(57)【要約】【課題】低熱膨張性複合成形体として好適な複合成形体を提供する。【解決手段】複合成形体は、熱可塑性プラスチックと平均アスペクト比が５以上の竹由来の粉体が質量比で８０：２０〜３０：７０の範囲で混合されて押出成形又は射出成形されてなり、竹由来の粉体が長辺を溶融流動方向に配向され、溶融流動方向の熱膨張係数が３０ｐｐｍ／℃以下である。竹由来の粉体が目開き６０メッシュの篩を通る割合が９５質量％以上である。熱可塑性プラスチックは、、ポリオレフィン類が好適であり、ポリプロピレンがさらに好適である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性プラスチックと平均アスペクト比が５以上の竹由来の粉体が質量比で８０：２０〜３０：７０の範囲で混合されて押出成形又は射出成形されてなり、竹由来の粉体が長辺を溶融流動方向に配向され、溶融流動方向の熱膨張係数が３０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする複合成形体。
【請求項２】
前記竹由来の粉体が目開き６０メッシュの篩を通る割合が９５質量％以上であることを特徴とする請求項１記載の複合成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合成形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プラスチック複合材料の軽量性、成形性及び機械的強度に注目が集まり、金属材料からの置き換えが志向されている。
プラスチック複合材料として、プラスチックにフィラーを配合することが広く行われている。フィラーとしては、無機酸化物微粒子や無機塩微粒子、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維状物質、さらにウィスカー状、棒状、薄片状などの形状の異なる物質が知られている。これらのフィラーをプラスチックに配合することにより、プラスチックの熱膨張係数を低減したり、機械的強度を高めたりすることができる。熱膨張係数の低減は、溶融成形時の膨張収縮を抑えることで成形精度を向上させることができ、また、屋外使用時に太陽光による加熱膨張や冬季の冷却収縮を抑えて、成形体の変形や破損を防ぐことができる。
【０００３】
又、プラスチック複合材料の更なる軽量化と炭酸ガス発生抑制を目的に、フィラーとして、比重の大きい無機物系からバイオマス由来の有機系へ関心が移りつつある。特に、セルロース繊維を利用したプラスチック複合材料は、繊維強化機能ばかりでなく、低熱膨張特性も注目されており、とりわけ、セルロースのフィブリル状物質を機械的に微細化してなるセルロースミクロフィブリル、ナノファイバーの展開が活発に進められている。
【０００４】
微細化したセルロース繊維を配合した複合体（プラスチック複合材料、プラスチック複合体）は、機械的強度および透明性が高く、熱膨張係数が小さいという特徴を有している。このため、かかる特徴を活かし、光学分野、構造材料分野、建材分野、精密機械分野、半導体分野等の種々の分野において、応用が期待されている。
【０００５】
例えば、多糖類材料からなる繊維状フィラーとプラスチックとからなり、繊維状フィラーの平均繊維径が１００μｍ以下で水素結合形成可能な水素原子の含有量が０．０１ｍｏｌ／ｇ未満である複合体組成物が開示されている（特許文献１参照）。この複合体組成物は、例えば混合脱水操作により複合体に成形される。得られる複合体は、負の膨張係数を示すとされている。
又、例えば、セルロースを含有する不織布とセルロース以外の樹脂からなる複合体が開示されている（特許文献２）。この複合体は、例えば、含浸重合若しくは溶融プラスチックを含浸して成形され、得られる複合体は５０ｐｐｍ／℃以下の膨張係数を示すとされている。
【０００６】
ところで、本発明者らは、実質的にヘミセルロースを含まず、セルロースに富み、繊維長の短い竹繊維と高分子材料を配合し溶融成形して複合材を製造する技術を開示している（特許文献３）。得られる複合材は、合成木材として好適に用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１７３９９３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１６２５３号公報
【特許文献３】特開２０１２−０４０７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする問題点は、竹繊維と高分子材料からなる複合体をさらに改善し、熱膨張係数のより低い複合成形体を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る複合成形体は、熱可塑性プラスチックと平均アスペクト比が５以上の竹由来の粉体が質量比で８０：２０〜３０：７０の範囲で混合されて押出成形又は射出成形されてなり、竹由来の粉体が長辺を溶融流動方向に配向され、溶融流動方向の熱膨張係数（線膨張係数）が３０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る複合成形体は、好ましくは、前記竹由来の粉体が目開き６０メッシュの篩を通る割合が９５質量％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る複合成形体は、熱可塑性プラスチックと平均アスペクト比が５以上の竹由来の粉体が質量比で８０：２０〜３０：７０の範囲で混合されて押出成形又は射出成形されてなり、竹由来の粉体が長辺を溶融流動方向に配向され、溶融流動方向の熱膨張係数が３０ｐｐｍ／℃以下あるため、低熱膨張性複合成形体として好適である。又、押出成形又は射出成形により得られる複合成形体は、複雑な形状を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は実施例の成形体の熱膨張係数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００１３】
本実施の形態に係る複合成形体は、熱可塑性プラスチックと平均アスペクト比が５以上の竹由来の粉体が質量比で８０：２０〜３０：７０の範囲で混合されて押出成形又は射出成形されてなり、竹由来の粉体が長辺を溶融流動方向に配向され、溶融流動方向の熱膨張係数が３０ｐｐｍ／℃以下である。
【００１４】
竹は、広義には、イネ目イネ科タケ亜科のうち、木本のように茎が木質化する種の総称である。日本に生育する竹は６００種あるといわれており、そのうちの代表的なものとして、マダケ、モウソウチク(孟宗竹)、ハチク等が挙げられる。本発明の実施の形態において用いる竹の種類を限定するものではない。また、本発明の実施の形態において、竹とは幹、枝、葉、および根からなる総体的なものを意味するが、とりわけ、セルロース繊維成分が豊富な幹部が好適である。
竹は、その長手方向に維管束が並んで、一方向強化材の役目を果たしている。一つの維管束は四つの維管束鞘と複数の導管や師管から構成されている。維管束鞘は多数の繊維（厚壁細胞）の集まりである。維管束鞘は、繊維断面にほとんど空孔が見られず、この一方向に並んだ繊維（竹繊維）が竹の強度を支えている。
【００１５】
本実施の形態に係る竹由来の粉体（以下、これを竹粉末ということがある。）は、約５０質量％以上のセルロース繊維を主成分とし、セルロース繊維以外に、リグニンやヘミセルロースを含む粉体もその成分として含んでいる。
セルロース繊維の繊維長は、好ましくは、１０００〜１０μｍであり、より好ましくは５００〜５０μｍである。セルロース繊維の繊維長は、基本的に大きければ大きいほど好ましい。しかし、繊維長が極端に大きい場合、プラスチックコンポジットの原料として用いるときに、その繊維長を保持したまま、均一に分散することが困難になるおそれがある。なお、繊維径は、１５０〜１μｍであることが好ましく、１００〜１０μｍであることがより好ましい。
【００１６】
又、本実施の形態に係る竹粉末は、平均アスペクト比が５以上である。竹粉末の平均アスペクト比は、個々の粉末粒子の長軸径（長辺）と短軸径（短辺）の比の平均値であり、倍率を調整可能な顕微鏡観察で得られた１ｃｍ×１ｃｍ画像中の繊維について直接測定して得ることができる。竹粉末の平均アスペクト比は、本発明の低熱膨張性に優れたプラスチックコンポジットの原料として用いる場合、機械的強度の向上を図るには、さらに１０以上が好ましい。一方、平均アスペクト比の上限は特にないが、例えば最大１００程度あれば十分である。
【００１７】
次に、本実施の形態に係る竹粉末を好適に得ることができる竹粉末の製造方法例について説明する。
竹粉末は、竹を破砕、粉砕、分級することにより得られる。破砕と粉砕は、適宜の方法で行うことができ、例えば、水中等で弱い力を加えながら長い時間をかけて行うことができる。この場合、粉砕後、乾燥して水分を除去、調整する。他の製造方法として、常圧過熱水蒸気で加熱処理した後に、破砕、粉砕、分級操作により竹粉末を得ることができる。
竹粉末の高いアスペクト比の保持は、破砕、粉砕時に、竹の維管束鞘を折らないような方法を選択することにより、可能となる。このような粉砕方法の例としては、回転衝撃粉砕法（ピンミル方式）とスクリーン分級を組み合わせることにより高いアスペクト比を有する竹粉末を得ることができる。
【００１８】
次に、本実施の形態に係る複合成形体（以下、これを単に成形体ということがある。）の製造方法について説明する。
竹粉末と熱可塑性プラスチックを配合し成形する。竹粉末と熱可塑性プラスチックは、質量比で、熱可塑性プラスチック：竹粉末＝８０：２０〜３０：７０の比率で配合する。７０：３０〜４０：６０の比率で配合すると、より好ましい。竹粉末は、目開き６０メッシュの篩を通る割合が９５質量％以上であることが好ましい。
【００１９】
熱可塑性プラスチックは、押出あるいは射出成形可能で竹粉末と複合化可能なものあれば何ら制限なく用いることが可能である。
熱可塑性プラスチックとしては、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン類；ポリスチレンやアクリロニトニル−ブタジエン−スチレン（ABS）樹脂、アクリロニトニル−スチレン（AS）樹脂、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン（MBS）樹脂などのスチレン系樹脂類；ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートなどの芳香族ポリエステル類；ポリ乳酸やポリカプロラクトン、ポリ（３−ヒドロキシ酪酸）、ポリテトラメチルグリコリド、ポリグリコール酸などの脂肪族ポリエステル類等を挙げることができる。
これらの熱可塑性プラスチックの中でも、成形性の容易さからポリオレフィン類が特に好適であり、ポリプロピレンがさらに好適である。これらの熱可塑性プラスチックは、単独で用いてもよく、あるいは混合して用いてもよい。
【００２０】
竹粉末と熱可塑性プラスチックを配合し成形する方法は、押出成形法又は射出成形法である。これらの成形方法により、竹粉末を熱可塑性プラスチック中に均一に分散させることができる。
射出成形機を用いて成形する場合、高い溶融流動性が要求されるため、竹粉末として過剰に長い繊維長を有する繊維成分の存在は好ましくない。また、金型内に充填する前にスクリーンを通してサイズの大きい不溶物を濾取するため、長い繊維長を持った繊維成分は、スクリーンに目詰まりを起こしやすい。この点、本実施の形態に係る竹粉末は、アスペクト比が５以上であって、好ましくは、繊維長が１０００〜１０μｍの竹粉末を主成分とすることで、このような不具合が軽減される。
また、押出成形機を用いて成形する場合、ダイスから押し出された後の形状維持が重要であるため、適度の粘性と低寸法変化特性が要求される。そのため、竹粉末として、好ましくは、繊維長が１０００〜１０μｍの比較的長い繊維長を有する繊維成分を竹粉末の主成分とすることが好ましい。
【００２１】
成形体の熱膨張係数（線膨張係数）は、熱機械分析装置（ＴＭＡ）を用いて、所定温度範囲、例えば、３０℃から８０℃まで上昇させた時のサイズの変化値を測定し、１℃当たりの変化率に換算することによって求めることができる。
一般に、ポリプロピレンの熱膨張係数は約８ｘ１０-4（８００ｐｐｍ）／℃であり、成形温度からの冷却に伴う収縮や夏季の太陽光の下での熱膨張は成形体の変形を引き起こしやすい。特に、長方形や棒状、細長い板状の成形体の場合、その長手方向の熱変形は著しく、成形体そのものの破損などによる損傷を引き起こししやすい。
【００２２】
本実施の形態に係る成形体は、溶融流動方向の熱膨張係数が３０ｐｐｍ／℃以下であり、ポリプロピレン単独の成形体に比べて、熱膨張係数が約１／２７以下にまで縮小する。
一定のフィラー添加量によって達成される熱膨張収縮の値は、プラスチックとフィラーそれぞれの物理的な熱膨張係数とそれらの組成比によって求めることができる。そのため、一定のフィラー添加量でより小さい熱膨張収縮を達成するには、成形体の熱膨張収縮度に異方性を持たせる必要がある。とりわけ、成形体の長軸方向の膨張収縮低減は重要である。溶融成形時の溶融流動方向は成形体の長軸方向となるため、溶融流動方向の熱膨張収縮の異方制御を行うことで実現される。すなわち、竹粉末は長辺が溶融流動方向に配向され、これにより、成形体の熱膨張特性の異方制御が達成され、成形体の溶融流動方向の熱膨張率が３０ｐｐｍ／℃以下となるとともに、溶融流動方向と直交する方向の熱膨張率が３０ｐｐｍ／℃を超える。
又、本実施の形態に係る成形体は、押出成形又は射出成形により容易に成形することができ、得られる複合成形体は、複雑な形状を実現することができる。これに対して、混合脱水操作や含浸重合により成形した成形体は複雑な形状を実現することが容易ではない。
【００２３】
以上説明した本実施の形態に係る成形体は、低熱膨張特性に優れ、例えば、各種建築資材類に、また、家電・IT機器類の各種部品や自動車内装品等の用途に好適に用いることができる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明の範囲を制限するものではない。
【００２５】
（竹粉末製造例）
孟宗竹（直径約１０〜１５ｃｍ、長さ約３０ｃｍ、重量約１ｋｇ）を以下の仕様の直本工業社製過熱水蒸気処理装置に入れ、２１５℃の常圧過熱水蒸気を用いて１２０分間処理を行った。
処理した孟宗竹を取り出し、下記の粗粉砕装置を用いて破砕した後、微粉砕装置を用いて粉砕を行った。粉砕したサンプルは、篩分けによって粒度分布を確認した。その結果、６０、１００、１５０、および２００メッシュパス分が、それぞれ１００、９８．３、９３．０、および８５．０％であった。アスペクト比は顕微鏡観察による実測定の方法により行った結果、平均アスペクト比は１７．２であった。
過熱水蒸気処理装置の仕様：
蒸気発生部：  ヒーター容量  ６．３ｋW
換算蒸発量    ９．４５kg/h
最高使用圧力  ０．１１MPa
処理槽：      ヒーター容量  ８ｋW
庫内寸法      W５９０xD３８５xH５５５  ｍｍ
粉砕装置の仕様：
粗破砕  ：      マキノ式ハンマークラッシャーHC-400型粉砕機
微粉砕  ：      マキノ式DD-2型粉砕機
【００２６】
（成形体製造実施例）
竹粉末製造例で製造した竹粉末と、ポリプロピレン（日本ポリプロピレン株式会社製ノバテックPP FY-6）を、それぞれ竹粉末：ポリプロピレン＝50：50（重量比）で混合し、これを井本製作所製ベント付2軸混練押出機160B型（同方向回転２軸スクリュー、スクリュー直径：20ｍｍ、L/D：25、ベント口数：１）を用いて溶融混練し、コンポジット作製した。溶融混練条件は、ホッパー下温度60℃、バレル内温度180℃、ダイス温度１７５℃、スクリュー回転数２５ｒｐｍで行った。
ホッパーから投入された竹粉末とポリプロピレンとの溶融混練物は、約３分でダイスよりストランドとして押し出された。成形状況は良好であり、目詰まりなどは一切起こらなかった。製造されたストランドを液体窒素中で冷却した後、割って内部のセルロース繊維の配向状況を、偏光板を付けた光学顕微鏡を用いて観察した結果、セルロース繊維がストランドの流れ方向に配向している状況が確認された。
【００２７】
成形体の熱膨張係数を調べるため、ストランドを一定長さに切断し、これらを並べた状態で熱ブレス装置を用いて圧着して、熱膨張係数測定用のサンプルを作成した。熱ブレスによる圧着条件は、190℃で3分間予熱後、12 MPaの圧力で3分間圧着、その後、設定温度を50℃として温度が下がるまで約90分間かけて冷却して行った。熱膨張係数測定用サンプルは、８ｍｍ角の直方体試験片とした。作成した試験片は、島津製作所製熱機械分析装置TMA-60を用いて、昇温速度：1℃/minで３０〜９０℃の温度範囲で昇温に伴う熱膨張変化を測定した。測定は、セルロース繊維の配向方向（C軸）とそれに対して直角の方向（A軸およびB軸）の３方向で行った。得られた結果より、熱膨張係数の算出を行った。図１にTMAの測定結果より求めたA、B、およびC軸方向の熱膨張係数を示す。
これらの結果より、溶融流動に伴いセルロース繊維が配向したＣ軸方向の熱膨張係数が２４．３ｐｐｍ／℃であり、優れた低熱膨張性であることが明らかである。また、Ｃ軸方向に直交する方向のAおよびB軸方向の熱膨張係数はそれぞれ５４．３ｐｐｍ／℃と３６．７ｐｐｍ／℃であり、異方制御された成形体であることが明らかである。
【図１】
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