JP5745352B2 - 熱可塑性樹脂組成物の製造方法 - Google Patents
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Description
即ち例えば、ポリオレフィン系樹脂と所定長の木粉とを含有する混合材料を、溶融混練し、押出成形してなる溶融樹脂混練物を冷却し、粉砕してポリオレフィン系樹脂組成物を製造する方法が知られている(特許文献1参照)。また、特許文献1には、この方法により製造された樹脂組成物を用いて、押し込み成形により擬木などの木質感のある成形体を製造することができると説明されている。更に、材木、パルプ等の切削屑、及びケナフ等の植物性材料の粉砕物などの植物系充填材と、熱可塑性樹脂とを溶融混練し、押出成形した後、冷却し、ペレット化して複合材料ペレットを製造する方法(特許文献2参照)が知られている他、本発明者による熱可塑性樹脂組成物及びその製造方法並びに成形体及びその製造方法(特許文献3参照)が知られている。
熱可塑性樹脂と植物性材料とを混合して混合物とする混合工程と、
前記混合物を細分化装置によって細分化する細分化工程と、を備え、
前記細分化装置は、互いに対向しつつ、互いに逆方向へ回転する第1ローラと、第2ローラと、を備え、
前記第1ローラの表面には、軸方向に沿って延びる複数の凸条を有し、
前記第1ローラの互いに隣り合う凸条の間は、第1ローラの凹部とされ、
前記第1ローラの表面には、前記第1ローラの凹部が複数形成され、
前記第2ローラの表面には、軸方向に沿って延びる複数の凸条を有し、
前記第2ローラの互いに隣り合う凸条の間は、第2ローラの凹部とされ、
前記第2ローラの表面には、前記第2ローラの凹部が複数形成され、
前記第1ローラと前記第2ローラは、互いに逆方向へ回転しながら、前記第1ローラの凹部と前記第2ローラの凹部とが合わさった空間を連続形成可能とされ、
前記第1ローラの軸方向に沿ってスライド可能な第1スライド部材が備えられており、
前記細分化工程は、前記第1ローラと前記第2ローラの間に供給された前記混合物を、前記空間内に咬み込みながら細分化し、前記第1スライド部材がスライドすることにより、前記第1ローラに付着した細分化済みの前記混合物を押し出して、前記第1ローラから剥がして排出する工程であることを要旨とする。
前記第2スライド部材がスライドすることにより、前記第2ローラに付着した細分化済みの前記混合物を押し出して、前記第2ローラから剥がすことを要旨とする。
前記第2ローラの凸条は、その頂部に平坦部を有することを要旨とする。
熱可塑性樹脂及び植物性材料を含有し、熱可塑性樹脂と植物性材料との合計を100質量%とした場合に、前記植物性材料が30〜95質量%である熱可塑性樹脂組成物は、
熱可塑性樹脂と植物性材料とを混合して混合物とする混合工程と、混合物を細分化装置によって細分化する細分化工程と、を備え、
細分化工程において、特定の細分化装置を用いて細分化することで得られる。
本製造方法においていう熱可塑性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂と植物性材料との合計を100質量%とした場合に、植物性材料を30〜95質量%含有する組成物である。
上記「熱可塑性樹脂」は、混合工程で植物性材料と混合される樹脂である。この熱可塑性樹脂は特に限定されず、各種の熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリエステル樹脂、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール及びABS樹脂等が挙げられる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン及びポリブチレンサクシネート等を用いることもできる。これらのうちでは、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィンが好ましく、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、特にエチレン−プロピレンブロック共重合体がより好ましい。熱可塑性樹脂は2種以上を併用してもよいが、1種のみ用いられることが多い。
尚、酸価はJIS K0070により測定することができる。
尚、重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィにより測定することができる。
上記「植物性材料」は、植物に由来する材料である。この植物性材料としては、ケナフ、ジュート麻、マニラ麻、サイザル麻、雁皮、三椏、楮、バナナ、パイナップル、ココヤシ、トウモロコシ、サトウキビ、バガス、ヤシ、パピルス、葦、エスパルト、サバイグラス、麦、稲、竹、針葉樹(杉、檜等)、広葉樹及び綿花などの各種の植物が有する材料が挙げられる。この植物性材料は1種のみ用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのうちでは、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し、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することができるケナフが好ましく、更には、ケナフが有する繊維がより好ましい。また、植物のうちの用いる部位は特に限定されず、非木質部、木質部、葉部、茎部及び根部等の植物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いし、2箇所以上の異なる部位を併用してもよい。
尚、この原料繊維として用いられる植物性繊維は、通常、裁断して用いられる。
本発明の熱可塑性樹脂組成物の製造方法は、混合装置1(図1参照)により熱可塑性樹脂と植物性材料とを混合する混合工程と、得られた混合物を細分化装置30によって細分化する細分化工程と、を備える。
上記「混合工程」は、熱可塑性樹脂と植物性材料とを混合する工程である。
この混合工程では、押出タイプの混練機、押出タイプの混合機を除いた混合装置が用いられる。この混合装置は特に限定されないが、熱可塑性樹脂に多量の植物性材料を混合させることができればよく、例えば、図13及び図14に記載された混合装置を用いることができる。この特定の混合装置を用いた場合、より高い流動性を有する熱可塑性樹脂組成物をより容易に製造することができる。
混合工程で得られた混合物を細分化装置30によって細分化する工程であって、且つ、細分化装置30の有する第1ローラ31と第2ローラ32の間に供給された混合物Cを、空間33内に咬み込みながら細分化して排出する工程である(図3及び4等)。
この細分化工程を備えることで、混合物Cを細分化して、混合物C(即ち、植物性材料を含む熱可塑性樹脂組成物)への蓄熱を抑制して、組成物の熱劣化を効果的に抑制できる。それとともに、後述するように、細分化した混合物(以下、単に「細分化混合物」ともいう)C1自体の温度を調節する(過度に降温させない)ことができ、細分化工程の後に他の工程を備える場合(特に後述する粉砕工程を備える場合)には、その間のラインスピードを維持しつつ、粉砕効率を低下させることなく、熱可塑性樹脂組成物を得ることができる。即ち、細分化工程を備えることで、生産効率よく熱可塑性樹脂組成物を得ることができる。
尚、第1ローラ31と第2ローラ32との間のクリアランスは調節可能に配置されることが好ましい。
同様に、第2ローラ32の表面321aには、軸方向Bに沿って延びる複数の凸条322を有し、互いに隣り合う凸条322の間は凹部324とされ、第2ローラの表面321aにはこの凹部324が複数形成されている。
また、凸条の形状特に限定されず、その断面形状は、三角形状、四角形状、及び半円形状などとすることができるが、これらのなかでは、四角形状が好ましく、更には、台形状が特に好ましい。
更に、凹部314及び324は、各々の凸条に挟まれた空間であり、各ローラの外形から凹んでいる部分である。この形態は特にされないが、例えば、三角形状、四角形状(図11等参照)、及び半円形状(図12参照)などとすることができる。
各ローラのリム幅は特に限定されず、混合物Cの大きさ等により適宜の大きさとすることができる。また、ハブには、各々の回転軸が嵌合される。
また、ローラの半径(図11における距離D2)は特に限定されないが、通常、第1ローラ31及ぶ第2ロータ32は、同径である。
更には、ローラを内部にから冷却するための冷却手段を備えることができる。具体的には、ローラ内に冷媒流路を設けるとともに、ローラ内部で冷媒を流通させることができる手段が挙げられる。また、ローラの表面へ送風するエアブロー手段を備えることができる。エアブロー手段を備えることで、ローラを外部から冷却することができる。
第1ローラ31の軸方向Bに沿ってスライド可能な第1スライド部材が備えられており、第1スライド部材がスライドすることにより、第1ローラ31に付着した細分化混合物C1を押し出して、第1ローラ31から細分化混合物C1を剥がすことができる。同様に、第2ローラ32の軸方向Bに沿ってスライド可能な第2スライド部材が備えられており、第2スライド部材がスライドすることにより、第2ローラ32に付着した細分化混合物C1を押し出して、第1ローラ32から細分化混合物C1を剥がすことができる。図5〜図8では、第1スライド部材と第2スライド部材とは一体とされているが、上述のように、スライド部材34は、各々ローラに対応して分割されていてもよい。
このような剥離機構の構成は、上記スライド部材以外については特に限定されないが、例えば、スライド部材34をヘッドとして備えるロッドをシリンダーで往復運動させることで成し得る。
また、スライド部材34は、図5及び図7に例示するように、ローラの反対側へ突出するまでスライドしてもよいが、突出することなく小さな距離で剥離できるのであれば、適宜のスライド量とすることが好ましい。
更に、細分化混合物C1が柔らかい場合には、ローラの回転と同期させたうえで、ローラの各凹部に対応した凸部を有するスライド部材を用いて、細分化混合物をローラから離間させることもできる。
また、細分化混合物C1は、最小厚さが1cm以下となっていることが好ましく、1〜10mmがより好ましく、2〜8mmが更に好ましい。
本発明の熱可塑性樹脂組成物の製造方法は、混合工程及び細分化工程以外に、他の工程を備えることができる。例えば、細分化工程により得られた細分化混合物C1は、そのまま成形体等を成形するための原料として用いてもよいが、更に粉砕した粉砕物として利用したり、或いは、粉砕物をペレット化したりして利用できる。従って、例えば、他の工程としては、細分化工程で得られた細分化混合物C1を粉砕して粉砕物とする粉砕工程が挙げられる。更に、得られた粉砕物をペレット化するペレット化工程(粉砕物ペレット化工程)が挙げられる。
またその他、混合工程を行う前に植物性材料の予めペレット化するペレット化工程(植物性材料ペレット化工程)等も挙げられる。
この粉砕工程を備える場合、粉砕装置は特に限定されず、細分化混合物C1を効率よく粉砕することができればよい。例えば、株式会社ホーライ製のZシリーズの粉砕機等を用いることができる。また、粉砕物の粒子の形状及び粒径も特に限定されず、整粒等の操作は特に必要とすることなく、成形体の原料として用いることができる。粒径(最大寸法)は1〜10mm、特に3〜8mmであることが好ましく、粒径が1〜10mmであれば、取り扱い易く、射出成形機等の成形機への供給も容易である。
粉砕工程により得られた粉砕物は、そのまま成形体の原料として使用することができるが、ペレット化して用いることが好ましい。粉砕物をペレット化することにより射出形成等の成形がより容易になるからである。即ち、粉砕工程の後に、粉砕物ペレット化工程を備えることができる。このペレット化の方法は特に限定されないが、例えば、粉砕装置50とペレット化装置(図示省略)とを並列に配置し、粉砕と連続してペレット化することができる。また、ペレット化は粉砕物を再加熱せずに実施することもでき、粉砕装置から排出される粉砕物を押出機等により溶融混練し押し出してペレット化することもできる。
また、混合工程で用いる植物性材料は、混合工程で用いる前に予めペレット化して用いることができる。即ち、混合工程前に、植物性材料ペレット化工程を備えることができる。植物性材料をペレット化する場合、ペレット化装置は特に限定されないが、上記(5)の粉砕物ペレット化工程と同様にローラーディスクダイ式成形機を用いることができる。このように植物性材料をペレット化することで、植物性材料と熱可塑性樹脂との嵩密度の差を小さくすることができ、作業性が向上し、混合の際の各々の材料の偏在を抑えることもできる。また、植物性材料と熱可塑性樹脂とが相互により均一に分散した熱可塑性樹脂組成物とすることができ、この組成物を用いてなる成形体の機械的強度をより向上させることができる。
混合工程と細分化工程とは、図1に例示されるように、混合装置1と細分化装置30とを並列に配置し、連続的に混合し、細分化する工程とすることが好ましい。即ち、混合装置1から排出される混合物C(細分化されていない混合物)を、シュート11を用いて細分化装置30に投入できる。更に、細分化装置30では、互いに逆方向に回転された第1ローラ31と第2ローラ32の間に供給された混合物Cを、各々ローラの有する凸条で咬み込んで第1ローラ31と第2ローラ32の間に引き込み、更に、各ローラの凹部が合わさって連続的に形成される空間内に、この混合物Cを咬み込みながら細分化して、ローラ間から細分化混合物C1として排出することが好ましい。
本発明の方法により製造された熱可塑性樹脂組成物(好ましくは細分化後、粉砕された粉砕物、又は粉砕物がペレット化されてなるペレット)は、射出成形、押出成形、圧縮成形等の各種の成形方法により、成形体とすることができる。この熱可塑性樹脂組成物は、多量の植物性材料を含有しているにもかかわらず、優れた流動性を有するため、特に高い流動性を要する射出成形に用いることが好適である。この射出成形時、熱可塑性樹脂組成物がペレット化されておれば、計量時間及び射出時間等を短縮することができ、その結果、成形サイクルが短縮されて成形効率を向上させることができる。また、射出成形等の各種の成形に用いる装置及び成形条件等は特に限定されず、熱可塑性樹脂の種類、及び成形体の形状、用途等により適宜選択し、設定すればよい。
[1]熱可塑性樹脂組成物の製造
〈1〉混合工程
ケナフ繊維(平均繊維長1.6mm)240gと、ポリプロピレン(サンアロマー株式会社製、商品名「VM970X」)385gと、酸変性ポリプロピレン(三菱化学株式会社製、商品名「モディックP908」)15gと、を図13の混合装置1の材料供給室13に投入し、その後、容量5リットルの混合室3に移送し、混合羽根(図14の10a〜10f)を、32kwモータに対して指令周波数35Hzにて駆動させて混合した。尚、この配合は、原料全量に対してケナフ繊維が37.5質量%の質量割合である。
その後、混合羽根にかかる負荷(トルク)が上昇し、150%に相当する負荷に達した時点から4秒経過後を終点として混合を停止し、混合物Cを混合装置1から排出した。得られた塊状物は、最大寸法10〜20cmの塊状であり、デジタル温度計(CUSTOM社製、品名「CT−1310D型」)によって測定された塊状物の内部の温度は220〜240℃であった。
上記〈1〉で得られた塊状物(混合物C)は、混合装置1から排出されるとシュート11を通り、細分化装置30内に投入される(図1)。
細分化装置30は、図1〜12に示されるように、第1ローラ31及び第2ローラ32を備える。この第1ローラ31及び第2ローラ32は、混合物Cとの接触による熱の影響を軽減するために、リム(リム幅が20cmである)とハブとこれらを接続するリブとを備えてなる。即ち、第1ローラ31は、リム311とハブ315とこれらを接続するリブ316と、を備える(図10等)。同様に、第2ローラ32は、第2ローラのリム321とハブ325とこれらを接続するリブ326とを備える(図10等)。
ローラ同期ギア353と接続され、更に、軸受け383を介して、カップリング36と接続され、更に、駆動源であるモータ37(出力1.5kW)へと接続される。
そして、細分化装置30は、モータ37からの動力により、カップリング36を介して、第1ローラ31の同期ギア353が回転され、その回転は、図示されない第2ローラ32の同期ギアへ伝達されて、第1ローラ31と第2ローラ32とは、互いに逆方向へ同じ回転数で回転されることとなる。
従って、第1ローラ31と第2ローラ32とは、各々凸条の頂部の平坦部が2mmとされており、合計4mmのクリアランスをもって互いに当接して空間33を形成できるようになっている。これにより、より確実に混合物Cの細分化を行うことができる(図11)。
細分化装置30内に投入されると、互いに逆方向へ向かって同じ回転速度で回転された2つのローラの間に落下される(図2〜図4)。即ち、方向A1へ向かって4回転/分の速度で回転する第1ローラ31と、方向A2へ向かって4回転/分の速度で回転する第2ローラ32と、の間に落下される。落下された混合物Cは、各々ローラが有した凸条312及び323によって、ローラ間に引き込まれるとともに、第1ローラ31の凹部314と第2ローラ32の凹部324とが合わさって連続的に形成される空間33に咬み込まれ、第1ローラ31の凸条312の頂部と第2ローラ32の凸条322の頂部とが当接されることによって切断されて、細分化混合物C1となって、両ローラの間から下方へと排出される。
上記〈2〉において、ベルトコンベア40で搬送された細分化混合物C1は、粉砕装置50(TRIA社製、型式「42−20JM」)に投入される。この粉砕装置50内では、細分化混合物C1が粉砕されて、目開き5mmのスクリーンを通過されて、粉砕物となる。
その後、粉砕物は、搬送用ダクトホース60内を搬送されて、ジェットローダー(松井製作所製、型式「JL4−VC」)によりサイクロン70内に吸引され、エア分離されて、ロータリーバルブ80にて回収される。得られた粉砕物は、110℃で5時間乾燥する。
上記〈3〉までに得られた粉砕物を、射出成形機(住友重機械工業社製、形式「SE100DU」)により、シリンダー温度190℃、型温度40℃の条件で射出成形し、長さ80mm、幅10mm、厚さ4mmの試験片を作製し、次いで、ISO178に準拠して曲げ試験を実施し、曲げ強さ及び曲げ弾性率を算出した。また、バーフロー金型を用いて同様にして射出成形し、流動長を評価した。その結果、曲げ強度は61MPa、曲げ弾性率は3700MPa、バーフロー長は360mmであった。このように、実施例の熱可塑性樹脂組成物は、十分な曲げ特性を有し、且つバーフロー長を指標とする流動性も優れていることが分かる。
3;混合室、5;回転軸、10及び10a〜10f;混合羽根、12;らせん状羽根、13;材料供給室、
30;細分化装置、
31;第1ローラ、311;第1ローラのリム、311a;第1ローラの表面、312;凸条(第1ローラの凸条)、313;平坦部(第1ローラの平坦部)、314;凹部(第1ローラの凹部)、315;ハブ、316;リブ、
32;第2ローラ、321;第2ローラの表面、322;凸条(第2ローラの凸条)、323;平坦部(第2ローラの平坦部)、324;凹部(第2ローラの凹部)、
33;空間(第1ローラの凹部と第2ローラの凹部とが合わさって形成される空間)、
34;スライダ部材、
351;第1ローラ軸、352;第2ローラ軸、353;第1ローラの同期ギア、
36;カップリング、
37;駆動モータ(駆動原)、
381;支持台、382、383;軸受け、
39;フード、
40;搬送用コンベア、
50;粉砕装置、
60;搬送用ダクトホース、70;サイクロン、80;ロータリーバルブ、90;粉砕物回収器、
A1;第1ローラの回転方向、A2;第2ローラの回転方向、
B;軸方向、
C;混合物、C1;細分化された混合物。
Claims (4)
- 熱可塑性樹脂及び植物性材料を含有し、前記熱可塑性樹脂と前記植物性材料との合計を100質量%とした場合に、前記植物性材料は30〜95質量%である熱可塑性樹脂組成物の製造方法であって、
熱可塑性樹脂と植物性材料とを混合して混合物とする混合工程と、
前記混合物を細分化装置によって細分化する細分化工程と、を備え、
前記細分化装置は、互いに対向しつつ、互いに逆方向へ回転する第1ローラと、第2ローラと、を備え、
前記第1ローラの表面には、軸方向に沿って延びる複数の凸条を有し、
前記第1ローラの互いに隣り合う凸条の間は、第1ローラの凹部とされ、
前記第1ローラの表面には、前記第1ローラの凹部が複数形成され、
前記第2ローラの表面には、軸方向に沿って延びる複数の凸条を有し、
前記第2ローラの互いに隣り合う凸条の間は、第2ローラの凹部とされ、
前記第2ローラの表面には、前記第2ローラの凹部が複数形成され、
前記第1ローラと前記第2ローラは、互いに逆方向へ回転しながら、前記第1ローラの凹部と前記第2ローラの凹部とが合わさった空間を連続形成可能とされ、
前記第1ローラの軸方向に沿ってスライド可能な第1スライド部材が備えられており、
前記細分化工程は、前記第1ローラと前記第2ローラの間に供給された前記混合物を、前記空間内に咬み込みながら細分化し、前記第1スライド部材がスライドすることにより、前記第1ローラに付着した細分化済みの前記混合物を押し出して、前記第1ローラから剥がして排出する工程であることを特徴とする熱可塑性樹脂組成物の製造方法。 - 前記細分化装置には、前記第2ローラの軸方向に沿ってスライド可能な第2スライド部材が備えられており、
前記第2スライド部材がスライドすることにより、前記第2ローラに付着した細分化済みの前記混合物を押し出して、前記第2ローラから剥がす請求項1に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。 - 前記第1スライド部材と前記第2スライド部材は一体とされている請求項2に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 前記第1ローラの凸条は、その頂部に平坦部を有するとともに、
前記第2ローラの凸条は、その頂部に平坦部を有する請求項1乃至3うちののいずれかに記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
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