(57)【要約】 本発明は表面修飾セルロースナノ繊維に関し、それは繊維-マトリックス接着を改善するために使用されて生分解性ナノ繊維化セルロース（NFC）-ポリビニルアルコール（PVOH）複合材料となり、フィルムなどの、優れた機械的性能を有する構造体を形成するためにそれを用いることができる。特に、本発明は、セルロースナノ繊維の表面が化学的に修飾されているバイオ複合樹脂組成物、そのような複合樹脂組成物の製造方法および鋳造シート複合体に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アスペクト比が20〜300であり、平均直径が3nm〜100nmであることを特徴とし、ヒドロキシル基が少なくとも1つの修飾基で化学的に修飾されている、セルロースナノ繊維。
【請求項２】
前記少なくとも１つの修飾基が、アリル基もしくはエポキシ基、または両方を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセルロースナノ繊維。
【請求項３】
平均合計置換度が0.02〜0.7であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のセルロースナノ繊維。
【請求項４】
ヒドロキシル基全体の0.01%〜60%が化学的に修飾されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセルロースナノ繊維。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のセルロースナノ繊維を、少なくとも1つの生分解性樹脂に含む、バイオ複合樹脂組成物。
【請求項６】
少なくとも1つの樹脂が熱可塑性樹脂であり、好ましくはポリビニルアルコール（PVOH）である、請求項５に記載のバイオ複合樹脂組成物。
【請求項７】
前記組成物が、複合原料全体の0.5重量%〜1.5重量%のセルロース原料を含むことを特徴とする、請求項５または６のいずれか一項に記載のバイオ複合樹脂組成物。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一項に記載のバイオ複合樹脂組成物から、該バイオ複合樹脂組成物を周囲温度で鋳造し、乾燥させることにより製造されていることを特徴とする、セルロースナノ繊維強化複合体。
【請求項９】
厚さが100μm〜300μm、好ましくは200μm未満、特に100μmであることを特徴とする、請求項８に記載のセルロースナノ繊維強化複合体。
【請求項１０】
厚さが100μmであり、500nmの波長における平均光透過率が少なくとも75%、好ましくは85%より大きいことを特徴とする、請求項８または９のいずれか一項に記載のセルロースナノ繊維強化複合体。
【請求項１１】
縦弾性係数が少なくとも2.0GPa、好ましくは3.5GPaであり、引張強さが少なくとも50MPa、好ましくは90 MPaであり、破断時引張歪みが少なくとも180%であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のセルロースナノ繊維強化複合体。
【請求項１２】
セルロース原料が、解繊されてナノ繊維（NFC繊維）を生成し、かつ、少なくとも乾燥修飾工程を使用して化学的に修飾されることを特徴とし、該解繊が該化学修飾の前または後に行われる、化学的に修飾されたセルロースナノ繊維を製造するための方法。
【請求項１３】
前記セルロースナノ繊維がアリル化され、その後にエポキシ化工程が好ましくは行われることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
バイオ複合樹脂組成物の製造方法であって、以下の工程：
a）セルロース繊維をアリル化する工程、
b）該アリル化セルロース繊維をエポキシ化し、少なくとも１つのエポキシ-セルロース分散液を生成する工程、
c）該少なくとも１つのエポキシ-セルロース分散液を少なくとも１つの熱可塑性（PVOH）樹脂溶液に添加する工程、
d）アリル化およびエポキシ化したセルロース群と少なくとも１つの熱可塑性樹脂とを、加熱により、もしくは触媒により、または両方により架橋し、反応分散液を得る工程、並びに
e）工程d）で得られた反応分散液を加熱および混合する工程
を有することを特徴とし、
該セルロース繊維が、工程a）の前に、または場合により工程b）の後に、好ましくは工程a）の前に解繊され、セルロースナノ繊維（NFC繊維）を得る方法。
【請求項１５】
前記セルロース繊維が、前処理されていないカバノキまたはマツのセルロースクラフトパルプから得られることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記アリル化が、アリルグリシジルエーテルを用いて行われることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記エポキシ化が、水性炭酸ナトリウム／重炭酸ナトリウム緩衝溶液を用いて行われることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記架橋が、前記混合物を好ましくは30℃の温度にまで加熱し、過酸化水素との反応を開始することにより活性化されることを特徴とする、請求項１4〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
c）〜e）の工程が、1,6-ジアミノヘキサンを用い、熱可塑性樹脂で前記エポキシ-セルロース繊維を直接精錬する反応性精錬の工程と、該懸濁液を、好ましくは80℃の温度にまで加熱する工程とに置き換えられることを特徴とする、請求項１4〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記セルロース繊維が機械的せん断により解繊され、アスペクト比が20〜300、および平均直径が3nm〜100nmとなることを特徴とする、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１〜４に記載のセルロースナノ繊維、請求項５〜７に記載のバイオ複合樹脂組成物、請求項８〜１１に記載のセルロースナノ繊維強化複合体、または生分解性NFC-PVOH複合材料を製造するための請求項１４〜２０に記載のバイオ複合樹脂組成物の製造方法の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロースナノ繊維、バイオ複合樹脂組成物およびバイオ複合樹脂組成物の製造方法に関する。特に、本発明は、化学的に修飾されたセルロースナノ繊維、ナノ繊維化表面修飾セルロース（NFC）とポリビニルアルコール（PVOH）とのマトリックスを含むバイオ複合樹脂組成物、NFC-PVOHバイオ複合樹脂組成物の製造方法、鋳造シートバイオ複合体および生分解性複合材料の製造のためのその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルロースは自然界で最も豊富な生体高分子の1つであり、適合性において直面する困難を克服するために、種々の方法で修飾されてきた。ナノ繊維化セルロース（NFC）は、バイオナノ複合材料のための新しい潜在的構成要素であり、生体高分子の修飾、および高反応性表面などの興味深い新たな資質のためのさらなる手段、並びに、より軽く丈夫で、優れた耐久性のある材料を作るための機会を提供する。NFCは、高い剛性と強度を示し、そのヒドロキシル基は化学修飾のための反応部位を提供する。さらにNFCは、その低密度、生分解性、再生可能性、低費用および気体遮断性のために、熱可塑性マトリックス材料の魅力的な補強充填剤である。
【０００３】
ナノセルロースは、先行技術において、複合材料に利用されてきた。例えば、特許文献１は、高遮断性ナノセルロース複合材料およびその製造方法を記述している。しかし、記述の材料は、0.2重量%〜10重量%の未修飾ナノセルロースを含み、ポリ脂肪酸エステル材料に導入される。
【０００４】
バイオ繊維強化ポリマー複合材料の中で主要な課題は、繊維のポリマーマトリックスへの不適合性とされてきた。一般的に、そのため、バイオポリマー系のフィルムは、機械的特性および脆性の欠点により、広い商業用途を得る可能性を制限されている。
【０００５】
繊維の化学修飾は、現在、マトリックスポリマー中の繊維の適合性を改善する方法を検討する大きな研究分野である。セルロースの、種々の化学的表面修飾方法が報告されている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３）。最も有望な修飾手段の1つは、生体高分子の構造表面に官能性エポキシ基を導入することであった。エポキシ基は、有能な架橋剤として機能し、そしてさらに、ポリアミン、ペプチドおよびアミノ酸に結合する（非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６）。エポキシ基は、直接エポキシ化法を使用して、バイオポリマー表面に導入されてきた（非特許文献７、非特許文献８）。これらの方法を使用する欠点は、有害物質および様々な副反応の使用であった。
【０００６】
しかし、アリルセルロースを中間生成物として使用することにより、エポキシセルロースを調製することも可能である。アリルセルロースは、アリル二重結合の高い反応性に起因する様々な後続反応の経路を提供する誘導体である（非特許文献９、非特許文献１０、非特許文献１１）。エポキシセルロースは、もう1つの方法として、アリル二重結合を酸化することにより調製することができ、そのような手順は、でんぷん（非特許文献６）およびセルロース繊維（非特許文献４）については既に記述されている。しかし、論文に記述の方法には限界があり、高い置換度は達成できない。
【０００７】
特許文献２は、表面修飾セルロースナノ繊維、およびその複合樹脂組成物に関する。この日本出願において、表面修飾はセルロース繊維のヒドロキシル基にも行われている。しかし、使用された修飾方法には限界があり、とりわけ、表面修飾の程度がより低くなるという結果になる。
【０００８】
特許文献３は、バイオ複合樹脂組成物の製造方法、および生分解性組成物を製造するためのその使用方法に関する。しかし、得られた生成物は、その不十分な機械的特性および脆性のため、依然として広い商業用途を得る可能性が制限されている。
【０００９】
ポリビニルアルコールマトリックスを強化するためのナノセルロースの使用は、先行技術においても研究されてきた。例えば、非特許文献１２は、メカノケミカル処理（磨砕により改善された酸/アルカリ処理）によりポプラおよび綿から生成したナノセルロース繊維で強化したポリビニルアルコール（PVA）を記述している。この論文では、研究者は、浸漬法と、その後の溶液の乾燥により、PVA／ナノセルロース複合体を製造している。しかし、ナノセルロース繊維は化学的に修飾されておらず、繊維のポリマーマトリックスへの特定の不適合性をもたらす。
【００１０】
バイオナノ複合材料またはバイオ系ナノ複合材料は、寸法が100nm未満である成分を少なくとも1つ有する再生可能材料から作られる物質である（例えば、ミクロ繊維化セルロース、MFC、またはナノセルロース、NFC）。ポリマー複合材料は、ポリマーマトリックス成分を含み、一般的な例は、ポリプロピレン（PP）およびポリエチレン（PE）などの石油由来ポリマーである。これらポリマーナノ複合材料には、高い機械的性能をもたらすための十分に分散したナノサイズの充填剤が少量含まれる（非特許文献１３）。したがって、例えばナノセルロース繊維とマトリックスポリマーとの間の接着が弱いため、得られたポリマーナノ複合材料の特性は理想的ではなく、ポリマー材料への繊維の分散を改善する必要がある。
【００１１】
現在、生分解性プラスチック樹脂および環境上持続可能なバイオ複合製品に対する世界的な需要が増加している。したがって、ポリビニルアルコールなどの、複合材料を調製する際の使用に適した原材料の価格が上昇している。エポキシ化ナノ繊維化セルロースを充填材として、例えばポリビニルアルコールマトリックスにおいて利用することにより、ポリビニルアルコールの量を減少させ、異なる市場部門への新規複合材料を生成することができる。したがって、本発明は、新たな付加価値と生分解性PVOH系複合材料を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】中国特許第１０２４０８６１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８４８１６号公報
【特許文献３】国際公開第２０１２／１２７１１９号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Stenstad P.、Andresen M.、Tanem B.S.、Stenius P.、(2008年)、ミクロ繊維化セルロースの化学的表面修飾、セルロース、15巻、35〜45頁
【非特許文献２】Cai X.、Riedl B.、Ait-Kadi A.、(2003年)、 セルロース繊維強化熱可塑性複合材料の性能に及ぼす表面グラフト化イオン基の効果、ジャーナル・オブ・ポリマーサイエンス・パートB：高分子物理学、41巻、2022〜2032頁
【非特許文献３】Wu J.、 Yu D.、Chan C.-M.、Kim J.、Mai Y.-W.、(2000年)、界面応力および木材繊維／PP複合材料の機械的性質への繊維前処理条件の影響、ジャーナル・オブ・アプライド・ポリマーサイエンス、76巻、1000〜1010頁
【非特許文献４】Arola S.、Tammelin T.、Setala H.、Tullila A.、Linder M. B.、 (2012年)、ナノ繊維化セルロース誘導体のタンパク質の固定安定化およびその生理活性膜の形成, バイオマクロモレキュール, 13巻、594〜603頁
【非特許文献５】Bai Y.、Li Y.、Wang M.、(2006年)、エポキシ基含有親水性ビーズ担体の合成およびグルコアミラーゼの固定化のためのその特性に関する研究、エンザイム・アンド・マイクロバイアル・テクノロジー, 39巻、540〜547頁
【非特許文献６】Huijbrechts A. M. L.、ter Haar R.、Schols H. A.、Franssen M. C. R.、Boeriu C. G.、Sudholter E. J. R.、(2010年)、エポキシデンプン誘導体の合成と応用、カルボハイドレート・ポリマー、79巻、858〜866頁、doi：10.1016/j.carbpol.2009.10.012
【非特許文献７】Burton S.、Harding D.、(1997年)、臭化アリルおよびアリルグリシジルエーテルとのリガンド結合のためのビーズセルロースの二官能性エーテル化、ジャーナル・オブ・クロマトグラフィーA、775巻、29〜38頁
【非特許文献８】Tomasik P.、Schilling C.、(2004年)、でんぷんの化学的修飾、アドバンス・イン・カルボハイドレート・ケミストリー・アンド・バイオケミストリー、59巻、175〜403頁
【非特許文献９】Heinze T.、Lincke T.、Fenn D.、Koschella A.、(2008年)、ジメチルスルホキシド／フッ化テトラブチルアンモニウム三水和物におけるセルロースの効率的アリル化、ポリマー・ブレトン、61巻、1〜9頁
【非特許文献１０】Lin M.S.、Huang C.S.、(1992年)、アリルセルロースおよびグリシジルセルロースの合成と特性評価、ジャーナル・オブ・ポリマーサイエンス・パートA：高分子化学、30巻(11号): 2303〜2312頁
【非特許文献１１】Mu-Shih L.、Chung-Song H.、(1992年)、アリルセルロースおよびグリシジルセルロースの合成と特性評価、ジャーナル・オブ・ポリマーサイエンスA, 30巻、2303〜2312頁
【非特許文献１２】Hu Y.、Li D.、Deng Q.、Wang Y.、Lin D.、(2012年)、メカノケミカル処理により植物から単離したナノセルロース繊維で補強した新規ポリ（ビニルアルコール）ナノ複合材料、アプライド・メカニクス・アンド・マテリアル、174〜177巻、870〜876頁
【非特許文献１３】Siqueira G.、Bras J.、Dufresne A.、(2010年)、セルロース系バイオナノ複合材料：調製、特性、および適用のレビュー、ポリマー, 2巻、728〜765頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の1つの目的は、天然繊維強化材で修飾されたセルロースナノ繊維を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、接着性および機械的性能を向上させるために表面修飾セルロースナノ繊維が利用されている新規な高性能バイオ複合材料を提供することである。
【００１６】
本発明の特定の目的は、限られた処理工程数を使用した、そのようなバイオ複合材料の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明において、セルロース繊維は、解繊され、そして少なくとも乾燥修飾工程を使用して化学的に修飾されるが、その工程では、セルロースナノ繊維の表面上のヒドロキシル基はその機能を向上させるために修飾される。
【００１８】
これらおよびその他の目的は、本明細書に記載および特許請求されているように、本発明により達成される。
【００１９】
より具体的には、表面修飾セルロースナノ繊維は請求項１に記載のものを特徴とし、そしてそのような修飾セルロースナノ繊維の製造方法は請求項１２に記載のものを特徴とする。
【００２０】
さらに、バイオ複合樹脂組成物は請求項５に記載のものを特徴とし、セルロースナノ繊維強化複合体は請求項８に記載のものを特徴とし、バイオ複合樹脂組成物の製造方法は請求項１４に記載のものを特徴とし、そしてそれらの使用は請求項２１に記載のものを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の1つの特定の利点は、ナノ繊維化セルロース（NFC）とポリビニルアルコール（PVOH）とを含むバイオ複合樹脂組成物を提供することであり、表面修飾セルロースナノ繊維は繊維-マトリックス接着を改善するために利用され、低い修飾NFC負荷を使用しても、優れた機械的性能を有する材料が得られる。
【００２２】
優れた機械的性能に加えて、本発明のさらなる1つの利点は、複合材料から製造されたフィルムの厚さを、純粋なポリビニルアルコールフィルムに比べて5分の1（すなわち、より薄い製品設計）に縮小できることである。
【００２３】
もう1つの利点は、本発明の方法により（本発明の複合材料を製造することにより）、純粋なPVOHに比べて、ポリビニルアルコールを80%〜95%少なく使用することが可能であり、そしてそれでも最終的な製品にとってより良い機械的特性を得ることができる、ということである。上記利点の両方が、材料費の節約になるので、生産費用を大幅に削減する。したがって、この製造方法は費用効率が高く、この複合材料は、生分解性で、耐久性があり、透明で、軽量であり、そして優れた遮断性能を有する。
【００２４】
次に、本発明を、添付の図面および詳細な説明を参照してより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】表面修飾ナノ繊維化セルロース（NFC）強化ポリビニルアルコール（PVOH）フィルムが、うまく調製されたことを表している。（Ａ）は純粋なPVOHフィルムの画像であり、（Ｂ）は修飾NFC-PVOHフィルムの画像である。
【図２】NFC-PVOHフィルムの向上した縦弾性係数を示している。
【図３】NFC-PVOHフィルムの向上した引張強さを示している。
【図４】NFC-PVOHフィルムの向上したひずみ特性を示している。
【図５】反応性精錬により生成したNFC-PVOHフィルムの機械的性能を示している。したがって、図５は、コンセプトがスケールアップに実用的であることを確証する。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の明細書において、次の短い用語が一般的に使用されている：
置換度としての「DS」、
ポリビニルアルコールとしての「PVOH」および「PVA」、
ナノ繊維化セルロースとしての「NFC」。
【００２７】
本発明に特徴づけることは、セルロースナノ繊維の表面上のヒドロキシル基は、それらを少なくとも1つの修飾基と反応させることにより、すなわちアリルおよび／またはエポキシ基などの反応性官能基を有する置換基を加えることにより、化学的に修飾されるということである。したがって、修飾基は、ポリマー樹脂への反応性が増加したセルロースを提供する官能基を意味する。この方法により、遊離ヒドロキシル基の数と、結果としてセルロースナノ繊維との間に形成される水素結合の数とを減少させることができる。水素結合の減少の結果として、セルロースナノ繊維との間での強固な接着を防止することができ、そしてセルロースナノ繊維はポリマー材料中に十分に分散され、こうして界面結合が、セルロースナノ繊維とポリマー材料との間に形成することができる。
【００２８】
好ましい化学修飾法は、乾燥修飾工程を含み、それは好ましくは、アリル化合物によるセルロースナノ繊維の表面上のヒドロキシル基のアリル化から成る。本発明において、アリル化セルロースは、追加溶媒なしで穏やかな反応条件のみを使用し、不均一に調製されている。反応工程も速く、少量の水を使用する（したがって、用語「乾燥」修飾）。この新しい非毒性乾燥修飾工程は十分な補強効果をもたらし、そしてその反応の高い反応効率を可能にする。また、この方法は、先行の解決手段と比べて、セルロース上のヒドロキシル基に取って代わる官能基をより多く有する（高DS）、より均質な複合材料をもたらすことが証明されている。一実施形態において、セルロースナノ繊維の表面上の遊離ヒドロキシル基全体の60%までが、乾燥修飾工程により化学的に修飾される。エポキシ基の付加などの他の修飾工程が、乾燥修飾工程の後に続くことができる。
【００２９】
1つの好ましい修飾基はアリル基であり、前記アリル基（単数または複数）を含む置換基を導入するアリル化合物を用いてセルロースに付加される。適切なアリル化合物の一例は、アリルグリシジルエーテルである。特に好ましい修飾基は、エポキシ基であり、これは前記の付加置換基をさらに反応させて前記エポキシ基（単数または複数）を組み込ませることにより、セルロース表面に付加されることができる。したがって、セルロースの反応は、上記のように、アリル化またはエポキシ化セルロースナノ繊維のいずれかをもたらす。しかし、一般的に、エポキシ化セルロースは、未反応のアリル基をまだ含むであろう。
【００３０】
置換度は、セルロース繊維の置換されたヒドロキシル基の全体的な程度を意味する。本明細書にて、「アリルDS」は、アリル化セルロースにおいてアリル化合物で置換されたヒドロキシル基の程度であり、そして好ましくは0.02〜0.7の範囲である。「エポキシDS」は、エポキシ化セルロースにおいてさらにエポキシ基で置換されたアリル基の程度であり、そして好ましくは0.02〜0.07の範囲である。「総DS」は、アリル化およびエポキシ化後において、アリル化合物で置換されたヒドロキシル基（非エポキシ結合アリル基として）の程度の総計である。したがって、好ましい実施形態による総DSは0.02〜0.7の範囲である。
【００３１】
一実施形態において、アリル化は、アリルグリシジルエーテルをセルロース繊維間に乾燥（非水性）条件下で添加し、その溶液を40℃〜50℃の温度で15〜20時間混合させることにより行われる。その後、得られたアリル化繊維を濾過し、水で洗浄する。繊維のさらなるエポキシ化のために、アリル化繊維を水性炭酸ナトリウム／重炭酸ナトリウム緩衝溶液と十分に混合させる。
【００３２】
セルロースナノ繊維がセルロース原料として使用される場合、上記の修飾（単数または複数）は、本発明の、新規な化学的に修飾されたセルロースナノ繊維をもたらす。
【００３３】
本発明のバイオ複合樹脂組成物は、生分解性樹脂中に表面修飾セルロースナノ繊維を含む。一実施形態において、樹脂組成物は、ポリビニルアルコール（PVOH）などの熱可塑性樹脂を、樹脂（複数）の1つとして、または好ましくは唯一の樹脂として含む。バイオ複合樹脂組成物の重要な1つの特徴は、低い修飾NFC負荷である。好ましくは、例えばカバノキまたはマツに由来するような添加のセルロース原料の量は、複合原料全体の0.5重量%〜1.5%の範囲である。本明細書において、最高性能のバイオ複合樹脂組成物は、0.02〜0.7のセルロースナノ繊維の総置換度で達成されることが見いだされた。
【００３４】
バイオ複合樹脂組成物の製造方法において、セルロース原料は、解繊され、前述の1つ以上の修飾工程で化学的に修飾され、そして樹脂と混合および反応される。例えば、アリル化セルロースナノ繊維はエポキシ化および精錬され、その後に熱可塑性樹脂との架橋が続き、複合体を形成する。修飾NFC基と熱可塑性樹脂との間の架橋反応は、好ましくは、一定温度での連続的攪拌下で、混合物を加熱することにより、または触媒を用いて反応を開始することにより、またはその両方により活性化される。
【００３５】
一実施形態において、バイオ複合樹脂組成物の製造方法は、以下の工程：
・  セルロース繊維をアリル化する工程、
・  アリル化セルロース繊維をエポキシ化し、エポキシ-セルロース分散液（単数または複数）を生成する工程、
・  エポキシ-セルロース分散液（単数または複数）を熱可塑性（PVOH）樹脂溶液（単数または複数）に添加する工程、
・  アリル化およびエポキシ化したセルロース群と熱可塑性樹脂（単数または複数）とを、加熱により、もしくは触媒により、または両方により架橋し、反応分散液を得る工程、並びに
・  前工程で得られた反応分散液を加熱および混合する工程
を有し、セルロース繊維を解繊する工程をさらに含む。
【００３６】
セルロース繊維を、ヒドロキシル基の表面修飾の前または後のいずれかで解繊しても、NFC繊維を得ることができることは、注目に値する。したがって、前処理されていないカバノキまたはマツのセルロースクラフトパルプに、本発明の方法を適用することも可能である。セルロース繊維は、例えば機械的せん断により解繊されて、希望のナノサイズ、例えば、アスペクト比が20〜300、および平均直径が3nm〜100nmとなる。したがって、本明細書において、用語「セルロース繊維」は、解繊が表面修飾工程の前または後に行われるかどうかにより、通常のセルロース繊維またはナノ繊維化セルロース繊維（NFC）のいずれかを意味する。
【００３７】
架橋反応スキームは、PVOHのヒドロキシル基が求核試薬として作用し、NFCのエポキシド基と反応するエポキシド開環に続く。求核置換（SN2）は、立体障害の小さい炭素原子に起こる傾向がある。利点は、この反応が水性媒体中で行うことができるということであり、したがって健康に安全な環境、および処理費用の削減をも提供する。
【００３８】
一実施形態において、エポキシ-セルロース繊維は、上述のように、修飾エポキシ-NFCを最初に調製して精錬し、その後反応分散により複合樹脂組成物を別に調製するのではなく、触媒／硬化剤および加熱により、熱可塑性樹脂中で直接精錬される。例えば、1,6-ジアミノヘキサンはこの目的に適しており、エポキシ基と高速で激しく反応して構造体を架橋する。この方法は、複合材料の製造の処理工程数を制限することができ、そして過剰な工程を回避することができ、したがって、より経済的かつ工業的に実行可能な処理、およびその上、向上した機械的特性を持つ複合材料をもたらす。
【００３９】
本発明の一実施形態において、DS（エポキシ）が0.1である場合、使用されるエポキシ-NFCの1,6-ジアミノヘキサンの2重量%は、3.2の比率（エポキシ基あたりのアミノ基、モル／モル）をもたらす。これは、アミノ基とエポキシ基が共に反応し、本明細書に記載のような架橋構造をもたらすことを示している。
【００４０】
本発明の鋳造シート複合体は、複合樹脂組成物を、例えばフィルムに鋳造し、続いて周囲温度でそれを乾燥させることにより得られる。溶液流延法は、当技術分野で一般的に知られている。驚くべきことに、修飾NFC（0.07のDSを有する）の1重量%の添加は、純粋なPVOHの本体に比べて、複合体の弾性率、強度およびひずみを、それぞれ307%、139%および23%向上させるということが判明した。
【００４１】
本発明の1つの利点は、修飾-NFCが、低い充填剤負荷でマトリックスポリマーを大幅に強化する可能性を有することである。好ましい実施形態において、0.5重量%〜1.5重量%と低い負荷は、驚くべきことに、純粋なマトリックスポリマーと競合する生成物をもたらすことが証明されている。全体的な材料および費用の削減は、より薄い製品設計（例えば、フィルム設計）、すなわち、純粋なPVOH複合構造体（例えばフィルム）に比べて、厚さを薄くすることにより達成される。そのような製品は、したがって、高い光透過率も得る。100μmの厚さと1重量%の修飾NFCとを有する複合樹脂フィルムの、波長500nmにおける平均光透過率は75%より大きいが、好ましくは85%以上である。
【００４２】
一実施形態において、本発明によるNFC-PVOH複合フィルムの厚さは、純粋なPVOHフィルムの5分の1（1/5）である。それにより、80%薄い複合フィルム設計と、PVOH量の80〜95%もの減少を達成することができ、同時に、純粋なPVOHフィルムと比べてもまだ、より良好な機械的特性が得られる。したがって、本発明は、耐久性があるだけでなく、軽量で透明な製品も提供する。
【００４３】
現在、高強度PVA系製品の需要がある。本発明の複合体の生産概念は、鋳造のためだけでなく、溶融加工にも適用可能である。最終用途に応じて、製品規格は、例えばセルロースナノ繊維の置換度を変化させることにより最適化することができる。可能な商業適用には、ランドリーバッグ、洗剤および農薬包装、食器洗いタブレットの表面層、ウォッシュアウェイバッグ、生分解性バッグおよび射出成形部分などの水溶性製品を含む。可能な応用分野の1つは偏光フィルムであり、例えば液晶パネル、レンズ、および光学フィルタでの利用が見いだされている。本明細書中の以下で、本発明を非限定的な実施例により説明する。しかしながら、上記および実施例の記載で与えられる実施例は、例示のみを目的としており、その様々な変更および修正は特許請求の範囲内で可能であることが理解されるべきである。
【実施例１】
【００４４】
（反応性分散）
セルロース原料は、漂白したカバノキまたはマツのクラフトから得られたパルプを含んでいた。漂白したカバノキまたはマツのクラフトから得られたこのセルロース繊維10gを、水分含量が最大50%になるまで乾燥させた。パルプのセルロース繊維を、アリルグリシジルエーテルを（0.4〜1.2モル／AGUの量で）添加することによりアリル化し、水4.0 mlに溶解したNaOH 0.4gを含む溶液と混合させ、続いて得られた混合液を繊維と十分に混合させ、45℃で16時間、混合液を攪拌した。得られたアリル化繊維（下記の表２に示されるように、0.2のDS（アリル）を有する）を、その後水で濾過洗浄した。
【００４５】
繊維をエポキシ化するために、アリル化繊維を水性炭酸ナトリウム／重炭酸ナトリウム緩衝溶液（アセトニトリル15mlに溶解した0.0035gのNa2CO3と0.7gのNaHCO3を含む）と十分に混合した。混合物を30℃にまで加熱し、H2O2.H2O2（35重量%、10ml）を混合液に30分以内に滴下添加することにより開始した。混合液を、撹拌下しながら一定温度（30℃）で一晩放置した。このようにエポキシ化した生成物（以下の表２に示されるように、0.02のDS（エポキシ）を有する）を濾過により単離し、その後水で洗浄した。
【００４６】
このように修飾したセルロースの表面の置換度を、アリル基およびエポキシ基の両方について、固体13CP／MASスペクトルを用いて決定した。水中で5日間、材料を膜（3500分画）で透析することにより、NMR分析用のサンプルを得た。サンプルを真空乾燥した。表１は、セルロース表面上のアリルおよびエポキシ基について達成した置換度を、用いたアリルグリシジルエーテルのそれぞれの量に応じて提示している。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
修飾セルロース繊維のナノ繊維化を、フルイダイザー（マイクロフルイディクスM-110EH、Microfluidics Int. 社、マサチューセッツ州、アメリカ）を用いて行った。繊維化の前に、乾燥クラフトパルプを固形含有量1.8%の水に浸し、実験室規模の磨砕機（マスコ スーパーマスコロイダーMKZA10-15J）で事前精錬し、ショッパー・リーグラー（SR）レベルを90 SR超にした。その後パルプを、1850バールの運転圧力で、フルイダイザーに5回通した。機械は、セラミック対（APM 400μm）とダイヤモンドインタラクション（IXC 100μm）チャンバーを備えていた。得られた水性ゲル状NFCを、アセトンに溶媒交換した。溶媒交換後、乾燥物含有量は3〜4%であった。カバノキパルプとナノ繊維化セルロースの炭水化物組成は非常に類似しており、グルコース73%、キシロース26%、およびマンノース1%を含んでいた。また、残留リグニン0.2%と残留抽出物0.09%が、パルプから発見された。最終材料は、視覚的に均一であり、そして横幅の繊維構造は67〜133nmの範囲であった（SEMにより観察）。
【実施例２】
【００４９】
（反応性精錬）
エポキシ-NFCを最初に調製し、繊維を精錬し、その後複合樹脂組成物を別に調製するのではなく、エポキシセルロース繊維を、反応性精錬を用いて、熱可塑性樹脂懸濁液中で直接精錬した。修飾-NFC-エポキシのエポキシ基を、1,6-ジアミノヘキサン（エポキシ-NFC量の2重量%）を使用し、そして懸濁液を80℃で2時間、激しく撹拌しながら加熱することにより再活性化した。
【００５０】
修飾セルロース繊維のナノ繊維化は、実施例１と同様に行った。
【実施例３】
【００５１】
（複合体およびそのフィルムの調製） 
実施例１で調製したエポキシ-NFC水性分散液の異なる量を、水性熱可塑性樹脂溶液に添加した。ポリマーがセルロース網に浸透するように、混合液を一晩激しく撹拌した。修飾-NFC-エポキシ基と熱可塑性樹脂との間の架橋反応を、過酸化水素を用いることおよび反応分散液を30℃の温度にまで加熱することにより、または実施例２に記載の反応性精錬を利用することにより開始した。
【００５２】
分散液を、溶液鋳造法によりフィルムに鋳造し、室温にまで冷却し、そして重量が一定になるまで、周囲温度で7日間乾燥させた。最終的なフィルムの厚さは約100μmであった。さらに、100%NFCフィルムを、その2重量%水性懸濁液から製造し、55℃で乾燥させた。
【００５３】
表２は、修飾-NFC-熱可塑性樹脂複合材料から調製されたフィルムの優れた機械的性能を、引張強さ（MPa）、縦弾性係数（GPa）および破断時引張歪み（%）の観点から提示している。例えば、PVOH/1.0-NFC-0.07は、1重量%の修飾NFC（0.07のDSを有する）がPVOH熱可塑性樹脂溶液に添加された複合材料の特性を示している。PVOH（サンプルコードとして）は純粋なポリビニルアルコールであり、そしてNFC0は未修飾NFCでの参照サンプルである。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
上記の記述および実施例が、本発明の基本的で新規な特徴を、その好ましい実施形態に適用しながら示し、説明し、指摘している一方、本方法および生成物の細部における様々な省略および代用および変更は、本発明の精神から逸脱することなく当業者によりなされ得ることが理解されるであろう。例えば、実質的に同じ操作を実行するか、または上記で達成されたものと実質的に同じ結果をもたらすこれらの要素および／または方法工程の全ての組み合わせは、本発明の範囲内であることが明確に意図されている。ある記載の実施形態からの要素の別のものへの代用もまた、完全に意図および予期されている。また、図面は必ずしも一定の縮尺では描かれていないが、それらは本質的に概念的なものであることを理解されたい。したがって、本明細書に添付の特許請求の範囲により示されるようにのみ限定されることを意図している。
【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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【国際調査報告】
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