JP7646830B2 - 樹脂組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[1] セルロースナノファイバーと、樹脂と、熱分解開始温度が200℃超である液状ポリマーとを含む、樹脂組成物。
[2] 前記液状ポリマーが、液状ゴムである、上記項目1に記載の樹脂組成物。
[3] 前記液状ポリマーが、ジエン系ゴムを含む、上記項目1又は2に記載の樹脂組成物。
[4] 前記液状ポリマーが、ポリブタジエン、ブタジエン-スチレン共重合体、ポリイソプレン、及びポリクロロプレンからなる群から選択される1種以上である、上記項目1~3のいずれかに記載の樹脂組成物。
[5] 前記液状ポリマーの数平均分子量が、1,000~80,000である、上記項目1~4のいずれかに記載の樹脂組成物。
[6] 前記液状ポリマーの25℃での粘度が、100mPa・s~1,000,000mPa・sである、上記項目1~5のいずれかに記載の樹脂組成物。
[7] 前記液状ポリマーが、共役ジエン単量体と芳香族ビニル単量体との共重合体であり、共役ジエン単量体と結合した芳香族ビニル単量体の量が、5モル%~70モル%である、上記項目1~6のいずれかに記載の樹脂組成物。
[8] 前記液状ポリマーのガラス転移温度が、-150℃~25℃である、上記項目1~7のいずれかに記載の樹脂組成物。
[9] 前記セルロースナノファイバーが、化学修飾セルロースナノファイバーである、上記項目1~8のいずれかに記載の樹脂組成物。
[10] 前記化学修飾セルロースナノファイバーが、アシル置換度0.1~2.0のアシル化セルロースナノファイバーである、上記項目9に記載の樹脂組成物。
[11] 前記セルロースナノファイバーの数平均繊維径が、2nm~1000nmである、上記項目1~10のいずれかに記載の樹脂組成物。
[12] 前記セルロースナノファイバーの熱分解開始温度が、250℃以上である、上記項目1~11のいずれかに記載の樹脂組成物。
[13] 前記液状ポリマーが、少なくとも、前記セルロースナノファイバーと前記樹脂との界面の一部に浸入した形態で存在している、上記項目1~12のいずれかに記載の樹脂組成物。
[14] 前記樹脂組成物の250℃重量減少率が、1.5%以下である、上記項目1~13のいずれかに記載の樹脂組成物。
[15] 前記液状ポリマーの熱分解開始温度T1、及び前記セルロースナノファイバーの熱分解開始温度T2が、以下の関係:
(T1)≧(T2)
を満たす、上記項目1~14のいずれかに記載の樹脂組成物。
[16] 前記T1と前記T2との差T1-T2が、5℃以上である、上記項目15に記載の樹脂組成物。
[17] 前記樹脂が熱可塑性樹脂である、上記項目1~16のいずれかに記載の樹脂組成物。
[18] 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、及びポリアセタール系樹脂からなる群から選択される1種以上である、上記項目17に記載の樹脂組成物。
[19] 前記液状ポリマーの熱分解開始温度T1、及び、前記熱可塑性樹脂の融点であるか又はガラス転移温度+70℃である温度T3が、以下の関係:
(T1)>(T3)
を満たす、上記項目17又は18に記載の樹脂組成物。
[20] 前記熱可塑性樹脂が結晶性を有する熱可塑性樹脂であり、前記温度T3が前記熱可塑性樹脂の融点である、上記項目19に記載の樹脂組成物。
[21] 前記液状ポリマーの熱分解開始温度T1、及び、前記熱可塑性樹脂の融点であるか又はガラス転移温度+100℃である温度T4が、以下の関係:
(T1)>(T4)
を満たす、上記項目17~19のいずれかに記載の樹脂組成物。
[22] 前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記熱可塑性樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmと、前記熱可塑性樹脂の融点+20℃における前記熱可塑性樹脂の溶融粘度ηrとが、以下の関係:
η50/ηTm≧20、且つ
1≦ηr/η50≦1000
を満たす、上記項目17~21のいずれかに記載の樹脂組成物。
[23] 前記熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂であり、
前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
η50/ηTm≧20
を満たす、上記項目17~22のいずれかに記載の樹脂組成物。
[24] 前記熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂であり、
前記ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃における前記ポリオレフィン系樹脂の溶融粘度ηrと、前記ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
ηr/ηTm≦50000
を満たす、上記項目17~23のいずれかに記載の樹脂組成物。
[25] 前記熱可塑性樹脂が、ポリアセタール系樹脂であり、
前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記ポリアセタール系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
η50/ηTm≧20
を満たす、上記項目17~22のいずれかに記載の樹脂組成物。
[26] 前記熱可塑性樹脂が、ポリアセタール系樹脂であり、
前記ポリアセタール系樹脂の融点+20℃における前記ポリアセタール系樹脂の溶融粘度ηrと、前記ポリアセタール系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
ηr/ηTm≦100000
を満たす、上記項目17~22及び25のいずれかに記載の樹脂組成物。
[27] 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂であり、
前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記ポリアミド系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
η50/ηTm≧80
を満たす、上記項目17~22のいずれかに記載の樹脂組成物。
[28] 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂であり、
前記ポリアミド系樹脂の融点+20℃における前記ポリアミド系樹脂の溶融粘度ηrと、前記ポリアミド系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
ηr/ηTm≦50000
を満たす、上記項目17~22及び28のいずれかに記載の樹脂組成物。
[29] 界面活性剤不含有である、上記項目1~28のいずれかに記載の樹脂組成物。
[30] 前記液状ポリマー100質量部に対して分散助剤を0.1~50質量部含む、上記項目1~29のいずれかに記載の樹脂組成物。
[31] 上記項目1~30のいずれかに記載の樹脂組成物の製造方法であって、
セルロースナノファイバーと、樹脂と、液状ポリマーとを含む混合物を加熱混練することを含む、方法。
本発明の一態様に係る樹脂組成物は、セルロースナノファイバーと、樹脂と、液状ポリマーとを含む。液状ポリマーは、一態様において熱分解開始温度200℃超を有する。液状ポリマーは、液状であることから非液状材料と比べてセルロースナノファイバー凝集抑制能が良好である傾向があるとともに、ポリマーであることから非ポリマー材料と比べて耐熱性が良好である傾向がある。セルロースナノファイバーと樹脂とを含む樹脂組成物に液状ポリマーを含有させることは、当該液状ポリマーによる高いセルロースナノファイバー凝集抑制能と、高い耐熱性の寄与により、樹脂組成物の加工工程における分解ガス等の発生を抑制する点で有利である。このような分解ガス等の発生抑制は、樹脂組成物の表面粗さ低減による、加飾性及び美観の向上に有利である。
以下、樹脂組成物の各成分の好適例について説明する。
セルロースナノファイバーは、天然セルロース及び再生セルロースから選ばれる各種セルロース繊維原料から得られるものであってよい。天然セルロースとしては、木材種(広葉樹又は針葉樹)から得られる木材パルプ、非木材種(綿、竹、麻、バガス、ケナフ、コットンリンター、サイザル、ワラ等)から得られる非木材パルプ、動物(例えばホヤ類)や藻類、微生物(例えば酢酸菌)、が産生するセルロース繊維集合体を使用できる。再生セルロースとしては、再生セルロース繊維(ビスコース、キュプラ、テンセル等)、セルロース誘導体繊維、エレクトロスピニング法により得られた再生セルロース又はセルロース誘導体の極細糸等を使用できる。これらの原料は、必要に応じて、グラインダー、リファイナー等の機械力による叩解、フィブリル化、微細化等によって、繊維径、繊維長、フィブリル化度等を調整したり、薬品を用いて漂白、精製し、セルロース以外の成分(リグニン等の酸不溶成分、ヘミセルロース等のアルカリ可溶多糖類、等)の含有率を調整したりすることができる。
微細化に用いる装置は特に限定されないが、例えば、高速回転式、コロイドミル式、高圧式、ロールミル式、超音波式などのタイプの装置が挙げられ、高圧または超高圧ホモジナイザー、リファイナー、ビーター、PFIミル、ニーダー、ディスパーザー、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、ボールミル、振動ミル、ビーズミル、コニカルリファイナー、ディスク型リファイナー、1軸、2軸または多軸の混錬機・押出機高速回転下でのホモミキサー、精製装置(refiner)、デフィブレーター(defibrator)、叩解機、摩擦グラインダー、高せん断フィブリレーター(fibrilator)(例えば、キャビトロンローター/スターター装置)、ディスパージャー(disperger)、ホモゲナイザー(例えば、微細流動化機(microfluidizer))など回転軸を中心として金属または刃物とパルプ繊維を作用させるもの、あるいはパルプ繊維同士の摩擦によるものを使用することができる。
で示されるイミダゾリウム系イオン液体は、他のイオン液体よりも比較的融点が低いことから、液体で存在する温度領域が広く、低温でも流動性を有し、熱安定性に優れる点でより好ましい。R1及びR2の炭素数は、それぞれ、解繊性の観点から、4以下がより好ましく、3以下がさらに好ましく、2以下が最も好ましい。
一態様において、セルロースナノファイバーの数平均繊維径は、セルロースナノファイバーによる物性向上効果を良好に得る観点から、好ましくは2~1000nmである。セルロースナノファイバーの数平均繊維径は、より好ましくは4nm以上、又は5nm以上、又は10nm以上、又は15nm以上、又は20nm以上であり、より好ましくは900nm以下、又は800nm以下、又は700nm以下、又は600nm以下、又は500nm以下、又は400nm以下、又は300nm以下、又は200nm以下である。
一態様において、セルロースナノファイバーのBET比表面積は、セルロースナノファイバーの樹脂組成物中の分散性向上の観点から、好ましくは、1m2/g以上、又は3m2/g以上、又は5m2/g以上、又は8m2/g以上、又は10m2/g以上、又は12m2/g以上であり、乾燥体の製造容易性の観点から、好ましくは50m2/g以下、又は40m2/g以下、又は30m2/g以下、又は25m2/g以下、又は20m2/g以下である。比表面積は、比表面積・細孔分布測定装置(例えば、Nova-4200e,カンタクローム・インスツルメンツ社製)にて、セルロースナノファイバー約0.2gを真空下で120℃、5時間乾燥を行った後、液体窒素の沸点における窒素ガスの吸着量を相対蒸気圧(P/P0)が0.05以上0.2以下の範囲にて5点測定した後(多点法)、同装置プログラムによりBET比表面積(m2/g)を算出することで得られる値である。
セルロースナノファイバーの結晶化度は、好ましくは55%以上である。結晶化度がこの範囲にあると、セルロース自体の力学物性(強度、寸法安定性)が高いため、セルロースナノファイバーを樹脂に分散した際に、樹脂組成物の強度、寸法安定性が高い傾向にある。より好ましい結晶化度の下限は、60%であり、さらにより好ましくは70%であり、最も好ましくは80%である。セルロースナノファイバーの結晶化度について上限は特に限定されず、高い方が好ましいが、生産上の観点から好ましい上限は99%である。
結晶化度(%)=[I(200)-I(amorphous)]/I(200)×100
I(200):セルロースI型結晶における200面(2θ=22.5°)による回折ピーク強度
I(amorphous):セルロースI型結晶におけるアモルファスによるハローピーク強度であって、200面の回折角度より4.5°低角度側(2θ=18.0°)のピーク強度
結晶化度(%) =h1 /h0 ×100
セルロースの結晶多形としては、I型、II型、III型、IV型などが知られており、その中でも特にI型及びII型は汎用されており、III型、IV型は実験室スケールでは得られているものの工業スケールでは汎用されていない。本開示のセルロースナノファイバーとしては、構造上の可動性が比較的高く、当該セルロースナノファイバーを樹脂に分散させることにより、線膨張係数がより低く、引っ張り、曲げ変形時の強度及び伸びがより優れた樹脂組成物が得られることから、セルロースI型結晶又はセルロースII型結晶を含有するセルロースナノファイバーが好ましく、セルロースI型結晶を含有し、かつ結晶化度が55%以上のセルロースナノファイバーがより好ましい。
また、セルロースナノファイバーの重合度は、好ましくは100以上、より好ましくは150以上であり、より好ましくは200以上、より好ましくは300以上、より好ましくは400以上、より好ましくは450以上であり、好ましくは3500以下、より好ましくは3300以下、より好ましくは3200以下、より好ましくは3100以下、より好ましくは3000以下である。
なお、化学修飾されたセルロースナノファイバーの重合度に関しては、化学修飾基の存在により正確な算出ができない場合がある。この場合においては化学修飾セルロースナノファイバーの原料である化学修飾する直前のセルロースナノファイバー、又は、化学修飾する直前のセルロース繊維原料の重合度を化学修飾されたセルロースナノファイバーの重合度とみなしてよい。
一態様において、セルロースナノファイバーの重量平均分子量(Mw)は、100000以上、又は200000以上である。一態様において、重量平均分子量と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)は、6以下、又は5.4以下である。重量平均分子量が大きいほどセルロース分子の末端基の数は少ないことを意味する。また、重量平均分子量と数平均分子量との比(Mw/Mn)は分子量分布の幅を表すものであることから、Mw/Mnが小さいほどセルロース分子の末端の数は少ないことを意味する。セルロース分子の末端は熱分解の起点となるため、セルロースナノファイバーのセルロース分子の重量平均分子量が大きいだけでなく、重量平均分子量が大きいと同時に分子量分布の幅が狭い場合に、特に高耐熱性のセルロースナノファイバーが得られる。セルロースナノファイバーの重量平均分子量(Mw)は、セルロース繊維原料の入手容易性の観点から、例えば600000以下、又は500000以下であってよい。重量平均分子量と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)はセルロースナノファイバーの製造容易性の観点から、例えば1.5以上、又は2以上であってよい。Mwは、目的に応じたMwを有するセルロース繊維原料を選択すること、セルロース繊維原料に対して物理的処理及び/又は化学的処理を適度な範囲で適切に行うこと、等によって上記範囲に制御できる。Mw/Mnもまた、目的に応じたMw/Mnを有するセルロース繊維原料を選択すること、セルロース繊維原料に対して物理的処理及び/又は化学的処理を適度な範囲で適切に行うこと、等によって上記範囲に制御できる。セルロース繊維原料のMw及びMw/Mnの各々は一態様において上記範囲内であってもよい。Mwの制御、及びMw/Mnの制御の両者において、上記物理的処理としては、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ディスクミル等の、乾式粉砕若しくは湿式粉砕、擂潰機、ホモミキサー、高圧ホモジナイザー、超音波装置等による衝撃、剪断、ずり、摩擦等の、機械的な力を加える物理的処理を例示でき、上記化学的処理としては、蒸解、漂白、酸処理、酵素処理、再生セルロース化等を例示できる。
なお、化学修飾されたセルロースナノファイバーのMw,Mn,Mw/Mnに関しては、化学修飾基の存在により正確な算出ができない場合がある。この場合においては化学修飾セルロースナノファイバーの原料である化学修飾する直前のセルロースナノファイバー、又は、化学修飾する直前のセルロース繊維原料のMw,Mn,Mw/Mnを化学修飾されたセルロースナノファイバーのMw,Mn,Mw/Mnとみなしてよい。
セルロースナノファイバーの重合度(すなわち平均重合度)又は分子量を制御する方法としては、加水分解処理等が挙げられる。加水分解処理によって、セルロースナノファイバー内部の非晶質セルロースの解重合が進み、平均重合度が小さくなる。また同時に、加水分解処理により、上述の非晶質セルロースに加え、ヘミセルロースやリグニン等の不純物も取り除かれるため、繊維質内部が多孔質化する。
セルロースナノファイバーのミクロフィブリル同士の間、及びミクロフィブリル束同士の間には、ヘミセルロース等のアルカリ可溶多糖類、及びリグニン等の酸不溶成分が存在する。ヘミセルロースはマンナン、キシラン等の糖で構成される多糖類であり、セルロースと水素結合して、ミクロフィブリル間を結びつける役割を果たしている。またリグニンは芳香環を有する化合物であり、植物の細胞壁中ではヘミセルロースと共有結合していることが知られている。
セルロースナノファイバーの熱分解開始温度(TD)は、溶融混練時の熱劣化を回避し、機械強度を発揮できるという観点から、一態様において好ましくは、250℃以上、又は260℃以上、又は270℃以上、又は275℃以上、又は280℃以上、又は285℃以上である。熱分解開始温度は高いほど好ましいが、セルロースナノファイバーの製造容易性の観点から、例えば、320℃以下、又は310℃以下、又は300℃以下であってもよい。
セルロースナノファイバーの1wt%重量減少時の温度(T1%)は、溶融混練時の熱劣化を回避し、機械強度を発揮できるという観点から、一態様において好ましくは、260℃以上、又は270℃以上、又は275℃以上、又は280℃以上、又は285℃以上、又は290℃以上である。T1%は高いほど好ましいが、セルロースナノファイバーの製造容易性の観点から、例えば、330℃以下、又は320℃以下、又は310℃以下であってもよい。
250℃重量変化率(%):(W1-W0)/W0×100
セルロースナノファイバーの各特性(結晶化度、結晶多形、重合度、Mw、Mn、Mw/Mn、アルカリ可溶多糖類平均含有率、酸不溶成分平均含有率、TD、T1%、T250℃等)の測定は測定サンプルの形態によって数値が大きく変動することがある。安定した再現性のある測定をするために、測定サンプルは歪みのない多孔質シートを用いる。多孔質シートの作製方法は以下のとおりである。
目付10g/m2あたり透気抵抗度(sec/100ml)=R/W×10
樹脂組成物中のセルロースナノファイバーの各種物性(数平均繊維長、数平均繊維径、L/D比、結晶化度、結晶多形、重合度、Mw、Mn、Mw/Mn、アルカリ可溶多糖類平均含有率、酸不溶成分平均含有率、TD、T1%、T250℃、及び後述するDS、DSs、DS不均一比、DS不均一比の変動係数等)は以下の方法で分析する。樹脂組成物の樹脂成分を溶解できる有機又は無機の溶媒に樹脂組成物中の樹脂成分を溶解させ、セルロースナノファイバーを分離し、前記溶媒で充分に洗浄した後、溶媒をtert-ブタノールに置換する。その後、セルロースナノファイバーtert-ブタノールスラリーを前記手法と同様の測定法を用いて分析し、樹脂組成物中のセルロースナノファイバーの各種物性を算出する。
セルロースナノファイバーは、化学修飾されたセルロースナノファイバー(化学修飾セルロースナノファイバーともいう)であってよい。セルロースナノファイバーは、例えばセルロース繊維原料の段階、解繊処理中、又は解繊処理後に予め化学修飾されたものであっても良いし、分散体としてのスラリーの調製中又はその後、或いは乾燥・造粒工程中又はその後に化学修飾されてもよい。
R1-C(=O)-X
(式中、R1は炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基、炭素数3~24のシクロアルキル基、又は炭素数6~24のアリール基を表し、XはCl、Br又はIである。)
酸ハロゲン化物の具体例としては、塩化アセチル、臭化アセチル、ヨウ化アセチル、塩化プロピオニル、臭化プロピオニル、ヨウ化プロピオニル、塩化ブチリル、臭化ブチリル、ヨウ化ブチリル、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、ヨウ化ベンゾイル等が挙げられるが、これらに限定されない。中でも、酸塩化物は反応性と取り扱い性の点から好適に採用できる。尚、酸ハロゲン化物の反応においては、触媒として働くと同時に副生物である酸性物質を中和する目的で、アルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。アルカリ性化合物としては、具体的には:トリエチルアミン、トリメチルアミン等の3級アミン化合物;及びピリジン、ジメチルアミノピリジン等の含窒素芳香族化合物;が挙げられるが、これに限定されない。
酢酸、プロピオン酸、(イソ)酪酸、吉草酸等の飽和脂肪族モノカルボン酸無水物;(メタ)アクリル酸、オレイン酸等の不飽和脂肪族モノカルボン酸無水物;
シクロヘキサンカルボン酸、テトラヒドロ安息香酸等の脂環族モノカルボン酸無水物;
安息香酸、4-メチル安息香酸等の芳香族モノカルボン酸無水物;
二塩基カルボン酸無水物として、例えば、無水コハク酸、アジピン酸等の無水飽和脂肪族ジカルボン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等の無水不飽和脂肪族ジカルボン酸無水物、無水1-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水メチルテトラヒドロフタル酸等の無水脂環族ジカルボン酸、及び、無水フタル酸、無水ナフタル酸等の無水芳香族ジカルボン酸無水物等;
3塩基以上の多塩基カルボン酸無水物類として、例えば、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸等の(無水)ポリカルボン酸等が挙げられる。
尚、酸無水物の反応においては、触媒として、硫酸、塩酸、燐酸等の酸性化合物、又はルイス酸、(例えば、MYnで表されるルイス酸化合物であって、MはB、As,Ge等の半金属元素、又はAl、Bi、In等の卑金属元素、又はTi、Zn、Cu等の遷移金属元素、又はランタノイド元素を表し、nはMの原子価に相当する整数であり、2又は3を表し、Yはハロゲン原子、OAc、OCOCF3、ClO4、SbF6、PF6又はOSO2CF3(OTf)を表す。)、又はトリエチルアミン、ピリジン等のアルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。
R-COO-CH=CH2
{式中、Rは、炭素数1~24のアルキル基、炭素数2~24のアルケニル基、炭素数3~16のシクロアルキル基、又は炭素数6~24のアリール基のいずれかである。}で表されるカルボン酸ビニルエステルが好ましい。カルボン酸ビニルエステルは、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、カプロン酸ビニル、シクロヘキサンカルボン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、ミリスチン酸ビニル、パルミチン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、ピバリン酸ビニル、オクチル酸ビニルアジピン酸ジビニル、メタクリル酸ビニル、クロトン酸ビニル、オクチル酸ビニル、安息香酸ビニル、及び桂皮酸ビニルからなる群より選択された少なくとも1種であることがより好ましい。カルボン酸ビニルエステルによるエステル化反応のとき、触媒として、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ土類金属炭酸塩、アルカリ金属炭酸水素塩、1~3級アミン、4級アンモニウム塩、イミダゾール及びその誘導体、ピリジン及びその誘導体、並びにアルコキシドからなる群より選ばれる1種又は2種以上を添加しても良い。
R-COOH
(式中、Rは、炭素数1~16のアルキル基、炭素数2~16のアルケニル基、炭素数3~16のシクロアルキル基、又は炭素数6~16のアリール基を表す。)
尚、カルボン酸の反応においては、触媒として、硫酸、塩酸、燐酸等の酸性化合物、又はルイス酸、(例えば、MYnで表されるルイス酸化合物であって、MはB、As,Ge等の半金属元素、又はAl、Bi、In等の卑金属元素、又はTi、Zn、Cu等の遷移金属元素、又はランタノイド元素を表し、nはMの原子価に相当する整数であり、2又は3を表し、Yはハロゲン原子、OAc、OCOCF3、ClO4、SbF6、PF6又はOSO2CF3(OTf)を表す。)、又はトリエチルアミン、ピリジン等のアルカリ性化合物を1種又は2種以上添加してもよい。
セルロースナノファイバーが化学修飾(例えばアシル化等の疎水化によって)されている場合、セルロースナノファイバーの樹脂中での分散性は良好である傾向があるが、本開示のセルロースナノファイバーは、液状ポリマーと組合されることで、非置換又は低置換度であっても樹脂中で良好な分散性を示すことができる。セルロースナノファイバーがエステル化セルロースナノファイバーである場合、アシル置換度(DS)は、熱分解開始温度が高いエステル化セルロースナノファイバーを得る点で、好ましくは、0.1以上、又は0.2以上、又は0.25以上、又は0.3以上、又は0.5以上であり、エステル化セルロースナノファイバー中に未修飾のセルロース骨格が残存するため、セルロース由来の高い引張強度及び寸法安定性と化学修飾由来の高い熱分解開始温度を兼ね備えたエステル化セルロースナノファイバーを得ることができる点で、好ましくは、2.0以下、又は1.8以下、又は1.5以下、又は1.2以下、又は1.0以下、又は0.8以下、又は0.7以下、又は0.6以下、又は0.5以下である。
置換度DS = 4.13 × IRインデックス(1030)
を使用することで求めることができる。
DS=(Inf)×6/(Inp)
たとえば、修飾基がアセチル基の場合、-CH3に帰属される23ppmのシグナルを用いれば良い。
用いる13C固体NMR測定の条件は例えば以下の通りである。
装置 :Bruker Biospin Avance500WB
周波数 :125.77MHz
測定方法 :DD/MAS法
待ち時間 :75sec
NMR試料管 :4mmφ
積算回数 :640回(約14Hr)
MAS :14,500Hz
化学シフト基準:グリシン(外部基準:176.03ppm)
DSsの値は、エステル化セルロースナノファイバーの修飾度に応じて変わるが、一例として、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上、さらに好ましくは0.3以上、さらに好ましくは0.5以上であり、好ましくは3.0以下、より好ましくは2.5以下、特に好ましくは2.0以下、さらに好ましくは1.5以下、特に好ましくは1.2以下、最も好ましくは1.0以下である。DStの好ましい範囲は、アシル置換基(DS)について前述したとおりである。
DS不均一比=DSs/DSt
変動係数(%)=標準偏差σ/算術平均μ×100
DSs=(Ixf)×5/(Ixp)
たとえば、修飾基がアセチル基の場合、C1sスペクトルを285eV、286eV,288eV,289eVでピーク分離を行った後、Ixpには289evのピークを、Ixfにはアセチル基のO-C=O結合由来のピーク(286eV)を用いれば良い。
用いるXPS測定の条件は例えば以下の通りである。
使用機器 :アルバックファイVersaProbeII
励起源 :mono.AlKα 15kV×3.33mA
分析サイズ :約200μmφ
光電子取出角 :45°
取込領域
Narrow scan:C 1s、O 1s
Pass Energy:23.5eV
本開示の樹脂組成物が含む樹脂は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等であってよい。典型的な態様において、樹脂は熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂は、例えば、100℃~350℃の範囲内に融点を有する結晶性樹脂、100~250℃の範囲内にガラス転移温度を有する非晶性樹脂等であってよい。本開示で、融点とは、示差走査熱量分析装置(DSC)を用いて、23℃から10℃/分の昇温速度で昇温した際に現れる吸熱ピークのピークトップ温度を指し、吸熱ピークが2つ以上現れる場合は、最も高温側の吸熱ピークのピークトップ温度を指す。この時の吸熱ピークのエンタルピーは、10J/g以上であることが望ましく、より望ましくは20J/g以上である。また測定に際しては、サンプルを一度融点+20℃以上の温度条件まで加温し、樹脂を溶融させたのち、10℃/分の降温速度で23℃まで冷却したサンプルを用いることが望ましい。また本開示で、ガラス転移温度とは、動的粘弾性測定装置を用いて、23℃から2℃/分の昇温速度で昇温しながら、印加周波数10Hzで測定した際に、貯蔵弾性率が大きく低下し、損失弾性率が最大となるピークのピークトップの温度をいう。損失弾性率のピークが2つ以上現れる場合は、最も高温側のピークのピークトップ温度を指す。この際の測定頻度は、測定精度を高めるため、少なくとも30秒に1回以上の測定とすることが望ましい。また、測定用サンプルの調製方法については特に制限はないが、成形歪の影響をなくす観点から、熱プレス成形品の切り出し片を用いることが望ましく、切り出し片の大きさ(幅及び厚み)はできるだけ小さい方が熱伝導の観点より望ましい。
本開示の樹脂組成物が含む液状ポリマーとは、23℃において流動性を有しているポリマーを意味する。一態様において、液状ポリマーは、ガラス転移温度(Tg)を有する。一態様において、液状ポリマーは、共役ジエン系重合体又は非共役ジエン系重合体であってよい。液状ポリマーは、一態様において液状ゴムである。本開示で、液状ゴムとは、23℃において流動性を有しており、且つ架橋(より具体的には加硫)及び/又は鎖延長によってゴム弾性体を形成する物質を意味する。すなわち液状ゴムは一態様において未硬化物である。
共役ジエン系重合体は、単独重合体であってよく、又は、2種以上の共役ジエン単量体の共重合体若しくは共役ジエン単量体と他の単量体との共重合体であってよい。共重合体はランダム、ブロックいずれでもよい。
芳香族ビニル単量体としては、共役ジエン単量体と共重合可能な単量体であれば特に限定されず、例えば、スチレン、m又はp-メチルスチレン、α-メチルスチレン、エチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン、ビニルエチルベンゼン、ビニルキシレン、ビニルナフタレン、ジフェニルエチレン、及びジビニルベンゼンが挙げられ、これらを1種単独又は2種以上の組合せで用いてよい。樹脂組成物の成形加工性、及び成形体の耐衝撃性の観点からは、スチレンが好ましい。
共役ジエン結合単位中のビニル結合量(例えばブタジエンの1,2-結合量)は、13C-NMR法(定量モード)によって求めることができる。すなわち、13C-NMRにおいて下記に現れるピーク面積を積分すれば、各構造単位のカーボン量に比例する値を得ることができ、結果として各構造単位の質量%に換算することができる。
スチレン 145~147ppm
ビニル 110~116ppm
ジエン(シス) 24~28ppm
ジエン(トランス) 29~33ppm
非共役ジエン系重合体は、単独重合体であってよく、又は、2種以上の非共役ジエン単量体の共重合体若しくは非共役ジエン単量体と他の単量体との共重合体であってよい。共重合体はランダム、ブロックいずれでもよい。非共役ジエン系重合体としては、オレフィン系重合体(例えば流動パラフィン)、シリコーンポリマー、アクリルポリマー等が挙げられる。例えば、液状ポリマーが液状ゴムである場合の非共役ジエン系重合体としては、
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、エチレン-ブテン-ジエンゴム、エチレン-αオレフィン共重合体等のオレフィン系重合体、
ブチルゴム、臭素化ブチルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、塩素化ポリエチレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、α,β-不飽和ニトリル-アクリル酸エステル-共役ジエン共重合ゴム、ウレタンゴム、多硫化ゴム等が挙げられる。
η50/ηTm≧20
1≦ηr/η50≦1000
を満たす。液状ポリマーの粘度を制御することは、液状ポリマーをセルロースナノファイバーの周囲に存在させることによる分散性向上効果を良好に得る観点で有利である。η50/ηTm比は、セルロースナノファイバー、樹脂及び液状ポリマーの溶融混合において、液状ポリマーが加熱される際の粘度変化の指標である。ηr/η50比は、当該溶融混合において、液状ポリマーが樹脂とのバランスにおいてどの程度流動性に富むかの指標である。η50/ηTm比及びηr/η50比の両方が上記関係を満たす場合、液状ポリマーは、溶融混合時に、流動性が良好でありつつ過度に粘稠でないことによって、セルロースナノファイバーの周囲に留まって当該セルロースナノファイバーの樹脂中での分散を向上させる効果を良好に発揮できる。
例えば、η50/ηTm比は、融点が比較的低い熱可塑性樹脂については比較的小さく、融点が比較的高い熱可塑性樹脂について比較的大きくすることが、所望の粘度に応じた材料設計を容易にする観点で有利である。
また、ηr/η50比は、ポリアミド系樹脂のような高融点である樹脂では、比較的大きい値にすることが、所望の粘度に応じた材料設計を容易にする観点で有利である。
また、ηr/ηTm比は、ポリアセタール系樹脂のような結晶性が極めて高く、溶融粘度の高い樹脂では、比較的大きい値にすることが可能である。
η50/ηTm≧20
を満たす。ポリオレフィン系樹脂におけるη50/ηTm比は、前述の観点から、好ましくは、20以上、又は30以上、又は100以上であり、前述の観点から、好ましくは、1000以下、又は500以下、又は300以下である。
ηr/ηTm≦50000
を満たす。ポリオレフィン系樹脂におけるηr/ηTm比は、前述の観点から、好ましくは、50000以下、又は30000以下、又は20000以下であり、前述の観点から、好ましくは、100以上である。
η50/ηTm≧20
を満たす。ポリアセタール系樹脂におけるη50/ηTm比は、前述の観点から、好ましくは、20以上、又は30以上、又は45以上、又は100以上であり、前述の観点から、好ましくは、2000以下、又は1500以下、又は1000以下である。
ηr/ηTm≦100000
を満たす。ポリアセタール系樹脂におけるηTm/ηr比は、前述の観点から、好ましくは、100000以下、又は50000以下、又は40000以下であり、前述の観点から、好ましくは、100以上である。
η50/ηTm≧80
を満たす。ポリアミド系樹脂におけるη50/ηTm比は、前述の観点から、好ましくは、80以上、又は100以上、又は150以上、又は500以上であり、前述の観点から、好ましくは、10000以下、又は5000以下、又は1000以下である。
ηr/ηTm≦50000
を満たす。ポリアミド系樹脂におけるηTm/ηr比は、前述の観点から、好ましくは、50000以下、又は40000以下、又は30000以下であり、前述の観点から、好ましくは、100以上である。
一態様において、本実施形態の樹脂組成物は界面活性剤不含有である。液状ポリマーは、非ポリマーである界面活性剤等と比べて熱安定性に優れる傾向があることから、樹脂組成物の製造時及び加工時の加熱を被っても、樹脂組成物及び成形体の機械特性、可飾性及び外観に不利に影響しない点で有利である。一態様に係る樹脂組成物は、液状ポリマーの寄与によって、界面活性剤不含有であってもセルロースナノファイバーの良好な分散が実現され得ることから界面活性剤不含有であってよい。本開示で、界面活性剤不含有とは、樹脂組成物中の界面活性剤の量が、液状ポリマー100質量部に対して、0.1質量部未満であることを意味する。一方、セルロースナノファイバーの表面を相互作用により修飾し、液状ポリマーによるセルロースナノファイバーの分散をより向上させる観点で、一態様においては、分散助剤を少量含んでいてもよい。分散助剤は、液状ポリマー100質量部に対して、セルロースナノファイバーの分散性を向上させる観点から、好ましくは、0.1質量部以上、又は1質量部以上、又は5質量部以上含んでいてよく、分散助剤に起因する性能低下の観点から、好ましくは50質量部以下、又は30質量部以下、又は10質量部以下含んでいてよい。
炭化水素を有するセグメントとしては、アルキル型、アルケニル型、アルキルエーテル型、アルケニルエーテル型、アルキルフェニルエーテル型、アルケニルフェニルエーテル型、ロジンエステル型、ビスフェノールA型、βナフチル型、スチレン化フェニル型、及び硬化ひまし油型等が好ましい。疎水基のアルキル鎖、又はアルケニル鎖の炭素数(アルキルフェニル、又はアルケニルフェニルの場合はフェニル基を除いた炭素数)は、好ましくは、5以上、又は10以上、又は12以上、又は16以上である。
ポリマー構造を含むセグメントとしては、アクリル系ポリマー、スチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、塩化ビニリデン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリヘキサメチレンアジパミド(6,6ナイロン)、ポリヘキサメチレンアゼラミド(6,9ナイロン)、ポリヘキサメチレンセバカミド(6,10ナイロン)、ポリヘキサメチレンドデカノアミド(6,12ナイロン)、ポリビス(4‐アミノシクロヘキシル)メタンドデカン等の、炭素数4~12の有機ジカルボン酸と炭素数2~13の有機ジアミンとの重縮合物、ω-アミノ酸(例えばω-アミノウンデカン酸)の重縮合物(例えば、ポリウンデカンアミド(11ナイロン)等)、ε-アミノカプロラクタムの開環重合物であるポリカプラミド(6ナイロン)、ε-アミノラウロラクタムの開環重合物であるポリラウリックラクタム(12ナイロン)等の、ラクタムの開環重合物を含むアミノ酸ラクタム、ジアミンとジカルボン酸とから構成されるポリマー、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルケトン系樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、疎水性シリコーン系樹脂、メラミン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂等が好ましい。
樹脂組成物は、その性能を向上させるために、必要に応じて追加の成分をさらに含んでも良い。追加の成分としては、セルロースナノファイバー以外のフィラー成分;相溶化剤;可塑剤;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;ゼオライト、セラミックス、タルク、シリカ、金属酸化物、金属粉末等の無機化合物;着色剤;香料;顔料;流動調整剤;レベリング剤;導電剤;熱安定剤;酸化防止剤;帯電防止剤;紫外線吸収剤;紫外線分散剤;消臭剤等が挙げられる。任意の追加の成分の樹脂組成物中の含有割合は、本発明の所望の効果が損なわれない範囲で適宜選択されるが、例えば0.01~50質量%、又は0.1~30質量%であってよい。
(T1)≧(T2)
を満たす。
(T1)>(T3)
を満たす。
T3は、樹脂が結晶性樹脂である場合には融点であり、非晶性樹脂である場合にはガラス転移温度+70℃である。
特に好ましい態様においては、熱可塑性樹脂が結晶性を有する(すなわち融点を有する)熱可塑性樹脂であり、温度T3が熱可塑性樹脂の融点である。
(T1)>(T4)
を満たす。
T4は、樹脂が結晶性樹脂である場合には融点であり、非晶性樹脂である場合にはガラス転移温度+100℃である。
(T1)≧(T2)>(T3)
を満たす。
本発明の一態様はまた、セルロースナノファイバー、樹脂及び液状ポリマーを含む樹脂組成物の製造方法を提供する。一態様において、当該方法は、セルロースナノファイバー、樹脂及び液状ポリマーを含む混合物を加熱混練することを含む。液状ポリマーは、セルロースナノファイバーを樹脂中に良好に分散させるための分散剤として機能し得るところ、例えば液状の非ポリマー材料等と比べてセルロースナノファイバー凝集抑制能と耐熱性とに優れる傾向がある。このような液状ポリマーを用いることで、本実施形態の樹脂組成物の製造時には、各成分の熱劣化の懸念なく加熱混練を十分に実施できるため、セルロースナノファイバーを樹脂中に良好に分散させることができる。このようにして製造される樹脂組成物は、機械特性に優れるとともに高い表面平滑性によって可飾性及び美観にも優れる成形体の形成に有利である。
-セルロースナノファイバーと液状ポリマーと任意に追加の成分とを混合してマスターバッチを製造し、これを樹脂モノマーと混合して樹脂の重合反応を行い、得られた樹脂組成物をストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る方法、
-単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂と上記のマスターバッチとの混合物を溶融混練し、ストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る方法、
-単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂と上記のマスターバッチとの混合物を溶融混練し、棒状又は筒状に押出し冷却して押出成形体を得る方法、
-単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂と上記のマスターバッチとの混合物を溶融混練し、Tダイより押出しシート、又はフィルム状の成形体を得る方法、
等が挙げられる。好ましい態様においては、単軸又は二軸押出機を用いて、樹脂とマスターバッチとの混合物を溶融混練し、ストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る。
例えば、樹脂と所望の比率となるように搬送されたマスターバッチを樹脂中に投入して混合した後、溶融混練してよい。
(1)セルロースナノファイバーと、液状ポリマーと、任意に追加の成分とを同時に添加して混合する方法、
(2)液状ポリマー以外の成分を予め混合して予備混合物を得た後、当該予備混合物と液状ポリマーとを混合する方法、
等が挙げられる。
本実施形態の樹脂組成物は、種々の形状での提供が可能である。具体的には、樹脂ペレット状、シート状、繊維状、板状、棒状等が挙げられるが、樹脂ペレット形状が、後加工の容易性及び運搬の容易性から好ましい。好ましい樹脂ペレット形状としては、丸型、楕円型、円柱型などが挙げられ、形状は押出加工時のカット方式により異なってよい。例えば、アンダーウォーターカットと呼ばれるカット方法で切断されたペレットは、丸型になることが多く、ホットカットと呼ばれるカット方法で切断されたペレットは丸型又は楕円型になることが多く、ストランドカットと呼ばれるカット方法で切断されたペレットは円柱状になることが多い。丸型ペレットの好ましいペレット直径は、1mm以上3mm以下である。円柱状ペレットの好ましい直径は、1mm以上3mm以下であり、好ましい長さは、2mm以上10mm以下である。上記の直径及び長さは、押出時の運転安定性の観点から、下限以上とすることが望ましく、後加工での成形機への噛み込み性の観点から、上限以下とすることが望ましい。
本実施形態の方法で得られる樹脂組成物は、鋼板、繊維強化プラスチック(例えば炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック等)、無機フィラーを含む樹脂コンポジット、等の代替品として有用である。樹脂組成物の好適な用途としては、産業用機械部品、一般機械部品、自動車・鉄道・車両・船舶・航空宇宙関連部品、電子・電気部品、建築・土木材料、生活用品、スポーツ・レジャー用品、風力発電用筐体部材、容器・包装部材、等を例示できる。
<引張降伏強度>
樹脂組成物の引張降伏強度は、一態様において、20MPa以上、又は50MPa以上、又は80MPa以上であってよく、300MPa以下、又は200MPa以下、又は150MPa以下であってよい。
樹脂組成物の引張破断伸度は、一態様において、2%以上、又は3%以上、又は5%以上であってよく、200%以下、又は100%以下、又は20%以下であってよい。
樹脂組成物の曲げ弾性率は、一態様において、2.0GPa以上、又は2.5GPa以上、又は3.0GPa以上、又は3.5GPa以上、又は3.7GPa以上、又は3.9GPa以上であってよく、20.0GPa以下、又は10.0GPa以下、又は8.0GPa以下であってよい。
樹脂組成物の250℃重量減少率(T250℃)は、樹脂組成物の成形時の熱劣化を回避し、成形体の機械強度を良好にする観点から、好ましくは、1.5%以下、又は1.4%以下、又は1.3%以下である。上記250℃重量減少率は低い方が望ましいが、樹脂組成物の製造容易性の観点から、一態様において、0.01%以上、又は0.1%以上、又は0.3%以上であってよい。樹脂組成物の250℃重量減少率(T250℃)は、TG分析において、樹脂組成物を250℃、窒素フロー下で2時間保持した時の重量減少率である。樹脂組成物を窒素フロー100ml/min中で、室温から150℃まで昇温速度:10℃/minで昇温し、150℃で1時間保持した後、150℃から250℃まで昇温速度:10℃/minで昇温し、そのまま250℃で2時間保持する。250℃に到達した時点での重量W0を起点として、2時間250℃で保持した後の重量をW1とし、下記式より求める。
250℃重量変化率(%):(W1-W0)/W0×100
本実施形態の樹脂組成物は、低い表面粗さを有することで加飾性及び外観に優れることができる。樹脂組成物の算術平均表面粗さRaは、好ましくは、0.5μm以下、又は0.4μm以下、又は0.3μm以下である。算術平均表面粗さRaは、樹脂組成物の製造容易性の観点から、一態様において、0.001μm以上、又は0.01μm以上、又は0.1μm以上であってよい。
<セルロースナノファイバー>
[多孔質シートの作製]
まず、濃縮ケーキをtert-ブタノール中に添加し、さらにミキサー等で凝集物が無い状態まで分散処理を行った。セルロースナノファイバー固形分重量0.5gに対し、濃度が0.5質量%となるように調整した。得られたtert-ブタノール分散液100gをろ紙上で濾過した。濾過物はろ紙から剥離させずに、ろ紙と共により大きなろ紙2枚の間に挟み、かつ、そのより大きなろ紙の縁をおもりで押さえつけながら、150℃のオーブンにて5分間乾燥させた。その後、ろ紙を剥離して歪みの少ない多孔質シートを得た。このシートの透気抵抗度がシート目付10g/m2あたり100sec/100ml以下のものを多孔質シートとし、測定サンプルとして使用した。
23℃、50%RHの環境で1日静置したサンプルの目付W(g/m2)を測定した後、王研式透気抵抗試験機(旭精工(株)製、型式EG01)を用いて透気抵抗度R(sec/100ml)を測定した。この時、下記式に従い、10g/m2目付あたりの値を算出した。
目付10g/m2あたり透気抵抗度(sec/100ml)=R/W×10
多孔質シートを0.88g秤量し、ハサミで小片に切り刻んだ後、軽く攪拌したうえで、純水20mLを加え1日放置した。次に遠心分離によって水と固形分を分離した。続いてアセトン20mLを加え、軽く攪拌したうえで1日放置した。次に遠心分離によってアセトンと固形分を分離した。続いてN、N-ジメチルアセトアミド20mLを加え、軽く攪拌したうえで1日放置した。再度、遠心分離によってN、N-ジメチルアセトアミドと固形分を分離したのち、N,N-ジメチルアセトアミド20mLを加え、軽く攪拌したうえで1日放置した。遠心分離によってN,N-ジメチルアセトアミドと固形分を分離し、固形分に塩化リチウムが8質量パーセントになるように調液したN,N-ジメチルアセトアミド溶液を19.2g加え、スターラーで攪拌し、目視で溶解するのを確認した。セルロースナノファイバーを溶解させた溶液を0.45μmフィルターでろ過し、ろ液をゲルパーミエーションクロマトグラフィ用の試料として供した。用いた装置と測定条件は下記である。
装置 :東ソー社 HLC-8120
カラム:TSKgel SuperAWM-H(6.0mmI.D.×15cm)×2本
検出器:RI検出器
溶離液:N,N-ジメチルアセトアミド(塩化リチウム0.2%)
流速:0.6mL/分
検量線:プルラン換算
なお、アセチル化セルロースナノファイバーについては、アセチル化する前の原料の重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)及びMw/Mn比を採用した。
アルカリ可溶多糖類含有率は、セルロースナノファイバーについて非特許文献(木質科学実験マニュアル、日本木材学会編、92~97頁、2000年)に記載の手法より、ホロセルロース含有率(Wise法)からαセルロース含有率を差し引くことで求めた。1つのサンプルにつき3回アルカリ可溶多糖類含有率を算出し、算出したアルカリ可溶多糖類含有率の数平均をセルロースナノファイバーのアルカリ可溶多糖類平均含有率とした。なお、アセチル化セルロースナノファイバーについては、アセチル化する前の原料のアルカリ可溶多糖類平均含有率を採用した。
多孔質シートのX線回折測定を行い、下記式より結晶化度を算出した。
結晶化度(%)=[I(200)-I(amorphous)]/I(200)×100
I(200):セルロースI型結晶における200面(2θ=22.5°)による回折ピーク強度
I(amorphous):セルロースI型結晶におけるアモルファスによるハローピーク強度であって、200面の回折角度より4.5°低角度側(2θ=18.0°)のピーク強度
(X線回折測定条件)
装置 MiniFlex(株式会社リガク製)
操作軸 2θ/θ
線源 CuKα
測定方法 連続式
電圧 40kV
電流 15mA
開始角度 2θ=5°
終了角度 2θ=30°
サンプリング幅 0.020°
スキャン速度 2.0°/min
サンプル:試料ホルダー上に多孔質シートを貼り付け
濃縮ケーキをtert-ブタノールで0.01質量%まで希釈し、高剪断ホモジナイザー(IKA製、商品名「ウルトラタラックスT18」)を用い、処理条件:回転数15,000rpm×3分間で分散させ、オスミウム蒸着したシリコン基板上にキャストし、風乾したものを、高分解能走査型電子顕微鏡(日立ハイテク社製、Regulus8220)で測定した。測定は、少なくとも100本のセルロース繊維が観測されるように倍率を調整して行い、無作為に選んだ100本のセルロース繊維の短径(D)を測定し、100本のセルロース繊維の加算平均を算出した。
比表面積・細孔分布測定装置(Nova-4200e,カンタクローム・インスツルメンツ社製)にて、多孔質シート約0.2gを真空下、120℃で5時間乾燥させた後、液体窒素の沸点における窒素ガスの吸着量を相対蒸気圧(P/P0)が0.05以上0.2以下の範囲にて5点測定した後(多点法)、同装置プログラムによりBET比表面積(m2/g)を算出した。
多孔質シートの5か所のATR-IR法による赤外分光スペクトルを、フーリエ変換赤外分光光度計(JASCO社製 FT/IR-6200)で測定した。赤外分光スペクトル測定は以下の条件で行った。
積算回数:64回、
波数分解能:4cm-1、
測定波数範囲:4000~600cm-1、
ATR結晶:ダイヤモンド、
入射角度:45°
IRインデックス= H1730/H1030
に従って算出した。式中、H1730及びH1030は1730cm-1、1030cm-1(セルロース骨格鎖C-O伸縮振動の吸収バンド)における吸光度である。ただし、それぞれ1900cm-1と1500cm-1を結ぶ線と800cm-1と1500cm-1を結ぶ線をベースラインとして、このベースラインを吸光度0とした時の吸光度を意味する。
そして、各測定場所の平均置換度をIRインデックスより下記式に従って算出し、その平均値をDSとした。
DS=4.13×IRインデックス
上記のATR-IR測定を行った多孔質シートを凍結粉砕し、セルロースの粉末サンプルを作製した。粉末を10枚の2.5mmφの皿状試料台に載せ、表面を抑えて平らにし、それぞれXPS測定を行った。得られたC1sスペクトルについてピーク分離を行い、セルロースのピラノース環由来の炭素C2-C6に帰属されるピーク(289eV、C-C結合)の面積強度(Ixp)に対するアセチル基のO-C=O結合由来のピーク(286eV)の面積強度(Ixf)より各サンプルのDSsを下記式で求め、その平均をセルロース繊維のDSsとした。
DSs=(Ixf)×5/(Ixp)
使用機器 :アルバックファイVersaProbeII
励起源 :mono.AlKα 15kV×3.33mA
分析サイズ :約200μmφ
光電子取出角 :45°
取込領域
Narrow scan:C 1s、O 1s
Pass Energy:23.5eV
DS不均一比(CV)=DSs/DS
多孔質シートの熱分析を以下の測定法にて行った。
装置:Rigaku社製、Thermo plus EVO2
サンプル:多孔質シートから円形に切り抜いたものをアルミ試料パン中に10mg分重ねて入れた。
サンプル量:10mg
測定条件:窒素フロー100ml/min中で、室温から150℃まで昇温速度:10℃/minで昇温し、150℃で1時間保持した後、そのまま450℃まで昇温速度:10℃/minで昇温した。
TD算出方法:横軸が温度、縦軸が重量残存率%のグラフから求めた。多孔質シートの150℃(水分がほぼ除去された状態)での重量(重量減少量0wt%)を起点としてさらに昇温を続け、1wt%重量減少時の温度と2wt%重量減少時の温度とを通る直線を得た。この直線と、重量減少量0wt%の起点を通る水平線(ベースライン)とが交わる点の温度を熱分解開始温度(TD)とした。
前記TD算出時に用いた1wt%重量減少時の温度を1wt%重量減少温度とした。
装置:Rigaku社製、Thermo plus EVO2
サンプル:多孔質シートから円形に切り抜いたものをアルミ試料パン中に10mg分重ねて入れた。
サンプル量:10mg
測定条件:窒素フロー100ml/min中で、室温から150℃まで昇温速度:10℃/minで昇温し、150℃で1時間保持した後、150℃から250℃まで昇温速度:10℃/minで昇温し、そのまま250℃で2時間保持した。250℃に到達した時点での重量W0を起点として、2時間250℃で保持した後の重量をW1とし、下記式より求めた。
250℃重量変化率(%):(W1-W0)/W0×100
[融点+20℃における溶融粘度]
ツインキャピラリーレオメーター(Malvern社製、型番RH7)を用いて、各樹脂の融点+20℃における樹脂粘度を、シェアレート500/sの条件で測定した。
[分子量]
供給元の製品カタログに記載される値を表2に示す。
液状ポリマーの粘度は、B型粘度計(英弘精機社製、型番DVNext)を用いて、回転数10rpmで測定した。
上記B型粘度計のジャケット温度を50℃に調整して、回転数10rpmで測定した。
上記B型粘度計のジャケット温度を各樹脂の融点+20℃に調整して、回転数10rpmで測定した。
供給元の製品カタログに記載される値を表2に示す。
JIS K6240に記載の方法で測定した。
アルミ試料パンに液状ポリマー10mgを入れ、セルロースナノファイバーと同様にして測定した。
走査透過電子顕微鏡(STEM)を用い、以下の条件で評価した。
樹脂組成物ペレットを適当な大きさにトリミングし、クライオミクロトームを用い、設定厚み100nmにて、MD-ND断面の超薄切片を作製した。これを銅メッシュに積載後、ルテニウム染色、オスミウム染色、リンタングステン酸染色などの電子染色から適切な染色を施して、検鏡用試料を得た。STEMの観察条件は以下のとおりである。
装置 :S-5500((株)日立製作所製)
加速電圧 :30.0kV
検出器 :BF-STEM(透過像)
得られた透過像において、繊維形状を有するものをセルロースナノファイバーとして、セルロースナノファイバーと樹脂の界面に液状ポリマーが存在しているか、以下の観察を行った。画像は、任意の視野で、倍率50000倍で10枚の画像を撮影し、全ての画像において界面に液状ポリマーが存在する場合を、「有」、一部または全部の画像において、界面に液状ポリマーが観察されない場合を、「無」とした。
セルロースナノファイバーと同様の方法で測定した。
ISO527-1に準拠し、引張降伏強度及び引張破断伸度を測定した。降伏に至る前に破断した成形片については、その最大強度を代用した。
得られたペレットから、射出成形機を用いて、JIS K6920-2に準拠した条件で成形を行い、ISO294-3に準拠した多目的試験片を成形した。射出成形の成形温度は、ポリアミド6は260℃、ポリアミド66は280℃、ポリプロピレンは200℃、ポリアセタールは210℃とした。曲げ弾性率を、ISO179に準拠して測定した。なお、ポリアミド樹脂は、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋に保管し、吸湿を抑制した。
ISO294-3に準拠した多目的試験片を試料とし、レーザーマイクロスコープ(レーザーテック製、OPTELICS)を用いて、JISB0031に準拠して測定した。試料の中央部位の粗さ曲線を計測し、粗さ曲線の平均線方向で基準長さ(a)だけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向をX軸、縦倍率の方向をY軸とし、粗さ曲線をy=f(x)で表したときに、下記式:
A:算術平均表面粗さRaが0.5μm以下
B:算術平均表面粗さRaが0.5μm超
<セルロースナノファイバー>
CNF-A:アセチル化セルロースナノファイバー
NETZSCH Vakumix社製KAPPA VITA(登録商標)ホモミキサー(タンクサイズ35L)に、後述のCNF-D濃縮ケーキ(固形分率20質量%)5質量部とDMSO95質量部を加えて、ホモミキサー2500rpm(周速度12m/s)で分散させた後、DMSOスラリー(固形分率1.0質量%)100質量部を得た。つづいて、酢酸ビニル2質量部及び炭酸カリウム0.3質量部を加え、40℃で3時間攪拌した。反応を停止させるため、水100質量部を攪拌しながら加えた。つづいて、濾過により固形分を濾別した。得られた固形分に対して100質量部の水を加えてホモミキサーで分散させた後、濾過をする洗浄操作を6回実施し、CNF-A濃縮ケーキ(固形分率20質量%)5質量部を得た。
コットンリンターパルプ3質量部を水27質量部に浸漬させて、パルパーで分散を行った。パルパー処理したコットンリンターパルプスラリー30質量部(内、コットンリンターパルプ3質量部)に水を170質量部入れて水中に分散させて(固形分率1.5質量%)、ディスクリファイナー装置として相川鉄工(株)製SDR14型ラボリファイナー(加圧型DISK式)を用い、ディスク間のクリアランスを1mmとして該水分散体を30分間叩解処理して、スラリー(固形分濃度:1.5質量%)を得た。そして、脱水機により固形分率20質量%まで濃縮し、CNF-B濃縮ケーキを15質量部得た。
市販のセリッシュKY100G(ダイセルファインケム製)をCNF-Cケーキとして使用した。
コットンリンターパルプ3質量部を水27質量部に浸漬させて、パルパーで分散を行った。パルパー処理したコットンリンターパルプスラリー30質量部(内、コットンリンターパルプ3質量部)に水を170質量部入れて水中に分散させて(固形分率1.5質量%)、ディスクリファイナー装置として相川鉄工(株)製SDR14型ラボリファイナー(加圧型DISK式)を用い、ディスク間のクリアランスを1mmとして該水分散体を30分間叩解処理した。それに引き続き、クリアランスをほとんどゼロに近いレベルにまで低減させた条件下で徹底的に叩解を行い、叩解水分散体(固形分濃度:1.5質量%)を得た。得られた叩解水分散体を、そのまま高圧ホモジナイザー(ニロ・ソアビ社(伊)製NSO15H)を用いて操作圧力100MPa下で10回微細化処理し、スラリー(固形分濃度:1.5質量%)を得た。そして、脱水機により固形分率20質量%まで濃縮し、CNF-D濃縮ケーキを15質量部得た。
ポリアミド6(宇部興産(株)製、UBE NYLON 1013B)、融点:225℃、ηr:200Pa・s
ポリアミド66(旭化成(株)製、LEONA1300)、融点:265℃、ηr:200Pa・s
ポリプロピレン((株)プライムポリマー製、J106G)、融点:160℃、ηr:1000Pa・s
ポリアセタール(旭化成(株)製、TENAC HC450)、融点:165℃、ηr:20000Pa・s
下記表2に示すものを用いた。
酸化防止剤:BASF社製、Irganox 245
[実施例1~23]
上記材料を表3及び4に示す配合で用い、下記手順で樹脂組成物を調製した。
上記のセルロース乾燥体と、樹脂とを表3及び4に示す割合で配合し、二軸押出機で混練し、樹脂組成物としてセルロース含有樹脂ペレットを得た。
表5に示すように、液状ポリマー1の代わりにPEG-PPGを用いた他は実施例1と同様にして、樹脂組成物を得た。
表5に示すように、樹脂を単独で二軸押出機に投入し、実施例1と同様の条件で混練して樹脂組成物を得た。
評価結果を表3~5に示す。
Claims (30)
- セルロースナノファイバー(但し、酸化処理パルプが解繊されて形成されたセルロース微細繊維、及びアニオン性基を含むセルロース繊維を除く。)と、樹脂と、熱分解開始温度が200℃超である液状ポリマーとを含む、樹脂組成物であって、
前記樹脂が、熱可塑性樹脂であり、
前記液状ポリマーが、液状ゴム(但し、前記セルロースナノファイバーと共有結合しているものを除く。)を含む、樹脂組成物。 - 前記液状ポリマーが、前記液状ゴムである、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーが、ジエン系ゴムを含む、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーが、ポリブタジエン、ブタジエン-スチレン共重合体、ポリイソプレン、及びポリクロロプレンからなる群から選択される1種以上である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーの数平均分子量が、1,000~80,000である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーの25℃での粘度が、100mPa・s~1,000,000mPa・sである、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーが、共役ジエン単量体と芳香族ビニル単量体との共重合体であり、共役ジエン単量体と結合した芳香族ビニル単量体の量が、5モル%~70モル%である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーのガラス転移温度が、-150℃~25℃である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記セルロースナノファイバーが、化学修飾セルロースナノファイバーである、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記化学修飾セルロースナノファイバーが、アシル置換度0.1~2.0のアシル化セルロースナノファイバーである、請求項9に記載の樹脂組成物。
- 前記セルロースナノファイバーの数平均繊維径が、2nm~1000nmである、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記セルロースナノファイバーの熱分解開始温度が、250℃以上である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーが、少なくとも、前記セルロースナノファイバーと前記樹脂との界面の一部に浸入した形態で存在している、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記樹脂組成物の250℃重量減少率が、1.5%以下である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーの熱分解開始温度T1、及び前記セルロースナノファイバーの熱分解開始温度T2が、以下の関係:
(T1)≧(T2)
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記T1と前記T2との差T1-T2が、5℃以上である、請求項15に記載の樹脂組成物。
- 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、及びポリアセタール系樹脂からなる群から選択される1種以上である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーの熱分解開始温度T1、及び、前記熱可塑性樹脂の融点であるか又はガラス転移温度+70℃である温度T3が、以下の関係:
(T1)>(T3)
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が結晶性を有する熱可塑性樹脂であり、前記温度T3が前記熱可塑性樹脂の融点である、請求項18に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマーの熱分解開始温度T1、及び、前記熱可塑性樹脂の融点であるか又はガラス転移温度+100℃である温度T4が、以下の関係:
(T1)>(T4)
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記熱可塑性樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmと、前記熱可塑性樹脂の融点+20℃における前記熱可塑性樹脂の溶融粘度ηrとが、以下の関係:
η50/ηTm≧20、且つ
1≦ηr/η50≦1000
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂であり、
前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
η50/ηTm≧20
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂であり、
前記ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃における前記ポリオレフィン系樹脂の溶融粘度ηrと、前記ポリオレフィン系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
ηr/ηTm≦50000
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が、ポリアセタール系樹脂であり、
前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記ポリアセタール系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
η50/ηTm≧20
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が、ポリアセタール系樹脂であり、
前記ポリアセタール系樹脂の融点+20℃における前記ポリアセタール系樹脂の溶融粘度ηrと、前記ポリアセタール系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
ηr/ηTm≦100000
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂であり、
前記液状ポリマーの50℃における粘度η50と、前記ポリアミド系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
η50/ηTm≧80
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂であり、
前記ポリアミド系樹脂の融点+20℃における前記ポリアミド系樹脂の溶融粘度ηrと、前記ポリアミド系樹脂の融点+20℃における液状ポリマーの粘度ηTmとが、以下の関係:
ηr/ηTm≦50000
を満たす、請求項1に記載の樹脂組成物。 - 界面活性剤不含有である、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 前記液状ポリマー100質量部に対して分散助剤を0.1~50質量部含む、請求項1に記載の樹脂組成物。
- 請求項1~29のいずれか一項に記載の樹脂組成物の製造方法であって、
セルロースナノファイバーと、樹脂と、液状ポリマーとを含む混合物を加熱混練することを含む、方法。
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