JP2005054326A

JP2005054326A - 天然繊維強化高分子系複合材料の製造方法

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Publication number: JP2005054326A
Application number: JP2003287957A
Authority: JP
Inventors: Toru Fujii; 藤井　　透
Original assignee: Doshisha Co Ltd
Current assignee: Doshisha Co Ltd
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP4489391B2

Abstract

【課題】ばらつきの多い天然繊維で強化した複合材料の設計を容易化し、さらにその品質安定化を図る。
【解決手段】目標とする引張り強度を発現させるのに最適な界面強度τ_iを、製造する複合材料の組成に応じて算出し、その後、この界面強度τ_iを与える表面処理を選択して天然繊維に施す。最適界面強度の算出式としては、τ_i＝ασ_f／Ｌが考えられる。ここで、αは母材の種類によって定まる定数、σ_fは天然繊維の平均引張り強度、Ｌは天然繊維の平均繊維長である。
【選択図】図１

Description

本発明は、天然繊維を強化材として使用した高分子系複合材料の製造方法に関する。

強化繊維を使用する高分子系複合材料では、強化繊維と母材との界面における接着性の向上が複合材料の性能向上に寄与することが知られている。この観点から従来より多種多様の界面強度向上策が検討されており、例えば、特開平６−３４５９２６号公報には、ポリスチレン樹脂、ガラス繊維強化ポリスチレン樹脂、およびマレイン酸グラフト樹脂からなるガラス繊維強化ポリスチレン樹脂組成物により、ガラス繊維とポリスチレン樹脂との界面強度を高め、引張り強度の向上を図る旨が記載されている（特許文献１）。
特開平６−３４５９２６号公報

ところで、上記公報に記載された複合材料は、強化繊維としてガラス繊維を使用するものにすぎない。強化繊維がガラスやカーボンなどの高強度材料であれば、界面強度が高くなるほど複合材料の強度も向上するであろうことは容易に想像できる。

その一方、近年では、環境問題に対する認識の高まりから、脱ガラス繊維の要請が高く、高分子系複合材料のガラス繊維代替強化材として、ジュートやケナフといった天然繊維の使用が広く試みられている。しかしながら、これら天然繊維の強度や剛性は一般にガラスやカーボン等の無機系繊維と比べて大きく劣る。また、天然繊維ではその紡糸工程で鉱物油などの潤滑剤が使用されるため、表面に付着した潤滑剤によって樹脂との接着性が低下する。さらに天然繊維では、繊維に沿って直径が変化すること、および紡糸工程で繊維に傷がつくこと等から繊維自体の強度のばらつきも大きい。従って、上記無機系強化繊維の場合における界面強度と複合材料強度との関係（界面強度が向上すれば複合材料強度も向上する）が天然繊維でもそのまま成り立つとは限らない。

そこで、本発明は強化材として天然繊維を使用した高分子系複合材料における、界面強度と複合材料強度との関係解明を通じて、この種の複合材料の強度向上を図ることを目的とする。

本発明者らは、天然繊維で複合材料を製作し、これを引張試験に供したところ、天然繊維の界面強度と複合材料の引張り強度との間で図２に示す関係が成り立つことを見出した（図２参照）。すなわち、ガラス繊維等のように界面強度と引張り強度とが単純な比例関係にあるのではなく、界面強度が高すぎても低すぎても十分な引張り強度は発揮されず、適当な界面強度である時に複合材料の引張り強度が最も高くなり、かつ安定化することが明らかになった。

この現象は以下の理由によると考えられる。

一般に、繊維強化複合材料の破壊は、繊維の破断、繊維に沿う母材剥離（デボンディング）、あるいは繊維直角方向に延びる亀裂の成長によって生じる。ここで、母材と繊維の界面における接着強度が高いと、母材亀裂とデボンディングは抑えることができるが、その一方で僅かでも母材の亀裂が発生すると、応力集中により亀裂の先端で繊維に作用する応力が高くなるため、強度に劣る天然繊維では繊維破断が容易に生じて複合材料の破壊に至る。接着強度が弱すぎると、繊維に沿う剥離が大きく成長するが、この場合は母材を通じての応力の再配分に支障を来すため、同様に複合材料の引張り強度が低下する。一方、接着強度が適度に弱い界面であれば、母材の亀裂が繊維に到達する直前に亀裂前方の界面で剥離が生じ、この剥離が亀裂の両側で繊維に沿って成長するため、亀裂先端の繊維への応力集中が緩和され、繊維破断が生じにくくなる。

以上の検証から、天然繊維においては、複合材料の引張り強度を最大限に発揮できる最適な界面強度が存在すると考えられる。ここで、一般に複合材料の界面強度は、母材の種類や強化繊維の種類・サイズ・配向性等によって異なる値をとり、かつこれらが同じであっても強化繊維に施す表面処理方法によって異なる値をとる。

そこで、本発明では、天然繊維を強化材とする高分子系複合材料を製造するにあたり、目標強度を発現させるのに最適な界面強度τ_iを、製造する複合材料の組成に応じて求め、その後、この界面強度τ_iを与える表面処理を天然繊維に施すこととした。なお、ここでいう「複合材料の組成」は、母材種類の他、強化繊維の種類、サイズ、配向、織組織等を含むものであり、これら組成を考慮して最適な界面強度τ_iが決定される。

この場合の最適界面強度τ_i（ＭＰａ）は、例えばτ_i＝ασ_f／Ｌなる式から算出できる。但し、αは母材種類によって定まる定数、σ_fは天然繊維の平均引張り強度（ＭＰａ）、Ｌは天然繊維の平均繊維長（ｍｍ）である。

また、天然繊維に施す表面処理としては、オイル処理、エタノール洗浄、アミン系シラン処理、イソシアネート系シラン処理が代表的である。天然繊維の種類によっても異なるが、一般に後で述べた処理ほど得られる界面強度も高くなる傾向にあるので、算出した最適界面強度と同程度の界面強度が得られる表面処理をこの中から選択し、これを天然繊維に施すことにより、最も高い複合材料強度が安定的に得られるようになる。

本発明によれば、簡易な手段で確実に複合材料の強度を高めることができ、ばらつきの多い天然繊維で強化した複合材料の設計を容易化し、さらにその品質安定化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

本発明にかかる天然繊維強化高分子系複合材料は、強化材としてジュート繊維、ケナフ、あるいは竹繊維等の天然繊維を使用すると共に、母材としてＰＰ等の高分子系樹脂材料を使用するものである。この複合材料は、図１に示すように、最適界面強度τ_iを算出するステップ１と、この最適界面強度τ_iを与える表面処理方法を選択するステップ２と、当該表面処理を施すステップ３と、公知の成形法（押出し成形、射出成形等）で成形するステップ４を経て製造される。

先ず上記ステップのうち、最適界面強度τ_iの算出ステップ１を説明する。

図２は、異なる表面処理を施した長さ１、５、１０ｍｍのジュート繊維を母材中にランダムに配向し、マレイン酸で変成させて接着性を高めたポリプロピレンシートに挟んでホットプレス成形した複合材料について引張り強度を求めた結果を示すものである。なお、横軸の「繊維の界面強度」τ_maxは、次式より求められる。
ここで、ｄは繊維直径、σ_fは平均繊維強度、Ｌ_cは臨界繊維長である。

また、平均繊維強度σ_fは以下の式から算出される。
ここで、ｍはワイブル分布の形状母数であり、αは位置母数、Γはガンマ関数である。

図２から少なくとも繊維長５ｍｍおよび１０ｍｍの場合、界面強度を上げれば常に複合材料の引張強度が増加するわけではなく、界面強度が一定範囲の時に複合材料の引張り強度が最大化（図中の○を付した部分）されることが確認された。なお、繊維長１ｍｍとした時の複合材料の最大引張り強度は明らかにできていないが、これは図示範囲を越える界面強度を得るための表面処理技術が現状で確立されていないことによるもので、界面強度が高くなるほど引張り強度値の伸びが鈍化していることから考えると、概ね図中の破線で描いた領域で最大の引張り強度を示すと考えられる。

これら最大引張強度に対応する各界面強度（最適界面強度）の値を解析した結果、この最適界面強度τ_i（ＭＰａ）は次式から算出できるとの知見が得られた。
但し、αは母材種類によって定まる定数（ｍｍ）、σ_fは上記［数２］式から算出される天然繊維の平均引張り強度（ＭＰａ）、Ｌは天然繊維の平均繊維長（ｍｍ）である。

定数α（単位：ｍｍ）は、母材のヤング率によって影響されると考えられ、一例として図３〜図５にポリプロピレン、ポリアミド、およびポリエステル／ビニルエステル（ヤング率２５０〜３５０ＭＰａ）の値を示している。ここではさらに天然繊維の配向性の相違も配慮し、図３に天然繊維を母材中にランダムに配向する場合、図４に天然繊維を母材中で一方向に配向する場合、図５に平織布などの織構造を有する天然繊維を用いる場合の定数αを示す。なお、この定数値には、天然繊維のばらつきを考慮して±１０％の余裕を持たせるのが望ましい。

以上から、図３〜図５に示す定数αから該当する数値を選択し、これを予め求めた天然繊維の平均強度σ_fおよび平均長さＬと共に、上記［数３］式に代入することにより、最大の引張り強度を発現する、複合材料の組成に対応した最適な界面強度τ_iが求められる。

次に表面処理方法を選択するステップ２を説明する。

天然繊維の表面処理方法としては、オイル処理、エタノール洗浄、アミン系シラン処理、イソシアネート系シラン処理等が存在するが、通常、処理後の界面強度は各処理方法毎に固有の異なった値をとる。従って、算出した最適界面強度τ_iと同レベルの界面強度が得られる表面処理を選択し、選択した処理を天然繊維に施した上で複合材料を成形すれば、高い引張り強度を有する複合材料を安定的に得ることが可能となる。

ここで、オイル処理は、天然繊維に浸漬等の手段でオイルを付着させる処理であり、通常は処理前の繊維よりも界面強度を下げる方向に作用する。

また、エタノール洗浄は、紡糸工程で繊維表面に付着した鉱物油をエタノールで除去する工程で、例えば繊維をエタノール中に数分間浸し、その後乾燥させることにより行われる。

さらに、アミン系およびイソシアネート系シラン処理は、繊維表面にシラン処理化合物を均一にかつ単分子膜状に形成する処理で、例えば蒸留水にシランカップリング剤（例えばＫＢＥ−９０３、ＫＢＥ−９０７：信越化学工業株式会社）を攪拌混合して１ｗｔ％の水溶液に調整し、これにエタノールで脱脂した繊維を数分間浸した後、乾燥させることにより行われる。

これらの処理を特にジュート繊維に施す場合、オイル処理、エタノール洗浄、アミン系シラン処理、イソシアネート系シラン処理の順で処理後の界面強度が高くなる。具体的には、繊維長１０ｍｍ、繊維含有率３０ＶｏＬ％のジュート繊維強化複合材料に各処理を施した場合、オイル処理で１５ＭＰａ程度、エタノール洗浄で３０ＭＰａ程度、アミン系シラン処理で５０ＭＰａ程度、イソシアネート系シラン処理で８５ＭＰａ程度の界面強度が得られる。従って、算出した最適界面強度τ_iに最も近い界面強度を発現する処理を選択し、選択した処理を天然繊維に施した上で樹脂等の母材と混合して成形すことにより、高い引張り強度を有する複合材料を安定的に得ることが可能となる。

以上の説明では、複合材料の目標強度として引張り強度を例示しているが、衝撃強度等の他の強度についても界面強度との間で図２と同様の関係が得られる場合もある。この場合、上記と同様の手順で最大の衝撃強度を発現させる最適界面強度τ_iを算出し、その後、この最適界面強度τ_iを与える表面処理を天然繊維に施すことにより、高い衝撃強度を有する複合材料を安定的に得ることが可能となる。

また、以上の説明では、複合材料強度の最大値を目標とする場合を説明したが、必ずしも最大値に限るものではなく、ニーズに応じてこれよりも小さい値を目標強度とすることもできる。この場合、目標とする強度を発現するのに最適な界面強度を算出し、算出した最適界面強度を得られるような表面処理を選択することにより、上記と同様の効果が得られる。

本発明方法を概略的に説明するフローチャートである。界面強度を異ならせた時の複合材料の引張り強度を測定した結果を示す図である。定数αの具体例を示す表である。定数αの具体例を示す表である。定数αの具体例を示す表である。

符号の説明

１界面強度算出工程
２表面処理方法選択工程
３表面処理工程
４成形工程

Claims

天然繊維を強化材とする高分子系複合材料を製造するにあたり、
目標強度を発現させるのに最適な界面強度τ_iを、製造する複合材料の組成に応じて求め、その後、この界面強度τ_iを与える表面処理を天然繊維に施すことを特徴とする天然繊維強化高分子系複合材料の製造方法。
最適界面強度τ_i（ＭＰａ）を次式より算出する請求項１記載の天然繊維強化高分子系複合材料の製造方法：
τ_i＝ασ_f／Ｌ
但し、αは母材の種類によって定まる定数
σ_fは天然繊維の平均引張り強度（ＭＰａ）
Ｌは天然繊維の平均繊維長（ｍｍ）
表面処理が、オイル処理、エタノール洗浄、アミン系シラン処理、イソシアネート系シラン処理の何れかである請求項１記載の天然繊維強化高分子系複合材料の製造方法。