(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強繊維をプラスチックに埋設してなる繊維補強プラスチック成形体において、
補強繊維として、加熱加圧状態から瞬時に非加圧状態とする爆砕処理で繊維に分離してなる爆砕竹繊維を使用すると共に、補強繊維が、竹を苛性ソーダ水溶液に浸漬する予備処理された竹を爆砕処理して繊維に分離された爆砕竹繊維とすることを特徴とする繊維補強プラスチック成形体。
【請求項２】
補強繊維が、複数の爆砕処理で繊維に分離された爆砕竹繊維である請求項１に記載される繊維補強プラスチック成形体。
【請求項３】
繊維の平均長さが１ｃｍよりも長い請求項１に記載される繊維補強プラスチック成形体。
【請求項４】
プラスチックがポリエステル、ポリプロピレンおよびポリエチレンのいずれかである請求項１に記載される繊維補強プラスチック成形体。
【請求項５】
竹繊維の平均太さが０．１〜０．５ｍｍである請求項１に記載される繊維補強プラスチック成形体。
【請求項６】
竹繊維の含有量が２０重量％以上である請求項１に記載される繊維補強プラスチック成形体。
【請求項７】
竹繊維の含有量が５０重量％以上である請求項６に記載される繊維補強プラスチック成形体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、補強繊維を埋設している繊維補強プラスチック成形体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＲＰは、ガラス繊維を補強繊維として埋設している繊維補強プラスチックである。プラスチックに埋設されるガラス繊維は、プラスチックの引張強度を向上して、ＦＲＰの強度を著しく向上する。さらに改良された繊維補強プラスチックとして、補強繊維にカーボン繊維を使用するＦＲＰも開発されている。カーボン繊維のＦＲＰは、ガラス繊維のＦＲＰよりもさらに強靭で、軽量にできる特長がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補強繊維としてガラス繊維やカーボン繊維等の無機繊維を使用するＦＲＰは、成形工程において、微細な無機繊維の破片が空気中に飛散して、作業者の健康を害する弊害がある。無機繊維は、極めて微細な繊維で破損されやすく、しかもこれが空気中に飛散すると空気中を浮遊して簡単に回収できず、作業者が空気と一緒に吸入して健康に極めて悪い影響を与える。
【０００４】
本発明者等は、この弊害を解消するために、ガラス繊維やカーボン繊維等の無機繊維に代わって、竹繊維を補強繊維に使用するＦＲＰを試作した。竹繊維は、ガラス繊維等の無機繊維のように、成形工程で微細な破片となって空気中に飛散することがない。それは、竹繊維が優れた可撓性を有するために、無機繊維のようには簡単に破損されないからである。また、１本の繊維が極めて長いことも、空気中への飛散を少なくすることに効果がある。
【０００５】
ただ、竹繊維を補強繊維に使用する繊維補強プラスチックは、必ずしも充分な強度を実現するのが難しい。繊維補強プラスチック成形体は、軽くて強靭なことが特長であるから、竹繊維を埋設していかに強靭にできるかは極めて大切である。本発明者等は、このことを実現することを目的として、膨大な実験と竹の業界では推測もできなかった極めて特異な技術を利用することで、竹繊維を埋設して極めて強靭な繊維補強プラスチック成形体を実用化することに成功した。
【０００６】
したがって、本発明の大切な目的は、極めて簡単な構造で竹繊維を補強繊維に使用してその強度を著しく向上できる繊維補強プラスチック成形体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の繊維補強プラスチック成形体は、補強繊維をプラスチックに埋設している。繊維補強プラスチック成形体は、補強繊維として、加熱加圧状態から瞬時に非加圧状態とする爆砕処理で繊維に分離してなる爆砕竹繊維を使用している。
【０００８】
補強繊維は、複数の爆砕処理で繊維に分離された爆砕竹繊維とすることができる。補強繊維は、予備処理された竹を爆砕処理して繊維に分離された爆砕竹繊維である。予備処理は、竹を苛性ソーダ水溶液に浸漬する工程である。繊維の平均長さは、好ましくは１ｃｍよりも長くする。プラスチックは、ポリエステル、ポリプロピレンおよびポリエチレンのいずれかとすることができる。竹繊維の平均太さは、０．１〜０．５ｍｍとすることができる。竹繊維の含有量は、２０重量％以上とすることができる。さらに、竹繊維の含有量は、５０重量％以上とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための繊維補強プラスチック成形体を例示するものであって、本発明は繊維補強プラスチック成形体を下記のものに特定しない。
【００１０】
補強繊維を爆砕竹繊維とする本発明の繊維補強プラスチック成形体は、ガラス繊維やカーボン繊維を補強繊維として充填する従来のＦＲＰと同じようにして成形される。爆砕竹繊維は、ネット状に集合され、あるいは網状に編み組みされ、あるいはまた短く裁断してプラスチックに混合して、繊維補強プラスチック成形体として成形される。
【００１１】
爆砕竹繊維は、竹を所定の長さに切断して、加熱加圧状態から瞬時に非加圧状態とする爆砕処理で繊維に分離して製作される。加熱加圧状態とするために、竹は気密の圧力容器に充填される。この圧力容器に加熱加圧された水蒸気を供給して、竹を加熱加圧状態とする。水蒸気で圧力容器の内部を加熱する温度は、１４０〜２００℃、好ましくは１５０℃〜１８５℃、さらに好ましくは１６０〜１８０℃とする。水蒸気を圧力容器に供給して加熱する方法は、温度で圧力が特定される。すなわち、温度と圧力は一定の関係となる。温度と圧力の関係を図１に示す。この図に示すように、たとえば、圧力容器の内部温度を１４０〜２００℃とすれば、内部圧力は０．３６ＭＰａ〜１．５５ＭＰａとなり、内部温度を１５０℃〜１８５℃とすれば内部圧力は０．４８ＭＰａ〜１．１３ＭＰａとなり、さらに内部温度を１６０〜１８０℃とすれば内部圧力は０．６２ＭＰａ〜１．００ＭＰａとなる。
【００１２】
圧力容器は、外部からヒータやバーナー、あるいは金属製の圧力容器を誘導加熱する種々の外部加熱器で加熱することもできる。この場合、圧力容器の内部に、あるいは竹に水を添加することもできる。水を添加して圧力容器を加熱すると、水蒸気を添加して加熱加圧するのと同じような状態となる。水が沸騰して水蒸気となるからである。したがって、この方法は、圧力容器の内部温度と内部圧力が前述の温度と圧力に同じになる。したがって、この方法も水蒸気を供給するのと同じように圧力容器の内部温度と内部圧力を設定する。
【００１３】
水を添加しないで圧力容器を外部加熱しても、竹に含まれる水が沸騰して内部の圧力が上昇する。ただ、圧力容器の内容積に比較して、水が少ないと、沸騰する水と沸騰しない水とが平衡状態となる、水蒸気で加熱する温度と圧力の関係とはならなず、圧力容器の内圧は多少低くなる。ただ、加熱温度を高くすると気化した水蒸気と空気とが膨張して内部の圧力も上昇する。したがって、圧力容器の内部と竹の両方には水を添加しないで、圧力容器の内部で加熱加圧することができる。この場合、水量が少ないと、圧力容器の内圧が水を添加する方法に比較して多少は低くなるので、加熱温度を高くして効率よく竹を爆砕する。
【００１４】
竹を圧力容器で加熱加圧する時間は、竹の内部まで均一に加熱される時間とする。このため、加熱時間は、竹の太さと肉厚、また種類によって最適値とする。ただし、圧力容器に水蒸気を供給し、あるいは外部から加熱して、圧力容器の内部温度と圧力をゆっりと上昇させるとき、内部の温度と圧力が設定温度と圧力になれば、竹は内部までほぼ均一に加熱される。したがって、ゆっくりと加熱する場合は、設定温度と圧力になれば、圧力容器を開放して瞬時に非加圧状態して竹を爆砕することができる。温度と圧力を急激に上昇するときは、竹の内部まで均一に加熱するために、好ましくは設定温度と圧力に数分〜数十分保持し、その後圧力容器を開放して竹を爆砕する。
【００１５】
竹は、１回の爆砕で爆砕竹繊維となる。ただし、爆砕竹繊維をさらに爆砕して、すなわち、竹を複数の爆砕処理で繊維に分離してより細い繊維に分離できる。また、複数の爆砕処理で竹を爆砕する方法は、竹の加熱温度と圧力を低くして、爆砕竹繊維とすることもできる。温度と圧力を高くして爆砕された爆砕竹繊維は、１回の爆砕で細い繊維となる。爆砕竹繊維は、平均太さが０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．２〜０．４ｍｍとなるように竹を爆砕する。爆砕竹繊維が細すぎると充分な強度にできず、また太すぎると、繊維補強プラスチック成形体とする状態で繊維が表面に突出して外観が悪くなり、また重量に対する繊維の全長が短くなって補強繊維としての作用が低下する。
【００１６】
さらに、爆砕竹繊維は、竹を予備処理してから爆砕処理して製作することもできる。予備処理は、爆砕処理で繊維をより分離しやすくする処理である。予備処理は、竹を苛性ソーダ水溶液に浸漬する処理、あるいは竹を煮沸する処理である。竹を浸漬するする苛性ソーダ水溶液は、好ましくは１００リットルの水に２〜２０ｋｇの苛性ソーダを添加する。竹は、この苛性ソーダ水溶液に１〜４８時間、好ましくは２〜２４時間、さらに好ましくは２〜１２時間浸漬される。苛性ソーダ水溶液から取り出した竹を水で洗浄した後、乾燥することなく圧力容器に入れて爆砕する。苛性ソーダ水溶液に浸漬した後、爆砕された爆砕竹繊維は、爆砕処理で効率よく繊維に分離される。この方法で製作された爆砕竹繊維は、苛性ソーダ水溶液の浸漬時間を最適値として、引張強度を向上できる。ただ、苛性ソーダ水溶液の浸漬時間が短すぎても、また長すぎても引張強度は低下する。爆砕竹繊維の引張強度を強くするために、竹を苛性ソーダ水溶液に浸漬する時間は前述の範囲に設定される。
【００１７】
竹を熱湯に浸漬した後、爆砕する方法は、予備処理として竹を２〜４８時間煮沸する。この方法は、煮沸された竹を洗浄することなく、また乾燥することなく圧力容器に入れて速やかに温度上昇できる。また、煮沸して軟化された竹を効率よく爆砕して繊維に分離できる。
【００１８】
爆砕竹繊維は、孟宗竹が最適である。それは、孟宗竹が太くて多量の繊維があるために、能率よく多量の爆砕竹繊維を製作できるからである。ただし、他の種類の竹も使用できるのはいうまでもない。
【００１９】
竹は、数十ｃｍ〜数メートルに切断して、圧力容器に入れて爆砕される。竹は節がある。節の部分で爆砕竹繊維の強度が低下する。したがって、より好ましくは、節を除いた長さに竹を切断して爆砕すると理想的な爆砕竹繊維が得られる。ただ、節の部分の強度も充分に使用できる範囲にあるので、節を含む長さに切断して、爆砕竹繊維とすることができる。この爆砕竹繊維は、相当に長くできる。爆砕竹繊維は、好ましくは１ｃｍよりも長くする。長い爆砕竹繊維が繊維補強プラスチック成形体をより強靭に補強するからである。また、長い爆砕竹繊維は、ネット状や網状に効率よく集合できる特長がある。爆砕竹繊維は、プラスチックに混合して成形することもできる。この場合、プラスチックに均一に分散できるように、短く裁断する。プラスチックに混合する爆砕竹繊維は、好ましくはその長さを１〜５ｃｍとし、ネットや網状に重合する爆砕竹繊維は、好ましくは長さを３ｃｍ〜３ｍとする。
【００２０】
繊維補強プラスチック成形体は、金型の表面にプラスチックと爆砕竹繊維を付着して成形され、あるいはプラスチックに添加して金型に注入して成形される。金型表面に付着して成形される繊維補強プラスチック成形体は、爆砕竹繊維を複数の層に積層して、すなわち複数プライに爆砕竹繊維を積層してより強靭にできる。この繊維補強プラスチック成形体は、爆砕竹繊維を積層する工程と、ペーストないし液状で未硬化状態のプラスチックを塗布する塗布工程とを繰り返して製作される。この繊維補強プラスチック成形体は、ポリエステル、ポリプロピレンおよびポリエチレンの成形に適している。
【００２１】
プラスチックに爆砕竹繊維を混合して成形される繊維補強プラスチック成形体は、プラスチックのペレットに短く切断した爆砕竹繊維を均一に混合し、これを金型の成形室に圧入して成形される。この繊維補強プラスチック成形体は、熱可塑性プラスチックの成形に適している。
【００２２】
プラスチックに混合される爆砕竹繊維の比率は、繊維補強プラスチック成形体の用途や使用目的に応じて種々に変更される。ただ、爆砕竹繊維が少なすぎると、補強繊維として充分な効果が得られなくなり、逆に、爆砕竹繊維が多すぎても強度が低下すると共に、プラスチックの特性が生かされなくなる。したがって、爆砕竹繊維の含有量は、繊維補強プラスチック成形体全体の重量に対して、２０〜８０重量％、好ましくは３０〜７０重量％とする。とくに、爆砕竹繊維の含有量を５０重量％以上とする繊維補強プラスチック成形体は、竹製品として分類されるので、簡単に廃棄処分できる特長がある。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
以下の工程で爆砕竹繊維を製作する。
(1)  ２ｍに切断した孟宗竹を圧力容器に入れて密閉する。
(2)  圧力容器に加熱された蒸気を供給し、蒸気でもって圧力容器の内部温度を１７３℃まで上昇させる。この状態で圧力容器の内部圧力は０．８６ＭＰａとなる。
(3)  温度を１７３℃に上昇させて、この温度に５分保持した後、圧力容器を開放して、非加圧状態として爆砕する。この工程で竹は爆砕竹繊維となる。
(4)  爆砕竹繊維を再び圧力容器に入れて、(2)と(3)の工程で再び爆砕する。
その後、(2)〜(4)の工程を繰り返し、７回爆砕して充分に細く爆砕された爆砕竹繊維とする。
【００２４】
以上の工程で得られた爆砕竹繊維の引張強度を測定すると、竹の先端部で得られた爆砕竹繊維の引張強度が５８６ＭＰａ、竹の根元部で得られた引張強度が６０２ＭＰａとなった。
【００２５】
この爆砕竹繊維とポリプロピレンを使用して、繊維補強プラスチック成形体を製作すると、その引張強度は１２１ＭＰａとなった。
ただし、繊維補強プラスチック成形体は、外形を２０×２０ｃｍの四角形とし、厚さを３ｍｍとし、ポリプロピレンの使用重量を７０ｇ、爆砕竹繊維の使用重量を７０ｇとした。
【００２６】
［実施例２］
以下の工程で爆砕竹繊維を製作する。
圧力容器の内部温度を１７３℃から１７８℃とし、爆砕する回数を７回から４回とする以外、実施例１と同様にして爆砕竹繊維を製作した。この工程で得られた爆砕竹繊維の引張強度を測定すると、竹の先端部で得られた爆砕竹繊維の引張強度が９１０ＭＰａ、竹の根元部で得られた引張強度が９２６ＭＰａとなった。
【００２７】
この爆砕竹繊維とポリプロピレンを使用して、繊維補強プラスチック成形体を製作すると、その引張強度は１５４ＭＰａとなった。
ただし、繊維補強プラスチック成形体は、外形を２０×２０ｃｍの四角形とし、厚さを３ｍｍとし、ポリプロピレンの使用重量を７０ｇ、爆砕竹繊維の使用重量を７０ｇとした。
【００２８】
［実施例３］
以下の工程で爆砕竹繊維を製作する。
圧力容器の内部温度を１７３℃から１８２℃とし、爆砕する回数を７回から１回とする以外、実施例１と同様にして爆砕竹繊維を製作した。この工程で得られた爆砕竹繊維の引張強度を測定すると、竹の先端部で得られた爆砕竹繊維の引張強度が６８１ＭＰａ、竹の根元部で得られた引張強度が６４０ＭＰａとなった。
【００２９】
この爆砕竹繊維とポリプロピレンを使用して、繊維補強プラスチック成形体を製作すると、その引張強度は１２９ＭＰａとなった。
ただし、繊維補強プラスチック成形体は、外形を２０×２０ｃｍの四角形とし、厚さを３ｍｍとし、ポリプロピレンの使用重量を７０ｇ、爆砕竹繊維の使用重量を７０ｇとした。
【００３０】
［実施例４］
以下の工程で爆砕竹繊維を製作する。
(1)  ２ｍに切断した孟宗竹を苛性ソーダ水溶液に２時間浸漬する。苛性ソーダ水溶液は、１００リットルの水に８ｋｇの苛性ソーダを添加している。
(2)  孟宗竹を苛性ソーダ水溶液から取り出し、水洗した後、圧力容器に入れて圧力容器を密閉する。
(3)  圧力容器に加熱された蒸気を供給し、蒸気でもって圧力容器の内部温度を１６０℃まで上昇させる。この状態で圧力容器の内部圧力は０．６２ＭＰａとなる。
(3)  温度を１６０℃に上昇させて、この温度に５分保持した後、圧力容器を開放して、非加圧状態として爆砕する。この工程で、竹は爆砕竹繊維となる。
【００３１】
以上の工程で得られた爆砕竹繊維の引張強度を測定すると、竹の先端部と根元部で得られた爆砕竹繊維の引張強度の平均値が１２１６ＭＰａと極めて優れていた。
【００３２】
この爆砕竹繊維とポリプロピレンを使用して、繊維補強プラスチック成形体を製作すると、その引張強度は１９８ＭＰａとなった。
ただし、繊維補強プラスチック成形体は、外形を２０×２０ｃｍの四角形とし、厚さを３ｍｍとし、ポリプロピレンの使用重量を７０ｇ、爆砕竹繊維の使用重量を７０ｇとした。
【００３３】
［実施例５］
孟宗竹を浸漬する苛性ソーダ水溶液に、１００リットルの水に１６ｋｇの苛性ソーダを添加したものを使用する以外、実施例４と同様にして爆砕竹繊維を製作した。この爆砕竹繊維の引張強度の平均値は９４３ＭＰａと極めて優れていた。
【００３４】
さらに、この爆砕竹繊維を使用して実施例４と同じようにして繊維補強プラスチック成形体を製作すると、引張強度は１６５ＭＰａとなった。
【００３５】
［実施例６］
孟宗竹を苛性ソーダ水溶液に浸漬する時間を２時間から２４時間とする以外、実施例４と同様にして爆砕竹繊維を製作した。この爆砕竹繊維の引張強度の平均値は５４３ＭＰａと優れていた。
【００３６】
さらに、この爆砕竹繊維を使用して実施例４と同じようにして繊維補強プラスチック成形体を製作すると、引張強度は９９ＭＰａとなった。
【００３７】
［実施例７］
孟宗竹を苛性ソーダ水溶液に浸漬する時間を２時間から２４時間とする以外、実施例５と同様にして爆砕竹繊維を製作した。この爆砕竹繊維の引張強度の平均値は６８４ＭＰａと優れていた。
【００３８】
さらに、この爆砕竹繊維を使用して実施例４と同じようにして繊維補強プラスチック成形体を製作すると、引張強度は１３１ＭＰａとなった。
【００３９】
［比較例］
２ｍに切断した孟宗竹を水洗した後、解繊機で機械的に解繊する。解繊機は、ローラーで竹を押しつぶし、強制的に竹を解繊する。このようにして、竹の繊維を分離して竹繊維を製作する。
【００４０】
以上の工程で得られた竹繊維の引張強度を測定すると、竹の先端部と根元部で得られた竹繊維の引張強度の平均値は３１０ＭＰａであった。
【００４１】
この竹繊維とポリプロピレンを使用して、繊維補強プラスチック成形体を製作すると、その引張強度は５１ＭＰａとなった。
ただし、繊維補強プラスチック成形体は、外形を２０×２０ｃｍの四角形とし、厚さを３ｍｍとし、ポリプロピレンの使用重量を７０ｇ、竹繊維の使用重量を７０ｇとした。
【００４２】
以上の実施例１〜７で製作された繊維補強プラスチック成形体の引張強度を、比較例の繊維補強プラスチック成形体の引張強度と比較すると、実施例１では比較例の２．３倍、実施例２では３倍、実施例３では２．５倍、実施例４では３．８倍、実施例５では３．２倍、実施例６では１．９倍、実施例７では２．５倍となり、全てにおいて優れた結果が得られた。以上のように、補強繊維として爆砕竹繊維を使用する本発明の繊維補強プラスチック成形体は、従来の竹繊維を使用する繊維補強プラスチック成形体に比較して、優れた強度を実現できることがわかる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の繊維補強プラスチック成形体は、極めて簡単な構造で竹繊維を補強繊維に使用してその強度を著しく向上できる特長がある。それは、本発明の繊維補強プラスチック成形体が、プラスチックに埋設する補強繊維として、加熱加圧状態から瞬時に非加圧状態とする爆砕処理で繊維に分離された爆砕竹繊維を使用しているからである。加熱加圧状態から瞬時に非加圧状態とする爆砕処理で分離された爆砕竹繊維は、竹の繊維方向に無理な力を与えることなく分離できるので、極めて優れた引張強度を実現できる。さらに、爆砕処理で分離された爆砕竹繊維は、爆砕の衝撃によって、その表面に極めて微細な凹凸が形成される状態で分離される。このため、プラスチックに埋設する状態で、この凹凸のアンカー効果によって、プラスチックに強固に連結されて、極めて優れた引張強度を実現できる。このように、爆砕処理された爆砕竹繊維は、竹繊維の持つ特性を低下させることなく、プラスチックに埋設される補強繊維として極めて理想的な竹繊維とすることができる。したがって、本発明の繊維補強プラスチック成形体は、補強繊維として理想的な爆砕竹繊維を使用して、極めて簡単な構造でその強度を著しく向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水蒸気圧と温度の関係を示すグラフ
【図１】
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