JP5169789B2

JP5169789B2 - 木粉を含有する成形品の製造方法ならびに成形品

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Publication number: JP5169789B2
Application number: JP2008318023A
Authority: JP
Inventors: 潔和田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010138337A

Description

本発明は、木粉を含有する成形品を射出成形法によって効率的に製造する方法、ならびにこの方法によって製造された木粉含有射出成形品に関する。

従来より、木粉と合成樹脂を混合して成形品を製造するさまざまな試みがなされてきた。フェノール樹脂やメラミン樹脂等の熱硬化型樹脂に木粉を充填剤として添加し、樹脂組成物の性質を改善することは、以前から一般的に行われてきた。近年においては、製材所等から発生する木粉の有効利用方法として、熱硬化型樹脂よりも生産性の高い熱可塑性樹脂と木粉を混合する試みも種々なされている。特許文献１には、木粉、稲わら、パルプ等のセルロース系粉粒を金属石けん等で被覆処理した後、ポリ塩化ビニル系樹脂と混合して成形する木質様部材の製法が示されている。特許文献１の実施例には、ポリ塩化ビニル樹脂組成物１００重量部に対して、平均粒径１００μｍの被覆処理済み木粉を２０〜５０重量部配合し、射出成形法によって成形品をうる方法が示されている。ポリ塩化ビニル樹脂は極性基を有し、木粉との親和性が高いため、この目的に用いる熱可塑性樹脂としては好適であるが、近年、環境問題の観点からポリ塩化ビニル樹脂の使用が事実上困難となり、またさらに成形品に含まれる木粉の重量比率が５０％以下であると、木質材料として認定されないという別の問題も生じている。

過去の特許文献において、ポリ塩化ビニル樹脂以外の樹脂を使用し、かつ、木粉の重量比率が５０％以上である射出成形品に関する記述は、少なくとも特許請求の範囲や、発明の詳細な説明で見る限り決して少なくはないが、実施例によって具体的に開示された例は少ない。その理由の一つとしては、一般的に木粉の配合比率が高まる程、混合組成物の成形性が低下するため、成形性の低い成形材料でも比較的成形しやすい押出し成形法や圧縮成形法が、成形方法として採用されている例が多いためであり、成形品の形状の自由度が高く、しかも生産効率も良い射出成形法を採用することは、実際上、極めて困難な問題が多いためであると考えられる。

例えば特許文献２の特許請求の範囲には、樹脂１００重量部に、紙片、木粉およびフライアッシュから選ばれる少なくとも１種の充填剤３０〜２５０部を分散、含有させた樹脂組成物からなることを特徴とする植物栽培用ポットが記載されているが、実施例に記載された射出成形用樹脂組成物の配合比率は、廃プラスチック１００重量部に対して故紙が５１重量部となっている。

特許文献３には、２３０℃におけるメルトフローレート（以下ＭＦＲと略す）が０．０１〜４０ｇ／１０ｍｉｎであるポリプロピレン系樹脂１００重量部と平均粒径２００μｍ以下の木粉２０〜２００重量部と密度が０．９００ｇ／ｃｍ³未満であるポリエチレン（以下ＰＥと略す）系樹脂５〜５０重量部を含有するポリオレフィン系樹脂組成物からなる木質感を有する成形体が示されているが、成形体を製造する方法として記載されているのは、押出し成形法である。

特許文献４には、曲げ弾性率が２０００〜１００００ｋｇｆ／ｃｍ²のポリオレフィン系樹脂１００重量部あたり、平均粒径が２００〜１０００μｍの木粉３５〜２５０重量部含有する木粉含有ポリオレフィン系樹脂組成物が記載されているが、実施例に記載された配合は、樹脂分１００重量部あたり木粉１００重量部であり、その性能を評価する方法としては、Ｔダイによる押出し成形法が用いられている。

特許文献５、６には、非晶性ＰＰを用いた木粉含有樹脂組成物が開示されており、プロピレン系ポリマー樹脂組成物１００重量部に対して木粉を２０乃至２００重量部を含む旨の記載があるが、成形方法に関する記述が一切なく、実施例においても木粉を含まない樹脂組成物の評価しかなされていない。

実施例において、射出成形法による成形が開示されている例としては、先に説明した特許文献２の他に、特許文献７〜１０が挙げられる。特許文献７には、熱可塑性樹脂と木粉および発泡化剤とを混合した組成物を用いて射出成形法によってスピーカーキャビネットを製造する方法が記載されているが、肝心の木粉の仕様に関する具体的な記述がなく、木粉の平均粒径はおろか含有量さえも不明である。

特許文献８には、繊維性有機物粉末７０〜３０部と、ポリオレフィンエラストマーの酸変性物３０〜７０部とからなる繊維性有機物粉末配合プラスチック組成物が示されているが、実施例では、樹脂分１００重量部に対して籾殻を４３部配合した例が示されているに過ぎない。

特許文献９には、ポリオレフィン樹脂１００重量部に対して、木粉４０〜２００重量部とエチレン−エチルアクリレート共重合体樹脂１０〜８０重量部を含有することを特徴とする木質含有ポリオレフィン樹脂組成物が記載されているが、実施例に具体的に示された木粉の配合量は、樹脂１００重量部に換算して４８〜８８重量部程度である。

特許文献１０には、ポリオレフィン樹脂１００重量部に対して木粉２０〜２００重量部と、植物油あるいは不飽和脂肪酸のエポキシ化物からなる可塑剤４〜３０重量部とを含むことを特徴とする木質ポリオレフィン樹脂組成物が示されている。実施例１〜５に示された配合には、いずれも射出成形適性のあることが記載されており、ＰＰ樹脂１００部に対して木粉１０５部を含むものであるが、可塑剤として添加したエポキシ化物が存在するため、全体量に対する木粉の割合は、５０％未満である。

また、木粉を含む樹脂組成物を射出成形に用いる場合、一般的には木粉を微細粉化するとともに粒径を均一化し、予め樹脂と滑剤等の添加物を混練してペレット化して、このペレットを成形機に投入して再度溶融し、射出成形品を得るのが一般的である。上記に引用した特許文献７〜１０においても、何らかの予備混練ないしは、ペレット化が行われている。

予備混練ないしは、ペレット化の最大の問題点は、生産コストである。混練、ペレット化の工程が別途必要となるため、これに要する設備の費用を初めとして、エネルギーコスト、人件費等も必要となり、本来木粉を混入して低コスト化をめざしていたものが、その目的を見失う結果となっていた。またエネルギーの浪費は、廃棄物としての木粉を有効利用するという環境的な側面にも矛盾するものである。
特開平10-286862号公報特開平9-322653号公報特開平10-130437号公報特開平10-204226号公報特開2004-155955号公報特開2004-155956号公報特開平10-271583号公報特開平11-21396号公報特開2005-162833号公報特開2006-36815号公報

本発明の課題は、上記の従来の問題点を解消し、予備混練工程なしに、直接ポリプロピレン樹脂と木粉を用いて、木粉を５０％を超えて含有する木粉含有樹脂成形品を、射出成形法によって効率良く製造することができる方法、ならびに、この製造方法によって製造された木粉含有樹脂射出成形品を提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、曲げ弾性率（ＪＩＳＫ７２０３準拠）が、１０００ＭＰａ以上１４５０ＭＰａ以下であり、メルトフローレート（ＪＩＳＫ７２１０準拠）が、１５ｇ／１０ｍｉｎ以上３０ｇ／１０ｍｉｎ以下であるランダムポリプロピレン樹脂と、１５メッシュの篩を通過し、４０メッシュの篩を通過しない木粉とを混合し、射出成形機によって金型に射出して成形品を得ることを特徴とする木粉含有樹脂射出成形品の製造方法である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の方法によって製造された木粉含有樹脂射出成形品である。

また、請求項３に記載の発明は、木粉の重量比率が、全体重量の５０％超であることを特徴とする請求項２に記載の木粉含有樹脂射出成形品である。

本発明に係る木粉含有樹脂射出成形品の製造方法においては、曲げ弾性率が、１０００ＭＰａ以上１４５０ＭＰａ以下であり、メルトフローレートが、１５ｇ／１０ｍｉｎ以上３０ｇ／１０ｍｉｎ以下であるランダムポリプロピレン樹脂と、１５メッシュの篩を通過し、４０メッシュの篩を通過しない木粉とを使用するため、これらの材料を射出成形機のホッパーに投入し、均一に混合するだけで、射出成形が可能であり、木粉含有樹脂射出成形品を効率よく、低コストに製造することができる。

また本発明の方法によれば、木粉の重量比率が５０重量％を超える成形品を容易に安定して得ることができるため、例えば間伐材の有効利用によって、環境保全に貢献する成形品を供給することができる。また木の風合いをもった立体形状の成形品が一度の成形で得られるため、木材を切削加工して製造する方法に比較して、均質で低コストの製品が得られる。また、成形品は、樹脂１００％の製品に比較して燃焼カロリーが低く、廃棄時の焼却も容易である。

以下図面に従って、本発明に係る木粉含有樹脂射出成形品の製造方法について詳細に説明する。図１は、本発明に係る木粉含有樹脂射出成形品を製造する射出成形機の断面模式図である。射出成形機１のホッパー４に投入された木粉２と樹脂ペレット３は、ホッパー中で撹拌装置５によって撹拌混合され、射出成形機のシリンダー６内に導かれる。シリンダー内に入った木粉と樹脂ペレットの混合組成物は、スクリュー７によって押し出され、ヒーター８によって加熱されて溶融し、スクリュー７によってさらに均一に混練混合される。溶融した樹脂組成物は、成形型９に射出されて、成形品となる。

ホッパー４に投入される木粉２と樹脂ペレット３とは、所定の混合比率となるように定量づつを投入するか、または予め所定の混合比率で粗混合したものを投入してもよい。撹拌装置５は、低速回転のプロペラ、スクリュー等による、比較的簡単な構造の撹拌装置で十分であり、バンバリーミキサーやヘンシェルミキサー等の混練装置のように剪断力が強く、樹脂が発熱して溶融するような装置は好ましくない。事前の混合が十分であれば、ホ
ッパー中の撹拌装置は、省略することも可能である。本発明に係る方法においては、射出成形に先立ち、ペレタイザーによって一旦樹脂と木粉を混練して押し出し、ペレット化する工程を必要としないことが大きな特徴である。

木粉としては、製材所等で発生する針葉樹または、広葉樹の鋸屑や、木材チップを粉砕機で粉砕処理した木粉等を使用する。特に栂、桧、杉等の針葉樹の木粉が好ましい。木粉は予め篩によって分級し、粒径をある程度揃えてやることが重要であり、１５メッシュの篩を通過し、４０メッシュの篩を通過しない木粉が好ましく使用できる。１５メッシュ以下の粗い木粉が混入していると、樹脂と混合した時の流動性が不足する。また４０メッシュを通過するような細かい木粉が混入していると、木粉が凝集して塊状になり易く、均一な分散が困難となる。篩の開口径は、篩の線径によっても異なるので、メッシュの値だけでは、木粉の粒度を正確に規定することはできないが、１５メッシュの篩を通過する木粉の粒径は、概ね１．５ｍｍ程度以下であり、４０メッシュの篩を通過しない木粉の粒径は、概ね０．４ｍｍ程度以上である。従って上記木粉の好ましい粒径としては、４００μｍ以上１５００μｍ以下と表すことも可能である。

木粉と混合する樹脂については、ランダムポリプロピレン樹脂が好ましい。ホモポリプロピレン樹脂は、木粉との親和性に欠け、混合体とした時に木粉が分散している境目からクラックが入りやすく、またボイドを発生しやすい。ブロックポリプロピレン樹脂は、木粉との相溶性が悪く、射出成形の最終充填位置である流動先端部分に木粉のみが凝集する傾向があるため、成形品の表面に木粉が露出してざらざらした表面状態となる。ランダムポリプロピレン樹脂は、木粉との相溶性、親和性が高く、成形品の表面状態は、表面に木粉が露出してざらざらすることもなく、樹脂の皮膜の内側に木粉が均一に分散して、手触りの良好な成形品が得られる。ランダムポリプロピレン樹脂の場合には、ホモポリプロピレン樹脂で見られたようなクラックの発生も生じ難い。

ランダムポリプロピレン樹脂は、プロピレンとエチレンの共重合体であり、プロピレンとエチレンの比率や重合形態によってさまざまな性質を持ったものが市販されているが、曲げ弾性率が１０００ＭＰａ〜１４５０ＭＰａの範囲であり、メルトフローレート（以下ＭＦＲと略す）が１５ｇ／１０ｍｉｎ〜３０ｇ／１０ｍｉｎの範囲である樹脂が望ましい。曲げ弾性率が１４５０ＭＰａを超えるような剛性の高いグレードであると木粉と混合した場合にクラックが入り易く成形品がもろくなる。１０００ＭＰａ未満の場合には、ブロックポリプロピレン樹脂の場合と同様に表面に木粉が析出したり、流動先端に木粉が集中する現象が見られる。

ＭＦＲの値が１５ｇ／１０ｍｉｎ未満であると、樹脂が遅れて充填し、３０ｇ／１０ｍｉｎを超えるような場合には、逆に木粉が遅れて充填する。樹脂と木粉が同時に充填する範囲が、１５ｇ／１０ｍｉｎ〜３０ｇ／１０ｍｉｎの範囲である。
なお、曲げ弾性率の測定は、ＪＩＳＫ７２０３に準拠した方法が、また、メルトフローレートの測定は、ＪＩＳＫ７２１０に準拠した方法が用いられる。

樹脂と木粉の混合比率は、樹脂１００重量部に対して、木粉１００〜１５０重量部が好ましい。木粉が１００重量部以下であると、成形品に占める木粉の重量が５０％を下回るので、成形品が木質材料として認定されなくなる場合があるが、特にこのような制約がない場合には、１００重量部以下でもかまわない。また１５０重量部を超える場合には、安定して連続的に成形することが困難となる。

木粉を含有した樹脂組成物は、成形時の熱によって焼け焦げが発生しやすいため、射出成形における１ショットの容量は、成形機の容量の７０％程度とすることが望ましい。成形品が成形機の容量に比較して小さすぎる場合には、樹脂組成物がシリンダー内に長時間
滞留するため、焼け焦げの発生する危険性が高くなる。また成形機の容量に対して余裕がなさすぎる場合には、型に対して樹脂組成物が十分に充填されず、ショート欠陥が生じるおそれがある。金型の構造としては、ダイレクトスプルー形式が望ましく、１回の成形毎に、成形品とともにスプルーを完全に取り除くことが望ましい。

木粉の含水率については、樹脂と混合する前に乾燥しすぎると木粉が発火して火災の原因となる場合があるので、含水率が３〜１０％程度の状態で樹脂と混合し、そのまま成形することが望ましい。こうすることによって、成形時の木粉の焼け焦げを最小限にすることも可能となる。この時、金型の表面に水分が凝縮して、水滴が付着することがあるので、これを防止するためには金型の温度を６０℃以上とすることが望ましい。

樹脂ペレットと木粉を混合する際に、樹脂に比較して比重の軽い木粉と、樹脂とを分離しないように混合するために、予め樹脂ペレットに流動パラフィンをまぶしておき、樹脂ペレットの周りに木粉が付着するようにしてやることにより、樹脂と木粉が分離せず、均一な状態で保持されるようにすることが容易に可能となる。流動パラフィンの量は、樹脂１００重量部に対して、０．０１〜１．０重量部程度が適当である。

以上説明したように、本発明の方法によれば、従来行われていたように、樹脂と木粉を予め混練してペレット化する工程を省略することが可能であり、木粉含有樹脂射出成形品を効率的に製造することができる。
以下、実施例に基づいて、本発明に係る木粉含有樹脂射出成形品の製造方法について、具体的に説明する。

桧の間伐材の鋸屑を粉砕し、２０メッシュの篩で粗粒を除去し、さらに４０メッシュの篩で微粉を除去して、粒径の範囲が４００μｍ〜８００μｍの桧木粉を作成した。木粉の含水率は、５〜７％の範囲に調整した。ランダムポリプロピレン樹脂（サンアロマー社製、ＰＭ８２２Ｖ、曲げ弾性率１４００ＭＰａ、ＭＦＲ２０ｇ／１０ｍｉｎ）１００重量部に対して、流動パラフィン０．２５重量部を添加して混合し、樹脂ペレットの表面を流動パラフィンで濡らした後、前記の桧木粉１０５部を添加し、撹拌して、均一に混合した。混合は、射出成形機のホッパーに取り付けたスクリュー式の撹拌装置によって行った。射出成形用金型としては、ダイレクトスプルー形式とし、図２に示した形状の直径３００ｍｍ、暑さ１０ｍｍの中華料理用まないたを作成した。金型の温度は、６０℃に設定した。まないたの重量は、約７００ｇであり、射出成形機の成形容量１０００ｇの約７０％であった。得られた成形品は、表面状態も良好であり、まないたとして好適な堅さをもったものであった。またかすかに桧の香りがあり、木材質が連続していないのと、樹脂の酸化防止剤の効果で腐りにくく、厚肉なので表面にポリプロピレン樹脂のスキン層が形成され、耐久性も良好であった。成形時に発生したスプルーは、燃焼カロリーがポリプロピレン樹脂単体の８４０００ｋＪに対して、５２５００ｋＪ程度と小さいため、焼却炉で容易に焼却することができた。

本発明に係る木粉含有樹脂射出成形品を製造する射出成形機の断面模式図である。本発明に係る木粉含有樹脂射出成形品の一実施態様を示す模式図である。

符号の説明

１・・・射出成形機
２・・・木粉
３・・・樹脂ペレット
４・・・ホッパー
５・・・撹拌機
６・・・シリンダー
７・・・スクリュー
８・・・ヒーター
９・・・成形型
１０・・・成形品

Claims

曲げ弾性率（ＪＩＳＫ７２０３準拠）が、１０００ＭＰａ以上１４５０ＭＰａ以下であり、メルトフローレート（ＪＩＳＫ７２１０準拠）が、１５ｇ／１０ｍｉｎ以上３０ｇ／１０ｍｉｎ以下であるランダムポリプロピレン樹脂と、１５メッシュの篩を通過し、４０メッシュの篩を通過しない木粉とを混合し、射出成形機によって金型に射出して成形品を得ることを特徴とする木粉含有樹脂射出成形品の製造方法。
請求項１に記載の方法によって製造された木粉含有樹脂射出成形品。
木粉の重量比率が、全体重量の５０％より大きいことを特徴とする請求項２に記載の木粉含有樹脂射出成形品。