JP2012214563A - 変性ミクロフィブリル化植物繊維を含む樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化された変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)、及び熱可塑性樹脂(B)を含有する樹脂組成物に関する。
【選択図】図1
Description
熱可塑性樹脂(B)を含有する樹脂組成物であって、
変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)のエステル置換度が0.05〜2.0である樹脂組成物。
熱可塑性樹脂(B)、及び
無機塩(C)を含有する樹脂組成物。
(2a)工程(1a)によって得られたミクロフィブリル化植物繊維を触媒の存在下で、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化し、変性ミクロフィブリル化植物繊維を得る工程、又は
(1b)植物繊維を、触媒の存在下で、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化し、変性植物繊維を得る工程、及び
(2b)工程(1b)によって得られた変性植物繊維を解繊し、変性ミクロフィブリル化植物繊維を得る工程、
並びに
(3)工程(2a)又は工程(2b)によって得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)と熱可塑性樹脂(B)を混合する工程を含む樹脂組成物の製造方法。
本発明は、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸によって変性された変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)、及び熱可塑性樹脂(B)を含有する樹脂組成物に関する。
樹脂組成物は、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸によって変性された変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)と熱可塑性樹脂(B)を混合する工程により製造される。
(1a)植物繊維を解繊し、ミクロフィブリル化植物繊維を得る工程、及び(2a)工程(1a)によって得られたミクロフィブリル化植物繊維をアルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化し、変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)を得る工程、及び(3)工程(2a)によって得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)と熱可塑性樹脂(B)を混合する工程(以下、製造方法(I)ともいう)、又は
(1b)植物繊維を、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化し、変性植物繊維を得る工程、及び(2b)工程(1b)によって得られた変性植物繊維を解繊し、変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)を得る工程、
並びに(3)工程(2b)によって得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)と熱可塑性樹脂(B)を混合する工程(以下、製造方法(II)ともいう)が挙げられる。
製造方法(I)における工程(1a)に用いられる変性ミクロフィブリル化植物繊維の原料として用いられる植物繊維を含有する材料(植物繊維含有材料)としては、前記で挙げられたものを用いることが好ましい。
製造方法(II)で用いられる植物繊維としては、前記で用いられる植物繊維と同様のものが用いられる。
前記製造方法(I)又は(II)によって得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維は、セルロースI型結晶を多く含む。セルロースI型結晶はX線回折における(1 −1 0)格子面(2θ=14.6°)、(2 0 0)格子面(2θ=16.5°)のピークの存在からセルロースI型結晶の存在を確認することが出来る。セルロースI型結晶の割合が高い方が繊維の強度・弾性率が高いことから樹脂の補強材として好ましい。
本発明は、前記の樹脂組成物を用いた成形材料にも関する。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<ビーズミルによるミクロフィブリル化植物繊維(CNF)の調製>
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)のスラリー(スラリー濃度:2質量%)をシングルディスクリファイナー(熊谷理機工業(株)製)に通液させ、カナディアンスタンダードフリーネス(CSF)が100ml以下となるまで繰り返しリファイナー処理を行った。次いで得られたスラリーを遠心分離機((株)コクサン製)を用いて20質量%まで濃縮し、NBKP(リファイナー処理)を調整した。
ビーズ:ジルコニアビーズ(直径:1mm)
ベッセル容量:2リットル
ビーズ充填量:1216ml(4612g)
回転数:2,000rpm
ベッセル温度:20℃
吐出量:600ml/分。
上記で得られた含水のCNFを8g(固形分1g)サンプリングし、エタノールを加え0.5質量%とし、スターラーで30分間攪拌した後に遠心分離管に移し(株)コクサン製冷却高速遠心機「HR−9」を用いて遠心分離をした。遠心分離後、上澄みをデカンテーションで除いた後、残渣を再度エタノールに分散させ0.5質量%としスターラーで攪拌した後にスラリーを遠心分離した。この操作をエタノール、t-ブタノールで各3回繰り返し、溶媒置換した後、CNFのt-ブタノール分散物(濃度:0.5質量%)200gをナスフラスコに移し、このフラスコを液体窒素浴に漬け全体を凍結させた。次いで、このナスフラスコを凍結乾燥器機(FDU−1200、東京理化器械(株))にセットし凍結乾燥を行った。
得られた凍結乾燥後のCNFを、自動比表面積/細孔径分布測定装置「BELSORP-mini II」(日本ベル(株)製)を用いた窒素ガス吸着法によりBET比表面積を測定したところ138m2/gであった。
上記の含水のCNF494g(固形分62g)にN−メチルピロリドン(NMP)を247g加え、トリミックスTX−5((株)井上製作所製)に投入した後、攪拌を開始し、40〜50℃で減圧脱水した。次いで、T−NS135(無水コハク酸以外の炭素数が16のASA、星光PMC(株)製)を99.1g、ジメチルアミノピリジン(DMAP)を2.3g、炭酸カリウムを10.57g、NMPを50g加え、62℃で1.5時間反応させた。反応後、アセトン、エタノール、酢酸水、水で順次洗浄し、含水のASA変性CNFを得た。置換度を以下の方法により測定した結果、0.38であった。
ASA変性の置換度(DS)は、ASA変性CNF中のASAとセルロースのエステル結合を、水酸化ナトリウム溶液中70℃で加熱攪拌することで加水分解した。その後、0.1N塩酸水溶液で逆滴定することで加水分解により生成したASA量を求めた後に算出した。なお、逆滴定の際の指示薬としては、フェノールフタレインを用いた。
洗浄後の含水のASA変性CNF(固形分濃度:20質量%)と無水マレイン酸変性ポリプロピレン(MAPP、東洋紡績(株)製:商品名「トーヨータックPMA H1000P」、酸含有量5.7質量%、メルトフローレート:110g/10分(190℃、2.16kg))、及び高密度ポリエチレン樹脂(HDPE、住友精化(株)製:商品名「フロービーズHE3040」、融点:130℃、平均粒子径11μm)をミキサーにて1分間攪拌した。
樹脂:82.4質量%(MAPP:(4.3質量%)+HDPE(78.1質量%))。
実施例1において、炭酸カリウムの量を2倍モル量とした以外は、実施例1と同様に行い、ASA変性CNF、及びそれを含む成形物を得た。ASA変性CNFのDSは0.44であった。成形物の各成分の配合量、及び成形物の引張り試験結果を表1に示す。
実施例1において炭酸カリウムの量を2倍モル量とし、<ASA変性CNFの調製>において、71℃で1時間反応させた以外は、実施例1と同様の方法によりASA変性CNFの調製を行い、ASA変性CNF、及びそれを含む成形物を得た。ASA変性CNFのDSは0.77であった。成形物の各成分の配合量、及び成形物の引張り試験結果を表1に示す。
実施例1において、ASA変性CNF、及び樹脂(MAPP、HDPE)以外に、更に炭酸カルシウム(和光純薬工業(株)製、試薬1級グレード、粒子径6μm)を表1に示す含有割合で添加した。それ以外は、実施例1と同様の方法により成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表1に示す。
実施例1において、樹脂(HDPE(住友精化(株)製:商品名「フロービーズHE3040」))のみを用いた以外は、実施例1と同様の方法により成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表1に示す。
実施例1において、樹脂(HDPE(住友精化(株)製:商品名「フロービーズHE3040」))、及び炭酸カルシウムを表1に示す含有割合で添加した以外は、実施例1と同様の方法により成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表1に示す。
実施例1において得られたCNFを、固形分濃度20質量%まで濃縮した後、ASA変性を行わず、そのまま樹脂(MAPP及びHDPE)と複合化した以外は、実施例1と同様の方法により成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表1に示す。
実施例1と同様にしてCNFの水懸濁液(0.75質量%)を得た。
直径3cm、厚さ1.5mmの孔のあいた金型に実施例2、比較例1、及び比較例4で得られたペレット約1gを入れ、(株)神藤金属工業製の卓上型テストプレスA YSR−5HC型で140℃/5分間加熱・プレスすることにより直径3cm、厚さ1.5mmの円盤状の成形体を得た。
測定条件
・測定方法:2cmパラレルプレート
・測定範囲:0.01〜100Hz
・測定ひずみ:0.1%
・測定温度:140℃
図1に周波数に対する貯蔵弾性率(G’)をプロットしたグラフを示し、図2に周波数に対する損失弾性率(G”)をプロットしたグラフを示す。
表1から分かるように、ASA変性CNFを樹脂組成物に配合することで得られた成形物の引張り強度は、樹脂単独、及び未変性のCNFを配合した樹脂と比較し、強度、及び弾性率のいずれも大幅に向上した。更に、図1、及び図2から分かるように、樹脂に未変性CNFを配合するだけでも、低周波域での貯蔵弾性率、損失弾性率が向上しているが、その効果はASA変性したCNFを配合することにより更に向上したことが分かる。これらのことからCNFをASA変性することにより、ASA変性CNFの樹脂中での分散性や樹脂とASA変性CNFの界面が補強されている為、成形材料の力学物性が向上したものと思われる。
実施例1で得られたNBKP(リファイナー処理、固形分濃度:20質量%)をミキサー((株)愛工舎製作所製「ケンミックスKM−800」)で粗粉砕(処理時間1時間)し、そぼろ状とした後に二軸混練機((株)テクノベル製のKZW)に入れ、解繊処理によりCNFを得た。二軸混練機による解繊条件は、以下の通りである。
スクリュー直径:15mm
スクリュー回転数:400rpm(スクリュー周速:18.8m/分)
解繊時間:150gのパルプを500g/hr〜600g/hrの処理条件で解繊した。原料を投入してからCNFが得られる迄の時間は15分間であった。
解繊処理に供した回数:1回(1パス)
せき止め構造:2個。
二軸解繊CNFの乾燥物5gをN−メチルピロリドンに分散させ、固形分濃度が2質量%のスラリーとした。このスラリーを攪拌装置のついた500mlフラスコに移し、T−NS136(無水コハク酸以外の炭素数が8のASA、星光PMC(株)製)19.4g、触媒としてピリジンを14.6g加え、120℃で2時間加熱攪拌した後、冷却、洗浄しASA変性CNFを得た
得られたASA変性CNFを実施例1と同様にして凍結乾燥し、ASA変性CNFの凍結乾燥物を得た。
実施例6のT−NS136(無水コハク酸以外の炭素数が8のASA、星光PMC(株)製)をT−NS135(無水コハク酸以外の炭素数が16のASA、星光PMC(株)製)、又はT−NS146(無水コハク酸以外の炭素数が18のASA、星光PMC(株)製)とし、表2に示すDSとなるまで反応時間を延ばした以外は、実施例6と同様にしてASA変性CNFを得た。それ以降の操作は実施例6と同様に行い、鎖長の異なるASA変性CNFを配合した樹脂組成物を得た。ASA変性CNFのDS、各成分の配合量、成形体の引張り強度結果を表2に示す。
実施例1で調製したNBKP(リファイナー処理、固形分:濃度20質量%)をエタノールに分散させて2質量%、1800g(固形分36g)スラリーとした後、吸引ろ過をした。これを3回、アセトンへの分散を3回繰り返し、溶媒置換をした。得られたアセトンを含有するNBKPをNMPに分散させNBKPの固形分濃度が3質量%のスラリー1200gを得た。
実施例6で記載したASA変性CNFの凍結乾燥方法と同様にして、実施例6で調製した二軸解繊CNFの凍結乾燥物を得た。ASA変性CNFの凍結乾燥物の代わりに上記で調製した未変性の二軸解繊CNFの凍結乾燥物を用いた以外は、実施例6と同様にして樹脂組成物を得た。樹脂組成物を用いて作製した成形物の引張り強度を表2に示す。
鎖長の異なるASAを用いて調製したASA変性CNFを用いた場合でも、樹脂中での植物繊維の分散性や界面親和性が向上したため、樹脂組成物の力学物性が向上したと思われる。使用する樹脂や用途に応じて最適な置換度やASAを任意に設定することが可能である。
実施例4においてDSが0.56となるまで反応を進行させて得られたASA変性CNFを用いると共に、樹脂に加え、炭酸カルシウムの代わりに硫酸マグネシウム(和光純薬(株)製、試薬特級)、硫酸バリウム(和光純薬(株)製、試薬1級、粒子径:2.1μm)、炭酸バリウム(和光純薬(株)製、試薬、粒子径:0.24μm)、又は炭酸カリウム(和光純薬(株)製、試薬特級)を用いた以外は、実施例4と同様に行い成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表3に示す。尚、無機塩の粒子径は実施例4と同様にして測定した。
実施例1で製造したビーズミル解繊CNFの含水物を実施例9と同様の方法で溶媒置換を行った。この溶媒置換物を無水酢酸の量を調整した以外は文献(Cellulose 9: 361-367, 2002)に記載の方法に従ってアセチル化変性CNFを得た。得られたアセチル化変性CNFのDSは0.39であった。
変性CNFに硫酸マグネシウム、硫酸バリウム、炭酸バリウム、炭酸カリウムを用いた場合は無機塩として炭酸カルシウムを用いた場合と同様に高強度、高弾性率の成形体が得られた。無機塩として炭酸カルシウムを用いた場合と同様に変性CNFのカルボキシル基との相互作用がその一因であると思われる。弾性率向上効果としては炭酸カリウムが優れていたが、強度や外観の点で他の無機物よりは劣る。用途や成形条件等に応じてこれらの無機塩を使い分けることにより所望の成形材料、成形体を得る事が出来る。
実施例1においてDSが0.56となるまで反応を進行させて得られたASA変性CNFを42.4質量%用いると共に、このASA変性CNFと樹脂の配合を表4に示す含有割合とした以外は、実施例1と同様の方法により、成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表4に示す。
未変性のCNF、及び樹脂の配合を表4に記載の通りとした以外は、比較例4と同様に行い成形物を得た。成形物の各成分の配合、及び成形物の引張り試験結果を表4に示す。
実施例14と比較例8はいずれもCNF純分は同じ20質量%であるが、実施例14は比較例8よりも強度、弾性率ともに優れていた。ミクロフィブリル化植物繊維をASA変性することにより樹脂との界面が補強されることや樹脂中での分散性が改善された為と思われる。
Claims (14)
- アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化された変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)、及び
熱可塑性樹脂(B)を含有する樹脂組成物であって、
変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)のエステル置換度が0.05〜2.0である樹脂組成物。 - アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化された変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)、
熱可塑性樹脂(B)、及び
無機塩(C)を含有する樹脂組成物。 - 変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)のエステル置換度が0.1〜2.0である請求項1〜2の何れか1項に記載の樹脂組成物。
- 変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)の含有量が、樹脂組成物100質量部に対して、1〜80質量部である請求項1〜3の何れか1項に記載の樹脂組成物。
- 無機塩(C)が、第2族の金属からなる塩である請求項2〜4の何れか1項に記載の樹脂組成物。
- 無機塩(C)の含有量が、樹脂組成物100質量部に対して0.1〜20質量部である請求項2〜5の何れか1項に記載の樹脂組成物。
- (1a)植物繊維を解繊し、ミクロフィブリル化植物繊維を得る工程、及び
(2a)工程(1a)によって得られたミクロフィブリル化植物繊維を触媒の存在下で、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化し、変性ミクロフィブリル化植物繊維を得る工程、又は
(1b)植物繊維を、触媒の存在下で、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化し、変性植物繊維を得る工程、及び
(2b)工程(1b)によって得られた変性植物繊維を解繊し、変性ミクロフィブリル化植物繊維を得る工程、
並びに
(3)工程(2a)又は工程(2b)によって得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)と熱可塑性樹脂(B)を混合する工程を含む樹脂組成物の製造方法。 - 工程(3)が、工程(2a)又は工程(2b)によって得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維(A)、熱可塑性樹脂(B)、及び無機塩(C)を混合する工程である請求項7に記載の樹脂組成物の製造方法。
- 工程(2a)又は工程(1b)におけるエステル化が、アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸と反応しない有機溶媒よりなる少なくとも1種の溶媒の存在下で行われる請求項7又は8に記載の樹脂組成物の製造方法。
- 工程(1a)又は工程(2b)における解繊が、ボールミル、ビーズミル、ブレンダー、グラインダー、リファイナー、高圧衝突分散機、ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、一軸又は多軸混錬機からなる群より選ばれる少なくとも1種による機械的解繊である請求項7〜9の何れか1項に記載の樹脂組成物の製造方法。
- 請求項7〜10の何れか1項に記載の製造方法で得られた変性ミクロフィブリル化植物繊維。
- 請求項1〜6の何れか1項に記載の樹脂組成物を用いた成形材料。
- 請求項7〜10の何れか1項で製造された樹脂組成物を用いた成形材料。
- 請求項12又は13に記載の成形材料を成形してなる成形体。
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