JP3345760B2 - 生分解性複合材料からなる成形物の製造法 - Google Patents

生分解性複合材料からなる成形物の製造法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特に包装材料や家庭雑
貨などの分野で使用され、廃棄された後、微生物などの
作用により生分解し、地球上の炭素循環系に還る、いわ
ゆる「地球に優しい」生分解性複合材料からなる成形
製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、環境対策として生分解性プラスチ
ックが鋭意開発されているが、まだ高価であり、安易に
家庭雑貨などに使用できる価格ではない。また、性能的
にも、現在使用されている汎用樹脂と比べて一般的に融
点が低いため、耐熱性等の物性面で劣る。特に、剛性や
熱変形温度が劣り、家庭雑貨に用いる場合ですら用途を
制限せざるを得ないのが実情である。この熱変形温度の
改良は鋭意続けられているが、生分解性を損なわずに改
良することはこれまで非常に困難であった。たとえば、
炭酸カルシウムやタルクのような無機質充填材は増量材
として用いられ、コストは下るが、熱変形温度の改良は
不充分である。また、カーボン繊維やガラス繊維は基本
的には熱変形温度の改良には効果的であるが、実際に使
用する場合には脆いため、コンパウンド時や射出成形の
段階において損傷を受け粉末化してしまい、本来の補強
効果が著しく損なわれてしまう。また、これらの素材は
生分解されないために半永久的に残留蓄積するという問
題がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術のコ
ストと熱変形温度に代表されるこれら問題点を、例えば
古紙に代表される植物性繊維またはその再生繊維の応用
で解決するものである。
【0004】本発明の目的が、環境負荷の少ない新素材
の開発であることから、補強繊維そのものも生分解性な
いしは自然に生じて自然に帰る、いわゆる地球上の炭素
循環系に入るものを選択すべきである。そのなかでも低
コストで安易に入手できるものとしてセルロースを主成
分とする植物繊維、なかでも木材繊維(または木材パル
プ)、さらに再生原料として既に回収ルートの確立して
いる古紙を原料として検討することは魅力のあることで
ある。
【0005】パルプのような植物繊維を汎用の熱可塑性
樹脂に混合する技術は既に公知で、第一次オイルショッ
クのときにはいろいろな形態の植物性繊維が、主に増量
の目的で混合された。それが、近年環境問題のクローズ
アップに伴って再び関心が持たれている。しかし、これ
らの素材は焼却時の燃焼カロリーが低くなるという以外
は、コスト的にも品質的にも特別な魅力はない。
【0006】その決定的理由は、生産技術上の問題とし
て古紙の粉砕とそのハンドリング性、品質上の問題とし
て品質の不安定・不均一性にあり、繊維質充填により本
来期待されるべき改質効果が不十分である、ということ
である。すなわち、従来の方法では古紙を粉砕機で粉砕
して適当なニーダーかミキサーで樹脂と混練するのであ
るが、粉砕した古紙の嵩が膨大でハンドリングに困難を
極め、しかも軽いために容易に樹脂の中へ混入してゆか
ず、所定量の粉砕古紙を混入してしまうには長時間を浪
費し、生産性を低下させることになる。さらにこの種の
粉砕工程では、古紙では必然的に混入すると考えねばな
らない異物の除去・精選が困難で、後続する機器の損傷
を回避するために充分な精選工程を入れることは更にコ
ストを不利にすることになる。
【0007】また品質的には、まず古紙のように繊維間
結合を既に完成している成紙において、湿潤、膨潤など
水によって繊維間結合を弛緩させることなく、粉砕する
ことは繊維の切断を余儀なくされ、紙繊維は紙粉化され
る。この様な粉砕では最も重要な繊維間結合の解繊より
も繊維の切断が優勢となり、繊維間の結束は最後まで残
り、成形時の流動性を低下させ、製品の不均一性の原因
となる。粉砕古紙の長時間を要する仕込みも品質劣化の
原因となり、約200℃の溶融樹脂中の混練では熱履歴
が一定にならず、この温度で脆くなった繊維の紙粉化も
さらに進行する。
【0008】その結果、本来繊維状であるべき古紙繊維
を用いても製品中では紙粉またはそのかたまりとしてし
か機能しないことになる。言うまでもなく、補強繊維が
マトリックス樹脂中で一定の補強効果を示すためには単
繊維によく解繊され、かつ高いアスペクト比を維持する
ことが肝要である。しかるに、従来技術では一定のコス
トダウンは見込めても既述のとおり熱変形温度の向上は
ほとんど不可能であった。
【0009】従来技術では、熱可塑性合成樹脂にパルプ
等を複合させる場合、溶融状態の樹脂に粉砕したパルプ
などを混練して造る。この場合、溶融樹脂は普通200
℃位或いはそれ以上のために、パルプ等は混練状態で保
有する水分を失い絶乾状態になる。パルプ等の主成分で
あるセルロースは水が最適の可塑剤であるので、この混
練状態ではパルプは可塑性を失い脆くなり、強い剪断力
によって殆ど粉末化してしまう。しかも、使用する粉砕
パルプそのものが、既にかなり短繊維化したものである
ことが多い。それは、成紙を乾燥状態で機械的に粉砕し
ても、繊維の切断なしに単繊維に解繊することはほとん
ど不可能であるからである。したがって、この場合、パ
ルプ等を複合化させたとはいえ、製品中に存在するのは
ほとんど繊維形態をとどめない粉末状のパルプ等で、繊
維形態としての高いアスペクト比による補強・改質効果
は期待できない。
【0010】
【課題を解決するための手段】一般的に、プラスチック
の熱変形温度が関係する特性は剛性の温度依存性である
が、本発明では強化繊維の繊維形態、すなわち高いアス
ペクト比を維持することによってその改良を図るもので
ある。
【0011】そのためには、パルプ等を構成する単繊維
を切断することなしに離解することが不可欠である。そ
れには、先ず親水性高分子であるセルロース繊維を水で
充分膨張させて、その繊維間結合を弛緩させてから機械
的な剪断力で解繊し、特定の粉末または繊維形状の生分
解性樹脂と水中で混合分散後、湿式造粒する方法による
ものである。
【0012】すなわち、本発明は800μm以下の粒径
または50mm以下の繊維長を有する熱可塑性の生分解
性樹脂からなる粉末および/または繊維40〜95重量
%とパルプまたはセルロース系繊維60〜5重量%とを
水中で混合、解繊せしめて、水懸濁液とし、これを湿式
造粒・乾燥して得られる直径30mm以下のペレット
を、250℃以下で射出成形することを特徴とする生分
解性複合材料からなる成形物の製造法である。
【0013】また、本発明は熱可塑性の生分解性樹脂中
に、実質的に単繊維に解繊されてなる高アスペクト比の
パルプまたはセルロース系繊維が5〜60重量%含まれ
てなる生分解性複合材料からなる成形物である。
【0014】本発明において、使用するパルプまたはセ
ルロース系繊維は、木材からのバージンパルプや古紙か
ら回収したパルプなどのパルプまたは銅アンモニアレー
ヨン、ビスコースレーヨンや溶剤紡糸レーヨンなどのセ
ルロース系繊維を短くカットした繊維などである。
【0015】本発明において使用する熱可塑性の生分解
性樹脂の代表的なものとして、脂肪族ポリエステルが挙
げられる。例えば、ポリグリコール酸やポリ乳酸のよう
なポリ(α−ヒドロキシ酸)からなる重合体またはこれ
らの共重合体が、また、ポリ(ε−カプロラクトン)、
ポリ(β−プロピオラクトン)のようなポリ(ω−ヒド
ロキシアルカノエート)が、さらに、ポリ−3−ヒドロ
キシプロピオネート、ポリ−3−ヒドロキシブチレー
ト、ポリ−3−ヒドロキシカプロレート、ポリ−3−ヒ
ドロキシヘプタノエート、ポリ−3−ヒドロキシオクタ
ノエート及びこれらとポリ−3−ヒドロキシバリレート
やポリ−4−ヒドロキシブチレートとの共重合体のよう
なポリ(β−ヒドロキシアルカノエート)が挙げられ
る。また、グリコールとジカルボン酸の縮重合体からな
るものとして、例えば、ポリエチレンオキサレート、ポ
リエチレンサクシネート、ポリエチレンアジペート、ポ
リエチレンアゼレート、ポリブチレンオキサレート、ポ
リブチレンサクシネート、ポリブチレンアジペート、ポ
リブチレンセバケート、ポリヘキサメチレンセバケー
ト、ポリネオペンチルオキサレートまたはこれらの共重
合体が挙げられる。さらに、前記脂肪族ポリエステル
と、ポリカプラミド(ナイロン6)、ポリテトラメチレ
ンアジパミド(ナイロン46)、ポリヘキサメチレンア
ジパミド(ナイロン66)、ポリウンデカナミド(ナイ
ロン11)、ポリラウラミド(ナイロン12)のような
脂肪族ポリアミドとの共縮重合体である脂肪族ポリエス
テルアミド系共重合体が挙げられる。本発明において
は、生分解性を有する熱可塑性樹脂として前述した以外
の熱可塑性重合体であっても、それが生分解性を有する
ものであれば用いることができる。
【0016】これら生分解性熱可塑性樹脂から800μ
m以下の粒径の粉末を得るためには、これらの樹脂を溶
剤に溶解後、非溶剤中に撹拌しながら沈澱させ、これら
を回収後乾燥する方法が一般的であるが、これらに限定
されるものではない。また、繊維は溶融紡糸後、50m
m以下にカットすることにより得ることができる。
【0017】本発明において使用する熱可塑性の生分解
性樹脂は、粉末の場合には粒径が800μm以下で、繊
維の場合には繊維長が50mm以下であることが必要で
あり、それを越える場合は水懸濁液に分散しがたく、フ
ロックを形成して均一に混合分散したペレットが得がた
いためである。なお、本発明でいう粉末と繊維の区分は
アスペクト比が5未満のものを粉末、5以上のものを繊
維という。また、粉末の粒径はその長軸の長さを指す。
ここで、アスペクト比とは、繊維の長さをl、直径をd
としたとき、l/dをいう。
【0018】本発明の熱可塑性の生分解性樹脂とパルプ
またはセルロース系繊維との配合割合は40〜95重量
%:60〜5重量%であることが必要であって、生分解
性樹脂が5重量%未満ではコストの改善や剛性、熱変形
温度の品質面での改善が不十分であり、また60重量%
を越えるものでは射出成形時の流動性が乏しく、加工性
に劣る。
【0019】本発明の生分解性複合材料からなる成形物
の製造法において、上記の熱可塑性の生分解性樹脂とパ
ルプまたはセルロース系繊維とよりペレットを製造する
には、一般の湿式造粒技術および機械により湿式造粒し
て、乾燥するが、特に原料調製では樹脂の均一分散に留
意すべきで、一般の分散剤はもちろん、油剤や粘剤の適
切な選択が肝要である。また、機械的な撹拌も重要で粉
末は沈降したり浮上したりしないように、繊維はフロッ
クにならないように撹拌状態をコントロールすることが
必要であり、最終的に得られるペレットの粒径としては
射出成形機への適用性から30mm以下であることが必
要である。
【0020】また、得られたペレットの射出成形として
は、加工温度を250℃以下とすることが必要であり、
それを越える温度では加工時のパルプ等の繊維の熱劣化
が著しく、その補強効果が低減する。
【0021】
【作用】本発明では、先ずパルプまたはセルロース系繊
維の完全な解繊を考えて旧来の合成樹脂加工技術の手段
を断念し、むしろ樹脂の技術分野では忌避物質である水
で繊維間結合を緩めることを優先して水中での離解、解
繊を基本的前提とした。更に、旧来のコンパウンド樹脂
技術分野での常識を越えた高度な複合化の可能性を、湿
式造粒過程で使用する生分解性樹脂のサイズ、形態を特
定することで可能とした。すなわち、上記の生分解性樹
脂の特定された粉末または繊維をパルプと複合させた原
料でペレットを構成することで、パルプ等の繊維を実質
的に単繊維に開繊されてなる繊維とし、その間隙に樹脂
の粉末または繊維をミクロに均一に介在させることがで
き、しかも後続する射出成形加工工程で充分な流動性や
成形加工性を発揮するに充分な樹脂量をペレットに複合
させることが可能となったのである。なお、前記の繊維
としては、高アスペクト比(パルプの有するアスペクト
比を高度に保持している)の繊維が望ましい。
【0022】このようなペレットでは乾燥または加熱に
よってもパルプ等の繊維間は充分な隔たりを有し、繊維
表面同志で水素結合を形成することはない。したがっ
て、射出成形時にパルプ等の繊維間に介在する生分解性
樹脂が溶融、軟化して流動する時は容易に塑性変形を起
こすことができ、様々な形状に成形することが可能であ
る。
【0023】
【実施例】次に、実施例によって、本発明を詳述する。 実施例1 叩解した新聞古紙パルプと単糸繊度3デニール、平均カ
ット長5mmのポリカプロラクトン(PCL,日本ユニ
カー社製トーン)繊維を重量比で55/45となるよう
に少量(水1Lに対して10mgの割合)の界面活性剤
ポリアクリルアミドとポリエチレンオキシド/ポリプ
ロピレンオキシド共重合物の等量混合物)と共に水中で
十分に離解し、パルプとPCL繊維を含む水分散液を形
成させ、これから湿式造粒法により乾燥上がりで直径5
mm、長さ8mmの円柱状ペレットを製造した。
【0024】次に、このようにして得られたペレットを
シリンダー温度180〜200℃、射出圧力80kg/cm2
で射出成形し、JIS K7207に準じて熱変形温度
を測定した結果、表1の結果が得られた。また、引張り
試験(JIS K7127)および曲げ試験(JIS
K7203)の結果も併せて表1に記す。得られた成形
物の引張り強度、引張り弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率
などは優れており、成形物におけるパルプとPCL繊維
との分散状態は良好であった。
【0025】実施例2 新聞古紙パルプとPCL繊維との使用割合を40/60
とする以外は実施例1と同様にして円柱状ペレットを製
造し、実施例1と同様にして試験をした結果を表1に示
す。得られた成形物の引張り強度、引張り弾性率、曲げ
強度、曲げ弾性率などは優れており、成形物におけるパ
ルプとPCL繊維との分散状態は良好であった。
【0026】比較例1 新聞古紙パルプとPCL繊維との併用に代えてPCL繊
維100%を使用して実施例1と同様に円柱状ペレット
を製造し、実施例1と同様の試験をした結果を表1に示
す。
【0027】
【表1】
【0028】実施例3 実施例1におけるPCL繊維に代えて、30〜60μm
のランダムな粒子径のPCL粉末を用いて実施例1と同
様に実施した結果、実施例1とほぼ同様な結果が得られ
た。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、本来生分解性で安価で
あるパルプまたはセルロース系繊維の長所を損なうこと
なく、しかもパルプまたはセルロース系繊維を実質的に
単繊維に解繊されてなり、その間隙に樹脂を均一に介在
させることができ、成形性良く製造することのできる生
分解性複合材料からなる成形物が提供される。
フロントページの続き (72)発明者 神橋 範子 京都府宇治市宇治小桜23番地 ユニチカ 株式会社中央研究所内 (72)発明者 大澤 壽也 東京都杉並区成田東4ー3ー35ー6 (72)発明者 張 明光 新潟県長岡市緑町3ー59ー16 (56)参考文献 特開 平5−39412(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08L 1/00 - 101/16

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 800μm以下の粒径または50mm以
    下の繊維長を有する熱可塑性の生分解性樹脂からなる粉
    末および/または繊維40〜95重量%とパルプまたは
    セルロース系繊維5〜60重量%とを水中で混合、解繊
    せしめて、水懸濁液とし、これを湿式造粒・乾燥して得
    られる直径30mm以下のペレットを、250℃以下で
    射出成形することを特徴とする生分解性複合材料からな
    る成形物の製造法。
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