JP2008247963A

JP2008247963A - リグノセルロース系材料成形体及びその成形方法

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Publication number: JP2008247963A
Application number: JP2007087619A
Authority: JP
Inventors: Isamu Terasawa; 勇寺澤; Kazunori Tsuneoka; 和記常岡; Junichi Noguchi; 順一野口; Yasuhito Kondo; 泰人近藤; Takuya Murashita; 卓也村下
Original assignee: CHUNITI SEIKO KK; Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: CHUNITI SEIKO KK; Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16
Also published as: DE102008015846A1; US20080241498A1; US7854988B2; CN101275034A

Abstract

【課題】環境や人体への負担を抑制しつつ、耐吸水性、耐湿性を向上させることのできるリグノセルロース成形体及びその成形方法を提供すること。
【解決手段】水蒸気処理を施したリグノセルロース系材料にフラン樹脂を混合し、当該混合物を加熱加圧してリグノセルロース系材料成形体を成形する。
【選択図】図２

Description

本発明は、リグノセルロース系材料成形体及びその成形方法に関する。

従来、自動車用樹脂成形部品等には石油を原料とする熱可塑性樹脂材料、熱硬化性樹脂材料を使用していた。例えば、自動車用灰皿は木材チップや繊維材料等にフェノール樹脂等を混合して成形していた。
しかし、フェノール樹脂等の石油由来の素材を用いた成形体は焼却されると地球の二酸化炭素を増加させる上、フェノール樹脂等は遊離フェノールやホルムアルデヒドが含まれるため人体に悪影響をおよぼす物質を発生させるおそれがあった。

そこで、植物由来のリグノセルロース系材料を水蒸気処理し、乾燥させ、その後粉砕し、加熱加圧することで熱硬化性樹脂様の成形体を得る技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００３−１６５８４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術のようにリグノセルロース系材料のみの成形体では耐吸水性及び耐湿性が低く、自動車用樹脂成形部品として使用した場合等には膨張等の変形が生じ、使用に適さないという問題がある。
また、リグノセルロース系材料は粉末状態で熱を加えても、流動成分は、わずかであり、複雑な形に成形できないという問題がある。

また、上記特許文献１では、リグノセルロース系材料に、他の通常の熱可塑性樹脂材料、熱硬化性樹脂材料、生分解性樹脂材料を混合した成形体も記載されているが、通常の熱可塑性材料、熱硬化性樹脂材料は石油を原料としており、また、熱可塑性樹脂と生分解性樹脂はリグノセルロース系材料と反応せず材料物性や耐久性に劣るものとなるという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、環境や人体への負担を抑制しつつ、耐吸水性、耐湿性を向上させ、複雑な形状に成形できるリグノセルロース成形体及びその成形方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のリグノセルロース系材料成形体では、水蒸気処理したリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合して成形されたことを特徴としている。
請求項２のリグノセルロース系材料成形体では、前記リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合重量比は、リグノセルロース系材料／フラン樹脂＝１００／３〜１００／４５であることを特徴としている。

請求項３のリグノセルロース系材料成形体の成形方法では、水蒸気処理したリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合して成形されるリグノセルロース系材料成形体の成形方法であって、リグノセルロース系材料とフラン樹脂とを、せん断力を利用して混合する混合機により混合する工程を有することを特徴としている。
請求項４のリグノセルロース系材料成形体の成形方法では、水蒸気処理したリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合して成形されるリグノセルロース系材料成形体の成形方法であって、リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合物を射出成形機により射出成形する工程を有することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１、２のリグノセルロース系材料成形体によれば、リグノセルロース系材料を水蒸気処理することでヘミセルロースやリグニンが分解され熱可塑性成分が生成され、それに加えて液状の天然の熱硬化性樹脂であるフラン樹脂を混合することで、成形流動性と架橋密度を増加させることができる。
その上、フラン樹脂はとうもろこしの芯を乾留して得られる植物由来の素材であることから、焼却等による二酸化炭素量の増加を防止し、人体への負担も軽減させることができる。

これにより、リグノセルロース系材料成形体において、環境や人体への負担を抑制しつつ、耐吸水性、耐湿性を向上させることができる。
請求項３のリグノセルロース系材料成形体の成形方法によれば、二軸押出機やニーダーのようなせん断力を利用して混合する混合機により、リグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合することで、架橋密度をさらに増加させることができ、リグノセルロース系材料成形体の耐吸水性、耐湿性をより向上させることができる。

請求項４のリグノセルロース系材料成形体の成形方法によれば、リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合物を射出成形機により射出成形することで、リグノセルロース系材料成形体を容易に三次元成形することができる。

図１を参照すると、本発明に係るリグノセルロース系材料成形体の一例の斜視図が示されている。
当該図１に示すリグノセルロース系材料成形体１は自動車用樹脂成形部品（灰皿）であり、リグノセルロース系材料にフラン樹脂が混合され、当該混合物が加熱加圧されて成形されたものである。

詳しくは、リグノセルロース系材料は例えば木材、竹、ケナフ等の木質系や草木系の植物由来の素材のものを耐圧容器中で高温、高圧の水蒸気によって蒸煮する。または、蒸煮後急激に大気圧に放出し爆砕する等、所謂水蒸気処理が施される。このように水蒸気処理が施されるとリグノセルロース系材料の構成成分であるリグニンやヘミセルロースが一部分解され熱可塑性成分を生じ、また、木質系や草木系の繊維がほぐしやすくなる。なお、水蒸気処理したリグノセルロース系材料は、酢酸やアルデヒド等の酸性物質も発生させるため、中和剤として酸化カルシウム等のアルカリ系物質を混合してもよい。

さらに、当該水蒸気処理は高温・高圧で施されるため、リグノセルロース系材料に含有される虫やカビ・細菌などを殺虫・殺菌し防腐性、耐久性が向上する。
そして、水蒸気処理されたリグノセルロース系材料は乾燥した後に粉砕され、細かな粉末状態となったものが使用される。
一方、フラン樹脂は、とうもろこしの芯等を乾留して得られる天然の熱硬化性樹脂である。当該フラン樹脂の成分はフラン及びフルフリルアルコールからなり、常温で液体状のものが使用される。

当該フラン樹脂は、上記リグノセルロース系材料との硬化時間を合わせる必要がある場合には硬化剤が添加される。当該硬化剤としては例えばパラトルエンスルホン酸、酢酸、蟻酸等の酸が使用される。
リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合には、乳鉢による手動での混合や、二軸押出機やニーダー等のせん断力を利用した混合機が使用される。なおここで、リグノセルロース系材料成形体１に難燃性を付与させるときには、臭素系、リン系、ハロゲン系、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の難燃剤が混合される。

そして、リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合物は成形体の金型に入れられ熱プレス機により加熱加圧されることでリグノセルロース系材料成形体１に成形される。
なお、当該成形は熱プレス機の他に射出成形機による射出成形も可能であり、射出成形機により射出成形することでリグノセルロース系材料成形体を容易に三次元成形することができる。

ここで本発明に係るリグノセルロース系材料成形体の具体的な成形方法の一例を挙げる。
図２を参照すると、本発明に係るリグノセルロース系材料成形体の成形方法の一例を表す工程図が示されている。
まず、工程Ｓ１において、木材、竹、ケナフ、麻、草木類等のリグノセルロース系材料に水蒸気処理を施す。

続く工程Ｓ２において、水蒸気処理を施したリグノセルロース系材料を乾燥させ、その後粉砕する。
一方、工程Ｓ３において、フラン樹脂に硬化剤を添加する。
そして、工程Ｓ４において、粉砕されたリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを、例えば二軸押出機により混合する。

次の工程Ｓ５では、リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合物を乾燥温度７０〜１２０℃に設定した乾燥機にかけて含水率２％となるまで乾燥させる。
さらに工程Ｓ６において、当該混合物は、１６０℃〜２２０℃に加熱された成形体の金型に入れられ、熱プレス機により８０〜６００kgf/cm²（７．８〜５８．８MPa）の圧力で３０〜３００秒間加圧される。当該金型の温度、加圧力、加圧保持時間等はリグノセルロース系材料の木材種やフラン樹脂の混合量等に応じて調整する。

そして、工程Ｓ７において、金型が１２０℃以下に冷却され成形体が取り出される。
以上のように、リグノセルロース系材料を水蒸気処理することでヘミセルロースやリグニンが分解され熱可塑性成分が生成され、それに加えて天然の熱硬化性樹脂であるフラン樹脂を混合することで、架橋密度を増加させることができる。
その上、フラン樹脂は天然由来の素材であることから、焼却等による二酸化炭素量の増加を防止し、人体への負担も軽減することができる。

これにより、リグノセルロース系材料成形体において、環境や人体への負担を抑制しつつ、耐吸水性、耐湿性を向上させることができる。
なお、上記工程では工程Ｓ３において、予めフラン樹脂に硬化剤を添加しているが、工程Ｓ４においてリグノセルロース系材料及びフラン樹脂とともに硬化剤を混合するようにしても構わない。または硬化剤を添加せずに成形しても構わない。

また、上記工程Ｓ６、７における成形は射出成形であってもよい。

実施例１〜３
水蒸気処理を施したメイプル木粉にフラン樹脂（日立化成製「ヒタフラン」）を、実施例１では９wt％（重量％）、実施例２では１８wt％、実施例３では２７wt％混合した。なお、フラン樹脂には硬化剤として水で１０倍希釈したパラトルエンスルホン酸（例えば、日立化成製「ヒタフラン硬化剤Ａ３」）をそれぞれフラン樹脂に対して１０wt％程度、即ち硬化剤を成形体重量全体に対して実施例１では０．１％、実施例２では０．２wt％、実施例３では０．３wt％添加した。

当該メイプル木粉と硬化剤が添加されたフラン樹脂とを乳鉢により手動で混合して、この混合物を２００℃に加熱した金型に入れ、熱プレス機により加圧力１２２kgf/cm²（１２．０MPa）、圧力保持時間２分の加熱加圧成形をした。
比較例１
水蒸気処理したメイプル木粉のみを２００℃の金型に入れ、熱プレス機により加圧力１２２kgf/cm²（１２．０MPa）、圧力保持時間２分の加熱加圧成形をした。

比較例２、３
水蒸気処理を施したメイプル木粉にフラン樹脂（日立化成製「ヒタフラン」）を、比較例２では３wt％（重量％）、比較例３では４５wt％混合した。なお、フラン樹脂には硬化剤として水で１０倍希釈したパラトルエンスルホン酸（日立化成製「ヒタフラン硬化剤Ａ３」）をそれぞれフラン樹脂に対して１０wt％程度、即ち硬化剤を成形体重量全体に対して比較例２では０．０４％、比較例３では０．５wt％添加した。

当該メイプル木粉と硬化剤が添加されたフラン樹脂とを乳鉢により手動で混合して、この混合物を２００℃に加熱した金型に入れ、熱プレス機により加圧力１２２kgf/cm²（１２．０MPa）、圧力保持時間２分の加熱加圧成形をした。
そして、実施例１〜３、比較例１、２の成形体（比較例３は成形不可：後述）をそれぞれ水に浸し、２４時間後、４８時間後、７２時間後の吸水率を測定し、結果を表１に示した。なお、当該吸水率は水に浸す前の成形体重量に対する各時間後の成形体重量の増加率である。

当該表１に示すように、フラン樹脂を混合した実施例１〜３の吸水率はいずれの条件においても比較例１、２に比べて大幅に低く、フラン樹脂を混合することで耐吸水性、耐湿性が向上していることがわかる。特にフラン樹脂が１８wt％、２７wt％混合されている実施例２、３は、フラン樹脂無添加の比較例１、２に比べ倍以上吸水率が低下しており、フラン樹脂の混合量として１８wt％〜２７wt％が優れていることがわかる。

なお、比較例２に示すように、フラン樹脂の混合量が３wt％未満であると顕著な効果は示さず、また、比較例３に示すように、フラン樹脂の混合量が４５wt％以上であるとフラン樹脂が多すぎて流動性が過度となり、金型のすき間から流出してしまい成形不可となり、フラン樹脂の混合比は３wt％〜４５wt％であることが好ましいことがわかる。
実施例４
水蒸気処理したメイプル木粉に、硬化剤を添加していないフラン樹脂（日立化成製「ヒタフラン」）１１wt％を二軸押出機により混合し、この混合物を２００℃の金型に入れ、熱プレス機により加圧力２９５kgf/cm²（２８．９MPa）、圧力保持時間２分の加熱加圧成形をした。

比較例４
水蒸気処理したメイプル木粉に、硬化剤を添加していないフラン樹脂（日立化成製「ヒタフラン」）２０wt％を乳鉢に入れ手動で混合し、この混合物を金型温度２００℃の金型に入れ、熱プレス機により加圧力２９５kgf/cm²（２８．９MPa）、圧力保持時間２分の加熱加圧成形をした。
そして、実施例４、比較例４の成形体をそれぞれ２時間煮沸した後の吸水率を測定し、結果を表３に示した。

当該表２に示すように、実施例４のように二軸押出機により混合した方がフラン樹脂の混合割合が少ないにも関わらず、比較例４よりも吸水率が低くなっていることから、二軸押出機のようなせん断力を利用し混合する混合機を用いてリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを十分に混合することで耐吸水性、耐湿性がより向上することがわかる。
実施例５〜７
水蒸気処理したメイプル木粉にフラン樹脂（日立化成製「ヒタフラン」）１９．４wt％混合した。なお、フラン樹脂には水により１０倍希釈した硬化剤（パラトルエンスルホン酸）をそれぞれフラン樹脂に対して３wt％、即ち硬化剤を成形体重量全体に対して０．０６％添加した。

当該メイプル木粉と硬化剤が添加されたフラン樹脂とを乳鉢により手動で混合して、この混合物を実施例５では１８５℃、実施例６では１９５℃、実施例７では２００℃に加熱した金型に入れ、熱プレス機により加圧力１２２kgf/cm²（１２．０MPa）、圧力保持時間２分の加熱加圧成形をした。
そして、実施例５〜７の成形体をそれぞれ水に浸し、２４時間後、４８時間後、７２時間後の吸水率を測定し、結果を表３に示した。

当該表３に示すように、金型温度が高いほど吸水率は低くなっていることから、高温で成形するほど耐吸水性、耐湿性が向上することがわかる。特に２００℃以上で成形することで十分な耐吸水性、耐湿性のリグノセルロース系成形体とすることができる。

本発明に係るリグノセルロース系材料成形体の一例の斜視図である。本発明に係るリグノセルロース系材料成形体の成形方法の一例を表す工程図である。

符号の説明

１成形体

Claims

水蒸気処理したリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合して成形されたことを特徴とするリグノセルロース系材料成形体。
前記リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合重量比は、
リグノセルロース系材料／フラン樹脂＝１００／３〜１００／４５
であることを特徴とする請求項１記載のリグノセルロース系材料成形体。
水蒸気処理したリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合して成形されるリグノセルロース系材料成形体の成形方法であって、
リグノセルロース系材料とフラン樹脂とを、せん断力を利用して混合する混合機により混合する工程を有することを特徴とするリグノセルロース系材料成形体の成形方法。
水蒸気処理したリグノセルロース系材料とフラン樹脂とを混合して成形されるリグノセルロース系材料成形体の成形方法であって、
リグノセルロース系材料とフラン樹脂との混合物を射出成形機により射出成形する工程を有することを特徴とするリグノセルロース系材料成形体の成形方法。