專利名稱：陽離子性微纖絲化植物纖維及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陽離子性微纖絲化植物纖維及其制造方法。
背景技術(shù)：
對于將植物等的纖維(例如木材的漿柏等)微纖絲化而得到將纖維直徑微細(xì)化到納米量級的微纖絲化植物纖維(納米纖維)的方法，已知有各種方法。例如，專利文獻I中，公開有如下的內(nèi)容，即，將具有特定的纖維長度的纖維素纖維加以微纖絲化，得到纖維直徑小而纖維長度長、保水性等優(yōu)異的微小纖維狀纖維素。另外，專利文獻2中，提出過如下的方法，即，通過對纖維原料進行蒸煮處理，來減弱纖維素系的纖維原料中所含的不需要的木質(zhì)素、半纖維素等的粘接力，促進納米纖維化。此外，作為促進納米纖維化、由木質(zhì)纖維素直接制造纖維素納米纖維的方法，還提出過如下的方法，即，在含有硝酰游離基衍生物、溴化堿及氧化劑的水系介質(zhì)中對木質(zhì)纖維素進行處理(專利文獻3 )。
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另ー方面，公開過如下的方法，即，向纖維素系纖維中添加陰離子性、陽離子性、非離子性表面活性劑等疏水化藥品后實施機械的攪拌處理，對纖維素系物質(zhì)賦予高空隙，以提高紙尿布等中所用的纖維的吸水力(專利文獻4)。另外，雖然并非以微纖絲化植物纖維(納米纖維)那樣微小纖維的制造為對象，然而與專利文獻4相同，還提出過如下的方案，SP，向纖維素系纖維的表面導(dǎo)入陽離子基，使纖維表面帶陽離子電荷而提高與陰離子性染料的親和性，或進ー步微細(xì)化而在保持作為纖維素粒子的功能的同時，改善其保水性、保形性、分散性(專利文獻5)。在先技術(shù)文件專利文獻[專利文獻I]日本特開2007— 231438號公報[專利文獻2]日本特開2008- 75214號公報[專利文獻3]日本特開2008— 308802號公報[專利文獻4]日本特開平8一 10284號公報[專利文獻5]日本特開2002— 226501號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題本發(fā)明的主要目的在于，提供陽離子化了的新型的微纖絲化植物纖維及其制造方法。解決課題的手段如前所述，已知在由木材漿柏等植物纖維來制造微纖絲化植物纖維時，對起始原料或解纖方法下工夫而促進納米纖維化、或?qū)υ侠w維實施化學(xué)處理而提高保水性。但是，在像微纖絲化植物纖維那樣高度地微細(xì)化的纖維的情況下，纖維的分散性或表面的損傷程度等根據(jù)解纖方法或化學(xué)處理的方法而不同，它們對制成微纖絲化植物纖維的片材或樹脂復(fù)合體時的強度等物性會造成很大的差別。本發(fā)明人對可以很容易地由含有植物纖維的材料獲得微纖絲化植物纖維、并且在所得的微纖絲化植物纖維的強度的方面優(yōu)異的制造方法反復(fù)進行了深入研究。其結(jié)果是發(fā)現(xiàn)，通過采用具備(I)使含有纖維素纖維的材料中的羥基與具有季銨基的陽離子化劑反應(yīng)而將含有該纖維素纖維的材料進行陽離子改性的工序、
(2)將所得的陽離子改性纖維在水的存在下解纖的工序的制造方法，不僅植物纖維的解纖變得容易，而且可以得到在制成片材或與樹脂的復(fù)合體時的強度的方面特別優(yōu)異的微纖絲化植物纖維。微纖絲化植物纖維通常因還原末端被部分氧化等理由，雖然微量，然而也會帶有陰離子性電荷。由此，即使只是將植物纖維加以陽離子改性，也會因靜電相互作用而促進纖維間的結(jié)合形成，從而會有強度提高的情況。但是，由于植物纖維中所含的陰離子性基極其微量，因此其效果甚微。然而，本發(fā)明人等反復(fù)進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在將植物纖維加以陽離子改性后，施加機械的剪切應(yīng)力，微纖絲化就會顯著地進行。本發(fā)明是基于此種見解進一步反復(fù)進行深入研究而完成的發(fā)明。即，本發(fā)明提供 下述第I 7項中所示的微纖絲化植物纖維、其制造方法、包含該植物纖維的片材、以及含有該植物纖維的熱固化性樹脂復(fù)合體。第一項.一種陽離子性微纖絲化植物纖維，其為以含有季銨基的化合物進行陽離子改性后的纖維直徑的平均值為4 200nm的陽離子性微纖絲化植物纖維。第二項.一種陽離子性微纖絲化植物纖維，每個無水葡萄糖單元的季銨基的置換度為0. 03以上且小于0. 4，纖維直徑的平均值為4 200nm。第三項.根據(jù)第一項或第二項所述的陽離子性微纖絲化植物纖維的制造方法，具備下述工序(I)及(2)(I)使含有纖維素纖維的材料中的羥基與具有季銨基的陽離子化劑反應(yīng)，將含有該纖維素纖維的材料進行陽離子改性的工序；以及(2)將所得的陽離子改性纖維在水的存在下解纖至纖維直徑的平均值為4 200nm的工序。第四項.一種片材，其含有第一項或第二項所述的陽離子性微纖絲化植物纖維。第五項.一種熱固化性樹脂復(fù)合體，含有第一項或第二項所述的陽離子性微纖絲化植物纖維。第六項.根據(jù)第五項所述的熱固化性樹脂復(fù)合體，熱固化性樹脂是不飽和聚酯樹脂或酚醛樹脂。第七項.一種熱固化性樹脂復(fù)合體的制造方法，具備將第一項或第二項所述的陽離子性微纖絲化植物纖維和熱固化性樹脂混合的工序。發(fā)明的效果本發(fā)明通過采用具備(I)使含有纖維素纖維的材料中的羥基與具有季銨基的陽離子化劑反應(yīng)而將含有該纖維素纖維的材料進行陽離子改性的工序、(2)將所得的陽離子改性纖維在水的存在下解纖的工序的制造方法，而可以起到如下的效果，即，易于進行原料的解纖處理，并且在將所得的微纖絲化植物纖維制成片材或樹脂復(fù)合體時的強度的方面特別優(yōu)異。另外，本發(fā)明的微纖絲化植物纖維的纖維直徑的平均值極小，為4 200nm左右，在強度的方面極為優(yōu)異。由此，本發(fā)明可以在運輸機器的內(nèi)包裝材料、外包裝材料、結(jié)構(gòu)材料；電氣化產(chǎn)品等的框體、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部部件；移動通信機器等的框體、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部部件等；便攜音樂再現(xiàn)機、圖像再現(xiàn)機、印刷機、復(fù)印機、體育用品等的框體、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部部件等；建筑材料；文具等辦公機器等寬廣的領(lǐng)域中使用。


圖I是實施例3中得到的陽離子性微纖絲化植物纖維的電子顯微鏡照片(10000倍)。圖2是實施例3中得到的陽離子性微纖絲化植物纖維的電子顯微鏡照片(20000倍)。
圖3是實施例4中得到的陽離子性微纖絲化植物纖維的電子顯微鏡照片(50000倍)。圖4是比較例I中得到的陽離子性植物纖維的電子顯微鏡照片(10000倍)。圖5是比較例3中得到的陽離子性植物纖維的電子顯微鏡照片(250倍)。
具體實施例方式下面，對本申請發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維、其制造方法、由該植物纖維得到的片材及熱固化性樹脂復(fù)合體進行詳述。本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維的特征在于，纖維直徑的平均值極小，為4 200nm左右，該微纖絲化植物纖維被用具有季銨基的化合物進行了陽離子改性。在植物的細(xì)胞壁中，寬4nm左右的纖維素微纖絲(單纖維素納米纖維)作為最小單元存在。它是植物的基本骨架物質(zhì)(基本元素)。此外，該纖維素微纖絲會集而形成植物的骨架。本發(fā)明中，所謂微纖絲化植物纖維是將含有植物纖維的材料(例如木材漿柏等)解開至其纖維為納米尺寸的材料。對于本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維的纖維直徑而言，平均值通常為4 200nm左右，優(yōu)選為4 150nm左右，特別優(yōu)選為4 IOOnm左右。而且，本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維的纖維直徑的平均值是對電子顯微鏡的視野內(nèi)的陽離子性微纖絲化植物纖維至少50根以上進行測定時的平均值。本發(fā)明的微纖絲化植物纖維例如可以利用具備下述エ序(I)及(2)的方法來制造。エ序(I):使含有纖維素纖維的材料中的羥基與具有季銨基的陽離子化劑反應(yīng)，將含有該纖維素纖維的材料進行陽離子改性的エ序，以及エ序(2):將所得的陽離子改性纖維在水的存在下解纖至纖維直徑的平均值為4 200nm左右的エ序。在エ序(I)中，作為成為原料的含有纖維素纖維的材料(含纖維素纖維材料)，可以舉出由木材、竹子、麻、黃麻、洋麻、棉、甜菜、農(nóng)產(chǎn)品殘余廢棄物、稱作布的天然纖維素原料得到的漿柏、實施了絲光化的纖維素纖維、人造絲或賽璐珞等再生纖維素纖維等。特別是可以將漿柏作為優(yōu)選的原材料舉出。作為所述漿柏，可以將通過將植物原料化學(xué)地、或機械地、或者將兩者并用地漿柏化而得的化學(xué)漿(牛皮漿(KP )、亞硫酸漿(SP ))、半化學(xué)漿(SCP )、化學(xué)磨木漿(CGP )、化學(xué)機械漿(CMP)、磨木漿(GP)、盤磨機械漿(RMP)、熱磨機械漿(TMP)、化學(xué)熱磨機械漿(CTMP)、以及以這些植物纖維作為主成分的脫墨廢紙漿、瓦楞紙廢紙漿、雜志廢紙漿作為優(yōu)選的漿柏舉出。這些原材料根據(jù)需要可以進行脫木質(zhì)素或者漂白，調(diào)整該植物纖維中的木質(zhì)素量。這些漿柏當(dāng)中，特別優(yōu)選纖維的強度大的來源于針葉樹的各種牛皮漿(針葉樹未漂白牛皮漿(以下有時稱作NUKP)、針葉樹曝氧未漂白牛皮漿(以下有時稱作N0KP)、針葉樹漂白牛皮漿(以下有時稱作NBKP))。成為原料的含纖維素纖維材料中的木質(zhì)素含量通常為0 40重量％左右，優(yōu)選為0 10重量％左右。木質(zhì)素含量的測定是利用Klason法測定的值。工序(I)中的陽離子改性反應(yīng)(含有纖維素纖維的材料中的羥基與具有季銨基的陽離子化劑的反應(yīng))可以利用公知的方法進行。含有纖維素纖維的材料是將無水葡萄糖單元結(jié)合多個而形成的，在各無水葡萄糖單元中，存在多個羥基。例如，在將縮水甘油基三烷基鹵化銨用于陽離子化劑中的情況下，通過使陽離子化劑和作為催化劑的氫氧化堿金屬作 用于成為原料的含有纖維素纖維的材料來進行。所述與含纖維素纖維材料作用(反應(yīng))的、具有季銨基的陽離子化劑是具有與含纖維素纖維材料的羥基反應(yīng)的基團及季銨基的化合物。作為與含纖維素纖維材料的羥基反應(yīng)的基團，只要是與該羥基反應(yīng)而形成共價鍵的反應(yīng)基，就沒有特別限定。例如，可以舉出環(huán)氧基或可以形成它的鹵代醇基等、活性鹵素基、活性乙烯基、羥甲基等。它們當(dāng)中，從反應(yīng)性的方面考慮，優(yōu)選環(huán)氧基或可以形成它的鹵代醇基。另外，季銨基具有作為一 N+(R)3 (其中，式中的R是可具有取代基的烷基、芳基或雜環(huán)基)的結(jié)構(gòu)。此種陽離子化劑存在有很多公知材料，在本發(fā)明中，也可以使用公知的陽離子化劑。本發(fā)明中，具有季銨基的陽離子化劑的分子量通常為150 10000左右，優(yōu)選為150 5000左右，更優(yōu)選為150 1000左右。如果陽離子化劑的分子量為1000以下，則易于進行含有纖維素纖維的材料的解纖，因而優(yōu)選。對此可以認(rèn)為是因為，陽離子化劑滲透到纖維素的內(nèi)部，直到含有纖維素纖維的材料的內(nèi)部都被充分地陽離子化，陽離子之間的電氣性的排斥效果變大，因此易于進行解纖。作為本發(fā)明中可以使用的具有季銨基的陽離子化劑的具體例，例如可以舉出縮水甘油基三甲基氯化銨、3 —氯一 2 —羥基丙基三甲基氯化銨等縮水甘油基三烷基鹵化銨或其鹵代醇型等。所述含纖維素纖維材料與所述具有季銨基的陽離子化劑的反應(yīng)優(yōu)選在氫氧化堿金屬、以及水和/或碳數(shù)I 4的醇的存在下進行。作為成為催化劑的氫氧化堿金屬，可以使用氫氧化鈉、氫氧化鉀等。另外，水只要使用自來水、凈化水、離子交換水、純水、工業(yè)用水等即可。此外，作為碳數(shù)I 4的醇，具體來說，可以舉出甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇等。水和碳數(shù)I 4的醇可以分別單獨使用，也可以混合后使用。在將水與碳數(shù)I 4的醇混合使用的情況下，其組成比可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，然而最好以使所得的陽離子性微纖絲化植物纖維的每個無水葡萄糖單元的季銨基的置換度為0. 03以上且小于0. 4的方式調(diào)整。在工序(I)中，對于含有纖維素纖維的材料與所述陽離子化劑的使用比例，將含纖維素纖維材料設(shè)為100重量份，通常使用10 1000重量份左右、優(yōu)選使用10 800重量份左右、更優(yōu)選使用10 500重量份左右的所述陽離子化劑即可。另外，對于所述氫氧化堿金屬的使用比例，將含纖維素纖維材料設(shè)為100重量份，通常為I 7重量份左右，優(yōu)選為I 5重量份左右，更優(yōu)選為I 3重量份左右。此外，對于水和/或碳數(shù)I 4的醇的使用比例，將含有纖維素纖維的材料設(shè)為100重量份，通常為100 50000重量份左右，優(yōu)選為100 10000重量份左右，更優(yōu)選為100 500重量份左右。在エ序(I)中，使含有纖維素纖維的材料與所述陽離子化劑作用(反應(yīng))的溫度通常為10 90°C左右，優(yōu)選為30 90°C左右，更優(yōu)選為50 80°C左右。另外，使含有纖維素纖維的材料與所述陽離子化劑作用(反應(yīng))的時間通常為10分鐘 10小時左右，優(yōu)選為30分鐘 5小時左右，更優(yōu)選為I 3小時左右。而且，對于進行エ序(I)的壓力，沒有特別限制，只要在大氣壓下進行即可。另外，可以將エ序(I)中得到的進行了陽離子改性的含纖維素纖維材料原樣不變地提供給エ序(2)，然而優(yōu)選在所述エ序(I)中進行陽離子改性后，將反應(yīng)體系中殘存的氫 氧化堿金屬鹽等成分用無機酸、有機酸等中和后提供給エ序(2)。此外，也可以除了該中和エ序以外，還利用常法進行清洗、提純。另外，也可以增減水的量，以使得在接下來的エ序
(2)的解纖處理中達到合適的纖維濃度。但是，本發(fā)明中，在エ序(I)與エ序(2)之間，不應(yīng)當(dāng)設(shè)置進行了陽離子改性的含纖維素纖維材料的干燥エ序。如果將在エ序(I)中進行了陽離子改性的含纖維素纖維材料干燥，則即使在接下來的エ序(2)中對干燥物進行解纖處理，也很難獲得解纖到像本發(fā)明那樣的納米量級的、具有高強度的微纖絲化植物纖維。由于纖維素分子具有很多羥基，因此ー旦經(jīng)過了干燥エ序，含纖維素纖維材料的相鄰的纖維之間就會因牢固的氫鍵而相互連結(jié)，強有力地凝聚(例如就紙、漿柏而言，將此種干燥時的纖維的凝聚稱作Hornification)。利用機械的カ將發(fā)生了一次凝聚的纖維解開是非常困難的。例如，專利文獻5中，由于在陽離子化處理后經(jīng)過干燥エ序，因此產(chǎn)生Hornification。這樣，無論怎樣將其機械地加以粉碎，都只能形成微米量級的粒子。由此，本發(fā)明中，在エ序(I)中進行了陽離子改性的含纖維素纖維材料在エ序(2)中在水的存在下被解纖。含纖維素纖維材料的解纖處理的方法可以采用公知的方法，例如可以使用通過將所述含纖維素纖維材料的水懸濁液、漿料利用精制機、高壓均化器、研磨機、單軸或多軸混煉機等機械地磨碎、或者打漿來解纖的方法。根據(jù)需要，優(yōu)選以在精制機處理后進行單軸或多軸混煉機處理的方式，將上述的解纖方法組合而處理。エ序(2)中，優(yōu)選將所述エ序(I)中進行了陽離子改性的含纖維素纖維材料利用單軸或多軸混煉機(以下有時簡稱為“混煉機”)解纖。在混煉機(混煉擠出機)中，有單軸混煉機、雙軸以上的多軸混煉機，本發(fā)明中，無論使用哪種都可以。由于在使用多軸混煉機的情況下，可以進ー步提高微纖絲化植物纖維的分散性，因此優(yōu)選。在多軸混煉機當(dāng)中，從獲得的容易度等觀點考慮，優(yōu)選雙軸混煉機。所述單軸或多軸混煉機的螺桿的線速度的下限值通常為45m/分鐘左右。螺桿的線速度的下限值優(yōu)選為60m/分鐘左右，特別優(yōu)選為90m/分鐘左右。另外，螺桿的線速度的上限值通常為200m/分鐘左右。螺桿的線速度的上限值優(yōu)選為150m/分鐘左右，特別優(yōu)選為IOOm/分鐘左右。本發(fā)明中所使用的混煉機的L/D (螺桿徑D與混煉部的長度L的比)通常為15 60左右，優(yōu)選為30 60左右。
單軸或多軸混煉機的解纖時間根據(jù)含纖維素纖維材料的種類、所述混煉機的L/D等而不同，然而如果是前述的L/D的范圍內(nèi)，則通常為30 60分鐘左右，優(yōu)選為30 45
分鐘左右。提供給基于混煉機的解纖的次數(shù)(輪次)根據(jù)所需的微纖絲化植物纖維的纖維直徑、纖維長度、以及所述混煉機的L/D等而變化，然而通常為I 8次左右，優(yōu)選為I 4次左右。如果將漿柏提供給基于所述混煉機的解纖的次數(shù)(輪次)太多，則雖然解纖進一步進行，然而同時還會產(chǎn)生放熱，因此會有纖維素著色、或?qū)е聼釗p傷(片材強度的降低)。在混煉機中，存在螺桿的混煉部既可以是I處，也可以存在2處以上。另外，在存在2處以上混煉部的情況下，也可以在各混煉部之間具有I個或2個以上的閘門結(jié)構(gòu)(回?fù)?。而且，本發(fā)明中，由于螺桿的線速度為45m/分鐘以上，與以往的螺桿的線速度相比相當(dāng)大，因此為了減輕對混煉機的負(fù)載，更優(yōu)選不具有閘門結(jié)構(gòu)。
構(gòu)成雙軸混煉機的兩根螺桿的旋轉(zhuǎn)方向為不同方向、相同方向的哪種都可以。另夕卜，構(gòu)成雙軸混煉機的兩根螺桿的咬合有完全咬合型、不完全咬合型、非咬合型，而作為本發(fā)明的解纖中所用的咬合，優(yōu)選完全咬合型。螺桿長度與螺桿直徑的比(螺桿長度/螺桿直徑)只要是20 150左右即可。作為具體的雙軸混煉機，可以使用Technovel公司制“KZW”、日本制鋼所制“TEX”、東芝機械公司制 “TEM”、Coperion 公司制 “ZSK” 等。用于解纖的原料漿柏與水的混合物中的原料漿柏的比例通常為10 70重量％左右，優(yōu)選為20 50重量％左右。另外，對于混煉時的溫度沒有特別的制約，然而通?？梢栽?0 160°C下進行，特別優(yōu)選的溫度是20 140°C。如前所述，本發(fā)明中，在供給于工序(2)的解纖之前，也可以將進行了陽離子化的含植物纖維材料供給于借助精制機等的預(yù)解纖。借助精制機等的預(yù)解纖的方法可以采用以往公知的方法。通過進行借助精制機的預(yù)解纖，可以減少對所述混煉機施加的負(fù)載，從生產(chǎn)效率的方面考慮優(yōu)選。本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維可以利用如上所述的制造方法得到，每個無水葡萄糖單元的季銨基的置換度為0. 03以上且小于0. 4，纖維素I型的結(jié)晶化度通常為60%以上。每個無水葡萄糖單元的季銨基的置換度的下限值優(yōu)選為0. 03左右，更優(yōu)選為
0.05左右。另外，該置換度的上限值優(yōu)選為0.3左右，更優(yōu)選為0.2左右。而且，置換度隨著解纖處理的方法而改變，為了成為所述的置換度的范圍可以使用前述的解纖方法，而其中使用混煉機、尤其是雙軸混煉機的做法從成為所述所需的置換度的數(shù)值范圍的方面考慮特別優(yōu)選。而且，季銨基(陽離子基)的置換度是利用實施例中記載的方法測定的值。本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維中的木質(zhì)素含量與所述含原料纖維素纖維材料的木質(zhì)素含量相同，通常為0 40重量％左右，優(yōu)選為0 10重量％左右。木質(zhì)素含量的測定是利用Klason法測定的值。另外，本發(fā)明中，為了獲得具有高強度、高彈性模量的微纖絲化植物纖維，構(gòu)成微纖絲化植物纖維的纖維素優(yōu)選具有被加以最高強度化、最高彈性模量化的纖維素I型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維可以制成以片狀成形的成形體。成形方法沒有特別限定，然而例如可以通過將利用所述エ序(I)及(2)得到的、微纖絲化植物纖維與水的混合液(漿料)抽吸過濾，在過濾器上對變?yōu)槠瑺畹奈⒗w絲化植物纖維進行干燥、加熱壓縮等，而將微纖絲化植物纖維以片狀成形。在將陽離子性微纖絲化植物纖維以片狀成形的情況下，所述漿料中的微纖絲化植物纖維的濃度沒有特別限定。通常為0. I 2. 0重量％左右，優(yōu)選為0. 2 0. 5重量％左右。另外，抽吸過濾的減壓度通常為10 60kPa左右，優(yōu)選為10 30kPa左右。抽吸過濾時的溫度通常為10°c 40°C左右，優(yōu)選為20°C 25°C左右。作為過濾器，可以使用絲網(wǎng)布、濾紙等。利用上述的抽吸過濾，可以得到陽離子性微纖絲化植物纖維的脫水片材(濕網(wǎng))。此后，在將所得的脫水片材根據(jù)需要浸潰在溶劑浴中后，通過進行加熱壓縮，就可以得到微 纖絲化植物纖維的干燥片材。加熱壓縮時的加熱溫度通常為50 150°C左右，優(yōu)選為90 120°C左右。另外，壓カ通常為0.0001 0.05MPa左右，優(yōu)選為0.001 0. OlMPa左右。加熱壓縮時間通常為I 60分鐘左右，優(yōu)選為10 30分鐘左右。由本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維得到的片材的拉伸強度通常為90 200MPa左右，優(yōu)選為120 200MPa左右。由本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維得到的片材的拉伸強度有時隨著片材的坪量或密度等而不同。本發(fā)明中，制成坪量100g/m2的片材，測定出由密度為0. 8 I. Og/cm3的陽離子性微纖絲化植物纖維得到的片材的拉伸強度。而且，拉伸強度是利用以下的方法測定的值。裁割以坪量100g/m2制備并干燥的陽離子性微纖絲化植物纖維，制成IOmmX50mm的長方形片材,得到試驗片。將試驗片安裝在拉伸試驗機中，在施加載荷的同時測定施加在試驗片上的應(yīng)カ和應(yīng)變。將試驗片斷裂時的、施加在試驗片每單位截面積上的載荷設(shè)為拉伸強度。另外，由本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維得到的片材的拉伸彈性模量通常為
6.0 8. OGPa左右，優(yōu)選為7. 0 8. OGPa左右。由本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維得到的片材的拉伸彈性模量有時隨著片材的坪量或密度等而不同。本發(fā)明中，制成坪量IOOg/m2的片材，測定出由密度為0. 8 I. Og/cm3的陽離子性微纖絲化植物纖維得到的片材的拉伸彈性模量。而且，拉伸強度是利用以下的方法測定的值。另外，本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維可以與各種樹脂混合而形成樹脂復(fù)合體。樹脂的種類沒有特別限定，例如可以使用酚醛樹脂、尿素樹脂、密胺樹脂、不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、鄰苯ニ甲酸ニ烯丙酯樹脂、聚氨酯樹脂、硅樹脂、聚酰亞胺樹脂等熱固化性樹脂等。樹脂可以單獨使用ー種或者組合使用兩種以上。優(yōu)選為酚醛樹脂；環(huán)氧樹脂；不飽和聚酷樹脂。將陽離子性微纖絲化植物纖維與樹脂復(fù)合化的方法沒有特別限定，可以采用通常的將陽離子性微纖絲化植物纖維與樹脂復(fù)合化的方法。例如，可以舉出向由陽離子性微纖絲化植物纖維構(gòu)成的片材或成形體充分地浸滲樹脂單體液，利用熱、UV照射、聚合引發(fā)劑等將其聚合的方法；向陽離子性微纖絲化植物纖維充分地浸滲聚合物樹脂溶液或樹脂粉末分散液而干燥的方法；將陽離子性微纖絲化植物纖維充分地分散在樹脂單體液中而利用熱、UV照射、聚合引發(fā)劑等將其聚合的方法；將陽離子性微纖絲化植物纖維充分地分散于聚合物樹脂溶液或樹脂粉末分散液中而干燥的方法等。在復(fù)合化時，也可以配合表面活性劑、淀粉類、海藻酸等多糖類、明膠、動物膠、酪蛋白等天然蛋白質(zhì)、單寧、沸石、陶瓷、金屬粉末等無機化合物、著色劑、增塑劑、香料、顏料、流動調(diào)整劑、流平劑、導(dǎo)電劑、防靜電干擾劑、紫外線吸收劑、紫外線分散劑、消臭劑等添加劑。可以如上所述地制造本發(fā)明的樹脂復(fù)合體。本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維由于強度高，因此可以得到強度高的樹脂復(fù)合體。該復(fù)合化樹脂可以與其他的能夠成形的樹脂相同地成形，例如可以利用借助模具成形的加熱壓縮等來成形。對于成形的條件，只要根據(jù)需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整樹脂的成形條件即可。本發(fā)明的樹脂復(fù)合體由于具有高機械強度，因此例如除了可以用于以往使用纖維化植物纖維的成形體、含有微纖絲化植物纖維的樹脂成形體的領(lǐng)域以外，還可以用于要求更高的機械強度(拉伸強度等)的領(lǐng)域中。例如可以作為汽車、電車、船舶、飛機等運輸機器 的內(nèi)包裝材料、外包裝材料、結(jié)構(gòu)材料等；個人電腦、電視機、電話、鐘表等電氣化產(chǎn)品等的框體、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部部件等；攜帶電話等移動通信機器等的框體、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部部件等；便攜音樂再現(xiàn)機、圖像再現(xiàn)機、印刷機、復(fù)印機、體育用品等的框體、結(jié)構(gòu)材料、內(nèi)部部件等；建筑材料；文具等辦公機器等有效地使用。下面，將舉出實施例及比較例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明，然而本發(fā)明并不限定于它們。實施例I將針葉樹未漂白牛皮漿(NUKP)的漿料(漿柏漿料濃度2重量％的水懸濁液)通入單盤磨(熊谷理機工業(yè)制)中，反復(fù)進行精制機處理，直至加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度(CSF)值為IOOmL以下。將所得的衆(zhòng)料用離心脫水機(株式會社Kokusan制)以2000rpm、15分鐘的條件進行脫液，將漿柏濃度濃縮至25重量％。然后，向?qū)⑥D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為800rpm的IKA攪拌機中加入以干燥重量計為60重量份的上述漿柏、30重量份的氫氧化鈉、2790重量份的水，在30°C混合攪拌30分鐘后升溫到80°C，作為陽離子化劑添加以有效成分換算為375重量份的3 —氯一 2 —羥基丙基三甲基氯化銨(CTA)。反應(yīng)I小時后，取出反應(yīng)物而進行中和、清洗、濃縮，得到25重量％濃度的陽離子改性漿柏。將陽離子改性漿柏的陽離子的置換度表示于表I中。而且，陽離子基的置換度是在利用Klason法測定試樣中的木質(zhì)素含量(重量％)后，利用元素分析法測定試樣的氮含量(重量％)，利用下式算出而求得的。這里所說的置換度表示每I摩爾無水葡萄糖單元的取代基的摩爾數(shù)的平均值。陽離子基的置換度=(162XN)/{(1400 — 151.6XN) X (I—0.01XL)}N:氮含量(重量％)L:木質(zhì)素含量(重量％)將所得的陽離子改性漿柏投入雙軸混煉機(Technovel公司制的KZW)，進行解纖處理。借助雙軸混煉機的解纖條件如下所示。[解纖條件]螺桿直徑15mm
螺桿轉(zhuǎn)速2000rpm (螺桿線速度94. 2m/分鐘)解纖時間將150g的陽離子改性衆(zhòng)柏在500g/ h r 600g/ h r的處理條件下解纖。從投入原料到得到微纖絲化植物纖維的時間為15分鐘。L/D 45用于解纖處理的次數(shù)I次(I個輪次)閘門結(jié)構(gòu)0個。然后，向利用解纖得到的陽離子性微纖絲植物纖維漿料中加入水，將陽離子改性微纖絲植物纖維的濃度調(diào)整為0. 33重量％。漿料的溫度設(shè)為20°C。然后，將漿料600mL加入罐中，用攪拌棒攪拌后，迅速地開始減壓過濾(使用了 Advantec東洋株式會社制的5A濾紙)。將所得的濕網(wǎng)以110°C、壓カ0. 003MPa加熱壓縮10分鐘，得到100g/m2的陽離子性微纖絲化植物纖維片材。測定所得的片材的拉伸強度。將木質(zhì)素含量、陽離子基的置換度及干燥片材的各物性值表示于表I中。而且，拉伸強度的測定方法如前所述?！嵤├?除了作為漿柏使用了針葉樹漂白牛皮漿(NBKP)、將CTA的添加量設(shè)為180重量份、將水的添加量設(shè)為2730重量份以外，與實施例I相同地進行陽離子改性，制成干燥片材。將木質(zhì)素含量、陽離子基的置換度及干燥片材的各物性值表示于表I中。實施例3除了作為陽離子化劑取代CTA而使用了縮水甘油基三甲基氯化銨(GTA)以外，與實施例2相同地進行陽離子改性，制成干燥片材。將木質(zhì)素含量、陽離子基的置換度及干燥片材的各物性值表不于表I中。另外，圖1、2中表示出實施例3中得到的陽離子性微纖絲化植物纖維的電子顯微鏡照片。根據(jù)圖I中所示的10000倍的SEM圖像實測出任意的陽離子性微纖絲化植物纖維100根的纖維直徑，其結(jié)果是，數(shù)均纖維直徑為87. 02nm。另外，根據(jù)圖2中所示的20000倍的SEM圖像實測出任意的陽離子性微纖絲化植物纖維50根的纖維直徑，其結(jié)果是，數(shù)均纖維直徑為96. 83nm。實施例4除了將氫氧化鈉設(shè)為7重量份、將GTA的添加量設(shè)為120重量份、將IPA的添加量設(shè)為2352份、將水的添加量設(shè)為588份以外，與實施例2相同地進行陽離子改性，得到陽離子基的置換度為0. 185的陽離子改性微纖絲化植物纖維。另外，圖3中表示出實施例4中得到的陽離子性微纖絲化植物纖維的電子顯微鏡照片。根據(jù)圖3中所示的50000倍的SEM圖像實測出任意的陽離子性微纖絲化植物纖維100根的纖維直徑，其結(jié)果是，數(shù)均纖維直徑為57. 79nm。比較例I除了在陽尚子改性時將CTA的添加量設(shè)為60重量份、將水的添加量設(shè)為2850重量份以外，與實施例3相同地進行陽離子改性，制成干燥片材。將木質(zhì)素含量、陽離子基的置換度及干燥片材的各物性值表不于表I中。圖4中表示出比較例I中得到的陽離子性植物纖維的電子顯微鏡照片。根據(jù)圖4中所示的10000倍的SEM圖像實測出任意的陽離子性植物纖維50根的纖維直徑，其結(jié)果是，數(shù)均纖維直徑為354. 3nm，不是像本發(fā)明那樣纖維直徑的平均值為4 200nm左右的陽離子性微纖絲化植物纖維。比較例2除了未進行陽離子改性以外，與實施例I相同地制成干燥片材。將木質(zhì)素含量、干燥片材的各物性值表不于表I中。比較例3除了在陽離子改性后未進行雙軸解纖處理以外，與實施例3相同地得到陽離子改性植物纖維。將木質(zhì)素含量、陽離子基的置換度及干燥片材的各物性值表示于表I中。比較例4除了使用市售的粉末纖維素(KC flock W-100G，平均粒徑37iim、日本制紙化學(xué)株式會社制)以外，與實施例3相同地進行陽離子改性，進行了中和 脫液 干燥。將干燥物 用錘擊式粉碎機破碎，得到陽離子基的置換度為0. 052并且平均粒徑為35 的陽離子改性植物纖維。圖4中表示出比較例4的電子顯微鏡照片。根據(jù)圖4中所示的250倍的SEM圖像實測出任意的50根陽離子性植物纖維直徑，其結(jié)果是，陽離子性植物纖維的平均直徑為13. 31 u m，不是像本申請發(fā)明那樣纖維直徑的平均值為4 200nm左右的陽離子性微纖絲化植物纖維。而且，比較例4是再現(xiàn)了日本特開2002 - 226501的實施例的例子。[表I]
陽離了 化劑木質(zhì)素含量陽離了 基的片材拉伸強片材拉伸彈 /添加率(相 (％)置換度度(MPa) 性模量
__對于漿粕)_____(GPa)
實施例 I CTA/625% 6M0.0321287J實施例 2 CTA/300% OO0.03114163實施例 3 GTA/300% OO 0.048 139 63比較例 I CTAA00% 0021 79 4^8比較例2 - 76 5.4
~ 比較例 3 GTA/300% I 0.0 | 0.052795.5從比較例3的結(jié)果可以清楚地看到，在GTA300%處理后未進行雙軸解纖而得的陽離子改性植物纖維片材的強度 彈性模量分別是79MPa5. 5GPa，與未處理品大致同等。根據(jù)實施例3、比較例2、3的比較可以確認(rèn)，如果只是對漿柏(NBKP)進行GTA處理，則不會提高片材的拉伸強度，而通過在GTA處理后進行雙軸解纖，片材的拉伸強度大幅度提高。實施例5將實施例2中制成的陽離子性微纖絲化植物纖維的水懸濁液過濾而得到陽離子改性微纖絲化植物纖維的濕網(wǎng)。將該濕網(wǎng)在乙醇浴中浸潰I小時后，以110°c、壓力
0.003MPa加熱壓縮10分鐘，得到陽離子改性微纖絲化植物纖維的大體積片材。而且，過濾條件設(shè)為，過濾面積約200cm2,減壓度-30kPa,濾紙Advantec東洋株式會社制的5A。然后，將所得的陽離子性微纖絲化植物纖維的大體積片材切割為寬30mmX長40mm而在105°C干燥I小時，測定出重量。繼而，將該片材浸潰到在不飽和聚酯樹脂(DHMaterial株式會社制“SUNDHOMA FG283”)100重量份中加入了過氧化苯甲酰(日油株式會社制“NYPER FF”)I重量份的樹脂液中。在減壓下(真空度0. OlMPa、時間30分鐘)進行浸潰，得到不飽和聚酯樹脂浸潰片材。然后，對于該不飽和聚酯樹脂浸潰片材，以使得成形體的厚度約為Imm的方式，分別將相同的片材疊加數(shù)片。排出多余的樹脂后，放入模具中，進行加熱沖壓(溫度90°C、時間30分鐘)，得到陽離子改性微纖絲化植物纖維的不飽和聚酯復(fù)合體的成形物。而且，測定所得的成形物的重量，根據(jù)與所述片材的干燥重量的差算出纖維含有率(重量％)。利用游標(biāo)卡尺(株式會社三豐制)準(zhǔn)確地測定所述成形物的長度、寬度。利用千分尺(株式會社三豐制)測定幾處厚度，計算出成形物的體積。另外測定出成形物的重量。根據(jù)所得的重量、體積算出密度。由所述成形物制成厚I. 2mm、寬7mm、長40mm的樣品，以5mm/分鐘的變形速度測定彎曲彈性模量及彎曲強度(測力傳感器5kN)。作為測定機使用了萬能材料試驗機Instixm3365型(Instron Japan Company Limited制)。將所得的樹脂復(fù)合體的纖維含有率、彎曲彈性模量及彎曲強度表示于表2中。實施例6及比較例5 7除了分別使用實施例3中得到的陽離子性微纖絲化植物纖維、比較例1、3中得到 的陽離子改性漿柏、或比較例2中制作的未進行陽離子改性的微纖絲化植物纖維以外，利用與實施例5相同的方法，得到實施例6和比較例5 7的成形物。將實施例6、比較例5 7中得到的樹脂復(fù)合體的纖維含有率、彎曲彈性模量及彎曲強度表示于表2中。[表2]
前處理不飽和聚酯樹脂復(fù)合體一
植物纖維陽離子化剤/添加纖維含有彎曲強度 率(相対于漿粕)率(％) ^ (MPa)
實施例 5實施例 2CTA/300%0.03151.89.6198
實施例 6實施例 3GTA/300%0.0485^49^9222
比較例 5比較例 ICTA/100%0.02166^45J120
比較例6比較例2-~581^6140^
比較例 7I ニ 比較例 3[ GTA/300%J 0.052[ 57.6Iニ 3.1[ 101實施例7及比較例8將實施例3中制成的陽離子性微纖絲化植物纖維、及比較例2中制作的微纖絲化植物纖維的干燥片材分別在105°C下干燥I小時，測定出重量。然后，將這些干燥片材浸潰(0. 3MPa)在酚醛樹脂(DIC株式會社制“PHEN0LITEIG- 1002”)的甲醇溶液(10重量％)中后，在室溫下進行預(yù)干燥，再在50°C下減壓干燥6小時，得到酚醛樹脂浸潰的干燥片材，并且進行了重量測定。根據(jù)樹脂浸滲前后的干燥重量的差算出纖維含有率(重量％)。將所得的酚醛樹脂浸潰的干燥片材切割為寬30mmX長40mm，分別將相同的片材疊加數(shù)片放入模具中，進行加熱沖壓(溫度160°C時間30分鐘、沖壓壓カ100MPa)，分別得到由陽離子性微纖絲化植物纖維和酚醛樹脂構(gòu)成的復(fù)合體的成形物、以及由未進行陽離子化的微纖絲化植物纖維和酚醛樹脂構(gòu)成的復(fù)合體的成形物。利用游標(biāo)卡尺(株式會社三豐制)準(zhǔn)確地測定所述成形物的長度、寬度。利用千分尺(株式會社三豐制)測定幾處厚度，計算出成形物的體積。另外測定出成形物的重量。根據(jù)所得的重量、體積算出密度。
由所述成形物制成厚約I. 6mm、寬7mm、長40mm的樣品，以5mm/分鐘的變形速度測定出彎曲彈性模量及彎曲強度(測力傳感器5kN)。作為測定機使用了萬能材料試驗機Instron 3365型(Instron Japan Company Limited制)。將所得的樹脂復(fù)合體的纖維含有率、彎曲彈性模量及彎曲強度表示于表3中。[表3]
權(quán)利要求
1.一種陽離子性微纖絲化植物纖維，其為以含有季銨基的化合物進行陽離子改性后的纖維直徑的平均值為4 200nm的陽離子性微纖絲化植物纖維。
2.一種陽離子性微纖絲化植物纖維，其特征在于， 每個無水葡萄糖單元的季銨基的置換度為0. 03以上且小于0. 4，纖維直徑的平均值為4 200nm。
3.一種陽離子性微纖絲化植物纖維的制造方法，所述陽離子性微纖絲化植物纖維是權(quán)利要求I或2所述的陽離子性微纖絲化植物纖維，所述方法具備下述工序(I)及(2) (1)使含有纖維素纖維的材料中的羥基與具有季銨基的陽離子化劑反應(yīng)，將含有該纖 維素纖維的材料進行陽離子改性的工序；以及 (2)將所得的陽離子改性纖維在水的存在下解纖至纖維直徑的平均值為4 200nm的工序。
4.一種片材，其含有權(quán)利要求I或2所述的陽離子性微纖絲化植物纖維。
5.一種熱固化性樹脂復(fù)合體，其含有權(quán)利要求I或2所述的陽離子性微纖絲化植物纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱固化性樹脂復(fù)合體，其特征在于， 熱固化性樹脂是不飽和聚酯樹脂或酚醛樹脂。
7.一種熱固化性樹脂復(fù)合體的制造方法，其特征在于， 具備將權(quán)利要求I或2所述的陽離子性微纖絲化植物纖維和熱固化性樹脂混合的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供陽離子化了的新型的微纖絲化植物纖維及其制造方法。本發(fā)明的陽離子性微纖絲化植物纖維為以含有季銨基的化合物進行了陽離子改性后的纖維直徑的平均值為4～200nm的陽離子性微纖絲化植物纖維。
文檔編號C08B11/145GK102812169SQ20118001480
公開日2012年12月5日 申請日期2011年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者矢野浩之, 橋本唯史, 佐藤明弘, 安東尼奧·德雄·中垣內(nèi), 北川和男, 仙波健, 伊藤彰浩 申請人:國立大學(xué)法人京都大學(xué), 日本制紙株式會社, Dic株式會社