JP6486428B2 - セルロースで強化された樹脂組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
セルロースは、アラミド繊維に匹敵する高い弾性率を示すが、真密度が1.56g/cm3と低く、一般的な強化材であるガラス(密度2.4〜2.6g/cm3)やタルク(密度2.7g/cm3)と比し圧倒的に軽い材料であり、ガラス繊維等に代わる樹脂用の補強材として注目されている。
そのため、これまでセルロースを熱可塑性樹脂中に分散させる技術として、例えば特許文献1には、粉末状セルロースに親油性処理を施して可塑剤に均一分散させた混合物を得たのち、ポリオレフィンと溶融混練する技術が記載されている。また、特許文献2には、樹脂と、特殊な液体中で膨潤させた植物繊維と、有機液体とを混合する技術が記載されている。さらには特許文献3には、セルロース分散液を特定粒子径の樹脂粉末と予め混合して得た混合分散液から水を分離し、セルロース/樹脂混合物を得たのち、該混合物を溶融混練する技術が記載されている。
[1] 熱可塑性樹脂と、セルロースとを含む樹脂組成物の製造方法であって、
水を主成分とする分散媒と、前記分散媒中に分散させたセルロースとを含むセルロース分散液を調製する第一の工程、
溶融状態にある熱可塑性樹脂中に前記セルロース分散液を添加し、溶融混練して混練物を得る第二の工程、及び
第二の工程で得られた混練物から分散媒を除去して樹脂組成物を得る第三の工程、
をこの順に含み、
第二の工程におけるセルロース分散液の添加を、前記溶融状態にある熱可塑性樹脂の温度における水の蒸気圧未満の圧力で実施する、樹脂組成物の製造方法。
[2] 樹脂組成物中の熱可塑性樹脂の比率が、樹脂組成物100質量%に対して50〜99質量%である、上記態様1に記載の樹脂組成物の製造方法。
[3] 熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂及びこれらのいずれか2種以上の混合物からなる群より選択される、上記態様1又は2に記載の樹脂組成物の製造方法。
[4] 熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂である、上記態様3に記載の樹脂組成物の製造方法。
[5] 前記ポリアミド系樹脂が、ポリアミド6、ポリアミド6,6、又はこれらの混合物である、上記態様4に記載の樹脂組成物の製造方法。
[6] セルロースが、セルロースファイバー、セルロースウィスカー又はこれらの混合物である、上記態様1〜5のいずれかに記載の樹脂組成物の製造方法。
[7] 第一の工程で得られたセルロース分散液中のセルロースの比率が、セルロース分散液100質量%に対して1〜30質量%である、上記態様1〜6のいずれかに記載の樹脂組成物の製造方法。
[8] 第三の工程における分散媒の除去の少なくとも一部が、減圧状態にて実施される、上記態様1〜7のいずれかに記載の樹脂組成物の製造方法。
本製造方法においては、セルロースを、水を主成分とする分散媒中に分散させ、セルロース水分散液を調製する第一の工程が必要である。ここで、使用するセルロースは、いずれのものでも構わないが、樹脂組成物中に微分散させるためには、微細なセルロースであることが望ましい。より具体的には、セルロースが、セルロースファイバー、セルロースウィスカー又はこれらの混合物であることがより好ましい。
結晶化度(%)=([2θ/deg.=22.5の(200)面に起因する回折強度]−[2θ/deg.=18の非晶質に起因する回折強度])/[2θ/deg.=22.5の(200)面に起因する回折強度]×100
また結晶化度は、セルロースがセルロースII型結晶(再生セルロース由来)である場合には、広角X線回折において、セルロースII型結晶の(110)面ピークに帰属される2θ=12.6°における絶対ピーク強度h0とこの面間隔におけるベースラインからのピーク強度h1とから、下記式によって求められる。
結晶化度(%)=h1/h0×100
本製造方法においては、第一の工程に引き続いて実施される、溶融状態にある熱可塑性樹脂中にセルロース分散液を添加して溶融混練することで混練物を得る第二の工程が必要である。
本発明において使用される熱可塑性樹脂としては、100℃〜350℃の範囲内に融点を有する結晶性樹脂、又は、100〜250℃の範囲内にガラス転移温度を有する非晶性樹脂が挙げられる。
本発明においては、第二の工程に引き続き、第二の工程で得られた混練物から水を主成分とする分散媒を除去する第三の工程を設ける必要がある。好ましくは、第三の工程の一部を大気圧未満の減圧状態にて実施する方法である。より好ましいのは、第三の工程の少なくとも一部を大気圧未満の減圧状態にする方法である。
第三の工程で混練物から分散媒を除去することにより、目的の樹脂組成物が得られる。
以下に、使用した原料及び評価方法について説明する。
≪熱可塑性樹脂≫
ポリアミド
ポリアミド6(以下、単にPAと称す。)
宇部興産株式会社より入手可能な「UBEナイロン 1013B」
<セルロースの重合度>
「第14改正日本薬局方」(廣川書店発行)の結晶セルロース確認試験(3)に規定される銅エチレンジアミン溶液による還元比粘度法により測定した。
<セルロースの結晶形、結晶化度>
X線回折装置(株式会社リガク製、多目的X線回折装置)を用いて粉末法にて回折像を測定(常温)し、Segal法で結晶化度を算出した。また、得られたX線回折像から結晶形についても測定した。
<セルロースのL/D>
セルロースを、1質量%濃度で純水懸濁液とし、高剪断ホモジナイザー(日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED−7」、処理条件:回転数15,000rpm×5分間)で分散させた水分散体を、0.1〜0.5質量%まで純水で希釈し、マイカ上にキャストし、風乾したものの粒子像を原子間力顕微鏡(AFM)で観察した。粒子像の長径(L)及び短径(D)を計測し、更にこれらの値から比(L/D)を求め、100個〜150個の粒子の平均値として算出した。
セルロースを固形分40質量%として、プラネタリーミキサー((株)品川工業所製、商品名「5DM−03−R」、撹拌羽根はフック型)中において、126rpmで、室温常圧下で30分間混練した。次いで、固形分0.5質量%の濃度で純水懸濁液とし、高剪断ホモジナイザー(日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED−7」、処理条件:回転数15,000rpm×5分間)で分散させ、遠心分離(久保田商事(株)製、商品名「6800型遠心分離器」、ロータータイプRA−400型、処理条件:遠心力39200m2/sで10分間遠心した上澄みを採取し、更に、この上澄みについて、116000m2/sで45分間遠心処理する。)した。遠心後の上澄み液を用いて、レーザー回折/散乱法粒度分布計(堀場製作所(株)製、商品名「LA−910」、超音波処理1分間、屈折率1.20)により得られた体積頻度粒度分布における積算50%粒子径(体積平均粒子径)を測定し、この値を平均径とした。
押出機のノズルから出た溶融樹脂の温度を、接触式温度計で測定した。
樹脂組成物ペレットを、ガラスナイフ付のミクロトームで切削し、断面出しを実施し、マイクロスコープ VHX−5000(キーエンス社製)を用いて、倍率1500倍で撮影し、得られた画像を画像解析装置を用いてセルロースと樹脂が識別可能なように二値化し、セルロースの面積率を求めた。この場合、仮にすべてのセルロースが観察された場合においても、樹脂とセルロースとの密度の違いにより配合量と面積率とは一致しないことに注意が必要である。また、本測定法においては、セルロース粒子に樹脂が包含され、分散しかかっている状態のものも、セルロース粒子として認識するため、約10%程度の誤差を有する。
樹脂組成物ペレットを、型時圧力500トンの射出成形機(シリンダー温度を250℃に設定)に供給し、長さ156mm、幅76mm、厚み3mmの自動車シフトレバーパネルを射出成形した。
(着色性)
上記射出成形で得た成形体の色調を確認し、変色度合いについて褐色、茶色、黄色、白色(変色なし)の4段階で評価した。
(臭気)
臭気は、官能試験を行い、以下の3段階で評価した。
A:臭気なし。
B:やや糖臭(甘いにおい)がある。
C:強い糖臭がある。
D:糖臭とともに、焦げ臭いにおいがある。
臭気試験は、次の各段階で実施した。(1)押出直後の樹脂組成物ペレット、(2)射出成形時の雰囲気、(3)射出成形直後の成形体、(4)射出成形1時間後の成形体
シリンダーブロック数が13個ある二軸押出機(STEER社製 OMEGA30H、L/D=60)のシリンダー6に圧力コントロール型の液体注入ノズルを設置し、シリンダー1を水冷、シリンダー2を80℃、シリンダー3を150℃、シリンダー4〜13及びダイスを250℃に設定した。
<工程1>セルロースファイバー分散液を調製する工程
リンターパルプを裁断後、オートクレーブを用いて、120℃以上の熱水中で3時間加熱し、ヘミセルロース部分を除去した精製パルプを、圧搾し、純水中に固形分率が1.5重量%になるように叩解処理により高度に短繊維化及びフィブリル化させた後、そのままの濃度で高圧ホモジナイザー(操作圧:85MPaにて10回処理)により解繊することにより解繊セルロースを得た。ここで、叩解処理においては、ディスクリファイナーを用い、カット機能の高い叩解刃(以下カット刃と称す)で4時間処理した後に解繊機能の高い叩解刃(以下解繊刃と称す)を用いて更に1.5時間叩解を実施し、セルロースファイバーを得た。得られたセルロースファイバーの特性を上述の方法で評価した。結果を下記に示す。
L/D=300
平均繊維径=90nm
結晶化度=80%
重合度=600
得られたセルロースファイバー分散液を遠心濾過して、固形分(セルロース)率が5重量%の分散液を得た。
上記押出機デザインの押出機を用いて、シリンダー1より、PA6を11.4kg/hの流量で供給した。この時のスクリュー回転数は300rpmとした。
上記押出機デザインの押出機のシリンダー12での減圧吸引を実施せず、大気圧で解放(ベントオープン)とし、押出し、セルロースファイバー含有量5質量%の樹脂組成物ペレットを得た。
工程3において、減圧吸引を実施する以外は、すべて実施例1と同様に実施し、樹脂組成物ペレットを得た。
<工程1>セルロースウィスカー分散液を調製する工程
市販DPパルプ(平均重合度1600)を裁断し、10%塩酸水溶液中で、105℃で30分間加水分解した。得られた酸不溶解残さを濾過、洗浄、pH調整し、固形分濃度14重量%、pH6.5のセルロースウィスカー分散液を調製した。得られたセルロースウィスカーの特性を上述の方法で評価した。結果を下記に示す。
L/D=1.6
平均径=200nm
結晶化度=78%
重合度=200
上記押出機デザインの押出機を用いて、シリンダー1より、PA6を15kg/hの流量で供給し、シリンダー6の液添ノズルより、ポンプでセルロースファイバー分散液を100cc/分の流量で押出機に液添した。この時、液添ノズルには圧力はかかっていなかった。それ以外はすべて実施例1の工程2と同様に実施した。
実施例2と同様にシリンダー12での減圧吸引を実施し、セルロースウィスカー含有量5質量%の樹脂組成物ペレットを得た。
<工程1>セルロース混合物分散液を調製する工程
実施例1の工程1で調製したセルロースファイバー分散液と、実施例3の工程1で調製したセルロースウィスカー分散液とを等量で混合し、撹拌機で2時間撹拌し、セルロース含有量が9.5質量%のセルロース混合物分散液を調製した。
上記押出機デザインの押出機を用いて、シリンダー1より、PA6を10.2kg/hの流量で供給し、シリンダー6の液添ノズルより、ポンプでセルロース混合物分散液を100cc/分の流量で押出機に液添した。この時、液添ノズルには圧力はかかっていなかった。それ以外はすべて実施例1の工程2と同様に実施した。
実施例2と同様にシリンダー12での減圧吸引を実施し、セルロース含有量5質量%の樹脂組成物ペレットを得た。
<工程1>セルロースウィスカー界面活性剤分散液を調製する工程
実施例3の工程1で調製したセルロースウィスカー分散液100質量部に対し、水以外の分散媒として、界面活性剤として、ポリオキシエチレン硬化ひまし油エーテル(青木油脂工業株式会社製 ブラウノンRCW−20)を、4質量部添加し、撹拌して、セルロースウィスカー界面活性剤分散液を調製した。セルロースウィスカーの特性は実施例3と同様である。
上記押出機デザインの押出機を用いて、シリンダー1より、PA6を14.6kg/hの流量で供給し、シリンダー6の液添ノズルより、ポンプでセルロースウィスカー界面活性剤分散液を100cc/分の流量で押出機に液添した。この時、液添ノズルには圧力はかかっていなかった。それ以外はすべて実施例1の工程2と同様に実施した。
実施例2と同様にシリンダー12での減圧吸引を実施し、セルロース含有量5質量%の樹脂組成物ペレットを得た。
<セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを得る工程>
実施例5の<工程1>で得られたセルロースウィスカー界面活性剤分散液を、遠心濾過し、ウェットケーク含量を30質量%まで高めたのち、80℃に設定した真空乾燥機を用いて、乾燥を実施し、セルロースウィスカー界面活性剤乾燥物を得た。乾燥物は、塊の状態を呈していたため、これを、容積10リットルのヘンシェルミキサー中で5分間、粉砕処理して裁断し、セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを得た。
上記押出機デザインの押出機を用いて、シリンダー1より、PA6を14.1kg/hの流量、セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを0.9kg/hの流量で供給した。この時のスクリュー回転数は300rpmとした。この時、シリンダー12で減圧吸引を実施し、セルロースウィスカー含有量5質量%の樹脂組成物ペレットを得た。
<セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを得る工程>
実施例5の<工程1>で得られたセルロースウィスカー界面活性剤分散液を、遠心濾過し、ウェットケーク含量を30質量%まで高めたのち、密閉式プラネタリーミキサー(株式会社小平製作所製、商品名「ACM−5LVT」、撹拌羽根はフック型)中、70rpmで80分間、25℃、大気圧で摩砕処理した後、−0.1MPaの減圧条件で、40℃の温浴をセットし、307rpmで2時間、減圧乾燥処理を行い、セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを得た。
比較例1と同様に実施し、セルロースウィスカー含有量5質量%の樹脂組成物ペレットを得た。
<セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを得る工程>
比較例2と同様に実施し、セルロースウィスカー界面活性剤パウダーを得た。
<熱可塑性樹脂とセルロースファイバーパウダーを溶融混練する工程>
シリンダー6の液添ノズルから、ポンプで水のみを100cc/分の流量で押出機に液添した以外は、すべて比較例1と同様に実施した。この時、シリンダー6の液添ノズルには圧力はかかっていなかった。
工程2における溶融樹脂中へのセルロース分散液を液添する際の圧力を、270℃における水の蒸気圧(5.5MPa)より高い5.8MPaとした以外は、すべて実施例2と同様に実施し、樹脂組成物ペレットを得た。
Claims (4)
- 熱可塑性樹脂と、セルロースとを含む樹脂組成物の製造方法であって、
前記熱可塑性樹脂は、ポリアミド系樹脂であり、
前記セルロースは、径が1μm未満、長さ/径比率(L/D比)が150以上であるセルロースファイバーと、径が1μm未満、L/D比が15以下であるセルロースウィスカーとの混合物であり、
前記方法は、
水を主成分とする分散媒と、前記分散媒中に分散させたセルロースとを含むセルロース分散液を調製する第一の工程、
押出機において、溶融状態にある熱可塑性樹脂中に前記セルロース分散液を添加し、溶融混練して混練物を得る第二の工程、及び
前記押出機において、第二の工程で得られた混練物から分散媒を除去して樹脂組成物を得る第三の工程、
をこの順に含み、
第二の工程におけるセルロース分散液の添加を、前記溶融状態にある熱可塑性樹脂の温度における水の蒸気圧未満の圧力で実施し、
第三の工程における分散媒の除去の少なくとも一部を、減圧状態にて実施する、樹脂組成物の製造方法。 - 樹脂組成物中の熱可塑性樹脂の比率が、樹脂組成物100質量%に対して50〜99質量%である、請求項1に記載の樹脂組成物の製造方法。
- 前記ポリアミド系樹脂が、ポリアミド6、ポリアミド6,6、又はこれらの混合物である、請求項1又は2に記載の樹脂組成物の製造方法。
- 第一の工程で得られたセルロース分散液中のセルロースの比率が、セルロース分散液100質量%に対して1〜30質量%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の樹脂組成物の製造方法。
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