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(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】
(24)【登録日】2024-02-14
(45)【発行日】2024-02-22
(54)【発明の名称】繊維強化樹脂組成物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29B 7/92 20060101AFI20240215BHJP
B29C 31/00 20060101ALI20240215BHJP
B29C 48/285 20190101ALI20240215BHJP
B29C 48/375 20190101ALI20240215BHJP
B29C 48/40 20190101ALI20240215BHJP
B29C 48/625 20190101ALI20240215BHJP
C08J 5/04 20060101ALI20240215BHJP
【ＦＩ】
B29B7/92
B29C31/00
B29C48/285
B29C48/375
B29C48/40
B29C48/625
C08J5/04 CER
C08J5/04 CES
C08J5/04 CEZ
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020109520
(22)【出願日】2020-06-25
(65)【公開番号】P2022006931
(43)【公開日】2022-01-13
【審査請求日】2022-11-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000110321
【氏名又は名称】トヨタ車体株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000394
【氏名又は名称】弁理士法人岡田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】前田 佳宏
(72)【発明者】
【氏名】納谷 藍子
(72)【発明者】
【氏名】片桐 好秀
(72)【発明者】
【氏名】平井 隆行
【審査官】関口 貴夫
(56)【参考文献】
【文献】特開平０３－０９３５１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００６－５１０５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２６０９４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００８－５２０４７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５０７０５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５２９５８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１００４５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５２６５６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３２６３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１７８４８３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第０５７７６２８１（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０６１４３８１１（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０６４７９００２（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許出願公開第２００４／０１４０５９２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００５／０２７１８８９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００９３７６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／００２８９９９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｂ ７／９２
Ｂ２９Ｃ ３１／００
４８／００ － ４８／９６
Ｃ０８Ｊ ５／０４ － ５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セルロース系繊維と樹脂とを混練する工程を、単数の押出機で行う繊維強化樹脂組成物の製造方法において、前記押出機の混練可能な領域を、その押出方向における全長を１０とした場合に、上流領域と下流領域とに７:３の割合で分け、前記上流領域のみにセルロース系繊維を投入すると共に、前記上流領域と前記下流領域に、各々、溶融状態の前記樹脂を投入し、
前記上流領域における前記樹脂の投入量は、前記上流領域中の混練物の総質量に対して前記セルロース系繊維の含量が３０質量％以上となるように調整されている繊維強化樹脂組成物の製造方法。
【請求項2】
前記押出機は二軸押出機であり、セルロース系繊維投入後の混練工程のスクリュー長Ｌ／スクリュー径Ｄ（Ｌ／Ｄ）を３６未満とする請求項１に記載の繊維強化樹脂組成物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、繊維強化樹脂組成物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
この種の繊維強化樹脂組成物は、優れた強度を備えているため、自動車などの多分野で利用されている。そして繊維強化樹脂組成物の製造に際しては、押出機を使用して樹脂と繊維を混練し、この混練物を所定の形状に成形することが多い。例えば特許文献１では、二軸押出機の上流側からガラス繊維と熱可塑性樹脂を投入し、この二軸押出機の中で熱可塑性樹脂を溶融させながらガラス繊維と混練している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平１１－９２６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで繊維強化樹脂組成物の分野では、無機系の素材に代わる素材としてセルロース系繊維が注目されている。そして繊維強化樹脂組成物の強度は、セルロース系繊維の解繊性と相関的な関係にあり、セルロース系繊維が樹脂中で細かく解繊されているほど当該組成物の強度が向上する（図３、図４及び［表１］を参照）。このためセルロース系繊維を使用する場合には、所望の強度を確保する観点等から、セルロース系繊維を可能な限り細かく解繊しつつ樹脂と混練することが望ましい。例えば押出機のスクリューのせん断力によってセルロース系繊維を解繊することが考えられるが、このときスクリュー長が不足していた場合には、セルロース系繊維の解繊が十分に進まないおそれがある。もっともスクリュー長の長い専用の押出機を用いるなどして対応することもできるが、専用の押出機の導入は、繊維強化樹脂組成物の製造コストの増加を招きかねない。本発明は上述の点に鑑みて創案されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、押出機を効率良く使用して、セルロース系繊維をより適切に解繊しつつ樹脂と混練することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するための手段として、第１発明の繊維強化樹脂組成物の製造方法は、セルロース系繊維と樹脂とを混練する工程を、単数の押出機で行う。この種の製造方法では、押出機を効率良く使用して、セルロース系繊維をより適切に解繊しつつ樹脂と混練できることが望ましい。そこで本発明では、押出機の混練可能な領域を、その押出方向における全長を１０とした場合に、上流領域と下流領域とに７:３の割合で分け、上流領域のみにセルロース系繊維を投入すると共に、上流領域と下流領域に、各々、溶融状態の樹脂を投入する。そして上流領域における樹脂の投入量は、上流領域中の混練物の総質量に対してセルロース系繊維の含量が３０質量％以上となるように調整されている。本発明では、溶融状態の樹脂を上流領域と下流領域の双方に直接投入することにより、押出機の混練可能な領域に樹脂を溶融するための領域を設ける必要がない。このため本発明によれば、上流領域を、専らセルロース系繊維の解繊に用いることができ、下流領域を、専らセルロース系繊維と樹脂の含量調整に用いることができる。また本発明では、上流領域の混練物中のセルロース系繊維の含量を極力多くして、スクリューのせん断力をセルロース系繊維により効果的に作用させることにより、繊維強化樹脂組成物の優れた強度の確保に資する構成となる。
【0006】
第２発明の繊維強化樹脂組成物の製造方法は、第１発明の繊維強化樹脂組成物の製造方法において、押出機は二軸押出機であり、セルロース系繊維投入後の混練工程のスクリュー長Ｌ／スクリュー径Ｄ（Ｌ／Ｄ）を３６未満とする。本発明では、溶融した樹脂を上流領域と下流領域に直接投入して、二軸押出機（例えばＬ／Ｄ３６未満の汎用の二軸押出機）を効率良く使用することにより、セルロース系繊維をより適切に解繊することが可能となる。
【発明の効果】
【0008】
本発明に係る第１発明によれば、押出機を効率良く使用して、セルロース系繊維をより適切に解繊しつつ樹脂と混練することができる。そして第１発明によれば、セルロース系繊維を更に適切に解繊しつつ樹脂と混練することができる。また第２発明によれば、汎用の押出機を使用したとしても、セルロース系繊維をより適切に解繊しつつ樹脂と混練することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】二軸押出機の概略図である。
【図2】上流領域と下流領域を示す二軸押出機の概略図である。
【図3】実施例１の繊維強化樹脂組成物の顕微鏡写真である。
【図4】比較例３の繊維強化樹脂組成物の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態を、図１～図４を参照して説明する。本実施形態の繊維強化樹脂組成物１０は、セルロース系繊維１２と樹脂１４とが含まれており、後述するように混練工程を単数の押出機（二軸押出機２）で行うことにより製造することができる（図１では、便宜上、繊維強化樹脂組成物の取出し箇所に対応する符号１０を付し、各成分の投入箇所に対応する符号１２，１４を付す）。そしてこの種の繊維強化樹脂組成物１０では、所望の強度を確保する観点等から、セルロース系繊維１２をできる限り細かく解繊しつつ樹脂１４と混練することが望ましい。そこで本実施形態では、後述するように押出機を効率良く使用して、セルロース系繊維１２をより適切に解繊しつつ樹脂１４と混練することとした。以下、繊維強化樹脂組成物１０の各配合成分と、押出機の構成と、繊維強化樹脂組成物１０の製造方法について詳述する。
【0011】
［セルロース系繊維］
図１に示すセルロース系繊維１２として、植物系の天然繊維、再生繊維、精製繊維、半合成繊維等の各種のセルロース系繊維を使用できる。そしてセルロース系繊維１２の原料は特に限定しないが、原料調達の利便性を考慮すると、各種のパルプを使用することが好ましい。この種のパルプとして、針葉樹や広葉樹から得られる木材パルプ（化学パルプ、機械パルプ、古紙パルプ）や、種子植物などから得られる非木材パルプを例示でき、これらを１種単独で又は２種以上を組み合わせて使用できる。
図１に示すセルロース系繊維１２として、植物系の天然繊維、再生繊維、精製繊維、半合成繊維等の各種のセルロース系繊維を使用できる。そしてセルロース系繊維１２の原料は特に限定しないが、原料調達の利便性を考慮すると、各種のパルプを使用することが好ましい。この種のパルプとして、針葉樹や広葉樹から得られる木材パルプ（化学パルプ、機械パルプ、古紙パルプ）や、種子植物などから得られる非木材パルプを例示でき、これらを１種単独で又は２種以上を組み合わせて使用できる。
【0012】
ここで原料中のセルロース系繊維１２の繊維径は特に限定されず、パルプ中のセルロース系繊維１２のように繊維径がミリメートルオーダーからミクロンメートルオーダーのセルロース系繊維１２であってもよい。また原料には、繊維径がナノメートルオーダーのセルロース系繊維１２（セルロースナノファイバ）が含まれていてもよい。
【0013】
また原料中のセルロース系繊維１２は、その水酸基が化学的に修飾されて疎水化されていること及び相溶化剤を活用した疎水化処理を施すことが好ましい。例えばセルロース系繊維１２の水酸基の水素原子をカルボキシル基やアシル基などの疎水基に置換することで、セルロース系繊維１２の易解繊性が向上するなどして、後述する樹脂１４との均一な混練に資する構成となる。
【0014】
［樹脂］
図１に示す樹脂１４として、セルロース系繊維１２同士を結着可能な各種の熱可塑性樹脂（エラストマを含む）を使用することができる。なかでもメルトフローレイト（ＭＦＲ）が２０ｇ／１０ｍｉｎ以上の熱可塑性樹脂は、セルロース系繊維１２に対する優れた浸透性を備え、セルロース系繊維１２の劣化（例えばスクリューとの摩擦による劣化）を好適に抑えることができる。混合物（繊維強化樹脂組成物１０）に含まれる樹脂の種類は限定されない。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリルーブタジエンースチレン）樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂、及びオレフィン系エラストマー、スチレン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー等の熱可塑性エラストマーが挙げられる。これらの中でもポリオレフィン樹脂が好ましい。なお樹脂１４のメルトフローレイトは、ＩＳＯ１１３３に準拠して測定でき、例えばポリプロピレンの場合には、２３０℃及び２１．１８Ｎの条件でメルトフローレイトを測定できる。
図１に示す樹脂１４として、セルロース系繊維１２同士を結着可能な各種の熱可塑性樹脂（エラストマを含む）を使用することができる。なかでもメルトフローレイト（ＭＦＲ）が２０ｇ／１０ｍｉｎ以上の熱可塑性樹脂は、セルロース系繊維１２に対する優れた浸透性を備え、セルロース系繊維１２の劣化（例えばスクリューとの摩擦による劣化）を好適に抑えることができる。混合物（繊維強化樹脂組成物１０）に含まれる樹脂の種類は限定されない。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリルーブタジエンースチレン）樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂、及びオレフィン系エラストマー、スチレン系エラストマー、ポリアミド系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリウレタン系エラストマー等の熱可塑性エラストマーが挙げられる。これらの中でもポリオレフィン樹脂が好ましい。なお樹脂１４のメルトフローレイトは、ＩＳＯ１１３３に準拠して測定でき、例えばポリプロピレンの場合には、２３０℃及び２１．１８Ｎの条件でメルトフローレイトを測定できる。
【0015】
［繊維強化樹脂組成物中の各成分の含有率］
ここで図１に示す繊維強化樹脂組成物１０では、その利用目的等を考慮して、セルロース系繊維１２と樹脂１４の含有率を設定できる（製造工程における樹脂１４の投入量は後述）。例えば樹脂１４の含有率は、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して３０質量％～９９質量％の範囲から選択してもよく、５５質量％～９５質量％の範囲から選択してもよい。またセルロース系繊維１２の含有率は、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して１質量％～７０質量％の範囲から選択してもよく、５質量％～４５質量％の範囲から選択してもよい。ここでセルロース系繊維１２の含量が１質量％未満であると、セルロース系繊維１２による曲げ弾性率（詳細後述）の有意な向上が見られず、繊維強化樹脂組成物１０の所定の強度を確保できないおそれがある。またセルロース系繊維１２の含量が７０質量％を超えると、樹脂１４によるセルロース系繊維１２の結着が弱まるなどして、繊維強化樹脂組成物１０が脆くなるおそれがある。例えば車両の構成部材として繊維強化樹脂組成物１０を使用する場合、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して５～７０質量％のセルロース系繊維１２が含まれるように設定することで、所定の強度を確保することが可能となる。とりわけセルロース系繊維１２の含量を１０質量％～３０質量％に設定することで、繊維強化樹脂組成物１０の所望の強度と保形性を確保することができる。
ここで図１に示す繊維強化樹脂組成物１０では、その利用目的等を考慮して、セルロース系繊維１２と樹脂１４の含有率を設定できる（製造工程における樹脂１４の投入量は後述）。例えば樹脂１４の含有率は、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して３０質量％～９９質量％の範囲から選択してもよく、５５質量％～９５質量％の範囲から選択してもよい。またセルロース系繊維１２の含有率は、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して１質量％～７０質量％の範囲から選択してもよく、５質量％～４５質量％の範囲から選択してもよい。ここでセルロース系繊維１２の含量が１質量％未満であると、セルロース系繊維１２による曲げ弾性率（詳細後述）の有意な向上が見られず、繊維強化樹脂組成物１０の所定の強度を確保できないおそれがある。またセルロース系繊維１２の含量が７０質量％を超えると、樹脂１４によるセルロース系繊維１２の結着が弱まるなどして、繊維強化樹脂組成物１０が脆くなるおそれがある。例えば車両の構成部材として繊維強化樹脂組成物１０を使用する場合、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して５～７０質量％のセルロース系繊維１２が含まれるように設定することで、所定の強度を確保することが可能となる。とりわけセルロース系繊維１２の含量を１０質量％～３０質量％に設定することで、繊維強化樹脂組成物１０の所望の強度と保形性を確保することができる。
【0016】
なお繊維強化樹脂組成物１０は、その品質や性能向上に寄与する各種の成分を添加剤として含むことができる。そして各添加剤の含量は特に限定しないが、繊維強化樹脂組成物１０の総質量に対して１０質量％以下に設定でき、典型的には５質量％以下である。この種の添加剤として、酸変性ポリプロピレン、耐光剤、酸化防止剤、熱安定化剤、難燃剤、金属不活性剤、帯電防止剤、分散剤、滑剤を例示できる。またセルロース系繊維１２の原料としてパルプを用いる場合、このパルプには、サイズ剤、乾燥紙力剤や湿潤紙力剤等の紙力増強剤、ＰＨ調整剤、濾水性向上剤、消泡剤、嵩高剤、歩留剤、防菌剤、防カビ剤、填料、染料が添加されていてもよい。
【0017】
［押出機］
押出機として、一般的な樹脂組成物の混練に使用可能な押出機を使用でき、各種の二軸押出機（同方向回転式または異方向回転式）や各種の単軸押出機から選択することができる。例えば本実施形態では、図１に示す汎用の二軸押出機２（同方向回転式）を使用して、繊維強化樹脂組成物１０の製造コストを抑えている。この二軸押出機２は、昇温（保温）機能を備えたシリンダー２ａと、シリンダー２ａ内に回転可能に設置された二つのスクリュー２ｂとを備え、スクリュー長Ｌ／スクリュー径Ｄ（Ｌ／Ｄ）が３６未満に設定されている。なお二軸押出機２のＬ／Ｄの下限値は特に限定しないが、例えばＬ／Ｄが２５以上であると、セルロース系繊維１２の解繊と含量調整をある程度余裕をもって行うことが可能となる。そして二軸押出機２のスクリュー長Ｌは特に制限されず、上述のＬ／Ｄの値を考慮して６００ｍｍ～１６，０００ｍｍの範囲に設定できる。また二軸押出機２のスクリュー径Ｄも特に制限されず、例えば１５ｍｍ～４００ｍｍの範囲に設定でき、スクリュー径が一定でない場合は最小値をスクリュー径Ｄとすることができる。また、混練時の温度のシリンダー温度は、１５０℃～２５０℃の範囲から選択してもよい。
押出機として、一般的な樹脂組成物の混練に使用可能な押出機を使用でき、各種の二軸押出機（同方向回転式または異方向回転式）や各種の単軸押出機から選択することができる。例えば本実施形態では、図１に示す汎用の二軸押出機２（同方向回転式）を使用して、繊維強化樹脂組成物１０の製造コストを抑えている。この二軸押出機２は、昇温（保温）機能を備えたシリンダー２ａと、シリンダー２ａ内に回転可能に設置された二つのスクリュー２ｂとを備え、スクリュー長Ｌ／スクリュー径Ｄ（Ｌ／Ｄ）が３６未満に設定されている。なお二軸押出機２のＬ／Ｄの下限値は特に限定しないが、例えばＬ／Ｄが２５以上であると、セルロース系繊維１２の解繊と含量調整をある程度余裕をもって行うことが可能となる。そして二軸押出機２のスクリュー長Ｌは特に制限されず、上述のＬ／Ｄの値を考慮して６００ｍｍ～１６，０００ｍｍの範囲に設定できる。また二軸押出機２のスクリュー径Ｄも特に制限されず、例えば１５ｍｍ～４００ｍｍの範囲に設定でき、スクリュー径が一定でない場合は最小値をスクリュー径Ｄとすることができる。また、混練時の温度のシリンダー温度は、１５０℃～２５０℃の範囲から選択してもよい。
【0018】
なお二軸押出機２の適宜の位置にニーディングディスクを配置することもでき、このニーディングディスクの数は特に制限されず任意の数に設定できる。また隣接するニーディングディスクの長軸がなす角度（ずらし角度）は特に制限されず、例えば、３０°～９０°の範囲から選択してもよい。ニーディングディスクの主面のアスペクト比（長軸の長さ／短軸の長さ）は特に制限されず、例えば、１．２～２．０の範囲から選択してもよい。
【0019】
また二軸押出機２は、その押出方向の最も上流にセルロース系繊維１２の投入部３が形成され、最も下流に繊維強化樹脂組成物１０の取出部４が形成されている。この二軸押出機２では、二つの投入装置５，６が設置されており、各投入装置５，６から溶融状態の樹脂１４をシリンダー２ａ内に投入することが可能となっている。これら第一の投入装置５と第二の投入装置６として、溶融状態の樹脂１４を投入可能な各種の装置を採用できる。例えば本実施形態では、両投入装置５，６として、昇温機能を備える同一構成の単軸押出機を用いており、異なる装置を使用する場合に比して二軸押出機２の構成の簡略化に資する構成となっている。なお第一の投入装置５と第二の投入装置６の設置位置は、後述する上流領域２０と下流領域３０の長さの割合を考慮して設定することができる。例えばＬ／Ｄ３５の二軸押出機２を、その押出方向に十等分して、図２に示すように上流から下流に向けてＣ１～Ｃ１０の区画に分けておく。そして第一の投入装置５は、上流側の区画Ｃ１、区画Ｃ２及び区画Ｃ３のいずれかに設置でき、第二の投入装置６は、下流側の区画Ｃ６、区画Ｃ７及び区画Ｃ８のいずれかに設置できる。
【0020】
［上流領域、下流領域］
そして二軸押出機２では、図１及び図２に示すように、セルロース系繊維１２と樹脂１４を混練可能な領域（混練領域）を、その押出方向において上流領域２０と下流領域３０の二領域に分けている。そして上流領域２０は、第一の投入装置５から第二の投入装置６までの混練領域であり、後述するようにセルロース系繊維１２の解繊が行われる領域となっている。この上流領域２０には、第一の投入装置５を用いて溶融状態の樹脂１４を投入することが可能となっている。また下流領域３０は、第二の投入装置６から取出部４までの混練領域であり、樹脂１４に対するセルロース系繊維１２の含量調整（希釈化）が行われる領域となっている。この下流領域３０にも、第二の投入装置６を用いて溶融状態の樹脂１４を投入することが可能となっている。そして上流領域２０と下流領域３０の押出方向における長さの割合は、使用される二軸押出機２のＬ／Ｄ（性能）に応じて設定できる。例えばＬ／Ｄ３５の二軸押出機２の混練領域の全長を１０とした場合、上流領域２０と下流領域３０の長さの割合を７：３の範囲に設定することで、所望の強度を備えた繊維強化樹脂組成物１０を得ることができる。
そして二軸押出機２では、図１及び図２に示すように、セルロース系繊維１２と樹脂１４を混練可能な領域（混練領域）を、その押出方向において上流領域２０と下流領域３０の二領域に分けている。そして上流領域２０は、第一の投入装置５から第二の投入装置６までの混練領域であり、後述するようにセルロース系繊維１２の解繊が行われる領域となっている。この上流領域２０には、第一の投入装置５を用いて溶融状態の樹脂１４を投入することが可能となっている。また下流領域３０は、第二の投入装置６から取出部４までの混練領域であり、樹脂１４に対するセルロース系繊維１２の含量調整（希釈化）が行われる領域となっている。この下流領域３０にも、第二の投入装置６を用いて溶融状態の樹脂１４を投入することが可能となっている。そして上流領域２０と下流領域３０の押出方向における長さの割合は、使用される二軸押出機２のＬ／Ｄ（性能）に応じて設定できる。例えばＬ／Ｄ３５の二軸押出機２の混練領域の全長を１０とした場合、上流領域２０と下流領域３０の長さの割合を７：３の範囲に設定することで、所望の強度を備えた繊維強化樹脂組成物１０を得ることができる。
【0021】
［繊維強化樹脂組成物の製造方法］
図１を参照して、繊維強化樹脂組成物１０の製造方法は、セルロース系繊維１２と樹脂１４とを単数の押出機（２）にて混練する工程を有し、同工程によって例えばペレット状の繊維強化樹脂組成物１０を得ることができる。この種の製造方法では、所望の強度を確保する観点から、押出機（２）を効率良く使用して、セルロース系繊維１２をより適切に解繊しつつ樹脂１４と混練できることが望ましい。そこで本実施形態では、汎用の二軸押出機２を、上述したように上流領域２０と下流領域３０の二領域に分け、上流領域２０と下流領域３０に、各々、溶融状態の樹脂１４を投入する。こうして溶融状態の樹脂１４を上流領域２０と下流領域３０の双方に直接投入することで、樹脂１４を溶融するための領域を混練領域から省略することが可能となり、二軸押出機２を効率良く使用できる。そこで以下に、上流領域２０と下流領域３０における二軸押出機２の働きを説明する。
図１を参照して、繊維強化樹脂組成物１０の製造方法は、セルロース系繊維１２と樹脂１４とを単数の押出機（２）にて混練する工程を有し、同工程によって例えばペレット状の繊維強化樹脂組成物１０を得ることができる。この種の製造方法では、所望の強度を確保する観点から、押出機（２）を効率良く使用して、セルロース系繊維１２をより適切に解繊しつつ樹脂１４と混練できることが望ましい。そこで本実施形態では、汎用の二軸押出機２を、上述したように上流領域２０と下流領域３０の二領域に分け、上流領域２０と下流領域３０に、各々、溶融状態の樹脂１４を投入する。こうして溶融状態の樹脂１４を上流領域２０と下流領域３０の双方に直接投入することで、樹脂１４を溶融するための領域を混練領域から省略することが可能となり、二軸押出機２を効率良く使用できる。そこで以下に、上流領域２０と下流領域３０における二軸押出機２の働きを説明する。
【0022】
［セルロース系繊維の解繊（上流領域での樹脂の投入量）］
ここで以下の説明においては、２５質量％以下のセルロース系繊維１２を含む繊維強化樹脂組成物１０の製造方法を説明する。本実施形態では、例えばパルプ原料（セルロース系繊維１２）を用意し、このときのセルロース系繊維１２の繊維径はミリメートルオーダーからミクロンメートルオーダーの範囲にある。そこで二軸押出機２の上流領域２０に、投入部３からセルロース系繊維１２を投入し、第一の投入装置５から溶融状態の樹脂１４を投入する。そして上流領域２０において、セルロース系繊維１２が、スクリュー２ｂのせん断力によって解繊されながら溶融状態の樹脂１４と混練されていく。このように溶融状態の樹脂１４を上流領域２０に直接投入することで、樹脂１４を溶融するための領域を省略することが可能となり、上流領域２０を、専らセルロース系繊維１２の解繊に用いることができる。そして本実施形態では、上流領域２０中の混練物の総質量に対してセルロース系繊維１２の含量が３０質量％以上に調整され、より好ましくは４０質量％以上に調整され、さらに好ましくは４５質量％以上に調整される。このようにセルロース系繊維１２の含有率を多くして（高濃度として）、スクリュー２ｂのせん断力を適切に作用させることにより、セルロース系繊維１２の繊維径を例えばナノメートルオーダー近くにまで解繊することが可能となる。ここで上流領域２０においてセルロース系繊維１２の含量が２５質量％以下であると、スクリュー２ｂのせん断力が十分に作用しにくくなり解繊が不十分となりがちである。なお上流領域２０中のセルロース系繊維１２の含量の上限値は特に限定しないが、例えばセルロース系繊維１２の含量が８０質量％以下であると、その劣化を樹脂１４の作用で好適に抑えることが可能となる。
ここで以下の説明においては、２５質量％以下のセルロース系繊維１２を含む繊維強化樹脂組成物１０の製造方法を説明する。本実施形態では、例えばパルプ原料（セルロース系繊維１２）を用意し、このときのセルロース系繊維１２の繊維径はミリメートルオーダーからミクロンメートルオーダーの範囲にある。そこで二軸押出機２の上流領域２０に、投入部３からセルロース系繊維１２を投入し、第一の投入装置５から溶融状態の樹脂１４を投入する。そして上流領域２０において、セルロース系繊維１２が、スクリュー２ｂのせん断力によって解繊されながら溶融状態の樹脂１４と混練されていく。このように溶融状態の樹脂１４を上流領域２０に直接投入することで、樹脂１４を溶融するための領域を省略することが可能となり、上流領域２０を、専らセルロース系繊維１２の解繊に用いることができる。そして本実施形態では、上流領域２０中の混練物の総質量に対してセルロース系繊維１２の含量が３０質量％以上に調整され、より好ましくは４０質量％以上に調整され、さらに好ましくは４５質量％以上に調整される。このようにセルロース系繊維１２の含有率を多くして（高濃度として）、スクリュー２ｂのせん断力を適切に作用させることにより、セルロース系繊維１２の繊維径を例えばナノメートルオーダー近くにまで解繊することが可能となる。ここで上流領域２０においてセルロース系繊維１２の含量が２５質量％以下であると、スクリュー２ｂのせん断力が十分に作用しにくくなり解繊が不十分となりがちである。なお上流領域２０中のセルロース系繊維１２の含量の上限値は特に限定しないが、例えばセルロース系繊維１２の含量が８０質量％以下であると、その劣化を樹脂１４の作用で好適に抑えることが可能となる。
【0023】
［セルロース系繊維の含量調整（下流領域での樹脂の投入量）］
続いて二軸押出機２の下流領域３０に、第二の投入装置６から溶融状態の樹脂１４を追加投入して、上流領域２０のセルロース系繊維１２と樹脂１４の混練物に混練していく。このように溶融状態の樹脂１４を追加することで、下流領域３０中の混練物の総質量に対するセルロース系繊維１２の含量を２５質量％以下となるように調整する（希釈化する）ことができる。このとき溶融状態の樹脂１４を下流領域３０に直接投入することにより、下流領域３０を、専らセルロース系繊維１２と樹脂１４の含量調整に用いることができる。こうして製造された繊維強化樹脂組成物１０は、二軸押出機２の取出部４から外部に排出されたのちにペレット状に裁断されることとなる。そして本実施形態では、セルロース系繊維１２にて強度の高められた繊維強化樹脂組成物１０を、汎用の二軸押出機２にて製造することができ、生産性の高い（コスト競争力のある）製品に仕立てることができる。
続いて二軸押出機２の下流領域３０に、第二の投入装置６から溶融状態の樹脂１４を追加投入して、上流領域２０のセルロース系繊維１２と樹脂１４の混練物に混練していく。このように溶融状態の樹脂１４を追加することで、下流領域３０中の混練物の総質量に対するセルロース系繊維１２の含量を２５質量％以下となるように調整する（希釈化する）ことができる。このとき溶融状態の樹脂１４を下流領域３０に直接投入することにより、下流領域３０を、専らセルロース系繊維１２と樹脂１４の含量調整に用いることができる。こうして製造された繊維強化樹脂組成物１０は、二軸押出機２の取出部４から外部に排出されたのちにペレット状に裁断されることとなる。そして本実施形態では、セルロース系繊維１２にて強度の高められた繊維強化樹脂組成物１０を、汎用の二軸押出機２にて製造することができ、生産性の高い（コスト競争力のある）製品に仕立てることができる。
【0024】
以上説明した通り本実施形態では、溶融状態の樹脂１４を上流領域２０と下流領域３０の双方に直接投入することにより、押出機（２）の混練可能な領域に樹脂１４を溶融するための領域を設ける必要がない。このため本発明によれば、上流領域２０を、専らセルロース系繊維１２の解繊に用いることができ、下流領域３０を、専らセルロース系繊維１２と樹脂１４の含量調整に用いることができる。このため本実施形態によれば、押出機（２）を効率良く使用して、セルロース系繊維１２をより適切に解繊しつつ樹脂１４と混練することができる。
【0025】
さらに本実施形態では、溶融した樹脂１４を上流領域２０と下流領域３０に直接投入して、二軸押出機（例えばＬ／Ｄ３６未満の汎用の二軸押出機２）を効率良く使用することにより、セルロース系繊維１２をより適切に解繊することが可能となる。そして本実施形態では、上流領域２０の混練物中のセルロース系繊維１２の含量を極力多くして、スクリュー２ｂのせん断力をセルロース系繊維１２により効果的に作用させることにより、繊維強化樹脂組成物１０の優れた強度の確保に資する構成となる。
【0026】
［試験例］
以下、本実施形態を試験例に基づいて説明するが、本発明は試験例に限定されない。下記の［表１］には、各実施例と各比較例の繊維強化樹脂組成物の曲げ弾性率を示している。また図３は、実施例１の繊維強化樹脂組成物の顕微鏡写真であり、図４は、比較例３の繊維強化樹脂組成物の顕微鏡写真である。
以下、本実施形態を試験例に基づいて説明するが、本発明は試験例に限定されない。下記の［表１］には、各実施例と各比較例の繊維強化樹脂組成物の曲げ弾性率を示している。また図３は、実施例１の繊維強化樹脂組成物の顕微鏡写真であり、図４は、比較例３の繊維強化樹脂組成物の顕微鏡写真である。
【0027】
［押出機］
押出機には株式会社日本製鋼所製の二軸押出機（商品名:ＴＥＸ３０、Ｌ／Ｄ＝７７、Ｄ＝３０ｍｍ）を用い、下流部のみを利用してパルプ解繊、分散、及びパルプ濃度調整を行うＬ／Ｄ＝３５の押出機として検討を行った。また第一の投入装置及び第二の投入装置として、単軸押出機（コスモテック社製、商品名：ＣＴ３１Ｎ－１）を使用した。そして図２を参照して、押出機の区画Ｃ１に第一の投入装置を設置し、押出機の区画Ｃ８に第二の投入装置を設置した。これにより押出機には、その押出方向の全長を１０とした場合に、上流領域と下流領域が７：３の割合で形成された。また混練条件は、温度１７０℃、回転数１４０ｒｐｍ、吐出量５ｋｇ／ｈに設定した。
押出機には株式会社日本製鋼所製の二軸押出機（商品名:ＴＥＸ３０、Ｌ／Ｄ＝７７、Ｄ＝３０ｍｍ）を用い、下流部のみを利用してパルプ解繊、分散、及びパルプ濃度調整を行うＬ／Ｄ＝３５の押出機として検討を行った。また第一の投入装置及び第二の投入装置として、単軸押出機（コスモテック社製、商品名：ＣＴ３１Ｎ－１）を使用した。そして図２を参照して、押出機の区画Ｃ１に第一の投入装置を設置し、押出機の区画Ｃ８に第二の投入装置を設置した。これにより押出機には、その押出方向の全長を１０とした場合に、上流領域と下流領域が７：３の割合で形成された。また混練条件は、温度１７０℃、回転数１４０ｒｐｍ、吐出量５ｋｇ／ｈに設定した。
【0028】
［実施例１］
そしてＬ／Ｄ＝３５の押出機を使用して、ポリプロピレン（株式会社プライムポリマー社製、商品名：Ｊ１０８Ｍ、ＭＦＲ：４０）７１．７質量％、針葉樹パルプ２５質量％、無水マレイン酸変性ポリプロピレン（Ａｄｄｉｖａｎｔ社製、商品名：ポリボンド３２００）３．３質量％とからなる繊維強化組成物を製造した。このとき実施例１では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から溶融状態のポリプロピレン３５．８５質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。また押出機の下流領域に、第二の投入装置から溶融状態のポリプロピレン３５.８５質量％を投入し、繊維強化樹脂組成物中のセルロース系繊維の含量が２５質量％となるように調整された。
そしてＬ／Ｄ＝３５の押出機を使用して、ポリプロピレン（株式会社プライムポリマー社製、商品名：Ｊ１０８Ｍ、ＭＦＲ：４０）７１．７質量％、針葉樹パルプ２５質量％、無水マレイン酸変性ポリプロピレン（Ａｄｄｉｖａｎｔ社製、商品名：ポリボンド３２００）３．３質量％とからなる繊維強化組成物を製造した。このとき実施例１では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から溶融状態のポリプロピレン３５．８５質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。また押出機の下流領域に、第二の投入装置から溶融状態のポリプロピレン３５.８５質量％を投入し、繊維強化樹脂組成物中のセルロース系繊維の含量が２５質量％となるように調整された。
【0029】
［実施例２］
実施例２では、溶融状態のポリプロピレンの投入量が異なる以外は、実施例１の押出機を用い且つ同一の条件で繊維強化樹脂組成物を製造した。すなわち実施例２では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から溶融状態のポリプロピレン２６.８９質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。また押出機の下流領域に、第二の投入装置から溶融状態のポリプロピレン４４．８１質量％を投入し、繊維強化樹脂組成物中のセルロース系繊維の含量が２５質量％となるように調整された。
実施例２では、溶融状態のポリプロピレンの投入量が異なる以外は、実施例１の押出機を用い且つ同一の条件で繊維強化樹脂組成物を製造した。すなわち実施例２では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から溶融状態のポリプロピレン２６.８９質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。また押出機の下流領域に、第二の投入装置から溶融状態のポリプロピレン４４．８１質量％を投入し、繊維強化樹脂組成物中のセルロース系繊維の含量が２５質量％となるように調整された。
【0030】
［実施例３］
実施例３の繊維強化樹脂組成物の製造に際しては、スクリューの回転数を２６０ｒｐｍに変更し、その他の条件は実施例１と同一とした。
実施例３の繊維強化樹脂組成物の製造に際しては、スクリューの回転数を２６０ｒｐｍに変更し、その他の条件は実施例１と同一とした。
【0031】
［実施例４］
実施例４では、ＭＦＲ６２０のポリプロピレン（株式会社プライムポリマー社製、商品名：Ｓ１３Ｂ）を使用した以外は、実施例１と同一の条件で繊維強化樹脂組成物を製造した。
実施例４では、ＭＦＲ６２０のポリプロピレン（株式会社プライムポリマー社製、商品名：Ｓ１３Ｂ）を使用した以外は、実施例１と同一の条件で繊維強化樹脂組成物を製造した。
【0032】
［比較例１］
比較例１では、実施例１の押出機を用い且つ実施例１と同一配合成分の繊維強化樹脂組成物を製造したが、固体状態のポリプロピレンを用いた点と混練工程を二回行った点が実施例１と異なっている。すなわち比較例１では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から固体状態のポリプロピレン３５．８５質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入し、そのまま押出機で混練して中間樹脂組成物を得た。そして押出機の投入口から中間樹脂組成物を全量投入し、第一の投入装置から３５．８５質量％の固体状態のポリプロピレンを投入し、そのまま押出機で混練して比較例１の繊維強化樹脂組成物を製造した。
比較例１では、実施例１の押出機を用い且つ実施例１と同一配合成分の繊維強化樹脂組成物を製造したが、固体状態のポリプロピレンを用いた点と混練工程を二回行った点が実施例１と異なっている。すなわち比較例１では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から固体状態のポリプロピレン３５．８５質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入し、そのまま押出機で混練して中間樹脂組成物を得た。そして押出機の投入口から中間樹脂組成物を全量投入し、第一の投入装置から３５．８５質量％の固体状態のポリプロピレンを投入し、そのまま押出機で混練して比較例１の繊維強化樹脂組成物を製造した。
【0033】
［比較例２］
比較例２では、実施例１の押出機を用い且つ実施例１と同一配合成分の繊維強化樹脂組成物を製造したが、固体状態のポリプロピレンを上流領域に投入してセルロース系繊維に混練した点が異なっている。すなわち比較例２では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から固体状態のポリプロピレン３５．８５質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。また押出機の下流領域に、第二の投入装置から溶融状態のポリプロピレン３５.８５質量％を投入した。
比較例２では、実施例１の押出機を用い且つ実施例１と同一配合成分の繊維強化樹脂組成物を製造したが、固体状態のポリプロピレンを上流領域に投入してセルロース系繊維に混練した点が異なっている。すなわち比較例２では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から固体状態のポリプロピレン３５．８５質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。また押出機の下流領域に、第二の投入装置から溶融状態のポリプロピレン３５.８５質量％を投入した。
【0034】
［比較例３］
比較例３では、ポリプロピレン（株式会社プライムポリマー社製、商品名：Ｊ１０８Ｍ、ＭＦＲ：４０）７１．７質量％、針葉樹パルプ２５質量％、無水マレイン酸変性ポリプロピレン（Ａｄｄｉｖａｎｔ社製、商品名：ポリボンド３２００）３．３質量％とからなる繊維強化組成物を製造した。そして比較例３では、実施例１の押出機を用いて繊維強化樹脂組成物を製造したが、固体状態のポリプロピレン全量を上流領域に投入した点が異なっている。すなわち比較例３では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から固体状態のポリプロピレン７１．７質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。これにより上流領域中の混練物に対するセルロース系繊維の含量が２５質量％となるように設定された。そしてポリプロピレンを追加することなく各成分を混練して、比較例３の繊維強化樹脂組成物を製造した。
比較例３では、ポリプロピレン（株式会社プライムポリマー社製、商品名：Ｊ１０８Ｍ、ＭＦＲ：４０）７１．７質量％、針葉樹パルプ２５質量％、無水マレイン酸変性ポリプロピレン（Ａｄｄｉｖａｎｔ社製、商品名：ポリボンド３２００）３．３質量％とからなる繊維強化組成物を製造した。そして比較例３では、実施例１の押出機を用いて繊維強化樹脂組成物を製造したが、固体状態のポリプロピレン全量を上流領域に投入した点が異なっている。すなわち比較例３では、押出機の投入口から針葉樹パルプ全量を投入し、第一の投入装置から固体状態のポリプロピレン７１．７質量％と無水マレイン酸変性ポリプロピレン全量を投入した。これにより上流領域中の混練物に対するセルロース系繊維の含量が２５質量％となるように設定された。そしてポリプロピレンを追加することなく各成分を混練して、比較例３の繊維強化樹脂組成物を製造した。
【0035】
［曲げ弾性率の測定］
各実施例及び各比較例の繊維強化樹脂組成物から射出成形機を用いてＪＩＳ１Ａ型多目的試験片を作製した。そして各試験片に、万能型試験機（インストロン社、モデル５５６６）を用いて変位速度２ｍｍ／ｍｉｎ、支点間距離６４ｍｍの条件で曲げ試験を行い、各試験片の曲げ弾性率を測定した。
各実施例及び各比較例の繊維強化樹脂組成物から射出成形機を用いてＪＩＳ１Ａ型多目的試験片を作製した。そして各試験片に、万能型試験機（インストロン社、モデル５５６６）を用いて変位速度２ｍｍ／ｍｉｎ、支点間距離６４ｍｍの条件で曲げ試験を行い、各試験片の曲げ弾性率を測定した。
【0036】
【表1】
【0037】
［結果及び考察］
［表１］を参照して、各実施例の繊維強化樹脂組成物はいずれも優れた曲げ弾性率を有していた。この結果は、溶融した樹脂を上流領域と下流領域に直接投入して、Ｌ／Ｄ３５（汎用）の二軸押出機を効率良く使用することにより、セルロース系繊維をより適切に解繊できたためと考えられる。すなわち図３及び図４の顕微鏡写真を比較することにより、各実施例の繊維強化樹脂組成物の優れた曲げ弾性率は、セルロース系繊維が十分に解繊されたためであることが容易に推察される。このことから各実施例によれば、押出機を効率良く使用して、セルロース系繊維をより適切に解繊しつつ樹脂と混練できることが判明した。さらに各実施例の結果から、樹脂の種類や回転数を変更してもセルロース系繊維を十分に解繊できたため、本実施形態の構成は、樹脂選択の自由度及び混練条件の自由度の高い構成であることがわかった。
［表１］を参照して、各実施例の繊維強化樹脂組成物はいずれも優れた曲げ弾性率を有していた。この結果は、溶融した樹脂を上流領域と下流領域に直接投入して、Ｌ／Ｄ３５（汎用）の二軸押出機を効率良く使用することにより、セルロース系繊維をより適切に解繊できたためと考えられる。すなわち図３及び図４の顕微鏡写真を比較することにより、各実施例の繊維強化樹脂組成物の優れた曲げ弾性率は、セルロース系繊維が十分に解繊されたためであることが容易に推察される。このことから各実施例によれば、押出機を効率良く使用して、セルロース系繊維をより適切に解繊しつつ樹脂と混練できることが判明した。さらに各実施例の結果から、樹脂の種類や回転数を変更してもセルロース系繊維を十分に解繊できたため、本実施形態の構成は、樹脂選択の自由度及び混練条件の自由度の高い構成であることがわかった。
【0038】
また［表１］を参照して、比較例２及び比較例３の繊維強化樹脂組成物は、いずれも曲げ弾性率が劣っていた。そして比較例１及び比較例２の結果から、固体状態の樹脂を汎用の二軸押出機に投入する場合、所望の曲げ弾性率を確保するには混練工程を複数回行う必要があることがわかった。また比較例３の結果及び図４から、混練時のセルロース系繊維の含量が低い場合（混練物の総質量に対してセルロース系繊維の含量が２５質量％以下の場合）には、セルロース系繊維の解繊が十分に進まないことがわかった。そして上述の実施例１及び比較例３の結果を比較することにより、混練時のセルロース系繊維の含量が高い場合（例えばセルロース系繊維の含量が３０質量％以上の場合）にはセルロース系繊維の解繊が進むことが容易に推察された。この推察は、セルロース系繊維の含量が２５質量％では複合樹脂（混練物）の溶融粘度が低いが、３０質量％以上にすることで溶融粘度が指数関数的に上昇するという効果を考慮すれば容易に導き出すことができる。
【0039】
本実施形態の繊維強化樹脂組成物の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その他各種の実施形態を取り得る。例えばペレット状の繊維強化樹脂組成物は、射出成形、押出成形、圧縮成形、ブロー成形、トランスファー成形、キャスト成形、インフレーション成形などの各種成形手法にて所定形状に成形することが可能である。また押出機によってセルロース系繊維と樹脂を混練したのち、ペレット化することなく、そのまま射出成形機等に投入することもできる。また本実施形態の繊維強化樹脂組成物は、各種の用途に用いることができ、車両の内装材や外装材などの車両の構成部材のほか、家屋などの各種の構造体に用いることができる。また繊維強化樹脂組成物の形状や寸法も、その用途に応じて設定することができ、板状や柱状や筒状やブロック状などの各種の形状をとり得る。そして本実施形態では、汎用の二軸押出機を使用する例を説明したが、Ｌ／Ｄが３６～１２０の二軸押出機又はその一部（例えばＬ／Ｄ３６未満の部分）によって、セルロース系繊維投入後の混練工程を行うことも可能である。また上流領域と下流領域には、各々、樹脂投入用の投入装置を複数設置することもできる。
【符号の説明】
【0040】
２ 二軸押出機
２ａ シリンダー
２ｂ スクリュー
Ｃ１～Ｃ１０ 区画
３ 投入部
４ 取出部
５ 第一の投入装置
６ 第二の投入装置
１０ 繊維強化樹脂組成物
１２ セルロース系繊維
１４ 樹脂
２０ 上流領域
３０ 下流領域
２ａ シリンダー
２ｂ スクリュー
Ｃ１～Ｃ１０ 区画
３ 投入部
４ 取出部
５ 第一の投入装置
６ 第二の投入装置
１０ 繊維強化樹脂組成物
１２ セルロース系繊維
１４ 樹脂
２０ 上流領域
３０ 下流領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
