JP2019131929A - セルロース繊維複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
Abstract
Description
(A)平均繊維径が3nm以上100nm以下
(B)平均アスペクト比が10以上1000以下
(C)セルロースI型結晶構造を有する。
アスペクト比=長幅の方の数平均幅(nm)/短幅の方の数平均幅(nm)
セルロースI型結晶化度(%)=〔(I22.6−I18.5)/I22.6〕×100
カルボキシル基量(mmol/g)=V(mL)×〔0.05/セルロース質量(g)〕
微細繊維状セルロースの水分散体として、微細繊維状セルロース(第一工業製薬製「レオクリスタ」、セルロース濃度:2質量%、平均繊維径:4nm、平均アスペクト比:250、セルロースI型結晶化度:82%、カルボキシル基量:2.0mmol/g)を、水を用いてセルロース濃度0.062質量%に調整した分散液を用いた。この分散液160mLに、カルシウムイオン濃度を2.0mmol/Lに調整した酢酸カルシウム水溶液20mLと、リン酸イオン濃度を1.2mmol/Lに調整したリン酸水素アンモニウム水溶液20mLを加えて、マグネチックスターラーを用いて毎分300回転の条件で室温で30分攪拌混合することにより、セルロース繊維複合体分散液を得た。得られたセルロース繊維複合体分散液を遠心分離し、上澄み液を除去することによりセルロース繊維複合体を得た。得られたセルロース繊維複合体は、微細繊維状セルロースの表面にリン酸カルシウム結晶(Ca10(PO4)6(OH)2)が担持されたものであり、リン酸カルシウム結晶の担持量は、微細繊維状セルロース100質量部に対して8.0質量部であった。
カルシウムイオン濃度を4.0mmol/L、リン酸イオン濃度を2.4mmol/Lに変更した以外は実施例1と同様にして、セルロース繊維複合体を得た。得られたセルロース繊維複合体は、微細繊維状セルロースの表面にリン酸カルシウム結晶(Ca10(PO4)6(OH)2)が担持されたものであり、リン酸カルシウム結晶の担持量は、微細繊維状セルロース100質量部に対して38.9質量部であった。
カルシウムイオン濃度を8.0mmol/L、リン酸イオン濃度を4.8mmol/Lに変更した以外は実施例1と同様にして、セルロース繊維複合体を得た。得られたセルロース繊維複合体は、微細繊維状セルロースの表面にリン酸カルシウム結晶(Ca10(PO4)6(OH)2)が担持されたものであり、リン酸カルシウム結晶の担持量は、微細繊維状セルロース100質量部に対して72.4質量部であった。
カルシウムイオン濃度を20.0mmol/L、リン酸イオン濃度を12.0mmol/Lに変更した以外は実施例1と同様にして、セルロース繊維複合体を得た。得られたセルロース繊維複合体は、微細繊維状セルロースの表面にリン酸カルシウム結晶(Ca10(PO4)6(OH)2)が担持されたものであり、リン酸カルシウム結晶の担持量は、微細繊維状セルロース100質量部に対して194.1質量部であった。
微細繊維状セルロースの水分散体として、微細繊維状セルロース(第一工業製薬(株)製「レオクリスタ」、セルロース濃度:2質量%、平均繊維径:20nm、平均アスペクト比:50、セルロースI型結晶化度:81%、カルボキシル基量:2.0mmol/g)を、水を用いてセルロース濃度0.062質量%に調整した分散液を用いることに変更した以外は実施例1と同様にして、セルロース繊維複合体を得た。得られたセルロース繊維複合体は、微細繊維状セルロースの表面にリン酸カルシウム結晶(Ca10(PO4)6(OH)2)が担持されたものであり、リン酸カルシウム結晶の担持量は、微細繊維状セルロース100質量部に対して7.8質量部であった。また、FE−SEM観察により、セルロース繊維複合体は粒子状の形状を有していた。
カルシウムイオン濃度を20.0mmol/L、リン酸イオン濃度を12.0mmol/Lに変更した以外は実施例5と同様にして、セルロース繊維複合体を得た。得られたセルロース繊維複合体は、微細繊維状セルロースの表面にリン酸カルシウム結晶(Ca10(PO4)6(OH)2)が担持されたものであり、リン酸カルシウム結晶の担持量は、微細繊維状セルロース100質量部に対して189.2質量部であった。また、FE−SEM観察により、セルロース繊維複合体はリボン状の形状を有していた。
実施例1で使用したTEMPO酸化微細繊維状セルロース(第一工業製薬(株)製「レオクリスタ」)を、そのまま遠心分離し、上澄み液を除去して、比較例1に係る微細繊維状セルロースを得た。この微細繊維状セルロースについて、透過型電子顕微鏡(TEM)(日本電子社製、JEM−1400)を用いて観察した。すなわち、試料を親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストした後、2%ウラニルアセテート水溶液でネガティブ染色したTEM像(倍率:10000倍)から、先に述べた方法に従い、微細繊維状セルロースを観察した。この微細繊維状セルロースにリン酸カルシウム結晶は存在しなかった。
実施例1〜6のセルロース繊維複合体及び比較例1の微細繊維状セルロースを、凍結乾燥し、得られた凍結乾燥物について、熱重量微分測定(DTG)を行った。DTG測定の結果により、そのピークとなる温度を耐熱温度とした。
実施例1のセルロース繊維複合体と比較例1の微細繊維状セルロースについて、加熱着色試験を実施した。試験方法は、実施例1のセルロース繊維複合体及び比較例1の微細繊維状セルロースを、凍結乾燥し、得られた凍結乾燥物について、1分当たり5℃の昇温速度で150℃、200℃、250℃、300℃まで焼成した。焼成直後の微細繊維状セルロースを目視観察し、着色状態を下記の判定基準に従い、判定した。
◎:全体が白色
○:一部白色
△:全体が黄色に変色
×:全体が黒色に変色
以下の方法により、ウレタン成分とセルロース成分を用いて、下記表3の組成を持つ複合樹脂を作製し、物性を測定した。
・ウレタン成分:1,4−ブタンジオールとアジピン酸からなるポリエステルポリオールと、ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物(ポリエーテルポリオール)と、トリメチロールプロパンと、ジメチロールプロピオン酸と、ヘキサメチレンジイソシアネートからなる、下記製造例1にて得られたウレタンプレポリマー
・セルロース成分A:アニオン変性の微細繊維状セルロース、第一工業製薬(株)製「レオクリスタ」(セルロース濃度:2質量%、平均繊維径:4nm、平均アスペクト比:250、セルロースI型結晶化度:82%、カルボキシル基量:2.0mmol/g、TEMPO酸化微細繊維状セルロース)
・セルロース成分B:実施例4で得られたセルロース繊維複合体(リン酸カルシウム結晶の担持量:微細繊維状セルロース100質量部に対して194.1質量部)
・セルロース成分C:未変性セルロース、ダイセルファインケム(株)製「セリッシュKY100G」(セルロース繊維を機械粉砕して微細化した未変性の微細繊維状セルロース、10質量%水分散体、数平均繊維径=100nm、平均アスペクト比=5000)を水で2質量%に希釈したもの
・セルロース成分D:下記製造例2にて得られたTEMPO酸化未解繊セルロース繊維
・セルロース成分E:下記製造例3にて得られた結晶性のないセルロース
撹拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた4つ口フラスコに、下記の原料を加え、75℃で4時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量3.0%であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。
・1,4−ブタンジオールとアジピン酸からなるポリエステルポリオール(商品名「ニッポラン4009」(日本ポリウレタン工業社製 Mw=1,000)) 200質量部
・ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物(ポリエーテルポリオール)(商品名「ポリエーテルBPX−11」(ADEKA社製 Mw=360)) 400質量部
・トリメチロールプロパン(低分子量ポリオール) 20質量部
・ジメチロールプロピオン酸(イオン性基含有化合物) 40質量部
・ヘキサメチレンジイソシアネート(イソシアネート化合物) 340質量部
・メチルエチルケトン 800質量部
上記メチルエチルケトン溶液を40℃まで冷却し、トリエチルアミンを30質量部加えて中和してウレタンプレポリマー(a1)を得た。
針葉樹パルプ2gに、水150mLと、臭化ナトリウム0.25gと、TEMPO0.025gとを加え、充分撹拌して分散させた後、13質量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液(共酸化剤)を、上記パルプ1.0gに対して次亜塩素酸ナトリウム量が4.1mmol/gとなるように加え、反応を開始した。反応の進行に伴いpHが低下するため、pHを10〜11に保持するように0.5N水酸化ナトリウム水溶液を滴下しながら、pHの変化が見られなくなるまで反応させた(反応時間:120分)。反応終了後、0.1N塩酸を添加して中和した後、ろ過と水洗を繰り返して精製し、繊維表面が酸化されたセルロース繊維を得た。続いて、遠心分離機で固液分離した後、精製水を加えて固形分濃度4質量%に調整した。その後、24%NaOH水溶液にてスラリーのpHを10に調整した。スラリーの温度を30℃としてNaBH4を0.3g(0.2mmol/g)を加え2時間反応させることにより還元処理した。続いて、0.1N塩酸を添加して中和した後、ろ過と水洗を繰り返して精製し、繊維表面が酸化された未解繊のセルロース繊維を含むセルロース水分散体を得た。得られたセルロース水分散体が含有するアニオン変性の未解繊のセルロースのカルボキシ基の含有量は1.0mmol/g、カルボニル基の含有量は0.10mmol/gであり、一方、アルデヒド基の検出は認められなかった。セルロース水分散体が含有するアニオン変性の未解繊のセルロースの数平均繊維径は182nm、平均アスペクト比は77であった。該変性未解繊のセルロースが含有するセルロースの結晶構造を広角X線回折像測定により確認したところ、I型結晶構造が「あり」であった。また、酸化前のセルロースの13C−NMRチャートで確認できるグルコース単位の1級水酸基のC6位に相当する62ppmのピークが、酸化反応後は消失し、代わりに、178ppmに、カルボキシ基に由来するピークが現れていた。よって、グルコース単位のC6位水酸基のみがカルボキシ基等に酸化されていることが確認された。
原料を針葉樹パルプに替えて再生セルロースを使用し、添加する次亜塩素酸ナトリウム水溶液を、再生セルロース1.0gに対して次亜塩素酸ナトリウム量が27.0mmol/gとした以外は、製造例2と同様の手法で、酸化、還元反応を行った。反応後、1M HClを添加して中和し、純水と水酸化ナトリウムを適量加え、高圧ホモジナイザー(H11、三和エンジニアリング社製)を用いて圧力100MPaで1回処理し、セルロース水分散体を作製した。得られたセルロース水分散体は、数平均繊維径は測定不可能(1nm以下)で、カルボキシル基量3.1mmol/gであり、結晶構造を有していなかった。
製造例1で得られたウレタンプレポリマー(a1)1830質量部をホモジナイザーで撹拌しながら、微細繊維状セルロースとしてセルロース成分Aを、セルロース濃度0.33質量%に水を用いて調整した分散液3000質量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン・微細繊維状セルロース複合樹脂を30質量%含有する水性分散体を得た。
製造例1で得られたウレタンプレポリマー(a1)1830質量部をホモジナイザーで撹拌しながら、セルロース成分Bを、複合体濃度0.33質量%に水を用いて調整した分散液3000質量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン・セルロース繊維複合体樹脂を30質量%含有する水性分散体を得た。
製造例1で得られたウレタンプレポリマー(a1)1830質量部をホモジナイザーで撹拌しながら水2700質量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン樹脂を30質量%含有する水性分散体を得た。
製造例1で得られたウレタンプレポリマー(a1)1830質量部をホモジナイザーで撹拌しながら、微細繊維状セルロースとしてセルロース成分Cを、セルロース濃度0.33質量%に水を用いて調整した分散液3000質量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン・微細繊維状セルロース複合樹脂を30質量%含有する水性分散体を得た。
製造例1で得られたウレタンプレポリマー(a1)1830質量部をホモジナイザーで撹拌しながら、セルロース成分Dを、セルロース濃度0.33質量%に水を用いて調整した分散液3000質量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン・繊維表面が酸化された未解繊のセルロース繊維複合体樹脂を30質量%含有する水性分散体を得た。
製造例1で得られたウレタンプレポリマー(a1)1830質量部をホモジナイザーで撹拌しながら、セルロース成分Eを、セルロース濃度0.33質量%に水を用いて調整した混合液3000質量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン・セルロース複合体樹脂を30質量%含有する水性分散体を得た。
得られた水性分散体を、膜厚200μmとなるようにテフロン(登録商標)コーティングシャーレに投入し、80℃で6時間乾燥し、皮膜を作製した。上記皮膜をダンベル状試験片(3号)の大きさに切断することにより評価サンプルを作製した。JIS−K−6301に準じて、引張速度100mm/minで引張強度(N/mm2)、伸度(%)、および100%モジュラス(N/mm2)を測定した。なお、評価はベースウレタンである比較例2を100としたときの指数として表した。すなわち、実施例7では、(実施例7の実測値)/(比較例2の実測値)×100として算出した。
耐熱性の評価として、皮膜物性と同様の方法で作成した皮膜を、200℃の環境下30分経過後の変色性を目視により観察した。ほとんど変色がないものを○、変色があるものを×として評価した。
Claims (6)
- 下記条件(A)、(B)及び(C)を満たす微細繊維状セルロースの表面に、リン酸カルシウム結晶を担持してなるセルロース繊維複合体。
(A)平均繊維径が3nm以上100nm以下
(B)平均アスペクト比が10以上1000以下
(C)セルロースI型結晶構造を有する - 前記微細繊維状セルロースが(D)カルボキシル基を有する、請求項1に記載のセルロース繊維複合体。
- 前記セルロース繊維複合体の、微細繊維状セルロースに対するリン酸カルシウム結晶の担持量が、微細繊維状セルロース100質量部に対し、2〜300質量部であることを特徴とする請求項1又は2に記載のセルロース繊維複合体。
- 請求項1〜3のいずれ1項に記載のセルロース繊維複合体の製造方法であって、
前記微細繊維状セルロースの水分散体と、リン酸塩水溶液と、カルシウム塩水溶液を混合する工程を含む、セルロース繊維複合体の製造方法。 - 前記リン酸塩水溶液が、リン酸アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸ナトリウム、リン酸一水素ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素アンモニウムナトリウム、及びこれらの水和物からなる群から選択される少なくとも1種が溶解している水溶液である、請求項4に記載のセルロース繊維複合体の製造方法。
- 前記カルシウム塩水溶液が、硝酸カルシウム,塩化カルシウム、炭酸カルシウム、リン酸水素カルシウム、リン酸カルシウム、リン酸二水素カルシウム、二リン酸カルシウム、水酸化カルシウム、シュウ酸カルシウム、酢酸カルシウム、及びこれらの水和物からなる群から選択される少なくとも1種が溶解している水溶液である、請求項4又は5に記載のセルロース繊維複合体の製造方法。
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