JP2010242063A - Cellulose nanofiber compound polyvinyl alcohol-based polymer composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、優れた耐熱性と耐熱水性を兼ね備えた、セルロースナノファイバー複合ポリビニルアルコール(以下、PVAと略する)系重合体組成物と、それを用いたフィルムおよび繊維に関するものであり、産業資材用途、電気電子材料、農業資材、光学材料をはじめとして多くの用途に極めて有効に使用することができる。 The present invention relates to a cellulose nanofiber composite polyvinyl alcohol (hereinafter abbreviated as PVA) polymer composition having excellent heat resistance and hot water resistance, a film and a fiber using the same, and industrial materials. It can be used extremely effectively in many applications including applications, electrical and electronic materials, agricultural materials, and optical materials.
従来、PVA系重合体は、無機物との接着性や機械的特性に優れていることから、糊剤、コーティング剤はもとより、フィルム素材、繊維素材として広く使用されている。しかしながら、PVA系重合体は、分子骨格内に水酸基を有するため、耐熱水性が十分といえず、例えば、PVA系重合体からなる繊維の場合、長期にわたって湿潤状態に曝されると、膨潤とそれによって引き起こされる力学物性の低下や寸法変化が起こるため、一般産業資材として用いられるにしても用途が限定されていた。また、この分子骨格内の水素結合能力は、100℃以上で弱くなることが知られており、それ故、絶乾状態であっても、その温度以上では分子運動が活発になり、この場合も力学物性や寸法変化などの低下が起こり使用用途に制限が掛かるものであった。PVA系重合体の耐熱水化技術としては、アルデヒド化合物とPVA系重合体の水酸基とのアセタール化反応を利用してPVA系重合体の疎水化あるいは架橋させる技術が広く提案されている(例えば特許文献1〜4参照。)。しかしながら、これらの処方では、PVA系重合体の非晶部領域の一部が疎水化されているため、耐熱水性は向上するが、高温に曝された際の力学物性の低下を改善するものではなかった。また、このようなアセタール化による耐熱水化には、アセタール化度を高くすることを目的に、処理時間を長く設定しなければならないことや、酸処理浴といった工程を別途設定しなければならないことなど、工程通過性の面で一層の改善が望まれていた。 Conventionally, PVA polymers are widely used as film materials and fiber materials as well as pastes and coating agents because they are excellent in adhesion to inorganic materials and mechanical properties. However, since the PVA polymer has a hydroxyl group in the molecular skeleton, it cannot be said to have sufficient hot water resistance. For example, in the case of a fiber made of a PVA polymer, if it is exposed to a wet state for a long time, it will swell. As a result, the mechanical properties are deteriorated and dimensional changes are caused, so that the use is limited even if it is used as a general industrial material. In addition, it is known that the hydrogen bonding ability in the molecular skeleton is weakened at 100 ° C. or higher. Therefore, even in an absolutely dry state, the molecular motion becomes active at the temperature or higher. The mechanical properties, dimensional changes, and the like were reduced, and the usage was limited. As a heat resistant water-resistant technology for PVA polymers, a technology for hydrophobizing or cross-linking PVA polymers using acetalization reaction between an aldehyde compound and a hydroxyl group of PVA polymer has been widely proposed (for example, patents). References 1 to 4). However, in these formulations, a part of the amorphous part region of the PVA polymer is hydrophobized, so that the hot water resistance is improved, but it is not intended to improve the decrease in mechanical properties when exposed to high temperatures. There wasn't. In order to increase the degree of acetalization, it is necessary to set the treatment time longer and separate steps such as an acid treatment bath for heat-resistant water formation by acetalization. Thus, further improvements have been desired in terms of process passability.
また、PVA系重合体からなるフィルムは、その分子内でポリヨウ素コンプレックスを形成して、優れた二色性を発現することから、一軸延伸、ヨウ素による染色およびホウ素化合物による処理を施すことで、液晶ディスプレイを構成する部材である偏光フィルム用途に広く用いられている。偏光フィルムの製造過程では、フィルム内へヨウ素を取り込ませることを目的に、水膨潤性が高いことが要求される一方で、工程中での歩留まりを高くすることを目的として、耐熱水性が高いという相反する性能が求められる。従来、熱処理を施すことで、耐熱水化できることは広く知られているが、この方法ではPVA系重合体の結晶性が高くなってしまい、耐熱水性の向上に効果はあるものの、水膨潤性が著しく低下してしまうという問題を有していた。 In addition, a film made of a PVA-based polymer forms a polyiodine complex in its molecule and expresses excellent dichroism, so that it is subjected to uniaxial stretching, dyeing with iodine, and treatment with a boron compound. Widely used in polarizing film applications that are members of liquid crystal displays. In the process of manufacturing a polarizing film, high water swellability is required for the purpose of incorporating iodine into the film, while hot water resistance is high for the purpose of increasing the yield in the process. Conflicting performance is required. Conventionally, it is widely known that heat treatment can be carried out by heat treatment, but this method increases the crystallinity of the PVA polymer and is effective in improving hot water resistance, but has water swellability. It had the problem that it will fall remarkably.
一方で、PVA系重合体とフィラーを複合させることで、PVA系重合体の耐熱水性や耐熱性を向上する試みも報告されており、平均繊維径が2〜150nmで、かつセルロースの水酸基の一部がカルボキシル基及びアルデヒド基からなる群から選ばれる少なくとも1つの官能基に酸化されたセルロースナノファイバーをPVA系重合体と複合することが提案されている(例えば、特許文献5参照。)。セルロースはその分子骨格内に水酸基やカルボキシル基、アルデヒド基を有していることから、PVA系重合体との相互作用が強く働き、耐熱水性や耐熱性向上が期待できるものの、しかしながら、ここには、セルロースナノファイバーに対してPVA系重合体などのバインダーを10〜80重量%使用すること、換言すればPVA系重合体などのバインダーに対してセルロースナノファイバーを12.5〜1000重量%使用することが記載されており、このような多量のセルロースナノファイバーを配合したのでは、後述する比較例からも明らかなように成形が困難になるばかりでなく、セルロースナノファイバーの分散性も良くなく、機械的特性が低下し、更には、耐熱水性および耐熱性ともに十分優れた組成物を得ることができない。また、フィルムに成形したときの透明性も失われてしまう。 On the other hand, an attempt to improve the hot water resistance and heat resistance of a PVA polymer by combining a PVA polymer and a filler has been reported. The average fiber diameter is 2 to 150 nm, and one of the hydroxyl groups of cellulose. It has been proposed that a cellulose nanofiber oxidized to at least one functional group selected from the group consisting of a carboxyl group and an aldehyde group is combined with a PVA polymer (for example, see Patent Document 5). Cellulose has a hydroxyl group, a carboxyl group, and an aldehyde group in its molecular skeleton, so that it interacts strongly with the PVA polymer and can be expected to have improved hot water resistance and heat resistance. , 10-80% by weight of a binder such as PVA polymer is used for cellulose nanofibers, in other words, 12.5-1000% by weight of cellulose nanofibers is used for binder such as PVA polymer. In the case of blending such a large amount of cellulose nanofibers, it is not only difficult to mold as is apparent from the comparative examples described later, but the dispersibility of the cellulose nanofibers is not good, The mechanical properties are deteriorated, and furthermore, it is impossible to obtain a composition excellent in both hot water resistance and heat resistance.In addition, transparency when formed into a film is lost.
本発明は、上記のような従来技術の欠点を解消するものであり、PVA系重合体が有する優れた機械的性能、或いはフィルムに成形した際の透明性などを損なうことなく、耐熱水性、耐熱性の優れたPVA系重合体組成物、フィルム、繊維を提供することを目的とする。 The present invention eliminates the disadvantages of the prior art as described above, and without impairing the excellent mechanical performance of the PVA polymer or the transparency when formed into a film, An object of the present invention is to provide a PVA polymer composition, a film and a fiber excellent in properties.
本発明者等は、上述したPVA系重合体を得るべく、鋭意検討を重ねた結果、PVA系重合体に対して、特別な工程を必要とせず、特定の平均繊維径並びに改質されたセルロースナノファイバーとPVA系重合体を複合することで、これを達成することを見出した。 As a result of intensive studies in order to obtain the above-described PVA polymer, the inventors of the present invention do not require any special process for the PVA polymer, and have a specific average fiber diameter and modified cellulose. It has been found that this can be achieved by combining the nanofiber and the PVA polymer.
すなわち本発明は、PVA系重合体と、平均繊維径が2〜150nmのセルロースナノファイバーとの複合体であって、セルロースの水酸基の一部がカルボキシル基及びアルデヒド基からなる群から選ばれる少なくとも1つの官能基に酸化されており、カルボキシル基とアルデヒド基の量の総和がセルロース繊維の質量に対し、0.1〜2.2mmol/gであるセルロースナノファイバーの含有量がPVA系重合体100質量部に対して0.1〜10質量部であるセルロースナノファイバー複合PVA系重合体組成物を提供することによって達成される。 That is, the present invention is a composite of a PVA polymer and a cellulose nanofiber having an average fiber diameter of 2 to 150 nm, and at least one selected from the group consisting of a carboxyl group and an aldehyde group. The content of cellulose nanofibers that are oxidized to two functional groups and the total amount of carboxyl groups and aldehyde groups is 0.1 to 2.2 mmol / g with respect to the mass of the cellulose fibers is 100 masses of PVA polymer. This is achieved by providing a cellulose nanofiber composite PVA polymer composition that is 0.1 to 10 parts by mass relative to parts.
また、上記目的は、上記のセルロースナノファイバーが天然セルロースを原料とし、水中においてN−オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を作用させることにより酸化されているセルロースファイバーであることにより、さらに好適に達成される。 Further, the above object is more preferable because the cellulose nanofiber is a cellulose fiber which is oxidized by using natural cellulose as a raw material, using an N-oxyl compound as an oxidation catalyst in water, and acting on a cooxidant. To be achieved.
本発明によれば、PVA系重合体のもつ従来の特性を失うことなく、耐熱水性または耐熱性に優れた組成物を得ることができ、例えば、本発明の組成物を使用することにより、透明性および水膨潤性を損なうことなく、耐熱水性の優れたフィルムを得ることができる。さらには、本発明の組成物を使用することにより、高強度、高弾性率であり、且つ高温での物性低下の小さい耐熱性の優れた繊維を得ることができる。 According to the present invention, a composition excellent in hot water resistance or heat resistance can be obtained without losing the conventional properties of the PVA polymer. For example, by using the composition of the present invention, a transparent A film excellent in hot water resistance can be obtained without impairing the properties and water swellability. Furthermore, by using the composition of the present invention, it is possible to obtain a fiber having high strength and high elastic modulus and excellent heat resistance with little deterioration in physical properties at high temperatures.
以下に、本発明について具体的に説明する。本発明において、PVA系重合体に上記した特定のセルロースナノフアイバーを特定量配合することは、本発明の目的達成のためにきわめて重要である。ここで特定のセルロースナノファイバーとは、数平均繊維径が2〜150nmであって、セルロースの水酸基の一部がカルボキシル基及びアルデヒド基からなる群から選ばれる少なくとも1つの官能基に酸化されているセルロースナノファイバーである。数平均繊維径が2〜150nmを満足するとき、優れた透明性、耐熱水性、耐熱性を付与することができる。 The present invention will be specifically described below. In the present invention, blending a specific amount of the above-mentioned specific cellulose nanofibre into the PVA polymer is extremely important for achieving the object of the present invention. Here, the specific cellulose nanofiber has a number average fiber diameter of 2 to 150 nm, and a part of the hydroxyl group of cellulose is oxidized to at least one functional group selected from the group consisting of a carboxyl group and an aldehyde group. Cellulose nanofiber. When the number average fiber diameter satisfies 2 to 150 nm, excellent transparency, hot water resistance and heat resistance can be imparted.
セルロースナノファイバーは、数平均繊維径が2〜150nmであり、好ましくは2〜100nm、さらに好ましくは2〜10nmである。 Cellulose nanofibers have a number average fiber diameter of 2 to 150 nm, preferably 2 to 100 nm, and more preferably 2 to 10 nm.
ここで数平均繊維径の測定は次のようにして行う。固形分率で0.05〜0.1質量部の微細セルロースの水分散体を調製し、該分散体を、親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。また、大きな繊維径の繊維を含む場合には、ガラス上へキャストした表面のSEM像を観察してもよい。構成する繊維の大きさに応じて5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。この際に、得られた画像内に縦横任意の画像幅の軸を想定した場合に少なくとも軸に対し、20本以上の繊維が軸と交差するような試料および観察条件(倍率等)とする。この条件を満足する観察画像に対し、1枚の画像当たり縦横2本ずつの無作為な軸を引き、軸に交錯する繊維の繊維径を目視で読み取っていく。こうして最低3枚の重なっていない表面部分の画像を電子顕微鏡で撮影し、各々2つの軸に交錯する繊維の繊維径の値を読み取る(したがって、最低20本×2×3=120本の繊維径の情報が得られる)。こうして得られた繊維径のデータにより数平均繊維径を算出する。 Here, the number average fiber diameter is measured as follows. An aqueous dispersion of fine cellulose having a solid content of 0.05 to 0.1 parts by mass is prepared, and the dispersion is cast on a carbon film-coated grid that has been subjected to a hydrophilic treatment to obtain a sample for TEM observation. Moreover, when the fiber of a big fiber diameter is included, you may observe the SEM image of the surface cast on glass. Observation with an electron microscope image is performed at a magnification of 5000 times, 10000 times, or 50000 times depending on the size of the constituent fibers. At this time, when an axis having an arbitrary vertical and horizontal image width is assumed in the obtained image, a sample and observation conditions (magnification, etc.) are set so that at least 20 fibers intersect the axis at least with respect to the axis. With respect to an observation image satisfying this condition, two random axes are drawn vertically and horizontally per image, and the fiber diameter of the fiber intersecting with the axis is visually read. Thus, images of at least three non-overlapping surface portions are taken with an electron microscope, and the value of the fiber diameter of the fibers intersecting with each of the two axes is read (thus, at least 20 × 2 × 3 = 120 fiber diameters). Information). The number average fiber diameter is calculated from the fiber diameter data thus obtained.
さらにセルロースナノファイバーは、セルロースの水酸基の一部がカルボキシル基またはアルデヒド基に酸化されており、且つセルロースI型結晶構造を有する。これは、セルロースナノファイバーが、I型結晶構造を有する天然由来のセルロース固体原料を表面酸化し微細化した繊維であることを意味する。すなわち、天然セルロースの生合成の過程においてはほぼ例外なくミクロフィブリルと呼ばれるナノファイバーがまず形成され、これらが多束化して高次な固体構造を構築していることを原理的に利用し、ここにおいてミクロフィブリル間の強い凝集力の原動となっている表面間の水素結合を弱めるために、その一部が酸化され、アルデヒド基やあるいはカルボキシル基に変換されているものである。 Furthermore, the cellulose nanofiber has a cellulose I-type crystal structure in which a part of the hydroxyl group of cellulose is oxidized to a carboxyl group or an aldehyde group. This means that the cellulose nanofiber is a fiber obtained by subjecting a naturally-derived cellulose solid raw material having an I-type crystal structure to surface oxidation and refinement. That is, in the process of biosynthesis of natural cellulose, nanofibers called microfibrils are first formed almost without exception, and it is used in principle to build a higher-order solid structure by bunching them. In order to weaken the hydrogen bond between the surfaces, which is the driving force of strong cohesive force between microfibrils, a part thereof is oxidized and converted into an aldehyde group or a carboxyl group.
ここで、セルロースナノファイバーが、I型結晶構造であることは、その広角X線回折像測定により得られる回折プロファイルにおいて、2シータ=14〜17°付近と2シータ=22〜23°付近の二つの位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。さらに、セルロースナノファイバーのセルロースにアルデヒド基あるいはカルボキシル基が導入されていることは、水分を完全に除去したサンプルにおいて全反射式赤外分光スペクトル(ATR)においてカルボニル基に起因する吸収(1608cm−1付近)が存在することにより確認することができる。特に、酸型のカルボキシル基(COOH)の場合には、上記の測定において1730cm−1に吸収が存在する。 Here, the cellulose nanofibers have an I-type crystal structure in the diffraction profile obtained by the wide-angle X-ray diffraction image measurement in two theta = 14-17 ° vicinity and 2 theta = 22-23 ° vicinity. It can be identified from having a typical peak at one position. Furthermore, the introduction of an aldehyde group or a carboxyl group into the cellulose of the cellulose nanofibers indicates that the absorption due to the carbonyl group in the total reflection infrared spectroscopic spectrum (ATR) (1608 cm −1 ) in the sample from which moisture has been completely removed. This can be confirmed by the presence of the vicinity. In particular, in the case of an acid-type carboxyl group (COOH), absorption exists at 1730 cm −1 in the above measurement.
セルロースナノファイバーは、セルロースに存在するカルボキシル基とアルデヒド基の量の総和が多いほうがより微小な繊維径として安定に存在し、PVA系重合体中で均一に分散されるだけでなく、PVA系重合体との水素結合能力が高くなるため複合効果が高くなる。たとえば木材パルプや綿パルプの場合、セルロースナノファイバーに存在するカルボキシル基とアルデヒド基の量の総和がセルロースナノファイバーの質量に対し、0.1〜2.2mmol/g、好ましくは0.5〜2.2mmol/g、さらに好ましくは0.8〜2.2mmol/gであると、ナノファイバーとしての安定性に優れるうえに、PVA系重合体との水素結合能力が高くなるために好ましい。また、バクテリアセルロースやホヤからの抽出セルロースのような比較的ミクロフィブリルの繊維径が太いセルロースの場合(平均径が数10nmのオーダー)には、該総和量は0.1〜0.8mmol/g、好ましくは0.2〜0.8mmol/gであるとPVA系重合体との水素結合能力が高くなるため好ましい。このように該総和量が0.1〜2.2mmol/gを満足するとき、セルロースナノファイバーとPVA系重合体との水素結合能力が高くなり、さらに両者の親和性も増すので、透明性および耐熱水性、耐熱性が付与される。 Cellulose nanofibers are more stable as finer fiber diameters when the total amount of carboxyl groups and aldehyde groups present in cellulose is larger, and are not only uniformly dispersed in PVA polymers, but also PVA heavy weights. Since the hydrogen bonding ability with the coalescence increases, the combined effect increases. For example, in the case of wood pulp or cotton pulp, the total amount of carboxyl groups and aldehyde groups present in cellulose nanofibers is 0.1 to 2.2 mmol / g, preferably 0.5 to 2 with respect to the mass of cellulose nanofibers. .2 mmol / g, more preferably 0.8 to 2.2 mmol / g, because it is excellent in stability as a nanofiber and has high hydrogen bonding ability with a PVA polymer, which is preferable. In the case of cellulose having a relatively large fiber diameter of microfibrils such as bacterial cellulose and cellulose extracted from sea squirt (average diameter is on the order of several tens of nm), the total amount is 0.1 to 0.8 mmol / g. Preferably, the amount is 0.2 to 0.8 mmol / g because the hydrogen bonding ability with the PVA polymer is increased. Thus, when the total amount satisfies 0.1 to 2.2 mmol / g, the hydrogen bonding ability between the cellulose nanofiber and the PVA polymer is increased, and the affinity between the two is also increased. Hot water resistance and heat resistance are imparted.
さらに、ノニオン性の置換基であるアルデヒド基に対し、カルボキシル基が導入されることにより、電気的な反発力が生まれ、ミクロフィブリルが凝集を維持せずにばらばらになろうとする傾向が増大するため、ナノファイバーとしての安定性が増大し、PVA系重合体中で均一に分散されるだけでなく、PVA系重合体との水素結合能力が高くなるため複合効果が高くなる。たとえば木材パルプや綿パルプの場合、セルロースナノファイバーに存在するカルボキシル基の量がセルロース繊維の質量に対し、0.2〜2.2mmol/g、好ましくは0.4〜2.2mmol/g、さらに好ましくは0.6〜2.2mmol/gであるとPVA系重合体との結合がより強固となる。また、バクテリアセルロースやホヤからの抽出セルロースのような比較的ミクロフィブリルの繊維径が太いセルロースの場合には、カルボキシル基の量は0.1〜0.8mmol/g、好ましくは0.2〜0.8mmol/gであるとPVA系重合体との結合がより一層強固となる。 Furthermore, the introduction of a carboxyl group with respect to an aldehyde group, which is a nonionic substituent, creates an electric repulsive force and increases the tendency of microfibrils to break apart without maintaining aggregation. The stability as a nanofiber is increased, and not only is it uniformly dispersed in the PVA polymer, but also the composite effect is enhanced because the hydrogen bonding ability with the PVA polymer is increased. For example, in the case of wood pulp or cotton pulp, the amount of carboxyl groups present in cellulose nanofibers is 0.2 to 2.2 mmol / g, preferably 0.4 to 2.2 mmol / g, based on the mass of cellulose fibers. The bond with the PVA polymer becomes stronger when the amount is preferably 0.6 to 2.2 mmol / g. In the case of cellulose having a relatively large fiber diameter such as bacterial cellulose or cellulose extracted from sea squirt, the amount of carboxyl groups is 0.1 to 0.8 mmol / g, preferably 0.2 to 0. When it is .8 mmol / g, the bond with the PVA polymer is further strengthened.
ここで、セルロースナノファイバーの質量に対するセルロースのアルデヒド基およびカルボキシル基の量(mmol/g)は、以下の手法により評価する。
乾燥質量を精秤したセルロース試料から0.5〜1質量部スラリーを60ml調製し、0.1Mの塩酸水溶液によってpHを約2.5とした後、0.05Mの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して電気伝導度測定を行う。測定はpHが約11になるまで続ける。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(V)から、下式を用いて官能基量1を決定する。該官能基量1がカルボキシル基の量を示す。
官能基量(mmol/g)=V(ml)×0.05/セルロースの質量(g)
次に、セルロース試料を、酢酸でpHを4〜5に調製した2%亜塩素酸ナトリウム水溶液中でさらに48時間常温で酸化し、上記手法によって再び官能基量2を測定する。この酸化によって追加された官能基量(=官能基量2−官能基量1)を算出し、アルデヒド基量とする。
Here, the amount (mmol / g) of aldehyde groups and carboxyl groups of cellulose relative to the mass of cellulose nanofibers is evaluated by the following method.
60 ml of 0.5-1 part by mass slurry was prepared from a cellulose sample precisely weighed in dry mass, and the pH was adjusted to about 2.5 with 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution, and then 0.05 M sodium hydroxide aqueous solution was added dropwise. To measure the electrical conductivity. The measurement is continued until the pH is about 11. The amount of functional group 1 is determined from the amount (V) of sodium hydroxide consumed in the neutralization step of the weak acid whose electrical conductivity changes slowly. The functional group amount 1 indicates the amount of carboxyl groups.
Functional group amount (mmol / g) = V (ml) × 0.05 / mass of cellulose (g)
Next, the cellulose sample is further oxidized at room temperature for 48 hours in a 2% aqueous sodium chlorite solution adjusted to pH 4 to 5 with acetic acid, and the functional group amount 2 is measured again by the above method. The amount of functional groups added by this oxidation (= functional group amount 2 -functional group amount 1) is calculated and used as the aldehyde group amount.
次に、本発明でいうセルロースナノファイバーの調整方法並びにセルロースナノファイバーが媒体中に分散している分散体について説明する。
セルロースナノファイバーの分散体は、前述したセルロースナノファイバーが後述する溶媒中に分散しているものをいう。該分散体は、例えば、天然セルロースを原料とし、水中においてN−オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を作用させることにより該天然セルロースを酸化して反応物ナノファイバーを得る酸化反応工程、不純物を除去して水を含浸させた反応物ナノファイバーを得る精製工程、及び水を含浸させた反応物繊維を溶媒に分散させる分散工程の3つの工程により得ることができる。以下に各工程について詳細に説明する。
Next, a method for preparing cellulose nanofibers and a dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in a medium according to the present invention will be described.
The dispersion of cellulose nanofiber refers to a dispersion of the above-described cellulose nanofiber in a solvent described later. The dispersion includes, for example, an oxidation reaction step in which natural cellulose is used as a raw material, an N-oxyl compound is used as an oxidation catalyst in water, and the natural cellulose is oxidized by acting a co-oxidant to obtain reactant nanofibers. Can be obtained by three steps: a purification step of obtaining reactant nanofibers impregnated with water and a dispersion step of dispersing the reactant fibers impregnated with water in a solvent. Each step will be described in detail below.
まず、酸化反応工程では、水中に天然セルロースを分散させた分散液を調製する。ここで、天然セルロースは、植物,動物,バクテリア産生ゲル等のセルロースの生合成系から単離した精製セルロースを意味する。より具体的には、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ、コットンリンターやコットンリントのような綿系パルプ、麦わらパルプやバガスパルプ等の非木材系パルプ、バクテリアセルロース、ホヤから単離されるセルロース、海草から単離されるセルロースなどを挙げることができるが、これに限定されるものではない。天然セルロースは好ましくは、叩解等の表面積を高める処理を施すと、反応効率を高めるこ
とができ、生産性を高めることができる。さらに、天然セルロースとして、単離、精製の後、ネバードライで保存していたものを使用するとミクロフィブリルの集束体が水膨潤し易い状態であるため、やはり反応効率を高め、微細化処理後の数平均繊維径を小さくすることができ、好ましい。
反応における天然セルロースの分散媒は水であり、反応水溶液中の天然セルロース濃度は、試薬の十分な拡散が可能な濃度であれば任意であるが、通常、反応水溶液の重量に対して約5%以下である。
First, in the oxidation reaction step, a dispersion in which natural cellulose is dispersed in water is prepared. Here, natural cellulose means purified cellulose isolated from cellulose biosynthetic systems such as plants, animals, and bacteria-producing gels. More specifically, softwood pulp, hardwood pulp, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood pulp such as straw pulp and bagasse pulp, bacterial cellulose, cellulose isolated from sea squirts, and seaweed. Examples include cellulose to be released, but are not limited thereto. Natural cellulose is preferably subjected to a treatment for increasing the surface area such as beating, whereby the reaction efficiency can be increased and the productivity can be increased. Furthermore, when natural cellulose is used that has been isolated and purified, and stored in a dry dry state, the microfibril bundles are likely to swell with water. The number average fiber diameter can be reduced, which is preferable.
The dispersion medium of natural cellulose in the reaction is water, and the concentration of natural cellulose in the reaction aqueous solution is arbitrary as long as the reagent can sufficiently diffuse, but usually about 5% with respect to the weight of the reaction aqueous solution. It is as follows.
また、セルロースの酸化触媒として使用可能なN−オキシル化合物は数多く報告されている(「Cellulose」Vol.10、2003年、第335〜341ページにおけるI. Shibata及びA. Isogaiによる「TEMPO誘導体を用いたセルロースの触媒酸化:酸化生成物のHPSEC及びNMR分析」と題する記事)が、特にTEMPO(2,6,6,−テトラメチルピペリジン 1−オキシル)、4−アセトアミド−TEMPO、4−カルボキシ−TEMPO、及び4−フォスフォノオキシ−TEMPOは水中常温での反応速度において好ましい。これらN−オキシル化合物の添加は触媒量で十分であり、好ましくは0.1〜4mmol/l、さらに好ましくは0.2〜2mmol/lの範囲で反応水溶液に添加する。 Many N-oxyl compounds that can be used as an oxidation catalyst for cellulose have been reported ("Cellulose" Vol. 10, 2003, pages 335 to 341, using "TEMPO derivatives by I. Shibata and A. Isogai"). The article entitled “Catalyzed Oxidation of Cellulose: HPSEC and NMR Analysis of Oxidation Products”), in particular, TEMPO (2,6,6, -tetramethylpiperidine 1-oxyl), 4-acetamido-TEMPO, 4-carboxy-TEMPO. , And 4-phosphonooxy-TEMPO are preferable in the reaction rate at room temperature in water. A catalytic amount is sufficient for the addition of these N-oxyl compounds, preferably 0.1 to 4 mmol / l, more preferably 0.2 to 2 mmol / l.
共酸化剤として、次亜ハロゲン酸またはその塩、亜ハロゲン酸またはその塩、過ハロゲン酸またはその塩、過酸化水素、および過有機酸などが本発明において使用可能であるが、好ましくはアルカリ金属次亜ハロゲン酸塩、たとえば、次亜塩素酸ナトリウムや次亜臭素酸ナトリウムである。次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合、臭化アルカリ金属、たとえば臭化ナトリウムの存在下で反応を進めることが反応速度において好ましい。この臭化アルカリ金属の添加量は、N−オキシル化合物に対して約1〜40倍モル量、好ましくは約10〜20倍モル量である。
反応水溶液のpHは約8〜11の範囲で維持されることが好ましい。水溶液の温度は約4〜40℃において任意であるが、反応は室温で行うことが可能であり、特に温度の制御は必要としない。
As the co-oxidant, hypohalous acid or a salt thereof, hypohalous acid or a salt thereof, perhalogen acid or a salt thereof, hydrogen peroxide, a perorganic acid, and the like can be used in the present invention. Hypohalites such as sodium hypochlorite and sodium hypobromite. When sodium hypochlorite is used, it is preferable in terms of the reaction rate to advance the reaction in the presence of an alkali metal bromide such as sodium bromide. The addition amount of the alkali metal bromide is about 1 to 40 times mol, preferably about 10 to 20 times mol for the N-oxyl compound.
The pH of the aqueous reaction solution is preferably maintained in the range of about 8-11. The temperature of the aqueous solution is arbitrary at about 4 to 40 ° C., but the reaction can be performed at room temperature, and the temperature is not particularly required to be controlled.
セルロースナノファイバーを得るために必要なカルボキシル基量は天然セルロース種により異なり、カルボキシル基量が多いほど、数平均繊維径は小さくなる。たとえば、木材系パルプおよび綿系パルプでは0.2〜2.2mmol/g、バクテリアセルロースやホヤからの抽出セルロースでは0.1〜0.8mmol/gの範囲でカルボキシル基が導入されて微細化は進む。従って、酸化の程度を共酸化剤の添加量と反応時間により制御し、天然セルロース種に応じた酸化条件を最適化することで、目的とするカルボキシル基量を得ることが好ましい。一般に共酸化剤の添加量は、天然セルロース1gに対して約0.5〜8mmolの範囲で選択することが好ましく、反応は約5〜120分、長くとも240分以内に完了する。 The amount of carboxyl groups required to obtain cellulose nanofibers varies depending on the natural cellulose species, and the greater the amount of carboxyl groups, the smaller the number average fiber diameter. For example, in the case of wood-based pulp and cotton-based pulp, carboxyl groups are introduced in the range of 0.2 to 2.2 mmol / g, and in cellulose extracted from bacterial cellulose and squirts, 0.1 to 0.8 mmol / g. move on. Therefore, it is preferable to obtain the target amount of carboxyl groups by controlling the degree of oxidation by the addition amount of the co-oxidant and the reaction time and optimizing the oxidation conditions according to the natural cellulose species. In general, the amount of co-oxidant added is preferably in the range of about 0.5 to 8 mmol with respect to 1 g of natural cellulose, and the reaction is completed within about 5 to 120 minutes and at most 240 minutes.
精製工程においては、未反応の次亜塩素酸や各種副生成物等の反応スラリー中に含まれる反応物ナノファイバーと水以外の化合物を系外へ除去するが、反応物ナノファイバーは通常、この段階ではナノファイバー単位までばらばらに分散しているわけではないため、通常の精製法、すなわち水洗とろ過を繰り返すことで高純度(99質量部以上)の反応物ナノファイバーと水の分散体とする。該精製工程における精製方法は遠心脱水を利用する方法(例えば、連続式デカンダー)のように、上述した目的を達成できる装置であればどんな装置を利用しても構わない。こうして得られる反応物ナノファイバーの水分散体は絞った状態で固形分(セルロース)濃度としておよそ10質量部〜50質量部の範囲にある。この後の工程で、ナノファイバーへ分散させることを考慮すると、50質量部よりも高い固形分濃度とすると、分散に極めて高いエネルギーが必要となることから好ましくない。 In the purification process, the reactant nanofibers and compounds other than water contained in the reaction slurry such as unreacted hypochlorous acid and various by-products are removed from the system. Since the nanofibers are not dispersed evenly at the stage, a normal purification method, that is, washing with water and filtration is repeated to obtain a high-purity (99 parts by mass or more) reactant nanofiber and water dispersion. . As the purification method in the purification step, any apparatus can be used as long as it can achieve the above-described object, such as a method using centrifugal dehydration (for example, a continuous decanter). The aqueous dispersion of reactant nanofibers thus obtained is in the range of approximately 10 to 50 parts by mass as the solid content (cellulose) concentration in the squeezed state. In consideration of the dispersion in the nanofiber in the subsequent step, if the solid content concentration is higher than 50 parts by mass, extremely high energy is required for dispersion, which is not preferable.
さらに、上述した精製工程にて得られる水を含浸した反応物ナノファイバー(水分散体)を溶媒中に分散させ分散処理を施すことにより、セルロースナノファイバーの分散体として提供することができる。
ここで、分散媒としての溶媒は通常は水が好ましいが、水以外にも目的に応じて水に可溶するアルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコール、グリセリン等)、エーテル類(エチレングリコールジメチルエーテル、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン)やN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキサイド等を使用してもよい。また、これらの混合物も好適に使用できる。さらに、上述した反応物ナノファイバーの分散体を溶媒によって希釈、分散する際には、少しずつ溶媒を加えて分散していく、段階的な分散を試みると効率的にナノファイバーレベルの繊維の分散体を得ることができることがある。操作上の問題から、分散工程後の状態は粘性のある分散液あるいはゲル状の状態となるように分散条件を選ぶとよい。
Furthermore, it can provide as a dispersion | distribution of a cellulose nanofiber by disperse | distributing the reaction material nanofiber (water dispersion) impregnated with the water obtained by the refinement | purification process mentioned above in a solvent, and performing a dispersion process.
Here, the solvent as the dispersion medium is usually preferably water, but in addition to water, alcohols that are soluble in water depending on the purpose (methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, methyl) Cellosolve, ethyl cellosolve, ethylene glycol, glycerin, etc.), ethers (ethylene glycol dimethyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, etc.), ketones (acetone, methyl ethyl ketone), N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide Dimethyl sulfoxide or the like may be used. Moreover, these mixtures can also be used conveniently. Furthermore, when diluting and dispersing the dispersion of the above-mentioned reactant nanofibers with a solvent, the dispersion is gradually added by adding a solvent gradually. May be able to gain a body. Due to operational problems, the dispersion conditions may be selected so that the state after the dispersion step is a viscous dispersion or gel.
次に、分散工程で使用する分散機としては、種々なものを使用することができる。具体例を示せば、反応物ナノファイバーにおける反応の進行度(アルデヒド基やカルボキシル基への変換量)にも依存するが、好適に反応が進行する条件下では、スクリュー型ミキサー、パドルミキサー、ディスパー型ミキサー、タービン型ミキサー等の工業生産機としての汎用の分散機で十分にセルロースナノファイバーの分散体を得ることができる。
しかし、高速回転下でのホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、超音波分散処理、ビーター、ディスク型レファイナー、コニカル型レファイナー、ダブルディスク型レファイナー、およびグラインダーのようなより強力で叩解能力のある装置を使用することにより、より効率的かつ高度なダウンサイジングが可能となる。さらに、これらの装置を使用することにより、アルデヒド基やカルボキシル基の量が比較的小さい場合(例えば、アルデヒド基やカルボキシル基のセルロースに対する総和量として、0.1〜0.5mmol/g)にも高度に微細化されたセルロースナノファイバーの分散体を提供できる。
Next, various devices can be used as the disperser used in the dispersion step. For example, although depending on the progress of the reaction in the nanofiber (reaction amount to aldehyde group or carboxyl group), the screw mixer, paddle mixer, disperser can be used under suitable conditions. A dispersion of cellulose nanofibers can be sufficiently obtained by a general-purpose disperser as an industrial production machine such as a mold mixer or a turbine mixer.
However, more powerful and defeating devices such as homomixers, high pressure homogenizers, ultra high pressure homogenizers, ultrasonic dispersion processing, beaters, disc refiners, conical refiners, double disc refiners, and grinders under high speed rotation By using, more efficient and advanced downsizing becomes possible. Furthermore, by using these devices, even when the amount of aldehyde group or carboxyl group is relatively small (for example, 0.1 to 0.5 mmol / g as the total amount of aldehyde group or carboxyl group to cellulose). A highly refined dispersion of cellulose nanofibers can be provided.
このようにして、セルロースナノファイバーを媒体中に分散させた分散体を乾燥させることによって、セルロースナノファイバーを製造することができる。 In this manner, cellulose nanofibers can be produced by drying a dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in a medium.
上記したセルロースナノファイバー、あるいはセルロースナノファイバーの分散体を純分でPVA系重合体に対し特定量、すなわちPVA重合体100質量部に対しセルロースナノファイバー0.1〜10質量部を配合することにより、本発明の目的とする透明性および耐熱水性、耐熱性の優れた組成物を得ることができる。セルロ−スナノファイバーのより好適な配合量は0.5質量部以上であり、最適には1質量部以上であり、上限については好適には8質量部以下、最適には6質量部以下である。 By blending the cellulose nanofibers or cellulose nanofiber dispersion in a specific amount with respect to the PVA polymer in a pure amount, that is, 0.1 to 10 parts by mass of cellulose nanofibers with respect to 100 parts by mass of the PVA polymer. Thus, a composition excellent in transparency, hot water resistance and heat resistance can be obtained. The more preferable amount of cellulose nanofiber is 0.5 parts by mass or more, optimally 1 part by mass or more, and the upper limit is preferably 8 parts by mass or less, and optimally 6 parts by mass or less. .
本発明において使用されるPVA系重合体は、とくに制限されないが、けん化度70〜100モル%、好適には80〜99.8モル%、重合度500〜8000、好適には1000〜4000のPVA系重合体が好適に使用される。ここで、PVA系重合体のけん化度は、けん化によりビニルアルコール単位に変換され得る単位の中で、実際にビニルアルコール単位にけん化されている単位の割合を示し、JIS K6726試験法に準じて測定される。また、重合度(Po)は、JIS K6726試験法に準じて測定される値であり、PVA系重合体を再けん化し、精製した後、30℃の水中で測定した極限粘度[η](単位:デシリットル/g)から次式により求められる。
Po = ([η]×103/8.29)(1/0.62)
The PVA polymer used in the present invention is not particularly limited, but PVA having a saponification degree of 70 to 100 mol%, preferably 80 to 99.8 mol%, a polymerization degree of 500 to 8000, preferably 1000 to 4000. System polymers are preferably used. Here, the degree of saponification of the PVA polymer indicates the proportion of units that are actually saponified to vinyl alcohol units among units that can be converted to vinyl alcohol units by saponification, and is measured according to the JIS K6726 test method. Is done. The degree of polymerization (Po) is a value measured according to the JIS K6726 test method, and the intrinsic viscosity [η] (unit) measured in water at 30 ° C. after re-saponifying and purifying the PVA polymer. : Deciliter / g) by the following formula.
Po = ([η] × 10 3 /8.29) (1 / 0.62)
PVA系重合体は、ビニルエステル系モノマーを重合し、得られるビニルエステル系重合体をけん化することにより製造することができる。ビニルエステル系モノマーとしては、例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バレリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、安息香酸ビニル、ピバリン酸ビニル、バーサティック酸ビニル等を挙げることができ、これらのなかでも酢酸ビニルが好ましい。 The PVA polymer can be produced by polymerizing a vinyl ester monomer and saponifying the resulting vinyl ester polymer. Examples of vinyl ester monomers include vinyl formate, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl valerate, vinyl laurate, vinyl stearate, vinyl benzoate, vinyl pivalate, vinyl versatate, and the like. Of these, vinyl acetate is preferred.
ビニルエステル系モノマーを重合させる際に、必要に応じて、共重合可能な他のモノマーを、発明の効果を損なわない範囲内で共重合させることもできる。このようなビニルエステル系モノマーと共重合可能なモノマーとしては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン等の炭素数2〜30のオレフィン類;アクリル酸およびその塩;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−プロピル、アクリル酸i−プロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸i−ブチル、アクリル酸t−ブチル、アクリル酸2−エチルへキシル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクタデシル等のアクリル酸エステル類;メタクリル酸およびその塩;メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸i−プロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸i−ブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸2−エチルへキシル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸オクタデシル等のメタクリル酸エステル類;アクリルアミド、N−メチルアクリルアミド、N−エチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、アクリルアミドプロピルジメチルアミンおよびその塩、N−メチロールアクリルアミドおよびその誘導体等のアクリルアミド誘導体;メタクリルアミド、N−メチルメタクリルアミド、N−エチルメタクリルアミド、メタクリルアミドプロピルジメチルアミンおよびその塩、N−メチロールメタクリルアミドおよびその誘導体等のメタクリルアミド誘導体;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、i−プロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、i−ブチルビニルエーテル、t−ブチルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、ステアリルビニルエーテル等のビニルエーテル類;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル類;塩化ビニル、塩化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類;酢酸アリル、塩化アリル等のアリル化合物;マレイン酸およびその塩またはそのエステル;イタコン酸およびその塩またはそのエステル;ビニルトリメトキシシラン等のビニルシリル化合物;酢酸イソプロペニル;ジヒドロキシブテン誘導体;ビニルエチルカーボネート;3,4−ジアセトキシ−1−ブテン、3,4−ジエトキシ−1−ブテン等が挙げられる。これらの共重合可能なモノマーの共重合比率は、好適には15モル%以下であり、より好適には10モル%以下である。下限値については好適には0.01モル%以上であり、より好適には0.05モル%以上である。 When the vinyl ester monomer is polymerized, other copolymerizable monomers can be copolymerized within a range that does not impair the effects of the invention, if necessary. Examples of the monomer copolymerizable with the vinyl ester monomer include olefins having 2 to 30 carbon atoms such as ethylene, propylene, 1-butene and isobutene; acrylic acid and salts thereof; methyl acrylate and acrylic acid. Acrylics such as ethyl, n-propyl acrylate, i-propyl acrylate, n-butyl acrylate, i-butyl acrylate, t-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, dodecyl acrylate, octadecyl acrylate, etc. Acid esters; methacrylic acid and salts thereof; methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-propyl methacrylate, i-propyl methacrylate, n-butyl methacrylate, i-butyl methacrylate, t-butyl methacrylate, methacrylic acid 2-ethylhexyl, dodecyl methacrylate Methacrylic acid esters such as octadecyl methacrylate; acrylamide, N-methylacrylamide, N-ethylacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, diacetoneacrylamide, acrylamidopropyldimethylamine and salts thereof, N-methylolacrylamide and derivatives thereof, etc. Acrylamide derivatives; methacrylamide derivatives such as methacrylamide, N-methylmethacrylamide, N-ethylmethacrylamide, methacrylamidepropyldimethylamine and salts thereof, N-methylolmethacrylamide and derivatives thereof; methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl Vinyl ether, i-propyl vinyl ether, n-butyl vinyl ether, i-butyl vinyl ether, t-butyl vinyl Vinyl ethers such as ether, dodecyl vinyl ether and stearyl vinyl ether; Nitriles such as acrylonitrile and methacrylonitrile; Halogenated vinyls such as vinyl chloride, vinylidene chloride, vinyl fluoride and vinylidene fluoride; Allyl such as allyl acetate and allyl chloride Compound; Maleic acid and its salt or ester thereof; Itaconic acid and its salt or ester thereof; Vinylsilyl compound such as vinyltrimethoxysilane; Isopropenyl acetate; Dihydroxybutene derivative; Vinylethyl carbonate; 3,4-diacetoxy-1-butene 3,4-diethoxy-1-butene and the like. The copolymerization ratio of these copolymerizable monomers is preferably 15 mol% or less, and more preferably 10 mol% or less. About a lower limit, it is 0.01 mol% or more suitably, and is 0.05 mol% or more more suitably.
本発明の組成物には、その目的、用途に応じ、各種添加剤、たとえば可塑剤、界面活性剤、架橋剤を配合することができる。ここで、可塑剤としては、多価アルコールが好ましく、例えば、エチレングリコール、グリセリン、ジグリセリン、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、トリメチロールプロパン等を挙げることができ、これらの1種または2種以上を混合して使用することができる。これらの中でも、エチレングリコール、グリセリンおよびジグリセリンが好ましい。可塑剤の含有量は、PVA系重合体に対し1〜30質量部、さらには2〜25質量部がより好ましい。 In the composition of the present invention, various additives such as a plasticizer, a surfactant, and a crosslinking agent can be blended according to the purpose and application. Here, the plasticizer is preferably a polyhydric alcohol, and examples thereof include ethylene glycol, glycerin, diglycerin, propylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, trimethylolpropane, and the like. A seed or a mixture of two or more can be used. Among these, ethylene glycol, glycerin and diglycerin are preferable. The content of the plasticizer is preferably 1 to 30 parts by mass, more preferably 2 to 25 parts by mass with respect to the PVA polymer.
界面活性剤としては、アニオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤が挙げられる。アニオン性界面活性剤としては、例えば、ラウリン酸カリウム等のカルボン酸型;オクチルサルフェート等の硫酸エステル型;ドデシルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のスルホン酸型;ポリオキシエチレンラウリルエーテルリン酸エステルモノエタノールアミン塩、オクチルリン酸エステルカリウム塩、ラウリルリン酸エステルカリウム塩、ステアリルリン酸エステルカリウム塩、オクチルエーテルリン酸エステルカリウム塩、ドデシルリン酸エステルナトリウム塩、テトラデシルリン酸エステルナトリウム塩、ジオクチルリン酸エステルナトリウム塩、トリオクチルリン酸エステルナトリウム塩、ポリオキシエチレンアリールフェニルエーテルリン酸エステルカリウム塩、ポリオキシエチレンアリールフェニルエーテルリン酸エステルアミン塩等が挙げられる。ノニオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル等のアルキルエーテル型;ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル等のアルキルフェニルエーテル型;ポリオキシエチレンラウレート等のアルキルエステル型;ポリオキシエチレンラウリルアミノエーテル等のアルキルアミン型;ポリオキシエチレンラウリン酸アミド等のアルキルアミド型;ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンエーテル等のポリプロピレングリコールエーテル型;オレイン酸ジエタノールアミド等のアルカノールアミド型;ポリオキシアルキレンアリルフェニルエーテル等のアリルフェニルエーテル型が挙げられる。カチオン系界面活性剤としては、例えば、ラウリルアミン塩酸塩等のアミン類;ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド等の第四級アンモニウム塩類;ラウリルビリジニウムクロライド等のピリジウム塩等が挙げられる。さらに、両性界面活性剤としては、例えば、N−アルキル−N,N−ジメチルアンモニウムベタイン等が挙げられる。界面活性剤は1種または2種以上を組み合わせて使用することができる。界面活性剤の含有量は、PVAに対し0.01〜7質量部が好ましく、0.02〜5質量部がより好ましい。 Examples of the surfactant include an anionic surfactant, a nonionic surfactant, a cationic surfactant, and an amphoteric surfactant. Examples of the anionic surfactant include carboxylic acid types such as potassium laurate; sulfate ester types such as octyl sulfate; sulfonic acid types such as dodecylbenzenesulfonate and sodium alkylbenzenesulfonate; polyoxyethylene lauryl ether phosphate mono Ethanolamine salt, octyl phosphate potassium salt, lauryl phosphate potassium salt, stearyl phosphate potassium salt, octyl ether phosphate potassium salt, dodecyl phosphate sodium salt, tetradecyl phosphate sodium salt, dioctyl phosphate Ester sodium salt, Trioctyl phosphate sodium salt, Polyoxyethylene aryl phenyl ether phosphate potassium salt, Polyoxyethylene aryl ester Alkenyl ether phosphate amine salts, and the like. Examples of nonionic surfactants include alkyl ether types such as polyoxyethylene oleyl ether and polyoxyethylene lauryl ether; alkylphenyl ether types such as polyoxyethylene octylphenyl ether; alkyl ester types such as polyoxyethylene laurate. An alkylamine type such as polyoxyethylene lauryl amino ether; an alkylamide type such as polyoxyethylene lauric acid amide; a polypropylene glycol ether type such as polyoxyethylene polyoxypropylene ether; an alkanolamide type such as oleic acid diethanolamide; Examples include allyl phenyl ether type such as oxyalkylene allyl phenyl ether. Examples of the cationic surfactant include amines such as laurylamine hydrochloride; quaternary ammonium salts such as lauryltrimethylammonium chloride; and pyridium salts such as laurylbiridinium chloride. Furthermore, examples of the amphoteric surfactant include N-alkyl-N, N-dimethylammonium betaine. Surfactant can be used 1 type or in combination of 2 or more types. 0.01-7 mass parts is preferable with respect to PVA, and, as for content of surfactant, 0.02-5 mass parts is more preferable.
架橋剤としては、PVA系重合体と架橋反応を起こすものであれば特に制限はなく、例えばホウ酸、ホウ酸カルシウム、ホウ酸コバルト、ホウ酸亜鉛、ホウ酸アルミニウムカリウム、ホウ酸アンモニウム、ホウ酸カドミウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸銅、ホウ酸鉛、ホウ酸ニッケル、ホウ酸バリウム、ホウ酸ビスマス、ホウ酸マグネシウム、ホウ酸マンガン、ホウ酸リチウム、ホウ砂、カーナイト、インヨーアイト、コトウ石、スイアン石、ザイベリ石等のホウ素化合物;クエン酸三カリウム等が挙げられる。これらの中でも、ホウ素化合物が好ましく、ホウ酸およびホウ砂がより好ましい。架橋剤の含有量は、PVA系重合体に対し0.01〜5質量部が好ましく、0.1〜3質量部がより好ましい。 The crosslinking agent is not particularly limited as long as it causes a crosslinking reaction with the PVA polymer. For example, boric acid, calcium borate, cobalt borate, zinc borate, aluminum potassium borate, ammonium borate, boric acid. Cadmium, Potassium borate, Copper borate, Lead borate, Nickel borate, Barium borate, Bismuth borate, Magnesium borate, Manganese borate, Lithium borate, Borax, Carnite, Inyoite, Colite Boron compounds such as stone and zyberite; tripotassium citrate and the like. Among these, boron compounds are preferable, and boric acid and borax are more preferable. The content of the crosslinking agent is preferably 0.01 to 5 parts by mass, more preferably 0.1 to 3 parts by mass with respect to the PVA polymer.
本発明の組成物は、フィルム素材として、また繊維素材として特に有用であるので、以下この点についてさらに詳しく述べる。
フィルムとしては、包装用フィルム、光学用偏光フィルム、位相差フィルム、農業用資材フィルム(野菜保温用、生育用などのフィルム)、水溶性フィルム(水転写用フィルム、農薬、洗剤などの包装用フィルム)、酸素バリアー性フィルムが挙げられ、これらのうち特に光学用偏光フィルムとして有用である。
フィルムの厚みは、目的、用途により異なるが、5〜1000μm、好適には10〜800μm、さらに好適には10〜500μmである。
Since the composition of the present invention is particularly useful as a film material and a fiber material, this point will be described in more detail below.
Films include packaging film, optical polarizing film, retardation film, agricultural material film (for vegetable warming, growth, etc.), water-soluble film (water transfer film, agricultural chemical, detergent packaging film, etc. ), An oxygen barrier film, and among these, it is particularly useful as an optical polarizing film.
Although the thickness of a film changes with purposes and uses, it is 5 to 1000 μm, preferably 10 to 800 μm, and more preferably 10 to 500 μm.
フィルムは、組成物を含む溶液を使用して、流延製膜法、溶液コーティング法、湿式製膜法(貧溶媒中へ吐出する方法)、ゲル製膜法(PVA系重合体水溶液を一旦冷却ゲル化した後、溶媒を抽出除去する方法)、およびこれらの組合せによる方法、可塑剤を含む組成物を溶融して行う溶融押出製膜法等により得られる。これらの中でも、流延製膜法、溶液コーティング法および溶融押出製膜法により得られるフィルムが好適である。 For the film, using a solution containing the composition, a casting film forming method, a solution coating method, a wet film forming method (a method of discharging into a poor solvent), a gel film forming method (a PVA polymer aqueous solution is once cooled) After gelation, the solvent is extracted and removed), a combination thereof, a melt extrusion film forming method in which a composition containing a plasticizer is melted, and the like. Among these, a film obtained by a casting film forming method, a solution coating method, and a melt extrusion film forming method is preferable.
このようにして得られたフィルムは、必要に応じ、乾燥工程の前後で一軸または二軸の延伸を行うこともできる。延伸条件としては、温度20〜120℃、延伸倍率1.05〜5倍が好ましく、1.1〜3倍がより好ましい。さらに必要であれば、延伸後にフィルムを熱固定して残存応力を低下させることもできる。 The film thus obtained can be uniaxially or biaxially stretched before and after the drying step, if necessary. As extending | stretching conditions, the temperature of 20-120 degreeC and the draw ratio of 1.05-5 times are preferable, and 1.1-3 times are more preferable. Furthermore, if necessary, the residual stress can be reduced by heat fixing the film after stretching.
フィルム層の水分率は1〜10質量%であることが好ましく、1〜8質量%がより好ましい。 It is preferable that the moisture content of a film layer is 1-10 mass%, and 1-8 mass% is more preferable.
このようにして得られたフィルムは、光線透過度は70%以上であり、好適には80%以上、より好適には90%以上であり、従来のPVAフィルムの優れた透明性を何ら損なっていないし、また、後述する実施例からも明らかなように、熱水中での軟化点が高くなって耐熱水性が向上しているにもかかわらず、水膨潤性は低下していない。 The film thus obtained has a light transmittance of 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more, which impairs the excellent transparency of the conventional PVA film. In addition, as is clear from examples described later, the water swellability is not lowered, although the softening point in hot water is increased and the hot water resistance is improved.
次に本発明でいう繊維について述べる。繊維としては、本発明の組成物を使用したPVA系繊維、アセタール化PVA系繊維(ホルマール化PVA繊維、ブチラール化PVA系繊維など)などが挙げられる。本発明により得られる繊維の繊度は特に限定されず、例えば0.1〜10000dtex、好ましくは1〜1000dtexの繊度の繊維が広く使用できる。繊維の繊度はノズル径や延伸倍率により適宜調整すればよい。 Next, the fiber referred to in the present invention will be described. Examples of the fibers include PVA fibers using the composition of the present invention, acetalized PVA fibers (such as formalized PVA fibers and butyral PVA fibers). The fineness of the fiber obtained by this invention is not specifically limited, For example, the fiber of the fineness of 0.1-10000 dtex, Preferably 1-1000 dtex can be used widely. What is necessary is just to adjust the fineness of a fiber suitably with a nozzle diameter or a draw ratio.
次に本発明のPVA系繊維の製造方法について説明する。本発明においては、PVA系重合体とセルロースナノファイバーを水あるいは有機溶剤に溶解した紡糸原液を用いて後述する方法で繊維を製造することにより、繊維内部にセルロースナノファイバーが分散した、力学物性及び高温物性に優れた繊維を効率良く安価に製造することができる。紡糸原液を構成する溶媒としては、例えば水、ジメチルスルホキシド(以下、DMSOと略記)、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドンなどの極性溶媒やグリセリン、エチレングリコールなどの多価アルコール類、およびこれらとロダン塩、塩化リチウム、塩化カルシウム、塩化亜鉛などの膨潤性金属塩の混合物、さらにはこれら溶媒同士、あるいはこれら溶媒と水との混合物などが挙げられるが、これらの中でも、とりわけ水やDMSOがコスト、回収性等の工程通過性の点で最も好適である。 Next, the manufacturing method of the PVA type fiber of this invention is demonstrated. In the present invention, by producing a fiber by a method described later using a spinning stock solution in which a PVA polymer and cellulose nanofiber are dissolved in water or an organic solvent, the cellulose nanofiber is dispersed inside the fiber, A fiber excellent in high temperature physical properties can be produced efficiently and inexpensively. Examples of the solvent constituting the spinning dope include polar solvents such as water, dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO), dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, polyhydric alcohols such as glycerin and ethylene glycol, and the like. And a mixture of swellable metal salts such as rhodan salts, lithium chloride, calcium chloride, zinc chloride and the like, or a mixture of these solvents, or a mixture of these solvents and water. Among these, water and DMSO are particularly preferable. Most suitable in terms of process passability such as cost and recoverability.
紡糸原液中のポリマー濃度は組成、重合度、溶媒によって異なるが、8〜60質量部の範囲であることが好ましい。紡糸原液の吐出時の液温は、紡糸原液が分解、着色しない範囲であることが好ましく、具体的には50〜200℃とすることが好ましい。また、本発明の効果を損なわない範囲であれば、紡糸原液にはPVA系重合体、セルロースナノファイバー以外にも、目的に応じて、難燃剤、酸化防止剤、凍結防止剤、pH調整剤、隠蔽剤、着色剤、油剤、特殊機能剤などの添加剤などが含まれていてもよい。更にこれらは、一種類または二種類以上のものを併用して使用してもかまわない。 The polymer concentration in the spinning dope varies depending on the composition, degree of polymerization, and solvent, but is preferably in the range of 8 to 60 parts by mass. The liquid temperature at the time of discharging the spinning dope is preferably in a range in which the spinning dope is not decomposed or colored, and specifically 50 to 200 ° C. is preferable. In addition, as long as the effect of the present invention is not impaired, the spinning dope includes a flame retardant, an antioxidant, an antifreezing agent, a pH adjusting agent, in addition to the PVA polymer and cellulose nanofiber, depending on the purpose. Additives such as a hiding agent, a coloring agent, an oil agent, and a special functional agent may be included. Furthermore, these may be used alone or in combination of two or more.
かかる紡糸原液をノズルから吐出して湿式紡糸、乾湿式紡糸あるいは乾式紡糸を行えばよく、PVA系重合体に対して固化能を有する固化液あるいは、気体中に吐出すればよい。なお、湿式紡糸とは、紡糸ノズルから直接固化浴に紡糸原液を吐出する方法のことであり、乾湿式紡糸とは、紡糸ノズルから一旦任意の距離の空気中あるいは不活性ガス中に紡糸原液を吐出し、その後に固化浴に導入する方法のことである。また、乾式紡糸とは、空気中あるいは不活性ガス中に紡糸原液を吐出する方法のことである。 Such spinning raw solution may be discharged from a nozzle to perform wet spinning, dry wet spinning, or dry spinning, and may be discharged into a solidified liquid or a gas having a solidifying ability for a PVA polymer. Wet spinning is a method in which a spinning stock solution is discharged directly from a spinning nozzle into a solidification bath, and dry and wet spinning is a method in which a spinning stock solution is temporarily placed in air or inert gas at an arbitrary distance from the spinning nozzle. It is a method of discharging and then introducing into the solidification bath. Dry spinning is a method of discharging a spinning solution into air or an inert gas.
本発明において、湿式紡糸または乾湿式紡糸の際に用いる固化浴は、原液溶媒が有機溶媒の場合と水の場合では異なる。有機溶媒を用いた原液の場合には、得られる繊維強度等の点から固化浴溶媒と原液溶媒からなる混合液であることが好ましく、固化溶媒としては特に制限はないが、例えばメタノール、エタノール、プロパノ−ル、ブタノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン類等のPVA系重合体に対して固化能を有する有機溶媒を用いることができる。これらの中でも低腐食性及び溶剤回収の点でメタノールとDMSOとの組合せが好ましい。一方、紡糸原液が水溶液の場合、固化浴を構成する固化溶媒としては、芒硝、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム等のPVA系重合体に対して固化能を有する無機塩類や苛性ソーダの水溶液を用いることができる。また、PVA系重合体と共に、ホウ酸などを加えた水溶液をアルカリ性固化浴中にゲル化紡糸することもできる。 In the present invention, the solidification bath used in wet spinning or dry wet spinning differs depending on whether the stock solution is an organic solvent or water. In the case of a stock solution using an organic solvent, it is preferably a mixed solution composed of a solidification bath solvent and a stock solution solvent from the viewpoint of fiber strength and the like obtained, and the solidification solvent is not particularly limited, but for example, methanol, ethanol, An organic solvent having a solidifying ability for PVA polymers such as alcohols such as propanol and butanol, and ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone can be used. Among these, a combination of methanol and DMSO is preferable in terms of low corrosivity and solvent recovery. On the other hand, when the spinning dope is an aqueous solution, an aqueous solution of inorganic salts or caustic soda having a solidifying ability with respect to a PVA polymer such as mirabilite, ammonium sulfate and sodium carbonate can be used as the solidifying solvent constituting the solidifying bath. Further, an aqueous solution to which boric acid or the like is added together with the PVA polymer can be gel-spun in an alkaline solidification bath.
次に固化された原糸から紡糸原液の溶媒を抽出除去するために、抽出浴を通過させるが、抽出時に同時に原糸を湿延伸することが、乾燥時の繊維間膠着抑制及び得られる繊維の機械的特性を向上させるうえで好ましい。その際の湿延伸倍率としては2〜10倍であることが工程性、生産性の点で好ましい。抽出溶媒としては固化溶媒単独あるいは原液溶媒と固化溶媒の混合液を用いることができる。 Next, in order to extract and remove the solvent of the spinning dope from the solidified yarn, it is passed through an extraction bath. It is preferable for improving the mechanical properties. In that case, the wet draw ratio is preferably 2 to 10 times in terms of processability and productivity. As the extraction solvent, a solidified solvent alone or a mixed solution of a stock solvent and a solidified solvent can be used.
湿延伸後、乾燥し、更に場合によっては乾熱延伸、熱処理を施す。このための延伸条件は、一般的には100℃以上の温度、好ましくは150℃〜260℃の温度で行うのがよく、3倍以上の全延伸倍率、好ましくは5〜25倍の全延伸倍率で延伸すると、繊維の結晶化度と配向度があがり、繊維の機械特性が著しく向上するので好ましい。温度が100℃未満の場合、繊維の白化が生じ、そのため機械的物性の低下をもたらす。また260℃を越えると繊維の部分的な融解が生じ、この場合においても機械的物性の低下をもたらすので好ましくない。なお、ここでいう延伸倍率とは、先述した乾燥前の固化浴中での湿延伸と乾燥後の延伸倍率の積である。例えば、湿延伸を3倍とし、その後の乾熱延伸を2倍とした場合の全延伸倍率は6倍となる。 After wet stretching, the film is dried, and in some cases, dry heat stretching and heat treatment are performed. The stretching conditions for this are generally 100 ° C or higher, preferably 150 ° C to 260 ° C, and the total stretching ratio is 3 times or more, preferably 5 to 25 times. Is preferred because it increases the crystallinity and orientation of the fiber and remarkably improves the mechanical properties of the fiber. When the temperature is less than 100 ° C., whitening of the fiber occurs, resulting in a decrease in mechanical properties. On the other hand, if the temperature exceeds 260 ° C., partial melting of the fiber occurs, and in this case, mechanical properties are deteriorated, which is not preferable. The stretch ratio here is the product of the above-described wet stretching in the solidification bath before drying and the stretch ratio after drying. For example, when the wet stretching is 3 times and the subsequent dry heat stretching is 2 times, the total stretching ratio is 6 times.
本発明のPVA系繊維では、用途や目的に応じ、耐熱水性を向上させることを目的として、PVA系繊維で一般的に行われているアセタール化処理やその他の架橋処理を施すことも出来る。すなわち、PVA系繊維をPVA系重合体の水酸基と反応するホルムアルデヒド等の架橋剤を含む水溶液中で処理して、水酸基を封鎖することで繊維を疎水化することができる。 The PVA fiber of the present invention can be subjected to acetalization treatment or other crosslinking treatment generally performed for PVA fibers for the purpose of improving hot water resistance, depending on the application or purpose. That is, the fiber can be hydrophobized by treating the PVA fiber in an aqueous solution containing a crosslinking agent such as formaldehyde that reacts with the hydroxyl group of the PVA polymer and blocking the hydroxyl group.
本発明のPVA系重合体組成物からなる繊維は、高温での弾性率保持率が優れている点が特徴である。具体的には、本発明のPVA系繊維は、室温に対する100℃における弾性率保持率が30%以上であり、好適には35%以上、更に好適には40%以上であることを特徴とする。弾性率保持率が30%未満の場合、既存のPVA系繊維と変らず、用途に制限が掛かってしまうので、好ましくない。 The fiber made of the PVA polymer composition of the present invention is characterized by excellent elasticity retention at high temperatures. Specifically, the PVA fiber of the present invention has an elastic modulus retention at 100 ° C. with respect to room temperature of 30% or more, preferably 35% or more, and more preferably 40% or more. . When the elastic modulus retention rate is less than 30%, it is not preferable because it is not different from existing PVA fibers and uses are restricted.
本発明の繊維は、例えばステープルファイバー、ショートカットファイバー、フィラメントヤーン、紡績糸、紐状物、ロープ、布帛などのあらゆる繊維形態において優れた耐熱性を示すので、特にホース類やセメント補強材などの用途に用いることができる。その際の繊維の断面形状に関しても特に制限はなく、円形、中空、あるいは星型等異型断面であってもかまわない。なかでも、本発明によるPVA系繊維は、耐熱性、柔軟性にすぐれているので、耐熱性布帛として有利に用いることができ、例えば、本発明によるPVA系繊維を50質量%以上、好ましくは、80質量%以上、特に、90質量%以上含む布帛とすることによって、高度な耐熱性を示すPVA系繊維製品を得ることができる。この時、併用しうる繊維として特に限定はないが、セルロースナノファイバーを含有しないPVA系繊維や、ポリエステル系繊維、ポリアミド系繊維、セルロース系繊維等を挙げることができる。 The fibers of the present invention exhibit excellent heat resistance in all fiber forms such as staple fibers, shortcut fibers, filament yarns, spun yarns, strings, ropes, fabrics and the like. Can be used. The cross-sectional shape of the fiber at that time is also not particularly limited, and may be circular, hollow, or an atypical cross section such as a star shape. Especially, since the PVA fiber according to the present invention is excellent in heat resistance and flexibility, it can be advantageously used as a heat resistant fabric. For example, the PVA fiber according to the present invention is 50% by mass or more, preferably By using a fabric containing 80% by mass or more, particularly 90% by mass or more, a PVA fiber product exhibiting high heat resistance can be obtained. At this time, although there is no limitation in particular as a fiber which can be used together, PVA type fiber which does not contain a cellulose nanofiber, polyester type fiber, polyamide type fiber, a cellulose type fiber, etc. can be mentioned.
本発明の繊維は、力学物性、柔軟性に加えて、高温での弾性率保持率などの耐熱性に優れることから、フィラメントや紡績糸、更には紙、不織布、織物、編物などの布帛とすることが可能であり、産業資材用、衣料用、医療用等あらゆる用途に好適に使用でき、例えば、各種フィルター、断熱材、高保温性衣料品、ハウスラッピングペーパー、などに広く使用することが出来る。特に力学物性、耐熱性に優れることから、セメント、ゴム、樹脂等の補強用繊維として好適に用いることができる。 The fibers of the present invention are excellent in heat resistance such as elastic modulus retention at high temperatures in addition to mechanical properties and flexibility, and therefore are made into filaments, spun yarns, and further fabrics such as paper, nonwoven fabric, woven fabric, and knitted fabric. It can be suitably used for various applications such as industrial materials, clothing, and medical use. For example, it can be widely used for various filters, heat insulating materials, highly heat-resistant clothing, house wrapping paper, etc. . In particular, since it is excellent in mechanical properties and heat resistance, it can be suitably used as reinforcing fibers such as cement, rubber, and resin.
以下、実施例等により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。なお以下の実施例において、フィルムの光透過率並びに、軟化点温度(耐熱水性)、繊維の弾性率は下記の方法により測定したものを示す。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example etc. demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited at all by these Examples. In the following examples, the light transmittance of the film, the softening point temperature (hot water resistance), and the elastic modulus of the fiber are those measured by the following methods.
[フィルムの光透過率測定]
フィルムの光透過率測定は、日立分光光度計U−4100を用いて、380〜780nmにおける透過率を測定した。
[Measurement of light transmittance of film]
The light transmittance of the film was measured at 380 to 780 nm using a Hitachi spectrophotometer U-4100.
[フィルムの軟化点温度(耐熱水性)]
フィルムの熱水中での軟化点温度は、エレックス化学製自動軟化点温度測定装置を用いて、2.5cm角のフィルムを直径1cmの円状の穴を有する金属枠に固定し、穴の中央に直径0.95cm、重さ3.526gの球を置き、純水中30℃から5℃/minの昇温過程で球が2.5cm降下したときの温度をセンサーで感知することで測定した。
[Softening point temperature of film (hot water resistance)]
The softening point temperature of the film in hot water was fixed to a metal frame having a circular hole with a diameter of 1 cm using an automatic softening point temperature measuring device manufactured by Elex Chemical, and the center of the hole. A sphere with a diameter of 0.95 cm and a weight of 3.526 g was placed on the surface, and the temperature when the sphere dropped 2.5 cm during the temperature rising process from 30 ° C. to 5 ° C./min was measured with a sensor. .
[フィルムの水膨潤度]
フィルムの水膨潤度は、10cm×15cmのフィルムを30℃の純水1L中に30分間浸漬したのちに取り出し、表面の水分を濾紙で拭き取ったあと、精密天秤で測定したフィルム質量W1と、その後105℃の熱風乾燥機で16時間乾燥したフィルム質量W2から次式を用いて算出した。
膨潤度(%)=(W1/W2)×100
[Water swelling degree of film]
The degree of water swelling of the film was determined by immersing a 10 cm × 15 cm film in 1 L of 30 ° C. pure water for 30 minutes, removing the surface moisture with a filter paper, and then measuring the film mass W1 measured with a precision balance, It calculated using the following formula from film mass W2 dried for 16 hours with a 105 degreeC hot air dryer.
Swelling degree (%) = (W1 / W2) × 100
[繊維の弾性率]
JIS−1013試験法に準じ、予め調湿されたヤーンを試長20cm、初期荷重0.25g/d及び引張速度50%/分の条件で測定し、n=20の平均値を採用した。また、耐熱性を示す高温での弾性率保持率は、引張試験機に空気恒温槽を取り付け、100℃での弾性率(高温弾性率)を測定し、室温弾性率に対する高温弾性率の割合(%)で示した。
[Elastic modulus of fiber]
In accordance with the JIS-1013 test method, a pre-humidified yarn was measured under the conditions of a test length of 20 cm, an initial load of 0.25 g / d and a tensile speed of 50% / min, and an average value of n = 20 was adopted. In addition, the elastic modulus retention at high temperature, which indicates heat resistance, is measured by measuring the elastic modulus (high temperature elastic modulus) at 100 ° C. by attaching an air thermostat to the tensile tester, and the ratio of the high temperature elastic modulus to the room temperature elastic modulus ( %).
[実施例1]
(1)平均重合度2400、ケン化度99.9mol%以上のPVA系重合体100質量部に対して可塑剤としてグリセリン12質量部になるようにPVA水溶液を調整した(A)。
(2)次に、乾燥質量で2g相当分の未乾燥の亜硫酸漂白針葉樹パルプ(主に1000nmを超える繊維径の繊維から成る)、0.025gのTEMPO(2,6,6,−テトラメチルピペリジン 1−オキシル)および0.25gの臭化ナトリウムを水150mlに分散させた後、13質量部の次亜塩素酸ナトリウム水溶液を、1gのパルプに対して次亜塩素酸ナトリウムの量が2.5mmolとなるように次亜塩素酸ナトリウムを加えて反応を開始した。反応中は0.5M の水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHを10.5に保った。pHに変化が見られなくなった時点で反応終了と見なし、反応物をガラスフィルターにてろ過した後、十分な量の水による水洗、ろ過を5回繰り返し、固形分量25質量部の水を含浸させた反応物繊維を得た。
(3)次に、該反応物繊維に水を加え、2質量部 スラリーとし、回転刃式ミキサーで約5分間の処理を行った。処理に伴って著しくスラリーの粘度が上昇したため、少しずつ水を加えていき固形分濃度が0.15質量部 となるまでミキサーによる分散処理を続けた。こうして得られたセルロース濃度が0.15質量部の微細セルロース繊維の分散体に対して、遠心分離により浮遊物の除去を行った後、乾燥して、セルロースナノファイバー凝集体を得た。得られたセルロースの広角X線回折像から、セルロースI 型結晶構造を有するセルロースナノファイバーから成ることが示され、また同じセルロースナノファイバー凝集体の赤外スペクトルのパターンからカルボニル基の存在が確認された。なお、セルロースナノファイバーの平均繊維径は4nm、カルボキシ量とアルデヒド量の総和は、セルロースナノファイバーの質量に対して0.6mmol/gであった。
(4)上記のセルロースナノファイバー凝集体を、水に3質量部になるように添加し、攪拌してセルロースナノファイバー分散溶液を得た(B)。(A)中のPVA100質量部に対して、セルロースナノファイバーが1.0質量部になるように(B)を加え、混合攪拌することで、フィルム原液とした。
(5)これを60℃の金属ロール上で乾燥して厚みが75μmのPVA系フィルムを得た。さらに得られたフィルムを枠固定し、120℃で10分間熱処理をした。得られたフィルムの光透過率、軟化点温度、膨潤度を表1に示した。
(6)得られたフィルムの外観は良好で、厚み斑やブツ等もなく、光透過率は90.8%、軟化点温度は70.3℃、膨潤度は220%であり、透明性、耐熱水性に優れるものであった。
[Example 1]
(1) PVA aqueous solution was adjusted so that it might become 12 mass parts of glycerol as a plasticizer with respect to 100 mass parts of PVA polymers with an average degree of polymerization of 2400 and a saponification degree of 99.9 mol% (A).
(2) Next, undried sulfite bleached softwood pulp equivalent to 2 g in dry mass (mainly composed of fibers having a fiber diameter exceeding 1000 nm), 0.025 g of TEMPO (2,6,6, -tetramethylpiperidine) 1-oxyl) and 0.25 g of sodium bromide were dispersed in 150 ml of water, and then 13 parts by mass of an aqueous sodium hypochlorite solution containing 2.5 mmol of sodium hypochlorite per 1 g of pulp. The reaction was started by adding sodium hypochlorite so that. During the reaction, a 0.5 M aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise to keep the pH at 10.5. When the pH no longer changes, the reaction is considered to be complete, the reaction product is filtered through a glass filter, washed with a sufficient amount of water and filtered five times to impregnate 25 parts by mass of water with a solid content. Reactant fibers were obtained.
(3) Next, water was added to the reactant fiber to form a 2 part by mass slurry, which was then treated with a rotary blade mixer for about 5 minutes. Since the viscosity of the slurry significantly increased with the treatment, water was gradually added and the dispersion treatment with the mixer was continued until the solid content concentration became 0.15 parts by mass. The dispersion of fine cellulose fibers having a cellulose concentration of 0.15 parts by mass thus obtained was subjected to removal of suspended matters by centrifugation and then dried to obtain cellulose nanofiber aggregates. The wide-angle X-ray diffraction image of the obtained cellulose shows that it consists of cellulose nanofibers with cellulose I-type crystal structure, and the presence of carbonyl groups was confirmed from the infrared spectrum pattern of the same cellulose nanofiber aggregates. It was. In addition, the average fiber diameter of the cellulose nanofiber was 4 nm, and the total of the amount of carboxy and the amount of aldehyde was 0.6 mmol / g with respect to the mass of the cellulose nanofiber.
(4) The cellulose nanofiber aggregate was added to water so as to be 3 parts by mass and stirred to obtain a cellulose nanofiber dispersion solution (B). (B) was added to 100 parts by mass of PVA in (A) such that the cellulose nanofibers were 1.0 part by mass, and the mixture was stirred to obtain a film stock solution.
(5) This was dried on a metal roll at 60 ° C. to obtain a PVA film having a thickness of 75 μm. Further, the obtained film was fixed to a frame and heat-treated at 120 ° C. for 10 minutes. Table 1 shows the light transmittance, softening point temperature, and degree of swelling of the obtained film.
(6) Appearance of the resulting film is good, there are no thickness spots or irregularities, light transmittance is 90.8%, softening point temperature is 70.3 ° C., swelling degree is 220%, transparency, It was excellent in hot water resistance.
[実施例2]
(1)セルロースナノファイバーの複合量を0.2質量部にした以外は、実施例1と同様の方法でフィルムを得た。得られたフィルムの光透過率、軟化点温度、膨潤度を表1に示した。
(2)得られたフィルムの外観は良好で、厚み斑やブツ等もなく、光透過率は90.8%、軟化点温度は69.0℃、膨潤度は220%であり、透明性、耐熱水性に優れるものであった。
[Example 2]
(1) A film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composite amount of cellulose nanofibers was 0.2 parts by mass. Table 1 shows the light transmittance, softening point temperature, and degree of swelling of the obtained film.
(2) Appearance of the obtained film was good, there were no thickness spots or irregularities, light transmittance was 90.8%, softening point temperature was 69.0 ° C., swelling degree was 220%, transparency, It was excellent in hot water resistance.
[実施例3]
(1)セルロースナノファイバーの複合量を3.0質量部にした以外は、実施例1と同様の方法でフィルムを得た。得られたフィルムの光透過率、軟化点温度、膨潤度を表1に示した。
(2)得られたフィルムの外観は良好で、厚み斑やブツ等もなく、光透過率は90.7%、軟化点温度は74.1℃、膨潤度は220%であり、透明性、耐熱水性に優れるものであった。
[Example 3]
(1) A film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composite amount of cellulose nanofibers was changed to 3.0 parts by mass. Table 1 shows the light transmittance, softening point temperature, and degree of swelling of the obtained film.
(2) Appearance of the obtained film is good, there is no thickness unevenness or irregularity, light transmittance is 90.7%, softening point temperature is 74.1 ° C., swelling degree is 220%, transparency, It was excellent in hot water resistance.
[実施例4]
(1)セルロースナノファイバーの複合量を8.0質量部にし、実施例1と同様の方法でフィルム原液を得た。
(2)これをPETフィルム上で25℃にて乾燥して厚みが75μmのPVA系フィルムを得た。さらに得られたフィルムを枠固定し、135℃で10分間熱処理をした。得られたフィルムの光透過率、軟化点温度、膨潤度を表1に示した。
(3)得られたフィルムの外観は良好で、厚み斑やブツ等もなく、光透過率は90.6%、軟化点温度は83.0℃、膨潤度は220%であり、透明性、耐熱水性に優れるものであった。
[Example 4]
(1) The composite amount of cellulose nanofibers was 8.0 parts by mass, and a film stock solution was obtained in the same manner as in Example 1.
(2) This was dried on a PET film at 25 ° C. to obtain a PVA film having a thickness of 75 μm. Further, the obtained film was fixed to a frame and heat-treated at 135 ° C. for 10 minutes. Table 1 shows the light transmittance, softening point temperature, and degree of swelling of the obtained film.
(3) Appearance of the obtained film is good, there is no thickness unevenness or unevenness, light transmittance is 90.6%, softening point temperature is 83.0 ° C., swelling degree is 220%, transparency, It was excellent in hot water resistance.
[実施例5]
(1)粘度平均重合度1700、けん化度99.9モル%のPVAを濃度20質量部となるように水に添加し、90℃にて窒素雰囲気下で溶解した(A)、一方、平均繊維径が4nm、セルロースナノファイバー中のカルボキシ量とアルデヒド量の総和が、セルロースナノファイバーの質量に対して0.6mmol/gであるセルロースナノファイバーを水に3質量部になるように添加し、攪拌してセルロースナノファイバー分散溶液を得た(B)。(A)中のPVA100質量部に対して、セルロースナノファイバーが1.0質量部になるように(B)を加え、混合攪拌することで、紡糸原液とした。
(2)得られた紡糸原液を、孔径0.08mm、ホール数108のノズルを通して、5℃のメタノール溶液中に乾湿式紡糸した。
(3)得られた固化糸を、メタノール中で4倍の湿延伸し、更に120℃の熱風で乾燥して巻き取ることで、紡糸原糸を得た。
(4)得られた紡糸原糸を、第一炉180℃、第2炉235℃の熱風延伸炉中で総延伸倍率(湿延伸倍率×熱風炉延伸倍率)が15倍になるように延伸して繊維を得た。力学物性の評価結果を表2に示す。
(5)得られた繊維の外観は良好で糸斑等はなく、単糸繊度は6.8dtex、繊維の室温及び100℃における弾性率はそれぞれ、334cN/dtex、150cN/dtex、保持率は45%であり、耐熱性に優れるものであった。
[Example 5]
(1) PVA having a viscosity average polymerization degree of 1700 and a saponification degree of 99.9 mol% was added to water so as to have a concentration of 20 parts by mass and dissolved in a nitrogen atmosphere at 90 ° C. (A), while the average fiber Add cellulose nanofibers with a diameter of 4 nm and the total amount of carboxy and aldehyde in the cellulose nanofibers to 0.6 mmol / g with respect to the mass of the cellulose nanofibers to 3 parts by mass in water, and stir Thus, a cellulose nanofiber dispersion solution was obtained (B). (B) was added to 100 parts by mass of PVA in (A) so that the cellulose nanofibers would be 1.0 part by mass, and mixed and stirred to obtain a spinning dope.
(2) The obtained spinning solution was subjected to dry and wet spinning in a methanol solution at 5 ° C. through a nozzle having a hole diameter of 0.08 mm and the number of holes of 108.
(3) The obtained solidified yarn was wet-stretched 4 times in methanol, further dried with hot air at 120 ° C. and wound up to obtain a spinning yarn.
(4) The obtained spinning yarn was stretched so that the total draw ratio (wet draw ratio × hot air furnace draw ratio) was 15 times in a hot air drawing furnace at 180 ° C. in the first furnace and 235 ° C. in the second furnace. To obtain a fiber. Table 2 shows the evaluation results of mechanical properties.
(5) Appearance of the obtained fiber was good, there was no yarn unevenness, the single yarn fineness was 6.8 dtex, the elastic modulus at room temperature and 100 ° C. of the fiber was 334 cN / dtex, 150 cN / dtex, and the retention rate was 45%. It was excellent in heat resistance.
[実施例6]
(1)混合するセルロースナノファイバーの量を0.2質量部にした以外は、実施例5の記載の方法で、紡糸、延伸して繊維を得た。力学物性の評価結果を表2に示す。
(2)得られた繊維の外観は良好で糸斑等はなく、単糸繊度は6.5dtex、繊維の室温及び100℃における弾性率はそれぞれ、340cN/dtex、110cN/dtex、保持率は32%であり、耐熱性に優れるものであった。
[Example 6]
(1) A fiber was obtained by spinning and stretching according to the method described in Example 5, except that the amount of cellulose nanofibers to be mixed was 0.2 parts by mass. Table 2 shows the evaluation results of mechanical properties.
(2) Appearance of the obtained fiber was good, there was no yarn unevenness, the single yarn fineness was 6.5 dtex, the elastic modulus of the fiber at room temperature and 100 ° C. was 340 cN / dtex, 110 cN / dtex, and the retention rate was 32%, respectively. It was excellent in heat resistance.
[実施例7]
(1)混合するセルロースナノファイバーの量を8.0質量部にした以外は、実施例5の記載の方法で、紡糸、延伸して繊維を得た。力学物性の評価結果を表2に示す。
(2)得られた繊維の外観は良好で糸斑等はなく、単糸繊度は7.0dtex、繊維の室温及び100℃における弾性率はそれぞれ、260cN/dtex、130cN/dtex、保持率は50%であり、耐熱性に優れるものであった。
[Example 7]
(1) A fiber was obtained by spinning and stretching by the method described in Example 5 except that the amount of cellulose nanofibers to be mixed was 8.0 parts by mass. Table 2 shows the evaluation results of mechanical properties.
(2) Appearance of the obtained fiber was good, there was no yarn unevenness, the single yarn fineness was 7.0 dtex, the elastic modulus at room temperature and 100 ° C. of the fiber was 260 cN / dtex and 130 cN / dtex, respectively, and the retention rate was 50%. It was excellent in heat resistance.
[比較例1]
(1)ナノフアイバーを含有しない以外は、実施例1の記載の方法で、フィルムを作成した。光透過率、熱水切断温度の評価結果を表1に示す。
(2)得られたフィルムの外観は良好であり、光透過率は90.8%で優れているものの、軟化点温度は68.5℃、膨潤度は220%と、耐熱水性が低いものであった。
[Comparative Example 1]
(1) A film was prepared by the method described in Example 1 except that no nanofiber was contained. Table 1 shows the evaluation results of light transmittance and hot water cutting temperature.
(2) Although the appearance of the obtained film is good and the light transmittance is excellent at 90.8%, the softening point temperature is 68.5 ° C., the swelling degree is 220%, and the hot water resistance is low. there were.
[比較例2]
(1)ナノフアイバーを含有しない以外は、実施例5の記載の方法で、紡糸、延伸して繊維を得た。力学物性の評価結果を表1に示す。
(2)得られた繊維の外観は良好で糸斑等はなく、室温の弾性率こそ322cN/dtexと高い値を示したが、100℃の弾性率は84cN/dtexと低いものであった。
[Comparative Example 2]
(1) A fiber was obtained by spinning and drawing according to the method described in Example 5 except that no nanofiber was contained. The evaluation results of mechanical properties are shown in Table 1.
(2) Appearance of the obtained fiber was good, there was no yarn unevenness, and the elastic modulus at room temperature was as high as 322 cN / dtex, but the elastic modulus at 100 ° C. was as low as 84 cN / dtex.
[比較例3]
(1)実施例1において原料として用いた亜硫酸漂白針葉樹パルプ(主に1000nmを超える繊維径の繊維から成る)に水を加え、ミキサー処理により3質量部の分散液を調整した以外は、実施例5の記載の方法で、紡糸、延伸して繊維を得た。力学物性の評価結果を2に示す。ここで用いたセルロースナノファイバーは、いわゆる、酸化処理を行っておらず、セルロースナノファイバーのカルボキシ量とアルデヒド量の総和は、セルロースナノファイバーの質量に対して0.01mmol/g程度である。
(2)得られた繊維の外観は良好で糸斑等はなく、室温の弾性率こそ320cN/dtexと高い値を示したが、100℃の弾性率は85cN/dtexと低いものであった。
[Comparative Example 3]
(1) Except that water was added to the sulfite bleached softwood pulp (mainly composed of fibers having a fiber diameter exceeding 1000 nm) used as a raw material in Example 1, and 3 parts by mass of the dispersion was prepared by mixer treatment. The fiber was obtained by spinning and drawing by the method described in 5. The evaluation results of mechanical properties are shown in 2. The cellulose nanofiber used here is not subjected to so-called oxidation treatment, and the total amount of carboxy and aldehyde in the cellulose nanofiber is about 0.01 mmol / g with respect to the mass of the cellulose nanofiber.
(2) Appearance of the obtained fiber was good, there was no yarn unevenness, and the elastic modulus at room temperature was as high as 320 cN / dtex, but the elastic modulus at 100 ° C. was as low as 85 cN / dtex.
[比較例4]
(1)混合するセルロースナノファイバーの量を15.0質量部にした以外は、実施例5の記載の方法で、紡糸、延伸して繊維を得た。力学物性の評価結果を表2に示す。
(2)得られた繊維は毛羽が多いばかりでなく繊度斑が激しいものであった。また室温及び100℃における弾性率は、200cN/dtex、58cN.dtexであり、耐熱性に優れるものではなかった。
[Comparative Example 4]
(1) A fiber was obtained by spinning and stretching according to the method described in Example 5, except that the amount of cellulose nanofibers to be mixed was 15.0 parts by mass. Table 2 shows the evaluation results of mechanical properties.
(2) The obtained fiber had not only a lot of fluff but also a severe fineness spot. The elastic modulus at room temperature and 100 ° C. is 200 cN / dtex, 58 cN. It was dtex and was not excellent in heat resistance.
[比較例5]
(1)セルロースナノファイバーの代わりに、一般に高分子材料に対して耐熱性及び耐熱水性を付与できるとされている、ナノ層状化合物である合成マイカ(コープケミカル社製:商品名ME100)を1.0質量部添加した以外は実施例5の記載の方法で、紡糸、延伸して、繊維を得た。力学物性の評価結果を表2に示す。
(2)得られた繊維は多少毛羽が発生しており、室温の弾性率こそ290cN/dtexと高い値を示したが、100℃の弾性率は80cN/dtexと低いものであった。
[Comparative Example 5]
(1) Instead of cellulose nanofibers, synthetic mica (manufactured by Co-op Chemical Co., Ltd .: trade name ME100), which is a nano-layered compound, generally considered to be capable of imparting heat resistance and hot water resistance to a polymer material A fiber was obtained by spinning and drawing by the method described in Example 5 except that 0 part by mass was added. Table 2 shows the evaluation results of mechanical properties.
(2) The obtained fiber was somewhat fuzzy and the room temperature elasticity was as high as 290 cN / dtex, but the elasticity at 100 ° C. was as low as 80 cN / dtex.
本発明の組成物は、透明性および、耐熱性または耐熱水に優れており、とくにフィルム、繊維の素材として有用である。さらに、紙加工剤、繊維加工剤、繊維糊剤、塗料、コーティング剤、接着剤などにも適用できる。 The composition of the present invention is excellent in transparency and heat resistance or hot water, and is particularly useful as a material for films and fibers. Furthermore, it can be applied to paper processing agents, fiber processing agents, fiber glues, paints, coating agents, adhesives, and the like.
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