(57)【要約】本発明は、ケナフ(Hibiscus cannabinus)靭皮微繊維と、ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとの混合物を含み、上記微繊維を２０〜８０重量％含有している複合材料に関する。本発明によれば、ケナフ微繊維とポリプロピレン又はポリ乳酸のマトリックスとを含む、高強度で環境にやさしい自動車構成材のための複合材料を達成できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケナフ(Hibiscus cannabinus)靭皮微繊維と、ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとの混合物を含み、上記微繊維を２０〜８０重量％含有している複合材料。
【請求項２】
上記微繊維の径が１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
上記ポリマーがポリプロピレンを有する場合、上記混合物は無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）を更に含有することを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項４】
上記無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）の含有量が３〜１２．５重量％であることを特徴とする請求項３記載の複合材料。
【請求項５】
上記ポリマーがポリ乳酸を有する場合、上記混合物はトリアセチンを更に含有することを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項６】
上記トリアセチンの含有量が３〜９重量％であることを特徴とする請求項５記載の複合材料。
【請求項７】
密度が０．８〜１．４ｇ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項８】
ケナフ(Hibiscus cannabinus)靭皮微繊維と、ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとを含む複合材料の製造方法であって、
ａ）上記靭皮微繊維と上記ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとを、当該微繊維が２０〜８０重量％の量で混合する工程と、
ｂ）ステップａ）の結果として得られる産物を熱間圧縮する工程と、
ｃ）ステップｂ）の結果として得られる産物を冷間圧縮する工程と
を含む製造方法。
【請求項９】
上記微繊維の径が１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項８記載の製造方法。
【請求項１０】
上記ポリマーがポリプロピレンを有する場合、上記混合物は無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）を更に含有することを特徴とする請求項８記載の製造方法。
【請求項１１】
上記無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）の含有量が３〜１２．５重量％であることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
上記ポリマーがポリ乳酸を有する場合、上記混合物はトリアセチンを更に含有することを特徴とする請求項８記載の製造方法。
【請求項１３】
上記トリアセチンの含有量が３〜９重量％であることを特徴とする請求項１２記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車構成材に適用するコンポジット材及びこれを生産する方法に関する。特に、本発明は、ケナフ靭皮ミクロ繊維とポリプロピレン（ＰＰ）またはポリ乳酸（ＰＬＡ）とから構成される、高強度及び環境にやさしいコンポジット材に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンな開発計画による環境品質の改良は、世界中の大部分の国中の優先的な問題である。例えば、自動車産業において、ガラス繊維、炭素及びアラミド繊維のような環境を汚染する材料を利用することが徐々に削減され、「緑色の車（Green Car）」を作るために、代わりに天然繊維が利用される。例えば、欧州連合の使用済み自動車計画では、２０１５年に、すべての新車が９５％のリサイクル可能な材料を有するべきであると要求している（Marsh 2003）。したがって、天然繊維で補強される複合体は、重要な役割を演じ、この世紀における革命的な材料となる可能性がある（Marsh 2003）。合成繊維と比較して天然繊維を使用する幾つかの効果としては、更新可能であること、生物分解性があること、リサイクル可能であること、環境及び健康に非毒性であること、より軽い密度であること、より良好な機械的特性を示すこと、器具に対して非研磨性であること、及び低い価格であることが挙げられる（Zimmermann et al. 2004, Oksman et al. 2003, Wambua et al. 2003, Mohanty et al. 2002, Leao et al. 1998）。天然繊維を利用することで、４０％まで自動車重量を低減し、グラスファイバ（３０ＧＪ／トン）と比較して天然繊維製造に要するエネルギーを低減できる（４ＧＪ／トン）。また、グラスファイバの製造により毒性ガス（例えばＣＯ２、窒素酸化物、ＳＯｘ及びダスト）が放出される（Marsh 2003）。天然繊維複合体の利用によって多くの利点が得られるが、幾つかの欠点も認識される。天然繊維は親水性という性質をもち、疎水性である高分子マトリックスと組み合わせても、相溶性が低い。天然繊維は、繊維脆化を回避するため約２００℃程度といった低温での処理が必要となる(Nakagaito et al. 2005)。この欠点を克服するため、基質中にカップリング剤を添加したり、改良された処理方法を適用したりする。
【０００３】
十分な可能性がある天然繊維の一種としてケナフ（Hibiscus cannabinus）がある。ケナフは、高さが４〜５ｍに達し、茎計が４〜５ｃｍとなる一年草であり、成長速度が速い。ケナフは一年中植えることができ、そして、いかなる高所でも育つ、収穫時間は約１２０日間である。乾燥重量基準に、本幹上の靭皮繊維含有量は２１％から３６％の範囲である。ケナフ靭皮繊維の寸法は、長さ２〜３ｍｍおよび幅１５〜２５マイクロメートルである。
【０００４】
ケナフ靭皮繊維を化学内容は、以下の通りである：
セルロース（４４〜６２％）、ヘミセルロース（１４〜２０％）、リグニン（６〜９％）及びペクチン（４〜５％）。
【０００５】
ケナフ靭皮繊維を密度は１．４７ｇ／ｃｍ３であるが、引張り強度は４７９〜１６００ＭＰａであり、ヤング率は１８．２ＧＰａである。工業に使用される原料としてケナフには十分な可能性がある。これは、収量が1ｈａにつき約１．５〜５トン（乾燥繊維換算）であるからである。ケナフは、速い光合成速度を有することを意味する１日７〜８ｃｍの速さで生育し、大量の二酸化炭素を吸収できる。それ故、地球温暖化を低減するために植えることができる。
【０００６】
繊維サイズは、自動車構成材のための複合体を製造する際に非常に重要な因子となる。複合体の強度を向上させるため、ミクロ原線維セルロース（MFC）のような、より小さな繊維サイズが必要とされる。米国特許２００６０１４７６９５は、１００マイクロメートル〜２０ｍｍのケナフ繊維とポリ乳酸の高分子マトリックスとを含む、ケナフ繊維強化複合体を電気および電子設備製品に使用することを記載している。
【０００７】
米国特許第５９７３０３５号は、樹脂（例えば熱可塑性樹脂）と、少なくとも約２重量％（より好ましくは、少なくとも約５重量％）の織地化されたセルロース系繊維又はリグノセルロース系繊維とを含む複合体に特徴を有する発明を記述している。また、この発明は、ポリエチレンと少なくとも約５０重量％の織地化されたセルロース系繊維又はリグノセルロース系繊維とを含む複合体に特徴を有する。当該複合体は、少なくとも約３，０００ｐｓｉの曲げ強度又は少なくとも約３，０００ｐｓｉを引張り強度を有している。複合体を製造する方法は、セルロース系繊維又はリグノセルロース系繊維をせん断して、織地化されたセルロース系繊維又はリグノセルロース系繊維を形成する工程と、せん断された繊維に樹脂を組み合わせる工程とを含んでいる。この方法において、回転ナイフ・カッターで繊維をせん断することが好ましい。せん断することにより、内部の繊維が実質的に曝されることになる。せん断した後、織地化されたセルロース系繊維又はリグノセルロース系繊維の少なくとも約５０％（より好ましくは、少なくとも約７０％）は、長さ／直径（Ｌ／Ｄ）比率が少なくとも５、より好ましくは少なくとも２５又は少なくとも５０となる。
【０００８】
米国特許第４５５９３７６号は、セルロース原料又はリグノセルロース原料とプラスチックに基づく複合体の製造方法を記述する。この方法によれば、セルロース原料又はリグノセルロース原料は、複合化工程又は処理工程に先立って若しくはその最中に、加水分解前処理又は他の化学的分解処理に供される。これにより、セルロース原料又はリグノセルロース原料の粉砕及びプラスチックへの改善された分散を達成することができる。熱可塑性複合体は、加水分解前処理されたセルロース原料又はリグノセルロース原料を最大４０重量％含有する。マスターバッチ濃縮物は、加水分解前処理されたセルロース原料又はリグノセルロース原料を最大７０重量％含有するように製造される。
【０００９】
米国特許第６９３９９０３号は、以下の工程：a)反応性オルガノシランを有する天然繊維の大きさを設定する工程；b)ポリオレフィン系樹脂と大きさを設定された天然繊維を混合する工程；c)前記大きさを設定された天然繊維及びポリオレフィン系樹脂の混合物に官能化ポリオレフィン・カップリング剤を添加して、複合体材料を提供する工程を含む、複合体材料を準備する方法を記述している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５９７３０３５号
【特許文献２】米国特許第４５５９３７６号
【特許文献３】米国特許第６９３９９０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、ケナフ微繊維及びポリプロピレン又はポリ乳酸マトリックスを含み、高強度で環境にやさしい、自動車構成材のための複合材料を取得することを目的としている。当該目的は、請求の範囲に述べられた製品及び方法により達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ケナフ微繊維とポリプロピレン（ＰＰ）及び/又はポリ乳酸（ＰＬＡ）のポリマーとの混合物を含む、自動車構成材のための複合体製品に関する。
【００１３】
ケナフ繊維は、まず第１に、パルプに加工され、そして、石のグラインダを使用してフィブリル化した。ケナフ繊維は、１０〜５０μｍの直径サイズを有して、好ましくは、ポリマーに混合される。
【００１４】
ケナフ微繊維およびポリプロピレン（ＰＰ）の複合体は、例えば１７０〜１９０℃、５０〜７０ｒｐｍで１０〜３０分間、ミキサー（Ｌａｂｏ ｐｌａｓｔｏｍｉｌｌ）内で、顆粒のポリプロピレン（ＰＰ）と乾性パルプを混合することにより作られる。ケナフ微繊維の量は、４０〜８０重量％（複合体重量）とした。混合中、カップリング剤として無水マレイン酸ポリプロピレン（ＭＡＰＰ）を、例えば３〜１２．５重量％（複合体重量）添加することが好ましい。原料混合物は、Ｌａｂｏ ｐｌａｓｔｏｍｉｌｌから取り除かれ、テフロン製シートを有するプレート上に載置し、マット状とした。そして、その後、熱間圧縮加工に供した。熱間圧縮加工は、例えば１７０〜１９０℃で、例えば１ＭＰａの圧力で３０〜６０秒間で実行される。熱間圧縮加工の後、プレートは直ちに、例えば１ＭＰａの圧力で３〜７分間の冷間圧縮におかれる。その後、当該プレートよりボードが取り出される。
【００１５】
ケナフ微繊維とポリ乳酸（ＰＬＡ）との複合体ボードは以下のようになされる。まず第１に、ＰＬＡをジクロロメタン中に溶解し、室温で撹拌する。ウェットパルプを溶解したＰＬＡに投入し、ホモジナイズされるまで撹拌する。混合中、可塑剤としてトリアセチンを例えば３〜９重量％（複合体重量）で添加することが好ましい。ケナフ微繊維の量は、３０〜６０重量％（複合体重量）とすることが好ましい。混合物は、オーブンの中で、例えば６０〜１０５℃、１２〜３６時間で乾燥される。乾燥した混合物は、例えば１６０〜１８０℃、５０〜７０ｒｐｍで１０〜３０分間、ミキサー（Ｌａｂｏ ｐｌａｓｔｏｍｉｌｌ）内で更に処理される。混合物は、取り除かれ、テフロン製シートを有するプレート上に載置し、マット状とした。そして、その後、熱間圧縮加工に供した。熱間圧縮加工は、例えば１７０〜１９０℃で、例えば１ＭＰａの圧力で３０〜６０秒間で実行される。熱間圧縮加工の後、プレートは直ちに、例えば１ＭＰａの圧力で３〜７分間の冷間圧縮におかれる。その後、当該プレートよりボードが取り出される。
【発明の効果】
【００１６】
下記の図を使用して本発明を詳述した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に係る、ポリプロピレン（ＰＰ）とケナフ微繊維の複合体に関する調製法プロセスのフローチャートを示す。
【図２】図２は、本発明に係る、ポリ乳酸（ＰＬＡ）とケナフ微繊維の複合体に関する調製法プロセスのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず第１に、ケナフ繊維をパルプに加工し、そして、石のグラインダを使用してフィブリル化することで、好ましくは１０〜５０μｍのサイズを有するようにし、ポリマーに混合された。
【００１９】
図１に従って、ケナフ微繊維およびポリプロピレン（ＰＰ）の複合体は、例えば１７０〜１９０℃、５０〜７０ｒｐｍで１０〜３０分間、ミキサー（Ｌａｂｏ ｐｌａｓｔｏｍｉｌｌ）内で、顆粒のポリプロピレン（ＰＰ）と乾性パルプを混合することにより作られた。ケナフ微繊維の量は、４０、５０、６０、７０及び８０重量％（複合体重量）とした。混合中、カップリング剤として無水マレイン酸ポリプロピレン（ＭＡＰＰ）を、３、５、７．５、１０及び１２．５重量％（複合体重量）となるように添加した。原料混合物は、Ｌａｂｏ ｐｌａｓｔｏｍｉｌｌから取り除かれ、テフロン製シートを有するプレート上に載置し、マット状とした。そして、その後、熱間圧縮加工に供した。熱間圧縮加工は、１７０〜１９０℃で、１ＭＰａの圧力で３０〜６０秒間で実行した。熱間圧縮加工の後、プレートは直ちに、１ＭＰａの圧力で３〜７分間の冷間圧縮におかれた。その後、当該プレートよりボードが取り出された。
【００２０】
図２に従って、ケナフ微繊維とポリ乳酸（ＰＬＡ）との複合体ボードは以下のようになされる。まず第１に、ＰＬＡをジクロロメタン中に溶解し、室温で撹拌した。ウェットパルプと可塑剤としてのトリアセチンとを、溶解したＰＬＡに投入し、ホモジナイズされるまで撹拌した。ケナフ微繊維の量は、３０、４０、５０及び６０重量％（複合体重量）とした。添加されたトリアセチンの量は、３、５、７及び９重量％（複合体重量）とした。混合物は、オーブンの中で６０〜１０５℃、１２〜３６時間で乾燥された。乾燥した混合物は、１６０〜１８０℃、５０〜７０ｒｐｍで１０〜３０分間、ミキサー（Ｌａｂｏ ｐｌａｓｔｏｍｉｌｌ）内で更に処理された。混合物は、取り除かれ、テフロン製シートを有するプレート上に載置し、マット状とした。そして、その後、熱間圧縮加工に供した。熱間圧縮加工は、１７０〜１９０℃、１ＭＰａの圧力で３０〜６０秒間で実行された。熱間圧縮加工の後、プレートは直ちに、１ＭＰａの圧力で３〜７分間の冷間圧縮におかれた。その後、当該プレートよりボードが取り出された。
【００２１】
得られたボードを５０ｘ１５０ｍｍの供試片に加工した。供試片の両端を１００ｍｍの幅長を有するように自由に支持した。上記幅長の中心に５０ｍｍ／分で荷重をかけ、たわみ量を測定した。そして、それぞれの供試片につき、荷重-たわみ曲線が得られた。供試片が破壊される荷重の値を最大曲げ荷重（５０ｍｍ幅における）と定義した。曲げ弾性勾配は、荷重-たわみ曲線の荷重初期での線形領域における歪み量及び曲げ荷重から計算される、１ｃｍのたわみでの曲げ荷重として定義される。試験結果を表１〜４に示した。
【００２２】
【表１】
2011523430.tif 000002
【表２】
2011523430.tif 000003
【表３】
2011523430.tif 000004
【表４】
2011523430.tif 000005
【００２３】
上記の結果に基づいて、ケナフ微繊維及びＰＰの複合体は、５％のＭＡＰＰを添加した５０：５０の比率を有するものが好ましいといえる。一方、ケナフ微繊維及びＰＬＡの複合体は、７％のトリアセチンを添加した５０：５０の比率を有するものが好ましいといえる。
【図１】
2011523430.tif 000006
【図２】
2011523430.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月13日(2011.1.13)
【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】
ケナフ(Hibiscus cannabinus)靭皮微繊維と、ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとの混合物を含み、上記微繊維を２０〜８０重量％含有しており、上記微繊維の径が１０〜５０μｍである複合材料。
【請求項２】
上記ポリマーがポリプロピレンを有する場合、上記混合物は無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）を更に含有することを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
上記無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）の含有量が３〜１２．５重量％であることを特徴とする請求項２記載の複合材料。
【請求項４】
上記ポリマーがポリ乳酸を有する場合、上記混合物はトリアセチンを更に含有することを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項５】
上記トリアセチンの含有量が３〜９重量％であることを特徴とする請求項４記載の複合材料。
【請求項６】
密度が０．８〜１．４ｇ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項７】
ケナフ(Hibiscus cannabinus)靭皮微繊維と、ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとを含む複合材料の製造方法であって、
ａ）上記靭皮微繊維と上記ポリプロピレン及び/又はポリ乳酸のポリマーとを、当該微繊維が２０〜８０重量％の量で混合する工程であって、微繊維の径が１０〜５０μｍであり、
ｂ）ステップａ）の結果として得られる産物を熱間圧縮する工程と、
ｃ）ステップｂ）の結果として得られる産物を冷間圧縮する工程と
を含む製造方法。
【請求項８】
上記ポリマーがポリプロピレンを有する場合、上記混合物は無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）を更に含有することを特徴とする請求項７記載の製造方法。
【請求項９】
上記無水マレイン酸ポリプロピレン（MAPP）の含有量が３〜１２．５重量％であることを特徴とする請求項８記載の製造方法。
【請求項１０】
上記ポリマーがポリ乳酸を有する場合、上記混合物はトリアセチンを更に含有することを特徴とする請求項７記載の製造方法。
【請求項１１】
上記トリアセチンの含有量が３〜９重量％であることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【国際調査報告】
2011523430.tif 000008
2011523430.tif 000009
2011523430.tif 000010
2011523430.tif 000011