JP2013245346A - 竹ファイバー複合樹脂組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のガラス繊維強化樹脂よりも軽量であり、強度に優れた竹ファイバー複合樹脂組成物の提供を目的とする。
【解決手段】樹脂中に竹由来の竹ファイバーが樹脂組成物に対して３〜７０質量％混合されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は樹脂に竹由来のファイバーを混合した複合樹脂組成物に関する。

従来からガラス繊維や炭素繊維で強化した繊維強化樹脂成形品は公知である。
しかし、ガラス繊維を樹脂に混ぜると製品が重くなる問題や、廃棄処理する際に種々の問題がある。
また、炭素繊維は射出成型機等で成形する上で、成形性が悪い等の種々の問題がある。
そこで本発明者らは、竹由来の繊維（ファイバー）を用いた複合樹脂の検討を進めた結果、本発明に至った。

特許文献１は、竹繊維に接着剤を付着させ加温加圧することで板材、角材等を得る技術を開示する。
しかし、このような竹繊維集成材では用途が限定されていた。
特許文献２は、竹等の薄片よりなるシート状物を樹脂で一体化して補強する成形体を開示するが、これも用途が限定されていた。

特開２００４−３５１７７３号公報 特開平１０−１３８３５３号公報

本発明は、従来のガラス繊維強化樹脂よりも軽量であり、強度に優れた竹ファイバー複合樹脂組成物の提供を目的とする。

本発明に係る竹ファイバー複合樹脂組成物は、樹脂中に竹由来の竹ファイバーが樹脂組成物に対して３〜７０質量％混合されていることを特徴とする。
ここで、竹ファイバーは竹のセルロース繊維を解繊して得られたファイバーをいい、竹をチップ状にし、その後に蒸解したパルプを用いることができる。
さらに、強度を向上させるにはパルプを高圧水流処理等にて細分化した平均太さ５ｎｍ〜５０ｎｍ、平均長さ０．１μｍ〜５．０μｍの竹ファイバーを用いるのが好ましい。
より好ましくは平均太さ５ｎｍ〜３０ｎｍ、平均長さ０．５μｍ〜２．０μｍのものでアスペクト比が１００以上のものがよい。
また、パルプは調整及び抄紙工程で一般的に用いられている叩解機で処理したものが望ましく、その濾水性は、ＪＩＳ Ｐ ８１２１で１００〜５００ｍｌの範囲がよい。
使用できる竹の種類には限定がなく、代表例としては真竹、孟宗竹、淡竹等が挙げられる。

ここで、高圧水流で解繊するとは、竹を蒸解等によりパルプ化した竹パルプを０．５〜１０％程度含有する混合液を、５０〜３００ＭＰａ程度の高圧状態から一気に大気解放させることで、キャビテーションや乱流が生じ、これによりパルプ繊維を細く解繊することをいう。
また、必要に応じて混合液に分散剤等を添加してもよい。
本明細書では、この高圧状態から大気解放させる処理回数をパス回数と表現する。

基材となる樹脂は熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。
竹ファイバーを熱可塑性樹脂に混練する場合は溶融混練がよい。
ここで、熱可塑性樹脂とパルプ又はパルプを細分化した竹ファイバーとを混練する方法は、セルロース混合可塑化成形装置とも称される、回転羽根を有する回転軸を備えた撹拌室からなるバッチ式密閉型混練装置を用いるのが望ましい。
従来の二軸スクリュー混練機で混練したものは、その後の射出成形にて内部品質の確保が難しい。
参考に図６にセルロース混合可塑化成形装置にて混練した組成物のＸ線ＣＴ画像（ａ）と二軸スクリュー混練機で混練した組成物のＸ線ＣＴ画像（ｂ）を示す。
（ａ）の方がファイバー（図で白く見える部分）の分散性に優れていることが分かる。
熱硬化性樹脂に混練する場合は硬化温度以下で、プレポリマー、架橋剤とともに竹ファイバーを混練し、必要に応じて分散剤、触媒等を添加し、加熱成形する。

本発明に係る複合樹脂組成物は天然繊維である竹由来のファイバーを混練したので、樹脂成形品にした場合に軽量で強度に優れた樹脂成形品が得られる。

ＰＰ樹脂（ポリプロピレン）に竹ファイバーを混練した場合の曲げ弾性率の評価結果を示す。 ファイバーの種類による曲げ弾性率の比較結果を示す。 高圧水流により解繊した竹ファイバーの３Ｄ像を示す。 高圧水流により解繊した竹ファイバーの太さ及び長さの分布グラフを示す。 バッチ式密閉型混練装置の構造例を示す。 （ａ）はセルロース混合可塑化成形装置にて混練した組成物のＸ線ＣＴ画像を示し、（ｂ）は二軸スクリュー混練機にて混練した組成物のＸ線ＣＴ画像を示す。

基材にポリプロピレン樹脂（ＰＰ）からなる熱可塑性樹脂を用いて、竹ファイバーを混練し、強度試験を実施したので、以下説明する。

ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）単独のもの、竹由来のパルプが１０質量％になるように混練した複合樹脂組成物、２００ＭＰａの高圧水流による解繊処理を１０パスしたものを含有量が質量１０％になるように混練した複合樹脂組成物及び上記解繊処理を２０パスしたものを含有量が１０質量％になるように混練した樹脂組成物を試作し、評価に供した。
なお、混練する際に界面活性剤を約１％添加した。
添加量は解繊の程度により異なるが、０．１〜５．０質量％程度がよい。
混練装置１０の構造例を図５に示す。
混練装置１０は下ケース１１と上ケース１２とで密閉型の撹拌室１３を形成する。
図５は上ケース１２を上方に開いた状態を示す。
撹拌室１３には横断するように回転制御された回転軸１４を有する。
上ケース１２に設けた原料供給口１７から投入した原料は、原料供給羽根１６の回転により撹拌室１３に送り込まれ、回転羽根１５の回転により竹ファイバーとポリプロピレン樹脂が混練される。
なお、回転軸１４の両端部には水蒸気解放機構１８を設けてある。
上記の複合樹脂組成物をそれぞれ用いて、板状の樹脂成形品を射出成形した。
この射出成形品からＪＩＳ Ｋ７１３９ タイプＢ１の試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｋ７１７１に基づいて曲げ試験を実施した。
その結果を図１のグラフに示す。
図１のグラフで弾性率は曲げ弾性率を示し、ＰＰはポリプロピレン樹脂単独のもの、パルプはＰＰにパルプを混練したもの、１０パス、２０パスはそれぞれ高圧水流による処理回数が１０回、２０回の竹ファイバーを混練したものを示す。
この結果、ＰＰ単独のものは曲げ弾性率が約１１００ＭＰａであるのに対して竹由来のパルプを混練したものは約１２７０ＭＰａと強度が向上し、１０パスの竹ファイバーを混練したものが最も高く、約１３２０ＭＰａであった。
この１０パスの竹ファイバーの３Ｄ像を図３に示し、太さと長さの分布を図４のグラフに示す。
測定は走査型プローブ顕微鏡（島津製作所社製 ＳＰＭ−９７００）を用い、太さの計測は高さ（Ｚ）の計測で行った。
長さ平均は、０．２８μｍ（標準偏差σ＝０．１５８）、太さ平均は、９．７０ｎｍ（標準偏差σ＝４．４３）であった。
これにより、ＰＰ単独に対して竹由来のパルプ又は細分化した竹ファイバーを混練することで強度が向上することが明らかになった。
また、細分化処理を進めすぎると、強度が逆に低下する傾向が認められた。

次に竹由来のファイバーと広葉樹及び針葉樹由来のファイバーとを比較したので説明する。
広葉樹由来のパルプと針葉樹由来のパルプを実施例１の１０回パスと同様の細分化処理し、同じく１０回パスの竹ファイバーと同様の含有量（約１０質量％）になるようにＰＰに混練した樹脂組成物を用いて実施例１と同様の曲げ試験を実施した結果を図２のグラフに示す。
図２においてＬＢとは、広葉樹由来のファイバーを示し、ＮＢとは針葉樹由来のファイバーを示す。
この結果、竹由来のファイバーが最も高い値を示した。
このことから、竹由来のファイバーを樹脂に混練した樹脂組成物を用いて樹脂成形品を成形すると、樹脂単独のものよりも強度が向上し、竹が天然繊維であることから石油由来資源の削減をも図ることができる。
また、竹由来のファイバーを用いると広葉樹や針葉樹等の木質由来のファイバーよりも強化作用が大きい。
本実施例はＰＰの樹脂を用いて評価したが、他の熱可塑性樹脂や熱硬化樹脂を用いても同様の効果が得られる。

１１ 下ケース
１２ 上ケース
１３ 撹拌室
１４ 回転軸
１５ 回転羽根
１６ 原料供給羽根
１７ 原料供給口
１８ 水蒸気解放機構

Claims (5)

1. 樹脂中に竹由来の竹ファイバーが樹脂組成物に対して３〜７０質量％混合されていることを特徴とする竹ファイバー複合樹脂組成物。
2. 前記竹ファイバーは竹由来のパルプであることを特徴とする請求項１記載の竹ファイバー複合樹脂組成物。
3. 前記竹ファイバーは平均太さ５ｎｍ〜５０ｎｍ、平均長さ０．１μｍ〜５．０μｍの竹ファイバーであることを特徴とする請求項１記載の竹ファイバー複合樹脂組成物。
4. 前記竹ファイバーはパルプを叩解処理した後に高圧水流にて解繊したものを用いたことを特徴とする請求項３記載の竹ファイバー複合樹脂組成物。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の竹ファイバー複合樹脂組成物の混練方法であって、
   前記樹脂は熱可塑性樹脂であり、
   樹脂と竹ファイバーとを回転羽根を有する回転軸を備えた撹拌室からなるバッチ式密閉型混練装置で混練することを特徴とする竹ファイバー複合樹脂組成物の混練方法。