JP5564670B2

JP5564670B2 - 天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品

Info

Publication number: JP5564670B2
Application number: JP2007310855A
Authority: JP
Inventors: 達也田中; 貴保藤浦; 直樹菊池; 直行多代; 淳山本; 猛長岡; 健太郎奥野
Original assignee: DAIWA PLASTICS CO., LTD.; Kobe Steel Ltd
Current assignee: DAIWA PLASTICS CO., LTD.; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: US20110001268A1; EP2218567A1; JP2009132074A; KR20100099226A; US7993737B2; CN102317050A; EP2218567A4; WO2009069607A1

Description

本発明は、天然繊維を強化用繊維とし、帯電した静電気を逃がす除電性能に優れた天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品に関するものである。

熱可塑性樹脂射出成形体（熱可塑性樹脂射出成形品）は、熱可塑性樹脂ペレット（熱可塑性樹脂組成物）を成形原料とし、これを射出成形して得られる成形体（成形品）であり、安価、軽量で生産性に優れていることから、自動車部品、電気・電子製造分野、包装・容器分野など各種の民生部品用途に広く用いられている。ところが、熱可塑性樹脂組成物が一般に電気絶縁性が高いことから、熱可塑性樹脂射出成形体は、帯電しやすく、それ故に埃が付着しやすく、帯電した静電気が放電される際に周辺機器に悪影響を及ぼす（例えば、電子部品の誤作動）可能性があること等が知られている。

このため、成形体において静電気を帯電させない、あるいは静電気を速やかに除去できる性能を付与するために、成形原料として、金属繊維などの導電性繊維、あるいはカーボンブラック等の導電性充填材を含有させた熱可塑性樹脂組成物を用いることが知られている。

一方、樹脂分野においては、各種産業分野と同様に、地球環境への配慮から温暖化の原因であるＣＯ_２を削減するための取り組みが進められており（樹脂原料のリサイクル、ＰＥＴボトルや自動車用バンパのリサイクルなど）、ＣＯ_２を固定化できることや、樹脂との複合化が可能なことで、天然繊維であるジュート、ケナフ、竹繊維などが樹脂への強化用繊維として注目されている。

そして、強化用繊維として天然繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂ペレットが提案されているものの（例えば、特開２００１−２６１８４４号公報）、従来、帯電した静電気を速やかに逃がす除電性能を有する天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体については、知られていない。

特開２００１−２６１８４４号公報

そこで、本発明の課題は、天然繊維を強化用繊維とする天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形原料として射出成形して得られる成形体であって、帯電した静電気を逃がす除電性能に優れた天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明は、強化用繊維として天然繊維を含む天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形原料として射出成形して得られるとともに、帯電した静電気が放電されることによる誤作動たる悪影響を受ける可能性がある電子部品の周辺に用いられるその電子部品とは別部品用の天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品であって、当該成形品中の天然繊維含有率が２０〜６０重量％で、かつ、当該成形品中の天然繊維平均長さが１．５〜４．０ｍｍであり、かつ、当該天然繊維が麻繊維及び竹繊維のうちから選ばれた１種又は２種であり、かつ、ＪＩＳＬ１０９４に規定される半減期測定法によって測定される当該成形品の帯電圧半減期が４０秒未満であることを特徴とする天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品である。

第２の発明は、第１の天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体において、前記天然繊維が麻繊維及び竹繊維のうちから選ばれた１種又は２種であることを特徴とする天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体である。

本発明によれば、天然繊維を強化用繊維とする天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形原料として射出成形して得られる成形体であって、帯電した静電気を逃がす除電性能に優れた天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体を得ることができる。

以下、本発明について、詳しく説明する。

本発明による天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体（以下、単に天然繊維強化樹脂射出成形体ともいう）が帯電した静電気を逃がす除電性能を発揮するメカニズムは、明らかではないが、当該成形体中に存在する天然繊維の構成成分である、セルロースなど官能基を有する化合物による導電（電荷移動）作用や、天然繊維が含んでいる水分による導電作用が主因となっているものと考えられる。また、これらの作用は、成形体中に独立した粒子として天然繊維が存在するのではなく、ある程度以上の長い繊維同士が成形体中で接触し合っていることにより、成形体全体での導電性（除電性能）を発揮しているものと推察される。

本発明にかかる天然繊維としては、麻繊維（亜麻、苧麻、マニラ麻、サイザル麻、黄麻（ジュート）、大麻、ケナフなど）、竹繊維（孟宗竹、日本竹など）、カラムシ、ココナッツ繊維、綿、パンヤ綿、シュロ、稲わら、麦わら、パイナップル繊維などが例示され、これらは単独で使用し得る他、必要により複数種を適宜組み合わせて使用できる。

前記例示した天然繊維のうちでも、入手の容易性、供給の安定性、価格競争力などの点から特に好ましいのは、麻繊維と竹繊維である。

また、本発明にかかるマトリックス樹脂として使用する熱可塑性樹脂の種類は特に制限されず、熱可塑性を有するものであれば使用可能であり、例えば、ポリオレフィン系樹脂［ポリプロピレン（ＰＰ），高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ），直鎖低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ），低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）など］、ポリアミド系樹脂［ポリアミド４，ポリアミド６，ポリアミド６６，ポリアミド６１０，ポリアミド１１，ポリアミド１２，芳香族ポリアミドなど］、ポリエステル系樹脂［ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリ乳酸など］、ポリカーボネート系樹脂、ポリスチレン系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＯＭ樹脂などの単独重合樹脂や共重合樹脂、さらにはそれらの２種以上を併用したブレンド樹脂などがすべて使用可能であり、それら熱可塑性樹脂の選択は、天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形体の要求特性などを考慮して任意に選択して決定すればよい。

ただし、天然繊維を強化用繊維とする本発明においては、射出成形時に高温に曝されると該天然繊維が熱分解や熱劣化を起こして所望の除電性能が得られず、かつ、強化材としての機能が損なわれることがあるので、溶融軟化温度が２２０℃程度以下、より好ましくは２００℃程度以下，特に好ましくは１８０℃程度以下のものを選択することがよい。

前記熱可塑性樹脂の中でも、射出成形体の物性、コストなどのバランスを考慮して特に好ましいのは、ポリオレフィン系樹脂［ポリプロピレン（ＰＰ），高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ），直鎖低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ），低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ），ブテン−１，ヘキセン−１，オクテン−１等のα−オレフィン，あるいはそれらの共重合体など］、不飽和カルボン酸やその誘導体で変性された変性ポリオレフィン系樹脂、ポリ乳酸、エチレン−酢酸ビニル樹脂（ＥＶＡ）、あるいはそれらの２種類以上のブレンド樹脂である。

なお、前記変性に用いられる不飽和カルボン酸やその誘導体としては、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、フマル酸及びこれら酸のエステル、無水マレイン酸、無水イタコン酸などが例示されるが、これらの中でも特に好ましいのは、無水マレイン酸やメタクリル酸グリシジルエステルである。

これらの熱可塑性樹脂には、所望の除電性能の発現を阻害しない範囲で天然繊維との密着性を改善するため、天然繊維及び熱可塑性樹脂の両方に対して密着性の良好な各種変性樹脂を併用することができ、該変性樹脂としては，例えばポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂に対しては、無水マレイン酸変性ポリオレフィン、オキサゾリン変性ポリオレフィン、メタクリル酸グリシジルエステル変性ポリオレフィン等が有効であり、これらを適量併用すると、射出成形体の機械的物性を一段と高めることができる。これら変性ポリオレフィン系樹脂の好ましい添加量は，ポリオレフィン系樹脂に対して０．１〜１５重量％（質量％）、より好ましくは０．２〜１２重量％、特に好ましくは０．５〜１０重量％である。

また、熱可塑性樹脂には、所望の除電性能の発現を阻害しない範囲で、射出成形体の用途や他の要求特性に応じ無機フィラーや各種添加剤を添加することもできる。該無機フィラーとしては、タルク、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、硫酸バリウム、マイカ、ケイ酸カルシウム、クレー、カオリン、シリカ、アルミナ、ウォラストナイト、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化亜鉛、硫化亜鉛などが例示され、これらは単独で添加し得る他、必要により２種以上を複合添加することができる。また、前記各種添加剤とは、分散剤、滑剤ネ、難燃剤、酸化防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、結晶化促進剤（増核剤）、可塑剤、顔料、染料などが挙げられ，これらも必要により２種以上を併用できる。

次に、本発明にかかる天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレット（以下、単に天然繊維強化樹脂ペレットともいう）を製造する方法について説明する。天然繊維強化樹脂ペレットを製造する方法としては、長繊維強化樹脂ペレットが得られる後述する引抜き法が、射出成形体の優れた除電性能を達成する上で、また、生産性や生産コストの点で特に望ましいものの、他の方法であってもよい。例えば、所定長さに切断した天然繊維と、熱可塑性樹脂ペレットとを二軸混練押出機に投入し、熱可塑性樹脂を溶融させて天然繊維と混練し、これを押出して冷却固化したものを所定長さに切断するという方法が挙げられる。この方法では、引抜き法とは違って短繊維強化樹脂ペレットが得られる

前記引抜き法によって天然繊維強化樹脂ペレットを製造する方法について説明する。図１は本発明にかかる天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを引抜き法によって製造する製造装置の一例を示す構成説明図である。

図１において、１は非連続の天然繊維を紡績して糸にした天然繊維紡績糸（強化用繊維）であり、各ボビン５から繰り出された複数本の天然繊維紡績糸１からなる天然繊維紡績糸束（強化用繊維束）２は、含浸ヘッド（含浸ダイ）８内へ導かれるようになっている。ボビン５の下流側に、スクリュ７を内蔵する押出機６が設けられるとともに、この押出機６から溶融樹脂（溶融した熱可塑性樹脂）３が連続供給され、かつ、天然繊維紡績糸束２が導かれる前記含浸ヘッド（溶融樹脂浴容器）８が設けられている。この含浸ヘッド８の内には、連続的に導入される天然繊維紡績糸束２に溶融樹脂３を含浸させるための複数個の含浸ローラ９が配設されている。含浸ヘッド８の出口には、含浸ヘッド８から引き取られる、撚りが付与された樹脂含浸天然繊維紡績糸束（樹脂含浸強化用繊維束）からなる断面円形状のストランド４の線径を定めるダイ（ダイノズル）１０が取り付けられている。

このダイ１０が取り付けられた含浸ヘッド８の下流側には、含浸ヘッド８からのストランド４を冷却水中で冷却する冷却装置１１が設けられている。また、この冷却装置１１の直ぐ下流側には、樹脂含浸天然繊維紡績糸束に撚りを付与する機能を有し、かつ、上流側からのストランド４を引き取る機能を有する撚り機１２が設けられている。さらに、撚り機１２の下流側には、ストランド４を所定長さに切断してペレット化するペレタイザー１４が設けられている。

撚り機１２は、それぞれの回転軸線を平行な平面（水平面）上に保持し、かつ、該回転軸線を交差させた状態で上流側からのストランド４を挟むように対向配置された一対の撚りローラ１３Ａ，１３Ｂにより構成されている。つまり、図１における上側の撚りローラ１３Ａの回転軸線と下側の撚りローラ１３Ｂの回転軸線とは、ストランド４の引き取り方向（走行方向）と直交する向きでなく、平面視において引き取り方向に対して互いに相反する方向に、かつ同角度をなして所定角度ずれた向きに設定されており、この撚りローラ１３Ａ，１３Ｂにより、樹脂含浸天然繊維紡績糸束に撚りがかけられるとともに、該撚りが付与された樹脂含浸天然繊維紡績糸束（ストランド）が引き取られるようになっている。

このように構成される製造装置において、まず、天然繊維紡績糸束２は、含浸ヘッド１１内に導かれる。そして、この天然繊維紡績糸束２は、押出機６から供給された高温の溶融樹脂３が充満されている含浸ヘッド８内の各含浸ローラ９を通過している過程で樹脂含浸を受け、樹脂含浸天然繊維紡績糸束となされる。また、この樹脂含浸天然繊維紡績糸束は、撚りローラ１３Ａ，１３Ｂによる撚り動作により、含浸ヘッド８内の下流側の含浸ローラ９を出発点として撚りが生成・成長する。このように、天然繊維紡績糸束２に溶融樹脂３を含浸させつつ、該樹脂含浸天然繊維紡績糸束に撚りを付与し、含浸ヘッド８から撚りが付与された樹脂含浸天然繊維紡績糸束からなるストランド４が連続的に引き取られる。

含浸ヘッド８からダイ１０を経て連続的に引き取られるストランド４は、冷却装置１１によって冷却硬化されて、撚り動作及び引き取りを行う撚りローラ１３Ａ，１３Ｂへと導かれる。そして、撚り機１２の下流側に導かれた断面円形状のストランド４は、ペレタイザー１４で所定長さに切断されて、天然繊維強化樹脂ペレットとなされる。

このように、引抜き法により、天然繊維紡績糸束に溶融樹脂を含浸させつつ、該樹脂含浸天然繊維紡績糸束に撚りをかけることで、天然繊維紡績糸束への溶融樹脂の含浸が促進されて良好な含浸状態となるので、得られる天然繊維強化樹脂ペレットの射出成形性（繊維の分散性など）が向上し、その結果、射出成形体に良好な除電性能が得られる。この場合、ストランドの撚り数は、ペレット製造上の運転操作性や生産性などを勘案して定めればよく。ピッチが１０〜２００回／ｍの範囲であることが望ましい。撚り数が１０回／ｍ未満では、撚りを与えることによる張力増強が不十分になるとともに、紡績糸から解れた短繊維が溶融樹脂浴中に混入してペレットに存在し、その射出成形体の除電性能にバラツキを生じやすくなる。逆に撚り数が２００回／ｍを超えて過度に多くなると、天然繊維紡績糸束への溶融樹脂の含浸が不充分となることで、ペレットに未含浸部が残存することとなるため、その射出成形体中に天然繊維が充分に分散されなくなり、その結果、射出成形体に充分な除電性能が発揮されなくなる。また、射出成形体における分散不充分な部分の天然繊維が射出成形体表面に露出しやすくなり、良好な外観を得ることができなくなる。

なお、非連続の天然繊維を紡績して糸にした天然繊維紡績糸には、「Ｚ撚り」と「Ｓ撚り」とがあり、通常はＺ撚りである。本発明にかかる天然繊維強化樹脂ペレットを得るにあたり、撚りローラによって天然繊維紡績糸に撚りを与える際の撚り方向を、例えばＺ撚りの天然繊維紡績糸に対してＳ撚りとすれば、含浸ヘッド内での含浸過程で天然繊維紡績糸が少しより戻されることになるので、溶融樹脂の含浸をより効果的に行なうことができ、その射出成形体の除電性能がより高められるので好ましい。

本発明による天然繊維強化樹脂射出成形体は、射出成形体中の天然繊維含有率（射出生成体全重量に対する成形体中の存在する天然繊維の重量比）２０〜６０重量％の範囲を満たすことが必要である。成形体中の天然繊維含有率が２０重量％未満であると、天然繊維が少なすぎて射出成形体の体積固有抵抗が大きくなる傾向となり、除電性能が充分発揮されなくなり、あるいは局部的に除電性能に大きなバラツキを生じやすくなる。一方、天然繊維含有率が６０重量％を超えると、天然繊維強化樹脂の流動性が低下して射出成形性が悪くなり、天然繊維が成形体中で充分に分散されなくなり（未含浸部が残る）、天然繊維が成形体表面に露出しやすくなり、これらにより良好な外観及び除電性能を有する射出成形体を得ることが困難になる。

また、射出成形体中の天然繊維は、その天然繊維平均長さが１．５〜４．０ｍｍの範囲を満たすことが必要である。射出成形体中に存在する天然繊維の平均長さが１．５ｍｍ未満であると、成形体中での繊維同士の絡まり（接点）が少なくなり、射出成形体の体積固有抵抗が大きくなるために、除電性能が充分発揮されなくなる。一方、天然繊維平均長さが４．０ｍｍを超えると、射出成形性が悪くなり、天然繊維が成形体中で充分に分散されなくなり（未含浸部が残る）、天然繊維が成形体表面に露出しやすくなり、これらにより良好な外観及び除電性能を有する射出成形体を得ることが困難になる。

なお、天然繊維強化樹脂ペレットから本発明の天然繊維強化樹脂射出成形体を得る際の射出成形方法は、前述の規定を満たす成形体が得られるものであれば特に制限はない。すなわち、天然繊維を２０〜６０重量％含有する天然繊維強化樹脂ペレットを成形原料として常法によりそのまま射出成形してもよく、あるいは、より高い天然繊維含有率を有するペレットを作製しておき、これを射出成形時に該ペレットに用いたマトリックス樹脂と同一素材の樹脂ペレットで希釈しつつ射出成形することで所定の天然繊維含率を有する成形体とする、いわゆるマスターバッチ法を適用してもよい。

このように、成形体中の天然繊維含有率が２０〜６０重量％で、かつ、天然繊維平均長さが１．５〜４．０ｍｍの範囲を満たすようにすると、ＪＩＳＬ１０９４（織物及び編物の帯電性試験方法）に規定される半減期測定法によって測定される帯電圧半減期が４０秒未満となり、帯電した静電気を逃がす除電性能に優れた天然繊維強化樹脂射出成形体を得ることができる。

本発明では、射出成形体の帯電圧半減期を規定するのに、前記ＪＩＳＬ１０９４に規定の半減期測定法を適用している。ＪＩＳＬ１０９４に規定される半減期測定法は、特定形状の試験片をコロナ放電場で帯電させた後、この初期帯電圧（初期電位）が１／２に減衰するまでの時間（半減期）を測定する方法であり、織物及び編物の静電気減衰特性評価方法として規定されたものであり、一般に静電気を帯びやすいプラスチック材料の除電特性の評価方法としても用いられている。

天然繊維の種類、天然繊維含有率及び天然繊維平均長さが異なる天然繊維強化樹脂射出成形体をつくり、その帯電圧半減期を測定した。

［熱可塑性樹脂］イとロの２種類の熱可塑性樹脂を使用した。熱可塑性樹脂イは、ポリプロピレン（ＢＣ０５Ｇ：日本ポリプロ製）と、これにマレイン酸変性ポリプロピレン（ユーメックス１００１：三洋化成工業製）を重量比で５％配合したものである。前記マレイン酸変性ＰＰは、樹脂と天然繊維との界面接着性と含浸性を向上されるために用いた。また、熱可塑性樹脂ロは、ポリ乳酸（レイシアＨ−１００Ｊ：三井化学製）である。

[強化用繊維] 強化用繊維としてＪとＢの２種類の天然繊維を使用した。天然繊維Ｊは、ジュート紡績糸（Ｋ１６．５（晒し）：デザック社製）である。天然繊維Ｂは、竹繊維であり、そのＢ−１は、平均繊維径９０μｍ×平均繊維長２０ｍｍである。また、そのＢ−２は、平均繊維径９０μｍ×平均繊維長５ｍｍである。前記竹繊維は、インドネシア産の竹材であって、乾燥→爆砕→粉砕→篩い分けの工程から作製したものである。

［天然繊維強化樹脂ペレットの製造方法］引抜き法：前述した引抜き法によってペレット（ペレット径：３．０ｍｍ，ペレット長：８ｍｍ）を製造した。押出し法：二軸混練押出機で熱可塑性樹脂を溶融させながら、これにサイドフィーダより適量の竹繊維を供給して両者を混練し、これを二軸混練押出機によって押出した後、冷却したものを切断してペレット（ペレット径：４．０ｍｍ，ペレット長：５ｍｍ）を製造した。

[天然繊維強化樹脂射出成形体] 表１に示す各ペレットをそれぞれ成形原料として、型締め力１００トンの射出成形機により、長さ２００ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚み４ｍｍの平板状をなす射出成形体を作製した。

［帯電圧半減期の測定］前記各平板状射出成形体の中央部より５０ｍｍ四方の試験片を切り出し、ＪＩＳＬ１０９４に規定される半減期測定法に従って、該試験片の帯電圧半減期を測定した（帯電圧（静電気）半減期測定装置：日本スタテック社製）。すなわち、試験片を回転テーブル上に固定し回転させ、テーブル直径上で中心をはさんだ２点に帯電用プローブと帯電圧測定用プローブを配置し、針電極によるコロナ帯電の原理で、帯電用プローブの下を通過中に帯電させ、半回転して測定用プローブの下を通過するようにした半減期測定装置を用い、印加電圧１０ｋＶを３０秒間帯電した後、初期電位から電位が半分になる時間（半減期）を測定した。試験温度：２３℃、試験湿度：５０％であった。測定結果を表１に示す。

比較例１は熱可塑性樹脂のみのものであり、帯電圧半減期が４０秒以上であった（４０秒以上経過しても初期帯電圧が半減しなかった。）。比較例２と比較例５は、成形体中の繊維平均長さ（平均残存繊維長さ）が本発明で規定する下限値を下回っており、帯電圧半減期が４０秒以上（４０秒以上経過しても初期帯電圧が半減しなかった。）であり、除電性能が劣っていた。比較例３は成形体中の天然繊維含有率が本発明で規定する下限値を下回っており、帯電圧半減期が４０秒以上（４０秒以上経過しても初期帯電圧が半減しなかった。）であり、除電性能が劣っていた。比較例４と比較例６は、成形体中の天然繊維含有率が本発明で規定する上限値を超えており、成形体中に樹脂未含浸部分が生じたり、成形体表面に天然繊維が露出したりしており、そのため帯電圧半減期が４０秒以上（４０秒以上経過しても初期帯電圧が半減しなかった。）であり、除電性能が劣っていた。

これに対し、実施例１〜実施例５は、いずれも、帯電圧半減期が４０秒未満であり、除電性能に優れていた。

本発明にかかる天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを引抜き法によって製造する製造装置の一例を示す構成説明図である。

符号の説明

１…天然繊維紡績糸
２…天然繊維紡績糸束
３…溶融樹脂
４…ストランド
５…ボビン
６…押出機
７…スクリュ
８…含浸ヘッド
９…含浸ローラ
１０…ダイ
１１…冷却装置
１２…撚り機
１３Ａ，１３Ｂ…撚りローラ
１４…ペレタイザー

Claims

強化用繊維として天然繊維を含む天然繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形原料として射出成形して得られるとともに、帯電した静電気が放電されることによる誤作動たる悪影響を受ける可能性がある電子部品の周辺に用いられるその電子部品とは別部品用の天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品であって、当該成形品中の天然繊維含有率が２０〜６０重量％で、かつ、当該成形品中の天然繊維平均長さが１．５〜４．０ｍｍであり、かつ、当該天然繊維が麻繊維及び竹繊維のうちから選ばれた１種又は２種であり、かつ、ＪＩＳＬ１０９４に規定される半減期測定法によって測定される当該成形品の帯電圧半減期が４０秒未満であることを特徴とする天然繊維強化熱可塑性樹脂射出成形品。