WO1988010286A1 - Thermoplastic composite material reinforced with hemp fibers - Google Patents

Description

明 細 書 麻繊維で補強した熱可塑性複合材 技 術 分 野

この発明は、 「麻繊維」 によっ て補強して高度の酎衝撃性、 熱安定性および成形性をもたせた熱可塑性複合材、 特に自動 車の内装部品等を安価軽量に製造するのに適した新規な複合 材に関するものである。

背 景 技 術

熱可塑性プラスチッ ク例えばポリ プロ ピレンなどに木粉等 を混入し、 これをシー ト状またはペレ ッ ト状に形成する こ と によ り製造されるよ う な熱可塑性複合材は、 プラスチッ クそ のものに比べて安価で軽量であ り、 スタ ン ビング成形や射出 成形に好都合に使用 してイ ンス トルメ ン トパネル、 ヒータ一 ダク ト等々 の自動車用内装部品などを含む種々の製品を作リ 出せる こ と が知られている。

ポリオ レ フィ ンに木粉を混入した複合熱可塑性材の一例が 特公昭 6 0 — 4 0 9 6 5号 「パネル製造方法及びその装置」 - (昭和 49年 3月 22日出顦、 昭和 60年 9月 13日公告）に示されてい る。 そ こでは、 約 4 0 〜 6 0重量％のポリ オ レ フイ ン（例え ばポ リ プロ ピ'レ ンおよびポリ エチ レ ン） と約 6 0 〜 4 0重量 %の粒状セルロ ース系充填材と が混合されて熱可塑性複合材 が形成されている。 しかしながら、 上記公告に教示されているよう な粒状セル ロース充填材は粒子の大きさおよび形状を揃えるこ とが事寒 上困難でぁ 、 そのため熱可塑性プラスチックのような溶融 粘性抵抗の大きい材料の中へ十分均一に分散させることがで きず、 得られる複合材は全体を通じて品質および物理的性賓 の十分な均質性を得るこ と-ができない。 このよ う に不均質な 複合材はスタ ン ピング成形や射出成形で、 各種の物性や成形 性に大きなバラツキがあるため、 .不良品を生じる ことが多い。 このよう な複合材は、 均質性の保証がな く、 品質管理、 およ び（または）製品設計上、 十分な安全率を取らねばならぬ不利 力、ある。

また、 粒状セルロース充填材は、 細長い補強繊維に比べて 取扱いやすい長所もある反面、 衝撃強さ、 熱変形温度、 深絞 リ成形性等々の点では劣っている。 こう して粒状セルロース 充填材で補強した複合材は薄肉製品の製作等には設計の自由 度が制約され、 用途が限定されてしまう 。

このような欠点を克服する試みと して、 セルロース粒子充 填材と繊維状補強材を併用する こ と.が提案されている 。 特開 昭 5 9一 2 0 7 9 6 6号 「合成繊維屑を利用 した複合材組成 物 J (昭和 58年 5月 13日出顚、 昭和 59年 11月 26日公開）にこの 提案が示されており、 その特許請求の範囲第 2項に、 約 7 0 〜 1 6 0重量部の熱可塑性合成樹脂（例えばポ プロ ピレ ン、 ポリ エチレン、 A B S 、 等々） と、 1 0 0重量部の合成繊維 屑（例えばポリエステル繊維）と、 約 5 0重量部以下の木質纖 維（木粉）または故紙と から成る複合材が記載されている。 し かしながら、 ポリエステルなどの合成繊維は、 それ自体が熱 可塑性であるため、 剛性が低く 、 特に加温時の強度低下が大 き く 、 熱変形に対する抵抗性が小さいという難点があるため、 複合材の価格を下げるかも しれないこ と を除いて、 十分意味 のある補強効果を合成繊維によ り達成している とは考えられ- ない。 すなわち、 合成繊維屑は粒状木質充填材の欠点をほど んど補俊する こ と ができないた'けでな く 、 む しろ複合材の加 熱時の剛軟度を著し く低下させるこ と において複合材の物性 を悪化させるであろう 。 従って、 合成繊維を含.有する複合材 から作られたシ一ティ ングはスタ ンビング成形中に加熱され る とシー トが手で平らに支えられない程に柔らかく なつて し ま う 。 また、 合成繊維は複合材の比熱を低下させるので放熱 を早く させる。 このため、 複合材シーティ ングを 2枚重ねで 成形する こ とは困難になる。 さ らに、 合成繊維補強物を含有 する複合材を使用する と、 成形条件の正確な制御や精密なェ 程管理を煩瑣に要求されるにいたるであろう 。

発 明 の 開 示

本発明の 目的は、 高品質で、 物理的性質が均一であ り、 力 U 熱時の強度低下、 剛性の低下および比熱の低下などを起こさ ない新規な熱可塑性複合材を提供する こ と にある。

本発明の他の目的は、 軽量であって高度の耐衝撃性、 熱安 定性、 および優れた成形性を有する熱可塑性複合材を提供す る こ と にある。 さ らに他の 目的は、 上述のよ うな特性を有し、 スタ ンピン グ法に使用するシートの形、 または射出成形も し く は トラン スフ ァー成形法で使用するペレツ トの形に加工された熱可塑 性複合材を提供することである。

本発明の具体的な目的は、 スタ ンビング成形におけるハン リ ングが容易で、 深絞り形状を含めた複雑な形状に成形さ - 得る熱可塑性複合材シ'一ディ-ングを提供する こ と にある。

これ らおよびその他の 目的は、

(1)ポリ プロ ピレ 、 ポリエチレン、 ナイ ロ ン、 ァク リ ロ 二 ト リル-ブタ ジヱ ン-スチレン共重合体（A B S )等々 のよ う な熱可塑性マ ト リ ッ クスと、

(2)剛強で、 熱的に安定で、 しかも軽量な単繊維状の「麻織 維」と、

(3)粒状、 粉状、 鱗片状などの木質充填材と

から成り、 後二者をプラスチッ クマ ト リ ッ クス中に均一に分 散させている新規な熱可塑性複合材を製造する こと によ り達 成される。

本発明によれ■■ 、 フ ミ 一 (Boehmeria nivea)、 亜麻 (Linum usitatissimum) , 大麻 (GannaDis sativa) , 黄麻 (Corchorus capsularis) . マニラ麻（Musa textilis)およびサイザスレ麻

(Agave sisalana)からなる群から選ばれ fe単繊維はプラスチ ッ クの新規な補強材と して有利に使ほし得る ことが認め られ た。 この明細書及び請求の範西では、 説明の便宜上これら纖 維を「麻繊維」と総称する。 なお、 上記カツ コ内のラテン語は カツ コの前の繊維を採取する植物の学名である。

Γ麻繊維」は、 繊維形状が実質的に揃っていて、 繊維長を揃 えるのも比較的容易である と認められる。 さ らに、 混合また は混練方法を適切にすれば、 麻繊維は従来使用されている粒 状の木質又はセルロース系充填材との相容性もよいので、 木 質充填材を麻繊維に均一に混合分散させた上、 これを熱可塑 . 性マ ト リ ッ ク スに添加して、 麻繊維と木質充填材どの両方が マ ト リ ッ クス中に実質的に均一に分散するよ う にする こ と が できるが、 従来の木質充填材だけではこれは果たせなかっ た。

本発明で用いる麻繊維は、 軽量、 高剛性、 高耐熱性などの 良好な特性があ り、 粒状木質セルロース充填材だけでは実現 できなかっ た高度の衝撃強さおよび引張強さ を複合材.に与え る最適な補強繊維た り得る。 麻繊維はまた、 結果物たる複合 材の熱変形温度、 深絞り成形性を大幅に改良する こ と ができ るので、 特に自動車の内装部品などの薄肉製品の製作に最適 な新規な熱可塑性複合材と なる こ と ができ る。

さ らに、 麻繊維は、 上述の合成繊維よ り比熱が大き く 、 カロ 熱時の剛軟度も大き く て、 木質セルロ ースに近似している。

麻繊維のこれら特質は、 例えばスタ ンビング成形における良 好な作業性、 容易取扱い性を複合材に与える こ と ができ る。

発明を実施するための最良の形態

本発明の好適な実施態様においては、 約 0 . 3 〜 1 0 腿長 の麻単繊維の約 1 5 〜 1 1 0重量部が、 同 じ く約 0 . 3 〜 1

O nm長の粒状、 粉状または鱗片状の木質充填材の約 5 〜 6 5 重量部と混合されて実質的に均質な混合物を形成し、 これに 1 0 0重量部の熱可塑性マ小 リ ッ クスが添加され、 均一に分 散されて本発明の新規な熱可塑性複合材が生成される。 好適 に、 生成複合材はスタ ンビング成形に使用される押出シーテ イ ングと して、 または射出成形も し く は ト ランスフ ァー成形 に使用されるペレッ トとしてペレッ ト化される。

本発明で使用 し得るマ ト リ 、ソ クスには、 ポリ プロ ピレ ン、 ポリ エチレ ン、 エチ レ ン-プロ ピレン共重合体、 ァク リ ロ二 ト リル -ブタ ジェン-スチレン共重合体（ A B S )、 ナイ ロ ン等 々 がある。 これ らのう ちポリプロ ピレンが最も好適なマ ト リ ッ ク スである。

本発明で使用 し得る麻繊維には、 ラ ミ ー、 亜麻、 大麻、 黄 麻、 マニラ麻、 サイザル麻等から選ばれる単織維がある。 耝 硬、 強靱、 剛強で軽量の点からマニラ麻および黄麻が特に好 適な補強繊維であるが、 これに限定するものではない。 使甩 される麻繊維の長さは約 0 . 3 顧から 1 0 腿の広い範囲、 好 ま し く は約 4〜 7 鹂の範囲に定める ことができる。

本発明で使用 し得る木質充填材は、 針葉樹、 落葉樹、 ハー ドボー ド、 パルプ類およびその他の加工木材から得られるも のを含み、 '約 0 . 3 mmから 1 0 醒、 好適に約 2〜 4 画の範囲 ,の大きさの粒状、 粉状、 鱗片状などの形状であ り得る。

好適に、 麻単繊維は、 木質充填材と種々の割合で混合され 得るが、 一例と して木質充填材 6 5重量部に対し麻繊維 4 S 重量部の比率で混合される。 この混合物（ 1 1 1重量部） に 1 0重量部のポリ プロ ピレンが添加され、 十分に混練されて 本発明の熱可塑性複合材組成物が生成される。 生成複合材は、 押出シーティ ングに形成する こ と ができ、 これはスタ ン ピン グ成形による深絞り成形に特に適しており、 きわめて衝撃強 さの高い倭れた成形品を与える こ と ができ る。

ポリ プロ ピレンまたはその他の熱可塑性プラスチッ クに滑 剤等を添加するなど特段の配慮をすれば、 プラスチッ ク 1 0 0重量部に対し麻の単繊維 1 4 0重量部までを混入しても良 好な結果を得る こ と ができる。

比較と して、 粒状の木質充填材だけをポリ プロ ピレンに 1 1 1 ： 1 0 0の重量比で添加した複合材は、 充填材の分散が 悪く 、 従って成形性も悪く 、 不良品を多く産出せざる を得な かっ た。

その他、 無機質充填材、 例えばタルク を約 1 0〜4 0重量 部の比率で熱可塑性マ 卜 リ ッ クスに添加して、 曲げ弾性率な どの物性を改善する こ ともできる。 また、 適当な可塑剤およ び滑剤を複合材に添加し成形性をさ らに改善するよ う に して もよい。 例 1

まず、 容量 500βのヘンセルミ キサーに、 乾燥して水分含有 量 5〜 6 %に調整した繊維長約 5咖のマニラ麻繊維 2 3 kgを 入れる。 その上へ、 覆い被せるよ う に 3 2.5 kgの粒状木粉 (フルイでふるっ て粒径約≥〜 3 ranに揃えたもの） を载せる。 ミ キサーを lOOOrpinで 3分間回転させ十分に混合する。 混合 を終ると、 麻織維と木粉とは、 事実上ムラな く 、 互いに均等 に混じ り あっている。 - ついで、 この麻線維と木粉の均質混合物を含有している ミ キサ一の中へ 5 0 k のペレツ ト状のポリ プロ ピレンを数回に 分けて投入しつつ、 ミ キサーを 1500rpm、 190 °Cを越えない温 度で、 約 1 5分間回転させ、 麻繊維と木粉とポリプロ ピレン とを十分に混線する。

その結果の混合物を素早く ミ キサ一から別の冷却した撹拌 室へ移して急冷し、 複合集合体粒を作り、 この複合集合体粒 を通常の押出機にかけ、 厚さ 2 . 0 鹂のシーティ ングに押出 し加工する。

こう して得られた熱可塑性複合材シーティ ングは、 特にス タ ンピング成形に好適であ り、 加熱後のハン ド リ ング性、 成 形性および物性が良好で、 良くバラ ンスのとれた特性を示す。 特に本発明の新規な熱可塑性複合材から得られた成形品は、 従来の木質セルロース系充填材のみを混入した複合材では期 待できなかつた髙ぃ低温衝搫値と熱変形温度を有する上に、 従来の木質充填材入リ複合材と実質的に同じ曲げ弾性率や引 張強さ を有する。 本発明の新規な熱可塑性複合材は全体を通 じて品質のバラツキがきわめて少な く 、 従来の木賓充填材だ け、 または合成繊維を混合した複合材組成.物よ り広範囲にわ たる用途、 特に自動車のイ ンス トルメ ン トパネルや、 アーム レス ト付き ドア ト リ ム基材、 センタ 一シエルフ、 シー トバッ クノヽ⁰ネル、 オーバ 一ヘッ ドコ ンソール、 ヒータ ーダク ト力ノヽ' 一などの内装部品の製造に用途を見出 し得る。

マニラ麻の代り に黄麻繊維を使用する以外、 上記と同様の 手続を繰り返し、 実質的に同じ好結果が得られる こ と を見出 した。 . 例 2

乾燥して水分を約 5 〜 6 %に調整した約 5 〜 7 rai長のマ二 ラ麻繊維 5 5 kgをまずヘンセルミ キサーに入れる。 その上へ 粒径約 3 雇 、 水分約 5 〜 6 %に乾燥した木粉 2 . 5 kg.を投入 しつつ、 ミ キサーを 1200rpmで合計 5分間回転させる。 混合 が完了する と、 木粉は麻繊維中にほぼ均一に分散している こ と が認め られる。

ついで 5 O kgの粉末状ポリ プロ ピレンを ミ キサ一に投入し つつ 1600rpmで 1 8分間 1 9 3 。C以下において混練する。

得られた混合物を、 例 1 と同様に、 冷却して複合集合体粒 と し、 シー トに押出す。

この例の複合材シー トは、 例 1 に比べ麻繊維を多量に含有 し、 繊維によ る顕著な補強効果を現わす。 木赏充填材は少量 含有するだけであるが、 この熱可塑性複合材シー トは加熱時 ' の十分な剛性を示し、 スタ ンビング成形時に良好なハン ドリ ング性が得られ、 かつ放熱が遅いため 2枚重ね成形を許容す る。 特にこの例のシー 卜は従来の木質充填材のみや合成繊維 入 り複合材ょ リ深絞り成形性が優れている。 曲げ弾性率はや 、低下するが、 この複合材シーティ ングは衢搫強さ が高度に され、 適度の熱変形温度が得られるので、 深絞り成形品、 例え アーム レス ト付き リャク ォータパネル、 アーム レス ト 付き ドア ト リ ム、 センタ ーシェメレフ、 フ ロ ン ト， センター， またはリャビラ一パネルなどの製造に適している。 例 3

乾燥して水分約 5 %に調整した纖維長約 3 画のラ ミ ー麻織 維 7 . 5 kgを まずヘンセルミ キサーに入れ、 その上へ粒柽約 3腿で水分含有量約 5 %の木粉 3 2 . 5 kgと、 1 2 . 5 kgの十 分乾燥したタルク と を入れる。 ついでミ キサ一を 800rpnで 3 分間回転させる。 3分の後、 各成分は良く混和して均賨混合 物となっている ことが認め られる。

この混合物の中八 5 O kgの粉末状のポリプロ ピレンを徐々 に投入しつつ、 ミ キサーを 1500rpmで 1 5分間回転させて内 容物を撹拌混練する。

得られた混合物を前例と同様、 冷却して複合集合体粒を作 り、 ついで押出シーティ ングに形成する。

この複合材シ一ティ ングは麻の繊維がきわめて少ないので、 衝撃強さ、 成形性はむしろ低下するが、 引張強さ、 曲げ弹性 率、 熱変形温度などは良好である。 その上、 この複合材シー ティ ングはラ ミ一繊維による十分な補強効果を有することが でき、 全体を通じて物性のバラツキがきおめて小さ く 、 良好 な衝撃強さが得られるので、 あま り深い絞りでないヒータ一 ダク 卜、 オーバーヘッ ドコ ンソール、 ク オ一タ ー 卜 リ ム、 セ ンターシヱルフなどの部品の製造に適する。 産 業 上 の 利 用 性

本発明によ り達成される効果は、 軽量で、 剛性があ り、 熱 に強い麻繊維が、 粒状、 粉状、 鱗片状等の木質充填材と混合 して使用され、 熱可塑性材料中に補強材の均一な分散を実現 するよ う に したから、 得られる熱可塑性複合材が、 これまで の不均一な形および大きさの粒状木質充填材の不均一な分散 に起因 した欠点、 不具合を全く もたないこ とである。 本発明 の熱可塑性複合材はロ ッ ト間で物性にバラツキが実質的にな いよ う に調製され得るもので、 改良され安定した機械的物性、 熱的特性、 成形性（深絞り性）などを量産製品に実現する こ と を保証するから、 不良率を極小にする こ と ができる効果があ る。

特に、 麻繊維は、 他の繊維例えば合成繊維などでは期待で きない、 軽く て しかも剛性が高く 、 熱に強い性質をもち、 プ ラスチッ クマ ト リ ッ クス中で新規な補強効果を発揮するもの であるか .ら、 複合材 こ改良された.深絞り成形性、 な らびに高 い衝撃強さ、 熱変形温度、 曲げ弾性率等を与える こ と ができ る効果がある。

さ らに、 麻繊維はその比熱が、 合成繊維などよ り高く 、 木 質充填材とほぼ同様であるから、 麻繊維で補強された熱可塑 性複合材はスタ ン ビング成形時の加熱中に高度に安定してハ ン ド リ ングする こ と ができ、 また高比熱材料からの放熱は緩 慢であるため、 新規な複合材シーティ ングは 2枚重ねでスタ ンビング成形を行なって成功を得る こ と ができる。 本発明の 新規な熱可塑性複合材は、 適応性ある優れた特性を有するか ら、 成形条件を含めた生産鹜理幅を大きく とる こどができ、 また安定した品質および（または）新趣向の木質調成形製品を 作り 出すことができる効杲がある。

Claims

請 求 の 範 囲

. 1 0 0重量部の熱可塑性マ ト リ ッ クスと、 該マ 卜 リ ッ ク ス中に均一に分散させた 1 5 〜 1 1 0重量部の麻繊維と、 同じ く該マ ト リ ッ ク ス中に均一に分散させた粒状、 粉状ま たは鳞片状などの 5 〜 6 5重量部の木費充填材と から成る 熱可塑性複合材。

. 前記熱可塑性マ ト リ ッ ク スは、 ポ リ プロ ピレ ン、 ポリ エ チ レン、 エチ レン-プロ ピレン共重合体、 ァク リ ロ二 ト リ ル-ブタ ジエン-スチレ ン共重合体、 およびナイ ロ ンから成 る群から選ばれる請求の範囲第 1項に記載の熱可塑性複合 材。

. 前記熱可塑性マ 卜 リ ッ ク スは、 ポリ プロ ピレ ンである請 求の範囲第 2項に記載の熱可塑性複合材。

. さ らに 1 0 〜 4 0重量部の無機質充填材を含有している 請求の範囲第 1項に記載の熱可塑性複合材。

. 前記無機貧充填材がタルクである請求の範囲第 4項に記 載の熱可塑性複合材。

. さ らに適量の可塑剤および（または）滑剤を含有している 請求の範囲第 1項または第 4項に記載の熱可塑性複合材。' . 前記麻繊維は、 ラ ミ ー、 亜麻、 大麻、 黄麻、 マニラ麻、 およびサイザル麻から成る群から選ばれたいずれか 1 つで ある請求の範囲第 1項、 第 4項または第 6項に記載の熱可 塑性複合材。

8 . 前記麻繊維は、 ラ ミ ー、 亜麻、 大麻、 黄麻、 マニラ麻、 およびサイザル麻から成る群から選ばれた 2種またはそれ 以上である請求の範囲第 1項、 第 4項または第 S項に記載 の熱可塑性複合材。 .

9 . 前記麻繊維 4 6重量部と、 粒吠、 粉状または鱗片状の木 賓充填材 6 5重量部と をポリプロピレン 1 0- 0重量部 4こ.混 した請求の範囲^第：1¾ ^に ^: 2 の熱-可督 複合 ^:称。- '· - -

10. 前記麻の単織維 1 1—0重量部 、 .—粒-状、 粉状または鑌片 状の木質充填材 5重量部とをポリプロ ピレン 1 0 0 量部 に混合した請求の範囲第 1項に記載の熱可塑性複合材。

11. 前記麻の単織維 1 5重量部と、 粒状、 粉状または鳞片状 の木矍充填材 6 5重量部と、 無機質充填材 2 5重量部をポ リプロ ピレン 1 0 0重量部に混合した請求の範囲第 1項に 記載の熱可塑性複合材。

12. 請求の範囲第 1 , 9 , 10または 11項に記載の熱可塑性複 合材の押出しによって得られた熱可塑性複合材シーティ ン グ。