JP7378066B2 - Heat ray absorbing material and its manufacturing method, heat ray absorbing film - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 令和1年7月1日発行のセルロース学会第26回年次大会講演要旨集第11~12頁及び119頁にて発表 令和1年7月11日、12日のセルロース学会第26回年次大会にて発表 令和1年10月16日のナノセルロースフォーラム・オープンセミナーにて発表 令和1年11月14日の技術情報協会技術セミナーにて発表Application of
この発明は、熱線を吸収し得る熱線吸収材および熱線吸収材の製造方法、並びに熱線吸収材を含む熱線吸収フィルムに関するものである。 The present invention relates to a heat ray absorbing material capable of absorbing heat rays, a method for producing the heat ray absorbing material, and a heat ray absorbing film containing the heat ray absorbing material.
太陽光線のうち、約4割は赤外線以上の波長領域の光であり、熱的効果が高いため、熱線と呼ばれている。オフィスビルや自動車などの透明性が要求される窓材は熱線を良く透過するので、室内や社内の温度が上昇してしまうことが問題である。そこで、省エネルギー化を図る目的で、窓材に熱線(赤外線以上)を反射または吸収する機能を付与することが検討されている。窓材に熱線を反射または吸収する機能(熱線遮蔽性)を付与する手段としては、例えば、錫ドープ酸化インジウム(ITO)微粒子や、アンチモンドープ酸化錫(ATO)微粒子や、セシウムタングステン酸などを塗布した赤外線吸収フィルムを、窓ガラスに貼着する方法が提案されている。 Approximately 40% of sunlight is in the infrared wavelength range or higher, and is called heat ray because it has a high thermal effect. Window materials that require transparency in office buildings, automobiles, etc. transmit heat rays well, so the problem is that the temperature inside the room or office increases. Therefore, in order to save energy, it is being considered to give window materials the ability to reflect or absorb heat rays (infrared rays and above). As a means of imparting the function of reflecting or absorbing heat rays (heat ray shielding property) to the window material, for example, coating tin-doped indium oxide (ITO) fine particles, antimony-doped tin oxide (ATO) fine particles, cesium tungstic acid, etc. A method has been proposed in which an infrared absorbing film is attached to window glass.
アンチモンやセシウムは、環境に不適な物質であり、インジウムは、レアメタルであるのでコストが高く、いずれも代替材料が切望されている。また、熱線遮蔽性を高めるために、無機微粒子の添加量を増やして日射透過率を下げると、可視光の透過率が低くなり、逆に外光を取り入れるため可視光の透過率を高くすると、日射透過率が上昇し、熱線遮蔽性が低下するという問題がある。 Antimony and cesium are substances that are unsuitable for the environment, and indium is a rare metal and therefore expensive, and alternative materials for both are desperately needed. In addition, in order to improve heat shielding properties, increasing the amount of inorganic fine particles added to lower the solar transmittance will lower the visible light transmittance, and conversely, increasing the visible light transmittance to let in outside light will reduce the solar transmittance. There is a problem that solar transmittance increases and heat ray shielding properties decrease.
本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、環境に対する負荷が低く、かつ低コストである熱線吸収材を提供すると共に、このような熱線吸収材の製造方法を提供し、前記熱線吸収材を用いた熱線吸収フィルムを提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems related to the conventional technology, and has been proposed to suitably solve these problems. It is an object of the present invention to provide a method for producing a heat ray absorbing material, and to provide a heat ray absorbing film using the heat ray absorbing material.
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本発明に係る熱線吸収材は、
繊維幅3nm~1500nmの範囲にある繊維状セルロースから得られた、以下の化学式1に示す硫酸化セルロースナノクリスタルと、
前記硫酸化セルロースナノクリスタルがドーピングされたポリチオフェンと、を含むことを要旨とする。
Sulfated cellulose nanocrystals shown in the following chemical formula 1 obtained from fibrous cellulose having a fiber width in the range of 3 nm to 1500 nm,
The gist is that the sulfated cellulose nanocrystals include doped polythiophene.
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本発明に係る熱線吸収材の製造方法は、
繊維幅3nm~1500nmの範囲にある繊維状セルロースのヒドロキシ基を、スルホン酸基または炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基に置換して、得られる硫酸化セルロースがナノクリスタル状になるまで前記スルホン酸基または前記アルキルスルホン酸基を導入することで、以下の化学式1に示す硫酸化セルロースナノクリスタルを得て、
前記硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとの共存下で、前記チオフェンを重合してポリチオフェンを生成し、該硫酸化セルロースナノクリスタルを前記ポリチオフェンにドーピングして得られることを要旨とする。
The hydroxyl group of fibrous cellulose having a fiber width in the range of 3 nm to 1500 nm is replaced with a sulfonic acid group or an alkylsulfonic acid group having 1 to 6 carbon chains, and the above-mentioned process is performed until the resulting sulfated cellulose becomes nanocrystalline. By introducing a sulfonic acid group or the alkyl sulfonic acid group, sulfated cellulose nanocrystals shown in the following chemical formula 1 are obtained,
The gist is that the thiophene is polymerized in the coexistence of the sulfated cellulose nanocrystals and thiophene to produce polythiophene, and the polythiophene is doped with the sulfated cellulose nanocrystals.
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本発明に係る熱線吸収フィルムは、
本発明に係る熱線吸収材を含むことを要旨とする。
In order to overcome the above problems and achieve the intended purpose, the heat ray absorbing film according to the present invention has the following features:
The gist is to include the heat ray absorbing material according to the present invention.
本発明に係る熱線吸収材によれば、希少な材料を用いていないので、コストを抑えることができると共に、環境に対する負荷を低くすることができる。
本発明に係る熱線吸収材の製造方法によれば、希少な材料を用いることなく低コストで、環境に対する負荷が低い熱線吸収材を得ることができる。
本発明に係る熱線吸収フィルムによれば、熱線吸収材に希少な材料を用いていないので、熱線吸収材のコストを抑えることができると共に、熱線吸収材による環境に対する負荷を低くすることができる。
According to the heat ray absorbing material according to the present invention, since rare materials are not used, costs can be reduced and the load on the environment can be reduced.
According to the method for manufacturing a heat ray absorbing material according to the present invention, a heat ray absorbing material with low environmental impact can be obtained at low cost without using rare materials.
According to the heat ray absorbing film according to the present invention, since rare materials are not used for the heat ray absorbing material, the cost of the heat ray absorbing material can be suppressed, and the load on the environment due to the heat ray absorbing material can be reduced.
(熱線吸収材)
本発明に係る熱線吸収材は、硫酸化セルロースナノクリスタルと、この硫酸化セルロースナノクリスタルがドーピングされたポリチオフェンとを含んでいる。熱線吸収材は、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とポリチオフェン(PT)との複合体(以下、PT/CS複合体と略す場合もある。)であるともいえる。ここで、熱線吸収材の硫酸化セルロースナノクリスタルは、以下の化学式1のように表される。熱線吸収材は、硫酸化セルロースナノクリスタルを骨格として構成されて、ポリチオフェンが硫酸化セルロースナノクリスタルの表面に配向している。本開示に係る熱線吸収材は、可視光の吸収が小さく、近赤外線の吸収が大きく、また、透明性を有しており、熱線吸収材として必要とされる特性を備えている。熱線吸収材は、親水性を有しており、水に分散させることができる。熱線吸収材は、塗膜し易く、高い導電性を付与することが可能である。更に、熱線吸収材は、ポリマーに配合して熱線吸収フィルムとした際に、当該フィルムの機械的強度を向上する機能を有している。本発明に係る熱線吸収材は、アンチモンやセシウムなどの環境に不適な物質を含んでいないので、環境に対する負荷が低く、インジウムなどのレアメタルを使用していないので、低コストで得ることができる。
(heat ray absorbing material)
The heat ray absorbing material according to the present invention includes sulfated cellulose nanocrystals and polythiophene doped with the sulfated cellulose nanocrystals. The heat ray absorbing material can also be said to be a composite of sulfated cellulose nanocrystals (CS) and polythiophene (PT) (hereinafter sometimes abbreviated as PT/CS composite). Here, the sulfated cellulose nanocrystal of the heat ray absorbing material is represented by the following chemical formula 1. The heat ray absorbing material is composed of sulfated cellulose nanocrystals as a skeleton, and polythiophene is oriented on the surface of the sulfated cellulose nanocrystals. The heat ray absorbing material according to the present disclosure has low absorption of visible light, high absorption of near infrared rays, and transparency, and has properties required as a heat ray absorbing material. The heat ray absorbing material has hydrophilicity and can be dispersed in water. Heat ray absorbing materials are easy to coat and can provide high electrical conductivity. Furthermore, the heat ray absorbing material has a function of improving the mechanical strength of the film when it is blended with a polymer to form a heat ray absorbing film. The heat ray absorbing material according to the present invention does not contain substances unsuitable for the environment such as antimony or cesium, so it has a low burden on the environment, and it does not use rare metals such as indium, so it can be obtained at low cost.
熱線吸収材は、例えば、図1に示すように、化学式1のR1、R2、R4およびR5が水素原子であると共に、R3およびR6がスルホン酸基である硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)と、PEDOTとも略されるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)とを複合化したもの(以下、PEDOT/CS複合体という場合がある。)を具体例として挙げることができる。そして、図1に示す熱線吸収材は、例えば、図2に示すような手順で製造することができる。 As shown in FIG. 1, the heat ray absorbing material is, for example, sulfated cellulose nano in which R 1 , R 2 , R 4 and R 5 of chemical formula 1 are hydrogen atoms and R 3 and R 6 are sulfonic acid groups A specific example is a composite of crystal (CS) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene), also abbreviated as PEDOT (hereinafter sometimes referred to as PEDOT/CS composite). . The heat ray absorbing material shown in FIG. 1 can be manufactured, for example, by the procedure shown in FIG. 2.
(熱線吸収材のサイズ)
熱線吸収材は、硫酸化セルロースナノクリスタルに由来する繊維長が、例えば50nm~400nmの範囲にあり、また、硫酸化セルロースナノクリスタルに由来する繊維幅が、例えば1~10nmの範囲にあるナノサイズで形成することができる。このように、熱線吸収材は、ナノサイズであるので、熱線吸収特性を付与する添加剤として、ポリマーなどの様々な材料に添加することができる。熱線吸収材は、ポリマーや溶媒中において凝集せずにナノ分散するので、可視光の透過性を向上させることができる。
(Size of heat ray absorbing material)
The heat ray absorbing material is a nano-sized material in which the fiber length derived from sulfated cellulose nanocrystals is in the range of, for example, 50 nm to 400 nm, and the fiber width derived from the sulfated cellulose nanocrystals is in the range, for example, from 1 to 10 nm. can be formed with. As described above, since the heat ray absorbing material is nano-sized, it can be added to various materials such as polymers as an additive that imparts heat ray absorption properties. Since the heat ray absorbing material is nano-dispersed in a polymer or solvent without agglomerating, it can improve visible light transmittance.
(熱線吸収材の光線の吸収特性)
本発明に係る熱線吸収材は、熱線(赤外線)を吸収して熱線の透過を好適に阻むものであり、熱線(赤外線)のうち、特に800nm~1500nmの近赤外線領域における吸収特性が大きく、800nmより短い可視光領域における吸収特性が小さい。従って、熱線吸収材は、透明性に優れており、熱線吸収材をポリマーなどに添加しても対象の透明性を損なうことなく、可視光の透過により明るさなどを確保することができる一方で、熱線を大幅にカットすることができる。
(Light ray absorption characteristics of heat ray absorbing material)
The heat ray absorbing material according to the present invention absorbs heat rays (infrared rays) and preferably blocks the transmission of heat rays, and among heat rays (infrared rays), the absorption property is particularly large in the near-infrared region of 800 nm to 1500 nm, and in the 800 nm Absorption characteristics in the shorter visible light range are small. Therefore, heat ray absorbing materials have excellent transparency, and even when heat ray absorbing materials are added to polymers, they do not impair the transparency of the object and can ensure brightness by transmitting visible light. , heat rays can be significantly cut.
熱線吸収材は、波長800nmの近赤外光の光量を100とした場合、透過する近赤外光を50%以下まで低下させることが可能であると共に、波長500nmの可視光の光量を100とした場合、透過する可視光を70%以上に保つことが可能である。熱線吸収材は、可視光の最大吸光度を0とした場合、近赤外光の最小吸光度が0.1以上になるように、可視光の透過率と近赤外光の吸光度との関係を設定することが好ましい。 When the amount of near-infrared light with a wavelength of 800 nm is taken as 100, the heat ray absorbing material can reduce the amount of transmitted near-infrared light to 50% or less, and the amount of visible light with a wavelength of 500 nm can be reduced to 100. In this case, it is possible to maintain the transmitted visible light at 70% or more. For the heat ray absorbing material, the relationship between the transmittance of visible light and the absorbance of near-infrared light is set so that when the maximum absorbance of visible light is 0, the minimum absorbance of near-infrared light is 0.1 or more. It is preferable to do so.
(熱線吸収材における硫酸化セルロースナノクリスタルの結晶化度)
熱線吸収材において、化学式1で示される硫酸化セルロースナノクリスタルのセルロースI型結晶化度は、20%~53%の範囲にあることが好ましい。セルロースI型結晶化度が53%以下であると、ドーパントとしてのスルホン酸基または炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基の絶対量を確保することができ、得られた熱線吸収材の熱線吸収特性を向上することができる。また、セルロースI型結晶化度が20%以上であると、セルロースの分子鎖が乱れることを抑えることができる。これにより、ポリチオフェンを得る重合時にチオフェンの配向が揃って、ポリチオフェンの結晶格子が乱れることを防いで、得られた熱線吸収材の熱線吸収特性を向上することができる。従って、ドーパントとしての量とセルロースの結晶性を鑑みた場合、セルロースI型結晶化度が20%~53%の範囲が好適な範囲であると考えられる。
(Crystallinity of sulfated cellulose nanocrystals in heat ray absorbing material)
In the heat ray absorbing material, the cellulose I type crystallinity of the sulfated cellulose nanocrystals represented by Chemical Formula 1 is preferably in the range of 20% to 53%. When the cellulose I type crystallinity is 53% or less, the absolute amount of the sulfonic acid group or the alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon chains as a dopant can be ensured, and the heat ray absorbing material obtained can be Absorption properties can be improved. Further, when the cellulose I type crystallinity is 20% or more, it is possible to suppress disorder of cellulose molecular chains. This makes it possible to align the orientation of thiophene during polymerization to obtain polythiophene, prevent disorder of the crystal lattice of polythiophene, and improve the heat ray absorption properties of the obtained heat ray absorbing material. Therefore, when considering the amount of dopant and the crystallinity of cellulose, it is considered that a suitable range for cellulose type I crystallinity is 20% to 53%.
(硫酸化セルロースナノクリスタルの結晶化度の測定方法)
本開示では、X線回折(XRD)装置を使用し、I200:格子面(200面)の回折強度およびIam:アモルファス部の回折強度の測定結果から、以下の数式1を用いて、硫酸化セルロースナノクリスタルの結晶化度を算出している。
セルロースI型結晶化度(%)=〔(I200-Iam)/I200〕×100 …数式1
ここで、I200は、2θ=22.6°のX線回折強度を示し、Iamは、2θ=18.5°のX線回折強度を示す。
(Method for measuring crystallinity of sulfated cellulose nanocrystals)
In the present disclosure, using an X-ray diffraction (XRD) device, from the measurement results of I 200 : diffraction intensity of the lattice plane (200 plane) and I am : diffraction intensity of the amorphous part, using the following formula 1, sulfuric acid The degree of crystallinity of cellulose nanocrystals is calculated.
Cellulose type I crystallinity (%) = [(I 200 - I am )/I 200 ] x 100...Formula 1
Here, I 200 indicates the X-ray diffraction intensity at 2θ=22.6°, and I am indicates the X-ray diffraction intensity at 2θ=18.5°.
(熱線吸収材における硫酸化セルロースナノクリスタルとポリチオフェンとの比率)
熱線吸収材において、ポリチオフェンと硫酸化セルロースナノクリスタルとの比率は、特に制限されない。熱線吸収材において、ポリチオフェンの比率が高くなる程、熱線吸収特性が高くなるが、熱線吸収材を溶媒やポリマーなどの配合対象へ添加した際の分散性が低下する傾向を示す。これらを勘案した上で、熱線吸収材において、ポリチオフェンや硫酸化セルロースの種類などに応じて、硫酸化セルロースナノクリスタルとポリチオフェンとの比率を適宜設定するとよい。具体的には、ポリチオフェンと硫酸化セルロースナノクリスタルとの質量比として、1:0.5~1:8、好ましくは1:1~1:4が挙げられ、より好ましくは、1:1とするとよい。このような質量比を充足することにより、より優れた熱線吸収特性を備えつつ、溶媒等に対する分散性を良好にできる。
(Ratio of sulfated cellulose nanocrystals and polythiophene in heat ray absorbing material)
In the heat ray absorbing material, the ratio of polythiophene to sulfated cellulose nanocrystals is not particularly limited. In a heat ray absorbing material, the higher the proportion of polythiophene, the higher the heat ray absorption properties, but the dispersibility tends to decrease when the heat ray absorbing material is added to a compounding target such as a solvent or polymer. Taking these into consideration, the ratio of sulfated cellulose nanocrystals to polythiophene may be appropriately set in the heat ray absorbing material depending on the type of polythiophene or sulfated cellulose. Specifically, the mass ratio of polythiophene and sulfated cellulose nanocrystals is 1:0.5 to 1:8, preferably 1:1 to 1:4, and more preferably 1:1. good. By satisfying such a mass ratio, it is possible to have better heat ray absorption characteristics and to have good dispersibility in solvents and the like.
(硫酸化セルロースナノクリスタル)
硫酸化セルロースナノクリスタルは、繊維状セルロース(以下、セルロースナノファイバーということもある。)に、スルホン酸基または炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基を導入してなるものである。硫酸化セルロースナノクリスタルは、以下の化学式1のように示すことができる。以下の説明では、スルホン酸基および炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基を、スルホン酸基等と省略する場合がある。
(Sulfated cellulose nanocrystals)
Sulfated cellulose nanocrystals are made by introducing sulfonic acid groups or alkylsulfonic acid groups having 1 to 6 carbon chains into fibrous cellulose (hereinafter also referred to as cellulose nanofibers). Sulfated cellulose nanocrystals can be represented by the following chemical formula 1. In the following explanation, a sulfonic acid group and an alkylsulfonic acid group having 1 to 6 carbon chains may be abbreviated as a sulfonic acid group, etc.
(硫酸化セルロースナノクリスタルのサイズ)
硫酸化セルロースナノクリスタルにおけるセルロースナノクリスタルとは、ナノファブリルにすることで水素結合が生じて結晶ができているような状態を指し、本開示では、繊維状セルロースを硫酸化することによりセルロースナノクリスタル状としている。硫酸化セルロースナノクリスタルは、その繊維幅が1nm~10nmの範囲にあり、その繊維長が50nm~400nmにある。換言すると、硫酸化セルロースナノクリスタルは、繊維幅および繊維長が前述の範囲になるように、繊維状セルロースの硫酸化を制御して得られるものである。このような硫酸化セルロースナノクリスタルであることで、硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとを共存させてポリチオフェンを重合する際に、硫酸化セルロースナノクリスタル上でのチオフェンの配向を揃えることができる。これにより、硫酸化セルロースナノクリスタル上に形成されたポリチオフェンが適切に繋がり、得られた熱線吸収材の熱線吸収特性を向上することができる。硫酸化セルロースナノクリスタルは、その繊維幅が、2.8nm~8.0nmの範囲にあることが好ましい。硫酸化セルロースナノクリスタルの繊維幅が2.8nm~8.0nmの範囲にあると、得られる熱線吸収材の熱線吸収特性をより向上させることができる。
(Size of sulfated cellulose nanocrystals)
Cellulose nanocrystals in sulfated cellulose nanocrystals refers to a state in which hydrogen bonds occur and crystals are formed by forming nanofabrils, and in this disclosure, cellulose nanocrystals are formed by sulfating fibrous cellulose. The situation is as follows. The sulfated cellulose nanocrystals have a fiber width in the range of 1 nm to 10 nm, and a fiber length in the range of 50 nm to 400 nm. In other words, sulfated cellulose nanocrystals are obtained by controlling the sulfation of fibrous cellulose so that the fiber width and fiber length fall within the above ranges. With such sulfated cellulose nanocrystals, when polythiophene is polymerized by coexisting sulfated cellulose nanocrystals and thiophene, the orientation of thiophene on the sulfated cellulose nanocrystals can be aligned. Thereby, the polythiophene formed on the sulfated cellulose nanocrystals can be appropriately connected, and the heat ray absorption properties of the obtained heat ray absorbing material can be improved. The fiber width of the sulfated cellulose nanocrystals is preferably in the range of 2.8 nm to 8.0 nm. When the fiber width of the sulfated cellulose nanocrystals is in the range of 2.8 nm to 8.0 nm, the heat ray absorption properties of the obtained heat ray absorbing material can be further improved.
(硫酸化セルロースナノクリスタルの結晶化度)
硫酸化セルロースナノクリスタルは、その結晶化度が20~53の範囲にあることが好ましく、より好ましくは27~53の範囲である。換言すると、硫酸化セルロースナノクリスタルは、結晶化度が前述の範囲になるように、繊維状セルロースの硫酸化を制御して得られるものである。このような硫酸化セルロースナノクリスタルであることで、硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとを共存させてポリチオフェンを重合する際に、硫酸化セルロースナノクリスタル上でのチオフェンの配向を揃えることができる。これにより、硫酸化セルロースナノクリスタル上に形成されたポリチオフェンが適切に繋がり、得られた熱線吸収材の熱線吸収特性を向上することができる。
(Crystallinity of sulfated cellulose nanocrystals)
The crystallinity of the sulfated cellulose nanocrystals is preferably in the range of 20 to 53, more preferably in the range of 27 to 53. In other words, sulfated cellulose nanocrystals are obtained by controlling the sulfation of fibrous cellulose so that the degree of crystallinity falls within the above range. With such sulfated cellulose nanocrystals, when polythiophene is polymerized by coexisting sulfated cellulose nanocrystals and thiophene, the orientation of thiophene on the sulfated cellulose nanocrystals can be aligned. Thereby, the polythiophene formed on the sulfated cellulose nanocrystals can be appropriately connected, and the heat ray absorption properties of the obtained heat ray absorbing material can be improved.
セルロースの繊維幅が3nm~1500nmの範囲にあり、セルロースの繊維長が200nm~10000nmであるものは、一般的にセルロースナノファイバーと呼ばれることがある。すなわち、本開示で用いている繊維状セルロースは、セルロースナノファイバーということができる。繊維状セルロース(セルロースナノファイバー)は、その結晶化度が60~70の範囲にあり、硫酸化セルロースナノクリスタルの結晶化度よりも大きい。繊維状セルロースは、セルロースナノクリスタル状よりもナノファブリル化が進むと、その繊維幅が1nm~10nmの範囲で、その繊維長が10nm~300nmの範囲であって、その結晶化度が20よりも小さくなるようなアモルファス状になる。熱線吸収材は、セルロースナノクリスタルであることで、セルロースナノファイバー状またはアモルファス状のセルロースを用いるよりも、熱線吸収特性が著しく向上する。 Cellulose fibers having a fiber width of 3 nm to 1500 nm and a cellulose fiber length of 200 nm to 10,000 nm are generally called cellulose nanofibers. That is, the fibrous cellulose used in the present disclosure can be called cellulose nanofibers. The crystallinity of fibrous cellulose (cellulose nanofibers) is in the range of 60 to 70, which is higher than that of sulfated cellulose nanocrystals. When fibrous cellulose is more nanofabrillated than cellulose nanocrystalline, the fiber width is in the range of 1 nm to 10 nm, the fiber length is in the range of 10 nm to 300 nm, and the crystallinity is more than 20. It becomes amorphous and becomes smaller. By using cellulose nanocrystals as the heat ray absorbing material, the heat ray absorption properties are significantly improved compared to using cellulose nanofibers or amorphous cellulose.
(繊維状セルロース)
繊維状セルロースとしては、例えば、針葉樹および広葉樹等の木材繊維、竹繊維、サトウキビ繊維、種子毛繊維、葉繊維等の天然の植物が含む多糖由来のものを用いることができる。また、繊維状セルロースとしては、海洋性生物であるホヤや海藻などに含まれる多糖由来のもの、または、酢酸菌が糖を原料として生産する多糖由来のものなどを用いることができる。繊維状セルロースは、1種類を単独で用いても、異なる材料に由来する2種類以上を混合して用いても、何れであってもよい。
(fibrous cellulose)
As the fibrous cellulose, for example, those derived from polysaccharides contained in natural plants such as wood fibers such as coniferous and broad-leaved trees, bamboo fibers, sugarcane fibers, seed hair fibers, and leaf fibers can be used. Further, as the fibrous cellulose, those derived from polysaccharides contained in marine organisms such as ascidians and seaweeds, or those derived from polysaccharides produced by acetic acid bacteria using sugars as raw materials, etc. can be used. The fibrous cellulose may be used alone or in combination of two or more types derived from different materials.
繊維状セルロースは、α-セルロース含有率が、60質量%~99質量%の範囲にあるパルプを用いるのが好ましい。繊維状セルロースのα-セルロース含有率が、60質量%以上の範囲にあると、セルロースの持つ高強度・耐熱性・高剛性・高耐熱撃性・高酸素バリア性などの特性を十分に引き出すことができ、また、着色による品質の劣化や熱によるガスの発生などの問題を回避できる。更に、繊維状セルロースのα-セルロース含有率が99%以下の範囲にあると、繊維同士の水素結合による結び付きを解繊して、ナノレベルの繊維状セルロースを得ることが容易になる。 As the fibrous cellulose, it is preferable to use pulp having an α-cellulose content in the range of 60% by mass to 99% by mass. When the α-cellulose content of fibrous cellulose is in the range of 60% by mass or more, the properties of cellulose such as high strength, heat resistance, high rigidity, high heat shock resistance, and high oxygen barrier properties can be fully brought out. In addition, problems such as quality deterioration due to coloring and gas generation due to heat can be avoided. Further, when the α-cellulose content of the fibrous cellulose is in the range of 99% or less, it becomes easy to break down the bonds between the fibers due to hydrogen bonds and obtain nano-level fibrous cellulose.
(繊維状セルロースのサイズ)
繊維状セルロースは、その繊維幅が、3nm~1500nmの範囲にあるものが好ましい。繊維状セルロースの繊維幅が3nm~1500nmの範囲にあると、繊維状セルロースにスルホン酸基または炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基を導入(以下、硫酸化という。)したとき、適度な結晶性を有する硫酸化セルロースナノクリスタルを得ることができる。また、繊維状セルロースの繊維幅が3nm以上であると、完全に分子上に溶解することなく結晶性の繊維として存在する繊維状セルロースを多くすることができる。更に、繊維状セルロースの繊維幅が1500nm以下の範囲にあると、繊維状セルロースにスルホン酸基等を均一に導入し易くなる。
(Size of fibrous cellulose)
The fibrous cellulose preferably has a fiber width in the range of 3 nm to 1500 nm. When the fiber width of the fibrous cellulose is in the range of 3 nm to 1500 nm, when a sulfonic acid group or an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon chains is introduced into the fibrous cellulose (hereinafter referred to as sulfation), a moderate amount of Sulfated cellulose nanocrystals having crystallinity can be obtained. In addition, when the fiber width of the fibrous cellulose is 3 nm or more, it is possible to increase the amount of fibrous cellulose that exists as crystalline fibers without being completely dissolved into molecules. Furthermore, when the fiber width of the fibrous cellulose is within the range of 1500 nm or less, it becomes easier to uniformly introduce sulfonic acid groups and the like into the fibrous cellulose.
繊維状セルロースは、その繊維長が、200nm~10000nmの範囲にあるものが好ましく、より好ましくは500nm~2000nmの範囲である。繊維状セルロースの繊維長が200nm以上にあると、繊維状セルロースを硫酸化したときに結晶性がすぐに低下することを抑えることができると共に、繊維状セルロースの繊維長が10000nm以下にあると、繭玉状によれ難く長い繊維として存在させることができ、繊維状セルロースにスルホン酸基または炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基を均一に導入し易くなる。 The fiber length of the fibrous cellulose is preferably in the range of 200 nm to 10,000 nm, more preferably in the range of 500 nm to 2,000 nm. When the fiber length of the fibrous cellulose is 200 nm or more, it is possible to suppress the crystallinity from immediately decreasing when the fibrous cellulose is sulfated, and when the fiber length of the fibrous cellulose is 10,000 nm or less, It can be made to exist as long fibers that are difficult to curl into a cocoon-like shape, and it becomes easier to uniformly introduce sulfonic acid groups or alkyl sulfonic acid groups having 1 to 6 carbon chains into the fibrous cellulose.
繊維状セルロースが均一に硫酸化されている(硫酸化セルロースナノクリスタルにスルホン酸基等が均一に導入されている)と、熱線吸収材におけるポリチオフェンの配向が揃い、好適な熱線吸収特性が得られる。また、熱線吸収材を、均一なシート状の膜として調製することが容易になる。 When fibrous cellulose is uniformly sulfated (sulfonic acid groups, etc. are uniformly introduced into sulfated cellulose nanocrystals), the orientation of polythiophene in the heat ray absorbing material is aligned, and suitable heat ray absorption properties are obtained. . Moreover, it becomes easy to prepare the heat ray absorbing material as a uniform sheet-like film.
熱線吸収材、硫酸化セルロースナノクリスタルおよび繊維状セルロースについて、その繊維幅および繊維長の測定は、電子顕微鏡を用いて以下のようにして行っている。濃度0.001質量%~0.01質量%の繊維状セルロース等の測定対象の水系懸濁液を調製し、前記懸濁液を、親水化処理したカーボン膜被覆グリッド上にキャストして、透過型電子顕微鏡(TEM)用の観察用試料とする。そして、電子顕微鏡によって、試料を観察することで、測定対象の繊維幅および繊維長を測定する。なお、幅広の繊維を含む場合には、前記懸濁液を、ガラス上にキャストして、走査型電子顕微鏡(SEM)用の観察用試料を作製し、走査型電子顕微鏡によって試料を観察することで、測定対象の繊維幅および繊維長を測定してもよい。 The fiber width and fiber length of the heat ray absorbing material, sulfated cellulose nanocrystals, and fibrous cellulose are measured using an electron microscope as follows. An aqueous suspension of the measurement target such as fibrous cellulose with a concentration of 0.001% by mass to 0.01% by mass is prepared, and the suspension is cast onto a hydrophilic carbon membrane-coated grid to allow permeation. This is used as an observation sample for an electron microscope (TEM). Then, by observing the sample using an electron microscope, the fiber width and fiber length of the measurement target are measured. In addition, when wide fibers are included, the suspension is cast on glass to prepare an observation sample for a scanning electron microscope (SEM), and the sample is observed using a scanning electron microscope. Then, the fiber width and fiber length of the object to be measured may be measured.
(繊維状セルロースの構造)
繊維状セルロースは、以下の化学式2に示す構造式で表すことができる。化学式2に示すように、繊維状セルロースは、セロビオースユニット内に、ヒドロキシ基(水酸基)を6個有するものである。繊維状セルロースとしては、元になる天然セルロースからセルロース分子の構造変化がないものが好ましい。このような分子構造の変化がない繊維状セルロースは、例えば、天然セルロース繊維間の相互作用のみを解裂させるようにナノ微細化を行うことで、得ることができる。なお、化学式2のnは、括弧内の繰り返しを示す。
(Structure of fibrous cellulose)
Fibrous cellulose can be represented by the structural formula shown in
(繊維状セルロースの製造方法)
天然セルロースを解繊して、適度なサイズに調整した繊維状セルロースを得る方法としては、例えば、多糖を高圧水流にて解繊する、特開2005-270891号公報に記載されているような水中対向衝突法(ACC法といわれることもある)が好ましい。水中対向衝突法は、水に懸濁した天然セルロース繊維をチャンバー内で相対する二つのノズルに導入し、これらのノズルから一点に向かって噴射して、天然セルロース繊維を衝突させる手法である。水中対向衝突法によれば、天然微結晶セルロース繊維(例えば、フナセル)の懸濁水を対向衝突させ、その表面をナノフィブリル化させて引き剥がし、キャリアーである水との親和性を向上させることによって、最終的には溶解に近い状態に至らせることが可能である。
(Method for producing fibrous cellulose)
As a method of defibrating natural cellulose to obtain fibrous cellulose adjusted to an appropriate size, for example, polysaccharides are defibrated in a high-pressure water stream, such as in water as described in JP-A No. 2005-270891. The opposing collision method (sometimes referred to as the ACC method) is preferred. The underwater counter-impingement method is a method in which natural cellulose fibers suspended in water are introduced into two nozzles facing each other in a chamber, and the natural cellulose fibers are injected from these nozzles toward a single point to cause the natural cellulose fibers to collide. According to the underwater facing collision method, natural microcrystalline cellulose fibers (e.g., Funacel) are subjected to facing collisions in suspended water to form nanofibrillation on the surface and peel it off, thereby improving its affinity with water as a carrier. , it is possible to finally reach a state close to dissolution.
水中対向衝突法に用いられる装置は、タンク、プランジャ、対向する二つのノズル、必要に応じて熱交換器を備えた液体循環型であり、水中に分散させた微粒子を二つのノズルから噴射して水中で微粒子を対向衝突させる。次いで、熱交換器によって冷却し、タンクに戻す。このように水中対向衝突法は、タンク、プランジャ、チャンバーおよび熱交換器の順に懸濁液が回る循環サイクルを1回の処理回数(パス)とし、前記処理回数を変化させることによって、繊維状セルロースの繊維幅および/または繊維長を、適宜増加ないし減少させることが可能である。例えば、前記処理回数を増加させることにより、繊維状セルロースの繊維幅を減少させることができる。また、例えば、前記処理回数を少なくすることにより、繊維状セルロースの繊維幅を増加させることができる。水中対向衝突法は、処理圧力、処理回数、ノズル径、処理温度などの処理条件を調節することにより、得られる繊維状セルロースの平均繊維幅、平均繊維長、透過率、粘度並びに重合度等を制御することができる。水中対向衝突法は、処理回数を重ねるに従い、処理物の温度が上昇するので、一度衝突処理された後の処理物は、必要に応じ、例えば、4~20℃、または5~15℃に冷却してもよい。また、対向衝突処理装置に、冷却のための設備を組み込むこともで
きる。
The device used for the underwater counter-impingement method is a liquid circulation type equipped with a tank, a plunger, two opposing nozzles, and a heat exchanger if necessary. Colliding particles in opposite directions in water. It is then cooled by a heat exchanger and returned to the tank. In this way, in the underwater facing collision method, one treatment number (pass) is a circulation cycle in which the suspension goes through the tank, plunger, chamber, and heat exchanger in this order, and by changing the number of treatments, fibrous cellulose It is possible to increase or decrease the fiber width and/or fiber length as appropriate. For example, by increasing the number of treatments, the fiber width of fibrous cellulose can be reduced. Further, for example, by reducing the number of times of the treatment, the fiber width of the fibrous cellulose can be increased. The underwater facing collision method can control the average fiber width, average fiber length, permeability, viscosity, degree of polymerization, etc. of the resulting fibrous cellulose by adjusting treatment conditions such as treatment pressure, number of treatments, nozzle diameter, and treatment temperature. can be controlled. In the underwater facing collision method, the temperature of the treated material increases as the number of treatments increases, so after the collision treatment has been performed, the treated material may be cooled to, for example, 4 to 20°C or 5 to 15°C, as necessary. You may. Additionally, cooling equipment can be incorporated into the opposing collision processing device.
水中対向衝突法は、天然セルロース繊維の他には水しか使用せず、繊維間の相互作用のみを解裂させることによってナノ微細化を行うため、セルロース分子の構造変化がなく、解裂に伴う重合度低下を最小限にした状態で繊維状セルロースを得ることが可能であるなど、多くの利点がある。また、水中対向衝突法は、処理圧力、処理回数、ノズル径、処理温度などの処理条件を調節することにより、得られる繊維状セルロースの平均繊維幅、平均繊維長、透過率、粘度並びに重合度等を制御することができる。 The underwater facing collision method uses only water in addition to natural cellulose fibers, and performs nano-fine refinement by only cleavage of interactions between fibers, so there is no structural change in cellulose molecules, and there is no structural change associated with cleavage. It has many advantages, such as being able to obtain fibrous cellulose with minimal reduction in the degree of polymerization. In addition, the underwater facing collision method can improve the average fiber width, average fiber length, permeability, viscosity, and degree of polymerization of the resulting fibrous cellulose by adjusting treatment conditions such as treatment pressure, number of treatments, nozzle diameter, and treatment temperature. etc. can be controlled.
(硫酸化ナノクリスタルの製造方法)
繊維状セルロースにスルホン酸基を導入するには、例えば、クロロスルホン酸、スルファミン酸、ハロゲノスルホン酸等を繊維状セルロースと反応させればよい。また、繊維状セルロースに炭素数1~6のアルキルスルホン酸基を導入するには、例えば、炭素数1~6のハロゲン化アルキルスルホン酸等を繊維状セルロースと反応させればよい。繊維状セルロースを硫酸化する反応において、セルロースI型の結晶化度が、反応時間の経過に伴い低下する。すなわち、繊維状セルロースへのスルホン酸基等の導入量が多くなるにつれて結晶化度が低下する。より具体的には、硫酸化セルロースの結晶状態は、セルロースナノファイバー状からセルロースナノクリスタル状へ変化し、最終的にはアモルファス状となる。これは、以下のように説明される。繊維状セルロースのヒドロキシ基に導入されるスルホン酸基等が増加すると、スルホン酸基等による静電反発力が増加することになる。その静電反発力の増加に伴い、繊維状セルロースが徐々に解繊され、その繊維幅および繊維長が徐々に短くなることによるものである。従って、スルホン酸基等の導入による結晶化度の低下を考慮し、繊維状セルロースの繊維幅および繊維長を選定するとよい。このように、硫酸化セルロースナノクリスタルは、繊維状セルロースのヒドロキシ基をスルホン酸基等に置換して、得られる硫酸化セルロースがナノクリスタル状になるまでスルホン酸基等を導入して得られる。
(Method for producing sulfated nanocrystals)
In order to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose, for example, chlorosulfonic acid, sulfamic acid, halogenosulfonic acid, etc. may be reacted with fibrous cellulose. Further, in order to introduce an alkylsulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms into fibrous cellulose, for example, a halogenated alkylsulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms may be reacted with the fibrous cellulose. In the reaction of sulfating fibrous cellulose, the crystallinity of type I cellulose decreases with the passage of reaction time. That is, as the amount of sulfonic acid groups and the like introduced into fibrous cellulose increases, the degree of crystallinity decreases. More specifically, the crystalline state of sulfated cellulose changes from cellulose nanofiber to cellulose nanocrystal, and finally becomes amorphous. This is explained as follows. As the number of sulfonic acid groups and the like introduced into the hydroxyl groups of fibrous cellulose increases, the electrostatic repulsive force due to the sulfonic acid groups and the like increases. This is because the fibrous cellulose is gradually defibrated as the electrostatic repulsion increases, and the fiber width and fiber length are gradually shortened. Therefore, it is preferable to select the fiber width and fiber length of the fibrous cellulose in consideration of the decrease in crystallinity due to the introduction of sulfonic acid groups and the like. In this way, sulfated cellulose nanocrystals are obtained by substituting hydroxyl groups in fibrous cellulose with sulfonic acid groups, etc., and introducing sulfonic acid groups, etc. until the resulting sulfated cellulose becomes nanocrystalline.
以下、繊維状セルロースにスルホン酸基等を導入するための原料前処理、反応時間、反応温度等の反応条件について説明する。原料前処理として、繊維状セルロースに凍結乾燥を施すとよい。原料となる繊維状セルロースは水分散液であるため、溶媒置換による方法では脱水量が不十分となり、反応効率が向上しないからである。 Hereinafter, reaction conditions such as raw material pretreatment, reaction time, and reaction temperature for introducing sulfonic acid groups and the like into fibrous cellulose will be explained. As a raw material pretreatment, it is preferable to freeze-dry the fibrous cellulose. This is because the fibrous cellulose used as a raw material is an aqueous dispersion, so the amount of water removed by the solvent replacement method is insufficient, and the reaction efficiency is not improved.
スルホン酸基等を導入する前に、原料である繊維状セルロースを分散させた分散液に超音波を0.3Wh~100Wh、好ましくは、0.6Wh~50Whの電力量を照射することが好ましい。超音波が0.3Wh以下であると、凝集した繊維状セルロースを分散することができ、反応効率を向上することができる。また、超音波を100Wh以下の電力量で照射すると繊維状セルロースの構造を破壊することを回避でき、結晶性を維持できるので好ましい。 Before introducing sulfonic acid groups, etc., it is preferable to irradiate the dispersion liquid in which the raw material fibrous cellulose is dispersed with ultrasonic waves at a power amount of 0.3 Wh to 100 Wh, preferably 0.6 Wh to 50 Wh. When the ultrasonic wave is 0.3Wh or less, aggregated fibrous cellulose can be dispersed, and reaction efficiency can be improved. Moreover, it is preferable to irradiate ultrasonic waves with a power amount of 100 Wh or less because it is possible to avoid destroying the structure of fibrous cellulose and maintain crystallinity.
硫酸化セルロースナノクリスタルの製造における反応時間及び反応温度については、繊維状セルロースの凝集を防ぎ、繊維状セルロース上のヒドロキシ基と均一に反応させるために、0℃以上10℃未満において、30秒~6時間の範囲で反応させるとよい。 Regarding the reaction time and reaction temperature in the production of sulfated cellulose nanocrystals, in order to prevent agglomeration of fibrous cellulose and to react uniformly with the hydroxyl groups on fibrous cellulose, the reaction time and temperature should be set at 0°C or higher and lower than 10°C for 30 seconds or more. It is preferable to react for 6 hours.
(ポリチオフェン)
本開示で用いるポリチオフェンは、以下の化学式3で表される繰り返し単位(モノマー単位)を有するものである。
(Polythiophene)
The polythiophene used in the present disclosure has a repeating unit (monomer unit) represented by the following chemical formula 3.
化学式3においてR7およびR8が炭素数1~8のアルキル基である場合、直鎖状または分岐状のいずれであってもよい。なお、アルキル基としては、炭素数が1~6であることが好ましい。
化学式3においてR7およびR8が炭素数1~8のアルコキシ基である場合、直鎖状または分岐状のいずれであってもよい。なお、アルコキシ基としては、炭素数が1~6であることが好ましい。
R7およびR8は連結して炭素数1~8のジオキシアルキレン基を形成している場合、当該ジオキシアルキレン基の炭素数として、好ましくは炭素数1~6、更に好ましくは2~4である。
R7およびR8は連結して3~7員環の脂環式環を形成している場合、当該脂環式環として、好ましくは4~7員環、更に好ましくは5~6員環である。
When R 7 and R 8 in Chemical Formula 3 are alkyl groups having 1 to 8 carbon atoms, they may be linear or branched. Note that the alkyl group preferably has 1 to 6 carbon atoms.
When R 7 and R 8 in Chemical Formula 3 are alkoxy groups having 1 to 8 carbon atoms, they may be either linear or branched. Note that the alkoxy group preferably has 1 to 6 carbon atoms.
When R 7 and R 8 are connected to form a dioxyalkylene group having 1 to 8 carbon atoms, the dioxyalkylene group preferably has 1 to 6 carbon atoms, more preferably 2 to 4 carbon atoms. It is.
When R 7 and R 8 are linked to form a 3- to 7-membered alicyclic ring, the alicyclic ring is preferably a 4- to 7-membered ring, more preferably a 5- to 6-membered ring. be.
ポリチオフェンを形成する化学式3で表される繰り返し単位の数については、特に制限されないが、例えば、2~50程度が挙げられる。この繰り返し数が増えるにつれてポリチオフェンの遮熱性や導電性などの特性が向上する。 The number of repeating units represented by Chemical Formula 3 forming polythiophene is not particularly limited, but may be, for example, about 2 to 50. As the number of repetitions increases, the properties of polythiophene such as heat shielding properties and conductivity improve.
化学式3で表される繰り返し単位を構成するモノマー(チオフェン)は、以下の化学式4で表される。 The monomer (thiophene) constituting the repeating unit represented by Chemical Formula 3 is represented by Chemical Formula 4 below.
化学式4に表すチオフェンとしては、好ましくは、チオフェン骨格の3位および4位に、それぞれ独立に、炭素数1~8のアルキル基および/または炭素数1~8のアルコキシ基が置換した化合物;チオフェン骨格の3位と4位に炭素数1~8のジオキシアルキレン基が形成された3,4-ジ置換チオフェンが挙げられる。より具体的には、3,4-ジアルキルチオフェン、3,4-ジアルコキシチオフェン、3,4-アルキレンジオキシチオフェン等が挙げられる。これらの中でも、3,4-アルキレンジオキシチオフェンが好ましい。 The thiophene represented by the chemical formula 4 is preferably a compound in which the 3- and 4-positions of the thiophene skeleton are each independently substituted with an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms and/or an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms; thiophene Examples include 3,4-disubstituted thiophenes in which dioxyalkylene groups having 1 to 8 carbon atoms are formed at the 3rd and 4th positions of the skeleton. More specific examples include 3,4-dialkylthiophene, 3,4-dialkoxythiophene, and 3,4-alkylenedioxythiophene. Among these, 3,4-alkylenedioxythiophene is preferred.
化学式4に表すチオフェンとしては、例えば、3,4-ジヘキシルチオフェン、3,4-ジエチルチオフェン、3,4-ジプロピルチオフェン、3,4-ジメトキシチオフェン、3,4-ジエトキシチオフェン、3,4-ジプロポキシチオフェン、3,4-ジブトキシチオフェン、3,4-メチレンジオキシチオフェン、3,4-エチレンジオキシチオフェン、3,4-プロピレンジオキシチオフェン等が挙げられる。これらの中でも、3,4-エチレンジオキシチオフェン(以下、EDOTと略す場合がある。)が好ましい。 Examples of the thiophene represented by chemical formula 4 include 3,4-dihexylthiophene, 3,4-diethylthiophene, 3,4-dipropylthiophene, 3,4-dimethoxythiophene, 3,4-diethoxythiophene, 3,4 -dipropoxythiophene, 3,4-dibutoxythiophene, 3,4-methylenedioxythiophene, 3,4-ethylenedioxythiophene, 3,4-propylenedioxythiophene and the like. Among these, 3,4-ethylenedioxythiophene (hereinafter sometimes abbreviated as EDOT) is preferred.
化学式3に表すポリチオフェンの具体例としては、例えば、ポリ(3,4-ジヘキシルチオフェン)、ポリ(3,4-ジエチルチオフェン)、ポリ(3,4-ジプロピルチオフェン)、ポリ(3,4-ジメトキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジエトキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジプロポキシチオフェン)、ポリ(3,4-ジブトキシチオフェン)、ポリ(3,4-メチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3,4-プロピレンジオキシチオフェン)等が挙げられる。これらの中でも、PEDOTとも略されるポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)が好ましい。 Specific examples of polythiophene represented by chemical formula 3 include poly(3,4-dihexylthiophene), poly(3,4-diethylthiophene), poly(3,4-dipropylthiophene), poly(3,4- dimethoxythiophene), poly(3,4-diethoxythiophene), poly(3,4-dipropoxythiophene), poly(3,4-dibutoxythiophene), poly(3,4-methylenedioxythiophene), poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), and the like. Among these, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), also abbreviated as PEDOT, is preferred.
(PT/CS複合体の製造方法)
PT/CS複合体は、硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとの共存下で、チオフェンを重合してポリチオフェンを生成し、硫酸化セルロースナノクリスタルをポリチオフェンにドーピングして得られる。
(Method for manufacturing PT/CS composite)
The PT/CS composite is obtained by polymerizing thiophene to produce polythiophene in the coexistence of sulfated cellulose nanocrystals and thiophene, and doping the sulfated cellulose nanocrystals into polythiophene.
具体的には、PT/CS複合体は、硫酸化セルロースナノクリスタル、溶媒および酸化剤の存在下で、前記化学式4で表されるチオフェンを酸化重合することで製造することができる。例えば、硫酸化セルロースナノクリスタルを溶媒に予め溶解させて作製された溶液に、化学式4で表されるチオフェンと酸化剤を加え、チオフェンを重合させてポリチオフェンを生成することにより、PT/CS複合体が溶液に分散した状態で得られる。得られたPT/CS複合体において、ポリチオフェンと硫酸化セルロースナノクリスタルとの結合態様は、限定的な解釈を望むものではないが、重合反応により生成したポリチオフェンに硫酸化セルロースナノクリスタルのアニオンがドープした状態で複合化されていると考えられる。 Specifically, the PT/CS composite can be produced by oxidative polymerization of thiophene represented by the chemical formula 4 in the presence of sulfated cellulose nanocrystals, a solvent, and an oxidizing agent. For example, thiophene represented by chemical formula 4 and an oxidizing agent are added to a solution prepared by dissolving sulfated cellulose nanocrystals in a solvent in advance, and the thiophene is polymerized to produce polythiophene. is obtained in a state where it is dispersed in a solution. In the obtained PT/CS composite, the bonding mode between the polythiophene and the sulfated cellulose nanocrystals is not intended to be interpreted in a limited manner, but the anion of the sulfated cellulose nanocrystals is doped with the polythiophene produced by the polymerization reaction. It is thought that it is compounded in a state where it is
PT/CS複合体の製造において、原料化合物として使用される化学式4で表されるチオフェンおよび硫酸化セルロースナノクリスタルの使用量については、前述した熱線吸収材におけるポリチオフェンと硫酸化セルロースナノクリスタルとの比率を充足できる範囲に設定することが好ましい。具体的には、アニオン性多糖類100質量部当たり、化学式4で表されるチオフェンが12.5質量部~400質量部の範囲であることが好ましく、より好ましくは25質量部~200質量部の範囲である。 In the production of the PT/CS composite, the amount of thiophene and sulfated cellulose nanocrystals represented by chemical formula 4 used as raw material compounds is determined by the ratio of polythiophene to sulfated cellulose nanocrystals in the heat ray absorbing material described above. It is preferable to set it within a range that can satisfy. Specifically, the amount of thiophene represented by chemical formula 4 is preferably in the range of 12.5 parts by mass to 400 parts by mass, more preferably 25 parts by mass to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of the anionic polysaccharide. range.
PT/CS複合体の製造に使用される酸化剤(重合開始剤という場合がある。)としては、化学式4で表されるチオフェンを酸化重合可能であれば特に制限されないが、例えば、ペルオキソ二硫酸、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、無機酸化第二鉄塩、有機酸化第二鉄塩、過酸化水素、過マンガン酸カリウム、二クロム酸カリウム、過ホウ酸アルカリ塩、硫酸鉄(III)、塩化鉄(III)等を挙げることができる。これらの中でも、ペルオキソ二硫酸、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、硫酸鉄(III)、塩化鉄(III)が好ましい。これらの酸化剤は、1種単独で使用してもよく、また2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The oxidizing agent (sometimes referred to as a polymerization initiator) used in the production of the PT/CS composite is not particularly limited as long as it can oxidatively polymerize thiophene represented by chemical formula 4, but for example, peroxodisulfuric acid , sodium peroxodisulfate, potassium peroxodisulfate, ammonium peroxodisulfate, inorganic ferric oxide salts, organic ferric oxide salts, hydrogen peroxide, potassium permanganate, potassium dichromate, alkali perborate salts, sulfuric acid Examples include iron (III) and iron (III) chloride. Among these, peroxodisulfate, sodium peroxodisulfate, potassium peroxodisulfate, ammonium peroxodisulfate, iron (III) sulfate, and iron (III) chloride are preferred. These oxidizing agents may be used alone or in combination of two or more.
PT/CS複合体の製造において、酸化剤の使用量については、特に制限されないが、例えば、化学式4で表されるチオフェン1モル当たり、0.1当量~5当量の範囲が好ましく、より好ましくは0.3当量~2当量の範囲である。 In the production of the PT/CS composite, the amount of the oxidizing agent used is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 0.1 equivalent to 5 equivalents, more preferably The amount ranges from 0.3 equivalents to 2 equivalents.
PT/CS複合体の製造(ポリチオフェン(PEDOT)の重合)に際して、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)を1としたとき、チオフェンが例えば0.5~9の範囲になるように、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を設定することができる。特に、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を、1:1(硫酸化セルロースナノクリスタル:チオフェン=1:(1<))よりチオフェン(EDOT)を多くすると、近赤外光吸収特性をより向上させることができるので好ましい。そして、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を、1:4(硫酸化セルロースナノクリスタル:チオフェン=1:4)の関係にすることで、更なる近赤外光吸収特性の向上を図ることができるので好ましい。このように、PT/CS複合体の製造(ポリチオフェン(PEDOT)の重合)に際して、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)を1としたとき、チオフェンを1よりも多くすることが好ましく、より好ましくはチオフェンが2~8の範囲になるように、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を設定するとよい。なお、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)に対してチオフェン(EDOT)が過剰になると、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)上でポリチオフェン(PEDOT)が生成され難くなり、チオフェン(EDOT)同士の重合度が低いものが多くなるので、得られた熱線吸収材の近赤外光吸収特性(導電性)が低くなると考えられる。 When producing a PT/CS composite (polymerization of polythiophene (PEDOT)), sulfated cellulose nanocrystals (PEDOT) are added so that when sulfated cellulose nanocrystals (CS) is 1, thiophene is in the range of 0.5 to 9. The molar ratio of crystal (CS) and thiophene (EDOT) can be set. In particular, when polymerizing polythiophene (PEDOT), the molar ratio of sulfated cellulose nanocrystals (CS) and thiophene (EDOT) was changed from 1:1 (sulfated cellulose nanocrystals: thiophene = 1: (1<)) to thiophene. It is preferable to increase the amount of (EDOT) because the near-infrared light absorption characteristics can be further improved. When polymerizing polythiophene (PEDOT), the molar ratio of sulfated cellulose nanocrystals (CS) and thiophene (EDOT) is set to 1:4 (sulfated cellulose nanocrystals: thiophene = 1:4). This is preferable because the near-infrared light absorption characteristics can be further improved. In this way, when producing a PT/CS composite (polymerization of polythiophene (PEDOT)), when the number of sulfated cellulose nanocrystals (CS) is 1, it is preferable to increase the amount of thiophene to more than 1, more preferably thiophene. It is preferable to set the molar ratio of sulfated cellulose nanocrystals (CS) and thiophene (EDOT) so that the ratio is in the range of 2 to 8. Note that when thiophene (EDOT) is in excess of sulfated cellulose nanocrystals (CS), it becomes difficult to generate polythiophene (PEDOT) on sulfated cellulose nanocrystals (CS), and the degree of polymerization between thiophenes (EDOT) decreases. Since many of the materials have a low value, it is thought that the near-infrared light absorption characteristics (electroconductivity) of the obtained heat ray absorbing material become low.
PT/CS複合体の製造(ポリチオフェン(PEDOT)の重合)に際して、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度を、例えば5mol%~92.5mol%の範囲、または5.7mol%~92.5mol%の範囲にすることができる。PT/CS複合体の製造(ポリチオフェン(PEDOT)の重合)に際して、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度を、11.6mol%~46.2mol%の範囲にすることが、近赤外光吸収特性をより向上させることができるので好ましい。なお、重合開始剤が不足すると、ポリチオフェン(PEDOT)の重合が進み難くなり、重合開始剤が多すぎると、ポリチオフェン(PEDOT)の重合度が小さくなる傾向を示す。そして、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)の系外での重合物は、その重合度が非常に小さいものが生成されると考えられる。 During the production of the PT/CS composite (polymerization of polythiophene (PEDOT)), the concentration of the polymerization initiator relative to thiophene (EDOT) is set, for example, in the range of 5 mol% to 92.5 mol%, or 5.7 mol% to 92.5 mol%. can be in the range of When producing a PT/CS composite (polymerization of polythiophene (PEDOT)), it is important to set the concentration of the polymerization initiator to thiophene (EDOT) in the range of 11.6 mol% to 46.2 mol% to improve near-infrared light absorption. This is preferable because the characteristics can be further improved. Note that if the polymerization initiator is insufficient, the polymerization of polythiophene (PEDOT) will be difficult to proceed, and if the polymerization initiator is too large, the degree of polymerization of polythiophene (PEDOT) will tend to decrease. It is thought that a polymer of sulfated cellulose nanocrystals (CS) produced outside the system has a very low degree of polymerization.
PT/CS複合体の製造に使用される溶媒については、硫酸化セルロースナノクリスタルを溶解させることができ、チオフェンの重合反応を行い得るものであればよい。具体的には、水系溶媒が挙げられ、好ましくは水が挙げられる。また、当該溶媒には、メタノール、エタノール等の低級アルコールや、アセトン、アセトニトリル等の極性有機溶媒を水と混合した水系溶媒を用いてもよい。これらの溶媒は、1種単独で使用してもよく、また2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The solvent used for producing the PT/CS composite may be any solvent as long as it can dissolve the sulfated cellulose nanocrystals and carry out the polymerization reaction of thiophene. Specifically, water-based solvents may be used, and water is preferably used. Further, as the solvent, an aqueous solvent obtained by mixing water with a lower alcohol such as methanol or ethanol, or a polar organic solvent such as acetone or acetonitrile may be used. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
PT/CS複合体の製造において、前記溶媒の使用量については、特に制限されないが、例えば、化学式4で表されるチオフェン1モル当たり、1000ml~50000mlの範囲が好ましく、より好ましくは3000ml~30000mlの範囲である。 In the production of the PT/CS composite, the amount of the solvent used is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 1,000 ml to 50,000 ml, more preferably 3,000 ml to 30,000 ml per mole of thiophene represented by chemical formula 4. range.
PT/CS複合体の製造における反応時間及び反応温度については、原料化合物として使用するチオフェンや硫酸化セルロースナノクリスタルの種類、酸化剤の種類等に応じて適宜設定すればよい。PT/CS複合体の製造における反応温度は、例えば、5℃~90℃の範囲が好ましく、より好ましくは10℃~80℃の範囲である。PT/CS複合体の製造における反応時間は、例えば、1時間~96時間の範囲が好ましく、より好ましくは5時間~48時間の範囲である。 The reaction time and reaction temperature in the production of the PT/CS composite may be appropriately set depending on the type of thiophene or sulfated cellulose nanocrystals used as the raw material compound, the type of oxidizing agent, etc. The reaction temperature in producing the PT/CS composite is, for example, preferably in the range of 5°C to 90°C, more preferably in the range of 10°C to 80°C. The reaction time in producing the PT/CS composite is, for example, preferably in the range of 1 hour to 96 hours, more preferably in the range of 5 hours to 48 hours.
前述したように、硫酸化セルロースナノクリスタルの存在下において、化学式4で表されるチオフェンを重合させることにより、PT/CS複合体の分散溶液が得られる。PT/CS複合体は、反応後に得られる分散液の状態で、または必要に応じてPT/CS複合体を分離、精製した後に、熱線吸収フィルムなどへの添加剤として製造に供することができる。 As described above, by polymerizing thiophene represented by Chemical Formula 4 in the presence of sulfated cellulose nanocrystals, a dispersion solution of the PT/CS composite can be obtained. The PT/CS composite can be produced in the form of a dispersion obtained after the reaction, or after separating and purifying the PT/CS composite as necessary, as an additive to a heat-absorbing film or the like.
(PT/CS複合体を用いた熱線吸収フィルム)
PT/CS複合体をポリマー(合成樹脂)に添加することで、PT/CS複合体に由来する優れた熱線吸収特性を備えた熱線吸収フィルムを得ることができる。熱線吸収フィルムのマトリックスであるポリマーとしては、酢酸ビニル-ポリビニルアルコール共重合体、ポリオール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルアルコール-エチレン共重合体、ポリビニルアルコール-ブテンジオール共重合体、ポリエチレン-ビニルアセテート共重合体、セルロースモノアルキレート(炭素鎖数1~18のアルキル基)、セルロースジアルキレート(炭素鎖数1~18のアルキル基)、セルローストリアルキレート(炭素鎖数1~18のアルキル基)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアルキル(炭素鎖数1~18のアルキル基)ア(メタ)クリレート、カルボキシメタルセルロースナトリウム、セルロースアルキルエーテル(炭素鎖数1~18のアルキル基)、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアクリルアミドおよびその誘導体、ポリア(メタ)クリル酸、ポリ塩化ビニル、セルロース、でんぷん、ゼラチン、プルラン、ポリエチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリウレタン、ナイロン-6,6、ナイロン-6、ナイロン-6,10、ポリビニルアルキラール(炭素鎖数1~18のアルキル基)、ポリイミド、シンジオタクチック 1,2-ポリブタジエン、1,4-ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレン-ブタジエン共重合体、ABS樹脂、フェノール樹脂、シロサキンポリマー、シルセスキオキサンなどが挙げられる。
(Heat ray absorption film using PT/CS composite)
By adding a PT/CS composite to a polymer (synthetic resin), a heat ray absorbing film having excellent heat ray absorption properties derived from the PT/CS composite can be obtained. Polymers that are the matrix of the heat ray absorbing film include vinyl acetate-polyvinyl alcohol copolymer, polyol, polypropylene glycol, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl alcohol-ethylene copolymer, polyvinyl alcohol-butene diol copolymer, polyethylene- Vinyl acetate copolymer, cellulose monoalkylate (alkyl group with 1 to 18 carbon chains), cellulose dialkylate (alkyl group with 1 to 18 carbon chains), cellulose trialkylate (alkyl group with 1 to 18 carbon chains) ), polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyalkyl (alkyl group having 1 to 18 carbon chains) a(meth)acrylate, sodium carboxymetal cellulose, cellulose alkyl ether (alkyl group having 1 to 18 carbon chains), polyethylene terephthalate, Polyethylene naphthalate, polyacrylamide and its derivatives, poly(meth)acrylic acid, polyvinyl chloride, cellulose, starch, gelatin, pullulan, polyethylene-vinyl alcohol copolymer, polyurethane, nylon-6,6, nylon-6, nylon -6,10, polyvinylalkyral (alkyl group having 1 to 18 carbon chains), polyimide, syndiotactic 1,2-polybutadiene, 1,4-polybutadiene, polyisoprene, polystyrene-butadiene copolymer, ABS resin, Examples include phenolic resin, silosaquine polymer, and silsesquioxane.
熱線吸収フィルムにおけるPT/CS複合体の配合量は、熱線吸収フィルム中において、0.5%~6%の範囲であることが好ましく、より好ましくは、1%~4%の範囲である。PT/CS複合体の配合量が0.5%以上であると、近赤外線を好適に吸収することができ、6%以下であると、可視光を適度に透過させることができ、熱線吸収特性と可視光の透過性とを両立し得る。熱線吸収フィルムの中において、PT/CS複合体の硫酸化セルロースナノクリスタルが有するスルホン酸基等同士の電荷的反発により、PT/CS複合体がナノ分散させることができる。これにより、熱線吸収フィルムは、分散して存在するPT/CS複合体によって、熱線吸収特性および可視光の透過性を全体として均一にすることができる。また、熱線吸収フィルムは、分散して存在するPT/CS複合体によって、硫酸化セルロースナノクリスタルに由来する機械的強度の向上効果を全体的に発現させることができる。 The amount of the PT/CS composite in the heat-absorbing film is preferably in the range of 0.5% to 6%, more preferably in the range of 1% to 4%. When the amount of the PT/CS composite is 0.5% or more, near-infrared rays can be absorbed well, and when it is 6% or less, visible light can be appropriately transmitted, and heat ray absorption properties are improved. and visible light transparency. In the heat ray absorbing film, the PT/CS composite can be nano-dispersed due to the charge repulsion between the sulfonic acid groups, etc. of the sulfated cellulose nanocrystals of the PT/CS composite. Thereby, the heat ray absorbing film can have uniform heat ray absorption characteristics and visible light transmittance as a whole due to the dispersed PT/CS composite. In addition, the heat ray absorbing film can exhibit the overall mechanical strength improvement effect derived from the sulfated cellulose nanocrystals due to the dispersed PT/CS composite.
(PT/CS複合体を用いた熱線吸収膜)
PT/CS複合体は、優れた製膜性を備えているので、ガラス板などの基板上に製膜することにより、熱線吸収膜として使用することができる。
(Heat ray absorption membrane using PT/CS composite)
Since the PT/CS composite has excellent film forming properties, it can be used as a heat ray absorbing film by forming the film on a substrate such as a glass plate.
具体的には、PT/CS複合体を用いた熱線吸収膜は、PT/CS複合体を含む分散液を基板上の全面または所定形状になるように塗布した後に、乾燥して溶媒を除去することによって製造することができる。乾燥する前に、添加剤として、エタノール、メタノール、エチレングリコール等のヒドロキシ基、ハロゲン基、スルホン基、カルボニル基、アミノ基、イミノ基、カルボキシル基、スルフィド基、ジスルフィド基、スルホニル基、アミド基およびニトリル基からなる群から選択される少なくとも1種の極性基を有する化合物を溶媒に加えると、熱線吸収膜の熱線吸収特性を向上させることができる。なお、添加剤として加える極性基を有する化合物の量は、PT/CS複合体の分散に影響を与えなければ、特に制限されない。 Specifically, a heat ray absorbing film using a PT/CS composite is produced by applying a dispersion containing the PT/CS composite to the entire surface of a substrate or in a predetermined shape, and then drying to remove the solvent. It can be manufactured by Before drying, add hydroxy groups, halogen groups, sulfone groups, carbonyl groups, amino groups, imino groups, carboxyl groups, sulfide groups, disulfide groups, sulfonyl groups, amide groups, etc. to ethanol, methanol, ethylene glycol, etc. as additives. When a compound having at least one polar group selected from the group consisting of nitrile groups is added to the solvent, the heat ray absorption characteristics of the heat ray absorption film can be improved. Note that the amount of the compound having a polar group to be added as an additive is not particularly limited as long as it does not affect the dispersion of the PT/CS composite.
PT/CS複合体を含むポリマーあるいは分散液を基板に塗布する方法については、特に制限されないが、例えば、スプレーコート法、スピンコート法、エアナイフコート法、カーテンコート法、ブレードコート法、デイップコート法、キャスト法、2ロールコート法、ゲートロールプレス法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、グラビア法、ミスト法等の塗布による方法;印刷やインクジェット等のパターニングによる方法等のウェットプロセスが挙げられる。これらの中でも、スピンコート法およびキャスト法が好ましい。 The method of applying the polymer or dispersion containing the PT/CS composite to the substrate is not particularly limited, but examples include spray coating, spin coating, air knife coating, curtain coating, blade coating, and dip coating. , coating methods such as cast method, two-roll coating method, gate roll press method, roll coating method, bar coating method, die coating method, gravure method, and mist method; Wet processes such as printing and patterning methods such as inkjet It will be done. Among these, spin coating and casting are preferred.
乾燥方法については、特に制限されないが、例えば、自然乾燥、加熱乾燥、凍結乾燥、減圧乾燥、熱風乾燥、熱圧乾燥、赤外線乾燥、超臨界乾燥等が挙げられる。乾燥温度は、乾燥方法に応じて適宜設定されるが、例えば、50℃~250℃の範囲が好ましく、より好ましくは60℃~150℃の範囲である。乾燥温度は、さらに好ましくは80℃~120℃の範囲である。乾燥温度を250℃以下に設定することにより、乾燥時にPT/CS複合体の熱線吸収特性が低下するのを効果的に抑制することができる。特にCSの耐熱性から付言すれば150℃が好ましく、さらに120℃以下が好ましい。また乾燥温度を高く設定することにより、乾燥時間および乾燥時の塗膜品質を改善することができる。 The drying method is not particularly limited, and examples thereof include natural drying, heat drying, freeze drying, reduced pressure drying, hot air drying, heat pressure drying, infrared drying, supercritical drying, and the like. The drying temperature is appropriately set depending on the drying method, and is preferably in the range of 50°C to 250°C, more preferably in the range of 60°C to 150°C. The drying temperature is more preferably in the range of 80°C to 120°C. By setting the drying temperature to 250° C. or lower, it is possible to effectively prevent the heat ray absorption properties of the PT/CS composite from deteriorating during drying. In particular, from the viewpoint of heat resistance of CS, 150°C is preferable, and 120°C or less is more preferable. Furthermore, by setting the drying temperature high, the drying time and the quality of the coating film during drying can be improved.
PT/CS複合体の製膜に使用される基板としては、例えば、ガラス板、プラスチックシート、プラスチックフィルム等が挙げられる。プラスチックとしては、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリア(メタ)クリルエステル、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、エポキシ樹脂、塩素系樹脂、シリコン系樹脂、フェノール樹脂およびこれらをブレンドしたもの等が挙げられる。 Examples of the substrate used for forming the PT/CS composite film include a glass plate, a plastic sheet, and a plastic film. Plastics include polyester, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyimide, poly(meth)acrylate, polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, epoxy resin, chlorine resin, silicone resin, phenol resin, and blends of these. can be mentioned.
熱線吸収材における500nmの吸光度を、該熱線吸収材を製膜した熱線吸収膜の厚さ(nm)で割った単位厚さ当たりの吸光度の値を、「可視光の吸収特性比」という。また、熱線吸収材における800nmの吸光度を、該熱線吸収材を製膜した熱線吸収膜の厚さ(nm)で割った単位厚さ当たりの吸光度の値を、「近赤外光の吸収特性比」という。
・可視光の吸収特性比 =500nmの吸光度/熱線吸収膜の厚さ(nm)
・近赤外光の吸収特性比=800nmの吸光度/熱線吸収膜の厚さ(nm)
熱線吸収材における波長500nmでの吸収特性比は、限りなく0に近い値~10までの範囲が、熱線吸収材(熱線吸収膜)が良好な透明性を有することになるから好ましい。また、波長800nmでの吸収特性比は、良好な熱線吸収効果が得られることから、6以上が好ましい。
The absorbance value per unit thickness obtained by dividing the absorbance at 500 nm of the heat ray absorbing material by the thickness (nm) of the heat ray absorbing film made of the heat ray absorbing material is referred to as the "visible light absorption characteristic ratio." In addition, the value of the absorbance per unit thickness, which is obtained by dividing the absorbance at 800 nm of the heat ray absorbing material by the thickness (nm) of the heat ray absorbing film formed from the heat ray absorbing material, is calculated as "Near-infrared light absorption characteristics. It is called “ratio.”
・Visible light absorption characteristic ratio = absorbance at 500 nm/thickness of heat ray absorption film (nm)
・Absorption characteristic ratio of near-infrared light = Absorbance at 800 nm / Thickness of heat ray absorption film (nm)
The absorption characteristic ratio at a wavelength of 500 nm in the heat ray absorbing material is preferably in the range from a value as close to 0 as possible to 10 because the heat ray absorbing material (heat ray absorbing film) has good transparency. Further, the absorption characteristic ratio at a wavelength of 800 nm is preferably 6 or more since a good heat ray absorption effect can be obtained.
本発明の熱線吸収材は、一般的に熱線の吸収効果が必要な分野、例えば、食品、飲料、化粧品、医薬、各種化学用品、製紙、土木、塗料、インキ、農薬、建築、防疫薬剤、電子材料、難燃剤、家庭雑貨、洗浄剤などで使用することができる。具体的には、食品包装剤、飲料用ボトル、日焼け防止剤、熱線防止剤、ゴム・プラスチック用配合材料、塗料用添加剤、接着剤用添加剤、製紙用添加剤などとして使用することができ、それらを構成成分として含むゴム・プラスチック材料、塗料、接着剤、外壁塗装剤、窓用遮熱シート、屋根用遮熱シート、化粧品、お茶栽培用日よけカバーなどに応用できる。また利用する時は紫外線の遮蔽剤や遮蔽シートを併用することで効果を持続させることができる。 The heat ray absorbing material of the present invention is generally applicable to fields where a heat ray absorption effect is required, such as food, beverages, cosmetics, medicine, various chemical supplies, paper manufacturing, civil engineering, paints, inks, agricultural chemicals, architecture, epidemic prevention drugs, and electronics. It can be used in materials, flame retardants, household goods, cleaning agents, etc. Specifically, it can be used as food packaging agents, beverage bottles, sun protection agents, heat ray protection agents, compounding materials for rubber and plastics, additives for paints, additives for adhesives, additives for paper manufacturing, etc. It can be applied to rubber and plastic materials, paints, adhesives, exterior wall coatings, heat-shielding sheets for windows, heat-shielding sheets for roofs, cosmetics, sunshade covers for tea cultivation, etc. that contain them as constituent components. Also, when using it, the effect can be sustained by using a UV shielding agent or a shielding sheet.
次に、本発明に係る熱線吸収材および熱線吸収材の製造方法、並びに熱線吸収材を含む熱線吸収フィルムにつき、実施例を挙げて以下に説明する。 Next, the heat ray absorbing material, the method for producing the heat ray absorbing material, and the heat ray absorbing film containing the heat ray absorbing material according to the present invention will be described below with reference to Examples.
実施例および比較例について、繊維状セルロースの繊維幅および重合度を測定した。また、実施例および比較例について、繊維状セルロースを硫酸化して得られた硫酸化セルロースの結晶化度および硫酸化セルロースにおけるスルホン酸基等の置換度を測定した。そして、実施例および比較例について、光線の吸光度を測定した。なお、比較例では、繊維状セルロースにスルホン酸基等を導入した硫酸化セルロースがナノクリスタル状ではなく、厳密には硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)と呼べないが、比較例においても硫酸化セルロースとポリチオフェン(PEDOT)との複合体をPEDOT/CS複合体と便宜的に指称している。 For Examples and Comparative Examples, the fiber width and degree of polymerization of fibrous cellulose were measured. In addition, for Examples and Comparative Examples, the degree of crystallinity of sulfated cellulose obtained by sulfating fibrous cellulose and the degree of substitution of sulfonic acid groups, etc. in sulfated cellulose were measured. Then, the absorbance of light was measured for Examples and Comparative Examples. In the comparative examples, the sulfated cellulose obtained by introducing sulfonic acid groups into fibrous cellulose is not nanocrystalline and cannot be strictly called sulfated cellulose nanocrystals (CS). A complex of polythiophene (PEDOT) and polythiophene (PEDOT) is conveniently referred to as a PEDOT/CS complex.
(セルロースの繊維幅および繊維長の測定方法)
繊維状セルロースの繊維幅、硫酸化セルロースの繊維幅および繊維長は、電界放出型走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、型番SU8000)、または透過型電子顕微鏡(日本電子(株)製、型番JEM-2000X)を使用して撮影した電子顕微鏡写真により算出した。
(Method for measuring cellulose fiber width and fiber length)
The fiber width of fibrous cellulose, the fiber width and fiber length of sulfated cellulose can be determined using a field emission scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, model number SU8000) or a transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model number SU8000). Calculated from electron micrographs taken using a model number JEM-2000X).
(結晶化度およびスルホン酸基等の置換度の測定方法)
硫酸化セルロースの結晶化度は、X線回折(XRD)装置(株式会社リガク:SmartLab-9KW)を使用し、I200:格子面(200面)の回折強度およびIam:アモルファス部の回折強度の測定結果から、以下の数式1を用いて算出している。
セルロースI型結晶化度(%)=〔(I200-Iam)/I200〕×100 …数式1
ここで、I200は、2θ=22.6°のX線回折強度を示し、Iamは、2θ=18.5°のX線回折強度を示す。
硫酸化セルロースにおけるスルホン酸基等の置換度は、硫酸化セルロースの元素分析の結果により硫酸基の置換度を算出している。
(Method for measuring crystallinity and degree of substitution of sulfonic acid groups, etc.)
The degree of crystallinity of sulfated cellulose is measured using an X-ray diffraction (XRD) device (Rigaku Corporation: SmartLab-9KW), where I 200 is the diffraction intensity of the lattice plane (200 planes) and I am is the diffraction intensity of the amorphous part. It is calculated from the measurement results using Equation 1 below.
Cellulose type I crystallinity (%) = [(I 200 - I am )/I 200 ] x 100...Formula 1
Here, I 200 indicates the X-ray diffraction intensity at 2θ=22.6°, and I am indicates the X-ray diffraction intensity at 2θ=18.5°.
The degree of substitution of sulfonic acid groups, etc. in sulfated cellulose is calculated from the results of elemental analysis of sulfated cellulose.
(吸光度の測定方法)
実施例および比較例の熱線吸収材(PEDOT/CS複合体)をスピンコート法によって製膜し、得られたそれぞれの熱線吸収膜について吸光度測定を行っている。厚さ2mmの平板上に作製した熱線吸収膜の光路長における光線の吸光度を、日本分光(株)製の近赤外分光光度計を用いて、波長300nm~2000nmの範囲で1nm毎に測定した。そして、得られた500nmの吸光度を「可視光の吸光度」とし、800nmの吸光度を「近赤外光の吸光度」としている。500nmの吸光度を熱線吸収膜の厚さ(nm)で割った単位厚さ当たりの吸光度の値を、「可視光の吸収特性比」とし、800nmの吸光度を熱線吸収膜の厚さ(nm)で割った単位厚さ当たりの吸光度の値を、「近赤外光の吸収特性比」としている。
・可視光の吸収特性比 =500nmの吸光度/熱線吸収膜の厚さ(nm)
・近赤外光の吸収特性比=800nmの吸光度/熱線吸収膜の厚さ(nm)
(Method of measuring absorbance)
The heat ray absorbing materials (PEDOT/CS composites) of Examples and Comparative Examples were formed into films by spin coating, and the absorbance was measured for each of the obtained heat ray absorbing films. The absorbance of light at the optical path length of the heat ray absorbing film prepared on a flat plate with a thickness of 2 mm was measured every 1 nm in the wavelength range of 300 nm to 2000 nm using a near-infrared spectrophotometer manufactured by JASCO Corporation. . The obtained absorbance at 500 nm is defined as "absorbance of visible light", and the absorbance at 800 nm is defined as "absorbance of near-infrared light". The value of absorbance per unit thickness obtained by dividing the absorbance at 500 nm by the thickness (nm) of the heat ray absorbing film is defined as the "visible light absorption characteristic ratio", and the absorbance at 800 nm is the thickness (nm) of the heat ray absorbing film. The value of absorbance per unit thickness divided by is defined as the " absorption characteristic ratio of near-infrared light."
・Visible light absorption characteristic ratio = absorbance at 500 nm/thickness of heat ray absorption film (nm)
・Absorption characteristic ratio of near-infrared light = Absorbance at 800 nm / Thickness of heat ray absorption film (nm)
(ACC法による繊維状セルロースの作製)
針葉樹パルプ及び竹パルプを原料とし、処理回数を変え、解繊度合いの異なる繊維状セルロース水分散液1wt%を得た。次いで、繊維状セルロースの重合度を測定した。繊維状セルロース試料固形分0.15gを30mlの0.5M銅エチレンジアミン溶液になるように溶解し、キャノンフェンスケ動粘度管を用いて、25℃で保温した後に、流下時間を測定することで粘度の測定を行った。この繊維状セルロース銅エチレンジアミン溶液の粘度をη、0.5M銅エチレンジアミン溶液の粘度をη0として、次の計算式により重合度を算出した。
極限粘度[η]=(η/η0)/{c(1+A×η/η0)}
(ただしcは、粘度測定時の繊維状セルロース濃度(g/dL)、Aは溶液の種類による固有の値であり、0.5Mの銅エチレンジアミン溶液の場合、A=0.28である。)
重合度DP=[η]/aK
(Kとaは高分子と用いている溶媒の種類によって決まる値であり、銅エチレンジアミンに溶解したセルロースの場合、K=5.7×10-3、a=1である。)
その結果、重合度が、710より大きく900以下の範囲であるものを解繊度「低」とし、570以上で710以下の範囲であるものを解繊度「高」とした。ここで、セルロースの重合度が高くなると共に繊維幅が大きくなることを意味する。
(Production of fibrous cellulose by ACC method)
Using softwood pulp and bamboo pulp as raw materials, the number of treatments was varied to obtain 1 wt% fibrous cellulose aqueous dispersions with different degrees of fibrillation. Next, the degree of polymerization of the fibrous cellulose was measured. Dissolve 0.15 g of fibrous cellulose sample solid content to make 30 ml of 0.5 M copper ethylene diamine solution, and measure the viscosity by measuring the flow time after incubating at 25°C using a Cannon-Fenske kinematic viscosity tube. Measurements were made. The degree of polymerization was calculated using the following formula, where the viscosity of this fibrous cellulose copper ethylene diamine solution was set as η, and the viscosity of the 0.5M copper ethylene diamine solution was set as η0.
Intrinsic viscosity [η] = (η/η0)/{c(1+A×η/η0)}
(However, c is the fibrous cellulose concentration (g/dL) at the time of viscosity measurement, and A is a unique value depending on the type of solution. In the case of a 0.5M copper ethylenediamine solution, A = 0.28.)
Degree of polymerization DP=[η]/aK
(K and a are values determined by the type of polymer and solvent used; in the case of cellulose dissolved in copper ethylenediamine, K = 5.7 × 10 -3 and a = 1.)
As a result, those whose degree of polymerization was in the range of greater than 710 and less than or equal to 900 were defined as "low" defibration degree, and those with a degree of polymerization in the range of greater than or equal to 570 and less than or equal to 710 were defined as "high". Here, it means that the fiber width increases as the degree of polymerization of cellulose increases.
(実施例1)
針葉樹パルプを原料とし、ACC法によって、繊維状セルロース(セルロースナノファイバー)1wt%の分散液を得た。次いで、重合度の測定を3回行ったところ、その平均値が760であることから、実施例1に係る繊維状セルロース(セルロースナノファイバー)の解繊度が「低」であることが確認できる。そして、電子顕微鏡を用いて計測した繊維状セルロースの繊維幅は、4nm~1180nmであった。実施例1の繊維状セルロースは、天然素材であるので値のばらつきがあるが、分子量は約123,000である(中越パルプ工業(株)、NB-B)。
(Example 1)
Using softwood pulp as a raw material, a 1 wt % dispersion of fibrous cellulose (cellulose nanofibers) was obtained by the ACC method. Next, the degree of polymerization was measured three times, and the average value was 760, which confirms that the degree of fibrillation of the fibrous cellulose (cellulose nanofiber) according to Example 1 is "low". The fiber width of the fibrous cellulose measured using an electron microscope was 4 nm to 1180 nm. The fibrous cellulose of Example 1 has a molecular weight of about 123,000 (Chuetsu Pulp Kogyo Co., Ltd., NB-B), although its value varies because it is a natural material.
得られた繊維状セルロース2.00gを、200mlのN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、室温にて14時間以上かき混ぜた。次に、水浴の温度を10℃にし、内部超音波を2分間照射した後、窒素通気下にて、クロロスルホン酸3.6mlを徐々に滴下し、混合した。クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、50分かけてクロロスルホン酸を滴下して混合した。次いで、反応液15mlを酢酸ナトリウムの飽和エタノール溶液150mlに注ぎ、再沈殿させ、沈殿物を酢酸ナトリウムの飽和エタノール溶液で一回洗浄し、エタノールで上澄み液が中性となるまで洗浄した。沈殿物を水に溶解し、透析を行った後、水溶液の状態で回収し、スルホン酸基等の置換度および得られた硫酸化セルロースの結晶化度の測定を行った。なお、実施例1において硫酸化して得られた硫酸化セルロースは、ナノクリスタル状になっており、実施例1は、硫酸化セルロースナノクリスタルを用いているといえる。 2.00 g of the obtained fibrous cellulose was added to 200 ml of N,N-dimethylformamide (DMF) and stirred at room temperature for over 14 hours. Next, the temperature of the water bath was set to 10° C., and after internal ultrasonic waves were irradiated for 2 minutes, 3.6 ml of chlorosulfonic acid was gradually added dropwise under nitrogen aeration and mixed. The reaction was started when the chlorosulfonic acid was added dropwise, and the chlorosulfonic acid was added dropwise over 50 minutes and mixed. Next, 15 ml of the reaction solution was poured into 150 ml of a saturated ethanol solution of sodium acetate to cause reprecipitation, and the precipitate was washed once with a saturated ethanol solution of sodium acetate, and then washed with ethanol until the supernatant liquid became neutral. After dissolving the precipitate in water and performing dialysis, it was recovered in the form of an aqueous solution, and the degree of substitution of sulfonic acid groups and the like and the degree of crystallinity of the obtained sulfated cellulose were measured. Note that the sulfated cellulose obtained by sulfation in Example 1 is in the form of nanocrystals, and it can be said that Example 1 uses sulfated cellulose nanocrystals.
実施例1の硫酸化セルロースの水分散液を0.2wt%で50mlに調製し、濃塩酸を加えて酸性にした。次いで、チオフェンモノマーとして、3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOTという。)を0.10g加えた後、内部超音波を5分間照射し、EDOTを分散させた。次いで、重合開始剤のペルオキソ二硫酸カリウム0.19g、1.4mg/mlの硫酸鉄(III)・n水和物水溶液を0.5ml加えた。室温で24時間かき混ぜ、透析膜で72時間以上透析を行った。溶媒には水を用い、エバポレータにより乾固させた後、水に再分散することにより固形分を0.60wt%に調製し、実施例1に係るPEDOT/CS複合体(熱線吸収材)の水分散液を得た。 The aqueous dispersion of sulfated cellulose of Example 1 was prepared to 50 ml at 0.2 wt%, and concentrated hydrochloric acid was added to make it acidic. Next, 0.10 g of 3,4-ethylenedioxythiophene (referred to as EDOT) as a thiophene monomer was added, and internal ultrasound was applied for 5 minutes to disperse EDOT. Next, 0.19 g of potassium peroxodisulfate as a polymerization initiator and 0.5 ml of a 1.4 mg/ml iron (III) sulfate n-hydrate aqueous solution were added. The mixture was stirred at room temperature for 24 hours and dialyzed using a dialysis membrane for over 72 hours. Water was used as the solvent, and after drying with an evaporator, the solid content was adjusted to 0.60 wt% by redispersing it in water. A dispersion was obtained.
溶媒としての水に分散した実施例1のPEDOT/CS複合体(熱線吸収材)を、スピンコート法によってガラス基板上に製膜し、乾燥して溶媒を除去することで実施例1に係る熱線吸収材からなる熱線吸収膜を得た。 The PEDOT/CS composite (heat ray absorbing material) of Example 1 dispersed in water as a solvent was formed into a film on a glass substrate by a spin coating method, and the solvent was removed by drying. A heat ray absorbing film made of an absorbing material was obtained.
(実施例2~7)
実施例2は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を60分とした以外は、実施例1と同様である。
実施例3は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を120分とした以外は、実施例1と同様である。
実施例4は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を180分とした以外は、実施例1と同様である。
実施例5は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を270分とした以外は、実施例1と同様である。
実施例6は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を300分とした以外は、実施例1と同様である。
実施例7は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を360分とした以外は、実施例1と同様である。
なお、実施例2~7において硫酸化して得られた硫酸化セルロースは、ナノクリスタル状になっており、実施例2~7は、硫酸化セルロースナノクリスタルを用いているといえる。
(Examples 2 to 7)
Example 2 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 60 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Example 3 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 120 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Example 4 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 180 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Example 5 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 270 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Example 6 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 300 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Example 7 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 360 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Note that the sulfated cellulose obtained by sulfation in Examples 2 to 7 is in the form of nanocrystals, and it can be said that Examples 2 to 7 use sulfated cellulose nanocrystals.
(比較例1~2)
比較例1は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を10分とした以外は、実施例1と同様である。
比較例2は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を20分とした以外は、実施例1と同様である。
比較例1および2において硫酸化して得られた硫酸化セルロースは、ナノファイバー状であり、実施例1~7と異なり、硫酸化セルロースナノクリスタルとはいえない。
(Comparative Examples 1-2)
Comparative Example 1 was the same as Example 1, except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid, and the sulfation time was 10 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
Comparative Example 2 was the same as Example 1 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 20 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is.
The sulfated cellulose obtained by sulfation in Comparative Examples 1 and 2 is in the form of nanofibers, and unlike Examples 1 to 7, it cannot be said to be sulfated cellulose nanocrystals.
実施例1~7における各測定結果を、以下の表1に示す。また、比較例1~2における各測定結果を、以下の表2に示す。熱線吸収材の良否判定は、500nm吸収特性比が800nm吸収特性比よりも小さく、かつ、500nm吸収特性比が10以下であると共に、800nm吸収特性比が6以上であるときを「〇」と判定する。また、500nm吸収特性比が10より大きい場合、または800nm吸収特性比が6より小さい場合の何れかあるいは両方を満たすときを、「×」と判定する。波長500nmでの吸収特性比は、限りなく0に近い値~10までの範囲が、熱線吸収膜が良好な透明性を有することになるから好ましい。また、波長800nmでの吸収特性比は、良好な熱線吸収効果を得られることから、6以上が好ましい。 The measurement results in Examples 1 to 7 are shown in Table 1 below. Further, the measurement results for Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 2 below. The quality of the heat ray absorbing material is determined as "〇" when the 500 nm absorption characteristic ratio is smaller than the 800 nm absorption characteristic ratio, and the 500 nm absorption characteristic ratio is 10 or less, and the 800 nm absorption characteristic ratio is 6 or more. do. In addition, if either or both of the 500 nm absorption characteristic ratio is larger than 10 or the 800 nm absorption characteristic ratio is smaller than 6 is satisfied, it is determined as "×". The absorption characteristic ratio at a wavelength of 500 nm is preferably in the range from a value extremely close to 0 to 10 because the heat ray absorbing film has good transparency. Further, the absorption characteristic ratio at a wavelength of 800 nm is preferably 6 or more since a good heat ray absorption effect can be obtained.
表1の結果より、結晶化度53%以下のナノクリスタル状の硫酸化セルロースを使用した実施例1~7については、可視光の吸収を抑えたもとで近赤外光の吸収が多く、優れた近赤外光吸収特性と可視光の透過性とを両立していることが確認できた。これに対して、表2に示すように、結晶化度53%より大きいナノファイバー状の硫酸化セルロースである比較例1および2は、可視光の吸収特性比が14以上であることが示すように、可視光領域の吸収が非常に大きくなり、透明なことが求められる熱線吸収膜として、好ましくない。このように、ドーパントとして、ナノクリスタル状の硫酸化セルロースを使用した熱線吸収材は、近赤外光の透過率の低減効果が高く、塗膜性が向上し、透明性に優れた安定した膜を作製することが可能である。 From the results in Table 1, Examples 1 to 7 using nanocrystalline sulfated cellulose with a crystallinity of 53% or less showed excellent absorption of near-infrared light while suppressing absorption of visible light. It was confirmed that both near-infrared light absorption characteristics and visible light transparency were achieved. On the other hand, as shown in Table 2, Comparative Examples 1 and 2, which are nanofiber sulfated cellulose with a crystallinity of more than 53%, have a visible light absorption characteristic ratio of 14 or more. Furthermore, absorption in the visible light region becomes extremely large, making it undesirable for use as a heat ray absorbing film that is required to be transparent. In this way, a heat ray absorbing material using nanocrystalline sulfated cellulose as a dopant has a high effect of reducing transmittance of near-infrared light, improves coating properties, and produces a stable film with excellent transparency. It is possible to create
(実施例8~10)
実施例8では、針葉樹パルプを原料とし、ACC法によって、得られた高解繊度の繊維状セルロース(セルロースナノファイバー)1wt%の分散液を得た。次いで、重合度の測定を3回行ったところ、その平均値は、580であることから、得られた繊維状セルロースの解繊度が「高」であることが確認できる。実施例8の繊維状セルロースは、天然素材であるので値のばらつきがあるが、分子量は約95,000である(中越パルプ工業(株)、NB-C)。次いで、これを原料とし、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、30分とした以外は、実施例1と同様にして、硫酸化セルロース、PEDOT/CS複合体および熱線吸収膜を作製した。
実施例9は、実施例8で得られた繊維状セルロース分散液を原料とした以外は、実施例2と同様(硫酸化時間60分)である。
実施例10は、実施例8で得られた繊維状セルロース分散液を原料とした以外は、実施例4と同様(硫酸化時間180分)である。
(Examples 8 to 10)
In Example 8, a 1 wt % dispersion of fibrous cellulose (cellulose nanofiber) with a high degree of defibration was obtained using softwood pulp as a raw material by the ACC method. Next, the degree of polymerization was measured three times, and the average value was 580, which confirms that the degree of defibration of the obtained fibrous cellulose is "high." The fibrous cellulose of Example 8 has a molecular weight of about 95,000 (NB-C, Chuetsu Pulp Kogyo Co., Ltd.), although its value varies because it is a natural material. Next, using this as a raw material, sulfated cellulose, a PEDOT/CS composite, and a heat ray absorbing membrane were produced in the same manner as in Example 1, except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid for 30 minutes.
Example 9 was the same as Example 2 (
Example 10 was the same as Example 4 (sulfation time 180 minutes) except that the fibrous cellulose dispersion obtained in Example 8 was used as a raw material.
実施例8~10における各測定結果を、以下の表3に示す。 The measurement results in Examples 8 to 10 are shown in Table 3 below.
表3の結果から、繊維状セルロースが高解繊度(NB-C)である実施例8~10であっても、繊維状セルロースが高解繊度(NB-B)である実施例1~実施例7と同様に、優れた近赤外光吸収特性と可視光の透過性とを両立していることが確認できる。 From the results in Table 3, even in Examples 8 to 10 where the fibrous cellulose has a high degree of fibrillation (NB-C), Examples 1 to 10 where the fibrous cellulose has a high degree of fibrillation (NB-B) Similarly to No. 7, it can be confirmed that both excellent near-infrared light absorption characteristics and visible light transmittance are achieved.
(竹パルプを原料としたPEDOT/CS複合体)
(実施例11~13)
竹パルプを原料とし、ACC法によって、繊維状セルロース(セルロースナノファイバー)1wt%の分散液を得た。次いで、重合度の測定を3回行ったところ、その平均値は、580であることから、実施例11~13に係る繊維状セルロース(セルロースナノファイバー)の解繊度が「高」であることを確認した。そして、電子顕微鏡を用いて計測した繊維状セルロースの繊維幅は、4nm~1180nmであり、繊維長が100000nm以上であった。実施例11~13で用いた繊維状セルロースは、天然素材であるので値のばらつきがあるが、分子量が約95,000である(中越パルプ工業(株)、BB-C)。
(PEDOT/CS composite made from bamboo pulp)
(Examples 11 to 13)
Using bamboo pulp as a raw material, a 1 wt % dispersion of fibrous cellulose (cellulose nanofibers) was obtained by the ACC method. Next, the degree of polymerization was measured three times, and the average value was 580, which indicates that the degree of fibrillation of the fibrous cellulose (cellulose nanofiber) according to Examples 11 to 13 is "high". confirmed. The fiber width of the fibrous cellulose measured using an electron microscope was 4 nm to 1180 nm, and the fiber length was 100000 nm or more. The fibrous cellulose used in Examples 11 to 13 has a molecular weight of about 95,000 (BB-C, Chuetsu Pulp Kogyo Co., Ltd.), although its value varies because it is a natural material.
得られた繊維状セルロース2.00gを、200mlのN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、室温にて14時間以上かき混ぜた。次に、水浴の温度を10℃にし、内部超音波を2分間照射した後、窒素通気下にて、クロロスルホン酸3.6mlを徐々に滴下し、混合した。クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、実施例11では120分、実施例12では360分、実施例13では480分かけてクロロスルホン酸を滴下して混合した。次いで、反応液15mlを酢酸ナトリウムの飽和エタノール溶液150mlに注ぎ、再沈殿させ、沈殿物を酢酸ナトリウムの飽和エタノール溶液で一回洗浄し、エタノールで上澄み液が中性となるまで洗浄した。沈殿物を水に溶解し、透析を行った後、水溶液の状態で回収し、スルホン酸基等の置換度および得られた硫酸化セルロースの結晶化度の測定を行った。なお、実施例11~13において硫酸化して得られた硫酸化セルロースは、ナノクリスタル状になっており、実施例11~13は、硫酸化セルロースナノクリスタルを用いているといえる。 2.00 g of the obtained fibrous cellulose was added to 200 ml of N,N-dimethylformamide (DMF) and stirred at room temperature for over 14 hours. Next, the temperature of the water bath was set to 10° C., and after internal ultrasonic waves were irradiated for 2 minutes, 3.6 ml of chlorosulfonic acid was gradually added dropwise under nitrogen aeration and mixed. The reaction was started when the chlorosulfonic acid was added dropwise, and the chlorosulfonic acid was added dropwise and mixed over a period of 120 minutes in Example 11, 360 minutes in Example 12, and 480 minutes in Example 13. Next, 15 ml of the reaction solution was poured into 150 ml of a saturated ethanol solution of sodium acetate to cause reprecipitation, and the precipitate was washed once with a saturated ethanol solution of sodium acetate, and then washed with ethanol until the supernatant liquid became neutral. After dissolving the precipitate in water and performing dialysis, it was recovered in the form of an aqueous solution, and the degree of substitution of sulfonic acid groups and the like and the degree of crystallinity of the obtained sulfated cellulose were measured. Note that the sulfated cellulose obtained by sulfation in Examples 11 to 13 was in the form of nanocrystals, and it can be said that Examples 11 to 13 used sulfated cellulose nanocrystals.
次に、実施例11~13の硫酸化セルロースの水分散液を0.2wt%で50mlに調製し、濃塩酸を加えて酸性にした。次いで、チオフェンモノマーとして、3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOTという。)を0.10g加えた後、内部超音波を5分間照射し、EDOTを分散させた。次いで、重合開始剤のペルオキソ二硫酸カリウム0.19g、1.4mg/mlの硫酸鉄(III)・n水和物水溶液を0.5ml加えた。室温で24時間かき混ぜ、透析膜で72時間以上透析を行った。溶媒には水を用い、エバポレータにより乾固させた後、水に再分散することにより固形分を0.60wt%に調製し、実施例11~実施例13に係るPEDOT/CS複合体(熱線吸収材)の水分散液を得た。 Next, the aqueous dispersions of sulfated cellulose of Examples 11 to 13 were prepared at 0.2 wt% to 50 ml, and concentrated hydrochloric acid was added to make them acidic. Next, 0.10 g of 3,4-ethylenedioxythiophene (referred to as EDOT) as a thiophene monomer was added, and internal ultrasound was applied for 5 minutes to disperse EDOT. Next, 0.19 g of potassium peroxodisulfate as a polymerization initiator and 0.5 ml of a 1.4 mg/ml iron (III) sulfate n-hydrate aqueous solution were added. The mixture was stirred at room temperature for 24 hours and dialyzed using a dialysis membrane for over 72 hours. Water was used as the solvent, and after drying with an evaporator, the solid content was adjusted to 0.60 wt% by redispersing it in water. An aqueous dispersion of material) was obtained.
溶媒としての水に分散した実施例11~13のPEDOT/CS複合体(熱線吸収材)を、スピンコート法によってガラス基板上に製膜し、乾燥して溶媒を除去することで実施例11~13に係る熱線吸収材からなる熱線吸収膜を得た。実施例11~13における各測定結果を、上記の表3に示す。 The PEDOT/CS composites (heat ray absorbing material) of Examples 11 to 13 dispersed in water as a solvent were formed into a film on a glass substrate by spin coating, and the solvent was removed by drying. A heat ray absorbing film made of the heat ray absorbing material according to No. 13 was obtained. The measurement results in Examples 11 to 13 are shown in Table 3 above.
(比較例3)
比較例3は、クロロスルホン酸の滴下開始を反応開始として、繊維状セルロースにスルホン酸基を導入して硫酸化セルロースを得るための硫酸化時間を1440分とした以外は、実施例11と同様である。比較例3において硫酸化して得られた硫酸化セルロースは、アモルファス状であり、実施例11~13と異なり、硫酸化セルロースナノクリスタルとはいえない。
(Comparative example 3)
Comparative Example 3 was the same as Example 11 except that the reaction was started at the start of dropping chlorosulfonic acid and the sulfation time was 1440 minutes to introduce sulfonic acid groups into fibrous cellulose to obtain sulfated cellulose. It is. The sulfated cellulose obtained by sulfation in Comparative Example 3 is amorphous, and unlike Examples 11 to 13, it cannot be said to be sulfated cellulose nanocrystals.
(比較例4)
ポリスチレンスルホン酸をドープしたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(以下、PEDOT/PSSという)について、実施例1と同様に調製した。比較例3および比較例4における各測定結果を、上記の表2に示す。
(Comparative example 4)
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonic acid (hereinafter referred to as PEDOT/PSS) was prepared in the same manner as in Example 1. The measurement results in Comparative Example 3 and Comparative Example 4 are shown in Table 2 above.
表3の結果から、竹パルプに由来する繊維状セルロースが高解繊度(BB-C)である実施例11~13であっても、針葉樹パルプに由来する繊維状セルロースを用いた実施例1~実施例10と同様に、優れた近赤外光吸収特性と可視光の透過性とを両立していることが確認できる。また、PEDOT/PSSを用いた比較例4と比べて、実施例が近赤外光吸収特性に優れていることが判る。このように、実施例に係るPEDOT/CS複合体によれば、PEDOT/PSSでは達成できないレベルで、優れた近赤外光吸収特性と優れた可視光の透過性とを備えているといえる。また、結晶化度20%以上のナノクリスタル状の硫酸化セルロースを使用した実施例については、可視光の吸収と抑えたもとで近赤外光の吸収が多く、優れた近赤外光吸収特性と可視光の透過性とを両立していることが確認できた。これに対して、表2に示すように、結晶化度20%より小さいアモルファス状の硫酸化セルロースである比較例3は、可視光の吸収特性比が6以下であることが示すように、近赤外光領域の吸収が小さくなり、熱線吸収材としての好ましい熱線吸収特性を示さない。このように、硫酸化セルロースナノクリスタルのセルロースI型結晶化度が、20%~53%の範囲にあると好ましいことが確認できる。 From the results in Table 3, even in Examples 11 to 13 in which the fibrous cellulose derived from bamboo pulp has a high degree of fibrillation (BB-C), Examples 1 to 13 in which the fibrous cellulose derived from softwood pulp was used As in Example 10, it can be confirmed that both excellent near-infrared light absorption characteristics and visible light transmittance are achieved. Furthermore, it can be seen that the example has excellent near-infrared light absorption characteristics compared to Comparative Example 4 using PEDOT/PSS. As described above, it can be said that the PEDOT/CS composite according to the example has excellent near-infrared light absorption characteristics and excellent visible light transmittance at a level that cannot be achieved with PEDOT/PSS. In addition, examples using nanocrystalline sulfated cellulose with a crystallinity of 20% or more have excellent near-infrared light absorption properties, with high absorption of near-infrared light while suppressing absorption of visible light. It was confirmed that both visible light transmittance and transparency were achieved. On the other hand, as shown in Table 2, Comparative Example 3, which is an amorphous sulfated cellulose with a crystallinity of less than 20%, has a visible light absorption characteristic ratio of 6 or less, which shows that the The absorption in the infrared light region is small, and it does not exhibit favorable heat ray absorption characteristics as a heat ray absorbing material. Thus, it can be confirmed that the cellulose I type crystallinity of the sulfated cellulose nanocrystals is preferably in the range of 20% to 53%.
実施例12に係るPEDOT/CS複合体および比較例4のPEDOT/PSSにおける透過率をそれぞれ測定し、その結果を図3に示す。図3に示すように、実施例12と比較例3は、波長500nmの可視光の透過率が70%程度で同等である。しかし、波長700~950nmの近赤外における透過率は、実施例12の方が比較例3よりも近赤外を多く吸収していることが判る。実施例における近赤外での好適な吸収特性は、硫酸セルロースナノクリスタル(CS)中のセルロースの糖鎖特有のCHおよびOH基(化学式1参照)の730nm、830nm、909~915nm、960nm、965nmの吸収に由来すると考えられる。 The transmittance of the PEDOT/CS composite according to Example 12 and the PEDOT/PSS of Comparative Example 4 was measured, and the results are shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, Example 12 and Comparative Example 3 have the same transmittance of about 70% for visible light at a wavelength of 500 nm. However, regarding the transmittance in the near infrared wavelength range of 700 to 950 nm, it can be seen that Example 12 absorbs more near infrared light than Comparative Example 3. Preferred near-infrared absorption characteristics in Examples are 730 nm, 830 nm, 909 to 915 nm, 960 nm, and 965 nm of CH and OH groups (see chemical formula 1) specific to cellulose sugar chains in cellulose sulfate nanocrystals (CS). This is thought to be due to the absorption of
(熱線吸収フィルムの作製)
次に、10wt%に調製したブテンジオール・ビニルアルコールポリマー(日本合成化学工業(株)製、Nichigo G-Polymer)の溶液30gと、界面活性剤として、オクチルフェノールエトキシレート(ダウケミカル製、TritonX)0.06gを加え、1.2wt%に調製した実施例12に係るPEDOT/CS複合体の水溶液5gとを混合した。得られた混合溶液を、親水化したガラス基板にスキージ法により塗布し、自然乾燥することで、ガラス基板上に実施例12に係る熱線吸収フィルムを40μmの厚さで形成した。
(Preparation of heat ray absorbing film)
Next, 30 g of a solution of butenediol/vinyl alcohol polymer (Nichigo G-Polymer, manufactured by Nippon Gosei Kagaku Kogyo Co., Ltd.) prepared to 10 wt% and 0 octylphenol ethoxylate (TritonX, manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.) as a surfactant were added. .06 g was added thereto, and 5 g of the PEDOT/CS composite aqueous solution according to Example 12 prepared to 1.2 wt % was mixed. The obtained mixed solution was applied to a hydrophilized glass substrate by a squeegee method and air-dried to form a heat ray absorbing film according to Example 12 with a thickness of 40 μm on the glass substrate.
(熱線吸収フィルムの遮熱特性)
次に、実施例12に係るPEDOT/CS複合体をポリマーに配合した熱線吸収フィルムの遮熱特性を測定した。また、比較例4のPEDOT/PSSを用いて、実施例12と同様にフィルムを作製した。なお、比較例5は、フィルムがないガラス基板だけであり、比較例6は、実施例12と同じポリマーだけで(熱線吸収材やPEDOT/PSSを含んでいない)、フィルムを作製している。
(Heat-shielding properties of heat-absorbing film)
Next, the heat shielding properties of the heat ray absorbing film in which the PEDOT/CS composite according to Example 12 was blended with a polymer were measured. Further, using PEDOT/PSS of Comparative Example 4, a film was produced in the same manner as in Example 12. Note that Comparative Example 5 uses only a glass substrate without a film, and Comparative Example 6 uses only the same polymer as Example 12 (does not contain heat ray absorbing material or PEDOT/PSS) to produce a film.
実施例12、比較例4および比較例6のフィルムと比較例5について、遮熱特性を以下のように測定した。図4に示すように、断熱箱の内部に気温記録装置を設置し、断熱箱の天井にあけた開口を覆うようにガラス基板を載置した。ガラス基板の上に熱線吸収フィルムを置き、更に熱線吸収フィルム上に可視光カットフィルターを被せた。なお、比較例5は、可視光カットフィルターを被せていない。そして、断熱箱の上方に設置した疑似太陽光照射機(光源)から光を、断熱箱の開口に向けて照射し、気温記録装置によって1秒毎の温度を記録した。その結果を表4および図5に示す。 The heat shielding properties of the films of Example 12, Comparative Examples 4 and 6, and Comparative Example 5 were measured as follows. As shown in FIG. 4, a temperature recording device was installed inside the insulation box, and a glass substrate was placed so as to cover the opening made in the ceiling of the insulation box. A heat ray absorbing film was placed on a glass substrate, and a visible light cut filter was further placed on the heat ray absorbing film. Note that Comparative Example 5 was not covered with a visible light cut filter. A simulated sunlight irradiation device (light source) installed above the insulation box irradiated light toward the opening of the insulation box, and the temperature was recorded every second using a temperature recording device. The results are shown in Table 4 and FIG. 5.
表4および図5の結果から、PEDOT/CSを用いた実施例12に係る熱線吸収フィルムは、PEDOT/PSSを用いたフィルムよりも、遮熱効果が高いことが判る。 From the results in Table 4 and FIG. 5, it can be seen that the heat ray absorbing film according to Example 12 using PEDOT/CS has a higher heat shielding effect than the film using PEDOT/PSS.
(熱線吸収フィルムの引張強度)
10wt%に調製したブテンジオール・ビニルアルコールポリマー(日本合成化学工業(株)製、Nichigo G-Polymer)の溶液30gと、界面活性剤として、オクチルフェノールエトキシレート(ダウケミカル製、TritonX)0.06gを加え、1.2wt%に調製した実施例12に係るPEDOT/CS複合体の水溶液5gとをPEDOT/CS複合体が含有率4.0wt%、2.0wt%、0.5wt%、0.4wt%となるように混合した。得られた混合溶液を、親水化したガラス基板にスキージ法により塗布し、自然乾燥することで、ガラス基板上に、表4に示すように熱線吸収材の含有率が異なる実施例12-1~12-4に係る熱線吸収フィルムを形成した。また、比較例4のPEDOT/PSSを用いて、実施例12と同様にフィルムを作製した。なお、比較例6は、実施例12と同じポリマーだけで(熱線吸収材やPEDOT/PSSを含んでいない)、フィルムを作製している。そして、それぞれのフィルムについて引張強度を測定した。引張強度は、JIS K 7127に基づいて測定している。その結果を表5に示す。
(Tensile strength of heat ray absorbing film)
30 g of a solution of butenediol/vinyl alcohol polymer (Nichigo G-Polymer, manufactured by Nippon Gosei Kagaku Kogyo Co., Ltd.) prepared to 10 wt% and 0.06 g of octylphenol ethoxylate (TritonX, manufactured by Dow Chemical) as a surfactant. In addition, 5 g of the PEDOT/CS composite aqueous solution according to Example 12 prepared at 1.2 wt% was added to the PEDOT/CS composite at a content of 4.0 wt%, 2.0 wt%, 0.5 wt%, and 0.4 wt%. %. The obtained mixed solution was applied to a hydrophilized glass substrate by a squeegee method and air-dried, thereby forming examples 12-1 to 12-1 with different contents of the heat ray absorbing material on the glass substrate as shown in Table 4. A heat ray absorbing film according to No. 12-4 was formed. Further, using PEDOT/PSS of Comparative Example 4, a film was produced in the same manner as in Example 12. In addition, in Comparative Example 6, a film was produced using only the same polymer as in Example 12 (no heat ray absorbing material or PEDOT/PSS was included). The tensile strength of each film was then measured. Tensile strength is measured based on JIS K 7127. The results are shown in Table 5.
表5に示す結果より、実施例12のPEDOT/CS複合体が配合された実施例12-1~12-4の熱線吸収フィルムは、引張強度が向上することが判る。これは、フィルム中においてPEDOT/CS複合体がネットワークを形成することで機械的強度が向上すると考えられる。特に、PEDOT/CS複合体が0.5%以上配合されていると機械的強度の向上の観点において好ましい。 From the results shown in Table 5, it can be seen that the heat ray absorbing films of Examples 12-1 to 12-4 containing the PEDOT/CS composite of Example 12 have improved tensile strength. This is thought to be due to the PEDOT/CS composite forming a network in the film, which improves the mechanical strength. In particular, it is preferable that 0.5% or more of the PEDOT/CS composite is blended from the viewpoint of improving mechanical strength.
(試験1~試験3)
PEDOT/CS複合体について、ポリチオフェンの重合条件を勘案し、その導電性と光学特性との関連性を調査し、近赤外領域における光吸収特性を評価する。以下の試験1~3では、竹パルプに由来する実施例12の硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)を用いている。所定濃度に調製した実施例12の硫酸化セルロースの水分散液に、濃塩酸を加えて酸性にし、表6~表8に示すpHとした。次いで、硫酸化セルロースナノクリスタル水分散液を、チオフェンモノマーとしての3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOT)に、表6~表8に示すモル比になるように加えた後、内部超音波を5分間照射し、EDOTを分散させた。次いで、重合開始剤(酸化剤)のペルオキソ二硫酸カリウムおよび1.4mg/mlの硫酸鉄(III)・n水和物水溶液を、表6~表8に示す割合で加えた。室温で24時間かき混ぜ、透析膜で72時間以上透析を行った。溶媒には水を用い、エバポレータにより乾固させた後、水に再分散することにより固形分を0.60wt%に調製し、試験1~試験3に係るPEDOT/CS複合体(熱線吸収材)の水分散液を得た。
(Test 1 to Test 3)
Regarding the PEDOT/CS composite, we will investigate the relationship between its conductivity and optical properties, taking into account the polymerization conditions of polythiophene, and evaluate its light absorption properties in the near-infrared region. In Tests 1 to 3 below, sulfated cellulose nanocrystals (CS) of Example 12 derived from bamboo pulp were used. Concentrated hydrochloric acid was added to the aqueous dispersion of sulfated cellulose of Example 12, which had been adjusted to a predetermined concentration, to make it acidic, and the pH was set as shown in Tables 6 to 8. Next, the sulfated cellulose nanocrystal aqueous dispersion was added to 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) as a thiophene monomer at a molar ratio shown in Tables 6 to 8, and then internal ultrasound was applied. It was irradiated for 5 minutes to disperse the EDOT. Next, potassium peroxodisulfate as a polymerization initiator (oxidizing agent) and a 1.4 mg/ml aqueous solution of iron(III) sulfate/n-hydrate were added in the proportions shown in Tables 6 to 8. The mixture was stirred at room temperature for 24 hours and dialyzed using a dialysis membrane for over 72 hours. Water was used as the solvent, and after drying with an evaporator, the solid content was adjusted to 0.60 wt% by redispersing it in water, and the PEDOT/CS composite (heat ray absorbing material) according to Tests 1 to 3 was prepared. An aqueous dispersion of was obtained.
溶媒としての水に分散した試験1~試験3のPEDOT/CS複合体(熱線吸収材)を、スピンコート法によってガラス基板上に製膜し、乾燥して溶媒を除去することで試験1~試験3に係る熱線吸収材からなる熱線吸収膜を得た。 The PEDOT/CS composites (heat ray absorbing material) of Tests 1 to 3 dispersed in water as a solvent were formed into a film on a glass substrate by spin coating, and the solvent was removed by drying. A heat ray absorbing film made of the heat ray absorbing material according to No. 3 was obtained.
(PEDOT/CS複合体(熱線吸収材)の導電性の測定方法)
前述した試験1~試験3に係る熱線吸収材からなる熱線吸収膜について表面抵抗値を測定した。具体的には、表面抵抗値は、抵抗率計(loresta-GP MCP-T610)に4探針プローブを接続して、熱線吸収膜を4探針プローブに押し当てることによって測定し、導電性(S/cm)の算出を行った。
(Method for measuring electrical conductivity of PEDOT/CS composite (heat ray absorbing material))
The surface resistance values of the heat ray absorbing films made of the heat ray absorbing materials according to Tests 1 to 3 described above were measured. Specifically, the surface resistance value is measured by connecting a 4-point probe to a resistivity meter (loresta-GP MCP-T610) and pressing the heat ray absorption film against the 4-point probe, and measuring the conductivity ( S/cm) was calculated.
(試験1:硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとの関係)
試験1では、ポリチオフェン(PEDOT)の重合時における硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)に対するチオフェン(EDOT)の仕込み比(モル比)と導電性の関係を調べた。その結果を、表6および図6に示す。なお、図6では、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)をSCNFと表記しており、横軸にチオフェン(EDOT)に対する硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)のモル比を示し、縦軸に導電性(S/cm)を示している。
(Test 1: Relationship between sulfated cellulose nanocrystals and thiophene)
In Test 1, the relationship between the charge ratio (molar ratio) of thiophene (EDOT) to sulfated cellulose nanocrystals (CS) and conductivity during polymerization of polythiophene (PEDOT) was investigated. The results are shown in Table 6 and FIG. In FIG. 6, sulfated cellulose nanocrystals (CS) are expressed as SCNF, the horizontal axis shows the molar ratio of sulfated cellulose nanocrystals (CS) to thiophene (EDOT), and the vertical axis shows the conductivity ( S/cm).
図6および表6に示すように、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を、1:0.125から1:8で、チオフェン(EDOT)の濃度を増加させた。硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)に対するチオフェン(EDOT)のモル比が、1より大きくなると、熱線吸収膜の導電性の上昇度合いが大きくなる傾向を示し、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)に対するチオフェン(EDOT)のモル比が、4になると最も導電性が高くなっている。そして、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)に対するチオフェン(EDOT)のモル比を、4より大きくなるように増加させても、導電性が低下する傾向が見受けられる。 As shown in Figure 6 and Table 6, the molar ratio of sulfated cellulose nanocrystals (CS) to thiophene (EDOT) was changed from 1:0.125 to 1:8, and the concentration of thiophene (EDOT) was increased. . When the molar ratio of thiophene (EDOT) to sulfated cellulose nanocrystals (CS) becomes larger than 1, the degree of increase in conductivity of the heat ray absorbing film tends to increase. When the molar ratio of EDOT) is 4, the conductivity is highest. Even when the molar ratio of thiophene (EDOT) to sulfated cellulose nanocrystals (CS) is increased to greater than 4, there is a tendency for the conductivity to decrease.
(試験2:チオフェンと重合開始剤(酸化剤)との関係)
試験2では、ポリチオフェン(PEDOT)の重合時におけるチオフェン(EDOT)に対する重合開始剤(ペルオキソ二硫酸カリウム(KPS))の濃度(mol%)と導電性の関係を調べた。その結果を、表7および図7に示す。なお、図7では、重合開始剤であるペルオキソ二硫酸カリウムをKPSと表記しており、横軸にチオフェン(EDOT)に対するKPSの濃度(mol%)を示し、縦軸に導電性(S/cm)を示している。
(Test 2: Relationship between thiophene and polymerization initiator (oxidizing agent))
In
図7および表7に示すように、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤(ペルオキソ二硫酸カリウム(KPS))の濃度を、5.7mol%から92.5mol%まで増加させた。チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度が5.7mol%よりも大きくなると、熱線吸収膜の導電性の上昇度合いが大きくなる傾向を示し、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度が、23mol%になると最も導電性が高くなっている。そして、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度を、23mol%より大きくなるように増加させても、導電性が低下する傾向が見受けられる。 As shown in FIG. 7 and Table 7, the concentration of the polymerization initiator (potassium peroxodisulfate (KPS)) relative to thiophene (EDOT) was increased from 5.7 mol% to 92.5 mol%. When the concentration of the polymerization initiator relative to thiophene (EDOT) is greater than 5.7 mol%, the degree of increase in conductivity of the heat ray absorbing film tends to increase; The conductivity is the highest when it becomes. Even if the concentration of the polymerization initiator relative to thiophene (EDOT) is increased to more than 23 mol %, there is a tendency for the conductivity to decrease.
(試験3:ポリチオフェンの重合時のpH)
試験3では、ポリチオフェン(PEDOT)の重合時におけるpH条件を変化させて、導電性の関係を調べた。その結果を、表8および図8に示す。なお、図8では、横軸に重合時のpH条件を示し、縦軸に導電性(S/cm)を示している。
(Test 3: pH during polymerization of polythiophene)
In Test 3, the pH conditions during polymerization of polythiophene (PEDOT) were varied and the relationship between conductivity was investigated. The results are shown in Table 8 and FIG. In addition, in FIG. 8, the horizontal axis shows the pH conditions during polymerization, and the vertical axis shows the conductivity (S/cm).
図8および表8に示すように、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、pHが低下するに従って、導電性が上昇することが判った。試験3から、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、pH条件が1.86より低いことが好ましく、より好ましくは1.0よりもpH条件を低くするとよい。 As shown in FIG. 8 and Table 8, it was found that during polymerization of polythiophene (PEDOT), as the pH decreased, the conductivity increased. From Test 3, when polymerizing polythiophene (PEDOT), the pH condition is preferably lower than 1.86, and more preferably lower than 1.0.
(導電性と光学特性との関係)
図9は、試験3で作成した熱線吸収膜について、導電性と光学特性との関係を示している。図9では、横軸に波長(nm)を示し、縦軸に透過率(%)を示している。前述したように試験3-6から試験3-1に向かうにつれて導電性が向上する関係にあるところ(図8参照)、図9に示すように、導電性が増大するに伴って、700nm~2000nmの近赤外および赤外波長領域の光吸収が増大することが確認できる。このように、熱線吸収膜は、導電性が増大するにつれて、近赤外光の好適な吸収特性を示し、導電性の向上が近赤外光吸収特性の向上に繋がるといえる。
(Relationship between conductivity and optical properties)
FIG. 9 shows the relationship between electrical conductivity and optical properties of the heat ray absorbing film created in Test 3. In FIG. 9, the horizontal axis shows wavelength (nm), and the vertical axis shows transmittance (%). As mentioned above, there is a relationship in which the conductivity improves from Test 3-6 to Test 3-1 (see Figure 8), but as shown in Figure 9, as the conductivity increases, it increases from 700 nm to 2000 nm. It can be confirmed that the light absorption in the near-infrared and infrared wavelength regions increases. As described above, as the conductivity of the heat ray absorbing film increases, it exhibits suitable absorption characteristics for near-infrared light, and it can be said that improvement in conductivity leads to improvement in near-infrared light absorption characteristics.
(まとめ)
前述したように、導電性の向上が近赤外光吸収特性の向上に繋がることから、試験1の結果から、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を、1:1(硫酸化セルロースナノクリスタル:チオフェン=1:(1<))よりチオフェン(EDOT)を多くすることで、近赤外光吸収特性の上昇度合いが高くなると考えられる。そして、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、硫酸化セルロースナノクリスタル(CS)とチオフェン(EDOT)とのモル比を、1:4(硫酸化セルロースナノクリスタル:チオフェン=1:4)の関係にすることで、更なる近赤外光吸収特性の向上を図ることができると考えられる。
(summary)
As mentioned above, improvement in conductivity leads to improvement in near-infrared light absorption properties, so from the results of Test 1, when polymerizing polythiophene (PEDOT), sulfated cellulose nanocrystals (CS) and thiophene (EDOT) It is thought that by increasing the molar ratio of thiophene (EDOT) to 1:1 (sulfated cellulose nanocrystals: thiophene = 1: (1 <)), the degree of increase in near-infrared light absorption properties will increase. . When polymerizing polythiophene (PEDOT), the molar ratio of sulfated cellulose nanocrystals (CS) and thiophene (EDOT) is set to 1:4 (sulfated cellulose nanocrystals: thiophene = 1:4). It is considered that the near-infrared light absorption characteristics can be further improved.
前述したように、導電性の向上が近赤外光吸収特性の向上に繋がることから、試験2の結果から、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度を、5.7mol%よりも大きくすることで、近赤外光吸収特性の上昇度合いが高くなると考えられる。そして、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、チオフェン(EDOT)に対する重合開始剤の濃度を、23mol%にすることで、更なる近赤外光吸収特性の向上を図ることができると考えられる。
As mentioned above, since improvement in conductivity leads to improvement in near-infrared light absorption characteristics, from the results of
前述したように、導電性の向上が近赤外光吸収特性の向上に繋がることから、試験3の結果から、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、pH条件を1.86よりも低く設定することで、近赤外光吸収特性の上昇度合いが高くなると考えられる。そして、ポリチオフェン(PEDOT)の重合に際して、pH条件を1以下に設定することで、更なる近赤外光吸収特性の向上を図ることができると考えられる。このようにpHを下げた場合であっても、得られた熱線吸収材は、耐候促進試験で性能の劣化がないことを確認している。
As mentioned above, improvement in conductivity leads to improvement in near-infrared light absorption characteristics, so from the results of Test 3, setting the pH condition lower than 1.86 when polymerizing polythiophene (PEDOT) , it is thought that the degree of increase in near-infrared light absorption properties increases. Further, it is considered that by setting the pH condition to 1 or less during polymerization of polythiophene (PEDOT), it is possible to further improve near-infrared light absorption characteristics. Even when the pH is lowered in this manner, it has been confirmed that the performance of the obtained heat ray absorbing material does not deteriorate in accelerated weathering tests.
Claims (10)
前記硫酸化セルロースナノクリスタルがドーピングされたポリチオフェンと、を含み、
前記硫酸化セルロースナノクリスタルよりも前記ポリチオフェンの方がモル換算で多く含まれている
ことを特徴とする熱線吸収材。
the sulfated cellulose nanocrystals doped with polythiophene;
The polythiophene is contained in a larger amount on a molar basis than the sulfated cellulose nanocrystals.
A heat ray absorbing material characterized by:
前記硫酸化セルロースナノクリスタルがドーピングされたポリチオフェンと、を含み、
前記硫酸化セルロースナノクリスタルよりも前記ポリチオフェンの方がモル換算で多く含まれている
ことを特徴とする熱線吸収材。
the sulfated cellulose nanocrystals doped with polythiophene;
The polythiophene is contained in a larger amount on a molar basis than the sulfated cellulose nanocrystals.
A heat ray absorbing material characterized by :
前記硫酸化セルロースナノクリスタルがドーピングされたポリチオフェンと、を含み、
前記硫酸化セルロースナノクリスタルのセルロースI型結晶化度が、20%~53%の範囲にあり、
波長500nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比が、10以下であると共に、波長800nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比が、6以上であり、
波長500nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比よりも、波長800nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比が大きい
ことを特徴とする熱線吸収材。
the sulfated cellulose nanocrystals doped with polythiophene;
The cellulose type I crystallinity of the sulfated cellulose nanocrystals is in the range of 20% to 53%,
The absorption characteristic ratio per unit thickness in absorbance at a wavelength of 500 nm is 10 or less, and the absorption characteristic ratio per unit thickness in absorbance at a wavelength of 800 nm is 6 or more,
The absorption characteristic ratio per unit thickness at absorbance at a wavelength of 800 nm is greater than the absorption characteristic ratio per unit thickness at absorbance at a wavelength of 500 nm.
A heat ray absorbing material characterized by :
前記硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとの共存下で、前記チオフェンを重合してポリチオフェンを生成し、該硫酸化セルロースナノクリスタルを前記ポリチオフェンにドーピングして得られる熱線吸収材の製造方法であって、
前記ポリチオフェンの重合時に、前記硫酸化セルロースナノクリスタルよりも前記チオフェンの方をモル換算で多く添加する
ことを特徴とする熱線吸収材の製造方法。
A method for producing a heat ray absorbing material obtained by polymerizing the thiophene to produce polythiophene in the coexistence of the sulfated cellulose nanocrystals and thiophene, and doping the polythiophene with the sulfated cellulose nanocrystals,
During polymerization of the polythiophene, more of the thiophene is added on a molar basis than the sulfated cellulose nanocrystals.
A method for producing a heat ray absorbing material, characterized in that:
前記硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとの共存下で、前記チオフェンを重合してポリチオフェンを生成し、該硫酸化セルロースナノクリスタルを前記ポリチオフェンにドーピングして得られる熱線吸収材の製造方法であって、
前記ポリチオフェンの重合時に、前記硫酸化セルロースナノクリスタルよりも前記チオフェンの方をモル換算で多く添加する
ことを特徴とする熱線吸収材の製造方法。
A method for producing a heat ray absorbing material obtained by polymerizing the thiophene to produce polythiophene in the coexistence of the sulfated cellulose nanocrystals and thiophene, and doping the polythiophene with the sulfated cellulose nanocrystals,
During polymerization of the polythiophene, more of the thiophene is added on a molar basis than the sulfated cellulose nanocrystals.
A method for producing a heat ray absorbing material , characterized in that :
前記硫酸化セルロースナノクリスタルとチオフェンとの共存下で、前記チオフェンを重合してポリチオフェンを生成し、該硫酸化セルロースナノクリスタルを前記ポリチオフェンにドーピングして得られる熱線吸収材の製造方法であって、
前記硫酸化セルロースナノクリスタルのセルロースI型結晶化度が、20%~53%の範囲になるように、前記スルホン酸基または炭素鎖数1~6のアルキルスルホン酸基を前記繊維状セルロースに導入し、
得られる前記熱線吸収材が、波長500nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比が、10以下であると共に、波長800nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比が、6以上であり、
得られる前記熱線吸収材が、波長500nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比よりも、波長800nmの吸光度における単位厚さ当たりの吸収特性比が大きい
ことを特徴とする熱線吸収材の製造方法。
A method for producing a heat ray absorbing material obtained by polymerizing the thiophene to produce polythiophene in the coexistence of the sulfated cellulose nanocrystals and thiophene, and doping the polythiophene with the sulfated cellulose nanocrystals,
Introducing the sulfonic acid group or the alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon chains into the fibrous cellulose so that the cellulose type I crystallinity of the sulfated cellulose nanocrystals is in the range of 20% to 53%. death,
The obtained heat ray absorbing material has an absorption characteristic ratio per unit thickness in absorbance at a wavelength of 500 nm of 10 or less, and an absorption characteristic ratio per unit thickness in absorbance at a wavelength of 800 nm of 6 or more,
The obtained heat ray absorbing material has a larger absorption characteristic ratio per unit thickness at absorbance at a wavelength of 800 nm than the absorption characteristic ratio per unit thickness at absorbance at a wavelength of 500 nm.
A method for producing a heat ray absorbing material , characterized in that :
ことを特徴とする熱線吸収フィルム。 A heat ray absorbing film comprising the heat ray absorbing material according to any one of claims 1 to 4.
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堀川 真希 ほか6名,PEDOT/硫酸セルロースナノクリスタル複合材料の電気特性とその結晶評価,高分子論文集,(2017), Vol.74, No.6,pp.565-571,DOI https://doi.org/10.1295/koron.2017-0048 |
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