JP6143187B2 - Cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch - Google Patents
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Description
本発明は、セルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチに関する。 The present invention relates to a rubber masterbatch containing cellulose nanofibers.
従来、アラミド、セルロース等の短繊維や、シンジオタクチックポリブタジエン等の結晶性ポリマーでゴムを補強して硬度およびモジュラスを改善する技術が知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, a technique for improving hardness and modulus by reinforcing rubber with short fibers such as aramid and cellulose and crystalline polymers such as syndiotactic polybutadiene is known (see Patent Document 1).
特許文献1には、耐摩耗性に優れるゴム組成物を提供することを目的として、ジエン系ゴム成分、澱粉およびセルロースからなるゴム組成物が提案され、セルロースとして特にバクテリアセルロースを用いることも提案されている。しかし特許文献1の技術は、ゴムとセルロースとの相容性が悪いことによって破断特性が悪いという問題を有する。 Patent Document 1 proposes a rubber composition comprising a diene rubber component, starch and cellulose for the purpose of providing a rubber composition having excellent abrasion resistance, and also proposes using bacterial cellulose as the cellulose. ing. However, the technique of Patent Document 1 has a problem that the breaking property is poor due to poor compatibility between rubber and cellulose.
特許文献2には、天然植物繊維から調製された微粉末セルロース繊維をジエン系ゴムに配合したゴム組成物が開示されている。しかし特許文献2の技術は、その製法上、セルロース繊維の繊維長が短いため、セルロース繊維配合量に見合った剛性、補強性を得る面において改善の余地がある。 Patent Document 2 discloses a rubber composition in which finely powdered cellulose fibers prepared from natural plant fibers are blended with a diene rubber. However, the technique of Patent Document 2 has room for improvement in terms of obtaining rigidity and reinforcing properties commensurate with the blended amount of cellulose fiber because the fiber length of the cellulose fiber is short due to its production method.
よって、環境への配慮がなされ、破断特性に優れた加硫ゴム組成物を得ることは未だ困難である。 Therefore, it is still difficult to obtain a vulcanized rubber composition that is environmentally friendly and excellent in breaking properties.
本発明の目的は、環境への配慮がなされているとともに、優れた破断特性を持つ加硫ゴム組成物の原料となるセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチを提供することである。 An object of the present invention is to provide a cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch that is a raw material for a vulcanized rubber composition that is environmentally friendly and has excellent fracture characteristics.
本発明者らは加硫ゴム組成物においてゴム中でのセルロースナノファイバーの分散性が著しく強度特性に影響を与えることを見出した。またセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチの製造時の条件により、セルロースナノファイバーの加硫ゴム中での分散性が大きく左右されることを見出した。そして、これらの知見に基づき、以下のセルロースナノファイバー分散液から製造されるセルロース含有ゴム分散マスターバッチを原料とした加硫ゴム組成物が優れた破断特性を持つことを見出した。 The present inventors have found that the dispersibility of cellulose nanofibers in rubber significantly affects the strength characteristics in the vulcanized rubber composition. Moreover, it discovered that the dispersibility in a vulcanized rubber of a cellulose nanofiber was greatly influenced by the conditions at the time of manufacture of a cellulose nanofiber containing rubber masterbatch. And based on these knowledge, it discovered that the vulcanized rubber composition which used the cellulose containing rubber dispersion masterbatch manufactured from the following cellulose nanofiber dispersions as a raw material had the outstanding fracture | rupture characteristic.
本発明は、以下の態様を有する。
[1]平均繊維幅が100nm未満のセルロースナノファイバーとゴムラテックスと、前記セルロースナノファイバーとゴムラテックスを凝集させる成分とを含有する固形分濃度が3質量%以下である水分散液から、水分を除去して得られるセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチ。
[2]前記水分散液がカチオン性高分子を含有する、[1]に記載のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチ。
[3]前記水分散液がカチオン性界面活性剤を含有する、[1]または[2]に記載のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチ。
The present invention has the following aspects.
[1] From an aqueous dispersion containing a cellulose nanofiber having an average fiber width of less than 100 nm, a rubber latex, and a component for aggregating the cellulose nanofiber and the rubber latex and having a solid content concentration of 3% by mass or less , moisture is removed. Cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch obtained by removal.
[2] The cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch according to [1], wherein the aqueous dispersion contains a cationic polymer.
[3] The cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch according to [1] or [2], wherein the aqueous dispersion contains a cationic surfactant.
本発明のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチを原料とすることで優れた破断特性を持つ加硫ゴム組成物を得ることができる。 By using the cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch of the present invention as a raw material, a vulcanized rubber composition having excellent breaking properties can be obtained.
「セルロースナノファイバー」
セルロースナノファイバーは、通常製紙用途で用いるパルプ繊維よりもはるかに細く且つ短いI型結晶構造のセルロース繊維あるいは棒状粒子である。
セルロースナノファイバーがI型結晶構造を有していることは、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、2θ=14〜17°付近と2θ=22〜23°付近の2箇所の位置に典型的なピークを有することで同定することができる。
セルロースナノファイバーの、X線回折法によって求められる結晶化度は、好ましくは60%以上、より好ましくは65%以上、さらに好ましくは70%以上である。結晶化度が前記下限値以上であれば、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ることができる(Segalら、Textile Research Journal、29巻、786ページ、1959年)。
"Cellulose nanofiber"
Cellulose nanofibers are cellulose fibers or rod-like particles having a type I crystal structure that is much thinner and shorter than pulp fibers normally used in papermaking applications.
The fact that the cellulose nanofiber has the I-type crystal structure is that 2θ = 14 to 17 ° in a diffraction profile obtained from a wide-angle X-ray diffraction photograph using CuKα (λ = 1.54184) monochromatized with graphite. It can be identified by having typical peaks in the vicinity and two positions near 2θ = 22 to 23 °.
The crystallinity of the cellulose nanofibers determined by the X-ray diffraction method is preferably 60% or more, more preferably 65% or more, and further preferably 70% or more. If the degree of crystallinity is not less than the lower limit, further excellent performance can be expected in terms of heat resistance and low linear thermal expansion. The degree of crystallinity can be obtained by measuring an X-ray diffraction profile and using a conventional method (Segal et al., Textile Research Journal, 29, 786, 1959).
<繊維幅>
セルロースナノファイバーは、電子顕微鏡で観察して求めた平均繊維幅が100nm未満のセルロースである。セルロースナノファイバーの平均繊維幅は2nm以上100nm未満が好ましく、2〜50nmがより好ましく、2〜30nmがさらに好ましく、2〜15nmが特に好ましい。セルロースナノファイバーの平均繊維幅が前記上限値を超えると、セルロースナノファイバーとしての特性(高強度や高剛性、高寸法安定性、樹脂と複合化した際の高分散性、透明性)を得ることが困難になる。セルロースナノファイバーの平均繊維幅が前記下限値未満であると、セルロース分子として分散媒に溶解してしまうため、セルロースナノファイバーとしての特性(高強度や高剛性、高寸法安定性)を得ることが困難になる。
<Fiber width>
Cellulose nanofibers are cellulose having an average fiber width of less than 100 nm determined by observation with an electron microscope. The average fiber width of the cellulose nanofiber is preferably 2 nm or more and less than 100 nm, more preferably 2 to 50 nm, further preferably 2 to 30 nm, and particularly preferably 2 to 15 nm. When the average fiber width of the cellulose nanofiber exceeds the above upper limit, the characteristics as the cellulose nanofiber (high strength, high rigidity, high dimensional stability, high dispersibility when combined with resin, transparency) are obtained. Becomes difficult. When the average fiber width of the cellulose nanofibers is less than the lower limit value, the cellulose nanofibers are dissolved in the dispersion medium as cellulose molecules, so that characteristics (high strength, high rigidity, high dimensional stability) as cellulose nanofibers can be obtained. It becomes difficult.
セルロースナノファイバーの電子顕微鏡観察による平均繊維幅の測定は以下のようにして行う。セルロースナノファイバー含有スラリーを調製し、該スラリー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透過型電子顕微鏡(TEM)観察用試料とする。幅広の繊維を含む場合には、ガラス上にキャストした表面の操作型電子顕微鏡(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、20000倍、50000倍あるいは100000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X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。
上記のような電子顕微鏡観察画像に対して、直線Xに交錯する繊維、直線Yに交錯する繊維の各々について少なくとも20本(すなわち、合計が少なくとも40本)の幅(繊維の短径)を読み取る。こうして上記のような電子顕微鏡画像を少なくとも3組以上観察し、少なくとも40本×3組(すなわち、少なくとも120本)の繊維幅を読み取る。このように読み取った繊維幅を平均して平均繊維幅を求める。この平均繊維幅は数平均繊維径と等しい。
The measurement of the average fiber width of the cellulose nanofibers by observation with an electron microscope is performed as follows. A cellulose nanofiber-containing slurry is prepared, and the slurry is cast on a carbon film-coated grid subjected to a hydrophilization treatment to obtain a transmission electron microscope (TEM) observation sample. When wide fibers are included, an operation electron microscope (SEM) image of the surface cast on glass may be observed. Observation by an electron microscope image is performed at any magnification of 1000 times, 5000 times, 10000 times, 20000 times, 50000 times or 100,000 times depending on the width of the constituent fibers. However, the sample, observation conditions, and magnification are adjusted to satisfy the following conditions.
(1) One straight line X is drawn at an arbitrary location in the observation image, and 20 or more fibers intersect the straight line X.
(2) A straight line Y perpendicularly intersecting the straight line X is drawn in the same image, and 20 or more fibers intersect the straight line Y.
For the electron microscope observation image as described above, the width (minor axis of the fiber) of at least 20 fibers (that is, at least 40 in total) is read for each of the fibers intersecting with the straight line X and the fibers intersecting with the straight line Y. . In this way, at least three or more sets of electron microscope images as described above are observed, and the fiber width of at least 40 × 3 sets (that is, at least 120 sets) is read. The fiber widths thus read are averaged to obtain the average fiber width. This average fiber width is equal to the number average fiber diameter.
セルロースナノファイバーの最大繊維幅は50nm以下が好ましく、30nm以下がより好ましい。セルロースナノファイバーの最大繊維幅が前記上限値以下であれば、ゴムと混ぜ合わせて得た複合材料の強度が高くなる。 The maximum fiber width of the cellulose nanofiber is preferably 50 nm or less, and more preferably 30 nm or less. When the maximum fiber width of the cellulose nanofiber is not more than the above upper limit, the strength of the composite material obtained by mixing with rubber is increased.
<繊維長>
セルロースナノファイバーの平均繊維長は、0.1〜5.0μmが好ましい。平均繊維長が前記下限値以上であれば、セルロースナノファイバーを樹脂に配合した際の強度向上効果が充分に得られる。平均繊維長が前記上限値以下であれば、セルロースナノファイバーを樹脂に配合した際の混合性がより良好となる。繊維長は、前記平均繊維幅を測定する際に使用した電子顕微鏡観察画像を解析することにより求めることができる。すなわち、上記のような電子顕微鏡観察画像に対して、直線Xに交錯する繊維、直線Yに交錯する繊維の各々について少なくとも20本(すなわち、合計が少なくとも40本)の繊維長を読み取る。こうして上記のような電子顕微鏡画像を少なくとも3組以上観察し、少なくとも40本×3組(すなわち、少なくとも120本)の繊維長を読み取る。このように読み取った繊維長を平均して平均繊維長を求める。
セルロースナノファイバーを、透明基板等の強度が求められる用途に適用する場合には、繊維長は長め(具体的には500nm〜4μm)であることが好ましく、樹脂に配合する場合には、繊維長は短め(具体的には200nm〜2μm)であることが好ましい。
<Fiber length>
As for the average fiber length of a cellulose nanofiber, 0.1-5.0 micrometers is preferable. If average fiber length is more than the said lower limit, the strength improvement effect at the time of mix | blending a cellulose nanofiber with resin is fully acquired. If average fiber length is below the said upper limit, the mixability at the time of mix | blending a cellulose nanofiber with resin will become more favorable. The fiber length can be determined by analyzing the electron microscope observation image used when measuring the average fiber width. That is, at least 20 fibers (that is, a total of at least 40 fibers) are read for each of the fibers intersecting with the straight line X and the fibers intersecting with the straight line Y with respect to the electron microscope observation image as described above. In this way, at least three or more sets of electron microscope images as described above are observed, and the fiber length of at least 40 × 3 sets (that is, at least 120 sets) is read. The average fiber length is obtained by averaging the fiber lengths thus read.
When cellulose nanofibers are applied to uses such as a transparent substrate that require strength, the fiber length is preferably long (specifically, 500 nm to 4 μm). Is preferably shorter (specifically, 200 nm to 2 μm).
<アニオン基>
セルロースナノファイバーは、アニオン基を有して表面電荷が負となっていてもよい。
セルロースナノファイバーがアニオン基を有する場合、その含有量は、0.1〜2.0mmol/gであることが好ましく、0.1〜1.5mmol/gであることがより好ましく、0.2〜1.2mmol/gであることがさらに好ましい。アニオン基の含有量が前記範囲であれば、セルロースナノファイバーの水和性が高くなり過ぎず、スラリー化した際の粘度が低くなる。アニオン基の含有量が前記上限値を超えると、水和性が高くなりすぎてセルロースナノファイバーが溶解するおそれがある。
なお、セルロースは、カルボキシ基を導入する処理を施さなくても、少量(具体的には0.1mmol/g未満)のカルボキシ基を有している。
<Anionic group>
The cellulose nanofiber may have an anion group and a negative surface charge.
When the cellulose nanofiber has an anionic group, the content is preferably 0.1 to 2.0 mmol / g, more preferably 0.1 to 1.5 mmol / g, 0.2 to More preferably, it is 1.2 mmol / g. When the content of the anionic group is within the above range, the hydration property of the cellulose nanofiber is not excessively increased, and the viscosity when slurried is decreased. If the content of the anionic group exceeds the above upper limit, the hydration property becomes too high and the cellulose nanofibers may be dissolved.
Note that cellulose has a small amount (specifically, less than 0.1 mmol / g) of carboxy groups even without a treatment for introducing carboxy groups.
前記アニオン基としては、カルボキシ基、リン酸基、スルホン酸基等が挙げられる。
アニオン基の含有量は、米国TAPPIの「Test Method T237 cm−08(2008):Carboxyl Content of pulp」の方法を用いて求める。アニオン基の含有量をより広範囲まで測定可能にするために、前記試験方法に用いる試験液のうち、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)/塩化ナトリウム(NaCl)=0.84g/5.85gを蒸留水で1000mlに溶解希釈した試験液について、前記試験液の濃度が実質的に4倍となるように、水酸化ナトリウム1.60gに変更した以外は、TAPPI T237 cm−08(2008)に準じる。また、アニオン基を導入した場合には、アニオン基導入前後のセルロース繊維における測定値の差を実質的なアニオン基含有量とする。なお、測定試料とする絶乾セルロース繊維は、加熱乾燥の際の加熱によって起こる可能性があるセルロースの変質を避けるため、凍結乾燥により得たものを使用する。
当該アニオン基含有量測定方法は、1価のアニオン基(カルボキシ基)についての測定方法であることから、定量対象のアニオン基が多価の場合には、前記1価のアニオン基含有量として得られた値を、酸価数で除した数値をアニオン基含有量とする。
Examples of the anionic group include a carboxy group, a phosphoric acid group, and a sulfonic acid group.
The content of the anionic group is determined using a method of “Test Method T237 cm-08 (2008): Carboxyl Content of pull” of TAPPI, USA. In order to make it possible to measure the content of anionic groups over a wider range, among the test solutions used in the test method, sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3) / sodium chloride (NaCl) = 0.84 g / 5.85 g was added with distilled water. The test solution dissolved and diluted in 1000 ml is based on TAPPI T237 cm-08 (2008) except that the concentration of the test solution is changed to 1.60 g of sodium hydroxide so that the concentration of the test solution is substantially 4 times. Moreover, when an anion group is introduced, the difference in the measured value in the cellulose fiber before and after the introduction of the anion group is regarded as a substantial anion group content. In addition, the absolutely dry cellulose fiber used as a measurement sample is one obtained by freeze-drying in order to avoid alteration of cellulose that may occur due to heating during heat drying.
Since the anion group content measurement method is a measurement method for a monovalent anion group (carboxy group), when the anion group to be quantified is multivalent, it is obtained as the monovalent anion group content. A value obtained by dividing the obtained value by the acid number is defined as an anion group content.
「セルロースナノファイバーの製造方法」
<セルロース繊維原料>
本発明において、セルロースナノファイバーの原料となる、セルロースを含む繊維原料としては、製紙用パルプ、コットンリンターやコットンリントなどの綿系パルプ、麻、麦わら、バガスなどの非木材系パルプ、ホヤや海草などから単離されるセルロースなどが挙げられる。これらの中でも、入手のしやすさという点で、製紙用パルプが好ましい。製紙用パルプとしては、広葉樹クラフトパルプ(晒クラフトパルプ(LBKP)、未晒クラフトパルプ(LUKP)、酸素漂白クラフトパルプ(LOKP)など)、針葉樹クラフトパルプ(晒クラフトパルプ(NBKP)、未晒クラフトパルプ(NUKP)、酸素漂白クラフトパルプ(NOKP)など)、サルファイトパルプ(SP)、ソーダパルプ(AP)等の化学パルプ、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、楮、三椏、麻、ケナフ等を原料とする非木材パルプ、古紙を原料とする脱墨パルプが挙げられる。これらの中でも、より入手しやすいことから、クラフトパルプ、脱墨パルプ、サルファイトパルプが好ましい。
セルロース繊維原料は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。
"Production method of cellulose nanofiber"
<Cellulose fiber raw material>
In the present invention, the fiber raw material containing cellulose, which is a raw material of cellulose nanofiber, includes pulp for papermaking, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood pulp such as hemp, straw, bagasse, sea squirt and seaweed And cellulose isolated from the above. Among these, paper pulp is preferable in terms of availability. Paper pulp includes hardwood kraft pulp (bleached kraft pulp (LBKP), unbleached kraft pulp (LUKP), oxygen bleached kraft pulp (LOKP), etc.), softwood kraft pulp (bleached kraft pulp (NBKP), unbleached kraft pulp) (NUCKP, oxygen bleached kraft pulp (NOKP), etc.), sulfite pulp (SP), chemical pulp such as soda pulp (AP), semi-chemical pulp (SCP), semi-chemical pulp such as chemiground wood pulp (CGP) In addition, mechanical pulp such as groundwood pulp (GP) and thermomechanical pulp (TMP, BCTMP), non-wood pulp using raw material such as cocoon, sardine, hemp, kenaf and the like, and deinked pulp using raw paper as a raw material. Among these, kraft pulp, deinked pulp, and sulfite pulp are preferable because they are more easily available.
A cellulose fiber raw material may be used individually by 1 type, and may be used in mixture of 2 or more types.
<化学処理工程>
上記のセルロースを含む繊維原料は、そのままでセルロースナノファイバーの原料として用いてもよいが、微細化工程で微細化が促進されることから、極性基及び嵩高基の少なくとも一方からなる置換基を0.1〜2.0mmol/g含有させる化学処理を施すことが好ましい。
極性基としては、アニオン基(具体的には、カルボキシ基、リン酸基、硫酸エステル基、スルホン酸基、フェノール基、硝酸エステル基)が挙げられ、カルボキシ基、リン酸基が好ましい。
嵩高基としては、アルキル基、ベンジル基(ベンゼン環)及びベンゼン誘導体含有基、アシル基、シリル基、トリチル基、トシル基があげられる。
<Chemical treatment process>
The fiber raw material containing cellulose may be used as it is as a raw material for cellulose nanofibers. However, since the micronization is promoted in the micronization process, a substituent composed of at least one of a polar group and a bulky group is not added. It is preferable to perform chemical treatment to contain 1 to 2.0 mmol / g.
Examples of the polar group include an anion group (specifically, a carboxy group, a phosphate group, a sulfate ester group, a sulfonate group, a phenol group, and a nitrate ester group), and a carboxy group and a phosphate group are preferable.
Examples of the bulky group include an alkyl group, a benzyl group (benzene ring) and a benzene derivative-containing group, an acyl group, a silyl group, a trityl group, and a tosyl group.
[カルボキシ基の導入]
カルボキシ基をセルロース繊維原料に導入する方法としては、酸化剤を使用して、セルロースの水酸基の一部をカルボキシ基に酸化する方法が挙げられる。
酸化剤としては、オゾン、二酸化塩素、過酸化水素、過酢酸、過硫酸、過マンガン酸、塩素、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸またはこれらの塩等の水溶液、六価クロム酸硫酸混液、ジョーンズ試薬(無水クロム酸の硫酸酸性溶液)、クロロクロム酸ピリジリニウム(PCC試薬)などのクロム酸酸化試薬、Swern酸化などに使われる活性化ジメチルスルホキシド試薬、また触媒的な酸化が生じるテトラプロピルアンモニウムテルルテナート(TPAP)や、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(TEMPO)などのN−オキシル化合物等が挙げられる。これらのうち、セルロース繊維にカルボキシ基を導入する効率が高いため、オゾン、TEMPO、過酸化水素、二酸化塩素が好ましく、オゾン、TEMPOがより好ましい。
[Introduction of carboxy group]
As a method of introducing a carboxy group into a cellulose fiber raw material, a method of oxidizing a part of the hydroxyl group of cellulose to a carboxy group using an oxidizing agent can be mentioned.
Oxidizing agents include ozone, chlorine dioxide, hydrogen peroxide, peracetic acid, persulfuric acid, permanganic acid, chlorine, hypochlorous acid, chlorous acid, chloric acid, perchloric acid or an aqueous solution thereof such as six salts. Chromic acid sulfuric acid mixture, Jones reagent (acidic sulfuric acid solution of chromic anhydride), chromic acid oxidizing reagent such as pyridilinium chlorochromate (PCC reagent), activated dimethyl sulfoxide reagent used for Swern oxidation, etc., and catalytic oxidation And N-oxyl compounds such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) and the like. Of these, ozone, TEMPO, hydrogen peroxide, and chlorine dioxide are preferred, and ozone and TEMPO are more preferred because of the high efficiency of introducing carboxy groups into cellulose fibers.
[オゾンによる処理]
オゾンによる処理では、セルロースの一部の水酸基がカルボニル基やカルボキシ基に換わる。これにより、セルロース繊維間の結合力が弱まり、解繊性が向上する。
オゾンは、空気、酸素ガス、酸素添加空気等の酸素含有気体を、公知のオゾン発生装置に供給することにより発生させることができる。
[Treatment with ozone]
In the treatment with ozone, some hydroxyl groups of cellulose are replaced with carbonyl groups or carboxy groups. Thereby, the bond strength between cellulose fibers becomes weak and defibration improves.
Ozone can be generated by supplying an oxygen-containing gas such as air, oxygen gas, or oxygen-added air to a known ozone generator.
オゾンによる処理は、オゾンが存在する閉じた空間または雰囲気中にセルロース繊維原料を曝すことで行われる。オゾンが含まれる気体中のオゾン濃度は、250g/m2以上であると、爆発するおそれがあるため、250g/m2未満である必要がある。しかし、濃度が低いと、オゾン使用量が増えるため、オゾン濃度は50〜215g/m2であることが好ましい。オゾン濃度が前記下限値以上であれば、オゾンの取り扱いが容易であり、しかも微細化工程でのセルロースナノファイバーの収率の向上効果がより高くなる。
セルロース繊維原料に対するオゾン添加量は特に制約されるものではないが、セルロース繊維原料の固形分100質量部に対して5〜30質量部であることが好ましい。オゾン添加量が前記下限値以上であれば、微細化工程でのセルロースナノファイバーの収率向上効果がより高くなる。しかし、前記上限値を超えると、オゾン処理前後の歩留まりの低下、脱水性の悪化を引き起こす。また、微細化工程ではセルロースナノファイバーの収率向上効果が頭打ちとなる。
The treatment with ozone is performed by exposing the cellulose fiber raw material to a closed space or atmosphere in which ozone exists. If the ozone concentration in the gas containing ozone is 250 g / m 2 or more, there is a possibility of explosion, so it is necessary to be less than 250 g / m 2 . However, if the concentration is low, the amount of ozone used increases, so the ozone concentration is preferably 50 to 215 g / m 2 . If the ozone concentration is equal to or higher than the lower limit, it is easy to handle ozone, and the effect of improving the yield of cellulose nanofibers in the miniaturization step is further increased.
The amount of ozone added to the cellulose fiber raw material is not particularly limited, but is preferably 5 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the solid content of the cellulose fiber raw material. If the amount of ozone added is equal to or greater than the lower limit, the effect of improving the yield of cellulose nanofibers in the miniaturization step will be higher. However, exceeding the upper limit causes a decrease in yield before and after the ozone treatment and a deterioration in dewaterability. In addition, the effect of improving the yield of cellulose nanofiber reaches its peak in the miniaturization process.
オゾン処理温度としては特に制約されるものではなく、0〜50℃の範囲で適宜調整される。また、オゾン処理時間についても特に制約されるものではなく、1〜360分間の範囲で適宜調整される。
なお、セルロース繊維原料にオゾン処理を施した後、追酸化処理を施してもよい。追酸化処理に用いる酸化剤としては、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物の他、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸などが挙げられる。
The ozone treatment temperature is not particularly limited, and is appropriately adjusted within a range of 0 to 50 ° C. Further, the ozone treatment time is not particularly limited, and is appropriately adjusted within a range of 1 to 360 minutes.
In addition, you may perform a post-oxidation process after performing an ozone process to a cellulose fiber raw material. Examples of the oxidizing agent used for the additional oxidation treatment include oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, peracetic acid, and the like, in addition to chlorine compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite.
また、オゾン処理の後には、処理されたセルロース繊維原料に対して、アルカリ溶液で処理するアルカリ処理を施すことが好ましい。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、オゾン処理したセルロース繊維原料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、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。
Moreover, after ozone treatment, it is preferable to perform the alkali treatment which processes with the alkaline solution with respect to the processed cellulose fiber raw material. Although it does not specifically limit as a method of alkali treatment, For example, the method of immersing the cellulose fiber raw material which carried out ozone treatment in the alkaline solution is mentioned.
The alkali compound contained in the alkali solution may be an inorganic alkali compound or an organic alkali compound.
無機アルカリ化合物としては、アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩またはアルカリ土類金属の炭酸塩、アルカリ金属のリン酸塩またはアルカリ土類金属のリン酸塩が挙げられる。
アルカリ金属の水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが挙げられる。アルカリ土類金属の水酸化物としては、水酸化カルシウムが挙げられる。
アルカリ金属の炭酸塩としては炭酸リチウム、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が挙げられる。アルカリ土類金属の炭酸塩としては、炭酸カルシウムなどが挙げられる。
アルカリ金属のリン酸塩としては、リン酸リチウム、リン酸カリウム、リン酸3ナトリウム、リン酸水素2ナトリウムなどが挙げられる。アルカリ土類金属のリン酸塩としては、リン酸カルシウム、リン酸水素カルシウムなどが挙げられる。
Examples of inorganic alkali compounds include alkali metal hydroxides or alkaline earth metal hydroxides, alkali metal carbonates or alkaline earth metal carbonates, alkali metal phosphates or alkaline earth metal phosphoric acids. Salt.
Examples of the alkali metal hydroxide include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. Examples of the alkaline earth metal hydroxide include calcium hydroxide.
Examples of the alkali metal carbonate include lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, sodium carbonate, and sodium hydrogen carbonate. Examples of the alkaline earth metal carbonate include calcium carbonate.
Examples of the alkali metal phosphate include lithium phosphate, potassium phosphate, trisodium phosphate, and disodium hydrogen phosphate. Examples of alkaline earth metal phosphates include calcium phosphate and calcium hydrogen phosphate.
有機アルカリ化合物としては、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、複素環式化合物およびその水酸化物、炭酸塩、リン酸塩等が挙げられる。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アンモニウム等が挙げられる。
上記アルカリ化合物は1種単独でもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。
Examples of the organic alkali compounds include ammonia, aliphatic amines, aromatic amines, aliphatic ammoniums, aromatic ammoniums, heterocyclic compounds and their hydroxides, carbonates, and phosphates. For example, ammonia, hydrazine, methylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, propylamine, dipropylamine, butylamine, diaminoethane, diaminopropane, diaminobutane, diaminopentane, diaminohexane, cyclohexylamine, aniline, tetramethylammonium hydroxide, Tetraethylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide, pyridine, N, N-dimethyl-4-aminopyridine, ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, diammonium hydrogen phosphate, etc. Can be mentioned.
The said alkali compound may be single 1 type, and may combine 2 or more types.
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が、極性溶媒(水、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、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液が特に好ましい。
オゾン処理したセルロース繊維原料を浸漬させたアルカリ溶液の25℃におけるpHは9以上であることが好ましく、10以上であることがより好ましく、11〜14であることがさらに好ましい。アルカリ溶液のpHが前記下限値以上であれば、セルロースナノファイバーの収率がより高くなる。しかし、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だけでなく、セルロースナノファイバーの溶解が起こる。
The solvent in 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. Among alkaline solutions, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, and ammonia aqueous solution are particularly preferred because of their high versatility.
The pH at 25 ° C. of the alkaline solution in which the ozone-treated cellulose fiber raw material is immersed is preferably 9 or more, more preferably 10 or more, and even more preferably 11-14. If the pH of the alkaline solution is equal to or higher than the lower limit, the yield of cellulose nanofibers becomes higher. However, when the pH exceeds 14, not only the handling property of the alkaline solution is lowered, but also dissolution of the cellulose nanofiber occurs.
[TEMPOによる処理]
TEMPOによる処理では、セルロース繊維原料に対し、TEMPOおよびハロゲン化アルカリの存在下で酸化剤を反応させて、セルロースの水酸基の一部をカルボキシ基に換える。これにより、セルロース繊維間の結合力が弱まり、解繊性が向上する。
TEMPOとともに酸化触媒として使用するハロゲン化アルカリは特に制約されるものではなく、ヨウ化アルカリ、臭化アルカリ、塩化アルカリ、フッ化アルカリ等を適宜選択して使用することができる。
酸化剤についても特に制約されるものではなく、次亜塩素酸ナトリウム、亜塩素酸ナトリウム、次亜臭素酸ナトリウム、亜臭素酸ナトリウム等を適宜選択して使用することができる。
[Processing by TEMPO]
In the treatment with TEMPO, a cellulose fiber raw material is reacted with an oxidizing agent in the presence of TEMPO and an alkali halide to change a part of the hydroxyl groups of cellulose to carboxy groups. Thereby, the bond strength between cellulose fibers becomes weak and defibration improves.
The alkali halide used as an oxidation catalyst together with TEMPO is not particularly limited, and alkali iodide, alkali bromide, alkali chloride, alkali fluoride and the like can be appropriately selected and used.
The oxidizing agent is not particularly limited, and sodium hypochlorite, sodium chlorite, sodium hypobromite, sodium bromite and the like can be appropriately selected and used.
TEMPOおよびハロゲン化アルカリの使用量は特に制約されるものではないが、各々、セルロース繊維原料の固形分100質量部に対して0.1〜15質量部であることが好ましい。TEMPOおよびハロゲン化アルカリの添加量が各々前記下限値以上であれば、微細化工程でのセルロースナノファイバーの収率向上効果がより高くなる。しかし、前記上限値を超えると、微細化工程でのセルロースナノファイバーの収率向上効果が頭打ちとなるおそれがある。
酸化剤の使用量についても特に制約されるものではないが、セルロース繊維原料の固形分100質量部に対して、1〜80質量部が好ましい。
セルロース繊維原料を含む分散液をTEMPOにより処理する際の分散液のpHは、使用する酸化剤の種類に応じて適宜調整する。セルロース繊維原料分散液のpH調整は、水酸化カリウム、アンモニア等の塩基性物質、あるいは酢酸、シュウ酸等の酸性物質を適宜添加することで行う。
セルロース繊維原料をTEMPOにより処理する際の処理温度は、20〜100℃の範囲であることが好ましく、また処理時間は、0.5〜4時間であることが好ましい。
Although the usage-amount of TEMPO and an alkali halide is not restrict | limited in particular, It is preferable that it is 0.1-15 mass parts, respectively with respect to 100 mass parts of solid content of a cellulose fiber raw material. If the addition amount of TEMPO and an alkali halide is each more than the said lower limit, the yield improvement effect of the cellulose nanofiber in a refinement | miniaturization process will become higher. However, if the upper limit is exceeded, the yield enhancement effect of cellulose nanofibers in the miniaturization process may reach a peak.
The amount of the oxidizing agent used is not particularly limited, but is preferably 1 to 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the solid content of the cellulose fiber raw material.
The pH of the dispersion when the dispersion containing the cellulose fiber raw material is treated with TEMPO is appropriately adjusted according to the type of oxidizing agent to be used. The pH of the cellulose fiber raw material dispersion is adjusted by appropriately adding a basic substance such as potassium hydroxide or ammonia, or an acidic substance such as acetic acid or oxalic acid.
The treatment temperature for treating the cellulose fiber raw material with TEMPO is preferably in the range of 20 to 100 ° C., and the treatment time is preferably 0.5 to 4 hours.
[カルボン酸系化合物による処理]
また、カルボキシ基をセルロース繊維原料に導入する方法としては、分子内に2以上のカルボキシ基を有するカルボン酸系化合物を用いる方法も好ましい。
カルボン酸系化合物による処理では、セルロース分子が有するヒドロキシ基と、カルボン酸系化合物とが脱水反応して、極性基(−COO−)を形成する。これにより、セルロース繊維間の結合力が弱まり、解繊性が向上する。
[Treatment with carboxylic acid compound]
As a method for introducing a carboxy group into a cellulose fiber raw material, a method using a carboxylic acid compound having two or more carboxy groups in the molecule is also preferred.
In the treatment with the carboxylic acid compound, the hydroxy group of the cellulose molecule and the carboxylic acid compound undergo a dehydration reaction to form a polar group (—COO − ). Thereby, the bond strength between cellulose fibers becomes weak and defibration improves.
セルロース繊維原料をカルボン酸系化合物により処理する具体的方法としては、セルロース繊維原料にガス化したカルボン酸系化合物を混合する方法、セルロース繊維原料の分散液にカルボン酸系化合物を添加する方法等が挙げられる。これらのうち、工程が簡便で且つカルボキシ基導入の効率が高くなることから、セルロース繊維原料にガス化したカルボン酸系化合物を混合する方法が好ましい。カルボン酸系化合物をガス化する方法としては、カルボン酸系化合物を加熱する方法が挙げられる。 Specific methods for treating the cellulose fiber raw material with the carboxylic acid compound include a method of mixing the gasified carboxylic acid compound with the cellulose fiber raw material, a method of adding the carboxylic acid compound to the dispersion of the cellulose fiber raw material, and the like. Can be mentioned. Among these, since the process is simple and the efficiency of introducing a carboxy group is high, a method of mixing a gasified carboxylic acid compound with a cellulose fiber raw material is preferable. Examples of the method for gasifying the carboxylic acid compound include a method for heating the carboxylic acid compound.
本処理において使用するカルボン酸系化合物は、2つのカルボキシ基を有する化合物、2つのカルボキシ基を有する化合物の酸無水物、およびそれらの誘導体よりなる群から選ばれる少なくとも1種である。2つのカルボキシ基を有する化合物の中では、2つのカルボキシ基を有する化合物(ジカルボン酸化合物)が好ましい。
2つのカルボキシ基を有する化合物としては、プロパン二酸(マロン酸)、ブタン二酸(コハク酸)、ペンタン二酸(グルタル酸)、ヘキサン二酸(アジピン酸)、2−メチルプロパン二酸、2−メチルブタン二酸、2−メチルペンタン二酸、1,2−シクロヘキサンジカルボン酸、2−ブテン二酸(マレイン酸、フマル酸)、2−ペンテン二酸、2,4−ヘキサジエン二酸、2−メチル−2−ブテン二酸、2−メチル−2ペンテン二酸、2−メチリデンブタン二酸(イタコン酸)、ベンゼン−1,2−ジカルボン酸(フタル酸)、ベンゼン−1,3−ジカルボン酸(イソフタル酸)、ベンゼン−1,4−ジカルボン酸(テレフタル酸)、エタン二酸(シュウ酸)等のジカルボン酸化合物が挙げられる。
2つのカルボキシ基を有する化合物の酸無水物としては、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、無水ピロメリット酸、無水1,2−シクロヘキサンジカルボン酸等のジカルボン酸化合物や複数のカルボキシ基を含む化合物の酸無水物が挙げられる。
2つのカルボキシ基を有する化合物の酸無水物の誘導体としては、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。
これらのうち、工業的に適用しやすく、また、ガス化しやすいことから、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸が好ましい。
The carboxylic acid compound used in this treatment is at least one selected from the group consisting of a compound having two carboxy groups, an acid anhydride of a compound having two carboxy groups, and derivatives thereof. Of the compounds having two carboxy groups, compounds having two carboxy groups (dicarboxylic acid compounds) are preferred.
The compounds having two carboxy groups include propanedioic acid (malonic acid), butanedioic acid (succinic acid), pentanedioic acid (glutaric acid), hexanedioic acid (adipic acid), 2-methylpropanedioic acid, 2 -Methylbutanedioic acid, 2-methylpentanedioic acid, 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid, 2-butenedioic acid (maleic acid, fumaric acid), 2-pentenedioic acid, 2,4-hexadienedioic acid, 2-methyl 2-butenedioic acid, 2-methyl-2-pentenedioic acid, 2-methylidenebutanedioic acid (itaconic acid), benzene-1,2-dicarboxylic acid (phthalic acid), benzene-1,3-dicarboxylic acid (isophthalic acid) ), Benzene-1,4-dicarboxylic acid (terephthalic acid), ethanedioic acid (oxalic acid), and the like.
Acid anhydrides of compounds having two carboxy groups include maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, glutaric anhydride, adipic anhydride, itaconic anhydride, pyromellitic anhydride, 1,2-cyclohexanedicarboxylic anhydride Examples thereof include acid anhydrides of dicarboxylic acid compounds such as acids and compounds containing a plurality of carboxy groups.
The acid anhydride derivative of the compound having two carboxy groups includes at least a part of the acid anhydride of the compound having a carboxy group, such as dimethylmaleic anhydride, diethylmaleic anhydride, and diphenylmaleic anhydride. The hydrogen atom is substituted with a substituent (for example, an alkyl group, a phenyl group, etc.).
Of these, maleic anhydride, succinic anhydride, and phthalic anhydride are preferred because they are industrially applicable and easily gasified.
セルロース繊維原料に対するカルボン酸系化合物の質量割合は、セルロース繊維原料の固形分100質量部に対して、カルボン酸系化合物が0.1〜500質量部であることが好ましく、10〜200質量部であることがより好ましい。カルボン酸系化合物の割合が前記下限値以上であれば、セルロースナノファイバーの収率をより向上させることができる。しかし、前記上限値を超えても、収率向上の効果は頭打ちとなり、無駄にカルボン酸系化合物を使用するだけである。
処理温度は、セルロースの熱分解温度の点から、250℃以下であることが好ましい。さらに、処理の際に水が含まれている場合には、80〜200℃にすることが好ましく、100〜170℃にすることがより好ましい。
本処理においては、必要に応じて触媒を用いることもできる。触媒としてはピリジンやトリエチルアミン、水酸化ナトリウム、酢酸ナトリウム等の塩基性触媒や、酢酸、硫酸、過塩素酸等の酸性触媒を用いることが好ましい。
カルボン酸系化合物による処理の後には、オゾンによる処理と同様に、処理したセルロース繊維原料に、アルカリ溶液で処理するアルカリ処理を施すことが好ましい。
The mass ratio of the carboxylic acid compound to the cellulose fiber raw material is preferably 0.1 to 500 parts by mass, preferably 10 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the solid content of the cellulose fiber raw material. More preferably. If the ratio of a carboxylic acid type compound is more than the said lower limit, the yield of a cellulose nanofiber can be improved more. However, even if the upper limit is exceeded, the effect of improving the yield reaches its peak, and the carboxylic acid compound is merely used in vain.
The treatment temperature is preferably 250 ° C. or less from the viewpoint of the thermal decomposition temperature of cellulose. Furthermore, when water is contained in the treatment, the temperature is preferably 80 to 200 ° C, more preferably 100 to 170 ° C.
In this treatment, a catalyst can be used as necessary. As the catalyst, it is preferable to use a basic catalyst such as pyridine, triethylamine, sodium hydroxide or sodium acetate, or an acidic catalyst such as acetic acid, sulfuric acid or perchloric acid.
After the treatment with the carboxylic acid compound, the treated cellulose fiber raw material is preferably subjected to an alkali treatment with an alkaline solution, similarly to the treatment with ozone.
[リン酸基の導入]
リン酸基をセルロースに導入する方法としては、乾燥した、あるいは湿潤状態のセルロース繊維原料にリン酸またはリン酸誘導体の粉末や水溶液を混合する方法、セルロース繊維原料の分散液にリン酸またはリン酸誘導体の水溶液を添加する方法等が挙げられる。これら方法においては、通常、リン酸またはリン酸誘導体の粉末や水溶液を混合または添加した後に、脱水処理、加熱処理等を行う。
ここで用いられるリン酸またはリン酸誘導体としては、リン原子を含有するオキソ酸、ポリオキソ酸或いはそれらの誘導体から選ばれる少なくとも1種の化合物が挙げられる。 具体的には、リン酸;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などのリン酸のナトリウム塩;ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウムなどのポリリン酸のナトリウム塩;リン酸二水素カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三カリウムなどのリン酸のカリウム塩;ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウムなどのポリリン酸のカリウム塩;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などのリン酸のアンモニウム塩;ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウムなどのポリリン酸のアンモニウム塩が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。上記のうちでも、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムが好ましい。
[Introduction of phosphate group]
As a method for introducing a phosphate group into cellulose, a method of mixing a powder or aqueous solution of phosphoric acid or a phosphoric acid derivative with a dry or wet cellulose fiber raw material, a phosphoric acid or phosphoric acid with a dispersion of a cellulose fiber raw material Examples thereof include a method of adding an aqueous solution of a derivative. In these methods, dehydration treatment, heat treatment, and the like are usually performed after mixing or adding a powder or aqueous solution of phosphoric acid or phosphoric acid derivative.
Examples of the phosphoric acid or phosphoric acid derivative used here include at least one compound selected from an oxo acid, a polyoxo acid or a derivative thereof containing a phosphorus atom. Specifically, phosphoric acid; sodium salt of phosphoric acid such as sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate and trisodium phosphate; sodium salt of polyphosphoric acid such as sodium pyrophosphate and sodium metaphosphate; Potassium salts of phosphoric acid such as potassium hydrogen, dipotassium hydrogen phosphate and tripotassium phosphate; potassium salts of polyphosphoric acid such as potassium pyrophosphate and potassium metaphosphate; ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate and phosphoric acid Examples thereof include ammonium salts of phosphoric acid such as triammonium; ammonium salts of polyphosphoric acid such as ammonium pyrophosphate and ammonium metaphosphate. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above, sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are preferable.
セルロース繊維原料に対するリン酸またはリン酸誘導体の質量割合は、セルロース繊維原料の固形分100質量部に対してリン酸またはリン酸誘導体が、リン元素量として0.2〜500質量部であることが好ましく、1〜400質量部であることがより好ましく、2〜200質量部であることがさらに好ましい。リン酸またはリン酸誘導体の割合が前記下限値以上であれば、セルロースナノファイバーの収率をより向上させることができる。しかし、前記上限値を超えても、収率向上の効果は頭打ちとなり、無駄にリン酸またはリン酸誘導体を使用するだけである。 The mass ratio of phosphoric acid or phosphoric acid derivative to the cellulose fiber raw material is such that phosphoric acid or phosphoric acid derivative is 0.2 to 500 parts by mass as the amount of phosphorus element with respect to 100 parts by mass of the solid content of the cellulose fiber raw material. Preferably, it is 1-400 mass parts, More preferably, it is 2-200 mass parts. If the ratio of phosphoric acid or a phosphoric acid derivative is more than the said lower limit, the yield of a cellulose nanofiber can be improved more. However, even if the upper limit is exceeded, the effect of improving the yield reaches its peak, and only phosphoric acid or phosphoric acid derivatives are used in vain.
加熱処理温度は、セルロースの熱分解温度の点から、250℃以下であることが好ましい。また、セルロースの加水分解を抑える観点から、加熱処理温度は100〜170℃であることが好ましい。さらに、加熱処理の際にリン酸またはリン酸誘導体を添加した系に水が含まれている間の加熱については、好ましくは130℃以下、より好ましくは110℃以下で加熱して充分に水分を除去乾燥するとよい。その後は、100〜170℃で加熱処理することが好ましい。また、水分を除く際には減圧乾燥機を用いてもよい。
リン酸またはリン酸誘導体による処理の後には、オゾンによる処理と同様に、処理したセルロース繊維原料に、アルカリ処理を施してもよい。
It is preferable that the heat processing temperature is 250 degrees C or less from the point of the thermal decomposition temperature of a cellulose. Moreover, it is preferable that the heat processing temperature is 100-170 degreeC from a viewpoint of suppressing hydrolysis of a cellulose. Furthermore, regarding the heating while water is contained in the system to which phosphoric acid or a phosphoric acid derivative is added during the heat treatment, it is preferably 130 ° C. or less, more preferably 110 ° C. or less to sufficiently absorb moisture. Remove and dry. After that, it is preferable to heat-process at 100-170 degreeC. Further, when removing moisture, a vacuum dryer may be used.
After the treatment with phosphoric acid or a phosphoric acid derivative, the treated cellulose fiber raw material may be subjected to an alkali treatment, similarly to the treatment with ozone.
上記の処理によって、セルロースはリン酸由来の基(−PO4 2−、−PO4H−)を有するようになる。セルロースは2種以上のリン酸由来の基を有してもよい。例えば、セルロースが、水素イオンの数が異なる2種のリン酸由来を有してもよい。 By the above treatment, the cellulose has phosphoric acid-derived groups (—PO 4 2− , —PO 4 H − ). Cellulose may have two or more phosphoric acid-derived groups. For example, cellulose may have two types of phosphoric acid derived from different numbers of hydrogen ions.
[酵素処理]
本発明で用いるセルロース繊維原料は、必ずしも上記の極性基または嵩高基を有する必要はないが、上記の極性基または嵩高基を有さない場合には、所謂セルラーゼと総称される酵素によってセルロース繊維原料を処理することが好ましい。セルラーゼは、セロビオヒドロラーゼ活性、エンドグルカナーゼ活性、ベータグルコシダーゼ活性を有する酵素である。
酵素処理で使用する酵素は、上記の活性を有する酵素を適宜の量で混合して使用してもよいし、市販のセルラーゼ製剤を用いてもよい。
市販のセルラーゼ製剤としては、トリコデルマ(Trichoderma)属、アクレモニウム属(Acremonium)属、アスペルギルス(Aspergillus)属、ファネロケエテ(Phanerochaete)属、トラメテス属(Trametes)、フーミコラ(Humicola)属、バチルス(Bacillus)属などに由来するセルラーゼ製剤が挙げられる。
このようなセルラーゼ製剤の市販品としては、全て商品名で、例えば、セルロイシンT2(エイチピィアイ社製)、メイセラーゼ(明治製菓社製)、ノボザイム188(ノボザイム社製)、マルティフェクトCX10L(ジェネンコア社製)等が挙げられる。
なお、市販されているセルラーゼ製剤には、上記した各種のセルラーゼ活性を有すると同時に、ヘミセルラーゼ活性も有しているものが多い。
[Enzyme treatment]
The cellulose fiber raw material used in the present invention does not necessarily have the above polar group or bulky group, but when it does not have the above polar group or bulky group, the cellulose fiber raw material is produced by an enzyme collectively referred to as so-called cellulase. Is preferably processed. Cellulase is an enzyme having cellobiohydrolase activity, endoglucanase activity, and beta-glucosidase activity.
As the enzyme used in the enzyme treatment, an enzyme having the above activity may be mixed and used in an appropriate amount, or a commercially available cellulase preparation may be used.
Commercial cellulase preparations include Trichoderma, Acremonium, Aspergillus, Phanerocheet, Trametes, Humicola, and Humicola. Cellulase preparations derived from the above.
Commercially available products of such cellulase preparations are all trade names, for example, cellulosin T2 (manufactured by HIPI), mecerase (manufactured by Meiji Seika Co., Ltd.), Novozyme 188 (manufactured by Novozyme), multifect CX10L (manufactured by Genencor) ) And the like.
In addition, many commercially available cellulase preparations have hemicellulase activity as well as various cellulase activities described above.
酵素処理では、酵素として、セルラーゼ以外に、ヘミセルラーゼ系酵素を単独に使用してもよいし、セルラーゼとヘミセルラーゼ系酵素とを混合使用してもよい。ヘミセルラーゼ系酵素の中でも、キシランを分解する酵素であるキシラナーゼ(xylanase)、マンナンを分解する酵素であるマンナーゼ(mannase)、アラバンを分解する酵素であるアラバナーゼ(arabanase)を使用することが好ましい。また、ペクチンを分解する酵素であるペクチナーゼもヘミセルラーゼ系酵素として使用することができる。 In the enzyme treatment, in addition to cellulase, a hemicellulase-based enzyme may be used alone, or a cellulase and a hemicellulase-based enzyme may be used in combination. Among hemicellulase enzymes, it is preferable to use xylanase, which is an enzyme that degrades xylan, mannanase, which is an enzyme that degrades mannan, and arabanase, which is an enzyme that degrades araban. In addition, pectinase, which is an enzyme that degrades pectin, can also be used as a hemicellulase-based enzyme.
酵素処理の際の分散液のpHは、使用する酵素の活性が高くなる範囲に保つことが好ましい。例えば、トリコデルマ起源の市販の酵素の場合、pHは4〜8の間が好ましい。
また、酵素処理の際の分散液の温度は、使用する酵素の活性が高くなる範囲に保つことが好ましい。例えば、トリコデルマ起源の市販の酵素の場合、温度は40℃〜60℃が好ましい。温度が前記下限値未満では酵素活性が低下して処理時間が長くなり、前記上限値を超えると酵素が失活するおそれがある。酵素処理の処理時間は10分〜24時間の範囲が好ましい。酵素処理の処理時間が10分未満では酵素処理の効果が発現しにくい。24時間を超えると酵素によりセルロース繊維の分解が進みすぎて、得られるセルロースナノファイバーの平均繊維長が短くなりすぎるおそれがある。
なお、所定時間以上に酵素が活性なままで残留していると前記のようにセルロースの分解が進み過ぎるため、所定の酵素処理が終了した際には、酵素反応の停止処理を施すことが好ましい。酵素反応の停止処理としては、酵素処理を施した分散液を水洗し、酵素を除去する方法、酵素処理を施した分散液に水酸化ナトリウムをpHが12程度になるように添加して酵素を失活させる方法、酵素処理を施した分散液の温度を温度90℃まで上昇させて酵素を失活させる方法が挙げられる。
The pH of the dispersion during the enzyme treatment is preferably maintained in a range where the activity of the enzyme used is high. For example, in the case of a commercially available enzyme derived from Trichoderma, the pH is preferably between 4-8.
Further, the temperature of the dispersion during the enzyme treatment is preferably maintained within a range in which the activity of the enzyme used is increased. For example, in the case of a commercially available enzyme derived from Trichoderma, the temperature is preferably 40 ° C to 60 ° C. If the temperature is less than the lower limit, the enzyme activity decreases and the treatment time becomes longer. If the temperature exceeds the upper limit, the enzyme may be deactivated. The treatment time for the enzyme treatment is preferably in the range of 10 minutes to 24 hours. If the treatment time of the enzyme treatment is less than 10 minutes, the effect of the enzyme treatment is hardly exhibited. If it exceeds 24 hours, the decomposition of cellulose fibers proceeds too much by the enzyme, and the average fiber length of the resulting cellulose nanofibers may be too short.
It should be noted that when the enzyme remains active for a predetermined time or longer, the decomposition of cellulose proceeds excessively as described above. Therefore, when the predetermined enzyme treatment is completed, it is preferable to perform an enzyme reaction stop process. . The enzyme reaction is stopped by washing the enzyme-treated dispersion with water, removing the enzyme, adding sodium hydroxide to the enzyme-treated dispersion to a pH of about 12, and then adding the enzyme. Examples thereof include a method for inactivation and a method for inactivating the enzyme by raising the temperature of the dispersion treated with the enzyme to a temperature of 90 ° C.
<微細化工程>
微細化工程はセルロース繊維原料分散液を、平均繊維幅が100nm未満のセルロースナノファイバーが得られるように微細化処理して、セルロースナノファイバーを含有するセルロースナノファイバー分散液を得る工程である。
微細化工程では、通常、微細化処理装置を用いる。微細化処理装置としては、高速回転解繊機、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、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適宜使用することができる。これらは単独で用いてもよいし、同一の装置を複数台使用してもよいし、異なる種類の装置を組み合わせてもよい。異なる種類の装置を組み合わせる場合、リファイナー、高圧ホモジナイザー、高速回転解繊機のいずれか2つを組み合わせることが好ましい。
<Refining process>
The refinement step is a step of obtaining a cellulose nanofiber dispersion containing cellulose nanofibers by subjecting the cellulose fiber raw material dispersion to a refinement treatment so that cellulose nanofibers having an average fiber width of less than 100 nm are obtained.
In the miniaturization process, a miniaturization processing apparatus is usually used. High-speed rotary defibrator, grinder (stone mill type grinder), high-pressure homogenizer and ultra-high pressure homogenizer, high-pressure collision type grinder, ball mill, bead mill, disk type refiner, conical refiner, twin-screw kneader, vibration A wet pulverizing apparatus such as a mill, a homomixer under high-speed rotation, an ultrasonic disperser, or a beater can be used as appropriate. These may be used alone, a plurality of the same devices may be used, or different types of devices may be combined. When combining different types of apparatuses, it is preferable to combine any two of a refiner, a high-pressure homogenizer, and a high-speed rotary defibrator.
微細化処理に供給するセルロース繊維原料分散液の固形分濃度は0.1〜20質量%であることが好ましく、0.5〜10質量%であることがより好ましい。セルロース繊維原料分散液の固形分濃度が前記下限値以上であれば、微細化処理の効率が向上し、前記上限値以下であれば、微細化処理装置内での閉塞を防止できる。
希釈するための分散媒としては、水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合物が挙げられる。
It is preferable that the solid content concentration of the cellulose fiber raw material dispersion supplied to the micronization treatment is 0.1 to 20% by mass, and more preferably 0.5 to 10% by mass. If the solid content concentration of the cellulose fiber raw material dispersion is equal to or higher than the lower limit, the efficiency of the refining treatment is improved, and if it is equal to or lower than the upper limit, blockage in the refining treatment apparatus can be prevented.
Examples of the dispersion medium for dilution include water, an organic solvent, and a mixture of water and an organic solvent.
<精製工程>
精製工程は、微細化工程後に、セルロースナノファイバー分散液を、平均繊維幅が2〜100nmになるように精製する工程である。精製工程によってセルロースナノファイバー分散液を精製すれば、大きな繊維径を有する繊維が除去されて、セルロースナノファイバーの外観をより良好できると共に物性をより向上させることができる。強度が重視されるような用途にセルロースナノファイバーを使用する場合には、精製工程によって大きな繊維からなる破壊核が少なくなるため、強度のばらつきや低下を防ぐことができる。
<Purification process>
A refinement | purification process is a process of refine | purifying a cellulose nanofiber dispersion so that an average fiber width may be 2-100 nm after a refinement | miniaturization process. If a cellulose nanofiber dispersion liquid is refine | purified by a refinement | purification process, the fiber which has a big fiber diameter will be removed, the external appearance of a cellulose nanofiber can be improved, and a physical property can be improved more. When cellulose nanofibers are used for applications where strength is important, the number of fracture nuclei consisting of large fibers is reduced by the purification process, so that variations in strength and reduction can be prevented.
精製工程においては、セルロースナノファイバーのうちの大きな繊維を除去して、平均繊維幅100nm未満のものを濃縮する精製装置を用いる。
精製装置としては、例えば、比重差を利用したデカンタや遠心分離機、クリーナー、形状の違いを利用したスクリーンやフィルター、浮選分離するフローテーターや加圧浮上装置などが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、種類の異なる複数を組み合わせてもよい。
In the refining process, a refining apparatus is used that removes large fibers of cellulose nanofibers and concentrates those having an average fiber width of less than 100 nm.
Examples of the refining device include a decanter using a difference in specific gravity, a centrifuge, a cleaner, a screen and a filter using a difference in shape, a flotator for separating by flotation, and a pressure levitation device. These may be used singly or a plurality of different types may be combined.
「セルロースナノファイバー含有水分散液」
本発明のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチはセルロースナノファイバーと、ゴムラテックスを含有する固形分濃度3質量%以下である水分散液から水を除去して得られるものである。水分散液はセルロースナノファイバー、ゴムラテックス以外にこれらの成分を凝集させる働きを持つギ酸、カチオン性高分子、カチオン性界面活性剤などの成分を含有する。さらに従来ゴム工業で使用される他の配合剤を添加してもよい。例えば、シリカ粒子やカーボンブラック、繊維などの無機、有機のフィラー、シランカップリング剤などが挙げられる。
"Aqueous dispersion containing cellulose nanofiber"
The cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch of the present invention is obtained by removing water from an aqueous dispersion containing cellulose nanofibers and a rubber latex and having a solid content concentration of 3% by mass or less. In addition to cellulose nanofibers and rubber latex, the aqueous dispersion contains components such as formic acid, a cationic polymer, and a cationic surfactant that function to aggregate these components. Furthermore, other compounding agents conventionally used in the rubber industry may be added. For example, silica particles, carbon black, inorganic such as fiber, organic filler, silane coupling agent and the like can be mentioned.
水分散液の固形分量は0.01質量%以上3質量%以下が好ましく、0.05質量%以上2.8質量%以下がより好ましく、0.08質量%以上2.5質量%以下がさらに好ましい。0.01質量%以下であると水を除去するのに多大なエネルギーとコストを必要とし、好ましくない。一方、3質量%よりも固形分濃度が高いと、水分散液中でセルロースナノナノファイバー同士が凝集をおこし、得られるセルロースナノファイバー含有ゴム複合体中において凝集物となり強度低下を引き起こす。 The solid content of the aqueous dispersion is preferably 0.01% by mass to 3% by mass, more preferably 0.05% by mass to 2.8% by mass, and further preferably 0.08% by mass to 2.5% by mass. preferable. If it is 0.01% by mass or less, it requires a lot of energy and cost to remove water, which is not preferable. On the other hand, if the solid content concentration is higher than 3% by mass, cellulose nano-nanofibers aggregate in the aqueous dispersion and become aggregates in the resulting cellulose nanofiber-containing rubber composite, causing a decrease in strength.
セルロースナノファイバー含有水分散液中のセルロースナノファイバーはゴム成分100質量部に対して、通常1質量部以上、好ましくは3質量部以上、更に好ましくは5質量部以上、通常100質量部以下、好ましくは70質量部以下、更に好ましくは50質量部以下である。セルロースナノファイバー量が少ないと補強効果が充分でなく、逆に多いとゴムの加工性が低下する。 The cellulose nanofibers in the cellulose nanofiber-containing aqueous dispersion are usually 1 part by mass or more, preferably 3 parts by mass or more, more preferably 5 parts by mass or more, and usually 100 parts by mass or less, preferably with respect to 100 parts by mass of the rubber component. Is 70 parts by mass or less, more preferably 50 parts by mass or less. When the amount of cellulose nanofiber is small, the reinforcing effect is not sufficient, and when it is large, the processability of rubber is lowered.
<カチオン性高分子>
カチオン性高分子の例としては、ポリアミドポリアミン系樹脂、ポリアミドポリ尿素系樹脂、ポリアミン系樹脂等が例示でき、これらカチオン性樹脂の1種以上が適宜用いられる。因みに、ポリアミドポリアミン系樹脂の具体例としては、ポリアミドポリアミン−エピクロルヒドリン樹脂、ポリアミドポリアミン−グリオキザール樹脂、ポリアミドポリアミン−ホルムアルデヒド樹脂等がある。
ポリアミドポリ尿素系樹脂の具体例としては、ポリアミドポリ尿素−エピクロルヒドリン樹脂、ポリアミドポリ尿素−グリオキザール樹脂、ポリアミドポリ尿素−ホルムアルデヒド樹脂等がある。さらに、ポリアミン系樹脂の具体例としては、ポリアルキレンポリアミン−エピクロルヒドリン樹脂、ポリアルキレンポリアミン−エピクロルヒドリン−ジアルキル硫酸樹脂、アルキレンジアミン−アルキレンジハライド樹脂、ポリエチレンイミン等が例示される。
<Cationic polymer>
Examples of the cationic polymer include polyamide polyamine resins, polyamide polyurea resins, polyamine resins, and the like, and one or more of these cationic resins are used as appropriate. Incidentally, specific examples of the polyamide polyamine resin include polyamide polyamine-epichlorohydrin resin, polyamide polyamine-glyoxal resin, polyamide polyamine-formaldehyde resin, and the like.
Specific examples of the polyamide polyurea resin include a polyamide polyurea-epichlorohydrin resin, a polyamide polyurea-glyoxal resin, and a polyamide polyurea-formaldehyde resin. Furthermore, specific examples of the polyamine resin include polyalkylene polyamine-epichlorohydrin resin, polyalkylene polyamine-epichlorohydrin-dialkyl sulfate resin, alkylene diamine-alkylene dihalide resin, polyethyleneimine, and the like.
セルロースナノファイバー含有水分散液中にカチオン性高分子を配合する場合、ゴム成分100質量部に対して、通常0.1質量部以上、好ましくは2質量部以上、更に好ましくは3質量部以上、通常20質量部以下、好ましくは15質量部以下、更に好ましくは10質量部以下である。カチオン性高分子が0.1質量部未満である場合、セルロースナノファイバーとゴムラテックスを凝集させるのに不十分であり、20質量部以上の場合は得られるセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチ中のカチオン性高分子の割合が大きくなるため、得られるマスターバッチの耐水性が低下するなどの問題を引き起こすため好ましくない。 When the cationic polymer is blended in the cellulose nanofiber-containing aqueous dispersion, it is usually 0.1 parts by mass or more, preferably 2 parts by mass or more, more preferably 3 parts by mass or more, with respect to 100 parts by mass of the rubber component. Usually 20 parts by mass or less, preferably 15 parts by mass or less, more preferably 10 parts by mass or less. When the cationic polymer is less than 0.1 parts by mass, it is insufficient to agglomerate the cellulose nanofibers and the rubber latex. Since the ratio of the conductive polymer increases, it causes a problem such as a decrease in water resistance of the obtained master batch, which is not preferable.
<カチオン性界面活性剤>
カチオン性界面活性剤としては、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルジメチルベンジルアンモニウム塩、アシルアミノエチルジエチルアンモニウム塩、アシルアミノエチルジエチルアミン塩、アルキルアミドプロピルジメチルベンジルアンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、アルキルピリジニウム硫酸塩、ステアラミドメチルピリジニウム塩、アルキルキノリニウム塩、アルキルイソキノリニウム塩、脂肪酸ポリエチレンポリアミド、アシルアミノエチルピリジニウム塩、アシルコラミノホルミルメチルピリジニウム塩等の第4級アンモニウム塩、ステアロオキシメチルピリジニウム塩、脂肪酸トリエタノールアミン、脂肪酸トリエタノールアミンギ酸塩、トリオキシエチレン脂肪酸トリエタノールアミン、セチルオキシメチルピリジニウム塩、p−イソオクチルフェノキシエトキシエチルジメチルベンジルアンモニウム塩等のエステル結合アミンやエーテル結合第4級アンモニウム塩、アルキルイミダゾリン、1−ヒドロキシエチル−2−アルキルイミダゾリン、1−アセチルアミノエチル−2−アルキルイミダゾリン、2−アルキル−4−メチル−4−ヒドロキシメチルオキサゾリン等の複素環アミン、ポリオキシエチレンアルキルアミン、N−アルキルプロピレンジアミン、N−アルキルポリエチレンポリアミン、N−アルキルポリエチレンポリアミンジメチル硫酸塩、アルキルビグアニド、長鎖アミンオキシドなどのアミン誘導体等が挙げられる。
<Cationic surfactant>
Cationic surfactants include alkyltrimethylammonium salt, dialkyldimethylammonium salt, alkyldimethylbenzylammonium salt, acylaminoethyldiethylammonium salt, acylaminoethyldiethylamine salt, alkylamidopropyldimethylbenzylammonium salt, alkylpyridinium salt, alkyl Quaternary ammonium salts such as pyridinium sulfate, stearamide methylpyridinium salt, alkylquinolinium salt, alkylisoquinolinium salt, fatty acid polyethylene polyamide, acylaminoethylpyridinium salt, acylcoraminoformylmethylpyridinium salt, stearo Oxymethylpyridinium salt, fatty acid triethanolamine, fatty acid triethanolamine formate, trioxyethylene fatty acid tri Ester-bonded amines and ether-bonded quaternary ammonium salts such as tanolamine, cetyloxymethylpyridinium salt, p-isooctylphenoxyethoxyethyldimethylbenzylammonium salt, alkylimidazolines, 1-hydroxyethyl-2-alkylimidazolines, 1-acetyl Heterocyclic amines such as aminoethyl-2-alkylimidazoline, 2-alkyl-4-methyl-4-hydroxymethyloxazoline, polyoxyethylene alkylamine, N-alkylpropylenediamine, N-alkylpolyethylenepolyamine, N-alkylpolyethylenepolyamine Examples thereof include amine derivatives such as dimethyl sulfate, alkyl biguanide, and long chain amine oxide.
セルロースナノファイバー含有水分散液中にカチオン性界面活性剤を配合する場合、ゴム成分100質量部に対して、通常0.1質量部以上、好ましくは2質量部以上、更に好ましくは3質量部以上、通常20質量部以下、好ましくは15質量部以下、更に好ましくは10質量部以下である。カチオン性界面活性剤が0.1質量部未満である場合、セルロースナノファイバーとゴムラテックスを凝集させるのに不十分であり、20質量部以上の場合は得られるセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチ中のカチオン性界面活性剤の割合が大きくなるため、得られるマスターバッチの耐水性が低下するなどの問題を引き起こすため好ましくない。 When the cationic surfactant is blended in the cellulose nanofiber-containing aqueous dispersion, it is usually 0.1 parts by mass or more, preferably 2 parts by mass or more, more preferably 3 parts by mass or more, relative to 100 parts by mass of the rubber component. The amount is usually 20 parts by mass or less, preferably 15 parts by mass or less, and more preferably 10 parts by mass or less. When the cationic surfactant is less than 0.1 parts by mass, it is insufficient to agglomerate the cellulose nanofibers and the rubber latex. When the cationic surfactant is 20 parts by mass or more, the cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch obtained Since the ratio of the cationic surfactant is increased, it is not preferable because it causes problems such as reduction in water resistance of the obtained master batch.
<ゴムラテックス>
使用するゴムラテックスとしては、例えば天然ゴム(NR)、ポリイソプレンゴム(IR)、スチレン− ブタジエン共重合体ゴム(SBR)、ポリブタジエンゴム(BR)、ブチルゴム(IIR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリルゴム(ACM)、フッ素ゴム(FKM)などのゴムのラテックス(好ましくは濃度:5〜60質量%)を用いるのが好ましい。
<Rubber latex>
Examples of rubber latex used include natural rubber (NR), polyisoprene rubber (IR), styrene-butadiene copolymer rubber (SBR), polybutadiene rubber (BR), butyl rubber (IIR), nitrile rubber (NBR), and chloroprene. It is preferable to use rubber latex (preferably concentration: 5 to 60% by mass) such as rubber (CR), acrylic rubber (ACM), and fluoro rubber (FKM).
セルロースナノファイバー含有ゴムラテックス水分散液を調製する工程において、セルロースナノファイバー水分散液とラテックス分散液、他の成分を混合する方法には特に限定はなく、例えばプロペラ式撹拌装置、ホモジナイザー、ロータリー撹拌装置、電磁撹拌装置、手動での撹拌、あるいは攪拌せずに自然拡散などの一般的方法によることができる。 In the step of preparing the cellulose nanofiber-containing rubber latex aqueous dispersion, there is no particular limitation on the method of mixing the cellulose nanofiber aqueous dispersion, the latex dispersion, and other components. It can be performed by a general method such as an apparatus, an electromagnetic stirring device, manual stirring, or natural diffusion without stirring.
セルロースナノファイバー含有ゴムラテックス水分散液から水を除去するのには、例えば自然乾燥、オーブン乾燥、凍結乾燥、噴露乾燥などの一般的方法によることができるが、セルロースナノファイバー含有ゴムラテックスをろ材により分離後、乾燥すると効率的に水分を除去する事ができる。 Water can be removed from the cellulose nanofiber-containing rubber latex aqueous dispersion by, for example, general methods such as natural drying, oven drying, freeze drying, and spray drying. After separation, the water can be efficiently removed by drying.
「ゴム組成物の調製」
ゴム組成物は、本発明のセルロースナノファイバー含有マスターバッチから製造される。具体的にはセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチを加硫あるいは必要に応じてセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチにゴムラテックスを加えた後に加硫することにより製造される。また前述の従来ゴム工業で使用される他の配合剤を加硫前にゴム用混練機等の公知の方法を用いて混合した後、成形し、公知の方法で加硫反応させることにより得られる。配合剤としてはシリカ粒子やカーボンブラック、繊維などの、無機、有機のフィラー、シランカップリング剤、加硫剤、ステアリン酸、加硫促進剤、加硫促進助剤、オイル、硬化レジン、ワックス、老化防止剤などを上げる事ができる。
"Preparation of rubber composition"
The rubber composition is produced from the cellulose nanofiber-containing masterbatch of the present invention. Specifically, it is produced by vulcanizing a cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch or, if necessary, adding a rubber latex to the cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch and then vulcanizing. In addition, it is obtained by mixing other compounding agents used in the conventional rubber industry as described above using a known method such as a kneader for rubber before vulcanization, and then molding and vulcanizing by a known method. . Compounding agents include silica particles, carbon black, fibers, inorganic and organic fillers, silane coupling agents, vulcanizing agents, stearic acid, vulcanization accelerators, vulcanization accelerators, oils, cured resins, waxes, Anti-aging agent can be raised.
このうち、加硫剤としては、有機過酸化物または硫黄系加硫剤を使用することが可能である。有機過酸化物としては従来ゴム工業で使用される各種のものが使用可能であるが、中でも、ジクミルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシベンゼン及びジ−t−ブチルパーオキシ−ジイソプロピルベンゼンが好ましい。また、硫黄系加硫剤としては、例えば硫黄、モルホリンジスルフィドなどを使用することができ、中でも硫黄が好ましい。これらの加硫剤は、1種を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。 Of these, organic peroxides or sulfur vulcanizing agents can be used as the vulcanizing agent. Various organic peroxides conventionally used in the rubber industry can be used, among which dicumyl peroxide, t-butylperoxybenzene and di-t-butylperoxy-diisopropylbenzene are preferable. Moreover, as a sulfur type vulcanizing agent, sulfur, morpholine disulfide, etc. can be used, for example, and sulfur is preferable. One of these vulcanizing agents may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
ゴムラテックス分散液中の加硫剤の配合量としては、ゴム成分100質量部に対して硫黄の場合、通常7.0質量部以下、好ましくは6.0質量部以下である。また、通常1.0質量部以上、好ましくは3.0質量部以上、中でも4.0質量部以上である。 The compounding amount of the vulcanizing agent in the rubber latex dispersion is usually 7.0 parts by mass or less, preferably 6.0 parts by mass or less in the case of sulfur with respect to 100 parts by mass of the rubber component. Moreover, it is 1.0 mass part or more normally, Preferably it is 3.0 mass part or more, Especially 4.0 mass part or more.
加硫工程の条件は特に限定されず、ゴム成分を加硫ゴムとできる温度以上であればよい。なかでも、有機溶媒を揮発させて除去できる点から、加熱温度は、60℃以上が好ましく、100℃以上がより好ましい。なお、微細セルロース繊維の分解を抑制する点から、加熱温度は250℃以下が好ましく、200℃以下がより好ましい。加熱時間は、生産性などの点から、通常、5分以上、好ましくは10分以上、更に好ましくは15分以上で、180分以下が好ましい。加熱処理は複数回にわたって、温度・加熱時間を変更して実施してもよい。 The conditions for the vulcanization step are not particularly limited as long as the temperature is equal to or higher than the temperature at which the rubber component can be converted to vulcanized rubber. Especially, the heating temperature is preferably 60 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher, from the viewpoint that the organic solvent can be volatilized and removed. In addition, from the point which suppresses decomposition | disassembly of a fine cellulose fiber, 250 degreeC or less is preferable and the heating temperature has more preferable 200 degreeC or less. The heating time is usually 5 minutes or longer, preferably 10 minutes or longer, more preferably 15 minutes or longer, and preferably 180 minutes or shorter from the viewpoint of productivity. The heat treatment may be performed multiple times by changing the temperature and the heating time.
本発明のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチから製造される加硫ゴム組成物は、高い破断強度及び弾性率を有し、乗用車用、トラック用、バス用、重車両用などの空気入りタイヤなどのタイヤ、その他、ゴムクローラ、コンベアベルト等、各種のゴム製品に適用することができる。 The vulcanized rubber composition produced from the cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch of the present invention has high breaking strength and elastic modulus, such as pneumatic tires for passenger cars, trucks, buses, heavy vehicles, etc. It can be applied to various rubber products such as tires, rubber crawlers, conveyor belts and the like.
以下、実施例及び比較例によって、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further more concretely, unless this invention exceeds the summary, it is not limited by a following example.
<セルロースナノファイバーの調製>
セルロースを含む繊維原料として、カルボキシ基含有量0.06mmol/g、固形分濃度30質量%(水分70質量%)、絶乾質量換算で20gの広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)を用意した。
上記LBKPを容器内に収容し、その容器にオゾン濃度200g/m3のオゾン・酸素混合気体を5L導入し、25℃で2分間振とうした。このときのオゾン添加率はパルプ乾燥質量に対して5質量%であった。6時間静置した後、容器内のオゾンおよび空気を除去してオゾン酸化処理を終了した。
処理終了後、イオン交換水で懸濁洗浄し、洗浄水のpHが6以上になるまで洗浄を繰り返した。その後、ろ紙を用いて減圧ろ過し、固形分濃度20質量%の酸化処理パルプを得た。
上記酸化処理パルプ(絶乾質量換算で20g)にイオン交換水を添加して、固形分濃度2質量%のスラリーを調製した。そのスラリーに水酸化ナトリウムを、水酸化ナトリウム濃度が0.3質量%になるよう添加し、5分間攪拌した後、室温で30分静置した。次いで、イオン交換水で懸濁洗浄し、洗浄水のpHが8以下になるまで洗浄を繰り返して、アルカリ処理パルプを含むスラリーを得た。
次いで、イオン交換水を加えて、セルロース繊維濃度0.5質量%のセルロース繊維水分散液を調製した。該セルロース繊維水分散液を解繊処理装置(エムテクニック社製、クレアミックス−2.2S)を用いて、21500回転/分の条件で30分間解繊処理した。その後、遠心分離機(コクサン社製「H−200NR」)を用い、約12000Gで10分間処理し、これにより分離した上澄み液を、セルロースナノファイバーの水分散液として回収した。
得られたセルロースナノファイバーの水分散液を透過型電子顕微鏡にて観察し、平均繊維幅を測定した所、4nmであった。
<Preparation of cellulose nanofiber>
As a fiber material containing cellulose, a hardwood bleached kraft pulp (LBKP) having a carboxy group content of 0.06 mmol / g, a solid content concentration of 30% by mass (water content of 70% by mass), and an absolute dry mass conversion was prepared.
The LBKP was housed in a container, and 5 L of an ozone / oxygen mixed gas having an ozone concentration of 200 g / m 3 was introduced into the container and shaken at 25 ° C. for 2 minutes. The ozone addition rate at this time was 5 mass% with respect to the pulp dry mass. After standing for 6 hours, ozone and air in the container were removed, and the ozone oxidation treatment was completed.
After the treatment, the suspension was washed with ion-exchanged water, and the washing was repeated until the pH of the washing water reached 6 or higher. Then, it filtered under reduced pressure using the filter paper, and obtained the oxidation process pulp with a solid content concentration of 20 mass%.
Ion exchange water was added to the oxidized pulp (20 g in terms of absolute dry mass) to prepare a slurry having a solid content concentration of 2% by mass. Sodium hydroxide was added to the slurry so that the sodium hydroxide concentration was 0.3% by mass, and the mixture was stirred for 5 minutes and then allowed to stand at room temperature for 30 minutes. Subsequently, the suspension was washed with ion-exchanged water, and washing was repeated until the pH of the washing water became 8 or less to obtain a slurry containing alkali-treated pulp.
Subsequently, ion-exchanged water was added to prepare a cellulose fiber aqueous dispersion having a cellulose fiber concentration of 0.5% by mass. The cellulose fiber aqueous dispersion was defibrated for 30 minutes using a defibrating apparatus (Cleamix-2.2S, manufactured by M Technique Co., Ltd.) at 21500 rpm. Thereafter, using a centrifuge (“H-200NR” manufactured by Kokusan Co., Ltd.), the resultant was treated with about 12000 G for 10 minutes, and the supernatant thus separated was recovered as an aqueous dispersion of cellulose nanofibers.
It was 4 nm when the aqueous dispersion liquid of the obtained cellulose nanofiber was observed with the transmission electron microscope, and the average fiber width was measured.
<マスターバッチの製造>
製造例1
天然ゴムラテックス(固形分濃度20質量%)を0.2質量%に希釈した後、天然ゴムラテックス100部に対してIKAホモジナイザーを用いて11000rpmで攪拌しながら、上記<セルロースナノファイバーの調製>によって得られたセルロースナノファイバー水分散液(0.2質量%)5部を添加し、さらに10分間攪拌した。スリーワンモーターを用いて500rpmで攪拌しながらゆっくりとギ酸(5質量%)を20部添加した。2時間静置した後、ゴム浮遊分を回収した。シリンダドライヤにて110℃、10分間乾燥させた後、真空乾燥機にて110℃、3時間乾燥してマスターバッチ1(M.B.1)を作製した。
<Manufacture of master batch>
Production Example 1
After diluting natural rubber latex (solid content concentration 20% by mass) to 0.2% by mass and stirring at 11000 rpm using IKA homogenizer for 100 parts of natural rubber latex, the above <Preparation of cellulose nanofiber> 5 parts of the obtained cellulose nanofiber aqueous dispersion (0.2% by mass) was added, and the mixture was further stirred for 10 minutes. 20 parts of formic acid (5% by mass) was slowly added while stirring at 500 rpm using a three-one motor. After standing for 2 hours, the rubber suspension was recovered. After drying with a cylinder dryer at 110 ° C. for 10 minutes, the mixture was dried with a vacuum dryer at 110 ° C. for 3 hours to prepare Masterbatch 1 (MB1).
製造例2
製造例1においてギ酸の代わりにWS4024(星光PMC社製、1質量%)を5部添加した以外は製造例1と同様にしてマスターバッチ2(M.B.2)を製造した。
Production Example 2
Masterbatch 2 (MB2) was produced in the same manner as in Production Example 1 except that 5 parts of WS4024 (manufactured by Seiko PMC, 1 mass%) was added in place of formic acid in Production Example 1.
製造例3
製造例1においてギ酸の代わりにカチオーゲンDDM−PG(第一工業製薬株式会社製、1質量%)を1.25部添加した以外は製造例1と同様にしてマスターバッチ3(M.B.3)を製造した。
Production Example 3
Masterbatch 3 (MB3) was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that 1.25 parts of Cathiogen DDM-PG (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., 1% by mass) was added instead of formic acid in Production Example 1. ) Was manufactured.
製造例4
製造例1において天然ゴムラテックス(固形分濃度20質量%)を0.2質量%に希釈せずに使用した以外は製造例1と同様にしてマスターバッチ4(M.B.4)を作製した。
Production Example 4
A master batch 4 (MB4) was produced in the same manner as in Production Example 1 except that natural rubber latex (solid content concentration 20% by mass) was used without being diluted to 0.2% by mass in Production Example 1. .
製造例5
天然ゴムラテックス(固形分濃度20質量%)の固形分量として100質量部に対し、スリーワンモーターを用いて500rpmで攪拌しながらゆっくりとギ酸(5質量%)を20部添加した。2時間静置した後、ゴム浮遊分を回収した。シリンダドライヤにて110℃、10分間乾燥させた後、真空乾燥機にて110℃、3時間乾燥してマスターバッチ5(M.B.5)を作製した。
Production Example 5
20 parts of formic acid (5% by mass) was slowly added while stirring at 500 rpm using a three-one motor with respect to 100 parts by mass as the solid content of the natural rubber latex (solid content 20% by mass). After standing for 2 hours, the rubber suspension was recovered. After drying at 110 ° C. for 10 minutes with a cylinder dryer, drying was performed at 110 ° C. for 3 hours in a vacuum dryer to prepare Masterbatch 5 (MB5).
製造例1から製造例5で作製したマスターバッチの配合と水を除去する前のセルロースナノファイバー含有水分散液の固形分濃度を表1に示す。 Table 1 shows the composition of the master batch prepared in Production Example 1 to Production Example 5 and the solid content concentration of the cellulose nanofiber-containing aqueous dispersion before removing water.
実施例1
製造例1で得られたM.B.1は、ゴム成分(天然ゴムラテックス)100質量部に対して、セルロース繊維1を5質量部含む。これにさらに、亜鉛華(1号亜鉛華、浅岡窯業原料社製)3質量部、加硫促進剤(N−tert−ブチル−2−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、和光純薬工業社製)1質量部、硫黄(5%油処理粉末硫黄、鶴見化学工業社製)2質量部、ステアリン酸(和光純薬工業社製)3質量部を配合し、混練を行った。
詳細には、マスターバッチ1に対し、加硫促進剤と硫黄を除く成分を添加し、140℃で3分間混練装置(ラボプラストミルμ、東洋精機社製)を用い混練し、さらに加硫促進剤と硫黄を添加し、80℃で3分間混練することによりゴム組成物を得た。このゴム組成物を150℃で30分間加圧プレス加硫し、厚さ1mmの加硫ゴム組成物1を得た。
Example 1
M.C. obtained in Production Example 1 B. 1 contains 5 parts by mass of cellulose fiber 1 per 100 parts by mass of the rubber component (natural rubber latex). Furthermore, 3 parts by mass of zinc white (No. 1 zinc white, manufactured by Asaoka Ceramics Co., Ltd.), 1 mass of vulcanization accelerator (N-tert-butyl-2-benzothiazole sulfenamide, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 2 parts by mass of sulfur (5% oil-treated powdered sulfur, manufactured by Tsurumi Chemical Co., Ltd.) and 3 parts by mass of stearic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed and kneaded.
Specifically, a vulcanization accelerator and components other than sulfur are added to Masterbatch 1, and the mixture is kneaded at 140 ° C. for 3 minutes using a kneading apparatus (Laboplast Mill μ, manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.), and further vulcanization is accelerated. A rubber composition was obtained by adding an agent and sulfur and kneading at 80 ° C. for 3 minutes. This rubber composition was pressure-press vulcanized at 150 ° C. for 30 minutes to obtain a vulcanized rubber composition 1 having a thickness of 1 mm.
実施例2
製造例2で得られたM.B.2を使用した以外は実施例1と同様にして加硫ゴム組成物2を得た。
Example 2
M.I obtained in Production Example 2 B. A vulcanized rubber composition 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2.
実施例3
製造例3で得られたM.B.3を使用した以外は実施例1と同様にして加硫ゴム組成物3を得た。
Example 3
M. obtained in Production Example 3 B. A vulcanized rubber composition 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 3 was used.
比較例1
製造例4で得られたM.B.4を使用した以外は実施例1と同様にして加硫ゴム組成物4を得た。
Comparative Example 1
M.I obtained in Production Example 4 B. A vulcanized rubber composition 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 4 was used.
比較例2
製造例5で得られた天然ゴム(M.B.5)を使用した以外は実施例1と同様にして加硫ゴム組成物5を得た。
Comparative Example 2
A vulcanized rubber composition 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the natural rubber (MB5) obtained in Production Example 5 was used.
[評価試験]
実施例1及び比較例1,2で得られた加硫ゴム組成物1、加硫ゴム組成物2、加硫ゴム組成物3、加硫ゴム組成物4、加硫ゴム組成物5を、所定のダンベル形状の試験片にし、破断強度とM300を評価した。その結果を表2に示す。破断強度及びM300は、JIS K6251に準じた引張試験により、加硫ゴム組成物の破断強度及びM300を測定し、比較例2の値を100とした指数で表示した。その指数が大きいほど補強性に優れることを示す。
[Evaluation test]
The vulcanized rubber composition 1, the vulcanized rubber composition 2, the vulcanized rubber composition 3, the vulcanized rubber composition 4, and the vulcanized rubber composition 5 obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were predetermined. The dumbbell-shaped test piece was evaluated for breaking strength and M300. The results are shown in Table 2. The breaking strength and M300 were measured by the tensile test according to JIS K6251 and the rupture strength and M300 of the vulcanized rubber composition were measured and displayed as an index with the value of Comparative Example 2 as 100. The larger the index, the better the reinforcement.
表2より、本発明のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチを用いた実施例1〜3のゴム組成物は、天然ゴムのみである比較例2と比べ、高い弾性率、高い破壊強度を示し、本発明のセルロースナノファイバー含有ゴムマスターバッチから作製された加硫ゴム組成物は優れた強度特性を持つことが分かる。
一方、セルロースナノファイバーとゴムラテックスを含有する固形分濃度が3質量%を超える水分散液から作製されたM.B.4より得た加硫ゴム組成物は高い補強効果が認められなかった。
From Table 2, the rubber compositions of Examples 1 to 3 using the cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch of the present invention showed higher elastic modulus and higher breaking strength than Comparative Example 2 which is only natural rubber. It can be seen that the vulcanized rubber composition prepared from the cellulose nanofiber-containing rubber masterbatch of the invention has excellent strength characteristics.
On the other hand, M.C. produced from an aqueous dispersion containing cellulose nanofibers and rubber latex having a solid content concentration exceeding 3% by mass. B. The vulcanized rubber composition obtained from No. 4 did not have a high reinforcing effect.
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