(57)【要約】  木質繊維成分と溶融したポリマー樹脂との接触時に超音波を照射することにより、木質繊維とポリマーとの間で化学結合反応を誘発する段階を含む木質繊維成分およびポリマー樹脂を有する木質繊維−ポリマー複合材料の調製方法が提供される。本発明の方法は、追加の添加剤を用いなくとも、木質繊維とポリマー樹脂との間で化学結合を誘発することにより、優れた機械的、熱的およびレオロジー的加工特性を有する複合材料の製造を可能にする。そのため、本発明は、複合材料の製造コストの低減、複合材料の成分に応じた添加剤の種類の選択および変更が不要であることを実現し、それに伴う製造プロセスの高い柔軟性等の利点をもたらす。【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質繊維成分およびポリマー樹脂を含む木質繊維−ポリマー複合材料を調製する方法であって、木質繊維成分と溶融したポリマー樹脂との接触時に超音波を照射することにより、前記木質繊維と前記ポリマーとの化学結合反応を誘発する段階を含む方法。
【請求項２】
前記木質繊維成分が、10から200メッシュのサイズを有する木粉である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記ポリマー樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記ポリマー樹脂は、前記木質繊維成分が分解または燃焼を起こさない100から250℃の融点を有するポリマーである、請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記木質繊維成分と前記ポリマー樹脂との接触が、混練、押出成形、および/または射出成形工程の間に起こる、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記木質繊維成分が分解または燃焼を起こさない範囲温度で前記ポリマー樹脂が溶融し、次いで、前記木質繊維成分と前記溶融したポリマー樹脂との混練時に超音波を照射する、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記超音波が数Hzから数十kHzの周波数、および数μmから数十μmの振幅を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記木質繊維成分と前記ポリマー樹脂との接触時に、超音波を、1回または定期的な間隔もしくは不定期的な間隔で数回照射する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
混練装置と、押出成形装置と、引抜装置と、切断装置とを含む押出成形設備において、超音波が、前記混練装置および/または押出成形装置に照射される、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
超音波照射装置が、超音波の周波数および振幅を調節することができる制御装置を含み、前記混練装置および/または前記押出成形装置の外部および/または内部に取り付けられている、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
請求項1から10のいずれか一項に記載の方法を用いて調製された、木質繊維−ポリマー複合材料。
【請求項１２】
押出成形法によって調製された合成木材である、請求項11に記載の複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質繊維成分およびポリマー樹脂を含む複合材料の調製方法に関する。より具体的には、本発明は、木質繊維および溶融したポリマーの混練および/または押出成形工程の間の超音波照射を介した、木質繊維とポリマーとの化学結合反応の誘発により、バインダー等の追加の添加剤を用いなくとも、優れた機械的/熱的特性およびレオロジー的加工特性を有する複合材料を調製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
広く知られているように、天然木材は高価であり、水や日光等の種々の外部環境因子へ暴露した際に、形態的および構造的な変形、または表面の損傷を受け易い。一方、ポリマー等の合成樹脂は、安価であり、高い耐久性を有しているが、プラスチック樹脂固有の望ましくない油っぽい触感の表面質感、乏しい色彩特性等の通常望ましくない外観、および材料の種類によっては低い強度等の短所を有している。ポリマー樹脂の強度を向上させるための試みとして、粒状または線状の充填材をポリマー樹脂に添加することにより設計された複合材料が開発され、使用されている。
【０００３】
特に、木粉等の木質繊維成分を充填材としてポリマー樹脂に加えることにより、強度を向上させつつ、木材の自然な外観および質感を示す複合材料が開発された。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、セルロースの分子構造に基づく木質繊維成分は親水性を示すが、通常、ポリマー樹脂は、疎水性を示す。これらの物理的特性の違いのため、木質繊維成分とポリマー樹脂との界面における結合強度が低くなり、その結果、得られる複合材料製品に所望の強度を付与することが困難になる。さらに、このような複合材料は、水分により起こされる変形等、熱的、機械的、およびレオロジー的特性が乏しいという不利も有している。
【０００５】
したがって、木質繊維成分とポリマー樹脂との界面接着強度を増大させるための試みとして、無水マレイン酸等のある種の化合物を別個に加えることにより、木質繊維の分子鎖とポリマーの分子鎖との間に結合を誘導することを含む手法が開発された。
【０００６】
このような添加剤を使用することにより、上述の問題はある程度解決されるが、木質繊維成分およびポリマー樹脂の混練の間に高価な化合物を別個に加えるため、複合材料の製造コストの増大、およびポリマー樹脂の種類に応じて添加剤を適当なものに変える必要等の種々の問題が生じる。
【０００７】
このように、木質繊維−ポリマー複合体を低製造コストで調製することができ、さらに、ポリマー樹脂の種類に関わりなく所望の複合材料を調製することができる手法の開発が強く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の問題を解決するために、広範囲かつ集中的に種々の研究および実験を行った結果、本発明者らは、木質繊維成分およびポリマー樹脂の混練、押出成形、または射出成形工程の間に超音波照射を行うと、それぞれの成分の分散性が向上すると共に、驚くべきことに、分子鎖が部分的に切断されることにより形成されるラジカルの作用により分子鎖間の架橋が起こり、そのため、木質繊維成分とポリマー樹脂との間の結合強度が増大した複合材料が形成されることを見出した。これらの発見に基づいて、本発明が完成された。
【０００９】
このように、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、木質繊維を含む合成樹脂複合材料の調製方法を提供することが本発明の目的である。
【００１０】
上述の方法を用いて調製される木質繊維−ポリマー複合材料を提供することが、本発明のもう１つの目的である。
【００１１】
本発明の一態様によると、上述の目的および他の目的は、木質繊維成分と溶融したポリマー樹脂との接触時に超音波を照射することにより、木質繊維とポリマーとの間で化学結合反応を誘発する段階を含む、木質繊維成分およびポリマー樹脂を含む合成樹脂複合材料の調製方法を提供することにより達成することができる。
【００１２】
すなわち、本発明の方法は、追加の添加剤を用いなくとも超音波照射を行うという単純な方法により、優れた機械的、熱的およびレオロジー的加工特性を有する木質繊維−ポリマー複合材料の調製を可能にする。その結果、本発明の方法は、高価な添加剤を用いないため、複合材料の製造コストを低減することができると共に、ポリマー樹脂の種類に関わりなく広い適用性を有しているため、プロセスの柔軟性が高いという特徴を有している。
【００１３】
本明細書に時々用いる場合、「木質繊維−ポリマー複合材料」という用語は、木質繊維成分とポリマー樹脂とを主成分として含む複合材料を指す。したがって、本発明の木質繊維−ポリマー複合材料は、望ましい目的および用途に応じて、他の成分をさらに含んでいてよい。さらに、木質繊維−ポリマー複合材料のマトリックス成分は、木質繊維成分であってもよく、逆にポリマー樹脂であってもよい。例えば、前者の場合、ポリマー樹脂が木質繊維成分中に含浸された構造であってよく、一方、後者の場合、木質繊維成分が充填材としてポリマー樹脂に添加された構造であってよい。好ましくは、上述の複合材料は、充填材としての木質繊維成分がマトリックス成分としてのポリマー樹脂に添加された構造を取る。
【００１４】
本発明において用いることができる木質繊維成分については、セルロースの分子構造を有する繊維状の材料である限り特に制限はない。木質繊維成分の例としては、天然木材または回収パルプを細かい粒子に粉砕して加工された木粉、および麻、亜麻、ジュート、ケナフ、セルロース等の他の植物由来の天然繊維が挙げられる。そのため、木粉−ポリマー複合材料は、天然木材を代替するための合成木材として使用することができる。ポリマー樹脂が複合材料のマトリックス成分である場合、木粉のサイズは、目的とする用途に応じて変化させることができるが、木粉は、好ましくは10〜200メッシュ、より好ましくは30〜150メッシュのサイズを有している。木粉のサイズが適度に大きくなると、ポリマー樹脂の含有量が減少することによる木粉との乏しい結合強度、およびこのような複合材料を原料とする製品における非常に高い表面粗さ等の種々の不利が生じる。一方、木粉のサイズが適度に小さくなると、十分な分散が困難になる点で不利である。木粉の例としては、針葉樹の木粉、広葉樹の木粉等が挙げられる。好ましくは、木粉は、マツ、カエデ等の針葉樹の木粉である。
【００１５】
本発明において用いることができるポリマー樹脂の種類については特に制限はなく、したがって、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および樹脂混練物等の種々の樹脂材料を用いることができる。好ましくは、熱可塑性樹脂が用いられる。最終的に、ポリマー樹脂と木質繊維成分との複合材料を形成するためには、ポリマー樹脂は、複合材料の製造工程の間液相状態を維持できるものでなければならない。したがって、熱可塑性樹脂がポリマー樹脂として用いられる場合、木質繊維成分が分解または燃焼を起こさない100〜250℃の融点を有するポリマーを用いることが好ましい。
【００１６】
本発明によれば、上記で考察したように、2つの成分、つまり、木質繊維成分とポリマー樹脂との接触時に超音波が照射される。例えば、2つの成分の接触は、それらの混練、押出成形、および/または射出成形工程の間に起こりうる。超音波照射は、これらの接触工程の任意の段階において行うことができる。好ましくは、ポリマー樹脂は、木質繊維成分が分解または燃焼を起こさない範囲の温度で溶融され、次いで、木粉と溶融したポリマー樹脂との混練時に超音波が照射される。
【００１７】
照射される超音波の周波数および振幅は、木質繊維およびポリマーの一方または両方の分子鎖の部分的な切断によりラジカルが形成される範囲内に決定され、したがって、例えば、用いられるポリマーの分子構造に応じて変化しうる。そのため、本発明によって特定される超音波は、数Hz〜数十kHzの周波数および数μm〜数十μmの振幅を有していてよい。
【００１８】
超音波の照射は、木質繊維成分とポリマー樹脂との接触時に1回だけ行ってもよいが、超音波は、好ましくは、木質繊維成分とポリマー樹脂との化学結合の有効性を向上させるために、定期的な、または不定期的な間隔で数回照射することができる。
【００１９】
超音波の照射は、対象となる複合材料を調製するための装置の独自の構造的構成および照射を行う時点に依存する。例えば、複合材料を原料として用いる押出成形設備は、通常、混練装置、押出成形装置、引抜装置、切断装置等を含んでおり、混練装置および/または押出成形装置には加熱装置が付属している。複合材料の構成成分の混練は、混練装置および/または押出成形装置中で起こるため、超音波照射装置は、これらの装置に、場合によっては追加される。
【００２０】
好ましくは、超音波照射装置は、超音波の周波数および振幅を調節することができる制御装置を含んでいる。超音波照射装置は、混練装置および/または押出成形装置の外部および/または内部に取り付けられていてよい。
【００２１】
したがって、本発明の基本原理に基づいて、成分間の結合強度を増大させるために、木質繊維成分とポリマー樹脂との接触時に超音波を照射することができる構造を有している限り、種々の形態の超音波照射装置を関連するシステムに追加することができる。したがって、このような種々の形態の超音波照射装置が、本発明の範囲内であることは理解されるべきである。
【００２２】
本発明の他の態様によると、上述の方法を用いて調製された木質繊維−ポリマー複合材料が提供される。
【００２３】
上で詳述した調製方法により、本発明の木質繊維−ポリマー複合材料は、追加の化合物(添加剤)によらずに、木質繊維とポリマーの分子との間に直接化学結合が形成されていることを特徴とする。このような化学結合は、必ずしも全ての分子鎖において形成されている必要はなく、そのため、一部の分子鎖の間での部分的な結合によっても、所望の物理的性質を有する複合材料を得ることができる。
【００２４】
このような木質繊維−ポリマー複合材料は、関連する技術分野において従来の押出成形法を用いて合成木材ボードとして形成することができ、得られる合成木材ボードは、安価であり、従来の合成木材ボードと比べて、優れた機械的、熱的およびレオロジー的加工特性を示す。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
上述の記載から明らかなように、本発明による木質繊維を含む合成樹脂複合材料の調製方法は、追加の添加剤を用いなくとも、木質繊維成分とポリマー樹脂との間で化学結合を誘発することにより、優れた機械的、熱的およびレオロジー的加工特性を有する複合材料の製造を可能にする。そのため、本発明は、複合材料の製造コストの低減、複合材料の成分に応じた添加剤の種類の選択および変更が不要であることを実現し、それに伴う製造プロセスの高い柔軟性等の利点をもたらす。
【００２６】
説明のために、本発明の好ましい実施形態について開示したが、添付の特許請求の範囲に開示された発明の範囲および精神を逸脱することなく、種々の改変、追加、および置換を行うことができることを当業者であれば認識されよう。
【国際調査報告】
2009504453.tif 000002
2009504453.tif 000003