JP2011528046A - 木材代替材料およびその使用 - Google Patents
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Abstract
本発明は、次の成分：
１５〜３０重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
５０〜８０重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
０〜２０重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
０．５〜５重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
１〜３０重量％ 少なくとも１種類のワックス、
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
からなる木軸鉛筆用の木材代替材料に関し、少なくとも１種類の相溶化剤は、少なくとも１種類のポリマー結合材と少なくとも１種類の有機充填材の化学的結合を形成し、少なくとも１種類の相溶化剤と少なくとも１種類のワックスの比は１：２〜１：６の範囲になっており、有機充填材と無機充填材の合計は８０重量％以下である。
１５〜３０重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
５０〜８０重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
０〜２０重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
０．５〜５重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
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０〜１０重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
からなる木軸鉛筆用の木材代替材料に関し、少なくとも１種類の相溶化剤は、少なくとも１種類のポリマー結合材と少なくとも１種類の有機充填材の化学的結合を形成し、少なくとも１種類の相溶化剤と少なくとも１種類のワックスの比は１：２〜１：６の範囲になっており、有機充填材と無機充填材の合計は８０重量％以下である。
Description
本発明は、着色芯を有する黒鉛筆、色鉛筆、または化粧用鉛筆、および、例えば、消しゴム材料などからなる芯を有する他の様々な種類の鉛筆などの木軸鉛筆用の木材代替材料、並びに、その使用に関する。
木材代替材料で、鉛筆の芯を被覆する木材を代替する。
芯が天然木材で取り囲まれているか、または外装されている木軸鉛筆は、かねてから知られている。近年、木材が不足しているため品質的に価値の高い木材の価格が上昇し、これが鉛筆の製造費用に直接影響を及ぼしている。さらに、鉛筆の製造には、比較的大きい天然木材が使用される。
他の業界の分野では、この理由から、安価であり、かつ天然木材資源を保護する木材代替材料で天然木材を代替することが既に数年前から試みられている。
木材代替材料の一形態は、いわゆる木材プラスチック複合材であり、これは様々な割合の木材、プラスチック、および添加剤を有し、熱可塑性樹脂のように加工可能な材料であり、例えば、押出成形、射出成形または加圧成形などの熱可塑性樹脂の成形法で加工される。
その場合、添加剤は、各使用目的に必要な使用特性を最適化するのに役立ち、これに著しい影響を及ぼす。従って、例えば、木材−プラスチックの結合を改善するための相溶化剤（Ｈａｆｔｖｅｒｍｉｔｔｌｅｒ）、加工性を確保するためのワックス、着色するための顔料、並びに、耐紫外線性、耐候性、耐虫性および耐真菌性を確保するための薬剤が使用される。
使用領域は、とりわけ、テラス床板、プランター、化粧材、手すり、家具、または自動車分野の内装である。
現在市販されている木材代替材料は、他の特性の他に、できるだけ高い強度特性（曲げ強度または耐摩耗性など）を有するように最適化されたものである。
このような木材代替材料は、木軸鉛筆の木材を代替するのに適していないかまたは限定的にしか適してないが、その理由は、このような鉛筆は市販の携帯用鉛筆削りで削ることができないかまたは非常に困難だからである。
さらに、木材代替材料の役割をする発泡プラスチックまたは無機充填プラスチックが知られている。
発泡プラスチックは低い弾性率を有し、そのため通常は非常に弾性が高い。この高い弾性のため、発泡プラスチックは、鉛筆用の木材代替材料としてあまり適していないが、その理由は、従来の芯を弾性材料で被覆すると、芯に必要な支持作用が欠如し、鉛筆の使用時に芯が折れる可能性があるからである。確かに、これは、芯をそれに対応して弾性にすることによって防止できるが、それによって芯の筆記性は低下する。
従って、本発明の課題は、天然木材の代わりに鉛筆の芯を被覆するのに適している切削可能な木材代替材料を提供することである。
この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。
本発明の木材代替材料は、次の成分：
１５〜３０重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
５０〜８０重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
０〜２０重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
０．５〜５重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
１〜３０重量％ 少なくとも１種類のワックス、
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
からなり、少なくとも１種類の相溶化剤は、少なくとも１種類のポリマー結合材と少なくとも１種類の有機充填材の化学的結合を形成し、少なくとも１種類の相溶化剤と少なくとも１種類のワックスの比は１：２〜１：６の範囲になっており、有機充填材と無機充填材の合計は８０重量％以下である。
１５〜３０重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
５０〜８０重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
０〜２０重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
０．５〜５重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
１〜３０重量％ 少なくとも１種類のワックス、
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
からなり、少なくとも１種類の相溶化剤は、少なくとも１種類のポリマー結合材と少なくとも１種類の有機充填材の化学的結合を形成し、少なくとも１種類の相溶化剤と少なくとも１種類のワックスの比は１：２〜１：６の範囲になっており、有機充填材と無機充填材の合計は８０重量％以下である。
ワックスと相溶化剤のこのような組み合わせにより、特に、木軸鉛筆の天然木材を代替し芯を被覆することができる切削可能な木材代替材料が得られる。従来技術の既知の木材代替材料は、このような組み合わせの場合と異なる。本発明の木材代替材料の特徴は、それを用いて製造される（木材の代わりに木材代替材料で芯が被覆される）鉛筆が、既知の木軸鉛筆の通常の特性を全て有するということである。
従って、前述の原料の組み合わせにより、筆記用具および／または化粧用鉛筆を製造する際、切削可能な軸または芯の被覆を製造するのに特に適した材料が得られる。
従って、本発明の木材代替材料は、鉛筆を製造するための芯の被覆として非常に適しているが、その理由は、それを用いて製造された鉛筆は市販の携帯用鉛筆削りであまり力を加えずに削ることができ、その鉛筆は同時に筆記用具として使用するのに必要な曲げ強度を有するからである。さらに、この木材代替材料は、比較的高い弾性率を有するため、弾性が低く、かつそれで弾性の芯を被覆することができる。
木材代替材料の切削性、および鉛筆を製造するためのその適性を評価するために、それから完成品（Ｖｏｌｌｋｏｅｒｐｅｒ）を製造し、これを削って尖らせた。この場合、切削性が良好であると評価された木材代替材料を使用すると、それを用いて製造された鉛筆はあまり力を加えずに削ることができる。本明細書では、試験でまたは削って尖らせる時に、いわゆる切削モーメント（Ｓｐｉｔｚｍｏｍｅｎｔ）が１０Ｎｃｍ未満である鉛筆、および、特に、木材代替材料は、あまり力を加えずに削ることができると見なされる。切削モーメントは、この目的のために開発された試験機で、鉛筆または木材代替材料からなる完成品の形態の試験体を２０秒間連続的に削ることによって測定される。既に先端が円錐形になっている場合、即ち、既に所望の角度で削って尖らせてある場合、新しい刃を有する市販の鉛筆削りで４３回転／分の回転数で直径７．６±０．２ｍｍの試験体を連続的に削って尖らせるのに必要な、切削時に測定される平均回転モーメント［単位、Ｎｃｍ］を切削モーメントと称する。
切削モーメントを測定する装置の原理を説明のために図１に示す。そのために、鉛筆削り１を、回転モーメント測定装置２と連結したホルダ３内に固定する。試験体５を受口４に回転自在に装入し、鉛筆削り１に挿入する。回転する試験体５を鉛筆削り１の方に送り装置６を用いて空気圧により送るが、送り装置６は２０Ｎの送り力を試験体５の受口４に作用させる（図の右の矢印を参照）。試験体５の切削中に回転モーメント測定装置２によって測定される回転モーメントを記録し、試験時間にわたって平均し、切削モーメントを求める。
鉛筆芯の被覆として使用するのに望ましい木材代替材料の曲げ強度は、特に、少なくとも５０ＭＰａである。弾性率は、好ましくは、少なくとも５０００ＭＰａである。曲げ強度および弾性率の測定は、ＤＩＮ５２１８６（木材の試験−曲げ試験）に準拠して３点曲げ試験で行う。
図２に、このような３点曲げ試験を実施するための測定装置を示す。直径７．６±０．２ｍｍおよび長さ１８０±５ｍｍの鉛筆または木材代替材料からなる完成品の形態の円筒状の試験体７を使用する。試験体７を可動ローラー８上に、支点間距離（ローラー８の中心点の距離）１００ｍｍで載せる。試験ポンチ９で中心に力を加える。ローラー８と試験ポンチ９の直径は１５ｍｍである。試験中、試験体７が破壊するまで、試験体７に一様に荷重を加える。必要な破壊力と荷重を増加して測定した試験体７の撓みから、試験体７の曲げ強度および弾性率を求める。
本発明の木材代替材料の有利な実施形態を以下に記載する。
強度および切削性に関して、少なくとも１種類の相溶化剤と少なくとも１種類のワックスの比が１：２．５〜１：４．５の範囲になっている木材代替材料が、特に有利である。
さらに、
２０〜２５重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
６５〜７５重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
１〜５重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
１〜２重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
２〜１２重量％ 少なくとも１種類のワックス、
１〜４重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜５重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
を含有する組成物で、切削性、強度および加工性（Ｐｒｏｚｅｓｓｇａｅｎｇｉｇｋｅｉｔ）に関して特に良好な特性が得られることが分かった。
２０〜２５重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
６５〜７５重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
１〜５重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
１〜２重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
２〜１２重量％ 少なくとも１種類のワックス、
１〜４重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜５重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
を含有する組成物で、切削性、強度および加工性（Ｐｒｏｚｅｓｓｇａｅｎｇｉｇｋｅｉｔ）に関して特に良好な特性が得られることが分かった。
切削性に関して、少なくとも１種類のワックスが、アミドワックス、脂肪酸（例えば、ステアリン酸およびパルミチン酸など）、モンタンワックス、ステアレート、脂肪酸エステル、パラフィンワックスを含むワックスの群から選択されることが有利である。
切削性に関して、少なくとも１種類のワックスがアミドワックスおよび／またはステアリン酸からなることが、特に有利である。
切削性に関して、少なくとも１種類のワックスがアミドワックスとステアリン酸の組み合わせからなり、アミドワックス対ステアリン酸の比が１：０．５〜１：２の範囲であることが最も有利であると分かった。
本発明をさらによく理解するために、下記の表から、木材代替材料を従来技術の材料と比較する。比較の対象になる試験体は、同じ断面形状を有し、直径が７．６±０．２ｍｍである。
経済性と入手し易いという理由から、少なくとも１種類のポリマー結合材がポリオレフィンの群から選択されることが有利である。
木材代替材料が木材に類似の特性を有するように、少なくとも１種類の有機充填材が木材および／またはセルロースからなることが有利である。
極性表面を有する木材と非極性表面を有するポリマー結合材（例えば、ポリオレフィンなど）を結合するために、相溶化剤が必要である。ポリエチレン（ＰＥ）およびポリプロピレン（ＰＰ）用の相溶化剤は市販されているため、少なくとも１種類のポリマー結合材がポリエチレン（ＰＥ）および／またはポリプロピレン（ＰＰ）からなることが有利である。
木材とＰＥを結合するために、無水マレイン酸がグラフトしたポリエチレン（ＰＥ）からなる相溶化剤が好適であることが実証された。
５０ＭＰａ超の曲げ強度と５０００ＭＰａ超の弾性率を達成するために、少なくとも１種類のポリマー結合材が高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）からなることが特に有利である。
図３に、木材とＰＥを結合するための相溶化剤の機能方法を概略的に示す。
図３の上部に、マレイン酸分子の基本構造を示す。図中央に、ＯＨ基の形態の極性表面を有する木材と相溶化剤分子が示されており、相溶化剤分子は、ＰＥがグラフトした変性無水マレイン酸分子の形態で存在し、木材表面に接近する。変性は、この文脈および実施例では、ポリエチレン（ＰＥ）がマレイン酸にグラフトしていることを意味する。
図３の下部に、木材の極性表面に対する変性無水マレイン酸分子の結合を示す。続いて、相溶化剤のグラフトしたＰＥが、ＰＥの形態のポリマー結合材に結合するため、木材とＰＥの十分な接着が達成される。
さらに、少なくとも１種類の相溶化剤が、エチレン無水マレイン酸共重合体（無水マレイン酸とグラフトしたメタロセンポリエチレンワックス）からなることが有利であると分かった。
木材代替材料が木材に類似の特性を有するように、少なくとも１種類の有機充填材が木材および／またはセルロースからなることが好ましいことを上記に既に詳述した。
切削性に関して、少なくとも１種類の有機充填材が最大粒度２５０μｍ、特に１００μｍ以下の充填材粒子からなることが特に有利である。
木材代替材料の色調を明るくするために、木材代替材料が１〜３重量％の白色の着色顔料を含有することが好適であると実証された。
色調を明るくするために、白色の着色顔料が二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなることが有利であると分かった。
所望の色調に調整するために、木材代替材料が０．１〜５重量％の有色の着色顔料を含有することが有利である。
切削時の脆性および滑り特性を調整するために、少なくとも１種類の無機充填材が層状ケイ酸塩、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、石鹸石、黒鉛を含む充填材の群から選択されることが有利である。
特定の特性を達成するために、かつ特別な要求を満たすために、少なくとも１種類の添加剤が、滑剤、可塑剤、界面活性物質、熱安定剤、ＵＶ安定剤を含む添加剤の群から選択されることが有利である。
下記に、好適であると実証された木材代替材料の２つの配合例を記載する：
配合例１
高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ） ２５．０重量％
木粉 ６５．０重量％
無水マレイン酸がグラフトしたポリエチレン ２．０重量％
アミドワックス ３．０重量％
ステアリン酸 ３．０重量％
二酸化チタン ２．０重量％
配合例２
ポリプロピレン（ＰＰ） ２０．０重量％
木粉 ７０．０重量％
無水マレイン酸がグラフトしたポリプロピレン １．０重量％
アミドワックス ３．０重量％
ステアリン酸 １．０重量％
窒化ホウ素 ５．０重量％
配合例１
高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ） ２５．０重量％
木粉 ６５．０重量％
無水マレイン酸がグラフトしたポリエチレン ２．０重量％
アミドワックス ３．０重量％
ステアリン酸 ３．０重量％
二酸化チタン ２．０重量％
配合例２
ポリプロピレン（ＰＰ） ２０．０重量％
木粉 ７０．０重量％
無水マレイン酸がグラフトしたポリプロピレン １．０重量％
アミドワックス ３．０重量％
ステアリン酸 １．０重量％
窒化ホウ素 ５．０重量％
着色芯および芯の木材外装を有する木軸鉛筆、特に黒鉛筆または色鉛筆または化粧用鉛筆を製造するための、木材外装を木材代替材料からなる外装で代替する本発明の木材代替材料の使用が理想的である。特に、ここでは、ポリマー結合材を有する芯を使用する。
さらに、消しゴム材料からなる芯および芯の木材外装を有する木軸鉛筆を製造するための、木材外装を木材代替材料からなる外装で代替する本発明の木材代替材料の使用が理想的である。
着色芯または消しゴム材料からなる芯を有する鉛筆を製造する場合、木材代替材料からなる外装が押出成形によって製造されることが特に好ましい。この場合、特に、芯も押出成形によって製造される。押出成形は連続的な製造方法であり、従って、鉛筆を安価に大量生産するのに非常に適している。
ポリマー結合材を有する木材代替材料からなる被覆およびポリマー結合材を有する芯（ｐｏｌｙｍｅｒｇｅｂｕｎｄｅｎｅｎ Ｍｉｎｅｎ）を有する鉛筆は、特に、共押出成形法で製造することができる。この場合、芯と被覆は、現場で、押出機内で形成され、口金で一緒に各所望の形状に連続した線状体（Ｅｎｄｌｏｓｓｔｒａｎｇ）として押し出され、これはさらに個々の鉛筆に分割されなければならない。
さらに、既成の芯を外装してもよく、これは同様に押出成形で行うことができる。
押出成形法には、ほぼ全ての鉛筆断面形状を形成することができるという利点がある。
Claims (21)
- 次の成分：
１５〜３０重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
５０〜８０重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
０〜２０重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
０．５〜５重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
１〜３０重量％ 少なくとも１種類のワックス、
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜１０重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
からなる木軸鉛筆用の木材代替材料であって、
前記少なくとも１種類の相溶化剤が、前記少なくとも１種類のポリマー結合材と前記少なくとも１種類の有機充填材の化学的結合を形成し、前記少なくとも１種類の相溶化剤と前記少なくとも１種類のワックスの比が１：２〜１：６の範囲になっており、有機充填材と無機充填材の合計が８０重量％以下である、木材代替材料。 - 前記少なくとも１種類の相溶化剤と前記少なくとも１種類のワックスの比が、１：２．５〜１：４．５の範囲になっている、請求項１に記載の木材代替材料。
- ２０〜２５重量％ 少なくとも１種類のポリマー結合材、
６５〜７５重量％ 少なくとも１種類の有機充填材、
１〜５重量％ 少なくとも１種類の無機充填材、
１〜２重量％ 少なくとも１種類の相溶化剤、
２〜１２重量％ 少なくとも１種類のワックス、
１〜４重量％ 少なくとも１種類の着色顔料、および
０〜５重量％ 少なくとも１種類の添加剤、
を含有する、請求項１または請求項２に記載の木材代替材料。 - 前記少なくとも１種類のワックスが、アミドワックス、脂肪酸（例えば、ステアリン酸およびパルミチン酸など）、モンタンワックス、ステアレート、脂肪酸エステル、パラフィンワックスを含むワックスの群から選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類のワックスが、アミドワックスおよび／またはステアリン酸からなる、請求項４に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類のワックスが、アミドワックスとステアリン酸の組み合わせからなり、アミドワックスとステアリン酸の比が１：０．５〜１：２の範囲である、請求項５に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類のポリマー結合材が、ポリオレフィンの群から選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類のポリマー結合材が、ポリエチレン（ＰＥ）および／またはポリプロピレン（ＰＰ）からなる、請求項７に記載の木材代替材料。
- 少なくとも１種類のポリマー結合材が、高密度ポリエチレン（ＰＥ−ＨＤ）からなる、請求項８に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類の相溶化剤は無水マレイン酸がグラフトしたポリエチレン（ＰＥ）からなるか、または前記少なくとも１種類の相溶化剤は無水マレイン酸がグラフトしたポリプロピレン（ＰＰ）からなる、請求項７〜９のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類の相溶化剤が、エチレン無水マレイン酸共重合体（無水マレイン酸がグラフトしたメタロセンポリエチレンワックス）からなる、請求項７〜９のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類の有機充填材が、木材および／またはセルロースからなる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類の有機充填材が、最大粒度２５０μｍ、特に１００μｍ以下の充填材粒子からなる、請求項１２に記載の木材代替材料。
- 前記木材代替材料が、１〜３重量％の白色の着色顔料を含有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記白色の着色顔料が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる、請求項１４に記載の木材代替材料。
- 前記木材代替材料が、０．１〜５重量％の有色の着色顔料を含有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類の無機充填材が、層状ケイ酸塩、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、石鹸石、および黒鉛を含む充填材の群から選択される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 前記少なくとも１種類の添加剤が、滑剤、可塑剤、界面活性物質、熱安定剤、ＵＶ安定剤を含む添加剤の群から選択される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の木材代替材料。
- 着色芯および前記芯の木材外装を有する木軸鉛筆、特に黒鉛筆または色鉛筆または化粧用鉛筆を製造するための、前記木材外装を前記木材代替材料からなる外装で代替する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の木材代替材料の使用。
- 消しゴム材料からなる芯および前記芯の木材外装を有する木軸鉛筆を製造するための、前記木材外装を前記木材代替材料からなる外装で代替する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の木材代替材料の使用。
- 前記木材代替材料からなる外装が押出成形によって製造される、請求項１９または２０に記載の使用。
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