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JP7452081B2 - Method for producing cellulose nanofiber-containing carbonate ester dispersion and cellulose nanofiber-containing polyurethane - Google Patents

Method for producing cellulose nanofiber-containing carbonate ester dispersion and cellulose nanofiber-containing polyurethane Download PDF

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JP7452081B2 JP2020027645A JP2020027645A JP7452081B2 JP 7452081 B2 JP7452081 B2 JP 7452081B2 JP 2020027645 A JP2020027645 A JP 2020027645A JP 2020027645 A JP2020027645 A JP 2020027645A JP 7452081 B2 JP7452081 B2 JP 7452081B2
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Description

本発明は、セルロースナノファイバー含有炭酸エステル分散体の製造方法に関する。また、セルロースナノファイバー含有炭酸エステル分散体を利用したセルロースナノファイバー含有ポリカーボネートジオールおよびセルロースナノファイバー含有ポリウレタンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbonate ester dispersion containing cellulose nanofibers. The present invention also relates to a method for producing cellulose nanofiber-containing polycarbonate diol and cellulose nanofiber-containing polyurethane using a cellulose nanofiber-containing carbonate dispersion.

ポリウレタンは、耐久性の高い人工皮革や合成皮革、接着剤、塗料、コーティング剤、フィルム、光学材料等の分野で広く使用されている。
特に、ポリカーボネートジオール(以下、PCDという)をポリウレタンの原料にする場合、ポリエステルジオールおよびポリエーテルジオールの場合と比べて、耐加水分解性や耐薬品性に優れた耐久性の高いポリウレタンが得られることが知られている。
Polyurethane is widely used in fields such as highly durable artificial leather and synthetic leather, adhesives, paints, coatings, films, and optical materials.
In particular, when polycarbonate diol (hereinafter referred to as PCD) is used as a raw material for polyurethane, a highly durable polyurethane with excellent hydrolysis resistance and chemical resistance can be obtained compared to polyester diol and polyether diol. It has been known.

また、PCDを皮革、塗料およびコーティング剤用途に使用した場合、前記の特性以外に耐湿熱性、耐摩耗性および耐候性に優れるため、自動車の内装材として、例えば、座席シート向けの人工皮革や合成皮革および外装用塗料の原料として用いられている。さらに、接着用途においても、耐久性や柔軟性に優れた接着剤として自動車、電子機器および電気機器等に使用されている。 In addition, when PCD is used for leather, paint, and coating applications, in addition to the above properties, it has excellent heat and humidity resistance, abrasion resistance, and weather resistance, so it can be used as an interior material for automobiles, such as artificial leather for seats, synthetic leather, etc. It is used as a raw material for leather and exterior paints. Furthermore, in adhesive applications, it is used in automobiles, electronic equipment, electrical equipment, etc. as an adhesive with excellent durability and flexibility.

しかしながら、カーボネート結合はエステル結合と比べると柔軟性に欠けるため、カーボネート結合だけを有するPCDから製造されるポリウレタンは、ポリエステルポリオールから製造されるポリウレタンより柔軟性が劣り、特に低温における柔軟性、伸び、曲げおよび弾性回復性が悪いため、可撓性に欠けもろいという問題がある。 However, since carbonate bonds are less flexible than ester bonds, polyurethanes made from PCD that only have carbonate bonds are less flexible than polyurethanes made from polyester polyols, especially in terms of flexibility and elongation at low temperatures. Due to poor bending and elastic recovery properties, there is a problem of lack of flexibility and brittleness.

一方、セルロースナノファイバー(以下、CNFという)は、パルプ等を原料にして水媒体中で機械的または化学的解繊処理によって得られる、太さがナノメートルオーダーであり、アスペクト比の高いセルロース繊維である。
また、CNFは軽量であるが鉄の5倍の強度を有し、熱膨張率が低く、低温から高温まで弾性率が変化しない特性を有するため、CNFを用いた複合材料は軽量、高強度、低膨張率および温度変化に強いことが期待される。
On the other hand, cellulose nanofiber (hereinafter referred to as CNF) is a cellulose fiber with a thickness on the order of nanometers and a high aspect ratio, which is obtained by mechanical or chemical defibration treatment in an aqueous medium using pulp as a raw material. It is.
In addition, although CNF is lightweight, it has five times the strength of iron, has a low coefficient of thermal expansion, and has the property that its elastic modulus does not change from low to high temperatures, so composite materials using CNF are lightweight, high strength, It is expected to have a low expansion coefficient and be resistant to temperature changes.

しかしながら、水に分散させたCNF濃度は1~20質量%と低いため、樹脂と複合化させる場合には大量の水の除去が必要になるという問題がある。
また、樹脂中でパルプを解繊する場合、樹脂は一般的に粘度が高いので強力な機械力が必要となり、また、酸化処理など化学的に解繊したCNFは親水性が高いため精製や表面処理が必要など、CNFは工業的に取り扱い難い材料である。
However, since the concentration of CNF dispersed in water is as low as 1 to 20% by mass, there is a problem in that a large amount of water must be removed when composited with a resin.
In addition, when defibrating pulp in resin, the resin generally has a high viscosity, so strong mechanical force is required. In addition, CNF that has been chemically defibrated through oxidation treatment has high hydrophilicity, so it is difficult to refine and surface it. CNF is a material that is difficult to handle industrially, as it requires processing.

近年、ポリウレタンにCNFを配合して物性を改善することが検討され、例えば、ポリオール中でセルロースを微細化して得られたCNFを含有するポリオール組成物と、ポリイソシアナートとを反応させて得られるポリウレタン樹脂を含有するポリウレタン樹脂組成物が開示されている(特許文献1)。
しかしながら、特許文献1に記載のポリウレタン樹脂組成物を得るために、ポリオール中でセルロースを解繊した原料を使用しており、ポリウレタン樹脂に要求される物性を確保するには、分子量の高いポリオールが必要となる。
例えば、ポリエステルポリオールやポリエーテルポリオールに比べ、高機能なPCDは分子量が1000~2000のものが良く使われ、該ポリカーボネートポリオールの一部は常温で固体であり、50℃に加熱して、粘度は1000~15000mPa・sである。このような粘度の高いポリオール中での解繊では、必要なせん断力が得にくく、解繊が不充分となりやすい。
一方、加熱しながら強力な機械力を加えた場合、解繊は促進されるが、CNFやポリオールの着色等の劣化が生じやすくなる。
In recent years, consideration has been given to blending CNF into polyurethane to improve its physical properties. A polyurethane resin composition containing a polyurethane resin is disclosed (Patent Document 1).
However, in order to obtain the polyurethane resin composition described in Patent Document 1, a raw material obtained by defibrating cellulose in a polyol is used, and in order to ensure the physical properties required for a polyurethane resin, a polyol with a high molecular weight is required. It becomes necessary.
For example, compared to polyester polyols and polyether polyols, highly functional PCDs with molecular weights of 1,000 to 2,000 are often used, and some of the polycarbonate polyols are solid at room temperature, but when heated to 50°C, the viscosity decreases. It is 1000 to 15000 mPa·s. When defibrating in such a highly viscous polyol, it is difficult to obtain the necessary shearing force, and defibration tends to be insufficient.
On the other hand, when strong mechanical force is applied while heating, defibration is promoted, but deterioration such as coloring of CNF and polyol is likely to occur.

一方、CNFを分散させた炭酸エステルとジオール化合物を反応させて得られるCNF含有PCD分散体に、イソシアネート化合物を反応させて得られるCNF含有ポリウレタンが、機械強度や耐薬品性に優れていることが開示されている(特許文献2)。
また、CNFを分散させた炭酸エステルを得る方法として、炭酸エステル溶媒の共存下にセルロース系原料の1種であるバイオマスを機械的に粉砕する方法が開示されている(特許文献3)。
On the other hand, CNF-containing polyurethane obtained by reacting an isocyanate compound with a CNF-containing PCD dispersion obtained by reacting a carbonate ester in which CNF is dispersed with a diol compound has been found to have excellent mechanical strength and chemical resistance. It has been disclosed (Patent Document 2).
Furthermore, as a method for obtaining a carbonate ester in which CNF is dispersed, a method is disclosed in which biomass, which is a type of cellulosic raw material, is mechanically pulverized in the coexistence of a carbonate ester solvent (Patent Document 3).

特開2013-194162号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-194162 国際公開WO2019/172058International publication WO2019/172058 特開2017-23921号公報JP2017-23921A

しかしながら、特許文献2および特許文献3に記載されたCNF含有炭酸エステル分散体の製造方法では、凝固点が高い炭酸エステルを使用した場合、高圧条件でパルプを解繊する際に装置内で炭酸エステルが凝固するため、安定した製造を行うことができないことがわかった。
本発明は、機械強度や耐薬品性に優れているCNF含有ポリウレタンの原料となるCNF含有炭酸エステル分散体を、安定的に製造する方法を提供することを目的とする。
However, in the manufacturing method of CNF-containing carbonate ester dispersion described in Patent Document 2 and Patent Document 3, when a carbonate ester with a high solidification point is used, carbonate ester is generated in the apparatus when defibrating the pulp under high pressure conditions. It was found that stable production was not possible due to solidification.
An object of the present invention is to provide a method for stably producing a CNF-containing carbonate dispersion that is a raw material for a CNF-containing polyurethane that has excellent mechanical strength and chemical resistance.

上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意検討した結果、凝固点が35℃以下の炭酸エステル中でセルロース系原料を解繊して得られるCNF含有炭酸エステル分散体とジオール化合物を反応させて得られるCNF含有PCD分散体と、イソシアナート化合物を反応させて得られるCNF含有ポリウレタンが、機械強度や耐薬品性に優れることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors conducted extensive studies and found that a diol compound was reacted with a CNF-containing carbonate ester dispersion obtained by defibrating a cellulose raw material in a carbonate ester having a freezing point of 35°C or lower. The present inventors have discovered that a CNF-containing polyurethane obtained by reacting a CNF-containing PCD dispersion obtained by this process with an isocyanate compound has excellent mechanical strength and chemical resistance, and has completed the present invention.

すなわち、本発明の第1発明は、凝固点が35℃以下の炭酸エステルの存在下、セルロース系原料を解繊することを特徴とするCNF含有炭酸エステル分散体の製造方法である。 That is, the first aspect of the present invention is a method for producing a CNF-containing carbonate ester dispersion, which comprises defibrating a cellulose-based raw material in the presence of a carbonate ester having a freezing point of 35° C. or lower.

また、本発明の第2発明は、炭酸エステルが環状カーボネートである第1発明に記載のCNF含有炭酸エステル分散体の製造方法である。 Moreover, the second invention of the present invention is a method for producing the CNF-containing carbonate ester dispersion according to the first invention, wherein the carbonate ester is a cyclic carbonate.

また、本発明の第3発明は、炭酸エステルがエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合物である第1発明または第2発明に記載のCNF含有炭酸エステル分散体の製造方法である。 Further, a third invention of the present invention is a method for producing a CNF-containing carbonate ester dispersion according to the first invention or the second invention, wherein the carbonate ester is a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate.

本発明の第4発明は、第1発明~第3発明のいずれかの方法で得られたCNF含有炭酸エステル分散体とジオールを反応させることを特徴とするCNF含有ポリカーボネートジオールの製造方法である。 A fourth invention of the present invention is a method for producing a CNF-containing polycarbonate diol, which comprises reacting a CNF-containing carbonate dispersion obtained by any of the methods of the first to third inventions with a diol.

本発明の第5発明は、第4発明で得られたCNF含有ポリカーボネートジオールとイソシアナート化合物を反応させることを特徴とするCNF含有ポリウレタンの製造方法である。 A fifth invention of the present invention is a method for producing a CNF-containing polyurethane, characterized by reacting the CNF-containing polycarbonate diol obtained in the fourth invention with an isocyanate compound.

本発明の製造方法によれば、セルロース系原料を解繊する機器類への負荷が少なく、CNF含有炭酸エステル分散体を安定的に製造することができる。さらに、CNF含有炭酸エステル分散体を原料とするCNFを含有するポリウレタンは、機械強度や耐熱性等の特性に優れた高機能な複合材料として、人工皮革、合成皮革、接着剤、塗料およびコーティング剤等に有用である。 According to the production method of the present invention, a CNF-containing carbonate ester dispersion can be stably produced with less load on equipment for fibrillating cellulosic raw materials. Furthermore, CNF-containing polyurethane, which is made from a CNF-containing carbonate ester dispersion, can be used as a highly functional composite material with excellent properties such as mechanical strength and heat resistance in artificial leather, synthetic leather, adhesives, paints, and coatings. It is useful for etc.

実施例1に用いたセルロース系原料の解繊装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a cellulosic raw material defibration apparatus used in Example 1. FIG. 実施例1で得られたCNF含有炭酸エステル分散体の顕微鏡写真である。1 is a micrograph of the CNF-containing carbonate ester dispersion obtained in Example 1. 実施例4で得られたCNF含有ポリウレタンの引張試験のグラフである。3 is a graph of a tensile test of the CNF-containing polyurethane obtained in Example 4.

本発明は、凝固点35℃以下の炭酸エステルの存在下にセルロース系原料を解繊することを特徴とする、CNF含有炭酸エステル分散体の製造方法である。 The present invention is a method for producing a CNF-containing carbonate ester dispersion, which is characterized by defibrating a cellulosic raw material in the presence of a carbonate ester having a freezing point of 35° C. or lower.

本発明におけるセルロース系原料とは、セルロースを主体とした材料であれば特に限定はなく、例えば、パルプ、天然セルロース、再生セルロースおよびセルロース原料を機械的処理することで解重合した微細セルロースなどが挙げられる。なお、セルロース系原料として、パルプを原料とする結晶セルロースなどの市販品をそのまま使用することができる。 The cellulosic raw material in the present invention is not particularly limited as long as it is a material mainly composed of cellulose, and includes, for example, pulp, natural cellulose, regenerated cellulose, and fine cellulose depolymerized by mechanical treatment of cellulose raw materials. It will be done. Note that as the cellulose-based raw material, commercially available products such as crystalline cellulose made from pulp can be used as they are.

セルロース系原料の解繊処理に際しては、セルロース系原料を予め精製した後、炭酸エステル中で解繊することが好ましい。予め精製しない場合、セルロース系原料に含まれる不純物が、炭酸エステル中に溶けることで、ジオール化合物とのエステル交換反応を阻害する恐れがある。
セルロース系原料の精製方法は特に限定されないが、以下に示す精製方法が例示される。圧力容器にセルロース系原料と水を仕込んだ後、圧力容器を加熱および加圧し、上澄み液を除去しながら、水の添加と加熱および加圧操作を繰り返した後、ろ過および水洗をして、ケーキ状のセルロースを得た後、減圧乾燥させ、精製したセルロース系原料を得る。
When defibrating a cellulosic raw material, it is preferable to refine the cellulosic raw material in advance and then defibrate it in a carbonate ester. If it is not purified in advance, impurities contained in the cellulosic raw material may dissolve in the carbonate ester, thereby inhibiting the transesterification reaction with the diol compound.
The method for purifying the cellulosic raw material is not particularly limited, but the following purification methods are exemplified. After charging the cellulosic raw material and water into a pressure vessel, the pressure vessel is heated and pressurized, and while removing the supernatant liquid, water is added, heated and pressurized repeatedly, and then filtered and washed with water to form a cake. After obtaining the cellulose, it is dried under reduced pressure to obtain a purified cellulose-based raw material.

本発明におけるセルロース系原料を解繊する装置としては、ボールミル、ビーズミル、ハンマーミル、ロッドミル、ディスクミル、カッターミル、ジェットミル、ウォータージェット装置、石臼式磨砕機、押出成形機、リファイナー、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、高速ホモジナイザー、水中カウンターコリジョン装置等いずれも使用可能であるが、特にウォータージェット装置を使用することが望ましい。 Devices for defibrating cellulose raw materials in the present invention include ball mills, bead mills, hammer mills, rod mills, disk mills, cutter mills, jet mills, water jet devices, stone mill mills, extrusion molding machines, refiners, high-pressure homogenizers, Any of an ultrasonic homogenizer, a high-speed homogenizer, an underwater counter-collision device, etc. can be used, but it is particularly desirable to use a water jet device.

使用する炭酸エステルとしては、ジオール化合物と反応によってPCDを与えることができる環状カーボネート類および鎖状カーボネート類が挙げられる。これらの混合物、あるいは水との混合液の状態で使用することもできる。
環状カーボネート類としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の炭素数2~4のアルキレン基を有するアルキレンカーボネート類が挙げられる。
また、鎖状カーボネート類としては、ジアルキルカーボネートが好ましく、構成するアルキル基の炭素数は1~5個であることが好ましく、特に好ましくは1~4個である。具体例としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ-n-プロピルカーボネート等の対称鎖状アルキルカーボネート類、エチルメチルカーボネート、メチル-n-プロピルカーボネート、エチル-n-プロピルカーボネート等の非対称鎖状アルキルカーボネート類等のジアルキルカーボネートが挙げられる。
Examples of the carbonate esters used include cyclic carbonates and chain carbonates that can give PCD by reaction with a diol compound. A mixture of these or a mixture with water can also be used.
Examples of the cyclic carbonates include alkylene carbonates having an alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate.
Further, as the chain carbonates, dialkyl carbonates are preferred, and the number of carbon atoms in the constituent alkyl groups is preferably 1 to 5, particularly preferably 1 to 4. Specific examples include symmetrical chain alkyl carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and di-n-propyl carbonate, and asymmetric chain alkyl carbonates such as ethylmethyl carbonate, methyl-n-propyl carbonate, and ethyl-n-propyl carbonate. Examples include dialkyl carbonates such as the following.

本発明では、炭酸エステルに分散した状態で、セルロース系原料が解繊処理されるため、例えば、高温・高圧条件で解繊した場合には炭酸エステルの凝固点が上昇して、装置内で凝固する恐れがある。その意味で、炭酸エステルの凝固点は重要であり、凝固点が35℃以下であることが必要である。さらに、より安全な条件で解繊するためには、凝固点が20℃以下であることが好ましく、10℃以下であることがさらに好ましい。 In the present invention, since the cellulose-based raw material is defibrated while being dispersed in carbonate ester, for example, when defibrated under high temperature and high pressure conditions, the freezing point of the carbonate ester rises and it solidifies in the equipment. There is a fear. In this sense, the freezing point of the carbonate ester is important, and it is necessary that the freezing point is 35°C or lower. Furthermore, in order to defibrate under safer conditions, the freezing point is preferably 20°C or lower, more preferably 10°C or lower.

前記凝固点の観点から、炭酸エステルとしては、凝固点が35℃以下の環状カーボネートであることが好ましく、これらの中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートおよびブチレンカーボネートが好ましく、さらに、これらの混合物を用いることも可能で、得られるCNF含有ポリウレタンの物性が優れることから、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合物が特に好ましい。
なお、エチレンカーボネートは単独の凝固点が38℃であるが、プロピレンカーボネート等と混合して凝固点を35℃以下の混合物として使用できる。
エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合物において、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合比としては、質量比率で、1:9~9:1であることが好ましく、2:8~8:2であることがさらに好ましく、3:7~7:3あることが特に好ましい。
From the viewpoint of the freezing point, the carbonate ester is preferably a cyclic carbonate with a freezing point of 35° C. or lower, and among these, ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate are preferable, and mixtures thereof can also be used. A mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate is particularly preferred because the resulting CNF-containing polyurethane has excellent physical properties.
Although ethylene carbonate alone has a freezing point of 38°C, it can be used as a mixture with propylene carbonate or the like to have a freezing point of 35°C or lower.
In the mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate, the mixing ratio of ethylene carbonate and propylene carbonate is preferably 1:9 to 9:1 in terms of mass ratio, and more preferably 2:8 to 8:2. The ratio is preferably 3:7 to 7:3, particularly preferably 3:7 to 7:3.

炭酸エステルの凝固点が35℃以下であれば、使用する解繊機器類への負荷が少なくなるため、解繊機器類の故障が少なく、安定的にセルロース系材料を解繊することができる。また、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合物を用いると、CNF含有炭酸エステル分散体を原料にして、物性に優れたCNF含有ポリウレタンが得られる。 When the freezing point of the carbonate ester is 35° C. or lower, the load on the defibrating equipment used is reduced, so the defibrating equipment is less likely to malfunction, and the cellulose-based material can be stably defibrated. Furthermore, when a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate is used, a CNF-containing polyurethane with excellent physical properties can be obtained using a CNF-containing carbonate ester dispersion as a raw material.

例えば、炭酸エステルとして、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとが5:5である混合物を用いて、パルプ粉砕装置で、セルロース系材料であるパルプの解繊処理を行うことにより、顕微鏡観察において、0.2~1μmを中心とした繊維径で、かつ、10~100μmを中心とした繊維長であるCNF含有炭酸エステルが生成する。 For example, by using a 5:5 mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate as the carbonate ester and defibrating the pulp, which is a cellulose material, in a pulp crusher, microscopic observation shows that 0.2 CNF-containing carbonate ester is produced with a fiber diameter centered around ~1 μm and a fiber length centered around 10-100 μm.

また、本発明の製造方法で得られたCNF炭酸エステル分散体とジオール化合物を反応させて、CNF含有PCD分散体を得ることができる。この場合、CNFには粉砕前のセルロース系原料が含まれていても良い。
CNF含有炭酸エステル分散体を用いて、ジオール化合物との反応により、CNFが分散したPCD分散体を得る方法としては、公知なPCDを製造する方法が適用され、例えば、特開2015-044986号公報および特開2017-025155号公報に記載の方法などが挙げられる。
これら場合、CNF自体は反応に寄与しないので、CNFが含有されていても同様な反応が起こる。
Furthermore, a CNF-containing PCD dispersion can be obtained by reacting the CNF carbonate dispersion obtained by the production method of the present invention with a diol compound. In this case, the CNF may contain a cellulosic raw material before pulverization.
As a method for obtaining a PCD dispersion in which CNF is dispersed by reaction with a diol compound using a CNF-containing carbonate ester dispersion, a known method for producing PCD is applied, for example, as disclosed in JP-A No. 2015-044986. and the method described in JP-A No. 2017-025155.
In these cases, since CNF itself does not contribute to the reaction, a similar reaction occurs even if CNF is contained.

例えば、PCDはエステル交換反応と重縮合反応からなる2段階の反応を経て得ることができる。CNFを含む炭酸エステルとジオール化合物を20:1~1:10のモル比で混合し、常圧または減圧下で100~300℃の温度で反応させ、副生するエチレングリコールおよび未反応のエチレンカーボネートを留出させ、2~10単位の低分子量PCDを得、次いで減圧下で100~300℃で未反応の原料ジオール化合物とエチレンカーボネートを留出させるとともに、低分子量のPCDを重縮合させる。原料ジオール化合物の留出量を加減することによって、所定の分子量のPCDを得ることができる。
なお、2種類以上の原料ジオール化合物を用いてPCDを製造する場合は、留出する原料ジオール化合物の組成をガスクロマトグラフ等で分析することで、PCDの組成比を求めることができ、PCDの組成比は反応中に原料ジオール化合物を追加することで任意の組成比に調整できる。
For example, PCD can be obtained through a two-step reaction consisting of a transesterification reaction and a polycondensation reaction. A carbonic acid ester containing CNF and a diol compound are mixed at a molar ratio of 20:1 to 1:10 and reacted at a temperature of 100 to 300°C under normal pressure or reduced pressure to produce by-produced ethylene glycol and unreacted ethylene carbonate. is distilled off to obtain low molecular weight PCD of 2 to 10 units, and then unreacted raw material diol compound and ethylene carbonate are distilled off at 100 to 300° C. under reduced pressure, and the low molecular weight PCD is polycondensed. PCD with a predetermined molecular weight can be obtained by adjusting the distillation amount of the raw material diol compound.
In addition, when manufacturing PCD using two or more types of raw material diol compounds, the composition ratio of PCD can be determined by analyzing the composition of the raw material diol compounds to be distilled using a gas chromatograph, etc. The ratio can be adjusted to any desired composition ratio by adding a raw material diol compound during the reaction.

例えば、1,6-ヘキサンジオール(以下、HDOという)骨格を有し、分子量が1000のPCDは、以下に示す方法で得ることができる。
精留塔を取り付けた反応装置に、1質量%のCNFを含むエチレンカーボネート/プロピレンカーボネート混合物を400g、HDOを450g、触媒としてテトラブチルチタネートを0.8g仕込み、50torrで徐々に昇温する。絶えず留出があるように内温を160℃~170℃まで上げ、留出が止まった時点で終了する。この第一段の反応では、HDOへのECの付加やECとHDOの間でエステル交換反応が起こり、オリゴマーが生成し、留出物は主としてエチレングリコールである。
次いで、精留塔を取り外し、減圧度を5torr~0torrまで上げ、絶えず留出があるように内温を150℃~185℃へ上げる。留出が止まり、所定の水酸基価に達した時点で終了とする。第二段の反応では、未反応のECやエチレングリコールの留出および低分子量のカーボネートジオール同士の重縮合でHDOが留出し、分子量が増大する。留出物は主としてHDOとなる。
For example, PCD having a 1,6-hexanediol (hereinafter referred to as HDO) skeleton and a molecular weight of 1000 can be obtained by the method shown below.
A reaction apparatus equipped with a rectification column was charged with 400 g of an ethylene carbonate/propylene carbonate mixture containing 1% by mass of CNF, 450 g of HDO, and 0.8 g of tetrabutyl titanate as a catalyst, and the temperature was gradually raised at 50 torr. The internal temperature is raised to 160°C to 170°C so that distillation continues, and the process ends when distillation stops. In this first stage reaction, addition of EC to HDO and transesterification reaction occur between EC and HDO to produce oligomers, and the distillate is mainly ethylene glycol.
Next, the rectifying column is removed, the degree of vacuum is increased to 5 torr to 0 torr, and the internal temperature is raised to 150 to 185° C. so that distillation occurs continuously. The process ends when distillation stops and a predetermined hydroxyl value is reached. In the second stage reaction, unreacted EC and ethylene glycol are distilled off and HDO is distilled out by polycondensation of low molecular weight carbonate diols, thereby increasing the molecular weight. The distillate is mainly HDO.

また、前記反応には、必要に応じて三級アミン触媒や有機金属系触媒等を用いてもよいが、触媒を失活させる工程が不要となり、反応液の着色が低減する利点があることから、無触媒で反応することが好ましい。 In addition, a tertiary amine catalyst, an organometallic catalyst, etc. may be used in the above reaction if necessary, but there is an advantage that the step of deactivating the catalyst is unnecessary and the coloring of the reaction liquid is reduced. , it is preferable to react without a catalyst.

さらに、前記CNF含有PCD分散体とイソシアナート化合物を反応させて、CNF含有のポリウレタンを得ることができる。
前記イソシアナート化合物としては、分子中にイソシアナート基を2個以上有する、例えば、トリレンジイソシアナート、ジフェニルメタンジイソシアナ-ト、キシリレンジイソシアナート、イソホロンジイソシアナート、水添ジフェニルメタンジイソシアナート、水添キシリレンジイソシアナートおよびヘキサメチレンジイソシアナート等を用いることができる。
Furthermore, a CNF-containing polyurethane can be obtained by reacting the CNF-containing PCD dispersion with an isocyanate compound.
The isocyanate compound has two or more isocyanate groups in the molecule, such as tolylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, xylylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, hydrogenated diphenylmethane diisocyanate, Hydrogenated xylylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, and the like can be used.

前記イソシアナート化合物と反応するPCDの水酸基としては、JIS K 1557-1(プラスチック?ポリウレタン原料ポリオール試験方法?第1部:水酸基価の求め方)に準じて求めた水酸基価を用いればよい。PCDの水酸基とイソシアネート化合物のイソシアネート基のモル比([NCO/OH])は一般的に1.0以下であるが、ウレタンプレポリマーを製造する場合は1.0を超えるモル比とするのが好ましい。
例えば、ポリウレタンシートを作製する場合は、PCDとイソシアナート化合物を常温から70℃で混合し、真空脱泡後、必要に応じて触媒を添加して混合後、再度真空脱泡して金型に注型し、40℃~110℃で3時間~12時間加熱硬化させて、ポリウレタンシートを作製する。
As the hydroxyl group of PCD that reacts with the isocyanate compound, the hydroxyl value determined according to JIS K 1557-1 (Plastics? Polyurethane raw material polyol test method? Part 1: How to determine hydroxyl value) may be used. The molar ratio ([NCO/OH]) between the hydroxyl group of PCD and the isocyanate group of the isocyanate compound is generally 1.0 or less, but when producing a urethane prepolymer, it is recommended to set the molar ratio to more than 1.0. preferable.
For example, when producing a polyurethane sheet, PCD and an isocyanate compound are mixed at room temperature to 70°C, and after vacuum defoaming, a catalyst is added as needed and mixed, and then vacuum defoamed again and molded. It is cast and cured by heating at 40°C to 110°C for 3 to 12 hours to produce a polyurethane sheet.

前記CNF含有PCD分散体は、炭酸エステル中でセルロース原料を解砕した分散体または粉体化したCNFを炭酸エステルに分散させた分散体を原料としている。
セルロース原料を水より疎水的な媒体中で解砕した場合、生成するCNFは水中で解砕したCNFよりも疎水的な表面を有し、有機媒体中での分散性に優れることが知られている。
したがって、水より疎水性の炭酸エステル中で解砕して得られたCNFも水中で解砕したCNFより疎水的で、そのため炭酸エステル中での分散性が良好であるとともに、これを原料として製造したPCD中のCNFも分散性が良好であり、更に、CNF含有PCD分散体を原料とするCNF含有ポリウレタン中のCNFの分散性も良好である。
親水的なCNFは一般的に疎水的な樹脂中では凝集や増粘等の課題が生じやすく、期待した特性が発揮されない場合があるが、本発明の製造方法によれば、これらの課題を解消または低減でき、より高機能なポリウレタンを得ることが可能となる
The CNF-containing PCD dispersion is made of a dispersion obtained by crushing a cellulose raw material in a carbonate ester or a dispersion in which powdered CNF is dispersed in a carbonate ester.
It is known that when cellulose raw materials are crushed in a medium that is more hydrophobic than water, the CNF produced has a more hydrophobic surface than CNF crushed in water and has better dispersibility in organic media. There is.
Therefore, CNF obtained by crushing in carbonate ester, which is more hydrophobic than water, is also more hydrophobic than CNF crushed in water, and therefore has better dispersibility in carbonate ester, and can be manufactured using this as a raw material. The dispersibility of CNF in the PCD is also good, and the dispersibility of CNF in the CNF-containing polyurethane made from the CNF-containing PCD dispersion is also good.
Hydrophilic CNF generally tends to cause problems such as aggregation and thickening in hydrophobic resins, and the expected properties may not be exhibited, but the manufacturing method of the present invention solves these problems. or can be reduced, making it possible to obtain polyurethane with higher functionality.

例えば、以下の方法でCNF含有のポリウレタンを製造することができる。
粉体化したCNFを1~5質量%の濃度で自転公転攪拌機により炭酸エステル中に分散させ、その炭酸エステルと1,6-ヘキサンジオール(HDO)との反応から得られた、CNFを含むセルロースが分散したPCDとジシクロヘキシルメタンジイソシアナート(HMDI)を反応させることにより、CNF含有ポリウレタンが製造できる。
ウレタン化を促進する触媒としてジブチルスズジラウレートなどを用いて、PCDとイソシアナートからなる組成物100質量部に対し、0.04質量部の添加量で硬化する。常温で可使時間は約20分であり、得られたポリウレタンは熱可塑性である。CNFを含むセルロースは分子内に多くの水酸基を含んでいるが、硬化を極端に促進または遅延することはなく、触媒の添加量を加減することで硬化時間の調整は可能である。また、CNFを含むセルロースの存在によってゲル化したポリウレタンは生じない。
For example, CNF-containing polyurethane can be produced by the following method.
Cellulose containing CNF obtained by dispersing powdered CNF in a carbonate ester at a concentration of 1 to 5% by mass using a rotation-revolution stirrer and reacting the carbonate ester with 1,6-hexanediol (HDO). CNF-containing polyurethane can be produced by reacting PCD dispersed with dicyclohexylmethane diisocyanate (HMDI).
Using dibutyltin dilaurate or the like as a catalyst for promoting urethanization, curing is carried out in an amount of 0.04 parts by mass relative to 100 parts by mass of a composition consisting of PCD and isocyanate. The pot life is about 20 minutes at room temperature, and the obtained polyurethane is thermoplastic. Although cellulose containing CNF contains many hydroxyl groups in its molecules, it does not extremely accelerate or retard curing, and the curing time can be adjusted by adjusting the amount of catalyst added. Furthermore, gelled polyurethane does not occur due to the presence of cellulose containing CNF.

以下、実施例および比較例により本発明を詳しく説明する。
なお、炭酸エステルの混合物の凝固点は、DSC(装置:DCS Q100TA、Instrument社製)測定により求めた。すなわち、炭酸エステルの混合物を60℃の状態から10℃/minで-80℃まで冷却することで凝固させ、-80℃から10℃/minで80℃まで昇温することで融解させた時の融解熱ピークのトップを凝固点とした。
<実施例1>
セルロース系原料としてパルプ(KCフロックW-100GK)1.0質量%を含むエチレンカーボネート(東亞合成社製)/プロピレンカーボネート(富士フィルム和光純薬社製)=8/2(質量比)混合物(凝固点26℃)を、石臼式磨砕機(スーパーマスコロイダー MKCA6-5Jα、増幸産業社製) で予備粉砕して、1250g(約1L)の分散体を得た。
これを図1に示すウォータージェット装置(スターバーストラボ HJP-25008、スギノマシン社製)に仕込み、ボール衝突型の微粒化チャンバーを用いて200MPaでの連続処理を50回実施することでCNF含有エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート(質量比8/2)分散体720gを得た。
上記解繊中、パルプ解繊装置のプランジャ周りのシールパッキンの破損がなく、安定して運転することができた。得られた分散体中のCNFは、繊維径が0.2~1.0μmの繊維が個々に分離して存在しており、分散性は良好であった。繊維長は10~100μmのものが主として存在していた。図2に実施例1で得られた分散体の顕微鏡写真(400倍)を示す。
The present invention will be explained in detail below using Examples and Comparative Examples.
The freezing point of the carbonate ester mixture was determined by DSC (device: DCS Q100TA, manufactured by Instrument). That is, when a mixture of carbonate esters is solidified by cooling it from 60°C to -80°C at a rate of 10°C/min, and melted by heating it from -80°C to 80°C at a rate of 10°C/min. The top of the heat of fusion peak was taken as the freezing point.
<Example 1>
Ethylene carbonate (manufactured by Toagosei Co., Ltd.)/propylene carbonate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) = 8/2 (mass ratio) mixture (solidification point 26°C) was pre-pulverized using a stone mill type mill (Super Mascolloider MKCA6-5Jα, manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd.) to obtain 1250 g (approximately 1 L) of a dispersion.
This was charged into a water jet device (Starburst Lab HJP-25008, manufactured by Sugino Machine Co., Ltd.) shown in Figure 1, and subjected to continuous treatment 50 times at 200 MPa using a ball collision type atomization chamber to produce CNF-containing ethylene. 720 g of carbonate/propylene carbonate (mass ratio 8/2) dispersion was obtained.
During the defibration process, there was no damage to the seal packing around the plunger of the pulp defibration device, and stable operation was possible. The CNF in the obtained dispersion had good dispersibility, with individual fibers having a fiber diameter of 0.2 to 1.0 μm existing separately. Fibers with a length of 10 to 100 μm were mainly present. FIG. 2 shows a micrograph (400 times magnification) of the dispersion obtained in Example 1.

<実施例2>
炭酸エステルが、エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート(質量比5/5)混合物(凝固点9℃)である以外は、実施例1と同じ方法で実施することでCNF含有エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート(質量比5/5)分散体720gを得た。
上記解繊中、プランジャ周りのシールパッキンの破損がなく、安定して運転できた。得られた分散体中のCNFは繊維径が0.2~1.0μmの繊維が個々に分離して存在しており、分散性は良好であった。繊維長は10~100μmのものが主として存在していた。
<Example 2>
CNF-containing ethylene carbonate/propylene carbonate (mass ratio 5/5) was obtained by carrying out the same method as in Example 1, except that the carbonate ester was a mixture of ethylene carbonate/propylene carbonate (mass ratio 5/5) (freezing point 9°C). 5) 720 g of dispersion was obtained.
During the defibration process, there was no damage to the seal packing around the plunger, and stable operation was possible. The CNF in the obtained dispersion had good dispersibility, with individual fibers having a fiber diameter of 0.2 to 1.0 μm existing separately. Fibers with a length of 10 to 100 μm were mainly present.

<比較例1>
分散媒がエチレンカーボネート単品(エチレンカーボネートが凝固しないように装置仕込時に60℃とした)である以外は、実施例1と同じ方法で実施した。その結果、10パス時点からプランジャ周りのシールパッキンが破損し、そこから液がリークしてしまい、試験を断念せざるを得ない状態となった。
<Comparative example 1>
The same method as in Example 1 was carried out except that the dispersion medium was ethylene carbonate alone (the temperature was set at 60° C. when charging the apparatus to prevent ethylene carbonate from coagulating). As a result, the seal packing around the plunger broke after the 10th pass, and liquid leaked from there, making it necessary to abandon the test.

<実施例3>
実施例1で得られたCNF含有分散体を加圧することで、CNF濃度が2.2質量%まで濃縮された分散体を得た。この分散体232gと、1,5-ペンタンジオール(富士フィルム和光純薬社製)104gと、1,6-ヘキサンジオール(富士フィルム和光純薬社製)118gとを混合し、撹拌しながら加熱を開始した。液温が100℃となった時点に、テトラブチルチタネート(富士フィルム和光純薬社製)0.225gを添加した後、液温を160℃まで上昇させた。
次いで、真空ポンプで内部を40Torrまで減圧し、蒸留を開始した。蒸留が進むにつれ加熱と減圧を進め、液温186℃、圧力0.3Torrとなった時点で蒸留を停止することで、CNF含有PCD141gを得た。蒸留の留分等から、CNF濃度は3.2質量%であり、PCDの分子量は、滴定により730と判明した。
<Example 3>
By pressurizing the CNF-containing dispersion obtained in Example 1, a dispersion with a CNF concentration concentrated to 2.2% by mass was obtained. 232 g of this dispersion, 104 g of 1,5-pentanediol (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and 118 g of 1,6-hexanediol (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed and heated while stirring. It started. When the liquid temperature reached 100°C, 0.225 g of tetrabutyl titanate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and then the liquid temperature was raised to 160°C.
Next, the internal pressure was reduced to 40 Torr using a vacuum pump, and distillation was started. As the distillation progressed, heating and pressure reduction were progressed, and the distillation was stopped when the liquid temperature reached 186° C. and the pressure reached 0.3 Torr, thereby obtaining 141 g of CNF-containing PCD. The CNF concentration was found to be 3.2% by mass from the distillation fraction, and the molecular weight of PCD was determined to be 730 by titration.

<実施例4>
実施例3で得られたCNF含有PCD5.50gと、ジシクロヘキシルメタン4,4'-ジイソシアネート(東京化成社製)2.32gと、ジブチルスズジラウレート(富士フィルム和光純薬社製)5.5mgとを樹脂製カップに入れ、真空遊星撹拌機(V-mini300、EME社製)にて、1000rpmの公転速度でmix6分、うちvacume5分の条件(1分間の自転・公転のあと、5分間の真空引きしながらの自転・公転)で撹拌し、これを35℃で16時間、および60℃で6時間の条件で重合反応させて、CNF含有ポリウレタンを得た(CNF濃度は2.3質量%)。
<Example 4>
5.50 g of CNF-containing PCD obtained in Example 3, 2.32 g of dicyclohexylmethane 4,4'-diisocyanate (manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd.), and 5.5 mg of dibutyltin dilaurate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed into a resin. Place the mixture in a vacuum planetary stirrer (V-mini300, manufactured by EME) for 6 minutes at a revolution speed of 1000 rpm, including 5 minutes for vacuum (after 1 minute of rotation and revolution, 5 minutes of vacuuming). The mixture was stirred with constant rotation and revolution) and polymerized at 35° C. for 16 hours and at 60° C. for 6 hours to obtain a CNF-containing polyurethane (CNF concentration was 2.3% by mass).

実施例4で得られたCNF含有ポリウレタンを0.5cm×7cm×0.2cmの短冊状に切り出したものを、島津オートグラフAG50KNXDplus(島津製作所社製)の引張試験装置で、チャック間距離3cmとし、空気圧によるチャック締め付けを行い、60℃において200mm/minの速度で引っ張ることで引張強度を測定した。
CNF含有ポリウレタンは、CNFを含まないポリウレタン(CNFを含まないエチレンカーボネート/プロピレンカーボネート(質量比8/2)混合物から合成したPCDを用いた以外は実施例4と同じ方法で合成したポリウレタン)に比べて引張強度が向上することが確認された(図3)。また、CNF含有ポリウレタンは引っ張り途中で切れることはなかったが、CNFを含まないポリウレタンは途中で破断した。以上より、実施例1で得られたCNF含有炭酸エステル分散体を原料として製造したポリウレタンについて、CNFによる補強効果が確認された。
The CNF-containing polyurethane obtained in Example 4 was cut into strips of 0.5 cm x 7 cm x 0.2 cm and tested using a Shimadzu Autograph AG50KNXDplus (manufactured by Shimadzu Corporation) tensile testing device with a distance between chucks of 3 cm. The tensile strength was measured by tightening the chuck with air pressure and pulling at a speed of 200 mm/min at 60°C.
The CNF-containing polyurethane was compared to a CNF-free polyurethane (a polyurethane synthesized by the same method as in Example 4 except that PCD synthesized from a CNF-free ethylene carbonate/propylene carbonate (mass ratio 8/2) mixture was used). It was confirmed that the tensile strength was improved (Figure 3). Further, the CNF-containing polyurethane did not break during stretching, but the CNF-free polyurethane did break during stretching. From the above, the reinforcing effect of CNF was confirmed for the polyurethane produced using the CNF-containing carbonate ester dispersion obtained in Example 1 as a raw material.

1:ホッパ、2:送液ポンプ、3:増圧機、4:プランジャ、5:シールパッキン、6:微粒化チャンバー、7:熱交換器、8:回収部 1: Hopper, 2: Liquid pump, 3: Pressure booster, 4: Plunger, 5: Seal packing, 6: Atomization chamber, 7: Heat exchanger, 8: Recovery section

Claims (4)

凝固点が35℃以下の炭酸エステルの存在下、セルロース系原料を解繊することを特徴とするセルロースナノファイバー含有炭酸エステル分散体の製造方法であって、
前記炭酸エステルがエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの混合物であり、前記エチレンカーボネートと前記プロピレンカーボネートとの混合比が、質量比率で、2:8~8:2である、製造方法
A method for producing a carbonate ester dispersion containing cellulose nanofibers, the method comprising defibrating a cellulose-based raw material in the presence of a carbonate ester having a freezing point of 35° C. or lower ,
The production method, wherein the carbonic acid ester is a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate, and the mixing ratio of the ethylene carbonate and the propylene carbonate is 2:8 to 8:2 in terms of mass ratio.
炭酸エステルが環状カーボネートである請求項1に記載のセルロースナノファイバー含有炭酸エステル分散体の製造方法。 The method for producing a carbonate ester dispersion containing cellulose nanofibers according to claim 1, wherein the carbonate ester is a cyclic carbonate. 請求項1又は2に記載の製造方法で得られたセルロースナノファイバー含有炭酸エステル分散体とジオール化合物を反応させることを特徴とするセルロースナノファイバー含有ポリカーボネートジオールの製造方法。 A method for producing a cellulose nanofiber-containing polycarbonate diol, which comprises reacting a cellulose nanofiber-containing carbonate ester dispersion obtained by the production method according to claim 1 or 2 with a diol compound. 請求項3に記載の製造方法で得られたセルロースナノファイバー含有ポリカーボネートジオールとイソシアナート化合物を反応させることを特徴とするセルロースナノファイバー含有ポリウレタンの製造方法。

A method for producing a cellulose nanofiber-containing polyurethane, which comprises reacting the cellulose nanofiber-containing polycarbonate diol obtained by the production method according to claim 3 with an isocyanate compound.

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