CN102713036A - 纤维强化树脂用纺纱和中间体以及使用其的纤维强化树脂成型体 - Google Patents

纤维强化树脂用纺纱和中间体以及使用其的纤维强化树脂成型体 Download PDF

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Abstract

本发明的纤维强化树脂用纺纱，为天然植物纤维与合成纤维的混纺纺纱（3a、3b），上述合成纤维为变成了FRP时成为基体树脂的热塑性合成纤维。本发明的纤维强化树脂用中间体，将上述纤维强化树脂用纺纱作为纺织物、编织物、多轴插入经编织物或者编带。本发明的纤维强化树脂成型体将上述纤维强化树脂用中间体加热到上述合成纤维的熔点以上的模具温度并冲压成型，或者将上述纤维强化树脂用纺纱沿至少一个方向排列、用上述合成纤维的熔点以上的模具温度加热并冲压成型。由此，成本低廉地获得天然植物纤维与合成纤维的一体性好、成型性好的纤维强化树脂用纺纱，以及提供中间体和使用了该中间体的纤维强化树脂成型体。

Description

纤维强化树脂用纺纱和中间体以及使用其的纤维强化树脂成型体
技术领域
本发明涉及包含天然植物纤维的纤维强化树脂用纺纱和中间体以及使用其的纤维强化树脂成型体。
背景技术
汽车或飞机、车辆等内饰使用塑料，与金属相比实现了轻量化。由于只有塑料强度不足，因此在塑料中混入玻璃短纤维（裁切成一定长度的纤维）。但是，当废弃时，如果用焚化炉使其燃烧，塑料分解变成CO2和水，但玻璃融化后凝固，附着在焚化炉内部。由此担心焚化炉的寿命显著降低这样的问题。作为玻璃这样具有高强度的材料，我们知道碳素纤维，但存在价格高、不能用于实际用途的问题。
因此，近年来用天然植物纤维形成的纤维强化热塑性树脂成型体（FRTP）社会的关心度变高。这种成型体能够再生，其中可以列举能够作为原材料再生重复使用；在作为热循环燃烧时不产生有毒气体；由于能量问题产生的移动体轻量化成为可能，能够通过轻量化提高单位燃油行驶的公里数；由于天然植物纤维在光合作用时将二氧化碳吸收到其内部，即使燃烧，排出的二氧化碳也与原来不变，因此不会引起环境问题。
增强纤维中使用了天然植物纤维的纤维强化树脂在专利文献1～2中被提出了。专利文献1中记载了将麻纤维的短纤维加工成无纺布、纺织物、编织物当作纤维增强树脂的技术，专利文献2中记载了将洋麻纤维的短纤维加工成无纺布、纺织物当作纤维增强树脂的技术。
而且，本发明者们提出过将麻等天然植物纤维纱和合成树脂膜熔融一体化的纤维强化树脂成型体（专利文献3），并且提出过将使合成树脂纤维纱被覆在麻等天然植物纤维纱的周围地卷缠的包芯纱当作纤维强化树脂成型体用复合纱的技术（专利文献4）。
但是，专利文献1～2中记载的发明由于使用麻纤维或洋麻纤维的短纤维加工成无纺布、纺织物、编织物，与树脂熔融混合或浸渍来作成纤维强化树脂（FRP），因此存在树脂渗透到纤维内部难，需要庞大的装置、成型也不容易这样的问题。尤其是天然植物纤维与玻璃纤维或碳纤维相比分解温度低，不能够将成为基体树脂的热塑性树脂加热到成为渗透容易的黏度，渗透性的问题是非常重要的。
并且，本发明者们发现，专利文献3记载的发明中难以将合成树脂膜熔融均匀地浸渍到天然植物纤维纱内；专利文献4记载的发明用于制造包芯纱的成本高，并且在变成多轴插入经编织物之际，用于被覆的合成树脂膜容易钩挂在针拉幅机等上，存在生产效率低下的问题。
已有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-143401号公报
专利文献2：日本特开2004-149930号公报
专利文献3：日本特开2007-138361号公报
专利文献4：日本特开2008-240193号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
本发明就是为了解决上述问题，低成本地获得天然植物纤维与合成纤维的一体性好、树脂均匀地渗透到天然植物纤维内部容易、成型性好的纤维强化树脂用纺纱，以及提供中间体和使用了该中间体的纤维强化树脂成型体。
用于解决课题的手段
本发明的纤维强化树脂用纺纱为包含天然植物纤维和合成纤维的纤维强化树脂（FRP）用纺纱，其特征在于：上述天然植物纤维和上述合成纤维为混纺纺纱；上述合成纤维为变成了FRP时成为基体树脂的热塑性合成纤维。
本发明的纤维强化树脂用中间体的特征在于是将所述的纤维强化树脂用纺纱作为了纺织物、编织物、多轴插入经编织物或者编带的纤维强化树脂用中间体。
本发明的纤维强化树脂成型体的特征在于将所述的纤维强化树脂用中间体加热到上述合成纤维的熔点以上的模具温度并冲压成型。
本发明的另外的纤维强化树脂成型体的特征在于将所述的纤维强化树脂用纺纱沿至少一个方向排列、用上述合成纤维的熔点以上的模具温度加热并冲压成型。
发明的效果
本发明通过天然植物纤维和合成纤维为混纺纺纱，合成纤维为变成了FRP时成为基体树脂的热塑性合成纤维，在加热到合成纤维的熔点以上了时，合成纤维熔融，该熔融了的热塑性合成树脂迅速并且均匀地浸入天然植物纤维之间，有效地进行天然植物纤维与熔融热塑性合成树脂的复合一体化。即，由于合成纤维与天然植物纤维均匀混合，因此在熔融了之际，树脂容易渗透到天然植物纤维之间。结果，能够获得成型性好、均匀的物理性质的纤维强化树脂。并且，由于天然植物纤维与合成纤维被均匀混合，因此一体性好、处理性好，而且能够提高生产效率。另外，在作为天然植物纤维并用棉花纤维和麻纤维的情况下等，使用至少2种以上的天然植物纤维的情况下，由于不仅其混合比例能够容易改变，而且能够均匀混合，因此使用混纺纺纱的方法尤其有用。并且，使用至少2种以上合成纤维的情况下也同样。
并且，由于使用天然植物纤维，因此能够消除废弃时的环境问题。而且，通过将天然植物纤维与合成纤维混纺而变成纺纱，能够作为连续纤维处理，能够提高成型体中天然植物纤维的体积含有率（Vf）。并且，即使存在天然植物纤维特有的个体差异或收获场所的差异等，通过在纺纱过程中被混合，也能够获得稳定的物理性质。
附图说明
图1A～B为本发明一个实施形态中的使用单纱的纤维强化树脂用纺纱的侧视图；
图2A～B为本发明别的实施形态中的纤维强化树脂用纺纱的侧视图；
图3A为表示用本发明一个实施形态中的纤维强化树脂用纺纱、通过冲压法成型成型体的方法的透视图；图3B为上述成型方法的透视图；图3C为上述成型方法的剖视图；
图4为表示本发明的应用例的多轴插入经编织物的概念透视图；
图5A为本发明实施例1中的薄片成型品的俯视图；图5B为上述薄片成型品的拉伸试验片；图5C为图5B的I-I线剖视图；
图6为表示实施例3中的成型温度与拉伸强度的关系的曲线图；
图7为表示实施例3中的成型时间与拉伸强度的关系的曲线图；
图8为表示实施例3中的成型压力与拉伸强度的关系的曲线图。
具体实施方式
在本发明中使用将天然植物纤维与热塑性合成纤维混纺的纺纱。通过使该纺纱沿规定的方向对齐并加热冲压成型，合成纤维在熔融的状态下成为FRP的基体树脂。熔融的热塑性树脂迅速并且均匀地浸入天然植物纤维之间，天然植物纤维与熔融热塑性合成树脂的复合一体化有效地进行。
本发明的纤维强化树脂用纺纱将天然植物纤维与合成纤维在纺纱工序中混纺而获得。作为一例，在从纺纱工序中的开清棉工序、梳理工序、条卷工序、并卷工序、并条工序和粗纱工序中选择的至少一个工序中混纺。纺纱在环锭纺纱中施加规定的捻而制造。作为不施加捻的方法有自由端纺纱、包缠纺纱。本发明的混纺纺纱用什么方法制造的纺纱都可以。
本发明中能够使用的天然植物纤维作为一例可以列举棉花纤维、亚麻（linen）、苎麻、洋麻或黄麻等麻纤维，竹纤维、木棉等。棉花（cotton）由于大量生产，因此能够廉价地获得，比较理想。亚麻或苎麻等麻纤维比较理想。麻纤维由于力学性质优良，不仅适合作为强化纤维，而且原料供给也稳定。上述麻纤维干燥后成型较好，但在不干燥、具有平衡水分率的状态下也能使用。因为如果是平衡水分率的话，能够维持高强度。天然植物纤维理想的纤维长度为20～400mm。具体为，作为棉花纤维（cotton）纤维长度最好为20～50mm，作为麻纤维（苎麻）最好为20～300mm。如果是该范围的纤细程度和纤维长度，作为FRP用纤维处理容易，混纺变得容易。
构成本发明能够使用的热塑性合成纤维的树脂为作为普通FRP的基体树脂而使用的树脂，并且最好是具有比天然植物纤维的分解温度低的熔点的树脂。例如，在作为天然植物纤维使用棉花（cotton）或麻纤维的情况下，最好是具有90℃以上、200℃以下熔点的树脂。作为这样的树脂，有例如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、以及它们的共聚物、共聚聚酯、共聚聚酰胺、聚氯乙烯、共聚聚缩醛、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯等。热塑性合成纤维的纤度和纤维长度最好使用与天然植物纤维大致相同范围的纤维。尤其是使天然纤维和热塑性合成树脂的纤维长度在±20mm左右的范围内最好。
天然植物纤维与热塑性合成纤维的配合比例最好为在重量比上天然植物纤维∶热塑性合成纤维=80∶20～30∶70的范围。如果在该范围，能够有效地进行天然植物纤维与热塑性合成纤维熔融后的树脂的复合一体化。
上述混纺纱最好施加以下公式表示的捻度系数K为2～7的实捻。
k=t/S1/2
但是，t为每单位长度25.4mm的捻数，S为棉支数，S1/2为公式
如果捻度系数在上述范围，则制造成本低，纱线强度也高，加工性或处理性也良好。
本发明的纺纱的纤度最好是棉支数在4～100支数（50～1500分特克斯（dtex））的范围内。如果在该范围内，则制造成本低，纱线强度也高，加工性或处理性也良好。
本发明既可以单纱使用混纺纱，也可以将多根拉齐或将多根拧在一起使用。其中，单纱使用或将多根拉齐使用在成本上有利。
本发明的纤维强化树脂用纱能够用粗纺（roving）法等将纱线本身拉齐变成FRP。除此以外，也可以作为纺织物、编织物，多轴插入经编织物或者编带，而能够作为纤维强化树脂用中间体。这些中间体能够作为用于最终成型体的预浸料坯。纺织物、编织物、多轴插入经编织物能够成型为薄片状使用，编带能够成型为管状使用。纺织物和编织物的组织能够使用众所周知的任何组织。
在制造这样的成型体时，将模具温度加热到构成热塑性合成纤维的树脂的熔点以上、上述天然植物纤维的分解温度以下来加压成型。并且，也可以将纤维强化树脂用纱沿至少一个方向排列，将模具温度加热到构成热塑性合成纤维的树脂的熔点以上、上述天然植物纤维的分解温度以下加压成型获得纤维强化树脂成型体。尤其是在上述温度范围在考虑热塑性树脂向天然植物纤维中的渗透性的基础上尽可能高的温度成型更好。在作为天然植物纤维使用麻纤维的情况下，作为模具温度不超过200℃左右的温度最好。另外，在构成热塑性合成纤维的树脂的熔点为120℃左右这样比麻纤维的分解温度低的温度的情况下，可以在比熔点温度高0℃～50℃左右的温度下成型。
上述纤维强化热塑性树脂成型体能够使用现有的众所周知的成型方法，可以列举热压印方法、预浸料坯成型法、冲压成型法等。
本发明的纤维强化树脂用纺纱将多根拉齐成薄片状地排列或者将1根折返成薄片状地排列。纺纱的薄片状物可以是1枚，也可以是多枚。在多枚重叠的情况下，也可以将纺纱的排列方向改变。例如相对于第一枚薄片状物的纺纱的排列，使第二枚以后为30°、45°、60°、90°这样的方向地改变纺纱的排列方向。将这样排列了的薄片状物用上述合成纤维的熔点以上的模具温度加热并冲压成型，获得纤维强化树脂成型体。
接着用图进行说明。图1A～B为本发明一个实施形态的使用单纱的纤维强化树脂用纺纱的侧视图。图1A的纤维强化树脂用纺纱10为天然植物纤维与热塑性合成纤维的混纺纱（Z捻）。图1B的纤维强化树脂用纺纱11为天然植物纤维与热塑性合成纤维的混纺纱（S捻）。在本发明中，捻的方向可以是任何方向。
图2A～B为本发明别的实施形态的纤维强化树脂用纺纱的侧视图。图2A的纤维强化树脂用纺纱12为天然植物纤维与热塑性合成纤维的混纺纱（下捻S、上捻S）。图2B的纤维强化树脂用纺纱13为天然植物纤维与热塑性合成纤维的混纺纱（下捻S、上捻Z）。另外，下捻及上捻的捻方式的组合没有特别限制，可以使用任何一种。
图3A为表示使用本发明一个实施形态的纤维强化树脂用纺纱、用冲压法成型成型体的方法的透视图，图3B为上述成型方法的透视图；图3C为上述成型方法的剖视图。将由天然植物纤维和热塑性合成纤维构成的混纺纺纱3a、3b沿一个方向卷绕到金属框2上。卷绕的根数为例如宽度20mm上220根，卷绕重量约7g。在金属框2上隔开一定间隔卷绕到2个地方。该卷绕的混纺纺纱3a、3b如图4B所示用热冲压模具4、5加热加压，使其熔融一体化。在作为热塑性合成纤维使用聚丙烯（PP）短纤维（38mm长）的情况下，其熔点约为170℃。在作为天然植物纤维类而使用棉花纤维的情况下，其分解温度约为235℃。在这样的情况下，模具温度为180～220℃，压力为1～20MPa，加热成型时间为0.5～20分钟左右，尤其模具温度为180～210℃、压力2～8MPa、加热成型时间2～10分钟左右更好。
图4为多轴插入经编织物的概念透视图。沿多个方向分别排列的纤维强化树脂用纺纱1a～1f用挂在织针6上的缝编纱7、8沿厚度方向缝编（捆扎），被一体化。能够将这样的多轴插入经编织物作为纤维增强中间体，加热冲压成型。该多轴状的层叠片能够获得多个方向增强效果良好的纤维强化塑料。也可以取代或者并用缝编纱而使用粘合剂。
实施例
下面使用实施例具体说明本发明。另外，本发明并不局限于下述实施例。
（实施例1）
（1）混纺纺纱的制作
在本实施例中制造了图1所示结构的混纺纺纱10。作为天然植物纤维使用了美国产的棉花纤维（平均纤维长度28mm），作为热塑性合成纤维使用了聚丙烯（大和纺织株式会社制，商品名“PN-17038”、单纤维纤度1.6分特克斯（dtex）、平均纤维长度38mm）纤维（PP纤维）。混纺方法为通过在并条工序中将各纱条以规定的比例混合提供进行混纺。细纱作为环锭细纱，成为目标支数7支（棉支数）地制造了混纺纱。
（2）薄片成型
使用获得的混纺纺纱用图3A～C所示的冲压法制作了成型体。首先，将纺纱3a、3b像图3A那样沿一个方向卷绕到金属框2上。金属框的长度为380mm、宽260mm、高2mm。纺纱3a的根数在宽20mm上上下分别为110根，合计220根。并且，纺纱3b也同样为合计220根。如图3A所示，在金属框2上以一定的间隔2个地方卷绕。该卷绕的纱如图3B～C所示用热冲压模具4、5将卷绕的纱加热加压，使其熔融一体化。由于PP纤维的熔点为170℃，因此模具温度被设定在了200℃。压力为4MPa，使成型时间为5分钟。将获得的薄片成型品的俯视图表示在图5A中。中央为薄片成型部20，两端为纤维残留部21a。将获得的薄片成型品切成长度200mm，制作了图5B所示的薄片成型部20的拉伸试验片（长度200mm、宽度20mm、厚度约0.8mm）。图5C为图5B的I-I线剖视图，21b为埋入到树脂中的纺纱。另外，对于弯曲试验用试验片，由于有使厚度厚的必要，因此使卷绕根数为2倍（上下分别为220根，合计440根）同样进行成型，将获得的薄片成型品切成长度50mm，获得了弯曲试验片（长度50mm、宽度20mm、厚度约1.5mm）。
（3）物理性质测定
测定了纱线物理性质和拉伸弹性模量、拉伸强度、弯曲弹性模量、弯曲强度。纱线物理性质根据JISL1095：1999而测定，拉伸试验以JISK7054：1995为标准，使用自动绘图仪（岛津制作所制，AG-IS），以夹具间距离100mm、试验速度1mm/min来进行。弯曲试验以JISK7017：1999（3点弯曲试验）为标准，以支点间距离24mm、试验速度1mm/min来进行。将该实验条件和结果表示在表1中。作为比较例，也表示了将棉花100wt%的纺纱与厚度200μm的PP薄膜以50∶50的比例使用、用薄膜堆叠法薄片成型的试验片的结果。
[表1]
如从表1可知的那样，本发明的实施例品与比较例品相比弯曲弹性模量、弯曲强度都高。并且能够确认，本发明的实施例品的混纺纺纱处理性好，成型性良好。
（实施例2）
（1）混纺纺纱的制作
在本实施例中制作了图1所示结构的混纺纺纱10。作为天然植物纤维使用美国产棉花纤维（平均纤维长度28mm）及中国产麻纤维（苎麻，平均纤维长度38mm），作为热塑性合成纤维使用了聚丙烯（大和纺织株式会社制，商品名“PN-17038”、单纤维纤度1.6dtex、平均纤维长度38mm）纤维（PP纤维）。混纺方法为通过在并条工序中将各纱条以规定的比例混合提供来进行混纺。细纱作为环锭细纱，成为目标支数7支（棉支数）地制造了混纺纱。
（2）薄片成型
除了使成型时间为2分钟以外，用与实施例1同样的方法进行了薄片成型。另外，对于弯曲试验片，与实施例1同样地使卷绕根数为2倍地作成。
（3）物理性质测定
用与实施例1同样的方法测定了纱线物理性质和拉伸弹性模量、拉伸强度、弯曲弹性模量、弯曲强度。将该实验的结果表示在表2中。
[表2]
Figure BDA00001649222600111
如从表2明白的那样，本发明的实施例品拉伸弹性模量、弯曲弹性模量、弯曲强度都高。并且能够确认，本发明的实施例品的混纺纺纱处理性好，成型性良好。
（实施例3）
使用实施例1的实验编号1-1的混纺纺纱研究了成型温度、成型时间、成型压力各条件。图6为表示成型温度与拉伸强度的关系的曲线图，图7为表示成型时间与拉伸强度的关系的曲线图，图8为表示成型压力与拉伸强度的关系的曲线图。
如从图6明白的那样，成型温度（模具温度）180～200℃较佳。并且，如从图7明白的那样，成型时间如果是2～10分钟，没有问题。并且，如从图8明白的那样，成型压力如果在2～8MPa的范围，没有问题。
标记的说明
1a～1f、3a～3b、10～13、21a．纤维强化树脂用纺纱；2．金属框；4、5．热冲压模具；6．织针；7、8．缝编纱；21b．埋入到树脂中的纺纱

Claims (8)

1.一种包含天然植物纤维和合成纤维的纤维强化树脂（FRP）用纺纱，其特征在于：上述天然植物纤维和上述合成纤维为混纺纺纱；
上述合成纤维为变成了FRP时成为基体树脂的热塑性合成纤维。
2.如权利要求1所述的纤维强化树脂用纺纱，上述天然植物纤维为从棉花、麻、木棉和竹中选择的至少一种纤维。
3.如权利要求1所述的纤维强化树脂用纺纱，构成上述热塑性合成纤维的树脂的熔点为90℃以上、200℃以下。
4.如权利要求1或3所述的纤维强化树脂用纺纱，上述热塑性合成纤维为聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、以及它们的共聚物、共聚聚酯、共聚聚酰胺、聚氯乙烯、共聚聚缩醛、聚乳酸或聚丁二酸丁二醇酯纤维。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的纤维强化树脂用纺纱，上述天然植物纤维与上述合成纤维的配合比例为在重量比上天然植物纤维类∶合成纤维=80∶20～30∶70的范围。
6.一种纤维强化树脂用中间体，将权利要求1至5中的任一项所述的纤维强化树脂用纺纱作为了纺织物、编织物、多轴插入经编织物或者编带的纤维强化树脂用中间体。
7.一种纤维强化树脂成型体，将权利要求6所述的纤维强化树脂用中间体加热到上述合成纤维的熔点以上的模具温度并冲压成型。
8.一种纤维强化树脂成型体，将权利要求1至5中的任一项所述的纤维强化树脂用纺纱沿至少一个方向排列、用上述合成纤维的熔点以上的模具温度加热并冲压成型。
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