CN101360593A - 含有扁平玻璃纤维的粒料、含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物以及它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供得到不仅拉伸强度优异而且冲击强度也优异，表面平滑性也提高的含有玻璃纤维的热塑性树脂成型物用的原料。优选的含有扁平玻璃纤维的粒料(100)，是在热塑性树脂形成的粒料(10)中使多根截面扁平的扁平玻璃纤维单丝(20)沿一个方向排列以使该单丝的两端面到达粒料表面而成。

Description

含有扁平玻璃纤维的粒料、含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物以及它们的制造方法
技术领域
本发明涉及含有扁平玻璃纤维的粒料、含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物以及它们的制造方法。
背景技术
用玻璃纤维增强的热塑性树脂成型物，一般将多根玻璃纤维单丝集束并切成设定长度的玻璃纤维短切原丝，与热塑性树脂粒料一起熔融混合，然后将其注射成型而制造。
然而，该制造方法在注射成型时往往将玻璃纤维粉碎，残留在最终制品中的玻璃纤维的纤维长度变得极短，强度(拉伸强度等)或抗冲击性变得不充分。另外，玻璃纤维单丝伴随着注射成型时树脂的流动而取向，使成型物出现方向性，有时发生翘曲。
为了解决这样的问题，提出了使用截面扁平的扁平玻璃纤维来代替利用了圆形截面的玻璃纤维单丝的玻璃纤维短切原丝，将其与热塑性树脂混合熔融进行注射成型的方法(专利文献1)。另外，也研究了使用使长玻璃纤维浸渍热塑性树脂后切断而成的粒料(专利文献2)。
专利文献1：特公平2-60494号公报
专利文献2：开平5-9380号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1所述的方法，的确拉伸强度提高，也防止成型物产生方向性，能够得到表面平滑性或防翘曲的效果。然而，对于抗冲击性(冲击强度)，在改变使用的热塑性树脂的种类时，有时与使用了圆形截面玻璃纤维的场合同等程度地降低。特别地，使热塑性树脂为聚酰胺树脂的场合，有显著地产生该现象的问题。其理由虽然不清楚，但认为受热塑性树脂的熔融粘度以及热塑性树脂与玻璃纤维单丝的粘合性的影响，有时成型时热塑性树脂中纤维束的流动性与分散性的平衡遭到破坏。
另一方面，专利文献2所述的方法，虽然能够期待拉伸强度以及冲击强度的提高，但难以防止翘曲和提高表面平滑性。
因此，本发明的目的在于提供即使是使用聚酰胺树脂作为热塑性树脂的场合，不仅拉伸强度优异，而且冲击强度也优异，抑制翘曲的发生，表面平滑性也提高的含有玻璃纤维的热塑性树脂成型物及其制造方法。本发明的目的还在于提供为了制造这样的含有玻璃纤维的热塑性树脂成型物而使用的、含有玻璃纤维和热塑性树脂的原料及其制造方法。
用于解决课题的方法
为了达到上述目的，本发明提供在热塑性树脂形成的粒料中，使多根截面扁平的扁平玻璃纤维单丝沿一个方向排列以使该单丝的两端面达到上述粒料表面的含有扁平玻璃纤维的粒料。
使用这样的含有扁平玻璃纤维的粒料采用注射成型制造含有玻璃纤维的热塑性树脂成型物时，能够抑制随成型时的玻璃纤维粉碎产生的玻璃纤维的短纤维化。由此，不仅成型物的拉伸强度而且冲击强度也提高，并且也抑制成型物产生方向性的现象，防止成型物的翘曲且表面平滑性也提高。此外，不依赖于热塑性树脂的种类而发挥上述效果，对以往困难的聚酰胺树脂也能够得到稳定的特性。
扁平玻璃纤维单丝的纤维长优选为2-50mm，排列在粒料中的上述扁平玻璃纤维单丝的数优选为500-8000根。通过采用这样的构成，能够显著地发挥上述效果。
上述的含有扁平玻璃纤维的粒料，可采用下述的制造方法高效率地进行制造：使将多根截面扁平的长扁平玻璃纤维单丝并丝排列而成的纤维束，与热熔融的热塑性树脂一起，穿过形成有贯通孔的模头的该贯通孔而抽出，将抽出而得到的附着有热塑性树脂的纤维束切断。
发明效果
根据本发明，提供即使是使用聚酰胺树脂作为热塑性树脂的场合，不仅拉伸强度优异，而且冲击强度也优异，抑制翘曲的发生，表面平滑性也提高的含有玻璃纤维的热塑性树脂成型物及其制造方法。另外，还提供为了制造这样的含有玻璃纤维的热塑性树脂成型物而使用的、含有玻璃纤维和热塑性树脂的原料及其制造方法。
附图说明
图1是第1实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料的斜视图。
图2是第1实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料的正面图、侧面图和平面图。
图3是第2实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料的正面图、侧面图和平面图。
图4是说明扁平玻璃纤维单丝的长径和短径的图。
图5是表示扁平玻璃纤维单丝的截面(茧型截面)的图。
图6是截面为茧型的扁平玻璃纤维单丝集合的状态的截面图。
图7是连续制造含有扁平玻璃纤维的粒料用的连续制造装置的简要构成图。
符号说明
10...热塑性树脂形成的粒料、10a...热熔融的热塑性树脂、20...扁平玻璃纤维单丝、21...扁平玻璃纤维束、22...卷丝体、30...模头、31...贯通孔、40...拉出器、50...切断机、100...第一实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料、110...第2实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料、200...连续制造装置。
具体实施方式
以下，参照附图对含有扁平玻璃纤维的粒料、含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物及它们的制造方法的优选实施方式详细地进行说明。应予说明，使同一要素使用同一符号，省略重复的说明。
图1是第1实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料的斜视图，图2(a)是该实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料的正面图，(b)是该粒料的侧面图，(c)是该粒料的平面图。
如图1和图2(a)～(c)所示，第1实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料100，是使多根扁平玻璃纤维单丝20在热塑性树脂形成的粒料10中沿一个方向排列的颗粒。
如图2(b)的侧面图所示，扁平玻璃纤维单丝20的截面为扁平(非圆形)，扁平玻璃纤维单丝20的端面到达了粒料10的表面。应予说明，图2(b)中只表示了一方的侧面(端面)，而由图2(a)和(c)可知，扁平玻璃纤维单丝20也到达了另一方的侧面(端面)的表面。
第1实施方式的含有扁平玻璃纤维的粒料100是椭圆柱状，存在两个端面，截面形状沿纵向大致相同。但是，本发明的含有扁平玻璃纤维的粒料并不限定于这样的形状，也可以采用圆柱状等各种形状的粒料。
图3是表示形状与第1实施方式不同的形状的含有扁平玻璃纤维的粒料(第2实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料)的图，图3(a)、(b)和(c)分别是正面图、侧面图和平面图。
图3(a)～(c)所示的第2实施方式所涉及的含有扁平玻璃纤维的粒料110是使多根扁平玻璃纤维单丝20在热塑性树脂形成的粒料10中沿一个方向排列的粒料，扁平玻璃纤维单丝20的两端面到达了粒料10的表面。如图所示，含有扁平玻璃纤维的粒料110中，在与纵向垂直的面切断的截面，呈现与圆形或椭圆形不同的异型截面形状。此外，沿纵向切断的截面形状因切断部位而不同。
因此含有扁平玻璃纤维的粒料，虽然其外观形状是任意的，但为了通过用于注射成型，得到拉伸强度和冲击强度以及表面平滑性更优异的含有玻璃纤维的热塑性树脂，优选采用以下的适宜条件。
对于扁平玻璃纤维单丝，优选短径为3-20μm(更优选4-15μm)、长径为6-100μm(更优选15-80μm)，并且扁平率为2-10(更优选3-8)范围的单丝。在此，参照图4说明“短径”、“长径”和“扁平率”。
如图4所示，假定与扁平玻璃纤维单丝20外接的最小面积的长方形R时，“长径”和“短径”分别相当于该长方形R的长边Ra的长度A(相当于纤维截面的最长尺寸)和短边Rb的长度B。另外，“扁平率”使用长边的长度与短边的长度的比(A/B)表示。
根据以下的理由，扁平玻璃纤维单丝20的截面的优选短径为3-20μm，优选的长径为6-100μm。即，使用了短径小于3μm的扁平玻璃纤维单丝或短径大于20μm的扁平玻璃纤维单丝的场合，纺丝困难或者纺丝效率降低。尤其是注射成型含有短径大于20μm的扁平玻璃纤维单丝的粒料而成的成型物，有时强度降低。另外，长径小于6μm的扁平玻璃纤维单丝或长径大于100μm的扁平玻璃纤维单丝，玻璃纤维单丝的纺丝变得困难，或者纺丝效率容易降低。尤其是长径大于100μm的扁平玻璃纤维，扁平化效率差，刚性增高。
应予说明，“扁平”包含非圆形状的意思，例如，扁平玻璃纤维单丝20中包含截面形状为椭圆形状、在长径方向具有直线部分的长圆形状、如图5的截面图所示的茧型的玻璃纤维单丝等。本发明中，将多根扁平玻璃纤维单丝在粒料中排列时，各个扁平玻璃纤维单丝的长径容易大致朝同一方向互相重叠而排列。对于截面为茧型的扁平玻璃纤维单丝20也同样，如图6的截面图所示，容易变成凹部与凸部组合的集合状态。扁平玻璃纤维单丝的截面形状能够根据成型品的热塑性树脂的种类或要求特性适当地进行选择。
扁平玻璃纤维单丝20的纤维长优选2-50mm，更优选5-30mm。扁平玻璃纤维单丝20的纤维长小于2mm的场合，制造的含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物有时被玻璃纤维增强的程度降低，大于50mm的场合纤维长度太长，容易在注射成型机的供料斗中引起桥接，有时在成型时的热塑性树脂中的流动性变得不均匀，引起成型不良。
再者，扁平玻璃纤维单丝20为了使其两端到达粒料10的表面，扁平玻璃纤维单丝20的纤维长与含有扁平玻璃纤维的粒料的粒料长变得大致相等。例如，扁平玻璃纤维单丝20的纤维长为10mm的场合，含有扁平玻璃纤维的粒料的粒料长为约10mm。
作为构成扁平玻璃纤维单丝20的玻璃的种类，可举出E玻璃、S玻璃、低介电玻璃、C玻璃，从纤维化容易的观点考虑优选E玻璃。
含有扁平玻璃纤维的粒料中含有的扁平玻璃纤维单丝20的根数优选500-8000根，更优选600-5000根。扁平玻璃纤维单丝20的根数小于500根的场合，造粒效率降低，扁平玻璃纤维单丝20的根数大于8000根的场合，颗粒变得太粗，造粒时容易发生故障，有时树脂浸渍性降低。
含有扁平玻璃纤维的粒料，具有适宜含量的扁平玻璃纤维单丝(以下，将扁平玻璃纤维单丝的含量称为“玻璃含量”)。该玻璃含量以含有扁平玻璃纤维的粒料的总重量为基准，优选为10-60质量％，更优选为30-50质量％。玻璃含量小于10质量％时，玻璃纤维产生的增强效果不充分，有时成型品的强度降低。玻璃含量大于60质量％的场合，树脂浸渍性降低，有时成型品的强度降低。
在含有扁平玻璃纤维的粒料的扁平玻璃纤维单丝20的周围(即，扁平玻璃纤维单丝与热塑性树脂的界面)，可以附着有集束剂成分。该集束剂在制造将多根扁平玻璃纤维单丝20集束的纤维束时使用，该纤维束可在以下详述的含有扁平玻璃纤维的粒料的制造方法中使用。作为集束剂成分的典型例，是烯烃系树脂(聚乙烯、聚丙烯等)、聚氨酯树脂、丙烯酸类树脂、环氧树脂等被膜形成剂，以及油脂、表面活性剂、硅烷偶联剂、抗静电剂等。
作为在含有扁平玻璃纤维的粒料中含有的热塑性树脂，可举出聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚苯硫醚树脂、液晶聚合物、聚苯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、丙烯腈(丙烯酸类)苯乙烯树脂、ABS树脂等，其中优选聚酰胺树脂。作为聚酰胺树脂，优选尼龙(注册商标)6；尼龙(注册商标)6，6；尼龙(注册商标)6，10；尼龙(注册商标)6，12；芳香族聚酰胺树脂等。再者，含有扁平玻璃纤维的粒料中使用的热塑性树脂，可以是单一成分构成的树脂，也可以是多种成分构成的树脂。
含有扁平玻璃纤维的粒料的粒料长，如上所述优选2-50mm。更优选粒料长为5-30mm。
含有扁平玻璃纤维的粒料，能够通过使多根截面扁平的长扁平玻璃纤维单丝并丝排列而成的扁平玻璃纤维束与热熔融的热塑性树脂一起，穿过在形成有贯通孔的模头的该贯通孔而抽出，将抽出而得到的附着有热塑性树脂的纤维束切断而得到。
该制造方法中使用扁平玻璃纤维束，但该扁平玻璃纤维束能够采用对从扁平玻璃纤维用口模抽出的熔融状态的多根扁平玻璃纤维长丝边冷却边用集束剂集束的公知的玻璃纤维丝束的制造方法制造。该玻璃纤维丝束能够在卷芯上卷绕而作为卷丝体保管。使用该卷丝体，例如使用图7所示的连续制造装置，能够制造含有扁平玻璃纤维的粒料。
图7是采用本发明的方法连续制造含有扁平玻璃纤维的粒料用的连续制造装置200的简要构成图。如图7所示，连续制造装置200具备：收容因加热而熔融的热塑性树脂10a的热塑性树脂槽34、使扁平玻璃纤维束21(多根扁平玻璃纤维单丝20集束而成)与热熔融的热塑性树脂10a一起通过的形成了贯通孔31的模头30、从模头30抽出附着有热塑性树脂的长扁平玻璃纤维束的拉出器40、将附着有热塑性树脂的长扁平玻璃纤维束切断成所希望的长度而得到含有扁平玻璃纤维的粒料100的切断机50。
应予说明，在模头30的上游侧，配置有将拟导入模头30中的扁平玻璃纤维束21卷绕的卷丝体22。位于模头30下游侧的拉出器40是用旋转的辊从上下夹持附着有热塑性树脂的长扁平玻璃纤维束的所谓的履带式拉出器。另外，切断机50是利用马达M的驱动力使刀片旋转从而切断附着有热塑性树脂的长扁平玻璃纤维束，制成含有扁平玻璃纤维的粒料100的切断机。
为了使用连续制造装置200制造含有扁平玻璃纤维的粒料100，首先，使拉出器40旋转驱动，从卷丝体22将扁平玻璃纤维束21解舒而拉出。然后，在向模头30的贯通孔31中导入拉出的扁平玻璃纤维束21的同时，向贯通孔31中导入使用泵等热熔融的热塑性树脂10a。在模头30中扁平玻璃纤维束21的周围以及内部附着热熔融的热塑性树脂10a，通过拉出器40的卷绕，边成型成与贯通孔31的出口侧截面形状相对应的形状边从截面形状模头30抽出附着有热塑性树脂的长扁平玻璃纤维束。然后在适合于切断的状态下使热塑性树脂固化，利用切断机50切断，得到含有扁平玻璃纤维的粒料100。
应予说明，图7中使用了一个卷丝体22，但也可以使用多个卷丝体将扁平玻璃纤维束21导入多个模头30中。另外，也可以在模头30的下一工序侧设置用于促进热熔融的热塑性树脂固化的冷却手段。此外，也可以在模头30与拉出器40之间设置调整附着有热塑性树脂的长扁平玻璃纤维束的截面形状的成型手段。
将这样制得的含有扁平玻璃纤维的粒料，投入到公知的注射成型机的加料器中，根据使用的热塑性树脂的种类使其加热熔融，能够注射成型为所希望的形状。注射成型机的加料器中除了含有扁平玻璃纤维的粒料以外，还能够添加与该粒料中使用的同种或异种的热塑性树脂粒料，也能够添加其他注射成型中一般使用的添加剂(抗静电剂、脱模剂等)。
得到的含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物，由于是使用本发明的含有扁平玻璃纤维的粒料制造的，因此不仅拉伸强度而且冲击强度也提高，成型物产生方向性的现象也得到抑制。此外，防止翘曲，表面平滑性也提高。此外，不依赖于热塑性树脂的种类而发挥上述效果，对以往困难的聚酰胺树脂也能够得到稳定的特性。
实施例
以下，对本发明优选的实施例更详细地进行说明，但本发明并不限于以下的实施例。
(实施例1)
<粒料的制作>
使用聚氨酯系集束剂将短径8μm、长径31μm(扁平率3.8、换算纤维径17μm)的E玻璃组成的扁平玻璃长纤维(长扁平玻璃纤维单丝)被覆处理，将4000根集束，得到扁平玻璃纤维束。将该扁平玻璃纤维束导入热熔融的尼龙(注册商标)6，6(旭化成(株)制レオナ1300S)中熔融浸渍，通过具有圆形贯通孔的模头后，切成10mm长度，制得玻璃含有率40质量％的实施例1的粒料。这里，所谓“换算纤维径”是指具有与扁平玻璃纤维同等截面积的圆截面纤维的直径。
<注射成型品的制作>
在料筒温度280℃、模具温度80℃、注射压力4MPa下，将实施例1的粒料进行注射成型，制得实施例1的试验片A和试验片B。该试验片A是在长度方向的两侧具有夹持部的长100mm、宽12mm、厚3mm的试验片，试验片B是厚1mm的80mm×80mm的平板试验片。
(比较例1)
<粒料的制作>
使用聚氨酯系集束剂将短径7μm、长径27μm(扁平率3.8、换算纤维径15μm)的E玻璃组成的扁平玻璃长纤维被覆处理，将1600根集束，得到扁平玻璃纤维束。将该扁平玻璃纤维束切成3mm长，得到扁平玻璃纤维短切原丝。在与实施例1同样的尼龙6，6和温度280℃下将得到的扁平玻璃纤维短切原丝熔融混炼，从具有直径5mm的圆形贯通孔的模头挤出，切成长4mm，制得玻璃含有率40质量％的比较例1的粒料。比较例1的粒料中，扁平玻璃纤维单丝没有沿一个方向排列。应予说明，虽然想使用长度10mm的扁平玻璃纤维短切原丝制作粒料，但短切原丝不能够投入螺杆中而不能够熔融混炼。
<注射成型品的制作>
使用比较例1的粒料，除此之外，采用与实施例1同样的方法制得比较例1的试验片A和试验片B。
(比较例2)
使用直径17μm的圆形截面的玻璃纤维，除此以外，采用与实施例1同样的方法，制得比较例2的粒料、试验片A和试验片B。
(比较例3)
使用直径11μm的圆形截面的玻璃纤维，除此以外，采用与比较例1同样的方法，制造比较例3的粒料、试验片A、试验片B。
按照JIS K 7054“玻璃纤维增强塑料的拉伸强度试验方法”，对实施例1和比较例1-3中得到的试验片A测定拉伸强度。另外，按照JIS K7061“玻璃纤维增强塑料的沙尔皮冲击试验方法”，以厚度方向为冲击方向测定沙尔皮冲击强度。
另外，在625℃下加热试验片A 1小时，使热塑性树脂燃烧，使用(株)ニレコ LUZEX FS的实时图像处理解析装置对残留的玻璃纤维的长度进行图像解析，求出残留纤维长(含有玻璃纤维的成型物中的玻璃纤维单丝的长度)。
此外，对实施例1和比较例1-3中得到的试验片B，测定置于平坦面上最凸起处的高度进行翘曲的评价。另外，使用(株)ミツトヨ制サ一フテスト501的粗糙度测定器，求得5处长度0.8mm的基准长度的最高点、最低点的高度之差，算出其平均值，评价表面平滑性。把以上的评价结果归纳示于以下的表1。
                                 表1
  实施例1   比较例1   比较例2   比较例3
  残留纤维长(μm)   490   380   430   350
  拉伸强度(MPa)   210   200   215   200
  沙尔皮冲击强度(kJ/m2)   72   64   61   73
  翘曲(mm)   5.0   7.2   17.1   17.4
  表面平滑性(μm)   2.1   2.5   5.7   7.3
其中，实施例1的玻璃纤维单丝的换算纤维径小于比较例1的玻璃纤维单丝的换算纤维径，比较例2的玻璃纤维单丝的直径小于比较例3的玻璃纤维单丝的直径。假定实施例1与比较例1的扁平玻璃纤维单丝的换算纤维径相同的场合、或比较例2与比较例3的圆形截面玻璃纤维单丝的直径相同的场合，能够容易地想象到实施例1相对于比较例1，而且比较例2相对于比较例3，拉伸强度、冲击强度更处于优势。

Claims (8)

1.含有扁平玻璃纤维的粒料，其是在热塑性树脂形成的粒料中，使多根截面扁平的扁平玻璃纤维单丝沿一个方向排列以使该单丝的两端面到达所述粒料表面而成。
2.权利要求1所述的含有扁平玻璃纤维的粒料，其中上述扁平玻璃纤维单丝的纤维长为2-50mm，排列在上述热塑性树脂形成的粒料中的上述扁平玻璃纤维单丝的数为500-8000根。
3.权利要求1或2所述的含有扁平玻璃纤维的粒料，其中上述热塑性树脂为聚酰胺树脂。
4.含有扁平玻璃纤维的粒料的制造方法，其中
使多根截面扁平的长扁平玻璃纤维单丝并丝排列而成的纤维束与热熔融的热塑性树脂一起，穿过形成有贯通孔的模头的该贯通孔而抽出，
将抽出而得到的附着有热塑性树脂的纤维束切断。
5.权利要求4所述的制造方法，其中所述热塑性树脂是聚酰胺树脂。
6.能够采用权利要求4或5所述的制造方法得到的含有扁平玻璃纤维的粒料。
7.含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物的制造方法，其中对权利要求1、2、3或6所述的含有扁平玻璃纤维的粒料进行注射成型。
8.能够采用权利要求7所述的制造方法得到的含有扁平玻璃纤维的热塑性树脂成型物。
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