JP4446352B2 - 紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に関するものである。

故紙、紙パルプのような紙製品を利用して例えば育苗容器やＣＤケースのような製品（生分解性製品）を押出成形若しくは射出成形により製造する場合、使用する成形材料を調整する技術として、例えば出願人の先願に係る特許第３２６１３６８号公報（特許文献１）に記載されるような造粒技術がある。

造粒は、水を添加した紙繊維を攪拌して紙繊維を解繊し、続いて、少なくとも澱粉系結合剤を添加して６０〜１００℃で攪拌し、解繊された紙繊維を粒状化することで行われる。

この粒状化された成形材料は、常温付近まで冷却した後、密閉容器に貯蔵しておけば、成形の都度、密閉容器から取り出してそのまま成形装置に供給することができ、非常に扱い易い。

特許第３２６１３６８号公報

本発明は、発明者等が上記粒状化された成形材料は、粒の大きさ，素材の混練度及び水分率が未だ不均一であることを見出し、これらの更なる均一化を図るべく成されたもので、上記粒状化された成形材料を略同一固形形状に成形することで、粒径，混練度及び水分率が均一な成形材料を得ることができ、より一層成形を容易に且つ良好に行える極めて実用性に秀れた紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法を提供するものである。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

紙繊維と澱粉系結合剤と水とを含む紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法であって、水を添加した紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊し、続いて、この解繊された紙繊維に澱粉系結合剤を添加し攪拌することで該澱粉系結合剤を該解繊された紙繊維に均一に分散せしめ、続いて、糊化した澱粉系結合剤と前記解繊された紙繊維とが結合した状態で攪拌して粒状化し、続いて、この粒状化したものを更に攪拌して成形機に投入することで、混練度及び水分率が均一で略同一固形形状の成形材料を製造することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

また、請求項１記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記略同一固形形状とした成形材料を乾燥させ、適宜な水分を含ませた後、前記成形機に投入して所望の形状にすることを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

また、請求項１，２いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記成形機は押出成形機であり、この押出成形機によりペレット化することで、前記略同一固形形状の成形材料を製造することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

また、請求項１〜３いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊する際、常温〜９０℃で攪拌することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

また、請求項１〜４いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記解繊された紙繊維に前記澱粉系結合剤を添加し攪拌する際、６０〜１１０℃で攪拌することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

また、請求項１〜５いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊する際及び前記解繊された紙繊維に前記澱粉系結合剤を添加し攪拌する際、夫々８０〜８５℃で攪拌することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

また、請求項１〜６いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記紙繊維及び澱粉系結合剤の固形成分と水との割合を、１０：４〜１０：１２の範囲とすることを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法に係るものである。

本発明は上述のようにしたから、粒径，混練度及び水分率が均一な成形材料を得ることができ、より一層成形を容易に且つ良好に行える極めて実用性に秀れた紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法となる。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

粒状化した成形材料を更に攪拌して略同一固形形状とすると、大きさ（粒径）がより均一化し、密度も均一化する。従って、この略同一固形形状化した成形材料を射出成形機に投入して成形を行う場合、より品質の安定した成形品を得ることが可能となる。

また、例えば射出成形機に成形材料を投入した際、水分量が不均一な従来品においては、成形材料を金型へ供給するスクリューの回転速度を速くすると射出成形を行う際に突発的に水蒸気が発生するおそれがあったが、本発明によれば個々の固形体毎に含有される水分量が均一化すると共に、十分な混練度を有するため前記スクリューによる混練時の抵抗が低下することになるため、上記水蒸気の発生を阻止することができる。従って、スクリューの回転速度をそれだけ速くすることが可能となり、可塑化時間（計量時間）の短縮化を図ることが可能となる。

また、成形材料の密度が可及的に均一となり、スクリューにより成形材料を攪拌する際に生じるせん断発熱も均一に生じることになり、可塑化時間の安定化を図ることが可能となる。

よって、可塑化時間の短縮・安定化を図ることで、射出成形機の温度上昇を抑制することができ、射出成形機をより長時間連続使用することが可能となり、極めて効率的に均質な成形品を得られることになる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、図１に図示したように紙繊維と澱粉系結合剤と水とを含む紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法であって、水を添加した紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊し、続いて、この解繊された紙繊維に澱粉系結合剤を添加し攪拌することで該澱粉系結合剤を該解繊された紙繊維に均一に分散せしめて糊化した澱粉系結合剤と該解繊された紙繊維とを結合せしめ、続いて、この紙繊維と澱粉系結合剤とが結合した状態で攪拌して粒状化させた後、該粒状化したものを攪拌して略同一固形形状に成形するものである。

紙繊維としては、木材、木綿、亜麻、麻、藁等より得られる製紙用パルプ材の状態、あるいは、使用済み新聞紙、雑誌、段ボール等の紙類、板紙、裁断屑紙、製紙工程で発生する破紙、損紙、落とし紙、使用済み廃紙等のような故紙の状態のものが使用でき、これらを微粉砕したものは、成形材料として配合した場合でも分散し易く、成形体の表面が平滑性に秀れたものとなり、効果的である。

結合材としての澱粉系結合材（若しくは澱粉結合材）は、紙繊維と極めて類似性を有する分子構造になっているので、紙繊維を強固に接着結合することができ、また、成形体の肉厚が薄い場合でも、高強度で高剛性を示して反りが発生し難くなる。

また、ポリビニルアルコールの分子構造は、紙繊維及び澱粉とは異なるものであるが、分子内に澱粉と同じ程度の親水基を有するので、澱粉と相溶して紙繊維を結合させる機能を有し、更に、長鎖状高分子で澱粉のように分岐構造ではないので、靭性が高く、澱粉と混合して結合材に使用すると成形体に靭性を付与することができる。そこで、澱粉の１０〜５０％をポリビニルアルコールにより置換してポリビニルアルコールを複合させた澱粉系結合材を用いると秀れた靭性を示し、ひび割れがない成形体を得ることができる。

解繊工程における攪拌は温度に影響されることは殆どないが、次の造粒工程においては、澱粉系結合剤が急速に糊化して塊状になるのは好ましくないため、常温〜９０℃以下の範囲に保持している。

また、この解繊状態の紙繊維に澱粉系結合剤を添加して６０〜１１０℃で攪拌すると、澱粉系結合剤は解繊されている紙繊維に均一に分散され、ついで澱粉系結合剤が糊化すると、解繊状の紙繊維は糊化した澱粉系結合剤により相互に結合された状態となる。この状態で、更に攪拌すると、造粒されて紙繊維は密に結合された粒状体となる。この粒状体は、解繊された短い紙繊維が主成分となるため、その表面は平滑となる。

尚、澱粉系結合剤を添加して６０〜１１０℃で攪拌するのは、６０℃以下では澱粉系結合剤の糊化が起こり難いので、解繊された紙繊維が澱粉系結合剤により結合されて粒状化され難くなり、１１０℃以上では澱粉系結合剤の糊化が急速に進行し、それに伴って紙繊維の粒状化が急速に進行して大きさが不均一となり、塊状のものも形成されて好ましくないことに起因している。

本実施例においては、前記紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊する際及び解繊されたこの紙繊維に前記澱粉系結合剤を添加して攪拌する際、夫々８０〜８５℃で攪拌する。従って、攪拌を行う混練機の設定温度を一定に保っておけば良く、それだけ作業性良く成形を行うことができる。

また、成形材料としての澱粉系結合剤及び水並びに紙繊維の配合比率としては、紙繊維５０〜９０部、澱粉または澱粉の１０〜５０％をポリビニルアルコールにより置き換えた澱粉系結合剤１０〜５０部の混合物１００部に、水６０〜１２０部を加えて、固形成分：水の割合を、１０：４〜１０：１２とし、更に、この混合物１００部に非アルカリ金属の長鎖脂肪酸塩を０．２〜２．０部添加したものが好ましい。

本実施例は、上記材料を上記設定温度で、特許第３２６１３６８号公報に記載の方法と同様にして粒状化するが、この粒状化されたままでは、粒の大きさ，素材の混練度及び水分率が未だ不十分であるため、本実施例においてはこの粒状化したものを更に攪拌して略同一固形形状に成形する。具体的には、粒状化したものを攪拌して押し出し成形機に投入し、ペレット化する。

押し出し成形機は、小径（φ３．５ｍｍ）な円形状の押出口を有し、この押出口から連続的に紐状の材料を押し出し成形すると共に、同一長さに切断することで略同一固形形状とし、この材料を乾燥機により乾燥させた後、ペレタイザーにより更に細かく切断して長さ５〜７ｍｍの略同一形状の円柱体を多数得る。

尚、本実施例においては、押し出し成形機により成形材料を円柱状に成形しているが、他の方法、例えばシート状にした成形材料を升目状に分割して同一固形形状化するようにしても良い。また、本実施例においては、成形材料を円柱状としているが、円柱状に限らず角柱状や球状等、他の形状としても良い。

また、この成形材料を成形機に投入して所望の形状に成形する際、この乾燥した成形材料に調湿機により適宜な水分を含ませることで、極めて扱い易い状態で成形機に投入することができ、それだけ簡易な手法で所望の成形品を得ることが可能となる。

更に、乾燥機による乾燥後、調湿したものを袋詰めしておけば、直ちに射出成形機等に投入して所望の成形品を得られることになり、それだけ作業性に秀れたものとなる。

上述のようにして得られたペレット化した成形材料は、例えば図２に図示したような射出成形機に投入される。具体的には、ペレット化した成形材料はホッパ１に投入され、スクリュー２が油圧モータ３等により回転せしめられ、成形材料はシリンダ４先端側へ混練しながら送られる。シリンダ４にはヒータ５が被嵌されており、このヒータ５による加熱と、スクリュー２による混練時のせん断発熱により成形材料は可塑化せしめられ、流動化した成形材料はノズル６から金型７に射出され、乾燥後、成形品として取り出される。

本実施例においては、上述のように成形材料を略同一固形形状に成形するから、粒径が揃っているためスクリューにより送られる材料の量が均一となり、予め設定されるプログラムとの齟齬が生じにくくなると共に、水分量や密度が均一化するため、それだけ不良品が少なくなり均質な成形品を成形可能となる。

しかも、この成形材料は混練度が十分で且つ水分が均一に含まれているから、スクリューを回転させた際の抵抗が少なく、また、成形材料を混練する際に突発的に水蒸気が発生することも阻止でき、スクリューの回転速度を速くすることが可能となり、可塑化時間の短縮化を図ることが可能となる（従って、計量時間（ホッパから投入された材料が可塑化されて設定された計量値まで行き着く時間）も短縮化される。）。また、成形材料の密度も均一となることで前記せん断発熱が均一に生じ、可塑化時間（計量時間）の安定化も図ることが可能となる。

従って、計量時間及び可塑化時間の短縮・安定化を図ることで、射出成形機の温度上昇を抑制することができ、射出成形機をより長時間連続使用することが可能となり、極めて効率的に均質な成形品を得ることが可能となる。

上記造粒工程を省いて紙繊維と澱粉系結合剤と水とを直接押し出し成形機に投入して攪拌・ペレット化しようとする場合には、紙繊維が分断されていないため攪拌効率が悪く、二軸混練押し出し機のような攪拌効率の高い特殊な装置を採用する必要があるが、本実施例においては通常のプラスチック用の押し出し成形機を用いてペレット化を行うことが可能となり、それだけコスト安に上記秀れた特性を有するペレットを成形可能となる。

本実施例は上述のようにするから、粒状化した成形材料を更に攪拌して略同一固形形状に成形すると、大きさ（粒径）がより均一化し、密度も均一化する。従って、この略同一固形形状化した成形材料を射出成形機に投入して成形を行う場合、より品質の安定した成形品を得ることが可能となる。

また、例えば射出成形機に成形材料を投入した際、水分量が不均一な従来品においては成形材料を金型へ供給するスクリューの回転速度を速くすると射出成形を行う際に突発的な水蒸気の発生が生じることがあったが、本実施例によれば個々の固形体毎に含有される水分量が均一化するため、上記水蒸気の発生を阻止することができ、しかも、十分な混練度を有するため、前記スクリューによる混練時の抵抗が低下し、よって、スクリューの回転速度をそれだけ速くすることが可能となり、可塑化時間（計量時間）の短縮化を図ることができる。

更に、成形材料の密度が可及的に均一となり、スクリューにより成形材料を攪拌する際に生じるせん断発熱も均一に生じることになり、可塑化時間の安定化を図ることが可能となる。

従って、計量時間及び可塑化時間の短縮・安定化を図ることで、射出成形機の温度上昇を抑制することができ、射出成形機をより長時間連続使用することが可能となり、極めて効率的に均質な成形品を得られることになる。

従って、本実施例は、粒径，混練度及び水分率が均一な成形材料を得ることができ、より一層成形を容易に且つ良好に行える極めて実用性に秀れたものとなる。

本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。

［比較例１］
射出成形機（日精樹脂工業製ＮＥＸ５０００（スクリュー径φ５６））に成形材料として、上記造粒工程のみを行ったＰＩＭ−Ｓ−１（水分率３２％）を投入し、以下のような条件で、計量設定値（ｍｍ）２５，５０，１００の夫々の場合について実験を行った。その結果を図３に示す。尚、計量設定値とは、シリンダに溜められる成形材料の量である。

シリンダ温度は、図２に図示したように先端側から、Ｃ１：９０℃，Ｃ２：９０℃，Ｃ３：７５℃，Ｃ４：４５℃となるように設定し、また、ブロワー温度は９２℃に設定した。また、スクリュー回転数（ｒｐｍ）は１１４、スクリュー背圧力（ＭＰａ）は２．４（最低圧）、１サイクルは７０秒に設定した。

［実施例１］
上記比較例１と同様の条件で、成形材料として上記造粒工程及びペレット化工程を行い形成されたφ３，長さ５（ｍｍ）の円柱体を用いて実験を行った。その結果を図４に示す。

図３及び図４を比較すると、実施例１は比較例１に比し、計量設定値（ｍｍ）２５，５０，１００全ての場合において、計量時間が約半分になっていることが分かる。また、計量時間のバラつきが少なく、計量時間が安定していることも分かる。更に、計量時間の短縮化・安定化に伴い、シリンダの温度上昇が抑制されていることが分かる。

以上、造粒工程の後にペレット化工程を行い得られた成形材料は、造粒工程のみを行った成形材料に比し、射出成形時に計量時間及び可塑化時間の短縮・安定化を図ることができ、射出成形機の温度上昇を抑制して、射出成形機の長時間連続使用を可能とすることが確認できた。

本実施例の工程を説明するフローチャートである。 本実施例に係る射出成形機の概略説明図である。 比較例１の実験結果を示す表である。 実施例１の実験結果を示す表である。

Claims (7)

1. 紙繊維と澱粉系結合剤と水とを含む紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法であって、水を添加した紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊し、続いて、この解繊された紙繊維に澱粉系結合剤を添加し攪拌することで該澱粉系結合剤を該解繊された紙繊維に均一に分散せしめ、続いて、糊化した澱粉系結合剤と前記解繊された紙繊維とが結合した状態で攪拌して粒状化し、続いて、この粒状化したものを更に攪拌して成形機に投入することで、混練度及び水分率が均一で略同一固形形状の成形材料を製造することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。
2. 請求項１記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記略同一固形形状とした成形材料を乾燥させ、適宜な水分を含ませた後、前記成形機に投入して所望の形状にすることを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。
3. 請求項１，２いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記成形機は押出成形機であり、この押出成形機によりペレット化することで、前記略同一固形形状の成形材料を製造することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。
4. 請求項１〜３いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊する際、常温〜９０℃で攪拌することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記解繊された紙繊維に前記澱粉系結合剤を添加し攪拌する際、６０〜１１０℃で攪拌することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。
6. 請求項１〜５いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記紙繊維を攪拌して該紙繊維を解繊する際及び前記解繊された紙繊維に前記澱粉系結合剤を添加し攪拌する際、夫々８０〜８５℃で攪拌することを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。
7. 請求項１〜６いずれか１項に記載の紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法において、前記紙繊維及び澱粉系結合剤の固形成分と水との割合を、１０：４〜１０：１２の範囲とすることを特徴とする紙繊維を主成分とする成形材料の製造方法。

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