JP2006176644A - 有機繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 焼却残渣のない環境にやさしく、強度・剛性や高く荷重たわみ温度が高く、品質の安定したポリ乳酸樹脂組成物を提供することにある。
【解決手段】 ポリ乳酸又は乳酸を８０モル％以上含むポリ乳酸共重合体（Ａ）１００質量部対して、融点が１３０〜２２０℃の範囲にある共重合ポリエステル（Ｂ）１〜８０質量部、および融点が２４５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）５〜１５０質量部を含有したことを特徴とするポリエステル繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、有機繊維強化されたポリ乳酸樹脂組成物に関する。さらに詳しくは、ポリエステル繊維と母相のポリ乳酸との接着性が高く強度・剛性や荷重たわみ温度の高い有機繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物に関する。特に本発明は、ポリエチレンテレフタレート繊維を芯にして、ポリエステル繊維と母相の両方に親和性を有する共重合ポリエステルを鞘にした複合繊維を使用することにより、繊維の分散性と接着性が高く、繊維補強効果の高いポリ乳酸樹脂組成物を提供する。本樹脂組成物は、無機化合物を含まないことから軽量な成形品が提供でき、省資源に適する。また焼却時残渣が残らないので、本樹脂組成物を使用した成形品はサーマルリサイクルしやすく、最終埋め立て廃棄物が発生しない。

従来、ポリ乳酸樹脂は、生分解性を有することから、成形品を日用品として使用し、使用後は生分解して自然に帰すように研究が進められた。しかし、成形品の強度が低く、また荷重たわみ温度も低く、実用範囲は限られたものであった。また、一般的な樹脂において、工業的に開発されているガラス繊維強化も研究されているが、界面接着性が低く補強効果は不満足であった。またガラス繊維を大量に配合することは、ポリ乳酸の環境にやさしいというメリットを損なうので実用化が進まなかった。一方、ケナフや竹繊維による補強を開示されているが、自然の繊維では品質の安定性が低く、工業用途には問題があり、一般化していない。（非特許文献１参照）
工業材料、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．３、Ｐ９（２００３）

この課題を解決するために、これまで、合成繊維強化も検討されたが、ポリ乳酸樹脂中で繊維の開繊や分散性が悪く補強効果が低く、実用に至らなかった。ポリ乳酸の環境にやさしいという特徴を損なうことなく、強度・剛性や荷重たわみ温度の高く、品質が安定したポリ乳酸樹脂組成物の開発要請があった。

本発明は、焼却残渣のない環境にやさしく、強度・剛性や高く荷重たわみ温度が高く、品質の安定したポリ乳酸樹脂組成物を提供することにある。更に詳しくは、ポリエチレンテレフタレート繊維などのポリエステル繊維が均一分散し、かつポリ乳酸と接着性が高いため補強効果が高く、成形性と機械的性質と耐熱性において優れた樹脂組成物を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、遂に本発明を完成するに到った。即ち本発明は、ポリ乳酸および／又は乳酸を８０モル％以上含むポリ乳酸共重合体（Ａ）１００質量部に対して、融点が１３０〜２２０℃の範囲にある共重合ポリエステル（Ｂ）１〜８０質量部、および融点が２４５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）５〜１５０質量部含有したことを特徴とするポリエステル繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物である。好ましい態様は、共重合ポリエステル（Ｂ）として、脂肪族ポリエステルおよび／又はポリエーテルからなる共重合体、特にブロック共重合体を使用することが好ましく、またポリエステル繊維（Ｃ）としては、融点が２４５℃以上のポリエチレンテレフタレートを芯に、融点が１３０〜２２０℃の共重合ポリエステルを鞘とした複合繊維を使用することが、特に本発明の効果を発揮するために有効である。

上記の構成からなる本発明の組成物は、ポリ乳酸とポリエステル繊維の接着性がよく、そのため機械的性質や耐熱性が高く、また金型からの脱型性がよく成形性に優れる。本組成物から、環境負荷が小さい高機能性成形品が得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の有機繊維補強されたポリ乳酸樹脂組成物は、ポリ乳酸および／又は乳酸を８０モル％以上含むポリ乳酸共重合体（Ａ）１００質量部に対して、融点が１３０〜２２０℃の範囲にある共重合ポリエステル（Ｂ）１〜８０質量部、および融点が２４５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）５〜１００質量部を含有したことを特徴とするポリエステル繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物である。
共重合ポリエステル（Ｂ）としては、ポリエステル繊維とポリ乳酸を主成分とする母相（マトリックス相）の両方に親和性を与えるために、ポリアルキレンテレフタレート成分と脂肪族ポリエステルおよび／又はポリエーテルからなる共重合体、特にブロック共重合体を使用することが好ましい。
ポリエステル繊維（Ｃ）としては、融点２４５℃以上のポリエチレンテレフタレートを芯に、融点が１３０〜２２０℃の共重合ポリエステルを鞘とした複合繊維を使用することが好ましい。

本発明に使用されるポリ乳酸および／又は乳酸を８０モル％以上含むポリ乳酸共重合体（Ａ）としては、１９０℃、２１．２Ｎにおけるメルトフローレートが０．１〜１００ｇ／１０分の樹脂が好ましく、特に、０．５〜５０ｇ／１０分が好ましい。０．５ｇ／１０分以下では、成形時の流動性が低く大型の成形品が成形できないので好ましくない。また、１００ｇ／１０分以上では機械的強度が低く、もろいので本発明には好ましくない。
また共重合成分としては、ε―カプロラクトン、エチレンアヂペート、ブチレンアジペート、ヘキシレンアヂペート、エチレンサクシネート、ブチレンサクシネート、グリコール酸、エチレンテレフタレート、ブチレンテレフタレートなどが挙げられる、これらの中では、ε―カプロラクトン、エチレンサクシネート、ブチレンサクシネートが特に好ましい。

本発明に使用される共重合ポリエステル（Ｂ）の融点は、本発明の組成物の成形温度以下である１３０〜２２０℃の範囲にある。１５０〜２００℃の範囲が特に好ましい。１３０℃以下では、樹脂組成物の荷重たわみ温度が低下することや製造機械のホッパー付近で融着して好ましくない。また２２０℃を越えると、ポリ乳酸の母相中で共重合ポリエスエル（Ｂ）やポリエステル繊維（Ｃ）の分散性が不足で、剛性や耐熱性達成できないので好ましくない。

本発明に使用される共重合ポリエステル（Ｂ）の酸成分としては、テレフタル酸、イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、アジピン酸、セバシン酸などから選ばれる１種又はこれらの組み合わせが好ましい。
またグリコール成分としてはエチレングリコール、ブタンジオール、ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、シクロヘキサンジメタノール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコールの１種又はこれらの組み合わせなどが挙げられる。
具体的な酸成分とグリコール成分の組合せは、例えば、テレフタル酸／イソフタル酸／／エチレングリコール、テレフタル酸／アジピン酸／／エチレングリコール、テレフタル酸／／エチレングリコール／ブタンジール、テレフタル酸／イソフタル酸／／エチレングリコール／ブタンジオール、テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリテトタラメチレングリコール、テレフタル酸／ブタンジオール／ポリテトラメチレングリコール、テレフタル酸／ブタンジオール／ポリエチレングリコール、テレフタル酸／ブタンジオール／ポリカプロラクトン、テレフタル酸／エチレングリコール／ポリテトラメチレングリコール、テレフタル酸／エチレングリコール／ポリラクトン、テレフタル酸／ヘキサンジオール／ポリラクトン、テレフタル酸／ヘキサンジオール／ポリテトラメチレングリコールなどが例示される。これらの中では、ポリエステル繊維とポリ乳酸の両方に親和性のあるテレフタル酸／／ブタンジオール／ポリテトタラメチレングリコール、テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリテトラメチレングリコール、テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリエチレングリコール、テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリカプロラクトン、テレフタル酸／／エチレングリコール／ポリテトラメチレングリコール、テレフタル酸／／エチレングリコール／ポリラクトン、テレフタル酸／／ヘキサンジオール／ポリラクトン、テレフタル酸／／ヘキサンジオール／ポリテトラメチレングリコールなどが好ましい。

本発明には、ポリ乳酸および／又はポリ乳酸共重合体（Ａ）１００質量部に対して、共重合ポリエステル（Ｂ）は，１〜８０質量部配合される。特に３〜５０質量部が好ましい。１質量部以下では、ポリエステル繊維（Ｃ）とポリ乳酸および／又はポリ乳酸共重合体（Ａ）との接着性の改善効果は小さく、また８０質量部以上ではポリ乳酸および／又はポリ乳酸共重合体（Ａ）（Ａ）と共重合ポリエステル（Ｂ）との相溶性が低下して繊維の分散性が低下して好ましくない。

本発明の樹脂組成物には、融点が２４５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）が使用される。特に、融点が２５５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）が好ましい。２４５℃を下回ると、母相（マトリックス相）の融点との差が小さくなり、ポリエステル繊維（Ｃ）の補強効果を得るには、成形温度の条件幅が狭くなり、工業的に好ましくない。
融点が２４５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）としては、エチレンテレフタレート単位を８０モル％以上、特に９５モル％以上を含むポリエチレンテレフタレート系繊維が好ましい。ポリエチレンテレフタレートに、少量のイソフタル酸、アジピン酸、ジエチレングリコール、ブタンジオール、ポリテトラメチレングリコール、ポリエチレングリコールなどが共重合されてもよい。

本発明の樹脂組成物には、ポリ乳酸および／又はポリ乳酸共重合体（Ａ）１００質量部に対して、ポリエステル繊維（Ｃ）は、５〜１５０質量部配合される。５質量部以下では、補強効果が低く、１５０質量部以上では、流動性が低下して成形が困難になるので好ましくない。
本発明に使用されるポリエステル繊維は、高倍延伸された高弾性率の繊維であり、２３℃におけるヤング率は、１５ｇ／ｄｔｅｘ以上の繊維が好ましい。
本発明の樹脂組成物に使用されるポリエステル繊維（Ｃ）の形状は、特に限定されないが、成形材料中での長さは、０．５〜１０ｍｍが好ましい。さらに好ましくは、１〜７．５ｍｍである。０．５ｍｍ未満では、耐衝撃性が低下して好ましくない。また、１０ｍｍを越えると、繊維のからみあいが強く、分散性が低下して好ましくない。また単繊維径は、１〜１０デシテックス（ｄｔｅｘとも記載する）が好ましい。特に１．５〜５デシテックスが好ましい。１デシテックス未満では、繊維の剛性が小さく、曲げや圧縮の補強効果が小さく好ましくない。また１０デシテックスを越えると表面積が小さくなり、母相の補強効果が低下するので好ましくない。

本発明の有機繊維強化ポリ乳酸組成物を得る製造法は特に限定されないが、本発明の効果を高めるには、予めポリエステル繊維（Ｃ）と共重合ポリエステルを複合化しておく事が大変好ましく、芯に高融点のポリエステル、鞘に低融点の共重合ポリエステルを使用した複合繊維は、ポリエステル繊維のポリ乳酸中への分散性と接着性が特に優れる。高融点ポリエステルと低融点共重合ポリエステルからなる複合繊維を用いることは、本発明の効果が発揮されるので、本発明の特徴のひとつである。
複合繊維に使用する共重合ポリエステルとしては、融点が１５０〜２２０℃の共重合ポリエステルが好ましい。共重合成分は、例えば共重合ポリエステル（Ｂ）と同じものが使用できる。
上記の複合繊維の製造方法は、例えば、高融点ポリエステルと低融点共重合ポリエステルをそれぞれ並列した押出機にて溶融押出しし、溶融状態で接合しノズルから紡糸し、クエンチして得た未延伸糸を延伸した後、好ましい長さにカットして製造する方法が好適である。また、高融点のポリエステル繊維と低融点の共重合ポリエステル繊維を別個に紡糸と延伸し、これらのフィラメントを所定の混合比になるように複合して、撚りをかけて希望の長さに切断して複合繊維としてコンパウンドする方法で製造しても構わない。

また本発明の樹脂組成物を得る方法は特に限定されない。上記の高融点ポリエステルと低融点の共重合ポリエステルの芯鞘複合繊維とポリ乳酸系ポリマーを溶融混練する方法、高融点ポリエステル繊維と低融点共重合ポリエステル繊維からなる複合フィラメントとポリ乳酸系樹脂を溶融混練する方法、高融点ポリエステル繊維と低融点ポリエステル樹脂とポリ乳酸系樹脂を溶融混練する方法、予め低融点共重合とポリ乳酸系樹脂を溶融混練した後これに高融点ポリエステル繊維を溶融混練するなどがある。
高融点ポリエステルと低融点共重合ポリエステルの芯鞘複合繊維とポリ乳酸系樹脂を溶融混練する方法は分散性がよいので、一度コンパウンドペレットを製造しないで、射出成形しても高品質が安定するので特に好ましい。

本発明に使用される熱可塑性樹脂組成物には、いろいろな改質樹脂や安定剤や着色剤、流動性改良材、離型材、結晶核剤が配合される。これらは、重合前後に混合することもできるが、単軸押出機、２軸押出機やニーダーなどの装置を用いて、混練することにより製造することができる。配合剤をより高濃度に含む組成物を予め溶融混練して、成形時にこれをマスターバッチとして混合することもできる。

本発明の有機繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物の用途は特に限定されない。使用後の焼却し場合、残渣が殆ど発生しないことと、バイオマス成分が主成分であり二酸化炭素の増大が大変小さい。このエコロジー的に優れている本発明の組成物は、耐熱性や強度剛性が要求される自動車、電機・電子機器、ＯＡ機器部品、家庭用具の部品などの工業用途に使用される。

以下、実施例により説明するが、これらに限定されるものではない。なお明細書中の物性評価は以下の方法により測定した。
（１）アイゾット衝撃値
２３℃、５０％ＲＨにて４８時間調湿した幅１２．７ｍｍの試験片について、東洋精機社製ユニバーサルインパクトテスター（６０ｋｇ−ｃｍハンマー）を使用して、ＡＳＴＭ Ｄ２５６に準じて試験した。
（２）荷重たわみ温度
２３℃、５０％ＲＨにて４８時間調湿した１２．７ｍｍ×６．４ｍｍ×１２７ｍｍの試験片について、東洋精機（株）製ヒートデストーションテスター（ＴＹＰＥ Ｈ８３０２）を使用して、ＡＳＴＭ Ｄ６４８に準じて、０．４６ＭＰａ下での荷重たわみ温度（ＨＤＴ）を測定した。
（３）曲げ強度・曲げ弾性率
２３℃、５０％ＲＨにて４８時間調湿した１２．７ｍｍ×６．４ｍｍ×１２７ｍｍの試験片について、オリエンテック社製テンシロン（Ｒ）４ＬＨ型を使用して、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準じて試験して、曲げ強さと曲げ弾性率を測定した。

（実施例１〜９、比較例１〜３）
実施例、比較例に使用した材料は以下のとおりである。
＜ポリ乳酸および／又はポリ乳酸共重合体（Ａ）＞
・ＰＬＡ１：ポリ乳酸［東洋紡績（株）試作，メルトフローレート（１９０℃／２１．２Ｎ）１．９ｇ／１０分］
・ＰＬＡ２：ポリ乳酸［東洋紡績（株）試作，メルトフローレート（１９０℃／２１．２Ｎ）１１ｇ／１０分］
＜共重合ポリエステル（Ｂ）＞
ＰＥＳ１：テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリラクトン系共重合ポリエステル［東洋紡績（株）製、融点２００℃、メルトフローレート（２３０℃／２１．２Ｎ）１７ｇ／１０分］、
・ＰＥＳ２：テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリテトラメチレングリコール系共重合ポリエステル［東洋紡績（株）製、融点１７５℃、メルトフローレート（１９０℃／２１．２Ｎ）１０ｇ／１０分］
・ＰＥＳ３：テレフタル酸／イソフタル酸／／ブタンジオール／エチレングリコール系共重合ポリエステル［東洋紡績（株）製、融点１５５℃、メルトフローレート（１９０℃／２１．２Ｎ）１７ｇ／１０分］
＜ポリエステル繊維（Ｃ）＞
・ＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート繊維（東洋紡績（株）製、単繊維径２ｄｔｅｘ、繊維長５ｍｍ）
・ＰＥＴ／ＰＥＳ１：（ポリエチレンテレフタレート）／（テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリラクトン系共重合ポリエステル）＝５０／５０複合繊維（東洋紡績（株）製、単繊維径４．５ｄｔｅｘ、繊維長５ｍｍ）
・ＰＥＴ／ＰＥＳ２：（ポリエチレンテレフタレート）／（テレフタル酸／／ブタンジオール／ポリテトラメチレングリコール系共重合ポリエステル）＝５０／５０複合繊維、（東洋紡績（株）製、繊維径４ｄｔｅｘ、繊維長５ｍｍ）
・ＰＥＴ／ＰＥＳ３：（ポリエチレンテレフタレート）／（テレフタル酸／イソフタル酸／／ブタンジオール／エチレングリコール系共重合ポリエステル）＝５０／５０複合繊維、（東洋紡績（株）製、繊維径４．５ｄｔｅｘ、繊維長５ｍｍ）

上記材料を表１に示す配合比にドライ状態で予備混合し、これを熱風乾燥機で１００℃、３時間乾燥した後、その状態で東芝機械（株）製、ＩＳ射出成形機のホッパーに投入して、１８０℃のシリンダーで可塑化時に溶融混練して、金型温度５０℃にて、ＡＳＴＭ Ｄ６４８，Ｄ７９０，Ｄ２５６用試験片のファミリモールドを使用して射出成形によりテストピースを成形した。

得られた試験片を２３℃、５０％ＲＨにて４８時間調整して、それぞれ荷重たわみ温度（０．４６ＭＰａ）、曲げ強度・曲げ弾性率、アイゾット衝撃、を評価した。その結果を表１に示す。
表１からも明らかなように、共重合ポリエステル樹脂をポリエステル繊維の鞘とした複合繊維や、共重合ポリエステル（Ｂ）を配合した、ポリエステル繊維強化ポリ乳酸の組成物は高い強度・剛性や荷重たわみ温度を有している。特に、ブロック共重合ポリエステルを鞘にしたポリエステル複合繊維やブロック共重合体配合物は、高い強度・剛性を有している。

本発明の強度・剛性と荷重たわみ温度が高いポリエステル繊維強化ポリ乳酸組成物は、非強化樹脂では設計できなかった耐熱性や強度が要求される大型の文房具や日用品や電気製品のケースやハウジングに使用される。使用後はリサイクル成形やサーマルリサイクルしやすく最終廃棄物を発生することがない地球にやさしい成形部品として利用される。

Claims (4)

1. ポリ乳酸および／又は乳酸を８０モル％以上含むポリ乳酸共重合体（Ａ）１００質量部対して、融点が１３０〜２２０℃の範囲にある共重合ポリエステル（Ｂ）１〜８０質量部、および融点が２４５℃以上のポリエステル繊維（Ｃ）５〜１５０質量部含有したことを特徴とするポリエステル繊維強化ポリ乳酸樹脂組成物。
2. 共重合ポリエステル（Ｂ）として、ポリアルキレンテレフタレートと脂肪族ポリエステルおよび／又は脂肪族ポリエーテルからなる共重合体を使用したことを特徴とする請求項１に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
3. 共重合ポリエステル（Ｂ）として、ポリアルキレンテレフタレートと脂肪族ポリエステルおよび／又は脂肪族ポリエーテルからなるブロック共重合体を使用したことを特徴とする請求項１に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
4. ポリエステル繊維（Ｃ）として、融点が２４５℃以上のポリエチレンテレフタレートを芯に、融点が１３０〜２２０℃の共重合ポリエステルを鞘とした複合繊維を使用したことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物。