植物由来原料を用いた歯ブラシの商品化

植物由来原料を用いた歯ブラシの商品化
－でんぷん粉末射出成形技術の実用化研究－
稲員尚紀 ○山下美月 廣瀬友典 平澤純一(ネクサス株式会社)
上村 誠(熊本県産業技術センター)
1
諸言
世界的に低炭素社会への対応が求められている
中、環境配慮型技術の導入が積極的に進められてい
2
歯ブラシ用材料の開発
2-1 開発した歯ブラシ材料用の種類
材料開発は、先に開発されていた、でんぷん粉末
る。わが国でも 25%の CO２排出量削減を目指し、
51%とポリ乳酸(PLA と略)49％をベース材として、
様々な動きがとられている。
それにポリブチレンアジペートテレフタレート
バイオプラスチックは、低炭素社会の実現の為の
(PBAT と略 エコフレックス BASF 製)を混合した
切り札として登場した。しかし、高価な材料である
材料(A 系)と、ベース材にポリ(3 ヒドロキシ酪酸－3
ことを主な理由にその普及は期待されたほど進んで
ヒドロキシヘキサン酸)(PHBH と略 AONILEX カ
いないのが現状である。そこでバイオマスを直接添
ネカ製)を混合した材料(B 系)を開発した。また、比
加する等の原料の低コスト化等のさらなる高機能化
較材として石油系ではあるがでんぷん粉末にポリプ
に関する研究開発が行われている。しかし、バイオ
ロピレン(PP と略)を 30%以上添加した材料(C 系)も
プラスチックや石油系プラスチックにバイオマス粉
新規に開発を行った。
末を大量添加するのは困難で、最大でも 30％程度
2-2 開発材料の特徴とその組成
しか添加することが出来なかった。しかも、粉体の
① でんぷん＋PLA＋PBAT 添加(A 系)
導入により射出成形性等の加工性が著しく低下して、
最終製品のコストが非常に高いものとなっていた。
この材料は、ベース材のみでは、柔軟性が不足す
るため、PLA と相溶性も良好で柔軟性も非常に良い。
我々の研究グループでは、バイオマス粉末の添加
PBAT を添加することで、歯ブラシの植毛の際に発
量を極限まで向上させることが出来る混練技術を開
生する白化や割れ等の不具合を解消できる材料であ
発し、バイオプラスチックにでんぷん粉末を重量比
る。その組成を下記に示す(表１)。この材料に添加
51%以上導入したにも関わらず、良好な加工性を示
した PBAT は、石油系ポリマーではあるが、生分解
す完全植物由来の射出成形用材料を開発することに
性を有しているポリマーである。
成功した。
我々は、その混練技術を利用した製品開発を進め
て来た中で、特に環境先進国のドイツ等の EU 諸国
では、完全植物由来の脱石油化製品が強く求められ
ていることを知り、手始めに自社製品としての販売
が可能な射出成形品(歯ブラシ)の開発に着手した。
表 1 A 系の材料種類とその組成
配合名 でんぷん
PLA
ベース材
51
49
A-10
51
39
A-15
51
34
A-20
51
29
(wt%)
PBAT
0
10
15
20
② でんぷん＋PLA＋PHBH 添加(B 系)
今回の報告では、完全植物由来材料で作製した歯
A 系で作製した材料は、強度及び成形加工性が非
ブラシの商品化に関する技術開発を行ったので、そ
常に優れているが、組成の一部に、生分解はするも
の開発の経緯や、その中で行った評価実験の詳細に
のの石油系ポリマーを用いていた。この為、完全植
ついて報告する。
物由来を実現するために、最近市場に出始めている
PHBH を PBAT の代替材として添加して、柔軟性や
強度、成形加工性を確保する狙いで作製した。
用量の関係や生産性の問題で石油系が安いのが現状
その組成を下記に示す(表 2)。
であるが、今後は植物由来の材料への転換が予測さ
表 2 B 系の材料種類とその組成
配合名 でんぷん
PLA
ベース材
51
49
B-10
51
39
B-15
51
34
B-20
51
29
B-30
51
19
(wt%)
PHBH
0
10
15
20
30
れているので、原料コストも低下してくると考えら
れる。
原料コスト C 系＜A 系＜B 系
材料特性と原料価格の比較を下記に示す(図 1)。
③ でんぷん＋PP 添加(C 系)
A 系・B 系の比較材として石油系ポリマーでは
ありますが PP 添加材の作製も行った。この PP 添
加系では、加工性等の問題で従来でんぷんを 30%
しか添加できていませんでしたが、開発した混練
方法を用いることで混合比率を少なくとも20%以
上は向上させることが可能となった。その組成に
ついて表 3 に示す。
図 1 材料特性と原料価格の関係
表 3 C 系の材料種類とその組成 (wt%)
配合名 でんぷん
PP
C-30
30
70
C-40
40
60
C-50
50
50
4 結果とまとめ
射出成形性も非常に良く、植毛の際、白化や割れ
等の不具合が見られない良好な歯ブラシを作製する
ことが出来るようになった(図 2)。
開発材の中でも、PBAT20%添加材が、最適である
3
実験
ことがわかった。現時点では、ＰＰ材には特性・コ
3-1 材料調製と試作評価
開発材料の混練特性を把握するため混練試験機
(ラボプラストミルS5－150東洋精機製作所製) を用
スト共に及ばないものの、CO2 排出等の環境面を考
慮すると、若干特性・コスト共に低下するが、現時
点では、PBAT 入りが最適である。
いて、材料の混合・分散性の評価を行った。次に、
材料の流動特性を把握するために、フローテスター
(CFT-500C 島津製作所) を用いてメルトフローレー
ト(MFR)測定を行った。これらで得られたデータを
基に、80 トン射出成形機(80MSP－2.5A 三菱重工
業製)を用いて成形試作を実施し、成形性評価と引張
試験用のテストピースを作製した。射出成形体の機
械特性を把握するために引張試験機(AUTOGRAPH
AZ-100NG 島津製作所製)を用いて、強度等の特性を
評価した。これらの結果を基に、本材料に最適な金
型を作製して、40 トン射出成型機(PS40E 日精樹脂
工業製)を用いて、歯ブラシの射出成形試作を行った。
その後、植毛試験を実施した。
3-2 材料特性と原料コスト
数種類の材料を開発し、特性評価を実施して来た
が、それらをまとめると下記のようになる。
引張強度
B 系＜A 系＜C 系
柔軟性
B 系＜A 系＜C 系
また、原料コストを整理すると、現時点では、使
図 2 歯ブラシ射出成形品と植毛品
5 お問い合わせ先
ネクサス株式会社
〒861-0821
熊本県玉名郡南関町下坂下 1683－4
TEL:0968－53－8181
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Ｅ－mail: [email protected]
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