高混練二軸押出機を用いた乾燥 CNF/PP 複合材料の作製と性能評価に関する研究
ものづくり基盤技術課 川野優希
1. 緒言

水野 渡

岡野 優

藤牧寛城*12.3 混練方法および成形方法

セルロースナノファイバー(CNF)は、高強度・高弾性率・乾燥 CNF と PP の混練には高混練二軸押出機(東芝機械

低線膨張係数といった特徴から、樹脂材料へのフィラー

株式会社製、TEM-48)を用いた。
乾燥 CNF の含有量は CNF材料として期待できる。しかし、CNF は水分を含んだ材の固形分で複合材料総量に対して 5 mass%とした。乾燥料であるため、疎水性熱可塑性樹脂との複合時にセルロCNF と PP はドライブレンドし、混練条件はバレル温度ース分子同士が強固に凝集して固化し、優れたフィラー

180 °C、材料供給量 12 kg/h、スクリュー回転数 200 rpm ととしての補強効果が活かせなくなる。

し、水冷した後ペレタイザーでペレット化した。また、界

これまでに、CNF の凝集固化を防ぎながら乾燥させる

面活性剤の添加量は複合材料総量に対して 3 mass%とし前処理方法の検討を行った結果、ステアリン酸骨格を持た。複合材料の成形には真空射出成形機(株式会社ソデッ

つ分散剤を添加しセルロース混合可塑化成形装置を用いク製、MS100)を用いて、引張試験片の形状(ダンベル形、て乾燥処理することで凝集物の少ない CNF の乾燥材(乾タイプ 1A 形)および曲げ試験片の形状(短冊形、タイプ B)

燥 CNF)が得られることを見出した。また、セルロース混に成形した。成形条件は、樹脂溶融温度 180 °C、金型温度合可塑化成形装置を用いて乾燥 CNF とポリプロピレン

40 °C、冷却時間 20 sec とした。また、比較材料とし PP の(PP)の複合材料を作製し CNF 分散状態と強度特性を評価

みを射出成形した試験片を用意した。

したところ、複合材料内には直径 100 µm 程度の凝集物が存在し凝集物の大きさが強度特性の低下に影響を及ぼすことを明らかにした。

2.4 複合材料強度評価方法
複合材料の強度評価として引張試験および 3 点曲げ試

本研究ではより凝集物の少ない複合材料の混練方法を験を行った。いずれの試験も小型強度試験機(株式会社島検討するため、混練時に強いせん断を与えることのでき津製作所製、EZ-LX)を用いた。引張試験条件は、試験速る高混練二軸押出機を用いて乾燥 CNF と PP の複合材料

度 5 mm/min、標線間距離 50 mm、試験本数 5 本とし、引を作製し強度特性および CNF 分散状態を評価した。

張強度および引張弾性率を算出した。曲げ試験条件は、試
験速度 1 mm/min、支点間距離 64 mm、試験本数 5 本とし、2. 実験方法

曲げ強度および曲げ弾性率を算出した。

2.1 使用材料
CNF は固形分 10 %となる中越パルプ工業株式会社製の2.5 複合材料内 CNF 分散状態評価方法

含水 CNF(nanoforest-S / BB-S-1 (10 %))を用いた。分散剤は乾燥CNF/PP複合材料内のCNF の分散状態の評価には、ステアリン酸骨格を持つ分散剤を用いた。分散剤の添加

高分解能デスクトップ型 X 線 CT(BRUKER 社製、量は、CNF の固形分に対して 20 mass%とした。熱可塑性SKYSCAN 1272)を用いた。測定サンプルは射出成形した樹脂にはポリプロピレン(株式会社プライムポリマー製、引張試験片の中央部から、4×4×10 mm の大きさに切り出H700: PP)を用いた。また、CNF と PP の界面強度の向上したものを使用した。測定条件は、加速電圧 40 kV、空間を目的とし無水マレイン酸変性ポリプロピレン(理研ビタ

分解能 2 µm、積算回数 2 回とし、回転角度 0.2 °毎に 360 °ミン株式会社製、リケエイド MG-441P: MAPP)を用いた。

撮影を行った。また、X 線 CT 分析は測定サンプルの中心部 1×1×1 mm の範囲とした。

2.2 CNF 乾燥方法
CNF の乾燥処理にはセルロース混合可塑化成形装置(株式会社エムアンドエフ･テクノロジー製、MF-1001R)を

3. 実験結果および考察
Table 1 に、強度試験結果を示す。試験結果より、引張用いた。乾燥条件は、回転羽根の回転数を 2700 rpm とし、強度および曲げ強度は分散剤、MAPP を用いることで PP

水分が蒸発し CNF が粉体となって回転羽根のトルクが減材料よりも高い値を示した。また、引張弾性率および曲げ少したところで乾燥処理を終了した。乾燥処理終了後、チ

弾性率は分散剤、MAPP を用いることで PP 材料と同等のャンバーを開け乾燥 CNF を回収した。

値を示した。また、分散剤および MAPP を用いることで*1 現

生活工学研究所
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)5

Sample①D-CNF/PP②D-CNF-A/PP③D-CNF/PP/MAPP④D-CNF-A/PP/MAPP⑤PP(a) ①D-CNF/PP

Table 1 Strength test result
Tensile
MAPP
Dispersant strength[MPa]
No addition
31.2
Noaddition
Addition
31.0
No addition
32.1
Addition
Addition
33.0
Comparison material
32.6

Tensilemodulus
[MPa]
2040
2000
1960
2130
2140

(b) ②D-CNF-A/PP(c) ③D-CNF/PP/MAPP
Fig. 1 X-ray CT images of composite materials

Flexuralstrength
[MPa]
48.2
48.2
47.9
49.8
48.3

Flexuralmodulus
[MPa]
1680
1770
1620
1720
1710

(d) ④D-CNF-A/PP/MAPP

複合材料は分散剤を用いていない複合材料よりも高い強たような直径 100 µm を超える凝集物は確認されず、高混度を有しており強度特性に有効な影響を与えるといえる。

練二軸押出機を用いたことにより物性低下に影響を及ぼ

また、曲げ弾性率は分散剤および MAPP を用いた複合材す大きな凝集物が減少したと考えられる。今後は乾燥料よりも分散剤を添加し MAPP を用いていない複合材料

CNF/PP 複合材料の強度向上に適した添加剤の検討や疲の方が高い値を有している。これは、分散剤を用いていな労特性、長期熱安定性等の長期的な物性について評価をい複合材料の曲げ弾性率においても同様の傾向を示して行い乾燥 CNF が複合材料に有効な影響を与える物性についることから MAPP を用いたことで母材である樹脂自体いての検討を行っていく予定である。の曲げ弾性率が低くなったためであると考えられる。
Fig. 1 に、X 線 CT 分析より得られた乾燥 CNF/PP 複合

4. 結言

材料の CT 画像を示す。図は分析範囲内部の CNF の分散高混練二軸押出機を用いて乾燥処理した乾燥 CNF と熱状態を示している。分析結果より、分散剤を用いていない可塑性樹脂の複合材料を作製し物性評価を行った。その複合材料では CNF の大きな凝集物が多く見受けられるが、結果、CNF の乾燥時に分散剤を、PP との複合時に界面活分散剤を用いた複合材料では大きな凝集物が見られず乾性剤を用いることで PP 材料と同等かそれ以上の物性を燥 CNF が複合材料内部に均一に分散していることが分か示すことを明らかにした。また、作製した複合材料の CNFる。また、分散剤を用いた複合材料の CT 画像について数分散状態を評価した結果、高混練二軸押出機を用いて複値解析をした結果、最大直径約 60 µm でありセルロース合材料を作製することで凝集物の大きさが減少すること混合可塑化成形装置を用いて作製した複合材料に見られを確認した。

キーワード：セルロースナノファイバー、高混練二軸押出機、分散剤、強度評価、X 線 CT

Study on Fabrication of Dry Cellulose Nanofiber / Polypropylene Composite Materials
by the High Kneading Twin Screw Extruder and their Performance Evaluation
Core Manufacturing Technology Section; Yuki KAWANO, Wataru MIZUNO, Masaru OKANO and Hiroki FUJIMAKI*1
In this study, fabrication of dry cellulose nanofiber (CNF) / polypropylene (PP) composite materials by the high kneading
twin screw extruder (HKTSE) and their performance evaluation were investigated. Dispersant having stearic acid and maleic
anhydride denaturing PP (MAPP) were used. It was found that the tensile strength and flexural strength of dry CNF / PP
composite material using the dispersant and MAPP were higher than those of PP. Also, HKTSE had dispersion effect of CNF.

6Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)