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ウッドプラスチック向け熱可塑性樹脂用シリコーン添加剤

 

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イントロダクション

 木材プラスチック複合材(Wood Plastic Composites: WPC)は、木粉と熱可塑性プラスチックの複合材料である。WPCの機能は、フィラーである木粉をプラスチックに均一に分散することにより得られ、木材の風合いとプラスチックの加工性や耐久性といった両者の特長を併せ持つため、近年、エクステリア用途を中心に利用が拡大している。今回、Wacker Chemie AGが新たに開発したGENIOPLAST® MASTERBATCHESは、特殊な構造を有するシリコーンコポリマー中に有機樹脂を予め混合した製品であり、WPCへ加工助剤として添加することで、原料混練時及び成形品吐出時の摩擦を低減させる。また、従来使用されてきたステアレート系の加工助剤とは異なり、最終製品の性能を低下させることなく使用できる。

1.木材プラスチック複合材(Wood Plastic Composites)

 

 WPCは、木粉と熱可塑性プラスチックをプラスチックの融点以上の温度で混合(混練)し、プラスチックのように押出成形や射出成型をして得られる素材である。したがって、フィラー充填プラスチックと同じカテゴリーであり、フィラーが炭酸カルシウム、タルクあるいはガラス繊維等の無機素材から、木粉に代わっただけと考えればよい。現在、木粉充填率(重量比)が50%程度のWPCは、デッキ材などのエクステリア製品において使用が拡大している。

表1にWPCの一般的な配合処方を示す。


 

図1.WPCの用途

 

 

 

 一般的に木粉充填率が多くなるほど、加工時の熱流動性が低下し、混練及び成形が困難になる。これまで、流動性を改善するために、WPCの製造時にはステアレートやワックス等の加工助剤が添加されてきた。しかし、既存の加工助剤では潤滑効果が十分でないため、さらなる木粉の高充填化が難しく、さらには、最終製品の性能を低下させる等の問題があった。

 即ち、今回、Wackerが新たに開発したGENIOPLAST® MASTERBATCHESは、既存のWPC向け加工助剤より優れた潤滑性を有し、最終製品の性能を維持したまま、WPCの生産性を向上させる。

 

    

表1.WPCの一般的な配合処方

 成分 比率 原料の種類 役割
 木粉 30-70

ハードウッド
ソフトウッド

フィラー 
プラスチック 20-60

PE、PP等

(リサイクルも可)

バインダー樹脂
 顔料 0-10 各種顔料 顔料
 カップリング剤 1-3 有機酸グラフトPP等 混練性向上
 加工助剤

(プロセスエイド)

2-4

ステアレート、
ワックス等

混練性と
吐出性向上

 

 

2. GENIOPLAST® MASTERBATCHESとは

  

 GENIOPLAST® MASTERBATCHESは、特殊な構造を有するシリコーンコポリマー中に、各有機樹脂を予め混合し、ペレット状に成形した製品である。表2にGENIOPLAST® MASTERBATCHES 2製品の各物性を示す。

 

 

    

表2.GENIOPLAST® MASTERBATCHESの各物性

 各物性 PP 20A08 SLM 446402*
 密度(25℃, 1013hPa) 0.923 g/cm3

0.93 g/cm3

 有機マトリックス Polypropylene

HDPE

 メルトインデックス

 (g/10分)

4 0.3
 シリコーンコポリマー 分 20% 40%
 推奨添加量 0.5 – 2%

1 – 3 %

 外観 白色顆粒

白色顆粒

*開発品

 

3. GENIOPLAST® MASTERBATCHESの優位性

  

 GENIOPLAST® MASTERBATCHESのWPCへの加工助剤としての効果は、混練時及び成形時の木材プラスチック複合材の内部と外部表面の摩擦を低減させることである(図2)。この効果により、従来のステアレートやワックスのような有機系加工助剤と比較して、混練の容易化と吐出量の増加が期待できる。下記にGENIOPLAST® MASTERBATCHESの従来の有機系添加剤に対する優位点を右に列記する。

 

 

  GENIOPLAST® MASTERBATCHESの優位点

    

  ◇WPCの製造コストの削減

 ・有機系助剤より、少量添加で効果発現

 ・木粉の高充填化が可能(プラスチック分の減量)

 ・吐出量の増加

 ◇消費電力の削減

 ◇最終製品の機械的物性の改善

 ◇最終製品の表面特性の向上 

 

 

    

 シリコーンコポリマー中の極性の高いウレア結合が水素結合を介して木粉の極性部位と結合するため、木粉のプラスチックへの均一分散性、相溶性を向上させる。

 

 シリコーン鎖は木材プラスチック複合材と成形機の間の優れた滑剤として成形時の摩擦を低減させる。

 図2.GENIOPLAST® MASTER BATCHESによる摩擦低減メカニズム



4. 混練時及び押出し成形時の潤滑性の向上

   GENIOPLAST® MASTERBATCHESの開発品SLM 446402と、一般に広く用いられているステアレートを表3の添加率にて加工助剤として添加し、混練及び成形した際の試験結果を下記に示す。

 表3.加工助剤添加条件

組成 詳細 Reference
(加工助剤なし)
Run1
(ステアレート2%)
Run2
(SLM 1.5%)
Run3
(SLM 2%)
PE HDPE 38 36 34 36.5
木粉 ソフトウッド 60 60 60 60
カップリング剤 無水マレイン酸
グラフトHDPE
2 2 2 2
加工助剤  ステアレート
(既存製品)
- 2 - -
SLM 446402 - - 1.5 2

 

i) 混練時の潤滑効果
加工助剤なし及びステアレート添加条件と比較して、混練時のトルク、圧力を低下させる効果が発揮された(図3,4)。

 図3.混練時の各条件でのトルク    図4.混練時の各条件での圧力


ii) 成形時の潤滑効果
押出成形では、トルク、圧力がステアレート使用品より高くなったが、助剤無しのものよりは低い値が得られ、一定の潤滑効果が認められた(図5,6)。

図5.成形時の各条件でのトルク   図6.成形時の各条件での圧力


5. 最終製品の性能の向上

 GENIOPLAST® MASTERBATCHESのSLM 446402と従来品のステアレートを加工助剤として使用したときの最終製品の各物性値の測定結果を下記に示す。

i) 機械的物性の維持
 曲げ弾性率及び曲げ強度は共に加工助剤なしと同等の数値を示した。ステアレート添加時に確認された曲げ強度の低下は確認されなかった(図7,8)。

  
図7.曲げ弾性率(EN ISO 178)   図8.曲げ強度(EN ISO 178)

ii) 表面特性の維持
吸水率及び膨張率は共に加工助剤なしと同等の数値を示した。ステアレート添加時に確認された表面特性値の上昇は確認されなかった(図9,10)。

図9.吸水率(EN 15534-1)   図10.膨張率(EN 317)



iii) その他の物性
硬度及び耐傷付き性改良、耐衝撃性は加工助剤なしとほぼ同等レベルであることが確認された(表4)。

表4.硬度及び耐傷付き性改良、耐衝撃性の試験結果




6. 終わりに

  以上に紹介したように、GENIOPLAST®  MASTERBATCHESは、従来、WPC用の加工助剤として使用されてきたステアレートと同レベルの混練時及び成形時の潤滑効果が期待できるだけでなく、最終製品の機械的物性や表面特性を損なわないという利点が確認された。また、従来のステアリン酸と比較して、少ない添加量で十分な効果を発揮することから、配合原料のコスト削減にもつながる。

参考文献
1) ウッドプラスチックにおけるセルロースナノファイバー技術の応用, 伊藤弘和著,
2) 木質高充填複合プラスチックの製造技術 2, 海老原昇著,


シリコーン活用辞典

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