JP2011208293A - Polyvinyl alcohol-based composite fiber and method for producing the same - Google Patents

Polyvinyl alcohol-based composite fiber and method for producing the same Download PDF

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康夫 後藤
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潤 荒木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high strength PVA-based composite fiber capable of being easily produced.SOLUTION: The PVA-based composite fiber is produced by preparing an aqueous solution produced by adding cellulose nanofibers to PVA, as a spinning solution (spinning solution-preparing step), excluding the spinning solution into cooled methanol through a nozzle to obtain a spun fiber gel like raw fiber (gel spinning step), and drawing the spun fiber gel-like raw fiber at a draw ratio of 16 to 38 (drawing step). Even when general-purpose, inexpensive PVA having a polymerization degree of 1,500 is used as a raw material, the high strength PVA-based composite fiber having a tensile strength of not less than 1.7 GPa can be obtained.

Description

本発明は、ポリビニルアルコール(以下、PVAという)系ポリマーをセルロースナノファイバーで補強したPVA系コンポジット繊維に関する。   The present invention relates to a PVA composite fiber in which a polyvinyl alcohol (hereinafter referred to as PVA) polymer is reinforced with cellulose nanofibers.

重合度が1500〜2000の汎用の廉価なPVAを原料とした場合でも、重合度が3000以上の高価なPVAを原料として製造したPVA系繊維に匹敵する強度を得ることができるPVA系コンポジット繊維の製造方法は、例えば、特許文献1に提案されている。同文献では、ヨウ素およびヨウ化物塩を含むPVA水溶液を紡糸原液とし、この紡糸原液をノズルを通して冷却浴へ押し出すことにより紡糸ゲル状原糸を得、さらに紡糸ゲル状原糸を延伸することによって、PVA系コンポジット繊維の強度を向上させている。   Even when a general-purpose inexpensive PVA having a polymerization degree of 1500 to 2000 is used as a raw material, a PVA composite fiber that can obtain a strength comparable to that of a PVA fiber manufactured using an expensive PVA having a polymerization degree of 3000 or more as a raw material. A manufacturing method is proposed in Patent Document 1, for example. In this document, a PVA aqueous solution containing iodine and iodide salt is used as a spinning stock solution, and a spinning gel-like raw yarn is obtained by extruding this spinning stock solution into a cooling bath through a nozzle, and further, the spinning gel-like raw yarn is drawn, The strength of the PVA composite fiber is improved.

特開2008−13855号公報JP 2008-13855 A

しかし、特許文献1の製造方法では、PVA系コンポジット繊維の中にヨウ素が含まれてしまうので、製品とする最終段階においてこれを除去する工程が必要となるという問題がある。   However, in the production method of Patent Document 1, since iodine is contained in the PVA composite fiber, there is a problem that a process for removing this is required in the final stage of making the product.

上記の問題点に鑑みて、本発明の課題は、製造が容易な高強度のPVA系コンポジット繊維およびその製造方法を提案することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to propose a high-strength PVA composite fiber that is easy to manufacture and a method for manufacturing the same.

上記の課題を解決するために、本発明のPVA系コンポジット繊維は、
PVA系ポリマーにセルロースナノファイバーが分散配合され、
前記PVA系ポリマーおよび前記セルロースナノファイバーがそれらの繊維軸方向に配向されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the PVA composite fiber of the present invention is
Cellulose nanofibers are dispersed and blended with the PVA polymer,
The PVA polymer and the cellulose nanofiber are oriented in the fiber axis direction.

本発明によれば、PVA系コンポジット繊維は、繊維マトリックスに付加された応力が強度のあるセルロースナノファイバーに速やかに伝達される構造を備えている。従って、PVA系コンポジット繊維の高強度化が達成される。また、セルロースナノファイバーは、天然由来の成分から創製された安全なものを用いることができるので、製品となる最終段階において、残留した成分を除去する工程を含む必要がない。従って、PVA系コンポジット繊維を簡易な製造方法により提供できる。   According to the present invention, the PVA composite fiber has a structure in which the stress applied to the fiber matrix is quickly transmitted to the strong cellulose nanofiber. Therefore, high strength of the PVA composite fiber is achieved. Moreover, since the cellulose nanofiber can use the safe thing created from the component derived from nature, it is not necessary to include the process of removing the remaining component in the final stage used as a product. Therefore, a PVA composite fiber can be provided by a simple manufacturing method.

本発明において、PVA系コンポジット繊維は、前記ポリビニルアルコール系ポリマーに対してセルロースナノファイバーの配合量が0.1wt%〜50wt%となっていることが望ましい。すなわち、セルロースナノファイバーの配合量が50wt%以下となっていれば、PVA系繊維の破断伸度の大きさや耐アルカリ性を生かしながら、繊維の強度を向上させることができる。また、セルロースナノファイバーの配合量が0.1wt%以上となっていれば、セルロースナノファイバーによる補強効果が確認される。   In the present invention, the PVA composite fiber desirably has a cellulose nanofiber content of 0.1 wt% to 50 wt% with respect to the polyvinyl alcohol polymer. That is, if the blending amount of the cellulose nanofiber is 50 wt% or less, the strength of the fiber can be improved while taking advantage of the breaking elongation and alkali resistance of the PVA fiber. Moreover, if the compounding quantity of a cellulose nanofiber is 0.1 wt% or more, the reinforcement effect by a cellulose nanofiber will be confirmed.

本発明において、前記PVA系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、引張強度が1.7GPaを超えることが望ましい。すなわち、PVA系コンポジット繊維は、原料として汎用の廉価なPVA系ポリマーを用いた場合でも、重合度が高いPVA系ポリマーを用いて製造したPVA系繊維に匹敵する引張強度を備えるものとすることができる。   In the present invention, the PVA polymer preferably has a polymerization degree of 1500 to 2000 and a tensile strength exceeding 1.7 GPa. That is, the PVA composite fiber has a tensile strength comparable to that of a PVA fiber produced using a PVA polymer having a high degree of polymerization even when a general-purpose inexpensive PVA polymer is used as a raw material. it can.

また、本発明において、前記PVA系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、引張弾性率が50GPaを超えることが望ましい。すなわち、PVA系コンポジット繊維は、原料として汎用の廉価なPVA系ポリマーを用いた場合でも、重合度が高いPVA系ポリマーを用いて製造したPVA系繊維に匹敵する引張弾性率を備えるものとすることができる。   In the present invention, the PVA polymer preferably has a degree of polymerization of 1500 to 2000 and a tensile elastic modulus of more than 50 GPa. That is, even when a general-purpose inexpensive PVA polymer is used as a raw material, the PVA composite fiber has a tensile elastic modulus comparable to that of a PVA fiber manufactured using a PVA polymer having a high degree of polymerization. Can do.

本発明において、セルロースナノファイバーをPVA系ポリマーに分散配合するためには、前記セルロースナノファイバーは、繊維直径が100nm未満、繊維長が100nm以上のものであることが望ましい。   In the present invention, in order to disperse and blend cellulose nanofibers in a PVA polymer, the cellulose nanofibers preferably have a fiber diameter of less than 100 nm and a fiber length of 100 nm or more.

さらに、セルロースナノファイバーの繊維直径が50nm未満であれば、セルロースナノファイバーをPVA系ポリマーとともに繊維軸方向に配向するのに適している。   Furthermore, if the fiber diameter of the cellulose nanofiber is less than 50 nm, it is suitable for orienting the cellulose nanofiber together with the PVA polymer in the fiber axis direction.

次に、本発明のPVA系コンポジット繊維の製造方法は、
ポリビニルアルコール系ポリマーにセルロースナノファイバーを配合した紡糸溶液を調製する紡糸溶液調製工程と、
紡糸溶液を冷却によりゲル化させて紡糸ゲル状原糸を得る紡糸工程と、
前記紡糸ゲル状原糸を延伸する延伸工程と、
を含むことを特徴とする。
Next, the method for producing the PVA composite fiber of the present invention is as follows.
A spinning solution preparation step of preparing a spinning solution in which cellulose nanofibers are blended with a polyvinyl alcohol-based polymer;
A spinning process in which the spinning solution is gelled by cooling to obtain a spinning gel-like raw yarn;
A stretching step of stretching the spun gel raw yarn;
It is characterized by including.

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、このような製造方法によって得られるPVA系コンポジット繊維は、セルロースナノファイバーを添加せずに製造されたPVA系繊維と比較して、高い強度を備えることを見出した。すなわち、このような製造方法によって得られるPVA系コンポジット繊維は、繊維マトリックスに付加された応力が強度のあるセルロースナノファイバーに速やかに伝達される構造を備えるので、PVA系コンポジット繊維の高強度化が達成される。また、セルロースナノファイバーは、天然由来の成分から創製された安全なものを用いることができるので、製品となる最終段階において、残留した成分を除去する工程を含む必要がない。従って、PVA系コンポジット繊維を、簡易な製造方法により提供できる。   As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have a PVA-based composite fiber obtained by such a manufacturing method having higher strength than a PVA-based fiber manufactured without adding cellulose nanofibers. I found out. That is, the PVA composite fiber obtained by such a manufacturing method has a structure in which the stress applied to the fiber matrix is quickly transmitted to the strong cellulose nanofiber, so that the strength of the PVA composite fiber is increased. Achieved. Moreover, since the cellulose nanofiber can use the safe thing created from the component derived from nature, it is not necessary to include the process of removing the remaining component in the final stage used as a product. Therefore, the PVA composite fiber can be provided by a simple manufacturing method.

本発明において、紡糸溶液調製工程では、ポリビニルアルコール系ポリマーに対して0.1wt%〜50wt%の配合量となるようにセルロースナノファイバーを配合することが望ましい。紡糸溶液中におけるセルロースナノファイバーの配合量を50wt%以下とすれば、PVA系繊維の破断伸度の大きさや耐アルカリ性を生かしながら、繊維の強度を向上させることができる。また、紡糸溶液中におけるセルロースナノファイバーの配合量を0.1wt%以上とすれば、セルロースナノファイバーによる補強効果が確認される。   In this invention, it is desirable to mix | blend a cellulose nanofiber so that it may become a compounding quantity of 0.1 wt%-50 wt% with respect to a polyvinyl alcohol-type polymer at a spinning solution preparation process. If the blending amount of the cellulose nanofibers in the spinning solution is 50 wt% or less, the strength of the fibers can be improved while taking advantage of the degree of elongation at break and the alkali resistance of the PVA fibers. Moreover, if the blending amount of the cellulose nanofibers in the spinning solution is 0.1 wt% or more, the reinforcing effect by the cellulose nanofibers is confirmed.

本発明において、前記PVA系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、前記延伸工程では、引張強度が1.7GPaを超えるように前記紡糸ゲル状原糸を延伸することが望ましい。このようにすれば、原料として汎用の廉価なPVA系ポリマーを用いた場合でも、重合度が高いPVA系ポリマーを用いて製造したPVA系繊維に匹敵する引張強度を備えるPVA系コンポジット繊維を製造できる。   In the present invention, the PVA polymer has a degree of polymerization of 1500 to 2000, and in the stretching step, it is desirable to stretch the spun gel-like yarn so that the tensile strength exceeds 1.7 GPa. In this way, even when a general-purpose inexpensive PVA polymer is used as a raw material, a PVA composite fiber having a tensile strength comparable to that of a PVA fiber produced using a PVA polymer having a high degree of polymerization can be produced. .

また、本発明において、前記PVA系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、前記延伸工程では、引張弾性率が50GPaを超えるように前記紡糸ゲル状原糸を延伸することが望ましい。このようにすれば、原料として汎用の廉価なPVA系ポリマーを用いた場合でも、重合度が高いPVA系ポリマーを用いて製造したPVA系繊維に匹敵する引張弾性率を備えるPVA系コンポジット繊維を製造できる。   In the present invention, the PVA polymer has a degree of polymerization of 1500 to 2000, and in the stretching step, it is desirable to stretch the spun gel raw yarn so that the tensile elastic modulus exceeds 50 GPa. In this way, even when a general-purpose inexpensive PVA polymer is used as a raw material, a PVA composite fiber having a tensile elastic modulus comparable to that of a PVA fiber produced using a PVA polymer having a high degree of polymerization is produced. it can.

本発明において、セルロースナノファイバーをPVA系ポリマーに分散配合するためには、前記セルロースナノファイバーは、繊維直径が100nm未満、繊維長が100nm以上のものであることが望ましい。   In the present invention, in order to disperse and blend cellulose nanofibers in a PVA polymer, the cellulose nanofibers preferably have a fiber diameter of less than 100 nm and a fiber length of 100 nm or more.

さらに、セルロースナノファイバーの繊維直径が50nm未満であれば、セルロースナノファイバーをPVA系ポリマーとともに繊維軸方向に配向するのに適する。   Furthermore, if the fiber diameter of the cellulose nanofiber is less than 50 nm, it is suitable for orienting the cellulose nanofiber together with the PVA polymer in the fiber axis direction.

本発明において、前記紡糸溶液調製工程では、紡糸溶液の溶媒として、水若しくはジメチルスルホキシド、または、水およびジメチルスルホキシドの混合溶液を用いることが望ましい。ここで、溶媒として水を用いれば、PVA系コンポジット繊維の製造コストを抑えることができる。溶媒としてジメチルスルホキシドを用いれば、溶媒が水単独の場合と比較して、製造されるPVA系コンポジット繊維の強度が向上し、溶剤の回収および再利用がしやすくなる。溶媒として、水およびジメチルスルホキシドの混合溶液を用いれば、PVAおよびセルロースナノファイバーを分散させるのに適し、且つ、溶媒が水単独の場合と比較して、高強度のPVA系コンポジット繊維が得られる。   In the present invention, in the spinning solution preparation step, it is desirable to use water or dimethyl sulfoxide or a mixed solution of water and dimethyl sulfoxide as a solvent for the spinning solution. Here, if water is used as the solvent, the production cost of the PVA composite fiber can be suppressed. When dimethyl sulfoxide is used as the solvent, the strength of the PVA composite fiber produced is improved as compared with the case where the solvent is water alone, and the solvent can be easily recovered and reused. If a mixed solution of water and dimethyl sulfoxide is used as a solvent, it is suitable for dispersing PVA and cellulose nanofibers, and a high-strength PVA composite fiber can be obtained as compared with the case where the solvent is water alone.

本発明のPVA系コンポジット繊維は、繊維マトリックスに付加された応力が強度のあるセルロースナノファイバーに速やかに伝達される構造を備えている。従って、PVA系コンポジット繊維の高強度化が達成される。また、セルロースナノファイバーは、天然由来の成分から創製された安全なものを用いることができるので、製品となる最終段階において、残留した成分を除去する工程を含む必要がない。従って、本発明のPVA系コンポジット繊維を簡易な製造方法により提供できる。   The PVA composite fiber of the present invention has a structure in which the stress applied to the fiber matrix is quickly transmitted to the strong cellulose nanofiber. Therefore, high strength of the PVA composite fiber is achieved. Moreover, since the cellulose nanofiber can use the safe thing created from the component derived from nature, it is not necessary to include the process of removing the remaining component in the final stage used as a product. Therefore, the PVA composite fiber of the present invention can be provided by a simple manufacturing method.

綿をセルロース源とするセルロースナノファイバーの透過型電子顕微鏡像である。It is a transmission electron microscope image of the cellulose nanofiber which uses cotton as a cellulose source. ホヤ由来のセルロースナノファイバーの透過型電子顕微鏡像である。It is a transmission electron microscope image of the cellulose nanofiber derived from a sea squirt. PVA系コンポジット繊維の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of a PVA type composite fiber. 実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維について引張試験により得られた応力―ひずみ曲線である。It is the stress-strain curve obtained by the tension test about the PVA type composite fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維の引張強度を示すグラフである。It is a graph which shows the tensile strength of the PVA type composite fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維の引張弾性率を示すグラフである。It is a graph which shows the tensile elasticity modulus of the PVA type composite fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維の破断伸度を示すグラフである。It is a graph which shows the breaking elongation of the PVA type composite fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維の結節強度を示すグラフである。It is a graph which shows the knot | strong strength of the PVA type composite fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5の未延伸繊維の動的貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the dynamic storage elastic modulus of the undrawn fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5の延伸繊維の動的貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the dynamic storage elastic modulus of the stretched fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5の未延伸繊維のDSC曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the DSC curve of the undrawn fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5の延伸繊維のDSC曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the DSC curve of the drawn fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5の未延伸繊維のX線回折写真である。It is a X-ray-diffraction photograph of the undrawn fiber of Examples 1-5. 実施例1〜5の延伸繊維のX線回折写真である。It is an X-ray diffraction photograph of the drawn fiber of Examples 1-5. 実施例1、2、4、5の走査型電子顕微鏡像である。It is a scanning electron microscope image of Examples 1, 2, 4, and 5. 実施例6〜8の延伸繊維の動的貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the dynamic storage elastic modulus of the stretched fiber of Examples 6-8.

以下、本発明の実施の形態について詳述する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(セルロースナノファイバー)
本発明に用いるセルロースナノファイバーは、一般的なセルロースナノファイバー、すなわち、繊維直径が100nm以下、繊維長100nm以上のものを用いることができる。セルロースナノファイバーのセルロース源には、綿、麻類、針葉樹や広葉樹などの草木、海草、海藻、海洋生物のホヤが生産するセルロース、ある種の酢酸菌が生産するバクテリアセルロースがある。図1は綿をセルロース源とするセルロースナノファイバーの透過型電子顕微鏡像である。図2はホヤ由来のセルロースナノファイバーの透過型電子顕微鏡像である。
(Cellulose nanofiber)
As the cellulose nanofiber used in the present invention, a general cellulose nanofiber, that is, a fiber diameter of 100 nm or less and a fiber length of 100 nm or more can be used. Cellulose sources of cellulose nanofibers include cotton, hemp, vegetation such as conifers and broadleaf trees, seaweed, seaweed, cellulose produced by sea squirts, and bacterial cellulose produced by certain acetic acid bacteria. FIG. 1 is a transmission electron microscope image of cellulose nanofibers using cotton as a cellulose source. FIG. 2 is a transmission electron microscope image of sea squirt-derived cellulose nanofibers.

セルロースナノファイバーとしては、周知の手法により創製されたものを用いることができる。例えば、綿や麻のようなセルロース繊維を、鉱酸水溶液により、非結晶部分を選択的に加水分解することにより得られるセルロースナノファイバーを用いることができる。また、セルロース繊維を水系媒体中に分散させ、TEMPO(2、2、6、6−テトラメチルピペリジノオキシラジカル)触媒酸化により得られるセルロースミクロフィブリルを解繊処理して得られるセルロースナノファイバーを用いることができる。さらに、セルロースの水分散液を高圧ホモジナイザー処理して得られるセルロースミクロフィブリルを解繊処理して得られるセルロースナノファイバーを用いることができる。さらに、これらのセルロースナノファイバー表面に、化学的後処理によって硫酸エステル基、リン酸エステル基、カルボキシル基、一級・二級・三級・四級アミノ基などのイオン性官能基を導入し、さらに分散性をよくしたナノファイバーを用いることも可能である。なお、高強度のPVA系コンポジット繊維を得るためには、結晶化度の高いセルロースナノファイバーを用いることが好ましい。また、セルロースナノファイバーとして、繊維直径が50nm以下のものを用いれば、セルロースナノファイバーをPVA系ポリマーに分散配合することが容易であるとともに、セルロースナノファイバーをPVA系ポリマーとともに繊維軸方向に配向するのに適する。   As the cellulose nanofiber, those created by a known method can be used. For example, cellulose nanofibers obtained by selectively hydrolyzing non-crystalline portions of cellulose fibers such as cotton and hemp with a mineral acid aqueous solution can be used. Cellulose nanofibers obtained by dispersing cellulose fibers in an aqueous medium and fibrillating cellulose microfibrils obtained by TEMPO (2, 2, 6, 6-tetramethylpiperidinooxy radical) catalytic oxidation Can be used. Furthermore, cellulose nanofibers obtained by defibrating cellulose microfibrils obtained by subjecting an aqueous dispersion of cellulose to a high-pressure homogenizer treatment can be used. Furthermore, ionic functional groups such as sulfate ester groups, phosphate ester groups, carboxyl groups, primary, secondary, tertiary, and quaternary amino groups are introduced into the surface of these cellulose nanofibers by chemical post-treatment. It is also possible to use nanofibers with improved dispersibility. In order to obtain a high-strength PVA composite fiber, it is preferable to use a cellulose nanofiber having a high degree of crystallinity. If cellulose nanofibers having a fiber diameter of 50 nm or less are used, it is easy to disperse and blend the cellulose nanofibers in the PVA polymer, and the cellulose nanofibers are aligned with the PVA polymer in the fiber axis direction. Suitable for

(PVA)
PVAとしては重合度1500〜5000のものを用いることができる。高強度のPVA系コンポジット繊維を得るため高重合度であるものの方が好ましいが、重合度1500〜2000の廉価な汎用のPVAを用いることによって、PVA系コンポジット繊維の製造コストを抑えることができる。
(PVA)
As PVA, those having a polymerization degree of 1500 to 5000 can be used. In order to obtain high-strength PVA-based composite fibers, those having a high degree of polymerization are preferred. However, by using inexpensive general-purpose PVA having a degree of polymerization of 1500 to 2000, the production cost of the PVA-based composite fibers can be suppressed.

PVAのケン化度については大きな制限はないが、冷却によるゲル化を速やかに進行させる上で90モル%以上が好ましい、また、製造されるPVA系コンポジット繊維の耐熱性、耐水性の観点より、99モル%程度乃至それ以上であると更に好ましい。なお、PVAは、他のビニル基を有するモノマー、例えば酢酸ビニル、エチレン、ポリエチレングリコールなどの若干の共重合成分を含んでいても良いが、この割合は小さい方が好ましい。   Although there is no big restriction | limiting about the saponification degree of PVA, 90 mol% or more is preferable in order to advance the gelatinization by cooling rapidly, Moreover, from a heat resistant and water-resistant viewpoint of the PVA type composite fiber manufactured, More preferably, it is about 99 mol% or more. PVA may contain some copolymer component such as other vinyl group-containing monomers such as vinyl acetate, ethylene, polyethylene glycol, etc., but this ratio is preferably small.

(PVA系コンポジット繊維の製造方法)
図3はPVA系コンポジット繊維の製造方法を示すフローチャートである。本発明のPVA系コンポジット繊維の製造方法は、PVA系ポリマーおよびセルロースナノファイバーを配合した紡糸溶液を調製する紡糸溶液調製工程と、紡糸溶液の脱気を行う脱気工程と、紡糸溶液を冷却によりゲル化させて紡糸ゲル状原糸を得る紡糸工程と、紡糸ゲル状原糸の脱溶媒、乾燥を行う脱溶媒・乾燥工程と、紡糸ゲル状原糸を延伸する延伸工程を含んでいる。
(Method for producing PVA composite fiber)
FIG. 3 is a flowchart showing a method for producing a PVA composite fiber. The method for producing a PVA composite fiber of the present invention comprises a spinning solution preparation step for preparing a spinning solution containing a PVA polymer and cellulose nanofiber, a deaeration step for degassing the spinning solution, and cooling the spinning solution. The method includes a spinning step of gelling to obtain a spun gel raw yarn, a solvent removal / drying step of removing and drying the spun gel raw yarn, and a stretching step of drawing the spun gel raw yarn.

紡糸溶液調製工程では、PVA系ポリマー溶液に固形分のセルロースナノファイバーを添加する方法、PVA系ポリマー溶液とセルロースナノファイバーの溶媒分散液とを混合する方法、セルロースナノファイバーの溶媒分散液に固体のPVA系ポリマーを添加してPVA系ポリマーを溶解させる方法、あるいはセルロースナノファイバー分散液を乾燥させた固形分と固体のPVAを溶媒に分散・溶解させる方法のいずれの方法を用いることもできる。本例では、PVA系ポリマーを溶解させたPVA系ポリマー水溶液と、セルロースナノファイバーを水に分散させた分散液と混合している。   In the spinning solution preparation step, a method of adding solid cellulose nanofibers to a PVA polymer solution, a method of mixing a PVA polymer solution and a solvent dispersion of cellulose nanofibers, and a solid solution of a cellulose nanofiber solvent dispersion Any method of adding a PVA polymer and dissolving the PVA polymer, or a method of dispersing and dissolving a solid content obtained by drying a cellulose nanofiber dispersion and solid PVA in a solvent can be used. In this example, a PVA polymer aqueous solution in which a PVA polymer is dissolved is mixed with a dispersion in which cellulose nanofibers are dispersed in water.

紡糸溶液用の溶媒は、PVA系ポリマーを溶解し、セルロースナノファイバーを高度に分散させることが容易なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水若しくはジメチルスルホキシド、または、水およびジメチルスルホキシドの混合溶液を用いることができる。ここで、溶媒として水を用いれば、PVA系コンポジット繊維の製造コストを抑えることができる。溶媒としてジメチルスルホキシドを用いれば、溶媒が水単独の場合と比較して、製造されるPVA系コンポジット繊維の強度が向上し、溶剤の回収および再利用がしやすくなる。溶媒として、水およびジメチルスルホキシドの混合溶液を用いれば、PVAおよびセルロースナノファイバーを分散させるのに適し、且つ、溶媒が水単独の場合と比較して、高強度のPVA系コンポジット繊維が得られる。   The solvent for the spinning solution is not particularly limited as long as it can easily dissolve the PVA-based polymer and highly disperse the cellulose nanofibers. For example, water or dimethyl sulfoxide, or water and dimethyl A mixed solution of sulfoxide can be used. Here, if water is used as the solvent, the production cost of the PVA composite fiber can be suppressed. When dimethyl sulfoxide is used as the solvent, the strength of the PVA composite fiber produced is improved as compared with the case where the solvent is water alone, and the solvent can be easily recovered and reused. If a mixed solution of water and dimethyl sulfoxide is used as a solvent, it is suitable for dispersing PVA and cellulose nanofibers, and a high-strength PVA composite fiber can be obtained as compared with the case where the solvent is water alone.

ここで、紡糸溶液中におけるPVA系ポリマーに対するセルロースナノファイバーの配合量を50wt%以下とすれば、PVA系繊維の特性である破断伸度の大きさや耐アルカリ性を生かしながら、繊維の強度を向上させることができる。また、紡糸溶液中におけるPVA系ポリマーに対するセルロースナノファイバーの配合量を0.1wt%以上とすれば、セルロースナノファイバーによる補強効果が確認される。さらに、紡糸溶液中におけるPVA系ポリマーに対するセルロースナノファイバーの配合量を1wt%以上とすれば、セルロースナノファイバーによる補強効果が顕著となる。なお、本例の製造方法によって製造されたPVA系コンポジット繊維における、PVA系ポリマーに対するセルロースナノファイバーの配合量は、紡糸溶液中におけるPVA系ポリマーに対するセルロースナノファイバーの配合量とほぼ同じ値となる。   Here, if the blending amount of the cellulose nanofibers with respect to the PVA polymer in the spinning solution is 50 wt% or less, the strength of the fiber is improved while taking advantage of the breaking elongation and alkali resistance, which are the characteristics of the PVA fibers. be able to. Moreover, if the compounding quantity of the cellulose nanofiber with respect to PVA-type polymer in a spinning solution shall be 0.1 wt% or more, the reinforcement effect by a cellulose nanofiber will be confirmed. Furthermore, if the blending amount of the cellulose nanofiber with respect to the PVA polymer in the spinning solution is 1 wt% or more, the reinforcing effect by the cellulose nanofiber becomes remarkable. In addition, the compounding quantity of the cellulose nanofiber with respect to PVA type polymer in the PVA type composite fiber manufactured by the manufacturing method of this example becomes a value substantially the same as the compounding quantity of the cellulose nanofiber with respect to the PVA type polymer in the spinning solution.

ここで、紡糸溶液中においてセルロースナノファイバーが均一に分散していることがPVA系コンポジット繊維の強度向上のためには好ましい。このため、PVA系ポリマー水溶液とセルロースナノファイバーの分散液とを攪拌しながら十分に混合する。本例では、ロータリーエバポレーター、ホモジナイザーなどを用いて混合している。   Here, in order to improve the strength of the PVA composite fiber, it is preferable that the cellulose nanofibers are uniformly dispersed in the spinning solution. For this reason, the PVA polymer aqueous solution and the dispersion of cellulose nanofibers are sufficiently mixed while stirring. In this example, mixing is performed using a rotary evaporator, a homogenizer, or the like.

PVA系ポリマー溶液とセルロースナノファイバーの溶媒分散液とを混合した後には、脱気工程を行う。本例では、紡糸原液を80℃で4時間以上放置することにより脱気しているが、例えば、株式会社シンキー製の撹拌脱泡ミキサーなどを使用することにより、数分〜30分程度で脱泡することもできる。   After mixing the PVA polymer solution and the cellulose nanofiber solvent dispersion, a degassing step is performed. In this example, the spinning dope is degassed by leaving it at 80 ° C. for 4 hours or longer. For example, by using a stirring defoaming mixer manufactured by Shinky Co., Ltd. It can also foam.

紡糸工程はゲル紡糸法により行う。紡糸溶液をゾルからゲルへ転移させるゲル紡糸法としては、冷却気体の吹きつけによる乾式のゲル化を用いることもできるが、本例では、紡糸溶液をノズルからメタノール等の冷却溶媒の入った固化浴に押出す押出ゲル紡糸を用いて、紡糸ゲル状原糸を得ている。押出ゲル紡糸によれば、均一な、安定した構造を持つ繊維を作ることができる。また、押出ゲル紡糸によれば、PVA系ポリマーおよびセルロースナノファイバーを、紡糸する際の溶液とノズル間に作用するせん断流動、あるいはノズルから吐出され固化するまでの紡糸液に作用する伸長流動により、繊維軸方向へ配向させることができる。   The spinning process is performed by a gel spinning method. As the gel spinning method for transferring the spinning solution from the sol to the gel, dry gelation by blowing a cooling gas can be used, but in this example, the spinning solution is solidified from a nozzle with a cooling solvent such as methanol. A spun gel raw yarn is obtained by using extruded gel spinning extruded into a bath. Extruded gel spinning can produce fibers with a uniform and stable structure. Further, according to extrusion gel spinning, the PVA polymer and cellulose nanofibers are sheared between the solution and the nozzle at the time of spinning, or by the extension flow acting on the spinning solution until it is discharged from the nozzle and solidified, It can be oriented in the fiber axis direction.

ここで、紡糸溶液は室温付近では高粘度なので、場合によってはゲル化することがあり、紡糸の妨げになる。従って、曳糸性を付与することを目的として紡糸溶液を70℃以上に加温し、溶液粘度を下げて完全なゾル(溶液)状態でゲル紡糸を行うことが望ましい。また、速やかな凝固のためには、冷却溶媒として−40℃〜10℃の範囲のものを用いることが好ましい。本例では、−10℃の冷却メタノールを使用している。   Here, since the spinning solution has a high viscosity around room temperature, the spinning solution may gel in some cases, which hinders spinning. Therefore, it is desirable to perform gel spinning in a complete sol (solution) state by heating the spinning solution to 70 ° C. or more for the purpose of imparting spinnability to lower the solution viscosity. For rapid solidification, it is preferable to use a cooling solvent in the range of -40 ° C to 10 ° C. In this example, -10 [deg.] C. cooled methanol is used.

次に、脱溶媒・乾燥工程を行う。本例では、紡糸ゲル状原糸をメタノールなどの有機溶媒中に浸漬して脱溶媒を進めた後に、風乾あるいは減圧乾燥する。なお、有機溶媒を使用せずに紡糸ゲル状原糸をそのまま風乾あるいは減圧乾燥することもできる。   Next, a solvent removal / drying step is performed. In this example, the spun gel raw yarn is dipped in an organic solvent such as methanol to proceed with desolvation, and then air-dried or dried under reduced pressure. The spun gel raw yarn can be air-dried or dried under reduced pressure without using an organic solvent.

延伸工程では、乾燥した紡糸ゲル状原糸を乾熱延伸し、PVA系ポリマーおよびセルロースナノファイバーを延伸に伴う塑性変形によって生じるせん断作用によって繊維軸方向に配向させる。本例では、延伸倍率を16倍〜38倍としている。なお、乾熱延伸における延伸雰囲気は、酸化劣化を抑制するために窒素などの不活性ガスとすることも好ましい。   In the stretching step, the dried spun gel raw yarn is subjected to dry heat stretching, and the PVA polymer and cellulose nanofibers are oriented in the fiber axis direction by a shearing action caused by plastic deformation accompanying stretching. In this example, the draw ratio is 16 to 38 times. The stretching atmosphere in dry heat stretching is preferably an inert gas such as nitrogen in order to suppress oxidative degradation.

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(実施例1〜5)
実施例1〜5は、コットン由来のセルロースナノファイバーをPVAに添加したものである。原料のPVA系ポリマーとして、重合度が1500、ケン化度が99.9モル%のPVA系ポリマーを用いている。また、セルロースナノファイバーとしては、繊維直径が5nm〜10nm、繊維長が100〜150nmのものを用いている。
(Examples 1-5)
Examples 1-5 add the cellulose nanofiber derived from cotton to PVA. As the raw material PVA polymer, a PVA polymer having a polymerization degree of 1500 and a saponification degree of 99.9 mol% is used. As the cellulose nanofibers, those having a fiber diameter of 5 nm to 10 nm and a fiber length of 100 to 150 nm are used.

紡糸原液調製工程では、PVA系ポリマーに対して、セルロースナノファイバーを5wt%、10wt%、15wt%、20wt%、30wt%添加して調製した各水溶液をそれぞれ実施例1〜5の紡糸原液とした。PVA系ポリマー水溶液とセルロースナノファイバーを水に分散させた分散液とは、ロータリーエバポレーターを使用して、100℃で1時間かけて混合している。比較例は、PVA系ポリマーにセルロースナノファイバーを添加せず、PVA系ポリマー水溶液を紡糸原液とした。各実施例および比較例において最終的な紡糸溶液のPVA系ポリマー濃度は15wt%としてある。   In the spinning dope preparation step, each aqueous solution prepared by adding 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, and 30 wt% of cellulose nanofibers to the PVA polymer was used as the spinning dope for Examples 1 to 5, respectively. . A PVA polymer aqueous solution and a dispersion obtained by dispersing cellulose nanofibers in water are mixed at 100 ° C. over 1 hour using a rotary evaporator. In the comparative example, cellulose nanofibers were not added to the PVA polymer, and a PVA polymer aqueous solution was used as the spinning dope. In each example and comparative example, the final spinning solution has a PVA-based polymer concentration of 15 wt%.

脱気工程では、各紡糸原液を80℃で4時間放置している。   In the degassing step, each spinning dope is left at 80 ° C. for 4 hours.

紡糸工程では、紡糸溶液を75℃に加温し、22GPa(ゲージ)のノズルを使用して−10℃の冷却メタノール中に押出してゲル化させて紡糸ゲル状原糸を得ている。   In the spinning step, the spinning solution is heated to 75 ° C., and extruded into cooled methanol at −10 ° C. using a 22 GPa (gauge) nozzle to obtain a spun gel raw yarn.

脱溶媒・乾燥工程では、冷却したメタノールに各紡糸ゲル状原糸を24時間浸漬した後に、空気中で乾燥している。   In the solvent removal / drying step, each spinning gel raw yarn is immersed in cooled methanol for 24 hours and then dried in air.

延伸工程では、紡糸ゲル状原糸を210℃のオーブン内で手回し延伸機を使用して24〜25倍に延伸している。   In the stretching step, the spun gel raw yarn is hand-drawn in an oven at 210 ° C. and stretched 24 to 25 times using a stretching machine.

(実施例1〜5の特性)
図4〜図9に各実施例のPVA系コンポジット繊維および比較例のPVA系繊維の特性を示す。図4は実施例1〜5の各PVA系コンポジット繊維および比較例のPVA系繊維について引張試験により得られた応力―ひずみ曲線である。図5〜図8は、それぞれ、実施例1〜5の各PVA系コンポジット繊維および比較例のPVA系繊維の、引張強度、引張弾性率(ヤング率)、破断伸度、結節強度を示すグラフである。結節強度は繊維の途中に一重結びを作り引張試験を行うことで決定した。引張試験は、エー・アンド・ディ株式会社製テンシロンRTC1250A引張試験機を用い、室温、原長40mm、引張速度100%/minで行っている。各実施例および比較例の特性を表1にまとめる。
(Characteristics of Examples 1 to 5)
4 to 9 show the characteristics of the PVA composite fibers of each example and the PVA fibers of the comparative example. FIG. 4 is a stress-strain curve obtained by a tensile test for each of the PVA composite fibers of Examples 1 to 5 and the PVA fiber of the comparative example. 5 to 8 are graphs showing the tensile strength, tensile elastic modulus (Young's modulus), elongation at break, and knot strength of each PVA composite fiber of Examples 1 to 5 and PVA fiber of Comparative Example, respectively. is there. The knot strength was determined by forming a single knot in the middle of the fiber and conducting a tensile test. The tensile test was performed using a Tensilon RTC1250A tensile tester manufactured by A & D Co., Ltd. at room temperature, an original length of 40 mm, and a tensile speed of 100% / min. Table 1 summarizes the characteristics of each example and comparative example.

表1に示すように、実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維は、いずれも、引張強度1.7GPa以上、引張弾性率50GPa以上と高強度・高弾性率であり、比較例のPVA系繊維よりも優れる。また、実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維は結節強度においても150MPa以上であり、比較例のPVA系繊維よりも優れる。破断伸度については、その値が比較例のPVA系繊維の値よりも著しくは低下しておらず、4%以上の値を維持している。   As shown in Table 1, all of the PVA composite fibers of Examples 1 to 5 have a tensile strength of 1.7 GPa or more and a tensile modulus of 50 GPa or more and a high strength and a high modulus of elasticity. Better than. In addition, the PVA composite fibers of Examples 1 to 5 have a knot strength of 150 MPa or more, which is superior to the PVA fibers of the comparative example. Regarding the breaking elongation, the value is not significantly lower than the value of the PVA fiber of the comparative example, and the value of 4% or more is maintained.

特に、PVA系ポリマーに対して5wt%、10w%のセルロースナノファイバーが添加されている実施例1、2は、引張強度において2GPaを超えており、重合度3000以上の高価なPVAを原料とするPVA系繊維に匹敵するか、それ以上の強度を備えている。また、実施例1、2は、引張弾性率が60GPa以上、結節強度が160MPa以上、破断伸度が5%以上であり、優れた機械的特性を備えている。   In particular, Examples 1 and 2 in which 5 wt% and 10 w% of cellulose nanofibers are added to the PVA polymer are higher in tensile strength than 2 GPa, and expensive PVA having a polymerization degree of 3000 or more is used as a raw material. It is comparable to or better than PVA fiber. In Examples 1 and 2, the tensile modulus is 60 GPa or more, the knot strength is 160 MPa or more, the elongation at break is 5% or more, and excellent mechanical properties are provided.

ここで、セルロースナノファイバーの添加量が少なければ、紡糸溶液調製工程においてセルロースナノファイバーを容易に分散させることができる。また、原料のコストを抑えることができるので、PVA系コンポジット繊維の製造コストを押さえることができる。   Here, if there is little addition amount of a cellulose nanofiber, a cellulose nanofiber can be easily disperse | distributed in a spinning solution preparation process. Moreover, since the cost of the raw material can be suppressed, the manufacturing cost of the PVA composite fiber can be suppressed.

次に、図9は各実施例の未延伸繊維(紡糸ゲル状原糸)の動的貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフであり、図10は各実施例の延伸繊維(延伸工程を経て製造されたPVA系コンポジット繊維)の動的貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフである。動的粘弾性測定は、アイティー計測制御株式会社製のitk DVA−225を用い、原長20mm、引張モード、周波数10Hz、昇温速度10℃/minで測定している。   Next, FIG. 9 is a graph showing the temperature dependence of the dynamic storage elastic modulus of the undrawn fiber (spun gel raw yarn) of each example, and FIG. 10 shows the drawn fiber (after the drawing step) of each example. It is a graph which shows the temperature dependence of the dynamic storage elastic modulus of the manufactured PVA-type composite fiber). The dynamic viscoelasticity measurement is performed using ITK DVA-225 manufactured by IT Measurement Control Co., Ltd., with an original length of 20 mm, a tensile mode, a frequency of 10 Hz, and a temperature rising rate of 10 ° C./min.

図9によれば、セルロースナノファイバーの添加量の増加と共に弾性率が大きくなっている。特に、高温域での弾性率の低下の度合いが小さく、セルロースナノファイバーの添加により耐熱性が向上していることが分かる。図10によれば、実施例1〜5の延伸繊維(延伸工程を経て製造されたPVA系コンポジット繊維)は、比較例のPVA系繊維と比較して、高温時の動的貯蔵弾性率の低下の度合いが小さい。すなわち、PVA系コンポジット繊維は、高温時においても弾性率の低下の度合いが小さく、タイヤコードのような用途にも適している。   According to FIG. 9, the elastic modulus increases as the amount of cellulose nanofiber added increases. In particular, the degree of decrease in the elastic modulus at a high temperature range is small, and it can be seen that the heat resistance is improved by the addition of cellulose nanofibers. According to FIG. 10, the drawn fibers of Examples 1 to 5 (PVA composite fibers produced through the drawing process) have a lower dynamic storage elastic modulus at high temperatures than the PVA fibers of the comparative example. The degree of is small. That is, the PVA composite fiber has a small degree of decrease in elastic modulus even at high temperatures and is suitable for applications such as tire cords.

図11は各実施例の未延伸繊維(紡糸ゲル状原糸)のDSC(示差走査熱量測定)曲線を示すグラフであり、図12は各実施例の延伸繊維(延伸工程を経て製造されたPVA系コンポジット繊維)のDSC曲線を示すグラフである。示差走査熱量測定は株式会社リガク製のサーモプラスIIを用い、試料重量約3mg、昇温速度10℃/minで測定している。   FIG. 11 is a graph showing a DSC (Differential Scanning Calorimetry) curve of undrawn fiber (spun gel raw yarn) of each example, and FIG. 12 is a drawn fiber (PVA produced through a drawing process) of each example. It is a graph which shows the DSC curve of a system composite fiber). Differential scanning calorimetry is performed using Thermo Plus II manufactured by Rigaku Corporation at a sample weight of about 3 mg and a heating rate of 10 ° C./min.

図11によれば、実施例1〜5のPVA系コンポジット繊維にPVA系ポリマー成分の融点の低下が見られるが、これはPVA系ポリマーとセルロースナノファイバーの界面において両者の水酸基同士が水素結合により強く結びつき、PVAの結晶化を部分的に阻害したため、PVA単体と比べて結晶成長が起こりにくくなったためと考えられる。このことは、PVAとセルロース間の水素結合が強く、マトリックスとフィラー間の接着性が高いことを示していると考えられる。ここで、フィラーとマトリックス間の接着性が高いと、繊維マトリックスに付加された応力が強度のあるナノファイバーに速やかに伝達され、補強効果が発現する。従って、PVA系コンポジット繊維の高強度化が達成されるものと考察される。   According to FIG. 11, although the melting | fusing point of a PVA polymer component falls in the PVA type composite fiber of Examples 1-5, this is because the hydroxyl groups of both are hydrogen bonding in the interface of a PVA type polymer and a cellulose nanofiber. This is considered to be because the crystal growth is less likely to occur compared to the PVA alone because the PVA is strongly bonded and partially inhibits the crystallization of PVA. This is considered that the hydrogen bond between PVA and cellulose is strong, and the adhesiveness between the matrix and the filler is high. Here, if the adhesiveness between the filler and the matrix is high, the stress applied to the fiber matrix is quickly transmitted to the strong nanofibers, and a reinforcing effect is exhibited. Therefore, it is considered that high strength of the PVA composite fiber is achieved.

図12によれば、延伸後の繊維について、PVA系ポリマー成分の融点はいずれの試料でもほぼ同一であることから、延伸時の配向結晶化によりPVAの結晶化が進行し、セルロースナノファイバー未添加試料と同様の結晶になったと考えられる。したがって、セルロースナノファイバーはPVA成分の非晶部に存在すると考えられる。   According to FIG. 12, since the melting point of the PVA polymer component is almost the same for all the stretched fibers, crystallization of PVA proceeds by orientation crystallization during stretching, and cellulose nanofibers are not added. It is thought that it became the same crystal as the sample. Therefore, it is thought that cellulose nanofiber exists in the amorphous part of the PVA component.

次に、図13は各実施例の未延伸繊維(紡糸ゲル状原糸)のX線回折写真であり、図14は各実施例の延伸繊維(延伸工程を経て製造されたPVA系コンポジット繊維)のX線回折写真である。特に図14の写真から、延伸によってPVA系ポリマーおよびセルロースナノファイバーが繊維軸方向に高度に配向している状態が確認される。   Next, FIG. 13 is an X-ray diffraction photograph of the unstretched fiber (spun gel raw yarn) of each example, and FIG. 14 is a stretched fiber of each example (PVA composite fiber produced through a stretching process). Is an X-ray diffraction photograph of In particular, from the photograph in FIG. 14, it is confirmed that the PVA polymer and cellulose nanofibers are highly oriented in the fiber axis direction by stretching.

図15は、ブレンダー(Waring社製Commercial Labolatory Blender 7012G)を使用し、室温、水中、ブレンダーのブレード速度14500rpmで30秒間解繊処理を行った実施例の走査型電子顕微鏡像である。図15では、実施例3の走査型電子顕微鏡像は省略してある。図15によれば、比較例のPVA系繊維では明瞭なフィブリル化が見られるが、セルロースナノファイバーを添加したものでは、繊維物性の低下をもたらすフィブリル化が大幅に抑制されている。   FIG. 15 is a scanning electron microscope image of an example in which a fiber blender (Commercial Laboratory Blender 7012G manufactured by Waring) was used and the fiber was defibrated for 30 seconds at room temperature, in water, and at a blender blade speed of 14500 rpm. In FIG. 15, the scanning electron microscope image of Example 3 is omitted. According to FIG. 15, although clear fibrillation is seen in the PVA fiber of the comparative example, fibrillation that causes a decrease in fiber physical properties is greatly suppressed in the case of adding cellulose nanofibers.

(実施例6〜8)
以下の実施例6〜8は、ホヤ由来のセルロースナノファイバーをPVAに添加したものである。原料のPVA系ポリマーとして、重合度が1500、ケン化度が99.9モル%のPVA系ポリマーを用いている。また、セルロースナノファイバーとしては、繊維直径が10nm〜25nm、繊維長が1μm〜3μmのものを用いている。
(Examples 6 to 8)
Examples 6 to 8 below are obtained by adding sea squirt-derived cellulose nanofibers to PVA. As the raw material PVA polymer, a PVA polymer having a polymerization degree of 1500 and a saponification degree of 99.9 mol% is used. Moreover, as a cellulose nanofiber, the fiber diameter is 10 nm-25 nm, and the fiber length is 1 micrometer-3 micrometers.

紡糸原液調製工程では、PVA系ポリマーに対して、セルロースナノファイバーを1wt%、3wt%、5wt%添加して調製した各水溶液をそれぞれ実施例6〜8の紡糸原液とした。実施例6〜8では、PVA系ポリマー水溶液とセルロースナノファイバーを水に分散させた分散液とは、ホモジナイザーを使用し、80℃、10000rpmの条件で10分間かけて混合した。比較例は、PVA系ポリマーにセルロースナノファイバーを添加せず、PVA系ポリマー水溶液を紡糸原液とした。各実施例および比較例において最終的な紡糸溶液のPVA系ポリマー濃度は13wt%としてある。   In the spinning dope preparation step, each aqueous solution prepared by adding 1 wt%, 3 wt%, and 5 wt% of cellulose nanofibers to the PVA polymer was used as the spinning dope of Examples 6-8. In Examples 6 to 8, a PVA polymer aqueous solution and a dispersion obtained by dispersing cellulose nanofibers in water were mixed using a homogenizer over 10 minutes under the conditions of 80 ° C. and 10,000 rpm. In the comparative example, cellulose nanofibers were not added to the PVA polymer, and a PVA polymer aqueous solution was used as the spinning dope. In each of Examples and Comparative Examples, the final spinning solution has a PVA polymer concentration of 13 wt%.

脱気工程では、各紡糸原液を80℃で一晩放置している。   In the degassing step, each spinning dope is left at 80 ° C. overnight.

紡糸工程では、紡糸溶液を75℃に加温し、22GPa(ゲージ)のノズルを使用して−10℃の冷却メタノール中に押出してゲル化させて紡糸ゲル状原糸を得ている。   In the spinning step, the spinning solution is heated to 75 ° C., and extruded into cooled methanol at −10 ° C. using a 22 GPa (gauge) nozzle to obtain a spun gel raw yarn.

脱溶媒・乾燥工程では、冷却したメタノールに各紡糸ゲル状原糸を24時間浸漬した後、空気中で乾燥している。   In the solvent removal / drying step, each spun gel raw yarn is immersed in cooled methanol for 24 hours and then dried in air.

延伸工程では、紡糸ゲル状原糸を210℃のオーブン内で手回し延伸機を使用して限界近くの延伸倍率まで延伸している。実施例6〜8では延伸倍率がそれぞれ相違しており、実施例6では38倍、実施例7では28倍、実施例8では16倍としてある。比較例の延伸倍率は32倍としてある。   In the stretching step, the spun gel raw yarn is hand-drawn in an oven at 210 ° C. and stretched to a stretching ratio close to the limit using a stretching machine. In Examples 6 to 8, the draw ratios are different from each other, 38 times in Example 6, 28 times in Example 7, and 16 times in Example 8. The draw ratio of the comparative example is 32 times.

(実施例6〜8の特性)
表2に実施例6〜8のPVA系コンポジット繊維および比較例のPVA系繊維の特性を示す。引張試験は、実施例1〜5の場合と同様の方法で行なっている。
(Characteristics of Examples 6 to 8)
Table 2 shows the characteristics of the PVA composite fibers of Examples 6 to 8 and the PVA fibers of the comparative examples. The tensile test is performed in the same manner as in Examples 1-5.

表1に示すように、実施例6〜8のPVA系コンポジット繊維は、いずれも、引張強度1.8GPa以上、引張弾性率50GPa以上と高強度・高弾性率であり、比較例のPVA系繊維よりも優れる。また、破断伸度については、その値が比較例のPVA系繊維の値よりも著しくは低下しておらず、3.8%以上の値を維持している。   As shown in Table 1, all of the PVA composite fibers of Examples 6 to 8 have a tensile strength of 1.8 GPa or more and a tensile modulus of 50 GPa or more and a high strength and a high modulus of elasticity. Better than. Moreover, about the elongation at break, the value is not significantly lower than the value of the PVA fiber of the comparative example, and the value of 3.8% or more is maintained.

ここで、実施例6〜8は、PVA系ポリマーに対するセルロースナノファイバーの配合量が1wt%〜5w%と少量なので、紡糸溶液調製工程において、セルロースナノファイバーを容易に分散させることができる。また、原料のコストを抑えることができるので、PVA系コンポジット繊維の製造コストを押さえることができる。   Here, in Examples 6 to 8, since the blending amount of the cellulose nanofiber with respect to the PVA polymer is a small amount of 1 wt% to 5 w%, the cellulose nanofiber can be easily dispersed in the spinning solution preparation step. Moreover, since the cost of the raw material can be suppressed, the manufacturing cost of the PVA composite fiber can be suppressed.

図16は各実施例の延伸繊維(延伸工程を経て製造されたPVA系コンポジット繊維)の動的貯蔵弾性率の温度依存性を示すグラフである。動的粘弾性測定は、実施例1〜5の場合と同様の方法で行なっている。実施例6〜8のPVA系コンポジット繊維は、比較例のPVA系繊維と比較して、高温時の動的貯蔵弾性率の低下の度合いが小さい。すなわち、PVA系コンポジット繊維は、高温時においても弾性率の低下の度合いが小さく、タイヤコードのような用途にも適している。   FIG. 16 is a graph showing the temperature dependence of the dynamic storage elastic modulus of the drawn fiber (PVA composite fiber produced through the drawing process) of each example. The dynamic viscoelasticity measurement is performed by the same method as in Examples 1-5. The PVA composite fibers of Examples 6 to 8 have a lower degree of decrease in dynamic storage elastic modulus at high temperatures than the PVA fibers of Comparative Examples. That is, the PVA composite fiber has a small degree of decrease in elastic modulus even at high temperatures and is suitable for applications such as tire cords.

なお、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。   The scope of the present invention is not limited to these examples.

Claims (13)

ポリビニルアルコール系ポリマーにセルロースナノファイバーが分散配合され、
前記ポリビニルアルコール系ポリマーおよび前記セルロースナノファイバーがそれらの繊維軸方向に配向されていることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
Cellulose nanofibers are dispersed and blended in a polyvinyl alcohol polymer,
The polyvinyl alcohol-based composite fiber, wherein the polyvinyl alcohol-based polymer and the cellulose nanofiber are oriented in the fiber axis direction.
請求項1において、
前記ポリビニルアルコール系ポリマーに対してセルロースナノファイバーの配合量が0.1wt%〜50wt%となっていることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
In claim 1,
A polyvinyl alcohol composite fiber, wherein a blending amount of cellulose nanofibers is 0.1 wt% to 50 wt% with respect to the polyvinyl alcohol polymer.
請求項1または2において、
前記ポリビニルアルコール系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、
引張強度が1.7GPaを超えることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
In claim 1 or 2,
The polyvinyl alcohol polymer has a polymerization degree of 1500 to 2000,
A polyvinyl alcohol composite fiber characterized by having a tensile strength exceeding 1.7 GPa.
請求項1または2において、
前記ポリビニルアルコール系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、
引張弾性率が50GPaを超えることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
In claim 1 or 2,
The polyvinyl alcohol polymer has a polymerization degree of 1500 to 2000,
A polyvinyl alcohol-based composite fiber having a tensile elastic modulus exceeding 50 GPa.
請求項1ないし4のうちのいずれかの項において、
前記セルロースナノファイバーは、繊維直径が100nm未満、繊維長が100nm以上のものであることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
In any one of claims 1 to 4,
The cellulose nanofiber is a polyvinyl alcohol composite fiber having a fiber diameter of less than 100 nm and a fiber length of 100 nm or more.
請求項5において、
前記セルロースナノファイバーは、繊維直径が50nm未満のものであることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維。
In claim 5,
The cellulose nanofiber is a polyvinyl alcohol composite fiber having a fiber diameter of less than 50 nm.
ポリビニルアルコール系ポリマーにセルロースナノファイバーを配合した紡糸溶液を調製する紡糸溶液調製工程と、
紡糸溶液を冷却によりゲル化させて紡糸ゲル状原糸を得る紡糸工程と、
前記紡糸ゲル状原糸を延伸する延伸工程と、
を含むことを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
A spinning solution preparation step of preparing a spinning solution in which cellulose nanofibers are blended with a polyvinyl alcohol-based polymer;
A spinning process in which the spinning solution is gelled by cooling to obtain a spinning gel-like raw yarn;
A stretching step of stretching the spun gel raw yarn;
A process for producing a polyvinyl alcohol-based composite fiber, comprising:
請求項7において、
紡糸溶液調製工程では、ポリビニルアルコール系ポリマーに対して0.1wt%〜50wt%の配合量となるようにセルロースナノファイバーを配合することを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
In claim 7,
In the spinning solution preparation step, a cellulose nanofiber is blended so as to have a blending amount of 0.1 wt% to 50 wt% with respect to the polyvinyl alcohol polymer.
請求項7または8において、
前記ポリビニルアルコール系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、
前記延伸工程では、引張強度が1.7GPaを超えるように前記紡糸ゲル状原糸を延伸することを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
In claim 7 or 8,
The polyvinyl alcohol polymer has a polymerization degree of 1500 to 2000,
In the drawing step, the spinning gel-like raw yarn is drawn so that the tensile strength exceeds 1.7 GPa.
請求項7または8において、
前記ポリビニルアルコール系ポリマーは、重合度が1500〜2000であり、
前記延伸工程では、引張弾性率が50GPaを超えるように前記紡糸ゲル状原糸を延伸することを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
In claim 7 or 8,
The polyvinyl alcohol polymer has a polymerization degree of 1500 to 2000,
In the drawing step, the spinning gel-like raw yarn is drawn so that the tensile elastic modulus exceeds 50 GPa.
請求項7ないし10のうちのいずれかの項において、
前記セルロースナノファイバーは、繊維直径が100nm未満、繊維長が100nm以上のものであることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
In any one of claims 7 to 10,
The method for producing a polyvinyl alcohol-based composite fiber, wherein the cellulose nanofiber has a fiber diameter of less than 100 nm and a fiber length of 100 nm or more.
請求項11において、
前記セルロースナノファイバーは、繊維直径が50nm未満のものであることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
In claim 11,
The method for producing a polyvinyl alcohol-based composite fiber, wherein the cellulose nanofiber has a fiber diameter of less than 50 nm.
請求項7ないし12のうちのいずれかの項において、
前記紡糸溶液調製工程では、紡糸溶液の溶媒として、水若しくはジメチルスルホキシド、または、水およびジメチルスルホキシドの混合溶液を用いることを特徴とするポリビニルアルコール系コンポジット繊維の製造方法。
In any one of claims 7 to 12,
In the spinning solution preparation step, water or dimethyl sulfoxide or a mixed solution of water and dimethyl sulfoxide is used as a solvent for the spinning solution.
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