JP2012158164A - さとうきびバガス繊維を用いた繊維強化複合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】さとうきびバガス繊維シートを用いた繊維複合体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ガラスマット間にバガスシートを挿入して強度の向上と機能の発揮を行う。繊維状バガスを用いて不飽和ポリエステルと混合した後、加熱プレス機を用いて金型に装填後加圧加熱してバガスシートを作製する。その際シートはバガスの繊維長さと含有量を変化させる。加圧力１０ＭＰａ、加熱温度１５０℃で５分保持後冷却した成形体の密度の比較よりバガスシートを含む成形体は軽い。これはバガス繊維内部が多くの空洞部から構成されるハニカム構造に起因している。さらに成形体の比曲げ強度を比較すると、バガスシート（ＢＳ）有りの場合は無に比較して約３０％の強度の向上が見出され、バガスシートが亀裂の進展抑制に効果的に作用する。
【選択図】なし
【解決手段】ガラスマット間にバガスシートを挿入して強度の向上と機能の発揮を行う。繊維状バガスを用いて不飽和ポリエステルと混合した後、加熱プレス機を用いて金型に装填後加圧加熱してバガスシートを作製する。その際シートはバガスの繊維長さと含有量を変化させる。加圧力１０ＭＰａ、加熱温度１５０℃で５分保持後冷却した成形体の密度の比較よりバガスシートを含む成形体は軽い。これはバガス繊維内部が多くの空洞部から構成されるハニカム構造に起因している。さらに成形体の比曲げ強度を比較すると、バガスシート（ＢＳ）有りの場合は無に比較して約３０％の強度の向上が見出され、バガスシートが亀裂の進展抑制に効果的に作用する。
【選択図】なし
Description
本発明はさとうきびバガス繊維を用いた繊維強化複合体に関する。
ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は繊維で強化されたプラスチックを指す。従来、繊維としてガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等があり、主に強度とコスト面からガラス繊維が広く使用されている。ガラス繊維の形状は、束状のチョップドストランドタイプやシート状のガラスマットが多く使われ、用途に応じて樹脂と繊維の混錬方法や成形技術が研究開発されている。
ＦＲＰは性能や付加価値を高めるため補強用のフィラー（強化用繊維）を用いるが、繊維強化効果と改質材の両者の役割と環境保全、そしてコスト、さらにカーボンニュートラルの性格をもつことから天然繊維のバイオマスが広く求められている。竹繊維、ケナフ繊維等が良く使われているが、近年さとうきびバガス繊維も注目を浴びるようになった。
バガスはさとうきびの搾りカスとして毎年熱帯、亜熱帯地方を中心に世界的に大量に排出されている。竹繊維やケナフ繊維等とは異なり特に解繊作業する必要がなく、糖汁を搾った後のバガスを単に機械的に粉砕することにより針状のバガス繊維を容易に作成することができ、バイオマス材料として工業的な利用には極めて適している。
バガスを強化繊維として用いたＦＲＰ（ＢＦＲＰ）の成形技術として、例えば、バガス繊維をガラス繊維、不飽和ポリエステルと混錬したＢＭＣの射出成形の適用例があるが、チョップドストランドタイプの束状のガラス繊維を用いているため、成形体にガラス繊維、バガス繊維を均一分散させることに課題がある（非特許文献１、特許文献１）。
更に、バガス繊維と生分解性樹脂とのプレス成形の事例もあるが、樹脂とバガス繊維の界面の接着性に問題がある（非特許文献２）。
一方、ガラス繊維を強化繊維とした複合体（ＧＦＲＰ）ではガラス繊維への各種処理剤が開発されており、ガラス繊維と強化樹脂との接着性は良好で各種機械的強度は高いが、バガス繊維と比較して密度が高い。また材料コストが高く作業取扱上の困難さを伴う問題もある。
曹勇、福本功「バガス繊維で強化された射出成形体の機械的性質の評価」日本機械学会論文集Ｃ：Ｖｏｌ．７１（Ｎｏ．７０３）ｐ１０７１−１０７６（２００５）
柴田信一、曹勇、福本功「バガス繊維と生分解性樹脂による複合材料の作成と強度の検討」日本機械学会論文集Ｃ．Ｖｏｌ．７１（Ｎｏ７０４）ｐ１４００−１４０５（２００５）
本発明者らは上記の課題を鋭意研究の結果、本発明を完成するに至った。即ち、ガラス繊維・マットは取扱や環境、作業者の健康上の問題、コスト高、重量化等の課題がある。また、環境保全、カーボンニュートラルの観点からガラス繊維代替材料としての天然繊維が注目されている。天然繊維の中でも、バガス繊維は、バイオマスの一般的な欠点である収集の困難さ、品質のばらつき、不純物の混入等がなく、極めて使いやすいバイオマス繊維である。また、内部の構造がハニカムの多孔性になっていることから断熱性に優れ、騒音に対して遮音性にも優れている。本発明は従来のガラス繊維を用いた複合体に比べてバガスシートを用いることにより、ガラス繊維を強化材とした従来の複合体の欠点を改善するものである。
即ち、本発明の第１は、ガラス繊維／不飽和樹脂よりなる複合体の中間にバガス繊維／不飽和樹脂複合体を積層した繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第２は、繊維強化樹脂材が３層、５層、７層或いは９層よりなり、ガラス繊維／不飽和樹脂複合体の中間にバガス繊維／不飽和樹脂複合体を積層した請求項１記載の繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第３は、不飽和樹脂が不飽和ポリエステル（ＵＰ）である請求項１〜２記載の繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第４は、不飽和樹脂の量が７５〜９５質量％である請求項１〜３記載の繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第５は、バガス繊維の長さが少なくとも１０ｍｍである請求項１〜４記載の繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第６は、バガス繊維／不飽和樹脂のバガス繊維の含有量は１０〜２０質量％である請求項１〜５記載の繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第７は、請求項１〜６に記載の３層の繊維強化樹脂材の比曲げ強度がバガス繊維／不飽和樹脂複合体を含まない繊維強化樹脂材に比べて少なくとも１．２倍である請求項１〜２記載の繊維強化樹脂材である。
また、本発明の第８は、請求項２に示した３層の繊維強化樹脂材の密度がバガス繊維／不飽和樹脂複合体を含まない繊維強化樹脂材に比べて高々０．８５である請求項１〜２記載の繊維強化樹脂材である。
添付第３図よりバガスシートを含む本発明の複合体は、従来のガラス繊維複合体に比べて軽いことがわかる。これはバガス繊維が植物由来の炭化水素よりなり、かつ内部は多くの空洞部から構成されるハニカム構造を有することに起因している。さらに複合体の比曲げ強度を比較すると、１０ｍｍ以上のバガス繊維補強複合体（ＢＦＲＰ）の場合は従来のガラス繊維補強複合体に比較して約６０％の比曲げ強度の向上があり、バガスシートが亀裂の進展抑制に効果的に作用している。即ち、本発明のバガス繊維を含む繊維強化複合体は、従来のガラス繊維強化複合体（ＧＦＲＰ）に比べて軽量で、且つ比曲げ強度も高いことがわかる。また、製造方法も従来のガラス繊維強化複合体と同様のプロセス、条件で容易に製造できる特徴がある。また、使用するバガス繊維の長さや使用量、不飽和樹脂の種類、或いは積層する層の数を調整することで、形状、物性を任意に制御でき、幅広い用途と実用化の可能性は極めて高い。本発明の複合体は自動車、船舶、航空機等の内外装部品、建築材料、電気電子機器の外装材として最適である。
本発明の複合体の概念図
バガスシート（ＢＦＲＰ）
本発明及び従来の複合体の密度
本発明及び従来の複合体の比曲げ強度 繊維Ａとは繊維長１０ｍｍ未満のバガス繊維、繊維Ｂとは繊維長１０ｍｍ以上のバガス繊維を使用
本発明及び従来の複合体の比曲げ強度
本発明に使用するバガスは、サトウキビの製糖工場から発生する搾りかす（バガス）なら特に限定せず、使用出来るが、その繊維長は長い方が複合体の物性の改善には効果的である。例えば、１０ｍｍ未満の長さのバガスを１０質量％使用した複合体では第４図に示すように、従来の複合体の比曲げ強度に比べて、１．２倍の改善が見られるが、１０ｍｍ以上の長さのバガスを使用した複合体では、１．６倍の改善がある。所定の繊維長に合わせる方法は、ふるい（分級）によって可能である。所定の繊維長に揃えたバガス繊維は、次いで不飽和樹脂と混合し、混合した液体を流延化して、それを加熱プレスによってバガス繊維／不飽和樹脂複合シート（ＢＦＲＰ）化できる。複合シートの厚さ（或いは目付）は、通常少なくとも０．５ｍｍ（６００ｇ／ｍ２）、好ましくは、０．６〜３０ｍｍ（７２０〜２５００ｇ／ｍ２）である。０．５ｍｍ（６００ｇ／ｍ２）より少ない場合は、形成されたシートの均一性が低下して、複合体の物性の均一性も低下する。また、３０ｍｍより厚くなると、限られた用途にしか使用できなくなる。
複合体のマトリックスの不飽和樹脂は、通常、複合体を製造するのに使用される樹脂であれば、特に問題はないが、好ましくは、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリアメラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂などの後硬化が可能な樹脂が使用できる。不飽和樹脂の物性は、用途、目的、製造方法・設備に応じて適宜最適化して使用すればよい。樹脂と繊維との比率は、目的や用途、性能によって適宜最適なものを選定するが、通常、補強繊維／樹脂は７５／９５〜２５／５（質量比）、好ましくは８０−９０〜２０／１０（質量比）である。
バガス繊維と不飽和樹脂との複合体シート（ＢＦＲＰ）は、流動性のある不飽和樹脂液の中にバガス繊維を所定量、好ましくは５質量％以上、更に好ましくは１０−２０質量％を添加して十分に撹拌する。この時、バガス表面に十分に樹脂被膜が形成することが重要であり、必要に応じて加熱したり超音波を照射したり、減圧したりすることも可能である。このバガス分散液を水平な容器中にキャスト（流延）して、次いでホットプレスにて少なくとも１ＭＰａ好ましくは５−１０ＭＰａの圧力をかけて、常温から通常５−３０分かけて昇温させて樹脂の硬化温度まで加熱して、その状態を５−３０分間或いは必要に応じてさらに長く維持して硬化させ、続いてある程度成形体を触れられる温度、例えば５０℃程度以下まで冷却後除圧（或いは型よりはず）して複合体をとりだし、シート状に成形することで得られる。不飽和樹脂液は溶剤で希釈して、作業に適するように粘度を調節してもよい。
ガラス繊維と不飽和樹脂複合体シート（ＧＦＲＰ）は、ガラス繊維を積層してマット状にした繊維構造体（ガラスマット：ＧＭ）を平板上に置き、そこに不飽和樹脂を流し込み、ホットプレスにて少なくとも１ＭＰａ好ましくは５−１０ＭＰａの圧力をかけて、常温から通常５−３０分かけて昇温させて樹脂の硬化温度まで加熱して、その状態を５−３０分間或いは必要に応じてさらに長く維持して硬化させ、続いてある程度成形体を触れられる温度、例えば５０℃程度以下まで冷却後除圧（或いは型よりはず）して複合体をとりだし、シート状に成形することで得られる。ＧＭは市販品でもよいし、その場でガラス繊維を積層して作ってもよい。
本発明のガラス繊維／不飽和樹脂よりなる複合体の中間にバガス繊維／不飽和樹脂複合体を積層した繊維強化樹脂材は上述の方法で得た。２枚のＧＦＲＰの間にＢＦＲＰを挟み、これをホットプレスにて少なくとも１ＭＰａ好ましくは５−１０ＭＰａの圧力をかけて、常温から通常５−３０分かけて昇温させて樹脂の硬化温度まで加熱して、その状態を５−３０分間或いは必要に応じてさらに長く維持して硬化させ、続いてある程度成形体を触れられる温度、例えば５０℃程度以下まで冷却後除圧（或いは型よりはず）して三層からなる複合体をとりだす。これらは完全硬化物（Ｃステージ）でも半硬化物（Ｂステージ）でも殆ど硬化していない状態（Ａステージ）でもよい。目的に応じて好ましい方法を採用できるが接着性や取り扱い性からはＢステージのものが好ましい。或いは、金型の上に不飽和樹脂を塗り、次いでガラスマットを敷き更に不飽和樹脂を塗り、その上にバガス／不飽和樹脂複合体（ＢＦＲＰ）を置き、更にその上に不飽和樹脂を塗り、次いでガラスマットを敷き更に不飽和樹脂を塗り、所定の温度、圧力のもとで一定時間キュアーしてもよい。得られた複合体は、第１図に示すようなガラス繊維補強複合体／バガス繊維複合体／ガラス繊維複合体とからなる多層複合体となるが、この多層複合体は、目的や用途、性能によって、ガラス繊維補強複合体（ＧＦＲＰ）／バガス繊維複合体（ＢＦＲＰ）／ガラス繊維複合体（ＧＦＲＰ）／バガス繊維複合体（ＢＦＲＰ）／ガラス繊維複合体（ＧＦＲＰ）、ガラス繊維補強複合体（ＧＦＲＰ）／バガス繊維複合体（ＢＦＲＰ）／ガラス繊維複合体（ＧＦＲＰ）／バガス繊維複合体（ＢＦＲＰ）／ガラス繊維複合体（ＧＦＲＰ）／バガス繊維複合体（ＢＦＲＰ）／ガラス繊維複合体（ＧＦＲＰ）といった５層複合体でも７層複合体でも好ましい。この多層複合体でのガラス繊維補強複合体とバガス繊維複合体との厚さの比は通常１／４〜４／１、好ましくは１／３〜３／１であるが、この範囲外でも可能である。
以下実施例を示して本発明を更に詳しく説明するが、本発明は何らこれに限定されるものではない。
実施例１
翔南製糖株式会社から入手したバガス繊維はメッシュ＃１４のふるいにより分級し、繊維長１０ｍｍ以下の短繊維集合体と１０ｍｍ以上の長繊維集合体に分けて、それぞれを１０％、不飽和ポリエステル（ＰＯＬＹ ＫＹＵＴＯ ＰＣ−９３４Ｔ）を９０％及び０．２％の硬化剤を混合し十分に撹拌後、混合した複合材を平板の金型の間に装填し１０ＭＰａで加圧し、その後１５０℃まで昇温させ１５０℃で５分保持し、バガス／ポリエステル複合体（ＢＦＲＰ）シートを作成し、２種類のバガス繊維／不飽和樹脂複合体シート（ＢＦＲＰ：厚み０．８ｍｍ、目付６６０ｇ／ｍ２）を得た。
次いで、ガラスマット（チョップドストランドマット）（＃３５０目付３５０ｇ／ｍ２）間にバガスシート（ＢＦＲＰ）を挿入して３層の複合体を作製する場合は、金型にまず不飽和ポリエステル（ＵＰ）を塗布した後ガラスマットを敷き、不飽和ポリエステルを含浸させた後、上記で得たバガスシート（ＢＦＲＰ）を積層する。さらにバガスシート（ＢＦＲＰ）の上に不飽和ポリエステルを塗布した後、ガラスマットを置き、更に不飽和ポリエステルを塗布する。こうして三層の複合体を積層させたのち、１０ＭＰａで加圧し、３０分かけて１５０℃まで加熱し、その温度で５分保持後冷却する。その後、自然冷却により５０℃以下まで十分冷却した後、離型し、成形体（試験片）を取り出す。
第３図はバガスシートの有無による比較を示す。ＧＦＲＰの間にＢＦＲＰを挿入した場合、密度は従来の複合体より０．８５倍と軽くなる。
実施例２
実施例２
第４図はバガス繊維長１０ｍｍ未満の短繊維と１０ｍｍ以上の長繊維のバガス繊維複合シート（ＢＦＲＰ）をそれぞれガラスマット間に挿入した３層の複合体の比曲げ強度の比較を示す。短繊維（繊維Ａ）の場合は１．２倍、長繊維（繊維Ｂ）の場合は１．６倍の強度の向上を示す。
実施例３
実施例３
第５図はバガス長繊維を用いてバガス繊維複合シート（ＢＦＲＰ）における含有量を５％と１０％を比較した場合の結果を示す。５％において変化は認められないが１０％の場合は従来の複合体より１．６倍の高い比曲げ強度を示した。
Claims (8)
- ガラス繊維／不飽和樹脂よりなる複合体の中間にバガス繊維／不飽和樹脂複合体を積層した繊維強化樹脂材。
- 繊維強化樹脂材が３層、５層、７層或いは９層であり、ガラス繊維／不飽和樹脂複合体の中間にバガス繊維／不飽和樹脂複合体を積層した請求項１記載の繊維強化樹脂材。
- 不飽和樹脂が不飽和ポリエステル（ＵＰ）である請求項１〜２記載の繊維強化樹脂材。
- 不飽和樹脂の量が７５〜９５質量％である請求項１〜３記載の繊維強化樹脂材。
- バガス繊維の長さが少なくとも１０ｍｍである請求項１〜４記載の繊維強化樹脂材。
- バガス繊維／不飽和樹脂のバガス繊維の含有量は１０〜２０質量％である請求項１〜５記載の繊維強化樹脂材。
- 請求項１〜６に記載の３層の繊維強化樹脂材の比曲げ強度がバガス繊維／不飽和樹脂複合体を含まない繊維強化樹脂材に比べて少なくとも１．２倍である請求項１〜２記載の繊維強化樹脂材。
- 請求項２に示した３層の繊維強化樹脂材の密度がバガス繊維／不飽和樹脂複合体を含まない繊維強化樹脂材に比べて高々０．８５である請求項１〜２記載の繊維強化樹脂材。
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