JP7250821B2 - 改質セルロース繊維粉末 - Google Patents
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Description
〔1〕 アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基が導入されてなり、平均繊維長が1μm以上500μm以下である改質セルロース繊維粉末。
〔2〕 前記〔1〕に記載の改質セルロース繊維粉末が媒体に分散してなる分散体。
〔3〕 前記〔1〕に記載の改質セルロース繊維粉末と樹脂とを配合してなる樹脂組成物。
〔4〕 前記〔3〕に記載の樹脂組成物を成形してなる樹脂成形体。
本発明の改質セルロース繊維粉末とは、アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基が導入されてなり、平均繊維長が1μm以上500μm以下のものである。
原料のセルロース繊維としては、環境負荷の観点から、天然セルロース繊維を用いることが好ましい。天然セルロース繊維としては、例えば、針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ等の木材パルプ;コットンリンター、コットンリントのような綿系パルプ;麦わらパルプ、バガスパルプ等の非木材系パルプ;バクテリアセルロース等が挙げられ、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明で用いられるアニオン性基を含むアニオン変性セルロース繊維(単に「アニオン変性セルロース繊維」とも称する。)は、セルロース繊維中にアニオン性基を含むようにアニオン変性されたセルロース繊維である。
本発明で用いられるアニオン変性セルロース繊維は、対象のセルロース繊維に酸化処理又はアニオン性基の付加処理を施して、少なくとも1つ以上のアニオン性基を導入してアニオン変性させることによって得ることができる。
アニオン変性の対象となるセルロース繊維としては、(1)原料のセルロース繊維、及び(2)原料のセルロース繊維を短繊維化処理して得られた短繊維化セルロース繊維、が挙げられる。本発明の効果を発現する観点から、アニオン変性の対象となるセルロース繊維は、(1)の原料のセルロース繊維が好ましい。
セルロース繊維にアニオン性基としてカルボキシ基を導入する方法としては、例えばセルロースの水酸基を酸化してカルボキシ基に変換する方法や、セルロースの水酸基にカルボキシ基を有する化合物、カルボキシ基を有する化合物の酸無水物及びそれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種を反応させる方法が挙げられる。
セルロース繊維にアニオン性基としてスルホン酸基を導入する方法としては、セルロース繊維に硫酸を添加し加熱する方法等が挙げられる。
短繊維化処理の対象となるセルロース繊維としては、(1)原料のセルロース繊維にアニオン性基を導入する工程を経て得られたアニオン変性セルロース繊維、(2)原料のセルロース繊維にアニオン性基を導入する工程、次いで修飾基を導入する工程を経て得られた改質セルロース繊維、並びに(3)原料のセルロース繊維、が挙げられる。本発明の効果を発現する観点から、短繊維化処理の対象となるセルロース繊維は、(1)のアニオン変性セルロース繊維が好ましい。短繊維化処理により、セルロース繊維の平均繊維長を、1μm以上、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上とし、500μm以下、好ましくは400μm以下、より好ましくは300μm以下、さらに好ましくは250μm以下とすることができる。平均繊維長は、後述の実施例に記載の方法に従って測定することができる。
本発明における改質セルロース繊維とは、アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基が導入されたもの(即ち結合したもの)である。本発明の効果をより発揮させる観点から、改質セルロース繊維におけるアニオン性基と修飾基との結合様式としては、好ましくはイオン結合及び/又は共有結合であり、アニオン変性セルロース繊維表面に存在するアニオン性基に、修飾基を有する化合物をイオン結合及び/又は共有結合させることにより結合を達成できる。
改質セルロース繊維は、順序を問わず、アニオン性基を導入する工程、修飾基を導入する工程、短繊維化処理する工程、及び余剰の溶媒成分を除く工程を行うことによって製造することができる。例えば、(1)原料のセルロース繊維にアニオン性基を導入してアニオン性基を含むアニオン変性セルロース繊維を得る工程、アニオン性基を含むアニオン変性セルロース繊維を短繊維化処理する工程、該セルロース繊維に修飾基を導入する工程、(2)原料のセルロース繊維にアニオン性基を導入してアニオン性基を含むアニオン変性セルロース繊維を得る工程、アニオン性基を含むアニオン変性セルロース繊維に修飾基を導入する工程、次いで得られた改質セルロース繊維を短繊維化処理する工程、及び(3)原料のセルロース繊維を短繊維化処理する工程、該セルロース繊維にアニオン性基を導入してアニオン性基を含むアニオン変性セルロース繊維を得る工程、次いで該セルロース繊維に修飾基を導入する工程、のいずれかを経て製造することができる。本発明の効果を発現する観点から、(1)の工程を採用することがより好ましい。なお、原料のセルロース繊維の繊維長が1,000μm以下の場合、上記短繊維化処理の工程を省略することができる。
アニオン変性セルロース繊維を、任意の修飾基で改質して改質セルロース繊維とする。 アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基を結合させるためには、例えば修飾基を有する化合物(「改質種」ともいう。)を用いることが好ましい。改質種としては、アニオン性基との結合様式に応じて適切なものを選択すればよい。
改質セルロース繊維の乾燥方法は特に限定されず、例えば、凍結乾燥、真空乾燥、圧搾、風乾、熱風乾燥、噴霧乾燥、赤外線乾燥、スピン乾燥等が挙げられる。乾燥方法における具体的な条件は特に限定されず、一般的な条件を採用することができるが、熱による分解を防止する観点から、乾燥時の温度の上限が好ましくは300℃、より好ましくは250℃、更に好ましくは200℃である。
本発明の改質セルロース繊維粉末は、固形分の量が多いほど、ハンドリングの観点から好ましい。例えば、JIS K 5601-1-2:2008に記載の加熱残分(固形分)の測定法に則り、下記式から求められる改質セルロース繊維粉末の残分として、本発明の効果を発現する観点から、好ましくは50質量%以上、より好ましくは60質量%以上、更に好ましくは70質量%以上、更に好ましくは80質量%以上、更に好ましくは90質量%以上であり、乾燥負荷の観点から、好ましくは99質量%以下、より好ましくは98質量%以下、更に好ましくは97質量%以下、更に好ましくは95質量%以下である。改質セルロース繊維粉末の残分は、後述の実施例に記載の方法により測定される。
残分(質量%)=(105℃、60分間加熱した時の改質セルロース繊維粉末の質量/加熱前の改質セルロース繊維粉末の質量)×100
本発明の改質セルロース繊維粉末のセルロースI型結晶化度は、機械物性発現の観点から、好ましくは30%以上であり、一方、好ましくは95%以下である。なお、本明細書において、セルロースI型結晶化度は、具体的には後述の実施例に記載の方法により測定される。
本発明の分散体は、前記改質セルロース繊維粉末が媒体に分散してなるものである。本発明の改質セルロース繊維粉末を、有機溶媒や樹脂などの媒体中で分散することで、ハンドリング性に優れる、微細改質セルロース繊維を含有する分散体を調製することができる。かかる分散体は、日用雑貨品、家電部品、家電部品用梱包資材、自動車部品、航空機部品、スポーツ用品、三次元造形用材料等の様々な工業用途に好適に使用することができる。
媒体としては、特に限定されず、用途に応じて水、各種有機溶媒やモノマーやプレポリマー、樹脂、硬化剤、可塑剤などを好適に用いることが出来る。より具体的には、媒体としては、水、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N-メチルピロリドン(NMP)、メタノール、エタノール、イソプロパノール(IPA)、メチルエチルケトン(MEK)、酢酸エチル、酢酸ブチル、トルエン、アセトン、シクロヘキサノン、ヘキサン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール及びプレポリマー(例えば、エポキシ樹脂プレポリマー、ウレタン樹脂プレポリマー、アクリル樹脂プレポリマー、シリコーン樹脂プレポリマー、フェノキシ樹脂プレポリマー)からなる群より選択される1種以上が好ましい。なお、媒体は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
微細改質セルロース繊維を含有する分散体の製造方法としては、前記の本発明の分散体に、撹拌翼を備えた撹拌機、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、ロールミル、短軸混練機、2軸混練機、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等を用いた機械的な微細化処理などを行うことで得ることが出来る。なお、必要に応じて温度や圧力等の処理条件の調整を行ってもよい。
本発明の樹脂組成物は、前記改質セルロース繊維粉末と樹脂とを配合してなる組成物である。樹脂組成物を使用して、公知の成形方法により成形体を製造できるため、樹脂組成物は、本発明における好ましい態様の一つである。
使用できる樹脂は特に限定されないが、例えば、熱可塑性樹脂、硬化性樹脂、セルロース系樹脂、ゴム系樹脂を用いることができる。かかる熱可塑性樹脂、硬化性樹脂、セルロース系樹脂及びゴム系樹脂は、樹脂として1種のみ使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
熱可塑性樹脂としては、ポリ乳酸樹脂等の飽和ポリエステル樹脂;ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のオレフィン樹脂;塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、スチレン樹脂、ビニルエーテル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂等のビニル樹脂;(メタ)アクリル系樹脂;ポリアミド樹脂;ポリカーボネート樹脂;ポリスルホン樹脂;ポリウレタン樹脂;フェノキシ樹脂等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、単独で使用してもよく、2種以上の混合樹脂として用いても良い。これらの中でも、分散性に優れる分散液が得られることから、オレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、塩化ビニル樹脂及びポリウレタン樹脂が好ましい。なお、本明細書において、(メタ)アクリル系樹脂とは、メタクリル系樹脂及びアクリル系樹脂を含む概念を意味する。
硬化性樹脂としては、光硬化性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂が好ましい。
光硬化性樹脂は、紫外線や電子線等の活性エネルギー線照射により、ラジカルやカチオンを発生する光重合開始剤を用いることで重合反応が進行する。
セルロース系樹脂としては、酢酸セルロース(セルロースアセテート)、セルロースアセテートプロピオネート等のセルロース混合アシレートなどの有機酸エステル;硝酸セルロース、リン酸セルロース等の無機酸エステル;硝酸酢酸セルロース等の有機酸無機酸混酸エステル;アセチル化ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロースエーテルエステルなどが挙げられる。上記酢酸セルロースには、セルローストリアセテート(アセチル置換度2.6~3)、セルロースジアセテート(アセチル置換度2以上2.6未満)、セルロースモノアセテートが含まれる。セルロース系樹脂は単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、本発明では、樹脂としてゴム系樹脂を用いることができる。ゴム系樹脂は、強度を高めるために、補強材としてカーボンブラックやシリカ等の無機フィラー配合品が汎用されているが、その補強効果にも限界があると考えられる。しかしながら、本発明の分散液にゴム系樹脂を配合することで得られる分散液中での分散性に優れることから、機械的強度及び耐熱性に優れる分散液や成形体(ゴム)を提供することが可能になると考えられる。
ジエン系ゴムとしては、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、スチレン-ブタジエン共重合体ゴム、ブチルゴム、ブタジエン-アクリロニトリル共重合体ゴム、クロロプレンゴム及び変性天然ゴム等が挙げられる。変性天然ゴムとしては、エポキシ化天然ゴム、水素化天然ゴム等が挙げられる。非ジエン系ゴムとしては、ブチルゴム、エチレン-プロピレンゴム、エチレン-プロピレン-ジエンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、多硫化ゴム、エピクロルヒドリンゴムなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明の樹脂組成物は、前記成分以外に、可塑剤、結晶核剤、充填剤(無機充填剤、有機充填剤)、加水分解抑制剤、難燃剤、酸化防止剤、炭化水素系ワックス類やアニオン型界面活性剤である滑剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、防曇剤、光安定剤、顔料、防カビ剤、抗菌剤、発泡剤、界面活性剤;でんぷん類、アルギン酸等の多糖類;ゼラチン、ニカワ、カゼイン等の天然たんぱく質;タンニン、ゼオライト、セラミックス、金属粉末等の無機化合物;香料;流動調整剤;レべリング剤;導電剤;紫外線分散剤;消臭剤等を、本発明の効果を損なわない範囲で配合することができる。また同様に、本発明の効果を阻害しない範囲内で他の高分子材料や他の樹脂組成物を添加することも可能である。
樹脂組成物は、前述の樹脂、改質セルロース繊維粉末、前記媒体を、必要により、これら以外の成分と一緒に高圧ホモジナイザーで分散処理を行うことにより調製することができる。あるいは、これらの各原料を、ヘンシェルミキサー、自転公転式攪拌機等で攪拌、あるいは密閉式ニーダー、1軸もしくは2軸の押出機、オープンロール型混練機等の公知の混練機を用いて溶融混練することでも調製することができる。
本発明の樹脂成形体は、樹脂組成物を利用した押出成形、射出成形、プレス成形、注型成型又は溶媒キャスト法等の公知の成形方法を適宜用いることによって調製することができる。本発明の樹脂組成物は、改質セルロース繊維の分散性に優れているので、成形体である各種樹脂製品の機械的強度が従来品よりも向上している。そのため、樹脂成形体を各種用途に好適に用いることができる。
<3> アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基が導入されてなり、平均繊維長が80μm以上250μm以下である改質セルロース繊維粉末。
<4> アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基が導入されてなり、平均繊維長が100μm以上200μm以下である改質セルロース繊維粉末。
<5> 次式から求められる改質セルロース繊維粉末の残分が50質量%以上である、<1>~<4>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
残分(質量%)=(105℃、60分間加熱した時の改質セルロース繊維粉末の質量/加熱前の改質セルロース繊維粉末の質量)×100
<6> アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基がカルボキシ基である、<1>~<5>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<7> 改質セルロース繊維におけるアニオン性基と修飾基との結合様式がイオン結合及び/又は共有結合である、<1>~<6>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<8> アニオン変性セルロース繊維が、TEMPO酸化由来のものである、<1>~<7>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<9> アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基の量が0.2mmol/g以上である、<1>~<8>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<10> 水分量が15質量%以下である、<1>~<9>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<11> 水分量が10質量%以下である、<1>~<10>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<12> 水分量が5質量%以下である、<1>~<11>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<13> 水分を実質的に含まない、<1>~<12>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<14> 乾燥体である、<1>~<13>いずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
<15> <1>~<14>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末が媒体に分散してなる分散体。
<16> 媒体が、水、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、エタノール、イソプロパノール(IPA)、メチルエチルケトン(MEK)、酢酸エチル、トルエン、アセトン及びシクロヘキサノンから選ばれる1種以上である<15>記載の分散体。
<17> 分散体中の媒体の量が、配合量に換算して、好ましくは10質量%以上99.9質量%以下、より好ましくは20質量%以上99質量%以下、更に好ましくは30質量%以上95質量%以下、更に好ましくは35質量%以上90質量%以下である、<15>又は<16>記載の分散体。
<18> <1>~<14>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末と樹脂とを配合してなる樹脂組成物。
<19> 樹脂組成物中の樹脂の量が、配合量に換算して、好ましくは10質量%以上99.9質量%以下、より好ましくは20質量%以上99質量%以下、更に好ましくは30質量%以上90質量%以下、更に好ましくは40質量%以上80質量%以下である、<18>に記載の樹脂組成物。
<20> 樹脂が熱可塑性樹脂、硬化性樹脂、セルロース系樹脂、及びゴム系樹脂から選ばれる1種以上である<18>又は<19>記載の樹脂組成物。
<21> 硬化性樹脂が光硬化性樹脂及び熱硬化性樹脂から選ばれる1種以上である<20>記載の樹脂組成物。
<22> 光硬化性樹脂が単量体(単官能単量体、多官能単量体)、反応性不飽和基を有するオリゴマー、及び反応性不飽和基を有する樹脂から選ばれる1種以上から選ばれる<21>記載の樹脂組成物。
<23> 熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、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、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂、及びポリイミド樹脂から選ばれる1種以上である<21>記載の樹脂組成物。
<24> <1>~<14>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末、媒体及び樹脂を含有する組成物。
<25> 媒体が、水、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、エタノール、イソプロパノール(IPA)、メチルエチルケトン(MEK)、酢酸エチル、トルエン、シクロヘキサノン、アセトンから選ばれる1種以上である<24>記載の組成物。
<26> 組成物中の媒体の量が、配合量に換算して、好ましくは10質量%以上99.9質量%以下、より好ましくは20質量%以上99質量%以下、更に好ましくは30質量%以上95質量%以下、更に好ましくは35質量%以上90質量%以下である、<24>又は<25>記載の組成物。
<27> 樹脂がエポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、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、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂、ポリイミド樹脂から選ばれる1種以上である<24>~<26>のいずれか1項に記載の組成物。
<28> 組成物中の樹脂の量が、配合量に換算して、好ましくは10質量%以上99.9質量%以下、より好ましくは20質量%以上99質量%以下、更に好ましくは30質量%以上90質量%以下、更に好ましくは40質量%以上80質量%以下である、<24>~<27>のいずれか1項に記載の組成物。
<29> <18>~<23>のいずれか1項に記載の樹脂組成物、又は<24>~<28>のいずれか1項に記載の組成物を成形してなる樹脂成形体。
<30> <1>~<14>のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末の、樹脂成形体の製造における添加剤としての使用。
<31> <15>~<17>のいずれか1項に記載の分散体の、樹脂成形体の製造における添加剤としての使用。
測定対象のセルロース繊維にイオン交換水を加えて、その含有量が0.01質量%の分散液を調製する。該分散液を湿式分散タイプ画像解析粒度分布計(ジャスコインターナショナル社製、商品名:IF-3200)を用いて、フロントレンズ:2倍、テレセントリックズームレンズ:1倍、画像分解能:0.835μm/ピクセル、シリンジ内径:6515μm、スペーサー厚み:1000μm、画像認識モード:ゴースト、閾値:8、分析サンプル量:1mL、サンプリング:15%の条件で測定する。セルロース繊維を10000本以上測定し、それらの平均ISO繊維径を平均繊維径をとして、平均ISO繊維長を平均繊維長として算出する。
測定対象のセルロース繊維に媒体を加えて、その濃度が0.0001質量%の分散液を調製し、該分散液をマイカ(雲母)上に滴下して乾燥したものを観察試料として、原子間力顕微鏡((AFM)、Digital instrument社製、Nanoscope III Tapping mode AFM、プローブはナノセンサーズ社製、Point Probe (NCH)を使用)を用いて、該観察試料中のセルロース繊維の繊維高さを測定する。その際、該セルロース繊維が確認できる顕微鏡画像において、セルロース繊維を100本以上抽出し、平均繊維径と平均繊維長を算出する。
乾燥質量0.5gの測定対象のセルロース繊維を100mLビーカーにとり、イオン交換水又はメタノール/水=2/1の混合溶媒を加えて全体で55mLとし、そこに0.01M塩化ナトリウム水溶液5mLを加えて分散液を調製する。セルロース繊維が十分に分散するまで該分散液を攪拌する。この分散液に0.1M塩酸を加えてpHを2.5~3に調整し、自動滴定装置(東亜ディーケーケー社製、商品名:AUT-710)を用い、0.05M水酸化ナトリウム水溶液を待ち時間60秒の条件で該分散液に滴下し、1分ごとの電導度及びpHの値を測定する。pH11程度になるまで測定を続け、電導度曲線を得る。この電導度曲線から、水酸化ナトリウム滴定量を求め、次式により、測定対象のセルロース繊維のアニオン性基含有量を算出する。
アニオン性基含有量(mmol/g)=水酸化ナトリウム滴定量×水酸化ナトリウム水溶液濃度(0.05M)/測定対象のセルロース繊維の質量(0.5g)
ハロゲン水分計(島津製作所社製、商品名:MOC-120H)を用いて測定を行う。サンプル1gに対して150℃恒温で30秒ごとの測定を行い、質量減少が0.1%以下となった値を固形分含有量とする。
セルロース繊維の結晶構造は、X線回折計(リガク社製、「RigakuRINT 2500VC X-RAY diffractometer」)を用いて以下の条件で測定することにより確認する。
セルロースI型結晶化度(%)=[(I22.6-I18.5)/I22.6]×100 (A)
〔式中、I22.6は、X線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、I18.5は、アモルファス部(回折角2θ=18.5°)の回折強度を示す〕
疎水変性セルロース繊維(又は疎水変性セルロース繊維粉末)におけるセルロース繊維(換算量)は、以下の方法によって測定する。
セルロース繊維量(換算量)を下記式Aによって算出する。
<式A>
セルロース繊維量(換算量)(g)=疎水変性セルロース繊維の質量(g)/〔1+改質種の分子量(g/mol)×修飾基の結合量(mmol/g)×0.001〕
各改質種のモル比率(即ち、添加される改質種の合計モル量を1とした時のモル比率)を考慮して、セルロース繊維量(換算量)を算出する。
なお、セルロース繊維と修飾基との結合様式がイオン結合の場合、上述の式Aにおいて、「改質種の分子量」とは、「改質種そのものの分子量」を指す。一方、セルロース繊維と改質種との結合様式がアミド結合の場合、上述の式Aにおいて、「改質種の分子量」とは、「改質種そのものの分子量-18」である。
セルロース繊維中のセルロース成分の平均重合度は、次のようにして測定する。
(1)測定用溶液の調製
セルロース繊維を1g精秤し1M水酸化ナトリウム水溶液をpHが10になるまで加えた後、水素化ホウ素ナトリウムを0.1g添加し、室温で2時間撹拌する。その後、1M塩酸をpHが2になるまで加え、遠心分離を行い濾物を回収する。イオン交換水を10g加えて遠心分離を行い濾物を回収する操作を3回行い、凍結乾燥を行う。乾燥質量0.1gの測定対象のセルロース繊維を精秤して100mLビーカーにとり、0.5M銅エチレンジアミン溶液を50mL添加する。これをセルロース繊維が完全に溶解するまで1時間撹拌し、測定用溶液を調製する。
上記(1)で得られた測定用溶液をウベローデ粘度計に入れ、恒温槽(20±0.1)℃中で1時間静置した後、液の流下時間を測定する。種々のセルロース濃度(g/dL)の銅アンモニア溶液の流下時間(t(秒))とセルロース無添加の銅アンモニア水溶液の流下時間(t0(秒))から、下記式により相対粘度ηrを求める。
ηr=t/t0
ηsp/c=(ηr-1)/c (c:セルロース濃度(g/dL))
更に、還元粘度をc=0に外挿して固有粘度[η](dL/g)を求め、下記式により平均重合度を求める。
DP=2000×[η]
改質セルロース繊維粉末の残分は、次のようにして測定する。
サンプル約1gを精秤し、JIS K 5601-1-2:2008の記載に従って、オーブンで常圧化、105℃、60分間乾燥を行った後の改質セルロース繊維粉末の質量を測定する。得られた測定値を用いて、次式を用いて改質セルロース繊維粉末の残分を算出する。
残分(質量%)=(105℃、60分間加熱した時の改質セルロース繊維粉末の質量/加熱前の改質セルロース繊維粉末の質量)×100
調製例1
針葉樹の漂白クラフトパルプ(ウエストフレザー社製、商品名:ヒントン、平均繊維径24μm)を天然セルロース繊維として用いた。TEMPOとしては、市販品(ALDRICH社製、Free radical、98質量%)を用いた。次亜塩素酸ナトリウムとしては、市販品(和光純薬工業社製)を用いた。臭化ナトリウムとしては、市販品(和光純薬工業社製)を用いた。
使用する次亜塩素酸ナトリウムの量を28.4g、反応時間を30分としたこと以外は調製例1と同様の方法で固形分41.6%のアニオン変性セルロース繊維を得た。
調製例3
マグネティックスターラー、攪拌子を備えたバイアル瓶に、調製例1で得られたアニオン変性セルロース繊維を絶乾質量で0.72g仕込み、処理液の質量が36gとなるまで、イオン交換水を添加した。処理液を95℃で8時間反応させることで、短繊維化されたアニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。
調製例2で得られたアニオン変性セルロース繊維を使用したこと以外は調製例3と同様の方法で、短繊維化されたアニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。
処理液の反応時間を72時間としたこと以外は調製例3と同様の方法で、短繊維化されたアニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。
処理液の反応温度を80℃としたこと以外は調製例3と同様の方法で、短繊維化されたアニオン変性セルロース繊維の水懸濁液を得た。
調製例7
調製例1で得られたアニオン変性セルロース繊維5gとイオン交換水195gを混合し、高圧ホモジナイザーを用いて150MPaで微細化処理を3回行い、微細化されたアニオン変性セルロース繊維分散液(固形分含有量1.0%)を得た。
実施例1~9
調製例3で得られたアニオン変性セルロース繊維の水懸濁液と、イオン交換水を、アニオン変性セルロース繊維の固形分含有量が1.0質量%となるように混合した。次いで、アニオン変性セルロース繊維に含まれるカルボキシ基1molに対して、表1に示すアミン基量に相当する量の(表1に示す種類の)アミン又は1M NaOH水溶液を溶液のpHが9.0になるまで添加し、マグネティックスターラーで30分間撹拌して、改質セルロース繊維を得た。得られた改質セルロース繊維を凍結乾燥(EYELA社製、FDU-1110、乾燥温度:-80℃、乾燥時間:24時間、減圧度:10Pa)し、改質セルロース繊維粉末を得た。なお、代表例として実施例1の改質セルロース繊維粉末の加熱残分は96.4質量%、平均繊維径は33μm、平均重合度は95であった。
凍結乾燥の代わりに真空乾燥(50℃、133Pa)を行ったこと以外は実施例3と同様の方法で、改質セルロース繊維粉末を得た。
調製例3で得られたアニオン変性セルロース繊維の代わりに、調製例4で得られたアニオン変性セルロース繊維(実施例11)、調製例5で得られたアニオン変性セルロース繊維(実施例12)、調製例6で得られたアニオン変性セルロース繊維(実施例13)、調製例7で得られた微細化されたアニオン変性セルロース繊維(比較例1)、又は調製例1で得られたアニオン変性セルロース繊維(比較例2)を用いたこと以外は実施例3と同様の方法で、改質セルロース繊維粉末を得た。
アミンを添加しなかったこと以外は実施例3と同様の方法で、未改質セルロース繊維粉末を得た。
上記の各実施例及び各比較例で作製した改質(又は未改質)セルロース繊維粉末と表1に記載の分散媒を、改質(又は未改質)セルロース繊維粉末の固形分含有量が1.0%となるように添加し、マグネティックスターラーで100rpm以上、60分、25℃で撹拌し、分散液を調製した。紫外可視分光光度計(島津製作所社製、UV-VISIBLE SPECTROMETER UV-2550)を用いて、得られた改質(又は未改質)セルロース繊維分散液の660nmでの透過率を測定し、これを透明度の指標とした。なお、媒体となる溶媒の660nmでの透過率を100%とした。数値が高いほど分散性に優れることを示す。
EOPOアミン:ハンツマン社製、商品名:Jeffamine M-2070
TBAH(テトラブチルアンモニウムヒドロキシド)
EW(イオン交換水)
EtOH(エタノール)
DMF(ジメチルホルムアミド)
MEK(メチルエチルケトン)
「アミン当量」とは、アニオン変性セルロース繊維中のカルボキシ基1モルに対する、アミン中のアミン基のモル数である。
実施例14、比較例4
実施例2で作製した改質セルロース繊維粉末を用いて、下記の方法でエポキシ樹脂組成物(実施例14)を製造した。
一方、EOPOアミンの使用量を0.5当量にしたこと以外は比較例2と同様の方法で改質セルロース繊維粉末を得た。この改質セルロース繊維粉末を用いて下記のエポキシ樹脂組成物(比較例4)を製造した。
実施例2で作製した改質セルロース繊維粉末、又は前記のようにして作製した改質セルロース繊維粉末に、エポキシ樹脂プレポリマー(三菱ケミカル社製、商品名:jER828)、及び溶媒(DMF)を表2に示す配合量となるよう添加してマグネティックスターラー付きブロックヒーター内で100rpm以上で180分、80℃で撹拌し、混合液を調製した。得られた混合液に硬化剤(2-エチル-4-メチルイミダゾール、和光純薬工業社製)を表2に示す配合量となるように添加して撹拌器(シンキー社製、商品名:あわとり練太郎)を用いて7分間撹拌してエポキシ樹脂組成物(実施例14又は比較例4)を製造した。
次いで、バーコーターを用いて塗布厚0.5mmで銅箔上に塗工した。その後、80℃で1時間乾燥し、溶媒を除去した後、150℃で1時間熱硬化させて、エポキシ樹脂組成物の樹脂成形体を得た。
実施例15、比較例5
実施例2で作製した改質セルロース繊維粉末を用いて、下記の方法でポリ塩化ビニル樹脂組成物(実施例15)を製造した。
一方、EOPOアミンの使用量を0.5当量にしたこと以外は比較例2と同様の方法でで改質セルロース繊維粉末を得た。
実施例2で作製した改質セルロース繊維粉末、又は前記のようにして作製した改質セルロース繊維粉末を用いて、表3に示す配合組成において、50ミリリットルの密閉型ミキサーで温度170℃、回転数60rpm、6分間混練し、ポリ塩化ビニル樹脂混合物(実施例15又は比較例5)を得た。得られたポリ塩化ビニル樹脂組成物を15×15×0.2cmの金型中で175℃で5分間シート成型を行い、ポリ塩化ビニル樹脂組成物の樹脂成形体であるシートを得た。
ポリ塩化ビニル樹脂:新第一塩ビ社製、商品名:ZEST1400Z
塩ビ用安定化剤:ADEKA社製、商品名:アデカスタブRUP-103
可塑剤:フタル酸ジ-2-エチルヘキシル;花王社製、商品名:ビニサイザー80
滑剤:ステアリン酸;花王社製、商品名:ルナックS70V
実施例14~15及び比較例4~5で作製したエポキシ樹脂組成物及びポリ塩化ビニル樹脂組成物中の粗大繊維の有無を光学顕微鏡で観察し、以下の評価基準に基づいて評価した。ここでいう「粗大繊維」とは、倍率200倍の光学顕微鏡で組成物を観察した際、100μm以上の繊維として観察されたものである。
1:粗大繊維がみられない
2:粗大繊維が一部確認される
3:粗大繊維が全体的に確認される
Claims (11)
- アニオン変性セルロース繊維のアニオン性基に修飾基が導入されてなり、平均繊維長が1μm以上500μm以下であり、平均繊維径が0.1μm以上200μm以下である改質セルロース繊維粉末。
- 次式から求められる改質セルロース繊維粉末の残分が50質量%以上である、請求項1に記載の改質セルロース繊維粉末。
残分(質量%)=(105℃、60分間加熱した時の改質セルロース繊維粉末の質量/加熱前の改質セルロース繊維粉末の質量)×100 - アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基の量が0.2mmol/g以上である、請求項1又は2に記載の改質セルロース繊維粉末。
- アニオン変性セルロース繊維におけるアニオン性基がカルボキシ基である、請求項1~3のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
- 改質セルロース繊維におけるアニオン性基と修飾基との結合様式がイオン結合及び/又は共有結合である、請求項1~4のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
- アニオン変性セルロース繊維が、TEMPO酸化由来のものである、請求項1~5のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
- 平均繊維長が10μm以上300μm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
- 平均繊維径が1μm以上100μm以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末が媒体に分散してなる分散体。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の改質セルロース繊維粉末と樹脂とを配合してなる樹脂組成物。
- 請求項10に記載の樹脂組成物を成形してなる樹脂成形体。
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