JP4919136B2 - 改質ミクロフィブリル化セルロースおよびこれを含有する樹脂複合材料 - Google Patents

改質ミクロフィブリル化セルロースおよびこれを含有する樹脂複合材料 Download PDF

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Description

本発明は、樹脂との混合性、樹脂成形物の機械的物性、特に破壊靭性に優れた成形物を与える改質ミクロフィブリル化セルロースおよびこれを含有する樹脂組成物及び樹脂複合材料に関する。
すべての植物の細胞壁は、ミクロフィブリル化セルロースと呼ばれる幅約4nmの高強度ナノファイバーが基本骨格となっている。ミクロフィブリル化セルロースはパルプなどの植物繊維をミクロフィブリル化セルロースのレベルにまで解繊して得られる、伸びきり鎖結晶からなるナノファイバーである。また、バクテリア(主として酢酸菌)由来のミクロフィブリル化セルロースも知られており、これを利用した食品としてナタデココがよく知られている。ミクロフィブリル化セルロースは、一般的には、セルロース系繊維をリファイナー、ホモジナイザー等により磨砕ないし叩解することにより製造できることが知られている(例えば特許文献1参照)。ミクロフィブリル化セルロースは軽くて強度が高く、さらには生分解性も高いためパソコン、携帯電話等の家電製品の筐体、文房具等の事務機器、スポーツ用品、輸送機器、建築材料など幅広い分野への応用が期待されている。
近年、ミクロフィブリル化セルロースは、その表面をモノイソシアネートで改質を施すことで有機溶媒に分散するものが知られている。(特許文献2)
しかし、こうした改質ミクロフィブリル化セルロースは、有機溶媒に分散するが表面のヒドロキシル基の残存により親水性の性質が残るため充分ではなく、樹脂中に投入すると凝集・凝結の現象が起こる、あるいは樹脂中に混合使用しても樹脂の機械的物性を向上させるに至らないといった問題がある。
また、ミクロフィブリル化セルロースをシランカップリング剤にて表面処理し、その後樹脂に複合化させて複合化樹脂を製造し、この複合化樹脂の機械的物性を向上させる方法が試みられている(特許文献3)。しかし、こうしたものでは、表面処理剤がシランカップリング剤である低分子量のモノマーであるため、複合化樹脂の機械的物性を向上させるにはミクロフィブリル化セルロース表面に数多くのシランカップリング剤を結合させなければその期待される機能が発現しない。より多くのシランカップリング剤をミクロフィブリル化セルロース表面に結合させようとすると、表面処理中に副反応であるシランカップリング剤同士の縮重合反応が起こり、効率的に処理することができないと言った問題があった。
特公昭50−38720号公報 特表2002−524618 特開2008−266630
本発明の目的は、疎水性樹脂中において凝集がなく分散、均一混合することが可能な改質ミクロフィブリル化セルロースにある。即ち、ミクロフィブリル化セルロースを改質することで、繊維同士の接近、絡み合い、水素結合による凝集物が発生しない分散性と樹脂との親和性(反応性)に優れた改質ミクロフィブリル化セルロースを得ることができ、該改質ミクロフィブリル化セルロースを樹脂に添加して、樹脂成形物の機械的物性、特に破壊靭性に優れた成形物を与える成形用樹脂複合材料とすることにある。
また、セルロース表面に結合または吸着した表面処理剤の量が少なくても、機能、例えば機械的物性の向上が発現するような表面処理剤によって改質された改質ミクロフィブリル化セルロースに関するものである。
発明者らは、樹脂へ混合分散性に優れ、樹脂との親和性(反応性)に優れたミクロフィブリル化セルロースを得る為の改質方法について、鋭意研究の結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、セルロース表面に加水分解性シリル基含有樹脂(A)が結合または吸着した改質ミクロフィブリル化セルロースであって、
珪素原子の含有量が0.01〜0.5原子数%であることを特徴とする改質ミクロフィブリル化セルロース、およびこれを含有してなる樹脂組成物及び樹脂複合材料を提供するものである。
本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースは、高分子の加水分解性シリル基含有樹脂(A)を該ミクロフィブリル化セルロースに結合または吸着させたものであり、該ミクロフィブリル化セルロースに珪素原子の含有量が0.01〜0.5原子数%となるように少ない樹脂量で改質されているため、この改質ミクロフィブリル化セルロースを他の樹脂中に混合した際、混合した樹脂との分散性と親和性(反応性)とに優れたものである。
この分散性は、樹脂骨格中に加水分解性シリル基が導入されているため、分子運動が制御され、加水分解性シリル基同士の縮重合といった副反応が起き難いものと考えられる。さらに、本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースを含有する樹脂複合材料は、破壊靭性に優れた樹脂成形物を得ることができるものである。
ミクロフィブリル化セルロースに加水分解性シリル基含有樹脂(A)を結合または吸着させることにより、表面に付着した加水分解性シリル基含有樹脂(A)によりミクロフィブリル化セルロース同士が反発することで、改質ミクロフィブリル化セルロースの凝集が防止され、均一処理することができるものと考える。また、本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースを樹脂に添加することで、添加した樹脂硬化物の破壊靭性等の機械的物性を著しく向上させることができる。
本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースは、珪素原子量を0.01〜0.5原子数%、好ましくは0.1〜0.3原子数%含有するものである。この範囲を外れると複合化する樹脂中に改質ミクロフィブリル化セルロースが分散せず、凝集する。この珪素原子量の測定方法とは、以下の通りである。加水分解性シリル基含有樹脂(A)とミクロフィブリル化セルロースを接触後加熱したうえで、改質ミクロフィブリル化セルロースの混合液を10g採取し、キシレン80g添加し、TKロボミックスのTKホモディスパーにて3000rpm、10分間攪拌する。その後吸引ろ過にて溶媒を除去し、改質ミクロフィブリル化セルロースを洗浄する。この洗浄操作を再度キシレンで実施する。その後、改質ミクロフィブリル化セルロース/キシレンスラリーを1g採取し、150℃にて1時間乾燥する。その乾燥改質ミクロフィブリル化セルロースの表面を、エネルギー分散型X線分析装置(JSM−5900LV、日本電子製)を用いて、1000倍の倍率で元素分析を行い、珪素原子の原子数%を測定する。この珪素量を改質ミクロフィブリル化セルロースに付着した量としたものである。
本発明において、未処理ミクロフィブリル化セルロースに加水分解性シリル基含有樹脂(A)を結合または吸着させる工程とは、未改質のミクロフィブリル化セルロースと加水分解性シリル基含有樹脂(A)との接触工程、次いで加熱工程(好ましくは50〜150℃)を必須とするものである。この処理方法の詳細は、後述する。
(ミクロフィブリル化セルロース)
ミクロフィブリル化セルロースは、公知の製造方法で得られるものであり、一般的には、セルロース繊維含有材料をリファイナー、高圧ホモジナイザー、媒体攪拌ミル、石臼、グラインダー等により磨砕及び/又は叩解することによって解繊又は微細化して製造されるが、特開2005−42283号公報に記載の方法等の公知の方法で製造することもできる。また、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))を利用して製造することもできる。さらに、市販品を利用することも可能である。セルロース繊維含有材料は、植物(例えば木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農作物残廃物、布、パルプ、再生パルプ、古紙)、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物等を起源とするものが知れているが、本発明ではそのいずれも使用できる。好ましくは植物又は微生物由来のセルロース繊維であり、より好ましくは植物由来のセルロース繊維である。
また、ミクロフィブリル化セルロースは、アルカリ溶液(例;水酸化アルカリ金属水溶液、アンモニア水)処理されたものであってもよい。さらに、ミクロフィブリル化セルロースは、セルロース繊維含有材料を必要に応じてリファイナー等によりアルカリ溶液処理を効率よく行える形状(例えば、粉体、繊維状、シート状等)とした後、アルカリ溶液処理し、この処理物をミクロフィブリル化セルロースの製造に使用される公知の解繊又は微細化技術、一般的には高圧ホモジナイザー、媒体攪拌ミル、石臼、グラインダー等により磨砕及び/又は叩解することによって得られるものであってもよい。
また、市販されているミクロフィブリル化セルロースを用いても良く、例えばセリッシュ(ダイセル化学工業株式会社)等があげられる。
ミクロフィブリル化セルロースの繊維径は、平均値で4nm〜400nmであることが好ましく、4nm〜200nmであることがより好ましく、4nm〜100nmであることがより一層好ましい。また、ミクロフィブリル化セルロースは繊維径に対する繊維長が非常に長い繊維であり、その繊維長を決定することが難しいが、好ましくは平均値が繊維径の5倍以上、より好ましくは10倍以上、より一層好ましくは20倍以上である。また、その繊維長をあえて記載するならば、好ましくは平均値が50nm〜200μm、より好ましくは100nm〜50μmである。
(加水分解性シリル基含有樹脂(A))
本発明において、ミクロフィブリル化セルロースの表面処理剤として加水分解性シリル基含有樹脂(A)を用いている。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)とは、加水分解性シリル基を有する樹脂であればいずれのものでも良いが、加水分解性シリル基とさらに加水分解性シリル基以外の官能基を有する重合体であることが好ましい。その数平均分子量は好ましくは500以上、より好ましくは1000以上、特に好ましくは1000〜3000の重合体である。この数平均分子量は、HLC8220(東ソー)にて測定し標準ポリスチレン換算で計算した値である。前記重合体としては、好ましくは加水分解性シリル基と加水分解性シリル基以外の官能基を複数有するものであってもよい。前記加水分解性シリル基を含有する樹脂(A)の加水分解性シリル基と、加水分解性シリル基以外の官能基との比率は、1:1〜10であることが好ましい。この範囲であれば、樹脂中での分散性に優れ、複合化樹脂硬化物の破壊靭性をアップすることができる。
前記重合体とは、例えば、ビニル樹脂、(メタ)アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、オレフィン樹脂等の各種熱硬化性あるいは熱可塑性樹脂の1種以上が挙げられる。好ましくは(メタ)アクリル樹脂である。特に好ましくは水性アクリル樹脂である。
(加水分解性シリル基以外の官能基)
前記加水分解性シリル基以外の官能基とは、加水分解性シリル基以外であって、他の官能基と反応するものであればよく、例えば、水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基、アゾ基等から選択される1種以上が挙げられ、好ましくはエポキシ基である。
加水分解性シリル基とは、組成式RnSiX4-n(式中、Rは置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、アリール基、不飽和脂肪酸残基からなる群より選ばれる少なくとも一種の有機基を表し、Xはアルコキシ基を表し、nは0〜3の整数を表し、RおよびXはそれぞれ同一あるいは異なっていても良い)で表されるケイ素含有基で、シラノール基やアルコキシシリル基である。
前記加水分解性シリル基は、加水分解して水酸基を生成するものである。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)は、この加水分解性シリル基を1分子中に1個以上併存するものであり、好ましくは(メタ)アクリル樹脂である。該(メタ)アクリル樹脂は、加水分解性シリル基含有不飽和単量体、アクリル系単量体、及び必要によりその他の重合性不飽和単量体を併用し、これらを常法で(共)重合することにより調製することができる。
前記加水分解性シリル基含有不飽和単量体は、1分子中に加水分解性シリル基及び重合性二重結合をそれぞれ1個以上併存する化合物であり、例えば、トリメチルシロキシエチル(メタ)アクリレ−ト、トリメチルシロキシプロピル(メタ)アクリレ−ト、トリメチルシロキシブチル(メタ)アクリレ−ト、トリエチルシロキシエチル(メタ)アクリレ−ト、トリエチルシロキシプロピル(メタ)アクリレ−ト、トリエチルシロキシブチル(メタ)アクリレ−ト、トリブチルシロキシプロピル(メタ)アクリレ−ト等のトリアルキルシロキシアルキル(メタ)アクリレ−ト:トリフェニルシロキシアルキル(メタ)アクリレ−ト:ジメチル−tert−ブチルシロキシアルキル(メタ)アクリレ−ト類等が挙げられる。又、N−メチロ−ル化(メタ)アクリルアミド、β−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレ−ト、又はこれらにε−カプロラクトンを付加させたもの、ポリオキシアルキレングリコ−ル(メタ)アクリレ−ト等をシリル化したものも包含される。
また、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤を使用しても良い。
前記アクリル系単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸のアルキル(C1〜22)エステル、(メタ)アクリル酸アルコキシ(C1〜10)エステル等が挙げられる。
前記(メタ)アクリル酸のアルキル(C1〜22)エステルとは、(メタ)アクリル酸と炭素数1〜22の1価アルコ−ルとのモノエステル化合物であり、例えば、メチル(メタ)アクリレ−ト、エチル(メタ)アクリレ−ト、プロピル(メタ)アクリレ−ト、ブチル(メタ)アクリレ−ト、ヘキシル(メタ)アクリレ−ト、オクチル(メタ)アクリレ−ト、ラウリル(メタ)アクリレ−ト、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレ−ト、シクロヘキシル(メタ)アクリレ−ト等が挙げられる。アルコキシエステルは、(メタ)アクリル酸と炭素数2〜18のアルコキシエステルであり、例えば、メトキシブチル(メタ)アクリレ−ト、メトキシエチル(メタ)アクリレ−ト等が挙げられる。
その他の重合性不飽和単量体は、上記の加水分解性シリル基含有不飽和単量体及びアクリル系単量体以外の重合性不飽和化合物である。具体的には、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸等のカルボキシル基含有不飽和単量体;グリシジル(メタ)アクリレ−ト、アリルグリシジルエ−テル等のグリシジル基含有不飽和単量体;スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン等の芳香族環含有不飽和単量体;ビニルピリジン、アクリルアミド、N−ブトキシジメチルアクリルアミド、アクリロニトリル等の窒素含有不飽和単量体等が挙げられる。
その他の重合性不飽和単量体は、複合化させる樹脂と反応性を有する官能基を有していることがより好ましい。
加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(A)は、水酸基含有アクリル樹脂の水酸基にトリアルキルモノクロルシラン化合物のようなシリル化剤でブロックすることによっても調製できる。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)は、前記単量体の比率は特に制限されないが、樹脂(A)を構成する単量体の合計重量を基準に、前記加水分解性シリル基含有不飽和単量体を1〜100重量%、特に20〜50重量%、前記アクリル系単量体を99〜0重量%、特に50〜80重量%、その他の単量体は0〜80重量%、特に10〜60重量%の範囲内に含まれていることが好ましい。
前記樹脂(A)は、加水分解性シリル基を1分子中に2個以上、好ましくは2個有する前記加水分解性シリル基含有不飽和単量体を、必要に応じてアクリル系単量体、その他の単量体を併用し、これらを、例えばラジカル重合などのそれ自体既知の方法により(共)重合することにより調製することができる。
前記樹脂(A)の数平均分子量は、好ましくは数平均分子量が500以上、より好ましくは1000〜3000の重合体である。
前記した各種単量体を有機溶剤中で共重合させる際に使用することのできる重合開始剤としては、例えば、2,2'−アゾビスイソブチロニトリル、2,2'− アゾビス−メチルブチロニトリル、2,2'−アゾビス−2,4−ジメチルバレロニトリル、1,1'−アゾビス− シクロヘキサンカルボニトリル、ジメチル−2,2'−アゾビスイソブチレート、4,4'−アゾビス−4−シアノ吉草酸、2,2'−アゾビス−(2−アミジノプロペン)2塩酸塩、2−tert−ブチルアゾ−2−シアノプロパン、2,2'−アゾビス(2−メチル−プロピオンアミド)2水和物、2,2'−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロペン] または2,2'−アゾビス(2,2,4−トリメチルペンタン)等の、各種のアゾ化合物;
あるいは過酸化ベンゾイル、メチルエチルケトンパーオキサイド、キュメンハイドロパーオキサイド、カリウムパーサルフェート、tert−ブチルパーオキシネオデカノエート、tert−ブチルパーオキシピバレート、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、tert−ブチルパーオキシイソブチレート、1,1−ビス−tert− ブチルパーオキシ−3,3,5−トリメチルシクロヘキサンまたはtert−ブチルパーオキシーラウレート、
tert−ブチルパーオキシイソフタレート、tert−ブチルパーオキシアセテート、tert−ブチルパーオキシベンゾエート、ジクミルパーオキシドまたはジ−tert−ブチルパーオキシド等の、各種のケトンパーオキシド; パーオキシケタール; ハイドロパーオキシド; ジアルキルパーオキシド; ジアシルパーオキシド; パーオキシエステル;パーオキシジカーボネート; あるいは過酸化水素などを使用することができる。
前記した各種単量体を有機溶剤中で共重合させる際に使用することのできる有機溶剤としては、公知慣用のものを使用することができるが、例えば、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、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、n−ペンタノール、イソペンタノール等の、アルキルアルコール;
メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル等の、グリコールエーテル;
ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素; エクソンアロマティックナフサNo.2(米国エクソン社製)等の芳香族炭化水素を含有する混合炭化水素; n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン等の、脂肪族炭化水素;アイソパーC、アイソパーE、エクソールDSP100/140,エクソールD30(いずれも米国エクソン社製)、IPソルベント1016(出光石油化学社製)等の、脂肪族炭化水素を含有する混合炭化水素; シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン等の、脂環族炭化水素;
テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジイソプロピルエーテル、ジ−n−ブチルエーテル等の、エーテル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等の、ケトン; 酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸n − アミル、酢酸イソアミル、酢酸ヘキシル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチル等の、エステル等が挙げられる。
また、必要に応じて、連鎖移動剤を用いることもでき、例えば、ドデシルメルカプタン、ラウリルメルカプタン、チオグリコール酸エステル、メルカプトエタノールまたはα −メチルスチレンダイマーなどが挙げられる。
本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースの製造方法は、例えば、次のような手順で行う。
第1に、前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)に酸などの触媒を含んだ水を混合し、加水分解性シリル基を加水分解させ、この液にミクロフィブリル化セルロースを接触させる。この処理によって、加水分解したシリル基がミクロフィブリル化セルロースの表面に水素結合を介して結合すると考えられる。次いでこの液を加熱処理する。加熱処理することにより加水分解したシリル基とミクロフィブリル化セルロースの表面の水酸基とが脱水縮合して共有結合を形成し、ミクロフィブリル化セルロース表面に前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)が強固に結合した状態になると考えられる。加熱温度は前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)の沸点以下であれば良く、好ましくは50℃から150℃の範囲である。
前記改質ミクロフィブリル化セルロースの製造おいて使用されるミクロフィブリル化セルロースの形態は、特に限定されず、例えば、シート状、塊状、粉体状、繊維状等の形態で使用できるし、成形されたものであっても使用できる。前記樹脂(A)は1種単独で又は2種以上組み合わせて使用してもよい。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)に含有される加水分解性シリル基は、該樹脂(A)と所定量の水とを、酸等の触媒の存在下に反応させることにより容易に加水分解できる。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)中に含有される加水分解性シリル基を加水分解させる水の量は、重合させた加水分解性シリル基含有不飽和単量体の量から算出することができる。加水分解性シリル基単量体には組成式RnSiX4-nで表される加水分解性シリル基がX4-n存在する。加水分解性基Xは水HOと1対1で加水分解反応する。加水分解性基RnSiX4-n全てのXを加水分解させるには(4−n)の水分子が必要である。すなわち重合させた加水分解性シリル基含有不飽和単量体1モルの加水分解性基を全て加水分解させるには少なくとも(4−n)モルの水が必要である。(4−n)モルの水を添加すれば、加水分解反応は進行するが、早く、効率的に加水分解させるには(4−n)モル以上の水を添加してもよく、3倍量、すなわち3×(4−n)モル以上の水を添加させるとより早く加水分解させることができる。
上記モル数に水の分子量18を掛ければ前記樹脂(A)に含有される加水分解性シリル基を加水分解させる水の重量が算出される。
加水分解に使用する触媒としては、例えば、酸、アルカリが使用できるが、加水分解反応を速くさせることのできる酸触媒が好ましい。酸としては、例えば、塩酸、硫酸、酢酸等各種の酸を使用することができる。中でも加水分解反応を早くすることのできる塩酸が好ましい。塩酸の濃度は、濃い程加水分解速度を早くすることができるが、塩酸の濃度が濃いと刺激臭があり、取り扱いに注意を要するため希釈し、10%以下の希塩酸として使用するほうが好ましい。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)に対する前記酸、水、すなわち酸性水溶液の溶解性を向上させるため、メタノール、エタノールなどのアルコール類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンなどの極性溶媒を添加しても良い。
前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)とミクロフィブリル化セルロースとの接触工程の方法としては、特に限定されず、前記樹脂(A)含有液にミクロフィブリル化セルロースを浸漬する方法、前記樹脂(A)含有液をミクロフィブリル化セルロースにディッピング、スピンコート、スプレー、ハケ塗り、ロールコート等の方法で塗布する方法などが挙げられる。接触時間は適宜選択でき、好ましくは1分〜6時間程度である。
ミクロフィブリル化セルロースが、粉体状、繊維状等の形態であれば、前記加水分解性シリル基樹脂(A)含有液とミクロフィブリル化セルロースを混練し、接触させてもよい。かかる混練は、プラネタリーミキサー、ニーダー、加圧型ニーダーなど常用の混練機を使用して行う。混練する際、混練機を加熱し、接触と加熱処理を同時に行ってもよい。加熱する温度は前記加水分解性シリル基樹脂(A)に含まれる有機溶剤の沸点以下が好ましく、50〜150℃の範囲で調節することが好ましい。
ミクロフィブリル化セルロースの処理に必要な前記加水分解性シリル基樹脂(A)の量は、前記樹脂(A)の製造に原料として使用された加水分解性シリル基含有不飽和単量体の量から算出され、加水分解性シリル基含有不飽和単量体/ミクロフィブリル化セルロースの重量比が、好ましくは1/100以上、より好ましくは1/100〜1/10となるように前記加水分解性シリル基樹脂(A)とミクロフィブリル化セルロースとを混練すればよい。
上記のようにして前記加水分解性シリル基樹脂(A)にて処理された改質ミクロフィブリル化セルロースを、さらに樹脂に配合し組成物とすることができる。改質ミクロフィブリル化セルロースの配合された樹脂中における改質ミクロフィブリル化セルロースの含有量は、好ましくは0.1〜10重量%、より好ましくは0.5〜5重量%である。また、前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)が、更に加水分解性シリル基以外の官能基を有しており、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基を有する樹脂(B)と配合することにより、改質ミクロフィブリル化セルロースがより複合化しやすくなるため更に好ましい。
(樹脂組成物)
改質ミクロフィブリル化セルロースを配合する樹脂は、特に限定されないが、例えば、ポリ乳酸、ポリブチレンサクシネート、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリスチレン、ABS樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、フッ素樹脂、アミド樹脂、アセタール樹脂、ポリカーボネート、繊維素プラスチック、ポリグリコール酸、ポリ−3−ヒドロキシブチレート、ポリ−4−ヒドロキシブチレート、ポリヒドロキシバリレートポリエチレンアジペート、ポリカプロラクトン、ポリプロピオラクトン等のポリエステル、ポリエチレングリコール等のポリエーテル、ポリグルタミン酸、ポリリジン等のポリアミド、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性樹脂;フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂などを使用でき、一種単独又は二種以上組み合わせて使用できるがこれらに限定されない。好ましくは、熱硬化性樹脂;エポキシ樹脂である。
(更なる樹脂の複合化)
改質ミクロフィブリル化セルロースに結合または吸着させた前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)が更に加水分解性シリル基以外の官能基を有するとき、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基を有する樹脂(B)を複合することが好ましい。
(樹脂(B)が有する官能基)
樹脂(B)が有する該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基は、加水分解性シリル基含有樹脂(A)が有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応すればよく、たとえば水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基、アゾ基などが挙げられる。これらの官能基は、一種類であっても複数種類であってもかまわない。
前記改質ミクロフィブリル化セルロースを樹脂に配合する方法としては、特に限定されず、通常の方法を採用できる。例えば、ミクロフィブリル化セルロースより構成されるシートあるいは成形体を樹脂モノマー液に十分に含浸させて熱、UV照射、重合開始剤等によって重合する方法、あるいは、ポリマー樹脂溶液又は樹脂粉末分散液に十分に含浸させて乾燥する方法のほか、改質ミクロフィブリル化セルロースを樹脂モノマー液中に十分に分散させて熱、UV照射、重合開始剤等によって重合する方法、あるいは、ポリマー樹脂溶液又は樹脂粉末分散液に十分に分散させて乾燥する方法のほか、ミクロフィブリル化セルロースを熱溶融した樹脂液中に混練分散させてプレス成形、押し出し成形、あるいは射出成形する方法等が挙げられる。
以上のようにして樹脂複合材料を製造することができる。本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースを使用して製造された樹脂複合材料は、従来のミクロフィブリル化セルロースとの樹脂複合材料よりも機械的物性に優れた樹脂複合材料である。この樹脂複合材料は、他の成形可能な樹脂と同様に成形可能であり、例えば押出成形、射出成形、プレス成形等により成形することで成形品にすることができる。これらの成形条件は、複合する樹脂の性質に応じて成形条件を適宜調整して適用すればよい。
以下本発明を実施例によって更に詳細に説明する。また、文中に「部」「%」とあるのは、質量あるいは重量基準を示すものである。
合成例1<加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)の合成>
3Lステンレスセパラブルフラスコにキシレン468gを計量。窒素通気下、120rpmにて攪拌しながら100℃に加温した。次に1Lステンレス容器に2−エチルヘキシルアクリレート315g、グリシジルメタクリレート280g、SZ6030(東レ・ダウコーニング)105gを計量しガラス棒にて攪拌した。その後キシレン105g、パーブチルO(日本油脂株式会社)84gを加えガラス棒にてよく攪拌し、混合した。この混合溶液を1L滴下ロートに移し、100℃に加温したキシレン中に4時間かけて滴下した。滴下終了後溶液を7時間100℃に保持し、重合した。重合したアクリル樹脂を加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)とした。加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)を1g計量し、トルエン/メタノール混合液(7/3重量比)を5g加えて攪拌し、120℃の乾燥機に1時間入れ、含有する有機溶媒を除去した。有機溶媒除去後の重量から加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)の固形分を計算した。固形分は56%であった。この固形分が55%となるようにキシレンを添加して樹脂濃度を調整した。
合成例2<加水分解性シリル基を含むアクリル樹脂(ロ)の合成>
合成例1で滴下する混合溶液をグリシジルメタクリレート595g、SZ6030を105g、キシレン105g、パーブチルOを84gに変更し同様にアクリル樹脂を合成した。重合したアクリル樹脂を加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ロ)とした。この加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ロ)も固形分が55%となるように調整した。
合成例3<加水分解性シリル基を含むアクリル樹脂(ハ)の合成>
合成例1で滴下する混合溶液を2−エチルヘキシルアクリレート525g、グリシジルメタクリレート70g、SZ6030を105g、キシレン105g、パーブチルOを84gに変更し同様にアクリル樹脂を合成した。重合したアクリル樹脂を加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ハ)とした。この加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ハ)も固形分が55%となるように調整した。
反応性官能基であるエポキシ基と珪素の比率は、珪素1つに対して、加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)で4.7、加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ロ)で9.9、加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ハ)で1.2となるように合成した。
<数平均分子量分布の測定>
合成したアクリル樹脂の分子量分布の測定は、HLC8220(分子量測定装置、東ソー)にて測定し、標準ポリスチレン換算で数平均分子量を計算した。
<乾燥ミクロフィブリル化セルロースの調整>
セリッシュKY100G(ダイセル化学工業製品)50g(セルロース含有量5g)にイオン交換水950g加えミキサーにて1分間攪拌した。その後吸引ろ過にてミクロフィブリル化セルロースを濃縮した。この濃縮ミクロフィブリル化セルロースにエタノール200gを加え、TKロボミックスのTKホモディスパー(特殊機化工業)にて3000rpm、10分間攪拌した。その後吸引ろ過し、セルロースを濃縮した。再度同様の操作を実施し、濃縮ミクロフィブリル化セルロースに含まれるイオン交換水をエタノールに置換した。エタノールをn−ブタノールに変更し、同様の操作を実施し、その後ペンタノールでも同様の操作を実施してペンタノール/ミクロフィブリル化セルローススラリーを得た。このペンタノール/セルローススラリーを150℃の乾燥機に3時間入れ、ペンタノールを除去した。得られたミクロフィブリル化セルロースをラボミルサー LM−PLUS(大阪ケミカル)にて粉砕し、乾燥ミクロフィブリル化セルロースを得た。
<ミクロフィブリル化セルロースの分散性評価>
エピクロン850(エポキシ樹脂、DIC株式会社製品)50gにエピクロンB570H(酸無水物、DIC株式会社製品)45gを加えよく攪拌した。この樹脂液にセルロース濃度が0.5重量%となるようにミクロフィブリル化セルロースを加え、超音波ホモジナイザーSonifierII(セントラル科学貿易)にて氷冷しながら30分間セルロースを超音波分散させた。その後樹脂液1滴をスライドガラスに垂らし、プレパラートを乗せ、顕微鏡ECLIPSE90i(Nikon)にて樹脂液中でのミクロフィブリル化セルロースの分散状態を100倍にて観察した。
<降伏応力の評価>
エピクロン850を50g、エピクロンB570Hを45g加えよく攪拌した。この樹脂液にセルロース濃度が1重量%となるようにミクロフィブリル化セルロースを加え、超音波ホモジナイザーにて氷冷しながら30分間ミクロフィブリル化セルロースを超音波分散させた。その後70℃に加熱しながら真空ポンプにて樹脂液中の泡を抜いた。この樹脂液を粘度計RheoStressRS75(HAAKE)、測定モードはStress Sweepにて25℃の溶液粘度を測定した。せん断速度の1/2乗、粘度の1/2乗を直線近似し、その切片を2乗し、降伏応力を計算した。
降伏応力は、樹脂の粘度を測定しているものであり、なるべく小さい値の場合、粘度が低くて取扱作業性が良いことを意味するものであり、本願発明では、その値が50Pa以下と小さく、ミクロフィブリル化セルロース入りの樹脂のハンドリング(送液など)が容易となることを示すものである。
<珪素原子量の測定>
加水分解性シリル基含有樹脂(A)とミクロフィブリル化セルロースを接触後加熱したあとの、改質ミクロフィブリル化セルロースの混合液を10g採取し、キシレン80g添加し、TKロボミックスのTKホモディスパーにて3000rpm、10分間攪拌した。その後吸引ろ過にて溶媒を除去し、改質ミクロフィブリル化セルロースを洗浄した。この洗浄操作を再度キシレンで実施した。その後、改質ミクロフィブリル化セルロース/キシレンスラリーを1g採取し、150℃にて1時間乾燥した。その乾燥改質ミクロフィブリル化セルロースの表面を、エネルギー分散型X線分析装置(JSM−5900LV、日本電子製)を用いて、1000倍の倍率で元素分析を行い、珪素原子の原子数%を測定した。この珪素原子量を改質ミクロフィブリル化セルロースに付着した処理剤量とした。
<破壊じん性値の測定>
エピクロン850を200g計量し、エピクロンB570Hを180g加えよく攪拌した。その後改質ミクロフィブリル化セルロースを1重量%となるように加え、超音波ホモジナイザーにて氷冷しながら40分間改質ミクロフィブリル化セルロースを超音波分散させた。この樹脂液にN,N−ジメチルベンジルアミンを2g添加し、氷冷下TKロボミックスのTKホモミクサー(特殊機化工業)にて8000rpmで15分間攪拌した。その後70℃に加熱しながら真空ポンプにて樹脂液中の泡を抜いた。幅6mmに調節したガラス板の間に樹脂を注型し、110℃の乾燥機中に3時間保持し、樹脂を硬化させた。その後175℃の乾燥機に5時間保持し、アフターキュアを実施した。
得られた注型板を幅12.5mm、長さ64mmに切断した。幅方向に幅0.6mm、深さ5mmの切り込みをいれた。この切り込みに剃刀を打ち込み更に長さ1mmのクラックを追加し、試験片を作製した。破壊靭性試験(ASTM 5045)はAGS−5KNG(島津オートグラフ)にて測定した。スパン間50mm、試験速度10mm/分にて測定した。得られた結果から下記計算式を用いて破壊靭性値を計算した。
<計算式>
K1c=P/1000*S/B/W^(3/2) * f(X)

K1c:破壊靭性値(MPa・√m)、P:最大点荷重(N)、S:スパン間(cm)、B:試験片厚み(cm)、W:試験片幅(cm)、a:切り込み+クラック長さ(cm)、X:a/W

f(X)=1.5*X^(1/2)*(1.99-X*(1-X)*(2.15-3.93*X+2.7*X^2))/((1+2*X)*(1-X)^(3/2))
(保存安定性)
実施例・比較例で得られたミクロフィブリル化セルロース含有樹脂を25℃の恒温機に入れて、1週間放置した後の状態を目視で観察した。
観察結果:○:変化なし透明、
×:凝集物あり、濁り有り
<実施例1>
加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)33.3gに6%塩酸水溶液を1.9g、ジメチルホルムアミド15gを添加し、1時間スターラーにて攪拌し、加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)のメトキシシランを加水分解した。この樹脂液に乾燥ミクロフィブリル化セルロースを20.6g、キシレンを132.8g添加し、80℃に加温しながらTKハイビスミックスf model(特殊機化工業)で50rpm、6時間攪拌した。改質ミクロフィブリル化セルロース樹脂混合液を10g採取し、キシレン80g添加し、TKロボミックスのTKホモディスパーにて3000rpm、10分間攪拌した。その後吸引ろ過にて溶媒を除去し、改質ミクロフィブリル化セルロースを洗浄した。この洗浄操作を再度キシレンで実施し、その後洗浄溶媒をエタノールに変えて同様に2回洗浄した。得られた改質ミクロフィブリル化セルロース/エタノールスラリーの固形分は22%であった。このスラリーを8.6重量部エポキシ樹脂100重量部に添加し、物性を評価した。
エポキシ樹脂中で100μm以上のセルロースの凝集物は無かった。また降伏応力は30.5Pa、破壊じん性値は0.89MPa・√mであった。珪素量は0.15原子数%であった。
また加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)の数平均分子量は、2323であった。
<実施例2>
上記実施例1の加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)を加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ロ)に変更し、同様にミクロフィブリル化セルロースの改質を行った。
エポキシ樹脂中で100μm以上のセルロースの凝集物は無かった。また降伏応力は32.0Pa、破壊じん性値は0.93MPa・√mであった。珪素量は0.17原子数%であった。加水分解性シリル基含有アクリル樹脂の数平均分子量は、1892であった。
<実施例3>
上記実施例1の加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(イ)を加水分解性シリル基含有アクリル樹脂(ハ)に変更し、同様にミクロフィブリル化セルロースの改質を行った。
エポキシ樹脂中で100μm以上のセルロースの凝集物は無かった。また降伏応力は33.0Pa、破壊じん性値は0.84MPa・√mであった。珪素量は0.16原子数%であった。加水分解性シリル基含有アクリル樹脂の数平均分子量は2168であった。
<比較例1>
乾燥ミクロフィブリル化セルロースを改質せず、改質ミクロフィブリル化セルロースと同様に物性の評価を実施した。エポキシ樹脂中で100μm以上のセルロースの凝集物が多数確認された。また降伏応力は3790Pa、破壊靭性値は0.78MPa・√mであった。珪素はセルロース表面に検出されなかった。
<比較例2>
表面処理剤としてZ6040(シランカップリング剤、東レ・ダウコーニング製)2.7gに0.05%酢酸水溶液10.7gを添加し、3時間スターラーにて攪拌し、メトキシシランを加水分解した。この水溶液に乾燥ミクロフィブリル化セルロースを20g、キシレンを180g添加し、80℃に加温しながらプラネタリーミキサーで50rpm、6時間攪拌し、セルロースの表面処理を行った。表面処理されたミクロフィブリル化セルロース/キシレン溶液を10g採取し、キシレン80g添加し、TKロボミックスのTKホモディスパーにて3000rpm、10分間攪拌した。その後吸引ろ過にて溶媒を除去し、シランカップリング剤処理ミクロフィブリル化セルロースを洗浄した。この洗浄操作を再度キシレンで実施し、その後洗浄溶媒をエタノールに変えて同様に2回洗浄した。得られたシランカップリング剤処理ミクロフィブリル化セルロース/エタノールスラリーの固形分は21%であった。
エポキシ樹脂中で100μm以上のセルロースの凝集物は無かった。また降伏応力は34.3Pa、破壊じん性値は0.83MPa・√mであった。珪素量は0.40原子数%であった。
また、アクリル樹脂で行ったようにZ6040の分子量分布も同様に測定した。その数平均分子量は157であった。
<比較例3>
80℃に加温しながらプラネタリーミキサーで50rpm、3時間攪拌する以外は比較例2と同様に乾燥ミクロフィブリル化セルロースをシランカップリング剤処理した。
エポキシ樹脂中で100μm以上のセルロースの凝集物が確認された。また降伏応力は320Pa、破壊靭性値は0.81MPa・√mであった。珪素量は0.18原子数%であった。
Figure 0004919136
本発明はでミクロフィブリル化セルロースに高分子の樹脂を結合または吸着させているため、少ない樹脂量でミクロフィブリル化セルロースを改質することができる。この改質ミクロフィブリル化セルロースを他の樹脂中に混合した際に凝集なく分散することができる。この分散性は、樹脂骨格中に加水分解性シリル基が導入されているため、分子運動が制御され、加水分解性シリル基同士の縮重合といった副反応が起き難いものと考えられる。さらに、本発明の改質ミクロフィブリル化セルロースを含有する樹脂組成物は、機械的物性、特に破壊靭性に優れた樹脂成形物を得ることができるものであるため、自動車分野、電気電子分野、土木建築分野、医療機器分野、浴槽台所用品などの成形品として使用できる。

Claims (10)

  1. 加水分解性シリル基含有樹脂(A)が、セルロース表面に結合または吸着した改質ミクロフィブリル化セルロースであって、
    前記改質ミクロフィブリル化セルロースが、前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)由来の0.01〜0.5原子数量%の珪素量を含有したものであり、
    該加水分解性シリル基含有樹脂(A)は、1分子中に加水分解性シリル基及び重合性二重結合をそれぞれ1個以上併存する化合物である加水分解性シリル基含有不飽和単量体を1〜100重量%、アクリル系単量体を99〜0重量%、上記の加水分解性シリル基含有不飽和単量体及びアクリル系単量体以外の重合性不飽和化合物であるその他の重合性不飽和単量体を0〜80重量%の範囲内で併用し、(共)重合することで得られる(メタ)アクリル樹脂であり、
    該加水分解性シリル基が、RnSiX4−n(式中、Rは置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、アリール基、不飽和脂肪酸残基からなる群より選ばれる少なくとも一種の有機基を表し、Xはアルコキシ基を表し、nは0〜3の整数を表し、RおよびXはそれぞれ同一あるいは異なっていても良い)で表されるケイ素含有基であることを特徴とする、
    改質ミクロフィブリル化セルロース。
  2. 前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)の数平均分子量が、1000〜3000である、請求項1に記載の改質ミクロフィブリル化セルロース。
  3. 前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)が、加水分解性シリル基以外の官能基を含有し、該加水分解性シリル基以外の官能基が、水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基およびアゾ基から選択される1種以上である、請求項1または2に記載の改質ミクロフィブリル化セルロース。
  4. 前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)の含有する加水分解性シリル基以外の官能基がエポキシ基である、請求項3に記載の改質ミクロフィブリル化セルロース。
  5. 請求項1から4の何れか1項に記載した改質ミクロフィブリル化セルロースを含有することを特徴とする樹脂組成物。
  6. 請求項3に記載の、加水分解性シリル基含有樹脂(A)が加水分解性シリル基以外の官能基を含有し、該加水分解性シリル基以外の官能基が、水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基およびアゾ基から選択される1種以上である改質ミクロフィブリル化セルロースと、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基を有する樹脂(B)とを含有する樹脂組成物であって、
    該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基が水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基及びアゾ基から選択される1種以上である、樹脂組成物。
  7. 請求項3に記載の、加水分解性シリル基含有樹脂(A)が加水分解性シリル基以外の官能基を含有するし、該加水分解性シリル基以外の官能基が、水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基およびアゾ基から選択される1種以上である改質ミクロフィブリル化セルロースと、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基を有する樹脂(B)であって、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基が水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基及びアゾ基から選択される1種以上である、樹脂(B)を含有し、
    前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)が有する加水分解性シリル基以外の官能基と、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基を有する樹脂(B)の官能基とが反応したことを特徴とする、樹脂複合材料。
  8. 加水分解性シリル基含有樹脂(A)と、ミクロフィブリル化セルロースとを接触させ、加熱させて得られる改質ミクロフィブリル化セルロースの製造方法であって、
    前記改質ミクロフィブリル化セルロースが、前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)由来の0.01〜0.5原子数量%の珪素量を含有したものであり、
    該加水分解性シリル基含有樹脂(A)が、1分子中に加水分解性シリル基及び重合性二重結合をそれぞれ1個以上併存する化合物である加水分解性シリル基含有不飽和単量体を1〜100重量%、アクリル系単量体を99〜0重量%、上記の加水分解性シリル基含有不飽和単量体及びアクリル系単量体以外の重合性不飽和化合物であるその他の重合性不飽和単量体を0〜80重量%の範囲内で併用し、(共)重合することで得られる(メタ)アクリル樹脂であり、
    該加水分解性シリル基が、RnSiX4−n(式中、Rは置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、アリール基、不飽和脂肪酸残基からなる群より選ばれる少なくとも一種の有機基を表し、Xはアルコキシ基を表し、nは0〜3の整数を表し、RおよびXはそれぞれ同一あるいは異なっていても良い)で表されるケイ素含有基であることを特徴とする、
    改質ミクロフィブリル化セルロースの製造方法。
  9. 前記加水分解性シリル基含有樹脂(A)が、加水分解性シリル基以外の官能基を含有し、該改質ミクロフィブリル化セルロースが有する加水分解性シリル基以外の官能基と反応する官能基が水酸基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、チオール基、スルホン酸基及びアゾ基から選択される1種以上である樹脂である、
    請求項8に記載の改質ミクロフィブリル化セルロースの製造方法。
  10. 請求項1から4の何れか一項に記載の改質ミクロフィブリル化セルロースを、樹脂に配合することを特徴とする、樹脂の機械的物性の強化方法。
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