JP3602272B2

JP3602272B2 - 合成木材

Info

Publication number: JP3602272B2
Application number: JP23072496A
Authority: JP
Inventors: 宇留治　　泰; 陽茂山村; 貞夫西堀
Original assignee: アイン・エンジニアリング株式会社
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1071636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は木粉と樹脂からなる合成木材用組成物、特に、成形時に樹脂中の木粉の配向性を調整するようにして樹脂の機械的強度を上げるようにして成る合成木材用組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用の煽り板や床材として南洋材が使用されているが、これに代わり使用可能な代替木材の開発が進められている。
この代替木材としては、ガラス繊維により強化されたポリプロピレンの発泡押出し材やウレタンの発泡押出し材、あるいは、熱可塑性樹脂と木粉とを混練して得たコンパウンドを押出し成形した合成木材等が知られており、ガラス繊維強化の各発泡押出し材は、比較的軽加重が加わる小型トラック等に使用されることが多い。
【０００３】
また、従来の熱可塑性樹脂と木粉とからなる合成木材の生成に当たっては、まず、熱可塑性樹脂と木粉とを混練機によって低圧混練し含有水分を混練に伴う発生熱を用い、蒸発させて乾燥する。次いで、得られたコンパウンドを空気冷却した上で破砕処理し、その破砕片を押出し機に供給する。押出し機には押出し成形品の断面形状に相当する押出し型が設けられ、これより押出された成形品を適宜切断して合成木材を生成している。
【０００４】
この場合、押出し機内のコンパウンドが押出し型外部のローラブレーキ（後述する図２中の符号９参照）により型内に押し込まれることにより、コンパウンドが加圧され、熱可塑性樹脂と木粉との密着を促している。更に、この時、図１１に示すように、コンパウンド内部の木粉１０２は、型内で大きく抵抗を受け、その型を通過するに当たり、押出し方向Ｘと直行する方向にその長手方向を向ける傾向があり、例えば、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、樹脂成分１０１中に木粉１０２が分散する。即ち、樹脂成分１０１中の木粉１０２は、押出し方向Ｘと直行する方向である９０°方向の断面（Ａ−Ａ線断面）にその長手方向を向け、押出し方向Ｘである０°方向の断面（Ｂ−Ｂ線断面）とは直交するように分散する。
このようにして生成された合成木材Ｍ（例えば、ポリプロピレン＋木粉）の物性を南洋材の物性と比較して、図１３や表１にそれぞれ示した。
【０００５】
【表１】

【０００６】
ここでは、曲げ強度−曲げ弾性率特性に基づき説明すると、この合成木材Ｍの物性は南洋材であるアピトン合板やラワン合板の物性と比較して機械的強度が比較的低いことが明らかである。
なお、代替木材として、ガラス繊維により強化されたポリプロピレンの発泡押出し材ｅ１や、ウレタンの発泡押出し材ｅ２の物性も併記したが何れも機械的強度は合成木材Ｍより低いものである。
【０００７】
また、特公平４−８２０２号公報には、熱可塑性樹脂に木粉を多量に混入して肉厚チューブ状の成形生地を生成し、これを板状にカットした上で、加熱押圧して成形板を得るという技術が開示される。ここでの合成木材は、木粉と樹脂との馴染みを良好として良質な成形表面が得られ、この際、木粉表面を尿素系接着剤で加熱硬化処理し、木粉内の含有水分が高められないように、また木粉の滑動性を高めて押出し成形時の摩擦抵抗を低下させるように処理しているが、機械的強度を考慮したものとは成っていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の合成木材Ｍ（例えば、ポリプロピレン＋木粉）は所定の強度を備え、特公平４−８２０２号公報に開示される合成木材も所定の強度を備えるものと推測されるが、南洋材であるアピトン合板やラワン合板に近い機械的強度を備えたものではなく、車両の煽り板や床板として使用される上で、耐久性に問題があった。
特に、従来の合成木材Ｍはその曲げ強度が南洋材と比較して小さく、即ち、表１に示したように９０°方向（木粉１０２の押出し方向Ｘと直行する方向）でも、０°方向でも２８〔ＭＰａ〕となっている。このため、合成木材Ｍを板材として成形した場合、この板材の反りが大きく生じ易く、合成木材Ｍの反りの発生を防止することが望まれている。
【０００９】
更に、地球環境の保全を目的として、合成木材Ｍの使用をより促進することが好ましく、このため、南洋材と同レベル以上の機械的強度を保持した合成木材が望まれている。
本発明の目的は、機械的強度がより向上した合成木材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明は、
ＰＰ（ポリプロピレン）又はＰＥ（ポリエチレン）と、同ＰＰ又はＰＥの充填材として木粉等セルローズ系破砕物で、粒径０．８〜３００μｍの破砕物と、上記ＰＰ又はＰＥと上記破砕物との結合性を向上するマレイン酸変性ＰＰとの夫々の重量比を２８〜６８：７０〜３０：０．１〜２にしてミキシングしてコンパウンドを生成し、同コンパウンドを押出し機の合成木材の断面形状相当のスリットより板材として押出し成形し、同押出し成形時のスリット通過のコンパウンドの流動特性ＭＦＲを１ . ５〔ｇ／１０ｍｉｎ〕程度に保持して木粉等セルローズ系破砕物の長手方向をスリットの長手方向に沿うようにして通過させ、上記木粉等セルローズ系破砕物は、繊維長方向に長いアスペクト比２．５以上の破砕物を２５％以上含むとしたことを特徴とする。
従って、ＰＰ又はＰＥと木粉等セルローズ系破砕物とマレイン酸変性ＰＰとを２８〜６８：７０〜３０：０．１〜２の重量比に設定して、これらが混練されたコンパウンドを押出し機により押出し成形すると、マレイン酸変性ＰＰがコンパウンドの揺変性（チキソトロピー）を大きくするよう作用し、これによってその押出し方向と直行する方向であるスリットの長手方向へ木粉等の長手方向が向けられるという特性がより高まり、しかも、相溶化剤がＰＰ又はＰＥと木粉等セルローズ系破砕物との密着性を強化する。
更に、繊維長が繊維外径より十分大きく成形された破砕物を２５％以上含むので、押出し方向と直行する方向へ向けられた場合、合成木材の板状製品として使用された場合、その異方性が顕著となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の適用された合成木材用組成物で製造された合成木材Ｍ１を示し、図２は同合成木材Ｍ１の製造に用いられる合成木材製造装置を示した。
この合成木材製造装置は、パウダー状の木粉が収容された第１収容器１と、熱可塑性樹脂であるＰＰ（ポリプロピレン）が収容された第２収容器２と、更にこれらの側方に配備され、相溶化剤としてのマレイン酸変性ＰＰを計量して添加する添加装置３とを備え、これらの下方に混練機４を配備している。
【００１４】
混練機４は図示しないすり鉢状容器の中央底部に縦向き回転軸と一体の羽ブレードを比較的低速で回転させて被混練物を撹拌するよう作動する。ここでの混練機４内にはＰＰ（ポリプロピレン）を３０〜７０重量％と、木粉を７０〜３０重量％と、これにマレイン酸変性ＰＰが０．３〜１重量％だけ添加され、これらの混合物が撹拌される。ここでは、混練機４内の羽ブレード（図示せず）による混合物の撹拌に伴い、発生する摩擦熱で素材を十分に溶融させ、しかも、低圧混練して、内部の水分を放出させて乾燥させ、合成木材用のコンパウンドＣ１を生成する。
【００１５】
この混練機４は収容したコンパウンドＣ１が含む含有水分が１〜５％程度に低下すると、混練処理を停止し、同コンパウンドを空気冷却する。これによってコンパウンドＣ１は固まり、次いで、粉砕機５に供給される。この粉砕機５は固化した合成木材用のコンパウンドＣ１を小石状の大きさに粉砕し、隣接する押出し機６に供給する。
押出し機６はストレートの一軸スクリュー（図示せず）を回転させて、固化した小石状のコンパウンドＣ１を再度溶融してコンパウンドＣ２に戻し、このコンパウンドＣ２を押出し成形品としての合成木材Ｍ１の断面形状に相当するスリットが設けられたダイ７に導き、同ダイより連続生成物Ｍ’を押出し方向Ｘに押し出す。
【００１６】
なお、押出し機６はそのスクリューによる混練によって剪断熱が発生する。ここでは、この剪断熱が木粉を分解し、その内部の含有水分や木酸ガス等の発生が無いように、この剪断熱の発生が低レベルに規制されるよう、押圧力のみが強化されるようスクリュー等の形状が予め設定される。ここでの押出し機６はスクリュー径の大型化が図られる。これに押圧されるコンパウンドＣ２は、図示しないスリットに向かってしぼり込まれ、押圧力ｐ（図３参照）を受け、この際、木粉ｍとＰＰ（ポリプロピレン）との密着性が強化される。
特に、ここではダイ７と後述のカッター装置８との間にローラブレーキ装置９が配備される。
【００１７】
ローラブレーキ装置９は押出し方向Ｘに押しだされる連続生成物Ｍ’の両面を複数のローラ９０１でスリップ状態で挟持する。即ち、これらローラ９０１は連続生成物Ｍ’に押出し方向Ｘとは逆のダイ７の方向に向かうバックプレッシャーＰｂを加えることができるよう、各ローラ９０１に対してその回転を規制する適度の逆回転力が付与されるように構成される。このため、押出し機６内の図示しないスクリューとダイ７のスリット部分の間のコンパウンドＣ２には押圧力ｐがより大きく加わり、結果として、連続生成物Ｍ’内の木粉ｍとＰＰ（ポリプロピレン）との密着性をより強化できる。
【００１８】
なお、図３には木粉ｍとその回りのＰＰ（ポリプロピレン）を主成分とする樹脂層ａとの境界面ｆを模式的に示したが、この境界面ｆは押圧力ｐがアップされるに伴い木粉ｍの表面に沿って侵入し、密着性が強化される。
しかも、この際、式１のように、マレイン酸変性ＰＰとＰＰ（ポリプロピレン）とが架橋し、同マレイン酸変性ＰＰの水素と木粉ｍ側（例えばカーボンＣ側）の陽イオンとが置換され、木粉ｍとカーボンＣとが結合され、この点でも密着性が強化される。
【００１９】
【数１】

【００２０】
押出し機６のダイ７に形成された図示しないスリットは図２に示した合成木材Ｍ１の断面形状に形成されている。このため、ダイ７のスリットより押出された連続生成物Ｍ’は、合成木材の基材となり、同基材Ｃは上述のローラブレーキ装置９を通過後にカッター装置８に達し、ここで適宜の寸法で切断され、合成木材Ｍ１として製造される。
【００２１】
【実施例】
本発明の合成木材用組成物は、ＰＰ（ポリプロピレン）と、同ＰＰの充填材としての木粉ｍの破砕物と、ＰＰと破砕物との結合性を向上させる相溶化剤とを主成分とする。
ここで、ＰＰ（ポリプロピレン）は４４．５重量％供給される。
木粉ｍは５５重量％供給される。
相溶化剤はマレイン酸変性ＰＰが０．５重量％供給される。
【００２２】
即ち、ここでのＰＰ：木粉：マレイン酸変性ＰＰの配合比は４４．５：５５：０．５の重量比に設定される。
この配分比を設定するに当たっては、前以て図４〜図７に示したデータが採用された。
ここで、図４の曲げ強度−ＭＦＲ特性線は、流動特性ＭＦＲが低いほど曲げ強度〔ＭＰａ〕が大きくなることを示し、ＭＦＲ＝１．５程度では、押出し成形可能な流動体としての特性も十分に保持でき、曲げ強度も十分に大きくなる。
【００２３】
この流動特性ＭＦＲ〔ｇ／１０ｍｉｎ〕は、例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように計測される。即ち、規定のシリンダＳ内に、被試験流体であるコンパウンドＣ１を充填し、これを規定のウエイトＷ１で加圧する。シリンダＳの底部には規定のスリットｒが形成される。ここで、スリットｒよりコンパウンドＣ１が流下し、その部分ｄｃの流動量が計測され、ＭＦＲ〔ｇ／１０ｍｉｎ〕として設定される。なお、このスリットｒ通過時にコンパウンドＣ１は加圧されて絞られ、内部の木粉ｍはその長手方向をスリットｒの長手方向に沿うように変位した上で通過する。このため、木粉の形状（アスペクト比）、配合量によって流動特性ＭＦＲが変化することがあきらかである。
【００２４】
図５の曲げ強度−木粉配合量特性線は、ＭＦＲ＝１．５〔ｇ／１０ｍｉｎ〕の場合、木粉配合量が５５〜６５重量％で特に大きくなり、６０重量％で最大となることを示している。
図６の曲げ強度−相溶化剤（マレイン酸変性ＰＰ）添加量特性線は木粉配合量５５重量％（ほぼ、ＰＰ（ポリプロピレン）４４．５重量％前後）の場合において、相溶化剤（マレイン酸変性ＰＰ）添加量が０．５〔重量％〕の場合に曲げ強度〔ＭＰａ〕が最大と成ることを示す。
【００２５】
ここで、相溶化剤（マレイン酸変性ＰＰ）添加量が０．５〔重量％〕の場合に曲げ強度〔ＭＰａ〕が最大と成り、これを上回ると徐々に曲げ強度〔ＭＰａ〕が低下しているのは、下記するチキソトロピーＴｉの特性に基づき推測される。
【００２６】
即ち、図１０にＰＰ及びＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）のチキソトロピーの特性を示したが、このチキソトロピーＴｉはコンパウンドＣ１の流動特性（＝流動量→せん断速度〔γｌ／ｓ〕）が加重Ｆ（＝ウエイトＷ１の加重→せん断応力τ〔ｐａ〕）に対して比例関係（直線特性）よりずれる程度を示す。
【００２７】
この図１０で、木粉配合量５５重量％（ほぼ、ＰＰ４４．５重量％前後）の場合において、樹脂成分がＰＰではチキソトロピーＴｉが発現しやすく（比例関係にない）、異方性が強い。一方、樹脂成分がＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）ではチキソトロピーＴｉが発現しにくく（比例関係に近い）異方性が弱い。このため、樹脂成分がＰＰで異方性が強い場合、後述する表２に示したように、生成された合成木材Ｍ１の曲げ強度の内、９０°方向（押出し方向Ｘと直行する方向）で曲げ強度が特に大きくなる。
なお、チキソトロピーＴｉの値はＭＦＲ（Ｆ_２）／ＭＦＲ（Ｆ_１）×ｎとして算出される。ここで、ｎ＝Ｆ_２／Ｆ_１、（Ｆ_２＞Ｆ_１）で、例えば、ウエイトＷ１の値であるＦ_２を１００ｋｇに設定し、Ｆ_１を２５、５０，７５ｋｇと順次設定して各ｎを求め、その時のチキソトロピーＴｉを順次算出することとなる。
【００２８】
ここで、例えば、木粉配合量５５重量％（ほぼ、ＰＰ４４．５重量％前後）の場合において、相溶化剤添加量（重量％）を変化させた場合、その時のチキソトロピーＴｉの値を求めると、図９に示すように変化する。更に、木粉配合量５５重量％（ほぼ、ＰＰ４４．５重量％前後）の場合に、チキソトロピーＴｉを順次変化させ、その時の曲げ強度〔ＭＰａ〕を算出すると、図８に示すようにチキソトロピーＴｉの大きいほど曲げ強度〔ＭＰａ〕が大きいことが明らかである。
【００２９】
この両特性より、木粉配合量５５重量％（ＰＰ４４．５重量％前後）で、相溶化剤添加量（重量％）が０．５〔重量％〕の場合に曲げ強度〔ＭＰａ〕が最大と成り、その前後で低下することがあきらかであり、この特性は図６の特性と適合する。
【００３０】
このように、ＰＰと木粉とマレイン酸変性ＰＰからなる合成木材Ｍ１では、ＰＰ：木粉：マレイン酸変性ＰＰの配合率が４４．５：５５：０．５の重量比の場合にその曲げ強度が最も強化されることが明らかである。
本実施例で用いた木粉は、粒径ｄが０．８〜３００μｍの範囲のもので、その長さｌと粒径ｄの比であるアスペクト比ｌ／ｄが２．５〜１０（繊維長方向に長い）の破砕物を２５％以上含むものである。ここでは、木粉の粒径ｄやアスペクト比ｌ／ｄを適宜選択し、ＰＰと木粉ｍの混合物の流動特性ＭＦＲを１，５〔ｇ／１０ｍｉｎ〕に調整した。
【００３１】
次いで、木粉ｍの配合率が５５重量％に、ＰＰが４４．５重量％に、相溶化剤が０．５重量％に調整された。
このような配合比の合成木材用組成物からなる合成木材Ｍ１は表２に示す機械的強度特性を示した。
【００３２】
【表２】

【００３３】
ここで明らかなように、マレイン酸変性ＰＰの添加により木粉ｍとＰＰとの結合力を強化されたこの合成木材Ｍ１は、９０°方向（押出し方向Ｘと直行する方向）で曲げ強度が６５〔ＭＰａ〕となり、０°方向でも３８〔ＭＰａ〕となっている。なお、図１３中でも明らかなように、この合成木材Ｍ１の物性は従来の合成木材Ｍより十分強化され、ラワン合板と同等以上の物性を示した。このため、合成木材Ｍ１を板材として成形した場合、従来の合成木材Ｍの９０°方向（押出し方向Ｘと直行する方向）での曲げ強度が２８〔ＭＰａ〕（表１中に表示）であったのと比較し、十分に強化されていることが明らかで、この合成木材Ｍ１の反りを十分規制出来る。このように樹脂成分がＰＰの合成木材Ｍ１では異方性が強いため、トラックの煽り板のような長尺物に採用した場合特に有効である。
【００３４】
なお、表２には樹脂成分としてＰＰに代えてＰＶＣを用い、その配合率を４４．５重量％、木粉ｍの配合率を５５重量％、相溶化剤添加量（重量％）を０．５〔重量％〕に設定した場合の合成木材（Ｍ２）の機械的強度特性を併記した。
この場合、上述のように樹脂成分としてのＰＶＣの異方性が弱いため、９０°方向（押出し方向Ｘと直行する方向）も０°方向でも曲げ強度が３６〔ＭＰａ〕となっている。このように樹脂成分がＰＶＣの合成木材の場合、バス床板のような幅広物に採用した場合特に有効である。
【００３５】
上述の処において、木粉等セルローズ系破砕物は木粉として説明したが、これに代えて、グラスファイバ等のセルローズ系以外の一定アスペクト比を持つ破砕物を用いても良い。
合成木材Ｍ１の配合率は、ＰＰ：木粉：マレイン酸変性ＰＰの配合率が４４．５：５５：０．５の重量比であったが、これに限定されるものではなく、ＰＰ：木粉：マレイン酸変性ＰＰの配合率は２８〜６８：７０〜３０：０．１〜２の範囲に設定されても良く、これらの配合率の場合も合成木材の曲げ強度を強化できる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ＰＰ又はＰＥと木粉等セルローズ系破砕物とマレイン酸変性ＰＰとを２８〜６８：７０〜３０：０．１〜２の重量比に設定して、これらを混練し、押出し成形し、同押出し成形時のスリット通過のコンパウンドの流動特性ＭＦＲを１ . ５〔ｇ／１０ｍｉｎ〕程度に保持して木粉等セルローズ系破砕物の長手方向をスリットの長手方向に沿うようにして通過させ、更に、マレイン酸変性ＰＰにより押出し方向と直行する方向であるスリットの長手方向へ木粉等の長手方向が向けられるという特性がより高まり、マレイン酸変性ＰＰがＰＰ又はＰＥと木粉等セルローズ系破砕物との密着性を強化するので合成木材の曲げ強度を強化する。
このため、このような合成木材用組成物を使用して合成木材を板状の製品としたような場合、反りを抑え、その曲げ強度が高まるので、製品の耐久性が向上する。更に、木粉等セルローズ系破砕物は、繊維長が繊維外径より十分大きく成形された破砕物を２５％以上含むので、押出し方向と直行する方向へ配向された場合に、その異方性が顕著となり、同方向の曲げ強度の強化を図りやすくなる。
【００３７】
請求項２の発明は、
請求項１記載の合成木材において、相溶化剤としてマレイン酸変性ＰＰを用いた場合、特に、マレイン酸変性ＰＰがＰＰ（ポリプロピレン）又はＰＥ（ポリエチレン）と木粉等セルローズ系破砕物との密着性を強化する。
このため、このような合成木材用組成物を使用して合成木材を板状の製品としたような場合、その曲げ強度がより確実に高まるので、製品の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の合成木材用組成物で成形された合成木材の斜視図である。
【図２】図１の合成木材を製造する合成木材製造装置の概略図である。
【図３】図１の合成木材用組成物の部分拡大断面図である。
【図４】図１の合成木材用組成物の曲げ強度−ＭＦＲ特性線図である。
【図５】図１の合成木材用組成物の曲げ強度−木粉配合量特性線図である。
【図６】図１の合成木材用組成物の曲げ強度−相溶化剤添加量特性線図である。
【図７】図１の合成木材用組成物のＭＦＲ計測器を示し、（ａ）はその概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図８】図１の合成木材用組成物の曲げ強度−チキソトロピ−特性線図である。
【図９】図１の合成木材用組成物のチキソトロピ−−相溶化剤添加量特性線図である。
【図１０】図１の合成木材用組成物のせん断速度−せん断応力特性線図である。
【図１１】従来の合成木材の概略斜視図である。
【図１２】従来の合成木材の断面拡大図であり、（ａ）は９０°方向（押出し方向Ｘと直行する方向）の断面、（ｂ）は０°方向の断面を示す。
【図１３】南洋材の曲げ強度−曲げ弾性率特性説明線図である。
【符号の説明】
４混練機
６押出し機
７ダイ
ｍ木粉
Ｃ１コンパウンド
Ｃ２コンパウンド
Ｍ１合成木材

Claims

ＰＰ（ポリプロピレン）又はＰＥ（ポリエチレン）と、同ＰＰ又はＰＥの充填材として木粉等セルローズ系破砕物で、粒径０．８〜３００μｍの破砕物と、上記ＰＰ又はＰＥと上記破砕物との結合性を向上するマレイン酸変性ＰＰとの夫々の重量比を２８〜６８：７０〜３０：０．１〜２にしてミキシングしてコンパウンドを生成し、同コンパウンドを押出し機の合成木材の断面形状相当のスリットより板材として押出し成形し、同押出し成形時のスリット通過のコンパウンドの流動特性ＭＦＲを１ . ５〔ｇ／１０ｍｉｎ〕程度に保持して木粉等セルローズ系破砕物の長手方向をスリットの長手方向に沿うようにして通過させ、上記木粉等セルローズ系破砕物は、繊維長方向に長いアスペクト比２．５以上の破砕物を２５％以上含むとしたことを特徴とする合成木材。