(57)【要約】      （修正有）【課題】強度とともに様々な成型加工に使用可能な十分な延性を有する複合材及びその製造方法を提供すること。【解決手段】天然繊維と、生分解性重合体とからなる複合材の製造方法であって、  天然繊維と生分解性重合体とを有する混合体を生分解性重合体の融点以上の温度に加熱した後、加圧しながら生分解性重合体の非晶質状態を維持しつつ冷却することを特徴とする。こうして得られた複合材は、天然繊維と非晶質状態の生分解性重合体とを備えている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然繊維と、生分解性重合体とからなる複合材の製造方法であって、
前記天然繊維と前記生分解性重合体とを有する混合体を前記生分解性重合体の融点以上の温度に加熱した後、加圧しながら前記生分解性重合体の非晶質状態を維持しつつ冷却することを特徴とする複合材の製造方法。
【請求項２】
前記生分解性重合体の融点以上かつ２００℃未満の温度に前記混合体を加熱する加熱工程と、
一定の第一圧力にて加熱された前記混合体を加圧する第一加圧工程と、
冷却速度が相対的に速い第一冷却速度、及び冷却速度が相対的に遅い第二冷却速度の二段階で前記混合体を冷却する冷却工程と、
前記混合体の冷却途中で前記第一圧力よりも大きい第二圧力にて前記混合体を加圧する第二加圧工程と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合材の製造方法。
【請求項３】
前記第一冷却速度が、２℃／秒以上であることを特徴とする請求項２に記載の複合材の製造方法。
【請求項４】
前記第一冷却速度にて前記混合体を冷却後、前記混合体の温度が少なくとも前記生分解性重合体のガラス転移温度よりも低くなってから、前記第二冷却速度による冷却を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の複合材の製造方法。
【請求項５】
前記生分解性重合体が、ポリ乳酸であることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の複合材の製造方法。
【請求項６】
前記天然繊維がトウモロコシ由来の繊維であることを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の複合材の製造方法。
【請求項７】
天然繊維と、非晶質状態の生分解性重合体と、を備えていることを特徴とする複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材及び複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境保全や食料を含めた資源エネルギー問題などの観点から，バイオマスとしての農業系廃棄物のマテリアルリサイクルやエネルギーリカバリー技術の高度化が喫緊の課題となっている。とりわけ昨今の二酸化炭素対策の切り札的存在であるガソリンへのバイオエタノール添加促進動向を契機としたトウモロコシ等の大量栽培化計画は、農作物廃棄物のさらなる有効利用を図る展開をも同時に取らなければ、循環型社会の推進に逆行する危険性がある。
【０００３】
そこで近年では、持続可能な循環型社会を目指して植物由来天然繊維と生分解性プラスチックス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。このような複合材料は、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して（例えば、特許文献１参照。）、或いは加熱プレスを用いて１５０〜２００℃で加圧成形して（例えば、特許文献２参照。）製造されている。
【特許文献１】特開２００５−３０７０７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２７３８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の複合材の製造方法に開示された加熱溶融方法によって得られる複合材は、強度の割に延性が不十分な場合があり、この場合には成型加工の自由度が未だ小さいといった問題がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、強度とともに様々な成型加工に使用可能な十分な延性を有する複合材及びその製造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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る複合材の製造方法は、天然繊維と、生分解性重合体とからなる複合材の製造方法であって、前記天然繊維と前記生分解性重合体とを有する混合体を前記生分解性重合体の融点以上の温度に加熱した後、加圧しながら前記生分解性重合体の非晶質状態を維持しつつ冷却することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る複合材の製造方法は、前記複合材の製造方法であって、前記生分解性重合体の融点以上かつ２００℃未満の温度に前記混合体を加熱する加熱工程と、一定の第一圧力にて加熱された前記混合体を加圧する第一加圧工程と、冷却速度が相対的に速い第一冷却速度、及び冷却速度が相対的に遅い第二冷却速度の二段階で前記混合体を冷却する冷却工程と、前記混合体の冷却途中で前記第一圧力よりも大きい第二圧力にて前記混合体を加圧する第二加圧工程と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る複合材の製造方法は、前記複合材の製造方法であって、前記第一冷却速度が、２℃／秒以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る複合材の製造方法は、前記複合材の製造方法であって、前記第一冷却速度にて前記混合体を冷却後、前記混合体の温度が少なくとも前記生分解性重合体のガラス転移温度よりも低くなってから、前記第二冷却速度による冷却を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る複合材の製造方法は、前記複合材の製造方法であって、前記生分解性重合体が、ポリ乳酸であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る複合材の製造方法は、前記複合材の製造方法であって、前記天然繊維がトウモロコシ由来の繊維であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る複合材は、天然繊維と、非晶質状態の生分解性重合体と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、強度とともに様々な成型加工に使用可能な十分な延性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
本実施形態に係る複合材１は、図１に示すように、天然繊維２と非晶質状態の生分解性重合体３とを備えており、以下の方法によって製造される。
【００１５】
本実施形態に係る複合材１の製造方法は、天然繊維２と生分解性重合体３とを有する混合体１０を生分解性重合体３の融点以上の温度に加熱した後、加圧しながら生分解性重合体３の非晶質状態を維持しつつ冷却する。
【００１６】
すなわち、図２及び図３に示すように、生分解性重合体３の融点Ｔ１以上かつ２００℃未満の温度Ｔ２に混合体１０を加熱する加熱工程（Ｓ０１）と、一定の第一圧力Ｐ１にて加熱された混合体１０を加圧する第一加圧工程（Ｓ０２）と、冷却速度が相対的に速い第一冷却速度Ｖ１、及び冷却速度が相対的に遅い第二冷却速度Ｖ２の二段階で混合体１０を冷却する冷却工程（Ｓ０３）と、混合体１０の冷却途中で第一圧力Ｐ１よりも大きい第二圧力Ｐ２にて混合体１０を加圧する第二加圧工程（Ｓ０３）と、を備えている。
【００１７】
天然繊維には、例えば、ケナフ繊維、ジュート、葦繊維、稲わら、麦わら、竹繊維、バガス、サイザル麻、マニラ麻、亜麻、ラミー、笹繊維、バナナの茎、椰子の果実皮等がある。本実施形態ではトウモロコシ由来の植物繊維が好ましい。
【００１８】
また、生分解性重合体には、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。本実施形態では、ポリ乳酸が好ましい。
【００１９】
次に、各工程についてさらに説明する。
まず、図４に示すように、天然繊維２と生分解性重合体３とを交互に積層させて混合体１０を作成する。この混合体１０を加熱溶融装置２０に装着する。
【００２０】
この加熱溶融装置２０は、図５に示すように、チャンバー２１と、混合体１０が載置される凹部２２Ａが配された受台２２と、受台２２がさらに載置される下側プランジャ２３と、重力方向に移動して下側プランジャ２３との間で混合体１０を押圧する上側プランジャ２４と、を備えている。
【００２１】
下側プランジャ２３及び上側プランジャ２４には、冷却用の水冷ジャケット２５がそれぞれ設けられている。また、上側プランジャ２４には、さらに温度計測用の熱電対２６が埋設されている。
【００２２】
加熱溶融の前に、混合体１０を凹部２２Ａに収容した状態で、生分解性重合体３を受台２２の上面２２ａに層状にさらに積層する。
【００２３】
加熱工程（Ｓ０１）においては、天然繊維２と生分解性重合体３との熱膨張率の差を考慮した所定の加熱速度にて所定の溶融温度Ｔ２まで加熱する。そして、所定時間ｔ１にわたって混合体１０の溶融温度Ｔ２が一定となるように加熱し続ける。
【００２４】
混合体１０が所定時間ｔ１に達した時点で、第一加圧工程（Ｓ０２）に移行する。この第一加圧工程（Ｓ０２）では、図６に示すように、上側プランジャ２４及び下側プランジャ２３を接近させて、生分解性重合体３が溶融した状態の混合体１０を一定の第一圧力Ｐ１にて押圧する。このときに、受台２２の上面２２ａに層状に積層させた生分解性重合体３が溶融して、混合体１０と凹部２２Ａとの図示しないすきまが埋められる。
【００２５】
この第一加圧工程（Ｓ０２）の途中で、冷却工程（Ｓ０３）に移行する。
この冷却工程（Ｓ０３）は、さらに第一冷却速度Ｖ１で冷却する第一冷却工程（Ｓ１３）と、第二冷却速度Ｖ２にて冷却する第二冷却工程（Ｓ３２）とを備えている。
【００２６】
第一冷却工程（Ｓ１３）では、生分解性重合体３の融点からガラス転移温度までの間の平均冷却速度が２℃／秒の一定の速度で冷却する。この冷却速度を実現するため、例えば、受台２２のまま水冷処理を行う。これによって、生分解性重合体３が結晶化されずに非晶質状態のまま固化成形していく。
【００２７】
この第一冷却工程（Ｓ１３）は、混合体１０の温度が少なくとも生分解性重合体３のガラス転移温度よりも低くなるまで行われ、その後、第二冷却速度Ｖ２による第二冷却工程（Ｓ２３）に移行する。第二冷却速度Ｖ２は、例えば、平均冷却速度が４℃／分とされ、例えば、空冷処理が可能となる。
【００２８】
第一冷却工程（Ｓ１３）の途中で、第二加圧工程（Ｓ０４）を同時に行う。
この工程では、第一圧力Ｐ１よりも大きい一定の第二圧力Ｐ２にて混合体１０をさらに加圧する。これによって、生分解性重合体３が天然繊維２間に入り込みながら凝固するととともに、内部の気泡が外部に排除され、生分解性重合体３と天然繊維２との間の密着性が向上する。こうして所望の複合材１が得られる。
【００２９】
この複合材１及びその製造方法によれば、生分解性重合体が非晶質状態で固化されているので、強度と延性との両方を兼ね備えて好適な成形を行うことができる。
【００３０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【実施例】
【００３１】
次に、実施例により本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明がこれらによって限定されるものではない。  
【００３２】
本実施例では、トウモロコシの茎部を約６％のＮａＯＨ沸騰水溶液中で解繊し、水洗・乾燥によって抽出した長繊維を使用した。また、生分解性重合体として、トウモロコシ由来のポリ乳酸（商品名：ＬＡＣＴＹ（株式会社島津製作所製）を使用した。これらにより、繊維含有率２５，３９，５５％でＡＳＴＭ  Ｃｏｄｅ  Ｄ  ６３８（ＴｙｐｅＶ）に準拠した形状の複合材が得られるような混合体を形成した。
【００３３】
この混合体を、ＬＡＣＴＹの溶融温度以上となる１７５℃まで加熱するとともに５分間当該温度を維持して均熱化した後、第一冷却速度として２℃／秒にて水冷した。そして、ＬＡＣＴＹのガラス転移温度の約６５℃以下まで冷却した後、第二冷却速度として４℃／分にて空冷した。その間、第一圧力Ｐ１を１ＭＰａ、第二圧力Ｐ２を１０〜１５ＭＰａにそれぞれ維持して加圧した。
【００３４】
こうして得られた複合材をＸ線回折により分析したところ、図７に示すように、空冷のみの場合よりも良好な非晶質状態が保たれていた。また、この複合材に対して、クロスヘッド速度０．３ｍｍ／分により室温で引張試験を行った。結果を応力−ひずみ曲線として図８に示す。何れの繊維含有率のものにおいても、ＬＡＣＴＹ単独の場合より引張強度の高い複合材が得られた。また、トウモロコシ繊維単独の場合よりも大きい延性のものが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合材を示す一部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る複合材の製造方法を示すフロー図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る複合材の製造方法における加熱・冷却・加圧状態を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る複合材の製造前の混合体の構成を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る複合材を製造するための加熱溶融装置を示す要部断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る複合材の製造途中の状態を示す説明図である。
【図７】本発明の実施例における複合材のＸ線回折結果を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例における複合材の応力−ひずみ曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１  複合体
２  天然繊維
３  生分解性重合体
１０  混合体
【図１】
2009138105.tif 000002
【図２】
2009138105.tif 000003
【図３】
2009138105.tif 000004
【図４】
2009138105.tif 000005
【図５】
2009138105.tif 000006
【図６】
2009138105.tif 000007
【図７】
2009138105.tif 000008
【図８】
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