JPWO2014087767A1 - 複合材料及びそれを用いた成形体 - Google Patents
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Abstract
Description
1. (1)カルボキシメチル化セルロースファイバー、(2)第1級アミノ基を有する高分子化合物、(3)酸変性されたポリオレフィン、及び(4)ポリオレフィン樹脂を含有する複合材料。
2. 前記カルボキシメチル化セルロースファイバーは、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル基置換度が0.01〜0.40であり、且つセルロースI型の結晶化度が60%以上である、上記1に記載の複合材料。
3. 前記酸変性されたポリオレフィンが、無水マレイン酸変性ポリオレフィンである、上記1または2に記載の複合材料。
4. 前記無水マレイン酸変性ポリオレフィンが、無水マレイン酸変性ポリプロピレンであり、前記ポリオレフィン樹脂が、ポリプロピレンである、上記1〜3のいずれか1つに記載の複合材料。
5. 前記第1級アミノ基を有する高分子化合物が、下記一般式(A)で表される繰り返し単位を有する化合物、
本発明の複合材料は、(1)カルボキシメチル化セルロースファイバー(以下、「CM化セルロースファイバー」と略記することがある)、(2)第1級アミノ基を有する高分子化合物、(3)酸変性されたポリオレフィン、及び(4)ポリオレフィン樹脂を含む。
本発明の複合材料に含有されるセルロースファイバーは、カルボキシメチル基を含む。セルロースにカルボキシメチル置換基を導入することで、セルロースファイバーと、(2)第1級アミノ基を有する高分子化合物のアミノ基との静電相互作用が大きくなる。このことによって、(1)CM化セルロースファイバー同士のネットワーク構造が補強される。また、(3)酸変性されたポリオレフィンの親水基部分が(1)CM化セルロースファイバーと、疎水基部分が(4)ポリオレフィン樹脂とそれぞれ反応して、(1)CM化セルロースファイバーと(4)ポリオレフィン樹脂との界面相互作用が補強される。CM化セルロースファイバーは、セルロース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が0.01〜0.40であることが好ましく、0.05〜0.20であることがより好ましい。また、CM化セルロースファイバーにおけるセルロースI型の結晶化度は60%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、80%以上であることがさらに好ましい。なお、無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル基置換基が0.01より小さいと、十分に効果を発揮することができない場合がある。一方、無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル置換基が0.40より大きいと、CM化セルロースファイバーが膨潤あるいは溶解するため、繊維形態を維持できなくなり、ファイバーとして得られなくなる場合がある。また、セルロースI型の結晶化度が60%未満であるとセルロースファイバーの強度が低下し、ポリオレフィン樹脂の補強材としての十分な補強効果が得られなくなる場合がある。
セルロース原料としては、植物(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)、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))、微生物産生物等を起源とするものが知られており、本発明ではそのいずれも使用できる。好ましくは植物又は微生物由来のセルロースであり、より好ましくは植物由来のセルロースである。
セルロース原料のカルボキシメチル化は公知の方法を用いて行うことができ、特に限定されない。また、市販のCM化セルロースファイバーを用いてもよい。本発明では、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル基置換度が0.01〜0.40であり、セルロースI型の結晶化度が60%以上、好ましくは70%以上、さらに好ましくは80%以上となるように調整することが好ましい。その一例として次のような製造方法を挙げることができる。発底原料としてセルロースを使用する。溶媒として、3〜20重量倍の水及び/又は低級アルコール、具体的にはメタノール、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−ブタノール、イソブタノール、第3級ブタノール等の単独、又は2種以上の混合媒体を使用する。なお、溶媒における低級アルコールの混合割合は、60〜95重量%である。マーセル化剤として、発底原料の無水グルコース残基当たり0.5〜20倍モルの水酸化アルカリ金属、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用する。発底原料、溶媒、及びマーセル化剤を混合し、反応温度0〜70℃、好ましくは10〜60℃、かつ反応時間15分〜8時間、好ましくは30分〜7時間、マーセル化処理を行う。その後、カルボキシメチル化剤(例えば、モノクロロ酢酸、モノクロロ酢酸ナトリウムなど)をグルコース残基当たり0.05〜10.0倍モル添加し、反応温度30〜90℃、好ましくは40〜80℃、かつ反応時間30分〜10時間、好ましくは1時間〜4時間、エーテル化反応を行う。
本発明の複合材料に含有されるCM化セルロースファイバーの平均繊維径は4nm〜50μmであることが好ましく、200nm〜50μmであることがより好ましく、500nm〜20μmであることがより一層好ましい。また、CM化セルロースファイバーの平均繊維長は、0.5mm〜5.0mmであることが好ましい。CM化セルロースファイバーの平均繊維径及び平均繊維長を上記範囲内に調整すると、CM化セルロースファイバーによるポリオレフィン樹脂の補強効果が高まる。
本発明の複合材料は、分子内に第1級アミノ基を有する高分子化合物を含む。
本発明の複合材料は、酸変性されたポリオレフィンを含む。
本発明の複合材料は、主成分としてポリオレフィン樹脂を含む。ポリオレフィン樹脂は、公知のものを使用すればよい。ポリオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−へキセン等の直鎖状αオレフィン、3−メチル−1−ブテン、3−メチル−1−ペンテン、4−メチル−1−ペンテン等の分岐状オレフィン、スチレン、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、イソブチレン、イソプレンなどの単独重合体又は共重合体、ノルボルネン骨格を有する環状ポリオレフィン等が挙げられる。
複合材料の製造方法は特に限定されず、(1)CM化セルロースファイバー、(2)第1級アミノ基を有する高分子化合物、(3)酸変性されたポリオレフィン、及び(4)ポリオレフィン樹脂、及び必要に応じて他の成分を混合すればよい。(1)〜(4)の各成分及び他の成分の混練順序は特に限定されない。
本発明の成形体は、後述の通り、前記複合材料を加熱処理することによって得られる。複合材料を加熱処理(加熱、溶融、混練等の処理)する際の温度は、通常100〜300℃程度、好ましくは110〜250℃程度、特に好ましくは110〜220℃程度である。
パルプを混ぜることが出来る撹拌機に、パルプ(LBKP、日本製紙社製)を乾燥重量で200g、水酸化ナトリウムを乾燥重量で88g加え、パルプ固形濃度が15%になるように水を加えた。その後、30℃で30分攪拌した後に70℃まで昇温し、モノクロロ酢酸ナトリウムを117g(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ルボキシメチル置換度0.05、結晶化度84%、平均繊維径20.0μm、平均繊維長1.2mmのカルボキシルメチル化したセルロースを得た。
セルロースI型の結晶化度は、試料のX線回折を測定することで求めた。X線回折は、試料をガラスセルに乗せ、X線回折測定装置(LabX XRD−6000、島津製作所製)を用いて測定した。結晶化度の算出はSegal等の手法を用いて行い、X線回折図の2θ=10°〜30°の回折強度をベースラインとして、2θ=22.6°の002面の回折強度と2θ=18.5°のアモルファス部分の回折強度から次式により算出した。
Xc=(I002c―Ia)/I002c×100
Xc:セルロースのI型の結晶化度(%)
I002c:2θ=22.6°の002面の回折強度
Ia:2θ=18.5°のアモルファス部分の回折強度
試料約2.0gを精秤して、300mL共栓付き三角フラスコに入れた。硝酸メタノール1000mLに特級濃硝酸100mLを加えた液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(CMC)をH−CMCにした。その絶乾H−CMCを1.5〜2.0g精秤し、300mL共栓付き三角フラスコに入れた。80%メタノール15mLでH−CMCを湿潤し、0.1N−NaOHを100mL加え、室温で3時間振とうした。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1N−H2SO4で過剰のNaOHを逆滴定した。カルボキシメチル置換度(CM−DS)は、次式によって算出した。
A=[(100×F’−0.1N−H2SO4(mL)×F)×0.1]/(H−CMCの絶乾重量(g))
CM−DS=0.162×A/(1−0.058×A)
A:H−CMCの1gの中和に要する1N−NaOH量(mL)
F’:0.1N−H2SO4のファクター
F:0.1N−NaOHのファクター
モノクロロ酢酸ナトリウムの量を187g(有効成分換算)に変更した以外は製造1と同様に製造した。得られたカルボキシメチル化セルロース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は0.08、結晶化度は83%、平均繊維径は19.1μm、平均繊維長は1.1mmであった。
モノクロロ酢酸ナトリウムの量を468g(有効成分換算)に変更した以外は製造1と同様に製造した。得られたカルボキシメチル化セルロース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は0.20、結晶化度は73%、平均繊維径は18.6μm、平均繊維長は1.1mmであった。
モノクロロ酢酸ナトリウムの量を468g(有効成分換算)、水酸化ナトリウムを乾燥重量で104gに変更した以外は製造1と同様に製造した。得られたカルボキシメチル化セルロース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は0.20、結晶化度は62%、平均繊維径は18.5μm、平均繊維長は1.1mmであった。
製造1におけるパルプ(LBKP、日本製紙社製)を、パルプ(NBKP、日本製紙社製)に変更した以外は、製造1と同様にした。得られたカルボキシメチル化セルロース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は0.05、結晶化度は84%、平均繊維径は19.0μm、平均繊維長2.9はmmであった。
製造5で得たカルボキシメチル化したセルロースを、高圧ホモジナイザーで処理し、平均繊維径1.2μm、平均繊維長2.5mmに調整した。
製造5で得たカルボキシメチル化セルロースファイバーを、マスコロイダーで処理し、平均繊維径1.1μm、平均繊維長1.2mmに調整した。
製造1で得られたCM化セルロースファイバー(成分(1))、アリルアミン重合体(日東紡株式会社製:商品名「PAA(登録商標)−15C」)(成分(2))、無水マレイン酸変性ポリプロピレン(三洋化成工業株式会社製:商品名「ユーメックス(登録商標)1010」)(成分(3))、及びポリプロピレン(株式会社プライムポリマー製:商品名「プライムポリプロ(登録商標)J105」)(成分(4))を添加してミキサーにて15分間攪拌した(各々の成分の固形分比(質量比)は次の通りである。CM化セルロースファイバー:アリルアミン重合体:無水マレイン酸変性ポリプロピレン:ポリプロピレン=30:6:8:56)。
JIS K7161(プラスチックの引張り試験方法)に基づき1BA形試験片(ダンベル型厚さ2mm)を用いて測定した。
株式会社エー・アンド・デイ製「テンシロン万能試験機RTG−1210」を用いて測定した
製造2で得られたCM化セルロースファイバーを用いた以外は実施例1と同様に行った。
製造3で得られたCM化セルロースファイバーを用いた以外は実施例1と同様に行った。
製造4で得られたCM化セルロースファイバーを用いた以外は実施例1と同様に行った。
製造5で得られたCM化セルロースファイバーを用いた以外は実施例1と同様に行った。
製造6で得られたCM化セルロースファイバーを用いた以外は実施例1と同様に行った。
製造7で得られたCM化セルロースファイバーを用いた以外は実施例1と同様に行った。
カルボキシメチル化していないパルプ(LBKP、日本製紙社製)を用いた以外は実施例1と同様に行った。
成分(4)のみで射出成型して得られた成型物の引張強度及び弾性率を測定した。
Claims (7)
- (1)カルボキシメチル化セルロースファイバー、(2)第1級アミノ基を有する高分子化合物、(3)酸変性されたポリオレフィン、及び(4)ポリオレフィン樹脂を含有する複合材料。
- 前記カルボキシメチル化セルロースファイバーは、セルロースの無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル基置換度が0.01〜0.40であり、且つセルロースI型の結晶化度が60%以上である、請求項1に記載の複合材料。
- 前記酸変性されたポリオレフィンが、無水マレイン酸変性ポリオレフィンである、請求項1または2に記載の複合材料。
- 前記無水マレイン酸変性ポリオレフィンが、無水マレイン酸変性ポリプロピレンであり、前記ポリオレフィン樹脂が、ポリプロピレンである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合材料。
- (1)カルボキシメチル化セルロースファイバー、(2)第1級アミノ基を有する高分子化合物、(3)酸変性されたポリオレフィン、及び(4)ポリオレフィン樹脂を混練する工程を含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合材料の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料を100〜300℃で加熱処理してなる成形体。
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