JP2015107646A - 天然繊維高分子複合体及び自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材 - Google Patents

天然繊維高分子複合体及び自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材 Download PDF

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Abstract

【課題】 環境にやさしい素材であり、重量の低減による軽量化が可能であると共に、耐湿性と強度に優れ、自動車内装材だけでなく、鉄道、航空機及び建築用内装材といった多様な産業分野に応用され得る基材を提供する。
【解決手段】 自動車用内装材用環境にやさしい軽量基材に関し、高温多湿な環境に弱い天然繊維を含むサンドイッチ構造の自動車内装材用基材の性能補完のために水分硬化型イソシアネート又はエポキシを添加し、天然繊維の水分の侵入による物性の低下を補完して天然繊維補強層の耐湿性と強度を改善し、熱可塑性発泡シート芯材層に熱ラミネーションを用いて連続的に基材が製造されることを特徴とする。本発明により製造された基材は、
【選択図】 図１

Description

本発明は、天然繊維高分子複合体及び自動車用の環境にやさしい軽量基材に関する。
自動車内装用基材は、乗客と直接ぶつかる自動車部品であって、数多くの部品が組み立てられて形態を維持し、乗客を外部環境から保護する機能を行っているため、多様な温度及び湿度の外部環境で寸法安定性と物性が維持されなければならない。また、近年は環境汚染と地球温暖化といった問題によって環境にやさしい素材の使用と燃費向上のための軽量化も更に要求されている。
一般に、自動車内装材用基材は、主に形態安定性を付与する補強層が吸音性を付与する芯材層の一面又は両面に積層されたサンドイッチ構造からなっているが、従来はガラス繊維フェルトに熱硬化性フェノール樹脂を含浸した補強層とポリウレタン発泡シートを芯材層として主に用いてきた。
しかしながら、補強層に用いられるガラス繊維フェルトは、製造時に発生する粉塵が作業者の人体に有害であり、自然環境で殆ど分解されないため、廃棄物が環境汚染を招くという問題を抱えており、バインダとして用いられるフェノール樹脂も自然環境で殆ど分解されず、リサイクルも難しいため、環境にやさしくない。それだけでなく、これらの素材の密度が高いため、自動車部品に適用時に重量が増加し、燃費が減少し得るという短所も有している。また、芯材層に用いられるポリウレタン発泡シートは熱に溶けないため、補強層の積層時に接着剤を塗布したり、ホットメルトフィルムを適用する追加の工程が必要なため、工程が複雑であり、かつコストが増加するという問題を有している。
近年は、前述した問題を解決するために、天然繊維を補強層として用い、熱可塑性発泡シートを芯材層として用いて常温での使用時に基材の軽量化と環境へのやさしさという点において優れているが、水分に弱い天然繊維の短所により、高温多湿な環境で基材が歪んだり、垂れ下がる現象が発生して形態安定性に対する問題が発生した。
従って、このような問題を解決するために、電子ビームの照射、プラズマの照射、アルカリ処理及びシラン処理のような多様な物理化学的方法により天然繊維の水分に対する抵抗性を高めるための多くの前処理方法に対する研究が行われてきたが、前処理のための工程設置コストが高価であり、追加の加工時間が要求され、産業的な部分への応用が制限されている。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、既存の天然繊維を含むサンドイッチ構造の自動車内装材用基材が有する高温多湿な環境での垂れ下がり現象及び物性の低下を解決するためのものであって、イソシアネートを用いて天然繊維補強層の耐湿性と強度を改善し、これにより基材の垂れ下がり及び物性の低下を改善し、軽量性に優れた自動車内装材用基材の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、天然繊維と合成繊維とで構成されたフェルトにイソシアネートを塗布して耐湿性が改善された薄膜補強層を製造し、熱可塑性発泡シートに連続的に熱ラミネートし、環境にやさしい材料を用いると共に、耐湿性と軽量性に優れた自動車内装材用基材の製造方法を提供することにある。
前記課題を達成するために、本発明は、天然繊維と合成繊維でフェルトを製造する第１段階と、前記フェルトに液状イソシアネートを塗布した後、熱間圧着ローラによって半硬化反応を行ってシートを製造する第２段階と、前記シートに熱可塑性高分子パウダを塗布した後、熱間オーブンを通過して熱可塑性高分子パウダ層の形成及び硬化反応を完了し、圧着ローラによって薄膜補強層を製造する第３段階と、前記製作された薄膜補強層が熱可塑性発泡シートからなる芯材層の一面或いは両面に熱ラミネーション工程を通じて連続的に積層されて基材が製作される４段階とを含むことを特徴とする耐湿性が強化された自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材を製造する方法を提供する。
また、本発明は、天然繊維と合成繊維をカーディングによって混合し、ウェブフォーミングとニードルパンチ工程を通じてフェルトを製作する第１段階と、前記フェルトにイソシアネート又はエポキシを塗布又は含浸して１５０℃〜２５０℃の熱間圧着ローラによって半硬化状態に成形した後、圧着してシートとして製造する第２段階と、前記シートに１０ｇ／m2〜１００ｇ／m2の熱可塑性パウダを塗布し、１５０℃〜２５０℃の熱間オーブンを通過させた後、熱間ロールで圧着して薄膜補強層を準備する第３段階と、前記製作された薄膜補強層が熱可塑性発泡シートに熱ラミネーション工程を通じて連続的に積層されて基材が製作される４段階とを含む、耐湿性が強化された自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法を提供する。
本発明において、前記熱可塑性発泡シートは、ポリプロピレン、ポリエチレン又はポリエステルからなり、発泡倍率は５倍〜４０倍であり、厚さは２ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
本発明において、前記イソシアネートは、メチレンジフェニルジイソシアネート（ＭＤＩ）又はトルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）であることが好ましい。
本発明において、前記天然繊維薄膜補強層に塗布又は含浸されるイソシアネートの重量は、５ｇ／m2〜１００ｇ／m2であることが好ましい。
本発明において、前記薄膜補強層に含まれるエポキシ又はイソシアネートはスプレー工程又はロールに含浸して添加されることが好ましい。
本発明において、前記薄膜補強層の厚さは０.５ｍｍ〜２ｍｍであり、重量は１２０ｇ／m2〜７００ｇ／m2であることが好ましい。
本発明において、前記薄膜補強層に用いられる合成繊維は、長さが３０ｍｍ〜１００ｍｍのポリプロピレン繊維、芯鞘型低融点ポリエステル繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、アクリル繊維又は生分解性繊維の中から選択された１種以上を用いることが好ましい。
また、前記薄膜補強層に用いられる合成繊維の含有量は、３０重量％〜７０重量％が好ましい。
更に、前記薄膜補強層に用いられる天然繊維は、長さが３０ｍｍ〜１００ｍｍであるケナフ、黄麻、亜麻、大麻、竹又はシザルの中から１種以上選択されることが好ましい。
また、前記薄膜補強層に用いられる天然繊維の含有量は、３０重量％〜７０重量％が好ましい。
前記熱可塑性パウダは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン又はポリプロピレンの中から選択された１種又はそれ以上を用いることが好ましい。
また、本発明の耐湿性に優れた環境にやさしい軽量基材の重量は、３００ｇ／m2〜１５００ｇ／m2であることが好ましい。
また、本発明は、前記製造方法のうち１つにより製造され、熱可塑性発泡シートからなる芯材層の一面又は両面に薄膜補強層が熱ラミネートされたものであって、前記薄膜補強層は、天然繊維と合成繊維フェルト層の表面に液状イソシアネートが塗布又は含浸された後、熱間圧着ローラによって半硬化され、ここに熱可塑性パウダを塗布した後、熱間オーブンを通過して熱可塑性パウダ層の形成及びイソシアネートやエポキシの硬化反応が完了したことを特徴とする、耐湿性が強化された自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材を提供する。
更に、本発明は、以下の基準による耐湿屈曲強度が１.０ｋｇｆ／５ｃｍ超過、耐湿弛み量（Ｌ）が２.０以下であることを特徴とする、耐湿性が強化された自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材を更に提供する。
（このとき、耐湿屈曲強度（ｋｇｆ／５ｃｍ）は「５０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ」及び「６６０ｇ／m2」重量の試験片に対して、試験速度５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン幅（ｓｐａｎ ｗｉｄｔｈ）１００ｍｍにし、５０℃、９５ＲＨ％の湿度で２４時間放置した後、２３℃、９５ＲＨ％で１時間安定化させた後、ＡＳＴＭ Ｄ７９０に基づいて測定した値であり、
耐湿弛み量（Ｌ）は「５０ｍｍ×２００ｍｍ×厚さ」及び「６６０ｇ／m2」重量の試験片を、端部を７０ｍｍ固定させ、反対側の部分に４０ｍｍ×６０ｍｍの３４.２ｇの錘を置き、底面から試験片の下まで測定した初期高さ（Ｌ１）と、５０℃、９５ＲＨ％の湿度で７時間放置した後、再び測定した後期高さ（Ｌ２）の差Ｌ＝Ｌ１−Ｌ２と測定される）。
前記したように、本発明に係る自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材は、従来、自動車産業分野に用いられるガラス繊維を天然繊維に代えたことにより、人体に有害でない環境にやさしい素材の長所と、発泡シートと補強層を接着するために使用していた接着剤やホットメルトフィルムを用いず、熱ラミネーション工程を適用することによって、工程が単純であり、価格が安価であり、作業者の人体に無害な作業環境を提供するという長所を有している。また、価格が安価であり、単純な工程でイソシアネート（又はエポキシ）を天然繊維補強層に適用することによって、既存の天然繊維を含むサンドイッチ構造の自動車内装材用基材が有していた高温多湿な環境での垂れ下がり現象、歪み現象及び物性の低下をかなり改善できる効果を有しており、自動車内装材だけでなく、鉄道内装材、航空内装材及び建築内装材といった多様な産業分野にも応用できるという長所がある。
また、本発明の製造方法は、このような軽量基材を製造するにおいて、既存の生産工程に簡単な工程のみを追加し、追加の設備などに対するコスト負担を最小化し、低コストで製造できるという効果を奏する。
イソシアネートの適用前後において、天然繊維高分子複合体の引張強度の差を示すグラフである。 イソシアネートの適用前後において、天然繊維高分子複合体の耐湿時間による表面モーフォロジを示す写真である。 イソシアネートの適用前後において、耐湿時間による天然繊維高分子複合体の引張強度の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の構成図である。
下記の内容は、本発明の適用効果を詳細に説明するために記載したものであって、これは単に例示のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
まず、天然繊維高分子複合体について説明する。
<材料>
１．イソシアネート：４、４’-ｍｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｐｈｅｎｙｌ ｄｉｉｓｏｃｙａｎａｔｅ、ＰＩＵＳＹＳ社製）
２．天然繊維：ｋｅｎａｆ（平均直径７０μm、長さ６０〜８０ｍｍ）
３．熱可塑性高分子：ポリプロピレン（韓国ファイバ社製、直径６Ｄ、長さ５１ｍｍ）、ポリエステル繊維（Ｗｏｏｎｇｊｉｎケミカル社製、直径６Ｄ、長さ５１ｍｍ）
＜実施形態１：天然繊維／高分子複合体の製造＞
本発明に係る天然繊維／高分子複合体の製造は、下記の工程順序に基づき、表１のような混合物の割合で行った。成形条件は、熱間圧着温度２００℃、熱間圧着時間６０秒、冷間圧着温度２３℃、冷間圧着時間６０秒にした。
工程順序
i）天然繊維と熱可塑性高分子繊維のミキシング、オープニング、カーディング、ウェブフォーミング及びニードルパンチ工程を経て天然繊維／高分子フェルトを製造する。ii）前記フェルトにイソシアネートをスプレー塗布或いはローラに付けて１〜３０ｐｈｒを添加した後、熱間圧着ローラによってイソシアネートを半硬化状態に成形する。iii）その上に熱可塑性高分子パウダを塗布した後、再び熱間圧着ローラによってイソシアネートの硬化を完了し、熱可塑性高分子パウダ層を形成して天然繊維／高分子複合体を製造する。
＜実施形態２：引張強度の測定＞
実施形態１で製造された天然繊維／高分子複合体に対してイソシアネートの含有量による引張強度を図１に示した。図１から分かるように、イソシアネートを添加しない方よりも５％添加した場合に約２３％、１０％添加した場合に約３８％引張強度が高く測定された。
＜実施形態３：耐湿性の評価＞
実施形態１で製造された天然繊維高分子複合体に対してイソシアネート層の適用前後による耐湿性の評価を耐湿時間によるモーフォロジと引張強度の変化を通じて行った。図２は、イソシアネートの添加前後に耐湿時間による天然繊維高分子複合体の表面モーフォロジを示している。図２から分かるように、イソシアネートを塗布した後の方が塗布前よりも耐湿時間によって表面が損傷する現象が顕著に少なく発生することが確認できる。
図３は、イソシアネート層を適用前後に耐湿時間による天然繊維高分子複合体の引張強度の変化を示している。イソシアネート層を適用しなかった場合に５０℃、相対湿度９５％で１５日経過した場合に最大引張強度が約２５％減少したが、イソシアネートを添加した場合には引張強度が約８％減少した。
前記結果を総合してみたとき、天然繊維高分子複合体の引張強度と耐湿性の向上のために、イソシアネートの添加が効果的であることが分かる。
以下では、前記のように製造される天然繊維高分子複合体を薄膜補強層として用いた自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法について説明する。
自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材は、芯材層発泡シートと薄膜補強層を含む。従来の天然繊維を適用した自動車内装材用基材は、天然繊維の水分に弱い特性により高温多湿な環境で垂れ下がり及び歪みのような現象が発生して形態安定性に対する問題が指摘された。
従って、本発明では発泡シートに薄膜補強層としてイソシアネートが適用された天然繊維シートを熱ラミネーション工程を通じて連続的に積層して耐湿性及び屈曲強度を向上させることができた。
本発明に係る自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造は、以下の工程順序に基づいて行った。
i）天然繊維と合成繊維を４：６の重量比でミキシング工程、カーディング工程、ウェブフォーミング工程、ニードルパンチ工程を通じて天然繊維フェルトを製造する。
ii）前記フェルトにスプレー工程を通じてイソシアネートを塗布／含浸した後、熱間圧着ローラによってイソシアネートを半硬化状態に成形する。
iii）その上に高密度ポリエチレンパウダを塗布し、熱間オーブンを通過して高密度ポリエチレンパウダ層の形成及びイソシアネートの硬化反応を完了し、圧着ローラで圧着して薄膜補強層１０を製造する。
iv）芯材層２０であるポリプロピレン発泡シートに薄膜補強層１０を熱ラミネーションを通じて両面に連続的に積層して自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材３０を製造する。
表２は、本発明により製造された試験片の常温、耐湿屈曲強度及び耐湿弛み量を従来の試験片と比較して示している。表２を用いて比較してみると、同一の重量でイソシアネートが１２ｇ／m2、２４ｇ／m2それぞれ添加されたとき、屈曲強度の状態が６０％、８５％、耐湿屈曲強度が約９０％、１１０％ずつ増加し、耐湿弛み量も５０％、８０％減少して耐湿性と機械的特性が顕著に改善された。
従来の高重量基材と比較した場合には、重量が約２０％低いにも拘らず、イソシアネートが１２ｇ／m2添加された場合に耐湿性に優れ、２４ｇ／m2添加された際には、屈曲強度と耐湿性が顕著に改善されて本発明に係る環境にやさしい基材の軽量化が実現可能であることが分かる。
屈曲強度の測定はＡＳＴＭ Ｄ７９０に基づいて行い、試験片の大きさは５０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ、試験速度５ｍｍ／ｍｉｎ、ｓｐａｎ ｗｉｄｔｈは１００ｍｍで行い、耐湿屈曲強度の条件は５０℃、９５ＲＨ％の湿度で２４時間放置した後、２３℃、９５ＲＨ％で１時間安定化させた後、前記のような条件で試験を行った。
耐湿弛み量は５０ｍｍ×２００ｍｍ×厚さの試験片を、端部を７０ｍｍ固定させた後、反対側の部分に４０ｍｍ×６０ｍｍの３４.２ｇの錘を置いて底面から試験片の下まで初期高さ（Ｌ１）を測定した後に５０℃、９５ＲＨ％の湿度で７時間放置した後、再び高さを測定（Ｌ２）して湿度付与前後の高さの変化量を耐湿弛み量（Ｌ）とした。
耐湿弛み量（Ｌ）＝初期高さ（Ｌ１）−後期高さ（Ｌ２）
１０ 薄膜補強層
２０ 芯材層
３０ 自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材

Claims (15)

  1. 天然繊維と熱可塑性高分子繊維の混合物からなるフェルトを製造する段階と、
    前記フェルトの表面に液状イソシアネートを噴霧又は塗布する段階と、
    前記液状イソシアネートが噴霧されたフェルトを熱間圧着して硬化することによってシート状にする硬化段階と
    を含むことを特徴とする天然繊維高分子複合体の製造方法。
  2. 前記天然繊維は、セルロース系繊維であることを特徴とする請求項１に記載の天然繊維高分子複合体の製造方法。
  3. 前記イソシアネートは、ＭＤＩ又はＴＤＩであることを特徴とする請求項１に記載の天然繊維高分子複合体の製造方法。
  4. 前記硬化段階では、
    前記熱間圧着によって前記イソシアネートが半硬化状態となるようにシート化した後、前記フェルトの表面に熱可塑性高分子パウダを塗布した後、冷間圧着によってイソシアネートの硬化を完了することを特徴とする請求項１に記載の天然繊維高分子複合体の製造方法。
  5. 天然繊維と合成繊維でフェルトを製造する第１段階と、
    前記フェルトにイソシアネートを塗布した後、熱間圧着ローラを用いて前記イソシアネートを半硬化状態に成形してシートを製造する第２段階と、
    前記シートに熱可塑性パウダを塗布した後、加熱することによって前記シートの表面に熱可塑性パウダ層を形成し、前記イソシアネート硬化反応を完了し、これを圧着することによって薄膜補強層を製造する第３段階と、
    前記製造された薄膜補強層を熱可塑性発泡シートからなる芯材層の一面或いは両面に熱ラミネーション工程を通じて連続的に積層する第４段階と
    を含むことを特徴とする自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  6. 前記熱可塑性発泡シートは、ポリプロピレン、ポリエチレン又はポリエステルであり、発泡倍率は５倍〜４０倍であり、厚さは２ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  7. 前記イソシアネートは、メチレンジフェニルジイソシアネート（ＭＤＩ）又はトルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）であることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  8. 前記薄膜補強層に含まれているイソシアネートの重量は、５ｇ／m2〜１００ｇ／m2であることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  9. 前記薄膜補強層の厚さは０.５ｍｍ〜２ｍｍであり、重量は１２０ｇ／m2〜７００ｇ／m2であることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  10. 前記薄膜補強層に用いられる合成繊維は、長さが３０〜１００ｍｍであるポリプロピレン繊維、芯鞘型低融点ポリエステル繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、アクリル繊維又は生分解性繊維の中から選択された１種又はそれ以上を用いることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  11. 前記薄膜補強層に用いられる合成繊維の含有量は、３０重量％〜７０重量％であることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  12. 前記薄膜補強層に用いられる天然繊維は、長さが３０ｍｍ〜１００ｍｍであるケナフ、黄麻、亜麻、大麻、竹又はシザルの中から１種以上選択されることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  13. 前記熱可塑性パウダは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン又はポリプロピレンの中から選択された１種又はそれ以上を用いることを特徴とする請求項５に記載の自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材の製造方法。
  14. 請求項５〜１３の何れか一項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材。
  15. 以下の基準による耐湿屈曲強度が１.０ｋｇｆ／５ｃｍ超過、耐湿弛み量（Ｌ）が２.０mm以下であることを特徴とする自動車内装材用の環境にやさしい軽量基材。
    （このとき、耐湿屈曲強度（ｋｇｆ／５ｃｍ）は「５０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ」及び「６６０ｇ／m2」重量の試験片に対して、試験速度５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン幅（ｓｐａｎ ｗｉｄｔｈ）１００ｍｍにし、５０℃、９５ＲＨ％の湿度で２４時間放置した後、２３℃、９５ＲＨ％で１時間安定化させた後、ＡＳＴＭ Ｄ７９０により測定した値であり、
    耐湿弛み量（Ｌ）は「５０ｍｍ×２００ｍｍ×厚さ」及び「６６０ｇ／m2」重量の試験片を、端部を７０ｍｍ固定させ、反対側の部分に４０ｍｍ×６０ｍｍの３４.２ｇの錘を置き、底面から試験片の下まで測定した初期高さ（Ｌ１）と、５０℃、９５ＲＨ％の湿度で７時間放置した後、再び測定した後期高さ（Ｌ２）の差Ｌ＝Ｌ１−Ｌ２と測定される）。
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