JP5194938B2 - 植物性繊維複合材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、軽量性と高い機械的特性とをより高度に両立できる植物性繊維複合材の製造方法を提供することを目的とする。
(1)植物性繊維どうしが熱可塑性樹脂により結着された構造を有し、且つ該植物性繊維及び該熱可塑性樹脂の合計を100質量%とした場合に該植物性繊維が30〜95質量%含まれた植物性繊維複合材の製造方法であって、
酸変性ポリオレフィン及び非酸変性ポリオレフィンを含有する熱可塑性樹脂を溶融紡糸して熱可塑性樹脂繊維を得る紡糸工程と、
植物性繊維と上記熱可塑性樹脂繊維とを乾式法にて混繊して繊維混合物を得る混繊工程と、
上記繊維混合物中の上記熱可塑性樹脂繊維を溶融する加熱工程と、をこの順に備え、
上記植物性繊維の平均繊維長は20〜100mmであることを特徴とする植物性繊維複合材の製造方法。
(2)上記乾式法が、上記植物性繊維と上記熱可塑性樹脂繊維とを相互に分散させて堆積する方法である上記(1)に記載の植物性繊維複合材の製造方法。
(3)上記酸変性熱可塑性樹脂は、酸価が5以上である上記(1)又は(2)に記載の植物性繊維複合材の製造方法。
(4)上記酸変性熱可塑性樹脂は、重量平均分子量が10,000〜100,000である上記(1)乃至(3)のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
(5)上記紡糸工程で用いる上記熱可塑性樹脂は、該熱可塑性樹脂全体を100質量%とした場合に、上記酸変性熱可塑性樹脂を1〜10質量%含有する上記(1)乃至(4)のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
(6)上記植物性繊維は、ケナフ繊維である上記(1)乃至(5)のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
(7)上記酸変性熱可塑性樹脂の溶融粘度は、160℃において、4,000〜30,000mPa・sである上記(1)乃至(6)のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
酸変性熱可塑性樹脂が酸変性ポリオレフィンである場合は、他の成分を用いる場合に比べてより優れた機械的特性の向上効果が得られ、より軽量で優れた機械的特性を有する植物性繊維複合材を得ることができる。
酸変性熱可塑性樹脂の酸価が15以上である場合は、それ未満の酸価の成分を用いる場合に比べて、より少量で高い機械的特性の向上効果が得られ、特に軽量で優れた機械的特性を有する植物性繊維複合材を得ることができる。
酸変性熱可塑性樹脂の重量平均分子量が10,000〜100,000である場合は、酸変性熱可塑性樹脂を含有しながら、優れた紡糸効率が得られ、特に繊維化し易い。従って、酸変性熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂繊維を用いて、上記各効果をよりよく得ることができる。
紡糸工程で用いる熱可塑性樹脂が熱可塑性樹脂全体を100質量%とした場合に、酸変性熱可塑性樹脂を1〜10質量%含有する場合は、酸変性熱可塑性樹脂を含有しながら、より優れた紡糸効率が得られ、より特に繊維化し易い。従って、酸変性熱可塑性樹脂を含む熱可塑性樹脂繊維を用いて、上記各効果を更によりよく得ることができる。
植物性繊維がケナフ繊維である場合、ケナフは成長が極めて早い一年草であり、優れた二酸化炭素吸収性を有するため、大気中の二酸化炭素量の削減、森林資源の有効利用等に貢献できる。
[1]植物性繊維複合材の製造方法
本発明の植物性繊維複合材の製造方法は、
植物性繊維どうしが熱可塑性樹脂により結着された構造を有し、且つ該植物性繊維及び該熱可塑性樹脂の合計を100質量%とした場合に該植物性繊維が30〜95質量%含まれた植物性繊維複合材の製造方法であって、
酸変性ポリオレフィン及び非酸変性ポリオレフィンを含有する熱可塑性樹脂を溶融紡糸して熱可塑性樹脂繊維を得る紡糸工程と、
植物性繊維と上記熱可塑性樹脂繊維とを乾式法にて混繊して繊維混合物を得る混繊工程と、
上記繊維混合物中の上記熱可塑性樹脂繊維を溶融する加熱工程と、をこの順に備え、
上記植物性繊維の平均繊維長は20〜100mmであることを特徴とする。
上記「紡糸工程」は、酸変性ポリオレフィン及び非酸変性ポリオレフィンを含有する熱可塑性樹脂を溶融紡糸して熱可塑性樹脂繊維を得る工程である。この工程における溶融紡糸については、従来公知の種々の溶融紡糸法を用いることができ、特に限定されない。
上記「酸変性熱可塑性樹脂」は、酸変性により酸変性基が導入された熱可塑性樹脂である。この熱可塑性樹脂に導入された酸変性基の種類は特に限定されないが、通常、無水カルボン酸残基(−CO−O−OC−)及び/又はカルボン酸残基(−COOH)である。酸変性基はどのような化合物により導入されたものであってもよく、その化合物としては、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、マレイン酸、イタコン酸、フマル酸、アクリル酸、及びメタクリル酸等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでは、無水マレイン酸及び無水イタコン酸が好ましく、無水マレイン酸が特に好ましい。
上記酸化、重量平均分子量及び溶融粘度の好ましい範囲を充足する酸変性ポリオレフィンとしては、前記商品名ユーメックス(三洋化成工業株式会社製)のなかでも、商品名ユーメックス1001及び/又は商品名ユーメックス1010がより好ましい。
従って、非酸変性ポリオレフィンとしては、ポリプロピレン又は上記混合樹脂が特に好ましく、酸変性ポリオレフィンとしては無水マレイン酸変性ポリプロピレンが特に好ましい。
尚、上記3〜10dtexにおける熱可塑性樹脂繊維の平均繊維径は、非酸変性熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを用い、酸変性熱可塑性樹脂として無水マレイン酸変性ポリプロピレンを用いた場合には、3.8〜37.5μm程度となる。
尚、熱可塑性樹脂繊維における各種形態の測定方法については、後述する植物性繊維と同様である。
上記「混繊工程」は、植物性繊維と熱可塑性樹脂繊維とを乾式法にて混繊して繊維混合物を得る工程である。
また、上記植物性繊維として用いる植物体の部位は特に限定されず、繊維を採取できればよく、非木質部、茎部、根部、葉部及び木質部等の植物体を構成するいずれの部位であってもよい。更に、特定部位のみを用いてもよく2ヶ所以上の異なる部位を併用してもよい。
また、本発明におけるジュートとは、ジュート麻から得られる繊維である。このジュート麻には、黄麻(コウマ、Corchorus capsularis L.)、及び、綱麻(ツナソ)、シマツナソ並びにモロヘイヤ、を含む麻及びシナノキ科の植物を含むものとする。
尚、この平均繊維長は、JIS L1015に準拠して、直接法にて無作為に単繊維を1本ずつ取り出し、伸張させずにまっすぐに伸ばし、置尺上で繊維長を測定し、合計200本について測定した平均値である。
上記乾式法としては、エアーレイ法及びカード法などが挙げられるが、エアーレイ法が好ましい。より簡略な装置で効率よく混繊を行うことができるからである。このエアーレイ法は植物性繊維と熱可塑性樹脂繊維とを気流によってコンベア面上などに分散、投射して植物性繊維と熱可塑性樹脂繊維とが相互に分散された堆積物(繊維混合物)を得る方法である。
尚、上記密度はJIS K7112(プラスチック−非発泡プラスチックの密度及び比重の測定方法)に準じて測定される値である。また、上記目付は、含水率10%における1m2あたりの質量である。
上記「加熱工程」は、繊維混合物中の熱可塑性樹脂繊維を溶融する工程である。この加熱工程を経ることで、植物性繊維どうしが熱可塑性樹脂により結着された構造を有する植物性繊維複合材が得られることとなる。
この加熱工程における加熱温度は、用いる熱可塑性樹脂(熱可塑性樹脂繊維を構成している)により適宜の温度(即ち、少なくとも各種熱可塑性樹脂が軟化する温度)とすることが好ましい。例えば、非酸変性熱可塑性樹脂としてポリプロピレン(前記ホモポリマー又はポリエチレンとのブロックポリマー等を含む)を用い、酸変性熱可塑性樹脂として無水マレイン酸ポリプロピレンを用いる場合には、170〜240℃とすることが好ましい。この範囲では熱可塑性樹脂に対する負担を抑制した上で、植物性繊維どうしを効果的に結着することができる。この加熱温度は、180〜230℃がより好ましく、190〜220℃が更に好ましく、200〜210℃が特に好ましい。この範囲では上記効果よりよく得ることができる。
また、この圧縮を行う場合には、その際に同時に賦形を行うことができる。即ち、圧縮に金型を用いることで、板状(植物性繊維複合材のボードなど)及びその他の各種形状(製品形態である各種形状)へ成形を行うことができる。上記板状に賦形を行った場合には、そのまま用いることもできるが、この板状の植物性繊維複合材に更に本成形を施して、最終形態を得ることもできる{即ち、板状に成形する予備成形工程(加熱工程と同時又は加熱工程の後)と、最終形状へ賦形する本成形工程と、を備えることとなる}。
また、植物性繊維複合材のうち、上記圧縮を行った場合に得られる植物性繊維複合材の密度は特に限定されるものではないが、前記繊維混合物(例えば、マット状の繊維混合物)を圧縮するために、この繊維混合物よりも大きな密度となる。即ち、通常、植物性繊維複合材の密度は、0.3g/cm3を越える(通常1.0g/cm3以下)である。この密度の測定は、前記繊維混合物におけると同様である。
[1]実施例1〜5(酸変性ポリオレフィンが異なる植物性繊維複合材の製造)
非酸変性ポリオレフィンであるポリプロピレン樹脂(商品名「ノバテックSA01」、日本ポリプロ株式会社製)と、酸変性ポリオレフィンである下記(A)〜(E)の各樹脂と、をこれらの2種の樹脂の合計を100質量%した場合に、非酸変性ポリオレフィンが95質量%且つ酸変性ポリオレフィンが5質量%となるように混合し、得られた熱可塑性樹脂混合物を溶融紡糸法により繊維化(繊度6.6dtex)した後、長さ51mmに裁断して熱可塑性樹脂繊維を得た。次いで、得られた熱可塑性樹脂繊維とケナフ繊維(平均長さ70mm)とを、質量比で50:50となるようにエアーレイ装置を用いて、厚さ15mmのマット(熱可塑性樹脂繊維とケナフ繊維との繊維混合物)に調製した。
実施例1
(A)商品名「ユーメックス1001」(三洋化成工業株式会社製、酸変性ポリプロピレン樹脂、重量平均分子量40,000、160℃溶融粘度16,000、酸化26)
実施例2
(B)商品名「ユーメックス1010」、(三洋化成工業株式会社製、酸変性ポリプロピレン樹脂、重量平均分子量30,000、160℃溶融粘度10,000、酸化52)
実施例3
(C)商品名「アドマーQE800」、(三井化学株式会社製、酸変性ポリオレフィン樹脂)
実施例4
(D)商品名「モディック−AP P908」、(三菱化学株式会社製、酸変性ポリオレフィン樹脂)
実施例5
(E)商品名「トーヨタックユーメックス1001」、(東洋化成工業株式会社製、酸変性ポリオレフィン樹脂)
酸変性熱可塑性樹脂を含有させず、熱可塑性樹脂として非酸変性熱可塑性樹脂(商品名「ノバテックSA01」、日本ポリプロ株式会社製)のみを用いて熱可塑性樹脂繊維を得たこと以外は、上記[1]と同様にして植物性繊維複合材を得た。
実施例1〜5及び比較例1の植物性繊維複合材の各々について最大曲げ荷重を測定した。この測定に際しては、各植物性繊維複合材から切り出した、含水率約10%以下の状態における厚さ約2.3mm、幅50mm、長さ150mmの長方形の板状の試験片を用いた。そして、各試験片を支点間距離(L)100mmとした2つの支点(曲率半径3.2mm)で支持しつつ、支点間中心に配置した作用点(曲率半径3.2mm)から速度50mm/分にて荷重の負荷を行い、各試験片の最大曲げ荷重を測定した(JIS K7171に準拠)。
実施例1 : 105N
実施例2 : 100N
実施例3 : 90N
実施例4 : 104N
実施例5 : 102N
比較例1 : 83N
(酸変性ポリオレフィンの配合量及び植物性繊維の配合量による比較)
非酸変性ポリオレフィンであるポリプロピレン樹脂(商品名「ノバテックSA01」、日本ポリプロ株式会社製)と、酸変性ポリオレフィンである上記(A)の各樹脂と、を用い、これらの2種の樹脂の合計を100質量%した場合に酸変性ポリオレフィンが表1〜表3に示すように3〜7質量%となるように混合し、得られた熱可塑性樹脂混合物を溶融紡糸法により繊維化(繊度6.6dtex)した後、長さ51mmに裁断して熱可塑性樹脂繊維を得た。次いで、得られた熱可塑性樹脂繊維とケナフ繊維(平均長さ70mm)とを、表1〜表3に示すように、質量比50:50又は質量比30:70(樹脂30質量%)となるようにエアーレイ装置を用いて、厚さ15mmのマット(熱可塑性樹脂繊維とケナフ繊維との繊維混合物)に調製した。その後、上記[1]における実施例1と同様に加工して、厚さが約2.3mmであり、目付を約1.3〜約2.0kg/m2の範囲で変化させたボード状の植物性繊維複合材(本成形体)を得た。
実施例6〜10及び比較例2の植物性繊維複合材の各々について、JIS K7112(プラスチック−非発泡プラスチックの密度及び比重の測定方法)に準じて含水率10%における密度を測定した。更に、前記[3]と同様に、JIS K7171に準じて最大曲げ荷重、曲げ強さ及び曲げ弾性率を測定し、実施例1、実施例6〜10、比較例1及び比較例2の結果と合わせて表1〜表3に示した。
実施例1;非酸変性PP 95質量%+酸変性PP 5質量%
実施例6;非酸変性PP 97質量%+酸変性PP 3質量%
実施例7;非酸変性PP 93質量%+酸変性PP 7質量%
実施例 8;非酸変性PP 97質量%+酸変性PP 3質量%
実施例 9;非酸変性PP 95質量%+酸変性PP 5質量%
実施例10;非酸変性PP 93質量%+酸変性PP 7質量%
非酸変性PP 100質量%+酸変性PP 0質量%
比較例2;植物性繊維70質量%+熱可塑性樹脂30質量%
非酸変性PP 100質量%+酸変性PP 0質量%
表1〜3について、目付(X軸)と最大曲げ荷重(Y軸)との相関をプロットし、更に、各実施例及び比較例について近似直線を付加して、図1(比較例1、実施例1、実施例6及び実施例7)及び図2(比較例2、実施例8、実施例9及び実施例10)に示した。尚、図1内及び図2内の「PP」は本各実施例で用いたポリプロピレンを意味し、「DPP」は本各実施例で用いた酸変性ポリプロピレンを意味する。
比較例1の近似直線において目付1.8kg/m2における最大曲げ荷重は82.57Nであるが、この最大曲げ荷重は、実施例1及び実施例6では目付1.56kg/m2において得られ、実施例7では目付1.55kg/m2において得られ、各々比較例1に対して約14%軽量化が可能であることが分かる。同様に、比較例1の近似直線において目付1.6kg/m2における最大曲げ荷重は69.46Nであるが、この最大曲げ荷重は、実施例1及び実施例6では目付1.38kg/m2において得られ、実施例7では目付1.39kg/m2において得られ、各々比較例1に対して約14%軽量化が可能であることが分かる。
また、比較例1の近似直線に対して、実施例1及び実施例6の近似直線は比較的平行に配置されているのに対して、実施例7の近似直線は目付が大きい程、比較例1の近似直線との最大曲げ荷重差が大きくなる傾向が認められ、酸変性ポリオレフィンを用いたことによる機械的特性向上の効果が特に顕著に現れていることが分かる。
また、比較例2の近似直線に対して、実施例8〜実施例10のいずれの近似直線も目付が大きい程、比較例2の近似直線との最大曲げ荷重差が大きくなる傾向が認められ、酸変性ポリオレフィンを用いたことによる機械的特性向上の効果が特に顕著に現れていることが分かる。
Claims (7)
- 植物性繊維どうしが熱可塑性樹脂により結着された構造を有し、且つ該植物性繊維及び該熱可塑性樹脂の合計を100質量%とした場合に該植物性繊維が30〜95質量%含まれた植物性繊維複合材の製造方法であって、
酸変性ポリオレフィン及び非酸変性ポリオレフィンを含有する熱可塑性樹脂を溶融紡糸して熱可塑性樹脂繊維を得る紡糸工程と、
植物性繊維と上記熱可塑性樹脂繊維とを乾式法にて混繊して繊維混合物を得る混繊工程と、
上記繊維混合物中の上記熱可塑性樹脂繊維を溶融する加熱工程と、をこの順に備え、
上記植物性繊維の平均繊維長は20〜100mmであることを特徴とする植物性繊維複合材の製造方法。 - 上記乾式法が、上記植物性繊維と上記熱可塑性樹脂繊維とを相互に分散させて堆積する方法である請求項1に記載の植物性繊維複合材の製造方法。
- 上記酸変性熱可塑性樹脂は、酸価が5以上である請求項1又は2に記載の植物性繊維複合材の製造方法。
- 上記酸変性熱可塑性樹脂は、重量平均分子量が10,000〜100,000である請求項1乃至3のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
- 上記紡糸工程で用いる上記熱可塑性樹脂は、該熱可塑性樹脂全体を100質量%とした場合に、上記酸変性熱可塑性樹脂を1〜10質量%含有する請求項1乃至4のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
- 上記植物性繊維は、ケナフ繊維である請求項1乃至5のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
- 上記酸変性熱可塑性樹脂の溶融粘度は、160℃において、4,000〜30,000mPa・sである請求項1乃至6のうちのいずれかに記載の植物性繊維複合材の製造方法。
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