JP4229368B2

JP4229368B2 - 繊維性成形品の製造方法

Info

Publication number: JP4229368B2
Application number: JP2003104609A
Authority: JP
Inventors: 佳年山極; 久登清水; 道宏龍野; 貴寺嶋
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: JP2004306480A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は木材チップ、草、藁などの繊維性材料の有効活用を図るべく、これらを成形品化する技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
木材チップ、草、藁などの繊維性材料は、紙製品、木製品、建材などに有効利用されるが、結合材（バインダー）としてフェノール樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂などの高分子樹脂を用いることが一般的である。しかし高分子樹脂を用いると再利用（リサイクル）や廃棄が困難となる。
【０００３】
そこで、高分子樹脂の代わりに樹木から抽出した天然物質であるリグノフェノール誘導体を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２７８９０４号公報（段落番号［００２５］、図６〜図１０）
【０００５】
特許文献１の図６を従来の技術の代表例と位置づけ、詳しく説明する。
図９は特許文献１の図６の再掲図であり、特許文献１段落番号［００２５］第３行〜第６行に「・・・セルロース系ファイバーを成形し、この成形体に、リグノフェノール誘導体溶液を含浸した後、溶媒を留去する。溶媒の留去によりリグノフェノール誘導体は粘結性を発揮し、成形材料に対して接着性を発揮する。・・・」と説明されているとおりに、リグノフェノール誘導体溶液に成形体を浸漬することを基本とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
成形体をリグノフェノール誘導体溶液に浸漬すると、当然のことながら溶液の浸透は、成形体の表面から中心に向かって進行する。しかし、成形体はある程度緻密であるため、浸透速度が低く、中心まで浸透させるには時間がかかる。時間がかかると生産性が低下する。
【０００７】
又、リグノフェノール誘導体溶液は、容器に満たし、そこへ成形体を浸漬するため、リグノフェノール誘導体溶液は、成形体体積よりも数倍の体積のものを準備する必要があり、容器に残るなど無駄が発生する。ところで、リグノフェノール誘導体は、多量に準備することや無駄が発生すると、製品コストが嵩むことになる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、リグノフェノール誘導体の使用を前提として生産性を高めることができると共にリグノフェノール誘導体の無駄を省くことのできる製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、繊維性材料とリグノフェノール誘導体と射出機構と金型と臨界温度を超え且つ臨界圧力を超えることを条件に気体・液体の性質をあわせもつ超臨界流体とを準備する準備工程と、超臨界流体、リグノフェノール誘導体及び前記繊維性材料を射出機構に供給する供給工程と、射出機構の加熱筒内部でスクリューによる混練を実施することでリグノフェノール誘導体に超臨界流体を含浸させつつ繊維性材料と混練させる可塑化工程と、可塑化した繊維性材料を金型へ射出する射出工程と、金型内部で成形を促す成形工程と、からなる繊維性成形品の製造方法であって、
前記準備工程では、繊維性材料は７０〜９５質量％、リグノフェノール誘導体は３０〜５質量％、超臨界流体はリグノフェノール誘導体を基準としてそれの少なくとも０．５質量％を準備することを特徴とする。
【００１３】
請求項２では、超臨界流体を構成する物質は、二酸化炭素又は窒素であることを特徴とする。
二酸化炭素は、臨界温度が３１．３℃で、臨界圧力が７．４ＭＰａであって、比較的低温で且つ比較的定圧で処理することができる。加えて、二酸化炭素ガスは無毒ガスであるため、成形後の成形品から大気中へ自然放出することができる。
又、窒素は、臨界温度が−１４７℃で、臨界圧力が約３．４ＭＰａであって、常温（−１４７℃以上であればよい）で加圧するだけで容易に製造することができ、無毒ガスであるため、成形後の成形品から大気中へ自然放出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明で使用する射出機構の断面図であり、射出機構１０は、加熱筒１１と、この加熱筒１１に回転自在に且つ前後進可能に取付けたスクリュー１２と、このスクリュー１２を前後進させるスクリュー前後進手段としての油圧シリンダ１３と、この油圧シリンダ１３のピストン１４を回転させることで前記スクリュー１２を回転させるスクリュー回転手段１５と、スクリュー１２の基部に設け、スクリュー１２のポジションを検出するスクリュー位置検出手段１６と、加熱筒１１の先端に設けたノズルバルブ１７と、加熱筒１１の基部に接続したホッパー１８と、このホッパー１８の縮径部１９に挿入したフィードスクリュー２１と、このフィードスクリュー２１の軸２２に取付けた撹拌羽根２３、２４と、ホッパー１８の上部の蓋２５に取付けたフィードモータ２６と、蓋２５に接続した材料供給管２７、リグノフェノール誘導体供給管２８及び超臨界流体供給管２９と、これらの材料供給管２７、リグノフェノール誘導体供給管２８及び超臨界流体供給管２９に各々設けたゲートバルブ３１、３２、３３とからなる。
【００２０】
３４はシール材であり、前記ノズルバルブ１７とともに加熱筒１１内に超臨界流体（高圧流体）を封じ込める作用を発揮する。
【００２１】
金型４０は、固定型４１と可動型４２とこれらの間に形成したキャビティ４３とからなる。型締め機構は省略した。
【００２２】
超臨界流体供給管２９で供給する超臨界流体を説明する。
図２は物質の状態図であり、横軸は温度、縦軸は圧力を示す。気体と固体との境界線は昇華曲線であり、気体と液体との境界線は蒸発曲線であることは周知の通りである。この蒸発曲線の高圧、高温側に、一般に終点があり、この終点を臨界点と呼ぶ。この臨界点に対応する温度Ｔｃを臨界温度、対応する圧力Ｐｃを臨界圧という。臨界点より高温領域では、蒸発や凝固に変化が存在しない超臨界流体となる。
【００２３】
図３は二酸化炭素の状態図であり、横軸は圧力、縦軸は密度を示す。横軸の圧力を増加するに連れて密度が大きくなるので、超臨界二酸化炭素は気体の性質を有する。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１は気体、液体及び超臨界流体の物性値をまとめた表である。しかし、表では比較し難いので、この物性値をグラフ化して次の図に示す。
【００２６】
図４は気体、液体及び超臨界流体の物性値を比較したグラフである。
（ａ）は密度の比較図であり、気体の密度は、液体の密度の１／１０００倍程度である。一方、超臨界流体の密度は、液体の密度の０．２〜１．０倍であり、超臨界流体は密度の点では液体に近い。
（ｂ）は粘度の比較図であり、超臨界流体は粘度の点では気体に近いことがわかる。
【００２７】
（ｃ）は拡散係数の比較図であり、超臨界流体の拡散係数は気体より遙かに小さいが、液体の約１０倍である。この拡散係数は大きいほど相の平衡化が迅速に行える。
【００２８】
本発明では、リグノフェノール誘導体に超臨界流体を含浸させて材料の流動化を促すことを特徴とする。図４（ａ）に示す密度が大きいほど流動化性能が大きくなる。流動化の点では、超臨界流体は気体の１０００倍に相当し、大きな流動化性能を有する。
一方、図４（ｂ）に示す粘度は小さいほど射出圧を下げることができる。粘度の点では、超臨界流体は液体の１／３０以下であるため、射出圧を下げることができる。
【００２９】
このように、超臨界状態の二酸化炭素又は窒素を採用することで、超臨界流体が可塑剤として作用するので樹脂流動性が向上し、繊維性材料の射出成形が実現できたと言える。
【００３０】
以上の構成からなる射出機構１０及び金型４０を用いて実施する本発明の繊維性成形品の製造方法を次に説明する。
図５は本発明の繊維性成形品を製造するのに好適な製造フロー図であり、図１を参照しつつ説明する。ＳＴ××はステップを示す。
【００３１】
ＳＴ０１：繊維性材料とリグノフェノール誘導体と超臨界流体と射出機構と金型とを準備する。
【００３２】
リグノフェノール誘導体は、次の要領で製造することができる。
木粉、チップ、廃材、木片などの木質化した材料は、リグニンを含むリグノセルロース系材料であり、この材料をクレゾールなどのフェノール誘導体で処理すると材料が溶解し、リグニンをリグノフェノール誘導体として抽出することができる。
【００３３】
超臨界流体には、安価で、入手容易で、且つ毒性のない二酸化炭素又は窒素が好適である。
二酸化炭素の臨界温度は３１．３℃、臨界圧は７．４ＭＰａであり、図１において超臨界流体供給管２９、ホッパ１８及び加熱筒１１の耐圧を高め、ヒータ、保温材で温度を高めることで、超臨界状態を容易に維持させることができる。
【００３４】
又、窒素は、臨界温度が−１４７℃で、臨界圧力が約３．４ＭＰａであって、常温（−１４７℃以上であればよい）で加圧するだけで容易に製造することができる。
【００３５】
超臨界流体供給管２９、ホッパー１８及び加熱筒１１の全てを臨界圧以上にするためには、ゲートバルブ３１、３２、３３を閉じると共に、ノズルバルブ１７を閉じることで密閉空間を作ることが有効である。
【００３６】
図５に戻って、ＳＴ０２：リグノフェノール誘導体、超臨界流体及び繊維性材料をホッパーに供給する。繊維性材料は、木粉、チップ、廃材、木片、草などの樹木草片であれば、種類は問わない。図１において、材料供給管２７を通じて矢印▲１▼のごとく、繊維性材料をホッパー１８へ供給すると同時に、リグノフェノール誘導体供給管２８を通じて矢印▲２▼のごとく、リグノフェノール誘導体をホッパー１８へ供給する。そして、超臨界流体供給管２９を通じて矢印▲３▼のごとく、超臨界流体をホッパー１８に供給する。
【００３７】
ＳＴ０３：ホッパー内を撹拌する。すなわち、図１にてフィードモータ２６の作用で撹拌羽根２３、２４を廻すことで、撹拌しリグノフェノール誘導体に超臨界流体を十分に接触させ、含浸させる。
【００３８】
ＳＴ０４：加熱筒へ撹拌済みの材料をフィードする。すなわち、図１にてフィードモータ２６で廻されるフィードスクリュー２１の押出し作用で、材料を加熱筒１１内へ押し込む。
【００３９】
ＳＴ０５：加熱筒内で混練する。すなわち、図１にてスクリュー１２を所定の回転数で廻すと、材料はスクリュー１２の溝に沿って移動して先端に向かう。先端に材料が溜まるが、この溜まる量に対応してスクリュー１２は後退する。
【００４０】
加熱筒１１では、材料がスクリュー１２の作用で加熱筒１１との間で圧縮されるつつ、混練が進行する。このときに、リグノフェノール誘導体に超臨界流体が浸透し、リグノフェノール誘導体の溶融粘性が下がり、射出圧を下げることができる。そしてリグノフェノール誘導体は繊維性材料に均等に混ざる。
【００４１】
ＳＴ０６：次に、射出を実行する。すなわち、図１にてノズルバルブ１７を開き、後退しているスクリュー１２を前進させる。スクリュー１２の押出し作用により、溶融化材料は、金型４０のキャビティ４３に充満する。
【００４２】
ＳＴ０７：射出した溶融化材料を冷却・固化させた後に、金型を開いて、繊維性成形品を取出せばよい。超臨界流体は、成形品から大気中へ自然放出させることができる。
得られた繊維性成形品を構成する母材は樹木・草からなる天然材料であり、バインダーは樹木から抽出したリグノフェノール誘導体であって天然材料である。この結果、繊維性成形品は、土中に廃棄することで土に戻すことができ、破砕することで紙原料に転用しリサイクル化を図ることができる。
【００４３】
本発明を実施するときに原料の配合が重要となるので、以下にその説明をする。
図６はリグノフェノール誘導体の割合と成形品の光沢との関係を示すグラフである。
横軸はリグノフェノール誘導体（上段）並びに繊維性材料（下段）の割合を示し、縦軸は成形品の光沢を示す。木材チップに代表される繊維性材料は光沢に乏しい。逆に、リグノフェノール誘導体は光沢作用を発揮する。リグノフェノール誘導体と繊維性材料との合計を１００質量％として、両者の配合を種々変更して成形品の光沢を調べた。
【００４４】
グラフに示すとおりに、リグノフェノール誘導体の割合が５質量％以上であれば、必要な光沢が確保できることが確認できた。そこで、リグノフェノール誘導体の割合の最小値を５質量％、繊維性材料の割合の最大値を９５質量％にすることとした。
【００４５】
図７はリグノフェノール誘導体の割合と成形品の強度との関係を示すグラフである。
横軸はリグノフェノール誘導体並びに繊維性材料の割合を示し、縦軸は成形品の引張り強さを示す。
リグノフェノール誘導体と繊維性材料との合計を１００質量％として、両者の配合を種々変更して成形品の引張り強さを調べたところ、山形の曲線を描くことが分かった。
【００４６】
繊維性成形品は、家具や木質調食器を想定しているため、取扱いに耐える強さが必要である。横軸のリグノフェノール誘導体５質量％から縦軸に平行な線を描き、曲線と交わった点をＰ１とする。発明者らの研究では、この点Ｐ１における引張り強さを、必要強さとみなすことができる。
【００４７】
点Ｐ１を通る横線を引き、この横線と交わった新たな点をＰ２とする。この点Ｐ２は横軸の目盛りで３０質量％に相当する。すなわち、リグノフェノール誘導体の割合を５〜３０質量％にすることで、必要な強さを発揮させることができるといえる。
【００４８】
そして、より高い強さが要求されたときには、図示するごとくリグノフェノール誘導体の割合を１０〜２５質量％にすることで、好ましい強さを発揮させることができるといえる。
【００４９】
従って、繊維性材料を７０〜９５質量％としリグノフェノール誘導体を３０〜５質量％とすることが有効であり、好ましくは繊維性材料を７５〜９０質量％としリグノフェノール誘導体を２５〜１０質量％とする。
【００５０】
超臨界流体は、リグノフェノール誘導体に極めて良好に含浸し、少量であってもリグノフェノール誘導体の溶融粘性を大幅に下げる作用を発揮する。超臨界流体は、リグノフェノール誘導体に対して０．５質量％以上であれば流動化の目的を達成しうる。０．５質量％未満であるとリグノフェノール誘導体の流動抵抗が低減しないため、好ましくない。
【００５１】
次に本発明に係る別実施例を説明する。
図８は図１の別実施例図であり、図１と共通の要素は符号を流用し、詳細な説明は省略する。この別実施例は、超臨界流体供給管２９から分岐管３５を分岐し、この分岐管３５の先端を加熱筒１１の途中に接続し、分岐管３５にゲートバルブ３６を設けたことを特徴とする。
【００５２】
発明者らが実験したところでは、条件によっては射出圧が許容値以上に上昇し、射出工程に支障を来すことがあった。その理由は、超臨界流体がリグノフェノール誘導体によく含浸すると同時にリグノフェノール誘導体から抜けやすいため、ホッパー１８から金型４０までの経路が長いと、途中で超臨界流体が抜けてしまったと考えられる。
そこで、図のようにホッパー１８と加熱筒１１との２箇所で超臨界流体を供給すると、ホッパー１８内部及び加熱筒１１内部での材料の流動化が維持できた。
【００５３】
超臨界流体供給管（供給系統）が複雑になるが、３箇所又は４箇所以上で、超臨界流体を供給することは差し支えない。
【００５４】
尚、図１で説明した射出機構１０は１例を示したに過ぎず、全電動式射出機構であってもよい。
又、超臨界流体をリグノフェノール誘導体に予め混合した状態で、ホッパー１８に供給することや、超臨界流体を繊維性材料に予め混合した状態で、ホッパー１８に供給することは差し支えない。
【００５５】
さらに又、図５で説明したフローは１例を示したに過ぎず、ステップを増減すること、発明の主旨を変えない範囲でステップの内容を変更することは差し支えない。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、リグノフェノール誘導体に超臨界流体を含浸することで、リグノフェノール誘導体の溶融粘性が下がるから射出圧を下げることができる。このことにより、射出成形法が実施可能となる。
そして、射出成形法を採用することで、多量の成形品を効率よく生産することができる。
【００５７】
射出機構において、可塑化工程で溶融粘性の下がったリグノフェノール誘導体に繊維性材料を十分に混練させるため、成形品の表面から中心までリグノフェノール誘導体を均等に配合することができる。リグノフェノール誘導体の結合作用で繊維性材料を成形品化することができる。
【００５８】
リグノフェノール誘導体は樹木から抽出した天然物質であり、繊維性材料も天然物質であるから、繊維性成形品を地中に廃棄したときにはバクテリアなどの助けにより土壌に戻すことができる。又は、繊維性成形品をリサイクル化することができる。
【００６０】
加えて請求項１では、準備工程で、繊維性材料は７０〜９５質量％、リグノフェノール誘導体は３０〜５質量％、超臨界流体はリグノフェノール誘導体を基準としてそれの少なくとも０．５質量％準備することを特徴とする。
【００６１】
リグノフェノール誘導体の割合が５質量％未満であると、成形品の表面の光沢が乏しくなり、木質感が損なわれる。
また、リグノフェノール誘導体は繊維性材料を結合するバインダーの役割を果たす。リグノフェノール誘導体の割合が５質量％未満であると、結合力が不十分になり、成形品の強度が不十分になり、成形品が壊れやすくなる。木質感を高めると共に強度を確保するために、リグノフェノール誘導体の割合は５質量％以上にする必要がある。
【００６２】
反面、リグノフェノール誘導体は軟質材料であるから、１５質量％以上になるとその割合が増加するほど成形品の強度が低下する。本発明者らが実験し、検討したところでは、リグノフェノール誘導体の割合が３０質量％を超えると成形品の強度が不十分となることが分かった。そのため、リグノフェノール誘導体の割合は３０質量％以下にする必要がある。
【００６３】
超臨界流体は、リグノフェノール誘導体に極めて良好に含浸し、少量であってもリグノフェノール誘導体の溶解粘性を大幅に下げる作用を発揮する。超臨界流体は、リグノフェノール誘導体に対して０．５質量％以上であれば流動化の目的を達成しうる。０．５質量％未満であるとリグノフェノール誘導体の流動抵抗が低減しないため、好ましくない。
【００６４】
すなわち、請求項１では、繊維性材料は７０〜９５質量％、リグノフェノール誘導体は３０〜５質量％、超臨界流体はリグノフェノール誘導体を基準としてそれの少なくとも０．５質量％とすることで、ほぼ繊維性材料が７０〜９５質量％で、リグノフェノール誘導体が３０〜５質量％の成形品を得ることができ、この成形品は木質感がよく、十分な強度が期待できる。
また、請求項２では、超臨界流体を構成する物質は、二酸化炭素又は窒素であることを特徴とする。
二酸化炭素は、臨界温度が３１．３℃で、臨界圧力が７．４ＭＰａであって、比較的低温で且つ比較的定圧で処理することができる。加えて、二酸化炭素ガスは無毒ガスであるため、成形後の成形品から大気中へ自然放出することができる。
又、窒素は、臨界温度が−１４７℃で、臨界圧力が約３．４ＭＰａであって、常温で加圧するだけで容易に製造することができ、無毒ガスであるため、成形後の成形品から大気中へ自然放出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する射出機構の断面図
【図２】物質の状態図
【図３】二酸化炭素の状態図
【図４】気体、液体及び超臨界流体の物性値を比較したグラフ
【図５】本発明の繊維性成形品を製造するのに好適な製造フロー図
【図６】リグノフェノール誘導体の割合と成形品の光沢との関係を示すグラフ
【図７】リグノフェノール誘導体の割合と成形品の強度との関係を示すグラフ
【図８】図１の別実施例図
【図９】特許文献１の図６の再掲図
【符号の説明】
１０…射出機構、１１…加熱筒、１２…スクリュー、２８…、リグノフェノール誘導体供給管、２９…超臨界流体供給管、４０…金型。

Claims

繊維性材料とリグノフェノール誘導体と射出機構と金型と臨界温度を超え且つ臨界圧力を超えることを条件に気体・液体の性質をあわせもつ超臨界流体とを準備する準備工程と、超臨界流体、リグノフェノール誘導体及び前記繊維性材料を射出機構に供給する供給工程と、射出機構の加熱筒内部でスクリューによる混練を実施することでリグノフェノール誘導体に超臨界流体を含浸させつつ繊維性材料と混練させる可塑化工程と、可塑化した繊維性材料を金型へ射出する射出工程と、金型内部で成形を促す成形工程と、からなる繊維性成形品の製造方法であって、
前記準備工程では、繊維性材料は７０〜９５質量％、リグノフェノール誘導体は３０〜５質量％、超臨界流体はリグノフェノール誘導体を基準としてそれの少なくとも０．５質量％を準備することを特徴とする繊維性成形品の製造方法。
前記超臨界流体を構成する物質は、二酸化炭素又は窒素であることを特徴とする請求項１記載の繊維性成形品の製造方法。