JP2022136237A - セルロース含有樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] (A)熱可塑性樹脂を100質量部、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーを1~200質量部、(C)表面改質剤を0.1~200質量部、及び(D)沸点が100℃以上の非プロトン性有機溶媒を0.1~10000質量ppm含む、樹脂組成物。
[2] (A)熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂及びこれらのいずれか2種以上の混合物からなる群より選択される、上記態様1に記載の樹脂組成物。
[3] (D)非プロトン性有機溶媒が、水溶性である、上記態様1又は2に記載の樹脂組成物。
[4] (D)非プロトン性有機溶媒の25℃における比誘電率が、3~80である、上記態様1~3のいずれかに記載の樹脂組成物。
[5] (D)非プロトン性有機溶媒の沸点が、110~290℃である、上記態様1~4のいずれかに記載の樹脂組成物。
[6] (C)表面改質剤が、分子内に親水性セグメントと疎水性セグメントとを含む、上記態様1~5のいずれかに記載の樹脂組成物。
[7] (C)表面改質剤を、(B)セルロースナノファイバーに対し、1~100質量%の量で含む、上記態様1~6のいずれかに記載の樹脂組成物。
[8] (C)表面改質剤の曇点が、20℃以上である、上記態様1~7のいずれかに記載の樹脂組成物。
[9] (C)表面改質剤の分子内のエチレングリコールユニットが、全ユニットの50質量%以上である、上記態様1~8のいずれかに記載の樹脂組成物。
[10] 上記態様1~9のいずれかに記載の樹脂組成物から形成された、成形体。
本発明において用いることができる(A)熱可塑性樹脂は、典型的には、数平均分子量5000以上を有する。なお本開示の数平均分子量は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)を用い、標準ポリメタクリル酸メチル換算で測定される値である。(A)熱可塑性樹脂としては、100℃~350℃の範囲内に融点を有する結晶性樹脂、又は、100~250℃の範囲内にガラス転移温度を有する非晶性樹脂が挙げられる。(A)熱可塑性樹脂は、ホモポリマーでもコポリマーでもよい1種又は2種以上のポリマーで構成されてよい。
次に本発明において用いることができる(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバー(本開示で、「(B)セルロースナノファイバー」ということもある。)について詳述する。
次に本発明において用いることができる(C)表面改質剤について詳述する。(C)表面改質剤は、例えば、(A)熱可塑性樹脂と同種のポリマーの変性物(例えば酸変性体、共重合体)、(A)熱可塑性樹脂と異種のポリマー、等であることによって、(A)熱可塑性樹脂とは異なる。(C)表面改質剤は、例えば、水溶液の状態で樹脂に混練する方法で加えても良い。(C)表面改質剤は市販の試薬又は製品であってもよい。
(B)セルロースナノファイバーとの良好な親和性を確保するために、(C)表面改質剤の構造は上記構造であることが望ましい。
次に本発明において用いることができる(D)非プロトン性有機溶媒について詳述する。(D)非プロトン性有機溶媒は、沸点が100℃以上である。プロトン性有機溶媒は酸素原子に結合した比較的酸性度の高い水素原子をもち、水素結合の供与体になる有機溶媒である。一方、非プロトン性有機溶媒は酸性度の高い水素原子を持たない有機溶媒である。すなわち本開示において非プロトン性有機溶媒とは水素結合供与体ではない溶媒を指す。(D)非プロトン性有機溶媒は市販の試薬又は製品であってもよい。
次に本発明において用いることができるその他の成分について詳述する。本実施形態の樹脂組成物は、本実施形態の目的を損なわない範囲で、従来熱可塑性樹脂、セルロースに使用されている各種添加剤を含有することができる。添加剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、安定化剤(酸化防止剤、紫外線吸収剤、耐光安定剤、熱安定化剤)、帯電防止剤、難燃剤、難燃助剤、耐衝撃改良材、流動性改良材、補強材(有機繊維、無機充填剤、繊維状粒子、板状粒子、無機顔料)、核剤、着色剤、滑材、摺動剤、可塑剤、離型剤、色相改良材、分散剤、抗菌剤、防腐剤などが挙げられる。これらは1種のみを単独で使用してもよく2種以上を組み合わせて使用してもよい。これらは市販の試薬又は製品であってもよい。
(1)単軸又は二軸押出機を用いて、(A)熱可塑性樹脂と、(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤及び(D)非プロトン性有機溶媒との混合物を溶融混練し、ストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体として得る方法。
(2)単軸又は二軸押出機を用いて、(A)熱可塑性樹脂と、(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤及び(D)非プロトン性有機溶媒との混合物を溶融混練し、棒状又は筒状に押出し冷却して押出成形体として得る方法。
(3)単軸又は二軸押出機を用いて、(A)熱可塑性樹脂と、(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤及び(D)非プロトン性有機溶媒との混合物を溶融混練し、Tダイより押出しシート、又はフィルム状の成形体を得る方法。
(1)(A)熱可塑性樹脂と、所望の比率で混合された(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤、(D)非プロトン性有機溶媒、及び水とを、一括溶融混練する方法。
(2)(A)熱可塑性樹脂並びに必要により(C)表面改質剤及び/又は(D)非プロトン性有機溶媒を溶融混練した後、所望の比率で混合された(B)セルロースナノファイバー、水、並びに必要により(C)表面改質剤及び/又は(D)非プロトン性有機溶媒を添加して、更に溶融混練する方法。
(3)(A)熱可塑性樹脂、所望の比率で混合された(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤混合粉末、(D)非プロトン性有機溶媒、及び水を溶融混練した後、所望の比率で混合された(B)セルロースナノファイバー、及び水、並びに必要により(C)表面改質剤及び/又は(D)非プロトン性有機溶媒を添加して、更に一括で溶融混練する方法。
(4)(A)熱可塑性樹脂及び必要により(C)表面改質剤を溶融混練した後、所望の比率で混合された(A)熱可塑性樹脂、(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤、水、及び(D)非プロトン性有機溶媒を添加して、更に溶融混練する方法。
(5)上記(1)~(4)を単軸又は二軸押出機を用いて任意の割合でTopとSideで分割して添加し、溶融混練する方法。
本実施形態は、前述の樹脂組成物から形成された成形体も提供する。成形体は、下記のような部材の形態であることができる。樹脂組成物を成形する方法については特に限定されず、公知の成形方法を適用できる。例えば、押出成形、射出成形、真空成形、ブロー成形、射出圧縮成形、加飾成形、他材質成形、ガスアシスト射出成形、発泡射出成形、低圧成形、超薄肉射出成形(超高速射出成形)、金型内複合成形(インサート成形、アウトサート成形)等の成形方法のいずれかによって成形することができる。
本実施形態の樹脂組成物において、(C)表面改質剤は、(A)熱可塑性樹脂及び/又は(B)セルロースナノファイバーと結合(例えばイオン結合、共有結合等の化学結合)又は吸着(例えば化学吸着若しくは物理吸着)されていることができる。物理吸着の典型例は、吸着質((C)表面改質剤)が、固体吸着剤((A)熱可塑性樹脂及び/又は(B)セルロースナノファイバー)との間に働くファンデルワールス力によって当該固体吸着剤表面に濃縮される現象である。一般に、ファンデルワールス力は、化学結合(イオン結合、共有結合等)と比較して格段に弱い相互作用であるため、物理吸着した分子は加熱・減圧等の物理操作によって容易に脱着する。
本実施形態の樹脂組成物は、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーを含むため、従来の成形体よりも低い線膨張性を示すことが可能となる。具体的には、樹脂成形体の温度範囲0℃~60℃における線膨張係数は60ppm/K以下であることが好ましい。線膨張係数は、より好ましくは50ppm/K以下であり、さらにより好ましくは45ppm/K以下であり、最も好ましくは35ppm/K以下である。線膨張係数の下限は特に制限されないが、製造容易性の観点から、例えば、5ppm/Kであることが好ましく、より好ましくは10ppm/Kである。
本実施形態の樹脂組成物は、(B)セルロースナノファイバーと(C)特定の表面改質剤とを含み、さらに(D)非プロトン性有機溶媒を含むため、従来の成形体よりも優れた振動疲労特性を示すことが可能となる。このような優れた振動疲労特性の発現要因は未解明ではあるが、(B)セルロースナノファイバーと(C)特定の表面改質剤の密着している界面部分に(D)非プロトン性有機溶媒が浸透し、界面密着を優れたものにしていると推測される。
<<原料及び評価方法>>
以下に、使用した原料及び評価方法について説明する。
(a-1)PA6 宇部興産株式会社製 UBEナイロン 1013B(数平均分子量18000)
(a-2)PP 株式会社プライムポリマー製 プライムポリプロ J105G(数平均分子量5000以上)
(a-3)POM 旭化成株式会社製 テナックTM 4520(数平均分子量70000)
(b-1)セルロースA
リンターパルプを裁断後、オートクレーブを用いて、120℃以上の熱水中で3時間加熱し、ヘミセルロース部分を除去した精製パルプを、圧搾、純水中に固形分率が1.5質量%になるように叩解処理により高度に短繊維化及びフィブリル化させた後、そのままの濃度で高圧ホモジナイザー(操作圧:85MPaにて10回処理)により解繊することにより解繊セルロースを得た。ここで、叩解処理においては、ディスクリファイナーを用い、カット機能の高い叩解刃(以下カット刃と称す)で2.5時間処理した後に解繊機能の高い叩解刃(以下解繊刃と称す)を用いてさらに2時間叩解を実施し、セルロースAを得た。
(b-2)セルロースB
国際公開第2017/159823号の[0108]実施例1に記載の方法でセルロースBを作製した。
「第14改正日本薬局方」(廣川書店発行)の結晶セルロース確認試験(3)に規定される銅エチレンジアミン溶液による還元比粘度法により測定した。
<セルロース成分の結晶形、結晶化度>
X線回折装置(株式会社リガク製、多目的X線回折装置)を用いて粉末法にて回折像を測定(常温)し、Segal法で結晶化度を算出した。また、得られたX線回折像から結晶形についても測定した。
セルロース成分を、1質量%濃度で純水懸濁液とし、高剪断ホモジナイザー(日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED-7」、処理条件:回転数15,000rpm×5分間)で分散させた水分散体を、0.1~0.5質量%まで純水で希釈し、マイカ上にキャストし、風乾したものを、原子間力顕微鏡(AFM)で計測された際に得られる粒子像の長径(L)と短径(D)とした場合の比(L/D)を求め、100個~150個の粒子の平均値として算出した。
セルロース成分を固形分40質量%として、プラネタリーミキサー((株)品川工業所製、商品名「5DM-03-R」、撹拌羽根はフック型)中において、126rpmで、室温常圧下で30分間混練した。次いで、固形分が0.5質量%の濃度で純水懸濁液とし、高剪断ホモジナイザー(日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED-7」、処理条件:回転数15,000rpm×5分間)で分散させ、遠心分離(久保田商事(株)製、商品名「6800型遠心分離器」、ロータータイプRA-400型、処理条件:遠心力39200m2/sで10分間遠心した上澄みを採取し、さらに、この上澄みについて、116000m2/sで45分間遠心処理する。)した。遠心後の上澄み液を用いて、レーザー回折/散乱法粒度分布計(堀場製作所(株)製、商品名「LA-910」、超音波処理1分間、屈折率1.20)により得られた体積頻度粒度分布における積算50%粒子径(体積平均粒子径)を測定し、この値を平均径とした。
(c-1)ポリエチレンオキシド(Mn3700)66質量部とポリプロピレンオキシド(Mn2000)33質量部と触媒としてKOH 0.6質量部を160℃で4時間反応させ、c-1(Mn9400 ABA型ブロック共重合体)を得た。
(c-2)ポリエチレンオキシド(Mn550)66質量部とポリプロピレンオキシド(Mn2000)33質量部と触媒としてKOH 0.6質量部を160℃で4時間反応させ、c-1(Mn3100 ABA型ブロック共重合体)を得た。
(c-3)ポリエチレンオキシド(Mn20000)を用いた。
(c-4)第一工業株式会社製 スーパーフレックス(登録商標)300を用いた。
水分散エマルジョンの為、分子量は測定できなかった。
各表面改質剤を下記の条件で測定を行った。
[GPC測定]
常温で固体のものは、融点以上に加熱して溶融させた後に水へ溶解させ測定した。
装置名:HLC-8320GPC EcoSEC(東ソー株式会社製)
カラム:Shodex GPC KD-802+KD-80(昭和電工株式会社製)
溶離液:0.01M LiBr in DMF
流速:1.0mL/min
検出器:RI
測定温度:50℃
常温で固体のものは、融点以上に加熱して溶融させた後に水へ溶解させサンプルとした。
装置名:SV-10A 株式会社エー・アンド・デイ社製
測定濃度:0.5質量%、1.0質量%、5質量%
測定温度:0~90℃
上記方法で曇点を示さないものは、ガラス製の可視化可能な密閉容器に封をした。後に温度を上昇させ、析出水溶液が曇った点を目視で確認し曇点を測定した。測定結果を表2に示す。
表3記載の溶媒を使用した。比誘電率は日本化学会編 改定5版 化学便覧基礎編Ip770~777に記載の数字を用いた。
二軸押出機(東芝機械(株)製TEM-26SS押出機(L/D=48、真空ベント付き)を用いて、ポリアミド系材料は260℃、ポリプロピレン系材料は、190℃、ポリオキシメチレン系材料は200℃にシリンダー温度を設定し、(A)、成分を押出機メインスロート部より定量フィーダーより供給し、(B)セルロースナノファイバー水分散液と(C)表面改質剤、(D)非プロトン性有機溶媒を事前に一括混合し、押出機サイド部より定量フィーダーより供給して、押出量15kg/時間、スクリュー回転数250rpmの条件で樹脂混練物をストランド状に押出した。この時、押し出し機Top集合ホッパー部をB1バレルとし、そこから10バレル部で真空状態に保持し減圧を行った。得られたストランドはストランドバスにて急冷し、ストランドカッターで切断しペレット形状の樹脂組成物を得た。
射出成形機を用いて、ISO294-3に準拠した多目的試験片を成形した。
ポリアミド系材料:JIS K6920-2に準拠した条件
ポリプロピレン系材料:JIS K6921-2に準拠した条件
ポリオキシメチレン系材料:JIS K7364-2に準拠した条件
原料樹脂(すなわち熱可塑性樹脂単独)及び樹脂組成物(すなわちセルロース含有樹脂組成物)の各々について、ISO527に準拠して引張降伏強度、ISO179に準拠して、曲げ弾性率を測定した。
なお、ポリアミド系材料は、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋に保管し、吸湿を抑制した。
多目的試験片の中央部から、精密カットソーにて縦4mm、横4mm、長さ4mmの立方体サンプルを切り出し、測定温度範囲-10~80℃で、ISO11359-2に準拠して測定し、0℃~60℃の間での膨張係数を算出した。
上記<<成形条件・機械物性測定>>で得られた多目的試験片について、往復動摩擦摩耗試験機(東洋精密(株)製AFT-15MS型)、相手材料として、SUS304試験片(直径5mmの球)を用いて、線速度50mm/sec、往復距離50mm、荷重9.8N、往復回数10,000回、温度23℃、湿度50%で、摺動試験を実施した。摩耗量は摺動試験後のサンプルの摩耗量(摩耗深さ)を、共焦点顕微鏡(OPTELICS(登録商標) H1200、レーザーテック(株)社製)を用いて測定した。摩耗深さはn=4で測定した数値の平均値とした。測定箇所は摩耗痕の端より12.5mmの等しい間隔をあけて実施した。また摩耗深さは数値が低い方が摩耗特性に優れると評価した。
得られた樹脂組成物のペレットから、東芝機械(株)製EC-75NII成形機を用いて、ISO294-3に準拠した試験片(厚み6mm III号型試験片)の樹脂成形体を得た。この試験片を用いて、JIS-K7119に準拠した条件で繰返し速度35Hz、温度23±1℃、湿度RH60±5%環境下で片持ち曲げ疲労試験の測定を行った。この時得られた応力-寿命曲線と、30MPaの応力との交点から破断に至る回数を算出した。
(A)熱可塑性樹脂、(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤、(D)非プロトン性有機溶媒を、それぞれ表4~8記載の割合で用いて樹脂組成物を得た。得られた組成物を上述した評価方法に準拠して、評価した。
(A)熱可塑性樹脂、(B)セルロースナノファイバー、(C)表面改質剤、(D)非プロトン性有機溶媒を、それぞれ表4~9記載の割合で用いて樹脂組成物を得た。得られた組成物を上述した評価方法に準拠して、評価した。
Claims (10)
- (A)熱可塑性樹脂を100質量部、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーを1~200質量部、(C)表面改質剤を0.1~200質量部、及び(D)沸点が100℃以上の非プロトン性有機溶媒を0.1~10000質量ppm含む、樹脂組成物。
- (A)熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂及びこれらのいずれか2種以上の混合物からなる群より選択される、請求項1に記載の樹脂組成物。
- (D)非プロトン性有機溶媒が、水溶性である、請求項1又は2に記載の樹脂組成物。
- (D)非プロトン性有機溶媒の25℃における比誘電率が、3~80である、請求項1~3のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- (D)非プロトン性有機溶媒の沸点が、110~290℃である、請求項1~4のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- (C)表面改質剤が、分子内に親水性セグメントと疎水性セグメントとを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- (C)表面改質剤を、(B)セルロースナノファイバーに対し、1~100質量%の量で含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- (C)表面改質剤の曇点が、20℃以上である、請求項1~7のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- (C)表面改質剤の分子内のエチレングリコールユニットが、全ユニットの50質量%以上である、請求項1~8のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- 請求項1~9のいずれか一項に記載の樹脂組成物から形成された、成形体。
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