JP2023183558A - 繊維含有樹脂成形体および繊維含有樹脂成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】剛性向上あるいは軽量化を図りつつ、耐衝撃性を向上させることが可能な繊維含有樹脂成形体を提供する。【解決手段】植物性繊維と熱可塑性樹脂とを含有する概して板状の部材であり、少なくとも一方側の面１２ｂに、凸部３０が連続する繰り返しパターンを形成する。繰り返しパターンのない成形体と同じ目付けとすれば、その成形体に比較して、剛性を向上させることできる。一方、繰り返しパターンのない成形体と同じ剛性を確保する場合には、その成形体に比較して目付けを低減させること、つまり、軽量化することが可能である。また、無数の凸部の存在によって、当該成形体１０に加わる板厚方向の力を、面方向に分散させることができ、当該成形体１０に加わる衝撃を吸収し、衝撃による割れを抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、繊維含有樹脂成形体に関し、また、繊維含有樹脂成形体の製造方法に関する。

例えば、下記特許文献１に記載されているように、植物性繊維同士が熱可塑性樹脂により結着された構造の繊維含有樹脂成形体が知られている。この繊維含有樹脂成形体は、軽量でありながら高い剛性を備えているため、例えば、ドアトリム等の車両用内装材や、建築物および家具等の内装材，外装材等、広く用いられている。また、下記特許文献１は、衝撃を受けた際の割れの発生を抑制すべく、特定の高強力繊維を混合させ、密度を特定するすることが記載されている。

特開２０２０－４４７４７号公報

上記特許文献１のように、繊維含有樹脂成形体において、剛性を向上させる、あるいは、軽量化を図るとともに、耐衝撃性を向上させるという点において、未だ検討の余地が残されている。

本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、剛性向上あるいは軽量化を図りつつ、耐衝撃性を向上させることが可能な繊維含有樹脂成形体を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の繊維含有樹脂成形体は、植物性繊維と熱可塑性樹脂とを含有する概して板状の部材であり、少なくとも一方側の面に、凸部が連続する繰り返しパターンが形成されていることを特徴とする。

本願に開示の繊維含有樹脂成形体（以下、単に「成形体」と呼ぶ場合がある。）は、無数の凸部の存在によって、面剛性を向上させることができる。つまり、繰り返しパターンのない成形体と同じ目付けとすれば、その成形体に比較して、本願に開示の繊維含有樹脂成形体は、剛性を向上させることできる。一方、本願に開示の繊維含有樹脂成形体において、繰り返しパターンのない成形体と同じ剛性を確保する場合には、その成形体に比較して目付けを低減させること、つまり、軽量化することが可能である。また、本願に開示の繊維含有樹脂成形体は、無数の凸部の存在によって、当該成形体に加わる板厚方向の力を、面方向に分散させることができ、当該成形体に加わる衝撃を吸収し、衝撃による割れを抑制することができる。

なお、本願に開示の成形体における「繰り返しパターン」は、本発明の目的を損なわない限り、特に限定されず、例えば、円錐や角錐等の錘状の凸部を幾何学的に配置した構成のもの、逆に、角錐等の錘状の凹所を幾何学的に配置することで隣り合う凹所の間に凸部を形成した構成のものとすることができる。

上記構成において、前記凸部は、高さが０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされた構成とすることができる。

各凸部の高さは、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが、より好ましい。例えば、プレス成形によって繰り返しパターンを形成する場合、凸部の高さ２．５ｍｍが形成可能な上限値となるが、凸部の高さが２．５ｍｍに近いほど、当該成形体の剛性向上あるいは軽量化を図りつつ、耐衝撃性を向上させることができる。

上記構成において、前記凸部は、板面に対する傾斜角が、４５°以下とされた構成とすることができる。

凸部を形成する傾斜面の角度は、１５°以下であることが、より好ましい。特に、凸部の高さが２．５ｍｍに近い場合には、１０°以下であることが、より好ましい。

上記構成において、前記繰り返しパターンは、角錐形状の凹所が隙間なく配置されることで、前記凸部が連続する形状とされたものとすることができる。

この構成の成形体は、例えば、角錐形状を幾何学配置した成形型を用いてプレス成形することによって、繰り返しパターンを容易に形成することができる。また、隙間なく凸部が形成されるため、衝撃に弱い部分を減らし、効果的に耐衝撃性を向上させることができる。

上記構成において、意匠面を構成する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、前記第２面に、前記繰り返しパターンが形成されている構成とすることができる。

この構成の成形体は、１つの面が意匠面とされていることで、例えば乗物の内装材や家具等に採用し、繊維柄の意匠の物品等を実現することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の繊維含有樹脂成形体の製造方法は、
植物性繊維と熱可塑性樹脂からなる樹脂繊維とをマット状に広げた繊維ウェブを加熱して、平板状のプレボードを成形するプレボード成形工程と、
前記プレボードを加熱プレスすることによって、前記プレボードの少なくとも一方側の面に、凸部が連続する繰り返しパターンを形成しつつ当該繊維含有樹脂成形体の成形を行う成形体成形工程と、
を含むことを特徴とする。

この構成の繊維含有樹脂成形体の製造方法によれば、成形体への成形と同時に、繰り返しパターンを形成できるため、成形体の製造時におけるサイクルタイムの短縮化を図ることができる。

上記構成において、前記成形体成形工程は、角錐形状の突起が隙間なく並んで設けられた成形型を用いて、前記プレボードの少なくとも一方側の面に、角錐形状の凹所を形成することで、隣り合う凹所の間が前記凸部となる前記繰り返しパターンを形成する構成とすることができる。

この構成の製造方法によれば、凸部を隙間なく配した耐衝撃性を向状させた成形体を、簡便に製造することができる。

本発明によれば、剛性向上あるいは軽量化を図りつつ、耐衝撃性を向上させることが可能な繊維含有樹脂成形体を提供することができる。

本実施形態の繊維含有樹脂成形体の断面構成を模式的に示す図 繊維含有樹脂成形体に形成された繰り返しパターンを示す斜視図 繰り返しパターンを示す平面図 繰り返しパターンを示す断面図（図３におけるＡ－Ａ断面） プレボード成形工程を示す図 プレス成形装置の構成を模式的に示す図 成形体成形工程により成形体が得られる状態を示す図 本発明の繊維含有樹脂成形体の評価方法の説明図 評価結果を示す表

＜繊維含有樹脂成形体の構成＞
本実施形態の繊維含有樹脂成形体１０およびその製造方法について、図１～図８を参照しつつ説明する。図１には、本実施形態の繊維含有樹脂成形体１０の断面構成を模式的に表している。繊維含有樹脂成形体１０（以下、単に「成形体１０」と略す場合がある。）は、図１に示すように、平面状の中央部分である意匠面部１２に対して外縁部１４が立設する形状をなしており、例えば、車両用内装材（ドアトリムを構成するボード部材）として用いられる。成形体１０は、植物性繊維と、熱可塑性樹脂とを含む繊維含有樹脂基材（プレボード）を所定形状に成形した概して板状の部材である。

本実施形態の成形体１０を構成する植物性繊維は、植物に由来する繊維である。植物性繊維としては、例えば、ケナフ、ジュート麻、マニラ麻、サイザル麻、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、各種針葉樹（スギ及びヒノキ等）、広葉樹及び綿花等の各種植物体から得られた繊維が挙げられる。これらの植物性繊維は、単独で又は２種以上を組み合わせて用いられてもよい。植物性繊維としては、ケナフ繊維が好ましい。ケナフは成長が極めて早い一年草であり、優れた二酸化炭素吸収性を有するため、大気中の二酸化炭素量の削減、森林資源の有効利用等に貢献できる。また、前記植物性繊維として用いる植物体の部位は特に限定されず、繊維を採取できればよく、非木質部、茎部、根部、葉部及び木質部等の植物体を構成するいずれの部位であってもよい。更に、特定部位のみを用いてもよく２ヶ所以上の異なる部位を併用してもよい。

植物性繊維は、通常、中実体である。植物性繊維の繊維長の上限は、好ましくは１５０ｍｍである。なお、上記繊維長の平均値（平均繊維長）は、好ましくは１０ｍｍ～１００ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ～８０ｍｍである。また、植物性繊維の繊維径の上限は、本発明の目的を損なわない限り、特に制限はないが、例えば、１５００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が更に好ましい。ちなみに、本実施形態においては、植物性繊維には、平均繊維径が８０μｍ～１００μｍのケナフ繊維を用いている。

本実施形態の成形体１０において、植物性繊維の含有率（質量％）は、３５質量％以上、好ましくは４０質量％以上であり、５５質量％以下、好ましくは５０質量％以下である。植物性繊維の含有率がこのような範囲であると、本実施形態の成形体１０の軽量性の確保あるいは剛性の確保を行うとともに、耐衝撃性を確保し易い。

次に、本実施形態の成形体１０を構成する熱可塑性樹脂は、主に、バインダ樹脂として機能するものであり、種々の熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン、アクリル樹脂（メタクリレート及び／又はアクリレート等を用いて得られた樹脂）、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂及びＡＢＳ樹脂等が挙げられる。このうち、ポリオレフィン樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン・プロピレン共重合体（エチレン・プロピレンブロック共重合体、エチレン・プロピレンランダム共重合体）等が挙げられる。ポリエステル樹脂としては、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン及びポリブチレンサクシネート等の脂肪族ポリエステル樹脂、並びに、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート及びポリブチレンテレフタレート等の芳香族ポリエステル樹脂等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

そして、本実施形態の成形体１０は、表面形状に特徴を有する。本成形体１０は、意匠面部１２の一方側の面１２ａ、具体的には、外縁部１４によって囲まれた側の面が、車室外側面（裏面）とされ、他方側の面１２ｂが、車室内側面、つまり、意匠面（第１面）とされている。その意匠面部１２の裏面（第２面）１２ｂには、図２～図４に示すような繰り返しパターンが形成されている。この繰り返しパターンは、四角錘状の凹所２０が上下左右に隣接するように、隙間なく形成されたものとである。つまり、隣接する凹所２０と凹所２０との間に、その中央を稜線２２としてその両側に下降する傾斜面部２４を有する凸部３０が形成されていると考えることができる。つまり、この繰り返しパターンは、凸部３０が連続する繰り返しパターンと考えることもできる。

この凸部３０は、図４に示すように、高さＨ、つまり、凹所２０の底２０ａから稜線２２までの高低差は、０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされている。なお、この凸部３０の高さＨは、好ましくは１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である。また、この凸部３０の傾斜面部２４の傾斜角θ、つまり、意匠面部１２の板面に対してなす角度は、４５°以下とされている。なお、この凸部３０の傾斜角θは、好ましくは１５°以下である。さらに言えば、凸部３０の高さＨが１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である場合には、１０°以下であることが、より好ましい。

なお、本実施形態においては、繰り返しパターンが四角錘状の凹所２０が複数形成されたものとされていたが、本発明の目的を損なわない限り、それに限定されない。例えば、三角錐状等の多角錘状の凹所が形成されることで連続する凸部が形成されたものとすることもできる。また、逆に、多角錘状の凸部が形成されたもの、円錐状の凸部が形成されたものとすることもできる。

以上のように構成された本実施形態の成形体１０は、その効果について後に詳しく説明するが、無数の凸部３０の存在によって、面剛性を向上させることができる。つまり、繰り返しパターンのない成形体と同じ目付けとすれば、その成形体に比較して、本実施形態の成形体１０は、剛性を向上させることできる。一方、本実施形態の成形体１０において、繰り返しパターンのない成形体と同じ剛性を確保する場合には、その成形体に比較して目付けを低減させること、つまり、軽量化することが可能である。また、本実施形態の成形体１０は、無数の凸部３０の存在によって、当該成形体１０に加わる板厚方向の力を、面方向に分散させることができ、当該成形体１０に加わる衝撃を吸収し、衝撃による割れを抑制することができる。

＜繊維含有樹脂成形体の製造方法＞
続いて、上記成形体１０の製造方法について、図５～図７を参照しつつ説明する。本実施形態の製造方法は、大まかには、図５に示したプレボード製造装置６０によって平板状のプレボードを成形するプレボード成形工程と、そのプレボードをプレス成形装置８０によってプレス成形する成形体成形工程と、からなる。

プレボード成形工程を行う主体となるプレボード製造装置６０は、図５に示すように、繊維供給部６２と、フィードコンベア６４と、カード機６６と、コンベア６８と、交絡装置７０と、カッター７２と、加熱加圧装置７４と、を備える。

まず、繊維供給部６２では、上述した植物性繊維と熱可塑性樹脂繊維とが、定められた割合で混合される。例えば、ドアトリムを構成するボード部材である本実施形態の成形体１０においては、植物性繊維としてケナフ繊維と、熱可塑性樹脂繊維としてポリプロピレン繊維（ＰＰ繊維）とが混合される。そして、その混合状態とされた混合繊維１０Ａは、フィードコンベア６４によってカード機６６に送られる。

カード機６６は、開繊シリンダ（メインシリンダ）６６Ａや、複数のローラ６６Ｂ，６６Ｃ等を含んで構成される。開繊シリンダ６６Ａは、円筒状をなすシリンダ本体の表面（外周面）に複数の刃を有するものであり、図２において時計回りに回転させられる。開繊シリンダ６６Ａが主体となって他のローラとの間で、混合繊維１０Ａを、掻き込むようにして開繊シリンダ６６Ａの表面上に載せて上方に運ぶようになっている。また、開繊シリンダ６６Ａの外周には、ウォーカローラ６６Ｂおよびストリッパーローラ６６Ｃが設けられている。ウォーカローラ６６Ｂは、開繊シリンダ６６Ａとの間に混合繊維１０Ａを通過させることで、その混合繊維１０Ａに対して開繊処理を施す機能を有しており、ストリッパーローラ６６Ｃは、ウォーカローラ６６Ｂの表面に付着した混合繊維１０Ａを剥離する機能を有している。そして、開繊された繊維は、開繊シリンダ６６Ａの回転による遠心力によって、空中に放出される。

その開繊シリンダ６６Ａから放出された混合繊維１０Ａ（開繊された繊維）は、動作中のコンベア６８上に堆積させられる。そのコンベア６８上に堆積された混合繊維１０Ａは、コンベア６８の動作によって下流側（図５における右側）に搬送される。つまり、コンベア６８への混合繊維１０Ａの堆積および堆積された混合繊維１０Ａの搬送が連続的に行われることで、混合繊維１０Ａが開繊・積層されてなるマット状の繊維ウェブ１０Ｂが成形されるのである。

繊維ウェブ１０Ｂは、交絡装置７０に搬送される。交絡装置７０は、例えば、ニードルパンチ装置とされ、繊維ウェブ１０Ｂに含まれる繊維同士を交絡させることで繊維ウェブ１１Ｗを不織布状とすることが可能な構成とされている。交絡された繊維ウェブ１０Ｂは、カッター７２により所定の長さに裁断され、加熱加圧装置７４に搬送される。

加熱加圧装置７４は、例えば熱板プレス装置や熱ベルトプレス装置等からなり、通電によって発熱するヒータなどの発熱手段を備えている。繊維ウェブ１０Ｂは、加熱されることで、熱可塑性樹脂繊維が溶融または軟化する。そして、繊維ウェブ１０Ｂは、加熱されつつ、または、加熱後に、加圧される。その後、溶融（または軟化）した熱可塑性樹脂が冷却固化することで、その熱可塑性樹脂がバインダの機能を果たし、植物性繊維同士が結着される。つまり、平板状のプレボード１０Ｃが成形される。

次いで、プレス成形装置８０を用いて成形体成形工程が行われる。プレス成形装置８０は、図６，図７に模式的に示すように、上型８２と下型８４とからなる成形型８６を備えており、その成形型８６に倣った形となるように成形される。具体的には、なお、成形型８６は、固定型とされた下型８４に対して、可動型である上型８２を、図示しない駆動装置（例えば、電動モータ、エアシリンダ、油圧シリンダなど）によって移動可能なものであり、上型８２を下型８４に対して接近離間させることで、成形型８６の型閉じおよび型開きが可能な構成となっている。

下型８４は、上型８２との対向面である成形面８４ａが、上型８２に向かって突き出す形状をなしている。また、上型８２は、下型８４との対向面である成形面８２ａが、下型８４の形状に対応して凹む形状をなしている。上型８２は、図７に示すように、型閉じされた状態では、下型８４に対して、本実施形態の成形体１０の板厚に等しい距離だけ離間して対向配置される。つまり、下型８４の成形面８４ａと、上型８２の成形面８２ａとの距離（クリアランス）は、プレボード１０Ｃの厚みよりも小さくなるように、設定されている。また、下型８４の成形面８４ａのうち、水平方向に広がって成形体１０の意匠面部１２を成形する意匠面部成形部８４ａ１には、四角錘状の突起が幅方向および奥行き方向に並んで隙間なく形成されている。

成形体成形工程においては、まず、上述したプレボード１０Ｃが加熱されて、熱可塑性樹脂が軟化され、図６に示すように、その加熱されたプレボード１０Ｃが、下型８４の上に保持される。そして、図７に示すように、上型８２を下降させて成形型８６を型閉じすると、プレボード１０Ｃは、上述のようなクリアランスを有する上型８２と下型８４との間で、所定の形にされるとともに厚み方向に圧縮された状態となる。

そして、上型８２と下型８４との間で挟まれた状態で冷却され、プレボード１０Ｃに含まれる熱可塑性樹脂の固化が行われる。その後、型開きして、プレス成形装置８０から成形物を取り出すと、図１に示されるような、本実施形態の成形体１０が得られる。また、意匠面部１２の裏面１２ｂには、四角錘状の凹所２０が隙間なく形成されるのである。

＜繊維含有樹脂成形体の評価＞
次に、本発明の繊維含有樹脂成形体についての評価を、ＣＡＥ解析により行った。今回の評価方法では、まず、図８に示すように、概して長方形（２００ｍｍ×１００ｍｍ）の平板状で、裏面（下面）に上記実施形態の成形体１０と同様な繰り返しパターンを形成したボード部材１００を想定する。なお、このボード部材１００は、ケナフ繊維とＰＰとから構成され、目付け１０００ｍｇ／ｍ^２のものとしている。

そのボード部材１００の長手方向における両端部１０２（２０ｍｍずつ）を固定し、ボード部材１００の中央１０４（外径１０ｍｍの円内）に荷重Ｆ（＝１００Ｎ）を作用させる。その際のボード部材１００の中央１０４における撓み量（ｍｍ）と応力（ＭＰａ）を算出している。そして、ボード部材１００は、繰り返しパターンの凸部の高さＨと、凸部の傾斜角θとを、それぞれ変化させて、それらに対応する撓み量と応力とを算出し、凸部を形成していないボード部材との比較を行った。なお、凸部の高さＨおよび傾斜角θは、前述したプレス成形装置８０による凸部の成形性を考慮して、傾斜角４５°以下で、かつ、高さ２５ｍｍ以下から５ｍｍ以上の範囲内で、変化させている。その結果を、図９に示す。

図９の表に示されるように、評価を行ったほぼ全ての態様において、比較例の凸部無しのボード部材に対して、撓み量と応力とのとの少なくとも一方は小さくなる傾向が見られた。特に、応力は、凸部の高さＨに関係なく、傾斜角５°の場合に最も小さくなった。また、凸部の高さＨが２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である場合には、傾斜角５°において撓み量も最も小さくなっていた。また、凸部の高さＨが、上限値２．５ｍｍに近いほど、撓み量および応力が小さくなっており、凸部の高さが２．５ｍｍに近いほど、成形体の剛性向上あるいは軽量化を図りつつ、耐衝撃性を向上させることができると考えらる。

以上のことから、凸部の高さは、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが好ましく、凸部の高さは、２．５ｍｍに近いほどより好ましい。また、凸部の傾斜角θは、１５°以下であることが、より好ましい。特に、凸部の高さが２．５ｍｍに近い場合には、１０°以下であることが好ましい。

＜他の実施形態＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することができる。例えば、次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態の成形体１０は、一方側の面１２ａが意匠面とされていたが、意匠面でない場合や表皮材で覆われる場合には、裏面１２ｂだけでなく、表面にも繰り返しパターンが形成されてもよい。

（２）上記実施形態の成形体１０は、裏面１２ｂの全面に繰り返しパターンが形成されるものとされていたが、一部のみに繰り返しパターンが形成されていてもよい。

（３）上記実施形態においては、成形体１０は、車両用のドアトリムに用いられていたが、それに限定されず、インストルメントパネル、ルーフライニング、カウルサイドトリム、ピラーガーニッシュ等の他の車両用内装材に用いることができ、自動車以外の乗物の内装材に用いることもできる。さらに言えば、乗物以外にも、家具や小物類等、種々のものに用いることができる。

１０…繊維含有樹脂成形体、１０Ａ…混合繊維、１０Ｂ…繊維ウェブ、１０Ｃ…プレボード、１２ａ…意匠面、１２ｂ…裏面〔繰り返しパターン〕、２０…凹所、３０…凸部、８０…プレス成型装置、８２…上型、８４…下型、８４ａ…成形面、８４ａ１…意匠面部成形部、８６…成形型

Claims (8)

1. 植物性繊維と熱可塑性樹脂とを含有する概して板状の部材であり、少なくとも一方側の面に、凸部が連続する繰り返しパターンが形成されていることを特徴とする繊維含有樹脂成形体。
2. 前記凸部は、高さが０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされた請求項１に記載の繊維含有樹脂成形体。
3. 前記凸部は、板面に対する傾斜角が、４５°以下とされた請求項１に記載の繊維含有樹脂成形体。
4. 前記凸部は、高さが０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とされ、板面に対する傾斜角が、４５°以下とされた請求項１に記載の繊維含有樹脂成形体。
5. 前記繰り返しパターンは、角錐形状の凹所が隙間なく配置されることで、前記凸部が連続する形状とされたものである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の繊維含有樹脂成形体。
6. 意匠面を構成する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、前記第２面に、前記繰り返しパターンが形成されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の繊維含有樹脂成形体。
7. 植物性繊維と熱可塑性樹脂からなる樹脂繊維とをマット状に広げた繊維ウェブを加熱して、平板状のプレボードを成形するプレボード成形工程と、
   前記プレボードを加熱プレスすることによって、前記プレボードの少なくとも一方側の面に、凸部が連続する繰り返しパターンを形成しつつ当該繊維含有樹脂成形体の成形を行う成形体成形工程と、
   を含む繊維含有樹脂成形体の製造方法。
8. 前記成形体成形工程は、角錐形状の突起が隙間なく並んで設けられた成形型を用いて、前記プレボードの少なくとも一方側の面に、角錐形状の凹所を形成することで、隣り合う凹所の間が前記凸部となる前記繰り返しパターンを形成する請求項７に記載の繊維含有樹脂成形体の製造方法。

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