JP6132201B2 - 成形材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形材料の製造方法に関する。

従来から、木材等のバイオマス材料とポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性樹脂とを含有する木材プラスチック複合材料（混練型ＷＰＣ：Woodfiber Plastic Composites）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

これらの木材プラスチック複合材料は、廃棄物としてのバイオマス材料や廃プラスチックを原料として用いることができることから、環境資源として近年その生産量が急増している。

一方、これらの木材プラスチック複合材料を、例えばウッドデッキやルーバー等に用いる場合、通常、比重が１を超える高密度な木材プラスチック複合材料が使用されるため、断熱性が低く、釘打ち等の施工性が悪いといった問題点が指摘されていた。

これらの問題に対して、木材プラスチック複合材料を低密度化して断熱性や施工性等を向上させることが試みられている。

このような木材プラスチック複合材料の低密度化では、成形材料の原料の混練プロセスにおいて、原料のバイオマス材料及び熱可塑性樹脂とともに、化学発泡剤や水を同時に添加させたり、多孔質材料を同時に添加させて低密度化を図る方法が考えられる。

特開２００２−３０７０４４号公報

なお、木材プラスチック複合材料の製造における、原料の混練プロセスでは、バイオマス材料の疎水化、微細化を誘起すると同時に、バイオマス材料と熱可塑性樹脂とを十分に混練するために、高せん断力下において、高温で混練する必要がある。

そのため、化学発泡剤や水を添加して発泡させて低密度化を図る方法では、混練時に発泡が開始する場合があり、また、使用する原料によって発泡状態が異なる場合があるため、所望の発泡状態とならず、十分な断熱性と強度が得られないといった問題があった。

また、多孔質材料を添加して低密度化を図る方法では、高せん断力下にける高温での混練中に多孔質材料が圧潰し、所望の密度や強度が得られないといった問題があった。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、低密度であり、高断熱性と強度を両立した成形材料の製造方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

即ち、本発明の成形材料の製造方法は、バイオマス材料としての木粉と熱可塑性樹脂を２〜５ＭＰａのせん断力下において、前記バイオマス材料の熱分解温度以上の温度で混練させた後、多孔質材料を混合させるのと同時に、繊維材料を混合させることを特徴とする。

また、この成形材料の製造方法においては、前記バイオマス材料の熱分解温度以上の温度が１７０〜２５０℃であることが好ましい。

本発明の成形材料の製造方法によれば、低密度であり、高断熱性と強度を両立した成形材料を得ることができる。

成形材料の製造方法は、バイオマス材料と熱可塑性樹脂を、高せん断力下においてバイオマス材料の熱分解温度以上の温度で混練させた後、多孔質材料を混合させるものである。

成形材料の製造方法は、通常、バイオマス材料と熱可塑性樹脂を混練する混練プロセスと、その後、多孔質材料を混合させるプロセスからなる。まず、バイオマス材料と熱可塑性樹脂とを、バイオマス材料の熱分解温度以上の温度で、高せん断力下で混練する。

バイオマス材料としては、木材、竹、麻類、草本類、農産物等の植物材料、これら植物材料の廃棄物、木材の皮、葉、茎、実等の残渣物、また、これら植物材料を加工して得られる紙、パルプ等を用いることができる。木材としてはスギ、ヒノキ、マツ等の針葉樹、ブナ、ナラ、カバ等の広葉樹等が挙げられる。麻類としては、ジュート、ケナフ、亜麻、ヘンプ、ラミー、サイザル等が挙げられる。これら以外の植物材料としては、葦、稲わら、籾殻、ヤシの実やさとうきびの絞りカス等が挙げられる。また、これらの材料を２種以上混合して使用することも可能である。

熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、アクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂はバージンのものに限定されるものではなく、使用後の廃プラスチックや再生プラスチックであってもよい。

混練方法は、従来公知の混練機を用いた混練方法であれば特に制限はなく、例えば、二軸混練押出し機、スーパーミキサー、ペレットミル、ロールミル、ボールミル、加圧型ニーダー等の混練機を用いた混練方法が挙げられる。これらの中でも、せん断力の高いニーディングディスクを搭載した二軸混練押出し機を好適に用いることができる。

混練温度は、バイオマス材料の熱分解温度以上の温度で、かつ、熱可塑性樹脂の分解温度以下であり、１７０〜２５０℃の範囲、好ましくは２１０〜２３０℃の範囲である。また、混練回転数は使用する混練機の性能に応じて適宜設定することができるが、二軸混練押出し機を用いた場合、通常、１００〜３０００ｒｐｍの範囲の混練回転数である。

混練は、熱可塑性樹脂の軟化温度以上であれば可能であるが、上記のようにバイオマス材料の熱分解温度以上の温度で混錬することにより、バイオマス材料が疎水化し、樹脂との相溶化または分散性が向上する。

また、高せん断力下とは、バイオマス材料の微細化が十分に行われるせん断力下を意味し、２ＭＰａ以上、好ましくは２〜５ＭＰａ範囲のせん断力の高い樹脂圧力下を意味する。

混練条件をこの条件とすることにより、バイオマス材料の疎水化、微細化を誘起し、これにより熱可塑性樹脂中への均一な分散、相溶化を促進して低粘度化した混練成形材料を得ることができる。

また、上記成分の他、相溶化剤、滑剤を添加することができる。これらを添加することにより、さらに低粘度で成形性に優れた成形材料とすることができる。

このようにして製造した混練成形材料の形状は特に制限されるものではないが、次の多孔質材料の混練プロセスでの取り扱い性等からペレット状にするのが望ましい。

次に、バイオマス材料と熱可塑性樹脂の混練プロセスによる低粘度化によって流動性が十分に得られた混練成形材料に対して、せん断力の低い混練条件にて低密度の多孔質材料を添加する。

多孔質材料としては、混錬後のバイオマス材料と熱可塑性樹脂の混練成形材料の比重未満のものであれば制限なく用いることができ、これらのものとしては、例えば、発泡ウレタンフォームやフェノールウレタンフォーム、コルク等、また、これら端材や廃棄物等を挙げることができる。また、これらの材料を２種以上混合して使用することも可能である。

多孔質材料の形状は、製造する成形体に応じて適宜選択することができ、例えば、これらを粗粉砕して得られるペレット、紛体を用いることができる。これらの中でも均一分散性等の観点から紛体を用いるのが好ましい。これらの多孔質材料を添加することにより、低密度で高断熱性を有する成形材料を得ることができる。

多孔質材料の混練方法は、バイオマス材料と熱可塑性樹脂の混練プロセスと同様に特に制限はなく、例えば、二軸混練押出し機、スーパーミキサー、ペレットミル、ロールミル、ボールミル、加圧型ニーダー等の混練機を用いた混練方法が挙げられる。混練温度は１７０〜２５０℃の範囲、好ましくは２１０〜２３０℃の範囲である。せん断力は特に制限されるものではないが、添加した多孔質材料を圧潰させないためにも１ＭＰａ以下の樹脂圧力下で混練するのが好ましい。

一方、低密度化によって強度性能の低下が発生する場合には、多孔質材料の添加時に繊維材料を添加することができる。これにより、低密度であり、さらに強度を有する成形体の成形材料とすることができる。

繊維材料としては、有機繊維又は無機繊維を用いることができ、有機繊維としてはケナフ、ジュート等の繊維、無機繊維としてはガラス繊維を挙げることができる。

また、本発明の効果を阻害しない範囲において、さらに他の成分を添加することができる。これらの成分としては、例えば、着色剤、無機フィラー、熱安定剤等を挙げることができる。

このようにして得られた成形材料は、各種成形方法、例えば、押出成形、射出成形、プレス成形等の成形材料として使用することができる。これらの中でも押出成形、射出成形の材料として特に好適に用いられる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。

例えば、多孔質材料を混合するせん断力の低い混練プロセスを省略し、バイオマス材料と熱可塑性樹脂を混練した混練成形材料を成形機内に投入すると同時に、多孔質材料を添加することも可能である。

また、多孔質材料を混練するプロセスにおいて、多孔質材料の代わりに発泡剤を添加することも可能である。この場合の発泡剤としては化学発泡剤、熱膨張性微小球等を用いることができる。

化学発泡剤としてはアゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）、ｐ，ｐ−オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド（ＯＢＳＨ）、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素アンモニウムおよびアゾビスイソブチロニトリル等を挙げることができる。

熱膨張性微小球は、熱可塑性樹脂からなる外殻内に揮発性液状発泡剤を内包し、加熱することにより、揮発性液状発泡剤が発泡して膨張する、粒径２μｍ〜３００μｍの微小球である。

なお、発泡剤の添加は、バイオマス材料と熱可塑性樹脂の混練プロセスにより、流動性が十分に得られた混練成形材料とすることにより可能となるものである。

以上のような成形材料の製造方法によれば、低密度であり、高断熱性と強度を両立した成形材料を得ることができる。

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
（実施例１）
木粉（１００メッシュアンダー）を６０質量部、ポリプロピレン（ＭＦＲ６０）を３５質量部、相溶化剤：マレイン酸変性のポリプロピレン（三洋化成社製 ユーメックス１０１０）を５質量部の割合で混練機に投入した。混練機は、せん断力の高いニーディングディスクを搭載した二軸混練押出し機（東洋精機製作所製、型式２Ｄ３０Ｗ２）を用いた。

回転数を１５０ｒｐｍ、温度を２２０℃に設定して混練したところ、樹脂圧力は２．１ＭＰａを示した。この条件下で作製したペレットを、せん断力の低いスクリュエレメントのみで構成した押出成形機に投入して再溶融化し、温度１９０℃、回転数１０ｒｐｍ、樹脂圧力０．８ＭＰａの低せん断力下で、１４００μｍ以下に粗粉砕したウレタン端材を２０質量部の割合で投入しながら押出して、厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状の成形体を得た。
（実施例２）
実施例１と同様の木粉、ポリプロピレン、相溶化剤を用いて、同様の配合比及び混練条件にて前混練し、その後、回転数を１０ｒｐｍに低下させ、１４００μｍ以下に粗粉砕したウレタン廃材２０質量部、及び、繊維長４ｍｍ、繊維幅５０μｍ以下まで解繊したケナフ繊維を５質量部の割合で投入しながら押出して、厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状の成形体を得た。
（実施例３）
実施例１と同様の木粉、ポリプロピレン、相溶化剤を、同様の配合比及び混練条件にて前混練し、その後、回転数を１０ｒｐｍに低下させ、１４００μｍ以下に粗粉砕したコルク廃材を２０質量部の割合で投入しながら押出して、厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状の成形体を得た。
（比較例１）
実施例１と同様の木粉、ポリプロピレン、相溶化剤を、同様の配合比でラボプラストミルに投入し、回転数１５０ｒｐｍ、温度１９０℃の条件下で２０分間混練した。得られた成形材料を押出成形機（東洋精機製作所製、二軸押出し成形機）に投入しながら押出して、温度１９０℃の条件で、厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状の成形体を得た。
（比較例２）
実施例１と同様の木粉６０質量部、ポリプロピレン３５質量部、相溶化剤５質量部、ウレタン端材２０質量部をラボプラストミルに投入し、回転数１５０ｒｐｍ、温度１９０℃の条件下で２０分間混練した。得られた成形材料を押出成形機（東洋精機製作所製、二軸押出し成形機）に投入し、１９０℃の条件で、厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状の成形体を得た。
（比較例３）
実施例１と同様の木粉６０質量部、ポリプロピレン３５質量部、相溶化剤５質量部、実施例３と同様のコルク端材２０質量部をラボプラストミルに投入し、回転数１５０ｒｐｍ、温度１９０℃の条件下で２０分間混練した。得られたコンパウンドを押出成形機（東洋精機製作所製、二軸押出し成形機）に投入し、１９０℃の条件で、厚さ２ｍｍ、幅４０ｍｍのシート状の成形体を得た。

上記の各条件で製造したシート状の成形体について、密度、熱伝導率、曲げ強度を測定した。その結果を表１に示す。

実施例１、２と比較例１の結果を比較すると、実施例１、２では、多孔質材料のウレタン端材の添加によって密度の低減効果及び熱伝導率の低下の効果が確認された。

なお、実施例１では、多孔質材料による曲げ強度の低下も見られたが、実施例２では、ケナフ微細繊維の添加による補強効果により、曲げ強度の増加が確認された。

また、実施例３では、コルク端材を用いた場合においても密度の低下および熱伝導率の低下が確認された。

また、木粉、ポリプロピレン、相溶化剤と同時に多孔質材料を混練した比較例２、３では、実施例１〜３と比較して全ての項目で劣っていた。これは、混練時のせん断力によって多孔質材料の空隙が潰されて、混練後の密度が高くなり、熱伝導率も高くなったことによるものと考えられる。この結果より、低密度、低熱伝導率の成形材料を得るためには、成形時に低回転数で多孔質材料を混合して成形するのがよいことが確認された。

これらの結果から、本発明の成形材料の製造方法によれば、低密度であり、高断熱性と強度を両立した成形材料が得られることが確認された。

Claims (2)

1. バイオマス材料としての木粉と熱可塑性樹脂を２〜５ＭＰａのせん断力下において、前記バイオマス材料の熱分解温度以上の温度で混練させた後、多孔質材料を混合させるのと同時に、繊維材料を混合させることを特徴とする成形材料の製造方法。
2. 前記バイオマス材料の熱分解温度以上の温度が１７０〜２５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の成形材料の製造方法。