JPWO2018008700A1 - 変性セルロースナノファイバーおよびこれを含むゴム組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
〔1〕カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの少なくとも一部が、以下の式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基の少なくともいずれかの置換基を有する、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
式(a): −CONH−R1
式(b): −COO−R1
(式(a)及び(b)において、R1は、互いに独立して、少なくとも1個の不飽和結合を有する炭素数3〜30の炭化水素である。)
〔2〕カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーが、酸化セルロースナノファイバー又はカルボキシメチル化セルロースナノファイバーである、〔1〕に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
〔3〕酸化セルロースナノファイバーのカルボキシル基含量が、酸化セルロースナノファイバーの絶乾重量に対して0.6mmol/g〜2.0mmol/gである、〔2〕に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
〔4〕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が、0.01〜0.50である、〔2〕に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
〔5〕脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの少なくともいずれかと、カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーと、のアミド化物及びエステル化物の少なくともいずれかである、〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
〔6〕脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの反応率が10%以上である、〔5〕に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
〔7〕カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの少なくとも一部に以下の式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基からなる群より選ばれる少なくとも1つの置換基を導入すること、及び、水中で脱水縮合することを含む、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの製造方法。
式(a): −CONH−R1
式(b): −COO−R1
〔8〕脱水縮合は、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)−カルボジイミド、その塩酸塩、及び4−(4,6−Dimethoxy−1,3,5−triazin−2−yl)−4−methylmorpholinium Chloride n−Hydrateからなる群より選ばれる少なくとも1つの脱水縮合剤を用いて行う、〔7〕に記載の製造方法。
〔9〕式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基からなる群より選ばれる少なくとも1つの置換基は、脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの少なくともいずれかの、カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーへの導入により行われる、〔7〕又は〔8〕に記載の製造方法。
〔10〕脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの反応率が10%以上である、〔9〕に記載の製造方法。
〔11〕〔7〕〜〔10〕のいずれか1項に記載の製造方法により置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを製造する工程、及び、脱水縮合後に加硫する工程を含む、ゴム組成物の製造方法。
〔12〕〔1〕〜〔6〕のいずれか1項に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーとゴム成分を含有するゴム組成物。
〔13〕硫黄を更に含む、〔12〕に記載のゴム組成物。
変性セルロースナノファイバーは、セルロース原料から変性及び解繊を経て得られる微細繊維である。カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーは、カルボキシル基を少なくとも1つ有する変性セルロースナノファイバーを意味する。セルロース骨格にカルボキシル基が結合していてもよいし、カルボキシル基を含む基(例:カルボキシメチル基などのカルボキシアルキル基;カルボキシレート基;アルデヒド基)が結合していてもよい。
セルロース原料の由来は、特に限定されないが、例えば、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))、微生物産生物等が挙げられる。本発明で用いるセルロース原料は、これらのいずれかであってもよいし2以上の組み合わ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原料(例えば、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原料(例えば、セルロース繊維)である。
変性セルロースナノファイバーの平均繊維径は、2nm以上又は500nm以下であることが好ましく、4〜300nm程度であることがより好ましい。セルロースナノファイバーの平均繊維径および平均繊維長は、原子間力顕微鏡(AFM)または透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、各繊維を観察した結果から得られる繊維径および繊維長を平均することによって得ることができる。
変性セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、通常は10以上である。上限は特に限定されないが、通常は1000以下である。平均アスペクト比は、下記の式により算出することができる:
アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径
カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの製造方法は特に限定されないが、例えば、セルロース原料を変性するとともにカルボキシル基、又はカルボキシル基を含む置換基を導入する変性方法が挙げられる。斯かる変性方法は特に限定されないが、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、カチオン化などが挙げられる。中でも酸化、カルボキシメチル化が好ましい。
酸化によりセルロース原料を変性して得られるカルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー(酸化セルロースナノファイバー)に含まれる、セルロースナノファイバーの絶乾重量に対するカルボキシル基の量は、好ましくは0.5mmol/g以上又は0.6mmol/g以上、より好ましくは0.8mmol/g以上、更に好ましくは1.0mmol/g以上である。上限は、好ましくは3.0mmol/g以下、より好ましくは2.5mmol/g以下、更に好ましくは2.0mmol/g以下である。従って、0.5mmol/g〜3.0mmol/g又は0.6mmol/g〜3.0mmol/gが好ましく、0.8mmol/g〜2.5mmol/g又は0.6mmol/g〜2.5mmol/gがより好ましく、1.0mmol/g〜2.0mmol/g又は0.6mmol/g〜2.0mmol/gが更に好ましい。
カルボキシル基含量〔mmol/g酸化セルロース又は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〕
カルボキシメチル化により得られるカルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー(カルボキシル化セルロースナノファイバー)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。上限は、0.50以下が好ましく、0.40以下がより好ましく、0.35以下が更に好ましい。従って、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が更に好ましい。
DS=0.162×A/(1−0.058×A)
A:水素型CM化セルロースの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
置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーは、カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの少なくとも一部に、以下の式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基からなる群より選ばれる少なくとも1つの置換基を有する、変性セルロースナノファイバーである。すなわち、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーは、式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基からなる群より選ばれる少なくとも1つの置換基を有する変性セルロースナノファイバーであり、カルボキシル基を有していてもよい。
式(a): −CONH−R1
式(b): −COO−R1
前述の方法により、脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの導入前後のカルボキシル基含量(mmol/g)またはカルボキシメチル置換度(DS)を測定し、その差分から算出する。
反応率(%)=(導入前の値−導入後の値)/(導入前の値)×100
セルロース原料からカルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを得る際、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを得る際、及び解繊処理の際の少なくともいずれかにおいて、セルロース原料又はそれぞれのナノファイバーの分散処理を行い、セルロース原料の分散体を調製してもよい。溶媒は、セルロース原料を分散できるものであれば特に限定されないが、例えば、水、有機溶媒(例えば、メタノール等の親水性の有機溶媒)、それらの混合溶媒が挙げられる。セルロース原料を分散させる溶媒は、セルロース原料が親水性であることから、水であることが好ましい。
解繊は、セルロース原料に対し行ってもよいし、セルロース原料からカルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを得る際、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを得る際、または置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーに対して行ってもよいし、両方行ってもよい。
置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの形態は、特に限定されるものではなく、例えば、変性セルロースナノファイバーの分散液、分散液の乾燥固形物、分散液の湿潤固形物、セルロースナノファイバーと水溶性高分子との混合液、混合液の乾燥固形物、混合液の湿潤固形物などが挙げられる。湿潤固形物とは、分散液と乾燥固形物との中間の態様の固形物である。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、ゲランガム、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、ポリアクリル酸ソーダ、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それら2つ以上の混合物が挙げられる。この中でも、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相溶性の点から好ましい。
置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの乾燥固形物及び湿潤固形物は、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの分散液又は置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーと水溶性高分子の混合液を乾燥して調製すればよい。乾燥方法は特に限定されないが、例えば、スプレードライ、圧搾、風乾、熱風乾燥、及び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、振動輸送乾燥装置等、回分式の箱型乾燥装置、真空箱型乾燥装置、及び撹拌乾燥装置等が挙げられる。これらの乾燥装置は、単独で用いてもよいし、2つ以上組み合わせて用いてもよい。乾燥装置は、ドラム乾燥装置が好ましい。これにより、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、エネルギー効率を高めることができる。また、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。
本発明のゴム組成物は、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーおよびゴム成分を含む。
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、天然ゴムおよ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、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)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン共重合体ゴム、クロロプレンゴム、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)、ブチルゴム(IIR)、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。天然ゴムとしては例えば、水素化天然ゴム、脱タンパク天然ゴム等が挙げられる。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。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。
ゴム組成物は、メチレンアクセプター化合物及び/又はメチレンドナー化合物を含んでいてもよい。
ゴム成分に対する置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの含有量は、ゴム成分100重量%に対して0.1重量%以上が好ましく、1重量%以上がより好ましく、3重量%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。上限は、50重量%以下が好ましく、40重量%以下が好ましく、30重量%以下が更に好ましい。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。従って、0.1〜50重量%が好ましく、1〜40重量%がより好ましく、3〜30重量%が更に好ましい。
ゴム組成物は、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー及びゴム成分、並びに必要に応じて含まれる各成分を混合して製造することができる。
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)500g(絶乾)をTEMPO(Sigma Aldrich社)1.95g(絶乾1gのセルロースに対し0.025mmol)と臭化ナトリウム51.4g(絶乾1gのセルロースに対し1mmol)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6.0mmol/gになるように添加し、酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、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。反応後の混合物に塩酸を添加し、pHを2.4にした後、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(酸化(カルボキシル化)セルロースナノファイバー)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、カルボキシル基含量は1.6mmol/gであった。
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253g、水酸化ナトリウムを乾燥質量で56.3g(パルプのグルコース残基当たり0.9倍モル)加え、パルプ固形分が20%(w/v)になるように水を加えた。その後、30℃で30分攪拌した後にモノクロロ酢酸ナトリウムを127g(パルプのグルコース残基当たり0.7倍モル)添加した。30分撹拌した後に、70℃まで昇温し1時間撹拌した。その後、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。
製造例1において、オレイルアミンを1−ヘキセニルアミンに変更した以外は、製造例1と同様にして置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを得た。置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーにおける1−ヘキセニルアミンの反応率は85%、平均繊維径は4nm、平均アスペクト比は150であった。
製造例1において、オレイルアミンをオレイルアルコール(東京化成工業株式会社製)に変更した以外は、製造例1と同様にして置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを得た。置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーにおけるオレイルアルコールの反応率は64%、平均繊維径は4nm、平均アスペクト比は150であった。
製造例1において、酸化パルプを脱水縮合反応させずに解繊したほかは、製造例1と同様にして、カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー(酸化セルロースナノファイバー)を得た。カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーのカルボキシル基含量は1.6mmol/g、平均繊維径は4nm、平均アスペクト比は150であった。
製造例1で得られた変性セルロースナノファイバーの1%水分散液を、天然ゴムラテックス(商品名:HAラテックス、レヂテックス社、固形分濃度65%)100gに、ラテックスの絶乾固形分に対する絶乾相当の変性セルロースナノファイバーの量として5重量%混合し、TKホモミキサー(8000rpm)で60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。
実施例1において、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを製造例2で得られた置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
実施例1において、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを製造例3で得られた置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
実施例1において、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを製造例4で得られた置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
実施例1において、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを比較製造例1で得られたカルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーに変更した以外は、実施例1と同様に行った。
実施例1において、セルロースナノファイバーをゴム成分に混合しなかった以外は、実施例1と同様に行った。
Claims (13)
- カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの少なくとも一部が、以下の式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基の少なくともいずれかの置換基を有する、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
式(a): −CONH−R1
式(b): −COO−R1
(式(a)及び(b)において、R1は、互いに独立して、少なくとも1個の不飽和結合を有する炭素数3〜30の炭化水素である。) - カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーが、酸化セルロースナノファイバー又はカルボキシメチル化セルロースナノファイバーである、請求項1に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
- 酸化セルロースナノファイバーのカルボキシル基含量が、酸化セルロースナノファイバーの絶乾重量に対して0.6mmol/g〜2.0mmol/gである、請求項2に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
- 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が、0.01〜0.50である、請求項2に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
- 脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの少なくともいずれかと、カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーと、のアミド化物及びエステル化物の少なくともいずれかである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
- 脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの反応率が10%以上である、請求項5に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバー。
- カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの少なくとも一部に以下の式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基からなる群より選ばれる少なくとも1つの置換基を導入すること、及び、水中で脱水縮合することを含む、置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーの製造方法。
式(a): −CONH−R1
式(b): −COO−R1 - 脱水縮合は、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)−カルボジイミド、その塩酸塩、及び4−(4,6−Dimethoxy−1,3,5−triazin−2−yl)−4−methylmorpholinium Chloride n−Hydrateからなる群より選ばれる少なくとも1つの脱水縮合剤を用いて行う、請求項7に記載の製造方法。
- 式(a)で表される置換基及び式(b)で表される置換基からなる群より選ばれる少なくとも1つの置換基は、脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの少なくともいずれかの、カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーへの導入により行われる、請求項7又は8に記載の製造方法。
- 脂肪族不飽和アミン及び脂肪族不飽和アルコールの反応率が10%以上である、請求項9に記載の製造方法。
- 請求項7〜10のいずれか1項に記載の製造方法により置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーを製造する工程、及び、脱水縮合後に加硫する工程を含む、ゴム組成物の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の置換カルボキシル基含有変性セルロースナノファイバーとゴム成分を含有するゴム組成物。
- 硫黄を更に含む、請求項12に記載のゴム組成物。
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