JP5822596B2 - リグニン樹脂成形材料 - Google Patents
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(1) バイオマスを分解して得られたリグニン誘導体と、架橋剤と、充填剤と、を含み、
前記リグニン誘導体は、数平均分子量が1000未満であり、かつ、その総量中における分子量1000未満のリグニン誘導体の質量比をAとし、分子量1000以上のリグニン誘導体の質量比をBとしたとき、B/(A+B)の百分率が20質量%未満であることを特徴とするリグニン樹脂成形材料。
本発明のリグニン樹脂成形材料は、バイオマスを分解して得られるリグニン誘導体またはこのリグニン誘導体に反応性基を導入したリグニン二次誘導体と、架橋剤と、充填剤と、を含むものである。このリグニン樹脂成形材料を所定の形状に成形し、硬化架橋させることにより、樹脂製品を得ることができる。
まず、リグニン誘導体およびリグニン二次誘導体について説明する。リグニン誘導体は、前述したようにバイオマスを分解して得られるものである。
次いで、架橋剤について説明する。
次いで、充填剤について説明する。
本発明のリグニン樹脂成形材料は、上記の成分以外に、必要に応じて、メトキシナトリウム、t−ブトキシカリウムのようなアルカリ金属塩、酢酸カルシウムのようなアルカリ土類金属塩、Na2O、K2Oのようなアルカリ金属酸化物、CaO、BaOのようなアルカリ土類金属酸化物といった硬化促進剤を含んでいてもよい。
さらには、その他の成分として、後述する添加剤を含んでいてもよい。
タブレットの形状としては、円柱、円錐、円錐台形等が挙げられる。
次に、本発明のリグニン樹脂成形材料を用いて製造される複合構造体の一例としてリグニン樹脂成形体について説明する。
次に、本発明のリグニン樹脂成形材料を製造する方法について説明する。
[1]第1の分解工程
まず、バイオマスを溶媒存在下におく。バイオマスとしては、前述したようなものが挙げられるが、その形状は、特に限定されないものの、ブロック状、チップ状、粉末状等とされる。
次に、第1の分解工程により得られた処理物を濾過により、可溶部と不溶部とを分離する。そして、得られた可溶部を高温高圧下で分解処理する。これにより、第1の分解工程により得られた処理物がより低分子化される。
なお、第2の分解工程は必要に応じて行えばよく、1回の分解工程であってもよい。
次に、第2の分解工程により得られた処理物から非プロトン性極性溶媒を留去する。これにより、非プロトン性極性溶媒の留去による残存物は、水相と不溶分とに分離する。この不溶分がリグニン誘導体である。よって、残存物から不溶分を回収することにより、リグニン誘導体を得ることができる。不溶分の回収には、濾過、加熱脱水、真空脱水等の方法が用いられる。また、この方法では、最終的にリグニン誘導体を固体物として回収することができる。このため、溶液の溶質として回収する場合に比べて回収作業が容易であり、リグニン誘導体の製造効率を飛躍的に高めることを可能にする。
以上のような方法により、高い収率でリグニン誘導体を製造することができる。
製造されたリグニン誘導体に反応性基を導入する方法としては、例えば、リグニン誘導体と反応性基を含む化合物とを混合する方法が用いられる。そして、混合後、必要に応じて触媒等を添加することにより、リグニン誘導体に反応性基が導入される。
以上のようにしてリグニン誘導体およびリグニン二次誘導体を製造することができる。
次いで、リグニン誘導体およびリグニン二次誘導体の少なくとも一方と、架橋剤と、充填剤と、必要に応じて添加されるその他の成分と、を混合機により均一に混合する。これにより、リグニン樹脂成形材料が得られる。また、混合する際には、熱板や、加圧ニーダー、ロール、コニーダー、二軸押し出し機等の混練機等を用い、混合物が硬化する温度未満で加熱溶融混練する。加熱する際の具体的な加熱温度は、選択する組成に応じて若干異なるが、好ましくは50〜130℃程度とされる。前記混合物を冷却したものを粉砕することにより、顆粒状のリグニン樹脂成形材料が得られる。
1.リグニン樹脂成形体の製造
(サンプルNo.1)
<リグニン誘導体の製造>
(第1の分解工程)
スギ木粉(60メッシュアンダー)100gと、純水とアセトンとを1:1の質量比で混合してなる混合溶媒400gとを、1Lオートクレーブに導入し、内容物を300rpmで攪拌しながら、前処理として室温で15分間撹拌を行い、スギ木粉と混合溶媒とを十分になじませた後、200℃、飽和蒸気圧で60分間処理して、スギ木粉を分解した。
第1の分解工程により得られた分解物について濾過により、可溶部と不溶部とを分離した。次いで、得られた可溶部を、連続式の分解処理装置に供することにより、可溶部に分解処理を施した。なお、第2の分解工程における処理条件は、処理温度300℃、処理時間8分、圧力20MPaであった。
第2の分解工程により得られた処理物からアセトンを留去した。そして、残存物について濾過により、可溶部と不溶部とを分離した。その後、不溶部を乾燥させることで、リグニン誘導体を得た。
次に、得られたリグニン誘導体90質量部に、ヘキサメチレンテトラミン10質量部およびシリカ粉末(電気化学社製、平均粒径15μm)200質量部を配合し、熱ロールで90℃5分間混練し、シート状になった混練物を冷却後、粉砕することにより平均3mmの顆粒状のリグニン樹脂成形材料を得た。
次に、上記で得られた顆粒状のリグニン樹脂成形材料をタブレットマシンを用いてφ20mmのタブレットとした。次いで、トランスファー成形により175℃、6.9MPaで5分間成形し、平均厚さ1.6mmの板状の成形体を得た。
バイオマスの種類、分解処理における溶媒、温度、圧力および時間を、表1に示すように変更した以外は、それぞれ、サンプルNo.1の場合と同様にしてリグニン誘導体を得るとともに、板状の成形体を得た。
<リグニン誘導体の製造>
スギ木粉50gを2Lビーカーにとり、p−クレゾールのメタノール溶液(リグニン構成単位当たり3モル倍量のフェノール誘導体を含む。)を加え、ガラス棒で撹拌し、24時間静置した。その後、メタノールを完全に留去して、p−クレゾール収着木粉を得た。この木粉に対して、72質量%硫酸500mlを加え、30℃で1時間激しく撹拌した後、混合物を大過剰の水に投入し、不溶解分を回収、脱酸し、乾燥させてリグニン誘導体を得た。
また、得られたリグニン誘導体の数平均分子量(Mn)を測定し、表2に示した。
次に、得られたリグニン誘導体90質量部に、ヘキサメチレンテトラミン10質量部およびシリカ粉末(電気化学社製、平均粒径15μm)200質量部を配合し、熱ロールで90℃5分間加熱混練することによりリグニン樹脂成形材料を得た。
次に、上記で得られたリグニン樹脂成形材料をトランスファー成形により175℃、6.9MPaで5分間成形した。しかしながら、溶融流動性が不十分で外観良好な成形体を得ることができなかった。
バイオマスの種類を表2に示すように変更した以外は、サンプルNo.14の場合と同様にしてリグニン誘導体を得るとともに、リグニン樹脂成形材料を得た。そして、得られたリグニン樹脂成形材料を用いて加熱加圧成形を行ったが、成形時の溶融流動性が不十分で外観良好な成形体を得ることができなかった。
バイオマスの種類、分解処理における溶媒、温度、圧力および時間を、表2に示すように変更した以外は、それぞれ、サンプルNo.1の場合と同様にしてリグニン誘導体を得るとともに、リグニン樹脂成形材料を得た。板状の成形体を得た。No.16〜19については、成形時の溶融流動性が不十分で外観良好な成形体を得ることができなかった。また、No.20、21については強度が劣っていた。
以下の工程によりリグニン誘導体にエポキシ基を導入し、リグニン二次誘導体を製造し、これを用いて板状のリグニン樹脂成形体を製造するようにした以外は、サンプルNo.1と同様にした。
まず、撹拌機および冷却管を備えた3つ口フラスコに、サンプルNo.1のリグニン誘導体25.0gと、エピクロロヒドリン100gとを導入し、100mmHg(1.3×104Pa)の圧力下で減圧還流しながら、20質量%の濃度の水酸化ナトリウム水溶液2gを30分かけて滴下した。その後、90分間減圧還流状態を保持して反応処理物を得た。
次いで、上記で得られたリグニン二次誘導体20.0g、リグニン誘導体10.0gおよび2−メチルイミダゾール0.3g、シリカ粉末(電気化学社製、平均粒径20μm)80gと、をパウダー混合した後、熱ロールで90℃5分間加熱混練することによりリグニン樹脂成形材料を得た。
次に、上記で得られたリグニン樹脂成形材料をトランスファー成形により175℃、6.9MPaで5分間成形し、平均厚さ1.6mmの板状成形体を得た。
リグニン誘導体の種類、および導入する反応性基の種類を、表3に示すように変更した以外は、それぞれ、サンプルNo.22の場合と同様にしてリグニン二次誘導体を得るとともに、板状成形体を得た。なお、No.25については、成形時の溶融が不十分で板状成形体を形成することができなかった。
2.1 ゲルタイムの評価
各サンプルNo.のリグニン誘導体90gに対してヘキサメチレンテトラミン10gを添加し、この試料についてJIS K 6910に規定の方法に準じて150℃におけるゲルタイム(ゲル化時間)を測定し、その結果を表1、2に示した。
各サンプルNo.のリグニン樹脂成形材料に対してスパイラルフローを測定した。測定にはスパイラルフロー測定用金型を用い、低圧トランスファー成形機にて温度175℃、射出圧6.9MPa、保圧時間300秒の条件でEMMI−1−66に規定の方法に準じてスパイラルフロー(SF)値(単位:cm)を測定した。そして、測定したスパイラルフロー値を以下の評価基準にしたがって評価した。
○:スパイラルフロー値が70cm以上である
×:スパイラルフロー値が70cm未満である
各サンプルNo.のリグニン樹脂成形体について、JIS−C6481に規定の方法に準じて、破断するまでの曲げ試験を行った。そして、試験前寸法に対する試験後寸法の変化の割合(曲げ破断時伸び)を、以下の評価基準に従って評価した。
○:曲げ破断時伸びが1%以上である
×:曲げ破断時伸びが1%未満である
以上、2.2、2.3の評価結果を表1〜3に示す。
Claims (8)
- バイオマスを分解して得られたリグニン誘導体と、架橋剤と、充填剤と、を含み、
前記リグニン誘導体は、数平均分子量が1000未満であり、かつ、その総量中における分子量1000未満のリグニン誘導体の質量比をAとし、分子量1000以上のリグニン誘導体の質量比をBとしたとき、B/(A+B)の百分率が20質量%未満であることを特徴とするリグニン樹脂成形材料。 - 前記リグニン誘導体の総量中において、分子量1000以上3000未満のリグニン誘導体の質量比をB1とし、分子量3000以上のリグニン誘導体の質量比をB2としたとき、B1>B2であり、かつ、B1/(A+B1+B2)の百分率が0.1質量%以上10質量%未満である請求項1に記載のリグニン樹脂成形材料。
- 前記リグニン誘導体は、水酸基に対して芳香環のオルト位およびパラ位の少なくとも一方が無置換である分子構造を有するものである請求項1または2に記載のリグニン樹脂成形材料。
- 前記架橋剤は、ヘキサメチレンテトラミン、および、エポキシ基を2個以上含む化合物、の少なくとも一方を含むものである請求項1ないし3のいずれか1項に記載のリグニン樹脂成形材料。
- 前記充填剤の構成材料は、金属酸化物、金属水酸化物、金属窒化物、ケイ素酸化物、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、木粉、布粉砕粉、およびパルプ粉砕粉のいずれか1種を含むものである請求項1ないし4のいずれか1項に記載のリグニン樹脂成形材料。
- 前記リグニン樹脂成形材料は、タブレット状または顆粒状をなすものである請求項1ないし5のいずれか1項に記載のリグニン樹脂成形材料。
- 前記リグニン誘導体は、バイオマスを分解して得られたリグニン化合物に反応性基が導入されてなる二次誘導体である請求項1ないし6のいずれか1項に記載のリグニン樹脂成形材料。
- 前記反応性基は、エポキシ基である請求項7に記載のリグニン樹脂成形材料。
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