JP5976249B1 - Water dispersion and coating material - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明によれば、貯蔵安定性が良好であり、かつ得られる皮膜の物性、耐溶剤性および変色性が良好な水分散体が得られる。【解決手段】下記条件を満たすことを特徴とするセルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の水分散体であって、少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液と前記セルロースナノファイバー(A)の水分散体を混合し、さらにウレタンプレポリマー(b)を鎖伸張してポリウレタン樹脂(B)とすることにより得られる水分散体。(A−1)数平均繊維径が2nm以上500nm以下(A−2)平均アスペクト比が50以上1000以下(A−3)セルロースI型結晶構造を有する(A−4)アニオン性官能基を用いる。【選択図】 なしPROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an aqueous dispersion having good storage stability and good physical properties, solvent resistance and discoloration of the resulting film. An aqueous dispersion of cellulose nanofibers (A) and a polyurethane resin (B) satisfying the following conditions, comprising at least a urethane prepolymer (b) solution and the cellulose nanofibers (A) An aqueous dispersion obtained by mixing an aqueous dispersion of the above and further subjecting the urethane prepolymer (b) to chain extension to obtain a polyurethane resin (B). (A-1) Number average fiber diameter of 2 nm to 500 nm (A-2) Average aspect ratio of 50 to 1000 (A-3) Cellulose I-type crystal structure (A-4) Anionic functional group is used . [Selection figure] None

Description

本発明は、水分散体およびコーティング材に関する。   The present invention relates to an aqueous dispersion and a coating material.

近年、環境対応型の素材として、生分解性を有する近年、環境対応型の素材として、生分解性を有するバイオマス原料が注目されている。これらの内、バイオマス原料を微細繊維状とした材料が特に注目されており、中でもセルロースナノファイバーは、結晶性が高いことから、樹脂のフィラー材料としての応用展開が期待されている。また、水系のポリウレタン樹脂についても、環境対応型の素材として幅広く用いられている。(特許文献1)。   In recent years, biodegradable biomass raw materials have attracted attention as environmentally friendly materials in recent years, which have biodegradable properties as environmentally friendly materials. Among these, materials in which the biomass raw material is in the form of fine fibers have attracted particular attention. Among them, cellulose nanofibers are expected to be applied as resin filler materials because of their high crystallinity. Water-based polyurethane resins are also widely used as environmentally friendly materials. (Patent Document 1).

特許5733761号公報Japanese Patent No. 5733761

しかしながら、特許文献樹脂組成物では、必ずしも皮膜の強度が十分ではない場合もあった。そこで、本発明は、これらの課題を解決する水分散体を提供することを目的とする。   However, in the patent document resin composition, the strength of the film is not always sufficient. Then, this invention aims at providing the water dispersion which solves these subjects.

上記課題を解決すべく、本発明は、
(1) 下記条件を満たすことを特徴とするセルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の水分散体であって、
少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液と前記セルロースナノファイバー(A)の水分散体を混合した後
さらにウレタンプレポリマー(b)を鎖伸張してポリウレタン樹脂(B)とすることにより得られる水分散体、
(A−1)数平均繊維径が2nm以上500nm以下
(A−2)平均アスペクト比が50以上1000以下
(A−3)セルロースI型結晶構造を有する
(A−4)アニオン性官能基
(2) セルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の混合比(固形分重量比)が、0.1/100〜5/100である(1)記載の水分散体、
(3) 少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液とセルロースナノファイバー(A)の水分散体を混合する工程と、
その後、ウレタンプレポリマーを鎖伸張し、ポリウレタン樹脂(B)とする工程、を有する
セルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の水分散体の製造方法、
(4) (1)または(2)記載の水分散体を含有するコーティング材。
に関する。
In order to solve the above problems, the present invention provides:
(1) An aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A) and polyurethane resin (B) characterized by satisfying the following conditions,
At least after mixing the urethane prepolymer (b) solution and the aqueous dispersion of the cellulose nanofiber (A),
Furthermore, an aqueous dispersion obtained by chain-extending the urethane prepolymer (b) to obtain a polyurethane resin (B),
(A-1) Number average fiber diameter of 2 nm to 500 nm (A-2) Average aspect ratio of 50 to 1000 (A-3) Cellulose I-type crystal structure (A-4) Anionic functional group (2 The aqueous dispersion according to (1), wherein the mixing ratio (solid weight ratio) of the cellulose nanofiber (A) and the polyurethane resin (B) is 0.1 / 100 to 5/100,
(3) At least a step of mixing the urethane prepolymer (b) solution and the aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A);
Thereafter, a method of producing an aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A) and polyurethane resin (B) having a step of extending a urethane prepolymer to form a polyurethane resin (B),
(4) A coating material containing the aqueous dispersion described in (1) or (2).
About.

本発明によれば、貯蔵安定性が良好であり、かつ得られる皮膜の物性、耐溶剤性および変色性が良好な水分散体が得られる。   According to the present invention, an aqueous dispersion having good storage stability and good physical properties, solvent resistance and discoloration of the resulting film can be obtained.

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本実施形態の水分散体は、(A)および(B)を含有する。下記条件を満たすことを特徴とするセルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の水分散体であって、少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液と前記セルロースナノファイバー(A)の水分散体を混合し、さらにウレタンプレポリマー(b)を鎖伸張してポリウレタン樹脂(B)とすることにより得られる水分散体である。
(A−1)数平均繊維径が2nm以上500nm以下
(A−2)平均アスペクト比が50以上1000以下
(A−3)セルロースI型結晶構造を有する
(A−4)アニオン性官能基
The aqueous dispersion of this embodiment contains (A) and (B). An aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A) and polyurethane resin (B) characterized by satisfying the following conditions, at least an aqueous dispersion of urethane prepolymer (b) solution and cellulose nanofiber (A) And a urethane prepolymer (b) is chain-extended to form a polyurethane resin (B).
(A-1) Number average fiber diameter of 2 nm to 500 nm (A-2) Average aspect ratio of 50 to 1000 (A-3) Cellulose I-type crystal structure (A-4) Anionic functional group

<セルロースナノファイバー(A)>
(A−1)数平均繊維径
上記セルロースナノファイバーの数平均繊維径は2nm以上500nm以下であるが、好ましくは2nm以上150nm以下であり、より好ましくは2nm以上100nm以下であり、特に好ましくは2nm以上80nm以下である。上記数平均繊維径が2nm未満であると、セルロースナノファイバーが溶解することにより、皮膜にした際の弾性率が低下するおそれがあり、上記数平均繊維径が500nmを超える場合、皮膜にした際のセルロースナノファイバー同士のネットワーク形成が困難となり、皮膜物性が低下するおそれがある。
<Cellulose nanofiber (A)>
(A-1) Number average fiber diameter The cellulose nanofiber has a number average fiber diameter of 2 nm to 500 nm, preferably 2 nm to 150 nm, more preferably 2 nm to 100 nm, and particularly preferably 2 nm. More than 80 nm. If the number average fiber diameter is less than 2 nm, the elastic modulus of the film may decrease due to dissolution of cellulose nanofibers. When the number average fiber diameter exceeds 500 nm, the film is formed into a film. It becomes difficult to form a network of cellulose nanofibers, and the physical properties of the film may be reduced.

上記セルロースナノファイバーの最大繊維径は、セルロースナノファイバーの分散性の点で、1000nm以下であることが好ましく、特に好ましくは500nm以下である。上記セルロースナノファイバーの数平均繊維径および最大繊維径は、例えば、つぎのようにして測定することができる。すなわち、固形分率で0.05〜0.1重量%の微細セルロースの水分散体を調製し、その分散体を、親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストして、透過型電子顕微鏡(TEM)の観察用試料とする。なお、大きな繊維径の繊維を含む場合には、ガラス上へキャストした表面の走査型電子顕微鏡(SEM)像を観察してもよい。そして、構成する繊維の大きさに応じて5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。その際に、得られた画像内に縦横任意の画像幅の軸を想定し、その軸に対し、20本以上の繊維が交差するよう、試料および観察条件(倍率等)を調節する。そして、この条件を満たす観察画像を得た後、この画像に対し、1枚の画像当たり縦横2本ずつの無作為な軸を引き、軸に交錯する繊維の繊維径を目視で読み取っていく。このようにして、最低3枚の重複しない表面部分の画像を、電子顕微鏡で撮影し、各々2つの軸に交錯する繊維の繊維径の値を読み取る(したがって、最低20本×2×3=120本の繊維径の情報が得られる)。このようにして得られた繊維径のデータにより、最大繊維径および数平均繊維径を算出する。   The maximum fiber diameter of the cellulose nanofiber is preferably 1000 nm or less, particularly preferably 500 nm or less, from the viewpoint of dispersibility of the cellulose nanofiber. The number average fiber diameter and the maximum fiber diameter of the cellulose nanofiber can be measured, for example, as follows. That is, an aqueous dispersion of fine cellulose having a solid content of 0.05 to 0.1% by weight was prepared, and the dispersion was cast on a carbon film-coated grid that had been subjected to a hydrophilization treatment. (TEM) observation sample. In addition, when the fiber of a big fiber diameter is included, you may observe the scanning electron microscope (SEM) image of the surface cast on glass. Then, observation with an electron microscope image is performed at a magnification of 5000 times, 10000 times, or 50000 times depending on the size of the constituent fibers. At that time, an axis having an arbitrary vertical and horizontal image width is assumed in the obtained image, and the sample and observation conditions (magnification, etc.) are adjusted so that 20 or more fibers intersect the axis. Then, after obtaining an observation image that satisfies this condition, two random axes, vertical and horizontal, per image are drawn on this image, and the fiber diameter of the fiber that intersects the axis is visually read. In this way, images of at least three non-overlapping surface portions are taken with an electron microscope, and the fiber diameter values of the fibers intersecting with each of the two axes are read (thus, at least 20 × 2 × 3 = 120). Information on the fiber diameter of the book is obtained). The maximum fiber diameter and the number average fiber diameter are calculated from the fiber diameter data thus obtained.

(A−2)平均アスペクト比
上記セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は50以上1000以下であるが、好ましくは100以上1000以下より好ましくは200以上1000以下である。平均アスペクト比が50未満であると皮膜にした際の皮膜物性が低下するおそれがある。
(A-2) Average aspect ratio Although the average aspect-ratio of the said cellulose nanofiber is 50-1000, Preferably it is 100-1000, More preferably, it is 200-1000. If the average aspect ratio is less than 50, the physical properties of the film may be deteriorated.

上記セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、例えば以下の方法で測定することが出来る、すなわち、セルロースナノファイバーを親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストした後、2%ウラニルアセテートでネガティブ染色したTEM像(倍率:10000倍)から、セルロースナノファイバーの数平均繊維径、および繊維長を観察した。すなわち、各先に述べた方法に従い、数平均繊維径、および繊維長を算出し、これらの値を用いて平均アスペクト比を下記の式に従い算出した。
平均アスペクト比=数平均繊維長(nm)/数平均繊維径(nm)
The average aspect ratio of the cellulose nanofiber can be measured, for example, by the following method, that is, the cellulose nanofiber is cast on a carbon film-coated grid that has been hydrophilized and then negatively stained with 2% uranyl acetate. From the TEM image (magnification: 10,000 times), the number average fiber diameter and the fiber length of the cellulose nanofiber were observed. That is, the number average fiber diameter and fiber length were calculated according to the methods described above, and the average aspect ratio was calculated according to the following formula using these values.
Average aspect ratio = number average fiber length (nm) / number average fiber diameter (nm)

(A−3)セルロースI型結晶構造
上記セルロースナノファイバーは、I型結晶構造を有する天然由来のセルロース原料を微細化した繊維である。すなわち、天然セルロースの生合成の過程においては、ほぼ例外なくミクロフィブリルと呼ばれるナノファイバーがまず形成され、これらが多束化して高次な固体構造を構成する。上記セルロースナノファイバーを構成するセルロースがI型結晶構造を有することは、例えば、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2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。
(A-3) Cellulose I-type crystal structure The cellulose nanofiber is a fiber obtained by refining a naturally-derived cellulose raw material having an I-type crystal structure. That is, in the process of biosynthesis of natural cellulose, nanofibers called microfibrils are first formed almost without exception, and these form a multi-bundle to form a higher order solid structure. The cellulose constituting the cellulose nanofiber has an I-type crystal structure, for example, in the diffraction profile obtained by wide-angle X-ray diffraction image measurement, in the vicinity of 2 theta = 14-17 ° and 2 theta = 22-23 °. It can be identified by having typical peaks at two nearby positions.

(A−4)アニオン性官能基
上記セルロースナノファイバーはアニオン性官能基を有する。
(A-4) Anionic functional group The cellulose nanofiber has an anionic functional group.

本発明のアニオン性官能基としては特に制限されないが具体的には、カルボキシル基、
ホスホニウム基、スルホニウム基が挙げられるが、これらの内、セルロースへのアニオン性官能基の導入の容易さという理由からカルボキシル基が好ましい。
Although it does not restrict | limit especially as an anionic functional group of this invention, Specifically, a carboxyl group,
A phosphonium group and a sulfonium group are exemplified, and among these, a carboxyl group is preferred because of the ease of introduction of an anionic functional group into cellulose.

セルロースにカルボキシルを導入する方法としては、セルロースの水酸基にカルボキシル基を有する化合物、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物およびそれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種を反応させる方法、セルロースの水酸基を酸化する事によりカルボキル基に変換する方法が挙げられる。   As a method of introducing carboxyl into cellulose, a method of reacting at least one selected from the group consisting of a compound having a carboxyl group at the hydroxyl group of cellulose, an acid anhydride of a compound having a carboxyl group and derivatives thereof, a hydroxyl group of cellulose The method of converting into a carboalkyl group by oxidizing is mentioned.

上記カルボキシル基を有する化合物としては特に限定されないが、具体的にはハロゲン化酢酸が挙げられ、ハロゲン化酢酸としては、クロロ酢酸、ブロモ酢酸、ヨード酢酸等が挙げられる。   Although it does not specifically limit as a compound which has the said carboxyl group, Specifically, a halogenated acetic acid is mentioned, As a halogenated acetic acid, chloroacetic acid, bromoacetic acid, iodoacetic acid etc. are mentioned.

上記カルボキシル基を有する化合物の酸無水物としては特に限定されないが、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水イタコン酸等のジカルボン酸化合物の酸無水物が挙げられる。   The acid anhydride of the compound having a carboxyl group is not particularly limited, but acid anhydrides of dicarboxylic acid compounds such as maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, glutaric anhydride, adipic anhydride, itaconic anhydride, and the like. Can be mentioned.

上記カルボキシル基を有する化合物の誘導体としては特に限定されないが、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物のイミド化物、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の誘導体が挙げられる。   Although it does not specifically limit as a derivative | guide_body of the compound which has the said carboxyl group, The derivative of the acid anhydride of the compound which has a carboxyl group and the acid anhydride imidation of a compound which has a carboxyl group is mentioned.

カルボキシル基を有する化合物の酸無水物のイミド化物としては特に限定されないが、マレイミド、コハク酸イミド、フタル酸イミド等のジカルボン酸化合物のイミド化物が挙げられる。   Although it does not specifically limit as an acid anhydride imidation thing of a compound which has a carboxyl group, Imidation thing of dicarboxylic acid compounds, such as maleimide, succinic acid imide, and phthalic acid imide, is mentioned.

カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の誘導体としては特に限定されないが、ジメチルマレイン酸無水物、ジエチルマレイン酸無水物、ジフェニルマレイン酸無水物等の、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の少なくとも一部の水素原子が置換基(例えば、アルキル基、フェニル基等)で置換されたものが挙げられる。   The acid anhydride derivative of the compound having a carboxyl group is not particularly limited. And those in which part of the hydrogen atoms are substituted with a substituent (eg, an alkyl group, a phenyl group, etc.).

上記セルロースの水酸基を酸化する方法としては特に制限されないが具体的には、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方法が挙げられる。
本発明において、セルロースにカルボキシル基を導入する方法としては、繊維表面の水酸基の選択性に優れており、反応条件も穏やかであることから、セルロースの水酸基を酸化する方法が好ましい。以下、水酸基の酸化によりカルボキシル基が導入されたセルロースを酸化セルロースという。
The method for oxidizing the hydroxyl group of the cellulose is not particularly limited, and specifically, a method in which an N-oxyl compound is used as an oxidation catalyst and a cooxidant is allowed to act.
In the present invention, as a method for introducing a carboxyl group into cellulose, a method of oxidizing the hydroxyl group of cellulose is preferable because of excellent hydroxyl group selectivity on the fiber surface and mild reaction conditions. Hereinafter, cellulose having a carboxyl group introduced by oxidation of a hydroxyl group is referred to as oxidized cellulose.

上記酸化セルロースは、天然セルロースを原料とし、水中において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、不純物を除去して水を含浸させた反応物繊維を得る精製工程、および水を含浸させた反応物繊維を溶媒に分散させる分散工程を含む製造方法により得ることができる。
The oxidized cellulose uses natural cellulose as a raw material, uses an N-oxyl compound as an oxidation catalyst in water, and reacts with a co-oxidant to oxidize the natural cellulose to obtain reactant fibers, removing impurities. Thus, it can be obtained by a production method including a purification step of obtaining a reactant fiber impregnated with water and a dispersion step of dispersing the reactant fiber impregnated with water in a solvent.

本発明のセルロースナノファイバーのセルロース分子中の各グルコースユニットのC6位の水酸基が選択的に酸化変性されてアルデヒド基、またはカルボキシル基のいずれかとなっていることが好ましい。カルボキシル基の含量(カルボキシル基量)はセルロースナノファイバーを皮膜にした際の弾性率と耐水性向上の点から0.5mmol/g以上2.5mmol/g以下の範囲が好ましく、より好ましくは1.5mmol/g以上2.0mmol/g以下の範囲である。   It is preferable that the hydroxyl group at the C6 position of each glucose unit in the cellulose molecule of the cellulose nanofiber of the present invention is selectively oxidized and modified to be either an aldehyde group or a carboxyl group. The carboxyl group content (carboxyl group amount) is preferably in the range of 0.5 mmol / g or more and 2.5 mmol / g or less from the viewpoint of improving the elastic modulus and water resistance when cellulose nanofibers are formed into a film. The range is from 5 mmol / g to 2.0 mmol / g.

上記酸化セルロースのカルボキシル基量の測定は、例えば、乾燥重量を精秤したセルロース試料から0.5〜1重量%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、0.05M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水酸化ナトリウム量(V)から、下記の式に従いカルボキシル基量を求めることができる。
カルボキシル基量(mmol/g)=V(ml)×[0.05/セルロース重量]
なお、カルボキシル基量の調整は、後述するように、セルロースナノファイバーの酸化工程で用いる共酸化剤の添加量や反応時間を制御することにより行うことができる。
The measurement of the carboxyl group amount of the oxidized cellulose is, for example, preparing 60 ml of a 0.5 to 1% by weight slurry from a precisely weighed dry sample and adjusting the pH to about 2.5 with a 0.1 M aqueous hydrochloric acid solution. Then, 0.05M sodium hydroxide aqueous solution is dripped and electrical conductivity measurement is performed. The measurement is continued until the pH is about 11. The amount of carboxyl groups can be determined from the amount of sodium hydroxide consumed in the neutralization step of the weak acid with a slow change in electrical conductivity (V) according to the following formula.
Amount of carboxyl groups (mmol / g) = V (ml) × [0.05 / cellulose weight]
In addition, adjustment of a carboxyl group amount can be performed by controlling the addition amount and reaction time of the co-oxidant used at the oxidation process of a cellulose nanofiber so that it may mention later.

上記酸化セルロースは、上記酸化変性後、還元剤により還元させることが好ましい。これにより、アルデヒド基およびケトン基の一部ないし全部が還元され、水酸基に戻る。なお、カルボキシル基は還元されない。そして、上記還元により、上記セルロースナノファイバーの、セミカルバジド法による測定でのアルデヒド基とケトン基の合計含量を、0.3mmol/g以下とすることが好ましく、特に好ましくは0〜0.1mmol/gの範囲、最も好ましくは実質的に0mmol/gである。これにより、セルロースナノファイバーの分子量低下が抑制され、皮膜の高湿度下での高い耐水性および高弾性率を長期間維持することができる。   The oxidized cellulose is preferably reduced with a reducing agent after the oxidative modification. As a result, part or all of the aldehyde group and the ketone group are reduced to return to the hydroxyl group. Note that the carboxyl group is not reduced. And by the said reduction | restoration, it is preferable that the total content of the aldehyde group and the ketone group by the measurement by the semicarbazide method of the said cellulose nanofiber shall be 0.3 mmol / g or less, Most preferably, it is 0-0.1 mmol / g. , Most preferably substantially 0 mmol / g. Thereby, the molecular weight fall of a cellulose nanofiber is suppressed and the high water resistance and the high elasticity modulus under the high humidity of a membrane | film | coat can be maintained for a long period of time.

上記酸化セルロースが、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン(TEMPO)等のN−オキシル化合物の存在下、共酸化剤を用いて酸化されたものであり、上記酸化反応により生じたアルデヒド基およびケトン基が、還元剤により還元されたものであると、上記セルロースナノファイバーを容易に得ることができるようになるため好ましい。また、上記還元剤による還元が、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)によるものであると、上記観点からより好ましい。 The oxidized cellulose is oxidized using a co-oxidant in the presence of an N-oxyl compound such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidine (TEMPO), and an aldehyde group generated by the oxidation reaction. It is preferable that the ketone group is reduced with a reducing agent because the cellulose nanofiber can be easily obtained. Also, reduction with the reducing agent, the is by hydrogenation sodium borohydride (NaBH 4), more preferable from the viewpoint.

セミカルバジド法による、アルデヒド基とケトン基との合計含量の測定は、例えば、つぎのようにして行われる。すなわち、乾燥させた試料に、リン酸緩衝液によりpH=5に調整したセミカルバジド塩酸塩3g/l水溶液を正確に50ml加え、密栓し、二日間振とうする。つぎに、この溶液10mlを正確に100mlビーカーに採取し、5N硫酸を25ml、0.05Nヨウ素酸カリウム水溶液5mlを加え、10分間撹拌する。その後、5%ヨウ化カリウム水溶液10mlを加えて、直ちに自動滴定装置を用いて、0.1Nチオ硫酸ナトリウム溶液にて滴定し、その滴定量等から、下記の式(3)に従い、試料中のカルボニル基量(アルデヒド基とケトン基との合計含量)を求めることができる。なお、セミカルバジドは、アルデヒド基やケトン基と反応しシッフ塩基(イミン)を形成するが、カルボキシル基とは反応しないことから、上記測定により、アルデヒド基とケトン基のみを定量できると考えられる。   Measurement of the total content of aldehyde groups and ketone groups by the semicarbazide method is performed, for example, as follows. Specifically, 50 ml of a semicarbazide hydrochloride 3 g / l aqueous solution adjusted to pH = 5 with a phosphate buffer is accurately added to the dried sample, sealed, and shaken for 2 days. Next, 10 ml of this solution is accurately collected in a 100 ml beaker, 25 ml of 5N sulfuric acid and 5 ml of 0.05N potassium iodate aqueous solution are added and stirred for 10 minutes. Thereafter, 10 ml of 5% potassium iodide aqueous solution was added, and immediately titrated with a 0.1N sodium thiosulfate solution using an automatic titrator. From the titration amount and the like, according to the following formula (3), The amount of carbonyl groups (total content of aldehyde groups and ketone groups) can be determined. Semicarbazide reacts with an aldehyde group or a ketone group to form a Schiff base (imine), but does not react with a carboxyl group. Therefore, it is considered that only the aldehyde group and the ketone group can be quantified by the above measurement.

上記酸化セルロースは、繊維表面上のセルロース分子中の各グルコースユニットのC6位の水酸基が選択的に酸化変性されてアルデヒド基、またはカルボキシル基のいずれかとなっている。このセルロースナノファイバー表面上のグルコースユニットのC6位の水酸基が選択的に酸化されているかどうかは、例えば、13C−NMRチャートにより確認することができる。すなわち、酸化前のセルロースの13C−NMRチャートで確認できるグルコース単位の1級水酸基のC6位に相当する62ppmのピークが、酸化反応後は消失し、代わりにカルボキシル基等に由来するピーク(178ppmのピークはカルボキシル基に由来するピーク)が現れる。このようにして、グルコース単位のC6位水酸基のみがカルボキシル基等に酸化されていることを確認することができる。 In the oxidized cellulose, the hydroxyl group at the C6 position of each glucose unit in the cellulose molecule on the fiber surface is selectively oxidized and modified to be either an aldehyde group or a carboxyl group. Whether the hydroxyl group at the C6 position of the glucose unit on the surface of the cellulose nanofiber is selectively oxidized can be confirmed by, for example, a 13 C-NMR chart. That is, a 62 ppm peak corresponding to the C6 position of the primary hydroxyl group of the glucose unit, which can be confirmed by a 13 C-NMR chart of cellulose before oxidation, disappears after the oxidation reaction, and instead a peak derived from a carboxyl group or the like (178 ppm) The peak of is a peak derived from a carboxyl group). In this way, it can be confirmed that only the C6 hydroxyl group of the glucose unit is oxidized to a carboxyl group or the like.

また、上記酸化セルロースにおけるアルデヒド基の検出は、例えば、フェーリング試薬により行うこともできる。すなわち、例えば、乾燥させた試料に、フェーリング試薬(酒石酸ナトリウムカリウムと水酸化ナトリウムとの混合溶液と、硫酸銅五水和物水溶液)を加えた後、80℃で1時間加熱したとき、上澄みが青色、セルロースナノファイバー部分が紺色を呈するものは、アルデヒド基は検出されなかったと判断することができ、上澄みが黄色、セルロース繊維部分が赤色を呈するものは、アルデヒド基は検出されたと判断することができる。   Moreover, the detection of the aldehyde group in the oxidized cellulose can also be performed using, for example, a Fehring reagent. That is, for example, after adding a Fering reagent (a mixed solution of sodium potassium tartrate and sodium hydroxide and an aqueous solution of copper sulfate pentahydrate) to a dried sample, the supernatant is obtained when heated at 80 ° C. for 1 hour. When blue and cellulose nanofiber parts are amber, it can be judged that aldehyde groups have not been detected, and when the supernatant is yellow and cellulose fiber parts are red, it can be judged that aldehyde groups have been detected. it can.

<ポリウレタン樹脂(B)>
本発明において、ポリウレタン樹脂としては、ポリオールとポリイソシアネートとの反応物であれば、特に限定されない。例えば、従来公知の方法で製造することができ、特に限定されるものではないが、例えば、ポリオール、イソシアネート化合物および必要に応じて親水基含有化合物を反応させ、必要に応じて含まれる親水基を中和、または四級化剤で四級化することでウレタンプレポリマー(b)を得、水または/およびポリアミンで鎖伸長反応することにより得られる。
<Polyurethane resin (B)>
In the present invention, the polyurethane resin is not particularly limited as long as it is a reaction product of a polyol and a polyisocyanate. For example, it can be produced by a conventionally known method, and is not particularly limited. For example, a polyol, an isocyanate compound and, if necessary, a hydrophilic group-containing compound are reacted, and a hydrophilic group contained if necessary. The urethane prepolymer (b) is obtained by neutralization or quaternization with a quaternizing agent, and is obtained by chain extension reaction with water or / and polyamine.

本発明において、前記ポリオールとしては、分子中に水酸基を2個以上有する化合物であれば特に限定されないが、例えば、多価アルコ−ル、ポリエ−テルポリオ−ル、ポリエステルポリオ−ル、ポリエ−テルエステルポリオ−ル、ポリカ−ボネ−トポリオ−ル、ポリオレフィンポリオ−ル、ポリアクリルポリオ−ル、ポリアセタ−ルポリオ−ル、ポリブタジエンポリオ−ル、ポリシロキサンポリオ−ル、フッ素ポリオ−ル等の分子末端または分子内に2個以上のヒドロキシル基を有する化合物などがあげられる。多価アルコ−ルとしては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコ−ル、ジエチレングリコ−ル、ブタンジオ−ル、プロピレングリ−ル、ヘキサンジオ−ル、ビスフェノ−ルA、ビスフェノ−ルB、ビスフェノ−ルS、水素添加ビスフェノ−ルA,ジブロムビスフェノ−ルA,1,4−シクロヘキサンジメタノ−ル、ジヒドロキシエチルテレフタレ−ト、ハイドロキノンジヒドロキシエチルエ−テル、トリメチロ−ルプロパン、グリセリン、ペンタエリスリト−ルなどがあげられる。ポリエ−テルポリオ−ルとしては、特に限定されないが、例えば、多価アルコ−ルのアルキレン誘導体、ポリテトラメチレングリコ−ル、ポリチオエ−テルポリオ−ルなどがあげられる。ポリエステルポリオ−ル、ポリエ−テルエステルポリオ−ルとしては特に限定されないが、例えば、多価アルコ−ル、多価カルボン酸、多価カルボン酸無水物、ポリエ−テルポリオ−ル、多価カルボン酸エステルからのエステル化物、ヒマシ油ポリオ−ル、ポリカプロラクトンポリオ−ルなどがあげられる。ポリオレフィンポリオ−ルとしては特に限定されないが、例えば、ポリブタジエンポリオ−ル、ポリイソプレンポリオ−ルやこれらの水素添加ポリオ−ルなどがあげられる。これらのうち、ポリエ−テルポリオ−ル、ポリエステルポリオ−ルが好ましい。なお、ポリカ−ボネ−トポリオ−ルは、カーボネート系溶剤に対する耐性の観点から好ましくない。これらは一種または二種以上を使用することができる。また、水酸基を1つの化合物と併用しても良い。   In the present invention, the polyol is not particularly limited as long as it is a compound having two or more hydroxyl groups in the molecule. For example, a polyhydric alcohol, a polyether polyol, a polyester polyol, a polyether ester Molecular ends or molecules such as polyols, polycarbonate polyols, polyolefin polyols, polyacrylic polyols, polyacetal polyols, polybutadiene polyols, polysiloxane polyols, fluorine polyols Examples thereof include compounds having two or more hydroxyl groups. Although it does not specifically limit as polyhydric alcohol, For example, ethylene glycol, diethylene glycol, butanediol, propylene glycol, hexanediol, bisphenol A, bisphenol B, bisphenol S, hydrogenated bisphenol A, dibromobisphenol A, 1,4-cyclohexanedimethanol, dihydroxyethyl terephthalate, hydroquinone dihydroxyethyl ether, trimethylolpropane, glycerin, pentaerythritol -E.g. The polyether polyol is not particularly limited, and examples thereof include polyhydric alcohol alkylene derivatives, polytetramethylene glycol, polythioether polyol and the like. Polyester polyols and polyether ester polyols are not particularly limited. For example, polyhydric alcohols, polyhydric carboxylic acids, polyhydric carboxylic acid anhydrides, polyether polyols, polycarboxylic acid esters Esterified products, castor oil polyol, polycaprolactone polyol, and the like. The polyolefin polyol is not particularly limited, and examples thereof include polybutadiene polyol, polyisoprene polyol, and hydrogenated polyol thereof. Of these, polyester polyol and polyester polyol are preferred. Polycarbonate polyol is not preferred from the viewpoint of resistance to carbonate solvents. These can use 1 type, or 2 or more types. A hydroxyl group may be used in combination with one compound.

本発明において、前記ポリオ−ル成分の数平均分子量としては、特に限定されないが、貯蔵安定性および物性の観点から50〜10,000が好ましく、500〜5,000がより好ましい。   In the present invention, the number average molecular weight of the polyol component is not particularly limited, but is preferably 50 to 10,000, more preferably 500 to 5,000 from the viewpoint of storage stability and physical properties.

本発明において、前記ポリイソシアネ−トとしては、特に限定されないが、例えば芳香族、脂肪族、脂環族、芳香脂肪等の有機ポリイソシアネ−トがあげられる。これらのうち、脂肪族、脂環族、芳香脂肪等の有機ポリイソシアネ−ト、およびこれらの多量変性体(二量体、三量体等)や、あるいは上記した有機ポリイソシアネ−トと水との反応により生成するビウレット変性体等が好ましい。4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネ−ト、イソホロンジイソシアネ−ト、水素添加キシリレンジイソシアネ−ト〔ビス(イソシアネナトメチル)シクロヘキサン〕、ヘキサメチレンジイソシアネ−ト、リジンジイソシアネ−ト、ノルボルナンジイソシアネ−ト、キシリレンジイソシアネ−ト等の有機ポリイソシアネ−ト、これらの変性体がより好ましい。また4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネ−ト、イソホロンジイソシアネ−トがより好ましい。これらは一種または二種以上を使用することができる。   In the present invention, the polyisocyanate is not particularly limited, and examples thereof include organic polyisocyanates such as aromatic, aliphatic, alicyclic, and aromatic fats. Of these, organic polyisocyanates such as aliphatic, alicyclic, and aromatic fats, and their polydensates (dimers, trimers, etc.), or the reaction of organic polyisocyanates with water as described above The biuret modified body etc. which are produced | generated by are preferable. 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate, isophorone diisocyanate, hydrogenated xylylene diisocyanate [bis (isocyanatemethyl) cyclohexane], hexamethylene diisocyanate, lysine diisocyanate -Organic polyisocyanates such as norbornane diisocyanate and xylylene diisocyanate, and modified products thereof are more preferred. Further, 4,4'-dicyclohexylmethane diisocyanate and isophorone diisocyanate are more preferable. These can use 1 type, or 2 or more types.

本発明において、ウレタンプレポリマー(b)を得るために用いるイソシアネ−ト基と水酸基の割合(モル当量比)は(イソシアネ−ト基:水酸基=)1.1以上:1であれば特に限定されないが、ウレタンプレポリマー(b)を低粘度とし、また安定な乳化物を得ることができることから1.5〜3.0:1が好ましく、1.6〜2.2:1であることがより好ましい。これらの範囲であれば、皮膜性能および貯蔵安定性が良好である。   In the present invention, the ratio of the isocyanate group and hydroxyl group (molar equivalent ratio) used for obtaining the urethane prepolymer (b) is not particularly limited as long as it is (isocyanate group: hydroxyl group =) 1.1 or more: 1. However, since the urethane prepolymer (b) can have a low viscosity and a stable emulsion can be obtained, 1.5 to 3.0: 1 is preferable, and 1.6 to 2.2: 1 is more preferable. preferable. Within these ranges, the film performance and storage stability are good.

本発明において、ウレタンプレポリマー(b)の平均分子量は、乳化性や乳化安定性の観点から、5000以下が好ましく、4000以下が、より好ましい。ここでいう平均分子量とは、仕込み原料の数平均分子量から算出される理論値をいう。   In the present invention, the average molecular weight of the urethane prepolymer (b) is preferably 5000 or less, and more preferably 4000 or less, from the viewpoints of emulsifying properties and emulsion stability. The average molecular weight here means a theoretical value calculated from the number average molecular weight of the charged raw materials.

本発明において、前記親水性としては、上記アニオン性基、カチオン性基、またはノニオン性基のいずれであっても良く、特に限定されないが、これらのうち、貯蔵安定性、皮膜性能の観点から、アニオン性基またはノニオン性基が好ましい。   In the present invention, the hydrophilicity may be any of the anionic group, the cationic group, or the nonionic group, and is not particularly limited. Among these, from the viewpoint of storage stability and film performance, An anionic group or a nonionic group is preferred.

前記親水性を含有させて導入するための親水性基化合物としては、特に限定されないが、例えば、(ジ)アルカノールカルボン酸又はスルホン酸の3級アミン又はアルカリ金属による中和物、(メトキシ)ポリアルキレンオキサイド、(ジ)アルカノールアミンの有機・無機酸中和物、これらにハロゲン化アルキル又はジアルキル硫酸を反応させた第4級アンモニウム塩等が挙げられる。これらのうち、(ジ)アルカノールカルボン酸又はスルホン酸の3級アミン又はアルカリ金属による中和物、(ジ)アルカノールアミンの有機・無機酸中和物、これにハロゲン化アルキル又はジアルキル硫酸を反応させた第4級アンモニウム塩が好ましい。なお、前記(メトキシ)ポリアルキレンオキサイドは、アルキレンオキサイドとして、少なくともエチレンオキサイドを含有していればよく、他にプロピレンオキサイド及びブチレンオキサイド等のエチレンオキサイド以外のアルキレンオキサイドを含有していてもよい。複数種類のアルキレンオキサイドを含有する(メトキシ)ポリアルキレンオキサイドを用いる場合の付加形態(親水性基の導入形態)としては、ブロック付加であってもランダム付加であっても、いずれであってもよい。   The hydrophilic group compound to be introduced by incorporating the hydrophilicity is not particularly limited. For example, (di) alkanol carboxylic acid or sulfonic acid tertiary amine or alkali metal neutralized product, (methoxy) poly Examples include alkylene oxides, (di) alkanolamine organic / inorganic acid neutralized products, and quaternary ammonium salts obtained by reacting these with alkyl halides or dialkyl sulfuric acid. Of these, (di) neutralized products of alkanol carboxylic acids or sulfonic acids with tertiary amines or alkali metals, (di) neutralized products of alkanolamines with organic / inorganic acids, and reaction with alkyl halides or dialkyl sulfate Quaternary ammonium salts are preferred. The (methoxy) polyalkylene oxide may contain at least ethylene oxide as the alkylene oxide, and may contain other alkylene oxides such as propylene oxide and butylene oxide. An addition form (hydrophilic group introduction form) in the case of using (methoxy) polyalkylene oxide containing a plurality of types of alkylene oxides may be either block addition or random addition. .

これらの親水性基を導入し得る化合物として、以下のものを例示することができる。
例えば、アニオンタイプとして、ジメチロールプロピオン酸、ジメチロールブタン酸、
乳酸、グリシン等のカルボン酸化合物、アミノエチルスルホン酸、スルホイソフタル酸とジオールからなるポリエステルジオール等のスルホン酸化合物を、トリエチルアミン、NaOH、ジメチルアミノエタノール等の3級アルカノールアミンにより中和することによって得られる塩を挙げることができる。貯蔵安定性、皮膜性能の観点から、これらのうち、ジメチロールプロピオン酸、グリシン、アミノエチルスルホン酸のナトリウム塩が好ましい。
The following can be illustrated as a compound which can introduce | transduce these hydrophilic groups.
For example, as anion type, dimethylolpropionic acid, dimethylolbutanoic acid,
Obtained by neutralizing carboxylic acid compounds such as lactic acid and glycine, and sulfonic acid compounds such as aminoethyl sulfonic acid and polyester diol composed of sulfoisophthalic acid and diol with tertiary alkanolamines such as triethylamine, NaOH and dimethylaminoethanol. The salt which can be mentioned can be mentioned. Of these, dimethylolpropionic acid, glycine, and sodium salt of aminoethylsulfonic acid are preferred from the viewpoints of storage stability and film performance.

例えば、カチオンタイプとして、ジメチルアミノエタノール、メチルジエタノールアミン等のアルカノールアミンを、ギ酸、酢酸などの有機カルボン酸、塩酸、硫酸等の無機酸で中和した塩、塩化メチル、臭化メチルなどのハロゲン化アルキル、ジメチル硫酸等のジアルキル硫酸により4級化したものを挙げることができる。これらのうち、メチルジエタノールアミンと有機カルボン酸との組合せ及びメチルジエタノールアミンとジメチル硫酸との組合せが、工業的に製造することが容易であるという理由により好ましい。   For example, as a cation type, a salt obtained by neutralizing an alkanolamine such as dimethylaminoethanol or methyldiethanolamine with an organic carboxylic acid such as formic acid or acetic acid, or an inorganic acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid, or halogenation such as methyl chloride or methyl bromide Quaternized with dialkyl sulfuric acid such as alkyl and dimethyl sulfuric acid. Of these, a combination of methyldiethanolamine and an organic carboxylic acid and a combination of methyldiethanolamine and dimethylsulfuric acid are preferred because they are easy to produce industrially.

前記ウレタンプレポリマー(b)中の親水性基の含有量は、特に限定されない。例えば、かかる含有量は、0.07〜2.10mmol/gが好ましく、0.12〜1.80mmol/gがより好ましく、0.17〜1.60mmol/gがさらに好ましい。上記範囲であれば貯蔵安定性、皮膜性能の観点から好ましい。   The content of the hydrophilic group in the urethane prepolymer (b) is not particularly limited. For example, the content is preferably 0.07 to 2.10 mmol / g, more preferably 0.12 to 1.80 mmol / g, and still more preferably 0.17 to 1.60 mmol / g. If it is the said range, it is preferable from a viewpoint of storage stability and membrane | film | coat performance.

<水分散体>
本発明における水分散体のセルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の混合比(固形分重量比)は特に限定されないが、0.1/100〜5/100であることが好ましく、0.3/100〜4/100であることがより好ましく、0.5/100〜3.5/100であることがさらに好ましい。これらの範囲であれば、貯蔵安定性、皮膜性能の観点から好ましい。
<Water dispersion>
The mixing ratio (solid content weight ratio) of the cellulose nanofiber (A) and the polyurethane resin (B) in the aqueous dispersion in the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 / 100 to 5/100. More preferably, the ratio is 3/100 to 4/100, and more preferably 0.5 / 100 to 3.5 / 100. These ranges are preferable from the viewpoints of storage stability and film performance.

本発明における水分散体中のセルロースナノファイバー(A)の固形分としては、特に限定されないが、例えば水分散体に対して、0.01〜20質量%が好ましく、0.03〜10質量%がより好ましく、0.05〜8質量%がさらに好ましい。これらの範囲であれば、安定性および作業性の観点から好ましい。本発明における水分散体中のポリウレタン樹脂(B)の固形分としては、特に限定されないが、例えば水分散体に対して、1〜60質量%が好ましく、3〜55質量%がより好ましく、4〜50質量%がさらに好ましい。これらの範囲であれば、安定性および作業性の観点から好ましい。   Although it does not specifically limit as solid content of the cellulose nanofiber (A) in the aqueous dispersion in this invention, For example, 0.01-20 mass% is preferable with respect to an aqueous dispersion, 0.03-10 mass% Is more preferable, and 0.05-8 mass% is further more preferable. These ranges are preferable from the viewpoints of stability and workability. Although it does not specifically limit as solid content of the polyurethane resin (B) in the aqueous dispersion in this invention, For example, 1-60 mass% is preferable with respect to an aqueous dispersion, 3-55 mass% is more preferable, 4 -50 mass% is more preferable. These ranges are preferable from the viewpoints of stability and workability.

さらに、本発明の水分散体には、必要に応じて一般的に使用される各種添加剤を使用することができる。このような添加剤としては、例えば、耐候剤、抗菌剤、抗カビ剤、顔料、充填材、防錆剤、顔料、染料、造膜助剤、無機架橋剤、有機架橋剤( 例えばブロックドイソシアネート系架橋剤、エポキシ系架橋剤、カルボジイミド系架橋剤、オキサゾリン系架橋剤、メラミン系架橋剤) 、シランカップリング剤、ブロッキング防止剤、粘度調整剤、レベリング剤、消泡剤、分散安定剤、光安定剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、無機、有機充填剤、可塑剤、滑剤、帯電防止剤等が挙げられる。   Furthermore, various commonly used additives can be used in the aqueous dispersion of the present invention as necessary. Examples of such additives include weathering agents, antibacterial agents, antifungal agents, pigments, fillers, rust inhibitors, pigments, dyes, film-forming aids, inorganic crosslinking agents, organic crosslinking agents (for example, blocked isocyanates). -Based crosslinking agents, epoxy-based crosslinking agents, carbodiimide-based crosslinking agents, oxazoline-based crosslinking agents, melamine-based crosslinking agents), silane coupling agents, antiblocking agents, viscosity modifiers, leveling agents, antifoaming agents, dispersion stabilizers, light Stabilizers, antioxidants, ultraviolet absorbers, inorganic and organic fillers, plasticizers, lubricants, antistatic agents and the like can be mentioned.

<セルロースナノファイバー(A)の製造方法>
本発明の水分散体を得るためのセルロースナノファイバー(A)としては、特に限定されないが、セルロースナノファイバー(A)の水分散体を用いることが好ましい。前記セルロースナノファイバー(A)の水分散体は、特に限定されないが、例えば、(I)セルロースを酸化する酸化工程、(II)酸化セルロース分散体のpHを2以下に調整して精製する精製工程、(III)精製したセルロースをアルカリ性の化合物で中和する中和工程、(IV)中和したセルロースを水等の分散媒の存在下で分散する分散工程、を備えることが好ましく、具体的には以下の各工程により製造することが好ましい。
<Method for producing cellulose nanofiber (A)>
Although it does not specifically limit as a cellulose nanofiber (A) for obtaining the water dispersion of this invention, It is preferable to use the water dispersion of a cellulose nanofiber (A). The aqueous dispersion of the cellulose nanofiber (A) is not particularly limited. For example, (I) an oxidation step for oxidizing cellulose, and (II) a purification step for adjusting the pH of the oxidized cellulose dispersion to 2 or less for purification. And (III) a neutralization step of neutralizing purified cellulose with an alkaline compound, and (IV) a dispersion step of dispersing the neutralized cellulose in the presence of a dispersion medium such as water. Is preferably produced by the following steps.

(I)酸化工程
天然セルロースとN−オキシル化合物とを水(分散媒体)に分散させた後、共酸化剤を添加して、反応を開始する。反応中は0.5Mの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHを10〜11に保ち、pHに変化が見られなくなった時点で反応終了と見なす。ここで、共酸化剤とは、直接的にセルロース水酸基を酸化する物質ではなく、酸化触媒として用いられるN−オキシル化合物を酸化する物質のことである。
(I) Oxidation step After dispersing natural cellulose and N-oxyl compound in water (dispersion medium), a co-oxidant is added to start the reaction. During the reaction, a 0.5 M aqueous sodium hydroxide solution is added dropwise to maintain the pH at 10 to 11, and the reaction is regarded as completed when no change in pH is observed. Here, the co-oxidant is not a substance that directly oxidizes a cellulose hydroxyl group but a substance that oxidizes an N-oxyl compound used as an oxidation catalyst.

上記天然セルロースは、植物,動物,バクテリア産生ゲル等のセルロースの生合成系から単離した精製セルロースを意味する。より具体的には、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ、コットンリンター,コットンリント等の綿系パルプ、麦わらパルプ,バガスパルプ等の非木材系パルプ、バクテリアセルロース(BC)、ホヤから単離されるセルロース、海草から単離されるセルロース等をあげることができる。これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。これらのなかでも、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ、コットンリンター、コットンリント等の綿系パルプ、麦わらパルプ,バガスパルプ等の非木材系パルプが好ましい。上記天然セルロースは、叩解等の表面積を高める処理を施すと、反応効率を高めることができ、生産性を高めることができるため好ましい。また、上記天然セルロースとして、単離、精製の後、乾燥させない(ネバードライ)で保存していたものを使用すると、ミクロフィブリルの集束体が膨潤しやすい状態であるため、反応効率を高め、微細化処理後の数平均繊維径を小さくすることができるため好ましい。   The natural cellulose means purified cellulose isolated from a cellulose biosynthetic system such as a plant, animal, or bacteria-producing gel. More specifically, softwood pulp, hardwood pulp, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood pulp such as straw pulp and bagasse pulp, bacterial cellulose (BC), cellulose isolated from sea squirt, seaweed Cellulose isolated from can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, soft wood pulp, hardwood pulp, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, and non-wood pulp such as straw pulp and bagasse pulp are preferable. The natural cellulose is preferably subjected to a treatment for increasing the surface area such as beating, because the reaction efficiency can be increased and the productivity can be increased. In addition, if the natural cellulose that has been stored after being isolated and purified and not dried (never dry) is used, the microfibril bundles are likely to swell. This is preferable because the number average fiber diameter after the crystallization treatment can be reduced.

上記反応における天然セルロースの分散媒体は水であり、反応水溶液中の天然セルロース濃度は、試薬(天然セルロース)の充分な拡散が可能な濃度であれば任意である。通常は、反応水溶液の重量に対して約5%以下であるが、機械的撹拌力の強い装置を使用することにより反応濃度を上げることができる。   The dispersion medium of natural cellulose in the above reaction is water, and the concentration of natural cellulose in the reaction aqueous solution is arbitrary as long as the reagent (natural cellulose) can be sufficiently diffused. Usually, it is about 5% or less based on the weight of the reaction aqueous solution, but the reaction concentration can be increased by using a device having a strong mechanical stirring force.

また、上記N−オキシル化合物としては、例えば、一般に酸化触媒として用いられるニトロキシラジカルを有する化合物があげられる。上記N−オキシル化合物は、水溶性の化合物が好ましく、なかでもピペリジンニトロキシオキシラジカルが好ましく、特に2,2,6,6−テトラメチルピペリジノオキシラジカル(TEMPO)または4−アセトアミド−TEMPOが好ましい。上記N−オキシル化合物の添加は、触媒量で充分であり、好ましくは0.1〜4mmol/l、さらに好ましくは0.2〜2mmol/lの範囲で反応水溶液に添加する。   Examples of the N-oxyl compound include compounds having a nitroxy radical generally used as an oxidation catalyst. The N-oxyl compound is preferably a water-soluble compound, more preferably a piperidine nitroxyoxy radical, particularly 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy radical (TEMPO) or 4-acetamido-TEMPO. preferable. The N-oxyl compound is added in a catalytic amount, preferably 0.1 to 4 mmol / l, more preferably 0.2 to 2 mmol / l.

上記共酸化剤としては、例えば、次亜ハロゲン酸またはその塩、亜ハロゲン酸またはその塩、過ハロゲン酸またはその塩、過酸化水素、過有機酸等があげられる。これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。なかでも、次亜塩素酸ナトリウム、次亜臭素酸ナトリウム等のアルカリ金属次亜ハロゲン酸塩が好ましい。そして、上記次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合は、反応速度の点から、臭化ナトリウム等の臭化アルカリ金属の存在下で反応を進めることが好ましい。上記臭化アルカリ金属の添加量は、上記N−オキシル化合物に対して約1〜40倍モル量、好ましくは約10〜20倍モル量である。   Examples of the co-oxidant include hypohalous acid or a salt thereof, hypohalous acid or a salt thereof, perhalogen acid or a salt thereof, hydrogen peroxide, a perorganic acid, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, alkali metal hypohalites such as sodium hypochlorite and sodium hypobromite are preferable. And when using the said sodium hypochlorite, it is preferable to advance reaction in presence of alkali metal bromides, such as sodium bromide, from the point of reaction rate. The addition amount of the alkali metal bromide is about 1 to 40 times mol, preferably about 10 to 20 times mol for the N-oxyl compound.

上記反応水溶液のpHは約8〜11の範囲で維持されることが好ましい。水溶液の温度は約4〜40℃において任意であるが、反応は室温(25℃)で行うことが可能であり、特に温度の制御は必要としない。所望のカルボキシル基量等を得るためには、共酸化剤の添加量と反応時間により、酸化の程度を制御する。通常、反応時間は約5〜120分、長くとも240分以内に完了する。   The pH of the aqueous reaction solution is preferably maintained in the range of about 8-11. The temperature of the aqueous solution is arbitrary at about 4 to 40 ° C., but the reaction can be performed at room temperature (25 ° C.), and the temperature is not particularly required to be controlled. In order to obtain a desired amount of carboxyl group and the like, the degree of oxidation is controlled by the amount of co-oxidant added and the reaction time. Usually, the reaction time is completed within about 5 to 120 minutes, at most 240 minutes.

(II)精製工程
つぎに、未反応の共酸化剤(次亜塩素酸等)や、各種副生成物等を除く目的で精製を行う。具体的には、各種の酸により反応混合物のpHを約2に調整し、精製水をふりかけながら遠心分離機で固液分離を行い、ケーキ状の酸化セルロースを得る。固液分離は濾液の電気伝導度が5mS/m以下となるまで行う。
(II) Purification step Next, purification is performed for the purpose of removing unreacted co-oxidant (such as hypochlorous acid) and various by-products. Specifically, the pH of the reaction mixture is adjusted to about 2 with various acids, and solid-liquid separation is performed with a centrifuge while sprinkling purified water to obtain cake-like oxidized cellulose. Solid-liquid separation is performed until the electric conductivity of the filtrate is 5 mS / m or less.

上記精製工程における精製方法は、遠心脱水を利用する方法(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のような装置を利用しても差し支えない。このようにして得られる酸化セルロースの水分散体は、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。この後の分散工程を考慮すると、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。   As a purification method in the purification step, any apparatus can be used as long as it can achieve the above-described object, such as a method using centrifugal dehydration (for example, a continuous decanter). The aqueous dispersion of oxidized cellulose thus obtained is in the range of approximately 10% by mass to 50% by mass as the solid content (cellulose) concentration in a squeezed state. Considering the subsequent dispersion step, if the solid content concentration is higher than 50% by mass, it is not preferable because extremely high energy is required for dispersion.

(III)中和工程
つぎに、精製した酸化セルロースをアルカリ性の化合物で中和を行う。
具体的には、酸化セルロースの水分散体に水等の分散媒を加え所定の酸化セルロースの固形分濃度に調整し、アルカリ性の化合物を添加し攪拌することにより行うことができる。この場合の分散体のpHは5〜10の範囲(好ましくは6〜8の範囲)であることが好ましい。pHが上記範囲未満であると、酸により酸化セルロース繊維同士がからまって、ほぐれにくく、後の分散工程にて高圧分散できないからであり、逆に、pHが上記範囲を超えると、アルカリの作用により粘度が下がるからである。アルカリ性の化合物は水等の分散媒で希釈して酸化セルロースの水分散体に添加しても良い。
(III) Neutralization Step Next, the purified oxidized cellulose is neutralized with an alkaline compound.
Specifically, it can be carried out by adding a dispersion medium such as water to an aqueous dispersion of oxidized cellulose to adjust the solid concentration of the predetermined oxidized cellulose, adding an alkaline compound, and stirring. In this case, the pH of the dispersion is preferably in the range of 5 to 10 (preferably in the range of 6 to 8). If the pH is less than the above range, the oxidized cellulose fibers are entangled by acid and are not easily loosened and cannot be dispersed at high pressure in the subsequent dispersion step. Conversely, if the pH exceeds the above range, the action of alkali This is because the viscosity decreases. The alkaline compound may be diluted with a dispersion medium such as water and added to the aqueous dispersion of oxidized cellulose.

酸化セルロースの固形分濃度は、酸化セルロースの水分散体が攪拌可能な粘度であれば特に制限はされないが、具体的には0.1質量%以上20質量%以下、好ましくは0.2質量%以上5質量%以下である。酸化セルロースの固形分濃度が上記範囲内であれば、アルカリ性の化合物を均一に混合することが可能であるため好ましい。上記攪拌時間はアルカリ性の化合物が酸化セルロースの水分散体中に均一に分散できる時間であれば特に制限されない。   The solid content concentration of the oxidized cellulose is not particularly limited as long as the aqueous dispersion of oxidized cellulose can be stirred, but specifically, 0.1 mass% to 20 mass%, preferably 0.2 mass%. The amount is 5% by mass or less. If the solid content concentration of the oxidized cellulose is within the above range, an alkaline compound can be uniformly mixed, which is preferable. The stirring time is not particularly limited as long as the alkaline compound can be uniformly dispersed in the aqueous dispersion of oxidized cellulose.

(IV)分散工程
上記中和工程にて得られた酸化セルロースの水分散体を、水または水と上記有機溶媒の混合溶媒に分散させ分散処理を行う。処理に伴って粘度が上昇し、微細化処理されたセルロースナノファイバーの分散体を得ることができる。
(IV) Dispersing Step The dispersion of oxidized cellulose obtained in the neutralizing step is dispersed in water or a mixed solvent of water and the organic solvent. With the treatment, the viscosity increases, and a dispersion of cellulose nanofibers that has been refined can be obtained.

上記分散工程で使用する分散機としては、高速回転下でのホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、超音波分散処理機、ビーター、ディスク型レファイナー、コニカル型レファイナー、ダブルディスク型レファイナー、グラインダー等の強力で叩解能力のある装置を使用することにより、より効率的かつ高度なダウンサイジングが可能となり、経済的に有利に粘性水系組成物を得ることが出来る点で好ましい。なお、上記分散機としては、例えば、スクリュー型ミキサー、パドルミキサー、ディスパー型ミキサー、タービン型ミキサー、ディスパー、プロペラミキサー、ニーダー、ブレンダー、ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、コロイドミル、ペブルミル、ビーズミル粉砕機等を用いても差し支えない。また、2種類以上の分散機を組み合わせて用いても差し支えない。   Dispersers used in the above dispersion step include homomixers under high speed rotation, high pressure homogenizers, ultra high pressure homogenizers, ultrasonic dispersion processors, beaters, disc type refiners, conical type refiners, double disc type refiners, grinders, etc. Use of a powerful and beating-capable device is preferable in that more efficient and advanced downsizing is possible, and a viscous aqueous composition can be obtained economically advantageously. Examples of the disperser include a screw mixer, paddle mixer, disper mixer, turbine mixer, disper, propeller mixer, kneader, blender, homogenizer, ultrasonic homogenizer, colloid mill, pebble mill, and bead mill grinder. It can be used. Further, two or more types of dispersers may be used in combination.

本発明のホモジナイザーによる処理条件としては、特に限定されるものではないが、圧力条件としては、30MPa以上、好ましくは100MPa以上、さらに好ましくは140MPa以上である。また、高圧ホモジナイザーでの解繊・分散処理に先立って、必要に応じて、高速せん断ミキサーなどの公知の混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて、酸化セルロースに予備処理を施すことも可能である。(V)還元工程上記酸化セルロースの製造において、上記(I)酸化工程後に、さらに還元反応を行うことが好ましい。具体的には、酸化反応後の反応物繊維を精製水に分散し、水分散体のpHを約10に調整し、各種還元剤により還元反応を行う。 本発明に使用する還元剤としては、一般的なものを使用することが可能であるが、好ましくは、LiBH、NaBHCN、NaBH等があげられる。なかでも、コストや利用可能性の点から、NaBHが好ましい。 The treatment conditions with the homogenizer of the present invention are not particularly limited, but the pressure conditions are 30 MPa or more, preferably 100 MPa or more, more preferably 140 MPa or more. In addition, prior to defibration / dispersion treatment with a high-pressure homogenizer, it is possible to pre-treat the oxidized cellulose using known mixing, stirring, emulsifying, and dispersing devices such as a high-speed shear mixer as necessary. is there. (V) Reduction step In the production of the oxidized cellulose, it is preferable to further perform a reduction reaction after the (I) oxidation step. Specifically, the reaction product fiber after the oxidation reaction is dispersed in purified water, the pH of the aqueous dispersion is adjusted to about 10, and the reduction reaction is performed with various reducing agents. As the reducing agent used in the present invention, a general reducing agent can be used, and preferred examples include LiBH 4 , NaBH 3 CN, NaBH 4 and the like. Among these, NaBH 4 is preferable from the viewpoint of cost and availability.

還元剤の量は、酸化セルロースを基準として、0.1〜4質量%の範囲が好ましく、特に好ましくは1〜3質量%の範囲である。反応は、室温または室温より若干高い温度で、通常、10分〜10時間、好ましくは30分〜2時間行う。   The amount of the reducing agent is preferably in the range of 0.1 to 4% by mass, particularly preferably in the range of 1 to 3% by mass, based on the oxidized cellulose. The reaction is usually carried out at room temperature or slightly higher than room temperature, usually 10 minutes to 10 hours, preferably 30 minutes to 2 hours.

本発明の樹脂組成物の原料として用いるセルロースナノファイバーの形態としては、装置等を考慮し、粉末状(但し、セルロースナノファイバーが凝集した粉末状であり、セルロース粒子を意味するものではない)、懸濁液状(目視的に無色透明又は不透明な液)などから任意に選択できる。   As the form of the cellulose nanofiber used as a raw material of the resin composition of the present invention, in consideration of the apparatus and the like, it is in a powder form (however, it is a powder form in which cellulose nanofibers are aggregated and does not mean cellulose particles), It can be arbitrarily selected from a suspension form (a visually transparent or opaque liquid).

粉末状のセルロースナノファイバーとしては、例えば、セルロースナノファイバーの水分散液をそのまま乾燥させた乾燥物;該乾燥物を機械処理で粉末化したもの;セルロースナノファイバーの水分散液をアルコール等の非水系溶媒と混合させてセルロースナノファイバーを凝集させ、その凝集物を乾燥させたもの;該凝集物の未乾燥物;セルロースナノファイバーの水分散液を公知のスプレードライ法により粉末化したもの;セルロースナノファイバーの水分散液を公知のフリーズドライ法により粉末化したもの等が挙げられる。上記スプレードライ法は、上記セルロースナノファイバーの水分散液を気中で噴霧し乾燥させる方法である。   Examples of powdered cellulose nanofibers include, for example, a dried product obtained by directly drying an aqueous dispersion of cellulose nanofibers; a product obtained by pulverizing the dried product by mechanical treatment; A cellulose nanofiber aggregated by mixing with an aqueous solvent and the aggregate dried; an undried product of the aggregate; an aqueous dispersion of cellulose nanofiber pulverized by a known spray drying method; cellulose Examples thereof include a nanofiber aqueous dispersion powdered by a known freeze-drying method. The spray drying method is a method in which an aqueous dispersion of the cellulose nanofiber is sprayed in the air and dried.

また、懸濁液状のセルロースナノファイバーとしては、セルロースナノファイバーの水分散液をそのまま使用することもできるし、あるいは粉末状のセルロースナノファイバーを任意の媒体に分散させたものを使用することもできる。かかる媒体は、混合される樹脂や後述する混合、成形の方法によって適宜選択され、例えば、水、アルコール等を用いることができる。   Further, as the suspension-like cellulose nanofiber, an aqueous dispersion of cellulose nanofiber can be used as it is, or a powdery cellulose nanofiber dispersed in an arbitrary medium can be used. . Such a medium is appropriately selected depending on a resin to be mixed and a mixing and molding method described later, and for example, water, alcohol or the like can be used.

<ウレタンポリマー(b)の製造方法>
本発明のウレタンポリマー(b)の製造方法としては公知の方法を用いることができ、特に限定されないが、例えば、ポリオール、イソシアネート化合物および必要に応じて親水基含有化合物を30℃〜130℃で0.5時間〜10時間程度の反応条件で反応させ、必要に応じてこれを5℃〜45℃に冷却して含まれる親水基を中和、または四級化剤で四級化することでウレタンプレポリマー(b)を得る。尚、溶媒として、アセトン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの任意の有機溶媒を使用することができる
<Method for producing urethane polymer (b)>
A known method can be used as a method for producing the urethane polymer (b) of the present invention, and is not particularly limited. For example, a polyol, an isocyanate compound, and, if necessary, a hydrophilic group-containing compound may be added at 30 to 130 ° C. The reaction is carried out under reaction conditions of about 5 hours to 10 hours, and if necessary, this is cooled to 5 ° C. to 45 ° C. to neutralize the contained hydrophilic groups or quaternize with a quaternizing agent. A prepolymer (b) is obtained. As the solvent, any organic solvent such as acetone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, dioxane, ethyl acetate, butyl acetate can be used.

<水分散体の製造方法>
本発明の水分散体の製造方法は、少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液とセルロースナノファイバー(A)の水分散体を混合する工程と、ウレタンプレポリマーを鎖伸張し、ポリウレタン樹脂(B)とする工程を有する。
本発明では、ウレタンプレポリマー(b)溶液とセルロースナノファイバー(A)を混合した後に鎖伸張することにより、鎖伸張後に混合したものと比較して、貯蔵安定性が良好であり、かつ得られる皮膜の物性、耐溶剤性および変色性が良好である。この理由については、明らかではないが、例えば、ポリマー同士の絡み合いのような理由が考えられる。
<Method for producing aqueous dispersion>
The method for producing an aqueous dispersion of the present invention comprises at least a step of mixing a urethane prepolymer (b) solution and an aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A), chain-extending the urethane prepolymer, and polyurethane resin (B). It has the process of.
In the present invention, the urethane prepolymer (b) solution and the cellulose nanofiber (A) are mixed and then chain-stretched, so that the storage stability is good and obtained as compared with those mixed after chain-stretching. The physical properties, solvent resistance and discoloration of the film are good. Although the reason for this is not clear, for example, a reason such as entanglement between polymers can be considered.

特に限定されるものではないが、以下具体的に説明する。
ウレタンプレポリマー(b)溶液とセルロースナノファイバー(A)の水分散体を混合する工程としては、前記ウレタンポリマー(b)の製造方法で得られたウレタンプレポリマー(b)溶液と、セルロースナノファイバー(A)の水分散体を添加し、乳化を行う。なお、必要に応じて、さらに水を加えても良い。セルロースナノファイバー(A)の水分散体中の水と、さらに追加する水の合計量としては、ウレタンポリマー(b)100重量部に対して水を100〜900重量部を添加することが好ましい。
Although not specifically limited, it will be specifically described below.
As a step of mixing the urethane prepolymer (b) solution and the aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A), the urethane prepolymer (b) solution obtained by the method for producing the urethane polymer (b) and cellulose nanofiber The aqueous dispersion (A) is added and emulsified. In addition, you may add water further as needed. As a total amount of water in the aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A) and water to be added, it is preferable to add 100 to 900 parts by weight of water with respect to 100 parts by weight of the urethane polymer (b).

ウレタンプレポリマーを鎖伸張し、ポリウレタン樹脂(B)とする工程としては、前記水または、必要によりポリアミンを添加して鎖伸長反応をする。これによりポリウレタン樹脂(B)を得る。   As a step of chain-extending the urethane prepolymer to obtain a polyurethane resin (B), the water or, if necessary, polyamine is added to carry out a chain extension reaction. Thereby, a polyurethane resin (B) is obtained.

前記ポリアミンとしては、特に限定されないが、例えば、エチレンジアミン、トリメチレンジアミン、プロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどの脂肪族ポリアミン、メタキシレンジアミン、トリレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン等の芳香族ポリアミン、ピペラジン、イソホロンジアミン等の脂環族ポリアミン、ヒドラジン、アジピン酸ジヒドラジドのようなポリヒドラジド等が使用できる。前記ポリアミン化合物は単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。   Examples of the polyamine include, but are not limited to, aliphatic polyamines such as ethylenediamine, trimethylenediamine, propylenediamine, diethylenetriamine, and triethylenetetramine, aromatic polyamines such as metaxylenediamine, tolylenediamine, and diaminodiphenylmethane, piperazine, An alicyclic polyamine such as isophoronediamine, a polyhydrazide such as hydrazine, and adipic acid dihydrazide can be used. The said polyamine compound may be used independently and may use 2 or more types together.

<物性等>
本発明の水分散体の実施例記載方法による貯蔵安定性は、分離が見られないことが好ましく、分離が全く見られないことがより好ましい。
<Physical properties>
The storage stability of the aqueous dispersion of the present invention according to the method described in the examples is preferably such that no separation is observed, and more preferably no separation is observed.

本発明の水分散体から得られる皮膜の強度は、実施例記載の方法においてベースウレタン樹脂の指数100に対して向上することが好ましく、指数110以上であることがより好ましい。   The strength of the film obtained from the aqueous dispersion of the present invention is preferably improved with respect to the index 100 of the base urethane resin in the method described in the examples, and more preferably 110 or more.

本発明の水分散体から得られる皮膜の伸度は、実施例記載の方法においてであることが好ましく、90以上であることが、より好ましい。   The elongation of the film obtained from the aqueous dispersion of the present invention is preferably in the method described in the examples, and more preferably 90 or more.

本発明の水分散体から得られる皮膜の引張応力は、実施例記載方法による100%モジュラスがベースウレタン樹脂の指数100に対して向上することが好ましく、110以上であることが、より好ましい。   As for the tensile stress of the film obtained from the aqueous dispersion of the present invention, the 100% modulus according to the method described in the examples is preferably improved with respect to the index 100 of the base urethane resin, and more preferably 110 or more.

本発明の水分散体から得られる皮膜の酢酸エチル/トルエン混合溶液(酢酸エチル/トルエン=50/50(重量比))に対する耐溶剤性(面積/質量増加率)は、実施例記載方法においてベースウレタン樹脂の指数100に対して向上することが好ましく、80以下であることが、より好ましい。
本発明の水分散体から得られる皮膜のイソプロピルアルコール(IPA)に対する耐溶剤性(面積/質量増加率)は、実施例記載方法においてベースウレタン樹脂の指数100に対して向上することが好ましく、60以下であることが、より好ましい。
The solvent resistance (area / mass increase rate) of the film obtained from the aqueous dispersion of the present invention to an ethyl acetate / toluene mixed solution (ethyl acetate / toluene = 50/50 (weight ratio)) is based on the method described in the examples. It is preferable to improve with respect to the index 100 of the urethane resin, and more preferably 80 or less.
The solvent resistance (area / mass increase rate) of the film obtained from the aqueous dispersion of the present invention to isopropyl alcohol (IPA) is preferably improved with respect to the index 100 of the base urethane resin in the method described in the examples. The following is more preferable.

本発明の水分散体から得られる皮膜の変色性は、実施例記載方法において変色が見られないことが好ましい。   The discoloration of the film obtained from the aqueous dispersion of the present invention is preferably such that no discoloration is observed in the method described in the examples.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these.

(製造例1(セルロース繊維A1))
針葉樹パルプ2gに、水150ml、臭化ナトリウム0.25g、TEMPO0.025gを加え、充分撹拌して分散させた後、13%次亜塩素酸ナトリウム水溶液(共酸化剤)を、上記パルプ1.0gに対して次亜塩素酸ナトリウム量が5.2mmol/gとなるように加え、反応を開始した。反応の進行に伴いpHが低下するため、pHを10〜11に保持するように0.5N水酸化ナトリウム水溶液を滴下しながら、pHの変化が見られなくなるまで反応させた(反応時間:120分)。反応終了後、0.1N塩酸を添加してpH2に調整した後、ろ過と水洗を繰り返して精製し、繊維表面が酸化されたセルロース繊維を得た。これに純水を加えてセルロース繊維濃度2質量%に希釈し、10%水酸化ナトリウムを添加してpH7に調整した。これを高圧ホモジナイザー(H11、三和エンジニアリング社製)を用いて圧力100MPaで1回処理し、セルロース繊維A1を調製した。
(Production Example 1 (Cellulose Fiber A1))
After adding 150 ml of water, 0.25 g of sodium bromide, and 0.025 g of TEMPO to 2 g of softwood pulp, and thoroughly stirring and dispersing, 13% sodium hypochlorite aqueous solution (co-oxidant) was added to 1.0 g of the above pulp. Was added so that the amount of sodium hypochlorite was 5.2 mmol / g, and the reaction was started. Since the pH decreased with the progress of the reaction, the reaction was continued until no change in pH was observed while dropping a 0.5N aqueous sodium hydroxide solution so that the pH was maintained at 10-11 (reaction time: 120 minutes). ). After completion of the reaction, 0.1N hydrochloric acid was added to adjust to pH 2, and then purified by repeating filtration and washing to obtain cellulose fibers having oxidized fiber surfaces. Pure water was added thereto to dilute to a cellulose fiber concentration of 2% by mass, and 10% sodium hydroxide was added to adjust the pH to 7. This was treated once at a pressure of 100 MPa using a high-pressure homogenizer (H11, manufactured by Sanwa Engineering Co., Ltd.) to prepare cellulose fiber A1.

(製造例2(セルロース繊維A2))
中和工程に水酸化ナトリウムに替えてテトラブチルアンモニウムヒドロキシドを用いた以外は、製造例1と同様の製法でセルロース繊維A2を得た。
(Production Example 2 (Cellulose Fiber A2))
Cellulose fiber A2 was obtained by the same production method as in Production Example 1 except that tetrabutylammonium hydroxide was used instead of sodium hydroxide in the neutralization step.

(セルロース繊維の評価)
上記のようにして得られたセルロース繊維について、下記の基準に従って、各特性の評価を行った。
(Evaluation of cellulose fiber)
About the cellulose fiber obtained as mentioned above, each characteristic was evaluated according to the following reference | standard.

<数平均繊維径、平均アスペクト比の測定>
セルロース繊維の数平均繊維径、および繊維長を、透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子社製JEM−1400)を用いて観察した。すなわち、各セルロース繊維を親水化処理済みのカーボン膜被覆グリッド上にキャストした後、2%ウラニルアセテートでネガティブ染色したTEM像(倍率:10000倍)から、先に述べた方法に従い、数平均繊維径、および繊維長を算出した。さらに、これらの値を用いて平均アスペクト比を下記の式に従い算出した。
平均アスペクト比=数平均繊維長(nm)/数平均繊維径(nm)
セルロース繊維A1およびA2の数平均繊維径は、それぞれ58、50nmであった。また、平均アスペクト比は、それぞれ127、135であった。
<Measurement of number average fiber diameter and average aspect ratio>
The number average fiber diameter and fiber length of the cellulose fibers were observed using a transmission electron microscope (TEM, JEM-1400 manufactured by JEOL Ltd.). That is, after each cellulose fiber was cast on a hydrophilized carbon film-coated grid and negatively stained with 2% uranyl acetate, the number average fiber diameter was determined according to the method described above. And fiber length were calculated. Furthermore, the average aspect ratio was calculated according to the following formula using these values.
Average aspect ratio = number average fiber length (nm) / number average fiber diameter (nm)
The number average fiber diameters of the cellulose fibers A1 and A2 were 58 and 50 nm, respectively. Further, the average aspect ratios were 127 and 135, respectively.

<結晶構造>
X線回折装置(リガク社製、RINT−Ultima3)を用いて、セルロース繊維の回折プロファイルを測定し、2シータ=14〜17°付近と、2シータ=22〜23°付近の2つの位置に典型的なピークが見られる場合は結晶構造(I型結晶構造)が「有」と評価し、ピークが見られない場合は「無」と評価した。
セルロース繊維A1およびA2のいずれもセルロースI型結晶構造を確認できた。
<Crystal structure>
Using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, RINT-Utima3), the diffraction profile of cellulose fiber was measured, and typical at two positions, 2 theta = 14-17 ° and 2 theta = 22-23 °. When a typical peak was observed, the crystal structure (type I crystal structure) was evaluated as “present”, and when no peak was observed, it was evaluated as “none”.
Both cellulose fibers A1 and A2 were confirmed to have a cellulose I-type crystal structure.

(製造例3(ウレタンプレポリマー(b1))
撹拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた4つ口フラスコに、下記の原料を加え、75℃で4時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量3.0%であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。
・1,4−ブタンジオールとアジピン酸からなるポリエステルポリオール
商品名「ニッポラン4009」(日本ポリウレタン工業社製 Mw=1,000)
200重量部
・ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物(ポリエーテルポリオール)
商品名「ポリエーテルBPX−11」(ADEKA社製 Mw=360)
400重量部
・トリメチロールプロパン(低分子量ポリオール) 20重量部
・ジメチロールプロピオン酸(イオン性基含有化合物) 40重量部
・ヘキサメチレンジイソシアネート(イソシアネート化合物) 340重量部
・メチルエチルケトン 800重量部
このメチルエチルケトン溶液を40℃まで冷却し、トリエチルアミンを30重量部加えて中和してウレタンプレポリマー(b1)を得た。
(Production Example 3 (urethane prepolymer (b1))
The following raw materials were added to a four-necked flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer and nitrogen blowing tube, reacted at 75 ° C. for 4 hours, and free isocyanate group content to non-volatile content was 3.0%. A methyl ethyl ketone solution of a certain urethane prepolymer was obtained.
-Polyester polyol consisting of 1,4-butanediol and adipic acid Product name "Nipporan 4009" (Mw = 1,000, manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.)
200 parts by weight of propylene oxide adduct of bisphenol A (polyether polyol)
Product name "Polyether BPX-11" (Made by ADEKA Mw = 360)
400 parts by weight, trimethylolpropane (low molecular weight polyol) 20 parts by weight, dimethylolpropionic acid (ionic group-containing compound) 40 parts by weight, hexamethylene diisocyanate (isocyanate compound) 340 parts by weight, methyl ethyl ketone 800 parts by weight The mixture was cooled to 40 ° C. and neutralized by adding 30 parts by weight of triethylamine to obtain a urethane prepolymer (b1).

(製造例4(ウレタンプレポリマー(b2))
撹拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた4つ口フラスコに、下記の原料を加え、75℃で4時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量2.0%であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。
・ポリブタジエンポリオール商品名「KRASOL LBH-3000」(CRAY VALLEY社製 Mw=3,000)750重量部
・ジメチロールプロピオン酸(イオン性基含有化合物) 40重量部
・ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(イソシアネート化合物) 210重量部
・メチルエチルケトン 800重量部
このメチルエチルケトン溶液を40℃まで冷却し、トリエチルアミンを30重量部加えて中和してウレタンプレポリマー(b2)を得た。
(Production Example 4 (urethane prepolymer (b2))
The following raw materials were added to a four-necked flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer, and nitrogen blowing tube, reacted at 75 ° C. for 4 hours, and with a free isocyanate group content of 2.0% based on the nonvolatile content. A methyl ethyl ketone solution of a certain urethane prepolymer was obtained.
・ Polybutadiene polyol trade name “KRASOL LBH-3000” (Cray Valley Mw = 3,000) 750 parts by weight ・ Dimethylolpropionic acid (ionic group-containing compound) 40 parts by weight ・ Dicyclohexylmethane diisocyanate (isocyanate compound) 210 parts by weight Part / Methyl ethyl ketone 800 parts by weight The methyl ethyl ketone solution was cooled to 40 ° C. and neutralized by adding 30 parts by weight of triethylamine to obtain a urethane prepolymer (b2).

(製造例5(ウレタンプレポリマー(b3))
ポリエステルポリオールA合成方法:脱水装置を備えたフラスコ中に酸成分としてイソフタル酸105重量部及びテレフタル酸105重量部、アジピン酸93重量部と、ジオール成分としてエチレングリコール62重量部及びネオペンチルグリコール104重量部とを仕込み、反応触媒としてテトライソプロピルチタネート0.1重量部を添加した後、酸価1.0以下、水分0.05%以下となるまで220℃で縮合反応を行うことにより、ポリエステルポリオールAを得た。(数平均分子量:2000、水酸基価:56mgKOH/g)。
ポリエステルポリオールA 580部、トリメチロールプロパン 15部、メチルエチルケトン 667部を加え十分撹拌溶解し、次いでイソホロンジイソシアネート300部を加え75℃で1時間反応させた。反応終了後、60℃まで冷却し、ジメチロールプロピオン酸 105部、トリエチルアミン 59部(ジメチロールプロピオン酸に対し0.6モル)を加え、75℃で反応させてNCO含量が1.0%の末端イソシアネート基を有するウレタンプレポリマー(b3)を得た。
(Production Example 5 (urethane prepolymer (b3))
Polyester polyol A synthesis method: In a flask equipped with a dehydrator, 105 parts by weight of isophthalic acid and 105 parts by weight of terephthalic acid, 93 parts by weight of adipic acid as acid components, 62 parts by weight of ethylene glycol and 104 parts by weight of neopentyl glycol as diol components Polyester polyol A by adding 0.1 parts by weight of tetraisopropyl titanate as a reaction catalyst and then performing a condensation reaction at 220 ° C. until the acid value is 1.0 or less and the water content is 0.05% or less. Got. (Number average molecular weight: 2000, hydroxyl value: 56 mgKOH / g).
580 parts of polyester polyol A, 15 parts of trimethylolpropane and 667 parts of methyl ethyl ketone were added and dissolved with sufficient stirring, and then 300 parts of isophorone diisocyanate was added and reacted at 75 ° C. for 1 hour. After completion of the reaction, the mixture was cooled to 60 ° C., 105 parts of dimethylolpropionic acid and 59 parts of triethylamine (0.6 mol based on dimethylolpropionic acid) were added and reacted at 75 ° C. to end the NCO content at 1.0%. A urethane prepolymer (b3) having an isocyanate group was obtained.

(実施例1)
製造例3で得られたウレタンプレポリマー(b1)1830重量部をホモジナイザーで撹拌しながら製造例1で得られたセルロース繊維A1を250重量部と水 2250重量部の混合物を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン・セルロース繊維複合樹脂を30重量%含有する水性分散体を得た。
Example 1
While stirring 1830 parts by weight of the urethane prepolymer (b1) obtained in Production Example 3 with a homogenizer, a mixture of 250 parts by weight of cellulose fiber A1 obtained in Production Example 1 and 2250 parts by weight of water was gradually added to emulsify and disperse. And stirred for 1 hour. The solvent was removed at 50 ° C. under reduced pressure to obtain an aqueous dispersion containing 30% by weight of polyurethane / cellulose fiber composite resin.

(実施例2、3)
複合比率を表1のとおり変更した以外は、実施例1と同様の製法で得た。
(Examples 2 and 3)
The composite ratio was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composite ratio was changed as shown in Table 1.

(実施例4)
セルロース繊維A1に替えてA2にした以外は実施例1と同様の製法で得た。
Example 4
It was obtained by the same production method as in Example 1 except that A2 was used instead of cellulose fiber A1.

(実施例5、6)
ウレタンプレポリマー(b1)に替えて(b2)または(b3)にした以外は実施例1と同様の製法で得た。
(Examples 5 and 6)
It was obtained by the same production method as in Example 1 except that (b2) or (b3) was used instead of the urethane prepolymer (b1).

(比較例1)
セルロース繊維A1を固形分0.2質量%に希釈し、比較例1とした。
(Comparative Example 1)
Cellulose fiber A1 was diluted to a solid content of 0.2% by mass to obtain Comparative Example 1.

(比較例2)
撹拌機、還流冷却管、温度計および窒素吹き込み管を備えた4つ口フラスコに、下記の原料を加え、75℃で4時間反応させ、不揮発分に対する遊離のイソシアネート基含有量3.0%であるウレタンプレポリマーのメチルエチルケトン溶液を得た。
・1,4−ブタンジオールとアジピン酸からなるポリエステルポリオール
商品名「ニッポラン4009」(日本ポリウレタン工業社製 Mw=1,000)
200重量部
・ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物(ポリエーテルポリオール)
商品名「ポリエーテルBPX−11」(ADEKA社製 Mw=360)
400重量部
・トリメチロールプロパン(低分子量ポリオール) 20重量部
・ジメチロールプロピオン酸(イオン性基含有化合物) 40重量部
・ヘキサメチレンジイソシアネート(イソシアネート化合物) 340重量部
・メチルエチルケトン 800重量部
このメチルエチルケトン溶液を40℃まで冷却し、トリエチルアミンを30重量部加えて中和した後、ホモジナイザーで撹拌しながら水2700重量部を徐々に加えて乳化分散させ、1時間撹拌した。これを減圧下、50℃で脱溶剤を行い、ポリウレタン樹脂を30重量%含有する水性分散体を得た。
(Comparative Example 2)
The following raw materials were added to a four-necked flask equipped with a stirrer, reflux condenser, thermometer and nitrogen blowing tube, reacted at 75 ° C. for 4 hours, and free isocyanate group content to non-volatile content was 3.0%. A methyl ethyl ketone solution of a certain urethane prepolymer was obtained.
-Polyester polyol consisting of 1,4-butanediol and adipic acid Product name "Nipporan 4009" (Mw = 1,000, manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.)
200 parts by weight of propylene oxide adduct of bisphenol A (polyether polyol)
Product name "Polyether BPX-11" (Made by ADEKA Mw = 360)
400 parts by weight, trimethylolpropane (low molecular weight polyol) 20 parts by weight, dimethylolpropionic acid (ionic group-containing compound) 40 parts by weight, hexamethylene diisocyanate (isocyanate compound) 340 parts by weight, methyl ethyl ketone 800 parts by weight After cooling to 40 ° C. and neutralizing by adding 30 parts by weight of triethylamine, 2700 parts by weight of water was gradually added while stirring with a homogenizer, followed by stirring for 1 hour. The solvent was removed at 50 ° C. under reduced pressure to obtain an aqueous dispersion containing 30% by weight of a polyurethane resin.

(比較例3)
表1の混合比になるよう、乳化水の量を調整した以外は比較例2と同様に調製したポリウレタン樹脂水分散体6100部に、製造例1で得られたセルロース繊維A1を250重量部加え、攪拌することで、得た。
(Comparative Example 3)
250 parts by weight of cellulose fiber A1 obtained in Production Example 1 was added to 6100 parts of the polyurethane resin aqueous dispersion prepared in the same manner as in Comparative Example 2 except that the amount of emulsified water was adjusted so that the mixing ratio in Table 1 was obtained. Obtained by stirring.

(比較例4、6)
ウレタンプレポリマー(b1)に替えて(b2)または(b3)にした以外は比較例2と同様の製法で得た。
(Comparative Examples 4 and 6)
It was obtained by the same production method as Comparative Example 2 except that (b2) or (b3) was used instead of the urethane prepolymer (b1).

(比較例5)
ウレタンプレポリマー(b1)に替えて(b2)にした以外は比較例3と同様の製法で得た。
(Comparative Example 5)
It was obtained by the same production method as in Comparative Example 3 except that (b2) was used instead of the urethane prepolymer (b1).

Figure 0005976249
Figure 0005976249

(貯蔵安定性)
得られた水分散体を20℃、3日間、静置後の状態を目視により観察した。分離が全く見られないものを○、やや分離がみられるものを○△、完全に分離しているものを×として評価した。
(Storage stability)
The obtained water dispersion was observed visually at 20 ° C. for 3 days after standing. The case where no separation was observed was evaluated as ◯, the case where separation was slightly observed was evaluated as △, and the case where separation was complete was evaluated as ×.

(皮膜物性(強度、伸度、100%モジュラス))
得られたポリウレタン樹脂水分散体を、膜厚200μmとなるようにテフロン(登録商標)コーティングシャーレに投入し、80℃で6時間乾燥し、皮膜を作製した。
上記皮膜をダンベル状試験片(3号)の大きさに切断することにより評価サンプルを作製した。JIS−K−6301に準じて、引張速度100mm/minで引張強度(N/mm)、伸度(%)、100%(N/mm)モジュラスおよびを測定した。なお、評価はベースウレタンを100としたときの指数として表した。すなわち、実施例1の場合、(実施例1の実測値)/(比較例2の実測値)×100として算出した。ベースウレタンは、実施例1、2、3、4、比較例1、3については比較例2とし、実施例5、比較例5については比較例4とし、実施例6については比較例6とした。
(Film physical properties (strength, elongation, 100% modulus))
The obtained polyurethane resin aqueous dispersion was put into a Teflon (registered trademark) coating petri dish so as to have a film thickness of 200 μm and dried at 80 ° C. for 6 hours to prepare a film.
An evaluation sample was prepared by cutting the film into the size of a dumbbell-shaped test piece (No. 3). According to JIS-K-6301, tensile strength (N / mm 2 ), elongation (%), 100% (N / mm 2 ) modulus and the like were measured at a tensile speed of 100 mm / min. The evaluation was expressed as an index when the base urethane was 100. That is, in the case of Example 1, it was calculated as (actual value of Example 1) / (actual value of Comparative Example 2) × 100. The base urethane was set as Comparative Example 2 for Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Examples 1 and 3, as Comparative Example 4 for Examples 5 and 5, and as Comparative Example 6 for Example 6. .

(耐溶剤性)
試験液として、酢酸エチル/トルエン混合溶液(酢酸エチル/トルエン=50/50(重量比))、およびイソプロピルアルコール(IPA)を使用した。試験片を、それぞれの試験液に24時間浸漬し、初期の面積(2×4cm2)に対する面積増加率を下記式により求め、皮膜物性と同様にベースウレタンを100としたときの指数として表した。得られた面積増加率が低いほど耐水性が良好であると評価した。
面積増加率(%)=(浸漬後の面積―初期の面積)/初期の面積×100
(Solvent resistance)
As a test solution, an ethyl acetate / toluene mixed solution (ethyl acetate / toluene = 50/50 (weight ratio)) and isopropyl alcohol (IPA) were used. The test piece was immersed in each test solution for 24 hours, and the area increase rate with respect to the initial area (2 × 4 cm 2 ) was obtained by the following formula, and expressed as an index when the base urethane was set to 100 as with the film properties. . The lower the area increase rate obtained, the better the water resistance.
Area increase rate (%) = (Area after immersion−Initial area) / Initial area × 100

(皮膜の変色)
皮膜物性と同様の方法で作成した皮膜を、150℃の環境下30分経過後の変色性を目視により観察した。ほとんど変色がないものを○、変色があるものを×として評価した。
(Discoloration of the film)
A film prepared by the same method as the film physical properties was visually observed for discoloration after 30 minutes in an environment of 150 ° C. The case where there was almost no discoloration was evaluated as ○, and the case where there was discoloration was evaluated as ×.

表1から明らかなとおり、本発明の水分散体は、貯蔵安定性が良好であり、かつ得られる皮膜物性、耐溶剤性および変色性が良好であることが分かる。一方、本発明の範囲外である比較例は、劣っていることが分かる。特に、鎖伸長後のウレタンとセルロースを混合したものと比較しても、皮膜物性、耐溶剤性、変色性が良好であることがわかる。   As is apparent from Table 1, the aqueous dispersion of the present invention has good storage stability and good film properties, solvent resistance and discoloration obtained. On the other hand, it turns out that the comparative example which is outside the scope of the present invention is inferior. In particular, even when compared with a mixture of urethane and cellulose after chain extension, it can be seen that the film properties, solvent resistance, and discoloration are good.

本発明の水分散体は、コーティング材として用いることができる。特に、貯蔵安定性が良好であり、かつ得られる皮膜の物性、耐溶剤性および変色性が良好であることから、これらの性能が求められる分野に好適に用いることができる。   The aqueous dispersion of the present invention can be used as a coating material. In particular, since the storage stability is good and the resulting film has good physical properties, solvent resistance and discoloration, it can be suitably used in fields where these properties are required.

Claims (4)

下記条件を満たすことを特徴とするセルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹
脂(B)の水分散体であって、
少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液と前記セルロースナノファイバー(A)
の水分散体を混合した後
さらにウレタンプレポリマー(b)を鎖伸張してポリウレタン樹脂(B)とすることに
より得られる水分散体。
(A−1)数平均繊維径が2nm以上500nm以下
(A−2)平均アスペクト比が50以上1000以下
(A−3)セルロースI型結晶構造を有する
(A−4)アニオン性官能基
An aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A) and polyurethane resin (B) characterized by satisfying the following conditions,
At least the urethane prepolymer (b) solution and the cellulose nanofiber (A)
After mixing the aqueous dispersion of
Further, an aqueous dispersion obtained by chain-extending the urethane prepolymer (b) to obtain a polyurethane resin (B).
(A-1) Number average fiber diameter of 2 nm to 500 nm (A-2) Average aspect ratio of 50 to 1000 (A-3) Cellulose I-type crystal structure (A-4) Anionic functional group
セルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の混合比(固形分重量比)
が、0.1/100〜5/100である請求項1記載の水分散体。
Mixing ratio of cellulose nanofiber (A) and polyurethane resin (B) (solid weight ratio)
The aqueous dispersion according to claim 1, wherein is 0.1 / 100 to 5/100.
少なくとも、ウレタンプレポリマー(b)溶液とセルロースナノファイバー(A)の水
分散体を混合する工程と、
その後、ウレタンプレポリマーを鎖伸張し、ポリウレタン樹脂(B)とする工程、を有する
セルロースナノファイバー(A)とポリウレタン樹脂(B)の水分散体の製造方法。
At least a step of mixing the urethane prepolymer (b) solution and the aqueous dispersion of cellulose nanofiber (A);
Then, the manufacturing method of the water dispersion of the cellulose nanofiber (A) which has the process of extending | stretching a urethane prepolymer and making it a polyurethane resin (B), and a polyurethane resin (B).
請求項1または2記載の水分散体を含有するコーティング材。   A coating material containing the aqueous dispersion according to claim 1.
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