JP2018069600A - 積層体 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、優れた耐湿性と機械的強度を兼ね備えたポリウレタン成形品を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層の両面側に、ポリウレタン含有層を備える積層体に関する。【選択図】図1

Description

本発明は、積層体に関する。具体的には、本発明は、ポリウレタン含有層と繊維層を備える積層体に関する。
ポリウレタンは、座席用クッションや、カバー生地裏打ち材、シーリング材、充填材、吸音材、断熱材といった各種用途に用いられている。このような用途に用いられるポリウレタンとしては、機械的強度や圧縮時の動的特性等の観点から発泡ポリウレタンが多用されている。また、繊維補強されたポリウレタン成形品も知られている。
ポリウレタン成形品の補強繊維としては、ガラス繊維が使用されることが多かった。しかし、ガラス繊維は成形作業時に作業員の皮膚を刺激する場合があり、製造工程における危険性が懸念されている。このため、近年は、補強繊維として植物繊維を用いることが検討されている。
例えば、特許文献1には、非マット状の天然繊維を型に供給する工程と、ポリウレタン原料を型に供給する工程と、型中で、天然繊維で補強されたポリウレタン成形品を成形する成形品の製造方法が開示されている。ここでは、天然繊維として、麻繊維や木質繊維が用いられている。特許文献2には、マット状の植物繊維で補強された硬質ポリウレタン発泡体の成形品が開示されている。ここでは、植物から取り出した繊維成分を開綿した後、形成されたシートを型内に入れ、ポリウレタン原料を供給した後に硬化させることで成形品が得られている。また、特許文献3には、ウレタンプレポリマーと、ポリオール等を含む硬化剤と、平均粒子径が10μm以下の微細化セルロースと、を含有する発泡ウレタン組成物が開示されている。ここでは、発泡ウレタン組成物を製造する際に長時間の混練が行われている。
特開2002−337159号公報 特開2014−125560号公報 国際公開第2014/057740号公報
ポリウレタン成形品は、種々の用途に用いられるものであるため、使用態様によっては、優れた耐湿性と機械的強度を有することが求められる場合がある。
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、耐湿性と機械的強度を兼ね備えたポリウレタン成形品を提供することを目的として検討を進めた。
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、ポリウレタン含有層と、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層を含む積層体において、繊維層の両面側に、ポリウレタン含有層を配設することにより、耐湿性と機械的強度を兼ね備えた積層体が得られることを見出した。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
[1] 繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層の両面側に、ポリウレタン含有層を備える積層体。
[2] 積層体は、少なくとも2層以上の前記繊維層を含む[1]に記載の積層体。
[3] 繊維層の密度は、1.0g/cm3以上1.7g/cm3以下である[1]又は[2]に記載の積層体。
[4] 繊維層の1層あたりの厚みは、10μm以上である[1]〜[3]のいずれかに記載の積層体。
[5] ポリウレタン含有層の厚みの合計をP(μm)とし、繊維層の厚みの合計をQ(μm)とした場合、P/Qの値は、5以上55以下である[1]〜[4]のいずれかに記載の積層体。
[6] 全体の厚みが0.5mm以上である[1]〜[5]のいずれかに記載の積層体。
[7] ポリウレタン含有層の少なくとも1層は発泡体である[1]〜[6]のいずれかに記載の積層体。
本発明によれば、耐湿性と機械的強度を兼ね備えた積層体を得ることができる。
図1は、本発明の積層体の構成を説明する断面図である。 図2は、本発明の積層体の構成を説明する断面図である。 図3は、本発明の積層体の構成を説明する断面図である。 図4は、リン酸基を有する繊維原料に対するNaOH滴下量と電気伝導度の関係を示すグラフである。 図5は、カルボキシル基を有する繊維原料に対するNaOH滴下量と電気伝導度の関係を示すグラフである。
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。
(積層体)
本発明は、ポリウレタン含有層と、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層を有する積層体に関する。本発明の積層体においては、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層の両面側に、ポリウレタン含有層が備えられている。
図1は、本発明の積層体10の構成を説明する断面図である。図1に示されるように、積層体10は、1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層2の両面側に、ポリウレタン含有層4A及びポリウレタン含有層4Bを有している。ポリウレタン含有層4Aを第1のポリウレタン含有層と呼び、ポリウレタン含有層4Bを第2のポリウレタン含有層と呼ぶ場合、本発明の積層体10は、第1のポリウレタン含有層と、繊維層と、第2のポリウレタン含有層をこの順で備える積層体である。また、本発明の積層体10は、両方の最表面にポリウレタン含有層を有するものであることが好ましい。
なお、第1のポリウレタン含有層と第2のポリウレタン含有層に挟まれる繊維層は、たとえば2層以上の繊維層の積層体により構成されていてもよい。この場合、上記2層以上の繊維層同士は、互いに直接接触していてもよく、接着層を介して接着されていてもよい。
本発明の積層体においては、繊維層とポリウレタン含有層は直接接するように積層されていてもよいが、繊維層とポリウレタン含有層の間には、接着層が存在していてもよい。例えば、図2に示されるように、ポリウレタン含有層4Aと繊維層2の間には、接着層6Aが存在していてもよく、この場合、ポリウレタン含有層4Aと繊維層2は接着層6Aを介して接着する。また、ポリウレタン含有層4Bと繊維層2の間には、接着層6Bが存在していてもよく、この場合、ポリウレタン含有層4Bと繊維層2は接着層6Bを介して接着する。
本発明の積層体は、上記構成を有するものであるため、優れた耐湿性を有している。本明細書において、積層体の耐湿性は、積層体の表面に水を滴下し、10分経過後の表面の脆化具合で判定することができる。例えば、積層体の表面に水を滴下し、10分経過後に積層体の表面を指でなぞった際に、表面が崩壊しない場合に耐湿性が優れていると言える。
また、本発明の積層体は、優れた機械的強度を有する。具体的には、本発明の積層体は、高い曲げ弾性率を有するものである。曲げ弾性率は、JIS K 6301に準じて測定する。具体的には、積層体を長さ150mm、幅50mmに切り出し、23℃、相対湿度50%の条件下で、支点間距離100mm、テストスピード50mm/minで測定する。本発明においては、積層体と厚みが同程度のポリウレタン含有層1層の曲げ弾性率と比較して、曲げ弾性率は、1.08倍以上であることが好ましく、1.18倍以上であることがより好ましい。
本発明の積層体は、優れた圧縮耐久性を有する。本発明の積層体は繰り返し圧縮を行った場合であっても、破損しにくい。圧縮耐久性は、積層体に圧縮率60%、5Hzの条件にて繰り返し圧縮試験を行い、試験片が破損した際の圧縮回数で評価することができる。本発明においては、積層体と厚みが同程度のポリウレタン含有層1層の圧縮回数と比較して、圧縮回数は、1.08倍以上であることが好ましく、1.18倍以上であることがより好ましい。
さらに、本発明の積層体は、線熱膨張係数が小さいものである点にも特徴がある。本明細書において、線熱膨張係数が小さい場合、積層体は、温度変化時の寸法安定性が高いことを意味する。積層体の線熱膨張係数を算出する際には、幅3mm×長さ30mmに切り出した積層体を熱機械分析装置(日立ハイテク社製、TMA7100)にセットして、引張モードでチャック間20mm、荷重10g、窒素雰囲気下の条件で、室温から180℃まで5℃/分で昇温させる。この際の100℃から150℃までの測定値から線熱膨張係数を算出する。本発明においては、積層体と厚みが同程度のポリウレタン含有層1層の線熱膨張係数と比較して、線熱膨張係数は、0.92倍以下であることが好ましく、0.82倍以下であることがより好ましい。
本発明の積層体は、2層のポリウレタン含有層と、これらの間に位置する繊維層を含む積層構造を有していればよく、当該積層構造の一面側および/または多面側には他の繊維層またはポリウレタン含有層が任意に積層されていてもよく、積層されていなくてもよい。本実施形態における積層体は、たとえば、2層のポリウレタン含有層と1層の繊維層から構成される3層構造(但し、接着層を含む場合は、接着層の層数は除く)であってもよいが、少なくとも2層以上の繊維層を含むものであることが好ましい。本発明の積層体においては、繊維層の層数をnとした場合、ポリウレタン含有層の層数はn+1以上であることが好ましく、n+1であることがより好ましい。具体的には、積層体が繊維層を2層含む場合、ポリウレタン含有層の層数は3層であることが好ましく、積層体が繊維層を4層含む場合、ポリウレタン含有層の層数は5層であることが好ましい。本発明においては、繊維層の層数は2以上であることが好ましく、3以上であることがより好ましく、4以上であることがさらに好ましく、5以上であることが一層好ましく、6以上であることがより一層好ましく、7以上であることが特に好ましく、8以上であることが最も好ましい。また、ポリウレタン含有層の層数は、3以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましく、5以上であることがさらに好ましく、6以上であることが一層好ましく、7以上であることがより一層好ましく、8以上であることが特に好ましく、9以上であることが最も好ましい。
本発明の積層体の実施形態としては、例えば、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、及びポリウレタン含有層がこの順で積層したもの、を挙げることができる。
なお、図3には、繊維層の層数が4であり、ポリウレタン含有層の層数が5である積層体が開示されている。図3に示されている積層体においては、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層、ポリウレタン含有層、繊維層及びポリウレタン含有層がこの順で積層している。なお、図3においては、接着層を図示していないが、繊維層とポリウレタン含有層の間には、接着層が存在していてもよい。このように、積層体を複数層の繊維層と複数層のポリウレタン含有層から構成することにより、積層体の機械的強度を高めると同時に、積層体の耐湿性をより効果的に高めることができる。
本発明においては、ポリウレタン含有層の厚みの合計をP(μm)とし、繊維層の厚みの合計をQ(μm)とした場合、P/Qの値は、4以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、8以上であることがさらに好ましく、10以上であることが一層好ましく、11以上であることが特に好ましい。また、P/Qの値は、65以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、55以下であることがさらに好ましい。P/Qの値を上記範囲内とすることにより、積層体の強度をより効果的に高めることができる。具体的には、積層体の圧縮耐久性と曲げ強度を効果的に高めることができる。また、線膨張係数の観点からP/Qの値は28以下であることも好ましい。
本発明の好ましい実施形態の1つは、積層体が少なくとも2層以上の繊維層を含み、かつポリウレタン含有層の厚みの合計をP(μm)とし、繊維層の厚みの合計をQ(μm)とした場合、P/Qの値が5以上55以下の積層体である。
ポリウレタン含有層の1層あたりの厚みは、100μm以上であることが好ましく、200μm以上であることがより好ましく、300μm以上であることがさらに好ましい。また、ポリウレタン含有層の1層あたりの厚みは、50000μm以下であることが好ましく、30000μm以下であることがより好ましい。なお、積層体に含まれる全てのポリウレタン含有層の厚みが上記範囲内であることが好ましい。
繊維層の1層あたりの厚みは、10μm以上であることが好ましく、15μm以上であることがより好ましく、20μm以上であることがさらに好ましい。また、繊維層の1層あたりの厚みは、200μm以下であることが好ましい。なお、積層体が繊維層を2層以上含む場合は、全ての繊維層の厚みが上記範囲内であることが好ましい。
ポリウレタン含有層と繊維層の1層あたりの厚みの比(ポリウレタン含有層の厚み/繊維層の厚み)は、3以上が好ましく、5以上がより好ましく、10以上がさらに好ましい。ポリウレタン含有層と繊維層の1層あたりの厚みの比を上記範囲内とすることにより、積層体の機械的強度がより一層向上する。
積層体の全体の厚みは特に限定されず、例えば、0.5mm以上であることが好ましく、1mm以上であることがより好ましく、2mm以上であることがさらに好ましい。また、積層体の全体の厚みは100mm以下であることが好ましい。積層体の全体の厚みを上記範囲内とすることにより、積層体の機械的強度がより一層向上する。
(ポリウレタン含有層)
ポリウレタン含有層は、ポリウレタンを含む。ポリウレタンは、ポリオール(a1)とポリイソシアネート(a2)を反応させて得られるウレタンプレポリマー(A)と、ポリオール(b1)を含む硬化剤(B)を含有するウレタン組成物から形成される。
ポリオール(a1)としては、例えば、ポリエステルポリオール、ポリカプロラクトンポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、ポリアクリポリオール、ダイマージオール、水添ダイマージオール等を用いることができる。これらのポリオールは、単独で用いても2種以上を併用してもよい。中でも、ポリエステルポリオール及び/又はポリエーテルポリオールを用いることが好ましく、ポリエステルポリオールを用いることがより好ましい。ポリエステルポリオールとしては、例えば、低分子量のポリオールとポリカルボン酸とをエステル化反応して得られるポリエステルポリオール等を用いることができる。
低分子量のポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,5−ヘキサンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2,5−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、1,10−デカンジオール、1,11−ウンデカンジオール、1,12−ドデカンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、ネオペンチルグリコール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール、2−メチル−1,8−オクタンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ジトリメチロールプロパン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等の脂肪族ポリオール;1,4−シクロヘキサンジメタノール、水素添加ビスフェノールA等の脂環式ポリオール;ビスフェノールA、ビスフェノールAのアルキレンオキサイド付加物、ビスフェノールS、ビスフェノールSのアルキレンオキサイド付加物などを用いることができる。これらの低分子量ポリオールは単独で用いても2種以上を併用してもよい。中でも、エチレングリコール、1,4−ブタンジオール、ジエチレングリコール、1,6−ヘキサンジオール及びトリエチレングリコールからなる群より選ばれる1種以上のものを用いることが好ましい。
ポリカルボン酸としては、例えば、コハク酸、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカンジカルボン酸、ダイマー酸の脂肪族ポリカルボン酸;1,4−シクロヘキサンジカルボン酸やシクロヘキサントリカルボン酸等の脂環族ポリカルボン酸;オルトフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、2,3−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の芳香族ポリカルボン酸;及びそれらの無水物またはエステル誘導体などを用いることができる。これらのポリカルボン酸は、単独で用いても2種以上を併用してもよい。中でも、アジピン酸、コハク酸、セバシン酸及びオルトフタル酸からなる群より選ばれる1種以上のものを用いることが好ましい。
ポリエーテルポリオールとしては、例えば、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリブチレングリコール、及びこれらとラクトン化合物とを反応させたもの等を用いることができる。中でも、ポリテトラメチレングリコール及び/又はポリテトラメチレングリコールとラクトン化合物とを反応させたものを用いることが好ましい。
ラクトン化合物としては、例えば、δ−バレロラクトン、β−メチル−δ−バレロラクトン、ε−カプロラクトン、α−メチル−ε−カプロラクトン、β−メチル−ε−カプロラクトン、γ−メチル−ε−カプロラクトン、β、δ−ジメチル−ε−カプロラクトン、3,3,5−トリメチル−ε−カプロラクトン、エナントラクトン(7−ヘプタノリド)、ドデカノラクトン(12−ドデカノリド)等を用いることができる。これらのラクトン化合物は単独で用いても2種以上を併用してもよい。これらの中でも、反応の容易性及び繰り返し圧縮耐久性をより一層向上できる点から、ε−カプロラクトンを用いることが好ましい。
ポリオール(a1)の水酸基当量は、50g/eq.以上5,000g/eq.以下であることが好ましく、200g/eq.以上3,000g/eq.以下であることがより好ましく、400g/eq.以上2,500g/eq.以下であることがさらに好ましい。なお、ポリオール(a1)の水酸基当量は、下記式(1)により得られた値を示す。
水酸基当量(g/eq.)=56,100/(水酸基価+酸価) (1)
水酸基価(mgKOH/g):JIS K 1557−1のA法に準拠して測定した値を示す。
酸価(mgKOH/g):JIS K 1557−5の指示薬法に準拠して測定した値を示す。
ポリイソシアネート(a2)としては、例えば、ジフェニルメタンジイソシアネート(4,4’−体、2,4’−体、又は2,2’−体、もしくはそれらの混合物)、ジフェニルメタンジイソシアネートのカルボジイミド変性体、ビュレット変性体、ウレタンイミン変性体及びジエチレングリコールやジプロピレングリコール等の数平均分子量1,000以下のポリオールで変性したポリオール変性体等のジフェニルメタンジイソシアネート誘導体、トリレンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、1,5−ナフタレンジイソシアネート、テトラメチルキシレンジイソシアネート等の芳香族ポリイソシアネート;イソホロンジイソシアネート、水添ジフェニルメタンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、ノルボルネンジイソシアネート等の脂環式ポリイソシアネート;ヘキサメチレンジイソシアネート、ダイマー酸ジイソシアネート等の脂肪族ポリイソシアネートなどが挙げられる。これらのポリイソシアネートは、単独で用いても2種以上を併用してもよい。中でも、芳香族ポリイソシアネートを用いることが好ましく、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート及び/又はその誘導体を用いることがより好ましく、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート及び/又はそのカルボジイミド変性体を用いることがさらに好ましい。
ポリイソシアネート(a2)として、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートとそのカルボジイミド変性体と併用する場合、両者の質量割合は、50/50〜99.5/0.5であることが好ましく、80/20〜99/1であることがより好ましく、90/10〜98/2であることがさらに好ましい。
ポリオール(a1)とポリイソシアネート(a2)を反応させる際は、例えば、ポリオール(a1)が有する水酸基に対するポリイソシアネート(a2)が有するイソシアネート基のモル比(NCO/OH)が、1.01以上30以下となるように混合することが好ましく、2以上20以下となるように混合することがより好ましく、更に好ましくは4以上15以下となるように混合することがさらに好ましい。
ポリオール(a1)とポリイソシアネート(a2)を反応させることで得られるウレタンプレポリマー(A)は、イソシアネート基を有するものであり、そのイソシアネート基当量(以下、「NCO当量」と略記する。)は、150g/eq.以上1,000g/eq.以下であることが好ましく、200g/eq.以上800g/eq.以下であることがより好ましく、220g/eq.以上750g/eq.以下であることがさらに好ましい。
ウレタンプレポリマー(A)の40℃における粘度は、500mPa・s以上5,000mPa・s以下であることが好ましく、650mPa・s以上4,000mPa・s以下であることがより好ましい。なお、ウレタンプレポリマー(A)の40℃における粘度は、ウレタンプレポリマー(A)を入れた保存容器を40℃の恒温水槽に浸漬させた後に、BM型粘度計を用いて測定した値である。
ポリオール(b1)としては、ポリオール(a1)と同様のものを用いることができる。中でも、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール及びポリカプロラクトンポリオールからなる群より選ばれる少なくとも1種のポリオールを用いることが好ましく、ポリエステルポリオール、ポリテトラメチレングリコール、ポリテトラメチレングリコールとラクトン化合物との反応物、ポリカプロラクトンポリオールを用いることがより好ましく、ポリエステルポリオール及びポリカプロラクトンポリオールを用いることがさらに好ましい。
ポリカプロラクトンポリオールとポリエステルポリオールとの質量比は、1/99〜80/20であることが好ましく、5/95〜50/50であることがより好ましい。ラクトン化合物としては、例えば、δ−バレロラクトン、β−メチル−δ−バレロラクトン、ε−カプロラクトン、α−メチル−ε−カプロラクトン、β−メチル−ε−カプロラクトン、γ−メチル−ε−カプロラクトン、β、δ−ジメチル−ε−カプロラクトン、3,3,5−トリメチル−ε−カプロラクトン、エナントラクトン(7−ヘプタノリド)、ドデカノラクトン(12−ドデカノリド)等を用いることができる。これらのラクトン化合物は、単独で用いても2種以上を併用してもよい。
低分子量のポリオールとしては、ポリエステルポリオールの製造に用いることができる低分子量のポリオールと同様のものを用いることができる。中でも、トリメチロールプロパンを用いることが好ましい。
ポリオール(b1)としては、必要に応じて、その他の低分子量ポリオールを併用してもよい。その他の低分子量ポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール(2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール)、2−イソプロピル−1,4−ブタンジオール、3−メチル−2,4−ペンタンジオール、2,4−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、2,4−ジメチル−1,5−ペンタンジオール、2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオール、1,5−ヘキサンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール、2−エチル−1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、3,5−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、2−メチル−1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、1,10−デカンジオール等の脂肪族ジオール;シクロヘキサンジメタノール、シクロヘキサンジオール、2−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)−プロパン等の脂環式ジオール;トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ヘキシトール化合物、ペンチトール化合物、グリセリン、ポリグリセリン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、テトラメチロールプロパン等の三価以上のポリオールなどを用いることができる。これらの低分子量ポリオールは、単独で用いても2種以上を併用してもよい。これらの中でも、原料入手が容易で繰り返し圧縮耐久性をより一層向上できる点から、エチレングリコール、1,4−ブタンジオールを用いることが好ましい。
本発明においては、ポリウレタン含有層の少なくとも1層は発泡体であることが好ましく、硬質ウレタンフォームであることがより好ましい。この場合、ウレタン組成物は水を含有することが好ましく、水は、発泡剤として機能する。また、発泡剤としては、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンのようなフルオロカーボン類、シクロペンタン、二酸化炭素を用いることもできる。発泡剤の配合量は、例えば、ポリオール(b1)100質量部に対して、0.05質量部以上3質量部以下であることが好ましく、0.3質量部以上2質量部以下であることがより好ましい。なお、本発明においては、ポリオール(b1)と水などの発泡剤を合わせて硬化剤(B)と呼ぶこともある。
ウレタン組成物は必要に応じて、その他の添加剤を含有してもよい。その他の添加剤としては、例えば、触媒、整泡剤、砥粒、充填剤、顔料、増粘剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、界面活性剤、難燃剤、可塑剤等を用いることができる。
ポリウレタン含有層の密度は用途に応じて適切な密度にすることができる。密度はポリウレタン含有層の質量(kg)と体積(m3)を測定し、得られた値から算出した値である。
(ポリウレタン含有層の製造方法)
ポリウレタン含有層の製造工程では、まず、上述したポリオール(a1)とポリイソシアネート(a2)を反応させることでウレタンプレポリマー(A)を得る。ポリオール(a1)とポリイソシアネート(a2)の反応は、窒素気流下で行うことが好ましい。反応温度は、30℃以上100℃以下であることが好ましく、40℃以上80℃以下であることがより好ましい。また、反応時間は、0.1時間以上50時間以下であることが好ましく、1時間以上10時間以下であることがより好ましい。
次いで、ウレタンプレポリマー(A)と硬化剤(B)を混合し、ウレタン組成物を得る。ここでは、ウレタンプレポリマー(A)と硬化剤(B)をそれぞれ30℃以上80℃以下となるように加温した後に、混合することが好ましい。
ウレタンプレポリマー(A)と硬化剤(B)の混合比は、質量比で100/10〜50/50であることが好ましい。このようにして、ウレタン組成物が得られる。
ポリウレタン含有層を形成する際には、ウレタン組成物から、シートもしくは発泡体を形成する。この場合、ウレタン組成物を30℃以上100℃以下に予め加熱した金型中に注入し、30℃以上100℃以下の温度で1分以上10分以下成形することでシートもしくは発泡体を形成することができる。
また、ポリウレタン含有層を形成する際には、金型中にウレタン組成物を射出することで形成してもよい。例えば、金型中にウレタン組成物の一部を注入し、繊維層を金型に入れた後に、残りのウレタン組成物を金型に注入することで、繊維層の両面にポリウレタン含有層が密着した積層体が得られる。
(繊維層)
繊維層は、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む。本明細書においては、繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを微細繊維状セルロースともいう。
繊維層の密度は、1.0g/cm3以上であることが好ましく、1.2g/cm3以上であることがより好ましく、1.4g/cm3以上であることがさらに好ましい。また、繊維層の密度は、2.0g/cm3以下であることが好ましく、1.7g/cm3以下であることがより好ましい。なお、積層体を構成する全ての繊維層の密度が上記範囲であることが好ましいが、各繊維層の密度が上記範囲内にない場合であっても積層体における繊維層の平均の密度が上記範囲内であればよい。
ここで、繊維層の密度は、繊維層1層の坪量と厚さから、JIS P 8118に準拠して算出される。なお、繊維層の密度は、セルロース繊維以外の任意成分を含む密度である。繊維層の坪量は、ウルトラミクロトームUC−7(JEOL社製)によって積層体の繊維層のみが残るように切削し、JIS P 8124に準拠し、算出することができる。
本発明の繊維層は非多孔性の微細繊維状セルロース含有シートである点にも特徴がある。ここで、繊維層が非多孔性であるとは、繊維層の平均密度が1.0g/cm3以上であることを意味する。繊維層の平均密度が1.0g/cm3以上であれば、繊維層に含まれる空隙率が、所定値以下に抑えられていることを意味し、多孔性の繊維層とは区別される。
また、繊維層が非多孔性であることは、空隙率が15体積%以下であることからも特徴付けられる。ここでいう繊維層の空隙率は簡易的に下記式(a)により求めるものである。
式(a):空隙率(体積%)={1−B/(M×A×t)}×100
ここで、Aは繊維層の面積(cm2)、tは繊維層の厚み(cm)、Bは繊維層の質量(g)、Mはセルロースの密度である。
繊維層に含まれる微細繊維状セルロース繊維の含有量は、繊維層の全質量に対して50質量%以上が好ましく、60質量%以上がより好ましく、70質量%以上がさらに好ましく、80質量%以上が特に好ましい。積層体に含まれる2層以上の繊維層の微細繊維状セルロースの含有量は各々同じであっても異なっていてもよい。繊維層に含まれる微細繊維状セルロース繊維の含有量を上記範囲とすることにより、微細繊維状セルロース同士の物理的な絡み合いや、化学的な架橋が十分に形成されるため、繊維層の強度を十分に高めることができる。
繊維層には、微細繊維状セルロース以外の任意成分が含まれていてもよい。任意成分としては、例えば、親水性の含酸素有機化合物(但し、上記セルロース繊維は除く)が挙げられる。親水性の含酸素有機化合物は、繊維層の強度、密度を維持しつつ、柔軟性、化学的耐性などを向上させることができる。
含酸素有機化合物としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、カゼイン、デキストリン、澱粉、変性澱粉、ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール(アセトアセチル化ポリビニルアルコール等)、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルメチルエーテル、ポリアクリル酸塩類、ポリアクリルアミド、アクリル酸アルキルエステル共重合体、ウレタン系共重合体、セルロース誘導体(ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等)等の親水性高分子;グリセリン、ソルビトール、エチレングリコール等の親水性低分子が挙げられる。これらの中でも、各シートの強度、密度、化学的耐性などを向上させる観点から、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、グリセリン、ソルビトールが好ましい。
<微細繊維状セルロース>
微細繊維状セルロースを得るための繊維状セルロース原料としては特に限定されないが、入手しやすく安価である点から、パルプを用いることが好ましい。パルプとしては、木材パルプ、非木材パルプ、脱墨パルプを挙げることができる。木材パルプとしては例えば、広葉樹クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹クラフトパルプ(NBKP)、サルファイトパルプ(SP)、溶解パルプ(DP)、ソーダパルプ(AP)、未晒しクラフトパルプ(UKP)、酸素漂白クラフトパルプ(OKP)等の化学パルプ等が挙げられる。また、セミケミカルパルプ(SCP)、ケミグラウンドウッドパルプ(CGP)等の半化学パルプ、砕木パルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP、BCTMP)等の機械パルプ、等が挙げられるが、特に限定されない。非木材パルプとしてはコットンリンターやコットンリント等の綿系パルプ、麻、麦わら、バガス等の非木材系パルプ、ホヤや海草等から単離されるセルロース、キチン、キトサン等が挙げられるが、特に限定されない。脱墨パルプとしては古紙を原料とする脱墨パルプが挙げられるが、特に限定されない。本実施態様のパルプは上記の1種を単独で用いてもよいし、2種以上混合して用いてもよい。上記パルプの中で、入手のしやすさという点で、セルロースを含む木材パルプ、脱墨パルプが好ましい。木材パルプの中でも化学パルプはセルロース比率が大きいため、繊維微細化(解繊)時の微細繊維状セルロースの収率が高く、またパルプ中のセルロースの分解が小さく、軸比の大きい長繊維の微細繊維状セルロースが得られる点で好ましい。中でもクラフトパルプ、サルファイトパルプが最も好ましく選択される。軸比の大きい長繊維の微細繊維状セルロースを含有するシートは高強度が得られる傾向がある。
微細繊維状セルロースの平均繊維幅は、電子顕微鏡で観察して、1000nm以下である。平均繊維幅は、好ましくは2nm以上1000nm以下、より好ましくは2nm以上100nm以下であり、より好ましくは2nm以上50nm以下であり、さらに好ましくは2nm以上10nm以下であるが、特に限定されない。微細繊維状セルロースの平均繊維幅が2nm未満であると、セルロース分子として水に溶解しているため、微細繊維状セルロースとしての物性(強度や剛性、寸法安定性)が発現しにくくなる傾向がある。なお、微細繊維状セルロースは、たとえば繊維幅が1000nm以下である単繊維状のセルロースである。
微細繊維状セルロースの電子顕微鏡観察による繊維幅の測定は以下のようにして行う。濃度0.05質量%以上0.1質量%以下の微細繊維状セルロースの水系懸濁液を調製し、この懸濁液を親水化処理したカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。幅の広い繊維を含む場合には、ガラス上にキャストした表面のSEM像を観察してもよい。構成する繊維の幅に応じて1000倍、5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。但し、試料、観察条件や倍率は下記の条件を満たすように調整する。
(1)観察画像内の任意箇所に一本の直線Xを引き、該直線Xに対し、20本以上の繊維が交差する。
(2)同じ画像内で該直線と垂直に交差する直線Yを引き、該直線Yに対し、20本以上の繊維が交差する。
上記条件を満足する観察画像に対し、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を目視で読み取る。こうして少なくとも重なっていない表面部分の画像を3組以上観察し、各々の画像に対して、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を読み取る。このように少なくとも20本×2×3=120本の繊維幅を読み取る。微細繊維状セルロースの平均繊維幅(単に、「繊維幅」ということもある。)はこのように読み取った繊維幅の平均値である。
微細繊維状セルロースの繊維長は特に限定されないが、0.1μm以上1000μm以下が好ましく、0.1μm以上800μm以下がさらに好ましく、0.1μm以上600μm以下が特に好ましい。繊維長を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースの結晶領域の破壊を抑制でき、また微細繊維状セルロースのスラリー粘度を適切な範囲とすることができる。なお、微細繊維状セルロースの繊維長は、TEM、SEM、AFMによる画像解析より求めることができる。
微細繊維状セルロースはI型結晶構造を有していることが好ましい。ここで、微細繊維状セルロースがI型結晶構造をとっていることは、グラファイトで単色化したCuKα(λ=1.5418Å)を用いた広角X線回折写真より得られる回折プロファイルにおいて同定できる。具体的には、2θ=14°以上17°以下付近と2θ=22°以上23°以下付近の2箇所の位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。
微細繊維状セルロースに占めるI型結晶構造の割合は30%以上であることが好ましく、より好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上である。この場合、耐熱性と低線熱膨張率発現の点でさらに優れた性能が期待できる。結晶化度については、X線回折プロファイルを測定し、そのパターンから常法により求められる(Seagalら、Textile Research Journal、29巻、786ページ、1959年)。
微細繊維状セルロースは、置換基を有するものであることが好ましく、置換基はアニオン基であることが好ましい。アニオン基としては、例えば、リン酸基又はリン酸基に由来する置換基(単にリン酸基ということもある)、カルボキシル基又はカルボキシル基に由来する置換基(単にカルボキシル基ということもある)、及び、スルホン基又はスルホン基に由来する置換基(単にスルホン基ということもある)から選択される少なくとも1種であることが好ましく、リン酸基及びカルボキシル基から選択される少なくとも1種であることがより好ましく、リン酸基であることが特に好ましい。すなわち、本発明で用いられる微細繊維状セルロースはリン酸化セルロースであることが好ましい。
微細繊維状セルロースは、リン酸基又はリン酸基に由来する置換基を有するものであることが好ましい。リン酸基はリン酸からヒドロキシル基を取り除いたものにあたる、2価の官能基である。具体的には−PO32で表される基である。リン酸基に由来する置換基は、リン酸基が縮重合した基、リン酸基の塩、リン酸エステル基などの置換基が含まれ、イオン性置換基であっても、非イオン性置換基であってもよい。
本発明では、リン酸基又はリン酸基に由来する置換基は、下記式(1)で表される置換基であってもよい。
Figure 2018069600
式(1)中、a、b、m及びnはそれぞれ独立に整数を表す(ただし、a=b×mである);αn(n=1以上n以下の整数)およびα’はそれぞれ独立にR又はORを表す。Rは、水素原子、飽和−直鎖状炭化水素基、飽和−分岐鎖状炭化水素基、飽和−環状炭化水素基、不飽和−直鎖状炭化水素基、不飽和−分岐鎖状炭化水素基、芳香族基、又はこれらの誘導基である;βは有機物または無機物からなる1価以上の陽イオンである。
<リン酸基導入工程>
リン酸基導入工程は、セルロースを含む繊維原料に対し、リン酸基を有する化合物及びその塩から選択される少なくとも1種(以下、「リン酸化試薬」又は「化合物A」という)を反応させることにより行うことができる。このようなリン酸化試薬は、乾燥状態または湿潤状態の繊維原料に粉末や水溶液の状態で混合してもよい。また別の例としては、繊維原料のスラリーにリン酸化試薬の粉末や水溶液を添加してもよい。
リン酸基導入工程は、セルロースを含む繊維原料に対し、リン酸基を有する化合物及びその塩から選択される少なくとも1種(リン酸化試薬又は化合物A)を反応させることにより行うことができる。なお、この反応は、尿素及びその誘導体から選択される少なくとも1種(以下、「化合物B」という)の存在下で行ってもよい。
化合物Aを化合物Bの共存下で繊維原料に作用させる方法の一例としては、乾燥状態または湿潤状態の繊維原料に化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を混合する方法が挙げられる。また別の例としては、繊維原料のスラリーに化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を添加する方法が挙げられる。これらのうち、反応の均一性が高いことから、乾燥状態の繊維原料に化合物Aおよび化合物Bの水溶液を添加する方法、または湿潤状態の繊維原料に化合物Aおよび化合物Bの粉末や水溶液を添加する方法が好ましい。また、化合物Aと化合物Bは同時に添加してもよいし、別々に添加してもよい。また、初めに反応に供試する化合物Aと化合物Bを水溶液として添加して、圧搾により余剰の薬液を除いてもよい。繊維原料の形態は綿状や薄いシート状であることが好ましいが、特に限定されない。
本実施態様で使用する化合物Aは、リン酸基を有する化合物及びその塩から選択される少なくとも1種である。
リン酸基を有する化合物としては、リン酸、リン酸のリチウム塩、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩などが挙げられるが、特に限定されない。リン酸のリチウム塩としては、リン酸二水素リチウム、リン酸水素二リチウム、リン酸三リチウム、ピロリン酸リチウム、またはポリリン酸リチウムなどが挙げられる。リン酸のナトリウム塩としてはリン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、またはポリリン酸ナトリウムなどが挙げられる。リン酸のカリウム塩としてはリン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウム、ピロリン酸カリウム、またはポリリン酸カリウムなどが挙げられる。リン酸のアンモニウム塩としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ピロリン酸アンモニウム、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。
これらのうち、リン酸基の導入の効率が高く、後述する解繊工程で解繊効率がより向上しやすく、低コストであり、かつ工業的に適用しやすい観点から、リン酸、リン酸のナトリウム塩、またはリン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましい。リン酸二水素ナトリウム、またはリン酸水素二ナトリウムがより好ましい。
また、反応の均一性が高まり、かつリン酸基導入の効率が高くなることから化合物Aは水溶液として用いることが好ましい。化合物Aの水溶液のpHは特に限定されないが、リン酸基の導入の効率が高くなることから7以下であることが好ましく、パルプ繊維の加水分解を抑える観点からpH3以上pH7以下がさらに好ましい。化合物Aの水溶液のpHは例えば、リン酸基を有する化合物のうち、酸性を示すものとアルカリ性を示すものを併用し、その量比を変えて調整してもよい。化合物Aの水溶液のpHは、リン酸基を有する化合物のうち、酸性を示すものに無機アルカリまたは有機アルカリを添加すること等により調整してもよい。
繊維原料に対する化合物Aの添加量は特に限定されないが、化合物Aの添加量をリン原子量に換算した場合、繊維原料(絶乾質量)に対するリン原子の添加量は0.5質量%以上100質量%以下が好ましく、1質量%以上50質量%以下がより好ましく、2質量%以上30質量%以下が最も好ましい。繊維原料に対するリン原子の添加量が上記範囲内であれば、微細繊維状セルロースの収率をより向上させることができる。繊維原料に対するリン原子の添加量が100質量%を超えると、収率向上の効果は頭打ちとなり、使用する化合物Aのコストが上昇する。一方、繊維原料に対するリン原子の添加量を上記下限値以上とすることにより、収率を高めることができる。
本実施態様で使用する化合物Bとしては、尿素、ビウレット、1−フェニル尿素、1−ベンジル尿素、1−メチル尿素、1−エチル尿素などが挙げられる。
化合物Bは化合物A同様に水溶液として用いることが好ましい。また、反応の均一性が高まることから化合物Aと化合物Bの両方が溶解した水溶液を用いることが好ましい。繊維原料(絶乾質量)に対する化合物Bの添加量は1質量%以上500質量%以下であることが好ましく、10質量%以上400質量%以下であることがより好ましく、100質量%以上350質量%以下であることがさらに好ましく、150質量%以上300質量%以下であることが特に好ましい。
化合物Aと化合物Bの他に、アミド類またはアミン類を反応系に含んでもよい。アミド類としては、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトアミド、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。アミン類としては、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどが挙げられる。これらの中でも、特にトリエチルアミンは良好な反応触媒として働くことが知られている。
リン酸基導入工程においては加熱処理を施すことが好ましい。加熱処理温度は、繊維の熱分解や加水分解反応を抑えながら、リン酸基を効率的に導入できる温度を選択することが好ましい。具体的には50℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上250℃以下であることがより好ましく、150℃以上200℃以下であることがさらに好ましい。また、加熱には減圧乾燥機、赤外線加熱装置、マイクロ波加熱装置を用いてもよい。
加熱処理の際、化合物Aを添加した繊維原料スラリーに水が含まれている間において、繊維原料を静置する時間が長くなると、乾燥に伴い水分子と溶存する化合物Aが繊維原料表面に移動する。そのため、繊維原料中の化合物Aの濃度にムラが生じる可能性があり、繊維表面へのリン酸基の導入が均一に進行しない恐れがある。乾燥による繊維原料中の化合物Aの濃度ムラ発生を抑制するためには、ごく薄いシート状の繊維原料を用いるか、ニーダー等で繊維原料と化合物Aを混練又は攪拌しながら加熱乾燥又は減圧乾燥させる方法を採ればよい。
加熱処理に用いる加熱装置としては、スラリーが保持する水分及びリン酸基などの繊維の水酸基への付加反応で生じる水分を常に装置系外に排出できる装置であることが好ましく、例えば送風方式のオーブン等が好ましい。装置系内の水分を常に排出すれば、リン酸エステル化の逆反応であるリン酸エステル結合の加水分解反応を抑制できることに加えて、繊維中の糖鎖の酸加水分解を抑制することもでき、軸比の高い微細繊維を得ることができる。
加熱処理の時間は、加熱温度にも影響されるが繊維原料スラリーから実質的に水分が除かれてから1秒以上300分以下であることが好ましく、1秒以上1000秒以下であることがより好ましく、10秒以上800秒以下であることがさらに好ましい。本発明では、加熱温度と加熱時間を適切な範囲とすることにより、リン酸基の導入量を好ましい範囲内とすることができる。
リン酸基の導入量は、微細繊維状セルロース1g(質量)あたり0.10mmol/g以上であることが好ましく、0.20mmol/g以上であることがより好ましく、0.50mmol/g以上であることがさらに好ましく、1.00mmol/g以上であることが特に好ましい。また、リン酸基の導入量は、微細繊維状セルロース1g(質量)あたり3.65mmol/g以下であることが好ましく、3.50mmol/g以下であることがより好ましく、3.00mmol/g以下であることがさらに好ましい。リン酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、繊維原料の微細化を容易にし、微細繊維状セルロースの安定性を高めることができる。また、リン酸基の導入量を上記範囲内とすることにより、微細繊維状セルロースのスラリーの粘度を適切な範囲に調整することができる。なお、本明細書において、微細繊維状セルロースが有するリン酸基の含有量(リン酸基の導入量)は、後述するように微細繊維状セルロースが有するリン酸基の強酸性基量と等しい。
リン酸基の繊維原料への導入量は、伝導度滴定法により測定することができる。具体的には、解繊処理工程により微細化を行い、得られた微細繊維状セルロース含有スラリーをイオン交換樹脂で処理した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら電気伝導度の変化を求めることにより、導入量を測定することができる。
伝導度滴定では、アルカリを加えていくと、図4に示した曲線を与える。最初は、急激に電気伝導度が低下する(以下、「第1領域」という)。その後、わずかに伝導度が上昇を始める(以下、「第2領域」という)。さらにその後、伝導度の増分が増加する(以下、「第3領域」という)。すなわち、3つの領域が現れる。なお、第2領域と第3領域の境界点は、伝導度の2回微分値、すなわち伝導度の増分(傾き)の変化量が最大となる点で定義される。このうち、第1領域で必要としたアルカリ量が、滴定に使用したスラリー中の強酸性基量と等しく、第2領域で必要としたアルカリ量が滴定に使用したスラリー中の弱酸性基量と等しくなる。リン酸基が縮合を起こす場合、見かけ上弱酸性基が失われ、第1領域に必要としたアルカリ量と比較して第2領域に必要としたアルカリ量が少なくなる。一方、強酸性基量は、縮合の有無に関わらずリン原子の量と一致することから、単にリン酸基導入量(またはリン酸基量)、または置換基導入量(または置換基量)と言った場合は、強酸性基量のことを表す。すなわち、図4に示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して、置換基導入量(mmol/g)とする。
リン酸基導入工程は、少なくとも1回行えば良いが、複数回繰り返すこともできる。この場合、より多くのリン酸基が導入されるので好ましい。
<カルボキシル基導入工程>
微細繊維状セルロースがカルボキシル基を有するものである場合、カルボキシル基導入工程を経ることで微細繊維状セルロースにカルボキシル基を導入することができる。カルボキシル基導入工程では、TEMPO酸化処理などの酸化処理やカルボン酸由来の基を有する化合物、その誘導体、またはその酸無水物もしくはその誘導体によって繊維原料を処理することで、微細繊維状セルロースにカルボキシル基を導入することができる。
カルボキシル基を有する化合物としては特に限定されないが、マレイン酸、コハク酸、フタル酸、フマル酸、グルタル酸、アジピン酸、イタコン酸等のジカルボン酸化合物やクエン酸、アコニット酸等トリカルボン酸化合物が挙げられる。
カルボキシル基を有する化合物の酸無水物としては特に限定されないが、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水イタコン酸等のジカルボン酸化合物の酸無水物が挙げられる。
カルボキシル基を有する化合物の誘導体としては特に限定されないが、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物のイミド化物、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の誘導体が挙げられる。カルボキシル基を有する化合物の酸無水物のイミド化物としては特に限定されないが、マレイミド、コハク酸イミド、フタル酸イミド等のジカルボン酸化合物のイミド化物が挙げられる。
カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の誘導体としては特に限定されない。例えば、ジメチルマレイン酸無水物、ジエチルマレイン酸無水物、ジフェニルマレイン酸無水物等の、カルボキシル基を有する化合物の酸無水物の少なくとも一部の水素原子が置換基(例えば、アルキル基、フェニル基等)で置換されたものが挙げられる。
カルボキシル基導入工程において、TEMPO酸化処理を行う場合、その処理をpHが6以上8以下の条件で行うことも好ましい。このような処理工程は中性TEMPO酸化処理ともいう。中性TEMPO酸化処理は、例えば、リン酸ナトリウム緩衝液(pH=6.8)に、パルプと、触媒としてTEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)等のニトロキシラジカル、犠牲試薬として次亜塩素酸ナトリウムを添加することで行うことができる。さらに亜塩素酸ナトリウムを共存させることによって、酸化の過程で発生するアルデヒドを、効率的にカルボキシル基まで酸化することが出来る。
カルボキシル基の導入量は、微細繊維状セルロース1g(質量)あたり0.10mmol/g以上であることが好ましく、0.20mmol/g以上であることがより好ましく、0.50mmol/g以上であることがさらに好ましく、1.00mmol/g以上であることが特に好ましい。また、カルボキシル基の導入量は、3.65mmol/g以下であることが好ましく、3.50mmol/g以下であることがより好ましく、3.00mmol/g以下であることがさらに好ましい。
カルボキシル基の導入量は伝導度滴定法で測定することができる。伝導度滴定法による測定の際には、得られた微細繊維状セルロース含有スラリーに、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら伝導度の変化を求めることにより、導入量を測定する。
伝導度滴定法では、アルカリを加えていくと、図5に示した曲線を与える。この曲線は、電気伝導度が減少した後、伝導度の増分(傾き)がほぼ一定となるまでを第1領域、その後、伝導度の増分(傾き)が増加する第2領域に区分される。なお、第1領域、第2領域の境界点は、伝導度の2回微分値、すなわち伝導度の増分(傾き)の変化量が最大となる点で定義される。図5で示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象の微細繊維状セルロース含有スラリー中の固形分(g)で除して、カルボキシル基の導入量(mmol/g)とする。
<アルカリ処理>
微細繊維状セルロースを製造する場合、リン酸基導入工程やカルボキシル基導入工程といったイオン性置換基導入工程と、後述する解繊処理工程との間にアルカリ処理を行ってもよい。アルカリ処理の方法としては、特に限定されないが、例えば、アルカリ溶液中に、イオン性置換基導入繊維を浸漬する方法が挙げられる。
アルカリ溶液に含まれるアルカリ化合物は、特に限定されないが、無機アルカリ化合物であってもよいし、有機アルカリ化合物であってもよい。アルカリ溶液における溶媒としては水または有機溶媒のいずれであってもよい。溶媒は、極性溶媒(水、またはアルコール等の極性有機溶媒)が好ましく、少なくとも水を含む水系溶媒がより好ましい。
また、アルカリ溶液のうちでは、汎用性が高いことから、水酸化ナトリウム水溶液、または水酸化カリウム水溶液が特に好ましい。
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液の温度は特に限定されないが、5℃以上80℃以下が好ましく、10℃以上60℃以下がより好ましい。
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液への浸漬時間は特に限定されないが、5分以上30分以下が好ましく、10分以上20分以下がより好ましい。
アルカリ処理におけるアルカリ溶液の使用量は特に限定されないが、イオン性置換基導入繊維の絶対乾燥質量に対して100質量%以上100000質量%以下であることが好ましく、1000質量%以上10000質量%以下であることがより好ましい。
アルカリ処理工程におけるアルカリ溶液使用量を減らすために、アルカリ処理工程の前に、イオン性置換基導入繊維を水や有機溶媒により洗浄しても構わない。アルカリ処理後には、取り扱い性を向上させるために、解繊処理工程の前に、アルカリ処理済みイオン性置換基導入繊維を水や有機溶媒により洗浄することが好ましい。
<解繊処理>
イオン性置換基導入繊維は、解繊処理工程で解繊処理される。解繊処理工程では、通常、解繊処理装置を用いて、繊維を解繊処理して、微細繊維状セルロース含有スラリーを得るが、処理装置、処理方法は、特に限定されない。
解繊処理装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザーや超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミルなどを使用できる。あるいは、解繊処理装置としては、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、またはビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできる。解繊処理装置は、上記に限定されるものではない。好ましい解繊処理方法としては、粉砕メディアの影響が少なく、コンタミの心配が少ない高速解繊機、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザーが挙げられる。
解繊処理の際には、繊維原料を水と有機溶媒を単独または組み合わせて希釈してスラリー状にすることが好ましいが、特に限定されない。分散媒としては、水の他に、極性有機溶剤を使用することができる。好ましい極性有機溶剤としては、アルコール類、ケトン類、エーテル類、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、またはジメチルアセトアミド(DMAc)等が挙げられるが、特に限定されない。アルコール類としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、またはt−ブチルアルコール等が挙げられる。ケトン類としては、アセトンまたはメチルエチルケトン(MEK)等が挙げられる。エーテル類としては、ジエチルエーテルまたはテトラヒドロフラン(THF)等が挙げられる。分散媒は1種であってもよいし、2種以上でもよい。また、分散媒中に繊維原料以外の固形分、例えば水素結合性のある尿素などを含んでも構わない。
本発明では、微細繊維状セルロースを濃縮、乾燥させた後に解繊処理を行ってもよい。この場合、濃縮、乾燥の方法は特に限定されないが、例えば、微細繊維状セルロースを含有するスラリーに濃縮剤を添加する方法、一般に用いられる脱水機、プレス、乾燥機を用いる方法等が挙げられる。また、公知の方法、例えばWO2014/024876、WO2012/107642、およびWO2013/121086に記載された方法を用いることができる。また、濃縮した微細繊維状セルロースをシート化してもよい。該シートを粉砕して解繊処理を行うこともできる。
微細繊維状セルロースを粉砕する際に粉砕に用いる装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミル、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、ビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできるが特に限定されない。
上述した方法で得られたリン酸基を有する微細繊維状セルロース含有物は、微細繊維状セルロース含有スラリーであり、所望の濃度となるように、水で希釈して用いてもよい。
(繊維層の製造方法)
繊維層(以下、微細繊維状セルロース含有シートともいう)の製造工程は、上述した微細繊維状セルロース含有スラリーを基材上に塗工する工程又は、微細繊維状セルロース含有スラリーを抄紙する工程を含む。中でも、微細繊維状セルロース含有シートの製造工程は微細繊維状セルロース含有スラリーを基材上に塗工する工程を含むことが好ましい。
<塗工工程>
塗工工程は、微細繊維状セルロース含有スラリーを基材上に塗工し、これを乾燥して形成された微細繊維状セルロース含有シートを基材から剥離することにより、シートを得る工程である。塗工装置と長尺の基材を用いることで、シートを連続的に生産することができる。塗工するスラリーの濃度は特に限定されないが、0.05質量%以上5質量%以下が好ましい。また微細繊維状セルロース含有スラリーに含酸素有機化合物を添加する場合、含酸素有機化合物の濃度は、微細繊維状セルロース100質量部に対して、1質量部以上40質量部以下であることが好ましく、10質量部以上30質量部以下であることがより好ましく、15質量部以上25質量部以下であることがより好ましい。であることが好ましい。
塗工工程で用いる基材の質は、特に限定されないが、微細繊維状セルロース含有スラリーに対する濡れ性が高いものの方が乾燥時のシートの収縮等を抑制することができて良いが、乾燥後に形成されたシートが容易に剥離できるものを選択することが好ましい。中でも樹脂板または金属板が好ましいが、特に限定されない。例えばアクリル板、ポリエチレンテレフタレート板、塩化ビニル板、ポリスチレン板、ポリ塩化ビニリデン板等の樹脂板や、アルミ板、亜鉛版、銅版、鉄板等の金属板および、それらの表面を酸化処理したもの、ステンレス板、真ちゅう板等を用いることができる。
塗工工程において、微細繊維状セルロース含有スラリーの粘度が低く、基材上で展開してしまう場合、所定の厚み、坪量の微細繊維状セルロース含有シートを得るため、基材上に堰止用の枠を固定して使用してもよい。堰止用の枠の質は特に限定されないが、乾燥後に付着するシートの端部が容易に剥離できるものを選択することが好ましい。中でも樹脂板または金属板を成形したものが好ましいが、特に限定されない。例えばアクリル板、ポリエチレンテレフタレート板、塩化ビニル板、ポリスチレン板、ポリ塩化ビニリデン板等の樹脂板や、アルミ板、亜鉛版、銅版、鉄板等の金属板および、それらの表面を酸化処理したもの、ステンレス板、真ちゅう板等を成形したもの用いることができる。
微細繊維状セルロース含有スラリーを塗工する塗工機としては、例えば、ロールコーター、グラビアコーター、ダイコーター、カーテンコーター、エアドクターコーター等を使用することができる。厚みをより均一にできることから、ダイコーター、カーテンコーター、スプレーコーターが好ましい。
塗工温度は特に限定されないが、20℃以上45℃以下であることが好ましく、25℃以上40℃以下であることがより好ましく、27℃以上35℃以下であることがさらに好ましい。塗工温度が上記下限値以上であれば、微細繊維状セルロース含有スラリーを容易に塗工でき、上記上限値以下であれば、塗工中の分散媒の揮発を抑制できる。
塗工工程においては、シートの仕上がり坪量が10g/m2以上200g/m2以下、好ましくは15g/m2以上150g/m2以下になるようにスラリーを塗工することが好ましい。坪量が上記範囲内となるように塗工することで、強度に優れた積層体が得られる。
微細繊維状セルロース含有シートの製造工程は、基材上に塗工した微細繊維状セルロース含有スラリーを乾燥させる工程を含むことが好ましい。乾燥方法としては、特に限定されないが、非接触の乾燥方法でも、シートを拘束しながら乾燥する方法の何れでもよく、これらを組み合わせてもよい。
非接触の乾燥方法としては、特に限定されないが、熱風、赤外線、遠赤外線または近赤外線により加熱して乾燥する方法(加熱乾燥法)、真空にして乾燥する方法(真空乾燥法)を適用することができる。加熱乾燥法と真空乾燥法を組み合わせてもよいが、通常は、加熱乾燥法が適用される。赤外線、遠赤外線または近赤外線による乾燥は、赤外線装置、遠赤外線装置または近赤外線装置を用いて行うことができるが、特に限定されない。加熱乾燥法における加熱温度は特に限定されないが、20℃以上120℃以下とすることが好ましく、25℃以上105℃以下とすることがより好ましい。加熱温度を上記下限値以上とすれば、分散媒を速やかに揮発させることができ、上記上限値以下であれば、加熱に要するコストの抑制及び微細繊維状セルロースが熱によって変色することを抑制できる。
乾燥後に、得られた微細繊維状セルロース含有シートを基材から剥離するが、基材がシートの場合には、微細繊維状セルロース含有シートと基材とを積層したまま巻き取って、微細繊維状セルロース含有シートの使用直前に微細繊維状セルロース含有シートを工程基材から剥離してもよい。
<抄紙工程>
微細繊維状セルロース含有シートの製造工程は、微細繊維状セルロース含有スラリーを抄紙する工程を含んでもよい。抄紙工程で抄紙機としては、長網式、円網式、傾斜式等の連続抄紙機、これらを組み合わせた多層抄き合わせ抄紙機等が挙げられる。抄紙工程では、手抄き等公知の抄紙を行ってもよい。
抄紙工程では、微細繊維状セルロース含有スラリーをワイヤー上で濾過、脱水して湿紙状態のシートを得た後、プレス、乾燥することでシートを得る。スラリーの濃度は特に限定されないが、0.05質量%以上5質量%以下が好ましい。スラリーを濾過、脱水する場合、濾過時の濾布としては特に限定されないが、微細繊維状セルロースは通過せず、かつ濾過速度が遅くなりすぎないことが重要である。このような濾布としては特に限定されないが、有機ポリマーからなるシート、織物、多孔膜が好ましい。有機ポリマーとしては特に限定されないが、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のような非セルロース系の有機ポリマーが好ましい。具体的には孔径0.1μm以上20μm以下、例えば1μmのポリテトラフルオロエチレンの多孔膜、孔径0.1μm以上20μm以下、例えば1μmのポリエチレンテレフタレートやポリエチレンの織物等が挙げられるが、特に限定されない。
微細繊維状セルロース含有スラリーからシートを製造する方法としては、特に限定されないが、例えばWO2011/013567に記載の製造装置を用いる方法等が挙げられる。この製造装置は、微細繊維状セルロースを含むスラリーを無端ベルトの上面に吐出し、吐出されたスラリーから分散媒を搾水してウェブを生成する搾水セクションと、ウェブを乾燥させて繊維シートを生成する乾燥セクションとを備えている。搾水セクションから乾燥セクションにかけて無端ベルトが配設され、搾水セクションで生成されたウェブが無端ベルトに載置されたまま乾燥セクションに搬送される。
本発明において使用できる脱水方法としては特に限定されないが、紙の製造で通常に使用している脱水方法が挙げられ、長網、円網、傾斜ワイヤーなどで脱水した後、ロールプレスで脱水する方法が好ましい。また、乾燥方法としては特に限定されないが、紙の製造で用いられている方法が挙げられ、例えば、シリンダードライヤー、ヤンキードライヤー、熱風乾燥、近赤外線ヒーター、赤外線ヒーターなどの方法が好ましい。
(接着層)
また、本発明の積層体においては、繊維層とポリウレタン含有層は、接着層を介して積層していてもよい。接着層を構成する主成分としては、例えば、(メタ)アクリル酸エステル重合体、α−オレフィン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリウレタン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、カゼイン、天然ゴム及びでんぷんから選択される一種または二種以上の接着剤を挙げることができる。ここで、「主成分」とは、接着層の全質量に対して50質量%以上であることを意味する。中でも、接着剤はでんぷん又は(メタ)アクリル酸エステル重合体であることが好ましい。
(メタ)アクリル酸エステル重合体は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の(メタ)アクリル樹脂以外の合成樹脂がグラフト重合してなる重合体、及び(メタ)アクリル酸エステルと他のモノマーとが共重合してなる共重合体を含んでもよい。ただし、当該共重合体中の(メタ)アクリル酸エステル以外のモノマーのモル分率は、50モル%以下であることが好ましい。また、(メタ)アクリル酸エステル重合体の全質量中、グラフト重合した(メタ)アクリル樹脂以外の合成樹脂の含有量は、50質量%以下であることが好ましい。
接着層は、繊維層に含まれる微細繊維状セルロースに導入された官能基(リン酸基等)と、共有結合を形成する化合物を含んでもよい。共有結合を形成する化合物としては、例えば、シラノール基、イソシアネート基、カルボジイミド基、エポキシ基及びオキサゾリン基から選択される少なくとも1種を含む化合物が挙げられる。上記化合物のうち、微細繊維状セルロースに導入された官能基との反応性に優れる、シラノール基又はイソシアネート基を含む化合物がより好ましい。このような化合物を接着層に含有することにより、層間の密着性をより強固なものとすることができる。
積層体における各層が接着層を介して接着している場合、接着層1層あたりの厚みは、0.1μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましく、1μm以上であることがさらに好ましい。また、接着層1層あたりの厚みは、10μm以下であることが好ましく、7μm以下であることがより好ましい。ここで、積層体に含まれる接着層の厚みは、積層体の断面をウルトラミクロトームUC−7(JEOL社製)によって切り出し、断面を電子顕微鏡で観察して、測定される値である。接着層1層あたりの厚みを上記範囲内とすることにより、積層体の各層間の密着性をより高めることができる。また、積層体自体の強度を高めることができる。
(積層体の製造方法)
本発明の積層体の製造工程は、繊維層とポリウレタン含有層を、接着層を介して積層する工程を含むことが好ましい。また、本発明の積層体の製造工程は、繊維層を含む金型にウレタン組成物を注入し、繊維層上に直接ポリウレタン含有層を形成する工程を含んでもよい。
繊維層とポリウレタン含有層を、接着層を介して積層する場合は、繊維層もしくはポリウレタン含有層の少なくとも1層に接着層を形成して、ポリウレタン含有層もしくは繊維層を貼合する。繊維層上に接着層を形成する場合には、接着剤含有塗布液を繊維層上に塗布し、硬化させることが好ましい。接着剤含有塗布液を塗布する方法は公知の方法が適用される。具体的には、コーター等を使用して各繊維層の少なくとも一方の面に接着剤を塗布する。硬化方法としては、加熱硬化や、紫外線照射による硬化、乾燥による硬化方法がある。
塗布量は、接着層の1層あたりの厚みが0.1μm以上となるように調整することが好ましく、より好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上である。また、塗布量は、接着層1層あたりの厚みが、10μm以下となるように調整することが好ましく、より好ましくは7μm以下である。
接着層を形成した繊維層と、ポリウレタン含有層を貼合する際には、ポリウレタン含有層を繊維層の接着層形成側に貼合する。貼合は、プレス貼合であることが好ましい。プレス貼合をする際には、例えば、金属製や樹脂製のプレス板で挟持し、プレス板に圧力を加える。圧力としては、0.1MPa以上100MPa以下とすることが好ましい。なお、この際に加熱することも好ましく、これにより、より強固に接着層同士を接着させることができる。加熱温度としては、例えば、100℃以上200℃以下とすることができる。なお、プレス貼合は、全ての繊維層とポリウレタン含有層を貼合した後に1回のみ行うことが好ましい。
繊維層とポリウレタン含有層を、接着層を介さないで積層する場合は、金型にウレタン組成物を注入する際に、一部のウレタン組成物を注入した後に、繊維層を配置し、残りのウレタン組成物を注入することで、繊維層の両面にポリウレタン含有層が積層された積層体を得ることができる。
また、繊維層とポリウレタン含有層を、接着層を介さないで積層する別の方法として、繊維層形成時の塗工工程で用いる基材にポリウレタン含有層を用いる方法が挙げられる。微細繊維状セルロース含有スラリーを塗工後、塗工面にポリウレタン含有層を配置してから乾燥することで、繊維層の両面にポリウレタン含有層が積層された積層体が得られる。
(他の樹脂層)
本発明の積層体は、ポリウレタン含有層以外の他の樹脂層を備えていてもよい。他の樹脂層は合成樹脂層であることが好ましく、合成樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、およびポリ(メタ)アクリレート等を挙げることができる。
樹脂層を構成するポリカーボネートとしては、例えば、芳香族ポリカーボネート系樹脂、脂肪族ポリカーボネート系樹脂が挙げられる。具体的なポリカーボネート系樹脂は、例えば特許第4985573号公報等に記載されたポリカーボネート系樹脂が挙げられる。
樹脂層には合成樹脂以外の任意成分が含まれていてもよい。任意成分としては、例えば、フィラー、顔料、染料、紫外線吸収剤等の樹脂フィルム分野で使用される公知成分が挙げられる。
(用途)
本発明の積層体は、家電の部材、各種の乗り物や建物の窓材、内装材、外装材、包装用資材の補強材、断熱材、クッション、緩衝剤、充填材、吸音材、シーリング材、スポンジ、パッド、防振材として好適である。
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
<実施例1>
[リン酸化]
針葉樹クラフトパルプとして、王子製紙社製のパルプ(固形分93質量%、坪量208g/m2シート状、離解してJIS P 8121に準じて測定されるカナダ標準濾水度(CSF)700ml)を使用した。上記針葉樹クラフトパルプ(絶乾質量)100質量部に、リン酸二水素アンモニウムと尿素の混合水溶液を含浸し、リン酸二水素アンモニウム45質量部、尿素200質量部となるように圧搾し、薬液含浸パルプを得た。得られた薬液含浸パルプを165℃の熱風乾燥機で200秒間乾燥・加熱処理し、パルプ中のセルロースにリン酸基を導入した。このときのリン酸基の導入量は、0.98mmol/gであった。
なお、リン酸基の導入量は、セルロースをイオン交換水で含有量が0.2質量%となるように希釈した後、イオン交換樹脂による処理、アルカリを用いた滴定によって測定した。イオン交換樹脂による処理では、0.2質量%のセルロース含有スラリーに体積で1/10の強酸性イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、アンバージェット1024、コンディショング済)を加え、1時間振とう処理を行った。その後、目開き90μmのメッシュ上に注ぎ、樹脂とスラリーを分離した。アルカリを用いた滴定では、イオン交換後のセルロース含有スラリーに、0.1Nの水酸化ナトリウム水溶液を加えながら、スラリーが示す電気伝導度の値の変化を計測した。すなわち、図4に示した曲線の第1領域で必要としたアルカリ量(mmol)を、滴定対象スラリー中の固形分(g)で除して、置換基導入量(mmol/g)とした。
[アルカリ処理及び洗浄]
次いで、リン酸基を導入したセルロースに5000mlのイオン交換水を加え、撹拌洗浄後、脱水した。脱水後のパルプを5000mlのイオン交換水で希釈し、撹拌しながら、1Nの水酸化ナトリウム水溶液をpHが12以上13以下になるまで少しずつ添加して、パルプ分散液を得た。その後、このパルプ分散液を脱水し、5000mlのイオン交換水を加えて洗浄を行った。この脱水洗浄をさらに1回繰り返した。
[機械処理]
洗浄脱水後に得られたパルプにイオン交換水を添加して、固形分濃度が1.0質量%のパルプ分散液とした。このパルプ分散液を、高圧ホモジナイザー(NiroSoavi社製、Panda Plus 2000)を用いて処理し、セルロース分散液を得た。高圧ホモジナイザーを用いた処理においては、操作圧力1200barにてホモジナイジングチャンバーを5回通過させた。さらに、このセルロース分散液を、湿式微粒化装置(スギノマシン社製、アルティマイザー)を用いて処理し、微細繊維状セルロース分散液(A)を得た。湿式微粒化装置を用いた処理においては、245MPaの圧力にて処理チャンバーを5回通過させた。微細繊維状セルロース分散液(A)に含まれる微細繊維状セルロースの平均繊維幅は4nmであった。
[繊維層(C)の形成]
微細繊維状セルロース分散液(A)の固形分濃度が0.5質量%となるよう濃度調整を行った。その後、微細繊維状セルロース分散液(A)100質量部に対して、ポリエチレンオキサイド(住友精化社製、PEO−18)の0.5質量%水溶液を20質量部添加し、微細繊維状セルロース分散液(B)を得た。次いで、セルロース繊維含有層(微細繊維状セルロース分散液(B)の固形分から構成される層)の仕上がり坪量が45g/m2になるように微細繊維状セルロース分散液(B)を計量して、市販のアクリル板に塗工し、35℃、相対湿度15%の恒温恒湿器にて乾燥した。なお、所定の坪量となるようアクリル板上には堰止用の金枠(内寸が180mm×180mmの金枠)を配置した。以上の手順により、繊維層(C)(セルロース繊維含有層)を得た。
[積層材(D)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、繊維層(C)の一方の面上に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(C)上に接着層を設けた積層材(D)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、1.5g/m2であった。
[積層材(E)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、積層材(D)の接着層を設けていない他方の面に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(C)の両面に接着層を設けた積層材(E)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、片面1.5g/m2、両面3.0g/m2であった。
[ウレタンプレポリマー]
窒素導入管、冷却用コンデンサー、温度計及び攪拌機を備えた4つ口丸底フラスコに、ポリイソシアネートとして4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(日本ポリウレタン工業株式会社製、ミリオネートMT)95質量部と4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートのカルボジイミド変性体(三井化学ポリウレタン株式会社製、コスモネート LL)5質量部を仕込み、攪拌を開始した。
次いで、ポリオール成分としてポリエステルポリオール(DIC株式会社製、ポリライトCMA−244)79質量部を分割して混合し、窒素気流下60℃で8時間反応を行い、イソシアネート基当量が254g/eq.のウレタンプレポリマー(S)を得た。
[硬化剤]
次いで、別の容器内で、ポリオール成分としてポリエステルポリオール(DIC株式会社製、ポリライトCMA−244)60質量部、ポリカプロラクトンポリオール(DIC株式会社製、ポリライトOD−X−2588)40質量部、エチレングリコール15.9質量部、イオン交換水0.6質量部、整泡剤(日本ユニカー株式会社製、シリコン Y−7006)0.15質量部、トリエチレンジアミン0.4質量部を配合し、十分に撹拌、混合し、硬化剤(T)を得た。
[ポリウレタン含有層(U)の作製]
次いで、主剤であるウレタンプレポリマー(S)と、硬化剤(T)をそれぞれ50℃に温調し、ウレタンプレポリマー(S)/硬化剤(T)の質量比が100/60.9となるように攪拌、混合して、発泡ウレタン組成物を調製した。次いで、発泡ウレタン組成物を40℃に予め加熱した金型(180mm×180mm×高さ1.6mm)中に注入し、直ちに金型の蓋をした後、40℃で5分間放置し、その後に、できあがったポリウレタン含有層(U)を取り出した。得られたポリウレタン含有層(U)の密度は0.55kg/m3であった。
[積層体の作製]
ポリウレタン含有層(U)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(U)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、実施例1の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは1834μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(U)(厚さ900μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(U)(厚さ900μm)の順に積層された構造であった。
<実施例2>
[ポリウレタン含有層(V)の作製]
次いで、主剤であるウレタンプレポリマー(S)と、硬化剤(T)をそれぞれ50℃に温調し、ウレタンプレポリマー(S)/硬化剤(T)の質量比が100/60.9となるように攪拌、混合して、発泡ウレタン組成物を調製した。次いで、発泡ウレタン組成物を40℃に予め加熱した金型(180mm×180mm×高さ0.60mm)中に注入し、直ちに金型の蓋をした後、40℃で5分間放置し、その後に、できあがったポリウレタン含有層(V)を取り出した。得られたポリウレタン含有層(V)の密度は0.55kg/m3であった。
[積層体の作製]
ポリウレタン含有層(V)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(V)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(V)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、実施例2の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは1868μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(V)(厚さ600μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(V)(厚さ600μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(V)(厚さ600μm)の順に積層された構造であった。
<実施例3>
[繊維層(F)の形成]
セルロース繊維含有層(微細繊維状セルロース分散液(B)の固形分から構成される層)の仕上がり坪量が30g/m2になるように微細繊維状セルロース分散液(B)を計量して、市販のアクリル板に塗工し、35℃、相対湿度15%の恒温恒湿器にて乾燥した。なお、所定の坪量となるようアクリル板上には堰止用の金枠(内寸が180mm×180mmの金枠)を配置した。以上の手順により、繊維層(F)(セルロース繊維含有層)を得た。
[積層材(G)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、繊維層(F)の一方の面上に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(F)上に接着層を設けた積層材(G)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、1.5g/m2であった。
[積層材(H)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、積層材(G)の接着層を設けていない他方の面に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(F)の両面に接着層を設けた積層材(H)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、片面1.5g/m2、両面3.0g/m2であった。
[ポリウレタン含有層(W)の作製]
次いで、主剤であるウレタンプレポリマー(S)と、硬化剤(T)をそれぞれ50℃に温調し、ウレタンプレポリマー(S)/硬化剤(T)の質量比が100/60.9となるように攪拌、混合して、発泡ウレタン組成物を調製した。次いで、発泡ウレタン組成物を40℃に予め加熱した金型(180mm×180mm×高さ0.36mm)中に注入し、直ちに金型の蓋をした後、40℃で5分間放置し、その後に、できあがったポリウレタン含有層(W)を取り出した。得られたポリウレタン含有層(W)の密度は0.55kg/m3であった。
[積層体の作製]
ポリウレタン含有層(W)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(W)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、実施例3の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは1896μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)の順に積層された構造であった。
<実施例4>
[積層体の作製]
ポリウレタン含有層(W)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(E)、ポリウレタン含有層(W)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、実施例4の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは1936μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(C)(厚さ30μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)の順に積層された構造であった。
<実施例5>
[繊維層(I)の形成]
セルロース繊維含有層(微細繊維状セルロース分散液(B)の固形分から構成される層)の仕上がり坪量が150g/m2になるように微細繊維状セルロース分散液(B)を計量して、市販のアクリル板に塗工し、35℃、相対湿度15%の恒温恒湿器にて乾燥した。なお、所定の坪量となるようアクリル板上には堰止用の金枠(内寸が180mm×180mmの金枠)を配置した。以上の手順により、繊維層(I)(セルロース繊維含有層)を得た。
[積層材(J)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、繊維層(I)の一方の面上に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(I)上に接着層を設けた積層材(J)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、1.5g/m2であった。
[積層材(K)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、積層材(J)の接着層を設けていない他方の面に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(I)の両面に接着層を設けた積層材(K)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、片面1.5g/m2、両面3.0g/m2であった。
[積層体の作製]
ポリウレタン含有層(W)、積層材(K)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(K)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(K)、ポリウレタン含有層(W)、積層材(K)、ポリウレタン含有層(W)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、実施例4の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは2216μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(I)(厚さ100μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(I)(厚さ100μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(I)(厚さ100μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(I)(厚さ100μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(W)(厚さ360μm)の順に積層された構造であった。
<実施例6>
[ポリウレタン含有層(X)の作製]
次いで、主剤であるウレタンプレポリマー(S)と、硬化剤(T)をそれぞれ50℃に温調し、ウレタンプレポリマー(S)/硬化剤(T)の質量比が100/60.9となるように攪拌、混合して、発泡ウレタン組成物を調製した。次いで、発泡ウレタン組成物を40℃に予め加熱した金型(180mm×180mm×高さ0.20mm)中に注入し、直ちに金型の蓋をした後、40℃で5分間放置し、その後に、できあがったポリウレタン含有層(X)を取り出した。得られたポリウレタン含有層(X)の密度は0.55kg/m3であった。
[積層体の作製]
ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)、積層材(H)、ポリウレタン含有層(X)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、実施例4の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは1992μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(F)(厚さ20μm)/接着層(厚さ約2μm)/ポリウレタン含有層(X)(厚さ200μm)の順に積層された構造であった。
<比較例1>
[ポリウレタン含有層(Y)の作製]
主剤であるウレタンプレポリマー(S)と、硬化剤(T)をそれぞれ50℃に温調し、ウレタンプレポリマー(S)/硬化剤(T)の質量比が100/60.9となるように攪拌、混合して、発泡ウレタン組成物を調製した。次いで、発泡ウレタン組成物を40℃に予め加熱した金型(180mm×180mm×高さ1.80mm)中に注入し、直ちに金型の蓋をした後、40℃で5分間放置し、その後に、できあがったポリウレタン含有層(Y)を取り出した。得られたポリウレタン含有層(Y)の密度は0.55kg/m3であった。このポリウレタン含有層(Y)(厚さ1800μm)を比較例1とした。
<比較例2>
[繊維層(L)の形成]
セルロース繊維含有層(微細繊維状セルロース分散液(B)の固形分から構成される層)の仕上がり坪量が23g/m2になるように微細繊維状セルロース分散液(B)を計量して、市販のアクリル板に塗工し、35℃、相対湿度15%の恒温恒湿器にて乾燥した。なお、所定の坪量となるようアクリル板上には堰止用の金枠(内寸が180mm×180mmの金枠)を配置した。以上の手順により、繊維層(L)(セルロース繊維含有層)を得た。
[積層材(M)の作製]
接着剤として、ポリウレタンがグラフト重合したアクリル樹脂であるウレタンアクリル樹脂(大成ファインケミカル社製、アクリット8UA−347A)100質量部と、イソシアヌレート化合物(旭化成ケミカルズ社製、TPA−100)9.7質量部を混合し、繊維層(L)の一方の面上に、バーコーターにて塗布して乾燥させ、繊維層(L)上に接着層を設けた積層材(M)を得た。この接着層の乾燥塗布量は、1.5g/m2であった。
[積層体の作製]
積層材(M)の接着層がポリウレタン含有層(Y)側を向くように、ポリウレタン含有層(Y)、積層材(M)の順に重ねて、熱プレス機(井元製作所製、手動油圧真空加熱プレス)に設置し、180℃、5MPaで60秒加熱し、比較例2の積層体を得た。
得られた積層体の合計の厚さは1817μmであり、その積層構造は、ポリウレタン含有層(Y)(厚さ1800μm)/接着層(厚さ約2μm)/繊維層(L)(厚さ15μm)の順に積層された構造であった。
(測定)
実施例及び比較例で作製した積層体について、耐湿性、繰り返し圧縮耐久性、曲げ弾性率、線熱膨張係数をそれぞれ以下の方法で測定した。
・耐湿性の測定方法
積層体の表面にスポイトを用いて10mlのイオン交換水を満遍なく滴下した。10分後に表面を指でなぞったときに、表面が崩壊するかどうかを観察した。これを一面及びその反対の他面のそれぞれにおいて行い、悪かった方の結果を評価結果とした。
◎:積層体の表面を指でなぞったときに、表面が崩壊しなかった。
×:積層体の表面を指でなぞったときに、表面が崩壊した。
・繰り返し圧縮耐久性の測定方法
積層体を直径19mmに裁断したものを試験片とした。該試験片を圧縮率60%、5Hzの条件にて繰り返し圧縮試験を行い、試験片が破損した際の圧縮回数を測定し、以下の基準に従って評価を行った。なお、比較例1の圧縮回数は2500回であった。
◎:比較例1の結果と比較して、圧縮回数が1.18倍以上である。
○:比較例1の結果と比較して、圧縮回数が1.08倍以上1.18倍未満である。
×:比較例1の結果と比較して、圧縮回数が1.00倍以上1.08倍未満である。
・曲げ弾性率の測定方法
JIS K 6301に準じて曲げ弾性率を測定した。積層体を長さ150mm、幅50mmに切り出し、23℃、相対湿度50%の条件下で、支点間距離100mm、テストスピード50mm/minで測定し、以下の基準に従って評価を行った。
◎:比較例1の結果と比較して、曲げ弾性率が1.18倍以上である。
○:比較例1の結果と比較して、曲げ弾性率が1.08倍以上1.18倍未満である。
×:比較例1の結果と比較して、曲げ弾性率が1.00倍以上1.08倍未満である。
・線熱膨張係数の測定方法
積層体を、幅3mm×長さ30mmに切り出した。これを、熱機械分析装置(日立ハイテク社製、TMA7100)にセットして、引張モードでチャック間20mm、荷重10g、窒素雰囲気下の条件で、室温から180℃まで5℃/分で昇温させた。この際の100℃から150℃までの測定値から線熱膨張係数を算出し、以下の基準に従って評価を行った。
◎:比較例1の結果と比較して、線熱膨張係数が0.82倍以下である。
○:比較例1の結果と比較して、線熱膨張係数が0.8倍より大きく0.92倍以下である。
×:比較例1の結果と比較して、線熱膨張係数が0.92倍より大きく1.00倍以下である。
Figure 2018069600
以上の結果から、実施例の積層体は曲げ弾性率、繰り返し圧縮耐久性、耐湿性、線熱膨張係数の全ての項目で高評価であることが分かる。繊維層の両面にポリウレタン含有層を備えた実施例1は曲げ弾性率と繰り返し圧縮耐久性に優れ、高い耐湿性を有している。繊維層を複数枚積層した実施例2は、高い耐湿性を維持しながら、さらに高い曲げ弾性率と繰り返し圧縮耐久性が得られている。さらに繊維層を多く積層した実施例3、4および6は、曲げ弾性率、繰り返し圧縮耐久性、耐湿性、線熱膨張係数の全ての項目でより優れている。
一方、片面のみに繊維層を備えた比較例2は曲げ弾性率と繰り返し圧縮耐久性は優れるものの、耐湿性に改善が見られなかった。
また、繊維層の厚さの合計に対するポリウレタン含有層の厚さの合計の比(ポリウレタン含有層の厚さの合計/繊維層の厚さの合計)を見ると、5以上55以下であると、曲げ弾性率と繰り返し圧縮耐久性がより優れている。
2 繊維層
4 ポリウレタン含有層
6 接着層
10 積層体

Claims (7)

  1. 繊維幅が1000nm以下の繊維状セルロースを含む繊維層の両面側に、ポリウレタン含有層を備える積層体。
  2. 前記積層体は、少なくとも2層以上の前記繊維層を含む請求項1に記載の積層体。
  3. 前記繊維層の密度は、1.0g/cm3以上1.7g/cm3以下である請求項1又は2に記載の積層体。
  4. 前記繊維層の1層あたりの厚みは、10μm以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の積層体。
  5. 前記ポリウレタン含有層の厚みの合計をP(μm)とし、前記繊維層の厚みの合計をQ(μm)とした場合、P/Qの値は、5以上55以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層体。
  6. 全体の厚みが0.5mm以上である請求項1〜5のいずれか1項に記載の積層体。
  7. 前記ポリウレタン含有層の少なくとも1層は発泡体である請求項1〜6のいずれか1項に記載の積層体。
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