JP4685990B2 - 木粉含有樹脂成形体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、木粉を含有する樹脂成形体及びその製造方法に関する。

近年、檜、杉等の木粉をポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に含有させた木粉含有樹脂成形体が検討されている。前記木粉含有樹脂成形体は、前記木粉を含有することにより、熱可塑性樹脂を減量することができ、また、所定量以上の前記木粉を含有する場合には、一般廃棄物として焼却処理することが可能になる。ところが、前記熱可塑性樹脂は、木粉を含有する比率が高くなるほど溶融状態において流動性が低く、そのままでは射出成形することが難しいという問題がある。

そこで、前記問題を解決するために、溶融状態のポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂組成物に、木粉を含有させると共に、超臨界状態の流体を加圧下で含浸させて、射出成形を行う技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

前記技術によれば、前記超臨界状態の流体を含浸させることにより溶融状態の熱可塑性樹脂組成物の流動性を向上させることができるので、該熱可塑性樹脂が高い比率で木粉を含んでいても射出成形を行うことができる。

一方、前記超臨界状態の流体を含浸させた熱可塑性樹脂は、キャビティ内に射出された後、圧力が低下して該流体の臨界圧力以下になると、該流体が発泡し、得られた木粉含有樹脂成形体の内部に微小な気泡からなる発泡層を形成する。この結果、得られた木粉含有樹脂成形体は、内部に前記発泡層が形成されていると共に、表面に非発泡層が形成されている。

そこで、前記溶融状態の熱可塑性樹脂組成物をキャビティ内に射出した後、キャビティの容積を拡大して該熱可塑性樹脂組成物の圧力を低減させ、前記流体を積極的に発泡させることにより、得られた木粉含有樹脂成形体の軽量化を図ることが提案されている。

特開２００８−２４９１４号公報

しかしながら、前記木粉含有樹脂成形体では、キャビティの容積を拡大して熱可塑性樹脂組成物の圧力を低減させると、前記発泡層に含まれる気泡の一部が巨大化することがあり、十分な機械的強度を得られないことがあるという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、熱可塑性樹脂を減量し、軽量化することができると共に、優れた機械的強度を備える木粉含有樹脂成形体及びその製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、木粉を含む熱可塑性樹脂からなり、表面に形成された非発泡層と内部に形成された発泡層とを備える木粉含有樹脂成形体において、該木粉含有樹脂成形体は、熱可塑性樹脂１００重量部に対し、平均粒子径が１〜１０００μｍの範囲の木粉を、３０〜７０重量部の範囲で含むと共に、該発泡層は、表面に近い側から順に、平均径が１０〜１００μｍの気泡を備える第１の発泡層と、平均径が５〜５０μｍの第１の発泡層より平均孔径の小さな気泡を備える第２の発泡層と、平均径が２０〜５００μｍの第１の発泡層より平均孔径の大きな気泡を備える第３の発泡層とからなることを特徴とする。

本発明の木粉含有樹脂成形体は、平均粒子径が前記範囲にある木粉を前記範囲の量で含むことにより、前記熱可塑性樹脂の樹脂量を低減することができる。また、本発明の木粉含有樹脂成形体は、前記第１〜第３の発泡層を備えることにより、軽量化することができると共に、気泡の巨大化を防止して優れた機械的強度を得ることができる。

本発明の木粉含有樹脂成形体の製造方法は、溶融状態の熱可塑性樹脂１００重量部に対し、平均粒子径が１〜１０００μｍの範囲の木粉を、３０〜７０重量部の範囲となるように混合して木粉含有熱可塑性樹脂組成物を形成する工程と、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物に、超臨界状態の流体を該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の０．０５〜２質量％の範囲で加圧下に含浸する工程と、該超臨界状態の流体が含浸された該木粉含有熱可塑性樹脂組成物を所定形状のキャビティに射出する工程と、該キャビティに射出された該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力が該流体の臨界圧力未満になったときに、該キャビティの容積を拡大して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度の低下に伴う圧力の低減速度よりも大きな第１の速度で低減させる工程と、さらに、該キャビティの容積を拡大して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を第１の速度よりも小さな第２の速度で低減させる工程と、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度が、該熱可塑性樹脂のガラス転位温度Ｔｇに７０℃を加えた温度以下になる前に、該キャビティの容積を縮小して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を増加させる工程とを備えることを特徴とする。このような製造方法によれば、本発明の木粉含有樹脂成形体を有利に製造することができる。

本発明の木粉含有樹脂成形体の製造方法では、まず、溶融状態の熱可塑性樹脂１００重量部に対し、平均粒子径が１〜１０００μｍの範囲の木粉を、３０〜７０重量部の範囲となるように混合して木粉含有熱可塑性樹脂組成物を形成する。前記木粉は、平均粒子径を１μｍ未満とするには特殊な装置を必要とし、平均粒子径が１０００μｍを超えると前記熱可塑性樹脂に混合すること自体難しくなるので、いずれも好ましくない。また、本発明の木粉含有樹脂成形体は、熱可塑性樹脂１００重量部に対し、前記木粉の含有量が３０重量部未満では該熱可塑性樹脂の樹脂量を低減する効果が十分ではなく、７０重量部を超えると該木粉を該熱可塑性樹脂に混合すること自体難しくなるので、いずれも好ましくない。

次に、木粉含有熱可塑性樹脂組成物に、超臨界状態の流体を前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物の０．０５〜２質量％の範囲で加圧下に含浸する。超臨界状態の流体の含浸量は、前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物の０．０５質量％未満では、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物に射出成形に十分な流動性を付与することができない。また、超臨界状態の流体の含浸量は、前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物の２質量％を超えると、得られた樹脂成形体において巨大な気泡の発生を妨げることができない。

次に、超臨界状態の流体が含浸された木粉含有熱可塑性樹脂組成物を所定形状のキャビティに射出する。このようにすると、前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物は、前記キャビティ内で、前記超臨界状態の流体の臨界圧力以上の最大圧力に達した後、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物自体の温度の低下と共に、次第に圧力が降下する。そして、前記圧力が、前記超臨界状態の流体の臨界圧力以下になると、該流体が発泡し気泡の形成が始まり、第１の発泡層が形成される。

次に、キャビティに射出された該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力が該流体の臨界圧力未満になったときに、該キャビティの容積を拡大して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度の低下に伴う圧力の低減速度よりも大きな第１の速度で低減させる。このようにすると、第１の発泡層中に、第１の発泡層よりも平均孔径の小さな気泡が形成され、該気泡を備える第２の発泡層が形成される。

次に、さらに前記キャビティの容積を拡大して、前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を、第１の速度よりも小さな第２の速度で低減させる。ここで、第２の速度は、第１の速度よりも小さければよく、前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度の低下に伴う圧力の低減速度より大きくてもよく小さくてもよい。このようにすると、第２の発泡層よりも内部の第１の発泡層中の気泡が成長し、第１の発泡層よりも平均孔径の大きな気泡が形成されるが、該気泡の一部には巨大化するものがある。

そこで、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度が、該熱可塑性樹脂のガラス転位温度Ｔｇに７０℃を加えた温度以下になる前に、前記キャビティの容積を縮小して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を増加させる。このようにすると、第１の発泡層よりも平均孔径の大きな気泡の一部の巨大化したものが圧縮されて微細化し、第２の発泡層よりも内部に第１の発泡層より平均孔径の大きな気泡を備える第３の発泡層が形成される。前記木粉含有熱可塑性樹脂組成物は、温度が該熱可塑性樹脂のガラス転位温度Ｔｇに７０℃を加えた温度（Ｔｇ＋７０℃）以下になると、実質的に固化するため、前記キャビティの容積を縮小しても巨大化した気泡を微細化することができない。

この結果、前記構成を備える木粉含有樹脂成形体を得ることができる。

本発明の木粉含有樹脂成形体の製造方法において、前記超臨界状態の流体としては、二酸化炭素または窒素を用いることができる。

本発明の木粉含有樹脂成形体の構成を示す説明的断面図。 本発明の木粉含有樹脂成形体の製造に用いる射出成形装置の一構成例を示す説明的断面図。 本発明の木粉含有樹脂成形体の製造方法を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態の木粉含有樹脂成形体１は、木粉を含む熱可塑性樹脂からなり、表面に形成された非発泡層２と、内部に形成された発泡層３とを備えている。そして、発泡層３は、さらに、表面に近い側から順に、第１の発泡層３ａと、第１の発泡層より平均孔径の小さな気泡を備える第２の発泡層３ｂと、第１の発泡層より平均孔径の大きな気泡を備える第３の発泡層３ｃとから構成されている。

第１の発泡層３ａは、平均径が１０〜１００μｍの気泡を備えており、第２の発泡層３ｂは平均径が５〜５０μｍの気泡を備えている。また、第３の発泡層３ｃは平均径が２０〜５００μｍの気泡を備えている。前記発泡層３の気泡の平均径は、例えば、木粉含有樹脂成形体１の断面を電子顕微鏡により観察し、各気泡の最大径の平均値を求めることにより得ることができる。

木粉含有樹脂成形体１を構成する熱可塑性樹脂は、それ自体公知のものを用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリ乳酸等を挙げることができる。

一方、木粉含有樹脂成形体１に含有される木粉としては、ヒノキ、スギ、マツ、アスナロ、ニオイヒバ、木曽ヒノキ、青森ヒバ、ローソンヒノキ、ベニヒ、ベイヒバ、タイワンヒノキ、ヌマヒノキ、ホソイトスギ等を用いることができる。前記木粉は、溶融状態の前記熱可塑性樹脂に均一に混合するために、平均粒子径が１〜１０００μｍの範囲である必要があり、好ましくは１０〜５００μｍの範囲である。このような木粉は、例えば、木片をボールミルに投入して粉砕する等のようにして得ることができる。

木粉含有樹脂成形体１は、前記熱可塑性樹脂１００重量部に対し、前記範囲の平均粒子径を備える前記木粉を３０〜７０重量部の範囲、好ましくは４０〜６０重量部の範囲で含んでいる。

この結果、木粉含有樹脂成形体１は、樹脂量を低減して軽量化することができると共に、優れた強度を得ることができる。木粉含有樹脂成形体１は、天然の木材の風合いを備えており、例えば、床材、家具、電化製品の枠体、自動車内装部品、浴槽の蓋、トイレ壁材、キッチン部材等の用途に用いることができる。

次に、木粉含有樹脂成形体１の製造方法について説明する。

木粉含有樹脂成形体１は、例えば、図２に示す射出成形装置１１を用いて製造することができる。

図２に示す射出成形装置１１は、シリンダー１２と、シリンダー１２により熱可塑性樹脂が射出される金型１３とを備えている。シリンダー１２は、モータ１４により回転駆動される回転軸部１５を内部に備えると共に、熱可塑性樹脂及び木粉を供給するホッパー１６と、超臨界状態の流体を供給する超臨界流体供給部１７とを備えている。

ホッパー１６はシリンダー１２の金型１３と反対側の端部付近に備えられ、超臨界流体供給部１７はホッパー１６の下流側でシリンダー１２の中央部付近に備えられている。超臨界流体供給部１７は、超臨界状態の流体を発生させる超臨界流体発生装置１８と、超臨界流体発生装置１８で発生された超臨界状態の流体をシリンダー１２に向けて搬送する流体導管１９と、流体導管１９の途中に介装された計量装置２０とを備える。流体導管１９は遮断弁２１を介してシリンダー１２に接続されている。

また、シリンダー１２は、金型１３側の先端にノズル２２を備えると共に、外周面に複数の加熱装置２３ａを備えている。ノズル２２は、外周面に加熱装置２３ｂを備えると共に、遮断弁２４を介して金型１３に接続されている。

回転軸１５は、金型１３と反対側の端部でモータ１４に接続されると共に、外周面に設けられた螺旋状のスクリュー２５と、金型１３側の最先端部に設けられたスクリューヘッド２６とを備えている。スクリュー２５は、基端側連続スクリュー２５ａと、不連続スクリュー２５ｂと、先端側連続スクリュー２５ｃとからなる。

基端側連続スクリュー２５ａは、モータ１４側の端部から、ホッパー１６の下部を通って超臨界流体供給部１７の下部の手前までの部分に設けられている。また、不連続スクリュー２５ｂは、超臨界流体供給部１７の下方部分に設けられ、回転軸１５の周方向に沿って複数の不連続部を備えている。そして、先端側連続スクリュー２５ｃは、不連続スクリュー２５ｂとスクリューヘッド２６との間に設けられている。

金型１３は、木粉含有樹脂成形体１の外側形状に沿う形状の凹部２７を備える固定型２８と、凹部２７に嵌合されてキャビティ２９を形成する凸部３０を備える可動型３１とからなる。固定型２８は、シリンダー１２に連通するスプルー３２と、スプルー３２に連通すると共に、ゲート３３を介してキャビティ２９に連通するランナー３４を備えている。

一方、可動型３１は、凸部３０を支持する支持基盤３５と、支持基盤３５をキャビティ２９方向に進退させるピストンロッド３６とを備えている。ピストンロッド３６は、図示しないシリンダ等の外部駆動源に接続されている。

射出成形装置１１は、可動型３１の凸部３０を固定型２８の凹部２７に嵌合してキャビティ２９を形成した状態で、ピストンロッド３６により支持基盤３５を介して凸部３０をキャビティ２９方向に進退させることができる。この結果、凸部３０をキャビティ２９に対して後退させることにより、キャビティ２９の容積を拡大（コアバック）することができ、凸部３０をキャビティ２９に対して前進させることにより、キャビティ２９の容積を縮小（コアプッシュ）することができる。

射出成形装置１１では、まず、ホッパー１６からシリンダー１２内に、前記熱可塑性樹脂を投入する。前記熱可塑性樹脂は、シリンダー１２内で加熱装置２３ａの加熱下に連続スクリュー２５ａで攪拌されることにより溶融し、溶融樹脂を形成する。

次に、ホッパー１６からシリンダー１２内に、前記木粉を投入する。前記木粉の投入量は、前記熱可塑性樹脂１００重量部に対し、例えば３０〜７０重量部の範囲である。尚、前記木粉は、予め前記熱可塑性樹脂と混合してペレットとしておき、該ペレットをホッパー１６からシリンダー１２内に投入するようにしてもよい。

前記木粉は、シリンダー１２内で加熱装置２３ａの加熱下に連続スクリュー２５ａで攪拌されることにより、前記溶融樹脂に均一に混合され、溶融状態の木粉含有熱可塑性樹脂組成物（以下、「木粉含有溶融樹脂」と略記する）が形成される。前記のように形成された木粉含有溶融樹脂は、連続スクリュー２５ａにより、金型１３方向に搬送される。

次に、超臨界流体供給部１７から、前記木粉含有溶融樹脂の０．０５〜２質量％の範囲の超臨界状態の流体を供給し、加圧下に該木粉含有溶融樹脂に含浸する。前記流体としては、二酸化炭素または窒素を用いることができる。

前記超臨界状態の流体は、超臨界流体供給部１７の下方部分に設けられた不連続スクリュー２５ｂにより攪拌され、前記溶融樹脂と十分に混合され、含浸せしめられる。この結果、スクリューヘッド２６とノズル２２との間のシリンダー１２内に、前記木粉含有溶融樹脂に前記超臨界状態の流体が含浸せしめられる。このとき、前記木粉含有溶融樹脂は、発泡のための核が未形成の状態にある。

次に、前記超臨界状態の流体が含浸せしめられた前記木粉溶融樹脂をノズル２２から、スプルー３２、ランナー３４、ゲート３３を介してキャビティ２９に射出する。このとき、キャビティ２９は、凸部３０が所定量前進せしめられることにより所定の容積とされている。

前記木粉含有溶融樹脂の温度Ｌ_Ｔは、図３に示すように、キャビティ２９に射出された後、所定時間を経過するまでは上昇するが、その後下降に転じる。また、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐは、前記温度の上昇に伴って上昇し一旦は臨界圧力Ｐｃを超える。しかし、前記温度の下降開始後、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐもまた下降に転じる。

そして、図３に示す時間ｔ_１で前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐが臨界圧力Ｐｃよりも低くなると、含浸されている超臨界状態の流体が非超臨界状態となって気泡を生じ、該木粉含有溶融樹脂中に第１の発泡体層３ａを形成する。また、前記木粉含有溶融樹脂のキャビティ２９の内壁に接する部分には、非発泡層２が形成される。

次に、時間ｔ_１から所定の時間が経過したならば、時間ｔ_２において、ピストンロッド３６により支持基盤３５を介して凸部３０をキャビティ２９から所定量だけ後退させる。この結果、キャビティ２９の容積が拡大され、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐが、該木粉含有溶融樹脂の温度Ｌ_Ｔの低下に伴う圧力Ｌ_ｐの低減速度よりも大きな第１の速度で低減される。前記第１の速度は、例えば５０〜１００ＭＰａ／秒の範囲とする。このようにすると、第１の発泡体層３ａ中に、第１の発泡体層３ａよりも気泡の平均孔径の小さい第２の発泡層３ｂが形成される。

次に、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐを第１の速度で低減させる操作を所定時間行った後、時間ｔ_３において、ピストンロッド３６により支持基盤３５を介して凸部３０をキャビティ２９からさらに所定量だけ後退させる。この結果、キャビティ２９の容積がさらに拡大され、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐが、第２の速度で低減される。

前記第２の速度は、第１の速度より小さく、例えば５〜３０ＭＰａ／秒の範囲とする。このようにすると、第２の発泡体層３ｂより内側に、第１の発泡体層３ａよりも平均孔径の大きい気泡を備える層が形成される。

ところで、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐを第２の速度で低減させる操作を行った後、そのまま該木粉含有溶融樹脂を固化させると、該木粉含有溶融樹脂温度Ｌ_Ｔの低下に伴って第２の発泡層３ｂより内側の層の気泡が巨大化する。そして、この場合、巨大化した気泡により得られた木粉含有樹脂成形体１の強度が損なわれる虞がある。

そこで、次に、前記木粉含有溶融樹脂の温度Ｌ_Ｔが前記熱可塑性樹脂のガラス転位温度Ｔｇに７０℃を加えた温度以下になる前の時間ｔ_４において、ピストンロッド３６により支持基盤３５を介して凸部３０をキャビティ２９に対して所定量だけ前進させる。この結果、キャビティ２９の容積が縮小され、前記木粉含有溶融樹脂の圧力Ｌ_ｐが増加される。

このようにすると、第２の発泡層３ｂより内側で巨大化した気泡が圧縮されて、微細化し、第１の発泡体層３ａよりも平均孔径の大きい気泡を備え、巨大化した気泡の無い第３の発泡体層３ｃが形成される。

その後、前記木粉含有溶融樹脂の温度Ｌ_Ｔ及び圧力Ｌ_ｐを自然に降下させ、該木粉含有溶融樹脂を固化させることにより、図１に示す構成を備える木粉含有樹脂成形体１を得ることができる。

１…木粉含有樹脂成形体、 ２…非発泡層、 ３ａ…第１の発泡層、 ３ｂ…第２の発泡層、 ３ｃ…第３の発泡層、 １１…射出成形装置、 ２９…キャビティ。

Claims (3)

1. 木粉を含む熱可塑性樹脂からなり、表面に形成された非発泡層と内部に形成された発泡層とを備える木粉含有樹脂成形体において、
   該木粉含有樹脂成形体は、熱可塑性樹脂１００重量部に対し、平均粒子径が１〜１０００μｍの範囲の木粉を、３０〜７０重量部の範囲で含むと共に、
   該発泡層は、表面に近い側から順に、平均径が１０〜１００μｍの気泡を備える第１の発泡層と、平均径が５〜５０μｍの第１の発泡層より平均孔径の小さな気泡を備える第２の発泡層と、平均径が２０〜５００μｍの第１の発泡層より平均孔径の大きな気泡を備える第３の発泡層とからなることを特徴とする木粉含有樹脂成形体。
2. 溶融状態の熱可塑性樹脂１００重量部に対し、平均粒子径が１〜１０００μｍの範囲の木粉を、３０〜７０重量部の範囲となるように混合して木粉含有熱可塑性樹脂組成物を形成する工程と、
   該木粉含有熱可塑性樹脂組成物に、超臨界状態の流体を該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の０．０５〜２質量％の範囲で加圧下に含浸する工程と、
   該超臨界状態の流体が含浸された該木粉含有熱可塑性樹脂組成物を所定形状のキャビティに射出する工程と、
   該キャビティに射出された該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力が該流体の臨界圧力未満になったときに、該キャビティの容積を拡大して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度の低下に伴う圧力の低減速度よりも大きな第１の速度で低減させる工程と、
   さらに、該キャビティの容積を拡大して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を第１の速度よりも小さな第２の速度で低減させる工程と、
   該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の温度が、該熱可塑性樹脂のガラス転位温度Ｔｇに７０℃を加えた温度以下になる前に、該キャビティの容積を縮小して、該木粉含有熱可塑性樹脂組成物の圧力を増加させる工程とを備えることを特徴とする木粉含有樹脂成形体の製造方法。
3. 請求項２記載の木粉含有樹脂成形体の製造方法において、前記超臨界状態の流体は、二酸化炭素または窒素であることを特徴とする木粉含有樹脂成形体の製造方法。