JP6994345B2 - Rubber composition and molded products - Google Patents
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Description
本発明は、セルロース系繊維を含有するゴム組成物、成形品及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a rubber composition containing a cellulosic fiber, a molded product, and a method for producing the same.
ゴムとセルロース系繊維を含むゴム組成物は、優れた機械強度を有することが知られている。例えば、特許文献1には、平均繊維径が0.5μm未満のセルロース系繊維と、ゴムラテックスと、を撹拌混合して得られるゴム/セルロース系繊維のマスターバッチが記載されている。当該文献によれば、平均繊維径が0.5μm未満のセルロース系繊維を水中でフィブリル化させた分散液と、ゴムラテックスと、を混合して乾燥させることにより、セルロース系繊維をゴム中に均一に分散させたゴム/セルロース系繊維のマスターバッチが得られ、該マスターバッチからゴム補強性と耐疲労性のバランスに優れるゴム組成物を製造できるとされる。 Rubber compositions containing rubber and cellulosic fibers are known to have excellent mechanical strength. For example, Patent Document 1 describes a master batch of rubber / cellulosic fibers obtained by stirring and mixing a cellulosic fiber having an average fiber diameter of less than 0.5 μm and a rubber latex. According to the document, a dispersion liquid obtained by fibrillating cellulosic fibers having an average fiber diameter of less than 0.5 μm in water and a rubber latex are mixed and dried to make the cellulosic fibers uniform in the rubber. It is said that a master batch of rubber / cellulosic fibers dispersed in a rubber / cellulose fiber can be obtained, and a rubber composition having an excellent balance between rubber reinforcing property and fatigue resistance can be produced from the master batch.
しかしながら、一般にゴムとセルロース系繊維とは相溶性が低いため、ゴム組成物に十分な強度が得られていなかった。そこで、ゴムとセルロース系繊維の相溶性を向上させるために、カップリング剤を使用することや、セルロース系繊維に長鎖アルキル基を導入すること等が検討されている(例えば、特許文献2、3参照)。 However, since the compatibility between rubber and cellulosic fibers is generally low, sufficient strength has not been obtained for the rubber composition. Therefore, in order to improve the compatibility between rubber and the cellulosic fiber, the use of a coupling agent, the introduction of a long-chain alkyl group into the cellulosic fiber, and the like have been studied (for example, Patent Document 2, Patent Document 2, etc.). 3).
しかしながら、上記方法では、使用する試薬が高価であるという問題がある。また、上記方法は、反応率が低く、十分な強度改善効果が得られないという問題もある。 However, the above method has a problem that the reagent used is expensive. Further, the above method has a problem that the reaction rate is low and a sufficient strength improving effect cannot be obtained.
本発明の課題は、ゴム成分とセルロース系繊維の相溶性が向上し、十分な補強性を有する成形品を製造し得るゴム組成物を提供することである。 An object of the present invention is to provide a rubber composition capable of producing a molded product having improved compatibility between a rubber component and a cellulosic fiber and having sufficient reinforcing properties.
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、ゴム成分とセルロース系繊維に、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を含ませることにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、以下の〔1〕~〔9〕を提供する。
〔1〕ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を含むゴム組成物。
〔2〕前記ゴム成分が、クロロプレンゴムである上記〔1〕に記載のゴム組成物。
〔3〕前記セルロース系繊維が、酸化セルロースファイバー、カルボキシメチル化セルロースファイバー及びカチオン化セルロースファイバーからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む上記〔1〕又は〔2〕に記載のゴム組成物。
〔4〕前記メチレンアクセプター化合物が、レゾルシン、レゾルシン誘導体及びレゾルシン系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種である上記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載のゴム組成物。
〔5〕前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンである上記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載のゴム組成物。
〔6〕前記セルロース系繊維の長さ加重平均繊維長が50~2000nm、長さ加重平均繊維径が2~500nmである上記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載のゴム組成物。
〔7〕上記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載のゴム組成物を用いてなる成形品。
〔8〕上記〔7〕に記載の成形品の製造方法であって、下記工程(a1)及び(a2)を有する成形品の製造方法。
(a1)ゴム成分とセルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合して混合物(1)を得る工程。
(a2)前記工程(a1)で得た混合物(1)を40℃以上100℃未満で1~24時間加熱し、成形して成形品を得る工程。
〔9〕上記〔7〕に記載の成形品の製造方法であって、下記工程(b1)~(b3)を有する成形品の製造方法。
(b1)ゴム成分とセルロース系繊維を混合して混合物(2)を得る工程。
(b2)前記工程(b1)で得た混合物(2)を40℃以上100℃未満で1~24時間加熱した加熱処理物を得る工程。
(b3)前記工程(b2)で得た加熱処理物にメチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合し、成形して成形品を得る工程。
As a result of diligent studies on the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by including a methylene acceptor compound and a methylene donor compound in the rubber component and the cellulosic fiber, and complete the present invention. It came to.
The present invention provides the following [1] to [9].
[1] A rubber composition containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound.
[2] The rubber composition according to the above [1], wherein the rubber component is chloroprene rubber.
[3] The rubber composition according to the above [1] or [2], wherein the cellulosic fiber contains at least one selected from the group consisting of oxidized cellulose fiber, carboxymethylated cellulose fiber and cationized cellulose fiber.
[4] The rubber composition according to any one of the above [1] to [3], wherein the methylene acceptor compound is at least one selected from the group consisting of resorcin, a resorcin derivative and a resorcin-based resin.
[5] The rubber composition according to any one of the above [1] to [4], wherein the methylene donor compound is hexamethylenetetramine.
[6] The rubber composition according to any one of the above [1] to [5], wherein the length-weighted average fiber length of the cellulosic fiber is 50 to 2000 nm, and the length-weighted average fiber diameter is 2 to 500 nm.
[7] A molded product using the rubber composition according to any one of the above [1] to [6].
[8] The method for producing a molded product according to the above [7], which comprises the following steps (a1) and (a2).
(A1) A step of mixing a rubber component with a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound to obtain a mixture (1).
(A2) A step of heating the mixture (1) obtained in the above step (a1) at 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 1 to 24 hours and molding to obtain a molded product.
[9] The method for producing a molded product according to the above [7], which comprises the following steps (b1) to (b3).
(B1) A step of mixing a rubber component and a cellulosic fiber to obtain a mixture (2).
(B2) A step of obtaining a heat-treated product obtained by heating the mixture (2) obtained in the above step (b1) at 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 1 to 24 hours.
(B3) A step of mixing a methylene acceptor compound and a methylene donor compound with the heat-treated product obtained in the step (b2) and molding to obtain a molded product.
本発明によれば、ゴム成分とセルロース系繊維の相溶性が向上し、十分な補強性を有する成形品を製造し得るゴム組成物を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a rubber composition capable of producing a molded product having improved compatibility between a rubber component and a cellulosic fiber and having sufficient reinforcing properties.
[1.ゴム組成物]
本発明のゴム組成物は、セルロース系繊維、ゴム成分、メチレンアクセプター化合物、及びメチレンドナー化合物を少なくとも含む。
[1. Rubber composition]
The rubber composition of the present invention contains at least a cellulosic fiber, a rubber component, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound.
[1-1.セルロース系繊維]
本発明において、セルロース系繊維として、ミクロンオーダーの繊維径を有するセルロース繊維又は当該セルロース繊維を必要に応じ化学変性した後で解繊して得たナノオーダーの繊維径を有するセルロースナノファイバーを使用できる。
[1-1. Cellulose fiber]
In the present invention, as the cellulosic fiber, a cellulosic fiber having a fiber diameter on the order of micron or a cellulose nanofiber having a fiber diameter on the nano order obtained by chemically modifying the cellulosic fiber as necessary and then defibrating it can be used. ..
セルロース繊維は、特に限定されないが、例えば、植物、動物(例えば、ホヤ類)、藻類、微生物(例えば、酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物に由来するものが挙げられる。植物由来のセルロース繊維としては、例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、再生パルプ、古紙等)が挙げられる。セルロース繊維は、これらのいずれか又は組合せであってもよいが、好ましくは植物又は微生物由来のセルロース繊維であり、より好ましくは植物由来のセルロース繊維である。 Cellulose fibers are not particularly limited, and examples thereof include those derived from plants, animals (for example, ascidians), algae, microorganisms (for example, acetobacter), and microorganism products. Examples of plant-derived cellulose fibers include wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, farmland waste, cloth, pulp (conifer unbleached kraft pulp (NUKP), conifer bleached kraft pulp (NBKP), and broadleaf unbleached kraft pulp. (LUKP), broad-leaved bleached kraft pulp (LBKP), coniferous unbleached sulphite pulp (NUSP), coniferous bleached sulphite pulp (NBSP), thermomechanical pulp (TMP), recycled pulp, used paper, etc.). The cellulose fiber may be any one or a combination thereof, but is preferably a cellulosic fiber derived from a plant or a microorganism, and more preferably a cellulose fiber derived from a plant.
セルロース繊維の平均繊維径は、特に制限されない。一般的なパルプである針葉樹クラフトパルプの場合は30~60μm程度、広葉樹クラフトパルプの場合は10~30μm程度である。その他のパルプの場合、一般的な精製を経たセルロース繊維の平均繊維径は50μm程度である。例えば、数cm大のチップ等を精製したセルロース繊維を用いる場合、リファイナー、ビーター等の離解機で機械的処理を行い、平均繊維径を50μm程度に調整することが好ましい。 The average fiber diameter of the cellulose fiber is not particularly limited. In the case of softwood kraft pulp, which is a general pulp, it is about 30 to 60 μm, and in the case of hardwood kraft pulp, it is about 10 to 30 μm. In the case of other pulps, the average fiber diameter of the cellulose fibers that have undergone general purification is about 50 μm. For example, when using purified cellulose fibers such as chips having a size of several cm, it is preferable to perform mechanical treatment with a breaker such as a refiner or a beater to adjust the average fiber diameter to about 50 μm.
セルロースナノファイバーの平均繊維径は、長さ加重平均繊維径にして、通常、2~500nm程度であり、好ましくは2~50nmである。セルロースナノファイバーの平均繊維長は、長さ加重平均繊維長にして、50~2000nmが好ましい。長さ加重平均繊維径及び長さ加重平均繊維長(以下、単に「平均繊維径」、「平均繊維長」ともいう)は、原子間力顕微鏡(AFM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、各繊維を観察して求められる。セルロースナノファイバーの平均アスペクト比の下限値は、通常、10以上である。上限値は特に限定されないが、通常、1000以下である。平均アスペクト比は、下記の式(1)により算出できる。 The average fiber diameter of the cellulose nanofibers is usually about 2 to 500 nm, preferably 2 to 50 nm in terms of the length-weighted average fiber diameter. The average fiber length of the cellulose nanofibers is preferably 50 to 2000 nm in terms of the length-weighted average fiber length. Atomic force microscope (AFM) or transmission electron microscope (TEM) is used for the length-weighted average fiber diameter and the length-weighted average fiber length (hereinafter, also simply referred to as "average fiber diameter" and "average fiber length"). It is obtained by observing each fiber. The lower limit of the average aspect ratio of cellulose nanofibers is usually 10 or more. The upper limit is not particularly limited, but is usually 1000 or less. The average aspect ratio can be calculated by the following formula (1).
式(1): 平均アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径
以下、セルロースナノファイバーの製造方法について説明する。便宜上、セルロースナノファイバーの原料となるセルロース繊維を「セルロース原料」ともいう。
Equation (1): Average aspect ratio = average fiber length / average fiber diameter The following describes a method for producing cellulose nanofibers. For convenience, the cellulose fiber that is the raw material of the cellulose nanofiber is also referred to as "cellulose raw material".
[1-1-1.変性]
セルロース原料は、グルコース単位あたり3つのヒドロキシル基を有しており、各種の化学変性を行うことが可能である。セルロース原料としては、化学変性されたセルロース原料及び化学変性されていないセルロース原料のいずれも使用できる。しかしながら、化学変性されたセルロース原料を用いると、繊維の微細化が十分に進んで均一な平均繊維長及び平均繊維径のセルロースナノファイバーが得られる。そのため、ゴム成分と複合化した際に、十分な補強効果を発揮する成形品を製造し得る。したがって、化学変性されたセルロース原料が好ましい。化学変性としては、例えば、酸化、エーテル化、リン酸化、エステル化、シランカップリング、フッ素化、カチオン化が挙げられる。中でも、酸化(カルボキシル化)、エーテル化、カチオン化、エステル化が好ましい。以下、これらの化学変性について説明する。
[1-1-1. Degeneration]
The cellulose raw material has three hydroxyl groups per glucose unit and can be subjected to various chemical denaturations. As the cellulose raw material, either a chemically modified cellulose raw material or a non-chemically modified cellulose raw material can be used. However, when the chemically modified cellulose raw material is used, the fineness of the fibers is sufficiently advanced to obtain cellulose nanofibers having a uniform average fiber length and average fiber diameter. Therefore, it is possible to manufacture a molded product that exhibits a sufficient reinforcing effect when compounded with a rubber component. Therefore, chemically modified cellulose raw materials are preferred. Examples of chemical denaturation include oxidation, etherification, phosphorylation, esterification, silane coupling, fluorination, and cationization. Of these, oxidation (carboxylation), etherification, cationization, and esterification are preferable. Hereinafter, these chemical denaturations will be described.
[酸化]
酸化処理によって得られる酸化セルロース又は酸化セルロースナノファイバー(総称して「酸化セルロースファイバー」ともいう)中のカルボキシル基量の下限値は、絶乾重量に対して、好ましくは0.5mmol/g以上、より好ましくは0.8mmol/g以上、さらに好ましくは1.0mmol/g以上である。当該量の上限値は、好ましくは3.0mmol/g以下、より好ましくは2.5mmol/g以下、さらに好ましくは2.0mmol/g以下である。したがって、当該量は0.5~3.0mmol/gが好ましく、0.8~2.5mmol/gがより好ましく、1.0~2.0mmol/gがさらに好ましい。
[Oxidation]
The lower limit of the amount of carboxyl groups in cellulose oxide or cellulose oxide nanofibers (collectively referred to as "cellulose oxide fibers") obtained by the oxidation treatment is preferably 0.5 mmol / g or more with respect to the absolute dry weight. It is more preferably 0.8 mmol / g or more, still more preferably 1.0 mmol / g or more. The upper limit of the amount is preferably 3.0 mmol / g or less, more preferably 2.5 mmol / g or less, and further preferably 2.0 mmol / g or less. Therefore, the amount is preferably 0.5 to 3.0 mmol / g, more preferably 0.8 to 2.5 mmol / g, still more preferably 1.0 to 2.0 mmol / g.
酸化方法は特に限定されない。酸化方法の一例として、N-オキシル化合物と、臭化物、ヨウ化物及びこれらの混合物からなる群より選択される化学物質と、の存在下で、酸化剤を用いて水中でセルロース原料を酸化する方法が挙げられる。この方法によれば、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基を有する炭素原子が選択的に酸化され、アルデヒド基、カルボキシル基、及びカルボキシレート基からなる群より選ばれる少なくとも1種の官能基が生じる。反応時のセルロース原料の濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。 The oxidation method is not particularly limited. As an example of the oxidation method, there is a method of oxidizing a cellulose raw material in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and a chemical substance selected from the group consisting of bromide, iodide and a mixture thereof. Can be mentioned. According to this method, a carbon atom having a primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring on the surface of cellulose is selectively oxidized, and at least one functional group selected from the group consisting of an aldehyde group, a carboxyl group, and a carboxylate group is functionalized. A group is born. The concentration of the cellulose raw material at the time of the reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by mass or less.
N-オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生し得る化合物である。ニトロキシルラジカルとしては、例えば、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン1-オキシル(TEMPO)が挙げられる。N-オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。 The N-oxyl compound is a compound capable of generating a nitroxy radical. Examples of the nitroxyl radical include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO). As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it is a compound that promotes the desired oxidation reaction.
N-オキシル化合物の使用量は、セルロース原料を酸化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.01mmol以上が好ましく、0.02mmol以上がより好ましい。上限は、10mmol以下が好ましく、1mmol以下がより好ましく、0.5mmol以下がさらに好ましい。したがって、N-オキシル化合物の使用量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.01~10mmolが好ましく、0.01~1mmolがより好ましく、0.02~0.5mmolがさらに好ましい。 The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount capable of oxidizing the cellulose raw material. For example, 0.01 mmol or more is preferable, and 0.02 mmol or more is more preferable with respect to 1 g of an absolute dry cellulose raw material. The upper limit is preferably 10 mmol or less, more preferably 1 mmol or less, still more preferably 0.5 mmol or less. Therefore, the amount of the N-oxyl compound used is preferably 0.01 to 10 mmol, more preferably 0.01 to 1 mmol, still more preferably 0.02 to 0.5 mmol with respect to 1 g of the cellulose raw material to be completely dried.
臭化物とは、臭素を含む化合物である。臭化物としては、水中で解離してイオン化可能なアルカリ金属の臭化物、例えば、臭化ナトリウムが挙げられる。また、ヨウ化物とは、ヨウ素を含む化合物であり、例えば、アルカリ金属のヨウ化物が挙げられる。 Bromide is a compound containing bromine. Examples of the bromide include alkali metal bromides that can be dissociated and ionized in water, for example, sodium bromide. The iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodide.
臭化物又はヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物及びヨウ化物の合計量の下限値は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.1mmol以上が好ましく、0.5mmol以上がより好ましい。当該量の上限値は、100mmol以下が好ましく、10mmol以下がより好ましく、5mmol以下がさらに好ましい。したがって、臭化物及びヨウ化物の合計量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.1~100mmolが好ましく、0.1~10mmolがより好ましく、0.5~5mmolがさらに好ましい。 The amount of bromide or iodide used can be selected within the range in which the oxidation reaction can be promoted. The lower limit of the total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 mmol or more, more preferably 0.5 mmol or more, with respect to 1 g of the dry dry cellulose raw material. The upper limit of the amount is preferably 100 mmol or less, more preferably 10 mmol or less, still more preferably 5 mmol or less. Therefore, the total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, still more preferably 0.5 to 5 mmol with respect to 1 g of the dry cellulose raw material.
酸化剤としては、特に限定されない。例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸、これらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物が挙げられる。中でも、安価で環境負荷が少ないことから、次亜ハロゲン酸又はその塩が好ましく、次亜塩素酸又はその塩がより好ましく、次亜塩素酸ナトリウムがさらに好ましい。 The oxidizing agent is not particularly limited. Examples thereof include halogens, hypohalogenic acids, subhalogenic acids, perhalogenic acids, salts thereof, halogen oxides and peroxides. Among them, hypochlorous acid or a salt thereof is preferable, hypochlorous acid or a salt thereof is more preferable, and sodium hypochlorite is further preferable, because it is inexpensive and has a small environmental load.
酸化剤の使用量の下限値は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5mmol以上が好ましく、1mmol以上がより好ましく、3mmol以上がさらに好ましい。当該量の上限値は、500mmol以下が好ましく、50mmol以下がより好ましく、25mmol以下がさらに好ましく、10mmol以下がさらにより好ましい。したがって、酸化剤の使用量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5~500mmolが好ましく、0.5~50mmolがより好ましく、1~25mmolがさらに好ましく、3~10mmolがさらにより好ましい。
N-オキシル化合物を用いる場合、酸化剤の使用量の下限値は、N-オキシル化合物1molに対して、1mol以上が好ましい。また、その上限値は、40mol以下が好ましい。したがって、酸化剤の使用量は、N-オキシル化合物1molに対して、1~40molが好ましい。
The lower limit of the amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 mmol or more, more preferably 1 mmol or more, still more preferably 3 mmol or more, with respect to 1 g of the dry cellulose raw material. The upper limit of the amount is preferably 500 mmol or less, more preferably 50 mmol or less, further preferably 25 mmol or less, still more preferably 10 mmol or less. Therefore, the amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, still more preferably 1 to 25 mmol, still more preferably 3 to 10 mmol with respect to 1 g of the dry dry cellulose raw material. ..
When an N-oxyl compound is used, the lower limit of the amount of the oxidizing agent used is preferably 1 mol or more with respect to 1 mol of the N-oxyl compound. The upper limit thereof is preferably 40 mol or less. Therefore, the amount of the oxidizing agent used is preferably 1 to 40 mol with respect to 1 mol of the N-oxyl compound.
酸化反応時のpH、温度等の条件は特に限定されず、通常、比較的温和な条件であっても酸化反応が効率よく進行する。
反応温度の下限値は、4℃以上が好ましく、15℃以上がより好ましい。当該温度の上限値は、40℃以下が好ましく、30℃以下がより好ましい。したがって、反応温度は、4~40℃が好ましく、15~30℃程度、すなわち室温であってもよい。
反応液のpHの下限値は、8以上が好ましく、10以上がより好ましい。pHの上限値は、12以下が好ましく、11以下がより好ましい。したがって、反応液のpHは、好ましくは8~12、より好ましくは10~11程度である。
なお、通常、酸化反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHは低下する傾向にある。そのため、酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを上記の範囲に維持することが好ましい。酸化の際の反応媒体は、取扱いの容易さや、副反応が生じにくいこと等の理由から、水が好ましい。
Conditions such as pH and temperature during the oxidation reaction are not particularly limited, and the oxidation reaction usually proceeds efficiently even under relatively mild conditions.
The lower limit of the reaction temperature is preferably 4 ° C. or higher, more preferably 15 ° C. or higher. The upper limit of the temperature is preferably 40 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or lower. Therefore, the reaction temperature is preferably 4 to 40 ° C, and may be about 15 to 30 ° C, that is, room temperature.
The lower limit of the pH of the reaction solution is preferably 8 or more, more preferably 10 or more. The upper limit of pH is preferably 12 or less, more preferably 11 or less. Therefore, the pH of the reaction solution is preferably about 8 to 12, more preferably about 10 to 11.
Normally, the pH of the reaction solution tends to decrease because a carboxyl group is generated in the cellulose as the oxidation reaction progresses. Therefore, in order to efficiently proceed the oxidation reaction, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution to maintain the pH of the reaction solution in the above range. Water is preferable as the reaction medium for oxidation because it is easy to handle and side reactions are unlikely to occur.
酸化における反応時間は、酸化の進行程度に従って適宜設定することができる。反応時間の下限値は、通常、0.5時間以上である。また、その上限値は、通常、6時間以下であり、好ましくは4時間以下である。したがって、酸化における反応時間は、通常、0.5~6時間であり、好ましくは0.5~4時間程度である。
酸化は、2段階以上の反応に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一又は異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。
The reaction time in oxidation can be appropriately set according to the degree of progress of oxidation. The lower limit of the reaction time is usually 0.5 hours or more. The upper limit thereof is usually 6 hours or less, preferably 4 hours or less. Therefore, the reaction time in oxidation is usually 0.5 to 6 hours, preferably about 0.5 to 4 hours.
Oxidation may be carried out in two or more steps. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first-stage reaction again under the same or different reaction conditions, the efficiency is not affected by the reaction inhibition by the salt produced as a by-product in the first-stage reaction. Can be oxidized well.
カルボキシル化(酸化)方法の他の例として、オゾン酸化が挙げられる。この酸化反応では、セルロースを構成するグルコピラノース環の少なくとも2位及び6位の水酸基が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾン処理は、通常、オゾンを含む気体とセルロース原料を接触させることにより行われる。 Another example of the carboxylation (oxidation) method is ozonolysis. In this oxidation reaction, the hydroxyl groups at at least the 2-position and the 6-position of the glucopyranose ring constituting the cellulose are oxidized, and the cellulose chain is decomposed. Ozone treatment is usually carried out by bringing a gas containing ozone into contact with a cellulose raw material.
気体中のオゾン濃度の下限値は、50g/m3以上が好ましい。その上限値は、250g/m3以下が好ましく、220g/m3以下がより好ましい。したがって、気体中のオゾン濃度は、50~250g/m3が好ましく、50~220g/m3がより好ましい。
オゾン添加量の下限値は、セルロース原料の固形分100質量%に対し、0.1質量%以上が好ましく、5質量%以上がより好ましい。オゾン添加量の上限値は、通常、30質量%以下である。したがって、オゾン添加量は、セルロース原料の固形分100質量%に対し、0.1~30質量%が好ましく、5~30質量%がより好ましい。
The lower limit of the ozone concentration in the gas is preferably 50 g / m 3 or more. The upper limit is preferably 250 g / m 3 or less, and more preferably 220 g / m 3 or less. Therefore, the ozone concentration in the gas is preferably 50 to 250 g / m 3 , more preferably 50 to 220 g / m 3 .
The lower limit of the amount of ozone added is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, based on 100% by mass of the solid content of the cellulose raw material. The upper limit of the amount of ozone added is usually 30% by mass or less. Therefore, the amount of ozone added is preferably 0.1 to 30% by mass, more preferably 5 to 30% by mass, based on 100% by mass of the solid content of the cellulose raw material.
オゾン処理温度の下限値は、通常、0℃以上であり、好ましくは20℃以上である。また、その上限値は、通常、50℃以下である。したがって、オゾン処理温度は、0~50℃が好ましく、20~50℃がより好ましい。
オゾン処理時間の下限値は、通常、1分以上であり、好ましくは30分以上である。また、その上限値は、通常、360分以下である。したがって、オゾン処理時間は、通常、1~360分程度であり、30~360分程度が好ましい。
オゾン処理の条件が上述の範囲内であると、セルロースが過度に酸化及び分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。
The lower limit of the ozone treatment temperature is usually 0 ° C. or higher, preferably 20 ° C. or higher. The upper limit thereof is usually 50 ° C. or lower. Therefore, the ozone treatment temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 20 to 50 ° C.
The lower limit of the ozone treatment time is usually 1 minute or more, preferably 30 minutes or more. The upper limit is usually 360 minutes or less. Therefore, the ozone treatment time is usually about 1 to 360 minutes, preferably about 30 to 360 minutes.
When the ozone treatment conditions are within the above range, it is possible to prevent the cellulose from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of the oxidized cellulose becomes good.
オゾン処理されたセルロースに対して、さらに酸化剤を用いて追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されない。例えば、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸が挙げられる。追酸化処理の方法としては、例えば、これらの酸化剤を水又はアルコール等の極性有機溶媒中に溶解して酸化剤溶液を調製し、酸化剤溶液中にオゾン処理されたセルロースを浸漬させる方法が挙げられる。酸化セルロース又は酸化セルロースナノファイバーに含まれるカルボキシル基、カルボキシレート基、アルデヒド基の量は、酸化剤の添加量、反応時間等の酸化条件をコントロールすることで調整することができる。 The ozone-treated cellulose may be further subjected to a post-oxidation treatment using an oxidizing agent. The oxidizing agent used for the additional oxidation treatment is not particularly limited. Examples thereof include chlorine dioxide, chlorine compounds such as sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, and peracetic acid. As a method of the additional oxidation treatment, for example, a method of dissolving these oxidizing agents in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution and immersing ozone-treated cellulose in the oxidizing agent solution is used. Can be mentioned. The amount of the carboxyl group, the carboxylate group, and the aldehyde group contained in the cellulose oxide or the cellulose oxide nanofiber can be adjusted by controlling the oxidation conditions such as the addition amount of the oxidizing agent and the reaction time.
カルボキシル基量の測定方法の一例を以下に説明する。酸化セルロースの0.5質量%スラリー(水分散液)60mLを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とする。酸性にした水分散液に、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定する。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(a)から、下式(2)を用いてカルボキシル基量を算出することができる。
なお、酸化セルロースと酸化セルロースナノファイバーのカルボキシル基量は、通常、同値である。
An example of a method for measuring the amount of carboxyl groups will be described below. Prepare 60 mL of a 0.5% by mass slurry (aqueous dispersion) of cellulose oxide, and add a 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to adjust the pH to 2.5. A 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution is added dropwise to the acidified aqueous dispersion, and the electric conductivity is measured until the pH reaches 11. From the amount of sodium hydroxide (a) consumed in the neutralization step of a weak acid whose electrical conductivity changes slowly, the amount of carboxyl group can be calculated using the following formula (2).
The amount of carboxyl groups of cellulose oxide and cellulose oxide nanofibers are usually the same.
式(2): カルボキシル基量〔mmol/g酸化セルロース又は酸化セルロースナノファイバー〕=a〔mL〕×0.05/酸化セルロース質量〔g〕 Formula (2): Amount of carboxyl group [mmol / g cellulose oxide or cellulose oxide nanofiber] = a [mL] × 0.05 / mass of cellulose oxide [g]
[エーテル化]
エーテル化としては、カルボキシメチル(エーテル)化、メチル(エーテル)化、エチル(エーテル)化、シアノエチル(エーテル)化、ヒドロキシエチル(エーテル)化、ヒドロキシプロピル(エーテル)化、エチルヒドロキシエチル(エーテル)化、ヒドロキシプロピルメチル(エーテル)化等が挙げられる。この中から、一例としてカルボキシメチル化の方法を以下に説明する。
[Aetherization]
As etherification, carboxymethyl (ether), methyl (ether), ethyl (ether), cyanoethyl (ether), hydroxyethyl (ether), hydroxypropyl (ether), ethyl hydroxyethyl (ether) Examples include conversion to hydroxypropylmethyl (ether). From this, the method of carboxymethylation will be described below as an example.
カルボキシメチル化により得られるカルボキシメチル化セルロース又はカルボキシメチル化セルロースナノファイバー(総称して「カルボキシメチル化セルロースファイバー」ともいう)中の無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度の下限値は、0.01以上が好ましく、0.05以上がより好ましく、0.10以上がさらに好ましい。当該置換度の上限値は、0.50以下が好ましく、0.40以下がより好ましく、0.35以下がさらに好ましい。したがって、カルボキシメチル置換度は、0.01~0.50が好ましく、0.05~0.40がより好ましく、0.10~0.35がさらに好ましい。 The lower limit of the degree of carboxymethyl substitution per anhydrous glucose unit in carboxymethylated cellulose or carboxymethylated cellulose nanofibers (collectively referred to as "carboxymethylated cellulose fibers") obtained by carboxymethylation is 0.01. The above is preferable, 0.05 or more is more preferable, and 0.10 or more is further preferable. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.50 or less, more preferably 0.40 or less, and even more preferably 0.35 or less. Therefore, the degree of carboxymethyl substitution is preferably 0.01 to 0.50, more preferably 0.05 to 0.40, and even more preferably 0.10 to 0.35.
カルボキシメチル化方法は特に限定されない。例えば、出発原料としてのセルロース原料をマーセル化し、その後エーテル化する方法が挙げられる。当該反応には、通常、溶媒が使用される。溶媒としては、例えば、水、アルコール(例えば低級アルコール)及びこれらの混合溶媒が挙げられる。低級アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n-ブチルアルコール、イソブチルアルコール、t-ブチルアルコールが挙げられる。混合溶媒における低級アルコールの混合割合は、通常、60質量%以上又は95質量%以下であり、60~95質量%が好ましい。溶媒の量の下限は、セルロース原料に対し、質量換算で、通常、3倍以上である。当該量の上限は、特に限定されないが、20倍以下である。したがって、溶媒の量は、セルロース原料に対し、質量換算で、3~20倍が好ましい。 The carboxymethylation method is not particularly limited. For example, there is a method of converting a cellulose raw material as a starting material into a marcel and then etherifying it. A solvent is usually used for the reaction. Examples of the solvent include water, alcohol (for example, lower alcohol) and a mixed solvent thereof. Examples of the lower alcohol include methanol, ethanol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol and t-butyl alcohol. The mixing ratio of the lower alcohol in the mixed solvent is usually 60% by mass or more or 95% by mass or less, preferably 60 to 95% by mass. The lower limit of the amount of the solvent is usually three times or more in terms of mass with respect to the cellulose raw material. The upper limit of the amount is not particularly limited, but is 20 times or less. Therefore, the amount of the solvent is preferably 3 to 20 times the mass of the cellulose raw material.
マーセル化は、通常、出発原料とマーセル化剤を混合して行う。マーセル化剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物が挙げられる。マーセル化剤の使用量の下限は、出発原料の無水グルコース残基当たり、モル換算で、0.5倍以上が好ましく、1.0倍以上がより好ましく、1.5倍以上がさらに好ましい。当該量の上限は、通常、20倍以下であり、10倍以下が好ましく、5倍以下がより好ましい。したがって、マーセル化剤の使用量は、出発原料の無水グルコース残基当たり、モル換算で、0.5~20倍が好ましく、1.0~10倍がより好ましく、1.5~5倍がさらに好ましい。 Mercerization is usually carried out by mixing a starting material and a mercerizing agent. Examples of the mercerizing agent include hydroxides of alkali metals such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. The lower limit of the amount of the mercerizing agent used is preferably 0.5 times or more, more preferably 1.0 times or more, still more preferably 1.5 times or more, in terms of molars, per anhydrous glucose residue as a starting material. The upper limit of the amount is usually 20 times or less, preferably 10 times or less, and more preferably 5 times or less. Therefore, the amount of the mercerizing agent used is preferably 0.5 to 20 times, more preferably 1.0 to 10 times, and further 1.5 to 5 times, in terms of molar amount, per anhydrous glucose residue of the starting material. preferable.
マーセル化の反応温度の下限値は、通常、0℃以上であり、好ましくは10℃以上である。また、その上限値は、通常、70℃以下であり、好ましくは60℃以下である。したがって、反応温度は、通常、0~70℃であり、好ましくは10~60℃である。
反応時間の下限値は、通常、15分以上であり、好ましくは30分以上である。当該時間の上限値は、通常、8時間以下であり、好ましくは7時間以下である。したがって、反応時間は、通常、15分~8時間であり、好ましくは30分~7時間である。
The lower limit of the reaction temperature for mercerization is usually 0 ° C. or higher, preferably 10 ° C. or higher. The upper limit thereof is usually 70 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or lower. Therefore, the reaction temperature is usually 0 to 70 ° C, preferably 10 to 60 ° C.
The lower limit of the reaction time is usually 15 minutes or more, preferably 30 minutes or more. The upper limit of the time is usually 8 hours or less, preferably 7 hours or less. Therefore, the reaction time is usually 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours.
エーテル化反応は、通常、カルボキシメチル化剤をマーセル化後に反応系に追加して行う。カルボキシメチル化剤としては、例えば、モノクロロ酢酸ナトリウムが挙げられる。
カルボキシメチル化剤の添加量の下限は、セルロース原料のグルコース残基当たり、モル換算で、通常、0.05倍以上が好ましく、0.5倍以上がより好ましく、0.8倍以上がさらに好ましい。当該量の上限は、通常、10.0倍以下であり、5倍以下が好ましく、3倍以下がより好ましい。したがって、当該量は、セルロース原料のグルコース残基当たり、モル換算で、好ましくは0.05~10.0倍であり、より好ましくは0.5~5倍であり、さらに好ましくは0.8~3倍である。
The etherification reaction is usually carried out by adding a carboxymethylating agent to the reaction system after mercerization. Examples of the carboxymethylating agent include sodium monochloroacetate.
The lower limit of the amount of the carboxymethylating agent added is usually preferably 0.05 times or more, more preferably 0.5 times or more, still more preferably 0.8 times or more in terms of molar amount per glucose residue of the cellulose raw material. .. The upper limit of the amount is usually 10.0 times or less, preferably 5 times or less, and more preferably 3 times or less. Therefore, the amount thereof is preferably 0.05 to 10.0 times, more preferably 0.5 to 5 times, still more preferably 0.8 to 0.8 times, in terms of molar amount, per glucose residue of the cellulose raw material. It is three times.
反応温度の下限値は、通常、30℃以上であり、好ましくは40℃以上である。また、その上限値は、通常、90℃以下であり、好ましくは80℃以下である。したがって、反応温度は、通常、30~90℃であり、好ましくは40~80℃である。
反応時間の下限値は、通常、30分以上であり、好ましくは1時間以上である。また、その上限値は、通常、10時間以下であり、好ましくは4時間以下である。したがって、反応時間は、通常、30分~10時間であり、好ましくは1~4時間である。なお、カルボキシメチル化反応の間必要に応じて、反応液を撹拌してもよい。
The lower limit of the reaction temperature is usually 30 ° C. or higher, preferably 40 ° C. or higher. The upper limit thereof is usually 90 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower. Therefore, the reaction temperature is usually 30 to 90 ° C, preferably 40 to 80 ° C.
The lower limit of the reaction time is usually 30 minutes or more, preferably 1 hour or more. The upper limit thereof is usually 10 hours or less, preferably 4 hours or less. Therefore, the reaction time is usually 30 minutes to 10 hours, preferably 1 to 4 hours. If necessary, the reaction solution may be stirred during the carboxymethylation reaction.
カルボキシメチル化セルロースナノファイバーのグルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度の測定は、例えば、次の方法により行うことができる。すなわち、1)カルボキシメチル化セルロース(絶乾)約2.0gを精秤して、300mL共栓付き三角フラスコに入れる。2)メタノール1000mLに特級濃硝酸100mLを加えた硝酸メタノール液100mLを加え、3時間振とうして、カルボキシメチルセルロース塩(カルボキシメチル化セルロース)を酸型カルボキシメチル化セルロースにする。3)酸型カルボキシメチル化セルロース(絶乾)を1.5~2.0g精秤し、300mL共栓付き三角フラスコに入れる。4)80%メタノール15mLで酸型カルボキシメチル化セルロースを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうする。5)指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのH2SO4で過剰のNaOHを逆滴定する。6)カルボキシメチル置換度(DS)を、次式(3)によって算出する。
なお、カルボキシメチル化セルロースとカルボキシメチル化セルロースナノファイバーのカルボキシメチル置換度は、通常、同値である。
The degree of carboxymethyl substitution per glucose unit of carboxymethylated cellulose nanofibers can be measured, for example, by the following method. That is, 1) Approximately 2.0 g of carboxymethylated cellulose (absolutely dried) is precisely weighed and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. 2) Add 100 mL of nitrate methanol solution containing 100 mL of special grade concentrated nitric acid to 1000 mL of methanol, and shake for 3 hours to convert the carboxymethyl cellulose salt (carboxymethyl cellulose) into acid-type carboxymethyl cellulose. 3) Weigh 1.5 to 2.0 g of acid-type carboxymethylated cellulose (absolutely dry) and place in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. 4) Wet the acid-type carboxymethylated cellulose with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. 5) Using phenolphthalein as an indicator, back titrate excess NaOH with 0.1 N H 2 SO 4 . 6) The degree of carboxymethyl substitution (DS) is calculated by the following equation (3).
The degree of carboxymethyl substitution between the carboxymethylated cellulose and the carboxymethylated cellulose nanofibers is usually the same.
A=[(100×F’-(0.1NのH2SO4)(mL)×F)×0.1]/(酸型カルボキシメチル化セルロースの絶乾質量(g))
式(3): DS=0.162×A/(1-0.058×A)
A:酸型カルボキシメチル化セルロース1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)
F:0.1NのH2SO4のファクター
F’:0.1NのNaOHのファクター
A = [(100 x F'-(0.1 N H 2 SO 4 ) (mL) x F) x 0.1] / (absolute dry mass (g) of acid-type carboxymethylated cellulose)
Equation (3): DS = 0.162 × A / (1-0.058 × A)
A: 1N NaOH amount (mL) required for neutralization of 1 g of acid-type carboxymethylated cellulose
F: 0.1N H 2 SO 4 factor F': 0.1N NaOH factor
[カチオン化]
カチオン化により得られるカチオン化セルロースナノファイバーは、アンモニウム、ホスホニウム、スルホニウム等のカチオン、又は該カチオンを有する基を分子中に含んでいればよい。カチオン化セルロースナノファイバーは、アンモニウムを有する基を含むことが好ましく、四級アンモニウムを有する基を含むことがより好ましい。
[Cationation]
The cationized cellulose nanofiber obtained by cationization may contain a cation such as ammonium, phosphonium, sulfonium, or a group having the cation in the molecule. The cationized cellulose nanofibers preferably contain a group having ammonium, more preferably a group having quaternary ammonium.
カチオン化の方法は特に限定されない。例えば、セルロース原料にカチオン化剤と触媒を水又はアルコールの存在下で反応させる方法が挙げられる。
カチオン化剤としては、例えば、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライト(例:3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムハイドライト)又はこれらのハロヒドリン型が挙げられる。これらのいずれかを用いることで、四級アンモニウムを含む基を有するカチオン化セルロースを得ることができる。
触媒としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物が挙げられる。
アルコールとしては、例えば、炭素原子数1~4のアルコールが挙げられる。
The method of cationization is not particularly limited. For example, a method of reacting a cellulose raw material with a cationizing agent and a catalyst in the presence of water or alcohol can be mentioned.
Examples of the cationizing agent include glycidyltrimethylammonium chloride, 3-chloro-2-hydroxypropyltrialkylammonium hydrite (eg, 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium hydrite), and halohydrin types thereof. .. By using any of these, cationized cellulose having a group containing a quaternary ammonium can be obtained.
Examples of the catalyst include hydroxides of alkali metals such as sodium hydroxide and potassium hydroxide.
Examples of the alcohol include alcohols having 1 to 4 carbon atoms.
カチオン化剤の量の下限値は、セルロース原料100質量%に対して、好ましくは5質量%以上であり、より好ましくは10質量%以上である。当該量の上限値は、通常、800質量%以下であり、好ましくは500質量%以下である。
触媒の量の下限値は、セルロース原料100質量%に対して、好ましくは0.5質量%以上であり、より好ましくは1質量%以上である。当該量の上限値は、通常、70質量%以下であり、好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは7質量%以下であり、さらに好ましくは3質量%以下である。
アルコールの量の下限値は、セルロース原料100質量%に対して、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは100質量%以上である。当該量の上限値は、通常、50000質量%以下であり、好ましくは500質量%以下である。
The lower limit of the amount of the cationizing agent is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, based on 100% by mass of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 800% by mass or less, preferably 500% by mass or less.
The lower limit of the amount of the catalyst is preferably 0.5% by mass or more, and more preferably 1% by mass or more with respect to 100% by mass of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 70% by mass or less, preferably 30% by mass or less, more preferably 7% by mass or less, and further preferably 3% by mass or less.
The lower limit of the amount of alcohol is preferably 50% by mass or more, and more preferably 100% by mass or more with respect to 100% by mass of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 50,000% by mass or less, preferably 500% by mass or less.
カチオン化の際の反応温度の下限値は、通常、10℃以上であり、好ましくは30℃以上である。また、その上限値は、通常、90℃以下であり、好ましくは80℃以下である。反応時間の下限値は、通常、10分以上であり、好ましくは30分以上である。また、その上限値は、通常、10時間以下であり、好ましくは5時間以下である。なお、カチオン化反応の間必要に応じて、反応液を撹拌してもよい。 The lower limit of the reaction temperature at the time of cationization is usually 10 ° C. or higher, preferably 30 ° C. or higher. The upper limit thereof is usually 90 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower. The lower limit of the reaction time is usually 10 minutes or more, preferably 30 minutes or more. The upper limit thereof is usually 10 hours or less, preferably 5 hours or less. If necessary, the reaction solution may be stirred during the cationization reaction.
カチオン化セルロース又はカチオン化セルロースナノファイバー(総称して「カチオン化セルロースファイバー」ともいう)のグルコース単位当たりのカチオン置換度は、カチオン化剤の添加量、水又はアルコールの組成比率によって調整することができる。カチオン置換度とは、セルロースを構成する単位構造(グルコピラノース環)あたりに導入された置換基のモル数を示す。すなわち、カチオン置換度は、「導入された置換基のモル数をグルコピラノース環の水酸基の総モル数で割った値」として定義される。純粋なセルロースは、単位構造(グルコピラノース環)あたり3つの置換可能な水酸基を有しているため、カチオン置換度の最大値は、理論上3(最小値は0)である。 The degree of cation substitution per glucose unit of cationized cellulose or cationized cellulose nanofiber (collectively referred to as "cationized cellulose fiber") can be adjusted by the amount of cationizing agent added and the composition ratio of water or alcohol. can. The degree of cation substitution indicates the number of moles of substituents introduced per unit structure (glucopyranose ring) constituting cellulose. That is, the degree of cation substitution is defined as "the value obtained by dividing the number of moles of the introduced substituent by the total number of moles of the hydroxyl groups of the glucopyranose ring". Since pure cellulose has three substitutable hydroxyl groups per unit structure (glucopyranose ring), the maximum value of the degree of cation substitution is theoretically 3 (minimum value is 0).
カチオン化セルロースナノファイバーのグルコース単位当たりのカチオン置換度の下限値は、0.01以上が好ましく、0.02以上がより好ましく、0.03以上がさらに好ましい。当該置換度の上限値は、0.40以下が好ましく、0.30以下がより好ましく、0.20以下がさらに好ましい。したがって、カチオン置換度は0.01~0.40が好ましく、0.02~0.30がより好ましく、0.03~0.20がさらに好ましい。
セルロースにカチオン置換基を導入することで、セルロース同士が電気的に反発する。このため、カチオン置換基を導入したセルロースは、容易にナノ解繊することができる。グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.01以上であることにより、十分にナノ解繊することができる。一方、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.40以下であることにより、膨潤又は溶解を抑制することができる。そのため、繊維形態を維持することができ、ナノファイバーとして得られない事態を防止することができる。
The lower limit of the degree of cation substitution per glucose unit of the cationized cellulose nanofiber is preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.03 or more. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.40 or less, more preferably 0.30 or less, and even more preferably 0.20 or less. Therefore, the degree of cation substitution is preferably 0.01 to 0.40, more preferably 0.02 to 0.30, and even more preferably 0.03 to 0.20.
By introducing a cationic substituent into the cellulose, the celluloses electrically repel each other. Therefore, the cellulose into which a cation substituent is introduced can be easily nano-defibrated. When the degree of cation substitution per glucose unit is 0.01 or more, nano-defibration can be sufficiently performed. On the other hand, when the degree of cation substitution per glucose unit is 0.40 or less, swelling or dissolution can be suppressed. Therefore, the fiber morphology can be maintained, and a situation that cannot be obtained as nanofibers can be prevented.
グルコース単位当たりのカチオン置換度の測定方法の一例を以下に説明する。試料(カチオン化セルロース)を乾燥させた後に、全窒素分析計TN-10(三菱化学社製)で窒素含有量を測定する。例えば、カチオン化剤として3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライドを用いた場合、次式(4)によりカチオン置換度が算出される。ここでいうカチオン置換度とは、無水グルコース単位1モル当たりの置換基のモル数の平均値である。
なお、カチオン化セルロースとカチオン化セルロースナノファイバーのカチオン置換度は、通常、同値である。
式(4): カチオン置換度=(162×N)/(1-116×N)
N:カチオン化セルロース1gあたりの窒素含有量(mol)
An example of a method for measuring the degree of cation substitution per glucose unit will be described below. After the sample (cationized cellulose) is dried, the nitrogen content is measured with a total nitrogen analyzer TN-10 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). For example, when 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride is used as the cationizing agent, the degree of cation substitution is calculated by the following formula (4). The degree of cation substitution referred to here is an average value of the number of moles of substituents per mole of anhydrous glucose unit.
The degree of cation substitution between the cationized cellulose and the cationized cellulose nanofibers is usually the same.
Equation (4): Degree of substitution = (162 × N) / (1-116 × N)
N: Nitrogen content per 1 g of cationized cellulose (mol)
[エステル化]
エステル化の方法は特に限定されない。例えば、セルロース原料に対して後述する化合物Aを反応させる方法が挙げられる。セルロース原料に対して化合物Aを反応させる方法としては、例えば、セルロース原料に化合物Aの粉末又は水溶液を混合する方法、セルロース原料のスラリーに化合物Aの水溶液を添加する方法が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高まり、かつエステル化効率が高くなることから、セルロース原料又はそのスラリーに化合物Aの水溶液を混合する方法が好ましい。
[Esterification]
The method of esterification is not particularly limited. For example, a method of reacting the cellulose raw material with the compound A described later can be mentioned. Examples of the method for reacting the compound A with the cellulose raw material include a method of mixing the powder or the aqueous solution of the compound A with the cellulose raw material, and a method of adding the aqueous solution of the compound A to the slurry of the cellulose raw material. Of these, a method of mixing an aqueous solution of compound A with a cellulose raw material or a slurry thereof is preferable because the uniformity of the reaction is increased and the esterification efficiency is increased.
化合物Aとしては、例えば、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸、これらのエステルが挙げられる。化合物Aは、塩の形態でもよい。上記の中でも、低コストであり、扱いやすく、またパルプ繊維のセルロースにリン酸基を導入して、解繊効率の向上が図れるなどの理由から、リン酸系化合物が好ましい。リン酸系化合物は、リン酸基を有する化合物であればよく、例えば、リン酸、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウムが挙げられる。用いられるリン酸系化合物は、これらの1種あるいは2種以上の組み合わせでもよい。これらのうち、リン酸基の導入効率が高く、解繊工程で解繊しやすく、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましく、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムがより好ましい。
また、反応の均一性が高まり、かつリン酸基の導入効率が高くなることから、エステル化においてはリン酸系化合物の水溶液を用いることが好ましい。リン酸系化合物の水溶液のpHは、リン酸基の導入効率を高める観点から7以下が好ましく、パルプ繊維の加水分解を抑える観点から3~7がより好ましい。
Examples of the compound A include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, and esters thereof. Compound A may be in the form of a salt. Among the above, a phosphoric acid-based compound is preferable because it is low in cost, easy to handle, and the phosphoric acid group can be introduced into the cellulose of the pulp fiber to improve the defibration efficiency. The phosphoric acid-based compound may be a compound having a phosphoric acid group, for example, phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, diphosphate. Examples thereof include potassium hydrogen, dipotassium hydrogen phosphate, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, and ammonium metaphosphate. The phosphoric acid-based compound used may be one of these or a combination of two or more thereof. Of these, phosphoric acid, sodium salt of phosphoric acid, potassium salt of phosphoric acid, and phosphoric acid from the viewpoint of high efficiency of introduction of phosphoric acid group, easy defibration in the defibration process, and easy industrial application. Ammonium salts are preferable, and sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are more preferable.
Further, since the uniformity of the reaction is enhanced and the introduction efficiency of the phosphoric acid group is increased, it is preferable to use an aqueous solution of a phosphoric acid-based compound for esterification. The pH of the aqueous solution of the phosphoric acid-based compound is preferably 7 or less from the viewpoint of increasing the efficiency of introducing the phosphoric acid group, and more preferably 3 to 7 from the viewpoint of suppressing the hydrolysis of the pulp fiber.
エステル化の方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。セルロース原料の懸濁液(例えば、固形分濃度0.1~10質量%)に化合物Aを撹拌しながら添加し、セルロースにリン酸基を導入する。化合物Aがリン酸系化合物の場合、化合物Aの添加量(リン元素量として)の下限値は、セルロース原料100質量部に対して、0.2質量部以上が好ましく、1質量部以上がより好ましい。これにより、微細繊維状セルロースの収率をより向上できる。当該量の上限値は、500質量部以下が好ましく、400質量部以下がより好ましい。これにより、化合物Aの使用量に見合った収率を効率よく得ることができる。したがって、化合物Aの添加量は、0.2~500質量部が好ましく、1~400質量部がより好ましい。 Examples of the esterification method include the following methods. Compound A is added to a suspension of a cellulose raw material (for example, a solid content concentration of 0.1 to 10% by mass) with stirring to introduce a phosphate group into the cellulose. When the compound A is a phosphoric acid-based compound, the lower limit of the addition amount (as the amount of phosphorus element) of the compound A is preferably 0.2 parts by mass or more, more preferably 1 part by mass or more with respect to 100 parts by mass of the cellulose raw material. preferable. Thereby, the yield of the fine fibrous cellulose can be further improved. The upper limit of the amount is preferably 500 parts by mass or less, more preferably 400 parts by mass or less. This makes it possible to efficiently obtain a yield commensurate with the amount of compound A used. Therefore, the amount of compound A added is preferably 0.2 to 500 parts by mass, more preferably 1 to 400 parts by mass.
セルロース原料に対して化合物Aを反応させる際、さらに化合物Bを反応系に加えてもよい。化合物Bを反応系に加える方法としては、例えば、セルロース原料のスラリーに、化合物Aの水溶液に、又はセルロース原料と化合物Aのスラリーに、添加する方法が挙げられる。化合物Bとしては特に限定されないが、塩基性化合物が好ましく、塩基性を示す窒素含有化合物がより好ましい。「塩基性を示す」とは、通常、フェノールフタレイン指示薬の存在下で化合物Bの水溶液が桃~赤色を呈すること、又は化合物Bの水溶液のpHが7より大きいことを意味する。 When the compound A is reacted with the cellulose raw material, the compound B may be further added to the reaction system. Examples of the method of adding the compound B to the reaction system include a method of adding the compound B to the slurry of the cellulose raw material, the aqueous solution of the compound A, or the slurry of the cellulose raw material and the compound A. The compound B is not particularly limited, but a basic compound is preferable, and a nitrogen-containing compound exhibiting basicity is more preferable. "Showing basicity" usually means that the aqueous solution of compound B exhibits a pink to red color in the presence of a phenolphthalein indicator, or that the pH of the aqueous solution of compound B is greater than 7.
塩基性を示す窒素含有化合物は、本発明の効果を奏する限り特に限定されないが、アミノ基を有する化合物が好ましい。例えば、尿素、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンが挙げられる。この中でも低コストで扱いやすい点で、尿素が好ましい。化合物Bの添加量は、2~1000質量部が好ましく、100~700質量部がより好ましい。反応温度は、0~95℃が好ましく、30~90℃がより好ましい。反応時間は、特に限定されないが、通常、1~600分程度であり、30~480分が好ましい。
エステル化反応の条件がこれらのいずれかの範囲内であると、セルロースが過度にエステル化されて溶解しやすくなることを防ぐことができ、リン酸エステル化セルロースの収率を向上させることができる。
The nitrogen-containing compound exhibiting basicity is not particularly limited as long as the effect of the present invention is exhibited, but a compound having an amino group is preferable. Examples thereof include urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine and hexamethylenediamine. Of these, urea is preferable because it is low in cost and easy to handle. The amount of compound B added is preferably 2 to 1000 parts by mass, more preferably 100 to 700 parts by mass. The reaction temperature is preferably 0 to 95 ° C, more preferably 30 to 90 ° C. The reaction time is not particularly limited, but is usually about 1 to 600 minutes, preferably 30 to 480 minutes.
When the conditions of the esterification reaction are within any of these ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively esterified and easily dissolved, and it is possible to improve the yield of the phosphate esterified cellulose. ..
セルロース原料に化合物Aを反応させた後、通常はエステル化セルロース懸濁液が得られる。エステル化セルロース懸濁液は、必要に応じて脱水される。脱水後には加熱処理を行うことが好ましい。これにより、セルロース原料の加水分解を抑えることができる。加熱温度は、100~170℃が好ましく、加熱処理の際に水が含まれている間は130℃以下(さらに好ましくは110℃以下)で加熱し、水を除いた後、100~170℃で加熱処理することがより好ましい。 After reacting the cellulose raw material with compound A, an esterified cellulose suspension is usually obtained. The esterified cellulose suspension is dehydrated as needed. It is preferable to perform heat treatment after dehydration. This makes it possible to suppress the hydrolysis of the cellulose raw material. The heating temperature is preferably 100 to 170 ° C., and is heated at 130 ° C. or lower (more preferably 110 ° C. or lower) while water is contained during the heat treatment, and after removing the water, the temperature is 100 to 170 ° C. Heat treatment is more preferable.
リン酸エステル化セルロースにおいては、セルロース原料に置換基としてリン酸基が導入されており、セルロース同士が電気的に反発する。そのため、リン酸エステル化セルロースは容易にナノ解繊することができる。リン酸エステル化セルロースのグルコース単位当たりのリン酸置換度の下限値は、0.001以上が好ましい。これにより、十分な解繊(例えばナノ解繊)が実施できる。当該置換度の上限値は、0.60以下が好ましい。これにより、リン酸エステル化セルロースの膨潤又は溶解を防止し、ナノファイバーが得られない事態を防止することができる。したがって、当該置換度は0.001~0.60が好ましい。リン酸エステル化セルロースは、煮沸後冷水で洗浄する等の洗浄処理がなされることが好ましい。これにより解繊を効率よく行うことができる。 In phosphoric acid esterified cellulose, a phosphoric acid group is introduced as a substituent into the cellulose raw material, and the celluloses electrically repel each other. Therefore, the phosphate esterified cellulose can be easily nano-defibrated. The lower limit of the degree of phosphoric acid substitution per glucose unit of the phosphoric acid esterified cellulose is preferably 0.001 or more. As a result, sufficient defibration (for example, nano-defibration) can be carried out. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.60 or less. As a result, it is possible to prevent the swelling or dissolution of the phosphoric acid esterified cellulose and prevent the situation where nanofibers cannot be obtained. Therefore, the degree of substitution is preferably 0.001 to 0.60. It is preferable that the phosphoric acid esterified cellulose is subjected to a washing treatment such as washing with cold water after boiling. As a result, defibration can be performed efficiently.
[1-1-2.解繊]
セルロース原料の解繊は、セルロース原料に化学変性を施す前に行ってもよいし、後に行ってもよい。解繊処理は1回行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回の場合それぞれの解繊の時期はいつでもよい。なお、解繊とは、通常、物理的解繊をいう。
[1-1-2. Defibering]
The defibration of the cellulose raw material may be performed before or after the chemical modification of the cellulose raw material. The defibration treatment may be performed once or a plurality of times. In the case of multiple times, the timing of each defibration may be any time. The defibration usually means physical defibration.
解繊に用いる装置は、特に限定されず、例えば、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式のタイプの装置が挙げられる。中でも、高圧又は超高圧ホモジナイザーが好ましく、湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーがより好ましい。装置は、セルロース原料又は変性セルロース(通常は分散液)に強力なせん断力を印加できることが好ましい。装置が印加できる圧力は、好ましくは50MPa以上であり、より好ましくは100MPa以上であり、さらに好ましくは140MPa以上である。装置は、セルロース原料又は変性セルロース(通常は分散液)に上記圧力を印加することができ、かつ、強力なせん断力を印加できる、湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーが好ましい。これにより、解繊を効率的に行うことができる。 The device used for defibration is not particularly limited, and examples thereof include high-speed rotary type, colloidal mill type, high-pressure type, roll mill type, and ultrasonic type devices. Among them, a high-pressure or ultra-high pressure homogenizer is preferable, and a wet high-pressure or ultra-high pressure homogenizer is more preferable. The apparatus preferably can apply a strong shearing force to the cellulose raw material or modified cellulose (usually a dispersion). The pressure that can be applied by the device is preferably 50 MPa or more, more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more. The apparatus is preferably a wet high-pressure or ultra-high pressure homogenizer capable of applying the above pressure to a cellulose raw material or modified cellulose (usually a dispersion) and applying a strong shearing force. As a result, defibration can be performed efficiently.
解繊をセルロース原料の分散体に対して行う場合、分散体中のセルロース原料の固形分濃度の下限値は、通常、0.1質量%以上であり、好ましくは0.2質量%以上であり、より好ましくは0.3質量%以上である。これにより、セルロース原料の量に対する液量が適量となり効率的になる。当該濃度の上限値は、通常、10質量%以下であり、好ましくは6質量%以下である。これにより流動性を保持することができる。 When defibration is performed on a dispersion of a cellulose raw material, the lower limit of the solid content concentration of the cellulose raw material in the dispersion is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.2% by mass or more. , More preferably 0.3% by mass or more. As a result, the amount of the liquid becomes appropriate with respect to the amount of the cellulose raw material, and the efficiency becomes high. The upper limit of the concentration is usually 10% by mass or less, preferably 6% by mass or less. This makes it possible to maintain liquidity.
解繊(好ましくは高圧ホモジナイザーでの解繊)、又は必要に応じて解繊前に行う分散処理に先立ち、必要に応じて予備処理を行ってもよい。予備処理は、高速せん断ミキサー等の混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて行えばよい。 Prior to defibration (preferably defibration with a high-pressure homogenizer) or, if necessary, a dispersion treatment performed before defibration, pretreatment may be performed as necessary. The pretreatment may be performed using a mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device such as a high-speed shear mixer.
[混合に供されるセルロース系繊維の形態]
ゴム成分と混合されるセルロース系繊維の形態は特に限定されない。例えば、セルロース系繊維が分散媒に分散した分散液、当該分散液の乾燥固形物、当該分散液の湿潤固形物を混合に供してよい。分散液におけるセルロース系繊維の濃度は、分散媒が水である場合は0.1~5%(w/v)とすることができる。分散媒が水の他にアルコール等の有機溶媒を含む場合は、前記濃度を0.1~20%(w/v)とすることができる。湿潤固形物とは、前記分散液と乾燥固形物との中間の態様の固形物である。前記分散液を通常の方法で脱水して得た湿潤固形物中の分散媒の量は、セルロース系繊維に対して、5~15質量%であることが好ましい。但し、液状媒体の追加又はさらなる乾燥により分散媒の量を適宜調整できる。
[Form of cellulosic fibers to be mixed]
The form of the cellulosic fiber mixed with the rubber component is not particularly limited. For example, a dispersion in which cellulosic fibers are dispersed in a dispersion medium, a dry solid of the dispersion, and a wet solid of the dispersion may be used for mixing. The concentration of the cellulosic fiber in the dispersion liquid can be 0.1 to 5% (w / v) when the dispersion medium is water. When the dispersion medium contains an organic solvent such as alcohol in addition to water, the concentration can be 0.1 to 20% (w / v). The wet solid is a solid in an intermediate aspect between the dispersion and the dry solid. The amount of the dispersion medium in the wet solid obtained by dehydrating the dispersion liquid by a usual method is preferably 5 to 15% by mass with respect to the cellulosic fibers. However, the amount of the dispersion medium can be appropriately adjusted by adding a liquid medium or further drying.
また、セルロース系繊維と水溶性高分子溶液との混合液、混合液の乾燥固形物、混合液の湿潤固形物等も使用できる。当該混合液及び乾燥固形物における液状媒体の量は、前述の範囲であってよい。水溶性高分子としては、例えば、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、エチルセルロース)、キサンタンガム、キシログルカン、デキストリン、デキストラン、カラギーナン、ローカストビーンガム、アルギン酸、アルギン酸塩、プルラン、澱粉、かたくり粉、クズ粉、陽性澱粉、燐酸化澱粉、コーンスターチ、アラビアガム、ジェランガム、ポリデキストロース、ペクチン、キチン、水溶性キチン、キトサン、カゼイン、アルブミン、大豆蛋白溶解物、ペプトン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリアミノ酸、ポリ乳酸、ポリリンゴ酸、ポリグリセリン、ラテックス、ロジン系サイズ剤、石油樹脂系サイズ剤、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミド・ポリアミン樹脂、ポリエチレンイミン、ポリアミン、植物ガム、ポリエチレンオキサイド、親水性架橋ポリマー、ポリアクリル酸ソーダ等のポリアクリル酸塩、でんぷんポリアクリル酸共重合体、タマリンドガム、グァーガム、及びコロイダルシリカ、並びにこれらの混合物が挙げられる。この中でも溶解性の点から、カルボキシメチルセルロース及びその塩を用いることが好ましい。 Further, a mixed solution of a cellulosic fiber and a water-soluble polymer solution, a dry solid of the mixed solution, a wet solid of the mixed solution, and the like can also be used. The amount of the liquid medium in the mixture and the dry solid may be in the above range. Examples of the water-soluble polymer include cellulose derivatives (carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, ethyl cellulose), xanthan gum, xyloglucane, dextrin, dextran, carrageenan, locust bean gum, alginic acid, alginate, purulan, starch, and starch. Waste powder, positive starch, phosphorylated starch, corn starch, Arabic gum, gellan gum, polydextrose, pectin, chitin, water-soluble chitin, chitosan, casein, albumin, soybean protein solution, peptone, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyvinylpyrrolidone, Polyvinyl acetate, polyamino acid, polylactic acid, polyaronic acid, polyglycerin, latex, rosin-based sizing agent, petroleum resin-based sizing agent, urea resin, melamine resin, epoxy resin, polyamide resin, polyamide / polyamine resin, polyethyleneimine, polyamine , Vegetable gums, polyethylene oxides, hydrophilic crosslinked polymers, polyacrylic acid salts such as sodium polyacrylic acid, starch polyacrylic acid copolymers, tamarind gums, guar gums, and colloidal silicas, and mixtures thereof. Among these, it is preferable to use carboxymethyl cellulose and a salt thereof from the viewpoint of solubility.
前記乾燥固形物及び湿潤固形物は、セルロース系繊維の分散液又はセルロース系繊維と水溶性高分子の混合液を乾燥して調製できる。乾燥方法は、特に限定されない。例えば、スプレードライ、圧搾、風乾、熱風乾燥、又は真空乾燥が挙げられる。乾燥装置としては、例えば、連続式の乾燥装置(例えば、トンネル乾燥装置、バンド乾燥装置、縦型乾燥装置、垂直ターボ乾燥装置、多重段円板乾燥装置、通気乾燥装置、回転乾燥装置、気流乾燥装置、スプレードライヤ乾燥装置、噴霧乾燥装置、円筒乾燥装置、ドラム乾燥装置、スクリューコンベア乾燥装置、加熱管付回転乾燥装置、振動輸送乾燥装置)、回分式の乾燥装置(例えば、箱型乾燥装置、通気乾燥装置、真空箱型乾燥装置、撹拌乾燥装置)が挙げられる。これらの乾燥装置は、単独で用いてもよいし、2つ以上を組合せて用いてもよい。ドラム乾燥装置は、均一に被乾燥物に熱エネルギーを直接供給することができるのでエネルギー効率が高く、かつ必要以上に熱を加えずに直ちに乾燥物を回収することができるので好ましい。 The dry solid and the wet solid can be prepared by drying a dispersion of cellulosic fibers or a mixed solution of cellulosic fibers and a water-soluble polymer. The drying method is not particularly limited. For example, spray drying, squeezing, air drying, hot air drying, or vacuum drying can be mentioned. Examples of the drying device include a continuous drying device (for example, a tunnel drying device, a band drying device, a vertical drying device, a vertical turbo drying device, a multi-stage disk drying device, an aeration drying device, a rotary drying device, and an air flow drying device. Equipment, spray dryer drying device, spray drying device, cylindrical drying device, drum drying device, screw conveyor drying device, rotary drying device with heating tube, vibration transport drying device), batch type drying device (for example, box type drying device, Aeration drying device, vacuum box type drying device, stirring drying device). These drying devices may be used alone or in combination of two or more. The drum drying device is preferable because it can uniformly supply heat energy directly to the object to be dried, so that it has high energy efficiency and can immediately recover the dried product without applying heat more than necessary.
[1-2.ゴム成分]
ゴム成分は、通常、有機高分子を主成分とする、弾性限界が高く、弾性率の低い成分である。ゴム成分は、天然ゴム及び合成ゴムに大別され、本発明においてはいずれでもよく、両者の組み合わせでもよい。
天然ゴムとしては、化学修飾を施さない、狭義の天然ゴムでもよく、また水素化天然ゴム、塩素化天然ゴム、クロロスルホン化天然ゴム、エポキシ化天然ゴムのように、天然ゴムを化学修飾したもの、脱タンパク天然ゴムでもよい。
合成ゴムとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)、スチレン-ブタジエン共重合体ゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブチルゴム(IIR)、アクリロニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、スチレン-イソプレン共重合体ゴム、スチレン-イソプレン-ブタジエン共重合体ゴム、イソプレン-ブタジエン共重合体ゴム等のジエン系ゴム、エチレン-プロピレンゴム(EPM、EPDM)、アクリルゴム(ACM)、エピクロロヒドリンゴム(CO、ECO)、フッ素ゴム(FKM)、シリコーンゴム(Q)、ウレタンゴム(U)、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)が挙げられる。
ゴム成分は、1種単独でもよく、2種以上の組み合わせでもよい。
[1-2. Rubber component]
The rubber component is usually a component containing an organic polymer as a main component, having a high elastic limit and a low elastic modulus. The rubber component is roughly classified into natural rubber and synthetic rubber, and in the present invention, any of them may be used, or a combination of both may be used.
The natural rubber may be natural rubber in a narrow sense without chemical modification, or chemically modified natural rubber such as hydride natural rubber, chlorinated natural rubber, chlorosulfonated natural rubber, and epoxidized natural rubber. , Deproteinized natural rubber may be used.
Examples of synthetic rubber include butadiene rubber (BR), styrene-butadiene copolymer rubber (SBR), isoprene rubber (IR), butyl rubber (IIR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), and styrene. -Diene rubber such as isoprene copolymer rubber, styrene-isoprene-butadiene copolymer rubber, isoprene-butadiene copolymer rubber, ethylene-propylene rubber (EPM, EPDM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydrin rubber (CO, ECO), fluororubber (FKM), silicone rubber (Q), urethane rubber (U), chlorosulfonated polyethylene (CSM) can be mentioned.
The rubber component may be one kind alone or a combination of two or more kinds.
ゴム成分は、固形状及び液状のいずれでもよい。液状のゴム成分としては、例えば、ゴム成分の分散液、ゴム成分の溶液が挙げられる。溶媒としては、例えば、水、有機溶媒が挙げられる。本発明においては、特に、ゴム成分として、クロロプレンゴム(CR)を含有させることで優れた効果を発現する。 The rubber component may be either solid or liquid. Examples of the liquid rubber component include a dispersion liquid of the rubber component and a solution of the rubber component. Examples of the solvent include water and organic solvents. In the present invention, an excellent effect is exhibited by containing chloroprene rubber (CR) as a rubber component.
[1-3.メチレンアクセプター化合物、及びメチレンドナー化合物]
本発明のゴム組成物は、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を含む。
[1-3. Methylene acceptor compound and methylene donor compound]
The rubber composition of the present invention contains a methylene acceptor compound and a methylene donor compound.
メチレンアクセプター化合物とは、通常、メチレン基を受容でき、かつ、メチレンドナー化合物と混合して加熱することにより、硬化反応し得る化合物である。メチレンアクセプター化合物としては、例えば、フェノール、レゾルシノール、レゾルシン、クレゾール等のフェノール性水酸基を有する化合物及びその誘導体、レゾルシン系樹脂、クレゾール系樹脂、フェノール樹脂が挙げられる。フェノール樹脂としては、例えば、上記フェノール化合物及びその誘導体と、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド化合物と、の縮合物が挙げられる。フェノール樹脂は、縮合の際の触媒によりノボラック樹脂(酸性触媒)、レゾール樹脂(アルカリ性触媒)に分類できるが、本発明においてはいずれを使用してもよい。フェノール樹脂は、オイル又は脂肪酸で変性されていてもよい。オイル及び脂肪酸としては、例えば、ロジン油、トール油、カシュー油、リノール酸、オレイン酸、リノレイン酸が挙げられる。 The methylene acceptor compound is usually a compound that can accept a methylene group and can undergo a curing reaction by mixing with a methylene donor compound and heating. Examples of the methylene acceptor compound include compounds having a phenolic hydroxyl group such as phenol, resorcinol, resorcin, and cresol and their derivatives, resorcin-based resin, cresol-based resin, and phenol resin. Examples of the phenol resin include a condensate of the above-mentioned phenol compound and its derivative and an aldehyde compound such as formaldehyde and acetaldehyde. The phenolic resin can be classified into a novolak resin (acidic catalyst) and a resol resin (alkaline catalyst) depending on the catalyst at the time of condensation, and any of them may be used in the present invention. The phenolic resin may be modified with oil or fatty acid. Examples of oils and fatty acids include rosin oil, tall oil, cashew oil, linoleic acid, oleic acid, and linoleic acid.
メチレンドナー化合物とは、通常、メチレン基を供与でき、かつ、メチレンアクセプター化合物と混合して加熱することにより、硬化反応し得る化合物である。メチレンドナー化合物としては、例えば、ヘキサメチレンテトラミン、メラミン誘導体が挙げられる。メラミン誘導体としては、例えば、ヘキサメチロールメラミン、ヘキサメトキシメチルメラミン、ペンタメトキシメチルメラミン、ペンタメトキシメチロールメラミン、ヘキサエトキシメチルメラミン、ヘキサキス-(メトキシメチル)メラミンが挙げられる。 The methylene donor compound is a compound that can usually donate a methylene group and can undergo a curing reaction by being mixed with a methylene acceptor compound and heated. Examples of the methylene donor compound include hexamethylenetetramine and melamine derivatives. Examples of the melamine derivative include hexamethylol melamine, hexamethoxymethyl melamine, pentamethoxymethyl melamine, pentamethoxymethylol melamine, hexaethoxymethyl melamine, and hexaxyl- (methoxymethyl) melamine.
メチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物の組み合わせとしては、例えば、クレゾール、クレゾール誘導体又はクレゾール系樹脂とペンタメトキシメチルメラミンとの組み合わせ、レゾルシン、レゾルシン誘導体又はレゾルシン系樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせ、カシュー変性フェノール樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせ、フェノール樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせが挙げられる。中でも、クレゾール、クレゾール誘導体又はクレゾール系樹脂とペンタメトキシメチルメラミンとの組み合わせ、レゾルシン、レゾルシン誘導体又はレゾルシン系樹脂とヘキサメチレンテトラミンとの組み合わせが好ましい。 Examples of the combination of the methylene acceptor compound and the methylene donor compound include a combination of cresol, a cresol derivative or a cresol-based resin and pentamethoxymethylmelamine, a combination of resorcin, a resorcin derivative or a resorcin-based resin and hexamethylenetetramine, and cashew modification. Examples thereof include a combination of a phenol resin and hexamethylenetetramine, and a combination of a phenol resin and hexamethylenetetramine. Of these, a combination of cresol, cresol derivative or cresol-based resin and pentamethoxymethylmelamine, and a combination of resorcin, resorcin derivative or resorcin-based resin and hexamethylenetetramine are preferable.
[1-4.含有量]
ゴム組成物におけるセルロース系繊維の含有量の下限値は、ゴム成分100質量%に対して、1質量%以上が好ましく、2質量%以上がより好ましく、3質量%以上がさらに好ましい。これにより引張強度の向上効果が十分に発現し得る。上限値は、50質量%以下が好ましく、40質量%以下が好ましく、30質量%以下がさらに好ましい。これにより、製造工程における加工性を保持することができる。したがって、セルロース系繊維の含有量は、1~50質量%が好ましく、2~40質量%がより好ましく、3~30質量%がさらに好ましい。
[1-4. Content]
The lower limit of the content of the cellulosic fiber in the rubber composition is preferably 1% by mass or more, more preferably 2% by mass or more, still more preferably 3% by mass or more, based on 100% by mass of the rubber component. Thereby, the effect of improving the tensile strength can be sufficiently exhibited. The upper limit value is preferably 50% by mass or less, preferably 40% by mass or less, and further preferably 30% by mass or less. This makes it possible to maintain processability in the manufacturing process. Therefore, the content of the cellulosic fiber is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 2 to 40% by mass, still more preferably 3 to 30% by mass.
メチレンアクセプター化合物の含有量の下限値は、ゴム成分100質量%に対して0.5質量%以上が好ましく、1.0質量%以上がより好ましく、1.3質量%以上がさらに好ましく、1.5質量%以上がさらにより好ましい。これにより引張強度の向上効果が十分に発現し得る。上限値は、50質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、10質量%以下がさらに好ましい。これにより、製造工程における加工性を保持することができる。したがって、メチレンアクセプター化合物の含有量は、0.5~50質量%が好ましく、1.0~20質量%がより好ましく、1.3~20質量%がさらに好ましく、1.5~10質量%がさらにより好ましい。 The lower limit of the content of the methylene acceptor compound is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1.0% by mass or more, still more preferably 1.3% by mass or more with respect to 100% by mass of the rubber component. Even more preferably, it is 5.5% by mass or more. Thereby, the effect of improving the tensile strength can be sufficiently exhibited. The upper limit value is preferably 50% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, still more preferably 10% by mass or less. This makes it possible to maintain processability in the manufacturing process. Therefore, the content of the methylene acceptor compound is preferably 0.5 to 50% by mass, more preferably 1.0 to 20% by mass, further preferably 1.3 to 20% by mass, and 1.5 to 10% by mass. Is even more preferable.
メチレンドナー化合物の含有量の下限値は、メチレンアクセプター化合物100質量%に対して、10質量%以上が好ましく、20質量%以上がより好ましく、25質量%以上がさらに好ましい。これにより引張強度の向上効果が十分に発現し得る。上限値は、100質量%以下が好ましく、90質量%以下がより好ましく、85質量%以下がさらに好ましい。これにより、製造工程における加工性を保持することができる。したがって、メチレンドナー化合物の含有量は、メチレンアクセプター化合物100質量%に対して、10~100質量%が好ましく、20~90質量%がより好ましく、25~85質量%がさらに好ましい。 The lower limit of the content of the methylene donor compound is preferably 10% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, still more preferably 25% by mass or more, based on 100% by mass of the methylene acceptor compound. Thereby, the effect of improving the tensile strength can be sufficiently exhibited. The upper limit value is preferably 100% by mass or less, more preferably 90% by mass or less, still more preferably 85% by mass or less. This makes it possible to maintain processability in the manufacturing process. Therefore, the content of the methylene donor compound is preferably 10 to 100% by mass, more preferably 20 to 90% by mass, still more preferably 25 to 85% by mass, based on 100% by mass of the methylene acceptor compound.
[1-5.任意成分]
本発明のゴム組成物は、必要に応じて1又は2以上の任意成分を含んでいてもよい。任意成分としては、例えば、補強剤(カーボンブラック、シリカ等)、シランカップリング剤、硫黄、加硫促進剤、加硫促進助剤(酸化亜鉛、ステアリン酸)、オイル、硬化レジン、ワックス、老化防止剤、着色剤などゴム工業で使用され得る配合剤が挙げられる。これらの中でも、硫黄、加硫促進剤、加硫促進助剤が好ましい。加硫促進剤としては例えば、N-t-ブチル-2-ベンゾチアゾールスルフェンアミドが挙げられる。
[1-5. Optional ingredient]
The rubber composition of the present invention may contain one or more optional components, if necessary. Optional components include, for example, reinforcing agents (carbon black, silica, etc.), silane coupling agents, sulfur, vulcanization accelerators, vulcanization accelerator aids (zinc oxide, stearic acid), oils, cured resins, waxes, and aging. Examples thereof include compounding agents that can be used in the rubber industry, such as inhibitors and colorants. Among these, sulfur, a vulcanization accelerator, and a vulcanization accelerator aid are preferable. Examples of the vulcanization accelerator include Nt-butyl-2-benzothiazolesulfenamide.
ゴム組成物が硫黄を含む場合、その含有量の下限値は、ゴム成分に対して、1.0質量%以上が好ましく、1.5質量%以上がより好ましく、1.7質量%以上がさらに好ましい。上限値は、10質量%以下が好ましく、7質量%以下がより好ましく、5質量%以下がさらに好ましい。 When the rubber composition contains sulfur, the lower limit of the content thereof is preferably 1.0% by mass or more, more preferably 1.5% by mass or more, and further preferably 1.7% by mass or more with respect to the rubber component. preferable. The upper limit is preferably 10% by mass or less, more preferably 7% by mass or less, still more preferably 5% by mass or less.
ゴム組成物が加硫促進剤を含む場合、その含有量の下限値は、ゴム成分に対して、0.1質量%以上が好ましく、0.3質量%以上がより好ましく、0.4質量%以上がさらに好ましい。上限値は、5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましく、2質量%以下がさらに好ましい。 When the rubber composition contains a vulcanization accelerator, the lower limit of the content thereof is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% by mass or more, and 0.4% by mass with respect to the rubber component. The above is more preferable. The upper limit is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and even more preferably 2% by mass or less.
[2.成形品]
本発明の成形品は、上記のゴム組成物を用いてなるものである。ゴム組成物中のゴム成分とセルロース系繊維の相溶性が向上しているので、十分な補強性を有する。
[2. Molding]
The molded product of the present invention is made by using the above-mentioned rubber composition. Since the compatibility between the rubber component in the rubber composition and the cellulosic fiber is improved, it has sufficient reinforcing properties.
本発明の成形品の用途は、特に制限されず、例えば、自動車、電車、船舶、飛行、ベルトコンベア等の輸送機器;パソコン、テレビ、電話、時計等の電化製品;携帯電話等の移動通信機器;携帯音楽再生機器、映像再生機器、印刷機器、複写機器、スポーツ用品;建築材;文具等の事務機器、容器、コンテナーが挙げられる。これら以外であっても、ゴムや柔軟なプラスチックが用いられている部材への適用が可能であり、産業用ベルトへの適用が好適である。例えば、フラットベルト、コンベアベルト、コグドベルト、Vベルト、リブベルト、丸ベルトが挙げられる。 The use of the molded product of the present invention is not particularly limited, and for example, transportation equipment such as automobiles, trains, ships, flights, and belt conveyors; electrical appliances such as personal computers, televisions, telephones, and watches; mobile communication equipment such as mobile phones. ; Portable music playback equipment, video playback equipment, printing equipment, copying equipment, sporting goods; building materials; office equipment such as stationery, containers, containers. Other than these, it can be applied to members using rubber or flexible plastic, and is preferably applied to industrial belts. Examples thereof include flat belts, conveyor belts, cogged belts, V-belts, rib belts and round belts.
[3.製造方法]
本発明の成形品の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、以下の製造方法が挙げられる。
[3. Production method]
The method for producing the molded product of the present invention is not particularly limited. For example, the following manufacturing method can be mentioned.
[3-1.製造方法a]
本発明の成形品の製造方法の一例として、(a1)ゴム成分とセルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合して混合物(1)(ゴム組成物)を得る工程、(a2)工程(a1)で得た混合物(1)を40℃以上100℃未満で1~24時間加熱し、成形して成形品を得る工程を有する製造方法aが挙げられる。
製造方法aの(a1)における各成分の添加の順序は、特に限定されず、各成分を一度に混合してもよいし、いずれかの成分を先に混合した後で残りの成分を混合してもよい。また、製造方法aの(a2)の加熱処理温度は40℃以上100℃未満、処理時間は1~24時間であることが好ましい。この範囲とすることで、ゴム成分に対するダメージを押さえることができる。
製造方法aとして、より詳細には、セルロース系繊維の分散液とゴム成分の分散液(ラテックス)を混合し(例:ミキサー等による撹拌)、水を除去し、得られる混合物(通常は固形物)に対し、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を含む成分を添加して素練り及び混練り(例:オープンロール等の装置)する。当該方法によれば、ゴム成分中に化学変性セルロースナノファイバーを均一に分散させることができる。
[3-1. Manufacturing method a]
As an example of the method for producing a molded product of the present invention, (a1) a step of mixing a rubber component with a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound to obtain a mixture (1) (rubber composition), (a2). Examples of the production method a include a step of heating the mixture (1) obtained in the step (a1) at 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 1 to 24 hours and molding the mixture to obtain a molded product.
The order of addition of each component in (a1) of the production method a is not particularly limited, and each component may be mixed at once, or one of the components may be mixed first and then the remaining components may be mixed. You may. Further, it is preferable that the heat treatment temperature of (a2) of the production method a is 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C., and the treatment time is 1 to 24 hours. Within this range, damage to the rubber component can be suppressed.
As the production method a, more specifically, a mixture obtained by mixing a dispersion liquid of a cellulosic fiber and a dispersion liquid (latex) of a rubber component (eg, stirring with a mixer or the like) and removing water to obtain a mixture (usually a solid substance). ), Add a component containing a methylene acceptor compound and a methylene donor compound, and knead and knead (eg, an apparatus such as an open roll). According to this method, chemically modified cellulose nanofibers can be uniformly dispersed in the rubber component.
[3-2.製造方法b]
本発明の成形品の製造方法の他の例として、(b1)ゴム成分とセルロース系繊維を混合して混合物(2)を得る工程、(b2)工程(b1)で得た混合物(2)を40℃以上100℃未満で1~24時間加熱した加熱処理物(マスターバッチ)を得る工程、(b3)工程(b2)で得た加熱処理物にメチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合し、成形して成形品を得る工程を有する製造方法bが挙げられる。これにより、いずれの成分をも均一に分散させることができる。
また、(b2)の加熱処理温度は40℃以上100℃未満、処理時間は1~24時間であることが好ましい。この範囲とすることで、ゴム成分に対するダメージを押さえることができる。(b3)における、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物の添加順序は、各成分を一度に混合してもよいし、いずれかの成分を先に混合した後で残りの成分を混合してもよい。
[3-2. Manufacturing method b]
As another example of the method for producing a molded product of the present invention, (b1) a step of mixing a rubber component and a cellulose-based fiber to obtain a mixture (2), and (b2) a step of mixing the mixture (2) obtained in the step (b1). A step of obtaining a heat-treated product (master batch) heated at 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 1 to 24 hours, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound are mixed with the heat-treated product obtained in the step (b3) step (b2). Examples thereof include a manufacturing method b having a step of molding to obtain a molded product. Thereby, any component can be uniformly dispersed.
Further, it is preferable that the heat treatment temperature of (b2) is 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C., and the treatment time is 1 to 24 hours. Within this range, damage to the rubber component can be suppressed. In the order of addition of the methylene acceptor compound and the methylene donor compound in (b3), each component may be mixed at once, or any component may be mixed first and then the remaining components may be mixed. ..
なお、素練り及び混練り装置としては、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、オープンロールが挙げられる。 Examples of the kneading and kneading device include a Banbury mixer, a kneader, and an open roll.
[3-3.その他の製造方法]
その他の製造方法としては、ゴム成分に対し、それ以外の成分を任意の順番で添加して混合する方法が挙げられる。より詳細には、ゴム成分の固形物に対し、セルロース系繊維の固形物、メチレンアクセプター化合物、メチレンドナー化合物を任意の順番で混合し、同様にオープンロール等の装置で素練り及び混練りする。これにより、水を除去する工程を省略できる。
[3-3. Other manufacturing methods]
As another production method, a method of adding other components to the rubber component in an arbitrary order and mixing them can be mentioned. More specifically, the solid substance of the rubber component is mixed with the solid substance of the cellulosic fiber, the methylene acceptor compound, and the methylene donor compound in an arbitrary order, and similarly kneaded and kneaded with an apparatus such as an open roll. .. This makes it possible to omit the step of removing water.
[混合]
混合の際の(例えば、素練り及び混練りの際の)の温度は、常温程度(15~30℃程度)でもよいが、ゴム成分が架橋反応しない程度に高温に加熱してもよい。例えば140℃以下であり、より好ましくは120℃以下である。また、加熱する際の下限は、40℃以上であり、好ましくは60℃以上である。したがって、加熱温度は、40~140℃程度が好ましく、60~120℃程度がより好ましい。硫黄及び加硫促進剤の添加時期は、メチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物の添加時期より後であることが好ましい。すなわち、硫黄及び加硫促進剤を添加せずにメチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物を含むゴム組成物を混合して素練り開始後に、硫黄及び加硫促進剤を追加してさらに素練り及び混練りを行うことが好ましい。これにより、メチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物が加熱により予備的に縮合し、その縮合物とゴム成分及びセルロース系繊維との相互作用が効果的に発揮され得る。
[mixture]
The temperature at the time of mixing (for example, at the time of kneading and kneading) may be about room temperature (about 15 to 30 ° C.), but may be heated to a high temperature so that the rubber component does not undergo a crosslinking reaction. For example, it is 140 ° C. or lower, more preferably 120 ° C. or lower. The lower limit for heating is 40 ° C. or higher, preferably 60 ° C. or higher. Therefore, the heating temperature is preferably about 40 to 140 ° C, more preferably about 60 to 120 ° C. It is preferable that the sulfur and the vulcanization accelerator are added later than the methylene acceptor compound and the methylene donor compound. That is, a rubber composition containing a methylene acceptor compound and a methylene donor compound is mixed without adding sulfur and a vulcanization accelerator, and after starting kneading, sulfur and a vulcanization accelerator are added to further knead and mix. It is preferable to knead. As a result, the methylene acceptor compound and the methylene donor compound are pre-condensed by heating, and the interaction between the condensate and the rubber component and the cellulosic fiber can be effectively exhibited.
混合終了後に、必要に応じて成形を行う。成形装置としては、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形が挙げられる。最終製品の形状、用途、成形方法に応じて適宜選択すればよい。 After the mixing is completed, molding is performed as necessary. Examples of the molding apparatus include mold molding, injection molding, extrusion molding, hollow molding, and foam molding. It may be appropriately selected according to the shape, application and molding method of the final product.
混合終了後に、好ましくは成形後に、加熱する(加硫、架橋)ことが好ましい。これによりメチレンアクセプター化合物とメチレンドナー化合物が加熱により縮合反応して三次元網状構造体を形成し、この構造体がゴム成分及びセルロース系繊維とそれぞれ相互作用することにより、成形品を効果的に補強することができる。加熱温度は、150℃以上が好ましい。上限は200℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましい。したがって、加熱温度は、150~200℃程度が好ましく、150~180℃程度がより好ましい。加熱装置としては例えば、型加硫、缶加硫、連続加硫等の加硫装置が挙げられる。 It is preferable to heat (vulcanization, crosslinking) after the mixing is completed, preferably after molding. As a result, the methylene acceptor compound and the methylene donor compound undergo a condensation reaction by heating to form a three-dimensional network structure, and this structure interacts with the rubber component and the cellulosic fiber, respectively, thereby effectively producing the molded product. Can be reinforced. The heating temperature is preferably 150 ° C. or higher. The upper limit is preferably 200 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or lower. Therefore, the heating temperature is preferably about 150 to 200 ° C, more preferably about 150 to 180 ° C. Examples of the heating device include vulcanization devices such as mold vulcanization, can vulcanization, and continuous vulcanization.
最終製品とする前に、必要に応じて仕上げ処理を行ってもよい。仕上げ処理としては、例えば、研磨、表面処理、リップ仕上げ、リップ裁断、塩素処理が挙げられる。これらの処理のうち、1つのみを行ってもよいし、2つ以上を組み合わせて行ってもよい。 If necessary, a finishing process may be performed before making the final product. Examples of the finishing treatment include polishing, surface treatment, lip finishing, lip cutting, and chlorine treatment. Of these processes, only one may be performed, or two or more may be performed in combination.
以下、実施例を挙げて本発明をさら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。
なお、特に断りがない限り、物性値の測定方法は上記に記載した測定方法による。また、「部」とは質量部を意味する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
Unless otherwise specified, the method for measuring the physical property value shall be the measurement method described above. Further, "part" means a mass part.
<製造例1.酸化セルロースナノファイバーの製造>
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)5.00g(絶乾)をTEMPO(Sigma Aldrich社)39mg(絶乾1gのセルロースに対し0.05mmol)と臭化ナトリウム514mg(絶乾1gのセルロースに対し1.0mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を次亜塩素酸ナトリウムが5.5mmol/gになるように添加し、室温にて酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するので、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムを消費し、系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物をガラスフィルターで濾過してパルプ分離し、パルプを十分に水洗することで酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は90%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.6mmol/gであった。これを水で1.0%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150Mpa)で3回処理して、酸化セルロースナノファイバー分散液を得た。平均繊維径は3nm、アスペクト比は250であった。
<Manufacturing example 1. Manufacture of Oxidized Cellulose Nanofibers>
5.00 g (absolutely dry) of bleached unbeaten kraft pulp (whiteness 85%) derived from coniferous trees, 39 mg (0.05 mmol per 1 g of absolute dry cellulose) and 514 mg (absolutely dry) of TEMPO (Sigma Aldrich). It was added to 500 ml of an aqueous solution in which 1.0 mmol) was dissolved in 1 g of cellulose, and the mixture was stirred until the pulp was uniformly dispersed. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system so that the sodium hypochlorite content was 5.5 mmol / g, and the oxidation reaction was started at room temperature. Since the pH in the system decreased during the reaction, a 3M aqueous sodium hydroxide solution was sequentially added to adjust the pH to 10. The reaction was terminated when sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system did not change. The mixture after the reaction was filtered through a glass filter to separate the pulp, and the pulp was thoroughly washed with water to obtain oxidized pulp (carboxylated cellulose). The pulp yield at this time was 90%, the time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.6 mmol / g. This was adjusted to 1.0% (w / v) with water and treated three times with an ultra-high pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa) to obtain an oxidized cellulose nanofiber dispersion. The average fiber diameter was 3 nm and the aspect ratio was 250.
<製造例2.カルボキシメチル化セルロースナノファイバーの製造>
パルプを混ぜることができる撹拌機に、パルプ(NBKP(針葉樹晒クラフトパルプ)、日本製紙製)を乾燥質量で200g、水酸化ナトリウムを乾燥質量で111g(出発原料の無水グルコース残基当たり、モル換算で2.25倍)加え、パルプ固形分が20%(w/v)になるように水を加えた。30℃で30分攪拌した後に、モノクロロ酢酸ナトリウムを216g(有効成分換算、パルプのグルコース残基当たり、モル換算で1.5倍)添加し、30分撹拌した。70℃まで昇温し1時間撹拌した後、反応物を取り出して中和、洗浄して、グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換度0.25のカルボキシルメチル化したパルプを得た。これを水で固形分1%(w/v)とし、高圧ホモジナイザー(20℃、150MPa)により5回処理して、カルボキシメチル化セルロースナノファイバーを得た。平均繊維径は15nm、アスペクト比は50であった。
<Manufacturing example 2. Manufacture of Carboxymethylated Cellulose Nanofibers>
In a stirrer capable of mixing pulp, 200 g of pulp (NBKP (coniferous bleached kraft pulp), manufactured by Nippon Paper Industries) in dry mass and 111 g of sodium hydroxide in dry mass (molar equivalent per anhydrous glucose residue of starting material). 2.25 times) was added, and water was added so that the pulp solid content became 20% (w / v). After stirring at 30 ° C. for 30 minutes, 216 g (active ingredient equivalent, 1.5 times per glucose residue of pulp in terms of molars) was added, and the mixture was stirred for 30 minutes. After raising the temperature to 70 ° C. and stirring for 1 hour, the reaction product was taken out, neutralized and washed to obtain a carboxylmethylated pulp having a carboxymethyl substitution degree of 0.25 per glucose unit. This was adjusted to a solid content of 1% (w / v) with water and treated with a high-pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa) 5 times to obtain carboxymethylated cellulose nanofibers. The average fiber diameter was 15 nm and the aspect ratio was 50.
<製造例3.カチオン化セルロースナノファイバーの製造>
パルプを攪拌することができるパルパーに、パルプ(NBKP、日本製紙(株)製)を乾燥重量で200g、水酸化ナトリウムを乾燥重量で24g加え、パルプ固形濃度が15%(w/v)になるように水を加えた。30℃で30分攪拌した後に70℃まで昇温し、カチオン化剤として3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライドを200g(有効成分換算)添加した。1時間反応した後に、反応物を取り出して中和、洗浄して、グルコース単位当たりのカチオン置換度0.05のカチオン変性されたパルプを得た。これを固形濃度1%(w/v)とし、高圧ホモジナイザー(20℃、154MPa)により2回処理して、カチオン化セルロースナノファイバーを得た。平均繊維径は25nm、アスペクト比は50であった。
<Manufacturing example 3. Manufacture of cationized cellulose nanofibers>
To the pulp that can stir the pulp, 200 g of pulp (NBKP, manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.) by dry weight and 24 g of sodium hydroxide by dry weight are added, and the pulp solid concentration becomes 15% (w / v). So water was added. After stirring at 30 ° C. for 30 minutes, the temperature was raised to 70 ° C., and 200 g (active ingredient equivalent) of 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride was added as a cationizing agent. After reacting for 1 hour, the reactants were taken out, neutralized and washed to give a cation-modified pulp with a degree of cation substitution of 0.05 per glucose unit. This was adjusted to a solid concentration of 1% (w / v) and treated twice with a high-pressure homogenizer (20 ° C., 154 MPa) to obtain cationized cellulose nanofibers. The average fiber diameter was 25 nm and the aspect ratio was 50.
なお、上記製造例におけるカルボキシル基量、カルボキシメチル置換度、カチオン置換度は、上段にて説明した方法により測定された。 The amount of carboxyl group, degree of carboxymethyl substitution, and degree of cation substitution in the above production example were measured by the method described in the upper section.
<実施例1>
製造例1で得られた酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1%水分散液500gとクロロプレンゴムラテックス(商品名:ショウプレン、昭和電工社製、固形分濃度50%)200g、レゾルシン10%水溶液25g、ヘキサメチレンテトラミン10%水溶液16gを混合して、ゴム成分:変性セルロースナノファイバー:メチレンアクセプター化合物:メチレンドナー化合物の質量比が100:5:2.5:1.6となるようにし、TKホモミキサー(6000rpm)で30分間攪拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で10時間乾燥させることにより、マスターバッチを得た。
<Example 1>
500 g of water dispersion having a solid content of 1% of the solid content concentration of the cellulose oxide nanofibers obtained in Production Example 1, 200 g of chloroprene rubber latex (trade name: Shouplen, manufactured by Showa Denko Co., Ltd., solid content concentration of 50%), 25 g of a 10% aqueous solution of resorcin, 16 g of a 10% aqueous solution of hexamethylenetetramine was mixed so that the mass ratio of rubber component: modified cellulose nanofiber: methylene acceptor compound: methylene donor compound was 100: 5: 2.5: 1.6, and TK homo. The mixture was stirred with a mixer (6000 rpm) for 30 minutes. The aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 10 hours to obtain a masterbatch.
このマスターバッチ152.7gをオープンロール(関西ロール社製)にて、60℃で5分間混練した。次に、ステアリン酸0.7g(ゴム成分に対し0.5質量%)、酸化亜鉛8.4g(ゴム成分に対し6質量%)、硫黄4.9g(ゴム成分に対し3.5質量%)、加硫促進剤(BBS、N-t-ブチル-2-ベンゾチアゾールスルフェンアミド)1g(ゴム成分に対し0.7質量%)を加え、オープンロール(関西ロール社製)を用い、60℃で10分間混練して、未加硫のゴム組成物のシートを得た。 152.7 g of this masterbatch was kneaded in an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.) at 60 ° C. for 5 minutes. Next, 0.7 g of stearic acid (0.5% by mass with respect to the rubber component), 8.4 g of zinc oxide (6% by mass with respect to the rubber component), and 4.9 g of sulfur (3.5% by mass with respect to the rubber component). , 1 g (0.7% by mass with respect to the rubber component) of a vulcanization accelerator (BBS, Nt-butyl-2-benzothiazolesulfenamide) was added, and an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.) was used at 60 ° C. Was kneaded for 10 minutes to obtain a sheet of unvulcanized rubber composition.
このシートを、金型にはさみ、160℃で15分間プレス加硫することにより、厚さ2mmの加硫ゴム組成物のシートを得た。これを所定の形状の試験片に裁断し、JIS K6251「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム-引張特性の求め方」に従い、補強性の一つである引張強度を測定した。結果を図1及び表1に示す。なお、各々の数値が大きい程、加硫ゴム組成物が良好に補強されており、ゴムの機械強度に優れることを示す。 This sheet was sandwiched between dies and press-vulcanized at 160 ° C. for 15 minutes to obtain a sheet of a vulcanized rubber composition having a thickness of 2 mm. This was cut into test pieces having a predetermined shape, and the tensile strength, which is one of the reinforcing properties, was measured according to JIS K6251 "Vulcanized rubber and thermoplastic rubber-How to determine tensile properties". The results are shown in FIG. 1 and Table 1. It should be noted that the larger each value is, the better the vulcanized rubber composition is reinforced, indicating that the mechanical strength of the rubber is excellent.
<実施例2>
ゴム成分100部に対し、メチレンアクセプター化合物の質量比を1.25、メチレンドナー化合物の質量比を0.8としたこと以外は実施例1と同様に行った。結果を図1及び表1に示す。
<Example 2>
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the mass ratio of the methylene acceptor compound was 1.25 and the mass ratio of the methylene donor compound was 0.8 with respect to 100 parts of the rubber component. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
<実施例3>
製造例1で得られた酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1%水分散液500gとクロロプレンゴムラテックス(商品名:ショウプレン、昭和電工社、固形分濃度50%)200gを混合してゴム成分と変性セルロースナノファイバーとの質量比が100:5となるようにし、TKホモミキサー(6000rpm)で30分間攪拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で10時間乾燥させることにより、マスターバッチを得た。
<Example 3>
500 g of an aqueous dispersion having a solid content of 1% of the cellulose oxide nanofibers obtained in Production Example 1 and 200 g of a chloroprene rubber latex (trade name: Shoprene, Showa Denko, Inc., solid content concentration of 50%) are mixed and modified with a rubber component. The mass ratio with the cellulose nanofibers was 100: 5, and the mixture was stirred with a TK homomixer (6000 rpm) for 30 minutes. The aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 10 hours to obtain a masterbatch.
このマスターバッチ147gに対し、レゾルシン3.5g(ゴム成分に対し2.5質量%)、ヘキサメチレンテトラミン2.24g(レゾルシンに対し64質量%)を添加し、オープンロール(関西ロール社製)にて、60℃で10分間混練した。次に、ステアリン酸0.7g(ゴム成分に対し0.5質量%)、酸化亜鉛8.4g(ゴム成分に対し6質量%)硫黄4.9g(ゴム成分に対し3.5質量%)、加硫促進剤(BBS、N-t-ブチル-2-ベンゾチアゾールスルフェンアミド)1g(ゴム成分に対し0.7質量%)を加え、オープンロール(関西ロール社製)を用い、60℃で10分間混練して、未加硫のゴム組成物のシートを得た。 To 147 g of this masterbatch, 3.5 g of resorcin (2.5% by mass with respect to the rubber component) and 2.24 g of hexamethylenetetramine (64% by mass with respect to resorcin) were added to an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.). Then, the mixture was kneaded at 60 ° C. for 10 minutes. Next, 0.7 g of stearic acid (0.5% by mass with respect to the rubber component), 8.4 g of zinc oxide (6% by mass with respect to the rubber component), 4.9 g of sulfur (3.5% by mass with respect to the rubber component), Add 1 g (0.7% by mass with respect to the rubber component) of a vulcanization accelerator (BBS, Nt-butyl-2-benzothiazolesulfenamide) and use an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.) at 60 ° C. Kneading for 10 minutes gave a sheet of unvulcanized rubber composition.
このシートを、金型にはさみ、160℃で15分間プレス加硫することにより、厚さ2mmの加硫ゴム組成物のシートを得た。結果を図1及び表1に示す。 This sheet was sandwiched between dies and press-vulcanized at 160 ° C. for 15 minutes to obtain a sheet of a vulcanized rubber composition having a thickness of 2 mm. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
<比較例1>
酸化セルロースナノファイバー、メチレンアクセプター化合物、及びメチレンドナー化合物を添加しなかったこと以外は実施例1と同様に行った。結果を図1及び表1に示す。
<Comparative Example 1>
The procedure was the same as in Example 1 except that the cellulose oxide nanofibers, the methylene acceptor compound, and the methylene donor compound were not added. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
<比較例2>
メチレンアクセプター化合物、及びメチレンドナー化合物を添加しなかったこと以外は実施例1と同様に行った。結果を図1及び表1に示す。
<Comparative Example 2>
The procedure was the same as in Example 1 except that the methylene acceptor compound and the methylene donor compound were not added. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
図1及び表1からわかるように、本発明のゴム組成物は、ひずみを与えた際のモジュラス値が高い成形品を製造可能であった。特に、ゴム成分、セルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を同時に加熱処理した場合、破断伸びが若干低下したものの、モジュラス値と破断強度のバランスに優れるものであった(実施例1及び2参照)。また、ゴム成分とセルロース系繊維を加熱処理した後、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合した場合、破断伸びに加えて破断強度も若干低下したものの、モジュラス値が高いものであった(実施例3参照)。これに対し、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合しない場合、破断伸びが若干低下したものの、モジュラス値と破断強度のバランスは向上したが、その効果は改善の余地があった(比較例2参照)。 As can be seen from FIGS. 1 and 1, the rubber composition of the present invention was able to produce a molded product having a high modulus value when strained. In particular, when the rubber component, the cellulosic fiber, the methylene acceptor compound and the methylene donor compound were simultaneously heat-treated, the elongation at break was slightly reduced, but the balance between the modulus value and the breaking strength was excellent (Example 1 and). 2). Further, when the methylene acceptor compound and the methylene donor compound were mixed after the rubber component and the cellulosic fiber were heat-treated, the modulus value was high although the breaking strength was slightly lowered in addition to the breaking elongation (implementation). See Example 3). On the other hand, when the methylene acceptor compound and the methylene donor compound were not mixed, the elongation at break was slightly reduced, but the balance between the modulus value and the breaking strength was improved, but the effect could be improved (Comparative Example 2). reference).
Claims (9)
前記ゴム成分が、クロロプレンゴムであり、
前記セルロース系繊維が、酸化セルロースファイバー、カルボキシメチル化セルロースファイバー及びカチオン化セルロースファイバーからなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記メチレンアクセプター化合物が、レゾルシン、レゾルシン誘導体及びレゾルシン系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1つであり、
前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンである、
ゴム組成物。 A rubber composition containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound .
The rubber component is chloroprene rubber,
The cellulosic fiber contains at least one selected from the group consisting of oxidized cellulose fiber, carboxymethylated cellulose fiber and cationized cellulose fiber.
The methylene acceptor compound is at least one selected from the group consisting of resorcin, resorcin derivatives and resorcin-based resins.
The methylene donor compound is hexamethylenetetramine.
Rubber composition.
(a1)ゴム成分とセルロース系繊維、メチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合して混合物(1)を得る工程。
(a2)前記工程(a1)で得た混合物(1)を40℃以上100℃未満で1~24時間加熱し、前記加熱後に成形して成形品を得る工程。 A method for producing a molded product of a rubber composition containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound, and a methylene donor compound, which comprises the following steps (a1) and (a2).
(A1) A step of mixing a rubber component with a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound to obtain a mixture (1).
(A2) A step of heating the mixture (1) obtained in the step (a1) at 40 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 1 to 24 hours, and molding after the heating to obtain a molded product.
前記メチレンドナー化合物が、ヘキサメチレンテトラミンであるゴム組成物の成形品の製造方法であって、下記工程(b1)~(b3)を有する成形品の製造方法。
(b1)ゴム成分とセルロース系繊維を混合して混合物(2)を得る工程。
(b2)前記工程(b1)で得た混合物(2)を70℃以上100℃未満で1~24時間加熱した加熱処理物を得る工程。
(b3)前記工程(b2)で得た加熱処理物にメチレンアクセプター化合物及びメチレンドナー化合物を混合し、成形して成形品を得る工程。 A rubber composition containing a rubber component, a cellulosic fiber, a methylene acceptor compound and a methylene donor compound, wherein the cellulosic fiber is selected from the group consisting of an oxidized cellulose fiber, a carboxymethylated cellulose fiber and a cationized cellulose fiber. The methylene acceptor compound is at least one selected from the group consisting of resorcin, resorcin derivatives and resorcin-based resins, including at least one.
A method for producing a molded product of a rubber composition in which the methylene donor compound is hexamethylenetetramine, which comprises the following steps (b1) to (b3).
(B1) A step of mixing a rubber component and a cellulosic fiber to obtain a mixture (2).
(B2) A step of obtaining a heat-treated product obtained by heating the mixture (2) obtained in the above step (b1) at 70 ° C. or higher and lower than 100 ° C. for 1 to 24 hours.
(B3) A step of mixing a methylene acceptor compound and a methylene donor compound with the heat-treated product obtained in the step (b2) and molding to obtain a molded product.
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