特許 6937160 繊維複合樹脂成形部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6937160

(24)【登録日】2021年9月1日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】繊維複合樹脂成形部品

(51)【国際特許分類】

   C08J 5/04 20060101AFI20210909BHJP

   B29C 70/58 20060101ALI20210909BHJP

   B29C 70/10 20060101ALI20210909BHJP

   C08L 101/00 20060101ALI20210909BHJP

   C08K 7/02 20060101ALI20210909BHJP

【ＦＩ】

   C08J5/04CES

   B29C70/58

   B29C70/10

   C08L101/00

   C08K7/02

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-90922(P2017-90922)

(22)【出願日】2017年5月1日

(65)【公開番号】特開2018-188531(P2018-188531A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2020年3月3日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、環境省、平成２８年度セルロースナノファイバー製品製造工程の低炭素化対策の立案事業委託業務 （セルロースナノファイバー製品製造工程におけるＣＯ２排出削減に関する技術開発）、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001298

【氏名又は名称】特許業務法人森本国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】名木野 俊文

(72)【発明者】

【氏名】浜辺 理史

【審査官】 松浦 裕介

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−１４３４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１１５２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０４７４１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１７−５１６９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−１６０５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１６０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９６２１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０２０１７７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００６５９７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０８３２９５８３（ＣＮ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０７０７３７５３（ＣＮ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１３６５５６９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

ＩＰＣ Ｂ２９Ｂ １１／１６

Ｂ２９Ｂ １５／０８ − １５／１４

Ｃ０８Ｊ ５／０４ − ５／１０

Ｃ０８Ｊ ５／２４

Ｃ０８Ｋ ３／００ − １３／０８

Ｃ０８Ｌ １／００ − １０１／１４

Ｄ０１Ｆ １１／００ − １３／０４

Ｂ２９Ｂ ７／００ − １１／１４

Ｂ２９Ｂ １３／００ − １５／０６

Ｂ２９Ｃ ３１／００ − ３１／１０

Ｂ２９Ｃ ３７／００ − ３７／０４

Ｂ２９Ｃ ７１／００ − ７１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主剤樹脂に繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂によって樹脂成形された成形部品であって、
前記繊維複合樹脂として、繊維長方向の端部に解繊された解繊部位が形成された前記繊維状フィラーを、主剤樹脂に混合して樹脂成形されており、
前記繊維複合樹脂の物理特性が、
前記繊維複合樹脂から厚み１〜２ｍｍで切り出した第１板状試験片を−１０℃で３時間保持した後、２５０ｇの重錘を落下させたときに破壊されなかった最大高さＨ、
前記主剤樹脂のみの樹脂から厚み１〜２ｍｍで切り出した第２板状試験片を−１０℃で３時間保持した後、２５０ｇの重錘を落下させたときに破壊されなかった最大高さＨｏとすると
Ｈｏ×０．４ ≦Ｈ ≦ Ｈｏ
を満たし、かつ、前記繊維複合樹脂の成型部品のシャルピー衝撃強度Ｓ（ＪＩＳ Ｋ ７１１１）、前記主剤樹脂のみの樹脂成型部品のシャルピー衝撃強度Ｓｏとすると
Ｓｏ×０．４ ≦Ｓ ≦ Ｓｏ
を満たすものである、繊維複合樹脂成形部品。

【請求項2】

前記繊維状フィラー解繊部位におけるメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下であり、
前記繊維状フィラーの非解繊部位におけるメジアン繊維径は、５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする、
請求項１に記載の繊維複合樹脂成形部品。

【請求項3】

主剤樹脂に繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂によって樹脂成形された成形部品であって、
前記繊維複合樹脂として、解繊されていない非解繊部位と、繊維長方向の端部に解繊された解繊部位とを併せ持った前記繊維状フィラーを、主剤樹脂に混合したものを使用して樹脂成形したものであり、
前記繊維状フィラー解繊部位におけるメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下であり、
前記繊維状フィラーの非解繊部位におけるメジアン繊維径は、５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする、繊維複合樹脂成形部品。

【請求項4】

前記繊維状フィラーがセルロース類の天然繊維からなる繊維であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の繊維複合樹脂成形部品。

【請求項5】

前記主剤樹脂がオレフィン系樹脂であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の繊維複合樹脂成形部品。

【請求項6】

主剤樹脂に繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂によって樹脂成形された成形部品であって、
前記繊維状フィラーの解繊部位におけるメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下であり、かつ、解繊されていない非解繊部位におけるメジアン繊維径は、５μｍ以上３０μｍ以下であって、前記成形部品に面方向に衝撃力が加わった際に発生する複数のクレーズ状欠陥同士のつながりによる割れを解繊部位により防止し、前記成形部品に一方向に衝撃力が加わった際に発生するクラック状欠陥を解繊されていない非解繊部位により防止する、繊維複合樹脂成形部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂を用いた繊維複合樹脂成形部品に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ポリエチレン（ＰＥ），ポリプロピレン（ＰＰ），ポリスチレン（ＰＳ），ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等のいわゆる「汎用プラスチック」は、非常に安価であるだけでなく、成形が容易で、金属またはセラミックスに比べて重さが数分の一と軽量である。そのため、汎用プラスチックは、袋，各種包装，各種容器，シート類等の多様な生活用品の材料として、また、自動車部品，電気部品等の工業部品，及び日用品，雑貨用品等の材料として、よく利用されている。

【0003】

しかしながら、汎用プラスチックは機械的強度が不十分であること等の欠点を有している。そのため、汎用プラスチックは、自動車等の機械製品，及び電気・電子・情報製品をはじめとする各種工業製品に用いられる材料に対して要求される十分な特性を有しておらず、その適用範囲が制限されているのが現状である。

【0004】

一方、ポリカーボネート，フッ素樹脂，アクリル樹脂，ポリアミド等のいわゆる「エンジニアリングプラスチック」は、機械的特性に優れており、自動車等の機械製品，及び電気・電子・情報製品をはじめとする各種工業製品に用いられている。しかし、エンジニアリングプラスチックは、高価であり、モノマーリサイクルが難しく、環境負荷が大きいといった課題を有している。

【0005】

そこで、汎用プラスチックの材料特性（機械的強度等）を大幅に改善することが要望されている。汎用プラスチックを強化する目的で、繊維状フィラーである天然繊維やガラス繊維、炭素繊維などを汎用プラスチックの樹脂中に分散させることにより、その汎用プラスチックの機械的強度を向上させる技術が知られている。中でもセルロースなどの有機繊維状フィラーは、安価であり、かつ廃棄時の環境性にも優れていることから、強化用繊維として注目視されている。

【0006】

汎用プラスチックの機械的強度を改善するために、各社検討を進めており、特許文献１では、最大繊維径が１００ｎｍ以下、アスペクト比が２０００以上のセルロース繊維を添加し、弾性率、および寸法安定性を高めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第５５７７１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら特許文献１では、最大繊維径も１００ｎｍ以下、かつ繊維径に対する繊維長の比であるアスペクト比が２０００以上の繊維を添加した場合には、成形時に射出される溶融状態の主剤樹脂の流れ方向に繊維状フィラーが配向しやすいため、その流れ方向に対する一方向衝撃強度（シャルピー衝撃強度など）はある程度高くできるが、その流れ方向と直行する方向の衝撃強度が弱くなり、特に面衝撃強度（重錘落下衝撃強度など）が低下する課題がある。

【0009】

本発明の繊維複合樹脂成形部品は、上記従来の課題を解決するものであって、高弾性率および面方向衝撃と一方向衝撃の両方に対する高耐衝撃性を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明の繊維複合樹脂成形部品は、主剤樹脂に繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂によって樹脂成形された成形部品であって、前記繊維複合樹脂として、繊維長方向の端部に解繊された解繊部位が形成された前記繊維状フィラーを、主剤樹脂に混合して樹脂成形されており、前記繊維複合樹脂の物理特性が、前記繊維複合樹脂から厚み１〜２ｍｍで切り出した第１板状試験片を−１０℃で３時間保持した後、２５０ｇの重錘を落下させたときに破壊されなかった最大高さＨ、前記主剤樹脂のみの樹脂から厚み１〜２ｍｍで切り出した第２板状試験片を−１０℃で３時間保持した後、２５０ｇの重錘を落下させたときに破壊されなかった最大高さＨｏとするとＨｏ×０．４ ≦ Ｈ≦ Ｈｏを満たし、かつ、前記繊維複合樹脂の成型部品のシャルピー衝撃強度Ｓ（ＪＩＳ Ｋ ７１１１）、前記主剤樹脂のみの樹脂成型部品のシャルピー衝撃強度Ｓｏとすると Ｓｏ×０．４ ≦ Ｓ≦ Ｓｏを満たすものである、ことを特徴とする。

【0011】

また、請求項２記載の発明の繊維複合樹脂成形部品は、前記繊維状フィラー解繊部位におけるメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下であり、前記繊維状フィラーの非解繊部位におけるメジアン繊維径は、５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。

【0012】

また、請求項３記載の発明の繊維複合樹脂成形部品は、主剤樹脂に繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂によって樹脂成形された成形部品であって、前記繊維複合樹脂として、解繊されていない非解繊部位と、繊維長方向の端部に解繊された解繊部位とを併せ持った前記繊維状フィラーを、主剤樹脂に混合したものを使用して樹脂成形したものであり、前記繊維状フィラー解繊部位におけるメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下であり、前記繊維状フィラーの非解繊部位におけるメジアン繊維径は、５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。

【0013】

また、請求項４記載の発明の繊維複合樹脂成形部品は、前記繊維状フィラーがセルロース類の天然繊維からなる繊維であることを特徴とする。

【0014】

また、請求項５記載の発明の繊維複合樹脂成形部品は、前記主剤樹脂がオレフィン系樹脂であることを特徴とする。

【0015】

また、請求項６記載の発明の繊維複合樹脂成形部品は、主剤樹脂に繊維状フィラーを含有した繊維複合樹脂によって樹脂成形された成形部品であって、前記繊維状フィラーの解繊部位におけるメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下であり、かつ、解繊されていない非解繊部位におけるメジアン繊維径は、５μｍ以上３０μｍ以下であって、前記成形部品に面方向に衝撃力が加わった際に発生する複数のクレーズ状欠陥同士のつながりによる割れを解繊部位により防止し、前記成形部品に一方向に衝撃力が加わった際に発生するクラック状欠陥を解繊されていない非解繊部位により防止することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

この構成によると、繊維複合樹脂として、繊維長方向の端部に解繊された解繊部位が形成された前記繊維状フィラーを、主剤樹脂に混合して樹脂成形されており、前記繊維複合樹脂の物理特性が、Ｈｏ×０．４ ≦Ｈ ≦ Ｈｏを満たし、かつ、Ｓｏ×０．４ ≦ Ｓ≦ Ｓｏを満たすものであるため、高弾性率および面方向衝撃と一方向衝撃の両方に対する高耐衝撃性を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態における繊維複合樹脂成形部品の（ａ）断面模式図と、（ｂ）面方向衝撃が加わった際の断面模式図と、（ｃ）一方向衝撃が加わった際の断面模式図

【図2】繊維状フィラー分散状態の違いによる影響を説明する（ａ）断面模式図と、（ｂ）面方向衝撃の影響を説明する断面模式図と、（ｃ）一方向衝撃の影響を説明する断面模式図

【図3】繊維状フィラー分散状態の違いによる影響を説明する（ａ）断面模式図と、面方向衝撃の影響を説明する（ｂ）断面模式図と、一方向衝撃の影響を説明する（ｃ）断面模式図

【図4】本実施の形態における繊維複合樹脂成形部品の製造プロセスを説明するフロー図

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の繊維複合樹脂成形部品について、図面を参照しながら説明する。

【0019】

本発明の実施の形態における繊維複合樹脂成形部品は、主剤樹脂と、繊維状フィラーと、分散剤とを含有する溶融混練物からなるものである。繊維複合樹脂成形部品は、図１（ａ）の断面模式図に示すように、主剤樹脂１中に繊維状フィラー２が分散されている。また、繊維状フィラー２は、特定の割合で炭化されている。

【0020】

主剤樹脂１は、良好な成形性を確保するために、熱可塑性樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、オレフィン系樹脂（環状オレフィン系樹脂を含む），スチレン系樹脂，（メタ）アクリル系樹脂，有機酸ビニルエステル系樹脂またはその誘導体，ビニルエーテル系樹脂，ハロゲン含有樹脂，ポリカーボネート系樹脂，ポリエステル系樹脂，ポリアミド系樹脂，熱可塑性ポリウレタン樹脂，ポリスルホン系樹脂（ポリエーテルスルホン，ポリスルホンなど），ポリフェニレンエーテル系樹脂（２，６−キシレノールの重合体など），セルロース誘導体（セルロースエステル類，セルロースカーバメート類，セルロースエーテル類など），シリコーン樹脂（ポリジメチルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサンなど），ゴムまたはエラストマー（ポリブタジエン、ポリイソプレンなどのジエン系ゴム，スチレン−ブタジエン共重合体，アクリロニトリル−ブタジエン共重合体，アクリルゴム，ウレタンゴム，シリコーンゴムなど）などが挙げられる。上記の樹脂は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用されてもよい。なお、主剤樹脂１は熱可塑性を有していれば上記の材料に限定されるものではない。

【0021】

これらの熱可塑性樹脂のうち、主剤樹脂１は、比較的低融点であるオレフィン系樹脂であることが好ましい。オレフィン系樹脂としては、オレフィン系単量体の単独重合体の他、オレフィン系単量体の共重合体や、オレフィン系単量体と他の共重合性単量体との共重合体が含まれる。オレフィン系単量体としては、例えば、鎖状オレフィン類（エチレン、プロピレン，１−ブテン，イソブテン，１−ペンテン，４−メチル−１−ペンテン，１−オクテンなどのα−Ｃ２−２０オレフィンなど），環状オレフィン類などが挙げられる。これらのオレフィン系単量体は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用されてもよい。上記オレフィン系単量体のうち、エチレン，プロピレンなどの鎖状オレフィン類が好ましい。他の共重合性単量体としては、例えば、酢酸ビニル，プロピオン酸ビニルなどの脂肪酸ビニルエステル；（メタ）アクリル酸、アルキル（メタ）アクリレート，グリシジル（メタ）アクリレートなどの（メタ）アクリル系単量体；マレイン酸，フマル酸，無水マレイン酸などの不飽和ジカルボン酸またはその無水物；カルボン酸のビニルエステル（例えば、酢酸ビニル，プロピオン酸ビニルなど）；ノルボルネン，シクロペンタジエンなどの環状オレフィン；およびブタジエン，イソプレンなどのジエン類などが挙げられる。これらの共重合性単量体は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用されてもよい。オレフィン系樹脂の具体例としては、ポリエチレン（低密度、中密度、高密度または線状低密度ポリエチレンなど），ポリプロピレン，エチレン−プロピレン共重合体，エチレン−プロピレン−ブテン−１などの三元共重合体などの鎖状オレフィン類（特にα−Ｃ２−４オレフィン）の共重合体などが挙げられる。

【0022】

次に分散剤について説明する。

【0023】

繊維状フィラー２と主剤樹脂１との接着性、あるいは主剤樹脂１中の繊維状フィラー２の分散性を向上させるなどの目的で、分散剤を含有する。分散剤としては、各種のチタネート系カップリング剤，シランカップリング剤，不飽和カルボン酸，マレイン酸，無水マレイン酸，またはその無水物をグラフトした変性ポリオレフィン，脂肪酸，脂肪酸金属塩，脂肪酸エステルなどが挙げられる。上記シランカップリング剤は、不飽和炭化水素系やエポキシ系のものが好ましい。分散剤の表面は、熱硬化性もしくは熱可塑性のポリマー成分で処理され変性処理されても問題ない。本実施の形態における繊維複合樹脂成形部品における分散剤の含有量は、０．０１質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、０．１質量％以上１０質量％以下であることがより好ましく、０．５質量％以上５質量％以下であることがさらに好ましい。

【0024】

分散剤の含有量が、０．０１質量％未満であると、分散不良が発生し、一方、分散剤の含有量が２０質量％を超えると、繊維複合樹脂成形部品の強度が低下する。分散剤は、主剤樹脂１と繊維状フィラー２の組み合わせにより適切に選択され、分散剤が必要ない組み合わせの場合は添加しなくてもよい。

【0025】

次に繊維状フィラー２について説明する。

【0026】

繊維状フィラー２は、機械的特性の向上や、線膨張係数の低下による寸法安定性の向上などを主要な目的として用いられる。この目的のため、繊維状フィラー２は主剤樹脂１よりも弾性率が高いことが好ましく、具体的にはパルプ，セルロースナノファイバー，リグノセルロース，リグノセルロースナノファイバー，綿，絹，羊毛あるいは麻等の天然繊維，ジュート繊維，レーヨンあるいはキュプラなどの再生繊維，アセテート，プロミックスなどの半合成繊維，ポリエステル，ポリアクリロニトリル，ポリアミド，アラミド，ポリオレフィンなどの合成繊維やカーボンファイバー（炭素繊維），カーボンナノチューブ，さらにはそれらの表面及び末端に化学修飾した変性繊維などが挙げられる。また更に、これらの中で、入手性、弾性率の高さ、線膨張係数の低さや環境性の観点から、セルロース類の天然繊維が特に好ましい。

【0027】

繊維状フィラー２の含有量は、１質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、５質量％以上７０質量％以下であることがより好ましい。繊維状フィラー２の含有量が、１質量％未満であると、繊維複合樹脂成形部品は、機械的強度を確保することができず、また、繊維状フィラー２の含有量が８０質量％を超えると、溶融分散混練時および射出成形時の溶融粘度が上がるために、主剤樹脂１中の繊維状フィラー２の分散性が低下し、また、得られた繊維複合樹脂成形部品は、外観不良が発生するなどの問題がある。

【0028】

図１（ａ）に示すように繊維状フィラー２は、繊維１本内で、繊維長方向の端部が部分的に解繊されている解繊部位３を有している。繊維長方向の中央には解繊されていない非解繊部位４を有している。

【0029】

図２（ａ）と図３（ａ）は比較例を示す。

【0030】

図２（ａ）の場合は、繊維状フィラー２が十分に解繊されておらず、非解繊部位４の繊維径が太く、解繊部位３が存在しない状態を示している。図３（ａ）の場合は、繊維状フィラー２が強力に解繊され、非解繊部位４が明確に存在せず、解繊部位３のみが短繊維の形で分散されている状態を示している。

【0031】

最適な繊維状フィラー２の状態については、本願発明者による実験やシミュレーション結果から、解繊部位３のメジアン繊維径は０．１μｍ以上２μｍ以下、かつ、非解繊部位４のメジアン繊維径は５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましいことが確認されている。

【0032】

ここで、図１（ｂ），図２（ｂ），図３（ｂ）には、それぞれの繊維状フィラー２の分散状態の違いによる重錘落下衝撃のような面方向に衝撃が加わった際の断面模式図を示している。５は、面方向に加わった衝撃力を示している。６は、この面衝撃力５によって解繊部位３の先端に発生したクレーズ状欠陥を示している。

【0033】

本実施の形態を示す図１（ｂ）に示すように、このクレーズ状欠陥６は、解繊部位３のメジアン繊維径が０．１μｍ以上２μｍ以下であれば、発生したクレーズ状欠陥６のサイズを非常に小さく抑えられることで、クレーズ状欠陥６同士が連続的につながり巨大化することが少なくなり、更に、衝撃力の伝播を分散できる効果によって、クレーズ状欠陥６が起点となる割れが発生しにくくなる。

【0034】

逆に、図２（ｂ）の比較例のように解繊部位３が明確に存在しない場合には、非解繊部位４の繊維近傍に巨大なクレーズ状欠陥６が多く発生してしまい、クレーズ状欠陥６同士が連続的につながりやすくなるため、そのクレーズ状欠陥６が起点となって割れが発生しやすくなる。この現象は、解繊部位３のメジアン繊維径が０．１μｍよりも小さい場合にも解繊部位３の先端ではなく、非解繊部位４の近傍に巨大なクレーズ状欠陥６が発生しやすくなることを確認している。また、解繊部位３のメジアン繊維径が２μｍより大きくなった場合には、解繊部位３によるクレーズ状欠陥６の巨大化抑制効果が発現しにくくなり、クレーズ状欠陥６が起点となる割れが発生しやすくなる。

【0035】

図３（ｂ）の比較例の場合には、図１（ｂ）と同様にクレーズ状欠陥６自体は非常に小さいが、均一分散している、もしくは、凝集塊の状態で存在する確率が高まることにより、結果的にクレーズ状欠陥６同士が連続的につながり、そのクレーズ状欠陥６が起点となって割れが発生しやすくなる。

【0036】

また、図１（ｃ），図２（ｃ），図３（ｃ）には、それぞれの繊維状フィラー２の分散状態の違いによるシャルピー衝撃試験（ＪＩＳ Ｋ７１１１）のような一方向に大きな衝撃が加わった際の断面模式図を示している。７は、一方向に加わった衝撃力を示しており、８は、一方向衝撃力７よって発生したクラック状欠陥を示している。

【0037】

本実施の形態を示す図１（ｃ）においては、解繊されていない部位４のメジアン繊維径が５μｍ以上３０μｍ以下であれば、一方向衝撃力７を非解繊部位４で緩和できるため、クラック状欠陥８の進展を大幅に抑制できている。

【0038】

図２（ｃ）の比較例のように解繊部位３が明確にない場合であっても、非解繊部位４が十分に太い場合には同様の効果で抑制できる。

【0039】

図３（ｃ）の比較例のように、非解繊部位４が明確に存在しない、またはメジアン繊維径が５μｍより小さくなると、一方向衝撃力７が加わった際にその衝撃により切断されてしまい衝撃を緩和することができず、クラック状欠陥８の進展を抑制することができないため割れが発生しやすくなる。逆に、非解繊部位４のメジアン繊維径が３０μｍより大きくなると、非解繊部位４の近傍に巨大なクレーズ状欠陥６が成形された時点で発生してしまい、更に、面方向、一方向のどちらの衝撃力に対してもクレーズ状欠陥６同士が連続的につながりやすくなるため、そのクレーズ状欠陥６が起点となって割れが発生しやすくなる。

【0040】

また、これら繊維状フィラー２は、主剤樹脂１との接着性あるいは繊維複合樹脂成形部品中での分散性を向上させるなどの目的で、各種のチタネート系カップリング剤、シランカップリング剤、不飽和カルボン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、またはその無水物をグラフトした変性ポリオレフィン、脂肪酸、脂肪酸金属塩、脂肪酸エステルなどによって表面処理したものを用いてもよい。あるいは熱硬化性もしくは熱可塑性のポリマー成分で表面処理されたものでも問題ない。

【0041】

次に製造方法について記載する。

【0042】

図４は、本実施の形態における繊維複合樹脂成形部品の製造プロセスを例示するフロー図である。

【0043】

まず、溶融混練処理装置内に、主剤樹脂、繊維状フィラーおよび、必要に応じて分散剤が投入され、溶融混練処理装置内で溶融混練される。これにより、主剤樹脂が溶融し、溶融された主剤樹脂に、繊維状フィラーと分散剤が分散される。また同時に装置の剪断作用により、繊維状フィラーの凝集塊の解繊が促進され、繊維状フィラーを主剤樹脂中に細かく分散させることができる。

【0044】

従来、繊維状フィラーとしては、湿式分散などの前処理により、事前に繊維を解繊したものが使用されていた。しかし、湿式分散で用いられる溶媒中で事前に繊維状フィラーを解繊すると、溶融した主剤樹脂中で解繊されるよりも解繊されやすいため、端部のみ解繊することが難しく、繊維状フィラー全体が解繊された状態となってしまう。また前処理を合わせることで工程が増え、生産性が悪くなるといった課題があった。

【0045】

これに対して、本実施の形態における繊維複合樹脂成形部品の製造プロセスでは、繊維状フィラーの解繊処理、変性処理を目的とした湿式分散による前処理を行わずに、主剤樹脂や分散剤などと一緒に溶融混練処理（全乾式工法）を行う。この工法では、繊維状フィラーの湿式分散処理を行わないことにより、繊維状フィラーを上記のように端部のみ部分的に解繊することができ、また工程数も少なく、生産性を向上させることができる。

【0046】

溶融混練装置から押し出された繊維複合樹脂成形部品は、ペレタイザー等の切断工程を経て、ペレット形状に作製される。ペレット化の方式として、樹脂溶融後すぐに行う方式としては、空中ホットカット方式，水中ホットカット方式，ストランドカット方式などがあり、あるいは、一度成形部品やシートを成形したあとで、粉砕、切断することによる粉砕方式などもある。

【0047】

このペレットを射出成形することにより、繊維複合樹脂成形部品を作製することができる。この繊維複合樹脂成形部品は、上記のように、複合された繊維状フィラーが、解繊されていない太繊維部と繊維長方向の端部が部分的に解繊されている細繊維部を持つ構造を有するため、一方向衝撃を解繊されていない太繊維部で耐久し、解繊されている細繊維部で面衝撃によるクラック状欠陥の進展を抑制でき、耐衝撃性と弾性率の両方を高めた繊維複合樹脂成形部品を得ることができる。

【0048】

以下、発明者らが行った実験における各実施例および各比較例について説明する。

【0049】

（実施例１）
以下の製造方法によってパルプ分散ポリプロピレンペレットを製造し、そのペレットを用いて射出成形部品を製造した。

【0050】

主剤樹脂としてのポリプロピレン（株式会社プライムポリマー製 商品名：Ｊ１０８Ｍ）と、繊維状フィラーとしての綿状針葉樹パルプ（三菱製紙株式会社製 商品名：NBKP Celgar）と、分散剤として無水マレイン酸（三洋化成工業株式会社製 商品名：ユーメックス）とを重量比で８５：１５：５となるよう秤量し、ドライブレンドした。その後、二軸混練機（株式会社クリモト鉄工所製 Ｓ−１ＫＲＣニーダ スクリュー径φ２５ｍｍ、Ｌ／Ｄ１０．２）にて溶融混練分散した。二軸混練機のスクリュー構成を変えることでせん断力を変えることができ、実施例１では中せん断タイプの仕様とした上で、混練部温度１８０℃、押出速度を０．５ｋｇ／ｈに設定した。更に、この条件での溶融混練分散処理を１０回繰り返し、長時間処理を実施した。樹脂溶融物をホットカットし、パルプ分散ポリプロピレンペレットを作製した。

【0051】

作製したパルプ分散ポリプロピレンペレットを用いて射出成形機（日本製鋼所製 １８０ＡＤ）により繊維複合樹脂成形部品の試験片を作製した。試験片の作製条件は、樹脂温度１９０℃、金型温度６０℃、射出速度６０ｍｍ／ｓ、保圧８０Ｐａとした。ペレットは、ホッパーを介して成形機のスクリューへ噛み込んでいくが、その際の侵入性を時間当たりのペレット減少量で測定しており、一定であることを確認した。試験片の形状は、下記に述べる評価項目によって変更し、弾性率測定用に１号サイズのダンベルを作製し、重錘落下衝撃試験用に５０ｍｍ角、厚さ１．２ｍｍの平板を作製した。得られた試験片を以下の方法により評価を行った。
− 非解繊部位４のメジアン繊維径および、解繊部位３のメジアン繊維径 −
得られた繊維複合樹脂成形部品をキシレン溶媒に浸漬して、ポリプロピレンを溶解させ、残ったパルプ繊維についてＳＥＭ観察を実施した。具体的には、ＳＥＭ（PHENOM-World社製 走査型電子顕微鏡 Phenom G2pro）を用いて、代表的な繊維を約１００本計測した。繊維径測定結果からメジアン繊維径を算出した結果、解繊されていない部位のメジアン繊維径は５．２μｍとなり、繊維長方向の端部には解繊部位がみられ、解繊部位のメジアン繊維径は０．７μｍであった。

【0052】

− 繊維複合樹脂成形部品の弾性率 −
得られた１号ダンベル形状の試験片を用いて、引張試験（ＡＮＤ社製 ＲＴＦ−１３１０）を実施した。ここで、弾性率の評価方法として、その数値が主剤樹脂の弾性率よりも低いものを×とし、それよりも高いものを○と判定した。主剤樹脂単体の弾性率は１．３ＧＰａで、同試験片の弾性率は２．１ＧＰａとなり１．６２倍のため、その評価は〇であった。

【0053】

− 繊維複合樹脂成形部品の重錘落下衝撃試験 −
得られた平板形状の試験片（繊維複合樹脂から厚み１〜２ｍｍで切り出した板状試験片）を用いて、重錘落下衝撃試験を実施した。具体的には、恒温槽（エスペック社製、商品名：ＰＤＲ−３ＫＰ）内に静置して、−１０℃で３時間保持した。その後、恒温槽から試験片を素早く取り出し、種々の高さから、２５０ｇの重錘を落下させたときに試験片が破壊されなかった最大高さ：Ｈを測定した。この重錘落下衝撃試験では、最大高さの数値が大きいほど試験片の面衝撃性が高いことを示す。ここで、面衝撃性の評価方法として、その最大高さの数値が主剤樹脂の破壊されなかった最大高さの０．４倍未満であれば、面衝撃性が低いとして×と評価し、０．４倍以上１．０倍以下であれば、面衝撃性が高いとして○と評価した。主剤樹脂のみの試験片が破壊されなかった最大高さ：Ｈｏは２００ｃｍで、同試験片の最大高さは１９０ｃｍとなり０．９５倍のため、その評価は○であった。

【0054】

− 繊維複合樹脂成形部品のシャルピー衝撃試験 −
得られた１号ダンベル形状の試験片を用いて、予めノッチを入れ、シャルピー衝撃試験ＪＩＳ Ｋ７１１１（東洋精機製作所製 DIGITAL IMPACT TESTER）を行った。このシャルピー衝撃試験では、衝撃強度が高いほど試験片の一方向衝撃性が高いことを示す。ここで、一方向衝撃性の評価方法として、そのシャルピー衝撃強度が主剤樹脂のみのシャルピー衝撃強度の０．４倍未満であれば、一方向衝撃性が低いとして×と評価し、０．４倍以上１．０倍以下であれば、一方向衝撃性が高いとして○と評価した。主剤樹脂の試験片のシャルピー衝撃強度は７．８ｋＪ／ｍ^２で、同試験片のシャルピー衝撃強度は３．３ｋＪ／ｍ^２となり０．４２倍のため、その評価は○であった。

【0055】

（実施例２）
実施例２では、溶融混練分散処理を３回繰り返すことに短縮した以外の条件は実施例１と同様にパルプ分散ポリプロピレンペレット、ならびに成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0056】

（比較例１）
比較例１では、スクリュー構成および他の条件は実施例１と同様にポリプロピレンペレット単体で成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0057】

（比較例２）
比較例２では、スクリュー構成を高せん断タイプに変更し、スクリュー構成以外の条件は実施例１と同様にパルプ分散ポリプロピレンペレット、ならびに成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0058】

（比較例３）
比較例３では、スクリュー構成を比較例２と同様の高せん断タイプに変更し、更に、このスクリュー構成での溶融混練分散を３回処理に短縮した。それ以外の条件は実施例１と同様にパルプ分散ポリプロピレンペレット、ならびに成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0059】

（比較例４）
比較例４ではスクリュー構成を比較例２と同様の高せん断タイプに変更し、更に、このスクリュー構成での溶融混練分散を１回処理に短縮した。それ以外の条件は実施例１と同様にパルプ分散ポリプロピレンペレット、ならびに成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0060】

（比較例５）
比較例５では、スクリューの構成を低せん断タイプに変更し、スクリュー構成以外の条件は実施例１と同様にパルプ分散ポリプロピレンペレット、ならびに成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0061】

（比較例６）
比較例６では、繊維状フィラーとしての綿状針葉樹パルプを市販のガラス繊維へと変更し、繊維状フィラー種類以外の条件は実施例１と同様にパルプ分散ポリプロピレンペレット、ならびに成形部品を作製した。評価についても実施例１と同様の評価を実施した。

【0062】

実施例１，２および各比較例１〜６における測定結果を表１に示す。

【0063】

【表1】

【0064】

この表１から明らかなように、比較例１に示す繊維状フィラーを含まない主剤樹脂単体の弾性率に対して、繊維状フィラーを添加したそれ以外の条件では、弾性率が高くなり機械的強度を改善できている。そして、繊維状フィラーを添加して、解繊されていない部位のメジアン繊維径が５μｍ以上３０μｍ以下、かつ解繊部位のメジアン繊維径が０．１μｍ以上２μｍ以下の解繊状態を実現できている実施例１，２に関しては、重錘落下衝撃試験による面衝撃強度が比較例１と比べて、０．４倍以上１．０倍以下となっており、かつ、シャルピー衝撃試験による一方向衝撃強度が比較例１と比べて、０．４倍以上１．０倍以下を満たし、通常の使用環境に対する耐衝撃性を確保できていることを確認した。それに対して、スクリュー構成を高せん断タイプに変更した比較例２では、せん断がかかり過ぎたために、解繊部位のメジアン繊維径が０．０７μｍまで細くなり、解繊されていない部位のメジアン繊維径としても０．９μｍと細く、繊維長としても短くなりすぎた結果として繊維のアスペクト比（繊維長÷繊維径で示す指数）が小さくなった影響により、面衝撃強度および、一方向衝撃強度共に、比較例１と比べて０．４倍未満となってしまい通常の使用環境に対する耐衝撃性を確保できない結果となった。

【0065】

比較例２と同様にスクリュー構成を高せん断タイプに変更して、更に溶融混練分散処理回数を３回まで減らして短時間処理へ変更した比較例３では、解繊部位のメジアン繊維径は０．８μｍと細い状態まで解繊されているため、面衝撃が加わった際には、通常の使用環境に対する耐衝撃性を確保できていることを確認したが、解繊されていない部位のメジアン繊維径が４．１μｍと細く解繊されすぎているため、一方向衝撃強度に対しては、クラック状欠陥の進展を抑制することができず、比較例１と比べて０．４倍未満となってしまい通常の使用環境に対する耐衝撃性を確保できない結果となった。

【0066】

比較例３の条件から更に溶融混練分散処理回数を１回まで減らして短時間処理へ変更した比較例４では、解繊されていない部位（不十分なほぐれ部分含む）のメジアン繊維径が３５．０μｍと太くなっており、解繊部位は十分解繊されているにも関わらず、成形された時点から解繊されていない部位の近傍に巨大なクレーズ状欠陥が発生してしまい、更に、面方向、一方向のどちらの衝撃力に対してもクレーズ状欠陥同士が連続的につながりやすくなるため、そのクレーズ状欠陥が起点となって割れが発生しやすくなることにより、比較例１と比べて面衝撃強度および一方向衝撃強度が０．４倍未満となってしまい通常の使用環境に対する耐衝撃性を確保できない結果となった。

【0067】

スクリュー構成を低せん断タイプに変更した比較例５では、解繊されていない部位のメジアン繊維径は２５．２μｍまで細くできているが、低せん断であるために解繊部位のメジアン繊維径が２．２μｍと解繊が不十分な状態となってしまい、解繊部位の先端に発生したクレーズ状の欠陥同士が連続的につながりやすくなることにより、比較例１と比べて面衝撃強度が０．４倍未満となってしまい通常の使用環境に対する耐衝撃性を確保できない結果となった。

【0068】

繊維状フィラーをガラス繊維へと変更した比較例６では、ガラスの弾性率が６８ＧＰａと主剤樹脂のポリプロピレンの１．５ＧＰａと比べて非常に高いことから、一方向衝撃に対する耐衝撃性としては比較例１よりも高い強度を示しているが、繊維方向による異方性が強く発生してしまうことで、多方向から加わる面衝撃強度に対しては０．４倍未満となってしまう結果となった。更に、ガラス繊維の場合には、繊維状フィラーの端部に明確な解繊部位が存在しないため、解繊されていない部位の繊維近傍に巨大なクレーズ状欠陥が多く発生してしまい、クレーズ状欠陥同士が連続的につながりやすくなることにより、比較例１と比べて面衝撃強度が更に低くなる結果となっている。

【0069】

以上の評価から、繊維複合樹脂成形部品中に添加されている繊維状フィラーは、繊維１本内で、解繊されていない太繊維部と繊維長方向の端部が部分的に解繊されている細繊維部を持つ構造を有するため、一方向衝撃を解繊されていない太繊維部で耐久し、解繊されている細繊維部で面衝撃によるクラック状欠陥の進展を抑制でき、面衝撃強度と一方向衝撃強度を両立できる繊維複合樹脂成形部品を提供できることが分かった。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本発明は主剤樹脂の特性を向上させることができるので、エンジニアリングプラスチックの代替物、または金属材料の代替物として利用され得る。従って、エンジニアリングプラスチック製または金属製の各種工業製品、または生活用品の製造コストを大幅に削減し得る。さらには家電筐体、建材、自動車部材への利用が可能である。

【符号の説明】

【0071】

１ 主剤樹脂
２ 繊維状フィラー
３ 解繊部位
４ 非解繊部位
５ 面方向に加わった衝撃力
６ クレーズ状欠陥
７ 一方向に加わった衝撃力
８ クラック状欠陥

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】