(57)【要約】【課題】木粉などの植物材料を含む成型加工用組成物を調製するにあたり、効率的に水分を除去することにより生産性を高めた方法を提供する。【解決手段】植物材料を含む成型加工用組成物を調製する方法であって、(a)植物材料と高吸水性樹脂とを含む組成物を調製し、植物材料に含まれる水分を高吸水性樹脂に吸収させる工程、及び(b)水分を吸収した高吸水性樹脂を陽イオンで処理して高吸水性樹脂の吸水性を実質的に低下させ、遊離した水分を加熱により蒸発させる工程を含む方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物材料を含む成型加工用組成物を調製する方法であって、(a)植物材料と高吸水性樹脂とを含む組成物を調製し、植物材料に含まれる水分を高吸水性樹脂に吸収させる工程、及び(b)水分を吸収した高吸水性樹脂を陽イオンで処理して高吸水性樹脂の吸水性を実質的に低下させ、遊離した水分を加熱により蒸発させる工程を含む方法。
【請求項２】
高吸水性樹脂を植物材料に対して0.01〜0.2重量％の範囲で添加する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程(a)を攪拌下に80〜120℃の範囲で行う請求項1又は2に記載の方法。
【請求項４】
工程(b)を沸点が220℃以上の有機化合物の存在下で行う請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。
【請求項５】
工程(b)を攪拌下に130〜180℃の範囲で行う請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。
【請求項６】
工程(b)により得られる成型加工用組成物に含まれる植物材料の水分が3重量％以下である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
【請求項７】
請求項1ないし6のいずれかの方法により得ることができる植物材料を含む成型加工用組成物。
【請求項８】
さらに熱可塑性樹脂を含む請求項7に記載の成型加工用組成物。
【請求項９】
請求項8に記載の成型加工用組成物を成型して得ることができる成型品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は木粉などの植物材料を含む成型加工用組成物の調製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
植物材料として木粉を用いた合成木材が古くから多用されている。合成木材は、一般的には木粉と熱可塑性樹脂とを含む組成物を調製した後に成型加工により製造されている。例えば、特許第5389286号には植物粉の表面をワックスなどで被覆した木質粉と汎用樹脂とを混合した混合物を押し出し機でペレット化して成型品を製造する方法が開示されている。
【０００３】
木粉などの植物材料には水分が約10〜85重量％程度含まれていることから、成型加工にあたり植物材料に含まれる水分を充分に除去する必要がある。水分の除去が不十分だと熱可塑性樹脂との組成物の調製が困難になる場合があり、また成型加工の際に水分が水蒸気となって揮発して組成物中に気泡を形成することがあり、成型品の性能を大幅に低下させてしまう。
【０００４】
一般的には木粉などの植物材料の水分を約3重量％以下まで除去した状態としてから熱可塑性樹脂と混合し、その後に組成物の成型加工を行うが、乾燥機を用いて植物材料の水分を約3重量％まで除去するには長時間(例えば3〜10時間程度)を要することから、生産性が低いという問題がある。また、乾燥により脱水した木粉などの植物材料を熱可塑性樹脂と混合した組成物を用いて成型加工により合成木材を製造すると、得られた合成木材の吸水率及び線膨張係数が大きく、寸法の増大など成型品の3次元的な形状安定性に劣るという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第5389286号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、木粉などの植物材料を含む成型加工用組成物を調製するにあたり、効率的に水分を除去することにより生産性を高めた方法を提供することにある。
また、成型加工後に吸水率及び線膨張係数が改善された成型品を与える成型加工用組成物を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意研究を行ったところ、木粉などの植物材料に高吸水性樹脂を接触させて植物材料の水分を高吸水性樹脂に吸収させ、高吸水性樹脂をアルカリ金属で処理して吸水性を実質的に失活させてから加熱により水分を蒸発させると、極めて短時間に植物材料中の水分をほぼ完全に除去することができ、乾燥状態の組成物を得ることができること、及びそのようにして得られた組成物に熱可塑性樹脂を混合して成型を行うと、成型品の吸水性及び線膨張係数を大幅に改善できることを見出した。本発明はこれらの知見を基にして完成されたものである。
【０００８】
すなわち、本発明により、植物材料を含む成型加工用組成物を調製する方法であって、(a)植物材料と高吸水性樹脂とを含む組成物を調製し、植物材料に含まれる水分を高吸水性樹脂に吸収させる工程、及び(b)水分を吸収した高吸水性樹脂を陽イオンで処理して高吸水性樹脂の吸水性を実質的に低下させ、遊離した水分を加熱により蒸発させる工程を含む方法。
【０００９】
別の観点からは、上記方法により得ることができる植物材料を含む成型加工用組成物が本発明により提供される。
また、さらに熱可塑性樹脂を含む上記の成型加工用組成物、及びこの成型加工用組成物を成型して得ることができる成型品も本発明により提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法によれば、植物材料中の水分をほぼ完全に除去した状態の成型加工用組成物を極めて短時間に得ることができるので生産性を高めることができる。また、得られた成型加工用組成物を用いて成型を行うと、得られた成型品の吸水性及び線膨張係数を大幅に改善することができるので、吸水による寸法の変化がほとんどない優れた形状安定性を有する成型品を製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の方法は、植物材料を含む成型加工用組成物を調製する方法であって、(a)植物材料と高吸水性樹脂とを含む組成物を調製し、植物材料に含まれる水分を高吸水性樹脂に吸収させる工程、及び(b)水分を吸収した高吸水性樹脂を陽イオンで処理して高吸水性樹脂の吸水性を実質的に低下させ、遊離した水分を加熱により蒸発させる工程を含むことを特徴としている。
【００１２】
植物材料の種類は特に限定されず、植物由来の幹、枝、葉、種子、花、又は根などのいずれであってもよい。一般的には、例えば針葉樹や広葉樹などの樹木由来の植物材料、例えば木材や枝部などを使用することができる。例えば、樹木由来の木粉や樹木粉砕物を好ましく使用することができ、より好ましくは木粉、MDF(中密度繊維板)粉砕品、ハードボード粉砕品、インシュレーションボード粉砕品、パーティクルボード粉砕品、若しくは配向性ストランドボード粉砕品、又は紙粉、竹粉、若しくは籾殻粉砕品などを用いることができるが、これらに限定されることはない。樹木由来の植物材料では、一般的には含水率が約10〜18重量％程度である。また、烏龍茶、緑茶、又は紅茶等の茶殻、あるいはコ-ヒ-の抽出残渣などを植物材料として用いてもよい。これらの含水率は通常約40重量％以上である。植物材料は2種以上の材料を混合したものであってもよい。
【００１３】
植物材料を粉砕又は粉化する場合には、例えば、粒径を300μm以下、好ましくは180μm以下とすることができる。一般的に粒径300μm以下になるように調製された粉体や粉砕物を原料として用いることができるが、例えば、工程(a)において高吸水性樹脂との混合物を調製する際に、バンバリーミキサーや高速回転ミキサーなどでの撹拌処理中に300μm以下に粉砕されるものを植物材料として使用することもできる。植物材料の粒径が300μmを超えると、得られた成型品の表面に植物系材料の痕跡が目視で判別できるようになり、成型品の外観を損ねる場合がある。
【００１４】
高吸水性樹脂(super absorbent polymer:SAP)としては、例えば、自重の数百倍から数千倍の水を吸収及び保持することができ、かつアルカリ金属イオンなどの陽イオンの存在下で吸水性が実質的に低減する性質を有するものをであれば特に限定されずに任意のものを使用することができる。例えば、ポリアクリル酸塩系、ポリスルホン酸塩系、無水マレイン酸塩系、ポリアクリルアミド系、ポリビニ-ルアルコ-ル系、ポリエチレンオキサイド系の高吸水性樹脂が知られており、紙おむつや生理用品などに多用されているが、本発明ではこれらの何れも使用することができる。これらの高吸収性樹脂は2種以上組み合わせて使用してもよい。高吸水性樹脂の吸水能力は自重に対して約500倍以上の水を吸収及び保持できるものが好ましい。
【００１５】
植物材料と高吸水性樹脂との組成物の調製は、例えば、水分を含有する木粉などの植物材料に対して高吸水性樹脂を添加して混合することにより行うことができる。高吸水性樹脂の添加量は植物材料が含有する水分に応じて適宜選択することが可能であるが、一般的には次式：高吸水性樹脂の添加％＝植物材料の量×植物材料の含有水分％／500〜1000で算出することもができる。高吸水性樹脂の添加量は、一般的には0.01〜0.2重量％の範囲から選択できるが、0.01重量％未満だと植物材料中の水分を十分に吸収できない場合があり、0.2重量％を超えると吸水せずに残留する高吸水性樹脂の量が多くなり、成型品の性能が低下する場合がある。
【００１６】
高吸水性樹脂は植物材料に含まれる水分を短時間で吸収してゲル化するが、植物材料中の水分を短時間で低減させるためにこの工程は加温下で撹拌しながら行うことが好ましい。例えば、高吸水性樹脂に植物材料中の水分を速やかに吸収させるために、植物材料と高吸水性樹脂との混合物を80〜120℃に加温した高速回転ミキサーで混合することが望ましい。この操作により、植物材料が含有する水分が熱で分離し易くなり、同時に植物材料と高吸水性樹脂との接触機会が高まることで、植物材料から分離された水分と植物材料の表面に付着している水分を速やかに高吸水性樹脂で吸収することができる。高速回転ミキサーの温度が80℃未満だと植物材料からの水分の分離速度が遅くなり、高吸水性樹脂が水分を吸収する時間が長くなる場合がある。一方、120℃を超えると植物材料に焼けが発生する場合がある。工程(a)は、植物材料の含有水分が少ない場合は通常5〜15分間程度、水分含量が約50重量％以上の場合の処理時間は20〜25分間程度である。
【００１７】
工程(b)は上記混合物中の水を吸収した高吸水性樹脂の吸水性を低下させて水分を遊離させ、遊離した水分を加熱により蒸発させる工程である。より具体的には、この工程は、工程(a)で得られた組成物中に含まれる水分吸収後の高吸水性樹脂にアルカリ金属イオンなどの陽イオンを接触させることにより高吸水性樹脂の吸水性を実質的に低下させ、高吸水性樹脂から遊離してきた水分を加熱により蒸発させて、乾燥状態の植物材料を含む組成物を調製する工程である。
【００１８】
陽イオンによる処理は、一般的にはアルカリ金属イオンなどの陽イオンを含む無機化合物を工程(a)で得られた混合物に添加して混合することにより行われるが、高吸水性樹脂の吸水性が実質的に低下することにより高吸水性樹脂から遊離してきた水が植物材料に再吸収されないように、この工程は130〜180℃程度に加温した高速回転ミキサーを用いて攪拌混合しながら行うことが好ましい。植物材料から高吸水性樹脂に移動した水分は、高吸水性樹脂を陽イオン処理することで高吸水性樹脂から遊離してくるが、この水分は加熱により直ちに蒸発し、水蒸気となって系外に速やかに放出される。高吸水性樹脂の吸水性は陽イオンによる処理で実質的に低下するが、130〜180℃に加熱されることで分解及び変質して吸水性が低下するので、工程(a)における温度の上限を120℃とし、工程(b)における温度の下限を130℃とすることが好ましい。
【００１９】
アルカリ金属イオンなどの陽イオンの添加量は特に限定されないが、一般的には、陽イオンを含む無機化合物の添加量を高吸水性樹脂に対して例えば2〜5重量％程度とすることができる。2重量％未満だと高吸水性樹脂の吸水性を十分に低下させることができない場合があり、一方、5重量％を超えても高吸水性樹脂の吸水性をさらに低下させることができないので過剰の添加量となる場合がある。陽イオンを含む無機化合物としては、例えばアルカリ金属イオンを含む無機化合物を好ましく使用することができる。アルカリ金属イオンを含む無機化合物としては、例えば、塩化カリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、硫酸カリウム、臭化カリウム、硝酸カリウム、塩化ナトリウム、炭酸二ナトリウム(ソーダ灰)、臭化ナトリウム、塩化セシウム、又は硝酸リチウムなどを例示することができるが、これらに限定されるものではない。これらの無機化合物を2種以上組み合わせて使用することもできる。
【００２０】
植物材料、高吸水性樹脂、及び陽イオンを含む混合物を130〜180℃に加温された高速回転ミキサーで混合処理する際に植物材料が焼けて炭化する場合があるが、植物材料の炭  化を防止するために、常圧での沸点が220℃以上の有機化合物を添加することが好ましい場合がある。このような有機化合物としては、混合に際しての便宜などの観点から常温で液体の有機化合物が好ましいが、例えば、トリデカン、ｎ-テトラデカン、ｎ-デシルアルコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、オクタンジオール、グリセリン、カプリル酸、オレイン酸、アマニ油、ヒマシ油、又は流動パラフィン等を例示することができ、これらを2種以上組み合わせて用いてもよい。沸点が220℃未満の有機化合物を用いても炭化防止効果を達成できるが、火災発生の危険性が高まるので好ましくない場合がある。沸点が220℃以上の有機化合物の添加量は特に限定されないが、組成物全体に対して1〜4重量％程度とすることができる。1重量％未満だと植物材料に対して十分な炭化防止効果が得られない場合があり、一方、4重量％を超えても植物材料の炭化防止効果がそれ以上改善されない場合がある。
【００２１】
工程(b)の処理時間は原料となる植物材料の水分含量や使用する高吸水性ポリマーの種類などに応じて異なるが、水分含量が少ない場合は15〜25分間程度、水分含量が約50重量％以上である場合は35〜40分間程度である。もっとも、この処理時間は処理条件に応じて適宜選択できることは言うまでもない。なお、工程(b)の処理中には高速回転ミキサー上部から大量の水蒸気が発生するので、この水蒸気を強制的に吸引して屋外などに排出させる設備の設置が望ましい。なお、工程(b)により得られる成型加工用組成物に含まれる植物材料の水分が3重量％以下であることが好ましい。
【００２２】
このようにして得られた乾燥状態の植物材料を含む組成物に対して熱可塑性樹脂を添加・混合して成型工程に供することができる。一般的には、工程(b)で得られた組成物に対して、熱可塑性樹脂を30〜75重量％の割合で添加・混合することができる。熱可塑性樹脂とともに相溶化剤を0.3〜3.0重量％、酸化防止剤を0.03〜0.2重量％、及び/又は滑剤を0.2〜3重量％程度の割合で配合することもできる。このようにして得た組成物を公知の方法で粒状化し、吸水率の低減及び線膨張係数を改善した成型加工用組成物を調製することができる。
【００２３】
熱可塑性樹脂の種類は特に限定されないが、例えば、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレ-ト、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン、ポリ乳酸、容リ樹脂等を例示することができ、2種以上を組み合わせて用いてもよい。熱可塑性樹脂として再生品も使用できる。熱可塑性樹脂の添加量は工程(b)で得られる組成物の種類や成型品の種類及び目的などに応じて適宜選択することができるが、例えば30重量％〜75重量％程度の範囲から選択することができる。30重量％未満だと成型品の木質感を確保できない場合があり、75重量％を超えると成型品の強度などが損なわれる場合がある。
【００２４】
相溶化剤としては、ポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂を無水マレイン酸で変性したものが一般的であり、本発明でもこれらを使用することができる。相溶化剤は植物材料と熱可塑性樹脂とを化学結合(カップリング)させて成型加工用組成物の特性を改善させる効果がある。相溶化剤の添加量は工程(b)で得られる組成物の種類や成型品の種類及び目的などに応じて適宜選択することができるが、例えば0.3〜3重量％の範囲から選択することができる。0.3重量％未満の添加量では成型加工用組成物の特性を充分に改善できない場合があり、一方、3重量％を超えて添加しても成型加工用組成物の特性をさらに改善できない場合がある。
【００２５】
酸化防止剤としては、ペンタエリトリトールテトラキス[3-(3,5-ジ-tert-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオナート]などのヒンダードフェノ-ル系、トリス(２、４-ジ-ｔ-ブチルフェニル)フォスフォイトなどのリン系が代表的であるが、ヒドロキシルアミン系やイ  オウ系などの酸化防止剤も知られている。酸化防止剤の種類は特に限定されず、2種以上を組み合わせて使用することもできる。酸化防止剤の添加量は工程(b)で得られる組成物の種類や成型品の種類及び目的などに応じて適宜選択することができるが、一般的には0.03〜0.2重量％程度の範囲から選択することができる。添加量が0.03重量％未満だと粒状化の際に加熱した熱や酸化で熱可塑性樹脂の熱劣化や酸化劣化が進んで成型品が脆くなり、必要な強度が確保できなくなる場合があり、一方、0.2重量％を超えても熱劣化や酸化劣化の防止効果がそれ以上改善されなくなる場合がある。
【００２６】
滑材としては、ステアリン酸カルシウムなどの金属石鹸系、オレイン酸アミドなどの脂肪酸アミド系、マイクロクリスタリンワックスなどの脂肪族炭化水素系などが知られており、本発明でもこれらを使用することができる。2種以上を組み合わせて使用してもよい。滑材の添加量は工程(b)で得られる組成物の種類や成型品の種類及び目的などに応じて適宜選択することができるが、一般的には0.2〜3重量％程度の範囲から選択することができる。添加量が0.2重量％未満だと植物材料の分散性が悪くなり、成型品の強度確保が難しくなる場合があり、一方、3重量％を超えても分散性がそれ以上改善しなくなる場合がある。
【００２７】
成型加工用組成物には、一般に使用されている可塑剤、EPRなどの合成エラストマー、耐候剤、帯電防止剤、顔料、タルクや炭酸カルシウム等の無機系の充填材、難燃剤、抗菌剤、殺鼠剤、防腐剤、香料などを適宜添加することができる。
【００２８】
成型加工用組成物を粒状化する方法は特に限定されないが、脱気口(通常ベントと呼称される)を有した単軸又は二軸の押出機で溶融・混練した組成物をノズルから押出してカットしてペレットを得る方法が一般的であり、本発明においてもこの方法を採用して粒状の組成物を調製することができる。
【００２９】
本発明の成型加工用組成物は、例えば、射出成型、異形押出成型、シート成型などの成型加工により成型品にすることができる。本発明の成型加工用組成物を用いて調製した成型品では吸水率や線膨張係数が改善しており、成型品の寸法など形状安定性に優れるという特徴がある。いかなる特定の理論に拘泥するわけではないが、工程(a)及び工程(b)の処理で高吸水性樹脂の一部が加温処理により植物材料の内部に浸潤し、浸潤した状態で吸水性を失うとともに変質することにより植物材料の形状を安定化させるものと考えられる。また、押出機による高温押出しにより高吸水性樹脂の変質がさらに進み、植物材料中に十分に取り込まれることによって、多孔質な植物材料の空隙が埋まり、植物材料の形状が安定化するものと考えられる。空隙が埋まった植物材料は緻密になることによって線膨張係数が改善され、植物材料が本来持っている空隙率が小さくなることで吸水能力も低下するものと考えられる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明の範囲は下記の実施例に限定されることはない。
実施例1
植物材料として粒径が150μmで水分含有量が13％の木粉、水分含有量が51重量％のコ-ヒ-の抽出残、水分含有量が79重量％の烏龍茶の抽出残を使用し、これに高吸水性樹脂(SAP)として株式会社日本触媒のポリアクリル酸ナトリウム塩系のアクアリックH-1Hを0.02〜0.12重量％添加し、105〜110℃に加熱した株式会社シーティーイーの高速回転ミキサ-CL-FA50で5〜25分間混合処理した。得られた混合物に、アルカリ金属イオンを含む無機化合物として米山化学工業株式会社の塩化カリウムを高吸水性樹脂に対して1.33〜4.0重量％(組成物全体に対しては0.0004〜0.0048重量％）、沸点が220℃以上の有機化合物として株式会社MORESCOの流動パラフィンMT-450を1.9796〜2.9696重量％添加し、150〜170℃に加温された高速回転ミキサーで15〜40分間混合処理した。水分は株式会社ケット科学研究所の赤外線水分計FD-240で測定した。結果を以下の表1に示す。
【００３１】
【表１】
2016065132.tif 000002
【００３２】
以上の結果から、木粉を使用した例1〜5において処理時間の合計がわずかに20〜40分で含有水分を1〜2％程度とすることができ、水分を多量に含む植物材料を使用した例6〜7でも処理時間の合計が約１時間で含有水分を2％台にできることが分かった。
実施例2
実施例1の例3で調製した組成物を用い、熱可塑性樹脂として日本ポリプロ株式会社のノバテックPP/FY-4を26.4〜66.9重量％の範囲で添加し、相溶化剤としてデュポン社の無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂のフサボンドM603を1.0重量％、酸化防止剤としてヒンダードフェノ-ル系の株式会社アデカのアデカスタブAO-60を0.1重量％、滑材として日油株式会社のカルシウムステアレ-トGとオレイン酸アミドとして日本化成株式会社のダイヤミッドO-200の2種の合計添加量を2〜2.5重量％の範囲として添加し、高速回転ミキサ-で常温下で混合した後に、株式会社シーティーイーの二軸押出機CTM-25を使用して押出温度200℃で押出してペレット化して粒状組成物とした。その後、ペレットを用いて射出成型により板を製造して、線膨張係数、吸水性、重量変化、及び引張強度を測定した。線膨張係数はASTM D696に準拠して測定し、吸水性は温度を40℃、湿度を90％に調節したデシケータの中に板を７日間入れた後の重量変化を調べた。引張強度はJIS K6758に準拠して測定した。比較例として乾燥していない木粉を用いて例9と同様に成型品を調製した。結果を表2に示す。
【００３３】
【表２】
2016065132.tif 000003
【００３４】
実施例1で得た組成物を用いた例8〜10では、線膨張係数、吸水率、及び引張強度の評価項目において良好な結果が得られており、比較例Aに対して同一組成の例9では線膨張係数、吸水率、及び引張強度のいずれの評価項目においても改善が認められた。