JP2012006371A - グリーンコンポジットの成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】天然繊維強化熱可塑性樹脂であって、かつ強度の高い板状ＦＲＴＰを工業的に有利に提供する。
【解決手段】熱可塑性樹脂を、天然繊維の織布とともに引抜き成形することにより得られる天然繊維強化熱可塑性樹脂板。
【選択図】なし

Description

本発明は、天然繊維を用いた繊維強化熱可塑性樹脂板及びその製造法に関する。

繊維強化熱可塑性樹脂（ＦＲＴＰ）は、熱可塑性樹脂を強化用繊維で補強して強度を向上させた複合材であり、熱硬化性樹脂を強化用繊維で補強した繊維強化熱硬化性樹脂では困難なリユース、リサイクル及び２次加工が可能となること等から、近年、種々の用途に用いられている。
一方、近年、ケナフ繊維に代表される天然繊維で熱可塑性樹脂を補強した天然繊維強化熱可塑性樹脂が開発されている（特許文献１〜３）

特開２０００−２１９８１２号公報 特開２００５−１０５２４５号公報 国際公開ＷＯ２００９／０７２４９９号パンフレット

これらの天然繊維強化熱可塑性樹脂の製造法としては、連続生産ができること、品質が均一であること、樹脂を予め成形しておく必要がないことなどから、加熱成形よりも引抜き成形によるのが望ましい。ところが、従来の天然繊維強化熱可塑性樹脂の引抜き成形においては、引抜き成形装置の樹脂含浸部に強化用繊維を引き込み、強化用繊維に加熱溶融された樹脂を含浸させ、その後加熱された金型内部に引き込みつつ引抜きながら複合材を成形するものであるため、得られる強化樹脂は細い線状である。得られた細い線状の強化樹脂の強度は一方向のみが強化されているだけであるから、これを同方向に複数本積層して板状とし、さらにこの板を３方向以上に積層することにより、あらゆる方向の強度が強化された成形体を得る必要がある。
従って、本発明の課題は、天然繊維強化熱可塑性樹脂であって、かつ強度の高い板状ＦＲＴＰを工業的に有利に提供することにある。

そこで本発明者は、かかる課題を解決すべく検討した結果、天然繊維をそのまま用いるのではなく、天然繊維の織布を強化材料として採用して熱可塑性樹脂を引抜き成形すれば、一回の引抜き成形で幅が広く、かつ２方向の強度が高くなった天然繊維強化熱可塑性樹脂板が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、熱可塑性樹脂を、天然繊維の織布とともに引抜き成形することにより得られる天然繊維強化熱可塑性樹脂板を提供するものである。
また、本発明は、上記の天然繊維強化熱可塑性樹脂板を積層することにより得られる天然繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供するものである。
さらに本発明は、熱可塑性樹脂を、天然繊維の織布とともに引抜き成形することを特徴とする天然繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法を提供するものである。

本発明によれば、一回の引抜き成形により、２方向の強度が高まった、幅の広い天然繊維強化熱可塑性樹脂板が得られる。また、天然繊維を使用し、かつ熱可塑性樹脂板であることから、リサイクル、リユース、２次加工が可能であるとともに、環境循環型複合材料としても有用である。

本発明の引抜き成形装置の一形態を示す図である。 ケナフ繊維の織物の形態を示す写真である。 ケナフ繊維織物強化ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）板の形態を示す写真である。 ケナフ繊維の織物強化ポリプロピレン板の形態を示す写真である。 ポリプロピレン（ＰＰ）とポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）の加熱温度とＭＦＲとの関係を示す図である。 実施例３で用いた引抜き成形機の概略図である。 ＰＢＳ１０２０（商標）とＰＢＳ１０５０（商標）のＭＦＲを示す図である。 実施例３で得られたＦＲＴＰ板の形態を示す写真である。

本発明に用いられる樹脂は、熱可塑性樹脂である。本発明においては、熱硬化性樹脂ではなく、熱可塑性樹脂を用いるため、リサイクル、リユース、２次加工が容易である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン；ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート等の脂肪族ポリエステル樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート及びポリトリメチレンテレフタレート等の芳香族ポリエステル樹脂；ポリスチレン；ポリメタクリレート、ポリアクリレート等のアクリル樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂；ポリアセタール樹脂；ＡＢＳ樹脂等が挙げられる。これらは１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよい。
このうち、ポリオレフィン及びポリエステル樹脂がより好ましい。上記ポリオレフィンのなかではポリプロピレンがより好ましい。

一方、ポリエステル樹脂のなかでは、生分解性を有するポリエステル樹脂（以下、単に「生分解性樹脂」ともいう）が好ましい。生分解性樹脂としては、（１）乳酸、リンゴ酸、グルコース酸及び３−ヒドロキシ酪酸等のヒドロキシカルボン酸の単独重合体、並びに、これらのヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも１種を用いた共重合体、などのヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステル、（２）ポリカプロラクトン、及び、上記ヒドロキシカルボン酸のうちの少なくとも１種とカプロラクトンとの共重合体、などのカプロラクトン系脂肪族ポリエステル、（３）ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート及びポリブチレンアジペート、などの二塩基酸ポリエステル、等が挙げられる。
これらの生分解性樹脂は１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
また、上記乳酸にはＬ−乳酸及びＤ−乳酸を含むものとし、これらの乳酸は単独で用いてもよく、併用してもよい。

本発明に用いられる天然繊維としては、植物性繊維が好ましく、植物性繊維として、ケナフ、マニラ麻、サイザル麻、ジュート麻、綿花、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、各種針葉樹（スギ及びヒノキ等）及び広葉樹などの植物から得られる繊維（木質性及び非木質性を問わず、さらには、採取部位を問わない）が挙げられる。これらの植物性繊維は１種のみを用いてもよく２種以上を併用してもよい。

このうち、成長が速い点及び比重が小さく強靭な長繊維が得られる点から、ケナフ繊維が好ましい。ケナフには、紅麻、キューバケナフ、洋麻、タイケナフ、メスタ、ビムリ、アンバリ麻、ボンベイ麻が含まれる。

本発明に用いられる天然繊維の大きさ及び形状は特に限定されず、単繊維であるが、撚り糸状につなぎ、みかけ状連続繊維であるものが好ましい。
通常、繊維径は１ｍｍ以下である。この繊維径は０．１〜１ｍｍが好ましく、０．１〜０．７ｍｍがより好ましく、０．３〜０．５ｍｍが特に好ましい。尚、上記繊維径は平均繊維径である。

本発明において天然繊維は、そのまま使用されるのではなく、織布の形態で引抜き成形に使用される。織布構造としては、平織り、綾織り、朱子織り等が挙げられるが、平織りが二方向の強度が高くなる点で好ましい。

織布の厚さは、特に制限されないが、１ｍｍ以下が好ましい。下限は特に制限されず、０．１ｍｍ以上であるのが好ましい。一方、織布の幅は均一な引抜き性を考慮すると３００００ｍｍ以下、特に１０００ｍｍ以下であるのが好ましい。

本発明の天然繊維強化熱可塑性樹脂板（以下、本発明ＦＲＴＰ板ともいう）における天然繊維と熱可塑性樹脂の割合は、天然繊維の割合が２０〜７０体積％、さらに２５〜６５体積％、特に３０〜６０体積％が好ましい。

また、本発明のＦＲＴＰ板には、剛性向上、耐熱性の点から、無機物粒子を添加することができる。無機物粒子としては、層状の鉱物ケイ酸塩の微粒子が好ましく、特にナノクレイ（層状の鉱物ケイ酸塩のナノ粒子）が好ましい。より具体的には、モンモリロナイト、ベントナイト、カオリナイト、ヘクトライト、ハロイサイト等の微粒子、特にナノ粒子が好ましい。これらの無機物粒子の平均粒子径は１０ｎｍ〜１０，０００ｎｍが好ましい。また、これらの無機物微粒子の含有量は、本発明ＦＲＴＰ中に０．５〜１０質量％、さらに０．５〜５質量％であるのが好ましい。

本発明ＦＲＴＰ板は、引抜き成形により製造される。すなわち、図１のように引抜き成形装置の樹脂含浸部に天然繊維の織布を引き込み、当該織布に樹脂液を含浸させ、加熱された金型内部に引き込みつつ引き抜きながら成形することにより製造される。樹脂は、織布全体に均一に含浸させる必要性から、予め押出し成形装置内で加熱して、織布に供給するのが好ましい。押出成形装置としては二軸押出成形装置が好ましい。引き抜き装置は、織布を均一に引き取ることができるローラー式成形機を用いるのが好ましい。

本発明のＦＲＴＰ板においては、織布を引き抜くという方式を採用するため、含浸の均一性及び引き取りの均一性を十分考慮する必要がある。樹脂液の粘度が高い場合には、含浸及び引き取りが均一にならないため、金型の両側に撚れが生じたり、各所に孔が生じることがある。かかる欠点を克服するためには、供給する樹脂液の粘度を引抜き速度に応じて十分低下させることが好ましい。好ましい樹脂液の粘度は、メルトフローレイト（ＪＩＳ Ｋ７２１０に準拠したメルトインデクサーを用いてＢ法で測定）が、４０〜４００ｇ／１０ｍｉｎであるのが好ましく、さらに１００〜４００ｇ／１０ｍｉｎであるのが好ましい。

このような低粘度の樹脂液を調製するには、樹脂の種類により異なるが、押出成形装置内で樹脂を２００〜５００℃程度に加熱するのが好ましい。また、粘度が低下し難い樹脂の場合には、樹脂に水分を供給した後、押出成形装置内で樹脂を２００〜５００℃に加熱する操作を１〜５回行うのが好ましい。

本発明のＦＲＴＰ板は、原料として天然繊維の織布を使用しているため、二方向の強度が向上しており、かつ幅広い板状体であるため、これを複数方向に積層すれば、全方向の強度が向上した形成体を製造することができる。本発明のＦＲＴＰ板又は成形体は、例えば、自動車、鉄道車両、船舶及び飛行機等の内装材、外装材及び構造材等として用いられる。このうち自動車用品としては、自動車用内装材、自動車用インストルメントパネル、自動車用外装材等が挙げられる。具体的には、ドア基材、パッケージトレー、ピラーガーニッシュ、スイッチベース、クオーターパネル、アームレストの芯材、自動車用ドアトリム、シート構造材、コンソールボックス、自動車用ダッシュボード、各種インストルメントパネル、デッキトリム、バンパー、スポイラー、スペアタイヤカバー及びカウリング等が挙げられる。さらに、例えば、建築物及び家具等の内装材、外装材及び構造材が挙げられる。すなわち、ドア表装材、ドア構造材、各種家具（机、椅子、棚、箪笥など）の表装材、構造材等が挙げられる。その他、包装体、収容体（トレイ等）、保護用部材及びパーティション部材等が挙げられる。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１
図１の引抜き成形機を用い、図２に示したケナフ繊維の織布（幅１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用いて、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）を母材とする引抜き成形を行った。引抜き速度は７０ｍｍ／ｍｉｎ、二軸押出機の樹脂温度１９０℃で引抜きを行った。得られたＦＲＴＰ板の繊維体積含有率（Ｖ_f）は、２１〜２６％であった。
得られた樹脂板の写真を図３に示す。
（ａ）は引抜き材全体を撮影した写真である。引取り機により引き取られる繊維と直角方向の横糸が撚れていることを確認できる。この現象は金型壁面近くの横糸が撚れ始め、次第に大きな撚れとなる。樹脂を流さずに成形を行った場合にはこの現象は確認されない。金型壁面近くで生じる抵抗によって金型内で速度分布が生じ、繊維が撚れたものと考えられる。
（ｂ）は引抜き材の繊維体積含有率を増加させるために引抜き材に含浸させる樹脂量を調節しながら成形を行ったものである。引抜き材の表面には各所に孔が見られ、織物表面の樹脂量が不均一であることが観察される。用いたＰＢＳ（ＰＢＳ１０２０（商標）（昭和電工）製）の溶融粘度が高いために未含浸部分が生じたものと思われる。

そこで、ＰＢＳの粘度を下げる手法を試みた。具体的には予め水分を吸水させたＰＢＳを用いて二軸押出し成形により高負荷でペレットを作製した。通常の押出し成形に加え、水分を予め吸水させた樹脂を用いることで加水分解を促進させ、より短時間で樹脂粘度を低下させた。ＰＢＳは約５０時間水に浸漬させることで飽和に達している。ここでは、約７２時間浸漬させた吸水ペレットを用いて実験を行った。
二軸押出し機のバレル温度を１２５℃に設定し、押出機のスクリュー回転数を４００ｒｐｍ、６００ｒｐｍ、８００ｒｐｍの３つの条件でペレットを作製した。それぞれのペレットの粘度（ＭＦＲ）はメルトインデクサーを用いて測定した。
ＰＢＳのＭＦＲはスクリュー回転数の増加に伴い増加する傾向を示した。スクリュー回転数の違いによる大きな差はないが、最も高く設定した８００ｒｐｍにおいてＭＦＲは最大となり、高負荷で押出成形を行うことによって樹脂粘度を下げることが可能であることを確認した。

実施例２
樹脂としてポリプロピレン（ＰＰ）を用い、実施例１と同様にして、ケナフ繊維織物強化ポリプロピレンを製造した。

図４にＰＰを用いて作製した引抜き材の写真を示す。端部の撚れは最小限に抑えられており、また時間の経過に伴い繊維の撚れが助長することもなかった。この引抜き材はバレル温度を３００℃に設定して成形を行ったものである。図５より、３００℃でのＰＰのＭＦＲは２１４〜３６５ｇ／１０ｍｉｎである。

実施例３
図６の引抜き成形機（図１に比べて、繊維に対するガイド及びローラーが付加してある）を用い、ポリブチレンサクシネートとしてＰＢＳ１０５０（商標）（昭和電工製）を用いて、実施例１と同様の条件で引抜き成形を行った。得られたＦＲＴＰ板を４枚重ねてホットプレス成型し、積層型の繊維体積含有率（Ｖ_f）３８％のＦＲＴＰ板を得た。用いたＰＢＳ１０５０（商標）とＰＢＳ１０２０（商標）とＭＦＲの比較を図７に示す。また、得られたＦＲＴＰ板の写真を図８に示す。図８から端部の撚れもないことがわかる。
また実施例１及び３で得られたＦＲＴＰ板の引張り強度（ＭＰａ）、ヤング率（ＧＰａ）及び破損強度（％）を表１に示す。なお、実施例１のＦＲＴＰ板も積層してＶ_fを３８％にしたものを用いた。

Claims (6)

1. 熱可塑性樹脂を、天然繊維の織布とともに引抜き成形することにより得られる天然繊維強化熱可塑性樹脂板。
2. 天然繊維の織布が、植物性繊維の織布である請求項１記載の天然繊維強化熱可塑性樹脂板。
3. 天然繊維の織布が、ケナフ繊維の織布である請求項１記載の天然繊維強化熱可塑性樹脂板
4. 引抜き成形機に供給する樹脂液の粘度が１００〜４００ｇ／１０ｍｉｎである請求項１〜３のいずれか１項記載の天然繊維強化熱可塑性樹脂板。
5. 熱可塑性樹脂を、天然繊維の織布とともに引抜き成形することを特徴とする天然繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項記載の天然繊維強化熱可塑性樹脂板を積層することにより得られる天然繊維強化熱可塑性樹脂成形体。