JP5006555B2

JP5006555B2 - 植物繊維含有樹脂組成物の製造方法

Info

Publication number: JP5006555B2
Application number: JP2006046011A
Authority: JP
Inventors: 英一郎斉藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP2007224126A

Description

本願発明は、高強度の植物繊維含有樹脂組成物の製造方法に関するものである。

軽量かつ高強度を有する繊維強化複合材料（ＦＲＰ）は、自動車用各部品、建具材料,ディスプレー用台板、家電製品用筐体など多種多様な用途に広く利用されている。従来の繊維強化複合材料に使用される強化材としては、カーボン繊維、ガラス繊維、ケブラ繊維が挙げられる。この中ではガラス繊維が安価で性能も良く、多種多様な分野で利用されているが、ガラス繊維を含有させた複合材料には、廃棄焼却後にガラスの残渣が残り、最終的にはその廃棄処理が必要になる問題がある。この処理に不備があるとガラス繊維飛沫が飛散し、人体に悪影響を及ぼす。また、これを埋立処分したとしても生分解されないので分解再生という物質循環のサイクルの中に半永久的に入ってこないというリサイクル性の問題がある。また、焼却時にガラスが溶融するために余分なエネルギーを要し、それにより発生する炭酸ガスの増加などの環境負荷の問題がある。カーボン繊維、ケブラ繊維はそれぞれ価格、加工性の問題があり、開発されてかなりの年月が経過しているが、なかなか用途が広がらないのが現状である。

これらの問題を解決するものとして、近年、植物繊維を強化材として活用した複合材料が注目されている。植物繊維は焼却後に残渣が残ることは無く、価格も安価で加工性にも優れるので、この技術を利用した材料開発が盛んに進められている。素材に関しては、例えば、植物など天然繊維を５０重量％以上含む熱可塑性樹脂との複合樹脂材料（特許文献１）、椰子実の殻や麻、とうもろこしの外皮と熱硬化性樹脂との複合樹脂材料（特許文献２）、植物性微細繊維または粒子とウレタンプレポリマーと過剰水、天然繊維を混合し成形する技術（特許文献３）、植物繊維と生分解性樹脂の複合樹脂材料の技術（特許文献４）が提案されている。製造方法では、合成樹脂と植物繊維の混合ペレットの含水率を１〜５重量％として成形する技術（特許文献５）、熱可塑性樹脂と天然植物繊維の複合樹脂材料の製造に当たり、天然植物繊維を予めプラズマないしオゾンで処理する技術（特許文献６）が提示されている。
特開２０００−２１９８１２号公報特開２００４−８２４０５号公報特開昭６３−２４５４３８号公報特開２００２−３０７０７８号公報特開２００２−０６７０６５号公報特開２００２−１１５１７３号公報

しかしながら、植物繊維による複合強化樹脂には、従来の繊維強化樹脂と比較して強度が劣る問題があった。植物繊維自体は元来、ガラス繊維に引けをとらない強度を有しているが、複合材料とすると十分な材料強度が得られなかった。

本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、環境配慮型の植物繊維含有複合材料で問題となる材料強度を改善するための、植物繊維含有樹脂複合材料の製造方法を提供することを課題としている。

本願発明は、上記の課題を解決するために、第１に、植物繊維含有樹脂組成物の製造において、水分を含む植物繊維と樹脂を混練しながら、植物繊維中の水分を除去し、得られた混練物の含水率を１重量％以下にして樹脂組成物を得ることを特徴としている。

本願発明は、第２に、前記混練時において減圧しながら混練をすることを特徴としている、

本願発明は、第３に、前記樹脂は融点が９０〜２５０℃の範囲内であり、且つ、混練時の混練物の温度を、樹脂の融点以上で、かつ樹脂の融点よりも５０℃高い温度以下とし、混練時の混練物の温度を、２５０℃を超えないように制御することを特徴としている。

本願の第１の発明の製造方法によれば、混練物の含水率を１重量％以下にするため、植物の道管中に樹脂が充填されるので、繊維と樹脂との界面での接着強度が増加し、樹脂組成物の機械的強度が向上する。さらに、本願の第１の発明の製造方法によれば、あらゆる種類の植物繊維中に良好に樹脂を充填する手法を提供し、樹脂組成設計の可能性を広げ、機械的強度のより高い樹脂組成物を提供することが出来る。

本願の第２の発明によれば、混練物の水分を効果的に除去することができる。

本願の第３の発明によれば、植物繊維が分解することなく、植物繊維含有樹脂組成物中に樹脂が均一に分散するので、機械的強度のより高い樹脂組成物を提供することが出来る。

本願発明の植物繊維含有樹脂組成物の製造方法では、植物繊維としてある程度の水分を含んだものを使用し、植物繊維と樹脂とを混練する際に、混練しながら水分を除去することを特徴としている。本願発明の製造方法により、樹脂で道管内部を充填された植物繊維を含む植物繊維含有樹脂組成物を製造することが可能になる。樹脂が道管内部を充填することにより、繊維と樹脂との界面での接着強度が増加し、強度の高い樹脂組成物となる。

本願発明で「植物繊維」とは、自然界に繁茂する木類、草類などの植物の１個体全体又は茎部など部分に含まれる繊維成分、又は繊維成分を含む植物の１個体全体若しくは茎部など植物の部分のことをいう。植物はその構造上、茎部に道管の束を有しており、これを通じて水分や栄養分が植物全体に供給される。ここで言う「繊維成分」とは、この道管の束のことである。

本願発明での「植物繊維」の利用態様は、繊維成分を抽出して利用する態様、植物中の茎部など繊維成分を多く含有する部分を切出してそれをそのまま利用する態様、強度の高い繊維を含有する植物の１個体全体をそのまま利用する態様の何れも使用することができる。

「植物」の種類は特に制限されるものではないが、木質、草本類は、それに含まれる繊維が高強度を有するので好適に用いられる。特に草本類、中でも麻系の繊維は強度が高いので好ましい。その中でもケナフは、高強度を有することに加え、伐採品に若干の水分を含ませる以外何ら特別な化学処理を施すことなく利用が可能であり、また伐採後の植物の再生産では生長が早いので大気中の炭酸ガスを効率的に吸収することができるという環境負荷の観点からも好ましい選択肢である。

「植物」を伐採した後、その中の道管内部は空隙として存在する。樹脂組成物を製造する前の原材料としての植物繊維は、このような空隙を含む状態で存在するため、これをなんら充填することなく樹脂組成物を製造した場合、繊維の外側だけを樹脂が覆った状態となる。これでは樹脂と繊維の界面の接触面積が小さくなってしまい、樹脂と繊維の密着性が悪くなってしまうため、その成形品は曲げ強度、耐衝撃性が低いものとなる。樹脂を道管内部にまで充填することにより、樹脂と繊維の接触面積が大きくなり、密着性が向上するので、その成形品の曲げ強度、耐衝撃性は飛躍的に向上する。植物の茎部等に含まれる道管の径が、２０〜３００μｍの範囲内にあるものが、樹脂の充填性、樹脂組成物の強度の点で好ましい。

植物繊維はある程度の水分を含んでいると、樹脂との混練時に上記空隙が潰れることなく、水分を樹脂に置換して、充填することができる。混練前の植物繊維は、５〜２５重量％の水分を含んでいることが好ましく、７〜２０重量％の範囲内であることが更に好ましい。２５重量％を超えると、道管などの空隙部以外に付着した水分が多く、混練工程での脱水が不十分になり、成形品の強度が低下してしまうため好ましくない。５重量％未満では、混練工程で繊維の空隙が潰れてしまって空隙に樹脂が浸入できず、結果的に繊維と樹脂の接触面積が増加しないため、最終の成形品に十分な強度が得られない。植物繊維は、その伐採後混練前の水分が上記範囲内であればそのまま使用することができるが、通常は伐採後に乾燥が進み、混練に使用する際には水分が５重量％未満であることが多い。この場合には、原料植物を水中に浸して水分を補充することができる。また、植物繊維としては、混練時には、５〜１００ｍｍ程度のチップ状に裁断して添加することができる。

本願発明では、水分による成形時の成形不良を防止するため、混練工程の途中において、水分を徐々に除去し、最終的には０．０１〜１重量％まで水分を除去することが好ましい。これは、植物繊維と樹脂の混合物を、混練機にて混練しながら、混練途中物の温度制御や必要に応じて混練機内の減圧操作を行うことなどにより実施することができる。

本願発明で用いる「樹脂」は、ある程度の強度を有するものであれば既知の物を使用することができる。「樹脂」の種類は特に制限されるものではなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂の何れも使用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレア樹脂、メラミン樹脂などを例示することができる。特に、ポリ乳酸、ポリブチレンサクシネート、ポリヒドロキシブチレートなどの脂肪族ポリエステル樹脂を植物原料から製造したものを使用することは、カーボンニュートラルの観点でみれば新たな炭酸ガスを生成しないので、環境負荷の点で好ましい。この中では特にポリ乳酸が、植物由来樹脂の中では硬質であるため、成形品の機械的強度の向上の点でも好ましい。本願発明で利用される「樹脂」は、融点が９０〜２５０℃の範囲内であることが好ましく、１１０〜２２０℃の範囲内であることが更に好ましい。融点が２５０℃を越えると混練温度が高くなり、植物繊維の劣化が発生するために樹脂組成物の強度が十分に得られない可能性がある。９０℃未満では、植物繊維の脱水が不十分になり、空隙部に樹脂を十分に充填できない虞がある。

樹脂の重量平均分子量は、５０００〜１,０００,０００の範囲内であることが好ましい。分子量が５０００未満では十分な機械的強度が得られない可能性がある。
１,０００,０００を超えると、樹脂の流動性が劣化するために道管内に十分に充填されない虞がある。

本願発明における「混練」は、添加剤等を含む樹脂の塊状物に圧力、せん断力を加えて均一に練り上げることである。混練工程に使用する混練機は、既知のものを使用することができる。例えば、ニーダー、エクストルーダー、プラネタリーミキサーなどを例示することができる。混練後にまで水分が残ってしまうと植物繊維の道管内への樹脂の充填が不十分となり最終の成形品の強度が劣化してしまうため、混練中に水分が徐々に除去されるように混練条件を設定し、混練初期で樹脂の充填を進めつつ混練後期では強固な組成となるようにする。混練時の混練物の温度は、水分を除去することができて、かつ樹脂が柔軟性をもつ温度が好適である。混練時の混練物の温度は、樹脂の融点以上で、樹脂の融点より５０℃高い温度以下で制御するのが好ましい。混練物の温度が樹脂の融点未満の場合、樹脂の溶融粘度が高すぎて混練が困難であり、また、樹脂が植物繊維の道管の中に十分に充填されない。混練物の温度が樹脂の融点より５０℃高い温度を超えている場合、樹脂の溶融粘度が低すぎて混練時にせん断力がかからないため、樹脂を均一に分散することが出来ない。また混練物の温度は、上記の温度範囲で、かつ９０〜２５０℃の範囲内で制御することが好ましい。９０℃未満では水分を十分に除去することができない虞がある。２５０℃を超えると、植物繊維の分解反応が始まってしまう場合があり好ましくない。水分を効率的に除去するために、混練機のベント部から減圧しながら混練することが出来る。混練物には、必要に応じて有機溶剤を添加することができる。添加できる有機溶剤としては、アルコール類、ケトン類、エーテル類、炭化水素類、アミン類、グリコール類、アミド類、エステル類、トルエン、キシレンなどを例示することができる。また、必要に応じてガラス繊維やカーボン繊維、ケブラ繊維など他の強化材を併用しても良い。

本願発明の樹脂組成物の製造に際し、必要に応じて染料、顔料、微小サイズのフィラーなどの添加剤を添加することができる。繊維と樹脂の間の接着性を向上させるために界面活性剤を添加しても良い。

本願発明で得られた樹脂組成物は、射出成形、押出成形、ブロー成形などの一般的な方法によって成形することが可能であり、成形品の機械強度や耐熱性を向上させることができる。また、結晶性樹脂を使用する場合には、成形温度を高めに設定し、結晶性を高めることで耐熱性を向上させることができる。

次に、本願発明の具体的態様を実施例にて説明する。もちろん、本発明がこれらの例示に限定されることはない。

＜実施例１＞
ケナフ繊維３０重量部を、２０℃のイオン交換水１０００重量部中に２４時間浸漬し、その後、５０℃で８時間乾燥させた。この含水ケナフ繊維の含水率をＤＳＣで測定したところ、１５重量％だった。この含水ケナフ繊維とポリ乳酸（三井化学製Ｈ−１００。融点１６５℃）７０重量部を、二軸混練押出機（日本製鋼所製ＴＥＸ３０α）に充填し、回転数１５０ｒｐｍ、トルク８０Ｎ・ｍで混練して樹脂組成物のペレットを製造した。混練中の混練物の温度は１９５℃だった。この樹脂組成物の水分をＤＳＣで測定したところ、０.１重量％だった。このペレットを射出成形機（日精樹脂工業（株）製型締力160ｔ射出成形機）に充填し、成形温度２００℃、金型温度３０℃で射出成形することにより、各種強度を評価するためのＡＳＴＭに準ずる試験サンプルを作製した。評価は、曲げ強さ、曲げ弾性率、引張降伏強さ、引張破断伸び、アイゾット衝撃強さ、加重たわみ温度（０.４５ＭＰａ）について、表１記載の評価方法に準じて実施した。評価結果を表１に示した。
＜実施例２＞
実施例1のケナフ繊維の配合量を１０重量部、ポリ乳酸の配合量を９０重量部とし、同様の条件で混練を行った。混練中の混練物の温度は１９０℃だった。成形温度を１９０℃としたこと以外は実施例１と同様にして成形を行い、評価は実施例１と同様にして行った。評価結果を表１に示した。
＜実施例３＞
実施例1の混練前の含水率を７重量％としたこと以外は実施例１と同様にして混練成形を行い、評価も実施例１と同様にして行った。評価結果を表１に示した。
＜実施例４＞
実施例１の混練前の含水率を２２重量％としたこと以外は実施例１と同様にして混練成形を行い、評価も実施例１と同様にして行った。評価結果を表１に示した。
＜実施例５＞
実施例１の混練条件を、回転数２００ｒｐｍ、トルク１２０Ｎ・ｍとして、混練物の温度を２１０℃としたこと以外は実施例１と同様にして混練成形を行い、評価も実施例１と同様にして行った。評価結果を表１に示した。
＜実施例６＞
実施例１の混練条件を、回転数１２０ｒｐｍ、トルク６０Ｎ・ｍとして、混練物の温度を１７０℃としたこと以外は実施例１と同様にして混練成形を行い、評価も実施例１と同様にして行った。評価結果を表１に示した。
＜実施例７＞
実施例１のケナフ繊維を、水分補給及び乾燥過程を経ずに混練機に充填し、以下実施例１と同様にして混練成形を行った。混練前の水分測定の結果は１重量％だった。最終の成形品の評価も実施例１と同様にして行い、評価結果を表１に示した。
＜実施例８＞
実施例１のケナフ繊維の水分補給後の乾燥を全く行わずに混練機に充填して、以下実施例１と同様にして混練成形を行った。混練前のケナフ繊維の含水率測定の結果は３０重量％だった。最終成形品の評価も実施例１と同様にして行い、評価結果を表１に示した。

表1の結果から示されるように、本発明の製造方法によると、成形品の力学特性が向上することが判明した。

Claims

植物繊維含有樹脂組成物の製造において、道管の径が２０〜３００μｍの範囲内であり、且つ、含水率が７〜２５重量％の範囲内である植物繊維と樹脂を混練しながら、植物繊維中の水分を除去し、得られた混練物の含水率を１重量％以下にして樹脂組成物を得ることを特徴とする、植物繊維含有樹脂組成物の製造方法。
前記混練時において減圧しながら混練をすることを特徴とする、請求項１に記載の植物繊維含有樹脂組成物の製造方法。
前記樹脂は融点が９０〜２５０℃の範囲内であり、且つ、混練時の混練物の温度を、樹脂の融点以上で、かつ樹脂の融点よりも５０℃高い温度以下とし、混練時の混練物の温度を、２５０℃を超えないように制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の植物繊維含有樹脂組成物の製造方法。