JP7299577B2 - リグニンを含む熱硬化性樹脂組成物粉体 - Google Patents
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Description
(態様1)
ポリエチレングリコールにより化学修飾された改質リグニンとエポキシ化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物粉体。
現場重合型の熱硬化性樹脂組成物粉体である、態様1に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体。
さらにアルコールを含み、アルコールの含有量が5重量%以下である、態様1又は2に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体。
アルコールを含まない、態様1又は2に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体。
ポリエチレングリコールにより化学修飾された改質リグニンをアルコールで処理してアルコール含有改質リグニン固形物を作製し、該アルコール含有改質リグニン固形物をエポキシ化合物と加熱混合して改質リグニンとエポキシ化合物とアルコールを含む混合物とし、得られた混合物を乾燥処理してアルコールを除去又は減少させた後、粉砕して、改質リグニンとエポキシ化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物粉体を得ることを特徴とする熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
乾燥処理を減圧及び昇温下で行う、態様5に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
乾燥処理で前記混合物の残留アルコールを5重量%以下にする、態様5又は6に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
乾燥処理で前記混合物中に残留アルコールを残さない、態様5又は6に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
態様1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は態様5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、加熱溶融し、鋳型で成型し、加熱硬化して熱硬化プラスチック成型体を得ることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
態様1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は態様5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、そのまま加熱加圧成型し、加熱硬化して熱硬化プラスチック成型体を得ることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
態様1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は態様5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、繊維と混合し又は繊維構造物と組み合わせて、成型し、加熱硬化させることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
前記熱硬化性樹脂組成物粉体を硬化温度以下で加熱溶融して繊維織物に含浸、冷却によりプリプレグを作製し、その後、任意の形状で加熱プレス硬化させる、態様11に記載の熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
態様1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は態様5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、無機粉体と混合し、成型し、加熱硬化させることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
本発明は、ポリエチレングリコールにより化学修飾された改質リグニンとエポキシ化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物粉体を提供する。
本発明で用いる改質リグニンとしては、ポリエチレングリコール鎖がリグニンの骨格に結合したものが用いられる。ポリエチレングリコール鎖をリグニンに結合させる方法としては、エポキシ基を有するポリエチレングリコールを用いた誘導体化の方法、リグニンを含む黒液にポリエチレングリコールを溶解し処理する方法、ポリエチレングリコールを媒体とした酸加溶媒分解法などが例示されるが、本発明においては、酸加溶媒分解法により得られた改質リグニンが好適に用いられる。ここで反応に用いられるポリエチレングリコールの分子量は100~1000、好ましくは200~600である。改質リグニンを製造する原料となる植物バイオマスは特に限定されるものではないが、スギ、ヒノキ等の針葉樹材、カバ、ミズナラ等の広葉樹材、あるいは、稲わら、バガス、タケ等の草本系バイオマスが用いられる。スギ、ヒノキ等の針葉樹材、特にスギが好ましい原料である。酸加溶媒分解は、これら植物バイオマスのチップあるいは粉砕物に、好適には、約5重量倍のポリエチレングリコールとポリエチレングリコールに対して0.1~0.9%の硫酸を加え、約140℃で60~90分間加温して行われる。反応物を好ましくは0.1~0.2Mの薄い苛性ソーダ溶液で希釈した後、不溶解のパルプ成分を濾過により取り除き、濾液を硫酸等で酸性化することで沈澱物を生成させる。その沈殿物を濾過もしくは遠心分離で取り除いた物質が改質リグニンとして利用される。
本発明において用いられるエポキシ化合物としては、改質リグニンに含まれる水酸基と反応して熱硬化し得るエポキシ化合物であればよい。例えば、エポキシ化大豆油、アルキレン-1,6-ジエポキシ等の脂肪族系;ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、等が挙げられる。これらのエポキシ化合物は、単独でまたは2種以上混合して使用することができる。
本発明の熱硬化性樹脂組成物粉体では、エポキシ化合物とともに任意に硬化促進剤を含んでよい。用いる硬化促進剤は、エポキシ化合物と改質リグニンとの硬化反応を促進するものであればよく、エポキシ化合物とエポキシ系樹脂の水酸基との硬化反応を促進する硬化促進剤は公知である。例えば、1,5-ジアザビシクロ(4,3,0)-ノネンー5(通称DBN)や1,8-ジアザビシクロ(5,4,0)-ウンデセン-7(通称DBU)等の三級アミンや三級アミン塩、2-エチル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、トリフェニルホスフィンやホスホニウム塩を用いてよい。使用する際の硬化促進剤の全固体(組成物)に対する重量割合は、20重量%未満であり、好ましくは0.1~10重量%である。
本発明において用いられるアルコールとしては、エポキシ樹脂の硬化反応温度より低い温度、好ましくは100℃以下、より好ましくは90℃以下、さらには80℃以下の沸点を有しているものが好ましい。メタノール(沸点:約64℃)、エタノール(沸点:約78℃)、1-プロパノール(沸点:約97℃)、2-プロパノール(沸点:約82℃)、1-ブタノール(沸点:約117℃)、2-ブタノール(沸点:約100℃)、イソブタノール(沸点:約108℃)、t-ブタノール(沸点:約83℃)、ヘキサノール(沸点:約157℃)、シクロヘキサノール(沸点:約161℃)等が挙げられる。アルコールは混合物でもよい。ただし、上記の沸点は大気圧下での沸点であるが、本発明では、改質リグニンとエポキシ化合物とアルコールを含む固形物からアルコールを除去又は減量する乾燥処理を減圧下で行ってよいので、減圧下で乾燥処理する場合には、上記の沸点はその減圧下の沸点であってよい。炭素数5以下のアルコールがより好ましい。特に溶融性、除去の容易さの点から炭素数3以下のアルコール(メタノール、エタノール、プロパノール)が好適であり、安全性から特にエタノールが好適である。従来技術のジメチルホルムアミド、Nメチルヒドリドン、ポリエチレングリコールなどの高沸点有機溶媒では、常圧ではエポキシ硬化温度以下での溶媒の除去が困難または不可能である。また、減圧下であっても高沸点ゆえにエポキシ硬化温度以下での速やかな溶媒除去は難しく、さらに、一旦硬化温度以上での溶解を必要とするこれらの溶媒においては、硬化反応が起こらない条件下で乾燥操作によって溶媒を除去または減量することはできていない。
本発明の熱硬化性樹脂組成物粉体は、未硬化物であり、再加熱することで、改質リグニンとエポキシ化合物の硬化反応温度より低い温度でも再び溶融状態にすることができる。溶融温度は、好ましくは改質リグニンとエポキシ化合物の硬化反応温度より低い温度であり、より好ましくは100℃以下、さらに好ましくは80℃以下の温度であってよいが、溶融後十分短時間で成型加工ができる場合は、エポキシ硬化温度と同等以上の温度で再溶融させても問題はない。熱硬化性樹脂組成物粉体は、加熱溶融し成型後に、硬化反応温度以上に加熱して熱硬化プラスチック成型体を製造することができる。また、この熱硬化性樹脂組成物粉体を直接に加熱加圧成型して熱硬化プラスチック成型体を製造することもできる。
本発明の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法では、ポリエチレングリコールにより化学修飾された改質リグニンをアルコールで処理してアルコール含有改質リグニン固形物を作製し、アルコール含有改質リグニン固形物をエポキシ化合物と加熱混合して改質リグニンとエポキシ化合物とアルコールを含む混合物とし、得られた混合物を乾燥処理してアルコールを除去又は減少させた後、粉砕して、改質リグニンとエポキシ化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物粉体を得る。
本発明の熱硬化性樹脂組成物粉体を加熱することで、粉体は一旦溶融し、残留有機溶媒があれば除去され、ついで硬化させることにより、熱硬化プラスチック成型体を製造することができる。
以下では、改質リグニンとして、分子量400のポリエチレングリコールを溶媒とした酸加水溶媒分解法で得られたものを用いた。改質リグニンを溶かす溶媒として、市販のメタノール、エタノール、1-プロパノール、1-ブタノール、シクロヘキサノール、1―ヘキサノール(いずれも特級)を用い、エポキシ化合物としては市販のビスフェノールA型を用いた。
メタノール、エタノール、1-プロパノールなどの各種アルコールにそれぞれ改質リグニン粉末を混合したところ、メタノールを除き室温では全く反応が起こらないが、70℃に加温すると改質リグニンは徐々に液状化し始めた。メタノールでは加温しなくても同様に液状化が始まった。流動性の上がった液状のものは次第に凝集し、アルコールと分離が始まった。室温まで冷却したところ、アルコールと分離した団子状の塊を得ることができた。エタノールを使って作製した団子状の塊について、以後詳細を検討した。団子状の塊に占めるアルコールの割合を投入した改質リグニンと回収した凝集後の改質リグニンとの重量差から求めたところ、アルコール含有量は約30重量%であった。例えば、改質リグニン49.99gから75.16gの団子状の塊が得られた。
参考例1のうち、代表してエタノールを使ったものについて、残余のエタノールをデカンテーションにより除去して塊を取り出し、ビスフェノールAと改質リグニンとの重量比1:1で混合し、80℃程度で加熱したところ流動性の高い液状の混合物を数分で再び得ることができた。この液状の混合物をアルミニウム製の型に流し込み、120℃で一昼夜加熱すると、ショア硬度70の硬いエポキシ硬化物を得ることができた。
参考例1と同様に作製したエタノールを含む改質リグニンの団子状の塊を改質リグニンとの重量比1:1でビスフェノールAと混合し、80℃で加熱し続けると、残留しているエタノールが徐々に蒸発し、徐々に流動性が下がって改質リグニンとビスフェノールAからなる固形混合物が得られた。この固形物のアルコール含有量は約1~5重量%であった。この固形物を一旦冷やして取り出し、その後アルミニウム製の型に入れ、120℃で一昼夜加熱すると、溶融した後に、アルミニウム型の形になってから硬化した。硬化した改質リグニン樹脂(エポキシ硬化物)は、赤外吸収分析の結果、図4(a)の波数700~1000cm-1付近の拡大チャートである図4(b)に見られるように、エポキシド基に基づく吸収(波数914cm-1)が顕著に減少しており、十分に硬化反応が進行したことを確認できた。また、エポキシ硬化物はデュロメータで測定して、ショア硬度70を有していた。
参考例1と同様に作製したエタノールを含む改質リグニンの団子状の塊を改質リグニンとの重量比1:1でビスフェノールAと混合し(図5(a))、80℃で加熱し続けると、残留しているエタノールが徐々に蒸発し、徐々に流動性が下がって改質リグニンとビスフェノールAからなる固形混合物が得られた。この固形物をさらに80℃で油回転ポンプを使った真空デシケータ中で減圧乾燥させると固形混合物が発泡を伴って溶融し(図5(b))、エタノールがほぼ除去されると発泡が収まって固化し、発泡体の固形物ができた(図5(c))。この発泡体はもろく、乳鉢で容易に粉砕が可能で加熱硬化前の改質リグニン/エポキシ混合粉として得ることができた(図5(d))。この粉体も、参考例2と同様にアルミニウム型内で120℃で加熱することで、溶融した後に、型の形になって硬化した。図6に、粉体を鋳型に入れ(図6(a))、ホットプレートで110℃に加熱すると溶融して、型の形状になり(図6(b))、130℃で12時間の加熱後に型の形の硬化樹脂が得られた(図6(c))。
実施例1と同様の手法で、改質リグニンとビスフェノールの比を改質リグニンが60重量%、70重量%、80重量%、90重量%、95重量%、100重量%となるように調整して実施したところ、改質リグニン含有率90重量%までは光沢感のある均質の樹脂(プラスチック)を得ることができ、ショア硬度は72~76にまで達した。改質リグニン95重量%以上になると、粒分が露出して均質性が失われた脆い樹脂となり硬度が低下した。ショア硬度はデュロメータによって測定した。図7(a)~(f)に、実施例2で作製された改質リグニンの混入率(図中に表示)が異なる熱硬化性樹脂組成物粉体から作製したプラスチックのそれぞれの写真を示す。
比較のために、ビスフェノールAと無水フタル酸を使用した市販エポキシ樹脂(比較例1)、参考例1~3と同様にして、ビスフェノールA/改質リグニン=1.3(重量比)でPEG溶媒に溶解して作製したエポキシ硬化物(比較例2)、アクリル樹脂市販品(比較例3)、テフロン市販品(登録商標)(比較例4)、ポリエチレンテレフタレート(PET)市販品(比較例5)、ポリプロピレン(PP)市販品(比較例6)について、デュロメータで測定した。PET市販品(比較例5は、厚さ0.4mmの板を15枚重ねて測定し、PP市販品(比較例6)は厚さ1mmの板を7枚重ねて測定した。
実施例1と同様に作製した粉体を80℃で加熱して得られた液体をガラス繊維織物に染み込ませて、120℃で一昼夜加熱すると、ガラス繊維複合エポキシ硬化物が得られた。また、改質リグニンとビスフェノールAからなる固体混合物をガラス繊維織物に重ね、上から加熱プレスすると、ガラス繊維複合エポキシ硬化物が得られた。
実施例1と同様にして作製したシート状の熱硬化改質リグニン樹脂成型体は、熱硬化していることが確認されたが、硬化後に120℃に加熱すると、シートを円筒状に変形することができ、室温に冷却すると円筒状のままで硬化した。したがって、この熱硬化改質リグニン樹脂成型体は、熱硬化プラスチックでありながら、熱可塑性を有していた。図8(a)(b)に、熱硬化性樹脂組成物粉体を熱硬化処理をして得られた樹脂シートの熱可塑性の状況を示す写真で示す。
エタノールに代えて、メタノール、1-プロパノール、1-ブタノール、シクロヘキサノール、1―ヘキサノールを用いて、実施例と同様に、改質リグニンとエポキシ化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物粉体を作製し、熱硬化改質リグニン樹脂成型体を作製する。
Claims (13)
- ポリエチレングリコールにより化学修飾された改質リグニンとエポキシ化合物とを含み、ロジン誘導体及びテルペンフェノール樹脂を含まず、改質リグニンとエポキシ化合物との硬化反応温度以下の温度における加熱によって液状化できる、熱硬化性樹脂組成物粉体。
- 現場重合型の熱硬化性樹脂組成物粉体である,請求項1に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体。
- さらに改質リグニンとエポキシ化合物とから得られるエポキシ樹脂の硬化反応温度より低い沸点を有するアルコールを含み、アルコールの含有量が5重量%以下である、請求項1又は2に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体。
- アルコールを含まない、請求項1又は2に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体。
- ポリエチレングリコールにより化学修飾された改質リグニンを、改質リグニンとエポキシ化合物とから得られるエポキシ樹脂の硬化反応温度より低い沸点を有するアルコールで処理して液状化し、液状混合物中に凝集して得られるアルコール含有改質リグニン凝集体を残りのアルコール液体から分離して、アルコール含有改質リグニン固形物を作製し、該アルコール含有改質リグニン固形物をエポキシ化合物と加熱混合して改質リグニンとエポキシ化合物とアルコールを含む混合物とし、該混合物を乾燥処理してアルコールを除去又は減少させた後、粉砕して、改質リグニンとエポキシ化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物粉体を得ることを特徴とする熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
- 乾燥処理を減圧及び昇温下で行う、請求項5に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
- 乾燥処理で前記混合物の残留アルコールの含有量を5重量%以下にする、請求項5又は6に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
- 乾燥処理で前記混合物中に残留アルコールを残さない、請求項5又は6に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は請求項5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、鋳型中で加熱溶融し、硬化して熱硬化プラスチック成型体を得ることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は請求項5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、鋳型中に充填してそのまま加熱加圧成型し、加熱硬化して熱硬化プラスチック成型体を得ることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は請求項5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、繊維と混合し又は繊維構造物と組み合わせて、成型し、加熱硬化させることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
- 前記熱硬化性樹脂組成物粉体を硬化温度以下で加熱溶融して繊維織物に含浸、冷却によりプリプレグを作製し、その後、任意の形状で加熱プレス硬化させる、請求項11に記載の熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の熱硬化性樹脂組成物粉体又は請求項5~8のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された熱硬化性樹脂組成物粉体を、無機粉体と混合し、成型し、加熱硬化させることを特徴とする熱硬化プラスチック成型体の製造方法。
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