JP7853432B2 - 樹脂組成物、成形体および樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

樹脂組成物、成形体および樹脂組成物の製造方法

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Description

本発明は、樹脂組成物、成形体および樹脂組成物の製造方法に関する。
樹脂は、軽量であり、かつ成形が容易であるため、各種用途に広く用いられている。樹脂は一般に、金属などと比較して機械的強度(引張特性、曲げ特性、耐衝撃性など)が低いため、フィラーを添加して機械的強度を高めることが多い。
フィラーとしては天然繊維、ガラス繊維および炭素繊維などの強化繊維が使用されている。これらのうちセルロースなどの天然繊維は、安価であり、かつ廃棄時の環境への影響が少ないことから、近年特に注目されている。
たとえば、特許文献1には、木材パルプ(セルロース)をポリマーマトリックス内に分散させたセルロース複合材料が記載されている。特許文献1には、水分含有量が比較的高いパルプを、二軸押出機によりポリマーマトリックスと混合して、パルプの分散性が高いペレットを得たことが記載されている。また、特許文献1には、このペレットを射出成形などに使用できることが記載されている。
特表2019-512591号公報
特許文献1に記載のように、セルロースなどの天然繊維を樹脂中に良好に分散させれば、曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)および引張特性(引張強度、引張弾性率)などの機械的特性が良好な成形体が得られると考えられる。しかし、本発明者らの検討によると、特許文献1に記載の方法などで天然繊維を分散させても、曲げ特性や引張特性が十分に高まった成形体を得られてはいなかった。
上記の事情に鑑み、本発明は、天然繊維を樹脂中に分散させている樹脂組成物であって、曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)および引張特性(引張強度、引張弾性率)が高められた成形体が得られる樹脂組成物、当該樹脂組成物から得られる成形体、および当該樹脂組成物の製造方法を提供することを、その目的とする。
本発明の一態様は、下記[1]~[12]の樹脂組成物に関する。
[1]熱可塑性樹脂(A)と、
天然繊維(B)と、
を含む樹脂組成物であって、
前記樹脂組成物をX線コンピュータ断層撮影(X線CT)で撮像して測定される、前記天然繊維(B)の平均繊維長は、32μm以上であり、
前記樹脂組成物をTD方向への断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、前記天然繊維(B)の平均サイズ(μm)に対する前記天然繊維(B)の個数の比率(個数/平均サイズ)は、400以上である、
樹脂組成物。
[2]前記樹脂組成物をTD方向への断面をSEMで撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、前記天然繊維(B)のが占める面積(%)に対する前記天然繊維(B)の個数の比率(個数/面積)は、700以上である、
[1]に記載の樹脂組成物。
[3]前記熱可塑性樹脂(A)の全質量に対する、前記天然繊維(B)の全質量の比率((B)/(A))は、0.01以上10以下である、
[1]または[2]に記載の樹脂組成物。
[4]前記熱可塑性樹脂(A)および前記天然繊維(B)の合計質量に対する、前記天然繊維(B)の全質量の比率((B)/((A)+(B)))は、0.50以上である、
[1]~[3]のいずれかに記載の樹脂組成物。
[5]変性ポリオレフィン(C1)を含む相溶化剤(C)を含む、
[1]~[4]のいずれかに記載の樹脂組成物。
[6]前記変性ポリオレフィン(C1)は、酸変性ポリオレフィン樹脂組成物である、
[5]に記載の樹脂組成物。
[7]前記熱可塑性樹脂(A)、前記天然繊維(B)および前記相溶化剤(C)の合計質量に対する、前記相溶化剤(C)の全質量の比率((C)/((A)+(B)+(C)))は、0.008以上0.1以下である、
[5]または[6]に記載の樹脂組成物。
[8]ポリオレフィンワックス(D1)を含む加工助剤(D)を含む、
[1]~[7]のいずれかに記載の樹脂組成物。
[9]前記天然繊維(B)は、セルロース繊維を含む、
[1]~[8]のいずれかに記載の樹脂組成物。
[10]前記樹脂組成物をX線コンピュータ断層撮影(X線CT)で撮像して測定される、前記天然繊維(B)の最大繊維長は、900μm以下である、
[9]に記載の樹脂組成物。
[11]前記熱可塑性樹脂(A)は、ポリオレフィンを含む、
[1]~[10]のいずれかに記載の樹脂組成物。
[12]前記樹脂組成物の全質量(W)に対する、前記熱可塑性樹脂(A)の全質量の比率((A)/(W))は、0.5以下である、
[1]~[11]のいずれかに記載の樹脂組成物。
本発明の他の態様は、下記[13]の成形体に関する。
[13][1]~[12]のいずれかに記載の樹脂組成物を射出成形してなる、成形体。
本発明の他の態様は、下記[14]の樹脂組成物の製造方法に関する。
[14][1]~[12]のいずれかに記載の樹脂組成物の製造方法であって、
熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)を、ケーシングと、攪拌羽根を有するロータとを備えるバッチ式の閉鎖型混練装置を用いて溶融混練し、かつ、
前記溶融混練を、水の存在下、前記ロータの回転によって前記ケーシング内の温度を前記天然繊維(B)の変質が生じない温度に加熱して行う、
樹脂組成物の製造方法。
本発明によれば、天然繊維を樹脂中に分散させている樹脂組成物であって、曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)および引張特性(引張強度、引張弾性率)が高められた成形体が得られる樹脂組成物、当該樹脂組成物から得られる成形体、および当該樹脂組成物の製造方法を提供することができる。
図1は、実施例で得られた樹脂組成物1から得られた射出成形体のX線CT画像である。 図2Aは、実施例で得られた樹脂組成物1から得られた射出成形体のTD断面のSEM画像であり、図2Bは、図2Aから得られた二次画像である。 図3は、実施例で得られた樹脂組成物2のSEM画像である。
1.樹脂組成物
本発明の第1の実施形態は、熱可塑性樹脂(A)と天然繊維(B)とを含む樹脂組成物に関する。
上記樹脂組成物は、X線コンピュータ断層撮影(X線CT)で撮像して測定される、天然繊維(B)の平均繊維長が、32μm以上である(以下、「条件1」ともいう。)。また、上記樹脂組成物は、TD方向への断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス(対物レンズと測定用試験片の表面との距離)6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、天然繊維(B)の平均サイズ(μm)に対する天然繊維(B)の個数の比率(個数/平均サイズ)は、400以上である(以下、「条件2」ともいう。)。
また、上記樹脂組成物は、TD方向への断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、天然繊維(B)のが占める面積(%)に対する天然繊維(B)の個数の比率(個数/面積)が、700以上であることが好ましい(以下、「条件3」ともいう。)。
条件1を満たす樹脂組成物は、天然繊維(B)が比較的長いまま分散されている。そのため、天然繊維(B)による曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)および引張特性(引張強度、引張弾性率)の向上効果がより十分に奏される。
上記観点から、X線CTで撮像して測定される天然繊維(B)の平均繊維長は、34μm以上であることが好ましく、36μm以上であることがより好ましく、38μm以上であることがさらに好ましい。上記天然繊維(B)の平均繊維長の上限値は特に限定されないが、100μm以下とすることができ、90μm以下であってもよい。また、天然繊維(B)による曲げ特性および引張特性の向上効果をさらに十分に奏させる観点から、上記樹脂組成物は、X線CTで撮像して測定した際に繊維長が150μm以上の天然繊維(B)を含むことが好ましい。
また、天然繊維(B)による曲げ特性および引張特性の向上効果をさらに十分に奏させる観点、および樹脂組成物の表面の外観をより良好にする観点から、樹脂組成物をX線コンピュータ断層撮影(X線CT)で撮像して測定される、天然繊維(B)の最大繊維長は、900μm以下であることが好ましく、800μm以下であることがより好ましく、600μm以下であることがさらに好ましく、500μm以下であることが特に好ましい。天然繊維(B)の最大繊維長の下限値は特に制限されないが、たとえば、100μm以上であってもよく、150μm以上であってもよい。つまり、天然繊維(B)の最大繊維長は、100μm以上900μm以下であることが好ましく、100μm以上800μm以下であることがより好ましく、150μm以上600μm以下であることがさらに好ましく、150μm以上500μm以下であることが特に好ましい。
平均繊維長を測定するためのX線CTによる撮像は、以下の条件で行う。
測定用試験片の任意の箇所を1mm×1mm×2mmにカットし、視野約3mm×3mmでX線CT撮像を行う。測定装置は高分解能3DX線顕微鏡nano3DX(株式会社リガク製)を用い、軽元素でもコントラストが得られる低エネルギー高輝度X線によるCT測定で行う。詳細な測定条件は以下の通りである。
X線ターゲット: Cu
X線管電圧: 40kV
X線管電流: 30mA
レンズ: 0.270μm/pix
ビニング: 1
回転角度: 180°
投影数: 1000枚
露光時間: 60秒/枚
カメラ画素数: 3300×2500
条件2を満たす樹脂組成物は、製造時の樹脂組成物の流動方向に対して垂直な方向への断面(TD断面)における、天然繊維(B)の平均サイズが小さく、かつ個数が多い。樹脂組成物の製造時に、天然繊維(B)は樹脂組成物の流動方向にある程度配向するため、TD断面における天然繊維(B)の平均サイズは、樹脂組成物中の天然繊維(B)の平均径をある程度反映した値となる。そのため、条件2を満たす樹脂組成物は、天然繊維(B)が細く細かく微分散しており、その分散性が高いといえる。そのため、条件2を満たす樹脂組成物は、その成形体に天然繊維(B)の分散ムラに起因する機械強度の向上不足が生じにくく、天然繊維(B)による曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)および引張特性(引張強度、引張弾性率)の向上効果がより十分に奏される。
上記観点から、TD断面の上記SEM画像における、天然繊維(B)の平均サイズ(μm)に対する天然繊維(B)の個数の比率は、450以上であることが好ましく、480以上であることがより好ましく、600以上であることがさらに好ましく、750以上であることが特に好ましい。上記比率の上限は特に限定されないが、2000以下とすることができ、1500以下としてもよい。
条件3を満たす樹脂組成物は、製造時の樹脂組成物の流動方向に対して垂直な方向への断面(TD断面)における、天然繊維(B)が占める面積(つまりは天然繊維の量(体積))に対する、天然繊維(B)の個数が多い。そのため、条件3を満たす樹脂組成物は、天然繊維(B)が細く細かく微分散しており、その分散性が高いといえる。そのため、条件3を満たす樹脂組成物は、その成形体に天然繊維(B)の分散ムラに起因する機械強度の向上不足が生じにくく、天然繊維(B)による曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)および引張特性(引張強度、引張弾性率)の向上効果がより十分に奏される。
上記観点から、TD断面の上記SEM画像における、天然繊維(B)のが占める面積(%)に対する天然繊維(B)の個数の比率は、750以上であることが好ましく、800以上であることがより好ましく、950以上であることがさらに好ましい。上記比率の上限は特に限定されないが、2000以下とすることができ、1800以下としてもよい。
なお、上記TD断面をSEMで撮像して得られるSEM画像中では、天然繊維(B)は粒状に表れている。そして、天然繊維(B)の平均サイズとは、この粒状の天然繊維(B)のそれぞれの面積の平均値である。また、天然繊維(B)の個数とは、この粒状の天然繊維の数である。また、天然繊維(B)が占める面積(%)とは、SEM画像の全面積(St)に対する、粒状の天然繊維(B)が占める面積(Sc)の割合((Sc/St)×100)である。
上記TD断面のSEMによる撮像は、以下の条件で行う。
測定用試験片の任意のTD断面を1.8mm×1.2mmの範囲で高分解能走査型顕微鏡(SEM)により、ワーキングディスタンスを6.5mmとし、75倍に拡大して観察する。観察により得られた拡大画像のうち、天然繊維(B)が充填されているエリアを黒塗りし、それ以外の領域を白塗りした二次画像を作成する。得られた二次画像を、画像解析ソフト(ImageJ)に読み込み、コマンド:Process、Binary、Make Binaryを行って二値化画像処理し、観察視野の面積における天然繊維(B)の平均サイズ(黒色領域のAverage Size)、天然繊維(B)の個数(黒色領域のCount)、天然繊維(B)の面積%(黒色領域のArea Fraction)を、コマンド:Analyze、Analyze Particlesにより算出する。
なお、天然繊維(B)は一般的に親水性の傾向が強く、基本的には疎水性である樹脂中への分散は難しい。特に、ポリオレフィンやポリスチレンのような極性が低い樹脂には、天然繊維(B)は非常に分散しにくい。そのため、特許文献1に記載の方法のような従来の方法では、天然繊維(B)を十分に分散させようとすると非常に強い混練が必要となる。そして、この混練により天然繊維(B)が長さ方向にも切断されてしまい(条件1を満たさなくなり)、成形体の曲げ特性および引張特性が十分には高まりにくい。一方で天然繊維(B)の切断を防ぐために混練の強度を低くすると、天然繊維(B)が十分に分散されず、やはり成形体の曲げ特性および引張特性が十分には高まりにくい。
これに対し、本実施形態では、天然繊維(B)の分散方法を調整することで、天然繊維(B)を断面方向には良好に分散させつつ、長さ方向における切断を抑制する。そして、これにより、条件1および条件2、さらに好ましくは条件3を満たす樹脂組成物が得られる。以下、まず樹脂組成物およびその成形体が含む材料について説明し、天然繊維(B)の分散方法は後述する。
なお、樹脂組成物がもつ、天然繊維(B)の長さおよび分布に関する上記特徴は、成形体(たとえば射出成形体)にも受け継がれる。逆に、成形体について測定した天然繊維(B)の長さおよび分布が上記特徴を満たすならば、その成形体の製造に使用した樹脂組成物も、同様の特徴を有していたものと推定することができる。
樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)を含む。樹脂組成物は、相溶化剤(C)、加工助剤(D)、およびその他の任意成分をさらに含んでもよい。
1-1.熱可塑性樹脂(A)
熱可塑性樹脂(A)の種類は特に限定されない。たとえば、「実用プラスチック辞典」(実用プラスチック辞典編集委員会編、株式会社産業調査会)などに記載の熱可塑性樹脂や、を、広く使用することができる。熱可塑性樹脂(A)は、1種のみが含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。なお、熱可塑性樹脂(A)はバイオマス由来の原料を用いて製造されてもよい。
熱可塑性樹脂(A)の例には、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリアセタール、スチレン系(共)重合体、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキサイド、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどの塩素樹脂、酢酸ビニル系樹脂、エチレン-(メタ)アクリル酸エステル共重合体、エチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-メタクリル酸共重合体またはこれらのアイオノマー、ビニルアルコール系樹脂、熱可塑性ウレタン系エラストマー、およびゴム成分などが含まれる。これらのうち、ポリオレフィンが好ましい。
ポリオレフィンの例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-1-ブテン、およびポリメチルブテンなどのオレフィン単独重合体、ならびに、エチレン-α-オレフィンランダム共重合体、プロピレン-エチレンランダム共重合体、およびエチレン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体などのオレフィン共重合体などが含まれる。これらのうち、ポリエチレン、ポリプロピレンが好ましく、成形体の耐熱性および剛性を高める観点からはポリプロピレンがより好ましい。なお、各種ポリオレフィンを構成する各構成単位の種類、およびその割合は、13C-NMRにより特定することができる。
ポリオレフィンは、たとえばエチレン系重合体とすることができる。エチレン系重合体は、エチレン単独重合体、またはエチレンと炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンとの共重合体であることが好ましい。エチレン単独重合体の具体例には、超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン等が含まれる。
一方、エチレン系重合体が、エチレンと炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンとの共重合体である場合、エチレンから導かれる構成単位の割合は、91.0モル%以上99.9モル%以下であることが好ましい。一方、炭素原子数3以上のα-オレフィンから導かれる構成単位の割合は、0.1モル%以上9.0モル%以下であることが好ましい(エチレンから導かれる構成単位および炭素原子数3以上のα-オレフィンから導かれる構成単位の合計量を100モル%とする)。
上記炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンの例には、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、および1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが含まれる。エチレンと炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンとの共重合体とすることで、成形体の成形性、外観、および機械強度が良好となる。なお、これらのα-オレフィンから導かれる構成単位は、1種のみが含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。
また、ポリオレフィンは、プロピレン単独重合体(ポリプロピレン)や、プロピレンと、エチレンもしくは炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとのプロピレン系重合体としてもよい。
プロピレン系重合体をプロピレンとエチレンとの共重合体とする場合、プロピレンから導かれる構成単位の割合は、60モル%以上99.5モル%以下とすることができる(プロピレンから導かれる構成単位およびエチレンから導かれる構成単位の合計量を100モル%とする)。プロピレンから導かれる構成単位の割合が多いプロピレン系重合体を用いると、成形体の成形性、外観、および耐熱性が良好となる。
プロピレン系重合体を、プロピレンと炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとの共重合体とする場合の、炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンの例には、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、および1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが含まれる。これらのうち、1-ブテンが好ましい。また、このときのプロピレン・α-オレフィン共重合体は、炭素原子数4以上12以外αオレフィン以外のオレフィンを含んでいてもよく、たとえばエチレンなどから導かれる構成単位を少量、たとえば10モル%以下の量で含んでいてもよい。一方で、エチレンから誘導される構成単位が含まれないことも、成形体の耐熱性と機械強度のバランスを高める観点からは好ましい。なお、これらのα-オレフィンから導かれる構成単位は、1種のみが含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。
上記プロピレン系重合体がプロピレンと炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとの共重合体であるとき、プロピレンから導かれる構成単位の割合は、60モル%以上90モル%以下であることが好ましい。一方、炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンから導かれる構成単位の割合は、10モル%以上40モル%以下であることが好ましい(プロピレンから導かれる構成単位および炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンから導かれる構成単位の合計量を100モル%とする)。
上記プロピレン・α-オレフィン共重合体の組成が上記範囲にあると、成形体の外観、機械強度および耐熱性が良好となる。特には、おそらく結晶化速度が遅いため樹脂組成物が金型中を流動できる時間が長くなるため、成形体の外観が良好となる。
上記プロピレン・α-オレフィン共重合体のDSCにより得られる融点(Tm)は通常60℃以上120℃以下であり、65℃以上100℃以下であることが好ましい。
ポリオレフィンは、エチレン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体であってもよい。上記共重合体は、エチレンと、炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンと、非共役ポリエンとの共重合であることが好ましく、これらがランダムに共重合した共重合体であることがより好ましい。上記α-オレフィンの例には、炭素原子数3以上12以下のα-オレフィン、たとえばプロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、および1-ドデセンなどの炭素原子数3以上12以下の直鎖状または分岐状のα-オレフィンが含まれる。上記非共役ポリエンの例には、環状または鎖状の非共役ポリエンが含まれる。環状の非共役ポリエンの例には、シクロペンテン、シクロヘプテン、ノルボルネン、5-エチリデン-2-ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、5-ビニル-2-ノルボルネン、ノルボルナジエン、メチルテトラヒドロインデン、およびテトラシクロドデセンなどが含まれる。鎖状の非共役ポリエンの例には、1,4-ヘキサジエン、7-メチル-1,6-オクタジエン、4-エチリデン-8-メチル-1,7-ノナジエン、および4-エチリデン-1,7-ウンデカジエンなどが含まれる。これらのうち、5-エチリデン-2-ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、および5-ビニル-2-ノルボルネンが好ましい。なお、これらの非共役ポリエンから導かれる構成単位は、1種のみが含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。
上記エチレン・α-オレフィン・非共役ポリエンランダム共重合体の例には、エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体(EPDM)などが含まれる。
また、ポリオレフィンとして、プロピレン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体や、1-ブテン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体等を用いてもよい。
また、ポリオレフィンとして、公知のエチレン/環状オレフィン共重合体(COC)、および環状オレフィン重合体(COP)を用いてもよい。
1-2.天然繊維(B)
天然繊維(B)の例には、木粉(木材の皮をむき粉砕機を使用して加工したもの)、木質繊維、竹粉、竹繊維、単離されたセルロース繊維、羊毛、農産物繊維、木材パルプ(木材を原料とするパルプで、木の幹の樹皮を取り除き、そのままチップ化したものに、機械的、化学的、あるいは複合的な処理をしたもの)、その他の天然パルプ、レーヨン、コットンなどが含まれる。上記農産物繊維の例には、麦わら、稲わら、麻、亜麻、ケナフ、カポック、ジュート、ラミー、サイザル麻、ヘネッケン、トウモロコシ繊維、コイア、木の実の殻、およびもみ殻などが含まれる。上記木材パルプの例には、NBKP(針葉樹晒しクラフトパルプ)、およびLBKP(広葉樹晒しクラフトパルプ)などが含まれる。上記その他の天然パルプの例には、マニラ麻、楮、三椏、および雁皮などが含まれる。これらのうち、木粉、木質繊維、竹、竹繊維、綿花、および単離されたセルロース繊維が好ましく、成形体の機械強度のばらつきを抑制し、得られる成形体の強度の予測性を高める観点からは、単離されたセルロース繊維がより好ましい。
上記セルロース繊維の由来は特に限定されず、木、草、パルプ、および紙などのいかなる材料から得られるセルロース繊維であってもよい。木から得られるセルロース繊維は、針葉樹および広葉樹のいかなる木質原料から得られるセルロース繊維であってもよい。草から得られるセルロース繊維は、イネ科、アオイ科、マメ科、およびヤシ科などの非木質原料から得られるセルロース繊維であってもよい。パルプ得られるセルロース繊維は、綿の種子の周囲の繊維から得られるコットンリンターパルプなどのいかなるパルプから得られるセルロース繊維であってもよい。紙から得られるセルロース繊維は、新聞紙、段ボール、雑誌、および上質紙などのいかなる紙から得られるセルロース繊維であってもよい。これらのうち、入手が容易であり、かつ安価であることから、木または草から得られるセルロース繊維が好ましく、木から得られるセルロース繊維がより好ましい。
成形体の機械強度および耐衝撃性を高める観点から、上記セルロース繊維は、平均重合度が50以上2000以下であることが好ましく、100以上1500以下であることがより好ましい。セルロース繊維の平均重合度は、「第十五改正日本薬局方解説書(廣川書店発行)」の確認試験(3)に記載の銅エチレンジアミン溶液による還元比粘度法に従って測定することができる。
上記セルロース繊維は、改質または非晶化されていないものを使用してもよいし、改質されたものを使用してもよいし、非晶化されたものを使用してもよい。上記改質されたセルロース繊維は、エーテル化合物、アルキル塩化物、アルキル酸無水物、およびアルキル酸塩化物などをセルロースの水酸基に反応させたものとすることができる。上記非晶化されたセルロース繊維は、公知の方法でセルロースの結晶化度を低減させたものとすることができる。
上記セルロース繊維は、水酸基、ならびに改質により導入された水酸基、カルボキシ基、アミノ基、および4級アンモニウム基などの極性官能基を有する。
上記セルロース繊維の市販品の例には、日本製紙株式会社製の粉末セルロースである、KCフロック GKシリーズ(「KCフロック」は同社の登録商標)などが含まれる。
1-3.相溶化剤(C)
相溶化剤(C)は、熱可塑性樹脂(A)と天然繊維(B)との間の相溶性を高める。相溶化剤は、これらの相溶性を高めることにより、天然繊維(B)を微分散させやすくし、成形体の加工性、耐熱性、機械強度、および外観をより良好にすることができる。
天然繊維(B)の配合量が多いときや、天然繊維(B)の表面積が大きいとき(天然繊維(B)が細いとき)には、熱可塑性樹脂(A)と天然繊維(B)とが相溶しにくいことがある。特にこのようなときに、相溶化剤(C)によってこれらの相溶性を高め、天然繊維(B)の微分散性を高める効果は顕著である。また、相溶化剤(C)の添加により、図3の通り、熱可塑性樹脂(A)が天然繊維(B)に密着する。そのため機械強度に加え、外観が良好になると考えられる。
相溶化剤(C)は、変性ポリオレフィン(C1)または石油樹脂(C2)を含む。本発明者らの新たな知見によると、これらの分子鎖中に酸素原子などの極性官能基、またはスチレン等の環状構造を有する相溶化剤(C)は、酸素原子含有の環状構造であるセルロース骨格を有する天然繊維(B)への親和性が高く、天然繊維(B)の表面に局在しやすいと考えられる。そのため、熱可塑性樹脂(A)との間の相溶性が良好であり、なおかつ天然繊維(B)への親和性が高いこれらの相溶化剤(C)を使用することで、天然繊維(B)の微分散性を高める効果が顕著に奏されると考えられる。
(1)変性ポリオレフィン(C1)
変性ポリオレフィン(C1)は、ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物、スチレン変性物、および空気酸化物などとすることができる。これらの変性ポリオレフィン(C1)は、未変性のポリオレフィンを公知の方法で変性して得られる。なお、変性ポリオレフィン(C1)はバイオマス由来の原料を用いて製造されてもよい。
(原料となるポリオレフィン)
変性ポリオレフィンの原料となるポリオレフィン(未変性ポリオレフィン)の種類は特に限定されない。未変性ポリオレフィンは、たとえば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、2-メチル-1-ブテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、3-メチル-1-ペンテン、4-メチル-1-ペンテン、3,3-ジメチル-1-ブテン、1-ヘプテン、メチル-1-ヘキセン、ジメチル-1-ペンテン、トリメチル-1-ブテン、エチル-1-ペンテン、1-オクテン、メチル-1-ペンテン、ジメチル-1-ヘキセン、トリメチル-1-ペンテン、エチル-1-ヘキセン、メチル-1-エチルペンテン、ジエチル-1-ブテン、プロピル-1-ペンテン、1-デセン、メチル-1-ノネン、ジメチル-1-オクテン、トリメチル-1-ヘプテン、エチル-1-オクテン、メチルエチル-1-ヘプテン、ジエチル-1-ヘキセン、1-ドデセンおよび1-ヘキサドデセンなどのα-オレフィンの、単独重合体または共重合体とすることができる。これらのα-オレフィンは、熱可塑性樹脂(A)との相溶性に応じて選択すればよく、たとえば熱可塑性樹脂(A)がポリオレフィン(A-1)であるときは、当該ポリオレフィン(A-1)と同種の樹脂(ポリオレフィン(A-1)がポリエチレンであるときは未変性ポリオレフィンもポリエチレン、ポリオレフィン(A-1)がポリプロピレンであるときは未変性ポリオレフィンもポリプロピレンなど)であることが好ましい。たとえば未変性ポリオレフィンはポリプロピレン、特にはプロピレンの単独重合体、プロピレン・エチレンランダム共重合体、およびプロピレン・1-ブテンランダム重合体が好ましい。
(未変性ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物)
未変性ポリオレフィンの変性に用いる不飽和カルボン酸は、1個以上のカルボン酸基を有する不飽和化合物(狭義の不飽和カルボン酸)であってもよいし、不飽和カルボン酸とアルキルアルコールとのエステルや、不飽和カルボン酸の無水物などの無水カルボン酸を有する不飽和化合物などの、不飽和カルボン酸の誘導体であってもよい。これらの不飽和カルボン酸が有する不飽和基は、ビニル基、ビニレン基、および不飽和環状炭化水素基などとすることができる。狭義の不飽和カルボン酸の例には、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、テトラヒドロフタル酸、イタコン酸、シトラコン酸、クロトン酸、ナジック酸、およびエンドシス-ビシクロ[2,2,1]ヘプト-5-エン-2,3-ジカルボン酸などが含まれる。不飽和カルボン酸の誘導体の例には、無水マレイン酸および無水シトラコン酸など酸無水物、ならびに塩化マレニル、マレニルイミド、マレイン酸モノメチル、およびマレイン酸ジメチルなどの、(狭義の)不飽和カルボン酸の酸ハライド化物、アミド化物、イミド化物、およびエステル化物などが含まれる。不飽和カルボン酸は、マレイン酸、ナジック酸またはこれらの酸無水物であることが好ましく、無水マレイン酸であることがより好ましい。これらの不飽和カルボン酸は、1種のみを使用してもよいし、2種類以上を使用してもよい。
これらの不飽和カルボン酸により未変性ポリオレフィンを変性する際には、ラジカル開始剤としての有機過酸化物が用いられる。上記有機過酸化物の例には、ジ-n-プロピルパーオキシジカーボネート、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ジ-sec-ブチルパーオキシジカーボネート、t-ヘキシルパーオキシネオデカノエート、t-ブチルパーオキシネオデカノエート、t-アミルパーオキシネオデカノエート、t-ブチルパーオキシネオヘプタノエート、t-ヘキシルパーオキシピバレート、t-ブチルパーオキシピバレート、t-アミルパーオキシピバレート、t-ヘキシルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、t-アミルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、t-ブチルパーオキシイソブチレート、1,1-ジ(t-ブチルパーオキシ)-2-メチルシクロヘキサン、1,1-ジ(t-ヘキシルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、1,1-ジ(t-ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン、1,1-ジ(t-ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、1,1-ジ(t-アミルパーオキシ)シクロヘキサン、2,2-ジ(4,4-ジ-(t-ブチルパーオキシ)シクロヘキシル)プロパン、t-アミルパーオキシイソノナノエート、t-ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t-アミルパーオキシノルマルオクトエート、t-ブチルパーオキシマレイン酸、t-ブチルパーオキシ-3,5,5-トリメチルヘキサノエート、t-ブチルパーオキシラウレート、t-アミルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t-ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t-アミルパーオキシ-2-エチルヘキシルモノカーボネート、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキシルモノカーボネート、t-ヘキシルパーオキシベンゾエート、t-ブチルパーオキシアセテート、t-アミルパーオキシアセテート、2,2-ジ-(t-ブチルパーオキシ)ブタン、t-ブチルパーオキシイソノナノエート、t-アミルパーオキシベンゾエート、t-ブチルパーオキシベンゾエート、n-ブチル-4,4-ジ-(t-ブチルパーオキシ)バレエート、メチルエチルケトンパーオキサイド、ジ(2-t-ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン、エチル-3,3-ジ(t-ブチルパーオキシ)ブチレート、ジ-t-ヘキシルパーオキサイド、1,3-ジ(2-t-ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ジ-(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン、t-ブチルクミルパーオキサイド、ジ-t-アミルパーオキサイド、ジ-t-ブチルパーオキサイド、2,5-ジメチル-2,5-ジ-(t-ブチルパーオキシ)ヘキシン-3、t-アミルハイドロパーオキサイド、t-ブチルハイドロパーオキサイド、1,1-ビス(t-ブチルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、および1,1-ジ(t-ブチルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサンなどが含まれる。これらのうち、2,5-ジメチル-2,5-ジ-(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン、ジ-t-ブチルパーオキサイド、t-ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、およびt-ブチルパーオキシベンゾエートが好ましい。これらの有機過酸化物酸は、1種のみを使用してもよいし、2種類以上を使用してもよい。
変性時に使用する有機過酸化物の量は、100質量部の未変性ポリオレフィンに対して、0.01質量部以上30質量部以下とすることができ、1質量部以上20質量部以下であることが好ましく、2質量部以上15質量部以下であることがより好ましい。
(酸変性ポリオレフィン樹脂組成物)
上記不飽和カルボン酸変性物は、樹脂組成物および成形体中では、ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物と、上記不飽和カルボン酸と、を含有する組成物(以下、単に「酸変性ポリオレフィン樹脂組成物」ともいう。)となっていることが好ましい。つまり、樹脂組成物および成形体は、ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物と、上記不飽和カルボン酸と、を含有することが好ましい。なお、酸変性ポリオレフィン樹脂組成物が含む不飽和カルボン酸は、未変性ポリオレフィンを変性するために使用した不飽和カルボン酸と同じ不飽和カルボン酸であってもよいし、これとは異なる不飽和カルボン酸であってもよい。
得られる成形体の曲げ特性および引張特性をより高める観点から、酸変性ポリオレフィン樹脂組成物が含む不飽和カルボン酸は、非極性基を有することが好ましく、上記非極性基として炭素数1以上30以下の炭化水素基を有することがより好ましい。
上記炭素数1以上30以下の炭化水素基の例には、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、ネオペンチル基、およびn-ヘキシル基などを含む炭素原子数1以上30以下、好ましくは1以上20以下の直鎖状または分岐状のアルキル基、ビニル基、アリル基、イソプロペニル基などを含む炭素原子数2以上30以下、好ましくは2以上20以下の直鎖状または分岐状のアルケニル基、エチニル基、およびプロパルギル基などを含む炭素原子数2以上30以下、好ましくは2以上20以下の直鎖状または分岐状のアルキニル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、およびアダマンチル基などを含む炭素原子数3以上30以下、好ましくは3以上20以下の環状飽和炭化水素基、シクロペンタジエニル基、インデニル基、およびフルオレニル基などを含む炭素数5以上30以下の環状不飽和炭化水素基、フェニル基、ベンジル基、ナフチル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フェナントリル基、およびアントラセニル基などの炭素原子数6以上30以下、好ましくは6以上20以下のアリール基、トリル基、iso-プロピルフェニル基、tert-ブチルフェニル基、ジメチルフェニル基、およびジ-tert-ブチルフェニル基などを含む炭素数7以上20以下のアルキル置換アリール基などが含まれる。これらのうち、フェニル基、ベンジル基、ナフチル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フェナントリル基、およびアントラセニルなどを含む炭素原子数6以上30以下、好ましくは6以上20以下のアリール基、トリル基、iso-プロピルフェニル基、tert-ブチルフェニル基、ジメチルフェニル基、およびジ-tert-ブチルフェニルなどを含むアルキル置換アリール基などの、芳香環を有する基が好ましい。
酸変性ポリオレフィン樹脂組成物が含む不飽和カルボン酸は、分子量が1,000以下であるが好ましく、500以下であることがより好ましく、300以下であることが特に好ましい。炭素数1以上30以下の炭化水素基を有し、かつこのような低分子量の不飽和カルボン酸としては、ベンジルコハク酸および無水ベンジルコハク酸が好ましい。なお、ベンジルコハク酸誘導体は公知の方法、たとえば、ジャーナル・オブ・オルガニック・ケミストリー((Journal of Organic Chemistry)21巻、1473頁、1956)に記載された方法等によって合成してもよいし、市販品を購入して使用してもよい。
酸変性ポリオレフィン樹脂組成物が含む不飽和カルボン酸の量は、酸変性ポリオレフィン樹脂組成物の全質量に対して0.005質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.01質量%以上5質量%以下であることがより好ましく、0.02質量%以上3質量%以下であることがさらに好ましい。
酸変性ポリオレフィン樹脂組成物は、未変性ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物を合成するときに不飽和カルボン酸の一部を未反応のまま残す方法で調製してもよいし(以下、この調製方法を「一段法」ともいう。)、不飽和カルボン酸変性物を合成した後に不飽和カルボン酸を添加して調製してもよい(以下、この調製方法を「二段法」ともいう。)。一段法は、単段プロセスにより酸変性ポリオレフィン組成物を得ることができ、かつ安価であるため好ましい。また、一段法によれば、未変性ポリオレフィンを無水マレイン酸で変性する際に、ベンジルコハク酸または無水ベンジルコハク酸を副生成物として生成させて、これらの副生成物を含有する酸変性ポリオレフィン樹脂組成物を得ることもできる。一方で、未変性ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物を合成するときに使用する不飽和カルボン酸と、酸変性ポリオレフィン樹脂組成物に含まれる不飽和カルボン酸と、の種類が異なるときや、不飽和カルボン酸のホモ重合を規制するための制御が複雑になるようなときには、二段法が好ましい。
二段法により酸変性ポリオレフィン樹脂組成物を調製するときは、未変性ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物と、不飽和カルボン酸とを、ヘンシェルミキサー、バンバリーミキサー、V型ブレンダー、タンブラーブレンダー、およびリボンブレンダーなどを用いて混合し、その後、単軸押出機、多軸押出機、ロール、およびニーダーなどを用いて、160~300℃、好ましくは180~250℃で溶融混練すればよい。この混合または溶融混練の際に、必要に応じて他の添加物を添加してもよい。なお、未変性ポリオレフィンの不飽和カルボン酸変性物を合成する際に、そのままin situで不飽和カルボン酸との溶融混練を行ってもよい。
(ポリオレフィンワックスの変性物)
変性ポリオレフィン(C1)は、ポリオレフィンワックスの変性物であってもよい。ポリオレフィンワックスの変性物は、エチレンまたは炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンの単独重合体または共重合体であるポリオレフィンワックスの、不飽和カルボン酸変性物、スチレン変性物、スルフォン酸変性物、および空気酸化物などとすることができる。これらのポリオレフィンワックスの変性物は、未変性のポリオレフィンワックスを公知の方法で変性して得られる。
変性ポリオレフィンワックスの原料となるポリオレフィンワックス(未変性ポリオレフィンワックス)の種類は特に限定されないが、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、4-メチルー1-ペンテンの単独重合体、エチレンと炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンとの共重合体、プロピレンとエチレンまたは炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとの共重合体、および4-メチルー1-ペンテンと他のα-オレフィンとの共重合体が好ましい。上記共重合体において、エチレンまたはプロピレンと共重合するモノマーは、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、および1-オクテンなどであればよく、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン、および4-メチル-1-ペンテンが好ましい。
(原料となるポリエチレンワックス)
未変性ポリオレフィンワックスは、エチレンの単独重合体またはエチレンと炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンとの共重合であるポリエチレンワックスとすることができる。
エチレンの単独重合体であるポリエチレンワックスの例には、高密度ポリエチレンワックス、中密度ポリエチレンワックス、低密度ポリエチレンワックス、および直鎖状低密度ポリエチレンワックスなどが含まれる。
エチレンと炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンとの共重合であるポリエチレンワックスは、エチレンから導かれる構成単位の割合が、91.0モル%以上99.9モル%以下であることが好ましく、93.0モル%以上99.9モル%以下であることがより好ましく、95.0モル%以上99.9モル%以下であることがさらに好ましく、95.0モル%以上99.0モル%以下であることが特に好ましい。一方、炭素原子数3以上のα-オレフィンから導かれる構成単位の割合は、0.1モル%以上9.0モル%以下であることが好ましく、0.1モル%以上7.0モル%以下であることがより好ましく、0.1モル%以上5.0モル%以下であることがさらに好ましく、1.0モル%以上5.0モル%以下であることが特に好ましい(エチレンから導かれる構成単位および炭素原子数3以上のα-オレフィンから導かれる構成単位の合計量を100モル%とする)。
上記炭素原子数3以上12以下のα-オレフィンの例には、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、および1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが含まれる。これらのうち、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、および1-オクテンが好ましく、炭素原子数が3以上8以下のα-オレフィンがより好ましく、プロピレンおよび1-ブテンがさらに好ましく、1-ブテンが特に好ましい。エチレンとプロピレンや1-ブテンとを共重合すると、おそらくはプロピレンや1-ブテンが少量の添加でも融点を効果的に低下させて、ポリオレフィンワックスの結晶化度を高めるため、相溶化剤(C)が硬くなってべたつきにくくなる。そのため、このような相溶化剤(C)を用いると、成形体の表面にべたつきが生じにくくなる。なお、これらのα-オレフィンから導かれる構成単位は、1種のみが含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。
特に、熱可塑性樹脂(A)がポリエチレンであるとき、相溶化剤(C)としてポリエチレンワックスの変性物を用いることで、熱可塑性樹脂(A)と相溶化剤(C)との間の相溶性を高め、成形体の加工性、耐熱性、機械強度、および外観をより良好にすることができる。
(原料となるポリプロピレンワックス)
未変性ポリオレフィンワックスは、プロピレンの単独重合体またはプロピレンとエチレンまたは炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとの共重合であるポリプロピレンワックスとしてもよい。
これらのポリプロピレンワックスは、立体特異性触媒の存在下で、プロピレンを単独重合あるいは他のα-オレフィンと共重合させて得られるポリプロピレンワックスであってもよいし、高分子量のポリプロピレンを熱分解して得られるポリプロピレンワックスであってもよい。あるいは、ポリプロピレンワックスは、ポリプロピレンから、溶媒に対する溶解度の差により溶媒分別したものや、分子蒸留して沸点の差により分取してものであってもよい。
ポリプロピレンワックスがプロピレンとエチレンとの共重合体である場合、プロピレンから導かれる構成単位の割合は、60モル%以上99.5モル%以下とすることができ、80モル%以上99モル%以下であることが好ましく、90モル%以上98.5モル%以下であることがさらに好ましく、95モル%以上98モル%以下であることが特に好ましい(プロピレンから導かれる構成単位およびエチレンから導かれる構成単位の合計量を100モル%とする)。プロピレンから導かれる構成単位の割合が多いプロピレン系重合体を用いると、成形体の成形性、外観、および耐熱性が良好となる。
ポリプロピレンワックスがプロピレンと炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとの共重合体である場合の、炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンの例には、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、および1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが含まれる。これらのうち、1-ブテンが好ましい。のα-オレフィンから導かれる構成単位は、1種のみが含まれていてもよいし、2種類以上が含まれていてもよい。
上記プロピレン系重合体がプロピレンと炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンとの共重合体であるとき、プロピレンから導かれる構成単位の割合は、60モル%以上90モル%以下であることが好ましく、65モル%以上88モル%以下であることがより好ましく、70モル%以上85モル%以下であることがさらに好ましく、75モル%以上82モル%以下であることが特に好ましい。一方、炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンから導かれる構成単位の割合は、10モル%以上40モル%以下であることが好ましく、12モル%以上35モル%以下であることがより好ましく、15モル%以上30モル%以下であることがさらに好ましく、18モル%以上25モル%以下であることが特に好ましい(プロピレンから導かれる構成単位および炭素原子数4以上12以下のα-オレフィンから導かれる構成単位の合計量を100モル%とする)。
上記プロピレン・α-オレフィン共重合体の組成が上記範囲にあると、成形体の外観、機械強度および耐熱性が良好となる。特には、おそらく結晶化速度が遅いため樹脂組成物が金型中を流動できる時間が長くなるため、成形体の外観が良好となる。また、上記プロピレン・α-オレフィン共重合体の組成が上記範囲にあると、射出体の耐熱性および機械強度も高まる。
特に、熱可塑性樹脂(A)がポリプロピレンであるとき、相溶化剤(C)としてポリプロピレンワックスの変性物を用いることで、熱可塑性樹脂(A)と相溶化剤(C)との間の相溶性を高め、成形体の加工性、耐熱性、機械強度、および外観をより良好にすることができる。
(原料となるポリ4-メチルー1-ペンテンワックス)
未変性ポリオレフィンワックスは、4-メチル-1-ペンテンの単独重合体または4-メチル-1-ペンテンとその他のα-オレフィンとの共重合であるポリ4-メチル-1-ペンテンワックスとしてもよい。
ポリ4-メチル-1-ペンテンワックスは、国際公開第2011/055803号に記載された4-メチル-1-ペンテン系重合体を熱分解したものや、特開2005-028187号公報に記載した4-メチル-1-ペンテン系重合体(B-1)および4-メチル-1-ペンテン系重合体(B-2)などとすることができる。
(原料となるポリオレフィンワックスの製造方法)
これらの未変性ポリオレフィンワックスは、原料の重合により合成してもよいし、高分子量の(共)重合体を熱分解して製造してもよい。熱分解は、300~450℃で5分~10時間の条件で行うことができる。上記条件での熱分解により製造された未変性ポリオレフィンワックスには、不飽和末端が存在する。そして、H-NMRにより測定した、1000個の炭素原子あたりのビニリデン基の個数が0.5個以上5個以下であると、相溶化剤(C)が天然繊維(B)に相溶しやすくなるため好ましい。あるいは、これらの未変性ポリオレフィンワックスは、高分子量の(共)重合体から、溶媒に対する溶解度の差により溶媒分別したものや、分子蒸留して沸点の差により分取してものであってもよい。
原料の重合による未変性ポリオレフィンワックスの合成は、チーグラー/ナッタ触媒またはメタロセン系触媒により重合する方法などの、公知の方法で行うことができる。
たとえば、原料となるモノマーやその重合体をヘキサンなどの不活性炭化水素媒体中に粒子として懸濁在させて重合する懸濁重合法や、溶媒を用いないで重合する気相重合法や、不活性炭化水素媒に溶融させた状態で重合する溶液重合法などを使用することができる。これらのうち、安価であり品質も良好であることから、溶液重合法が好ましい。重合は、バッチ法で行ってもよいし、連続法で行ってもよい。また、重合は、反応条件の異なる二段以上に分けて行ってもよい。
懸濁重合法や溶液重合法に用いられる不活性炭化水素媒体の例には、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、および灯油などを含む脂肪族炭化水素、シクロペンタン、シクロヘキサン、およびメチルシクロペンタンなどを含む脂環族炭化水素、ベンゼン、トルエン、およびキシレンなどを含む芳香族炭化水素、エチレンクロリド、クロルベンゼン、およびジクロロメタンなどを含むハロゲン化炭化水素などが含まれる。これらの不活性炭化水素媒体は1種単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、α-オレフィン自身を溶媒として用いる、いわゆるバルク重合法を用いることもできる。
上記触媒としては、メタロセン系触媒が好ましい。メタロセン系触媒の例には、
(a)周期表第4族から選ばれる遷移金属のメタロセン化合物と、
(b)(b-1)有機アルミニウムオキシ化合物、(b-2)メタロセン化合物(a)と反応してイオン対を形成する化合物(以下、単に「イオン化イオン性化合物」ともいう。)、または(b-3)有機アルミニウム化合物と、
からなる触媒が含まれる(特開平08-239414号公報、国際公開第2007/114102号参照)。
(a)周期表第4族から選ばれる遷移金属のメタロセン化合物(a)の例には、特開平08-239414号公報および国際公開第2007/114102号に記載されたメタロセン化合物が含まれる。これらのうち、ビス(n-ブチルシクロペンタジエニル)ジルコニウムジクロリド、およびビス(n-ブチルシクロペンタジエニル)ジルコニウムジメチルが好ましい。
(b-1)有機アルミニウムオキシ化合物としては、公知のアルミノキサン、たとえば、特開平08-239414号公報および国際公開第2007/114102号に記載された有機アルミニウムオキシ化合物を使用することができる。これらのうち、市販品のために入手が容易であることから、メチルアルミノキサン、およびトリメチルアルミニウムとトリイソブチルアルミニウムとを用いて調製した修飾メチルアルミノキサン(MMAO)が好ましい。
(b-2)イオン化イオン性化合物の例には、特開平08-239414号公報および国際公開第2007/114102号に記載されたイオン化イオン性化合物が含まれる。これらのうち、市販品のために入手が容易であり、かつ重合活性を高めやすいことから、トリフェニルカルベニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート、およびN,N-ジメチルアニリニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートが好ましい。
(b-3)有機アルミニウム化合物の例には、国際公開第2007/114102号に記載された有機アルミニウム化合物が含まれる。これらのうち、市販品のために入手が容易であることから、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムおよびトリイソブチルアルミニウムが好ましく、取り扱いが容易であることから、トリイソブチルアルミニウムがより好ましい。
(b-1)から(b-3)の化合物を組み合わせる場合、トリイソブチルアルミニウムとトリフェニルカルベニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートとの組合せ、およびトリイソブチルアルミニウムとN,N-ジメチルアニリニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートとの組合せが、重合活性を大きく向上させることができるため好ましい。
上記メタロセン系触媒を用いてモノマーの重合を行うとき、各成分の含有量は以下のとおりに設定すればよい。
(1)(a)メタロセン化合物は、反応容積1リットルあたり、10-9モル以上10
-1モル以下、好ましくは10-8モル以上10-2モル以下
(2)(b-1)有機アルミニウムオキシ化合物は、化合物(b-1)中のアルミニウム原子(Al)とメタロセン化合物(a)中の全遷移金属原子(M)とのモル比〔Al/M〕が、0.01以上5000以下、好ましくは0.05以上2000以下となる量
(3)(b-2)イオン性化合物は、化合物(b-2)とメタロセン化合物(a)中の全遷移金属原子(M)とのモル比〔(b-2)/M〕が、1以上10以下、好ましくは1以上5以下となる量
(4)(b-3)有機アルミニウム化合物は、化合物(b-3)と、メタロセン化合物(a)中の全遷移金属原子(M)とのモル比〔(b-3)/M〕が、0.01以上50000以下、好ましくは0.05以上10000以下となる量
このときの重合温度は10℃以上200℃以下とすればよく、60℃以上180℃以下が好ましく、75℃以上170℃以下がより好ましい。重合圧力は、常圧以上7.8MPa-G(Gはゲージ圧)以下とすることができ、常圧以上4.9MPa-G以下であることが好ましい。
重合の際には、原料となるモノマー(エチレンやα-オレフィン)を、上記した組成の未変性ポリオレフィンワックスが得られるような量割合で重合系に供給すればよい。また、重合の際に、水素などの分子量調節剤を添加してもよい。
このようにして原料を重合させて得られる重合液を、常法により処理することで、未変性ポリオレフィンワックスを得ることができる。
また、上記方法で得られた重合体をさらに精製してもよい。精製は、融点以上の温度で真空下に脱気する方法、トルエン、キシレン、ヘキサンおよびヘプタンなどの溶媒に溶解させた後にメタノールやアセトンなどの極性溶媒を投入し濾過して低分子量部を除く方法、および溶媒に全量溶解させた後に特定の温度で析出させて高分子量部または低分子量部を取り除く方法などの方法で行うことができる。
未変性ポリオレフィンワックスの数平均分子量(Mn)および極限粘度[η]は、重合時の重合温度を上げるか、水素濃度を上げると低くなる傾向となり、上記範囲内に制御できる。または共触媒として用いる有機アルミニウムオキシ化合物またはイオン化イオン性化合物の使用量により調節することができる。さらに、重合後の精製により調節することもできる。
エチレンや各α-オレフィンから誘導される構成単位の含有量は、重合時に配合量を調整するほか、触媒種や重合温度などにより制御できる。
未変性ポリオレフィンワックスのMw/Mnは、触媒種や重合温度などにより制御できる。一般に重合にはチーグラー・ナッタ触媒やメタロセン触媒が用いられるが、好適範囲のMw/Mnにするためには、メタロセン触媒を用いるのが好ましい。また溶媒に対する溶解度の差で分別する溶媒分別、または蒸留などの方法で精製することによっても好適範囲にすることができる。
未変性ポリオレフィンワックスの軟化点は、エチレンやα-オレフィンの組成により調整することができ、たとえばエチレンとα-オレフィンとの共重合体であればα-オレフィンの含有量を多くすることで、軟化点が下がる傾向が得られる。また、触媒種や重合温度などによって制御することもできる。さらに、重合後の精製により調節することもできる。
未変性ポリオレフィンワックスの密度は、エチレンやα-オレフィンの組成および重合時の重合温度または水素濃度によって調節することができる。
(未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物である変性ポリオレフィンワックス)
未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物は、未変性ポリオレフィンワックスを不飽和カルボン酸でグラフト変性したり、スチレン類でグラフト変性したり、スルフォン酸塩でグラフト変性したり、あるいはこれらの混合物でグラフト変性したりして得られる。これらのグラフト変性は、公知の方法で行えばよい。たとえば、未変性ポリオレフィンワックスと、不飽和カルボン酸、スチレン類、またはスルフォン酸塩とを、有機過酸化物などの重合開始剤の存在下に溶融混練する方法、あるいは原料となる未変性ポリオレフィンワックスと、不飽和カルボン酸、スチレン類またはスルフォン酸塩とを有機溶媒に溶解した溶液を、有機過酸化物などの重合開始剤の存在下に混練する方法により、未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物が得られる。
溶融混練は、オートクレーブ、ヘンシェルミキサー、V型ブレンダー、タンブラーブレンダー、リボンブレンダー、単軸押出機、多軸押出機、ニーダー、およびバンバリーミキサーなどを用いて行うことができる。これらのうち、各成分をより均一に分散させ、かつ効率よく反応させる観点から、オートクレーブなどの、滞留時間を調整しやすく、また滞留時間を長く取れるバッチ式溶融混練が可能な装置を使用することが好ましい。
グラフト変性に用いられる不飽和カルボン酸の例には、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸-sec-ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸-2-オクチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸ヘキシル、アクリル酸イソヘキシル、アクリル酸フェニル、アクリル酸-2-クロロフェニル、アクリル酸ジエチルアミノエチル、アクリル酸-3-メトキシブチル、アクリル酸ジエチレングリコールエトキシレート、およびアクリル酸-2,2,2-トリフルオロエチルなどを含むアクリル酸エステル類、メタクリル酸メチル、メタアクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸-sec-ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸-2-オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸デシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸-2-クロロヘキシル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、メタクリル酸-2-ヘキシルエチル、およびメタクリル酸-2,2,2-トリフルオロエチルなどを含むメタクリル酸エステル類、マレイン酸エチル、マレイン酸プロピル、マレイン酸ブチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジプロピル、およびマレイン酸ジブチルなどを含むマレイン酸エステル類、フマル酸エチル、フマル酸ブチル、およびフマル酸ジブチルなどを含むフマル酸エステル類、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、クロトン酸、ナジック酸、およびメチルヘキサヒドロフタル酸などを含む不飽和ジカルボン酸類、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸、無水アリルコハク酸、無水グルタコン酸、および無水ナジック酸などを含む不飽和カルボン酸の無水物などが含まれる。これらのうち、未変性ポリオレフィンワックスとの反応性が比較的高く、それ自身が重合等による大きな構造変化が少なく、基本構造として安定な傾向があるため、無水マレイン酸が好ましい。また、無水マレイン酸が有する上記成立により、無水マレイン酸変性された変性ポリオレフィンワックスは、成形加工中の高温環境下においても安定な状態を保ち、天然繊維(B)表面への作用の度合いが低下しにくい。その結果、外観、耐熱性、加工性、および機械強度に優れた成形体を得ることができると考えられる。
不飽和カルボン酸でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックスの酸価(JIS K 2501(2003年))は、1mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることが好ましく、20mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることがより好ましく、30mgKOH/g以上87mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。
不飽和カルボン酸でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックスの酸価が上述範囲にあると、成形体の外観、加工性、耐熱性、および機械強度が高まる。これは、天然繊維(B)への相溶化剤(C)の親和性が十分に高まり、一方で熱可塑性樹脂(A)への相溶化剤(C)のなじみ性も十分に維持できるため、熱可塑性樹脂(A)と天然繊維(B)との相溶性が十分に高まって系全体の均一性が高まり、天然繊維(B)の分散性が良好となるためだと考えられる。特に、不飽和カルボン酸でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックスが低分子量であっても、上記効果が十分に奏される。
特に、成形体の加工性および外観を重視するときは、不飽和カルボン酸でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックスの酸価は、1mgKOH/g以上55mgKOH/g以下であることが好ましい。上記酸価は、20mgKOH/g以上であることがより好ましく、30mgKOH/g以上であることがさらに好ましく、42mgKOH/g以上であることが特に好ましい。また、上記酸価は、50mgKOH/g以下であることがより好ましく、48mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、46mgKOH/g以下であることが特に好ましい。
一方で、成形体の耐熱性および機械強度を重視するときは、不飽和カルボン酸でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックスの酸価は、40mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることが好ましく、50mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることがより好ましく、60mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、60mgKOH/g以上95mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、60mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、80mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることが特に好ましい。
グラフト変性に用いられるスチレン類の例には、スチレン、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、p-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-クロロスチレン、m-クロロスチレン、p-クロロメチルスチレンなどが挙げられる。
スチレン類でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックス中のスチレン類の含量は、100質量部の変性ポリオレフィンワックスに対して、1質量部以上500質量部以下であることが好ましく、5質量部以上200質量部以下であることがより好ましく、20質量部以上160質量部以下であることがさらに好ましく、22質量部以上30質量部以下であることが特に好ましい。スチレン類の含量が上述範囲にあると、変性ポリオレフィンワックスと天然繊維(B)との相溶性が良好となるとともに、粘度増大などの原因となる過度の相互作用が抑制されるため、成形体の加工性、外観、耐熱性、および機械強度を高めることができる。
未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物が、不飽和カルボン酸とスチレン類との両方でグラフト変性されているとき、不飽和カルボン酸およびスチレン類のグラフト量比「(不飽和カルボン酸)/(スチレン類)」は0.01以上1以下であることが好ましく、0.03以上0.8以下であることがより好ましく、0.05以上0.6以下であることがさらに好ましい。これらのグラフト量比を0.01以上とすることで、不飽和カルボン酸を天然繊維(B)の表面に十分に相互作用させて、成形体の耐衝撃性を十分に高めることができる。これらのグラフト量比を1以下とすることで、未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物の溶融粘度を適度に抑えて、製造を容易にすることができる。
スルフォン酸塩スチレン類でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックス中のスチレン類の含量は、1gの変性ポリオレフィンワックスあたり0.1ミリモル以上100ミリモル以下であることが好ましく、5ミリモル以上50ミリモル以下であることがより好ましい。スルフォン酸塩による変性量が上記範囲内にあると、天然繊維(B)の分散性がよくなり、成形体の機械的強度が向上しやすい。
グラフト変性された変性ポリオレフィンワックスは市販品であってもよい。市販品の例には、三菱ケミカル株式会社製、ダイヤカルナPA30(「ダイヤカルナ」は同社の登録商標)、三井化学株式会社製、ハイワックス酸処理タイプの2203A、および日本精蝋株式会社製の酸化パラフィンなどが含まれる。
(未変性ポリオレフィンワックスの空気酸化物である変性ポリオレフィンワックス)
未変性ポリオレフィンワックスの空気酸化物は、原料となる未変性ポリオレフィンワックスを溶融状態で攪拌しつつ、酸素または酸素含有ガスと接触させて得られる。原料となる未変性ポリオレフィンワックスは、130℃以上200℃以下、好ましくは140℃以上170℃以下の温度で溶融状態にすればよい。
上記酸素または酸素含有ガスは、純酸素(通常の液体空気分留や水の電解によって得られる酸素であって、他成分を不純物程度含んでいても差し支えない)であってもよいし、純酸素と他のガスとの混合ガス(たとえば空気やオゾンなど)であってもよい。
未変性ポリオレフィンワックスと酸素または酸素含有ガスとの接触は、溶融した未変性ポリオレフィンワックスを収容する反応器に対し、酸素含有ガスを反応器下部より連続的に供給して、未変性ポリオレフィンワックスと接触させる方法が好ましい。このとき、酸素含有ガスは、1kgの未変性ポリオレフィンワックスに対して1分間あたり1.0NL以上8.0NL以下の酸素が供給されるように供給することが好ましい。
このようにして得られるポリオレフィンワックスの空気酸化物の酸価(JIS K 5902(2006年))は、1mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることが好ましく、20mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることがより好ましく、30mgKOH/g以上87mgKOH/g以下であることがさらに好ましい。
ポリオレフィンワックスの空気酸化物の酸価が上述範囲にあると、成形体の外観、加工性、耐熱性、および機械強度が高まる。これは、天然繊維(B)への相溶化剤(C)の親和性が十分に高まり、一方で熱可塑性樹脂(A)への相溶化剤(C)のなじみ性も十分に維持できるため、熱可塑性樹脂(A)と天然繊維(B)との相溶性が十分に高まって系全体の均一性が高まり、天然繊維(B)の分散性が良好となるためだと考えられる。特に、ポリオレフィンワックスの空気酸化物が低分子量であっても、上記効果が十分に奏される。
特に、成形体の加工性および外観を重視するときは、ポリオレフィンワックスの空気酸化物の酸価は、1mgKOH/g以上55mgKOH/g以下であることが好ましい。上記酸価は、20mgKOH/g以上であることがより好ましく、30mgKOH/g以上であることがさらに好ましく、42mgKOH/g以上であることが特に好ましい。また、上記酸価は、50mgKOH/g以下であることがより好ましく、48mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、46mgKOH/g以下であることが特に好ましい。
一方で、成形体の耐熱性および機械強度を重視するときは、ポリオレフィンワックスの空気酸化物の酸価は、40mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることが好ましく、50mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることがより好ましく、60mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、60mgKOH/g以上95mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、60mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、80mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることが特に好ましい。
(変性ポリオレフィンワックスの物性)
変性ポリオレフィンワックスは、下記要件(i)~(iv)のいずれか1つまたは複数を満たすことが好ましく、すべてを満たすことがより好ましい。
(i)ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)が、300以上20000である。上記数平均分子量(Mn)は、500以上18000以下であることが好ましく、1000以上12000以下であることがより好ましく、1500以上12000以下であることがさらに好ましく、3700以上12000以下であることがさらに好ましく、6000以上12000以下であることがさらに好ましく、8000以上10000以下であることが特に好ましい。数平均分子量(Mn)が上記範囲内にあると、樹脂組成物中の天然繊維(B)の分散性をより良好に高めることができ、成形体の外観、耐熱性、および機械強度をより高めることができる。また、樹脂組成物の加工性、および混練性もより良好となる。
(ii)JIS K 2207(2006年)に準拠して測定した軟化点が、70℃以上170℃以下である。上記軟化点は、160℃以下であることが好ましく、150℃以下であることがより好ましく、145℃以下であることがさらに好ましい。上記軟化点は、80℃以上であることが好ましく、90℃以上であることがより好ましく、95℃以上であることがさらに好ましく、105℃以上であることが特に好ましい。軟化点が上記範囲にあると、成形体の外観、加工性、耐熱性、および機械強度がより高まる。
(iii)密度勾配管法で測定した密度が、830kg/m以上1200kg/m以下である。上記密度は、860kg/m以上1100kg/m以下であることが好ましく、890kg/m以上1000kg/m以下であることがより好ましく、895kg/m以上960kg/m以下であることがさらに好ましく、895kg/m以上935kg/m以下であることが特に好ましい。密度が上記範囲にあると、樹脂組成物中の天然繊維(B)の分散性をより良好に高めることができ、成形体の外観、耐熱性、および機械強度をより高めることができる。また、樹脂組成物の加工性、および混練性もより良好となる。その理由は明らかではないが、一般に天然繊維(B)の密度は1000kg/m以上である。これに対し、それより低い密度の相溶化剤(C)を用いることで、相溶化剤(C)が天然繊維(B)の表面に局在化した際に、天然繊維(B)表面の表面張力を下げて、天然繊維(B)の凝集力を低下させるためだと考えられる。
なお、熱可塑性樹脂(A)の密度と相溶化剤(C)の密度との差は、50kg/m未満であることが好ましく、30kg/m未満であることがより好ましく、15kg/m未満であることがさらに好ましい。密度差が上述範囲にあると、成形体の外観、加工性、耐熱性、および機械強度がより高まる。その理由は明らかではないが、密度が近似する物質同士は、互いに混ざり易い傾向にあると考えられる。すなわち、熱可塑性樹脂(A)と相溶化剤(C)との相溶性を高くして、相溶化剤(C)で被覆された天然繊維(B)の熱可塑性樹脂(A)に対する分散性を高めることができるためだと考えられる。また、密度差が上記範囲であると、熱可塑性樹脂(A)からの相溶化剤(C)のブリードアウトが抑制されるため、成形体の外観、耐熱性、機械強度がさらに高まると考えられる。
(iv)ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)が、7.0以下である。Mw/Mnは、5.0以下であることが好ましく、3.0以下であることがより好ましい。Mw/Mnが上記範囲に含まれると、物性低下を引き起こす低分子量成分が少ないため、成形体の外観、耐熱性、機械強度がさらに高まる。
相溶化剤(C)として、任意の2種以上の変性ポリオレフィンワックスを併用するときは、併用する変性ポリオレフィンワックスの融点や軟化点が互いに異なると、樹脂組成物の加工性および成形体の機械強度が高まりやすい。
2種類以上の変性ポリオレフィンワックスを併用する場合、軟化点が最も高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)の軟化点と、軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の軟化点との差が、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、20℃以上であることがさらに好ましく、30℃以上であることがさらに好ましく、40℃以上であることが特に好ましい。
変性ポリオレフィンワックス(CWH)の軟化点と変性ポリオレフィンワックス(CWL)の軟化点との差が上記範囲にあると、成形体の加工性および機械強度が高まる。また、押出機を使用するときのトルクの低減やせん断発熱の抑制が可能となる。その理由は明らかではないが、軟化点がより低い変性ポリエチレンワックス(CWL)が系内でより早いタイミングで溶融することにより、熱可塑性樹脂(A)中における天然繊維(B)の分散性が高まったり、押出機のトルクが効果的に低減したりすると考えられる。さらには、溶融した変性ポリエチレンワックス(CWL)が系内のせん断発熱を抑制して、天然繊維(B)の焼焦げを抑制すると考えられる。一方で、天然繊維(B)の分散性が高まった後に、軟化点がより高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)が溶融することにより、変性ポリオレフィンワックス(CWH)と天然繊維(B)との接触効率が高まり、変性ポリオレフィンワックス(CWH)による天然繊維(B)の改質効果が高くなる。これらの作用により、樹脂組成物の加工性を高めつつ、力学特性も効果的に向上させることができると考えられる。
軟化点が最も高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)の軟化点は、100℃以上180℃以下であることが好ましく、110℃以上175℃以下であることがより好ましい。また、軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の軟化点は、80℃以上150℃以下であることが好ましく、90℃以上145℃以下であることがより好ましい。
また、軟化点が最も高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)の融点は、90℃以上170℃以下であることが好ましく、100℃以上165℃以下であることがより好ましい。また、軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の融点は、70℃以上140℃以下であることが好ましく、80℃以上135℃以下であることがより好ましい。
このとき、軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の添加量が多いほど、天然繊維(B)の分散性が高まりやすい。具体的には、変性ポリオレフィンワックス(CWH)と変性ポリオレフィンワックス(CWL)との質量比(CWH)/(CWL)が、1/200以上1/1以下であることが好ましく、1/50以上1/1.1以下であることがより好ましく、1/20以上1/1.3以下であることがさらに好ましく、1/10以上1/1.5以下であることが特に好ましい。
軟化点が最も高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)は、不飽和カルボン酸でグラフト変性された変性ポリオレフィンワックスであることが好ましい。
また、軟化点が最も高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)の酸価は、40mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることが好ましく、50mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることがより好ましく、60mgKOH/g以上100mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、60mgKOH/g以上95mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、60mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることがさらに好ましく、80mgKOH/g以上90mgKOH/g以下であることが特に好ましい。軟化点が最も高い変性ポリオレフィンワックス(CWH)の酸価が上記範囲であると、成形体の耐熱性や機械強度がより高まる。
軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の酸価は、90mgKOH/g以下であることが好ましく、65mgKOH/g以下であることがより好ましい。軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の酸価の下限は特に限定されないが、15mgKOH/g以上であることが好ましい。軟化点が最も低い変性ポリオレフィンワックス(CWL)の酸価が上記範囲であると、樹脂組成物の加工性を低下させずに、成形体の耐熱性を高める(具体的には、荷重たわみ温度や軟化点などを高くする)ことができる。その理由は明らかではないが、成形体が軟化点以上の温度に加熱されても、変性ポリオレフィンワックス(CWL)が天然繊維(B)の表面から離脱しにくいため、加熱されても天然繊維(B)の分子運動性が高まりにくいためだと考えられる。
(2)石油樹脂(C2)
石油樹脂(C2)は、タールナフサのC5留分を主原料とする脂肪族系石油樹脂、C9留分を主原料とする芳香族系石油樹脂、およびそれらの共重合石油樹脂などとすることができる。すなわち、石油樹脂(C2)の例には、C5系石油樹脂(ナフサ分解油のC5留分を重合した樹脂)、C9系石油樹脂(ナフサ分解油のC9留分を重合した樹脂)、およびC5C9共重合石油樹脂(ナフサ分解油のC5留分とC9留分とを共重合した樹脂)などが含まれる。相溶化剤(C)が石油樹脂(C2)であると、相溶化剤(C)と他の成分との混練性が良好となる。
また、石油樹脂(C2)として、タールナフサ留分のスチレン類、インデン類、クマロン、その他ジシクロペンタジエンなどを含有しているクマロンインデン系樹脂、p-ターシャリブチルフェノールとアセチレンの縮合物に代表されるアルキルフェノール類樹脂、ならびに、ο-キシレン、p-キシレンまたはm-キシレンをホルマリンと反応させてなるキシレン系樹脂などを使用してもよい。なお、石油樹脂(C2)はバイオマス由来の原料を用いて製造されてもよい。
(3)その他の相溶化剤(C3)
また、相溶化剤(C)としては、ロジン系樹脂およびテルペン系樹脂を用いてもよい。
上記ロジン系樹脂の例には、天然ロジン、重合ロジン、ならびに、フェノール変性物およびそのエステル化物や、水素添加物などのロジン誘導体が含まれる。なお、その他の相溶化剤(C3)はバイオマス由来の原料を用いて製造されてもよい。
1-4.加工助剤(D)
加工助剤(D)は、熱可塑性樹脂(A)の結晶性を高めて、樹脂組成物の加工性を高める。
加工助剤(D)としては、相溶化剤(C)の合成の材料となるポリオレフィンワックスを使用することができる。たとえば熱可塑性樹脂(A)がポリオレフィン(A-1)であるときは、当該ポリオレフィン(A-1)と別種の樹脂(ポリオレフィン(A-1)がポリエチレンであるときは加工助剤(D)はポリプロピレンワックスなど、ポリオレフィン(A-1)がポリプロピレンであるときは加工助剤(D)はポリエチレンワックスなど)であることが好ましい。たとえば加工助剤(D)はポリエチレンワックスが好ましい。なお、加工助剤(D)はバイオマス由来の原料を用いて製造されてもよい。
1-5.その他の成分
樹脂組成物および成形体は、必要に応じて、従来公知の添加剤、たとえば、酸化防止剤、耐候安定剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、スリップ防止剤、アンチブロッキング剤、防曇剤、結晶核剤、滑剤、顔料、染料、老化防止剤、塩酸吸収剤、無機または有機の充填剤、有機系または無機系の発泡剤、架橋剤、架橋助剤、粘着剤、軟化剤、難燃剤などの各種添加剤を含有してもよい。上述の各種添加剤の含有量は、樹脂組成物の全質量に対して、5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましい。
1-6.組成比
樹脂組成物および成形体は、成形体の機械強度および耐熱性を高める観点から、熱可塑性樹脂(A)をより多く含むことが好ましい。一方で、成形体の耐衝撃性、柔軟性、グリップ性、および衝撃吸収性を高める観点から、熱可塑性樹脂(A)以外の成分(特には天然繊維(B))の量も多くすることが好ましい。これらのバランスをとる観点から、樹脂組成物および成形体は、樹脂組成物の全質量(W)に対する熱可塑性樹脂(A)の全質量の比率((A)/(W))が、0.01以上であることが好ましく、0.1以上であることがより好ましく、0.3以上であることがさらに好ましく、0.35以上であることが特に好ましい。また、0.99以下であることが好ましく、0.9以下であることがより好ましく、0.7以下であることがさらに好ましく、0.5以下であることが特に好ましい。つまり、0.01以上0.99以下であることが好ましく、0.1以上0.9以下であることがより好ましく、0.3以上0.7以下であることがさらに好ましく、0.35以上0.5以下であることが特に好ましい。
また、樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)の全質量に対する天然繊維(B)の全質量の比率((B)/(A))が、0.01以上10.00以下であることが好ましく、0.10以上5.00以下であることがより好ましく、0.25以上2.00以下であることがさらに好ましく、0.30以上1.50以下であることがさらに好ましく、0.50以上1.40以下であることが特に好ましい。
樹脂組成物および成形体が相溶化剤(C)を含むとき、相溶化剤(C)の量を多くするほど、樹脂組成物の加工性、成形体の外観、耐熱性、耐衝撃性、および耐摩耗性が高まる。一方で、相溶化剤(C)の量を適度な範囲に抑えることで、混練性および耐熱安定性を適度な範囲に調整することができるほか、成形加工時に発煙や臭気などを発生しにくくして、さらには目ヤニ(成形機の出口付近に付着蓄積する焼け樹脂、低分子量成分、および添加剤)や焼け焦げなどの発生を抑制することもできる。これらのバランスをとる観点から、樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)の全質量に対する相溶化剤(C)の全質量の比率((C)/(A))が、0.005以上1以下であることが好ましく、0.008以上0.8以下であることがより好ましく、0.01以上0.6以下であることがさらに好ましく、0.012以上0.5以下であることがさらに好ましく、0.015以上0.4以下であることが特に好ましい。
また、同様の観点から、樹脂組成物および成形体は、天然繊維(B)の全質量に対する相溶化剤(C)の全質量の比率((C)/(B))が、0.002以上1以下であることが好ましく、0.003以上0.8以下であることがより好ましく、0.004以上0.6以下であることがさらに好ましく、0.006以上0.4以下であることがさらに好ましく、0.008以上0.3以下であることが特に好ましい。
また、同様の観点から、樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)、天然繊維(B)および相溶化剤(C)の合計質量に対する、相溶化剤(C)の全質量の比率((C)/((A)+(B)+(C)))が、0.002以上0.8以下であることが好ましく、0.005以上0.7以下であることがより好ましく、0.008以上0.1以下であることがさらに好ましく、0.012以上0.09以下であることがさらに好ましく、0.015以上0.08以下であることが特に好ましい。
樹脂組成物および成形体は、成形体の機械強度および耐熱性を高める観点から、熱可塑性樹脂(A)をより多く含むことが好ましい。一方で、成形体の耐衝撃性、柔軟性、グリップ性、および衝撃吸収性を高める観点から、熱可塑性樹脂(A)以外の成分の量も多くすることが好ましい。これらのバランスをとる観点から、樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)、天然繊維(B)および相溶化剤(C)の合計質量に対する、熱可塑性樹脂(A)の全質量の比率((A)/((A)+(B)+(C)))が、0.01以上0.99以下であることが好ましく、0.1以上0.9以下であることがより好ましく、0.2以上0.8以下であることがさらに好ましく、0.3以上0.7以下であることがさらに好ましく、0.4以上0.6以下であることが特に好ましい。
また、同様の観点から、樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)、天然繊維(B)および相溶化剤(C)の合計質量に対する、天然繊維(B)の全質量の比率((B)/((A)+(B)+(C)))が、0.01以上0.99以下であることが好ましく、0.1以上0.9以下であることがより好ましく、0.2以上0.8以下であることがさらに好ましく、0.3以上0.7以下であることがさらに好ましく、0.4以上0.6以下であることが特に好ましく、0.52以上0.6以下であることが極めて好ましい。
また、同様の観点から、樹脂組成物および成形体は、熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)の合計質量に対する、天然繊維(B)の全質量の比率((B)/((A)+B)))が、0.40以上であることが好ましく、0.50以上であることがより好ましく、0.51以上であることがさらに好ましく、0.52以上であることが特に好ましい。上限値は特に制限されないが、たとえば、1.00以下であってもよく、0.90以下であってもよく、0.80以下であってもよい。つまり、((B)/((A)+(B)))は、0.40以上1.00以下であることが好ましく、0.50以上0.90以下であることがより好ましく、0.51以上0.90以下であることがさらに好ましく、0.52以上0.80以下であることが特に好ましい。
また、樹脂組成物の加工性を高める観点から、樹脂組成物および成形体は、樹脂組成物の全質量(W)に対する加工助剤(D)の全質量の比率((D)/(W))が、0.01以上0.99以下であることが好ましく、0.02以上0.9以下であることがより好ましく、0.05以上0.8以下であることがさらに好ましい。
2.樹脂組成物の製造方法
上述した樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)を溶融混練して製造することができる。
2-1.溶融混練
上記溶融混練は、熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)、ならびに相溶化剤(C)、加工助剤(D)およびその他の成分を加熱ながら混練して行う。この溶融混練を、水の存在下で行うことで、上述した特性を有する成形体を得ることができる。
上記熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)、ならびに相溶化剤(C)、加工助剤(D)およびその他の成分としては、上述した材料を使用することができる。なお、天然繊維(B)は粉末状であることが好ましいが、繊維形状、紙形状であってもよい。粉末状であるときの天然繊維(B)の平均粒子径は特に限定されないが、成形体の機械強度および耐衝撃性を高める観点から、5μm以上であることが好ましく、7μm以上であることがより好ましく、15μm以上であることがさらに好ましい。また、同様の観点から、天然繊維(B)の平均粒子径は500μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましく、60μm以下であることがさらに好ましい。天然繊維(B)の平均粒子径は、5μm以上500μm以下であることが好ましく、7μm以上100μm以下であることがより好ましく、7μm以上60μm以下であることがさらに好ましく、15μm以上60μm以下であることが特に好ましい。
溶融混練は、熱可塑性樹脂(A)が溶融する温度、具体的には熱可塑性樹脂(A)の融点よりも高い温度で行えばよい。また、溶融混練は天然繊維(B)が変質しない温度、つまりは天然繊維(B)に著しい着色、燃焼および炭化が生じない温度で行えばよい。具体的には、溶融混練は、110℃以上280℃以下で行うことが好ましく、130℃以上220℃以下で行うことがより好ましい。
本実施形態では、溶融混練を水の存在下で行うことにより、せん断力の負荷と熱水の作用(熱水による物理的作用と化学的作用(加水分解作用)を含む)により、天然繊維(B)が、混練前に凝集して存在している状態から、熱可塑性樹脂(A)の溶解とともに解砕されていくと考えられる。また、せん断力の負荷と熱水の作用により、それぞれの天然繊維(B)が天然繊維(B)同士のネットワーク状のからみ合いから解放されて、紙形状から繊維状に形状変化する。これらの作用により、天然繊維(B)を、従来よりも均一に熱可塑性樹脂(A)中に分散させることが可能となる。
また、溶融混練は、亜臨界状態の水の存在下で行うことが好ましい。「亜臨界状態の水」とは、水の臨界点(温度374℃・圧力22MPa)までには達しない高温高圧状態の水であり、より詳しくは、温度が水の大気圧の沸点(100℃)以上、かつ水の臨界点以下であり、圧力が少なくとも飽和水蒸気圧付近にある状態である。亜臨界状態の水は、0℃以上100℃以下で大気圧下の水よりイオン積が大きくなる。これにより、天然繊維(B)の分子間結合を弱め、天然繊維(B)の解繊をより促進するものと推定される。
本実施形態では、閉鎖空間を形成する密閉容器中に熱可塑性樹脂(A)、天然繊維(B)、水、ならびに相溶化剤(C)、加工助剤(D)およびその他の成分を投入してこれらを激しく攪拌し、上記攪拌により生じる熱によってケースシング中の温度を上記温度に加熱して、熱可塑性樹脂(A)その他の樹脂成分を溶融させることが好ましい。なお、密閉容器は、外部からの空気は侵入させないが、上記熱によって生じる水蒸気を排出するための排気機構を有することが好ましい。閉鎖空間内で、混合物と水とを激しく混練することにより、水の存在下での溶融混練が可能となる。一方で、上記加熱により水分を水蒸気として、この水蒸気を外に排出することにより、混練物(樹脂組成物)には水を残留させなくすることもできる。
天然繊維(B)は、一般に吸水しており、通常の混練方法では、樹脂組成物に水分を含むため、押出機内から排出できない水分が水蒸気として滞留してしまい、結果、天然繊維と樹脂の組成比が安定せず、機械強度が安定しない場合があった。しかし、本発明の製造方法では、溶融混練において水分を高温の蒸気として効率的に排出することができるため、得られる樹脂組成物の含水率を所望のレベルにまで十分に下げることが可能になる。
上述した閉鎖空間における溶融混練は、円筒状のケーシングと、外周に複数の攪拌羽根を有するロータと、ケーシングの圧力を保ちながら水蒸気を排気する排気部とを備えるバッチ式の閉鎖型混練機(たとえば国際公開2004/076044号に記載の混合粉砕装置など)を用いて行うことができる。
上記バッチ式の閉鎖型混練機は、ケーシング中に取り付けられた温度計および圧力計による測定結果をもとに、溶融混練の終了時点を判断してもよいし、ロータの回転トルクをもとに、溶融混練の終了時点を判断してもよい。たとえば、攪拌時間、上昇して最大値に達した後に下降して、トルク変化率が1秒当たり5%以下になった時点から、30秒以内に攪拌を終了することが好ましい。
3.成形
上述した樹脂組成物は、押出成形、圧縮成形、射出成形、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により、フィルム状、板状、角柱状、円柱状、その他任意の形状に成形することができる。これらのうち、射出成形による射出成形体の製造に使用することが好ましい。
4.用途
上記成形体は、例えば建築物の屋外フェンス、ウッドデッキ、パーボラ(ぶどう棚)、ラチス等のエクステリア部材、内壁材、床材、天井材、家具材等のインテリア部材、その他遊具等として使用できる。
また、上記成形体は、衝撃吸収部材としても使用することができる。衝撃吸収部材の例には、健康用品、介護用品(例:転倒防止フィルム・マット・シート)、衝撃吸収パッド、プロテクター・保護具(例:ヘルメット、ガード)、スポーツ用品(例:スポーツ用グリップ)、スポーツ用防具、ラケット、ボール、運搬用具(例:運搬用衝撃吸収グリップ、衝撃吸収シート)、産業用材料(例:制振パレット、衝撃吸収ダンパー、履物用衝撃吸収部材、衝撃吸収発泡体、衝撃吸収フィルム)、および自動車用衝撃吸収部材(例:バンパー衝撃吸収部材、クッション部材)などが含まれる。
さらに、上記成形体は、インストルメントパネル、コンソールボックス、メーターカバー、ドアロックペゼル、ステアリングホイール、パワーウィンドウスイッチベース、センタークラスター、ダッシュボード、ルーフライニング、カウルサイドトリム、ドアトリム基材、デッキトリム、インナーパネル、ピラーガーニッシュ、リアパッケージ、パッケージトレイ、スイッチベース、クオーターパネル、シート構造材、シートバックボード、アームレストの芯材、天井基材、壁材、床材、衝撃吸収材、吸音材等の自動車内装用部材;ウェザーストリップ、バンパー、バンパーガード、サイドマッドガード、ボディーパネル、カウリング、フェンダー、スポイラー、フロントグリル、ストラットマウント、ホイールキャップ、センターピラー、ドアミラー、センターオーナメント、サイドモール、ドアモール、ウインドモール、窓、ヘッドランプカバー、テールランプカバー、風防部品等の自動車外装用部材;AV機器等の各種フロントパネル;ボタン、エンブレム等の表面化粧材;携帯電話等のハウジング、表示窓、ボタン等の各種部品;家具用外装材;壁面、天井、床等の建築用内装材;サイディング等の外壁、塀、屋根、門扉、破風板等の建築用外装材;窓枠、扉、手すり、敷居、鴨居等の家具類の表面化粧材;各種ディスプレイ、レンズ、ミラー、ゴーグル、窓ガラス等の光学部材;電車、航空機、船舶等の自動車以外の各種乗り物の内外装用部材;および瓶、化粧品容器、小物入れ等の各種包装容器、包装材料、景品、小物等の雑貨などのその他各種用途に使用することもできる。
また、上記成形体は、電気絶縁材料、工業用部品材料、建築用材料、レジャー用部材、農業器具用部材、海洋または魚漁用具部材等の多くの分野で利用に好適である。特に、住宅部材、建築材料としての、巾木、表面化粧板、ドア材、外壁材、洗面化粧台、カウンター材、基礎受け板、窓枠、壁材、廻り縁木、手すり、取っ手、構造材、土木角材、柱、床柱、飾り柱、耐震材、壁紙建具天井材、下地材、畳、床、コンクリートパネル、足場材、遮蔽板、遮音板、家具の箱天井、扉、前板裏板、棚板、袖板、幕板、甲板、背板、座板、厨房部材、防水材、防かび材、防腐材、雨戸板、袖板、腰板、側板、バスユニット、床パン、バス天井、バス壁、バス、桶、衛陶機器、便座、便蓋、家電製品、ラジオテレビ受信機、キャビネット、ステレオキャビネット、アンプキャビネット、スピーカー、スピーカボックス、ピアノオルガンの親板、大屋根、巻き屋根、上下巻物板、ライフジャケットの浮力体(発泡)、サーフボード、防寒手袋材、釣り用品(浮き、装飾玉、集魚玉、疑似餌)、キャンピング用品、農業用フィルム、園芸用支柱、ビニールハウス用支柱または支柱固定用留め具、海洋フェンダー、浮き具等にも適用できる。
また、上記成形体は、自転車、電動アシスト自転車をはじめとする小型移動手段、エスカレーター、エレベーター等、有人航空機、無人航空機、超高速旅客機、ロケット、人工衛星を始めとする航空材料、燃料電池車、水素電池車、リニアモーターカー等移動手段、各種遊具、ロボットの各種部材、信号機、電線、水道管、ガス管、光ファイバーをはじめとする各種インフラ、液晶パネル、太陽電池、アンテナ、トランジスタ、OA機器内装、OA機器筐体、トイレ照明器具、傘、雨合羽、断熱材、敷板、塗料、バリヤー剤、親疎水コントロール剤、製紙材料、タイヤ、ダンパー、ホース、防振ゴム等、各種ゴム材料、食品・飲料容器、3Dプリンター用材料、農業用フィルム、液体フィルタ、エアフィルタ、半導体フィルタ、各種不織布材料、楽器、音響材料、かつら、ウィッグ、時計、墓標、メガネ、サングラス、ウェラブル端末等に使用することもできる。
以下において、実施例を参照して本発明を説明する。本実施例によって、本発明の範囲は限定して解釈されない。
なお、以下の実験において、各樹脂の物性は、以下の方法により測定した。
1.材料の用意
1-1.熱可塑性樹脂(A-1)の用意
株式会社プライムポリマー製のプライムポリプロ(商品名)グレードJ137G(ポリプロピレン)を熱可塑性樹脂(A-1)として使用した。
1-2-1.天然繊維(B-1)の用意
日本製紙株式会社製のKCフロック(商品名)グレードW-50GK(粉末セルロース)(見かけ比重0.23g/ml~0.33g/ml、平均粒子径約45μm)を天然繊維(B-1)として使用した。
1-2-2.天然繊維(B-2)の用意
日本製紙株式会社製のKCフロック(商品名)グレードW-100GK(粉末セルロース)(見かけ比重0.30g/ml~0.40g/ml、平均粒子径約37μm)を天然繊維(B-2)として使用した。
1-3-1.相溶化剤(C-1)の合成
攪拌装置、窒素導入管、コンデンサーを備えたステンレス製の熱分解装置(内容量:1.5L)にプロピレン・エチレン共重合体(エチレン2.5質量%、MFR40g/10分)を200g入れ、系内を充分に窒素置換した。次に、窒素を流入したまま熱分解装置を380℃まで昇温して上記プロピレン・エチレン共重合体を溶融させ、そのまま2.5時間加熱して上記プロピレン・エチレン共重合体を熱分解した。その後、熱分解装置を、常温まで冷却して、ポリプロピレン系ワックスを得た。500gの上記ポリプロピレン系ワックスをガラス製反応器に仕込み、窒素雰囲気下で170℃に加熱して溶融させた。次いで、無水マレイン酸26gおよびジ-t-ブチルペルオキシド5.5gを上記反応器に3時間かけて連続供給した。その後、反応器の内容物を1時間加熱反応させた。反応器の内容物を、溶融状態のまま、10mmHg真空中で0.5時間脱気処理して揮発分を除去した後、冷却し、酸変性ポリプロピレンワックスである相溶化剤(C-1)を得た。
1-3-2.相溶化剤(C-2)の合成
100質量部のプライムポリマー社製、プライムポリプロ(商品名)グレードF327(ポリプロピレン)に、1質量部の無水マレイン酸(和光純薬工業株式会社製)、0.25質量部の2,5-ジメチル-2,5-ビス(tert-ブチルパーオキシ)ヘキシン-3(日油株式会社製、商品名パーヘキシン25B)を混合し、二軸混練機(株式会社日本製鋼所製、TEX-30、L/D=40、真空ベント使用)を用いてシリンダー温度220℃、スクリュ-回転数200rpm、吐出量80g/分にて押し出し、マレイン酸変性ポリプロピレンと未反応の無水マレイン酸とを含む酸変性ポリプロピレン樹脂組成物である相溶化剤(C-2)を得た。得られた相溶化剤(C-2)をキシレンに溶解、アセトンに再沈させて精製し、無水マレイン酸のグラフト量をIRにて測定したところ0.7質量%であった。数平均分子量(Mn)はGPCにて測定したところ、Mn28,000であった。
1-3-3.相溶化剤(C-3)の合成
上記のマレイン酸変性ポリプロピレン(C-2)の製造を、100質量部のプライムポリマー社製、プライムポリプロ(商品名)グレードJ106Gを、15質量部の無水マレイン酸、2.5質量部のジクミルパーオキサイド(日油株式会社製、商品名パークミルD)を混合し、トルエン溶液中にて5時間の反応を行った以外は相溶化剤(C-2)の合成と同様にして、マレイン酸変性ポリプロピレンと未反応の無水マレイン酸とを含む酸変性ポリプロピレン樹脂組成物ある相溶化剤(C-3)を得た。得られた相溶化剤(C-3)をキシレンに溶解、アセトンに再沈させて精製し、無水マレイン酸のグラフト量をIRにて測定したところ2.8質量%であった。数平均分子量(Mn)はGPCにて測定したところ、Mn18,000であった。
1-4.加工助剤(D-1)の用意
特開2010-150436号公報の実施例に記載されているオレフィン樹脂C-4を、加工助剤(D-1)として使用した。
2.樹脂組成物の調製
2-1.樹脂組成物1
熱可塑性樹脂(A-1)と天然繊維(B-1)とを質量比で45:55(合計質量:4kg)の割合で用意した。
上記用意した天然繊維(B-1)に4kgの水を添加し、全体がなじむまで混合した。この混合物と熱可塑性樹脂(A-1)とを、ケーシングと、攪拌羽根を有するロータとを備えるバッチ式の閉鎖型混練装置(株式会社放電精密加工研究所製、MF型混合溶融装置、型式:MF5000R/L)に投入し、攪拌羽根の先端の周速を40m/秒として高速攪拌して材料を混練した。
混練を開始すると、ロータの回転トルクは、上昇して最大値に達した後、低下しつつトルクの変化率が小さくなっていった。トルクの変化率が1秒あたり5%以下になった時点で、回転トルクが最小になったとし、この最小になった時点から7秒間、混練を継続して、樹脂組成物1を得た。
2-2.樹脂組成物2~樹脂組成物10
混練装置に投入した材料の全質量を変化させずに組成比を表1に記載のように変更した以外は実施例1と同様にして、樹脂組成物2~樹脂組成物10を得た。
2-3.樹脂組成物11
熱可塑性樹脂(A-1)と天然繊維(B-1)とを質量比で49:51(合計質量:4kg)の割合で用意した。
これらを二軸混練押出機(株式会社日本製鋼所製、TEX-30、L/D=40)により200℃で加熱混練し、樹脂組成物11を得た。
3.評価
3-1.測定用試験片の用意
樹脂組成物1~樹脂組成物11をそれぞれ、80℃で15時間乾燥させた。その後、JIS7162-1B型のダンベル試験片用金型(厚み4mm)をセットした射出成形機により、成形温度180℃、金型温度80℃で射出成形し、樹脂組成物1~樹脂組成物11のそれぞれから、測定用試験片を得た。
この測定用試験片について、以下の測定を行った。
さらに、樹脂組成物5、9および11については、測定用試験片へ加工することなく、樹脂組成物5、9および11についての天然繊維(B)の平均繊維長および最大繊維長、ならびに天然繊維(B)の平均サイズ、個数、面積(%)の測定も行った。
3-2.天然繊維(B)の平均繊維長および最大繊維長
物性測定用試験片の任意の箇所を1mm×1mm×2mmにカットし、視野約3mm×3mmでX線CT撮像を行った。測定装置は高分解能3DX線顕微鏡nano3DX(株式会社リガク製)を用い、軽元素でもコントラストが得られる低エネルギー高輝度X線によるCT測定で行った。詳細な測定条件は以下の通りである。
X線ターゲット: Cu
X線管電圧: 40kV
X線管電流: 30mA
レンズ: 0.270μm/pix
ビニング: 1
回転角度: 180°
投影数: 1000枚
露光時間: 60秒/枚
カメラ画素数: 3300×2500
得られたX線CT画像を用いて、1,000×1,000×1,000vоxelの範囲について10μmピッチで天然繊維の繊維長を測定し、それらを平均して天然繊維(B)の平均繊維長とし、繊維長の分布における最大値を最大繊維長とした。
樹脂組成物1から得られた射出成形体のX線CT画像を図1に示す。
3-3.天然繊維(B)の平均サイズ、個数、面積(%)
測定用試験片から、射出成形時の樹脂の流動方向に対して垂直な方向への断面(TD断面)を切り出し、当該TD断面を1.8mm×1.2mmの範囲で高分解能走査型顕微鏡(SEM)により、ワーキングディスタンス6.5mm、75倍に拡大して観察した。観察により得られた拡大画像のうち、天然繊維(B)が充填されているエリアを黒塗りし、それ以外の領域を白塗りした二次画像を作成した。得られた二次画像を、画像解析ソフト(ImageJ)に読み込み、コマンド:Process、Binary、Make Binaryを行って二値化画像処理し、観察視野の面積における天然繊維(B)の平均サイズ(黒色領域のAverage Size)、天然繊維(B)の個数(黒色領域のCount)、天然繊維(B)の面積%(黒色領域のArea Fraction)を、コマンド:Analyze、Analyze Particlesにより算出した。
樹脂組成物1から得られた射出成形体のTD断面のSEM画像を図2Aに、図2Aから得られた二次画像を図2Bに、それぞれ示す。
3-4.シャルピー衝撃強さ
測定用試験片から切り出した10mm(幅)×4mm(厚さ)×80mm(長さ)の試験片を用い、JIS K 7111-2(2006年)に準拠して、室温におけるシャルピー衝撃試験を行った。
3-5.曲げ試験(曲げ強度、曲げ弾性率)
JIS K 7171(2022年)に準拠して、荷重レンジ200N、試験速度2mm/min、曲げスパン64mmの条件で曲げ強度、曲げ弾性率を測定した。
3-6.引張試験(引張強度、引張弾性率)
JIS K 7161-2(2014年)に準拠して、荷重レンジ2kN、試験速度50mm/minの条件で引張強度、引張弾性率を測定した。
3-7.外観品質(官能評価)
樹脂組成物を取り扱っている研究者を、官能試験者として5人集めた。平滑なテーブルに、樹脂組成物を設置し、その横に黒塗りされた紙、及び白塗りされた紙をそれぞれ設置した。そして、白を0点、黒を10点として、官能試験者が、樹脂組成物の表面外観を目視し、表面の色の点数を0点~10点の間で評価した。そして、官能試験者5人の点数を平均し、これを外観品質として評価した。なお、点数が低いほど、外観品質が優れると評価される。
4.結果
樹脂組成物1~樹脂組成物12の組成、および評価結果を表1および表2に示す。なお、樹脂組成物5、樹脂組成物9および樹脂組成物11については、測定用試験片の測定結果を5-1、9-1および11-1として、加工していない樹脂組成物の測定結果を5-2、9-2および11-2として、それぞれ示す。また、樹脂組成物2のSEM画像を図3に示す。
表1および表2から明らかなように、熱可塑性樹脂(A)と、天然繊維(B)と、を含み、X線コンピュータ断層撮影(X線CT)で撮像して測定される、前記天然繊維(B)の平均繊維長が32μm以上であり、TD方向への断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、前記天然繊維(B)の平均サイズ(μm)に対する前記天然繊維(B)の個数の比率(個数/平均サイズ)が400以上である射出成形体は、そうではない射出成形体と比較して、機械強度に優れていた。
また、表1および表2から明らかなように、天然繊維(B)の繊維長および分布に関する特性(平均繊維長、最大繊維長、平均サイズ、個数、および面積)は、射出成形の前後で大きく変化しなかった。
また、図3に示すように、相溶化剤を使用すると、熱可塑性樹脂(A)が天然繊維(B)に密着した。
本出願は、2022年9月20日出願の特願2022-149291号の優先権を主張する。当該出願の出願当初の明細書、請求の範囲および図面に記載された事項は、参照により本出願に援用される。
本発明の樹脂組成物は、天然繊維を樹脂中に分散させている従来の樹脂組成物と比較して、機械強度に優れた成形体を得ることができる。そのため、本発明は各種用途への、天然繊維を含む樹脂の樹脂組成物の適用可能性を広げ、このような樹脂組成物のさらなる普及に寄与すると期待される。

Claims (13)

  1. 熱可塑性樹脂(A)と、
    天然繊維(B)と、
    を含む樹脂組成物であって、
    いずれも前記樹脂組成物をX線コンピュータ断層撮影(X線CT)で撮像して測定される、前記天然繊維(B)の平均繊維長は32μm以上であり、かつ前記天然繊維(B)の最大繊維長は900μm以下であり、
    前記樹脂組成物をTD方向への断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、前記天然繊維(B)の平均サイズ(μm)に対する前記天然繊維(B)の個数の比率(個数/平均サイズ)は、400以上である、
    樹脂組成物。
  2. 前記樹脂組成物をTD方向への断面をSEMで撮像して測定される、1.8mm×1.2mmの範囲を、ワーキングディスタンス6.5mm、倍率75倍で撮像した画像中の、前記天然繊維(B)のが占める面積(%)に対する前記天然繊維(B)の個数の比率(個数/面積)は、700以上である、
    請求項1に記載の樹脂組成物。
  3. 前記熱可塑性樹脂(A)の全質量に対する、前記天然繊維(B)の全質量の比率((B)/(A))は、0.01以上10以下である、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  4. 前記熱可塑性樹脂(A)および前記天然繊維(B)の合計質量に対する、前記天然繊維(B)の全質量の比率((B)/((A)+(B)))は、0.50以上である、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  5. 変性ポリオレフィン(C1)を含む相溶化剤(C)を含む、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  6. 前記変性ポリオレフィン(C1)は、酸変性ポリオレフィン樹脂組成物である、
    請求項5に記載の樹脂組成物。
  7. 前記熱可塑性樹脂(A)、前記天然繊維(B)および前記相溶化剤(C)の合計質量に対する、前記相溶化剤(C)の全質量の比率((C)/((A)+(B)+(C)))は、0.008以上0.1以下である、
    請求項5に記載の樹脂組成物。
  8. ポリオレフィンワックス(D1)を含む加工助剤(D)を含む、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  9. 前記天然繊維(B)は、セルロース繊維を含む、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  10. 前記熱可塑性樹脂(A)は、ポリオレフィンを含む、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  11. 前記樹脂組成物の全質量(W)に対する、前記熱可塑性樹脂(A)の全質量の比率((A)/(W))は、0.5以下である、
    請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  12. 請求項1または2に記載の樹脂組成物を射出成形してなる、成形体。
  13. 請求項1または2に記載の樹脂組成物の製造方法であって、
    熱可塑性樹脂(A)および天然繊維(B)を、ケーシングと、攪拌羽根を有するロータとを備えるバッチ式の閉鎖型混練装置を用いて溶融混練し、かつ、
    前記溶融混練を、水の存在下、前記ロータの回転によって前記ケーシング内の温度を前記天然繊維(B)の変質が生じない温度に加熱して行う、
    樹脂組成物の製造方法。
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