WO2024053219A1

WO2024053219A1 - バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料、構造部材およびリサイクル方法

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Publication number: WO2024053219A1
Application number: PCT/JP2023/023945
Authority: WO
Inventors: 富生岩崎; 繁貴坪内
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2023-06-28
Publication date: 2024-03-14
Also published as: JP2024038913A

Abstract

本発明は、バイオマス由来樹脂を母材とした比例限界強度の高い複合材料、それを用いた構造部材、および、そのリサイクル方法を提供するものである。複合材料（１０）は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料であって、母材（１）の分子鎖上に配列した官能基の間隔と、添加剤（２）の構造上に配列した官能基と相互作用を形成する原子の間隔との相対差が３％以下である。構造部材は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料で形成された構造部材であって、母材（１）の分子鎖上に配列した官能基の間隔と、添加剤（２）の構造上に配列した官能基と相互作用を形成する原子の間隔との相対差が３％以下である。複合材料のリサイクル方法は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料のリサイクル方法であって、使用後の複合材料を還元性溶液に浸漬させて添加剤を分解する工程を含む。

Description

バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料、構造部材およびリサイクル方法

　本発明は、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料、それを用いた構造部材、および、そのリサイクル方法に関する。

　バイオマス由来樹脂は、資源植物、生物系廃棄物等のバイオマスを原料として製造されている。バイオマス由来樹脂は、燃焼してもＣＯ_２排出量の増大に寄与しないため、カーボンニュートラルに貢献する材料として注目されている。バイオマス由来樹脂としては、乳酸発酵を利用したポリ乳酸、ヒマシ油を原料としたポリアミド１１、グルタミン酸由来の２－ピロリドンを原料としたポリアミド４等が知られている。

　バイオマス由来樹脂は、ＣＯ_２排出量が少なく、環境適合性が高い材料であるが、強度や剛性に課題を抱えている。樹脂材料を構造部材として用いる場合、設計上では、比例限度が重要視される。しかし、バイオマス由来樹脂は、比例限度が小さいという欠点がある。そのため、現在のところ、バイオマス由来樹脂の用途は、プラスチック製食器、包装フィルム、パソコンの外装材や補強材等に限られている。

　従来、樹脂材料の機械的特性を向上させる方法としては、フィラ（充填材）を配合する方法が知られている。

　特許文献１には、機械的特性、耐熱性、ゲート切れ性、摺動特性に優れる半芳香族ポリアミド樹脂組成物が記載されている。半芳香族ポリアミド樹脂組成物には、シリカおよびガラスビーズからなる群より選択される一種以上の球状無機充填材、並びに、粒子状無機充填材および繊維状無機充填材からなる群より選択される一種以上の無機充填材が配合されている。

特開２０２０－１９３２４７号公報

　バイオマス由来樹脂は、構造部材等の用途に利用する観点から、比例限界強度の向上が求められている。一般的な構造部材に用いられる樹脂材料については、掃除機等の家電製品の筐体に代表されるように、ポリプロピレンに相当する以上の比例限度が望まれる。しかし、特許文献１のように、単にフィラの粒子形態や分散構造を調整しても、バイオマス由来樹脂の比例限度を十分に大きくすることは困難である。

　従来のように、フィラの粒子レベルで比例限界強度の向上を図る方法では、一般的な構造部材に要求される比例限度が得られないという課題がある。特に、バイオマス由来樹脂は、使用後にケミカルリサイクルによって再利用される場合がある。再生材であるバイオマス由来樹脂は、紫外線劣化、熱劣化等で分子量が低下しており、比例限度も大きく低下している。このような再生材にも適用可能な比例限界強度を向上させる手段が求められている。

　そこで、本発明は、バイオマス由来樹脂を母材とした比例限界強度の高い複合材料、それを用いた構造部材、および、そのリサイクル方法を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するため、本発明に係る複合材料は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料であって、前記母材の分子鎖上に配列した官能基の間隔と、前記添加剤の構造上に配列した前記官能基と相互作用を形成する原子の間隔との相対差が３％以下である。

　また、本発明に係る構造部材は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料で形成された構造部材であって、前記母材の分子鎖上に配列した官能基の間隔と、前記添加剤の構造上に配列した前記官能基と相互作用を形成する原子の間隔との相対差が３％以下である。

　また、本発明に係る複合材料のリサイクル方法は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料のリサイクル方法であって、前記母材は、使用後のポリ乳酸を再生した再生材ポリ乳酸であり、前記添加剤は、３，３’－ジチオジプロピオン酸を含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が３ｗｔ％以上２２ｗｔ％以下であり、使用後の前記複合材料を還元性溶液に浸漬させて前記添加剤を分解する工程を含む。

　本発明によれば、バイオマス由来樹脂を母材とした比例限界強度の高い複合材料、それを用いた構造部材、および、そのリサイクル方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る複合材料を模式的に示す断面図。添加剤の粒子径を変えて測定した複合材料の応力ひずみ曲線を示す図。複合材料の比例限界強度と添加剤の粒子径との関係の解析結果を示す図。複合材料の比例限界強度と添加剤の粒子径との関係の解析結果を示す図。複合材料の比例限界強度と添加剤の粒子径との関係の解析結果を示す図。複合材料の比例限界強度と添加剤の濃度との関係の解析結果を示す図。複合材料の比例限界強度と添加剤の濃度との関係の解析結果を示す図。複合材料の比例限界強度と添加剤の濃度との関係の解析結果を示す図。添加剤を添加していない母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加していない母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加していない母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図。添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図。本発明の実施形態に係る複合材料のリサイクル方法を示す図。

　以下、本発明の一実施形態に係る複合材料、それを用いた構造部材、および、複合材料のリサイクル方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

　図１は、本発明の実施形態に係る複合材料を模式的に示す断面図である。図１において、符号１０は複合材料、符号１はバイオマス由来樹脂である母材、符号２は添加剤、符号３は母材と添加剤との界面を示す。
　図１に示すように、本実施形態に係る複合材料１０は、バイオマス由来樹脂である母材１と、母材１中に分散された添加剤２と、を少なくとも含む。添加剤２としては、原子レベルでバイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す所定の添加剤を含む。

　本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料の機械的強度、特に、比例限界強度（比例限度）を向上させるためには、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤を含有させて、原子レベルで分子鎖同士の密着強度を向上させることが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。

　また、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤としては、バイオマス由来樹脂である母材の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が３％以下であるものが有効であることを見出した。

　特徴官能基とは、バイオマス由来樹脂が有する官能基であって、添加剤を構成する所定の原子と強い相互作用を形成可能である特徴的な官能基を意味する。特徴原子とは、添加剤を構成する原子であって、バイオマス由来樹脂が有する所定の官能基と強い相互作用を形成可能である特徴的な原子を意味する。

　特徴官能基および特徴原子は、他の官能基や原子よりも強い相互作用を形成する部位であり、好ましくは分子内で最も強い相互作用を形成する部位である。相互作用としては、見かけ上で原子同士を吸着する作用であって、電子状態やエネルギ状態に基づく、静電的相互作用、永久双極子相互作用、誘起双極子相互作用、電荷移動相互作用等の分子間相互作用や、分子内の他の部位が生じる斥力や反発力による複合的な作用が挙げられる。

　このような添加剤を添加すると、母材１の分子鎖上の特徴官能基と、添加剤２の結晶構造上や分子構造上の特徴原子とが、強い相互作用を形成して、互いに近接した位置に配列できる。母材１を構成する分子鎖と添加剤２とは、複数の特徴官能基と複数の特徴原子とが互いに近接した位置に周期的に配列することによって、電子状態上やエネルギ状態上で安定な高い密着強度で互いに密着できる。

　その結果、母材１と添加剤２との界面３では、添加剤２の結晶構造や分子構造に対して、母材１を構成する分子鎖が適切な配向およびコンフォメーションで整列した状態となる。添加剤２に対して整列した分子鎖に対しては、別の分子鎖が適切な配向およびコンフォメーションで整列した状態となる。

　そのため、所定の添加剤２による作用は、母材１と添加剤２との界面３だけではなく、界面３から離れた領域にも及ぶ。所定の添加剤２を起点として、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用が広範囲に得られる。分子鎖同士を整列させると、分子鎖同士の密着強度が向上するため、複合材料１０の比例限界強度を向上させることができる。

　母材１を形成するバイオマス由来樹脂としては、バイオマスを原料とする限り、適宜の樹脂を用いることができる。バイオマス由来樹脂は、原料の一部としてバイオマスが用いられる限り、原料の一部として化石燃料由来の原料が用いられてもよい。例えば、バイオマス由来の単量体が重合した重合体の他、バイオマス由来の単量体と化石燃料由来の単量体とが共重合した共重合体等も用いることができる。

　バイオマスとしては、資源植物、生物系廃棄物等が挙げられる。バイオマスの具体例としては、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイ、木材や、おが屑等の植物破砕物や、稲わら、麦わら、もみ殻、椰子殻、ふすま等の植物分離物や、バガス等の植物抽出物残滓や、食品加工副産物、食品廃棄物、油脂廃棄物、古紙廃棄物、衣類廃棄物、耕作廃棄物、家畜たい肥等が挙げられる。

　母材１を形成するバイオマス由来樹脂としては、生分解性を示す生分解性樹脂を用いてもよいし、生分解性を示さない非生分解性樹脂を用いてもよい。非生分解性樹脂を用いると、複合材料１０の使用後に焼却処分等が不要になるため、使用後の環境影響を低減できる。また、生分解による再生が可能になるため、複合材料１０の資源再利用性を高めることができる。

　生分解性樹脂の具体例としては、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアミド４（ＰＡ４）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリブチレンアジペートテレフタレート（ＰＢＡＴ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）等が挙げられる。ポリヒドロキシアルカン酸としては、ポリ－３－ヒドロキシブタン酸（ＰＨＢ）、炭素数４～１６のポリヒドロキシアルカン酸等が挙げられる。

　非生分解性樹脂の具体例としては、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、ポリアミド１０１０（ＰＡ１０１０）、ポリアミド１０１２（ＰＡ１０１２）、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド５１０（ＰＡ５１０）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンフラノエート（ＰＥＦ）、ポリエステル（ＰＥｓ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリカーボネート（ＰＣ）等が挙げられる。

　添加剤２としては、原子レベルでバイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤であって、バイオマス由来樹脂である母材１の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤２の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が３％以下となるものを用いる。相対差とは、相対的に長い間隔長と相対的に短い間隔長との差分と、相対的に短い間隔長との比（（長い間隔長－短い間隔長）／短い間隔長）［％］を意味する。

　すなわち、母材１と添加剤２との組み合わせとしては、バイオマス由来樹脂が有する特徴官能基と添加剤２を構成する特徴原子とが、相対的に強い相互作用を形成する組み合わせを用いる。また、このような組み合わせにおいて、特徴官能基の間隔と特徴原子の間隔とが近似しており、特徴官能基と特徴原子とが互い近接した位置に規則的に配列する組み合わせを用いる。

　添加剤２としては、無機化合物を用いてもよいし、有機化合物を用いてもよい。添加剤２を構成する特徴原子は、無機化合物の結晶構造上に配列した原子であってもよいし、無機化合物の分子構造上に配列した原子であってもよいし、有機化合物の分子構造上に配列した原子であってもよい。

　添加剤２として有機化合物を用いる場合、特徴原子は、添加剤２である有機化合物の分子上に少なくとも二つあればよい。添加剤２としては、多数の特徴原子を有する高分子有機化合物を用いてもよいし、少数の特徴原子を有する低分子有機化合物を用いてもよい。低分子有機化合物を用いる場合、一つのバイオマス由来樹脂の分子鎖に対して、複数の添加剤２の分子を対応させることができる。

　特徴原子と相互作用を形成する特徴官能基は、バイオマス由来樹脂の分子鎖上に少なくとも一種あればよい。換言すると、添加剤２としては、バイオマス由来樹脂を構成する単量体上の少なくとも一種の官能基に対して、他の官能基や部位に対するよりも強い相互作用を形成可能な特徴原子を有していればよい。但し、このような特徴原子が規則的に配列し、特徴原子の間隔が特徴官能基の間隔と適合する必要がある。

　バイオマス由来樹脂が有する特徴官能基の具体例としては、カルボニル基、アミノ基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ベンゼン環、フラン環、アミド結合、エステル結合、ウレタン結合等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。特徴官能基は、添加剤２を構成する特徴原子との相互作用を適切に形成する観点から、バイオマス由来樹脂の側鎖に存在することが好ましい。

　複合材料１０は、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤２に加え、他の添加剤が添加されてもよい。他の添加剤としては、酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定化剤、光安定化材、加水分解防止剤、可塑剤、増粘剤、減粘剤、難燃剤、滑剤、離型剤、導電剤、帯電防止剤、絶縁剤、断熱材、発泡剤、熱伝導剤、顔料、染料、蛍光剤、抗菌剤、防黴剤等が挙げられる。

　複合材料１０は、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤２に加え、一般的なフィラが添加されてもよいし、一般的なフィラが添加されなくてもよい。一般的なフィラとしては、強度、剛性等を向上させる強化剤や、充填材等が挙げられる。一般的なフィラの具体例としては、シリカ、タルク、マイカ、クレー、炭酸カルシウム、チタン酸カリウム、カーボン、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。

　本実施形態に係る複合材料１０において、好ましい母材１と添加剤２との組み合わせや、好ましい添加剤２の濃度は、次の（１）～（３）のとおりである。

（１）母材１は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）（－［Ｏ－ＣＨ（ＣＨ_３）－Ｃ（＝Ｏ）］_ｎ－）である。添加剤２は、３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）、および、酸化ガリウム（III）（Ｇａ_２Ｏ_３）から選択される少なくとも一つを含む。母材１に対する添加剤２の濃度は、３ｗｔ％以上２２ｗｔ％以下である。３，３’－ジチオジプロピオン酸は、単分子として添加される。

（２）母材１は、ポリアミド１１（ＰＡ１１）（－［ＮＨ－（ＣＨ_２）_１０－Ｃ（＝Ｏ）］_ｎ－）である。添加剤２は、イットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を含む。母材１に対する添加剤２の濃度は、５ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下である。イットリア安定化ハフニアは、好ましくはイットリアの濃度が５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下である。

（３）母材１は、ポリアミド４（ＰＡ４）（－［ＮＨ－（ＣＨ_２）_３－Ｃ（＝Ｏ）］_ｎ－）であり、添加剤２は、酸化カリウムを含有する酸化ナトリウムである酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を含む。母材１に対する添加剤２の濃度は、３ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下である。酸化ナトリウムカリウムは、好ましくは酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％以上５ｗｔ％以下である。

　前記の（１）～（３）の組み合わせによると、バイオマス由来樹脂である母材１の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤２の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が３％以下となる。特徴官能基と特徴原子とが互い対応する位置に規則的に配列するため、母材１と添加剤２との界面３において、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用が得られる。また、界面３から離れた領域においても、界面３に整列した分子鎖を起点として、他の分子鎖を整列させる作用が得られる。母相１の広範囲にわたって分子鎖同士の密着強度が向上するため、複合材料１０の比例限界強度を向上させることができる。

　次に、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料を作製し、添加剤による作用を確認した結果を示す。

　バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料は、バイオマス由来樹脂で形成されたペレットと、添加剤のパウダとを混合し、得られた混合物を溶融および混錬して作製した。混合物の溶融および混錬は、同方向回転二軸押出機（コペリオン社製）を用いて行った。混錬温度は、１７０℃とした。スクリュ回転速度は、１５０ｒｐｍ、吐出量は、２０ｋｇ／ｈとした。押出圧力は、０．５～０．９ＭＰａとして、押し出したストランドを水冷した。

　複合材料は、所定の試験片に成形した後に、引張試験に供して応力ひずみ特性を測定した。試験片は、ＪＩＳ　Ｋ７１３９：２０１９　プラスチック－試験片に準拠して、多目的試験片であるタイプＡ１とした。試験片の厚さは、４ｍｍとした。試験片は、複合材料を用いて射出成形した後、１１０℃で４時間のアニーリングを施した。添加剤の粒子径や種類を変えて試験片を作製し、引張試験で測定された応力ひずみ特性に基づいて、複合材料毎の比例限界強度（比例限度）を求めた。

　図２は、添加剤の粒子径を変えて測定した複合材料の応力ひずみ曲線を示す図である。図２には、母材としてポリ乳酸（ＰＬＡ）、添加剤として酸化ガリウム（III）（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いて、添加剤の粒子径を変えて測定した結果を示す。図中の曲線は、上から順に、平均粒子径が３ｎｍの場合、５ｎｍの場合、８ｎｍの場合、１０ｎｍの場合、添加剤を添加していない場合である。

　図２に示すように、複合材料の応力ひずみ曲線は、原点から直線的に立ち上がる。応力とひずみとの線形的関係が保たれる範囲の応力の限界が、比例限度である。比例限度を超えてひずみを大きくすると、弾性限度に到達する。弾性限度を超えてひずみを大きくすると、塑性変形を生じて応力による損傷が残った状態となる。

　一般に、構造部材等の設計上では、材料の比例限界強度が大きいことが望まれる。設計上では、引張強度等よりも、比例限界強度が重視される。比例限界強度が大きいほど、応力による損傷が起こり難い材料であり、実用上で要求される機械的強度を備えた材料であるといえる。

　図２に示すように、添加剤の粒子径が小さいほど、比例限界強度が向上する傾向がある。但し、添加剤の微粒子化による作用は、主に表面積の拡大に因る。表面積の拡大に因る作用は、粒子径が小さくなると頭打ちとなる。添加剤を過度に微粒子化すると、結晶性が悪化して、粒子径のバラつきが大きくなり、製品上で問題を生じるからである。

　そのため、粒子レベルで比例限界強度の向上を図る方法では、作用上の限界があり、一般的な構造部材に要求される比例限度が得られないという問題がある。バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料の比例限界強度を向上させるためには、母材を構成する分子鎖を整列させる作用を示す添加剤を配合して、原子レベルで分子鎖同士の密着強度を向上させることが有効である。

　図３は、複合材料の比例限界強度と添加剤の粒子径との関係の解析結果を示す図である。図３には、母材としてポリ乳酸（ＰＬＡ）を用いて、添加剤の種類を変えて測定した結果を示す。添加剤の濃度は、いずれも、１０ｗｔ％である。

　図中の点線は、３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）を添加した結果である。図中の実線は、酸化ガリウム（III）（Ｇａ_２Ｏ_３）を添加した結果である。図中の二点鎖線は、シリカ（ＳｉＯ_２）を添加した結果である。図中の一点鎖線は、添加剤を添加していない場合の結果である。図中の破線は、乳酸と３，３’－ジチオジプロピオン酸との共重合体（ｐ［ＰＬＡ－ＤＴＤＰＡ］）を添加した結果である。

　図３に示すように、添加剤を添加していない場合と比較して、３，３’－ジチオジプロピオン酸を添加した場合や、酸化ガリウム（III）を添加した場合、比例限界強度が大きく向上した。比例限界強度は、酸化ガリウム（III）を添加した場合よりも、３，３’－ジチオジプロピオン酸を添加した場合に大きくなった。

　３，３’－ジチオジプロピオン酸を添加した場合や、酸化ガリウム（III）を添加した場合、比例限界強度は、添加剤の粒子径に依存する結果となった。添加剤の粒子径が小さいほど、比例限界強度が向上した。比例限界強度は、粒子径が３ｎｍの場合、約１００％（約２倍）向上し、粒子径が８ｎｍの場合、約１８％向上した。

　一方、シリカを添加した場合や、乳酸と３，３’－ジチオジプロピオン酸との共重合体を添加した場合、比例限界強度が５％未満しか向上せず、比例限界強度を向上させる効果が小さいことが分かった。

　図４は、複合材料の比例限界強度と添加剤の粒子径との関係の解析結果を示す図である。図４には、母材としてポリアミド１１（ＰＡ１１）を用いて、添加剤の種類を変えて測定した結果を示す。添加剤の濃度は、いずれも、１０ｗｔ％である。

　図中の点線は、イットリアの濃度が８ｗｔ％であるイットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を添加した結果である。図中の実線は、イットリアの濃度が５ｗｔ％であるイットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を添加した結果である。図中の二点鎖線は、シリカ（ＳｉＯ_２）を添加した結果である。図中の一点鎖線は、添加剤を添加していない場合の結果である。

　図４に示すように、添加剤を添加していない場合と比較して、イットリア安定化ハフニアを添加した場合、比例限界強度が大きく向上した。比例限界強度は、イットリアの濃度が５ｗｔ％である場合よりも、イットリアの濃度が８ｗｔ％である場合に大きくなった。

　イットリア安定化ハフニアを添加した場合、比例限界強度は、添加剤の粒子径に依存する結果となった。添加剤の粒子径が小さいほど、比例限界強度が向上した。比例限界強度は、粒子径が３ｎｍの場合、約５０％（約１．５倍）向上し、粒子径が８ｎｍの場合、約２１％向上した。

　一方、シリカを添加した場合、比例限界強度が５％未満しか向上せず、比例限界強度を向上させる効果が小さいことが分かった。なお、イットリアの濃度が５ｗｔ％未満である場合や、イットリアの濃度が１０ｗｔ％を超える場合、比例限界強度が７％程度しか向上しなかった。イットリア安定化ハフニアのイットリアの濃度は、５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下が好ましいといえる。

　図５は、複合材料の比例限界強度と添加剤の粒子径との関係の解析結果を示す図である。図５には、母材としてポリアミド４（ＰＡ４）を用いて、添加剤の種類を変えて測定した結果を示す。添加剤の濃度は、いずれも、１０ｗｔ％である。

　図中の点線は、酸化カリウムの濃度が３ｗｔ％である酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を添加した結果である。図中の実線は、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％である酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を添加した結果である。図中の二点鎖線は、シリカ（ＳｉＯ_２）を添加した結果である。図中の一点鎖線は、添加剤を添加していない場合の結果である。

　図５に示すように、添加剤を添加していない場合と比較して、酸化ナトリウムカリウムを添加した場合、比例限界強度が大きく向上した。比例限界強度は、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％である場合よりも、酸化カリウムの濃度が３ｗｔ％である場合に大きくなった。

　酸化ナトリウムカリウムを添加した場合、比例限界強度は、添加剤の粒子径に依存する結果となった。添加剤の粒子径が小さいほど、比例限界強度が向上した。比例限界強度は、粒子径が３ｎｍの場合、約１５０％（約２．５倍）向上し、粒子径が８ｎｍの場合、約４０％向上した。

　一方、シリカを添加した場合、比例限界強度が５％未満しか向上せず、比例限界強度を向上させる効果が小さいことが分かった。なお、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％未満である場合や、酸化カリウムの濃度が５ｗｔ％を超える場合、比例限界強度が６％程度しか向上しなかった。よって、酸化ナトリウムカリウムの酸化カリウムの濃度は、２ｗｔ％以上５ｗｔ％以下が好ましいといえる。

　次に、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料における添加剤の作用の濃度依存性を確認した結果を示す。

　図６は、複合材料の比例限界強度と添加剤の濃度との関係の解析結果を示す図である。図６には、母材としてポリ乳酸（ＰＬＡ）、添加剤として３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）、または、酸化ガリウム（III）（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いて、添加剤の濃度を変えて測定した結果を示す。添加剤の平均粒子径は、いずれも、３ｎｍである。

　図中の点線は、３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）を添加した結果である。図中の実線は、酸化ガリウム（III）（Ｇａ_２Ｏ_３）を添加した結果である。

　図６に示すように、３，３’－ジチオジプロピオン酸を添加した場合や、酸化ガリウム（III）を添加した場合、母材に対する添加剤の濃度が３ｗｔ％以上２２ｗｔ％以下である場合に、比例限界強度を向上させる効果が大きくなった。添加剤の濃度が３ｗｔ％未満である場合や、添加剤の濃度が２２ｗｔ％を超える場合、比例限界強度が顕著に小さくなった。

　図７は、複合材料の比例限界強度と添加剤の濃度との関係の解析結果を示す図である。図７には、母材としてポリアミド１１（ＰＡ１１）、添加剤としてイットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を用いて、添加剤の濃度を変えて測定した結果を示す。添加剤の平均粒子径は、いずれも、３ｎｍである。

　図中の点線は、イットリアの濃度が８ｗｔ％であるイットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を添加した結果である。図中の実線は、イットリアの濃度が５ｗｔ％であるイットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を添加した結果である。

　図７に示すように、イットリア安定化ハフニアを添加した場合、母材に対する添加剤の濃度が５ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下である場合に、比例限界強度を向上させる効果が大きくなった。添加剤の濃度が５ｗｔ％未満である場合や、添加剤の濃度が３８ｗｔ％を超える場合、比例限界強度が顕著に小さくなった。

　図８は、複合材料の比例限界強度と添加剤の濃度との関係の解析結果を示す図である。図８には、母材としてポリアミド４（ＰＡ４）、添加剤として酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を用いて、添加剤の濃度を変えて測定した結果を示す。添加剤の平均粒子径は、いずれも、３ｎｍである。

　図中の点線は、酸化カリウムの濃度が３ｗｔ％である酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を添加した結果である。図中の実線は、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％である酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を添加した結果である。

　図８に示すように、酸化ナトリウムカリウムを添加した場合、母材に対する添加剤の濃度が３ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下である場合に、比例限界強度を向上させる効果が大きくなった。添加剤の濃度が３ｗｔ％未満である場合や、添加剤の濃度が３８ｗｔ％を超える場合、比例限界強度が顕著に小さくなった。

　図６、図７および図８において、母材に対する添加剤の濃度が下限値よりも低い場合には、比例限界強度を向上させる作用が十分に得られなかった。下限値未満であると、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用の起点が少なすぎて、母材と添加剤との界面から離れた領域に作用が及ばず、バイオマス由来樹脂の分子鎖が乱雑化して比例限界強度が向上しなかったと考えられる。

　一方、母材に対する添加剤の濃度が上限値よりも高い場合にも、比例限界強度を向上させる作用が十分に得られなかった。上限値を超えると、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用の起点が多すぎて、作用同士が相互に干渉し合い、バイオマス由来樹脂の分子鎖が乱雑化して比例限界強度が向上しなかったと考えられる。

　これに対し、母材に対する添加剤の濃度が下限値以上、且つ、上限値以下であると、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用の起点が適切に分散できる。母材と添加剤との界面から離れた領域に対して、起点からの作用が独立的に及ぶため、母材の広範囲にわたって適切な作用を得ることができる。そのため、添加量が適切でない場合と比較して、比例限界強度を向上させる高い効果を得ることができる。

　次に、添加剤の母材に対する作用機序を確認するために、添加剤を配合していない母材の原子配列と、添加剤を配合した母材の原子配列とを比較した結果を示す。

　原子配列の解析は、非特許文献１（R. Car, M. Parrinello (1985). Unified Approach for Molecular Dynamics and Density-Functional Theory. PHYSICAL REVIEW LETTERS. VOLUME 55, NUMBER 22, 2471-2474）に記載されているように、密度汎関数理論（Density Functional Theory：ＤＦＴ）を組み合わせた分子動力学シミュレーションで行った。

　ＤＦＴを組み合わせた分子動力学シミュレーションでは、対象物質の構造を電子密度の汎関数で表し、各時刻における各構成原子の座標を、運動方程式から求めた分子軌道やエネルギによって算出できる。汎関数を選択することも可能であり、電子状態やエネルギ状態に基づく分子間相互作用を高精度に反映させることができる。

　図９は、添加剤を添加していない母材の原子配列の解析結果を示す図である。図９には、母材としてポリ乳酸（ＰＬＡ）を用いた結果を示す。黒色の原子は炭素原子、灰色の原子は酸素原子、白色の原子は水素原子である。

　図１０は、添加剤を添加していない母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１０には、母材としてポリアミド１１（ＰＡ１１）を用いた結果を示す。灰色の小原子は炭素原子、黒色の小原子は窒素原子、黒色の大原子は酸素原子である。水素原子については、図示を省略している。

　図１１は、添加剤を添加していない母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１１には、母材としてポリアミド４（ＰＡ４）を用いた結果を示す。灰色の小原子は炭素原子、黒色の原子は窒素原子、白色の大原子は酸素原子、黒色の小原子は水素原子である。

　図９、図１０および図１１に示すように、分子鎖を整列させる作用を示す添加剤を添加していない母材は、結晶化状態であっても規則性に乏しく、分子鎖の配向や、分子鎖のコンフォメーションや、分子鎖同士の間隔が、全体としてバラついた状態である。分子間の密着強度が弱く、一般的な構造部材に要求される比例限界強度が得られ難い状態である。

　図１２は、添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１２には、母材としてポリ乳酸（ＰＬＡ）、添加剤として３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）を用いた結果を示す。図１２の左図は、母材と添加剤との界面を横から見た図であり、右図は、母材と添加剤との界面を上から見た図である。下図は、３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）の分子構造を示す図である。

　図１２に示すように、ポリ乳酸は、特徴官能基としてカルボニル基を有している。カルボニル基は、ポリ乳酸の分子鎖中で最も分極が大きい官能基である。ポリ乳酸は、最近接のカルボニル基同士がトランス側に位置する直鎖状に延びたコンフォメーションをとることができる。ポリ乳酸の第２近接のカルボニル基を構成する炭素原子同士の間隔は、約０．７１７ｎｍとなる。

　一方、３，３’－ジチオジプロピオン酸は、ポリ乳酸のカルボニル基と相互作用を形成可能な特徴原子として、カルボニル基の酸素原子を有している。３，３’－ジチオジプロピオン酸のカルボニル基を構成する酸素原子同士の間隔は、約０．７１７ｎｍである。

　このような組み合わせであると、母材の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が小さくなる。ポリ乳酸と３，３’－ジチオジプロピオン酸との界面に、特徴官能基が周期的に配列して、格子整合の界面が形成される。ポリ乳酸のカルボニル基を構成する炭素原子と、３，３’－ジチオジプロピオン酸のカルボニル基を構成する酸素原子とが、互いに近接した位置で安定化することが分かる。

　また、ポリ乳酸の分子鎖同士についても、添加剤を添加していない場合と比較して、規則的な原子配列が形成されている。ポリ乳酸に３，３’－ジチオジプロピオン酸を添加すると、ポリ乳酸の分子鎖の配向や、分子鎖のコンフォメーションや、分子鎖同士の間隔が、規則的に整列することが分かる。

　一方、図３に示すように、添加剤として乳酸と３，３’－ジチオジプロピオン酸との共重合体を用いた場合、比例限界強度を向上させる効果は小さい。乳酸と３，３’－ジチオジプロピオン酸との共重合体の場合、乳酸と３，３’－ジチオジプロピオン酸とのエステル結合が、外側に突出して母材を構成する分子鎖と接触するため、ポリ乳酸の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。

　図１３は、添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１３には、母材としてポリ乳酸（ＰＬＡ）、添加剤として酸化ガリウム（III）（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いた結果を示す。図１３の左図は、母材と添加剤との界面を横から見た図であり、右図は、母材と添加剤との界面を上から見た図である。

　図１３に示すように、ポリ乳酸は、特徴官能基としてカルボニル基を有している。カルボニル基は、ポリ乳酸の分子鎖中で最も分極が大きい官能基である。ポリ乳酸は、最近接のカルボニル基同士がトランス側に位置する直鎖状に延びたコンフォメーションをとることができる。ポリ乳酸の第２近接のカルボニル基を構成する炭素原子同士の間隔は、約０．７１７ｎｍとなる。

　一方、酸化ガリウム（III）は、ポリ乳酸のカルボニル基と相互作用を形成可能な特徴原子として、ガリウム原子を有している。β－酸化ガリウム（III）の結晶格子中の同一結晶面内における第３近接のガリウム原子同士の間隔は、約０．７１７ｎｍである。

　このような組み合わせであると、母材の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が小さくなる。ポリ乳酸と酸化ガリウム（III）との界面に、特徴官能基が周期的に配列して、格子整合の界面が形成される。ポリ乳酸のカルボニル基を構成する酸素原子と、酸化ガリウム（III）のガリウム原子とが、互いに近接した位置で安定化することが分かる。

　また、ポリ乳酸の分子鎖同士についても、添加剤を添加していない場合と比較して、規則的な原子配列が形成されている。ポリ乳酸に酸化ガリウム（III）を添加すると、ポリ乳酸の分子鎖の配向や、分子鎖のコンフォメーションや、分子鎖同士の間隔が、規則的に整列することが分かる。

　一方、図３に示すように、添加剤としてシリカを用いた場合、比例限界強度を向上させる効果は小さい。シリカの場合、最近接のケイ素原子同士の間隔が約０．３０６ｎｍ、第２近接のケイ素原子同士の間隔が約０．６１２ｎｍとなる。ポリ乳酸の第２近接のカルボニル基を構成する炭素原子同士の間隔である約０．７１７ｎｍと、シリカの第２近接のケイ素原子同士の間隔である約０．６１２ｎｍとの相対差は約１７％となる。相対差が大きいため、ポリ乳酸の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。

　図１４は、添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１４には、母材としてポリアミド１１（ＰＡ１１）、添加剤としてイットリアの濃度が８ｗｔ％であるイットリア安定化ハフニア（ＨｆＯ_３＋Ｙ_２Ｏ_３）を用いた結果を示す。図１４の左図は、母材と添加剤との界面を横から見た図であり、右図は、母材と添加剤との界面を下から見た図である。

　図１４に示すように、ポリアミド１１は、特徴官能基としてアミド結合のカルボニル基を有している。カルボニル基は、ポリアミド１１の分子鎖中で最も分極が大きい官能基である。ポリアミド１１は、直鎖状に延びたコンフォメーションをとることができる。ポリアミド１１の最近接のカルボニル基を構成する酸素原子同士の間隔は、約１．４５６ｎｍとなる。

　一方、イットリア安定化ハフニアは、ポリアミド１１のカルボニル基と相互作用を形成可能な特徴原子として、ハフニウム原子やイットリウム原子を有している。ハフニウム原子やイットリウム原子は、結晶格子中において、酸素原子を介して六員環を形成している。立方晶系のイットリア安定化ハフニアの結晶格子中の六員環の４個分の間隔は、約１．４５６ｎｍである。

　このような組み合わせであると、母材の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が小さくなる。ポリアミド１１とイットリア安定化ハフニアとの界面に、特徴官能基が周期的に配列して、格子整合の界面が形成される。ポリアミド１１のカルボニル基を構成する酸素原子と、イットリア安定化ハフニアのハフニウム原子やイットリウム原子とが、互いに近接した位置で安定化することが分かる。

　また、ポリアミド１１の分子鎖同士についても、添加剤を添加していない場合と比較して、規則的な原子配列が形成されている。ポリアミド１１にイットリア安定化ハフニアを添加すると、ポリアミド１１の分子鎖の配向や、分子鎖のコンフォメーションや、分子鎖同士の間隔が、規則的に整列することが分かる。

　一方、図４に示すように、添加剤としてシリカを用いた場合、比例限界強度を向上させる効果は小さい。シリカの場合、結晶格子中の六員環の５個分の間隔は、約１．５３０ｎｍとなる。ポリアミド１１の最近接のカルボニル基を構成する酸素原子同士の間隔である約１．４５６ｎｍと、シリカの結晶格子中の六員環の５個分の間隔である約１．５３０ｎｍとの相対差は約５％となる。相対差が大きいため、ポリアミド１１の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。

　また、イットリア安定化ハフニアは、イットリアの濃度が５ｗｔ％未満の場合や、イットリアの濃度が１０ｗｔ％を超える場合、結晶格子中の六員環の４個分の間隔が、約１．４５６ｎｍとは大きく異なる。このような場合、ポリアミド１１とイットリア安定化ハフニアとの界面が格子整合とならないため、ポリアミド１１の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。

　図１５は、添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１５には、母材としてポリアミド４（ＰＡ４）、添加剤として酸化カリウムの濃度が３ｗｔ％である酸化ナトリウムカリウム（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ）を用いた結果を示す。図１５の左図は、母材と添加剤との界面を横から見た図であり、右図は、母材と添加剤との界面を上から見た図である。

　図１５に示すように、ポリアミド４は、特徴官能基としてアミド結合のカルボニル基を有している。カルボニル基は、ポリアミド４の分子鎖中で最も分極が大きい官能基である。ポリアミド４は、直鎖状に延びたコンフォメーションをとることができる。ポリアミド４の最近接のカルボニル基を構成する酸素原子同士の間隔は、約０．５８１ｎｍとなる。

　一方、酸化ナトリウムカリウムは、ポリアミド４のカルボニル基と相互作用を形成可能な特徴原子として、ナトリウム原子やカリウム原子を有している。ナトリウム原子やカリウム原子は、結晶格子中において、酸素原子を介して四員環を形成している。立方晶系の酸化ナトリウムカリウムの結晶格子中の四員環の１個分の間隔は、約０．５８１ｎｍである。

　このような組み合わせであると、母材の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が小さくなる。ポリアミド４と酸化ナトリウムカリウムとの界面に、特徴官能基が周期的に配列して、格子整合の界面が形成される。ポリアミド４のカルボニル基を構成する酸素原子と、酸化ナトリウムカリウムのナトリウム原子やカリウム原子とが、互いに近接した位置で安定化することが分かる。

　また、ポリアミド４の分子鎖同士についても、添加剤を添加していない場合と比較して、規則的な原子配列が形成されている。ポリアミド４に酸化ナトリウムカリウムを添加すると、ポリアミド４の分子鎖の配向や、分子鎖のコンフォメーションや、分子鎖同士の間隔が、規則的に整列することが分かる。

　一方、図５に示すように、添加剤としてシリカを用いた場合、比例限界強度を向上させる効果は小さい。シリカの場合、結晶格子中の六員環の２個分の間隔は、約０．６１２ｎｍとなる。ポリアミド４の最近接のカルボニル基を構成する酸素原子同士の間隔である約０．５８１ｎｍと、シリカの結晶格子中の六員環の２個分の間隔である約０．６１２ｎｍとの相対差は約５％となる。相対差が大きいため、ポリアミド１１の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。

　また、酸化ナトリウムカリウムは、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％未満の場合や、酸化カリウムの濃度が５ｗｔ％を超える場合、結晶格子中の四員環の１個分の間隔が、約０．５８１ｎｍとは大きく異なる。このような場合、ポリアミド４と酸化ナトリウムカリウムとの界面が格子整合とならないため、ポリアミド４の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。

　図１６は、添加剤を添加した母材の原子配列の解析結果を示す図である。図１６には、母材としてポリアミド１１（ＰＡ１１）、添加剤としてシリカ（ＳｉＯ_２）を用いた結果を示す。図１６の左図は、母材と添加剤との界面を横から見た図であり、右図は、母材と添加剤との界面を下から見た図である。

　図１６に示すように、添加剤としてシリカを用いた場合、ポリアミド１１の最近接のカルボニル基同士の間隔と、シリカの結晶格子中の六員環の間隔との相対差が大きいため、ポリアミド１１の分子鎖を整列させる作用は弱くなる。シリカを添加した場合のポリアミド１１の分子鎖同士の間隔は、イットリア安定化ハフニアを添加した場合（図１４参照）と比較して、広い箇所や狭い箇所が混在して不均一になる。母材と添加剤との界面から離れた領域においても、母材の原子配列が乱れるため、比例限界強度を向上させる効果が小さくなる。

　以上のとおり、分子鎖を整列させる作用を持つ添加剤を添加する場合、バイオマス由来樹脂である母材の分子鎖上に配列した特徴官能基の間隔と、添加剤の構造上に配列した特徴原子の間隔との相対差が３％以下であると、分子鎖を整列させる作用が広範囲に得られるため、複合材料の比例限界強度を大きく向上させることができる。一方、相対差が３％を超えると、分子鎖を整列させる作用が弱くなり、比例限界強度を向上させる効果が小さくなるといえる。

　次に、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料の他の形態について説明する。

　本実施形態に係る複合材料１０において、母材１を構成するバイオマス由来樹脂としては、使用後のバイオマス由来樹脂を再生した再生材を用いることもできる。添加剤としては、原子レベルでバイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤を再生材に配合する。

　バイオマス由来樹脂は、各種の用途で使用した後に、ケミカルリサイクルによって再生できる。使用後の樹脂を回収し、不純物を除去する工程、樹脂を粉砕する工程、樹脂を洗浄する工程等を行う。そして、必要に応じて、樹脂を溶解する工程、樹脂成分を比重分離する工程等を行った後、樹脂フレークや分離されたモノマを、母材１を形成する再生材の原料として再利用する。

　母材１を構成するバイオマス由来樹脂として再生材を用いる場合、好ましい母材１と添加剤２との組み合わせや、好ましい添加剤２の濃度は、前記の（１）～（３）と同様である。母材１として、使用後のポリ乳酸を再生した再生材ポリ乳酸や、使用後のポリアミド１１を再生した再生材ポリアミド１１や、使用後のポリアミド４を再生した再生材ポリアミド４を用いることができる。

　一般に、バイオマス由来樹脂は、紫外線、熱、水分、アルカリ等の影響を受けると、高分子である分子鎖が分解する。一般的な用途で使用されたバイオマス由来樹脂は、紫外線劣化、熱劣化、加水分解、リサイクル時のアルカリ洗浄等によって、分子量が１０～５０％に小さくなる。このような樹脂を使用後に再生して再使用する場合、比例限界強度も１０～５０％に小さくなってしまう。

　これに対し、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤を再生材に配合すると、比例限界強度を１５～１５０％程度向上させることができる。添加剤による作用は、母材と添加剤との界面から離れた領域にも及ぶため、分子量が小さくなった再生材を用いる場合に、短い分子鎖同士を整列させることができる点で有効である。添加剤を配合する場合、回収したバイオマス由来樹脂の再重合を行うこともできるし、バイオマス由来樹脂の再重合を行わないこともできる。

　次に、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料の製造方法や、複合材料の用途について説明する。

　バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料は、バイオマス由来樹脂と添加剤を混合し、得られた混合物を溶融および混錬し、得られた樹脂組成物を任意の形状に樹脂成形することによって製造できる。添加剤としては、原子レベルでバイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤を少なくとも用いる。

　バイオマス由来樹脂は、ペレット、パウダ、グラニュール、液体、流動体等の適宜の原料形態で用意できる。バイオマス由来樹脂としては、新規に合成された合成品を用いてもよいし、使用後のバイオマス由来樹脂を再生した再生材を用いてもよい。

　添加剤は、バイオマス由来樹脂に対して、単体として混合してもよいし、マスターバッチとして混合してもよい。マスターバッチは、バイオマス由来樹脂に添加剤を予め添加することによって、高濃度の添加剤を含有するペレット等として用意できる。マスターバッチを用いると、添加剤の取り扱いや、添加剤の配合量の調整を容易に行うことができる。

　樹脂組成物の混錬は、バンバリーミキサ、加圧ニーダ等の回分式密閉型混練機や、ロール型混練機、ロータ型混練機等の開放型混錬機や、一軸スクリュ押出機、二軸スクリュ押出機等の各種の装置を用いて行うことができる。樹脂組成物の造粒は、押出式造粒機、ディスクダイ式造粒機、ローラ式造粒機等の各種の装置を用いて行うことができる。

　バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料は、複合材料の用途に応じて、任意の形状に成形できる。複合材料の成形方法としては、押出成形、射出成形、ブロー成形、圧縮成形、積層造形等の適宜の方法を用いることができる。

　積層造形の方法としては、フィラメント状の樹脂を用いる熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling：ＦＤＭ）や、粉末状の樹脂を用いてレーザによる溶解を行うレーザ粉末積層法等を用いることができる。レーザ粉末積層法の原料としては、添加剤が予め配合されたバイオマス由来樹脂の粉末を用いてもよいし、バイオマス由来樹脂の粉末と添加剤の粉末との組み合わせを用いてもよい。

　バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料は、適宜の用途に用いることができる。複合材料の用途の具体例としては、掃除機、洗濯機、エアコン、炊飯器、テレビ、パソコン、電話機、コピー機、ＦＡＸ、シュレッダ等の電気機器を構成する構造部材や、プラスチック製の食器、容器、袋、衣類、寝具、家具、文具、玩具や、自動車用の内装材、部品や、包装フィルム、フィルム基材、人工芝等が挙げられる。

　バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料の用途としては、高い機械的強度、特に、比例限度が要求される用途が好ましく、各種の製品を構成する構造部材がより好ましい。構造部材は、バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料で形成される。構造部材としては、製品を構成する外装材、補強材、骨格材等が挙げられる。

　バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料の用途としては、特に、曲げ形状に成型または曲げ加工された曲げ部を有する構造部材が好ましい。曲げ形状としては、板材、線材、棒材等で形成される形状であって、屈曲形状、湾曲形状等がある。曲げ形状に成形された曲げ部は、応力が集中し易い箇所となる。このような曲げ部に複合材料を用いると、高い比例限界強度が得られるため、永久変形の発生を原子レベルで抑制できる。

　次に、バイオマス由来樹脂を母材とした複合材料のリサイクル方法について、図を参照しながら説明する。

　図１７は、本発明の実施形態に係る複合材料のリサイクル方法を示す図である。
　図１７に示すように、本実施形態に係る複合材料１０は、バイオマス由来樹脂の分子鎖を整列させる作用を示す添加剤として３，３’－ジチオジプロピオン酸（ＤＴＤＰＡ）を用いる場合、還元性溶液４に浸漬させて添加剤を分解する工程を含む方法によってリサイクルすることができる。

　図１７において、還元性溶液４は、処理容器５に用意されている。還元性溶液４としては、強還元剤を含む溶液を用いることができる。強還元剤としては、還元型グルタチオン（ＧＳＨ）、ジチオトレイトール、２－メルカプトエタノール等を用いることができる。還元性溶液４の溶媒としては、Ｔｒｉｓ緩衝液等を用いることができる。還元性溶液４のｐＨは、好ましくはｐＨ７以上、より好ましくはｐＨ８以上、更に好ましくはｐＨ８．５以上である。

　本実施形態に係る複合材料のリサイクル方法は、使用後の複合材料を回収する工程、複合材料に混在する不純物を除去する工程、複合材料を粉砕する工程、複合材料を洗浄する工程、複合材料を溶解する工程等を含む。複合材料を溶解する工程の後に、必要に応じて、複合材料に含まれる成分を比重分離する工程等を行うことができる。

　本実施形態に係る複合材料のリサイクル方法では、複合材料を溶解する工程において、使用後の複合材料１０を還元性溶液４に浸漬させて添加剤を分解する処理を行う。図１７に示すように、複合材料１０を還元性溶液４に浸漬させてＤＴＤＰＡを分解する。複合材料を溶解する工程では、ＤＴＤＰＡの分解に加え、母相１を構成するバイオマス由来樹脂の分解を行うこともできる。

　このようなリサイクル方法によると、複合材料１０を還元性溶液４に浸漬させるため、添加剤２であるＤＴＤＰＡが、ジスルフィド結合の還元によって分解される。そのため、複合材料１０をリサイクルする際に、母相１に添加されているＤＴＤＰＡの分離が容易になる。高純度のバイオマス由来樹脂を効率的に回収することが可能になるため、使用後のバイオマス由来樹脂を有用な再生材とすることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、技術的範囲を逸脱しない限り、様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成に他の構成を加えたりすることが可能である。また、或る実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、構成の削除、構成の置換をすることも可能である。

１０　　複合材料
１　　　母材（バイオマス由来樹脂）
２　　　添加剤
３　　　界面
４　　　還元性溶液
５　　　処理容器

Claims

　バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料であって、
　前記母材の分子鎖上に配列した官能基の間隔と、前記添加剤の構造上に配列した前記官能基と相互作用を形成する原子の間隔との相対差が３％以下である複合材料。
　請求項１に記載の複合材料であって、
　前記母材は、ポリ乳酸であり、
　前記添加剤は、３，３’－ジチオジプロピオン酸、および、酸化ガリウム（III）から選択される少なくとも一つを含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が３ｗｔ％以上２２ｗｔ％以下である複合材料。
　請求項２に記載の複合材料であって、
　前記ポリ乳酸は、使用後のポリ乳酸を再生した再生材ポリ乳酸である複合材料。
　請求項１に記載の複合材料であって、
　前記母材は、ポリアミド１１であり、
　前記添加剤は、イットリアの濃度が５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であるイットリア安定化ハフニアを含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が５ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下である複合材料。
　請求項４に記載の複合材料であって、
　前記ポリアミド１１は、使用後のポリアミド１１を再生した再生材ポリアミド１１である複合材料。
　請求項１に記載の複合材料であって、
　前記母材は、ポリアミド４であり、
　前記添加剤は、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％以上５ｗｔ％以下である酸化ナトリウムカリウムを含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が３ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下である複合材料。
　請求項６に記載の複合材料であって、
　前記ポリアミド４は、使用後のポリアミド４を再生した再生材ポリアミド４である複合材料。
　バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料で形成された構造部材であって、
　前記母材の分子鎖上に配列した官能基の間隔と、前記添加剤の構造上に配列した前記官能基と相互作用を形成する原子の間隔との相対差が３％以下である構造部材。
　請求項８に記載の構造部材であって、
　前記母材は、ポリ乳酸であり、
　前記添加剤は、３，３’－ジチオジプロピオン酸、および、酸化ガリウム（III）から選択される少なくとも一つを含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が３ｗｔ％以上２２ｗｔ％以下であり、
　前記構造部材は、曲げ形状に成型または曲げ加工された曲げ部を有する構造部材。
　請求項８に記載の構造部材であって、
　前記母材は、ポリアミド１１であり、
　前記添加剤は、イットリアの濃度が５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であるイットリア安定化ハフニアを含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が５ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下であり、
　前記構造部材は、曲げ形状に成型または曲げ加工された曲げ部を有する構造部材。
　請求項８に記載の構造部材であって、
　前記母材は、ポリアミド４であり、
　前記添加剤は、酸化カリウムの濃度が２ｗｔ％以上５ｗｔ％以下である酸化ナトリウムカリウムを含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が３ｗｔ％以上３８ｗｔ％以下であり、
　前記構造部材は、曲げ形状に成型または曲げ加工された曲げ部を有する構造部材。
　バイオマス由来樹脂を母材として添加剤を含有する複合材料のリサイクル方法であって、
　前記母材は、使用後のポリ乳酸を再生した再生材ポリ乳酸であり、
　前記添加剤は、３，３’－ジチオジプロピオン酸を含み、
　前記母材に対する前記添加剤の濃度が３ｗｔ％以上２２ｗｔ％以下であり、
　使用後の前記複合材料を還元剤を含む溶液に浸漬させて前記添加剤を分解する工程を含む複合材料のリサイクル方法。