Wood-Plastic Composite Fabrication/ja

位置データ

地図	地図を読み込んでいます... +− リーフレット| © OpenStreetMap寄稿者
位置	キングストン、カナダ
座標	北緯44° 13' 50.47"、西経76° 28' 52.76"

木材プラスチック複合材（WPC）は、有毒化学物質を含まずに耐久性に優れた、非常に有望で持続可能なグリーン素材です。^{[ 2 ]}最初のWPCは1970年代にイタリアで発見され、それ以来北米で普及しています。WPCの物理的および機械的特性は、材料中の植物とポリマー繊維の相互作用に大きく依存しています。この製造プロセスのエネルギー効率を向上させるため、WPC製造に使用されている現在の配合方法と成形プロセスを研究し、各プロセスの限界を軽減する方法を見つけます。

木材プラスチック複合材料と持続可能性

現在市販されている複合材料のほとんどは、製品の長寿命化を図るため、高い耐久性を備えて製造されています。^{[ 3 ]}残念ながら、これらの製品を製造するために、企業は従来、再生不可能な資源から作られた非生分解性のポリマーや繊維を使用してきました。複合材料の用途が増加するにつれて、これらの複合材料が想定された耐用年数を超えた後の廃棄方法が重要になっています。2つの異なる材料で構成される典型的な複合材料は、簡単にリサイクルまたは再利用できません。^{[ 3 ]}このリサイクル不能性により、これらの複合材料は焼却または廃棄されており、非常に高額な費用がかかり、汚染の増加につながっています。

グリーンピースなどの団体やNGOは長年にわたり、「グリーン複合材」の研究と普及を推進し、複合製品の性能、重量、コストの向上を目指してきました。こうした「グリーン」複合材の一つが、木材プラスチック複合材です。WPCでは、アラミド繊維やガラスなどの無機繊維の代わりに、生分解性繊維が使用されています。無機繊維の代わりに木材繊維を使用することで、WPCはエネルギー効率が向上します。これは、木粉、木材くず、古い家具、麻繊維、竹など、残った木材製品を製造に再利用できるため、廃棄コストを削減できるからです。従来の複合材は通常、使用後に焼却するか埋め立て処分する必要がありますが、WPCはCO2を排出せずに焼却するか、（中空構造のため）防音材や断熱材として再利用することができます。^{[ 3 ]}

最近、木材プラスチック複合材料の製造に大量のリサイクル材料を使用する開発が盛んに行われています。材料を再利用およびリサイクルする方法が開発され、実用化の準備ができています。もちろん、材料を回収して新しい部品に作り直すには余分なエネルギーが必要ですが、製品の寿命は長く、同じ材料を再成形できる回数は、現在のところアルミニウムやブリキ缶と同じくらいと推定されています。有望な新しい会社/製品がポリプランクです。^{[ 4 ]}この会社は、製材所から出る廃棄物である木質繊維のみを使用しています。同社は、材料の鋸引きや穴あけは木材と同じくらい簡単で、同じ工具を使用できると主張しています。ただし、欠点は、リサイクルプロセスを秘密にしておきたいため、自社の工場でのみ行われるように見えることです。（後で他社にプロセスのライセンス供与を決定しない限り、長距離輸送になります。） しかし、彼らは工場の暖房に自社の廃棄物を使用しています。

WPC材料配合プロセス

木材プラスチック複合材の製造における最初の工程は、コンパウンドと呼ばれ、有機植物繊維と無機熱可塑性樹脂を混合します。この処理工程で使用される木材繊維の割合は、製造される製品の引張強度とヤング率に直接影響するため、非常に重要です。グラフ1とグラフ2は、木材繊維の量を変化させた場合に、製造されるWPCの相対引張強度と相対引張弾性率がそれぞれどのように変化するかを示しています。
注：両グラフの各トレンドラインは、異なる化学組成の熱可塑性樹脂マトリックスにおける、異なる木材繊維の割合の影響を示しています。

グラフ1：WPCの相対引張強度と熱可塑性マトリックス中の木質繊維の割合の関係[ 5 ]	グラフ2：WPC相対引張弾性率と熱可塑性マトリックス中の木質繊維の割合の関係[ 5 ]

WPCに使用される木材の量がその機械的特性に与える影響が判明したことで、配合プロセスがどのように進行するかを分析できるようになりました。このプロセスでは、木質繊維と熱可塑性樹脂を強力せん断ミキサーで溶融温度まで加熱し、新しい複合材料中にそれぞれが均等に分散するようにします。新しく形成された複合材料が十分に混合された後、冷却され、ペレット化されて3つの成形プロセスのいずれかに使用されます。配合プロセスは従来、材料内に高いせん断力を発生させて均等に分散させるのに多大なエネルギー投入が必要となるため、非常にエネルギー効率が悪いものでした。

制限事項

配合工程におけるエネルギー効率の向上を図る際に直面する大きな制約は、植物繊維と熱可塑性マトリックスの相溶性の低さです。この相溶性の低さは、親水性の植物繊維と疎水性ポリマーを混合しようとすることに起因します。これらの繊維の親水性により、木材は混合時に膨張し、固化時に収縮するため、それぞれのマトリックスに大きな凝集体と空隙が形成されます。

図2に示すこれらの凝集体と空隙の形成は、植物繊維の親水性と分子拡散係数^Wの両方に直接関係していると考えられます。フィックの拡散の第一法則と拡散係数を表す以下の式を検討することで、プロセス特性を変更してエネルギー効率を向上できるかどうかを判断できます。

上記の式から、材料全体における粒子の拡散／流動は温度に依存することがわかります。膨潤した木質繊維のサイズが大きく、処理温度が比較的低い（通常160℃程度）ため、木質繊維は拡散するのに十分なエネルギーを持たず、大きな凝集体が形成されると考えられます。これらの粒子に利用可能なエネルギーを増やすには、混合プロセスの温度を上げる必要があると考えられますが、植物繊維は過度に高い温度に耐えられないため、これは不可能です。

配合中のミキサーの最高温度は、木質繊維に悪影響を与えるため、200℃を超えることはできません。植物繊維が200℃を超える温度にさらされると、繊維の熱劣化が起こり、物理的および化学的変化が生じます。これらの変化には、臭気の発生、色の変化、多孔性の増加、密度の低下、機械的特性の低下などが含まれます。

したがって、配合プロセスのエネルギー効率を高めるためには、植物繊維の不均一な分布、親水性、温度制限を改善して、よく混合された木材プラスチック複合材を形成するために必要なエネルギーを少なくする必要があります。

WPC成形プロセス

木材プラスチック複合材製造の 2 番目のステップでは、圧縮成形、押し出し成形、または射出成形を使用してペレット化された化合物から新しい複合材を形成します。

圧縮成形

従来、木材プラスチック複合材は圧縮成形^（WPC）によって製造されていました。WPCの製造においてこのプロセスを用いる欠点は、製造される部品がどれも汎用的な形状になってしまうことです。つまり、完成品を製造するには、無駄が多くコストのかかる追加の製造プロセスが必要になります。^{[ 5 ]}このような製造時の材料効率とエネルギー効率の悪さから、圧縮成形プロセスは広く普及しておらず、本稿では取り上げません。

押し出し

現在、業界標準として利用され、木材プラスチック複合成形における圧縮成形プロセスの改良である押出^Wプロセスは、単軸スクリューまたは二軸スクリュー押出機のいずれかで実行できます。

単軸スクリュー押し出し

木材プラスチック複合成形に最初に使用された押出機は、単軸スクリュー押出機でした。単軸スクリュー押出プロセスでは、スクリューとバレルの表面に摩擦が生じ、図4に示すように、材料がホッパーからダイへと押し出されます。材料がバレルを下降する速度は、スクリューによって生じる摩擦力、スクリューのねじ径、および回転速度に直接関係しています。バレル内の摩擦力は、次の式で表されます。

この摩擦力は材料を押出機のバレル内へ押し出すために不可欠ですが、この力を発生させるには多大なエネルギーが必要であり、部品の特性に悪影響を与える可能性があります。押出プロセスにおける材料効率とエネルギー効率を向上させるため、単軸押出機のより効率的な改良として、二軸押出機について考察します。

射出成形

圧縮成形や押し出し成形プロセスと比較すると、図 5 に示す射出成形^Wプロセスは、木材プラスチック複合材の製造分野では新しいものです。射出成形プロセスでは、材料は加熱されたバレルに送り込まれ、混合され、金型キャビティに押し込まれ、そこで冷却されて金型キャビティの形状に合わせて硬化します。^{[ 10 ]}このプロセスを使用した WPC の製造で直面する 2 つの主な課題は、材料特性のばらつきとホッパーからの供給です。^{[ 11 ]}残念ながら、射出成形プロセスは普及していないため、この記事では取り上げません。ただし、この成形プロセスに見られるいくつかの制限は、この記事で説明するコンパウンド プロセスで見られる制限と非常によく似ていることを述べておきます。

WPC製造における効率の向上

木材プラスチック複合材の製造プロセスにおける主な非効率性の2つの要因は、有機繊維と無機熱可塑性樹脂の混合が困難であることと、押出成形に大量のエネルギーが必要となることです。配合と成形の効率を向上させるには、これらの制約を改善する必要があります。

複合材料における繊維と熱可塑性樹脂の適合性向上

木材繊維と無機熱可塑性樹脂との適合性を改善するには、この適合性の悪さを引き起こす制限を改善する必要があります。

熱可塑性複合材に木質繊維を使用する際の第一の制約は、その親水性です。この制約を改善するには、木質繊維をPPgMAなどの疎水性化学物質で処理する必要があります。この処理により、配合工程中に木質繊維が吸収する水分量が制限され、材料中に形成される空隙が減少します。この空隙率の減少により、WPCの材料特性を最大限に引き出すことができます。

配合工程における2つ目の制約は、木材繊維と熱可塑性樹脂マトリックス間の分散性の欠如です。この制約を改善するには、混合工程においてカップリング剤を導入し、木材と熱可塑性樹脂の結合を促進する必要があります。図6に示すように、カップリング剤の導入は、WPCの引張強度に大きな影響を与える可能性があります。アンドレア・ウェクスレラとサリム・ヒジログルによる実験では、配合工程でカップリング剤を添加すると、最終製品の引張強度が2109MPaから3560MPaに、つまり68%増加する可能性があることが示されました。^{[ 12 ]}

3つ目、そして最後の制約は、配合工程で許容される加工温度が低いことです。配合および成形工程では、高温では木材繊維の熱劣化が起こるため、高温に達することができません。これらの工程の温度を上げるために、木材繊維をモノマーにグラフト化することで、木材繊維の周囲に保護コーティングを形成し、現在の最高温度である200℃を超える温度まで加熱することが可能になります。

これらの変更を実施することで効率性が向上します

これら3つのアイデアを実行することで、混練工程の温度を高め、繊維への入力力を同等かそれ以下に抑えながら、WPCの混合時間を短縮することができます。この混合時間の短縮により、混練工程のエネルギー効率が向上します。

押し出しプロセスの改善

WPC 成形に使用でき、この成形プロセスのエネルギー効率を向上させる新しいタイプの押出機は、図 7 に示す噛み合い式二軸スクリュー押出機です。この二軸スクリュー押出機が単軸スクリュー押出機に対して持つ主な利点は、成形中に得られる材料とエネルギーの効率が向上することです。

共回転スクリューを備えた噛み合い二軸スクリュー押出機では、押し出された材料はより均一に混合され、一軸スクリューの押出機よりも押出バレル内での滞在時間が短くなります。この滞留時間の短縮は、バレルを下る材料の速度が上昇することによって生じ、これは背圧が排除されることによって可能になります。^{[ 5 ]}背圧^{W は}、スクリューによって生じる摩擦力のために一軸スクリュー押出機に存在します。この噛み合い押出機で 2 つのスクリューを使用すると、スクリュー自体を使用して材料を移動させ、摩擦を使わずに背圧を排除できます。^{[ 5 ]}この材料速度の増加により、成形中のエネルギー入力が少なくなり、押し出し中の材料温度の上昇が低くなり、最終製品の材料特性が向上し、エネルギー効率が向上します。^{[ 5 ]}さらに、この設計では、この成形プロセスを使用する際にコンパウンド プロセスが必要ないため、材料効率が向上し、プロセス間で材料が失われることはありません。

エネルギー効率と材料効率の向上にもかかわらず、二軸スクリュー押出機は単軸スクリュー押出機からのアップグレードとしては非常に高価であり、多くのメーカーが導入を躊躇しています。このより効率的な機械へのアップグレードに伴う経済性については、以下で説明します。

木材プラスチック複合製品の導入に関する経済分析

木材プラスチック複合材は一般的に産業用途で使用されているため、木材プラスチック複合材の一般価格がどの程度になるかは不明です。しかし、ごく一般的に言えば、通常の木材複合材や従来の複合材の代わりに木材プラスチック複合材を導入する場合、コストは約2倍から3倍高くなることがわかりました。

WPC 製品の価格に加えて、製造プロセスの改善を実施するためのコストを分析することができます。配合プロセスの改善に使用される製品は安価であるため、押し出しプロセスの改善についてのみ説明します。単軸スクリュー押出機から二軸スクリュー押出機へのアップグレードのコストは、最も容易に利用可能でした。新しい二軸スクリュー押出機は約 20 万ドルですが、新しい単軸スクリュー押出機は約 8,000 ドルです。^{[ 14 ] [ 15 ]}これらの価格の違いは、主に二軸スクリュー押出機が単軸スクリュー押出機よりも新しい技術であることに起因します。この大きな価格差のため、多くのメーカーは単軸スクリュー押出機にとどまり、配合の制限のみを改善することを決定しました。

現在の産業への応用

一般的に、繊維強化ポリマー複合材料は、金属に比べて比強度と弾性率が高いため、様々な構造用途に使用されています。^{[ 3 ]}図8に示すように、WPCの現在の用途は、自動車、建設、海洋、電子、航空宇宙産業です。

木材プラスチック複合材の最初の主要な用途は建設業界で、床材として利用されました。1970年代後半に行われた実験により、WPCは床材として木材よりも優れた多くの材料特性を備えていることが判明しました。これらの特性には、吸湿率の低さ、耐火性の向上、硬度と圧縮特性の優位性などが含まれます。この最初の用途以来、WPCは建設業界で手すり、弓、ナイフ、その他様々な格闘技の武器の製造に使用されてきました。^{[ 16 ]}

現在、WPCの最も一般的な用途は、自動車産業と航空宇宙産業です。これらの産業では、WPCは部品の機械的強度と生分解性を向上させるだけでなく、車外騒音、材料重量、エネルギー消費量を削減するために使用されています。最近、WPC部品を採用した自動車メーカーには、ダイムラー・クライスラー、メルセデス・ベンツ、フォルクスワーゲン、アウディ、BMW、フォードなどがあります。^{[ 17 ]}

さまざまなWPC素材が、住宅建設やピケットフェンス、特に地面近くやプールや温水浴槽の周りに置かれるデッキなどの用途で、化学的に含浸された木材の代わりとして使用することが最近注目されています。^{[ 18 ] [ 19 ]}

参考文献

南京GIANT機械有限公司：http://www.giant-extruder.com/

ページデータ

の一部	メカ370
キーワード	材料加工、複合材、グリーンマテリアル
SDG	SDG09 産業革新とインフラ整備、SDG11 住み続けられるまちづくりを
著者	トーマス・ピノス、ヨハン・レフストロム
ライセンス	CC-BY-SA-3.0
位置	{{{座標}}}
組織	クイーンズ大学
言語	英語(en)
翻訳	インドネシア語、ベトナム語
関連している	2つのサブページ、10ページがここにリンクされています
ビュー	2,868 ページビュー (アナリティクス)
作成	2009 年10 月 24 日、トーマス・ピノス
最終編集	2024年3月8日キャシー・ナティヴィ
引用元	Thomas Pinos、Johan Löfström (2009–2024). 「木材・プラスチック複合材の製造」 . Appropedia . 2025年8月31日閲覧。
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