纤维素纳米纤维制造技术

本发明专利技术提供纤维素纳米纤维的新型制造方法和新型纤维素纳米纤维。所述方法在水的存在下用单螺杆或多螺杆混炼机将纸浆解纤来制造纤维素纳米纤维，其中，通过使上述单螺杆或多螺杆混炼机的螺杆的圆周速度为45m/分钟来进行解纤，可得到曾被认为是相反性质的滤水性好和片层强度高两方面均非常优异的纤维素纳米纤维。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及纤维素纳米纤维。
技术介绍
纤维素纳米纤维是所有植物的基本骨架物质(基本要素)，在植物的细胞壁中，以宽4nm左右的纤维素微纤维(单纤维素纳米纤维)多条集束而成的纤维素纳米纤维的形式存在。由植物等的纤维制造纤维素纳米纤维的方法已知有多种。通常，可通过利用精制 机、研磨机(石白式磨碎机)、双螺杆混炼机(双螺杆挤出机)、高压均化器(homogenizer)等将纸浆等含纤维素纤维的材料磨碎、打浆来进行解纤、微细化而进行制造。已知在将利用上述方法得到的纤维素纳米纤维的集合体成型为片状的情况下，或在将纤维素纳米纤维与树脂混合而形成树脂复合体的情况下，通常纤维素纳米纤维的纤维 长度与纤维径(宽)之比(纵横比)大时，该片层和树脂复合体的强度高。例如，特公昭48-6641号公报、特公昭50-38720公报中，为了得到高纵横比的纤维素类纤维，记载了利用了作为纸浆或纤维素类纤维的特征的亲水性的微纤维状化方法。上述文献中，通过利用精制机、进而均化器等将纸浆高度地反复磨碎、乃至进行打浆，而得到微纤维状纤维。另一方面，当将纸浆解纤时，通常，在水的存在下将纸浆供于解纤。解纤后，纤维素纳米纤维的纵横比越大，将水与所得的纤维素纳米纤维分离时的滤水时间越长。即，欲得到强度高的纤维素纳米纤维的片层或树脂复合体时，期待解纤为高纵横比的纤维素纳米纤维，但纤维径小、纵横比大时，滤水时间变长，在工业上是导致成本上升的主要原因。例如，专利文献I中，用高压均化器将脱脂棉解纤得到微小纤维状纤维素。然而，利用高压均化器将纸浆等原料纤维解纤时，通常由于纤维径变小，纵横比变大，所以虽可表现出高的片层强度，但在形成纤维素纳米纤维片层时的滤水时间变得极长，因而在工业上不理想。另外，专利文献2中，公开了使用研磨机或双螺杆挤出机将纸浆解纤的方法。用研磨机进行磨碎时，通常由于纤维径变小、纵横比变大，所以可表现出片层强度。然而，此时也由于滤水时间变得极长，因而在工业上不优选。另外，对于利用双螺杆挤出机的解纤而言，通常在转数200 400rpm(螺杆径为15mm,因而圆周速度为9. 4m/分钟 18. 8m/分钟)下进行，例如，在专利文献2中，在400rpm(圆周速度18. 8m/分钟)下进行60分钟解纤。然而，在上述条件下，由于未赋予纸浆以高剪切速度，剪切比纤维的解纤优先进行，所以微纤维化(纤维的纳米化)不充分，难以得到片层强度高的纳米纤维。专利文献3中，使用双螺杆挤出机在螺杆转数300rpm(螺杆径为15mm，因而圆周速度为14. Im/分钟)的条件下对用精制机进行过预解纤的纸浆进行解纤，而使其微细纤维化。然而，如上所述，在上述条件下，由于未赋予纸浆以高剪切速度，剪切比纤维的解纤优先进行，所以微纤维化(纤维的纳米化)不充分，难以得到片层强度高的纳米纤维。专利文献I :日本特开2007-231438号公报专利文献2 :日本特开2009-19200号公报专利文献3 :日本特开2008-75214号公报
技术实现思路
本专利技术的主要课题在于提供纤维素纳米纤维的新型制造方法及新型纤维素纳米纤维。如上所述，已知在用高压均化器等将纤维素解纤时，由于纤维径变小，纵横比变大，所以虽可表现出高的片层强度，但在形成纤维素纳米纤维片层时的滤水时间变得极长。另外，通过以往的利用双螺杆混炼机的解纤，难以得到片层强度高的纳米纤维。由此认为，同时实现滤水性好和片层强度高极其困难。但是，本专利技术人为了解决上述课题而反复进行了认真研究，结果发现，在水的存在下，用单螺杆或多螺杆混炼机将纸浆解纤来制造纤维素 纳米纤维时，通过在使该混炼机的螺杆的圆周速度为45m/分钟以上的、无法由现有技术想到的非常高的剪切速度下将纸浆解纤，可得到曾被认为是相反性质的滤水性好和片层强度高两方面均非常优异的纤维素纳米纤维。即，本专利技术提供下述项I 7所示的纤维素纳米纤维的制造方法、纤维素纳米纤维、由该纤维形成的片层、及该纤维与树脂的复合体。项I. 一种纤维素纳米纤维的制造方法，是在水的存在下用单螺杆或多螺杆混炼机将纸浆解纤来制造纤维素纳米纤维的方法，上述单螺杆或多螺杆混炼机的螺杆的圆周速度为45m/分钟以上。项2.如项I所述的制造方法，其中，上述单螺杆或多螺杆混炼机为双螺杆混炼机。项3. —种纤维素纳米纤维，由项I或2的制造方法得到。项4. 一种纤维素纳米纤维，是由项I或2的制造方法得到的纤维素纳米纤维，滤水时间X(秒)和拉伸强度Y(MPa)的关系满足下式(I)Y > 0. 1339X+58. 299 (I)其中，所述滤水时间X是指在下述条件下(1)20°C(2)过滤面积 200cm3(3) -30kPa 减压度(4)网目尺寸7 U m、厚度0. 2mm的滤纸将该纤维素纳米纤维与水的混合物中的纤维素纳米纤维的浓度为0. 33重量％的600mL浆料过滤直至得到脱水片层为止的时间；所述拉伸强度Y是指将该脱水片层在温度110°C、压力0. 003MPa下进行10分钟加热压缩而得到的100g/m2的干燥片层的拉伸强度。项5. —种纤维素纳米纤维，滤水时间X (秒)和拉伸强度Y (MPa)的关系满足下式(I)Y > 0. 1339X+58. 299 (I)其中，所述滤水时间X是指在下述条件下(1)20°C(2)过滤面积 2OOcm3(3)_30kPa 减压度(4)网目尺寸7 U m、厚度0. 2mm的滤纸将纤维素纳米纤维与水的混合物中的纤维素纳米纤维的浓度为0. 33重量％的600mL浆料过滤直至得到脱水片层为止的时间；所述拉伸强度Y是指将该脱水片层在温度110°C、压力0. 003MPa下进行10分钟加热压缩而得到的100g/m2的干燥片层的拉伸强度。项6. —种片层，由项3 5中任一项所述的纤维素纳米纤维形成。项7. —种树脂复合体，含有项3 5中任一项所述的纤维素纳米纤维。以下详细说明本申请专利技术的纤维素纳米纤维的制造方法、纤维素纳米纤维、由该纤维形成的片层、及该纤维和树脂的复合体。I.制诰方法本专利技术的纤维素纳米纤维的制造方法的特征在于，在水的存在下，用单螺杆或多螺杆混炼机将纸浆解纤来制造纤维素纳米纤维时，使该混炼机的螺杆的圆周速度为45m/分钟以上来进行解纤。原料纸浆本专利技术中，作为供于解纤的纸浆，可使用牛皮纸浆、亚硫酸盐纸浆、碱纸浆、碳酸钠纸浆等化学纸浆、机械纸浆、化学磨浆、由废纸再生的再生纸浆等。上述纸浆可单独使用I种也可混合2种以上来使用。上述纸浆中，从强度方面考虑，特别优选牛皮纸浆。作为纸浆的原料，可以举出针叶树屑、阔叶树屑、锯屑等木材类纤维素原料、非木材类纤维素原料(例如，甘蔗渣、洋麻、稻草、芦苇、茅草(Esparto)等一年生植物)。在纸浆的原料中，优选木材类纤维素原料，特别优选针叶树屑、阔叶树屑。最优选的原料纸浆为针叶树未漂白牛皮纸浆(NUKP)、针叶树漂白牛皮纸浆(NBKP)。单螺杆或多螺杆混炼坑本专利技术中，用单螺杆或多螺杆混炼机(以下有时简称为“混炼机”)将上述原料纸浆解纤来制造纤维素纳米纤维。混炼机(混炼挤出机)有单螺杆混炼机、双螺杆以上的多螺杆混炼机，本专利技术中可使用任一种。当使用多螺杆混炼机时，由于可进一步提高原料纸浆的分散性、纳米纤维化的程度，因而优选。在多螺杆混炼机中，从获得的容易本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.01 JP 2009-2731581.一种纤维素纳米纤维的制造方法，是在水的存在下用单螺杆或多螺杆混炼机将纸浆解纤来制造纤维素纳米纤维的方法，所述单螺杆或多螺杆混炼机的螺杆的圆周速度为45m/分钟以上。2.如权利要求I所述的制造方法，其中，所述单螺杆或多螺杆混炼机为双螺杆混炼机。3.—种纤维素纳米纤维，由权利要求I或2的制造方法得到。4.一种纤维素纳米纤维，是由权利要求I或2的制造方法得到的纤维素纳米纤维，其滤水时间X(秒)和拉伸强度Y(MPa)的关系满足下式(I)Y> 0. 1339X+58. 299 (I) 其中，所述滤水时间X是指在下述条件下(1)20°C (2)过滤面积200cm3 (3)-30kPa减压度 (4)网目尺寸7u m、厚度0. 2mm的滤纸 将所述纤维素纳米纤维与水的混合物中的纤维素纳米纤维的浓度为0. 33重量％的600mL浆料过滤直至得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：矢野浩之，桥本唯史，佐藤明弘，
申请(专利权)人：国立大学法人京都大学，日本制纸株式会社，
类型：发明
国别省市：