JP7372301B2

JP7372301B2 - 木とポリ乳酸樹脂との混合物の製造方法

Info

Publication number: JP7372301B2
Application number: JP2021196578A
Authority: JP
Inventors: 穂積依田; 幸彦高橋
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2041-12-03
Also published as: JP2023082721A

Description

本発明は、木とポリ乳酸樹脂との混合物の製造方法に関する。

廃プラスチックが、海洋へ流出し、ミクロンサイズに微細化し、魚などの海洋生物に害をなすことが知られている。
廃プラスチックが、生分解性プラスチックであれば、海洋生物に害をなすことはない。
そこで、プラスチックを生分解性プラスチックに置き換えることが望まれる。

しかし、生分解性プラスチックは、それ以外の普通のプラスチックに比べ高価である。
対策として、鋸屑などの廃木材を生分解性プラスチックに混ぜることで増量して、コストを下げることが知られており、そのための装置が提案されてきた（例えば、特許文献１（図１）参照）。

特許文献１の技術を図６に基づいて説明する。
図６に示すように、ホッパ１０１に、粒径が３００～７８０μｍの木粉１０２と、ポリ乳酸樹脂１０３を投入し、攪拌羽根１０４で攪拌する。攪拌後の混合物１０５を、成形機１０６で混錬しつつ押出して成形品を得る。

しかし、特許文献１の技術には、次に述べる欠点がある。
ポリ乳酸樹脂の比重は約１．２４である。
杉の比重は０．３８であり、赤松の比重は０．５２であることから、木粉の比重は約０．５である。
重いポリ乳酸樹脂１０３がホッパ１０１の下に偏在し、軽い木粉１０２がホッパ１０１の上に偏在し、均一に混合することが困難である。
また、ポリ乳酸樹脂と木粉の比重が大きく異なるため、混ざり方にむらが生じ、成形品の品質が安定しない。

ポリ乳酸樹脂と木粉との活用が望まれる中、ポリ乳酸樹脂と木粉を均一に混合することができる技術が求められる。

特許第５３２１２５４号公報

本発明は、ポリ乳酸樹脂と木粉を均一に混合することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、木片と、粉砕刃を備える粉砕機と、ポリ乳酸樹脂粒と、ヒータ及び攪拌羽根を備える混合機とを準備する工程と、
前記木片を前記粉砕機へ供給し、前記粉砕刃で粉砕して、粒径が１～５０μｍの木粉を得る工程と、
前記木粉と前記ポリ乳酸樹脂粒を前記混合機へ供給し、前記ヒータで加熱することで前記ポリ乳酸樹脂粒の表面を軟化し、前記攪拌羽根で攪拌することで前記ポリ乳酸樹脂粒の表面に前記木粉又は前記木粉の破片が付着した混合物を得る工程とからなる木とポリ乳酸樹脂との混合物の製造方法を提供する。

請求項１に係る発明では、加熱することでポリ乳酸樹脂粒の表面を軟化し、攪拌することで軟化した表面に木粉又は木粉の破片を付着させる。
単に木粉をポリ乳酸樹脂粒に混ぜるだけでは、比重差により分離し、均一な混合物が得られない。
この点、本発明では、ポリ乳酸樹脂粒の表面に木粉又はこの木粉の破片を付着させるため、比重差は問題にならず、均一な混合物が得られる。
よって、本発明により、ポリ乳酸樹脂と木粉を均一に混合することができる技術が提供される。

本発明で用いる粉砕機の原理図である。本発明で用いる混合機の原理図である。（ａ）は常温のポリ乳酸樹脂粒を示す図、（ｂ）は加熱されたポリ乳酸樹脂粒を示す図、（ｃ）は混合物の模式図である。本発明に係る混合物の製造方法を説明するフロー図である。混合機を備える射出装置の原理図である。従来の製造方法を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、粉砕機１０は、床１１に載せる脚１２と、この脚１２で支えられるメインチャンバー１３と、このメインチャンバー１３に内蔵される粉砕刃１４と、この粉砕刃１４を高速で回転するモータ１５と、メインチャンバー１３から上に延びる円錐筒１６と、この円錐筒１６から上に延びる縦筒１７と、円錐筒１６を囲うサブチャンバー１８とからなる。
円錐筒１６には、メインチャンバー１３とサブチャンバー１８とを繋ぐ穴１９が複数個開けられており、サブチャンバー１８には、出口２１が設けられている。

粉砕刃１４は、毎分１０００～２００００回転（毎秒１６．７～３３３回転）の速度で回される。
木片２３が縦筒１７に投入されると、木片２３は粉砕刃１４で粉砕される。粉砕された木片はメインチャンバー１３に留まるうちに、粉砕刃１４及び回転に伴う遠心力により繰り返し粉砕され、粒径が１～５０μｍの木粉２５になり、この木粉２５が竜巻（トルネード）状の旋回流２６に載ってサブチャンバー１８へ上がり、さらに出口２１から排出される。
以上により、粒径が１～５０μｍの木粉２５が得られる。

図２に示すように、混合機３０は、木粉２５の投入口３１並びにポリ乳酸樹脂粒５５の投入口３２を備えた蓋３３を有するホッパ形状の容器３４と、この容器３４に貼り付けたヒータ３５と、これらのヒータ３５に被せた保温材３６と、容器３４の内部温度を計測するために容器３４に設けた温度センサ３７と、この温度センサ３７で検出した温度が所定温度になるようにヒータ３５の出力を制御する温度制御部３８と、容器３４内の材料を撹拌して混合する撹拌手段４０と、からなる。

撹拌手段４０は、蓋３３にモータ軸４１が下向きになるように取付けた撹拌モータ４２と、蓋３３に設けた軸受リング４３に下から挿入する回転軸４４と、この回転軸４４の途中に設けたボス４５と、ボス４５から放射方向へ突出した撹拌羽根４６と、容器３４の底部を撹拌する下部撹拌羽根４８と、回転軸４４の下端を回転自在に支持するために容器３４から延ばした軸支持ブラケット４７とからなる。

好ましくは、回転軸４４において、モータ軸４１と攪拌羽根４６との中間位置に、断熱板４９を介在させる。

以上の構成からなる混合機３０の作用を次に述べる。
先ず、ヒータ３５に通電し、温度制御部３８で制御することで、容器３４の内部温度をポリ乳酸樹脂粒５５の表面が軟化する温度に保つ。
この状態で、撹拌モータ４２を始動し、回転軸４４、撹拌羽根４６及び下部撹拌羽根４８を所定の速度で連続的に回す。弁５１、５２、５３は閉じておく。

弁５１を開いて投入口３１から所定量の木粉２５を投入し、弁５２を開いて投入口３２から所定量のポリ乳酸樹脂粒５５を投入し、弁５１、５２を閉じる。
撹拌羽根４６及び下部撹拌羽根４８で撹拌しつつ、ヒータ３５で加熱することで、ポリ乳酸樹脂粒５５の表面が軟化し、粘着性が増す。すると、ポリ乳酸樹脂粒５５の表面に木粉２５又は木粉２５の破片が付着して混合物５７となる。必要に応じて、弁５３を開けば、混合物５７を落下させることができる。

回転軸４４、撹拌羽根４６及び下部撹拌羽根４８は、強度の点から炭素鋼やステンレス鋼などの金属部材とする。金属は熱伝導率が、セラミックスや樹脂に比較して大きいため、熱がモータ軸４１を介して上方へ逃げ、その結果、容器３４の中央が低温になる虞がある。
このときに、断熱板４９で伝熱を遮断することができる。この結果、容器３４内部の温度を均一にすることができると共に攪拌モータ４２への伝熱を遮断することができる。

図３（ａ）にポリ乳酸樹脂粒５５を示す。ポリ乳酸樹脂粒５５の粒径は、任意であるが、ポリ乳酸樹脂粒を破断もしくは、３ｍｍ以下に造粒することで表面積を増やすことができる。

ある大径球１個の体積をＶ１、表面積をＳ１とする。大径球をｎ個の小径球に分割する。周知のとおり、小径球の体積Ｖ２はＶ２＝（Ｖ１／ｎ）となるが、小径球の表面積Ｓ２はＳ２＞（Ｓ１／ｎ）となる。よって、総体積が同一であれば、小径ほど総表面積が大きくなる。

粒径を３ｍｍ以下にしてポリ乳酸樹脂粒５５の表面積を増やすと、後述の図３（ｃ）に示す木粉２５又は木粉２５の破片２５Ｂを、より多くポリ乳酸樹脂粒５５に付着させることができる。高価なポリ乳酸樹脂粒５５に安価な木粉２５又は木粉２５の破片２５Ｂを多量に付着させることで、混合物５７のコストダウンを図ることができる。
併せて、表面積を増やすことで、より均一な混合を図ることができる。

図３（ｂ）に示すように、適温に加熱するとポリ乳酸樹脂粒５５は、表面が軟化する。そこへ木粉２５又は木粉２５の破片２５Ｂが接触すると、付着する。破片２５Ｂは、撹拌羽根４６、４８で木粉２５が砕かれた物である。
なお、図３（ｂ）及び図３（ｃ）において、木粉２５及び破片２５Ｂは作図の関係で大きく描いたが、正しくは、ポリ乳酸樹脂粒５５の１００分の１程度の大きさである。

従来の技術で述べた木粉の粒径は、３００～７８０μｍであり、従来の技術では３００μｍ未満であると木粉同士がからまり分散しないと説明されている。
本発明者らは、木粉同士がからまる（塊になる）のは、木粉に含まれる水分が接着作用を発揮すると考え、木粉２５を１３０℃以上に加熱することで、乾燥を促すことにした。乾燥を促すことで、木粉２５が塊になることはなくなった。

また、木粉２５の粒径が１００μｍを超えると、付着した木粉２５が脱落することが分かった。木粉２５の粒径を１～５０μｍにすると、「餅」の表面に「きな粉」が付くように、ポリ乳酸樹脂粒５５の表面に、木粉２５又は木粉２５の破片２５Ｂが、好ましく付着し、以降脱落することは殆ど無かった。

結果、図３（ｃ）に示すように、ポリ乳酸樹脂粒５５をコアとして、表面に木粉２５又は木粉２５の破片２５Ｂが密に付着した混合物５７が得られた。
なお、ポリ乳酸樹脂粒５５の融点は１４５～１７５℃であるため、加熱温度は１３０～１４０℃とする。

以上に述べた粉砕機１０及び混合機３０を用いて実施する混合物の製造方法を、図４に基づいて説明する。
ＳＴ（ステップ番号。以下、同じ）０１で、木片と粉砕機とポリ乳酸樹脂粒と混合機とを準備する。
次に、図１で説明したように、粉砕機１０で木片２３を、粒径が１～５０μｍの木粉２５にする（ＳＴ０２）。
次に、図２で説明したように、混合機３０へ木粉２５とポリ乳酸樹脂粒５５を投入し（ＳＴ０３）、適温に加熱しつつ混合する（ＳＴ０４）。
結果、図３（ｃ）に示す形態の混合物５７が得られる。

木粉２５又は破片２５Ｂは、放置すると大気中の水分を吸収する。対策として、得られた混合物５７は、防湿性のある容器や袋に詰めて保管し、各種の用途に備える。

容器や袋の調達コストや保管コストが嵩む。これらのコストを削減する技術が望まれる。その技術の一例を図５に基づいて説明する。
図５に示すように、混合機３０を、プリプラ式射出装置６０に直接搭載する。
プリプラ式射出装置６０は、予備可塑化（一般にプリプラと呼ぶ）方式の射出装置である。

プリプラ式射出装置６０は、プリプラ筒体６１にプリプラスクリュー６２を内蔵したプリプラ部６３と、射出筒６４にプランジャ６５を内蔵し、このプランジャ６５を射出ラム６６で前後進させるようにした射出部６７とからなり、予めプリプラ部６３で可塑化処理した材料を、射出部６７で射出することができる射出機である。

プリプラ筒体６１の基部に混合機３０を搭載することで、ポリ乳酸樹脂粒５５に木粉２５又はその破片２５Ｂを付着させた混合物５７を、直接的に射出装置６０へ供給することができる。なお、射出装置６０は、プリプラ式射出装置の他、スクリュー式射出装置であってもよく、樹脂の射出成形に使用される射出装置であれば、種類は問わない。

よって、射出装置６０は、混合機３０を搭載した射出装置であって、前記混合機３０は、ポリ乳酸樹脂粒５５の表面が軟化する温度まで加熱すると共に木粉２５を乾燥するヒータ３５と、軟化した前記ポリ乳酸樹脂粒５５に粒径が１～５０μｍであって乾燥した木粉２５又はその破片２５Ｂを付着させる攪拌羽根４６とを備えていることを特徴とする。

以上により、混合物５７を保管する必要がなく、保管のための容器や袋が不要となり、コストダウンが図れる。結果、得られる成形品（射出成形品）のコストアップを抑えることができる。

本発明は、木とポリ乳酸樹脂との混合物の製造に好適である。

１０…粉砕機、１４…粉砕刃、２３…木片、２５…木粉、２５Ｂ…木粉の破片、３０…混合機、３５…ヒータ、４６…攪拌羽根、５５…ポリ乳酸樹脂粒、５７…混合物、６０…射出装置（プリプラ式射出装置）。

Claims

木片と、粉砕刃を備える粉砕機と、ポリ乳酸樹脂粒と、ヒータ及び攪拌羽根を備える混合機とを準備する工程と、
前記木片を前記粉砕機へ供給し、前記粉砕刃で粉砕して、粒径が１～５０μｍの木粉を得る工程と、
前記木粉と前記ポリ乳酸樹脂粒を前記混合機へ供給し、前記ヒータで加熱することで前記ポリ乳酸樹脂粒の表面を軟化し、前記攪拌羽根で攪拌することで前記ポリ乳酸樹脂粒の表面に前記木粉又は前記木粉の破片が付着した混合物を得る工程とからなる木とポリ乳酸樹脂との混合物の製造方法。