(57)【要約】【課題】本発明は、低歪み時には高い貯蔵弾性率を有し、高歪み時には流動するセルロースナノファイバーを用いたゲル状体及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係るゲル状体は、セルロースナノファイバーと、イオンクラスター形成剤と、水と、を含む。ゲル状体におけるイオンクラスター形成剤のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍である。ゲル状体を直径４０ｍｍの円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度が２３℃〜２６℃、速度が１ラジアン／秒で動的粘弾性測定をしたときの、歪み１％におけるゲル状体の貯蔵弾性率は６０Ｐａ〜２５０００Ｐａであり、歪み１０００％においてゲル状体の貯蔵弾性率が損失弾性率よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロースナノファイバーと、
イオンクラスター形成剤と、
水と、
を含むゲル状体であって、
前記イオンクラスター形成剤の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍であり、
ゲル状体を直径４０ｍｍの円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度が２３℃〜２６℃、速度が１ラジアン／秒で動的粘弾性測定をしたときの、歪み１％における貯蔵弾性率は６０Ｐａ〜２５０００Ｐａであり、歪み１０００％において貯蔵弾性率が損失弾性率よりも小さい、ゲル状体。
【請求項２】
請求項１において、
前記イオンクラスター形成剤は、金属塩及び水素化合物の少なくとも一方を含む、ゲル状体。
【請求項３】
請求項１において、
前記イオンクラスター形成剤は、１価金属塩であって、
前記ゲル状体における前記１価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．２倍〜２倍である、ゲル状体。
【請求項４】
請求項１において、
前記イオンクラスター形成剤は、２価金属塩であって、
前記ゲル状体における前記２価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．０３倍〜２倍である、ゲル状体。
【請求項５】
請求項１において、
前記イオンクラスター形成剤は、水素化合物であって、
前記水素化合物は、前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍である、ゲル状体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項の前記ゲル状体を用いたセルロースナノファイバーとエラストマーまたは合成樹脂とを含む、複合材料。
【請求項７】
セルロースナノファイバーとイオンクラスター形成剤と水とを混合してゲル状体を得る混合工程を含み、
ゲル状体における前記イオンクラスター形成剤の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．１倍〜２倍であり、
前記ゲル状体を直径４０ｍｍの円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度２３℃〜２６℃、１ラジアン／秒で動的粘弾性測定をしたときの、歪み１％における貯蔵弾性率は６０Ｐａ〜２５０００Ｐａであり、歪み１０００％における貯蔵弾性率が損失弾性率よりも小さい、ゲル状体の製造方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記イオンクラスター形成剤は、金属塩及び水素化合物の少なくとも一方を含む、ゲル状体の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８の前記ゲル状体から水を除去して繊維材料を得る乾燥工程と、
前記繊維材料を水で膨潤させて膨潤繊維材料を得る膨潤工程と、
前記膨潤繊維材料を、エラストマーに混合して複合材料を得る混練工程をさらに含み、
前記混練工程は、ロール間隔が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍでロール温度が０℃〜５０℃に設定されたオープンロールを用いて薄通しする工程を含む、複合材料の製造方法。
【請求項１０】
請求項７または８の前記ゲル状体から水を除去して繊維材料を得る乾燥工程と、
前記繊維材料を水で膨潤させて膨潤繊維材料を得る膨潤工程と、
前記膨潤繊維材料を、合成樹脂に混合して複合材料を得る混練工程をさらに含む、複合材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記合成樹脂は、熱可塑性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ℃）付近における熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度（Ｔ３℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度までの範囲の混練温度で混練する工程を含む、複合材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記合成樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱硬化性樹脂の主剤に前記膨潤繊維材料を混合した後、前記主剤の軟化点より２０℃低い温度から前記軟化点より１０℃高い温度までの範囲の混練温度で混練した後、さらに硬化剤を混合する工程を含む、複合材料の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか１項において、
前記混練工程で得られた複合材料を脱水する脱水工程をさらに含む、複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースナノファイバーを用いたゲル状体及びゲル状体の製造方法並びに複合材料及び複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から圧力媒体として液体を用いる用途がある。例えば、車両等におけるブレーキ液や石油・天然ガスの開発における油井掘削等における掘削泥水（マッドウォータとも呼ばれる）がある。掘削泥水は、油井の掘削装置を用いて地盤を深く掘削する際に用いられ、掘削屑を地上へ搬出したり坑壁を維持したりするために、高分子分散剤や増粘剤等の掘削泥水調整剤が用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
掘削泥水を用いて油井を掘削する際には、掘削泥水が液体として利用できることが求められるが、坑壁の地層の亀裂から掘削泥水が逃げてしまうことを防止するためには流動しにくい状態にあることが求められている。
また、石油、ガス等を地中から取り出す坑井における水圧破砕（フラクチャリング）に用いられる高粘性のフラクチャリング流体、坑井のセメンティングやプラグ（栓）処理に用いられるセメンティング流体や一時プラグ流体等の各種坑井処理に用いられる坑井処理流体がある。坑井処理流体に廃棄処理等を容易とする生分解性の繊維材料を含有することが提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
一方、近年、天然セルロース繊維をナノサイズに解繊したセルロースナノファイバーが注目されている。天然セルロース繊維は、木材などのパルプを原料とするバイオマスであって、これを有効利用することによって、環境負荷低減が期待される。
【０００５】
セルロースナノファイバーは、水分散液として市場に提供されているが、エラストマーや合成樹脂との複合化のための加工が困難であった。セルロースナノファイバーは、水分散液から水を除去する乾燥工程において水素結合を形成して凝集するため、複合化過程において、セルロースナノファイバーが高度に解繊された状態で存在できず、複合材料をセルロースナノファイバーによって十分に補強することができなかった。
【０００６】
そこで、セルロースナノファイバー水分散液とゴムラテックスまたは樹脂エマルジョンとを混合する方法が提案された（特許文献３，４参照）。
【０００７】
しかしながら、これらの方法で製造された複合材料は、ゴムラテックスまたは樹脂エマルジョンの特性に影響されることがあった。また、ゴムラテックスまたは樹脂エマルジョンとして市場に流通していないゴムや樹脂への適用ができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ００／５９９６４号
【特許文献２】国際公開第ＷＯ１３／１６１７５４号
【特許文献３】特開２０１５−９８５７６号公報
【特許文献４】特開２０１６−２９１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、セルロースナノファイバーを用いたゲル状体であって、低歪み時には
高い貯蔵弾性率を有し、高歪み時には流動するゲル状体及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、当該ゲル状体を用いた複合材料及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［適用例１］本適用例に係るゲル状体は、
セルロースナノファイバーと、
イオンクラスター形成剤と、
水と、
を含むゲル状体であって、
前記イオンクラスター形成剤の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍であり、
ゲル状体を直径４０ｍｍの円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度が２３℃〜２６℃、速度が１ラジアン／秒で動的粘弾性測定をしたときの、歪み１％における貯蔵弾性率は６０Ｐａ〜２５０００Ｐａであり、歪み１０００％において貯蔵弾性率が損失弾性率よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
［適用例２］
前記適用例に係るゲル状体において、
前記イオンクラスター形成剤は、金属塩及び水素化合物の少なくとも一方を含むことができる。
【００１２】
［適用例３］
前記適用例に係るゲル状体において、
前記イオンクラスター形成剤は、１価金属塩であって、
前記ゲル状体における前記１価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．２倍〜２倍であることができる。
【００１３】
［適用例４］
前記適用例に係るゲル状体において、
前記イオンクラスター形成剤は、２価金属塩であって、
前記ゲル状体における前記２価金属塩の前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．０３倍〜２倍であることができる。
【００１４】
［適用例５］
本適用例に係るゲル状体において、
前記イオンクラスター形成剤は、水素化合物であって、
前記水素化合物は、前記セルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍であることができる。
【００１５】
［適用例６］
本適用例に係る複合材料は、
前記適用例の前記ゲル状体を用いたセルロースナノファイバーとエラストマーまたは合成樹脂とを含むことを特徴とする。
【００１６】
［適用例７］
本適用例に係るゲル状体の製造方法は、
セルロースナノファイバーとイオンクラスター形成剤と水とを混合してゲル状体を得る混合工程を含み、
前記ゲル状体における前記イオンクラスター形成剤の前記セルロースナノファイバーに
対する質量比が０．１倍〜２倍であり、
前記ゲル状体を直径４０ｍｍの円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度２３℃〜２６℃、１ラジアン／秒で動的粘弾性測定をしたときの、歪み１％における貯蔵弾性率は６０Ｐａ〜２５０００Ｐａであり、歪み１０００％における貯蔵弾性率が損失弾性率よりも小さいことを特徴とする。
【００１７】
［適用例８］
前記適用例に係るゲル状体の製造方法において、
前記イオンクラスター形成剤は、金属塩及び水素化合物の少なくとも一方を含むことができる。
【００１８】
［適用例９］
本適用例に係る複合材料の製造方法は、
前記適用例の前記ゲル状体から水を除去して繊維材料を得る乾燥工程と、
前記繊維材料を水で膨潤させて膨潤繊維材料を得る膨潤工程と、
前記膨潤繊維材料を、エラストマーに混合して複合材料を得る混練工程と、
をさらに含み、
前記混練工程は、ロール間隔が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍでロール温度が０℃〜５０℃に設定されたオープンロールを用いて薄通しする工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
［適用例１０］
本適用例に係る複合材料の製造方法は、
前記適用例の前記ゲル状体から水を除去して繊維材料を得る乾燥工程と、
前記繊維材料を水で膨潤させて膨潤繊維材料を得る膨潤工程と、
前記膨潤繊維材料を、合成樹脂に混合して複合材料を得る混練工程と、
をさらに含むことを特徴とする。
【００２０】
［適用例１１］
前記適用例に係る複合材料の製造方法において、
前記合成樹脂は、熱可塑性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ℃）付近における熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度（Ｔ３℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度までの範囲の混練温度で混練する工程を含むことができる。
【００２１】
［適用例１２］
前記適用例に係る複合材料の製造方法において、
前記合成樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
前記混練工程は、前記熱硬化性樹脂の主剤に前記膨潤繊維材料を混合し、前記主剤の軟化点より２０℃低い温度から前記軟化点より１０℃高い温度までの範囲の混練温度で混練した後、さらに硬化剤を混合する工程を含むことができる。
【００２２】
［適用例１３］
前記適用例に係る複合材料の製造方法において、
前記混練工程で得られた複合材料を脱水する脱水工程をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低歪み時には高い貯蔵弾性率を有し、高歪み時には流動するセルロースナノファイバーを用いたゲル状体及びその製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、当該ゲル状体を用いた複合材料及びその製造方法を提供することができる
。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施の形態に係るゲル状体の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】一実施の形態に係る複合材料の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】一実施の形態に係る複合材料の製造方法における混練工程を模式的に示す図である。
【図４】一実施の形態に係る複合材料の製造方法における混練工程を模式的に示す図である。
【図５】一実施の形態に係る複合材料の製造方法における混練工程を模式的に示す図である。
【図６】実施例４３の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。
【図７】実施例４５の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。
【図８】比較例３の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。
【図９】比較例１０の複合材料の引張破断面の電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１０】実施例５６，５７の複合材料の応力−ひずみのグラフを示す図である。
【図１１】実施例５８の複合材料の線膨張係数−温度のグラフを示す図である。
【図１２】第２温度の範囲を得るための方法を説明する実施例５９のサンプルの貯蔵弾性率と温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２６】
１．ゲル状体の製造方法
図１を用いて、一実施の形態に係るゲル状体の製造方法について説明する。図１は、一実施の形態に係るゲル状体の製造方法を示すフローチャートである。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係るゲル状体の製造方法は、セルロースナノファイバーとイオンクラスター形成剤と水とを混合してゲル状体を得る混合工程（Ｓ１０）を含む。ここで、ゲル状体におけるイオンクラスター形成剤のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．１倍〜２倍である。
【００２８】
１−１．混合工程
混合工程（Ｓ１０）は、セルロースナノファイバーとイオンクラスター形成剤と水系溶媒とを混合してゲル状体を得る工程である。
【００２９】
混合工程（Ｓ１０）は、原料としてのセルロースナノファイバー分散液にイオンクラスター形成剤を投入し、公知の攪拌機例えば、プロペラ式攪拌機、ロータリー式攪拌機、三本ロールなどを用いて混合することができる。セルロースナノファイバー分散液とイオンクラスター形成剤が溶解または分散したイオンクラスター形成剤分散液とを混合してもよい。
【００３０】
１−１−１．セルロースナノファイバー分散液
原料としてのセルロースナノファイバー分散液は、第一工業製薬社などから市場で入手できるものを用いることができる。一般に、市場で入手できるセルロースナノファイバーは、例えば２％濃度等で水溶液中に分散されている状態で提供される。
【００３１】
原料としてのセルロースナノファイバー分散液は、例えば天然セルロース繊維を酸化して酸化セルロース繊維を得る酸化工程と、酸化セルロース繊維を微細化処理する微細化工程と、を含む製造方法によって得ることができる。ここでは、酸化工程を用いたセルロースナノファイバー分散液の製造方法について説明するが、他の製造方法で得られたものでもよい。
【００３２】
まず、酸化工程は、原料となる天然セルロース繊維に対して水を加え、ミキサー等で処理して、水中に天然セルロース繊維を分散させたスラリーを調製する。
【００３３】
ここで、天然セルロース繊維としては、例えば、木材パルプ、綿系パルプ、バクテリアセルロース等が含まれる。より詳細には、木材パルプとしては、例えば針葉樹系パルプ、広葉樹系パルプ等を挙げることができ、綿系パルプとしては、コットンリンター、コットンリントなどを挙げることができ、非木材系パルプとしては、麦わらパルプ、バガスパルプ等を挙げることができる。天然セルロース繊維は、これらの少なくとも１種以上を用いることができる。
【００３４】
天然セルロース繊維は、セルロースミクロフィブリル束とその間を埋めているリグニン及びヘミセルロースから構成された構造を有する。すなわち、セルロースミクロフィブリル及び／又はセルロースミクロフィブリル束の周囲をヘミセルロースが覆い、さらにこれをリグニンが覆った構造を有していると推測される。リグニンによってセルロースミクロフィブリル及び／又はセルロースミクロフィブリル束間は、強固に接着しており、植物繊維を形成している。そのため、植物繊維中のリグニンはあらかじめ除去されていることが、植物繊維中のセルロース繊維の凝集を防ぐことができるという点で好ましい。具体的には、植物繊維含有材料中のリグニン含有量は、通常４０質量％程度以下、好ましくは１０質量％程度以下である。また、リグニンの除去率の下限は、特に限定されるものではなく、０質量％に近いほど好ましい。なお、リグニン含有量の測定は、Ｋｌａｓｏｎ法により測定することができる。
【００３５】
セルロースミクロフィブリルとしては、幅４ｎｍ程のセルロースミクロフィブリルが最小単位として存在し、これをシングルセルロースナノファイバーと呼ぶことができる。本発明において、「セルロースナノファイバー」とは、天然セルロース繊維及び／又は酸化セルロース繊維をナノサイズレベルまで解きほぐしたものであり、特に繊維径の平均値が１ｎｍ〜２００ｎｍであることができ、さらに１ｎｍ〜１５０ｎｍであることができ、特に１ｎｍ〜１００ｎｍのセルロースミクロフィブリル及び／又はセルロースミクロフィブリル束であることができる。すなわち、セルロースナノファイバーは、シングルセルロースナノファイバー単体、またはシングルセルロースナノファイバーが複数本集まった束を含むことができる。
【００３６】
セルロースナノファイバーのアスペクト比（繊維長／繊維径）は、平均値で、１０〜１０００であることができ、さらに１０〜５００であることができ、特に１００〜３５０であることができる。
【００３７】
なお、セルロースナノファイバーの繊維径及び繊維長の平均値は、電子顕微鏡の視野内のセルロースナノファイバーの少なくとも５０本以上について測定した算術平均値である。
【００３８】
次に、酸化工程として、水中においてＮ−オキシル化合物を酸化触媒として天然セルロース繊維を酸化処理して酸化セルロース繊維を得る。セルロースの酸化触媒として使用可能なＮ−オキシル化合物としては、例えば、２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジン−Ｎ−オキシル（以下、ＴＥＭＰＯとも表記する）、４−アセトアミド−ＴＥＭＰＯ
、４−カルボキシ−ＴＥＭＰＯ、４−フォスフォノオキシ−ＴＥＭＰＯ等を用いることができる。
【００３９】
酸化工程後、例えば水洗とろ過を繰り返す精製工程を実施し、未反応の酸化剤や各種副生成物等の、スラリー中に含まれる酸化セルロース繊維以外の不純物を除去することができる。酸化セルロース繊維を含む溶媒は、例えば水に含浸させた状態であり、この段階では酸化セルロース繊維はセルロースナノファイバーの単位まで解繊されていない。溶媒は、水を用いることができるが、例えば、水以外にも目的に応じて水に可溶な有機溶媒（アルコール類、エーテル類、ケトン類等）を使用することができる。
【００４０】
酸化セルロース繊維は、セルロースナノファイバーの水酸基の一部がカルボキシル基を有する置換基で変性され、カルボキシル基を有する。酸化セルロース繊維は、繊維径の平均値が１０μｍ〜３０μｍであることができる。なお、酸化セルロース繊維の繊維径の平均値は、電子顕微鏡の視野内の酸化セルロース繊維の少なくとも５０本以上について測定した算術平均値である。酸化セルロース繊維は、セルロースミクロフィブリルの束であることができる。酸化セルロース繊維は微細化工程においてセルロースナノファイバーに解繊することができる。
【００４１】
微細化工程は、酸化セルロース繊維を水等の溶媒中で撹拌処理することができ、セルロースナノファイバーを得ることができる。
【００４２】
微細化工程において、分散媒としての溶媒を水とすることができる。また、水以外の溶媒として、水に可溶な有機溶媒、例えば、アルコール類、エーテル類、ケトン類等を単独でまたは組み合わせて使用することができる。
【００４３】
微細化工程における撹拌処理は、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、２軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等を用いることができる。
【００４４】
また、微細化処理における酸化セルロース繊維を含む溶媒の固形分濃度は、例えば５０質量％以下とすることができる。この固形分濃度が５０質量％を超えると、分散に高いエネルギーを必要とすることになる。
【００４５】
微細化工程によってセルロースナノファイバーを含むセルロースナノファイバー分散液を得ることができる。セルロースナノファイバー分散液は、無色透明又は半透明な懸濁液であることができる。懸濁液には、表面酸化されると共に解繊されて微細化した繊維であるセルロースナノファイバーが水中に分散されている。すなわち、この分散液においては、ミクロフィブリル間の強い凝集力（表面間の水素結合）を、酸化工程によるカルボキシル基の導入によって弱め、更に微細化工程を経ることで、セルロースナノファイバーが得られる。そして、酸化工程の条件を調整することにより、カルボキシル基含有量、極性、平均繊維径、平均繊維長、平均アスペクト比等を制御することができる。
【００４６】
このようにして得られたセルロースナノファイバー分散液は、セルロースナノファイバーを０．１質量％〜１０質量％含むことができる。また、例えば、セルロースナノファイバーの固形分１質量％に希釈した分散液であることができる。さらに、分散液は、光透過率が４０％以上であることができ、さらに光透過率が６０％以上であることができ、特に８０％以上であることができる。分散液の透過率は、紫外可視分光硬度計を用いて、波長６６０ｎｍでの透過率として測定することができる。
【００４７】
１−１−２．イオンクラスター形成剤
イオンクラスター形成剤は、セルロースナノファイバー分散液と混合されることでイオンクラスター形成剤から分離した陽イオンがセルロースナノファイバーとイオン結合することができる。イオンクラスター形成剤から分離した陽イオンが複数集まってイオンクラスターを形成する。陽イオンのそれぞれはセルロースナノファイバーに結合し、イオンクラスターを介したセルロースナノファイバーのネットワークが形成される。イオンクラスター形成剤は、金属塩及び水素化合物の少なくとも一方を含むことができる。
【００４８】
金属塩は、１価金属塩、２価金属塩及び３価金属塩の少なくとも１種を含むことができる。金属塩としては、１価金属塩及び２価金属塩が好ましい。１価金属塩としては、ナトリウム、カリウム、銀を含む塩であり、例えば、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウムなどの不飽和酸金属塩モノマーを挙げることができる。２価金属塩としては、マグネシウム、カルシウム、バリウム、亜鉛、銅、鉄、鉛、ニッケル、マンガン、スズなどを含む塩であり、例えば、アクリル酸亜鉛、アクリル酸マグネシウム、アクリル酸カルシウム、メタクリル酸亜鉛、メタクリル酸マグネシウム、メタクリル酸カルシウムなどの不飽和酸金属塩モノマーを挙げることができる。３価金属塩としては、例えば、メタクリル酸ネオジム、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、塩化鉄（ＦｅＣｌ３）などを挙げることができる。金属塩は、ゲル状体となるために、水溶性であることが好ましい。
【００４９】
水素化合物は、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、無水マレイン酸、シュウ酸、酢酸を挙げることができる。
【００５０】
ゲル状体におけるイオンクラスター形成剤のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍である。低歪み時には高い貯蔵弾性率を有し、高歪み時には流動するゲル体を得ることができるからである。特に、イオンクラスター形成剤がセルロースナノファイバーに対する質量比で２倍を超えると、繊維材料の段階でセルロースナノファイバーと結合しなかったイオンクラスター形成剤が析出する。析出したイオンクラスター形成剤は、後述する混練工程でエラストマー等の物性に影響を与える可能性がある。
【００５１】
イオンクラスター形成剤が１価金属塩である場合には、ゲル状体における１価金属塩のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．２倍〜２倍であることができ、さらに０．５倍〜１．５倍であることができる。イオンクラスター形成剤が２価金属塩である場合には、ゲル状体における２価金属塩のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．０３倍〜２倍であることができ、さらに０．１倍〜１．５倍であることができる。実験の結果、１価金属塩または２価金属塩とセルロースナノファイバーとの配合量により後述する混練工程における加工性に影響があると推測できる。
【００５２】
イオンクラスター形成剤が水素化合物である場合には、ゲル状体における水素化合物のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．０１倍〜２倍であることができ、さらに０．０１倍〜１倍であることができる。
【００５３】
水としては、水以外の成分を含有してもよい。
【００５４】
１−１−３．ゲル状体
ゲル状体は、セルロースナノファイバーとイオンクラスター形成剤と水とが混合されたものであり、イオンクラスター形成剤はイオン化して陽イオンがセルロースナノファイバーに結合する。陽イオンは、セルロースナノファイバーのカルボキシ基とイオン結合しているＮａ＋と置換してイオン結合している。ゲル状体中において水溶性の陽イオンは複数の陽イオンが寄り集ってイオンクラスターを形成していると考えられる。そして、そのイオンクラスターにセルロースナノファイバーが結合していると考えられる（水中では電離
していると考えられる）。イオンクラスターの大きさは、数十ｎｍ〜数百ｎｍである。イオンクラスター形成剤は、セルロースナノファイバーを沈殿させない水溶性のものが好ましい。
【００５５】
水溶性の陽イオンは、ゲル状体中においてセルロースナノファイバーは解繊された状態で全体に分散している。陽イオンが集合したイオンクラスターは、ゲル状体の中で複数形成され、全体に点在すると考えられる。イオンクラスターにおける陽イオンは、それぞれがセルロースナノファイバーとイオン結合しているため、セルロースナノファイバーはゲル状体中でイオンクラスターを介してネットワーク上の構造を形成する。このセルロースナノファイバーのネットワーク構造がゲル状体の低歪時における高い貯蔵弾性率を発生させる。
【００５６】
ゲル状体は、セルロースナノファイバーを用いたゲル状体であって、低歪み時には高い貯蔵弾性率を有し、高歪み時には流動する。
【００５７】
ゲル状体は、ゲル状体を直径４０ｍｍの円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度が２３℃〜２６℃、速度が１ラジアン／秒で動的粘弾性測定をしたときの、歪み１％における貯蔵弾性率は６０Ｐａ〜２５０００Ｐａであり、歪み１０００％において貯蔵弾性率が損失弾性率よりも小さい。動的粘弾性測定は、公知のレオメータを用いることができ、例えば、ティー・エイ・インスツルメント社製のＡＲＥＳ−Ｇ２レオメータに、円錐円板を取り付けて回転及び反転を繰り返すことで測定できる。円錐円板は、コーン＆プレートとも呼ばれ、直径４０ｍｍ、θ＝１°を用いて、コーン先端とプレートの間隔を０．０２３ｍｍに設定する。測定モードはオシレーション、角速度を１ラジアン／秒として、円錐円板の温度を室温（２３℃〜２６℃）とする。
【００５８】
ゲル状体は、例えば、車両等におけるブレーキ液や石油・天然ガスの開発における油井掘削等における掘削泥水（マッドウォータとも呼ばれる）などに用いることができる。掘削泥水は、油井の掘削装置を用いて地盤を深く掘削する際に用いられ、掘削屑を地上へ搬出したり坑壁を維持したりするものである。ゲル状体を掘削泥水として用いる場合には、油井を掘削する際に液体として利用でき、かつ、ゲル状体に圧力を加えない状態では所定の貯蔵弾性率を有する固体であるため、坑壁の地層の亀裂からゲル状体が逃げてしまうことを防止できる。また、ゲル状体は、石油や天然ガス等を地中から取り出す坑井処理流体（フラクチャリング流体、セメンティング流体、一時プラグ流体等）に用いることができる。ゲル状体を、例えば、坑井処理流体のうちのフラクチャリング流体として用いた場合には、圧力を加えたときには流体として地層内に浸入させることができ、圧力を加えないときには固体として地層内に留まることができる。ゲル状体に用いられているのはセルロースナノファイバーであるので、坑井処理流体として用いた場合に環境負荷が小さい。
２．複合材料の製造方法
図２を用いて、一実施の形態に係る複合材料の製造方法について説明する。図２は、一実施の形態に係る複合材料の製造方法を示すフローチャートである。
【００５９】
図２に示すように、本実施形態に係る複合材料の製造方法は、混合工程（Ｓ１０）で得られたゲル状体から水を除去して繊維材料を得る乾燥工程（Ｓ１２）と、繊維材料を、エラストマーまたは合成樹脂に混合して複合材料を得る混練工程（Ｓ１６）をさらに含む。例えば、複合材料の製造方法は、繊維材料を水で膨潤させる膨潤工程（Ｓ１４）と、膨潤した膨潤繊維材料とエラストマーまたは合成樹脂とを混合して複合材料を得る混練工程（Ｓ１６）と、複合材料から水分を除去する脱水工程（Ｓ１８）と、を含むことができる。
【００６０】
２−１．乾燥工程
乾燥工程（Ｓ１２）は、混合工程（Ｓ１０）で得られたゲル状体から水を除去して繊維
材料を得る工程である。ゲル状体から水を除去する方法は、公知の方法を用いることができ、例えば加熱によって乾燥してもよい。
【００６１】
例えば、ゲル状体を容器（バット等）に流し込み、その容器をオーブンに入れて３０℃〜１００℃で水を蒸発させる。
【００６２】
２−２．繊維材料
乾燥工程で得られた繊維材料は、イオンクラスター形成剤由来の元素が結合したセルロースナノファイバーを含む。
【００６３】
繊維材料は、混練工程における加工性を考慮して粉末状に粉砕することができる。
【００６４】
水が除去されたことにより、繊維材料中のセルロースナノファイバーは再びセルロースナノファイバー表面で水素結合が形成されるため、再凝集して例えばシート状の固形物となる。繊維材料をこのままエラストマーなどに混合してもセルロースナノファイバーに解繊されることはなく、粉砕された固形物がエラストマーに分散されるだけである。
【００６５】
繊維材料をエラストマー等に混合して、ナノサイズの繊維であるセルロースナノファイバーの補強等の効果を得るためには、ゲル状体中と同様にセルロースナノファイバーが一本一本にほぐれた状態で複合材料中に分散させる必要がある。
【００６６】
２−３．膨潤工程
膨潤工程（Ｓ１４）は、繊維材料を水で膨潤させる工程である。
【００６７】
繊維材料に所定量の水を含ませることにより、繊維材料中で強固に結合したセルロースナノファイバー同士の剥離性を向上させる。繊維材料に吸収された水によってセルロースナノファイバーに結合した元素が再びイオン化し（金属塩の場合には金属イオンとなり）、セルロースナノファイバー同士の水素結合及び金属イオンクラスターとのイオン結合を弱めると考えられる。
【００６８】
膨潤工程（Ｓ１４）は、繊維材料と所定量の水を密閉容器に入れ、所定時間加熱して保持する。例えば、７０℃で１時間程度である。密閉容器内で飽和水蒸気となった水が繊維材料に吸収され、繊維材料が膨潤する。密閉容器はガラス容器を用いることができ、また、オートクレーブ用の装置を用いることができる。
【００６９】
膨潤工程（Ｓ１４）において繊維材料に含ませる所定量の水は、繊維材料に含まれるセルロースナノファイバーに対する質量比が０．５倍〜４倍であることができる。水のセルロースナノファイバーに対する質量比が０．５倍未満であると、混練工程（Ｓ１６）における加工性が低下する。水のセルロースナノファイバーに対する質量比が４倍を超えると、エラストマー等に対して混ざりにくくなり、加工時間が長くなる。膨潤工程（Ｓ１４）において繊維材料に含ませる所定量の水は、さらにセルロースナノファイバーに対する質量比が１倍〜３．５倍であることができ、特にセルロースナノファイバーに対する質量比が１倍〜３倍であることができる。
【００７０】
膨潤工程（Ｓ１４）は、混練工程における加工性及び解繊性を向上させるためのものである。そのため、膨潤工程（Ｓ１４）を経なくても混練工程に用いる際の繊維材料が所定量の水を含んでいればよく、例えば、乾燥工程（Ｓ１２）において所定の水分量になるまで水を除去してもよい。所定量の水を含む繊維材料は、膨潤繊維材料という。
【００７１】
２−４．混練工程
混練工程（Ｓ１６）は、複合材料のマトリクスとなる材料によって条件が異なる。エラストマー、合成樹脂として熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂についてそれぞれ説明する。
【００７２】
２−４−１．エラストマーを用いた混練工程
図３〜図５を用いて、繊維材料をエラストマーと混練する混練工程（Ｓ１６）について説明する。図３〜図５は、一実施の形態に係る複合材料の製造方法を模式的に示す図である。混練工程（Ｓ１６）は、ロール間隔が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍでロール温度が０℃〜５０℃に設定されたオープンロールを用いて薄通しする薄通し工程を含むことを特徴とする。
【００７３】
まず、薄通し工程の前に、図３に示すように、第１のロール１０に巻き付けられたエラストマー３０の素練りを行なうことができ、エラストマー３０の分子鎖を適度に切断してフリーラジカルを生成する。素練りによって生成されたエラストマー３０のフリーラジカルがセルロースナノファイバーと結びつきやすい状態となる。エラストマー３０としては、天然ゴム、合成ゴム及び熱可塑性エラストマーを用いることができる。
【００７４】
次に、図４に示すように、第１のロール１０に巻き付けられたエラストマー３０のバンク３４に、膨潤繊維材料８０を徐々に投入し、混練して中間混合物を得る工程を行うことができる。ここで膨潤繊維材料８０はセルロースナノファイバーの他に、例えば、架橋剤、加硫剤、加硫促進剤、加硫遅延剤、軟化剤、可塑剤、硬化剤、補強剤、充填剤、老化防止剤、着色剤、受酸剤などを含むことができる。これらのセルロースナノファイバー以外の配合剤は、混合の過程の適切な時期にエラストマー３０に投入することができる。
【００７５】
図３及び図４の中間混合物を得る工程については、オープンロール法に限定されず、例えば密閉式混練法あるいは多軸押出し混練法を用いることもできる。
【００７６】
さらに、図５に示すように、薄通し工程を行うことができる。薄通し工程は、ロール間隔が０．５ｍｍ以下のオープンロール２を用いて、０℃〜５０℃で薄通しを行って未架橋の複合材料５０を得る工程を行うことができる。この工程では、第１のロール１０と第２のロール２０とのロール間隔ｄを、例えば０．５ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの間隔に設定し、図２で得られた中間混合物３６をオープンロール２に投入して薄通しを１回〜複数回行なうことができる。薄通しの回数は、例えば１回〜１０回程度行なうことができる。第１のロール１０の表面速度をＶ１、第２のロール２０の表面速度をＶ２とすると、薄通しにおける両者の表面速度比（Ｖ１／Ｖ２）は、１．０５〜３．００であることができ、さらに１．０５〜１．２であることができる。このような表面速度比を用いることにより、所望の剪断力を得ることができる。
【００７７】
このように狭いロール間から押し出された複合材料５０は、エラストマーの弾性による復元力で図５のように大きく変形し、その際にエラストマーと共にセルロースナノファイバーが大きく移動する。薄通しして得られた複合材料５０は、ロールで圧延されて所定厚さ、例えば１００μｍ〜５００μｍのシート状に分出しされる。
【００７８】
この薄通し工程では、できるだけ高い剪断力を得るために、ロール温度を例えば０℃〜５０℃に設定して行うことができ、さらに５℃〜３０℃の比較的低い温度に設定して行うことができる。複合材料５０の実測温度も０℃〜５０℃に調整されることができ、さらに５℃〜３０℃に調整されることができる。
【００７９】
このような温度範囲に調整することによって、エラストマーの弾性を利用してセルロースナノファイバーを解繊し、解繊されたセルロースナノファイバーを複合材料５０中に分散することができる。
【００８０】
この薄通し工程における高い剪断力により、エラストマーに高い剪断力が作用し、膨潤繊維材料中のセルロースナノファイバーがエラストマーの分子に１本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、エラストマー中に分散される。繊維材料の膨潤によってセルロースナノファイバーに結合した元素がイオン化し、セルロースナノファイバー同士の結合力を弱めているからである。金属塩由来の金属イオンがセルロースナノファイバー同士を分離させやすい傾向があるため、複合材料のためにはイオンクラスター形成剤として金属塩を用いることが好ましい。特に、エラストマーは、弾性と、粘性と、を有するため、セルロースナノファイバーを解繊し、分散することができる。そして、セルロースナノファイバーの分散性および分散安定性（セルロースナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合材料５０を得ることができる。
【００８１】
より具体的には、オープンロールでエラストマーとセルロースナノファイバーとを混合すると、粘性を有するエラストマーがセルロースナノファイバーの相互に侵入する。セルロースナノファイバーの表面が例えば酸化処理によって適度に活性が高いと、特にエラストマーの分子と結合し易くできる。次に、エラストマーに強い剪断力が作用すると、エラストマーの分子の移動に伴ってセルロースナノファイバーも移動し、さらに剪断後の弾性によるエラストマーの復元力によって、凝集していたセルロースナノファイバーが分離されて、エラストマー中に分散されることになる。特に、オープンロール法は、ロール温度の管理だけでなく、混合物の実際の温度を測定し管理することができるため、好ましい。
【００８２】
次に、合成樹脂を用いた場合の複合材料の製造方法について説明する。
【００８３】
２−４−２．熱可塑性樹脂を用いた混練工程
合成樹脂として熱可塑性樹脂を用いた混練工程について説明する。混練工程は、熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ℃）付近における熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度（Ｔ３℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度までの範囲の混練温度で混練する工程を含むことができる。
【００８４】
混練工程は、熱可塑性樹脂を溶融して成形加工するための装置、例えば、オープンロール、密閉式混練機、押出機、射出成形機などを用いることができる。例えば、コニカル型スクリュウを有する押出成形機や、図３〜図５に示すようなオープンロール２を用いて行うことができる。
【００８５】
混練工程は、例えば、熱可塑性樹脂と膨潤繊維材料とを第１温度で混練して第１の混合物を得る第１温度混合工程と、第１の混合物を第２温度に温度調節する低温化工程と、前記第１の混合物を前記第２温度で混練する低温混練工程と、を含むことができる。第１温度は、第２温度より高い温度であり、第２温度は、熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ℃）付近における複合材料の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度（Ｔ３℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度までの範囲である。
【００８６】
２−２−２−１．第１温度混合工程
第１温度混合工程は、熱可塑性樹脂と膨潤繊維材料とを第１温度で混練して第１の混合物を得る。
【００８７】
第１温度混合工程は、熱可塑性樹脂に予定した配合量の膨潤繊維材料を投入し終わるまでの工程であり、好ましくは、作業者が目視してセルロースナノファイバーが熱可塑性樹脂の全体に混合されたことを認識するまでの工程であることができる。前述したエラストマーの場合と同様に図３及び図４のように実施することができる。
【００８８】
第１温度は、熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ）より高い温度である。第１温度は、第２温度より高い温度である。第１温度は、熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ）より２５℃以上高い温度であることができる。第１温度は、熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ）より２５℃以上７０℃以下高い温度であることができ、融点（Ｔｍ）より２５℃以上６０℃以下高い温度であることができる。第１温度は、第１温度混合工程中の熱可塑性樹脂の実際の温度であり、加工装置の温度ではない。熱可塑性樹脂の成形加工温度は、一般的に、加工装置の例えば押出機や射出成形機であれば加熱筒の設定温度で表わされるが、通常、混練時のせん断発熱によって加工装置の設定温度よりも実際の樹脂の温度は高温になる。第１温度は加工中の温度であるため、できるだけ実際の樹脂の表面温度を測定することが望ましいが、測定できない場合は加工装置から第１の混合物を取り出した直後の樹脂の表面温度を測定してその温度とすることができる。第１温度は、樹脂を加工装置に投入した直後の温度ではなく、膨潤繊維材料を投入し終わって混合しているときの温度である。
【００８９】
本発明において「融点（Ｔｍ）」は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用いてＪＩＳ  Ｋ７１２１に準拠して測定した融解ピーク値をいう。
【００９０】
第１温度混合工程で得られた第１の混合物中におけるセルロースナノファイバーは、原料と同じ凝集体のまま全体に分散して存在する。したがって、第１の混合物は、その材料中に欠陥を有することになり、例えば引張試験などを行うと、原料の熱可塑性樹脂単体のときよりも切断時伸びが著しく低下する。
【００９１】
２−２−２−２．低温化工程
低温化工程は、第１の混合物を第２温度に温度調節する。
【００９２】
ここで第２温度について説明する。
【００９３】
第１温度混合工程における一般的な加工設定温度すなわち加工装置の設定温度は、熱可塑性樹脂を短時間で十分に溶融させ、迅速に加工するために、熱可塑性樹脂の加工設定温度として推奨されている温度よりも高い温度である。したがって、熱可塑性樹脂は、その融点付近で加工は行なわない。加工時の熱可塑性樹脂の表面温度は、そのような加工設定温度よりも高くなることは前述のとおりである。
【００９４】
特に、熱可塑性樹脂にセルロースナノファイバーのような充填剤が配合されている場合には、その加工設定温度は一般的な加工設定温度よりもさらに高い温度で加工を行うことになるのが通常である。また、セルロースナノファイバーの配合量が増えると剪断による発熱によって、第１温度混合工程における第１の混合物の温度が急激に上昇する。
【００９５】
したがって、低温混練工程を実施するためには、第１の混合物の温度を下げる必要がある。混練を行うと第１の混合物の温度は上昇するので、混練を続けながら温度を下げることが困難な場合がある。そのため、低温化工程は、混練後、混練機を所定時間停止し、または混練機から第１混合物を取り出して、第２温度まで放冷することができる。また、第１の混合物を扇風機、スポットクーラー、チラー等の冷却機構などを備えた冷却装置を用いて積極的に冷却することができる。積極的に冷却することで加工時間を短縮することができる。
【００９６】
第２温度は、この製造方法に用いる熱可塑性樹脂の融点（Ｔｍ℃）付近における複合材料の貯蔵弾性率における加工領域発現温度から当該貯蔵弾性率における平坦領域発現温度（Ｔ３℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度までの範囲である。
【００９７】
発明者等の研究により、複合材料について、動的粘弾性試験（以下、ＤＭＡ試験という
。）を行うと、原料の熱可塑性樹脂とは異なる挙動を示すことがわかった。原料の熱可塑性樹脂は、融点（Ｔｍ）付近で貯蔵弾性率（Ｅ’）が急激に低下し、流動する。しかし、セルロースナノファイバーを混合した複合材料は、所定量以上のセルロースナノファイバーを分散させることにより、融点を超えても貯蔵弾性率（Ｅ’）がほとんど低下しない平坦領域、すなわちエラストマーのようなゴム弾性領域が発現することがわかった。
【００９８】
低温混練工程は、融点付近の温度からこの平坦領域の一部までを利用して、凝集しているセルロースナノファイバーをほぐすように解繊して、熱可塑性樹脂中に分散させるものである。第２温度の範囲を設定するためには、その配合の複合材料のサンプルについてあらかじめＤＭＡ試験を行う必要がある。具体的には以下のとおりである。
【００９９】
まず、所定の配合で前記２−２−２−１の第１温度混合工程を実施して第１の混合物を得る。次に、第１の混合物に対し、マトリクスとなる熱可塑性樹脂の融点付近の温度（例えば融点の＋１０〜＋２０℃の加工できる範囲）を混練温度として後述する低温混練工程と同様の工程を実施して複合材料サンプルを得る。このサンプルにおいてセルロースナノファイバー等は解繊されて分散していることが望ましいが、解繊が不十分であっても変曲点や平坦領域発現温度付近で明らかな特性の変化が確認できる。この複合材料サンプルについてＤＭＡ試験を行い、貯蔵弾性率（Ｅ’）と温度（℃）との関係をグラフ化して平坦領域が確認されればこのＤＭＡ試験結果を用いる。又、この複合材料サンプルでは平坦領域が確認できなければ、変曲点と思われる温度付近を第２温度として上記方法で複合材料サンプルを新たに得て、ＤＭＡ試験を行って同様にグラフ化する。このような作業を平坦領域が明確に発現するまで繰り返す。
【０１００】
このようにして得られた混練温度を用いて作製された後述する実施例５９の複合材料サンプルのＤＭＡ試験結果を用いて、低温混練工程における混練温度（第２温度）の設定方法について説明する。図１２は、実施例５９のサンプルにおけるＤＭＡ測定結果（貯蔵弾性率Ｅ’の温度依存性）を示すグラフである。図１２において、横軸は温度（℃）であり、左側の縦軸は貯蔵弾性率（Ｅ’）の対数の値（ｌｏｇ（Ｅ’））であり、ｌｏｇ（Ｅ’）のグラフは実線で示した。図１２において、右側の縦軸は貯蔵弾性率（Ｅ’）の対数の値（ｌｏｇ（Ｅ’））の微分値（ｄ（ｌｏｇ（Ｅ’））／ｄＴ）であり、ｄ（ｌｏｇ（Ｅ’））／ｄＴのグラフは破線で示した。
【０１０１】
実施例５９の熱可塑性樹脂は融点が１１５℃の直鎖状短鎖分岐ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）であり、ｌｏｇ（Ｅ’）のグラフは１２１．５℃に変曲点Ｐ１を有する。変曲点Ｐ１は、ｄ（ｌｏｇ（Ｅ’））／ｄＴのグラフに明確に現れる。変曲点はセルロースナノファイバーの配合量を変えることによりわずかに異なる温度で現れる。又、変曲点Ｐ１は熱可塑性樹脂の融点によっても異なる。
【０１０２】
次に、図１２のｌｏｇ（Ｅ’）のグラフから貯蔵弾性率（Ｅ’）における「加工領域発現温度Ｔ２」を求める。ｌｏｇ（Ｅ’）のグラフは、７８℃以下ではグラフの傾きが一定であり、融点（Ｔｍ）である１１５℃付近で貯蔵弾性率（Ｅ’）が急激に低下し流動が始まる。セルロースナノファイバーが配合されていない熱可塑性樹脂単体では流動し始めるとそのまま貯蔵弾性率（Ｅ’）が低下し続けて流動するが、複合材料ではｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの急激な低下が停止して平坦領域となって流動しない。流動が始まる前の融点未満の領域における傾きが一定の第１の領域Ｗ１は、ｄ（ｌｏｇ（Ｅ’））／ｄＴのグラフに明確に現れ、６２℃〜７８℃の範囲であることがわかる。第１の領域Ｗ１におけるｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの外挿接線Ｌ２と、変曲点Ｐ１におけるｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの接線Ｌ１との第１の交点Ｐ２における温度が加工領域発現温度Ｔ２（１０８℃）である。加工領域発現温度Ｔ２は、低温混練工程における混練加工が可能となる下限の温度である。
【０１０３】
さらに、図１２のｌｏｇ（Ｅ’）のグラフから貯蔵弾性率（Ｅ’）における「平坦領域（ゴム弾性領域）発現温度Ｔ３」を求める。図１２では、１２８℃〜１４２℃の範囲で傾きが一定である。融点を超えた温度でｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの急激な低下が終わったところから始まる傾きが一定の第２の領域Ｗ２は、ｄ（ｌｏｇ（Ｅ’））／ｄＴのグラフに明確に現れる。第２の領域Ｗ２におけるｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの外挿接線Ｌ３と、変曲点Ｐ１におけるｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの接線Ｌ１との第２の交点Ｐ３の温度が平坦領域発現温度Ｔ３である。
【０１０４】
なお、傾きが一定である領域（Ｗ１，Ｗ２）は、ｌｏｇ（Ｅ’）のグラフの傾きが一定になる領域が少なくとも１０℃以上の温度範囲で存在するものとする。平坦領域は、第２の領域Ｗ２である。
【０１０５】
こうして得られた変曲点Ｐ１の温度Ｔ１より高い温度であって、かつ複合材料サンプルの粘度が低くなって流れ出さない程度の温度、例えば平坦領域発現温度Ｔ３（図１２では１２５℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度Ｔ４（図１２では１３２．５℃）を混練温度の上限とする。平坦領域発現温度Ｔ３の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度Ｔ４までであれば、あらゆる熱可塑性樹脂でセルロースナノファイバーの凝集塊を解繊することができると考えられる。
【０１０６】
加工領域発現温度Ｔ２から平坦領域発現温度Ｔ３の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度Ｔ４までの温度範囲であれば、第２の混合物は適度な弾性と適度な粘性とを有しているため、加工が可能であって、かつ、セルロースナノファイバーを解繊することができる。本発明者等の研究により、融点が高くなるにつれてＴ３からＴ４までの温度幅が広くなる傾向がわかっている。
【０１０７】
低温混練工程の混練温度の下限は、変曲点Ｐ１における変曲点温度Ｔ１以上としてもよい。第２の混合物の加工がより容易になるからである。なお、セルロースナノファイバーの配合量を変えることにより、温度Ｔ２及び温度Ｔ４はわずかに異なる温度となる。
【０１０８】
本発明者らの研究によって、変曲点温度Ｔ１よりわずかに低い温度から平坦領域発現温度Ｔ３の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度Ｔ４までの範囲を混練温度として低温混練工程を実施することで、凝集しているセルロースナノファイバーをほぐすように解繊して、熱可塑性樹脂中に分散させることができることを確信するに至った。
【０１０９】
第２温度は、熱可塑性樹脂の加工温度として採用されない比較的低い温度であり、特に、第２の混合物の加工温度としてはこれまで採用されなかった低い温度範囲となる。
【０１１０】
第２温度まで温度が下がった第１の混合物は、例えば、第２温度に設定されたオーブン内に入れ、第２温度の範囲で所定温度に維持することができる。混練機から取り出された第１の混合物は降温が進行するので、加工品質の安定化のためである。
【０１１１】
また、第１の混合物として市販のセルロースナノファイバーが入ったペレットを用いる場合には、第１温度混合工程と低温化工程との間に再加熱工程が必要となる。再加熱工程は、熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱することにより行うことができる。
【０１１２】
２−２−２−３．低温混練工程
低温混練工程は、第１の混合物を第２温度で混練する。
【０１１３】
第１の混合物としては、前記２−２−２−１の第１温度混合工程によって得られたものを用いることができる。
【０１１４】
この工程では、例えば、ロール温度以外の条件をエラストマーを用いた図５と同様に、第１のロール１０と第２のロール２０とのロール間隔ｄを、例えば０．５ｍｍ以下、より好ましくは０ｍｍ〜０．５ｍｍの間隔に設定し、第１温度混合工程で得られた第１の混合物をオープンロール２に投入して混練を行なうことができる。
【０１１５】
このように狭いロール間から押し出された第１の混合物は、第２温度が適度な弾性を有し、かつ、適度な粘性を有している温度範囲であることから、熱可塑性樹脂の弾性による復元力で大きく変形し、その際の熱可塑性樹脂の変形と共にセルロースナノファイバーが大きく移動することができる。
【０１１６】
第２温度は、低温混練工程における第１の混合物の表面温度であり、加工装置の設定温度ではない。第１温度でも説明したように、第２温度もできるだけ実際の樹脂の表面温度を測定することが望ましいが、測定できない場合は加工装置から複合材料を取り出した直後の樹脂の表面温度を測定してその温度から加工中の第２温度とすることができる。
【０１１７】
オープンロール２の場合は、非接触温度計を用いて表面温度を測定することができ、非接触温度計４０の配置は、ニップを通過した直後の位置以外であればよく、好ましくは第１のロール１０の上方である。ニップを通過した直後は、第１の混合物の温度が急激に変化する不安定な温度であるため、避けた方が望ましい。
【０１１８】
また、密閉式混練機や押出機などのように、低温混練工程における第１の混合物の表面温度を測定することができない場合には、混練した後装置から取り出した直後の複合材料の表面温度を測定し、第２温度の範囲内にあることを確認することができる。
【０１１９】
低温混練工程は、第２温度において、例えば４分間〜２０分間であることができ、さらに５分間〜１２分間であることができる。第２温度での混練時間を十分にとることによって、セルロースナノファイバーの解繊をより確実に実施することができる。
【０１２０】
第１の混合物は、セルロースナノファイバーが配合されたことによって加工性が低下しており、これを混練することによるせん断発熱によって、第１の混合物の温度は装置の設定温度よりもさらに高くなる。そのため、低温混練工程に適した第２温度範囲に第１の混合物の表面温度を維持するために、オープンロールであればロールの温度を調節して第１の混合物の温度が高くならないように、積極的に冷やすように温度調節しなければならない。これは密閉式混練機、押出機または射出成形機などにおいても同様であり、装置の加工設定温度を積極的に冷やすように調節することで第１の混合物の表面温度を第２温度範囲に一定時間維持することができる。例えば、押出機においては材料を供給する付近においては加熱筒の設定温度を一般的な加工温度よりも高い温度に設定し、他のゾーンを第２温度よりも低温に設定し、加工中の樹脂の表面温度が第２温度になるように調節することができる。
【０１２１】
低温混練工程によって得られた複合材料は、例えば、金型内に投入されてプレス加工することができ、あるいは、例えば、さらに押出機を用いてペレットに加工するなどして、公知の熱可塑性樹脂の加工方法を用いて所望の形状に成形することができる。
【０１２２】
低温混練工程において得られた剪断力により、熱可塑性樹脂に高い剪断力が作用し、凝集していたセルロースナノファイバーが熱可塑性樹脂の分子に１本ずつ引き抜かれるように相互に分離し、解繊され、熱可塑性樹脂中に分散される。繊維材料の膨潤によってセルロースナノファイバーに結合したイオンクラスター形成剤（例えば金属塩の場合には金属）がイオン化し、セルロースナノファイバー同士の結合力を弱めているからである。特に
、熱可塑性樹脂は、第２温度範囲における弾性と、粘性と、を有するため、セルロースナノファイバーを解繊し、分散することができる。そして、セルロースナノファイバーの分散性および分散安定性（セルロースナノファイバーが再凝集しにくいこと）に優れた複合材料を得ることができる。
【０１２３】
２−４−３．熱硬化性樹脂を用いた混練工程
合成樹脂として熱硬化性樹脂を用いた混練工程について説明する。ここでは熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂などの主剤および硬化剤を用いた２液混合型の樹脂について説明するがこれに限定するものでない。
混練工程は、熱硬化性樹脂の主剤に膨潤繊維材料を混合し、主剤の軟化点より２０℃低い温度から軟化点より１０℃高い温度までの範囲の混練温度で混練した後、さらに硬化剤を混合する工程を含むことができる。主剤の軟化点付近の温度であれば、完全に液体状になっておらず、試験結果によれば軟化点より２０℃低い温度から軟化点より１０℃高い温度までの範囲の混練温度において適度な弾性及び粘性を有することができる。
エポキシ樹脂の場合は、主剤として例えばビスフェノールＡ型などの室温では固形でありかつ融点１００℃以下のものを用いることができる。主剤の軟化点は、環球法により求めることができる。環球法は、例えば、ＪＩＳ  Ｋ  ７２３４に規定される軟化点試験方法を用いることができる。また、エポキシ樹脂の硬化剤として例えばアミン系、アミドアミン系など室温で液状のものを用いることができる。熱硬化性樹脂の主剤に混合する繊維材料は、膨潤繊維材料であることができる。
フェノール樹脂の場合は、主剤として例えばノボラック樹脂を用いることができ、硬化剤としては、ヘキサメチレンテトラミン等を用いることができる。主剤の軟化点は、環球法により求めることができる。
室温では固形でありかつ軟化点が１００℃以下の主剤であれば、混練加工性に優れ、特に、混練時にせん断力を与えることで主剤の弾性による復元力を利用して加工しやすい。
【０１２４】
混練工程は、例えば、オープンロール、密閉式混練機、押出機などを用いることができる。例えば、図３〜図５に示すようなオープンロール２を用いて行うことができる。
【０１２５】
基本的な手順はエラストマーの場合と同様であるが、ここでは、エポキシ樹脂の場合について、ビスフェノールＡ型主剤（室温では固形で軟化点６４℃）を例に説明する。まず、第１のロール１０は６０〜７０℃及び第２のロール２０は５０〜６０℃の温度として図３の素練りを行う。次に図４のように主剤に膨潤繊維材料を徐々に投入し混合する。その後、図５に示すような薄通し工程を、例えば、ロール間隔ｄを０ｍｍ〜０．５ｍｍに設定して行うことができる。ロールの表面速度比はエラストマーの場合と同様である。エラストマーを用いた薄通し工程と同様に、主剤の適度な弾性と適度な粘性を利用してセルロースナノファイバーを解繊するためである。
ロール温度を主剤の軟化点付近で制御し、且つロール１０とロール２０に約１０℃の温度差を持たせているのは、主剤の加工性による。このような主剤を用いた場合、ロールに付着しやすいため、２本のロール１０，２０が同じ温度の場合には両方のロール１０，２０に単純に分かれて付着する。そのため、主剤にせん断力が掛かりにくく、セルロースナノファイバーが解繊されにくい。そこで、このような温度差を設けることにより、低温側の第２のロール２０に主剤が巻き付くことができ、主剤に所望のせん断力を与えることができ、その結果、セルロースナノファイバーを有効に解繊することができる。
また、この混練工程において、膨潤繊維材料の水分によってセルロースナノファイバーに結合した金属がイオン化している。そのため、金属イオンによりセルロースナノファイバー同士の結合力を弱めている状態で混練のせん断力を付加し、さらに薄通しの工程における主剤の弾性による復元力を利用してセルロースナノファイバーの間隔を広げることが可能になり、セルロースナノファイバーの均一な解繊、分散が行われる。
硬化剤を混合する工程は、脱水工程の後に行うことが望ましい。加工後の製品の品質向
上のためである。
主剤とセルロースナノファイバーとの混練後、さらに、硬化剤（例えば、ポリアミドアミン）を添加して、再度、主剤の場合と同様の方法、条件で混錬し、硬化剤を均一に混合することができる。硬化剤の混合方法も主剤の混練方法と同様に行うことで、主剤中のセルロースナノファイバーの解繊状態を悪化せず、均一な混合、分散状態を保持する。その後、成型（プレス加工、圧縮成型、押し出し成型等）を行い、例えば、室温で１日置いて硬化させ、その後、ポストベーク（８０℃、１５時間）を行い、複合材料を得ることができる。
【０１２６】
２−５．脱水工程
脱水工程（Ｓ１８）は、混練工程（Ｓ１６）で得られた複合材料を脱水する工程である。また、熱硬化性樹脂を用いた複合材料の製造方法においては、上述のとおり、主剤とセルロースナノファイバーとの混練工程の後に脱水工程（Ｓ１８）を経てから硬化剤を混合して複合材料を得ることが好ましい。
【０１２７】
脱水工程（Ｓ１８）は、複合材料を加熱して水分を蒸発させることができる。例えば、オーブン中に複合材料を入れ、加熱するとともに、オーブンの内部を真空引きしてもよい。
【０１２８】
また、混練工程（Ｓ１６）の途中で繊維材料中の水が除去される場合には脱水工程（Ｓ１８）を設ける必要はない。例えば、混練工程（Ｓ１６）をオープンロールで行う場合には薄通し後にロールを加熱して水を除去してもよいし、密閉式の混練機である場合には脱水機能のある装置を用いてもよい。
【０１２９】
エラストマーを用いた複合材料の場合には、さらに、加硫促進剤、加硫剤、老化防止剤、補強剤、カップリング剤等の公知のゴム薬品を配合し、加熱プレス等にて加硫して所望形状に成形してもよい。また、ゴム製品の所望の物性を得るために、混練工程（Ｓ１６）中のエラストマーに、カーボンブラック、シリカ、カーボンナノチューブなどの公知の補強剤を配合してもよい。
【０１３０】
２−６．複合材料
複合材料は、最大幅が５０μｍ以上のセルロースナノファイバー凝集塊を含まないことを特徴とする。セルロースナノファイバー凝集塊は、複数のセルロースナノファイバーが寄り集って粒子状に凝集したままマトリックス中に点在するものである。セルロースナノファイバー凝集塊の最大幅は、走査型電子顕微鏡で複合材料の割断面を観察することでマトリックス材料中に点在する粒子状の凝集塊を観察して最大幅を計測する。
【０１３１】
複合材料は、ゲル状体におけるイオンクラスター形成剤由来の元素が結合したセルロースナノファイバーを含む。複合材料の剛性が高いことから、複合材料中のイオンクラスター形成剤由来の元素同士は互いに近接して存在し、再びイオンクラスターを形成していると考えられる。イオンクラスターを形成する例えば金属に結合するセルロースナノファイバーが複合材料中に３次元に擬似的にネットワークをつくることで繊維による補強構造が得られると推測できる。シランカップリング剤と反応しないポリマーにおいては、イオンクラスターを形成しないシランカップリング剤等によってセルロースナノファイバーを解繊した状態で複合材料を製造しても、複合材料の剛性は向上しないからである。
【０１３２】
複合材料は、繊維材料に含まれていたセルロースナノファイバーが混練工程によってセルロースナノファイバー同士の水素結合に抗して１本１本に分かれて複合材料中に分散される。
【０１３３】
複合材料は、繊維材料から解繊されたセルロースナノファイバーとエラストマーまたは合成樹脂とを含むことができる。複合材料の中の繊維材料は、エラストマーまたは合成樹脂のマトリックスの中で解繊された状態のセルロースナノファイバーとして存在する。複合材料の中のセルロースナノファイバーの全てが解繊されていることが好ましいが、少なくとも電子顕微鏡で引張破断面を観察しても、最大幅が５０μｍ以上のセルロースナノファイバー凝集塊を含まないことが好ましい。このような凝集塊を含むと繊維としての補強効果が得られないばかりでなく、引張試験における破断起点となる可能性もあるためである。
【実施例】
【０１３４】
以下、本発明の実施例について述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１３５】
（Ａ）ゲル状体の作製
（Ａ−１）実施例１〜４１のサンプルの作製
混合工程：セルロースナノファイバー分散液（第一工業製薬社製２％濃度ＴＥＭＰＯ酸化セルロースナノファイバー）を水で希釈してセルロースナノファイバー１％濃度の分散液（溶媒は水）として、その分散液に、表１〜表１１に示す種類のイオンクラスター形成剤をプロペラ式攪拌機にて撹拌することで混合してゲル状体のサンプルを得た。
【０１３６】
表１〜表１１において、
「ゲル状体の配合」：セルロースナノファイバーを１としたときのゲル状体におけるセルロースナノファイバーとイオンクラスター形成剤との質量比、
「ＣＮＦ１ｇに対する追加した陽イオンの充填量（ｍｏｌ／ｇ）」：ゲル状体におけるセルロースナノファイバー１ｇに対するイオンクラスター形成剤の陽イオンの充填量、
「原料」：第一工業製薬社製２％濃度ＴＥＭＰＯ酸化セルロースナノファイバー分散液を水で希釈したセルロースナノファイバー１％濃度の分散液、
「ＣＮＦ」：ＴＥＭＰＯ酸化セルロースナノファイバー（セルロースナノファイバーの平均繊維径は３．３ｎｍ、平均アスペクト比は２２５）、
「アクリル酸Ｎａ」：浅田化学工業社製アクリル酸ナトリウム（金属分２０〜２４％、アクリル酸分６０〜７５％）、
「ＮａＣｌ」：和光純薬工業社製塩化ナトリウム（純度９９％、試薬鹿１級）、
「メタクリル酸Ｎａ」：浅田化学工業社製メタクリル酸ナトリウム（金属分１９〜２１％、メタクリル酸分７５〜８０％）、
「ポリアクリル酸Ｎａ（１）」：和光純薬工業社製（重合度２７００〜７５００）（実施例１３〜１５）、
「ポリアクリル酸Ｎａ（２）」：和光純薬工業社製（重合度２２０００〜７００００）（実施例１６，１７）、
「アクリル酸Ｃａ」：浅田化学工業社製アクリル酸カルシウム（金属分１８〜２２％、アクリル酸分６０〜７５％）
であった。
【０１３７】
（Ａ−２）評価方法
ティー・エイ・インスツルメント社製のＡＲＥＳ−Ｇ２レオメータで、実施例１〜４１のゲル状体を直径４０ｍｍ、θ＝１°の円錐円板で挟み、円錐円板の間隔が０．０２３ｍｍ、温度が２３℃〜２６℃、速度が１ラジアン／秒で歪み１％〜１０００％まで連続往復回転させて動的粘弾性測定をした。円錐円板は、ティー・エイ・インスツルメント社製のＧＥＯＭ４０ＭＭ１ｄｅｇ、ＣＯＮＥ３１６ＳＳＴを用いて室温（２３℃〜２６℃）とした。測定モードはオシレーション、角速度を１ラジアン／秒とした。測定結果は、表１〜表１１の「ゲル状体の動的粘弾性」の欄に示した。
【０１３８】
表１〜表１１における、
「歪み１％時Ｇ’（Ｐａ）」は、歪みを１％として１往復したときの平均貯蔵弾性率（Ｐａ）であり、
「歪み１％時Ｇ’’（Ｐａ）」は、歪みを１％として１往復したときの平均損失弾性率（Ｐａ）であり、
「歪み１０００％時Ｇ’（Ｐａ）」は、歪みを１０００％として１往復したときの平均貯蔵弾性率（Ｐａ）であり、
「歪み１０００％時Ｇ’’（Ｐａ）」は、歪みを１０００％として１往復したときの平均貯蔵弾性率（Ｐａ）であった。
【０１３９】
【表１】
2018111770.tif 000003
【０１４０】
【表２】
2018111770.tif 000004
【０１４１】
【表３】
2018111770.tif 000005
【０１４２】
【表４】
2018111770.tif 000006
【０１４３】
【表５】
2018111770.tif 000007
【０１４４】
【表６】
2018111770.tif 000008
【０１４５】
【表７】
2018111770.tif 000009
【０１４６】
【表８】
2018111770.tif 000010
【０１４７】
【表９】
2018111770.tif 000011
【０１４８】
【表１０】
2018111770.tif 000012
【０１４９】
【表１１】
2018111770.tif 000013
【０１５０】
（Ａ−３）評価
実施例１〜実施例４１は、「歪み１％時Ｇ’（Ｐａ）」が６０Ｐａ以上であった。また、実施例１〜実施例４１は、「歪み１％時Ｇ’（Ｐａ）」の値が「歪み１％時Ｇ’’（Ｐａ）」の値より大きく、歪１％時は固体状であることがわかった。実施例１〜実施例４１は、「歪み１０００％時Ｇ’（Ｐａ）」の値が「歪み１０００％時Ｇ’’（Ｐａ）」の値より小さく、歪１０００％時は液体状であることがわかった。
【０１５１】
また、実施例１〜実施例４１は、「歪み１％時Ｇ’（Ｐａ）」が原料であるセルロースナノファイバー分散液よりも大きかった。
【０１５２】
（Ｂ）エラストマーを用いたサンプルの作製
（Ｂ−１）実施例４２〜５５のサンプルの作製
混合工程：セルロースナノファイバー分散液（第一工業製薬社製２％濃度ＴＥＭＰＯ酸化セルロースナノファイバー）を水で希釈してセルロースナノファイバー１％濃度の分散液（溶媒は水）として、その分散液に、表１２〜表１５に示す種類のイオンクラスター形成剤（金属塩）をプロペラ式攪拌機にて撹拌することで混合してゲル状体を得た。
【０１５３】
表１２〜表１５において、
「ＣＮＦ」：ＴＥＭＰＯ酸化セルロースナノファイバー（セルロースナノファイバーの平均繊維径は３．３ｎｍ、平均アスペクト比は２２５）、
「メタクリル酸Ｎａ」：浅田化学工業社製メタクリル酸ナトリウム（金属分１９〜２１％、メタクリル酸分７５〜８０％）、
「メタクリル酸Ｚｎ」：浅田化学工業社製メタクリル酸亜鉛Ｒ−２０Ｓ（金属分２５〜２７％、メタクリル酸分６０〜６４％）、
「アクリル酸Ｚｎ」：浅田化学工業社製アクリル酸亜鉛ＲＳＳ（金属分２７％以上、アクリル酸分５６％以上）、
「アクリル酸Ｃａ」：浅田化学工業社製アクリル酸カルシウム（金属分１８〜２２％、アクリル酸分６０〜７５％）、
「ＣａＣｌ２」：和光純薬工業社製塩化カルシウム（試薬特級、純度９５％以上）
であった。
【０１５４】
表１２〜表１５における「繊維材料の配合」は、膨潤工程後の膨潤繊維材料におけるＣ
ＮＦを１としたときの各配合量の比で表している。
【０１５５】
乾燥工程：ゲル状体から水を除去して繊維材料を得た。より具体的には、ゲル状体をバットに流し込み、オーブンにて８０℃、２４時間で乾燥して水を除去し、繊維材料を得た。実施例４２〜実施例５５に用いた繊維材料は、目視によって表面にイオンクラスター形成剤の析出は確認できなかった。
【０１５６】
膨潤工程：繊維材料を水で膨潤させて膨潤繊維材料を得た。より具体的には、繊維材料と所定量の水をガラス製の密閉容器に入れ、密閉容器内で７０℃で１時間保持して膨潤させて膨潤繊維材料を得た。水の量は、表１〜表５に示すＣＮＦを１としたときの配合量の比で示した。
【０１５７】
混練工程：膨潤繊維材料を、表１２〜表１５に示すエラストマーに混合して複合材料を得た。より具体的には、二本ロールを用いて素練りしたエラストマーに膨潤繊維材料を徐々に投入し、混練して中間混合物を得て、薄通し（ロール温度１０℃〜３０℃、ロール間隔０．３ｍｍ、ロール速度比１．１）して複合材料を得た。
【０１５８】
表１２〜表１５における「複合材料の配合」は、混練工程における膨潤繊維材料に含まれるセルロースナノファイバーと金属塩との配合量を質量部（ｐｈｒ）で表している。複合材料のサンプルは、１００ｇのエラストマーを用いて作製した。
【０１５９】
表１２〜表１５において、
「ＨＮＢＲ」：日本ゼオン社製ゼットポール２０１０（ゼットポールは登録商標）（結合アクリロニトリル量中心値１１(％)、ヨウ素価中心値７以下（ｍｇ／１００ｍｇ）、ムーニー粘度(中心値)８５）、
「ＥＰＤＭ」：ＪＳＲ社製ＪＳＲ  ＥＰ２４（ＪＳＲは登録商標）（ＥＮＢ含量４．５（％）、エチレン含量５４（％）、ムーニー粘度４２（ＭＬ（１＋４）１００℃）、油展量０（ＰＨＲ））、
であった。
【０１６０】
脱水工程：混練工程で得られた複合材料を脱水した。より具体的にはオーブンにて４０℃〜９０℃で１２時間乾燥して、膨潤工程で追加した水を複合材料から除去した。
【０１６１】
プレス工程：脱水した複合材料に架橋剤、老化防止剤等を二本ロールで配合した後、複合材料を金型に入れ、真空下で加圧成形して、サンプルを作製した。真空加圧成形は、金型を１６５℃に加熱し、加圧（金型に対して）しながら２５分間プレス成型し、金型を冷却プレスに移動して加圧（金型に対して）しながら室温まで冷却し、厚さ１ｍｍの実施例４２〜５５のシート状サンプルを得た。
【０１６２】
（Ｂ−２）比較例１〜１１のサンプルの作製
比較例１〜１１のサンプルは、表６〜表１８の配合量に従って、作製した。
【０１６３】
比較例１，１１のサンプルは、純ゴムを実施例と同様にプレス化成型してサンプルを得た。比較例１は「ＨＮＢＲ」、比較例１１は「ＥＰＤＭ」であった。
【０１６４】
比較例２，３のサンプルは、金属塩を添加しないサンプルであった。比較例２，３のサンプルは、混合工程を（比較例２はさらに膨潤工程も）省いて、金属塩を含まない樹脂材料を用いて他は実施例４２と同様にしてサンプルを得た。
【０１６５】
比較例４〜７のサンプルは、金属塩に代えてシランカップリング剤を用いて、他は実施
例４２と同様にしてサンプルを得た。
【０１６６】
表１７及び表１８において、
カップリング剤１が「３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン」：信越化学工業社製ＫＢＭ−５０３、
カップリング剤２が「３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン」：信越化学工業社製ＫＢＭ−４０３、
カップリング剤３が「Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン」：信越化学工業社製ＫＢＭ−６０３、
カップリング剤４が「３−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン」：信越化学工業社製ＫＢＥ−９００７、
カップリング剤５が「３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン」：信越化学工業社製ＫＢＭ−８０３、
であった。
【０１６７】
（Ｃ）評価方法
（Ｃ−１）硬度測定
実施例及び比較例のサンプルについて、ゴム硬度（Ｈｓ（ＪＩＳ  Ａ））をＪＩＳ  Ｋ６２５３試験に基づいて測定した。測定結果を表１２〜表１８に示した。
【０１６８】
（Ｃ−２）引張試験
実施例及び比較例のサンプルについて、ＪＩＳ６号のダンベル形状に打ち抜いた試験片について、島津製作所社製オートグラフＡＧ−Ｘの引張試験機を用いて、２３±２℃、標準線間距離２０ｍｍ、引張速度５００ｍｍ／ｍｉｎでＪＩＳ  Ｋ６２５１に基づいて引張試験を行い、引張強さ（ＴＳ（ＭＰａ））、切断時伸び（Ｅｂ（％））及び５０％モジュラス（σ５０（ＭＰａ））を測定した。測定結果を表１２〜表１８に示した。
【０１６９】
（Ｃ−３）加工性評価
実施例及び比較例のサンプルについて、ＨＮＢＲ１００ｇまたはＥＰＤＭ１００ｇでの試作時の上記混練工程における加工性の評価を行った。評価結果（○は加工時間３０分以内、ロール巻き付き性良好であり、△は加工時間３０分超〜１時間、ロール巻き付き性良好であり、×は加工時間１時間超、ロール巻き付き性悪いであった）を表１２〜表１８に示した。
【０１７０】
（Ｃ−４）解繊性及び分散性の評価
実施例及び比較例のサンプルについて、上記複合材における解繊性及び分散性の評価を行った。走査型電子顕微鏡で各サンプルの引張破断面を観察した。評価結果（○は最大幅が５０μｍ以上の凝集塊なし、△は最大幅が５０〜１００μｍの凝集塊あり、×は１００μｍ幅以上の凝集塊ありであった）を表１２〜表１８に示した。また、「○」のサンプルとして実施例４３，４５の電子顕微鏡写真を図６及び図７に示し、「×」のサンプルとして比較例３の電子顕微鏡写真を図８に示し、「△」のサンプルとして比較例１０の電子顕微鏡写真を図９に示した。
【０１７１】
【表１２】
2018111770.tif 000014
【０１７２】
【表１３】
2018111770.tif 000015
【０１７３】
【表１４】
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【０１７４】
【表１５】
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【０１７５】
【表１６】
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【０１７６】
【表１７】
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【０１７７】
【表１８】
2018111770.tif 000020
【０１７８】
（Ｄ）評価結果
表１２〜表１５に示すように、実施例４２〜５５のサンプルは、イオンクラスター形成剤として第１金属塩及び第２金属塩を用いたことで、混練工程における「加工性」の評価及び「解繊性、分散性」の評価が「○」であった。図６及び図７に示すように、「解繊性、分散性」の評価が「○」のサンプルでは、最大幅が５０μｍ以上の繊維材料の凝集塊が残っておらず、セルロースナノファイバーが解繊されていることがわかった。
【０１７９】
表１２〜表１４に示すＨＮＢＲを用いた実施例４２〜５２のサンプルは、表１６に示す比較例１の純ゴムのサンプルに比べて「σ５０」及び「ＴＳ」の値が大きく、セルロースナノファイバーによる補強効果があることが分かった。また、表１２〜表１４に示すＨＮＢＲを用いた実施例４２〜４６，４９，５０のサンプルは、表１６に示すＣＮＦ量が同じ比較例２，３に比べて「σ５０」が大きく、金属塩によって解繊されたセルロースナノファイバーによって補強効果が得られることが分かった。
【０１８０】
表１７及び表１８に示す比較例４〜比較例１０のサンプルは、金属塩の代わりに各種のシランカップリング剤を用いたが、所定量のシランカップリング剤を配合することで「加
工性」は向上することがわかったが、「解繊性、分散性」は金属塩を用いた実施例４２〜５２のサンプルには及ばなかった。
【０１８１】
表１５に示すＥＰＤＭを用いた実施例５３〜５５のサンプルは、表１８に示す比較例１１のサンプルに比べて「σ５０」及び「ＴＳ」の値が大きく、セルロースナノファイバーによる補強効果があることが分かった。
【０１８２】
（Ｅ）熱硬化性樹脂を用いたサンプルの作製
実施例５６のサンプルを以下のように作成した。エポキシ樹脂の主剤（ビスフェノールＡ、三菱化学社製固形タイプｊＥＲ１００１（「ｊＥＲ」は登録商標）、エポキシ当量４５０〜５００、軟化点（環球法）６４℃、比重１．１９、分子量９００）を二本ロールに投入し、その後、上記実施例５１の水を４．０に変更した配合で作成された膨潤繊維材料（ＣＮＦ１：アクリル酸Ｃａ０．１：水４．０）を主剤に徐々に投入して、第１のロール１０の温度を６０〜７０℃に設定、第２のロール２０の温度を５０〜６０℃に設定し他は実施例５１と同様に混練工程を行った。その後、混練工程で得られた混合物を乾燥し、粉末化させ、再び二本ロールに投入し、硬化剤ｊＥＲ  ＳＴ１２（ポリアミドアミン、「ｊＥＲ」は登録商標）を加えてさらに混錬し、減圧プレス成型して１日室温で硬化し、次に８０℃、１５時間硬化（ポストベーク）して複合材料（エポキシ樹脂１００ｐｈｒ：ＣＮＦ２０ｐｈｒ）のサンプルを得た。
【０１８３】
また、実施例５７のサンプルとして、アクリル酸Ｃａの配合量を０．５として、実施例５６と同様に複合材料のサンプルを得た。
【０１８４】
実施例５８のサンプルを以下のように作成した。フェノール樹脂（旭有機材社製、ＡＶライト（登録商標））の主剤（ノボラック樹脂、軟化点（環球法）８０℃（推定））を二本ロールに投入し、その後、上記実施例４５と同様の工程で作成された膨潤繊維材料（ＣＮＦ１：アクリル酸Ｎａ１：水２．５）を主剤に徐々に投入して、ロール温度を６０℃に設定し他は実施例４５と同様に混練工程を行った。その後、混練工程で得られた混合物に硬化剤を加えてさらに混練し、さらに押出機に投入し混練して押出成形してキュアして複合材料（フェノール樹脂１００ｐｈｒ：ＣＮＦ２０ｐｈｒ）のサンプルを得た。
【０１８５】
（Ｆ）評価方法
実施例５６，５７の複合材料のサンプルについて、上記（Ｂ−２）と同様の方法で引張試験を行った。引張試験の結果を応力−歪曲線として図１０に示した。
【０１８６】
実施例５８の複合材料のサンプルについて、エスアイアイ・ナノテクノロジ―株式会社社製の熱分析レオロジー装置を用いて、応力１００ｋＰａの条件で、線膨張係数を測定し、−１０℃〜１９０℃の温度範囲における線膨張係数の変化を図１１のグラフに示した。
【０１８７】
（Ｇ）評価
図１０に示すように、実施例５６，５７のサンプルは、エポキシ単体のサンプルに比べて２％歪み時における応力が１．７倍に増大した。解繊されたセルロースナノファイバーによって複合材料が補強された。
【０１８８】
図１１に示すように、実施例５８のサンプルは、３０℃〜１２０℃の範囲における平均線膨張係数がフェノール単体のサンプルの平均線膨張係数の５分の１以下だった。解繊されたセルロースナノファイバーによって複合材料の熱膨張変形が抑えられることがわかった。
【０１８９】
（Ｈ）熱可塑性樹脂を用いたサンプルの作製
第１温度混合工程：熱可塑性樹脂をＸｐｌｏｒｅ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の卓上二軸混練機ＭＣ１５に投入し溶融させた。次いで、実施例４６の膨潤繊維材料を卓上二軸混練機に投入して第１温度で混練し、第１混合物を得た。卓上二軸混練機の設定温度は１６５℃、実測樹脂温度１５５℃、及び混練時間３分間であった。又、各実施例の配合量（単位は「ｗｔ％」及び「ｐｈｒ」）は、表１９に示した。
【０１９０】
低温化工程：卓上混練機の設定温度を低温混練工程の設定温度（１３７℃）まで下げた。
【０１９１】
低温混練工程：卓上混練機の設定温度が１３７℃（実測樹脂温度１３０℃）で第１の混合物を卓上二軸混練で混練した。混練時間は８分間であった。
【０１９２】
押出工程：卓上混練機の設定温度が１６５℃（実測樹脂温度１５５℃）まで昇温した後、卓上二軸混練機で射出成形し、複合材料で成形されたＪＩＳ  Ｋ７１６１  １ＢＡダンベル試験片を得た。
【０１９３】
比較例１２は、熱可塑性樹脂単体（ＬＬＤＰＥ）で同様のダンベル試験片を射出成形し、比較例１３は、膨潤繊維材料の代わりにアクリル酸Ｎａを配合しない原料のセルロースナノファイバー分散液を乾燥した粉末を用いて実施例５９と同様の方法でダンベル試験片を作製した。
【０１９４】
なお、各表において、
・「ＬＬＤＰＥ」：プライムポリマー製ウルトゼックス１５１５０Ｊ、融点１１５℃、
・「ＣＮＦ」：第一工業製薬社製ＴＥＭＰＯ酸化セルロースナノファイバー（セルロースナノファイバーの平均繊維径は３．３ｎｍ、平均アスペクト比は２２５）、
・「メタクリル酸Ｎａ」：浅田化学工業社製メタクリル酸ナトリウム（金属分１９〜２１％、メタクリル酸分７５〜８０％）であった。
【０１９５】
表１９における第２温度は、各サンプルの第２温度の範囲内に設定しなければならないため、低温混練工程の第２温度として１３０℃（実測樹脂温度）となるように設定して上記の通りに実施して複合材料の第２温度測定用サンプルを得た。各実施例の配合の第２温度測定用サンプルについて、下記（Ｉ）と同様の方法でＤＭＡ測定した。その測定結果から、貯蔵弾性率（Ｅ’）と温度とのグラフを作成し、上述した方法で、例えば実施例５９のサンプルの場合には、変曲点温度Ｔ１（１２１．５℃）、加工温度発現温度Ｔ２（１０８℃）と平坦領域発現温度Ｔ３（１２５℃）の１．０６倍（Ｔ３℃×１．０６）の温度Ｔ４（１３２．５℃）とを求めた。各サンプルの第２温度の範囲の求め方については上述した通りであり、実施例５９のＤＭＡ測定した貯蔵弾性率の温度依存性は図１２の通りであった。
【０１９６】
実施例５９〜６１の第２温度測定用サンプルをＤＭＡ測定した結果、全てのサンプルの温度Ｔ２〜温度Ｔ４の範囲が低温混練工程で用いた第２温度を含んでいた。
【０１９７】
（Ｉ）評価方法
（Ｉ−１）引張試験
実施例５９〜６１及び比較例１２，１３のサンプルについて、ＪＩＳ  Ｋ７１６１  １ＢＡのダンベル試験片について、島津製作所社製オートグラフＡＧ−Ｘの引張試験機を用いて、２３±２℃、標準線間距離２５ｍｍ、引張速度２５ｍｍ／ｍｉｎでＪＩＳ  Ｋ７１６１に基づいて引張試験を行い、引張強さ（ＴＳ（ＭＰａ））、切断時伸び（Ｅｂ（％））、及び降伏点引張応力（σｙ（ＭＰａ））を測定した。測定結果を表１９に示した。
【０１９８】
【表１９】
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【０１９９】
（Ｉ−２）ＤＭＡ測定
実施例５９〜６１及び比較例１２，１３のサンプルについて、短冊形（３０×５×２ｍｍ）に切り出した試験片について、ＳＩＩ社製の動的粘弾性試験機ＤＭＳ６１００を用いて、チャック間距離１０ｍｍ、測定温度２０〜２００℃、昇温ペース１．５℃、動的ひずみ±０．０５％、周波数１ＨｚでＪＩＳ  Ｋ７２４４に基づいてＤＭＡ試験（動的粘弾性試験）を行った。実施例５９のサンプルの貯蔵弾性率の温度依存性を図１２に示した。
【０２００】
（Ｊ）評価
実施例５９〜実施例６１のサンプルは、比較例１２，１３に比べて、引張強さ（ＴＳ（ＭＰａ））、切断時伸び（Ｅｂ（％））及び降伏点引張応力（σｙ（ＭＰａ））が大きかった。
【符号の説明】
【０２０１】
２…オープンロール、１０…第１のロール、２０…第２のロール、３０…エラストマー、３４…バンク、３６…中間混合物、５０…複合材料、８０…膨潤繊維材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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