JP2014172955A - 高分子複合材料用帯電防止剤および帯電防止性部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高分子複合材料用帯電防止剤は、体積抵抗率(単位:Ω・cm)と表面抵抗率(単位:Ω/□)の比(体積抵抗率/表面抵抗率)が102以上であり、表面抵抗率が1010〜1013(単位:Ω/□)である。帯電防止性部材は、高分子複合材料用帯電防止剤を含む高分子複合材料を成形して得る。
【選択図】なし
Description
植物由来のバイオマスは、セルロース繊維を組織構造の主成分として有しており、そのセルロース繊維の強度は極めて高く、従来からの繊維やロープなどの分野だけでなく、一般工業材料としての利用可能性を十分に秘めている(非特許文献1参照)。
このセルロース繊維を高分子材料の繊維強化材料として利用し、高分子材料の強度向上のみならず、バイオマスの利用率の向上にも役立てようとする取り組みが、自動車産業や家電・IT機器産業などで進んでいる。これらの産業に用いられる成形体や部材の多くには、静電気によるトラブルを回避するために、帯電防止性能が要求されている。
また、2)の方法は、空気中の水分を吸着することで電荷の拡散漏洩を早めることを原理としているが、高分子材料表面に塗布した場合には、表面を拭き取る、または、洗浄すると効果がなくなってしまう場合がある。また、高分子材料に混入する場合には、高分子材料との相溶性が悪いと均一に混ざらず、逆に相溶性が良いと表面に浸出しにくく、水分吸着力が発揮されない場合がある。
例えば、合成繊維に比べて、含水量が高いために帯電防止効果を発現できるという天然繊維の特性を利用し、天然繊維と木質粒を混合した木質粒繊維樹脂複合板の製造方法が開示されている(特許文献4参照)。しかし、含水量の高い天然繊維を用いることが必須であるとともに、プロセスオイルの浸透、樹脂とのブレンド、さらに脱油という手間のかかる工程を必要とする。
また、例えば、木粉等の木質系充填剤の表面に、予め真空蒸着法又はスパッタリング法等により、金属又は導電性の無機化合物の薄膜を形成し、導電性を付与する技術が開示されている(特許文献5)。しかし、真空蒸着やスパッタリングという方法は特殊な装置を用いた煩雑な処理を必要とし汎用性に問題がある。
また、例えば、木材や竹等のバイオマス原料を加熱処理し、油性溶液を除去し、乾燥した後、さらに、グラファイト組織形成処理温度で高温焼成する技術が開示されている(特許文献6参照)。バイオマス原料をグラファイト化することで導電性が得られるとされている。この技術は、導電性を有する第三成分の添加や被覆を必要としない点で優れているといえるが、高温焼成する工程が煩雑であり、また、製造時のバイオマス原料のロスも大きいと思われる。
本実施の形態例に係る高分子複合材料用帯電防止剤は、例えば竹由来のバイオマス粉末(以下、これを竹粉末という。)を含有したマスターバッチ様の高分子複合材料用帯電防止剤である。
竹は、広義には、イネ目イネ科タケ亜科のうち、木本のように茎が木質化する種の総称である。日本に生育する竹は600種あるといわれており、そのうちの代表的なものとして、マダケ、モウソウチク(孟宗竹)、ハチク等が挙げられる。本実施の形態において用いる竹の種類を限定するものではない。また、本実施の形態において、竹とは幹、枝、葉、および根からなる総体的なものを意味するが、とりわけ、セルロース繊維成分が豊富な維管束鞘を大量に含む幹部が好適である。
竹は、その主要な構成成分として、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンからなる。ヘミセルロースはセルロースとリグニン、あるいはセルロース同士を結合させる接着剤の役割を担っている。
乾燥した竹粉末を得るための好適な方法として、過熱水蒸気を用いた方法がある。170℃の逆転温度以上で300℃以下の温度範囲の過熱水蒸気は、乾燥空気よりも急速に竹に熱を供給し水分を取り去る。同時に、最も低温で分解するヘミセルロース成分を分解するため、この温度範囲で過熱水蒸気処理された竹は容易に破砕・粉砕され、本発明で用いる長軸径が100〜1000μmの範囲に竹粉末を得ることができる。
ここで長軸径とは、竹粉末粒子の最大径、すなわち、粒の外側輪郭線上の任意の2点を、その間の長さが最大になるように選んだ時の長さをいい、繊維状粒子の場合、長軸方向の長さ、すなわち繊維長をいう。長軸径が所定の範囲内にある粉末の質量比率は、倍率を調整可能な顕微鏡観察で得られた1cm×1cm画像中の繊維について直接測定し、繊維長と質量が実質的に比例関係にあることに基づいて、繊維長の累積頻度%を測定して、これを質量%と置き換える方法により得る。
なお、長軸径が所定の範囲内にある粉末の質量比率の概略値は、篩い分け法により簡便に得ることもできる。
ここでアスペクト比は、長軸径/短軸径の比として表わされる。長軸径/短軸径の比は、繊維長/繊維径の比といってもよい。アスペクト比が大きいということは、より細長い繊維状の形態であることを意味している。平均アスペクト比が所定の範囲内にある粉末の質量比率は、上記した長軸径が所定の範囲内にある粉末の質量比率の測定方法に準じて測定する。
竹粉末の製造方法は、竹を170〜250℃の加熱水蒸気を用いて加熱処理した後、目的の長軸径分布になるまで粉砕することによって実施される。
本実施の形態例に係るマスターバッチ様の高分子複合材料用帯電防止剤は、例えば、竹粉末と、高分子材料および必要に応じて硬化剤を混合した組成物を分解あるいは硬化反応が進行しない条件で溶融成形して、あるいは溶融成形した後、加熱や水蒸気、光照射などの刺激により硬化させることで得ることができる。
竹粉末の質量割合が10%未満では帯電防止性能が効果的に発現しないおそれがある。一方、80%を超える割合では、後述する帯電防止性部材の機械的強度の低下をまねくおそれがある。
例えば、熱可塑性樹脂を熱溶融させて、竹粉末にせん断応力をかけながら練り込む溶融混練法、熱可塑性樹脂を溶剤に溶解し、竹粉末を加えて分散させた後に、溶剤を気化除去する溶液混合法、熱したロール上で熱可塑性樹脂を柔らかくし、その上に竹粉末を添加し、熱ロールによって圧着しながら練り込むカレンダー成型法などがある。これらの複合化の方法の中でも、効率性と汎用性の点で溶融混練法が最も好適である。
以上説明した本実施の形態例に係るマスターバッチ様の高分子複合材料用帯電防止剤の製造方法は、後述する本実施の形態例に係る帯電防止性部材の製造方法にも適用することができる。
表面抵抗および体積抵抗率は、JIS-K-6911-5.13に準拠して測定する。
一方、体積抵抗率は、表面抵抗率と同様に竹粉末を高分子材料に配合する量を増やすにつれて低減するが、表面抵抗率に比べてその低減率が小さい。
また、高分子複合材料用帯電防止剤は、表面抵抗率が1010〜1013(単位:Ω/□)であると、好適に上記の作用効果を得ることができ、5×1012(単位:Ω/□)以下であるとさらに好適に上記の作用効果を得ることができる。
なお、高分子複合材料用帯電防止剤に添加されるバイオマス粉末は、竹粉末に限定するものではない。
本実施の形態例に係る帯電防止性部材は、上記の高分子複合材料用帯電防止剤を含む高分子複合材料を成形してなる。
このとき、竹粉末と高分子材料の質量比(竹粉末:高分子材料)を、10:90〜80:20とすることが好適であり、10:90〜60:40とすることがより好適であり、20:80〜55:45とすることがさらに好適である。
竹粉末の質量割合が10%未満では帯電防止性能が効果的に発現しないおそれがある。一方、80%を超える割合では、帯電防止性部材の機械的強度の低下をまねくおそれがある。
孟宗竹(直径約12cm、長さ約40cm、重量約1kg)を以下の仕様の直本工業社製過熱水蒸気処理装置に入れ、220℃で120分間、過熱水蒸気処理を行った。なお比較のために、過熱水蒸気処理をしていない孟宗竹(上記寸法)についても、同じ装置を用いて破砕・微粉砕試験を試みたが、孟宗竹の強度が大きいため、粉砕不可であった。
処理した孟宗竹を取り出し、下記の粗粉砕装置を用いて7000rpmで破砕した後、微粉砕装置を用いて7000rpmで粉砕を行った。さらに、下記の篩装置を用いて、140メッシュ(目開き106μm)と235メッシュ(目開き63μm)の篩を用いて分級処理することによって235〜140メッシュ間成分の竹粉末を作製した。
過熱水蒸気処理装置の仕様:
蒸気発生部: ヒーター容量 6.3kW
換算蒸発量 9.45kg/h
最高使用圧力 0.11MPa
処理槽: ヒーター容量 8kW
庫内寸法 W590xD385xH555 mm
粉砕装置の仕様:
粗破砕 : 奈良機械製作所製 HM−5型
微粉砕 : 奈良機械製作所製 自由粉砕機M-2型
水分測定装置の仕様: 島津製作所製水分計MOC-120H
篩装置の仕様: アズワン株式会社製ミニふるい振とう機 MVS−I
長軸径の測定および平均アスペクト比の測定を、下記の光学顕微鏡を用いて行った。光学顕微鏡の倍率は、竹粉末の長軸径のサイズに合わせて変化させた。
光学顕微鏡: キーエンス社製VH-5000型
図1の顕微鏡写真から、235(目開き63μm)〜140メッシュ(目開き106μm)間成分は、そのほとんどがウィスカー状の短繊維であることがわかった。図2に示した長軸径分布観測結果から、235〜140メッシュ間成分は、長軸径が100μm以下の成分は1.6質量%であり、長軸径が100〜1000μmの範囲の成分は98.4質量%であった。
光学顕微鏡観察により測定した235〜140メッシュ間成分の平均アスペクト比は12.3であった。
竹粉末の製造例で得られた竹粉末(235〜140メッシュ間成分、アスペクト比12.3)とポリプロピレン(表1中、PPと表記 日本ポリプロピレン株式会社製ノバテックPP FY-6、メルトフローレート2.5g/10分)を、竹粉末:ポリプロピレン=10:90、30:70、50:50(質量比)で混合し、これを井本製作所製ベント付2軸混練押出機160B型(同方向回転2軸スクリュー、スクリュー直径:15mm、L/D:25、ベント口数:1)を用いて溶融混練し、ストランド状の竹粉末コンポジットを作製した。ポリプロピレンとの複合化の溶融混練条件は、ホッパー下温度80℃、バレル内温度190℃、ダイス温度190℃、スクリュー回転数15rpmで行った。
表面抵抗率および体積抵抗率測定は、三菱化学社製ハイレスターUP(型番MCP-HT450)を用いて、JIS-K-6911に準拠して、プローブとしてUR−100(主電極φ50mm、ガード内径φ53.2mm)、印加電圧1000v、印加時間60秒、試験温度23℃の条件で行った。測定は、サンプル毎に3回以上行い、その平均値を求めた。
Claims (3)
- 体積抵抗率(単位:Ω・cm)と表面抵抗率(単位:Ω/□)の比(体積抵抗率/表面抵抗率)が102以上であることを特徴とする高分子複合材料用帯電防止剤。
- 表面抵抗率が1010〜1013(単位:Ω/□)であることを特徴とする請求項1記載の高分子複合材料用帯電防止剤。
- 請求項1または2のいずれか1項に記載の高分子複合材料用帯電防止剤を含む高分子複合材料を成形してなる帯電防止性部材。
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