JP6363342B2

JP6363342B2 - 複合材

Info

Publication number: JP6363342B2
Application number: JP2013529688A
Authority: JP
Inventors: ピュッノネン，ヤンネ; ミュリュレイネン，マッティ; マユェス，ドゥンカン; シレン，ヨウコ
Original assignee: ストラエンソオーワイジェイ
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: EP2618973A1; RU2013115347A; PL2618973T3; JP2013540618A; AU2011306833A1; CA2810591C; CN103228411A; EP2618973B1; CN103228411B; WO2012038594A1; RU2592613C2; CA2810591A1; US10604656B2; AU2011306833B2; DK2618973T3; US20130291763A1

Description

本発明は材料技術に関し、木質繊維とポリマーとを含む押出複合材に関する。該材料は広範な最終用途に使用することができ、特に装飾及び建築の最終用途に焦点を合わせたものである。

木質繊維とポリマーとを含む様々な種類の押出複合材が知られている。これらの複合材は特に建築材料として使用することができる。特許文献１はそのような材料の一つに関して記載している。該材料は２９ｗ％〜７０ｗ％のプラスチックと、２８ｗ％〜６９ｗ％の木質繊維と、１ｗ％〜２ｗ％の架橋剤と、１ｗ％〜２ｗ％のカップリング剤とで構成されている。プラスチックはポリエチレン、非毒性のポリ塩化ビニル、又はポリプロピレンであり得る。木質繊維は、植物の根、枝、葉、樹皮、ピーナッツの殻、麦わら、又はおが屑であり得る。

中国特許出願公開第１０１０７７９１６号

ここでは、独立請求項に記載のように、複合材、複合材の作製方法、及び複合材の使用方法を提案している。本発明の幾つかの好ましい実施の形態は従属請求項に提示される。

本複合材は木質繊維材料とポリマーとを含み、押出成形により作製される。本木質繊維材料は、節若しくは枝の含有量が少なくとも１０ｗ％である木質材料、又は樹皮、又は節、枝若しくは樹皮を抽出することにより得られる抽出材料が吸収されている木質（wood）材料である。ポリマーの量は複合材の重量の５％〜２５％である。

複合材は、有益な特性、特に高い硬度、耐引っ掻き性、曲げ強度、弾性係数、低減した吸湿性、及び改善した生物学的耐性を有する。

複合材は、特に板状にし、建築材料又は家具材料として使用することができる。

本発明による複合材は、特別に選択された木質繊維材料とポリマーとの混合物から押出成形される。木質繊維材料は、節又は枝の含有量が少なくとも１０ｗ％、好ましくは少なくとも１５ｗ％、最も好ましくは少なくとも２５ｗ％である木質材料であり得る。木質材料は心材材料であるのが好ましい。木質材料はマツ材材料であるのも好ましい。代替的には、木質繊維材料は樹皮であり得る。代替的には、木質材料は、節、枝若しくは樹皮を抽出することにより得られる抽出材料が吸収されているようなものでもあり得る。新規の複合材は、表面硬度、耐引っ掻き性及び強度特性のレベルが大幅に増大し、吸湿性が低下しており、それにより寸法安定性の改善がもたらされる。該複合材は生物学的耐性（特に真菌及び昆虫に対する耐性）が改善している。マツ心材を用いた場合に、この効果は特に顕著なものとなる。木質繊維における大腸菌等の細菌の成長を抑える天然抽出物の凝縮により該材料が抗菌性を含み得ることも特許請求される。

樹皮は木工業の安価な副産物として容易に入手される。また、以前から幾つかのプロセスで、例えば機械木工業において、他の木質材料から心材と節の多い材料とを分別している。本発明では、Ｘ線技術を用いて、心材含有量が高い材料と節の多い材料とを選別し、それからこれらの材料を押出プロセスに好適な木質繊維へと変換することができる。

本複合材は、例えば板状に押出成形し、建築材料、装飾材料、包装材料、輸送材料又は家具材料として使用することができる。板材は、例えば特に高い硬度及び耐引っ掻き性が有利に働く場所において壁及び天井の材料として使用することができる。このような場所は、例えば学校、病院、オフィス、及び工業建築物である。複合材は、例えばコンクリート型枠工事に使用することもできる。起こり得る表面の損傷を容易に修復することができる。表面の損傷は、例えば充填、機械加工及び塗装することができる。

本複合材は別の材料、例えば無垢材と組み合わせることもできる。本複合材は他の材料上に押出コーティングを形成することができる。

本複合材の表面は滑面又は粗面（textured）であることができる。複合板の表面を異なる形状、例えば波状に加工する（profiled）こともできる。

使用済みの複合材は、例えば再生利用するか、焼却するか、又は通常の廃棄処理システムに入れることができる。

木質繊維の量は好ましくは６０ｗ％〜９０ｗ％、最も好ましくは７０ｗ％〜８５ｗ％である。特に該繊維は軟材、特にマツ材から得ることができる。該繊維材料の粒径は、好ましくは最大で５ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ〜３ｍｍ、最も好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍである。

上で述べたように、混合物は木質繊維材料に加えてポリマーを含む。ポリマーの量は５ｗ％〜２５ｗ％、好ましくは１０ｗ％〜１７ｗ％である。ポリマーは熱可塑性であるのが好ましいが、熱硬化性であってもよい。好適なポリマーは、例えばポリプロピレン又はポリエチレン等のポリアルキレン、及びデンプン又はポリ乳酸等の好適なバイオポリマーである。

本複合材は、繊維とポリマーとの間の接合を高めるカップリング剤、潤滑剤、フィラー、着色剤、耐火性化合物、又は耐ＵＶ性化合物等の好適な添加剤も含むことができる。例えば、ガラス繊維、タルク、炭酸カルシウム、ホウ酸亜鉛、又はメラミンをフィラーとして使用することができる。フィラーの量は、最大で５０ｗ％、好ましくは最大で３０ｗ％、より好ましくは最大で２０ｗ％である。木質材料を、押出成形前に好適な添加剤を用いて予備変性させることができる。

本複合材は、上記木質材料を所望の粒径へと粉砕し、ポリマー粒子及び場合によっては添加剤と混合し、ポリマーが融解する温度で押出成形することで作製することができる。好適な温度は、例えば１２０℃〜１９０℃であり得る。押出成形前に混合物を粒状にすることが好ましい。代替的には、節、枝又は樹皮の抽出物を所望の木質材料へ吸収させ、得られた木質材料を、押出混合物を作製するのに使用する。

木質繊維材料をハンマーミルで小さい粒子（０ｍｍ〜５ｍｍ）に粉砕した。粉砕した木質繊維材料を、任意選択で潤滑剤及びフィラーを含めて、ポリマー及びカップリング剤とドライブレンドした。ブレンドを、二軸スクリュー押出機を用いて直接押出により加工した。ホッパーに投入した後、ブレンドを融解させ、１７０℃〜１９０℃の範囲内の温度を用いて押出機内で更に混合した。加工圧は、スクリュー速度及び使用する材料に応じて５０バールから１００バールの間で変更させた。最後に材料を、ダイを通して２０×１２５ｍｍのプレートプロファイル（profile）へと押出成形し、冷却浴内で冷却した。様々な試験用のサンプルを複合材プロファイルから切り出した。

以下の木質繊維材料を使用した：
参照材料として標準的な格付けのされていない（ungraded）トウヒ繊維（その節含有量は標準的なトウヒの含有量（約１ｗ％〜４ｗ％）であった）
節の多いマツ心材（その節含有量は１０ｗ％超であった）
カバノキ樹皮
マツ樹皮。

以下のポリマーを使用した：
ポリプロピレン（ＰＰ）（Ineos製）
ポリ乳酸（ＰＬＡ）（Natureworks製）
デンプン（ＭＯ１０２１ＨＰ、Biopolymer technologies製）。

以下のフィラーを使用した：
ガラス繊維
タルク
炭酸カルシウム
ホウ酸亜鉛
メラミンＭｅｌＦ４０（Ecochem製）
三水和アルミナ（ＡＴＨ）。

無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレン（ＭＡＰＰ）をカップリング剤として、及びＳｔｒｕｋｔｏｌＴＰＷ１１３（Struktol製）を潤滑剤として使用した。

基本的には、ポリプロピレン（ＰＰ）又はデンプンを含む材料には１７０℃、及びポリ乳酸（ＰＬＡ）を含む材料には１９０℃を使用した。

実施例の複合材
表１に示す以下の実施例のレシピを作製した：

表１．

機械的試験
以下の各試験を行った：ＥＮ３１０を用いる破壊係数（ＭＯＲ）及び弾性係数（ＭＯＥ）、ブリネル硬度（ＥＮ１５３４）、耐引っ掻き性（ＳＳ８３９１２２）。結果を表２に示す。

表２．

吸水
吸水試験を行った。結果を表３に示す。

表３．

膨脹
板厚膨脹試験を行った（ＥＮ３１７）。結果を表４に示す。

表４．

各液体に対する表面耐性
冷液体に対する表面耐性を、ＩＳＯ４２１１（１９７９年）に準拠して試験した。各試験液及び試験期間は以下のとおりであった：
水２４時間
パラフィン油２４時間
コーヒー１６時間
４８％エタノール１６時間
赤ワイン６時間
アセトン２分間

結果の評価：
５視認可能な変化なし（損傷なし）
４光源が試験表面の痕跡上若しくはそのすぐ近くに当てられ（mirrored）、観察者の眼へと反射される場合にのみ視認可能な光沢の僅かな変化、又は辛うじて視認可能な数箇所の単離痕跡
３幾つかの視野方向で視認可能な僅かな痕跡、例えば辛うじて視認可能なほぼ完全な円盤状又は円形の痕跡
２強い痕跡、ただし表面の構造は大きく変化しない
１強い痕跡、表面の構造が変化するか、又は表面の材料が全体的に若しくは部分的に除去されるか、又は濾紙が表面に貼り付く

結果を表５に示す。

表５．

抽出物の分析
数センチメートルから最大２０ｃｍの範囲の長さの５０×１００ｍｍのマツ材木の廃材を使用した。一つ一つの木片が１つ又は複数のはっきりと視認可能な節材片を含んでいた。

２３ｋｇの木材をおよそ３ｃｍ厚のスライス状に切断した。それからこれらを、節材を分離するとともに、実験用粉砕器に都合よく適合させるのに十分なサイズのチップに細断した。抽出用のサンプルはこの材料から採取した。これは初めに、細断した材料を全て積み上げることにより行った。次いで、小さいサンプルを、山（pile）を２つの等しいサイズの山に分割することにより採取した。この手順をおよそ１．４ｋｇのサンプルが得られるまで繰り返した。このサンプルを粉砕し、２ｍｍ篩に通した。

２２９．３ｇの粉砕した木材を、１Ｌ容の抽出器と２Ｌの溶媒とを用いて２４時間、ヘキサンで抽出した。それからヘキサンで抽出した木材を、５％水を含むアセトンで更に抽出した。ソックスレー抽出器及びその全ての部品を、分析前にアルカリ水、蒸留水、工業グレードのアセトンで洗浄し、最後にアセトンを抽出器に２０回循環させることにより清浄にした。

溶液を、ロータリーエバポレータを用いて４０℃で蒸発させた。重量測定による収率を決定した。乾燥抽出物のサンプルを１２ｍｌ容の試験管に移し、アセトン中に溶解した。０．５ｍｇに相当するアリコートを別の試験管に移した。２ｍｌの標準溶液を添加した。溶媒をＮ_２ガス流により蒸発させた。加えて、サンプルを４０℃で１５分間真空オーブンに入れた。それからサンプルをＧＣにより分析した。定量は内部標準に対して行った。

抽出物を短いカラムと長いカラムとの両方でＧＣにより分析し、主要な構成要素を定量した。特定されない構成要素は、主として微量の脂肪酸、酸化樹脂酸、ステリルエステル及びオリゴマーリグナン化合物である。

表に示される抽出物は、マツの心材及び節材に特有のものである。しかしながら、抽出物の重量測定による量（gravimetric amount）は心材のもののおよそ２倍であり、抽出物には、極めて多くのリグナン及びスチルベンが含まれる。

節材の量の推測を、スチルベン及びリグナン、並びに節から手動で選別する木材粒子の含有量に基づき行った。抽出物の組成及び収率に基づく最小推測量は２１％の節材含有量に達する。チップの手動選別に基づく最大推測量は２５％の節材含有量を示す。

結果を表６及び表７に示す。

表６．ヘキサン抽出物

表７．アセトン抽出物

Claims

木質繊維材料とポリマーとを含む押出複合材であって、該木質繊維材料が、節の含有量が１０〜３０ｗ％であるマツ材の心材材料、又はカバノキの樹皮であり、該ポリマーの量が該押出複合材の重量の５％〜２５％であり、該ポリマーがポリアルキレンであることを特徴とする木質繊維材料とポリマーとを含む押出複合材。
押出複合材の作製方法であって、該作成方法において木質繊維材料とポリマーとを混合し、固形複合材へと押出成形し、該木質繊維材料が、節の含有量が１０〜３０ｗ％であるマツ材の心材材料、又はカバノキの樹皮であり、該ポリマーの量が該複合材の重量の５％〜２５％であり、該ポリマーがポリアルキレンであることを特徴とする押出複合材の作製方法。
建築材料、装飾材料、包装材料、輸送材料又は家具材料としての請求項１に記載の押出複合材又は請求項２に記載の作製方法により作製された押出複合材の使用方法。