JP2018111768A - Fiber material and method for producing fiber material, and composite material and method for producing composite material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber material that is excellent in workability of a composite material using cellulose nanofiber and a method of producing the same.SOLUTION: A method for producing a fiber material includes: a mixture step (S10) for mixing cellulose nanofiber, metal salt and aqueous solvent to obtain a CNF dispersion liquid; and a drying step (S12) for removing the aqueous solvent from the CNF dispersion liquid obtained in the mixture step (S10) to obtain a fiber material. In the CNF dispersion liquid, a mass ratio of metal salt to cellulose nanofiber is 0.1-2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、セルロースナノファイバーを用いた繊維材料及び繊維材料の製造方法並びに複合材料及び複合材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a fiber material using a cellulose nanofiber, a method for producing the fiber material, a composite material, and a method for producing the composite material.

近年、天然セルロース繊維をナノサイズに解繊したセルロースナノファイバーが注目されている。天然セルロース繊維は、木材などのパルプを原料とするバイオマスであって、これを有効利用することによって、環境負荷低減が期待される。   In recent years, cellulose nanofibers obtained by deflating natural cellulose fibers into nanosizes have attracted attention. Natural cellulose fiber is biomass that uses pulp such as wood as a raw material, and it is expected to reduce the environmental load by effectively using this.

セルロースナノファイバーは、水分散液として市場に提供されているが、エラストマーや合成樹脂との複合化のための加工が困難であった。セルロースナノファイバーは、水分散液から水を除去する乾燥工程において水素結合を形成して凝集するため、複合化過程において、セルロースナノファイバーが高度に解繊された状態で存在できず、複合材料をセルロースナノファイバーによって十分に補強することができなかった。   Cellulose nanofibers are provided in the market as aqueous dispersions, but it has been difficult to process them for compounding with elastomers and synthetic resins. Cellulose nanofibers agglomerate by forming hydrogen bonds in the drying process that removes water from the aqueous dispersion, so that cellulose nanofibers cannot exist in a highly defibrated state in the composite process, and the composite material The cellulose nanofibers could not be sufficiently reinforced.

そこで、セルロースナノファイバー水分散液とゴムラテックスまたは樹脂エマルジョンとを混合する方法が提案された(特許文献1,2参照)。   Then, the method of mixing a cellulose nanofiber aqueous dispersion and rubber latex or a resin emulsion was proposed (refer patent documents 1, 2).

しかしながら、これらの方法で製造された複合材料は、ゴムラテックスまたは樹脂エマルジョンの特性に影響されることがあった。また、ゴムラテックスまたは樹脂エマルジョンとして市場に流通していないゴムや樹脂への適用ができなかった。   However, composite materials produced by these methods may be affected by the properties of rubber latex or resin emulsion. In addition, it could not be applied to rubber and resin not marketed as rubber latex or resin emulsion.

特開2015−98576号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-98576 特開2016−29169号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-29169

本発明の目的は、セルロースナノファイバーを複合化するための加工性に優れた繊維材料及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、当該繊維材料を用いた複合材料及びその製造方法を提供することにある。   The objective of this invention is providing the fiber material excellent in the workability for complexing a cellulose nanofiber, and its manufacturing method. Moreover, the objective of this invention is providing the composite material using the said fiber material, and its manufacturing method.

[適用例1]本適用例に係る繊維材料の製造方法は、
セルロースナノファイバーと金属塩と水系溶媒とを混合してCNF分散液を得る混合工程と、
前記混合工程で得られた前記CNF分散液から水系溶媒を除去して繊維材料を得る乾燥工程と、
を含み、
前記CNF分散液における前記金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍であることを特徴とする。
[Application Example 1] A manufacturing method of a fiber material according to this application example is as follows:
A mixing step of mixing a cellulose nanofiber, a metal salt, and an aqueous solvent to obtain a CNF dispersion;
A drying step of removing the aqueous solvent from the CNF dispersion obtained in the mixing step to obtain a fiber material;
Including
The mass ratio of the metal salt to the cellulose nanofiber in the CNF dispersion is 0.1 to 2 times.

[適用例2]
前記適用例に係る繊維材料の製造方法において、
前記金属塩は、1価金属塩及び2価金属塩の少なくとも一方を含むことができる。
[Application Example 2]
In the method for manufacturing a fiber material according to the application example,
The metal salt may include at least one of a monovalent metal salt and a divalent metal salt.

[適用例3]
前記適用例に係る繊維材料の製造方法において、
前記金属塩が1価金属塩であり、
前記CNF分散液における前記1価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が0.2倍〜2倍であることができる。
[Application Example 3]
In the method for manufacturing a fiber material according to the application example,
The metal salt is a monovalent metal salt;
The mass ratio of the monovalent metal salt to the cellulose nanofibers in the CNF dispersion may be 0.2 to 2 times.

[適用例4]
前記適用例に係る繊維材料の製造方法において、
前記金属塩が2価金属塩であり、
前記CNF分散液における前記2価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍であることができる。
[Application Example 4]
In the method for manufacturing a fiber material according to the application example,
The metal salt is a divalent metal salt;
The mass ratio of the divalent metal salt to the cellulose nanofiber in the CNF dispersion may be 0.1 to 2 times.

[適用例5]
本適用例に係る複合材料の製造方法は、
前記適用例の前記繊維材料が所定量の水分を含む膨潤繊維材料であり、
前記膨潤繊維材料を、エラストマーに混合して複合材料を得る混練工程をさらに含み、
前記混練工程は、ロール間隔が0.1mm〜0.5mmでロール温度が0℃〜50℃に設定されたオープンロールを用いて薄通しする工程を含むことを特徴とする。
[Application Example 5]
The manufacturing method of the composite material according to this application example is as follows:
The fiber material of the application example is a swollen fiber material containing a predetermined amount of moisture,
Further comprising a kneading step of mixing the swollen fiber material with an elastomer to obtain a composite material,
The kneading step includes a step of thinning using an open roll having a roll interval of 0.1 mm to 0.5 mm and a roll temperature of 0 ° C. to 50 ° C.

[適用例6]
本適用例に係る複合材料の製造方法は、
前記適用例の前記繊維材料が所定量の水分を含む膨潤繊維材料であり、
前記膨潤繊維材料を、合成樹脂に混合して複合材料を得る混練工程をさらに含むことを特徴とする。
[Application Example 6]
The manufacturing method of the composite material according to this application example is as follows:
The fiber material of the application example is a swollen fiber material containing a predetermined amount of moisture,
The method further includes a kneading step of mixing the swollen fiber material with a synthetic resin to obtain a composite material.

[適用例7]
前記適用例に係る複合材料の製造方法において、
前記合成樹脂は、熱可塑性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱可塑性樹脂の融点(Tm℃)付近における熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度(T3℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度までの範囲の混練温度で混練する工程を含むことができる。
[Application Example 7]
In the method for manufacturing a composite material according to the application example,
The synthetic resin is a thermoplastic resin,
In the kneading step, the processing region expression temperature in the storage elastic modulus of the thermoplastic resin composition near the melting point (Tm ° C.) of the thermoplastic resin is 1.06 times the flat region expression temperature (T3 ° C.) in the storage elastic modulus. A step of kneading at a kneading temperature in a range up to a temperature of (T3 ° C. × 1.06) can be included.

[適用例8]
前記適用例に係る複合材料の製造方法において、
前記合成樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱硬化性樹脂の主剤に前記膨潤繊維材料を混合し、前記主剤の軟化点より20℃低い温度から前記軟化点より10℃高い温度までの範囲の混練温度で混練した後、さらに硬化剤を混合する工程を含むことができる。
[Application Example 8]
In the method for manufacturing a composite material according to the application example,
The synthetic resin is a thermosetting resin,
In the kneading step, the swollen fiber material is mixed with the main component of the thermosetting resin and kneaded at a kneading temperature ranging from a temperature 20 ° C. lower than the softening point of the main agent to a temperature 10 ° C. higher than the softening point. Furthermore, the process of mixing a hardening | curing agent can be included.

[適用例9]
前記適用例に係る複合材料の製造方法において、
前記混練工程で得られた複合材料を脱水する脱水工程をさらに含むことができる。
[Application Example 9]
In the method for manufacturing a composite material according to the application example,
It may further include a dehydration step of dehydrating the composite material obtained in the kneading step.

[適用例10]
本適用例に係る繊維材料は、
金属塩由来の金属が結合したセルロースナノファイバーを含む。
[Application Example 10]
The fiber material according to this application example is
Cellulose nanofibers to which metal derived from a metal salt is bound are included.

[適用例11]
前記適用例に係る繊維材料において、
前記金属塩は、1価金属塩及び2価金属塩の少なくとも一方を含むことができる。
[Application Example 11]
In the fiber material according to the application example,
The metal salt may include at least one of a monovalent metal salt and a divalent metal salt.

[適用例12]
本適用例に係る複合材料は、
前記適用例の前記繊維材料から解繊されたセルロースナノファイバーとエラストマーまたは合成樹脂とを含むことを特徴とする。
[Application Example 12]
The composite material according to this application example is
It includes cellulose nanofibers defibrated from the fiber material of the application example and an elastomer or a synthetic resin.

[適用例13]
前記適用例に係る複合材料において、
前記複合材料は、最大幅が50μm以上のセルロースナノファイバー凝集塊を含まないことができる。
[Application Example 13]
In the composite material according to the application example,
The composite material may not include cellulose nanofiber aggregates having a maximum width of 50 μm or more.

本発明によれば、セルロースナノファイバーを複合化するための加工性に優れた繊維材料及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、当該繊維材料を用いた複合材料及びその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fiber material excellent in the workability for complexing a cellulose nanofiber and its manufacturing method can be provided. Moreover, according to this invention, the composite material using the said fiber material and its manufacturing method can be provided.

一実施の形態に係る繊維材料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 the fiber material which concerns on one embodiment. 一実施の形態に係る複合材料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 the composite material which concerns on one embodiment. 一実施の形態に係る複合材料の製造方法における混練工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the kneading | mixing process in the manufacturing method of the composite material which concerns on one embodiment. 一実施の形態に係る複合材料の製造方法における混練工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the kneading | mixing process in the manufacturing method of the composite material which concerns on one embodiment. 一実施の形態に係る複合材料の製造方法における混練工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the kneading | mixing process in the manufacturing method of the composite material which concerns on one embodiment. 実施例2の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。4 is an electron micrograph of a tensile fracture surface of a composite material of Example 2. FIG. 実施例4の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph of the tensile fracture surface of the composite material of Example 4. FIG. 実施例11の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。10 is a diagram showing an electron micrograph of a tensile fracture surface of a composite material of Example 11. FIG. 比較例3の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。10 is an electron micrograph of a tensile fracture surface of a composite material of Comparative Example 3. FIG. 比較例6の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph of the tensile fracture surface of the composite material of the comparative example 6. 比較例14の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph of the tensile fracture surface of the composite material of the comparative example 14. 実施例21,22の複合材料の応力−ひずみのグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph of the stress-strain of the composite material of Example 21,22. 実施例23の複合材料の線膨張係数−温度のグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph of the linear expansion coefficient-temperature of the composite material of Example 23. FIG. 第2温度の範囲を得るための方法を説明する実施例24のサンプルの貯蔵弾性率と温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the storage elastic modulus and temperature of the sample of Example 24 explaining the method for obtaining the range of 2nd temperature.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

1.繊維材料の製造方法
図1を用いて、一実施の形態に係る繊維材料の製造方法について説明する。図1は、一実施の形態に係る繊維材料の製造方法を示すフローチャートである。
1. Manufacturing method of fiber material The manufacturing method of the fiber material which concerns on one Embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a fiber material according to an embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る繊維材料の製造方法は、セルロースナノファイバーと金属塩と水系溶媒とを混合してCNF分散液を得る混合工程(S10)と、混合工程(S10)で得られたCNF分散液から水系溶媒を除去して繊維材料を得る乾燥工程(S
12)と、を含む。ここで、CNF分散液における金属塩のセルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍である。
As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the fiber material which concerns on this embodiment is a mixing process (S10) which mixes a cellulose nanofiber, a metal salt, and an aqueous solvent, and obtains a CNF dispersion liquid, and a mixing process (S10). A drying step (S) in which the aqueous solvent is removed from the CNF dispersion obtained in step 1 to obtain a fiber material.
12). Here, the mass ratio of the metal salt to the cellulose nanofibers in the CNF dispersion is 0.1 to 2 times.

1−1.混合工程
混合工程(S10)は、セルロースナノファイバーと金属塩と水系溶媒とを混合してCNF分散液を得る工程である。
1-1. Mixing step The mixing step (S10) is a step of obtaining a CNF dispersion by mixing cellulose nanofibers, a metal salt, and an aqueous solvent.

混合工程(S10)は、原料となるセルロースナノファイバー分散液に金属塩を投入し、公知の攪拌機例えば、プロペラ式攪拌機、ロータリー式攪拌機、三本ロールなどを用いて混合することができる。セルロースナノファイバー分散液と金属塩が溶解または分散した金属塩分散液とを混合してもよい。   In the mixing step (S10), a metal salt is added to the cellulose nanofiber dispersion as a raw material, and mixing can be performed using a known stirrer, for example, a propeller stirrer, a rotary stirrer, or a three roll. A cellulose nanofiber dispersion and a metal salt dispersion in which a metal salt is dissolved or dispersed may be mixed.

1−1−1.セルロースナノファイバー分散液
原料となるセルロースナノファイバー分散液は、第一工業製薬社などから市場で入手できるものを用いることができる。一般に、市場で入手できるセルロースナノファイバーは、例えば2%濃度等で水溶液中に分散されている状態で提供される。
1-1-1. Cellulose nanofiber dispersion The cellulose nanofiber dispersion used as a raw material may be a commercially available one from Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. In general, commercially available cellulose nanofibers are provided in a state of being dispersed in an aqueous solution at a concentration of 2%, for example.

原料となるセルロースナノファイバー分散液は、例えば天然セルロース繊維を酸化して酸化セルロース繊維を得る酸化工程と、酸化セルロース繊維を微細化処理する微細化工程と、を含む製造方法によって得ることができる。ここでは、酸化工程を用いたセルロースナノファイバー分散液の製造方法について説明するが、他の製造方法で得られたものでもよい。   The cellulose nanofiber dispersion used as a raw material can be obtained, for example, by a production method including an oxidation step of oxidizing natural cellulose fibers to obtain oxidized cellulose fibers and a refinement step of refining oxidized cellulose fibers. Here, although the manufacturing method of the cellulose nanofiber dispersion using an oxidation process is demonstrated, what was obtained with the other manufacturing method may be used.

まず、酸化工程は、原料となる天然セルロース繊維に対して水を加え、ミキサー等で処理して、水中に天然セルロース繊維を分散させたスラリーを調製する。   First, an oxidation process adds water with respect to the natural cellulose fiber used as a raw material, processes with a mixer etc., and prepares the slurry which disperse | distributed the natural cellulose fiber in water.

ここで、天然セルロース繊維としては、例えば、木材パルプ、綿系パルプ、バクテリアセルロース等が含まれる。より詳細には、木材パルプとしては、例えば針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ等を挙げることができ、綿系パルプとしては、コットンリンター、コットンリントなどを挙げることができ、非木材系パルプとしては、麦わらパルプ、バガスパルプ等を挙げることができる。天然セルロース繊維は、これらの少なくとも1種以上を用いることができる。   Here, natural cellulose fibers include, for example, wood pulp, cotton-based pulp, bacterial cellulose and the like. More specifically, examples of the wood pulp include coniferous pulp, hardwood pulp, and the like. Examples of the cotton pulp include cotton linter and cotton lint. Non-wood pulp includes Mention may be made of straw pulp, bagasse pulp and the like. At least one of these natural cellulose fibers can be used.

天然セルロース繊維は、セルロースミクロフィブリル束とその間を埋めているリグニン及びヘミセルロースから構成された構造を有する。すなわち、セルロースミクロフィブリル及び/又はセルロースミクロフィブリル束の周囲をヘミセルロースが覆い、さらにこれをリグニンが覆った構造を有していると推測される。リグニンによってセルロースミクロフィブリル及び/又はセルロースミクロフィブリル束間は、強固に接着しており、植物繊維を形成している。そのため、植物繊維中のリグニンはあらかじめ除去されていることが、植物繊維中のセルロース繊維の凝集を防ぐことができるという点で好ましい。具体的には、植物繊維含有材料中のリグニン含有量は、通常40質量%程度以下、好ましくは10質量%程度以下である。また、リグニンの除去率の下限は、特に限定されるものではなく、0質量%に近いほど好ましい。なお、リグニン含有量の測定は、Klason法により測定することができる。   Natural cellulose fibers have a structure composed of cellulose microfibril bundles and lignin and hemicellulose filling them. That is, it is presumed that the cellulose microfibril and / or the cellulose microfibril bundle has a structure in which hemicellulose covers and further this is covered with lignin. Cellulose microfibrils and / or cellulose microfibril bundles are firmly bonded by lignin to form plant fibers. Therefore, it is preferable that lignin in the plant fiber is removed in advance from the viewpoint that aggregation of the cellulose fiber in the plant fiber can be prevented. Specifically, the lignin content in the plant fiber-containing material is usually about 40% by mass or less, preferably about 10% by mass or less. Further, the lower limit of the lignin removal rate is not particularly limited, and it is preferably as close to 0% by mass. The lignin content can be measured by the Klason method.

セルロースミクロフィブリルとしては、幅4nm程のセルロースミクロフィブリルが最小単位として存在し、これをシングルセルロースナノファイバーと呼ぶことができる。本発明において、「セルロースナノファイバー」とは、天然セルロース繊維及び/又は酸化セルロース繊維をナノサイズレベルまで解きほぐしたものであり、特に繊維径の平均値が1nm〜200nmであることができ、さらに1nm〜150nmであることができ、特
に1nm〜100nmのセルロースミクロフィブリル及び/又はセルロースミクロフィブリル束であることができる。すなわち、セルロースナノファイバーは、シングルセルロースナノファイバー単体、またはシングルセルロースナノファイバーが複数本集まった束を含むことができる。
As the cellulose microfibril, a cellulose microfibril having a width of about 4 nm exists as a minimum unit, and this can be called a single cellulose nanofiber. In the present invention, the “cellulose nanofiber” is a material obtained by unraveling natural cellulose fibers and / or oxidized cellulose fibers to the nanosize level. In particular, the average value of the fiber diameters can be 1 nm to 200 nm, and further 1 nm. Can be ˜150 nm, in particular cellulose microfibrils and / or cellulose microfibril bundles of 1 nm to 100 nm. That is, the cellulose nanofiber can include a single cellulose nanofiber alone or a bundle of a plurality of single cellulose nanofibers.

セルロースナノファイバーのアスペクト比(繊維長/繊維径)は、平均値で、10〜1000であることができ、さらに10〜500であることができ、特に100〜350であることができる。   The aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of the cellulose nanofiber can be an average value of 10 to 1000, more preferably 10 to 500, and particularly preferably 100 to 350.

なお、セルロースナノファイバーの繊維径及び繊維長の平均値は、電子顕微鏡の視野内のセルロースナノファイバーの少なくとも50本以上について測定した算術平均値である。   In addition, the average value of the fiber diameter and fiber length of a cellulose nanofiber is an arithmetic average value measured about at least 50 or more of the cellulose nanofiber within the visual field of an electron microscope.

次に、酸化工程として、水中においてN−オキシル化合物を酸化触媒として天然セルロース繊維を酸化処理して酸化セルロース繊維を得る。セルロースの酸化触媒として使用可能なN−オキシル化合物としては、例えば、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル(以下、TEMPOとも表記する)、4−アセトアミド−TEMPO、4−カルボキシ−TEMPO、4−フォスフォノオキシ−TEMPO等を用いることができる。   Next, as an oxidation step, natural cellulose fibers are oxidized in water using an N-oxyl compound as an oxidation catalyst to obtain oxidized cellulose fibers. Examples of N-oxyl compounds that can be used as an oxidation catalyst for cellulose include 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine-N-oxyl (hereinafter also referred to as TEMPO), 4-acetamide-TEMPO, 4-carboxy-TEMPO, 4-phosphonooxy-TEMPO, etc. can be used.

酸化工程後、例えば水洗とろ過を繰り返す精製工程を実施し、未反応の酸化剤や各種副生成物等の、スラリー中に含まれる酸化セルロース繊維以外の不純物を除去することができる。酸化セルロース繊維を含む溶媒は、例えば水に含浸させた状態であり、この段階では酸化セルロース繊維はセルロースナノファイバーの単位まで解繊されていない。溶媒は、水を用いることができるが、例えば、水以外にも目的に応じて水に可溶な有機溶媒(アルコール類、エーテル類、ケトン類等)を使用することができる。   After the oxidation step, for example, a purification step of repeating washing with water and filtration can be carried out to remove impurities other than oxidized cellulose fibers contained in the slurry, such as unreacted oxidant and various by-products. The solvent containing the oxidized cellulose fiber is, for example, in a state of being impregnated with water. At this stage, the oxidized cellulose fiber is not defibrated up to the unit of cellulose nanofiber. As the solvent, water can be used. For example, in addition to water, organic solvents (alcohols, ethers, ketones, etc.) soluble in water can be used depending on the purpose.

酸化セルロース繊維は、セルロースナノファイバーの水酸基の一部がカルボキシル基を有する置換基で変性され、カルボキシル基を有する。酸化セルロース繊維は、繊維径の平均値が10μm〜30μmであることができる。なお、酸化セルロース繊維の繊維径の平均値は、電子顕微鏡の視野内の酸化セルロース繊維の少なくとも50本以上について測定した算術平均値である。酸化セルロース繊維は、セルロースミクロフィブリルの束であることができる。酸化セルロース繊維は微細化工程においてセルロースナノファイバーに解繊することができる。   Oxidized cellulose fiber has a carboxyl group by modifying a part of the hydroxyl group of cellulose nanofiber with a substituent having a carboxyl group. The average value of the fiber diameter of the oxidized cellulose fiber can be 10 μm to 30 μm. In addition, the average value of the fiber diameter of an oxidized cellulose fiber is an arithmetic average value measured about at least 50 or more of the oxidized cellulose fiber in the visual field of an electron microscope. The oxidized cellulose fiber can be a bundle of cellulose microfibrils. Oxidized cellulose fibers can be fibrillated into cellulose nanofibers in the refinement process.

微細化工程は、酸化セルロース繊維を水等の溶媒中で撹拌処理することができ、セルロースナノファイバーを得ることができる。   In the micronization step, the oxidized cellulose fiber can be stirred in a solvent such as water, and cellulose nanofibers can be obtained.

微細化工程において、分散媒としての溶媒を水とすることができる。また、水以外の溶媒として、水に可溶な有機溶媒、例えば、アルコール類、エーテル類、ケトン類等を単独でまたは組み合わせて使用することができる。   In the miniaturization step, the solvent as the dispersion medium can be water. Moreover, as a solvent other than water, water-soluble organic solvents such as alcohols, ethers, and ketones can be used alone or in combination.

微細化工程における撹拌処理は、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等を用いることができる。   The agitation treatment in the miniaturization process includes, for example, a disaggregator, a beater, a low pressure homogenizer, a high pressure homogenizer, a grinder, a cutter mill, a ball mill, a jet mill, a short axis extruder, a twin screw extruder, an ultrasonic agitator, and a home juicer mixer. Etc. can be used.

また、微細化処理における酸化セルロース繊維を含む溶媒の固形分濃度は、例えば50質量%以下とすることができる。この固形分濃度が50質量%を超えると、分散に高いエネルギーを必要とすることになる。   Moreover, solid content concentration of the solvent containing the oxidized cellulose fiber in the refining treatment can be, for example, 50% by mass or less. When this solid content concentration exceeds 50% by mass, high energy is required for dispersion.

微細化工程によってセルロースナノファイバーを含むセルロースナノファイバー分散液を得ることができる。セルロースナノファイバー分散液は、無色透明又は半透明な懸濁液であることができる。懸濁液には、表面酸化されると共に解繊されて微細化した繊維であるセルロースナノファイバーが水中に分散されている。すなわち、この分散液においては、ミクロフィブリル間の強い凝集力(表面間の水素結合)を、酸化工程によるカルボキシル基の導入によって弱め、更に微細化工程を経ることで、セルロースナノファイバーが得られる。そして、酸化工程の条件を調整することにより、カルボキシル基含有量、極性、平均繊維径、平均繊維長、平均アスペクト比等を制御することができる。   A cellulose nanofiber dispersion containing cellulose nanofibers can be obtained by the refinement process. The cellulose nanofiber dispersion can be a colorless, transparent or translucent suspension. In the suspension, cellulose nanofibers, which are fibers oxidized and defibrated and refined, are dispersed in water. That is, in this dispersion, cellulose nanofibers can be obtained by weakening the strong cohesion between microfibrils (hydrogen bonding between surfaces) by introducing carboxyl groups in the oxidation step and further through a refinement step. And by adjusting the conditions of the oxidation step, the carboxyl group content, polarity, average fiber diameter, average fiber length, average aspect ratio, etc. can be controlled.

このようにして得られたセルロースナノファイバー分散液は、セルロースナノファイバーを0.1質量%〜10質量%含むことができる。また、例えば、セルロースナノファイバーの固形分1質量%に希釈した分散液であることができる。さらに、分散液は、光透過率が40%以上であることができ、さらに光透過率が60%以上であることができ、特に80%以上であることができる。分散液の透過率は、紫外可視分光硬度計を用いて、波長660nmでの透過率として測定することができる。   Thus, the obtained cellulose nanofiber dispersion liquid can contain 0.1-10 mass% of cellulose nanofibers. Further, for example, it can be a dispersion diluted to 1% by mass of cellulose nanofibers. Further, the dispersion may have a light transmittance of 40% or more, a light transmittance of 60% or more, and particularly 80% or more. The transmittance of the dispersion can be measured as the transmittance at a wavelength of 660 nm using an ultraviolet-visible spectral hardness meter.

1−1−2.金属塩
金属塩は、セルロースナノファイバー分散液と混合されることで金属イオンがセルロースナノファイバーとイオン結合することができる。金属塩は、1価金属塩、2価金属塩及び3価金属塩の少なくとも1種を含むことができる。金属塩としては、1価金属塩及び2価金属塩が好ましい。1価金属塩としては、ナトリウム、カリウム、銀を含む塩であり、例えば、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウムなどの不飽和酸金属塩モノマーを挙げることができる。2価金属塩としては、マグネシウム、カルシウム、バリウム、亜鉛、銅、鉄、鉛、ニッケル、マンガン、スズなどを含む塩であり、例えば、アクリル酸亜鉛、アクリル酸マグネシウム、アクリル酸カルシウム、メタクリル酸亜鉛、メタクリル酸マグネシウム、メタクリル酸カルシウムなどの不飽和酸金属塩モノマーを挙げることができる。3価金属塩としては、例えば、メタクリル酸ネオジム、塩化アルミニウム(AlCl)、塩化鉄(FeCl)などを挙げることができる。金属塩は、水溶性であっても、非水溶性であってもよい。
1-1-2. Metal salt Metal ions can be ion-bonded to cellulose nanofibers by mixing with a cellulose nanofiber dispersion. The metal salt can include at least one of a monovalent metal salt, a divalent metal salt, and a trivalent metal salt. As the metal salt, a monovalent metal salt and a divalent metal salt are preferable. The monovalent metal salt is a salt containing sodium, potassium, and silver, and examples thereof include unsaturated acid metal salt monomers such as sodium acrylate, potassium acrylate, sodium methacrylate, and potassium methacrylate. Examples of the divalent metal salt include magnesium, calcium, barium, zinc, copper, iron, lead, nickel, manganese, tin, and the like. For example, zinc acrylate, magnesium acrylate, calcium acrylate, zinc methacrylate And unsaturated acid metal salt monomers such as magnesium methacrylate and calcium methacrylate. Examples of the trivalent metal salt include neodymium methacrylate, aluminum chloride (AlCl 3 ), and iron chloride (FeCl 3 ). The metal salt may be water-soluble or water-insoluble.

CNF分散液における金属塩のセルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍である。金属塩がセルロースナノファイバーに対する質量比で0.1倍未満であると、後述する混練工程における加工性が低下する。すなわち、混練工程でセルロースナノファイバーの凝集塊を解繊させることが困難になる。また、金属塩がセルロースナノファイバーに対する質量比で2倍を超えると、繊維材料の段階でセルロースナノファイバーと結合しなかった金属塩が析出する。析出した金属塩は、後述する混練工程でエラストマー等の物性に影響を与える可能性がある。金属塩は、さらにセルロースナノファイバーに対する質量比が0.2倍〜1.5倍であることができる。   The mass ratio of the metal salt to the cellulose nanofibers in the CNF dispersion is 0.1 to 2 times. When the metal salt is less than 0.1 times in mass ratio with respect to the cellulose nanofiber, workability in the kneading step described later is lowered. That is, it becomes difficult to fibrillate the aggregate of cellulose nanofibers in the kneading step. Moreover, when a metal salt exceeds 2 times by mass ratio with respect to a cellulose nanofiber, the metal salt which was not couple | bonded with the cellulose nanofiber will precipitate in the stage of a fiber material. The precipitated metal salt may affect the physical properties of the elastomer and the like in the kneading step described later. The metal salt may further have a mass ratio with respect to the cellulose nanofibers of 0.2 times to 1.5 times.

金属塩が1価金属塩である場合には、CNF分散液における1価金属塩のセルロースナノファイバーに対する質量比が0.2倍〜2倍であることができ、さらに0.5倍〜1.5倍であることができる。金属塩が2価金属塩である場合には、CNF分散液における2価金属塩のセルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍であることができ、さらに0.2倍〜1.5倍であることができる。実験の結果、1価金属塩または2価金属塩とセルロースナノファイバーとの配合量により後述する混練工程における加工性に影響があると推測できる。   When the metal salt is a monovalent metal salt, the mass ratio of the monovalent metal salt to the cellulose nanofibers in the CNF dispersion can be 0.2 to 2 times, and further 0.5 to 1 to 1. It can be 5 times. When the metal salt is a divalent metal salt, the mass ratio of the divalent metal salt to the cellulose nanofibers in the CNF dispersion can be 0.1 to 2 times, and further 0.2 to 1 to 1. It can be 5 times. As a result of the experiment, it can be presumed that the workability in the kneading step described later is affected by the blending amount of the monovalent metal salt or divalent metal salt and cellulose nanofiber.

水系溶媒としては、水または水溶性成分を含有する水溶液であってもよい。   The aqueous solvent may be water or an aqueous solution containing a water-soluble component.

1−1−3.CNF分散液
CNF分散液は、セルロースナノファイバーと金属塩と水系溶媒とが混合されたものであり、水溶性の金属塩はイオン化して金属イオンがセルロースナノファイバーに結合し、非水溶性の金属塩も金属イオンがセルロースナノファイバーと結合すると考えられる。CNF分散液は、金属塩を含んでいない原料としてのセルロースナノファイバー分散液と区別するために「CNF分散液」と表記する。金属イオンは、セルロースナノファイバーのカルボキシ基とイオン結合しているNaと置換してイオン結合している。CNF分散液中において水溶性の金属イオンは複数の金属イオンが寄り集ってイオンクラスターを形成していると考えられる。そして、そのイオンクラスターにセルロースナノファイバーが結合していると考えられる。また、非水溶性の金属塩を用いても複合材料の物性が水溶性の金属塩と同様に向上していることから、金属イオンがイオンクラスターを形成し、そのイオンクラスターにセルロースナノファイバーが結合していると考えられる。イオンクラスターの大きさは、数十nm〜数百nmである。
1-1-3. CNF dispersion The CNF dispersion is a mixture of cellulose nanofibers, metal salts, and aqueous solvents. The water-soluble metal salts are ionized and the metal ions are bonded to the cellulose nanofibers, resulting in a water-insoluble metal. It is considered that the metal ions bind to cellulose nanofibers in the salt. The CNF dispersion is referred to as “CNF dispersion” in order to distinguish it from the cellulose nanofiber dispersion as a raw material not containing a metal salt. The metal ion is ion-bonded by substitution with Na + that is ion-bonded to the carboxy group of the cellulose nanofiber. In the CNF dispersion, water-soluble metal ions are considered to form an ion cluster by gathering a plurality of metal ions. And it is thought that the cellulose nanofiber has couple | bonded with the ion cluster. In addition, even if a water-insoluble metal salt is used, the physical properties of the composite material are improved in the same way as the water-soluble metal salt, so that metal ions form ion clusters and cellulose nanofibers bind to the ion clusters. it seems to do. The size of the ion cluster is several tens nm to several hundreds nm.

水溶性の金属イオンは、CNF分散液中において解繊された状態のセルロースナノファイバーに結合して全体に分散している。非水溶性の金属イオンは、解繊された状態のセルロースナノファイバーに結合しているが、CNF分散液の水系溶媒の一部が分離した状態でCNF分散液中に分散している。   Water-soluble metal ions are bonded and dispersed throughout the cellulose nanofibers in a defibrated state in the CNF dispersion. The water-insoluble metal ions are bonded to the fibrillated cellulose nanofibers, but are dispersed in the CNF dispersion in a state where a part of the aqueous solvent of the CNF dispersion is separated.

1−2.乾燥工程
乾燥工程(S12)は、混合工程(S10)で得られたCNF分散液から水系溶媒を除去して繊維材料を得る工程である。CNF分散液から水系溶媒を除去する方法は、公知の方法を用いることができ、例えば加熱によって乾燥してもよい。
1-2. Drying Step The drying step (S12) is a step of removing the aqueous solvent from the CNF dispersion obtained in the mixing step (S10) to obtain a fiber material. As a method for removing the aqueous solvent from the CNF dispersion, a known method can be used, and for example, drying may be performed by heating.

例えば、CNF分散液を容器(バット等)に流し込み、その容器をオーブンに入れて30℃〜100℃で水系溶媒を蒸発させる。繊維材料を後述する複合材料の製造方法で用いる場合には、繊維材料に所定量の水分を含んだ状態まで乾燥させて、膨潤繊維材料としてもよい。膨潤繊維材料については、後述する膨潤工程で説明する。   For example, the CNF dispersion is poured into a container (such as a vat), and the container is placed in an oven to evaporate the aqueous solvent at 30 ° C. to 100 ° C. When the fiber material is used in the composite material manufacturing method described later, the fiber material may be dried to a state containing a predetermined amount of moisture to obtain a swollen fiber material. The swollen fiber material will be described in the later-described swelling step.

1−3.繊維材料
乾燥工程で得られた繊維材料は、金属塩由来の金属が結合したセルロースナノファイバーを含む。
1-3. Fiber material The fiber material obtained in the drying step includes cellulose nanofibers to which a metal derived from a metal salt is bound.

繊維材料は、混練工程における加工性を考慮して粉末状に粉砕することができる。   The fiber material can be pulverized into powder in consideration of processability in the kneading step.

水系溶媒が除去されたことにより、繊維材料中のセルロースナノファイバーは再びセルロースナノファイバー表面で水素結合が形成されるため、再凝集して例えばシート状の固形物となる。繊維材料をこのままエラストマーなどに混合してもセルロースナノファイバーに解繊されることはなく、粉砕された固形物がエラストマーに分散されるだけである。   By removing the aqueous solvent, the cellulose nanofibers in the fiber material are again formed with hydrogen bonds on the surface of the cellulose nanofibers, and thus re-aggregate to form, for example, a sheet-like solid. Even if the fiber material is mixed with the elastomer or the like as it is, it is not defibrated into the cellulose nanofibers, and the pulverized solid is only dispersed in the elastomer.

繊維材料をエラストマー等に混合して、ナノサイズの繊維であるセルロースナノファイバーの補強等の効果を得るためには、CNF分散液中と同様にセルロースナノファイバーが一本一本にほぐれた状態で複合材料中に分散させる必要がある。   In order to obtain the effect of reinforcing cellulose nanofibers, which are nano-sized fibers, by mixing fiber materials with elastomers, etc., the cellulose nanofibers are loosened one by one as in the CNF dispersion. It must be dispersed in the composite material.

2.複合材料の製造方法
図2を用いて、一実施の形態に係る複合材料の製造方法について説明する。図2は、一実施の形態に係る複合材料の製造方法を示すフローチャートである。
2. Manufacturing Method of Composite Material A manufacturing method of a composite material according to an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing a composite material according to an embodiment.

本実施形態に係る複合材料の製造方法は、膨潤繊維材料を、エラストマーまたは合成樹脂に混合して複合材料を得る混練工程(S16)をさらに含む。混練工程(S16)に用いる膨潤繊維材料は、乾燥工程(S12)で得られた繊維材料が所定量の水分を含む膨潤
繊維材料であってもよい。また、例えば、図2に示すように、複合材料の製造方法は、繊維材料を水で膨潤させる膨潤工程(S14)と、膨潤した膨潤繊維材料とエラストマーまたは合成樹脂とを混合して複合材料を得る混練工程(S16)と、複合材料から水分を除去する脱水工程(S18)と、を含むことができる。
The method for producing a composite material according to this embodiment further includes a kneading step (S16) in which the swollen fiber material is mixed with an elastomer or a synthetic resin to obtain a composite material. The swollen fiber material used in the kneading step (S16) may be a swollen fiber material in which the fiber material obtained in the drying step (S12) contains a predetermined amount of moisture. For example, as shown in FIG. 2, the method for producing a composite material includes a swelling step (S14) of swelling a fiber material with water, and mixing the swollen swollen fiber material with an elastomer or a synthetic resin to produce a composite material. A kneading step (S16) to be obtained and a dehydration step (S18) for removing moisture from the composite material can be included.

2−1.膨潤工程
膨潤工程(S14)は、繊維材料を水で膨潤させる工程である。
2-1. Swelling step The swelling step (S14) is a step of swelling the fiber material with water.

繊維材料に所定量の水を含ませることにより、繊維材料中で強固に結合したセルロースナノファイバー同士の剥離性を向上させる。繊維材料に吸収された水によってセルロースナノファイバーに結合した金属が再びイオン化し、セルロースナノファイバー同士の水素結合及び金属イオンクラスターとのイオン結合を弱めると考えられる。   By including a predetermined amount of water in the fiber material, the peelability between cellulose nanofibers firmly bonded in the fiber material is improved. It is considered that the metal bonded to the cellulose nanofibers is ionized again by the water absorbed by the fiber material and weakens the hydrogen bonds between the cellulose nanofibers and the ionic bonds with the metal ion clusters.

膨潤工程(S14)は、繊維材料と所定量の水を密閉容器に入れ、所定時間加熱して保持する。例えば、70℃で1時間程度である。密閉容器内で飽和水蒸気となった水が繊維材料に吸収され、繊維材料が膨潤する。密閉容器はガラス容器を用いることができ、また、オートクレーブ用の装置を用いることができる。   In the swelling step (S14), the fiber material and a predetermined amount of water are put into a sealed container and heated and held for a predetermined time. For example, it is about 1 hour at 70 ° C. Water that has become saturated water vapor in the sealed container is absorbed by the fiber material, and the fiber material swells. As the sealed container, a glass container can be used, and an autoclave apparatus can be used.

膨潤工程(S14)において繊維材料に含ませる所定量の水は、繊維材料に含まれるセルロースナノファイバーに対する質量比で0.5倍〜4倍であることができる。水のセルロースナノファイバーに対する質量比が0.5倍未満であると、混練工程(S16)における加工性が低下する。水のセルロースナノファイバーに対する質量比が4倍を超えると、エラストマー等に対して混ざりにくくなり、加工時間が長くなる。膨潤工程(S14)において繊維材料に含ませる所定量の水は、さらにセルロースナノファイバーに対する質量比が1倍〜3.5倍であることができ、特にセルロースナノファイバーに対する質量比が1倍〜3倍であることができる。   The predetermined amount of water to be included in the fiber material in the swelling step (S14) can be 0.5 to 4 times by mass ratio with respect to the cellulose nanofibers included in the fiber material. If the mass ratio of water to cellulose nanofibers is less than 0.5 times, the processability in the kneading step (S16) decreases. When the mass ratio of water to cellulose nanofibers exceeds 4 times, it becomes difficult to mix with the elastomer and the like, and the processing time becomes long. The predetermined amount of water to be included in the fiber material in the swelling step (S14) can further have a mass ratio of 1 to 3.5 times with respect to the cellulose nanofibers, and particularly a mass ratio with respect to the cellulose nanofibers of 1 to 3 times. Can be double.

膨潤工程(S14)は、混練工程における加工性及び解繊性を向上させるためのものである。そのため、膨潤工程(S14)を経なくても混練工程に用いる際の繊維材料が所定量の水を含んでいればよく、例えば、乾燥工程(S12)において所定の水分量になるまで水を除去してもよい。所定量の水を含む繊維材料は、膨潤繊維材料という。膨潤繊維材料における所定量の水は、乾燥工程(S14)で膨潤繊維材料を得る場合であっても、膨潤工程(S14)で得られた膨潤繊維材料に含まれる水の量と同じである。   The swelling step (S14) is for improving the workability and defibration in the kneading step. Therefore, the fiber material used in the kneading step only needs to contain a predetermined amount of water without passing through the swelling step (S14). For example, the water is removed until the predetermined moisture amount is reached in the drying step (S12). May be. A fiber material containing a predetermined amount of water is called a swollen fiber material. The predetermined amount of water in the swollen fiber material is the same as the amount of water contained in the swollen fiber material obtained in the swelling step (S14) even when the swollen fiber material is obtained in the drying step (S14).

2−2.混練工程
混練工程(S16)は、複合材料のマトリクスとなる材料によって条件が異なる。エラストマー、合成樹脂として熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂についてそれぞれ説明する。
2-2. Kneading process The conditions of the kneading process (S16) differ depending on the material to be the matrix of the composite material. A thermoplastic resin and a thermosetting resin will be described as elastomers and synthetic resins, respectively.

2−2−1.エラストマーを用いた混練工程
図3〜図5を用いて、繊維材料をエラストマーと混練する混練工程(S16)について説明する。図3〜図5は、一実施の形態に係る複合材料の製造方法を模式的に示す図である。混練工程(S16)は、ロール間隔が0.1mm〜0.5mmでロール温度が0℃〜50℃に設定されたオープンロールを用いて薄通しする薄通し工程を含むことを特徴とする。
2-2-1. Kneading Step Using Elastomer A kneading step (S16) for kneading the fiber material with the elastomer will be described with reference to FIGS. 3-5 is a figure which shows typically the manufacturing method of the composite material which concerns on one Embodiment. The kneading step (S16) includes a thinning step of thinning using an open roll having a roll interval of 0.1 mm to 0.5 mm and a roll temperature of 0 ° C to 50 ° C.

まず、薄通し工程の前に、図3に示すように、第1のロール10に巻き付けられたエラストマー30の素練りを行なうことができ、エラストマー30の分子鎖を適度に切断してフリーラジカルを生成する。素練りによって生成されたエラストマー30のフリーラジカルがセルロースナノファイバーと結びつきやすい状態となる。エラストマー30としては、天然ゴム、合成ゴム及び熱可塑性エラストマーを用いることができる。   First, before the thinning process, as shown in FIG. 3, the elastomer 30 wound around the first roll 10 can be masticated, and the molecular chain of the elastomer 30 is appropriately cut to remove free radicals. Generate. The free radicals of the elastomer 30 generated by mastication are in a state where they are easily combined with the cellulose nanofibers. As the elastomer 30, natural rubber, synthetic rubber and thermoplastic elastomer can be used.

次に、図4に示すように、第1のロール10に巻き付けられたエラストマー30のバンク34に、膨潤繊維材料80を徐々に投入し、混練して中間混合物を得る工程を行うことができる。ここで膨潤繊維材料80はセルロースナノファイバーの他に、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤、受酸剤などを含むことができる。これらのセルロースナノファイバー以外の配合剤は、混合の過程の適切な時期にエラストマー30に投入することができる。   Next, as shown in FIG. 4, the step of gradually adding the swollen fiber material 80 to the bank 34 of the elastomer 30 wound around the first roll 10 and kneading to obtain an intermediate mixture can be performed. Here, the swelling fiber material 80 is, for example, a crosslinking agent, a vulcanizing agent, a vulcanization accelerator, a vulcanization retarding agent, a softening agent, a plasticizer, a curing agent, a reinforcing agent, a filler, an anti-aging agent, in addition to cellulose nanofibers. Agents, colorants, acid acceptors and the like. These compounding agents other than cellulose nanofibers can be added to the elastomer 30 at an appropriate time in the mixing process.

図3及び図4の中間混合物を得る工程については、オープンロール法に限定されず、例えば密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。   The step of obtaining the intermediate mixture of FIGS. 3 and 4 is not limited to the open roll method, and for example, a closed kneading method or a multi-screw extrusion kneading method can be used.

さらに、図5に示すように、薄通し工程を行うことができる。薄通し工程は、ロール間隔が0.5mm以下のオープンロール2を用いて、0℃〜50℃で薄通しを行って未架橋の複合材料50を得る工程を行うことができる。この工程では、第1のロール10と第2のロール20とのロール間隔dを、例えば0.5mm以下、より好ましくは0.1mm〜0.5mmの間隔に設定し、図2で得られた中間混合物36をオープンロール2に投入して薄通しを1回〜複数回行なうことができる。薄通しの回数は、例えば1回〜10回程度行なうことができる。第1のロール10の表面速度をV1、第2のロール20の表面速度をV2とすると、薄通しにおける両者の表面速度比(V1/V2)は、1.05〜3.00であることができ、さらに1.05〜1.2であることができる。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。   Furthermore, as shown in FIG. 5, a thinning process can be performed. A thinning process can perform the process of performing thinning at 0 degreeC-50 degreeC using the open roll 2 whose roll space | interval is 0.5 mm or less, and obtaining the uncrosslinked composite material 50. FIG. In this step, the roll interval d between the first roll 10 and the second roll 20 is set to, for example, 0.5 mm or less, and more preferably 0.1 mm to 0.5 mm, and obtained in FIG. The intermediate mixture 36 can be put into the open roll 2 and thinning can be performed once to several times. For example, the thinning can be performed about 1 to 10 times. When the surface speed of the first roll 10 is V1 and the surface speed of the second roll 20 is V2, the ratio of the surface speeds (V1 / V2) in thinness is 1.05 to 3.00. And can be 1.05-1.2. By using such a surface velocity ratio, a desired shear force can be obtained.

このように狭いロール間から押し出された複合材料50は、エラストマーの弾性による復元力で図5のように大きく変形し、その際にエラストマーと共にセルロースナノファイバーが大きく移動する。薄通しして得られた複合材料50は、ロールで圧延されて所定厚さ、例えば100μm〜500μmのシート状に分出しされる。   Thus, the composite material 50 pushed out between narrow rolls deform | transforms large like FIG. 5 with the restoring force by the elasticity of an elastomer, and a cellulose nanofiber moves large with an elastomer in that case. The composite material 50 obtained through thinning is rolled with a roll and dispensed into a sheet having a predetermined thickness, for example, 100 μm to 500 μm.

この薄通し工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば0℃〜50℃に設定して行うことができ、さらに5℃〜30℃の比較的低い温度に設定して行うことができる。複合材料50の実測温度も0℃〜50℃に調整されることができ、さらに5℃〜30℃に調整されることができる。   In this thinning process, in order to obtain as high a shearing force as possible, the roll temperature can be set to, for example, 0 ° C. to 50 ° C., and further set to a relatively low temperature of 5 ° C. to 30 ° C. Can do. The actually measured temperature of the composite material 50 can also be adjusted to 0 ° C. to 50 ° C., and further adjusted to 5 ° C. to 30 ° C.

このような温度範囲に調整することによって、エラストマーの弾性を利用してセルロースナノファイバーを解繊し、解繊されたセルロースナノファイバーを複合材料50中に分散することができる。   By adjusting to such a temperature range, cellulose nanofibers can be defibrated using the elasticity of the elastomer, and the defibrated cellulose nanofibers can be dispersed in the composite material 50.

この薄通し工程における高い剪断力により、エラストマーに高い剪断力が作用し、膨潤繊維材料中のセルロースナノファイバーがエラストマーの分子に1本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー中に分散される。繊維材料の膨潤によってセルロースナノファイバーに結合した金属がイオン化し、セルロースナノファイバー同士の結合力を弱めているからである。特に、エラストマーは、弾性と、粘性と、を有するため、セルロースナノファイバーを解繊し、分散することができる。そして、セルロースナノファイバーの分散性および分散安定性(セルロースナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた複合材料50を得ることができる。   Due to the high shearing force in this thinning process, a high shearing force acts on the elastomer, so that the cellulose nanofibers in the swollen fiber material are separated from each other so as to be pulled out one by one to the elastomer molecules and dispersed in the elastomer. . This is because the metal bonded to the cellulose nanofibers is ionized by the swelling of the fiber material and weakens the bonding force between the cellulose nanofibers. In particular, since an elastomer has elasticity and viscosity, cellulose nanofibers can be defibrated and dispersed. And the composite material 50 excellent in the dispersibility and dispersion stability of cellulose nanofiber (it is hard to re-aggregate a cellulose nanofiber) can be obtained.

より具体的には、オープンロールでエラストマーとセルロースナノファイバーとを混合すると、粘性を有するエラストマーがセルロースナノファイバーの相互に侵入する。セルロースナノファイバーの表面が例えば酸化処理によって適度に活性が高いと、特にエラストマーの分子と結合し易くできる。次に、エラストマーに強い剪断力が作用すると、エラストマーの分子の移動に伴ってセルロースナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性
によるエラストマーの復元力によって、凝集していたセルロースナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、好ましい。
More specifically, when the elastomer and the cellulose nanofiber are mixed with an open roll, the viscous elastomer penetrates into the cellulose nanofiber. When the surface of the cellulose nanofiber is moderately high by, for example, oxidation treatment, it can be easily bonded to an elastomer molecule. Next, when a strong shearing force acts on the elastomer, the cellulose nanofibers move as the elastomer molecules move, and the aggregated cellulose nanofibers are separated by the restoring force of the elastomer due to elasticity after shearing. Will be dispersed in the elastomer. In particular, the open roll method is preferable because it can measure and manage not only the roll temperature but also the actual temperature of the mixture.

次に、合成樹脂を用いた場合の複合材料の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a composite material using a synthetic resin will be described.

2−2−2.熱可塑性樹脂を用いた混練工程
合成樹脂として熱可塑性樹脂を用いた混練工程について説明する。混練工程は、熱可塑性樹脂の融点(Tm℃)付近における熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度(T3℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度までの範囲の混練温度で混練する工程を含むことができる。
2-2-2. Kneading process using a thermoplastic resin A kneading process using a thermoplastic resin as a synthetic resin will be described. In the kneading step, the processing region expression temperature in the storage elastic modulus of the thermoplastic resin composition near the melting point (Tm ° C.) of the thermoplastic resin is 1.06 times the flat region expression temperature (T3 ° C.) in the storage elastic modulus (T3). A step of kneading at a kneading temperature in the range up to a temperature of ° C x 1.06).

混練工程は、熱可塑性樹脂を溶融して成形加工するための装置、例えば、オープンロール、密閉式混練機、押出機、射出成形機などを用いることができる。例えば、コニカル型スクリュウを有する押出成形機や、図3〜図5に示すようなオープンロール2を用いて行うことができる。   In the kneading step, an apparatus for melting and molding a thermoplastic resin, for example, an open roll, a closed kneader, an extruder, an injection molding machine, or the like can be used. For example, it can be performed using an extruder having a conical screw or an open roll 2 as shown in FIGS.

混練工程は、例えば、熱可塑性樹脂と膨潤繊維材料とを第1温度で混練して第1の混合物を得る第1温度混合工程と、第1の混合物を第2温度に温度調節する低温化工程と、前記第1の混合物を前記第2温度で混練する低温混練工程と、を含むことができる。第1温度は、第2温度より高い温度であり、第2温度は、熱可塑性樹脂の融点(Tm℃)付近における複合材料の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度(T3℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度までの範囲である。   The kneading step includes, for example, a first temperature mixing step of kneading a thermoplastic resin and a swollen fiber material at a first temperature to obtain a first mixture, and a low temperature step of adjusting the temperature of the first mixture to a second temperature. And a low temperature kneading step of kneading the first mixture at the second temperature. The first temperature is higher than the second temperature, and the second temperature is a flat region expression in the storage elastic modulus from a processing region expression temperature in the storage elastic modulus of the composite material near the melting point (Tm ° C.) of the thermoplastic resin. The range is up to 1.06 times the temperature (T3 ° C.) (T3 ° C. × 1.06).

2−2−2−1.第1温度混合工程
第1温度混合工程は、熱可塑性樹脂と膨潤繊維材料とを第1温度で混練して第1の混合物を得る。
2-2-1-1. First Temperature Mixing Step In the first temperature mixing step, a thermoplastic resin and a swollen fiber material are kneaded at a first temperature to obtain a first mixture.

第1温度混合工程は、熱可塑性樹脂に予定した配合量の膨潤繊維材料を投入し終わるまでの工程であり、好ましくは、作業者が目視してセルロースナノファイバーが熱可塑性樹脂の全体に混合されたことを認識するまでの工程であることができる。前述したエラストマーの場合と同様に図3及び図4のように実施することができる。   The first temperature mixing step is a step until the amount of the swollen fiber material of a predetermined blending amount is completely added to the thermoplastic resin. Preferably, the cellulose nanofiber is mixed with the entire thermoplastic resin by visual observation by an operator. It can be a process until it is recognized. Similar to the case of the elastomer described above, the present invention can be carried out as shown in FIGS.

第1温度は、熱可塑性樹脂の融点(Tm)より高い温度である。第1温度は、第2温度より高い温度である。第1温度は、熱可塑性樹脂の融点(Tm)より25℃以上高い温度であることができる。第1温度は、熱可塑性樹脂の融点(Tm)より25℃以上70℃以下高い温度であることができ、融点(Tm)より25℃以上60℃以下高い温度であることができる。第1温度は、第1温度混合工程中の熱可塑性樹脂の実際の温度であり、加工装置の温度ではない。熱可塑性樹脂の成形加工温度は、一般的に、加工装置の例えば押出機や射出成形機であれば加熱筒の設定温度で表わされるが、通常、混練時のせん断発熱によって加工装置の設定温度よりも実際の樹脂の温度は高温になる。第1温度は加工中の温度であるため、できるだけ実際の樹脂の表面温度を測定することが望ましいが、測定できない場合は加工装置から第1の混合物を取り出した直後の樹脂の表面温度を測定してその温度とすることができる。第1温度は、樹脂を加工装置に投入した直後の温度ではなく、膨潤繊維材料を投入し終わって混合しているときの温度である。   The first temperature is higher than the melting point (Tm) of the thermoplastic resin. The first temperature is higher than the second temperature. The first temperature may be a temperature that is 25 ° C. or more higher than the melting point (Tm) of the thermoplastic resin. The first temperature may be a temperature that is 25 ° C. or more and 70 ° C. or less higher than the melting point (Tm) of the thermoplastic resin, and may be a temperature that is 25 ° C. or more and 60 ° C. or less higher than the melting point (Tm). The first temperature is the actual temperature of the thermoplastic resin during the first temperature mixing step, not the temperature of the processing apparatus. The molding processing temperature of the thermoplastic resin is generally represented by the set temperature of the heating cylinder in the case of, for example, an extruder or an injection molding machine of the processing apparatus. Even the actual resin temperature becomes high. Since the first temperature is the temperature during processing, it is desirable to measure the surface temperature of the actual resin as much as possible. However, if it cannot be measured, the surface temperature of the resin immediately after taking out the first mixture from the processing apparatus is measured. Temperature. The first temperature is not the temperature immediately after the resin is added to the processing apparatus, but the temperature when the swollen fiber material has been added and mixed.

本発明において「融点(Tm)」は、示差走査熱量測定(DSC)を用いてJIS K7121に準拠して測定した融解ピーク値をいう。   In the present invention, “melting point (Tm)” refers to a melting peak value measured in accordance with JIS K7121 using differential scanning calorimetry (DSC).

第1温度混合工程で得られた第1の混合物中におけるセルロースナノファイバーは、原
料と同じ凝集体のまま全体に分散して存在する。したがって、第1の混合物は、その材料中に欠陥を有することになり、例えば引張試験などを行うと、原料の熱可塑性樹脂単体のときよりも切断時伸びが著しく低下する。
Cellulose nanofibers in the first mixture obtained in the first temperature mixing step are dispersed throughout and remain in the same aggregate as the raw material. Therefore, the first mixture has defects in the material. For example, when a tensile test or the like is performed, the elongation at break is significantly lower than that of the raw material thermoplastic resin alone.

2−2−2−2.低温化工程
低温化工程は、第1の混合物を第2温度に温度調節する。
2-2-2-2. Low temperature process The low temperature process adjusts the temperature of the first mixture to the second temperature.

ここで第2温度について説明する。   Here, the second temperature will be described.

第1温度混合工程における一般的な加工設定温度すなわち加工装置の設定温度は、熱可塑性樹脂を短時間で十分に溶融させ、迅速に加工するために、熱可塑性樹脂の加工設定温度として推奨されている温度よりも高い温度である。したがって、熱可塑性樹脂は、その融点付近で加工は行なわない。加工時の熱可塑性樹脂の表面温度は、そのような加工設定温度よりも高くなることは前述のとおりである。   The general processing set temperature in the first temperature mixing step, that is, the set temperature of the processing apparatus, is recommended as the processing set temperature of the thermoplastic resin in order to sufficiently melt the thermoplastic resin in a short time and process it quickly. The temperature is higher than the Therefore, the thermoplastic resin is not processed near its melting point. As described above, the surface temperature of the thermoplastic resin during processing is higher than the processing set temperature.

特に、熱可塑性樹脂にセルロースナノファイバーのような充填剤が配合されている場合には、その加工設定温度は一般的な加工設定温度よりもさらに高い温度で加工を行うことになるのが通常である。また、セルロースナノファイバーの配合量が増えると剪断による発熱によって、第1温度混合工程における第1の混合物の温度が急激に上昇する。   In particular, when a filler such as cellulose nanofiber is blended in a thermoplastic resin, the processing set temperature is usually higher than the general processing set temperature. is there. Moreover, if the compounding quantity of a cellulose nanofiber increases, the temperature of the 1st mixture in a 1st temperature mixing process will rise rapidly by the heat_generation | fever by shearing.

したがって、低温混練工程を実施するためには、第1の混合物の温度を下げる必要がある。混練を行うと第1の混合物の温度は上昇するので、混練を続けながら温度を下げることが困難な場合がある。そのため、低温化工程は、混練後、混練機を所定時間停止し、または混練機から第1混合物を取り出して、第2温度まで放冷することができる。また、第1の混合物を扇風機、スポットクーラー、チラー等の冷却機構などを備えた冷却装置を用いて積極的に冷却することができる。積極的に冷却することで加工時間を短縮することができる。   Therefore, in order to carry out the low temperature kneading step, it is necessary to lower the temperature of the first mixture. When kneading is performed, the temperature of the first mixture rises, so it may be difficult to lower the temperature while continuing kneading. Therefore, in the low temperature process, after kneading, the kneader can be stopped for a predetermined time, or the first mixture can be taken out from the kneader and allowed to cool to the second temperature. In addition, the first mixture can be actively cooled using a cooling device including a cooling mechanism such as a fan, a spot cooler, or a chiller. Processing time can be shortened by actively cooling.

第2温度は、この製造方法に用いる熱可塑性樹脂の融点(Tm℃)付近における複合材料の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度(T3℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度までの範囲である。   The second temperature is 1.06 of the flat region expression temperature (T3 ° C.) in the storage elastic modulus from the processing region expression temperature in the storage elastic modulus of the composite material in the vicinity of the melting point (Tm ° C.) of the thermoplastic resin used in this production method. It is the range to the temperature of twice (T3 ° C. × 1.06).

発明者等の研究により、複合材料について、動的粘弾性試験(以下、DMA試験という。)を行うと、原料の熱可塑性樹脂とは異なる挙動を示すことがわかった。原料の熱可塑性樹脂は、融点(Tm)付近で貯蔵弾性率(E’)が急激に低下し、流動する。しかし、セルロースナノファイバーを混合した複合材料は、所定量以上のセルロースナノファイバーを分散させることにより、融点を超えても貯蔵弾性率(E’)がほとんど低下しない平坦領域、すなわちエラストマーのようなゴム弾性領域が発現することがわかった。   As a result of studies by the inventors, it was found that when a dynamic viscoelasticity test (hereinafter referred to as DMA test) is performed on a composite material, the composite material exhibits a behavior different from that of the raw material thermoplastic resin. The raw thermoplastic resin flows with the storage elastic modulus (E ′) rapidly decreasing near the melting point (Tm). However, a composite material in which cellulose nanofibers are mixed is a flat region in which the storage elastic modulus (E ′) hardly decreases even when the melting point is exceeded by dispersing cellulose nanofibers of a predetermined amount or more, that is, rubber such as elastomer. It was found that an elastic region was developed.

低温混練工程は、融点付近の温度からこの平坦領域の一部までを利用して、凝集しているセルロースナノファイバーをほぐすように解繊して、熱可塑性樹脂中に分散させるものである。第2温度の範囲を設定するためには、その配合の複合材料のサンプルについてあらかじめDMA試験を行う必要がある。具体的には以下のとおりである。   In the low temperature kneading step, the aggregated cellulose nanofibers are disentangled using a temperature from the vicinity of the melting point to a part of the flat region, and dispersed in the thermoplastic resin. In order to set the range of the second temperature, it is necessary to perform a DMA test in advance on a sample of the composite material having the blend. Specifically, it is as follows.

まず、所定の配合で前記2−2−2−1の第1温度混合工程を実施して第1の混合物を得る。次に、第1の混合物に対し、マトリクスとなる熱可塑性樹脂の融点付近の温度(例えば融点の+10〜+20℃の加工できる範囲)を混練温度として後述する低温混練工程と同様の工程を実施して複合材料サンプルを得る。このサンプルにおいてセルロースナノファイバー等は解繊されて分散していることが望ましいが、解繊が不十分であっても変曲点や平坦領域発現温度付近で明らかな特性の変化が確認できる。この複合材料サンプルに
ついてDMA試験を行い、貯蔵弾性率(E’)と温度(℃)との関係をグラフ化して平坦領域が確認されればこのDMA試験結果を用いる。又、この複合材料サンプルでは平坦領域が確認できなければ、変曲点と思われる温度付近を第2温度として上記方法で複合材料サンプルを新たに得て、DMA試験を行って同様にグラフ化する。このような作業を平坦領域が明確に発現するまで繰り返す。
First, the 1st temperature mixing process of said 2-2-2-1 is implemented with a predetermined | prescribed mixture, and a 1st mixture is obtained. Next, the first mixture is subjected to a step similar to the low-temperature kneading step described later with the temperature near the melting point of the thermoplastic resin serving as the matrix (for example, the processing range of +10 to + 20 ° C. of the melting point). To obtain a composite material sample. In this sample, it is desirable that cellulose nanofibers are defibrated and dispersed, but even if defibration is insufficient, a clear change in characteristics can be confirmed near the inflection point and flat region expression temperature. A DMA test is performed on the composite material sample, and the relationship between the storage elastic modulus (E ′) and temperature (° C.) is graphed, and if a flat region is confirmed, the DMA test result is used. In addition, if a flat region cannot be confirmed in this composite material sample, a new composite material sample is obtained by the above method with the temperature near the inflection point as the second temperature, and a DMA test is performed and graphed in the same manner. . Such an operation is repeated until a flat region is clearly expressed.

このようにして得られた混練温度を用いて作製された後述する実施例24の複合材料サンプルのDMA試験結果を用いて、低温混練工程における混練温度(第2温度)の設定方法について説明する。図14は、実施例24のサンプルにおけるDMA測定結果(貯蔵弾性率E’の温度依存性)を示すグラフである。図14において、横軸は温度(℃)であり、左側の縦軸は貯蔵弾性率(E’)の対数の値(log(E’))であり、log(E’)のグラフは実線で示した。図14において、右側の縦軸は貯蔵弾性率(E’)の対数の値(log(E’))の微分値(d(log(E’))/dT)であり、d(log(E’))/dTのグラフは破線で示した。   A method for setting the kneading temperature (second temperature) in the low-temperature kneading step will be described using the DMA test result of the composite material sample of Example 24 described later, which was produced using the kneading temperature thus obtained. FIG. 14 is a graph showing DMA measurement results (temperature dependence of storage elastic modulus E ′) of the sample of Example 24. In FIG. 14, the horizontal axis is temperature (° C.), the left vertical axis is the logarithmic value (log (E ′)) of the storage elastic modulus (E ′), and the log (E ′) graph is a solid line. Indicated. In FIG. 14, the vertical axis on the right is the differential value (d (log (E ′)) / dT) of the logarithmic value (log (E ′)) of the storage elastic modulus (E ′), and d (log (E The graph of ')) / dT is indicated by a broken line.

実施例24の熱可塑性樹脂は融点が115℃の直鎖状短鎖分岐ポリエチレン(LLDPE)であり、log(E’)のグラフは121.5℃に変曲点P1を有する。変曲点P1は、d(log(E’))/dTのグラフに明確に現れる。変曲点はセルロースナノファイバーの配合量を変えることによりわずかに異なる温度で現れる。又、変曲点P1は熱可塑性樹脂の融点によっても異なる。   The thermoplastic resin of Example 24 is a linear short chain branched polyethylene (LLDPE) having a melting point of 115 ° C., and the log (E ′) graph has an inflection point P1 at 121.5 ° C. The inflection point P1 clearly appears in the graph of d (log (E ′)) / dT. The inflection point appears at slightly different temperatures by changing the amount of cellulose nanofibers. Further, the inflection point P1 varies depending on the melting point of the thermoplastic resin.

次に、図14のlog(E’)のグラフから貯蔵弾性率(E’)における「加工領域発現温度T2」を求める。log(E’)のグラフは、78℃以下ではグラフの傾きが一定であり、融点(Tm)である115℃付近で貯蔵弾性率(E’)が急激に低下し流動が始まる。セルロースナノファイバーが配合されていない熱可塑性樹脂単体では流動し始めるとそのまま貯蔵弾性率(E’)が低下し続けて流動するが、複合材料ではlog(E’)のグラフの急激な低下が停止して平坦領域となって流動しない。流動が始まる前の融点未満の領域における傾きが一定の第1の領域W1は、d(log(E’))/dTのグラフに明確に現れ、62℃〜78℃の範囲であることがわかる。第1の領域W1におけるlog(E’)のグラフの外挿接線L2と、変曲点P1におけるlog(E’)のグラフの接線L1との第1の交点P2における温度が加工領域発現温度T2(108℃)である。加工領域発現温度T2は、低温混練工程における混練加工が可能となる下限の温度である。   Next, the “processing region expression temperature T2” in the storage elastic modulus (E ′) is obtained from the log (E ′) graph of FIG. In the log (E ') graph, the slope of the graph is constant below 78 ° C, and the storage elastic modulus (E') suddenly decreases around 115 ° C, which is the melting point (Tm), and flow begins. If the thermoplastic resin alone, which does not contain cellulose nanofibers, begins to flow, the storage elastic modulus (E ') continues to decrease and flows, but in the composite material, the rapid decrease in the log (E') graph stops Then it becomes a flat region and does not flow. The first region W1 having a constant slope in the region below the melting point before the flow starts clearly appears in the graph of d (log (E ′)) / dT, and is found to be in the range of 62 ° C. to 78 ° C. . The temperature at the first intersection P2 between the extrapolated tangent L2 of the graph of log (E ′) in the first region W1 and the tangent L1 of the graph of log (E ′) at the inflection point P1 is the processing region expression temperature T2. (108 ° C.). The processing region expression temperature T2 is a lower limit temperature at which the kneading process in the low temperature kneading process is possible.

さらに、図14のlog(E’)のグラフから貯蔵弾性率(E’)における「平坦領域(ゴム弾性領域)発現温度T3」を求める。図14では、128℃〜142℃の範囲で傾きが一定である。融点を超えた温度でlog(E’)のグラフの急激な低下が終わったところから始まる傾きが一定の第2の領域W2は、d(log(E’))/dTのグラフに明確に現れる。第2の領域W2におけるlog(E’)のグラフの外挿接線L3と、変曲点P1におけるlog(E’)のグラフの接線L1との第2の交点P3の温度が平坦領域発現温度T3である。   Further, the “flat region (rubber elastic region) expression temperature T3” in the storage elastic modulus (E ′) is obtained from the log (E ′) graph of FIG. In FIG. 14, the slope is constant in the range of 128 ° C. to 142 ° C. The second region W2 having a constant slope starting from the point where the rapid decrease in the log (E ′) graph ends at a temperature exceeding the melting point clearly appears in the graph of d (log (E ′)) / dT. . The temperature of the second intersection point P3 between the extrapolated tangent line L3 of the graph of log (E ′) in the second region W2 and the tangent line L1 of the graph of log (E ′) at the inflection point P1 is the flat region expression temperature T3. It is.

なお、傾きが一定である領域(W1,W2)は、log(E’)のグラフの傾きが一定になる領域が少なくとも10℃以上の温度範囲で存在するものとする。平坦領域は、第2の領域W2である。   In the region (W1, W2) where the slope is constant, the region where the slope of the log (E ′) graph is constant exists in a temperature range of at least 10 ° C. or more. The flat region is the second region W2.

こうして得られた変曲点P1の温度T1より高い温度であって、かつ複合材料サンプルの粘度が低くなって流れ出さない程度の温度、例えば平坦領域発現温度T3(図14では125℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度T4(図14では132.5℃)を混練温度の上限とする。平坦領域発現温度T3の1.06倍(T3℃×1.06)の温度T4までであれば、あらゆる熱可塑性樹脂でセルロースナノファイバーの凝集塊を解繊す
ることができると考えられる。
The temperature is higher than the temperature T1 of the inflection point P1 obtained in this way and the viscosity of the composite material sample becomes low and does not flow out, for example, 1 of the flat region expression temperature T3 (125 ° C. in FIG. 14). A temperature T4 (132.5 ° C. in FIG. 14) that is 0.06 times (T3 ° C. × 1.06) is set as the upper limit of the kneading temperature. It is considered that the aggregate of cellulose nanofibers can be defibrated with any thermoplastic resin as long as the temperature reaches T4 which is 1.06 times the flat region expression temperature T3 (T3 ° C. × 1.06).

加工領域発現温度T2から平坦領域発現温度T3の1.06倍(T3℃×1.06)の温度T4までの温度範囲であれば、第2の混合物は適度な弾性と適度な粘性とを有しているため、加工が可能であって、かつ、セルロースナノファイバーを解繊することができる。本発明者等の研究により、融点が高くなるにつれてT3からT4までの温度幅が広くなる傾向がわかっている。   In the temperature range from the processing region expression temperature T2 to a temperature T4 that is 1.06 times the flat region expression temperature T3 (T3 ° C. × 1.06), the second mixture has moderate elasticity and moderate viscosity. Therefore, processing is possible and cellulose nanofibers can be defibrated. According to the study by the present inventors, the temperature range from T3 to T4 tends to become wider as the melting point becomes higher.

低温混練工程の混練温度の下限は、変曲点P1における変曲点温度T1以上としてもよい。第2の混合物の加工がより容易になるからである。なお、セルロースナノファイバーの配合量を変えることにより、温度T2及び温度T4はわずかに異なる温度となる。   The lower limit of the kneading temperature in the low temperature kneading step may be the inflection point temperature T1 or more at the inflection point P1. This is because the processing of the second mixture becomes easier. Note that the temperature T2 and the temperature T4 are slightly different by changing the blending amount of the cellulose nanofibers.

本発明者らの研究によって、変曲点温度T1よりわずかに低い温度から平坦領域発現温度T3の1.06倍(T3℃×1.06)の温度T4までの範囲を混練温度として低温混練工程を実施することで、凝集しているセルロースナノファイバーをほぐすように解繊して、熱可塑性樹脂中に分散させることができることを確信するに至った。   According to the study by the present inventors, the low temperature kneading step with a kneading temperature in a range from a temperature slightly lower than the inflection point temperature T1 to a temperature T4 that is 1.06 times the flat region onset temperature T3 (T3 ° C. × 1.06). As a result, the cellulose nanofibers that have been agglomerated can be disentangled so as to be loosened and dispersed in the thermoplastic resin.

第2温度は、熱可塑性樹脂の加工温度として採用されない比較的低い温度であり、特に、第2の混合物の加工温度としてはこれまで採用されなかった低い温度範囲となる。   The second temperature is a relatively low temperature that is not employed as the processing temperature of the thermoplastic resin, and in particular, is a low temperature range that has not been employed as the processing temperature of the second mixture.

第2温度まで温度が下がった第1の混合物は、例えば、第2温度に設定されたオーブン内に入れ、第2温度の範囲で所定温度に維持することができる。混練機から取り出された第1の混合物は降温が進行するので、加工品質の安定化のためである。   The first mixture whose temperature has been lowered to the second temperature can be placed, for example, in an oven set to the second temperature and maintained at a predetermined temperature within the second temperature range. The temperature of the first mixture taken out from the kneader is lowered, so that the processing quality is stabilized.

また、第1の混合物として市販のセルロースナノファイバーが入ったペレットを用いる場合には、第1温度混合工程と低温化工程との間に再加熱工程が必要となる。再加熱工程は、熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱することにより行うことができる。   Moreover, when using the pellet containing a commercially available cellulose nanofiber as a 1st mixture, a reheating process is needed between a 1st temperature mixing process and a low temperature process. The reheating step can be performed by heating to a temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic resin.

2−2−2−3.低温混練工程
低温混練工程は、第1の混合物を第2温度で混練する。
2-2-2-3. Low temperature kneading step The low temperature kneading step kneads the first mixture at the second temperature.

第1の混合物としては、前記2−2−2−1の第1温度混合工程によって得られたものを用いることができる。   As a 1st mixture, what was obtained by the 1st temperature mixing process of said 2-2-2-1 can be used.

この工程では、例えば、ロール温度以外の条件をエラストマーを用いた図5と同様に、第1のロール10と第2のロール20とのロール間隔dを、例えば0.5mm以下、より好ましくは0mm〜0.5mmの間隔に設定し、第1温度混合工程で得られた第1の混合物をオープンロール2に投入して混練を行なうことができる。   In this step, for example, the roll interval d between the first roll 10 and the second roll 20 is, for example, 0.5 mm or less, more preferably 0 mm, as in FIG. The interval can be set to ˜0.5 mm, and the first mixture obtained in the first temperature mixing step can be charged into the open roll 2 for kneading.

このように狭いロール間から押し出された第1の混合物は、第2温度が適度な弾性を有し、かつ、適度な粘性を有している温度範囲であることから、熱可塑性樹脂の弾性による復元力で大きく変形し、その際の熱可塑性樹脂の変形と共にセルロースナノファイバーが大きく移動することができる。   Since the first mixture extruded from between the narrow rolls in this manner has a temperature range in which the second temperature has an appropriate elasticity and an appropriate viscosity, it depends on the elasticity of the thermoplastic resin. The cellulose nanofibers can be greatly deformed by the restoring force, and the cellulose nanofibers can move greatly with the deformation of the thermoplastic resin at that time.

第2温度は、低温混練工程における第1の混合物の表面温度であり、加工装置の設定温度ではない。第1温度でも説明したように、第2温度もできるだけ実際の樹脂の表面温度を測定することが望ましいが、測定できない場合は加工装置から複合材料を取り出した直後の樹脂の表面温度を測定してその温度から加工中の第2温度とすることができる。   The second temperature is the surface temperature of the first mixture in the low-temperature kneading step, not the set temperature of the processing apparatus. As explained for the first temperature, it is desirable to measure the surface temperature of the actual resin as much as possible for the second temperature, but if this is not possible, measure the surface temperature of the resin immediately after taking out the composite material from the processing device. It can be set as the 2nd temperature in process from the temperature.

オープンロール2の場合は、非接触温度計を用いて表面温度を測定することができ、非
接触温度計40の配置は、ニップを通過した直後の位置以外であればよく、好ましくは第1のロール10の上方である。ニップを通過した直後は、第1の混合物の温度が急激に変化する不安定な温度であるため、避けた方が望ましい。
In the case of the open roll 2, the surface temperature can be measured using a non-contact thermometer, and the arrangement of the non-contact thermometer 40 may be other than the position immediately after passing through the nip, preferably the first roll Above the roll 10. Immediately after passing through the nip, the temperature of the first mixture is an unstable temperature at which the temperature rapidly changes.

また、密閉式混練機や押出機などのように、低温混練工程における第1の混合物の表面温度を測定することができない場合には、混練した後装置から取り出した直後の複合材料の表面温度を測定し、第2温度の範囲内にあることを確認することができる。   If the surface temperature of the first mixture in the low-temperature kneading process cannot be measured, such as in a closed kneader or an extruder, the surface temperature of the composite material immediately after taking out from the apparatus after kneading is set. It can be measured and confirmed to be within the second temperature range.

低温混練工程は、第2温度において、例えば4分間〜20分間であることができ、さらに5分間〜12分間であることができる。第2温度での混練時間を十分にとることによって、セルロースナノファイバーの解繊をより確実に実施することができる。   The low temperature kneading step can be, for example, 4 minutes to 20 minutes at the second temperature, and can be further 5 minutes to 12 minutes. By sufficiently taking the kneading time at the second temperature, the cellulose nanofibers can be defibrated more reliably.

第1の混合物は、セルロースナノファイバーが配合されたことによって加工性が低下しており、これを混練することによるせん断発熱によって、第1の混合物の温度は装置の設定温度よりもさらに高くなる。そのため、低温混練工程に適した第2温度範囲に第1の混合物の表面温度を維持するために、オープンロールであればロールの温度を調節して第1の混合物の温度が高くならないように、積極的に冷やすように温度調節しなければならない。これは密閉式混練機、押出機または射出成形機などにおいても同様であり、装置の加工設定温度を積極的に冷やすように調節することで第1の混合物の表面温度を第2温度範囲に一定時間維持することができる。例えば、押出機においては材料を供給する付近においては加熱筒の設定温度を一般的な加工温度よりも高い温度に設定し、他のゾーンを第2温度よりも低温に設定し、加工中の樹脂の表面温度が第2温度になるように調節することができる。   The processability of the first mixture is reduced due to the blending of cellulose nanofibers, and the temperature of the first mixture becomes higher than the set temperature of the apparatus due to shearing heat generated by kneading the cellulose nanofiber. Therefore, in order to maintain the surface temperature of the first mixture in the second temperature range suitable for the low temperature kneading step, if the roll is an open roll, the temperature of the first mixture is not increased by adjusting the temperature of the roll. The temperature must be adjusted so that it is actively cooled. The same applies to a closed kneader, an extruder or an injection molding machine, and the surface temperature of the first mixture is kept constant within the second temperature range by adjusting the processing set temperature of the apparatus so as to be actively cooled. Can be maintained for hours. For example, in the extruder, in the vicinity of supplying the material, the set temperature of the heating cylinder is set to a temperature higher than the general processing temperature, the other zones are set to a temperature lower than the second temperature, and the resin being processed The surface temperature can be adjusted to the second temperature.

低温混練工程によって得られた複合材料は、例えば、金型内に投入されてプレス加工することができ、あるいは、例えば、さらに押出機を用いてペレットに加工するなどして、公知の熱可塑性樹脂の加工方法を用いて所望の形状に成形することができる。   The composite material obtained by the low-temperature kneading step can be put into a mold and pressed, for example, or can be further processed into pellets using an extruder, for example, to form a known thermoplastic resin It can shape | mold into a desired shape using this processing method.

低温混練工程において得られた剪断力により、熱可塑性樹脂に高い剪断力が作用し、凝集していたセルロースナノファイバーが熱可塑性樹脂の分子に1本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、解繊され、熱可塑性樹脂中に分散される。繊維材料の膨潤によってセルロースナノファイバーに結合した金属がイオン化し、セルロースナノファイバー同士の結合力を弱めているからである。特に、熱可塑性樹脂は、第2温度範囲における弾性と、粘性と、を有するため、セルロースナノファイバーを解繊し、分散することができる。そして、セルロースナノファイバーの分散性および分散安定性(セルロースナノファイバーが再凝集しにくいこと)に優れた複合材料を得ることができる。   The shearing force obtained in the low-temperature kneading process causes a high shearing force to act on the thermoplastic resin, and the cellulose nanofibers that have been aggregated are separated from each other so that they are pulled out one by one into the thermoplastic resin molecules, and defibrated. And dispersed in the thermoplastic resin. This is because the metal bonded to the cellulose nanofibers is ionized by the swelling of the fiber material and weakens the bonding force between the cellulose nanofibers. In particular, since the thermoplastic resin has elasticity and viscosity in the second temperature range, cellulose nanofibers can be defibrated and dispersed. And the composite material excellent in the dispersibility and dispersion stability of cellulose nanofiber (it is hard to re-aggregate cellulose nanofiber) can be obtained.

2−2−3.熱硬化性樹脂を用いた混練工程
合成樹脂として熱硬化性樹脂を用いた混練工程について説明する。ここでは熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂などの主剤および硬化剤を用いた2液混合型の樹脂について説明するがこれに限定するものでない。
混練工程は、熱硬化性樹脂の主剤に膨潤繊維材料を混合し、主剤の軟化点より20℃低い温度から軟化点より10℃高い温度までの範囲の混練温度で混練した後、さらに硬化剤を混合する工程を含むことができる。主剤の軟化点付近の温度であれば、完全に液体状になっておらず、試験結果によれば軟化点より20℃低い温度から軟化点より10℃高い温度までの範囲の混練温度において適度な弾性及び粘性を有することができる。
エポキシ樹脂の場合は、主剤として例えばビスフェノールA型などの室温では固形でありかつ軟化点100℃以下のものを用いることができる。主剤の軟化点は、環球法により求めることができる。環球法は、例えば、JIS K 7234に規定される軟化点試験方法を用いることができる。また、エポキシ樹脂の硬化剤として例えばアミン系、アミド
アミン系など室温で液状のものを用いることができる。熱硬化性樹脂の主剤に混合する繊維材料は、膨潤繊維材料であることができる。
フェノール樹脂の場合は、主剤として例えばノボラック樹脂を用いることができ、硬化剤としては、ヘキサメチレンテトラミン等を用いることができる。主剤の軟化点は、環球法により求めることができる。
室温では固形でありかつ軟化点が100℃以下の主剤であれば、混練加工性に優れ、特に、混練時にせん断力を与えることで主剤の弾性による復元力を利用して加工しやすい。
2-2-3. Kneading process using thermosetting resin A kneading process using a thermosetting resin as a synthetic resin will be described. Here, a two-component mixed resin using a main agent and a curing agent such as an epoxy resin, a phenol resin, and a urethane resin as a thermosetting resin will be described, but the present invention is not limited thereto.
In the kneading step, the swollen fiber material is mixed with the main component of the thermosetting resin, kneaded at a kneading temperature ranging from a temperature 20 ° C. lower than the softening point of the main agent to a temperature higher by 10 ° C. than the softening point, and then the curing agent is further added. Mixing may be included. If the temperature is in the vicinity of the softening point of the main agent, it is not completely liquid, and according to the test results, it is appropriate at a kneading temperature ranging from a temperature 20 ° C. lower than the softening point to a temperature 10 ° C. higher than the softening point. Can have elasticity and viscosity.
In the case of an epoxy resin, for example, a bisphenol A type that is solid at room temperature and has a softening point of 100 ° C. or lower can be used as the main agent. The softening point of the main agent can be determined by the ring and ball method. For the ring and ball method, for example, a softening point test method defined in JIS K 7234 can be used. In addition, as a curing agent for the epoxy resin, for example, an amine-based or amidoamine-based liquid can be used at room temperature. The fiber material mixed with the main component of the thermosetting resin can be a swollen fiber material.
In the case of a phenol resin, for example, a novolak resin can be used as the main agent, and hexamethylenetetramine or the like can be used as the curing agent. The softening point of the main agent can be determined by the ring and ball method.
If the main agent is solid at room temperature and has a softening point of 100 ° C. or lower, it is excellent in kneading workability, and in particular, it is easy to process using the restoring force due to the elasticity of the main agent by applying a shearing force during kneading.

混練工程は、例えば、オープンロール、密閉式混練機、押出機などを用いることができる。例えば、図3〜図5に示すようなオープンロール2を用いて行うことができる。   For the kneading step, for example, an open roll, a closed kneader, an extruder, or the like can be used. For example, it can carry out using the open roll 2 as shown in FIGS.

基本的な手順はエラストマーの場合と同様であるが、ここでは、エポキシ樹脂の場合について、ビスフェノールA型主剤(室温では固形で軟化点64℃)を例に説明する。まず、第1のロール10は60〜70℃及び第2のロール20は50〜60℃の温度として図3の素練りを行う。次に図4のように主剤に膨潤繊維材料を徐々に投入し混合する。その後、図5に示すような薄通し工程を、例えば、ロール間隔dを0mm〜0.5mmに設定して行うことができる。ロールの表面速度比はエラストマーの場合と同様である。エラストマーを用いた薄通し工程と同様に、主剤の適度な弾性と適度な粘性を利用してセルロースナノファイバーを解繊するためである。
ロール温度を主剤の軟化点付近で制御し、且つロール10とロール20に約10℃の温度差を持たせているのは、主剤の加工性による。このような主剤を用いた場合、ロールに付着しやすいため、2本のロール10,20が同じ温度の場合には両方のロール10,20に単純に分かれて付着する。そのため、主剤にせん断力が掛かりにくく、セルロースナノファイバーが解繊されにくい。そこで、このような温度差を設けることにより、低温側の第2のロール20に主剤が巻き付くことができ、主剤に所望のせん断力を与えることができ、その結果、セルロースナノファイバーを有効に解繊することができる。
また、この混練工程において、膨潤繊維材料の水分によってセルロースナノファイバーに結合した金属がイオン化している。そのため、金属イオンによりセルロースナノファイバー同士の結合力を弱めている状態で混練のせん断力を付加し、さらに薄通しの工程における主剤の弾性による復元力を利用してセルロースナノファイバーの間隔を広げることが可能になり、セルロースナノファイバーの均一な解繊、分散が行われる。
硬化剤を混合する工程は、脱水工程の後に行うことが望ましい。加工後の製品の品質向上のためである。
主剤とセルロースナノファイバーとの混練後、さらに、硬化剤(例えば、ポリアミドアミン)を添加して、再度、主剤の場合と同様の方法、条件で混錬し、硬化剤を均一に混合することができる。硬化剤の混合方法も主剤の混練方法と同様に行うことで、主剤中のセルロースナノファイバーの解繊状態を悪化せず、均一な混合、分散状態を保持する。その後、成型(プレス加工、圧縮成型、押し出し成型等)を行い、例えば、室温で1日置いて硬化させ、その後、ポストベーク(80℃、15時間)を行い、複合材料を得ることができる。
The basic procedure is the same as in the case of an elastomer, but here, in the case of an epoxy resin, a bisphenol A type main agent (solid at room temperature and a softening point of 64 ° C.) will be described as an example. First, the first roll 10 is muffled in FIG. 3 at a temperature of 60 to 70 ° C. and the second roll 20 is a temperature of 50 to 60 ° C. Next, as shown in FIG. 4, the swollen fiber material is gradually added to the main agent and mixed. Thereafter, a thinning process as shown in FIG. 5 can be performed, for example, with the roll interval d set to 0 mm to 0.5 mm. The surface speed ratio of the roll is the same as that of the elastomer. This is because, as in the thinning process using an elastomer, cellulose nanofibers are defibrated by utilizing appropriate elasticity and appropriate viscosity of the main agent.
The roll temperature is controlled in the vicinity of the softening point of the main agent and the roll 10 and the roll 20 have a temperature difference of about 10 ° C. because of the workability of the main agent. When such a main agent is used, it easily adheres to the roll, so when the two rolls 10 and 20 are at the same temperature, the two rolls 10 and 20 are simply separated and attached. Therefore, it is difficult to apply a shearing force to the main agent, and the cellulose nanofibers are not easily defibrated. Therefore, by providing such a temperature difference, the main agent can be wound around the second roll 20 on the low temperature side, and a desired shearing force can be applied to the main agent. As a result, cellulose nanofibers can be effectively used. Can be defibrated.
In this kneading step, the metal bonded to the cellulose nanofibers is ionized by the moisture of the swollen fiber material. Therefore, the shearing force of kneading is added in a state where the bonding force between the cellulose nanofibers is weakened by metal ions, and the spacing between the cellulose nanofibers is expanded by utilizing the restoring force due to the elasticity of the main agent in the thinning process. The cellulose nanofibers are uniformly defibrated and dispersed.
The step of mixing the curing agent is desirably performed after the dehydration step. This is to improve the quality of the processed product.
After kneading the main agent and cellulose nanofiber, a curing agent (for example, polyamidoamine) is further added and kneaded again in the same manner and conditions as in the case of the main agent, so that the curing agent can be mixed uniformly. it can. The mixing method of the curing agent is also performed in the same manner as the kneading method of the main agent, so that the defibrated state of the cellulose nanofibers in the main agent is not deteriorated and the uniform mixing and dispersion state is maintained. Thereafter, molding (press processing, compression molding, extrusion molding, etc.) is performed, and for example, it is left at room temperature for 1 day to cure, and then post-baked (80 ° C., 15 hours) to obtain a composite material.

2−3.脱水工程
脱水工程(S18)は、混練工程(S16)で得られた複合材料を脱水する工程である。また、熱硬化性樹脂を用いた複合材料の製造方法においては、上述のとおり、主剤とセルロースナノファイバーとの混練工程の後に脱水工程(S18)を経てから硬化剤を混合して複合材料を得ることが好ましい。
2-3. Dehydration step The dehydration step (S18) is a step of dehydrating the composite material obtained in the kneading step (S16). In the method for producing a composite material using a thermosetting resin, as described above, a composite material is obtained by mixing a curing agent after a dehydration step (S18) after the kneading step of the main agent and cellulose nanofibers. It is preferable.

脱水工程(S18)は、複合材料を加熱して水分を蒸発させることができる。例えば、オーブン中に複合材料を入れ、加熱するとともに、オーブンの内部を真空引きしてもよい。   In the dehydration step (S18), the composite material can be heated to evaporate water. For example, the composite material may be placed in an oven and heated, and the inside of the oven may be evacuated.

また、混練工程(S16)の途中で繊維材料中の水が除去される場合には脱水工程(S18)を設ける必要はない。例えば、混練工程(S16)をオープンロールで行う場合には薄通し後にロールを加熱して水を除去してもよいし、密閉式の混練機である場合には脱水機能のある装置を用いてもよい。   Moreover, when the water in a fiber material is removed in the middle of a kneading | mixing process (S16), it is not necessary to provide a spin-drying | dehydration process (S18). For example, when the kneading step (S16) is performed with an open roll, the roll may be heated after thinning to remove water, and when it is a closed kneader, an apparatus having a dehydrating function is used. Also good.

エラストマーを用いた複合材料の場合には、さらに、加硫促進剤、加硫剤、老化防止剤、補強剤、カップリング剤等の公知のゴム薬品を配合し、加熱プレス等にて加硫して所望形状に成形してもよい。また、ゴム製品の所望の物性を得るために、混練工程(S16)中のエラストマーに、カーボンブラック、シリカ、カーボンナノチューブなどの公知の補強剤を配合してもよい。   In the case of a composite material using an elastomer, it is further blended with known rubber chemicals such as a vulcanization accelerator, a vulcanizing agent, an anti-aging agent, a reinforcing agent, and a coupling agent, and vulcanized with a heating press or the like. May be formed into a desired shape. Moreover, in order to obtain the desired physical properties of the rubber product, a known reinforcing agent such as carbon black, silica, or carbon nanotube may be blended with the elastomer in the kneading step (S16).

2−4.複合材料
複合材料は、最大幅が50μm以上のセルロースナノファイバー凝集塊を含まないことを特徴とする。セルロースナノファイバー凝集塊は、複数のセルロースナノファイバーが寄り集って粒子状に凝集したままマトリックス中に点在するものである。セルロースナノファイバー凝集塊の最大幅は、走査型電子顕微鏡で複合材料の割断面を観察することでマトリックス材料中に点在する粒子状の凝集塊を観察して最大幅を計測する。
2-4. Composite Material The composite material is characterized by not containing cellulose nanofiber aggregates having a maximum width of 50 μm or more. Cellulose nanofiber aggregates are scattered in a matrix while a plurality of cellulose nanofibers are gathered and aggregated in the form of particles. The maximum width of the cellulose nanofiber agglomerates is measured by observing the split cross-section of the composite material with a scanning electron microscope to observe the particulate agglomerates scattered in the matrix material.

複合材料は、CNF分散液における金属塩由来の金属が結合したセルロースナノファイバーを含む。複合材料の剛性が高いことから、複合材料中の金属塩由来の金属は互いに近接して存在し、イオンクラスターを形成する。イオンクラスターを形成する金属に結合するセルロースナノファイバーが複合材料中に3次元に擬似的にネットワークをつくることで繊維による補強構造が得られると推測できる。シランカップリング剤と反応しないポリマーにおいては、イオンクラスターを形成しないシランカップリング剤等によってセルロースナノファイバーを解繊した状態で複合材料を製造しても、複合材料の剛性は向上しないからである。   The composite material includes cellulose nanofibers to which a metal derived from a metal salt in a CNF dispersion is bonded. Since the composite material has high rigidity, the metal derived from the metal salt in the composite material exists close to each other and forms an ion cluster. It can be inferred that a fiber reinforced structure can be obtained by forming a three-dimensional pseudo network in the composite material of cellulose nanofibers that bind to the metal forming the ion cluster. This is because, in a polymer that does not react with a silane coupling agent, the rigidity of the composite material does not improve even when the composite material is manufactured in a state where the cellulose nanofibers are defibrated with a silane coupling agent that does not form an ion cluster.

複合材料は、繊維材料に含まれていたセルロースナノファイバーが混練工程によってセルロースナノファイバー同士の水素結合に抗して1本1本に分かれて複合材料中に分散される。   In the composite material, the cellulose nanofibers contained in the fiber material are separated into one by one against the hydrogen bonding between the cellulose nanofibers by a kneading process and dispersed in the composite material.

複合材料は、繊維材料から解繊されたセルロースナノファイバーとエラストマーまたは合成樹脂とを含むことができる。複合材料の中の繊維材料は、エラストマーまたは合成樹脂のマトリックスの中で解繊された状態のセルロースナノファイバーとして存在する。複合材料の中のセルロースナノファイバーの全てが解繊されていることが好ましいが、少なくとも電子顕微鏡で引張破断面を観察しても、最大幅が50μm以上のセルロースナノファイバー凝集塊を含まないことが好ましい。このような凝集塊を含むと繊維としての補強効果が得られないばかりでなく、引張試験における破断起点となる可能性もあるためである。   The composite material can include cellulose nanofibers deflated from the fiber material and an elastomer or a synthetic resin. The fiber material in the composite material exists as cellulose nanofibers in a defibrated state in an elastomer or synthetic resin matrix. It is preferable that all of the cellulose nanofibers in the composite material are defibrated, but even if at least the tensile fracture surface is observed with an electron microscope, the cellulose nanofiber aggregates having a maximum width of 50 μm or more may not be included. preferable. This is because if such an agglomerate is included, not only the reinforcing effect as a fiber cannot be obtained but also a breakage starting point in a tensile test.

以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.

(A)エラストマーを用いたサンプルの作製
(A−1)実施例1〜20のサンプルの作製
混合工程:セルロースナノファイバー分散液(第一工業製薬社製2%濃度TEMPO酸化セルロースナノファイバー)を水で希釈してセルロースナノファイバー1%濃度の分散液(溶媒は水)として、その分散液に、表1〜表5に示す種類の金属塩をプロペラ式攪拌機にて撹拌することで混合してCNF分散液を得た。
(A) Preparation of sample using elastomer (A-1) Preparation of samples of Examples 1 to 20 Mixing process: Cellulose nanofiber dispersion (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. 2% concentration TEMPO oxidized cellulose nanofiber) is water As a dispersion with 1% concentration of cellulose nanofibers (solvent is water), the metal salts of the types shown in Tables 1 to 5 are mixed into the dispersion by stirring with a propeller-type stirrer, and then CNF A dispersion was obtained.

表1〜表5において、
「CNF」:TEMPO酸化セルロースナノファイバー(セルロースナノファイバーの平均繊維径は3.3nm、平均アスペクト比は225)、
「メタクリル酸Na」:浅田化学工業社製メタクリル酸ナトリウム(金属分19〜21%、メタクリル酸分75〜80%)、
「メタクリル酸Zn」:浅田化学工業社製メタクリル酸亜鉛 R−20S(金属分25〜27%、メタクリル酸分60〜64%)、
「アクリル酸Zn」:浅田化学工業社製アクリル酸亜鉛 RSS(金属分27%以上、アクリル酸分56%以上)、
「アクリル酸Ca」:浅田化学工業社製アクリル酸カルシウム(金属分18〜22%、アクリル酸分60〜75%)、
「CaCl」:和光純薬工業社製塩化カルシウム(試薬特級、純度95%以上)
であった。
In Tables 1 to 5,
“CNF”: TEMPO oxidized cellulose nanofibers (average fiber diameter of cellulose nanofibers is 3.3 nm, average aspect ratio is 225),
"Na methacrylate": Asada Chemical Co., Ltd. sodium methacrylate (metal content 19-21%, methacrylic acid content 75-80%),
"Zn methacrylate": Asada Chemical Co., Ltd. zinc methacrylate R-20S (metal content 25-27%, methacrylic acid content 60-64%),
"Zn acrylate": Asada Chemical Co., Ltd. zinc acrylate RSS (metal content 27% or more, acrylic acid content 56% or more),
“Acrylic acid Ca”: calcium acrylate (metal content: 18-22%, acrylic acid content: 60-75%) manufactured by Asada Chemical Industry Co., Ltd.
“CaCl 2 ”: calcium chloride manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (special grade reagent, purity 95% or more)
Met.

表1〜表5における「繊維材料の配合」は、膨潤工程後の膨潤繊維材料におけるCNFを1としたときの各配合量の比で表している。   “Composition of fiber material” in Tables 1 to 5 is expressed as a ratio of each compounding amount when CNF in the swollen fiber material after the swelling process is 1.

乾燥工程:CNF分散液から水系溶媒を除去して繊維材料を得た。より具体的には、CNF分散液をバットに流し込み、オーブンにて80℃、24時間で乾燥して水系溶媒を除去し、繊維材料を得た。実施例1〜実施例20に用いた繊維材料は、目視によって表面に金属塩の析出は確認できなかった。   Drying step: The aqueous solvent was removed from the CNF dispersion to obtain a fiber material. More specifically, the CNF dispersion was poured into a vat and dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to remove the aqueous solvent to obtain a fiber material. The fiber materials used in Examples 1 to 20 could not confirm the deposition of metal salts on the surface by visual observation.

膨潤工程:繊維材料を水で膨潤させて膨潤繊維材料を得た。より具体的には、繊維材料と所定量の水をガラス製の密閉容器に入れ、密閉容器内で70℃で1時間保持して膨潤させて膨潤繊維材料を得た。水の量は、表1〜表5に示すCNFを1としたときの配合量の比で示した。   Swelling step: The fiber material was swollen with water to obtain a swollen fiber material. More specifically, the fibrous material and a predetermined amount of water were placed in a glass sealed container, and kept in the sealed container at 70 ° C. for 1 hour to swell to obtain a swollen fiber material. The amount of water was shown by the ratio of the blending amount when CNF shown in Tables 1 to 5 was 1.

混練工程:膨潤繊維材料を、表1〜表5に示すエラストマーに混合して複合材料を得た。より具体的には、二本ロールを用いて素練りしたエラストマーに膨潤繊維材料を徐々に投入し、混練して中間混合物を得て、薄通し(ロール温度10℃〜30℃、ロール間隔0.3mm、ロール速度比1.1)して複合材料を得た。   Kneading step: The swollen fiber material was mixed with the elastomers shown in Tables 1 to 5 to obtain composite materials. More specifically, the swollen fiber material is gradually added to an elastomer kneaded using two rolls, kneaded to obtain an intermediate mixture, and thinned (roll temperature 10 ° C. to 30 ° C., roll interval 0. 3 mm, roll speed ratio 1.1) to obtain a composite material.

表1〜表5における「複合材料の配合」は、混練工程における膨潤繊維材料に含まれるセルロースナノファイバーと金属塩との配合量を質量部(phr)で表している。複合材料のサンプルは、100gのエラストマーを用いて作製した。   “Composition of composite material” in Tables 1 to 5 represents the amount of cellulose nanofiber and metal salt contained in the swollen fiber material in the kneading step in parts by mass (phr). A sample of the composite material was made using 100 g of elastomer.

表1〜表5において、
「HNBR」:日本ゼオン社製ゼットポール2010(ゼットポールは登録商標)(結合アクリロニトリル量中心値11(%)、ヨウ素価中心値7以下(mg/100mg)、ムーニー粘度(中心値)85)、
「EPDM」:JSR社製JSR EP24(JSRは登録商標)(ENB含量4.5(%)、エチレン含量54(%)、ムーニー粘度42(ML(1+4)100℃)、油展量0(PHR))、
であった。
In Tables 1 to 5,
"HNBR": Zeonpol 2010 (Zetpol is a registered trademark) manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. (bound acrylonitrile content center value 11 (%), iodine value center value 7 or less (mg / 100 mg), Mooney viscosity (center value) 85),
“EPDM”: JSR EP24 manufactured by JSR (JSR is a registered trademark) (ENB content 4.5 (%), ethylene content 54 (%), Mooney viscosity 42 (ML (1 + 4) 100 ° C.), oil expansion amount 0 (PHR) )),
Met.

脱水工程:混練工程で得られた複合材料を脱水した。より具体的にはオーブンにて40℃〜90℃で12時間乾燥して、膨潤工程で追加した水を複合材料から除去した。   Dehydration step: The composite material obtained in the kneading step was dehydrated. More specifically, it was dried in an oven at 40 ° C. to 90 ° C. for 12 hours, and water added in the swelling process was removed from the composite material.

プレス工程:脱水した複合材料に架橋剤、老化防止剤等を二本ロールで配合した後、複
合材料を金型に入れ、真空下で加圧成形して、サンプルを作製した。真空加圧成形は、金型を165℃に加熱し、加圧(金型に対して)しながら25分間プレス成型し、金型を冷却プレスに移動して加圧(金型に対して)しながら室温まで冷却し、厚さ1mmの実施例1〜20のシート状サンプルを得た。
Pressing process: After blending a dehydrating composite material with a crosslinking agent, an anti-aging agent and the like with two rolls, the composite material was placed in a mold and pressure-molded under vacuum to prepare a sample. In vacuum press molding, the mold is heated to 165 ° C., press-molded for 25 minutes while applying pressure (on the mold), and the mold is moved to the cooling press and pressed (on the mold). While cooling to room temperature, sheet-like samples of Examples 1 to 20 having a thickness of 1 mm were obtained.

(A−2)比較例1〜15のサンプルの作製
比較例1〜15のサンプルは、表6〜表9の配合量に従って、作製した。
(A-2) Preparation of Samples of Comparative Examples 1 to 15 Samples of Comparative Examples 1 to 15 were prepared according to the blending amounts in Tables 6 to 9.

比較例1,15のサンプルは、純ゴムを実施例と同様にプレス化成型してサンプルを得た。比較例1は「HNBR」、比較例15は「EPDM」であった。   Samples of Comparative Examples 1 and 15 were obtained by press-molding pure rubber in the same manner as in the Examples. Comparative Example 1 was “HNBR” and Comparative Example 15 was “EPDM”.

比較例2,3のサンプルは、金属塩を添加しないサンプルであった。比較例2,3のサンプルは、混合工程を(比較例2はさらに膨潤工程も)省いて、金属塩を含まない樹脂材料を用いて他は実施例1と同様にしてサンプルを得た。   The samples of Comparative Examples 2 and 3 were samples to which no metal salt was added. Samples of Comparative Examples 2 and 3 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixing step (Comparative Example 2 further includes a swelling step) and a resin material containing no metal salt was used.

比較例4−7のサンプルは、実施例1と同様にしてサンプルを得た。比較例4は金属塩を少量とした場合であり、比較例5−7は金属塩の量は実施例3〜実施例5のサンプルと同じで膨潤工程の水を変量した場合である。なお、比較例5は膨潤工程を行わなかった。   A sample of Comparative Example 4-7 was obtained in the same manner as in Example 1. Comparative Example 4 is a case where the amount of the metal salt is small, and Comparative Example 5-7 is a case where the amount of the metal salt is the same as that of the samples of Examples 3 to 5 and the water in the swelling process is changed. In Comparative Example 5, the swelling process was not performed.

比較例8〜14のサンプルは、金属塩に代えてシランカップリング剤を用いて、他は実施例1と同様にしてサンプルを得た。   Samples of Comparative Examples 8 to 14 were obtained in the same manner as in Example 1 except that a silane coupling agent was used instead of the metal salt.

表8及び表9において、
カップリング剤1が「3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン」:信越化学工業社製KBM−503、
カップリング剤2が「3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン」:信越化学工業社製KBM−403、
カップリング剤3が「N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン」:信越化学工業社製KBM−603、
カップリング剤4が「3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン」:信越化学工業社製KBE−9007、
カップリング剤5が「3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン」:信越化学工業社製KBM−803、
であった。
In Table 8 and Table 9,
Coupling agent 1 is “3-methacryloxypropyltrimethoxysilane”: KBM-503 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Coupling agent 2 is “3-glycidoxypropyltrimethoxysilane”: KBM-403 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Coupling agent 3 is “N-2- (aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane”: KBM-603 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Coupling agent 4 is “3-isocyanatopropyltriethoxysilane”: KBE-9007 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Coupling agent 5 is “3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane”: KBM-803 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.
Met.

(B)評価方法
(B−1)硬度測定
実施例及び比較例のサンプルについて、ゴム硬度(Hs(JIS A))をJIS K6253試験に基づいて測定した。測定結果を表1〜表9に示した。
(B) Evaluation method (B-1) Hardness measurement About the sample of an Example and a comparative example, rubber hardness (Hs (JIS A)) was measured based on the JISK6253 test. The measurement results are shown in Tables 1 to 9.

(B−2)引張試験
実施例及び比較例のサンプルについて、JIS6号のダンベル形状に打ち抜いた試験片について、島津製作所社製オートグラフAG−Xの引張試験機を用いて、23±2℃、標準線間距離20mm、引張速度500mm/minでJIS K6251に基づいて引張試験を行い、引張強さ(TS(MPa))、切断時伸び(Eb(%))及び50%モジュラス(σ50(MPa))を測定した。測定結果を表1〜表9に示した。
(B-2) Tensile test About the sample of an Example and a comparative example, about the test piece punched in the dumbbell shape of JIS6, 23 ± 2 degreeC using the Shimadzu Corporation autograph AG-X tensile tester, A tensile test was performed based on JIS K6251 at a standard line distance of 20 mm and a tensile speed of 500 mm / min. Tensile strength (TS (MPa)), elongation at break (Eb (%)), and 50% modulus (σ50 (MPa)) ) Was measured. The measurement results are shown in Tables 1 to 9.

(B−3)加工性評価
実施例及び比較例のサンプルについて、HNBR100gまたはEPDM100gでの試作時の上記混練工程における加工性の評価を行った。評価結果(○は加工時間30分以
内、ロール巻き付き性良好であり、△は加工時間30分超〜1時間、ロール巻き付き性良好であり、×は加工時間1時間超、ロール巻き付き性悪いであった)を表1〜表9に示した。
(B-3) Processability evaluation About the sample of an Example and a comparative example, the processability in the said kneading | mixing process at the time of the trial manufacture in HNBR100g or EPDM100g was evaluated. Evaluation results (○ is processing time within 30 minutes, roll winding property is good, Δ is processing time more than 30 minutes to 1 hour, roll winding property is good, × is processing time more than 1 hour, roll winding property is bad. Table 1 to Table 9 show the results.

(B−4)解繊性及び分散性の評価
実施例及び比較例のサンプルについて、上記複合材における解繊性及び分散性の評価を行った。走査型電子顕微鏡で各サンプルの引張破断面を観察した。評価結果(○は最大幅が50μm以上の凝集塊なし、△は最大幅が50〜100μmの凝集塊あり、×は100μm幅以上の凝集塊ありであった)を表1〜表9に示した。また、「○」のサンプルとして実施例2,4,11の電子顕微鏡写真を図6〜図8に示し、「×」のサンプルとして比較例3の電子顕微鏡写真を図9に示し、「△」のサンプルとして比較例6,14の電子顕微鏡写真を図10,図11に示した。
(B-4) Evaluation of defibration and dispersibility The defibration and dispersibility of the composite material were evaluated for the samples of Examples and Comparative Examples. The tensile fracture surface of each sample was observed with a scanning electron microscope. Tables 1 to 9 show the evaluation results (◯: no aggregate having a maximum width of 50 μm or more, Δ: aggregate having a maximum width of 50-100 μm, and x: an aggregate having a width of 100 μm or more). . Moreover, the electron micrograph of Example 2,4,11 is shown in FIGS. 6-8 as a sample of "(circle)", the electron micrograph of the comparative example 3 is shown in FIG. 9 as a sample of "x", and "(triangle | delta)" The electron micrographs of Comparative Examples 6 and 14 are shown in FIGS.

(C)評価結果
表1〜表5に示すように、実施例1〜20のサンプルは、混練工程における「加工性」の評価及び「解繊性、分散性」の評価が「○」であった。図6〜図8に示すように、「解繊性、分散性」の評価が「○」のサンプルでは、最大幅が50μm以上の繊維材料の凝集塊が残っておらず、セルロースナノファイバーが解繊されていることがわかった。
(C) Evaluation results As shown in Tables 1 to 5, in the samples of Examples 1 to 20, the evaluation of “workability” and the evaluation of “definability and dispersibility” in the kneading process were “◯”. It was. As shown in FIGS. 6 to 8, in the sample with “◯” as the evaluation of “definability and dispersibility”, there is no aggregate of fiber material having a maximum width of 50 μm or more, and cellulose nanofibers are undissolved. I found out that it was fine.

表1〜表4に示すHNBRを用いた実施例1〜14のサンプルは、表6に示す比較例1の純ゴムのサンプルに比べて「σ50」及び「TS」の値が大きく、セルロースナノファイバーによる補強効果があることが分かった。また、表1〜表4に示すHNBRを用いた実施例1〜5,8〜14のサンプルは、表5に示すCNF量が同じ比較例2,3に比べて「σ50」が大きく、金属塩によって解繊されたセルロースナノファイバーによって補強効果が得られることが分かった。表7に示す比較例4のサンプルはメタクリル酸Naが少なすぎるため、セルロースナノファイバーを解繊するのが困難となり、「加工性」が「△」、「解繊性、分散性」が「×」であった。表7に示す比較例5〜7のサンプルは、膨潤工程における水の量を変量したが、特に「加工性」に問題があった。   The samples of Examples 1 to 14 using HNBR shown in Tables 1 to 4 have larger values of “σ50” and “TS” than the pure rubber samples of Comparative Example 1 shown in Table 6, and cellulose nanofibers. It was found that there is a reinforcing effect by. In addition, the samples of Examples 1 to 5 and 8 to 14 using HNBR shown in Tables 1 to 4 have a larger “σ50” than the Comparative Examples 2 and 3 having the same CNF amount shown in Table 5, and metal salts. It was found that a reinforcing effect can be obtained by cellulose nanofibers defibrated by. Since the sample of Comparative Example 4 shown in Table 7 has too little Na methacrylate, it is difficult to defibrate cellulose nanofibers, and “processability” is “△” and “definability, dispersibility” is “×”. "Met. Although the samples of Comparative Examples 5 to 7 shown in Table 7 varied the amount of water in the swelling process, there was a problem in “workability” in particular.

表8及び表9に示す比較例8〜比較例14のサンプルは、金属塩の代わりに各種のシランカップリング剤を用いたが、所定量のシランカップリング剤を配合することで「加工性」は向上することがわかったが、「解繊性、分散性」は金属塩を用いた実施例1〜16のサンプルには及ばなかった。   In the samples of Comparative Examples 8 to 14 shown in Table 8 and Table 9, various silane coupling agents were used instead of metal salts, but “workability” was obtained by blending a predetermined amount of the silane coupling agent. However, the “definability and dispersibility” did not reach the samples of Examples 1 to 16 using metal salts.

表5に示すEPDMを用いた実施例17〜20のサンプルは、表9に示す比較例15のサンプルに比べて「σ50」及び「TS」の値が大きく、セルロースナノファイバーによる補強効果があることが分かった。   The samples of Examples 17 to 20 using EPDM shown in Table 5 have larger values of “σ50” and “TS” than the sample of Comparative Example 15 shown in Table 9, and have a reinforcing effect by cellulose nanofibers. I understood.

(D)熱硬化性樹脂を用いたサンプルの作製
実施例21のサンプルを以下のように作成した。エポキシ樹脂の主剤(ビスフェノールA、三菱化学社製固形タイプjER1001(「jER」は登録商標)、エポキシ当量450〜500、軟化点(環球法)64℃、比重1.19、分子量900)を二本ロールに投入し、その後、上記実施例15の水を4.0に変更した配合で作成された膨潤繊維材料(CNF1:アクリル酸Ca0.1:水4.0)を主剤に徐々に投入して、第1のロール10の温度を60〜70℃に設定、第2のロール20の温度を50〜60℃に設定し他は実施例15と同様に混練工程を行った。その後、混練工程で得られた混合物を乾燥し、粉末化させ、再び二本ロールに投入し、硬化剤jER ST12(ポリアミドアミン、「jER」は登録商標))を加えてさらに混錬し、減圧プレス成型して1日室温で硬化し、次に80℃、15時間硬化(ポストベーク)して複合材料(エポキシ樹脂100phr:CNF20phr)のサンプルを得た。
(D) Preparation of sample using thermosetting resin The sample of Example 21 was prepared as follows. Two main epoxy resins (Bisphenol A, solid type jER1001 ("jER" is a registered trademark) manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), epoxy equivalent 450-500, softening point (ring and ball method) 64 ° C, specific gravity 1.19, molecular weight 900 Then, the swollen fiber material (CNF1: acrylic acid Ca0.1: water 4.0) prepared by blending the water of Example 15 with 4.0 was gradually added to the main agent. The kneading step was performed in the same manner as in Example 15 except that the temperature of the first roll 10 was set to 60 to 70 ° C., the temperature of the second roll 20 was set to 50 to 60 ° C. Thereafter, the mixture obtained in the kneading step is dried, pulverized, put again into the two rolls, added with a curing agent jER ST12 (polyamidoamine, “jER” is a registered trademark)) and further kneaded, and reduced pressure It was press-molded and cured at room temperature for 1 day, and then cured (post-baked) at 80 ° C. for 15 hours to obtain a sample of a composite material (epoxy resin 100 phr: CNF 20 phr).

また、実施例22のサンプルとして、アクリル酸Caの配合量を0.5として、実施例21と同様に複合材料のサンプルを得た。   Further, as a sample of Example 22, a composite material sample was obtained in the same manner as in Example 21 with the blending amount of Ca acrylate being 0.5.

実施例23のサンプルを以下のように作成した。フェノール樹脂(旭有機材社製、AVライト(登録商標))の主剤(ノボラック樹脂、軟化点(環球法)80℃(推定))を二本ロールに投入し、その後、上記実施例4と同様の工程で作成された膨潤繊維材料(CNF1:アクリル酸Na1:水2.5)を主剤に徐々に投入して、ロール温度を60℃に設定し他は実施例4と同様に混練工程を行った。その後、混練工程で得られた混合物に硬化剤を加えてさらに混練し、さらに押出機に投入し混練して押出成形してキュアして複合材料(フェノール樹脂100phr:CNF20phr)のサンプルを得た。   A sample of Example 23 was prepared as follows. The main component (novolak resin, softening point (ring and ball method) 80 ° C. (estimated)) of phenol resin (Asahi Organic Materials Co., Ltd., AV Light (registered trademark)) was put into two rolls, and then the same as in Example 4 above. The swollen fiber material (CNF1: acrylic acid Na1: water 2.5) prepared in the above step was gradually added to the main agent, the roll temperature was set to 60 ° C., and the kneading step was performed in the same manner as in Example 4. It was. Thereafter, a curing agent was added to the mixture obtained in the kneading step, and the mixture was further kneaded. Further, the mixture was put into an extruder, kneaded, extruded, cured, and a composite material (phenol resin 100 phr: CNF 20 phr) sample was obtained.

(E)評価方法
実施例21,22の複合材料のサンプルについて、上記(B−2)と同様の方法で引張試験を行った。引張試験の結果を応力−歪曲線として図12に示した。
(E) Evaluation method About the sample of the composite material of Examples 21 and 22, the tensile test was done by the method similar to said (B-2). The result of the tensile test is shown as a stress-strain curve in FIG.

実施例23の複合材料のサンプルについて、エスアイアイ・ナノテクノロジ―株式会社社製の熱分析レオロジー装置を用いて、応力100kPaの条件で、膨張係数を測定し、−10℃〜190℃の温度範囲における線膨張係数の変化を図13のグラフに示した。   About the sample of the composite material of Example 23, an expansion coefficient was measured on the conditions of stress 100kPa using the thermal analysis rheology apparatus by SII Nanotechnology, Inc., and the temperature range of -10 degreeC-190 degreeC The change of the linear expansion coefficient in was shown in the graph of FIG.

(F)評価
図12に示すように、実施例21,22のサンプルは、エポキシ単体のサンプルに比べて2%歪み時における応力が1.7倍に増大した。解繊されたセルロースナノファイバーによって複合材料が補強された。
(F) Evaluation As shown in FIG. 12, in the samples of Examples 21 and 22, the stress at the time of 2% strain increased 1.7 times as compared with the sample of the single epoxy. The composite material was reinforced by the fibrillated cellulose nanofibers.

図13に示すように、実施例23のサンプルは、30℃〜120℃の範囲における平均線膨張係数がフェノール単体のサンプルの平均線膨張係数の5分の1以下だった。解繊されたセルロースナノファイバーによって複合材料の熱膨張変形が抑えられることがわかった。   As shown in FIG. 13, in the sample of Example 23, the average linear expansion coefficient in the range of 30 ° C. to 120 ° C. was 1/5 or less of the average linear expansion coefficient of the sample of simple phenol. It was found that the thermal expansion deformation of the composite material was suppressed by the defibrated cellulose nanofiber.

(G)熱可塑性樹脂を用いたサンプルの作製
第1温度混合工程:熱可塑性樹脂をXplore Instruments社製の卓上二軸混練機MC15に投入し溶融させた。次いで、実施例5の膨潤繊維材料を卓上二軸混練機に投入して第1温度で混練し、第1混合物を得た。卓上二軸混練機の設定温度は165℃、実測樹脂温度155℃、及び混練時間3分間であった。又、各実施例の配合量(単位は「wt%」及び「phr」)は、表10に示した。
(G) Preparation of sample using thermoplastic resin First temperature mixing step: The thermoplastic resin was charged into a desktop twin-screw kneader MC15 manufactured by Xplore Instruments and melted. Next, the swollen fiber material of Example 5 was put into a desktop biaxial kneader and kneaded at a first temperature to obtain a first mixture. The set temperature of the desktop biaxial kneader was 165 ° C., the actually measured resin temperature was 155 ° C., and the kneading time was 3 minutes. In addition, Table 10 shows the blending amounts (units are “wt%” and “phr”) of each Example.

低温化工程:卓上混練機の設定温度を低温混練工程の設定温度(137℃)まで下げた。   Low temperature process: The setting temperature of the tabletop kneader was lowered to the setting temperature (137 ° C.) of the low temperature kneading process.

低温混練工程:卓上混練機の設定温度が137℃(実測樹脂温度130℃)で第1の混合物を卓上二軸混練で混練した。混練時間は8分間であった。   Low temperature kneading step: The first mixture was kneaded by desktop biaxial kneading at a set temperature of the table kneader of 137 ° C. (measured resin temperature 130 ° C.). The kneading time was 8 minutes.

押出工程:卓上混練機の設定温度が165℃(実測樹脂温度155℃)まで昇温した後、卓上二軸混練機で射出成形し、複合材料で成形されたJIS K7161 1BAダンベル試験片を得た。   Extrusion step: After the set temperature of the table kneader was raised to 165 ° C. (measured resin temperature 155 ° C.), injection molding was performed with a table biaxial kneader to obtain a JIS K7161 1BA dumbbell test piece molded from a composite material. .

比較例16は、熱可塑性樹脂単体(LLDPE)で同様のダンベル試験片を射出成形し、比較例17は、膨潤繊維材料の代わりにアクリル酸Naを配合しない原料のセルロースナノファイバー分散液を乾燥した粉末を用いて実施例24と同様の方法でダンベル試験片を作製した。   In Comparative Example 16, a similar dumbbell test piece was injection-molded with a single thermoplastic resin (LLDPE), and in Comparative Example 17, a raw material cellulose nanofiber dispersion not containing Na acrylate was used instead of the swollen fiber material. A dumbbell test piece was produced using the powder in the same manner as in Example 24.

なお、各表において、
・「LLDPE」:プライムポリマー製ウルトゼックス15150J、融点115℃、
・「CNF」:第一工業製薬社製TEMPO酸化セルロースナノファイバー(セルロースナノファイバーの平均繊維径は3.3nm、平均アスペクト比は225)、
・「メタクリル酸Na」:浅田化学工業社製メタクリル酸ナトリウム(金属分19〜21%、メタクリル酸分75〜80%)であった。
In each table,
"LLDPE": Prime Polymer Ultrazex 15150J, melting point 115 ° C,
“CNF”: TEMPO oxidized cellulose nanofibers manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. (average fiber diameter of cellulose nanofibers is 3.3 nm, average aspect ratio is 225),
-"Na methacrylate": It was sodium methacrylate (metal content 19-21%, methacrylic acid content 75-80%) by Asada Chemical Industry.

表10における第2温度は、各サンプルの第2温度の範囲内に設定しなければならないため、低温混練工程の第2温度として130℃(実測樹脂温度)となるように設定して上記の通りに実施して複合材料の第2温度測定用サンプルを得た。各実施例の配合の第2温度測定用サンプルについて、下記(H)と同様の方法でDMA測定した。その測定結果から、貯蔵弾性率(E’)と温度とのグラフを作成し、上述した方法で、例えば実施例24のサンプルの場合には、変曲点温度T1(121.5℃)、加工温度発現温度T2(108℃)と平坦領域発現温度T3(125℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度T4(132.5℃)とを求めた。各サンプルの第2温度の範囲の求め方については上述した通りであり、実施例24のDMA測定した貯蔵弾性率の温度依存性は図14の通りであった。   Since the second temperature in Table 10 must be set within the range of the second temperature of each sample, the second temperature in the low-temperature kneading step is set to 130 ° C. (measured resin temperature) as described above. The second temperature measurement sample of the composite material was obtained. For the second temperature measurement sample of the formulation of each example, DMA measurement was performed in the same manner as in (H) below. From the measurement result, a graph of storage elastic modulus (E ′) and temperature is prepared, and in the case of the sample of Example 24, for example, the inflection point temperature T1 (121.5 ° C.) A temperature onset temperature T2 (108 ° C.) and a temperature T4 (132.5 ° C.) that is 1.06 times (T3 ° C. × 1.06) the flat region onset temperature T3 (125 ° C.) were determined. The method for obtaining the second temperature range of each sample was as described above, and the temperature dependence of the storage elastic modulus measured by DMA in Example 24 was as shown in FIG.

実施例24〜26の第2温度測定用サンプルをDMA測定した結果、全てのサンプルの温度T2〜温度T4の範囲が低温混練工程で用いた第2温度を含んでいた。   As a result of the DMA measurement of the second temperature measurement samples of Examples 24-26, the range of the temperature T2 to the temperature T4 of all the samples included the second temperature used in the low-temperature kneading step.

(H)評価方法
(H−1)引張試験
実施例24〜26及び比較例16,17のサンプルについて、JIS K7161 1BAのダンベル試験片について、島津製作所社製オートグラフAG−Xの引張試験機を用いて、23±2℃、標準線間距離25mm、引張速度25mm/minでJIS K7161に基づいて引張試験を行い、引張強さ(TS(MPa))、切断時伸び(Eb(%)
)、及び降伏点引張応力(σy(MPa))を測定した。測定結果を表10に示した。
(H) Evaluation method (H-1) Tensile test About samples of Examples 24 to 26 and Comparative Examples 16 and 17, a dumbbell test piece of JIS K7161 1BA was used, and an autograph AG-X tensile tester manufactured by Shimadzu Corporation was used. A tensile test was performed based on JIS K7161 at 23 ± 2 ° C., a standard line distance of 25 mm, and a tensile speed of 25 mm / min. Tensile strength (TS (MPa)), elongation at break (Eb (%))
) And yield point tensile stress (σy (MPa)). The measurement results are shown in Table 10.

(H−2)DMA測定
実施例24〜26及び比較例16,17のサンプルについて、短冊形(30×5×2mm)に切り出した試験片について、SII社製の動的粘弾性試験機DMS6100を用いて、チャック間距離10mm、測定温度20〜200℃、昇温ペース1.5℃、動的ひずみ±0.05%、周波数1HzでJIS K7244に基づいてDMA試験(動的粘弾性試験)を行った。実施例24のサンプルの貯蔵弾性率の温度依存性を図14に示した。
(H-2) DMA measurement About the sample of Examples 24-26 and the comparative examples 16 and 17, about the test piece cut out in strip shape (30x5x2mm), the dynamic viscoelasticity tester DMS6100 made from SII company was used. Using a DMA test (dynamic viscoelasticity test) based on JIS K7244 at a distance between chucks of 10 mm, a measurement temperature of 20 to 200 ° C., a temperature rising pace of 1.5 ° C., a dynamic strain of ± 0.05%, and a frequency of 1 Hz. went. The temperature dependence of the storage elastic modulus of the sample of Example 24 is shown in FIG.

(I)評価
実施例24〜実施例26のサンプルは、比較例16,17に比べて、引張強さ(TS(MPa))、切断時伸び(Eb(%))及び降伏点引張応力(σy(MPa))が大きかった。
(I) Evaluation As compared with Comparative Examples 16 and 17, the samples of Examples 24 to 26 were higher in tensile strength (TS (MPa)), elongation at break (Eb (%)), and yield point tensile stress (σy). (MPa)) was large.

2…オープンロール、10…第1のロール、20…第2のロール、30…エラストマー、34…バンク、36…中間混合物、50…複合材料、80…膨潤繊維材料   DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Open roll, 10 ... 1st roll, 20 ... 2nd roll, 30 ... Elastomer, 34 ... Bank, 36 ... Intermediate mixture, 50 ... Composite material, 80 ... Swelling fiber material

Claims (13)

セルロースナノファイバーと金属塩と水系溶媒とを混合してCNF分散液を得る混合工程と、
前記混合工程で得られた前記CNF分散液から水系溶媒を除去して繊維材料を得る乾燥工程と、
を含み、
前記CNF分散液における前記金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍である、繊維材料の製造方法。
A mixing step of mixing a cellulose nanofiber, a metal salt, and an aqueous solvent to obtain a CNF dispersion;
A drying step of removing the aqueous solvent from the CNF dispersion obtained in the mixing step to obtain a fiber material;
Including
The manufacturing method of the fiber material whose mass ratio with respect to the said cellulose nanofiber of the said metal salt in the said CNF dispersion is 0.1 time-2 times.
請求項1において、
前記金属塩は、1価金属塩及び2価金属塩の少なくとも一方を含む、繊維材料の製造方法。
In claim 1,
The method for producing a fiber material, wherein the metal salt includes at least one of a monovalent metal salt and a divalent metal salt.
請求項1において、
前記金属塩が1価金属塩であり、
前記CNF分散液における前記1価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が0.2倍〜2倍である、繊維材料の製造方法。
In claim 1,
The metal salt is a monovalent metal salt;
The manufacturing method of the fiber material whose mass ratio with respect to the said cellulose nanofiber of the said monovalent metal salt in the said CNF dispersion is 0.2 times-2 times.
請求項1において、
前記金属塩が2価金属塩であり、
前記CNF分散液における前記2価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が0.1倍〜2倍である、繊維材料の製造方法。
In claim 1,
The metal salt is a divalent metal salt;
The manufacturing method of the fiber material whose mass ratio with respect to the said cellulose nanofiber of the said bivalent metal salt in the said CNF dispersion is 0.1 times-2 times.
請求項1〜4のいずれか1項の前記繊維材料が所定量の水分を含む膨潤繊維材料であり、
前記膨潤繊維材料をエラストマーに混合して複合材料を得る混練工程をさらに含み、
前記混練工程は、ロール間隔が0.1mm〜0.5mmでロール温度が0℃〜50℃に設定されたオープンロールを用いて薄通しする工程を含む、複合材料の製造方法。
The said fiber material of any one of Claims 1-4 is a swelling fiber material containing a predetermined amount of moisture,
Further comprising a kneading step of mixing the swollen fiber material with an elastomer to obtain a composite material,
The kneading step is a method for producing a composite material including a step of thinning using an open roll having a roll interval of 0.1 mm to 0.5 mm and a roll temperature set to 0 ° C to 50 ° C.
請求項1〜4のいずれか1項の前記繊維材料が所定量の水分を含む膨潤繊維材料であり、
前記膨潤繊維材料を合成樹脂に混合して複合材料を得る混練工程をさらに含む、複合材料の製造方法。
The said fiber material of any one of Claims 1-4 is a swelling fiber material containing a predetermined amount of moisture,
The manufacturing method of a composite material further including the kneading | mixing process which mixes the said swelling fiber material with a synthetic resin, and obtains a composite material.
請求項6において、
前記合成樹脂は、熱可塑性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱可塑性樹脂の融点(Tm℃)付近における熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度(T3℃)の1.06倍(T3℃×1.06)の温度までの範囲の混練温度で混練する工程を含む、複合材料の製造方法。
In claim 6,
The synthetic resin is a thermoplastic resin,
In the kneading step, the processing region expression temperature in the storage elastic modulus of the thermoplastic resin composition near the melting point (Tm ° C.) of the thermoplastic resin is 1.06 times the flat region expression temperature (T3 ° C.) in the storage elastic modulus. A method for producing a composite material, comprising a step of kneading at a kneading temperature in a range up to a temperature of (T3 ° C. × 1.06).
請求項6において、
前記合成樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱硬化性樹脂の主剤に前記膨潤繊維材料を混合した後、前記主剤の軟化点より20℃低い温度から前記軟化点より10℃高い温度までの範囲の混練温度で混練した後、さらに硬化剤を混合する工程を含む、複合材料の製造方法。
In claim 6,
The synthetic resin is a thermosetting resin,
In the kneading step, the swelling fiber material is mixed with the main component of the thermosetting resin, and then kneaded at a kneading temperature ranging from a temperature 20 ° C. lower than the softening point of the main agent to a temperature 10 ° C. higher than the softening point. Then, the manufacturing method of a composite material including the process of further mixing a hardening | curing agent.
請求項5〜8のいずれか1項において、
前記混練工程で得られた複合材料を脱水する脱水工程をさらに含む、複合材料の製造方
法。
In any one of Claims 5-8,
A method for producing a composite material, further comprising a dehydration step of dehydrating the composite material obtained in the kneading step.
金属塩由来の金属が結合したセルロースナノファイバーを含む、繊維材料。   A fiber material comprising cellulose nanofibers to which a metal derived from a metal salt is bound. 請求項10において、
前記金属塩は、1価金属塩及び2価金属塩の少なくとも一方を含む、繊維材料。
In claim 10,
The metal salt is a fiber material containing at least one of a monovalent metal salt and a divalent metal salt.
請求項10または11の前記繊維材料から解繊されたセルロースナノファイバーとエラストマーまたは合成樹脂とを含む、複合材料。   A composite material comprising cellulose nanofibers defibrated from the fiber material of claim 10 or 11 and an elastomer or a synthetic resin. 請求項12において、
前記複合材料は、最大幅が50μm以上のセルロースナノファイバー凝集塊を含まない、複合材料。
In claim 12,
The composite material does not include a cellulose nanofiber aggregate having a maximum width of 50 μm or more.
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