CN101466796A - 成型体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
在含有植物材料和热塑性树脂并通过注射成型形成的成型体中，将热塑性树脂和植物材料的合计作为100质量％时，含有热塑性树脂5～50质量％，同时含有植物材料50～95质量％，作为植物材料，使用将植物材料整体作为100质量％时，含有10质量％以上的木质素的植物材料。另外，成型体的制造方法由混合植物材料、水和热塑性树脂而得到成型材料的混合工序、和将成型材料注射到成型模具内的同时用成型模具成型而得到成型体的注射成型工序构成。其中，在混合工序中，作为植物材料，使用将植物材料的整体作为100质量％时含有10质量％以上的木质素的植物材料，将热塑性树脂和植物材料的合计作为100质量％时，配入热塑性树脂5～50质量％，配入植物材料50～95质量％，相对于植物材料100质量％配入5～200质量％的水，一边将热塑性树脂热熔融，一边混合植物材料、水和热塑性树脂。
Description
技术领域
本发明涉及含有植物材料和热塑性树脂并通过注射成型形成的成型体及其制造方法。
背景技术
作为含有植物材料和热塑性树脂的成型体，现在已知的有很多种。将热塑性树脂与植物材料一起混合，可以赋予成型体以优异的耐弯曲性、耐冲击性、耐变形性等。
为了形成上述各种性能更为优异的成型体，通常认为植物材料配入的越多越好。作为配入了大量植物材料的成型体的形成方法，一般是采用挤出成型法或压制成型法。如果植物材料的配合量大，则成型材料的流动性变差，通过这些方法可以对流动性低的成型材料进行成型。但是，通过挤出成型法或压制成型法获得的成型品的形状自由度低。如果采用注射成型法，则可以得到形状自由度高的成型品，但是对含有大量植物材料的流动性低的成型材料进行注射成型是非常困难的。
也有人提出了含有植物材料和热塑性树脂并通过注射成型形成的成型体的方案(例如参见专利文献1)。专利文献1中公开了如果植物材料的配合量比较低，就可以进行注射成型的思想。专利文献1中公开了将成型材料整体作为100质量％时，可以对含有10～30质量％的植物材料的成型材料进行注射成型，以及不能对含有60质量％的植物材料的成型材料进行注射成型。因此，现在并不能获得含有大量植物材料且形状自由度高的成型品。
另外，近年来出于对二氧化碳排放量的增加等环境问题的考虑，已提出了使用作为热塑性树脂的聚乳酸树脂，赋予成型体以更优异的生物可降解性的方案。但是聚乳酸树脂的价格高。因此，如果聚乳酸树脂的配合比例大，则成型体的制造成本升高。而且聚乳酸树脂的耐热性差，因此为了使含有聚乳酸树脂的成型体具有耐热性，需要退火处理等结晶化工序。因此，使用作为热塑性树脂的聚乳酸树脂时，存在着成型体的制造成本变得非常高的问题。
专利文献1：日本特开2005-105245号公报
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的是提供含有大量植物材料、成型自由度高、可以低价格进行制造的成型体及其制造方法。
解决上述问题的本发明的成型体是含有植物材料和热塑性树脂并通过注射成型形成的成型体，其特征在于将上述热塑性树脂和上述植物材料的合计作为100质量％时，含有上述热塑性树脂5～50质量％，同时含有上述植物材料50～95质量％，将上述植物材料的整体作为100质量％时，上述植物材料含有10质量％以上的木质素。
本发明的成型体优选满足下述(1)～(3)中的任一项。更优选满足(1)～(3)中的多项。
(1)将上述植物材料的整体作为100质量％时，上述植物材料含有20质量％以上的木质素。
(2)上述植物材料是洋麻芯材。
(3)上述热塑性树脂是聚乳酸树脂。
解决上述问题的本发明的成型体制造方法的特征在于，具备混合植物材料、水和热塑性树脂而得到成型材料的混合工序、和将上述成型材料注射到成型模具内同时用上述成型模具成型而得到成型体的注射成型工序，在上述混合工序中，作为植物材料，使用将上述植物材料的整体作为100质量％时含有10质量％以上的木质素的植物材料，将上述热塑性树脂和上述植物材料的合计作为100质量％时，配入上述热塑性树脂5～50质量％，配入上述植物材料50～95质量％，相对于上述植物材料100质量％配入5～200质量％的上述水，一边将上述热塑性树脂热熔融，一边混合上述植物材料、上述水和上述热塑性树脂。
本发明的成型体制造方法优选满足下述(4)～(8)中的任一项。更优选具备(4)～(8)中的多个项。
(4)在上述混合工序中，作为上述植物材料，使用将上述植物材料的整体作为100质量％时含有20质量％以上的木质素的植物材料。
(5)在上述混合工序中，使用洋麻芯材作为上述植物材料。
(6)在上述混合工序中，使用聚乳酸树脂作为上述热塑性树脂。
(7)在上述混合工序中，作为上述植物材料，使用粒径为24～48目的植物材料。
(8)在上述混合工序中，相对于上述植物材料100质量％配入50～100质量％的上述水。
发明效果
作为本发明的成型体，将热塑性树脂和植物材料的合计作为100质量％时，含有热塑性树脂5～50质量％，同时含有植物材料50～95质量％。因此，可以使本发明的成型体具有源自植物材料的优异的生物可降解性及耐弯曲性、耐冲击性、耐变形性等。
由于本发明的成型体是由注射成型形成的，形状自由度高。换言之，本发明的成型体可获得各种形状。本发明的成型体虽然含有大量植物材料但可通过注射成型来形成，其原因并不明确，但是可以想到植物材料含有大量木质素不就是其中一个原因吗。
另外，本发明的成型体中热塑性树脂的含量少，但显示了足够的耐冲击性和耐弯曲性。可以认为植物材料中大量含有的木质素起到了粘接剂的作用。
本发明的成型体满足上述(1)时，由于植物材料中含有非常多的木质素，因此形状自由度更为优异。因为植物材料含有非常多的木质素使得注射成型更为容易。另外，因木质素带来的粘接效果得到了进一步提高，因此显示出了更优异的耐冲击性及耐弯曲性。
本发明的成型体满足上述(2)时，可以以低价格提供成型体，并且有解决环境问题的优点。即，洋麻是锦葵科(アオイ科)的一年生草，生长快。因此近年来洋麻在替代木材作为纸的原料方面受到了观注。但是，形成纸等的原料的洋麻纤维是由洋麻的韧皮部分形成的。另一方面，洋麻芯材是被丢弃的部分。因此，通过使用洋麻芯材作为植物材料，可以降低成型体的原料成本，降低成型体的制造成本。
本发明的成型体满足上述(3)时，可以赋予成型体以优异的生物可降解性。通过赋予成型体以优异的生物可降解性，可以抑制二氧化碳排放量的增加等，解决了环境问题。另外，本发明的成型体中大量含有的植物材料的耐热性优异。因此作为本发明的成型体，即使选择聚乳酸树脂作为热塑性树脂，也显示了足够的耐热性。而且聚乳酸树脂对于植物材料中所含的纤维素的粘接性优异。因此含有聚乳酸树脂作为热塑性树脂的成型体还具有刚性优异的优点。
作为本发明的成型体制造方法，在混合工序中混合植物材料、水和热塑性树脂。此时，水的配合比例相对于植物材料100质量％为5～200质量％。通过将水的配合比例设定为相对于植物材料较多，植物材料吸水，表观密度变大。因此，植物材料和热塑性树脂达到了均匀混合。因此，由本发明的制造方法得到的成型体，植物材料和热塑性树脂进行了均匀混合，品质达到均匀化。
另外，作为植物材料，使用将植物材料的整体作为100质量％时含有10质量％以上的木质素的植物材料，并且在混合工序中在对热塑性树脂进行热熔融的同时混合植物材料、水和热塑性树脂，由此虽然采用本发明的成型体制造方法时配入了大量植物材料，但可以得到流动性优异的成型材料，即，可注射成型的成型材料。
虽然其原因并不明确，但可以认为植物材料和热塑性树脂在水的存在下进行高温混合，并且使用含大量木质素的材料作为植物材料是其原因。如果采用本发明的制造方法，则可以得到含有大量植物材料，并且可通过注射成型形成的成型体。
本发明的成型体制造方法满足上述(4)时，与上述(1)一样，形状自由度更为优异，并且可以获得显示出更优异的耐冲击性及耐弯曲性的成型体。
本发明的成型体制造方法满足上述(5)时，与上述(2)一样，可以以低价格制造成型体，并且可以抑制二氧化碳排放量的增加，有解决环境问题的优点。
本发明的成型体制造方法满足上述(6)时，与上述(3)一样，可以制造被赋予了优异的生物可降解性的成型体，并且可以制造耐弯曲性及耐冲击性优异的成型体。
本发明的成型体制造方法满足上述(7)时，可以制造耐弯曲性、耐冲击性、耐变形性更优异的成型体。粒径为24～48目的植物材料的表面积足够小。因此，使用这种植物材料时，热塑性树脂及木质素等粘接成分均匀地附着在植物材料的表面。另外，由于植物材料的表面积足够大，植物材料相互接触的部分变多，植物材料之间得到了牢固地粘接。可以想到，如果采用本发明的成形体制造方法，则通过这些因素的协同可以制造耐弯曲性、耐冲击性、耐变形性优异的成型体。
还有，24目对应于JIS Z 8801中标准筛的公称尺寸(nominalsize)710(μm)。48目是对应于JIS Z 8801中标准筛的公称尺寸300(μm)。24～48目的粒径是指通过24目的筛子而不能通过48目筛子的粒径。
本发明的成型体制造方法满足上述(8)时，水相对于植物材料的配合量变大。因此如果采用本发明的成型体制造方法，则可以获得在混合工序中植物材料和热塑性树脂达到均匀混合且流动性优异的成型材料。另外，水相对于植物材料的配合量并非过多，因此成型材料中所含的水在混合工序及注射成型工序中进行了充分蒸发。因此，并不另外需要使成型材料中所含的水蒸发的工序。
具体实施方式
作为本发明的成型体及其制造方法中使用的植物材料，将植物材料整体作为100质量％时，含有10质量％以上的木质素。以下，将以植物材料整体作为100质量％时的木质素含量(质量％)简称为木质素含量。作为木质素含量为10质量％以上的植物材料，可以列举以柏树及柳杉为代表的木本植物的芯材及表皮材料、树枝等。其中未加工制浆的木本芯材及表皮材料、树枝等的木质素含量为20质量％以上，因此是优选使用的。另外，即使在草本植物中，不用于进行纤维化加工的材料(洋麻芯材等)的木质素含量同样在20质量％以上，因此是优选使用的。作为参考，洋麻芯的木质素含量为23质量％左右。
作为本发明的成型体及其制造方法中使用的热塑性树脂，可以列举丙烯酸树脂、ABS树脂、聚乳酸树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯等。这些树脂可以单独使用，也可以适当地组合2种以上使用。在本发明的制造方法中，对于混合工序，优选使用固体状且为小型(例如颗粒状或粉末状)的热塑性树脂。因为使用固体状且为小型的热塑性树脂时，植物材料和热塑性树脂在混合工序中达到了非常均匀地混合。
本发明的成型体是配入了大量植物材料的注射成型体。另外，如果采用本发明的成型体制造方法，则尽管配入了大量植物材料，也可以进行成型体的注射成型。在本发明的成型体及其制造方法中，作为成型体(或成型材料)，将热塑性树脂和植物材料的合计作为100质量％时，含有热塑性树脂5～50质量％，同时含有植物材料50～95质量％。本发明的成型体仅由植物材料及热塑性树脂构成时，本发明的成型体含有50～95质量％的植物材料和50～5质量％的热塑性树脂。同样，在本发明的制造方法中，成型材料仅由植物材料、热塑性树脂及水构成时，得到的成型体含有50～95质量％的植物材料和50～5质量％的热塑性树脂。
在本发明的成型体及其制造方法中，优选相对于热塑性树脂100质量％含有60质量％以上的植物材料，最好含有70质量％以上的植物材料。因为这样可以提高耐弯曲性、耐冲击性及耐变形性。
还有，本发明中的所谓注射成型包括通常的注射成型以外的注射压制成型等。
实施例
以下举例说明本发明的成型体及其制造方法。
(实施例1)
对于实施例1的成型品制造方法，使用洋麻芯材作为植物材料，使用聚乳酸树脂(PLA)作为热塑性树脂。以下对实施例1的成型品制造方法进行说明。
(1)混合工序
将洋麻芯材粉碎并过24目筛。将通过24目筛的洋麻芯材过48目筛。使用通过24目筛但通不过48目筛的洋麻芯材作为植物材料。将该植物材料、颗粒状的热塑性树脂(平均粒径3.0mm的PLA)和水投入到混合熔融装置中进行搅拌，使植物材料、热塑性树脂和水进行混合。将植物材料和热塑性树脂的合计(以下称为植物树脂总量)作为100质量％时，配入植物材料60质量％。将植物树脂总量作为100质量％时，配入热塑性树脂40质量％。相对于植物材料100质量％配入50质量％的水。
作为混合熔融装置，使用与WO-2004-076044号公报中公开的装置相同的装置。首先，将植物材料、热塑性树脂和水投入到混合熔融装置的搅拌室内。接着使混合熔融装置的旋转叶片转动，对投入到搅拌室中的植物材料、热塑性树脂和水进行搅拌混合。顶端处的旋转叶片的旋转速度为30m/s，搅拌混合所需要的时间为70秒。通过使旋转叶片高速旋转，对植物材料、热塑性树脂和水进行高速搅拌混合。此时搅拌室内的植物树脂材料、热塑性树脂及水被旋转叶片切断，发生磨擦及压缩，剧烈发热。热塑性树脂因这种发热而熔融，基本均匀地分散在植物材料表面。水受热蒸发。通过该混合工序，植物材料和热塑性树脂基本均匀地混合在一起，得到了初级材料。
通过双螺杆挤出机对得到的初级材料进行造粒，得到二次材料。作为双螺杆挤出装置，使用株式会社プラスチツクエ学研究所制造的螺杆口径Φ为40mm，螺杆长度(L/D)为32的双螺杆挤出装置。造粒温度为190℃。在100℃下使得到的二次材料干燥24小时，得到成型材料。
(2)注射成型工序
将通过混合工序得到的成型材料投入到注射成型机中，在190℃下加热熔融。接着通过该注射成型机，将熔融的成型材料注射到加热至60℃的成型模具中，用成型模具进行成型。作为注射成型机，使用株式会社名机制作所制造的M100C-DM。
通过以上的混合工序和注射成型工序，得到了实施例1的成型体。
(实施例2)
作为实施例2的成型体制造方法，除植物材料的粒径外与实施例1相同。在实施例2的成型体制造方法中，植物材料的粒径为100目。还有，100目对应于JIS Z 8801中标准筛的公称尺寸150(μm)。粒径100目的植物材料是指通过100目筛的植物材料。通过实施例2的成型体制造方法，得到了实施例2的成型体。
(实施例3)
作为实施例3的成型体制造方法，除植物材料的粒径外与实施例1相同。在实施例3的成型体制造方法中，植物材料的粒径为24～16目。还有，16目对应于JIS Z 8801中标准筛的公称尺寸1.00(mm)。通过实施例3的成型体制造方法，得到了实施例3的成型体。
(实施例4)
作为实施例4的成型体制造方法，除植物材料、水和热塑性树脂的配合量外与实施例1相同。具体来说，将植物树脂总量作为100质量％时，配入70质量％的植物材料。将植物树脂总量作为100质量％时，配入30质量％的热塑性树脂。相对于植物材料100质量％配入50质量％的水。通过实施例4的成型体制造方法，得到了实施例4的成型体。
(实施例5)
作为实施例5的成型体制造方法，除植物材料、水和热塑性树脂的配合量外与实施例1相同。具体来说，将植物树脂总量作为100质量％时，配入80质量％的植物材料。将植物树脂总量作为100质量％时，配入20质量％的热塑性树脂。相对于植物材料100质量％配入50质量％的水。通过实施例5的成型体制造方法，得到了实施例5的成型体。
(实施例6)
作为实施例6的成型体制造方法，除使用聚丙烯(PP)作为热塑性树脂外与实施例1相同。通过实施例6的成型体制造方法，得到了实施例6的成型体。
(实施例7)
作为实施例7的成型体制造方法，除使用柏树的树皮作为植物材料、使用PP作为热塑性树脂及植物材料、水和热塑性树脂的配合量外与实施例1相同。具体来说，将植物树脂总量作为100质量％时，配入80质量％的植物材料。将植物树脂总量作为100质量％时，配入20质量％的热塑性树脂。相对于植物材料100质量％配入50质量％的水。植物材料的粒径为24目～16目。通过实施例7的成型体制造方法，得到了实施例7的成型体。
(比较例1)
在比较例1的成型体制造方法中，使用洋麻纤维作为植物材料。在比较例1的成型体制造方法中，将植物树脂总量作为100质量％时，配入10质量％的植物材料。将植物树脂总量作为100质量％时，配入90质量％的热塑性树脂。不配入水。植物材料的平均纤维长度为5mm。将植物材料和热塑性树脂投入到挤出机中，得到颗粒状成型材料。与实施例1一样对获得的成型材料进行注射成型，得到成型前体。在100℃下对得到的成型前体进行结晶处理1小时，得到成型体。通过比较例1的成型体制造方法，得到了比较例1的成型体。还有，比较例1及下述的比较例2～3中的洋麻纤维的木质素含量为2质量％左右。
(比较例2)
作为比较例2的成型体制造方法，除植物材料和热塑性树脂的配合量外与比较例1相同。具体来说，将植物树脂总量作为100质量％时，配入20质量％的植物材料。将植物树脂总量作为100质量％时，配入80质量％的热塑性树脂。通过比较例2的成型体制造方法，得到了比较例2的成型体。
(比较例3)
作为比较例3的成型体制造方法，除植物材料和热塑性树脂的配合量外与比较例1相同。具体来说，将植物树脂总量作为100质量％时，配入30质量％的植物材料。将植物树脂总量作为100质量％时，配入70质量％的热塑性树脂。通过比较例3的成型体制造方法，得到了比较例3的成型体。
(比较例4)
作为比较例4的成型体制造方法，除了不配入植物材料外与比较例1相同。通过比较例4的成型体制造方法，得到了比较例4的成型体。
(成型体的物性评价试验)
测定实施例1～8及比较例1～4的成型体的弯曲弹性模量、izod冲击强度、线膨胀系数。
弯曲弹性模量(GPa)是按照JIS K7171(23℃)进行测定，还在80℃下进行测定。弯曲弹性模量越大，评价为耐弯曲性越好。
izod冲击强度(KJ/m2)是按照JIS K7110进行测定。izod冲击强度越大，评价为耐冲击性越好。
线膨胀系数(/℃)是按照JIS K7197进行测定。还有，对于实施例1、4、5、7的成型体，在0℃～110℃的范围内计算线膨胀系数。对于比较例1～4的成型体，基于在0℃～60℃下得到的数据计算线膨胀系数。比较例1～4的成型体中大量含有的聚乳酸树脂的玻璃化转变温度为58℃，因为超过60℃时尺寸变化大。线膨胀系数越小，评价为耐变形性越好。实施例1～8及比较例1～4的成型体的弯曲弹性模量、izod冲击强度、线膨胀系数示于表1中。还有，表1中植物材料的配合量及热塑性树脂的配合量是指将植物树脂总量作为100质量％时的配合量。水的配合量是指相对于植物材料100质量％的配合量。
表1
如表1所示，各实施例的成型体与各比较例的成型体相比，弯曲弹性模量大，izod冲击强度大，线膨胀系数小。因此可知，本发明的成型体的耐弯曲性、耐冲击性及耐变形性优异。
Claims (10)
1、含有植物材料和热塑性树脂并通过注射成型形成的成型体，其特征在于将上述热塑性树脂和上述植物材料的合计作为100质量％时，含有上述热塑性树脂5～50质量％，同时含有上述植物材料50～95质量％，将上述植物材料整体作为100质量％时，上述植物材料含有10质量％以上的木质素。
2、权利要求1所述的成型体，其中，将上述植物材料整体作为100质量％时，上述植物材料含有20质量％以上的木质素。
3、权利要求1所述的成型体，其中，上述植物材料是洋麻芯材。
4、权利要求1所述的成型体，其中，上述热塑性树脂是聚乳酸树脂。
5、成型体的制造方法，其特征在于具备混合植物材料、水和热塑性树脂而得到成型材料的混合工序、和将上述成型材料注射到成型模具内的同时用上述成型模具成型而得到成型体的注射成型工序，在上述混合工序中，作为上述植物材料，使用将上述植物材料整体作为100质量％时含有10质量％以上的木质素的植物材料，将上述热塑性树脂和上述植物材料的合计作为100质量％时，配入上述热塑性树脂5～50质量％，配入上述植物材料50～95质量％，相对于上述植物材料100质量％配入5～200质量％的上述水，一边将上述热塑性树脂热熔融，一边混合上述植物材料、上述水和上述热塑性树脂。
6、权利要求5所述的成型体的制造方法，其中，在上述混合工序中，作为上述植物材料，使用将上述植物材料的整体作为100质量％时含有20质量％以上的木质素的植物材料。
7、权利要求5所述的成型体的制造方法，其中，在上述混合工序中，使用洋麻芯材作为上述植物材料。
8、权利要求5所述的成型体的制造方法，其中，在上述混合工序中，使用聚乳酸树脂作为上述热塑性树脂。
9、权利要求5所述的成型体的制造方法，其中，在上述混合工序中，作为上述植物材料，使用粒径为24～48目的植物材料。
10、权利要求5所述的成型体的制造方法，其中，在上述混合工序中，相对于上述植物材料100质量％配入50～100质量％的上述水。
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