JP2020139047A - セルロースアセテートフィルム - Google Patents

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Abstract

【課題】本開示は、曲げ性に優れ、かつ透明性の高いセルロースアセテートフィルムを提供することを目的とする
【解決手段】セルローストリアセテートI型結晶構造を有するセルロースアセテートを含み、660nmにおける光線透過率が70%以上である、セルロースアセテートフィルム。
【選択図】なし

Description

本発明は、セルロースアセテートフィルムに関する。
近年、天然由来の環境配慮型バイオマス材料として注目されているものにセルロースがある。セルロースは、植物の細胞壁、微生物の体外分泌物、及びホヤの外套膜などに含まれており、地球上でもっとも多く存在する多糖類である。そして、セルロースは、生分解性を有し、結晶性が高く、安定性及び安全性に優れている。そのため、様々な分野へ応用展開が期待されている。なかでも、木材パルプなどのセルロース材料に機械的解繊処理を施し、フィブリル状あるいはミクロフィブリル状にまで微細化したセルロースナノファイバーは、高強度及び高耐熱性等の特徴を有し、樹脂への添加剤や各種機能性基材として盛んに研究されている。
セルロースナノファイバーの用途として、シート化して濾材、セパレーターなどの電池用部材、及び透明基材等が提案されている。例えば、特許文献1にはセルロースナノファイバーの分散液を抄紙して、シート状の不織布を製造し、濾材や電池部材として使用する方法が示されている。また、セルロース繊維の重合度が500以上であることで、シートとしての耐熱性や耐溶剤性を発揮できること、及び、水溶性高分子である水溶性多糖や水溶性多糖誘導体を添加することでシートの強度を向上させることが記載されている。しかしながら、重合度の高いセルロースのみを用いると、強度が向上する一方、シートが硬くもろくなり曲げ性が低下する。そのため、ハンドリング性、成型性、及び加工性が著しく低下し、実使用上問題となる。また、水溶性多糖や水溶性多糖誘導体を添加する系は、作業工程が増加すると共に、抄紙工程においては添加した水溶性高分子が濾水と共に抜けてしまうため歩留まりが低くなり、水溶性高分子の添加による効果が得られにくい。
特許文献2には、微細繊維状セルロースシートの製造方法が記載され、また、微細繊維状セルロースの繊維長は1〜1000μmが好ましいこと、及びそのアスペクト比は100〜30000が好ましいことが記載されている。しかしながら、これらの範囲のセルロース繊維では得られるシートは白濁したものとなりやすい。
特許文献3には、化学変性セルロースナノファイバーと未化学変性セルロースナノファイバーとを含むことを特徴とするセルロースナノファイバーシートが記載されている。そして、660nmでの光線透過率が70%以上である、及び23℃50%にて調湿した場合のシートの伸び率が2%以上である、セルロースナノファイバーシートが記載されている。特に、実施例として、伸び率6.8%までのセルロースナノファイバーシートが開示されている。しかしながら、耐折強度などの曲げ性は一般に伸び率(破断伸度)に支配され、伸び率が高いほど曲げ性が高い傾向にあるところ、シートのハンドリング性、成型性、及び加工性の観点から、さらに高い曲げ性のシート状材料(又はフィルム状材料)が求められる。
特開2012−36529号公報 再表2010−73678号公報 特開2016−211116号公報
Takashi Nishinoら、Elastic modulus of the crystalline regions of cellulose triesters、Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics、1995年3月、pp 611-618 Junji Sugiyamaら、Electron diffraction study on the two crystalline phases occurring in native cellulose from an algal cell wall、Macromolecules、1991年、24(14)、pp 4168-4175 E. Rocheら、Three-Dimensional Crystalline Structure of Cellulose Triacetate II、Macromolecules、1978年、11(1)、pp 86-94 Stipanovic AJら、Molecular and crystal structure of cellulose triacetate I: A parallel chain structure、Polymer、1978年19(1)、pp 3-8. Masahisa Wadaら、X-ray diffraction study of the thermal expansion behavior of cellulose triacetate I、Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics、2009年1月21日、pp 517-523 Takanori Kobayashiら、Investigation of the structure and interaction of cellulose triacetate I crystal using ab initio calculations、Carbohydrate Research、2014年3月31日、Volume 388、pp 61-66 Pawel Sikorskiら、Crystal Structure of Cellulose Triacetate I、Macromolecules、2004年、37 (12)、pp 4547-4553
上記のように、従来、天然由来のセルロース又は化学変性セルロース用いて、曲げ性及び透明性に優れるセルロースアセテートフィルムを得ることは困難であった。特に、660nmにおける光線透過率が70%以上と、伸び率が7%以上とを兼ね備えたセルロースアセテートフィルムを得ることは困難であった。
本開示は、曲げ性に優れ、かつ透明性の高いセルロースアセテートフィルムを提供することを目的とするものである。
本開示の第一は、セルローストリアセテートI型結晶構造を有するセルロースアセテートを含み、660nmにおける光線透過率が70%以上である、セルロースアセテートフィルムに関する。
前記セルロースアセテートフィルムにおいて、23℃相対湿度50%にて調湿したときの伸び率が7%以上であってよい。
前記セルロースアセテートフィルムにおいて、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分で加熱したとき、100℃における重量に対する重量減少率が5%となる温度が200℃以上であってよい。
前記セルロースアセテートフィルムにおいて、前記重量減少率が5%となる温度が250℃以上であってよい。
前記セルロースアセテートフィルムにおいて、前記セルロースアセテートにおける結合硫酸量が20ppm以上500ppm以下であってよい。
本開示の第二は、原料セルロースを、セルロースアセテートに対する貧溶媒と酢酸とを含む溶媒中で無水酢酸と反応させてアセチル化する工程、前記アセチル化により得られたセルロースアセテートを分散媒で希釈して分散液にする工程、前記分散液中のセルロースアセテートを解繊する工程、前記解繊したセルロースアセテートから未解繊繊維を除去する工程、前記未解繊繊維を除去したセルロースアセテートを水を用いて透析する工程、及び前記透析したセルロースアセテートを乾燥してフィルム化する工程を有する、セルロースアセテートフィルムの製造方法に関する。
本開示によれば、曲げ性に優れ、かつ透明性の高いセルロースアセテートフィルムを提供することができる。
[セルロースアセテートフィルム]
本開示のセルロースアセテートフィルムは、セルローストリアセテートI型結晶構造を有するセルロースアセテートを含み、660nmにおける光線透過率が70%以上である。なお、本開示において、「シート」及び「フィルム」との用語は、いずれも薄い膜状であることを示し、厚みによって明確に区別するものではない。
(光線透過率)
本開示のセルロースアセテートフィルムは、660nmにおける光線透過率が70%以上である。前記光線透過率は、80%以上が好ましく、85%以上がより好ましい。660nmにおける光線透過率が70%未満であると、可視光を効率よく透過できず、透明性に劣る。また、前記光線透過率はより高い方が好ましく、100%であることが最も好ましいが、空気とフィルム界面の屈折率差に基づく反射が不可避に生じることを考慮すれば、95%以下であってよい。
また、本開示のセルロースアセテートフィルムは、加熱によっても着色しにくく優れた透明性を維持することができる。言い換えれば、耐熱性に優れる。100℃で3時間加熱した後でも450nmにおける光線透過率が70%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。
上記の450nm及び660nmにおける光線透過率は、いずれも分光光度計を用いて測定すればよい。
(伸び率)
本開示のセルロースアセテートフィルムは、23℃相対湿度50%にて調湿したときの伸び率が7%以上であることが好ましく、8%以上がより好ましい。前記伸び率が7%以上であることにより、より耐折強度に優れ、曲げ性に優れる。また、伸び率が高すぎると、弾性率が損なわれる傾向にある観点からは、前記伸び率は16%以下であってよい。
伸び率は、セルロースアセテートフィルムを、23℃相対湿度50%の条件下に、12時間〜20時間程度静置し調湿した後、例えば、引張幅10mm、スパン10mm、速度5mm/minにて引張試験を行うことにより測定すればよい。
(重量減少率が5%となる温度)
本開示のセルロースアセテートフィルムは、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分で加熱したとき、100℃における重量に対する重量減少率が5%となる温度が200℃以上であることが好ましく、220℃以上がより好ましく、250℃以上がさらに好ましい。セルロースアセテートフィルムがより熱安定性に優れるためである。なお、前記重量減少率が5%となる温度は350℃以下であってよい。
重量減少率は、熱天秤(マックサイエンス社製 TG−DTA2000−S)を用いて測定することができる。具体的には、セルロースアセテートを、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分で加熱して、その重量変化(温度と重量との関係)を測定すればよい。そして、100℃におけるセルロースアセテートの重量に対する各温度における重量減少率(%)を算出する。
(セルローストリアセテートI型結晶構造)
本開示のセルロースアセテートフィルムは、セルローストリアセテートI型結晶構造を有するセルロースアセテートを含む。
セルロースアセテートがセルローストリアセテートI(以下、CTA Iとも称する)型結晶構造を有していることは、CuKα(λ=1.542184Å)を用いたX線回折写真より得られる回折プロファイルにおいて、2θ=7.6°付近(7.2〜8.0°)及び2θ=15.9°付近(15.5〜16.3°)の2か所の位置に典型的なピークを有することにより同定することができる。
また、同様にセルローストリアセテートII型結晶構造(以下、CTA IIとも称する)を有していることは、2θ=7.9〜8.9°付近、2θ=9.9〜10.9°付近及び2θ=12.6〜13.6°付近の3か所の位置に典型的なピークを有することにより同定することができる。
本開示のセルロースアセテートフィルムは、セルローストリアセテートI型結晶構造を有するセルロースアセテートを含むことにより、小さな比重と共に優れた強度を有することができる。
ここで、セルロース及びセルロースアセテートの結晶構造について述べる。セルロースの結晶構造としては、セルロースI型結晶構造やセルロースII型結晶構造が存在する(非特許文献1及び3)。セルロースをアセチル基で修飾したセルロースアセテートの結晶構造としては、セルローストリアセテートI(CTA I)型結晶構造やセルローストリアセテートII型結晶構造(CTA II)が存在することが知られている(非特許文献1、3乃至7)。セルローストリアセテートI型結晶構造は、セルロースI型結晶構造と似た平行鎖構造を(非特許文献4)、セルローストリアセテートII型結晶構造は、逆平行鎖構造をとるとされている(非特許文献3)。そして、セルローストリアセテートI型結晶構造が、一旦セルローストリアセテートII型結晶構造へ変化すると、セルローストリアセテートI型結晶構造への変化は生じないとされている(非特許文献3)。
天然のセルロースから得られる繊維であるセルロースナノファイバーの優れた比重、強度及び低線熱膨張係数は、そのセルロースナノファイバーが、全てのセルロース分子鎖が同じ方向を向き、平行鎖構造を有するセルロースI型結晶構造(cellulose I。なお、より正確にはcellulose Iα及びcellulose Iβが存在する(非特許文献2))、さらには、そのセルロース分子鎖が36本程度平行に並んで集合した、セルロースI型結晶構造を含むミクロフィブリル繊維構造に起因すると考えられる。
(平均置換度)
本開示のセルロースアセテートフィルムのセルロースアセテートの平均置換度(言い換えれば、アセチル置換度)は、2.0以上3.0以下であることが好ましく、2.1以上2.9以下がより好ましく、2.2以上2.8以下がさらに好ましい。これにより、セルロースアセテート分子表面の疎水性が高く、セルロースアセテートフィルムは曲げ性に優れる。
セルロースアセテートの平均置換度は、酢酸セルロースを水に溶解し、酢酸セルロースの置換度を求める公知の滴定法により測定することができる。例えば、以下の方法である。ASTM:D−817−91(セルロースアセテートなどの試験方法)における酢化度の測定法に準じて求めた酢化度を下記式で換算することにより求められる。これは、最も一般的なセルロースアセテートの平均置換度の求め方である。
平均置換度(DS)=162.14×酢化度(%)/{6005.2−42.037×酢化度(%)}
まず、乾燥したセルロースアセテート(試料)1.9gを精秤し、アセトンとジメチルスルホキシドとの混合溶液(容量比4:1)150mlに溶解した後、1N−水酸化ナトリウム水溶液30mlを添加し、25℃で2時間ケン化する。フェノールフタレインを指示薬として添加し、1N−硫酸(濃度ファクター:F)で過剰の水酸化ナトリウムを滴定する。また、同様の方法でブランク試験を行い、下記式に従って酢化度を計算する。
酢化度(%)={6.5×(B−A)×F}/W
(式中、Aは試料の1N−硫酸の滴定量(ml)を、Bはブランク試験の1N−硫酸の滴定量(ml)を、Fは1N−硫酸の濃度ファクターを、Wは試料の重量を示す)
(結合硫酸量)
本開示のセルロースアセテートフィルムのセルロースアセテートは、結合硫酸量が500ppm以下であることが好ましく、400ppm以下がより好ましく、350ppm以下がさらに好ましく、300ppm以下が最も好ましい。セルロースアセテートフィルムがより熱安定性に優れるためである。また、セルロースアセテートは、結合硫酸量が20ppm以上であってよく、50ppm以上であってよい。セルロースアセテートフィルムの製造過程で、アセチル化の触媒として硫酸を使うことが好ましく、アセチル化の触媒として効果的な量の硫酸を使用する場合には、得られるセルロースアセテートの結合硫酸量は20ppm以上となるためである。
結合硫酸量は、以下の方法により求めることができる。乾燥したセルロースアセテートを1,300℃の電気炉で焼き、昇華した亜硫酸ガスを10%過酸化水素水にトラップし、規定水酸化ナトリウム水溶液にて滴定し、SO 2-換算の量として測定する。測定値は絶乾状態のセルロースエステル1g中の硫酸含有量としてppm単位で表される。
(粘度平均重合度)
本開示のセルロースアセテートフィルムのセルロースアセテートの粘度平均重合度は、50以上2,500以下であることが好ましく、400以上2,000以下であることがより好ましく、1,000以上1,500以下であることがさらに好ましい。粘度平均重合度が50未満であると、セルロースアセテートの強度が劣る傾向にある。粘度平均重合度が2,500を超えると、数平均繊維径が2nm以上400nm以下のセルロースアセテート繊維となるように解繊することが困難となる。
粘度平均重合度(DP)は、以下に示すように、上出ら、Polym J., 11,523-538 (1979)に記載の方法を用いて求めることができる。
セルロースアセテートをジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解し、濃度0.002g/mlの溶液とする。次に、オストワルド型粘度管を用いて25℃におけるこの溶液の比粘度(ηrel、単位:ml/g)を定法で求める。より具体的には、オストワルド粘度管はブランク測定において90秒〜210秒のものとし、25±0.2℃の恒温水槽中で測定に供する溶液を120分以上整温し、ホールピペットを用いて10mlの溶液をオストワルド粘度管に計り取り、溶液の流下時間を2回以上の計測し平均して測定結果とする。測定結果は同様にして計測したブランクの流下時間で除して比粘度とする。このようにして得られた比粘度の自然対数(自然対数比粘度)を濃度(単位:g/ml)で除し、これを近似的に極限粘度数([η]、単位:ml/g)とする。
ηrel=T/T
〔η〕=(ln ηrel)/C
(式中、Tは測定試料の落下秒数を、Tは溶媒単独の落下秒数を、Cは濃度(g/ml)を示す)
粘度平均分子量は、次式で求めることができる。
粘度平均分子量=([η]/K1/α
ここで、K及びαは定数である。セルローストリアセテートの場合、Kは0.0264であり、αは0.750である。
粘度平均重合度は、次式で求めることができる。
粘度平均重合度=粘度平均分子量/(162.14+42.037×平均置換度(DS))
本開示のセルロースアセテートフィルムのセルロースアセテートは、繊維状のセルロースアセテート、言い換えれば、セルロースアセテート繊維であってよい。
(数平均繊維径)
セルロースアセテート繊維の数平均繊維径は、2nm以上400nm以下であってよい。数平均繊維径は、4nm以上300nm以下であることが好ましく、6nm以上100nm以下であることがより好ましい。
ここで、セルロースアセテート繊維の数平均繊維径は、電子顕微鏡写真に基づいて測定した繊維径(n≧6)から算出した値である。
(用途)
本開示のセルロースアセテートフィルムは、濾材;セパレーター等の電池用部材;及び透明基材等に利用することができる。
[セルロースアセテートフィルムの製造]
本開示のセルロースアセテートフィルムは、原料セルロースを、セルロースアセテートに対する貧溶媒と酢酸とを含む溶媒中で無水酢酸と反応させてアセチル化する工程、前記アセチル化により得られたセルロースアセテートを分散媒で希釈して分散液にする工程、前記分散液中のセルロースアセテートを解繊する工程、前記解繊したセルロースアセテートから未解繊繊維を除去する工程、前記未解繊繊維を除去したセルロースアセテートを水を用いて透析する工程、及び前記透析したセルロースアセテートを乾燥してフィルム化する工程を有する方法により製造することができる。
(原料セルロース)
原料セルロースとしては、木材パルプや綿花リンターなどの繊維状の物が使用でき、特にセルロースI型結晶構造を有するものが使用できる。これらの原料セルロースは単独で又は二種以上組み合わせてもよい。このように、本開示のセルロースアセテートフィルムは、天然由来のバイオマス材料であるセルロース材料を有効利用するものである。
綿花リンターについて述べる。リンターパルプは、セルロース純度が高く、着色成分が少ないことから、得られるセルロースアセテートフィルムの透明度がより高くなるため、好ましい。
次に、木材パルプについて述べる。木材パルプは、原料の安定供給が可能で、綿花リンターに比べコスト的に有利であるため好ましい。
木材パルプとしては、例えば、針葉樹パルプや広葉樹パルプ等が挙げられ、針葉樹漂白クラフトパルプ、広葉樹漂白クラフトパルプ、針葉樹前加水分解クラフトパルプ、広葉樹前加水分解クラフトパルプ、広葉樹サルファイトパルプ、針葉樹サルファイトパルプ等を用いることができる。また、後述するように、木材パルプは、綿状に解砕して解砕パルプとして用いることができ、解砕は、例えば、ディスクリファイナーを用いて行うことができる。
原料セルロースのα−セルロース含有率は、90重量%以上であることが好ましい。不溶解残渣を少なくし、得られるセルロースアセテートフィルムがより高い透明性を有するためである。
ここで、α−セルロース含有率は、以下のようにして求めることができる。重量既知のパルプを25℃で17.5%と9.45%の水酸化ナトリウム水溶液で連続的に抽出し、その抽出液の可溶部分に対して重クロム酸カリウムで酸化し、酸化に要した重クロム酸カリウムの容量からβ,γ−セルロースの重量を決定する。初期のパルプの重量からβ,γ−セルロース重量を引いた値を、パルプの不溶部分の重量、つまりα−セルロースの重量とする(TAPPI T203)。初期のパルプの重量に対する、パルプの不溶部分の重量の割合が、α−セルロース含有率(重量%)である。
(解砕)
本開示のセルロースアセテートフィルムの製造方法としては、原料セルロースを解砕する工程(解砕工程)を有してよい。これにより、短時間に一様にアセチル化反応(酢化反応)を行うことができる。解砕工程は、特に、木材パルプ等がシート状の形態で供給されるような場合に有効である。
解砕工程において、原料セルロースを解砕する方法としては、湿式解砕法と乾式解砕法とがある。湿式解砕法は、パルプシートとした木材パルプ等に水又は水蒸気などを添加して解砕する方法である。湿式解砕法としては、例えば、蒸気による活性化と反応装置中での強い剪断攪拌を行う方法や、希酢酸水溶液中で離解してスラリーとした後、脱液と酢酸置換を繰り返す、いわゆるスラリー前処理を行う方法等が挙げられる。また、乾式解砕法は、パルプシートなどの木材パルプを乾燥状態のまま解砕する方法である。乾式解砕法としては、例えば、ピラミッド歯を有するディスクリファイナーで粗解砕したパルプを、線状歯を有するディスクリファイナーで微解砕する方法や、内壁にライナーを取付けた円筒形の外箱と、外箱の中心線を中心として高速回転する複数の円板と、各円板の間に前記中心線に対して放射方向に取り付けられた多数の翼とを備えたターボミルを用い、翼による打撃と、ライナーへの衝突と、高速回転する円板、翼及びライナーの三者の作用で生じる高周波数の圧力振動とからなる三種類の衝撃作用により、外箱の内部に供給される被解砕物を解砕する方法等が挙げられる。
本開示のセルロースアセテートフィルムの製造方法においては、これらの解砕方法をいずれも適宜使用することができるが、特に、湿式解砕法が、短時間でアセチル化反応を完結させ、高重合度のセルロースアセテートを得ることができるため好ましい。
(前処理)
本開示のセルロースアセテートフィルムの製造方法としては、解砕又は解砕しない原料セルロースを、水、酢酸、又は水及び酢酸と接触させる前処理工程を有することが好ましい。原料セルロースと接触させる水と共に酢酸を用いても良く、又は水を使わずに酢酸のみを用いても良い。この時、酢酸は、1〜100重量%の濃度のものを用いることができる。酢酸は水溶液であってもよい。水、酢酸、又は水及び酢酸は、例えば、原料セルロース100重量部に対して、それぞれ好ましくは10〜8,000重量部添加することにより接触させることができる。
原料セルロースを酢酸と接触させる方法としては、原料セルロースに直接酢酸を接触させてもよく、又は、原料セルロースを水と接触させ含水ウェットケーキ状とし、ここに酢酸を加えることでもよい。
原料セルロースに直接酢酸を接触させる場合において、例えば、酢酸もしくは1〜10重量%の硫酸を含む酢酸(含硫酢酸)を一段階で添加する方法、又は、酢酸を添加して一定時間経過後、含硫酢酸を添加する方法、含硫酢酸を添加して一定時間経過後、酢酸を添加する方法等の酢酸若しくは含硫酢酸を2段階以上に分割して添加する方法等が挙げられる。添加の具体的手段としては、噴霧してかき混ぜる方法が挙げられる。
そして、前処理活性化は、原料セルロースに酢酸及び/又は含硫酢酸を添加した後、17〜40℃下で0.2〜48時間静置する、又は17〜40℃下で0.1〜24時間密閉及び攪拌すること等により行うことができる。
原料セルロースを酢酸と接触させる前に、原料セルロースをウェットケーキ状とする場合について述べる。ここで、ウェットケーキ状の原料セルロースを単にウェットケーキと称する。ウェットケーキは、原料セルロースに水を加え、撹拌し、水をろ別することにより製造することができる。このウェットケーキに酢酸を加え、撹拌し、酢酸をろ別する操作を、数回、例えば3回程度繰り返すことにより前処理を行うことができる。水又は酢酸をろ別した直後、ウェットケーキの固形分濃度は、5〜50重量%とすることが好ましい。
原料セルロースをウェットケーキ状とする場合、原料セルロースとしては、針葉樹漂白クラフトパルプや針葉樹漂白サルファイトパルプを用いることが好ましい。比較的重合度が高く強度に優れたセルロースアセテートを得やすいためである。
ここで、ウェットケーキの固形分濃度は、次のようにして測定することができる。ウェットケーキの一部(試料)をアルミ皿に約10g秤量し(W2)、60℃の減圧乾燥機で3時間乾燥し、デシケーター中で室温まで冷却後に秤量(W3)し、下記の式に従って固形分濃度を求めることができる。
固形分濃度(%)=(W3−W1)/(W2−W1)×100
W1はアルミ皿の重量(g)、W2は乾燥前の試料を入れたアルミ皿の重量(g)、W3は乾燥後の試料を入れたアルミ皿の重量(g)
原料セルロースをウェットケーキ状としてから、酢酸と接触させることにより、後述するアセチル化工程において、比較的低温及び比較的短時間でアセチル化を行うことができるため、温度条件及び時間条件の管理がしやすく、取扱いも容易となり、さらにセルロースアセテートフィルムの製造効率を高めることができる。
(アセチル化)
原料セルロースを、セルロースアセテートに対する貧溶媒と酢酸とを含む溶媒中で無水酢酸と反応させてアセチル化する工程(アセチル化工程)について詳述する。当該原料セルロースには、解砕工程及び前処理工程をそれぞれを経た、又は経ない原料セルロースをいずれも含む。
アセチル化は、具体的には、例えば、i)原料セルロースに、セルロースアセテートに対する貧溶媒、酢酸、無水酢酸、硫酸を順次添加することにより開始することができる。その添加順序は、異なっていてもよい。その他、ii)セルロースアセテートに対する貧溶媒、酢酸、無水酢酸、及び硫酸からなる混合物に、原料セルロースを添加すること、又はiii)原料セルロースに、酢酸、セルロースアセテートに対する貧溶媒、及び無水酢酸の混合物並びに硫酸のように、先に調製した混合物を用いて、それを添加すること等により開始することができる。ここで、酢酸は、その濃度が99重量%以上のものを用いることが好ましい。硫酸は、その濃度が98重量%以上のもの、言い換えれば濃硫酸を用いることが好ましい。
セルロースアセテートに対する貧溶媒を用いることで、原料セルロースのミクロフィブリル繊維構造を壊すことなく、アセチル化を行うことができる。貧溶媒を用いない場合には、生成するセルロースアセテートはアセチル化反応の希釈剤である酢酸に溶解するため原料セルロースのミクロフィブリル構造は崩壊する。
セルロースアセテートに対する貧溶媒としては、言うまでも無くセルロースアセテートを溶解しないか、極めて溶解度が低いことに加え、無水酢酸の溶解度が高い溶媒であることが好ましく、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素;シクロヘキサン、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素;酢酸アミルなどのエステル;並びにこれらの混合溶媒などが挙げられる。
これらのなかでも、廃液の分離回収において工程数を軽減できるため、また、回収に要するエネルギーを低減できるためトルエン、シクロヘキサンが好ましく、ベンゼンがより好ましい。
アセチル化工程において用いる原料セルロースと、酢酸、セルロースアセテートに対する貧溶媒、及び無水酢酸との割合について場合を分けて述べる。
原料セルロースに直接酢酸を接触させて前処理を行う場合について述べる。セルロースアセテートに対する貧溶媒は、原料セルロース100重量部に対し、100〜5,000重量部であることが好ましく、1,000〜2,000重量部であることがより好ましい。酢酸は、原料セルロース100重量部に対し、0〜2,000重量部であることが好ましく、50〜1,000重量部であることがより好ましい。無水酢酸は、原料セルロース100重量部に対し、200〜1,000重量部であることが好ましく、300〜700重量部であることがより好ましい。触媒として用いる場合、硫酸は、原料セルロース100重量部に対し、1〜30重量部であることが好ましく、5〜20重量部であることがより好ましい。
原料セルロースを酢酸と接触させる前に、原料セルロースを水で前処理し、ウェットケーキ状とする場合について述べる。ウェットケーキの固形分濃度は、5〜50重量%の場合、酢酸は、ウェットケーキ100重量部に対し、100〜4,000重量部であることが好ましく、200〜3,000重量部であることがより好ましく、1,000〜2,000重量部であることがさらに好ましい。セルロースアセテートに対する貧溶媒は、ウェットケーキ100重量部に対し、5〜2,500重量部であることが好ましく、50〜1,000重量部であることがより好ましい。無水酢酸は、ウェットケーキ100重量部に対し、5〜1,000重量部であることが好ましく、10〜500重量部であることがより好ましく、15〜350重量部であることがさらに好ましい。硫酸は、ウェットケーキ100重量部に対し、0.05〜15重量部であることが好ましく、5〜10重量部であることがより好ましい。
アセチル化工程の反応系内の温度は5〜90℃であることが好ましく、10〜75℃であることがより好ましい。アセチル化反応系内の温度が高すぎると原料セルロースの解重合が進みやすくなるため、粘度平均重合度が低くなりすぎ、得られるセルロースアセテート繊維の強度が低くなる。またアセチル化反応系内の温度が低すぎるとアセチル化反応が進まず、反応に膨大な時間を要するか、あるいはセルロースをセルロースアセテートに変換することができなくなる。
アセチル化反応系内の温度の調整は、撹拌条件下、外部から反応系の内外には一切の熱は加えず行うこと、又は併せて、撹拌条件下、反応系を温媒又は冷媒により加熱又は冷却して中温に調整することにより行うことができる。また、酢酸、セルロースアセテートに対する貧溶媒、無水酢酸、及び硫酸を予め加温又は冷却しておくことによって行うこともできる。
また、アセチル化反応にかかる時間は、0.5〜20時間であることが望ましい。ここで、アセチル化反応にかかる時間とは、原料セルロースが、溶媒、無水酢酸、及び触媒と接触して反応を開始した時点から、ろ過などにより反応混合物から生成物(セルロースアセテート)を分離するまでの時間をいう。ただし、原料セルロースとしてTEMPO酸化パルプなどの化学変性パルプを用いる場合には、アセチル化反応にかかる時間は、0.5〜60時間であることが望ましい。
アセチル化反応初期は、解重合反応を抑えつつアセチル化反応を進ませ未反応物を減らすため、反応温度を5℃以下にしてもよく、その場合は可能な限り時間を掛けて昇温するのが良いが、生産性の観点からは、45分以下、さらに好ましくは30分以下で昇温を行うことが好ましい。
平均置換度の調整は、アセチル化反応の温度、時間、並びに無水酢酸量及び硫酸量等の反応浴組成を調整することによって行うことができる。例えば、温度を高くすること、時間を長くすること、硫酸量を増やすこと、無水酢酸量を増やすことで平均置換度を高くすることができる。
前記アセチル化における反応混合物をセルロースアセテートを固形物として分離し、当該固形物をトルエン等のセルロースアセテートに対する貧溶媒で洗浄して、無水酢酸及び硫酸を除去することによりアセチル化反応を停止してよい。なお、分離は、アセチル化反応の反応混合物を冷却し、得られ固形物をろ過する等により行うことができる。ろ過は吸引ろ過であってよい。
(分散液にする工程)
前記アセチル化により得られたセルロースアセテートを分散媒で希釈して分散液にする工程について詳述する。前記分散媒は、水、有機溶媒、又は水を含む有機溶媒であってよい。このとき、水、有機溶媒、又は水を含む有機溶媒に対し、セルロースアセテートは0.1〜10重量%とすることが好ましく、0.5〜5.0重量%とすることがより好ましい。後述する解繊工程において、固形分濃度が0.1重量%未満では処理液量が多くなりすぎ、工業的に生産効率が悪く、同10重量%を超えると解繊装置に閉塞が生じるなどして解繊工程が進行しない場合があるためである。
有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、及び酢酸メチル等を用いることができる。また、これら有機溶媒と水との混合物を用いることもできる。
トルエン等のセルロースアセテートに対する貧溶媒で洗浄して、アセチル化反応を停止した場合には、分散媒で希釈する前に、予め、セルロースアセテートをエタノール等で洗浄してよい。
(解繊)
前記分散液中のセルロースアセテートを解繊する工程(解繊工程)について詳述する。これにより、セルロースアセテートを微細化できる。解繊は、ホモジナイザーを用いて行ってよい。
解繊に用いる装置は特に限定されないが、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などの強力なせん断力を印加できる装置が好ましい。特に、効率よく解繊するには、前記分散液に50MPa以上の圧力を印加し、かつ強力なせん断力を印加できる湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーを用いることが好ましい。前記圧力は、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。また、高圧ホモジナイザーでの解繊及び分散処理に先立って、必要に応じて、高速せん断ミキサーなどの公知の混合、撹拌、乳化、分散装置を用いて、上記のセルロースアセテートに予備処理を施すことも可能である。
ここで、前記圧力を50MPa以上とすることにより、得られるセルセルロースアセテート繊維の数平均繊維径を400nm以下とすることができ、圧力を100MPa以上とすることにより、数平均繊維径をより小さくすることができる。
本開示のセルロースアセテートフィルムの製造方法においては、原料セルロースをセルロースアセテートに対する貧溶媒を含む溶媒中でアセチル化した後、ホモジナイザー等を用いて解繊することにより、天然のセルロースが有するミクロフィブリル繊維構造を保持することができる。
(脱硫酸エステル化)
本開示のセルロースアセテートフィルムの製造方法においては、セルロースアセテートに硫酸エステル基が有する場合、セルロースアセテートを解繊した後、前記硫酸エステル基を脱離する、脱硫酸エステル化を行うことが好ましい。
セルロースアセテートを有する分散液のpHを2〜5に調整し、15〜100℃を0.5〜48時間保持することにより、硫酸エステル基を脱離することができる。
(未解繊繊維の除去)
前記解繊したセルロースアセテートから未解繊繊維を除去する工程について詳述する。未解繊繊維を除去することにより、不純物を除去することができ、曲げ性に優れ、かつ透明性の高いセルロースアセテートフィルムが得られる。未解繊繊維を含まないセルロースアセテートの分散液を使用することが好ましい。未解繊繊維の除去は、遠心分離を行って、上清部と沈降部に分離し、沈降部を除去して、上清部を残せばよい。
(透析)
前記未解繊繊維を除去したセルロースアセテートを水を用いて透析する工程について詳述する。遠心分離を行って得られた上清部を、透析膜を用いて水で透析すればよい。透析を行うことにより、不純物を除去することができ、曲げ性に優れ、かつ透明性の高いセルロースアセテートフィルムが得られる。透析膜としては、例えば、Cellulose Tubing 36/32(Viskase Companies, Inc.製)を用いることができる。
(フィルム化)
前記透析したセルロースアセテートを乾燥してフィルム化する工程について詳述する。透析した上清部を濃縮して、型に入れ、乾燥することによりセルロースアセテートをフィルム化することができる。乾燥は、五酸化二リン等の共存下で行うことが好ましい。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によりその技術的範囲が限定されるものではない。
後述する実施例及び比較例に記載の各物性は、以下の方法で評価した。
<結晶構造:X線回折>
フィルム試料(又はシート試料)を粉末状にし、リガク製X線回折測定装置SmartLab、無反射型シリコン板を用いて粉末X線回折を行い、結晶構造を調べた。
<光線透過率>
フィルム試料(又はシート試料)について、U−4000分光光度計(日立製作所製)を用いて、660nmにおける光線透過率(%)を測定した。また、同様に、100℃で3時間加熱した後の450nmにおける光線透過率(%)を測定した。
<伸び率>
フィルム試料(又はシート試料)を23℃、相対湿度50%環境下で一晩調湿し、小型卓上試験機EZ−LXオートグラフ(島津製作所製)を用いて、幅10mm、スパン10mm、速度5mm/minにて引っ張り、伸び率(最大伸度)(%)の測定を行った。
<重量減少率が5%となる温度>
加熱による重量変化を熱天秤(マックサイエンス社製 TG−DTA2000−S)を用いて測定した。具体的には、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分で重量変化を調べた。重量減少率が5%となる温度(℃)は、100℃における重量に対して5%の重量減少が観察された温度である。
<結合硫酸量>
結合硫酸量は、乾燥した試料を1,300℃の電気炉で焼き、昇華した亜硫酸ガスを10%過酸化水素水にトラップし、規定水酸化ナトリウム水溶液にて滴定し、SO 2-換算の量として測定した。測定値は絶乾状態のセルロースエステル1g中の硫酸含有量としてppm単位で表した。
<平均置換度:アセチル置換度>
ASTM:D−817−91(セルロースアセテートなどの試験方法)における酢化度の測定方法により求めた。乾燥した試料1.9gを精秤し、アセトンとジメチルスルホキシドとの混合溶媒(容量比4:1)150mlに溶解した後、1N−水酸化ナトリウム水溶液30mlを添加し、25℃で2時間ケン化した。フェノールフタレインを指示薬として添加し、1N−硫酸(濃度ファクター:F)で過剰の水酸化ナトリウムを滴定した。また、同様の方法でブランク試験を行い、下記式に従って酢化度を算出した。
酢化度(%)=[6.5×(B−A)×F]/W
(式中、Aは試料の1N−硫酸の滴定量(ml)を、Bはブランク試験の1N−硫酸の滴定量(ml)を、Fは1N−硫酸の濃度ファクターを、Wは試料の重量を示す)。
次に、算出した酢化度を下記式で換算することにより、平均置換度を求めた。
平均置換度(DS)=162.14×酢化度(%)/{6005.2−42.037×酢化度(%)}
<粘度平均重合度>
試料をジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解し、濃度0.002g/mlの溶液とした。次に、オストワルド型粘度管を用いて25℃におけるこの溶液の比粘度(ηrel、単位:ml/g)を定法で求めた。自然対数比粘度を濃度(単位:g/ml)で除し、これを近似的に極限粘度数([η]、単位:ml/g)とした。
ηrel=T/T
〔η〕=(ln ηrel)/C
(式中、Tは測定試料の落下秒数を、Tは溶媒単独の落下秒数を、Cは濃度(g/ml)を示す)
粘度平均分子量は、次式で求めた。
粘度平均分子量=([η]/K1/α
ここで、K=0.0264、α=0.750を用いた。
<実施例1>
(前処理)
前処理として、40重量部の粉末セルロース(PC、製品名「KCフロック W−50GK」、日本製紙(株)製)に、2,000重量部の水を加え、室温で1時間攪拌した。吸引ろ過で脱液し、固形分濃度約20重量%のウェットケーキ(PC)とした。このウェットケーキを2,000重量部の氷酢酸に分散し、室温で10分間攪拌し、吸引ろ過で脱液し、酢酸で湿潤したウェットケーキ(PC)を得た。この酢酸で湿潤したウェットケーキ(PC)の固形分濃度は約35重量%であった。この酢酸で湿潤したウェットケーキ(PC)を再度氷酢酸に分散し、脱液する操作をさらに2回行った。このようにして得られた酢酸で湿潤したウェットケーキ(PC)の固形分濃度は約40重量%であった。なお、ウェットケーキの固形分濃度は、上記の方法により測定した。
(アセチル化)
セルロースアセテートに対する貧溶媒としてトルエン648重量部、酢酸72重量部、無水酢酸240重量部、及び濃硫酸6重量部を混合し、混合物(混合溶媒)とした。この混合物を25℃に整温して、当該混合物に前記ウェットケーキ(PC)を添加し、25℃で3時間攪拌して反応混合物を得た。この反応混合物を室温まで冷却し、得られた固形物を吸引ろ過し、固形物を回収した。この固形物をただちに800重量部のトルエンで洗浄する操作を2回繰り返し、固形物に付随する無水酢酸及び硫酸を除去することでアセチル化反応を停止させた。
(洗浄、分散液の調製)
前記固形物として得られた粗製セルロースアセテート、さらに800重量部のエタノールで2回、800重量部の蒸留水で4回洗浄し、湿潤したセルロースアセテートを得た。この湿潤したセルロースアセテートを蒸留水で希釈し、固形分1重量%の分散液とした。
(解繊)
得られたセルロースアセテートの分散液をエクセルオートホモジナイザー(株式会社日本精機製作所製)にて予備解繊した後、高圧式ホモジナイザー(吉田機械興業株式会社製:製品名L−AS)でストレートノズルにて2回処理(100MPa)、クロスノズルで3回処理(140MPa)で解繊を行った。このようにして、セルロースアセテート解繊物の1重量%分散液を得た。
(脱硫酸エステル化)
得られたセルロースアセテート解繊物の分散液400重量部に0.5M硫酸約1.2重量部を加え、分散液のpHを2.5に調整した。pH調整後の分散液を90℃で6時間保持し、セルロースアセテート解繊物に結合する硫酸エステル基を脱離させた。分散液に1,000重量部の蒸留水を添加し、さらに5%炭酸水素ナトリウム水溶液約150部を加え、分散液のpHを6に調整した。
(未解繊繊維の除去)
pH6に調整した分散液を、久保田商事株式会社製テーブルトップ遠心機 4000を用いて室温で、回転数4,000rpmにて15分間遠心分離を行い、上清部と沈降部に分離した。上清部を以下の実験に供した。
(透析)
上清部を過剰量の蒸留水を用いて3日間透析した。透析膜にはViskase Companies, Inc.製、Cellulose Tubing 36/32を用いた。
(フィルム化)
透析した上清部を3倍に濃縮した。これをテフロン(登録商標)製の鋳型に入れ、五酸化二リンの共存下、3日間真空乾燥することで厚み20μmのセルロースアセテートフィルムを得た。
(フィルムの物性測定)
得られたフィルムの各物性を表1に示す。また、このフィルム試料から求めた結合硫酸量は290ppm、平均置換度は2.35、粘度平均重合度は585、重量減少率が5%となる温度は284℃であった。さらに、フィルム試料を粉末状にし、窒素雰囲気下230℃で10分処理した後に測定した粉末X線回折においては2θ=7.9°及び15.8°に回折が認められ、セルローストリアセテートI型結晶を有すると判断された。
[製造例1]
(1)セルロースのTEMPO(2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジン−N−オキシル)酸化処理
針葉樹クラフトパルプ30gを水600gに浸漬し、ミキサーにて分散させた。分散後のパルプスラリーにあらかじめ水200gに溶解させたTEMPOを0.3g、臭化ナトリウムを3g添加し、更に水で希釈し全体を1400mLとした。系内を20℃に保ち、セルロース1gに対し10mmolになるよう次亜塩素酸ナトリウム水溶液を計りとり滴下した。滴下開始からpHは低下を始めたが、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を随時滴下し、系のpHを10に保った。3時間後、エタノールを30g添加し、反応を停止させた。反応系に0.5N塩酸を添加し、pH2まで低下させた。酸化パルプをろ過し、0.01N塩酸又は水で繰返し洗浄した後、酸化セルロースを得た。
(2)酸化セルロースの追酸化処理
上記(1)で得られた酸化セルロースの乾燥重量10gに対して、固形分濃度10%の懸濁液になるように水を添加し、亜塩素酸ナトリウム9gと5M酢酸100mlとを添加した。これを48時間室温中で攪拌しながら反応させ、十分に水洗することにより、TEMPO酸化処理により生成したアルデヒド基を酸化した。
(3)追酸化処理後の酸化セルロースの分散処理
上記(2)で得られた酸化セルロース5gに水を加え固形分濃度1%となるように調製し、攪拌しながら1N水酸化ナトリウム水溶液を用いてpH10に調整した。続いてミキサーを用いて、微細化することにより透明なセルロースナノファイバー分散液を得た。
[製造例2]
製造例1の(1)と同様に調製したTEMPO酸化セルロース5gに水を加えて固形分濃度1%となるように調製し、撹拌しながら1N水酸化ナトリウム水溶液を用いてpH10に調整した。続いてミキサーを用いて、微細化することにより透明なセルロースナノファイバー分散液を得た。
[製造例3]
製造例1の(1)と同様に調製したTEMPO酸化セルロース5gに水を加えて固形分濃度1%となるように調製し、撹拌しながら10%水酸化テトラエチルアンモニウム水溶液を用いてpH10に調整した。続いてミキサーを用いて、微細化することにより透明なセルロースナノファイバー分散液を得た。
[製造例4]
針葉樹漂白クラフトパルプ(乾燥重量で40g)に水を加え固形分2%となるように調整した。これをミキサーで粗くほぐした。続いて石臼式摩砕機により繰り返し処理し、白色クリーム状のセルロースナノファイバー分散液を得た。
<比較例1>
製造例1で得られたセルロース分散液と製造例4で得られたセルロースナノファイバー分散液とを配合比(重量比)8:2で混合し、ポリスチレン製容器上にキャストし、50℃のオーブン中で24時間かけて乾燥させ厚み20μmのセルロースナノファイバーシートを得た。各物性を評価した結果は表1に示す。
<比較例2>
製造例1で得られたセルロース分散液と製造例4で得られたセルロースナノファイバー分散液とを配合比5:5で混合した以外は、比較例1と同様にして、厚み20μmのセルロースナノファイバーシートを得た。各物性を評価した結果は表1に示す。
<比較例3>
製造例1で得られたセルロース分散液と製造例4で得られたセルロースナノファイバー分散液とを配合比2:8で混合した以外は、比較例1と同様にして、厚み20μmのセルロースナノファイバーシートを得た。各物性を評価した結果は表1に示す。
<比較例4>
製造例1で得られたセルロース分散液に代えて、製造例2で得られたセルロース分散液を用いた以外は、比較例2と同様にして、厚み20μmのセルロースナノファイバーシートを得た。各物性を評価した結果は表1に示す。
<比較例5>
製造例1で得られたセルロース分散液に代えて、製造例3で得られたセルロース分散液を用いた以外は、比較例2と同様にして、厚み20μmのセルロースナノファイバーシートを得た。各物性を評価した結果は表1に示す。
Figure 2020139047
実施例のフィルムは、比較例のセルロースナノファイバーシートと比較して、同等の光線透過率を保持し、優れた伸び率を示した。従って、実施例のフィルムは、優れた曲げ性を有すると共に、高い透明性を有することが分かる。

Claims (6)

  1. セルローストリアセテートI型結晶構造を有するセルロースアセテートを含み、
    660nmにおける光線透過率が70%以上である、セルロースアセテートフィルム。
  2. 23℃相対湿度50%にて調湿したときの伸び率が7%以上である、請求項1に記載のセルロースアセテートフィルム。
  3. 窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分で加熱したとき、100℃における重量に対する重量減少率が5%となる温度が200℃以上である、請求項1又は2に記載のセルロースアセテートフィルム。
  4. 前記セルロースアセテートフィルムにおいて、前記重量減少率が5%となる温度が250℃以上である、請求項3に記載のセルロースアセテートフィルム。
  5. 前記セルロースアセテートにおける結合硫酸量が20ppm以上500ppm以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセルロースアセテートフィルム。
  6. 原料セルロースを、セルロースアセテートに対する貧溶媒と酢酸とを含む溶媒中で無水酢酸と反応させてアセチル化する工程、
    前記アセチル化により得られたセルロースアセテートを分散媒で希釈して分散液にする工程、
    前記分散液中のセルロースアセテートを解繊する工程、
    前記解繊したセルロースアセテートから未解繊繊維を除去する工程、
    前記未解繊繊維を除去したセルロースアセテートを水を用いて透析する工程、及び
    前記透析したセルロースアセテートを乾燥してフィルム化する工程を有する、セルロースアセテートフィルムの製造方法。
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