JP6153680B1 - Modeling material for 3D printer, manufacturing method thereof, and three-dimensional modeled object - Google Patents

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Abstract

【課題】セルロースナノファイバーなどのナノファイバーを熱可塑性樹脂中に均一に分散させることにより、強度、弾性率が向上し、細かいパターンの表面状態が再現でき、表面平滑性に優れ、さらに透明性や染色性にも優れる三次元造形物が得られる3Dプリンタ用の造形材料を提供すること。【解決手段】3Dプリンタ用造形材料であって、(A)ナノファイバー、(B)分散剤、および(C)樹脂成分を主成分とする造形材料。【選択図】なし[PROBLEMS] To disperse nanofibers such as cellulose nanofibers uniformly in a thermoplastic resin, thereby improving strength and elastic modulus, reproducing a fine pattern surface state, excellent surface smoothness, transparency and To provide a modeling material for a 3D printer from which a three-dimensional modeled object having excellent dyeability can be obtained. A modeling material for a 3D printer comprising (A) nanofibers, (B) a dispersant, and (C) a resin component as main components. [Selection figure] None

Description

本発明は、3Dプリンタによって三次元造形物を得る際に使用する造形材料に関するものである。   The present invention relates to a modeling material used when a three-dimensional model is obtained by a 3D printer.

コンピュータ上の設計データをもとに三次元のものを作り出す3Dプリンタは、金型や溶融成形装置を用いずにプラスチック製の部品、治具、製品を作ることができ、企業を中心に急速に普及している。特に、熱可塑性樹脂を造形材料に用いる熱溶解積層方式の3Dプリンタは廉価版も販売され、個人にまで普及し始めている。
このような熱溶解積層法式3Dプリンタに用いられる造形材料としては、熱可塑性樹脂とこの樹脂中に分散された機能性ナノフィラーを含む機能性樹脂組成物が提案されている(特許文献1)。この特許文献の技術的骨子は、カーボンナノファイバーあるいはナノクレイ粒子を超臨界二酸化炭素を用いて二軸混練押出機で練り込むというもので、分散剤を使用するものではない。これでは、ナノフィラーの分散が充分ではなく、本来のナノフィラーの機能が充分に発揮できるものではなく、ナノファイバーとしてはセルロースナノファイバーが単に例示されているにすぎない。
3D printers that create three-dimensional printers based on computer design data can produce plastic parts, jigs, and products without using molds or melt molding equipment. It is popular. In particular, a hot melt lamination type 3D printer using a thermoplastic resin as a modeling material is also sold as a low-priced version and is beginning to spread to individuals.
As a modeling material used for such a hot melt lamination type 3D printer, a functional resin composition including a thermoplastic resin and functional nanofillers dispersed in the resin has been proposed (Patent Document 1). The technical essence of this patent document is to knead carbon nanofibers or nanoclay particles with a twin screw kneading extruder using supercritical carbon dioxide, and does not use a dispersant. In this case, the dispersion of the nanofiller is not sufficient, and the function of the original nanofiller cannot be sufficiently exhibited, and the cellulose nanofiber is merely exemplified as the nanofiber.

特開2016−28887号公報JP 2016-28887 A

本発明は、セルロースナノファイバーなどのナノファイバーを樹脂中に均一に分散させることにより、強度、弾性率が向上し、強度、弾性率が向上し、設計上の形状を造形物としてより正確に再現でき、表面平滑性に優れ、さらに透明性や染色性にも優れる三次元造形物が得られる3Dプリンタ用の造形材料を提供することを目的とする。   In the present invention, the nanofibers such as cellulose nanofibers are uniformly dispersed in the resin, thereby improving the strength and elastic modulus, improving the strength and elastic modulus, and reproducing the design shape more accurately as a modeled object. An object of the present invention is to provide a modeling material for a 3D printer capable of obtaining a three-dimensional modeled object that is excellent in surface smoothness and further excellent in transparency and dyeability.

本発明は、以下の(1)〜(9)により構成される。
(1)3Dプリンタ用造形材料であって、(A)ナノファイバー、(B)分散剤、および(C)熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなる樹脂成分を主成分とする造形材料。
(2)(A)ナノファイバーが、セルロースナノファイバーである、(1)記載の造形材料。
(3)(A)セルロースナノファイバーの平均繊維径が10〜100nmである請求項2記載の造形材料。
(4)(B)分散剤が(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体を主成分とする、(1)〜(3)いずれかに記載の造形材料。
(5)(B)分散剤を構成する(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体が、ポリメタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン、ポリメタクリル酸ブチル・メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン及びポリメタクリル酸ステアリル・メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンの群から選ばれた少なくとも1種である(4)に記載の造形材料。
(6)(C)樹脂成分が、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアミド樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリケトン樹脂、および環状ポリオレフィン樹脂の群から選ばれた少なくとも1種である、(1)〜(5)いずれかに記載の造形材料。
(7)固形換算で、(A)ナノファイバーが0.5〜20重量%、(B)分散剤が0.0005〜10重量%、(C)樹脂が70〜99.4995重量%[ただし、(A)+(B)+(C)=100重量%]である、(1)〜(6)いずれかに記載の造形材料。
(8)上記(1)〜(7)いずれかに記載の造形材料を溶融押し出ししたのち、液体浴中で冷却・固化し、モノフィラメント糸となすことを特徴とする、3Dプリンタ用造形材料の製造方法。
(9)上記(1)〜(7)いずれかに記載の造形材料を用いて、3Dプリンタを適用して得られる三次元造形物。
This invention is comprised by the following (1)-(9).
(1) A modeling material for a 3D printer, the modeling material having (A) nanofibers, (B) a dispersant, and (C) a resin component made of a thermoplastic resin or a photocurable resin as a main component.
(2) (A) The modeling material according to (1), wherein the nanofiber is a cellulose nanofiber.
(3) The modeling material according to claim 2, wherein the average fiber diameter of (A) cellulose nanofiber is 10 to 100 nm.
(4) The modeling material according to any one of (1) to (3), wherein (B) the dispersant is mainly composed of a (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer.
(5) (B) The (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer constituting the dispersant is polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine, polybutyl methacrylate / methacryloyloxyethyl phosphorylcholine and polystearyl methacrylate / methacryloyloxyethyl phosphorylcholine The modeling material according to (4), which is at least one selected from the group of
(6) (C) The resin component is a polyethylene resin, polypropylene resin, polylactic acid resin, polyvinyl alcohol resin, polyamide resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, acrylonitrile-styrene (AS) resin, polymethyl methacrylate resin, The modeling material according to any one of (1) to (5), which is at least one selected from the group consisting of polyvinylidene chloride resin, ethylene vinyl alcohol resin, polyacrylonitrile resin, polyacetal resin, polyketone resin, and cyclic polyolefin resin .
(7) In terms of solids, (A) nanofiber is 0.5 to 20% by weight, (B) dispersant is 0.0005 to 10% by weight, and (C) resin is 70 to 99.4949% by weight [however, (A) + (B) + (C) = 100% by weight] The modeling material according to any one of (1) to (6).
(8) Manufacture of modeling material for 3D printer characterized by melting and extruding the modeling material according to any one of (1) to (7) above, and then cooling and solidifying in a liquid bath to form a monofilament yarn. Method.
(9) A three-dimensional structure obtained by applying a 3D printer using the modeling material according to any one of (1) to (7) above.

本発明の造形材料は、セルロースナノファイバーなどの(A)ナノファイバーが(B)分散剤の働きにより、ナノオーダーでナノファイバーの絡み合いがほどけ、さらにセルロース水酸基の水素結合による凝集がブロックされて、均一に(C)樹脂成分中に分散しているので、強度、弾性率が向上し、しかもナノファイバーが分散しているので、設計上の形状を造形物としてより正確に再現でき、表面平滑性に優れ、さらにナノファイバーとしてセルロースナノファイバーを用いた場合には、透明性、染色性にも優れ、光の波長によりセルロースナノファイバーの分散径が小さく、セルロースに起因した染色性も高い、三次元造形物が得られ、3Dプリンタ用造形材料として好適である。   In the modeling material of the present invention, (A) nanofibers such as cellulose nanofibers are (B) due to the action of the dispersant, the nanofibers are entangled in nano order, and further, aggregation due to hydrogen bonding of cellulose hydroxyl groups is blocked, Since it is uniformly dispersed in the resin component (C), the strength and elastic modulus are improved, and the nanofibers are dispersed, so the design shape can be reproduced more accurately as a modeled object, and the surface smoothness In addition, when cellulose nanofibers are used as nanofibers, they are also excellent in transparency and dyeability, the dispersion diameter of cellulose nanofibers is small depending on the wavelength of light, and the dyeability due to cellulose is also high. A modeling thing is obtained and it is suitable as modeling material for 3D printers.

実施例2で得られた3Dプリンタ造形物(M16六角ボルト)の写真である。It is a photograph of 3D printer modeling thing (M16 hexagon bolt) obtained in Example 2.

以下、本発明の3Dプリンタ用造形材料について、構成要件別に詳細に説明するが、本発明の造形材料は、(A)ナノファイバー、(B)分散剤および(C)樹脂成分を主成分とする。   Hereinafter, although the modeling material for 3D printers of the present invention will be described in detail according to the constituent requirements, the modeling material of the present invention has (A) nanofibers, (B) a dispersant, and (C) a resin component as main components. .

<(A)ナノファイバー>
ナノファイバーとは、一般に直径が1〜1,000nmで長さが直径の100倍以上ある繊維の総称である。ナノファイバーの素材としては、バイオナノファイバー(セルロースナノファイバー、キチン・キトサンナノファイバー)、カーボンナノファイバー、その他のナノファイバー(炭素以外の無機ナノファイバー、有機高分子ナノファイバー)などが挙げられるが、好ましくはセルロースナノファイバーである。以下、(A)ナノファイバーに関しては、セルロースナノファイバーを例にとって詳述する。
<(A) Nanofiber>
Nanofiber is a general term for fibers generally having a diameter of 1 to 1,000 nm and a length of 100 times or more of the diameter. Examples of nanofiber materials include bio-nanofibers (cellulose nanofibers, chitin / chitosan nanofibers), carbon nanofibers, and other nanofibers (inorganic nanofibers other than carbon, organic polymer nanofibers). Is a cellulose nanofiber. Hereinafter, (A) nanofiber will be described in detail by taking cellulose nanofiber as an example.

<セルロースナノファイバーの原料>
ここで、(A)セルロースナノファイバーの製造に使用するセルロースの原料は、繊維状、粒状などの任意の形態であってもよい。セルロース原料は、リグニンやヘミセルロースを除去した結晶セルロースが好ましい。また、市販の原料を使用してもよい。メディアレス分散機でセルロースを処理すると、セルロースは繊維の長さを保ったまま繊維同士の絡まりがほどけて細くなるが、処理条件を変えることで、繊維の切断もしくは分子量を低下させることも可能である。なお、本発明において「ナノファイバー」とは、上記のように、繊維の幅がナノサイズになったものを意味する。例えばセルロースは、本発明の方法の実施により繊維同士が充分に解繊して最小単位の繊維になると、その直径は4〜10nm程度となる。セルロース原料ないしナノファイバーの直径(幅)は、電子顕微鏡写真により測定することができる。このような繊維は、長さはナノサイズではないが、直径(幅)がナノサイズであるので、本発明においてナノファイバーと指称する。
<Raw material of cellulose nanofiber>
Here, (A) The raw material of the cellulose used for manufacture of a cellulose nanofiber may be arbitrary forms, such as fibrous form and a granular form. The cellulose raw material is preferably crystalline cellulose from which lignin and hemicellulose have been removed. Commercially available raw materials may be used. When cellulose is processed with a medialess disperser, the cellulose is untangled and thins while maintaining the length of the fiber. However, it is possible to cut the fiber or reduce the molecular weight by changing the processing conditions. is there. In the present invention, “nanofiber” means a fiber having a nano width as described above. For example, the diameter of cellulose is about 4 to 10 nm when the fibers of the present invention are sufficiently defibrated to become the smallest unit of fiber by carrying out the method of the present invention. The diameter (width) of the cellulose raw material or nanofiber can be measured by an electron micrograph. Such a fiber is not nano-sized, but its diameter (width) is nano-sized, and is therefore referred to as nanofiber in the present invention.

<(B)分散剤>
(B)分散剤としては、(A)セルロースナノファイバーを分散できるものであれば、いかなるものでもよい。例えば、「P−OH基、−COOH基、−SOH基、および/またはそれらの金属塩基が少なくとも1種結合した陰イオン性分散剤」(特開2012−51991号公報)、樹脂親和性セグメントAとセルロース親和性セグメントBとを有し、ブロック共重合体構造またはグラジエント共重合体構造を有する分散剤」(特開2014−162880号公報)などが挙げられるが、なかでも、マトリックス成分となる樹脂成分との親和性が良好な、(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体を含む分散剤が好ましい。
<(B) Dispersant>
(B) Any dispersant may be used as long as it can disperse (A) cellulose nanofibers. For example, “P-OH group, —COOH group, —SO 3 H group, and / or an anionic dispersant in which at least one of these metal bases is bonded” (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-51991), resin affinity “Dispersant having segment A and cellulose affinity segment B and having a block copolymer structure or a gradient copolymer structure” (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-162880), among others, A dispersant containing a (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer having good affinity with the resin component is preferable.

(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体:
ここで、(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリンとは、メタアクリロイルオキシエチルホスホリルコリンと、アクリロイルオキシエチルホスホリルコリンとを統括した言葉である。これらは、常法に従って製造される。即ち、一例を挙げれば、2−ブロモエチルホスホリルジクロリドと2−ヒドロキシエチルホスホリルジクロリドと2−ヒドロキシエチルメタクリレートとを反応させて2−メタクリロイルオキシエチル−2′−ブロモエチルリン酸を得、更にこれをトリメチルアミンとメタノール溶液中で反応させて得ることができる。
(Meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer:
Here, the term “(meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine” is a general term for methacryloyloxyethyl phosphorylcholine and acryloyloxyethyl phosphorylcholine. These are produced according to conventional methods. That is, for example, 2-bromoethyl phosphoryl dichloride, 2-hydroxyethyl phosphoryl dichloride and 2-hydroxyethyl methacrylate are reacted to obtain 2-methacryloyloxyethyl-2'-bromoethyl phosphate, It can be obtained by reacting trimethylamine with methanol solution.

かかる(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(以下「MPC」)を用いて重合体(ホモポリマー)を作成する方法としては、通常の重合方法に従えば良く、例えば、これらのモノマーを溶媒中で重合開始剤の存在下、反応させて得られる。ここで使用される溶媒としては、MPCが溶解するものであれば良く、具体的には水、メタノール、エタノール、プロパノール、t−ブタノール、ベンゼン、トルエン、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、クロロホルムまたはこれらの混合溶媒等が例示される。また、重合開始剤としては、通常のラジカル開始剤ならば何れを用いても良く、2,2′−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、3−カルボキシプロピオニトリル、アゾビスマレノニトリル等の脂肪酸アゾ化合物や過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム等の有機過酸化物を挙げることができる。   As a method for producing a polymer (homopolymer) using such (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (hereinafter “MPC”), a normal polymerization method may be followed. For example, polymerization of these monomers in a solvent is started. It is obtained by reacting in the presence of an agent. The solvent used here may be any solvent that can dissolve MPC. Specifically, water, methanol, ethanol, propanol, t-butanol, benzene, toluene, dimethylformamide, tetrahydrofuran, chloroform, or a mixed solvent thereof. Etc. are exemplified. As the polymerization initiator, any normal radical initiator may be used, such as 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN), 3-carboxypropionitrile, azobismaleonitrile and the like. Examples thereof include organic peroxides such as fatty acid azo compounds, benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, and potassium persulfate.

共重合体(コポリマー)を作成する場合には、これらのモノマーに加えて、更に、任意のモノマーを加え、同様に重合することができる。該任意のモノマーとしては、アクリル酸メチル、メタアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタアクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、メタアクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、メタアクリル酸ブチル、アクリル酸ラウリル、メタアクリル酸ラウリル、アクリル酸セチル、メタアクリル酸セチル、アクリル酸ステアリル、メタアクリル酸ステアリル、アクリル酸イソステアリル、メタアクリル酸イソステアリル、アクリル酸オレイル、メタアクリル酸オレイルなどの(メタ)アクリル酸アルキル、アクリル酸、メタアクリル酸などの(メタ)アクリル酸或いはそれらの塩、ポリオキシエチレンアクリル酸、ポリオキシエチレンメタアクリル酸、ポリオキシプロピレンアクリル酸、ポリオキシプロピレンメタアクリル酸等のポリオキシアルキレン変性(メタ)アクリル酸等が好ましく例示できる。又、共重合の方法は、通常知られているものであれば、特段の限定はなく、ランダム共重合、ブロック共重合などが好ましく例示できる。   When preparing a copolymer (copolymer), in addition to these monomers, arbitrary monomers can be further added and polymerized in the same manner. Examples of the optional monomer include methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, propyl acrylate, propyl methacrylate, butyl acrylate, butyl methacrylate, lauryl acrylate, methacrylic acid Alkyl (meth) acrylates such as lauryl, cetyl acrylate, cetyl methacrylate, stearyl acrylate, stearyl methacrylate, isostearyl acrylate, isostearyl methacrylate, oleyl acrylate, oleyl methacrylate, acrylic acid , (Meth) acrylic acid such as methacrylic acid or salts thereof, polyoxyethylene acrylic acid, polyoxyethylene methacrylic acid, polyoxypropylene acrylic acid, polyoxypropylene methacrylic acid and other polyoxy Alkylene-modified (meth) acrylic acid can be preferably exemplified. The copolymerization method is not particularly limited as long as it is a generally known method, and random copolymerization, block copolymerization and the like can be preferably exemplified.

このようなポリマー或いはコポリマーには既に市販されているものがあり、かかる市販品を購入して利用することもできる。この様な市販品としては、例えば、ポリメタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンである、「リピジュアHM」(日本油脂株式会社製)、メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン・メタクリル酸ブチルコポリマーである、「リピジュアPMB」(日本油脂株式会社製)、メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン・メタクリル酸ステアリルコポリマーである、「リピジュアNR」(日本油脂株式会社製)等が好ましく例示できる。当該(共)重合体からなる分散剤は、セルロースナノファイバーと同様に生体適合性を有し、本発明による3Dプリンタ用材料からなる三次元造形物を、医療あるいは食品用途に好適に使用できる。   Some of such polymers or copolymers are already commercially available, and such commercially available products can be purchased and used. Examples of such commercially available products include “Lipidure HM” (manufactured by Nippon Oil & Fats Co., Ltd.), which is polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine, and “Lipidure PMB” (Nippon Oil Co., Ltd.) which is a methacryloyloxyethyl phosphorylcholine / butyl methacrylate copolymer. Preferred examples include “Lipidure NR” (manufactured by NOF Corporation), which is a methacryloyloxyethyl phosphorylcholine / stearyl methacrylate copolymer. The dispersant made of the (co) polymer has biocompatibility like the cellulose nanofiber, and the three-dimensional structure made of the material for 3D printer according to the present invention can be suitably used for medical or food applications.

なお、(B)分散剤としては、(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体のほか、上記のように、リン酸またはポリリン酸、リン酸またはポリリン酸の塩、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸共重合体、ポリアクリル酸の塩、ポリアクリル酸共重合体の塩などの陰イオン性分散剤など、常用される他の分散剤を配合してもよい。
また、本発明の(A)〜(B)成分からなるセルロースナノファイバー分散体には、リン酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸などの酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリを少量加えてもよい。
In addition to (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer, (B) dispersing agent includes phosphoric acid or polyphosphoric acid, phosphoric acid or polyphosphoric acid salt, polyacrylic acid, polyacrylic acid as described above. You may mix | blend other commonly used dispersing agents, such as anionic dispersing agents, such as an acid copolymer, the salt of polyacrylic acid, and the salt of polyacrylic acid copolymer.
Further, the cellulose nanofiber dispersion comprising the components (A) to (B) of the present invention includes acids such as phosphoric acid, citric acid, acetic acid and malic acid, alkalis such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, sodium carbonate A small amount of alkali such as potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate may be added.

<分散媒>
本発明では、(A)セルロースナノファイバーと(B)分散剤とから、まず分散体(エマルジョンまたはスラリー)を調製する。この際には、分散媒が用いられる。
セルロースナノファイバー分散体の分散媒としては、水、低級アルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール)、グリコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール)、グリセリン、アセトン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、アセトアミドなどが挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いることができる。好ましい分散媒は、水、含水溶媒が挙げられ、水が特に好ましい。
<Dispersion medium>
In the present invention, a dispersion (emulsion or slurry) is first prepared from (A) cellulose nanofibers and (B) a dispersant. In this case, a dispersion medium is used.
As a dispersion medium of cellulose nanofiber dispersion, water, lower alcohol (methanol, ethanol, propanol, isopropanol), glycols (ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol), glycerin, acetone, dioxane, tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethylformamide, Examples thereof include dimethyl sulfoxide and acetamide, and these can be used alone or in combination of two or more. Preferred examples of the dispersion medium include water and a water-containing solvent, and water is particularly preferred.

<分散体の組成>
本発明の分散体において、(A)セルロースナノファイバーは好ましくは0.1〜10重量%、さらに好ましくは0.5〜5.0重量%、より好ましくは1.0〜3.0重量%含まれ、(B)分散剤は、セルロースナノファイバー(固形分重量)に対して好ましくは0.1〜50重量%、さらに好ましくは1〜20重量%、より好ましくは5〜20重量%含まれる。セルロースナノファイバーの分散体の分散媒の含有量は、好ましくは50〜99.9重量%、さらに好ましくは60〜99.5重量%、より好ましくは70〜99重量%である。
<Composition of dispersion>
In the dispersion of the present invention, the (A) cellulose nanofiber is preferably contained in an amount of 0.1 to 10% by weight, more preferably 0.5 to 5.0% by weight, more preferably 1.0 to 3.0% by weight. (B) The dispersant is preferably contained in an amount of 0.1 to 50% by weight, more preferably 1 to 20% by weight, and more preferably 5 to 20% by weight based on the cellulose nanofibers (solid content weight). The content of the dispersion medium of the cellulose nanofiber dispersion is preferably 50 to 99.9% by weight, more preferably 60 to 99.5% by weight, and more preferably 70 to 99% by weight.

なお、本発明のセルロースナノファイバー分散体は、(A)セルロースナノファイバー1重量部に対し、(B)分散剤を好ましくは0.01〜0.4重量部、さらに好ましくは0.02〜0.3重量部、より好ましくは0.03〜0.25重量部、最も好ましくは0.05〜0.2重量部程度である。分散剤は多すぎても少なすぎてもセルロースナノファイバーの沈降を生じやすくなる。   The cellulose nanofiber dispersion of the present invention is preferably 0.01 to 0.4 parts by weight, more preferably 0.02 to 0.3 parts by weight, more preferably 1 part by weight of (A) cellulose nanofibers. It is about 0.03 to 0.25 parts by weight, most preferably about 0.05 to 0.2 parts by weight. If the amount of the dispersant is too much or too little, the cellulose nanofibers are liable to precipitate.

<(A)セルロースナノファイバー>
本発明に用いられる(A)セルロースナノファイバーは、繊維径が100nm以下、より好ましくは80nm以下、さらに好ましくは60nm以下、特に40nm以下である。本発明のセルロースナノファイバーは、繊維径が非常に小さく、解繊が不十分なセルロースは実質的に存在せず、水に分散させた場合に透明な溶液に近い外観を有し、水の中にナノファイバーが分散していることは肉眼的には認められず、透明な分散液(低濃度の場合)または透明ゲルもしくは不透明ゲル(高濃度の場合)を得ることができる。本発明の「分散体」は、水分散液、水分散ゲル、水分散ペーストなどの種々の形態が含まれる。
<(A) Cellulose nanofiber>
The cellulose nanofiber (A) used in the present invention has a fiber diameter of 100 nm or less, more preferably 80 nm or less, still more preferably 60 nm or less, particularly 40 nm or less. The cellulose nanofiber of the present invention has a fiber diameter that is very small and cellulose that is not sufficiently defibrated, and has an appearance close to a transparent solution when dispersed in water. It is not visually recognized that the nanofibers are dispersed, and a transparent dispersion liquid (when the concentration is low) or a transparent gel or an opaque gel (when the concentration is high) can be obtained. The “dispersion” of the present invention includes various forms such as an aqueous dispersion, an aqueous dispersion gel, and an aqueous dispersion paste.

伸びきり鎖結晶からなるセルロースナノファイバーの弾性率、強度はそれぞれ140GPaおよび3GPaに達し、代表的な高強度繊維、アラミド繊維に等しく、ガラス繊維よりも高弾性であることが知られている。しかも線熱膨張係数は1.0×10−7/℃と石英ガラスに匹敵する低さである。本発明のセルロースナノファイバーの水分散液は、ナノファイバーの分散性に優れているのでコンポジットの補強繊維としても有用である。 It is known that the elastic modulus and strength of cellulose nanofibers composed of extended chain crystals reach 140 GPa and 3 GPa, respectively, which are equal to typical high-strength fibers and aramid fibers, and have higher elasticity than glass fibers. Moreover, the coefficient of linear thermal expansion is 1.0 × 10 −7 / ° C., which is as low as quartz glass. The aqueous dispersion of cellulose nanofibers of the present invention is also useful as a composite reinforcing fiber because of its excellent nanofiber dispersibility.

<分散体の製造方法>
本発明の分散体は、セルロース、分散剤、および分散媒を機械的解繊手段に供給して、機械的解繊により、セルロースをナノファイバー化するとともに、分散剤により、安定した分散体として得られる。
機械的解繊手段としては、グラインダー、混練機、ビーズミル、高圧ホモジナイザー、水中カウンターコリージョン、高速回転分散機、ビーズレス分散機、高速撹拌型のメディアレス分散機などが挙げられるが、好ましくは高速撹拌型のメディアレス分散機が最も好ましい。
メディアレス分散機は、不純物の混入が少なく、純度の高いセルロースナノファイバー分散体が得られる。
<Method for producing dispersion>
The dispersion of the present invention is obtained by supplying cellulose, a dispersant, and a dispersion medium to a mechanical defibrating means, converting the cellulose into nanofibers by mechanical defibration, and obtaining a stable dispersion with the dispersant. It is done.
Examples of the mechanical defibrating means include a grinder, a kneader, a bead mill, a high-pressure homogenizer, an underwater counter collage, a high-speed rotary disperser, a beadless disperser, a high-speed agitation type medialess disperser, and preferably a high speed. A stirring type medialess disperser is most preferred.
In the medialess disperser, a cellulose nanofiber dispersion having a high purity and a small amount of impurities can be obtained.

高速攪拌型のメディアレス分散機とは、分散メディア(例えば、ビーズ、サンド(砂)、ボール、等)を実質的に用いず、剪断力を利用して分散処理を行う分散機を意味する。
メディアレス分散機としては、特に限定はされないが、例えば、IKA社製 DR−PILOT2000、ULTRA−TURRAXシリーズ、Dispax−Reactorシリーズ;プライミクス株式会社製 T.K.ホモミクサー、T.K.パイプラインホモミクサー;シルバーソン社製 ハイ・シアー・ミキサー;大平洋機工株式会社製 マイルダー、キャビトロン;エムテクニック株式会社製 クレアミックス:みずほ工業株式会社製 ホモミキサー、パイプラインミキサー、寿工業(株)製 K−2等が挙げられる。
The high-speed agitation type medialess disperser means a disperser that disperses using a shearing force without substantially using dispersive media (for example, beads, sand, balls, etc.).
The medialess disperser is not particularly limited. For example, DR-PILOT2000, ULTRA-TURRAX series, Dispax-Reactor series manufactured by IKA Corporation; K. Homomixer, T.W. K. Pipeline homomixer; Silverson high shear mixer; Taihei Yoko Co., Ltd. Milder, Cavitron; M Technic Co., Ltd. Claire mix: Mizuho Kogyo Co., Ltd. Homo mixer, pipeline mixer, Kotobuki Kogyo Co., Ltd. Product K-2 etc. are mentioned.

これらの中でも、メディアレス分散機としては、ロータとステータとを備える分散機が好ましく、そのような高速攪拌型のメディアレス分散機の例として、寿工業(株)製の分散機が挙げられる。この分散機は、ステータと、前記ステータの内部で回転するロータとを備える。これらのステータとロータの間には、隙間が形成されている。ロータを回転させて、ステータとロータの間に混合液を通過させることで、剪断力を与えることができる。ステータとロータの距離を、剪断部クリアランスとする。
また、分散機は、上記のものに限定されず、例えばステータ及びロータが多段階に設置されている分散機を用いてもよい。
本発明のメディアレス分散機としては、処理を均一に行う観点から、該分散機の中を混合液が循環するインライン循環式のものを用いることが好ましい。
Among these, as the medialess disperser, a disperser including a rotor and a stator is preferable, and an example of such a high-speed stirring type medialess disperser includes a disperser manufactured by Kotobuki Industries Co., Ltd. The disperser includes a stator and a rotor that rotates inside the stator. A gap is formed between the stator and the rotor. By rotating the rotor and passing the mixed liquid between the stator and the rotor, a shearing force can be applied. The distance between the stator and the rotor is the shear clearance.
Further, the disperser is not limited to the above, and for example, a disperser in which a stator and a rotor are installed in multiple stages may be used.
As the medialess disperser of the present invention, it is preferable to use an in-line circulation type in which a mixed liquid circulates in the disperser from the viewpoint of performing the processing uniformly.

メディアレス分散機における剪断速度は、900,000[1/sec]を超える。剪断速度が900,000[1/sec]以下である場合には、セルロースが解繊されない。
剪断速度は、2,000,000[1/sec]以下が好ましく、1,500,000[1/sec]以下が好ましく、1,200,000[1/sec]以下がより好ましい。
また、メディアレス分散機の剪断部クリアランスは、上記の剪断速度に応じて適宜設定されるが、できるだけ小さなセルロースナノファイバー径を得る観点から、10μm以上が好ましく、15μm以上がより好ましく、20μm以上が更に好ましい。また、分散機の回転速度を適切な数値に保つ観点から、当該クリアランスは、100μmが以下好ましく、50μm以下がより好ましく、40μm以下がより更に好ましい。
さらに、メディアレス分散機の回転周速は、上記剪断速度に応じて適宜設定されるが、できるだけ小さなセルロースナノファイバーを得る観点から、18m/s以上が好ましく、20m/s以上がより好ましく、23m/s以上がより好ましい。また、最適なセルロースナノファイバー径を得る観点から、当該回転周速は、50m/sが以下好ましく、40m/s以下がより好ましく、35m/s以下がより更に好ましい。回転周速は、ロータの最先端部分の周速である。
The shear rate in the medialess disperser exceeds 900,000 [1 / sec]. When the shear rate is 900,000 [1 / sec] or less, the cellulose is not defibrated.
The shear rate is preferably 2,000,000 [1 / sec] or less, preferably 1,500,000 [1 / sec] or less, and more preferably 1,200,000 [1 / sec] or less.
Further, the shear clearance of the medialess disperser is appropriately set according to the above shear rate, but is preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more, and more preferably 20 μm or more from the viewpoint of obtaining the smallest possible cellulose nanofiber diameter. Further preferred. Further, from the viewpoint of keeping the rotational speed of the disperser at an appropriate value, the clearance is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and even more preferably 40 μm or less.
Further, the rotational peripheral speed of the medialess disperser is appropriately set according to the shear rate, but from the viewpoint of obtaining as small a cellulose nanofiber as possible, it is preferably 18 m / s or more, more preferably 20 m / s or more, 23 m / S or more is more preferable. Further, from the viewpoint of obtaining an optimum cellulose nanofiber diameter, the rotational peripheral speed is preferably 50 m / s or less, more preferably 40 m / s or less, and even more preferably 35 m / s or less. The rotational peripheral speed is the peripheral speed of the most advanced portion of the rotor.

このように、本発明のセルロースナノファイバーの分散体は、セルロースと分散剤を含む分散体を1回〜複数回、上記のような高速撹拌型のメディアレス分散機を用いて処理することにより製造することができる。
本発明の方法により処理されて得られたセルロースナノファイバーの平均繊維径は10〜100nm程度、好ましくは10〜40nm程度、最も好ましくは15〜25nm程度である。本発明のナノファイバーは、繊維長/繊維幅(アスペクト比)が大きくて分散状態が良好であるため、強度を保ちつつ不織布のようにナノファイバーが絡み合ったフィルム・シート状に成型することが容易であり、各種の材料として好適に使用できる。本発明のセルロースナノファイバーの水分散体をフィルム・シート状にした不織布は、透明性が高い特徴がある。
Thus, the dispersion of cellulose nanofibers of the present invention is produced by treating a dispersion containing cellulose and a dispersant once to a plurality of times using the above-described high-speed stirring-type medialess disperser. can do.
The average fiber diameter of the cellulose nanofiber obtained by the treatment of the method of the present invention is about 10 to 100 nm, preferably about 10 to 40 nm, and most preferably about 15 to 25 nm. The nanofiber of the present invention has a long fiber length / fiber width (aspect ratio) and a good dispersion state, so it can be easily formed into a film or sheet in which nanofibers are entangled like a nonwoven fabric while maintaining strength. And can be suitably used as various materials. The nonwoven fabric in which the aqueous dispersion of cellulose nanofibers of the present invention is formed into a film / sheet is characterized by high transparency.

<(C)樹脂成分>
(C)樹脂成分としては、熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂である。
このうち、熱可塑性樹脂とは、加熱により溶融成形を行う樹脂を言う。その具体例としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアミド樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリケトン樹脂、および環状ポリオレフィン樹脂の群から選ばれた少なくとも1種が挙げられる。
なお、本発明の造形材料においては、(A)ナノファイバーとしてセルロースナノファイバーを用いる場合、耐熱性が充分ではない場合があるので、(C)樹脂成分としては、融点の比較的低い、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアミド樹脂のうち、ナイロン6などが特に好適に用いられる。
なお、本発明において、(B)分散剤として、「(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体」を用いる場合には、(A)セルロースナノファイバーと(C)樹脂成分との親和性が一段と向上するので、(A)成分と(C)成分の両者が均一に分散した状態の造形材料を得ることができる。
<(C) Resin component>
(C) As a resin component, it is a thermoplastic resin or a photocurable resin.
Among these, the thermoplastic resin refers to a resin that is melt-formed by heating. Specific examples thereof include polyethylene resin, polypropylene resin, polylactic acid resin, polyvinyl alcohol resin, polyamide resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, acrylonitrile-styrene (AS) resin, polymethyl methacrylate resin, and polyvinylidene chloride resin. , Ethylene vinyl alcohol resin, polyacrylonitrile resin, polyacetal resin, polyketone resin, and at least one selected from the group of cyclic polyolefin resins.
In the molding material of the present invention, when cellulose nanofibers are used as (A) nanofibers, heat resistance may not be sufficient. Therefore, (C) a polyethylene resin having a relatively low melting point as a resin component Among these, nylon 6 and the like are particularly preferably used among polypropylene resin, polylactic acid resin, polyvinyl alcohol resin, and polyamide resin.
In the present invention, when “(meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer” is used as the dispersant (B), the affinity between (A) cellulose nanofiber and (C) resin component is high. Since it improves further, the modeling material of the state in which both (A) component and (C) component were disperse | distributed uniformly can be obtained.

また、(C)樹脂成分のうち、光硬化性樹脂としては、光造形法で使用されるものは何れも使用することができ、例えば、ポリエステルアクリレ−ト、ポリウレタンアクリレ−ト、ノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノ−ル型エポキシ樹脂等で、これにアセトフェノン系、ベンゾイル系、ベンジルケタ−ル系或いはケトン系の光開始剤を添加したものである。   Further, among the (C) resin components, as the photocurable resin, any of those used in the stereolithography can be used. For example, polyester acrylate, polyurethane acrylate, novolak type An epoxy resin, a bisphenol type epoxy resin or the like, to which an acetophenone-based, benzoyl-based, benzylketal-based or ketone-based photoinitiator is added.

<造形材料中の各成分の割合>
本発明の造形材料中の各成分の配合割合は、固形換算で、通常、(A)セルロースナノファイバーが0.5〜20重量%、好ましくは1〜10重量%、(B)分散剤が0.0005〜10重量%、好ましくは0.001〜5重量%、(C)樹脂成分が70〜99.4995重量%、好ましくは85〜98.999重量%[ただし、(A)+(B)+(C)=100重量%]である。
(A)成分が0.5重量%未満では、得られる造形材料の強度、寸法安定性が低下して、樹脂単体との差別化が困難となり、一方20重量%を超えると溶融粘度が高くなり得られる造形材料の成形性が劣り、またセルロースナノファイバーの分散性が劣り凝集物が多く均一分散しにくくなる。
また、(B)分散剤の使用量が0.0005重量%未満では、(A)セルロースナノファイバーの分散体の分散が悪くなり、樹脂との相溶性が低下することになり、一方10重量%を超えると、樹脂中に分散剤のみが溶解し、機械的特性などの物性が低下する。
さらに、(C)樹脂成分が70重量%未満では成形性が劣り、また樹脂混練工程にて複合材が得られなくなり、一方99.4995重量%を超えると樹脂単体との差別化が困難になる。
<Ratio of each component in modeling material>
The blending ratio of each component in the molding material of the present invention is usually 0.5 to 20% by weight, preferably 1 to 10% by weight, and (B) the dispersant is 0.0005 to 10% in terms of solids (A) cellulose nanofibers. % By weight, preferably 0.001 to 5% by weight, and (C) resin component 70 to 99.4995% by weight, preferably 85 to 98.999% by weight [where (A) + (B) + (C) = 100% by weight] is there.
If the component (A) is less than 0.5% by weight, the strength and dimensional stability of the resulting molding material will be reduced, making it difficult to differentiate from the resin alone, whereas if it exceeds 20% by weight, the melt viscosity can be increased. The moldability of the modeling material is inferior, and the dispersibility of the cellulose nanofibers is inferior, resulting in a large amount of aggregates and difficulty in uniform dispersion.
Further, when the amount of (B) dispersant used is less than 0.0005% by weight, the dispersion of the dispersion of (A) cellulose nanofiber is deteriorated, and the compatibility with the resin is lowered, whereas it exceeds 10% by weight. And only a dispersing agent melt | dissolves in resin, and physical properties, such as a mechanical characteristic, fall.
Further, when the resin component (C) is less than 70% by weight, the moldability is poor, and a composite material cannot be obtained in the resin kneading step. On the other hand, when it exceeds 99.4995% by weight, it is difficult to differentiate from the resin alone.

<造形材料の調製>
本発明の造形材料は、上記のようにして得られる分散体と(C)樹脂成分を用いて調製される。
この場合、本発明の樹脂組成物の製造方法は、(A)ナノファイバーと(B)分散剤を主成分とする分散体を乾燥して、(C)樹脂成分と混練する。この場合の具体例としては、(A)ナノファイバーと(B)分散剤を主成分とする分散体(エマルジョンまたはスラリー)を、凍結乾燥、減圧乾燥、加熱乾燥、あるいは噴霧乾燥したのち、(C)樹脂成分と混練することが挙げられる。
<Preparation of modeling material>
The modeling material of the present invention is prepared using the dispersion obtained as described above and the (C) resin component.
In this case, in the method for producing the resin composition of the present invention, the dispersion mainly comprising (A) nanofibers and (B) dispersant is dried and kneaded with (C) the resin component. As a specific example in this case, a dispersion (emulsion or slurry) mainly composed of (A) nanofibers and (B) a dispersant is freeze-dried, dried under reduced pressure, heat-dried, or spray-dried, and then (C ) Kneading with the resin component.

この調製方法では、まず、(A)セルロースナノファイバーと(B)分散剤を含む分散体を乾燥する。この乾燥工程は、分散体中の分散媒を除去するための工程である。したがって、分散体中の分散媒の種類に応じて公知の方法を採用することができる。   In this preparation method, first, a dispersion containing (A) cellulose nanofibers and (B) a dispersant is dried. This drying step is a step for removing the dispersion medium in the dispersion. Therefore, a well-known method can be employ | adopted according to the kind of dispersion medium in a dispersion.

分散媒の除去手段としては、分散媒の種類に応じて適切なものが選択される。例えば、分散体を室温下で放置するだけの自然乾燥でも良く、あるいは加熱乾燥、真空乾燥(減圧乾燥)、凍結乾燥、噴霧乾燥等の公知の乾燥方法でも良い。噴霧乾燥は、前記分散体をノズルから噴出させて微細な液滴となし、次いで対流空気中で該液滴を加熱乾燥することによりなされる。特に、自然乾燥や加熱乾燥を用いる場合には、前記混合物をキャスト(流延)する等して膜状あるいはシート状に成形してからその成形体を乾燥させることが、乾燥効率の点から好ましい。
乾燥手段としては、特に得られる乾燥品の品質の劣化が少なく、また乾燥体の取扱いが簡便・容易である点から、凍結乾燥が好ましい。
As the means for removing the dispersion medium, an appropriate one is selected according to the type of the dispersion medium. For example, the dispersion may be naturally dried by simply allowing it to stand at room temperature, or may be a known drying method such as heat drying, vacuum drying (reduced pressure drying), freeze drying, or spray drying. Spray drying is performed by ejecting the dispersion from a nozzle to form fine droplets, and then heating and drying the droplets in convection air. In particular, when natural drying or heat drying is used, it is preferable from the viewpoint of drying efficiency that the mixture is cast into a film or a sheet by casting (casting) or the like and then dried. .
As the drying means, freeze-drying is preferable because the quality of the dried product obtained is not particularly deteriorated, and handling of the dried product is simple and easy.

ここで、凍結乾燥とは、上記分散体を凍結し、凍結状態のまま減圧して分散媒を昇華させることによって乾燥する手法である。凍結乾燥における分散体の凍結方法は特に限定されないが、例えば、分散体を冷媒の中に入れて凍結させる方法、分散体を低温雰囲気下に置いて凍結させる方法、分散体を減圧下に置いて凍結させる方法などがある。好ましくは、分散体を冷媒に入れて凍結させる方法である。分散体の凍結温度は、分散体中の分散媒の凝固点以下としなければならず、−50℃以下であることが好ましく、−80℃以下であることがより好ましい。
凍結乾燥において、凍結した分散体中の分散媒を減圧下で昇華させなければならない。減圧時の圧力は、100Pa以下であることが好ましく、10Pa以下であることがより好ましい。圧力が100Paを超えると凍結した分散体中の分散媒が融解してしまう可能性がある。
Here, lyophilization is a technique in which the above dispersion is frozen and dried by reducing the pressure in the frozen state and sublimating the dispersion medium. The method of freezing the dispersion in lyophilization is not particularly limited. For example, a method of freezing the dispersion in a refrigerant, a method of freezing the dispersion in a low temperature atmosphere, and placing the dispersion under reduced pressure. There are methods such as freezing. Preferably, the dispersion is frozen in a refrigerant. The freezing temperature of the dispersion must be below the freezing point of the dispersion medium in the dispersion, preferably −50 ° C. or less, more preferably −80 ° C. or less.
In lyophilization, the dispersion medium in the frozen dispersion must be sublimated under reduced pressure. The pressure during decompression is preferably 100 Pa or less, and more preferably 10 Pa or less. When the pressure exceeds 100 Pa, the dispersion medium in the frozen dispersion may be melted.

以上のようにして得られる分散体の固形物(乾燥品)の形態は特に制限されず、例えば、立体状、膜状、シート状、粉末状又は粒状等とすることができる。この固形物の形態は、前述した製造方法において、前記混合物からの分散媒の除去方法を適宜選択することによって調整することができる。例えば、前記分散体をキャスト(流延)して乾燥させることで膜状やシート状のゲル状体を得ることができ、また、前記分散体を噴霧乾燥することで粉末状や粒状のゲル状体を得ることができる。また、前記分散体を任意の形状の型に流し込んで乾燥することで、立体形状の乾燥物を製造することもできる。   The form of the solid (dried product) of the dispersion obtained as described above is not particularly limited, and can be, for example, a three-dimensional shape, a film shape, a sheet shape, a powder shape, or a granular shape. The form of the solid can be adjusted by appropriately selecting a method for removing the dispersion medium from the mixture in the production method described above. For example, a film-like or sheet-like gel can be obtained by casting (casting) the dispersion and drying, and a powder or granular gel can be obtained by spray-drying the dispersion. You can get a body. Also, a three-dimensional dried product can be produced by pouring the dispersion into a mold having an arbitrary shape and drying it.

次いで、分散体の乾燥品と(C)樹脂成分とを溶融混練する。
この溶融混練は、以上のようにして得られる分散体の乾燥物と(C)樹脂成分とを溶融混練しながら複合化する工程である。
溶融混練装置としては、単軸押出機、二軸押出機、二軸混練機、ニーダー、バンバリーミキサー、往復式混練機(BUSS KNEADER)、ロール混練機等、公知の混練装置を使用する事ができる。これらのうち、生産性や作業の簡便性を考慮すると、単軸押出機、二軸押出機、二軸混練機、バンバリーミキサー、往復式混練機が好ましい。溶融混練装置の選定にあたって、混練機内部の密閉性が高い装置を選んだ方が、より効果的に高い分散性を有し、かつ、粗大凝集物が実質的に存在しない樹脂組成物を製造することができる。
具体的な溶融混練方法としては、例えば以下のような方法を挙げることができる。すなわち、あらかじめ、分散体の乾燥品と(C)樹脂成分とを、ターブラーミキサーやスーパーミキサー、スーパーフローター、ヘンシェルミキサー等で均一に混合させ、それらを単軸押出機または二軸押出機に投入し、溶融混練を行う方法、あるいは、上記乾燥品と(C)樹脂成分とを単軸押出機または二軸押出機で溶融混練する方法などを例示できる。なお、溶融混練工程において発生する水分その他の揮発分を除去するため、ベントの開放や、脱気設備を用いてもよい。
Subsequently, the dried product of the dispersion and the resin component (C) are melt-kneaded.
This melt-kneading is a step of combining the dried dispersion obtained as described above and the resin component (C) while melt-kneading.
As the melt-kneading apparatus, a known kneading apparatus such as a single-screw extruder, a twin-screw extruder, a twin-screw kneader, a kneader, a Banbury mixer, a reciprocating kneader (BUSS KNEADER), a roll kneader, or the like can be used. . Of these, a single screw extruder, a twin screw extruder, a twin screw kneader, a Banbury mixer, and a reciprocating kneader are preferable in consideration of productivity and workability. When selecting a melt-kneading apparatus, it is more effective to select a device having a high hermeticity inside the kneading machine to produce a resin composition that has a higher dispersibility and is substantially free of coarse aggregates. be able to.
Specific examples of the melt kneading method include the following methods. In other words, the dried product of the dispersion and the resin component (C) are uniformly mixed with a tumbler mixer, super mixer, super floater, Henschel mixer, etc., and they are put into a single screw extruder or a twin screw extruder. Examples thereof include a method of melt-kneading, or a method of melt-kneading the dried product and the resin component (C) with a single screw extruder or a twin screw extruder. In addition, in order to remove the water | moisture content and other volatile matter which generate | occur | produce in a melt-kneading process, you may use opening of a vent and deaeration equipment.

本発明の造形材料の調製における、溶融混練時の温度は、(C)樹脂成分の溶融温度に応じて適宜設定されるが、例えば、70〜220℃の範囲内とされる。特に、(C)樹脂成分としてとしてオレフィン系樹脂を用いる場合、混練温度としては、70℃〜220℃の範囲、好ましくは80℃〜220℃の範囲、さらに好ましくは85℃〜220℃、より好適には90℃〜200℃の範囲がよい。この範囲を下回る場合、混練すべき樹脂が溶融せず、実質的に製造する事が不可能である。この範囲を上回る場合、製造に供した(A)セルロースナノファイバーが熱によるダメージを受けて分子鎖の断裂、酸化劣化、変性等が発生し、機械物性を低下させるばかりでなく、不快な臭気の発生や変色につながる。   The temperature at the time of melt kneading in the preparation of the modeling material of the present invention is appropriately set according to the melting temperature of the resin component (C), and is, for example, in the range of 70 to 220 ° C. In particular, when an olefin resin is used as the resin component (C), the kneading temperature is in the range of 70 ° C to 220 ° C, preferably in the range of 80 ° C to 220 ° C, and more preferably in the range of 85 ° C to 220 ° C. The range of 90 ° C. to 200 ° C. is preferable. Below this range, the resin to be kneaded does not melt and is virtually impossible to manufacture. When exceeding this range, the (A) cellulose nanofibers used for production are damaged by heat, resulting in molecular chain breakage, oxidative degradation, modification, etc., not only reducing mechanical properties but also unpleasant odor. It leads to generation and discoloration.

この場合の溶融混練時間は、(A)セルロースナノファイバー、(B)分散剤および(C)樹脂成分との分散性を確保する面から、長い方が好ましいが、生産性との兼ね合いを考えて適宜設定される。例えば、バンバリーミキサーの様なバッチ式の混練機を用いた場合、1〜100分の範囲内であれば、植物繊維の修飾と生産性を両立する事ができるが、生産性を考慮に入れなければ、これ以上の時間であっても製造は可能である。また、例えば、単軸押出機、二軸押出機、往復式混練機(BUSS KNEADER)の様な連続式の混練機を用いた場合、その滞留時間は1〜20分の範囲内であれば、分散性と生産性を両立することができるが、生産性を考慮に入れなければ、これ以上の時間であっても、あるいは混練機のパス回数を増やしても、製造は可能である。   The melt kneading time in this case is preferably longer in terms of ensuring dispersibility with (A) cellulose nanofibers, (B) dispersant and (C) resin component, but considering the balance with productivity. Set as appropriate. For example, when a batch-type kneader such as a Banbury mixer is used, if it is within the range of 1 to 100 minutes, both plant fiber modification and productivity can be achieved, but productivity must be taken into consideration. For example, the manufacturing can be performed even in a longer time. Further, for example, when a continuous kneader such as a single screw extruder, a twin screw extruder, a reciprocating kneader (BUSS KNEADER) is used, if the residence time is within a range of 1 to 20 minutes, Dispersibility and productivity can be achieved at the same time. However, if productivity is not taken into consideration, manufacture is possible even if the time is longer or the number of passes of the kneader is increased.

<他の添加剤>
なお、本発明の造形材料中には、その用途に応じて従来公知の各種添加剤を含有しても良く、例えば、加水分解防止剤、着色剤、難燃剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、滑剤、離型剤、消泡剤、レベリング剤、光安定剤(例えば、ヒンダードアミン等)、酸化防止剤、無機フィラー、有機フィラー等をあげることができる。
<Other additives>
In addition, in the modeling material of the present invention, conventionally known various additives may be contained depending on the use, for example, hydrolysis inhibitor, colorant, flame retardant, ultraviolet absorber, antistatic agent, Examples thereof include a lubricant, a release agent, an antifoaming agent, a leveling agent, a light stabilizer (eg, hindered amine), an antioxidant, an inorganic filler, and an organic filler.

<造形材料の製造方法>
本発明の造形材料の形態は3Dプリンタに装着できるものであれば限定しないが、例えば熱溶解積層方式の3Dプリンタに用いる場合には、連続線状に成形されたものとする。この場合、直径1.75mm〜3.00mmの線状体、いわゆるモノフィラメント糸の形態を呈する成形体がよい。連続線状であるモノフィラメント糸の形態を呈する成形体はボビンに巻いたものとする、あるいは、かせ状にすることにより、コンパクトな形態にできるため好ましい。
このような本発明における造形材料は、以下の方法により得ることができる。すなわち、上記のようにして調製された造形材料(樹脂組成物)を、溶融押出機から吐出し、空気中または水などの液体浴中で冷却・固化させ、連続線状のモノフィラメント糸の形態とすることで製造できる。
<Manufacturing method of modeling material>
The form of the modeling material of the present invention is not limited as long as it can be attached to a 3D printer. However, for example, when used for a hot melt lamination type 3D printer, it is formed into a continuous line. In this case, a linear body having a diameter of 1.75 mm to 3.00 mm, that is, a molded body having a so-called monofilament yarn shape is preferable. A formed body having a monofilament yarn shape which is continuous linear is preferably wound around a bobbin or can be made into a compact shape by skeining.
Such a modeling material in the present invention can be obtained by the following method. That is, the modeling material (resin composition) prepared as described above is discharged from a melt extruder, cooled and solidified in a liquid bath such as air or water, and a continuous linear monofilament yarn is obtained. Can be manufactured.

なお、本発明の造形材料を製造するには、(A)〜(C)成分を主成分とする樹脂組成物をそのまま溶融押し出ししてもよいが、あらかじめ高濃度の(A)セルロースナノファイバーと(B)分散剤を(C)樹脂成分に練り込んだマスターバッチを作成し、このマスターバッチとバージンのポリ乳酸などの(C)樹脂成分を所定の比率で混ぜ合わせ溶融押出することにより、よりセルロースナノファイバーを(C)樹脂成分中により均一に分散することができる。
溶融押出する際の溶融押出機におけるポリ乳酸などの(C)樹脂成分の溶融温度は、(C)樹脂成分の融点(一般的にはポリ乳酸場合、融点は150℃〜180℃)よりも20℃以上高い温度に設定することで、(C)樹脂成分を溶融し、押出する。押出されて、連続線状のモノフィラメント糸状になった(C)樹脂成分(およびナノファイバー)を液体浴中で冷却・固化する。冷却・固化温度は(C)樹脂成分のガラス転移温度(一般的にはポリ乳酸のガラス転移温度は55〜60℃)よりも−50〜+20℃の設定温度の範囲内で冷却・固化するとよい。
In addition, in order to manufacture the modeling material of the present invention, the resin composition containing the components (A) to (C) as main components may be melt-extruded as it is. (B) A masterbatch in which the dispersant is kneaded into the (C) resin component is prepared, and the masterbatch and the (C) resin component such as virgin polylactic acid are mixed at a predetermined ratio, and melt extruded. Cellulose nanofibers can be more uniformly dispersed in the resin component (C).
The melting temperature of the (C) resin component such as polylactic acid in the melt extruder during melt extrusion is 20 than the melting point of the (C) resin component (generally, the melting point is 150 ° C. to 180 ° C. in the case of polylactic acid). By setting the temperature to be higher than C, the resin component (C) is melted and extruded. The resin component (and nanofibers) (C) that has been extruded into a continuous monofilament thread is cooled and solidified in a liquid bath. The cooling / solidification temperature is preferably set within the range of -50 to + 20 ° C than the glass transition temperature of the resin component (generally, the glass transition temperature of polylactic acid is 55 to 60 ° C). .

冷却・固化に使用する液体としては、水、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、シリコーンなどが使用できるが、液体浴を高温にする必要がないため、作業性のよい、環境汚染を起こしにくい水が最も好ましい。水が最も好ましい。
冷却・固化されたモノフィラメント糸は乾燥後、そのまま巻き取ってもよい。あるいは、必要に応じて、温度20〜80℃の雰囲気中で延伸してもよい。延伸する場合は、一段または二段以上の多段で行うことができる。
本発明の造形材料は、3Dプリンタの造形材料として適用し、コンピュータ上の設計図等に基づき所望の造形物を得ることができる。
なお、本発明の造形材料は、主として熱溶解積層方式の3Dプリンタの場合について説明したが、そのほかマテリアルジェッティング、バインダージェッティング、粉末焼結積層造形、光造形などにも応用可能である。
Water, ethylene glycol, polyethylene glycol, glycerin, silicone, etc. can be used as the liquid used for cooling and solidification, but since there is no need for the liquid bath to be hot, water with good workability and resistance to environmental pollution is required. Most preferred. Water is most preferred.
The cooled and solidified monofilament yarn may be wound as it is after drying. Or you may extend | stretch in the atmosphere of temperature 20-80 degreeC as needed. When extending | stretching, it can carry out by one step | paragraph or multiple steps | paragraphs or more.
The modeling material of the present invention is applied as a modeling material for a 3D printer, and a desired modeled object can be obtained based on a design drawing on a computer.
In addition, although the modeling material of this invention demonstrated mainly the case of the 3D printer of a hot melt lamination system, it is applicable also to material jetting, binder jetting, powder sintering lamination molding, optical modeling, etc. in addition to this.

以下、実施例を挙げて本発明を説明する。
実施例1〜3、比較例1〜2
メディアレス分散機として、寿工業社製のK―2を用い、分散媒としての精製水、セルロースナノファイバーの原料であるセルロースおよび分散剤を分散したスラリー状物を当該メディアレス分散機に投入して回転周速30m/sで循環させ、せん断によりセルロースの分散を促進させて、分散が安定したセルロースナノファイバーを得た。
すなわち、上記の装置を用いて、セルロースナノファイバー原料(BiNFi―s、スギノマシン製)を0.1重量%、分散剤としてメタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体0.04重量%を含む水分散液について5回メディアレス分散処理を繰り返し、セルロースナノファイバー分散体を調製し、その後、凍結乾燥用の容器に移して―80℃にて凍結した後、凍結乾燥機(東京理化機械(株)製、FD−1)用いて凍結乾燥した。凍結乾燥後に粉砕機を用いて粉末状にした。
上記にて得られた粉末をポリ乳酸樹脂(Nature Works製、Ingeo Biopolymer 3001D)に対して1、5、10重量%になるように配合し、2軸の混練押出装置((株)プラスチック工学研究所社製「BT―30」、L/D=30)にてセルロースナノファイバーと樹脂を複合化し、ストランドダイを用いてφ1.75mmのストランドを引き取り、3Dプリンタ用モノフィラメントとした。また、このフィラメントをストランドカッターにより長さ2mmでペレット化して、力学特性評価用テストピースを射出成形した。
この射出成形テストピースを用いて、島津オートグラフ(AG−X PLUS)にて力学特性(引張強度、引張破断伸び、引張弾性率)を測定した。さらにテストピース成形品の長さ方向寸法をマイクロメータで測定して金型キャビティ寸法を基準に収縮率を求めた。さらに複合材の流動性を島津フローテスター CFT−5000((株)島津製作所製)を用いて、バレル温度:200℃、測定荷重:700Nにて測定した。
また、CNFによる形状安定性の効果として、実際に熱溶解積層方式3Dプリンタ(Leapfrog社製、Creatr dual)を用いて作製したM16六角ボルト(図1)のねじ部のねじ山のトップ部の基準線からのズレの大きさを万能投影機(V−12、(株)ニコン製)に測定した。
結果を表1に示す。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.
Examples 1-3, Comparative Examples 1-2
K-2 manufactured by Kotobuki Kogyo Co., Ltd. is used as a medialess disperser, and a slurry in which purified water as a dispersion medium, cellulose, which is a raw material of cellulose nanofiber, and a dispersing agent are dispersed is introduced into the medialess disperser. Then, it was circulated at a rotational peripheral speed of 30 m / s, and the dispersion of cellulose was promoted by shearing to obtain cellulose nanofibers with stable dispersion.
That is, using the above apparatus, water dispersion containing 0.1% by weight of cellulose nanofiber raw material (BiNFi-s, manufactured by Sugino Machine) and 0.04% by weight of methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer as a dispersant. Repeat the medialess dispersion process 5 times for the liquid to prepare a cellulose nanofiber dispersion, then transfer to a freeze-drying container and freeze at -80 ° C, then freeze-dryer (manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.) FD-1) and lyophilized. After freeze-drying, it was powdered using a pulverizer.
The powder obtained above was blended at 1, 5, 10% by weight with polylactic acid resin (manufactured by Nature Works, Ingeo Biopolymer 3001D), and a twin-screw kneading extruder (Plastic Engineering Research Co., Ltd.) Cellulose nanofibers and resin were compounded with “BT-30” (L / D = 30) manufactured by Tosho Co., Ltd., and a strand having a diameter of 1.75 mm was drawn using a strand die to obtain a monofilament for a 3D printer. The filament was pelletized with a strand cutter to a length of 2 mm, and a test piece for evaluating mechanical properties was injection molded.
Using this injection-molded test piece, mechanical properties (tensile strength, tensile breaking elongation, and tensile modulus) were measured by Shimadzu Autograph (AG-X PLUS). Further, the dimension in the length direction of the test piece molded product was measured with a micrometer, and the shrinkage rate was obtained based on the mold cavity dimension. Furthermore, the fluidity of the composite material was measured using a Shimadzu flow tester CFT-5000 (manufactured by Shimadzu Corporation) at a barrel temperature of 200 ° C. and a measurement load of 700 N.
In addition, as the effect of shape stability by CNF, the reference of the top part of the thread of the thread part of the M16 hexagon bolt (Fig. 1) that was actually manufactured using a hot melt lamination type 3D printer (Leapfrog, Creatr dual) The amount of deviation from the line was measured with a universal projector (V-12, manufactured by Nikon Corporation).
The results are shown in Table 1.

実施例1〜3および比較例1〜2の比較から、セルロースナノファイバーを添加すると、添加量に応じて流動性が低下し、引張強度、引張弾性率が向上しているが、反面、引張伸びが低下するとともに射出成形品の収縮率が低減している。さらに、ねじ山のズレはセルロースナノファイバー添加量の増加とともに小さくなっている。これは射出成形品の収縮率が低下したことと、材料の流動性が低くなっていることの相乗効果であると考えられる。
このように、セルロースナノファイバーを3Dプリンタ用造形材料に添加することで、強度・弾性率が高くなり、成形品としての形状精度が向上している。さらに、上記実施例で得られた3Dプリンタ用造形材料を用いて、3Dプリンタ(Leapfrog社製、Creatr dual)を適用した三次元造形物について外観観察を行った。その結果、設計上の形状を造形物としてより正確に再現できており、表面平滑性、透明性や染色性に優れた造形物であった。

From the comparison of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, when cellulose nanofibers are added, the fluidity decreases according to the amount added, and the tensile strength and the tensile elastic modulus are improved. And the shrinkage rate of the injection molded product is reduced. Furthermore, the thread misalignment decreases with increasing cellulose nanofiber addition. This is considered to be a synergistic effect that the shrinkage rate of the injection-molded product is reduced and the fluidity of the material is low.
Thus, by adding cellulose nanofibers to the modeling material for 3D printer, the strength and elastic modulus are increased, and the shape accuracy as a molded product is improved. Further, using the 3D printer modeling material obtained in the above example, the appearance of a 3D model to which a 3D printer (Leapfrog, Creatr dual) was applied was observed. As a result, the shape on design could be reproduced more accurately as a modeled object, and the modeled object was excellent in surface smoothness, transparency and dyeability.

本発明の造形材料は、熱溶解積層方式などの3Dプリンタを用いて、高機能性を備えた造形物を作製するのに好適である。


The modeling material of the present invention is suitable for producing a modeled article having high functionality using a 3D printer such as a hot melt lamination method.


Claims (9)

3Dプリンタ用造形材料であって、(A)ナノファイバー、(B)分散剤、および(C)熱可塑性樹脂または光硬化性樹脂からなる樹脂成分を主成分とする造形材料。   A modeling material for a 3D printer, comprising (A) nanofibers, (B) a dispersant, and (C) a resin component composed of a thermoplastic resin or a photocurable resin as a main component. (A)ナノファイバーが、セルロースナノファイバーである、請求項1記載の造形材料。   (A) The modeling material according to claim 1, wherein the nanofiber is a cellulose nanofiber. (A)セルロースナノファイバーの平均繊維径が10〜100nmである請求項2記載の造形材料。   (A) The modeling material according to claim 2, wherein the cellulose nanofibers have an average fiber diameter of 10 to 100 nm. (B)分散剤が(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体を主成分とする、請求項1〜3いずれかに記載の造形材料。   The modeling material in any one of Claims 1-3 whose (B) dispersing agent has a (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer as a main component. (B)分散剤を構成する(メタ)アクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(共)重合体が、ポリメタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン、ポリメタクリル酸ブチル・メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン及びポリメタクリル酸ステアリル・メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリンの群から選ばれた少なくとも1種である請求項4記載の造形材料。   (B) The (meth) acryloyloxyethyl phosphorylcholine (co) polymer constituting the dispersant is selected from the group of polymethacryloyloxyethyl phosphorylcholine, polybutyl methacrylate / methacryloyloxyethyl phosphorylcholine, and poly (stearyl methacrylate / methacryloyloxyethyl phosphorylcholine). The modeling material according to claim 4, which is at least one selected. 熱可塑性樹脂が、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ乳酸樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリアミド樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリケトン樹脂、および環状ポリオレフィン樹脂の群から選ばれた少なくとも1種である、請求項1〜5いずれかに記載の造形材料。   The thermoplastic resin is polyethylene resin, polypropylene resin, polylactic acid resin, polyvinyl alcohol resin, polyamide resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, acrylonitrile-styrene (AS) resin, polymethyl methacrylate resin, polyvinylidene chloride resin, The modeling material in any one of Claims 1-5 which is at least 1 sort (s) chosen from the group of ethylene vinyl alcohol resin, polyacrylonitrile resin, polyacetal resin, polyketone resin, and cyclic polyolefin resin. 固形換算で、 固形換算で、(A)ナノファイバーが0.5〜20重量%、(B)分散剤が0.0005〜10重量%、(C)樹脂成分が70〜99.4995重量%[ただし、(A)+(B)+(C)=100重量%]である、請求項1〜6いずれかに記載の造形材料。   In terms of solids, in terms of solids, (A) nanofibers are 0.5 to 20% by weight, (B) the dispersant is 0.0005 to 10% by weight, and (C) the resin component is 70 to 99.495% by weight [ However, the modeling material in any one of Claims 1-6 which is (A) + (B) + (C) = 100 weight%]. 請求項1〜7いずれかに記載の造形材料を溶融押し出ししたのち、液体浴中で冷却・固化し、モノフィラメント糸となすことを特徴とする、3Dプリンタ用造形材料の製造方法。   A method for producing a modeling material for a 3D printer, wherein the modeling material according to claim 1 is melt-extruded and then cooled and solidified in a liquid bath to form a monofilament yarn. 請求項1〜7いずれかに記載の造形材料を用いて、3Dプリンタを適用して得られる三次元造形物。


A three-dimensional structure obtained by applying a 3D printer using the modeling material according to claim 1.


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