JP2021021041A - Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin - Google Patents

Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin Download PDF

Info

Publication number
JP2021021041A
JP2021021041A JP2019139856A JP2019139856A JP2021021041A JP 2021021041 A JP2021021041 A JP 2021021041A JP 2019139856 A JP2019139856 A JP 2019139856A JP 2019139856 A JP2019139856 A JP 2019139856A JP 2021021041 A JP2021021041 A JP 2021021041A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
biodegradable
composite material
wood
biodegradable composite
cnf
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2019139856A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
森 良平
Ryohei Mori
良平 森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Pigment Co Ltd
GS Alliance Co Ltd
Original Assignee
Fuji Pigment Co Ltd
GS Alliance Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Pigment Co Ltd, GS Alliance Co Ltd filed Critical Fuji Pigment Co Ltd
Priority to JP2019139856A priority Critical patent/JP2021021041A/en
Publication of JP2021021041A publication Critical patent/JP2021021041A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

To provide a biodegradable composite material that has enhanced strength and biodegradability.SOLUTION: The present invention relates to a biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin. In 100 wt.% of the total content of the cellulose nanofiber and biodegradable resin, the cellulose nanofiber content is 2 wt.% or more.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、生分解性樹脂にセルロースナノファイバーを配合することにより、強度および生分解性が促進された生分解性複合材料に関する。 The present invention relates to a biodegradable composite material in which strength and biodegradability are promoted by blending cellulose nanofibers with a biodegradable resin.

プラスチックゴミによる環境汚染を防止するために、世界中で、プラスチックの使用量の減量(Reduce)、再使用(Reuse)および再資源化(Recycle)の「3R運動」が進められている。再使用および再資源化のために、プラスチックの分別回収が行われている。回収されたプラスチックゴミは中国や東南アジアに輸出していたが、これらの国々がプラスチック廃棄物の輸入を禁止したことで、日本国内でプラスチック廃棄物が滞留している。近年、特に、海洋ゴミへの関心が高まっている。プラスチックゴミが海洋に流れ込むと、そのまま漂流しているだけではなく、長距離、長時間漂っているうちに微細化して1mmに満たないマイクロプラスチックとなり、それが生態系を破壊するという大きな問題を生み出している。回収したプラスチックゴミを埋め立て処分したものの、洪水により河川へ流入し、海まで流されることもあり、2010年の推計では、日本において、陸上から海洋に流出したプラスチックゴミの発生量は2〜6万t/年であった(非特許文献1)。
プラスチックの使用量を減量することが解決策として強力であるが、現代の社会において使用量をゼロにすることはできず、理想通りにはいかない。
In order to prevent environmental pollution caused by plastic waste, the "3R movement" of reducing, reusing and recycling the amount of plastic used is being promoted all over the world. Separate collection of plastics is being carried out for reuse and recycling. The collected plastic waste was exported to China and Southeast Asia, but as these countries banned the import of plastic waste, plastic waste has accumulated in Japan. In recent years, there has been increasing interest in marine debris. When plastic waste flows into the ocean, it not only drifts as it is, but also becomes finer than 1 mm of microplastic over a long distance and for a long time, which creates a big problem of destroying the ecosystem. ing. Although the collected plastic waste was landfilled, it may flow into rivers due to floods and be washed away to the sea. According to 2010 estimates, the amount of plastic waste discharged from land to the ocean is 20,000 to 60,000. It was t / year (Non-Patent Document 1).
Reducing the amount of plastic used is a powerful solution, but in modern society it is not possible to reduce the amount used to zero, which is not ideal.

それゆえ、様々な生分解性プラスチックが開発されてきた。生分解性プラスチックは、微生物などによって分解し、最終的に二酸化炭素と水になるという性質を有している。生分解性プラスチックの例として、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリブチレンスクシネート、ポリブチレンアジペートとテレフタレートとのコポリマー、ポリグリコール酸、変性ポリビニルアルコール、カゼインがあり、デンプン由来の生分解性プラスチックも開発されている。 Therefore, various biodegradable plastics have been developed. Biodegradable plastics have the property of being decomposed by microorganisms and the like and eventually becoming carbon dioxide and water. Examples of biodegradable plastics include polylactic acid, polycaprolactone, polyhydroxyalkanoate, polybutylene succinate, copolymers of polybutylene adipate with terephthalate, polyglycolic acid, modified polyvinyl alcohol, casein, and starch-derived raw materials. Degradable plastics have also been developed.

生分解性プラスチックは環境汚染を低減するものとして期待されるが、強度が低いという欠点を有する。そこで、生分解性を損なわずに強度を上げるために、植物由来のバイオマスを混合した複合材料の研究が進んでいる(特許文献1および2など)。さらに、バイオマス/生分解性樹脂複合材料の強度を向上させるために、バイオマスと生分解性樹脂との界面における異相の界面における相溶性を改善する試みも行われている(特許文献3)。 Biodegradable plastics are expected to reduce environmental pollution, but have the disadvantage of low strength. Therefore, in order to increase the strength without impairing the biodegradability, research on composite materials mixed with plant-derived biomass is in progress (Patent Documents 1 and 2 and the like). Further, in order to improve the strength of the biomass / biodegradable resin composite material, an attempt has been made to improve the compatibility at the interface between different phases at the interface between the biomass and the biodegradable resin (Patent Document 3).

特開2000-160034号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-160034 特開2002-069303号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-069303 特開2018-100312号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-100312

J. R. Jambeck et al., "Plastic waste inputs from land into the ocean; Science 13 Feb. 2015, p.768J. R. Jambeck et al., "Plastic waste inputs from land into the ocean; Science 13 Feb. 2015, p.768

上記のような生分解性複合材料の研究は強度の向上に注力しているが、複合化による生分解性への影響についてはあまり知見がない。
そこで、本発明者は、生分解性樹脂の強度を増強するとともに、生分解性を向上させることを課題として、新たな生分解性複合材料を検討した。
Research on biodegradable composite materials as described above has focused on improving strength, but little is known about the effect of composites on biodegradability.
Therefore, the present inventor has studied a new biodegradable composite material with the aim of increasing the strength of the biodegradable resin and improving the biodegradability.

本発明者は、セルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂を含む生分解性複合材料中、特定量のセルロースナノファイバー(CNF)を配合することによって、生分解性樹脂の引張強度を15%以上増進し、その分解率を7.5%以上促進させることに成功した。 The present inventor increases the tensile strength of a biodegradable resin by 15% or more by blending a specific amount of cellulose nanofibers (CNF) in a biodegradable composite material containing cellulose nanofibers and a biodegradable resin. , We succeeded in promoting the decomposition rate by 7.5% or more.

より具体的には、本発明は、セルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂を含む生分解性複合材料であって、前記セルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂の合計量100重量%中、セルロースナノファイバーの含有量が2重量%以上、好ましくは5重量%、より具体的には、5〜30重量%である、生分解性複合材料を提供する。 More specifically, the present invention is a biodegradable composite material containing cellulose nanofibers and a biodegradable resin, wherein the cellulose nanofibers are contained in 100% by weight of the total amount of the cellulose nanofibers and the biodegradable resin. Provided are biodegradable composites having a content of 2% by weight or more, preferably 5% by weight, more specifically 5 to 30% by weight.

本発明に好適に用いることができるセルロースナノファイバーは、木材チップをソルボサーマル処理し、解砕した木材粉砕物を化学処理して得ることができる。 Cellulose nanofibers that can be suitably used in the present invention can be obtained by sorbothermally treating wood chips and chemically treating crushed crushed wood.

本発明によれば、生分解性樹脂に特定のCNFを配合して生分解性複合材料を調製するので、引張強度を増強し、かつ、生分解性を向上させることができる。 According to the present invention, since a biodegradable composite material is prepared by blending a specific CNF with a biodegradable resin, the tensile strength can be enhanced and the biodegradability can be improved.

生分解性樹脂にセルロースナノファイバー(CNF)を配合してCNF含有生分解性複合材料を調製し、それらの生分解性複合材料の引張強度および生分解性を向上させた。 Cellulose nanofibers (CNF) were blended with the biodegradable resin to prepare CNF-containing biodegradable composite materials, and the tensile strength and biodegradability of these biodegradable composite materials were improved.

本発明によるセルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂を含む生分解性複合材料に用いることができる生分解性樹脂の例示は、ポリ乳酸 (PLA);プルランおよびカードランなどの微生物多糖類;ポリカプロラクトン (PCL);デンプン系生分解性ポリマー;ポリヒドロキシブチレート (PHB)、ポリ(3−ヒドロキシブチレート-co-3−ヒドロキシバレレート) (PHBV)、ポリ(3−ヒドロキシブチレート-co-3−ヒドロキシヘキサノエート) (PHBH)、ポリヒドロキシブチレートバリレート (PBAV)などのポリヒドロキシアルカノエート (PHA)などを含む、全ての微生物由来の生分解性プラスチック;ポリビニルアルコール;ポリアミノ酸類;キチンおよびキトサン;酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロース (HEC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース (HPMC)などを含む、全てのセルロース系生分解性プラスチック;ポリグリコール酸;ポリエチレンテレフタレートスクシネート (PETS);ポリブチレンスクシネート (PBS)およびポリブチレンアジペート-co-テレフタレート (PBAT)などのあらゆる全ての生分解性樹脂およびそれらの組合せを含む。 Examples of biodegradable resins that can be used in biodegradable composite materials containing cellulose nanofibers and biodegradable resins according to the invention are polylactic acid (PLA); microbial polysaccharides such as pullulan and curdran; polycaprolactone ( PCL); starch-based biodegradable polymer; polyhydroxybutyrate (PHB), poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), poly (3-hydroxybutyrate-co-3-3) Biodegradable plastics from all microorganisms, including polyhydroxyalkanoates (PHA) such as hydroxyhexanoate (PHBH), polyhydroxybutyrate variate (PBAV); polyvinyl alcohol; polyamino acids; chitin and Chitosan; all cellulose-based biodegradable plastics including cellulose acetate, hydroxyethyl cellulose (HEC), hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC); polyglycolic acid; polyethylene terephthalate succinate (PETS); polybutylene succinate (PBS) ) And all biodegradable resins such as polybutylene adipate-co-terephthalate (PBAT) and combinations thereof.

本発明によるセルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂を含む生分解性複合材料に用いることができるCNFは、従来の製造方法(例えば、特許文献4,5など)で製造されたものとは異なり、予め化学処理を経ることなしに木材チップなどの大きさの木材を、そのままで、ソルボサーマル処理して得られるものである。
より詳しくは、本発明に用いるCNFは、木材チップをソルボサーマル処理に付す工程、ソルボサーマル処理した木材チップを解砕する工程、および解砕した木材チップを化学処理に付す工程を含む製造方法により製造される。
本明細書中で用いるソルボサーマル処理とは、木材チップ等の原料を溶媒に浸漬し、高温高圧条件下で亜臨界から超臨界状態に一定時間付する処理をいい、特に溶媒として水を用いる場合を水熱処理という場合がある。
The CNF that can be used for the biodegradable composite material containing the cellulose nanofibers and the biodegradable resin according to the present invention is different from those produced by conventional production methods (for example, Patent Documents 4 and 5) in advance. It is obtained by sorbothermal treatment of wood of a size such as wood chips as it is without undergoing chemical treatment.
More specifically, the CNF used in the present invention is produced by a manufacturing method including a step of subjecting a wood chip to a sorbothermal treatment, a step of crushing the sorbothermally treated wood chip, and a step of subjecting the crushed wood chip to a chemical treatment. Manufactured.
The solvothermal treatment used in the present specification refers to a treatment in which a raw material such as wood chips is immersed in a solvent and subjected to a subcritical to supercritical state for a certain period of time under high temperature and high pressure conditions, and particularly when water is used as a solvent. May be called hydrothermal treatment.

上記製造方法の原料となる木材チップは、天然セルロースを取り出せる原料であればいずれのものであってもよく、例えば、広葉樹または針葉樹などの木材のチップのほか草本類を原料としてもよい。また、本発明における木材チップには木片など好ましくは0.5×0.5cm〜2.0×2.0cm、より好ましくは0.7×0.7cm〜1.5×1.5cm、最も好ましくは0.8×0.8cm〜1.2×1.2cmの大きさを有するものが含まれる。 The wood chips used as the raw material of the above-mentioned production method may be any raw material as long as it can extract natural cellulose, and for example, wood chips such as hardwood or softwood, or herbs may be used as a raw material. Further, the wood chip in the present invention has a size of preferably 0.5 × 0.5 cm to 2.0 × 2.0 cm, more preferably 0.7 × 0.7 cm to 1.5 × 1.5 cm, and most preferably 0.8 × 0.8 cm to 1.2 × 1.2 cm, such as a piece of wood. Includes those with a sword.

上記製造方法のソルボサーマル処理工程は、原料としての木材のチップや草本類をそのまま溶媒に浸漬し、高温、高圧条件の亜臨界から超臨界状態に付す。ここで用いる溶媒としては、水、メタノール、エタノール、プロパノール、N-メチルピロリドンのようなピロリドン系溶剤、酢酸ブチルのようなアセテート系溶剤、ジエチレングリコールモノメチルエーテルのようなグリコールエーテル系溶剤、メチルエチルケトンのようなケトン系溶剤、トルエン、キシレンのような芳香族溶剤、パラフィンなどの炭化水素系溶剤などの溶媒を挙げることができる。溶媒に浸漬したチップ等は、1〜300気圧下、〜400℃の、好ましくは2〜250気圧下、5〜200℃の、より好ましくは25〜100気圧下、100〜380℃の、最も好ましくは25〜100気圧下、150〜250℃であって亜臨界から超臨界状態となる範囲内に60〜180分間付して処理する。これらのソルボサーマル処理により、チップ等は柔らかい膨潤した木材粉砕物の状態になる。本発明の製造方法は、木材チップ等をそのままソルボサーマル処理工程に付することを特徴とする。従来のCNFの製造方法では木材チップ等を最初に化学処理していたが、上記製造方法では木材チップなどある程度の大きさを有するセルロース原料を、化学処理を経ずにまずソルボサーマル処理に付するところに特徴がある。この製造方法により製造したCNFは樹脂と混合した場合に、複合材料の物性を高める。 In the solvothermal treatment step of the above-mentioned production method, wood chips and herbs as raw materials are immersed in a solvent as they are, and are subjected to a subcritical to supercritical state under high temperature and high pressure conditions. Examples of the solvent used here include water, methanol, ethanol, propanol, pyrrolidone-based solvents such as N-methylpyrrolidone, acetate-based solvents such as butyl acetate, glycol ether-based solvents such as diethylene glycol monomethyl ether, and methyl ethyl ketone. Examples thereof include a ketone solvent, an aromatic solvent such as toluene and xylene, and a solvent such as a hydrocarbon solvent such as paraffin. Chips and the like immersed in a solvent are most preferably under 1 to 300 atm, ~ 400 ° C, preferably 2 to 250 atm, 5 to 200 ° C, more preferably 25 to 100 atm, 100 to 380 ° C. Is treated under 25 to 100 atm at 150 to 250 ° C. for 60 to 180 minutes within the range from subcritical to supercritical. By these solvothermal treatments, the chips and the like become soft and swollen crushed wood. The production method of the present invention is characterized in that wood chips and the like are directly subjected to a solvothermal treatment step. In the conventional CNF manufacturing method, wood chips and the like are first chemically treated, but in the above manufacturing method, a cellulose raw material having a certain size such as wood chips is first subjected to sorbothermal treatment without undergoing chemical treatment. However, there is a feature. The CNF produced by this production method enhances the physical characteristics of the composite material when mixed with a resin.

つぎに、得られた木材粉砕物は解砕工程に付して木材粉砕物等のパルプをさらに微細化する。この解砕工程には、ボールミル、ディスクミル、湿式カッターミル、圧力式ホモジナイザーなどを用いることができる。この解砕工程により木材は0.05〜0.5mmのより小さな木材粉砕物となる。 Next, the obtained crushed wood is subjected to a crushing step to further refine the pulp such as the crushed wood. A ball mill, a disc mill, a wet cutter mill, a pressure homogenizer, or the like can be used in this crushing step. This crushing process turns the wood into smaller crushed wood of 0.05-0.5 mm.

最後に、解砕した木材粉砕物を化学処理する。化学処理としては、例えば、酸化処理、加水分解処理、塩基処理、またはこれらの組み合わせが挙げられる。酸化処理には、オゾン、次亜塩素酸またはその塩、過硫酸またはその塩、過有機酸またはその塩などの酸化剤を用いることができる。この酸化処理には、N−オキシル化合物などの酸化触媒を併用してもよい。また、加水分解処理には、セルラーゼ系酵素、ヘミセルラーゼ系酵素などの加水分解酵素を用いることができる。塩基処理には苛性ソーダ、KOHなどを用いることができる。 Finally, the crushed wood crushed material is chemically treated. Examples of the chemical treatment include an oxidation treatment, a hydrolysis treatment, a base treatment, or a combination thereof. Oxidizing agents such as ozone, hypochlorous acid or a salt thereof, persulfate or a salt thereof, and a perorganic acid or a salt thereof can be used for the oxidation treatment. An oxidation catalyst such as an N-oxyl compound may be used in combination with this oxidation treatment. Further, a hydrolase such as a cellulase-based enzyme or a hemicellulase-based enzyme can be used for the hydrolysis treatment. Caustic soda, KOH, or the like can be used for the base treatment.

また、ソルボサーマル処理に付す前に、木材チップなどにリグニンを加えることもできる。リグニンを加えることにより、生成されるCNFの表面が疎水化される(疎水化CNF)。疎水化CNFと樹脂とを混合して生成する複合材料では、リグニンを加えない非疎水化CNFの複合材料と比べて引張強度が高くなるのでより好ましい。木材粉砕物とリグニンの混合比は木材粉砕物/リグニン(重量比)=0.5〜2、好ましくは0.7〜1.5、より好ましくは0.8〜1.2ぐらいが好ましい。 Lignin can also be added to wood chips and the like prior to solvothermal treatment. By adding lignin, the surface of the produced CNF is hydrophobized (hydrophobicized CNF). A composite material produced by mixing a hydrophobic CNF and a resin is more preferable because it has a higher tensile strength than a non-hydrophobic CNF composite material to which lignin is not added. The mixing ratio of the crushed wood and lignin is preferably crushed wood / lignin (weight ratio) = 0.5 to 2, preferably 0.7 to 1.5, and more preferably 0.8 to 1.2.

本発明によるセルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂を含む生分解性複合材料には、強度および生分解性を阻害しないかぎり、種々の添加物を配合することができる。例えば、実用上、着色するために、有機顔料、無機顔料を添加することができる。 Various additives can be added to the biodegradable composite material containing the cellulose nanofibers and the biodegradable resin according to the present invention as long as the strength and biodegradability are not impaired. For example, in practice, organic pigments and inorganic pigments can be added for coloring.

本発明による生分解性複合材料を材料として用いて様々な樹脂成型品を成形することができる。
このような樹脂成形品として、射出成型法により成形されたスプーン、ナイフ、フォークなどのカトラリー製品、容器、食器、家電製品部材、自動車部材、電子部品、携帯電話用部品やレンズ、スイッチ類、光ディスク、注射器などの医療用具など;真空成型法により成形されたトレー、容器、食器など;ブロー成型法により成形されたボトル、容器など;フィルム成型法またはインフレーション成型法により成形されたフィルム、シート、袋など;熱プレス成型により成形された容器、食器、家電製品部材、自動車部材など;発泡成形法により成形された各種発泡成形品、他の成形法を含めた手法でも成形できるあらゆる樹脂成型品が挙げられる。
Various resin molded products can be molded using the biodegradable composite material according to the present invention as a material.
Such resin molded products include cutlery products such as spoons, knives, and forks molded by the injection molding method, containers, tableware, home appliance parts, automobile parts, electronic parts, mobile phone parts, lenses, switches, and optical disks. , Medical devices such as syringes; Tray, container, tableware, etc. molded by vacuum molding method; Bottles, containers, etc. molded by blow molding method; Film, sheet, bag molded by film molding method or inflation molding method Etc .; Containers, tableware, home appliance parts, automobile parts, etc. molded by hot press molding; various foam molded products molded by the foam molding method, all resin molded products that can be molded by methods including other molding methods are listed. Be done.

[実施例1]
木材チップ(1.0x1.0cm)1kgとN-メチルピロリドン10Lとを混合してオートクレーブ(200℃、25気圧)中で2時間ソルボサーマル処理した。得られた木材粉砕物を次亜塩素酸10%の水溶液中90℃で1時間熱処理を施して、本発明のCNF(ソルボサーマル処理/化学処理CNF:実施例においては、本発明のCNFを単に「CNF」と称する。)を得た。
ポリ乳酸(PLA; Natureworks社製)100gに対して、上記で製造したCNF30gを配合して、二軸押出機により混合して、約23重量%のCNFを含有する生分解性複合材料を調製した。
PLAおよびそれにCNFを混合して得られた生分解性複合材料の引張特性(引張強度、破断伸び、弾性率)および曲げ特性(曲げ強度)を、それぞれ、精密万能試験機オートグラフAG-Xおよび小型卓上試験器EZ-X(株式会社島津製作所製)を用いて測定し、試験器に付属するマクロ機能を搭載した「TRAPEZIUM LITE X」によりデータ処理を行った。測定結果を表1に示す。
[Example 1]
1 kg of wood chips (1.0x1.0 cm) and 10 L of N-methylpyrrolidone were mixed and solvothermally treated in an autoclave (200 ° C., 25 atm) for 2 hours. The obtained crushed wood is heat-treated in an aqueous solution of 10% hypochlorous acid at 90 ° C. for 1 hour, and the CNF of the present invention (Sorbothermal treatment / chemical treatment CNF: In the examples, the CNF of the present invention is simply used. It is referred to as "CNF").
30 g of the CNF produced above was mixed with 100 g of polylactic acid (PLA; manufactured by Natureworks) and mixed by a twin-screw extruder to prepare a biodegradable composite material containing about 23% by weight of CNF. ..
The tensile properties (tensile strength, elongation at break, elastic modulus) and bending properties (bending strength) of the biodegradable composite material obtained by mixing PLA and CNF are shown by the precision universal testing machine Autograph AG-X and Measurements were made using a small desktop tester EZ-X (manufactured by Shimadzu Corporation), and data processing was performed using the "TRAPEZIUM LITE X" equipped with a macro function attached to the tester. The measurement results are shown in Table 1.

[引張特性試験]
JIS K 7161:1994に準拠して、生分解性複合材料の引張強度、弾性率および破断伸びを測定した。
試験速度 :20 mm/分
ダンベル試験片寸法:1Bサイズ
[曲げ特性試験]
JIS K 7171:1994に準拠して、生分解性複合材料の曲げ強度を測定した。
試験速度 :2 mm/分
試験片寸法 :80×10×4 mm
圧子先端半径R1 :5 mm
支点先端半径R2 :5 mm
支点間距離 :60 mm
[Tensile property test]
Tensile strength, elastic modulus and elongation at break of biodegradable composites were measured in accordance with JIS K 7161: 1994.
Test speed: 20 mm / min Dumbbell test piece size: 1B size [Bending property test]
The bending strength of the biodegradable composite material was measured in accordance with JIS K 7171: 1994.
Test speed: 2 mm / min Test piece dimensions: 80 x 10 x 4 mm
Indenter tip radius R1: 5 mm
Radius of fulcrum tip R2: 5 mm
Distance between fulcrums: 60 mm

[実施例2〜11]
実施例1と同様にして、ポリ乳酸 (PLA)の代わりに、ポリカプロラクトン (PCL)、ポリブチレンスクシネート (PBS)、ポリヒドロキシアルカノエート (PHA)、ポリブチレンアジペート-co-テレフタレート (PBAT)、デンプン系樹脂、デンプン系樹脂とPLAとの混合樹脂(重量比6:4)、デンプン系樹脂とPBATとの混合樹脂(重量比6:4)、酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロース (HEC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース (HPMC)を用いて、それぞれ、約23〜30重量%のCNFを含有する生分解性複合材料を得た。
各生分解性樹脂およびそれぞれにCNFを混合して得られた生分解性複合材料の引張強度、引張ストローク、弾性率、曲げ強度および曲げストロークを測定した。測定結果を表1に示す。
[Examples 2 to 11]
In the same manner as in Example 1, instead of polylactic acid (PLA), polycaprolactone (PCL), polybutylene succinate (PBS), polyhydroxyalkanoate (PHA), polybutylene adipate-co-terephthalate (PBAT) , Staple resin, mixed resin of starch resin and PLA (weight ratio 6: 4), mixed resin of starch resin and PBAT (weight ratio 6: 4), cellulose acetate, hydroxyethyl cellulose (HEC), hydroxypropyl Methyl cellulose (HPMC) was used to obtain biodegradable composites, each containing approximately 23-30% by weight of CNF.
The tensile strength, tensile stroke, elastic modulus, bending strength and bending stroke of each biodegradable resin and the biodegradable composite material obtained by mixing CNF with each were measured. The measurement results are shown in Table 1.

いずれの生分解性樹脂も、CNFを配合することにより、引張強度が増強されることが確認できた。 It was confirmed that the tensile strength of all biodegradable resins was enhanced by blending CNF.

[比較例1〜3]
実施例1と同様にして、ポリ乳酸 (PLA)、ポリブチレンスクシネート (PBS)、ポリブチレンアジペート-co-テレフタレート (PBAT)を用いて、それぞれ、約2重量%の未処理CNF(本発明のCNFの原料)を含有する生分解性複合材料を得た。
各生分解性樹脂およびそれぞれに未処理CNFを混合して得られた生分解性複合材料の引張強度を測定した。測定結果を表2に示す。
[Comparative Examples 1 to 3]
Similar to Example 1, using polylactic acid (PLA), polybutylene succinate (PBS), polybutylene adipate-co-terephthalate (PBAT), each about 2% by weight untreated CNF (the present invention). A biodegradable composite material containing (raw material for CNF) was obtained.
The tensile strength of each biodegradable resin and the biodegradable composite material obtained by mixing untreated CNF with each was measured. The measurement results are shown in Table 2.

未処理CNFは、生分解性樹脂に対する分散性が低く、約2重量%を超えて配合することができなかった。
しかも、未処理CNFを配合することにより、引張強度が低下した。
The untreated CNF had low dispersibility in the biodegradable resin and could not be blended in excess of about 2% by weight.
Moreover, the tensile strength was lowered by blending the untreated CNF.

[実施例12]
ポリ乳酸(PLA)を用いて、CNF配合による生分解性特性への影響を調べた。
PLA100gに対して、CNFを、5g、11gまたは30g配合して、それぞれ、CNF含有量が約5重量%、約10重量%または約23重量%のCNFを含有する生分解性複合材料を得た。
PLAおよびそれにCNFを混合して得られた生分解性複合材料の生分解性特性の結果を表3に示す。
[Example 12]
Using polylactic acid (PLA), the effect of CNF formulation on biodegradability was investigated.
5 g, 11 g or 30 g of CNF was blended with respect to 100 g of PLA to obtain a biodegradable composite material containing CNF having a CNF content of about 5% by weight, about 10% by weight or about 23% by weight, respectively. ..
Table 3 shows the results of the biodegradable properties of the biodegradable composite material obtained by mixing PLA and CNF with it.

[生分解性試験]
試料となる材料を凍結粉砕して粉体にしたあと、プロテイナーゼKによる酵素加水分解試験を行った。
0.2M NaH2PO4 2.8mLを0.2M Na2HPO4 22.8mLを混合し、蒸留水を加えて全量を50mLにして、pH7.7のリン酸バッファーを調製した。別途、Tritirachium album由来プロテイナーゼK(白色結晶性粉末;冨士フィルム和光純薬株式会社)を所定量計量し、リン酸バッファーに溶解させて、酵素溶液とした。
酵素溶液に所定量の材料を入れ、ボルテックスでいったんよく撹拌して測定用試料を調製し、これを恒温振とう器にセットした。所定時間後に測定用試料を取り出し、氷冷した後、0.2μメンブランフィルターでろ過し、ろ液を蒸留水で5倍希釈した。希釈したろ液の水溶性全有機炭素濃度(TOC)をTOC測定装置(島津製作所, TOC-VCSH)で測定した。
ろ液のTOC値から、酵素由来のTOC値と材料中の微量水溶性成分に由来するTOC値とを差し引いて、材料の正味TOC値とした。酵素由来のTOC値は酵素溶液を用いて測定し、材料由来のTOC値は、各材料をリン酸バッファーに投入し、ボルテックスでよく撹拌して得られた懸濁液を用いて測定した。
ポリ乳酸の繰り返し単位 (-O-CH(CH3)-CO-;M=72)の中の炭素量はC3=36なので、ポリ乳酸の重量のちょうど半分が炭素量となる(36/72=50%)。例えば、5mLリン酸バッファー中の10mgポリ乳酸が100%生分解(加水分解)されて水溶化すると、5mL水溶液中の炭素量が5mgとなるので、TOC値は5mg/5mL=1mg/mL=1000ppmと計算される。このとき、酵素分解試験後のTOC値が500ppmならば生分解率50%となる。なお、酵素によりポリ乳酸部分のみが加水分解されて水溶化されるが、セルロースナノファイバーは分解されないと仮定して、計算を行った。
[Biodegradability test]
After the sample material was freeze-milled into powder, an enzyme hydrolysis test with proteinase K was performed.
0.2M NaH 2 PO 4 2.8mL was mixed with 0.2M Na 2 HPO 4 22.8mL, and distilled water was added to make the total volume 50mL to prepare a phosphate buffer having a pH of 7.7. Separately, a predetermined amount of proteinase K (white crystalline powder; Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) derived from Tritiracium album was weighed and dissolved in a phosphate buffer to prepare an enzyme solution.
A predetermined amount of the material was added to the enzyme solution, and the mixture was stirred well with a vortex to prepare a sample for measurement, which was set in a constant temperature shaker. After a predetermined time, the sample for measurement was taken out, cooled with ice, filtered through a 0.2 μ membrane filter, and the filtrate was diluted 5-fold with distilled water. The water-soluble total organic carbon concentration (TOC) of the diluted filtrate was measured with a TOC measuring device (Shimadzu Corporation, TOC-VCSH).
The net TOC value of the material was obtained by subtracting the TOC value derived from the enzyme and the TOC value derived from the trace water-soluble component in the material from the TOC value of the filtrate. The TOC value derived from the enzyme was measured using an enzyme solution, and the TOC value derived from the material was measured using a suspension obtained by putting each material into a phosphate buffer and stirring well with a vortex.
Since the carbon content in the repeating unit of polylactic acid (-O-CH (CH3) -CO-; M = 72) is C3 = 36, exactly half of the weight of polylactic acid is the carbon content (36/72 = 50). %). For example, when 10 mg polylactic acid in 5 mL phosphate buffer is 100% biodegraded (hydrolyzed) and solubilized, the amount of carbon in the 5 mL aqueous solution becomes 5 mg, so the TOC value is 5 mg / 5 mL = 1 mg / mL = 1000 ppm. Is calculated. At this time, if the TOC value after the enzymatic decomposition test is 500 ppm, the biodegradation rate is 50%. The calculation was performed on the assumption that only the polylactic acid portion is hydrolyzed and solubilized by the enzyme, but the cellulose nanofibers are not decomposed.

[実施例13〜17]
実施例12と同様にして、ポリ乳酸 (PLA)の代わりに、ポリカプロラクトン (PCL)、ポリブチレンスクシネート (PBS)、ポリブチレンアジペート-co-テレフタレート (PBAT)、ポリヒドロキシブチレートバリレート (PBAV)、デンプン系樹脂とPBATとの混合樹脂、酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロース (HEC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース (HPMC)および、それぞれに約5〜25重量%のCNFを含有する生分解性複合材料を得た。
各生分解性樹脂およびそれぞれにCNFを混合して得られた生分解性複合材料の生分解性特性の結果を表3に示す。
[Examples 13 to 17]
In the same manner as in Example 12, instead of polylactic acid (PLA), polycaprolactone (PCL), polybutylene succinate (PBS), polybutylene adipate-co-terephthalate (PBAT), polyhydroxybutyrate variate ( Obtained a biodegradable composite material containing PBAV), a mixed resin of starch-based resin and PBAT, cellulose acetate, hydroxyethyl cellulose (HEC), hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC), and each containing about 5 to 25% by weight of CNF. It was.
Table 3 shows the results of the biodegradable properties of each biodegradable resin and the biodegradable composite material obtained by mixing CNF with each resin.

表3から分かるように、CNFを5重量%以上配合すると、生分解性樹脂の強度が増強するだけではなく、同時に分解率が向上することが確認された。 As can be seen from Table 3, it was confirmed that when CNF was added in an amount of 5% by weight or more, not only the strength of the biodegradable resin was enhanced, but also the decomposition rate was improved at the same time.

[比較例]
実施例12と同様にして、ポリ乳酸(PLA)に約2重量%の未処理CNFを含有する生分解性複合材料の生分解特性の結果を表3に示す。
PLAに未処理CNFを混合して得られた生分解性複合材料の生分解性特性の結果を表4に示す。
[Comparison example]
Table 3 shows the results of the biodegradation properties of the biodegradable composite material containing about 2% by weight of untreated CNF in polylactic acid (PLA) in the same manner as in Example 12.
Table 4 shows the results of the biodegradable properties of the biodegradable composite material obtained by mixing PLA with untreated CNF.

未処理CNFは、生分解性樹脂に対する分散性が低く、約2重量%を超えて混合することができなかった。
未処理CNFを配合することにより、生分解性が低下した。
The untreated CNF had low dispersibility in the biodegradable resin and could not be mixed in excess of about 2% by weight.
The biodegradability was reduced by blending untreated CNF.

未処理のセルロースナノファイバーは樹脂に対する分散性が低く、約2重量%を超えて混合することができなかった。そして、樹脂に対して上限の2重量%を配合すると、強度も生分解性も低下する。一方、本発明のセルロースナノファイバーは生分解性樹脂に対する分散性が高く、所望する強度に応じて樹脂に配合することができる。さらに、驚くべきことに、生分解性樹脂の生分解率を向上させる効果が実証された。 The untreated cellulose nanofibers had low dispersibility in the resin and could not be mixed in excess of about 2% by weight. Then, when the upper limit of 2% by weight is added to the resin, both the strength and the biodegradability are lowered. On the other hand, the cellulose nanofibers of the present invention have high dispersibility in biodegradable resins and can be blended with resins according to desired strength. Furthermore, surprisingly, the effect of improving the biodegradation rate of the biodegradable resin was demonstrated.

本発明のセルロースナノファイバーを生分解性樹脂に配合すれば、強度と生分解性が同時に向上した生分解性樹脂組成物を得ることができる。 By blending the cellulose nanofibers of the present invention with a biodegradable resin, a biodegradable resin composition having improved strength and biodegradability can be obtained at the same time.

Claims (7)

セルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂を含む生分解性複合材料であって、前記セルロースナノファイバーおよび生分解性樹脂の合計量100重量%中、セルロースナノファイバーの含有量が2重量%以上であり、前記生分解性樹脂は、ポリ乳酸;プルランおよびカードラン;ポリカプロラクトン;デンプン系生分解性ポリマー;ポリヒドロキシブチレート、ポリ(3−ヒドロキシブチレート-co-3−ヒドロキシバレレート)、ポリ(3−ヒドロキシブチレート-co-3−ヒドロキシヘキサノエート)、ポリヒドロキシブチレートバリレート、ポリヒドロキシアルカノエート;ポリビニルアルコール;ポリアミノ酸類;キチンおよびキトサン;酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース;ポリグリコール酸;ポリエチレンテレフタレートスクシネート;ポリブチレンスクシネート;およびポリブチレンアジペート-co-テレフタレートコポリマーまたはそれらの組合せから選択される、生分解性複合材料。 A biodegradable composite material containing cellulose nanofibers and a biodegradable resin, wherein the content of the cellulose nanofibers is 2% by weight or more in 100% by weight of the total amount of the cellulose nanofibers and the biodegradable resin. The biodegradable resins include polylactic acid; purulan and curdran; polycaprolactone; starch-based biodegradable polymer; polyhydroxybutyrate, poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), poly (3). -Hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate), polyhydroxybutyrate variate, polyhydroxyalkanoate; polyvinyl alcohol; polyamino acids; chitin and chitosan; cellulose acetate, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropylmethyl cellulose; polyglycol A biodegradable composite material selected from acids; polyethylene terephthalate succinates; polybutylene succinates; and polybutylene adipate-co-terephthalate copolymers or combinations thereof. 前記セルロースナノファイバーが、木片または木材チップをソルボサーマル処理に付す工程、ソルボサーマル処理した木材チップを解砕する工程、および解砕した木材チップを化学処理に付してセルロースナノファイバー(CNF)を得る工程をこの順序で含む製造方法により製造された、請求項1に記載の生分解性複合材料。 The cellulose nanofibers are subjected to a step of subjecting a piece of wood or wood chips to a sorbothermal treatment, a step of crushing a sorbothermally treated wood chip, and a step of subjecting the crushed wood chips to a chemical treatment to obtain cellulose nanofibers (CNF). The biodegradable composite material according to claim 1, which is produced by a production method including the steps of obtaining the material in this order. ソルボサーマル処理を臨界または亜臨界条件下で行う、請求項2に記載の生分解性複合材料。 The biodegradable composite material according to claim 2, wherein the solvothermal treatment is performed under critical or subcritical conditions. 木片または木材チップが針葉樹または広葉樹の木片または木材チップである、請求項2または3に記載の生分解性複合材料。 The biodegradable composite material according to claim 2 or 3, wherein the piece of wood or wood chip is a piece of wood or wood chip of softwood or hardwood. 化学処理が酸化処理である、請求項2〜4いずれかに記載の生分解性複合材料。 The biodegradable composite material according to any one of claims 2 to 4, wherein the chemical treatment is an oxidation treatment. さらに、ソルボサーマル処理工程の前にリグニンを添加する工程を含む、請求項2〜5いずれかに記載の生分解性複合材料。 The biodegradable composite material according to any one of claims 2 to 5, further comprising a step of adding lignin before the solvothermal treatment step. 請求項1〜6いずれかに記載の生分解性複合材料を用いて形成された成形品。 A molded product formed by using the biodegradable composite material according to any one of claims 1 to 6.
JP2019139856A 2019-07-30 2019-07-30 Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin Pending JP2021021041A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019139856A JP2021021041A (en) 2019-07-30 2019-07-30 Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019139856A JP2021021041A (en) 2019-07-30 2019-07-30 Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2021021041A true JP2021021041A (en) 2021-02-18

Family

ID=74575121

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019139856A Pending JP2021021041A (en) 2019-07-30 2019-07-30 Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2021021041A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113105725A (en) * 2021-03-30 2021-07-13 西北民族大学 Biodegradable material and preparation method and application thereof
CN114989582A (en) * 2022-05-17 2022-09-02 南宁学院 Preparation method of cotton cellulose nanofiber/polycaprolactone composite material through acetylation
JP2022151892A (en) * 2021-03-28 2022-10-11 静岡油化工業株式会社 Resin product biodegradation promoter

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008248202A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Toyota Motor Corp Method and apparatus for purifying cellulose
JP2010042604A (en) * 2008-08-13 2010-02-25 Nobuaki Oki Method for separating wood fiber as fibrous solid component in subcritical condition
JP2011140632A (en) * 2009-12-11 2011-07-21 Kao Corp Composite material
JP2015096624A (en) * 2010-03-31 2015-05-21 大阪瓦斯株式会社 Method for production of cellulose
JP2016176052A (en) * 2015-03-19 2016-10-06 国立大学法人京都大学 Fiber reinforced resin composition containing chemical modified cellulose nanofiber and thermoplastic resin

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008248202A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Toyota Motor Corp Method and apparatus for purifying cellulose
JP2010042604A (en) * 2008-08-13 2010-02-25 Nobuaki Oki Method for separating wood fiber as fibrous solid component in subcritical condition
JP2011140632A (en) * 2009-12-11 2011-07-21 Kao Corp Composite material
JP2015096624A (en) * 2010-03-31 2015-05-21 大阪瓦斯株式会社 Method for production of cellulose
JP2016176052A (en) * 2015-03-19 2016-10-06 国立大学法人京都大学 Fiber reinforced resin composition containing chemical modified cellulose nanofiber and thermoplastic resin

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022151892A (en) * 2021-03-28 2022-10-11 静岡油化工業株式会社 Resin product biodegradation promoter
JP7223385B2 (en) 2021-03-28 2023-02-16 静岡油化工業株式会社 Resin product biodegradation accelerator
CN113105725A (en) * 2021-03-30 2021-07-13 西北民族大学 Biodegradable material and preparation method and application thereof
CN114989582A (en) * 2022-05-17 2022-09-02 南宁学院 Preparation method of cotton cellulose nanofiber/polycaprolactone composite material through acetylation
CN114989582B (en) * 2022-05-17 2024-05-03 福建省南安市帮登鞋业有限公司 Preparation method for acetylation of cotton cellulose nanofiber/polycaprolactone composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Applications of lignocellulosic fibers and lignin in bioplastics: A review
Huang et al. Characterization of kraft lignin fractions obtained by sequential ultrafiltration and their potential application as a biobased component in blends with polyethylene
JP2021021041A (en) Biodegradable composite material containing cellulose nanofiber and biodegradable resin
Platnieks et al. Adding value to poly (butylene succinate) and nanofibrillated cellulose-based sustainable nanocomposites by applying masterbatch process
Tserki et al. Development of biodegradable composites with treated and compatibilized lignocellulosic fibers
Chen et al. Preparation and properties of chitosan/lignin composite films
Szabó et al. Competitive interactions in aromatic polymer/lignosulfonate blends
JP6177119B2 (en) Method for producing oxidized cellulose fiber
JP6532561B2 (en) Method of producing modified cellulose fiber
JPWO2020066537A1 (en) Method for Producing Cellulose Nanofiber (CNF) and Composite Material Containing It
Sonker et al. Synergistic effect of cellulose nanowhiskers reinforcement and dicarboxylic acids crosslinking towards polyvinyl alcohol properties
Zarrinbakhsh et al. Biodegradable green composites from distiller's dried grains with solubles (DDGS) and a polyhydroxy (butyrate‐co‐valerate)(PHBV)‐based bioplastic
WO2015046588A1 (en) Resin composition, molded body, and production method
Zandi et al. Thermal and biodegradation properties of poly (lactic acid)/rice straw composites: effects of modified pulping products
Perera et al. Synthesis and characterization of lignin nanoparticles isolated from oil palm empty fruit bunch and application in biocomposites
Boussetta et al. Shrimp waste protein for bio-composite manufacturing: Formulation of protein-cornstarch-mimosa-tannin wood adhesives
JP6871079B2 (en) Method for producing defibrated cellulose fiber and method for producing resin composition
WO2021001557A1 (en) Extraction method
JP2021095432A (en) Composition for molding and molding
Agüero et al. Use of bacterial cellulose obtained from kombucha fermentation in spent coffee grounds for active composites based on PLA and maleinized linseed oil
Pérez-Guerrero et al. Effect of modified Eucalyptus nitens lignin on the morphology and thermo-mechanical properties of recycled polystyrene
JPH10273582A (en) Biodegradable resin composition
Lothfy et al. Fabrication and characterization of jackfruit seed powder and polyvinyl alcohol blend as biodegradable plastic
JP2018100312A (en) Biodegradable composite material and method for producing the same
Zeng et al. Preparation and Characterization of Chinese Leek Extract Incorporated Cellulose Composite Films

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220726

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230302

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230314

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230512

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20230816

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231115

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20240208

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240416