JP5540176B2 - ミクロフィブリル化植物繊維及びその製造方法、並びにそれを用いた成形材料、及び樹脂成形材料の製造方法 - Google Patents
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(1)植物繊維及び水を含む懸濁液を調製する工程、及び
(2)工程(1)により得られる懸濁液、及びビーズをビーズミルに入れ、解繊する工程を有することを特徴とするミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。
(B)アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でハーフエステル化した後に、生成したカルボキシル基の一部、若しくは全てを中和する反応により得られるものである項2に記載のミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。
植物繊維を疎水化変性する疎水化変性反応としては、公知の方法により行うことができるが、酸ハロゲン化物によるエステル化、又は「アルキル、又はアルケニル無水コハク酸」によるハーフエステル化後に、生成したカルボン酸の一部、又は全部を金属水酸化物等のアルカリで中和することが好ましい。
酸ハロゲン化物の使用量は、植物繊維含有材料100重量部に対して0.1〜200重量部程度が好ましく、0.5〜150重量部程度がより好ましく、1〜100重量部がさらに好ましい。
「アルキル、又はアルケニル無水コハク酸」の使用量は、セルロースを含有する植物繊維100重量部に対して、0.1〜1000重量部程度が好ましく、0.5〜500重量部程度がより好ましく、1〜500重量部がさらに好ましい。
ここで、ビーズミル空間容量は、ビーズミルの容積から充填したビーズの体積を引いた値である。パス回数は、処理溶液がビーズミルを通過する回数であり、処理溶液の流量を測定することにより、1 パス当たりの滞留時間が求まる。処理溶液を、複数回、ビーズミルを通過させる場合は、パス回数を積算して滞留時間を算出する。
本発明のミクロフィブリル化植物繊維及び樹脂を含む成形材料は、通常の樹脂組成物の成形方法と同様な方法、例えば金型成形、射出成形、押出し成形、中空成形、発泡成形等を採用することができる。特に射出成形後においても弾性率の異方性が小さいため、強度の高い樹脂成形物を得ることができる。成形の条件は樹脂の成形条件を必要に応じて適宜調整して適用すればよい。
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)(リファイナー処理済み、王子製紙(株)製、固形分25%)を600g、水19.94kg添加し、水懸濁液を調製した(パルプスラリー濃度0.75重量%の水懸濁液)。得られたスラリーをビーズミル(NVM−2、アイメックス(株)製)で以下の条件下で機械的解繊処理を行った。
[解繊条件]
ビーズ:ジルコニアビーズ(直径:1mm)
ベッセル容量: 2リットル
ビーズ充填量: 1216ml(4621g)
回転数: 2000rpm
ベッセル温度: 20℃
滞留時間: 1分
得られたミクロフィブリル化植物繊維をブタノール溶液で3回洗浄した後、窒素ガス吸着法により、比表面積を求めた。その結果、比表面積は133.41m2/gであった。得られたミクロフィブリル化植物繊維の100倍の写真を図1に示す。
<オクタノイル化処理された植物繊維の調製>
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP、濃度50%)を300g、オクタノイルクロライド(関東化学(株)製)75g、水酸化ナトリウム20%水溶液111.12g、及び4−ジメチルアミノピリジン(関東化学(株)製)11.3gをミキサーにて混合し、二軸押出機(テクノベル製:スクリュー直径:15mm)に投入し、薬品とパルプの混合を行った。回転数は400/分、解繊速度は150g/時、バレル温度は30℃に調節して行った。得られた混合物を洗浄ろ過してグルコース単位の一部がオクタノイル化された植物繊維が得られた。置換度を測定した結果、0.15であった。
{使用したオクタノイル化NBKPの量}/(162.14+126×X)=A/X
式中、Xは置換度を表し、Aは、オクタノイル基のモル数を表し、126はオクタノイル基の分子量を表す。
前記<疎水化処理された植物繊維の調製>で得られたオクタノイル化された植物繊維を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって、オクタノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維を得た。
<ヘキサノイル化処理された植物繊維の調製>
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP、濃度50%)を400g、ヘキサノイルクロライド(関東化学(株)製)83.04g、水酸化ナトリウム20%水溶液135.74g、及び4−ジメチルアミノピリジン(関東化学(株)製)15gをミキサーにて混合し、二軸押出し機(テクノベル製:スクリュー直径:15mm)に投入し、薬品とパルプの混合を行った。回転数は400/分、解繊速度は160g/時、バレル温度は30℃に調節して行った。得られた混合物を洗浄ろ過してグルコース単位の一部がヘキサノイル化された植物繊維が得られた。置換度を測定した結果、0.08であった。
{使用したヘキサノイル化NBKPの量}/(162.14+98×X)=A/X
式中、Xは置換度を表し、Aはヘキサノイル基のモル数を表し、98はヘキサノイル基の分子量を表す。
前記<ヘキサノイル化処理された植物繊維の調製>で得られたヘキサノイル化された植物繊維を用いた以外は、実施例1と同様の方法によって、ヘキサノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維を得た。得られたヘキサノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維について、実施例1と同様の方法により、比表面積を求めた。その結果、比表面積は103.07m2/gであった。得られたミクロフィブリル化植物繊維の100倍の写真を図3に示す。
<ASA−C8化処理されたミクロフィブリル化植物繊維の調製>
針葉樹漂白パルプ(NBKP)(リファイナー処理済み、王子製紙(株)製、固形分20%)500gにアルケニル無水コハク酸(ASA−C8タイプ、星光PMC(株)製「T−NS136」)を130g、ジメチルアミノピリジン7.54g加え、卓上型ミキサー(商品名:KM-800,(株)愛工舎製作所製)で5分間攪拌した。次いで、混合物を二軸押出し機(テクノベル製:スクリュー直径:15mm、回転数200rpm)で105℃で1パス、120℃で2パスさせた。
<ASA−C16化処理されたミクロフィブリル化植物繊維の調製>
針葉樹漂白パルプ(NBKP)(リファイナー処理済み、王子製紙(株)製、固形分20%)35gにC16タイプのアルケニル無水コハク酸(ASA−C16タイプ、星光PMC(株)製「T−NS135」)を14g、ジメチルアミノピリジンを0.5gの混合物をラボプラストミル(東洋精機製)に投入し、120℃で1時間混合した。混合後、実施例4と同様にアセトン洗浄等の後処理を行い、ASA−C16化処理された植物繊維を得た。実施例4と同様に逆滴定法で得た滴定値よりしてASA−C16化処理された植物繊維の置換度を算出した。その結果、置換度は0.12であった。
ビーズ:ジルコニアビーズ(直径:1mm)
ベッセル容量: 800ml
ビーズ充填量: 300ml(1140g)
回転数: 2000rpm
ベッセル温度: 20℃
処理時間: 60分
得られたASA−C16化ミクロフィブリル化植物繊維の比表面積を実施例1と同様の方法で測定した。その結果、比表面積は93.2m2/gであった。得られたミクロフィブリル化植物繊維の100倍の写真を図5に示す。
高圧ホモジェナイザーによって処理されたミクロフィブリル化植物繊維(ダイセル化学工業(株)製:商品名「セリッシュKY100G」)について、実施例1と同様の方法により、比表面積を求めた。その結果、比表面積は72.972m2/gであった。得られたミクロフィブリル化植物繊維の100倍の写真を図6に示す。
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)のスラリー(パルプスラリー濃度2重量%の水懸濁液)をシングルディスクリファイナー(熊谷理機工業(株)製)に通液させ、カナディアンスタンダードフリーネス(CSF)値が100mL以下になるまで、繰返しリファイナー処理により解繊を行った。
得られたミクロフィブリル化植物繊維の100倍の写真を図7に示す。
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)のスラリー(パルプスラリー濃度2重量%の水懸濁液)をシングルディスクリファイナー(熊谷理機工業(株)製)に通液させ、カナディアンスタンダードフリーネス(CSF)値が100mL以下になるまで、繰返しリファイナー処理を行った。次に、得られたスラリーを遠心脱水機((株)コクサン製)を用いて2000rpm、15分の条件で脱液し、パルプ濃度を25重量%にまで濃縮した。得られた含水パルプを二軸押出し機(テクノベル社製のKZW)に投入し、解繊処理を行った。二軸押出し機による解繊条件は以下の通りである。
スクリュー直径: 15mm
スクリュー回転数: 2000rpm(スクリュー周速:94.2m/分)
解繊時間: 150gのNBKPを500g/hr〜600g/hrの処理条件で解繊
原料を投入してからミクロフィブリル化植物繊維が得られるまでの時間:15分間
L/D: 45
解繊処理に供した回数: 4回(4パス)
せき止め構造: 0個。
実施例1〜5のビーズミルにより解繊したミクロフィブリル化植物繊維は、高圧ホモジェナイザーによって処理されたミクロフィブリル化植物繊維(比較例1)、及びリファイナー処理したNBKP(比較例2)と比較して、比表面積が飛躍的に向上することがわかる。また図1〜図5のミクロフィブリル化植物繊維は粗大繊維がなく、また繊維が短いのに対し、図6〜図8のセルロース繊維は、繊維長の長い粗大繊維が多く観察される。このことから、ビーズミルにより解繊したミクロフィブリル化植物繊維は、高比表面積で繊維径が細く、かつ粗大繊維がない繊維であり、樹脂成形材料用に用いられるミクロフィブリル化植物繊維として有用であるということがいえる。
実施例6
実施例1で得られたビーズミルによって解繊されたミクロフィブリル化植物繊維スラリーをろ過して固形分が25%となるように濃縮した。
実施例6と同様にして、実施例2で製造したオクタノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維を用いて、平板型のPPコンパウンド成形物を得た。(PPコンパウンド中の成分の固形分比(質量比)は次の通りである。オクタノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維: PP:MAPP:TND106=20:60:8:6)。得られた成形物から実施例6と同様にMD方向、TD方向にサンプルを切り出し、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。得られた樹脂複合体中のMD方向、TD方向のサンプルの曲げ弾性率及び曲げ強度、並びに曲げ弾性率及び曲げ強度のMD/TD比(異方性)を表1に示す。
実施例6と同様にして、実施例3で製造したヘキサノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維を用いて、平板型のPPコンパウンド成形物を得た。(PPコンパウンド中の成分の固形分比(質量比)は次の通りである。ヘキサノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維: PP:MAPP:TND106=20:60:8:6)。得られた成形物から実施例6と同様にMD方向、TD方向にサンプルを切り出し、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。得られた樹脂複合体中のMD方向、TD方向のサンプルの曲げ弾性率及び曲げ強度、並びに曲げ弾性率及び曲げ強度のMD/TD比(異方性)を表1に示す。
実施例6と同様にして、比較例1のミクロフィブリル化植物繊維を用いて、平板型のPPコンパウンド成形物を得た。(PPコンパウンド中の成分の固形分比(質量比)は次の通りである。オクタノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維:PP:MAPP:TND106=20:70.6:5.4:4)。得られた成形物から実施例6と同様にMD方向、TD方向にサンプルを切り出し、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。得られた樹脂複合体中のMD方向、TD方向のサンプルの曲げ弾性率及び曲げ強度、並びに曲げ弾性率及び曲げ強度のMD/TD比(異方性)を表1に示す。
実施例6と同様にして、比較例2のミクロフィブリル化植物繊維を用いて、平板型のPPコンパウンド成形物を得た。(PPコンパウンド中の成分の固形分比(質量比)は次の通りである。オクタノイル変性ミクロフィブリル化植物繊維: PP:MAPP:TND106=20:70.6:5.4:4)。得られた成形物から実施例6と同様にMD方向、TD方向にサンプルを切り出し、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。得られた樹脂複合体中のMD方向、TD方向のサンプルの曲げ弾性率及び曲げ強度、並びに曲げ弾性率及び曲げ強度のMD/TD比(異方性)を表1に示す。
実施例6と同様にして、実施例2で用いたビーズミルによるミクロフィブリル化前のオクタノイル変性された植物繊維を用いて、平板型のPPコンパウンド成形物を得た。ミクロフィブリル化前のオクタノイル変性された植物繊維の100倍の写真を図9に示す。
セルロース繊維を40%配合したPPコンパウンド(ダイセルポリマー(株)製:商品名:PG084)を用いて、平板型のPPコンパウンド成形物を得た。得られた成形物から実施例6と同様にMD方向、TD方向にサンプルを切り出し、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。得られた樹脂複合体中のMD方向、TD方向のサンプルの曲げ弾性率及び曲げ強度、並びに曲げ弾性率及び曲げ強度のMD/TD比(異方性)を表1に示す。
表1から明らかなように、実施例6〜8では弾性率の異方性が比較例4〜7に比べて低く、成形材料として優れている事がわかる。
実施例9
実施例1で得られたミクロフィブリル化植物繊維スラリーをろ過してミクロフィブリル化植物繊維のウェットウェブを得た。このウェットウェブをエタノール浴に1時間浸漬させた後、110℃、圧力0.003MPaで10分間加熱圧縮し、ミクロフィブリル化植物繊維の嵩高シートを得た。なお、ろ過条件は、ろ過面積:約200cm2、減圧度:−30kPa、ろ紙:アドバンテック東洋(株)製の5Aとした。
実施例2〜5、又は比較例3で得られたミクロフィブリル化植物繊維を用いた以外は実施例9と同様にしてミクロフィブリル化植物繊維の不飽和ポリエステル複合体の成形物を得た。この成形物から実施例9と同様にして樹脂含有率(重量%)を算出すると共に、曲げ強度測定を行った。得られた樹脂成形物中の樹脂含有割合、曲げ弾性率及び曲げ強度を表2に示す。
ビーズミルによる解繊処理を行わず、実施例2で作製したビーズミル処理前のオクタノイル化植物繊維を用いた以外は実施例9と同様にして植物繊維の不飽和ポリエステル複合体の成形物を得た。この成形物から実施例9と同様にして樹脂含有率(重量%)を算出すると共に、曲げ強度測定を行った。得られた樹脂成形物中の樹脂含有割合、曲げ弾性率及び曲げ強度を表2に示す。
不飽和ポリエステル樹脂(ディーエイチ・マテリアル(株)製「サンドマーFG283」)100重量部にベンゾイルパーオキサイド(日油(株)製「ナイパーFF」)1重量部を加えた樹脂液を成形物の厚さが約1mmとなるよう金型に入れ、加熱プレス(温度:90℃、時間:30分)を行って不飽和ポリエステル樹脂成形物を得た。
この成形物から実施例9と同様にして曲げ強度測定を行った。得られた樹脂成形物中の樹脂含有割合、曲げ弾性率及び曲げ強度を表2に示す。
実施例9〜13と比較例10との比較で明らかなように、ミクロフィブリル化植物繊維と不飽和ポリエステル複合体の成形物は、不飽和ポリエステル樹脂から得られた成形物と比較し、ミクロフィブリル化植物繊維による補強効果により成形物の大幅に曲げ強度、弾性率が向上している。
Claims (11)
- ミクロフィブリル化植物繊維の製造方法において、
(1)植物繊維及び水を含む懸濁液を調製する工程、及び
(2)工程(1)により得られる懸濁液、及びビーズをビーズミルに入れ、解繊する工程を有し、
該植物繊維が、(A)酸ハロゲン化物によるエステル化反応、又は(B)アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でハーフエステル化した後に、生成したカルボキシル基の一部、若しくは全てを中和する反応により得られる疎水化変性植物繊維である、
ことを特徴とするミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。 - ビーズがアルミナ、ジルコニア又はシリカ系セラミックビーズであり、かつその粒径が、0.1〜2mmである請求項1に記載のミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。
- ミクロフィブリル化植物繊維の比表面積が70〜200m 2 /gである請求項1又は2に記載のミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法により得られるミクロフィブリル化植物繊維と樹脂とを複合化する工程を含む樹脂成形材料の製造方法。
- ミクロフィブリル化植物繊維がシート状であって、熱硬化性樹脂を含む溶液中に含浸させる工程を含む請求項4に記載の樹脂成形材料の製造方法。
- ミクロフィブリル化植物繊維の製造方法において、
(1)(A)植物繊維を酸ハロゲン化物によりエステル化する反応、又は(B)植物繊維をアルキル若しくはアルケニル無水コハク酸によりハーフエステル化した後に、生成したカルボン酸の一部若しくは全部を中和する反応により、植物繊維を疎水化変性する工程、(2)工程(1)により得られる疎水化変性植物繊維、及び水を含む懸濁液を調製する工程、並びに
(3)工程(2)により得られる懸濁液、及びビーズをビーズミルに入れ、解繊する工程を有することを特徴とるミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。 - 前記植物繊維をアルキル若しくはアルケニル無水コハク酸によりハーフエステル化する反応が、(B1)含水の植物繊維に液状の疎水基を含む環状酸無水物を加え、攪拌しながら加熱し脱水させ、(B2)液状のアルキル若しくはアルケニル無水コハク酸中に植物繊維を分散させつつ、植物繊維と疎水基を含む環状酸無水物との反応を進行させる反応である、請求項6に記載のミクロフィブリル化植物繊維の製造方法。
- 比表面積が70〜200m 2 /gであり、下記製造方法により得られるミクロフィブリル化植物繊維:
ミクロフィブリル化植物繊維の製造方法において、
(1)植物繊維及び水を含む懸濁液を調製する工程、及び
(2)工程(1)により得られる懸濁液、及びビーズをビーズミルに入れ、解繊する工程を有し、
該植物繊維が(A)酸ハロゲン化物によるエステル化反応、又は(B)アルキル、若しくはアルケニル無水コハク酸でハーフエステル化した後に、生成したカルボキシル基の一部、若しくは全てを中和する反応により得られる疎水化変性植物繊維であり、
該ビーズがジルコニアビーズ又はジルコニア・シリカ系セラミックビーズであり、
該ビーズの粒径が0.1〜3mmであり、
該ビーズミルによる植物繊維の解繊における解繊温度が0〜80℃であり、
該ビーズミルによる植物解繊の滞留時間が30秒〜20分である、製造方法。 - 請求項8に記載のミクロフィブリル化植物繊維と樹脂を含む樹脂成形材料。
- 前記樹脂が熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である請求項9に記載の樹脂成形材料。
- 請求項9又は10に記載の樹脂成形材料を硬化してなる成形物。
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