WO2020090711A1 - 繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法 - Google Patents

繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法 Download PDF

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WO2020090711A1
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microfiber
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一紘 松末
優 落合
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    • C08K2201/002Physical properties
    • C08K2201/004Additives being defined by their length

Definitions

  • the present invention relates to a fibrous cellulose composite resin and a method for producing the same.
  • cellulose nanofibers irreversibly aggregate due to intermolecular hydrogen bonds derived from the hydroxyl groups of polysaccharides. Therefore, even if the cellulose nanofibers are used as a reinforcing material for the resin, the reinforcing effect of the resin is not sufficiently exerted due to the poor dispersibility of the cellulose nanofibers in the resin.
  • Patent Document 1 proposes a polyolefin resin composition characterized by containing a terpene phenolic compound as a compatibilizing agent for a resin mixture composed of cellulose nanofibers having an average thickness of 10 to 200 nm and a polyolefin resin. is doing.
  • the dispersibility of the cellulose nanofibers is improved when the terpene phenol is contained (see, for example, paragraph 0038).
  • the dispersibility of the cellulose nanofibers is sufficiently improved.
  • compatibilizers to replace terpene phenols are also expected.
  • Patent Document 2 proposes a method of esterifying cellulose with a base catalyst or an acid catalyst and a dibasic carboxylic acid anhydride to obtain cellulose fine fibers.
  • a fluorene compound is introduced into the obtained cellulose fine fiber, the affinity with an organic medium such as a resin can be improved.
  • the method of the same document uses a base catalyst or an acid catalyst, and the reaction conditions become harsh, which causes a problem of coloring the cellulose fibers.
  • Patent Document 3 proposes a resin composition in which cellulose fibers having an average fiber diameter of 4 to 400 nm are combined with a modified olefin polymer.
  • Patent Document 4 discloses a composition containing a polymer compound having a primary amino group, a polymer compound modified with maleic anhydride, nano-level microfibrillated plant fibers, and a polyolefin. is suggesting.
  • Patent Document 5 proposes a resin composition containing an alkyl or alkenyl succinic anhydride esterified modified microfibrillated vegetable fiber that has been disentangled to a nano level, a thermoplastic resin, and an inorganic salt. ..
  • the dispersibility of the cellulose fibers is not sufficient by any of the above methods, the cellulose fibers do not form a three-dimensional network, and the reinforcing effect of the resin is not sufficient.
  • the main problem to be solved by the present invention is to provide a fibrous cellulose composite resin having excellent strength, especially flexural modulus, and having no coloring problem, and a method for producing the same.
  • the present inventors have performed various treatments on cellulose nanofibers and searched for a kneading method of cellulose nanofibers and resin. That is, as in the above Patent Documents 1 to 5, assuming the use of cellulose nanofibers, various materials mixed with cellulose nanofibers were repeatedly improved, and various modifications of cellulose nanofibers were tried.
  • the cellulose nanofiber is not sufficiently dispersible in the resin even if it is hydrophobically modified, it is difficult to form a three-dimensional network of the cellulose nanofiber in the resin, and a resin composition having sufficient strength could not be obtained and a sufficient reinforcing effect of the resin could not be obtained.
  • the present invention has led to the idea of a fibrous cellulose composite resin in which the dispersibility of the fibrous cellulose is further improved, the strength of the resin is improved, and the coloring problem is solved, and a method for producing the same. It was Specifically, it is the means shown below.
  • the average fiber diameter of the microfibrillated plant fibers is preferably 4 nm to 50 ⁇ m”.
  • the document assumes cellulose nanofibers, it is unlikely that microfiber cellulose is assumed, and if the average fiber diameter is 4 nm to 50 ⁇ m, the range is too large. Since it is wide, it was difficult not only for the present inventors to derive the fact that the microfiber cellulose is suitable from this description alone.
  • microfiber cellulose has an average fiber length of 0.02 to 3.0 mm and a fibrillation rate of 1.0 to 30%.
  • the polybasic acid salt is at least one of phthalates and derivatives of phthalates,
  • the phthalates are at least one selected from potassium hydrogen phthalate, sodium hydrogen phthalate, sodium phthalate, and ammonium phthalate.
  • Microfiber cellulose is defibrated by defibrating the raw material fibers within a range where the average fiber width is 0.1 ⁇ m or more, Kneading this microfiber cellulose and resin, and polybasic acid salts,
  • a method for producing a fibrous cellulose composite resin comprising:
  • the ratio of the maleic anhydride-modified polypropylene to 100 parts by mass of the microfiber cellulose is 0.1 to 1000 parts by mass.
  • microfiber cellulose is modified by any one of the polybasic acid, the polybasic acid derivative, and the polybasic acid salt derivative.
  • the polybasic acid is phthalic acid, and the polybasic acid salts are phthalates.
  • a fibrous cellulose composite resin having excellent strength, particularly bending elastic modulus, and having no coloring problem, and a method for producing the same.
  • the present embodiment is an example of the present invention.
  • the scope of the present invention is not limited to the scope of this embodiment.
  • the fibrous cellulose composite resin of this embodiment contains microfiber cellulose and resin having an average fiber width of 0.1 ⁇ m or more, and polybasic acid salts. Further, in obtaining this fibrous cellulose composite resin, the raw material fibers are defibrated into microfiber cellulose having an average fiber width of 0.1 ⁇ m or more, and the microfiber cellulose and the resin, and polybasic acid salts are kneaded, A fibrous cellulose composite resin containing the polybasic acid salt is obtained.
  • the fibrous cellulose composite resin of the present embodiment contains maleic anhydride modified polypropylene (MAPP). More preferably, it contains at least one or more additives selected from polybasic acids, derivatives of polybasic acids, and derivatives of polybasic acid salts. Particularly preferably, at least one second additive selected from the group consisting of ethylene glycol, ethylene glycol derivatives, ethylene glycol polymers, and ethylene glycol polymer derivatives is included. Further, in obtaining the fibrous cellulose composite resin, for example, the raw material fibers are defibrated to obtain microfiber cellulose having an average fiber width of 0.1 ⁇ m or more, and the microfiber cellulose and the resin, and maleic anhydride modified polypropylene and the above additions. The agent and the like are kneaded to obtain a fibrous cellulose composite resin containing maleic anhydride-modified polypropylene. Hereinafter, they will be described in order.
  • MAPP maleic anhydride modified polypropylene
  • Microfiber cellulose can be obtained by refining (defibrating) raw material fibers (pulp fibers).
  • the raw material fiber one kind or two or more kinds can be selected and used from fiber of plant origin, fiber of animal origin, fiber of microbial origin and the like.
  • pulp fibers which are plant fibers.
  • the raw material fiber is pulp fiber, it is inexpensive and the problem of thermal recycling can be avoided.
  • Fibers derived from plants include wood pulp made from hardwood, softwood, etc., non-wood pulp made from straw, bagasse, etc., recovered paper, and used paper pulp (DIP) made from spoiled paper, etc. 1
  • DIP used paper pulp
  • wood pulp one or more kinds are selected from chemical pulp such as hardwood kraft pulp (LKP) and softwood kraft pulp (NKP), mechanical pulp (TMP), and waste paper pulp (DIP). You can These pulps are pulps used for papermaking applications, and by using these pulps, existing facilities can be effectively utilized.
  • LRP hardwood kraft pulp
  • NBP softwood kraft pulp
  • TMP mechanical pulp
  • DIP waste paper pulp
  • Hardwood kraft pulp may be bleached hardwood kraft pulp, unbleached hardwood kraft pulp, or semi-bleached hardwood kraft pulp.
  • the softwood kraft pulp may be bleached softwood kraft pulp, unbleached softwood kraft pulp, or semi-bleached softwood kraft pulp.
  • the used paper pulp may be used as magazine waste paper pulp (MDIP), newspaper waste paper pulp (NDIP), step waste paper pulp (WP), or other waste paper pulp. Good.
  • mechanical pulp for example, stone ground pulp (SGP), pressure stone ground pulp (PGW), refiner ground pulp (RGP), chemi ground pulp (CGP), thermo ground pulp (TGP), ground pulp (GP). ), Thermo-mechanical pulp (TMP), chemi-thermo-mechanical pulp (CTMP), refiner mechanical pulp (RMP), bleached thermo-mechanical pulp (BTMP), etc., and 1 type (s) or 2 or more types can be selected and used. ..
  • the raw fiber is preferably pretreated by a chemical method.
  • pretreatment process The raw fiber is preferably pretreated by a chemical method.
  • the number of micronization processes can be significantly reduced, and the energy of the micronization process can be significantly reduced.
  • Pretreatment by chemical methods includes hydrolysis of polysaccharides with acid (acid treatment), hydrolysis of polysaccharides with enzymes (enzyme treatment), swelling of polysaccharides with alkali (alkali treatment), and oxidation of polysaccharides with oxidizing agents (oxidation treatment). ), Reduction of polysaccharide with a reducing agent (reduction treatment), and the like.
  • an organic alkali such as sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, aqueous ammonia solution, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide or the like is used.
  • sodium hydroxide is preferably used from the viewpoint of production cost.
  • the water retention of the microfiber cellulose can be lowered, the crystallinity can be increased, and the homogeneity can be increased.
  • the lower the water retention of the microfiber cellulose is the more the dispersibility in the resin is improved, and the higher the homogeneity of the microfiber cellulose is, the less the defect that causes the destruction of the resin composition is reduced, and the ductility of the resin is consequently reduced. It is considered that a composite resin having a high strength capable of holding the resin can be obtained.
  • the enzyme treatment, acid treatment, and oxidation treatment the amorphous regions of hemicellulose and cellulose possessed by the pulp are decomposed, and as a result, the energy of the refining treatment can be reduced, and the homogeneity and dispersibility of the fiber are improved. be able to.
  • the ratio of the cellulose crystal region, which is considered to have rigidity and low water retention, in which the molecular chains are aligned to the entire fiber is increased, the dispersibility is improved and the aspect ratio is decreased, but the ductility is maintained. Meanwhile, a composite resin having high mechanical strength can be obtained.
  • an enzyme treatment it is preferable to carry out an enzyme treatment, and it is more preferable to carry out one or more treatments selected from an acid treatment, an alkali treatment and an oxidation treatment.
  • an acid treatment it is more preferable to carry out one or more treatments selected from an acid treatment, an alkali treatment and an oxidation treatment.
  • an alkali treatment will be described in detail.
  • an alkali treatment method for example, there is a method of immersing the raw material fiber in an alkaline solution.
  • the alkaline compound contained in the alkaline solution may be an inorganic alkaline compound or an organic alkaline compound.
  • Examples of the inorganic alkaline compound include hydroxides of alkali metals or alkaline earth metals, carbonates of alkali metals or alkaline earth metals, phosphorous acid salts of alkali metals or alkaline earth metals, and the like.
  • alkali metal hydroxides include lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like.
  • hydroxides of alkaline earth metals include calcium hydroxide and the like.
  • alkali metal carbonates include lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, and the like.
  • Examples of the alkaline earth metal carbonate include calcium carbonate and the like.
  • Examples of the alkali metal phosphorous acid salt include lithium phosphate, potassium phosphate, trisodium phosphate, disodium hydrogen phosphate, and the like.
  • alkaline earth metal phosphates include calcium phosphate, calcium hydrogen phosphate, and the like.
  • organic alkali compounds include ammonia, aliphatic amines, aromatic amines, aliphatic ammonium, aromatic ammonium, heterocyclic compounds and their hydroxides, carbonates, phosphates and the like.
  • Tetramethylammonium hydroxide Tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide, pyridine, N, N-dimethyl-4-aminopyridine, ammonium carbonate, ammonium hydrogencarbonate, Examples thereof include diammonium hydrogen phosphate and the like.
  • the solvent of the alkaline solution may be either water or an organic solvent, but is preferably a polar solvent (polar organic solvent such as water or alcohol), and more preferably an aqueous solvent containing at least water.
  • polar solvent polar organic solvent such as water or alcohol
  • the pH of the alkaline solution at 25 ° C. is preferably 9 or higher, more preferably 10 or higher, and particularly preferably 11-14.
  • the pH is 9 or higher, the yield of microfiber cellulose (MFC) is high.
  • the pH exceeds 14, the handleability of the alkaline solution deteriorates.
  • a beater for example, a beater, a high-pressure homogenizer, a homogenizer such as a high-pressure homogenizer, a grinder, a stone mill type friction machine such as a grinder, a single-screw kneader, a multi-screw kneader, a kneader refiner, and the like are used as raw material fibers.
  • a beater for example, a high-pressure homogenizer, a homogenizer such as a high-pressure homogenizer, a grinder, a stone mill type friction machine such as a grinder, a single-screw kneader, a multi-screw kneader, a kneader refiner, and the like are used as raw material fibers.
  • a beater for example, a beater, a high-pressure homogenizer, a homogenizer such as a high-pressure homogenizer, a grinder, a stone mill type friction
  • a refiner is a device that beats pulp fibers, and known devices can be used.
  • a conical type, a double disc refiner (DDR), and a single disc refiner (SDR) are preferable in that shearing force can be efficiently applied to the pulp fiber to advance preliminary defibration. ..
  • DDR double disc refiner
  • SDR single disc refiner
  • Microfiber cellulose is a fiber made of cellulose or a cellulose derivative. Ordinary microfiber cellulose has a strong hydration property, and hydrates in an aqueous medium to maintain a stable dispersed state (dispersed liquid state).
  • the single fiber constituting the microfiber cellulose may be in the form of a fiber in which a plurality of filaments are aggregated in an aqueous medium.
  • the micronization (defibration) treatment is preferably performed within a range in which the number average fiber diameter (fiber width. Average diameter of single fibers) of the microfiber cellulose is 0.1 ⁇ m or more, and the range is 0.1 to 15 ⁇ m. Is more preferable, and it is particularly preferable to carry out in the range of 0.1 to 9 ⁇ m.
  • the number average fiber diameter (width) is in the range of 0.1 ⁇ m or more, the dispersibility of the cellulose fibers is improved and the strength of the fibrous cellulose composite resin is improved.
  • the average fiber diameter is less than 0.1 ⁇ m, it will be no different from that of cellulose nanofibers, and the reinforcing effect (particularly bending elastic modulus) will not be sufficiently obtained. In addition, the time required for the miniaturization process becomes long and a large amount of energy is required, which leads to an increase in manufacturing cost. On the other hand, if the average fiber diameter exceeds 15 ⁇ m, the dispersibility of the fibers tends to be poor. If the dispersibility of the fibers is insufficient, the reinforcing effect tends to be poor.
  • the average fiber diameter is less than 0.1 ⁇ m
  • the fibrous cellulose when the fibrous cellulose is mixed with the polybasic acid salts or the maleic anhydride modified polypropylene in the state of an aqueous dispersion, the viscosity becomes too high and the mixture is stirred with a high share. Must be done, which is an energy disadvantage.
  • the fibrous cellulose may be broken or deteriorated.
  • the average fiber length (length of single fiber) of the microfiber cellulose is preferably 0.02 to 3.0 mm, more preferably 0.05 to 2.0 mm, and 0.1 to 1.5 mm. Is particularly preferable. If the average fiber length is less than 0.02 mm, a three-dimensional network of fibers cannot be formed, and the reinforcing effect may be significantly reduced.
  • the average fiber length can be arbitrarily adjusted by, for example, selecting raw material fibers, pretreatment, and defibration treatment.
  • the fibrillation rate of the microfiber cellulose is preferably 1.0% or more, more preferably 1.5% or more, and particularly preferably 2.0% or more. Further, the fibrillation rate of the microfiber cellulose is preferably 30.0% or less, more preferably 20.0% or less, and particularly preferably 15.0% or less.
  • the fibrillation rate exceeds 30.0%, the miniaturization progresses too much and it becomes nanofibers, so there is a possibility that the intended effect may not be obtained.
  • the fibrillation rate exceeds 30%, the viscosity becomes too high when the fibrous cellulose is mixed with the polybasic acid salts or the maleic anhydride-modified propylene in the state of an aqueous dispersion, and it is possible to stir it uniformly. It can be difficult. Nevertheless, if it is forcibly stirred, the fibrous cellulose may be broken or deteriorated.
  • the fibrillation rate is less than 1.0%, hydrogen bonds between fibrils are small, and a rigid three-dimensional network becomes insufficient.
  • the present inventors have conducted various tests that, when the fibrillation rate of the microfiber cellulose is 1.0% or more, the fibrils of the microfiber cellulose are hydrogen-bonded to each other to construct a stronger three-dimensional network. Found in the process.
  • the fiber length of the microfiber cellulose is preferably 12% or more, 0.2% or less, more preferably 16% or more, and particularly preferably 26% or more. If the ratio is less than 12%, a sufficient reinforcing effect may not be obtained.
  • the fiber length of the microfiber cellulose does not have an upper limit of 0.2 mm or less, and may be 0.2 mm or less.
  • the aspect ratio of the microfiber cellulose is preferably 2 to 5,000, more preferably 100 to 1,000, in order to improve the mechanical strength while maintaining the ductility of the resin to some extent.
  • Aspect ratio is the average fiber length divided by the average fiber width. It is considered that the larger the aspect ratio is, the more portions of the resin are caught, so that the reinforcing effect is improved. On the other hand, it is considered that the ductility of the resin is decreased due to the larger number of the caught portions. In addition, it has been found that when an inorganic filler is kneaded with a resin, the larger the aspect ratio of the filler is, the more the bending strength is improved, but the elongation is significantly reduced.
  • the crystallinity of the microfiber cellulose is preferably 50% or more, more preferably 55% or more, and particularly preferably 60% or more. When the crystallinity is less than 50%, the compatibility with the resin is improved, but the strength of the fiber itself is reduced, so that the reinforcing effect of the resin composition tends to be poor.
  • the crystallinity of the microfiber cellulose is preferably 90% or less, more preferably 88% or less, and particularly preferably 86% or less.
  • the crystallinity exceeds 90%, the ratio of strong hydrogen bonds in the molecule increases and the fiber itself becomes rigid, but the compatibility with the resin decreases and the reinforcing effect of the resin composition tends to be poor.
  • the crystallinity can be arbitrarily adjusted by, for example, selecting raw material fibers, pretreatment, and refining treatment.
  • the pulp viscosity of the microfiber cellulose is preferably 2 cps or more, more preferably 4 cps or more.
  • the pulp viscosity is less than 2 cps, when the microfiber cellulose is kneaded with the resin, the aggregation of the microfiber cellulose cannot be sufficiently suppressed, and the reinforcing effect of the resin composition tends to be poor.
  • the freeness of the microfiber cellulose is preferably 500 cc or less, more preferably 300 cc or less, particularly preferably 100 cc or less. If it exceeds 500 cc, the fiber width of the microfiber cellulose exceeds 15 ⁇ m, and the reinforcing effect is not sufficient.
  • the microfiber cellulose obtained by the micronization treatment can be once dispersed in an aqueous medium to obtain a dispersion liquid. It is particularly preferable that the entire amount of the water-based medium is water, but a water-based medium that is a part of another liquid having compatibility with water can also be preferably used. As the other liquid, lower alcohols having 3 or less carbon atoms can be used.
  • the solid content concentration of the dispersion liquid is preferably 1.0% by mass or more, more preferably 1.5% by mass or more, and particularly preferably 2.0% by mass or more. Further, the solid content concentration of the dispersion liquid is preferably 70% by mass or less, more preferably 60% by mass or less, and particularly preferably 50% by mass or less.
  • Microfiber cellulose may be dehydrated and dried prior to kneading with resin or the like. That is, the dehydration / drying treatment and the kneading treatment of the microfiber cellulose do not have to be performed together, and the microfiber cellulose may be dried at the same time when the kneading is performed. Further, the dehydration treatment and the drying treatment may be performed together or separately.
  • one type or two or more types are selected from a belt press, a screw press, a filter press, a twin roll, a twin wire former, a valveless filter, a center disk filter, a membrane treatment, a centrifuge and the like. Can be used.
  • drying treatment examples include rotary kiln drying, disc drying, airflow drying, medium fluidized drying, spray drying, drum drying, screw conveyor drying, paddle drying, uniaxial kneading drying, multiaxial kneading drying, vacuum drying, stirring drying. It is possible to select and use one kind or two or more kinds from the above.
  • a crushing process may be added after the dehydration / drying process.
  • the pulverization treatment for example, one kind or two or more kinds can be selected and used from a bead mill, a kneader, a disper, a twist mill, a cut mill, a hammer mill and the like.
  • the shape of dehydrated / dried microfiber cellulose can be powder, pellet, sheet or the like. However, a powder form is preferable.
  • the average particle diameter of the microfiber cellulose is preferably 1 to 10,000 ⁇ m, more preferably 10 to 5,000 ⁇ m, and particularly preferably 100 to 1,000 ⁇ m. If the average particle size exceeds 10,000 ⁇ m, the particle size may be too large to enter the kneading device. On the other hand, if the average particle size is less than 1 ⁇ m, the pulverization process requires energy, which is not economical.
  • the bulk specific gravity of the microfiber cellulose is preferably 0.01 to 1.5, more preferably 0.04 to 1, and particularly preferably 0.1 to 0.5.
  • a bulk specific gravity of more than 1.5 means that the specific gravity of cellulose exceeds 1.5, which is physically difficult to realize.
  • setting the bulk specific gravity to less than 0.01 is disadvantageous in terms of transfer cost.
  • the water content (water content) of the dehydrated / dried microfiber cellulose is preferably 0.1% or more, more preferably 1.0% or more, and particularly preferably 10.0% or more. If the water content of the microfiber cellulose to be kneaded with the polybasic acid salts is 0.1% or more, the modification of the cellulose fibers by the polybasic acid salts will not proceed and the resulting composite resin may contain the polybasic acid salts. Become. Further, when an additive such as polybasic acid or polybasic acid salt is added, if the water content of the microfiber cellulose is 0.1% or more, the modification of the cellulose fiber due to the above additive does not proceed and the obtained composite is obtained. The resin now contains the above additives.
  • Resin may be contained in the dehydrated and dried microfiber cellulose.
  • the resin When the resin is contained, hydrogen bonds between dehydrated and dried microfiber celluloses are hindered, and dispersibility in the resin during kneading can be improved.
  • the form of the resin contained in the dehydrated / dried microfiber cellulose may be, for example, powder, pellet, sheet or the like. However, a powder form (powder resin) is preferable.
  • the average particle diameter of the resin powder contained in the dehydrated and dried microfiber cellulose is preferably 1 to 10,000 ⁇ m, more preferably 10 to 5,000 ⁇ m, and particularly preferably 100 to 1,000 ⁇ m. If the average particle size exceeds 10,000 ⁇ m, the particle size may be too large to enter the kneading device. On the other hand, if the average particle diameter is less than 1 ⁇ m, it may be impossible to inhibit hydrogen bonding between microfiber celluloses because of the fineness.
  • the resin such as powder resin used here may be the same as or different from the resin (resin as a main raw material) to be kneaded with the microfiber cellulose, but the same kind is preferable.
  • Resin powders having an average particle size of 1 to 10,000 ⁇ m are preferably mixed in an aqueous dispersion state before dehydration / drying.
  • the resin powder can be uniformly dispersed between the microfiber celluloses, the microfiber celluloses can be uniformly dispersed in the composite resin after kneading, and the strength physical properties are further improved. be able to.
  • microfiber cellulose obtained as described above is kneaded with a resin to obtain a kneaded product.
  • kneading add polybasic acid salts and maleic anhydride-modified polypropylene.
  • the water content of the microfiber cellulose at the time of kneading is important.
  • thermoplastic resin either a thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used.
  • thermoplastic resin examples include polyolefins such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE), polyester resins such as aliphatic polyester resins and aromatic polyester resins, polyacrylic resins such as polystyrene, methacrylate and acrylate, polyamide resins, One kind or two or more kinds can be selected and used from the polycarbonate resin, the polyacetal resin and the like.
  • polyolefins such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE)
  • polyester resins such as aliphatic polyester resins and aromatic polyester resins
  • polyacrylic resins such as polystyrene, methacrylate and acrylate
  • polyamide resins One kind or two or more kinds can be selected and used from the polycarbonate resin, the polyacetal resin and the like.
  • polystyrene resin it is preferable to use at least one of polyolefin and polyester resin. Further, it is preferable to use polypropylene as the polyolefin.
  • polyester resin examples include aliphatic lactic acid resins such as polylactic acid and polycaprolactone, and examples of the aromatic polyester resins include polyethylene terephthalate and the like. It is preferable to use a polyester resin (also referred to simply as “biodegradable resin”) having
  • biodegradable resin for example, one kind or two or more kinds can be selected from hydroxycarboxylic acid type aliphatic polyester, caprolactone type aliphatic polyester, dibasic acid polyester and the like and used.
  • hydroxycarboxylic acid-based aliphatic polyester examples include homopolymers of hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid, glucose acid, and 3-hydroxybutyric acid, and copolymers containing at least one of these hydroxycarboxylic acids.
  • hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid, glucose acid, and 3-hydroxybutyric acid
  • copolymers containing at least one of these hydroxycarboxylic acids One kind or two or more kinds can be selected from the polymers and used.
  • polylactic acid, a copolymer of lactic acid and the above-mentioned hydroxycarboxylic acid except lactic acid, polycaprolactone, or a copolymer of at least one of the above-mentioned hydroxycarboxylic acids and caprolactone It is particularly preferred to use.
  • lactic acid for example, L-lactic acid, D-lactic acid or the like can be used, and these lactic acids may be used alone or in combination of two or more.
  • caprolactone-based aliphatic polyester for example, one kind or two or more kinds may be selected from homopolymers of polycaprolactone, copolymers of polycaprolactone and the above hydroxycarboxylic acid, and the like. ..
  • dibasic acid polyester for example, one or more selected from polybutylene succinate, polyethylene succinate, polybutylene adipate and the like can be used.
  • the biodegradable resin may be used alone or in combination of two or more.
  • thermosetting resin for example, phenol resin, urea resin, melamine resin, furan resin, unsaturated polyester, diallyl phthalate resin, vinyl ester resin, epoxy resin, urethane resin, silicone resin, thermosetting polyimide resin, etc. Can be used. These resins can be used alone or in combination of two or more.
  • the resin may contain an inorganic filler, preferably in a proportion that does not interfere with thermal recycling.
  • the inorganic filler for example, Fe, Na, K, Cu, Mg, Ca, Zn, Ba, Al, Ti, silicon elements and the like, simple metal elements of Group I to Group VIII of the periodic table, oxidation Examples thereof include compounds, hydroxides, carbon salts, sulfates, silicates, sulfites, and various clay minerals composed of these compounds.
  • examples include aluminum, magnesium hydroxide, calcium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium carbonate, calcium silicate, clay wollastonite, glass beads, glass powder, silica sand, silica stone, quartz powder, diatomaceous earth, white carbon and glass fiber. be able to.
  • a plurality of these inorganic fillers may be contained. It may also be contained in waste paper pulp.
  • the mixing ratio of the microfiber cellulose and the resin is preferably 0.1 to 100 parts by mass, more preferably 1 to 80 parts by mass, and more preferably 5 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the resin. It is particularly preferable that it is parts by mass. However, when the mixing ratio of the microfiber cellulose is 0.1 to 100 parts by mass, the strength of the composite resin, particularly the bending strength and the bending elastic modulus can be significantly improved.
  • the content ratio of the microfiber cellulose and the resin contained in the finally obtained composite resin is usually the same as the above-mentioned mixing ratio of the microfiber cellulose and the resin.
  • polybasic acid salts When the microfiber cellulose and the resin are mixed, at least one selected from polybasic acid salts and maleic anhydride-modified polypropylene, as well as polybasic acids, polybasic acid derivatives, and polybasic acid salt derivatives. One or more additives can be added.
  • additives such as polybasic acids include oxalic acids, phthalic acids, malonic acids, succinic acids, glutaric acids, adipic acids, tartaric acids, glutamic acids, sebacic acids, hexafluorosilicic acids, maleic acids, itaconic acids. , Or citraconic acids, citric acids, or the like, and one or more kinds can be selected and used. However, it is preferably at least one or more of phthalic acid, phthalates and derivatives thereof (phthalic acids).
  • polybasic acid salts examples include oxalates, malonates, succinates, glutarates, adipates, tartrates, glutamate, sebacates, hexafluorosilicates, and maleates.
  • Itaconic acid salts, citraconic acid salts, citrate salts, phthalic acid salts, and derivatives of phthalic acid salts can be used.
  • coloring of the obtained resin composition is suppressed and foaming at high temperature is suppressed as compared with the case of using polybasic acid.
  • polybasic acid salts have less hydrogen ions of a carboxyl group than polybasic acid, it is considered that acid decomposition of cellulose fibers is suppressed and thus coloring is suppressed. Further, it is considered that the polybasic acid is more likely to volatilize at a higher temperature than the polybasic acid salts and to be easily foamed.
  • the polybasic acid salt it is preferable to use at least one of phthalates and derivatives of phthalates. By using the phthalates or their derivatives, the flexural modulus of the resulting resin composition is improved.
  • the phthalates are at least one selected from potassium hydrogen phthalate, sodium hydrogen phthalate, sodium phthalate, and ammonium phthalate.
  • phthalic acid derivatives include phthalic acid, potassium hydrogen phthalate, sodium hydrogen phthalate, sodium phthalate, ammonium phthalate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, diallyl phthalate, diisobutyl phthalate, dinormalhexyl phthalate, and phthalate.
  • examples thereof include dioctyl acid salt, diisononyl phthalate, diisodecyl phthalate, and ditriisodecyl phthalate.
  • phthalic acid is used, more preferably phthalates.
  • polybasic acid salts such as phthalates
  • coloring of the obtained resin composition is suppressed and foaming at high temperature is suppressed as compared with the case of using polybasic acid.
  • polybasic acid salts have less hydrogen ions of a carboxyl group than polybasic acid, it is considered that acid decomposition of cellulose fibers is suppressed and thus coloring is suppressed.
  • the polybasic acid is more likely to volatilize at a higher temperature than the polybasic acid salts and to be easily foamed.
  • a phthalic acid salt or a derivative of a phthalic acid salt is used as the polybasic acid salt, the flexural modulus of the resulting resin composition is improved.
  • maleic anhydrides for example, maleic anhydrides, phthalic anhydrides, itaconic anhydrides, citraconic anhydrides, citric anhydrides, etc. may be used alone or in combination of two or more. However, it is preferable to use maleic anhydrides, more preferably phthalic anhydrides.
  • phthalic anhydrides As phthalic anhydrides, phthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, hydroxyphthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, 4-ethynylphthalic anhydride, 4-phenylethynyl anhydride Phthalic anhydride may be mentioned. However, it is preferable to use phthalic anhydride.
  • This embodiment is not mainly intended to modify the microfiber cellulose by using polybasic acid salts (substitute a part of the hydroxyl group with a specific functional group).
  • polybasic acid salts are used as a compatibilizing agent, and by this (improvement of compatibility), strength of the obtained composite resin is improved. In this respect, if the cellulose fibers are not modified, the quality of the obtained composite resin is stabilized.
  • a part of the polybasic acid salt may be modified to modify the microfiber cellulose.
  • a part of the hydroxyl groups is replaced with a predetermined functional group, and the compatibility of the microfiber cellulose and the resin is improved.
  • the cellulose fiber is modified with a part of the additive rather than simply containing an additive such as a polybasic acid
  • a part of the hydroxyl group of the cellulose fiber is replaced by a predetermined functional group, and the microfiber cellulose And the compatibility of the resin is further improved.
  • the additive functions as a compatibilizing agent, so that the compatibility is improved.
  • the strength of the obtained fibrous cellulose composite resin, especially the bending strength is improved.
  • the modification of the microfiber cellulose with polybasic acid salts is preferably carried out so that a part of the hydroxyl groups of the cellulose constituting the fiber is replaced with the functional group represented by the following structural formula.
  • R in the structural formula is a linear, branched, or cyclic saturated hydrocarbon group or a derivative thereof; a linear, branched, or cyclic unsaturated hydrocarbon group or a derivative thereof; Either an aromatic group or a derivative thereof.
  • is a monovalent or higher cation composed of an organic substance or an inorganic substance.
  • the modification of the microfiber cellulose with an additive is preferably carried out so that a part of the hydroxyl groups of the cellulose constituting the fiber is replaced by the functional group represented by the following structural formula (1) or structural formula (2). ..
  • R in the structural formula is a linear, branched, or cyclic saturated hydrocarbon group or a derivative thereof; a linear, branched, or cyclic unsaturated hydrocarbon group or a derivative thereof; Either an aromatic group or a derivative thereof.
  • kneading treatment for example, one kind or two or more kinds are selected from a single-screw or multi-screw multi-screw kneader, a mixing roll, a kneader, a roll mill, a Banbury mixer, a screw press, a disperser, etc. and used. be able to. Among them, it is preferable to use a multi-screw kneader having two or more shafts. Two or more biaxial multi-axial kneaders may be used in parallel or in series.
  • the temperature of the kneading treatment is not lower than the glass transition point of the resin and varies depending on the type of resin, but is preferably 80 to 280 ° C, more preferably 90 to 260 ° C, and more preferably 100 to 240 ° C. Is particularly preferable.
  • the mixing ratio of additives such as polybasic acid salts and polybasic acids to 100 parts by mass of microfiber cellulose is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass. Particularly preferably, it is 10 to 200 parts by mass. If the mixing ratio of the polybasic acid salts is less than 0.1 part by mass, a sufficient reinforcing effect cannot be obtained. On the other hand, when the blending ratio of the polybasic acid salt exceeds 1,000 parts by mass, the reinforcing effect reaches the ceiling.
  • additives such as polybasic acid salts and polybasic acids
  • it is selected from ethylene glycol, ethylene glycol derivatives, ethylene glycol polymers, and ethylene glycol polymer derivatives.
  • additives such as polybasic acid salts and polybasic acids
  • second additive can be added.
  • the dispersibility of the microfiber cellulose is significantly improved.
  • the present inventors have found that when the cellulose fibers are cellulose nanofibers, the dispersibility of the cellulose fibers is not improved.
  • the coagulation in the resin is suppressed and the dispersibility is improved by allowing the second additive to enter between the microfiber celluloses.
  • the cellulose nanofibers have a remarkably higher specific surface area than the microfiber cellulose, it is presumed that the cellulose nanofibers do not enter between the cellulose nanofibers even if the second additive is excessively added.
  • the amount of the second additive added is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and more preferably 10 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the microfiber cellulose. It is particularly preferable that it is parts by mass.
  • the amount of the second additive added is less than 0.1 part by mass, it does not contribute to improving the dispersibility of the microfiber cellulose.
  • the addition amount of the second additive exceeds 1,000 parts by mass, the amount becomes excessive and, conversely, the resin strength decreases.
  • the molecular weight of the second additive is preferably 1 to 20,000, more preferably 10 to 4,000, and particularly preferably 100 to 2,000. It is physically impossible for the molecular weight of the second additive to be less than 1. On the other hand, when the molecular weight of the second additive exceeds 20,000, it becomes bulky and cannot enter between the microfiber celluloses.
  • the addition amount of the maleic anhydride-modified polypropylene is preferably 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 500 parts by mass, and more preferably 10 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the microfiber cellulose. It is particularly preferable that it is parts by mass. If the amount of the maleic anhydride-modified polypropylene added is less than 0.1 part by mass, the strength will not be sufficiently improved. On the other hand, when the amount of the maleic anhydride-modified polypropylene added exceeds 1,000 parts by mass, the amount becomes excessive and the strength tends to decrease.
  • the weight average molecular weight of the maleic anhydride modified polypropylene is 1,000 to 100,000, preferably 3,000 to 50,000.
  • the acid value of the maleic anhydride-modified polypropylene is preferably 0.5 mgKOH / g or more and 100 mgKOH / g or less, more preferably 1 mgKOH / g or more and 50 mgKOH / g or less.
  • Microfiber cellulose includes one or more of various kinds of fine fibers called cellulose nanofiber, microfibril cellulose, microfibril-like fine fiber, microfiber cellulose, microfibrillated cellulose, super microfibril cellulose and the like. Can be included, and these fine fibers may be included. Further, fibers obtained by further refining these fine fibers can be included, or may be included. However, the proportion of the microfiber cellulose in all the raw material fibers must be 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more, and more preferably 60% by mass or more.
  • additives for example, antistatic agent, flame retardant, antibacterial agent, colorant, radical scavenger, foaming agent, etc.
  • antistatic agent flame retardant
  • antibacterial agent for example, antibacterial agent, colorant, radical scavenger, foaming agent, etc.
  • colorant for example, colorant, radical scavenger, foaming agent, etc.
  • foaming agent for example, foaming agent, etc.
  • One kind or two or more kinds can be selected from the above additives and used within a range that does not impair the effects of the present invention.
  • These raw materials may be mixed with a dispersion liquid of microfiber cellulose, kneaded together at the time of kneading the microfiber cellulose and resin, kneaded with these kneaded materials, or kneaded by another method. May be. However, from the viewpoint of production efficiency, it is preferable that the microfiber cellulose and the resin are also kneaded together.
  • microfiber cellulose and the resin (kneaded material) are preferably kneaded again if necessary and then molded into a desired shape.
  • microfiber cellulose is dispersed in the kneaded product, it has excellent moldability.
  • the size, thickness, shape, etc. of the molding are not particularly limited, and may be sheet-like, pellet-like, powder-like, fibrous, etc., for example.
  • the temperature during the molding treatment is not less than the glass transition point of the resin and varies depending on the type of resin, but is preferably 80 to 280 ° C, more preferably 90 to 260 ° C, and 100 to 240 ° C. Is particularly preferable.
  • the molding processing device for example, one kind or two or more kinds from an injection molding machine, a blow molding machine, a hollow molding machine, a blow molding machine, a compression molding machine, an extrusion molding machine, a vacuum molding machine, a pressure molding machine, and the like. Can be selected and used.
  • the molding treatment can be carried out by a known molding method, for example, mold molding, injection molding, extrusion molding, hollow molding, foam molding or the like.
  • the kneaded product may be spun into a fibrous form and mixed with the above-mentioned plant material or the like to form a mat shape or a board shape.
  • Mixed fibers can be performed by, for example, a method of simultaneously depositing with an air ray.
  • This molding treatment can be performed after the kneading treatment, or after the kneaded product is once cooled and made into chips by using a crusher or the like, the chips are subjected to a molding machine such as an extrusion molding machine or an injection molding machine. It can also be thrown in.
  • a molding machine such as an extrusion molding machine or an injection molding machine. It can also be thrown in.
  • (Average fiber diameter) 100 ml of an aqueous dispersion of microfiber cellulose having a solid content concentration of 0.01 to 0.1% by mass is filtered through a Teflon (registered trademark) membrane filter, and the solvent is replaced once with 100 ml of ethanol and three times with 20 ml of t-butanol. .. Next, it is freeze-dried and coated with osmium to obtain a sample. This sample is observed with an electron microscope SEM image at a magnification of 5000 times, 10,000 times, or 30,000 times depending on the width of the constituent fibers. Specifically, two diagonal lines are drawn on the observed image, and three straight lines passing through the intersections of the diagonal lines are drawn arbitrarily. Further, the width of a total of 100 fibers intersecting with these three straight lines is visually measured. Then, the median diameter of the measured values is taken as the average fiber diameter.
  • Average fiber length Similarly to the case of the average fiber diameter, the length of each fiber is visually measured. The median length of the measured values is the average fiber length.
  • Fiber analysis The ratio of the fiber length of 0.2 mm or less and the fibrillation ratio are measured by a fiber analyzer "FS5" manufactured by Valmet.
  • Crystallinity It is a value measured by an X-ray diffraction method in accordance with "General rules for X-ray diffraction analysis” of JIS-K0131 (1996).
  • Microfiber cellulose has an amorphous part and a crystalline part, and the crystallinity means the ratio of the crystalline part in the whole microfiber cellulose.
  • Pulp viscosity It is measured according to JIS-P8215 (1998). The higher the pulp viscosity, the higher the degree of polymerization of the microfiber cellulose.
  • the moisture content of the fiber is a value calculated by the following formula, where the mass after drying the mass at the time when the sample is kept at 105 ° C. for 6 hours or more and the mass fluctuation is no longer observed, using a constant temperature dryer.
  • Moisture content of fiber (%) [(weight before drying ⁇ weight after drying) / weight before drying] ⁇ 100
  • microfiber cellulose composite resin was cut into a cylindrical shape having a diameter of 2 mm and a length of 2 mm with a pelletizer, and injection molded into a rectangular parallelepiped test piece (length 59 mm, width 9.6 mm, thickness 3.8 mm) at 180 ° C. This test was performed multiple times by changing the type and mixing ratio of various mixed materials. Details are as shown in Table 1.
  • the flexural modulus and coloration of the obtained test pieces were examined, and the results are shown in Table 1.
  • the methods for evaluating the flexural modulus and the coloring are as follows.
  • the flexural modulus (magnification) of the composite resin is 1.4 times or more with the flexural modulus of the resin itself being 1
  • the flexural modulus (magnification) of the composite resin is 1 with the flexural modulus of the resin itself being 1 If less than 4 times
  • the mixture was kneaded with a biaxial kneader at 180 ° C. and 200 rpm to obtain a fibrous cellulose composite resin.
  • This composite resin was cut into a cylindrical shape having a diameter of 2 mm and a length of 2 mm with a pelletizer, and injection molded into a rectangular parallelepiped test piece (length 59 mm, width 9.6 mm, thickness 3.8 mm) at 180 ° C. This test was performed multiple times by changing the type and mixing ratio of various mixed materials. Details are as shown in Table 2.
  • the present invention can be used as a fibrous cellulose composite resin and a method for producing the same.

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Abstract

【課題】強度、特に曲げ弾性率に優れ、かつ着色の問題を有しない繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法を提供する。 【解決手段】繊維状セルロース複合樹脂について、平均繊維幅0.1μm以上のマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を含むものとする。また、原料繊維を平均繊維幅0.1μm以上に留まる範囲で解繊してマイクロ繊維セルロースとし、このマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を混練することで繊維状セルロース複合樹脂を製造する。

Description

繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法
 本発明は、繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法に関するものである。
 近年、セルロースナノファイバー(CNF)を樹脂の補強材として使用する様々な提案がなされている。しかしながら、セルロースナノファイバーは、多糖類の水酸基に由来する分子間水素結合によって不可逆的に凝集する。したがって、セルロースナノファイバーを樹脂の補強材として使用しても、樹脂中におけるセルロースナノファイバーの分散性が悪いことを原因として樹脂の補強効果が十分に発揮されない。
 そこで、例えば、特許文献1は、平均太さ10~200nmのセルロースナノ繊維及びポリオレフィン樹脂からなる樹脂混合物に対し、相溶化剤としてテルペンフェノール系化合物を含むことを特徴とするポリオレフィン樹脂組成物を提案している。同文献は、テルペンフェノールを含むと、セルロースナノ繊維の分散性が向上するとしている(例えば、段落0038等参照。)しかしながら、テルペンフェノールを含んだとしてもセルロースナノ繊維の分散性が十分に向上するかは疑問の余地があり、また、テルペンフェノールに代わる相溶化剤の提案も期待されている。
 また、例えば、特許文献2は、塩基触媒又は酸触媒と二塩基カルボン酸無水物とでセルロースをエステル化し、もってセルロース微細繊維を得る方法を提案している。同文献は、得られたセルロース微細繊維にフルオレン化合物を導入すると、樹脂などの有機媒体との親和性も向上できるとしている。しかしながら、同文献の方法は塩基触媒又は酸触媒を用いるものであり、反応条件が過酷なものになるため、セルロース繊維の着色の問題が生じる。
 さらに、例えば、特許文献3は、平均繊維径4~400nmのセルロース繊維を変性オレフィン系重合体に複合した樹脂組成物を提案している。また、例えば、特許文献4は、第1級アミノ基を有する高分子化合物と、無水マレイン酸で変性された高分子化合物と、ナノレベルのミクロフィブリル化植物繊維と、ポリオレフィンとを含む組成物を提案している。さらに、例えば、特許文献5は、アルキル若しくはアルケニル無水コハク酸でエステル化されたナノレベルまで解きほぐした変性ミクロフィブリル化植物繊維、熱可塑性樹脂、及び無機塩を含有する樹脂組成物を提案している。
 しかしながら、本発明者等が認識するところによると、以上のいずれの方法によってもセルロース繊維の分散性が十分ではなく、セルロース繊維が三次元ネットワークを構築せず、樹脂の補強効果が十分ではない。
特開2016-79311号公報 特開2017-82188号公報 特許第5433949号 特許第5717643号 特許第5757765号
 本発明が解決しようとする主たる課題は、強度、特に曲げ弾性率に優れ、かつ着色の問題を有しない繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法を提供することにある。
 本発明者らは、上記課題を解決するためにセルロースナノファイバーに様々な処理を施し、またセルロースナノファイバーと樹脂との混練方法を模索した。つまり、上記特許文献1~5におけるのと同様に、セルロースナノファイバーの使用を前提とし、セルロースナノファイバーと混合する各種材料の改良を重ね、また、セルロースナノファイバーの変性を種々試みた。
 しかるに、セルロースナノファイバーは、たとえ疎水変性しても樹脂中での分散性が十分ではなく、樹脂中でセルロースナノファイバーの三次元ネットワークを形成させるのが困難で、十分な強度を有する樹脂組成物を得ることはできず、樹脂の十分な補強効果が得られなかった。
 しかしながら、その研究の過程において、原料繊維がマイクロ繊維セルロースであると、樹脂中での分散性が良好であり、樹脂中でマイクロ繊維セルロースの三次元ネットワークが形成され、樹脂の十分な補強効果が得られることを知見した。また、このことを前提に、繊維状セルロースの分散性を更に向上し、もって樹脂の強度を向上し、加えて着色の問題が解決された繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法を想到するに至った。具体的には、以下に示す手段である。
 なお、上記特許文献4は、「本発明において、ミクロフィブリル化植物繊維の繊維径は平均値が4nm~50μmであることが好ましく」としている。しかしながら、同文献がセルロースナノファイバーを想定していることは明らかであるが、マイクロ繊維セルロースを想定しているとは考え難く、また、繊維径の平均値が4nm~50μmとはあまりにその範囲が広いため、本発明者等のみではなく、通常の発明者もこの記載のみからマイクロ繊維セルロースが好適であるなどという事実を導き出すのは困難であった。
(請求項1に記載の手段)
 平均繊維幅0.1μm以上のマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を含む、
 ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項2に記載の手段)
 前記マイクロ繊維セルロースは、平均繊維長0.02~3.0mmで、かつフィブリル化率1.0~30%である、
 請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項3に記載の手段)
 前記多塩基酸塩類は、フタル酸塩類及びフタル酸塩類の誘導体の少なくともいずれか一方である、
 請求項1又は請求項2に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項4に記載の手段)
 前記フタル酸塩類は、フタル酸水素カリウム、フタル酸水素ナトリウム、フタル酸ナトリウム、フタル酸アンモニウムの中から選択された少なくともいずれか1種以上である、
 請求項3に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項5に記載の手段)
 前記多塩基酸塩類の一部が、前記マイクロ繊維セルロースを変性している、
 請求項1~4のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項6に記載の手段)
 原料繊維を平均繊維幅0.1μm以上に留まる範囲で解繊してマイクロ繊維セルロースとし、
 このマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を混練する、
 ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂の製造方法。
(請求項7に記載の手段)
 無水マレイン酸変性ポリプロピレンを含む、
 請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項8に記載の手段)
 前記マイクロ繊維セルロース100質量部に対する前記無水マレイン酸変性ポリプロピレンの割合が0.1~1000質量部である、
 請求項7に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項9に記載の手段)
 多塩基酸、多塩基酸の誘導体、及び多塩基酸塩類の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上を含む、
 請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項10に記載の手段)
 前記マイクロ繊維セルロースは、前記多塩基酸、前記多塩基酸の誘導体、及び前記多塩基酸塩類の誘導体のいずれかによって変性されている、
 請求項9に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
(請求項11に記載の手段)
 前記多塩基酸がフタル酸で、前記多塩基酸塩類がフタル酸塩類である、
 請求項9に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
 本発明によると、強度、特に曲げ弾性率に優れ、かつ着色の問題を有しない繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法となる。
 次に、発明を実施するための形態を説明する。なお、本実施の形態は本発明の一例である。本発明の範囲は、本実施の形態の範囲に限定されない。
 本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、平均繊維幅が0.1μm以上のマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を含有する。また、この繊維状セルロース複合樹脂を得るにあたっては、原料繊維を解繊して平均繊維幅0.1μm以上のマイクロ繊維セルロースとし、このマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を混練して、当該多塩基酸塩類を含有する繊維状セルロース複合樹脂を得る。
 さらに、好ましくは、本形態の繊維状セルロース複合樹脂は、無水マレイン酸変性ポリプロピレン(MAPP)を含有する。より好ましくは、多塩基酸、多塩基酸の誘導体、及び多塩基酸塩類の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上の添加剤を含む。特に好ましくは、エチレングリコール、エチレングリコールの誘導体、エチレングリコール重合体、及びエチレングリコール重合体の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上の第2の添加剤を含む。また、繊維状セルロース複合樹脂を得るにあたっては、例えば、原料繊維を解繊して平均繊維幅0.1μm以上のマイクロ繊維セルロースとし、このマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに無水マレイン酸変性ポリプロピレンや上記添加剤等を混練して、無水マレイン酸変性ポリプロピレンを含有する繊維状セルロース複合樹脂を得る。以下、順に説明する。
(原料繊維)
 マイクロ繊維セルロース(MFC)は、原料繊維(パルプ繊維)を微細化(解繊)処理して得ることができる。原料となる繊維としては、植物由来の繊維、動物由来の繊維、微生物由来の繊維等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、植物繊維であるパルプ繊維を使用するのが好ましい。原料繊維がパルプ繊維であると、安価であり、また、サーマルリサイクルの問題を避けることができる。
 植物由来の繊維としては、広葉樹、針葉樹等を原料とする木材パルプ、ワラ・バガス等を原料とする非木材パルプ、回収古紙、損紙等を原料とする古紙パルプ(DIP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 木材パルプとしては、広葉樹クラフトパルプ(LKP)、針葉樹クラフトパルプ(NKP)等の化学パルプ、機械パルプ(TMP)、古紙パルプ(DIP)の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。これらのパルプは、製紙用途で使用されているパルプであり、これらのパルプを使用することで、既存設備を有効に活用することができる。
 広葉樹クラフトパルプ(LKP)は、広葉樹晒クラフトパルプであっても、広葉樹未晒クラフトパルプであっても、広葉樹半晒クラフトパルプであってもよい。同様に、針葉樹クラフトパルプ(NKP)は、針葉樹晒クラフトパルプであっても、針葉樹未晒クラフトパルプであっても、針葉樹半晒クラフトパルプであってもよい。
 また、古紙パルプ(DIP)は、雑誌古紙パルプ(MDIP)であっても、新聞古紙パルプ(NDIP)であっても、段古紙パルプ(WP)であっても、その他の古紙パルプであってもよい。
 さらに、機械パルプとしては、例えば、ストーングランドパルプ(SGP)、加圧ストーングランドパルプ(PGW)、リファイナーグランドパルプ(RGP)、ケミグランドパルプ(CGP)、サーモグランドパルプ(TGP)、グランドパルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、ケミサーモメカニカルパルプ(CTMP)、リファイナーメカニカルパルプ(RMP)、漂白サーモメカニカルパルプ(BTMP)等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
(前処理工程)
 原料繊維は化学的手法によって、前処理するのが好ましい。微細化(解繊)処理に先立って化学的手法によって前処理することで、微細化処理の回数を大幅に減らすことができ、微細化処理のエネルギーを大幅に削減することができる。
 化学的手法による前処理としては、酸による多糖の加水分解(酸処理)、酵素による多糖の加水分解(酵素処理)、アルカリによる多糖の膨潤(アルカリ処理)、酸化剤による多糖の酸化(酸化処理)、還元剤による多糖の還元(還元処理)等を例示することができる。
 微細化処理に先立ってアルカリ処理を施すことで、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの水酸基が一部解離し、分子がアニオン化することで分子内及び分子間水素結合が弱まり、微細化処理におけるパルプ繊維の分散を促進する効果がある。
 アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、アンモニア水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム等の有機アルカリ等を使用することができるが、製造コストの観点から、水酸化ナトリウムを使用するのが好ましい。
 微細化処理に先立って酵素処理や酸処理、酸化処理を施すと、マイクロ繊維セルロースの保水度を低く、結晶化度を高くすることができ、かつ均質性を高くすることができる。この点、マイクロ繊維セルロースの保水度が低いほど樹脂への分散性が向上し、マイクロ繊維セルロースの均質性が高いほど樹脂組成物の破壊要因となる欠点が減少すると考えられ、結果として樹脂の延性を保持することができる強度の大きい複合樹脂が得られると考えられる。また、酵素処理や酸処理、酸化処理により、パルプが持つヘミセルロースやセルロースの非晶領域が分解され、結果、微細化処理のエネルギーを低減することができ、繊維の均質性や分散性を向上することができる。しかも、分子鎖が整列していて剛直かつ保水度の低いと考えられるセルロース結晶領域の繊維全体に占める割合が上がると、分散性が向上し、アスペクト比は減少すると見られるものの、延性を保持しつつ機械的強度の大きい複合樹脂が得られる。
 以上の各種処理の中では、酵素処理を行うのが好ましく、加えて酸処理、アルカリ処理、及び酸化処理の中から選択された1又は2以上の処理を行うのがより好ましい。以下、アルカリ処理について、詳しく説明する。
 アルカリ処理の方法としては、例えば、アルカリ溶液中に、原料繊維を浸漬する方法が存在する。
 アルカリ溶液に含まれるアルカリ化合物は、無機アルカリ化合物であっても、有機アルカリ化合物であってもよい。
 無機アルカリ化合物としては、例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のリンオキソ酸塩等を例示することができる。
 アルカリ金属の水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を例示することができる。アルカリ土類金属の水酸化物としては、例えば、水酸化カルシウム等を例示することができる。アルカリ金属の炭酸塩としては、例えば、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等を例示することができる。アルカリ土類金属の炭酸塩としては、例えば、炭酸カルシウム等を例示することができる。アルカリ金属のリンオキソ酸塩としては、例えば、リン酸リチウム、リン酸カリウム、リン酸三ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム等を例示することができる。アルカリ土類金属のリン酸塩としては、例えば、リン酸カルシウム、リン酸水素カルシウム等を例示することができる。
 有機アルカリ化合物としては、例えば、アンモニア、脂肪族アミン、芳香族アミン、脂肪族アンモニウム、芳香族アンモニウム、複素環式化合物及びその水酸化物、炭酸塩、リン酸塩等を例示することができる。具体的には、例えば、例えば、アンモニア、ヒドラジン、メチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、プロピルアミン、ジプロピルアミン、ブチルアミン、ジアミノエタン、ジアミノプロパン、ジアミノブタン、ジアミノペンタン、ジアミノヘキサン、シクロヘキシルアミン、アニリン、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ヒドロキシド、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ピリジン、N,N-ジメチル-4-アミノピリジン、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、リン酸水素2アンモニウム等を例示することができる。
 アルカリ溶液の溶媒は、水及び有機溶媒のいずれであってもよいが、極性溶媒(水、アルコール等の極性有機溶媒)であるのが好ましく、少なくとも水を含む水系溶媒であるのがより好ましい。
 アルカリ溶液の25℃におけるpHは、好ましくは9以上、より好ましくは10以上、特に好ましくは11~14である。pHが9以上であると、マイクロ繊維セルロース(MFC)の収率が高くなる。ただし、pHが14を超えると、アルカリ溶液の取り扱い性が低下する。
(微細化(解繊)工程)
 微細化処理は、例えば、ビーター、高圧ホモジナイザー、高圧均質化装置等のホモジナイザー、グラインダー、摩砕機等の石臼式摩擦機、単軸混練機、多軸混練機、ニーダーリファイナー等を使用して原料繊維を叩解することによって行うことができ、リファイナーを使用して行うことが好ましい。
 リファイナーとは、パルプ繊維を叩解する装置であり、公知のものを用いることができる。リファイナーとしては、パルプ繊維に対して効率的に剪断力を付与し、予備的な解繊を進めることができること等の点から、コニカルタイプやダブルディスクリファイナー(DDR)及びシングルディスクリファイナー(SDR)が好ましい。なお、解繊処理工程において、リファイナーを用いると、処理後の分離や洗浄が不要となる点からも好ましい。
 なお、マイクロ繊維セルロースは、セルロースやセルロースの誘導体からなる繊維である。通常のマイクロ繊維セルロースは、強い水和性を有し、水系媒体中において水和することで安定的に分散状態(分散液の状態)を維持する。マイクロ繊維セルロースを構成する単繊維は、水系媒体中において複数条が集合して繊維状をなす場合もある。
 微細化(解繊)処理は、マイクロ繊維セルロースの数平均繊維径(繊維幅。単繊維の直径平均。)が0.1μm以上となる範囲で行うのが好ましく、0.1~15μmとなる範囲で行うのがより好ましく、0.1~9μmとなる範囲で行うのが特に好ましい。数平均繊維径(幅)が0.1μm以上となる範囲で行うことで、セルロース繊維の分散性が向上し、繊維状セルロース複合樹脂の強度が向上する。
 具体的には、平均繊維径を0.1μm未満にすると、セルロースナノファイバーであるのと変わらなくなり、補強効果(特に曲げ弾性率)が十分に得られなくなる。また、微細化処理の時間が長くなり、大きなエネルギーが必要になり、製造コストの増加につながる。他方、平均繊維径が15μmを超えると、繊維の分散性に劣る傾向がある。繊維の分散性が不十分であると、補強効果に劣る傾向がある。さらに、平均繊維径を0.1μm未満にすると、繊維状セルロースを水分散体の状態で多塩基酸塩類や無水マレイン酸変性ポリプロピレンと混合する際に、粘度が高くなり過ぎ、高いシェアで攪拌しなければならず、エネルギー的に不利である。しかも、高いシェアで攪拌すると、繊維状セルロースの千切れ、劣化等を招く恐れがある。
 マイクロ繊維セルロースの平均繊維長(単繊維の長さ)は、0.02~3.0mmとするのが好ましく、0.05~2.0mmとするのがより好ましく、0.1~1.5mmとするのが特に好ましい。平均繊維長が0.02mm未満であると、繊維同士の三次元ネットワークを形成できず、補強効果が著しく低下する恐れがある。なお、平均繊維長は、例えば、原料繊維の選定、前処理、解繊処理で任意に調整可能である。
 マイクロ繊維セルロースのフィブリル化率は、1.0%以上であるのが好ましく、1.5%以上であるのがより好ましく、2.0%以上であるのが特に好ましい。また、マイクロ繊維セルロースのフィブリル化率は、30.0%以下であるのが好ましく、20.0%以下であるのがより好ましく、15.0%以下であるのが特に好ましい。
 フィブリル化率が30.0%を超えると、微細化が進み過ぎてナノファイバーとなってしまうため、意図する効果が得られないおそれがある。また、フィブリル化率が30%を超えると、繊維状セルロースを水分散体の状態で多塩基酸塩類や無水マレイン酸変性プロピレンと混合する際に、粘度が高くなり過ぎ、均一に攪拌するのが困難になるおそれがある。にもかかわらず、無理に攪拌すると、繊維状セルロースの千切れ、劣化等を招く恐れがある。
 他方、フィブリル化率が1.0%未満では、フィブリル同士の水素結合が少なく、強硬な三次元ネットワークが不足となる。この点、本発明者等は、マイクロ繊維セルロースのフィブリル化率を1.0%以上にすると、マイクロ繊維セルロースのフィブリル同士が水素結合し、より強硬な三次元ネットワークを構築することを各種試験の過程で見出した。
 マイクロ繊維セルロースの繊維長は、0.2mm以下の割合が12%以上であるのが好ましく、16%以上であるのがより好ましく、26%以上であるのが特に好ましい。当該割合が12%未満の場合、十分な補強効果を得られないおそれがある。
 マイクロ繊維セルロースの繊維長は、0.2mm以下の割合の上限はなく、全て0.2mm以下であっても良い。
 マイクロ繊維セルロースのアスペクト比は、樹脂の延性をある程度保持しつつ機械的強度を向上させるために、2~5,000であるのが好ましく、100~1,000であるのがより好ましい。
 アスペクト比とは、平均繊維長を平均繊維幅で除した値である。アスペクト比が大きいほど樹脂中において引っかかりが生じる箇所が多くなるため補強効果が上がるが、他方で引っかかりが多い分樹脂の延性が低下するものと考えられる。なお、無機フィラーを樹脂に混練した場合、フィラーのアスペクト比が大きいほど曲げ強度が向上するが、伸びは著しく低下するとの知見が存在する。
 マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、50%以上であるのが好ましく、55%以上であるのがより好ましく、60%以上であるのが特に好ましい。結晶化度が50%未満であると、樹脂との相溶性は向上するものの、繊維自体の強度が低下するため、樹脂組成物の補強効果に劣る傾向がある。
 他方、マイクロ繊維セルロースの結晶化度は、90%以下であるのが好ましく、88%以下であるのがより好ましく、86%以下であるのが特に好ましい。結晶化度が90%を超えると、分子内の強固な水素結合割合が多くなり繊維自体は剛直となるが、樹脂との相溶性が低下し、樹脂組成物の補強効果に劣る傾向がある。
 結晶化度は、例えば、原料繊維の選定、前処理、微細化処理で任意に調整可能である。
 マイクロ繊維セルロースのパルプ粘度は、2cps以上であるのが好ましく、4cps以上であるのがより好ましい。パルプ粘度が2cps未満であると、マイクロ繊維セルロースを樹脂と混練した際に、マイクロ繊維セルロースの凝集を十分に抑制できず、樹脂組成物の補強効果が劣る傾向にある。
 マイクロ繊維セルロースのフリーネスは、500cc以下が好ましく、300cc以下がより好ましく、100cc以下が特に好ましい。500ccを超えるとマイクロ繊維セルロースの繊維幅が15μmを超え、補強効果が十分でない。
(混練)
 微細化処理して得られたマイクロ繊維セルロースは、水系媒体中に分散していったん分散液とすることができる。水系媒体は、全量が水であるのが特に好ましいが、一部が水と相溶性を有する他の液体である水系媒体も好ましく使用することができる。他の液体としては、炭素数3以下の低級アルコール類等を使用することができる。
 分散液の固形分濃度は、1.0質量%以上であるのが好ましく、1.5質量%以上であるのがより好ましく、2.0質量%以上であるのが特に好ましい。また、分散液の固形分濃度は、70質量%以下であるのが好ましく、60質量%以下であるのがより好ましく、50質量%以下であるのが特に好ましい。
 マイクロ繊維セルロースは、樹脂等との混練に先立って脱水処理及び乾燥処理しても良い。つまり、マイクロ繊維セルロースの脱水・乾燥処理と混練処理とは、一緒に行わなくても良く、混練する際に同時にマイクロ繊維セルロースを乾燥しても良い。また、脱水処理及び乾燥処理は、一緒に行っても良いし、別々に行っても良い。
 脱水処理には、例えば、ベルトプレス、スクリュープレス、フィルタープレス、ツインロール、ツインワイヤーフォーマ、バルブレスフィルタ、センターディスクフィルタ、膜処理、遠心分離機等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 乾燥処理には、例えば、ロータリーキルン乾燥、円板式乾燥、気流式乾燥、媒体流動乾燥、スプレー乾燥、ドラム乾燥、スクリューコンベア乾燥、パドル式乾燥、一軸混練乾燥、多軸混練乾燥、真空乾燥、攪拌乾燥等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 脱水・乾燥処理工程の後に粉砕処理工程を加えても良い。粉砕処理には、例えば、ビーズミル、ニーダー、ディスパー、ツイストミル、カットミル、ハンマーミル等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 脱水・乾燥したマイクロ繊維セルロースの形状は、粉末状、ペレット状、シート状等とすることができる。ただし、粉末状が好ましい。
 粉末状とする場合、マイクロ繊維セルロースの平均粒子径は、1~10,000μmが好ましく、10~5,000μmがより好ましく、100~1,000μmが特に好ましい。平均粒子径が10,000μmを超えると、粒子径が大きいため混練装置内に入らないおそれがある。他方、平均粒子径を1μm未満とするには粉砕処理にエネルギーを要するため、経済的でない。
 粉末状とする場合、マイクロ繊維セルロースの嵩比重は、0.01~1.5が好ましく、0.04~1がより好ましく、0.1~0.5が特に好ましい。嵩比重が1.5を超えるということはセルロースの比重が1.5を超えるということであるため、物理的に実現困難である。他方、嵩比重を0.01未満とするのは、移送コストの面から不利である。
 脱水・乾燥したマイクロ繊維セルロースの水分率(含水率)は、0.1%以上が好ましく、1.0%以上がより好ましく、10.0%以上が特に好ましい。多塩基酸塩類と混練するマイクロ繊維セルロースの含水率が0.1%以上であると、多塩基酸塩類によるセルロース繊維の変性が進まなくなり、得られる複合樹脂が多塩基酸塩類を含有するようになる。また、多塩基酸や多塩基酸塩類等の添加剤を添加する場合、マイクロ繊維セルロースの含水率が0.1%以上であると、上記添加剤によるセルロース繊維の変性が進まなくなり、得られる複合樹脂が上記添加剤を含有するようになる。
 脱水・乾燥したマイクロ繊維セルロースには、樹脂が含まれていても良い。樹脂が含まれていると、脱水・乾燥したマイクロ繊維セルロース同士の水素結合が阻害され、混練の際の樹脂中での分散性を向上することができる。
 脱水・乾燥したマイクロ繊維セルロースに含まれる樹脂の形態としては、例えば、粉末状、ペレット状、シート状等が挙げられる。ただし、粉末状(粉末樹脂)が好ましい。
 粉末状とする場合、脱水・乾燥したマイクロ繊維セルロースに含まれる樹脂粉末の平均粒子径は、1~10,000μmが好ましく、10~5,000μmがより好ましく、100~1,000μmが特に好ましい。平均粒子径が10,000μmを超えると、粒子径が大きいために混練装置内に入らないおそれがある。他方、平均粒子径が1μm未満であると、微細なためにマイクロ繊維セルロース同士の水素結合を阻害することができないおそれがある。なお、ここで使用する粉末樹脂等の樹脂は、マイクロ繊維セルロースと混練する樹脂(主原料としての樹脂)と同種であっても異種であってもよいが、同種である方が好ましい。
 平均粒子径1~10,000μmの樹脂粉末は、脱水・乾燥前の水系分散状態で混合するのが好ましい。水系分散状態で混合することで、樹脂粉末をマイクロ繊維セルロース間へ均一に分散することができ、混練後の複合樹脂中にマイクロ繊維セルロースを均一に分散することができ、強度物性をより向上することができる。
 以上のようにして得たマイクロ繊維セルロースは、樹脂と混練し、混練物とする。この 混練に際しては、更に多塩基酸塩類や無水マレイン酸変性ポリプロピレン等を添加する。なお、混練する際におけるマイクロ繊維セルロースの含水率が重要なのは、前述したとおりである。
 樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれをも使用することができる。
 熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)等のポリオレフィン、脂肪族ポリエステル樹脂や芳香族ポリエステル樹脂等のポリエステル樹脂、ポリスチレン、メタアクリレート、アクリレート等のポリアクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 ただし、ポリオレフィン及びポリエステル樹脂の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましい。また、ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンを使用するのが好ましい。
 ポリプロピレンとしては、ホモポリマー、ランダムポリマー、ブロックポリマーの中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。さらに、ポリエステル樹脂としては、脂肪族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン等を例示することができ、芳香族ポリエステル樹脂として、例えば、ポリエチレンテレフタレート等を例示することができるが、生分解性を有するポリエステル樹脂(単に「生分解性樹脂」ともいう。)を使用するのが好ましい。
 生分解性樹脂としては、例えば、ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステル、カプロラクトン系脂肪族ポリエステル、二塩基酸ポリエステル等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 ヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、乳酸、リンゴ酸、グルコース酸、3-ヒドロキシ酪酸等のヒドロキシカルボン酸の単独重合体や、これらのヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種を用いた共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、ポリ乳酸、乳酸と乳酸を除く上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体、ポリカプロラクトン、上記ヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも1種とカプロラクトンとの共重合体を使用するのが好ましく、ポリ乳酸を使用するのが特に好ましい。
 この乳酸としては、例えば、L-乳酸やD-乳酸等を使用することができ、これらの乳酸を単独で使用しても、2種以上を選択して使用してもよい。
 カプロラクトン系脂肪族ポリエステルとしては、例えば、ポリカプロラクトンの単独重合体や、ポリカプロラクトン等と上記ヒドロキシカルボン酸との共重合体等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 二塩基酸ポリエステルとしては、例えば、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリブチレンアジペート等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 生分解性樹脂は、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。
 熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性ポリイミド系樹脂等を使用することができる。これらの樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用することができる。
 樹脂には、無機充填剤が、好ましくはサーマルリサイクルに支障が出ない割合で含有されていてもよい。
 無機充填剤としては、例えば、Fe、Na、K、Cu、Mg、Ca、Zn、Ba、Al、Ti、ケイ素元素等の周期律表第I族~第VIII族中の金属元素の単体、酸化物、水酸化物、炭素塩、硫酸塩、ケイ酸塩、亜硫酸塩、これらの化合物よりなる各種粘土鉱物等を例示することができる。
 具体的には、例えば、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、亜硫酸カルシウム、酸化亜鉛、シリカ、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、ほう酸アルミニウム、アルミナ、酸化鉄、チタン酸カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、クレーワラストナイト、ガラスビーズ、ガラスパウダー、珪砂、硅石、石英粉、珪藻土、ホワイトカーボン、ガラスファイバー等を例示することができる。これらの無機充填剤は、複数が含有されていてもよい。また、古紙パルプに含まれるものであってもよい。
 マイクロ繊維セルロース及び樹脂の配合割合は、樹脂100質量部に対して、マイクロ繊維セルロースが0.1~100質量部であるのが好ましく、1~80質量部であるのがより好ましく、5~60質量部であるのが特に好ましい。ただし、マイクロ繊維セルロースの配合割合が0.1~100質量部であると、複合樹脂の強度、特に曲げ強度及び曲げ弾性率を著しく向上させることができる。
 なお、最終的に得られる複合樹脂に含まれるマイクロ繊維セルロース及び樹脂の含有割合は、通常、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の上記配合割合と同じとなる。
(多塩基酸塩類等)
 マイクロ繊維セルロース及び樹脂の混合に際しては、多塩基酸塩類や無水マレイン酸変性ポリプロピレンのほか、多塩基酸、多塩基酸の誘導体、及び多塩基酸塩類の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上の添加剤を添加することができる。
 この多塩基酸等の添加剤としては、例えば、シュウ酸類、フタル酸類、マロン酸類、コハク酸類、グルタル酸類、アジピン酸類、酒石酸類、グルタミン酸類、セバシン酸類、ヘキサフルオロケイ酸類、マレイン酸類、イタコン酸類、シトラコン酸類、クエン酸類等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。だだし、フタル酸、フタル酸塩類及びこれら(フタル酸類)の誘導体の少なくともいずれか1種以上であるのが好ましい。
 また、多塩基酸塩類としては、例えば、シュウ酸塩類、マロン酸塩類、コハク酸塩類、グルタル酸塩類、アジピン酸塩類、酒石酸塩類、グルタミン酸塩類、セバシン酸塩類、ヘキサフルオロケイ酸塩類、マレイン酸塩類、イタコン酸塩類、シトラコン酸塩類、クエン酸塩類、フタル酸塩類、フタル酸塩類の誘導体等を使用することができる。多塩基酸塩類を使用すると、多塩基酸を使用する場合と比べて、得られる樹脂組成物の着色が抑えられ、また、高温での発泡が抑えられる。なお、多塩基酸塩類は、多塩基酸と比べてカルボキシル基の水素イオンが少ないため、セルロース繊維に対する酸分解が抑えられ、もって着色が抑えられるものと考えられる。また、多塩基酸は、多塩基酸塩類よりも高温で揮発し易く、発泡し易いものと考えられる。
 ただし、多塩基酸塩類としては、フタル酸塩類及びフタル酸塩類の誘導体等の少なくともいずれか一方を使用するのが好ましい。フタル酸塩類やその誘導体を使用することで、得られる樹脂組成物の曲げ弾性率が向上するようになる。
 また、この際、フタル酸塩類は、フタル酸水素カリウム、フタル酸水素ナトリウム、フタル酸ナトリウム、フタル酸アンモニウムの中から選択された少なくともいずれか1種以上であるのが好ましい。
 フタル酸類誘導体としては、フタル酸、フタル酸水素カリウム、フタル酸水素ナトリウム、フタル酸ナトリウム、フタル酸アンモニウム、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジアリル、フタル酸ジイソブチル、フタル酸ジノルマルヘキシル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソノニル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ジトリイソデシル等が挙げられる。好適にはフタル酸、より好適にはフタル酸塩類を使用するのが好ましい。
 フタル酸塩類等の多塩基酸塩類を使用すると、多塩基酸を使用する場合と比べて、得られる樹脂組成物の着色が抑えられ、また、高温での発泡が抑えられる。なお、多塩基酸塩類は、多塩基酸と比べてカルボキシル基の水素イオンが少ないため、セルロース繊維に対する酸分解が抑えられ、もって着色が抑えられるものと考えられる。また、多塩基酸は、多塩基酸塩類よりも高温で揮発し易く、発泡し易いものと考えられる。さらに、多塩基酸塩類としてフタル酸塩類及びフタル酸塩類の誘導体を使用すると、得られる樹脂組成物の曲げ弾性率が向上する。
 無水多塩基酸類としては、例えば、無水マレイン酸類、無水フタル酸類、無水イタコン酸類、無水シトラコン酸類、無水クエン酸類等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。ただし、好適には無水マレイン酸類、より好適には無水フタル酸類を使用するのが好ましい。
 無水フタル酸類としては、無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ヒドロキシ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、4?エチニルフタル酸無水物、4?フェニルエチニルフタル酸無水物が挙げられる。ただし、好適には無水フタル酸を使用するのが好ましい。
 本形態は、多塩基酸塩類を使用してマイクロ繊維セルロースを変性(ヒドロキシル基の一部を特定の官能基によって置換する)することを主たる目的とするものではない。本形態においては、多塩基酸塩類を相溶化剤として利用するものであり、これによって(相溶性の向上)、得られる複合樹脂の強度等を向上させるものである。この点、セルロース繊維を変性させるものではないと、得られる複合樹脂の品質が安定化する。
 ただし、本形態においては、多塩基酸塩類の一部がマイクロ繊維セルロースを変性するように構成してもよい。多塩基酸塩類によってセルロース繊維を変性する場合においては、ヒドロキシル基の一部が所定の官能基によって置換され、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の相溶性が向上する。
 また、多塩基酸等の添加剤を単に含有させるのではなく、当該添加剤の一部によってセルロース繊維を変性すると、セルロース繊維のヒドロキシル基の一部が所定の官能基によって置換され、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の相溶性がより向上する。ただし、多塩基酸等の添加剤を単に含有させる場合においても、当該添加剤が相溶化剤として機能するため、相溶性が向上する。結果、得られる繊維状セルロース複合樹脂の強度、特に曲げ強度が向上する。
 なお、多塩基酸等の添加剤を相溶化剤として機能させる場合は、セルロース繊維の変性の進み具合が問題にならないため、得られる複合樹脂の品質が安定化する。ただし、混練する際のマイクロ繊維セルロースの含水率に留意する等して(この点については、前述したとおりである。)、セルロース繊維が過度に変性してしまはないよう注意する必要がある。
 マイクロ繊維セルロースの多塩基酸塩類による変性は、繊維を構成するセルロースのヒドロキシル基の一部が下記構造式に示す官能基で置換されるように行うのが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 構造式中のRは、直鎖状、分枝鎖状、若しくは環状の飽和炭化水素基又はその誘導基;直鎖状、分枝鎖状、若しくは環状の不飽和炭化水素基又はその誘導基;芳香族基又はその誘導基;のいずれかである。また、αは有機物又は無機物からなる1価以上の陽イオンである。
 また、マイクロ繊維セルロースの添加剤による変性は、繊維を構成するセルロースのヒドロキシル基の一部が下記構造式(1)又は構造式(2)に示す官能基で置換されるように行うのが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 構造式中のRは、直鎖状、分枝鎖状、若しくは環状の飽和炭化水素基又はその誘導基;直鎖状、分枝鎖状、若しくは環状の不飽和炭化水素基又はその誘導基;芳香族基又はその誘導基;のいずれかである。
 混練処理には、例えば、単軸又は二軸以上の多軸混練機、ミキシングロール、ニーダー、ロールミル、バンバリーミキサー、スクリュープレス、ディスパーザー等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。それらのなかで、二軸以上の多軸混練機を使用することが好ましい。二軸以上の多軸混練機を2機以上、並列又は直列にして、使用しても良い。
 混練処理の温度は、樹脂のガラス転移点以上であり、樹脂の種類によって異なるが、80~280℃とするのが好ましく、90~260℃とするのがより好ましく、100~240℃とするのが特に好ましい。
 マイクロ繊維セルロース100質量部に対する多塩基酸塩類や多塩基酸等の添加剤の配合割合は、0.1~1,000質量部であるのが好ましく、1~500質量部であるのがより好ましく、10~200質量部であるのが特に好ましい。多塩基酸塩類の配合割合が0.1質量部を下回ると、十分な補強効果を得ることができない。他方、多塩基酸塩類の配合割合が1,000質量部を上回ると、補強効果は頭打ちとなる。
(第2の添加剤:エチレングリコール等)
 マイクロ繊維セルロース及び樹脂の混合に際しては、多塩基酸塩類や多塩基酸等の添加剤のほか、エチレングリコール、エチレングリコールの誘導体、エチレングリコール重合体、及びエチレングリコール重合体の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上の添加剤(第2の添加剤)を添加することができる。この第2の添加剤を添加することで、マイクロ繊維セルロースの分散性が著しく向上する。この点、本発明者等は、セルロース繊維がセルロースナノファイバーである場合は、当該セルロース繊維の分散性が向上しないことを知見している。この点、第2の添加剤がマイクロ繊維セルロース同士の間に入ることで、樹脂中での凝集が抑えられ、分散性を向上すると推測する。しかしながら、セルロースナノファイバーはマイクロ繊維セルロースよりも著しく比表面積が高くなるため、第2の添加剤を過剰に添加してもセルロースナノファイバー同士の間に入り込まないものと推定される。
 第2の添加剤の添加量は、マイクロ繊維セルロース100質量部に対して、0.1~1,000質量部であるのが好ましく、1~500質量部であるのがより好ましく、10~200質量部であるのが特に好ましい。第2の添加剤の添加量が0.1質量部を下回ると、マイクロ繊維セルロースの分散性を向上に寄与しない。他方、第2の添加剤の添加量が1,000質量部を上回ると、過剰となり逆に樹脂強度を低下させてしまう。
 第2の添加剤の分子量は、1~20,000であるのが好ましく、10~4,000であるのがより好ましく、100~2,000であるのが特に好ましい。第2の添加剤の分子量が1を下回ることは、物理的に不可能である。他方、第2の添加剤の分子量が20,000を上回ると、嵩高くなるためマイクロ繊維セルロース同士の間に入ることができない。
(無水マレイン酸変性ポリプロピレン)
 マイクロ繊維セルロース及び樹脂の混合に際しては、無水マレイン酸変性ポリプロピレン(MAPP)を添加するのも好適である。無水マレイン酸変性ポリプロピレンを添加すると、得られる樹脂組成物の強度、特に曲げ強度が向上する。
 無水マレイン酸変性ポリプロピレンの添加量は、マイクロ繊維セルロース100質量部に対して、0.1~1,000質量部であるのが好ましく、1~500質量部であるのがより好ましく、10~200質量部であるのが特に好ましい。無水マレイン酸変性ポリプロピレンの添加量が0.1質量部を下回ると、強度の向上が十分ではない。他方、無水マレイン酸変性ポリプロピレンの添加量が1,000質量部を上回ると、過剰となり強度が低下する傾向となる。
 無水マレイン酸変性ポリプロピレンの重量平均分子量は、1,000~100,000、好ましくは3,000~50,000である。
 また、無水マレイン酸変性ポリプロピレンの酸価は、0.5mgKOH/g以上、100mgKOH/g以下が好ましく、1mgKOH/g以上、50mgKOH/g以下がより好ましい。
(その他の組成物)
 マイクロ繊維セルロースには、セルロースナノファイバー、ミクロフィブリルセルロース、ミクロフィブリル状微細繊維、微少繊維セルロース、ミクロフィブリル化セルロース、スーパーミクロフィブリルセルロース等と称される各種微細繊維の中から1種又は2種以上を含ませることができ、また、これらの微細繊維が含まれていてもよい。また、これらの微細繊維を更に微細化した繊維をも含ませることもでき、また、含まれていてもよい。ただし、全原料繊維中におけるマイクロ繊維セルロースの割合が10質量%以上、好ましくは30質量%以上、より好ましくは60質量%以上となるようにする必要がある。
 また、以上のほか、ケナフ、ジュート麻、マニラ麻、サイザル麻、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、各種針葉樹(スギ及びヒノキ等)、広葉樹及び綿花などの各種植物体から得られた植物材料に由来する繊維を含ませることもでき、含まれていてもよい。
 繊維状セルロース複合樹脂の原料としては、マイクロ繊維セルロース、樹脂及び多塩基酸塩類、前述した添加剤の他、例えば、帯電防止剤、難燃剤、抗菌剤、着色剤、ラジカル捕捉剤、発泡剤等の添加剤の中から1種又は2種以上を選択して、本発明の効果を阻害しない範囲で使用することができる。
 これらの原料は、マイクロ繊維セルロースの分散液に混合しても、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の混練の際に併せて混練しても、これらの混練物に混練しても、その他の方法で混練してもよい。ただし、製造効率の面からは、マイクロ繊維セルロース及び樹脂の混練の際に併せて混練するのが好ましい。
(成形処理)
 マイクロ繊維セルロース及び樹脂(混練物)は、必要により再度混練処理を行った後、所望の形状に成形するのが好ましい。なお、混練物にはマイクロ繊維セルロースが分散しているが、成形加工性に優れている。
 成形の大きさや厚さ、形状等は、特に限定されず、例えば、シート状、ペレット状、粉末状、繊維状等とすることができる。
 成形処理の際の温度は、樹脂のガラス転移点以上であり、樹脂の種類によって異なるが、80~280℃とするのが好ましく、90~260℃とするのがより好ましく、100~240℃とするのが特に好ましい。
 成形処理の装置としては、例えば、射出成形機、吹込成形機、中空成形機、ブロー成形機、圧縮成形機、押出成形機、真空成形機、圧空成形機等の中から1種又は2種以上を選択して使用することができる。
 成形処理は、公知の成形方法によることができ、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等によることができる。また、混練物を紡糸して繊維状にし、前述した植物材料等と混繊してマット形状、ボード形状とすることもできる。混繊は、例えば、エアーレイにより同時堆積させる方法等によることができる。
 なお、この成形処理は、混練処理に続いて行うことも、混練物をいったん冷却し、破砕機等を使用してチップ化した後、このチップを押出成形機や射出成形機等の成形機に投入して行うこともできる。
(用語の定義、測定方法等)
 明細書中の用語は、特に断りのない限り、以下のとおりである。
(平均繊維径)
 固形分濃度0.01~0.1質量%のマイクロ繊維セルロースの水分散液100mlをテフロン(登録商標)製メンブレンフィルターでろ過し、エタノール100mlで1回、t-ブタノール20mlで3回溶媒置換する。次に、凍結乾燥し、オスミウムコーティングして試料とする。この試料について、構成する繊維の幅に応じて5000倍、10000倍又は30000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡SEM画像による観察を行う。具体的には、観察画像に二本の対角線を引き、対角線の交点を通過する直線を任意に三本引く。さらに、この三本の直線と交錯する合計100本の繊維の幅を目視で計測する。そして、計測値の中位径を平均繊維径とする。
(平均繊維長)
 上記平均繊維径の場合と同様にして、各繊維の長さを目視で計測する。計測値の中位長を平均繊維長とする。
(繊維分析)
 繊維長0.2mm以下の割合とフィブリル化率は、バルメット社製の繊維分析計「FS5」によって測定する。
(アスペクト比)
 上記平均繊維長を平均繊維幅(径)で除した値である。
(結晶化度)
 JIS-K0131(1996)の「X線回折分析通則」に準拠して、X線回折法により測定した値である。なお、マイクロ繊維セルロースは、非晶質部分と結晶質部分とを有し、結晶化度は、マイクロ繊維セルロース全体における結晶質部分の割合を意味することになる。
(パルプ粘度)
 JIS-P8215(1998)に準拠して測定する。なお、パルプ粘度が高いほどマイクロ繊維セルロースの重合度が高いことを意味する。
(フリーネス)
 JIS P8121-2:2012に準拠して測定した値である。
(含水率(水分率))
 繊維の水分率は、定温乾燥機を用いて、試料を105℃で6時間以上保持し質量の変動が認められなくなった時点の質量を乾燥後質量とし、下記式にて算出した値である。
 繊維水分率(%)=[(乾燥前質量-乾燥後質量)÷乾燥前質量]×100
 次に、本発明の実施例について説明する。
 固形分濃度2.75重量%のマイクロ繊維セルロースの水分散液365gに、フタル酸ナトリウム7g及びポリプロピレン粉末83gを添加し、105℃で加熱乾燥し微細セルロース繊維混合物を得た。当該マイクロ繊維セルロース混合物の含水率は10%未満であった。
 次に、得られた微細セルロース繊維混合物を180℃、200rpmの条件で二軸混練機にて混練し、マイクロ繊維セルロース複合樹脂を得た。このマイクロ繊維セルロース複合樹脂は、ペレッターで2mm径、2mm長の円柱状にカットし、180℃で直方体試験片(長さ59mm、幅9.6mm、厚さ3.8mm)に射出成形した。この試験は、各種混合材料の種類や混合割合等を変えて、複数回行った。詳細は、表1のとおりである。
 得られた試験片については、曲げ弾性率及び着色を調べ、結果を表1に示した。なお、曲げ弾性率及び着色の評価方法は、次のとおりである。
(曲げ試験)
 JIS K7171:2008に準拠して測定した。表中には、以下の基準で示した。
○:樹脂自体の曲げ弾性率を1として複合樹脂の曲げ弾性率(倍率)が1.4倍以上の場合
×:樹脂自体の曲げ弾性率を1として複合樹脂の曲げ弾性率(倍率)が1.4倍未満の場合
(着色)
○:目視で白色からベージュ色の場合
×:目視で茶褐色から黒色の場合
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 次に、本発明の別の実施例について説明する。
 固形分濃度2.75重量%のマイクロ繊維セルロースの水分散液365gに、無水マレイン酸変性ポリプロピレン1g、フタル酸7g、ポリエチレングリコール(400)3g及びポリプロピレン粉末79gを添加し、105℃で加熱乾燥して繊維状セルロース及び樹脂の混合物を得た。当該混合物の含水率は、10%未満であった。
 次に、当該混合物を180℃、200rpmの条件で二軸混練機にて混練し、繊維状セルロース複合樹脂を得た。この複合樹脂は、ペレッターで2mm径、2mm長の円柱状にカットし、180℃で直方体試験片(長さ59mm、幅9.6mm、厚さ3.8mm)に射出成形した。この試験は、各種混合材料の種類や混合割合等を変えて、複数回行った。詳細は、表2のとおりである。
 得られた試験片について、曲げ試験評価を行い、表2に示した。曲げ試験の評価は、以下のとおりとした。
 JIS K7171:2008に準拠して測定し、以下の基準で示した。
○:樹脂自体の曲げ弾性率を1として複合樹脂の曲げ弾性率(倍率)が1.5倍以上の場合
×:樹脂自体の曲げ弾性率を1として複合樹脂の曲げ弾性率(倍率)が1.5倍未満の場合
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 本発明は、繊維状セルロース複合樹脂及びその製造方法として利用可能である。

Claims (11)

  1.  平均繊維幅0.1μm以上のマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を含む、
     ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂。
  2.  前記マイクロ繊維セルロースは、平均繊維長0.02~3.0mmで、かつフィブリル化率1.0~30%である、
     請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  3.  前記多塩基酸塩類は、フタル酸塩類及びフタル酸塩類の誘導体の少なくともいずれか一方である、
     請求項1又は請求項2に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  4.  前記フタル酸塩類は、フタル酸水素カリウム、フタル酸水素ナトリウム、フタル酸ナトリウム、フタル酸アンモニウムの中から選択された少なくともいずれか1種以上である、
     請求項3に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  5.  前記多塩基酸塩類の一部が、前記マイクロ繊維セルロースを変性している、
     請求項1~4のいずれか1項に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  6.  原料繊維を平均繊維幅0.1μm以上に留まる範囲で解繊してマイクロ繊維セルロースとし、
     このマイクロ繊維セルロース及び樹脂、並びに多塩基酸塩類を混練する、
     ことを特徴とする繊維状セルロース複合樹脂の製造方法。
  7.  無水マレイン酸変性ポリプロピレンを含む、
     請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  8.  前記マイクロ繊維セルロース100質量部に対する前記無水マレイン酸変性ポリプロピレンの割合が0.1~1000質量部である、
     請求項7に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  9.  多塩基酸、多塩基酸の誘導体、及び多塩基酸塩類の誘導体の中から選択された少なくともいずれか1種以上を含む、
     請求項1に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  10.  前記マイクロ繊維セルロースは、前記多塩基酸、前記多塩基酸の誘導体、及び前記多塩基酸塩類の誘導体のいずれかによって変性されている、
     請求項9に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
  11.  前記多塩基酸がフタル酸で、前記多塩基酸塩類がフタル酸塩類である、
     請求項9に記載の繊維状セルロース複合樹脂。
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