14愛知県産業技術研究所 研究報告2010●───────────────────────────────────────────────

研究論文

竹繊維で強化した木質成形体の機械的特性
高 橋 勤 子 ＊ 1、 福 田 徳 生 ＊ 1、 山 口 知 宏 ＊ 1、 門 川 泰 子 ＊ 1

Mechanical Properties of Bamboo Fiber Reinforced Thermoplastic Molding
Made of Steamed Wood Flour
Isoko TAKAHASHI *1 , Norio FUKUDA *1 , Tomohiro YAMAGUCHI *1and Yasuko KADOKAWA *1
Industrial Technology Division, AITEC * 1
蒸気処理を施した木質原料を加熱・加圧して作製する木質成形体の機械的物性向上を目的として、蒸気処 理 ブ ナ 木 粉 と 爆 砕 竹 繊 維 と の 複 合 化 を 試 み た 。 竹 繊 維 の 重 量 配 合 比 率 を 25%、 50%、 75%と し 、 木 粉 と竹繊維を 3 層、5 層および 7 層に積層して成形体を作製し、物性を検討した。その結果、竹繊維含有率が大 き い ほ ど 、 成 形 体 の 曲 げ 強 さ 、 引 張 強 さ は 大 き く な り 、 竹 繊 維 75%の 成 形 体 で は 、 木 粉 100%の 成 形 体に 比 べ 、 引 張 強 さ は 3.8～ 5.8 倍 、 曲 げ 強 さ は 3.5 倍 程 度 に 向 上 す る こ と が で き た 。 ま た 、 竹 繊 維 100%の成形体と比較すると、物性のばらつきが小さく、曲げ強さは大きかった。

１．はじめに循環型資源である木質バイオマスの有効利用は、循環的物性向上を図ることを目的に、爆砕竹繊維で強化した木質成形体を作製し、力学的特性を評価した。

型社会構築には不可欠であり、その利用技術の開発が求

２．実験方法められている。その一環として、当所では、これまで、蒸気処理を施したブナ木粉から、石油由来の接着剤等を2.1 供試材料使わずに、樹脂様の成形体を作るプロセスを開発してき木粉の原料として、ブナのプレーナ屑を用いた。原料た。180℃以上で蒸気処理したブナ木粉は、高温高圧力の全乾重量と同量の水を添加し、オートクレーブ（ヤス下で熱流動し、熱プレスを用いた圧縮成形により、密度ジマ製高圧処理装置 SBK-450BS）を用いて蒸気処理（温約 1.45g/cm3 の樹脂様成形体が得られた 1)2)。これは、蒸度 200℃、20 分）を行った。これを自然乾燥した後、ウ気処理によりヘミセルロースおよびリグニンが低分子化

ィレー式ミルを用いて粉砕し、90～250μm に分級した。

し、再加熱で可塑化したためと考えられる。この方法でさらに、含水率を 3%に調整し、成形に用いた。補強材得られた成形体の曲げ強さおよび曲げ弾性率はポリプロ料として爆砕竹繊維（バン㈱製）を用いた。長繊維をピレンや ABS 樹脂と同程度であるが、アイゾット衝撃100mm に切断して引張試験および成形に用いた。

値は小さく、粘りがなく脆い性質である。また、エンジ

2.2 竹繊維の引張試験

ニアリングプラスチックであるナイロンやポリカーボネ

竹繊維の引張試験は、旧 JIS R 7601-1986（2007 年廃ートなどの剛性には及ばず、これらの代替として使用す止）を参考に行った。まず、長さ 100mm の竹繊維の両るには、より高強度にする必要がある。

端 35mm をコの字型の台紙に接着剤で固定した。この試プラスチックの強度を向上するために、ガラス繊維や験片を引張試験機に取り付け、台紙を切断した後、試験無機フィラーなどを複合化した強化プラスチックは、自速度 1mm/min で引張試験を行った。竹繊維の断面積は、動車部品を始め多くの製品に適用されている。しかしな

光学顕微鏡で個々の繊維を２方向から撮影して直径を求がら、これらのプラスチック製品は、焼却処理の際、無め、楕円近似により算出した。

機物等が残渣として残るため、その処理（埋立他）にお2.3 成形体作製いて種々の問題を起こしている。その解決方法として、

図１に、成形体の作製工程を示す。熱プレスによる圧無機物の代わりに天然繊維を用いた強化プラスチックの縮成形の前に、所定量の竹繊維のみを常温で圧縮し、竹開発が近年、活発に行われている 3)~5)。

繊維プリフォームを作製した。さらに、木粉と竹繊維プ本研究では、蒸気処理木粉から作製する成形体の機械＊

1 工業技術部

材料技術室

リフォームを交互に型押し成形容器内に積層し、常温で●15───────────────────────────────────────────────

３．実験結果及び考察

圧縮し、積層プリフォームを作製した。最後に、熱プレスで、成形温度 150℃、圧力 30MPa、時間 10 分の条件

3.1 竹繊維の引張試験で加熱・加圧し、100×100×4mm の成形体を調製した。

図２，図３に、竹繊維の断面積と引張強さおよび弾性試験片の作製条件は、竹繊維の重量配合比率を 25%、50%、率の結果を示す。また、表２に竹繊維の引張特性をまと75%とし、木粉と竹繊維を 3 層、5 層および 7 層に積層めた結果を示す。まず、竹繊維の断面積については、全した（表１）。各層における竹および木粉の配分量は均体の 90%が 0.2mm2 以下であり、0.03～0.06mm2 のもの等とし、最外層は木粉とした。竹繊維は全て同方向に配が最も多く存在した。引張強さは、83～612MPa と非常向した。また、比較のため、蒸気処理木粉 100%およびにばらつきが大きかった。引張弾性率も同様にばらつき

竹繊維 100%の成形体も作製した。

が大きかったが、断面積が大きいものほど弾性率が小さ2.4 成形体の物性試験

い傾向が見られた。ばらつきが大きい理由としては、繊得られた成形体から、竹繊維の配向方向と平行に、引維に木質部（柔細胞）が付着しているため、繊維断面積張試験片および曲げ試験片を採取した。引張試験は JISが大きく見積もられること、熱処理、繊維取り出しの工K 7113 に準じた。引張試験片にはベルトサンダーでテー程での損傷の受け具合が異なること等が考えられる 6)。

パを付け、試験片中央にひずみゲージを貼り、試験に供表２した。試験速度は速度 A（1mm/min)で試験を行った。

サンプル数
2
平均断面積 (mm )平均引張強さ (MPa)平均ヤング率 (GPa)

曲げ試験は JIS K 7171 に拠り、試験片 80×10×4mm、スパン 64mm、試験速度 2mm/min で行った。
表１

竹繊維の引張特性

800.099±0.074
274.7±114.7
15.8± 4.2

成形体の作製条件と実際の密度70012345678910110252525505050757575
1 00

密度(g/c m3)

1357357357
1600500

1 .45
1 .44
1 .44
1 .44
1 .43
1 .42
1 .45
1 .42
1 .43
1 .42
1 .44

引張強さ (MPa)

竹繊維層数
含 有率 (% )

400
300
200
100
00.00

0.05

0.15

0.20

0.25

繊維断面積 (mm 2)

図２
木粉

原料（ブナ）0.10

蒸気処理

木粉（90～250μm、（200℃、20分）

含水率3%）

竹繊維断面積と引張強さ

竹繊維金型

積層プリフォーム作製
成形温度 常温、常温、圧縮100mmに切断した竹繊維

加圧30MPa、1min

圧縮成形
竹繊維プリフォーム
図１

成形体の作製工程

成形温度 150℃、加圧30MPa、10min

0.300.3516愛知県産業技術研究所 研究報告2010●───────────────────────────────────────────────はばらつきが大きかったが、成形体の引張弾性率のばら30つきは小さかった。弾性率に関しては、層構造の違いに引張弾性率 (GPa)25よる差は見られなかった。一方、竹繊維 100%の成形体の引張強さは、竹繊維の平均引張強さ（274MPa）と比20較すると小さかった。また、層構造の差に着目すると、3 層構造では、竹繊維含有率に比例した強度向上が見ら

15れたが、層数を増やした場合、竹繊維層の厚さがある程10度大きくなると、木粉層による接着の効果が現れ、3 層で作製した場合よりも引張強さが大きくなった。

50.000.050.100.150.200.250.300.35

繊維断面積 (mm2)図３

図７に、引張試験後の成形体の破断の様子を示す。木
粉 100%の成形体の破断面は平滑であるのに対し、竹繊

竹繊維断面積と引張弾性率

維 50%－5 層および竹繊維 100%の成形体の破断面は、3.2 成形体の引張特性繊維がギザギザになって破断している様子が観察された。

竹繊維と複合化した成形体の密度は、竹繊維の含有率3.3 成形体の曲げ特性が大きくなっても変化せず、約 1.45g/cm3 であった（表図８に、各竹繊維含有率－3 層の成形体の曲げ試験時１）。図４に、各竹繊維含有率－3 層の成形体の引張試における荷重－たわみ曲線を示す。木粉 100%の成形体験時の応力－ひずみ曲線を示す。竹繊維の含有率増加には、小さな変形で破壊に至ったが、竹繊維を複合化する伴い、初期傾斜が増加し、竹繊維 100%の成形体に近づことにより、大きな変形に耐えられるようになった。まいた。図５，図６に成形体の引張弾性率と引張強さの結た、最大荷重到達後、徐々に荷重が低下するようになり、果を示す。竹繊維の含有率増加に伴い、引張弾性率、引粘り強い性質になった。図９，図１０に、曲げ弾性率お張強さとも概ね増加傾向にあった。竹繊維の引張弾性率

よび曲げ強さの結果を示す。竹繊維含有率の増加に伴い、200

35
木粉100%
25%-３層50%-３層75%-３層
竹繊維100%3025

引張弾性率 (GPa)

応力 (MPa)

150

100

502015
木粉100%
３層５層７層
竹繊維100%105000.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

00.0070ひずみ

図４20406080100

竹繊維含有率 (%)

成形体の引張試験における応力－ひずみ曲線

図５

竹繊維含有率と成形体の引張弾性率

図７

引張試験後の成形体の破断の様子

250
木粉100%
３層５層７層竹繊維100%

引張強さ(MPa)

200150(a)(b)100500(c)020406080

竹繊維含有率 (%)

図６

竹繊維含有率と成形体の引張強さ

100(a)木粉 100% (b)竹繊維 50%－5 層 (c)竹繊維 100%
（左：上から撮影、右：横から撮影）

●17───────────────────────────────────────────────
曲げ弾性率、曲げ強さともに大きくなった。また、竹繊0.5
木粉100%
25%-３層50%-３層75%-３層
竹繊維100%0.4

荷重 (kN)0.3

維 100%の成形体に比べ、竹繊維で強化した木質成形体
は、バインダーとして木粉が存在することにより、ばらつきが小さくなり、曲げ強さが向上した。層構造の違いによる大きな差は見られなかった。

0.2

４．結び
0.10

図８

本研究では、竹繊維を補強材として用いて、木質成形体の機械的特性の向上を試みた。その結果、竹繊維で強051015強い性質となった。竹繊維含有率 75%では、木粉 100%成形体の曲げ試験における荷重－たわみ曲線の成形体に比べ、引張強さは 3.8～5.8 倍、曲げ強さは3.5 倍程度に向上することができた。また、100%竹繊維35の成形体と比較すると、竹繊維で強化した木質成形体は、

木粉100%
３層５層７層
竹繊維100%30

曲げ弾性率 (GPa)化した木質成形体は、木粉 100%の成形体に比べ、粘りクロスヘッド移動距離 (mm)25

木粉が存在することで竹繊維のバインダーとして働くため、ばらつきが小さくなる可能性が示唆された。竹繊維は、天然材料であるため、3.1 で示したように太さや強20度にばらつきが大きく、工業用に用いるのは難しいと考15えられるが、不織布や織布などに加工することができれ10ば、より均一な補強材料として用いることができると考5えられる。

0020

図９4060竹繊維含有率(%)

80100

謝辞
本研究を遂行するにあたり、ご協力、ご助言をいただ

竹繊維含有率と曲げ弾性率

きました、名古屋大学大学院生命農学研究科佐々木康寿
300
250

曲げ強さ (MPa)

教授、山崎真理子准教授に深く感謝いたします。

木粉100%
３層
５層
７層
竹繊維100%200

文献1） I.Takahashi, T.Sugimoto, Y.Takasu, M.Yamasaki,Y.Sasaki, Y.Kikata：Holzforschung, 64, 229 (2010)1502） I.Takahashi, Y.Takasu, Y.Kikata, T.Sugimoto,100

Y.Sasaki：Wood Sci. Technol (in press)503） R.Tokoro, D.M.Vu, K.Okubo, T.Tanaka, T.Fujii,T.Fujiura： J. Mate. Sci., 43, 775 (2008)0020

図１０4060
竹繊維含有率 (%)

80

竹繊維含有率と曲げ強さ1004） H.N.Dhakal, Z.Y.Zhang, M.O.W.Richardson ：Compos. Sci. Technol., 67, 1674 (2007)
5） W.Liu,

L.T.Drzal,

A.K.Mohanty,

M.Misra ：Composites B, 38, 352 (2007)6） 藤 井 透 ： 環 境 調 和 複 合 材 料 の 開 発 と 応 用 , P17(2005), CMC 出版