JP2013188864A - セルロースナノファイバー含有組成物の製造方法及びセメント成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セルロースナノファイバーの分散性を向上させることができるセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法を提供する。
【解決手段】セルロースナノファイバーを１質量％以下の濃度で含有する分散液を調製する。この分散液に担持粉体を配合して混合する。担持粉体にセルロースナノファイバーを付着させた状態で、担持粉体を分散液中に分散させることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、セルロースナノファイバーを含有する組成物の製造方法及びセルロースナノファイバー含有組成物を用いたセメント成形体の製造方法に関するものである。

従来より、繊維強化セメント成形体を製造するにあたっては、パルプ等のセルロース繊維を補強繊維として配合することが行われている（例えば、特許文献１参照）。このような繊維強化セメント成形体は、セメントとセルロース繊維及び骨材を水に配合してスラリー等のセメント組成物を調製し、このセメント組成物を板状等に成形し、これを養生硬化させて製造することができる。これはいわゆる抄造法と呼ばれるものである。

特開２００２−６０２６４号公報

しかし、補強繊維が非常に短いナノファイバーである場合は、上記の抄造法のように大量の水中での分散については大きな問題はないが、高濃度スラリーを使用する製法や乾式製造方法、射出成形などの場合、補強繊維が絡みあい凝集して分散性が悪く、補強繊維で成形体をほとんど補強することが出来なくなり、強度低下が起きる場合があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、セルロースナノファイバーの分散性を向上させることができるセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法を提供することを目的とするものである。

また、本発明は、上記のセルロースナノファイバー含有組成物を用いることによって、強度の向上を図りやすいセメント成形体の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法は、セルロースナノファイバーを１質量％以下の濃度で含有する分散液を調製し、この分散液に担持粉体を配合して混合することを特徴とするものである。

本発明にあっては、前記分散液に前記担持粉体を配合して混合した後、前記分散液の液成分の除去及び乾燥を行い、この後、残留固形分を粉砕するのが好ましい。

本発明にあっては、前記担持粉体の平均粒径が１〜１００μｍであることが好ましい。

本発明にあっては、前記担持粉体が珪石粉であることが好ましい。

本発明に係るセメント成形体の製造方法は、前記セルロースナノファイバー含有組成物の製造方法で得られた前記セルロースナノファイバー含有組成物とセメントとを乾式で混合することによりセメント組成物を調製し、このセメント組成物に水を加えて硬化させることを特徴とするものである。

本発明のセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法では、分散液に担持粉体を配合して混合することによって、担持粉体にセルロースナノファイバーを付着させた状態で、担持粉体を分散液中に分散させることができ、セルロースナノファイバーが担持粉体により凝集しにくくなって、その分散性を向上させることができるものである。

本発明のセメント成形体の製造方法では、セルロースナノファイバーが表面に付着した担持粉体をセメントと混合することにより、担持粉体とともにセルロースナノファイバーもセメント中に分散させることができ、セルロースナノファイバーの分散性を向上させることができるものである。従って、セルロースナノファイバーによる補強効果が得やすくなって、セメント成形体の強度を向上させることができるものである。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

セルロースナノファイバー含有組成物の製造方法においては、まず、セルロースナノファイバーを１質量％以下の濃度で含有する分散液を調製する。一般にナノファイバーとは、直径が１〜１００ｎｍで、長さが直径の１００倍以上（アスペクト比が１００以上）の繊維状物質とされる。従って、セルロースナノファイバーは上記のような直径とアスペクト比を有したセルロース繊維であることが好ましい。具体的には、セルロースナノファイバーは、セルロース系原料を解繊することにより得られる幅（直径）２〜５ｎｍ、長さ１〜５μｍ程度のセルロースのシングルミクロフィブリルであることが好ましい。このようなセルロースナノファイバーは、ナノオーダーのサイズの繊維径の小さい繊維（極細繊維）であるため、単位質量あたりの表面積が非常に大きく、分離性能、液体保持性能に優れているなど、非常に有用な特性を有するものである。

上記の分散液は、セルロースナノファイバーを液成分（分散媒）に分散させたものである。分散媒としては、セルロースナノファイバーが分散できるものであれば何でもよく、例えば、水を用いることができる。また、分散媒には水の他に、アルコールなどの有機溶媒が含有されていても良い。上記の分散液にはセルロースナノファイバーを１質量％以下の濃度で含有させる。一般に、セルロースナノファイバーは水等に分散させた白濁の液状物で入手可能であるため、この液状物を水等で希釈することにより、セルロースナノファイバーを１質量％以下の濃度で含有する分散液を得ることができる。セルロースナノファイバーの濃度が１質量％より多くなると、セルロースナノファイバーが凝集しやすくなって、分散性が低くなるおそれがある。セルロースナノファイバーの濃度の下限は特に限定されないが、作業効率等を考慮すると、０．１質量％以上であることが好ましい。

次に、上記のように調製した分散液に担持粉体を配合する。担持粉体としては、セルロースナノファイバー間に物理的に介在し、セルロースナノファイバーよりも凝集しにくくて分散性が高く、液成分で硬化しない（水硬性のない）ものであれば使用することができる。また、担持粉体は、セルロースナノファイバーとともに他の材料に配合されるために、その目的に応じて適当なものを選定して用いることができる。具体的には、担持粉体としては、珪石粉、フライアッシュ、焼却灰などを用いることができる。これらの担持粉体は、セルロースナノファイバーの付着性が良好で、また、セメント成形体等の骨材としても使用可能であるため、セメント組成物に配合するセルロースナノファイバーの担持粉体として適当である。

上記の担持粉体はその平均粒径が１〜１００μｍであることが好ましい。担持粉体の平均粒径がこの範囲であると、セルロースナノファイバー間に物理的に介在しやすくなり、また、分散液中に分散させやすくなるものである。尚、上記の平均粒径は、レーザー回折粒度分布測定法で得られるメジアン径（Ｄ５０）などを採用することができる。

分散液に対する担持粉体の配合量は、分散液中のセルロースナノファイバーの全量（質量）に対して１０〜５０倍とするのが好ましい。この範囲であれば、担持粉体がセルロースナノファイバー間に物理的に介在しやすくなり、また、セルロースナノファイバーが担持粉体の表面に付着しやすくなり、セルロースナノファイバーの分散性を向上させることができる。例えば、セルロースナノファイバー：担持粉体（珪石粉）：液成分（水）＝１：３０：１５０の質量比で配合されることが好ましい。

分散液に担持粉体を配合した後、これをミキサーなどで撹拌して混合することにより、分散液に担持粉体を分散させる。この場合、分散液の温度は５〜４０℃で撹拌時間は０.５〜５分とすることができるが、セルロースナノファイバーの濃度や担持粉体の配合量等によって適宜変更可能である。そして、この混合によりセルロースナノファイバーが担持粉体の表面に付着して担持されることになり、液状（スラリー状）のセルロースナノファイバー含有組成物を調製することができる。

上記のセルロースナノファイバー含有組成物は液成分を含有した液状のままで、他の材料と混合するなどして使用することが可能である。また、上記液状のセルロースナノファイバー含有組成物から液成分を除去してその残留固形分をセルロースナノファイバー含有組成物とすることもできる。すなわち、セルロースナノファイバーを担持した担持粉体が分散する分散液から液成分を除去する（液成分が水の場合は脱水）ことができる。ここで、液成分の除去は濾過や蒸発などを利用することができる。そして、液成分を除去した後の固形分がセルロースナノファイバー含有組成物として得られるものである。セルロースナノファイバー含有組成物は、粒子の表面にセルロースナノファイバーが付着した担持粉体で構成されている。

また、液成分の除去後の固形分を乾燥させてさらに液成分を除去することができる。また、この乾燥後に固まったセルロースナノファイバー組成物をミル等で粉砕して細粉化してもよい。

上記のようなセルロースナノファイバー含有組成物はフィラー等として使用することができる。例えば、セメントと骨材とセルロースナノファイバー含有組成物とを配合することによりセメント組成物を調製することができる。また、樹脂とセルロースナノファイバー含有組成物とを配合することにより樹脂成形材料を調製することができる。この場合、セルロースナノファイバー単独で他の材料と混合しようとした場合、セルロースナノファイバーはその比表面積が非常に高いために、乾燥すると繊維同士が水素結合により強固の結合してしまう。従って、乾式材料でのセルロースナノファイバーの分散が非常に困難であり、セルロースナノファイバーの補強効果等の物性向上機能を十分に発揮させることが難しい。一方、上記のセルロースナノファイバー含有組成物を用いると、セルロースナノファイバーは担持粉体の表面に付着した状態で、担持粉体の分散とともに分散されるため、乾式材料であってもセルロースナノファイバーの分散性を向上させることができる。従って、セルロースナノファイバーの補強効果等の物性向上機能を十分に発揮させることができるものである。

セメント成形体を製造するにあたっては、上記のように、セメントと骨材とセルロースナノファイバー含有組成物などを乾式で（水を用いないで）配合することによりセメント組成物を調製し、この後、セメント組成物を板状などの所望の形状に成形し、これに水を散布するなどして供給することができる。この後、水が供給されたセメント組成物を養生し、水によりセメントを他の材料と共に硬化させることによってセメント成形体を得ることができる。尚、上記のセメント組成物を調製するにあたって、各材料の配合割合は特に限定されないが、例えば、セメント３０〜５０質量部、骨材１０〜４０質量部、セルロースナノファイバー含有組成物０．１〜１０質量部などとすることができる。また、セメント成形体を製造するにあたっては、セメント組成物１００質量部に対して１０〜１００質量部の水を供給することができる。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（実施例１）
［セルロースナノファイバー含有組成物の調製］
セルロースナノファイバーとしては、ダイセル化学工業株式会社製の「ＫＹ１００Ｓ」を用いた。この「ＫＹ１００Ｓ」は、水にセルロースナノファイバーを２５質量％の濃度で含有する液状物である。

６０質量部の「ＫＹ１００Ｓ」（セルロースナノファイバーを乾燥質量で１５質量部含有）に分散媒としての水を２２５０質量部加え、ミキサーにて室温で１分間撹拌混合することによって、分散液を調製した。この分散液におけるセルロースナノファイバーの濃度は０．６５質量％である。

この分散液に平均粒径が２０μｍの珪石粉を４５０質量部配合し、室温で１分間撹拌混合してスラリーを調製した。次に、スラリーを簡易脱水機で脱水した後、８０℃にて２４時間乾燥し、分散液の液成分（水）を除去した。そして、乾燥後に得られたケーク（固形分）をミルにて粉砕することによって、セルロースナノファイバー含有組成物を得た。

［セメント板の製造］
３１０質量部のセルロースナノファイバー含有組成物（セルロースナノファイバー１０質量部に対し珪石粉３００質量部）と、４００質量部のセメントと、２５０質量部の骨材（硅砂及びフライアッシュを含有）と、４０質量部のパルプとをアイリッヒミキサーにて十分に撹拌混合して乾式セメント材料を得た。この乾式セメント材料を層状に散布した後、その上に２００質量部の水を散布し、この後、油圧プレスを用いて面圧３０ＭＰａ（３００ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧成形した。この成形板を２４時間室温にて養生後、１７０℃にてオートクレーブ養生することにより、厚み６ｍｍのセメント板を得た。

（実施例２）
セルロースナノファイバー含有組成物の配合量を３２０質量部（セルロースナノファイバー２０質量部に対し珪石粉３００質量部）とし、パルプの配合量を３０質量部とした以外は、実施例１と同様にしてセメント板を得た。

（実施例３）
上記の［セルロースナノファイバー含有組成物の調製］において、平均粒径が０．９μｍの珪石粉を用いてセルロースナノファイバー含有組成物を調製した以外は、実施例１と同様にしてセメント板を得た。

（実施例４）
上記の［セルロースナノファイバー含有組成物の調製］において、平均粒径が１０１μｍの珪石粉を用いてセルロースナノファイバー含有組成物を調製した以外は、実施例１と同様にしてセメント板を得た。

（比較例１）
セルロースナノファイバー含有組成物の配合量を０質量部とし（配合せず）、珪石粉の配合量を３００質量部とし、パルプの配合量を５０質量部とした以外は、実施例１と同様にしてセメント板を得た。尚、ここで使用する珪石粉は、上記（セルロースナノファイバー含有組成物の調製）で用いたものと同じものであり、セルロースナノファイバーが付着していないものである。

（比較例２）
パルプの配合量を４０質量部とし、セルロースナノファイバーの配合量を１０質量部とした以外は、比較例１と同様にしてセメント板を得た。尚、ここで使用するセルロースナノファイバーは、上記「ＫＹ１００Ｓ」のみを単独で用いた。

（比較例３）
パルプの配合量を３０質量部とし、セルロースナノファイバーの配合量を２０質量部とした以外は、比較例２と同様にしてセメント板を得た。

（性能評価）
実施例１〜４及び比較例１〜３のセメント板について、最大強度、吸水率、含水率、比重をそれぞれ測定した。

最大強度は、（ＪＩＳ Ａ ５４３０）で測定した。

吸水率は、（ＪＩＳ Ａ ５４３０）で測定した。

含水率は、（ＪＩＳ Ａ ５４３０）で測定した。

比重は、（ＪＩＳ Ａ ５４３０）で測定した。

結果を表１に示す。

実施例では、パルプをセルロースナノファイバーに置換することで強度が上昇していることが判る。一方、比較例では逆に強度が低下した。比較例では、十分にセルロースナノファイバーがセメント板中で分散しておらず、塊になっていると考えられる。従って、その塊があたかも異物が混入した状態のようになっており、この塊が欠点となって強度低下が生じていると考えられる。実施例ではセルロースナノファイバーの分散状態が良好であり、セルロースナノファイバーの補強繊維としての機能が十分に発揮されてセメント板の強度が向上したと考えられる。また、セルロースナノファイバーが乾式セメント材料中に略均一に分散すると、パルプとその他の粉体材料とが一体化しやすくなり、パルプと粉体材料との分離が抑えられ、セメント板の強度が向上したと考えられる。

Claims (5)

1. セルロースナノファイバーを１質量％以下の濃度で含有する分散液を調製し、この分散液に担持粉体を配合して混合することを特徴とするセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法。
2. 前記分散液に前記担持粉体を配合して混合した後、前記分散液の液成分の除去及び乾燥を行い、この後、残留固形分を粉砕することを特徴とする請求項１に記載のセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法。
3. 前記担持粉体の平均粒径が１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法。
4. 前記担持粉体が珪石粉であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセルロースナノファイバー含有組成物の製造方法で得られた前記セルロースナノファイバー含有組成物とセメントとを乾式で混合することによりセメント組成物を調製し、このセメント組成物に水を加えて硬化させることを特徴とするセメント成形体の製造方法。