JP6591304B2 - 易分散性セルロース組成物、易分散性セルロース組成物の製造方法、セルロース分散樹脂組成物及びセルロース分散樹脂組成物の製造方法 - Google Patents
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本発明で使用するセルロースは、例えば、セルロースナノファイバー(CNF)、セルロースナノクリスタル(CNC)、パルプ、リグノセルロース及び木粉からなる群から選ばれる少なくとも1種である。特に、CNF又はCNCを用いることが好ましい。なお、本発明では、CNF及びCNCを「ナノセルロース」とも称す。以下、各セルロースについて、詳細に説明する。なお、セルロースの代表例として、「ナノセルロース」或いはCNFを用いて本発明を説明する場合があるが、本発明は、これらに限定されるものではない。
本発明に使用されるポリオレフィンは、ポリアルケンであって、その構造にカルボキシ基を有し、その酸価が50mgKOH/g以下であり、且つ、該ポリオレフィンの融点が80℃以上であることを特徴とする。まず、ポリオレフィンのポリマーとしては、従来公知のものが使用され特に限定はない。具体的に例示すると、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ1−ペンテン、ポリ(3−メチル−1−ブテン)、ポリ1−ヘキセン、ポリ(3−メチル−1−ペンテン)、ポリ(4−メチル−1−ペンテン)、ポリ(1−ヘプテン)、ポリ(4−メチル−1−ヘキセン)、ポリ(5−メチル−1−ヘキセン)、ポリ(1−オクテン)、ポリ(5−メチル−1−ヘプテン)の単独ポリマー(但し、単独ポリマーでTgが80℃未満は除く)、それらポリマーのモノマー単位において、そのモノマーの2種類以上を重合して得られる共重合ポリマー、グラフトコポリマー、グラフトコポリマーのポリマーであり、構造として、直鎖状、分岐状などの高次構造などがとられ、分子量、配列、結晶化度などは任意のものが使用される。また、その合成方法等は特に限定されない。
以上で説明した本発明の易分散性セルロース組成物は、以下の本発明の製造方法によって簡便に得ることができる。すなわち、本発明は、上記した、セルロースの樹脂中への分散性を高めた易分散性セルロース組成物の製造方法を提供する。具体的には、本発明の易分散性セルロース組成物は、カルボキシ基を有するポリアルケンであるポリオレフィンの、アルカリにて中和されて水中に乳化している、酸価が50mgKOH/g以下で、その光散乱による粒子径測定機による平均粒子径が300nm以下であり、且つ、該ポリオレフィンの融点が80℃以上である、ポリオレフィンエマルジョンを、含水状態又は乾燥状態のセルロースと混合して、セルロースとポリオレフィンエマルジョンの混合水溶液を得た後、酸を添加してポリオレフィンを析出させることで得られる。好ましくは、セルロースとポリオレフィンエマルジョンの混合水溶液中のセルロースの含有量が、質量基準で3%以下であり、更に好ましくは、このようなセルロース含有量になるように、セルロースを100部に対し、該ポリオレフィンが233.3部〜1900部として、セルロースとポリオレフィンエマルジョンの混合水溶液を調製することが好ましい。
以上のようにして、本発明の製造方法によれば、樹脂に添加して混練等して混合するだけで、セルロースが樹脂中に良好に分散したセルロース分散樹脂組成物を得ることができる、分散し易い、マスターバッチ的な易分散性セルロース組成物を簡便に得ることができる。次に、この易分散性セルロース組成物を樹脂に分散してなる、本発明のセルロース分散樹脂組成物について説明する。本発明のセルロース分散樹脂組成物は、前記した本発明の易分散性セルロース組成物と樹脂とを含む樹脂組成物を溶融混練等して混合して得られた、セルロースと樹脂との混合物であり、セルロースを、質量基準で0.1%以上10%以下の範囲で含有するセルロース分散樹脂組成物である。
針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)(リファイナー処理済み、固形分:25%)600部に、水を19400部添加し、パルプスラリー濃度0.75質量%の水懸濁液(スラリー)を調製した。次に、得られたスラリーに対し、ビーズミルを用いて機械的解繊処理を行った。更に、解繊処理を行った後、フィルタープレスで脱水し、含水状態のCNF−1(固形分:10%)を1425部得た。
実施例1で得られたセルロース樹脂処理物(CP−1)の水ペーストの半量を90℃で24時間加熱・乾燥し、次いで、120℃で24時間加熱・乾燥した。このCP−1についての、加熱・乾燥前と加熱・乾燥後のもののIRを比較したところ、加熱・乾燥前はカルボキシ基のピークであると考えられる1694cm-1が観測されただけであったが、加熱・乾燥後のものには、1694cm-1のほかに1745cm-1のエステル化ピークが見られた。このことから、上記した加熱・乾燥処理で、CP−1を構成しているポリオレフィンのカルボキシ基と、セルロースのカルボキシ基が反応してエステル結合が形成されたと考えられる。加熱・乾燥後のものをCP−1Dと称する。以下の例でも、乾燥物のセルロース樹脂処理物はこの方法で作製し、いずれもIRにてエステル結合の有無を確認した。
実施例1で使用したポリオレフィンの量を表1に記載したように変化させて、それ以外は実施例1と同様にして、セルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)をそれぞれ作製した。これを実施例3、4とし、実施例1、2の構成と合わせて、表1にまとめて示した。
実施例1〜3で使用したポリオレフィンエマルジョンであるPOE−1に替えて、後述するポリオレフィンエマルジョンであるPOE−2、POE−3、POE−4、POE−5をそれぞれ使用し、実施例1〜実施例3のいずれかと同様にしてセルロース樹脂処理物をそれぞれ作製した。これを実施例5〜10とした。これらの構成を、表2にまとめて示した。表2に示したように、実施例5のセルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)は、得られた水ペーストを乾燥しただけでエステル化してない。また、実施例10のセルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)は、実施例9と同様にして得られた水ペーストを、更に実施例2と同様に脱水縮合して得られた乾燥物である。
POE−2:ポリオレフィンがポリエチレン(PE)で、その酸価が45.3mgKOH/g、融点が102℃であり、エマルジョンの固形分が15%、pHが9.2で、透明感のある青白い水溶性液体であり、平均粒子径が79nmである。
POE−3:ポリオレフィンがポリエチレン(PE)で、その酸価が15.9mgKOH/g、融点が110℃であり、エマルジョンの固形分が15%、pHが9.0で、乳白い液体であり、平均粒子径178nmである。
POE−4:ポリオレフィンがポリプロピレン(PP)で、その酸価が17.0mgKOH/g、融点が100℃であり、エマルジョンの固形分が20%、pHが8.9で、白色液体であり、平均粒子径212nmである。
POE−5:ポリオレフィンがポリプロピレン(PP)で、その酸価が26.3mgKOH/g、融点が120℃であり、エマルジョンの固形分が20%、pHが9.5で、白色液体であり、平均粒子径257nmである。
下記に示した、セルロースをそれぞれに含有する組成物を比較例1〜7のセルロース含有組成物とした。比較例1のセルロース含有組成物は、先に実施例1で使用した解繊処理を行った含水状態のCNF−1であり、比較例2のセルロース含有組成物は、この含水状態のCNF−1を乾燥して得た乾燥物のCNF−1Dである。比較例3のセルロース含有組成物は、実施例1のセルロース樹脂処理物CP−1を得る際に、使用するセルロースの量を増加させることで得た、セルロースの含有量を50%と多くした(相対的にポリオレフィン量が少ない)比較CP−1であり、比較例4のセルロース含有組成物は、この比較CP−1を乾燥して得た乾燥物の比較CP−1Dである。
上記で得たセルロースの樹脂処理物或いはセルロース含有組成物を用いて、セルロースの分散性等を評価した。
〔評価−1〕<熱キシレンへの分散性>
オレフィンにエステル結合が形成されている実施例2のCP−1D、得られた水ペーストを乾燥しただけの実施例5のCP−4H、含水状態のCNF−1を乾燥した比較例2のCNF−1Dについて、下記のようにして熱キシレンへの分散性を評価した。上記のものを10mlのサンプル瓶に少量添加して、キシレンを加えて、スターラーピースを入れ、キシレンの沸点近くまで加熱撹拌した。
実施例7のポリプロピレンエマルジョンを用いて得られたCP−6を、絵柄を付けたガラスプレートに少量置き、ホットプレートを使用して加熱して乾燥し、更にガラスプレートを被せて熱プレスしてCP−6からなる膜を得た。
実施例1のセルロースとポリオレフィンとの組成物であるセルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)CP−1を用い、樹脂と混合してセルロースを分散してなる樹脂組成物を作製し、得られた樹脂組成物について評価した。樹脂組成物の作製に用いた樹脂は、CP−1を作製する際に用いたポリオレフィンエマルジョンであるPOE−1に使用したと同様のポリエチレンPE−1である。CP−1と混合するポリエチレンの使用量は、得られる樹脂組成物中にセルロースが2.5%含有されるようにした。
先に作製した実施例2〜8の、セルロースとポリオレフィン(PE又はPP)との組成物であるセルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)をそれぞれに用い、実施例11で行ったと同様にして、セルロースを分散してなる樹脂組成物である樹脂ペレットを得た。また、実施例9、10のセルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)については、樹脂にポリプロピレンを使用して、セルロースを分散してなるPP樹脂ペレットを得た。そして、得られたPE樹脂ペレット又はPP樹脂ペレットを用い、実施例11で行ったと同様にしてそれぞれ膜を形成して、樹脂中へのセルロースの分散性を評価した。この結果、すべての実施例で、透明の膜を得ることができ、良好な分散性を示した。また、二軸押出混練機でのパス回数は一回のみでも、樹脂中へのセルロースの十分な分散性が得られることを示しており、実施例2〜10のセルロース樹脂処理物(易分散性セルロース組成物)は、いずれもポリオレフィン樹脂に対して易分散性であると判断できる。
先に作製した比較例1〜5、7の各セルロース含有組成物をそれぞれ用い、セルロースの含有量が2.5%になるように、前記したポリエチレン(PE−1)樹脂を使用して、実施例11と同様して、比較例のセルロースを含有した樹脂組成物であるPE樹脂ペレットを得た。そして、得られたPE樹脂ペレットを用い、実施例11で行ったと同様にしてそれぞれ膜を形成し、樹脂中へのセルロースの分散性を評価した。
上記で得られた実施例11、12の各PE樹脂ペレット、比較例7のセルロース含有組成物を使用して得られたPE樹脂ペレットについて、それぞれ射出成型を実施し、ダンベル片(ダンベル厚:2mm)を作成して評価用サンプルとした。得られた評価用サンプルのダンベル片のそれぞれについて、引張試験機(インストロン社製:万能試験機5900シリーズ使用)で、10mm/minの引張速度で引張試験を実施し、引張弾性率及び引張強度を測定し、評価した。得られた結果を表3にまとめて示した。比較のために、セルロースを添加しないポリエチレン(PE−1)樹脂についても同様の試験を行い、表3中に結果を示した。
Claims (11)
- セルロースの樹脂中への分散性を高めた易分散性セルロース組成物であって、セルロースとポリオレフィンとからなり、前記セルロースが、セルロースナノファイバー及びセルロースナノクリスタルからなる群から選ばれる少なくとも1種のセルロース繊維であり、前記ポリオレフィンが、ポリアルケンであり、カルボキシ基を有し、その酸価が50mgKOH/g以下で、且つ、その融点が80℃以上であり、前記セルロースを、質量基準で5%〜30%を含有することを特徴とする易分散性セルロース組成物。
- 前記セルロースが、さらに、パルプ、リグノセルロース及び木粉からなる群から選ばれる少なくとも1種のセルロース繊維を含む請求項1に記載の易分散性セルロース組成物。
- 前記ポリオレフィンのカルボキシ基が、前記セルロースの水酸基と反応してエステル結合を形成している請求項1又は2に記載の易分散性セルロース組成物。
- セルロースの樹脂中への分散性を高めた易分散性セルロース組成物の製造方法において、
カルボキシ基を有するポリアルケンであるポリオレフィンのポリオレフィンエマルジョンを、含水状態又は乾燥状態のセルロースと混合して、セルロースとポリオレフィンエマルジョンの混合水溶液を得た後、酸を添加してポリオレフィンを析出させる工程を有し、該工程で用いる前記ポリオレフィンエマルジョンが、酸価が50mgKOH/g以下であり、且つ、融点が80℃以上であるポリオレフィンをアルカリにて中和して水中に乳化してなる、その光散乱による粒子径測定機による平均粒子径が300nm以下のポリオレフィンエマルジョンであり、
前記セルロースが、セルロースナノファイバー及びセルロースナノクリスタルからなる群から選ばれる少なくとも1種のセルロース繊維であり、
前記混合水溶液が、質量基準で、前記セルロース100部に対して、前記ポリオレフィンを233.3部〜1900部の範囲で含むことを特徴とする易分散性セルロース組成物の製造方法。 - 前記セルロースが、さらに、パルプ、リグノセルロース及び木粉からなる群から選ばれる少なくとも1種のセルロース繊維を含む請求項4に記載の易分散性セルロース組成物の製造方法。
- 前記混合水溶液中におけるセルロースの含有量が、質量基準で、3%以下である請求項4又は5に記載の易分散性セルロース組成物の製造方法。
- 前記ポリオレフィンを析出させる工程の後に、更に90℃以上の温度にて加熱する工程を有し、該加熱工程で、前記ポリオレフィンのカルボキシ基を、前記セルロースの水酸基と反応させて脱水縮合して、エステル結合を形成させる請求項4〜6のいずれか1項に記載の易分散性セルロース組成物の製造方法。
- セルロースと樹脂との混合物であるセルロース分散樹脂組成物であって、前記セルロースが、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセルロースの樹脂中への分散性を高めた易分散性セルロース組成物であり、且つ、組成物中に、質量基準で、セルロースを0.1%以上10%以下含有することを特徴とするセルロース分散樹脂組成物。
- 前記樹脂が、ポリアルケンであるポリオレフィンで、且つ、前記易分散性セルロース組成物を構成するポリオレフィンと同一骨格のポリマーである請求項8に記載のセルロース分散樹脂組成物。
- セルロースと樹脂との混合物であるセルロース分散樹脂組成物を得るための製造方法であって、
カルボキシ基を有するポリアルケンである、その酸価が50mgKOH/g以下のポリオレフィンをアルカリにて中和したポリオレフィンエマルジョンを、含水状態又は乾燥状態のセルロースと混合して、セルロースとポリオレフィンエマルジョンとの混合水溶液を得る際に、前記セルロースに、セルロースナノファイバー及びセルロースナノクリスタルからなる群から選ばれる少なくとも1種のセルロース繊維を用い、前記混合水溶液が、質量基準で、前記セルロース100部に対して、前記ポリオレフィンを233.3部〜1900部の範囲で含むようにし、且つ、前記混合水溶液に酸を添加してポリオレフィンを析出させて得たセルロースの樹脂中への分散性を高めた易分散性セルロース組成物を用い、
該易分散性セルロース組成物の製造に起因する液分を含んだまま樹脂と混合してセルロース分散樹脂組成物を得ることを特徴とするセルロース分散樹脂組成物の製造方法。 - 前記ポリオレフィンエマルジョンが、融点が80℃以上であるポリオレフィンをアルカリにて中和して水中に乳化してなる、その光散乱による粒子径測定機による平均粒子径が300nm以下であるポリオレフィンエマルジョンである請求項10に記載のセルロース分散樹脂組成物の製造方法。
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