problems such as passing through the filtration substrate or clogging the filtration substrate in the concentration process are less likely to occur, which is preferable. Furthermore, in this case, excessive defibration is less likely to cause a decrease in the heat resistance of the cellulose microfibers, which is preferable because it is less likely to cause severe discoloration or deterioration of physical properties due to thermal degradation as a filler for filler-reinforced resins.
(ファイン繊維面積比)
ファイン繊維面積比とは、全セルロース微細繊維の観察像の面積総和(通常繊維の面積+ファイン繊維の面積)に占める、繊維長0.1mm未満であるファイン繊維の観察像の面積総和の比率である。ファイン繊維面積比は、好ましくは90%以下、又は80%以下、又は70%以下、又は60%以下であり、好ましくは5%以上、又は10%以上、又は20%以上、又は25%以上、又は30%以上である。ファイン繊維面積比が好ましい範囲にあることで、濃縮工程において固形分率のバラつきが少ない濃縮が容易になる。
(Fine fiber area ratio)
The fine fiber area ratio is the ratio of the total area of fine fibers with a fiber length of less than 0.1 mm to the total area of all cellulose microfibers observed (area of normal fibers + area of fine fibers). The fine fiber area ratio is preferably 90% or less, or 80% or less, or 70% or less, or 60% or less, and preferably 5% or more, or 10% or more, or 20% or more, or 25% or more, or 30% or more. Having a fine fiber area ratio within a preferred range makes it easier to concentrate with less variation in solid content during the concentration process.
(フィブリル化率)
フィブリル化率とは、少なくも一部が分岐した構造を有する繊維において、最も径が大きい部分を主鎖として、その主鎖長L(Main)に対し、分岐したn本の側鎖L(Sub)の合計長さを意味し、以下の式で定義される。
The fibrillation rate, in a fiber having a branched structure in which at least a portion is branched, refers to the total length of the n branched side chains L (Sub) relative to the main chain length L (Main) of the main chain, which has the largest diameter, and is defined by the following formula.
セルロース微細繊維のフィブリル化率は、好ましくは0.5%以上、又は0.7%以上、又は0.8%以上、又は0.9%以上、又は1.0%以上、又は1.2%以上、又は1.5%以上であり、好ましくは3.5%以下、又は3.0%以下、又は2.5%以下、又は2.0%以下である。フィブリル化率がこの範囲にあることで、セルロース微細繊維をフィラー強化樹脂用のフィラーとして用いたときの、樹脂組成物中でのセルロース微細繊維/樹脂間の界面の面積が適切な範囲となり、破壊の起点が少なくなるため、破壊歪が大きくなる。 The fibrillation rate of cellulose microfibers is preferably 0.5% or more, or 0.7% or more, or 0.8% or more, or 0.9% or more, or 1.0% or more, or 1.2% or more, or 1.5% or more, and preferably 3.5% or less, or 3.0% or less, or 2.5% or less, or 2.0% or less. Having the fibrillation rate within this range ensures that when cellulose microfibers are used as a filler for filler-reinforced resins, the interface area between the cellulose microfibers and the resin in the resin composition is within an appropriate range, reducing the number of fracture initiation points and thus increasing the fracture strain.
一態様において、セルロース微細繊維は、アルカリ可溶多糖類を含み得る。アルカリ可溶多糖類は、ヘミセルロースのほか、β-セルロース及びγ-セルロースも包含する。アルカリ可溶多糖類とは、植物(例えば木材)を溶媒抽出及び塩素処理して得られるホロセルロースのうちのアルカリ可溶部として得られる成分(すなわちホロセルロースからα-セルロースを除いた成分)として当業者に理解される。アルカリ可溶多糖類は、水酸基を含む多糖であり、セルロース微細繊維の耐熱性低下、物性低下、変色、樹脂への分散性低下等の原因となり得ることから、セルロース微細繊維中のアルカリ可溶多糖類含有量は少ない方が好ましい。 In one embodiment, cellulose microfibers may contain alkali-soluble polysaccharides. These alkali-soluble polysaccharides include hemicellulose, as well as β-cellulose and γ-cellulose. Alkali-soluble polysaccharides are understood by those skilled in the art as components obtained as the alkali-soluble portion of holocellulose obtained by solvent extraction and chlorination of plants (e.g., wood) (i.e., components obtained by removing α-cellulose from holocellulose). Since alkali-soluble polysaccharides are polysaccharides containing hydroxyl groups, they can cause a decrease in the heat resistance, physical properties, discoloration, and dispersibility in resins of cellulose microfibers; therefore, a low content of alkali-soluble polysaccharides in cellulose microfibers is preferable.
一態様において、セルロース微細繊維中のアルカリ可溶多糖類平均含有率は、セルロース微細繊維の良好な機能を維持する観点から、セルロース微細繊維100質量%に対して、好ましくは、20質量%以下、又は18質量%以下、又は15質量%以下、又は12質量%以下、又は11質量%以下、又は8質量%以下である。上記含有率は、セルロース微細繊維の製造容易性の観点から、1質量%以上、又は2質量%以上、又は3質量%以上、又は6質量%以上であってもよい。一態様において、セルロース原料中のアルカリ可溶多糖類平均含有率は、13質量%以下、又は12質量%以下、又は11質量%以下、又は8質量%以下であってよく、最も好ましくは0質量%であるが、セルロース原料の入手容易性の観点から、例えば3質量%以上、又は6質量%以上であってもよい。 In one embodiment, the average content of alkali-soluble polysaccharides in cellulose microfibers is preferably 20% by mass or less, 18% by mass or less, 15% by mass or less, 12% by mass or less, 11% by mass or less, or 8% by mass or less, based on 100% by mass of cellulose microfibers, from the viewpoint of maintaining good functionality of the cellulose microfibers. From the viewpoint of ease of manufacturing cellulose microfibers, the above content may be 1% by mass or more, 2% by mass or more, 3% by mass or more, or 6% by mass or more. In one embodiment, the average content of alkali-soluble polysaccharides in the cellulose raw material may be 13% by mass or less, 12% by mass or less, 11% by mass or less, or 8% by mass or less, most preferably 0% by mass, but from the viewpoint of ease of obtaining cellulose raw materials, it may be, for example, 3% by mass or more, or 6% by mass or more.
アルカリ可溶多糖類平均含有率は、非特許文献(木質科学実験マニュアル、日本木材学会編、92~97頁、2000年)に記載の手法より求めることができ、ホロセルロース含有率(Wise法)からαセルロース含有率を差し引くことで求められる。なおこの方法は当業界においてヘミセルロース量の測定方法として理解されている。1つのサンプルにつき3回アルカリ可溶多糖類含有率を算出し、算出したアルカリ可溶多糖類含有率の数平均をアルカリ可溶多糖類平均含有率とする。 The average alkali-soluble polysaccharide content can be determined using the method described in the non-patent literature (Wood Science Experiment Manual, edited by the Japan Wood Research Society, pp. 92-97, 2000). It is calculated by subtracting the α-cellulose content from the holocellulose content (Wise method). This method is understood in this industry as a method for measuring hemicellulose content. The alkali-soluble polysaccharide content is calculated three times for each sample, and the number average of these calculated alkali-soluble polysaccharide content values is taken as the average alkali-soluble polysaccharide content.
一態様において、セルロース微細繊維中の酸不溶成分平均含有率は、セルロースの耐熱性低下及びそれに伴う変色を回避する観点から、セルロース微細繊維100質量%に対して、好ましくは、10質量%以下、又は5質量%以下、又は3質量%以下である。上記含有率は、セルロース微細繊維の製造容易性の観点から、0.1質量%以上、又は0.2質量%以上、又は0.3質量%以上であってもよい。 In one embodiment, the average content of acid-insoluble components in cellulose microfibers is preferably 10% by mass or less, 5% by mass or less, or 3% by mass or less, based on 100% by mass of cellulose microfibers, from the viewpoint of avoiding a decrease in the heat resistance of cellulose and the resulting discoloration. The above content may be 0.1% by mass or more, 0.2% by mass or more, or 0.3% by mass or more, from the viewpoint of ease of manufacturing the cellulose microfibers.
酸不溶成分平均含有率は、非特許文献(木質科学実験マニュアル、日本木材学会編、92~97頁、2000年)に記載のクラーソン法を用いた酸不溶成分の定量として行う。なおこの方法は当業界においてリグニン量の測定方法として理解されている。硫酸溶液中でサンプルを撹拌してセルロース及びヘミセルロース等を溶解させた後、ガラスファイバーろ紙で濾過し、得られた残渣が酸不溶成分に該当する。この酸不溶成分重量より酸不溶成分含有率を算出し、そして、3サンプルについて算出した酸不溶成分含有率の数平均を酸不溶成分平均含有率とする。 The average acid-insoluble component content is determined using the Claesson method described in the non-patent literature (Wood Science Experiment Manual, edited by the Japan Wood Research Society, pp. 92-97, 2000). This method is understood in this industry as a method for measuring lignin content. The sample is stirred in sulfuric acid solution to dissolve cellulose and hemicellulose, etc., and then filtered through glass fiber filter paper. The resulting residue contains the acid-insoluble components. The acid-insoluble component content is calculated from the weight of these components, and the average of the number of acid-insoluble component content values calculated for three samples is taken as the average acid-insoluble component content.
≪樹脂組成物の製造方法≫
本発明の一態様はまた、セルロース微細繊維と熱可塑性樹脂とを含む樹脂組成物の製造方法を提供する。当該方法は、一態様において、本開示のセルロース微細繊維分散液の濃縮物の製造方法でセルロース微細繊維分散液の濃縮物を生成し、又は本開示のセルロース微細繊維乾燥体の製造方法でセルロース微細繊維乾燥体を生成する工程と、当該セルロース微細繊維分散液の濃縮物又は当該セルロース微細繊維乾燥体を熱可塑性樹脂と混合(典型的には溶融混練)して樹脂組成物を生成する工程とを含む。
≪Method for manufacturing resin compositions≫
One aspect of the present invention also provides a method for producing a resin composition comprising cellulose microfibers and a thermoplastic resin. In one aspect, the method includes the steps of producing a concentrate of cellulose microfiber dispersion using the method for producing a concentrate of cellulose microfiber dispersion of the present disclosure, or producing a dried cellulose microfiber using the method for producing a dried cellulose microfiber of the present disclosure, and mixing (typically by melt-kneading) the concentrate of cellulose microfiber dispersion or the dried cellulose microfiber with a thermoplastic resin to produce a resin composition.
溶融混練には、単軸押出機、二軸押出機等の押出機を使用できるが、二軸押出機が、セルロース微細繊維の分散性を制御する上で好ましい。押出機のシリンダー長(L)をスクリュー径(D)で除したL/Dは、30以上が好ましく、特に好ましくは40以上である。また、混練時のスクリュー回転数は、50~800rpmの範囲が好ましく、より好ましくは100~600rpmの範囲内である。押出機のシリンダー内の各スクリューは、楕円形の二翼のねじ形状の搬送スクリュー、ニーディングディスクと呼ばれる混練エレメント、等を組み合わせて最適化される。 For melt kneading, extruders such as single-screw extruders and twin-screw extruders can be used, but twin-screw extruders are preferred for controlling the dispersibility of cellulose fine fibers. The L/D ratio, obtained by dividing the extruder cylinder length (L) by the screw diameter (D), is preferably 30 or more, and particularly preferably 40 or more. Furthermore, the screw rotation speed during kneading is preferably in the range of 50 to 800 rpm, and more preferably in the range of 100 to 600 rpm. Each screw within the extruder cylinder is optimized by combining a conveying screw with an elliptical two-blade screw shape, a kneading element called a kneading disc, and the like.
<熱可塑性樹脂>
熱可塑性樹脂は、樹脂組成物の使用目的に応じて適宜選択され、例えば、100℃~350℃の範囲内に融点を有する結晶性熱可塑性樹脂、100~250℃の範囲内にガラス転移温度を有する非晶性熱可塑性樹脂等であってよい。樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂及びこれらの2種以上の混合物を例示でき、取り扱い性及びコストの観点から、好ましくはポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂等が挙げられ、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂及びポリアセタール系樹脂はより好ましく、ポリアミド系樹脂及びポリアセタール系樹脂は特に好ましい。熱可塑性樹脂(特に結晶性樹脂)の融点は、樹脂組成物の耐熱性を高める観点から、好ましくは、140℃以上、又は150℃以上、又は160℃以上、又は170℃以上、又は180℃以上、又は190℃以上、又は200℃以上、又は210℃以上、又は220℃以上、又は230℃以上、又は240℃以上、又は245℃以上、又は250℃以上である。
<Thermoplastic resin>
The thermoplastic resin is appropriately selected according to the intended use of the resin composition, and may be, for example, a crystalline thermoplastic resin having a melting point in the range of 100°C to 350°C, or an amorphous thermoplastic resin having a glass transition temperature in the range of 100°C to 250°C. Examples of resins include polyolefin resins, polyamide resins, polyester resins, polyacetal resins, polyphenylene ether resins, polyphenylene sulfide resins, and mixtures of two or more of these. From the viewpoint of ease of handling and cost, polyolefin resins, polyamide resins, polyester resins, polyacetal resins, etc. are preferred, polyamide resins, polyolefin resins and polyacetal resins are more preferred, and polyamide resins and polyacetal resins are particularly preferred. From the viewpoint of improving the heat resistance of the resin composition, the melting point of thermoplastic resins (especially crystalline resins) is preferably 140°C or higher, or 150°C or higher, or 160°C or higher, or 170°C or higher, or 180°C or higher, or 190°C or higher, or 200°C or higher, or 210°C or higher, or 220°C or higher, or 230°C or higher, or 240°C or higher, or 245°C or higher, or 250°C or higher.
熱可塑性樹脂の融点としては、例えば比較的低融点の樹脂(例えばポリオレフィン系樹脂)について、150℃~190℃、又は160℃~180℃、また例えば比較的高融点の樹脂(例えばポリアミド系樹脂)について、220℃~350℃、又は230℃~320℃、を例示できる。 Examples of melting points for thermoplastic resins include, for example, 150°C to 190°C or 160°C to 180°C for resins with relatively low melting points (e.g., polyolefin resins), and 220°C to 350°C or 230°C to 320°C for resins with relatively high melting points (e.g., polyamide resins).
本開示で、樹脂の融点とは、示差走査熱量分析装置(DSC)を用いて、23℃から10℃/分の昇温速度で昇温した際に現れる吸熱ピークのピークトップ温度を指し、吸熱ピークが2つ以上現れる場合は、最も高温側の吸熱ピークのピークトップ温度を指す。 In this disclosure, the melting point of the resin refers to the peak top temperature of the endothermic peak that appears when the temperature is increased from 23°C at a heating rate of 10°C/min using a differential scanning calorimetry (DSC). If two or more endothermic peaks appear, the peak top temperature of the highest-temperature endothermic peak is referred to.
本開示で、樹脂のガラス転移温度とは、動的粘弾性測定装置を用いて、23℃から2℃/分の昇温速度で昇温しながら、印加周波数10Hzで測定した際に、貯蔵弾性率が大きく低下し、損失弾性率が最大となるピークのピークトップの温度をいう。損失弾性率のピークが2つ以上現れる場合は、最も高温側のピークのピークトップ温度を指す。 In this disclosure, the glass transition temperature of a resin refers to the temperature at which the storage modulus decreases significantly and the loss modulus reaches its maximum, measured using a dynamic viscoelasticity measuring device at an applied frequency of 10 Hz while increasing the temperature from 23°C at a heating rate of 2°C/min. If two or more peaks in the loss modulus appear, the peak top temperature of the highest-temperature peak is referred to.
熱可塑性樹脂として好ましいポリオレフィン系樹脂は、オレフィン類(例えばα-オレフィン類)やアルケン類をモノマー単位として重合して得られる高分子である。ポリオレフィン系樹脂の具体例としては、低密度ポリエチレン(例えば線状低密度ポリエチレン)、高密度ポリエチレン、超低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等に例示されるエチレン系(共)重合体、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体、エチレン-プロピレン-ジエン共重合体等に例示されるポリプロピレン系(共)重合体、エチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-メタクリル酸メチル共重合体、エチレン-グリシジルメタクリレート共重合体等に代表されるエチレン等α-オレフィンの共重合体等が挙げられる。 Preferred polyolefin resins as thermoplastic resins are polymers obtained by polymerizing olefins (e.g., α-olefins) or alkenes as monomer units. Specific examples of polyolefin resins include ethylene-based (co)polymers such as low-density polyethylene (e.g., linear low-density polyethylene), high-density polyethylene, ultra-low-density polyethylene, and ultra-high molecular weight polyethylene; polypropylene-based (co)polymers such as polypropylene, ethylene-propylene copolymer, and ethylene-propylene-diene copolymer; and copolymers of ethylene and other α-olefins, such as ethylene-acrylic acid copolymer, ethylene-methyl methacrylate copolymer, and ethylene-glycidyl methacrylate copolymer.
ここで最も好ましいポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレンが挙げられる。特に、ISO1133に準拠して230℃、荷重21.2Nで測定されたメルトマスフローレイト(MFR)が、3g/10分以上30g/10分以下であるポリプロピレンが好ましい。MFRの下限値は、より好ましくは5g/10分であり、さらにより好ましくは6g/10分であり、最も好ましくは8g/10分である。また、上限値は、より好ましくは25g/10分であり、さらにより好ましくは20g/10分であり、最も好ましくは18g/10分である。MFRは、組成物の靱性向上の観点から上記上限値を超えないことが望ましく、組成物の流動性の観点から上記下限値を下回らないことが望ましい。 The most preferred polyolefin resin here is polypropylene. In particular, polypropylene with a melt mass flow rate (MFR) of 3 g/10 min or more and 30 g/10 min or less, measured at 230°C and a load of 21.2 N in accordance with ISO 1133, is preferred. The lower limit of the MFR is more preferably 5 g/10 min, even more preferably 6 g/10 min, and most preferably 8 g/10 min. The upper limit is more preferably 25 g/10 min, even more preferably 20 g/10 min, and most preferably 18 g/10 min. From the viewpoint of improving the toughness of the composition, it is desirable that the MFR does not exceed the upper limit, and from the viewpoint of the fluidity of the composition, it is desirable that it does not fall below the lower limit.
また、微細セルロース繊維との親和性を高めるため、酸変性されたポリオレフィン系樹脂も好適に使用可能である。酸変性に用いる酸としては、モノ又はポリカルボン酸を使用でき、例えば、マレイン酸、フマル酸、コハク酸、フタル酸及びこれらの無水物、並びにクエン酸等を例示できる。変性率の高めやすさから、マレイン酸又はその無水物が特に好ましい。変性方法については特に制限はないが、過酸化物の存在下又は非存在下でポリオレフィン系樹脂を融点以上に加熱して溶融混練する方法が一般的である。酸変性するポリオレフィン樹脂としては前出のポリオレフィン系樹脂をすべて使用可能であるが、ポリプロピレンが特に好適である。酸変性されたポリプロピレン系樹脂は、単独で用いても構わないが、樹脂全体としての変性率を調整するため、変性されていないポリプロピレン系樹脂と混合して使用することがより好ましい。この際のすべてのポリプロピレン系樹脂に対する酸変性されたポリプロピレン系樹脂の割合は、好ましくは0.5質量%~50質量%である。より好ましい下限は、1質量%、又は2質量%、又は3質量%、又は4質量%、又は5質量%である。また、より好ましい上限は、45質量%、又は40質量%、又は35質量%、又は30質量%、又は20質量%である。樹脂と微細セルロース繊維との界面強度を維持するためには、下限以上が好ましく、樹脂としての延性を維持するためには、上限以下が好ましい。 Furthermore, to enhance affinity with fine cellulose fibers, acid-modified polyolefin resins can also be suitably used. Mono- or polycarboxylic acids can be used as the acid for acid modification; examples include maleic acid, fumaric acid, succinic acid, phthalic acid and their anhydrides, as well as citric acid. Maleic acid or its anhydride is particularly preferred due to its ease of increasing the modification rate. While there are no particular restrictions on the modification method, a common method involves heating the polyolefin resin above its melting point in the presence or absence of a peroxide and then melt-kneading it. All of the aforementioned polyolefin resins can be used for acid modification, but polypropylene is particularly preferred. Acid-modified polypropylene resin may be used alone, but it is more preferable to mix it with unmodified polypropylene resin to adjust the overall modification rate of the resin. In this case, the ratio of acid-modified polypropylene resin to the total polypropylene resin is preferably 0.5% to 50% by mass. A more preferable lower limit is 1% by mass, or 2% by mass, or 3% by mass, or 4% by mass, or 5% by mass. A more preferable upper limit is 45% by mass, or 40% by mass, or 35% by mass, or 30% by mass, or 20% by mass. To maintain the interfacial strength between the resin and the fine cellulose fibers, a value above the lower limit is preferable, while to maintain the ductility of the resin, a value below the upper limit is preferable.
酸変性されたポリプロピレンのISO1133に準拠して230℃、荷重21.2Nで測定されたメルトマスフローレイト(MFR)は、セルロース界面との親和性を高めるため、50g/10分以上であることが好ましい。より好ましい下限は100g/10分であり、更により好ましくは150g/10分、最も好ましくは200g/10分である。上限は特にないが、機械的強度の維持から500g/10分である。MFRをこの範囲内とすることにより、酸変性されたポリプロピレンと変性されていないポリプロピレンとが併用される場合に、酸変性されたポリプロピレンがセルロースと樹脂との界面に存在しやすくなるという利点を享受できる。 The melt mass flow rate (MFR) of acid-modified polypropylene, measured at 230°C and under a load of 21.2 N in accordance with ISO 1133, is preferably 50 g/10 min or higher to enhance affinity with the cellulose interface. A more preferable lower limit is 100 g/10 min, even more preferably 150 g/10 min, and most preferably 200 g/10 min. There is no particular upper limit, but 500 g/10 min is recommended for maintaining mechanical strength. By keeping the MFR within this range, when acid-modified and unmodified polypropylene are used together, the advantage of the acid-modified polypropylene being more readily present at the cellulose-resin interface can be enjoyed.
熱可塑性樹脂として好ましいポリアミド系樹脂としては:ラクタム類の重縮合反応により得られるポリアミド(例えばポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12等);ジアミン類(例えば1,6-ヘキサンジアミン、2-メチル-1,5-ペンタンジアミン、1,7-ヘプタンジアミン、2-メチル-1-6-ヘキサンジアミン、1,8-オクタンジアミン、2-メチル-1,7-ヘプタンジアミン、1,9-ノナンジアミン、2-メチル-1,8-オクタンジアミン、1,10-デカンジアミン、1,11-ウンデカンジアミン、1,12-ドデカンジアミン、m-キシリレンジアミン等)とジカルボン酸類(例えばブタン二酸、ペンタン二酸、ヘキサン二酸、ヘプタン二酸、オクタン二酸、ノナン二酸、デカン二酸、ベンゼン-1,2-ジカルボン酸、ベンゼン-1,3-ジカルボン酸、ベンゼン-1,4ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,3-ジカルボン酸、シクロヘキサン-1,4-ジカルボン酸等)との共重合体として得られるポリアミド(例えばポリアミド6,6、ポリアミド6,10、ポリアミド6,11、ポリアミド6,12、ポリアミド6,T、ポリアミド6,I、ポリアミド9,T、ポリアミド10,T、ポリアミド2M5,T、ポリアミドMXD,6、ポリアミド6、C、ポリアミド2M5,C等);及びこれらがそれぞれ共重合された共重合体(例えばポリアミド6,T/6,I等)、が挙げられる。 Preferred polyamide resins as thermoplastic resins include: polyamides obtained by polycondensation reactions of lactams (e.g., polyamide 6, polyamide 11, polyamide 12, etc.); diamines (e.g., 1,6-hexanediamine, 2-methyl-1,5-pentanediamine, 1,7-heptanediamine, 2-methyl-1-6-hexanediamine, 1,8-octanediamine, 2-methyl-1,7-heptanediamine, 1,9-nonanediamine, 2-methyl-1,8-octanediamine, 1,10-decanediamine, 1,11-undecanediamine, 1,12-dodecanediamine, m-xylylenediamine, etc.) and dicarboxylic acids (e.g., butanediamine, pentanediamine, hexanediamine) Examples include polyamides obtained as copolymers with heptanediic acid, octanedioic acid, nonanediic acid, decanediic acid, benzene-1,2-dicarboxylic acid, benzene-1,3-dicarboxylic acid, benzene-1,4-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,3-dicarboxylic acid, cyclohexane-1,4-dicarboxylic acid, etc. (e.g., polyamide 6,6, polyamide 6,10, polyamide 6,11, polyamide 6,12, polyamide 6,T, polyamide 6,I, polyamide 9,T, polyamide 10,T, polyamide 2M5,T, polyamide MXD,6, polyamide 6,C, polyamide 2M5,C, etc.); and copolymers obtained by copolymerizing these (e.g., polyamide 6,T/6,I, etc.).
これらポリアミド系樹脂の中でも、ポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド6,6、ポリアミド6,10、ポリアミド6,11、ポリアミド6,12等の脂肪族ポリアミド、及び、ポリアミド6,C、ポリアミド2M5,C等の脂環式ポリアミドがより好ましい。 Among these polyamide resins, aliphatic polyamides such as polyamide 6, polyamide 11, polyamide 12, polyamide 6,6, polyamide 6,10, polyamide 6,11, and polyamide 6,12, and alicyclic polyamides such as polyamide 6,C and polyamide 2M5,C are more preferred.
ポリアミド系樹脂の末端カルボキシル基濃度には特に制限はないが、好ましくは、20μモル/g以上、又は25μモル/g以上であってよく、好ましくは、150μモル/g以下、又は100μモル/g以下であってよい。 There are no particular restrictions on the concentration of terminal carboxyl groups in the polyamide resin, but it is preferably 20 μmol/g or more, or 25 μmol/g or more, and preferably 150 μmol/g or less, or 100 μmol/g or less.
ポリアミド系樹脂の末端アミノ基濃度は、好ましくは、20μモル/g以上、又は30μモル/g以上であってよく、好ましくは、150μモル/g以下、又は100μモル/g以下であってよい。 The concentration of terminal amino groups in the polyamide resin is preferably 20 μmol/g or more, or 30 μmol/g or more, and preferably 150 μmol/g or less, or 100 μmol/g or less.
ポリアミド系樹脂の末端アミノ基と末端カルボキシル基との合計濃度に特に制限はないが、好ましくは、10μモル/g以上、又は50μモル/g以上、又は100μモル/g以上、又は135μモル/g以上であってよく、樹脂が過度に低分子量になることによる粘度低下を防止して成形時のバリ発生等を抑制する観点から、好ましくは、500μモル/g以下、又は300μモル/g以下、又は135μモル/g以下、又は100μモル/g以下であってよい。 There are no particular restrictions on the total concentration of terminal amino groups and terminal carboxyl groups in the polyamide resin, but it is preferably 10 μmol/g or more, or 50 μmol/g or more, or 100 μmol/g or more, or 135 μmol/g or more. From the viewpoint of preventing viscosity reduction due to the resin becoming excessively low molecular weight and suppressing the generation of burrs during molding, it is preferably 500 μmol/g or less, or 300 μmol/g or less, or 135 μmol/g or less, or 100 μmol/g or less.
ポリアミド系樹脂の、カルボキシル末端基に対するアミノ末端基比率([NH2]/[COOH])は、好ましくは、1.00超、又は1.01以上、又は1.05以上、又は1.10以上である。アミノ末端基比率上限には特に制限はないが、樹脂組成物の色調を良好に維持する観点からは、好ましくは、10000以下、又は1000以下、又は100以下、又は10以下であってよい。 The ratio of amino-terminal groups to carboxyl-terminal groups ([ NH₂ ]/[COOH]) of the polyamide resin is preferably greater than 1.00, or 1.01 or more, or 1.05 or more, or 1.10 or more. There is no particular upper limit to the amino-terminal group ratio, but from the viewpoint of maintaining a good color tone of the resin composition, it may preferably be 10,000 or less, or 1,000 or less, or 10 or less.
ポリアミド系樹脂の末端基濃度は、公知の方法で調整できる。調整方法としては、ポリアミドの重合時に、所定の末端基濃度となるように末端基と反応する末端調整剤(例えば、ジアミン化合物、モノアミン化合物、ジカルボン酸化合物、モノカルボン酸化合物、酸無水物、モノイソシアネート、モノ酸ハロゲン化物、モノエステル、モノアルコール等)を重合液に添加する方法が挙げられる。 The end group concentration of polyamide resins can be adjusted by known methods. One such method involves adding an end group adjusting agent (e.g., diamine compounds, monoamine compounds, dicarboxylic acid compounds, monocarboxylic acid compounds, acid anhydrides, monoisocyanates, monoacid halides, monoesters, monoalcohols, etc.) to the polymerization solution during the polymerization of the polyamide, so that a predetermined end group concentration is achieved.
ポリアミド系樹脂のアミノ末端基及びカルボキシル末端基の濃度は、1H-NMRにより、各末端基に対応する特性シグナルの積分値から求めることができる。この方法は、精度及び簡便さの点で好ましい。より具体的には、特開平7-228775号公報に記載された方法を用い、測定溶媒として重トリフルオロ酢酸を用い、積算回数を300スキャン以上とすることが推奨される。 The concentrations of amino-terminated and carboxyl-terminated groups in polyamide resins can be determined by 1H -NMR from the integrated values of the characteristic signals corresponding to each terminus. This method is preferred in terms of accuracy and simplicity. More specifically, it is recommended to use the method described in Japanese Patent Publication No. 7-228775, using deuterated trifluoroacetic acid as the measurement solvent and performing 300 or more scans for integration.
ポリアミド系樹脂の、濃硫酸中30℃の条件下で測定した固有粘度[η]は、樹脂組成物を例えば射出成形する際に、金型内流動性が良好で成形片の外観が良好であるという観点から、好ましくは、0.6~2.0dL/g、又は0.7~1.4dL/g、又は0.7~1.2dL/g、又は0.7~1.0dL/gである。本開示において、「固有粘度」とは、一般的に極限粘度と呼ばれている粘度と同義である。固有粘度は、96%濃硫酸中、30℃の温度条件下で、濃度の異なるいくつかの測定溶媒のηsp/cを測定し、そのそれぞれのηsp/cと濃度(c)との関係式を導き出し、濃度をゼロに外挿する方法で求められる。このゼロに外挿された値が固有粘度である。上記方法の詳細は、例えば、Polymer Process Engineering(Prentice-Hall,Inc 1994)の291ページ~294ページ等に記載されている。上記の濃度の異なるいくつかの測定溶媒における濃度は、少なくとも4点(例えば、0.05g/dL、0.1g/dL、0.2g/dL、0.4g/dL)とすることが精度の観点から望ましい。 The intrinsic viscosity [η] of polyamide resins, measured under conditions of 30°C in concentrated sulfuric acid, is preferably 0.6 to 2.0 dL/g, 0.7 to 1.4 dL/g, 0.7 to 1.2 dL/g, or 0.7 to 1.0 dL/g, from the viewpoint of good in-mold fluidity and good appearance of molded pieces when the resin composition is, for example, injection molded. In this disclosure, "intrinsic viscosity" is synonymous with viscosity generally called intrinsic viscosity. The intrinsic viscosity is determined by measuring the ηsp/c of several measurement solvents of different concentrations under conditions of 30°C in 96% concentrated sulfuric acid, deriving a relationship between each ηsp/c and the concentration (c), and extrapolating the concentration to zero. This extrapolated value is the intrinsic viscosity. Details of the above method are described, for example, on pages 291-294 of Polymer Process Engineering (Prentice-Hall, Inc. 1994). From the standpoint of accuracy, it is desirable to use at least four different concentrations of the measurement solvent (e.g., 0.05 g/dL, 0.1 g/dL, 0.2 g/dL, 0.4 g/dL).
ポリエステル系樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンサクシネート(PBS)、ポリブチレンサクシネートアジペート(PBSA)、ポリブチレンアジペートテレフタレート(PBAT)、ポリヒドロキシアルカン酸(PHA)、ポリ乳酸(PLA)、ポリアリレート(PAR)、ポリカーボネート(PC)等から選ばれる1種又は2種以上を用いることができる。ポリエステル系樹脂としては、より好ましくは、PET、PBS、PBSA、PBT、PENが挙げられ、更に好ましくは、PBS、PBSA、PBTが挙げられる。 As the polyester resin, one or more selected from polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene naphthalate (PEN), polybutylene succinate (PBS), polybutylene succinate adipate (PBSA), polybutylene adipate terephthalate (PBAT), polyhydroxyalkanoic acid (PHA), polylactic acid (PLA), polyarylate (PAR), polycarbonate (PC), etc., can be used. More preferably, the polyester resin is PET, PBS, PBSA, PBT, or PEN, and even more preferably, PBS, PBSA, or PBT.
また、ポリエステル系樹脂は、重合時のモノマー比率や末端安定化剤の添加の有無や量によって、末端基を自由に変えることが可能であるが、該ポリエステル系樹脂の全末端基に対するカルボキシル末端基比率([COOH]/[全末端基])が、0.30~0.95であることがより好ましい。カルボキシル末端基比率下限は、より好ましくは0.35であり、さらにより好ましくは、0.40であり、最も好ましくは0.45である。また、カルボキシル末端基比率上限は、より好ましくは0.90であり、さらにより好ましくは、0.85であり、最も好ましくは0.80である。上記カルボキシル末端基比率は、セルロースの組成物中への分散性の観点から0.30以上とすることが望ましく、得られる組成物の色調の観点から0.95以下とすることが望ましい。 Furthermore, while the end groups of polyester resins can be freely altered by changing the monomer ratio during polymerization and the presence or absence and amount of end stabilizers added, it is more preferable that the ratio of carboxyl end groups to the total end groups of the polyester resin ([COOH]/[total end groups]) is 0.30 to 0.95. The lower limit of the carboxyl end group ratio is more preferably 0.35, even more preferably 0.40, and most preferably 0.45. The upper limit of the carboxyl end group ratio is more preferably 0.90, even more preferably 0.85, and most preferably 0.80. From the viewpoint of dispersibility in the cellulose composition, it is desirable that the above carboxyl end group ratio be 0.30 or higher, and from the viewpoint of the color tone of the resulting composition, it is desirable that it be 0.95 or lower.
ポリアセタール系樹脂としては、ホルムアルデヒドを原料とするホモポリアセタールと、トリオキサンを主モノマーとし、1,3-ジオキソランをコモノマー成分として含むコポリアセタールが一般的であり、両者とも使用可能であるが、加工時の熱安定性の観点から、コポリアセタールが好ましく使用できる。特に、コモノマー成分(例えば1,3-ジオキソラン)由来構造の量としては0.01~4モル%の範囲内がより好ましい。コモノマー成分由来構造の量の好ましい下限量は、0.05モル%であり、より好ましくは0.1モル%であり、さらにより好ましくは0.2モル%である。また好ましい上限量は、3.5モル%であり、さらに好ましくは3.0モル%であり、さらにより好ましくは2.5モル%、最も好ましくは2.3モル%である。 Common polyacetal resins include homopolyacetals derived from formaldehyde and copolyacetals, which primarily use trioxane as a monomer and contain 1,3-dioxolane as a comonomer. Both are usable, but copolyacetals are preferred from the viewpoint of thermal stability during processing. In particular, the amount of structure derived from the comonomer component (e.g., 1,3-dioxolane) is more preferably in the range of 0.01 to 4 mol%. The preferred lower limit of the amount of structure derived from the comonomer component is 0.05 mol%, more preferably 0.1 mol%, and even more preferably 0.2 mol%. The preferred upper limit is 3.5 mol%, more preferably 3.0 mol%, even more preferably 2.5 mol%, and most preferably 2.3 mol%.
押出加工や成形加工時の熱安定性の観点から、下限は上述の範囲内とすることが望ましく、機械的強度の観点より、上限は上述の範囲内とすることが望ましい。 From the viewpoint of thermal stability during extrusion and molding processes, it is desirable that the lower limit be within the above-mentioned range, and from the viewpoint of mechanical strength, it is desirable that the upper limit be within the above-mentioned range.
樹脂としては、セルロースとの親和性の観点から、親水性基(例えば、水酸基、エーテル基、エステル基、アミノ基及びカルボキシ基から選ばれる1種以上)を有する樹脂が特に好ましい。親水性基を有する樹脂の好適例は、酸変性ポリオレフィン系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、及びアクリル系樹脂からなる群から選択される1種以上である。中でもポリアミド系樹脂及びマレイン化ポリプロピレンが好ましい。 From the viewpoint of affinity with cellulose, resins having hydrophilic groups (for example, one or more selected from hydroxyl groups, ether groups, ester groups, amino groups, and carboxyl groups) are particularly preferred. Preferred examples of resins having hydrophilic groups are one or more selected from the group consisting of acid-modified polyolefin resins, polyacetal resins, polycarbonate resins, polyamide resins, polyester resins, polyphenylene ether resins, and acrylic resins. Among these, polyamide resins and maleated polypropylene are preferred.
<追加の成分>
本実施形態の樹脂組成物は、その性能を向上させるために、必要に応じて追加の成分をさらに含んでもよい。追加の成分としては、分散剤;セルロース以外のフィラー成分;相溶化剤;可塑剤;でんぷん類、アルギン酸等の多糖類;ゼラチン、ニカワ、カゼイン等の天然たんぱく質;ゼオライト、セラミックス、タルク、シリカ、金属酸化物、金属粉末等の無機化合物;着色剤;香料;顔料;流動調整剤;レベリング剤;導電剤;酸化防止剤;帯電防止剤;紫外線吸収剤;紫外線分散剤;消臭剤等が挙げられる。任意の追加の成分の樹脂組成物中の含有割合は、本発明の所望の効果が損なわれない範囲で適宜選択されるが、例えば0.01~50質量%、又は0.1~30質量%であってよい。
<Additional ingredients>
The resin composition of this embodiment may further contain additional components as needed to improve its performance. Examples of additional components include dispersants; filler components other than cellulose; compatibilizers; plasticizers; polysaccharides such as starches and alginic acid; natural proteins such as gelatin, glue, and casein; inorganic compounds such as zeolites, ceramics, talc, silica, metal oxides, and metal powders; colorants; fragrances; pigments; flow regulators; leveling agents; conductive agents; antioxidants; antistatic agents; ultraviolet absorbers; ultraviolet dispersants; and deodorants. The content ratio of any additional component in the resin composition is appropriately selected within a range that does not impair the desired effects of the present invention, but may be, for example, 0.01 to 50% by mass, or 0.1 to 30% by mass.
分散剤としては、濃縮後のセルロース微細繊維と混合してセルロース微細繊維乾燥体を形成したときにセルロースの凝集と固化を抑制し、樹脂とセルロース微細繊維乾燥体とを混練して得た樹脂組成物中でセルロース微細繊維の分散安定性を向上するものを使用でき、親水性でも疎水性でもよい。分散剤の好適例は、セルロース誘導体、ポリアルキレンオキシド、アミド及びアミンからなる群から選択される1種以上であるが、これに限定されない。中でも、セルロース誘導体は、セルロース系物質であることからセルロース微細繊維との親和性が高い一方で、熱可塑性樹脂でもあることから、樹脂組成物中でのセルロース微細繊維の分散安定性向上効果が高く好ましい。分散剤としては、水よりも高い沸点を有するものが好ましい。なお、水よりも高い沸点とは、水の蒸気圧曲線における各圧力における沸点(例えば、1気圧下では100℃)よりも高い沸点を指す。分散剤の沸点は、混練時の樹脂温度よりも高いことがより好ましく、高い程好ましい。分散剤の沸点は、例えば、130℃以上、又は140℃以上、又は150℃以上、又は160℃以上、又は170℃以上、又は180℃以上であってよく、予定される混練温度よりも高い沸点を有する分散剤を選択してよい。又は、分散剤は、沸点を有さずに熱分解するものであってもよい。この場合の分散剤の熱分解温度は、混練時の樹脂温度よりも高いことが好ましく、一態様において、上記好ましい沸点と同様の温度の熱分解温度を有してよい。 As a dispersant, one can be used that suppresses the aggregation and solidification of cellulose when mixed with concentrated cellulose microfibers to form a dried cellulose microfiber body, and improves the dispersion stability of cellulose microfibers in the resin composition obtained by kneading the resin and the dried cellulose microfiber body. It may be hydrophilic or hydrophobic. Preferred examples of dispersants are one or more selected from the group consisting of cellulose derivatives, polyalkylene oxides, amides, and amines, but are not limited thereto. Among these, cellulose derivatives are preferred because they are cellulosic substances and therefore have high affinity with cellulose microfibers, while also being thermoplastic resins, thus providing a high effect in improving the dispersion stability of cellulose microfibers in the resin composition. It is preferable that the dispersant has a boiling point higher than that of water. A boiling point higher than that of water refers to a boiling point higher than the boiling point at each pressure on the water vapor pressure curve (for example, 100°C at 1 atmosphere). It is more preferable, and the higher the boiling point, the higher the boiling point of the dispersant. The boiling point of the dispersant may be, for example, 130°C or higher, 140°C or higher, 150°C or higher, 160°C or higher, 170°C or higher, or 180°C or higher, and a dispersant with a boiling point higher than the planned mixing temperature may be selected. Alternatively, the dispersant may decompose thermally without having a boiling point. In this case, the thermal decomposition temperature of the dispersant is preferably higher than the resin temperature during mixing, and in one embodiment, it may have a thermal decomposition temperature similar to the preferred boiling point described above.
樹脂組成物全体100質量%に対するセルロース微細繊維の量は、セルロース微細繊維による良好な補強効果を得る観点から、好ましくは、0.1質量%以上、又は0.5質量%以上、又は1質量%以上、又は3質量%以上であり、樹脂本来の特性を良好に保持する観点から、好ましくは、30質量%以下、又は25質量%以下、又は20質量%以下、又は15質量%以下である。セルロース微細繊維の含有量は、樹脂組成物の成形品全体で偏りが無いことが好ましい。局所的にセルロース微細繊維の含有量が低い部分や高い部分が存在すると、それらの部分に起因して成形品の補強効果が低下したり、破壊の原因となり得る。特に小型の成形品を製造した場合、不良品の増加につながる恐れがある。 The amount of cellulose microfibers relative to 100% by mass of the entire resin composition is preferably 0.1% by mass or more, 0.5% by mass or more, 1% by mass or more, or 3% by mass or more, from the viewpoint of obtaining a good reinforcing effect from the cellulose microfibers. From the viewpoint of maintaining the inherent properties of the resin well, it is preferably 30% by mass or less, 25% by mass or less, 20% by mass or less, or 15% by mass or less. It is preferable that the cellulose microfiber content is evenly distributed throughout the molded product of the resin composition. If there are areas with locally low or high cellulose microfiber content, these areas may reduce the reinforcing effect of the molded product or cause it to break. This may lead to an increase in defective products, especially when manufacturing small molded products.
樹脂組成物全体100質量%に対する樹脂の量は、樹脂本来の特性を良好に保持する観点から、好ましくは、20質量%以上、又は30質量%以上、又は40質量%以上、又は50質量%以上、又は60質量%以上、又は70質量%以上、又は75質量%以上、又は80質量%以上、又は85質量%以上であり、他の成分による効果を良好に得る観点から、好ましくは、99.9質量%以下、又は99.5質量%以下、又は99質量%以下、又は97質量%以下、又は95質量%以下、又は90質量%以下である。 The amount of resin relative to 100% by mass of the entire resin composition is preferably 20% by mass or more, or 30% by mass or more, or 40% by mass or more, or 50% by mass or more, or 60% by mass or more, or 70% by mass or more, or 75% by mass or more, or 80% by mass or more, or 85% by mass or more, from the viewpoint of maintaining the inherent properties of the resin well. From the viewpoint of obtaining the effects of other components well, it is preferably 99.9% by mass or less, or 99.5% by mass or less, or 99% by mass or less, or 97% by mass or less, or 95% by mass or less, or 90% by mass or less.
樹脂組成物中、セルロース微細繊維100質量部に対する分散剤の量は、セルロースの良好な分散及びネットワーク形成の観点から、好ましくは、1質量部以上、又は5質量部以上、又は10質量部以上、又は20質量部以上、又は30質量部以上であり、樹脂組成物の性能のばらつき低減の観点から、好ましくは、500質量部以下、又は300質量部以下、又は200質量部以下、又は100質量部以下である。 In the resin composition, the amount of dispersant per 100 parts by mass of cellulose fine fibers is preferably 1 part by mass or more, 5 parts by mass or more, 10 parts by mass or more, 20 parts by mass or more, or 30 parts by mass or more, from the viewpoint of good dispersion of cellulose and network formation. From the viewpoint of reducing variability in the performance of the resin composition, it is preferably 500 parts by mass or less, 300 parts by mass or less, 200 parts by mass or less, or 100 parts by mass or less.
本実施形態の樹脂組成物は、種々の樹脂成形体として利用可能である。樹脂成形体の製造方法に特に制限はないが、射出成形法、押出成形法、ブロー成形法、インフレーション成形法、発泡成形法などが使用可能である。これらの中では射出成形法がデザイン性及びコストの観点から特に好ましい。 The resin composition of this embodiment can be used as various resin molded articles. There are no particular restrictions on the method of manufacturing the resin molded articles, but injection molding, extrusion molding, blow molding, inflation molding, and foam molding methods can be used. Among these, injection molding is particularly preferred from the viewpoint of design and cost.
≪樹脂組成物の用途≫
本実施形態の方法で得られる樹脂組成物は、鋼板、繊維強化プラスチック(例えば炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック等)、無機フィラーを含む樹脂コンポジット、等の代替品として有用である。樹脂組成物の好適な用途としては、産業用機械部品、一般機械部品、自動車・鉄道・車両・船舶・航空宇宙関連部品、電子・電気部品、建築・土木材料、生活用品、スポーツ・レジャー用品、風力発電用筐体部材、容器・包装部材、等を例示できる。
Uses of resin compositions
The resin composition obtained by the method of this embodiment is useful as a substitute for steel plates, fiber-reinforced plastics (e.g., carbon fiber reinforced plastics, glass fiber reinforced plastics, etc.), resin composites containing inorganic fillers, etc. Suitable applications of the resin composition include industrial machine parts, general machine parts, automobile, railway, vehicle, ship, and aerospace-related parts, electronic and electrical components, building and civil engineering materials, household goods, sports and leisure goods, wind turbine housing components, containers and packaging components, etc.
以下、本発明の例示の態様について実施例を挙げて更に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。 The following describes illustrative embodiments of the present invention with reference to examples, but the present invention is not limited to the following embodiments.
≪評価方法≫
<繊維形状自動分析計によるファイン率、ファイン繊維面積比及びフィブリル化率の評価>
繊維形状自動分析計(Techpap社製Morfi Neo)の測定手順を以下に説明する。なお、測定の際の繊維パラメータは繊維長0.1mmを閾値とし、閾値以上のセルロース微細繊維を通常繊維、閾値未満の繊維をファイン繊維と定義する。繊維形状自動分析計による測定結果から、以下の形状パラメータを抽出又は算出した。
ファイン率:全セルロース微細繊維の本数のうち、ファイン繊維(繊維長0.1mm未満の繊維)が占める本数割合
ファイン繊維面積比:Fine content,% in area[%]
フィブリル化率:MacroFibrillation index[%]
≪Evaluation Method≫
<Evaluation of fine fiber content, fine fiber area ratio, and fibrillation rate using an automated fiber shape analyzer>
The measurement procedure using the automated fiber shape analyzer (Techpap Morfi Neo) is described below. For measurement, a fiber length of 0.1 mm is used as the threshold for fiber parameters. Cellulose microfibers above this threshold are defined as normal fibers, and fibers below this threshold are defined as fine fibers. The following shape parameters were extracted or calculated from the measurement results obtained using the automated fiber shape analyzer.
Fine content: The percentage of fine fibers (fibers with a length of less than 0.1 mm) out of the total number of cellulose microfibers. Fine fiber area ratio: Fine content, % in area [%]
Fibrillation rate: MacroFibrillation index [%]
セルロース微細繊維分散液を純水に希釈し、固形分濃度を0.003~0.005質量%とした1Lの水分散液を用意した。この水分散液について、高せん断ホモジナイザー(IKA製、商品名「ウルトラタラックスT18」)を用い処理条件:回転数25,000rpm×5分間で分散処理を行った。上記のように調製した水分散液をオートサンプラーに供して測定を行い、結果よりファイン率を算出した。 A 1 L aqueous dispersion was prepared by diluting a cellulose microfiber dispersion with pure water to a solid content concentration of 0.003–0.005% by mass. This aqueous dispersion was subjected to dispersion treatment using a high-shear homogenizer (IKA, product name "Ultra-Turrax T18") under the following conditions: rotation speed 25,000 rpm for 5 minutes. The aqueous dispersion prepared as described above was subjected to measurement using an autosampler, and the fineness ratio was calculated from the results.
<パルプ及びセルロース微細繊維の多孔質シートの作製>
後述の方法で得られた含水状態のアセチル化パルプを約3.3g(固形分0.5g相当)、又は後述の製造例で得られたセルロース微細繊維分散液を約35g(固形分0.5g相当)分取して吸引ろ過し、ろ物をtert-ブタノール中に添加し、さらにミキサーで凝集物が無い状態まで分散処理を行った。セルロース固形分重量0.5gに対し、濃度が0.5質量%となるように調整した。得られたtert-ブタノール分散液100gをろ紙上で濾過し、150℃にて乾燥させた後、ろ紙を剥離して多孔質シートを得た。
<Preparation of porous sheets from pulp and cellulose microfibers>
Approximately 3.3 g (equivalent to 0.5 g of solids) of the hydrated acetylated pulp obtained by the method described later, or approximately 35 g (equivalent to 0.5 g of solids) of the cellulose fine fiber dispersion obtained in the production example described later, were taken and filtered by suction. The filtrate was added to tert-butanol, and the mixture was further dispersed in a mixer until no aggregates remained. The concentration was adjusted to 0.5% by mass per 0.5 g of cellulose solids. 100 g of the obtained tert-butanol dispersion was filtered on filter paper, dried at 150°C, and then the filter paper was peeled off to obtain a porous sheet.
<セルロース微細繊維の平均繊維径(D)>
セルロース微細繊維の数平均繊維径(D)は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて以下の手順で測定した。上記の方法で多孔質シートを作製して測定サンプルとし、高分解能走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した10000倍、又は50000倍の画像から計測して求めた。具体的には、観察画像の中央点を通る直線を任意に3本引き、これらの直線と交差する繊維の幅を、少なくとも100本の繊維に対して求めて、数平均値を算出した。
<Average fiber diameter (D) of cellulose microfibers>
The number-average fiber diameter (D) of cellulose microfibers was measured using a scanning electron microscope (SEM) according to the following procedure. A porous sheet was prepared using the method described above and used as a measurement sample. The number-average diameter was determined from images at 10,000x or 50,000x magnification observed with a high-resolution scanning electron microscope (SEM). Specifically, three straight lines were drawn arbitrarily through the center point of the observed image, and the width of the fibers intersecting these lines was determined for at least 100 fibers. The number-average value was then calculated.
<セルロース微細繊維の結晶化度>
上記の方法で作製した多孔質シートを広角X線回折により測定した際の回折パターン(2θ/deg.が10~30)からSegal法により、以下の式で求めた。
結晶化度(%)=[I(200)-I(amorphous)]/I(200)×100
I(200):セルロースI型結晶における200面(2θ=22.5°)による回折ピーク強度
I(amorphous):セルロースI型結晶におけるアモルファスによるハローピーク強度であって、200面の回折角度より4.5°低角度側(2θ=18.0°)のピーク強度
<Degree of crystallinity of cellulose microfibers>
The diffraction pattern (2θ/deg. 10-30) obtained by measuring the porous sheet prepared using the above method with wide-angle X-ray diffraction was analyzed using the Segal method and the following formula was obtained.
Crystallinity (%) = [I (200) - I (amorphous)] / I (200) x 100
I(200): Diffraction peak intensity due to the 200 plane (2θ = 22.5°) in a cellulose type I crystal. I(amorphous): Halo peak intensity due to amorphous material in a cellulose type I crystal, at a diffraction angle 4.5° lower than the 200 plane (2θ = 18.0°).
(X線回折測定条件)
装置 MiniFlex(株式会社リガク製)
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=30°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 2.0°/min
サンプル:試料ホルダー上に多孔質シートを貼り付け
(X-ray diffraction measurement conditions)
Device: MiniFlex (manufactured by Rigaku Corporation)
Operation axis 2θ/θ
Radiation source CuKα
Measurement method: Continuous; Voltage: 40kV
Current 15mA
Starting angle 2θ=5°
Ending angle 2θ = 30°
Sampling width 0.020°
Scan speed: 2.0°/min
Sample: A porous sheet is attached to the sample holder.
<アセチル化パルプ及びアセチル化セルロース微細繊維の置換度(DS)>
アセチル化パルプ及びアセチル化セルロース微細繊維について、置換度(DS)は、これらの各々の上記の方法で作製した多孔質シートの反射型赤外吸収スペクトルから、アセチル基由来のピークとセルロース骨格由来のピークとのピーク強度比に基づいて算出した。アセチル基に基づくC=Oの吸収バンドのピークは1730cm-1に出現し、セルロース骨格鎖に基づくC-Oの吸収バンドのピークは1030cm-1に出現する。アセチル化セルロースのDSは、後述するアセチル化セルロースの固体NMR測定から得られるDSと、セルロース骨格鎖C-Oの吸収バンドのピーク強度に対するアセチル基に基づくC=Oの吸収バンドのピーク強度の比率で定義される修飾化率(IRインデックス1030)との相関グラフを作製し、相関グラフから算出された検量線置換度
DS = 4.13 × IRインデックス(1030)
を使用することで求めた。
<Degree of substitution (DS) of acetylated pulp and acetylated cellulose microfibers>
For acetylated pulp and acetylated cellulose microfibers, the degree of substitution (DS) was calculated from the reflective infrared absorption spectra of porous sheets prepared by the respective methods described above, based on the peak intensity ratio between the peak derived from the acetyl group and the peak derived from the cellulose skeleton. The peak of the C=O absorption band based on the acetyl group appears at 1730 cm⁻¹ , and the peak of the C-O absorption band based on the cellulose skeleton chain appears at 1030 cm⁻¹ . For acetylated cellulose, a correlation graph was created between the DS obtained from solid NMR measurements of acetylated cellulose (described later) and the modification rate (IR index 1030), which is defined as the ratio of the peak intensity of the C=O absorption band based on the acetyl group to the peak intensity of the C-O absorption band of the cellulose skeleton chain. The calibration curve of substitution DS calculated from the correlation graph was: DS = 4.13 × IR index (1030).
This was obtained by using [a specific method/tool].
(反射型赤外スペクトル測定条件)
装置 :フーリエ変換赤外分光光度計(ThermoFisherScientific社製 Nicolet Summit Pro)
積算回数 :16回、
波数分解能 :4cm-1
ATR結晶 :ダイヤモンド
入射角 :45°
(Measurement conditions for reflected infrared spectrum)
Equipment: Fourier transform infrared spectrophotometer (Nicolet Summit Pro, manufactured by ThermoFisher Scientific)
Total number of times: 16
Wavenumber resolution: 4cm -1
ATR crystal: Diamond; Angle of incidence: 45°
固体NMRによるアセチル化セルロースのDSの算出方法は、凍結粉砕したアセチル化パルプ及びアセチル化微細セルロース繊維の各々について13C固体NMR測定を行い、50ppmから110ppmの範囲に現れるセルロースのピラノース環由来の炭素C1-C6に帰属されるシグナルの合計面積強度(Inp)に対する修飾基由来の1つの炭素原子に帰属されるシグナルの面積強度(Inf)より下記式で求めた。
DS=(Inf)×6/(Inp)
アセチル基について、-CH3に帰属される23ppmのシグナルを用いた。
The method for calculating the DS of acetylated cellulose by solid NMR involved performing 13C solid NMR measurements on freeze-ground acetylated pulp and acetylated fine cellulose fibers, and determining the DS using the following formula, which is calculated by comparing the area intensity (Inf) of the signal attributed to a single carbon atom derived from the modifying group with the total area intensity (Inp) of the signals attributed to carbon atoms C1-C6 derived from the pyranose ring of cellulose appearing in the range of 50 ppm to 110 ppm.
DS=(Inf)×6/(Inp)
For the acetyl group, a 23 ppm signal attributed to -CH3 was used.
用いた13C固体NMR測定の条件は以下の通りである。
装置 :Bruker Biospin Avance500WB
周波数 :125.77MHz
測定方法 :DD/MAS法
待ち時間 :75sec
NMR試料管 :4mmφ
積算回数 :640回(約14Hr)
MAS :14,500Hz
化学シフト基準:グリシン(外部基準:176.03ppm)
The conditions used for the 13C solid-state NMR measurement were as follows:
Equipment: Bruker Biospin Avance500WB
Frequency: 125.77 MHz
Measurement method: DD/MAS method Waiting time: 75 seconds
NMR sample tube: 4 mm diameter
Total number of times: 640 (approximately 14 hours)
MAS: 14,500Hz
Chemical shift standard: Glycine (External standard: 176.03 ppm)
<置換基のモル数>
製造例で得たセルロース微細繊維の分散液について、非特許文献(Biomacromolecules 2004,5,1983-1989)に記載の方法に従って伝導度滴定を行い、カルボキシル酸化セルロース微細繊維の単位質量当たりのカルボキシル基のモル数を求めた。
また、アセチル化セルロース微細繊維について、前述のDSの測定結果に基づき、アセチル化セルロース微細繊維の単位質量当たりのアセチル基のモル数を下記式で求めた。
{1/[(162-DS)+(アセチル基の分子量×DS)]}×DS
<Number of moles of substituents>
The dispersion of cellulose microfibers obtained in the manufacturing example was subjected to conductivity titration according to the method described in non-patent literature (Biomacromolecules 2004, 5, 1983-1989) to determine the number of moles of carboxyl groups per unit mass of carboxylated cellulose microfibers.
Furthermore, regarding acetylated cellulose microfibers, the number of moles of acetyl groups per unit mass of acetylated cellulose microfibers was determined using the following formula, based on the DS measurement results mentioned above.
{1/[(162-DS) + (molecular weight of acetyl group × DS)]} × DS
<濃縮工程に供した分散液中の不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率>
各成分の仕込み量から算出した。
<Content of cellulose microfibers relative to 100% by mass of nonvolatile components in the dispersion subjected to the concentration process>
It was calculated from the amount of each ingredient used.
<処理速度>
連続式濃縮装置にセルロース微細繊維の分散液を供給開始した時点を起点に、30分間の運転後に回収容器に回収されたセルロース微細繊維濃縮物の重量と固形分率を測定し、固形分重量を算出して、1時間当たりの処理速度に換算した。
<Processing speed>
Starting from the point when the cellulose microfiber dispersion was supplied to the continuous concentration device, the weight and solid content of the cellulose microfiber concentrate collected in the recovery container after 30 minutes of operation were measured, the solid content weight was calculated, and this was converted into a processing rate per hour.
<濃縮物の固形分率>
濃縮物を5g分取し、IR水分計(MX-50(エー・アンド・デイ製))で150℃の条件で乾燥させて、固形分率を求めた。各例について、濃縮工程の15分毎のサンプルを10点採取し、10点の数平均値及びCV値(標準偏差/数平均)を求めた。
<Solid content of concentrate>
Five g of the concentrate was taken and dried at 150°C using an IR moisture meter (MX-50 (manufactured by A&D)) to determine the solid content. For each example, ten samples were taken every 15 minutes during the concentration process, and the numerical mean and CV value (standard deviation/numerical mean) of the ten samples were calculated.
<ハンドリング性>
濃縮工程におけるハンドリング性を、以下の基準で評価した。
×:下記(1)~(3)の不具合のうち1つ以上が発生
○:下記(1)~(3)の不具合の何れも発生なし
(1)セルロース微細繊維の目詰まりにより連続濃縮が不可能であった。
(2)濾過基材からの濃縮物の分離が困難であるために残渣が濾過基材上に付着したままとなり、回収率が低下し又は回収が不可能であった。
(3)回収されたセルロース微細繊維が、凝集により分散剤及び溶融した樹脂を浸透させなかった。
<Handling>
The handling characteristics in the concentration process were evaluated according to the following criteria.
×: One or more of the following problems (1) to (3) occurred. ○: None of the following problems (1) to (3) occurred. (1) Continuous concentration was impossible due to clogging of cellulose microfibers.
(2) Because it was difficult to separate the concentrate from the filter substrate, the residue remained attached to the filter substrate, resulting in a reduced recovery rate or making recovery impossible.
(3) The recovered cellulose microfibers did not allow the dispersant and molten resin to penetrate due to aggregation.
<樹脂組成物の引張降伏強度、引張破断伸度>
樹脂組成物ペレットを、射出成形機を用いて、JIS K6920-2に準拠した条件で成形し、ISO294-3に準拠した多目的試験片を成形した。射出成形の成形温度は、PA6は260℃、PA66は280℃、POMは210℃、PPは200℃とした。
<Tensile yield strength and tensile elongation at break of resin compositions>
Resin composition pellets were molded using an injection molding machine under conditions compliant with JIS K6920-2 to produce multipurpose test specimens compliant with ISO 294-3. The injection molding temperatures were 260°C for PA6, 280°C for PA66, 210°C for POM, and 200°C for PP.
<樹脂組成物中のセルロース微細繊維含有率>
樹脂組成物中のセルロース微細繊維の定量は、樹脂組成物のペレットを秤量して、樹脂及び分散剤を溶解するがセルロース微細繊維を溶解しない溶媒で組成物を溶解分散させ、遠心分離及び濾過で回収した不溶分を、前記溶媒、エタノール、水の順に洗浄して、110℃のオーブンで乾燥させたサンプルを秤量した。各樹脂組成物について5点のサンプルを秤量した。得られた値の最大値及び最小値を表3に示す。
<Cellulose microfiber content in resin composition>
To quantify the cellulose microfibers in the resin composition, pellets of the resin composition were weighed, and the composition was dissolved and dispersed in a solvent that dissolves the resin and dispersant but not the cellulose microfibers. The insoluble matter recovered by centrifugation and filtration was washed in the same solvent, ethanol, and water in that order, and the sample was weighed after drying in an oven at 110°C. Five samples were weighed for each resin composition. The maximum and minimum values obtained are shown in Table 3.
上記溶媒として、樹脂がポリアミド6、ポリアミド66又はポリアセタールである場合には常温のヘキサフルオロイソプロパノール、樹脂がポリプロピレンである場合には140℃の熱キシレンをそれぞれ用いた。樹脂組成物のペレットから、各樹脂組成物について5点の薄片を切り出し、各々について下記処理を行った。サンプル1gを精密天秤で秤量し、溶媒(すなわちヘキサフルオロイソプロパノール又は熱キシレン)30mLを加え、超音波洗浄機で超音波を照射して樹脂を溶解させた。PTFE製メンブレンフィルタで加圧濾過して、残渣を溶媒(すなわちヘキサフルオロイソプロパノール又は熱キシレン)で2回、エタノールで2回、水で2回加圧濾過して洗浄した。残渣を110℃で1時間乾燥させて、精密天秤で重量を測定し、樹脂組成物中のセルロース微細繊維の含有率を算出した。 As the solvent, hexafluoroisopropanol at room temperature was used when the resin was polyamide 6, polyamide 66, or polyacetal, and hot xylene at 140°C was used when the resin was polypropylene. Five thin sections were cut from the resin composition pellets for each resin composition, and each was subjected to the following treatment. 1 g of the sample was weighed using a precision balance, 30 mL of solvent (i.e., hexafluoroisopropanol or hot xylene) was added, and the resin was dissolved by ultrasonic irradiation using an ultrasonic cleaner. The mixture was pressure filtered through a PTFE membrane filter, and the residue was washed by pressure filtration twice with the solvent (i.e., hexafluoroisopropanol or hot xylene), twice with ethanol, and twice with water. The residue was dried at 110°C for 1 hour, and its weight was measured using a precision balance to calculate the cellulose microfiber content in the resin composition.
≪使用材料≫
<樹脂>
ポリアミド6(宇部興産(株)製、UBE NYLON 1013B)、融点225℃
ポリアミド66(旭化成(株)製、LEONA1300)、融点265℃
ポリプロピレン((株)プライムポリマー製、J106G)、融点160℃
ポリアセタール(旭化成(株)製、TENAC HC450)、融点165℃
≪Materials used≫
<Resin>
Polyamide 6 (manufactured by Ube Industries, Ltd., UBE NYLON 1013B), melting point 225°C
Polyamide 66 (manufactured by Asahi Kasei Corporation, LEONA 1300), melting point 265°C
Polypropylene (manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., J106G), melting point 160°C
Polyacetal (manufactured by Asahi Kasei Corporation, TENAC HC450), melting point 165°C
<パルプ>
コットンリンターパルプ
日本紙パルプ商事株式会社より入手したコットンリンターパルプシートを使用した。
<Pulp>
Cotton linter pulp: Cotton linter pulp sheets obtained from Nippon Paper Pulp Trading Co., Ltd. were used.
<アセチル化パルプの製造>
ジャケット付きの40L反応釜に、ジメチルスルホキシド(30kg)を加え、触媒の炭酸水素ナトリウム(0.48kg)とパルプ(1.5kg)を投入して撹拌した。ジャケットに温水を流して、液温60℃まで加温した。反応釜内部を窒素で置換して、酢酸ビニル(1.4kg)を投入した。2時間反応を行い、純水(10kg)を加えて反応を停止した。100Lヌッチェフィルタに濾布(PP9B、中尾フィルター工業社から入手可能)をセットして、純水(50kg)と反応液を投入して加圧濾過を行った(1回目濾過)。さらに室温にて純水(50kg)による加圧濾過を5回繰り返し(2~6回目濾過)、合計6回の加圧濾過を行って、固形分率15質量%の含水状態のアセチル化パルプを得て、乾燥せずに次の工程に使用した。このとき、反射型赤外スペクトル測定から求めたパルプ表面のDSは1.50であった。
<Manufacturing of acetylated pulp>
Dimethyl sulfoxide (30 kg) was added to a 40 L reaction vessel with a jacket, and the catalyst sodium bicarbonate (0.48 kg) and pulp (1.5 kg) were added and stirred. Hot water was circulated through the jacket to heat the liquid to 60°C. The inside of the reaction vessel was purged with nitrogen and vinyl acetate (1.4 kg) was added. The reaction was carried out for 2 hours, and the reaction was stopped by adding pure water (10 kg). A filter cloth (PP9B, available from Nakao Filter Industry Co., Ltd.) was set in a 100 L Nutsche filter, and pure water (50 kg) and the reaction solution were added and pressure filtration was performed (first filtration). Further pressure filtration with pure water (50 kg) was repeated five times at room temperature (second to sixth filtration), for a total of six pressure filters to obtain acetylated pulp with a solid content of 15% by mass in a water-containing state, which was used in the next process without drying. At this time, the DS of the pulp surface, determined by reflection infrared spectroscopy, was 1.50.
<製造例1>(セルロース微細繊維の分散液Aの製造)
ディスクリファイナーを介して配管で繋がった2つのタンク(タンクA及びタンクB)を備える解繊装置を用いて解繊を行った。コットンリンターパルプシートを固形分濃度1.5質量%になるように水に浸漬させ、ラボパルパー(相川鉄工社製)を用いて、合計20kgのコットンリンターパルプシートを分散させた後、タンクAに送液し、シングルディスクリファイナー(相川鉄工社製、SDR14型ラボリファイナー 加圧型DISK式)を用いて処理した。まずスラリーを投入したタンクAから該ディスクリファイナーを介してタンクBへ送液、貯蔵し、該タンクAのスラリーの処理を終えた段階で、連続的に該タンクBから該ディスクリファイナーを介して該タンクAへ送液、貯蔵する方法により、該ディスクリファイナーを通過した回数(パス回数)を制御して行った。尚、該ディスクリファイナーの刃間調整機構には、ボールねじ式ジャッキと減速機を設けており、目的の刃間距離に到達させた後の叩解処理中の刃間距離のぶれ幅は変位センサーによる測定で0.005mm以下であった。ディスクリファイナーの刃は刃幅4.0mm、刃溝比0.89の刃を使用し、刃間距離0.25mmで30パスさせた後、刃幅0.8mm、刃溝比0.53の刃を用いて刃間距離0.25mmで30パスさせた。
<Manufacturing Example 1> (Manufacturing of Cellulose Microfiber Dispersion A)
Defibration was performed using a defibration apparatus equipped with two tanks (Tank A and Tank B) connected by piping via a disc refiner. Cotton linter pulp sheets were immersed in water to a solid content concentration of 1.5% by mass, and a total of 20 kg of cotton linter pulp sheets were dispersed using a lab pulper (manufactured by Aikawa Iron Works Co., Ltd.). The liquid was then sent to Tank A and processed using a single disc refiner (manufactured by Aikawa Iron Works Co., Ltd., SDR14 type lab refiner, pressurized disc type). First, the slurry was introduced into Tank A, and then sent to Tank B via the disc refiner for storage. Once the processing of the slurry in Tank A was complete, the liquid was continuously sent from Tank B to Tank A via the disc refiner for storage, thereby controlling the number of times the slurry passed through the disc refiner (number of passes). Furthermore, the disc refiner's blade spacing adjustment mechanism is equipped with a ball screw type jack and a reduction gear. The deviation in the blade spacing during the beating process after reaching the desired blade spacing was 0.005 mm or less, as measured by a displacement sensor. The disc refiner used blades with a blade width of 4.0 mm and a groove ratio of 0.89, performing 30 passes with a blade spacing of 0.25 mm, followed by 30 passes using blades with a blade width of 0.8 mm and a groove ratio of 0.53, also maintaining a blade spacing of 0.25 mm.
得られたスラリーを高圧ホモジナイザー(ニロ・ソアビ社製、NS3015H)にて80MPaで10パス処理した。高圧ホモジナイザー処理も上記ディスクリファイナー処理と同様に2つのタンクを設け、高圧ホモジナイザー処理されたパス回数を制御して行い、不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率100質量%、平均繊維径95nmのセルロース微細繊維の分散液Aを得た。 The obtained slurry was subjected to 10 passes at 80 MPa using a high-pressure homogenizer (NS3015H, manufactured by Nilo Soavi). Similar to the disc refiner treatment described above, the high-pressure homogenizer treatment was carried out using two tanks, controlling the number of passes. A dispersion A of cellulose microfibers with a cellulose microfiber content of 100% by mass relative to 100% by mass of non-volatile components and an average fiber diameter of 95 nm was obtained.
<製造例2>(アセチル化セルロース微細繊維の分散液Bの製造)
原料として、上記の方法を複数回で繰り返すことで製造したアセチル化パルプ計40kgを用いて、ディスクリファイナー処理は刃幅0.8mm、刃溝比0.53の刃を使用し、刃間距離0.25mmで30パスの1段とし、高圧ホモジナイザー処理のパス回数を3パスにした他は製造例1と同様に行って、不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率100質量%、DS=0.78、平均繊維径150nmのアセチル化セルロース微細繊維の分散液Bを得た。
<Manufacturing Example 2> (Manufacturing of dispersion B of acetylated cellulose microfibers)
Using 40 kg of acetylated pulp produced by repeating the above method multiple times as the raw material, the disc refiner treatment was carried out in the same manner as in Production Example 1, except that the number of passes for the high-pressure homogenizer treatment was 3, with a blade width of 0.8 mm and a blade groove ratio of 0.53, and a blade inter-blade distance of 0.25 mm. A dispersion B of acetylated cellulose fine fibers was obtained, with a cellulose fine fiber content of 100% by mass relative to 100% by mass of nonvolatile components, a DS of 0.78, and an average fiber diameter of 150 nm.
<製造例3>(アセチル化セルロース微細繊維の分散液Cの製造)
原料として、上記の方法を複数回繰り返すことで製造したアセチル化パルプ計75kgを用いて、ディスクリファイナー処理は刃幅0.8mm、刃溝比0.53の刃を使用し、刃間距離0.30mmで20パスの1段とした他は製造例1と同様に行い、高圧ホモジナイザー処理を行わずに、不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率100質量%、DS=0.88、平均繊維径450nmのアセチル化セルロース微細繊維の分散液Cを得た。
<Manufacturing Example 3> (Manufacturing of dispersion C of acetylated cellulose microfibers)
Using 75 kg of acetylated pulp produced by repeating the above method multiple times as raw material, the disc refiner treatment was carried out in the same manner as in Production Example 1, except that a blade with a blade width of 0.8 mm and a blade groove ratio of 0.53 was used, with a blade inter-blade distance of 0.30 mm and 20 passes in one stage. Without high-pressure homogenizer treatment, a dispersion C of acetylated cellulose fine fibers was obtained with a cellulose fine fiber content of 100% by mass relative to 100% by mass of nonvolatile components, DS = 0.88, and average fiber diameter of 450 nm.
<製造例4>(セルロース微細繊維の分散液Dの製造)
未修飾のコットンリンターパルプ75kgを用いた他は、製造例2と同様に行って、不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率100質量%、平均繊維径178nmのセルロース微細繊維の分散液Dを得た。
<Manufacturing Example 4> (Manufacturing of Cellulose Microfiber Dispersion D)
Except for using 75 kg of unmodified cotton linter pulp, the procedure was carried out in the same manner as in Production Example 2 to obtain a dispersion of cellulose microfibers D with a cellulose microfiber content of 100% by mass relative to 100% by mass of nonvolatile components and an average fiber diameter of 178 nm.
<製造例5>(アセチル化セルロース微細繊維の分散液Eの製造)
原料として、上記の方法を複数回繰り返すことで製造したアセチル化パルプ計20kgを用いて、ディスクリファイナー処理は刃幅4.0mm、刃溝比0.89の刃を使用し、刃間距離0.25mm、30パスの1段とし、高圧ホモジナイザー処理のパス回数を3パスにした他は製造例1と同様に行って、不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率100質量%、DS=0.80、平均繊維径275nmのアセチル化セルロース微細繊維の分散液Eを得た。
<Manufacturing Example 5> (Manufacturing of dispersion E of acetylated cellulose microfibers)
Using 20 kg of acetylated pulp produced by repeating the above method multiple times as the raw material, the disc refiner treatment was carried out in the same manner as in Production Example 1, except that the number of passes for the high-pressure homogenizer treatment was 3, with a blade width of 4.0 mm and a blade groove ratio of 0.89, a blade inter-blade distance of 0.25 mm, and 30 passes. A dispersion E of acetylated cellulose fine fibers was obtained, with a cellulose fine fiber content of 100% by mass relative to 100% by mass of nonvolatile components, a DS of 0.80, and an average fiber diameter of 275 nm.
<製造例6>(アセチル化セルロース微細繊維分散液Fの製造)
原料として、上記の方法を複数回繰り返すことで製造したアセチル化パルプ計10kgを用いて、ディスクリファイナー処理は刃幅4.0mm、刃溝比0.89の刃を使用し、刃間距離0.30mmで20パスの1段とした他は製造例1と同様に行い、高圧ホモジナイザー処理を行わずに、DS=0.88、平均繊維径660nmのアセチル化セルロース微細繊維の分散液Fを得た。
<Manufacturing Example 6> (Manufacturing of Acetylated Cellulose Microfiber Dispersion F)
Using 10 kg of acetylated pulp produced by repeating the above method multiple times as the raw material, the disc refiner treatment was carried out in the same manner as in Production Example 1, except that a blade with a blade width of 4.0 mm and a blade groove ratio of 0.89 was used, and the treatment was performed in one stage of 20 passes with a blade inter-blade distance of 0.30 mm. Without high-pressure homogenizer treatment, a dispersion F of acetylated cellulose fine fibers with DS = 0.88 and an average fiber diameter of 660 nm was obtained.
<製造例7>(酸化セルロース微細繊維の分散液Gの製造)
針葉樹由来の漂白クラフトパルプ5kgを、TEMPO(Sigma Aldrich社より入手可能)78gと臭化ナトリウム754gを溶解した水溶液500Lに加えて撹拌した。次亜塩素酸ナトリウム水溶液(有効塩素5%)を18L添加し、室温にて酸化反応を開始した。反応中は1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を適宜追加してpH10に調整した。反応を2時間行い、反応後の混合物を水洗することで酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。水を加えて濃度を1.0質量%に調整し、高圧ホモジナイザーで3パス処理して、不揮発成分100質量%に対するセルロース微細繊維の含有率100質量%、平均繊維径5nmの酸化セルロース微細繊維の分散液Gを得た。
<Manufacturing Example 7> (Manufacturing of dispersion G of oxidized cellulose microfibers)
5 kg of bleached kraft pulp derived from coniferous trees was added to 500 L of an aqueous solution containing 78 g of TEMPO (available from Sigma Aldrich) and 754 g of sodium bromide, and stirred. 18 L of an aqueous sodium hypochlorite solution (5% available chlorine) was added, and the oxidation reaction was started at room temperature. During the reaction, 1 mol/L aqueous sodium hydroxide solution was added as needed to adjust the pH to 10. The reaction was carried out for 2 hours, and the mixture after the reaction was washed with water to obtain oxidized pulp (carboxylated cellulose). Water was added to adjust the concentration to 1.0% by mass, and the mixture was subjected to a 3-pass treatment in a high-pressure homogenizer to obtain a dispersion G of oxidized cellulose fine fibers with a cellulose fine fiber content of 100% by mass relative to 100% by mass of nonvolatile components and an average fiber diameter of 5 nm.
得られた分散液中のセルロース微細繊維の特性を表1に纏める。 The properties of the cellulose microfibers in the obtained dispersion are summarized in Table 1.
<実施例1>
製造例1で作製したセルロース微細繊維分散液Aを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を純水で固形分率0.50質量%に希釈し、撹拌翼付きの1.5m3タンクに注入し、周速0.7m/secで撹拌を継続して分散液の均一状態を維持した。循環する抄紙ワイヤーに、濾過基材(セルロースとポリエステル混抄不織布)を重ねて5m/分の速度で送り出し、分散液をモーノポンプで17L/分の速度で送液して濾過基材上に供給し、-20kPaのサクション部で脱液してセルロース微細繊維を層状に濃縮した後、濾過基材上から転写ロールに転写して、転写ロール上部のスクレーパーで掻き落とし、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は5.0kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。なお温度はタンク中の分散液の温度(以下の例について同様)である。
<Example 1>
The cellulose microfiber dispersion A prepared in Production Example 1 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was diluted with pure water to a solid content of 0.50% by mass and poured into a 1.5 m³ tank equipped with stirring blades. Stirring was continued at a peripheral speed of 0.7 m/sec to maintain a homogeneous dispersion. A filtration substrate (cellulose and polyester blended nonwoven fabric) was placed on a circulating papermaking wire and fed at a speed of 5 m/min. The dispersion was supplied onto the filtration substrate by a mono pump at a speed of 17 L/min. After deliquing in a -20 kPa suction section to concentrate the cellulose microfibers in layers, the material was transferred from the filtration substrate to a transfer roll, scraped off with a scraper on the top of the transfer roll, and the concentrate was recovered. Throughout the process, the processing speed was maintained at 5.0 kg-DS/hr and the temperature at 20°C to 25°C. Note that the temperature is the temperature of the dispersion in the tank (the same applies to the following examples).
<実施例2>
製造例2で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Bを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を純水で固形分率0.35質量%に希釈して用いた他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は3.5kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 2>
The dispersion B of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 2 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The concentrate was recovered in the same manner as in Example 1, except that the dispersion was diluted with pure water to a solid content of 0.35% by mass. Throughout the process, the processing rate was maintained at 3.5 kg-DS/hr and the temperature at 20°C to 25°C.
<実施例3>
製造例3で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Cを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を希釈せず固形分率1.5質量%のまま用い、分散液供給速度を28L/分、サクション部を-40kPaにした他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は25.0kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 3>
The dispersion C of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 3 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was used without dilution, maintaining a solid content of 1.5% by mass. The procedure was carried out in the same manner as in Example 1, except that the dispersion supply rate was set to 28 L/min and the suction section pressure was set to -40 kPa. The concentrate was recovered. Throughout the process, the processing rate was maintained at 25.0 kg-DS/hr and the temperature at 20°C to 25°C.
<実施例4>
製造例4で作製したセルロース微細繊維の分散液Dを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を希釈せず固形分率1.5質量%のまま用い、サクション部を-30kPaにして脱液した他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は15.0kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 4>
The cellulose microfiber dispersion D prepared in Production Example 4 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was used without dilution, maintaining a solid content of 1.5% by mass. The process was carried out in the same manner as in Example 1, except that the suction section was set to -30 kPa for deliquidation, and the concentrated product was recovered. Throughout the process, the processing rate was maintained at 15.0 kg-DS/hr and the temperature at 20°C to 25°C.
<実施例5>
製造例2で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Bを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を純水で固形分率0.35質量%に希釈して用い、濾過基材の送り速度を4m/sec、サクション部を-25kPaにした他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は3.4kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 5>
The dispersion B of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 2 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was diluted with pure water to a solid content of 0.35% by mass, and the concentrate was recovered in the same manner as in Example 1, except that the feed rate of the filter substrate was set to 4 m/sec and the suction section to -25 kPa. Throughout the process, the processing rate was maintained at 3.4 kg-DS/hr and the temperature was maintained between 20°C and 25°C.
<実施例6>
製造例5で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Eを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を純水で固形分率0.35質量%に希釈して用い、濾過基材の送り速度を3m/sec、分散液供給速度を11L/分、サクション部を2つ設けて-25kPaと-1.8kPaにした他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は2.3kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 6>
The dispersion E of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 5 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was diluted with pure water to a solid content of 0.35% by mass, and the procedure was carried out in the same manner as in Example 1, except that the feed rate of the filter substrate was 3 m/sec, the dispersion supply rate was 11 L/min, and two suction sections were provided at -25 kPa and -1.8 kPa. The concentrate was recovered. Throughout the process, the processing rate was maintained at 2.3 kg-DS/hr and the temperature was maintained between 20°C and 25°C.
<実施例7>
製造例5で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Eを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を純水で固形分率0.50質量%に希釈して用い、濾過基材の送り速度を3m/sec、分散液供給速度を11L/分、サクション部を-25kPaにした他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は3.2kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 7>
The dispersion E of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 5 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was diluted with pure water to a solid content of 0.50% by mass, and the concentrate was recovered in the same manner as in Example 1, except that the feed rate of the filter substrate was 3 m/sec, the dispersion supply rate was 11 L/min, and the suction section was -25 kPa. Throughout the process, the processing rate was maintained at 3.2 kg-DS/hr and the temperature was maintained between 20°C and 25°C.
<実施例8>
製造例4で作製したセルロース微細繊維の分散液Dを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。分散液供給速度を7L/分、サクション部を-25kPaにして脱液した他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は2.0kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 8>
The cellulose microfiber dispersion D prepared in Production Example 4 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dehydration process was carried out in the same manner as in Example 1, except that the dispersion supply rate was 7 L/min and the suction pressure was set to -25 kPa. The concentrated product was recovered. Throughout the process, the processing rate was maintained at 2.0 kg-DS/hr and the temperature was maintained between 20°C and 25°C.
<実施例9>
製造例6で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Fを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を純水で固形分率0.35質量%に希釈して用い、濾過基材の送り速度を3m/sec、分散液供給速度を7L/分、サクション部を-30kPaにした他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は1.4kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 9>
The dispersion F of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 6 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The dispersion was diluted with pure water to a solid content of 0.35% by mass, and the concentrate was recovered in the same manner as in Example 1, except that the feed rate of the filter substrate was 3 m/sec, the dispersion supply rate was 7 L/min, and the suction section was set to -30 kPa. Throughout the process, the processing rate was maintained at 1.4 kg-DS/hr and the temperature was maintained between 20°C and 25°C.
<実施例10>
製造例2で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Bと粉末状セルロースアセテートブチレート(CAB、イーストマンケミカル社製、製品名:CAB381-0.1)を、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液Bを純水で固形分率0.35質量%に希釈した後、アセチル化セルロース微細繊維とCABとの合計固形分100質量%に対するCABの比率が10質量%(すなわち、不揮発成分100質量%に対するアセチル化セルロース微細繊維の比率が90質量%)となるようにCABを添加し、撹拌混合したものを脱水濃縮に供した他は実施例1と同様に行い、濃縮物を回収した。工程を通じ、処理速度は3.7kg-DS/hr、温度は20℃から25℃に維持された。
<Example 10>
Dispersion B of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 2 and powdered cellulose acetate butyrate (CAB, Eastman Chemical Co., Ltd., product name: CAB381-0.1) were dehydrated and concentrated using the continuous concentrator shown in Figure 3. After diluting dispersion B with pure water to a solid content of 0.35% by mass, CAB was added so that the ratio of CAB to the total solid content of acetylated cellulose microfibers and CAB (100% by mass) was 10% by mass (i.e., the ratio of acetylated cellulose microfibers to 100% by mass of nonvolatile components was 90% by mass). The mixture was stirred and then subjected to dehydration and concentration, and the procedure was carried out in the same manner as in Example 1, except that the concentrate was recovered. Throughout the process, the processing rate was maintained at 3.7 kg-DS/hr and the temperature at 20°C to 25°C.
<比較例1>
製造例7で作製した酸化セルロース微細繊維の分散液Gを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。上記分散液を用いる他は実施例9と同様に行ったが、繊維が微細すぎるため濾過基材が閉塞し、濃縮不可能であった。
<Comparative Example 1>
The dispersion G of oxidized cellulose microfibers prepared in Production Example 7 was dehydrated and concentrated using the continuous concentration apparatus shown in Figure 3. The procedure was the same as in Example 9, except that the above dispersion was used, but the fibers were too fine, causing the filter substrate to become clogged and concentration impossible.
<比較例2>
製造例2で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Bを、図3に示す連続式濃縮装置で脱水濃縮した。分散液の希釈を行わず固形分率1.5質量%で用い、分散液供給速度を50L/分にした他は実施例1と同様に行ったが、脱液不足のため、固形分率4.5質量%までしか濃縮できず、濃縮物の転写ロールへの転写性が悪く、回収が困難であった。また回収できたセルロース微細繊維は水分を多く含み、固形分率のCV値が0.32と大きかった。
<Comparative Example 2>
Dispersion B of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 2 was dehydrated and concentrated using the continuous concentrator shown in Figure 3. The procedure was the same as in Example 1, except that the dispersion was used at a solid content of 1.5% by mass without dilution and the dispersion supply rate was set to 50 L/min. However, due to insufficient dewatering, the solid content could only be concentrated to 4.5% by mass, resulting in poor transferability of the concentrate to the transfer roll and making recovery difficult. Furthermore, the recovered cellulose microfibers contained a large amount of water, and the CV value of the solid content was high at 0.32.
<比較例3>
製造例1で作製したセルロース微細繊維の分散液Aを用いて、ワイヤーパート、プレスパート及びドライヤーパートを備える連続式抄紙機で処理した。工程を通じ、処理速度は1.3kg-DS/hrに維持された。ドライヤーパートにおける乾燥温度を110℃に調整して水分を除去した。固形分率93質量%まで脱水され、固形分率のCV値は0.010であった。得られた生成物を後述の実施例11と同様の方法で分散剤と混合することを試みたが、セルロース微細繊維同士が再分散困難な状態に凝集しており、セルロース微細繊維として熱可塑性樹脂と混練することが難しいレベルであった。
<Comparative Example 3>
The dispersion A of cellulose microfibers prepared in Production Example 1 was used in a continuous paper machine equipped with a wire section, a press section, and a dryer section. The processing speed was maintained at 1.3 kg-DS/hr throughout the process. The drying temperature in the dryer section was adjusted to 110°C to remove moisture. The material was dehydrated to a solid content of 93% by mass, and the CV value of the solid content was 0.010. An attempt was made to mix the obtained product with a dispersant in the same manner as in Example 11 described below, but the cellulose microfibers were aggregated to a state where redispersion was difficult, making it difficult to knead them with a thermoplastic resin as cellulose microfibers.
<比較例4>
製造例5で作製したアセチル化セルロース微細繊維の分散液Eを、バッチ式加圧濾過機である100Lヌッチェフィルタで、20℃から25℃にて脱水濃縮した。ろ盤にろ布(PP9B、中尾フィルター工業社から入手可能)をセットして、上記分散液を希釈せずに注入し、窒素で0.18MPaに加圧して濾過を行ったが、ろ布の直上に固く圧縮されたセルロース微細繊維の層があり、その上に水分を含む軟らかいセルロース微細繊維の層が生成しており、固形分率のCV値は0.44と大きかった。
<Comparative Example 4>
The dispersion E of acetylated cellulose microfibers prepared in Production Example 5 was dehydrated and concentrated at 20°C to 25°C using a batch-type pressure filter, a 100L Nütsche filter. A filter cloth (PP9B, available from Nakao Filter Industry Co., Ltd.) was set in the filter disc, and the dispersion was injected without dilution. The mixture was then filtered under nitrogen pressure of 0.18 MPa. A layer of tightly compressed cellulose microfibers was found directly above the filter cloth, with a layer of soft, water-containing cellulose microfibers on top of that. The CV value of the solids content was high at 0.44.
<実施例11>
実施例1で得た濃縮物の固形分0.7kg相当を秤量し、分散剤としてポリエチレンオキシド-ポリプロピレンオキシド共重合体(三洋化成製:GL-3000)を0.3kg加えて、(株)愛工舎製作所製業務用ミキサー(ケンミックス アイコー シェフPRO)でよく撹拌し、分散剤を配合した濃縮ケーキを得た。(株)アーステクニカ製ハイスピードバキュームドライヤー(型番:FS10)を用いて、ジャケット温度80℃、アジテーター(周速2m/sec)、チョッパー(3500rpm)、で撹拌しながら、真空ポンプで-70kPaまで減圧し、品温が70℃に達するまで減圧乾燥を実施した。赤外加熱式水分計(MX-50(エー・アンド・デイ製))を用いて水分率を測定し、水分率が7質量%以下(固形分質量93%以上)であることを確認して、乾燥の終点とした。
<Example 11>
0.7 kg of the solid content of the concentrate obtained in Example 1 was weighed, and 0.3 kg of polyethylene oxide-polypropylene oxide copolymer (Sanyo Chemical Industries: GL-3000) was added as a dispersant. The mixture was thoroughly stirred using a commercial mixer (Kenmix Aiko Chef PRO) manufactured by Aikosha Seisakusho Co., Ltd. to obtain a concentrated cake with the dispersant. Using a high-speed vacuum dryer (model: FS10) manufactured by Earth Technica Co., Ltd., the jacket temperature was set to 80°C, and the mixture was stirred with an agitator (peripheral speed 2 m/sec) and a chopper (3500 rpm). The pressure was reduced to -70 kPa with a vacuum pump, and vacuum drying was carried out until the product temperature reached 70°C. The moisture content was measured using an infrared heating type moisture meter (MX-50 (A&D Co., Ltd.)) and it was confirmed that the moisture content was 7% by mass or less (solid content mass 93% or more), at which point the drying process was terminated.
上記の方法で得られたセルロース微細繊維及び分散剤を含む乾燥粉体と、熱可塑性樹脂としてPA6ペレットとを、セルロース微細繊維の含有量が樹脂組成物中の10質量%となるように秤量し、二軸押出機中にそれぞれ別のフィーダーで供給し、シリンダー温度250℃で、250rpmの回転数で溶融混練してストランド状に押出し、水冷・切断しペレットとして得た。 The dried powder containing cellulose microfibers and a dispersant obtained by the above method, and PA6 pellets as a thermoplastic resin, were weighed so that the cellulose microfiber content was 10% by mass of the resin composition. Each was fed into a twin-screw extruder using separate feeders, and the mixture was melt-kneaded at a cylinder temperature of 250°C and a rotation speed of 250 rpm to extrude it into strands. The mixture was then water-cooled and cut to obtain pellets.
得られた樹脂組成物ペレットを用い、上述の手順で、引張降伏強度及び引張破断伸度の測定、並びに樹脂組成物に含まれるセルロース微細繊維の含有率測定を行った。 Using the obtained resin composition pellets, the tensile yield strength and tensile elongation at break were measured, and the content of cellulose fine fibers in the resin composition was measured according to the procedure described above.
<実施例12>
実施例2で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 12>
Except for using the concentrated acetylated cellulose microfibers from Example 2, the resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11.
<実施例13>
実施例3で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 13>
Except for using the concentrated acetylated cellulose microfibers from Example 3, the resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11.
<実施例14>
実施例4で濃縮したセルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 14>
Except for using the concentrated cellulose microfibers from Example 4, the resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11.
<実施例15>
実施例5で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 15>
Except for using the concentrated acetylated cellulose microfibers from Example 5, the resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11.
<実施例16>
実施例5で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用い、分散剤として液状ゴム(クレイバレー社製、Ricon181)を使用し、熱可塑性樹脂としてPPペレットを用いて、混練と成形を200℃で行った以外は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 16>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11, except that concentrated acetylated cellulose microfibers from Example 5 were used, liquid rubber (Ricon 181, manufactured by Clay Valley Corporation) was used as a dispersant, and PP pellets were used as the thermoplastic resin, and the kneading and molding were carried out at 200°C.
<実施例17>
実施例5で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用い、熱可塑性樹脂としてPOMペレットを用いて、混練と成形を210℃で行った以外は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 17>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11, except that concentrated acetylated cellulose microfibers were used in Example 5, POM pellets were used as the thermoplastic resin, and the kneading and molding were performed at 210°C.
<実施例18>
実施例5で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用い、熱可塑性樹脂としてPA66ペレットを用いて、混練と成形を280℃で行った以外は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 18>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11, except that the concentrated acetylated cellulose fine fibers from Example 5 were used, PA66 pellets were used as the thermoplastic resin, and the kneading and molding were performed at 280°C.
<実施例19>
実施例6で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 19>
Except for using the concentrated acetylated cellulose microfibers from Example 6, the resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11.
<実施例20>
実施例7で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 20>
Except for using the concentrated acetylated cellulose microfibers from Example 7, the resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11.
<実施例21>
実施例8で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 21>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11, except that concentrated acetylated cellulose microfibers were used in Example 8.
<実施例22>
実施例9で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 22>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11, except that concentrated acetylated cellulose microfibers were used in Example 9.
<実施例23>
実施例10で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維とCABとの混合物を用いた他は、実施例11と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Example 23>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 11, except that a mixture of concentrated acetylated cellulose microfibers and CAB was used in Example 10.
<比較例5>
比較例2で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例10と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Comparative Example 5>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 10, except that concentrated acetylated cellulose microfibers were used in Comparative Example 2.
<比較例6>
比較例3で濃縮したセルロース微細繊維を用いた他は、実施例10と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Comparative Example 6>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 10, except that the concentrated cellulose microfibers used in Comparative Example 3 were employed.
<比較例7>
比較例4で濃縮したアセチル化セルロース微細繊維を用いた他は、実施例10と同様に樹脂組成物の製造と評価を行った。
<Comparative Example 7>
The resin composition was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 10, except that concentrated acetylated cellulose microfibers were used in Comparative Example 4.
<比較例8>
PA6ペレットをそのまま使用して射出成型し、多目的試験片を作製して評価した。
<Comparative Example 8>
Multipurpose test specimens were prepared and evaluated by injection molding using PA6 pellets as they were.
<比較例9>
PPペレットをそのまま使用して射出成型し、多目的試験片を作製して評価した。
<Comparative Example 9>
Multipurpose test specimens were prepared and evaluated by injection molding using PP pellets as they were.
<比較例10>
POMペレットをそのまま使用して射出成型し、多目的試験片を作製して評価した。
<Comparative Example 10>
Multipurpose test specimens were prepared and evaluated by injection molding using POM pellets as they were.
<比較例11>
PA66ペレットをそのまま使用して射出成型し、多目的試験片を作製して評価した。
<Comparative Example 11>
PA66 pellets were used directly for injection molding to create multi-purpose test specimens, which were then evaluated.
結果を表2及び3に示す。 The results are shown in Tables 2 and 3.
表1~3に示すように、本開示の方法で濃縮したセルロース微細繊維は、固形分率とそのCV値が所定の範囲に制御されており、フィラー強化樹脂組成物のフィラーとして使用したときの物性向上効果と繊維含有率の安定性とを兼ね備えていることが分かる。 As shown in Tables 1-3, the cellulose microfibers concentrated by the method of this disclosure have their solid content and CV value controlled within a predetermined range, demonstrating both improved physical properties and stable fiber content when used as a filler in filler-reinforced resin compositions.
本開示の方法で製造される、セルロース微細繊維分散液の濃縮物及びその乾燥体は、所定の濃度で分散媒(特に水分)を含みつつ、固形分率のバラつきが少ないため、セルロース微細繊維の再分散又は別の材料との均一混合を必要とする用途に使用したときに所望の品質を維持して大量生産され得る。したがって、当該濃縮物及びその乾燥体は、セルロース微細繊維で強化された樹脂組成物を利用する、産業用機械部品、一般機械部品、自動車・鉄道・車両・船舶・航空宇宙関連部品、電子・電気部品、建築・土木材料、生活用品、スポーツ・レジャー用品、風力発電用筐体部材、容器・包装部材、等の広範な用途に好適に適用され得る。 The concentrates and dried cellulose microfiber dispersions produced by the method of this disclosure contain a dispersion medium (particularly water) at a predetermined concentration while exhibiting minimal variation in solid content. Therefore, they can be mass-produced while maintaining desired quality when used in applications requiring redispersion of cellulose microfibers or uniform mixing with other materials. Consequently, these concentrates and dried cellulose microfibers are suitably applicable to a wide range of applications utilizing resin compositions reinforced with cellulose microfibers, including industrial machinery parts, general machinery parts, automotive, railway, vehicle, ship, and aerospace components, electronic and electrical components, building and civil engineering materials, consumer goods, sports and leisure goods, wind turbine housing components, containers and packaging materials, and more.
11 刃
12 溝
21 回転刃
22 固定刃
300 連続式濃縮装置
301 タンク
302 ポンプ
303 サクション部
304 濾過基材
305 送り機構
306 転写体
307 スクレーパー
308 回収容器
309 撹拌装置
309a 撹拌機
309b 撹拌羽根
310 支持体
311 駆動機構
312 減圧機構
11 Blade 12 Groove 21 Rotating blade 22 Fixed blade 300 Continuous concentration device 301 Tank 302 Pump 303 Suction section 304 Filtration substrate 305 Feeding mechanism 306 Transfer body 307 Scraper 308 Recovery container 309 Agitator 309a Agitator 309b Agitator blade 310 Support 311 Drive mechanism 312 Pressure reduction mechanism
Claims (10)
前記方法が、前記セルロース微細繊維分散液を脱液して前記濃縮物を得る濃縮工程を含み、
前記セルロース微細繊維分散液中のセルロース微細繊維の平均繊維径が50~1000nmであり、
前記濃縮工程において、前記セルロース微細繊維分散液を1.0kg-DS/h以上、45.0kg-DS/h未満の処理速度で連続的に脱液し、
前記濃縮工程において、前記濃縮物の固形分率を10回サンプリングして測定したときに、前記固形分率の平均値が5質量%以上60質量%以下であり、且つ前記固形分率のCV値(標準偏差/平均値)0.001以上0.300以下である、
方法。 A method for producing a concentrated cellulose microfiber dispersion,
The method includes a concentration step of deliquing the cellulose fine fiber dispersion to obtain the concentrate,
The average fiber diameter of the cellulose microfibers in the cellulose microfiber dispersion is 50 to 1000 nm.
In the concentration step, the cellulose fine fiber dispersion is continuously deliquidated at a processing rate of 1.0 kg-DS/h or more and less than 45.0 kg-DS/h.
In the concentration step, when the solid content of the concentrate is sampled and measured 10 times, the average value of the solid content is 5% by mass or more and 60% by mass or less, and the CV value (standard deviation/mean value) of the solid content is 0.001 or more and 0.300 or less.
method.
前記濃縮物を乾燥させてセルロース微細繊維乾燥体を生成する工程と、
を含む、セルロース微細繊維乾燥体の製造方法。 A step of producing a concentrate of cellulose microfiber dispersion by the method of any one of claims 1 to 8,
A step of drying the aforementioned concentrate to produce a cellulose microfiber dry body,
A method for producing a dried cellulose microfiber body, including the above.
前記セルロース微細繊維分散液の濃縮物又は前記セルロース微細繊維乾燥体を熱可塑性樹脂と混合して樹脂組成物を生成する工程と、
を含む、樹脂組成物の製造方法。 A step of producing a concentrated cellulose microfiber dispersion by the method of any one of claims 1 to 8, or producing a dried cellulose microfiber by the method of claim 9,
A step of producing a resin composition by mixing a concentrate of the cellulose microfiber dispersion or the dried cellulose microfiber with a thermoplastic resin,
A method for producing a resin composition containing [the specified element].
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