JP6709467B2 - Method for producing wood-based composite resin material - Google Patents
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Description
この発明は、熱可塑性樹脂と木質系材料を混合して形成した木質系複合樹脂材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a wood-based composite resin material formed by mixing a thermoplastic resin and wood-based materials.
従来、木を粉末にして樹脂と混練した複合樹脂材料は多々開発されており、複合樹脂材料の一般的な製造方法としては、木を乾燥させ機械で物理的に粉砕加工した木粉を用いている。例えば、特許文献１には、熱可塑性樹脂３０〜６０重量部を溶融し、５重量％以下の水分率を有する木粉４０〜７０重量部と混練して複合材料ペレットを作る方法であって、木粉を２軸押出機のサイドから供給し、２軸押出機中で熱可塑性樹脂及び木粉を溶融混合し、混合物を押出して複合材料チップを製造する複合材料の製造法方を開示している。また、特許文献２は、脂肪族ポリエステル樹脂（Ａ成分）、木粉等のバイオマス材料（Ｂ成分）及び不飽和カルボン酸又はその誘導体（Ｃ成分）からなる複合樹脂組成物であって、Ａ成分の少なくとも一部とＢ成分の少なくとも一部が、Ｃ成分を介して共有結合した物質を含む複合樹脂組成物を開示している。特許文献３は、木粉を２５〜７５重量％、及びイソブチレン−無水マレイン酸共重合体の変成品を０．３〜５重量％含有する熱可塑性樹脂組成物を開示している。
Conventionally, many composite resin materials have been developed in which wood is powdered and kneaded with a resin.As a general method for producing a composite resin material, wood powder that is obtained by drying wood and physically pulverizing it with a machine is used. There is. For example,
この他、特許文献４に開示されているように、合成高分子材料と木粉等のバイオマス由来成分を混合してなる高分子複合材料の製造方法であって、バイオマス由来成分の過剰含水物が少なくとも含まれる混練物を、設定された混練温度で混練する混練工程と、前記混練温度における飽和蒸気圧よりも低くかつ大気圧よりも高い設定圧力で混練物を脱水する脱水工程と、脱水された混練物を取り出す取出工程とを含む高分子複合材料とその製造方法も提案されている。 In addition, as disclosed in Patent Document 4, there is provided a method for producing a polymer composite material, which comprises mixing a synthetic polymer material and a biomass-derived component such as wood flour, wherein the excess water-containing substance of the biomass-derived component is At least the kneaded material contained, a kneading step of kneading at a set kneading temperature, a dehydration step of dehydrating the kneaded material at a set pressure lower than the saturated vapor pressure at the kneading temperature and higher than atmospheric pressure, and dehydrated A polymer composite material including a take-out step of taking out a kneaded product and a method for producing the same have also been proposed.
しかしながら、上記特許文献１〜４に開示された複合樹脂材料の製造における課題として以下の点がある。
１．木粉を用いた場合、木粉の水分含有量が多く、乾燥に多くのコストまたは特別の処理工程や処理装置かかる。
２．木粉の粒度を調整した粉砕が必要である。
３．樹脂原料と木粉を混練する場合の溶融温度が１２０℃以上となるので、混練した木粉が高温に加熱され、木粉中の残留水分や、加熱により木粉から出る揮発成分がガス化して、樹脂中に気泡を発生させる等の問題がある。さらに、揮発成分があると、樹脂原料の混練を安定的に行い難く、混練装置内でのガス抜きする設備や、真空にしてガスを処理する装置などが必要になり、コストがかかるものである。
４．原料樹脂に木粉を混練すると、流動性だけでなく物性が低下し、射出成形や押出成形した時に気泡が残る可能性がある。
以上より、樹脂原料に木粉等のバイオマスを多く混練することは難しいものであった。
However, there are the following points as problems in manufacturing the composite resin materials disclosed in
1. When wood flour is used, the water content of wood flour is high, and drying costs a lot or requires a special treatment process or treatment equipment.
2. It is necessary to pulverize wood powder with adjusted particle size.
3. When the resin raw material and wood flour are kneaded, the melting temperature is 120°C or higher, so the kneaded wood flour is heated to a high temperature, and the residual moisture in the wood flour and the volatile components emitted from the wood flour by heating are gasified. However, there is a problem that bubbles are generated in the resin. Furthermore, if there is a volatile component, it is difficult to stably knead the resin raw material, and equipment for degassing in the kneading device, a device for processing the gas in a vacuum, etc. are required, which is costly. ..
4. When wood powder is kneaded with a raw material resin, not only fluidity but also physical properties are deteriorated, and bubbles may remain during injection molding or extrusion molding.
From the above, it was difficult to knead a large amount of biomass such as wood powder into the resin raw material.
この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、木質系材料をフィラー材に用いて環境性能が良く、高品質で十分な材料強度が得られ、製造工程もシンプルな木質系複合樹脂材料の製造方法を提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the problems of the background art described above, using a wood-based material as a filler material has good environmental performance, high quality and sufficient material strength can be obtained, and the manufacturing process is also simple. An object of the present invention is to provide a method for producing a composite resin material.
この発明は、木質系原料を１８０℃〜２５０℃の水蒸気温度で加圧水熱処理し、一部が炭化した状態で前記木質系原料を粉砕して木質系フィラー材を形成し、前記木質系フィラー材と、潤滑剤、熱可塑性樹脂原料、及び酸変成剤を混合し、前記熱可塑性樹脂原料が溶融する温度で混練して、前記熱可塑性樹脂原料を溶融させて前記酸変成剤により酸変性させるとともに、前記熱可塑性樹脂原料中に前記木質系フィラー材を均一に分散させて木質系複合樹脂材料を形成する木質系複合樹脂材料の製造方法である。 In this invention, a wood-based raw material is subjected to pressure hydrothermal treatment at a steam temperature of 180° C. to 250° C., and the wood-based raw material is crushed in a state where a part thereof is carbonized to form a wood-based filler material. , A lubricant, a thermoplastic resin raw material, and an acid denaturing agent are mixed and kneaded at a temperature at which the thermoplastic resin raw material is melted, and the thermoplastic resin raw material is melted and acid-modified with the acid denaturing agent, A method for producing a wood-based composite resin material, which comprises uniformly dispersing the wood-based filler material in the thermoplastic resin material to form a wood-based composite resin material.
前記木質系原料の加圧水熱処理は、１．９ＭＰａ〜２．５ＭＰａの圧力で行うことが好ましい。さらに、前記加圧水熱処理は、１９０℃〜２４０℃の水蒸気温度で行うことが好ましい。 The pressurized hydrothermal treatment of the wood-based raw material is preferably performed at a pressure of 1.9 MPa to 2.5 MPa. Furthermore, the pressurized hydrothermal treatment is preferably performed at a steam temperature of 190°C to 240°C.
前記木質系原料は、予めチップ状に粉砕したものを前記加圧水熱処理するものである。前記酸変成剤は、無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂であり、添加量は、前記熱可塑性樹脂原料に対して１〜６質量％混合し製造する。 The wood-based raw material is one obtained by previously crushing it into chips and subjecting it to the hydrothermal treatment under pressure. The acid-denaturing agent is a maleic anhydride-grafted polyolefin resin, and is added in an amount of 1 to 6% by mass based on the thermoplastic resin raw material.
前記木質系フィラー材は、全体の２０〜８０質量％の割合で混合し、混練により前記木質系フィラー材を前記複合樹脂原料中に均一に分散させて押し出して成形し、ペレット状に形成して木質系複合樹脂材料とするものである。 The wood-based filler material is mixed in a proportion of 20 to 80 mass% of the whole, and the wood-based filler material is uniformly dispersed in the composite resin raw material by kneading and extruded to form a pellet. This is a wood-based composite resin material.
この発明により、一部が炭化した状態の木質系原料から成る粉末状の木質系フィラー材と、潤滑剤及び熱可塑性樹脂原料から成り、前記木質系フィラー材の粒子が前記潤滑剤を介して前記熱可塑性樹脂原料中に均一に分散し、前記熱可塑性樹脂原料は不飽和カルボン酸の酸変成剤により酸変性されている木質系複合樹脂材料を得ることができる。 By the present invention, a powdery wood-based filler material made of wood-based material in a state in which partially carbonized consists lubricant and thermoplastic resin material, the particles of the wood-based filler material through the lubricant It is possible to obtain a wood-based composite resin material that is uniformly dispersed in a thermoplastic resin raw material, and the thermoplastic resin raw material is acid-modified with an acid denaturant of an unsaturated carboxylic acid.
前記木質系フィラー材は、前記木質系原料が半炭化したもので、ヘミセルロースが加水分解し、セルロースとリグニンが分解せずに残っているものである。前記木質系フィラー材のセルロースは、一部が変性しているものである。 The wood-based filler material is obtained by semi-carbonizing the wood-based raw material, and hemicellulose is hydrolyzed, and cellulose and lignin remain without being decomposed. The cellulose of the wood-based filler material is partially modified.
前記酸変成剤は、無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂である。前記潤滑剤は、主成分が流動パラフィンから成るものである。前記木質系フィラー材は、全体の２０〜８０質量％の割合で混合して成るものである。 The acid modifier is a maleic anhydride grafted polyolefin resin. The lubricant is composed mainly of liquid paraffin. The wood-based filler material is mixed in a proportion of 20 to 80 mass% of the whole.
この発明の木質系複合樹脂材料の製造方法によれば、木質系フィラー材と潤滑剤、及び熱可塑性樹脂原料を混合して混練するので、混練により熱可塑性樹脂原料に木質系フィラー材粒子が均一に分散して混ざり合う。熱可塑性樹脂原料は、特に酸変成剤である無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂等により酸変性され、潤滑剤ともに木質系フィラー材粒子の中にも確実に入り込み、より強度の高い木質系複合樹脂材料を形成することができる。しかも、この製造方法は、工程が短く、製造装置をシンプルにすることができ、熱可塑性樹脂原料の熱変性を抑えることができ、木質系複合樹脂材料を高品質で製品強度の高い樹脂材料として提供することができる。 According to the method for producing a wood-based composite resin material of the present invention, since the wood-based filler material, the lubricant, and the thermoplastic resin raw material are mixed and kneaded, the wood-based filler material particles are uniformly mixed in the thermoplastic resin raw material by kneading. Disperse and mix in. The thermoplastic resin raw material is acid-modified, especially with a maleic anhydride grafted polyolefin resin which is an acid-denaturing agent, and it surely enters into the wood-based filler material particles together with the lubricant, and the wood-based composite resin material with higher strength Can be formed. Moreover, this manufacturing method has a short process, the manufacturing apparatus can be simplified, the thermal denaturation of the thermoplastic resin raw material can be suppressed, and the wood-based composite resin material can be used as a resin material with high quality and high product strength. Can be provided.
さらに、合成樹脂は、石油１００％の材料で、リサイクルされてはいるが、最終処分される際には燃焼される。従ってこの時に排出される多量の二酸化炭素は、地球温暖化の一因となる。しかし、この発明により得られる木質系複合樹脂材料によれば、カーボンニュートラルであるバイオマスを原料にした木質系フィラー材を多く用いて複合樹脂材料を提供するものであり、最終的に二酸化炭素排出量を削減することができる。この他、この発明の木質系複合樹脂材料の製造方法は、葉や小枝など木質部のすべての材料が含まれていても処理が可能であり、これまで資源化されていなかったバイオマスを有効に利用することができる。 Further, the synthetic resin is a material made of 100% petroleum, and although it is recycled, it is burned when it is finally disposed of. Therefore, a large amount of carbon dioxide emitted at this time contributes to global warming. However, according to the wood-based composite resin material more obtained with the present invention, there is provided a composite resin material with many woody filler material in which the biomass is carbon neutral raw material, ultimately carbon dioxide emissions The amount can be reduced. In addition, the method for producing a wood-based composite resin material of the present invention can be processed even if it contains all materials of wood parts such as leaves and twigs, and effectively utilizes biomass that has not been recycled so far. can do.
また、バイオマスは加熱すると、木等が強く吸着している吸着水や木等の導管等に含まれている自由水、木質や葉などに含まれているオイルなどの揮発性分やタールなどからガスが発生する可能性が高い。従って、熱可塑性樹脂原料にバイオマス原料を混練する場合、このガスは複合樹脂材料を製造するときの阻害要因となり、ガスが発生しにくいフィラー材が好ましい。さらに、バイオマスを粉砕して木粉として混練する場合、木粉の粒径や形状、木粉の持つ有機成分の有無以外に、混練するときに溶融した熱可塑性樹脂原料の溶融温度で変性しない材料であることが重要である。これらの課題もこの発明の木質系複合樹脂材料は解決したもので、この発明の木質系フィラー材は、加圧水熱処理により半炭化されているので、熱可塑性樹脂原料混練時に変性せず、熱可塑性樹脂原料との混練時に影響しないものであり、混練及び成形により良好な品質の木質系複合樹脂材料を提供することができる。 Also, when biomass is heated, it absorbs adsorbed water that trees strongly adsorb, free water contained in conduits of trees, etc., volatile components such as oil contained in wood and leaves, and tar. Gas is likely to be generated. Therefore, when kneading the biomass raw material with the thermoplastic resin raw material, this gas becomes an impediment factor in the production of the composite resin material, and a filler material that hardly generates gas is preferable. Furthermore, when biomass is crushed and kneaded as wood powder, a material that does not denature at the melting temperature of the thermoplastic resin raw material melted at the time of kneading, in addition to the particle size and shape of the wood powder and the presence or absence of the organic component of the wood powder. Is important. These problems are also solved by the wood-based composite resin material of the present invention, and since the wood-based filler material of the present invention is semi-carbonized by the hydrothermal treatment under pressure, it does not denature during kneading of the thermoplastic resin raw material and the thermoplastic resin It does not affect the kneading with the raw material, and the kneading and molding can provide a wood-based composite resin material of good quality.
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１はこの発明の一実施形態の製造工程を示すもので、この実施形態の木質系複合樹脂材料１０は、木質系フィラー材１２と潤滑剤である流動パラフィン１４、及び適宜の熱可塑性樹脂原料１６を混練して成る。流動パラフィン１４は、後述するように木質系フィラー材１２に混合され、多孔質の木質系フィラー材１２の粒子表面及び孔中に浸透している。そして、木質系フィラー材１２は、流動パラフィン１４が潤滑剤及び界面活性剤として機能し、熱可塑性樹脂原料１６中に均一に分散して成るものである。熱可塑性樹脂原料１６は、不飽和カルボン酸である無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂の酸変成剤１８が添加されて酸変性され、界面活性が改善され、強度も向上しているものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a manufacturing process of an embodiment of the present invention. A wood-based
先ず、木質系複合樹脂材料１０の製造に用いる各材料について以下に説明する。熱可塑性樹脂原料１６は、熱可塑性樹脂が好適に用いられる。熱可塑性樹脂原料１６として採用することができる熱可塑性樹脂は、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン−アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）等のポリオレフィン系の樹脂が好適である。またこれらに限定されることなく、その他、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル・ブチレン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、テグラノボン（商標）や、マクロテク・リサーチ社（米国）のＥＣＭマスターバッチ（商品名）等、加熱により熱流動する性質を有し押出成形が可能なものであれば、特に制限無く用いることができる。さらに、これら熱可塑性樹脂は、二種以上混合して使用してもよい。
First, each material used for manufacturing the wood-based
流動パラフィン１４は、原油から精製された潤滑剤の、炭素原子の数が２０以上のアルカンであるパラフィンのうち、オレフィン系炭化水素に富み常温では液体の油である。流動パラフィン１４以外に、用いることができる潤滑剤としては、潤滑油や作動油等として用いられる油でも良い。流動パラフィン１４は、動粘度が４０℃のとき、１０ｍｍ２／ｓ〜１００ｍｍ２／ｓ、好ましくは２０ｍｍ２／ｓ〜４０ｍｍ２／ｓ、１００℃のとき、２．５ｍｍ２／ｓ〜１１．５ｍｍ２／ｓ、好ましくは４．０ｍｍ２／ｓ〜７．０ｍｍ２／ｓである。流動パラフィン１４等のここで用いる潤滑剤の気化温度は、熱可塑性樹脂原料１６の溶融温度よりも高いものであり、熱可塑性樹脂原料１６の溶融時にも容易に気化ぜず、木質系フィラー材１２及び熱可塑性樹脂原料１６の均一な混合及び混練に寄与するものである。
酸変成剤１８は、溶融状態における異種の樹脂同士の結合を助けたり、加工性の改善や、ガラス繊維、エラストマー、難燃剤の均一な分散のために使用される機能性樹脂である。例えば、無水マレイン酸が用いられ、具体的には、一例として無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂であるデュポン株式会社製FUSABOND（登録商標）P613RESINを用いることができる。添加量は、熱可塑性樹脂原料１６に対して１〜６質量％混合する。
The acid-denaturing
次に、この発明の木質系複合樹脂材料１０の木質系フィラー材１２について、以下に詳述する。木質系フィラー材１２は、木粉の製造工程に着目し、従来の木粉の製造方法のように、単に木を乾燥させて機械で粉砕するという発想を転換し、バイオマスを釜の中にいれて加圧水熱処理により木粉を製造するものである。この発明では、木類のみならず、竹、稲わら、籾殻、及びこれらを加工した合成材、集成材、合板類、その他ダムの流木、剪定枝葉などの廃棄する木質系材料などの木質系原料をバイオマスと総称する。この発明は、この加圧水熱処理で粉砕したバイオマスを分級し、木質系フィラー材１２として、後述するように熱可塑性樹脂原料１６と混練し、バイオマス混練複合樹脂である木質系複合樹脂材料１０を成形するものである。
Next, the wood-based
ここで、バイオマスを水蒸気で処理をする方法はいくつかあるので、以下に説明する。バイオマスは木材利用以外に製紙業などで多く使われているが、近年は、二酸化炭素を放出しないカーボンニュートラルの燃料として、バイオマスのエネルギー化が行なわれている。バイオマスをエネルギーに転換する方法として、バイオマスを炭化したりガス化したりしており、効率の高いエネルギーに転換しようとする試みが行なわれている。バイオマスをガス化したり炭化物にする方法には主に、１．水蒸気改質、２．急速熱分解、３．炭化、４．水熱ガス化があり、以下に簡単に説明する。 Here, there are several methods for treating biomass with steam, which will be described below. Biomass is widely used in the paper manufacturing industry and the like in addition to the use of wood, but in recent years, biomass has been converted to energy as a carbon-neutral fuel that does not emit carbon dioxide. As a method of converting biomass into energy, carbonization or gasification of biomass has been attempted to convert it into highly efficient energy. The methods for gasifying biomass and converting it to charcoal are mainly 1. Steam reforming, 2. Rapid pyrolysis, 3. Carbonization, 4. There is hydrothermal gasification and is briefly described below.
水蒸気改質とは水蒸気でバイオマスに熱分解や加水分解を生じさせ、炭素化を進行させる事と定義されている。水蒸気改質では高温高圧で水蒸気の体積を小さくし、短時間で炭化を可能にする方法である。バイオマスのエネルギー分野で「水蒸気改質」という言葉は、炭化水素やバイオマスを水蒸気と反応させ、合成ガスを発生させる技術を言う。 Steam reforming is defined as causing carbonization to proceed by causing thermal decomposition or hydrolysis of biomass with steam. Steam reforming is a method of reducing the volume of steam at high temperature and high pressure to enable carbonization in a short time. In the energy field of biomass, the term "steam reforming" refers to the technology of reacting hydrocarbons and biomass with steam to generate synthesis gas.
急速熱分解とは、バイオマスを急速に５００℃〜６００℃に加温し熱分解させると、メタノールや酢酸を含む熱分解液(木酢液やタール)がガスになり、残りは炭化物になる。加熱過程で、ヘミセルロースは１８０℃〜３００℃、セルロースは２４０℃〜４００℃、リグニンは２８０℃〜５００℃で分解するといわれている。 In the rapid pyrolysis, when the biomass is rapidly heated to 500° C. to 600° C. to be pyrolyzed, the pyrolysis liquid (wood vinegar solution or tar) containing methanol or acetic acid becomes a gas, and the rest becomes a carbide. It is said that hemicellulose decomposes at 180°C to 300°C, cellulose decomposes at 240°C to 400°C, and lignin decomposes at 280°C to 500°C in the heating process.
炭化は、木質系バイオマスを加熱する場合、酸素を極端に制限して４００℃〜６００℃に加熱すると、気体（木ガス）、液体（木酢液）、及び炭化した固体（炭）が得られる。これは常圧窒素中における熱分解である。この炭化による炭化物の収率（収炭率）は、４００℃で処理すると３０〜４０％程度、９００℃になると２５〜３０％に減少する。これらを熱効率で表すと、熱効率＝（炭＋油＋ガスの熱量合計／原料の熱量）の式より、炭の場合熱効率は４５．４％になる。また、ガスが大気中に放出されエネルギーとして利用できないと、炭のエネルギー効率は１４．１％に低下すると試算されている。 In the carbonization, when heating wood-based biomass, if oxygen is extremely limited and heated to 400° C. to 600° C., gas (wood gas), liquid (wood vinegar solution), and carbonized solid (charcoal) are obtained. This is pyrolysis in atmospheric nitrogen. The yield (coal yield) of the carbides due to this carbonization decreases to about 30 to 40% when treated at 400°C, and to 25 to 30% at 900°C. When these are expressed in thermal efficiency, the thermal efficiency in the case of charcoal is 45.4% from the equation of thermal efficiency=(total amount of heat of coal+oil+gas/heat amount of raw material). It is also estimated that the energy efficiency of charcoal will drop to 14.1% if gas is released into the atmosphere and cannot be used as energy.
水熱ガス化は、加圧加熱下でバイオマスを処理して可燃性ガスを得ることを言う。水は大気圧で加熱すると１００℃で沸騰して水蒸気となり、同時に体積が１０００倍に膨張する。このとき、大気圧より加圧した状態で加熱すると、沸騰する温度も上がり水蒸気の膨張率は小さくなる。１ＭＰａの圧力下では、水は１８１℃で沸騰し水蒸気の膨張率は１８０倍になる。つまり普通の大気圧の下で高温にすると、水蒸気になると水の体積は大きくなるが、高圧力下では、高温でも大きくならない水蒸気が得られる。さらに水を臨界温度、臨界圧力（３７３℃、２２．１ＭＰａ）にすると、水蒸気の膨張率は１になり、液体と気体の区別がなくなり沸騰も起こらなくなる。この状態を臨界状態と呼ぶが、この状態では有機物の熱分解も進むことから、この状態でバイオマスを反応させると、効率よく可燃性ガスに転換することが可能になる。水熱ガス化は、このような加圧加熱下でバイオマスを処理して可燃性ガスを得るものである。 Hydrothermal gasification refers to the treatment of biomass under pressure to obtain combustible gas. When heated at atmospheric pressure, water boils at 100° C. to become water vapor, and at the same time, the volume expands 1000 times. At this time, if heating is performed under a pressure higher than the atmospheric pressure, the boiling temperature also rises and the expansion coefficient of water vapor decreases. Under a pressure of 1 MPa, water boils at 181° C. and the expansion coefficient of water vapor becomes 180 times. That is, when the temperature becomes high under normal atmospheric pressure, the volume of water increases when it becomes water vapor, but under high pressure, water vapor that does not increase even at high temperature is obtained. Further, when water is brought to a critical temperature and a critical pressure (373° C., 22.1 MPa), the expansion coefficient of water vapor becomes 1, the distinction between liquid and gas disappears, and boiling does not occur. This state is called a critical state, but in this state, thermal decomposition of organic matter also progresses. Therefore, when biomass is reacted in this state, it is possible to efficiently convert it into a combustible gas. Hydrothermal gasification is to process combustible gas under such pressure heating to obtain combustible gas.
また、バイオマスを混練した木質系複合樹脂材料１０を製造するには、バイオマスを微粉砕し水分や揮発分がないこと、混練する熱可塑性樹脂原料１６の溶融温度に耐え得る素材であること、安価で大量に製造できること、保管が容易であることなどが条件になる。この発明は、バイオマスの処理方法として、上述の水熱ガス化を応用した加圧水熱処理を施して処理するのが最適であることを見いだしたものである。加圧水熱処理は、バイオマスを入れた圧力釜の中に高温の加圧水蒸気を封じ込めて、これを外部から加熱することで温度や圧力を維持し、水蒸気の力でバイオマスを半炭化させるものである。装置は、圧力釜の中に、加圧水熱蒸気を注入して封じ込めが出来るものであれば良く、比較的低温度の水蒸気でも高圧力化で処理できれば、バイオマスを半炭化状態に変性させることができる。この発明の半炭化とは、バイオマスを加熱・加圧して完全脱水分解状態や、炭化して熱分解に至る前の状態であって、燃焼には寄与しない水分の脱水と、セルロースやヘミセルロースを変性・分解させ、リグニンは変性していない状態をいう。
Further, in order to produce the wood-based
半炭化には３種類の状態があり、Ｉ炭、II炭、III炭と分類される。バイオマスから余分な水分を脱水し木質部を軟化させヘミセルロースを分解（１４０℃〜）し、セルロースのＯＨ基がはずれて一部のセルロースが変性した状態になったものをＩ炭という。木質バイオマスをＩ炭の状態で止めることは可能であるが、温度を上げていくと、II炭の状態では、セルロースの熱分解（２４０℃〜２５０℃）が起きて急激に質量の減少が生じる。さらに温度を上げると、リグニンが分解（３５０℃〜）して火炎燃焼が生じ、III炭の状態となる。II炭、III炭の状態では、半炭化から炭化への進行を止めることが出来ず、完全炭化に移行していく。 There are three types of semi-carbonization, which are classified as I coal, II coal, and III coal. Extraneous water is removed from the biomass to soften the woody part to decompose hemicellulose (140°C-), the OH groups of the cellulose are removed, and a part of the cellulose is denatured to be called I charcoal. It is possible to stop woody biomass in the state of I charcoal, but when the temperature is raised, in the state of II charcoal, the pyrolysis of cellulose (240°C to 250°C) occurs, causing a rapid decrease in mass. .. When the temperature is further raised, lignin is decomposed (350° C. or higher), flame combustion occurs, and the state becomes III coal. In the state of II charcoal and III charcoal, the progress from semi-carbonization to carbonization cannot be stopped and it shifts to complete carbonization.
ここで、使用した材料が半炭化物か否かはＴＧ−ＤＴＡ試験（ＴＧ−ＤＴＡ試験とは、試料及び基準物質の温度をプログラムに従って変化させながら、試料の重量変化測定、及び試料と基準物質の温度差を測定する示差熱測定を同時に行うもの。）で証明することができる。ＴＧ−ＤＴＡ試験で分析すると質量が、Ｉ炭はセルロース、ヘミセルロース成分がほぼ５０質量％、リグニン成分がほぼ４０質量％となる。セルロースはＯＨ基がはずれ、変性したセルロースに変っているが、エネルギー的ロスはほとんど生じていない。ヘミセルロースは、水分の揮発とともに揮発分が放出されているので変化しているが、質量的には大きくロスはしていない。リグニンは、全く影響を受けていない。 Here, whether or not the material used is a semi-carbide is determined by a TG-DTA test (TG-DTA test is performed by changing the temperature of the sample and the reference substance according to a program, measuring the weight change of the sample, and measuring the weight of the sample and the reference substance. It can be proved by measuring the temperature difference at the same time. When analyzed by the TG-DTA test, the I carbon has a mass of about 50% by mass of cellulose and hemicellulose component and about 40% by mass of lignin component. Although OH groups of cellulose have been removed and changed to modified cellulose, almost no energy loss occurs. Hemicellulose changes because the volatile components are released with the volatilization of water, but there is no significant loss in terms of mass. Lignin is completely unaffected.
この発明の木質系フィラー材１２はＩ炭の状態のものであり、発熱ピークが高く燃焼に近い発熱を示す。ＴＧ−ＤＴＡ試験ではＩ炭は４００℃で熱分解、４５０℃で燃焼に近い発熱が見られるが、通常の木粉は、水や木の揮発成分等が多く残っており、発熱を妨げる物質となっているので、熱分解、発熱現象も４００℃以下である。したがって、Ｉ炭状態は、一般の木粉に比べ揮発成分が少ない状態である。
The wood-based
木質系複合樹脂材料１０は、溶かした熱可塑性樹脂原料１６に混練可能なサイズの粉体を混ぜた複合材料で、元の熱可塑性樹脂原料１６に新しい機能を持たせ、強度を低下させずに熱可塑性樹脂原料１６の使用量の削減等の利点がある。従来の木質系複合樹脂材料に混合する木粉は、生の木を乾燥させて粉砕して作ることが一般的であり、木の水分が十分に除去されていない場合や、熱可塑性樹脂原料に混練するときに、熱可塑性樹脂原料の溶融温度で木粉から揮発成分が出て熱可塑性樹脂原料に気泡が出来るなどの問題がある。そこで、この発明では、これらの課題を解消できる材料として、半炭化木粉である木質系フィラー材１２を使用するものである。
The wood-based
この発明の実施形態での木質系フィラー材１２の製造は、水蒸気温度約２００℃〜２５０℃のボイラーを用い、密閉された圧力釜内に水蒸気を送り、釜の圧力を高めることで水蒸気の体積を少し小さくし、高温の水蒸気で木を軟化し、内部の攪拌機を回転させてバイオマスである木等を粉砕するものである。水蒸気温度が２００℃〜２５０℃と低いが、この温度帯ではバイオマス中のセルロースやリグニンなどを分解しないことから、木のエネルギー収率はほとんど減少しない。また、短時間で木の水分や揮発分を取り除けることや、水蒸気で熱処理するので僅かに炭化した状態で取り出すことができる。
The production of the wood-based
木質系原料であるバイオマスをＩ炭の状態に半炭化するには、加水分解による熱分解が生じない温度帯及び加圧下で処理する。この温度帯としては処理温度が１９０℃〜２４０℃、１．９ＭＰａ以上の圧力が好ましい。Ｉ炭の範囲に処理するには、バイオマスが軟化し始める温度である１８０℃と、熱分解が開始する直前の温度が２４０℃であることを考慮して、処理温度帯は、１８０℃〜２５０℃の水蒸気温度、好ましくは加圧水熱処理温度帯が１９０℃以上〜２４０℃で行うと良いものである。 In order to semi-carbonize the biomass, which is a wood-based raw material, into the state of I charcoal, it is processed in a temperature zone and under pressure where thermal decomposition by hydrolysis does not occur. As this temperature zone, a treatment temperature of 190° C. to 240° C. and a pressure of 1.9 MPa or more are preferable. To treat in the range of I charcoal, the treatment temperature range is 180°C to 250°C, considering that the temperature at which the biomass begins to soften is 180°C and the temperature immediately before the start of pyrolysis is 240°C. It is good to carry out at a steam temperature of °C, preferably at a pressure hydrothermal treatment temperature range of 190°C to 240°C.
この実施形態で用いる装置は、１．９ＭＰａ以上２．５ＭＰａ以下、好ましくは２ＭＰａ以上２．５ＭＰａ以下の圧力を維持できる装置で、加圧水熱処理中に釜の温度が下がらない構造を備えたものである。例えば、釜の外側をソケットでつつみ、その間に同様の水蒸気を投入して温度が低下しないようにした２重構造などで、内部に樹木を攪拌できる装置が好ましい。この装置でバイオマスを回転させ、高温高圧水蒸気雰囲気下による処理で、半炭化した木粉である木質系フィラー材１２を製造する。
The apparatus used in this embodiment is an apparatus capable of maintaining a pressure of 1.9 MPa or more and 2.5 MPa or less, preferably 2 MPa or more and 2.5 MPa or less, and has a structure in which the temperature of the kettle does not drop during the pressurized hydrothermal treatment. .. For example, it is preferable to use a device having a double structure in which the outside of the kettle is wrapped in a socket and the same steam is added to prevent the temperature from dropping during that time, and the tree can be stirred inside. The biomass is rotated by this apparatus, and the wood-based
バイオマスの加圧水熱処理方法は、図１に示すように、予めバイオマスをチップ状に粗粉砕し、例えば３〜７ｍ３で所定の圧力をかけることが可能な釜に、チップ状に粗粉砕したバイオマスを入れ、釜の中に水蒸気を注入する。釜の中が２００℃を超えて水蒸気圧が２ＭＰａ以上になったら釜の圧力や温度を維持し、釜内の回転翼を動かし、３０分程度回転させ加圧水熱処理を行う。その後、釜の圧力を徐々に下げて、大気圧になったら釜の取り出し口から取り出すと、チップで入れた樹木が、粉体となって出てくるものである。さらに、これを例えば天日で乾燥し保管する。半炭化物は、細胞が吸着した水分がないことから、自然乾燥でも含水量１０％程度に下げることが可能である。 As shown in FIG. 1, the method of pressurized hydrothermal treatment of biomass is as follows. The biomass is roughly crushed into chips in advance, and the biomass roughly crushed into chips is put in a pot capable of applying a predetermined pressure of 3 to 7 m 3 , for example. Put it and inject steam into the kettle. When the inside of the kettle exceeds 200° C. and the water vapor pressure becomes 2 MPa or more, the pressure and temperature of the kettle are maintained, the rotary blades inside the kettle are moved, and they are rotated for about 30 minutes to perform hydrothermal treatment under pressure. After that, the pressure in the kettle is gradually reduced, and when the atmospheric pressure is reached, the wood is taken out from the take-out port of the kettle and the trees put in with chips come out as powder. Further, it is dried and stored in the sun, for example. Since the semi-carbide has no water adsorbed by the cells, it is possible to reduce the water content to about 10% even by natural drying.
木質系複合樹脂材料１０を製造する木質系フィラー材１２として使うときは、水分量を確認し、さらに１％程度までに乾燥させ、簡易な回転式粉砕機で粉砕し粒度を調整して用いる。乾燥物は大きな木粉が残っている可能性もあるので、フィラーとして利用する場合、一度ミルで粉砕工程を入れると、精度の良い木質系フィラー材１２とすることができる。ここで利用するミルは、半炭化物を粉砕するミルなので、木粉に比べて物理的強度が低下していることから粉砕エネルギーも少なくて済む。その後、後述する製造法方のように、熱可塑性樹脂原料１６と混練するときは、熱可塑性樹脂原料１６の溶融温度や複合樹脂の用途等にあわせて、所定の配合比率で混合した樹脂材料等を混練機に入れて複合材料を製造する。
When used as the wood-based
次に、この実施形態の木質系フィラー材１２を用いた木質系複合樹脂材料１０の製造方法について、図１、図２に基づいて説明する。まず、ホッパー２０に粒状の熱可塑性樹脂原料１６を入れ、ホッパー２２には木質系フィラー材１２を入れ、隣接するホッパー２４に酸変成剤１８を入れる。熱可塑性樹脂原料１６はポリプロピレンであり、例えば商品名ノバテックＰＰＭＡ３（日本ポリプロ株式会社製）である。酸変成剤１８として、例えば上記FUSABOND（登録商標）を入れる。
Next, a method for manufacturing the wood-based
混合工程では、ホッパー２０，２２，２４の下方に設けられたミキサー２６に、木質系フィラー材１２、流動パラフィン１４、熱可塑性樹脂原料１６、及び酸変成剤１８を、各ホッパー２０，２２，２４等から入れる。流動パラフィン１４は、例えば商品名ハイコールＫ−２３０（カネダ株式会社製）である。流動パラフィン１４の添加量は、木質系フィラー材１２に対して０．２〜０．７質量％となるものであり、好ましくは０．４〜０．５質量％であり、気温、湿度、その他の添加剤の量によって変える。これにより、木質系フィラー材１２及び粒状の熱可塑性樹脂原料１６の表面に、流動パラフィン１４が付着し、木質系フィラー材１２と粒状の熱可塑性樹脂原料１６がスムーズに均一に混合される。
In the mixing step, the wood-based
酸変成剤１８の添加量は、熱可塑性樹脂原料１６に対して１〜６質量％程度、好ましくは３〜５質量％であり、熱可塑性樹脂原料１６の状態や、木質系フィラー材１２に混練する流動パラフィン１４の量によって変える。熱可塑性樹脂原料１６と木質系フィラー材１２の混合質量比は、８：２〜２：８、例えば１：１、または３：７等、適宜変更可能である。
The addition amount of the acid-denaturing
混合工程により作られた混合物９は、木質系複合樹脂材料１０を混練するための後述する２軸押出機３２の上に配置された計量攪拌機２８に投入される。計量攪拌機２８の下方には定量供給装置３０が設けられ、計量攪拌機２８から、混合物９を定量供給装置３０により２軸押出機３２に投入し、加圧加熱下で混練する混練工程を行って、木質系複合樹脂材料１０を作る。
The
ここで、一般的な２軸押出機３２について説明する。図２に示すように、２軸押出機３２は、混合物９を投入する投入口３４が上流側に設けられ、混練して作られた木質系複合樹脂材料１０が押し出される押出口３６が下流側端部に設けられている。シリンダ３８には、シリンダ３８の内部で軸回転し上流から下流に向かって混合物９を押し出しながら入熱させて混練するスクリュー３９と、混合物９から分離したガス成分をシリンダ３８から排出するベント部４０が設けられている。この実施形態では、木質系フィラー材１２からはほとんどガス成分は発生しないが、混練時に僅かでも気体成分が残ると、成形された木質系複合樹脂材料１０に気泡として残留するため、確実に排出しておく。スクリュー３９は、２本が互いに平行に設けられ、螺旋方向が同じで同方向に回転するスクリューである。
Here, a general twin-
シリンダ３８の外周面には、ヒータ４２が設けられ、シリンダ３８の長手方向に沿って区画されたＣ１〜Ｃ３の各ゾーンを適切な温度に制御する。上流側の端部に位置するゾーンＣ１は、混合物９が投入されて下流に送られる送りゾーンである。ゾーンＣ１には混合物９を投入する投入口３４が設けられ、ゾーンＣ１の下流側に位置する部分は、混合物９に含まれる熱可塑性樹脂原料１６を溶融する部分である。
A
ゾーンＣ１の下流側のゾーンＣ２は、溶融した熱可塑性樹脂原料１６に木質系フィラー材１２を均一に分散させて混練する分散・練り領域及び、混合物９を移動させる送り領域である。ゾーンＣ２には、混合物９から分離したガス成分を大気中に排出するベント部４０が設けられている。ベント部４０は、大気圧下に解放されている。
The zone C2 on the downstream side of the zone C1 is a dispersion/kneading region in which the wood-based
ゾーンＣ２の下流側に、混合物９をスクリュー３９により加圧する圧縮領域であるゾーンＣ３が設けられている。ゾーンＣ３の下流側部分には、混合物９が加圧加熱下で混練されて形成された木質系複合樹脂材料１０を排出する押出口３６が設けられている。２軸押出機３２の押出口３６には、図示しない一般的なペレタイズシステムが設けられている。ペレタイズシステムは、押出口３６からストランド状に押し出された木質系複合樹脂材料１０を、ペレット状に切断するペレット化工程を行うものである。
A zone C3, which is a compression region for pressurizing the
次に、２軸押出機３２による木質系複合樹脂材料１０の混練工程について説明する。計量攪拌機２８の下方に設けられた定量供給装置３０を動かし、計量攪拌機２８に入れられた混合物９を、定量供給装置３０を介して、２軸押出機３２の投入口３４に落として入れる。投入された混合物９は、加圧加熱下でシリンダ３８内を通過する間に熱可塑性樹脂原料１６が溶融し木質系フィラー材１２と混練される。熱可塑性樹脂原料１６は、溶融されて酸変成剤１８により酸変性され、界面接着性が改善される。混練時の温度は、熱可塑性樹脂原料１６の溶融温度よりも高く、木質系フィラー材１２の製造時の加圧水熱処理温度よりも低い温度に設定する。流動パラフィン１４は、混合物９の流動性を高める働きをすると共に、木質系フィラー材１２の粒子表面に付着した状態で木質系フィラー材１２の表面の界面活性を高め、溶融した熱可塑性樹脂原料１６中での木質系フィラー材１２の均一な分散を促進させる。これらにより、流動パラフィン１４が付着した木質系フィラー材１２の粒子同士の間に、酸変性された溶融状態の熱可塑性樹脂原料１６が入り込んで混練され、木質系フィラー材１２が、溶融した熱可塑性樹脂原料１６中に均一に分散した木質系複合樹脂材料１０が製造される。
Next, a kneading process of the wood-based
混練された木質系複合樹脂材料１０は、押出口３６からストランド状に押し出される。押し出された木質系複合樹脂材料１０は、押出口３６に取り付けられた図示しないペレタイズシステムによりペレット化される。
The kneaded wood-based
ペレット状に形成された熱可塑性の木質系複合樹脂材料１０は、生活用品や建材その他の様々な製品を成形する樹脂原料として使用されるもので、再溶融して様々な用途の製品に成形される。成形された製品は、高い成形強度であるとともに、その製品の廃棄時には再溶融して他の製品に利用されたり、他の廃棄物と一緒に燃焼され、高いカロリーを発生する。
The pellet-shaped thermoplastic wood-based
この実施形態の木質系複合樹脂材料１０によれば、木質系フィラー材１２の粒子が熱可塑性樹脂原料１６中に均一に分散しているので、樹脂製品の成形に用いても基の熱可塑性樹脂原料１６の強度と同様の強度を得ることができる。さらに、木質系フィラー材１２を用いているので、以下のような特徴、効果を有する。
According to the wood-based
一般に、木質系原料を木粉にするには乾燥が必用であり、木の細胞に強く吸着している水分を強制的に除去するには大きなエネルギーが必要である。しかし、この実施形態の加圧水熱処理によれば、水蒸気を加圧してあることで水蒸気の粒子が小さくなり、脱水と木の揮発分を除去することが容易であり、使用エネルギーが少なくて良い。木を加圧水熱処理することで、熱可塑性樹脂原料１６と混練した時に樹脂原料の溶融温度が高くても、半炭化時に高温度の雰囲気下で処理されているので、新たな揮発成分が出ず、熱可塑性樹脂原料１６の溶融温度より高い温度で半炭化しているので、木質系フィラー材１２は変性しない。従って、熱可塑性樹脂原料１６と混練することにより、安定した木質系複合樹脂材料を作ることができる。しかも、バイオマスの粉砕は低エネルギーで大量に粉砕が可能であり、製造コストもかからない。また、燃焼時の二酸化炭素は、バイオマス由来のものが含まれ、温室効果ガスの排出を抑えることができる。
In general, it is necessary to dry the wood-based raw material into wood powder, and a large amount of energy is required to forcibly remove the water strongly adsorbed by the wood cells. However, according to the pressurized hydrothermal treatment of this embodiment, since steam particles are pressurized, steam particles are reduced in size, dehydration and volatile components of wood are easily removed, and energy consumption may be small. By hydrothermally treating the wood under pressure, even if the melting temperature of the resin raw material is high when kneaded with the thermoplastic resin
さらに、半炭化した木粉をフィラー材として使うことによる効果としては、以下の点がある。チップ化したバイオマスを釜の中にいれ、２ＭＰａ以上の飽和水蒸気中で３０分攪拌すると、バイオマスを構成するヘミセルロースやセルロースが軟化し、物理的にカッターで粉砕しなくても一度に大量の木粉が得られる。バイオマスは、生木の芯材だけでなく葉や樹皮、端材なども分別せずに利用でき、木の幹材を粉砕してつくる木粉より安価に製造ができる。さらに、土砂などが混じっているダム流木は、従来は機械粉砕が出来ないことから産業廃棄物として廃棄処理するしか方法が無かったが、流木を荒粉砕し釜の中にいれて半炭化し、半炭化粉砕後に質量で選別することで、流木も容易に木と砂などが分離できる。ＭＤＦのような木の繊維質を固めて作った板材には接着剤などが多量に含まれており、そのまま木粉にして熱可塑性樹脂原料１６と混練した場合、混練温度が１００℃を超える高い温度帯だと、ＭＤＦから接着材などが揮発分として溶出することから使うことが難しい。しかし、半炭化すると、半炭化の過程で高温高圧の雰囲気下におかれることで、これらの成分が溶脱し、残った木質のみがフィラー材として利用することができ、安全に使用することができる。半炭化した木質系フィラー材１２は疎水性で、ペレット化して保存することが出来、長期保存も可能である。その他、木の種類や部位を選ばずに半炭化出来き、生木からの木粉製造方法に比べて半炭化木粉の収率が高い。半炭化木粉の燃焼カロリーが生木木粉の１．５倍程度（約６，０００ｋｃａｌ／ｋｇ）あることから、熱可塑性樹脂原料１６に混練して、製品化された後の廃棄時に燃焼しても、大きな燃焼エネルギーが得られる。また、木系バイオマスだけでなく竹などのバイオマスも半炭化が可能で、フィラー材として混練できる。
Furthermore, the effects of using semi-carbonized wood powder as a filler material are as follows. Put the chipped biomass in a kettle and stir in saturated steam of 2 MPa or more for 30 minutes to soften the hemicellulose and cellulose that make up the biomass, so that a large amount of wood flour can be used at once without physically crushing it with a cutter. Is obtained. Biomass can be used without separating not only the core material of raw wood, but also leaves, bark, and scraps, and can be manufactured at a lower cost than wood flour made by crushing tree trunk materials. Furthermore, dam driftwood mixed with earth and sand etc. could not be mechanically crushed in the past, so the only option was to dispose of it as industrial waste, but the driftwood was roughly crushed and put in a pot to be semi-carbonized. Driftwood can be easily separated from wood and sand by sorting by mass after semi-carbonization and crushing. A plate material made by solidifying wood fiber such as MDF contains a large amount of an adhesive and the like, and when the wood powder is directly kneaded and kneaded with the thermoplastic resin
さらに、この実施形態の木質系複合樹脂材料１０によれば、木質系フィラー材１２の粒子が熱可塑性樹脂原料１６中に均一且つ緻密に分散し、多孔質の木質系フィラー材１２の粒子の孔中にも熱可塑性樹脂原料１６が確実に入り込み、成形強度が高い木質系複合樹脂材料１０による樹脂成形品を製造することができる。木質系フィラー材１２を多く含んでも、内部に気泡がきわめて少なく、高い強度を得ることができるため、木質系フィラー材１２の比率を高くして木質系フィラー材１２の消費を促進し、木質系フィラー材１２を資源として有効利用することができる。
Further, according to the wood-based
また、この実施形態の木質系複合樹脂材料１０の製造法方によれば、流動パラフィン１４が多孔質の木質系フィラー材１２の粒子表面及び孔中に良好に浸透しているので、木質系フィラー材１２の表面の界面活性を高めて、熱可塑性樹脂原料１６中に木質系フィラー材１２を均一に分散させ、木質系フィラー材１２の表面及び孔中に熱可塑性樹脂原料１６が確実に付着して、強度の高い木質系複合樹脂材料１０を形成することができる。流動パラフィン１４は、混合物９の流動性を高める働きをするため混練性が格段に向上し、溶融した熱可塑性樹脂原料１６中に木質系フィラー材１２の粒子の塊を作ることなく均一に分散配合させることができる。しかも、混練工程の抵抗を少なくすることができ、２軸押出機３２の負担も軽減される。また、流動パラフィン１４の添加割合により合樹脂材料１０の流動性を調節することができ、ペレット化工程での押出状態を、装置や環境その他の状況に合わせて任意に調節することができる。流動パラフィン１４は、高温安定性が高いため、混練条件の設定がしやすく、熱可塑性樹脂原料１６の溶融温度よりも気化温度が高いものを使用することで、混練温度を熱可塑性樹脂原料１６に合わせて設定することができるとともに、混練温度及び圧力を必要最小限の状態で処理を行うことができる。これにより、熱可塑性樹脂原料１６への熱履歴を軽減し、変色や分解などの劣化が起こりにくく、木質系複合樹脂材料１０の品質を向上させることができる。また流動パラフィン１４は、木質系フィラー材１２に生じる静電気を低減し、原料を混ぜ合わせる各混合作業を効率よく行うことができる。
Further, according to the method for manufacturing the wood-based
熱可塑性樹脂原料１６は無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂の酸変成剤１８により酸変性され、熱可塑性樹脂原料１６と木質系フィラー材１２との界面接着性が改善されているため、無水マレイン酸単体により酸変性された熱可塑性樹脂原料１６を使用したものに比べて、成形品の機械的強度を大きく向上させることができ、木質系フィラー材１２の混入量を増加させても高性能を維持することができる。熱可塑性樹脂原料１６は酸変成剤１８により分子の結合が強くなり、ガスが発生しないため、混練工程で木質系複合樹脂材料１０中に混入する気泡が少なくなり密度が高まり、この点からも高い強度を得ることもできる。また、気泡が少ないことから成形品の表面の凹凸が少なくなり、外観が良好となる。無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂である酸変成剤１８は、オレフィン系炭化水素を多く含む流動パラフィン１４と良くなじみ、強度を高めることができる
The thermoplastic resin
木質系複合樹脂材料１０を溶融させ成形するとき、木質系複合樹脂材料１０が一定以上に吸水していると成形不良が発生しやすくなるが、この木質系複合樹脂材料１０は、流動パラフィン１４の混合により流動パラフィン１４が木質系複合樹脂材料１０中に残っており、木質系複合樹脂材料１０が吸湿しにくくなり、樹脂製品成形用の樹脂材料として保管上非常に有利である。例えば、樹脂成形工場等でこの木質系複合樹脂材料１０を成形用の樹脂材料として保管する場合も、保管条件（気温、湿度、期間等）の管理が容易になり、高品質の成形を行うことができる。
When the wood-based
また、木質系複合樹脂材料１０の製造方法は、混合工程で、木質系フィラー材１２、流動パラフィン１４、酸変成剤１８、及び熱可塑性樹脂原料１６を一度に混合するため、熱可塑性樹脂原料１６に木質系フィラー材１２の粒子が容易に均一に分散して混ざり合い、多孔質の木質系フィラー材１２の粒子表面の凹凸の孔中にも熱可塑性樹脂原料１６が確実に入り込むものである。またこの製造方法は、工程が短く、製造装置をシンプルにすることができ、熱可塑性樹脂原料１６の熱変性も抑えることができ、製造効率が高く、木質系複合樹脂材料１０の品質や製品強度を向上させることができる。さらに、工程をシンプルにすることで、装置の簡易化や混練エネルギーの削減を図ることができ、この点でも製造コストの低減に寄与する。
In addition, in the method for manufacturing the wood-based
なお、この発明の木質系複合樹脂材料及びその製造方法は、上記実施の形態に限定されるものではなく、混練工程で用いる混練装置は、上記の２軸押出機以外でもよく、製造する木質系複合樹脂材料の材料や量、用途等により適宜選択される。ホッパーや、ミキサー、計量攪拌機、定量供給装置、ペレット化装置等、適宜自由に選択可能である。木質系フィラー材、流動パラフィン、熱可塑性樹脂原料、酸変成剤酸は、上記以外でもよく、同じ機能を有する物質であれば適宜変更可能である。 The wood-based composite resin material of the present invention and the method for producing the same are not limited to the above-described embodiment, and the kneading device used in the kneading step may be other than the above twin-screw extruder. It is appropriately selected depending on the material and amount of the composite resin material, application, and the like. A hopper, a mixer, a measuring stirrer, a constant amount supply device, a pelletizing device, etc. can be freely selected as appropriate. The wood-based filler material, liquid paraffin, thermoplastic resin raw material, and acid-denaturing agent acid may be other than those mentioned above, and can be appropriately changed as long as they have the same function.
次に、この発明の木質系複合樹脂材料の実施例について以下に説明する。先ず、従来の木粉とこの発明の半炭化した木質系フィラー材との違いを確認した。確認は、赤外線分光分析により行った。用いた装置は、日本分光（株）ＦＴ／ＩＲ−６８０、測定方法はＡＴＲ１回反射法による。 Next, examples of the wood-based composite resin material of the present invention will be described below. First, the difference between the conventional wood flour and the semi-carbonized wood-based filler material of the present invention was confirmed. The confirmation was performed by infrared spectroscopic analysis. The apparatus used was FT/IR-680 from JASCO Corporation, and the measurement method was the ATR single reflection method.
その結果、測定材料はセルロースを主成分とする材料で、木質系フィラー材である半炭化木粉は、木粉に比較して1730cm-1、1650cm-1のピークが小さくなっており、エステル基やカルボニル基を持つ精油成分、油脂成分（1730cm-1）および水分（1650cm-1）等が半炭化により減少していることが確認できた。したがって、半炭化することで揮発分が減少しており、熱可塑性樹脂原料混練時に揮発分が発生することが少ない。 As a result, the measurement material is a material containing cellulose as a main component, and the semi-carbonized wood flour, which is a wood-based filler material, has smaller peaks at 1730 cm-1 and 1650 cm-1 compared to wood flour. It was confirmed that the essential oil component, oil and fat component (1730 cm-1) and water content (1650 cm-1) having carbonyl group and carbonyl group were reduced by the half carbonization. Therefore, the volatile content is reduced by the half carbonization, and the volatile content is less likely to be generated when the thermoplastic resin raw material is kneaded.
次に、ＴＧ−ＤＴＡ測定を行った。（装置：株式会社リガク製ＴＧ−８１２０、測定条件：温度条件：室温から１０℃／ｍｉｎで、５００℃（１０ｍｉｎ）に昇温、雰囲気：空気（２００ｍｌ／ｍｉｎ）または窒素（５００ｍｌ／ｍｉｎ）、試料パン材質：Ａｌ、基準試料：Ａｌパン、試料質量：１ｍｇ） Next, TG-DTA measurement was performed. (Apparatus: TG-8120 manufactured by Rigaku Corporation, measurement condition: temperature condition: temperature rise from room temperature to 10° C./min to 500° C. (10 min), atmosphere: air (200 ml/min) or nitrogen (500 ml/min), Sample pan material: Al, reference sample: Al pan, sample mass: 1 mg)
一般的な木粉のＴＧ測定では、１２０℃程度までが、水分や揮発成分の蒸発による質量減少、２００℃〜３００℃がヘミセルロースの熱分解による質量減少、３００℃〜４００℃がセルロースの熱分解による質量減少、２００℃〜９００℃がリグニンの熱分解による質量減少が起きるとされている。これに対して、表１に示すＴＧにおける温度範囲と質量減少割合を見ると、半炭化木粉の空気気流中の測定では、試料中、水分や揮発成分：３．１％、ヘミセルロース・セルロース成分：５２．１％、リグニン成分：３９．８％の割合で含まれており、木粉と比較すると、半炭化木粉は水分や揮発成分、ヘミセルロース・セルロース成分が少ない結果となった。従って、半炭化により、水分や揮発成分と、ヘミセルロース・セルロース成分の一部が除かれると考えられる。ＴＧチャートを見ると半炭化木粉は、木粉に比較して１２０℃〜３５０℃における質量減少が低い温度から起き、半炭化することで熱分解が起こした成分に変化していることが分かった。窒素気流中で３５０℃〜５００℃における質量減少が明確に見られなかったことから、リグニン成分への熱分解はないと考えられる。以上の結果から、半炭化物はＩ炭であることが分かる。
次に、実際に杉の芯材をチップ化し、３ｍ３の圧力釜で攪拌しながら２１０℃の高圧水蒸気で３０分処理し、処理後は天日乾燥をおこない、粒度を整えるために粉砕機を通過させた。材料は、伐採した生木をすぐにチップ化した材料である。木の揮発成分を分析するためにＸ線分析した結果、揮発成分として精油成分、油脂成分、水分が減少し、熱重量示唆熱分析結果では、半炭化物の中で残っている揮発成分は３．１％、ヘミセルロース、セルロース成分は、５２．１％、リグニン成分は３９．８％であった。また、粒度分布を調べたところ、表２に示すように粒度幅は、富山県産半炭化杉では、Ｄｖ１０：８．３９μｍ、Ｄｖ５０：４８．８μｍ、Ｄｖ９０：２０７μｍと細かく粉砕されており、富山県産杉の木粉及びドイツ産ホワイトウッドの木分と比較して、この発明の処理方法が、熱可塑性樹脂原料混練用のフィラー材製造に適していることが分かった。（装置は、スペクトリス株式会社マルバーン事業部 マスターサイザー3000を用い、乾式測定セルで測定）また、処理に使用する加熱水蒸気の温度が２００℃程度であることから、熱可塑性樹脂原料混練時に熱可塑性樹脂原料を溶融する温度帯で、揮発分の影響を受けない材料が製造できることが分かった。
次に、この発明の木質系複合樹脂材料１０について、各種の性能試験を行った結果を、図３〜図８を基にして、以下に示す。試料は、上記実施形態に示す木質系フィラー材１２、流動パラフィン１４、ポリプロピレン（ＰＰ）の熱可塑性樹脂原料１６、無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂である酸変成剤１８により、上記実施形態に示す製造方法で作られたものであり、木質系フィラー材１２の配合量が異なる４種類を製造した。木質系複合樹脂材料１０の全量に対して木質系フィラー材１２の割合は、５０質量％、６０質量％、７０質量％、８０質量％である。
Next, the results of various performance tests performed on the wood-based
先ず、流動性を示すメルトマスフローレート（ＭＦＲ）を測定した。図３に示すように、ＭＦＲは、木質系フィラー材１２の割合が多くなるに従い低下している。次に比重を測定した結果、図４に示すように、木質系フィラー材１２の割合が多くなるに従い、比重の値も大きくなっている。これらの結果は、ポリプロピレンに異質の木質系フィラー材１２を混合したことによる結果である。
First, the melt mass flow rate (MFR) showing fluidity was measured. As shown in FIG. 3, the MFR decreases as the proportion of the wood-based
次に、衝撃値を測定した結果を図５に示す。衝撃値は、木質系フィラー材１２の割合が８０質量％で低下しているが、７０質量％までは、ほとんど低下が認められなかった。ポリプロピレン１００％の値が３．５ｋｊ／ｍ２であるので、木質系フィラー材１２を７０質量％程度まで添加しても、衝撃に対しする耐性である衝撃値はそれほど低下しないことが確かめられた。
Next, the result of measuring the impact value is shown in FIG. The impact value decreased when the ratio of the wood-based
また、曲げ弾性率を測定した結果を図６に示す。曲げ弾性率は、ポリプロピレン１００％の値が約１５００ＭＰａであるが、図６に示すように、混練率が上がるに従い大きくなっており、木質系フィラー材１２を混合することにより、硬くなることが分かった。
Moreover, the result of having measured the bending elastic modulus is shown in FIG. The flexural modulus of 100% polypropylene is about 1500 MPa, but as shown in FIG. 6, the flexural modulus increases as the kneading rate increases, and it is found that the wood-based
次に、曲げ最大応力を測定した結果を、図７に示す。曲げ最大応力は、ポリプロピレン１００％の値が約３５ＭＰａであり、木質系フィラー材１２を混練するとポリプロピレン１００％の値よりも高くなり、木質系フィラー材１２の混練率が７０質量％までは、混練率が上がるに僅かながら従い大きくなっている。混練率が８０質量％で値が小さくなっているのは、木質系フィラー材１２が多いことにより、曲げに対する強度が低下したことを示している。
Next, the result of measuring the maximum bending stress is shown in FIG. The maximum bending stress is about 35 MPa for
次に、引張最大応力を測定した結果を、図８に示す。引張最大応力も、ポリプロピレン１００％の値が約４３ＭＰａであるが、木質系フィラー材１２を混練するとポリプロピレン１００％の値よりも低下するものの、混練率が７０質量％までは、混練率が上がるに従い僅かながら大きくなっている。混練率が８０質量％で値が小さくなっているのは、木質系フィラー材１２が多いことにより、引っ張りに対する強度が低下したことを示している。
Next, the result of measuring the maximum tensile stress is shown in FIG. The maximum tensile stress is also about 43 MPa for
上記の各性能試験の結果から、この発明の木質系複合樹脂材料１０は、木質系フィラー材１２の添加量が多くても、熱可塑性樹脂原料１００％の場合と比較して強度の大きな低下がないことがわかった。
From the results of the above performance tests, the wood-based
次に、木質系複合樹脂材料１０の吸湿性について、測定した結果を図９に示す。木粉を含んだ複合材料は、一般に吸水性が高い。そこで。杉木粉５０％を混練して作った従来の複合材料（ＷＰＣ５０）と、この発明の半炭化した木質系フィラー材である杉木粉を５０％混練したで作った木質系複合樹脂材料（ＴＰＣ５０）で、吸水量の試験を行った。その結果図９に示すように、ＷＰＣ５０は吸水試験を始めてすぐから水を吸い始め、ＴＰＣ５０に比べて約２倍の吸水量を示した。
Next, FIG. 9 shows the measurement results of the hygroscopicity of the wood-based
この結果から、木質系複合樹脂材料は、空気中の水分を吸湿しにくく、保管及び管理が容易であり、取り扱い性が良好な材料であることが分かった。 From this result, it was found that the wood-based composite resin material is a material that does not easily absorb moisture in the air, is easy to store and manage, and has good handleability.
１０ 木質系複合樹脂材料
１２ 木質系フィラー材
１４ 流動パラフィン
１６ 熱可塑性樹脂原料
１８ 酸変成剤
２６ ミキサー
２８ 計量攪拌機
３２ ２軸押出機
10 Wood-based
Claims (1)
前記木質系フィラー材と、潤滑剤、熱可塑性樹脂原料、及び酸変成剤を混合し、前記熱可塑性樹脂原料が溶融する温度で混練して、前記熱可塑性樹脂原料を溶融させて前記酸変成剤により酸変性させるとともに、前記熱可塑性樹脂原料中に前記木質系フィラー材を均一に分散させて木質系複合樹脂材料を形成する木質系複合樹脂材料の製造方法において、
前記加圧水熱処理は、圧力をかけることが可能な釜に、チップ状に粗粉砕した前記木質原料を入れ、前記釜の中に水蒸気を注入し、水蒸気圧が２ＭＰａ以上で前記釜の圧力と温度を維持して、前記釜内の回転翼を動かし、前記木質原料が軟化し始める温度以上であって前記木質原料の熱分解が開始する直前の温度の１９０℃〜２４０℃の水蒸気温度、２．０ＭＰａ〜２．５ＭＰａの圧力下で前記加圧水熱処理を行い、その後、前記釜の圧力を徐々に下げて大気圧になった状態で、チップ状の前記木質原料が粉体となったものを取り出し乾燥させるとともに粉砕工程を経て粒度を調整し、前記木質系フィラー材を得て、
全体の２０〜８０質量％の割合の前記木質系フィラー材と、前記熱可塑性樹脂原料、及び主成分が流動パラフィンであり気化温度が前記熱可塑性樹脂原料の溶融温度よりも高く動粘度が１００℃のとき４．０ｍｍ ２ ／ｓ〜７．０ｍｍ ２ ／ｓの前記潤滑剤、及び前記熱可塑性樹脂原料に対して１〜６質量％の無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂の酸変成剤を混合し、前記熱可塑性樹脂原料が溶融する温度で混練して、混練により前記木質系フィラー材を前記複合樹脂原料中に均一に分散させ、押出機からストランド状に押し出した後、ペレット状に切断するペレット化工程を経て、ペレット状の木質系複合樹脂材料を形成することを特徴とする木質系複合樹脂材料の製造方法。 Pressurized hydrothermal treatment of wood-based raw material, to form a wood-based filler material by crushing the wood-based raw material in a partially carbonized state,
The wood-based filler material, a lubricant, a thermoplastic resin raw material, and an acid denaturing agent are mixed and kneaded at a temperature at which the thermoplastic resin raw material is melted, and the thermoplastic resin raw material is melted to produce the acid denaturing agent. With acid modification by, by the method of manufacturing a wood-based composite resin material to form a wood-based composite resin material by uniformly dispersing the wood-based filler material in the thermoplastic resin raw material,
In the pressurized hydrothermal treatment, the wood raw material roughly crushed into chips is put in a pot capable of applying pressure, steam is injected into the pot, and the steam pressure is 2 MPa or more. Maintain the temperature , move the rotary blades in the pot, and the steam temperature is 190°C to 240°C, which is equal to or higher than the temperature at which the wood raw material starts to soften and immediately before the thermal decomposition of the wood raw material is started , 2.0 MPa. The pressurized hydrothermal treatment is performed under a pressure of up to 2.5 MPa, and then, in a state where the pressure in the kettle is gradually reduced to atmospheric pressure, the chip-shaped wood raw material is taken out as powder and dried. Adjust the particle size through a crushing process together with it to obtain the wood-based filler material,
And overall 20-80% by weight of fraction the wooden filler material, the thermoplastic resin material, and the main component is high kinematic viscosity than the melting temperature of the vaporization temperature Ri liquid paraffin der said thermoplastic resin material 100 ℃ the lubricant 4.0mm 2 /s~7.0mm 2 / s when, and acid-modified agent 1-6 wt% of grafted polyolefin resin maleic acid with respect to the thermoplastic resin material is mixed , Kneading at a temperature at which the thermoplastic resin raw material melts , uniformly dispersing the wood-based filler material in the composite resin raw material by kneading, extruding in a strand form from an extruder, and then cutting into pellets A method for producing a wood-based composite resin material, which comprises forming a pellet-shaped wood-based composite resin material through a curing step .
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