JP2019001008A - Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin - Google Patents

Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin Download PDF

Info

Publication number
JP2019001008A
JP2019001008A JP2017115471A JP2017115471A JP2019001008A JP 2019001008 A JP2019001008 A JP 2019001008A JP 2017115471 A JP2017115471 A JP 2017115471A JP 2017115471 A JP2017115471 A JP 2017115471A JP 2019001008 A JP2019001008 A JP 2019001008A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
porous body
composite material
resin
liquid
cellulose fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2017115471A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
中村 健太
Kenta Nakamura
健太 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Corp
Original Assignee
Bosch Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Corp filed Critical Bosch Corp
Priority to JP2017115471A priority Critical patent/JP2019001008A/en
Publication of JP2019001008A publication Critical patent/JP2019001008A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

To provide a method of producing a composite material molded article of cellulose fiber resin, the method being capable of increasing productivity of the composite material molded article of cellulose fiber resin by additive manufacturing technology using a 3D printer.SOLUTION: A method of producing a composite material molded article of cellulose fiber resin of this invention comprises: a first step of molding a porous body using a 3D printer from a molding material including at least thermoplastic resin; a second step of impregnating an impregnation liquid made of an aqueous dispersion liquid including at least cellulose fibers; a third step of dehydrating the porous body impregnated with the impregnation liquid; and a fourth step of impregnating liquid resin into the dehydrated porous body and curing the body.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、3Dプリンターを用いたセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a cellulose fiber resin composite material molded body using a 3D printer.

近年3Dプリンターを用いた製造技術が実用化されている。3Dプリンターとは、プラットフォームに材料を付け足していくことで3Dデータから直接様々な素材を自由な形状に再現できる装置の総称である。3Dプリンターを用いる一連の技術は切削加工と異なりワークに材料を付加しながら製造することを特徴とするため、付加製造技術とも呼ばれる。   In recent years, a manufacturing technique using a 3D printer has been put into practical use. 3D printer is a general term for devices that can reproduce various materials directly from 3D data into free shapes by adding materials to the platform. Unlike a cutting process, a series of techniques using a 3D printer is characterized by manufacturing while adding materials to a workpiece, and is also called an additional manufacturing technique.

3Dプリンターは様々な方式のものが提唱されているが、主要な分類としては、結合剤噴射方式、指向性エネルギー堆積方式、材料押出方式、材料噴射方式、粉末床溶融結合方式、シート積層方式及び液槽光重合方式などが知られている。いずれの方式であっても、ネットシェイプ化、オンデマンド生産、あるいは複雑な形状の成形が可能になるなど、多くの便益が期待されている。   Various types of 3D printers have been proposed, but the main categories are binder injection method, directional energy deposition method, material extrusion method, material injection method, powder bed fusion method, sheet lamination method, A liquid tank photopolymerization method is known. Any of these methods is expected to have many benefits such as net shaping, on-demand production, and molding of complex shapes.

ところで、セルロースナノファイバーは、パルプなどの汎用な植物繊維を原料とするものであり、当該植物繊維を極細繊維にほぐしたものである。セルロースナノファイバーはセルロース由来の低線膨張率、高弾性率、高強度、好着色性及びカーボンニュートラルなどの性質に加え、その細さに由来して高アスペクト比、高比表面積及び透明性など特異な性質を有する。このように、セルロースナノファイバーは複合材料の強化材として有用な性質を数多く有していることが知られている。   By the way, cellulose nanofibers are made from general-purpose plant fibers such as pulp, and the plant fibers are loosened into ultrafine fibers. Cellulose nanofibers have unique properties such as high aspect ratio, high specific surface area and transparency due to their fineness, in addition to properties such as low linear expansion coefficient, high elastic modulus, high strength, good coloration and carbon neutral derived from cellulose. It has special properties. Thus, it is known that cellulose nanofibers have many properties that are useful as reinforcing materials for composite materials.

セルロースの構成単位であるβグルコースは、その分子に3つの水酸基を有する。このため、セルロースの繊維同士は、分散媒(一般的には水)を失うと水素結合による凝集を起こしやすい。この凝集現象を積極的に利用したものが紙である。セルロースナノファイバーが同様に凝集した場合、その表面積の大きさと相まって、特に分散媒(一般的には水)を失うと強く凝集し、加水しても再び容易には分散しない。この性質は、一般的に熱可塑性樹脂に練りこんで強化材として利用する上では不利になる。なぜならば、高強度な複合材料を得るには強化材の比表面積とアスペクト比とが大きいことが重要であり、繊維が凝集して小さな塊状になることは好ましくないためである。   Β-glucose, which is a structural unit of cellulose, has three hydroxyl groups in its molecule. For this reason, cellulose fibers tend to agglomerate due to hydrogen bonds when the dispersion medium (generally water) is lost. Paper is a paper that positively utilizes this agglomeration phenomenon. When cellulose nanofibers agglomerate in the same manner, coupled with the size of the surface area, especially when the dispersion medium (generally water) is lost, the cellulose nanofibers agglomerate strongly, and even when added, they are not easily dispersed again. This property is generally disadvantageous when kneaded into a thermoplastic resin and used as a reinforcing material. This is because, in order to obtain a high-strength composite material, it is important that the specific surface area and aspect ratio of the reinforcing material are large, and it is not preferable that the fibers aggregate to form a small lump.

これに対して特許文献1には、セルロースナノファイバーを高強度な複合材料の強化材として利用するために、セルロースの水酸基を双極子モーメントの小さい官能基で置換する化学変性処理を行い分散性を向上した上で樹脂と溶融混合し、射出成型などに使う熱可塑性材料とする手段が開示されている。また特許文献2には、化学変性処理を伴わない手法として、セルロースナノファイバーの水分散物を予め紙のように大きな比表面積とアスペクト比を有するネットワーク状多孔体として凝集させ(つまり抄紙し)、それをレゾールなどの接着剤に浸漬、積層、硬化する手法が開示されている。   On the other hand, in Patent Document 1, in order to use cellulose nanofibers as a reinforcing material for a high-strength composite material, a chemical modification treatment is performed to disperse the hydroxyl group of cellulose with a functional group having a small dipole moment. There is disclosed a means for making a thermoplastic material which is improved and melt-mixed with a resin to be used for injection molding or the like. In Patent Document 2, as a method not involving chemical modification treatment, an aqueous dispersion of cellulose nanofibers is aggregated in advance as a network-like porous body having a large specific surface area and aspect ratio like paper (that is, paper making), A technique for immersing, laminating, and curing it in an adhesive such as resol is disclosed.

特開2012−214563号公報JP 2012-214563 A 特開2016−113595号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-113595

ここで、セルロースナノファイバー複合材料は、特許文献1にも記載されているように、セルロースの配合量を増やすほど材料の流動性は悪くなり、複雑な形状の物体の成型が難しくなることが記載されている。また、セルロースナノファイバー複合材料は、抄紙したセルロースナノファイバーのシート(つまり紙)の曲面への追従性(ドレープ性)の悪さゆえ、それをレイアップして成型できる形状に制約があると考えられる。このように、セルロースナノファイバー複合材料は材料として大きなポテンシャルを有しながらも、成型できる形状に制約が多いと言える。   Here, as described in Patent Document 1, as the cellulose nanofiber composite material is described, it is described that as the amount of cellulose is increased, the fluidity of the material becomes worse and it becomes difficult to mold a complex-shaped object. Has been. In addition, the cellulose nanofiber composite material is considered to be limited in the shape that can be formed by laying it up due to the poor followability (draping) of the paper-made cellulose nanofiber sheet (that is, paper) to the curved surface. . Thus, it can be said that the cellulose nanofiber composite material has a great potential as a material but has many restrictions on the shape that can be molded.

一方、3Dプリンターを用いた付加製造技術では、合成樹脂からなる成形体の生産性は概して上がっているものの、引張強度が100MPaを超えるような高強度材料に関しては、総じて生産性が高いとは言い難い。例えば材料が高価であったり、成形品に機械的等方性がなかったり、後処理などを手作業に依存したりするといった問題が残されている。その結果、3Dプリンターを用いた付加製造技術は、多くの便益が期待されながらも、実用的で低廉であることが求められる民生品への適用が阻害されている。   On the other hand, in the additive manufacturing technology using a 3D printer, although the productivity of a molded body made of a synthetic resin is generally increased, it is said that the productivity is generally high for a high-strength material having a tensile strength exceeding 100 MPa. hard. For example, there are problems that the material is expensive, the molded product has no mechanical isotropy, and the post-treatment depends on manual work. As a result, the additive manufacturing technology using the 3D printer is expected to provide many benefits, but is impeded from being applied to consumer products that are required to be practical and inexpensive.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、3Dプリンターを用いた付加製造技術によるセルロース繊維樹脂複合材料成形体の生産性を向上可能なセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a cellulose fiber resin capable of improving the productivity of a molded product of a cellulose fiber resin composite material by an additive manufacturing technique using a 3D printer. It is providing the manufacturing method of a composite material molded object.

上記課題を解決するために、本発明によれば、3Dプリンターを用いて少なくとも熱可塑性樹脂を含む造形材料から多孔質体を造形する第1工程と、少なくともセルロース繊維を含む水分散液からなる含浸液を多孔質体に含浸させる第2工程と、含浸液を含浸させた多孔質体を乾燥させる第3工程と、多孔質体の硬化処理を行う第4工程と、を含む、セルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法が提供される。   In order to solve the above problems, according to the present invention, a first step of modeling a porous body from a modeling material containing at least a thermoplastic resin using a 3D printer, and an impregnation comprising an aqueous dispersion containing at least cellulose fibers A cellulose fiber resin composite comprising: a second step of impregnating the porous body with the liquid; a third step of drying the porous body impregnated with the impregnating liquid; and a fourth step of curing the porous body. A method for producing a molded material is provided.

本発明によれば、3Dプリンターを用いた付加製造技術によるセルロース繊維樹脂複合材料成形体の生産性を向上させることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the productivity of the cellulose fiber resin composite material molded object by the addition manufacturing technique using 3D printer can be improved.

本実施形態に係るセルロースナノファイバー樹脂複合材料成形体の製造方法の工程順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the process order of the manufacturing method of the cellulose nanofiber resin composite material molded object which concerns on this embodiment. セルロース繊維樹脂複合材料からなる球体の3Dモデルの斜視図である。It is a perspective view of the 3D model of the sphere which consists of a cellulose fiber resin composite material. 図2の球体を材料押出方式の3Dプリンターで成形する途中の充填パターンを示す図である。It is a figure which shows the filling pattern in the middle of shape | molding the spherical body of FIG. 2 with the 3D printer of a material extrusion system. 本実施形態に係るセルロースナノファイバー樹脂複合材料成形体の製造方法に用いられる製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the manufacturing apparatus used for the manufacturing method of the cellulose nanofiber resin composite material molding which concerns on this embodiment.

以下に添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお本明細書及び図面において実質的に同一の機能構成を有する構成要素については同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

<<1.付加製造技術の詳述>>
まず、従来提唱あるいは実用化されている高強度材料の付加製造技術の例を説明する。
<< 1. Details of additive manufacturing technology >>
First, an example of an additive manufacturing technique for a high-strength material that has been proposed or put into practical use will be described.

等方的に高強度な成形体を付加製造する技術として、指向性エネルギー堆積方式又は粉末床溶融結合方式による金属粉末の付加製造技術がある。この場合、組成や形状を専用に適合した材料が用いられ、多くの場合高価な材料となる。また、熱源として使用される固体レーザー発振器や電子ビーム発振器は熱効率が悪かったり高出力化に限界があったりするため、成形のサイクルタイムが長くなる。さらに、成形体はプラットフォームに対して適当な強度で溶着している必要があり、その切断作業や剥離作業を行う際に都度手作業が発生する。   As a technique for additionally producing an isotropically high-strength molded body, there is an additive production technique for metal powder by a directional energy deposition method or a powder bed fusion bonding method. In this case, a material that is specially adapted for the composition and shape is used, and is often an expensive material. In addition, a solid laser oscillator or an electron beam oscillator used as a heat source has poor thermal efficiency or has a limit in increasing the output, and therefore the molding cycle time becomes long. Further, the molded body needs to be welded to the platform with an appropriate strength, and manual work is required each time the cutting work or the peeling work is performed.

また、別の方式の付加製造技術として、材料噴射方式又は液槽光重合方式による付加製造技術がある。材料噴射方式又は液槽光重合方式による付加製造技術に用いられる材料として、引張強度が100MPaを超えるような強度に優れるシアン酸エステル系のプレポリマーが製品化されている。しかしながら、その材料は一般に高価であり、実用的に汎用で廉価な材料とは言えない。また、造形完了後はサポート材の切断作業や剥離作業のほかに、表面の洗浄や、産業廃棄物となるその廃液の処理など、煩雑な手作業が少なからず発生する。   As another type of additional manufacturing technology, there is an additional manufacturing technology based on a material injection system or a liquid tank photopolymerization system. Cyanate ester prepolymers having excellent strength such that the tensile strength exceeds 100 MPa have been commercialized as materials used in the additive manufacturing technology by the material injection method or the liquid tank photopolymerization method. However, the material is generally expensive and cannot be said to be a practically versatile and inexpensive material. In addition to the support material cutting and peeling operations, there are a lot of complicated manual operations such as surface cleaning and treatment of the waste liquid that becomes industrial waste.

また、別の方式の付加製造技術として、結合剤噴射方式による付加製造技術がある。結合剤噴射方式による付加製造技術の場合、ワックス粉末を材料として用いて成形を行い、成形体をろう型としてロストワックス鋳造を行うことにより、二段法的に強度のある金属を付加製造することができる。しかしながら、ロストワックス鋳造は作業工程の多くが手作業であり、細長い形状や中空構造を再現できなかったり、鋳造品特有の成形品の歪みや鋳巣が発生したりするなど、付加製造技術にはなかった新しい問題が多数発生するおそれがある。   As another type of additional manufacturing technology, there is an additional manufacturing technology based on a binder injection system. In the case of additive manufacturing technology using a binder injection method, molding is performed using wax powder as a material, and lost wax casting is performed using the molded body as a wax mold, thereby additionally manufacturing a strong metal in a two-stage method. Can do. However, in lost wax casting, many of the work processes are manual operations, and it is impossible to reproduce the elongated shape and hollow structure, and there are distortions in the molded product and casting holes that are unique to the cast product. Many new problems that may not have occurred.

また、別の方式の付加製造技術として、粉末床溶融結合方式による付加製造技術がある。粉末床溶融結合方式による付加製造技術では、炭素繊維又はガラス繊維の粉末と樹脂粉末との混合物を材料として利用することで、繊維強化樹脂を付加製造することができる。どのような複合材料も高い強度を発現するには一般に強化材料のアスペクト比及び比表面積が大きいことが望ましい。このため粉末床溶融結合方式による付加製造技術においても極細繊維状の粉末を使うことが強度の観点から望ましいが、材料の粉末が数十ミクロンの粒子径であるため、アスペクト比を高くするには繊維の幅をサブミクロン又はナノサイズまで小さくする必要があり、現実的でない。ビーズ状など、アスペクト比が小さい(例えば、5未満など)である強化材料を用いた場合、高い強度の発現は期待できない。   As another type of additive manufacturing technique, there is an additive manufacturing technique based on a powder bed fusion bonding system. In the additive manufacturing technique based on the powder bed fusion bonding method, a fiber reinforced resin can be additionally manufactured by using a mixture of carbon fiber or glass fiber powder and resin powder as a material. In order for any composite material to exhibit high strength, it is generally desirable that the aspect ratio and specific surface area of the reinforcing material be large. For this reason, it is desirable from the viewpoint of strength in the additive manufacturing technology using the powder bed fusion bonding method from the viewpoint of strength, but since the material powder has a particle size of several tens of microns, it is necessary to increase the aspect ratio. It is necessary to reduce the width of the fiber to submicron or nano size, which is not practical. When a reinforcing material having a small aspect ratio (for example, less than 5) such as a bead shape is used, high strength cannot be expected.

さらに、粉末床溶融結合方式による付加製造技術の場合、材料はローラーやブレードでプラットフォームに押し付けられるように1層ずつ積層されるため、繊維粉末は造形プラットフォームの水平面上にしか配向しない傾向がある。このため、成形品は、積み重なった層を割裂ないしは剥離する応力に弱く、Z方向(層の厚さ方向)の引張強度は母材単体のそれよりむしろ強度が低くなる例も見られる。すなわち、粉末床要求結合方式による付加製造技術による成形品は機械的物性に等方性がない。さらに、繊維粉末には刺激性があり作業環境を悪化させるおそれもある。   Furthermore, in the case of an additive manufacturing technique using a powder bed fusion bonding method, the material is laminated one layer at a time so as to be pressed against the platform by rollers or blades, and therefore the fiber powder tends to be oriented only on the horizontal surface of the modeling platform. For this reason, the molded product is weak against the stress that splits or peels the stacked layers, and there is an example in which the tensile strength in the Z direction (the thickness direction of the layer) is lower than that of the base material alone. That is, a molded product obtained by an additive manufacturing technique based on a powder bed demand coupling method is not isotropic in mechanical properties. Furthermore, the fiber powder is irritating and may deteriorate the working environment.

また、別の方式の付加製造技術として、材料押出方式による付加製造技術がある。材料押出方式による付加製造技術では、ノズルから熱可塑性樹脂と同時に炭素長繊維をロービングしつつ射出することで、炭素長繊維による繊維強化樹脂を付加製造することができる。材料押出方式による付加製造技術に用いられる専用の3Dプリンターも実用化されている。しかし、当該3Dプリンターは、造形プラットフォームの水平面上でしか繊維を配向させることができないため、成形品の積み重なった層を割裂ないしは剥離する応力に対する強度は、母材のポリアミドなどと同等の強度しか期待できない。すなわち、材料押出方式による付加製造技術による成形品は機械的物性に等方性がない。さらに、材料押出方式による付加製造技術では、ノズルの走査のスピードに一定の限界があり大規模な押出装置を使うケース等を除き、成形効率が低いというおそれもある。   As another type of additive manufacturing technique, there is an additive manufacturing technique based on a material extrusion system. In the additive manufacturing technique using the material extrusion method, a fiber reinforced resin made of carbon long fibers can be additionally manufactured by injecting the carbon continuous fibers from the nozzle while roving them simultaneously with the thermoplastic resin. Dedicated 3D printers used in additive manufacturing technology by material extrusion are also in practical use. However, since the 3D printer can orient the fibers only on the horizontal surface of the modeling platform, the strength against the stress that splits or peels the stacked layers of molded products is only expected to be the same as that of the base material such as polyamide. Can not. That is, a molded product obtained by an additive manufacturing technique using a material extrusion method is not isotropic in mechanical properties. Furthermore, in the additive manufacturing technique using the material extrusion method, there is a possibility that the molding efficiency is low except in a case where there is a certain limit in the scanning speed of the nozzle and a large-scale extrusion apparatus is used.

このほか、粉末床溶融結合方式あるいは材料押出方式において、熱可塑性のある金属粉末射出成型(MIM:Metal Injection Molding)で用いられる材料を付加製造材料として成形した後、炉の中で脱脂、焼結することである程度均一な組織の金属製の高強度成形品を得ることができる。しかし、そのような材料の単価が高いことに加え、脱脂工程及び長時間の焼結工程を行うための炉が必要である。また、材料押出方式については成形スピードに一定の限界があり、効率的な装置とは言えない。さらに、脱脂工程及び焼結工程においては形状や材料によって異なる温度管理プログラムの調整が必要である。また、脱脂後の未焼結の状態の中間成形物がもろい事もあり、取扱に失敗すると簡単に壊れ、歩留、ひいては生産効率が低下するおそれがある。例えば、炉の熱効率の観点からも巨大な炉を使い、同じ条件及びパラメーターで焼成できるような似た形状のものをまとめて大量に熱処理するのであれば生産効率が格段に上がると言える。しかし、3Dプリンターは元来少ロット多品種の生産が目的であることが多く、結果的には3DプリンターとMIMの技術の互いのデメリットばかりが残る可能性が高い。   In addition, in the powder bed fusion bonding method or material extrusion method, after molding a material used in thermoplastic metal injection molding (MIM) as an additional production material, degreasing and sintering in a furnace By doing so, a metal high-strength molded product having a somewhat uniform structure can be obtained. However, in addition to the high unit price of such a material, a furnace for performing a degreasing process and a long-time sintering process is required. In addition, the material extrusion method has a certain limit in molding speed, and cannot be said to be an efficient device. Furthermore, in the degreasing process and the sintering process, it is necessary to adjust the temperature management program which varies depending on the shape and material. Further, the unsintered intermediate molded product after degreasing may be fragile, and if it fails in handling, it may be easily broken, resulting in a decrease in yield and consequently production efficiency. For example, from the viewpoint of the thermal efficiency of the furnace, it can be said that if a large furnace is used and heat treatment is carried out in large quantities together with similar shapes that can be fired under the same conditions and parameters, the production efficiency can be significantly increased. However, 3D printers are often originally intended for the production of many types of small lots, and as a result, there is a high possibility that only the disadvantages of 3D printers and MIM technology remain.

以上のように、従来様々な付加造形技術で高強度材料成形品を製造する3Dプリンターの応用的試みがあるが、いずれも成形品の物性、生産効率、原価の観点から芳しい結果が出ているとは言えない。   As described above, there have been various attempts to apply 3D printers to produce high-strength material molded products using various additive molding techniques, all of which have yielded good results from the viewpoint of physical properties, production efficiency, and cost of the molded products. It can not be said.

<<2.セルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法>>
本実施形態に係るセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法を具体的に説明する。
<< 2. Cellulose fiber resin composite material production method >>
The manufacturing method of the cellulose fiber resin composite material molded body according to the present embodiment will be specifically described.

図1は本実施形態に係るセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法の工程を示す説明図である。本実施形態に係る製造方法は、以下の四つの工程を含む。
−3Dプリンターを用いて少なくとも水溶性物質と非水溶性物質とを含む混合材料から多孔質体を造形する工程(以下、「第1工程」という。)
−少なくともセルロース繊維を含む水分散液からなる含浸液を多孔質体に含浸させる工程(以下、「第2工程」という。)
−含浸液を含浸させた多孔質体を乾燥させる工程(以下、「第3工程」という。)
−乾燥させた多孔質体に液状樹脂を含浸させた後に硬化させる工程(以下、「第4行程」という。)
以下、各工程に分けて本実施形態に係る製造方法を詳細に説明する。
Drawing 1 is an explanatory view showing a process of a manufacturing method of a cellulose fiber resin compound material fabrication object concerning this embodiment. The manufacturing method according to the present embodiment includes the following four steps.
A step of forming a porous body from a mixed material containing at least a water-soluble substance and a water-insoluble substance using a -3D printer (hereinafter referred to as “first step”).
-A step of impregnating a porous body with an impregnation liquid comprising an aqueous dispersion containing at least cellulose fibers (hereinafter referred to as "second step").
-A step of drying the porous body impregnated with the impregnation liquid (hereinafter referred to as "third step").
A step of impregnating a dried porous body with a liquid resin and then curing (hereinafter referred to as “fourth step”).
Hereinafter, the manufacturing method according to the present embodiment will be described in detail for each process.

<2−1.第1工程>
第1工程は、3Dプリンターを用いて少なくとも水溶性物質と非水溶性物質とを含む混合材料から多孔質体を造形する工程である。第1工程では各種の3Dプリンターを用いて任意の3Dデータから多孔質体を造形する。第1工程で造形される多孔質体は、互いに空間的につながった複数の空隙を有する多孔質体であり、「連続気泡多孔質体」ともいう。使用する3Dプリンターの方式は、材料押出方式、粉末床溶融結合方式又は紙積層方式のいずれかであることが好ましく、中でも樹脂の粉末床溶融結合方式が生産性に優れるために好適である。
<2-1. First step>
The first step is a step of modeling a porous body from a mixed material containing at least a water-soluble substance and a water-insoluble substance using a 3D printer. In the first step, a porous body is formed from arbitrary 3D data using various 3D printers. The porous body modeled in the first step is a porous body having a plurality of voids spatially connected to each other, and is also referred to as “open-cell porous body”. The 3D printer system used is preferably a material extrusion system, a powder bed melt bonding system, or a paper lamination system, and among them, the resin powder bed melt bonding system is preferable because of its excellent productivity.

高強度な最終成形品を得るには、強化材であるセルロースナノファイバーの含有率が多いこと、及びセルロースナノファイバーが水素結合によってつながったネットワークを形成していることが重要となる。したがって、造形される多孔質体の空隙率は高いことが望ましい。さらに多孔質体の材料となる樹脂は、一定の親水性を有する必要がある。以下に、各方式による3Dプリンターを利用する場合の材料の選定と、多孔質体の造形の要領を説明する。   In order to obtain a high-strength final molded product, it is important that the content of cellulose nanofibers, which are reinforcing materials, is large, and that a network in which cellulose nanofibers are connected by hydrogen bonds is formed. Therefore, it is desirable that the porosity of the porous body to be shaped is high. Furthermore, the resin used as the material of the porous body needs to have a certain hydrophilicity. Below, the selection of the material in the case of using the 3D printer by each system, and the point of modeling of a porous body are demonstrated.

(2−1−1.材料押出方式)
第1工程において材料押出方式の3Dプリンターを利用する場合を説明する。材料押出方式は、概して機材が安価であり、最も手軽に利用することができる。材料押出方式の3Dプリンターは、元来緻密体の造形に用いられることが稀であり、造形物の内部は穴の空いたバターンで描画される。したがって、市販ないしは公開されている機材やソフトウェアを利用して、3Dモデルの内部空間の7割程度が空隙の多孔質体を作成することができる。そのような描画パターンとしては、線形、ハニカム、格子又はボロノイを始めとして様々なものが実用化されているが、造形物が連続気泡多孔質、つまり形成される空隙がつながった空間であるようにするには、線形のパターンをレイヤごとに交差させた格子パターンを用いることが、実装の平易性の観点からは好ましい。また、強度と等方性の観点からは、例えばある座標空間において、式[sin(x)・cos(y)+sin(y)・cos(z)+sin(z)・cos(x)=0]を満たす座標点(x,y,z)の集合で表現されるジャイロイドと呼ばれる極小周期曲面に厚みを持たせた充填パターンを用いる方式が好ましい。
(2-1-1. Material extrusion method)
A case where a material extrusion type 3D printer is used in the first step will be described. The material extrusion method is generally cheaper and can be used most easily. The material extrusion type 3D printer is rarely used originally for forming a dense body, and the inside of the model is drawn with a pattern with a hole. Therefore, a porous body having about 70% of the internal space of the 3D model can be created using commercially available or publicly available equipment and software. Various drawing patterns such as linear, honeycomb, lattice, or Voronoi have been put to practical use. In order to achieve this, it is preferable to use a lattice pattern in which a linear pattern is crossed for each layer from the viewpoint of ease of mounting. From the viewpoint of strength and isotropy, for example, in a certain coordinate space, the formula [sin (x) · cos (y) + sin (y) · cos (z) + sin (z) · cos (x) = [0] is preferably a method using a filling pattern in which a minimal periodic curved surface called a gyroid is expressed by a set of coordinate points (x, y, z) satisfying [0].

材料押出方式を利用する場合に造形材料として使用可能な熱可塑性樹脂について具体的に説明する。形成される多孔質体と水との親和性(つまり、接触角の小ささ)が必要である。これは第2工程で含浸するセルロースナノファイバーを含む含浸液を第3工程で乾燥する際、多孔質体への親和性が低い場合に、分離した玉状の含浸液が多数形成されてネットワークの形成が行われず、セルロースナノファイバーの微小な塊が形成されてしまうためである。その場合、成形品の組織が不均一化したり、強化材としてのセルロースナノファイバーのアスペクト比が小さくなったりして成形品の強度が発現しないことになる。   A thermoplastic resin that can be used as a modeling material when the material extrusion method is used will be specifically described. Affinity (that is, a small contact angle) between the porous body to be formed and water is required. This is because when the impregnating liquid containing cellulose nanofibers impregnated in the second step is dried in the third step, a large number of separated ball-shaped impregnating liquids are formed when the affinity for the porous body is low. This is because the formation is not performed and a fine lump of cellulose nanofibers is formed. In that case, the structure of the molded product becomes non-uniform, or the aspect ratio of the cellulose nanofibers as the reinforcing material becomes small, so that the strength of the molded product does not appear.

熱可塑性樹脂を含む造形材料を用いて形成される多孔質体の親水性を測る目安としては、その材料を平板に加工したときの水との接触角が、例えば65度未満であるものを使用することが好ましい。このような熱可塑性樹脂としては、例えばポリアミド類、ポリ乳酸、ポリメタクリル酸メチル、ノボラック樹脂などが挙げられる。例えばポリアミド系、ポリ乳酸、ポリメタクリル酸メチルの線材が市販されており、これらの材料を利用することができる。ただし、熱可塑性樹脂は、上記の例に限定されない。   As a standard for measuring the hydrophilicity of a porous body formed using a modeling material containing a thermoplastic resin, a material having a contact angle with water of, for example, less than 65 degrees when the material is processed into a flat plate is used. It is preferable to do. Examples of such thermoplastic resins include polyamides, polylactic acid, polymethyl methacrylate, and novolak resin. For example, polyamide-based, polylactic acid, and polymethyl methacrylate wires are commercially available, and these materials can be used. However, the thermoplastic resin is not limited to the above example.

また、第2工程で含浸液を多孔質体に含浸させた後、第3工程で乾燥したときにネットワークが形成されるか否かは、セルロースの原料に由来する不純物や、乾燥の方法など、他の要因にも影響を受ける。その結果、含浸液の乾燥時にネットワークの形成が観測されないこともある。そのような場合、多孔質体を形成する造形材料中に木粉やセルロースといった親水性の成分を練りこんで材料側の表面張力を上げてもよいし、あるいは含浸液側に界面活性剤を添加することで表面張力を下げてもよい。これにより、ネットワークの形成を促進することができる。木粉が充填されたポリ乳酸の線材も市販されており、利用可能である。   In addition, after impregnating the impregnating liquid into the porous body in the second step, whether or not a network is formed when dried in the third step depends on impurities derived from cellulose raw materials, drying methods, etc. It is also influenced by other factors. As a result, network formation may not be observed during drying of the impregnating liquid. In such a case, the surface tension on the material side may be increased by kneading a hydrophilic component such as wood powder or cellulose into the modeling material forming the porous body, or a surfactant is added on the impregnating liquid side. By doing so, the surface tension may be lowered. Thereby, formation of a network can be promoted. Polylactic acid wires filled with wood flour are also commercially available and can be used.

空隙率が8割以上の多孔質体の造形は、造形物の形状にもよるが原理的に困難である場合がある。さらに空隙率を高めるには、ポリビニルアルコールや砂糖といった水溶性の物質と、熱可塑性の合成樹脂と、繊維質とが混合された材料を利用してもよい。このような材料としては、例えばFormFutura社の「Porolay」シリーズを使用することができる。この場合、水で洗浄した際に質量の50%程度が溶出し、空隙となるため、洗浄後は空隙率が最大で9割程度の多孔質体を造形することができる。   The modeling of a porous body having a porosity of 80% or more may be difficult in principle depending on the shape of the modeled object. In order to further increase the porosity, a material in which a water-soluble substance such as polyvinyl alcohol or sugar, a thermoplastic synthetic resin, and a fiber are mixed may be used. As such a material, for example, “Porollay” series of FormFutura can be used. In this case, when washed with water, about 50% of the mass is eluted and becomes voids, and thus a porous body having a maximum porosity of about 90% can be formed after washing.

図2は、ある球体の3Dモデル1の斜視図であり、図3は、3Dモデル1を造形する途中の内部のパターンを表した断面斜視図である。図3に示したように、材料押出方式によれば、ノズルから少なくとも熱可塑性樹脂を含む造形材料をパターンに沿って射出することで、造形物は特に工夫をしなくとも多孔質体となる。ただし、多孔質体は孔が細かいほど造形物の組織の均一性と寸法精度が改善するため、より小さい口径のノズルを利用してより細かい多孔質を形成することが好ましい。   FIG. 2 is a perspective view of a 3D model 1 of a certain sphere, and FIG. 3 is a cross-sectional perspective view showing an internal pattern in the middle of modeling the 3D model 1. As shown in FIG. 3, according to the material extrusion method, a modeling material becomes a porous body without any particular effort by injecting a modeling material including at least a thermoplastic resin from a nozzle along a pattern. However, the finer the pores, the more uniform the structure and the dimensional accuracy of the modeled object. Therefore, it is preferable to form a finer porous using a nozzle having a smaller diameter.

この場合、使用する材料として適切な材料を選択することにより、小口径のノズルを用いることによる生産性の低下を抑制することと、造形物全体においてより微細な多孔質を形成することとを両立させることができる。例えば、熱可塑性樹脂に、あらかじめ砂糖やポリビニルアルコールなどの水溶性物質と、繊維質と、合成樹脂とが練りこまれた造形材料を使用することができる。このような材料を用いて材料押出方式による造形を完了した後に、水洗及び溶脱することで微細な連続気泡多孔質を有する多孔質体を効率的に造形することができる。   In this case, by selecting an appropriate material as the material to be used, it is possible to suppress a decrease in productivity due to the use of a small-diameter nozzle and to form a finer porous material as a whole. Can be made. For example, a modeling material in which a water-soluble substance such as sugar or polyvinyl alcohol, a fiber, and a synthetic resin are kneaded in advance in a thermoplastic resin can be used. A porous body having a fine open-cell porous structure can be efficiently modeled by washing with water and leaching after the modeling by the material extrusion method using such a material is completed.

なお造形材料に水溶性物質を混合する場合、水溶性物質としては、ポリビニルアルコール以外に、例えばスクロール、ポリエチレングリコール等のうちの一つ又は複数の混合物を用いることができる。また造形材料に繊維質を混合する場合、繊維質としては木粉やセルロース以外に、例えば各種セルロース誘導体、ガラス繊維等のうちの一つ又は複数の混合物を用いることができる。また造形材料に合成樹脂を混合する場合、合成樹脂としては、例えばポリアミド類、ポリ乳酸等のうちの一つ又は複数の混合物を用いることができる。   In addition, when mixing a water-soluble substance with modeling material, as a water-soluble substance, one or several mixtures, such as a scroll and polyethyleneglycol, can be used other than polyvinyl alcohol, for example. Moreover, when mixing a fiber with a modeling material, as a fiber, one or several mixtures of various cellulose derivatives, glass fiber, etc. other than wood powder and a cellulose can be used, for example. Moreover, when mixing a synthetic resin with modeling material, as a synthetic resin, one or several mixtures, for example among polyamides, polylactic acid, etc. can be used.

(2−1−2.粉末床溶融結合方式)
第1工程において樹脂の粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを利用する例を説明する。熱可塑性樹脂を取り扱う粉末床溶融結合方式の3Dプリンターとしてすでに生産性の高い装置が実用化されている。そのような3Dプリンターは、プラスチック製品の造形における試作に留まらず最終製品への適用が広がっている。多数の孔を有する3Dモデルを作成し、少なくとも熱可塑性樹脂を含む造形材料を出力することにより、粉末床溶融結合方式で多孔質体を造形することができる。
(2-1-2. Powder bed fusion bonding method)
An example in which a 3D printer using a resin powder bed fusion bonding method is used in the first step will be described. An apparatus with high productivity has already been put into practical use as a powder bed fusion bonding type 3D printer that handles thermoplastic resins. Such 3D printers are not limited to prototyping in the modeling of plastic products, but are widely applied to final products. By creating a 3D model having a large number of holes and outputting a modeling material containing at least a thermoplastic resin, a porous body can be modeled by a powder bed fusion bonding method.

ただし、粉末床溶融結合方式の場合、無数の孔を有する多孔質の3Dモデルでは、データサイズが大きくなりやすく、3Dモデルの作成が容易ではない場合がある。また、そもそも3Dプリンターの分解能が不足する場合には、十分に微細な多孔質を形成できないことも考えられる。また、細かい孔の数が多いほど、造形完了後の余分な粉末の除去が困難になる場合がある。このため、本実施形態において、粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを利用する場合、多孔質でない3Dデータを用いて、水溶性物質の粉末と非水溶性物質の粉末とを予め混合した造形材料から3Dモデルを造形する。例えば造形材料は、食塩と熱可塑性樹脂の粉末と繊維質の粉末とを混合した造形材料であってもよい。そのような造形材料を用いて付加製造を行った後、造形物を洗浄することで連続気泡多孔質体を得ることができる。このような造形材料を利用することにより、3Dデータ上で緻密である部分を、多孔質化して再現することができる。   However, in the case of the powder bed fusion bonding method, in the porous 3D model having innumerable pores, the data size tends to be large, and the creation of the 3D model may not be easy. In the first place, when the resolution of the 3D printer is insufficient, it is possible that a sufficiently fine porous material cannot be formed. In addition, the larger the number of fine holes, the more difficult it is to remove excess powder after completion of modeling. For this reason, in this embodiment, when using a powder bed fusion bonding type 3D printer, from a modeling material in which a water-soluble substance powder and a water-insoluble substance powder are mixed in advance using non-porous 3D data. Build a 3D model. For example, the modeling material may be a modeling material in which salt, a thermoplastic resin powder, and a fibrous powder are mixed. After performing addition manufacture using such a modeling material, an open-cell porous body can be obtained by wash | cleaning a modeling thing. By using such a modeling material, a portion that is dense on the 3D data can be made porous and reproduced.

具体的に、粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを利用する場合、造形材料としては、既に一般的に用いられている材料を用いることが生産コスト的にも有利である。例えば、ナイロン12が利用可能である。また、一般的な材料ではないものの、ノボラック樹脂の粉末を利用することにより、最終成形品の強度を向上させることができる。ノボラック樹脂は、フェノール樹脂を合成する際の中間生成物であり、熱可塑性である。ノボラック樹脂そのものは重合度が低く利用価値は低いものの、ヘキサミンなどの架橋剤とともに反応させることで、強固な3次元ネットワークを有するフェノール樹脂として重合される。ナイロン12、ノボラック樹脂はともに、その分子構造中のアミド結合や水酸基などの官能基に由来し合成樹脂のなかでは極性があり、水との接触角度は60度程度である。このようなナイロン12又はノボラック樹脂に、食塩、砂糖、ポリビニルアルコールなどの水溶性物質を混ぜて利用することが好ましい。   Specifically, when using a powder bed fusion bonding type 3D printer, it is advantageous in terms of production cost to use a material that has already been generally used as a modeling material. For example, nylon 12 can be used. Moreover, although it is not a general material, the intensity | strength of a final molded product can be improved by utilizing the powder of a novolak resin. The novolac resin is an intermediate product when synthesizing the phenol resin and is thermoplastic. Although the novolak resin itself has a low degree of polymerization and a low utility value, it is polymerized as a phenol resin having a strong three-dimensional network by reacting with a crosslinking agent such as hexamine. Nylon 12 and novolak resin are both derived from functional groups such as amide bonds and hydroxyl groups in the molecular structure and are polar among synthetic resins, and the contact angle with water is about 60 degrees. It is preferable to use such nylon 12 or novolac resin by mixing a water-soluble substance such as salt, sugar, polyvinyl alcohol and the like.

このとき、水溶性物質と非水溶性の合成樹脂の混合材料との体積の比率は、強化材としてのセルロースナノファイバーの充填率を高める観点からは8:2〜9.5:0.5の範囲内が好適である。なお、ここでいう「体積」とは、粉末の体積ではなく、粉末材料の質量を比重で割った、空隙を除いた材料の理論上の正味体積をいう。ただし、合成樹脂の流動性が悪く造形が困難になったり、造形物が重く自重で変形したりするなど、体積比率が成形性に影響を及ぼす場合があるため、適切な体積比率となるように調節することが好ましい。溶融時の流動性、表面張力又は比重にもよるものの、合成樹脂の割合を増やし、合成樹脂の体積比率が50%を超えると、付加製造時に水溶性物質が空間的に合成樹脂に囲まれる部分が生じ始め、最終成形品における欠陥となる場合がある。この場合、最終成形品の強度が低下すると同時に、最終成形品に占める強化材の割合が低下する。したがって、水溶性物質と非水溶性の合成樹脂の混合材料との体積比率は9:1から5:5程度の範囲内で、成形性が良好であり、かつなるべく水溶性物質の多い体積比率に設定することが好ましい。   At this time, the volume ratio between the water-soluble substance and the mixed material of the water-insoluble synthetic resin is 8: 2 to 9.5: 0.5 from the viewpoint of increasing the filling rate of the cellulose nanofiber as the reinforcing material. Within the range is preferred. The term “volume” as used herein refers to the theoretical net volume of the material excluding voids, not the powder volume, but the mass of the powder material divided by the specific gravity. However, since the volume ratio may affect the moldability, such as the plasticity of the synthetic resin is poor and modeling becomes difficult, or the model is heavy and deforms under its own weight, so that the volume ratio is appropriate. It is preferable to adjust. Although it depends on the fluidity at the time of melting, surface tension, or specific gravity, when the proportion of synthetic resin is increased and the volume ratio of synthetic resin exceeds 50%, the water-soluble substance is spatially surrounded by synthetic resin during addition production. May begin to occur, resulting in defects in the final molded product. In this case, the strength of the final molded product decreases, and at the same time, the proportion of the reinforcing material in the final molded product decreases. Therefore, the volume ratio of the water-soluble substance to the water-insoluble synthetic resin mixed material is within the range of 9: 1 to 5: 5, the moldability is good, and the volume ratio of the water-soluble substance is as high as possible. It is preferable to set.

(2−1−4.シート積層方式)
第1工程においてシート積層方式の3Dプリンターを利用する場合を説明する。シート積層方式による付加製造において、材料として紙を用いる機種を利用すれば、特に工夫をしなくとも、主成分が紙である多孔質な造形物を得ることができる。例えば、紙の層を切り抜き、接着剤のインクジェットで積層する方式の3Dプリンターを利用することができる。例えば、Mcor社の「Mcor Arke」を利用することができる。シート積層方式で造形される多孔質体は、例えば内部の50%程度が空隙である。また、造形物の主成分は紙、すなわちセルロースであるため、親水性である。
(2-1-4. Sheet lamination method)
A case where a sheet stacking type 3D printer is used in the first step will be described. If a model using paper as a material is used in the additive manufacturing by the sheet lamination method, a porous shaped article whose main component is paper can be obtained without any special effort. For example, it is possible to use a 3D printer that cuts out a paper layer and laminates it with an adhesive ink jet. For example, “Mcor Arke” from Mcor can be used. For example, about 50% of the inside of the porous body formed by the sheet lamination method is a void. Moreover, since the main component of a molded article is paper, ie, a cellulose, it is hydrophilic.

<2−2.第2工程>
第2工程は、少なくともセルロースナノファイバーを含む水分散液からなる含浸液を多孔質体に含浸させる工程である。この場合、含浸液には、強化材となるセルロースナノファイバーが分散されていることと併せて、必要に応じて接着剤が添加されていてもよい。
<2-2. Second step>
The second step is a step of impregnating the porous body with an impregnation liquid composed of an aqueous dispersion containing at least cellulose nanofibers. In this case, an adhesive may be added to the impregnating solution as needed in addition to the dispersion of cellulose nanofibers serving as a reinforcing material.

第2工程において、含浸液は生産性の観点からは流動性を有する必要がある。また含浸液中のセルロースナノファイバーは高濃度であることが好ましい。セルロースナノファイバーはそのアスペクト比や製造方法により、同じ濃度であっても粘度が異なるため、含浸液の濃度の範囲は適切に調節されることを要する。例えばどのような製造方法であっても、セルロースナノファイバーが3質量%以上のセルロースナノファイバー水分散液は流動性を失う場合が多く、5質量%になると紙粘土のような質感になる。一般的に含浸液は孔への侵入性を高めるために低粘度であることが望ましいが、セルロースナノファイバー水分散液は擬塑性流体であるため多孔質体へ含浸する際にはセルロースナノファイバー水分散液に作用するせん断力により流動性が高まり、孔の内部へ侵入しやすくなる。このため、含浸液の流動性が認められる範囲内で、出来る限り高濃度となるように含浸液の濃度を調節することが好ましい。   In the second step, the impregnating liquid needs to have fluidity from the viewpoint of productivity. Moreover, it is preferable that the cellulose nanofiber in an impregnation liquid is a high concentration. Cellulose nanofibers have different viscosities even at the same concentration depending on the aspect ratio and the manufacturing method, and therefore the concentration range of the impregnating liquid needs to be appropriately adjusted. For example, in any production method, an aqueous dispersion of cellulose nanofibers containing 3% by mass or more of cellulose nanofibers often loses fluidity, and when it becomes 5% by mass, it becomes a texture like paper clay. In general, it is desirable that the impregnating liquid has a low viscosity in order to enhance the penetration into the pores. However, since the cellulose nanofiber aqueous dispersion is a pseudoplastic fluid, the cellulose nanofiber water is impregnated when impregnating the porous material. The fluidity is increased by the shearing force acting on the dispersion, and it becomes easy to enter the pores. For this reason, it is preferable to adjust the concentration of the impregnating liquid so as to be as high as possible within the range in which the fluidity of the impregnating liquid is recognized.

第2工程の含浸液に接着剤を添加する場合、接着剤は、繊維と母材の接着を投錨効果により改善する機能を有する。接着剤の成分は、第4工程で含浸し硬化する液状樹脂と共重合できるものであることが好ましい。このような接着剤としては、例えばリグニン、レゾール、尿素樹脂、メチロールメラミンなどのプレポリマーを主成分とする水溶性接着剤が、汎用で廉価なものとして挙げられる。特に、加熱乾燥時に水以外の揮発分(典型的にはホルムアルデヒド)が少ないものが作業環境の観点から好適であることから、接着剤がリグニンやレゾールであることがより好ましい。   When an adhesive is added to the impregnating liquid in the second step, the adhesive has a function of improving the adhesion between the fiber and the base material by the anchoring effect. The adhesive component is preferably one that can be copolymerized with the liquid resin that is impregnated and cured in the fourth step. As such an adhesive, for example, a water-soluble adhesive mainly composed of a prepolymer such as lignin, resol, urea resin, and methylolmelamine can be mentioned as a general-purpose and inexpensive adhesive. In particular, it is more preferable that the adhesive is lignin or resol because a material having a small amount of volatile components other than water (typically formaldehyde) is suitable from the viewpoint of the working environment during heat drying.

接着剤の添加量は、含浸液中のセルロースナノファイバーの質量を100%としたときに、1〜20%の範囲内であることが好ましい。この場合に接着剤の添加量が20%を超えたとしても、強度の向上効果が発現しにくく、単にコストが増加することになる。なお、第4工程において含浸し硬化する液状樹脂に、メタクリル酸メチルのような分子が小さく粘度の低いモノマーの液体を利用する場合には、第2工程で用いる含浸液は接着剤を含まないことが好ましい。   The addition amount of the adhesive is preferably in the range of 1 to 20% when the mass of the cellulose nanofibers in the impregnating liquid is 100%. In this case, even if the added amount of the adhesive exceeds 20%, the effect of improving the strength is hardly exhibited, and the cost simply increases. In addition, when the liquid resin that is impregnated and cured in the fourth step uses a monomer liquid having a small molecule such as methyl methacrylate and a low viscosity, the impregnating solution used in the second step does not include an adhesive. Is preferred.

(2−3.第3工程)
第3工程は、含浸液を含浸させた多孔質体を乾燥させる工程である。第3工程において、含浸液を乾燥する際に水分を積極的に加熱し、急速に乾燥させると、流体透過性のある3次元ネットワーク状のキセロゲルが形成されるため、第2工程と第3工程を繰り返すことによって強化材としてのセルロースナノファイバーの高充填が可能になる。この理由は、急速に水分を沸騰させた場合のみ、セルロースに水蒸気が噴出する穴が空き、閉塞が阻害されるためである。逆に、水分が含浸液の表面からのみ失われる蒸発に近い乾燥形態では、多孔質体の表面にセルロースの膜が形成され、孔が閉塞されてしまい成形に不都合となる。
(2-3. Third step)
The third step is a step of drying the porous body impregnated with the impregnating liquid. In the third step, when the impregnating solution is dried, when moisture is positively heated and rapidly dried, a fluid-permeable three-dimensional network-shaped xerogel is formed. Therefore, the second step and the third step By repeating the above, high filling of cellulose nanofibers as a reinforcing material becomes possible. The reason for this is that only when water is rapidly boiled, a hole through which water vapor is ejected is formed in the cellulose and obstruction is obstructed. On the contrary, in a dry form close to evaporation where moisture is lost only from the surface of the impregnating liquid, a cellulose film is formed on the surface of the porous body, which closes the pores, which is inconvenient for molding.

第3工程において、含浸液が含浸された多孔質体を高温に曝気して水分を沸騰させると、付加製造した多孔質体の材料が軟化して変形するおそれがある。このため、減圧雰囲気中で加熱を行うことで、水分の沸点が下げられ、多孔質体の変形を抑制することができる。例えば、0.01MPaの減圧雰囲気中で、含浸液が含浸された多孔質体を摂氏40〜70度の範囲内の温度で加熱することにより、ノボラック樹脂のような融点が摂氏100度未満の樹脂であっても、形が崩れることなく、かつ十分に流体透過性のあるキセロゲルを得ることができる。   In the third step, if the porous body impregnated with the impregnating liquid is aerated to a high temperature to boil the moisture, the additionally produced porous body material may be softened and deformed. For this reason, the boiling point of water | moisture content is lowered | hung by heating in a pressure-reduced atmosphere, and a deformation | transformation of a porous body can be suppressed. For example, by heating a porous body impregnated with an impregnating liquid in a reduced pressure atmosphere of 0.01 MPa at a temperature within a range of 40 to 70 degrees Celsius, a resin having a melting point of less than 100 degrees Celsius such as a novolac resin Even so, it is possible to obtain a xerogel that does not lose its shape and is sufficiently fluid permeable.

加熱による乾燥方法としては、減圧容器全体の加熱による熱伝導や輻射熱での加熱、減圧容器への少量の温風の導入、又は減圧容器内への赤外線やマイクロ波の照射などが挙げられる。ただし、加熱の手段は限定されず、複数の手段を組み合わせてもよい。多孔質体を内部まで加熱し沸騰させるにはマイクロ波の照射が好ましい。マイクロ波を照射する方法は、加熱効率に優れ、高出力化が平易であるため、生産性に優れる。   Examples of the drying method by heating include heat conduction or radiant heat by heating the whole decompression vessel, introduction of a small amount of warm air into the decompression vessel, or irradiation of infrared rays or microwaves into the decompression vessel. However, the heating means is not limited, and a plurality of means may be combined. In order to heat the porous body to the inside and boil it, microwave irradiation is preferred. The method of irradiating microwaves is excellent in heating efficiency and easy to increase the output, and therefore excellent in productivity.

(2−4.第4工程)
第4工程は、多孔質体の硬化処理を行う工程である。本実施形態の例では第2工程及び第3工程を繰り返し行い乾燥させた多孔質体を部分的又は完全に液状樹脂で含浸した後に硬化させる。第4工程では、3次元ネットワーク状のセルロースナノファイバーのキセロゲルが堆積した多孔質体の空洞が、部分的又は完全に液状樹脂で含浸され硬化される。第4工程において使用可能な液状樹脂は、液状樹脂の粘度や硬化の速さ、硬化物の比強度等の物性のほか、第1工程や第2工程で利用した熱可塑性樹脂等との親和性や共重合可能性に基づいて選定する。例えば、多孔質体の造形にポリメタクリル酸メチルやポリアミドを用いた場合、含浸処理に一般的に用いられるアクリル系含浸剤は良好な接着性を有するために好適に使用することができる。
(2-4. Fourth step)
The fourth step is a step of curing the porous body. In the example of this embodiment, the porous body dried by repeating the second step and the third step is partially or completely impregnated with a liquid resin and then cured. In the fourth step, the cavity of the porous body on which the three-dimensional network-like cellulose nanofiber xerogel is deposited is partially or completely impregnated with a liquid resin and cured. The liquid resin that can be used in the fourth step is compatible with the thermoplastic resin used in the first step and the second step in addition to the physical properties such as the viscosity of the liquid resin, the speed of curing, and the specific strength of the cured product. And selection based on copolymerization potential. For example, when polymethyl methacrylate or polyamide is used for forming a porous body, an acrylic impregnating agent generally used for the impregnation treatment can be suitably used because it has good adhesiveness.

あるいは、多孔質体がノボラック樹脂で、第2工程でリグニンを接着剤として添加した場合には、同じくフェノール樹脂の中間生成物であり、自己反応性を有する液状のレゾール樹脂で含浸を行うことにより、ノボラック樹脂とリグニンとを共重合させることができる。同様に、メラミンやベンゾオキサジン系の樹脂の中にも、フェノール類と共重合可能な樹脂が存在し、これらの樹脂を利用することができる。特にベンゾオキサジン系樹脂は、硬化する際に放出される副生成物(水、アミン、ホルムアルデヒドなど)がない。またベンゾオキサジン系樹脂は、複合材料中にボイドが発生しないために緻密で強固な成形品を得ることができる。   Alternatively, when the porous body is a novolak resin and lignin is added as an adhesive in the second step, it is also an intermediate product of a phenol resin, and is impregnated with a liquid resol resin having self-reactivity. A novolac resin and lignin can be copolymerized. Similarly, among melamine and benzoxazine-based resins, there are resins copolymerizable with phenols, and these resins can be used. In particular, benzoxazine-based resins are free of by-products (water, amine, formaldehyde, etc.) released during curing. In addition, since benzoxazine-based resin does not generate voids in the composite material, a dense and strong molded product can be obtained.

なお、第2工程の含浸液に接着剤を添加した場合、第4工程においては液状樹脂を含浸せずに接着剤の硬化のみを行うようにしてもよい。これにより、空隙を含む軽量な成形品とすることもできる。   When an adhesive is added to the impregnating liquid in the second step, the adhesive may be cured only in the fourth step without impregnating the liquid resin. Thereby, it can also be set as the lightweight molded product containing a space | gap.

<3.製造装置の構成例>
第2工程〜第3工程で使用する含浸装置及び乾燥機に関し、実用的な製造効率で本実施形態に係るセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法を実施する上では、減圧、加圧及びマイクロ波照射の全てを連続的かつ自動的に行える装置を利用することが好ましい。これにより、第2工程〜第3工程を同一容器(筐体)内で実施することができる。以下、第2工程〜第3工程を連続的かつ自動的に実施可能な製造装置の構成例を説明する。
<3. Configuration example of manufacturing equipment>
In regard to the impregnation apparatus and the dryer used in the second to third steps, when carrying out the method for producing a cellulose fiber resin composite material molded body according to the present embodiment with practical production efficiency, pressure reduction, pressurization, and micro It is preferable to use an apparatus that can continuously and automatically perform all of the wave irradiation. Thereby, the 2nd process-the 3rd process can be carried out in the same container (casing). Hereinafter, a configuration example of a manufacturing apparatus capable of continuously and automatically performing the second to third steps will be described.

図4は、製造装置10の構成例を示す模式図である。図示した製造装置10は、加圧/減圧両用容器61とマイクロ波加熱装置11とを備え、加圧・減圧・含浸複合装置として構成されている。加圧/減圧両用容器61はマイクロ波加熱装置11内に備えられている。加圧/減圧両用容器61には吸気管31を介して電気式の開閉弁21が接続されている。開閉弁21を駆動することにより吸気管31が開閉する。湿度センサー51は加圧/減圧両用容器61に供給される吸気の湿度を検出する。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the manufacturing apparatus 10. The illustrated manufacturing apparatus 10 includes a pressurization / decompression container 61 and a microwave heating apparatus 11 and is configured as a combined pressurization / depressurization / impregnation apparatus. The pressurizing / depressurizing container 61 is provided in the microwave heating apparatus 11. An electrical on-off valve 21 is connected to the pressurization / decompression container 61 through an intake pipe 31. The intake pipe 31 is opened and closed by driving the on-off valve 21. The humidity sensor 51 detects the humidity of the intake air supplied to the pressurized / depressurized container 61.

また、加圧/減圧両用容器61には排気管33を介して真空/加圧両用ポンプ29が接続されている。真空/加圧両用ポンプ29を真空ポンプとして駆動することにより排気管33を介して加圧/減圧両用容器61内の空気が吸引されて排気口43から排出され、加圧/減圧両用容器61内が減圧される。排気管33には液位センサー55が設けられており、液位センサー55は液位センサー55の設置位置における含浸液の液位を検出する。湿度センサー53は、加圧/減圧両用容器61から排出される空気の湿度を検出する。また真空/加圧両用ポンプ29を加圧ポンプとして駆動することにより、排気口43から空気が吸引されて排気管33を介して加圧/減圧両用容器61内に空気が供給され、加圧/減圧両用容器61が加圧される。   A vacuum / pressurization pump 29 is connected to the pressurization / decompression container 61 through an exhaust pipe 33. By driving the vacuum / pressurization pump 29 as a vacuum pump, the air in the pressurization / decompression container 61 is sucked through the exhaust pipe 33 and is discharged from the exhaust port 43, and the inside of the pressurization / decompression container 61. Is depressurized. A liquid level sensor 55 is provided in the exhaust pipe 33, and the liquid level sensor 55 detects the liquid level of the impregnating liquid at the installation position of the liquid level sensor 55. The humidity sensor 53 detects the humidity of the air discharged from the pressurized / depressurized container 61. In addition, by driving the vacuum / pressurization pump 29 as a pressurization pump, air is sucked from the exhaust port 43 and is supplied into the pressurization / decompression container 61 through the exhaust pipe 33. The decompression container 61 is pressurized.

また、加圧/減圧両用容器61には含浸液配管35を介して含浸液リザーバー13が接続されている。含浸液配管35の両端はそれぞれ加圧/減圧両用容器61及び含浸液リザーバー13の底部に接続されている。含浸液リザーバー13内には含浸液63が貯蔵されている。含浸液配管35の途中には電気式の開閉弁23が設けられている。開閉弁23を駆動することにより含浸液配管35が開閉する。含浸液リザーバー13の上部には排気管37を介して電気式の開閉弁25が接続されている。また含浸液リザーバー13の上部には圧縮空気供給管39を介して圧縮空気タンク15が接続されている。圧縮空気供給管39の途中には電気式の開閉弁27が設けられている。開閉弁27を駆動することにより圧縮空気供給管39が開閉する。   Further, the impregnating liquid reservoir 13 is connected to the pressurizing / depressurizing container 61 through the impregnating liquid pipe 35. Both ends of the impregnating liquid pipe 35 are connected to the pressurized / depressurized container 61 and the bottom of the impregnating liquid reservoir 13, respectively. An impregnating solution 63 is stored in the impregnating solution reservoir 13. An electric on-off valve 23 is provided in the middle of the impregnating liquid pipe 35. The impregnating liquid pipe 35 is opened and closed by driving the on-off valve 23. An electrical on-off valve 25 is connected to the upper part of the impregnating liquid reservoir 13 through an exhaust pipe 37. A compressed air tank 15 is connected to the upper part of the impregnating liquid reservoir 13 via a compressed air supply pipe 39. An electric on-off valve 27 is provided in the middle of the compressed air supply pipe 39. The compressed air supply pipe 39 is opened and closed by driving the on-off valve 27.

なお、図4においては簡便のため制御用の電装部品が省略されているが、図4中の4つの開閉弁21,23,25,27、真空/加圧両用ポンプ29、マイクロ波加熱装置11はいずれも電源、制御装置及び端末に接続され、制御装置がプログラムを実行することにより作動される。   In FIG. 4, electrical components for control are omitted for simplicity, but the four on-off valves 21, 23, 25, 27, the vacuum / pressurization pump 29, and the microwave heating device 11 in FIG. Are connected to a power source, a control device, and a terminal, and are operated by the control device executing a program.

上述した第2工程及び第3工程では、セルロースナノファイバーの水分散液を含浸させる多孔質体を加圧/減圧両用容器61に投入した状態で、減圧工程、注液工程、加圧工程、排液工程、加熱工程が適宜の回数繰り返される。その際、図4に示した製造装置10は以下のように用いられる。   In the second step and the third step described above, the porous body impregnated with the aqueous dispersion of cellulose nanofibers is put into the pressurized / decompressed container 61, and the reduced pressure step, the liquid injection step, the pressurized step, the drainage are performed. The liquid process and the heating process are repeated an appropriate number of times. In that case, the manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 4 is used as follows.

(減圧工程)
加圧/減圧両用容器61内を減圧する減圧工程では、すべての開閉弁21,23,25,27が閉弁された状態で真空/加圧両用ポンプ29は真空ポンプとして駆動される。これにより、加圧/減圧両用容器61内が減圧される。
(Decompression step)
In the depressurization step of depressurizing the inside of the pressurization / decompression container 61, the vacuum / pressurization pump 29 is driven as a vacuum pump with all the open / close valves 21, 23, 25, 27 closed. Thereby, the inside of the pressurized / depressurized container 61 is depressurized.

(注液工程)
加圧/減圧両用容器61内に含浸液を供給する注液工程では、真空/加圧両用ポンプ29が引き続き真空ポンプとして駆動された状態で、開閉弁23,27が開弁される。液位センサー55の出力がLowである間は、その状態を維持する。この際、開閉弁23のみを開弁した状態で真空/加圧ポンプ29の能力のみでも注液は可能であるが、マイクロ波が漏洩しない最大直径10mm程度の含浸液配管35への大気圧のみによる注液、圧送では、生産的な注液速度を得ることができない場合がある。そこで、含浸液の圧送圧力を上げるべく開閉弁27を開弁する。これにより、圧縮空気タンク15から含浸液リザーバー13に圧縮空気が供給され、含浸液リザーバー13から加圧/減圧両用容器61内へ含浸液が圧送される。その後、液位センサー55の出力がHighとなるまで含浸液が供給されたときに開閉弁23を閉弁する。同時に、あるいは、その後に、開閉弁27を閉弁する。このようにして加圧/減圧両用容器61内に含浸液が充填される。
(Liquid injection process)
In the liquid injection process for supplying the impregnating liquid into the pressurized / depressurized container 61, the open / close valves 23 and 27 are opened while the vacuum / pressurized pump 29 is continuously driven as a vacuum pump. This state is maintained while the output of the liquid level sensor 55 is Low. At this time, it is possible to inject liquid only with the capability of the vacuum / pressurization pump 29 with only the opening / closing valve 23 opened, but only the atmospheric pressure to the impregnation liquid pipe 35 having a maximum diameter of about 10 mm where the microwave does not leak. In some cases, productive injection speed may not be obtained with the liquid injection and the pressure feeding. Therefore, the on-off valve 27 is opened to increase the pressure of the impregnating liquid. Thus, compressed air is supplied from the compressed air tank 15 to the impregnating liquid reservoir 13, and the impregnating liquid is pumped from the impregnating liquid reservoir 13 into the pressurized / depressurized container 61. Thereafter, the on-off valve 23 is closed when the impregnating liquid is supplied until the output of the liquid level sensor 55 becomes High. At the same time or thereafter, the on-off valve 27 is closed. In this way, the impregnating liquid is filled into the pressurized / depressurized container 61.

(加圧工程)
加圧/減圧両用容器61内を加圧する加圧工程では、再びすべての開閉弁21,23,25,27が閉弁された状態で真空/加圧両用ポンプ29は加圧ポンプとして駆動される。これにより、多孔質体が投入された加圧/減圧両用容器61内に含浸液が充填された状態で加圧/減圧両用容器61内の圧力が上昇し、多孔質体に含浸液が含浸する。
(Pressure process)
In the pressurizing step of pressurizing the inside of the pressurizing / depressurizing container 61, the vacuum / pressurizing pump 29 is driven as a pressurizing pump with all the open / close valves 21, 23, 25, 27 closed again. . As a result, the pressure in the pressurization / decompression container 61 increases while the pressurization / decompression container 61 filled with the porous body is filled with the impregnation liquid, and the impregnation liquid is impregnated into the porous body. .

(排液工程)
加圧/減圧両用容器61内から含浸液を排出する排液工程では、真空/加圧両用ポンプ29が引き続き加圧ポンプとして駆動された状態で、開閉弁23,25が開弁される。これにより、加圧/減圧両用容器61内の含浸液が含浸液リザーバー13へと圧送される。
(Drainage process)
In the draining process of discharging the impregnating liquid from the pressurized / depressurized container 61, the on-off valves 23 and 25 are opened while the vacuum / pressurized pump 29 is continuously driven as a pressurized pump. As a result, the impregnating liquid in the pressurized / depressurized container 61 is pumped to the impregnating liquid reservoir 13.

(加熱工程)
加圧/減圧両用容器61内を加熱する加熱工程では、マイクロ波加熱装置11が作動して加圧/減圧両用容器61を加熱する。このとき、開閉弁21が開弁されて真空/加圧両用ポンプ29が再び真空ポンプとして駆動される。これにより、吸気管31を介して加圧/減圧両用容器61内に空気が供給され、排気管33を介して排熱される。排熱のためには、吸気管31を介して供給される空気の流量は少量であれば足りる。吸気口41に設けられた湿度センサー51により検出される湿度の値と、排気口43に設けられた湿度センサー53により検出される湿度の値との差が所定範囲となったとき、好ましくは差がなくなったときにマイクロ波加熱装置11の作動を停止し、加熱を終了する。
(Heating process)
In the heating step of heating the inside of the pressurized / depressurized container 61, the microwave heating device 11 is operated to heat the pressurized / depressurized container 61. At this time, the on-off valve 21 is opened, and the vacuum / pressurization pump 29 is again driven as a vacuum pump. As a result, air is supplied into the pressurized / depressurized container 61 through the intake pipe 31 and is exhausted through the exhaust pipe 33. A small amount of air supplied through the intake pipe 31 is sufficient for exhaust heat. When the difference between the humidity value detected by the humidity sensor 51 provided at the intake port 41 and the humidity value detected by the humidity sensor 53 provided at the exhaust port 43 falls within a predetermined range, preferably the difference When there is no more, the operation of the microwave heating device 11 is stopped, and the heating is finished.

なお、ノボラック樹脂を多孔質体の造形に使用した場合、ノボラック樹脂はマイクロ波を吸収する性質がある。このため、容器を減圧しつつ少量の空気を導入して冷却することにより、過熱又は発煙などが生じないようにすることができる。   In addition, when a novolac resin is used for modeling of a porous body, the novolac resin has a property of absorbing microwaves. For this reason, it is possible to prevent overheating or fuming by introducing a small amount of air and cooling the container while decompressing the container.

以上のように、製造装置10を用いて、減圧工程、注液工程、加圧工程、排液工程、加熱工程を連続的かつ自動的に適切な回数繰り返すことができる。これにより、多孔質体を加圧/減圧両用容器61に投入したままで多孔質体に強化材としてのセルロースナノファイバーを充填することができる。このときセルロースナノファイバーが幾何学的に多孔質体内に入り込んだネットワークが形成されるため、あらゆる方向の応力に対する強度を高めることができる。   As described above, using the manufacturing apparatus 10, the decompression process, the liquid injection process, the pressurization process, the drainage process, and the heating process can be repeated continuously and automatically an appropriate number of times. Thereby, it is possible to fill the porous body with cellulose nanofibers as a reinforcing material while the porous body is being put into the pressurized / depressurized container 61. At this time, since a network is formed in which cellulose nanofibers geometrically enter the porous body, the strength against stress in all directions can be increased.

以下、本実施形態に係るセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法の実施例を説明する。実施例1では、粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを用いてポリアミド・ポリメタクリル酸メチル・セルロースナノファイバー複合材料からなる成形体を付加製造する例を説明する。また、実施例2では、粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを用いてフェノール・セルロースナノファイバー複合材料からなる成形体を付加製造する例を説明する。なお、本発明は、以下に例示する3Dプリンターや、材料の組成に限定されるものではない。   Hereinafter, the Example of the manufacturing method of the cellulose fiber resin composite material molded object which concerns on this embodiment is demonstrated. In Example 1, an example will be described in which a molded body made of a polyamide / polymethyl methacrylate / cellulose nanofiber composite material is additionally manufactured using a powder bed melt-bonding 3D printer. In Example 2, an example in which a molded body made of a phenol / cellulose nanofiber composite material is additionally manufactured using a powder bed fusion-bonding 3D printer will be described. In addition, this invention is not limited to the 3D printer illustrated below or a material composition.

(実施例1)
実施例1では、粉末床溶融結合方式の3Dプリンターと、多孔質体の造形材料としてのポリアミド12と、第4工程で含浸する液状樹脂としてのポリメタクリル酸メチルとを用いる。まず、混合粉末の食塩:ポリアミドの体積比率が8:2になるよう、ポリアミド12の粉末材料に、粒子径が40ミクロンの食塩を混合した。ポリアミド12の粉末は、粉末床溶融結合方式のために適合された一般的なグレードのものである。粉末床溶融結合方式の3Dプリンター「Sintratec S1(Sintratec社製)」を用意し、上記の混合材料1kgをプラットフォームにセットし、試験片の付加製造を行った。この際、設備のパラメーターなどはメーカー推奨のもので行った。ポリアミド12は上記3Dプリンターで扱うことができる基本的な材料である。
Example 1
In Example 1, a powder bed fusion bonding type 3D printer, a polyamide 12 as a porous modeling material, and polymethyl methacrylate as a liquid resin impregnated in the fourth step are used. First, salt having a particle diameter of 40 microns was mixed with the powder material of polyamide 12 so that the volume ratio of salt: polyamide of the mixed powder was 8: 2. The polyamide 12 powder is of a general grade adapted for the powder bed melt bonding system. A powder bed fusion bonded 3D printer “Sintratec S1 (manufactured by Sintratec)” was prepared, 1 kg of the above mixed material was set on the platform, and test pieces were additionally manufactured. At this time, equipment parameters were recommended by the manufacturer. Polyamide 12 is a basic material that can be handled by the 3D printer.

3Dプリンターによる造形完了後、余分な粉末を除き、得られた造形物を水中で超音波洗浄して食塩を溶脱し、デシケーターで乾燥した。   After completion of modeling by the 3D printer, excess powder was removed, and the resulting model was ultrasonically washed in water to dissolve salt, and dried with a desiccator.

セルロースナノファイバーウェットパウダー(王子製紙株式会社製)を調達し、水分散液20リットルを調製した。このとき、セルロースナノファイバーの濃度が2質量%になるよう水分を調整した。   Cellulose nanofiber wet powder (manufactured by Oji Paper Co., Ltd.) was procured to prepare 20 liters of an aqueous dispersion. At this time, the water content was adjusted so that the concentration of the cellulose nanofibers was 2% by mass.

図4に示した製造装置(加圧・減圧・含浸複合装置)10の含浸液リザーバー13に含浸液1リットルを収容し、また加圧/減圧両用容器61内に造形した多孔質体を投入した。0.001MPa以下で加圧/減圧両用容器61内を減圧した上で含浸液を加圧/減圧両用容器61内に注液して2分間保持し、多孔質体に含浸液を含浸した。さらに、加圧/減圧両用容器61内の圧力を0.5MPaまで昇圧し、3分間保持した。   The impregnating liquid reservoir 13 of the manufacturing apparatus (compressed / depressurized / impregnated combined apparatus) 10 shown in FIG. 4 contains 1 liter of impregnating liquid, and a shaped porous body is put into the pressurized / depressurized container 61. . The pressure / depressurization container 61 was depressurized at 0.001 MPa or less, and then the impregnation liquid was poured into the pressurization / decompression container 61 and held for 2 minutes to impregnate the porous body with the impregnation liquid. Further, the pressure in the pressurized / depressurized container 61 was increased to 0.5 MPa and held for 3 minutes.

加圧/減圧両用容器61内から含浸液を排出した後、加圧/減圧両用容器61内を0.02MPa以下に減圧しつつ、出力300Wのマイクロ波で加熱を開始した。多孔質体の過熱を防ぐため、容器に少量の空気を導入しつつ排熱を行った。真空/加圧両用ポンプ29の排気口43の空気中の湿度を湿度センサー53で計測し、当該湿度が、吸気口41に設けられた湿度センサー51で計測された湿度と同じ値になった時点で速やかに加熱を停止した。   After the impregnating solution was discharged from the pressurized / depressurized container 61, heating was started with a microwave having an output of 300 W while the pressurized / depressurized container 61 was depressurized to 0.02 MPa or less. In order to prevent overheating of the porous body, heat was exhausted while introducing a small amount of air into the container. The humidity in the air at the exhaust port 43 of the vacuum / pressurization pump 29 is measured by the humidity sensor 53, and the humidity becomes the same value as the humidity measured by the humidity sensor 51 provided at the intake port 41. The heating was stopped immediately.

上述の含浸(第2工程)及び加熱乾燥(第3工程)を30回繰り返し、多孔質体の試験片にセルロースナノファイバーを充填した。   The above impregnation (second step) and heat drying (third step) were repeated 30 times, and the test piece of the porous body was filled with cellulose nanofibers.

その後、別の加圧/減圧容器に造形物を投入し、メタクリル酸メチルモノマーを主成分とする2液性含浸液「3Dシール4410」(株式会社中央発明研究所製)を含浸させた。このモノマー液は、ラジカル重合開始剤を含んでおり、摂氏80〜90度で湯煎することで硬化することができる。   Thereafter, the shaped article was put into another pressure / decompression vessel, and impregnated with a two-component impregnation liquid “3D seal 4410” (manufactured by Chuo Inventors Co., Ltd.) mainly composed of methyl methacrylate monomer. This monomer liquid contains a radical polymerization initiator, and can be cured by boiling in water at 80 to 90 degrees Celsius.

次いで加圧/減圧容器内を0.001MPa以下に減圧した状態で2分間保持し、モノマー液から脱泡した。次いで造形物にモノマー液を完全に含浸させるため、加圧/減圧容器内を0.5MPaで加圧し、10分間保持した。   Next, the inside of the pressurized / depressurized container was held for 2 minutes in a state where the pressure was reduced to 0.001 MPa or less, and defoamed from the monomer solution. Next, in order to completely impregnate the shaped article with the monomer liquid, the inside of the pressurized / depressurized container was pressurized at 0.5 MPa and held for 10 minutes.

次いで造形物を加圧/減圧容器から取り出し、鍋の中で20分間、摂氏90度で湯煎してメタクリル酸メチルを重合・硬化し、造形を完了した。   The model was then removed from the pressurized / depressurized container and bathed in a pan for 20 minutes at 90 degrees Celsius to polymerize and cure the methyl methacrylate to complete the modeling.

(実施例2)
実施例2では、粉末床溶融結合方式の3Dプリンターと、多孔質体の造形材料としてのフェノール樹脂とを用いる。まず、フェノール樹脂の中間生成物であるノボラック樹脂粉末(明和化成株式会社製)200gを準備した。この粉末の粒子径は40ミクロンを中心として分布しており、30ミクロン以上、50ミクロン以下になるよう篩にかけられている。また、硬化剤であるヘキサミンが予め混合されている。このノボラック樹脂粉末に、同粒子径分布の食塩800gを混合した。実施例1と同じ粉末床溶融結合方式の3Dプリンターを用意し、上記の混合材料1kgをプラットフォームにセットし、試験片の付加製造を行った。ノボラック樹脂の融点は摂氏95度であったので、3Dプリンター庫内の温度を摂氏85度に設定し、造形を行った。
(Example 2)
In Example 2, a powder bed fusion bonding type 3D printer and a phenol resin as a modeling material for a porous body are used. First, 200 g of novolak resin powder (manufactured by Meiwa Kasei Co., Ltd.), which is an intermediate product of a phenol resin, was prepared. The particle size of this powder is distributed around 40 microns, and is sieved to be 30 microns or more and 50 microns or less. Further, hexamine as a curing agent is mixed in advance. To this novolak resin powder, 800 g of sodium chloride having the same particle size distribution was mixed. A 3D printer of the same powder bed fusion bonding method as in Example 1 was prepared, 1 kg of the above mixed material was set on the platform, and a test piece was additionally manufactured. Since the melting point of the novolak resin was 95 degrees Celsius, the temperature in the 3D printer cabinet was set to 85 degrees Celsius and modeling was performed.

3Dプリンターによる造形完了後、余分な粉末を除き、得られた造形物を水中で超音波洗浄して食塩を溶脱し、デシケーターで乾燥した。   After completion of modeling by the 3D printer, excess powder was removed, and the resulting model was ultrasonically washed in water to dissolve salt, and dried with a desiccator.

セルロースナノファイバーウェットパウダー(王子製紙株式会社製)を調達し、水分散液20リットルを調製した。このとき、セルロースナノファイバーの濃度が2質量%になるよう水分を調整した。これに接着剤としてのリグニン40gを添加してかき混ぜて含浸液を調整した。   Cellulose nanofiber wet powder (manufactured by Oji Paper Co., Ltd.) was procured to prepare 20 liters of an aqueous dispersion. At this time, the water content was adjusted so that the concentration of the cellulose nanofibers was 2% by mass. To this, 40 g of lignin as an adhesive was added and stirred to prepare an impregnation solution.

実施例1と同様に、図4に示した製造装置(加圧・減圧・含浸複合装置)10の加圧/減圧両用容器61に造形した多孔質体を入れ、減圧、含浸、加圧した後、含浸液を排出し、加熱を開始した。真空/加圧両用ポンプ29の排気口43に設けられた湿度センサー53で計測された湿度と、吸気口41に設けられた湿度センサー53で計測された湿度とが同じ値になった時点で速やかに加熱を停止した。このとき、フェノール樹脂はマイクロ波を吸収し発熱するため、少量の空気を導入し排熱を行った。   In the same manner as in Example 1, after putting the shaped porous body into the pressurized / depressurized container 61 of the manufacturing apparatus (pressurized / depressurized / impregnated combined apparatus) 10 shown in FIG. The impregnating liquid was discharged and heating was started. When the humidity measured by the humidity sensor 53 provided at the exhaust port 43 of the vacuum / pressurization pump 29 and the humidity measured by the humidity sensor 53 provided at the intake port 41 become the same value, it is promptly performed. The heating was stopped. At this time, since the phenol resin absorbs microwaves and generates heat, a small amount of air was introduced to exhaust heat.

上述の含浸(第2工程)及び加熱乾燥(第3工程)を30回繰り返し、多孔質体の試験片にセルロースナノファイバーと接着剤とを充填した。   The above impregnation (second step) and heat drying (third step) were repeated 30 times, and the test pieces of the porous body were filled with cellulose nanofibers and an adhesive.

その後、別の加圧/減圧容器に造形物を投入し、質量濃度70%のレゾール樹脂(明和化成株式会社製)を含浸させた。次いで、加圧/減圧容器内を0.001MPa以下に減圧した状態で2分間保持し、レゾール樹脂から脱泡した。次いで造形物にレゾール樹脂を完全に含浸させるため、加圧/減圧容器内を0.5MPaで加圧し、30秒間保持した。   Thereafter, the shaped article was put into another pressure / decompression vessel and impregnated with a resole resin (Maywa Kasei Co., Ltd.) having a mass concentration of 70%. Next, the inside of the pressurized / depressurized container was held for 2 minutes in a state where the pressure was reduced to 0.001 MPa or less, and defoamed from the resole resin. Next, in order to completely impregnate the shaped article with the resole resin, the inside of the pressurized / depressurized container was pressurized at 0.5 MPa and held for 30 seconds.

次いで造形物を加圧/減圧容器から取り出し、摂氏125度に予熱したオーブンに造形物を投入して5分間焼成し、造形物中のノボラック樹脂を完全に硬化した。さらに、オーブンを摂氏160度まで加熱して10時間焼成し、造形物中のレゾール樹脂を完全に硬化して造形を完了した。   Next, the model was taken out from the pressurized / depressurized container, and the model was put into an oven preheated to 125 degrees Celsius and baked for 5 minutes to completely cure the novolak resin in the model. Furthermore, the oven was heated to 160 degrees Celsius and baked for 10 hours, and the resol resin in the molded article was completely cured to complete the modeling.

実施例1及び実施例2によれば、いずれも任意の3Dデータから、等方的に高強度なナノセルロース繊維樹脂複合材料成形体を、手作業に依存することなく高効率に製造することができた。当該成形体は、合成樹脂のスポンジ状多孔質体と、3次元ネットワーク状のセルロースナノファイバーのキセロゲルとが立体的に絡まりあい、ファンデルワールス力や水素結合で接着された構造を有している。当該成形体内において、強化材としてのセルロースナノファイバーはランダムな向きに配向しているため、マクロ的に機械的等方性を示す。   According to Example 1 and Example 2, it is possible to produce an isotropically strong nanocellulose fiber resin composite material from any 3D data with high efficiency without depending on manual work. did it. The molded body has a structure in which a synthetic resin sponge-like porous body and a three-dimensional network-like cellulose nanofiber xerogel are three-dimensionally entangled and bonded by van der Waals force or hydrogen bond. . In the molded body, since the cellulose nanofibers as the reinforcing material are oriented in random directions, they exhibit mechanical isotropy macroscopically.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.

3Dプリンターを利用することにより、不要な肉を削ぎ落とした複雑な形状の成形品の製造を容易に行うことができる。このため、従来の繊維樹脂複合材料成形品の製造方法と比較して、特に軽量化を図ることができる。したがって、軽量化が重要であり、かつ量産部品の少ない宇宙航空産業においては、金属と同等な比強度を有する繊維強化樹脂素材での付加製造のコストを下げることができれば、本実施形態により得られるセルロース繊維樹脂複合材料成形体の利用可能性が拡がると考えられる。また、本実施形態により得られるセルロース繊維樹脂複合材料成形体によれば、軽さと強さと安さを求める多くの民生品への利用が採算的に可能になる。具体的な例としては、自動車、自転車、車椅子、マルチコプター、義肢などの広汎のモビリティについて、軽く強い部品を安くオンデマンドで提供することで、商品性を高めることができる。   By using a 3D printer, it is possible to easily manufacture a molded product having a complicated shape by cutting off unnecessary meat. For this reason, especially weight reduction can be achieved compared with the manufacturing method of the conventional fiber resin composite material molded article. Therefore, in the aerospace industry where weight reduction is important and there are few mass-produced parts, the present embodiment can be obtained if the cost of additional production with a fiber-reinforced resin material having a specific strength equivalent to that of metal can be reduced. It is thought that the applicability of the cellulose fiber resin composite molded body is expanded. Moreover, according to the cellulose fiber resin composite material molded body obtained by the present embodiment, it can be used for many consumer products that require lightness, strength, and low cost. As a specific example, with respect to a wide range of mobility such as automobiles, bicycles, wheelchairs, multicopters, and artificial limbs, by providing light and strong parts at low cost on demand, it is possible to improve the commercial value.

1・・・3Dモデル、10・・・製造装置(加圧・減圧・含浸複合装置)、11・・・マイクロ波加熱装置、13・・・含浸液リザーバー、15・・・圧縮空気タンク、29・・・真空/加圧両用ポンプ、
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 3D model, 10 ... Manufacturing apparatus (compression, pressure reduction, impregnation compound apparatus), 11 ... Microwave heating apparatus, 13 ... Impregnation liquid reservoir, 15 ... Compressed air tank, 29 ... Vacuum / pressure pumps

Claims (6)

3Dプリンターを用いて少なくとも熱可塑性樹脂を含む造形材料から多孔質体を造形する第1工程と、
少なくともセルロース繊維を含む水分散液からなる含浸液を前記多孔質体に含浸させる第2工程と、
前記含浸液を含浸させた前記多孔質体を乾燥させる第3工程と、
前記多孔質体の硬化処理を行う第4工程と、
を含む、セルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法。
A first step of modeling a porous body from a modeling material containing at least a thermoplastic resin using a 3D printer;
A second step of impregnating the porous body with an impregnation liquid comprising an aqueous dispersion containing at least cellulose fibers;
A third step of drying the porous body impregnated with the impregnation liquid;
A fourth step of curing the porous body;
The manufacturing method of the cellulose fiber resin composite material molded object containing this.
前記造形材料が水溶性物質を含み、
前記第1工程では、造形された造形物中の前記水溶性物質を溶媒で溶脱して前記多孔質体を造形する、請求項1に記載のセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法。
The modeling material includes a water-soluble substance,
The manufacturing method of the cellulose fiber resin composite material molding according to claim 1, wherein in the first step, the porous body is modeled by leaching the water-soluble substance in the modeled model with a solvent.
前記第2工程及び前記第3工程を複数回繰り返し行う、請求項1又は2に記載のセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法。   The method for producing a molded article of cellulose fiber resin composite material according to claim 1 or 2, wherein the second step and the third step are repeated a plurality of times. 前記第4工程では、前記第3工程で乾燥させた前記多孔質体を部分的又は完全に液状樹脂で含浸した後に前記多孔質体を硬化させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法。   The said 4th process WHEREIN: The said porous body is hardened after impregnating the said porous body dried at the said 3rd process partially or completely with liquid resin, Any one of Claims 1-3. Manufacturing method of cellulose fiber resin composite material. 前記第2工程において前記含浸液が接着剤を含む場合、前記第4工程では前記接着剤を硬化させる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法。   The method for producing a cellulose fiber resin composite material molded body according to any one of claims 1 to 3, wherein when the impregnating liquid contains an adhesive in the second step, the adhesive is cured in the fourth step. . 前記第1工程を、粉末床溶融結合方式、材料押出方式又はシート積層方式のいずれかの3Dプリンターを用いて行う、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセルロース繊維樹脂複合材料成形体の製造方法。
The cellulose fiber resin composite material molded body according to any one of claims 1 to 5, wherein the first step is performed using a 3D printer of any one of a powder bed fusion bonding method, a material extrusion method, and a sheet lamination method. Manufacturing method.
JP2017115471A 2017-06-12 2017-06-12 Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin Pending JP2019001008A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017115471A JP2019001008A (en) 2017-06-12 2017-06-12 Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017115471A JP2019001008A (en) 2017-06-12 2017-06-12 Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019001008A true JP2019001008A (en) 2019-01-10

Family

ID=65004622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017115471A Pending JP2019001008A (en) 2017-06-12 2017-06-12 Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2019001008A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113695591A (en) * 2021-08-12 2021-11-26 北京工业大学 316L stainless steel indirect 3D forming method based on fused deposition

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113695591A (en) * 2021-08-12 2021-11-26 北京工业大学 316L stainless steel indirect 3D forming method based on fused deposition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101394979B (en) Production method of fiber-reinforced resin
CN107187020A (en) A kind of fibre reinforced composites 3D printing assistant formation method
US20100207300A1 (en) Moulding of articles
CN107471679B (en) Method for manufacturing carbon fiber composite material
CN105658416A (en) Method and device for producing three-dimensional models using a binding agent system
JP2017507809A (en) Articles of nanostructure-reinforced composite and manufacturing method
CN105216342B (en) Automobile-used carbon fibre composite shape for hat beam preparation method and mould
CN100564008C (en) A kind of resin transfer molding (RTM) process prepares the equipment and the method for composite
CN104151775A (en) Preparation method of three-dimensional cross-linked graphene foam structure reinforced resin composite material
CN113500799A (en) Preform for composite hub molding and hub molding method
JP2008246981A (en) Manufacturing method of fiber-reinforced composite material
CN105291490A (en) Thin slab layer for formation of honeycomb structure, honeycomb structure and preparation method thereof
JP2019001008A (en) Method of producing composite material molded article of cellulose fiber resin
CN205112423U (en) Automobile -used carbon -fibre composite shape for hat roof beam preparation mould
CN116655397B (en) Carbon/carbon composite material based on short carbon fibers and preparation method thereof
CN104511958A (en) Formed ligneous body, and method of producing the same
CN1387984A (en) Formation techn of fiber reinforced ceramic-base composite material
CN107073762B (en) The manufacturing process of composite material and the forming device of composite material
JP2002326871A (en) Carbonized foam and its manufacturing method
CN101386540A (en) Ceramic-base compound material and forming technique
US20220315495A1 (en) Materials and processes for manufacturing carbon composite articles by three-dimensional printing
JP6894502B2 (en) Flexible core for machining or manufacturing composite parts or materials
US20210221074A1 (en) Compression molding hollow structure
CN110005156A (en) Advanced composite material (ACM) substrate and preparation method thereof
KR20020028926A (en) A Process Preparing Pulp Molded Bottle Foaming