纤维素纳米纤维及其制造方法、使用了该纤维素纳米纤维的水分散体以及纤维增强复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在将纤维素纳米纤维分散到水溶性聚合物来制造纤维增强复合材料 时的一种分散性良好的纤维素纳米纤维以及获得该纤维素纳米纤维的方法。另外，本发明 还涉及使用了该纤维素纳米纤维的纤维增强复合材料。
【背景技术】
[0002] 纤维增强复合材料因其高强度且轻量，被广泛应用于飞机、汽车等结构材料、高尔 夫球杆、网球拍等体育用品以及一般产业用途中的成型素材。
[0003] 在现有技术中，纤维素纳米纤维作为纤维增强复合材料的加强材与碳纤维、玻璃 纤维等一起被使用。
[0004]碳纤维和玻璃纤维作为增强纤维具有非常优异的特性，然而被指出在制造过程中 需要大量能源，同时需要矿物、化石燃料为材料，再利用困难且对环境造成的负担较高。
[0005] 而另一方面，纤维素纳米纤维与其他增强纤维相比，不仅能够获得优异的加强效 果，由于其是利用来源于植物、细菌等的纤维素制造的，制造时对环境的负担较小，而且具 有不会像玻璃纤维那样在废弃时残留燃烧残渣等好处。因此，以纤维素纳米纤维为增强纤 维的纤维增强复合材料近年来倍受瞩目。
[0006] 纤维素纳米纤维可以通过利用均质机(homogen i z er)等的机械性剪切(专利文献 1)、利用含有离子液体的溶液进行处理(专利文献2)等几种方法制造而得。
[0007] 将根据上述方法制造的纤维素纳米纤维分散到水中后的水分散体即使在低浓度 下也具有非常高的粘度，对水溶性聚合物的分散性差。因此，高浓度地将纤维素混合到聚合 物、所谓高浓度填充并不容易。所以，被采用有利用修饰基(modifying groups)来化学修饰 纤维素纳米纤维表面的羟基(hydroxyl groups)、通过加入添加剂来提高水溶性聚合物内 的分散性的方法(专利文献2)。
[0008] 另外，还被揭示有以下一种方法(专利文献3):在将低浓度的纤维素纳米纤维的分 散体混合到低浓度的聚合物溶液后，通过进行浓缩来实现达到所需强度。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1:日本特开2000-17592号公报 [0012] 专利文献2:日本特开2011-184816号公报 [0013] 专利文献3:日本特开2011-208293号公报
【发明内容】
[0014] 发明要解决的课题
[0015] 然而，对纤维素纳米纤维进行化学修饰、或者在将低浓度的分散体混合到聚合物 溶液后再实施高浓度浓缩等预处理步骤较为繁杂，因而被寻求一种无需进行这些步骤的纤 维素纳米纤维。
[0016] 因此，虽然通过使用聚合度低且较短的纤维素纳米纤维来实现分散性的改善，但 是存在制造的复合体的强度不高的问题。
[0017] 为了解决上述课题，本发明的课题在于制造一种具有优异的作为加强材的加强效 果的纤维素纳米纤维的特性被维持、无需化学修饰等预处理步骤、对水的分散性良好且能 够使水溶性聚合物以高浓度并分散性良好地含有的纤维素纳米纤维。
[0018] 用于解决课题的方式
[0019] 作为本发明的纤维增强复合材料的增强纤维进行使用的纤维素纳米纤维的特征 在于，其由未修饰的纤维素构成，所述纤维素纳米纤维的平均聚合度是100以上且800以下， 长径比是150以上且2000以下。
[0020] 通过使用本发明的平均聚合度和长径比的纤维素纳米纤维制造纤维增强复合材 料，即使是未修饰的纤维素纳米纤维，也能使水溶性聚合物高浓度且分散性良好地含有该 纤维素纳米纤维，因而能够获得高强度的纤维增强复合材料。
[0021 ] 这里，未修饰是指未利用醚化剂（etherifying agent)、酯化剂（esterifying agent)等对纤维素纳米纤维的羟基进行化学修饰。根据本发明，即使未进行化学修饰，也能 够获得一种对水的分散性良好、并能够使水溶性聚合物以高浓度且分散性良好地含有的纤 维素纳米纤维。所以，本发明能够通过比现有技术步骤少的方式获得一种分散性良好的纤 维素纳米纤维。其结果能够削减制造成本。
[0022] 而且，本发明的纤维素纳米纤维的特征在于，纤维素纳米纤维的平均聚合度是100 以上且500以下。
[0023] 平均聚合度只要是在100以上且500以下的范围内，就能够获得分散性更为良好的 水分散体。
[0024] 另外，本发明的纤维素纳米纤维的特征在于，纤维素纳米纤维的长径比是150以上 且1000以下。
[0025] 纤维素纳米纤维的长径比进一步处于该范围内时，能够获得分散度是95%以上的 分散性更为良好的水分散体。其结果，能够高浓度地填充纤维素纳米纤维。
[0026]另外，本发明的纤维素纳米纤维的特征在于平均纤维径是Inm以上且150nm以下。
[0027] 通过将纤维素纳米纤维设定成上述长径比范围内以及将平均纤维径的范围设定 成Inm以上且150nm以下，能够获得对水溶性聚合物的均匀的分散性。其结果，能够充分地获 得对水溶性聚合物的加强效果，从而能够提高成型品的物理性能。另外，纤维素纳米纤维在 水溶性聚合物中的分散性均匀，因此能够制造透明度高的成型品。
[0028] 另外，纤维增强复合材料的特征在于其通过将所述纤维素纳米纤维分散到水溶性 聚合物中而获得。
[0029]本发明的纤维素纳米纤维如上所述对水的分散性良好，因而能够高浓度且分散性 良好地含有于水溶性聚合物，所以能够获得强度高的纤维增强复合材料。
[0030] 作为本发明的纤维增强复合材料的加强纤维进行使用的纤维素纳米纤维的水分 散体的特征在于，将由未修饰的纤维素构成且平均聚合度是100以上且800以下、长径比是 150以上且2000以下的纤维素纳米纤维分散到水中。
[0031] 本发明者们了解到通过使用具有本发明的平均聚合度和长径比的纤维素纳米纤 维，即使是未修饰的纤维素纳米纤维，对水的分散性也非常良好。
[0032] 而且，本发明的纤维素纳米纤维水分散体的特征在于纤维素纳米纤维的平均聚合 度是100以上且500以下。
[0033] 纤维素纳米纤维的平均聚合度在上述范围内，由此能够获得分散性更高的水分散 体。
[0034] 而且，本发明的纤维素纳米纤维水分散体的特征在于，所述纤维素纳米纤维的长 径比是150以上且1000以下。
[0035] 纤维素纳米纤维的长径比在上述范围内，由此能够获得分散性更高的水分散体。 [0036]另外，本发明的纤维素纳米纤维水分散体的特征在于，纤维素纳米纤维的平均纤 维径是Inm以上且150nm以下。
[0037]通过使用具有上述范围的平均纤维径的纤维素纳米纤维，能够获得对水的分散性 较高的纤维素纳米纤维水分散体，并且，通过使用该纤维素纳米纤维水分散体，能够获得抗 拉强度等机械性特性较高的纤维增强复合材料。
[0038]另外，本发明的纤维增强复合材料的特征在于使用所述纤维素纳米纤维水分散体 制造而得。
[0039] 本发明的纤维素纳米纤维水分散体的分散性较高，因而能够高浓度地填充纤维素 纳米纤维，所以能够获得强度高的纤维增强复合材料。
[0040] 而且，本发明的纤维素纳米纤维的制造方法的特征在于，对纤维素材料至少进行 一次酶处理及/或酸处理以及至少一次机械性剪切处理。
[0041] 通过实施酶处理及/或酸处理以及机械性剪切处理，能够获得下述的纤维素纳米 纤维:将该纤维素纳米纤维制成纤维增强复合材料时的加强增强充分，同时能够使水溶性 聚合物高浓度地且分散性良好地含有该纤维素纳米纤维。
[0042] 附图的简单说明
[0043] 图1是表示纤维素纳米纤维的制造步骤的图。
[0044] 图2是纤维素纳米纤维的光学显微镜照片。
【具体实施方式】
[0045] 以下，举出实施例详细说明本发明。
[0046]只要是来源于木材、棉花、竹、洋麻(kena