(57)【要約】【課題】バイオマス系熱圧成形体、その製造方法及び装置を提供する。【解決手段】バイオマス系材料の成形体において、ヘミセルロース熱分解流動化物の三次元形状を付与した固化・成形体からなることを特徴とする成形体、バイオマス系材料成形体の製造方法において、バイオマス系材料を粉砕して粉体とし、これに熱と圧力を加えることにより材料の成分を変化させて流動性を発現させ、これを金型内に流し込んで圧締し、成形した後、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プラスチック類似のバイオマス系成形体を得ることを特徴とする成形体の製造方法、及びその装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス系材料の成形体において、ヘミセルロース熱分解流動化物の三次元形状を付与した固化・成形体からなることを特徴とする成形体。
【請求項２】
バイオマス系材料成形体の製造方法において、バイオマス系材料を粉砕して粉体とし、これに熱と圧力を加えることにより材料の成分を変化させて流動性を発現させ、これを金型内に流し込んで圧締し、成形した後、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プラスチック類似のバイオマス系成形体を得ることを特徴とする成形体の製造方法。
【請求項３】
材料のヘミセルロース成分を熱分解させて流動性を発現させる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記粉体に流動性発現を促進するための添加剤を加える請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粉体に成形品性能向上を目的とした添加物を加える請求項１に記載の方法。
【請求項６】
材料に流動性を付与する流動性付与部、材料を成形する成形部、及び流動性材料を上記成形部に導入する導入部を具備してなることを特徴とするバイオマス系成形体の製造装置。
【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バイオマス系成形体、その製造方法及び装置に関するものであり、更に詳しくは、木粉等に所定の温度と圧力を一定時間加えることにより木粉等の成分を変化させて流動性を発現させ、木粉等のバイオマス系成形材料に任意の三次元形状を付与した成形体、該成形体を作製することを可能とする、新しいバイオマス系成形体の製造方法、及び資源・環境問題に対応し得る新しいタイプのバイオマス系成形体の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から利用されているバイオマスとして木材や竹材が挙げられるが、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。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おり、また一方で、樹脂を使用せず、細かく粉砕した木材や竹材のみでの成形も試みられている（非特許文献１、２参照）。  
【０００３】
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。
【０００４】
しかしながら、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となっており、廃棄の際に問題が生じる。そして、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不可能であるため、リサイクルの際に問題が生じる。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、埋蔵資源を由来とする樹脂を利用した成形技術において、可能な限り樹脂の割合を抑える工夫が行われるようになってきている。
【０００５】
一方、樹脂を使用せず、細かく粉砕した木材や竹材のみでの成形も試みられているが、材料に十分な流動性を与えることができず、プレス成形などの、高い流動性を必要としない成形方法しか適用することができず、単純な形状の成形体を製作するに留まっている。また、爆砕等の前処理を行うことによって流動性を向上させる試みもなされているが、工程が煩雑で改善が求められている。
【０００６】
【非特許文献１】岸久雄、中山伸吾：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２】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、札幌、２００２、ｐ２７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、再生産可能な資源である木材や竹材等のバイオマス材料のみを原料として、接着剤を使うことなく、複雑な三次元形状を付与した材料を環境負荷の小さい形で成形するバイオマス系成形体の製造方法及びその成形体を提供することである。また、本発明の他の目的は、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バイオマス系成形体の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明は、バイオマス系材料の成形体において、ヘミセルロース熱分解流動化物の三次元形状を付与した固化・成形体からなることを特徴とする成形体、である。また、本発明は、バイオマス系材料成形体の製造方法において、バイオマス系材料を粉砕して粉体とし、これに熱と圧力を加えることにより材料の成分を変化させて流動性を発現させ、これを金型内に流し込んで圧締し、成形した後、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プラスチック類似のバイオマス系成形体を得ることを特徴とする成形体の製造方法、である。本方法は、材料のヘミセルロース成分を熱分解させて流動性を発現させること、前記粉体に流動性発現を促進するための添加剤を加えること、前記粉体に成形品性能向上を目的とした添加物を加えること、を好適な態様としている。また、本発明は、材料に流動性を付与する流動性付与部、材料を成形する成形部、及び流動性材料を上記成形部に導入する導入部を具備してなることを特徴とするバイオマス系成形体の製造装置、である。
【０００９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、原料である木材や竹材等のバイオマス系微粉末に所定の温度と圧力を一定時間加えることにより、材料に含まれるヘミセルロースを変化させて流動性を持たせた後、金型内に圧入して冷却・固化させることで三次元形状を付与した成形体を製造することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明において、原料のバイオマス系微粉末は適宜のものでよく、ヘミセルロースを、流動性を与えるに十分な量を含有していれば特に制限されない。材料の微粉末は、例えば、原料を粉砕機により粉砕し、ふるいによる分級を行って作製される。この場合、微粉末の形状は球状に近くて細長いことが好ましいが、特に制限されない。
【００１１】
次に、微粉末に熱及び圧力を一定時間加えて流動性を発現させる。流動性付与と成形を同一工程で行わない理由は、材料に流動性を付与する処理に時間を要するため、別工程で予め材料に流動性を付与しておくと成形効率の向上が望めるためである。その後、流動性を付与した材料を、流動性を保持したまま金型内に導入し、熱圧して成形する。この場合、金型は、成形できるものであればよく、特に制限されない。圧締は、材料を金型の隅々まで行きわたらせればよく、処理時間は、特に制限されない。
【００１２】
本発明の製造方法による場合、材料に所定の温度と圧力を一定時間加えることにより材料中のヘミセルロースを変化させて流動性を向上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成形体を作製することができる。前記加熱時の温度としては１８０℃以上、好適には１８０〜２４０℃が好ましく、それにより材料の流動性を大きく向上させることができる。１５０℃を下回ると、材料の流動性を十分に向上させることができない。なお、本発明において、原料である微粉末は、特に竹粉に限定されることはなく、ヘミセルロースを含有するバイオマス一般に対して、本発明の方法は適用可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、（１）バイオマス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、製品の廃棄の際の環境負荷を小さく抑えることが可能となり、同時に、当該バイオマス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、（２）更には、本発明のバイオマス系成形材料は、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、（３）本発明により得られるバイオマス系成形材料を、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る、という効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、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、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００１５】
（１）供試竹粉の製造
原料竹粉は、２〜３年生のモウソウチク（Ｐｈｙｌｌｏｓｔａｃｈｙｏ  ｐｕｂｅｓｅｃｅｎｓ）を丸鋸を利用した粉砕機（丸太鉄工（株）製）により生材状態で機械的に粉砕して製造した。得られた竹粉をふるいにかけて分級を行い、２００メッシュ（目開き約１００μｍ）をパスしたものを１０５℃で恒量になるまで乾燥させた。竹粉のＳＥＭ観察像から、竹野繊維は分断されており、アスペクト比の小さな粒子が得られていることが観察された。
【００１６】
（２）全乾竹粉の流動性試験
２００℃に加熱した金型に全乾竹粉を投入し、プレス機（鷺宮製作所製）によってピストンを押し込み、目標荷重（１００ＫＮ：ピストンの平均面圧１４２ＭＰａ）に達するまで竹粉を加圧した。そのまま荷重を保持し、竹粉がキャピラリーから流出する様子を観察することにより流動性を評価した。キャピラリー径は２ｍｍ、長さは１０ｍｍとした。シリンダーの内径は３０ｍｍであるので押出比は２２５である。加熱はプレス機の上下プレートに設置した熱盤及びシリンダー外周に設置したバンドヒーターによって行った。目標荷重に達するまでの押込速度は１５ｍｍ／ｍｉｎであった。
【００１７】
図３に、試験開始からの時間と、ピストンの位置との関係を示す。ピストンを押し込むと竹粉が圧粉され（Ａ点−Ｂ点）、十分に圧粉されると目標の１００ＫＮに達した。目標荷重に達した後、しばらくはピストンの位置に変化は見られないが、約２０分後にピストンが降下し始め、キャピラリーから竹粉の流出が開始した（Ｃ点付近）。その後、約６０分後に、シリンダー内の竹粉が全て押し出され、ピストンが停止した。竹粉が約２０分後に流動を開始した原因は、竹粉が十分に加熱されるまで時間を要したためではなく、約２０分間で竹粉に何らかの変化が生じ、流動性が向上したことが原因であると考えられる。  
【００１８】
（３）前処理を行った全乾竹粉の流動性試験
全乾竹粉を、窒素雰囲気下、２００℃の開放系で所定の時間（０．５、１、２、４時間）加熱処理した。その後、竹粉を取り出して前記と同様の方法で流動性試験を行った。図４に、加熱による前処理を行った竹粉の流動性試験の結果を示す。前処理を行わなかった竹粉（前処理時間０ｈ）では、流動開始まで約２０分であったのに対して、前処理を０．５、１、２、４時間行った竹粉は、流動開始までそれぞれ約２０、３０、４０、４０分要した。また、表１に示す通り、前処理時間が長くなるに従って、前処理による竹粉の重量減少率は大きくなった。前処理温度が２００℃であるので、前処理により主にヘミセルロースが熱分解して減少したと考えられる。したがって、流動開始までの時間の延長は、前処理によるヘミセルロースの減少に起因していると考えられる。以上の結果から、全乾竹粉の流動にはヘミセルロースの熱分解が関与していることが示唆された。
【００１９】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、バイオマス系熱圧成形体、その製造方法及び装置に係るものであり、本発明により、バイオマス系材料を細かく粉砕して微粉末とし、これに所定の温度と圧力を一定時間加えることにより成分を変化させて流動性を発現させ、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バイオマス系成形体を製造し、提供することができる。本発明によれば、木材や竹材等のバイオマス材料のみを原料として複雑な三次元形状を付与した成形材料を作製することが可能となる。本発明によるバイオマス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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の製造装置の概要を示す。
【図２】作製した成形体の一例を示す。
【図３】全乾竹粉の流動性試験（２００℃）におけるピストンの動きを示す。
【図４】前処理を行った全乾竹粉の流動性試験（２００℃）におけるピストンの動きを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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