JP5589511B2

JP5589511B2 - 樹脂成形体

Info

Publication number: JP5589511B2
Application number: JP2010085886A
Authority: JP
Inventors: 拓也西村; 藍子納谷
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP2011213960A

Description

本発明は、樹脂と繊維とを含有する樹脂成形体に関し、特に、強さと柔軟性とを兼ね備えた樹脂成形体に関する。

従来、樹脂と繊維とを含有する成形体として、繊維強化プラスチックが知られている。繊維強化プラスチックは、基本的に強度向上を図るものであって、ガラス繊維等の剛直な繊維が含有されている。そのため、硬さが増す反面、樹脂が本来有する柔軟性は損なわれていた。つまり、従来の繊維強化プラスチックは、柔らかさを犠牲にして強度を向上させることで剛性が増しており、柔軟性を備えるものではなかった。また、強度向上を目的としていることには変わりないが、昨今の環境保全意識の向上に鑑み、ガラス繊維に代えて天然繊維を用いた繊維強化プラスチックもある。しかし、天然繊維はガラス繊維に比べて柔らかく、樹脂とのなじみが悪いため、ガラス繊維ほどの高い補強効果を得にくい。そこで、特許文献１では、天然繊維をシラノール縮合物で表面処理することにより、補強効果が高められている。すなわち、シランカップリング剤で表面することで、天然繊維と樹脂とを強固に結合させ、強度を向上させている。また、アルコキシ基以外の官能基を持たないシラノール系化合物で表面処理した場合には、天然繊維の表面に分子サイズのガラス質の被膜が形成され、天然繊維が剛直化することで強度が向上するとされている。また、特許文献２では、天然繊維が樹脂との混練時に糸玉状になることでの強度低下をさけるため、樹脂中で天然繊維を延伸させて補強効果を高めている。

特開２００８−２０８１９４号公報特開２００７−２４５３４８号公報

ところで、自動車部材については、軽量化の観点で強度向上が望まれているが、単に強いだけでなく、触れたときの感触や破断しにくくして安全性を高める観点から、ある程度の柔軟性（フレキシブル性）も同時に要求される。特に、ピラーガーニッシュやインパネなどの乗員が触れることのある内装部材や、衝撃吸収を担うバンパーなどの外装部材においては、柔軟性の兼備が必須である。しかし、従来は単に強度に着目されていたのみであり、良好な柔軟性を有する成形体はなかった。

例えば、特許文献１では、環境配慮の観点から天然繊維が用いられているが、ガラス繊維に近い補強効果を得るために、天然繊維がシラノール縮合物で表面処理されている。その結果、天然繊維自体が剛直化したり、繊維と樹脂の界面強度が向上したりすることで、より効果的に強度を向上させられる反面、ガラス繊維を用いた場合と同様で、柔らかさは損なわれる。このように、柔軟性を度外視して強度向上を目的とした従来の繊維強化プラスチックでは、柔軟性の要求される自動車部材には適さなかった。

特許文献２でも天然繊維を補強繊維としていているが、あくまでガラス繊維で補強された繊維強化プラスチックの環境配慮型の代用品であるから、ガラス繊維と同様に強度の向上が目的とされており、柔軟性は追求されていない。したがって、柔軟性を確保するための具体的な条件の規定はない。また、樹脂中で天然繊維を伸ばすことにより、樹脂の種類によらずオールマイティにある程度の補強効果を向上させることを狙っているため、樹脂の種類は限定されていない。例えば、ポリプロピレン等が例示されている。しかし、ポリプロピレンを含めたポリオレフィンは天然繊維との親和性が低いため、このような樹脂に対して天然繊維により補強効果を発揮させるには、樹脂との界面強度を高めるために天然繊維が表面処理されていることが一般的である。明記はされていないが、強度を向上するものであることからすると、特許文献２でも天然繊維が表面処理されていると介される。

そこで、本発明は、優れた柔軟性を有しながら、一定の強度も担保された樹脂成形体を提供することを目的とする。

本発明は、樹脂と繊維とを含み、前記樹脂はポリオレフィンであり、前記繊維は表面処理されていない天然繊維であり、前記繊維の繊維径が９０μｍ以下であり、且つ繊維間距離が２００μｍ以下である樹脂成形体である。ここでの表面処理とは、繊維とポリオレフィンとの界面強度を向上させるために繊維の表面に施される処理のことであり、例えば、カップリング剤による処理等のことである。また、繊維間距離とは、繊維の表面間の距離である。このような樹脂成形体は、自動車部材として好適である。

かかる樹脂成形体によれば、繊維として天然繊維を用い、樹脂として天然繊維との親和性の低いポリオレフィンを用いながらも、敢えて天然繊維に表面処理しないことで、繊維を引き抜くことができる程度に繊維と樹脂との界面接着力が小さくなっている。その上で、天然繊維の繊維径が９０μｍ以下であり、且つ繊維間距離が２００μｍ以下とされている。これにより、体積あたりの繊維本数を多くすることができ、入力荷重を分散させることで、優れた柔軟性を確保し、且つ一定の強度を担保することができる。つまり、本発明の樹脂成形体は、優れた柔軟性を有しながらも一定の強度も備えている。そのため、自動車部材として、柔らかさの要求される部位にまで展開可能であり、自動車の軽量化に寄与することができる。

試験３−１に係るグラフであり、天然繊維の繊維長と引張破壊伸びひずみとの関係を示すグラフである。試験３−２係るグラフであり、天然繊維の繊維間距離と引張破壊伸びひずみとの関係を示すグラフである。

本発明の樹脂成形体は、樹脂と繊維とを含む。樹脂はポリオレフィンであり、繊維は天然繊維である。

ポリオレフィンとしては、代表的には、ポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。なお、これらの樹脂は、元来非極性であるが、極性を有する材料とのなじみを向上させるために改質されたものもある。しかし、本発明では、非極性の樹脂が用いられる。また、樹脂には、適宜、酸化防止剤や熱安定剤等の各種の添加剤を添加することができるが、ポリオレフィンと天然繊維との親和性を向上させる添加剤を加えるのは望ましくない。親和性を向上させる添加剤としては、例えば、マレイン酸変性ポリプロピレン等が挙げられる。

天然繊維は、表面処理の施されていない繊維が用いられる。特に、ポリオレフィンとの界面強度を敢えて向上させていない。つまり、カップリング処理のような、ポリオレフィンとの界面強度を向上させる表面処理は施されていない。天然繊維はセルロースを主体とし、非極性のポリオレフィンとはなじみにくいが、敢えて表面処理をしないことで、繊維と樹脂との界面強度を、繊維が引き抜ける程度に抑え、変形に対する融通性が高められている。そのうえで、天然繊維の繊維径は９０μｍ以下とされている。繊維径は、天然植物から得た状態の繊維径でもよいし、細分化することで適宜調整することもできる。なお、植物によっては、繊維を単繊維の状態で得られるものと繊維束の状態で得られるものがある。繊維束で得られるものは、繊維束のまま用いても、解繊したものを用いてもよく、解繊したものを更に細分化させてもよい。したがって、本発明における繊維径とは、単繊維や繊維束の状態はもちろん、更に細分化した状態での繊維径も含む。なお、天然繊維を単繊維の状態で細分化することなく用いる場合は、繊維の細さに限界がある。すなわち、最も繊維径が小さいものでも１０μｍ程度である。単繊維の状態で繊維径が９０μｍ以下の天然繊維としては、例えば、コットン、ラミー、カポック、リネン、フラックス、ヘンプ等が挙げられる。繊維径が９０μｍを超えると、繊維間距離を調整しにくくなり、良好な柔軟性を確保することはできない。繊維径が９０μｍ以下であると、繊維自体が柔らかいことに加え、体積あたりの繊維本数を多くすることができ、成形体の柔軟性を確保しながらも一定の強度を担保することができる。なお、天然繊維の繊維長は特に規定されない。天然繊維は、１種類のみを使用しても、２種類以上を併用してもよい。

繊維成形体における天然繊維の繊維間距離、すなわち、繊維同士の表面間の理論上の距離は２００μｍ以下とされる。繊維間距離が２００μｍ以下であると、入力荷重が適度に分散することで、良好な柔軟性を確保しながら、ある程度の強度も担保することができる。繊維間距離が２００μｍを越えると、脆くなり良好な柔軟性を確保することはできない。繊維間距離が２００μｍ以下の場合には、繊維間距離が小さいほど柔軟性が高まり、好ましくは、繊維間距離を１５０μｍ以下とすることで、より良好な柔軟性を発揮させることができる。繊維間距離の下限は特に限定されないが、繊維間距離が小さく繊維が密になりすぎると、成形性の低下が懸念されるため、繊維間距離は５０μｍ以上とするのが好ましい。

また、繊維成形体が一定以上の負荷により破壊される際には、繊維間にクラックを生じるが、繊維間距離が２００μｍ以下であれば、細かいクラックが多く生じることで更なる変形が許容され、粘り強さを発揮する。したがって、吸収できる破壊エネルギーが大きい。これに対し、繊維間距離が２００μｍを越えていると、クラックが大きくなり、クラックをきっかけにして破壊しやすくなり、粘り強さに欠ける。

本発明の樹脂成形体は、樹脂と繊維とを混練し、射出成形、押出成形、真空成形等の各種の樹脂成形法にて成形される。樹脂と繊維とを合わせた成形材料中の繊維濃度は、使用する天然繊維の繊維径に応じて、繊維間距離が２００μｍを超えない範囲で調整され、１〜４５重量％が目安とされる。例えば、天然繊維の繊維径が２０μｍの場合は、繊維濃度の目安は１〜１０重量％とされ、繊維径が５０μｍの場合は繊維濃度５〜２９重量％、繊維径が６０μｍの場合は繊維濃度７〜３４重量％、繊維径９０μｍの場合は繊維濃度１２〜４５重量％が目安とされる。

このような得られた繊維成形体は、優れた柔軟性をし、且つある程度の強度も有する。この点、柔軟性を犠牲にして剛性を高めた従来の繊維強化プラスチックとは全く性質の異なるものである。本発明の繊維成形体は、その優れた柔軟性を活かし、強度だけでなく柔軟性の要求される自動車部材として好適に使用することができる。特に、人が触れることのあるピラーガーニッシュやインパネなどの内装部材や、衝撃吸収を担うバンパーなどの外装部材として好適に使用することができる。優れた柔軟性を備えることで安全性を高めることができるとともに、使用範囲が広く、且つ強度が向上していることで部材の肉薄化が可能であるから、自動車の軽量化にも貢献できる。

［試験１］
試験１では、ポリオレフィン樹脂の構成と繊維の種類を検討した。ポリオレフィンとしてポリプロピレンを用い、ポリプロピレンをベースにマレイン酸変性ポリプロピレンを１重量％含む樹脂と、マレイン酸変性ポリプロピレンを含まないポリプロピレン樹脂とを調整した。そして、繊維としては、チョップドガラス繊維と、天然繊維であるコットン、ラミー及びサイザル繊維とを、それぞれ表面処理されていない状態で用い、樹脂９０重量部と繊維１０重量部とを押出混練機で混練・成形して表１に示される組成の試料１〜５の繊維成形体を得た。なお、表１には、各繊維の繊維径も併記した。また、対照１として、繊維を含まないポリプロピレン樹脂の成形体を作成した。試料１〜５及び対照１について曲げ剛性、破壊伸びひずみ及び荷重たわみ温度を測定した。曲げ剛性は、８０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍの板状試験片を用い、ＩＳＯ１７８に準じ測定した。破壊伸びひずみは、１１０ｍｍ（全長）×１０ｍｍ×２ｍｍのダンベル型試験片を用い、ＩＳＯ５２７に準じ測定した。荷重たわみ温度は、１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ×３ｍｍの板状試験片を用い、ＩＳＯ７５に準じ、荷重を０．４５ＭＰａとして測定した。その結果を表１に示す。

ベースの樹脂としてマレイン酸変性ポリプロピレンを含有するポリプロピレン樹脂を用い、繊維の種類のみが異なる試料１、２の結果を比較すると、天然繊維を用いた試料２では、ガラス繊維を用いた試料１に比べて破壊伸びひずみは約１．５倍も大きく、曲げ剛性は大差なかった。これにより、天然繊維を用いた場合にある程度曲げ剛性を確保しながらも、柔軟性を高められることがわかった。

ポリプロピレン樹脂中のマレイン酸変性ポリプロピレンの有無のみが異なり同じ天然繊維を用いた試料２、３を比較すると、マレイン酸変性ポリプロピレンを含有しない試料３は、破壊伸びひずみは約２．４倍も大きく、曲げ剛性は大差なかった。マレイン酸変性ポリプロピレンは、ポリオレフィンと極性材料との界面接着力を向上させる作用を有するため、試料２では、試料３に比べて樹脂と繊維の界面接着力が高いものと推察される。これにより、ポリオレフィンと天然繊維との界面接着力を向上させる添加剤を添加しないのが好ましいことがわかった。また、樹脂がマレイン酸変性ポリプロピレンを含有しない場合であっても、天然繊維を含有させることで対照１よりも荷重たわみ温度が向上し、耐熱性を高められることがわかった。

マレイン酸変性ポリプロピレンを含まないポリプロピレンを用い、異なる繊維径の天然繊維を用いた試料３〜５の結果を比較すると、繊維径が小さいほど破壊伸びひずみが大きく、より柔軟性に優れていた。これにより、繊維成形体の柔軟性について、天然繊維の繊維径による差異が大きいことがわかった。また、柔軟性と繊維径との関係は単純な比例関係ではないことが推察された。一方、曲げ剛性については、繊維径の違いによる差異は殆どないことがわかった。また、対照１と比較すると、繊維径に関わらず、天然繊維を含有することで曲げ剛性を高められることがわかった。

［試験２］
試験２では、天然繊維としてコットンを用意し、シランカップリング剤で表面処理したものと、表面処理していないものとを調整した。樹脂は、ポリプロピレンをベースにマレイン酸変性ポリプロピレンを１重量％含む樹脂と、マレイン酸変性ポリプロピレンを含まないポリプロピレン樹脂とを用いた。そして、樹脂９０重量部と繊維１０重量部とを押出混練機で混練・成形し、表２に示される組成の成形体６、７を得た。成形体６、７について、上記試験２と同様の方法で曲げ剛性と引張破壊伸びひずみを測定した。その結果を表２に示す。

表２の結果からわかるように、天然繊維がシランカップリング剤で表面処理されていない試料６では、表面処理されている試料７に比べて引張破壊伸びひずみは約６倍も大きく、曲げ剛性は同等であった。つまり、試料６は、強度が同等でありながらも、伸びやすく柔軟性では格段に優れていた。これにより、天然繊維は、ポリオレフィンとの界面接着力の向上を助ける表面処理をしないことで、柔軟性を飛躍的に向上させられることがわかった。

［試験３−１］
試験３−１では、繊維径を変更した際の傾向を調べるために、樹脂としてマレイン酸変性ポリプロピレンを含まないポリプロピレンを用い、天然繊維として繊維径の異なるケナフ、ジュート、ここやし、サイザル、カポック、リネン、脱脂綿、アバカ及びラミーを用い、樹脂９０重量部と繊維１０重量部とを押出混練機で混練・成形して表３に示される試料８〜１６を得た。各試料について、上記試験１、２と同様の方法で引張破壊伸びひずみを測定した。その結果を表３に示す。また、この引張破壊伸びひずみの結果について、図１に天然繊維の繊維径との関係をグラフで示した。なお、図１のグラフには試験２の試料６の結果も併せて示した。

図１のグラフから、天然繊維の繊維径が９０μｍを超えていると、繊維径に関わらず引張破壊伸びひずみは小さく略一定であるが、天然繊維の繊維径が９０μｍ以下であると引張破壊伸びひずみが大きくなり、伸びやすくなり柔軟性が向上することが明らかとなった。また、繊維径が９０μｍ以下の範囲においては、繊維径が小さいほど引張破壊伸びひずみが大きくなり、６０μｍ以下ではより柔軟性に優れ、５０μｍ以下では一層柔軟性に優れることがわかった。これにより、天然繊維の繊維径は９０μｍ以下とし、より好ましくは６０μｍ以下とし、最も好ましくは５０μｍ以下とすることがわかった。

［試験３−２］
試験３−２では、繊維間距離を変更した際の傾向について調べるために、試験３−１の試料を用いるとともに、繊維間距離を変更し、表４に示される試料１７〜２２の繊維成形体を作成した。試験３−２では、樹脂は試験３−１と同じポリプロピレンを用い、繊維はサイザルとコットンを用いた。繊維成形体中の繊維含有量を変えて、押出混練機で混練・成形して各試料を得た。そして、試験３−１と同様に引張破壊伸びひずみを測定した。その結果を図４に示す。また、試験３−１、２の引張破壊伸びひずみの結果について、図２に繊維間距離との関係をグラフで示した。

図２から、繊維間距離が２００μｍ以下であると、引張破壊伸びひずみが大きくなり、伸びやすくなることが明らかとなった。また、繊維間距離が２００μｍ以下の範囲においては、繊維間距離が小さいほど引張破壊伸びひずみが大きくなり、多少ばらつきはあるものの、繊維間距離が１５０μｍ以下であると、より柔軟性に優れることがわかった。これにより、天然繊維の繊維径は２００μｍ以下とし、より好ましくは１５０μｍ以下とすることがわかった。

また、表４に示される試料１７〜２０の結果から、繊維径が９０μｍを超えている場合には、繊維間距離を小さくしても引張破壊伸びひずみは大きくはならず、繊維間距離を２００μｍ以下としても柔軟性を高めることができないものと推察された。これにより、繊維径を９０μｍ以下とし、且つ繊維間距離を２００μｍ以下とすることがわかった。

Claims

樹脂と繊維とを含み、
前記樹脂は非極性のポリオレフィンであり、
前記繊維は表面処理されていない天然繊維（パルプを除く）のみであり、
前記繊維の繊維径が９０μｍ以下であり、且つ、樹脂と繊維とを合わせた成形材料中の繊維の濃度は、前記繊維の繊維径に応じて、繊維間距離が２００μｍ以下となるように調整されており、
前記ポリオレフィンと前記天然繊維との界面接着力を向上させる添加剤を含まず、
引っ張り破壊伸びひずみが１０％以上である、自動車部材用樹脂成形体。