JP2023064943A - Fibrous cellulose composite resin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、繊維状セルロース複合樹脂に関するものである。 The present invention relates to a fibrous cellulose composite resin.
近年、セルロースナノファイバー、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)等の微細繊維は、樹脂の補強材としての使用が脚光を浴びている。もっとも、微細繊維が親水性であるのに対し、樹脂は疎水性であるため、微細繊維を樹脂の補強材として使用するには、微細繊維の分散性に問題があった。そこで、微細繊維のヒドロキシ基をカルバメート基で置換する(カルバメート化)方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この提案によると、微細繊維の分散性が向上し、もって樹脂の剛直性が高まることに起因して樹脂の曲げ弾性率等が向上する。もっとも、カルバメート化によって樹脂の曲げ弾性率等が高まるとしても、柔軟性に起因する耐衝撃性は高まらない。そこで、耐衝撃性の向上に効果があるとされる「α-オレフィンコポリマー」を樹脂に添加することが考えられる。しかしながら、本発明者等は、樹脂に対して微細繊維と共にα-オレフィンコポリマーを単純に添加するのみであると、樹脂の曲げ弾性率が低下することを知見した。 In recent years, the use of fine fibers such as cellulose nanofibers and microfiber cellulose (microfibrillated cellulose) as reinforcing materials for resins has attracted attention. However, since the fine fibers are hydrophilic and the resin is hydrophobic, there is a problem in the dispersibility of the fine fibers in using the fine fibers as a reinforcing material for the resin. Therefore, a method of substituting the hydroxy groups of fine fibers with carbamate groups (carbamation) has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to this proposal, the dispersibility of the fine fibers is improved, resulting in an increase in the rigidity of the resin, resulting in an improvement in the flexural modulus of the resin and the like. However, even if the flexural modulus of the resin increases by carbamate conversion, the impact resistance due to flexibility does not increase. Therefore, it is conceivable to add an "α-olefin copolymer", which is said to be effective in improving impact resistance, to the resin. However, the present inventors have found that simply adding the α-olefin copolymer together with the fine fibers to the resin lowers the flexural modulus of the resin.
発明が解決しようとする課題は、曲げ弾性率及び耐衝撃性に優れる繊維状セルロース複合樹脂を提供することにある。 The problem to be solved by the invention is to provide a fibrous cellulose composite resin excellent in flexural modulus and impact resistance.
前述したように、当初、本発明者等は、樹脂に対して微細繊維と共にα-オレフィンコポリマーを添加することで、微細繊維による曲げ弾性率の向上効果と、α-オレフィンコポリマーによる耐衝撃性の向上効果とがともに得られるものと想定した。しかしながら、α-オレフィンコポリマーを添加すると耐衝撃性は向上するものの、曲げ弾性率が低下する結果となった。このような背景のもと、想到するに至った手段は次のとおりである。 As described above, initially, the present inventors added the α-olefin copolymer together with the fine fibers to the resin to improve the flexural modulus of the fine fibers and the impact resistance of the α-olefin copolymer. It was assumed that the improvement effect would be obtained together. However, the addition of the α-olefin copolymer resulted in a decrease in the flexural modulus, although the impact resistance was improved. Against this background, the following measures have been conceived.
(請求項1に記載の手段)
繊維状セルロース及び樹脂を含む繊維状セルロース複合樹脂であり、
α-オレフィンコポリマーを20質量%以下の割合で含み、
前記繊維状セルロースは、ヒドロキシ基がカルバメート基で置換されたカルバメート変性微細繊維であり、
前記ヒドロキシ基に対する前記カルバメート基の置換度が0.05~0.5である、
ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 1)
A fibrous cellulose composite resin containing fibrous cellulose and a resin,
Containing an α-olefin copolymer in a proportion of 20% by mass or less,
The fibrous cellulose is a carbamate-modified fine fiber in which a hydroxy group is substituted with a carbamate group,
The degree of substitution of the carbamate group with respect to the hydroxy group is 0.05 to 0.5,
A fibrous cellulose composite resin characterized by:
(請求項2に記載の手段)
前記微細繊維の平均繊維幅が8~25μm、かつ平均繊維長が0.1~1.00mmである、
請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 2)
The fine fibers have an average fiber width of 8 to 25 μm and an average fiber length of 0.1 to 1.00 mm.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1.
(請求項3に記載の手段)
前記微細繊維のフィブリル化率が2~7%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。
(Means according to claim 3)
The fibrillation rate of the fine fibers is 2 to 7%,
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1 or 2.
(請求項4に記載の手段)
酸変性樹脂を含み、
前記カルバメート基の一部又は全部が前記酸変性樹脂の酸基とイオン結合している、
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。
(Means according to claim 4)
containing an acid-modified resin,
Some or all of the carbamate groups ionically bond with the acid groups of the acid-modified resin,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 3.
(請求項5に記載の手段)
分散剤を含み、
前記酸変性樹脂の分子量が前記分散剤の分子量の2~2000倍である、
請求項4に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 5)
containing a dispersing agent;
The molecular weight of the acid-modified resin is 2 to 2000 times the molecular weight of the dispersant.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 4.
(請求項6に記載の手段)
前記微細繊維の結晶化度が50~95%である、
請求項1~5のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 6)
The crystallinity of the fine fibers is 50 to 95%,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 5.
(請求項7に記載の手段)
前記微細繊維のパルプ粘度が2cps以上である、
請求項1~6のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 7)
The pulp viscosity of the fine fibers is 2 cps or more,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1-6.
(請求項8に記載の手段)
前記微細繊維のゼータ電位が-150~20mVである、
請求項1~7のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 8)
The fine fibers have a zeta potential of -150 to 20 mV,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1-7.
(請求項9に記載の手段)
前記微細繊維の保水度が80~400%である、
請求項1~8のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(Means according to claim 9)
The fine fibers have a water retention rate of 80 to 400%,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1-8.
本発明によると、曲げ弾性率及び耐衝撃性に優れる繊維状セルロース複合樹脂となる。 According to the present invention, a fibrous cellulose composite resin excellent in flexural modulus and impact resistance is obtained.
次に、発明を実施するための形態を説明する。なお、本実施の形態は本発明の一例である。本発明の範囲は、本実施の形態の範囲に限定されない。 Next, a mode for carrying out the invention will be described. Note that this embodiment is an example of the present invention. The scope of the present invention is not limited to the scope of this embodiment.
本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、繊維状セルロース(以下、「セルロース繊維」ともいう。)及び樹脂を含む繊維状セルロース複合樹脂である。そして、この繊維状セルロース複合樹脂は、更にα-オレフィンコポリマーを所定の割合で含み、また、繊維状セルロースはヒドロキシ基(-OH基)がカルバメート基によって所定の置換度で置換されたカルバメート変性微細繊維である。前述したようにα-オレフィンコポリマーを含有すると耐衝撃性が向上するが、α-オレフィンコポリマーの含有量を多くすると曲げ弾性率が低下する。そこで、α-オレフィンコポリマーの含有量を所定の量以下に制限する必要があるが、α-オレフィンコポリマーの含有量を制限すると耐衝撃性が不十分なものとなる。しかるに、本形態にように微細繊維をカルバメート化すると、耐衝撃性が向上し、結果、α-オレフィンコポリマーの含有量制限による不利益が補完される。したがって、本形態によると、曲げ弾性率及び耐衝撃性の両者に優れる繊維状セルロース複合樹脂となる。なお、微細繊維の添加は曲げ弾性率の向上にも寄与するが、微細繊維の添加がカルバメート化するという手段によって耐衝撃性の向上にも寄与することに、本形態の大きな意義がある。以下、詳細に説明する。 The fibrous cellulose composite resin of this embodiment is a fibrous cellulose composite resin containing fibrous cellulose (hereinafter also referred to as "cellulose fiber") and a resin. This fibrous cellulose composite resin further contains an α-olefin copolymer in a predetermined proportion, and the fibrous cellulose is a carbamate-modified fine grain having a hydroxyl group (—OH group) substituted with a carbamate group at a predetermined degree of substitution. Fiber. As described above, the inclusion of an α-olefin copolymer improves the impact resistance, but a higher content of the α-olefin copolymer lowers the flexural modulus. Therefore, it is necessary to limit the content of the α-olefin copolymer to a predetermined amount or less, but limiting the content of the α-olefin copolymer results in insufficient impact resistance. However, by carbamate-izing the fine fibers as in the present embodiment, the impact resistance is improved, and as a result, the disadvantage due to the limitation of the content of the α-olefin copolymer is compensated. Therefore, according to this embodiment, the fibrous cellulose composite resin is excellent in both bending elastic modulus and impact resistance. The addition of fine fibers also contributes to the improvement of the bending elastic modulus, but the significant significance of this embodiment is that the addition of fine fibers contributes to the improvement of impact resistance by means of carbamate conversion. A detailed description will be given below.
(微細繊維)
本形態においては、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セルロースナノファイバーや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、好ましくはマイクロ繊維セルロースを使用する。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。また、カルバメート化反応の後に未反応で残留している尿素等を除去する目的で行う洗浄工程において、洗浄する繊維がセルロースナノファイバーであると脱水性が非常に悪い。これに対し、マイクロ繊維セルロースは、同じく微細繊維であるセルロースナノファイバーよりもカルバメート基で変性する(カルバメート化)のが脱水性の観点で容易である。ただし、微細化する前のセルロース原料をカルバメート化するのがより好ましく、この場合においてはセルロース原料を洗浄することになるため、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は同等である。
(fine fiber)
In this embodiment, cellulose nanofibers or microfiber cellulose (microfibrillated cellulose), which are fine fibers, are used as part or all of the fibrous cellulose, preferably microfiber cellulose. The use of microfiber cellulose significantly improves the reinforcing effect of the resin. In addition, in the washing step for the purpose of removing urea or the like remaining unreacted after the carbamate reaction, if the fibers to be washed are cellulose nanofibers, the dehydration is very poor. In contrast, microfiber cellulose is easier to modify with carbamate groups (carbamate formation) than cellulose nanofiber, which is also a fine fiber, from the viewpoint of dehydration. However, it is more preferable to carbamate the cellulose raw material prior to micronization, in which case the cellulose raw material will be washed, so microfiber cellulose and cellulose nanofibers are equivalent.
本形態において、マイクロ繊維セルロースは、セルロースナノファイバーよりも平均繊維径(幅)の太い繊維を意味する。具体的には、例えば0.1~28μm、好ましくは8~25μm、より好ましくは9~20μm、特に好ましくは10~19μmである。マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が0.1μmを下回ると(未満になると)、セルロースナノファイバーであるのと変わらなくなり、樹脂の強度(特に曲げ弾性率)向上効果が十分に得られないおそれがある。また、解繊時間が長くなり、大きなエネルギーが必要になる。さらに、セルロース繊維スラリーの脱水性が悪化する。脱水性が悪化すると、乾燥に大きなエネルギーが必要になり、乾燥に大きなエネルギーをかけるとマイクロ繊維セルロースが熱劣化して、強度が低下するおそれがある。さらに、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が8μmを下回ると、α-オレフィンコポリマーを使用する本形態においては、樹脂の強度(特に曲げ弾性率)向上効果が十分に得られないおそれがある。これは、α-オレフィンコポリマー及び他の樹脂は完全には相溶せず2相に分かれた海島状態になる場合があるが、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が8μm未満であるとα-オレフィンコポリマー及び他の樹脂のいずれか一方のみとしか相互作用を示さず、結果、複合樹脂全体としての補強強度が向上しないためと考えられる。 In the present embodiment, microfiber cellulose means fibers having a larger average fiber diameter (width) than cellulose nanofibers. Specifically, it is, for example, 0.1 to 28 μm, preferably 8 to 25 μm, more preferably 9 to 20 μm, particularly preferably 10 to 19 μm. If the average fiber diameter of the microfiber cellulose is less than 0.1 μm (less than), it is no different from cellulose nanofiber, and there is a possibility that the effect of improving the strength (especially bending elastic modulus) of the resin cannot be sufficiently obtained. . In addition, defibration takes a long time, and a large amount of energy is required. Furthermore, the dewaterability of the cellulose fiber slurry deteriorates. When dehydration deteriorates, a large amount of energy is required for drying, and if a large amount of energy is applied to drying, the microfiber cellulose may be thermally degraded, resulting in a decrease in strength. Furthermore, if the average fiber diameter of the microfiber cellulose is less than 8 μm, in the present embodiment using the α-olefin copolymer, there is a possibility that the effect of improving the strength (particularly the flexural modulus) of the resin may not be sufficiently obtained. This is because the α-olefin copolymer and other resins are not completely compatible and may form a sea-island state separated into two phases, but if the average fiber diameter of the microfiber cellulose is less than 8 μm, the α-olefin copolymer and other resins, and as a result, the reinforcing strength of the composite resin as a whole is not improved.
他方、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が28μmを上回ると(超えると)、繊維本数が少なくなるため、繊維同士が相互作用せず、補強効果が十分でなくなるおそれがある。また、マイクロ繊維セルロースの平均繊維幅が25μmを上回ると、衝撃が加わった際に、繊維自体が異物等と同様に損壊起点となってしまい、当該起点から破損、損壊等が広がり、耐衝撃性が低下するおそれがある。 On the other hand, if the average fiber diameter of the microfiber cellulose exceeds (exceeds) 28 μm, the number of fibers decreases, so that the fibers do not interact with each other and the reinforcing effect may not be sufficient. In addition, if the average fiber width of the microfiber cellulose exceeds 25 μm, the fiber itself becomes a starting point of damage in the same way as a foreign object when an impact is applied, and damage, damage, etc. spreads from the starting point, and impact resistance is improved. may decrease.
マイクロ繊維セルロース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(マイクロ繊維セルロース)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。
The method for measuring the average fiber diameter of microfiber cellulose is as follows.
First, 100 ml of an aqueous dispersion of fine fibers (microfiber cellulose) having a solid content concentration of 0.01 to 0.1% by mass was filtered through a Teflon (registered trademark) membrane filter, filtered once with 100 ml of ethanol, and then filtered with 20 ml of t-butanol. Replace the solvent with 3 times. It is then freeze-dried and coated with osmium to form a sample. This sample is observed with an electron microscope SEM image at a magnification of 3,000 times to 30,000 times depending on the width of the constituent fibers. Specifically, two diagonal lines are drawn on the observation image, and three straight lines passing through the intersections of the diagonal lines are arbitrarily drawn. Furthermore, the width of a total of 100 fibers intersecting with these three straight lines is visually measured. Then, the median diameter of the measured values is taken as the average fiber diameter.
マイクロ繊維セルロースは、セルロース原料(以下、「原料パルプ」ともいう。)を解繊(微細化)することで得ることができる。原料パルプとしては、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。 Microfiber cellulose can be obtained by defibrating (refining) a cellulose raw material (hereinafter also referred to as "raw material pulp"). Raw material pulp includes, for example, wood pulp made from broad-leaved trees, coniferous trees, etc., non-wood pulp made from straw, bagasse, cotton, hemp, pistil fibers, etc., and waste paper pulp made from recovered waste paper, waste paper, etc. (DIP) or the like can be selected and used. The various raw materials described above may be, for example, in the form of pulverized (powdered) material such as cellulose powder.
ただし、不純物の混入を可及的に避けるために、原料パルプとしては、木材パルプを使用するのが好ましい。木材パルプとしては、例えば、広葉樹クラフトパルプ(LKP)、針葉樹クラフトパルプ(NKP)等の化学パルプ、機械パルプ(TMP)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。 However, in order to avoid contamination with impurities as much as possible, it is preferable to use wood pulp as the raw material pulp. As the wood pulp, for example, one or more of chemical pulps such as hardwood kraft pulp (LKP) and softwood kraft pulp (NKP), mechanical pulp (TMP), etc. can be selected and used.
広葉樹クラフトパルプは、広葉樹晒クラフトパルプであっても、広葉樹未晒クラフトパルプであっても、広葉樹半晒クラフトパルプであってもよい。同様に、針葉樹クラフトパルプは、針葉樹晒クラフトパルプであっても、針葉樹未晒クラフトパルプであっても、針葉樹半晒クラフトパルプであってもよい。 The hardwood kraft pulp may be bleached hardwood kraft pulp, unbleached hardwood kraft pulp, or semi-bleached hardwood kraft pulp. Similarly, the softwood kraft pulp may be softwood bleached kraft pulp, softwood unbleached kraft pulp, or softwood semi-bleached kraft pulp.
機械パルプとしては、例えば、ストーングランドパルプ(SGP)、加圧ストーングランドパルプ(PGW)、リファイナーグランドパルプ(RGP)、ケミグランドパルプ(CGP)、サーモグランドパルプ(TGP)、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)、リファイナーメカニカルパルプ(RMP)、漂白サーモメカニカルパルプ(BTMP)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。 Examples of mechanical pulp include stone ground pulp (SGP), pressure stone ground pulp (PGW), refiner ground pulp (RGP), chemi ground pulp (CGP), thermo ground pulp (TGP), ground pulp (GP), One or more of thermomechanical pulp (TMP), chemithermomechanical pulp (CTMP), refiner mechanical pulp (RMP), bleached thermomechanical pulp (BTMP) and the like can be selected and used.
原料パルプは、解繊する(なお、この解繊は、好ましくはカルバメート化よりも後段で行う。)に先立って化学的手法によって前処理することができる。化学的手法による前処理としては、例えば、酸による多糖の加水分解(酸処理)、酵素による多糖の加水分解(酵素処理)、アルカリによる多糖の膨潤(アルカリ処理)、酸化剤による多糖の酸化(酸化処理)、還元剤による多糖の還元(還元処理)等を例示することができる。ただし、化学的手法による前処理としては、酵素処理を施すのが好ましく、加えて酸処理、アルカリ処理、及び酸化処理の中から選択された1又は2以上の処理を施すのがより好ましい。以下、酵素処理について詳細に説明する。 The raw material pulp can be pretreated by a chemical method prior to defibration (this fibrillation is preferably performed after carbamate conversion). Examples of chemical pretreatments include hydrolysis of polysaccharides with acid (acid treatment), hydrolysis of polysaccharides with enzymes (enzyme treatment), swelling of polysaccharides with alkali (alkali treatment), and oxidation of polysaccharides with an oxidizing agent ( oxidation treatment), reduction of polysaccharides with a reducing agent (reduction treatment), and the like. However, as the chemical pretreatment, it is preferable to perform enzyme treatment, and in addition, it is more preferable to perform one or more treatments selected from acid treatment, alkali treatment, and oxidation treatment. The enzymatic treatment will be described in detail below.
酵素処理に使用する酵素としては、セルラーゼ系酵素及びヘミセルラーゼ系酵素の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましく、両方を併用するのがより好ましい。これらの酵素を使用すると、セルロース原料の解繊がより容易になる。なお、セルラーゼ系酵素は、水共存下でセルロースの分解を惹き起こす。また、ヘミセルラーゼ系酵素は、水共存下でヘミセルロースの分解を惹き起こす。 At least one of a cellulase enzyme and a hemicellulase enzyme is preferably used as the enzyme used for the enzymatic treatment, and it is more preferable to use both together. The use of these enzymes makes the fibrillation of cellulosic raw materials easier. Cellulase enzymes cause decomposition of cellulose in the presence of water. In addition, hemicellulase enzymes cause decomposition of hemicellulose in the presence of water.
セルラーゼ系酵素としては、例えば、トリコデルマ(Trichoderma、糸状菌)属、アクレモニウム(Acremonium、糸状菌)属、アスペルギルス(Aspergillus、糸状菌)属、ファネロケエテ(Phanerochaete、担子菌)属、トラメテス(Trametes、担子菌)属、フーミコラ(Humicola、糸状菌)属、バチルス(Bacillus、細菌)属、スエヒロタケ(Schizophyllum、担子菌)属、ストレプトミセス(Streptomyces、細菌)属、シュードモナス(Pseudomonas、細菌)属などが産生する酵素を使用することができる。これらのセルラーゼ系酵素は、試薬や市販品として購入可能である。市販品としては、例えば、セルロイシンT2(エイチピィアイ社製)、メイセラ-ゼ(明治製菓社製)、ノボザイム188(ノボザイム社製)、マルティフェクトCX10L(ジェネンコア社製)、セルラーゼ系酵素GC220(ジェネンコア社製)等を例示することができる。 Cellulase enzymes include, for example, Trichoderma genus, Acremonium genus, Aspergillus genus, Phanerochaete genus, Trametes genus genus Humicola, genus Bacillus, genus Schizophyllum, genus Streptomyces, genus Pseudomonas, etc. Enzymes can be used. These cellulase enzymes can be purchased as reagents or commercial products. Commercially available products include, for example, cellulucine T2 (manufactured by HPI), Meicerase (manufactured by Meiji Seika Co., Ltd.), Novozym 188 (manufactured by Novozym), Multifect CX10L (manufactured by Genencore), cellulase enzyme GC220 (manufactured by Genencore). ) etc. can be exemplified.
また、セルラーゼ系酵素としては、EG(エンドグルカナーゼ)及びCBH(セロビオハイドロラーゼ)のいずれかもを使用することもできる。EG及びCBHは、それぞれを単体で使用しても、混合して使用してもよい。また、ヘミセルラーゼ系酵素と混合して使用してもよい。 As the cellulase enzyme, either EG (endoglucanase) or CBH (cellobiohydrolase) can be used. EG and CBH may be used alone or in combination. It may also be used in combination with a hemicellulase enzyme.
ヘミセルラーゼ系酵素としては、例えば、キシランを分解する酵素であるキシラナーゼ(xylanase)、マンナンを分解する酵素であるマンナーゼ(mannase)、アラバンを分解する酵素であるアラバナーゼ(arabanase)等を使用することができる。また、ペクチンを分解する酵素であるペクチナーゼも使用することができる。 Examples of hemicellulase enzymes that can be used include xylanase, an enzyme that degrades xylan, mannase, an enzyme that degrades mannan, and arabanase, an enzyme that degrades araban. can. Pectinase, which is an enzyme that degrades pectin, can also be used.
ヘミセルロースは、植物細胞壁のセルロースミクロフィブリル間にあるペクチン類を除いた多糖類である。ヘミセルロースは多種多様で木材の種類や細胞壁の壁層間でも異なる。針葉樹の2次壁では、グルコマンナンが主成分であり、広葉樹の2次壁では4-O-メチルグルクロノキシランが主成分である。そこで、針葉樹晒クラフトパルプ(NBKP)から微細繊維を得る場合は、マンナーゼを使用するのが好ましい。また、広葉樹晒クラフトパルプ(LBKP)から微細繊維を得る場合は、キシラナーゼを使用するのが好ましい。 Hemicellulose is a polysaccharide excluding pectins present between cellulose microfibrils in plant cell walls. Hemicelluloses are very diverse and differ between wood types and cell wall layers. Glucomannan is the main component in the secondary walls of coniferous trees, and 4-O-methylglucuronoxylan is the main component in the secondary walls of hardwoods. Therefore, when obtaining fine fibers from softwood bleached kraft pulp (NBKP), it is preferable to use mannase. In addition, when obtaining fine fibers from hardwood bleached kraft pulp (LBKP), it is preferable to use xylanase.
セルロース繊維に対する酵素の添加量は、例えば、酵素の種類、原料となる木材の種類(針葉樹か広葉樹か)、機械パルプの種類等によって決まる。ただし、セルロース繊維に対する酵素の添加量は、好ましくは0.1~3質量%、より好ましくは0.3~2.5質量%、特に好ましくは0.5~2質量%である。酵素の添加量が0.1質量%を下回ると、酵素の添加による効果が十分に得られないおそれがある。他方、酵素の添加量が3質量%を上回ると、セルロースが糖化され、微細繊維の収率が低下するおそれがある。また、添加量の増量に見合う効果の向上を認めることができないとの問題もある。 The amount of enzyme added to the cellulose fiber is determined, for example, by the type of enzyme, the type of raw material wood (coniferous or hardwood), the type of mechanical pulp, and the like. However, the amount of the enzyme added to the cellulose fiber is preferably 0.1-3% by mass, more preferably 0.3-2.5% by mass, and particularly preferably 0.5-2% by mass. If the added amount of the enzyme is less than 0.1% by mass, there is a possibility that the effect of the addition of the enzyme cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the added amount of the enzyme exceeds 3% by mass, cellulose may be saccharified and the yield of fine fibers may decrease. Moreover, there is also a problem that an improvement in the effect commensurate with an increase in the amount added cannot be recognized.
酵素としてセルラーゼ系酵素を使用する場合、酵素処理時のpHは、酵素反応の反応性の観点から、弱酸性領域(pH=3.0~6.9)であるのが好ましい。他方、酵素としてヘミセルラーゼ系酵素を使用する場合、酵素処理時のpHは、弱アルカリ性領域(pH=7.1~10.0)であるのが好ましい。 When a cellulase enzyme is used as the enzyme, the pH during the enzyme treatment is preferably in the weakly acidic range (pH=3.0 to 6.9) from the viewpoint of the reactivity of the enzyme reaction. On the other hand, when a hemicellulase enzyme is used as the enzyme, the pH during the enzyme treatment is preferably in the weakly alkaline range (pH=7.1 to 10.0).
酵素処理時の温度は、酵素としてセルラーゼ系酵素及びヘミセルラーゼ系酵素のいずれを使用する場合においても、好ましくは30~70℃、より好ましくは35~65℃、特に好ましくは40~60℃である。酵素処理時の温度が30℃以上であれば、酵素活性が低下し難くなり、処理時間の長期化を防止することができる。他方、酵素処理時の温度が70℃以下であれば、酵素の失活を防止することができる。 The temperature during enzyme treatment is preferably 30 to 70°C, more preferably 35 to 65°C, and particularly preferably 40 to 60°C, regardless of whether a cellulase enzyme or a hemicellulase enzyme is used as the enzyme. . If the temperature during the enzyme treatment is 30° C. or higher, the enzyme activity is less likely to decrease and the treatment time can be prevented from becoming longer. On the other hand, if the temperature during the enzyme treatment is 70° C. or lower, deactivation of the enzyme can be prevented.
酵素処理の時間は、例えば、酵素の種類、酵素処理の温度、酵素処理時のpH等によって決まる。ただし、一般的な酵素処理の時間は、0.5~24時間である。 The enzymatic treatment time is determined by, for example, the type of enzyme, the temperature of the enzymatic treatment, the pH at the time of the enzymatic treatment, and the like. However, the general enzymatic treatment time is 0.5 to 24 hours.
酵素処理した後には、酵素を失活させるのが好ましい。酵素を失活させる方法としては、例えば、アルカリ水溶液(好ましくはpH10以上、より好ましくはpH11以上)を添加する方法、80~100℃の熱水を添加する方法等が存在する。 After enzymatic treatment, the enzyme is preferably deactivated. Methods for inactivating the enzyme include, for example, a method of adding an alkaline aqueous solution (preferably pH 10 or higher, more preferably pH 11 or higher), a method of adding hot water at 80 to 100°C, and the like.
次に、アルカリ処理の方法について説明する。
解繊に先立ってアルカリ処理すると、セルロース繊維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、解繊におけるセルロース原料の分散が促進される。
Next, the method of alkali treatment will be described.
Alkali treatment prior to fibrillation dissociates some of the hemicellulose and cellulose hydroxyl groups in the cellulose fibers, anionizing the molecules, weakening intramolecular and intermolecular hydrogen bonds, and promoting the dispersion of cellulose raw materials during fibrillation. be done.
アルカリ処理に使用するアルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、アンモニア水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等の有機アルカリ等を使用することができる。ただし、製造コストの観点からは、水酸化ナトリウムを使用するのが好ましい。 Alkali used for alkali treatment include, for example, sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, aqueous ammonia solution, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide, and the like. An organic alkali or the like can be used. However, from the viewpoint of production cost, it is preferable to use sodium hydroxide.
解繊に先立って酵素処理や酸処理、酸化処理を施すと、セルロース繊維の保水度を低く、結晶化度を高くすることができ、かつ均質性を高くすることができる。この点、セルロース繊維の保水度が低いと脱水し易くなり、セルロース繊維スラリーの脱水性が向上する。 If enzyme treatment, acid treatment, or oxidation treatment is performed prior to fibrillation, the water retention of cellulose fibers can be lowered, the degree of crystallinity can be increased, and homogeneity can be increased. In this regard, if the water retention of the cellulose fibers is low, dehydration is facilitated, and the dewaterability of the cellulose fiber slurry is improved.
セルロース繊維を酵素処理や酸処理、酸化処理すると、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの非晶領域が分解される。結果、解繊のエネルギーを低減することができ、セルロース繊維の均一性や分散性を向上することができる。ただし、前処理は、マイクロ繊維セルロースのアスペクト比を低下させるため、過度の前処理を避けるのが好ましい。 Enzymatic treatment, acid treatment, or oxidation treatment of cellulose fibers decomposes the hemicellulose and amorphous regions of cellulose in the pulp. As a result, the defibration energy can be reduced, and the uniformity and dispersibility of the cellulose fibers can be improved. However, pretreatment reduces the aspect ratio of the microfibrous cellulose, so it is preferable to avoid excessive pretreatment.
セルロース繊維の解繊は、例えば、ビーター、高圧ホモジナイザー、高圧均質化装置等のホモジナイザー、グラインダー、摩砕機等の石臼式摩擦機、単軸混練機、多軸混練機、ニーダーリファイナー、ジェットミル等を使用して原料パルプを叩解することによって行うことができる。ただし、リファイナーやジェットミルを使用して行うのが好ましい。 For fibrillation of cellulose fibers, for example, beaters, high-pressure homogenizers, homogenizers such as high-pressure homogenizers, grinders, stone mills such as grinders, single-screw kneaders, multi-screw kneaders, kneader refiners, jet mills, etc. It can be carried out by beating the raw material pulp using However, it is preferable to use a refiner or a jet mill.
マイクロ繊維セルロースの平均繊維長(単繊維の長さの平均)は、例えば0.1~1.00mm、好ましくは0.15~0.9mm、より好ましくは0.20~0.8mmである。平均繊維長が0.1mmを下回ると、繊維補強効果が不足し、α-オレフィンコポリマーによる柔軟性付与の効果が大きく発現し、樹脂の補強効果が低下するおそれがある。また、平均繊維長が0.15mmを下回ると、前述した平均繊維径が8μmを下回る場合と同様の問題が生じる可能性がある。 The average fiber length (average length of single fibers) of microfiber cellulose is, for example, 0.1 to 1.00 mm, preferably 0.15 to 0.9 mm, more preferably 0.20 to 0.8 mm. If the average fiber length is less than 0.1 mm, the effect of fiber reinforcement is insufficient, and the flexibility-imparting effect of the α-olefin copolymer may be greatly exhibited, and the reinforcing effect of the resin may be reduced. Moreover, if the average fiber length is less than 0.15 mm, the same problem as the above-described average fiber diameter of less than 8 μm may occur.
他方、平均繊維長が1.00mmを上回ると、原料パルプと変わらない長さのため補強効果が不十分となるおそれがある。また、平均繊維長が1.00mmを上回ると、前述した平均繊維径が25μmを上回る場合と同様の問題が生じる可能性がある。 On the other hand, if the average fiber length exceeds 1.00 mm, there is a risk that the reinforcing effect will be insufficient because the fiber length is the same as that of raw material pulp. Moreover, if the average fiber length exceeds 1.00 mm, the same problem as the above-described average fiber diameter exceeding 25 μm may occur.
マイクロ繊維セルロースの平均繊維長は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整可能である。 The average fiber length of microfiber cellulose can be arbitrarily adjusted by, for example, selection of raw material pulp, pretreatment, defibration, and the like.
マイクロ繊維セルロースの繊維長は、0.2mm以下の割合(Fine率)が、好ましくは20%以上、より好ましくは40%以上、特に好ましくは60%以上である。当該割合が20%を下回ると、樹脂の補強効果が十分に得られない可能性がある。他方、マイクロ繊維セルロースの繊維長は、0.2mm以下の割合の上限がなく、全てが0.2mm以下であっても良い。 The fiber length of the microfiber cellulose is preferably 20% or more, more preferably 40% or more, and particularly preferably 60% or more in a ratio of 0.2 mm or less (Fine ratio). If the ratio is less than 20%, the reinforcing effect of the resin may not be obtained sufficiently. On the other hand, the fiber length of the microfibrous cellulose does not have a percentage upper limit of 0.2 mm or less, and may all be 0.2 mm or less.
マイクロ繊維セルロースのアスペクト比は、好ましくは2~15,000、より好ましくは10~10,000である。アスペクト比が2を下回ると、三次元ネットワークを構築できないため補強効果が不十分となるおそれがある。他方、アスペクト比が15,000を上回ると、マイクロ繊維セルロース同士の絡み合いが高くなり、樹脂中での分散が不十分となるおそれがある。 The aspect ratio of the microfiber cellulose is preferably 2-15,000, more preferably 10-10,000. If the aspect ratio is less than 2, a three-dimensional network cannot be constructed, and the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, if the aspect ratio exceeds 15,000, the entanglement of the microfiber cellulose becomes high, and there is a possibility that the dispersion in the resin becomes insufficient.
マイクロ繊維セルロースのフィブリル化率は、例えば1.0~30.0%、好ましくは2~7%、より好ましくは2~6%、特に好ましくは3~5%である。フィブリル化率が30.0%を上回ると、水との接触面積が広くなり過ぎるため、たとえ平均繊維幅が0.1μm以上に留まる範囲で解繊できたとしても、脱水が困難になる可能性がある。また、フィブリル化率が7%を上回ると、混練過程で繊維同士が纏まってしまい、外部から衝撃が加わった際に繊維の纏まり部分が異物のようにきっかけとなってそこから破断し、曲げ物性や耐衝撃性が低下するおそれがある。 The fibrillation rate of the microfibrous cellulose is, for example, 1.0-30.0%, preferably 2-7%, more preferably 2-6%, particularly preferably 3-5%. If the fibrillation rate exceeds 30.0%, the contact area with water becomes too large, so even if the average fiber width is within the range of 0.1 μm or more, dehydration may become difficult. There is In addition, when the fibrillation rate exceeds 7%, the fibers are bundled together during the kneading process, and when an impact is applied from the outside, the bundled portion of the fibers acts like a foreign object and breaks from there, resulting in bending physical properties. and impact resistance may decrease.
他方、フィブリル化率が1.0%下回ると、フィブリル同士の水素結合が少なく、強硬な三次元ネットワークを形成することができなくなるおそれがある。また、フィブリル化率が2%を下回ると、樹脂と接触する部位が減ることで界面接着性が低下し、耐衝撃性が低下するおそれがある。 On the other hand, if the fibrillation rate is less than 1.0%, hydrogen bonding between fibrils is reduced, and a strong three-dimensional network may not be formed. On the other hand, if the fibrillation rate is less than 2%, there is a possibility that the interfacial adhesiveness will decrease due to the decrease in the portion that comes into contact with the resin, and the impact resistance will decrease.
セルロース繊維の繊維長やフィブリル化率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定する。 The fiber length and fibrillation rate of cellulose fibers are measured by a fiber analyzer "FS5" manufactured by Valmet.
マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、好ましくは50%以上、より好ましくは55%以上、特に好ましくは60%以上である。結晶化度が50%を下回ると、パルプやセルロースナノファイバーとの混合性は向上するものの、繊維自体の強度が低下するため、樹脂の強度を向上することができなくなるおそれがある。他方、マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、好ましくは95%以下、より好ましくは90%以下、特に好ましくは85%以下である。結晶化度が95%を上回ると、分子内の強固な水素結合割合が多くなり、繊維自体が剛直となり、耐衝撃性が劣るようになる。 The crystallinity of the microfibrous cellulose is preferably 50% or higher, more preferably 55% or higher, particularly preferably 60% or higher. If the degree of crystallinity is less than 50%, although the miscibility with pulp and cellulose nanofibers is improved, the strength of the fibers themselves is reduced, so there is a risk that the strength of the resin cannot be improved. On the other hand, the crystallinity of the microfibrous cellulose is preferably 95% or less, more preferably 90% or less, particularly preferably 85% or less. If the degree of crystallinity exceeds 95%, the proportion of strong hydrogen bonds in the molecule increases, the fiber itself becomes rigid, and the impact resistance deteriorates.
マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、微細化処理で任意に調整可能である。 The crystallinity of microfiber cellulose can be arbitrarily adjusted by, for example, selection of raw material pulp, pretreatment, and refining treatment.
マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、JIS K 0131(1996)に準拠して測定した値である。 The crystallinity of microfiber cellulose is a value measured according to JIS K 0131 (1996).
マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度は、好ましくは2cps以上、より好ましくは4cps以上である。マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度が2cpsを下回ると、マイクロ繊維セルロースの凝集を抑制するのが困難になるおそれがある。セルロース繊維の凝集が耐衝撃性の向上にとって好ましくないのは、前述したとおりである。 The pulp viscosity of the microfiber cellulose is preferably 2 cps or greater, more preferably 4 cps or greater. If the pulp viscosity of the microfiber cellulose is less than 2 cps, it may be difficult to suppress the aggregation of the microfiber cellulose. As described above, aggregation of cellulose fibers is not preferable for improving impact resistance.
マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度は、TAPPI T 230に準拠して測定した値である。 Pulp viscosity of microfiber cellulose is a value measured according to TAPPI T 230.
マイクロ繊維セルロースのフリーネスは、好ましくは500ml以下、より好ましくは300ml以下、特に好ましくは100ml以下である。マイクロ繊維セルロースのフリーネスが500mlを上回ると、マイクロ繊維セルロースの平均繊維径が10μmを超え、樹脂の強度向上効果が十分に得られなくなるおそれがある。 The freeness of the microfibrous cellulose is preferably 500 ml or less, more preferably 300 ml or less, particularly preferably 100 ml or less. If the freeness of the cellulose microfibers exceeds 500 ml, the average fiber diameter of the cellulose microfibers exceeds 10 μm, and there is a risk that the effect of improving the strength of the resin will not be sufficiently obtained.
マイクロ繊維セルロースのフリーネスは、JIS P8121-2(2012)に準拠して測定した値である。 The freeness of microfiber cellulose is a value measured according to JIS P8121-2 (2012).
マイクロ繊維セルロースのゼータ電位は、好ましくは-150~20mV、より好ましくは-100~0mV、特に好ましくは-80~-10mVである。ゼータ電位が-150mVを下回ると、樹脂との相溶性が著しく低下し補強効果が不十分となるおそれがある。他方、ゼータ電位が20mVを上回ると、分散安定性が低下するおそれがある。 The zeta potential of the microfiber cellulose is preferably −150 to 20 mV, more preferably −100 to 0 mV, particularly preferably −80 to −10 mV. If the zeta potential is less than -150 mV, the compatibility with the resin may be significantly reduced and the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, when the zeta potential exceeds 20 mV, the dispersion stability may deteriorate.
マイクロ繊維セルロースの保水度は、好ましくは80~400%、より好ましくは90~350%、特に好ましくは100~300%である。保水度が80%を下回ると、原料パルプと変わらないため補強効果が不十分となるおそれがある。他方、保水度が400%を上回ると、脱水性が劣る傾向にあり、また、凝集し易くなる。この点、マイクロ繊維セルロースの保水度は、当該繊維のヒドロキシ基がカルバメート基に置換されていることで、より低くすることができ、脱水性や乾燥性を高めることができる。 The water retention of the microfibrous cellulose is preferably 80-400%, more preferably 90-350%, particularly preferably 100-300%. If the water retention is less than 80%, the reinforcing effect may be insufficient because it is the same as the raw material pulp. On the other hand, if the water retention exceeds 400%, the dewatering property tends to be poor and aggregation tends to occur. In this regard, the water retention of the microfiber cellulose can be lowered by substituting the hydroxy group of the fiber with a carbamate group, and the dehydration and drying properties can be improved.
マイクロ繊維セルロースの保水度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整可能である。 The water retention of microfiber cellulose can be arbitrarily adjusted by, for example, selection of raw material pulp, pretreatment, defibration, and the like.
マイクロ繊維セルロースの保水度は、JAPAN TAPPI No.26(2000)に準拠して測定した値である。 The water retention rate of microfiber cellulose is determined according to JAPAN TAPPI No. 26 (2000).
マイクロ繊維セルロースのα-セルロース含有率は、好ましくは80~93%、より好ましくは83~91%、特に好ましくは85~90%である。α-セルロース含有率が80%未満では、マイクロ繊維セルロースの繊維以外の成分が多すぎるため、複合樹脂とした場合に着色やにおい発生の要因となり、耐衝撃強度や曲げ弾性率が所望の数値を満たしていても用途に大きな制限が生じる可能性がある。他方、α-セルロース含有率が93%を超えると、α-オレフィンコポリマーや他の樹脂との相溶性が不足し、α-オレフィンコポリマーの持つ柔軟性がうまく発揮されず、耐衝撃強度が低下し、曲げ弾性率及び耐衝撃強度を両立できなくなる可能性がある。 The α-cellulose content of the microfibrous cellulose is preferably 80-93%, more preferably 83-91%, particularly preferably 85-90%. If the α-cellulose content is less than 80%, there are too many components other than the fibers of the microfiber cellulose, which may cause coloring and odor when used as a composite resin, and the impact strength and bending elastic modulus may not reach the desired values. Even if it satisfies the requirement, there is a possibility that a large limitation will occur in the application. On the other hand, if the α-cellulose content exceeds 93%, the compatibility with the α-olefin copolymer and other resins will be insufficient, the flexibility of the α-olefin copolymer will not be exhibited well, and the impact strength will decrease. , flexural modulus and impact strength may not be compatible.
α-セルロース含有率は、例えば、セルロース原料をカルバメート処理し、洗浄することでセルロース原料中の不要な成分を除去し、もって所望の値に調製することができる。 The α-cellulose content can be adjusted to a desired value by, for example, treating the cellulose raw material with carbamate and washing to remove unnecessary components from the cellulose raw material.
セルロース繊維中におけるマイクロ繊維セルロースの含有率は、好ましくは60~100質量%、より好ましくは70~99質量%、特に好ましくは80~98質量%である。マイクロ繊維セルロースの含有率が60質量%を下回ると、十分な補強効果が得られないおそれがある。また、マイクロ繊維セルロースの含有率が60質量%を下回ると、相対的にパルプやセルロースナノファイバーの含有率が増えることになり、マイクロ繊維セルロースを含有することによる効果が得られないおそれがある。 The content of microfibrous cellulose in the cellulose fibers is preferably 60-100% by weight, more preferably 70-99% by weight, particularly preferably 80-98% by weight. If the microfiber cellulose content is less than 60% by mass, a sufficient reinforcing effect may not be obtained. If the content of microfiber cellulose is less than 60% by mass, the content of pulp and cellulose nanofibers will relatively increase, and the effect of containing microfiber cellulose may not be obtained.
マイクロ繊維セルロースは、例えば、後述する方法によって、カルバメート基を有するものとする。つまり、マイクロ繊維セルロースにカルバメート(カルバミン酸のエステル)が導入された状態にする。カルバメート基は、-O-CO-NH-で表される基であり、例えば、-O-CO-NH2、-O-CONHR、-O-CO-NR2等で表わされる基である。つまり、カルバメート基は、下記の構造式(1)で示すことができる。 Microfibrous cellulose is provided with carbamate groups, for example, by the method described below. That is, the microfiber cellulose is brought into a state in which carbamate (ester of carbamic acid) is introduced. A carbamate group is a group represented by --O--CO--NH--, for example, a group represented by --O--CO--NH 2 , --O--CONHR, --O--CO--NR 2 and the like. That is, the carbamate group can be represented by the following structural formula (1).
ここでnは1以上の整数を表す。Rは、それぞれ独立して、飽和直鎖状炭化水素基、飽和分岐鎖状炭化水素基、飽和環状炭化水素基、不飽和直鎖状炭化水素基、不飽和分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、及びこれらの誘導基の少なくともいずれかである。 Here, n represents an integer of 1 or more. Each R is independently a saturated straight-chain hydrocarbon group, a saturated branched-chain hydrocarbon group, a saturated cyclic hydrocarbon group, an unsaturated straight-chain hydrocarbon group, an unsaturated branched-chain hydrocarbon group, an aromatic and/or derived groups thereof.
飽和直鎖状炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1~10の直鎖状のアルキル基を挙げることができる。 Examples of saturated linear hydrocarbon groups include linear alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms such as methyl, ethyl and propyl groups.
飽和分岐鎖状炭化水素基としては、例えば、イソプロピル基、sec-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基等の炭素数3~10の分岐鎖状アルキル基を挙げることができる。 Examples of saturated branched hydrocarbon groups include branched chain alkyl groups having 3 to 10 carbon atoms such as isopropyl group, sec-butyl group, isobutyl group and tert-butyl group.
飽和環状炭化水素基としては、例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基等のシクロアルキル基を挙げることができる。 Examples of saturated cyclic hydrocarbon groups include cycloalkyl groups such as cyclopentyl, cyclohexyl and norbornyl groups.
不飽和直鎖状炭化水素基としては、例えば、エテニル基、プロペン-1-イル基、プロペン-3-イル基等の炭素数2~10の直鎖状のアルケニル基、エチニル基、プロピン-1-イル基、プロピン-3-イル基等の炭素数2~10の直鎖状のアルキニル基等を挙げることができる。 Examples of unsaturated linear hydrocarbon groups include linear alkenyl groups having 2 to 10 carbon atoms such as ethenyl, propen-1-yl, propen-3-yl, ethynyl, and propyne-1. -yl group, propyn-3-yl group and other linear alkynyl groups having 2 to 10 carbon atoms.
不飽和分岐鎖状炭化水素基としては、例えば、プロペン-2-イル基、ブテン-2-イル基、ブテン-3-イル基等の炭素数3~10の分岐鎖状アルケニル基、ブチン-3-イル基等の炭素数4~10の分岐鎖状アルキニル基等を挙げることができる。 Examples of unsaturated branched hydrocarbon groups include branched chain alkenyl groups having 3 to 10 carbon atoms such as propen-2-yl group, buten-2-yl group and buten-3-yl group, butyne-3 A branched alkynyl group having 4 to 10 carbon atoms such as -yl group can be mentioned.
芳香族基としては、例えば、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等を挙げることができる。 Examples of aromatic groups include phenyl group, tolyl group, xylyl group, naphthyl group and the like.
誘導基としては、上記飽和直鎖状炭化水素基、飽和分岐鎖状炭化水素基、飽和環状炭化水素基、不飽和直鎖状炭化水素基、不飽和分岐鎖状炭化水素基及び芳香族基が有する1又は複数の水素原子が、置換基(例えば、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ハロゲン原子等。)で置換された基を挙げることができる。 As the derivative group, the above saturated straight-chain hydrocarbon group, saturated branched-chain hydrocarbon group, saturated cyclic hydrocarbon group, unsaturated straight-chain hydrocarbon group, unsaturated branched-chain hydrocarbon group and aromatic group Groups in which one or more hydrogen atoms possessed are substituted with a substituent (eg, a hydroxy group, a carboxy group, a halogen atom, etc.) can be mentioned.
カルバメート基を有する(カルバメートが導入された)マイクロ繊維セルロースにおいては、極性の高いヒドロキシ基の一部又は全部が、相対的に極性の低いカルバメート基に置換されている。したがって、当該マイクロ繊維セルロースは、親水性が低く、極性の低い樹脂等との親和性が高い。結果、当該マイクロ繊維セルロースは、樹脂との均一分散性に優れる。また、当該マイクロ繊維セルロースのスラリーは、粘性が低く、ハンドリング性が良い。 In microfibrous cellulose with carbamate groups (carbamate introduced), some or all of the more polar hydroxy groups are replaced with less polar carbamate groups. Therefore, the microfiber cellulose has low hydrophilicity and high affinity with low polarity resins and the like. As a result, the microfiber cellulose is excellent in uniform dispersibility with the resin. Also, the microfiber cellulose slurry has a low viscosity and is easy to handle.
なお、セルロースは、無水グルコースを構造単位とする重合体であり、一構造単位当たり3つのヒドロキシ基を有する。したがって、全てのヒドロキシ基がカルバメート基に置換されると、置換度は3になる。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する。 Cellulose is a polymer having anhydroglucose as a structural unit, and has three hydroxy groups per structural unit. Thus, if all hydroxy groups are replaced with carbamate groups, the degree of substitution will be 3. The degree of substitution of carbamate groups is determined by nitrogen determination by the Kjeldahl method.
<カルバメート化>
マイクロ繊維セルロース(解繊前にカルバメート化する場合は、セルロース原料。)にカルバメートを導入する(カルバメート化)点については、セルロース原料をカルバメート化してから微細化する方法と、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。この点、本明細書においては、先にセルロース原料の解繊について説明し、その後にカルバメート化(変性)について説明している。しかしながら、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、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。
<Carbamate formation>
Regarding the introduction of carbamate into microfiber cellulose (the cellulose raw material when carbamate is formed before fibrillation) (carbamation), there are two methods: carbamate the cellulose raw material and then refine it; There is a method for carbamate conversion from. In this regard, in this specification, defibration of the cellulose raw material is described first, and then carbamate formation (modification) is described. However, defibration and carbamate can be performed either first. However, it is preferable to perform carbamate formation first and then defibrate. This is because the cellulose raw material before defibration has a high dehydration efficiency, and the cellulose raw material is easily defibrated by the heating accompanying carbamate formation.
セルロース繊維(マイクロ繊維セルロース、セルロース原料等。)をカルバメート化する工程は、例えば、混合工程、除去工程、及び加熱工程に、主に区分することができる。なお、混合工程及び除去工程は合わせて、加熱工程に供される混合物を調製する調製工程ということもできる。 The process of carbamating cellulose fibers (microfiber cellulose, cellulosic raw material, etc.) can be divided mainly into, for example, mixing, removing, and heating. In addition, the mixing step and the removing step can also be collectively referred to as a preparation step for preparing a mixture to be subjected to the heating step.
混合工程においては、セルロース繊維と尿素又は尿素の誘導体(以下、単に「尿素等」ともいう。)とを分散媒中で混合する。 In the mixing step, the cellulose fibers and urea or a urea derivative (hereinafter also simply referred to as “urea, etc.”) are mixed in a dispersion medium.
尿素や尿素の誘導体としては、例えば、尿素、チオ尿素、ビウレット、フェニル尿素、ベンジル尿素、ジメチル尿素、ジエチル尿素、テトラメチル尿素、尿素の水素原子をアルキル基で置換した化合物等を使用することができる。これらの尿素又は尿素の誘導体は、それぞれを単独で又は複数を組み合わせて使用することができる。ただし、安価で産業的に利用しやすく、水への溶解性が高く、原料パルプへの薬品接触を環境負荷の少ない水溶液で行うことが可能となることから、尿素を使用するのが好ましい。 Examples of urea and urea derivatives include urea, thiourea, biuret, phenylurea, benzylurea, dimethylurea, diethylurea, tetramethylurea, and compounds in which hydrogen atoms of urea are substituted with alkyl groups. can. These urea or urea derivatives can be used singly or in combination. However, it is preferable to use urea because it is inexpensive, industrially easy to use, highly soluble in water, and can be brought into contact with the raw material pulp with a chemical solution using an aqueous solution with less environmental impact.
セルロース繊維に対する尿素等の混合質量比(セルロース繊維/尿素等)の下限は、好ましくは100/10、より好ましくは100/20である。他方、上限は、好ましくは100/100、より好ましくは100/50である。混合質量比を100/10以上にすることで、カルバメート化の効率が向上する。他方、混合質量比が100/50を上回ると、カルバメート化反応が進みすぎる恐れがある。 The lower limit of the mixing mass ratio of urea etc. to cellulose fibers (cellulose fibers/urea etc.) is preferably 100/10, more preferably 100/20. On the other hand, the upper limit is preferably 100/100, more preferably 100/50. By setting the mixing mass ratio to 100/10 or more, the efficiency of carbamate formation is improved. On the other hand, if the mixing mass ratio exceeds 100/50, the carbamate reaction may proceed too much.
分散媒は、通常、水である。ただし、アルコール、エーテル等の他の分散媒や、水と他の分散媒との混合物を用いてもよい。 The dispersion medium is usually water. However, other dispersion media such as alcohols and ethers, and mixtures of water and other dispersion media may also be used.
混合工程においては、例えば、水にセルロース繊維及び尿素等を添加しても、尿素等の水溶液にセルロース繊維を添加しても、セルロース繊維を含むスラリーに尿素等を添加してもよい。また、均一に混合するために、添加後、攪拌してもよい。さらに、セルロース繊維と尿素等とを含む分散液には、その他の成分が含まれていてもよい。 In the mixing step, for example, cellulose fibers and urea may be added to water, cellulose fibers may be added to an aqueous solution of urea or the like, or urea or the like may be added to slurry containing cellulose fibers. Moreover, in order to mix uniformly, you may stir after addition. Furthermore, the dispersion containing cellulose fibers and urea may contain other components.
除去工程においては、混合工程において得られたセルロース繊維及び尿素等を含む分散液から分散媒を除去する。分散媒を除去することで、これに続く加熱工程において効率的に尿素等を反応させることができる。 In the removing step, the dispersion medium is removed from the dispersion containing cellulose fibers, urea, etc. obtained in the mixing step. By removing the dispersion medium, urea and the like can be efficiently reacted in the subsequent heating step.
分散媒の除去は、加熱によって分散媒を揮発させることで行うのが好ましい。この方法によると、尿素等の成分を残したまま分散媒のみを効率的に除去することができる。 The removal of the dispersion medium is preferably carried out by volatilizing the dispersion medium by heating. According to this method, only the dispersion medium can be efficiently removed while leaving components such as urea.
除去工程における加熱温度の下限は、分散媒が水である場合は、好ましくは50℃、より好ましくは70℃、特に好ましくは90℃である。加熱温度を50℃以上にすることで効率的に分散媒を揮発させる(除去する)ことができる。他方、加熱温度の上限は、好ましくは120℃、より好ましくは100℃である。加熱温度が120℃を上回ると、分散媒と尿素が反応し、尿素が単独分解するおそれがある。 The lower limit of the heating temperature in the removal step is preferably 50°C, more preferably 70°C, and particularly preferably 90°C when the dispersion medium is water. By setting the heating temperature to 50° C. or higher, the dispersion medium can be efficiently volatilized (removed). On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 120°C, more preferably 100°C. If the heating temperature exceeds 120° C., the dispersion medium and urea may react with each other and urea may decompose alone.
除去工程における加熱時間は、分散液の固形分濃度等に応じて適宜調節することができる。具体的には、例えば、6~24時間である。 The heating time in the removing step can be appropriately adjusted according to the solid content concentration of the dispersion. Specifically, it is, for example, 6 to 24 hours.
除去工程に続く加熱工程においては、セルロース繊維と尿素等との混合物を加熱処理する。この加熱工程において、セルロース繊維のヒドロキシ基の一部又は全部が尿素等と反応してカルバメート基に置換される。より詳細には、尿素等が加熱されると下記の反応式(1)に示すようにイソシアン酸及びアンモニアに分解される。そして、イソシアン酸はとても反応性が高く、例えば、下記の反応式(2)に示すようにセルロースの水酸基にカルバメートを形成する。 In the heating step following the removing step, the mixture of cellulose fibers and urea or the like is heat-treated. In this heating step, some or all of the hydroxyl groups of the cellulose fibers react with urea or the like and are substituted with carbamate groups. More specifically, when urea or the like is heated, it decomposes into isocyanic acid and ammonia as shown in the following reaction formula (1). Isocyanic acid is highly reactive and, for example, forms a carbamate on the hydroxyl group of cellulose as shown in the following reaction formula (2).
NH2-CO-NH2 → H-N=C=O + NH3 …(1) NH 2 -CO-NH 2 →H-N=C=O + NH 3 (1)
Cell-OH + H-N=C=O → Cell-O-CO-NH2 …(2) Cell-OH + H-N=C=O → Cell-O-CO-NH 2 (2)
加熱工程における加熱温度の下限は、好ましくは120℃、より好ましくは130℃、特に好ましくは尿素の融点(約134℃)以上、さらに好ましくは140℃、最も好ましくは150℃である。加熱温度を120℃以上にすることで、カルバメート化が効率的に行われる。加熱温度の上限は、好ましくは200℃、より好ましくは180℃、特に好ましくは170℃である。加熱温度が200℃を上回ると、セルロース繊維が分解し、補強効果が不十分となるおそれがある。 The lower limit of the heating temperature in the heating step is preferably 120°C, more preferably 130°C, particularly preferably the melting point of urea (about 134°C) or higher, still more preferably 140°C, most preferably 150°C. By setting the heating temperature to 120° C. or higher, carbamate formation is efficiently performed. The upper limit of the heating temperature is preferably 200°C, more preferably 180°C, and particularly preferably 170°C. If the heating temperature exceeds 200°C, the cellulose fibers may be decomposed and the reinforcing effect may be insufficient.
加熱工程における加熱時間の下限は、好ましくは1分、より好ましくは5分、特に好ましくは30分、さらに好ましくは1時間、最も好ましくは2時間である。加熱時間を1分以上にすることで、カルバメート化の反応を確実に行うことができる。他方、加熱時間の上限は、好ましくは15時間、より好ましくは10時間である。加熱時間が15時間を上回ると、経済的ではなく、15時間で十分カルバメート化を行うことができる。 The lower limit of the heating time in the heating step is preferably 1 minute, more preferably 5 minutes, particularly preferably 30 minutes, still more preferably 1 hour, most preferably 2 hours. By setting the heating time to 1 minute or longer, the carbamate reaction can be reliably carried out. On the other hand, the upper limit of the heating time is preferably 15 hours, more preferably 10 hours. If the heating time exceeds 15 hours, it is not economical, and 15 hours is sufficient for carbamate formation.
以上の加熱処理は、酸性下で行うのが好ましい。酸性下で行うことで、カルバメート化がより確実に進む。加熱工程における混合物のpHの上限は、好ましくは6、より好ましくは5、特に好ましくは4である。他方、pHの下限は、好ましくは1、より好ましくは2、特に好ましくは3である。このpHの調整は、混合物に酸性化合物(例えば、酢酸、クエン酸等。)やアルカリ性化合物(例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等。)を添加すること等によって行うことができる。 The above heat treatment is preferably performed under an acidic condition. Carrying out the reaction in an acidic environment ensures the carbamate formation. The upper limit of the pH of the mixture in the heating step is preferably 6, more preferably 5, and particularly preferably 4. On the other hand, the lower limit of pH is preferably 1, more preferably 2, particularly preferably 3. This pH adjustment can be performed by adding an acidic compound (eg, acetic acid, citric acid, etc.) or an alkaline compound (eg, sodium hydroxide, calcium hydroxide, etc.) to the mixture.
加熱工程において加熱する装置としては、例えば、熱風乾燥機、抄紙機、ドライパルプマシン等を使用することができる。 As a device for heating in the heating step, for example, a hot air dryer, a paper machine, a dry pulp machine, or the like can be used.
加熱処理後の混合物は、洗浄してもよい。この洗浄は、水等で行えばよい。この洗浄によって未反応で残留している尿素等を除去することができる。 The heat-treated mixture may be washed. This washing may be performed with water or the like. By this washing, unreacted and remaining urea and the like can be removed.
本形態においては、繊維状セルロース(セルロース繊維)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。 In this embodiment, cellulose nanofibers can be included as fibrous cellulose (cellulose fibers) together with microfiber cellulose. Cellulose nanofibers are fine fibers like microfiber cellulose, and have a role to complement microfiber cellulose for improving the strength of resin. However, if possible, it is preferable to use only microfiber cellulose without containing cellulose nanofibers as fine fibers, but if cellulose nanofibers are contained, the following cellulose nanofibers are recommended.
まず、セルロースナノファイバーは、原料パルプ(セルロース原料)を解繊(微細化)することで得ることができる。原料パルプとしては、マイクロ繊維セルロースと同じものを使用することができ、マイクロ繊維セルロースと同じものを使用するのが好ましい。 First, cellulose nanofibers can be obtained by fibrillating (miniaturizing) raw material pulp (cellulose raw material). As the raw material pulp, the same pulp as the microfiber cellulose can be used, and it is preferable to use the same pulp as the microfiber cellulose.
セルロースナノファイバーの原料パルプは、マイクロ繊維セルロースの場合と同様の方法で前処理や解繊をすることができる。ただし、解繊の程度は異なり、例えば、平均繊維径が0.1μmを下回るように行う必要がある。以下、マイクロ繊維セルロースの場合と異なる点を中心に説明する。 The raw material pulp for cellulose nanofibers can be pretreated and defibrated in the same manner as for microfiber cellulose. However, the degree of fibrillation is different and, for example, the average fiber diameter should be less than 0.1 μm. In the following, differences from the case of microfiber cellulose will be mainly described.
セルロースナノファイバーの平均繊維径(平均繊維幅。単繊維の直径平均。)は、好ましくは4~100nm、より好ましくは10~80nmである。セルロースナノファイバーの平均繊維径が4nmを下回ると、脱水性が悪化するおそれがある。また、セルロースナノファイバーを分散剤と混合する形態においては、分散剤がセルロースナノファイバーを十分に覆わなくなり(に十分に纏わりつかなくなり)、分散性が十分に向上しないおそれがある。他方、セルロースナノファイバーの平均繊維径が100nmを上回ると、セルロースナノファイバーとは言えなくなる。 The average fiber diameter (average fiber width, average diameter of single fibers) of cellulose nanofibers is preferably 4 to 100 nm, more preferably 10 to 80 nm. If the average fiber diameter of the cellulose nanofibers is less than 4 nm, the dewaterability may deteriorate. In addition, in a form in which the cellulose nanofibers are mixed with the dispersant, the dispersant may not sufficiently cover the cellulose nanofibers (they may not sufficiently cling to the cellulose nanofibers), and the dispersibility may not be sufficiently improved. On the other hand, if the average fiber diameter of cellulose nanofiber exceeds 100 nm, it cannot be said to be cellulose nanofiber.
セルロースナノファイバーの平均繊維径は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等によって調整することができる。 The average fiber diameter of cellulose nanofibers can be adjusted by, for example, selection of raw material pulp, pretreatment, fibrillation, and the like.
なお、セルロースナノファイバーの物性に関する計測方法は、特にこれに反する記載のない限り、マイクロ繊維セルロースの場合と同様である。また、パルプ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。
The measurement method for the physical properties of cellulose nanofibers is the same as that for microfiber cellulose, unless otherwise specified. The method for measuring the average fiber diameter of pulp is as follows.
First, 100 ml of an aqueous dispersion of pulp having a solid content concentration of 0.01 to 0.1% by mass is filtered through a Teflon (registered trademark) membrane filter, and the solvent is replaced once with 100 ml of ethanol and 3 times with 20 ml of t-butanol. . It is then freeze-dried and coated with osmium to form a sample. This sample is observed with an electron microscope SEM image at a magnification of 100 times to 1000 times depending on the width of the constituent fibers. Specifically, two diagonal lines are drawn on the observation image, and three straight lines passing through the intersections of the diagonal lines are arbitrarily drawn. Furthermore, the width of a total of 100 fibers intersecting with these three straight lines is visually measured. Then, the median diameter of the measured values is taken as the average fiber diameter.
セルロースナノファイバーの平均繊維長(単繊維の長さ)は、好ましくは0.1~1,000μm、より好ましくは0.5~500μmである。セルロースナノファイバーの平均繊維長が0.1μmを下回ると、セルロースナノファイバー同士の三次元ネットワークを構築できず、補強効果が不十分となるおそれがある。他方、セルロースナノファイバーの平均繊維長が1,000μmを上回ると、繊維同士が絡み易くなり、分散性が十分に向上しないおそれがある。 The average fiber length (single fiber length) of cellulose nanofibers is preferably 0.1 to 1,000 μm, more preferably 0.5 to 500 μm. If the average fiber length of the cellulose nanofibers is less than 0.1 μm, a three-dimensional network cannot be constructed between the cellulose nanofibers, and the reinforcing effect may be insufficient. On the other hand, if the average fiber length of the cellulose nanofibers exceeds 1,000 μm, the fibers tend to become entangled with each other, and the dispersibility may not be sufficiently improved.
セルロースナノファイバーの平均繊維長は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等によって調整することができる。 The average fiber length of cellulose nanofibers can be adjusted by, for example, selection of raw material pulp, pretreatment, fibrillation, and the like.
セルロースナノファイバーの保水度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等によって調整することができる。 The water retention of cellulose nanofibers can be adjusted, for example, by selecting raw material pulp, pretreatment, fibrillation, and the like.
セルロースナノファイバー結晶化度は、好ましくは95~50%、より好ましくは90~60%である。セルロースナノファイバーの結晶化度が以上の範囲内であれば、樹脂の強度を確実に向上することができる。 The cellulose nanofiber crystallinity is preferably 95-50%, more preferably 90-60%. If the crystallinity of the cellulose nanofibers is within the above range, the strength of the resin can be reliably improved.
結晶化度は、例えば、原料パルプの選定、前処理、解繊等で任意に調整することができる。 The degree of crystallinity can be arbitrarily adjusted, for example, by selection of raw material pulp, pretreatment, fibrillation, and the like.
セルロースナノファイバーのパルプ粘度は、好ましくは1.0cps以上、より好ましくは2.0cps以上である。パルプ粘度は、セルロースを銅エチレンジアミン液に溶解させた後の溶解液の粘度であり、パルプ粘度が大きいほどセルロースの重合度が大きいことを示している。パルプ粘度が1.0cps以上であれば、スラリーに脱水性を付与しつつ、樹脂と混練する際にセルロースナノファイバーの分解を抑えられ、十分な補強効果を得ることができる。 The cellulose nanofiber pulp viscosity is preferably 1.0 cps or more, more preferably 2.0 cps or more. The pulp viscosity is the viscosity of the solution after dissolving cellulose in the copper ethylenediamine solution, and the higher the pulp viscosity, the higher the degree of polymerization of cellulose. If the pulp viscosity is 1.0 cps or more, dehydration is imparted to the slurry, decomposition of the cellulose nanofibers is suppressed during kneading with the resin, and a sufficient reinforcing effect can be obtained.
解繊して得られたセルロースナノファイバーは、必要により、他のセルロース繊維と混合するに先立って水系媒体中に分散して分散液としておくことができる。水系媒体は、全量が水であるのが特に好ましい(水溶液)。ただし、水系媒体は、一部が水と相溶性を有する他の液体であってもよい。他の液体としては、例えば、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。 Cellulose nanofibers obtained by fibrillation can be dispersed in an aqueous medium to prepare a dispersion, if necessary, prior to mixing with other cellulose fibers. It is particularly preferred that the aqueous medium is entirely water (aqueous solution). However, the aqueous medium may be another liquid partially compatible with water. As other liquids, for example, lower alcohols having 3 or less carbon atoms can be used.
セルロースナノファイバーの分散液(濃度1%)のB型粘度は、好ましくは10~2,000cp、より好ましくは30~1,500cpである。分散液のB型粘度を以上の範囲内にすると、他のセルロース繊維との混合が容易になり、また、セルロース繊維スラリーの脱水性が向上する。 The B-type viscosity of the cellulose nanofiber dispersion (1% concentration) is preferably 10 to 2,000 cp, more preferably 30 to 1,500 cp. When the B-type viscosity of the dispersion is within the above range, mixing with other cellulose fibers is facilitated, and the dewaterability of the cellulose fiber slurry is improved.
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。 The B-type viscosity (solid content concentration 1%) of the dispersion is a value measured in accordance with JIS-Z8803 (2011) "Method for measuring viscosity of liquid". The B-type viscosity is the resistance torque when the dispersion is stirred, and means that the higher the viscosity, the greater the energy required for stirring.
セルロース繊維中におけるセルロースナノファイバーの含有率は、好ましくは40質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。セルロースナノファイバーの含有率が40質量%を超えると、セルロースナノファイバー同士の凝集が強く、樹脂中で分散できず、補強効果、耐衝撃性が十分とならないおそれがある。なお、前述したとおり、セルロースナノファイバーは、配合しないのが、つまり含有率0質量%であるのが最も好ましい。 The content of cellulose nanofibers in the cellulose fibers is preferably 40% by mass or less, more preferably 20% by mass or less. If the content of cellulose nanofibers exceeds 40% by mass, the cellulose nanofibers are strongly agglomerated and cannot be dispersed in the resin, resulting in insufficient reinforcing effect and impact resistance. As described above, it is most preferable not to mix cellulose nanofibers, that is, to have a content of 0% by mass.
セルロースナノファイバーは、必要により、マイクロ繊維セルロースと同様の方法による等して、カルバメート化することができる。ただし、セルロースナノファイバーのカルバメート化は、通常、困難である。 Cellulose nanofibers can be carbamate if desired, such as by methods similar to microfiber cellulose. However, carbamate conversion of cellulose nanofibers is usually difficult.
繊維状セルロースには、微細繊維に加えて、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。 Fibrous cellulose can contain pulp in addition to fine fibers. Pulp has the role of greatly improving the dewaterability of the cellulose fiber slurry. However, the content of pulp is preferably within a predetermined range (described below).
セルロース繊維中におけるパルプの含有率は、好ましくは40質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。パルプの含有率が40質量%を上回ると、結果的に微細繊維の含有率が減るため、樹脂の強度が担保されないおそれがある。なお、パルプについてもセルロースナノファイバーの場合と同様に、配合しないのが、つまり含有率0質量%であるのが最も好ましい。 The pulp content in the cellulose fibers is preferably 40% by mass or less, more preferably 20% by mass or less. If the pulp content exceeds 40% by mass, the content of fine fibers is reduced as a result, and the strength of the resin may not be ensured. As with the cellulose nanofibers, it is most preferable not to mix the pulp, that is, the content is 0% by mass.
パルプとしては、マイクロ繊維セルロース等の原料パルプと同様のものを使用することができ、マイクロ繊維セルロースの原料パルプと同じものを使用するのが好ましい。パルプとしてマイクロ繊維セルロースの原料パルプと同じものを使用すると、セルロース繊維の親和性が向上し、結果、セルロース繊維スラリーの均質性が向上する。 As the pulp, the same pulp as the raw material pulp of microfiber cellulose or the like can be used, and it is preferable to use the same pulp as the raw material pulp of microfiber cellulose. Using the same pulp as the raw material pulp for the microfiber cellulose improves the affinity of the cellulose fibers, resulting in improved homogeneity of the cellulose fiber slurry.
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。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。 If necessary, the fibrous cellulose containing fine fibers is dispersed in an aqueous medium to form a dispersion (slurry). It is particularly preferred that the entire amount of the aqueous medium is water, but it is also possible to use an aqueous medium that is partly another liquid that is compatible with water. Other liquids that can be used include lower alcohols having 3 or less carbon atoms.
スラリーの固形分濃度は、好ましくは0.1~10.0質量%、より好ましくは0.5~5.0質量%である。固形分濃度が0.1質量%を下回ると、脱水や乾燥する際に過大なエネルギーが必要となるおそれがある。他方、固形分濃度が10.0質量%を上回ると、スラリー自体の流動性が低下してしまい分散剤を均一に混合できなくなるおそれがある。 The solid content concentration of the slurry is preferably 0.1-10.0% by mass, more preferably 0.5-5.0% by mass. If the solid content concentration is less than 0.1% by mass, excessive energy may be required during dehydration and drying. On the other hand, if the solid content concentration exceeds 10.0% by mass, the fluidity of the slurry itself may be lowered, and the dispersant may not be uniformly mixed.
(α-オレフィンコポリマー)
本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、α-オレフィンコポリマーを含む。α-オレフィンコポリマーは、α-オレフィン(炭素-炭素の二重結合が末端にあるオレフィン)と、エチレンやプロピレン等のモノマーとが共重合したポリマーであり、側鎖の長いα-オレフィンが存在する。したがって、高分子鎖が整列しづらく、結晶化、剛直化しないため、ポリエチレンやポリプロピレンと異なって複合樹脂に柔軟性を付与することができ、耐衝撃性を向上することができる。もっとも、α-オレフィンコポリマーは、複合樹脂の剛性を損なうため繊維補強することで剛性を保つことになるが、繊維とα-オレフィンコポリマーとの相溶性が不足すると、外力が加わった際に繊維を起点として破壊が進み、剛性は保てたとしてもα-オレフィンコポリマーを添加したことによる耐衝撃性向上効果が十分に発揮されない。そこで、本形態においては、カルバメート基でセルロース原料を変性することで、セルロース原料とα-オレフィンコポリマーとの相溶性を向上させ、耐衝撃性及び剛性を両立するものである。
(α-olefin copolymer)
The fibrous cellulose composite resin of this embodiment contains an α-olefin copolymer. α-olefin copolymers are polymers obtained by copolymerizing α-olefins (olefins with a carbon-carbon double bond at the end) and monomers such as ethylene and propylene, and α-olefins with long side chains are present. . Therefore, since the polymer chains are difficult to align and do not crystallize or become rigid, the composite resin can be given flexibility unlike polyethylene or polypropylene, and the impact resistance can be improved. However, since the α-olefin copolymer impairs the rigidity of the composite resin, the rigidity is maintained by fiber reinforcement. Fracture progresses as a starting point, and even if the rigidity is maintained, the effect of improving the impact resistance due to the addition of the α-olefin copolymer is not sufficiently exhibited. Therefore, in the present embodiment, by modifying the cellulose raw material with carbamate groups, the compatibility between the cellulose raw material and the α-olefin copolymer is improved, and both impact resistance and rigidity are achieved.
以上の観点で、カルバメート基の置換度は、好ましくは0.05~0.5、より好ましくは0.1~0.4、特に好ましくは0.2~0.3である。カルバメート基の置換度を0.05以上にすることで、α-オレフィンコポリマーとセルロ-ス原料との相溶性が十分向上し、カルバメート基を導入した効果が確実に奏せられる。他方、置換度が0.5を超えると、α-オレフィンコポリマーとの相溶性は十分であるものの、繊維自体の補強性が損なわれ、α-オレフィンコポリマーにより付与された柔軟性をカバーでなくなる恐れがある。 From the above viewpoints, the degree of substitution of the carbamate group is preferably 0.05 to 0.5, more preferably 0.1 to 0.4, and particularly preferably 0.2 to 0.3. By setting the degree of substitution of the carbamate group to 0.05 or more, the compatibility between the α-olefin copolymer and the cellulose raw material is sufficiently improved, and the effect of introducing the carbamate group can be reliably exhibited. On the other hand, if the degree of substitution exceeds 0.5, the compatibility with the α-olefin copolymer is sufficient, but the reinforcing property of the fiber itself is impaired, and the flexibility imparted by the α-olefin copolymer may not be covered. There is
なお、α-オレフィンとしては、例えば、プロピレン、1ーブテン、1-ペンテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセン、1-テトラデセン、1-ヘキサデセン、1-オクタデセン、1-エイコセン等の直鎖型ユニットや、シクロペンテン、シクロへプテン、ノルボルネン、5-メチル-2ーノルボルネン、テトラシクロドデセン、2-メチル-1,4,5,8-ジメタノ-1,2,3,4,4a,5,8,8a-オクタヒドロナフタレン等の環状ユニットなどが挙げられる。 Examples of α-olefins include propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 4-methyl-1-pentene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-tetradecene and 1-hexadecene. , 1-octadecene, and linear units such as 1-eicosene, cyclopentene, cycloheptene, norbornene, 5-methyl-2-norbornene, tetracyclododecene, 2-methyl-1,4,5,8-dimethano- Cyclic units such as 1,2,3,4,4a,5,8,8a-octahydronaphthalene and the like are included.
α-オレフィンコポリマーの混合割合は、複合樹脂全量中において、好ましくは20質量部以下であり、より好ましくは1~18質量部、特に好ましくは3~15質量部である。α-オレフィンコポリマーの混合割合が1質量%を上回ると、複合樹脂への柔軟性が十分に付与され、複合樹脂の耐衝撃性が不足する可能性を低減することができる。他方、混合割合が20質量%を上回ると、柔軟性が付与されすぎるため、繊維との相溶性が高くても、繊維による補強性を十分に発揮できずに、剛性が不足する。 The mixing ratio of the α-olefin copolymer is preferably 20 parts by mass or less, more preferably 1 to 18 parts by mass, particularly preferably 3 to 15 parts by mass, in the total amount of the composite resin. When the mixing ratio of the α-olefin copolymer exceeds 1% by mass, sufficient flexibility is imparted to the composite resin, and the possibility of insufficient impact resistance of the composite resin can be reduced. On the other hand, if the mixing ratio exceeds 20% by mass, too much flexibility is imparted, and even if the compatibility with the fibers is high, the reinforcing properties of the fibers cannot be sufficiently exhibited, resulting in insufficient rigidity.
(酸変性樹脂)
本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、酸変性樹脂を含み、カルバメート基の一部又は全部が酸変性樹脂の酸基とイオン結合していると好適である。このイオン結合により、樹脂の補強効果が向上する。
(Acid-modified resin)
The fibrous cellulose composite resin of the present embodiment preferably contains an acid-modified resin, and part or all of the carbamate groups are ionically bonded to the acid groups of the acid-modified resin. This ionic bond improves the reinforcing effect of the resin.
酸変性樹脂としては、例えば、酸変性ポリオレフィン樹脂、酸変性エポキシ樹脂、酸変性スチレン系エラストマー樹脂等を使用することができる。ただし、酸変性ポリオレフィン樹脂を使用するのが好ましい。酸変性ポリオレフィン樹脂は、不飽和カルボン酸成分とポリオレフィン成分との共重合体である。 Examples of acid-modified resins that can be used include acid-modified polyolefin resins, acid-modified epoxy resins, acid-modified styrene elastomer resins, and the like. However, it is preferable to use an acid-modified polyolefin resin. An acid-modified polyolefin resin is a copolymer of an unsaturated carboxylic acid component and a polyolefin component.
ポリオレフィン成分としては、例えば、エチレン、プロピレン、ブタジエン、イソプレン等のアルケンの重合体の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には、プロピレンの重合体であるポリプロピレン樹脂を用いることが好ましい As the polyolefin component, for example, one or more of alkene polymers such as ethylene, propylene, butadiene and isoprene can be selected and used. However, it is preferable to use polypropylene resin, which is a polymer of propylene.
不飽和カルボン酸成分としては、例えば、無水マレイン酸類、無水フタル酸類、無水イタコン酸類、無水シトラコン酸類、無水クエン酸類等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には、無水マレイン酸類を使用するのが好ましい。つまり、無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂を用いることが好ましい。 As the unsaturated carboxylic acid component, for example, one or more selected from maleic anhydrides, phthalic anhydrides, itaconic anhydrides, citraconic anhydrides, citric anhydrides and the like can be used. Preferably, however, maleic anhydrides are used. That is, it is preferable to use a maleic anhydride-modified polypropylene resin.
酸変性樹脂の混合量は、微細繊維100質量部に対して、好ましくは0.1~1,000質量部、より好ましくは1~500質量部、特に好ましくは10~200質量部である。特に酸変性樹脂が無水マレイン酸変性ポリプロピレン樹脂である場合は、好ましくは1~200質量部、より好ましくは10~100質量部である。酸性変性樹脂の混合量が0.1質量部を下回ると強度の向上が十分ではない。他方、混合量が1,000質量部を上回ると、過剰となり強度が低下する傾向となる。 The amount of the acid-modified resin to be mixed is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, particularly preferably 10 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of fine fibers. Particularly when the acid-modified resin is a maleic anhydride-modified polypropylene resin, the amount is preferably 1 to 200 parts by mass, more preferably 10 to 100 parts by mass. If the mixed amount of the acid-modified resin is less than 0.1 part by mass, the strength is not sufficiently improved. On the other hand, if the mixing amount exceeds 1,000 parts by mass, it becomes excessive and the strength tends to decrease.
無水マレイン酸変性ポリプロピレンの重量平均分子量は、例えば1,000~100,000、好ましくは3,000~50,000である。 The weight average molecular weight of maleic anhydride-modified polypropylene is, for example, 1,000 to 100,000, preferably 3,000 to 50,000.
また、無水マレイン酸変性ポリプロピレンの酸価は、0.5mgKOH/g以上、100mgKOH/g以下が好ましく、1mgKOH/g以上、50mgKOH/g以下がより好ましい。 Moreover, the acid value of the maleic anhydride-modified polypropylene is preferably 0.5 mgKOH/g or more and 100 mgKOH/g or less, and more preferably 1 mgKOH/g or more and 50 mgKOH/g or less.
さらに、酸変性樹脂のMFR(メルトフローレート)が2000g/10分(190℃/2.16kg)以下であるのが好ましく、1500g/10分以下であるのがより好ましく、500g/10分以下であるのが特に好ましい。MFRが2000g/10分を上回ると、セルロース繊維の分散性が低下する可能性がある。 Furthermore, the MFR (melt flow rate) of the acid-modified resin is preferably 2000 g/10 min (190° C./2.16 kg) or less, more preferably 1500 g/10 min or less, and 500 g/10 min or less. It is particularly preferred to have If the MFR exceeds 2000 g/10 minutes, the dispersibility of cellulose fibers may decrease.
なお、酸価の測定は、JIS-K2501に準拠し、水酸化カリウムで滴定する。また、MFRの測定は、JIS-K7210に準拠し、190℃で2.16kgの荷重を載せ、10分間に流れ出る試料の重量で決める。 The acid value is measured by titration with potassium hydroxide according to JIS-K2501. The MFR is measured in accordance with JIS-K7210 by applying a load of 2.16 kg at 190° C. and determining the weight of the sample flowing out in 10 minutes.
(分散剤)
マイクロ繊維セルロース等を含む繊維状セルロースは、分散剤と混合する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。
(dispersant)
Fibrous cellulose, including microfibrous cellulose and the like, are more preferred when mixed with a dispersant. As the dispersing agent, a compound having an aromatic compound having an amine group and/or a hydroxyl group and an aliphatic compound having an amine group and/or a hydroxyl group are preferable.
芳香族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物としては、例えば、アニリン類、トルイジン類、トリメチルアニリン類、アニシジン類、チラミン類、ヒスタミン類、トリプタミン類、フェノール類、ジブチルヒドロキシトルエン類、ビスフェノールA類、クレゾール類、オイゲノール類、没食子酸類、グアイアコール類、ピクリン酸類、フェノールフタレイン類、セロトニン類、ドーパミン類、アドレナリン類、ノルアドレナリン類、チモール類、チロシン類、サリチル酸類、サリチル酸メチル類、アニスアルコール類、サリチルアルコール類、シナピルアルコール類、ジフェニドール類、ジフェニルメタノール類、シンナミルアルコール類、スコポラミン類、トリプトフォール類、バニリルアルコール類、3-フェニル-1-プロパノール類、フェネチルアルコール類、フェノキシエタノール類、ベラトリルアルコール類、ベンジルアルコール類、ベンゾイン類、マンデル酸類、マンデロニトリル類、安息香酸類、フタル酸類、イソフタル酸類、テレフタル酸類、メリト酸類、ケイ皮酸類などが挙げられる。 Examples of compounds having an amine group and/or hydroxyl group in aromatics include anilines, toluidines, trimethylanilines, anisidines, tyramines, histamines, tryptamines, phenols, dibutylhydroxytoluenes, bisphenol A cresols, eugenols, gallic acids, guaiacols, picric acids, phenolphthaleins, serotonins, dopamines, adrenaline, noradrenaline, thymols, tyrosines, salicylic acids, methyl salicylates, anise alcohols , salicyl alcohols, sinapyl alcohols, diphenidols, diphenylmethanols, cinnamyl alcohols, scopolamines, tryptophors, vanillyl alcohols, 3-phenyl-1-propanols, phenethyl alcohols, phenoxyethanols , veratryl alcohols, benzyl alcohols, benzoins, mandelic acids, mandelonitriles, benzoic acids, phthalic acids, isophthalic acids, terephthalic acids, mellitic acids, and cinnamic acids.
また、脂肪族類にアミン基及び/又は水酸基を有する化合物としては、例えば、カプリルアルコール類、2-エチルヘキサノール類、ペラルゴンアルコール類、カプリンアルコール類、ウンデシルアルコール類、ラウリルアルコール類、トリデシルアルコール類、ミリスチルアルコール類、ペンタデシルアルコール類、セタノール類、ステアリルアルコール類、エライジルアルコール類、オレイルアルコール類、リノレイルアルコール類、メチルアミン類、ジメチルアミン類、トリメチルアミン類、エチルアミン類、ジエチルアミン類、エチレンジアミン類、トリエタノールアミン類、N,N-ジイソプロピルエチルアミン類、テトラメチルエチレンジアミン類、ヘキサメチレンジアミン類、スペルミジン類、スペルミン類、アマンタジン類、ギ酸類、酢酸類、プロピオン酸類、酪酸類、吉草酸類、カプロン酸類、エナント酸類、カプリル酸類、ペラルゴン酸類、カプリン酸類、ラウリン酸類、ミリスチン酸類、パルミチン酸類、マルガリン酸類、ステアリン酸類、オレイン酸類、リノール酸類、リノレン酸類、アラキドン酸類、エイコサペンタエン酸類、ドコサヘキサエン酸類、ソルビン酸類などが挙げられる。 Examples of compounds having an amine group and/or a hydroxyl group in an aliphatic group include capryl alcohols, 2-ethylhexanols, pelargon alcohols, capric alcohols, undecyl alcohols, lauryl alcohols, and tridecyl alcohol. , myristyl alcohols, pentadecyl alcohols, cetanols, stearyl alcohols, elaidyl alcohols, oleyl alcohols, linoleyl alcohols, methylamines, dimethylamines, trimethylamines, ethylamines, diethylamines, ethylenediamine triethanolamines, N,N-diisopropylethylamines, tetramethylethylenediamines, hexamethylenediamines, spermidines, spermines, amantadine, formic acids, acetic acids, propionic acids, butyric acids, valeric acids, Caproic acids, enanthic acids, caprylic acids, pelargonic acids, capric acids, lauric acids, myristic acids, palmitic acids, margaric acids, stearic acids, oleic acids, linoleic acids, linolenic acids, arachidonic acids, eicosapentaenoic acids, docosahexaenoic acids, sorbin acids and the like.
以上の分散剤は、微細繊維同士の水素結合を阻害する。したがって、微細繊維及び樹脂の混練に際して微細繊維が樹脂中において確実に分散(再分散)するようになる。また、以上の分散剤は、微細繊維及び樹脂の相溶性を向上させる役割も有する。この点で微細繊維の樹脂中における分散性が向上する。 The above dispersants inhibit hydrogen bonding between fine fibers. Therefore, when kneading the fine fibers and the resin, the fine fibers are reliably dispersed (re-dispersed) in the resin. In addition, the above dispersant also has a role of improving the compatibility between the fine fibers and the resin. In this respect, the dispersibility of the fine fibers in the resin is improved.
なお、微細繊維及び樹脂の混練に際して、別途、相溶剤(薬剤)を添加することも考えられるが、この段階で薬剤を添加するよりも、樹脂と混錬する前に予め微細繊維と分散剤(薬剤)を混合する方が、微細繊維に対する薬剤の纏わりつきが均一になり、樹脂との相溶性向上効果が高くなる。 When kneading the fine fibers and the resin, it is conceivable to add a compatibilizer (chemical agent) separately. By mixing the fine fibers with the chemical agent, the chemical agent becomes evenly attached to the fine fibers, and the effect of improving the compatibility with the resin is enhanced.
また、例えば、ポリプロピレンは融点が160℃であり、したがって微細繊維及び樹脂の混練は、180℃程度で行う。しかるに、この状態で分散剤(液)を添加すると、一瞬で乾燥してしまう。そこで、融点の低い樹脂を使用してマスターバッチ(微細繊維の濃度の濃い複合樹脂)を作製し、その後に通常の樹脂で濃度を下げる方法が存在する。しかしながら、融点の低い樹脂は一般的に強度が低い。したがって、当該方法によると、複合樹脂の強度が下がるおそれがある。 Further, for example, polypropylene has a melting point of 160°C, so the kneading of the fine fibers and the resin is performed at about 180°C. However, if the dispersing agent (liquid) is added in this state, it dries up in an instant. Therefore, there is a method of producing a masterbatch (composite resin with a high concentration of fine fibers) using a resin with a low melting point, and then lowering the concentration with a normal resin. However, resins with low melting points generally have low strength. Therefore, according to this method, the strength of the composite resin may decrease.
分散剤の混合量は、微細繊維100質量部に対して、好ましくは0.1~1,000質量部、より好ましくは1~500質量部、特に好ましくは10~200質量部である。分散剤の混合量が0.1質量部を下回ると、強度の向上が十分ではないとされるおそれがある。他方、混合量が1,000質量部を上回ると、過剰となり強度が低下する傾向がある。 The amount of the dispersant mixed is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and particularly preferably 10 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of fine fibers. If the amount of the dispersant mixed is less than 0.1 parts by mass, there is a possibility that the improvement in strength will be insufficient. On the other hand, if the mixing amount exceeds 1,000 parts by mass, it becomes excessive and the strength tends to decrease.
この点、前述した酸変性樹脂は酸基と微細繊維のカルバメート基とがイオン結合することで相溶性を向上し、補強効果を上げるためのものであり、分子量が大きいため樹脂とも馴染み易く、強度向上に寄与していると考えられる。一方、上記の分散剤は、微細繊維の水酸基同士の間に介在して凝集を防ぎ、もって樹脂中での分散性を向上するものであり、また、分子量が酸変性樹脂に比べ小さいため、酸変性樹脂が入り込めないような微細繊維間の狭いスペースに入ることができ、分散性を向上して強度向上する役割を果たす。以上のような観点から、上記酸変性樹脂の分子量は、分散剤の分子量の2~2,000倍、好ましくは5~1,000倍であると好適である。 In this regard, the above-mentioned acid-modified resin is intended to improve compatibility and increase the reinforcing effect by forming an ionic bond between the acid group and the carbamate group of the fine fiber. It is thought that it contributed to the improvement. On the other hand, the above-mentioned dispersant intervenes between the hydroxyl groups of the fine fibers to prevent aggregation, thereby improving the dispersibility in the resin. It can enter narrow spaces between fine fibers that the modified resin cannot enter, and plays a role in improving dispersibility and strength. From the above viewpoints, the molecular weight of the acid-modified resin is preferably 2 to 2,000 times, preferably 5 to 1,000 times the molecular weight of the dispersant.
この点をより詳細に説明すると、樹脂粉末は物理的に微細繊維同士の間に介在することで水素結合を阻害し、もって微細繊維の分散性を向上する。これに対し、酸変性樹脂は、酸基と微細繊維のカルバメート基とをイオン結合することで相溶性を向上し、もって補強効果を上げる。この点、分散剤が微細繊維同士の水素結合を阻害する点は同じであるが、樹脂粉末はマイクロオーダーであるため、物理的に介在して水素結合を抑制する。したがって、分散性が分散剤にくらべ低いものの、樹脂粉末自身が溶融してマトリックスになるため物性低下に寄与しない。一方、分散剤は分子レベルであり、極めて小さいため微細繊維を覆うようにして水素結合を阻害し、微細繊維の分散性を向上する効果は高い。しかしながら、樹脂中に残り、物性低下に働く可能性がある。 To explain this point in more detail, the resin powder physically intervenes between the fine fibers to inhibit hydrogen bonding, thereby improving the dispersibility of the fine fibers. On the other hand, the acid-modified resin improves the compatibility by forming an ionic bond between the acid groups and the carbamate groups of the fine fibers, thereby enhancing the reinforcing effect. In this regard, the dispersant inhibits hydrogen bonding between fine fibers in the same manner, but since the resin powder is micro-order, it physically intervenes to suppress hydrogen bonding. Therefore, although the dispersibility is lower than that of the dispersant, the resin powder itself melts and becomes a matrix, so it does not contribute to deterioration of physical properties. On the other hand, since the dispersant is at the molecular level and is extremely small, it has a high effect of covering the fine fibers, inhibiting hydrogen bonding, and improving the dispersibility of the fine fibers. However, it may remain in the resin and work to reduce physical properties.
(製造方法)
微細繊維や酸変性樹脂、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微細繊維を乾燥させる必要がなく、熱効率が良い。また、特に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。
(Production method)
A mixture of fine fibers, an acid-modified resin, a dispersant, etc. can be dried and pulverized into a powder prior to being kneaded with the resin. According to this form, there is no need to dry the fine fibers when kneading with the resin, resulting in good thermal efficiency. Moreover, especially when a dispersant is mixed in the mixture, even if the mixture is dried, there is a low possibility that fine fibers such as microfiber cellulose will not be redispersed.
混合物は、必要により、乾燥するに先立って脱水して脱水物にする。この脱水は、例えば、ベルトプレス、スクリュープレス、フィルタープレス、ツインロール、ツインワイヤーフォーマ、バルブレスフィルタ、センターディスクフィルタ、膜処理、遠心分離機等の脱水装置の中から1種又は2種以上を選択使用して行うことができる。 The mixture is optionally dewatered to dehydrate prior to drying. For this dehydration, for example, one or more types are selected from dehydration devices such as belt presses, screw presses, filter presses, twin rolls, twin wire formers, valveless filters, center disk filters, membrane processing, and centrifugal separators. can be done using
混合物の乾燥は、例えば、ロータリーキルン乾燥、円板式乾燥、気流式乾燥、媒体流動乾燥、スプレー乾燥、ドラム乾燥、スクリューコンベア乾燥、パドル式乾燥、一軸混練乾燥、多軸混練乾燥、真空乾燥、攪拌乾燥等の中から1種又は2種以上を選択使用して行うことができる。 Drying of the mixture includes, for example, rotary kiln drying, disk drying, air stream drying, medium fluidized drying, spray drying, drum drying, screw conveyor drying, paddle drying, uniaxial kneading drying, multi-screw kneading drying, vacuum drying, and stirring drying. It can be carried out by selecting and using one or more of these.
乾燥した混合物(乾燥物)は、粉砕して粉状物にする。乾燥物の粉砕は、例えば、ビーズミル、ニーダー、ディスパー、ツイストミル、カットミル、ハンマーミル等の中から1種又は2種以上を選択使用して行うことができる。 The dry mixture (dry matter) is ground to a powder. Pulverization of the dried product can be carried out by selecting and using one or more of, for example, bead mills, kneaders, dispersers, twist mills, cut mills, hammer mills, and the like.
粉状物の平均粒子径は、好ましくは1~10,000μm、より好ましくは10~5,000μm、特に好ましくは100~1,000μmである。粉状物の平均粒子径が10,000μmを上回ると、樹脂との混練性に劣るものになるおそれがある。他方、粉状物の平均粒子径が1μmを下回るものにするには大きなエネルギーが必要になるため、経済的でない。 The average particle size of the powder is preferably 1-10,000 μm, more preferably 10-5,000 μm, particularly preferably 100-1,000 μm. If the average particle size of the powder exceeds 10,000 μm, the kneadability with the resin may be poor. On the other hand, it is not economical because a large amount of energy is required to reduce the average particle size of the powder to less than 1 μm.
粉状物の平均粒子径の制御は、粉砕の程度を制御することのほか、フィルター、サイクロン等の分級装置を使用した分級によることができる。 The average particle size of the powder can be controlled not only by controlling the degree of pulverization, but also by classification using a classifier such as a filter or cyclone.
混合物(粉状物)の嵩比重は、好ましくは0.03~1.0、より好ましくは0.04~0.9、特に好ましくは0.05~0.8である。嵩比重が1.0を超えるということは繊維状セルロース同士の水素結合がより強固であり、樹脂中で分散させることは容易ではなくなることを意味する。他方、嵩比重が0.03を下回るものにするのは、移送コストの面から不利である。 The bulk specific gravity of the mixture (powder) is preferably 0.03 to 1.0, more preferably 0.04 to 0.9, and particularly preferably 0.05 to 0.8. A bulk specific gravity of more than 1.0 means that the hydrogen bonding between fibrous celluloses is stronger and it is not easy to disperse the fibrous cellulose in the resin. On the other hand, setting the bulk specific gravity below 0.03 is disadvantageous in terms of transportation costs.
嵩比重は、JIS K7365に準じて測定した値である。 Bulk specific gravity is a value measured according to JIS K7365.
混合物(粉状物)の水分率は、好ましくは50%以下、より好ましくは30%以下、特に好ましくは10%以下である。水分率が50%を上回ると、樹脂と混練する際のエネルギーが膨大になり、経済的でない。 The moisture content of the mixture (powder) is preferably 50% or less, more preferably 30% or less, and particularly preferably 10% or less. If the moisture content exceeds 50%, the energy required for kneading with the resin is enormous, which is not economical.
水分率は、定温乾燥機を用いて、試料を105℃で6時間以上保持し質量の変動が認められなくなった時点の質量を乾燥後質量とし、下記式にて算出した値である。
水分率(%)=[(乾燥前質量-乾燥後質量)÷乾燥前質量]×100
The moisture content is a value calculated by the following formula, using a constant temperature drier, holding the sample at 105° C. for 6 hours or more, and using the mass after drying as the mass when no change in mass is observed.
Moisture content (%) = [(mass before drying - mass after drying) ÷ mass before drying] x 100
脱水・乾燥した乾燥物には、樹脂が含まれていても良い。樹脂が含まれていると、脱水・乾燥した微細繊維同士の水素結合が阻害され、混練の際の樹脂中での分散性を向上することができる。 The dehydrated and dried product may contain a resin. When resin is contained, hydrogen bonding between dehydrated and dried fine fibers is inhibited, and dispersibility in the resin during kneading can be improved.
脱水・乾燥した乾燥物に含まれる樹脂の形態としては、例えば、粉末状、ペレット状、シート状等が挙げられる。ただし、粉末状(粉末樹脂)が好ましい。 Examples of the form of the resin contained in the dehydrated/dried material include powder, pellet, sheet, and the like. However, the powder form (powder resin) is preferable.
粉末状とする場合、脱水・乾燥した乾燥物に含まれる樹脂粉末の平均粒子径は、1~10,000μmが好ましく、10~5,000μmがより好ましく、100~1,000μmが特に好ましい。平均粒子径が10,000μmを超えると、粒子径が大きいために混練装置内に入らないおそれがある。他方、平均粒子径が1μm未満であると、微細なために微細繊維同士の水素結合を阻害することができないおそれがある。なお、ここで使用する樹脂粉末等の樹脂は、微細繊維と混練する樹脂(主原料としての樹脂)と同種であっても異種であってもよいが、同種である方が好ましい。 When powdered, the average particle size of the resin powder contained in the dehydrated and dried product is preferably 1 to 10,000 μm, more preferably 10 to 5,000 μm, and particularly preferably 100 to 1,000 μm. If the average particle size exceeds 10,000 μm, the particles may not enter the kneading device due to the large particle size. On the other hand, if the average particle size is less than 1 μm, there is a possibility that hydrogen bonding between fine fibers cannot be inhibited due to their fineness. The resin such as the resin powder used here may be of the same type or different from the resin to be kneaded with the fine fibers (the resin as the main raw material), but is preferably of the same type.
平均粒子径1~10,000μmの樹脂粉末は、脱水・乾燥前の水系分散状態で混合するのが好ましい。水系分散状態で混合することで、樹脂粉末を微細繊維間へ均一に分散することができ、混練後の複合樹脂中に微細繊維を均一に分散できることができ、強度物性をより向上することができる。 The resin powder having an average particle size of 1 to 10,000 μm is preferably mixed in an aqueous dispersion state before dehydration and drying. By mixing in an aqueous dispersion state, the resin powder can be uniformly dispersed among the fine fibers, the fine fibers can be uniformly dispersed in the composite resin after kneading, and the strength properties can be further improved. .
以上のようにして得た粉状物(樹脂の補強材)は、樹脂と混練し、繊維状セルロース複合樹脂を得る。この混練は、例えば、ペレット状の樹脂と粉状物とを混ぜ合わす方法によることのほか、樹脂をまず溶融し、この溶融物の中に粉状物を添加するという方法によることもできる。なお、酸変性樹脂や分散剤等は、この段階で添加することもできる。 The powdery material (resin reinforcing material) obtained as described above is kneaded with a resin to obtain a fibrous cellulose composite resin. This kneading can be carried out, for example, by mixing a pellet-shaped resin and a powdery material, or by first melting the resin and then adding the powdery material to the melt. The acid-modified resin, dispersant, etc. can also be added at this stage.
混練処理には、例えば、単軸又は二軸以上の多軸混練機、ミキシングロール、ニーダー、ロールミル、バンバリーミキサー、スクリュープレス、ディスパーザー等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。これらのなかで、二軸以上の多軸混練機を使用することが好ましい。二軸以上の多軸混練機を2機以上、並列又は直列にして、使用しても良い。 For the kneading treatment, for example, one or more selected from single-screw or multi-screw kneaders with two or more screws, mixing rolls, kneaders, roll mills, Banbury mixers, screw presses, dispersers, etc. are used. be able to. Among these, it is preferable to use a multi-screw kneader with two or more screws. Two or more multi-screw kneaders with two or more screws may be used in parallel or in series.
また、二軸以上の多軸混練機のスクリューの周速は、0.2~200m/分が好ましく、0.5~150m/分がさらに好ましく、1~100m/分が特に好ましい。周速が0.2m/分未満の場合は、樹脂中に微細繊維を分散させることができないおそれがある。他方、周速が200m/分を超える場合、微細繊維へのせん断力が過多となり、補強効果が得られないおそれがある。 The peripheral speed of the screws of the multi-screw kneader with two or more screws is preferably 0.2 to 200 m/min, more preferably 0.5 to 150 m/min, and particularly preferably 1 to 100 m/min. If the peripheral speed is less than 0.2 m/min, the fine fibers may not be dispersed in the resin. On the other hand, when the peripheral speed exceeds 200 m/min, the shear force applied to the fine fibers becomes excessive, and there is a risk that the reinforcing effect cannot be obtained.
本形態において使用される混練機のスクリュー径と混練部との長さの比は、15~60が好ましい。比が15未満の場合は、混練部が短く、微細繊維と樹脂を混ぜることができないおそれがある。他方、比が60を超える場合は、混練部が長すぎるため、微細繊維へのせん断的負荷が高くなり、補強効果が得られないおそれがある。 The ratio of the screw diameter of the kneader used in this embodiment to the length of the kneading section is preferably 15-60. If the ratio is less than 15, the kneading section may be too short to mix the fine fibers and the resin. On the other hand, if the ratio exceeds 60, the length of the kneading section is too long, so the shear load on the fine fibers increases, and there is a possibility that the reinforcing effect cannot be obtained.
混練処理の温度は、樹脂のガラス転移点以上であり、樹脂の種類によって異なるが、80~280℃とするのが好ましく、90~260℃とするのがより好ましく、100~240℃とするのが特に好ましい。 The temperature of the kneading treatment is higher than the glass transition point of the resin, and varies depending on the type of resin, but is preferably 80 to 280°C, more preferably 90 to 260°C, and more preferably 100 to 240°C. is particularly preferred.
樹脂としては、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の少なくともいずれか一方を使用することができる。 At least one of a thermoplastic resin and a thermosetting resin can be used as the resin.
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のポリオレフィン、脂肪族ポリエステル樹脂や芳香族ポリエステル樹脂等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、メタアクリレート、アクリレート等のポリアクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 Examples of thermoplastic resins include polyolefins such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE), polyester resins such as aliphatic polyester resins and aromatic polyester resins, polyacrylic resins such as polystyrene, methacrylates and acrylates, polyamide resins, One or more of polycarbonate resins, polyacetal resins and the like can be selected and used.
ただし、ポリオレフィン及びポリエステル樹脂の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましい。また、ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンを使用するのが好ましい。さらに、ポリエステル樹脂としては、脂肪族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン等を例示することができ、芳香族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリエチレンテレフタレート等を例示することができるが、生分解性を有するポリエステル樹脂(単に「生分解性樹脂」ともいう。)を使用するのが好ましい。 However, it is preferable to use at least one of polyolefin and polyester resin. Polypropylene is preferably used as the polyolefin. Furthermore, as polyester resins, aliphatic polyester resins such as polylactic acid and polycaprolactone can be exemplified, and aromatic polyester resins such as polyethylene terephthalate can be exemplified. It is preferable to use a polyester resin having
生分解性樹脂としては、例えば、ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステル、カプロラクトン系脂肪族ポリエステル、二塩基酸ポリエステル等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the biodegradable resin, for example, one or more of hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyesters, caprolactone-based aliphatic polyesters, dibasic acid polyesters, and the like can be selected and used.
ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、乳酸、リンゴ酸、グルコース酸、3-ヒドロキシ酪酸等のヒドロキシカルボン酸の単独重合体や、これらのヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種を用いた共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、ポリ乳酸、乳酸と乳酸を除く上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体、ポリカプロラクトン、上記ヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種とカプロラクトンとの共重合体を使用するのが好ましく、ポリ乳酸を使用するのが特に好ましい。 Hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyesters include, for example, homopolymers of hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid, glucose acid, and 3-hydroxybutyric acid, and copolymers using at least one of these hydroxycarboxylic acids. One or two or more may be selected and used from among polymers and the like. However, it is preferable to use polylactic acid, a copolymer of lactic acid and the above hydroxycarboxylic acids other than lactic acid, polycaprolactone, and a copolymer of at least one of the above hydroxycarboxylic acids and caprolactone. It is particularly preferred to use
この乳酸としては、例えば、L-乳酸やD-乳酸等を使用することができ、これらの乳酸を単独で使用しても、2種以上を選択して使用してもよい。 As the lactic acid, for example, L-lactic acid, D-lactic acid, or the like can be used, and these lactic acids may be used alone or two or more of them may be selected and used.
カプロラクトン系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、ポリカプロラクトンの単独重合体や、ポリカプロラクトン等と上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the caprolactone-based aliphatic polyester, for example, one or more of polycaprolactone homopolymers and copolymers of polycaprolactone and the above hydroxycarboxylic acids can be selected and used. .
二塩基酸ポリエステルとしては、例えば、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリブチレンアジペート等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As the dibasic acid polyester, for example, one or more of polybutylene succinate, polyethylene succinate, polybutylene adipate and the like can be selected and used.
生分解性樹脂は、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。 A biodegradable resin may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.
熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性ポリイミド系樹脂等を使用することができる。これらの樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。 Examples of thermosetting resins include phenol resins, urea resins, melamine resins, furan resins, unsaturated polyesters, diallyl phthalate resins, vinyl ester resins, epoxy resins, urethane resins, silicone resins, thermosetting polyimide resins, and the like. can be used. These resins can be used alone or in combination of two or more.
樹脂には、無機充填剤が、好ましくはサーマルリサイクルに支障が出ない割合で含有されていてもよい。 The resin may contain an inorganic filler, preferably in a proportion that does not interfere with thermal recycling.
無機充填剤としては、例えば、Fe、Na、K、Cu、Mg、Ca、Zn、Ba、Al、Ti、ケイ素元素等の周期律表第I族~第VIII族中の金属元素の単体、酸化物、水酸化物、炭素塩、硫酸塩、ケイ酸塩、亜硫酸塩、これらの化合物よりなる各種粘土鉱物等を例示することができる。 Examples of inorganic fillers include simple substances of metal elements in groups I to VIII of the periodic table such as Fe, Na, K, Cu, Mg, Ca, Zn, Ba, Al, Ti, and silicon elements; substances, hydroxides, carbonates, sulfates, silicates, sulfites, various clay minerals composed of these compounds, and the like.
具体的には、例えば、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、酸化亜鉛、シリカ、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、ほう酸アルミニウム、アルミナ、酸化鉄、チタン酸カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、クレーワラストナイト、ガラスビーズ、ガラスパウダー、珪砂、硅石、石英粉、珪藻土、ホワイトカーボン、ガラスファイバー等を例示することができる。これらの無機充填剤は、複数が含有されていてもよい。また、古紙パルプに含まれるものであってもよい。 Specifically, for example, barium sulfate, calcium sulfate, magnesium sulfate, sodium sulfate, calcium sulfite, zinc oxide, silica, heavy calcium carbonate, light calcium carbonate, aluminum borate, alumina, iron oxide, calcium titanate, hydroxide Examples include aluminum, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium carbonate, calcium silicate, clay wollastonite, glass beads, glass powder, silica sand, silica stone, quartz powder, diatomaceous earth, white carbon, and glass fiber. be able to. A plurality of these inorganic fillers may be contained. It may also be contained in waste paper pulp.
微細繊維及び樹脂の配合割合は、好ましくは微細繊維が1質量部以上、樹脂が99質量部以下、より好ましくは微細繊維が2質量部以上、樹脂が98質量部以下、特に好ましくは微細繊維が3質量部以上、樹脂が97質量部以下である。また、好ましくは微細繊維が50質量部以下、樹脂が50質量部以上、より好ましくは微細繊維が40質量部以下、樹脂が60質量部以上、特に好ましくは微細繊維が30質量部以下、樹脂が70質量部以上である。特に微細繊維が10~50質量部であると、樹脂組成物の強度、特に曲げ強度及び引張り弾性率の強度を著しく向上させることができる。 The mixing ratio of the fine fibers and the resin is preferably 1 part by mass or more of the fine fibers and 99 parts by mass or less of the resin, more preferably 2 parts by mass or more of the fine fibers and 98 parts by mass or less of the resin, and particularly preferably 1 part by mass or more of the fine fibers. 3 parts by mass or more and 97 parts by mass or less of the resin. Further, preferably 50 parts by mass or less of fine fibers, 50 parts by mass or more of resin, more preferably 40 parts by mass or less of fine fibers, 60 parts by mass or more of resin, particularly preferably 30 parts by mass or less of fine fibers, resin It is 70 parts by mass or more. In particular, when the amount of fine fibers is 10 to 50 parts by mass, the strength of the resin composition, particularly the bending strength and tensile modulus strength, can be remarkably improved.
なお、最終的に得られ樹脂組成物に含まれる微細繊維及び樹脂の含有割合は、通常、微細繊維及び樹脂の上記配合割合と同じとなる。 Incidentally, the content ratio of the fine fibers and the resin contained in the resin composition finally obtained is usually the same as the above mixing ratio of the fine fibers and the resin.
微細繊維及び樹脂の溶解パラメータ(cal/cm3)1/2(SP値)の差、つまり、微細繊維のSPMFC値、樹脂のSPPOL値とすると、SP値の差=SPMFC値-SPPOL値とすることができる。SP値の差は10~0.1が好ましく、8~0.5がより好ましく、5~1が特に好ましい。SP値の差が10を超えると、樹脂中で微細繊維が分散せず、補強効果を得ることはできない可能性がある。他方、SP値の差が0.1未満であると微細繊維が樹脂に溶解してしまい、フィラーとして機能せず、補強効果が得られない可能性がある。この点、樹脂(溶媒)のSPPOL値と微細繊維(溶質)のSPMFC値の差が小さい程、補強効果が大きい。なお、溶解パラメータ(cal/cm3)1/2(SP値)とは、溶媒-溶質間に作用する分子間力を表す尺度であり、SP値が近い溶媒と溶質であるほど、溶解度が増す。 The difference between the solubility parameter (cal/cm 3 ) 1/2 (SP value) of the fine fiber and the resin, that is, the SP MFC value of the fine fiber and the SP POL value of the resin, the difference in the SP value = SP MFC value - SP Can be a POL value. The SP value difference is preferably 10 to 0.1, more preferably 8 to 0.5, and particularly preferably 5 to 1. If the SP value difference exceeds 10, the fine fibers may not be dispersed in the resin, and the reinforcing effect may not be obtained. On the other hand, if the SP value difference is less than 0.1, the fine fibers will dissolve in the resin and may not function as a filler, failing to obtain a reinforcing effect. In this regard, the smaller the difference between the SP POL value of the resin (solvent) and the SP MFC value of the fine fiber (solute), the greater the reinforcing effect. The solubility parameter (cal/cm 3 ) 1/2 (SP value) is a measure of the intermolecular force acting between a solvent and a solute. Solvents and solutes with closer SP values have higher solubility. .
(その他の組成物)
樹脂組成物(複合樹脂)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。
(Other compositions)
The resin composition (composite resin) includes, in addition to the above-mentioned fine fibers and pulp, kenaf, jute hemp, manila hemp, sisal hemp, ganpi, mitsumata, kozo, banana, pineapple, coconut palm, corn, sugarcane, bagasse, palm, Fibers derived from plant materials obtained from various plants such as papyrus, reeds, esparto, surviving grass, wheat, rice, bamboo, various conifers (such as cedar and cypress), broad-leaved trees, and cotton can be included, and are not included. may be
樹脂組成物には、例えば、帯電防止剤、難燃剤、抗菌剤、着色剤、ラジカル捕捉剤、発泡剤等の中から1種又は2種以上を選択して、本発明の効果を阻害しない範囲で添加することができる。これらの原料は、微細繊維の分散液に添加しても、微細繊維及び樹脂の混練の際に添加しても、これらの混練物に添加しても、その他の方法で添加してもよい。ただし、製造効率の面からは、微細繊維及び樹脂の混練の際に添加するのが好ましい。 For the resin composition, for example, one or more selected from among antistatic agents, flame retardants, antibacterial agents, colorants, radical scavengers, foaming agents, etc., within a range that does not impede the effects of the present invention. can be added at These raw materials may be added to the fine fiber dispersion, added during kneading of the fine fibers and resin, added to the kneaded product, or added by other methods. However, from the standpoint of production efficiency, it is preferable to add it when kneading the fine fibers and the resin.
樹脂組成物には、ゴム成分として、エチレン-αオレフィン共重合エラストマー又はスチレン-ブタジエンブロック共重合体が含有されていてもよい。α-オレフィンの例としては、例えば、ブテン、イソブテン、ペンテン、ヘキセン、メチル-ペンテン、オクテン、デセン、ドデセン等が挙げられる。 The resin composition may contain an ethylene-α-olefin copolymer elastomer or a styrene-butadiene block copolymer as a rubber component. Examples of α-olefins include, for example, butene, isobutene, pentene, hexene, methyl-pentene, octene, decene, dodecene, and the like.
(第2の添加剤:エチレングリコール等)
微細繊維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劣ることを知見している。一方、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。
(Second additive: ethylene glycol, etc.)
When kneading the fine fibers and the resin, in addition to additives such as polybasic acids, at least one selected from ethylene glycol, derivatives of ethylene glycol, ethylene glycol polymers, and derivatives of ethylene glycol polymers. The above additives (second additives) can be added. The addition of this second additive significantly improves the dispersibility of the microfiber cellulose. In this regard, the present inventors have found that when the cellulose fibers are cellulose nanofibers, the dispersibility of the cellulose fibers is poor. On the other hand, it is speculated that the second additive is interposed between the microfiber celluloses to suppress aggregation in the resin and improve dispersibility. Since cellulose nanofibers have a significantly higher specific surface area than microfiber cellulose, it is presumed that even if the second additive is excessively added, it will not enter between the cellulose nanofibers.
第2の添加剤の添加量は、マイクロ繊維セルロース100質量部に対して、0.1~1,000質量部であるのが好ましく、1~500質量部であるのがより好ましく、10~200質量部であるのが特に好ましい。第2の添加剤の添加量が0.1質量部を下回ると、マイクロ繊維セルロースの分散性を向上に寄与しないおそれがある。他方、第2の添加剤の添加量が1,000質量部を上回ると、過剰となり逆に樹脂強度を低下させてしまうおそれがある。 The amount of the second additive added is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, more preferably 10 to 200 parts by mass, based on 100 parts by mass of the microfiber cellulose. Parts by mass are particularly preferred. If the amount of the second additive added is less than 0.1 part by mass, it may not contribute to improving the dispersibility of the microfiber cellulose. On the other hand, if the amount of the second additive added exceeds 1,000 parts by mass, it may become excessive and conversely reduce the strength of the resin.
第2の添加剤の分子量は、1~20,000であるのが好ましく、10~4,000であるのがより好ましく、100~2,000であるのが特に好ましい。第2の添加剤の分子量が1を下回ることは、物理的に不可能である。他方、第2の添加剤の分子量が20,000を上回ると、嵩高くなるためマイクロ繊維セルロース同士の間に入らないおそれがある。 The molecular weight of the second additive is preferably 1-20,000, more preferably 10-4,000, and particularly preferably 100-2,000. It is physically impossible for the molecular weight of the second additive to be less than 1. On the other hand, when the molecular weight of the second additive exceeds 20,000, it becomes bulky and may not fit between microfiber cellulose.
(成形処理)
微細繊維等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。
(Molding process)
The kneaded product of the fine fibers and the like and the resin can be kneaded again if necessary, and then molded into a desired shape. The size, thickness, shape, and the like of this molding are not particularly limited, and may be, for example, sheet-like, pellet-like, powder-like, fibrous-like, or the like.
成形処理の際の温度は、樹脂のガラス転移点以上であり、樹脂の種類によって異なるが、例えば90~260℃、好ましくは100~240℃である。 The temperature during the molding process is equal to or higher than the glass transition point of the resin, and is, for example, 90 to 260°C, preferably 100 to 240°C, depending on the type of resin.
混練物の成形は、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等によることができる。また、混練物を紡糸して繊維状にし、前述した植物材料等と混繊してマット形状、ボード形状とすることもできる。混繊は、例えば、エアーレイにより同時堆積させる方法等によることができる。 The kneaded product can be molded by, for example, mold molding, injection molding, extrusion molding, blow molding, foam molding, and the like. Alternatively, the kneaded product can be spun into a fibrous form and mixed with the above-described plant material or the like to form a mat or board. Mixing can be carried out by, for example, a method of simultaneous deposition by air laying.
混練物を成形する装置としては、例えば、射出成形機、吹込成形機、中空成形機、ブロー成形機、圧縮成形機、押出成形機、真空成形機、圧空成形機等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。 As a device for molding the kneaded material, for example, one or two of injection molding machines, blow molding machines, blow molding machines, blow molding machines, compression molding machines, extrusion molding machines, vacuum molding machines, air pressure molding machines, etc. More than one species can be selected and used.
以上の成形は、混練に続いて行うことも、混練物をいったん冷却し、破砕機等を使用してチップ化した後、このチップを押出成形機や射出成形機等の成形機に投入して行うこともできる。もちろん、成形は、本発明の必須の要件ではない。 The above molding may be carried out after kneading, or the kneaded product may be cooled once, chipped using a crusher or the like, and then the chips may be put into a molding machine such as an extruder or an injection molding machine. can also be done. Of course, molding is not an essential requirement of the invention.
次に、本発明の実施例を説明する。
水分率50%以下の針葉樹晒クラフトパルプに、固形分濃度30%の尿素水溶液を用いて、固形分換算の質量比でパルプ:尿素が100:50の割合となるように尿素を混合した後、105℃で乾燥させた。その後、160℃で1時間静置することで反応させ、カルバメート化変性パルプを得た。
Next, examples of the present invention will be described.
Softwood bleached kraft pulp with a moisture content of 50% or less is mixed with urea using an aqueous urea solution with a solid content concentration of 30% so that the mass ratio of pulp: urea in terms of solid content is 100: 50. Dried at 105°C. After that, the mixture was allowed to stand at 160° C. for 1 hour to react to obtain a carbamate-modified pulp.
得られたカルバメート変性パルプを蒸留水で希釈撹拌して脱水洗浄を2回繰り返し、固形分濃度3.0質量%に調製することで洗浄カルバメート変性パルプを得た。 The resulting carbamate-modified pulp was diluted with distilled water, stirred, and dewatered and washed twice to obtain a washed carbamate-modified pulp at a solid content concentration of 3.0% by mass.
洗浄カルバメート変性パルプは、叩解機を用いてFine率(FS5による繊維長分布測定で0.2mm以下の繊維の割合)が40%以上となるまで叩解して、カルバメート変性マイクロ繊維セルロースを得た。 The washed carbamate-modified pulp was beaten using a beater until the Fine ratio (ratio of fibers having a fiber length distribution measurement of 0.2 mm or less by FS5) reached 40% or more to obtain carbamate-modified microfiber cellulose.
固形分濃度3.0質量%のカルバメート変性マイクロ繊維セルロース1,833gに、無水マレイン酸変性ポリプロピレンを27.5g添加し、更にポリプロピレン粉末17.5gを添加し、撹拌後、140℃に加熱した接触式乾燥機を用いて加熱乾燥し、カルバメート変性マイクロ繊椎セルロース含有物を得た。カルパメート変性マイクロ繊維セルロース含有物の含水率5~22%であった。 27.5 g of maleic anhydride-modified polypropylene was added to 1,833 g of carbamate-modified microfiber cellulose having a solids concentration of 3.0% by weight, and further 17.5 g of polypropylene powder was added, followed by stirring and heating to 140°C. A carbamate-modified microfilament cellulose-containing substance was obtained by heating and drying using a type dryer. The moisture content of the carpamate-modified microfibrous cellulose inclusions was 5-22%.
カルバメート変性マイクロ繊維セルロース含有物を、180℃、200rpmの条件で二軸混練機にて混練し、ベレッターで2mm径、2mm長の円柱状にカットすることで、繊維配合率55%のカルパメート変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂を得た。 The carbamate-modified microfiber cellulose-containing material was kneaded with a twin-screw kneader under the conditions of 180°C and 200 rpm, and cut into a cylindrical shape with a diameter of 2 mm and a length of 2 mm with a Beretter to obtain carbamate-modified microfibers with a fiber content of 55%. A fiber cellulose composite resin was obtained.
繊維配合率55%の複合樹脂と、ポリプロピレン(PP)のペレットと、α-オレフィンコポリマー(三井化学株式会社製のタフマーDF640)とを表1に記載の配合比でドライブレンドし、180℃、200rpmの条件で二軸混練機にて混練し、ベレッターで2mm径、2mm長の円柱状にカットすることで、繊維配合率10%のカルパメート変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂を得た。 A composite resin with a fiber content of 55%, polypropylene (PP) pellets, and an α-olefin copolymer (Tafmer DF640 manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) are dry-blended at the blending ratio shown in Table 1 at 180 ° C. and 200 rpm. The mixture was kneaded with a twin-screw kneader under the conditions of , and cut into a cylindrical shape with a diameter of 2 mm and a length of 2 mm with a Beretter to obtain a carpamate-modified microfiber cellulose composite resin with a fiber content of 10%.
各種繊維配合率10%のカルバメート変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂を、180℃で直方体試験片(長さ59mm、幅9.6mm、厚さ3.8mm)に射出成形した。 Carbamate-modified microfiber cellulose composite resins with various fiber loadings of 10% were injection molded at 180° C. into cuboid specimens (length 59 mm, width 9.6 mm, thickness 3.8 mm).
なお、試験例1~4は、カルバメート変性パルプの代わりに、針葉樹晒クラフトパルプを固形分濃度3.0質量%に調製して上記の叩解処理から行ったものであり、未変性マイクロ繊維セルロース複合樹脂となっている。 In Test Examples 1 to 4, instead of the carbamate-modified pulp, softwood bleached kraft pulp was prepared to a solid content concentration of 3.0% by mass, and the above beating treatment was performed. It is made of resin.
各種繊維状セルロース複合樹脂について、曲げ弾性率、曲げ強度、耐衝撃性を調べた。結果を表1に示した。なお、各種試験における測定方法は、下記のとおりとした。また、耐衝撃比として、α-オレフィンコポリマーの配合率を0とした場合に対する比を示した。 Various fibrous cellulose composite resins were examined for flexural modulus, flexural strength and impact resistance. Table 1 shows the results. The measurement methods in various tests were as follows. Also, as the impact resistance ratio, the ratio to the case where the blending ratio of the α-olefin copolymer is 0 is shown.
(曲げ弾性率)
各種繊維状セルロース複合樹脂を曲げ試験片に成形し、この成形物について曲げ弾性率を調べた。曲げ弾性率は、JIS K 7171:2008に準拠して概定した。
(flexural modulus)
Various fibrous cellulose composite resins were molded into flexural test pieces, and the flexural modulus of this molded product was examined. The flexural modulus was estimated according to JIS K 7171:2008.
(曲げ強度)
曲げ試験片に成形し、この成形物について曲げ強度を調べた。曲げ強度は、JIS K 7171:2008に準拠して測定した。
(bending strength)
A flexural test piece was formed, and the flexural strength of this formed product was examined. Bending strength was measured according to JIS K 7171:2008.
(耐衝撃試験)
各種繊維状セルロース複合樹脂をJIS K 7139に準拠した多目的試験片に成形し、この成形物について耐衝撃性を調べた。耐衝撃性は、JIS K 7111-1:2008に準拠してシャルピー衝撃強度を測定した。
(Impact resistance test)
Various fibrous cellulose composite resins were molded into multi-purpose test pieces conforming to JIS K 7139, and the impact resistance of these moldings was examined. Impact resistance was measured by Charpy impact strength in accordance with JIS K 7111-1:2008.
本発明は、繊維状セルロース複合樹脂として利用可能である。例えば、繊維状セルロース複合樹脂は、自動車、電車、船舶、飛行機等の輸送機器の内装材、外装材、構造材等;パソコン、テレビ、電話、時計等の電化製品等の筺体、構造材、内部部品等;携帯電話等の移動通信機器等の筺体、構造材、内部部品等;携帯音楽再生機器、映像再生機器、印刷機器、複写機器、スポーツ用品、オフィス機器、玩具、スポーツ用品等の筺体、構造材、内部部品等;建築物、家具等の内装材、外装材、構造材等;文具等の事務機器等;その他、包装体、トレイ等の収容体、保護用部材、パーティション部材等;に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a fibrous cellulose composite resin. For example, fibrous cellulose composite resins are used for interior materials, exterior materials, structural materials, etc. of transportation equipment such as automobiles, trains, ships, and airplanes; Parts, etc.; Housings, structural materials, internal parts, etc. of mobile communication devices such as mobile phones; Structural materials, internal parts, etc.; interior materials, exterior materials, structural materials, etc. for buildings and furniture; office equipment, etc. such as stationery; Available.
Claims (9)
α-オレフィンコポリマーを20質量%以下の割合で含み、
前記繊維状セルロースは、ヒドロキシ基がカルバメート基で置換されたカルバメート変性微細繊維であり、
前記ヒドロキシ基に対する前記カルバメート基の置換度が0.05~0.5である、
ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。 A fibrous cellulose composite resin containing fibrous cellulose and a resin,
Containing an α-olefin copolymer in a proportion of 20% by mass or less,
The fibrous cellulose is a carbamate-modified fine fiber in which a hydroxy group is substituted with a carbamate group,
The degree of substitution of the carbamate group with respect to the hydroxy group is 0.05 to 0.5,
A fibrous cellulose composite resin characterized by:
請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The fine fibers have an average fiber width of 8 to 25 μm and an average fiber length of 0.1 to 1.00 mm.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1.
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。 The fibrillation rate of the fine fibers is 2 to 7%,
The fibrous cellulose composite resin according to claim 1 or 2.
前記カルバメート基の一部又は全部が前記酸変性樹脂の酸基とイオン結合している、
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。 containing an acid-modified resin,
Some or all of the carbamate groups ionically bond with the acid groups of the acid-modified resin,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 3.
前記酸変性樹脂の分子量が前記分散剤の分子量の2~2000倍である、
請求項4に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 containing a dispersing agent;
The molecular weight of the acid-modified resin is 2 to 2000 times the molecular weight of the dispersant.
The fibrous cellulose composite resin according to claim 4.
請求項1~5のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The crystallinity of the fine fibers is 50 to 95%,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1 to 5.
請求項1~6のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The pulp viscosity of the fine fibers is 2 cps or more,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1-6.
請求項1~7のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The fine fibers have a zeta potential of -150 to 20 mV,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1-7.
請求項1~8のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。 The fine fibers have a water retention rate of 80 to 400%,
The fibrous cellulose composite resin according to any one of claims 1-8.
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