(57)【要約】【課題】繊維を有する植物系熱圧成形材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】繊維を有する植物系材料を原料として、原料繊維を粉末化することなく固化、成形したことを特徴とする繊維を有する植物系熱圧成形体、及び繊維を有する植物系材料に、熱と圧力を加えることにより繊維を保持させたまま流動性を発現させ、金型内に流し込んで圧締し、繊維を含有した成形体を得ることを特徴とする、任意の三次元形状を付与したプラスチック類似の繊維を有する植物系成形材料の製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維を有する植物系材料を原料として、原料繊維の自己接着性を利用して固化、成形したことを特徴とする任意の三次元形状を付与した繊維を有する植物系成形体。
【請求項２】
繊維を有する植物系材料が、竹、木材、及び／又は草木である、請求項１に記載の繊維を有する植物系成形体。
【請求項３】
流動性を発現させた原料を、金型で熱圧成形して任意の三次元形状を付与した、請求項１に記載の繊維を有する植物系成形体。
【請求項４】
繊維を有する植物系成形体が、中間材料又は成形製品である、請求項１に記載の繊維を有する植物系成形体。
【請求項５】
繊維を有する植物系材料に、熱と圧力を加えることにより繊維を保持させたまま流動性を発現させ、金型内に流し込んで圧締し、繊維を含有した成形体を得ることを特徴とする、任意の三次元形状を付与したプラスチック類似の繊維を有する植物系成形体の製造方法。
【請求項６】
前記の繊維を有する植物系材料に、流動性の発現を促進する添加剤を加える、請求項４に記載の繊維を有する植物系成形体の製造方法。
【請求項７】
前記の繊維を有する植物系材料に、成形品の性能を向上する添加物を加える、請求項４に記載の繊維を有する植物系成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック類の代替となる、任意の三次元形状を付与した、繊維を含有する植物系成形材料及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、竹、木材等に所定の温度と圧力を加えることにより、繊維を保持させたまま流動性を発現させ、任意の三次元形状を付与した、繊維を含有する成形体を作製することを可能とする、新しい植物系成形材料の製造方法、及び資源・環境問題に対応し得る新しいタイプの植物系成形材料に関するものである。    
【背景技術】
【０００２】
プラスチックは、複雑形状品の製作が比較的容易であり、現在、材料として重要な位置を占め、広い分野で活用されている。その大部分は、埋蔵資源である石油を原料としているが、将来の石油の枯渇が危惧されている状況を考えると、これに替わる新たな成形材料の開発が必要である。このような背景のもと、近年、持続的生産が可能である植物資源を原料とする成形材料の開発に向けた研究が進んでおり、例えば、トウモロコシ、ケナフ、木材など、様々な植物を原料とした材料の開発が試みられている（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
従来から利用されている植物系材料として、木材や竹材が挙げられるが、これらの木材や竹材は、「切る」「削る」などの加工方法によって、一般に用いられている材料である。希望する形状を製作するために、場合によっては、木材や竹材をある程度細かくして「接着する」ことが行われる。しかし、このような加工方法の場合、複雑な三次元形状を付与することができず、材料の用途が限定される。
【０００４】
そこで、任意の三次元形状を付与した製品を製造するために、細かく粉砕した木材や竹材に大量の樹脂を混入して原料に流動性を持たせ、これを金型に流し込み、冷却・固化させることが行われている。また、樹脂を使用せず、細かく粉砕した木材や竹材に水蒸気処理や爆砕処理を施すことにより流動性を向上させ、これらの材料のみで成形する方法も試みられている（例えば、非特許文献４、５参照）。
【０００５】
従来の、樹脂を混入する成形方法の場合、原料に流動性を持たせ、金型の隅々まで原料を流し込んで複雑な三次元形状を付与した材料を製造するために、樹脂を重量比で５０％程度混入する必要がある。しかし、従来の、樹脂を混入する成形技術は、細かく粉砕した木材や竹材を大量の樹脂と混合させて固めることを基本とするものであり、木材や竹材が本来持っている生分解性という長所を損なうものである。また、木材や竹材と樹脂を混合した材料を逆に木材や竹材と樹脂に分離することが困難であるため、リサイクルの際に問題となる。
【０００６】
また、現在は、埋蔵資源の枯渇が懸念されている状況にあるので、埋蔵資源である石油等を原料とする樹脂は、再生産可能な代替材で置き換えることが社会的要求でもある。一方、樹脂を使用せず、細かく粉砕した木材や竹材に水蒸気処理や爆砕処理を施して、流動性を向上させ、これらの材料のみで成形する方法も試みられている。しかし、これらの前処理の工程は煩雑で、生産性の観点から、改善が求められている。
【０００７】
また、上記いずれの場合も、原料である木材や竹材の粉末化を必要とするが、木材や竹材を粉末化するためには多大なエネルギーを要するため、製造コストの観点からその改善が求められる。また、原料を粉末化することにより、原料が持つ繊維が分断され、原料が繊維を含有することによって得ている優位性を喪失することとなる。
【０００８】
これまでに、本発明者らは、竹棹を粉末化し、その温度や含水率を制御することにより流動性を発現させ、押出成形、射出成形等の成形法を適用することを目指してきた。粉末化により流動性の向上や材料の均質化等の効果が期待できるが、一方で、竹が本来持つ高強度の繊維構造は破壊されてしまうという問題があった。また、竹は成長が早く、生産性が高いにもかかわらず、十分な利用がなされていない。また、国内においては、利用されずに放置された竹林や里山が植林地を侵食する、いわゆる放置竹林問題を起こしており、竹の新たな利用方法の開発が強く求められていた。
【０００９】
【非特許文献１】工藤謙一、応用糖質科学、４−４１、（１９９４）、４５７−４６４
【非特許文献２】大西兼司、梅岡一哲、安藤秀行、松下電工技報、８０、（２００３）、５８−６３
【非特許文献３】今西祐志、古田裕三、小畑良洋、金山公三、第５１回日本木材学会大会研究発表要旨集、（２００１）、２５１
【非特許文献４】岸久雄、中山仲吾：第５２回日本木材学会大会研究発表要旨集、岐阜、２００２、ｐ２４６
【非特許文献５】高橋勤子、高須恭夫、木方洋二：第５４回日本木材学会大会研究発表要旨集、２００２、ｐ２７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような状況下にあって、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、竹や木材等を原料として、しかも、樹脂等は使用せず、また、粉末化を行わず、竹や木材の繊維構造を生かした成形手段により複雑形状成形体を作製することができる新しい成形技術を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、繊維細胞と柔細胞の自己接着性を利用することで所期の目的を達成し得ることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。本発明は、再生産可能な資源である木材や竹材等の植物材料のみを原料として、粉末化工程を経ずに、原料の繊維を保持した状態で、複雑な三次元形状を付与した成形体及び該成形体を製造する方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、プラスチック類の代替となる、任意の三次元形状を付与した繊維を有する植物系成形体を製造する方法及びその製品を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）繊維を有する植物系材料を原料として、原料繊維の自己接着性を利用して固化、成形したことを特徴とする任意の三次元形状を付与した繊維を有する植物系成形体。
（２）繊維を有する植物系材料が、竹、木材、及び／又は草木である、前記（１）に記載の繊維を有する植物系成形体。
（３）流動性を発現させた原料を、金型で熱圧成形して任意の三次元形状を付与した、前記（１）に記載の繊維を有する植物系成形体。
（４）繊維を有する植物系成形体が、中間材料又は成形製品である、前記（１）に記載の繊維を有する植物系成形体。
（５）繊維を有する植物系材料に、熱と圧力を加えることにより繊維を保持させたまま流動性を発現させ、金型内に流し込んで圧締し、繊維を含有した成形体を得ることを特徴とする、任意の三次元形状を付与したプラスチック類似の繊維を有する植物系成形体の製造方法。
（６）前記の繊維を有する植物系材料に、流動性の発現を促進する添加剤を加える、前記（４）に記載の繊維を有する植物系成形体の製造方法。
（７）前記の繊維を有する植物系材料に、成形品の性能を向上する添加物を加える、前記（４）に記載の繊維を有する植物系成形体の製造方法。
【００１２】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、原料繊維を粉末化することなく、固化、成形した、繊維を有する植物系熱圧成形体、及び繊維を有する植物系材料に、熱と圧力を加えることにより繊維を保持させたまま流動性を発現させ、金型内に流し込んで圧締し、繊維を含有する三次元形状を付与した成形体を製造する、該成形体の製造方法の点に特徴を有するものである。
【００１３】
本発明において、原料の繊維を有する植物系材料は、適宜のものでよく、好適には、例えば、竹、木材、草木が例示されるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効の材料であれば同様に使用することができる。これらの原料に、熱及び圧力を一定時間加えて流動性を発現させ、金型内に導入し、熱圧して成形体を作製する。この場合、金型としては、好適には、例えば、ピストンシリンダー金型が使用されるが、金型は、例えば、複雑形状に成形できるものであればよく、特に制限されるものではない。圧締は、好適には、例えば、プレス機により行われるが、圧縮は、材料を金型の隅々まで行きわたらせることができる方法及び手段であればよく、また、その処理時間も、特に制限されない。
【００１４】
本発明の製造方法では、原料を粉末化することなく、所定の温度と圧力を加えることにより、原料の繊維を喪失することなく、流動性を発現させることができる。その後、材料を金型内に圧入することによって、金型の隅々まで原料である材料が行きわたることとなり、複雑な三次元形状を付与した繊維を含有する材料を作製することができる。なお、本発明において、原料は、特に竹に限定されるものはなく、繊維を含有する同様の性状を有する植物一般に対して、本発明の方法は適用可能である。
【００１５】
本発明による植物系成形材料を、金属やプラスチックを原料とした材料の代替とすることにより、製品廃棄時の環境負荷を小さく抑えることが可能となる。また、同時に、当該植物系成形材料には樹脂を混入していないので、リサイクルの際に材料と樹脂を分離する問題が生じることを回避できる。更に、本発明の植物系成形材料は、再生産可能な資源である材料のみを原料としているために、資源問題に対する根本的な解決策となり得ることが期待できる。
【００１６】
本発明により得られる植物系成形材料を、金属やプラスチックを原料として製造された従来材料の代替、例えば、電化製品の筐体の代替などとして用いることにより、材料の廃棄やリサイクルに関する資源・環境問題に対する解決策となり得る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、繊維を有する植物系材料に、所定の温度と圧力を加えることにより、繊維を保持したまま流動性を発現させ、例えば、金型内に押し込んだ後、冷却して固めることにより任意の三次元形状を付与した、繊維を含有する植物系成形材料及びその製造方法に係るものであり、本発明により、（１）木材や竹材等の植物材料のみを原料として、粉末化工程を経ずに、複雑な三次元形状を付与した、繊維を含有した成形材料を作製し、提供することが可能となる、（２）本発明による植物系成形材料の製造方法を用いることにより、金属やプラスチックを原料とした材料の代替材を、環境・資源問題に対応した形で得ることが可能となる、という格別の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、試験例及び実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の試験例及び実施例によって何ら限定されるものではない。
【００１９】
試験例
（１）竹の構造
本試験例では、竹を原料として複雑形状成形体を作製し、竹の繊維構造を生かした成形方法について試験した。竹棹は、主に柔細胞と繊維細胞から構成される。図１に、竹棹の横断面を斜め上方から見たＳＥＭ像を示す。図中、Ｐは柔細胞を、Ｆは繊維細胞の束（維管束鞘）を示す。柔細胞は、長さ１００μｍ程度の短冊状あるいは球状であるのに対し、繊維細胞は、幅が十数μｍ、長さが２〜３ｍｍ前後の細長い繊維状の細胞であり、両者の性質は大きく異なっている。竹棹全体でみると、柔細胞が約５０％、繊維細胞が約４０％を占める（Ｌｉｅｓｅ，Ｗ．，Ｗｏｏｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２１−３，１９４（１９８７））が、その分布は一様ではなく、図２に示すように、表皮側では繊維細胞の割合が多く、内腔側では柔細胞の割合が大きい。そのため、竹棹の性質は、表皮側と内腔側で大きく異なっている。
【００２０】
（２）試料
３年生のモウソウチク（Ｐｈｙｌｌｏｓｔａｃｈｙｓ  ｐｕｂｅｓｃｅｎｓ）の棹部から、サークルカッターにより円盤状の竹片を切り出した。図３に、得られた竹片を示す。また、この竹片を繊維方向に割裂し、外皮側半分と内腔側半分に分割して、繊維細胞が多い外皮側からの竹片と、柔細胞が多い内腔側からの竹片を得た。以下の試験では、これらの竹片を気乾状態（含水率１０％）とし、試料として供した。                        
【００２１】
（３）射出成形
図４に、射出成形（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｍｏｌｄｉｎｇ）による成形方法の概要を示す。図は、流動化（Ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ）、射出（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）、冷却（Ｃｈｉｌｌｉｎｇ）、及び排出（Ｅｊｅｃｔｉｏｎ）の各工程を示す。２００℃に加熱した金型内に、外皮側を上にして円盤状の竹片（Ｂａｍｂｏｏ  ｐａｒｔｉｃｌｅ）を投入し、ピストン（Ｐｉｓｔｏｎ）で加圧し、キャピラリー（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ、径２ｍｍ、長さ１０ｍｍ）から流出させ、歯車状のキャビティー（Ｃａｖｉｔｙ）に材料を充填した。シリンダー（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ）の内径は３０ｍｍ、ピストンに加えた荷重は１００ｋＮであり、このときピストンにかかる平均面圧は１４２ＭＰａであった。
【００２２】
（４）押出成形
繊維細胞が多い外皮側からの竹片、柔細胞が多い内腔側からの竹片について、上記（３）の射出成形と同様の方法で、キャピラリーから材料を流出させた。設定温度は２００℃、ピストンに加えた荷重は１００ｋＮ（平均面圧１４２ＭＰａ）であった。ただし、キャピラリーから流出させた材料は、キャビティーに充填せず、流出物（押出成形体）を得た。
【００２３】
（５）結果
図５に、得られた成形体を示す。金型の隅々まで材料が充填され、表面が平滑で、緻密な成形体が得られた。図６に、成形体を切断して観察した成形体内部の顕微鏡写真を示す。竹の繊維細胞に由来する構造が成形体に認められた。
【００２４】
図７に、繊維細胞が多い外皮側からの竹片と、柔細胞が多い内腔側からの竹片を流動させて得られたキャピラリーからの流出物（押出成形体）を示す。繊維細胞の多い竹片から得られた流出物（左）は、断片化しているが、柔細胞が多い竹片から得られた流出物（右）は、棒状の成形体であった。繊維細胞と柔細胞では、その自己接着性に大きな違いがあるものと考えられる。このことから、繊維細胞の多い外皮側からの竹片と柔細胞が多い内腔側からの竹片を単独又は任意に混合して使用することで、それらの自己接着性を任意に調整した成形体を作製できることが分かった。
【実施例１】
【００２５】
スギ（Ｃｒｙｐｔｏｍｅｒｉａ  ｊａｐｏｎｉｃａ）の辺材、及び３年生モウソウチク（Ｐｈｙｌｌｏｓｔａｃｈｙｓ  ｐｕｂｅｓｃｅｎｓ）の棹部から、サークルカッターにより直径２９ｍｍ、厚さ約１０〜１５ｍｍの材料を切り出して気乾状態（含水率約１０％）とし、粉末化することなく成形に供した。成形には、キャピラリー、キャビティーを有するピストン・シリンダー金型による射出成形法を用いた。２００℃に加熱したシリンダー内に材料を投入し、ピストンで加圧し、キャピラリー（径２ｍｍ、長さ１０ｍｍ）から流出させ、歯車状のキャビティーに材料を充填した。シリンダーの内径は３０ｍｍ、ピストンに加えた荷重は１００ｋＮであり、このときピストンにかかる平均面圧は１４２ＭＰａであった。
【００２６】
材料をキャビティーに充填した後、金型を冷却し、成形体を取り出した。得られた成形体は、表面が平滑であり、プラスチック様であった。また、成形体を切断して観察した成形体内部には、原料のスギ及びモウソウチクに由来する繊維構造が確認された。この繊維構造は、成形体の性状に有利に働くと考えられるため、本成形方法は、粉末化して成形する方法に比べて高い優位性が期待できることが示された。
【実施例２】
【００２７】
スギ（Ｃｒｙｐｔｏｍｅｒｉａ  ｊａｐｏｎｉｃａ）の辺材、及び３年生モウソウチク（Ｐｈｙｌｌｏｓｔａｃｈｙｓ  ｐｕｂｅｓｃｅｎｓ）の棹部から、サークルカッターにより直径２９ｍｍ、厚さ約１０〜１５ｍｍの材料を切り出して気乾状態（含水率約１０％）とし、粉末化することなく成形に供した。成形には、キャピラリーを有するピストン・シリンダー金型による押出成形法を用いた。２００℃に加熱したシリンダー内に材料を投入し、ピストンで加圧し、キャピラリー（径２ｍｍ、長さ１０ｍｍ）から流出させ、棒状の押出成形体を得た。シリンダーの内径は３０ｍｍ、ピストンに加えた荷重は１００ｋＮであり、このときピストンにかかる平均面圧は１４２ＭＰａであった。
【００２８】
得られた成形体には、原料のスギ及びモウソウチクに由来する繊維構造が確認された。この繊維構造は、成形体の性状に有利に働くと考えられるため、本成形方法は、粉末化して成形する方法に比べて高い優位性が期待できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上詳述したように、本発明は、繊維を有する植物系熱圧成形材料及びその製造方法に係るものであり、本発明により、木材や竹材等の植物材料のみを原料として、粉末化工程を経ずに、複雑な三次元形状を付与した、繊維を含有した成形材料を作製し、提供することが可能となる。本発明では、金属やプラスチックを原料とした従来材料の代替材を、環境・資源問題に対応した形で提供することが可能となる。本発明は、原料の高強度の繊維構造を生かした成形技術により作製された、植物系材料から成る新素材及び新製品を提供することを可能にするものとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】竹棹の横断面を斜め上方から見たＳＥＭ像を示す。Ｐは柔細胞、Ｆは繊維細胞の束（繊管束鞘）を示す。
【図２】竹棹の横断面における柔細胞と繊維細胞の分布を示す。表皮側では繊維細胞Ｆの割合が多く、内腔側では柔細胞Ｐの割合が大きい。
【図３】モウソウチクの棹部からサークルカッターにより切り出した円盤状の竹片とその繊維方向を示す。
【図４】射出成形による成形工程の概要を示す。
【図５】射出成形により得られた成形体を示す。
【図６】作製した成形体を切断して観察される成形体内部の顕微鏡写真を示す。
【図７】繊維細胞が多い外皮側からの竹片と、柔細胞が多い内腔側からの竹片を流動させて得られたキャピラリーからの流出物（押出成形体）を示す。
【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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