JP2009007456A

JP2009007456A - 複合材、その製造方法及び製造装置

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Publication number: JP2009007456A
Application number: JP2007169167A
Authority: JP
Inventors: Tomomasa Furuya; 智正古屋
Original assignee: TAISEI KIKAKU KK
Current assignee: TAISEI KIKAKU KK
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】熱膨張量が全方向においてほぼ均一である複合材を提供する。
【解決手段】プラスチックからなる母材２中に木片からなる多数の介在片３が混在してなる複合材１において、各介在片３を、それぞれの長手方向が一定方向を向くことなく、ランダムな方向を向くように配置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラスチックからなる母材中に木片や糸屑等からなる多数の介在片を混在させてなる複合材、並びにその複合材を製造するための製造方法及び製造装置に関する。

従来、この種の複合材を製造する場合には、下記特許文献１に記載されているように、廃棄プラスチック及び木材をそれぞれ所定の大きさに破砕する。そして、プラスチックの破砕片及び木片（介在片）を所望の割合で混合して押出機に投入する。押出機は、シリンダとその内部に回転可能に設けられたスクリューとを有しており、スクリューを回転させると、破砕片及び木片が前方へ送られつつ混合される。しかも、破砕片は、シリンダの内周面及びスクリューの外周面と破砕片との間に発生する摩擦熱や破砕片が砕かれるときに発生する熱により、流動性を有する状態になるまで加熱軟化される。この結果、プラスチックからなる母材中に木片がほぼ均質に分散される。このようにして混練された木片入りのプラスチックは、例えば板状に成形された後、冷却固化される。これによって、複合材が製造される。

特開平１１−１５６８５３号公報

上記のようにして製造された複合材においては、木片がプラスチックの破砕片と同時に押出機に投入されており、長い距離にわたって破砕片と一緒に送られる。このため、ほとんど全ての木片が、それぞれの長手方向を送り方向に向けた状態で母材中に混在する。このような複合材では、木片の長手方向における熱膨張量が小さいのに対し、木片の長手方向と直交する方向における熱膨張量が大きくなる。つまり、複合材の熱膨張量が方向毎に異なる。このため、従来の複合材で例えばコンクリート打設用の型枠を製造した場合には、コンクリートが発生する熱によって型枠が歪んでしまうという問題があった。

上記の問題を解決するために、この発明に係る複合材は、プラスチックからなる母材中に長手方向を有する多数の介在片が混在してなる複合材において、上記多数の介在片がその長手方向をランダムな方向に向けて上記母材中に混在されていることを特徴としている。
また、このような複合材を製造するために、この発明に係る複合材の製造方法は、シリンダ及びその内部に回転可能に設けられたスクリューを有する押出機の上記シリンダの内部にプラスチックの固形片と長手方向を有する固体の介在片とを投入し、上記スクリューを回転させることによって上記プラスチック及び上記介在片を前方へ送りながら上記プラスチックの固形片が流動性を有する状態になるまで混練する混練工程を備えた複合材の製造方法において、上記介在片を上記プラスチックが流動性を有する状態になっている箇所において上記シリンダ内に投入することを特徴としている。
さらに、上記の複合材を製造するために、この発明に係る複合材の製造装置は、内部にプラスチックの固形片が投入されるシリンダと、このシリンダの内部に回転可能に設けられ、上記プラスチックの固形片が流動性を有する状態になるまで混練するスクリューを有する押出機を備えた複合材の製造装置において、上記押出機の後段に設けられた第２押出機をさらに備え、上記第２押出機が、内部に上記第１押出機から押し出された流動性を有するプラスチック及び長手方向を有する固体の介在片が投入される第２シリンダと、この第２シリンダの内部に回転可能に設けられ、上記流動性を有するプラスチックと上記介在片とを混練する第２スクリューとを有していることを特徴としている。
この場合、上記第２押出機の上記プラスチックと上記介在片とを混練する部分の長さが、上記押出機の上記プラスチックの固形片を混練する部分の長さより短いことが望ましい。

上記特徴構成を有するこの発明の複合材によれば、各介在片がその長手方向をランダムな方向に向けている。つまり、各介在片は、それぞれの長手方向を一定の方向に向けることなく、３６０°全方向へほぼ同一の割合で向けている。したがって、複合材は、いずれの方向においてもほぼ同一の熱膨張量を有する。
また、上記特徴構成を有するこの発明の製造方法及び製造装置によれば、各介在片がその長手方向をランダムな方向に向けた状態でプラスチックの母材中に混在する複合材を製造することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る複合材１の断面図を示す。複合材１は、プラスチックからなる母材２と、この母材２中にほぼ均一に分散した状態で混在する多数の介在片３とによって構成されている。母材２と介在片３とは、重量比（体積比）で前者が２０〜８０％に、後者が８０〜２０％になるように混合される。特に、前者を４０〜６０％とし、後者を６０〜４０％にするのが望ましい。

母材２を構成するプラスチックとしては、従来の複合材の母材を構成するものと同様のプラスチックが用いられる。例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）等の各種のプラスチックが用いられる。プラスチックは、バージン材であってもよく、廃棄プラスチックを再利用したものであってもよい。

介在片３も、従来の複合材に混入される介在片と同様のものが用いられる。すなわち、母材２を構成する樹脂が流動性を有するまで加熱されたとしても固体状態を維持するもの、例えば木片、糸屑、紙屑が用いられる。勿論、それらもバージン材であってもよく、廃棄材を破砕したものであってもよい。介在片３は、その幅及び厚さに対する長さ又はその外径に対する長さが２倍〜３倍以上のもの、つまり長手方向を有するが用いられる。通常は、介在片３の長さは、その幅及び厚さ、又はその外径に対して２倍以上で５倍以下に設定される。この実施の形態では、介在片３として、広葉樹、針葉樹等の木片が用いられており、図２に示すように、厚さＴが１〜５ｍｍ、幅Ｗが１〜５ｍｍで、長さＬが５〜２０ｍｍであるものが用いられている。

各介在片３は、母材２中にほぼ均一な密度で混合されている。しかも、各介在片３は、それぞれの長手方向が一定方向を向くことなく、ランダムな方向を向くように配置されている。つまり、各介在片３の長手方向が、母材２の一方向に偏ることなく、どの方向にもほぼ均一になっている。

上記構成の複合材１においては、介在物３がその長手方向をランダムな方向に向けて配置されているから、複合材１の強度及び熱膨張量を３６０°どの方向に対してもほぼ一定にすることができる。

図３は、上記複合材１を製造するための製造装置１０の概略構成を示す。この製造装置１０は、第１押出機（押出機）２０、この第１押出機２０の後段に配置された第２押出機３０及びこの第２押出機３０の後段に配置された成形機４０を備えている。

第１押出機２０は、円筒状をなす第１シリンダ（シリンダ）２１と、この第１シリンダ２１の内部に回転可能に設けられた第１スクリュー（スクリュー）２２とを有している。第１シリンダ２１の基端部の上部には、第１ホッパ２３が設けられている。この第１ホッパ２３は、第１シリンダ２１の基端部内にプラスチックの固形片（図示せず）を投入するためのものである。プラスチックの固形片の大きさは、第１シリンダ２１の内径、第１スクリュー２２の山の径（外径）、谷の径、及びピッチ、並びにプラスチックの種類等に応じて適宜定められるが、通常は１０ｍｍ程度の仮想の立方体内に入り込むような大きさに定められる。

第１押出機２０は、回転駆動機構（図示せず）によって第１スクリュー２２を回転させることにより、プラスチックの固形片を第１シリンダ２１の基端部から先端部に向かって移送する。プラスチックの固形片は、第１シリンダ２１の先端部まで送られる間に、固形片どうしの摩擦熱、固形片と第１シリンダ２１の内周面及び第１スクリュー２２の外面との間の摩擦熱、並びに固形片が破断される際に発生する熱により、所望の流動性を有する状態になるまで加熱される。勿論、プラスチック全体が均一な流動性を有するように、第１スクリュー２２によって混練される。なお、第１シリンダ２１には、プラスチックを補助的に加熱するためのヒータを設けてもよい。

第２押出機３０は、円筒状をなす第２シリンダ３１と、この第２シリンダ３１内に回転可能に設けられた第２スクリュー３２とを有している。第２シリンダ３１の基端部は、連結筒１１を介して第１シリンダ２１の先端部に連通している。したがって、第２シリンダ３１の基端部には、第１押出機３０によって加熱混練された流動性を有するプラスチックが連結筒１１を介して送り込まれる。

第２シリンダ３１の基端部の上部には、第２ホッパ３３が設けられている。この第２ホッパ３３は、第２シリンダ３１の基端部内に固体の介在片３を投入するためのものであり、第２ホッパ３３内には介在片３がその長手方向をランダムな方向に向けた状態で収容されている。第２ホッパ３３から第２シリンダ３１の基端部内に投入された介在片３は、第２スクリュー３２を回転駆動機構（図示せず）によって回転させることにより、第１押出機３０から第２シリンダ３１内に供給されたプラスチックと一緒に第２シリンダ３１の基端部から先端部に向かって送られるとともに、プラスチックと混練される。
なお、この実施の形態においては、ねじ山が第２スクリュー３２のほぼ全長にわたって形成されているが、中央部の所定の長さを有する範囲を除く第２スクリュー３２の両端部にのみねじ山を形成して、当該所定範囲の外周面に綾目のローレット状の凹凸部を形成してもよい。その場合、凹凸部の外径は、ねじ山の外径より若干小径に、例えば２〜３ｍｍ程度小径にする。また、凹凸部の長さは、第２スクリュー３２の全長の１／４〜１／３程度にし、凸部の高さは第２スクリューの外径の１／１０〜１／６程度にする。

ここで、第２押出機３０の全長のうちのプラスチックと介在片３とを混練する部分の長さ、つまり、ホッパ３３の略中央部から第２スクリュー３２の先端部までの長さＬ２は、プラスチックと介在片３とを混練することにより、介在片３をプラスチック内にほぼ均一に混在させることができる範囲において出来る限り短く設定されている。すなわち、仮に長さＬ２が、第１押出機２０の全長のうちの固形片を混練する部分の長さ、つまりホッパ２３の略中央部から第１スクリュー２２の先端部までの長さＬ１と同程度の長さであると、介在片３がプラスチックと一緒に送られる距離が長くなるため、プラスチック及び介在片３が第２シリンダ３１の先端部まで送られる間に、ほとんど全ての介在片３の長手方向がプラスチックの移送方向を向いてしまう。そこで、長さＬ１を長さＬ２より短くすることは勿論のこと、介在片３をプラスチック内にほぼ均一に混在させることができる範囲において出来る限り短くしている。このようにすると、介在片３が第２ホッパ３３から第２シリンダ３１内に投入されたときの状態、つまり介在片３の長手方向がランダムな方向を向いた状態が、プラスチック及び介在片３が第２シリンダ３１の先端部に達するまで維持される。したがって、第２押出機３０から押し出されるプラスチック内には、密度が均一で方向性がランダムになった状態の介在片３が混在する。

長さＬ２についてさらに述べると、長さＬ２は、第２シリンダ３１の内径、並びに第２スクリュー３２の山の径、谷の径及びピッチ等により、実験に基づいて定められる。具体例を挙げると、第２シリンダ３１の内径を２００ｍｍとし、第２スクリュー３２の山の径を１９９．２ｍｍ、谷の径を１３０〜１７５ｍｍ、ピッチを１００ｍｍとし、さらに第２スクリュー３２の中央部に形成された凹凸部の外径を１９８ｍｍとし、その長さを５００〜６００ｍｍとし、凸部の高さを２０〜３５ｍｍとしたとき、長さＬ２は１５００〜２０００ｍｍとされる。なお、第１シリンダ２１の内径を２００ｍｍとし、第１スクリュー２２の山の径を１９９．２ｍｍ、谷の径を１３０〜１７５ｍｍ、ピッチを１００ｍｍとし、ＰＥの固形片の大きさを１０ｍｍの立方体内に入り込む程度の大きさとしたとき、長さＬ１は２６００ｍｍとされる。

上記成形機４０は、圧延機５０、前プレス機６０及び後プレス機７０を有している。圧延機５０は、所定の間隔をもって互いに平行に、かつ水平に配置された一対の圧延ロール５１，５２を有している。圧延ロール５１，５２の上部間には、第２押出機３０から押し出された流動性を有するプラスチックと固体の介在片３とが混練された物（以下、混練物４と称する。）がフレキシブル管１２を介して供給される。図４に示すように、フレキシブル管１２の先端部は、圧延ロール５１，５２の軸線方向へ所定範囲にわたって往復動する。これにより、圧延ロール５１，５２の上端部間の所定範囲に混練物４がほぼ均一な状態で溜まる。混練物４は、一対の圧延ロール５１，５２間を下方に向かって通過することによって所定の厚さの板状に成形される。圧延機５０によって圧延されて板状になった混合物４は、ガイド１３によって圧延ロール５１から剥がされるとともに、ガイド１３及びガイドロール１４によって後段の前プレス機６０に供給される。

前プレス機６０は、上プレス機６０Ａと下プレス機６０Ｂとを有している。上プレス機６０Ａは、水平に配置された押圧部６１と、この押圧部６１の下面に接した状態で回転する無端帯６２とを有している。無端帯６２は、ローラ６３によって矢印方向に回転させられる。下プレス機６０Ｂは、上プレス機６０Ａと上下対称に構成されている。上下のプレス機６０Ａ，６０Ｂの無端帯６２，６２の間隔は、一対の圧延ロール５１，５２の間隔より狭くなっている。したがって、板状に成形された混練物４は、無端帯６２，６２間を通過する間に所定の量だけ薄くなるようにさらに圧延される。

上プレス機６０Ａと下プレス機６０Ｂとは、混練物４の移送方向に沿って所定距離だけ移動した後、混練物４から上下方向へそれぞれ離間する。そして、混練物４の移送方向と逆方向へ移動した後、上下方向へ接近移動させられて元の位置に戻る。これを繰り返すようになっている。混練物４の移送方向への上下のプレス機６０Ａ，６０Ｂの移動速度及び無端帯６２の回転速度は、混練物４の移送速度及び圧延量に応じて適宜に定められる。上下のプレス機６０Ａ，６０Ｂは、位置固定してもよい。

後プレス機７０は、前プレス機６０と同様に構成されており、押圧部７１、無端帯７２及びローラ７３からなる上プレス機７０Ａと、この上プレス機７０Ａと上下対称に構成された下プレス機７０Ｂとを有している。後プレス機７０は、前プレス機６０と同期して混練物４の移送方向に沿う移動を繰り返す。後プレス機７０によって所定の厚さに圧延された混練物４は、所定の長さに切断された後、水冷等によって冷却固化される。これによって、板状をなす複合材１が製造される。

図５は、上記複合材１を用いて作成されたコンクリート打設用の型枠８０を示す。型枠８０は、互いに対向する一対の主板部８１，８１を有している。主板部８１は、長方形の平板状をなしており、その長手方向を左右方向に向けるとともに、幅方向を上下方向に向けた状態で配置されている。主板部８１，８１の一端部間及び他端部間には、端板部８２がそれぞれ設けられている。主板部８１，８１及び端板部８２，８２によって左右方向が長く、上下の両端が開放された打設空間８３が形成されている。この打設空間には、コンクリートが打設される。主板部８１の外面には、上下に延びる多数の補強材８４が固定されている。各補強材８４は、左右方向に所定の間隔をもって配置されている。なお、端板部８２の水平方向の長さが長い場合には、端板部８２にも補強材が設けられることもある。

主板部８１及び端板部８２は、この発明に係る複合材１によって構成されている。したがって、空間８３内に打設されたコンクリートによって主板部８１及び端板部８２が加熱された場合、主板部８１及び端板部８２は、いずれの方向へもほぼ同一量だけ熱膨張する。したがって、型枠８０が歪むことを防止することができる。なお、補強材８４もこの発明に係る複合材１によって構成してもよい。

図６は、上記複合材１を用いて作成された化粧パネル９０を示す。化粧パネル９０は、芯材９１を有している。この芯材９１は、複合材１によって構成されている。芯材９１の表裏両面には、壁紙又は樹脂フィルムからなる化粧材９２が固着されている。化粧材９２の表面には、木目その他の模様が印刷されている。この化粧パネル９０によれば、芯材９１の各部の熱膨張量がほぼ一定であるから、冬季と夏季との気温差によって化粧パネル９０が歪むことを防止することができる。

なお、この発明は上記の実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、第１押出機２０によってプラスチックの固形片を混練し、第２押出機３０によって流動性を有するプラスチックに介在片３を混合しているが、第１押出機２０の全長を前方に向かって長さＬ２だけ長くするとともに、基端側から長さＬ１だけ離間した箇所に介在片３を投入するためのホッパを設けることにより、プラスチックの固形片の流動性を有する状態までの混練と、介在片３のプラスチックへの混練とを第１押出機２０だけで行ってもよい。このようにした場合でも、介在片３の移送長さがＬ２であるから、製造された複合材の介在片３は、その長手方向をランダムな方向に向けている。
また、第１押出機２０によってプラスチックの固形片を流動性を有するようになるまで混練しているが、固形片をヒータ等の加熱手段によって加熱することにより流動性を有する状態にし、それを第２押出機３０に供給するようにしてもよい。
さらに、上記の実施の形態においては、第２押出機３０から押し出された混合物４を圧延機４０によって板状に成形し、型枠８０や化粧パネル９０の素材としているが、圧延機４０に代えて他の成形機を用い、それによって所定の最終製品を成形してもよい。

この発明に係る複合材の断面図である。同複合材に用いられている木片（介在片）を示す斜視図である。この発明に複合材の製造装置の一実施の形態の概略構成を示す図である。同製造装置のフレキシブル管と一対の圧延ロールとの関係を示す斜視図である。この発明に係る複合材を用いて製造されたコンクリート打設用の型枠の一例を示す斜視図である。この発明に係る複合材を用いて製造された化粧パネルの一例を示す断面図である。

符号の説明

１複合材
２母材
３混合片
１０複合材の製造装置
２０第１押出機（押出機）
２１第１シリンダ（シリンダ）
２２第１スクリュー（スクリュー）
３０第２押出機
３１第２シリンダ
３２第２スクリュー

Claims

プラスチックからなる母材中に長手方向を有する多数の介在片が混在してなる複合材において、
上記多数の介在片がその長手方向をランダムな方向に向けて上記母材中に混在されていることを特徴とする複合材。
シリンダ及びその内部に回転可能に設けられたスクリューを有する押出機の上記シリンダの内部にプラスチックの固形片と長手方向を有する固体の介在片とを投入し、上記スクリューを回転させることによって上記プラスチック及び上記介在片を前方へ送りながら上記プラスチックの固形片が流動性を有する状態になるまで混練する混練工程を備えた複合材の製造方法において、
上記介在片を上記プラスチックが流動性を有する状態になっている箇所において上記シリンダ内に投入することを特徴とする複合材の製造方法。
内部にプラスチックの固形片が投入されるシリンダと、このシリンダの内部に回転可能に設けられ、上記プラスチックの固形片が流動性を有する状態になるまで混練するスクリューを有する押出機を備えた複合材の製造装置において、
上記押出機の後段に設けられた第２押出機をさらに備え、上記第２押出機が、内部に上記第１押出機から押し出された流動性を有するプラスチック及び長手方向を有する固体の介在片が投入される第２シリンダと、この第２シリンダの内部に回転可能に設けられ、上記流動性を有するプラスチックと上記介在片とを混練する第２スクリューとを有していることを特徴とする複合材の製造装置。
上記第２押出機の上記プラスチックと上記介在片とを混練する部分の長さが、上記押出機の上記プラスチックの固形片を混練する部分の長さより短いことを特徴とする請求項３に記載の複合材の製造装置。