JP2018119072A - Master batch, rubber composition, and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マスターバッチ、未加橋ゴム組成物及びゴム組成物、並びにそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a master batch, an uncured bridge rubber composition and a rubber composition, and methods for producing them.
ゴムとセルロース系繊維を含むゴム組成物が、優れた機械強度を有することが知られている。このようなゴム組成物の原料として、平均繊維径が0.5μm未満のセルロース短繊維とゴムラテックスとを撹拌混合して得られるゴム/短繊維のマスターバッチが知られている(例えば、特許文献1参照)。当該ゴム/短繊維のマスターバッチは、平均繊維径が0.5μm未満の短繊維を水中でフィブリル化させた分散液と、ゴムラテックスと、を混合して乾燥させることにより、短繊維をゴム中に均一に分散させたものであり、ゴム補強性と耐疲労性のバランスに優れるゴム組成物を製造できることが記載されている。 It is known that rubber compositions containing rubber and cellulosic fibers have excellent mechanical strength. As a raw material for such a rubber composition, a master batch of rubber / short fiber obtained by stirring and mixing cellulose short fibers having an average fiber diameter of less than 0.5 μm and rubber latex is known (for example, patent document). 1). The rubber / short fiber master batch is prepared by mixing a dispersion obtained by fibrillating short fibers having an average fiber diameter of less than 0.5 μm in water and a rubber latex and drying the mixture to dry the short fibers in the rubber. It is described that a rubber composition having a good balance between rubber reinforcement and fatigue resistance can be produced.
一般に、ゴムとセルロース系繊維とは相溶性が低いため、上記のゴム組成物においても、ゴムとセルロース系繊維の相溶性を向上させることが検討されている。例えば、カップリング剤を使用することやセルロース繊維に長鎖アルキル基を導入すること等が検討されている(例えば、特許文献2、3)。 In general, since rubber and cellulosic fibers have low compatibility, it has been studied to improve the compatibility of rubber and cellulosic fibers in the rubber composition. For example, use of a coupling agent or introduction of a long-chain alkyl group into cellulose fibers has been studied (for example, Patent Documents 2 and 3).
しかしながら、上記の方法では反応性が悪い場合があり、ゴムとセルロース系繊維の相溶性の改善が不十分となる場合があった。そのため、ゴム組成物の物性改善効果が十分ではない場合があった。 However, in the above method, the reactivity may be poor, and the improvement of the compatibility between rubber and cellulosic fibers may be insufficient. Therefore, the physical property improvement effect of the rubber composition may not be sufficient.
本発明の課題は、破断伸びを損なわず、かつ低ひずみにおける応力の高いゴムを製造可能なマスターバッチを提供することである。 The subject of this invention is providing the masterbatch which can manufacture the rubber | gum with high stress in low distortion, without impairing break elongation.
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、少なくともゴム成分及びセルロース系繊維を含む混合物を加熱処理することにより上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明者らは、下記の〔1〕〜〔21〕を提供する。
〔1〕ゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤を原料とし、少なくとも前記ゴム成分及び前記セルロース系繊維を含む混合物の加熱処理物を含有するマスターバッチ。
〔2〕前記ゴム成分及び前記セルロース系繊維を含む混合物Aの加熱処理物Aと、前記シランカップリング剤との混練物を含有する上記〔1〕に記載のマスターバッチ。
〔3〕前記ゴム成分、前記セルロース系繊維、及び前記シランカップリング剤を含む混合物Bの加熱処理物Bを含有する上記〔1〕に記載のマスターバッチ。
〔4〕前記セルロース系繊維と前記シランカップリング剤の配合比(シランカップリング剤/セルロース系繊維)が、質量部換算で、0.1/10〜5/10である上記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のマスターバッチ。
〔5〕前記セルロース系繊維が、酸化セルロースである上記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のマスターバッチ。
〔6〕前記セルロース系繊維の長さ加重平均繊維長が50〜2000nmであり、長さ加重平均繊維径が2〜500nmである、上記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のマスターバッチ。
〔7〕前記シランカップリング剤が、メルカプト基、イソシアネート基、スルフィド基、及びアミノ基からなる群から選択される少なくとも1種の基を有する上記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のマスターバッチ。
〔8〕前記ゴム成分が、天然ゴムを含む上記〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載のマスターバッチ。
〔9〕上記〔1〕〜〔8〕のいずれかに記載のマスターバッチと、架橋剤と、を含有する未架橋ゴム組成物。
〔10〕上記〔9〕に記載の未架橋ゴム組成物の架橋物を含有するゴム組成物。
〔11〕(a1)ゴム成分及びセルロース系繊維を混合して混合物Aを得る工程と、(b1)前記混合物Aを、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物Aを得る工程と、(c1)前記加熱処理物Aとシランカップリング剤を混練して混練物を得る工程と、を有するマスターバッチの製造方法。
〔12〕前記工程(a1)が、前記ゴム成分の分散液又は溶液、及び前記セルロース系繊維の分散液の少なくともいずれかに由来する溶媒Aを用いて混合し、前記溶媒Aを乾燥して前記混合物Aを得る工程である上記〔11〕に記載の製造方法。
〔13〕(a2)ゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤を混合して混合物Bを得る工程と、(b2)前記混合物Bを、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物Bを得る工程と、を有するマスターバッチの製造方法。
〔14〕前記工程(a2)が、前記ゴム成分の分散液又は溶液、前記セルロース系繊維の分散液、及び前記シランカップリング剤の分散液又は溶液からなる群から選択される少なくとも1種に由来する溶媒Bを用いて混合し、前記溶媒Bを乾燥して前記混合物Bを得る工程である上記〔13〕に記載の製造方法。
〔15〕前記セルロース系繊維と前記シランカップリング剤の配合率(シランカップリング剤/セルロース系繊維)が、質量部換算で、0.1/10〜5/10である上記〔11〕〜〔14〕のいずれかに記載の製造方法。
〔16〕前記セルロース系繊維が、酸化セルロースである上記〔11〕〜〔15〕のいずれかに記載の製造方法。
〔17〕前記セルロース系繊維の長さ加重平均繊維長が50〜2000nmであり、長さ加重平均繊維径が2〜500nmである、上記〔11〕〜〔16〕のいずれかに記載の製造方法。
〔18〕前記シランカップリング剤が、メルカプト基、イソシアネート基、スルフィド基、及びアミノ基からなる群から選択される少なくとも1種の基を有する上記〔11〕〜〔17〕のいずれかに記載の製造方法。
〔19〕前記ゴム成分が、天然ゴムを含む上記〔11〕〜〔18〕のいずれかに記載の製造方法。
〔20〕上記〔11〕〜〔19〕のいずれかに記載の製造方法でマスターバッチを調製する工程と、前記マスターバッチに架橋剤を混練りする工程と、を有する未架橋ゴム組成物の製造方法。
〔21〕上記〔20〕に記載の製造方法で未架橋ゴム組成物を調製する工程と、前記未架橋ゴム組成物を架橋する工程と、を有するゴム組成物の製造方法。
As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by heat-treating a mixture containing at least a rubber component and cellulosic fibers, and have completed the present invention.
That is, the present inventors provide the following [1] to [21].
[1] A masterbatch containing a heat-treated product of a mixture containing at least the rubber component and the cellulose fiber, using the rubber component, the cellulose fiber and the silane coupling agent as raw materials.
[2] The master batch as described in [1] above, which contains a kneaded product of the heat-treated product A of the mixture A containing the rubber component and the cellulose fiber and the silane coupling agent.
[3] The master batch according to [1] above, which includes a heat-treated product B of the mixture B containing the rubber component, the cellulose fiber, and the silane coupling agent.
[4] The above [1] to [1], wherein the blending ratio of the cellulose fiber and the silane coupling agent (silane coupling agent / cellulose fiber) is 0.1 / 10 to 5/10 in terms of parts by mass. 3]. The master batch according to any one of [3].
[5] The master batch according to any one of [1] to [4], wherein the cellulosic fiber is oxidized cellulose.
[6] The masterbatch according to any one of [1] to [5], wherein the cellulosic fiber has a length-weighted average fiber length of 50 to 2000 nm and a length-weighted average fiber diameter of 2 to 500 nm. .
[7] The silane coupling agent according to any one of [1] to [6], wherein the silane coupling agent has at least one group selected from the group consisting of a mercapto group, an isocyanate group, a sulfide group, and an amino group. Master Badge.
[8] The master batch according to any one of [1] to [7], wherein the rubber component includes natural rubber.
[9] An uncrosslinked rubber composition containing the master batch according to any one of [1] to [8] above and a crosslinking agent.
[10] A rubber composition containing a crosslinked product of the uncrosslinked rubber composition according to [9].
[11] (a1) A step of mixing a rubber component and cellulosic fiber to obtain a mixture A, and (b1) heating the mixture A at a temperature of 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes. And (c1) a step of kneading the heat-treated product A and a silane coupling agent to obtain a kneaded product.
[12] The step (a1) is mixed using a solvent A derived from at least one of the dispersion or solution of the rubber component and the dispersion of the cellulose fiber, and the solvent A is dried to The production method according to the above [11], which is a step of obtaining the mixture A.
[13] (a2) A step of obtaining a mixture B by mixing a rubber component, a cellulosic fiber and a silane coupling agent, and (b2) heating the mixture B at a temperature of 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes. And a step of obtaining a heat-treated product B.
[14] The step (a2) is derived from at least one selected from the group consisting of a dispersion or solution of the rubber component, a dispersion of the cellulose fiber, and a dispersion or solution of the silane coupling agent. The production method according to [13] above, wherein the solvent B is mixed and dried to obtain the mixture B.
[15] The above [11] to [11], wherein the blending ratio of the cellulose fiber and the silane coupling agent (silane coupling agent / cellulose fiber) is 0.1 / 10 to 5/10 in terms of parts by mass. [14] The production method according to any one of [14].
[16] The production method according to any one of [11] to [15], wherein the cellulosic fiber is oxidized cellulose.
[17] The production method according to any one of [11] to [16], wherein the cellulosic fiber has a length-weighted average fiber length of 50 to 2000 nm and a length-weighted average fiber diameter of 2 to 500 nm. .
[18] The [11] to [17], wherein the silane coupling agent has at least one group selected from the group consisting of a mercapto group, an isocyanate group, a sulfide group, and an amino group. Production method.
[19] The production method according to any one of [11] to [18], wherein the rubber component contains natural rubber.
[20] Production of an uncrosslinked rubber composition comprising a step of preparing a master batch by the production method according to any one of [11] to [19], and a step of kneading a crosslinking agent in the master batch. Method.
[21] A method for producing a rubber composition, comprising: a step of preparing an uncrosslinked rubber composition by the production method according to [20]; and a step of crosslinking the uncrosslinked rubber composition.
本発明のマスターバッチは、破断伸びを損なわず、かつ低ひずみにおける応力の高いゴムを製造可能である。 The master batch of the present invention can produce a rubber having a high stress at a low strain without impairing the elongation at break.
本明細書において、「マスターバッチ」とは、ゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤をミキサーやロールで混合し、加工したものをいう。
また、「混合物」と記載した時は、混合物Aと混合物Bの両方を意味し、「加熱処理物」と記載した時は、加熱処理物Aと加熱処理物Bの両方を意味する。
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
In the present specification, the “master batch” refers to a product obtained by mixing a rubber component, a cellulosic fiber, and a silane coupling agent with a mixer or roll.
In addition, the term “mixture” means both the mixture A and the mixture B, and the term “heat-treated product” means both the heat-treated product A and the heat-treated product B.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.
(1)マスターバッチ:
本発明のマスターバッチは、ゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤を原料とし、少なくともゴム成分及びセルロース系繊維を含む混合物の加熱処理物を含有する。より詳細には、次の2つの実施形態を有する。実施形態Aでは、マスターバッチは、ゴム成分、及びセルロース系繊維を含む混合物Aの加熱処理物Aと、シランカップリング剤との混練物を含有する。実施形態Bでは、マスターバッチは、ゴム成分、セルロース系繊維、及びシランカップリング剤を含む混合物Bの加熱処理物Bを含有する。
本発明のマスターバッチにおいては、加熱処理物とすることで疎水性のゴム成分と親水性のセルロース系繊維の相溶性が向上している。相溶性が向上するメカニズムについて、現在のところ、加熱によって、セルロースの水酸基が脱離することに伴い、共役二重結合が形成され、セルロース系繊維の疎水性が向上するためと推察される。
(1) Master batch:
The masterbatch of the present invention contains a heat-treated product of a mixture containing at least a rubber component and cellulosic fibers using a rubber component, cellulosic fibers and a silane coupling agent as raw materials. More specifically, it has the following two embodiments. In Embodiment A, the master batch contains a kneaded product of a heat-treated product A of a mixture A containing a rubber component and cellulosic fibers, and a silane coupling agent. In Embodiment B, the master batch contains a heat-treated product B of a mixture B containing a rubber component, a cellulosic fiber, and a silane coupling agent.
In the master batch of the present invention, the compatibility between the hydrophobic rubber component and the hydrophilic cellulosic fiber is improved by using a heat-treated product. Regarding the mechanism of improving the compatibility, it is presumed that, at present, a conjugated double bond is formed by the desorption of the hydroxyl group of cellulose by heating, and the hydrophobicity of the cellulose fiber is improved.
ゴム成分にシランカップリング剤を添加すると、低ひずみの応力を高めることができるが、破断伸びが減少することが知られている。また、ゴム成分に加熱処理を行うと、低ひずみの応力を若干向上することができるが、シランカップリング剤を添加するほどの向上は見られない。
一方、本発明のマスターバッチにおいては、加熱処理物Bを作製する際にシランカップリング剤を配合する、又は加熱処理物Aを作製した後でシランカップリング剤を配合することで、破断伸びをある程度維持しつつ、低ひずみの応力を高めることができる。斯かる効果は、疎水性のゴム成分と親水性のセルロース系繊維の相溶性が向上することからは想定され得ない効果である。
以下、本発明のマスターバッチについて説明するが、「ゴム成分」、「セルロース系繊維」、及び「シランカップリング剤」に関する記載については、実施形態Aのマスターバッチ、及び実施形態Bのマスターバッチで区別されない。
It is known that when a silane coupling agent is added to the rubber component, low strain stress can be increased, but elongation at break decreases. In addition, when heat treatment is performed on the rubber component, low strain stress can be slightly improved, but no improvement to the extent that a silane coupling agent is added is observed.
On the other hand, in the masterbatch of the present invention, when the heat-treated product B is produced, a silane coupling agent is blended, or after the heat-treated product A is produced, the silane coupling agent is blended, thereby increasing the elongation at break. Low strain stress can be increased while maintaining a certain degree. Such an effect is an effect that cannot be assumed because the compatibility between the hydrophobic rubber component and the hydrophilic cellulosic fiber is improved.
Hereinafter, the masterbatch of the present invention will be described, but the description regarding the “rubber component”, “cellulosic fiber”, and “silane coupling agent” is the masterbatch of Embodiment A and the masterbatch of Embodiment B. Not distinguished.
(1−1)ゴム成分:
ゴム成分とはゴムの原料であって架橋してゴムとなるものをいう。天然ゴム用のゴム成分と合成ゴム用のゴム成分が存在するが、本発明のマスターバッチにおいてはいずれを用いてもよく、両者を組合せて用いてもよい。
天然ゴム用のゴム成分としては、例えば、化学修飾を施さない狭義の天然ゴム(NR);塩素化天然ゴム、クロロスルホン化天然ゴム、エポキシ化天然ゴム等の化学修飾した天然ゴム;水素化天然ゴム;脱タンパク天然ゴムが挙げられる。
合成ゴム用のゴム成分としては、例えば、ブタジエンゴム(BR)、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム、スチレン−イソプレン共重合体ゴム、スチレン−イソプレン−ブタジエン共重合体ゴム、イソプレン−ブタジエン共重合体ゴム等のジエン系ゴム;ブチルゴム(IIR)、エチレン−プロピレンゴム(EPM、EPDM)、アクリルゴム(ACM)、エピクロロヒドリンゴム(CO、ECO)、フッ素ゴム(FKM)、シリコーンゴム(Q)、ウレタンゴム(U)、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)等の非ジエン系ゴムが挙げられる。
これらのゴム成分は1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、NBR、NR、SBR、クロロプレンゴム、BRが好ましい。
(1-1) Rubber component:
The rubber component is a raw material of rubber and is crosslinked to become rubber. Although there are a rubber component for natural rubber and a rubber component for synthetic rubber, any of them may be used in the masterbatch of the present invention, or both may be used in combination.
The rubber component for natural rubber includes, for example, natural rubber (NR) in a narrow sense without chemical modification; chemically modified natural rubber such as chlorinated natural rubber, chlorosulfonated natural rubber, and epoxidized natural rubber; Rubber; Deproteinized natural rubber.
Examples of rubber components for synthetic rubber include butadiene rubber (BR), styrene-butadiene copolymer rubber (SBR), isoprene rubber (IR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), chloroprene rubber, and styrene-isoprene copolymer. Diene rubbers such as united rubber, styrene-isoprene-butadiene copolymer rubber, isoprene-butadiene copolymer rubber; butyl rubber (IIR), ethylene-propylene rubber (EPM, EPDM), acrylic rubber (ACM), epichlorohydride Non-diene rubbers such as rubber (CO, ECO), fluoro rubber (FKM), silicone rubber (Q), urethane rubber (U), and chlorosulfonated polyethylene (CSM).
These rubber components may be used alone or in combination of two or more. Among these, NBR, NR, SBR, chloroprene rubber, and BR are preferable.
(1−2)セルロース系繊維:
セルロース系繊維としては、ミクロンオーダーの繊維径を有するセルロース繊維、又は当該セルロース繊維をセルロース原料(以下、化学変性処理するセルロース繊維を「セルロース原料」と記載する場合がある)として、必要に応じ化学変性した後、解繊して得たナノオーダーの繊維径を有するセルロースナノファイバー(以下、化学変性後に解繊処理したセルロース繊維を「セルロースナノファイバー」と記載する)を使用することができる。
なお、本明細書中、「セルロース系繊維」とは、セルロース繊維とセルロースナノファイバーを包含する上位概念をいう。また、「セルロース繊維」とは、化学変性処理をしていないセルロース系繊維をいう。
(1-2) Cellulosic fiber:
Cellulosic fibers include cellulose fibers having a fiber diameter on the order of microns, or cellulose fibers as cellulose raw materials (hereinafter, cellulose fibers to be chemically modified may be referred to as “cellulose raw materials”), and if necessary, chemical After modification, cellulose nanofibers having a nano-order fiber diameter obtained by defibration (hereinafter, cellulose fibers defibrated after chemical modification are referred to as “cellulose nanofibers”) can be used.
In the present specification, “cellulosic fiber” refers to a general concept including cellulose fiber and cellulose nanofiber. The “cellulose fiber” refers to a cellulosic fiber that has not been chemically modified.
セルロース繊維は、特に限定されないが、例えば、植物、動物(例えば、ホヤ類)、藻類、微生物(例えば、酢酸菌(アセトバクター))、微生物産生物に由来するものが挙げられる。
植物由来のセルロース繊維としては、例えば、木材、竹、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、布、パルプ(針葉樹未漂白クラフトパルプ(NUKP)、針葉樹漂白クラフトパルプ(NBKP)、広葉樹未漂白クラフトパルプ(LUKP)、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)、針葉樹未漂白サルファイトパルプ(NUSP)、針葉樹漂白サルファイトパルプ(NBSP)、サーモメカニカルパルプ(TMP)、再生パルプ、古紙等)が挙げられる。
本発明のマスターバッチで用いるセルロース系繊維は、これらのいずれか又は組合せであってもよく、好ましくは植物又は微生物由来のセルロース繊維であり、より好ましくは植物由来のセルロース繊維であり、さらに好ましくはセルロース原料を化学変性した後で解繊して得たナノオーダーの繊維径を有するセルロースナノファイバーである。
Cellulose fibers are not particularly limited, and examples thereof include those derived from plants, animals (for example, ascidians), algae, microorganisms (for example, acetic acid bacteria (Acetobacter)), and microorganism products.
Plant-derived cellulose fibers include, for example, wood, bamboo, hemp, jute, kenaf, farmland residue, cloth, pulp (conifer unbleached kraft pulp (NUKP), conifer bleached kraft pulp (NBKP), hardwood unbleached kraft pulp (LUKP), hardwood bleached kraft pulp (LBKP), softwood unbleached sulfite pulp (NUSP), softwood bleached sulfite pulp (NBSP), thermomechanical pulp (TMP), recycled pulp, waste paper, and the like.
The cellulosic fibers used in the masterbatch of the present invention may be any one or a combination thereof, preferably a plant or microorganism-derived cellulose fiber, more preferably a plant-derived cellulose fiber, more preferably It is a cellulose nanofiber having a nano-order fiber diameter obtained by chemically modifying a cellulose raw material and then defibrating.
セルロース繊維の平均繊維径は特に制限されないが、一般的なパルプである針葉樹クラフトパルプの場合は30〜60μm程度であり、広葉樹クラフトパルプの場合は10〜30μm程度である。その他のパルプの場合、一般的な精製を経たセルロース繊維の平均繊維径は50μm程度である。例えば、チップ等の数cm大のものを精製したセルロース繊維を原料に用いる場合、リファイナー、ビーター等の離解機で機械的処理を行い、平均繊維径を50μm程度に調整することが好ましい。 The average fiber diameter of the cellulose fibers is not particularly limited, but is about 30 to 60 μm in the case of softwood kraft pulp, which is a general pulp, and about 10 to 30 μm in the case of hardwood kraft pulp. In the case of other pulps, the average fiber diameter of cellulose fibers that have undergone general refining is about 50 μm. For example, when cellulose fibers purified from several centimeters in size such as chips are used as raw materials, it is preferable to perform mechanical treatment with a disintegrator such as a refiner or beater to adjust the average fiber diameter to about 50 μm.
セルロースナノファイバーの平均繊維径は、長さ加重平均繊維径にして、通常2〜500nm程度であり、好ましくは2〜50nmである。平均繊維長は長さ加重平均繊維長にして、50〜2000nmが好ましい。
長さ加重平均繊維径及び長さ加重平均繊維長(以下、単に「平均繊維径」、「平均繊維長」ともいう)は、原子間力顕微鏡(AFM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、各繊維を観察して求めることができる。
セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、通常、10以上である。上限は特に限定されないが、通常、1000以下である。なお、平均アスペクト比は、下記の(式1)により算出することができる。
(式1):平均アスペクト比=平均繊維長/平均繊維径
The average fiber diameter of the cellulose nanofiber is usually about 2 to 500 nm, preferably 2 to 50 nm, as a length-weighted average fiber diameter. The average fiber length is preferably a length-weighted average fiber length of 50 to 2000 nm.
Length-weighted average fiber diameter and length-weighted average fiber length (hereinafter, simply referred to as “average fiber diameter” or “average fiber length”) are measured using an atomic force microscope (AFM) or a transmission electron microscope (TEM). Then, each fiber can be observed and determined.
The average aspect ratio of the cellulose nanofiber is usually 10 or more. Although an upper limit is not specifically limited, Usually, it is 1000 or less. The average aspect ratio can be calculated by the following (Formula 1).
(Formula 1): Average aspect ratio = Average fiber length / Average fiber diameter
セルロースは、グルコース単位あたり3つのヒドロキシル基を有しており、各種の化学変性(以下、単に「変性」と記載する)を行うことが可能である。本発明のマスターバッチでは、変性処理したセルロース繊維及び変性処理していないセルロース繊維のいずれも使用することができる。但し、変性処理したセルロース繊維を用いると、セルロース繊維の微細化が十分に進み、解繊により均一な平均繊維長及び平均繊維径のセルロースナノファイバーが得られる。そのため、ゴム成分と複合化した際に、十分な補強効果を発揮し得る。このような観点から、変性処理したセルロース繊維が好ましい。
変性としては、例えば、酸化、エーテル化、リン酸エステル化等のエステル化、シランカップリング、フッ素化、カチオン化等が挙げられる。中でも、酸化(カルボキシル化)、エーテル化、カチオン化、エステル化が好ましく、酸化(カルボキシル化)がより好ましい。
Cellulose has three hydroxyl groups per glucose unit, and can be subjected to various chemical modifications (hereinafter simply referred to as “modification”). In the masterbatch of the present invention, both modified cellulose fibers and unmodified cellulose fibers can be used. However, when modified cellulose fibers are used, the cellulose fibers are sufficiently refined, and cellulose nanofibers having a uniform average fiber length and average fiber diameter can be obtained by defibration. Therefore, a sufficient reinforcing effect can be exhibited when compounded with a rubber component. From such a viewpoint, modified cellulose fibers are preferred.
Examples of the modification include esterification such as oxidation, etherification, and phosphoric esterification, silane coupling, fluorination, and cationization. Of these, oxidation (carboxylation), etherification, cationization and esterification are preferred, and oxidation (carboxylation) is more preferred.
(酸化)
酸化処理したセルロース繊維や酸化処理したセルロースナノファイバー中のカルボキシル基の量は、絶乾質量に対して、好ましくは0.5mmol/g以上、より好ましくは0.8mmol/g以上、さらに好ましくは1.0mmol/g以上である。当該量の上限は、好ましくは3.0mmol/g以下、より好ましくは2.5mmol/g以下、さらに好ましくは2.0mmol/g以下である。カルボキシル基の量は0.5〜3.0mmol/gが好ましく、0.8〜2.5mmol/gがより好ましく、1.0〜2.0mmol/gがさらに好ましい。
(Oxidation)
The amount of the carboxyl group in the oxidized cellulose fiber or the oxidized cellulose nanofiber is preferably 0.5 mmol / g or more, more preferably 0.8 mmol / g or more, further preferably 1 with respect to the absolutely dry mass. 0.0 mmol / g or more. The upper limit of the amount is preferably 3.0 mmol / g or less, more preferably 2.5 mmol / g or less, and still more preferably 2.0 mmol / g or less. The amount of the carboxyl group is preferably 0.5 to 3.0 mmol / g, more preferably 0.8 to 2.5 mmol / g, and further preferably 1.0 to 2.0 mmol / g.
酸化方法は特に限定されないが、一例として、N−オキシル化合物と、臭化物及びヨウ化物の少なくともいずれかと、の存在下で、酸化剤を用いて水中でセルロース原料を酸化する方法が挙げられる。この方法によれば、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、アルデヒド基、カルボキシル基、及びカルボキシレート基からなる群より選ばれる少なくとも一種の基が生じる。反応時のセルロース原料の濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。 Although the oxidation method is not particularly limited, an example is a method of oxidizing a cellulose raw material in water using an oxidizing agent in the presence of an N-oxyl compound and at least one of bromide and iodide. According to this method, the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring on the cellulose surface is selectively oxidized to produce at least one group selected from the group consisting of an aldehyde group, a carboxyl group, and a carboxylate group. Although the density | concentration of the cellulose raw material at the time of reaction is not specifically limited, 5 mass% or less is preferable.
N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生し得る化合物をいう。ニトロキシルラジカルとしては、例えば、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン1−オキシル(TEMPO)が挙げられる。N−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。N−オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.01mmol以上が好ましく、0.02mmol以上がより好ましい。上限は、10mmol以下が好ましく、1mmol以下がより好ましく、0.5mmol以下が更に好ましい。N−オキシル化合物の使用量は絶乾1gのセルロース原料に対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.02〜0.5mmolがさらに好ましい。 An N-oxyl compound refers to a compound capable of generating a nitroxy radical. Examples of the nitroxyl radical include 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO). As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it promotes the target oxidation reaction. The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount that can oxidize cellulose as a raw material. For example, 0.01 mmol or more is preferable and 0.02 mmol or more is more preferable with respect to 1 g of an absolutely dry cellulose raw material. The upper limit is preferably 10 mmol or less, more preferably 1 mmol or less, and still more preferably 0.5 mmol or less. The amount of the N-oxyl compound used is preferably 0.01 to 10 mmol, more preferably 0.01 to 1 mmol, and still more preferably 0.02 to 0.5 mmol with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material.
臭化物とは、臭素を含む化合物をいう。例えば、水中で解離してイオン化可能な臭化ナトリウム等の臭化アルカリ金属が挙げられる。また、ヨウ化物とは、ヨウ素を含む化合物をいう。例えば、ヨウ化アルカリ金属が挙げられる。
臭化物又はヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物及びヨウ化物の合計量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.1mmol以上が好ましく、0.5mmol以上がより好ましい。当該量の上限は、100mmol以下が好ましく、10mmol以下がより好ましく、5mmol以下が更に好ましい。臭化物及びヨウ化物の合計量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜10mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。
Bromide refers to a compound containing bromine. For example, an alkali metal bromide such as sodium bromide that can be dissociated and ionized in water can be used. The iodide means a compound containing iodine. An example is alkali metal iodide.
The amount of bromide or iodide used can be selected within a range that can promote the oxidation reaction. The total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 mmol or more, more preferably 0.5 mmol or more, with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material. The upper limit of the amount is preferably 100 mmol or less, more preferably 10 mmol or less, and even more preferably 5 mmol or less. The total amount of bromide and iodide is preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, and still more preferably 0.5 to 5 mmol with respect to 1 g of the cellulose raw material.
酸化剤としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸、これらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物等が挙げられる。中でも、安価で環境負荷が少ないことから、次亜ハロゲン酸又はその塩が好ましく、次亜塩素酸又はその塩がより好ましく、次亜塩素酸ナトリウムがさらに好ましい。
酸化剤の使用量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5mmol以上が好ましく、1mmol以上がより好ましく、3mmol以上がさらに好ましい。当該量の上限は、500mmol以下が好ましく、50mmol以下がより好ましく、25mmol以下がさらに好ましい。酸化剤の使用量は、絶乾1gのセルロース原料に対して、0.5〜500mmolが好ましく、1〜50mmolがより好ましく、3〜25mmolがさらに好ましい。
N−オキシル化合物を用いる場合、酸化剤の使用量は、N−オキシル化合物1molに対して、1〜40molが好ましい。
Although it does not specifically limit as an oxidizing agent, For example, a halogen, hypohalous acid, a halous acid, perhalogen acid, these salts, a halogen oxide, a peroxide, etc. are mentioned. Among them, hypohalous acid or a salt thereof is preferable because it is inexpensive and has a low environmental burden, hypochlorous acid or a salt thereof is more preferable, and sodium hypochlorite is more preferable.
The amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 mmol or more, more preferably 1 mmol or more, and still more preferably 3 mmol or more with respect to 1 g of the absolutely dry dry cellulose raw material. The upper limit of the amount is preferably 500 mmol or less, more preferably 50 mmol or less, and even more preferably 25 mmol or less. The amount of the oxidizing agent used is preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 1 to 50 mmol, and still more preferably 3 to 25 mmol with respect to 1 g of the absolutely dry cellulose raw material.
When using N-oxyl compound, the usage-amount of an oxidizing agent has preferable 1-40 mol with respect to 1 mol of N-oxyl compounds.
酸化反応時のpH、温度等の条件は特に限定されず、一般に、比較的温和な条件であっても酸化反応は効率よく進行する。
反応温度は、4℃以上が好ましく、15℃以上がより好ましい。当該温度の上限は40℃以下が好ましく、30℃以下がより好ましい。反応温度は4〜40℃が好ましく、15〜30℃程度、すなわち室温であってもよい。
Conditions such as pH and temperature during the oxidation reaction are not particularly limited, and in general, the oxidation reaction proceeds efficiently even under relatively mild conditions.
The reaction temperature is preferably 4 ° C or higher, more preferably 15 ° C or higher. The upper limit of the temperature is preferably 40 ° C. or lower, and more preferably 30 ° C. or lower. The reaction temperature is preferably 4 to 40 ° C, and may be about 15 to 30 ° C, that is, room temperature.
反応液のpHは、8以上が好ましく、10以上がより好ましい。pHの上限は、12以下が好ましく、11以下がより好ましい。反応液のpHは、好ましくは8〜12、より好ましくは10〜11程度である。
通常、酸化反応の進行に伴って、セルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHは低下する。そのため、酸化反応を効率よく進行させるために、反応途中で水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ性溶液を添加し、反応液のpHを上記の範囲に維持することが好ましい。酸化の際の反応媒体は、取扱いの容易さや、副反応が生じ難いこと等の理由から、水が好ましい。
The pH of the reaction solution is preferably 8 or more, and more preferably 10 or more. The upper limit of pH is preferably 12 or less, and more preferably 11 or less. The pH of the reaction solution is preferably about 8 to 12, more preferably about 10 to 11.
Usually, as the oxidation reaction proceeds, carboxyl groups are generated in the cellulose, so that the pH of the reaction solution is lowered. Therefore, in order to advance the oxidation reaction efficiently, it is preferable to add an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution during the reaction to maintain the pH of the reaction solution in the above range. The reaction medium during the oxidation is preferably water for reasons such as ease of handling and the difficulty of side reactions.
酸化における反応時間は、酸化の進行程度に従って適宜設定することができる。反応時間は、通常、0.5時間以上である。上限は、通常、6時間以下であり、好ましくは4時間以下である。酸化における反応時間は、通常、0.5〜6時間であり、0.5〜4時間程度であることが好ましい。
酸化は、2段階以上の反応に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一又は異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。
The reaction time in oxidation can be appropriately set according to the progress of oxidation. The reaction time is usually 0.5 hours or longer. The upper limit is usually 6 hours or less, preferably 4 hours or less. The reaction time in the oxidation is usually 0.5 to 6 hours, and preferably about 0.5 to 4 hours.
Oxidation may be carried out in two or more stages. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first stage reaction again under the same or different reaction conditions, the efficiency is not affected by the reaction inhibition by the salt generated as a by-product in the first stage reaction. Can be oxidized well.
カルボキシル化(酸化)方法の別の例として、オゾン酸化が挙げられる。この酸化反応により、セルロースを構成するグルコピラノース環の少なくとも2位及び6位の水酸基が酸化されると共に、セルロース鎖の分解が起こる。オゾン処理は通常、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより行われる。
気体中のオゾン濃度は、50g/m3以上であることが好ましい。上限は、250g/m3以下であることが好ましく、220g/m3以下であることがより好ましい。気体中のオゾン濃度は、50〜250g/m3であることが好ましく、50〜220g/m3であることがより好ましい。
オゾン添加量は、セルロース原料の固形分100質量%に対し、0.1質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましい。上限は、通常、30質量%以下である。オゾン添加量は、セルロース原料の固形分100質量%に対し、0.1〜30質量%であることが好ましく、5〜30質量%であることがより好ましい。
オゾン処理温度は、通常、0℃以上であり、好ましくは20℃以上である。上限は、通常、50℃以下である。オゾン処理温度は、0〜50℃であることが好ましく、20〜50℃であることがより好ましい。
オゾン処理時間は、通常、1分以上であり、好ましくは30分以上である。上限は、通常、360分以下である。オゾン処理時間は、通常、1〜360分程度であり、30〜360分程度が好ましい。
オゾン処理の条件が上述の範囲内であると、セルロースが過度に酸化及び分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。
Another example of the carboxylation (oxidation) method is ozone oxidation. By this oxidation reaction, at least the 2- and 6-position hydroxyl groups of the glucopyranose ring constituting cellulose are oxidized, and the cellulose chain is decomposed. The ozone treatment is usually performed by bringing a gas containing ozone and a cellulose raw material into contact with each other.
The ozone concentration in the gas is preferably 50 g / m 3 or more. The upper limit is preferably 250 g / m 3 or less, and more preferably 220 g / m 3 or less. Ozone concentration in the gas is preferably 50 to 250 g / m 3, more preferably 50~220g / m 3.
The amount of ozone added is preferably 0.1% by mass or more and more preferably 5% by mass or more with respect to 100% by mass of the solid content of the cellulose raw material. The upper limit is usually 30% by mass or less. The amount of ozone added is preferably 0.1 to 30% by mass and more preferably 5 to 30% by mass with respect to 100% by mass of the solid content of the cellulose raw material.
The ozone treatment temperature is usually 0 ° C. or higher, preferably 20 ° C. or higher. The upper limit is usually 50 ° C. or lower. The ozone treatment temperature is preferably 0 to 50 ° C, and more preferably 20 to 50 ° C.
The ozone treatment time is usually 1 minute or longer, preferably 30 minutes or longer. The upper limit is usually 360 minutes or less. The ozone treatment time is usually about 1 to 360 minutes, preferably about 30 to 360 minutes.
When the condition of the ozone treatment is within the above range, it is possible to prevent the cellulose from being excessively oxidized and decomposed, and the yield of oxidized cellulose is improved.
オゾン処理されたセルロースに対し、さらに酸化剤を用いて追酸化処理を行ってもよい。追酸化処理に用いる酸化剤は、特に限定されないが、例えば、二酸化塩素、亜塩素酸ナトリウム等の塩素系化合物、酸素、過酸化水素、過硫酸、過酢酸等が挙げられる。追酸化処理の方法としては、例えば、これらの酸化剤を水又はアルコール等の極性有機溶媒中に溶解して酸化剤溶液を作製し、酸化剤溶液中にセルロース原料を浸漬させる方法が挙げられる。酸化セルロースナノファイバーに含まれるカルボキシル基、カルボキシレート基、アルデヒド基の量は、酸化剤の添加量、反応時間等の酸化条件をコントロールすることで調整することができる。 The ozone-treated cellulose may be further subjected to additional oxidation treatment using an oxidizing agent. The oxidizing agent used for the additional oxidation treatment is not particularly limited, and examples thereof include chlorine compounds such as chlorine dioxide and sodium chlorite, oxygen, hydrogen peroxide, persulfuric acid, peracetic acid and the like. Examples of the method for the additional oxidation treatment include a method in which these oxidizing agents are dissolved in a polar organic solvent such as water or alcohol to prepare an oxidizing agent solution, and the cellulose raw material is immersed in the oxidizing agent solution. The amount of the carboxyl group, carboxylate group, and aldehyde group contained in the oxidized cellulose nanofiber can be adjusted by controlling the oxidizing conditions such as the addition amount of the oxidizing agent and the reaction time.
カルボキシル基の量の測定方法の一例を以下に説明する。酸化セルロースの0.5質量%スラリー(水分散液)60mLを調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定する。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下記の(式2)を用いて算出することができる。
(式2):カルボキシル基の量〔mmol/g(酸化セルロース又は酸化セルロースナノファイバー)〕=a〔mL〕×0.05/酸化セルロース質量又は酸化セルロースナノファイバー質量〔g〕
An example of a method for measuring the amount of the carboxyl group will be described below. Prepare 60 mL of 0.5% by mass slurry (aqueous dispersion) of oxidized cellulose, add 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to pH 2.5, then add 0.05 N sodium hydroxide aqueous solution dropwise to adjust pH to 11. Measure the electrical conductivity until From the amount (a) of sodium hydroxide consumed in the weak acid neutralization stage where the change in electrical conductivity is gradual, it can be calculated using the following (formula 2).
(Formula 2): Amount of carboxyl group [mmol / g (oxidized cellulose or oxidized cellulose nanofiber)] = a [mL] × 0.05 / oxidized cellulose mass or oxidized cellulose nanofiber mass [g]
(エーテル化)
エーテル化としては、カルボキシメチル(エーテル)化、メチル(エーテル)化、エチル(エーテル)化、シアノエチル(エーテル)化、ヒドロキシエチル(エーテル)化、ヒドロキシプロピル(エーテル)化、エチルヒドロキシエチル(エーテル)化、ヒドロキシプロピルメチル(エーテル)化等が挙げられる。一例として、カルボキシメチル化の方法を以下に説明する。
(Etherification)
As etherification, carboxymethyl (ether), methyl (ether), ethyl (ether), cyanoethyl (ether), hydroxyethyl (ether), hydroxypropyl (ether), ethyl hydroxyethyl (ether) And hydroxypropylmethyl (ether). As an example, the method of carboxymethylation will be described below.
カルボキシメチル化処理したセルロース繊維やセルロースナノファイバー中の無水グルコース単位当たりのカルボキシメチル基の置換度は、0.01以上が好ましく、0.05以上がより好ましく、0.10以上であることがさらに好ましい。当該置換度の上限は、0.50以下が好ましく、0.40以下がより好ましく、0.35以下がさらに好ましい。カルボキシメチル基の置換度は、0.01〜0.50が好ましく、0.05〜0.40がより好ましく、0.10〜0.35がさらに好ましい。 The degree of substitution of carboxymethyl groups per anhydroglucose unit in cellulose fibers or cellulose nanofibers subjected to carboxymethylation treatment is preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, and further preferably 0.10 or more. preferable. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.50 or less, more preferably 0.40 or less, and still more preferably 0.35 or less. The degree of substitution of the carboxymethyl group is preferably 0.01 to 0.50, more preferably 0.05 to 0.40, and still more preferably 0.10 to 0.35.
カルボキシメチル化方法は特に限定されないが、例えば、出発原料としてのセルロース原料をマーセル化し、その後エーテル化する方法が挙げられる。当該反応には、通常、溶媒が使用される。溶媒としては、例えば、水及びアルコール(例えば、低級アルコール)の少なくともいずれかが挙げられる。低級アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、N−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、N−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、第3級ブチルアルコールが挙げられる。
混合溶媒における低級アルコールの混合割合は、60〜95質量%であることが好ましい。
溶媒の量は、質量換算で、セルロース原料に対して3倍程度である。当該量の上限は特に限定されないが20倍以下である。溶媒の量は、質量換算で、セルロース原料に対して3〜20倍であることが好ましい。
The carboxymethylation method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a cellulose raw material as a starting material is mercerized and then etherified. In the reaction, a solvent is usually used. Examples of the solvent include at least one of water and alcohol (for example, lower alcohol). Examples of the lower alcohol include methanol, ethanol, N-propyl alcohol, isopropyl alcohol, N-butyl alcohol, isobutyl alcohol, and tertiary butyl alcohol.
The mixing ratio of the lower alcohol in the mixed solvent is preferably 60 to 95% by mass.
The amount of the solvent is about 3 times that of the cellulose raw material in terms of mass. Although the upper limit of the amount is not particularly limited, it is 20 times or less. The amount of the solvent is preferably 3 to 20 times that of the cellulose raw material in terms of mass.
マーセル化は通常、出発原料とマーセル化剤を混合して行う。マーセル化剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水酸化アルカリ金属が挙げられる。
マーセル化剤の使用量は、モル換算で、出発原料の無水グルコース残基当たり0.5倍以上が好ましく、1.0倍以上がより好ましく、1.5倍以上がさらに好ましい。当該量の上限は、通常、20倍以下であり、10倍以下が好ましく、5倍以下がより好ましい。マーセル化剤の使用量は、モル換算で、0.5〜20倍が好ましく、1.0〜10倍がより好ましく、1.5〜5倍がさらに好ましい。
Mercerization is usually performed by mixing starting materials and mercerizing agents. Examples of mercerizing agents include alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide and potassium hydroxide.
The amount of mercerizing agent used is preferably 0.5 times or more, more preferably 1.0 times or more, and even more preferably 1.5 times or more per anhydroglucose residue of the starting material in terms of mole. The upper limit of the amount is usually 20 times or less, preferably 10 times or less, and more preferably 5 times or less. The amount of the mercerizing agent used is preferably 0.5 to 20 times, more preferably 1.0 to 10 times, and even more preferably 1.5 to 5 times in terms of mole.
マーセル化の反応温度は、通常、0℃以上であり、好ましくは10℃以上である。上限は、通常、70℃以下であり、好ましくは60℃以下である。反応温度は、通常、0〜70℃であり、好ましくは10〜60℃である。
マーセル化の反応時間は、通常、15分以上であり、好ましくは30分以上である。上限は、通常、8時間以下であり、好ましくは7時間以下である。反応時間は、通常、15分〜8時間であり、好ましくは30分〜7時間である。
The mercerization reaction temperature is usually 0 ° C. or higher, preferably 10 ° C. or higher. The upper limit is usually 70 ° C. or lower, preferably 60 ° C. or lower. The reaction temperature is usually 0 to 70 ° C, preferably 10 to 60 ° C.
The mercerization reaction time is usually 15 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer. The upper limit is usually 8 hours or less, preferably 7 hours or less. The reaction time is usually 15 minutes to 8 hours, preferably 30 minutes to 7 hours.
エーテル化反応は、通常、カルボキシメチル化剤をマーセル化後に反応系に追加して行う。カルボキシメチル化剤としては、例えば、モノクロロ酢酸ナトリウムが挙げられる。
カルボキシメチル化剤の添加量は、モル換算で、セルロース原料のグルコース残基当たり0.05倍以上が好ましく、0.5倍以上がより好ましく、0.8倍以上がさらに好ましい。当該量の上限は、通常、10.0倍以下であり、5倍以下が好ましく、3倍以下がより好ましい。カルボキシメチル化剤の添加量は、モル換算で、好ましくは0.05〜10.0倍であり、より好ましくは0.5〜5倍であり、さらに好ましくは0.8〜3倍である。
The etherification reaction is usually performed by adding a carboxymethylating agent to the reaction system after mercerization. Examples of the carboxymethylating agent include sodium monochloroacetate.
The addition amount of the carboxymethylating agent is preferably 0.05 times or more, more preferably 0.5 times or more, and further preferably 0.8 times or more per glucose residue of the cellulose raw material in terms of mole. The upper limit of the amount is usually 10.0 times or less, preferably 5 times or less, and more preferably 3 times or less. The addition amount of the carboxymethylating agent is preferably 0.05 to 10.0 times, more preferably 0.5 to 5 times, and still more preferably 0.8 to 3 times in terms of mole.
反応温度は、通常、30℃以上であり、好ましくは40℃以上である。上限は、通常、90℃以下であり、好ましくは80℃以下である。反応温度は、通常、30〜90℃であり、好ましくは40〜80℃である。
反応時間は、通常、30分以上であり、好ましくは1時間以上である。上限は、通常、10時間以下であり、好ましくは4時間以下である。反応時間は、通常、30分〜10時間であり、好ましくは1時間〜4時間である。
なお、カルボキシメチル化反応時は、必要に応じて反応液を撹拌してもよい。
The reaction temperature is usually 30 ° C. or higher, preferably 40 ° C. or higher. The upper limit is usually 90 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower. The reaction temperature is usually 30 to 90 ° C, preferably 40 to 80 ° C.
The reaction time is usually 30 minutes or longer, preferably 1 hour or longer. The upper limit is usually 10 hours or less, preferably 4 hours or less. The reaction time is usually 30 minutes to 10 hours, preferably 1 hour to 4 hours.
During the carboxymethylation reaction, the reaction solution may be stirred as necessary.
カルボキシメチル化処理したセルロース繊維やセルロースナノファイバーのグルコース単位当たりのカルボキシメチル基の置換度の測定は、例えば、次の方法による。
カルボキシメチル化セルロース(絶乾)約2.0gを精秤して、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。硝酸メタノール1000mLに特級濃硝酸100mLを加えた液100mLを加え、3時間振とうして、カルボキシメチルセルロース塩(カルボキシメチル化セルロース)を脱塩処理し、カルボキシル基を有するカルボキシメチル化セルロース(以下、「H型カルボキシメチル化セルロース」ともいう)にする。H型カルボキシメチル化セルロース(絶乾)を1.5〜2.0g精秤し、300mL容共栓付き三角フラスコに入れる。80%メタノール15mLでH型カルボキシメチル化セルロースを湿潤し、0.1NのNaOHを100mL加え、室温で3時間振とうする。指示薬として、フェノールフタレインを用いて、0.1NのH2SO4で過剰のNaOHを逆滴定する。カルボキシメチル基の置換度(DS)を、次の(式3)及び(式4)によって算出する。
(式3):A=[(100×F’−(0.1NのH2SO4)(mL)×F)×0.1]/(H型カルボキシメチル化セルロースの絶乾質量(g))
(式4):DS=0.162×A/(1−0.058×A)
(Aは、H型カルボキシメチル化セルロース1gの中和に要する1NのNaOH量(mL)を示し、Fは、0.1NのH2SO4のファクターを示し、F’は、0.1NのNaOHのファクターを示す。)
The measurement of the substitution degree of the carboxymethyl group per glucose unit of the cellulose fiber or cellulose nanofiber subjected to the carboxymethylation treatment is performed, for example, by the following method.
About 2.0 g of carboxymethylated cellulose (absolutely dry) is precisely weighed and placed in a 300 mL Erlenmeyer flask with a stopper. 100 mL of nitric acid methanol 1000 mL of special concentrated nitric acid 100 mL was added and shaken for 3 hours to desalinate carboxymethylcellulose salt (carboxymethylated cellulose), and carboxyl group-containing carboxymethylated cellulose (hereinafter, “ Also referred to as “H-type carboxymethylated cellulose”). 1.5-2.0 g of H-type carboxymethylated cellulose (absolutely dry) is precisely weighed and put into a 300 mL conical stoppered Erlenmeyer flask. Wet H-type carboxymethylated cellulose with 15 mL of 80% methanol, add 100 mL of 0.1 N NaOH, and shake at room temperature for 3 hours. Excess NaOH is back titrated with 0.1 N H 2 SO 4 using phenolphthalein as an indicator. The degree of substitution (DS) of the carboxymethyl group is calculated by the following (Formula 3) and (Formula 4).
(Formula 3): A = [(100 × F ′ − (0.1N H 2 SO 4 ) (mL) × F) × 0.1] / (absolute dry mass of H-type carboxymethylated cellulose (g) )
(Formula 4): DS = 0.162 × A / (1−0.058 × A)
(A shows 1N NaOH amount (mL) required for neutralizing 1 g of H-type carboxymethylated cellulose, F shows a factor of 0.1 N H 2 SO 4 , and F ′ shows 0.1 N Indicates the factor of NaOH.)
(カチオン化)
カチオン化処理したセルロース繊維やセルロースナノファイバーは、アンモニウム、ホスホニウム、スルホニウム等のカチオン、又は該カチオンを有する基を分子中に含む。カチオン化処理したセルロース繊維やセルロースナノファイバーは、アンモニウムを有する基を含むことが好ましく、四級アンモニウムを有する基を含むことがより好ましい。
(Cationization)
Cationized cellulose fibers and cellulose nanofibers contain cations such as ammonium, phosphonium and sulfonium, or groups having such cations in the molecule. The cationized cellulose fiber or cellulose nanofiber preferably contains a group having ammonium, and more preferably contains a group having quaternary ammonium.
カチオン化の方法は特に限定されないが、例えば、セルロース原料とカチオン化剤と触媒を水又はアルコールの存在下で反応させる方法が挙げられる。
カチオン化剤としては、例えば、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムハイドライト等の3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリアルキルアンモニウムハイドライト、又はこれらのハロヒドリン型等が挙げられる。これらのいずれかを用いることで、四級アンモニウムを含む基を有するカチオン化セルロースを得ることができる。
カチオン化剤の量は、セルロース原料100質量部に対して、好ましくは5質量部以上であり、より好ましくは10質量部以上である。当該量の上限は、通常、800質量部以下であり、好ましくは500質量部以下である。
触媒としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水酸化アルカリ金属が挙げられる。
触媒の量は、セルロース原料100質量部に対して、好ましくは0.5質量部以上であり、より好ましくは1質量部以上である。当該量の上限は、通常、7質量部以下であり、好ましくは3質量部以下である。
The cationization method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a cellulose raw material, a cationizing agent, and a catalyst are reacted in the presence of water or alcohol.
Examples of the cationizing agent include 3-chloro-2-hydroxypropyltrialkylammonium hydrates such as glycidyltrimethylammonium chloride and 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium hydride, or halohydrin type thereof. . By using any of these, a cationized cellulose having a group containing quaternary ammonium can be obtained.
The amount of the cationizing agent is preferably 5 parts by mass or more and more preferably 10 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 800 parts by mass or less, preferably 500 parts by mass or less.
Examples of the catalyst include alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide and potassium hydroxide.
The amount of the catalyst is preferably 0.5 parts by mass or more and more preferably 1 part by mass or more with respect to 100 parts by mass of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 7 parts by mass or less, preferably 3 parts by mass or less.
アルコールとしては、例えば、炭素数1〜4のアルコールが挙げられる。
アルコールの量は、セルロース原料100質量部に対して、好ましくは50質量部以上であり、より好ましくは100質量部以上である。当該量の上限は、通常、50000質量部以下であり、好ましくは500質量部以下である。
As alcohol, C1-C4 alcohol is mentioned, for example.
The amount of alcohol is preferably 50 parts by mass or more and more preferably 100 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the cellulose raw material. The upper limit of the amount is usually 50000 parts by mass or less, preferably 500 parts by mass or less.
カチオン化の際の反応温度は、通常、10℃以上であり、好ましくは30℃以上である。上限は、通常、90℃以下であり、好ましくは80℃以下である。
反応時間は、通常、10分以上であり、好ましくは30分以上である。上限は、通常、10時間以下であり、好ましくは5時間以下である。カチオン化反応時は、必要に応じて反応液を撹拌してもよい。
The reaction temperature during cationization is usually 10 ° C or higher, preferably 30 ° C or higher. The upper limit is usually 90 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or lower.
The reaction time is usually 10 minutes or longer, preferably 30 minutes or longer. The upper limit is usually 10 hours or less, preferably 5 hours or less. During the cationization reaction, the reaction solution may be stirred as necessary.
カチオン化セルロースのグルコース単位当たりのカチオン置換度は、カチオン化剤の添加量、水又はアルコールの組成比率によって調整することができる。
カチオン置換度とは、セルロースを構成する単位構造(グルコピラノース環)あたりに導入された置換基の個数をいう。すなわち、カチオン置換度は、「導入された置換基のモル数をグルコピラノース環の水酸基の総モル数で割った値」として定義される。純粋セルロースは単位構造(グルコピラノース環)あたり3個の置換可能な水酸基を有しているため、カチオン置換度の理論最大値は3(最小値は0)である。
The degree of cation substitution per glucose unit in cationized cellulose can be adjusted by the amount of cationizing agent added and the composition ratio of water or alcohol.
The degree of cation substitution refers to the number of substituents introduced per unit structure (glucopyranose ring) constituting cellulose. That is, the degree of cation substitution is defined as “a value obtained by dividing the number of moles of the introduced substituent by the total number of moles of hydroxyl groups of the glucopyranose ring”. Since pure cellulose has three substitutable hydroxyl groups per unit structure (glucopyranose ring), the theoretical maximum value of the degree of cation substitution is 3 (the minimum value is 0).
カチオン化処理したセルロース繊維やセルロースナノファイバーのグルコース単位当たりのカチオン置換度は、0.01以上が好ましく、0.02以上がより好ましく、0.03以上がさらに好ましい。当該置換度の上限は、0.40以下が好ましく、0.30以下がより好ましく、0.20以下がさらに好ましい。カチオン置換度は、0.01〜0.40が好ましく、0.02〜0.30がより好ましく、0.03〜0.20がさらに好ましい。セルロース原料にカチオン置換基を導入することで、カチオン化セルロース同士が電気的に反発する。このため、カチオン置換基を導入したセルロースは容易にナノ解繊することができる。
グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.01以上であることにより、十分にナノ解繊することができる。一方、グルコース単位当たりのカチオン置換度が0.40以下であることにより、膨潤又は溶解を抑制することができ、これにより繊維形態を維持することができる。
The degree of cation substitution per glucose unit of the cationized cellulose fiber or cellulose nanofiber is preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, and further preferably 0.03 or more. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.40 or less, more preferably 0.30 or less, and still more preferably 0.20 or less. The degree of cation substitution is preferably from 0.01 to 0.40, more preferably from 0.02 to 0.30, and even more preferably from 0.03 to 0.20. By introducing a cation substituent into the cellulose raw material, the cationized celluloses are electrically repelled. For this reason, the cellulose which introduce | transduced the cation substituent can be nano-defibrated easily.
When the degree of cation substitution per glucose unit is 0.01 or more, nano-defibration can be sufficiently performed. On the other hand, when the degree of cation substitution per glucose unit is 0.40 or less, swelling or dissolution can be suppressed, whereby the fiber form can be maintained.
グルコース単位当たりのカチオン置換度の測定方法の一例を以下に説明する。試料(カチオン化セルロース)を乾燥させた後に、全窒素分析計TN−10(三菱化学株式会社製)で窒素含有量を測定する。例えば、カチオン化剤として3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライドを用いた場合、下記(式5)によりカチオン化度が算出される。なお、下記(式5)で算出されるカチオン置換度とは、無水グルコース単位1モル当たりの置換基のモル数の平均値をいう。
(式5):カチオン置換度=(162×N)/(1−116×N)
(Nは、カチオン化セルロース1gあたりの窒素含有量(mol)を示す)
An example of a method for measuring the degree of cation substitution per glucose unit will be described below. After drying the sample (cationized cellulose), the nitrogen content is measured with a total nitrogen analyzer TN-10 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). For example, when 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride is used as the cationizing agent, the degree of cationization is calculated by the following (formula 5). In addition, the cation substitution degree calculated by the following (Formula 5) means the average value of the number of moles of substituents per mole of anhydroglucose unit.
(Formula 5): Degree of cation substitution = (162 × N) / (1-116 × N)
(N represents the nitrogen content (mol) per gram of cationized cellulose)
(エステル化)
エステル化の方法は特に限定されないが、例えば、セルロース原料に対しリン酸基を有する化合物を反応させる方法が挙げられる。セルロース原料に対し、リン酸基を有する化合物を反応させる方法としては、例えば、セルロース原料にリン酸基を有する化合物の粉末又は水溶液を混合する方法、セルロース原料のスラリーにリン酸基を有する化合物の水溶液を添加する方法等が挙げられる。これらの中でも、反応の均一性が高まり、かつエステル化効率が高くなることから、セルロース原料又はそのスラリーにリン酸基を有する化合物の水溶液を混合する方法が好ましい。
これらの中でも、反応の均一性が高まり、かつリン酸基の導入効率が高くなることから、セルロース原料又はそのスラリーにリン酸基を有する化合物の水溶液を混合する方法が好ましい。リン酸基を有する化合物の水溶液のpHは、リン酸基の導入の効率を高める観点から7以下が好ましく、加水分解を抑える観点から3〜7がより好ましい。
(Esterification)
Although the method of esterification is not specifically limited, For example, the method of making the compound which has a phosphoric acid group react with a cellulose raw material is mentioned. Examples of a method of reacting a phosphoric acid group-containing compound with a cellulose raw material include, for example, a method of mixing a phosphoric acid group compound powder or an aqueous solution with a cellulose raw material, a cellulose raw material slurry having a phosphoric acid group compound Examples include a method of adding an aqueous solution. Among these, since the uniformity of the reaction is enhanced and the esterification efficiency is increased, a method of mixing an aqueous solution of a compound having a phosphoric acid group with a cellulose raw material or a slurry thereof is preferable.
Among these, a method of mixing an aqueous solution of a compound having a phosphate group with a cellulose raw material or a slurry thereof is preferable because the uniformity of the reaction is increased and the introduction efficiency of the phosphate group is increased. The pH of the aqueous solution of the compound having a phosphoric acid group is preferably 7 or less from the viewpoint of increasing the efficiency of introduction of the phosphoric acid group, and more preferably 3 to 7 from the viewpoint of suppressing hydrolysis.
リン酸基を有する化合物としては、例えば、リン酸、ポリリン酸、亜リン酸、ホスホン酸、ポリホスホン酸、これらのエステルや塩等が挙げられる。これらの化合物であると、低コストであり、扱い易く、セルロースにリン酸基を導入して、解繊効率の向上が図れる。リン酸基を有する化合物の具体例としては、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、ピロリン酸ナトリウム、メタリン酸ナトリウム、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、ピロリン酸カリウム、メタリン酸カリウム、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、ピロリン酸アンモニウム、メタリン酸アンモニウム等が挙げられる。中でも、リン酸基の導入効率が高く、解繊工程で解繊し易く、かつ工業的に適用し易いという理由で、リン酸、リン酸のナトリウム塩、リン酸のカリウム塩、リン酸のアンモニウム塩が好ましく、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウムがより好ましい。
なお、リン酸基を有する化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上の組み合わせて用いてもよい。
Examples of the compound having a phosphoric acid group include phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphorous acid, phosphonic acid, polyphosphonic acid, esters and salts thereof, and the like. These compounds are low-cost, easy to handle, and can introduce a phosphate group into cellulose to improve the fibrillation efficiency. Specific examples of the compound having a phosphate group include phosphoric acid, sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, trisodium phosphate, sodium pyrophosphate, sodium metaphosphate, potassium dihydrogen phosphate, dihydrogen phosphate. Examples include potassium, tripotassium phosphate, potassium pyrophosphate, potassium metaphosphate, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, ammonium pyrophosphate, ammonium metaphosphate, and the like. Among them, phosphoric acid, phosphoric acid sodium salt, phosphoric acid potassium salt, phosphoric acid ammonium salt are preferable because of the high introduction efficiency of phosphoric acid groups, easy defibration in the defibrating process, and industrial application. A salt is preferable, and sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate are more preferable.
In addition, the compound which has a phosphate group may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
エステル化の方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。セルロース原料の懸濁液(例えば、固形分濃度0.1〜10質量%)にリン酸基を有する化合物を撹拌しながら添加し、セルロースにリン酸基を導入する。リン酸基を有する化合物がリン酸化合物の場合、セルロース原料100質量部に対して、リン酸基を有する化合物の添加量はリン原子換算で、0.2質量部以上が好ましく、1質量部以上がより好ましい。これにより、エステル化セルロースの収率をより向上できる。当該量の上限は、500質量部以下が好ましく、400質量部以下がより好ましい。斯かる範囲であることで、リン酸基を有する化合物の使用量に見合った収率を効率よく得ることができる。リン酸基を有する化合物の添加量は、リン原子換算で、0.2〜500質量部が好ましく、1〜400質量部がより好ましい。 Examples of the esterification method include the following methods. A compound having a phosphoric acid group is added to a suspension of a cellulose raw material (for example, a solid content concentration of 0.1 to 10% by mass) while stirring to introduce the phosphoric acid group into the cellulose. When the compound having a phosphoric acid group is a phosphoric acid compound, the addition amount of the compound having a phosphoric acid group is preferably 0.2 parts by mass or more, preferably 1 part by mass or more in terms of phosphorus atoms, relative to 100 parts by mass of the cellulose raw material. Is more preferable. Thereby, the yield of esterified cellulose can be improved more. The upper limit of the amount is preferably 500 parts by mass or less, and more preferably 400 parts by mass or less. By being in such a range, the yield corresponding to the usage-amount of the compound which has a phosphate group can be obtained efficiently. The addition amount of the compound having a phosphoric acid group is preferably 0.2 to 500 parts by mass and more preferably 1 to 400 parts by mass in terms of phosphorus atom.
セルロース原料とリン酸基を有する化合物を反応させる際、さらに塩基性化合物を反応系に加えてもよい。塩基性化合物を反応系に加える方法としては、例えば、セルロース原料のスラリー、リン酸基を有する化合物の水溶液、又はセルロース原料とリン酸基を有する化合物のスラリーに、添加する方法が挙げられる。
塩基性化合物は特に限定されないが、塩基性を示す窒素含有化合物が好ましい。「塩基性を示す」とは、通常、フェノールフタレイン指示薬の存在下で塩基性化合物の水溶液が桃〜赤色を呈すること、又は塩基性化合物の水溶液のpHが7より大きいことを意味する。
塩基性を示す窒素含有化合物としては特に限定されないが、アミノ基を有する化合物が好ましい。例えば、尿素、メチルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等が挙げられる。これらの中でも、低コストで扱いやすい点で、尿素が好ましい。
塩基性化合物の添加量は、セルロース原料100質量部に対して、2〜1000質量部が好ましく、100〜700質量部がより好ましい。反応温度は、0〜95℃が好ましく、30〜90℃がより好ましい。反応時間は特に限定されないが、通常、1〜600分程度であり、30〜480分が好ましい。エステル化反応の条件がこれらのいずれかの範囲内であると、セルロースが過度にエステル化されて溶解し易くなることを防ぐことができ、リン酸エステル化セルロースの収率を向上させることができる。
When the cellulose raw material and the compound having a phosphate group are reacted, a basic compound may be further added to the reaction system. Examples of the method of adding the basic compound to the reaction system include a method of adding to a slurry of a cellulose raw material, an aqueous solution of a compound having a phosphoric acid group, or a slurry of a cellulose raw material and a compound having a phosphoric acid group.
Although a basic compound is not specifically limited, The nitrogen-containing compound which shows basicity is preferable. “Show basic” usually means that the aqueous solution of the basic compound is pink to red in the presence of the phenolphthalein indicator, or the pH of the aqueous solution of the basic compound is greater than 7.
Although it does not specifically limit as a nitrogen-containing compound which shows basicity, The compound which has an amino group is preferable. For example, urea, methylamine, ethylamine, trimethylamine, triethylamine, monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, pyridine, ethylenediamine, hexamethylenediamine and the like can be mentioned. Among these, urea is preferable because it is easy to handle at low cost.
The amount of the basic compound added is preferably 2 to 1000 parts by mass, more preferably 100 to 700 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the cellulose raw material. The reaction temperature is preferably 0 to 95 ° C, more preferably 30 to 90 ° C. Although reaction time is not specifically limited, Usually, it is about 1 to 600 minutes, and 30 to 480 minutes are preferable. When the conditions for the esterification reaction are in any of these ranges, it is possible to prevent the cellulose from being excessively esterified and easily dissolved, and to improve the yield of phosphorylated esterified cellulose. .
セルロース原料にリン酸基を有する化合物を反応させた後、通常はエステル化セルロース懸濁液が得られる。エステル化セルロース懸濁液は、必要に応じて脱水し、脱水後には加熱処理を行うことが好ましい。これにより、セルロース原料の加水分解を抑えることができる。
加熱温度は、100〜170℃が好ましく、加熱処理の際に水が含まれている間は、130℃以下(好ましくは、110℃以下)で加熱し、水を除いた後、100〜170℃で加熱処理することがより好ましい。
After reacting the cellulose raw material with a compound having a phosphate group, an esterified cellulose suspension is usually obtained. The esterified cellulose suspension is preferably dehydrated as necessary, and is subjected to heat treatment after dehydration. Thereby, hydrolysis of a cellulose raw material can be suppressed.
The heating temperature is preferably 100 to 170 ° C. While water is included in the heat treatment, heating is performed at 130 ° C or less (preferably 110 ° C or less), and after removing water, the temperature is 100 to 170 ° C. It is more preferable to heat-process with.
リン酸エステル化セルロースにおいては、セルロース原料にリン酸基置換基が導入されており、セルロース同士が電気的に反発する。そのため、リン酸エステル化セルロースは容易にナノ解繊することができる。
リン酸エステル化セルロースのグルコース単位当たりのリン酸基置換度は0.001以上が好ましい。これにより、十分な解繊(例えば、ナノ解繊)を実施できる。当該置換度の上限は0.60が好ましい。これにより、リン酸エステル化セルロースの膨潤又は溶解を防止し、ナノファイバーが得られない事態を防止することができる。当該置換度は、0.001〜0.60であることが好ましい。リン酸エステル化セルロースは、煮沸後、冷水で洗浄する等の洗浄処理がなされることが好ましい。これにより解繊を効率よく行うことができる。
In phosphate esterified cellulose, a phosphate group substituent is introduced into the cellulose raw material, and cellulose repels electrically. Therefore, phosphorylated esterified cellulose can be easily nano-defibrated.
The degree of phosphate group substitution per glucose unit in the phosphate esterified cellulose is preferably 0.001 or more. Thereby, sufficient defibration (for example, nano defibration) can be implemented. The upper limit of the degree of substitution is preferably 0.60. Thereby, swelling or melt | dissolution of phosphate esterified cellulose can be prevented, and the situation where a nanofiber cannot be obtained can be prevented. The degree of substitution is preferably 0.001 to 0.60. The phosphorylated cellulose is preferably subjected to a washing treatment such as washing with cold water after boiling. Thereby, defibration can be performed efficiently.
(解繊)
セルロース繊維として解繊を施す場合、解繊は化学変性を施す前のセルロース原料に行ってもよく、変性処理したセルロースに行ってもよい。解繊処理は1回行ってもよく、複数回行ってもよい。複数回の場合それぞれの解繊の時期はいつでもよい。
(Defibration)
When defibrating as a cellulose fiber, the defibrating may be performed on the cellulose raw material before chemical modification or may be performed on the modified cellulose. The defibrating process may be performed once or a plurality of times. In the case of multiple times, each defibration period may be any time.
解繊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、超音波式等のタイプの装置が挙げられる。中でも、高圧又は超高圧ホモジナイザーが好ましく、湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーがより好ましい。湿式の高圧又は超高圧ホモジナイザーを用いると、セルロース原料又は変性処理したセルロース(通常は分散液)に強力なせん断力を印加でき、解繊を効率的に行うことができる。
装置が印加する圧力は、50MPa以上が好ましく、100MPa以上がより好ましく、140MPa以上がさらに好ましい。
The apparatus used for defibration is not particularly limited, and examples thereof include high-speed rotation type, colloid mill type, high pressure type, roll mill type, and ultrasonic type apparatuses. Among these, a high pressure or ultra high pressure homogenizer is preferable, and a wet high pressure or ultra high pressure homogenizer is more preferable. When a wet high-pressure or ultrahigh-pressure homogenizer is used, a strong shearing force can be applied to the cellulose raw material or the modified cellulose (usually a dispersion), and defibration can be performed efficiently.
The pressure applied by the apparatus is preferably 50 MPa or more, more preferably 100 MPa or more, and further preferably 140 MPa or more.
解繊をセルロース原料の分散体に対して行う場合、分散体中のセルロース原料の固形分濃度は、通常、0.1質量%以上であり、好ましくは0.2質量%以上であり、より好ましくは0.3質量%以上である。斯かる範囲であると、セルロース原料の固形分に対する液量が適量となり、効率的に解繊し得る。当該濃度の上限は、通常、10質量%以下であり、好ましくは6質量%以下である。これにより流動性を保持することができる。 When defibration is performed on a dispersion of cellulose raw material, the solid content concentration of the cellulose raw material in the dispersion is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.2% by mass or more, more preferably Is 0.3% by mass or more. Within such a range, the amount of liquid with respect to the solid content of the cellulose raw material becomes an appropriate amount and can be efficiently defibrated. The upper limit of the concentration is usually 10% by mass or less, preferably 6% by mass or less. Thereby, fluidity | liquidity can be hold | maintained.
解繊(好ましくは高圧ホモジナイザーでの解繊)、又は必要に応じて解繊前に行う分散処理に先立ち、必要に応じて予備処理を行ってもよい。予備処理は、高速せん断ミキサー等の混合、攪拌、乳化、分散装置を用いて行えばよい。 Prior to defibration (preferably defibration with a high-pressure homogenizer) or dispersion treatment performed before defibration as necessary, pretreatment may be performed as necessary. The pretreatment may be performed using a mixing, stirring, emulsifying, and dispersing device such as a high-speed shear mixer.
(ろ過)
セルロース系繊維としてセルロースナノファイバーを使用する場合、当該セルロースナノファイバー中に解繊が不十分なことによる未解繊繊維等の異物が存在する場合がある。異物を含んだままゴム組成物とすると、異物を起点としてゴム組成物が破断し易くなり、強度の低下等が生じる場合がある。そのため、セルロース系繊維としてセルロースナノファイバーを使用する場合、ろ過処理をしたセルロースナノファイバー分散液や当該ろ過処理後のセルロースナノファイバー分散液から単離したセルロースナノファイバーを用いることが好ましい。
(Filtration)
When cellulose nanofibers are used as the cellulosic fibers, foreign substances such as undefibrated fibers due to insufficient defibration may exist in the cellulose nanofibers. If the rubber composition contains foreign matters, the rubber composition is likely to break starting from the foreign matters, resulting in a decrease in strength. Therefore, when using a cellulose nanofiber as a cellulose-type fiber, it is preferable to use the cellulose nanofiber isolated from the cellulose nanofiber dispersion liquid which performed the filtration process, or the cellulose nanofiber dispersion liquid after the said filtration process.
ろ過処理は、セルロースナノファイバー分散液を0.01MPa以上の差圧を付けて加圧ろ過又は減圧ろ過することが好ましく、0.01〜10MPaの差圧で加圧ろ過又は減圧ろ過することが好ましい。斯かる範囲のろ過差圧でろ過を行うことにより、セルロースナノファイバー分散液の濃度や粘度が高くても十分なろ過処理量とし得る。当該差圧が0.01MPa未満であると、十分なろ過処理量が得られず、また、十分なろ過処理量を得るためには相当の希釈が必要となり、その後の工程を考慮すると好ましくない。
ろ過に供するセルロースナノファイバー分散液中のセルロースナノファイバーの濃度は、通常、0.1〜5質量%であり、好ましくは0.2〜4質量%であり、より好ましくは0.5〜3質量%である。
ろ過に用いる装置としては、ヌッチェ型、キャンドル型、リーフディスク型、ドラム型、フィルタープレス型、ベルトフィルター型等の装置が挙げられる。
In the filtration treatment, the cellulose nanofiber dispersion is preferably subjected to pressure filtration or reduced pressure filtration with a differential pressure of 0.01 MPa or more, and preferably subjected to pressure filtration or reduced pressure filtration at a differential pressure of 0.01 to 10 MPa. . By performing filtration with a filtration differential pressure in such a range, even if the concentration and viscosity of the cellulose nanofiber dispersion are high, a sufficient amount of filtration can be obtained. If the differential pressure is less than 0.01 MPa, a sufficient amount of filtration treatment cannot be obtained, and considerable dilution is required to obtain a sufficient amount of filtration treatment, which is not preferable in consideration of the subsequent steps.
The density | concentration of the cellulose nanofiber in the cellulose nanofiber dispersion liquid used for filtration is 0.1-5 mass% normally, Preferably it is 0.2-4 mass%, More preferably, it is 0.5-3 mass %.
Examples of the apparatus used for filtration include Nutsche type, candle type, leaf disk type, drum type, filter press type, belt filter type and the like.
ろ過処理量は1時間当たり10L/m2以上であることが好ましく、100L/m2以上であることがより好ましい。
ろ過の方法としては、ろ過助剤を用いる助剤ろ過、多孔質ろ材を用いるろ材ろ過等が挙げられる。本発明においては、適宜方法を選択でき、前記二つのろ過方法を併用してもよい。この場合、ろ過方法の順序は任意に選択し得る。さらに2つ以上のろ過工程を実施する場合、いずれか1つのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されていればよいが、全てのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されてもよい。
The amount of filtration treatment is preferably 10 L / m 2 or more per hour, and more preferably 100 L / m 2 or more.
Examples of the filtration method include auxiliary agent filtration using a filter aid, filter medium filtration using a porous filter medium, and the like. In the present invention, a method can be appropriately selected, and the two filtration methods may be used in combination. In this case, the order of the filtration methods can be arbitrarily selected. Furthermore, when implementing two or more filtration processes, any one filtration process should just be implemented with the said filtration differential pressure, All the filtration processes may be implemented with the said filtration differential pressure.
ろ過助剤を用いる助剤ろ過は、ろ過助剤で形成されたろ過層を取り除くことにより、ろ過処理で生じたろ材の目詰まりを容易に解消することができるので好ましい。そのため、連続的なろ過処理を行うことが可能である。
ろ過助剤は、平均粒子径が150μm以下の粒状物であることが好ましく、平均粒子径が1〜150μmの粒状物がより好ましく、平均粒子径が10〜75μmの粒状物、平均粒子径が15〜45μmの粒状物、平均粒子径が25〜45μmの粒状物であることがさらに好ましい。平均粒子径が1μmより小さな粒径の場合、ろ過速度が低下する場合がある。一方、平均粒子径が150μmより大きな粒径の場合、異物を捉えきれないのでろ過処理の効果が得られない場合がある。
ろ過助剤は後述するとおり珪藻土等の略球形である場合や、粉末セルロースのように棒状である場合等、種々の形状を取り得る。いずれの場合であっても、JIS Z8825−1に準拠してレーザー回折式測定器により平均粒子径を測定し得る。
Auxiliary filtration using a filter aid is preferable because clogging of the filter medium caused by the filtration treatment can be easily eliminated by removing the filter layer formed with the filter aid. Therefore, it is possible to perform continuous filtration.
The filter aid is preferably a granular material having an average particle size of 150 μm or less, more preferably a granular material having an average particle size of 1 to 150 μm, a granular material having an average particle size of 10 to 75 μm, and an average particle size of 15 It is more preferable to be a granular material having a particle size of ˜45 μm and an average particle diameter of 25 to 45 μm. When the average particle size is smaller than 1 μm, the filtration rate may decrease. On the other hand, when the average particle size is larger than 150 μm, foreign matter cannot be captured, and the effect of the filtration treatment may not be obtained.
As will be described later, the filter aid can take various shapes such as a substantially spherical shape such as diatomaceous earth or a rod shape such as powdered cellulose. In either case, the average particle diameter can be measured by a laser diffraction measuring instrument in accordance with JIS Z8825-1.
ろ過助剤を用いる助剤ろ過は、ろ材の上にろ過助剤の層を形成するプレコートろ過、ろ過助剤とセルロースナノファイバー分散液を予め混合し、これをろ過するボディーフィードろ過のいずれによって行ってもよい。両者を組合せると処理量が向上し、かつ、ろ液の品質が良好となるためより好ましい。また、ろ過助剤の種類を変えて多段階の助剤ろ過を行ってもよい。ろ過助剤を用いて2段階以上のろ過工程を実施する場合、いずれか1つのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されていればよく、全てのろ過工程が前記ろ過差圧で実施されてもよい。
ろ過助剤としては無機化合物、有機化合物のいずれを用いてもよいが、粒状のものが好ましい。ろ過助剤の好適例としては、珪藻土、粉末セルロース、パーライト、活性炭等が挙げられる。
Auxiliary filtration using a filter aid is performed by any of precoat filtration that forms a layer of filter aid on the filter medium, and body feed filtration in which the filter aid and cellulose nanofiber dispersion are mixed in advance and filtered. May be. Combining both is more preferable because the throughput is improved and the quality of the filtrate is improved. Moreover, you may perform multistage adjuvant filtration by changing the kind of filter aid. When carrying out two or more stages of filtration steps using a filter aid, it is sufficient that any one filtration step is carried out at the filtration differential pressure, and all filtration steps are carried out at the filtration differential pressure. Good.
As the filter aid, either an inorganic compound or an organic compound may be used, but a granular one is preferred. Preferable examples of the filter aid include diatomaceous earth, powdered cellulose, pearlite, activated carbon and the like.
珪藻土とは、主に珪藻の殻からなる軟質の岩石又は土壌をいい、シリカを主成分とする。シリカ以外にもアルミナ、酸化鉄、アルカリ金属の酸化物等を含んでいてもよい。また、多孔質で高い空隙率を有し、ケーク嵩密度が0.2〜0.45g/cm3程度のものが好ましい。珪藻土の中でも、焼成品や融剤焼成品が好ましく、さらには淡水産珪藻土が好ましい。このような珪藻土としては、例えば、セライト社製のセライト(登録商標)、イーグルピッチャーミネラルズ社製のセラトム(登録商標)が挙げられる。 Diatomaceous earth refers to soft rock or soil mainly composed of diatom shell, and is mainly composed of silica. In addition to silica, alumina, iron oxide, alkali metal oxides, and the like may be included. Further, it is preferably porous and has a high porosity and a cake bulk density of about 0.2 to 0.45 g / cm 3 . Among the diatomaceous earths, fired products and flux fired products are preferable, and freshwater diatomaceous earth is more preferable. Examples of such diatomaceous earth include Celite (registered trademark) manufactured by Celite and Ceratom (registered trademark) manufactured by Eagle Pitcher Minerals.
粉末セルロースとは、木材パルプの非結晶部分を酸加水分解処理で除去した後、粉砕、篩分けして得られる微結晶性セルロースからなる棒軸状粒子をいう。
粉末セルロースにおけるセルロースの重合度は、好ましくは100〜500程度である。
X線回折法による粉末セルロースの結晶化度は、好ましくは70〜90%である。
レーザー回折式粒度分布測定装置による体積平均粒子径は、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下である。体積平均粒子径が100μm以下であると、流動性に優れるセルロースナノファイバー分散液を得ることができる。
本発明で用いる粉末セルロースとしては、例えば、精選パルプを酸加水分解した後に得られる未分解残渣を精製かつ乾燥し、粉砕、篩い分けする方法により製造される棒軸状であって、一定の粒径分布を有する結晶性セルロース粉末、日本製紙社製のKCフロック(登録商標)、旭化成ケミカルズ社製のセオラス(登録商標)、FMC社製のアビセル(登録商標)が挙げられる。
Powdered cellulose refers to rod-like particles made of microcrystalline cellulose obtained by removing a non-crystalline portion of wood pulp by acid hydrolysis, and then pulverizing and sieving.
The degree of polymerization of cellulose in powdered cellulose is preferably about 100 to 500.
The crystallinity of the powdered cellulose by X-ray diffraction method is preferably 70 to 90%.
The volume average particle size measured by the laser diffraction particle size distribution analyzer is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. When the volume average particle diameter is 100 μm or less, a cellulose nanofiber dispersion excellent in fluidity can be obtained.
The powdered cellulose used in the present invention is, for example, a rod shaft produced by a method in which an undegraded residue obtained after acid hydrolysis of a selected pulp is purified and dried, pulverized and sieved, and has a certain particle size. Examples thereof include crystalline cellulose powder having a diameter distribution, KC Flock (registered trademark) manufactured by Nippon Paper Industries, Theolas (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Chemicals, and Avicel (registered trademark) manufactured by FMC.
ろ材としては、金属繊維、セルロース、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ガラス、コットン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド等の素材からなるフィルター、メンブレン、ろ布、金属粉を焼結させてなるフィルター、又はスリット状フィルター等が挙げられる。これらの中でも、金属フィルター或いはメンブレンフィルターが好ましい。 Filter media include filters made of metal fibers, cellulose, polypropylene, polyester, nylon, glass, cotton, polytetrafluoroethylene, polyphenylene sulfide, etc., membranes, filter cloth, filters made by sintering metal powder, or slits Shape filter and the like. Among these, a metal filter or a membrane filter is preferable.
ろ材の好ましい平均孔径は、上記のろ過助剤と併用する場合は特に限定されない。一方、上記のろ過助剤を併用せず、ろ材のみによりろ過する場合、ろ材の平均孔径は、好ましくは0.01〜100μmであり、より好ましくは0.1〜50μmであり、さらに好ましくは1〜30μmである。平均孔径が0.01μmより小さい場合、十分なろ過速度が得られない場合がある。一方、100μmより大きい場合、異物を捉えきれないのでろ過効果が得られ難くなる場合がある。 The preferred average pore size of the filter medium is not particularly limited when used in combination with the above filter aid. On the other hand, when not filtering together with said filter aid and filtering only with a filter medium, the average pore diameter of a filter medium becomes like this. Preferably it is 0.01-100 micrometers, More preferably, it is 0.1-50 micrometers, More preferably, it is 1. ˜30 μm. When the average pore size is smaller than 0.01 μm, a sufficient filtration rate may not be obtained. On the other hand, when it is larger than 100 μm, it is difficult to obtain a filtering effect because foreign matters cannot be captured.
ろ過後のセルロースナノファイバー分散液の分散性は、以下の方法で評価することが好ましい。
セルロースナノファイバー分散液に表面張力調整剤を添加した後に薄膜化する。当該薄膜の両面に、一対の偏光板を互いに偏光軸が直交するように配置する。一方の偏光板側から光を照射し、他方の偏光板側から透過画像を取得する。当該画像を画像解析して異物面積を特定し、セルロースナノファイバー絶乾質量1gあたりの異物面積比率を算出する。
ろ過後のセルロースナノファイバー分散液は、当該評価方法において25%以下の異物面積比率を有することが好ましい。
The dispersibility of the cellulose nanofiber dispersion after filtration is preferably evaluated by the following method.
After adding a surface tension adjusting agent to the cellulose nanofiber dispersion, it is thinned. A pair of polarizing plates are arranged on both surfaces of the thin film so that the polarization axes are orthogonal to each other. Light is irradiated from one polarizing plate side, and a transmission image is acquired from the other polarizing plate side. The image is subjected to image analysis to determine the foreign matter area, and the foreign matter area ratio per 1 g of the cellulose nanofiber dry mass is calculated.
The cellulose nanofiber dispersion after filtration preferably has a foreign matter area ratio of 25% or less in the evaluation method.
また、セルロース系繊維として、セルロース系繊維と水溶性高分子の混合物を使用し得る。
水溶性高分子としては、例えば、セルロース誘導体(例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、エチルセルロース)、キサンタンガム、キシログルカン、デキストリン、デキストラン、カラギーナン、ローカストビーンガム、アルギン酸、アルギン酸塩、プルラン、澱粉、かたくり粉、クズ粉、陽性澱粉、燐酸化澱粉、コーンスターチ、アラビアガム、ジェランガム、ゲランガム、ポリデキストロース、ペクチン、キチン、水溶性キチン、キトサン、カゼイン、アルブミン、大豆蛋白溶解物、ペプトン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ソーダ、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、ポリアミノ酸、ポリ乳酸、ポリリンゴ酸、ポリグリセリン、ラテックス、ロジン系サイズ剤、石油樹脂系サイズ剤、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミド・ポリアミン樹脂、ポリエチレンイミン、ポリアミン、植物ガム、ポリエチレンオキサイド、親水性架橋ポリマー、ポリアクリル酸塩、でんぷんポリアクリル酸共重合体、タマリンドガム、グァーガム、及びコロイダルシリカ、並びにこれらの混合物が挙げられる。
中でも溶解性の点から、カルボキシメチルセルロース又はその塩を用いることが好ましい。
Moreover, a mixture of a cellulose fiber and a water-soluble polymer can be used as the cellulose fiber.
Examples of water-soluble polymers include cellulose derivatives (for example, carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxypropylcellulose, ethylcellulose), xanthan gum, xyloglucan, dextrin, dextran, carrageenan, locust bean gum, alginic acid, alginate, pullulan, starch, Snack flour, scrap flour, positive starch, phosphorylated starch, corn starch, gum arabic, gellan gum, gellan gum, polydextrose, pectin, chitin, water-soluble chitin, chitosan, casein, albumin, soy protein lysate, peptone, polyvinyl alcohol, polyacrylamide , Sodium polyacrylate, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetate, polyamino acid, polylactic acid, polymalic acid, polyglycerin, latex, Gin-based sizing agent, petroleum resin-based sizing agent, urea resin, melamine resin, epoxy resin, polyamide resin, polyamide / polyamine resin, polyethyleneimine, polyamine, vegetable gum, polyethylene oxide, hydrophilic cross-linked polymer, polyacrylate, starch Examples include polyacrylic acid copolymers, tamarind gum, guar gum, and colloidal silica, and mixtures thereof.
Of these, carboxymethylcellulose or a salt thereof is preferably used from the viewpoint of solubility.
セルロース系繊維の使用量は、ゴム組成物としたときに所望の物性を達成し得るように調整され得る。例えば、ゴム成分100質量部に対して、0.1〜100質量部が好ましく、1〜50質量部がより好ましく、2〜40質量部、3〜30質量部がさらに好ましい。 The amount of cellulosic fibers used can be adjusted to achieve the desired physical properties when made into a rubber composition. For example, 0.1-100 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of rubber components, 1-50 mass parts is more preferable, 2-40 mass parts, and 3-30 mass parts is further more preferable.
(1−3)シランカップリング剤:
シランカップリング剤としては、特に制限はない。例えば、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)トリスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)トリスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)トリスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)トリスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)ジスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)ジスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)ジスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)ジスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリエトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリメトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルベンゾチアゾリルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピルベンゾチアゾールテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィド等のスルフィド基を有するシランカップリング剤;3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、2−メルカプトエチルトリメトキシシラン、2−メルカプトエチルトリエトキシシラン等のメルカプト基を有するシランカップリング剤;ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン等のビニル基を有するシランカップリング剤;3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノ基を有するシランカップリング剤;γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン等のグリシドキシ基を有するシランカップリング剤;3−ニトロプロピルトリメトキシシラン、3−ニトロプロピルトリエトキシシラン等のニトロ基を有するシランカップリング剤;3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、2−クロロエチルトリメトキシシラン、2−クロロエチルトリエトキシシラン等のクロロ基を有するシランカップリング剤;3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、5,6−エポキシヘキシルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、及び、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のエポキシ基を有するシランカップリング剤;p−スチリルトリメトキシシラン、α−メチルスチリルジメチルメトキシシラン、p−スチリルトリエトキシシラン等のスチリル基を有するシランカップリング剤;3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロイルオキシプロピル)トリメトキシシラン、γ−(メタクリロイルオキシプロピルメチル)ジメトキシシラン等のメタクリル基を有するシランカップリング剤;3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン等のアクリル基を有するシランカップリング剤;γ−ウレイドプロピルトリメトキシシラン、β−ウレイドエチルトリメトキシシラン、α−ウレイドメチルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルメチルジメトキシシラン、β−ウレイドエチルメチルジメトキシシラン、α−ウレイドメチルメチルジメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、β−ウレイドエチルトリエトキシシラン、α−ウレイドメチルトリエトキシシラン、γ−ウレイドプロピルメチルジエトキシシラン、β−ウレイドメチルジエトキシシラン、α−ウレイドメチルメチルジエトキシシラン、1−メチル−1−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−メチル−3−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−メチル−1−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−メチル−3−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−エチル−1−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−エチル−3−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−エチル−1−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1−エチル−3−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジメチル−1−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジメチル−3−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジメチル−1−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジメチル−3−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジエチル−1−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジエチル−3−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジエチル−1−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア、1,3−ジエチル−3−(3−(メチルジメトキシシリル)プロピル)ウレア等のウレイド基を有するシランカップリング剤;トリメトキシシリルメチルイソシアネート、トリエトキシシリルメチルイソシアネート、トリプロポキシシリルメチルイソシアネート、2−トリメトキシシリルエチルイソシアネート、2−トリエトキシシリルエチルイソシアネート、2−トリプロポキシシリルエチルイソシアネート、3−トリメトキシシリルプロピルイソシアネート、3−トリエトキシシリルプロピルイソシアネート、3−トリプロポキシシリルプロピルイソシアネート、4−トリメトキシシリルブチルイソシアネート、4−トリエトキシシリルブチルイソシアネート、4−トリプロポキシシリルブチルイソシアネート等のイソシアネート基を有するシランカップリング剤等が挙げられる。これらの中でも、メルカプト基、イソシアネート基、スルフィド基、及びアミノ基からなる群から選択される少なくとも1種の基を有するシランカップリング剤が好ましい。
なお、これらのシランカップリング剤は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(1-3) Silane coupling agent:
There is no restriction | limiting in particular as a silane coupling agent. For example, bis (3-triethoxysilylpropyl) tetrasulfide, bis (2-triethoxysilylethyl) tetrasulfide, bis (4-triethoxysilylbutyl) tetrasulfide, bis (3-trimethoxysilylpropyl) tetrasulfide, Bis (2-trimethoxysilylethyl) tetrasulfide, bis (4-trimethoxysilylbutyl) tetrasulfide, bis (3-triethoxysilylpropyl) trisulfide, bis (2-triethoxysilylethyl) trisulfide, bis ( 4-triethoxysilylbutyl) trisulfide, bis (3-trimethoxysilylpropyl) trisulfide, bis (2-trimethoxysilylethyl) trisulfide, bis (4-trimethoxysilylbutyl) trisulfide, bis (3- bird Toxisilylpropyl) disulfide, bis (2-triethoxysilylethyl) disulfide, bis (4-triethoxysilylbutyl) disulfide, bis (3-trimethoxysilylpropyl) disulfide, bis (2-trimethoxysilylethyl) disulfide, Bis (4-trimethoxysilylbutyl) disulfide, 3-trimethoxysilylpropyl-N, N-dimethylthiocarbamoyl tetrasulfide, 3-triethoxysilylpropyl-N, N-dimethylthiocarbamoyl tetrasulfide, 2-triethoxysilyl Ethyl-N, N-dimethylthiocarbamoyl tetrasulfide, 2-trimethoxysilylethyl-N, N-dimethylthiocarbamoyl tetrasulfide, 3-trimethoxysilylpropylbenzothiazolyl tetra Silane coupling agents having sulfide groups such as rufide, 3-triethoxysilylpropylbenzothiazole tetrasulfide, 3-triethoxysilylpropyl methacrylate monosulfide, 3-trimethoxysilylpropyl methacrylate monosulfide; 3-mercaptopropyltrimethoxysilane Silane coupling agents having a mercapto group such as 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 2-mercaptoethyltrimethoxysilane, 2-mercaptoethyltriethoxysilane; etc .; having a vinyl group such as vinyltriethoxysilane and vinyltrimethoxysilane Silane coupling agent; 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltriethoxysilane Silane coupling agents having amino groups such as lan, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane; γ-glycidoxypropyltriethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ-glycid Silane coupling agents having a glycidoxy group such as xylpropylmethyldiethoxysilane and γ-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane; Silane cups having a nitro group such as 3-nitropropyltrimethoxysilane and 3-nitropropyltriethoxysilane Ring agent; Silane coupling agent having a chloro group such as 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, 2-chloroethyltrimethoxysilane, 2-chloroethyltriethoxysilane; 3-glycidoxy Propyltrime Silane coupling agents having an epoxy group such as xylsilane, 5,6-epoxyhexyltriethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, and 3-glycidoxypropyltriethoxysilane; p A silane coupling agent having a styryl group such as styryltrimethoxysilane, α-methylstyryldimethylmethoxysilane, and p-styryltriethoxysilane; 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3 -Methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, γ- (methacryloyloxypropyl) trimethoxysilane, γ- (methacryloyloxypropylmethyl) dimethoxysilane, etc. Methacrylic group-containing silane coupling agent; acrylic group such as 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-acryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-acryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-acryloxypropyltriethoxysilane Γ-ureidopropyltrimethoxysilane, β-ureidoethyltrimethoxysilane, α-ureidomethyltrimethoxysilane, γ-ureidopropylmethyldimethoxysilane, β-ureidoethylmethyldimethoxysilane, α-ureido Methylmethyldimethoxysilane, γ-ureidopropyltriethoxysilane, β-ureidoethyltriethoxysilane, α-ureidomethyltriethoxysilane, γ-ureidopropylmethyldiethoxysilane β-ureidomethyldiethoxysilane, α-ureidomethylmethyldiethoxysilane, 1-methyl-1- (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, 1-methyl-3- (3- (trimethoxysilyl) propyl ) Urea, 1-methyl-1- (3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea, 1-methyl-3- (3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea, 1-ethyl-1- (3- (tri Methoxysilyl) propyl) urea, 1-ethyl-3- (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, 1-ethyl-1- (3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea, 1-ethyl-3- ( 3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea, 1,3-dimethyl-1- (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, 1,3- Methyl-3- (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, 1,3-dimethyl-1- (3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea, 1,3-dimethyl-3- (3- (methyldimethoxy) Silyl) propyl) urea, 1,3-diethyl-1- (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, 1,3-diethyl-3- (3- (trimethoxysilyl) propyl) urea, 1,3- Silane coupling agents having a ureido group such as diethyl-1- (3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea and 1,3-diethyl-3- (3- (methyldimethoxysilyl) propyl) urea; trimethoxysilylmethyl Isocyanate, triethoxysilylmethyl isocyanate, tripropoxysilylmethyl isocyanate, 2-trimethoxysilyl Ruethyl isocyanate, 2-triethoxysilylethyl isocyanate, 2-tripropoxysilylethyl isocyanate, 3-trimethoxysilylpropyl isocyanate, 3-triethoxysilylpropyl isocyanate, 3-tripropoxysilylpropyl isocyanate, 4-trimethoxysilylbutyl Examples thereof include silane coupling agents having an isocyanate group such as isocyanate, 4-triethoxysilylbutyl isocyanate, and 4-tripropoxysilylbutyl isocyanate. Among these, a silane coupling agent having at least one group selected from the group consisting of a mercapto group, an isocyanate group, a sulfide group, and an amino group is preferable.
In addition, these silane coupling agents may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
シランカップリング剤の使用量は、セルロース系繊維とシランカップリング剤の配合比(シランカップリング剤/セルロース系繊維)が、質量部換算で、0.1/10〜5/10となる量であることが好ましく、0.5/10〜3/10となる量であることがより好ましい。配合比(シランカップリング剤/セルロース系繊維)が0.1/10以上であることで、低ひずみの応力向上効果を十分発揮し得る。一方、5/10以下であることで、破断伸びをある程度維持し得る。 The amount of the silane coupling agent used is such that the mixing ratio of the cellulose fiber and the silane coupling agent (silane coupling agent / cellulosic fiber) is 0.1 / 10 to 5/10 in terms of parts by mass. It is preferable that the amount is 0.5 / 10 to 3/10, and more preferable. When the blending ratio (silane coupling agent / cellulosic fiber) is 0.1 / 10 or more, the effect of improving stress with low strain can be sufficiently exhibited. On the other hand, the elongation at break can be maintained to some extent by being 5/10 or less.
(1−4)混合物:
混合物は、ゴム成分及びセルロース系繊維を含む混合物Aと、ゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤を含む混合物Bがある。混合方法については後述するが、混合物は、溶媒を除去した乾燥物であることが好ましい。
(1-4) Mixture:
The mixture includes a mixture A containing a rubber component and cellulosic fibers, and a mixture B containing a rubber component, cellulosic fibers and a silane coupling agent. Although the mixing method will be described later, the mixture is preferably a dried product from which the solvent has been removed.
(1−5)加熱処理物:
加熱処理物は、混合物を加熱処理して得られるものである。混合物Aを加熱処理したものを加熱処理物Aとし、混合物Bを加熱処理したものを加熱処理物Bとする。加熱方法については後述する。
(1-5) Heat-treated product:
The heat-treated product is obtained by heat-treating the mixture. The mixture A is heat-treated and the mixture B is heat-treated A. The heating method will be described later.
(1−6)混練物:
混練物は、加熱処理物Aとシランカップリング剤を混練して得られるものである。混練方法については後述する。
(1-6) Kneaded product:
The kneaded product is obtained by kneading the heat-treated product A and the silane coupling agent. The kneading method will be described later.
(2)マスターバッチの製造方法:
本発明のマスターバッチの製造方法は、次の2つの実施形態がある。実施形態Aでは、(a1)ゴム成分及びセルロース系繊維を混合して混合物Aを得る工程と、(b1)前記混合物Aを、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物Aを得る工程と、(c1)前記加熱処理物Aとシランカップリング剤を混練して混練物を得る工程と、を有する。実施形態Bでは、(a2)ゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤を混合して混合物Bを得る工程と、(b2)前記混合物Bを、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物Bを得る工程と、を有する。
本発明のマスターバッチの製造方法においては、混合物を、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物を得る工程を有するので、疎水性のゴム成分と親水性のセルロース系繊維の相溶性が向上している。
(2) Masterbatch manufacturing method:
The masterbatch production method of the present invention has the following two embodiments. In the embodiment A, (a1) a step of obtaining a mixture A by mixing a rubber component and cellulosic fibers, and (b1) heating the mixture A at a temperature of 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes. And (c1) kneading the heat-treated product A and a silane coupling agent to obtain a kneaded product. In Embodiment B, (a2) a step of obtaining a mixture B by mixing a rubber component, cellulosic fibers and a silane coupling agent; and (b2) heating the mixture B at a temperature of 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes. And obtaining a heat-treated product B.
In the manufacturing method of the masterbatch of this invention, since it has the process of heating a mixture for 5 to 600 minutes at the temperature of 100-300 degreeC, and obtaining a heat processing thing, a hydrophobic rubber component and hydrophilic cellulose type The compatibility of the fibers is improved.
(2−1)混合工程:
混合工程は、ゴム成分及びセルロース系繊維を混合する工程(a1)、又はゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤を混合する工程(a2)である。
混合は、ホモミキサー、ホモジナイザー、プロペラ攪拌機等の公知の装置を用いて実施できる。混合する温度は限定されないが、室温(20〜30℃)が好ましい。混合時間も適宜調整してよい。
(2-1) Mixing step:
The mixing step is a step (a1) of mixing the rubber component and the cellulosic fiber, or a step (a2) of mixing the rubber component, the cellulosic fiber and the silane coupling agent.
Mixing can be carried out using a known apparatus such as a homomixer, a homogenizer, or a propeller stirrer. Although the temperature to mix is not limited, Room temperature (20-30 degreeC) is preferable. You may adjust mixing time suitably.
ゴム成分は固形物を混合に供してもよいが、ゴム成分を分散媒に分散させた分散液(ラテックス)や溶媒に溶解した溶液にして混合に供してもよい。分散媒及び溶媒(以下、まとめて「液体」ともいう)としては、例えば、水、有機溶媒が挙げられる。液体の量は、ゴム成分100質量部に対して、10〜1000質量部が好ましい。 The rubber component may be used for mixing a solid material, but may be used for mixing in a dispersion solution (latex) in which the rubber component is dispersed in a dispersion medium or a solution dissolved in a solvent. Examples of the dispersion medium and the solvent (hereinafter, collectively referred to as “liquid”) include water and organic solvents. The amount of the liquid is preferably 10 to 1000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber component.
セルロース系繊維は、セルロース系繊維が分散媒に分散した分散液、当該分散液の乾燥固形物、当該分散液の湿潤固形物の形態で混合に供することができる。
分散液におけるセルロース系繊維の濃度は、分散媒が水である場合は0.1〜5%(w/v)とすることができる。分散媒が水の他にアルコール等の有機溶媒を含む場合は、前記濃度を0.1〜20%(w/v)とすることができる。湿潤固形物とは、前記分散液と乾燥固形物との中間の態様の固形物である。前記分散液を通常の方法で脱水して得た湿潤固形物中の分散媒の量はセルロース系繊維に対して5〜15質量%であることが好ましいが、液体の追加又はさらなる乾燥により分散媒の量は適宜調整し得る。
Cellulose fibers can be used for mixing in the form of a dispersion in which cellulose fibers are dispersed in a dispersion medium, a dry solid of the dispersion, and a wet solid of the dispersion.
The density | concentration of the cellulose fiber in a dispersion liquid can be 0.1-5% (w / v), when a dispersion medium is water. When the dispersion medium contains an organic solvent such as alcohol in addition to water, the concentration can be 0.1 to 20% (w / v). The wet solid is a solid in an intermediate form between the dispersion and the dry solid. The amount of the dispersion medium in the wet solid obtained by dehydrating the dispersion by a usual method is preferably 5 to 15% by mass with respect to the cellulosic fiber. The amount of can be adjusted as appropriate.
また、セルロース系繊維として、セルロース系繊維と水溶性高分子溶液との混合物を使用する場合、混合液、混合液の乾燥固形物、混合液の湿潤固形物等を混合に供することができる。混合液及びその乾燥固形物における液体の量は、上記の範囲であってよい。 Moreover, when using the mixture of a cellulose fiber and a water-soluble polymer solution as a cellulose fiber, a liquid mixture, the dry solid of a liquid mixture, the wet solid of a liquid mixture, etc. can be used for mixing. The amount of liquid in the mixture and its dry solids may be in the above range.
乾燥固形物及び湿潤固形物は、セルロース系繊維の分散液又はセルロース系繊維と水溶性高分子の混合液を乾燥して調製できる。乾燥方法は特に限定されないが、例えば、スプレードライ、圧搾、風乾、熱風乾燥、又は真空乾燥が挙げられる。
乾燥装置としては、例えば、連続式のトンネル乾燥装置、バンド乾燥装置、縦型乾燥装置、垂直ターボ乾燥装置、多重段円板乾燥装置、通気乾燥装置、回転乾燥装置、気流乾燥装置、スプレードライヤ乾燥装置、噴霧乾燥装置、円筒乾燥装置、ドラム乾燥装置、スクリューコンベア乾燥装置、加熱管付回転乾燥装置、振動輸送乾燥装置、回分式の箱型乾燥装置、通気乾燥装置、真空箱型乾燥装置、撹拌乾燥装置が挙げられる。中でも、均一に被乾燥物に熱エネルギーを直接供給し得るのでエネルギー効率が高く、かつ必要以上に熱を加えずに直ちに乾燥物を回収することができるので、ドラム乾燥装置が好ましい。
これらの乾燥装置は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組合せて用いてもよい。
Dry solids and wet solids can be prepared by drying a dispersion of cellulosic fibers or a mixture of cellulosic fibers and a water-soluble polymer. Although a drying method is not specifically limited, For example, spray drying, pressing, air drying, hot air drying, or vacuum drying is mentioned.
Examples of the drying apparatus include a continuous tunnel drying apparatus, a band drying apparatus, a vertical drying apparatus, a vertical turbo drying apparatus, a multistage disk drying apparatus, an aeration drying apparatus, a rotary drying apparatus, an airflow drying apparatus, and a spray dryer drying. Equipment, spray dryer, cylindrical dryer, drum dryer, screw conveyor dryer, rotary dryer with heating tube, vibration transport dryer, batch box dryer, aerated dryer, vacuum box dryer, agitation A drying apparatus is mentioned. Among these, a drum drying apparatus is preferable because heat energy can be directly supplied uniformly to the material to be dried, so that the energy efficiency is high and the dried material can be recovered immediately without applying more heat than necessary.
These drying apparatuses may be used alone or in combination of two or more.
シランカップリング剤は、乾燥物を混合に供してもよいが、シランカップリング剤の分散液又は溶液を混合に供してもよい。中でも、シランカップリング剤の分散液又は溶液を混合に供することが好ましい。
シランカップリング剤が液体の場合、原液をそのまま混合に供してもよく、希釈して混合に供してもよい。希釈する場合、シランカップリング剤の溶液又は分散液の濃度は、0.1〜20質量%程度が好ましい。また、希釈に用いる溶媒又は分散媒としては、水、アルコール等の親水性溶媒が好ましい。
As the silane coupling agent, a dried product may be used for mixing, but a dispersion or solution of a silane coupling agent may be used for mixing. Among these, it is preferable to use a dispersion or solution of a silane coupling agent for mixing.
When the silane coupling agent is liquid, the stock solution may be used for mixing as it is, or may be diluted for mixing. When diluting, the concentration of the silane coupling agent solution or dispersion is preferably about 0.1 to 20% by mass. The solvent or dispersion medium used for dilution is preferably a hydrophilic solvent such as water or alcohol.
混合工程は、ゴム成分の分散液若しくは溶液、及びセルロース系繊維の分散液の少なくともいずれかに由来する溶媒Aを用いて混合し、溶媒Aを乾燥して混合物Aを得る工程、又はゴム成分の分散液又は溶液、セルロース系繊維の分散液、及びシランカップリング剤の分散液又は溶液からなる群から選択される少なくとも1種に由来する溶媒Bを用いて混合し、溶媒Bを乾燥して混合物Bを得る工程であることが好ましい。
溶媒を用いて混合することで、均一な混合物を得ることができる。また、乾燥処理を行うことで、加熱工程での処理時間を短縮することができる。
乾燥温度は50〜80℃が好ましい。乾燥時間は適宜調整してよい。乾燥後の混合物は絶乾状態でもよいが、ゴム成分及びセルロース系繊維の合計量、又はゴム成分、セルロース系繊維及びシランカップリング剤の合計量に対して10質量%以下の溶媒を含んでいてもよい。また、上記以外の溶媒を除去する方法としては、特に制限されず従来公知の方法で行うことができる。例えば、酸や塩を添加することにより混合物を凝固させ、脱水、洗浄して乾燥する方法が挙げられる。
The mixing step is a step of mixing using a solvent A derived from at least one of a dispersion or solution of a rubber component and a dispersion of a cellulosic fiber, and drying the solvent A to obtain a mixture A. Mixing using a solvent B derived from at least one selected from the group consisting of a dispersion or solution, a dispersion of cellulose fibers, and a dispersion or solution of a silane coupling agent, and drying the solvent B The step of obtaining B is preferred.
A uniform mixture can be obtained by mixing using a solvent. Moreover, the processing time in a heating process can be shortened by performing a drying process.
The drying temperature is preferably 50 to 80 ° C. You may adjust drying time suitably. The mixture after drying may be in an absolutely dry state, but contains a solvent of 10% by mass or less based on the total amount of the rubber component and the cellulosic fiber, or the total amount of the rubber component, the cellulosic fiber and the silane coupling agent. Also good. Moreover, it does not restrict | limit especially as a method of removing solvents other than the above, It can carry out by a conventionally well-known method. For example, there is a method of coagulating the mixture by adding an acid or salt, dehydrating, washing and drying.
工程(a2)においては、以下の4つの態様で混合することができる。
態様1:ゴム成分とセルロース系繊維との混合物(B1)と、シランカップリング剤とを混合する。
態様2:ゴム成分とシランカップリング剤との混合物(B2)と、セルロース系繊維とを混合する。
態様3:セルロース系繊維とシランカップリング剤との混合物(B3)と、ゴム成分とを混合する。
態様4:ゴム成分、セルロース系繊維、シランカップリング剤を混合する。
態様1〜3において、先の混合物を得る過程で溶媒又は分散媒を用いれば、後の混合に際し添加する材料は、固形物として添加してもよく、溶液に溶解した状態や分散媒に分散した状態で添加してもよい。態様4においては、いずれかの材料を溶解又は分散したものを使用することが好ましい。
In the step (a2), mixing can be performed in the following four modes.
Aspect 1: A mixture (B1) of a rubber component and a cellulosic fiber is mixed with a silane coupling agent.
Aspect 2: A mixture (B2) of a rubber component and a silane coupling agent is mixed with a cellulosic fiber.
Aspect 3: The mixture (B3) of the cellulosic fiber and the silane coupling agent is mixed with the rubber component.
Aspect 4: A rubber component, a cellulosic fiber, and a silane coupling agent are mixed.
In Embodiments 1 to 3, if a solvent or a dispersion medium is used in the process of obtaining the previous mixture, the material to be added in the subsequent mixing may be added as a solid substance, or is dissolved in a solution or dispersed in the dispersion medium. You may add in a state. In the aspect 4, it is preferable to use a material in which any material is dissolved or dispersed.
(2−2)加熱工程:
加熱工程は、混合物を100〜300℃の条件下で5〜600分加熱する工程である。この加熱処理によって、セルロース系繊維とゴム成分の相溶性が向上する。加熱温度が100℃未満であると、相溶性向上効果が十分に発現しない場合がある。一方、300℃を超えると、ゴム成分等が劣化する場合がある。また、加熱時間が5分未満であると、加熱処理が十分進行せず相溶性向上効果が十分に発現しない場合がある。一方、600分を超えると、ゴム成分等が劣化する場合がある。
加熱温度の下限は、105℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましい。加熱温度の上限は、200℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましい。加熱温度は、105〜200℃が好ましく、110〜180℃がより好ましい。
加熱時間は、5〜300分が好ましく、10〜120分がより好ましく、15〜70分がさらに好ましい。
(2-2) Heating step:
A heating process is a process of heating a mixture for 5 to 600 minutes on 100-300 degreeC conditions. This heat treatment improves the compatibility between the cellulosic fibers and the rubber component. If the heating temperature is less than 100 ° C., the compatibility improving effect may not be sufficiently exhibited. On the other hand, when it exceeds 300 ° C., the rubber component and the like may deteriorate. On the other hand, if the heating time is less than 5 minutes, the heat treatment may not sufficiently proceed and the compatibility improving effect may not be sufficiently exhibited. On the other hand, when it exceeds 600 minutes, a rubber component etc. may deteriorate.
The lower limit of the heating temperature is preferably 105 ° C. or higher, and more preferably 110 ° C. or higher. The upper limit of the heating temperature is preferably 200 ° C. or less, and more preferably 180 ° C. or less. The heating temperature is preferably 105 to 200 ° C, more preferably 110 to 180 ° C.
The heating time is preferably 5 to 300 minutes, more preferably 10 to 120 minutes, and still more preferably 15 to 70 minutes.
加熱処理は例えば通風オーブン等の公知の装置を用いて実施し得る。加熱雰囲気は、酸素存在下であってもよく、酸素不存在下であってもよい。また、加熱雰囲気の圧力は常圧(1気圧)下であることが好ましい。 The heat treatment can be performed using a known apparatus such as a ventilating oven. The heating atmosphere may be in the presence of oxygen or in the absence of oxygen. Moreover, it is preferable that the pressure of a heating atmosphere is a normal pressure (1 atmosphere).
(2−3)混練工程:
混練工程は、実施形態Aにおいて、加熱処理物Aとシランカップリング剤を混練して混練物を得る工程である。
シランカップリング剤を加熱処理物Aへ添加する方法は限定されないが、溶媒を用いることなく添加することが好ましい。
混練は公知のとおりに行ってよく、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、オープンロール等を用いて実施し得る。
(2-3) Kneading step:
The kneading step is a step of obtaining a kneaded product by kneading the heat-treated product A and the silane coupling agent in the embodiment A.
The method for adding the silane coupling agent to the heat-treated product A is not limited, but it is preferable to add the silane coupling agent without using a solvent.
The kneading may be performed as known, for example, using a Banbury mixer, a kneader, an open roll, or the like.
混練温度は、常温程度(15〜30℃程度)でよいが、ある程度高温に加熱してもよい。例えば。温度の上限は140℃以下であり、好ましくは100℃以下である。温度の下限は15℃以上であり、好ましくは20℃以上である。混練温度は、15〜140℃が好ましく、20〜100℃がより好ましい。 The kneading temperature may be about room temperature (about 15 to 30 ° C.), but may be heated to a certain high temperature. For example. The upper limit of the temperature is 140 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or lower. The lower limit of the temperature is 15 ° C or higher, preferably 20 ° C or higher. The kneading temperature is preferably 15 to 140 ° C, more preferably 20 to 100 ° C.
加熱工程(b2)又は混練工程(c1)終了後に、必要に応じて成形を行ってもよい。成形装置としては、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等が挙げられる。マスターバッチの形状、用途、成形方法に応じて適宜選択すればよい。 You may shape | mold as needed after a heating process (b2) or a kneading | mixing process (c1) completion | finish. Examples of the molding apparatus include mold molding, injection molding, extrusion molding, hollow molding, and foam molding. What is necessary is just to select suitably according to the shape of a masterbatch, a use, and a shaping | molding method.
(3)未加橋ゴム組成物:
本発明の未加橋ゴム組成物は、「(1)マスターバッチ」に記載したマスターバッチと、架橋剤と、を含有するものである。また、未加橋ゴム組成物は、ゴム組成物に使用する公知の添加剤を含有してもよい。更に、未加橋ゴム組成物は、別途、マスターバッチの調製で使用したゴム成分とは別にゴム成分を含有してもよい。当該ゴム成分は、マスターバッチの調製で使用したゴム成分と同一であってもよく、異なっていてもよい。
以下、架橋剤と添加剤について説明する。
(3) Unkahashi rubber composition:
The unvulcanized rubber composition of the present invention contains the masterbatch described in “(1) Masterbatch” and a crosslinking agent. Moreover, the uncured bridge rubber composition may contain a known additive used for the rubber composition. Further, the uncured rubber composition may contain a rubber component separately from the rubber component used in the preparation of the masterbatch. The rubber component may be the same as or different from the rubber component used in the preparation of the masterbatch.
Hereinafter, the crosslinking agent and the additive will be described.
(3−1)架橋剤:
架橋剤としては、例えば、硫黄、ハロゲン化硫黄、有機過酸化物、キノンジオキシム類、有機多価アミン化合物、メチロール基を有するアルキルフェノール樹脂等が挙げられる。これらの中でも硫黄が好ましい。
架橋剤の配合量は、未加橋ゴム組成物中のゴム成分100質量部に対して、好ましくは0.1〜15質量部であり、より好ましくは0.3〜10質量部であり、さらに好ましくは0.5〜5質量部である。
(3-1) Crosslinking agent:
Examples of the crosslinking agent include sulfur, sulfur halides, organic peroxides, quinone dioximes, organic polyvalent amine compounds, alkylphenol resins having a methylol group, and the like. Among these, sulfur is preferable.
The compounding amount of the crosslinking agent is preferably 0.1 to 15 parts by mass, more preferably 0.3 to 10 parts by mass, with respect to 100 parts by mass of the rubber component in the uncured bridge rubber composition. Preferably it is 0.5-5 mass parts.
(3−2)添加剤:
添加剤としては、スルフェンアミド(例えば、N−t−ブチル−2−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)等の加硫促進剤、酸化亜鉛やステアリン酸等の加硫促進助剤、カーボンブラック、シリカ等の補強剤、シランカップリング剤、オイル、硬化レジン、ワックス、老化防止剤、しゃく解剤、着色剤、pH調整剤等が挙げられる。これらの中でも、酸化亜鉛、加硫促進剤が好ましい。
添加剤の配合量は、用いる添加剤に応じて適宣選択される。例えば、酸化亜鉛であると、未加硫ゴム組成物中のゴム成分100質量部に対して、1〜10質量部程度であり、加硫促進剤であると、0.1〜5質量部程度である。
(3-2) Additive:
Examples of additives include vulcanization accelerators such as sulfenamide (for example, Nt-butyl-2-benzothiazole sulfenamide, N-oxydiethylene-2-benzothiazolylsulfenamide), zinc oxide and stearin. Examples include vulcanization accelerating aids such as acids, reinforcing agents such as carbon black and silica, silane coupling agents, oils, curing resins, waxes, anti-aging agents, peptizers, colorants, and pH adjusters. Among these, zinc oxide and a vulcanization accelerator are preferable.
The blending amount of the additive is appropriately selected according to the additive used. For example, when it is zinc oxide, it is about 1-10 mass parts with respect to 100 mass parts of rubber components in an unvulcanized rubber composition, and it is about 0.1-5 mass parts when it is a vulcanization accelerator. It is.
(4)未加橋ゴム組成物の製造方法:
本発明の未加橋ゴム組成物の製造方法は、「(2)マスターバッチの製造方法」に記載した方法でマスターバッチを調製する工程と、マスターバッチに架橋剤を混練りする工程と、を有する。架橋剤を混練りする際は、必要に応じて添加剤やゴム成分を配合してもよい。混練り工程でゴム成分をさらに配合することで、ゴム組成物としたときに所望の物性を達成し易い。
以下、マスターバッチに架橋剤を混練りする工程について説明する。
(4) Manufacturing method of uncured bridge rubber composition:
The method for producing an uncured bridge rubber composition of the present invention comprises a step of preparing a master batch by the method described in “(2) Method of producing master batch” and a step of kneading a crosslinking agent in the master batch. Have. When kneading the cross-linking agent, additives and rubber components may be blended as necessary. By further blending the rubber component in the kneading step, desired physical properties can be easily achieved when a rubber composition is obtained.
Hereinafter, the process of kneading the crosslinking agent in the master batch will be described.
混練りとは、マスターバッチ中に、架橋剤や添加剤を均一に分散させる工程をいう。混練りは公知の方法で実施でき、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、オープンロール等を用いて実施し得る。
また、マスターバッチに、架橋剤や添加剤とともにゴム成分をさらに加えて混練りを行い、セルロース系繊維の配合濃度を希釈した未加硫ゴム組成物とすることもできる。
Kneading refers to a step of uniformly dispersing a crosslinking agent and additives in a masterbatch. The kneading can be carried out by a known method, for example, using a Banbury mixer, a kneader, an open roll, or the like.
Further, an unvulcanized rubber composition in which the rubber component is further added to the master batch together with a crosslinking agent and additives and kneaded to dilute the compounding concentration of the cellulosic fibers can be obtained.
混練り温度は、常温程度(15〜30℃程度)でよいが、ゴム成分が架橋反応しない程度に高温に加熱してもよい。例えば、温度の上限は140℃以下であり、より好ましくは100℃以下である。温度の下限は15℃以上であり、好ましくは20℃以上である。混練り温度は、15〜140℃が好ましく、20〜100℃がより好ましい。 The kneading temperature may be about room temperature (about 15 to 30 ° C.), but may be heated to a high temperature so that the rubber component does not undergo a crosslinking reaction. For example, the upper limit of the temperature is 140 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or lower. The lower limit of the temperature is 15 ° C or higher, preferably 20 ° C or higher. The kneading temperature is preferably 15 to 140 ° C, more preferably 20 to 100 ° C.
混練り終了後に、必要に応じて成形を行ってもよい。成形装置としては、例えば、金型成形、射出成形、押出成形、中空成形、発泡成形等が挙げられる。未加硫ゴム組成物の形状、用途、成形方法に応じて適宜選択すればよい。 You may shape | mold as needed after completion | finish of kneading | mixing. Examples of the molding apparatus include mold molding, injection molding, extrusion molding, hollow molding, and foam molding. What is necessary is just to select suitably according to the shape of an unvulcanized rubber composition, a use, and a shaping | molding method.
(5)ゴム組成物:
本発明のゴム組成物は、「(3)未架橋ゴム組成物」に記載の未架橋ゴム組成物の架橋物を含有するものである。
本発明のゴム組成物の用途は、特に制限されず、例えば、自動車、電車、船舶、飛行機等の輸送機器等;パソコン、テレビ、電話、時計等の電化製品等;携帯電話等の移動通信機器等;携帯音楽再生機器、映像再生機器等のAV機器;印刷機器;複写機器;スポーツ用品;建築材;文具等の事務機器;容器、コンテナー等の梱包用品が挙げられる。これら以外であっても、ゴムや柔軟なプラスチックが用いられている部材への適用が可能であり、タイヤへの適用が好適である。タイヤとしては、例えば、乗用車用、トラック用、バス用、重車両用等の空気入りタイヤが挙げられる。
(5) Rubber composition:
The rubber composition of the present invention contains a crosslinked product of the uncrosslinked rubber composition described in “(3) Uncrosslinked rubber composition”.
The use of the rubber composition of the present invention is not particularly limited, for example, transportation equipment such as automobiles, trains, ships, airplanes, etc .; electrical appliances such as personal computers, televisions, telephones, watches, etc .; mobile communication equipment such as mobile phones Etc .; AV equipment such as portable music playback equipment and video playback equipment; printing equipment; copying equipment; sports equipment; building materials; office equipment such as stationery; Other than these, application to members using rubber or flexible plastic is possible, and application to tires is preferable. Examples of the tire include pneumatic tires for passenger cars, trucks, buses, heavy vehicles, and the like.
(5−1)物性:
本発明のゴム組成物は、実施形態A及び実施形態Bのいずれの実施形態のマスターバッチを用いても、破断伸びをある程度維持しつつ、低ひずみにおける応力が高いものである。
破断伸びの値は、550%以上であることが好ましく、560%以上であることがより好ましく、570%以上であることがさらに好ましい。
低ひずみにおける応力は、モジュラスの値で評価し得る。50%モジュラス値(MPa)では、0.9以上であることが好ましく、1.0以上であることがより好ましく、1.1以上であることがさらに好ましい。100%モジュラス値(MPa)では、1.7以上であることが好ましく、1.9以上であることがより好ましく、2.0以上であることがさらに好ましい。300%モジュラス値(MPa)では、7.6以上であることが好ましく、8.0以上であることがより好ましく、8.5以上であることがさらに好ましい。
なお、破断伸び及びモジュラス値の測定方法については、実施例に記載の方法である。
(5-1) Physical properties:
The rubber composition of the present invention has a high stress at low strain while maintaining the elongation at break to some extent even when using the master batch of any of Embodiment A and Embodiment B.
The value of elongation at break is preferably 550% or more, more preferably 560% or more, and further preferably 570% or more.
The stress at low strain can be evaluated by the modulus value. The 50% modulus value (MPa) is preferably 0.9 or more, more preferably 1.0 or more, and further preferably 1.1 or more. The 100% modulus value (MPa) is preferably 1.7 or more, more preferably 1.9 or more, and further preferably 2.0 or more. The 300% modulus value (MPa) is preferably 7.6 or more, more preferably 8.0 or more, and further preferably 8.5 or more.
In addition, about the measuring method of breaking elongation and a modulus value, it is a method as described in an Example.
(6)ゴム組成物の製造方法:
本発明のゴム組成物の製造方法は、「(4)未架橋ゴム組成物の製造方法」に記載した方法で未架橋ゴム組成物を調製する工程と、調製した未架橋ゴム組成物を架橋する工程と、を有する。
以下、調製した未架橋ゴム組成物を架橋する工程について説明する。
(6) Manufacturing method of rubber composition:
The method for producing a rubber composition of the present invention comprises a step of preparing an uncrosslinked rubber composition by the method described in “(4) Method for producing an uncrosslinked rubber composition”, and crosslinking the prepared uncrosslinked rubber composition. And a process.
Hereinafter, the step of crosslinking the prepared uncrosslinked rubber composition will be described.
架橋は、架橋反応が進む条件であれば、温度に特に制限は無い。通常、混練りして得た未架橋ゴム組成物を加熱して架橋(硫黄を含む場合は加硫ともいう)すると、ゴム組成物が得られる。加熱温度の下限は140℃以上が好ましい。上限は200℃以下が好ましく、180℃以下がより好ましい。加熱温度は140〜200℃が好ましく、140〜180℃がより好ましい。
架橋には、例えば、型加硫、缶加硫、連続加硫等を行う加硫装置を使用し得る。本発明のゴム組成物の製造方法では、セルロースナノファイバーを含まない場合に比べて架橋反応が速やかに進行する傾向にある。この理由は限定されないが、セルロースナノファイバー中のカルボキシル基等の官能基が架橋反応を促進するためではないかと推察される。
Crosslinking is not particularly limited in temperature as long as the crosslinking reaction proceeds. Usually, when an uncrosslinked rubber composition obtained by kneading is heated and crosslinked (also referred to as vulcanization when sulfur is contained), a rubber composition is obtained. The lower limit of the heating temperature is preferably 140 ° C. or higher. The upper limit is preferably 200 ° C. or lower, and more preferably 180 ° C. or lower. The heating temperature is preferably 140 to 200 ° C, more preferably 140 to 180 ° C.
For crosslinking, for example, a vulcanizing apparatus that performs mold vulcanization, can vulcanization, continuous vulcanization, or the like can be used. In the manufacturing method of the rubber composition of this invention, it exists in the tendency for a crosslinking reaction to advance rapidly compared with the case where a cellulose nanofiber is not included. The reason for this is not limited, but it is presumed that functional groups such as carboxyl groups in cellulose nanofibers may promote the crosslinking reaction.
架橋後、最終製品とする前に、必要に応じ仕上げ処理を行ってもよい。仕上げ処理としては例えば、研磨、表面処理、リップ仕上げ、リップ裁断、塩素処理等が挙げられる。
これらの処理は、単一の処理のみを行ってもよく、2つ以上の処理を組み合わせて行ってもよい。
After the cross-linking, a final treatment may be performed as necessary before making the final product. Examples of the finishing treatment include polishing, surface treatment, lip finishing, lip cutting, and chlorination.
These processes may be performed only by a single process or may be performed by combining two or more processes.
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を好適に説明するためのものであって、本発明を限定するものではない。なお、物性値等の測定方法は、別途記載がない限り、上記に記載した測定方法である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The following examples are for explaining the present invention preferably and are not intended to limit the present invention. In addition, unless otherwise indicated, the measuring methods, such as a physical-property value, are the measuring methods described above.
[物性値の測定方法]
JIS K 6251「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に従い、50%引張応力(50%モジュラス。「M50」と記載する)、100%引張応力(100%モジュラス。「M100」と記載する)、300%引張応力(300%モジュラス。「M300」と記載する)、破断応力及び破断伸びを測定した。各数値が大きいほど、ゴム組成物の補強効果が高く、ゴム組成物の機械強度に優れることを示す。
[Measurement method of physical properties]
According to JIS K 6251 “Vulcanized rubber and thermoplastic rubber-Determination of tensile properties”, 50% tensile stress (50% modulus, described as “M50”), 100% tensile stress (100% modulus, “M100”) Described), 300% tensile stress (300% modulus; described as “M300”), breaking stress and breaking elongation. It shows that the reinforcement effect of a rubber composition is so high that each numerical value is large, and it is excellent in the mechanical strength of a rubber composition.
(製造例1:酸化セルロースナノファイバーの製造)
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)5.00g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社製)39mg(絶乾1gのセルロースに対し0.05mmol)と臭化ナトリウム514mg(絶乾1gのセルロースに対し1.0mmol)を溶解した水溶液500mLに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を次亜塩素酸ナトリウムが5.5mmol/gになるように添加し、室温にて酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するので、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムが消費され系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。反応後の混合物をガラスフィルターで濾過してパルプ分離し、パルプを十分に水洗することで酸化されたパルプ(カルボキシル化セルロース)を得た。この時のパルプ収率は90%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.6mmol/gであった。反応混合物に水を加えて濃度を1.0質量%(w/v)に調整し、超高圧ホモジナイザー(20℃、150Mpa)で3回処理して、酸化セルロースナノファイバー分散液を得た。平均繊維径は3nm、アスペクト比は250であった。
(Production Example 1: Production of oxidized cellulose nanofiber)
Bleached unbeaten kraft pulp derived from conifers (whiteness 85%) 5.00 g (absolutely dried), TEMPO (manufactured by Sigma Aldrich) 39 mg (0.05 mmol for 1 g of absolutely dried cellulose) and 514 mg of sodium bromide ( The solution was added to 500 mL of an aqueous solution in which 1.0 mmol) of 1 g of absolutely dry cellulose was dissolved, and stirred until the pulp was uniformly dispersed. An aqueous sodium hypochlorite solution was added to the reaction system so that sodium hypochlorite was 5.5 mmol / g, and the oxidation reaction was started at room temperature. During the reaction, since the pH in the system was lowered, a 3M sodium hydroxide aqueous solution was sequentially added to adjust the pH to 10. The reaction was terminated when sodium hypochlorite was consumed and the pH in the system did not change. The reaction mixture was filtered through a glass filter to separate the pulp, and the pulp was sufficiently washed with water to obtain oxidized pulp (carboxylated cellulose). The pulp yield at this time was 90%, the time required for the oxidation reaction was 90 minutes, and the amount of carboxyl groups was 1.6 mmol / g. Water was added to the reaction mixture to adjust the concentration to 1.0 mass% (w / v), and the mixture was treated 3 times with an ultrahigh pressure homogenizer (20 ° C., 150 MPa) to obtain an oxidized cellulose nanofiber dispersion. The average fiber diameter was 3 nm and the aspect ratio was 250.
下記に、表1に記す参考例、実施例1〜4、比較例1〜4でマスターバッチの製造に用いた材料を記す。
NR:天然ゴム(商品名「HA−LATEX」、レヂテックス社製、固形分濃度61.7%)
TOCN:製造例1で製造した酸化セルロースナノファイバー
SC剤:(商品名「A−1310」、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製、イソシアネート系)
Below, the material used for manufacture of a masterbatch by the reference example described in Table 1, Examples 1-4, and Comparative Examples 1-4 is described.
NR: Natural rubber (trade name “HA-LATEX”, manufactured by Restex, solid content concentration 61.7%)
TOCN: Oxidized cellulose nanofiber produced in Production Example 1 SC agent: (trade name “A-1310”, manufactured by Momentive Performance Materials Japan LLC, isocyanate-based)
下記に、参考例、実施例1〜4、比較例1〜4でゴム組成物の製造に用いた添加剤を記す。
ステアリン酸:(試薬特級、和光純薬工業社製)
酸化亜鉛:(試薬特級、和光純薬工業社製)
硫黄:(化学用、和光純薬工業社製)
MSA−G::(商品名「ノクセラーMSA−G」、大内新興化学工業社製)
Below, the additive used for manufacture of a rubber composition by a reference example, Examples 1-4, and Comparative Examples 1-4 is described.
Stearic acid: (special grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
Zinc oxide: (special reagent grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
Sulfur: (for chemical use, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
MSA-G :: (trade name “Noxeller MSA-G”, manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.)
(参考例)
天然ゴムを70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した。当該天然ゴム100gに、硫黄3.5g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.7g、酸化亜鉛6.0g、ステアリン酸0.5gを加え、オープンロール(関西ロール社製)を用い、50℃で20分間混練して未加硫ゴム組成物のシートを得た。このシートを金型にはさみ、150℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmの参考用ゴム組成物シートを得た。当該参考用ゴム組成物シートを用いて、ゴム組成物の物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Reference example)
The natural rubber was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours. To 100 g of the natural rubber, add 3.5 g of sulfur, 0.7 g of a vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-benzothiazolylsulfenamide), 6.0 g of zinc oxide, and 0.5 g of stearic acid, and open roll. (Kansai Roll Co., Ltd.) was used and kneaded at 50 ° C. for 20 minutes to obtain a sheet of an unvulcanized rubber composition. The sheet was sandwiched between molds and press-crosslinked at 150 ° C. for 15 minutes to obtain a reference rubber composition sheet having a thickness of about 2 mm. Using the reference rubber composition sheet, the physical properties of the rubber composition were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(比較例1)
製造例1で得た酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1.04%(w/v)(1質量%)水分散液673.1gと、天然ゴム56.7gを混合してゴム成分とセルロースナノファイバーとの質量比が100:20となるようにし、TKホモミキサー(8000rpm)で10分間撹拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥して混合物を得た。
乾燥後の混合物42gに、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した天然ゴムを、混合物の天然ゴム成分換算で3質量倍加え、さらに硫黄3.5g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.7g、酸化亜鉛6.0g、ステアリン酸0.5gを加え、オープンロール(関西ロール社製)を用い、50℃で20分間混練して、ゴム成分とセルロースナノファイバーとの質量比が100:5である未加硫ゴム組成物のシートを得た。このシートを参考例と同様にして比較例1のゴム組成物シートを得、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Comparative Example 1)
A rubber component and cellulose nano were prepared by mixing 673.1 g of a solid content concentration of 1.04% (w / v) (1% by mass) of the oxidized cellulose nanofiber obtained in Production Example 1 and 56.7 g of natural rubber. The mass ratio with respect to the fiber was adjusted to 100: 20, and the mixture was stirred with a TK homomixer (8000 rpm) for 10 minutes. This aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours to obtain a mixture.
Natural rubber dried for 19 hours in a heating oven at 70 ° C. is added to 42 g of the dried mixture three times as much as the natural rubber component of the mixture, and 3.5 g of sulfur and a vulcanization accelerator (N-oxydiethylene- 2-benzothiazolylsulfenamide) 0.7 g, zinc oxide 6.0 g and stearic acid 0.5 g were added, and kneaded at 50 ° C. for 20 minutes using an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.). The sheet | seat of the unvulcanized rubber composition whose mass ratio with a cellulose nanofiber is 100: 5 was obtained. The rubber composition sheet of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as the reference example, and the physical property values were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(実施例1)
製造例1で得た酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1.04%(w/v)の水分散液673.1gと、天然ゴム56.7gを混合してゴム成分とセルロースナノファイバーとの質量比が100:20となるようにし、さらにSC剤0.7gを加え、TKホモミキサー(8000rpm)で10分間撹拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥して混合物Bを得た。
混合物Bを、オーブン中、120℃にて30分加熱して加熱処理物B(マスターバッチ)を得た。
加熱処理物B43.3gに、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した天然ゴムを、混合物B中の天然ゴム換算で3質量倍加え、さらに硫黄3.5g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.7g、酸化亜鉛6.0g、ステアリン酸0.5gを加え、オープンロール(関西ロール社製)を用い、50℃で20分間混練して、未加硫ゴム組成物のシートを得た。ゴム成分とセルロースナノファイバーとの質量比は100:5であり、ゴム成分とSC剤との質量比は100:0.5であり、セルロースナノファイバーとSC剤の質量比は5:0.5であった。
このシートを金型にはさみ、150℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmのゴム組成物のシートを得た。これを所定の形状の試験片に裁断し、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
Example 1
Mass of rubber component and cellulose nanofiber by mixing 673.1 g of water dispersion liquid of 1.04% (w / v) solid content of oxidized cellulose nanofiber obtained in Production Example 1 and 56.7 g of natural rubber The ratio was 100: 20, 0.7 g of SC agent was further added, and the mixture was stirred for 10 minutes with a TK homomixer (8000 rpm). This aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours to obtain a mixture B.
The mixture B was heated in an oven at 120 ° C. for 30 minutes to obtain a heat-treated product B (master batch).
Natural rubber dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours is added to 43.3 g of the heat-treated product B three times as much as natural rubber in the mixture B, and 3.5 g of sulfur and a vulcanization accelerator (N-oxygen) are added. Diethylene-2-benzothiazolylsulfenamide) 0.7 g, zinc oxide 6.0 g and stearic acid 0.5 g were added, and kneaded at 50 ° C. for 20 minutes using an open roll (manufactured by Kansai Roll Co., Ltd.). A sheet of vulcanized rubber composition was obtained. The mass ratio between the rubber component and the cellulose nanofiber is 100: 5, the mass ratio between the rubber component and the SC agent is 100: 0.5, and the mass ratio between the cellulose nanofiber and the SC agent is 5: 0.5. Met.
The sheet was sandwiched between molds and press-crosslinked at 150 ° C. for 15 minutes to obtain a rubber composition sheet having a thickness of about 2 mm. This was cut into test pieces of a predetermined shape, and the physical property values were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(比較例2)
混合物Bを、オーブン中で加熱しなかった以外は実施例1と同様にしてゴム組成物のシートを得、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Comparative Example 2)
A rubber composition sheet was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixture B was not heated in an oven, and the physical properties were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(比較例3)
混合物Bを得る際に、SC剤を添加しなかった以外は実施例1と同様にしてゴム組成物シートを得、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Comparative Example 3)
When obtaining the mixture B, a rubber composition sheet was obtained in the same manner as in Example 1 except that the SC agent was not added, and the physical properties were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(実施例2)
製造例1で得た酸化セルロースナノファイバーの固形分濃度1.04%(w/v)の水分散液673.1gと、天然ゴム56.7gを混合してゴム成分とセルロースナノファイバーとの質量比が100:20となるようにし、TKホモミキサー(8000rpm)で10分間撹拌した。この水性懸濁液を、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥して混合物Aを得た。
混合物Aを、オーブン中、120℃にて30分加熱して加熱処理物Aを得た。
加熱処理物A42gに、70℃の加熱オーブン中で19時間乾燥した天然ゴムを、混合物A中の天然ゴム換算で3質量倍加え、さらにSC剤0.7g、硫黄3.5g、加硫促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)0.7g、酸化亜鉛6.0g、ステアリン酸0.5gを加え、オープンロール(関西ロール社製)を用い、50℃で20分間混練して、未加硫ゴム組成物のシートを得た。ゴム成分とセルロースナノファイバーとの質量比は100:5であり、ゴム成分とSC剤との質量比は100:0.5であり、セルロースナノファイバーとSC剤の質量比は5:0.5であった。
このシートを金型にはさみ、150℃で15分間プレス架橋することにより、厚さ約2mmのゴム組成物のシートを得た。これを所定の形状の試験片に裁断し、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Example 2)
Mass of rubber component and cellulose nanofiber by mixing 673.1 g of water dispersion liquid of 1.04% (w / v) solid content of oxidized cellulose nanofiber obtained in Production Example 1 and 56.7 g of natural rubber The ratio was 100: 20, and the mixture was stirred for 10 minutes with a TK homomixer (8000 rpm). This aqueous suspension was dried in a heating oven at 70 ° C. for 19 hours to obtain a mixture A.
The mixture A was heated in an oven at 120 ° C. for 30 minutes to obtain a heat-treated product A.
Natural rubber dried for 19 hours in a heating oven at 70 ° C. is added to 42 g of the heat-treated product A 3 times in terms of natural rubber in the mixture A, and further SC agent 0.7 g, sulfur 3.5 g, vulcanization accelerator (N-oxydiethylene-2-benzothiazolylsulfenamide) 0.7 g, zinc oxide 6.0 g and stearic acid 0.5 g are added and kneaded at 50 ° C. for 20 minutes using an open roll (manufactured by Kansai Roll). Thus, a sheet of an unvulcanized rubber composition was obtained. The mass ratio between the rubber component and the cellulose nanofiber is 100: 5, the mass ratio between the rubber component and the SC agent is 100: 0.5, and the mass ratio between the cellulose nanofiber and the SC agent is 5: 0.5. Met.
The sheet was sandwiched between molds and press-crosslinked at 150 ° C. for 15 minutes to obtain a rubber composition sheet having a thickness of about 2 mm. This was cut into test pieces of a predetermined shape, and the physical property values were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(実施例3)
加熱温度を150℃とした以外は、実施例1と同様にしてゴム組成物のシートを得、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Example 3)
A sheet of the rubber composition was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature was 150 ° C., and the physical properties were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(実施例4)
加熱温度を150℃とした以外は、実施例2と同様にしてゴム組成物のシートを得、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
Example 4
A rubber composition sheet was obtained in the same manner as in Example 2 except that the heating temperature was 150 ° C., and the physical properties were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(比較例4)
加熱温度を150℃とした以外は、比較例3と同様にしてゴム組成物のシートを得、物性値を評価した。評価結果を表1に記す。
(Comparative Example 4)
A rubber composition sheet was obtained in the same manner as in Comparative Example 3 except that the heating temperature was 150 ° C., and the physical properties were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
表1中、部は質量部を示す。SC剤添加順の「前」は、加熱工程前、即ち混合工程でSC剤を配合することを意味し、「後」は、加熱工程後、即ち、混練工程でSC剤を配合することを意味する。
表1からわかるように、SC剤を添加すると、低ひずみ応力は高くなるが、破断伸びは下がる(比較例2、3参照)。一方、加熱処理だけでは、破断伸びの減少は少ないが、SC剤を添加するほどの低ひずみの応力の向上はない(比較例1〜4参照)。
これに対して、SC剤を添加し、かつ加熱工程を行うと、SC剤単独の場合と比べて破断伸びの減少を抑えつつ、低ひずみの応力を向上することができる(比較例2、実施例1〜4参照)。また、SC剤の添加は、加熱処理の前後で大きな相違はない。
従って、単にゴム成分とセルロース繊維の相溶性の向上だけでは想定しえない、異質な効果が認められた。
In Table 1, parts indicate parts by mass. “Before” in the order of SC agent addition means that the SC agent is blended before the heating step, that is, the mixing step, and “after” means that the SC agent is blended after the heating step, that is, the kneading step. To do.
As can be seen from Table 1, when the SC agent is added, the low strain stress increases, but the elongation at break decreases (see Comparative Examples 2 and 3). On the other hand, the heat treatment alone does not reduce the elongation at break, but does not improve the stress as low as adding the SC agent (see Comparative Examples 1 to 4).
On the other hand, when the SC agent is added and the heating step is performed, a low strain stress can be improved while suppressing a decrease in elongation at break as compared with the case of the SC agent alone (Comparative Example 2, Implementation). See Examples 1-4). Moreover, the addition of the SC agent is not significantly different before and after the heat treatment.
Therefore, a heterogeneous effect that could not be expected simply by improving the compatibility between the rubber component and the cellulose fiber was recognized.
Claims (21)
少なくとも前記ゴム成分及び前記セルロース系繊維を含む混合物の加熱処理物を含有するマスターバッチ。 Using rubber components, cellulosic fibers and silane coupling agents as raw materials,
A master batch containing a heat-treated product of a mixture containing at least the rubber component and the cellulosic fiber.
前記シランカップリング剤との混練物を含有する請求項1に記載のマスターバッチ。 A heat-treated product A of a mixture A containing the rubber component and the cellulosic fibers;
The masterbatch of Claim 1 containing the kneaded material with the said silane coupling agent.
(b1)前記混合物Aを、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物Aを得る工程と、
(c1)前記加熱処理物Aとシランカップリング剤を混練して混練物を得る工程と、を有するマスターバッチの製造方法。 (A1) mixing the rubber component and the cellulosic fiber to obtain a mixture A;
(B1) heating the mixture A at a temperature of 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes to obtain a heat-treated product A;
(C1) A method for producing a masterbatch comprising: kneading the heat-treated product A and a silane coupling agent to obtain a kneaded product.
(b2)前記混合物Bを、100〜300℃の温度で5〜600分加熱して、加熱処理物Bを得る工程と、を有するマスターバッチの製造方法。 (A2) mixing the rubber component, cellulosic fiber and silane coupling agent to obtain a mixture B;
(B2) A step of heating the mixture B at a temperature of 100 to 300 ° C. for 5 to 600 minutes to obtain a heat-treated product B.
前記マスターバッチに架橋剤を混練りする工程と、を有する未架橋ゴム組成物の製造方法。 A step of preparing a masterbatch by the production method according to any one of claims 11 to 19,
And a step of kneading a crosslinking agent in the master batch.
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