JP7792108B1 - Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method - Google Patents

Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method

Info

Publication number
JP7792108B1
JP7792108B1 JP2025016484A JP2025016484A JP7792108B1 JP 7792108 B1 JP7792108 B1 JP 7792108B1 JP 2025016484 A JP2025016484 A JP 2025016484A JP 2025016484 A JP2025016484 A JP 2025016484A JP 7792108 B1 JP7792108 B1 JP 7792108B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
chitosan
chitin
film
coating
citric acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2025016484A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ゲニン レオナード
カートハウス オラフ
敏和 米田
善彦 大村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omura Toryo Co Ltd
Original Assignee
Omura Toryo Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Omura Toryo Co Ltd filed Critical Omura Toryo Co Ltd
Priority to JP2025016484A priority Critical patent/JP7792108B1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7792108B1 publication Critical patent/JP7792108B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)

Abstract

【課題】ハードコート剤として適用可能な生分解性材料のみからなるコーティング組成物を提供する。
【解決手段】熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物であり、キトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3以下である。また、キチンナノファイバーをキトサンに対して重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)0.5以下で含有することもできる。カルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製造方法は、キトサン、クエン酸及び酢酸水溶液を混合して、キトサン含有量が1.0~20.0wt%であり、かつキトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3以下である皮膜形成溶液を調製する皮膜形成溶液調液工程と、前記皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して硬化皮膜を形成する硬化皮膜形成工程とからなる。
【選択図】図2

The present invention provides a coating composition that is applicable as a hard coating agent and is composed solely of biodegradable materials.
[Solution] The carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition produces a thermosetting coating with a pencil hardness of 4H or higher, and the weight ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) is 0.5 to 3. Chitin nanofibers can also be contained in a weight ratio (chitin nanofiber/chitosan) of 0.5 or less. A method for producing a carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition includes a film-forming solution preparation step of mixing chitosan, citric acid, and an aqueous acetic acid solution to prepare a film-forming solution containing 1.0 to 20.0 wt% chitosan and having a weight ratio (citric acid/chitosan) of 0.5 to 3, and a cured film formation step of applying the film-forming solution to form a coating film and then thermally curing the coating film at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a cured coating film.
[Selected Figure] Figure 2

Description

特許法第30条第2項適用 令和6年9月3日から4日に公立千歳科学技術大学において開催された千歳国際ホーラム2024で発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Presented at Chitose International Horam 2024, held at Chitose Institute of Science and Technology from September 3rd to 4th, 2024.

本発明は、生分解性に優れるキチン系天然高分子で構成されるコーティング組成物及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a coating composition composed of a highly biodegradable chitin-based natural polymer and a method for producing the same.

生分解性がない石油由来の合成樹脂、プラスチック、フィルム、塗料、接着剤等は、その廃棄時における土壌汚染、海洋汚染など環境負荷が問題となっている。このため、石油由来の材料に代替する環境負荷が低く持続可能な資源である生分解性材料の開発が求められている。カニ・エビ等食品加工の副産物として生ずるキチン及びその誘導体であるキトサンはセルロースに次ぐ生物由来の生分解性高分子材料として注目されており、環境負荷低減の効果は大きい。
石油由来の合成高分子材料の用途としては、プラスチック成形体、通常フィルム、コーティング材だけでなく、耐久性あるいは耐擦傷性などの被塗物の保護を目的としたハードコート剤もあり、これらのハードコート剤を生分解性材料とすれば、環境負荷低減の効果は大きい。
Non-biodegradable petroleum-derived synthetic resins, plastics, films, paints, adhesives, etc. pose environmental problems such as soil and marine pollution when disposed of. For this reason, there is a demand for the development of biodegradable materials that are sustainable resources with low environmental impact to replace petroleum-derived materials. Chitin, which is a by-product of food processing such as crab and shrimp, and its derivative chitosan, are attracting attention as biologically derived biodegradable polymer materials second only to cellulose, and are expected to have a significant effect in reducing environmental impact.
Petroleum-derived synthetic polymer materials are used not only for plastic moldings, ordinary films, and coating materials, but also for hard coating agents intended to protect coated objects by providing durability or scratch resistance. If these hard coating agents are made biodegradable, they can have a significant effect in reducing environmental impact.

特許文献1には、エラスチン、コラーゲン、キトサン及び水または含水エタノール等の水溶性溶媒を含有するクエン酸架橋したゲル状弾性材料が開示されている。また、特許文献2には、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースからなる親水性ポリマーと、CからC12のジカルボン酸、トリカルボン酸、またはテトラカルボン酸から選択されたポリカルボン酸を含む水溶液を、ポリカルボン酸を架橋剤として架橋する高分子ヒドロゲルの調製方法が開示されている。しかしながら、特許文献1、2に開示された組成物は、いずれも高分子ヒドロゲルであり、コーティング組成物に要求される皮膜硬度(鉛筆硬度4H以上)を満たすものではなく、皮膜硬度については開示がない。
特許文献3には、セルロースナノファイバーと、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、チオール基、二重結合を含む水、有機溶媒に可溶または分散可能な樹脂バインダとを、イソシアネート基、カルボジイミド基、アクリロイル基を有する開始剤または光開始剤で架橋した鉛筆硬度4H以上の組成物が開示されている。しかしながら、石油由来のプラスチック材料である樹脂バインダを含むものであり、生分解性プラスチックのみによるものではない。
Patent Document 1 discloses a citric acid-crosslinked gel-like elastic material containing elastin, collagen, chitosan, and a water-soluble solvent such as water or aqueous ethanol. Patent Document 2 discloses a method for preparing a polymer hydrogel by crosslinking an aqueous solution containing a hydrophilic polymer consisting of carboxymethyl cellulose or hydroxyethyl cellulose and a polycarboxylic acid selected from C4 to C12 dicarboxylic acids, tricarboxylic acids, or tetracarboxylic acids, using the polycarboxylic acid as a crosslinking agent. However, the compositions disclosed in Patent Documents 1 and 2 are both polymer hydrogels and do not satisfy the film hardness (pencil hardness of 4H or more) required for coating compositions, and there is no disclosure regarding film hardness.
Patent Document 3 discloses a composition with a pencil hardness of 4H or higher, which is made by crosslinking cellulose nanofibers with a resin binder that contains hydroxyl groups, carboxyl groups, amino groups, thiol groups, and double bonds and is soluble or dispersible in water or organic solvents, with an initiator or photoinitiator that contains an isocyanate group, a carbodiimide group, or an acryloyl group. However, this composition contains a resin binder that is a petroleum-derived plastic material, and is not made solely from biodegradable plastics.

非特許文献1には、潜在的木材接着剤として、架橋剤として0.3wt%クエン酸及び0.5wt%を用いた微結晶セルロース組み込みポリビニルアルコール接着剤が開示され、鉛筆硬度はそれぞれ4H、3Hであることが開示されている。しかしながら、石油化学由来プラスチック材料の低減を企図したものであって、組成には、石油由来のプラスチック材料であるポリビニルアルコールを含むものである。
非特許文献2には、食品用途用のポリビニルアルコール(PVA)とクエン酸架橋したキトサン(CS)との複合フィルムの構造と物性が開示され、CS/PVAが1/1の機械的物性が優れることが開示されている。しかしながら、複合フィルムの皮膜硬度(鉛筆硬度)については開示がない。また、組成には、石油由来のプラスチック材料であるポリビニルアルコールを含むものである。
Non-Patent Document 1 discloses a microcrystalline cellulose-incorporated polyvinyl alcohol adhesive using 0.3 wt% citric acid and 0.5 wt% citric acid as crosslinking agents as a latent wood adhesive, with pencil hardness of 4H and 3H, respectively. However, the composition is intended to reduce the use of petrochemical-derived plastic materials, and contains polyvinyl alcohol, a petroleum-derived plastic material.
Non-Patent Document 2 discloses the structure and properties of a composite film made of food-use polyvinyl alcohol (PVA) and citric acid-crosslinked chitosan (CS), and discloses that a CS/PVA ratio of 1/1 has excellent mechanical properties. However, there is no disclosure about the film hardness (pencil hardness) of the composite film. Furthermore, the composition contains polyvinyl alcohol, a petroleum-derived plastic material.

特開2022-119739号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2022-119739 特表2010-535911号公報Special Publication No. 2010-535911 特開2015-160870号公報JP 2015-160870 A

Polymer Bulletin (2023)80:8013-8030Polymer Bulletin (2023)80:8013-8030 Carbohydrate Polymers 312 (2023)120842Carbohydrate Polymers 312 (2023)120842

ハードコート剤として適用可能な環境負荷低減の効果が大きい生分解性材料のみからなるコーティング組成物を提供することである。 The objective is to provide a coating composition made solely from biodegradable materials that can be used as a hard coating agent and has a significant effect in reducing environmental impact.

本発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、環境負荷が低く、資源枯渇の恐れが少ない生分解性材料であるキチン系天然高分子、すなわちキチン、キトサン、キチンナノファイバーを天然由来のカルボン酸架橋剤で架橋したコーティング組成物を提案することができ、上記課題を解決することができた。
具体的には、以下の態様により解決できる。
The present inventors have conducted extensive research in light of the above-mentioned problems, and as a result have been able to propose a coating composition in which chitin-based natural polymers, i.e., chitin, chitosan, and chitin nanofibers, which are biodegradable materials that have a low environmental impact and are unlikely to cause resource depletion, are crosslinked with a naturally occurring carboxylic acid crosslinking agent, thereby solving the above-mentioned problems.
Specifically, this can be achieved in the following manner.

(態様1) キトサン及びキチンナノファイバーに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン及びキチンナノファイバー)が0.5以上3以下であり、キチンナノファイバーをキトサンに対して重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)0.5以下で含む熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物である。
(Aspect 1) A carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition in which the weight composition ratio of citric acid to chitosan and chitin nanofibers (citric acid/chitosan and chitin nanofibers) is 0.5 or more and 3 or less, and the pencil hardness of a thermoset coating containing chitin nanofibers at a weight composition ratio to chitosan (chitin nanofibers/chitosan) of 0.5 or less is 4H or more.

(態様2) キトサン、クエン酸及び酢酸水溶液を混合して、キトサン含有量が1.0~20.0wt%であり、かつキトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3以下である皮膜形成溶液を調製する皮膜形成溶液調液工程と、前記皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して熱硬化皮膜を形成する硬化皮膜形成工程と、からなる熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製造方法である。
(Aspect 2) A method for producing a carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition, which produces a thermosetting coating having a pencil hardness of 4H or greater, comprising: a film-forming solution preparation step of mixing chitosan, citric acid, and an aqueous solution of acetic acid to prepare a film-forming solution having a chitosan content of 1.0 to 20.0 wt % and a weight composition ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) of 0.5 to 3; and a cured film formation step of applying the film-forming solution to form a coating, and then thermally curing the coating at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a thermosetting coating.

(態様3) キトサン、キチンナノファイバー、クエン酸及び酢酸水溶液を混合してキトサン及びキチンナノファイバー含有量が1.0~20.0wt%であり、かつキトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3以下である皮膜形成溶液を調製する皮膜形成溶液調液工程と、前記皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して熱硬化皮膜を形成する硬化皮膜形成工程と、からなるキチンナノファイバーをキトサンに対して重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)0.5以下で含む熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製造方法である。 (Aspect 3) A method for producing a carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition, in which the thermosetting coating contains chitin nanofibers in a weight ratio (chitin nanofibers/chitosan) of 0.5 or less and has a pencil hardness of 4H or more, comprises: a film-forming solution preparation step of mixing chitosan, chitin nanofibers, citric acid, and an aqueous solution of acetic acid to prepare a film-forming solution having a chitosan and chitin nanofiber content of 1.0 to 20.0 wt % and a weight composition ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) of 0.5 or more and 3 or less; and a cured coating formation step of applying the film-forming solution to form a coating, and thermally curing the coating at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a thermosetting coating.

環境負荷が低く、資源枯渇の恐れが少ない生分解性材料であるキチン系天然高分子のキチン、キトサン、キチンナノファイバーを天然由来のカルボン酸架橋剤で架橋した皮膜の鉛筆硬度が4H以上である生分解性材料のみのコーティング組成物を提供できる。これにより、ハードコート剤を天然由来の生分解性プラスチック材料とすれば、環境負荷低減の効果は大きい。 We can provide a coating composition made entirely of biodegradable materials, such as chitin, chitosan, and chitin nanofiber, which are chitin-based natural polymers that are biodegradable materials with a low environmental impact and little risk of resource depletion, crosslinked with a naturally derived carboxylic acid crosslinker to produce a coating with a pencil hardness of 4H or higher. Therefore, using a naturally derived biodegradable plastic material as a hard coating agent can have a significant effect in reducing the environmental impact.

キチン、キトサンの化学構造式である。This is the chemical structure of chitin and chitosan. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製法を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a method for producing a carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition of the present invention. FIG. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の鉛筆硬度試験による塗膜硬度を示すグラフである。1 is a graph showing the coating hardness of the carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention by a pencil hardness test. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の破断面を示すSEM写真である。1 is an SEM photograph showing a fracture surface of a carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition of the present invention. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の表面接触角と膜厚を示すグラフである。1 is a graph showing the surface contact angle and film thickness of a carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition of the present invention. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の耐水性を示すSEM写真である。1 is an SEM photograph showing the water resistance of a carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の耐水性を示すSEM写真である。1 is an SEM photograph showing the water resistance of a carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention. 本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の応力歪みデータ示すグラフである。1 is a graph showing stress-strain data of a carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention.

本発明を実施するための態様を以下に説明する。ただし、記載した実施態様に限定されるものではない。 Modes for implementing the present invention are described below. However, the present invention is not limited to the described embodiments.

本発明のカルボン酸架橋キチン系天然高分子組成物は、熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であり、キチン系天然高分子及びカルボン酸架橋剤からなる生分解性材料のみで構成されるカルボン酸架橋キチン系天然高分子組成物である。
以下、本発明のカルボン酸架橋キチン系天然高分子組成物を構成するキチン系天然高分子であるキチン、キトサン、キチンナノファイバー及びキチン系天然高分子を架橋するカルボン酸架橋剤について、以下に説明する。
The carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition of the present invention is a carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition in which the pencil hardness of the thermosetting coating is 4H or more and which is composed only of biodegradable materials consisting of a chitin-based natural polymer and a carboxylic acid cross-linking agent.
Hereinafter, chitin, chitosan, chitin nanofibers, and a carboxylic acid crosslinking agent for crosslinking chitin-based natural polymers, which are chitin-based natural polymers constituting the carboxylic acid crosslinked chitin-based natural polymer composition of the present invention, will be described.

1.カルボン酸架橋キチン系高分子組成物の構成成分
本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物は、キチン系天然高分子(キチン、キトサン)と該キチン系天然高分子を架橋して三次元架橋構造を形成するカルボン酸架橋剤で構成され、キチンナノファイバーを加えることができる。
1. Constituents of the Carboxylic Acid Cross-Linked Chitin-Based Polymer Composition The carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention is composed of a chitin-based natural polymer (chitin, chitosan) and a carboxylic acid cross-linking agent that cross-links the chitin-based natural polymer to form a three-dimensional cross-linked structure, and chitin nanofibers can also be added.

(1.1)キチン、キトサン
キチンは、N-アセチル-D-グルコサミンが鎖状に長く(数百から数千)つながった繊維構造を有するアミノ多糖である。エビ、カニ等の甲殻類の外骨格、昆虫の外皮殻、貝、キノコなどの成分として広く分布する天然高分子である。生物由来キチンの形態は、繊維状、粒状などの任意の形態であってもよい。甲殻類、昆虫類またはオキアミの殻及び外皮などから採取加工したものである。
図1に示すように、キトサンは、キチンをアルカリ処理して脱アセチル化したものであり、アミノ基を有する多糖体である。脱アセチル化度が高いほど、すなわちアセチル化度が約50%以上の場合は希酢酸などの酸水溶液に可溶となる。
キトサンは、アミノ基や水酸基等の反応性の高い官能基を有することから、悪臭成分やホルムアルデヒドの吸着、抗菌作用という優れた特性を持つ。また、生分解性も高い。また、pH6以下のアミノ基の水素イオン化により溶解性が高まり、この陽イオン化したキトサンは、生分解性、抗菌性、抗カビ性、非毒性、生体適合性を有する。
(1.1) Chitin and Chitosan Chitin is an aminopolysaccharide with a fibrous structure consisting of long chains (hundreds to thousands) of N-acetyl-D-glucosamine units. It is a natural polymer widely distributed as a component of the exoskeletons of crustaceans such as shrimp and crabs, the exoskeleton of insects, shellfish, and mushrooms. Biologically derived chitin may be in any form, such as fibrous or granular. It is extracted and processed from the shells and exoskeletons of crustaceans, insects, or krill.
As shown in Figure 1, chitosan is a polysaccharide containing amino groups, which is obtained by deacetylating chitin through alkali treatment. The higher the degree of deacetylation, i.e., when the degree of acetylation is about 50% or more, the more soluble it becomes in an aqueous acid solution such as dilute acetic acid.
Chitosan has highly reactive functional groups, such as amino and hydroxyl groups, which give it excellent properties, such as the ability to adsorb odorous components and formaldehyde, and antibacterial properties. It is also highly biodegradable. Furthermore, the hydrogen ionization of the amino groups at pH levels below 6 increases its solubility, and this cationized chitosan is biodegradable, antibacterial, antifungal, non-toxic, and biocompatible.

キトサンは、水酸化ナトリウムなどの強アルカリ加温条件下でキチンを脱アセチル化することにより製造することができる。
キチンの脱アセチル化反応は、酸による脱灰後のカニ殻など、あるいはキチン粉末を30~60wt%水酸化ナトリウム水溶液中で加温攪拌処理(80℃~120℃,0.5時間~5時間)して行う。キトサンの平均脱アセチル化度は、水酸化ナトリウム濃度、反応温度、時間によって制御できる。
本発明のキトサンの平均脱アセチル化度は、希酢酸などの酸水溶液への溶解性、天然由来のカルボン酸架橋剤との架橋反応の進行性に鑑み、50%以上、好ましくは70%~100%である。
なお、キトサンの平均脱アセチル化度は元素分析、電気伝導度滴定、FT-IRなどによって測定することができる。平均脱アセチル化度の計算式の例としては以下の式が挙げられる。
平均脱アセチル化度(%)=[(キチンナノファイバーに含まれるアミノ基数)/(キチンナノファイバーに含まれるアミノ基数+アセトアミド基数)]x100
本発明のキトサンには、キトサン誘導体、具体的には、キトサンのアミノ基の一部、同一分子内の水酸基の一部がアシル化反応、エーテル化反応、エステル化反応その他の化学反応により化学修飾された化合物も含まれる。
Chitosan can be produced by deacetylating chitin under heating conditions with a strong alkali such as sodium hydroxide.
Chitin deacetylation is carried out by heating and stirring crab shells or chitin powder after acid decalcification in a 30-60 wt% aqueous solution of sodium hydroxide (80-120°C, 0.5-5 hours). The average degree of deacetylation of chitosan can be controlled by adjusting the sodium hydroxide concentration, reaction temperature, and reaction time.
The average degree of deacetylation of the chitosan of the present invention is 50% or more, preferably 70% to 100%, in view of the solubility in an aqueous acid solution such as dilute acetic acid and the progress of the crosslinking reaction with a naturally occurring carboxylic acid crosslinker.
The average deacetylation degree of chitosan can be measured by elemental analysis, conductometric titration, FT-IR, etc. The following formula is an example of a formula for calculating the average deacetylation degree.
Average deacetylation degree (%) = [(number of amino groups contained in chitin nanofibers) / (number of amino groups contained in chitin nanofibers + number of acetamide groups)] x 100
The chitosan of the present invention also includes chitosan derivatives, specifically compounds in which some of the amino groups of chitosan or some of the hydroxyl groups in the same molecule have been chemically modified by acylation, etherification, esterification, or other chemical reactions.

(1.2)キチンナノファイバー
キチンを機械的な解繊処理により解繊処理したキチンナノファイバーを用いることができる。
キチンナノファイバーは、キチンを機械的な解繊処理により解繊処理することにより得ることができる。解繊処理は、脱蛋白・脱灰処理されたキチンナノファイバーを弱酸(pH3~4)処理後、石臼式摩砕器、高圧ホモジナイザー、凍結粉砕装置などの機械的解繊処理が採用されている。例えば、キチン等の多糖類の分散液を一対のノズルから70~250MPaの高圧で噴射させた噴射流を互いに衝突させて粉砕する湿式粉砕法(特開2005-270891号公報参照)、バイオマスの分散流体を100~240MPaで高圧噴射して衝突用硬質体に衝突させて粉砕する高圧噴射法(特開2011-056456号公報参照)が開示されている。また、解繊処理を旋回液流式マイクロバブル発生装置により生じたマイクロバブルの存在下で行うことも開示されている(特開2017-94218号公報参照)。旋回流式マイクロバブル発生装置では、気液発生槽の内部の旋回により、旋回による剪断力とマイクロバブルが同時に相乗的に作用する。このため、解繊処理に旋回流マイクロバブル発生装置により生じたマイクロバブルを使用することで、低エネルギーかつ低コストで効率よく、超比表面積特性、ナノサイズ特性、分子配列特性に優れ、細く、長く、均質なバイオナノファイバーを得ることができる。
キチンナノファイバーの幅(または直径)が約2nm~約200nm、好ましくは約2nm~約100nm、より好ましくは約2nm~約50nm、例えば、約5nm~約20nm、約2nm~約20nm等である。このような幅(または直径)のキチンナノファイバーは、水性媒体への分散性に優れている。
キチンナノファイバーのアスペクト比(繊維の長さ/繊維の幅)は、通常約10以上(約10~約100000)、好ましくは約100以上、例えば、200~約10000である。
(1.2) Chitin Nanofibers Chitin nanofibers obtained by mechanically defibrating chitin can be used.
Chitin nanofibers can be obtained by mechanically defibrating chitin. For this process, deproteinized and decalcified chitin nanofibers are treated with a weak acid (pH 3-4) followed by mechanical defibration using a millstone grinder, high-pressure homogenizer, freeze-pulverizer, or other device. For example, a wet grinding method (see JP 2005-270891 A) has been disclosed, in which a dispersion of polysaccharides such as chitin is sprayed from a pair of nozzles at a high pressure of 70-250 MPa, causing the jets to collide with each other and pulverize the mixture. Another high-pressure injection method (see JP 2011-056456 A) has been disclosed, in which a biomass dispersion fluid is sprayed at a high pressure of 100-240 MPa against a hard impact body and pulverized. It has also been disclosed that the defibration process can be performed in the presence of microbubbles generated by a swirling liquid flow microbubble generator (see JP 2017-94218 A). In a swirling flow microbubble generator, the shear force and microbubbles generated by the swirling flow inside the gas-liquid generation tank act synergistically at the same time. Therefore, by using microbubbles generated by a swirling flow microbubble generator in the fiber defibration process, it is possible to efficiently obtain thin, long, and uniform bio-nanofibers with excellent super-specific surface area, nano-size, and molecular alignment properties, with low energy and low cost.
The width (or diameter) of chitin nanofibers is about 2 nm to about 200 nm, preferably about 2 nm to about 100 nm, more preferably about 2 nm to about 50 nm, for example, about 5 nm to about 20 nm, about 2 nm to about 20 nm, etc. Chitin nanofibers with such a width (or diameter) have excellent dispersibility in aqueous media.
The aspect ratio of chitin nanofibers (fiber length/fiber width) is usually about 10 or more (about 10 to about 100,000), preferably about 100 or more, for example, 200 to about 10,000.

本発明のキチンナノファイバーには、表面キトサン化キチンナノファイバーを用いることができる。 The chitin nanofibers of the present invention can be surface-chitosanized chitin nanofibers.

(1.3)カルボン酸架橋剤
キチン系天然高分子の架橋剤としては、グリオキサールなどのジアルデヒド、ゲニピン(Genipin)を用いることができるが、天然由来の多価カルボン酸などのグリーン架橋剤を用いることが好ましい。
カルボン酸架橋剤としては、例えばクエン酸、酒石酸、リンゴ酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、フマル酸、マレイン酸、シトラコン酸、イタコン酸、乳酸、フタル酸などの多価カルボン酸、並びにそれらの塩を挙げることができる。安全性、コストの点でクエン酸が好ましい。
カルボン酸架橋剤の含有量は、熱硬膜皮膜形成したカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上を維持できるようにキチン系天然高分子に対して適宜定めることができる。例えば、キチン系天然高分子(キトサン)に対するカルボン酸架橋剤(クエン酸)の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3.0以下であることが好ましい。
(1.3) Carboxylic Acid Crosslinking Agents As crosslinking agents for chitin-based natural polymers, dialdehydes such as glyoxal and genipin can be used, but it is preferable to use green crosslinking agents such as naturally occurring polycarboxylic acids.
Examples of the carboxylic acid crosslinking agent include polycarboxylic acids such as citric acid, tartaric acid, malic acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, fumaric acid, maleic acid, citraconic acid, itaconic acid, lactic acid, and phthalic acid, as well as salts thereof. Citric acid is preferred from the standpoints of safety and cost.
The content of the carboxylic acid crosslinking agent can be appropriately determined relative to the chitin-based natural polymer so that the thermoset coating of the carboxylic acid crosslinked chitin-based polymer composition formed into a thermally cured coating maintains a pencil hardness of 4H or more. For example, the weight composition ratio (citric acid/chitosan) of the carboxylic acid crosslinking agent (citric acid) to the chitin-based natural polymer (chitosan) is preferably 0.5 or more and 3.0 or less.

2.カルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製造方法
本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物は、キチン系天然高分子であるキトサンあるいはキトサン及びキチンナノファイバーと、カルボン酸架橋剤であるクエン酸を酢酸水溶液中で混合して皮膜形成溶液を調製する皮膜形成溶液調液工程と、前記皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して熱硬化皮膜を形成する硬化皮膜形成工程とからなる。
以下、皮膜形成溶液調液工程、硬化皮膜形成工程の順に説明する。
2. Method for Producing Carboxylic Acid Cross-Linked Chitin-Based Polymer Composition The production of the carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention comprises a film-forming solution preparation step of mixing chitosan, or chitosan and chitin nanofibers, which is a natural chitin-based polymer, with citric acid, which is a carboxylic acid cross-linking agent, in an aqueous acetic acid solution to prepare a film-forming solution, and a cured film formation step of applying the film-forming solution to form a coating film, and then thermally curing the coating film at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a thermoset coating film.
The film-forming solution preparation step and the cured film formation step will be described below in that order.

(2-1)皮膜形成溶液調液工程
本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物を製造するための皮膜形成溶液調液工程は、キチン系天然高分子であるキトサンあるいはキトサン及びキチンナノファイバーと、該キチン系天然高分子を架橋して三次元架橋構造を形成するカルボン酸架橋剤(クエン酸)を酢酸水溶中で混合して皮膜形成溶液を調製する。
(2-1) Film-forming solution preparation step In the film-forming solution preparation step for producing the carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention, a film-forming solution is prepared by mixing chitosan, which is a chitin-based natural polymer, or chitosan and chitin nanofibers, with a carboxylic acid cross-linking agent (citric acid) that cross-links the chitin-based natural polymer to form a three-dimensional cross-linked structure, in an aqueous acetic acid solution.

本発明の皮膜形成溶液は、1.0~20.0wt%酢酸水溶液を溶媒とする。
溶媒を酢酸水溶液としたのは、キチン系天然高分子(キトサン)を溶解させるためには、pHを6以下、好ましくは2.5~4.5とする必要があるからであり、酢酸(pK 4.76)が安全性、コストの観点から好適だからである。
The film-forming solution of the present invention contains a 1.0 to 20.0 wt % aqueous solution of acetic acid as a solvent.
The reason why an aqueous acetic acid solution was used as the solvent is that in order to dissolve chitin-based natural polymers (chitosan), the pH must be 6 or less, preferably 2.5 to 4.5, and acetic acid (pK a 4.76) is suitable from the viewpoints of safety and cost.

皮膜形成溶液(酢酸水溶液)おけるキトサン及びクエン酸の配合量は、キトサン含有量が1.0~20.0wt%であり、かつキトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3.0以下である。
キトサン含有量が1.0wt%未満の場合は連続成膜性が十分でなく、また、20.0wt%を超える場合は塗膜形成性が十分でないからでる。
キトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5未満である場合は、硬化皮膜の表面硬度(鉛筆硬度)が4Hを下回るからである。また、3.0を超える場合は、塗膜形成性が十分でないからでる。
The amounts of chitosan and citric acid blended in the film-forming solution (acetic acid aqueous solution) are such that the chitosan content is 1.0 to 20.0 wt % and the weight composition ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) is 0.5 to 3.0.
If the chitosan content is less than 1.0 wt %, the continuous film forming property is insufficient, and if it exceeds 20.0 wt %, the coating film forming property is insufficient.
If the weight ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) is less than 0.5, the surface hardness (pencil hardness) of the cured film will be less than 4H, and if it exceeds 3.0, the film-forming properties will be insufficient.

キチンナノファイバーを皮膜形成溶液に添加することができる。キチンナノファイバーを皮膜形成溶液に添加する場合は、キチンナノファイバーのキトサンに対する重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)を0.5以下とすることが好ましい。
キチンナノファイバーのキトサンに対する重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)が0.5を超える場合は、塗膜均一性が十分でないからでる。
Chitin nanofibers can be added to the film-forming solution. When chitin nanofibers are added to the film-forming solution, the weight composition ratio of chitin nanofibers to chitosan (chitin nanofibers/chitosan) is preferably 0.5 or less.
This is because when the weight composition ratio of chitin nanofibers to chitosan (chitin nanofibers/chitosan) exceeds 0.5, the coating film uniformity is insufficient.

(2-2)硬化皮膜形成工程
本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物を製造するための硬化皮膜形成工程は、皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して硬化皮膜を形成する。
塗膜の加熱処理は、カルボン酸架橋剤(クエン酸)の反応を進行させ、また反応を完結させるためのものである。
加熱処理方法としては、塗膜に対して通常行われる加熱方法であれば特に制限なく用いることができ、接触加熱法、非接触加熱法のいずれであってもよい。例えば、塗膜を、所定温度に加熱されたシリンダー乾燥機のシリンダー面(加熱ロール、加熱盤)等に接触加熱する方法や、熱風循環式乾燥機中などの高温雰囲気下に所定の時間曝すことより処理する非接触加熱による方法、遠赤外線乾燥機、電磁誘導加熱炉による処理方法等が挙げられる。
加熱処理の温度は、加熱処理方法にもよるが、例えば100~220℃とすることができ、120~200℃が好ましく、140~180℃がより好ましくい。加熱処理の時間は加熱処理方法によって異なり、熱風循環式乾燥機などによる非接触加熱の場合は、例えば30~90分、より好ましくは40~60分である。また、シリンダー乾燥機などによる加熱ロール及び/又は加熱盤などによる接触加熱の場合は、例えば0.5秒~30分、より好ましくは1秒~3分である。この場合、塗膜と加熱ロール及び/又は加熱盤などと接触する部分の温度は、例えば130~250℃とすることができ、180~220℃が好ましい。
(2-2) Cured Film Forming Step The cured film forming step for producing the carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention involves applying a film-forming solution to form a coating film, and then thermally curing the coating film at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a cured film.
The heat treatment of the coating film is intended to promote and complete the reaction of the carboxylic acid crosslinking agent (citric acid).
The heat treatment method can be any heating method that is normally used for coating films, and may be either a contact heating method or a non-contact heating method. Examples include a method in which the coating film is heated by contact with the cylinder surface (heating roll, heating platen) of a cylinder dryer heated to a predetermined temperature, a non-contact heating method in which the coating film is treated by exposing it to a high-temperature atmosphere in a hot air circulation dryer or the like for a predetermined period of time, and a treatment method using a far-infrared dryer or an electromagnetic induction heating furnace.
The temperature of the heat treatment varies depending on the heat treatment method, but can be, for example, 100 to 220°C, preferably 120 to 200°C, and more preferably 140 to 180°C. The heat treatment time varies depending on the heat treatment method, and in the case of non-contact heating using a hot air circulation dryer or the like, it is, for example, 30 to 90 minutes, more preferably 40 to 60 minutes. In the case of contact heating using a heated roll and/or heated platen or the like using a cylinder dryer or the like, it is, for example, 0.5 seconds to 30 minutes, more preferably 1 second to 3 minutes. In this case, the temperature of the portion of the coating film that comes into contact with the heated roll and/or heated platen or the like can be, for example, 130 to 250°C, and preferably 180 to 220°C.

以下に、本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物について、実施態様を示して具体的に説明するが、本発明を実施態様に限定するものと解してはならない。
表1は、本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の構成成分と物性評価について実施態様を一覧にしてまとめたものである。
The carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention will be specifically described below by showing embodiments, but it should not be construed that the present invention is limited to these embodiments.
Table 1 lists the components of the carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition of the present invention and examples of evaluation of physical properties.

<実施例1>
1.皮膜形成溶液の調製
キトサン(CS)1.0gと、酢酸(AA)2.5gと、添加量を(0.0g,1.0g,1.5g,2.0g,3.0g)に変えたクエン酸(CA)を水に溶解してキトサン溶液を調製し、半量の水で希釈して皮膜形成溶液(CA_1.1-CA_1.5)を調製した。
皮膜形成溶液(CA_1.1-CA_1.5)にキチンナノファイバー0.1g(NÅNO)を添加し、皮膜形成溶液(CA_2.1-CA_2.5)を調製した。
なお、キトサン(CS)、キチンナノファイバー(NÅNO)、酢酸(AA)、クエン酸(CA)は以下のものを用いた。
・キトサン 低分子キトサン(脱アセチル化度75-85%,MW 50-190 kDa;Batch#MKBB9037 Sigma-Aldrich社製)
・キチンナノファイバー 1-3%水溶液 (NÅNO(ノノ) Batch#2302016 大村塗料株式会社製)
・酢酸 99.7%酢酸 純正化学株式会社製
・クエン酸 98%クエン酸 富士フイルム和光純薬株式会社製
Example 1
1. Preparation of film-forming solutions Chitosan solutions were prepared by dissolving 1.0 g of chitosan (CS), 2.5 g of acetic acid (AA), and varying amounts of citric acid (CA) (0.0 g, 1.0 g, 1.5 g, 2.0 g, 3.0 g) in water, and then diluted with half the amount of water to prepare film-forming solutions (CA_1.1-CA_1.5).
0.1 g of chitin nanofibers (NÅNO) was added to the film-forming solutions (CA_1.1-CA_1.5) to prepare film-forming solutions (CA_2.1-CA_2.5).
The chitosan (CS), chitin nanofiber (NÅNO), acetic acid (AA), and citric acid (CA) used were as follows.
Chitosan: Low molecular weight chitosan (deacetylation degree 75-85%, MW 50-190 kDa; Batch #MKBB9037, manufactured by Sigma-Aldrich)
・Chitin nanofiber 1-3% aqueous solution (NÅNO Batch #2302016, manufactured by Omura Paint Co., Ltd.)
・Acetic acid 99.7% acetic acid manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd. ・Citric acid 98% citric acid manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.

2.硬化皮膜の形成
皮膜形成溶液(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)を手動塗工器(K hand coater ;RK Print coat Instruments, size 8) を用いて顕微鏡用スライドガラス(L76mm×W26mm×H0.8-1.0mm 松浪硝子工業株式会社製)上に塗工し、それぞれを硬化温度(160℃,180℃,200℃)で1時間加熱して硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)を形成した。
2. Formation of cured coatings The coating solutions (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) were applied to microscope slides (L 76 mm × W 26 mm × H 0.8-1.0 mm, manufactured by Matsunami Glass Industry Co., Ltd.) using a hand coater (RK Print coat Instruments, size 8), and the slides were heated at curing temperatures (160°C, 180°C, 200°C) for 1 hour to form cured coatings (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5).

3.硬化皮膜の物性
硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)について、表面硬度(鉛筆硬度)、濡れ性(表面接触角)、皮膜厚み、耐水性を評価した。
3. Physical properties of cured films The cured films (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) were evaluated for surface hardness (pencil hardness), wettability (surface contact angle), film thickness, and water resistance.

(3.1)表面硬度(鉛筆硬度)
硬化皮膜の表面硬度は、Wolff-Wilborn法(ASTM D3363)により評価した。鉛筆硬度試験器(Anhui East Electronic Technology HT-6510P)に鉛筆硬度(10B-10H)の鉛筆(Hi-uni 三菱鉛筆株式会社製)を角度45°に取り付け、荷重500gで皮膜引掻き硬度を計測した。計測は5回行い、引掻き傷の有無を顕微鏡で観察した。
図3は、硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)の鉛筆硬度試験結果(右図)と鉛筆硬度試験における引掻き痕を示す(左図)。
硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)の鉛筆硬度は、クエン酸(CA)を含む硬化皮膜(CA_1.2-CA_1.5,CA_2.2-CA_2.5)は同等の鉛筆硬度(5H-8H)であった。一方、クエン酸(CA)を含まない硬化皮膜(CA_1.1,CA_2.1)は鉛筆硬度(6B-2H)であった(表1及び図3)。
また、図4の破断面SEM写真で示すように、(a)クエン酸(CA)を含まない硬化皮膜(CA_1.1)は、柔らかいため断面が明確でない。一方、(b)クエン酸(CA)を含む硬化皮膜(CA_2.3)は明確な断面を観察できる。
キチンナノファイバー0.1g(NÅNO)を添加した硬化皮膜(CA_2.2-CA_2.5)と、キチンナノファイバー0.1g(NÅNO)を添加しない硬化皮膜(CA_1.2-CA_1.5)との鉛筆硬度に明確な差はない。
(3.1) Surface hardness (pencil hardness)
The surface hardness of the cured coating was evaluated using the Wolff-Wilborn method (ASTM D3363). A pencil (Hi-uni, manufactured by Mitsubishi Pencil Co., Ltd.) with a pencil hardness of 10B-10H was attached to a pencil hardness tester (Anhui East Electronic Technology HT-6510P) at a 45° angle, and the coating scratch hardness was measured under a load of 500 g. The measurement was performed five times, and the presence or absence of scratches was observed under a microscope.
Figure 3 shows the pencil hardness test results (right) of the cured films (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) and the scratch marks (left) from the pencil hardness test.
The pencil hardness of the cured films (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) was comparable to that of the cured films containing citric acid (CA_1.2-CA_1.5, CA_2.2-CA_2.5) (5H-8H), while the cured films without citric acid (CA_1.1, CA_2.1) had a pencil hardness of 6B-2H (Table 1 and Figure 3).
As shown in the SEM photographs of fracture surfaces in Figure 4, (a) the cured coating (CA_1.1) that does not contain citric acid (CA) is soft and the cross section is not clear, while (b) the cured coating (CA_2.3) that does contain citric acid (CA) has a clear cross section.
There is no clear difference in pencil hardness between the cured film with 0.1 g of chitin nanofiber (NÅNO) added (CA_2.2-CA_2.5) and the cured film without 0.1 g of chitin nanofiber (NÅNO) added (CA_1.2-CA_1.5).

(3.2)濡れ性(表面接触角)
皮膜の濡れ性は、接触角計(協和界面化学株式会社製 DM 500)で計測した。3μLを皮膜水平面に滴下し、室温での静的接触角を計測した。計測は異なる部分を5回計測し、計測ソフト(FAMAS)で接触角を算出した。
図5(a)は、硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)の表面接触角(静的接触角)を計測したグラフである。クエン酸(CA)を含む硬化皮膜(CA_1.2-CA_1.5,CA_2.2-CA_2.5)の接触角は57.4±2.0°であった。いずれも静的接触角が90°を下回るため親水性であった。また、クエン酸(CA)を含まない硬化皮膜(CA_1.1,CA_2.1)の接触角は26.8±4.5°であった。クエン酸(CA)を含まない硬化皮膜(CA_1.1,CA_2.1)の接触角が小さいのは、架橋形成に寄与しないアミノ基の量によるものと考える。
(3.2) Wettability (surface contact angle)
The wettability of the coating was measured using a contact angle meter (DM 500, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). 3 μL was dropped onto a horizontal surface of the coating, and the static contact angle was measured at room temperature. Measurements were taken five times at different locations, and the contact angle was calculated using measurement software (FAMAS).
Figure 5(a) is a graph showing the measured surface contact angles (static contact angles) of cured films (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5). The contact angle of the cured films containing citric acid (CA) (CA_1.2-CA_1.5, CA_2.2-CA_2.5) was 57.4±2.0°. All static contact angles were below 90°, indicating hydrophilicity. The contact angle of the cured films not containing citric acid (CA) (CA_1.1, CA_2.1) was 26.8±4.5°. The smaller contact angle of the cured films not containing citric acid (CA) (CA_1.1, CA_2.1) is believed to be due to the amount of amino groups that do not contribute to crosslinking.

(3.3)皮膜厚み
硬化皮膜の厚みは、膜厚段差計(optical profiler Bruker Dektak XT-S)で計測した。
図5(b)は、硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)の皮膜厚みを計測したグラフである。皮膜厚みは約1-5μmであり、皮膜厚みはクエン酸(CA)の添加量により増加する傾向がある。クエン酸(CA)の添加量により皮膜厚みが増加するのは、皮膜形成溶液の粘度の増加によるものと考える。
(3.3) Coating Thickness The thickness of the cured coating was measured using a coating thickness step meter (optical profiler Bruker Dektak XT-S).
Figure 5(b) is a graph showing the measured thickness of the cured coatings (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5). The coating thickness is approximately 1-5 μm, and tends to increase with the amount of citric acid (CA) added. The increase in coating thickness with the amount of citric acid (CA) added is thought to be due to an increase in the viscosity of the coating solution.

(3.4)耐水性
脱イオン水25mLが入れた円錐遠心管(Thermo scientific 社製 50mL)に重さを測った皮膜を入れ、室温で24時間経過後の皮膜の崩壊(損傷)及び膨潤度をSEM観察により評価した。結果は、以下のとおりであった。
<皮膜の崩壊及び膨潤度>
200℃で熱硬化処理を行った硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)は、180℃で熱硬化処理を行った硬化皮膜(CA_2.1-CA_2.5)は、いずれも皮膜の崩壊を観察できなかった。
180℃で熱硬化処理を行った硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5)は、いずれも皮膜端面にわずかな崩壊を観察した。また、クエン酸(CA)を含まない硬化皮膜(CA_1.1,CA_2.1)は水がわずかに黄変した。
160℃で熱硬化処理を行った硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)は、いずれも皮膜の崩壊を観察し、塗工したガラス板から剥離した。
温水中において硬化皮膜(CA_1.1-CA_1.5,CA_2.1-CA_2.5)は、いずれもキトサン(CS)の膨潤作用により重量の増加を認めた。
<SEM観察>
図6は、硬化皮膜(CA_1.3)の耐水性試験前後のSEM観察である。左側は試験後(室温で24時間経過後)、右側は試験前であり、(a)200℃、(b)180℃、(c)160℃である。また、図7は、硬化皮膜(CA_2.3)の耐水性試験前後のSEM観察である。左側は試験後(室温で24時間経過後)、右側は試験前であり、(a)200℃、(b)180℃、(c)160℃である。
キチンナノファイバー(NÅNO)を添加しない硬化皮膜(CA_1.3)は、均質な表面を示したが、キチンナノファイバー(NÅNO)を添加した硬化皮膜(CA_2.3)は、不均質な表面を示した。
200℃、180℃で熱硬化処理を行った硬化皮膜(CA_1.3)と硬化皮膜(CA_2.3)は、表面の損傷を観察しなかった。一方、160℃で熱硬化処理を行った硬化皮膜(CA_1.3)と硬化皮膜(CA_2.3)は、表面に若干の損傷を観察した。
(3.4) Water Resistance A weighed film was placed in a conical centrifuge tube (50 mL, manufactured by Thermo Scientific) containing 25 mL of deionized water, and the film was left at room temperature for 24 hours before collapse (damage) and swelling were evaluated by SEM observation. The results were as follows:
<Destruction and swelling of the coating>
No breakdown of the coating was observed in either the cured coatings heat-cured at 200°C (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) or the cured coating heat-cured at 180°C (CA_2.1-CA_2.5).
Slight disintegration was observed on the edge of the cured coatings (CA_1.1-CA_1.5) that were heat-cured at 180°C. In addition, the cured coatings that did not contain citric acid (CA) (CA_1.1, CA_2.1) showed slight yellowing of the water.
The cured coatings (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) that were heat-cured at 160°C were observed to disintegrate and peel off from the coated glass plates.
In warm water, the cured films (CA_1.1-CA_1.5, CA_2.1-CA_2.5) all showed an increase in weight due to the swelling action of chitosan (CS).
<SEM Observation>
Figure 6 shows SEM images of a cured coating (CA_1.3) before and after a water resistance test. The left side shows the results after the test (after 24 hours at room temperature), and the right side shows the results before the test, at (a) 200°C, (b) 180°C, and (c) 160°C. Figure 7 shows SEM images of a cured coating (CA_2.3) before and after a water resistance test. The left side shows the results after the test (after 24 hours at room temperature), and the right side shows the results before the test, at (a) 200°C, (b) 180°C, and (c) 160°C.
The cured coating (CA_1.3) without chitin nanofibers (NÅNO) added showed a homogeneous surface, whereas the cured coating (CA_2.3) with chitin nanofibers (NÅNO) added showed a heterogeneous surface.
No surface damage was observed for the cured coatings (CA_1.3) and (CA_2.3) heat-cured at 200°C and 180°C, respectively. However, slight surface damage was observed for the cured coatings (CA_1.3) and (CA_2.3) heat-cured at 160°C.

4.厚膜試料の調製
キトサン(CS)2.6gを、クエン酸(CA)0.4gを水10.0gに溶解したクエン酸水溶液に加えて混合ペーストを調製した。このペーストをアルミホイルに包み油圧ジョッキ(株式会社マサダ製作所 MH-15P)を用いて、温度(160℃,180℃,200℃)で1時間加圧した。10MPaで15分加圧した後、45分放置し、厚膜試料(CS_neat)とした。
キトサン(CS)2.0gとキチン(0.6g)を混合し、クエン酸(CA)0.4gを水10.0gに溶解したクエン酸水溶液に加えて混合ペーストを調製した。このペーストをアルミホイルに包み油圧ジョッキ(株式会社マサダ製作所 MH-15P)を用いて、温度(160℃,180℃,200℃)で1時間加圧した。10MPaで15分加圧した後、45分放置し、厚膜試料(CS_chitin)とした。
なお、キトサン(CS)、キチン、クエン酸(CA)は以下のものを用いた。
・キトサン 低分子キトサン(脱アセチル化度75-85%,MW 50-190 kDa;Batch#MKBB9037 Sigma-Aldrich社製)
・キチン 脱アセチル化度1.6% Batch#0926-25 甲陽ケミカル株式会社製
・クエン酸 98%クエン酸 富士フイルム和光純薬株式会社製
4. Preparation of thick film samples: 2.6 g of chitosan (CS) was added to a citric acid solution prepared by dissolving 0.4 g of citric acid (CA) in 10.0 g of water to prepare a mixed paste. This paste was wrapped in aluminum foil and pressurized for 1 hour at temperatures (160°C, 180°C, 200°C) using a hydraulic mug (Masada Seisakusho Co., Ltd. MH-15P). After 15 minutes of pressurization at 10 MPa, the mixture was left for 45 minutes to prepare a thick film sample (CS_neat).
A mixed paste was prepared by mixing 2.0 g of chitosan (CS) and 0.6 g of chitin and adding this to a citric acid solution prepared by dissolving 0.4 g of citric acid (CA) in 10.0 g of water. This paste was wrapped in aluminum foil and pressurized for 1 hour at temperatures (160°C, 180°C, 200°C) using a hydraulic mug (Masada Seisakusho Co., Ltd. MH-15P). After 15 minutes of pressure at 10 MPa, the mixture was left for 45 minutes to prepare a thick film sample (CS_chitin).
The chitosan (CS), chitin, and citric acid (CA) used were as follows:
Chitosan: Low molecular weight chitosan (deacetylation degree 75-85%, MW 50-190 kDa; Batch #MKBB9037, manufactured by Sigma-Aldrich)
Chitin, deacetylation degree 1.6%, Batch #0926-25, manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd. Citric acid, 98% citric acid, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.

(4-1)機械物性評価
厚膜試料(CS_chitin,CS_neat)につき、機械物性(Stress-Strain Analysis)をダンベル型引張試験機(AND MCT-2150)を用いて引張速度10mm/minで評価した。
最大抗張力は、TS=UF/Aにより算出した。
ここで、最大抗張力(TS;ultimate tensile strength)、破断領域の断面積(A;the cross-sectional area of the break region)、最大強度(UF;ultimate force)
機械物性評価結果を表2及び図8(Stress-Strain curves)に示す。
<試験結果>
温度(180℃,200℃)で1時間加圧した厚膜試料(CS_chitin,CS_neat)は、変形することなく勾配の終点で直接破断した。
温度(160℃)で1時間加圧した厚膜試料(CS_chitin,CS_neat)は、破断前に変形した。
(4-1) Evaluation of Mechanical Properties The mechanical properties (Stress-Strain Analysis) of the thick film samples (CS_chitin, CS_neat) were evaluated using a dumbbell tensile tester (AND MCT-2150) at a tensile speed of 10 mm/min.
The ultimate tensile strength was calculated by the formula TS=UF/A.
Here, the ultimate tensile strength (TS), the cross-sectional area of the break region (A), and the ultimate force (UF) are
The results of the mechanical property evaluation are shown in Table 2 and FIG. 8 (Stress-Strain curves).
<Test Results>
The thick film samples (CS_chitin, CS_neat) pressed at temperatures (180°C, 200°C) for 1 hour fractured directly at the end of the gradient without deformation.
The thick film samples (CS_chitin, CS_neat) pressed at a temperature (160°C) for 1 hour deformed before breaking.

<実施例2>
1.皮膜形成溶液の調製
キトサン(CS)3.0gと、酢酸(AA)4.5gと、添加量を(0.0g,0.5g,1.0g,1.5g,2.0g)に変えたクエン酸(CA)を水に溶解してキトサン溶液を調製し、皮膜形成溶液(CA_3.1~CA_3.5)を調製した。
なお、キトサン(CS)、酢酸(AA)、クエン酸(CA)は以下のものを用いた。
・キトサン コーヨーキトサンFM-80(脱アセチル化度84.4%,粘度22mPa・S,甲陽ケミカル株式会社製)
・酢酸 99.7%酢酸 富士フイルム和光純薬株式会社製
・クエン酸 結晶物 富士フイルム和光純薬株式会社製
Example 2
1. Preparation of film-forming solutions Chitosan solutions were prepared by dissolving 3.0 g of chitosan (CS), 4.5 g of acetic acid (AA), and varying amounts of citric acid (CA) (0.0 g, 0.5 g, 1.0 g, 1.5 g, 2.0 g) in water, and film-forming solutions (CA_3.1 to CA_3.5) were prepared.
The chitosan (CS), acetic acid (AA), and citric acid (CA) used were as follows:
Chitosan: Koyo Chitosan FM-80 (deacetylation degree 84.4%, viscosity 22 mPa·S, manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd.)
・Acetic acid 99.7% acetic acid manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. ・Citric acid crystalline manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.

2.硬化皮膜の形成
皮膜形成溶液(CA_3.1~CA_3.4)を塗装刷毛を用いて顕微鏡用スライドガラス(L76mm×W26mm×H1.0±0.05mm 武藤化学株式会社製)上に塗工し、それぞれを硬化温度(160℃,180℃,200℃)で1時間加熱して硬化皮膜(CA_3.1~CA_3.4)を形成した。
2. Formation of cured films The film-forming solutions (CA_3.1 to CA_3.4) were applied to microscope slides (L 76 mm × W 26 mm × H 1.0 ± 0.05 mm, manufactured by Muto Chemical Co., Ltd.) using a paint brush, and each was heated at a curing temperature (160°C, 180°C, or 200°C) for 1 hour to form cured films (CA_3.1 to CA_3.4).

3.硬化皮膜の物性
硬化皮膜(CA_3.1~CA_3.4)について、表面硬度、耐水性、耐溶剤性を評価した。
3. Physical properties of cured films The surface hardness, water resistance, and solvent resistance of the cured films (CA_3.1 to CA_3.4) were evaluated.

(3.1)鉛筆硬度
硬化皮膜の表面硬度は、鉛筆硬度試験器(TP技研株式会社製)を使用して、鉛筆硬度(JIS K5600-5-4の測定方法に準拠した方法)によって、鉛筆硬度(10B-10H)の鉛筆(Hi-uni 三菱鉛筆株式会社製)を角度45°に取り付け、荷重750g±10gで皮膜引掻き硬度を計測した。計測は5回行い、引掻き傷の有無を顕微鏡で観察した。
(3.1) Pencil Hardness The surface hardness of the cured film was measured using a pencil hardness tester (manufactured by TP Giken Co., Ltd.) in accordance with the pencil hardness measurement method of JIS K5600-5-4. A pencil (Hi-uni, manufactured by Mitsubishi Pencil Co., Ltd.) with a pencil hardness of 10B-10H was attached at an angle of 45° and the scratch hardness of the film was measured under a load of 750 g±10 g. The measurement was carried out five times, and the presence or absence of scratches was observed under a microscope.

(3.2)耐水性
硬化皮膜に脱イオン水を滴下し、直ちに指で擦り、塗膜表面に生じる粘着、べたつき(タック)の程度を確認し、以下の基準で判断した。
× 塗膜が溶けてべとべとになる
△ 膜状になったものが剥離する
〇 剥離及びタック性がない
(3.2) Water Resistance Deionized water was dropped onto the cured film and immediately rubbed with a finger to check the degree of adhesion and stickiness (tack) on the surface of the coating film, and the water resistance was evaluated according to the following criteria.
× The coating film melts and becomes sticky. △ The film peels off. 〇 There is no peeling or tackiness.

(3.3)耐溶剤性評価
溶剤として、ラッカーシンナー、メチルエチルケトン(MEK)、ネオエタノールP-7(成分組成:エタノール85%、イソプロピルアルコール5%、ノルマルプロピルアルコール10%)、塗料用シンナーについて、各溶剤を染み込ませた布(クリーンウェス)を荷重500gで硬化皮膜上を10往復した後の皮膜状態を観察し、以下の基準で判断した。
×:布に硬化物の付着は見つけられないが、布が着色した。
△:布に硬化物が溶解したものが付着した。
〇:布に硬化物の付着がない。
(3.3) Evaluation of Solvent Resistance The solvents used were lacquer thinner, methyl ethyl ketone (MEK), Neoethanol P-7 (composition: ethanol 85%, isopropyl alcohol 5%, normal propyl alcohol 10%), and paint thinner. A cloth (clean rag) soaked in each solvent was passed back and forth over the cured coating 10 times with a load of 500 g, and the condition of the coating was observed and evaluated according to the following criteria.
x: No adhesion of the cured product to the cloth was found, but the cloth was discolored.
△: Dissolved cured product adhered to the cloth.
Good: No hardened material adheres to the cloth.

<まとめ>
(1)キトサン、キチンナノファイバー(NÅNO)を添加したキトサンを天然由来のカルボン酸架橋剤(クエン酸)で架橋した加熱温度160℃~200℃で熱硬化した熱硬化皮膜は、鉛筆硬度が4H以上の皮膜硬度と耐水性を示した。
(2)キチンナノファイバー(NÅNO)を添加することで、熱硬化皮膜の耐水性は向上した。
<Summary>
(1) Chitosan and chitin nanofiber (NÅNO)-added chitosan were crosslinked with a naturally occurring carboxylic acid crosslinker (citric acid) and cured at a heating temperature of 160°C to 200°C. The thermoset coatings exhibited a pencil hardness of 4H or more and water resistance.
(2) The addition of chitin nanofiber (NÅNO) improved the water resistance of the thermoset coating.

本発明のカルボン酸架橋キチン系高分子組成物は、ハードコート剤として利用可能である。 The carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition of the present invention can be used as a hard coating agent.

Claims (3)

キトサン及びキチンナノファイバーに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン及びキチンナノファイバー)が0.5以上3以下であり、キチンナノファイバーをキトサンに対して重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)0.5以下で含む熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物。 A carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition in which the weight ratio of citric acid to chitosan and chitin nanofibers (citric acid/chitosan and chitin nanofibers) is 0.5 or more and 3 or less, and the weight ratio of chitin nanofibers to chitosan (chitin nanofibers/chitosan) is 0.5 or less, and the pencil hardness of a thermoset coating film formed therefrom is 4H or more. キトサン、クエン酸及び酢酸水溶液を混合して、キトサン含有量が1.0~20.0wt%であり、かつキトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3以下である皮膜形成溶液を調製する皮膜形成溶液調液工程と、前記皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して熱硬化皮膜を形成する硬化皮膜形成工程と、からなる熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製造方法。 A method for producing a carboxylic acid cross-linked chitin-based polymer composition, which produces a thermosetting film with a pencil hardness of 4H or greater, comprising: a film-forming solution preparation step in which chitosan, citric acid, and an aqueous acetic acid solution are mixed to prepare a film-forming solution having a chitosan content of 1.0 to 20.0 wt% and a weight composition ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) of 0.5 to 3; and a cured film formation step in which the film-forming solution is applied to form a coating, and the coating is thermally cured at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a thermosetting film. キトサン、キチンナノファイバー、クエン酸及び酢酸水溶液を混合してキトサン及びキチンナノファイバー含有量が1.0~20.0wt%であり、かつキトサンに対するクエン酸の重量組成比(クエン酸/キトサン)が0.5以上3以下である皮膜形成溶液を調製する皮膜形成溶液調液工程と、前記皮膜形成溶液を塗工して塗膜を形成し、該塗膜を加熱温度100℃~200℃で熱硬化して熱硬化皮膜を形成する硬化皮膜形成工程と、からなるキチンナノファイバーをキトサンに対して重量組成比(キチンナノファイバー/キトサン)0.5以下で含む熱硬化皮膜の鉛筆硬度が4H以上であるカルボン酸架橋キチン系高分子組成物の製造方法。 A method for producing a carboxylic acid-crosslinked chitin-based polymer composition, comprising: a film-forming solution preparation step in which chitosan, chitin nanofibers, citric acid, and an aqueous solution of acetic acid are mixed to prepare a film-forming solution containing 1.0 to 20.0 wt% chitosan and chitin nanofibers, and in which the weight ratio of citric acid to chitosan (citric acid/chitosan) is 0.5 to 3; and a cured film formation step in which the film-forming solution is applied to form a coating, and the coating is thermally cured at a heating temperature of 100°C to 200°C to form a thermoset coating. The thermoset coating contains chitin nanofibers in a weight ratio of chitin nanofibers to chitosan (chitin nanofibers/chitosan) of 0.5 or less, and the pencil hardness of the thermoset coating is 4H or greater.
JP2025016484A 2025-02-04 2025-02-04 Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method Active JP7792108B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2025016484A JP7792108B1 (en) 2025-02-04 2025-02-04 Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2025016484A JP7792108B1 (en) 2025-02-04 2025-02-04 Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP7792108B1 true JP7792108B1 (en) 2025-12-25

Family

ID=98139575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2025016484A Active JP7792108B1 (en) 2025-02-04 2025-02-04 Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7792108B1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002226503A (en) * 2001-01-30 2002-08-14 Daishin Kagaku Kk Method for producing n-alkylchitosan derivative, n- alkylchitosan derivative and polymer produced by using the derivative
JP2003206409A (en) * 2002-01-11 2003-07-22 Nippon Parkerizing Co Ltd Heat crosslinkable composition, aqueous solution composition and composite material
JP2003530969A (en) * 2000-04-25 2003-10-21 ザ、プロクター、エンド、ギャンブル、カンパニー Absorbent products including cationic polysaccharides and silicates
JP2005146268A (en) * 2003-10-21 2005-06-09 Unitika Ltd Gas barrier composition and laminate material
WO2011024800A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-03 大日精化工業株式会社 Dispersant for use in a carbon filler
US20180022023A1 (en) * 2016-07-20 2018-01-25 Polyvalor, Limited Partnership Electrically conductive ink for solvent-cast 3d printing

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003530969A (en) * 2000-04-25 2003-10-21 ザ、プロクター、エンド、ギャンブル、カンパニー Absorbent products including cationic polysaccharides and silicates
JP2002226503A (en) * 2001-01-30 2002-08-14 Daishin Kagaku Kk Method for producing n-alkylchitosan derivative, n- alkylchitosan derivative and polymer produced by using the derivative
JP2003206409A (en) * 2002-01-11 2003-07-22 Nippon Parkerizing Co Ltd Heat crosslinkable composition, aqueous solution composition and composite material
JP2005146268A (en) * 2003-10-21 2005-06-09 Unitika Ltd Gas barrier composition and laminate material
WO2011024800A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-03 大日精化工業株式会社 Dispersant for use in a carbon filler
US20180022023A1 (en) * 2016-07-20 2018-01-25 Polyvalor, Limited Partnership Electrically conductive ink for solvent-cast 3d printing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. TEMPO-oxidized nanocellulose participating as crosslinking aid for alginate-based sponges
JP5186694B2 (en) Method for producing chitin nanofiber, composite material and coating composition containing chitin nanofiber, and method for producing chitosan nanofiber, composite material and coating composition containing chitosan nanofiber
Rebouillat et al. State of the art manufacturing and engineering of nanocellulose: a review of available data and industrial applications
Qie et al. Fully biobased adhesive from chitosan and tannic acid with high water resistance
JP6695662B2 (en) Dispersion containing polysaccharide nanofibers, dispersion medium and monomer, and resin composition obtained from the dispersion
JP6168892B2 (en) Water absorbent
Mu et al. The preparation of double network hydrogel with high mechanical properties by photopolymerization under the green LED irradiation and enhancement of wet adhesion by tannic acid
Yihun Nanochitin preparation and its application in polymer nanocomposites: a review
Zailuddin et al. Tensile properties and morphology of oil palm empty fruit bunch regenerated cellulose biocomposite films
CN111944366B (en) Preparation method and application of high-adhesion hydrogel coating
Ofem et al. Properties of chitin reinforces composites: a review
Kim et al. Effect of silane coupling on the fundamental properties of wood flour reinforced polypropylene composites
Ye et al. Facile superhydrophobic modification on HPMC film using polydimethylsiloxane and starch granule coatings
JP7792108B1 (en) Carboxylic acid cross-linked chitin-based natural polymer composition and its manufacturing method
JP7626413B2 (en) Sulfated cellulose nanofiber and its dried product
Zhu et al. A formaldehyde-free bio-composite sheet used as adhesive with excellent water-wet bonding performance
CN101134865B (en) Aqueous coating liquid composition for optical polyester film
Agumba et al. Advanced hydrostable, recyclable and degradable cellulose hybrid films as renewable alternatives to synthetic plastics
Cheng et al. Sustainable green polymers with agro-based nanomaterials: A selected review
Laborie Bacterial cellulose and its polymeric nanocomposites
WO2016129693A1 (en) Dispersion containing polysaccharide nanofibers, dispersion medium, and monomer; and resin composition obtained from said dispersion
JP3799117B2 (en) Biodegradable chitosan-containing composition and method for producing the same
Almeida et al. Production of beta-chitin aqueous stable suspensions by ultrasound process: a green chemistry way
Younis et al. Cellulose-Based Materials for The Consolidation of Archaeological Wooden Artifacts
JP5060063B2 (en) Adhesive composition

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20250221

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20250221

A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20250206

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20250605

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250613

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20250905

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250912

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20251205

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20251205

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7792108

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150