纖維素納米纖維及其制造方法、使用了該纖維素納米纖維的水分散體以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在將纖維素納米纖維分散到水溶性聚合物來制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 時(shí)的一種分散性良好的纖維素納米纖維以及獲得該纖維素納米纖維的方法。另外，本發(fā)明 還涉及使用了該纖維素納米纖維的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其高強(qiáng)度且輕量，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車等結(jié)構(gòu)材料、高爾 夫球桿、網(wǎng)球拍等體育用品以及一般產(chǎn)業(yè)用途中的成型素材。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，纖維素納米纖維作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加強(qiáng)材與碳纖維、玻璃 纖維等一起被使用。
[0004]碳纖維和玻璃纖維作為增強(qiáng)纖維具有非常優(yōu)異的特性，然而被指出在制造過程中 需要大量能源，同時(shí)需要礦物、化石燃料為材料，再利用困難且對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)較高。
[0005] 而另一方面，纖維素納米纖維與其他增強(qiáng)纖維相比，不僅能夠獲得優(yōu)異的加強(qiáng)效 果，由于其是利用來源于植物、細(xì)菌等的纖維素制造的，制造時(shí)對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)較小，而且具 有不會(huì)像玻璃纖維那樣在廢棄時(shí)殘留燃燒殘?jiān)群锰?。因此，以纖維素納米纖維為增強(qiáng)纖 維的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料近年來倍受矚目。
[0006] 纖維素納米纖維可以通過利用均質(zhì)機(jī)(homogen i z er)等的機(jī)械性剪切(專利文獻(xiàn) 1)、利用含有離子液體的溶液進(jìn)行處理(專利文獻(xiàn)2)等幾種方法制造而得。
[0007] 將根據(jù)上述方法制造的纖維素納米纖維分散到水中后的水分散體即使在低濃度 下也具有非常高的粘度，對(duì)水溶性聚合物的分散性差。因此，高濃度地將纖維素混合到聚合 物、所謂高濃度填充并不容易。所以，被采用有利用修飾基(modifying groups)來化學(xué)修飾 纖維素納米纖維表面的羥基(hydroxyl groups)、通過加入添加劑來提高水溶性聚合物內(nèi) 的分散性的方法(專利文獻(xiàn)2)。
[0008] 另外，還被揭示有以下一種方法(專利文獻(xiàn)3):在將低濃度的纖維素納米纖維的分 散體混合到低濃度的聚合物溶液后，通過進(jìn)行濃縮來實(shí)現(xiàn)達(dá)到所需強(qiáng)度。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2000-17592號(hào)公報(bào) [0012] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2011-184816號(hào)公報(bào) [0013] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2011-208293號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 發(fā)明要解決的課題
[0015] 然而，對(duì)纖維素納米纖維進(jìn)行化學(xué)修飾、或者在將低濃度的分散體混合到聚合物 溶液后再實(shí)施高濃度濃縮等預(yù)處理步驟較為繁雜，因而被尋求一種無需進(jìn)行這些步驟的纖 維素納米纖維。
[0016] 因此，雖然通過使用聚合度低且較短的纖維素納米纖維來實(shí)現(xiàn)分散性的改善，但 是存在制造的復(fù)合體的強(qiáng)度不高的問題。
[0017] 為了解決上述課題，本發(fā)明的課題在于制造一種具有優(yōu)異的作為加強(qiáng)材的加強(qiáng)效 果的纖維素納米纖維的特性被維持、無需化學(xué)修飾等預(yù)處理步驟、對(duì)水的分散性良好且能 夠使水溶性聚合物以高濃度并分散性良好地含有的纖維素納米纖維。
[0018] 用于解決課題的方式
[0019] 作為本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維進(jìn)行使用的纖維素納米纖維的特征 在于，其由未修飾的纖維素構(gòu)成，所述纖維素納米纖維的平均聚合度是100以上且800以下， 長(zhǎng)徑比是150以上且2000以下。
[0020] 通過使用本發(fā)明的平均聚合度和長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖維制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料，即使是未修飾的纖維素納米纖維，也能使水溶性聚合物高濃度且分散性良好地含有該 纖維素納米纖維，因而能夠獲得高強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0021 ] 這里，未修飾是指未利用醚化劑（etherifying agent)、酯化劑（esterifying agent)等對(duì)纖維素納米纖維的羥基進(jìn)行化學(xué)修飾。根據(jù)本發(fā)明，即使未進(jìn)行化學(xué)修飾，也能 夠獲得一種對(duì)水的分散性良好、并能夠使水溶性聚合物以高濃度且分散性良好地含有的纖 維素納米纖維。所以，本發(fā)明能夠通過比現(xiàn)有技術(shù)步驟少的方式獲得一種分散性良好的纖 維素納米纖維。其結(jié)果能夠削減制造成本。
[0022] 而且，本發(fā)明的纖維素納米纖維的特征在于，纖維素納米纖維的平均聚合度是100 以上且500以下。
[0023] 平均聚合度只要是在100以上且500以下的范圍內(nèi)，就能夠獲得分散性更為良好的 水分散體。
[0024] 另外，本發(fā)明的纖維素納米纖維的特征在于，纖維素納米纖維的長(zhǎng)徑比是150以上 且1000以下。
[0025] 纖維素納米纖維的長(zhǎng)徑比進(jìn)一步處于該范圍內(nèi)時(shí)，能夠獲得分散度是95%以上的 分散性更為良好的水分散體。其結(jié)果，能夠高濃度地填充纖維素納米纖維。
[0026]另外，本發(fā)明的纖維素納米纖維的特征在于平均纖維徑是Inm以上且150nm以下。
[0027] 通過將纖維素納米纖維設(shè)定成上述長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)以及將平均纖維徑的范圍設(shè)定 成Inm以上且150nm以下，能夠獲得對(duì)水溶性聚合物的均勻的分散性。其結(jié)果，能夠充分地獲 得對(duì)水溶性聚合物的加強(qiáng)效果，從而能夠提高成型品的物理性能。另外，纖維素納米纖維在 水溶性聚合物中的分散性均勻，因此能夠制造透明度高的成型品。
[0028] 另外，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征在于其通過將所述纖維素納米纖維分散到水溶性 聚合物中而獲得。
[0029]本發(fā)明的纖維素納米纖維如上所述對(duì)水的分散性良好，因而能夠高濃度且分散性 良好地含有于水溶性聚合物，所以能夠獲得強(qiáng)度高的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0030] 作為本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加強(qiáng)纖維進(jìn)行使用的纖維素納米纖維的水分 散體的特征在于，將由未修飾的纖維素構(gòu)成且平均聚合度是100以上且800以下、長(zhǎng)徑比是 150以上且2000以下的纖維素納米纖維分散到水中。
[0031] 本發(fā)明者們了解到通過使用具有本發(fā)明的平均聚合度和長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖 維，即使是未修飾的纖維素納米纖維，對(duì)水的分散性也非常良好。
[0032] 而且，本發(fā)明的纖維素納米纖維水分散體的特征在于纖維素納米纖維的平均聚合 度是100以上且500以下。
[0033] 纖維素納米纖維的平均聚合度在上述范圍內(nèi)，由此能夠獲得分散性更高的水分散 體。
[0034] 而且，本發(fā)明的纖維素納米纖維水分散體的特征在于，所述纖維素納米纖維的長(zhǎng) 徑比是150以上且1000以下。
[0035] 纖維素納米纖維的長(zhǎng)徑比在上述范圍內(nèi)，由此能夠獲得分散性更高的水分散體。 [0036]另外，本發(fā)明的纖維素納米纖維水分散體的特征在于，纖維素納米纖維的平均纖 維徑是Inm以上且150nm以下。
[0037]通過使用具有上述范圍的平均纖維徑的纖維素納米纖維，能夠獲得對(duì)水的分散性 較高的纖維素納米纖維水分散體，并且，通過使用該纖維素納米纖維水分散體，能夠獲得抗 拉強(qiáng)度等機(jī)械性特性較高的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0038]另外，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征在于使用所述纖維素納米纖維水分散體 制造而得。
[0039] 本發(fā)明的纖維素納米纖維水分散體的分散性較高，因而能夠高濃度地填充纖維素 納米纖維，所以能夠獲得強(qiáng)度高的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0040] 而且，本發(fā)明的纖維素納米纖維的制造方法的特征在于，對(duì)纖維素材料至少進(jìn)行 一次酶處理及/或酸處理以及至少一次機(jī)械性剪切處理。
[0041] 通過實(shí)施酶處理及/或酸處理以及機(jī)械性剪切處理，能夠獲得下述的纖維素納米 纖維:將該纖維素納米纖維制成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)的加強(qiáng)增強(qiáng)充分，同時(shí)能夠使水溶性 聚合物高濃度地且分散性良好地含有該纖維素納米纖維。
[0042] 附圖的簡(jiǎn)單說明
[0043] 圖1是表示纖維素納米纖維的制造步驟的圖。
[0044] 圖2是纖維素納米纖維的光學(xué)顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 以下，舉出實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0046]只要是來源于木材、棉花、竹、洋麻(kena