JPWO2019235557A1 - 短繊維化アニオン変性セルロース繊維の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
〔1〕アニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程を含む、平均繊維長が1μm以上500μm以下である短繊維化アニオン変性セルロース繊維の製造方法であって、アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長が700μm以上10000μm以下である製造方法。
〔2〕〔1〕に記載の製造方法によって製造された短繊維化アニオン変性セルロース繊維に修飾基を導入する工程を含む、改質セルロース繊維の製造方法。
〔3〕〔1〕に記載の製造方法によって製造された短繊維化アニオン変性セルロース繊維、又は〔2〕に記載の製造方法によって製造された改質セルロース繊維を微細化処理する工程を含む、平均繊維長が50nm以上300nm以下である微細セルロース繊維の製造方法。
〔4〕平均繊維長が400nm以上2000nm以下のアニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程を含む、平均繊維長が50nm以上300nm以下である微細セルロース繊維の製造方法。
〔5〕〔2〕に記載の方法により得られる改質セルロース繊維を含有する、光硬化性組成物。
〔6〕〔3〕又は〔4〕に記載の方法により得られる微細セルロース繊維を含有する、光硬化性組成物。
〔7〕〔5〕又は〔6〕に記載の光硬化性組成物を光造形装置に用いる、光造形物の製造方法。
〔8〕〔7〕に記載の製造方法により得られる、光造形物。
本発明の短繊維化アニオン変性セルロース繊維の製造方法は、アニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程(以下、「糖鎖切断工程」とも称する)を含む。ここで、「熱分解により」とは、分解の主たる要因が、50℃以上230℃以下の温度条件下においたことによる分解であることを指す。なお、本発明の熱分解の主な反応は、定かではないが、乾燥状態でも分解が進むことから加水分解反応ではなく、熱のエネルギーに起因した分解反応が生じていると考えられる。例えば、特許文献1に記載される70℃〜120℃での酸加水分解処理などは、分解の主たる要因が酸加水分解であり、本発明でいう熱分解による方法には該当しない。当該糖鎖切断工程により、従来のような酸分解、アルカリ分解、酵素による分解によらずとも、熱分解によりアニオン変性セルロース繊維の糖鎖を切断することができるため、安価かつ簡易な製造方法とすることができる。
アニオン変性セルロース繊維としては、原料のセルロース繊維にアニオン性基が導入された繊維を使用することができる。原料のセルロース繊維としては、環境面から好ましくは天然セルロース繊維であり、例えば、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ等の木材パルプ;コットンリンター、コットンリントのような綿系パルプ;麦わらパルプ、バガスパルプ等の非木材系パルプ;バクテリアセルロース等が挙げられる。また、アニオン性基としては、糖鎖切断効率の観点から、カルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基が好ましく、カルボキシ基がより好ましい。このようなアニオン変性セルロース繊維は、後述するアニオン性基の導入工程で得られたものを使用してもよいし、別途調製されたアニオン変性セルロース繊維を使用してもよい。
糖鎖切断工程は、乾燥状態のアニオン変性セルロース繊維に対して行ってもよいし、溶媒中で行ってもよい。糖鎖切断工程は、処理効率の観点から溶媒中で行う方が好ましい。また、取り扱い性及びコストの観点から、糖鎖切断工程は、実質的に酸、アルカリ、酵素を含まない条件下で行うことが好ましい。ここで、実質的に酸を含まない条件下としては、反応系中の酸の合計量が好ましくは0.001質量%以下であり、より好ましくは0.0001質量%以下である条件下が挙げられるが、意図せずに混入した極微量の不純物として酸を含む条件も含まれる。実質的にアルカリを含まない条件下としては、好ましくは反応系中のアルカリの合計量が0.01質量%以下であり、より好ましくは0.001質量%以下である条件下が挙げられるが、意図せずに混入した極微量の不純物としてアルカリを含む条件も含まれる。実質的に酵素を含まない条件下としては、好ましくは反応系中の酵素の合計量が0.01質量%以下であり、より好ましくは0.001質量%以下である条件下が挙げられるが、意図せずに混入した極微量の不純物として酵素を含む条件も含まれる。
かくして短繊維化アニオン変性セルロース繊維が得られる。本発明の製造方法で得られる短繊維化アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長は、1μm以上であり、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上であり、また、500μm以下であり、好ましくは400μm以下であり、より好ましくは300μm以下である。短繊維化アニオン変性セルロース繊維の平均繊維径は特に限定されるものではないが、好ましくは0.1μm以上であり、また、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは100μm以下である。短繊維化アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長、平均繊維径は、後述の実施例に記載の方法により測定される。また、本発明の製造方法で得られる短繊維化アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基含有量や、カウンターイオンについては、糖鎖切断工程に用いられるアニオン変性セルロース繊維と同様であるが、必要に応じて適宜変更することができる。
本発明の製造方法で得られる短繊維化アニオン変性セルロース繊維は、必要に応じて更に微細化処理を行いナノスケールの微細セルロース繊維(ナノファイバー)として使用することができる。更なる微細化処理としては、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等を用いた機械的な微細化処理などが挙げられる。
また、本発明の製造方法で得られる短繊維化アニオン変性セルロース繊維は、必要に応じて更に任意の修飾基で改質して使用することもできる。以下に、本発明の製造方法で得られる短繊維化アニオン変性セルロース繊維を用いた、改質セルロース繊維の製造方法を説明する。
微細セルロース繊維複合体における、修飾基を有するアミンとしては、後述の修飾基を有するものであればよく、イオン結合の場合は、第1級アミン、第2級アミン、第3級アミン、第4級アンモニウムカチオンのいずれでもよいが、反応性の観点から、第1級アミン又は第2級アミン又は第4級アンモニウムカチオンが好ましく、第1級アミン又は第4級アンモニウムカチオンがより好ましく、第1級アミンが更に好ましい。アミド結合の場合は、第1級アミン、第2級アミンのいずれでもよいが、反応性の観点から、第1級アミンが好ましい。
ミン、ヘキセンアミン、ヘプテンアミン、オクテンアミン、ノネンアミン、デセンアミン、ドデセンアミンを用いることができる。環式飽和炭化水素基を有するアミンとしては、シクロプロパンアミン、シクロブチルアミン、シクロペンタンアミン、シクロヘキシルアミン、シクロヘプチルアミン、シクロオクチルアミン、シクロノニルアミン、シクロデシルアミン、シクロドデシルアミンを用いることができる。芳香族炭化水素基を有するアミンとしては、例えば、アニリン、4−ビフェニリルアミン、ジフェニルアミン、2−アミノナフタレン、p−テルフェニルアミン、2−アミノアントラセン、2-アミノアントラキノン、ベンジルアミン、フェネチルアミン、3−フェニルプロピルアミン、5−フェニルペンチルアミン、6−フェニルヘキシルアミン、7−フェニルヘプチルアミン、8−フェニルオクチルアミンを用いることができる。また、第4級アルキルアンモニウムカチオンとしては、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムクロライド、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、ジラウリルジメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、アルキルベンジルジメチルアンモニウムクロライドを用いることが出来る。
で表される化合物が挙げられる。
本発明の製造方法で得られる短繊維化された微細セルロース繊維や、これをさらに改質した微細セルロース繊維の好適な使用方法として、光硬化性組成物に配合する態様が挙げられる。例えば、光硬化性組成物は、A)光硬化性樹脂前駆体、並びにB)平均アスペクト比が好ましくは100以下であり、アニオン性基含有量が0.1mmol/g以上である微細セルロース繊維及び/又はその改質物を含有することに特徴を有する。なお、本明細書において、かかる組成物を本発明の樹脂組成物と記載することもある。
一方、従来、組成物の増粘性や分散安定性を調整するために、高分子材料が用いられている。しかしながら、従来の高分子材料を配合した硬化性樹脂組成物は、硬化時の収縮抑制において十分ではないものであった。そこで、本発明では、光硬化性樹脂前駆体を含有する系に、特定の微細セルロース繊維及び/又はその改質物を添加することで、硬化前組成物の粘性を低く保ちながら、硬化時の造形物の収縮を抑制させることができることを見出した。その詳細な理由は不明であるが、短繊維(低アスペクト比)の微細セルロース繊維が分散することで、樹脂中での分散性が向上して粘性の調整が容易となり、また、当該微細セルロース繊維は繊維同士が絡まり合い強度を発現するため硬化時の収縮を抑制させることが可能になると推定される。なお、本明細書において、「硬化時の収縮抑制」は後述の「反り係数」により評価される特性のことを意味する。
本発明における光硬化性樹脂前駆体は、紫外線や電子線等の活性エネルギー線照射により、必要により光重合開始剤を用いて、重合反応が進行するものであれば特に限定はない。例えば、単量体(単官能単量体、多官能単量体)、反応性不飽和基を有するオリゴマー又は樹脂等を用いることができる。
本発明の光造形物の製造方法は、本発明の光硬化性組成物を光造形装置に用いるのであれば特に限定はない。光造形装置としては公知のものを用いることができ、その装置の仕様に応じて本発明の光硬化性組成物を適用し、当該技術分野に従って光を照射して本発明の光硬化性組成物を硬化させることで、光造形物を調製することができる。照射できる光としては、紫外線、電子線、X線、放射線、高周波などを用いることができる。なお、光硬化性組成物の適用及び光照射による硬化は繰り返し行うことができる。
本発明はまた、本発明の光硬化性組成物の光造形物を提供する。本発明の製造方法で得られた本発明の光硬化性組成物の光造形物は、造形精度に優れることから、前記した光硬化性組成物で挙げられた各種用途に好適に用いることができる。
<2> アニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程を含む、アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長を好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下、さらに好ましくは40%以下、さらに好ましくは30%以下とする短繊維化アニオン変性セルロース繊維の製造方法。
<3> アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長が700μm以上であり、そして、10000μm以下、好ましくは5000μm以下、より好ましくは3000μm以下である、<1>又は<2>記載の製造方法。
<4> 短繊維化アニオン変性セルロースの平均繊維長が1μm以上500μm以下である、<2>又は<3>記載の製造方法。
<5> 糖鎖切断工程における温度が好ましくは60℃以上220℃以下であり、より好ましくは60℃以上200℃以下であり、より好ましくは70℃以上170℃以下、より好ましくは70℃以上110℃以下、より好ましくは80℃以上110℃以下、より好ましくは80℃超110℃以下、より好ましくは85℃以上110℃以下である、<1>〜<4>いずれか記載の製造方法。
<6> 糖鎖切断工程における時間が好ましくは4時間以上100時間以下、より好ましくは4時間以上50時間以下、更に好ましくは4時間以上36時間以下である、<1>〜<5>いずれか記載の製造方法。
<7> 糖鎖切断工程における圧力が好ましくは0.02MPa以上0.25MPa以下、より好ましくは0.04MPa以上0.20MPa以下、更に好ましくは0.08MPa以上0.12MPa以下である、<1>〜<6>いずれか記載の製造方法。
<8> 糖鎖切断工程における温度が70℃以上170℃以下であり、時間が4時間以上50時間以下であり、圧力が0.02MPa以上0.25MPa以下である、<1>〜<7>いずれか記載の製造方法。
<9> 糖鎖切断工程における温度が80℃以上110℃以下であり、時間が4時間以上50時間以下であり、圧力が0.04MPa以上0.20MPa以下である、<1>〜<8>いずれか記載の製造方法。
<10> 糖鎖切断工程における温度が80℃超110℃以下であり、時間が4時間以上36時間以下であり、圧力が0.04MPa以上0.20MPa以下である、<1>〜<9>いずれか記載の製造方法。
<11> アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基の量が好ましくは0.2mmol/g以上3.0mmol/g以下であり、より好ましくは0.4mmol/g以上2.7mmol/g以下であり、より好ましくは0.4mmol/g以上2.5mmol/g以下である、<1>〜<10>いずれか記載の製造方法。
<12> アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基がカルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基であり、より好ましくはカルボキシル基である、<1>〜<11>いずれか記載の製造方法。
<13> 糖鎖切断工程を、実質的に酸、アルカリ、酵素を含まない条件下で行う、<1>〜<12>いずれか記載の製造方法。
<14> 糖鎖切断工程における酸、アルカリ、酵素の含有量が、それぞれ0.01質量%以下である、<1>〜<13>いずれか記載の製造方法。
<15> 糖鎖切断工程を溶媒中で行い、該工程における処理液中のアニオン変性セルロース繊維の含有量が0.1質量%以上80質量%以下である、<1>〜<14>いずれか記載の製造方法。
<16> 溶媒が水を含む溶媒である、<1>〜<15>いずれか記載の製造方法。
<17> <1>〜<16>のいずれか記載の製造方法によって製造された短繊維化アニオン変性セルロース繊維に修飾基を導入する工程を含む、改質セルロース繊維の製造方法。
<18> 前記修飾基がエチレンオキサイド/プロピレンオキサイド(EO/PO)共重合部である、<17>に記載の製造方法。
<19> 前記修飾基を導入する工程で、修飾用の化合物として、第1級アミン、第2級アミン、第3級アミン、第4級アンモニウム化合物又はホスホニウム化合物、好ましくは第1級アミンを用いる、<17>又は<18>記載の製造方法。
<20> 前記修飾用の化合物が、エチレンオキサイド/プロピレンオキサイド(EO/PO)共重合部を有する、<17>〜<19>いずれか記載の製造方法。
<21> <1>〜<16>のいずれか記載の製造方法によって製造された短繊維化アニオン変性セルロース繊維、又は<17>〜<20>いずれか記載の製造方法によって製造された改質セルロース繊維を微細化処理する工程を含む、平均繊維長が50nm以上300nm以下である微細セルロース繊維の製造方法。
<22> 平均繊維長が400nm以上2000nm以下のアニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程を含む、平均繊維長が50nm以上300nm以下である微細セルロース繊維の製造方法。
<23> 温度条件が70℃以上170℃以下であり、処理時間が4時間以上50時間以下であり、処理圧力が0.02MPa以上0.25MPa以下である、<22>記載の製造方法。
<24> 温度条件が80℃以上110℃以下であり、処理時間が4時間以上50時間以下であり、処理圧力が0.04MPa以上0.20MPa以下である、<22>又は<23>記載の製造方法。
<25> 温度条件が80℃超110℃以下であり、処理時間が4時間以上36時間以下であり、処理圧力が0.04MPa以上0.20MPa以下である<22>〜<24>いずれか記載の製造方法。
<26> <22>〜<25>のいずれか記載の製造方法によって製造された微細セルロース繊維に修飾基を導入する工程を含む、改質セルロース繊維の製造方法。
<27> 前記修飾基がエチレンオキサイド/プロピレンオキサイド(EO/PO)共重合部である、<26>に記載の製造方法。
<28> 前記修飾基を導入する工程で、修飾用の化合物として、第1級アミン、第2級アミン、第3級アミン、第4級アンモニウム化合物又はホスホニウム化合物、好ましくは第1級アミンを用いる、<26>又は<27>記載の製造方法。
<29> 前記修飾用の化合物が、エチレンオキサイド/プロピレンオキサイド(EO/PO)共重合部を有する、<26>〜<28>いずれか記載の製造方法。
<30> <17>〜<20>、<26>〜<29>いずれか記載の方法により得られる改質セルロース繊維を含有する、光硬化性組成物。
<31> <21>〜<25>いずれか記載の方法により得られる微細セルロース繊維を含有する、光硬化性組成物。
<32> (A)<17>〜<20>、<26>〜<29>いずれか記載の方法により得られる改質セルロース繊維及び(B)単量体及び反応性不飽和基を有するオリゴマー又は樹脂から選ばれる1種以上を含有する、組成物。
<33> (C)<21>〜<25>いずれか記載の方法により得られる微細セルロース繊維及び(B)単量体及び反応性不飽和基を有するオリゴマー又は樹脂から選ばれる1種以上を含有する、組成物。
<34> (B)が(メタ)アクリル単量体、ビニル系単量体、架橋環式炭化水素基を有する(メタ)アクリレート、架橋環式炭化水素基を有するジ(メタ)アクリレートから選ばれる1種以上である、<32>又は<33>記載の組成物。
<35> (B)がメタクリル酸系化合物及びアクリル酸系化合物から選ばれる1種以上である、<32>〜<34>いずれか記載の組成物。
<36> (B)が(メタ)アクリル系樹脂及びエポキシ系樹脂から選ばれる1種以上である、<32>〜<35>いずれか記載の組成物。
<37> <30>又は<31>に記載の光硬化性組成物又は<32>〜<36>いずれか記載の組成物を光造形装置に用いる、造形物の製造方法。
<38> <37>に記載の製造方法により得られる、光造形物。
<39> <30>又は<31>に記載の光硬化性組成物、<32>〜<36>いずれか記載の組成物又は<38>の製造方法により得られる光造形物の、三次元造形用への使用。
測定対象のセルロース繊維にイオン交換水を加えて、その含有量が0.01質量%の分散液を調製する。該分散液を湿式分散タイプ画像解析粒度分布計(ジャスコインターナショナル社製、商品名:IF−3200)を用いて、フロントレンズ:2倍、テレセントリックズームレンズ:1倍、画像分解能:11.185μm/ピクセル、シリンジ内径:6515μm、スペーサー厚み:1000μm、画像認識モード:ゴースト、閾値:8、分析サンプル量:1mL、サンプリング:15%の条件で測定する。セルロース繊維を10000本以上測定し、それらの平均ISO繊維径を平均繊維径をとして、平均ISO繊維長を平均繊維長として算出する。
乾燥質量0.5gの、測定対象のセルロース繊維を100mLビーカーにとり、イオン交換水又はメタノール/水=2/1の混合溶媒を加えて全体で55mLとし、そこに0.01M塩化ナトリウム水溶液5mLを加えて分散液を調製する。セルロース繊維が十分に分散するまで該分散液を攪拌する。この分散液に0.1M塩酸を加えてpHを2.5〜3に調整し、自動滴定装置(東亜ディーケーケー社製、商品名:AUT−701)を用い、0.05M水酸化ナトリウム水溶液を待ち時間60秒の条件で該分散液に滴下し、1分ごとの電導度及びpHの値を測定する。pH11程度になるまで測定を続け、電導度曲線を得る。この電導度曲線から、水酸化ナトリウム滴定量を求め、次式により、測定対象のセルロース繊維のアニオン性基含有量を算出する。
アニオン性基含有量(mmol/g)=水酸化ナトリウム滴定量×水酸化ナトリウム水溶液濃度(0.05M)/測定対象のセルロース繊維の質量(0.5g)
ハロゲン水分計(島津製作所社製、商品名:MOC−120H)を用いて行う。サンプル1gに対して150℃恒温で30秒ごとの測定を行い、質量減少が0.1%以下となった値を固形分含有量とする。
短繊維化アニオン変性セルロース繊維の結晶構造は、X線回折計(リガク社製、「RigakuRINT 2500VC X−RAY diffractometer」)を用いて以下の条件で測定することにより確認する。
測定条件は、X線源:Cu/Kα−radiation、管電圧:40kv、管電流:120mA、測定範囲:回折角2θ=5〜45°、X線のスキャンスピード:10°/minとする。測定用サンプルは面積320mm2×厚さ1mmのペレットを圧縮し作製する。また、セルロースI型結晶構造の結晶化度は得られたX線回折強度を、以下の式(A)に基づいて算出する。
セルロースI型結晶化度(%)=[(I22.6−I18.5)/I22.6]×100 (A)
〔式中、I22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す〕
なお、本明細書において、平均アスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)は、原子間力顕微鏡(AFM、Nanoscope III Tapping mode AFM、Digital instrument社製、プローブはナノセンサーズ社製Point Probe (NCH)を使用)を用いて微細セルロース繊維の平均繊維長と平均繊維径との比から測定した。
ポリイミドフィルム上で光硬化性樹脂は紫外線照射によって硬化させると、その造形物(フィルム)は反りを生じる。その反りの程度を数値化するために、反った方向に1×5cmの短冊状の試験片をハサミで切り取り、サンプルの左端から1cmのところまで、テープにより水平面に固定して、反りが生じたフィルムの高さ(A)と、その右端を垂直に降ろしてきた地点と固定端(サンプルの左端から1cm)との距離(B)から求めた(図1)。
反り係数=A/B
測定は3点の試験片を用いて行い、その平均値を求めた。このとき、反り係数が小さいほど、硬化時の収縮が抑制され、高い造形精度の光硬化性樹脂となる。
調製例1(広葉樹の酸化パルプ)
ユーカリ由来の広葉樹漂白クラフトパルプ(CENIBRA社製)を天然セルロース繊維として用いた。TEMPOとしては、市販品(ALDRICH社製、Free radical、98質量%)を用いた。次亜塩素酸ナトリウムとしては、市販品(和光純薬工業社製)を用いた。臭化ナトリウムとしては、市販品(和光純薬工業社製)を用いた。
調製例1で得られた酸化セルロース10g(絶乾)を490gのイオン交換水で十分に攪拌した後、2M水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH10とした。その後、水素化ホウ素ナトリウム2gを添加して3時間撹拌した後、1M塩酸を加えてpHを3とした。得られた酸化セルロース繊維をイオン交換水で十分に洗浄し、次いで脱水処理を行い、固形分27.6%の還元処理済み酸化セルロース繊維を得た。この酸化セルロース繊維の平均繊維径は50μm、平均繊維長は844μm、カルボキシ基含有量は1.0mmol/gであった。
使用する次亜塩素酸ナトリウムの量を38.9g、反応時間を120分とした以外は調製例1と同様の方法で固形分19.6%の酸化セルロース繊維を得た。この酸化セルロース繊維の平均繊維径は60μm、平均繊維長は808μm、カルボキシ基含有量は1.6mmol/gであった。
針葉樹の漂白クラフトパルプ(ウエストフレザー社製、商品名:ヒントン)を天然セルロース繊維として用いた。TEMPOとしては、市販品(ALDRICH社製、Free radical、98質量%)を用いた。次亜塩素酸ナトリウム及び臭化ナトリウムは市販品を用いた。
まず、前記漂白クラフトパルプ繊維100gを9900gのイオン交換水で十分に撹拌した後、該パルプ繊維100gに対し、TEMPO1.6g、臭化ナトリウム10g、次亜塩素酸ナトリウム28.4gをこの順で添加した。自動滴定装置(東亜ディーケーケー社製、商品名:AUT−701)でpHスタット滴定を用い、0.5M水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHを10.5に保持した。反応を20℃で120分間行った。水酸化ナトリウム水溶液の滴下を停止し、得られたケークをイオン交換水を用いて十分に洗浄し、次いで脱水処理を行い、固形分含有量34.6質量%の酸化パルプを得た。
こうして得られた酸化パルプ1.04gとイオン交換水34.8gを混合し、高圧ホモジナイザーを用いて150MPaで酸化パルプの微細化処理を10回行い、アニオン性基としてカルボキシ基を含有した、Na塩型のアニオン変性セルロース繊維の分散液(固形分含有量:1.0質量%)を製造した。この微細化アニオン変性セルロース繊維の平均繊維径は2.7nm、平均繊維長は594nm、カルボキシ基含有量は1.6mmol/gであった。
〔短繊維化アニオン変性セルロース繊維の調製〕
マグネティックスターラー、攪拌子を備えたバイアル瓶に、調製例1で得られたアニオン変性セルロース繊維を絶乾質量で0.72g仕込み、処理液の質量が36gとなるまで、イオン交換水を添加した。この処理液のpHは3.9であった。処理液を常圧下、90℃で6時間反応させることで、短繊維化アニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。この短繊維化アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長は249μm、平均繊維径は37μmであった。また、この短繊維化アニオン変性セルロース繊維のセルロースI型結晶化度は77%であった。
調製例2および調製例3で得られたアニオン変性セルロース繊維を用いたこと以外は実施例1と同様の方法で、短繊維化アニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。
表1に記載の条件とした以外は実施例1と同様の方法で、短繊維化アニオン変性セルロース繊維の水懸濁液(実施例8ではDMF懸濁液)を得た。実施例4における熱分解処理前後のセルロース繊維の状態を示す光学顕微鏡写真を図2に示す。図2中における左図が熱分解処理前を示し、右図が熱分解処理後を示す。右図より、熱分解処理後のセルロース繊維が互いに凝集することなく繊維状態を維持したまま短繊維化したことが分かる。
調製例1で得られたアニオン変性セルロース繊維を凍結乾燥して用いて、溶媒を使用しなかったこと以外は実施例4〜6と同様の方法で、短繊維化アニオン変性セルロース繊維を得た。
調製例1においてカウンターイオンをプロトンへと変換せず、ナトリウムイオンのままのアニオン変性セルロース繊維を用いたこと以外は実施例4と同様の方法で、短繊維化アニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。この時の処理液のpHは7.0であった。
〔短繊維化微細アニオン変性セルロース繊維の調製〕
マグネティックスターラー、攪拌子を備えたバイアル瓶に、調製例4で得られた微細アニオン変性セルロース繊維を絶乾質量で0.05g仕込み、この処理液のpHは8.6であった。処理液を90℃で24時間反応させることで、短繊維化微細アニオン変性セルロース繊維の水分散液を得た。この短繊維化微細アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長は2.1nm、平均繊維径は166nmであった。また、この短繊維化微細アニオン変性セルロース繊維のセルロースI型結晶化度は77%であった。
アニオン変性セルロース繊維に代えて、広葉樹の漂白クラフトパルプ(CENIBRA社製)を用いた以外は実施例1と同様の方法で、セルロース繊維の水懸濁液を得た。この処理液のpHは、7.1であった。
一方、比較例1に示すように、短繊維化対象のセルロース繊維として、アニオン性基を含有しないものでは、十分に短繊維化が進行しないことが分かった。
針葉樹の漂白クラフトパルプ(フレッチャー チャレンジ カナダ社製、商品名「Machenzie」、CSF650ml)を天然セルロース繊維として用いた。TEMPOとしては、市販品(ALDRICH社製、Free radical、98質量%)を用いた。次亜塩素酸ナトリウムとしては、市販品(和光純薬工業社製)を用いた。臭化ナトリウムとしては、市販品(和光純薬工業社製)を用いた。
マグネティックスターラー、攪拌子を備えたバイアル瓶に、得られたカルボキシ基含有セルロース繊維を絶乾質量で0.72g仕込み、処理液の質量が36gとなるまで、イオン交換水を添加した。処理液を95℃で24時間反応させることで、調製例1の短繊維化カルボキシ基含有セルロース繊維の水懸濁液を得た。この短繊維化カルボキシル基含有セルロース繊維の微細化後の平均アスペクト比は37であった。また、この短繊維化カルボキシ基含有セルロース繊維のセルロースI型結晶化度は77%であった。
次亜塩素酸ナトリウムを28.4gとした以外は調製例1と同じ条件で酸化反応を行い、酸化パルプを得た。得られた酸化パルプ10g(絶乾)を490gのイオン交換水で十分に攪拌した後、2M水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH10とした。その後、水素化ホウ素ナトリウム2gを添加して3時間撹拌した後、1M塩酸を加えてpHを3とした。得られた酸化セルロース繊維をイオン交換水で十分に洗浄し、次いで脱水処理を行い、固形分27.6%の還元処理済み酸化セルロース繊維を得た。この酸化セルロース繊維のカルボキシ基含有量は1.6mmol/gであった。また微細化後の平均アスペクト比は235であった。
(溶媒置換)
調製例5で得られた短繊維化カルボキシ基含有セルロース繊維水分散液とエタノールを遠沈管中で混合させ撹拌した。このときカルボキシ基含有セルロース繊維水分散液は乾燥重量で0.5gとなるようにした。十分に撹拌した後、遠心分離(日立製作所社製、High−Speed Refrigerated Centrifuge CR22N)を10000rpm、1分間行い、カルボキシ基含有セルロース繊維を沈降させた。上澄みを除去後、再度エタノールを遠沈管に投入し、カルボキシ基含有セルロース繊維とエタノールを十分混合させ、遠心分離を前記条件で実施した。この操作をこの後、3回繰り返し、カルボキシ基含有セルロース繊維エタノール分散液を得た。
マグネティックスターラー、攪拌子を備えたビーカーに、前記カルボキシ基含有微細セルロース繊維エタノール分散液4.05g(固形分濃度12.4質量%)を仕込んだ。続いて、Jeffamine M−2070(HUNTSMAN社製、EO/PO(モル比)32/10、分子量2000)を1.16g添加し、室温で24時間撹拌し、カルボキシ含有セルロース繊維にアミンがイオン結合を介してEOPO基が連結したセルロース繊維複合体エタノール分散液を得た。
製造例1と同様に、調製例6で得られたカルボキシ基含有セルロース繊維水分散液についてエタノールに溶媒置換を行った。続いて、マグネティックスターラー、攪拌子を備えたビーカーに、前記カルボキシ基含有微細セルロース繊維エタノール分散液5.8g(固形分濃度3.8質量%)を仕込んだ。続いて、Jeffamine M−2070(HUNTSMAN社製、EO/PO(モル比)32/10、分子量2000)を0.59g添加し、室温で24時間撹拌し、カルボキシ基含有セルロース繊維にアミンがイオン結合を介してEOPO基が連結したセルロース繊維複合体エタノール分散液を得た。
<微細化処理と単量体分散液の調製>
製造例5で得られたセルロース繊維複合体エタノール分散液にイソボルニルアクリレートを22.3g添加し、混合した。この混合液を高圧ホモジナイザー(スギノマシン社製、スターバーストラボ HJP−2 5005)を用いて150MPaで微細化処理を5回行い、微細セルロース繊維複合体の分散液を得た。続いて、前記分散液をエバポレーターで60℃減圧条件下、2時間かけてエタノールを留去した。得られた分散液は、130℃、200〜300Paの条件下、1時間乾燥させて濃度を求めたところ、微細セルロース繊維複合体の含有量(換算量)で2.0質量%であった。
<光硬化性樹脂の製造>
光硬化性樹脂前駆体として、AR−M2 (キーエンス社製、アクリル系樹脂組成物前駆体)5.0g(100質量部)、前記微細セルロース繊維複合体分散液(微細セルロース繊維複合体含有量(換算量)=2.0質量%)を5.0g、アクリル酸イソボルニル(IBXA) 0.5gを添加し、撹拌混合し、透明な光硬化性組成物を得た。なお、粘度は東機産業製の粘度計(ViscometerTV−35)及び温調ユニット(ViscomateVM−150III)を用い、測定温度25℃、測定時間1分、回転数1rpmの条件で分析を行った。
得られた光硬化性組成物をガラス板上に四隅をテープにて固定したポリイミドフィルム上に厚さ約0.4mmの間隙でバーコーターを用いて均一に塗布した後、UV照射装置(アイグラフィックス株式会社製、EYE INVERTOR GRANDAGE(4kW))を用いベルトスピード60cm/min、照射強度100mW/cm2、照射量7000mJ/cm2の条件で樹脂を硬化させることで、微細セルロース繊維複合体を0.9質量部(換算量)含むアクリル樹脂組成物の光造形物を得た。
<微細化処理と単量体分散液の調製>
製造例6で得られたセルロース繊維複合体エタノール分散液にイソボルニルアクリレートを37.7g添加し、混合した。この混合液をエバポレーターで60℃減圧条件下、2時間かけてエタノールを留去した。続いて、高圧ホモジナイザー(スギノマシン社製、スターバーストラボ HJP−2 5005)を用いて150MPaで微細化処理を5回行い、ゲル状の微細セルロース繊維分散液を得た。得られた微細セルロース分散液は、130℃、200〜300Paの条件下、1時間乾燥させて濃度を求めたところ、微細セルロース繊維複合体の含有量(換算量)で0.5質量%であった。しかしながら、ゲル状体で低粘度化が達成されなかったため、これ以降の光硬化性樹脂の製造は行わなかった。
微細セルロース繊維複合体を使用しなかった以外は実施例12と同様の方法で光硬化性組成物及び該組成物の光造形物を製造し、粘度及び反り係数を求めた。光硬化性組成物の組成及び粘度、反り係数は表2にまとめた。
Claims (15)
- アニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程を含む、平均繊維長が1μm以上500μm以下である短繊維化アニオン変性セルロース繊維の製造方法であって、アニオン変性セルロース繊維の平均繊維長が700μm以上10000μm以下である製造方法。
- アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基の量が0.2mmol/g以上である、請求項1に記載の製造方法。
- アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基がカルボキシ基である、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 糖鎖切断工程を溶媒中で行い、該工程における処理液中のアニオン変性セルロース繊維の含有量が0.1質量%以上80質量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 溶媒が水を含む溶媒であり、60℃以上110℃以下の温度条件下で糖鎖切断工程を行う、請求項4に記載の製造方法。
- 糖鎖切断工程を、実質的に酸、アルカリ、酵素を含まない条件下で行う、請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法によって製造された短繊維化アニオン変性セルロース繊維に修飾基を導入する工程を含む、改質セルロース繊維の製造方法。
- 前記修飾基がエチレンオキサイド/プロピレンオキサイド(EO/PO)共重合部である、請求項7に記載の改質セルロース繊維の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法によって製造された短繊維化アニオン変性セルロース繊維、又は請求項7若しくは8に記載の製造方法によって製造された改質セルロース繊維を微細化処理する工程を含む、平均繊維長が50nm以上300nm以下である微細セルロース繊維の製造方法。
- 平均繊維長が400nm以上2000nm以下のアニオン変性セルロース繊維を、50℃以上230℃以下の温度条件下で熱分解により糖鎖を切断する工程を含む、平均繊維長が50nm以上300nm以下である微細セルロース繊維の製造方法。
- 常圧で、80℃以上100℃以下の温度条件下で糖鎖切断工程を行う、請求項10に記載の製造方法。
- 請求項7又は8に記載の方法により得られる改質セルロース繊維を含有する、光硬化性組成物。
- 請求項9〜11のいずれか1項に記載の方法により得られる微細セルロース繊維を含有する、光硬化性組成物。
- 請求項12又は13に記載の光硬化性組成物を光造形装置に用いる、光造形物の製造方法。
- 請求項14に記載の製造方法により得られる、光造形物。
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