(57)【要約】【課題】強度、生産性に優れた新規で有用な植物繊維含有生分解性樹脂複合材料の製造方法の提供。【解決手段】平均繊維長が１０〜２０００μｍ、平均繊維径が５〜５００μｍである植物繊維と融点が植物繊維の分解開始温度＋３０℃以下である生分解性樹脂とを含有する生分解性樹脂複合材料の製造方法であって、植物繊維と生分解性樹脂とを、植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の温度範囲で溶融混練することを特徴とする生分解性樹脂複合材料の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均繊維長が１０〜２０００μｍ、平均繊維径が５〜５００μｍである植物繊維と融点が植物繊維の分解開始温度＋３０℃以下である生分解性樹脂とを含有する生分解性樹脂複合材料の製造方法であって、植物繊維と生分解性樹脂とを、植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の温度範囲で溶融混練することを特徴とする生分解性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項２】
植物繊維の含有量は、２０〜８０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の生分解性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項３】
植物繊維は、平均繊維直径が５〜５００μｍであり、平均繊維長が平均繊維直径の５〜１００倍であるケナフ繊維、ジュート、竹繊維、または葦繊維のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の生分解性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項４】
植物繊維の揮発成分量は、１０重量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の生分解性樹脂複合材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の生分解性樹脂複合材料の製造方法で得られる生分解性樹脂複合材料の成形方法において、該生分解性樹脂複合材料の揮発成分量を１０重量％以下にし、溶融成形時の最大温度を植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の範囲にすることを特徴とする生分解性樹脂複合材料の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生分解性樹脂複合材料の製造方法および生分解性樹脂複合材料の成形方法に関し、特に、植物繊維を含有し、強度、生産性に優れる生分解性樹脂複合材料の製造方法および生分解性樹脂複合材料の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、持続可能な循環型社会を目指して植物由来プラスチックスや生分解性プラスチックスと植物繊維との複合材料の利用が射出成形品、プレス成型品、シート成型品、押出成型品等の様々な分野に利用されようとしている。
例えば、生分解性樹脂と竹繊維の生分解性複合材料が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この複合材料は、植物繊維として強度の強い竹繊維を用い、直径７〜１５μｍの竹繊維もしくは繊維束で、その長さを繊維もしくは繊維束直径の１００倍以上に規定し、生分解性樹脂として脂肪族ポリエステルを規定することで十分高い性能を出すことができるとされている。しかしながら、すべての脂肪族ポリエステルに適応できず、また成型条件により植物繊維が分解し、安定的に十分な性能を引き出すことが困難である。
また、植物繊維とポリ乳酸との射出成形体が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この技術においては、植物繊維とポリ乳酸を１５０〜２００℃の雰囲気下で混合することを規定して射出成形している。しかしながら、この方法では十分強度のある成型物を得ることは難しく、製造条件の特定無しではかえって植物繊維が分解し、補強材の効果としては利用できないという問題があった。
【特許文献１】特開２０００−１６００３４号公報
【特許文献２】特開２００２−６９３０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記の植物繊維含有生分解性樹脂複合材料の問題を解決し、強度、生産性に優れた生分解性樹脂複合材料の製造方法および得られた生分解性樹脂複合材料の成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、上記課題を解決すべく、かねてより植物繊維と生分解性樹脂の物理的性質や製造条件について研究を行っていたところ、植物繊維はその形状や成型条件により、機械的強度が大きく低下することがあり、設計上の品質を確保することができず、汎用プラスチックと比較しても十分高い性能を出すことができないことがわかり、これらを解決する方法として、特定の繊維長、平均繊維径を有する植物繊維を生分解性樹脂に混合する際に植物繊維の分解開始温度と生分解性樹脂の融点を特定の範囲にあるようにすることにより機械的強度の低下がない複合材料が得られることを見出し本発明を完成させた。
【０００５】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、平均繊維長が１０〜２０００μｍ、平均繊維径が５〜５００μｍである植物繊維と融点が植物繊維の分解開始温度＋３０℃以下である生分解性樹脂とを含有する生分解性樹脂複合材料の製造方法であって、植物繊維と生分解性樹脂とを、植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の温度範囲で溶融混練することを特徴とする生分解性樹脂複合材料の製造方法が提供される。
【０００６】
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、植物繊維の含有量は、２０〜８０重量％であることを特徴とする生分解性樹脂複合材料の製造方法が提供される。
【０００７】
また、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明において、植物繊維は、平均繊維直径が５〜５００μｍであり、平均繊維長が平均繊維直径の５〜１００倍であるケナフ繊維、ジュート、竹繊維、または葦繊維のいずれかであることを特徴とする生分解性樹脂複合材料の製造方法が提供される。
【０００８】
また、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明において、植物繊維の揮発成分量は、１０重量％以下であることを特徴とする生分解性樹脂複合材料の製造方法が提供される。
【０００９】
また、本発明の第５の発明によれば、第１〜４のいずれかの発明で得られる生分解性樹脂複合材料の成形方法において、該生分解性樹脂複合材料の揮発成分量を１０重量％以下にし、溶融成形時の最大温度を植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の範囲にすることを特徴とする生分解性樹脂複合材料の成形方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の生分解性樹脂複合材料は、強度、生産性に優れた新規で有用な生分解性樹脂複合材料である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明で得られる生分解性樹脂複合材料は、植物繊維と生分解性樹脂の溶融混合物であり、その構成材料、溶融混合方法について以下に説明する。
【００１２】
１．構成材料
（１）植物繊維
本発明の製造方法により得られる生分解性樹脂複合材料で用いる植物繊維は、特に限定されず、どのようなものでも良く、例えば、ケナフ繊維、ジュート、葦繊維、稲わら、竹繊維、バガス、シサル麻、マニラ麻、亜麻、ラミー、笹繊維、バナナの茎、椰子の果実皮等を挙げることができる。これらの中では、ケナフ繊維、ジュート、ラミー、亜麻、等の麻類、葦繊維、竹繊維が好ましい。
植物繊維の平均繊維長は、１０〜２０００μｍであり、好ましくは５０〜１０００μｍである。また、平均繊維径は、５〜５００μｍであり、好ましくは１０〜１００μｍである。
植物繊維の平均繊維長が１０μｍ未満であると破壊された繊維となっており、繊維本来の強度、弾性率を十分反映することができず、２０００μｍを超えると植物繊維と生分解性樹脂の溶融混練による複合材料の作成中に、植物繊維同士が絡み合い分散性不良となり、強度のバラツキが大きくなる。また、平均繊維径が５μｍ未満の場合はもはや植物繊維本来の繊維形状が残ったものとなっておらず複合材の曲げ強度が低下し、５００μｍを超えると強度、弾性率アップの効果が含有重量に対してさほど上がらない。
【００１３】
なお、植物繊維の平均繊維長や平均繊維径は、植物繊維の種類やその繊維化の方法で異なるが、平均繊維長は、平均繊維直径の５〜１００倍であると強度が高くなり、好ましい。平均繊維長が平均繊維径の５倍未満であると、繊維補強としての弾性率アップの効果が少なく、１００倍を超えると、生分解性樹脂と植物繊維を混合する時の分散性や繊維のフィード性が悪く、一定の品質を作り込むのが困難である。
【００１４】
（２）生分解性樹脂
本発明で用いる生分解性樹脂は、特に限定されず、どのようなものでも良く、例えば、グリコールと脂肪族ジカルボン酸との重縮合などにより得られるポリエチレンサクシネ−ト、ポリブチレンサクシネ−ト、ポリヘキサメチレンサクシネ−ト、ポリエチレンアジペ−ト、ポリヘキサメチレンアジペ−ト、ポリブチレンアジペ−ト、ポリエチレンオキザレ−ト、ポリブチレンオキザレ−ト、ポリネオペンチルオキザレ−ト、ポリエチレンセバケ−ト、ポリブチレンセバケ−ト、ポリヘキサメチレンセバケ−ト、ポリブチレンサクシネートアジペート、ポリブチレンサクシネートカーボネート等の脂肪族ポリエステル系樹脂などが挙げられる。また、ポリグリコ−ル酸やポリ乳酸などのようなポリ（α−ヒドロキシ酸）またはこれらの共重合体、ポリ（ε−カプロラクトン）やポリ（β−プロピオラクトン）のようなポリ（ω−ヒドロキシアルカノエ−ト）、ポリ（３−ヒドロキシブチレ−ト）、ポリ（３−ヒドロキシバリレ−ト）、ポリ（３−ヒドロキシカプロレ−ト）、ポリ（３−ヒドロキシヘプタノエ−ト）、ポリ（３−ヒドロキシオクタノエ−ト）のようなポリ（β−ヒドロキシアルカノエ−ト）とポリ（４−ヒドロキシブチレ−ト）などの脂肪族ポリエステルを用いることも可能である。さらに、セルロース系としては酢酸セルロース、澱粉脂肪酸エステル、澱粉／ポリカプロラクトン、澱粉／ポリブチレンアジペートテレフタレート等があげられる。これらは２種類あるいはそれ以上を混合して用いても良い。
【００１５】
本発明で得られる生分解性樹脂複合材料においては、上記の植物繊維により使用する生分解性樹脂の種類が制限される。すなわち、生分解性樹脂の融点は、混合する植物繊維の分解開始温度＋３０℃以下であり、好ましくは植物繊維の分解開始温度−５０℃〜分解開始温度＋２５℃である。
生分解性樹脂の融点が植物繊維の分解開始温度＋３０℃を超えると、生分解性樹脂と植物繊維とを溶融混合する際に植物繊維が熱により大きく分解し、植物繊維の強度を大きく低下させ、得られた生分解性樹脂複合材料の強度が低下する。例えば、植物繊維として、竹繊維を用いると、竹繊維の分解開始温度は１６１℃であるので、生分解性樹脂の融点は１９１℃以下である必要がある。
ここで、植物繊維の分解開始温度及び生分解性樹脂の融点は、以下の方法で規定した温度である。
分解開始温度：Ｓｅｉｋｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＴＧ／ＤＴＡ３２０により窒素フロー中で、昇速温度１０℃／ｍｉｎで加熱したときの加熱減量を測定し、１００℃以上で第１の変曲温度の開始温度を分解開始温度とした。例えば、竹繊維の場合は、図１に示すとおり、分解開始温度は１６１℃となる。
融点：樹脂の融点はＳｅｉｋｏ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の示差熱分析装置ＤＳＣ２２０により、昇速温度１０℃／ｍｉｎ、窒素雰囲気下で最大吸熱ピークの温度より求める。
【００１６】
（３）配合割合
生分解性樹脂複合材料中における植物繊維と生分解性樹脂の配合割合は、植物繊維が好ましくは２０〜８０重量％、より好ましくは２５〜７０重量％であり、生分解性樹脂が好ましくは８０〜２０重量％、より好ましくは７５〜３０重量％である。植物繊維の含量が２０重量％未満（生分解性樹脂の含有量が８０重量％を超える）であると植物繊維による補強効果は発現せず、８０重量％を超えると（生分解性樹脂の含有量が２０重量％未満）植物繊維と生分解性樹脂の分散が不良で、密着不良が生じる。
【００１７】
２．生分解性樹脂複合材料の製造
本発明の生分解性樹脂複合材料は、上記植物繊維と生分解性樹脂複合材料を溶融混練して製造する。
植物繊維と生分解性樹脂とを溶融混練する温度は、植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の範囲であり、好ましくは植物繊維の分解開始温度の−１５〜＋２５℃である。溶融混練温度が植物繊維の分解開始温度の−２５℃未満であると、植物繊維は生分解性樹脂中に均一に分散されるが、生分解性樹脂と植物繊維の密着性が悪く、強度がやや低い。また、溶融混練温度が植物繊維の分解開始温度の＋３０℃を超えると、植物繊維と生分解性樹脂の密着性は良いが、植物繊維が分解し、植物繊維の強度が繊維補強材として寄与しない。また、本発明の生分解性樹脂複合材料からの成形体の成形においても、溶融成形時の最大温度は、植物繊維の分解開始温度の−２５〜＋３０℃の範囲であることが好ましい。
【００１８】
また、植物繊維と生分解性樹脂との溶融混練に際しては、植物繊維の揮発に起因する揮発成分量が１３０℃において１０重量％以下となるように予め調整しておくのが好ましく、より好ましくは３重量％以下となるように調整しておく。植物繊維の揮発成分量が１０重量％を超えると、植物繊維の分解が大きく進み、強度低下がおこりやすい。
ここで、揮発成分は、赤外加熱式揮発分測定装置（Ｋｅｔｔ社製）により１３０℃で１０分間、加熱後の重量減少より重量％として求める値である。
【００１９】
３．生分解性樹脂複合材料の用途
上記のようにして得られた本発明の生分解性樹脂複合材料は、十分な強度を示すとともに植物繊維／生分解性樹脂として環境に負荷を与えることが少ないので、様々な成型品として好適に使用できる。特に強度を必要とする構造部材、建築材料はもちろんのこと、建具材料、建設仮設材、看板、ディスプレー用台板、家電製品筐体などに好適である。
【実施例】
【００２０】
以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。なお、実施例で実施した評価方法は以下の通りである。
（１）曲げ弾性率：ＪＩＳ  Ｋ−７０５５−１９９５に準拠して測定した。
（２）曲げ強度：ＪＩＳ  Ｋ−７０５５−１９９５に準拠して測定した。
【００２１】
（実施例１）
生分解性樹脂として、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）（三菱化学社製Ｇｓｐｌａ、融点：１１５℃）を用い、植物繊維として、竹繊維（末広産業社製、平均繊維径：７０μｍ、平均繊維長：５００μｍ、分解開始温度：１６１℃、揮発成分：４．５重量％）を用いた。竹繊維と生分解性樹脂を竹繊維の含有量が２０重量％となるように２軸押出機（ＴＥＸ３３日本製鋼所）により１３０℃で、滞留時間３分間となるように混合押出し、生分解性樹脂複合体のペレットを作成した。次に、得られたペレットの揮発成分量を１．５重量％以下として、射出温度１５０℃で厚みが２ｍｍのダンベル試験片を射出成形した。得られた試験片の曲げ強度と弾性率を測定した。その結果を表１に示す。
なお、揮発分の調整は、ペレットをホッパードライヤー（温風乾燥機）に入れ６０℃に設定して６時間乾燥して行った。
【００２２】
（実施例２）
押出機での最高温度を１８０℃に設定した以外は実施例１と同様の方法で竹繊維とＰＢＳを混合し、ペレットを作成した後試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２３】
（実施例３）
生分解性樹脂としてポリ乳酸（三井化学社製Ｈ−１００、融点：１６３℃）を用い、押出機での最高温度を１８０℃とした以外は実施例１と同様にして試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２４】
（実施例４）
植物繊維として葦繊維（平均繊維径：９９μｍ、平均繊維長：１０６０μｍ、分解開始温度：１２７℃、揮発成分：５．３重量％）を用い、押出機での最高温度を１５０℃とした以外は実施例１と同様にして試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２５】
（比較例１）
押出機での最高温度を１３０℃に設定した以外は実施例１と同様の方法で竹繊維とＰＢＳを混合し、ペレットを作成した後試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２６】
（比較例２）
押出機での最高温度を２１０℃に設定した以外は実施例１と同様の方法で竹繊維とＰＢＳを混合し、ペレットを作成した後試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２７】
（比較例３）
押出機での最高温度を２２０℃に設定した以外は実施例３と同様の方法で竹繊維とＰＢＳを混合し、ペレットを作成した後試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２８】
（比較例４）
押出機での最高温度を１８０℃に設定した以外は実施例４と同様の方法で竹繊維とＰＢＳを混合し、ペレットを作成した後試験片を作成し、物性を測定した。その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１から明らかなように、本発明の生分解性樹脂複合材料は、優れた強度を有する材料であった（実施例１〜４）。一方、植物繊維と生分解性樹脂との溶融混練温度が植物繊維の分解開始温度よりも３０℃以上高い場合、また、分解開始温度よりも１０℃以上低い場合は複合材料の曲げ弾性率および強度が低下した（比較例１〜４）。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明による生分解性複合材料は、その最適な形成と溶融混練温度により植物繊維のもつ本来の強い強度を確保し、強度を必要とする成型品等に有効に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】竹繊維の分解開始温度の測定例の結果を示す図である。
【図１】
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