JP6561537B2

JP6561537B2 - 成形用材料及び成形用材料の製造方法

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Publication number: JP6561537B2
Application number: JP2015073392A
Authority: JP
Inventors: 松尾　久美子; 久美子松尾; 宏新倉; 小野　裕司; 裕司小野
Original assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Paper Industries Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016193497A

Description

本発明は、木質系バイオマスを原料とする成形用材料、及びその製造方法に関するものである。

産業資源として、木材に代表されるバイオマス材が注目されている。バイオマス材とは、植物などの生物を由来とした材料を意味する。バイオマス材は有機物であるため、燃焼させると二酸化炭素が排出される。しかしこれに含まれる炭素は、そのバイオマスが成長過程で光合成により大気中から吸収した二酸化炭素に由来するため、バイオマス材を使用しても全体として見れば大気中の二酸化炭素量を増加させていないと考えてよいとされる。この性質をカーボンニュートラルと呼ぶ。

地球温暖化問題等の地球環境問題を背景として、省資源化、及び廃棄物の原材料を目指すマテリアルリサイクル、そして、生分解性プラスチックに代表される環境循環サイクルの推進が急務となっており、我が国でも改正リサイクル法やグリーン購入法等が整備され、これに対応した製品のニーズも高まっている。

こうした状況において、自動車部品の材料から日用品まで幅広く使用されている樹脂成型品にバイオマス材を配合することは、カーボンニュートラルの理念の実践を促進するところであり、バイオマス材として最も多量に存在する木材を成形用材料として使用する、あるいは他の樹脂材料に配合することは、近年の環境循環サイクルの推進に合致するところである。

しかしながら、木材を処理することなくそのまま粉砕したものでは、成形性が不十分であり、他の熱可塑性樹脂との混合も困難である。そこで、特許文献１には、木質系材料を水蒸気存在下で加熱および加圧後急激に減圧して爆砕し得られる粉末状の爆砕材料、樹脂、粉末状の木質系材料とを混合して成形することにより木質系成形体を製造する方法、特許文献２には、リグノセルロース含有材料を水蒸気処理（爆砕処理も含まれる）して粒径が４５μｍ以上１８０μｍ以下の粉末としたリグノセルロース系熱可塑性材料が記載されている。

特開２００６−２７２６９６号公報特開２００３−１６５８４４号公報

しかしながら、特許文献１は未処理の粉末状の木質系材料を多量に含むため成形性が不十分であり、特許文献２のリグノセルロース系熱可塑性材料も成形性の点で不十分である。

そこで、本発明の課題は、木材を原料として成形性に優れる成形用材料を提供することである。

本発明者らは、木材を温度１７０〜２３０℃、圧力０．８〜３ＭＰａで、５〜２０分間、水蒸気処理した後、瞬時に圧解放して爆砕処理することによって得られ、平均粒径を３０μｍ以下とした爆砕処理物が良好な成形性を有する成形用材料となることを見出した。

本発明によれば、木材質系バイオマスを原料として良好な成形性を有する成形用材料を得ることができる。

本発明は、木材を爆砕処理して得られる爆砕物から成る成形用材料である。本発明の爆砕処理は、木材を温度１７０〜２３０℃、圧力０．８〜３ＭＰａで、保持時間５〜２０分間水蒸気処理した後、瞬時に圧解放するものである。このような条件で爆砕処理を行うことにより、木材中のリグニンやヘミセルロースが部分的に分解及び／または変性することによって、粉砕性が向上し、結果的に微粒子化が容易となるので、成形用材料として好適となる。

温度が１７０℃未満であるとリグニンの分解が不十分となり粉砕性が十分に向上しない。また、２３０℃を超えるとセルロースの分解が過度になり収率が低下する。

保持時間が５分以内であるとリグニンの分解が不十分となり粉砕性が十分に向上しない。また、２０分を超えるとリグニンが縮合するためリグニンが分解し難くなり粉砕性が十分に向上しない。

本発明において、木材１質量部に対して水を０〜１０００質量部添加して水蒸気処理を行うことが好ましい。

原料の木材としては、例えば、広葉樹、針葉樹、のいずれもが使用できる。消化性の観点からは広葉樹が好ましい。具体的には、広葉樹としては、ブナ、シナ、シラカバ、ポプラ、ユーカリ、アカシア、ナラ、イタヤカエデ、センノキ、ニレ、キリ、ホオノキ、ヤナギ、セン、ウバメガシ、コナラ、クヌギ、トチノキ、ケヤキ、ミズメ、ミズキ、アオダモ等が例示される。針葉樹としては、スギ、エゾマツ、カラマツ、クロマツ、トドマツ、ヒメコマツ、イチイ、ネズコ、ハリモミ、イラモミ、イヌマキ、モミ、サワラ、トガサワラ、アスナロ、ヒバ、ツガ、コメツガ、ヒノキ、イチイ、イヌガヤ、トウヒ、イエローシーダー（ベイヒバ）、ロウソンヒノキ（ベイヒ）、ダグラスファー（ベイマツ）、シトカスプルース（ベイトウヒ）、ラジアータマツ、イースタンスプルース、イースタンホワイトパイン、ウェスタンラーチ、ウェスタンファー、ウェスタンヘムロック、タマラック等が例示される。

本発明において、原料の木材は０．１〜１００ｍｍのサイズに粉砕された粉砕物を使用することが好ましく、０．１〜５０ｍｍのサイズのものを使用することがさらに好ましい。なお、本発明において、木材の粉砕物のサイズとは、篩い分け器の円形の穴の大きさによって篩い分けされたものである。木材を粉砕するための装置としては、ナイフ切削型バイオマス燃料用チッパーで粉砕処理することが好ましい。また、樹皮が混入していてもよい。

爆砕処理を行うための装置としては、バルメット、日東高圧（株）、日本電熱（株）、（株）ヤスジマ、日本化学機械製造（株）のバッチ式の爆砕処理装置、あるいはバルメット、アンドリッツの連続式の爆砕処理装置等が挙げられる。

本発明において、爆砕処理物の平均粒径を３０μｍ以下とする必要がある。なお、平均粒径とは、レーザー光散乱法（レーザー回折法）により測定した体積５０％平均粒子径（Ｄ５０）であり、レーザー回折／散乱式粒度分布測定器（マルバーン（株）製、機器名：マスターサイザー２０００）等で測定することができる。爆砕物の平均粒径が３０μｍを超えると、成形性が低下する。

爆砕処理物の平均粒径を３０μｍ以下に粉砕するための装置としては、湿式粉砕機としては、マスコロイダー（増幸産業（株）製）、等、乾式粉砕機としては、セレンミラー（増幸産業（株）社製）、等、が挙げられる。

本発明の成型用材料は、熱可塑性樹脂と混合して使用してもよい。で熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、Ｌ−ＬＤＰＥが挙げられるが、これらに限定されず、熱により可塑化し成形が可能である樹脂であればいずれも用いることができる。中でも、ポリエチレン及びポリプロピレンは成形性の観点から好ましい。

また、熱可塑性を有する生分解性樹脂と混合してもよく、例えば、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリグリコール、ポリカプロラクトン、ポリビニルアルコール等、を使用できる。

また、熱硬化性樹脂と混合してもよく、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂等、を使用できる。

本発明の成形用材料を用いて、種々の成形物品を製造することができる。成形には、熱可塑性樹脂の成形に用いられる通常の方法を用いることができ、例えば、これらに限定されないが、射出成形、押出成形、ブロー成形などを行うことができる。

本発明の成形用材料は、各種フィルム、建築材料、容器、自動車の内装部品、等に使用することが可能である。

以下、本発明を実施例及び比較例をあげてより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、特に断らない限り、部および％は質量部および質量％を示す。

［実施例１］
ユーカリユーログランディスのチップをカッターミル（商品名：Ｐ−１５、フリッチュ社製）で６ｍｍ以下に粉砕した。粉砕物の固形分１００ｇに対して水を８００ｇ加え、蒸気爆砕装置（日東高圧（株）製）を用いて２００℃まで加温し、圧力１．６ＭＰａ、１０分間保持して水蒸気処理した後、瞬時に圧解放して爆砕処理を行った。得られた爆砕処理物に水を加えて濃度５％のスラリーとして、湿式粉砕機（商品名：マスコロイダーＭＫＧ−Ｃ＃８０、増幸産業（株）製、クリアランス６０μｍ）で粉砕した。得られた粉砕処理物の平均粒径を下記の方法にて測定し、結果を表１に示した。
次に粉砕処理物を超純水で濃度０．２％に希釈し、メンブレンフィルター（使用フィルター：ADVANTEC H020A047A（親水性PTFE）、pore０．２μｍ、Φ４７ｍｍ）で濾過した。得られた濾過物を濾紙に挟んで５０ｔプレスで、１回目：１２０℃、２ｋｇｆ／ｃｍ^２、１０分、２回目：１８０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ^２、１０分、の２回のホットプレスを行い、成形物を得た。得られた成形物の成形性、密度を下記の方法にて測定し、結果を表１に示した。
・粉砕処理物の平均粒径：レーザー回折／散乱式粒度分布測定器（商品名：マスターサイザー2000、マルバーン（株）製）を用いて、体積累積分布の５０％点を平均粒径とした。
・成形性：成形物を目視にて、以下の基準で成形性を評価した。◎；均一なシート状に成形できる、Δ；シート状に成形できるが、不均一、×；シート状に成形できない。
・密度：成形物のノギスで厚さを測定し、その重量とから密度を算出した。

［実施例２］
実施例１で得た爆砕処理物に水を加えて濃度１０％のスラリーとして粉砕した以外は、実施例１と同様にして成形物を得た。粉砕処理物の平均粒径、成形物の成形性、密度を表１に示した。

［比較例１］
実施例１で得た爆砕処理物に水を加えて濃度５％のスラリーとして、湿式粉砕機（商品名：マスコロイダーＭＫ−Ｅ＃４６、増幸産業（株）製、クリアランス１００μｍ）で粉砕した。得られた粉砕処理物は、実施例１と同様にして成形物を得た。粉砕処理物の平均粒径、成形物の成形性、密度を表１に示した。

［比較例２］
実施例１で得た爆砕処理物に水を加えて濃度１０％のスラリーとして、湿式粉砕機（商品名：マスコロイダーＭＫ−Ｅ＃４６、増幸産業（株）製、クリアランス１００μｍ）で粉砕した。得られた粉砕処理物は、実施例１と同様にして成形物を得た。粉砕処理物の平均粒径、成形物の成形性、密度を表１に示した。

［比較例３］
ユーカリユーログランディスのチップをカッターミル（商品名：Ｐ−１５、フリッチュ社製）で６ｍｍ以下に粉砕した。この粉砕物に水を加えて濃度５％のスラリーとして、湿式粉砕機（商品名：マスコロイダーＭＫＧ−Ｃ＃８０、増幸産業（株）製、クリアランス６０μｍ）で粉砕した。得られた粉砕処理物は、実施例１と同様にして成形物を得た。粉砕処理物の平均粒径、成形物の成形性、密度を表１に示した。

［比較例４］
ユーカリユーログランディスのチップをカッターミル（商品名：Ｐ−１５、フリッチュ社製）で６ｍｍ以下に粉砕した。この粉砕物に水を加えて濃度１０％のスラリーとして、湿式粉砕機（商品名：マスコロイダーＭＫＧ−Ｃ＃８０、増幸産業（株）製、クリアランス６０μｍ）で粉砕した。得られた粉砕処理物は、実施例１と同様にして成形物を得た。粉砕処理物の平均粒径、成形物の成形性、密度を表１に示した。

［比較例５］
ユーカリユーログランディスを原料として製造したクラフトパルプをカッターミル（商品名：Ｐ−１５、フリッチュ社製）で６ｍｍ以下に粉砕した。この粉砕物に水を加えて濃度５％のスラリーとして、湿式粉砕機（商品名：マスコロイダーＭＫＧ−Ｃ＃８０、増幸産業（株）製、クリアランス６０μｍ）で粉砕した。得られた粉砕処理物は、実施例１と同様にして成形物を得た。粉砕処理物の平均粒径、成形物の成形性、密度を表１に示した。

表１に示されるように、実施例１〜２の平均粒径が３０μｍ以下である爆砕処理物は成形性が良好であった。比較例１〜２の平均粒径が３０μｍを超えた爆砕処理物は成形性が劣っていた。また、比較例３〜４の未処理の粉砕物、比較例４のクラフトパルプも成形性が劣っていた。また、爆砕処理することによって、粉砕処理時の消費電力は低減された。

Claims

木質系バイオマスを温度１７０〜２３０℃、圧力０．８〜３ＭＰａで、５〜２０分間、水蒸気処理した後、瞬時に圧解放して爆砕処理し、得られた爆砕物を粉砕しレーザー光散乱法（レーザー回折法）により測定した体積５０％平均粒子径（Ｄ５０）を３０μｍ以下とする成形用材料の製造方法。