JP2024047762A

JP2024047762A - 成形用材料

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Publication number: JP2024047762A
Application number: JP2022153437A
Authority: JP
Inventors: 智博藤田; 忍横川; 智枝子中島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-04-08
Also published as: EP4345133A1; US20240101792A1; CN117777553A

Abstract

【課題】成形品の強度を向上させる成形用材料を提供すること。【解決手段】成形用材料は、直鎖アルキル系ポリエステルと、高極性ポリエステルと、セルロース繊維と、を含み、直鎖アルキル系ポリエステルの含有量は、高極性ポリエステルの含有量よりも多く、直鎖アルキル系ポリエステルと、高極性ポリエステルとの合計の含有量は、セルロース繊維の含有量以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、成形用材料に関する。

従来、セルロース繊維および樹脂などを含む成形用材料が知られていた。例えば、特許文献１には、紙由来の繊維と生分解性樹脂とを含む複合材が開示されている。

特開２０００－６１４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の複合材では、成形品の強度を向上させることが難しいという課題があった。詳しくは、衝撃強さと曲げ強さとの両立が難しいため、成形品に変形や割れなどが生じる場合があった。また、セルロース繊維などの繊維の含有量を増やすと、衝撃強さが低下し易くなる傾向があった。すなわち、成形品の強度を向上させる成形用材料が求められていた。

成形用材料は、直鎖アルキル系ポリエステルと、高極性ポリエステルと、セルロース繊維と、を含み、前記直鎖アルキル系ポリエステルの含有量は、前記高極性ポリエステルの含有量よりも多く、前記直鎖アルキル系ポリエステルと、前記高極性ポリエステルとの合計の含有量は、前記セルロース繊維の含有量以下である。

実施例および比較例に係る成形用材料の組成および評価結果を示す表。

１．成形用材料
本実施形態に係る成形用材料は、直鎖アルキル系ポリエステル、高極性ポリエステル、およびセルロース繊維を含む。成形用材料には、射出成形やプレス加工などの公知の成形方法が適用可能である。成形用材料から製造される成形品は、ポリスチレンなどの代替品として、各種容器、シート、プリンターなどの事務機器や家電製品などの筐体に好適である。以下、成形用材料に含まれる各種原材料について説明する。

１．１．直鎖アルキル系ポリエステル
直鎖アルキル系ポリエステルは、熱可塑性を有し、成形用材料から成形品を製造する際に、溶融してセルロース繊維同士を結着させる。また、直鎖アルキル系ポリエステルは、セルロース繊維と共に成形品の物性を担う。特に、直鎖状のアルキレン基によって靭性が高まり、主として成形品の衝撃強さが向上する。

直鎖アルキル系ポリエステルは、原料モノマーとして、アルキレン基の炭素数が２以上８以下のアルキルジカルボン酸と、アルキレン基の炭素数が２以上８以下のアルキレンジオールとを含む。直鎖アルキル系ポリエステルは、上記２種類の原料モノマーが共重合して成る。直鎖アルキル系ポリエステルは、上記２種類の原料モノマーが公知の合成方法にて共重合して成る。

上記のアルキルジカルボン酸としては、例えば、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、およびセバシン酸などの直鎖飽和脂肪族ジカルボン酸が挙げられる。直鎖アルキル系ポリエステルの合成には、これらのうちの１種類以上を用いる。

上記のアルキレンジオールとしては、例えば、１，２－エタンジオール、１，３－プロパンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，６－ヘキサンジオール、１，７－ヘプタンジオール、および１，８－オクタンジオールがなどの２価アルコールが挙げられる。直鎖アルキル系ポリエステルの合成には、これらのうちの１種類以上を用いる。上述した２種類の原料モノマーは、比較的に入手が容易であり、工業用途または商業用途に適用することができる。

直鎖アルキル系ポリエステルとしては、ポリブチレンサクシネート、ポリブチレンサクシネート・アジペート、およびポリエチレンジアジペートのうちの１種類以上を含むことが好ましい。これらの直鎖アルキル系ポリエステルは生分解性を有するため、成形品の環境負荷を低減することができる。

１．２．高極性ポリエステル
高極性ポリエステルは、セルロース繊維と直鎖アルキル系ポリエステルとの相溶性を向上させる。これにより、セルロース繊維に対する直鎖アルキル系ポリエステルの濡れ性が高まり、主に成形品の曲げ強さが向上する。

高極性ポリエステルは、極性が比較的に高い分子構造を有し、原料モノマー由来の繰り返し構造において炭素数が２に対して酸素数が１以上である。詳しくは、高極性ポリエステルは、原料モノマーとして、乳酸、ヒドロキシ酪酸、オキシコハク酸、クエン酸、マロン酸、コハク酸、セリン、スレオニン、アクリル酸、アクリル酸メチル、およびビニル酢酸などの原料モノマーを含む。

具体的には、高極性ポリエステルは、ポリ乳酸、ポリヒドロキシ酪酸、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、およびポリ酢酸ビニルなどを１種類以上含む。これらの中でも、高極性ポリエステルは、環境負荷低減の観点から、生分解性を具備するポリ乳酸およびポリヒドロキシ酪酸のうちの１種類以上を含むことが好ましい。また、高極性ポリエステルは、ポリエチレンコハク酸などのような、分子構造中に乳酸または酢酸に由来する構造を有する共重合体であってもよい。

１．３．セルロース繊維
セルロース繊維は、成形品において充填材として機能し、成形用材料のかさ増しや成形品の強度などの物性向上に寄与する。

セルロース繊維は、植物由来であって、比較的に豊富な天然素材である。そのため、セルロース繊維を用いることにより、合成繊維を用いる場合と比べて環境負荷の低減が促進される。セルロース繊維は、原材料の調達やコストの点でも優位である。また、セルロース繊維は、各種繊維の中でも、理論上の強度が高く、成形品の強度の向上にも寄与する。セルロース繊維として、バージンパルプを用いる他に、古紙、古布などを再利用してもよい。

セルロース繊維は、主としてセルロースで形成されたものであるが、セルロース以外の成分を含んでもよい。セルロース以外の成分としては、例えば、ヘミセルロース、リグニンなどが挙げられる。また、セルロース繊維には、漂白などの処理が施されていてもよい。

セルロース繊維の繊維長は、成形品表面の外観を向上させる観点から、５００μｍ未満であることが好ましく、５０μｍ未満であることがより好ましい。セルロース繊維の繊維長は、ＩＳＯ１６０６５－２：２００７に準拠した方法にて求められる。

ここで、成形用材料において、直鎖アルキル系ポリエステルの含有量は、高極性ポリエステルの含有量よりも多い。これにより、成形品において、衝撃強さと曲げ強さとをバランスよく向上させることができる。

成形用材料において、直鎖アルキル系ポリエステルと高極性ポリエステルとの合計の含有量は、セルロース繊維の含有量以下である。これにより、成形品において、セルロース繊維の充填材としての機能を顕著に発現させることができる。

成形用材料において、直鎖アルキル系ポリエステルの含有量を１００質量部としたとき、高極性ポリエステルの含有量は１０質量部以上７０質量部以下であり、セルロース繊維の含有量は１１０質量部以上５７０質量部以下である。これによれば、成形品の強度をさらに向上させることができる。

１．４．添加剤
成形用材料は、添加剤として難燃剤を含んでもよい。難燃剤には公知の物質が適用可能である。難燃剤としては、例えば、アンチモン化合物、金属水酸化物、窒素化合物、ホウ素化合物などの無機系難燃剤、臭素化合物、リン化合物などの有機系難燃剤が挙げられる。

成形用材料において、難燃剤の含有量は、直鎖アルキル系ポリエステル、高極性ポリエステル、およびセルロース繊維の合計の含有量を１００質量部としたとき、１質量部以上２０質量部以下とする。これによれば、成形品の難燃性を向上させることができる。

成形用材料は、難燃剤の他にその他の添加剤を含んでもよい。その他の添加剤としては、例えば、着色剤、防虫剤、防カビ剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、凝集抑制剤、および離型剤などが挙げられる。また、成形用材料は、上述した直鎖アルキル系ポリエステルおよび高極性ポリエステルの他に、その他の樹脂を含んでもよい。

２．成形用材料の製造方法
成形用材料の製造方法について説明する。成形用材料の製造には、公知の方法が適用可能である。具体的には、例えば、以下に述べる方法が適用可能である。

まず、上述した原材料を一軸混錬機または二軸混錬機にて混錬してストランド状とする。次に、ペレタイズ加工を施してペレット状の成形用材料とする。

また、成形用材料の製造方法として以下の方法を適用してもよい。まず、古紙やパルプ材をシュレッダー装置にて粗砕してセルロース繊維とする。そして、セルロース繊維と、直鎖アルキル系ポリエステルおよび高極性ポリエステルと、を計量して混錬する。次に、混錬した原材料を空気中にて堆積させてシート状の堆積物とする。該堆積物は空気を多く含み密度が小さいため、カレンダー装置にて圧縮して空気を排除して密度を高める。次に、加熱炉を用いて非接触にて加熱した後、ヒートプレス装置にて加熱プレスする。

加熱炉およびヒートプレス装置では、直鎖アルキル系ポリエステルおよび高極性ポリエステルの溶融温度に対して、約２０℃高い温度にて加熱する。これにより、各原材料が偏りを抑えて分散されたシートが形成される。

次に、シートをシュレッダー装置にて所望の形状に裁断して、ペレット状の成形用材料とする。成形用材料の所望の形状とは、特に限定されないが、２ｍｍ立法から５ｍｍ立法までの略立方体である。以上の方法によって成形用材料が製造される。なお、成形用材料の製造方法は上記に限定されるものではない。

本実施形態によれば、以下の効果が得られる。成形品の強度を向上させることができる。直鎖アルキル系ポリエステルおよび高極性ポリエステルを併用することにより、衝撃強さと曲げ強さとのバランスが改善されて、これらの強さを両立することができる。したがって、成形品の強度を向上させる成形用材料を提供することができる。

３．実施例および比較例
以下、実施例および比較例を示して、本発明の効果をより具体的に説明する。実施例１から実施例９、および比較例１から比較例６の各成形用材料に関する、原材料の組成および成形品の評価結果を図１に示す。

図１の組成の欄では、数値の単位は質量％であり、数値の記載がない、－表記の欄は含有しないことを意味する。原材料名の表記では一部の名称に略称を用いている。各略称については後述する。以下の説明では、実施例１から実施例９を総称して単に実施例ともいい、比較例１から比較例６を総称して単に比較例ともいう。なお、本発明は以下の実施例によって何ら限定されない。

図１の組成にしたがって、実施例および比較例の成形用材料を製造した。具体的には、直鎖アルキル系ポリエステル、高極性ポリエステル、およびセルロース繊維などを秤量し、テクノベル社の二軸混錬機ＫＺＷ１５ＴＷ－４５ＭＧに投入して混錬した。混錬条件は、最高加熱温度を１８０℃とし、押し出し吐出量を１ｋｇ／ｈｒとした。次に、ストランド状に加工してから、ペレタイザーにてペレット状の成形用材料とした。

図１において用いた略称および商品名の詳細は、以下の通りである。

直鎖アルキル系ポリエステル
・ＰＢＳ：ポリブチレンサクシネート。商品名バイオＰＢＳＦＺ７１ＰＢ、三菱ケミカル社。
・ＰＢＳＡ：ポリブチレンサクシネート・アジペート。商品名バイオＰＢＳＦＤ９２ＰＢ、三菱ケミカル社。
高極性ポリエステル
・ＰＬＡ：ポリ乳酸。商品名テラマック（登録商標）ＴＥ－２０００、ユニチカ社。
セルロース繊維：商品名ＧｕａｉｂａＢＥＫＰ、ＣＭＰＣ社。
難燃剤
・難燃剤ａ：ホスファゼン系難燃剤。商品名ラビトル（登録商標）ＦＰ－１１０、三井化学ファイン社。
・難燃剤ｂ：リン酸エステル系難燃剤。商品名Ｅｘｏｌｉｔ（登録商標）ＯＰ１２３０、クラリアント社。

実施例および比較例の成形用材料を用いて、射出成形またはプレス加工により評価用の試験片を作製した。詳しくは、射出成形およびプレス加工共に、成形用材料の加熱温度は２００℃とした。射出成形装置として日精樹脂工業社のＴＨＸ４０－５Ｖを用い、プレス加工装置として東和精機社の油圧プレスＰＨＫＳ－４０ＡＢＳを用いた。

ここで、実施例１は、ＰＢＳの含有量を４０質量％とし、ＰＬＡの含有量を１０質量％とし、セルロース繊維の含有量を５０質量％として、成形品を射出成形によって作製した水準である。

実施例２は、実施例１に対して、ＰＢＳの含有量を減らし、ＰＬＡの含有量を増やした水準である。

実施例３は、実施例１に対して、ＰＢＳに代えてＰＢＳＡを用いた水準である。

実施例４は、実施例３に対して、ＰＢＳＡの含有量を５質量％減らし、難燃剤ａを５質量％添加した水準である。

実施例５は、実施例４に対して、難燃剤ａに代えて難燃剤ｂを用いた水準である。

実施例６は、実施例３に対して、ＰＢＳＡの含有量を１０質量％減らし、ＰＬＡの含有量を１０質量％増やした水準である。

実施例７は、実施例６に対して、ＰＬＡの含有量を１０質量％減らし、セルロース繊維の含有量を１０質量％増やした水準である。

実施例８は、実施例７に対して、ＰＢＳＡの含有量を１４質量％減らし、ＰＬＡの含有量を６質量％減らし、セルロース繊維の含有量を２０質量％増やして、成形品をプレス加工によって作製した水準である。

実施例９は、実施例８に対して、ＰＢＳＡの含有量とＰＬＡの含有量とを１０質量％とした水準である。

比較例１は、ＰＢＳの含有量を５０質量％とし、セルロース繊維の含有量を５０質量％として、成形品を射出成形によって作製した水準である。

比較例２は、比較例１に対して、ＰＢＳに代えてＰＢＳＡを用いた水準である。

比較例３は、比較例１に対して、ＰＢＳに代えてＰＬＡを用いた水準である。

比較例４は、ＰＢＳの含有量を１０質量％とし、ＰＬＡの含有量を４０質量％とし、セルロース繊維の含有量を５０質量％とした水準である。

比較例５は、比較例４に対して、ＰＢＳの含有量を１０質量％増やし、ＰＬＡの含有量を１０質量％減らした水準である。

比較例６は、比較例４に対して、ＰＢＳをＰＢＳＡに代えた水準である。

衝撃強さの指標として、シャルピー衝撃強さを採用し、試験方法はＩＳＯ１７９（ＪＩＳＫ７１１１）に準拠して実施した。試験片の形状は、長辺８０ｍｍ±２ｍｍ、短辺４．０ｍｍ±０．２ｍｍ、厚さ１０．０ｍｍ±０．２ｍｍの長方形の板状とした。試験装置は、東洋精機製作所社のインパクトテスタＩＴを用いた。シャルピー衝撃試験では、ハンマー重量を４Ｊ（ＷＲ２．１４Ｎ／ｍ）、持上角度を１５０°、ノッチ残り幅を８．０ｍｍ±０．２ｍｍ、ノッチ角度を４５°とした。

曲げ強さの指標として、曲げ特性を採用し、試験方法はＩＳＯ１７８（ＪＩＳＫ７１７１）に準拠して実施した。試験片の形状は、長辺８０ｍｍ±２ｍｍ、短辺１０．０ｍｍ±０．２ｍｍ、厚さ４．０ｍｍ±０．２ｍｍの長方形の板状とした。試験装置はインストロン社の６８ＴＭ―３０を用い、支点間距離を６４ｍｍにて試験を実施した。

得られた各水準の試験結果について、以下の判定基準にしたがって成形品の強度を判定した。
判定基準
Ａ：シャルピー衝撃強さが７ｋＪ／ｍ²以上、かつ曲げ弾性率が４０００ＭＰａ以上である。
Ｂ：シャルピー衝撃強さが４ｋＪ／ｍ²以上７ｋｊ／ｍ²未満、かつ曲げ弾性率が４０００ＭＰａ以上である。
Ｃ：シャルピー衝撃強さが４ｋＪ／ｍ²以上７ｋｊ／ｍ²未満、または曲げ弾性率が４０００ＭＰａ以上である。
Ｄ：シャルピー衝撃強さが４ｋＪ／ｍ²未満、かつ曲げ弾性率が４０００ＭＰａ未満である。

図１に示すように、実施例は全ての水準でＢ判定以上となり、特に実施例３から実施例７ではＡ判定となった。このことから、実施例では成形品の強度が向上することが示された。これに対して、比較例は全ての水準でＣ判定以下となり、成形品の強度が向上し難いことが分かった。

Claims

直鎖アルキル系ポリエステルと、高極性ポリエステルと、セルロース繊維と、を含み、
前記直鎖アルキル系ポリエステルの含有量は、前記高極性ポリエステルの含有量よりも多く、
前記直鎖アルキル系ポリエステルと、前記高極性ポリエステルとの合計の含有量は、前記セルロース繊維の含有量以下である成形用材料。
前記直鎖アルキル系ポリエステルの含有量を１００質量部としたとき、
前記高極性ポリエステルの含有量は、１０質量部以上７０質量部以下であり、
前記セルロース繊維の含有量は、１１０質量部以上５７０質量部以下である、請求項１に記載の成形用材料。
前記直鎖アルキル系ポリエステルは、原料モノマーとして、アルキレン基の炭素数が２以上８以下のアルキルジカルボン酸と、アルキレン基の炭素数が２以上８以下のアルキレンジオールとを含む、請求項２に記載の成形用材料。
前記直鎖アルキル系ポリエステルは、ポリブチレンサクシネート、ポリブチレンサクシネート・アジペート、およびポリエチレンアジペートのうちの１種類以上を含む、請求項３に記載の成形用材料。
前記高極性ポリエステルは、原料モノマー由来の繰り返し構造において、炭素数が２に対して酸素数が１以上である、請求項２に記載の成形用材料。
前記高極性ポリエステルは、ポリ乳酸およびポリヒドロキシ酪酸のうちの１種以上を含む、請求項５に記載の成形用材料。
前記セルロース繊維の繊維長は、５００μｍ未満である、請求項２に記載の成形用材料。
難燃剤を含み、
前記直鎖アルキル系ポリエステル、前記高極性ポリエステル、および前記セルロース繊維の合計の含有量を１００質量部としたとき、前記難燃剤の含有量は、１質量部以上２０質量部以下である、請求項２に記載の成形用材料。