JP2021031662A - 繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
尿素と繊維状セルロースとをカルバメート変性反応させて得られた反応物を、固形分濃度1%になるように蒸留水で希釈し、ミキサーで混合攪拌した後、No.2濾紙とブフナロートとで脱水する。この希釈から脱水までの洗浄作業を2回繰り返す。次に、得られた固形物を105℃で6時間乾燥し、前記洗浄して得られたカルバメート変性セルロースとする。そして、副産物の量は、前記カルバメート変性反応させて得られた反応物と、前記カルバメート変性セルロースの量とを引算して算出する。
セルロース原料(以下、「原料パルプ」ともいう。)としては、例えば、広葉樹、針葉樹等を原料とする木材パルプ、ワラ・バガス・綿・麻・じん皮繊維等を原料とする非木材パルプ、回収古紙、損紙等を原料とする古紙パルプ(DIP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。なお、以上の各種原料は、例えば、セルロース系パウダーなどと言われる粉砕物(粉状物)の状態等であってもよい。
セルロース原料は、解繊に先立ってカルバメート化し、もってカルバメート変性セルロースとする。カルバメートの導入(カルバメート化)に関しては、セルロース原料をカルバメート化してから微細化(解繊)する方法と、セルロース原料を微細化してからカルバメート化する方法とがある。一般に、解繊及びカルバメート化は、どちらを先に行うこともできる。ただし、本形態のように、先にカルバメート化を行い、その後に、解繊をする方が好ましい。解繊する前のセルロース原料は脱水効率が高く、また、カルバメート化に伴う加熱によってセルロース原料が解繊され易い状態になるためである。
次に、カルバメート変性セルロースを解繊するに先立って洗浄する。
具体的には、カルバメート変性セルロースを溶媒等で希釈・攪拌した後、脱水することで洗浄する。このように洗浄することで、副生成物や未反応物が洗い流され、得られる繊維状セルロース複合樹脂の破断ひずみの低下が抑えられる。
洗浄したカルバメート変性セルロースは、解繊し、カルバメート変性マイクロ繊維セルロースの分散液を得る。この解繊により、本形態の樹脂組成物は、繊維状セルロースの一部又は全部として微細繊維であるマイクロ繊維セルロース(ミクロフィブリル化セルロース)を含む(使用する)ことになる。マイクロ繊維セルロースを使用すると、樹脂の補強効果が著しく向上する。
解繊に先立ってアルカリ処理すると、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの水酸基が一部解離し、分子がアニオン化することで分子内及び分子間水素結合が弱まり、解繊におけるカルバメート変性セルロースの分散が促進される。
本形態においては、繊維状セルロースとしてマイクロ繊維セルロースと共にセルロースナノファイバーを含むことができる。セルロースナノファイバーは、マイクロ繊維セルロースと同様に微細繊維であり、樹脂の強度向上にとってマイクロ繊維セルロースを補完する役割を有する。ただし、可能であれば、微細繊維としてセルロースナノファイバーを含むことなくマイクロ繊維セルロースのみによる方が好ましいが、もしセルロースナノファイバーを含む場合は、以下のセルロースナノファイバーを推奨する。
繊維状セルロースには、マイクロ繊維セルロースに加えて、パルプを含ませることができる。パルプは、セルロース繊維スラリーの脱水性を大幅に向上する役割を有する。ただし、パルプは、含有率を所定の範囲内(下記)とするのが好ましい。
微細繊維を含む繊維状セルロースは、必要により、水系媒体中に分散して分散液(スラリー)にする(カルバメート変性マイクロ繊維セルロース分散液)。水系媒体は、全量が水であるのが特に好ましいが、一部が水と相溶性を有する他の液体である水系媒体も使用することができる。他の液体としては、炭素数3以下の低級アルコール類等を使用することができる。
カルバメート変性マイクロ繊維セルロース分散液は、酸変性樹脂と混合及び濃縮してカルバメート変性マイクロ繊維セルロース含有物とする。酸変性樹脂は、その酸基がカルバメート基の一部又は全部とイオン結合し得る。このイオン結合により、樹脂の補強効果が向上する。
マイクロ繊維セルロース等を含む繊維状セルロースは、分散剤と混合しておくとより好ましいものになる。分散剤としては、芳香族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物、脂肪族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物が好ましい。
カルバメート変性マイクロ繊維セルロース含有物(繊維状セルロース)は、樹脂と混練して繊維状セルロース複合樹脂を得る。繊維状セルロース及び酸変性樹脂、分散剤等の混合物は、樹脂と混練するに先立って乾燥及び粉砕して粉状物にすることができる。この形態によると、樹脂との混練に際して繊維状セルロースを乾燥させる必要がなく、熱効率が良い。また、混合物に分散剤が混合されている場合は、当該混合物を乾燥したとしても、マイクロ繊維セルロース等の微細繊維が再分散しなくなるおそれが低い。
繊維水分率(%)=[(乾燥前質量−乾燥後質量)÷乾燥前質量]×100
樹脂組成物には、前述した微細繊維やパルプ等のほか、ケナフ、ジュート麻、マニラ麻、サイザル麻、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、各種針葉樹(スギ及びヒノキ等)、広葉樹及び綿花などの各種植物体から得られた植物材料に由来する繊維を含ませることもでき、含まれていてもよい。
マイクロ繊維セルロース等及び樹脂の混練に際しては、多塩基酸等の添加剤のほか、エチレングリコール、エチレングリコールの誘導体、エチレングリコール重合体、及びエチレングリコール重合体の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上の添加剤(第2の添加剤)を添加することができる。この第2の添加剤を添加することで、マイクロ繊維セルロースの分散性が著しく向上する。この点、本発明者等は、セルロース繊維がセルロースナノファイバーである場合は、当該セルロース繊維の分散性が向上し難いことを知見している。しかしながら、第2の添加剤がマイクロ繊維セルロース同士の間に入ることで、樹脂中での凝集が抑えられ、分散性を向上すると推測する。なお、セルロースナノファイバーはマイクロ繊維セルロースよりも著しく比表面積が高くなるため、第2の添加剤を過剰に添加してもセルロースナノファイバー同士の間に入り込まないものと推定される。
繊維状セルロース及び樹脂の混練物は、必要により再度混練する等した後、所望の形状に成形することができる。この成形の大きさや厚さ、形状等は、特に限定されず、例えば、シート状、ペレット状、粉末状、繊維状等とすることができる。
(平均繊維径)
微細繊維(マイクロ繊維セルロース及びセルロースナノファイバー)の平均繊維径の測定方法は、次のとおりである。
まず、固形分濃度0.01〜0.1質量%の微細繊維の水分散液100mlをテフロン(登録商標)製メンブレンフィルターでろ過し、エタノール100mlで1回、t−ブタノール20mlで3回溶媒置換する。次に、凍結乾燥し、オスミウムコーティングして試料とする。この試料について、構成する繊維の幅に応じて3,000倍〜30,000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡SEM画像による観察を行う。具体的には、観察画像に二本の対角線を引き、対角線の交点を通過する直線を任意に三本引く。さらに、この三本の直線と交錯する合計100本の繊維の幅を目視で計測する。そして、計測値の中位径を平均繊維径とする。
まず、固形分濃度0.01〜0.1質量%のパルプの水分散液100mlをテフロン(登録商標)製メンブレンフィルターでろ過し、エタノール100mlで1回、t−ブタノール20mlで3回溶媒置換する。次に、凍結乾燥し、オスミウムコーティングして試料とする。この試料について、構成する繊維の幅に応じて100倍〜1000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡SEM画像による観察を行う。具体的には、観察画像に二本の対角線を引き、対角線の交点を通過する直線を任意に三本引く。さらに、この三本の直線と交錯する合計100本の繊維の幅を目視で計測する。そして、計測値の中位径を平均繊維径とする。
アスペクト比とは、平均繊維長を平均繊維幅で除した値である。アスペクト比が大きいほど引っかかりが生じる箇所が多くなるため補強効果が上がるが、他方で引っかかりが多くなる分、樹脂の延性が低下するものと考えられる。
保水度は、JAPAN TAPPI No.26(2000)に準拠して測定した値である。
繊維長0.2mm以下の割合とフィブリル化率と平均繊維長は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定する。
結晶化度は、JIS K 0131(1996)に準拠して測定した値である。
パルプ粘度は、TAPPI T 230に準拠して測定した値である。
分散液のB型粘度(固形分濃度1%)は、JIS−Z8803(2011)の「液体の粘度測定方法」に準拠して測定した値である。B型粘度は分散液を攪拌したときの抵抗トルクであり、高いほど攪拌に必要なエネルギーが多くなることを意味する。
フリーネスは、JIS P8121−2(2012)に準拠して測定した値である。
カルバメート基の置換度は、ケルダール法による窒素定量により測定した。
(試験例1〜4)
水分率10%以下の針葉樹クラフトパルプとクエン酸によりpH=7に調整した固形分濃度10%の尿素水溶液とを固形分換算の質量比で10:10で混合した後、105℃で乾燥させた。その後、反応時間3時間、反応温度140℃で加熱処理し、カルバメート変性セルロースを得た。
各樹脂を曲げ試験片に成形し、この成形物についてJIS K7171:2008に準拠して測定し、樹脂自体の曲げ弾性率を1として複合樹脂の曲げ弾性率(倍率)を評価した。
脱水洗浄したカルバメート変性セルロースと脱水洗浄していないカルバメート変性セルロースサンプルそれぞれついて、カルバメート変性セルロースサンプル1.5gに蒸留水300mlで希釈して、ミキサーで10分間離解した。その後、得られた水溶液を8,500rpmで10分間遠心分離して、上澄み液を回収した。回収した上澄み液を超高速液クロマトグラフ(株式会社島津製作所製 型式:NexeraX2)にて尿素定量分析を行い、得られた尿素濃度と加えた蒸留水量から残尿素量を算出した。
Claims (6)
- 繊維状セルロース、樹脂、及び酸変性樹脂を含み、
前記繊維状セルロースの一部又は全部としてマイクロ繊維セルロースを含み、
前記マイクロ繊維セルロースは、ヒドロキシル基の一部は又は全部がカルバメート基で置換され、かつ平均繊維幅0.1μm以上に解繊されたものであり、
前記カルバメート基での置換に際して生成した副産物の量が、洗浄して得られたカルバメート変性セルロース100質量部当り10%以下である、
ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。
ここで、前記副産物の量の測定方法は、以下のとおりである。
尿素と繊維状セルロースとをカルバメート変性反応させて得られた反応物を、固形分濃度1%になるように蒸留水で希釈し、ミキサーで混合攪拌した後、No.2濾紙とブフナロートとで脱水する。この希釈から脱水までの洗浄作業を2回繰り返す。次に、得られた固形物を105℃で6時間乾燥し、前記洗浄して得られたカルバメート変性セルロースとする。そして、副産物の量は、前記カルバメート変性反応させて得られた反応物と、前記カルバメート変性セルロースの量とを引算して算出する。 - 残尿素量が、前記カルバメート変性セルロース100質量部当り10%以下である、
請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 - 前記繊維状セルロース100質量部に対する前記酸変性樹脂の配合割合が1〜200質量部である、
請求項1又は請求項2に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 - 前記酸変性樹脂が無水マレイン酸変性樹脂である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 - (1)セルロース原料と尿素及びその誘導体の少なくともいずれか一方とを加熱処理してカルバメート変性セルロースを得る工程、
(2)前記カルバメート変性セルロースを洗浄する工程、
(3)前記カルバメート変性セルロースを解繊して平均繊維幅0.1μm以上のカルバメート変性マイクロ繊維セルロースの分散液を得る工程、
(4)前記カルバメート変性マイクロ繊維セルロース分散液と酸変性樹脂とを混合してカルバメート変性マイクロ繊維セルロース含有物を得る工程、
(5)前記カルバメート変性マイクロ繊維セルロース含有物と樹脂とを混練して繊維状セルロース複合樹脂を得る工程、
を含むことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂の製造方法。 - 前記工程(4)において、樹脂粉末を混合する、
請求項5に記載の繊維状セルロース複合樹脂の製造方法。
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