生分解生樹脂／竹繊維／セラック複合材料
【課題】生分解性樹脂複合材料の機械的特性を更に向上すると共に、他の物性も改善して実用化に適した複合材料を提供する。
【解決手段】竹を化学的にあるいは機械的に処理して得られた繊維にセラック材（水溶性）を含浸させたものを樹脂に混入した。竹繊維はセラック材の作用により生の竹繊維と比較して樹脂との接着性が良好となり、機械的特性の向上、耐薬品性の向上、抗菌性、防カビ性、防臭性等の付与、成形性の向上などの効果が得られ、用途に応じて竹繊維そのまま以外に脱色あるいは着色、脱臭あるいは着香したものも使用できることにより、各種の用途に適合した複合材料を得ることができる。また、樹脂に生分解性を有するものを選択した場合、セラック材の濃度を変化させることにより、生分解速度の制御を可能にする。
【解決手段】竹を化学的にあるいは機械的に処理して得られた繊維にセラック材（水溶性）を含浸させたものを樹脂に混入した。竹繊維はセラック材の作用により生の竹繊維と比較して樹脂との接着性が良好となり、機械的特性の向上、耐薬品性の向上、抗菌性、防カビ性、防臭性等の付与、成形性の向上などの効果が得られ、用途に応じて竹繊維そのまま以外に脱色あるいは着色、脱臭あるいは着香したものも使用できることにより、各種の用途に適合した複合材料を得ることができる。また、樹脂に生分解性を有するものを選択した場合、セラック材の濃度を変化させることにより、生分解速度の制御を可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、樹脂を天然繊維で補強した複合材料の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂を天然繊維で補強した複合材料が知られており、近年は環境負荷を低減するために、母材樹脂として生分解性樹脂を使用したものが注目され始めている（特許文献１、２、３）。この種の複合材料は、母材である樹脂の機械的強度を補うために植物性や動物性の天然繊維を混合したものであるが、機械的強度、耐薬品性、電気特性、コスト、成形性等が必ずしも両立せず、実用化を妨げる一因となっている。
【０００３】
これらの従来技術において植物性天然繊維が使用される場合には、一般に竹、ジュート、ケナフ等の繊維が用いられるが、従来は通常の方法で得られた植物繊維をそのまま生の繊維の状態で利用している。また、植物性天然樹脂と樹脂の界面接着性の改善には、非天然由来系の薬剤を使用している。
【特許文献１】特開平９−３０２２３５号公報
【特許文献２】特開２０００−１６００３４号公報
【特許文献３】特開２００３−２２６８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、上記のような複合材料の機械的特性を更に向上すると共に、他の物性も改善し、さらに複合材料全体を天然由来系の材料のみによる構成とし環境負荷の低減を促進した実用化に適した複合材料を得ることを課題としてなされたものである。また、上記の複合材料においては、それらの生分解特性を制御が明記されていないが、本発明は制御可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を達成するために、この発明の複合材料は、竹を化学的にあるいは機械的に処理して得られた繊維を任意の濃度の水溶性セラック材に含浸させを樹脂に混入したことを特徴としている。
【０００６】
また、上記樹脂として生分解性樹脂を用いれば、プラスチックの廃棄物による汚染を防止し、環境負荷を低減することの可能な生分解性の複合材料を得ることができる。上記の生分解性樹脂としては、例えばポリ乳酸系、ＰＢＳ（ポリブチレンサクシネート）系、セルロース系、でんぷん系等の樹脂が使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、原料の竹を周知の適宜の方法により化学的または機械的に粉砕して平均長さが１ｍｍ以下の生の竹繊維を得た。この繊維をセラック材水溶液中（２ｗｔ％）に浸した後、風乾または除湿乾燥を行い、母材のＰＢＳ樹脂への混入率を５，１０及び２０（ｗｔ％）として成形したプラスチック試験片を作成し、引張り試験を行った。図２及び図３は、試験によって得られた各試験片の竹繊維混入率に対する引張り弾性率及び引張り強度を示したものである。
【０００９】
図２では、セラック材含浸済竹繊維の混入率が高くなると引張り弾性率が高くなる傾向を示す。
図３では、竹繊維を混入した場合、竹繊維の混入率が高くなると引張り強度は全般に低くなるが、その低下率は生繊維よりはかなり小さい。
【００１０】
これらの結果から一般的に言える傾向は、セラック材含浸済竹繊維複合材料は、生の竹繊維を使用したものに対して引張弾性率が高まり、引張り強度の低下が少ない、ということであるが、セラック材の濃度によって複合材料としての特性は変化する。また前述したように竹繊維は、抗菌性、防カビ性、防臭性なども得られるので、実用に際しては、用途に応じて必要な特性を得られるような濃度のセラック材水溶液を使用すればよい。
【００１１】
また、上記の例のように母材樹脂としてＰＢＳ樹脂などの生分解性樹脂を使用したものでは、土中に埋めることにより自然に分解してプラスチック廃棄物による汚染が防止されるので、例えば農業用のマルチシートや育苗用トレー、使い捨て食器など、広範囲な用途に使用することができる。
【００１２】
セラック材含浸済み竹繊維の複合材料は、土中での生分解速度の制御を可能にするため、植物用肥料などの徐放性が必要なものの埋設容器などに応用できる。
【実施例２】
【００１３】
竹／生分解樹脂射出成形品の物性について
１．緒言
大量に廃棄されているプラスチックのリサイクル事業が本格的に進展しない中で、環境負荷の低減という側面から生分解性プラスチックが注目されている。一方、時期を同じくして、プラスチックの補強材として竹、ジュートなどの天然繊維（バイオマス繊維）も見直され、天然繊維強化複合材料の研究開発、実用化が進められている。
【００１４】
本願発明者は、日本を始めアジアに広く分布する竹に注目し、環境調和型複合材料（エコ・コンポジット）として竹繊維／生分解性樹脂複合材料の開発を実施してきた。竹は軽量かつ優れた力学的物性に加え、特有の防腐・抗菌効果等を有している。さらに、コストが低くアジアに大量に生育していることから、アジア発のバイオマス産業素材として実用化への期待が大きく、今後は様々な成形材料への補強材、充填材としての利用が十分に考えられる。
【００１５】
本願明細書では、表面処理剤として、グリオキサールおよび天然由来物質であるセラックを用いて、竹繊維／生分解性樹脂複合材料の射出成形試験片を作製し、その力学物性を評価した。
２．成形および実験方法
２種類の試料を作製した。いずれも補強材として、同種の竹繊維を用いた。母材樹脂として、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）を用い、うちＧＳ−Ｐｌａ(三菱化学（株）)に対して、竹繊維の表面処理剤としてセラック(ＬＢ−５１ （株）岐阜セラック製造所)を用いた。同様にエンポール♯４５３０(Ｉｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｔｄ．)に対しては、グリオキサールを用いた。表面処理は、２ｗｔ％セラック水溶液または２ｗｔ％グリオキサール水溶液に竹繊維を浸漬した後、風乾することにより行なった。
【００１６】
混練は、二軸押出混練機（日本製鋼所（株））を用い、温度１３０℃、スクリュー回転数２００ｒｐｍで行なった。竹繊維含有量は、５、１０、２０ｗｔ％とした。射出成形は、インラインスクリュー式射出成形機（ブラスターＴＭ３０Ｆ６；東洋機械金属（株））を用いて、金型温度３０℃、シリンダー温度１５０℃の成形条件でダンベル型試験片を作製した。
【００１７】
引張試験は、オートグラフ（ＣＡＧ５０００Ｅ型；（株）島津製作所）を用い、クロスヘッドスピード１０ｍｍ／ｍｉｎ、チャック間距離１１５ｍｍで、室温下で行った。曲げ試験は、オートグラフ（ＣＡＧ５０００Ｅ型；（株）島津製作所）を用い、支点間距離４８ｍｍ、クロスヘッドスピード１０ｍｍ／ｍｉｎで、室温下で行なった。衝撃試験は、成形品に切り欠き加工を施した後、アイゾット衝撃試験機を用いて行った。
３．実験結果
図１に、それぞれ表面未処理の竹繊維、およびセラックによる表面処理を施した竹繊維を用いて作製した複合材料の、引張試験より得られた応力―ひずみ曲線を示す。また、比較のため樹脂単体の応力―ひずみ曲線も併せて示した。図より、竹繊維との複合化に伴い、引張弾性率が増加していることが明らかであった。図２、図３に、それぞれ得られた複合材料の、引張弾性率および引張強度と繊維充填率の関係を示す。引張弾性率は繊維充填率の増加に従って増加した。一方、引張強度は竹繊維との複合化により低下した。この理由として、充填された竹繊維の繊維長が不均一であり、中でも、粒子状のものが引張強度の低下を促していることが考えられる。しかしながら、２０ｗｔ％の繊維充填率において、セラック竹／ＧＳ−Ｐｌａ (三菱化学（株）)が未処理竹／ＧＳ−Ｐｌａに比較して約１５％高い値を示した。これに対し、グリオキサール竹／エンポールでは、未処理竹／エンポールと比較して約２％の増加に留まった。
【００１８】
表１には、それぞれ得られた複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度およびアイゾット衝撃値を示した。また、表２には、樹脂単体および繊維充填率２０ｗｔ％の複合材料における各物性値の比を示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
表面処理の有無による曲げ弾性率、曲げ強度の変化は僅少であった。しかしながら、曲げ弾性率は、２０ｗｔ％の繊維充填率においては、グリオキサールを用いた試料が、樹脂単体と比較して約３８％増加したのに対し、セラックを用いた試料では約６５％高い値を示した。同様に曲げ強度は、グリオキサールを用いた試料が、樹脂単体と比較して約５％増加したのに対し、セラックを用いた試料では約３０％高い値を示した。アイゾット衝撃値は、竹繊維を充填することにより樹脂単体よりも低下し、繊維充填率の増加にかかわらず大きく変化しないことが明らかになった。また、表面処理の有無にかかわらずほぼ同じ値を示した。
【００２２】
以上のことから、セラックを利用した表面処理が、グリオキサールと比較して、引張強度と曲げ特性の向上に寄与することが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】表面未処理の竹繊維、およびセラックによる表面処理を施した竹繊維を用いて作製した複合材料の、引張試験より得られた応力―ひずみ曲線を示すグラフである。
【図２】試験によって得られた各試験片の竹繊維混入率に対する引張り弾性率を示すグラフである。
【図３】試験によって得られた各試験片の竹繊維混入率に対する引張り強度を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、樹脂を天然繊維で補強した複合材料の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂を天然繊維で補強した複合材料が知られており、近年は環境負荷を低減するために、母材樹脂として生分解性樹脂を使用したものが注目され始めている（特許文献１、２、３）。この種の複合材料は、母材である樹脂の機械的強度を補うために植物性や動物性の天然繊維を混合したものであるが、機械的強度、耐薬品性、電気特性、コスト、成形性等が必ずしも両立せず、実用化を妨げる一因となっている。
【０００３】
これらの従来技術において植物性天然繊維が使用される場合には、一般に竹、ジュート、ケナフ等の繊維が用いられるが、従来は通常の方法で得られた植物繊維をそのまま生の繊維の状態で利用している。また、植物性天然樹脂と樹脂の界面接着性の改善には、非天然由来系の薬剤を使用している。
【特許文献１】特開平９−３０２２３５号公報
【特許文献２】特開２０００−１６００３４号公報
【特許文献３】特開２００３−２２６８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、上記のような複合材料の機械的特性を更に向上すると共に、他の物性も改善し、さらに複合材料全体を天然由来系の材料のみによる構成とし環境負荷の低減を促進した実用化に適した複合材料を得ることを課題としてなされたものである。また、上記の複合材料においては、それらの生分解特性を制御が明記されていないが、本発明は制御可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を達成するために、この発明の複合材料は、竹を化学的にあるいは機械的に処理して得られた繊維を任意の濃度の水溶性セラック材に含浸させを樹脂に混入したことを特徴としている。
【０００６】
また、上記樹脂として生分解性樹脂を用いれば、プラスチックの廃棄物による汚染を防止し、環境負荷を低減することの可能な生分解性の複合材料を得ることができる。上記の生分解性樹脂としては、例えばポリ乳酸系、ＰＢＳ（ポリブチレンサクシネート）系、セルロース系、でんぷん系等の樹脂が使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、原料の竹を周知の適宜の方法により化学的または機械的に粉砕して平均長さが１ｍｍ以下の生の竹繊維を得た。この繊維をセラック材水溶液中（２ｗｔ％）に浸した後、風乾または除湿乾燥を行い、母材のＰＢＳ樹脂への混入率を５，１０及び２０（ｗｔ％）として成形したプラスチック試験片を作成し、引張り試験を行った。図２及び図３は、試験によって得られた各試験片の竹繊維混入率に対する引張り弾性率及び引張り強度を示したものである。
【０００９】
図２では、セラック材含浸済竹繊維の混入率が高くなると引張り弾性率が高くなる傾向を示す。
図３では、竹繊維を混入した場合、竹繊維の混入率が高くなると引張り強度は全般に低くなるが、その低下率は生繊維よりはかなり小さい。
【００１０】
これらの結果から一般的に言える傾向は、セラック材含浸済竹繊維複合材料は、生の竹繊維を使用したものに対して引張弾性率が高まり、引張り強度の低下が少ない、ということであるが、セラック材の濃度によって複合材料としての特性は変化する。また前述したように竹繊維は、抗菌性、防カビ性、防臭性なども得られるので、実用に際しては、用途に応じて必要な特性を得られるような濃度のセラック材水溶液を使用すればよい。
【００１１】
また、上記の例のように母材樹脂としてＰＢＳ樹脂などの生分解性樹脂を使用したものでは、土中に埋めることにより自然に分解してプラスチック廃棄物による汚染が防止されるので、例えば農業用のマルチシートや育苗用トレー、使い捨て食器など、広範囲な用途に使用することができる。
【００１２】
セラック材含浸済み竹繊維の複合材料は、土中での生分解速度の制御を可能にするため、植物用肥料などの徐放性が必要なものの埋設容器などに応用できる。
【実施例２】
【００１３】
竹／生分解樹脂射出成形品の物性について
１．緒言
大量に廃棄されているプラスチックのリサイクル事業が本格的に進展しない中で、環境負荷の低減という側面から生分解性プラスチックが注目されている。一方、時期を同じくして、プラスチックの補強材として竹、ジュートなどの天然繊維（バイオマス繊維）も見直され、天然繊維強化複合材料の研究開発、実用化が進められている。
【００１４】
本願発明者は、日本を始めアジアに広く分布する竹に注目し、環境調和型複合材料（エコ・コンポジット）として竹繊維／生分解性樹脂複合材料の開発を実施してきた。竹は軽量かつ優れた力学的物性に加え、特有の防腐・抗菌効果等を有している。さらに、コストが低くアジアに大量に生育していることから、アジア発のバイオマス産業素材として実用化への期待が大きく、今後は様々な成形材料への補強材、充填材としての利用が十分に考えられる。
【００１５】
本願明細書では、表面処理剤として、グリオキサールおよび天然由来物質であるセラックを用いて、竹繊維／生分解性樹脂複合材料の射出成形試験片を作製し、その力学物性を評価した。
２．成形および実験方法
２種類の試料を作製した。いずれも補強材として、同種の竹繊維を用いた。母材樹脂として、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）を用い、うちＧＳ−Ｐｌａ(三菱化学（株）)に対して、竹繊維の表面処理剤としてセラック(ＬＢ−５１ （株）岐阜セラック製造所)を用いた。同様にエンポール♯４５３０(Ｉｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｔｄ．)に対しては、グリオキサールを用いた。表面処理は、２ｗｔ％セラック水溶液または２ｗｔ％グリオキサール水溶液に竹繊維を浸漬した後、風乾することにより行なった。
【００１６】
混練は、二軸押出混練機（日本製鋼所（株））を用い、温度１３０℃、スクリュー回転数２００ｒｐｍで行なった。竹繊維含有量は、５、１０、２０ｗｔ％とした。射出成形は、インラインスクリュー式射出成形機（ブラスターＴＭ３０Ｆ６；東洋機械金属（株））を用いて、金型温度３０℃、シリンダー温度１５０℃の成形条件でダンベル型試験片を作製した。
【００１７】
引張試験は、オートグラフ（ＣＡＧ５０００Ｅ型；（株）島津製作所）を用い、クロスヘッドスピード１０ｍｍ／ｍｉｎ、チャック間距離１１５ｍｍで、室温下で行った。曲げ試験は、オートグラフ（ＣＡＧ５０００Ｅ型；（株）島津製作所）を用い、支点間距離４８ｍｍ、クロスヘッドスピード１０ｍｍ／ｍｉｎで、室温下で行なった。衝撃試験は、成形品に切り欠き加工を施した後、アイゾット衝撃試験機を用いて行った。
３．実験結果
図１に、それぞれ表面未処理の竹繊維、およびセラックによる表面処理を施した竹繊維を用いて作製した複合材料の、引張試験より得られた応力―ひずみ曲線を示す。また、比較のため樹脂単体の応力―ひずみ曲線も併せて示した。図より、竹繊維との複合化に伴い、引張弾性率が増加していることが明らかであった。図２、図３に、それぞれ得られた複合材料の、引張弾性率および引張強度と繊維充填率の関係を示す。引張弾性率は繊維充填率の増加に従って増加した。一方、引張強度は竹繊維との複合化により低下した。この理由として、充填された竹繊維の繊維長が不均一であり、中でも、粒子状のものが引張強度の低下を促していることが考えられる。しかしながら、２０ｗｔ％の繊維充填率において、セラック竹／ＧＳ−Ｐｌａ (三菱化学（株）)が未処理竹／ＧＳ−Ｐｌａに比較して約１５％高い値を示した。これに対し、グリオキサール竹／エンポールでは、未処理竹／エンポールと比較して約２％の増加に留まった。
【００１８】
表１には、それぞれ得られた複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度およびアイゾット衝撃値を示した。また、表２には、樹脂単体および繊維充填率２０ｗｔ％の複合材料における各物性値の比を示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
表面処理の有無による曲げ弾性率、曲げ強度の変化は僅少であった。しかしながら、曲げ弾性率は、２０ｗｔ％の繊維充填率においては、グリオキサールを用いた試料が、樹脂単体と比較して約３８％増加したのに対し、セラックを用いた試料では約６５％高い値を示した。同様に曲げ強度は、グリオキサールを用いた試料が、樹脂単体と比較して約５％増加したのに対し、セラックを用いた試料では約３０％高い値を示した。アイゾット衝撃値は、竹繊維を充填することにより樹脂単体よりも低下し、繊維充填率の増加にかかわらず大きく変化しないことが明らかになった。また、表面処理の有無にかかわらずほぼ同じ値を示した。
【００２２】
以上のことから、セラックを利用した表面処理が、グリオキサールと比較して、引張強度と曲げ特性の向上に寄与することが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】表面未処理の竹繊維、およびセラックによる表面処理を施した竹繊維を用いて作製した複合材料の、引張試験より得られた応力―ひずみ曲線を示すグラフである。
【図２】試験によって得られた各試験片の竹繊維混入率に対する引張り弾性率を示すグラフである。
【図３】試験によって得られた各試験片の竹繊維混入率に対する引張り強度を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
竹を化学的にあるいは機械的に処理して得られた繊維に水溶性セラック材を含浸させた竹繊維を樹脂に混入してなることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
竹繊維が、０．１〜５１％の範囲で混入した複合材料（注、ＰＤＦではない→プラスチック材の範疇にするため）。
【請求項３】
樹脂が生分解性樹脂である請求項１又は２記載の複合材料。
【請求項１】
竹を化学的にあるいは機械的に処理して得られた繊維に水溶性セラック材を含浸させた竹繊維を樹脂に混入してなることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
竹繊維が、０．１〜５１％の範囲で混入した複合材料（注、ＰＤＦではない→プラスチック材の範疇にするため）。
【請求項３】
樹脂が生分解性樹脂である請求項１又は２記載の複合材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−３２８１５０（Ｐ２００６−３２８１５０Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５１０５４（Ｐ２００５−１５１０５４）
【出願日】平成１７年５月２４日（２００５．５．２４）
【出願人】（５９９１３８８７０）
【出願人】（３９２０３６０９４）株式会社岐阜セラツク製造所 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２４日（２００５．５．２４）
【出願人】（５９９１３８８７０）
【出願人】（３９２０３６０９４）株式会社岐阜セラツク製造所 (3)
【Ｆターム（参考）】
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