(57)【要約】    重合体、木材繊維及びマイクロシリカからなる、複合プラスチック材料を製造するための組成物。マイクロシリカ、即ち、シリカヒユームは吸水性を減少させ、一方、複合材料の難燃性、機械的性能及び加工性を保持するか又は改善するために添加される。複合材料について意図されている重合体はポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリプロピレン(PP)又はポリエチレンテレフタレート(PET)である。組成物は押出又は熱成形により成形し得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重合体、天然(有機)充填剤及び/又は天然(有機)繊維及び、追加的に、マイクロシリカからなる、複合プラスチック材料を製造するための組成物。
【請求項２】
重合体は、ポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリプロピレン(PP)又はポリエチレンテレフタレート(PET)である、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
天然充填剤は、木材繊維又は木粉、木材フレーク、のこ屑、ケナフ、亜麻、大麻及びこれらの組合せである、請求項１又は２に記載の組成物。
【請求項４】
追加的に、非有機充填剤を含有する、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項５】
非有機充填剤は、タルク、炭酸カルシウム、ウオラストナイト、アルミニウム三水和物及びこれらの組合せである、請求項４に記載の組成物。
【請求項６】
マイクロシリカは2.1〜2.3 g/cm３の範囲の比重を有する、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項７】
マイクロシリカは15〜50 m２/gの比表面積を有する、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項８】
重合体は、組成物の10〜60重量％を占める、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項９】
天然充填剤及び/又は天然繊維は、組成物の40〜80重量％を占める、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項１０】
マイクロシリカは、組成物の３〜20重量％を占める、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載の組成物を熱押出しすることからなる、複合材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜10のいずれかに記載の組成物を成形しついで重合体を硬化させることからなる複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合プラスチック材料、特に、天然有機充填剤又は天然有機繊維強化プラスチック材料に関する。本発明は熱硬化性及び熱可塑性材料に適用することができ、配合される充填剤又は繊維の一部は合成のものであり得る。本発明は、特に、木粉又は繊維で強化された熱可塑性樹脂に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチックスは、熱安定性、耐衝撃性及び引張強さのごときその特殊な性質のために、建築工業、自動車工業及び他の種々の高性能用途において広く使用されている。最近においては、天然繊維、主として、木粉(又は繊維)を使用することが、その入手可能性、低価格及びガラスに比較した場合の低い密度のために、特に広く行われている。しかしながら、これらの天然繊維もある種の不利益、例えば、加工の困難性(温度感受性)、高い燃焼性、低い機械的特性及び、最も重要なことであるが、例えばガラス繊維より高い吸水性を有する。従って、類似の用途においてガラス繊維の代わりに天然繊維を使用することを可能にするためには、複合材料に別の物質を添加することにより最終製品の性能を改善することが必要である。
【０００３】
ある種の適用範囲については、難燃性添加剤(flame retardant additive）が要求され得る。一般的に不良な機械的性質を改善するために、タルク、炭酸カルシウム又はウオラストナイト又はこれらと合成繊維(例えばガラス繊維又は炭素繊維)との組合せのごとき充填剤を使用し得るが、これらの材料を配合することにより他の負の効果を誘導し得る。これらの不利益の一つは、高い配合物粘度であり、これは加工速度の低下を招来する。従って、配合物特性と加工特性とこれらのプラスチック配合物から製造された最終物品の性能を最適化することは非常に困難である。
【０００４】
しかしながら、天然有機充填剤又は繊維、特に、木材繊維を含有するプラスチック材料についての主要な問題は吸水性である。プラスチック材料を水又は湿分に接触させた場合、該プラスチック材料は、天然繊維を含有するために、水を吸収し、劣化する。
【０００５】
従来、この問題には、基本的には二つの方法が提供されている：
ａ）重合体樹脂に添加する前に、天然有機繊維を被覆する。個々の繊維又は充填剤粒子上に防水性被覆を形成させるために、繊維を相溶化剤(compatibiliser）と呼ばれる変性重合体で処理することにより被覆を行う。この方法は非常に費用を要し、完成製品の価格を上昇させる。
【０００６】
ｂ）完成した複合プラスチック材料を防水塗料で被覆する。この方法も完成製品の価格を上昇させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、改善された特性を有する複合プラスチック材料及びかかる材料を製造するため組成物を提供することにある。本発明の別の特殊な目的は、低い吸水性を有する、天然充填剤又は天然繊維強化プラスチック材料及びかかる材料を製造するため組成物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、重合体、天然充填剤及び/又は天然繊維、及び、追加的に、マイクロシリカからなる、複合プラスチック材料を製造するための組成物が提供される。
【０００９】
本願の明細書及び特許請求の範囲で使用されているマイクロシリカという用語は、シリカ(石英)をSiOガスに還元し、還元生成物を蒸気相中で酸化して非晶質シリカを形成させる方法から得られる微粒非晶質シリカを意味する。マイクロシリカは少なくとも80重量％のシリカ(SiO２)を含有することができ、2.1-2.3 ｇ/cm３の比重と15-50 mg２/ｇの表面積を有する。一次粒子は実質的に球形であり、約0.15μｍの平均粒度を有する。マイクロシリカは珪素又は珪素合金を電気還元炉で製造する際の同時生成物として得ることが好ましい。マイクロシリカはバグハウス(baghouse）フィルター又は他の捕集装置を使用する慣用の方法で回収しそして粗大粒子の除去、表面変性等により更に加工し得る。
【００１０】
マイクロシリカは90重量％以上のSiO２を含有し、45μｍより大きい粒度を有する粒子を0.1重量％以下、含有することが好ましい。
【００１１】
吸水性の問題は、重合体にマイクロシリカを添加することにより本発明によって解決される。沈降シリカ及び熱分解法シリカのごとき他の種類の非晶質シリカは多孔質であり、水を吸収することが知られているとしても、マイクロシリカを添加することにより、天然繊維を含有する複合プラスチック材料における吸水性が大きく低下することが発見されたことは驚くべきことである。
【００１２】
重合体は熱硬化性又は熱可塑性であり得る。適当な材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリプロピレン(PP)又はポリエチレンテレフタレート(PET)が挙げられる。天然充填剤及び天然繊維としては、木材繊維、木粉、木材フレーク、のこ屑、ケナフ、亜麻、大麻及びこれらの組合せのごとき充填剤及び繊維が挙げられるが、これらの他に、タルク、CaCO３、ウオラストナイト、アルミニウム三水和物及びこれらの組合せのごとき他の充填剤も使用し得る。
【００１３】
組成物は顔料、安定化剤、潤滑剤及び熱硬化性又は熱可塑性重合体中で使用される他の慣用の添加剤を含有し得る。
【００１４】
存在させる天然充填剤及び/又は繊維の割合は、好ましくは40〜80重量％、より好ましくは45〜60重量％、例えば、50〜60重量％である。
【００１５】
存在させる重合体の割合は、好ましくは10〜60重量％、より好ましくは20〜50重量％、例えば、30〜50重量％である。
【００１６】
マイクロシリカの割合は、好ましくは３〜20重量％、より好ましくは５〜15重量％、例えば、５〜10重量％である。
【００１７】
熱硬化性重合体の場合には、慣用の架橋剤が使用される。
【００１８】
本発明の組成物を使用して複合材料を製造した場合、複合材料は改善された性質を有することが認められた。
【００１９】
吸水性を著しく減少させることができ、一方、驚くべき難燃性を提供し、同時に、複合材料の機械的性能と加工性を改善し得ることが認められた。これらの有利な効果はマイクロシリカの存在によるものである。マイクロシリカの使用により組成物の吸水性が大きく減少するので、重合体と混合する前に充填剤又は繊維を被覆すること、又は、最終製品に防水性被覆を施すことが不必要であり、従って、得られる複合材料は従来の製品より低価格のものとなるであろう。更に、比較的高価な重合体の割合を減少させることができる。
【００２０】
本発明は、重合体が熱可塑性である場合には、前記で定義したごとき組成物を熱押出しすることにより、或いは、重合体が熱硬化性であるか又は他の形の架橋性重合体である場合には、(場合により)組成物を成形しついで重合体を硬化させることにより複合材料を製造する方法を包含する。
【００２１】
加工条件は大きく変動するであろうが、マイクロシリカの添加により配合物の加工が大きく変化することはないことが認められている。従って、慣用の加工装置と加工条件を使用し得る。
【００２２】
本発明は本発明の組成物から製造された複合材料も包含する。
【００２３】
本発明は種々の方法で実施することができ、以下においては、非限定的な実施例により例示されるであろう。添付図面において、
図1は、木材繊維充填高密度ポリエチレン(HDPE)のSEMである；
図２は、10重量％のマイクロシリカを含有する木材繊維充填HDPEのSEMである；
図３は、HDPEを含有しかつマイクロシリカを含有するか又はマイクロシリカを含有していない複合材料についての引張弾性率及び引張強を示すグラフである；
図４は、曲げ弾性率及び曲げ強さを示す、図３と同様のグラフである。
【実施例】
【００２４】
実施例１−木材繊維充填HDPEへの非結晶質シリカの添加
表１中のパラメーターに従って試料を作成した。
【００２５】
2009526895.tif 000003
【００２６】
混合物を加工する場合、温度は水分が放出されるようなものである。この理由で、全重量％は100％ではない。
【００２７】
使用したHDPEはAD 60-007(Exxon)であった。
【００２８】
使用したマイクロシリカはSIDISTAR(Elkem)であった。
【００２９】
潤滑剤はSTRUKTOL(Schill ＆ Seilacher)であった。
【００３０】
繊維と潤滑剤の濃度は一定に保持し、従って、シリカの添加によって重合体の量は減少した。このことは、10％のシリカを添加した場合、配合物は重合体を32％しか含まないことを意味する。複合材料は困難性を伴うことなしに加工し得ることが認められた。押出パラメーターは表２に示されている。
【００３１】
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【００３２】
一定の押出速度と溶融温度においては、シリカの量が増大するにつれて溶融圧力が減少することも驚くべきことである。押出機荷重(extruder lord)の増加は、シリカ凝集物の破壊に要するエネルギーの結果である。球状一次粒子まで破壊されると、粒子は流動を改善し、かくして、溶融圧力を減少させる。
【００３３】
引張強さに関連する性質は表３に示されている。試験ｈ、ISO 527-1に従って、23 ℃の温度で２mm/分の一定速度を使用して行った。試料１個当り、5回の試験について平均値と標準偏差が与えられている。結果は図３に図示されている。
【００３４】
2009526895.tif 000005
【００３５】
試料の曲げ強さについての性質は表４に示されている。試験は、ISO 178に従って、２mm/分の一定速度、23 ℃の温度及び64mmの長さの試料を使用して行った。試料１個当り、5回の試験について平均値と標準偏差が与えられている。結果は図４に図示されている。
【００３６】
2009526895.tif 000006
【００３７】
シャルピー衝撃強さについての性質は表５に示されている。試験は、ISO 179に従って、23 ℃で、完全に破壊されるまで行った。試料１個当り、10回の試験について平均値と標準偏差が与えられている。試験の結果は図５に図示されている。
【００３８】
図５は、HDPEを含有する複合材料であって、マイクロシリカを含有するもの及びマイクロシリカを含有していないものについてのシャルピー衝撃強さを示すグラフである。
【００３９】
図６は、吸水性を示す、図５と同様のグラフである。
【００４０】
図７は、PVCを含有する複合材料であって、マイクロシリカを含有するもの及びマイクロシリカを含有していないものについての引張弾性率及び引張強さを示すグラフである。
【００４１】
図８は、曲げ弾性率及び曲げ強さを示す、図７と同様のグラフである。
【００４２】
図９は、PVCを含有する複合材料であって、マイクロシリカを含有するもの及びマイクロシリカを含有していないものについてのシャルピー衝撃強さを示すグラフである。
【００４３】
図10は、吸水性をしめす、図９と同様のグラフである。
【００４４】
図１は、倍率1200の、木材繊維充填HDPEを示す。複合材料は60重量％の木材繊維と40重量％のHDPEからなる。
【００４５】
図２は、上記と同一の倍率の、木材繊維充填HDPEを示す；但し、HDPEの代わりに10％のマイクロシリカを添加し、10％重量％のマイクロシリカ、30重量％のHDPE及び60重量％の木材繊維の組合せを得た。マイクロシリカは木材繊維強化高密度ポリエチレン(HDPE)中に均一に分散していることが認められる。最終製品における性質について所望の改善を達成するためには、分散が良好であることが重要である。
【００４６】
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【００４７】
表３、４及び５における機械的性質は、マイクロシリカを添加した試料の場合、より不良ではなく、ある場合には改善されていることが判る。
【００４８】
表６及び７は、吸水性に関する性質を示す。各々の場合、試料を秤量し、水に浸漬し、ついで取出し、15分間、水切りした。ついで、試料を再秤量した。表６に示す結果は２時間浸漬した場合の結果であり、表７に示す結果は24時間浸漬した場合の結果である。
【００４９】
これらの結果は図６に図示されている。
【００５０】
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【００５１】
2009526895.tif 000009
【００５２】
これらの結果から明らかなごとく、マイクロシリカを含有する試料は、マイクロシリカを含有している試料に比較して、２時間の浸漬後及び24時間の浸漬後、著しく低い吸水性を示す。
【００５３】
実施例１においては、供試試料は、134mm(幅)ｘ９mm(厚さ）の横断寸法を有する押出品から切断した長尺物(length)であった。
【００５４】
実施例２：木材繊維強化PVCへの非晶質シリカの添加
木材繊維強化PVCコンパウンドにシリカを種々の添加水準で添加し、木材繊維だけを添加したコンパウンドと比較した(表８及び９)。PVCコンパウンドは慣用の潤滑剤/安定化剤系を含有していた。
【００５５】
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【００５６】
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【００５７】
試験結果は図７〜10に図示されている。
【００５８】
図７〜10においては、各々の場合、Ｘ軸上の数値は木材繊維とマイクロシリカ含有量の合計を表す。混合物１−４の場合、木材繊維とマイクロシリカの比は一定で９：１であること；即ち、混合物中のマイクロシリカの含有量は10重量％であることは判るであろう。混合物５の場合、PVCコンパウンド含有量は50重量％であるが、残りの50重量％の木材繊維とマイクロシリカの比は１７：３である、即ち、木材繊維/マイクロシリカ混合物のマイクロシリカ含有量は15重量％まで増加している。混合物５の数値は図の最も右側に別個に示されている。
【００５９】
図７は、種々の製剤、対照物１−４及び本発明に従った混合物１−５の引張弾性率及び引張強さを示す。
【００６０】
図８は、対照物１−４及び混合物１−５の曲げ弾性率及び曲げ強さを示す。
【００６１】
図９は、対照物１−４及び混合物１−５のシャルピー衝撃強さを示す。
【００６２】
図10は、対照物１−４及び混合物１−５の吸水率を示す；試料は２時間水に浸漬したものである。
【００６３】
図７〜10に示す結果を測定するために行った試験は、実施例１に記載したHDPEとの関係で行った対応の試験と同様の方法で行った。
【００６４】
マイクロシリカを、繊維/シリカ混合物の合計濃度の80％まで含むコンパウンドは、全て、測定した性質において、マイクロシリカを含有していないものより優れている。このことは、重合体を20％しか含まないコンパウンドは、製造することが可能であるばかりでなしに、この種の既知の複合材料の性質より優れた性質を有することを意味する。
【００６５】
低い量の重合体とある量の非燃焼性材料を含むこれらの複合材料の耐火効果は著しく良好であると思われる。
【００６６】
高い弾性率、高い衝撃強さ及び著しく改善された難燃性、追加のハロゲン又はリン含有難燃剤の不使用。しかしながら、最も重要なことは、著しく減少した吸水性により、例えば自動車、建造物及び電気工業についての広範囲の製品の開発に有用な新規な範囲の材料特性が提供されることである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】木材繊維充填高密度ポリエチレン(HDPE)のSEMである。
【図２】10重量％のマイクロシリカを含有する木材繊維充填HDPEのSEMである。
【図３】HDPEを含有しかつマイクロシリカを含有するか又はマイクロシリカを含有していない複合材料についての引張弾性率及び引張強を示すグラフである。
【図４】曲げ弾性率及び曲げ強さを示す、図３と同様のグラフである。
【図５】HDPEを含有する複合材料であって、マイクロシリカを含有するもの及びマイクロシリカを含有していないものについてのシャルピー衝撃強さを示すグラフである。
【図６】吸水性を示す、図５と同様のグラフである。
【図７】PVCを含有する複合材料であって、マイクロシリカを含有するもの及びマイクロシリカを含有していないものについての引張弾性率及び引張強さを示すグラフである。
【図８】曲げ弾性率及び曲げ強さを示す、図７と同様のグラフである。
【図９】PVCを含有する複合材料であって、マイクロシリカを含有するもの及びマイクロシリカを含有していないものについてのシャルピー衝撃強さを示すグラフである。
【図１０】吸水性をしめす、図９と同様のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年5月19日(2008.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重合体、天然有機充填剤及び/又は天然有機繊維及び、追加的に、５〜20重量％のマイクロシリカからなる、複合プラスチック材料を製造するための組成物。
【請求項２】
重合体は、ポリエチレン(PE)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリプロピレン(PP)又はポリエチレンテレフタレート(PET)である、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
天然充填剤は、木材繊維又は木粉、木材フレーク、のこ屑、ケナフ、亜麻、大麻及びこれらの組合せである、請求項１又は２に記載の組成物。
【請求項４】
追加的に、非有機充填剤を含有する、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項５】
非有機充填剤は、タルク、炭酸カルシウム、ウオラストナイト、アルミニウム三水和物及びこれらの組合せである、請求項４に記載の組成物。
【請求項６】
マイクロシリカは2.1〜2.3 g/cm３の範囲の比重を有する、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項７】
マイクロシリカは15〜50 m２/gの比表面積を有する、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項８】
重合体は、組成物の10〜60重量％を占める、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【請求項９】
天然充填剤及び/又は天然繊維は、組成物の40〜80重量％を占める、前記請求項のいずれかに記載の組成物。
【国際調査報告】
2009526895.tif 000022
2009526895.tif 000023
2009526895.tif 000024
2009526895.tif 000025