JP3673403B2

JP3673403B2 - 紙と生分解性樹脂との複合材及びその製造方法

Info

Publication number: JP3673403B2
Application number: JP17569398A
Authority: JP
Inventors: 邦子竹下; 真一浦松
Original assignee: 日本紙管工業株式会社
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JP2000006142A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、紙と生分解性樹脂との複合材及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、生分解性樹脂は、廃棄した際に焼却処分をしなくとも、土中に埋めておくことによって、微生物の働き等によって分解されるものとして、易廃棄性、地球環境の保護の観点から注目されている。
【０００３】
しかしながら、生分解性樹脂の価格は高い上、生分解性樹脂の分解性は、主として微生物に依存するため、自然環境によって大きく左右される。また、生分解性樹脂の成形品の大きさや肉厚によっても、その分解に要する時間は左右される。特に、生分解性樹脂の成形品の場合は、フィルムと違い厚みが厚いために完全な分解迄には、かなり長時間を要することとなる。そのため、幾分不安定な分解性を改善し、より短い時間で分解されるようにすることが、生分解性樹脂の利用の拡大には重要であると考えられる。
【０００４】
他方従来より、紙と樹脂とを混練して、成形原材料として利用する技術は、古紙のリサイクルの一つの方法及び燃焼カロリーの低減手段として着目され、また、紙成分が５１ｗｔ％以上の場合には紙として一般ゴミの扱いとなり廃棄性の観点からも注目されている。
【０００５】
この紙と樹脂との複合材を製造する方法としては、紙を小片状として樹脂と混練する方法と、紙を解繊し、この繊維状の解繊物と樹脂とを混練する方法とに大別し得る。前者は小片状の紙の存在が成形品内で見える場合があり外観上の点から使用用途が限られる場合があるが、後者は、そのような外観上の制約は殆どなく、さらに、解繊物の植物繊維が樹脂の強化材として作用し、樹脂単体に比して機械的強度を向上させることができるという利点がある。
【０００６】
後者の方法については、紙を小片状に粗砕し、この小片状の紙を溶融した樹脂液中で叩解して解繊することにより、叩解による解繊と混練とを一つの工程で行う方法が知られている。ところがこの方法では、叩解を溶融した樹脂液中で行うため、叩解中に大きなせん断力と熱とが加わり、繊維が劣化してしまう。
【０００７】
後者の他の方法としては、紙を予め解繊し、この解繊した紙と樹脂とを混練する方法があるが、この方法については、解繊を多量の水を用いて溶解させる湿式法と、溶解のための水を用いない乾式法の２つの方法がある。
【０００８】
湿式法の場合、得られた繊維を公定水分量（８〜９％程度）に乾燥すると繊維間の水素結合力が大きくなり、物理的な力で混練分散させることが困難となったり、熱エネルギーを多量に必要とすると言った問題が指摘されている。
【０００９】
乾式法としては、特開平５−２６９７３６号公報に記載の方法が提案されている。この方法は、溶解のための水を用いない乾式法により紙を解繊し、これに分散性改良剤を加えて造粒し、この粒状とした解繊繊維と樹脂とを混練するものである。
【００１０】
この乾式法では、紙の公定水分量（８〜９％程度）をほぼ維持して解繊するものであり、混練に使用される解繊繊維は、８〜９％程度の水分量を含んでいる。その結果、解繊繊維と樹脂との複合材の含水率は、最大、４〜６％となる可能性があり、このように、吸水した含水率の高い複合材を用いて成形を行うと、成形時の加熱溶融の段階で水分の蒸気化により、樹脂に加水分解が生じて、物性が低下すると共に、発泡による成形物の欠落空洞化がおこるおそれがある。
【００１１】
勿論、混練時の加熱及び発熱によって、水分が上昇するため、混練を長時間行うことによって、複合材の含水率を低下させることはできるが、乾燥を混練に過度に依存することは、混練工程の生産性の低下を招き、コストアップの要因となる。また、生産において、安定な複合材を得るためには、加熱温度、混練時間等の製造条件を一定にすることが重要である。ところが、水分量の安定を中心に管理すると、解繊繊維の含水率は大気湿度によって大きく左右されるため、含水率に応じて混練の加熱温度条件や混練時間等を変更する必要が生じてしまい、複合材全体の製品の安定性を図ることができない。
【００１２】
さらに、本願発明者は、複合材の品質や生分解性を大きく左右する他の要因として、解繊繊維の繊維長に着目したものであり、繊維長の面からも品質の安定化と生産性の向上を図らんとするものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、品質の安定化と共に、高い生産性のもと低コストで生産でき、成形品に加工して使用するときには充分な強度等の機械的物性を有すると同時に肉薄加工が可能となり、さらには、生分解性樹脂の特徴である分解作用をより有効に発揮させ、より短時間で分解され得る複合材の提供、及び、かかる複合材を生産する方法の提供を目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで本願発明は、次の構成を特徴とするを提供することにより、上記の課題を解決する。
本願の第１の発明は、紙を樹脂と混練することにより得られた紙と樹脂との複合材において、紙と樹脂との配合比率が重量比率で５：９５〜９０：１０あり、上記の樹脂は、ポリブチレンサクシネートであり、上記の紙は、解繊することによって繊維状とされたものであり、解繊した紙の繊維長の平均が２ mm 以上であって、繊維群を構成する紙の繊維の８０％が、繊維長のバラツキを２．５ mm 以下の範囲内に揃えたものであることを特徴とする紙と生分解性樹脂との複合材を提供する。
本願の第２の発明は、第１の発明にあって、解繊繊維を５１重量％以上を含有したものであり、解繊繊維を１％以上５％以下の含水率に乾燥して生分解性樹脂と混練することを特徴とする紙と生分解性樹脂との複合材を提供する。
本願の第３の発明は、乾式により紙を解繊する工程と、得られた解繊繊維を乾燥する工程と、この乾燥した解繊繊維を、生分解性樹脂と混練する工程とを備え、紙と樹脂との配合比率が重量比率で５：９５〜９０：１０あり、上記の樹脂は、ポリブチレンサクシネートであり、上記の紙は、解繊することによって繊維状とされたものであり、解繊した紙の繊維長の平均が２ mm 以上であって、繊維群を構成する紙の繊維の８０％が、繊維長のバラツキを２．５ mm 以下の範囲内に揃えたものであることを特徴とする紙と生分解性樹脂との複合材の製造方法を提供する。
本願の第４の発明は、第３の発明にあって、解繊繊維を１％以上５％以下の含水率に乾燥して生分解性樹脂と混練することを特徴とする紙と生分解性樹脂との複合材の製造方法を提供する。
【００１５】
本願の第１の発明にあたっては、水分の存在が分解のための好ましい条件となる生分解性樹脂であるポリブチレンサクシネートを単体で用いるのではなく、解繊することによって繊維状とされた紙と混練した複合材として用いるため、この複合材によって生分解性樹脂使用コストは下がり、成形した成形品の機械的物性は、紙の解繊繊維によって強化され向上している。従って、生分解性樹脂の単体による成形品と同一の強度をもつものを、より薄い肉厚によって得ることができる。その結果、生分解される際にも、肉厚の小さい分、より短時間の分解が実現する。さらに重要な事は、加水分解等の水分の存在によって分解が促進される生分解性樹脂を用い、解繊繊維によって土中から水分を吸収し成形品内に供給することによって、加水分解を誘起することができ、同一の肉厚としても、生分解性樹脂単体の場合よりも短い時間での分解を実現するものである。
【００１６】
しかも、解繊した紙の繊維長の平均が２mm以上、より好ましくは３mm以上であることを特徴とするものを提供する。このような比較的長い繊維長の解繊繊維を用いることによって、吸水効果を向上させ、加水分解作用を促進することができるものである。
【００１７】
本願の第３の発明は、本願の第１の発明に係る複合材を製造し得る方法を提供するものであり、しかも、乾式の解繊工程によって得られた解繊繊維は、紙の公定水分量程度の８〜９％程度の含水率となっているが、これをさらに乾燥することによって、混練開始時の水分量を紙の公定水分量をより低い値になすことができる。その結果、混練工程中に要する水分の蒸発のための熱エネルギーを少なくでき、混練工程の時間短縮を図ることができ、生産性が向上する。しかも、得られた複合材の成形収縮率も小さくなり、成形時にヒケ等が発生することを防止し得る。
【００１８】
さらに第４の発明にあっては、解繊繊維を１％以上５％以下の含水率に乾燥して生分解性樹脂と混練することによって、最も好ましい状態で、混練工程をなすことができる。
【００１９】
本願発明に用いられる紙は、新しい紙であってもよいが、資源の再利用の観点からは、古紙を利用することができる。古紙の種類も特に問わないが、紙管等の厚みの大きな古紙を利用することも可能である。紙管等の接着剤を含む古紙を利用する時には、接着剤として、水溶性のＰＶＡ系、酢酸ビニル系、澱粉系の接着剤を用いたものを利用することが望ましく、特に、澱粉等の天然系のものは生分解のための富栄養化剤としても機能するために有利である。また、焼却時にダイオキシンの発生を防止する観点からすると、上質紙等の塩素系の漂白剤等の薬剤を用いて処理された紙を除いて、言い換えれば、塩素化合物を含まない紙を利用することが望ましい。
【００２０】
この紙は、解繊されるが、この解繊の能率を高めるために、粗砕装置によって数mmなしい数cm角状の粗砕片に粗砕しておくことも望ましい。
解繊は、必要に応じて粗砕処理を施した紙を、綿状の繊維になすもので、湿式若しくは乾式のいずれかを問わないが、望ましくは、溶解のための水を用いない乾式法により行う。湿式で行うと、得られた繊維を公定水分量（８〜９％程度）に乾燥すると繊維間の水素結合力が大きくなり、物理的な力で混練分散させることが困難となるため、乾式の方が有利である。
【００２１】
この解繊によって得られる繊維の繊維長は、一定長さの繊維群に揃えることが望ましい。この繊維群は、繊維群を構成する紙の繊維の８０％が、繊維長のバラツキを２．５mm以下の範囲内に揃える。一例を掲げると、紙の繊維の８０％が、１mm以下の群、２±１mmの群、３mm〜４mmの群と言うように、繊維長を揃える。繊維長を揃える方法としては、乾式の場合には、紙を微細にせん断する刃の間隔や、スクリーンの目の大きさを、夫々の群に応じた大きさのものに変更することによって、繊維長を揃えることができる。尚、この乾式の場合にも、せん断の能率を高めるためや、爆発防止のために微量の水を投入して解繊してもよい。そして、得られた解繊繊維の水分量は、紙の公定水分量８〜９％若しくはそれ以下となっている。そして、生分解性を高めるためには、繊維長の平均を２ mm 以上とし、さらに３mm以上のものを用いることが最も好ましく、これにより、成形品内部への水分の吸収を良好に行うことができる。
【００２２】
次に、解繊繊維を、乾燥する。この乾燥は、紙の通常の水分量（紙の公定水分８〜９％）より少ない含水率に減少させるものである。望ましくは５％以下、より望ましくは物性保持と生産性向上を目的として１〜３％の含水率に調整する。ここで、含水率ｘとは、ｘ＝（ｗ０−ｗ１）／ｗ１×１００で表される。但し、ｗ０＝乾燥前の重量、ｗ１＝乾燥後の重量とする。乾燥方法としては特に制限はないが、熱風を利用した熱風循環乾燥方式の他、時間短縮のために有利な高周波加熱乾燥方式や赤外線照射加熱乾燥方式を用いることができる。
【００２３】
この乾燥後の解繊繊維は、生分解性樹脂と調合され、混練される。生分解性樹脂としては、微生物が排出した酵素によって樹脂が加水分解され、且つ、少量の水分の存在によって分解が促進されるもの等、水分の存在が分解のための好ましい条件となる樹脂を用いるもので、ポリブチレンサクシネートを含んだものを用いる。調合と混練とは別工程としてもよく、同じ工程としてもよい。また、繊維長の異なる複数の繊維群を、調合してもよい。解繊繊維と生分解性樹脂との配合比率は、重量比率で５：９５〜９０：１０程度とするが、解繊繊維を５１％以上とする（５１：４９〜９０：１０程度とする）ことによって、得られた製品が紙として焼却し得る点で特に好ましい。尚、この解繊繊維と生分解性樹脂との他に、着色剤、安定剤等の添加物を加えることもできる。
【００２４】
混練装置は、加熱しながら生分解性樹脂を溶解させ、攪拌することによって、生分解性樹脂を解繊繊維と混合させるもので、これにより解繊繊維と生分解性樹脂との複合化が図られる。その際、混練中の加熱、発熱によって、水分が蒸発して１％以下（望ましくは０．３％以下）まで、含水率が低下させられるが、本願発明では前述の乾燥工程を経ているため、水分飛散時間を短縮することができ、混練時のコストやエネルギーを削減することができる。この混練は、解繊繊維を混練装置の混練槽中に先に投入して、後から生分解性樹脂を投入してもよく、その逆に、先に生分解性樹脂を投入した後、解繊繊維を投入してもよく、両者を予め調合して予備的に混合した後、投入してもよい。尚、解繊繊維を乾燥した後に、大気中に長時間放置しておくと、解繊繊維が吸湿して乾燥の意味がなるなるため、低含水率を維持した状態で混練工程へと移す必要がある。具体的には、乾燥と混練とを連続して行うことが最も単純で確実な方法であると言えるが、乾燥後に密閉状態で貯蔵して低含水率を維持するか、或いは、混練工程前に再度乾燥するか、何れにしても、混練前に少なくとも１回の乾燥処理を行うことによって、混練開始時に低含水率とする。
【００２５】
さらに、混練に際しては、圧力を加えながら攪拌する、加圧攪拌式混練製造方法を用いることができる。この方法では、圧力を加えながら攪拌するため、時間短縮、混合の良好性、物性の安定化、紙繊維体積の低減を図ることができる。特に、圧力を加えながら解繊繊維を攪拌することによって、解繊繊維群の密度が高まり、生分解性樹脂との混練が良好になされ、時間短縮、混合の良好性、物性の安定化、紙繊維体積の低減が図られる。加圧の圧力は、０．１０〜０．１７ＭＰａのエアー圧にてコンパウンドするものであり、まず、密度の小さな綿状の解繊繊維を圧縮する。ある程度圧縮がなされた状態で、生分解性樹脂を投入して攪拌するものであり、混練の完了状態では、殆ど圧力がかかっていない状態となる。また、この加圧攪拌式混練製造方法では、圧力があるため、混練用のスクリューの回転数は、２０〜５０ｒｐｍ程度の低速攪拌で足る。このように高速回転を行う必要がないため、紙繊維を傷めない点で有利である。
【００２６】
尚、焼却時にダイオキシンの発生を防止する目的から、上記のように、利用する紙の種類を選択するのも一つの方法であるが、確実に選択し得ないおそれもあるため、混練開始までの段階、即ち、粗砕、解繊、乾燥、調合の段階で脱塩素処理を行っておくことも望ましい。
【００２７】
混練によって得られた、解繊繊維と生分解性樹脂との複合材（以下、単に本件複合材と言う）は、合成生分解性樹脂の常法によって、利用される。一般には、造粒処理によってペレット状とされ、各種の樹脂成形機によって種々の製品を成形する。成形の方法と、これに用いられる成形機の種類は、合成樹脂成形に利用されるものから種々選択して使用できる。本件複合材の含水率は０．５％以下となっているが、本件複合材から樹脂成形までの間に吸湿しないように、得られたペレットを防湿性のパッケージ内等に保持しておくことが望ましい。但しこれに限らず、複合材を得た後に吸湿した水分を乾燥させるために、成形前に乾燥させるか、又は、例えば射出成形機の成形機における原料の投入口に、乾燥装置を設けておき、成形前に投入する本件複合材のペレットを０．３％以下の含水率程度に乾燥させるようにしてもよい。
【００２８】
【実施例】
以下、本件発明の実施例を比較例と共に表１に示すが、本件発明はこの実施例に限定して解釈されるべきではない。
【００２９】
実施例１は、紙管を粗砕装置によって１０〜３０mm角の粗砕片に粗砕し、乾式解繊装置によって解繊した。その際、得られた紙の繊維の８０％が２±１mmの範囲内に収まるように、解繊装置のスクリーンの目の大きさを設定した。得られた解繊繊維を、熱風乾燥機によって含水率３％以下に乾燥した後、この解繊繊維２０重量％を、生分解性樹脂８０重量％と共に加圧攪拌式混練装置によって混練し、得られた実施例１に係る複合材を造粒機によって造粒し、ペレット状とした。造粒完了時の実施例１に係る複合材の含水率は０．２９％であった。この複合材を１カ月間放置した後、射出成形機で試験片を成形した。尚、射出成形機に投入直前に乾燥させた時の複合材の含水率を示す成形前含水率は、０．２２％であった。
【００３０】
実施例２〜４及び比較例１，２についても、表１に示す条件によって上記方法によって成形した。尚、実施例１〜４は解繊繊維の配合率を変化させたものであり、比較例１，２は対象区としてそれぞれ生分解性樹脂のみ、ポリエチレンのみによって成形した。各実施例及び比較例１の生分解性樹脂としては、ポリブチレンサクシネートを用いた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
次に、混練工程における温度及び電流の測定結果と、造粒工程における生産性と、各実施例及び比較例で得られた樹脂成形品の各種機械的物性の測定結果とを表１の下半に示す。「設定材料温度」は、混練をほぼ２０分で終了させることが出来る設定温度で、低い値の方が電気効率が良い。「２０分後電流」は、混練開始時から２０分経過した時点での混練装置の攪拌モータの電流を示し、値の低い方が電気効率は良く、製造時間の短縮が出来る。生産性は、１時間当たりに生産されるペレットの総重量を示し、値の大きい方が生産性が高い。「引張強度」「引張弾性率」はＪＩＳＫ７１１３によって、「アイゾット衝撃値」はＪＩＳＫ７１１０（ノッチ付き）によって試験した。
【００３３】
この表１から明らかなように、各実施例は、解繊繊維を含まない比較例１に比して機械的物性が向上しているが、実施例１については、解繊繊維配合率が少なく、紙の特徴とする生分解的機能が他の実施例に比して低くなるおそれがある。解繊繊維配合率の高い実施例４は他の実施例に比して生産性、機能的物性ともに低くなっているが、燃焼カロリーが低く、生分解速度が早まる点で有利である。また、高価とされている生分解性樹脂のコストダウンにもなる。比較例２については機械的物性が低く、燃焼カロリーが高いものであり、生分解的機能は期待できないものであり、この比較例２の欠点を本願の各実施例では解決している。
【００３４】
【発明の効果】
本願発明は、品質の安定化と共に、高い生産性のもと低コストで生産でき、成形品に加工して使用するときには充分な強度等の機械的物性を有すると同時に、生分解性樹脂の特徴である分解作用をより有効に発揮させ、より短時間で分解されることができる複合材及び同複合材を生産する方法を提供し得たものである。

Claims

紙を樹脂と混練することにより得られた紙と樹脂との複合材において、紙と樹脂との配合比率が重量比率で５：９５〜９０：１０あり、
上記の樹脂は、ポリブチレンサクシネートであり、
上記の紙は、解繊することによって繊維状とされたものであり、
解繊した紙の繊維長の平均が２ mm 以上であって、
繊維群を構成する紙の繊維の８０％が、繊維長のバラツキを２．５ mm 以下の範囲内に揃えたものであることを特徴とする紙と生分解性樹脂との複合材。
解繊繊維を５１重量％以上を含有したものであり、解繊繊維を１％以上５％以下の含水率に乾燥して生分解性樹脂と混練することを特徴とする請求項１記載の紙と生分解性樹脂との複合材。
乾式により紙を解繊する工程と、得られた解繊繊維を乾燥する工程と、この乾燥した解繊繊維を、水分の存在が分解のための好ましい条件となる生分解性樹脂と混練する工程とを備え、
紙と樹脂との配合比率が重量比率で５：９５〜９０：１０あり、
上記の樹脂は、ポリブチレンサクシネートであり、
上記の紙は、解繊することによって繊維状とされたものであり、
解繊した紙の繊維長の平均が２ mm 以上であって、
繊維群を構成する紙の繊維の８０％が、繊維長のバラツキを２．５ mm 以下の範囲内に揃えたものであることを特徴とする紙と生分解性樹脂との複合材の製造方法。
解繊繊維を１％以上５％以下の含水率に乾燥して生分解性樹脂と混練することを特徴とする請求項３記載の紙と生分解性樹脂との複合材の製造方法。