JP3886817B2

JP3886817B2 - 生分解性複合材料及び生分解性プラスチックの成形品

Info

Publication number: JP3886817B2
Application number: JP2002030279A
Authority: JP
Inventors: 和男北川; 泰以濱田; 永治今江
Original assignee: CITY OF KYOTO
Current assignee: CITY OF KYOTO
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: JP2003226821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、天然繊維と生分解性プラスチックの複合材料、特に強度の高い生分解性複合材料と、これを成形した成形品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境負荷の低減のために生分解性プラスチックが注目されている。しかし現在市販されている生分解性プラスチックは、いわゆるエンジニアリング・プラスチックと称されているものと比較して機械的強度がかなり低いため用途が限られている。このため強化材を入れて強度不足を補うことが試みられているが、この場合は強化材自体も生分解性でないと意味がないので、例えば竹、ジュート、ケナフ等の植物性天然繊維のほか、動物性の天然繊維などが使用されている。しかし、これらの天然繊維を混合しても期待されるような補強効果が得られていないのが現状である。
【０００３】
本発明者らはこの点に着目して研究を行い、天然繊維を単に混合しただけの複合材料の成形品では、応力が加わると母材のプラスチックと補強材の天然繊維とが分離してしまい、補強効果が発揮されないことを見出した。これは生分解性プラスチックと天然繊維の界面の接着性が不十分なことが一因であり、両者が十分に一体化された成形品になっていないためであると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記の研究結果に基づき、生分解性プラスチックと天然繊維との接着性を高めることにより、高い機械的強度を発揮できる生分解性複合材料を提供できるようにすることを課題としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、この発明の生分解性複合材料は、セルロースのＯＨ基間を架橋するためにＯＨ基と反応する表面処理剤で処理した植物性天然繊維と、エステル構造を有する生分解性プラスチックとを配合したものであって、表面処理剤としてグリオキサールまたはトリメトキシメチルメラミンを使用してＯＨ基間の架橋処理を行っている。
【０００６】
上記の場合、生分解性プラスチックに対する植物性天然繊維の配合率は０．５〜５１wt%の範囲に選定される。
【０００７】
植物性天然繊維としては、竹、ジュート、ケナフ、ミツマタ等の植物性繊維が使用できるが、竹は成長が早くて生産性が高く、また国内でも十分な生産量があるので、特に適している材料である。
【０００８】
表面処理剤としては、界面活性剤として製紙工程で使用されているグリオキサールあるいはトリメトキシメチルメラミンが使用される。
【０００９】
また複合材料の母材となる生分解性プラスチックは、脂肪族ポリエステルなどエステル構造を有するものであればよく、例えばポリブチレンサクシネート等の市販されている公知の生分解性プラスチックを適宜使用できる。
【００１０】
この発明では直径が３０〜１００μｍ、長さが２００〜８００μｍの範囲にある竹繊維が使用される。また、竹繊維は特有の色と臭いを持っているので、そのまま使用するほか、脱色あるいは着色したものや、脱臭あるいは着香したものを使用することができる。
【００１１】
このような竹繊維を使用した複合材料は射出成形法による成形を行うことができ、これにより所望の形状の成形品を得ることができる。
【００１２】
上述のように、この発明ではグリオキサールまたはトリメトキシメチルメラミンを使用してセルロースのＯＨ基間を架橋処理した植物性天然繊維とエステル構造を有する生分解性プラスチックとを混合しており、表面処理剤による化学反応で架橋化されて活性化したセルロースのＯＨ基と生分解性プラスチックのエステル基との相互作用で繊維表面の濡れ性が向上し、界面の接着性が高くなって両者が十分に一体化する。従って、成形後の機械的強度の高い生分解性複合材料を得ることができるのである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を二つの実施例により説明する。
【００１４】
第１の実施例においては、母材プラスチックとしてポリブチレンサクシネート（昭和高分子(株)製ビオノーレ＃１０２０）を、補強材として粉砕処理で得られた平均直径約７０μｍ、平均長さ約５００μｍの竹繊維（末広産業(株)製）を、表面処理剤としてグリオキサールをそれぞれ使用した。
【００１５】
まず、グリオキサール４０wt%水溶液（和光純薬工業(株)製）を１wt%に希釈した処理液と、２wt%に希釈した処理液とを用意し、これらにそれぞれ竹繊維を室温で浸漬した後、室温で風乾した。この浸漬は、竹繊維に処理液が十分に浸透して濡れればよいので時間は適当でよく、浸漬以外の方法で処理してもよい。
【００１６】
こうして表面処理された２種類の竹繊維をそれぞれ１０wt%の割合でポリブチレンサクシネートに配合し、２軸押出成形機を用いて温度１３５℃で均一に混練した後、インラインスクリュー型射出成形機によりスクリュー温度１４０℃でダンベル型に成形し、１wt%の処理液で処理した竹繊維を使用したサンプルＡ１と、２wt%の処理液で処理した竹繊維を使用したサンプルＡ２を得た。なお、上記の混練や射出時の温度はポリブチレンサクシネートの融点に対応して設定されたものであり、母材が異なる場合にはその母材に応じて設定されることになる。
【００１７】
図１はこれらのサンプルＡ１及びＡ２と、比較のため処理液で処理してない竹繊維を用いて同条件で成形したサンプルＡ０の引張試験の結果を示したものである。引張試験は、インストロン万能試験機を用い、クロスヘッドスピード５mm／分、スパン間距離１１５mmで実施した。
【００１８】
図１から明らかなように、サンプルＡ１及びＡ２は、サンプルＡ０と比較して機械的強度を示す伸びと荷重のいずれもが向上しており、しかもサンプルＡ２はサンプルＡ１よりも高い数値を示している。これらはこの発明による竹繊維の表面処理が有効であり、所期の目的が達成されていることを裏付けている。
【００１９】
第２の実施例においては、母材と竹繊維は第１の実施例と同様であるが、表面処理剤としてトリメトキシメチルメラミンを使用した。
【００２０】
まず、トリメトキシメチルメラミン８０wt%水溶液（住友化学工業(株)製Sumitex Resin M-3）を１wt%に希釈した処理液と、２wt%に希釈した処理液とを用意し、これらにそれぞれ竹繊維を室温で浸漬した後、室温で風乾した。
【００２１】
こうして表面処理された２種類の竹繊維をそれぞれ１０wt%の割合でポリブチレンサクシネートに配合し、第１の実施例と同条件で均一に混練してダンベル型に成形し、１wt%の処理液で処理したサンプルＢ１と、２wt%の処理液で処理したサンプルＢ２を得た。
【００２２】
図２はこれらのサンプルＢ１及びＢ２と、前述のサンプルＡ０とを第１の実施例と同じ条件で引張試験を行った結果を示したものである。図２から明らかなように、サンプルＢ１及びＢ２はサンプルＡ０に対して伸びはほぼ変わらないものの、荷重は向上しており、サンプルＢ２はサンプルＢ１よりも高い数値を示している。この第２の実施例もこの発明による竹繊維の処理が有効であり、所期の目的が達成されていることを裏付けている。
【００２３】
以上の各サンプルの破断面を顕微鏡で確認したところ、サンプルＡ０では母材プラスチックと竹繊維の間に多くの隙間が生じているのに対して、サンプルＡ１及びＡ２並びにサンプルＢ１及びＢ２では隙間はほとんど生じておらず、母材と竹繊維とが一体化されていることが観察された。
【００２４】
上述の実施例では平均直径約７０μｍ、平均長さ約５００μｍの竹繊維を用いているが、これは必要な強度が得られ、しかも射出成形に支障のない十分な流動性が保たれるように選定された数値である。実際の直径が３０〜１００μｍ、長さが２００〜８００μｍの範囲の竹繊維であれば、平均値が上記と異なっても特に問題なく所望の形状の射出成形品を得ることができる。なお、成型性及び成形品強度等を考慮すると、竹繊維の直径が４０〜８０μｍ、長さが４００〜６００μｍの範囲であることが望ましいが、成形方法や繊維の種類によっては繊維の直径や長さは上記の範囲以外のものであっても使用可能である。
【００２５】
図１では表面処理剤の濃度が高いサンプルの方が伸びと荷重が向上し、図２では表面処理剤の濃度が高い方が伸びが向上しており、表面処理剤の濃度が高いほど結果が良いことを示しているが、効果の得られる濃度の上限についてはまだ十分な確認はなされていない。
【００２６】
上述の実施例では竹繊維を１０wt%の割合でポリブチレンサクシネートに配合しているが、植物性天然繊維の配合率は複合材料の用途や繊維の種類、生分解性プラスチックの種類などに応じて適宜選定すればよい。得られた成形品の機械的強度は天然繊維の配合率によって当然変化するが、配合率が０．５〜５１wt%の範囲であれば強度向上の効果があり、特に配合率が５〜３０wt%であれば大きな強度向上が期待できる。なお、上記の５１wt%は規格上プラスチックとして認められる上限値であり、技術的には更に高い配合率も可能である。
【００２７】
また、母材プラスチックと表面処理剤は実施例のものに限定されるものではなく、性状が同等であれば他の材料を使うことができ、更に生分解性を損なわない範囲であれば、帯電防止剤、難燃剤、着色剤などの各種材料を適宜添加することができる。また、竹繊維は特有の色と臭いを持っているので、脱色あるいは着色処理したものや、脱臭あるいは着香処理したものを使用することができる。これらの処理は、例えば着色剤や芳香剤の溶液に竹繊維を含浸するなど、適宜の手段によって実施することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明の生分解性複合材料は、グリオキサールまたはトリメトキシメチルメラミンをＯＨ基と反応する表面処理剤として使用してセルロースのＯＨ基間を架橋処理した植物性天然繊維と、エステル構造を有する生分解性プラスチックとを均一に配合したものである。従って、表面処理剤による化学反応で架橋化されて活性化したセルロースのＯＨ基と生分解性プラスチックのエステル基との相互作用で繊維表面の濡れ性が向上し、界面の接着性が高くなって両者が十分に一体化するので、エンジニアリング・プラスチックとほぼ同等の機械的強度を有し、広い範囲の用途に使用可能で実用性の高い生分解性複合材料を得ることができる。
【００２９】
植物性天然繊維として竹繊維を用いたものでは、竹は成長が早くて生産性が高く、また国内でも十分な生産量があるので比較的入手が容易であり、機械的強度の高い生分解性複合材料を低コストで製造することが可能となる。
【００３０】
また表面処理剤として、製紙工程で一般に使用されているグリオキサールあるいはトリメトキシメチルメラミンを使用するので、入手は容易である。
【００３１】
また生分解性プラスチックとして市販されているポリブチレンサクシネートを使用するものでは、入手は容易である。
【００３２】
また直径が３０〜１００μｍ、長さが２００〜８００μｍの竹繊維を使用することにより、必要な強度を確保しながら、射出成形法を適用して所望の形状の成形品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態における成形品の引張試験の結果を示す図である。
【図２】他の実施形態における成形品の引張試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
Ａ１、Ａ２一実施形態における成形品のサンプル
Ｂ１、Ｂ２他の実施形態における成形品のサンプル
Ａ０従来技術による成形品のサンプル

Claims

セルロースのＯＨ基間を架橋するためにＯＨ基と反応する表面処理剤で処理した植物性天然繊維と、エステル構造を有する生分解性プラスチックとを配合したものであって、上記表面処理剤がグリオキサールまたはトリメトキシメチルメラミンであることを特徴とする生分解性複合材料。
生分解性プラスチックに対する植物性天然繊維の配合率が０．５〜５１wt%である請求項１記載の生分解性複合材料。
植物性天然繊維が竹繊維である請求項１又は２に記載の生分解性複合材料。
生分解性プラスチックがポリブチレンサクシネートである請求項１乃至３のいずれかに記載の生分解性複合材料。
竹繊維の直径が３０〜１００μｍ、その長さが２００〜８００μｍである請求項３又は４に記載の生分解性複合材料。
竹繊維が脱色あるいは着色処理されている請求項５記載の生分解性複合材料。
竹繊維が脱臭あるいは着香処理されている請求項５記載の生分解性複合材料。
請求項５乃至７のいずれかに記載の生分解性複合材料を使用し、射出成形法によって所望の形状に成形されたことを特徴とする生分解性プラスチックの成形品。