JP5161711B2 - エポキシ樹脂コンポジット - Google Patents
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Description
この繊維は水中において良分散したナノファイバーで、かつ天然セルロースが有するセルロースI型結晶構造が通常の再生セルロースでは維持されないのに対して、上記の微細セルロース繊維では維持されている事が報告されている。従って上記の微細セルロース繊維は良好な弾性率、強度を有しているものと考えられている。
2. 反応物繊維が、カルボキシ基とアルデヒド基を合計で0.1〜2.2mmol/g(反応物繊維の質量当たり)有する微細セルロース繊維である上記1.記載のエポキシ樹脂コンポジット。
3. 上記1.に記載したエポキシ樹脂コンポジットの製造方法であって、天然セルロースを原料とし、溶媒中においてN−オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を作用させることにより該天然セルロースを酸化して反応物繊維を得る酸化反応工程、不純物を除去して溶媒を含浸させた該反応物繊維を得る精製工程、溶媒を含浸させた該反応物繊維を分散媒に分散させ微細セルロース繊維分散体を得る分散工程、該微細セルロース繊維分散体に有機オニウム化合物を加えて処理して微細修飾セルロース繊維を得る有機オニウム処理工程、および該微細修飾セルロース繊維をエポキシ樹脂に加えて硬化処理してエポキシ樹脂コンポジットを得るコンポジット工程を有することを特徴とするエポキシ樹脂コンポジットの製造方法。
また、前記の有機オニウムと対を成す陰イオン成分としては、塩素イオンや臭素イオンなどのハロゲンイオン、硫酸水素イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロボレートイオン、ヘキサフルオロフォスフェイトイオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ヒドロキシイオンなどが好ましいものとして挙げられるが、特に好ましいものはハロゲンイオンである。
本発明のエポキシ樹脂コンポジットは、天然セルロースを原料とし、溶媒中においてN−オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を作用させることにより該天然セルロースを酸化して反応物繊維を得る酸化反応工程、該反応物繊維から不純物を除去して水を含浸させた該反応物繊維(微細セルロース繊維)を得る精製工程、水を含浸させた該反応物繊維を分散媒に分散させ該反応物繊維(微細セルロース繊維)分散体を得る分散工程、該反応物繊維(微細セルロース繊維)分散体に有機オニウム化合物を加えて処理して微細修飾セルロース繊維を得る有機オニウム処理工程、および該微細修飾セルロース繊維をエポキシ樹脂に加えて硬化処理してエポキシ樹脂コンポジットを得るコンポジット工程を有することを特徴とする製造方法によって得ることができる。以下に各工程について説明する。
まず、酸化反応工程では、溶媒に天然セルロースを分散させた混合液に前記のN−オキシル化合物、および共酸化剤を添加して酸化反応を行い、反応物繊維を得る。反応水溶液中の天然セルロース濃度は、試薬の十分な拡散が可能な濃度であれば任意であるが、通常、溶媒の質量に対して約5%以下である。また、N−オキシル化合物の添加は触媒量で十分であり、好ましくは0.1〜4mmol/L、さらに好ましくは0.2〜2mmol/Lの範囲で上記混合液に添加する。前記のとおり、溶媒としては、安価で扱い易いなどの点で水が最も好ましい。
精製工程に於いては、未反応の次亜塩素酸や各種副生成物等の反応スラリー中に含まれる反応物繊維と水等の溶媒以外の化合物を系外へ除去するが、反応物繊維は通常、この段階ではナノファイバー単位までばらばらに分散しているわけではないため、通常の精製法、すなわち洗浄とろ過を繰り返すことで高純度(99質量%以上)の反応物繊維と溶媒の分散体とする。該精製工程における精製方法は遠心分離を利用する方法(例えば、連続式デカンダー)のように、上述した目的を達成できる装置であればどんな装置を利用しても構わない。こうして得られる反応物繊維の含溶媒物は絞った状態で固形分(セルロース)濃度としておよそ10質量%〜50質量%の範囲にある。この後の工程で、ナノファイバーへ分散させることを考慮すると、50質量%よりも高い固形分濃度とすると、分散に極めて高いエネルギーが必要となることから好ましくない。
分散工程においては、上述した精製工程にて得られる溶媒を含浸した反応物繊維(微細セルロース)を、さらに分散媒中に分散させ分散処理を施すことにより、微細セルロース繊維の分散体として提供する。
有機オニウム化合物で処理する方法としては分散工程で得られた微細セルロース繊維の分散体に有機オニウム塩を含む溶液を添加することによって容易に行うことができる。例えば、カチオン交換前の微細セルロースを水に分散させた液と有機オニウム化合物の溶液を混合攪拌した後、生じた微細修飾セルロース繊維をろ過、遠心分離等の方法により媒体と分離し洗浄する。
修飾率(%)=1−(A/B)
ここで、A:イオン交換後の微細セルロース中のアルカリ金属量[質量ppm]
B:イオン交換前の微細セルロース中のアルカリ金属量[質量ppm]
コンポジット工程においては、有機オニウム処理工程で得られた微細修飾セルロース繊維、前記のエポキシ樹脂、硬化剤、および用途によって必要な場合は添加剤と共に混合した後、硬化処理を行い本発明のエポキシ樹脂コンポジットを得る。微細修飾セルロース繊維等の混合方法は常用の攪拌装置、例えば、スクリュー型ミキサー、ホモジナイザー、ニーダー等を使用する公知の方法でよい。
本発明の微細セルロース繊維がI型結晶構造であることは、その広角X線回折像測定により得られる回折プロファイルにおいて、2シータ=14〜17°付近と2シータ=22〜23°付近の二つの位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。
乾燥質量を精秤したセルロース試料から0.5〜1質量%スラリーを60ml調製し、0.1Mの塩酸水溶液によってpHを約2.5とした後、0.05mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して電気伝導度測定を行う。測定はpHが約11になるまで続ける。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された0.05mol/L水酸化ナトリウム水溶液量(V)から、下式を用いて官能基量1を決定する。該官能基量1がカルボキシ基の量を示す。
次に、セルロース試料を、酢酸でpHを4〜5に調製した2%亜塩素酸ナトリウム水溶液中でさらに48時間常温で酸化し、上記手法によって再び官能基量2を測定する。この酸化によって追加された官能基量(=官能基量2−官能基量1)を算出し、アルデヒド基量とした。
官能基量1または2(mmol/g)=V(mL)×0.05/セルロースの質量(g)
微細セルロース繊維を有機オニウム化合物により処理した修飾率は、処理前後のアルカリ金属量を測定する事で行う事ができる。すなわち
修飾率(%)=1−(A/B)
ここで、A:イオン交換後の微細セルロース繊維中のアルカリ金属量[質量ppm]
B:イオン交換前の微細セルロース繊維中のアルカリ金属量[質量ppm]
なおアルカリ金属量は蛍光X線にて測定を行った。
オリエンテック株式会社製テンシロン万能試験機1225Aにて測定を行った。
微細セルロースの合成は、天然セルロースとして日本製紙株式会社製のLBKP(広葉樹晒クラフトパルプ)を用いて、特開2008―1728号公報に従って行なった。合成した乾燥微細セルロースをイオン交換水に添加した後、回転刃式ミキサーで約5分間の処理を行い最終的に0.2%質量の分散体を得た。この微細セルロース繊維のアルデヒド基の量およびカルボキシ基の量は、それぞれ0.30mmol/gおよび0.8mmol/gであった。
参考例1で得られた微細セルロース繊維分散体100質量部を、攪拌羽根を供えたビーカーに入れ70℃に加熱攪拌した。ここにトリ−n−ブチルヘキサデシルホスホニウムブロミド(日本化成工業製、カタログナンバー:PX416)11質量部をイオン交換水300質量部で溶解させた溶液を加え70℃で3時間攪拌した。混合物から固体を濾別し、メタノールで3回、水で3回洗浄した後、有機オニウム処理された微細修飾セルロース繊維を得た。修飾率(陽イオン交換率)は100%であった。この微細修飾セルロース繊維を一昼夜減圧乾燥した。次にこの乾燥した微細修飾セルロース繊維1.0質量部をエポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン製、カタログナンバー:828)99質量部に分散したのちホモジナイザーで10分間分散処理を行った。この分散液に硬化剤としてトリエチレンテトラミン(東京化成製)11質量部を加えさらにホモジナイザーにて約2分間攪拌処理した。さらに泡とり機(THINKY社製、あわとり練太郎(登録商標))にて約2分間真空脱泡する事で透明な粘調溶液を得る事ができた。この溶液をステンレス(SUS304)板上にキャストし70℃のオーブンにて処理した。約30分後にサンプルを取り出しステンレス上のキャスト膜を剥離させ、ガラス基板上に載せさらに130℃で熱処理を5時間行った。作成したフィルムの厚みを測定した所0.25mmであった。このフィルムの機械物性を測定した所破断点伸度は2.9%、ヤング率2.3GPaであった。
参考例1で得られた微細セルロース繊維分散体100質量部を、攪拌羽根を供えたビーカーに入れ70℃に過熱攪拌した。有機オニウム塩としてヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(日本油脂製)に代え6.4質量部を加えた他は同様な操作にて微細修飾セルロース繊維を合成した。この微細修飾セルロース繊維を1.0質量部、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン製、カタログナンバー:828)99質量部、硬化剤としてトリエチレンテトラミン(東京化成製)を11質量加えてフィルムを作成した他は同様な操作にて合成した。作成したフィルムの厚みを測定した所0.24mmであった。このフィルムの機械物性を測定した所破断点伸度は2.8%、ヤング率2.2GPaであった。
エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン製、カタログナンバー:828)90質量部、硬化剤としてトリエチレンテトラミン(東京化成製)を10質量加えてフィルムを作成した他は同様な操作にて合成した。作成したフィルムの厚みを測定した所0.23mmであった。このフィルムの機械物性を測定した所破断点伸度は2.6%、ヤング率1.8GPaであった。
参考例1で得られた微細セルロース繊維分散体を、トリ−n−ブチルヘキサデシルホスホニウムブロミドで処理することを行わないこと以外は実施例1と同様に、濾別、洗浄、乾燥処理を行って得た微細セルロース繊維1.0質量部をエポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン製、カタログナンバー:828)99質量部に加え、ホモジナイザーで分散処理を行ったが、分散処理をやめると急速に微細セルロースが沈殿してしまい、以後の操作において分散体として扱えなかった為、実施例1と同様の操作をして微細セルロース繊維が分散したエポキシ樹脂のフィルムを得ることができなかった。
Claims (3)
- 反応物繊維が、カルボキシ基とアルデヒド基を合計で0.1〜2.2mmol/g(反応物繊維の質量当たり)有する微細セルロース繊維である請求項1記載のエポキシ樹脂コンポジット。
- 請求項1に記載したエポキシ樹脂コンポジットの製造方法であって、天然セルロースを原料とし、溶媒中においてN−オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を作用させることにより該天然セルロースを酸化して反応物繊維を得る酸化反応工程、不純物を除去して溶媒を含浸させた該反応物繊維を得る精製工程、溶媒を含浸させた該反応物繊維を分散媒に分散させ微細セルロース繊維分散体を得る分散工程、該微細セルロース繊維分散体に有機オニウム化合物を加えて処理して微細修飾セルロース繊維を得る有機オニウム処理工程、および該微細修飾セルロース繊維をエポキシ樹脂に加えて硬化処理してエポキシ樹脂コンポジットを得るコンポジット工程を有することを特徴とするエポキシ樹脂コンポジットの製造方法。
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