CN111670274A - 热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、该复合丝的制造方法、连续纤维增强树脂成型体、复合材料成型体的制造方法 - Google Patents

热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、该复合丝的制造方法、连续纤维增强树脂成型体、复合材料成型体的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、该复合丝的制造法方法、连续纤维增强树脂成型体、复合材料成型体的制造方法,其在成型时的树脂含浸性优异,即使在短时间的成型中也能够制造出高物性的成型品,进而作为丝条的柔软性优异,织造、编织中的处理性也优异。

Description

热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、该复合丝的制造方法、连续 纤维增强树脂成型体、复合材料成型体的制造方法
技术领域
本发明涉及热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、该复合丝的制造方法、连续纤维增强树脂成型体、复合材料成型体的制造方法。更详细地说,本发明涉及一种复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,在连续增强纤维致密地存在于该连续增强纤维的束内和/或该复合丝的表面粗糙度小、或者该热塑性树脂由2种以上的树脂构成;本发明还涉及该复合丝的制造方法、树脂含浸性高且具有高强度和刚性的连续纤维增强树脂成型体、复合材料成型体的制造方法(包括拉拔成型法)。
背景技术
现有技术中,在各种机械、汽车等的结构部件、压力容器、管状的结构物等的材料中,使用在基体树脂中添加增强纤维、例如玻璃纤维等增强材料而成的复合成型体。特别是从强度的方面出发希望增强纤维为连续纤维、从成型周期的方面、再循环性的方面出发希望树脂为热塑性树脂的连续纤维增强树脂成型体。
为了使该复合成型体兼具轻量化和实用上充分的强度,要求其具有能够追从任意形状的特性。
作为复合成型体的原材料,以往提出了将连续增强纤维与连续热塑性树脂纤维均匀地混合而成的混纤丝以及由该混纤丝构成的机织物。例如,在下述专利文献1中提出了一种成型体,其是将由复合混纤丝构成的机织物加热至280℃左右使热塑性树脂熔融后冷却至50℃左右进行固化而成的成型体。
另外,在下述专利文献4中,为了兼具含浸性和界面特性,提出了一种复合丝,其是利用复数的热塑性树脂纤维覆盖增强纤维而成的。
另外,在下述专利文献2、3中,为了减少制造工序,提出了一种复合丝,其是代替上述混纤丝而将增强纤维的周围利用热塑性树脂包覆的形态的复合丝。
另外,作为树脂为热塑性树脂的连续纤维增强树脂成型体,提出了下述的成型体:使热塑性树脂的熔解温度与结晶温度之差增大、或者使增强纤维先含浸低熔点的热塑性树脂来提高含浸性的成型体(例如参照下述专利文献5、6);通过在表面树脂中使用熔点不同的两种树脂而对层间剥离具有良好的耐性的成型体(例如参见下述专利文献7)。
但是,这些专利文献中完全没有记载连续增强纤维的束的致密度和复合丝的表面粗糙度与成型时的树脂含浸性和处理性的关系。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2015-101794号公报
专利文献2:日本特开平11-20059号公报
专利文献3:日本特开平8-336879号公报
专利文献4:国际公开第WO2013/042763号
专利文献5:日本专利第5987335号公报
专利文献6:日本特开平10-138379号公报
专利文献7:日本专利第5878544号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在进行复合丝的成型时,需要在保持为特定形状的状态下加热至热塑性树脂的熔点以上,将熔融的热塑性树脂在短时间内含浸在增强纤维之间。但是,在上述的现有已知的混纤丝或复合丝中,由于成型时的树脂含浸要花费时间,因此具有无法在短时间内得到成型体的问题。
另外,专利文献2中记载了,通过使用将利用树脂包覆的连续增强纤维以直线状配置在经、纬、2个斜向而成的复合材用增强纤维基材,制造变得容易,成型时的处理性和赋形性良好,并且在制成成型品的情况下,树脂的含浸性良好且能够提高在增强纤维中的含量,可得到成型时的强度没有方向性且机械特性优异的成型品,但由于连续纤维的各层取决于形状而相互移动,因此连续增强纤维彼此的偏移增大,对于具有侧壁的三维形状的复合材料成型体中的连续增强纤维的偏移、以及关于拉拔成型法、树脂的含浸速度,未提供任何解决手段。
另外,专利文献2中记载的包覆丝是通过专利文献3中记载的方法制造的,该方法中,由于未在增强纤维的周围充分地施加树脂的压力,因此会产生部分未被热塑性树脂包覆的部位。
鉴于该现有技术的问题,本发明所要解决的课题在于提供一种热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、该复合丝的新颖制造方法,该复合丝在成型时的树脂含浸性优异,即使在短时间的成型中也能够制造出高物性的成型品,而且作为丝条的柔软性优异,在织造、编织中的处理性也优异。
另外,鉴于该现有技术的问题,本发明所要解决的课题在于提供一种连续增强纤维的束不杂乱、特别是角部处的强度高的具有三维形状的复合材料成型体的制造方法。
另外,复合丝可以通过进行织造、编织、编带加工等而用于各种用途。特别是将增强纤维复合丝作为基体树脂与热塑性树脂一起使用时,织物等中间材料的加工性和中间材料本身的处理性是重要的。但是,现有技术的复合丝只着眼于复合丝本身的成型性,而没有考虑作为丝的处理性,因此特别是从使用复合丝的加工的高速化的方面出发存在问题。另外,在以短时间进行包含复合丝的纤维增强树脂的成型的情况下的树脂含浸性、体现高强度的方面还不能说是充分的。
鉴于现有技术的上述问题,本发明所要解决的课题在于提供一种复合丝,其在织物等中间材料的加工中作为丝的处理性和中间材料本身的处理性优异,而且成型时的树脂含浸性优异,即使进行短时间的成型也能够制造出高物性的成型品。
另外已经判明,现有技术的连续纤维增强树脂成型体均存在以下问题:对于连续增强纤维的树脂含浸性低,树脂与连续增强纤维之间的粘接不充分,强度、刚性之类的物性和生产率差。
鉴于该现有技术的水准,本发明所要解决的课题还在于提供一种树脂含浸性高、具有高强度和刚性的连续纤维增强树脂成型体。
另外,鉴于该现有技术的问题,本发明所要解决的课题在于提供一种高速地制造具有高含浸率的复合材料成型体的制造方法(包括拉拔制造方法)。
用于解决课题的手段
本发明人为了解决上述课题进行了深入研究并反复进行了实验,结果意外地发现,作为复丝的连续长增强纤维的束以特定的致密状态被热塑性树脂包覆和/或其表面粗糙度为规定范围内的复合丝、或者将连续增强纤维的束利用两种以上的热塑性树脂包覆的复合丝在成型时的树脂含浸性优异,因此利用短时间的成型也能够制造出高物性的成型品和/或在机织物等中间材料的制造中的处理性优异;并且,在具有两种以上的热塑性树脂的连续纤维增强树脂成型体中,通过使连续增强纤维与树脂的极界面区域中的各树脂的比例与其他树脂区域中的各树脂的比例不同,连续纤维增强树脂成型体可表现出高强度和刚性,并且可得到作为织造性、编织性优异的中间基材的织物等布帛、编带等,通过使用该中间基材作为成型基材,可利用包括拉拔成型法在内的特定方法制造出连续增强纤维不杂乱、特别是角部处的硬度高的具有三维形状的复合材料成型体,并且可利用包括拉拔成型法在内的特定方法高速地制造出具有高含浸率的复合材料成型体,从而完成了本发明。
即,本发明如下所述。
[1]一种热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,设该复合丝的截面处的该连续增强纤维的合计面积为A(μm2)、并且设该复合丝中的该连续增强纤维的束的占有面积为B(μm2)时,由下述式表示的致密指数为0.45以上,
致密指数=A/B。
[2]一种复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的单丝状的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该复合丝的表面粗糙度为0.25μm以下。
[3]如上述[1]或[2]中所述的复合丝,其中,该复合丝的偏心率为12%以下,所述偏心率为将上述复合丝的任意截面处的复合丝的面积重心与该复合丝中的连续增强纤维的束的面积重心的距离除以复合丝的当量圆半径而得到的值。
[4]一种复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该热塑性树脂由2种以上的树脂构成。
[5]如上述[1]~[4]中任一项所述的复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该热塑性树脂由2种以上的树脂构成。
[6]如上述[5]中所述的复合丝,其中,上述热塑性树脂形成微相分离结构。
[7]如上述[4]~[6]中任一项所述的复合丝,其中,作为大于50重量%的主成分的热塑性树脂的熔点与作为副成分的热塑性树脂的熔点之差为20℃~170℃。
[8]如上述[1]~[7]中任一项所述的复合丝,其中,在上述连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂。
[9]一种卷丝体,其由上述[1]~[8]中任一项所述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝构成。
[10]一种布帛,其由上述[1]~[8]中任一项所述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝构成。
[11]一种编带,其是上述[1]~[8]中任一项所述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的编带。
[12]一种热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法,其包括下述工序:
准备热塑性树脂供给装置的工序,该装置在其前端具备模头,该模头具备孔A以及孔B,该孔B的开孔面积与该孔A的开孔面积相同或更大,并且该孔B与该孔A呈同心圆状配置;
包覆工序,使作为复丝的连续增强纤维的束以规定的张力通过上述孔A和上述孔B,并且在规定的压力下从该孔B供给来自上述热塑性树脂供给装置的熔融热塑性树脂,利用该热塑性树脂包覆将该连续增强纤维的束的外周;以及
冷却卷取工序,将利用熔融热塑性树脂进行了包覆的连续增强纤维的束冷却,对其进行卷取。
[13]如上述[12]所述的方法,其中,上述连续增强纤维为玻璃纤维或碳纤维。
[14]如上述[12]~[13]中任一项所述的方法,其中,在上述连续增强纤维的束的通过方向上,使上述模头中的孔A的出口端与孔B的入口端之间的距离为规定值,从而使该模头内存在规定容量的熔融树脂积存物。
[15]如上述[12]~[14]中任一项所述的方法,其中,上述孔A的截面积相对于上述连续增强纤维最紧密填充时的上述连续增强纤维的束的截面积为101%~1000%。
[16]如上述[12]~[15]中任一项所述的方法,其中,上述孔B的截面积相对于上述孔A的截面积为100%~1000%。
[17]如上述[12]~[16]中任一项所述的方法,其中,上述连续增强纤维的上述规定的张力为0.01N~100N。
[18]如上述[12]~[17]中任一项所述的方法,其中,通过张力控制装置对上述规定的张力进行调整,所述张力控制装置在上述连续增强纤维的束的通过方向上配置于上述孔A的前面。
[19]如上述[12]~[18]中任一项所述的方法,其中,通过引导装置将上述增强纤维的束引导至上述孔A中,所述引导装置在上述连续增强纤维的束的通过方向上配置于上述孔A的前面。
[20]如上述[12]~[19]中任一项所述的方法,其中,上述热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的下降率为0%~50%。
[21]如上述[12]~[20]中任一项所述的方法,其中,上述孔B的表面温度比上述热塑性树脂的熔点高0℃~100℃。
[22]如上述[12]~[21]中任一项所述的方法,其中,上述模头或者该模头与热塑性树脂供给装置之间的树脂压为0.01MPa~50MPa。
[23]如上述[12]~[22]中任一项所述的方法,其中,通过以下的运转开始步骤开始运转:
(1)使连续增强纤维的束以800m/分钟以下的速度通过上述孔A和孔B;
(2)以涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出的吐出量从上述孔B供给热塑性树脂;
(3)确认在连续增强纤维的束的外周包覆了树脂后,一边调整热塑性树脂的吐出量一边提高作为最终生成物的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的卷取速度(m/分钟),以使得涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出。
[24]如上述[23]所述的方法,其中,上述运转开始步骤在上述(3)的步骤后进一步包括下述步骤:
(4)开始强制冷却。
[25]如上述[4]~[8]中任一项所述的复合丝的制造方法,其中,该方法包括下述工序:
准备作为复丝的连续增强纤维的束的工序;
准备2种以上的热塑性树脂混合而成的树脂粒料的工序;以及
将上述树脂粒料供给至熔融挤出机中,将熔融的热塑性树脂混合物包覆在上述连续增强纤维的束的外周的工序。
[26]如上述[4]~[8]中任一项所述的复合丝的制造方法,其中,该方法包括下述工序:
准备作为复丝的连续增强纤维的束的工序;
准备2种以上的热塑性树脂的各树脂粒料的工序;以及
将上述2种以上的各树脂粒料干混后供给至熔融挤出机中,将熔融的热塑性树脂混合物包覆在上述连续增强纤维的束的外周的工序。
[27]一种连续纤维增强树脂成型体,其是含有大致圆形截面的连续增强纤维和2种以上的热塑性树脂构成的连续纤维增强树脂成型体,其特征在于,
在与该连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根该连续增强纤维与该热塑性树脂之间的极界面中,在距离该连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域内,该2种以上的热塑性树脂中,以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂的占有比例高于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的占有比例,在该周边外侧区域以外的树脂区域内,该2种以上的热塑性树脂中该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂均匀地分散或混合。
[28]如上述[27]中所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,上述2种以上的热塑性树脂中,以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂为熔点最高的树脂。
[29]如上述[27]~[28]中任一项所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,上述2种以上的热塑性树脂的混合物的熔点与上述2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的熔点实质上相同。
[30]如上述[27]~[29]中任一项所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,上述2种以上的热塑性树脂的混合物的升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差小于上述2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差。
[31]如上述[27]~[30]中任一项所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,该成型体的树脂含浸率为99%以上。
[32]一种具有三维形状的复合材料成型体的制造方法,其包括下述工序:
使用将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝作为成型基材的工序。
[33]一种复合材料成型体的制造方法,其包括下述工序:
对于将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝和/或该复合丝的织物,将其在常温下作为成型基材插入到模具内、或者作为预先加热过的成型基材插入到模具内的工序;
根据需要在插入成型基材后使用来自该模具的热源以外的手段进行预加热的工序;
升温-关闭工序,将该模具关闭后将该模具的型腔面升温至该热塑性树脂的流动温度以上,或者将该模具的型腔面升温至该热塑性树脂的流动温度以上之后将该模具关闭;
冷却-脱模工序,将该模具的型腔面冷却至该热塑性树脂的流动温度以下,接着打开该模具,将成型品脱模。
[34]一种复合材料成型体的拉拔成型方法,其包括下述工序:
准备成型基材的工序,该成型基材选自由将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝以及该复合丝的机织物、针织物和编带组成的组;以及
成型工序,使该成型基材依次通过该热塑性树脂的流动温度以上的加热熔融赋形部内的加热模具、以及低于该流动温度的冷却固化部内的冷却模具,得到成型体。
[35]如上述[32]所述的方法,其中,上述复合材料成型体中的连续增强纤维束的直线率为90%以上。
[36]如上述[32]以及[35]中任一项所述的方法,其中,上述具有三维形状的复合材料成型体具有具备基盘部和立壁部的结构。
[37]如上述[32]以及[35]~[36]中任一项所述的方法,其中,上述立壁部是位于上述基盘部的端部的侧壁部,设该基盘部与该侧壁部所形成的内角为D°、设跨越该基盘部和该侧壁部的连续增强纤维的连续性为E%时,满足E(%)>2D(°)-150、且D(°)≧90°。
[38]如上述[33]所述的方法,其中,上述升温工序中的热塑性树脂的流动温度以上的时间(T分钟)与上述复合材料成型体中的该热塑性树脂的含浸率(I≦100%)满足下述式(2):
含浸率(I)>0.2×T+97.4···式(2)。
[39]如上述[34]所述的方法,其中,上述成型基材为编带,在上述成型工序中,在该编带的中心部设置芯棒。
利用本发明涉及的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法制造的复合丝中,由于作为复丝的连续增强纤维的束以特定的致密状态被热塑性树脂包覆,因此成型时的树脂含浸性优异,若将其用作成型材料,则利用短时间的成型也能够制造出高强度的成型品;并且,关于包围着作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周的热塑性树脂的包覆,尽管与位于连续增强纤维的束的最外侧的连续增强纤维相接,但并未与该纤维粘接或者是以极弱的力进行的粘接,因此作为丝条的柔软性优异,织造、编织中的处理性也优异。此外,若采用本发明涉及的方法,则能够以高速度制造作为成型基材的复合丝,因此生产率显著提高。由此,本发明的复合丝的制造方法能够适宜地用于在树脂中添加增强纤维、例如玻璃纤维等增强材料的复合成型体的制造中。
另外,本发明涉及的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝由于表面粗糙度小,因此在织物等中间材料的加工中作为丝的处理性和中间材料本身的处理性优异,由于将作为复丝的连续增强纤维的束以特定的致密状态被热塑性树脂包覆,因此成型时的树脂含浸性优异,将其用作成型材料时,即使进行短时间的成型也能够制造出高物性的成型品。另外,本发明涉及的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,关于包围着作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周的热塑性树脂的包覆,尽管与位于连续增强纤维的束的最外侧的连续增强纤维相接,但并未与该纤维粘接或者是以极弱的力进行的粘接,因此作为丝条的柔软性优异,织造、编织中的处理性也优异。
另外,本发明涉及的连续纤维增强树脂成型体中,树脂脂含浸性高,具有高强度和刚性。
另外,根据本发明,通过使用作为丝条的柔软性优异、织造、编织中的处理性也优异的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,能够制造出连续增强纤维的束不杂乱、特别是角部处的强度高、外观、强度优异的具有三维形状的复合材料成型体。
另外,根据本发明,通过使用树脂含浸性优异、即使短时间成型也能够表现出高物性的复合丝,能够利用包括拉拔成型法的特定方法高速地制造出具有高含浸率的复合材料成型体。
附图说明
图1-1是利用本实施方式的方法制造的复合丝的说明图。
图1-2是利用本实施方式的方法制造的复合丝的截面的扫描型电子显微镜照片。
图1-3是实施例1-6、实施例2-1、实施例3-1、实施例4-1的复合丝的截面的SEM反射电子图像(a)和其二值化图像(b)。
图1-4是比较例2-4的复合丝的截面的SEM反射电子图像(a)和其二值化图像(b)。
图1-5是比较例1-2的复合丝的截面的SEM反射电子图像(a)和其二值化图像(b)。
图1-6是实施例1-10-2的复合丝的截面的SEM反射电子图像(a)和其二值化图像(b)。
图1-7是实施例1-6、实施例2-1、实施例3-1、参考例4-1的成型体的截面照片。
图1-8是比较例1-1的成型体的截面照片。
图1-9是比较例1-2的成型体的截面照片。
图1-10是本实施方式的制造方法的说明图。
图1-11是图1-10所示的制造方法中使用的模头的说明图。
图1-12是成型工序的说明图。
图1-13是示出连续增强纤维树脂成型体的拉伸强度的测定中的试验片的形状的附图。
图2-1是比较例2-1、比较例3-1的成型体1的截面照片。
图2-2是比较例2-4的成型体1的截面照片。
图3-1是比较例3-3的复合丝的截面的SEM反射电子图像(a)和其二值化图像(b)。
图3-2是比较例3-2的成型体1的截面照片。
图4-1是实施例4-1的复合丝的截面的SEM反射电子图像(a)和其二值化图像(b)。
图4-2是实施例4-1的成型体的截面照片。
图4-3是实施例4-1的复合丝的微相分离结构的照片。
图4-4是实施例4-2的复合丝的微相分离结构的照片。
图5-1是用于说明在与大致圆形截面的连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根连续增强纤维与合成树脂之间的极界面中距离连续增强纤维的周边部为1根连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域的代替附图的照片。
图5-2是显示下述状态的代替附图的照片,所述状态为:在沿着大致圆形截面的连续增强纤维的长度方向的截面中的1根连续增强纤维与合成树脂之间的极界面中,在距离连续增强纤维的周边部为1根连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域内,2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂的占有比例高于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的占有比例,在该周边外侧区域以外的树脂区域内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂均匀地分散。
图5-3是用于说明本实施方式的连续纤维增强树脂复合体中的合成树脂“含浸率”的代替附图的照片。
图6-1是实施例6-1的成型体的截面照片。
图6-2是比较例6-2的成型体的截面照片。
图6-3是实施例6-1~6-5、比较例6-1、6-2的复合材料成型体中求出连续增强纤维束的直线率的方法的说明图。
图6-4是实施例6-1~6-5、比较例6-1、6-2的复合材料成型体中求出基盘部与立壁部(侧壁部)所形成的内角以及跨越该基盘部与该侧壁部的连续增强纤维的连续性的方法的说明图。
图7是示出实施例7-1~7-4的复合材料成型体的制造方法中的升温工序中热塑性树脂的流动温度以上的时间(T分钟)与上述复合材料成型体中的该热塑性树脂的含浸率(I≦100%)的关系的曲线图。
图8-1是拉拔成型法的流程图。
图8-2是例示出图8-1中所示的拉拔成型法的工序中的加热熔融赋形部内的加热模具的入口部分的锥形的截面。L1是锥形部的长度、L2是赋形部的长度。需要说明的是,赋形部的间隙2mm为例示。
图8-3是示出图8-1中所示的拉拔成型法的工序中的加热熔融赋形部内的加热模具的一例的截面。L1是锥形部的长度、L2是赋形部的长度。在模具中央配置有芯棒。需要说明的是,赋形部的间隙18mm、芯棒的外形15mm为例示。
图9是示出在针织物的编织性试验中使用的筒状针织布的外观的代替附图的照片。
具体实施方式
以下详细地说明本发明的具体实施方式(下文中称为“实施方式”)。需要说明的是,本发明并不限于以下的实施方式,可以在其要点的范围内进行各种变形来实施。
[热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法]
本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法的特征在于,其包括下述工序:
准备热塑性树脂供给装置的工序,该装置在其前端具备模头,该模头具备孔A以及孔B,该孔B的开孔面积与该孔A的开孔面积相同或更大,并且该孔B与该孔A呈同心圆状配置;
包覆工序,使作为复丝的连续增强纤维的束以规定的张力通过上述孔A和上述孔B,并且在规定的压力下从该孔B供给来自上述热塑性树脂供给装置的熔融热塑性树脂,利用该热塑性树脂包覆该连续增强纤维的束的外周;以及
冷却卷取工序,将利用熔融热塑性树脂进行了包覆的连续增强纤维的束冷却,对其进行卷取。
最终生成物优选为热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,该复合丝是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,设该复合丝的截面处的连续增强纤维的合计截面积为A(μm2)、并且设该复合丝中的该连续增强纤维的束的占有面积为B(μm2)时,由下述式:
致密指数=A/B
表示的致密指数为0.45以上、和/或该复合丝的表面粗糙度为0.25μm以下;更进一步优选在上述连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂。
[连续增强纤维的束致密的复合丝]
本说明书中,如图1-2所示,术语“连续增强纤维的束的整个外周”是将连续增强纤维与热塑性树脂的接点连结成的线的外侧的区域,是指该线的外侧整体被热塑性树脂包覆、连续增强纤维不在复合丝的表面露出的状态。
本说明书中,如图1-2所示,术语“连续增强纤维的束的内部”是指将连续增强纤维与热塑性树脂的接点连结成的线的内侧的区域,优选在热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中在连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂。
另外,由本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,关于包围着作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周的热塑性树脂的包覆,尽管与位于连续增强纤维的束的最外侧的连续增强纤维相接,但并未与该纤维粘接或者是以极弱的力进行的粘接。由本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,由于复合丝中的连续增强纤维与热塑性树脂以实质上未粘接的方式相接,因此作为丝条的柔软性优异,其结果在织造、编织中的处理性也优异。另外,在该“以实质上未粘接的方式相接”的状态下,在上述的将连续增强纤维与热塑性树脂的接点连结成的线的附近存在空隙。该空隙可以通过透射型电子显微镜照片观察(参照图1-3)。另外,由于复合丝中的连续增强纤维与热塑性树脂以实质上未粘接的方式相接,因此在制成成型体的情况下,增强纤维的束缚变小,强度表现率提高。
如上所述,由本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,连续增强纤维与热塑性树脂的接点连结成的线的外侧整体被热塑性树脂包覆,连续增强纤维不在复合丝的表面露出(参照图1-1~1-3)。通过利用这样的热塑性树脂均匀的包覆,连续增强纤维不露出,能够降低后续工序中的连续增强纤维、特别是容易受伤的玻璃纤维的损伤。
本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,设该复合丝的截面处的连续增强纤维的合计截面积为A(μm2)、并且设该复合丝中的该连续增强纤维的束的占有面积为B(μm2)时,由下述式:
致密指数=A/B
表示的致密指数为0.45以上、优选为0.47以上、更优选为0.50以上、进一步优选为0.53以上。此处,连续增强纤维的合计截面积可以通过对截面积的照片进行图像处理而求出。如图1-2所示,连续增强纤维的束的占有面积B(μm2)是由将连续增强纤维与热塑性树脂的接点连结成的线围起的区域的面积。因此,致密指数是将增强纤维的合计截面积除以上述占有面积B而得到的值,是小于1的值。致密指数越大(越接近1),复合丝中的连续增强纤维的束中,连续增强纤维越以致密的状态存在,将包覆连续增强纤维的束的整个外周的热塑性树脂成型时进行熔融时,熔融的热塑性树脂越能够以高速含浸在连续增强纤维的束的内部。尽管不希望局限于特殊的理论,但据本发明人推测,其原因在于:在连续增强纤维以致密的状态存在时,纤维间的空隙减少,在空隙内存在的空气的量也减少,因此成型时的脱气变得容易;并且,熔融的热塑性树脂容易通过毛细管现象侵入到连续增强纤维间;等等。
为了增大致密指数,优选将热塑性树脂包覆在连续增强纤维上时使连续增强纤维致密化。作为该致密化的方法,例如可以举出在对连续增强纤维施加张力(tension)的状态下使熔融热塑性树脂与该连续增强纤维接触的方法。
复合丝中的连续增强纤维合计面积B可以通过对复合丝的任意截面进行观察来测定。具体地说,可以将液态的环氧树脂从复合丝的截面注入(例如,通过将复合丝截面浸入环氧树脂中而经毛管现象进行吸引),使其固化后,将固化部分的截面精密地研磨,之后如图1-3所示拍摄透射型电子显微镜(SEM)的反射电子图像,通过图像处理来求出。区分复合丝的树脂、环氧树脂、增强纤维,计算出增强纤维的截面的合计面积、增强纤维的束的占有面积。此时,增强纤维的束的占有面积是由连结热塑性树脂的最内部的线围起的面积。
在利用本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,通过将增强纤维与树脂的接触点连结而得到的图形越接近圆形,作为丝条越均匀,因此具有处理性优异、并且树脂含浸也优异的倾向。为了使其接近圆形,优选在连续增强纤维与热塑性树脂即将接触前使连续增强纤维的束为接近正圆的形状。特别是在使用多根连续增强纤维的情况下,增强纤维优选使用3根以上,优选即将涂布前接近圆形的形状,即3根时优选为3角形,4根时优选为4边形、呈3角形在中心部穿过1根的状态。另外,通过均等地配置比包覆热塑性树脂的质量大的连续增强纤维,能够使复合丝的重心与截面积中心一致,能够抑制在复合丝的后加工(例如织造、编织等)中的丝条摆动。如上所述,通过将连续增强纤维与热塑性树脂的接触点连结而得到的图形可以通过对复合丝进行树脂包埋、精密研磨、光学显微镜观察、截面照片的图像处理而求出。
[表面粗糙度为规定范围内的复合丝]
在由本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,该复合丝的表面粗糙度为0.25μm以下、优选为0.20μm以下、更优选为0.15μm以下、最优选为0.10μm以下。由于本实施方式的复合丝的表面粗糙度小、并且为单丝状,在对丝进行处理时的解舒、整经、投梭、打纬、卷取等工序中对于机械装置的接触部位的摩擦小,能够高速稳定地处理,并且还有助于将机织物等中间材料放入模具进行成型时降低断线、降低物性不均。
复合丝的表面粗糙度可以使用能够进行景深合成的光学显微镜沿着丝的长度方向对于复合丝的任意位置进行100μm间的测定。
另外,本实施方式的复合丝的长范围的表面粗糙度优选为6μm以下、更优选为5μm以下、进一步优选为4μm以下、最优选为3.5μm以下。长范围的表面粗糙度通过沿丝的长度方向进行4000μm的测定而得到。
为了减小表面粗糙度,可以采用下述方法:使用如图1-10、1-11所示的在树脂供给装置的前端具备至少具有孔A和孔B的喷嘴的装置,仅使连续增强纤维在孔A中通过,使通过了孔A的连续增强纤维和热塑性树脂同时在孔B中通过,根据连续增强纤维的粗细和热塑性树脂的附着量来调整孔A和孔B的尺寸。
本实施方式的复合丝的偏心率优选为12%以下、更优选为11%以下、进一步优选为10%以下、最优选为9%以下,该偏心率为将复合丝的任意截面处的复合丝的面积重心与该复合丝中的连续增强纤维的束的面积重心的距离除以复合丝的当量圆半径而得到的值。
复合丝的重心与连续增强纤维的束的重心越接近,越可带来高速运转的丝道的稳定性。复合丝面积重心与复合丝中的增强纤维的束的面积重心可以通过对复合丝的任意截面进行观察来测定。具体地说,可以在复合丝的位置切断,将液态的环氧树脂从其截面注入(例如,通过将复合丝截面浸入环氧树脂中而经毛管现象进行吸引),使其固化后,将固化部分的截面精密地研磨,之后拍摄透射型电子显微镜(SEM)的反射电子图像,通过图像处理来求出。需要说明的是,面积重心和重心需要严密地进行重量校正,但是难以在也考虑到增强纤维束中的增强纤维也有不均的情况下精确地进行校正。但是,由于重心应当靠近重量大的增强纤维侧,因此越进行校正,两者越接近,因此,若面积中心接近,则重心也接近。
[热塑性树脂涂布增强纤维复合丝]
本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该热塑性树脂由2种以上的树脂构成。优选在上述连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂。
本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,该热塑性树脂由2种以上的树脂构成。
通过含有两种以上的热塑性树脂,成型时的含浸性以及高强度表现优异。其理由尚不确定,据本发明人推测,其原因在于,通过使预先混合状态的两种以上的热塑性树脂与连续增强纤维接触,在成型时,通过熔融时与连续增强纤维的相互作用,而迅速地引起含浸以及树脂的最佳配置。
作为2种以上的热塑性树脂的组合,在复合丝的包覆以及成型品这两者中,优选形成微相分离结构的树脂的组合。作为微相分离结构,优选分离结构单元的尺寸为1mm以下,更优选为100μm以下、进一步优选为50μm以下。若分离结构单元过大,则成型体的物性可能不均匀。另一方面,若接近完全相溶体系,则难以表现出含浸性和高强度表现性的效果。微相分离结构的形态没有特别限定,优选容易表现出含浸性和高强度表现性的效果的球体结构。微相分离结构的确认可以通过适当的方法根据热塑性树脂的种类来确认,可以采用电子显微镜(TEM)、显微拉曼分光等方法。
本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,作为大于50重量%的主成分的热塑性树脂的熔点(高熔点)与作为副成分的热塑性树脂的熔点(低熔点)之差优选为10~200℃、更优选为20~170℃、进一步优选为30~150℃。作为混合物的热塑性树脂的主成分与副成分的熔点差若过大,则在进行短时间的成型时可能发生不均匀地含浸,可能难以得到高速含浸效果以及高强度表现效果。需要说明的是,熔点通过DSC测定求出。
热塑性树脂的组合没有特别限定,优选为同系统的树脂。同系统的树脂是在高分子的命名法中被分类在相同名称中的物质,例如若为缩合系的树脂,则意味着键合形式相同;若为链聚合系的树脂,则意味着重复单元相同。作为热塑性树脂的组合,例如可以举出以PA66作为主成分、与其相比为低熔点的PA6/12、PA6I、PA6等,特别优选PA66与PA6/12的组合。这种情况下的熔点差可以为135℃。
利用本实施方式的方法制造的复合丝可以作为用于增强其他材料的增强纤维使用,也可以将复合丝加工成布状,作为用于增强其他材料的增强布(也称为成型基材、中间基材、中间材料)使用,还可以通过进行加热加工而制成连续增强纤维树脂成型体。
作为连续增强纤维树脂成型体的结构,可以将本实施方式的复合丝作为增强纤维,与各种热塑性树脂、热固化性树脂等基体树脂组合而形成混合成型体,也可以通过使构成复合丝的热塑性树脂熔融而制成基体树脂。
由本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝可以为仅1根的单丝状的形态,也可以为多根的形态。在加捻为复合丝的情况下,丝容易聚集,含浸可得到优选的效果。从防止复合丝损伤的方面出发,在使用无捻复合丝的情况下,优选以仅1根的形态使用。
从处理性的方面出发,复合丝的直径I(μm)优选为100~5000μm、更优选为150~2000μm、进一步优选为200~1500μm。此处所说的直径为当量圆直径。
连续增强纤维与对其进行包覆的热塑性树脂的体积比例优选为连续增强纤维:热塑性树脂=10:90~80:20、更优选为20:80~70:30、进一步优选为30:70~60:40。
通过使连续增强纤维的体积比例(Vf)H为10%以上,可得到实用上充分的强度,另一方面,通过使该比例为80%以下,能够防止复合丝的张力过度增高,可得到良好的处理性。
[连续纤维增强树脂成型体]
本实施方式的连续纤维增强树脂成型体是含有大致圆形截面的连续增强纤维和2种以上的热塑性树脂的连续纤维增强树脂成型体,其特征在于,在与该连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根该连续增强纤维与该热塑性树脂之间的极界面中,在距离该连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域(也称为极界面区域)内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(也称为主树脂)以外的树脂(也称为副树脂)的占有比例高于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的占有比例,在该周边外侧区域以外的树脂区域(也称为其他树脂区域)内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂(副树脂)均匀地分散或混合。
即,如图5-1所示,本实施方式的连续纤维增强树脂成型体是含有大致圆形截面的连续增强纤维和合成树脂的连续纤维增强树脂成型体,在与该连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根该连续增强纤维与该合成树脂之间的极界面处所观察到的、距离该连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域(也称为极界面区域)内,该2种以上的热塑性树脂中副树脂的占有比例高于主树脂的占有比例。将该状态示于图5-2。
本实施方式的连续纤维增强树脂成型体中的上述周边外侧区域内的各热塑性树脂的占有比例(面积比例)例如可以如下计算出:切出连续纤维增强树脂成型体的厚度方向的截面(与连续增强纤维的长度方向正交的截面),包埋在环氧树脂中,按照连续增强纤维不破损的方式小心地进行研磨,然后利用激光拉曼显微镜拍摄该截面的映像图像,由所得到的图像、光谱来确定纤维增强树脂中包含的树脂的种类,通过基于imageJ的图像处理来计算出各自的面积。
另外,关于纤维增强树脂成型体中的极界面区域以外的树脂区域内的热塑性树脂的分布,例如,可以将沿厚度方向截面(与连续增强纤维的长度方向正交的截面)切削出的连续纤维增强树脂成型体的截面(与连续增强纤维的长度方向正交的截面)按照对研磨面施加125g/cm2的力的方式以利用耐水纸号数#220研磨10分钟、利用耐水纸号数#1200研磨10分钟、利用耐水纸号数#2000研磨5分钟、利用碳化硅膜粒度9μm研磨10分钟、利用氧化铝膜粒度5μm研磨10分钟、利用氧化铝膜粒度3μm研磨5分钟、利用氧化铝膜粒度1μm研磨5分钟、利用使用抛光研磨纸发泡聚氨酯的粒度0.1μm的胶态二氧化硅(BAIKALOX 0.1CR)研磨5分钟的顺序,在各研磨中一边以约7mL/min加入水一边进行研磨,将研磨得到的样品利用磷钨酸等进行电子染色后,利用扫描型电子显微镜(SEM)进行观察,利用ImageJ等软件进行图像分析,由此求出该分布。关于热塑性树脂的占有比例,可以对任意10点进行观察,由其平均值求出该占有比例。
从成型体的强度的方面出发,成型体中的连续增强纤维与热塑性树脂的体积比例优选为10:90~80:20、更优选为20:80~70:30、进一步优选为30:70~70:30、最优选为35:65~65:35。即,连续纤维增强树脂成型体的玻璃纤维的占有体积(Vf、也称为体积含量)可以为10~80%。
[连续纤维增强树脂成型体的形态]
连续纤维增强树脂的形态没有特别限制,可以举出以下的各种形态。例如可以举出:将增强纤维的机织物或针织物、编带、管状物与树脂复合而成的形态;将沿一个方向拉齐的增强纤维与树脂复合而成的形态;将由增强纤维和树脂构成的丝沿一个方向拉齐而成型出的形态;将由增强纤维和树脂构成的丝制成机织物、针织物、编带、管状物而成型出的形态。
作为连续纤维增强树脂成型体的成型前的中间材料的形态,可以举出:连续增强纤维与树脂纤维的混纤丝;将连续增强纤维的束的周围利用树脂包覆而成的涂布丝;使连续增强纤维预先含浸树脂而制成带状的形态;利用树脂的膜夹着连续增强纤维的形态;使树脂粉末附着于连续增强纤维的形态;将连续增强纤维的束作为芯材将其周围利用树脂纤维制成编带的形态;使增强纤维束之间预先含浸树脂的形态;等等。
[连续纤维增强成型体的含浸率]
如图5-3所示,连续纤维增强树脂成型体中的热塑性树脂的含浸率可以通过连续纤维增强树脂成型体的截面中的空隙的比例来求出。具体地说,将连续纤维增强树脂成型体在任意的位置切断,包埋在环氧树脂等中,研磨后进行光学显微镜观察,将由此得到的图像利用分析软件进行图像分析,由此计算出。
如图5-3所示,关于含浸率(%),在设规定面积为100%时,由下述式进行计算:
含浸率(%)={1-(空隙面积/连续增强纤维束面积)}×100
从强度、外观的方面出发,本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的含浸率优选为98%以上、更优选为99%以上、进一步优选为99.5%以上、最优选为99.9%以上。
[连续增强纤维]
作为连续增强纤维,可以使用在通常的纤维增强复合成型体中使用的材料。
作为连续增强纤维,可以举出但不限于例如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高强力聚乙烯纤维、聚苯并吡咯系纤维、液晶聚酯纤维、聚酮纤维、金属纤维、陶瓷纤维等。
从机械特性、热学特性、通用性的方面出发,优选玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维,从生产率的方面出发,优选玻璃纤维。
作为连续增强纤维选择玻璃纤维的情况下,可以使用集束剂,集束剂优选含有硅烷偶联剂、润滑剂以及成束剂。更优选为与覆盖连续增强纤维的周围的树脂形成强结合的集束剂。另外,集束剂优选为热塑性树脂用的集束剂。热塑性树脂用的集束剂是指将连续增强纤维利用电炉以30℃/min升温至300℃,在恢复室温后,连续增强纤维的刚性不会比加热前的连续增强纤维的刚性更大的材料。
[硅烷偶联剂]
硅烷偶联剂通常被用作玻璃纤维的表面处理剂,有助于提高界面粘接强度。
作为硅烷偶联剂,可以举出但不限于例如γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷等氨基硅烷类;γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三乙氧基硅烷等巯基硅烷类;环氧硅烷类;乙烯基硅烷类等。
[润滑剂]
润滑剂有助于提高玻璃纤维的开纤性。
作为润滑剂,可以使用与目的相应的通常的液体或固体的任意润滑材料,可以举出但不限于例如巴西棕榈蜡、羊毛脂蜡等动植物系或矿物系的蜡;脂肪酰胺、脂肪酸酯、脂肪酸醚、芳香族系酯、芳香族系醚等表面活性剂等。
[成束剂]
成束剂有助于提高玻璃纤维的集束性、提高界面粘接强度。
作为成束剂,可以使用与目的相应的聚合物、热塑性树脂。
作为成束剂的聚合物可以举出但不限于例如丙烯酸的均聚物、丙烯酸与其他共聚性单体的共聚物、它们与伯胺、仲胺或叔胺的盐等。另外,还适于使用例如间二甲苯二异氰酸酯、4,4’-亚甲基双(环己基异氰酸酯)、异佛尔酮二异氰酸酯等由异氰酸酯以及聚酯系、聚醚系二醇合成的聚氨酯树脂。
丙烯酸的均聚物、共聚物的重均分子量优选为1,000~90,000、更优选为1,000~25,000。
作为构成丙烯酸与其他共聚性单体的共聚物的共聚性单体,可以举出但不限于例如具有羟基和/或羧基的单体中的选自由丙烯酸、马来酸、甲基丙烯酸、乙烯基乙酸、丁烯酸、异丁烯酸、富马酸、衣康酸、柠康酸以及中康酸组成的组中的1种以上(其中不包括仅为丙烯酸的情况)。作为共聚性单体,优选具有1种以上的酯系单体。
作为丙烯酸的均聚物、共聚物与伯胺、仲胺或叔胺的盐,可以举出但不限于例如三乙胺盐、三乙醇胺盐、甘氨酸盐等。从提高与其他合用化学试剂(硅烷偶联剂等)的混合溶液的稳定性、降低胺臭的方面出发,中和度优选为20~90%、更优选为40~60%。
形成盐的丙烯酸的聚合物的重均分子量没有特别限制,优选为3,000~50,000的范围。从提高玻璃纤维的集束性的方面出发,优选为3,000以上,从提高制成复合成型体时的特性的方面出发,优选为50,000以下。
关于作为成束剂使用的热塑性树脂,可以举出但不限于例如聚烯烃系树脂、聚酰胺系树脂、聚缩醛系树脂、聚碳酸酯系树脂、聚酯系树脂、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚、热塑性聚醚酰亚胺、热塑性氟系树脂、将它们改性而成的改性热塑性树脂等。作为成束剂使用的热塑性树脂与包覆增强纤维的周围的树脂为同种的热塑性树脂和/或改性热塑性树脂时,在制成复合成型体后玻璃纤维与热塑性树脂的粘接性提高,是优选的。
需要说明的是,为了使硅烷偶联剂和成束剂与树脂结合,需要以两者相接的状态经受一定时间的加热,在复合丝的制造中的涂布的情况下,尽管树脂发生熔融,但由于与冷却的玻璃纤维接触,因此表现不出粘接力。即使将玻璃纤维预先加热,也由于与涂布时的树脂的接触时间短而表现不出粘接力。另一方面,由于在成型时以玻璃纤维与热塑性树脂接触的状态加热,因此界面的强度提高。
此外,在使连续增强纤维与包覆其的热塑性树脂的粘接性进一步提高、将集束剂以水分散体的形式附着于玻璃纤维的情况下,从降低乳化剂成分的比例、或者能够不需要乳化剂等的方面出发,作为成束剂使用的热塑性树脂优选为改性热塑性树脂。
此处,改性热塑性树脂是指,除了可形成热塑性树脂的主链的单体成分以外,以改变该热塑性树脂的性状为目的使不同的单体成分共聚而对亲水性、结晶性、热力学特性等进行改性的物质。
作为成束剂使用的改性热塑性树脂可以举出但不限于例如改性聚烯烃系树脂、改性聚酰胺系树脂、改性聚酯系树脂等。
作为成束剂的改性聚烯烃系树脂是乙烯、丙烯等烯烃系单体与不饱和羧酸等能够与烯烃系单体共聚的单体的共聚物,可以利用公知的方法制造。可以为烯烃系单体与不饱和羧酸共聚而成的无规共聚物,也可以为在烯烃上接枝不饱和羧酸而成的接枝共聚物。
作为烯烃系单体,可以举出但不限于例如乙烯、丙烯、1-丁烯等。它们可以单独使用仅1种,或者可以组合使用2种以上。作为能够与烯烃系单体共聚的单体,例如可以举出丙烯酸、马来酸、马来酸酐、甲基丙烯酸、乙烯基乙酸、丁烯酸、异丁烯酸、富马酸、衣康酸、柠康酸、中康酸等不饱和羧酸等,它们可以单独使用仅1种,也可以组合使用2种以上。
作为烯烃系单体和能够与该烯烃系单体共聚的单体的共聚比例,设共聚的总质量为100质量%,优选烯烃系单体为60~95质量%、能够与烯烃系单体共聚的单体为5~40质量%,更优选烯烃系单体为70~85质量%、能够与烯烃系单体共聚的单体为15~30质量%。烯烃系单体为60质量%以上时,与基体的亲和性良好;另外,烯烃系单体的质量%为95质量%以下时,改性聚烯烃系树脂的水分散性良好,容易进行针对连续增强纤维的均匀赋予。
作为成束剂使用的改性聚烯烃系树脂中,通过共聚导入的羧基等改性基团可以被碱性化合物中和。作为碱性化合物,可以举出但不限于例如氢氧化钠、氢氧化钾等碱类;氨;单乙醇胺、二乙醇胺等胺类。作为成束剂使用的改性聚烯烃系树脂的重均分子量没有特别限制,优选为5,000~200,000、更优选为50,000~150,000。从提高玻璃纤维的集束性的方面出发优选为5,000以上,从制成水分散液时的乳化稳定性的方面出发优选为200,000以下。
作为成束剂使用的改性聚酰胺系树脂是在分子链中导入有聚环氧烷链、叔胺成分等亲水基团的改性聚酰胺化合物,可以利用公知的方法制造。
在分子链中导入聚环氧烷链的情况下,例如将聚乙二醇或聚丙二醇等的一部分或全部改性成二胺或二羧酸并使所得到的改性物共聚来制造。在导入叔胺成分的情况下,例如共聚氨基乙基哌嗪、双氨基丙基哌嗪、α-二甲氨基ε-己内酰胺等来制造。
作为成束剂使用的改性聚酯系树脂是多元羧酸或其酸酐与多元醇的共聚物,且在包含末端的分子骨架中具有亲水基团,该树脂可利用公知的方法制造。
作为亲水基团,例如可以举出聚环氧烷基、磺酸盐、羧基、它们的中和盐等。作为多元羧酸或其酸酐,可以举出芳香族二羧酸、含有磺酸盐的芳香族二羧酸、脂肪族二羧酸、脂环式二羧酸、3官能以上的多元羧酸等。
作为芳香族二羧酸,可以举出但不限于例如苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、1,5-萘二甲酸、2,6-萘二甲酸、苯二甲酸酐等。
作为含有磺酸盐的芳香族二羧酸,可以举出但不限于例如磺基对苯二甲酸盐、5-磺基间苯二甲酸盐、5-磺基邻苯二甲酸盐等。
作为脂肪族二羧酸或脂环式二羧酸,可以举出但不限于例如富马酸、马来酸、衣康酸、琥珀酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、二聚酸、1,4-环己烷二甲酸、琥珀酸酐、马来酸酐等。
作为3官能以上的多元羧酸,可以举出但不限于例如偏苯三甲酸、均苯四甲酸、偏苯三甲酸酐、均苯四甲酸二酐等。
这些之中,从提高改性聚酯系树脂的耐热性的方面出发,优选全部多元羧酸成分的40~99摩尔%为芳香族二羧酸。另外,从将改性聚酯系树脂制成水分散液时的乳化稳定性的方面出发,优选全部多元羧酸成分的1~10摩尔%为含有磺酸盐的芳香族二羧酸。
作为构成改性聚酯树脂的多元醇,可以举出二醇、3官能以上的多元醇等。
作为二醇,可以举出但不限于例如乙二醇、二乙二醇、聚乙二醇、丙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、聚四亚甲基二醇、1,4-环己二醇、1,4-环己烷二甲醇、双酚A或其环氧烷加成物等。作为3官能以上的多元醇,可以举出三羟甲基丙烷、甘油、季戊四醇等。
作为构成改性聚酯树脂的多元羧酸或其酸酐与多元醇的共聚比例,设共聚成分的总质量为100质量%,优选多元羧酸或其酸酐为40~60质量%、多元醇为40~60质量%,更优选多元羧酸或其酸酐为45~55质量%、多元醇为45~55质量%。
作为改性聚酯系树脂的重均分子量,优选为3,000~100,000、更优选为10,000~30,000。从提高玻璃纤维的集束性的方面出发优选为3,000以上,从制成水分散液的情况下的乳化稳定性的方面出发优选为100,000以下。
作为成束剂使用的上述聚合物、热塑性树脂可以单独使用仅一种、也可以将两种以上合用。
设成束剂的总量为100质量%,选自丙烯酸的均聚物、丙烯酸与其他共聚性单体的共聚物、以及它们与伯胺、仲胺和叔胺的盐中的1种以上的聚合物更优选使用50质量%以上、60质量%以上。
[玻璃纤维用的集束剂的组成]
作为连续增强纤维使用玻璃纤维的情况下,该玻璃纤维的集束剂优选分别含有硅烷偶联剂0.1~2质量%、润滑剂0.01~1质量%、成束剂1~25质量%,优选将这些成分用水稀释,将总质量调整为100质量%。
从提高玻璃纤维的集束性和提高界面粘接强度、以及提高复合成型体的机械强度的方面出发,玻璃纤维用的集束剂中的硅烷偶联剂的混配量优选为0.1~2质量%、更优选为0.1~1质量%、进一步优选为0.2~0.5质量%。
从赋予充分的润滑性的方面、以及提高连接线对于空气捻接器的抗拉强度和提高混纤工序中的开纤性的方面出发,玻璃纤维用的集束剂中润滑剂的混配量优选为0.01质量%以上、更优选为0.02质量%以上,从提高界面粘接强度以及提高复合成型体的机械强度的方面出发,该混配量优选为1质量%以下、更优选为0.5质量%以下。
从控制玻璃纤维的集束性和提高界面粘接强度、以及提高复合成型体的机械强度的方面出发,玻璃纤维用的集束剂中成束剂的混配量优选为1~25质量%、更优选为3~15质量%、进一步优选为3~10质量%。
[玻璃纤维用的集束剂的使用方式]
玻璃纤维用的集束剂根据使用方式可以制备成水溶液、胶态分散液的形态、使用了乳化剂的乳液的形态等任一种形态,从提高集束剂的分散稳定性、提高耐热性的方面出发,优选制成水溶液的形态。
关于作为构成本实施方式的复合丝和连续增强纤维树脂成型体的连续增强纤维的玻璃纤维,将上述集束剂在公知的玻璃纤维的制造工序中使用辊型涂布器等公知的方法赋予至玻璃纤维,将所制造的玻璃纤维干燥,由此连续地得到该玻璃纤维。
相对于玻璃纤维100质量%,集束剂以硅烷偶联剂、润滑剂和成束剂的总质量计优选赋予0.1~3质量%、更优选赋予0.2~2质量%、进一步优选赋予0.2~1质量%。
从控制玻璃纤维的集束性和提高界面粘接强度的方面出发,相对于玻璃纤维100质量%,集束剂的赋予量以硅烷偶联剂、润滑剂和成束剂的总质量计优选为0.1质量%以上,从提高连接线对于空气捻接器的抗拉强度和提高混纤工序中的开纤性的方面出发优选为3质量%以下。
需要说明的是,作为连续增强纤维选择碳纤维的情况下,集束剂优选含有润滑剂、成束剂。关于集束剂、润滑剂、成束剂的种类没有特别限制,可以使用公知的物质。作为具体的材料,可以使用上述专利文献1(日本特开2015-101794号公报)中记载的材料。
在使用其他连续增强纤维的情况下,可以根据连续增强纤维的特性适宜地选择玻璃纤维、碳纤维中使用的集束剂的种类、赋予量,优选以碳纤维中使用的集束剂为基准的集束剂的种类、赋予量。
[连续增强纤维的形状]
构成由本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的连续增强纤维为复丝。从处理性的方面出发,单丝数B优选为30~15,000根。
从强度的方面以及处理性的方面出发,连续增强纤维的单丝径优选为2~30μm、更优选为4~25μm、进一步优选为6~20μm、更进一步优选为8~15μm。
从复合丝的处理性和成型体的强度的方面出发,连续增强纤维的单丝径R(μm)与密度D(g/cm3)之积RD优选为5~100μm·g/cm3、更优选为10~50μm·g/cm3、进一步优选为15~45μm·g/cm3、更进一步优选为20~45μm·g/cm3
密度D可以利用比重计进行测定。另一方面,单丝径(μm)可以根据密度(g/cm3)和细度(dtex)、单丝数(根)由下述式计算出。
[数1]
Figure BDA0002611520890000251
为了使连续增强纤维的积RD为规定的范围,可以针对可市售获得的连续增强纤维,根据连续增强纤维所具有的密度适宜地选择细度(dtex)和单丝数(根)。例如,作为连续增强纤维使用玻璃纤维的情况下,由于密度为约2.5g/cm3,因此可以选择单丝径为2~40μm的纤维。具体地说,玻璃纤维的单丝径为9μm的情况下,通过选择细度660dtex、单丝数400根的玻璃纤维,积RD为23。另外,玻璃纤维的单丝径为17μm的情况下,通过选择细度11,500dtex、单丝数2,000根的玻璃纤维,积RD为43。作为连续增强纤维使用碳纤维的情况下,由于密度为约1.8g/cm3,因此可以选择单丝径为2.8~55μm的纤维。具体地说,碳纤维的单丝径为7μm的情况下,通过选择细度2,000dtex、单丝数3,000根的碳纤维,积RD为13。作为连续增强纤维使用芳纶纤维的情况下,由于密度为约1.45g/cm3,因此可以选择单丝径为3.4~68μm的纤维。具体地说,芳纶纤维的单丝径为12μm的情况下,通过选择细度1,670dtex、单丝数1,000根的芳纶纤维,积RD为17。
连续增强纤维(例如玻璃纤维)如下进行制造:将原料玻璃计量、混合,利用熔融炉制成熔融玻璃,将其纺丝制成玻璃丝,涂布集束剂,经过纺丝机而以直接无捻粗纱(DWR,Direct Winding Roving)、纱饼、加捻纱等的卷取形态来制造。连续增强纤维可以为任何形态,但若卷曲成为纱线、纱饼、DWR,则包覆树脂的工序中的生产率、生产稳定性提高,因而优选。从生产率的方面出发,最优选DWR。
[热塑性树脂]
利用本实施方式的方法制造的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝具备上述的连续增强纤维、以及包覆该连续增强纤维的1种或2种以上的热塑性树脂。
热塑性树脂可以使用现有公知的复合成型体中使用的树脂。
热塑性树脂可以举出但不限于例如聚乙烯、聚丙烯(PP)等聚烯烃系树脂;聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚酰胺46等聚酰胺系树脂;聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯等聚酯系树脂;聚甲醛等聚缩醛系树脂;聚碳酸酯系树脂;聚醚酮;聚醚醚酮;聚醚砜;聚苯硫醚;热塑性聚醚酰亚胺;四氟乙烯-乙烯共聚物等热塑性氟系树脂以及将它们改性而成的改性热塑性树脂。
这些热塑性树脂中,优选聚烯烃系树脂、聚酰胺系树脂、聚酯系树脂、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚、热塑性聚醚酰亚胺以及热塑性氟系树脂,从机械物性、通用性的方面出发,更优选聚烯烃系树脂、改性聚烯烃系树脂、聚酰胺系树脂和聚酯系树脂,若加上热学物性的方面,则更优选聚酰胺系树脂和聚酯系树脂。另外,从针对反复负荷负荷的耐久性的方面出发,更进一步优选聚酰胺系树脂,可以适当地使用聚酰胺66(PA66)。
为了调整树脂的粘度和表面张力、增强界面强度,优选将2种以上的树脂混合使用。
[使用2种以上的热塑性树脂的情况]
构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的基体树脂的热塑性树脂为两种以上。2种以上的热塑性树脂中,以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)在2种以上的热塑性树脂的合计占有面积中优选为85%~99%,从耐热性的方面出发,两种以上的热塑性树脂中,优选以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)是熔点最高的树脂。
两种以上的热塑性树脂中,熔点最高的树脂的熔点与熔点最低的树脂的熔点之差优选为35℃以上、更优选为100℃以上。连续纤维增强树脂成型体中包含的热塑性树脂的种类可以通过利用激光拉曼显微镜对连续纤维增强树脂成型体的截面进行分析来确定,各热塑性树脂的熔点和玻璃化转变温度可以根据树脂的组成利用差示扫描量热计(DSC)计算出。另外,从耐热性的方面出发,优选热塑性树脂的混合物的熔点与热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)的熔点相同。
构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的2种以上的热塑性树脂混合物的升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差若小于构成该2种以上的热塑性树脂的树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)的升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差,则成型性与含浸速度的平衡优异,因而优选。升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度可以通过DSC计算出。
构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的2种以上的热塑性树脂中,从含浸性和强度的方面出发,优选以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的至少一种树脂(副树脂)与上述连续增强纤维之间的结合力大于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)与连续增强纤维之间的结合力。各热塑性树脂与连续增强纤维之间的结合力可以通过使用纳米压痕仪的顶出测试来求出。
构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的2种以上热塑性树脂中,从含浸性和强度的方面出发,优选以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的至少一种树脂(副树脂)与上述连续增强纤维之间的表面张力之差小于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)与连续增强纤维之间的表面张力之差。另外,构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的2种以上的热塑性树脂中,从含浸性和强度的方面出发,优选以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的至少一种树脂(副树脂)针对连续增强纤维的润湿性大于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)针对连续增强纤维的润湿性。关于各热塑性树脂与连续增强纤维之间的表面张力之差、润湿性,可以将1根连续增强纤维埋入到在加热板上熔融的热塑性树脂中,通过抽出连续增强纤维时热塑性树脂被连续纤维拉伸的长度进行评价。
出于强度与含浸性的平衡优异的原因,优选构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的2种以上的热塑性树脂的混合物的熔融粘度与该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)的熔融粘度相同。树脂的熔融粘度可以使用双毛细管流变仪等进行测定。
构成本实施方式的连续纤维增强树脂成型体的2种以上的热塑性树脂可以根据中间材料的形态进行预混合来使用,也可以通过干混而形成中间材料的树脂形态。
[聚酯系树脂]
聚酯系树脂是指在主链具有-CO-O-(酯)键的高分子化合物。
关于作为热塑性树脂使用的聚酯系树脂,可以举出但不限于例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚-1,4-环己基二亚甲基对苯二甲酸酯、聚2,6-萘二羧酸乙二醇等。
聚酯系树脂可以为均聚聚酯,另外也可以为共聚聚酯。
共聚聚酯的情况下,优选使适宜的第3成分与均聚聚酯共聚,作为第3成分,可以举出但不限于例如二乙二醇、新戊二醇、聚亚烷基二醇等二醇成分、己二酸、癸二酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、5-(钠代磺基)间苯二甲酸等二羧酸成分等。
另外,也可以使用采用了生物物质来源的原料的聚酯系树脂,可以举出但不限于例如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯己二酸酯等脂肪族聚酯系树脂、聚己二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯等芳香族聚酯系树脂等。
[聚酰胺系树脂]
聚酰胺系树脂是指在主链具有-CO-NH-(酰胺)键的高分子化合物。
关于作为热塑性树脂使用的聚酰胺系树脂,可以举出但不限于例如通过内酰胺的开环聚合得到的聚酰胺、通过ω-氨基羧酸的自缩合得到的聚酰胺、通过将二胺和二羧酸缩合得到的聚酰胺、以及它们的共聚物。
聚酰胺系树脂可以单独使用1种、也可以作为2种以上的混合物使用。
作为内酰胺,可以举出但不限于例如吡咯烷酮、己内酰胺、十一内酰胺、十二内酰胺。作为ω-氨基羧酸,可以举出但不限于例如内酰胺基于水的开环化合物即ω-氨基脂肪酸。内酰胺或ω-氨基羧酸可以分别将2种以上的单体合用而使其缩合。
作为二胺(单体),可以举出但不限于例如1,6-己二胺、1,5-戊二胺等直链状的脂肪族二胺;2-甲基-1,5-戊二胺、2-乙基-1,6-己二胺等支链型的脂肪族二胺;对苯二胺、间苯二胺等芳香族二胺;环己烷二胺、环戊烷二胺、环辛烷二胺等脂环式二胺。
作为二羧酸(单体),可以举出但不限于例如己二酸、庚二酸、癸二酸等脂肪族二羧酸;邻苯二甲酸、间苯二甲酸等芳香族二羧酸;环己烷二羧酸等脂环式二羧酸。作为单体的二胺和二羧酸可以分别单独使用1种或合用2种以上而进行缩合。
作为聚酰胺系树脂,可以举出但不限于例如聚酰胺4(聚α-吡咯烷酮)、聚酰胺6(PA6、聚己内酰胺)、聚酰胺11(聚十一烷酰胺)、聚酰胺12(聚十二烷酰胺)、聚酰胺46(聚己二酰丁二胺)、聚酰胺66(PA66、聚己二酰己二胺)、聚酰胺610、聚酰胺612、聚酰胺6T(聚对苯二甲酰己二胺)、聚酰胺9T(聚对苯二甲酰壬二胺)以及聚酰胺6I(聚间苯二甲酰己二胺)、以及包含它们作为构成成分的共聚聚酰胺。
作为共聚聚酰胺,可以举出但不限于例如己二酰己二胺和对苯二甲酰己二胺的共聚物、己二酰己二胺和间苯二甲酰胺己二胺的共聚物、以及对苯二甲酰己二胺和2-甲基戊烷二胺对苯二甲酰胺的共聚物。
[复合丝的制造方法]
作为将热塑性树脂包覆在连续增强纤维上的方法,例如可以举出上述专利文献3(日本特开平8-336879号公报)的方法,如图1-10所示,本实施方式的复合丝的制造装置至少由连续增强纤维的送出装置、具备具有涂布部的模头的树脂供给装置、冷却部、卷取机等构成。在连续增强纤维的送出装置与涂布部之间优选具备连续增强纤维的张力控制装置、引导装置。如图1-11所示,具有涂布部的模头至少具备孔A和孔B,具有在一定压力下按照包入熔融树脂的方式使熔融的热塑性树脂与连续增强纤维接触的同时包覆其外周整体的结构。如上所述,本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法包括下述工序:准备热塑性树脂供给装置的工序,该装置在其前端具备模头,该模头具备孔A以及孔B,该孔B的开孔面积大于该孔A的开孔面积,并且该孔B与该孔A呈同心圆状配置;包覆工序,使作为复丝的连续增强纤维的束以规定的张力通过上述孔A和上述孔B,并且在规定的压力下从该孔B供给来自上述热塑性树脂供给装置的熔融热塑性树脂,利用该热塑性树脂包覆该连续增强纤维的束的外周;以及冷却卷取工序,将利用熔融热塑性树脂进行了包覆的连续增强纤维的束冷却,对其进行卷取。从处理性和维护性的方面出发,上述模头可以为能够分离成2个以上的结构。作为树脂供给装置,可以使用挤出装置、浸渍装置等,优选容易控制树脂的包覆厚度的挤出装置。
树脂的熔融温度为比热塑性树脂的熔点更高的温度即可,从抑制热劣化的方面出发,优选为热塑性树脂的熔点+10~100℃、更优选为熔点+20~80℃、进一步优选为熔点+30~70℃。关于使树脂熔融的装置,例如使用挤出机即可。优选根据树脂的粘度调整螺杆的形状,以适当的压力将熔融树脂送入模头中。优选根据需要进行氮气吹扫或排气。
为了在必要时对热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的品质进行管理,可以设置在线线径测量仪。线径测量仪没有特别限制,可以为接触型测量仪、也可以为激光方式的非接触型测量仪。使用非接触式的情况下,可以为单螺杆型、也可以为双螺杆型。
冷却部中的冷却可以为空气冷却,也可通过浸渍在水浴中来进行,还可以通过卷绕在冷却辊上来进行。也可以在卷绕在冷却辊上的同时进行水的喷雾。在冷却中使用水的情况下,优选根据需要设置干燥机构。干燥可以使用空气等流体进行,也可以施加温度,还可以利用布、辊等以物理方式除去水,卷取机可以经自动控制进行,也可以经人工控制。从生产率和生产稳定性的方面出发,丝的速度优选为10~2000m/分钟、更优选为50~1800m/分钟,优选为100~1500m/分钟。
连续增强纤维的送出没有特别限制,优选以适于增强纤维的卷绕形态的方法送出。在卷绕在卷线轴上的纱线形态的增强纤维中,可以设置于常见的排线架上,向前方或斜前方送出。在无卷线轴的粗纱形态的增强纤维中,可以将纱饼置于针床,将丝从内侧拉出并向上方送出。另外,在粗纱形态的增强纤维或者卷绕在卷线轴上的无捻纱的增强纤维中,可以一边使卷线轴或纱饼旋转一边将丝从外侧拉出,在不加捻的情况下将其送出。卷线轴或纱饼的旋转中,为了适应于卷取速度,可以利用伺服电机进行控制,也可以利用离合器等单纯的制动装置进行控制。
另外,为了控制在连续增强纤维的送出时产生的丝的轨迹(即气圈),可以在丝刚送出后设置张力控制装置、丝的引导装置。张力控制装置没有特别限制,可以举出板片弹簧、垫圈、阀门、密封圈、跳动辊、粉末离合器方式等。丝的引导装置没有特别限制,可以举出圆状的引导器、集合引导器、导杆、辊等。气圈能够利用张力控制装置或丝的引导装置与增强纤维的卷线轴或纱饼的距离进行控制。通常可以通过缩短距离来减小气圈,但若距离过短,则丝送出时的阻力增大,可能会损伤增强纤维,因此优选为适于增强纤维的种类和卷绕形态的距离。
树脂挤出机没有特别限制,优选使用适于挤出的树脂的挤出机。可以为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机。螺杆的旋转控制可以为电动控制、也可以为油压控制。另外,为了稳定地挤出树脂,可以根据树脂的形状和粘度调整螺杆的槽形状和表面处理,也可以在进料斗设置材料加料器,还可以安装干燥机。
挤出机的加热筒的温度控制优选具有至少3个分区,更优选具有4个以上的分区。另外,为了抑制进料斗下的树脂堵塞,可以将进料斗下的加热筒冷却。冷却方法没有特别限制,可以举出空气冷却、水冷等。
卷取装置没有特别限制,可以举出纤维用的卷取装置、电线用的卷取装置、光纤用的卷取装置等。为了对连续增强纤维附加规定的张力,优选即使在上述规定的张力下也能够运转。
另外,卷绕复合丝的卷线轴也没有特别限制,可以举出带凸缘、无凸缘、纸制、木制、塑料制等。为了抑制卷取时丝与卷线轴间的滑动,可以在卷线轴的表面附加凹凸,为了使复合丝所附着的水分容易蒸发,可以在卷线轴的表面开孔。
作为将树脂包覆至增强纤维的模头的结构,可以举出管型、半填满型、填满型等,如图1-11所示,优选在连续增强纤维的束的通过方向上使上述模头的孔A的出口端与孔B的入口端之间的距离为规定值,由此使该模头内存在规定容量的熔融树脂积存物(树脂滞留部)。由此能够抑制连续增强纤维从热塑性树脂包覆中露出。孔A的出口端与孔B的入口端之间的距离(孔AB间的距离)在连续增强纤维的束的通过方向上优选为0.5~10mm、更优选为1~5mm。树脂滞留部优选为使熔融状态的热塑性树脂与连续增强纤维的接触部分的树脂的压力均匀的设计。另外,为了抑制树脂温度降低、粘度降低而使模头内压过度上升的情况,优选模头和树脂滞留部的温度为树脂的熔点以上。为了使模头的温度为熔点以上,模头的温度控制优选与挤出机的加热筒分开地独立进行温度控制,模头与挤出机的加热筒的连结部也可以与模头和挤出机的加热筒分开地独立进行温度控制。
相对于上述连续增强纤维最紧密填充时上述连续增强纤维的束的截面积,上述孔A的截面积优选为101%~1000%、更优选为110%~500%、进一步优选为120%~400%、最优选为150%~300%。即,为了使连续增强纤维无阻力地通过孔A,最优选孔A的截面积比连续增强纤维最紧密时的截面积大50%以上。通过使孔A大50%以上,通过孔A时的摩擦和阻力降低,能够抑制连续增强纤维的损伤和断线,但若孔A与连续增强纤维的束相比过大,则在通过孔A时孔A内的连续增强纤维的晃动增大,会发生包覆不良导致复合丝的表面的凹凸增大。另外,设连续增强纤维的平均单丝径为A(mm)、设连续增强纤维的单丝数为B(根)的情况下,最紧密填充时的上述连续增强纤维的束的截面积可以由下式表示。
最紧密填充时的连续增强纤维的束的截面积(mm2)=√3A2B/2。
孔B的截面积相对于孔A的截面积优选为100%~1000%、更优选为101%~500%、进一步优选为105%~300%、最优选为110%~200%。即,从复合丝的涂布包覆的均匀化、抑制连续增强纤维从包覆中露出等包覆品质的方面出发,优选孔B的截面积大于等于孔A截面积。由此,连续增强纤维能够均匀地利用树脂包覆,能够减少增强纤维的露出。另外,从纤维体积含量、模头内压的方面出发,孔B的截面积更优选为孔A的截面积的110~200%。
优选上述连续增强纤维的上述规定的张力为0.01N~100N、且运转中该张力的变动少。从复合丝的外观品质的方面出发,优选将通过孔A和孔B时的连续增强纤维的张力保持恒定。通过对连续增强纤维赋予适当的张力,连续增强纤维束结成束、密度高,并且能够得到表面凹凸少的复合丝。即,张力的控制有助于连续稳定运转(抑制断线)、连续增强纤维的束的成束、致密指数、线径减少、涂布复合丝的表面粗糙度的减少、丝不均(丝径变动)的抑制等。通过包覆连续增强纤维的孔B时,若连续增强纤维发生振动,则复合丝表面的凹凸增大。
优选的张力根据所使用的连续增强纤维为粗纱形态还是为纱线形态而变动。在对丝加捻而成的纱线形态的玻璃纤维中,张力为0.0001N/tex~0.5N/tex、更优选为0.001N/tex~0.1N/tex、进一步优选为0.002N/tex~0.08N/tex、最优选为0.003N/tex~0.05N/tex。在未对丝加捻的粗纱形态的玻璃纤维或碳纤维中,张力为0.0001N/tex~0.5N/tex、更优选为0.001N/tex~0.2N/tex、进一步优选为0.005N/tex~0.1N/tex、最优选为0.01N/tex~0.08N/tex。玻璃纤维不仅可以使用纱线形态的玻璃纤维,而且还可以使用粗纱形态的玻璃纤维。在使用粗纱形态的玻璃纤维的情况下,玻璃纤维比纱线形态更容易损伤,因此上述引导器的材质、表面处理是重要的。另外,粗纱形态的玻璃纤维中,由于丝未加捻、并且由内周解舒时的张力变动比纱线形态更大,因此上述的张力控制更为重要。优选根据需要使用转动等张力变动少的解舒方法。
优选通过张力控制装置对上述规定的张力进行调整,所述张力控制装置在上述连续增强纤维的束的通过方向上配置于上述孔A的前面。用于控制连续增强纤维的张力的装置优选配置于模头前,可以利用电子控制、机械控制中的任一种来控制张力。电子控制装置没有特别限制,例如可以举出跳动辊、纳尔逊辊(Nelson roll)、粉末制动装置方式等。机械控制装置也没有特别限制,例如可以举出板片弹簧、垫圈、阀门、密封圈方式等。优选根据需要使用能够吸收增强纤维送出时的张力变动的张力控制装置、即跳动辊、纳尔逊辊、粉末制动装置方式。
优选在上述连续增强纤维的束的通过方向上利用配置于上述孔A的前面的引导装置按照使上述增强纤维的束通过上述孔A的中心的方式进行引导。引导装置与上述张力的控制同样地有助于连续稳定运转(抑制断线)、连续增强纤维的束的成束、致密指数、线径减少、涂布复合丝的表面粗糙度的减少、丝不均(丝径变动)的抑制等。引导装置没有特别限制,例如可以举出圆状的环引导器、集合引导器、导杆、辊等。从防止增强纤维的损伤的方面出发,更优选使用轴承辊。使用轴承辊的情况下,优选使用不会由于弯曲而损伤增强纤维的直径的轴承辊。关于轴承辊的槽形状,在所使用的连续增强纤维为粗纱形态的情况下优选为H型,为纱线形态的情况下优选为V型或U型。使用H型的槽形状的情况下,为了减小丝的晃动,优选槽平坦部的宽度为丝的宽度以上且尽可能接近丝的宽度。
上述张力控制装置、上述引导装置以及上述孔A的与连续增强纤维接触的部位与上述通过的连续增强纤维之间的动摩擦低是优选的。与连续增强纤维的接触面的材质和表面处理优选选择适于连续增强纤维的材质和运转状况的材质和表面处理。基本上优选实现低摩擦的材质和处理,但是在连续增强纤维在接触面受到损伤、产生粉末和丝屑的情况下,优选选择其他材质和表面处理。
为了进行连续稳定运转、抑制断线、提高涂布品质、涂布包覆的均匀化、减少涂布表面的表面粗糙度(特别是长度方向)、抑制连续增强纤维从包覆中的露出、进行涂布量的最佳控制,优选调整上述孔B的截面积、作为最终生成物的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的纤维含量、卷取速度、树脂吐出量。由于这些项目相互影响,因此需要在各个项目中进行调整。
作为决定各个项目的步骤,优选如下决定。
(1)根据所使用的连续增强纤维和作为最终生成物的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的纤维含量来决定孔B的截面积。
(2)依生产率的观点和运转中的连续增强纤维的损伤来决定卷取速度。
(3)按照成为目标纤维含量的方式调整树脂吐出量。
此时树脂吐出量若过少,则会发生连续增强纤维的露出、涂布包覆的不均匀化、表面粗糙度的增加等不良状况。另外,反之,若吐出量过多,则孔A的出口端与孔B的入口端之间的内压过度上升,因此会发生涂布包覆的不均匀化、表面粗糙度的增加以及连续增强纤维的断线等不良状况。
为了测定涂布时的树脂的内压,可以设置树脂压力计。设置位置没有特别限制,优选靠近模头的位置,优选在模头或者模头与挤出机的加热筒之间设置树脂压力计。另外,树脂压力计也可以为不仅能够测定树脂压力、而且还能够同时测定树脂温度的测定器。为了抑制连续增强纤维的露出、涂布包覆的不均匀化,树脂压力优选为0.01MPa~50MPa。优选的范围根据所使用的树脂而不同,在注射成型用的标准聚酰胺66的情况下,更优选为0.1MPa~30MPa、进一步优选为0.1MPa~15MPa、最优选为0.1MPa~10MPa。
作为孔B的树脂的通过面积与涂布后的树脂面积之比的下降率优选为0%~50%、更优选为0%~30%、进一步优选为0%~15%、最优选为0%~10%。下降率若增大则应变增大,涂布丝的表面会变得粗糙,因此丝的表面粗糙度增大。在设喷嘴B的截面积为DB、涂布丝的截面积为D,最紧密填充时的上述连续增强纤维的束的截面积为设连续增强纤维的平均单丝径为A(mm)、连续增强纤维的单丝数为B(根)时,下降率可以由下述式表示。
(DB-D)/(DB-√3A2B/2)×100
从连续稳定运转、抑制断线、提高涂布品质、减少涂布表面粗糙度(特别是长度方向)的方面出发,即将通过上述孔B之前的熔融热塑性树脂的粘度是重要的。熔融热塑性树脂的粘度与孔B的截面积、卷取速度、树脂吐出量的运转条件密切相关,需要选择最佳粘度。
上述孔B的表面温度优选比所使用的热塑性树脂的熔点高0~100℃、更优选高0~75℃、进一步优选高5~50℃。由此能够将熔融热塑性树脂的粘度控制为最佳。
本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法优选通过以下的运转开始步骤开始运转:
(1)使连续增强纤维的束以800m/分钟以下的速度通过上述孔A和孔B;
(2)以涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出的吐出量从上述孔B供给热塑性树脂;
(3)确认在连续增强纤维的束的外周包覆了树脂后,一边调整热塑性树脂的吐出量一边提高作为最终生成物的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的卷取速度(m/分钟),以使得涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出。
上述运转开始步骤优选在上述(3)的步骤之后进一步包括下述步骤:
(4)开始强制冷却。
首先,优选在树脂供给装置未运转的状态下,仅使卷取机以低速运转,确认卷取正常进行之后,仅使连续增强纤维通过孔A和孔B。关于此时的卷取速度,优选以5m/分钟~800m/分钟运转,该速度更优选为10m/分钟~400m/分钟、进一步优选为15m/分钟~200m/分钟、最优选为20m/分钟~100m/分钟。
将材料投入到进料斗中,使树脂供给装置运转,确认在连续增强纤维上包覆有树脂。此时,优选以涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出的吐出量供给树脂。由于卷取速度变更时容易发生增强纤维的露出、断线,因此为了抑制这种情况,包覆有树脂是重要的。因此,更优选树脂供给量比通常运转时更多。但是,若树脂供给量过过多,则模头内压增高,可能会发生连续增强纤维的断线,因此优选适宜地调整。
强制冷却开始优选在树脂包覆后进行。强制冷却是指除了利用空气的自然冷却以外还强制地进行冷却。在水冷的情况下,包覆前的增强纤维浸渍在水中时,纤维束会开纤而使增强纤维发生损伤、断线。特别是使用粗纱形态的增强纤维时容易开纤,因而这一点更为重要。
在提高卷取速度时,优选按照涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出的方式调整树脂供给量。
在提高速度时,为了抑制断线,优选在10m/分钟~800m/分钟的范围内调整速度,该速度更优选为15m/分钟~700m/分钟、进一步优选为25m/分钟~500m/分钟、最优选为50m/分钟~400m/分钟。
属于将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝、且以该热塑性树脂由2种以上的树脂构成作为特征的复合丝可以通过包括下述工序的方法来制造:
准备作为复丝的连续增强纤维的束的工序;
准备2种以上的热塑性树脂混合而成的树脂粒料的工序;以及
将上述树脂粒料供给至熔融挤出机中,将熔融的热塑性树脂混合物包覆在上述连续增强纤维的束的外周的工序。
或者,该复合丝可以通过包括下述工序的方法来制造:
准备作为复丝的连续增强纤维的束的工序;
准备2种以上的热塑性树脂的各树脂粒料的工序;以及
将上述2种以上的各树脂粒料干混后供给至熔融挤出机中,将熔融的热塑性树脂混合物包覆在上述连续增强纤维的束的外周的工序。
即,2种以上的热塑性树脂可以以预先复合成的树脂粒料的形式供给至图4所示的树脂供给装置(挤出机)中,或者可以以2种以上的树脂粒料的形式进行干混后供给到挤出机中。
[复合丝的用途]
本实施方式的复合丝可以作为线材以丝状使用或者将丝卷绕后使用,也可以作为无纺布使用,还可以作为机织物、针织物、编结物使用。
作为运动用品用途,可以用于钓鱼线、钓竿、高尔夫球杆杆身、滑雪板、独木舟、网球/羽毛球的球拍、球拍弦等;作为家具、装置用途,可以用于面板、外壳、椅子、桌子、梯子;作为电气设备用途,可以用于基板、面板、开关柜、绝缘机、电气产品的主体;作为汽车、二轮车、自行车用途,可用于主体、灯罩、前端板、保险杠、座椅外壳、驱动轴;作为船舶、小艇用途,可用于主体、桅杆、甲板;作为航空器、直升机用途,可用于一次结构材、二次结构材、内装材、座椅、附属部件等。另外,可以作为管、罐、压力容器、叶片、带、绳、网、物料防护罩、机织物、针织物、增强用布帛、风筝用线、西式弓弦、帆布、帷幕材、防护材、防弹材使用。另外,优选用于医疗用缝合线、人工肌腱、人工肌肉等在生物体内使用的用具。另外,能够用于适于防止混凝土结构物或灰浆结构物的部分剥落的片材、水泥增强材料等建筑部件。另外,能够适用于纤维增强树脂增强材料、纤维增强橡胶增强材料、工作机械部件、电池隔板、化学过滤器、挂绳、膜组件或光纤维等的增强材料、氢气等的高压罐的增强材料等产业用物料。增强纤维使用玻璃纤维的情况下,优选用于发挥耐冲击性、电波透过性、绝缘性的领域中。增强纤维使用碳纤维的情况下,特别优选有效利用导电性、热传导性等的领域。复合丝通过卷绕也能够作为增强材料使用,还能够附以机织物、针织物、编结物等形态而作为增强材料使用。
本实施方式的复合丝优选可用于以抄纸烘缸帆布、抄纸网和各种过滤器等抄纸用机织物为代表的各种过滤器或传送带之类的各种工业用机织物中。随着高速织机的技术提升,移动的单丝与各种丝道(辊、引导器、综线、筘等)的摩擦量倾向于增大,进而在整经和织造中可能会发生单丝断裂、解舒张力产生异常等各种问题,但本实施方式的复合丝兼具强度和柔软性,特别是在这样的工艺中的处理性优异。
关于本实施方式的复合丝,网纱用单丝以及由其得到的网纱能够适宜地用于高精度丝网印刷、筛网。作为丝网印刷用机织物,广泛使用由丝绸等天然纤维、不锈钢等无机纤维构成的网状机织物,近年来,广泛使用柔软性、耐久性、性价比优异的合成编织筛网。若为单丝且尺寸稳定性优异,则网纱适合性高,还能够用于光盘的卷标印刷等图像设计印刷和电子基板电路印刷等中。近年来,电子设备的高性能化和小型化显著进展,其中为了应对构成电子设备的电子基板的小型化、基板电路的精密化的要求,对于更多网孔且纤维直径不均等机织物缺点少的网纱的要求提高。因此,下述的复合丝是特别合适的:其具有满足这些网纱要求特性的较细的细度且为高强度,同时纤维直径均匀性优异,在织造时不会产生浮渣等缺点。
本实施方式的复合丝能够适宜地用于泵压送性和施工性优异且具有速硬性的经济的纤维增强水泥复合材用途中。可以根据使用方法适当地切断来使用。在为了赋予更高的韧性而提高纤维的混入量的情况下,纤维难以在水硬性水泥组合物中均匀地分散。特别是在纤维密度小的情况下,在提高纤维混入量时,容易生成纤维的纤维球,均匀分散性存在问题。本实施方式的复合丝容易进行密度调整,并且表面均匀、凝聚性小,因此分散性优异。
本实施方式的复合丝作为建筑部件的增强用途可适宜地用于例如高架道路的柱体、桥墩、烟囱、高架道路的底板等土木-建筑结构物的增强用途等。其可以纤维的形式进行卷绕来使用,也可以形成机织物等来使用,此时的处理性、耐损伤性优异。另外,不仅作为增强的强度优异,而且在现场的作业性也特别优异。将铁板缠绕在混凝土柱上之后,通过追加进行增强,由此能够进行强度与韧性(柔韧性)的平衡优异的耐震增强。在作为片材使用时,在通过复合丝的柔软性而卷绕在柱等上时容易适配,能够减轻工程中的作业负荷和成本。
本实施方式的复合丝能够适宜地用于插置在人体或动物体内的医疗装置、例如导液管、内窥镜等的增强用途。在导液管中,要求在确保柔软性的同时确保前端部与导液管主体的拉伸强度,为了使具有增强用的金属的网组体的导液管主体的前端确保柔软性等,多存在有安装由不同材料构成的前端部的类型的导液管,但具有异种材料间的粘接性的问题,可能因应力集中而发生断裂。使用金属作为增强纤维、包覆有树脂的复合丝可作为解决这样的问题的手段。
本实施方式的复合丝能够适宜地用作填料密封。填料密封需要为用于防止泄漏的密封性、可耐受与轴的接触的滑动性之类的相反性能。作为形态,已知有对纤维的编织带进行润滑剂处理的类型、将膨胀性石墨片成型而成的模具密封。前者的情况下,可兼顾制作复合丝的编织带时的作业性和强度,后者的情况下,可用于母材与膨胀性石墨的粘接部。
本实施方式的复合丝能够适宜地用作医疗中的固定丝。为了在骨折、例如脊椎骨折的治疗中进行复位骨骼的固定(称为愈合一体化)、或在骨移植手术等骨手术中进行骨彼此间的固定,在截至完成固定为止的期间需要按照使骨彼此间不偏移的方式相互强力地保持。为了不松弛地进行缔结,纤维的柔软度及处理性、强度保持是特别重要的。在这样的用途的情况下,优选使用生态合成的树脂,增强纤维也优选具有生物体适应性的钛细线等。
本实施方式的复合丝能够适宜地用于轻量低弛度的空中架设电线用途中。空中架设输送电线呈下述结构:将多根钢线捻合成的钢芯作为抗拉构件,在其外侧捻合配置例如由Al或Al合金构成的送电线路。并且,将整体以高张力跨伸在铁塔之间而形成送电线路。该送电线所要求的性质为轻量、低热膨胀、耐候性、高温下的松弛度抑制,通过适当地选择复合丝的增强纤维和热塑性树脂而发挥出优异的性能。
本实施方式的复合丝能够适宜地用作3D打印机用的热塑性单丝。
本实施方式的复合丝可适宜地用于海底电缆。海底电缆是将导体部、设于其周围的绝缘层、以及其外侧的高张力纤维进一步聚在一起而作为绳缆使用。高张力纤维要求轻量、柔软性、耐蚀性、高强度,能够适宜地使用复合丝。
本实施方式的复合丝能够适宜地用作线圈的绝缘用材料。例如超导线圈通过将由超导材料构成的芯和由基质构成的复合线材卷绕在线圈卷线轴上而构成,在该线材间需要有绝缘层且可使用复合丝。超导材料可以举出:NMR、MRI之类的分析仪器、医疗检査设备、磁悬浮列车、超导船等传输设备的马达;变压器、电力储藏系统(SMES)、限流器等电力能量设备;半导体抽引装置等,特别是在交流超导中,通电产生的消弧被认为成为问题,要求具有耐久性的绝缘材料。
本实施方式的复合丝能够适宜地用于纱门。其可以为不仅具有通风、可见性、防止虫侵入之类的基本功能,而且很好地对抗因开孔和损伤所致的破损的纱门。另外,还可以利用添加剂而简单地赋予除臭功能等。另外,还适合于畜舍用的网眼较粗、通气性好、用于防止动物出入的纱门。即使动物硬要突破,由于具有高强度、高耐冲击性,也可多次耐受。
本实施方式的复合丝可适宜地用于防弹服、护具等。为了与人体密合,丝的柔软性是重要的。另外,织、编、编结等工序中的处理性会对生产率带来较大影响。通过使用绝缘材料,不仅可单纯地防止切创,而且还具有防止触电等功能。
本实施方式的复合丝可以适宜地用于将在轮胎的胎体等中使用的橡胶进行纤维增强的用途中的橡胶用帘线。其要求刚性和耐疲劳性,同时用于卷绕的生产率是重要的。
本实施方式的复合丝适宜用于人工皮革中。人工皮革的表面使用极细纤维的交络物,通过组合粘接性良好、形状追从性高的机织物作为其增强层,可得到良好的人工皮革。
本实施方式的复合丝能够适宜地用于家庭用空气净化器过滤器(特别是面向家电设备的过滤器单元)或面向大厦、车间的空调用过滤器、面向住宅的24小时换气用过滤器、医院用过滤器、车载用过滤器等机械或设备类中。空气净化器所要求的性能有低噪音、省电、高集尘、高除臭等基本性能。另外,近年来要求过滤器单元的清洗后再使用。以往被安装于空气净化器中的过滤器部分大多分成集尘部和除臭部进行配置,正在寻求将其一体化。一体化不仅具有清洗的简便性,而且对于过滤器交换的容易性和成本削减也是有效的,但是若仅在集尘部分附加除臭功能,则滤材的厚度增加,能够收纳在单元中的滤材量减少,并且会因结构压力损失的上升而引起单元压力损失的上升,产生处理风量降低、噪音增大、消耗电力增加、捕集效率降低等问题,因此需要为无压力损失、具有强度且能够集尘的结构,若将本实施方式的复合丝加工成无纺布等结构,则能够优选使用。
本实施方式的复合丝能够用于滑动性部件中。其可以为本来的丝,也可以通过制成无纺布、机织布等而用于OA设备、家电设备等中的滑动部。
[机织物等的中间材料]
使用本实施方式的复合丝制造连续增强纤维树脂成型体的方法没有特别限定,优选与目标连续增强纤维树脂成型体的形状相应地制作中间材料,使用该中间材料制造目标连续增强纤维树脂成型体。
中间材料没有特别限定,可以举出将复合丝沿特定方向拉齐而成的单向(UD)增强材、使用复合丝的布帛、板状体等;编带、长丝络纱等。在得到同一截面形状的成型体的情况下,优选编带、长丝络纱,在得到平面形状、箱状等的成型体的情况下,从成型体的形状自由度的方面出发,优选为布帛。作为布帛,可以举出机织物、针织物、蕾丝、毡、无纺布、膜等,从处理性的方面出发,特别优选机织物或针织物。
作为中间材料,从制造连续增强纤维树脂成型体时在模具内的形状追从性的方面出发,优选由具有柔软性的单向增强材构成的编带、机织物、针织物、蕾丝、毡、无纺布、以及由该编带构成的机织物、针织物、蕾丝、毡、无纺布,出于连续增强纤维的弯曲少、容易表现出强度的原因,更优选单向增强材、机织物形状,从形态稳定性的方面出发,进一步优选机织物形状。另外,从更为复杂的立体形状的追从性的方面出发,优选针织物。
机织物的织法没有特别限定,可以举出平织、斜织、缎纹织、方平织、纱纹织、网纱等。
从本实施方式的连续增强纤维树脂成型体的强度的方面出发,更优选连续增强纤维的卷缩率低的斜织、缎纹织、方平织。从防止成型时的增强纤维的偏移的方面出发,优选平织、方平织。
卷缩率是织前的复合丝的长度与织后的长度之差除以织后的长度而得到的值的百分数,优选为10%以下、更优选为5%以下、最优选为2%以下。
织造密度可以根据复合丝的粗细、硬度自由地设定。在希望提高机织物的基重的情况下设定为高密度即可;在重视机织物的柔软性的情况下或希望降低增强纤维的卷缩的情况下设定为低密度即可。从机织物的处理性和成型体的物性的方面出发,机织物的基重优选为200-1000g/m2、更优选为300-900g/m2、进一步优选为400-800g/cm2、最优选为500-700g/m2
机织物的厚度可以根据复合丝的粗细、硬度、织造密度、织造组织自由地设定。在希望提高机织物的压缩特性的情况下设定得较厚即可;在重视机织物的柔软性的情况下或者希望降低增强纤维的卷缩的情况下设定得较薄即可。从机织物的处理性和成型体的物性的方面出发,机织物的厚度优选为0.01~10mm、更优选为0.02~5mm、进一步优选为0.05~4mm、最优选0.1~3mm。
针织物的编织方法没有特别限定,可以举出纬编、经编、圆编等,可以以任意的针距进行编织。编织机也没有特别限定,可以举出特利科脱经编机、双针床拉舍尔经编机、米兰尼斯经编机、贾卡经编机、全成型横编机、嵌花横编机等。
[拉拔成型法的情况]
在本实施方式的连续增强纤维树脂成型体的制造方法为拉拔成型法的情况下,作为成型基材,可以将1根复合丝或多根复合丝聚成束直接使用、或者可以在将多根复合丝聚成束的状态下进行固定化而使用。多根复合丝的束的固定化例如可以举出下述方法:将多根聚成束的状态的复合丝利用其它纤维进行覆盖,由此制成1根纤维;或者在将多根复合丝聚成束的状态下制成捻线。另外,可以与目标连续增强纤维树脂成型体的形状相应地制作中间材料,使用该中间材料制造目标连续增强纤维树脂成型体。
中间材料没有特别限定,可以举出:将复合丝或多根复合丝的束沿特定方向拉齐而成的单向(UD)增强材;使用复合丝或多根复合丝的束的编带、机织物、针织物、蕾丝、毡、无纺布、膜、板状体等。
作为中间材料,从制造连续增强纤维树脂成型体时在模具内的形状追従性的方面出发,优选由具有柔软性的单向增强材构成的编带、机织物、针织物、蕾丝、毡、无纺布、以及由该编带构成的机织物、针织物、蕾丝、毡、无纺布,出于连续增强纤维的弯曲少、容易表现出强度的原因,更优选单向增强材的编带、机织物形状,从形态稳定性的方面出发,进一步优选由该编带构成的针织物形状。
得到这些中间材料的方法没有特别限定,可以根据用途、目的选定。
例如,编带可以使用通常的编绳机来制作,对绳的种类没有限制,具体地说,使用平结绳、圆结绳、袋结绳等。
例如,机织物使用有梭织机、剑杆织机、喷气织机、喷水织机等织造机且在至少一部分包含复合丝条即可。例如可以举出通过在将包含复合丝条的纤维排列而成的经丝中打入纬丝而得到机织物的方法作为优选的方法。
针织物通过使用圆编机、横编机、特利科脱经编机、拉舍尔经编机等编织机编织出在至少一部分包含复合丝条的纤维而得到。
无纺布如下得到:将在至少一部分包含复合丝条的纤维制成被称作网的片状的纤维聚集体后,利用针刺机、缝合机、水刺机等的物理作用、基于压纹辊等的热作用或者粘接剂将纤维彼此结合,由此得到无纺布。
关于其他中间材料的形态等,可以适宜地使用上述专利文献1(日本特开2015-101794号公报)中记载的方法。
[注射成型用的树脂]
作为用于制造上述混合成型体的注射成型用的热塑性树脂组合物,只要为常见的在注射成型中使用的热塑性树脂组合物就没有特别限定。
作为该热塑性树脂组合物,可以举出但不限于例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、丙烯酸类树脂、苯乙烯系树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚芳酯、聚苯醚、改性聚苯醚树脂、全芳香族聚酯、聚缩醛、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚酰胺系树脂、聚砜、聚醚醚酮、聚醚酮等中的一种或混合两种以上的树脂组合物。
另外,这些热塑性树脂组合物中可以混配各种填充材料。
作为各种填充材料,可以举出作为与连续增强纤维同种材料的非连续增强材料的短纤维、长纤维材料等。
在非连续增强材料中使用玻璃短纤维、长纤维的情况下,可以与本实施方式的复合丝所具备的连续增强纤维同样地使用集束剂。
集束剂优选含有硅烷偶联剂、润滑剂和成束剂。关于硅烷偶联剂、润滑剂、成束剂的种类,可以使用与上述连续增强纤维的集束剂同样的物质。
从连续增强纤维树脂成型体部分与经注射成型的热塑性树脂组合物部分的界面强度的方面出发,注射成型中使用的热塑性树脂组合物优选与构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂类似,更优选为同种物质。具体地说,在构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂中使用聚酰胺66(PA66)纤维的情况下,注射成型用的热塑性树脂组合物的树脂材料优选为聚酰胺66(PA66)。
作为其他方法,可以举出:将基材设于双带压力机内进行成型的方法;将基材设置于模具中并利用双带压力机进行压缩的成型方法;按照包围所设置的基材的四周的方式对模框进行设置,利用双带压力机加压来进行成型的方法;准备设定在一个或多个温度的加热用压缩成型机、以及设定在一个或多个温度的冷却用压缩成型机,将设置有基材的模具依次投入到压缩成型机中进行成型的成型方法;等等。
[连续增强纤维树脂成型体及其制造方法]
本实施方式的连续增强纤维树脂成型体含有上述复合丝、中间材料作为构成材料。
需要说明的是,本实施方式的连续增强纤维树脂成型体的制造方法可以应用但不限于各种方法。
作为成型体的制造方法,作为一例,可以举出图1-12所示的方法。
例如,将构成连续纤维增强树脂成型体的基材按照所期望的成型体进行剪裁,考虑目标产品的厚度进行所需要片数的层积,与模具形状相应地进行设置。
基材的剪裁可以每次1片地进行,也可以将所期望的片数重叠后进行。从生产率的方面出发,优选在重叠的状态下进行剪裁。剪裁的方法可以为任意方法,例如可以举出水射流、刀片压制机、热刀片压制机、激光机、切绘机等。优选截面形状优异、进而将多片重叠进行剪裁时通过将端面熔接而使处理性良好的热刀片压制机。适当的剪裁形状通过反复试错也可进行调整,但优选通过根据模具的形状进行基于CAE(计算机辅助工程)的模拟来设定。
另外,例如将构成连续增强纤维树脂成型体的基材、优选机织物形状的基材按照所期望的成型体进行剪裁,考虑目标产品的厚度将必要片数进行层积,按照模具形状进行设置。此时,通过使用上述的中间材料,与通常的使树脂含浸在增强纤维中的现有的复合板相比,能够提高针对模具的自由度,即使在成型体中具有高低差的情况下,也能够以较高的形状自由度进行成型。将基材置于模具中后,闭合模具进行压缩。之后,将模具调节至构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂的熔点以上的温度,使热塑性树脂熔融来进行赋形。合模压力没有特别限定,优选为1MPa以上、更优选为3MPa以上。另外,为了进行排气等,可以将一端合模,压缩成型后将一端模具的合模压力释放。熔点以上的时间优选为5~180秒、更优选为10~120秒、最优选为15~60秒。若时间过短,则含浸和界面强度可能会不充分;若时间过长,则不仅会带来生产率的恶化,而且还可能引起分子量的降低或着色。通过在含浸后进行冷却,可以使热塑性树脂固化、进行脱模。从生产率以及抑制着色的方面出发,升温以及降温的合计时间越短越优选。
在连续增强纤维树脂成型体的制造工序中,将中间材料置于模具内,闭合模具并进行加压,在规定的时间后进一步注射填充规定的热塑性树脂组合物进行成型,使热塑性树脂与上述规定的热塑性树脂组合物粘接,由此可以制造出作为混合成型体的连续增强纤维树脂成型体。
注射填充上述规定的热塑性树脂组合物的时机对于两热塑性树脂间的界面强度有较大影响。关于注射填充规定的热塑性树脂组合物的时机,优选为将基材置于模具内并闭合模具后将模具温度升温至热塑性树脂的熔点、玻璃化转变温度以上之后的30秒以内。
注射填充上述规定的热塑性树脂组合物时的模具温度优选为构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变温度以上。更优选为构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂的熔点+10℃以上或玻璃化转变温度+10℃以上,进一步优选为熔点+20℃以上或玻璃化转变温度+20℃以上、更进一步优选为熔点+30℃以上或玻璃化转变温度+30℃以上。
另外,注射填充上述规定的热塑性树脂组合物的时机优选为将中间材料置于模具内并闭合模具后将模具温度升温至热塑性树脂的熔点、玻璃化转变点以上之后的30秒以内。
上述混合成型体中,构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂与通过注射成型而形成的热塑性树脂组合物的粘接部分优选形成相互混合的凹凸结构。
为了提高界面强度,使模具温度为所注射的热塑性树脂组合物的熔点以上、提高注射成型时的树脂保持压力(例如设为1MPa以上)是有效的。为了提高界面强度,优选使保持压力为5MPa以上、更优选使保持压力为10MPa以上。
从提高界面强度的方面出发,优选延长保持压力时间、例如使其为5秒以上、优选为10秒以上,更优选保持截至模具温度达到热塑性树脂组合物的熔点以下为止的期间的时间。
[具有三维形状的复合材料成型体的制造方法]
本实施方式的具有三维形状的复合材料成型体的制造方法的特征在于,其包括下述工序:
使用将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝作为成型基材的工序。
优选在上述连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂。
[连续增强纤维树脂成型体]
由本实施方式的方法制造的具有三维形状的复合材料成型体中的连续增强纤维优选具有直线性。
图6-3示出了直线率的求取方法。将成型体中的连续增强纤维中直线性杂乱的部分的连续增强纤维的长度设为L1、将此时的杂乱宽度设为L2时,直线率(%)通过下述式表示。
直线性(%)={1-(L2/L1)}×100
在有多根杂乱的情况下,将直线率最低的情况定义为该成型品的直线率。在利用成型品的外观对连续增强纤维进行观察时,能够利用外观观察照片容易地判定。另外,在经着色等而难以进行外观观察的情况下,可以使用X射线CT的图像。
由本实施方式的方法制造的复合材料成型体具有三维形状,优选通过具有至少1面的基盘部且在基盘部具有立壁的形状而得到效果。立壁可以举出被称为肋材的位于基盘部内部的立壁或者以侧壁的形式形成在基盘部端部的立壁。侧壁的情况下,如图6-4所示,设该基盘部与该侧壁部所形成的内角为D°、设跨越该基盘部和该侧壁部的连续增强纤维的连续性为E%时,优选满足E(%)>2D(°)-150、且D(°)≧90°。
在使用复合丝通过压缩成型而成型出立体形状成型品的情况下,基盘部与侧壁所成的角度越小,增强纤维在成型时越容易断裂。但是,在本实施方式的方法中,若使用上述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,则增强纤维被热塑性树脂包覆保护,因此即使在基盘部与侧壁的角部位置,在成型时增强纤维的断裂也减少。
增强纤维的连续性可以通过利用X射线CT对任意的角部进行观察来判定。作为实际的连续性的评价,利用X射线CT拍摄任意点,以图像中拍摄到的连续增强纤维的数目作为分母、以未被切断的连续纤维的数目作为分子,以所得到的值的百分数(%)来表述该连续性。
本实施方式(实施例7-1~7-4的方式)的复合材料成型体的制造方法的特征在于,其包括下述工序:
对于将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆且在该连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝和/或该复合丝的织物,将其作为成型基材插入到模具内的工序;
将该模具关闭,接着将该模具的型腔面升温至该热塑性树脂的流动温度以上的升温工序;以及
将该模具的型腔面冷却至该热塑性树脂的流动温度以下、优选冷却至流动温度-50℃以下,接着打开该模具,将成型品脱模的冷却-脱模工序。
上述工序中,在必要时可以将插入模具的基材在插入前进行预加热。另外,也可以将插入到模具中的成型基材使用来自该模具的热源以外的手段进行预加热。
本实施方式的复合材料成型体的制造方法中,将成型基材投入到模具型腔面中后关闭模具的时机可以任意地选择。例如,可以在投入成型基材后关闭模具,之后将模具温度升至热塑性树脂的流动温度以上,或者可以在将成型基材投入到模具型腔中之后,关闭模具至其与基材接触为止,将模具型腔温度加热至热塑性树脂的流动温度以上,之后将模具型腔完全关闭。
另外,成型基材可以在利用来自模具型腔面的热源进行加热之前、或者同时使用红外线加热器等进行预加热。作为一例,在将本基材投入到模具型腔中之前使用中红外线加热至热塑性树脂的流动温度以上(热塑性树脂为结晶性树脂的情况下加热至热塑性树脂的熔点温度以上),使基材软化,投入到模具内,由此可以进一步提高赋形性。特别是在复合丝中使用热塑性树脂纤丝和增强纤维的混纤丝的情况下,预加热所引起的收缩大,但在本实施方式的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,预加热所引起的收缩小,因此可避免在模压成型时成型基材发生过度收缩的问题。
本说明书中,关于术语“热塑性树脂的流动温度”,在热塑性树脂为结晶性树脂的情况下是指熔点以上的温度,在热塑性树脂为非晶性树脂的情况下是指该热塑性树脂的玻璃化转变温度+100℃以上的温度。
本实施方式的复合材料成型体的制造方法中,如图7所示,上述升温工序中的热塑性树脂的流动温度以上的时间(T分钟)与上述复合材料成型体中的该热塑性树脂的含浸率(I≦100%)优选满足下述式(2):
含浸率(I)>0.2×T+97.4···式(2)
和/或下述式(3):
含浸率(I)>0.5×T+99···式(3)。
式(2)、式(3)的关系式表示,即使升温工序中的热塑性树脂的流动温度以上的时间(T分钟)较短,也能够得到高含浸率的成型体。
关于成型时的树脂的含浸速度,连续增强纤维的束的致密是重要的,通过在增强纤维的周围无空间地存在树脂,树脂熔融时的含浸速度增加。据认为,致密度低时,存在阻碍含浸的空气等。另外,据信,复合丝的表面平滑时,由于织性良好,因此能够制作出作为中间基材(布帛)的密度高的材料,能够在模具型腔空间配置更高密度的中间基材,结果与模具面相接的树脂的熔融速度快、含浸速度提高。
进而,可以通过在进行涂布的热塑性树脂中使用熔点不同的两种以上的材料而进一步提高含浸速度。
根据本实施方式的复合材料成型体的制造方法,由于能够实现高速含浸,因而能够实现成型品的高速高循环成型。模具型腔面的升温时间优选为3分钟以内、更优选为1分钟以下、进一步优选为30秒以下。另外,模具温度的降低时间优选为2分钟以下、更优选为1分钟以下、进一步优选为30秒以下。
在连续增强纤维树脂成型体的制造工序中,将中间材料置于模具内并闭合模具,进行加压,在规定的时间后进一步注射填充规定的热塑性树脂组合物来进行成型,使热塑性树脂与上述规定的热塑性树脂组合物粘接,由此可以制造出作为混合成型体的连续增强纤维树脂成型体。
注射填充上述规定的热塑性树脂组合物的时机对于两热塑性树脂间的界面强度有较大影响。
注射填充上述规定的热塑性树脂组合物时的模具温度优选为构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变温度以上。更优选为构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂的熔点+10℃以上或玻璃化转变温度+10℃以上,进一步优选为熔点+20℃以上或玻璃化转变温度+20℃以上,更进一步优选为熔点+30℃以上或玻璃化转变温度+30℃以上。
另外,关于注射填充上述规定的热塑性树脂组合物的时机,优选为将中间材料置于模具内并闭合模具后将模具温度升温至热塑性树脂的熔点、玻璃化转变点以上之后的30秒以内。
上述混合成型体中,构成连续增强纤维树脂成型体的热塑性树脂与通过注射成型形成的热塑性树脂组合物的粘接部分优选形成相互掺混的凹凸结构。
为了提高界面强度,使模具温度为所注射的热塑性树脂组合物的熔点以上、提高注射成型时的树脂保持压力(例如设为1MPa以上)是有效的。为了提高界面强度,优选使保持压力为5MPa以上、更优选使保持压力为10MPa以上。
从提高界面强度的方面出发,优选延长保持压力时间、例如为5秒以上、优选为10秒以上,更优选保持截至模具温度达到热塑性树脂组合物的熔点以下为止的期间的时间。
[使用针织物的成型方法]
利用针织物可以得到更复杂的三维形状的成型体。例如,不仅能够无缝地得到圆柱、棱柱等,而且还能够得到使截面形状或截面尺寸变化的形状。另外,还能够应对圆锥、棱锥等立体且截面积发生变化的形状。在获取这样的成型体的情况下,可以通过取得与结构相应的针织物,在支撑体上覆盖规定片数后投入到模具中使树脂熔融,由此能够以单一工序得到复杂立体形状的成型体。
[本实施方式的复合材料成型体的拉拔成型方法]
本实施方式的复合材料成型品的拉拔成型方法的特征在于,其包括下述工序:
准备成型基材的工序,该成型基材选自由将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝以及该复合丝的机织物、针织物和编带组成的组;以及
成型工序,使该成型基材依次通过该热塑性树脂的流动温度以上的加热熔融赋形部内的加热模具、以及低于该流动温度的冷却固化部内的冷却模具,得到成型体。
上述成型基材可以为编带,在上述成型工序中,可以在该编带的中心部设置芯棒。
上述热塑性树脂在流动温度以上的加热熔融赋形部内的停留时间(T分钟)与上述复合材料成型体中的该热塑性树脂的含浸率(I≦100%)优选满足下述式(1)。
含浸率(I)>0.05×T+99···式(1)
参照图8-1,对于本实施方式的复合材料成型品的拉拔成型方法的概要进行说明。
本实施方式的复合材料成型品的拉拔成型方法中使用的设备作为基本构成可以具备复合丝送出部、导入部(未图示)、预加热部、成型部(加热熔融赋形部、冷却固化部)以及牵引部。
复合丝送出部为用于送出复合丝的部分,也被称为线轴架。作为成型基材使用复合丝的编带、袋绳等的情况下,例如可在该部分设置编绳机,连续地供给编带。
导入部(未图示)是将复合丝中间基材以平稳地导入至预加热部的方式进行调整的部分。
预加热部可以为利用电热加热器、红外线加热器等对复合丝或中间基材直接进行加热的部分,也可以使用预加热模具。使用预加热模具的情况下,优选使用电热加热器等将模具加热至一定温度。
成型部分为加热熔融赋形部和冷却固化部,加热熔融赋形部设有加热模具,冷却固化部设有冷却模具。
加热模具的入口的截面积优选为所导入的成型基材的最密填充容积的3倍以下,更优选为2倍以下、进一步优选为1.5倍以下。另外,加热模具的入口部分优选使用图8-2所示的设有锥形的入口。锥角(θ)优选为1°~10°、更优选为2°~5°。加热模具的后部为成型品的赋形部分,赋形成所期望的形状。
在冷却模具中,将赋形后的成型品冷却使其固化。
经冷却固化的成型品利用牵引部拔出,连续地制造成型品。
本实施方式的复合材料成型品的拉拔成型方法中,通过使用机织物、针织物、编带等的加工性、成型时的含浸性优异、即使进行短时间成型也能够表现出高物性的复合丝,能够高速地制造出具有高含浸率的高品质成型体。
[连续增强纤维树脂成型体的用途]
本实施方式的连续增强纤维树脂成型体能够适宜地用于航空器、汽车、建设材料等的结构材料用途。
在汽车用途中,可以用于但不限于例如底盘/框架、底架、驱动系统部件、内装部件、外装部件、功能部件、其他部件。
具体地说,能够适宜地用作下述部件:转向轴、托架、天窗、踏板、车顶饰板、车门饰板、行李箱、后箱盖、引擎盖、椅架、椅背、安全带收缩器、安全带收缩器支撑架、离合器、齿轮、皮带轮、凸轴、AG轴、弹性梁、缓冲器、灯、反射镜、玻璃窗、前端模块、后车门内板、制动踏板、方向盘、电装材料、吸音材料、车门外装、内装面板、仪表板、尾门、顶梁、座椅、座椅框架、雨刷连杆、EPS、小型马达、散热器、ECU箱、ECU外罩、转向齿轮箱外罩、塑料外罩、EV马达用框体、线组、车载仪表、组合开关、小型马达、弹簧、减震器、车轮、轮圈盖、车架、副车架、侧车架、二轮车车架、燃料箱、油盘、进气歧管、传动轴、驱动用马达、单体座舱、氢罐、燃料电池的电极、面板、车底板、外板面板、车门、车室、车顶、罩盖、汽阀、EGR阀、可变汽阀定时单元、连杆、汽缸孔、梁件(引擎脚、前地板横梁、搁脚板横梁、座椅横梁、内侧梁、后横梁、悬梁、车柱强化梁、前侧梁、前板梁、上板梁、前围板横梁、转向柱)、通道、锁固插入件、变速箱、变速轨、桥壳、车顶轨、上车体、侧轨、饰带、车门包围组合件、安全气囊用部件、车柱、前围至车柱撑件、悬吊塔架、保险杠、车体下柱、前车柱、强化件(仪表板、轨道、车顶、前车柱、车顶轨、车顶侧轨、置物箱、车门腰线、前地板下层、前车体上柱、前车体下柱、中柱、中柱铰链、车门外侧板)、侧面外板、前门车窗框、NICS组件、扭力箱、散热器支架、散热器风扇、水泵、燃料泵、电子控制节流体、引擎控制ECU、启动器、交流发电机、歧管、变速箱、离合器、前围板、前围板绝缘垫、车门侧向防撞梁、保险杠横梁、车门横梁、隔板、外侧垫、内侧垫、后座椅杆、车门板、车门饰板副组合件、能量吸收件(保险杠、减震器)、减震体、减震饰条、车柱饰条、车顶内侧饰条、树脂肋、侧轨前间隔材、侧轨后间隔材、安全带预缩器、安全气囊传感器、臂(悬吊、下臂、引擎盖铰链)、悬吊连杆、减震支架、挡泥板支架、逆变器支架、逆变器模块、引擎盖内板、引擎盖板、前罩板通风孔、前罩板顶部外侧前板、前罩板顶部外侧板、地板消音器、减震座椅、引擎盖绝缘层、挡泥板侧板保护件、前罩板绝缘层、前罩板顶部通风孔、汽缸盖外盖、轮胎导流板、挡泥板支撑架、引擎室拉杆、中央信道、地板信道、散热器中心部支撑架、行李箱饰板、行李箱底板等部件。
实施例
以下示出本发明的具体实施例和比较例,但本发明不限于下述的实施例。
首先示出通过后述的实施例和比较例制造的复合丝、连续增强纤维树脂成型体的特性的评价方法。
(1)复合丝的拉伸强度
依据JIS3420进行测定并计算出拉伸强度。
需要说明的是,在进行复合丝的拉伸试验的情况下,存在观测到连续增强纤维的断裂点和树脂的断裂点这两种的情况。特别重要的是首先观测到的连续增强纤维的断裂强度,该强度也取决于连续增强纤维的粗细。因此,将拉伸试验中观测到的强度除以连续增强纤维的总截面积所得到的转换为应力值的值用作拉伸强度。
连续增强纤维的截面积由连续增强纤维的细度(dtex)和密度计算出。连续增强纤维的细度通过从复合丝中除去树脂而测定。对于任意30处进行同样的测定,计算出平均值。
截面积(mm2)=细度(g/10000m)/密度(g/cm3)/10000
(2-2)连续增强纤维树脂成型体的拉伸强度、强度表现率
将使用精密切割锯切削成图1-12所示的形状的试验片(在实施例6-1~6-7、比较例6-1、6-2、实施例7-1~7-4、比较例7-1~7-3、实施例8-1~8-3、比较例8-1、8-2中,将长70mm、宽10mm、厚3mm的长条状的试验片沿长度方向以30mm的间隔进行夹持)利用INSTRON100kN万能试验机在速度5mm/min、23℃50%RH环境下测定拉伸强度。需要说明的是,在拉伸试验前实施真空干燥。
由下述式计算出强度表现率。
强度表现率(%)=拉伸强度(MPa)/(原料的玻璃的强度(MPa)×Vf(%)/100+树脂的强度(MPa)×(100-Vf(%))/100)/100
(2)复合丝中的连续增强纤维的合计截面积A、连续增强纤维束的占有面积B、由将连续增强纤维与热塑性树脂的接触点连结而成的线包围的区域的形状、复合丝的直径I
将复合丝在任意位置切断,使液态环氧树脂渗透到复合丝的内部。环氧树脂固化后,将固化的部分切断,进行精密研磨。使用扫描型电子显微镜(日立High-Tech制SU8220)进行观察,得到反射电子图像。
使用图像处理软件来求出连续增强纤维的合计截面积A、将连续增强纤维与热塑性树脂的接触点连结而成的线的形状。将树脂部分的内侧的面积作为连续增强纤维束的占有面积B。针对1根复合丝进行30个截面的观察,求出其平均值。复合丝的直径(当量圆直径)I可以如下求出:求出树脂的外周部分的内侧的面积,除以π后开根号,将其乘以2,由此求出该直径。对任意的30处进行同样的测定,计算出平均值。
(2-4)连续增强纤维与热塑性包覆树脂包覆之间的粘接度(有无粘接)的确认方法
使用剪刀将复合丝在任意位置切断。使用剪钳在距切断处1cm的部分的仅树脂部分切出切口。用两手将切口处的两侧拿起并拉伸。针对100处进行同样的试验,在树脂呈管状脱离的情况的比例大于80%的情况下,将其作为无粘接。
(3)复合丝的表面粗糙度
使用KEYENCE制One-Shot 3D形状测定机VR-3200进行测定。从复合丝的任意位置切取2cm左右的尺寸,利用夹具夹持,将其配置成水平。使用12倍透镜利用精密模式进行自动对焦来进行测定。采用线粗糙度测定模式沿丝的长度方向水平地测定丝的中心部分100μm,进行自动斜率校正后,在任意10处位置测定算术平均粗糙度(Ra)。针对相同的丝对50处进行同样的测定,将其中央值作为表面粗糙度。将使测定长为4000μm并同样地进行测定得到的值作为长范围的表面粗糙度。在丝不是直线的情况下,可以对丝施加张力。这种情况下,将轴承辊等丝引导装置以10cm间隔按照高度平行的方式设置,放置切取成任意长度的丝。将丝的一端固定,另一端吊挂砝码。所使用的砝码的重量根据所测定的丝而不同。吊挂砝码时,选择丝成为直线的最小重量。
(3-4)复合丝的偏心率
将复合丝在任意位置切断并使液态环氧树脂渗透到复合丝的内部。环氧树脂固化后,将固化的部分切断,进行精密研磨。使用扫描型电子显微镜(日立High-Tech制SU8220)进行观察,得到反射电子图像。
通过图像处理软件来进行增强纤维部分、热塑性树脂部分、环氧树脂部分的辨别,求出复合丝整体的面积重心以及热塑性树脂的内侧部分的面积重心,测定两者的距离。另外计算出复合丝的当量圆半径。将面积重心间距离除以当量圆半径而得到的值用百分数表示,将该值作为偏心率。对任意30处进行测定,计算出平均值。
(4)复合丝中的纤维体积含量(Vf)
将复合丝真空干燥,除去水分,测定重量。然后利用与所使用的连续增强纤维的性质符合的适当的方法除去树脂测定连续增强纤维的重量。
增强纤维为玻璃纤维的情况下,可以通过使用电炉在650℃烧掉树脂而除去树脂。增强纤维为碳纤维的情况下,预先进行热分析来确认碳纤维不会发生分解的温度后将树脂烧掉。需要说明的是,为了确认树脂已完全分解,定期地进行重量测定,测定出重量不减少的时刻的重量。将通过测定得到的树脂的重量、增强纤维的重量除以各自的密度并换算成体积,计算出纤维体积含量。
(2-6)成型体中的纤维体积含量
使用成型体,利用与复合丝中相同的方法求出纤维体积含量。
(5)成型体中的含浸率的测定方法
按照成型体的截面露出的方式进行切割后,进行精密研磨直至利用扫描型电子显微镜(SEM)进行观察时找不到树脂和增强纤维的凹凸的程度为止。此时,一边用水冷却一边进行操作,以使得树脂不会由于摩擦热而熔融。
使用SEM对截面进行观察,按照能够区分出树脂、增强纤维、空隙的方式进行拍摄,使用图像处理软件测定空隙的比例,通过下述式求出含浸率。
含浸率(%)=100-(空隙比例%)
对任意30处进行测定,计算出平均值。
(5-3)[含浸率的测定方法]
切出成型体的截面,包埋在环氧树脂中,按照连续增强纤维不会破损的方式小心地进行研磨。利用显微镜进行观察,由所得到的图像求出连续增强纤维束、合成树脂、空隙各自的占有面积,求出空隙面积相对于连续增强纤维束(整体)面积的比例,通过下述式进行计算。
含浸率(%)={1-(空隙面积/连续增强纤维束面积)}×100
(6)热塑性树脂的熔点
使用岛津制作所制DSC-60,使试样量为约1mg,作为气氛气体以30mL/分钟流通,升温温度为10℃/分钟,在该条件下从室温(25℃)加热至所预测的熔点以上的温度,使其熔融,接着将熔融的树脂用干冰骤冷,以10℃/分钟的速度再升温至熔点以上的温度,将此时观测到的吸热峰的峰顶的温度作为熔点。对于各个树脂的熔点,在原材料已知的情况下,对其原材料进行测定。在原材料不明的情况下,可以使用适当的手段分离后进行测定。
(4-9)热塑性树脂的微相分离结构的确认
使用切片机(Microtome,Leica UC7)切削后进行精密研磨。利用磷钨酸进行电子染色后,采用扫描型电气显微镜(SEM日立High-Tech制SU8220)以加速电压4kV取得反射电子图像。需要说明的是,染色可以根据树脂的种类选择适当的方法。
(5-1)[2种以上的纤维增强树脂中的各热塑性树脂的种类和占有比例]
针对任意5处切出连续纤维增强树脂成型体的厚度方向截面(与连续增强纤维的长度方向正交的截面),包埋在环氧树脂中,按照连续增强纤维不发生破损的方式小心地进行研磨。
利用激光拉曼显微镜(inViaQontor共聚焦拉曼显微镜;株式会社Renishaw)拍摄该截面的映像图像,由所得到的图像、光谱确定纤维增强树脂中包含的树脂的种类。另外,利用基于imageJ的图像处理计算出各自的面积,计算出从1根连续增强纤维的端部起占据1根连续增强纤维的半径的十分之一的区域的树脂的占有比例(面积比例)。另外,对于该截面中的任意10根连续增强纤维,计算出占据1根连续增强纤维的半径的十分之一的区域的各树脂的面积比例,求出其平均值。
(5-2)[热塑性树脂的熔点和降温结晶温度的测定方法]
对于2种以上的热塑性树脂的混合物或各树脂,使用岛津制作所制DSC-60,使试样量为约5mg,作为气氛气体以30mL/分钟流通,升温温度为10℃/分钟,在该条件下从室温(25℃)加热至所预测的熔点以上的温度,使其熔融,接着将熔融的聚酰胺树脂以10℃/分钟冷却,将此时观测到的放热峰的峰顶的温度作为结晶温度。然后以10℃/分钟的速度再升温至熔点以上的温度,将此时观测到的吸热峰的峰顶的温度作为熔点。
(5-4)[纤维增强树脂成型体中的极界面区域以外的树脂区域内的热塑性树脂的分布]
将连续纤维增强树脂成型体利用研磨机(小型精密试样制作系统IS-POLISHERISPP-1000(株式会社池上精机))按照对研磨面施加125g/cm2的力的方式进行研磨。研磨以利用耐水纸号数#220研磨10分钟、利用耐水纸号数#1200研磨10分钟、利用耐水纸号数#2000研磨5分钟、利用碳化硅膜粒度9μm研磨10分钟、利用氧化铝膜粒度5μm研磨10分钟、利用氧化铝膜粒度3μm研磨5分钟、利用氧化铝膜粒度1μm研磨5分钟、利用使用抛光研磨纸发泡聚氨酯的粒度0.1μm的胶态二氧化硅(BAIKALOX 0.1CR)研磨5分钟的顺序进行,在各研磨中一边以约7mL/min加入水一边进行研磨。将研磨得到的样品按照研磨面不会塌陷的方式小心地在12钨(VI)磷酸n水合物5wt%水溶液中浸渍18小时进行电子染色。干燥后,利用SEM(S-4700、株式会社Hitachi High-Technologies)对任意5处50μm×50μm部分的热塑性树脂的分布进行观察,利用基于imageJ的图像处理计算出各自的面积。根据所得到的分布判定在极界面区域以外的树脂区域内特定树脂是呈均匀分散还是呈混合。
(5-5)[增强纤维与各热塑性树脂的结合力的测定]
将连续纤维增强树脂成型体切削成作为与增强纤维的长度方向正交的截面为30μm的厚度,按照连续增强纤维不发生破损的方式小心地进行研磨。将研磨后的样品使用纳米压痕仪(iMicro、Nanomechenics,Inc.)挤出增强纤维,由此测定增强纤维与热塑性树脂的结合力。热塑性树脂中,将以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的树脂(副树脂)与增强纤维之间的结合力大于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)与增强纤维之间的结合力的情况判定为“○”、将副树脂与增强纤维之间的结合力弱于主树脂与增强纤维之间的结合力的情况判定为“×”。
(5-6)[润湿性、表面张力的测定]
将1根连续增强纤维埋入到在加热至280℃的加热板上熔融的热塑性树脂中,一边利用显微镜进行观察一边以1毫米/秒抽出1mm连续增强纤维,通过此时热塑性树脂被连续纤维拉伸的长度进行评价。将热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的树脂(副树脂)被增强纤维拉伸的长度大于该热塑性树脂中的该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)被增强纤维拉伸的长度的情况的润湿性、表面张力判定为“○”,将副树脂被增强纤维拉伸的长度弱于主树脂被增强纤维拉伸的长度的情况的润湿性、表面张力判定为“×”。
(5-7)[树脂的熔融粘度的测定]
使用双管式毛细管流变仪(ROSAND PRECISION),在280℃下将剪切速率变为100/s、200/s、400/s、1000/s、2000/s、4000/s、8000/s进行测定。将剪切速率4000/s时2种以上的热塑性树脂的混合物的熔融粘度为上述2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的粘度的4/5倍~5/4倍的情况判定为“○”、将除此以外的情况判定为“×”。
(5-8)[拉伸应力强度的测定方法]
从成型体中切出长70mm、宽10mm、厚2mm的长条状的试验片,利用INSTRON万能试验机将试验片沿长度方向以30mm的间隔进行夹持,在速度5mm/min、23℃、50%RH环境下,在150℃、50%的恒温槽内测定拉伸应力(MPa)。
(5-9)[弯曲应力、弯曲模量的测定方法]
从成型体中切出长100mm、宽10mm、厚2mm的长条状的试验片,利用INSTRON万能试验机使用三点弯曲用夹具将跨距设定为32mm,在速度1mm/min、23℃、50%RH环境下测定弯曲应力(MPa)、弯曲模量(GPa)。
[机织物的制造方法]
将通过本制造方法得到的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝用于经丝和纬丝,使用剑杆织机(DORNIER公司制造、DORNIER RAPIER WEAVING MACHINE P1),一边调整丝张力、织造速度一边以任意的机织组织、基重、织密度进行织造。
[机织物的织造速度试验]
将通过本制造方法得到的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝用于经丝和纬丝,使用剑杆织机(DORNIER公司制造、DORNIER RAPIER WEAVING MACHINE P1),求出在以4-4斜织织造600g/m2的机织物时,将织造速度以20rpm的单位进行变更的同时不会产生断线等故障的最大织造速度。此处的不产生故障是指,在连续运转1小时时,需要停止设备进行调整的次数为3次以下。需要说明的是,本实施例中,从装置的安全方面考虑,设340rpm为上限值。
[针织物的编织性试验]
使用通过本制造方法得到的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,采用横编机(岛精机制作所社制造、SIR123),隔5针抽针并以编织速度0.6米/秒编织圆周300mm、长度200mm的筒状布料(针织布),判定是否引起断线等故障。此处,不引起故障是指,连续编织10片布料时,需要停止设备进行调整的次数为1次以下。图9中示出了上述筒状针织布的外观。
[机织物的弯曲试验]
依据KES,从机织物中切出长250mm、宽20mm、或者长250mm、宽10mm的试验片,使用纯弯曲试验机(Katotech公司制造、KES-FB2-A),在23℃、50%RH环境下测定弯曲刚性B、弯曲滞后2HB。对任意30处进行测定,计算出平均值。
[机织物的压缩试验]
依据KES,从机织物切出长100mm、宽100mm的试验片,使用压缩试验机(Katotech公司制造、KES-FB3-A)在23℃、50%RH环境下测定压缩刚性LC、压缩能量WC、回复性RC、压力0.5kgf/cm2时的厚度T0、最大压力50kgf/cm2时的厚度TM。对任意30处进行测定,计算出平均值。
[机织物的卷缩率测定方法]
使用量规按照与纬丝平行的方式测定500mm机织物,标记0mm和500mm的位置,将标记处的经丝从机织物中拔出。将拔出的经丝以丝不与针床等接触的方式吊挂,在丝的下端安装砝码。按照不与吊挂的丝接触的方式水平低放置量规,测定标记间的长度。设机织物的长度为L0、安装砝码后的丝的长度为L时,由下式求出卷缩率。
卷缩(%)=(L-L0)/L0*100
对任意30处进行测定,计算出平均值。同样地还求出纬丝的卷缩率。所使用的砝码的重量根据所测定的丝而不同。选择吊挂砝码后的丝呈直线的最小重量。
[机织物的基重的测定方法]
从机织物切出长100mm、宽100mm,求出每单位面积(m2)的重量。机织物的尺寸使用量规测定,重量使用电子天平(AID公司制造、GF200)测定。对机织物的任意30处进行测定,计算出平均值。
[连续增强纤维树脂成型体的制造方法1:短时间成型]
作为成型机,使用最大合模力50吨的油压成型机(株式会社Shoji)。准备用于得到板状的连续增强纤维树脂成型体(长200mm、宽100mm、厚2mm)的模具。在模具的型腔部侧插入热电偶。
准备规定片数的剪裁成长195mm、宽95mm的布帛,置于模具中。
将模具置于预热至330℃的成型机中,在5MPa进行压制。确认模具的温度,自达到树脂的熔点的瞬间起50秒后释放压力,将模具移动至冷却压力机中进行冷却。模具为熔点以上的时间设为60秒。确认模具冷却至50℃以下后,将模具从冷却压力机中取出,打开模具,取出成型体。
[连续增强纤维树脂成型体的制造方法2:长时间成型]
作为成型机,使用最大合模力50吨的油压成型机(株式会社Shoji)。准备用于得到板状的连续增强纤维树脂成型体(长200mm、宽100mm、厚2mm)的模具。在模具的型腔部侧插入热电偶。
准备规定片数的剪裁成长195mm、宽95mm的布帛,置于模具中。
将模具置于预热至300℃的成型机中,在5MPa进行压制。达到熔点为止花费了5分钟。15分钟后释放压力,将模具移动至冷却压力机中进行冷却。确认模具冷却至50℃以下后,将模具从冷却压力机中取出,打开模具,取出成型体2。
[连续增强纤维树脂成型体的制造方法3:长时间树脂流动成型]
成型机使用最大合模力300吨的东芝机械制(S100V-8A)。
准备用于得到箱型的连续增强纤维树脂成型体(长200mm、宽200mm、高120mm、厚3mm)的模具。
准备8片剪裁成与模具相应的形状的机织物。
打开预先加热至300℃的模具,将机织物置于模具的规定位置,接着以合模力240MPa合模,进行40分钟压缩成型。冷却后将模具从冷却压力机中取出,打开模具,取出成型体3。
接着对后述的实施例、比较例、参考例中制造的复合丝的原材料进行说明。
作为用于包覆连续增强纤维的热塑性树脂,准备以下的树脂。
[包覆用树脂]
·PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
需要说明的是,PA66为相对粘度45、水分0.09%,相对于PA66(99.29质量份)添加有乙酸铜(一水合物)0.03质量份、碘化钾0.50质量份、乳酸锰(II)0.01质量份、AlSt(0.12质量份)、PEG400(0.06质量份)。该树脂的熔点为265℃,拉伸强度为80MPa。
·共聚PA6/12(EMS Chemie Japan制Grilon CF6S nat)
该树脂的熔点为131℃,拉伸强度为30MPa。
[树脂的(预)混合]
使用双螺杆挤出机(TEM26SS),将PA66与共聚PA6/12以重量比8:1的比例进行混合。使挤出机的转速为200rpm、吐出量为15kg/hr、挤出温度为270℃。从模头前的真空排气口将体系内排成真空。
[丝张力的测定方法]
将连续增强纤维在孔A的近前切断,将连续增强纤维与Imada制数字测力计ZTS-50连接。使数字测力计相对于连续增强纤维以15c米/秒的速度水平移动5秒,以10次/秒的间隔测定张力,求出其平均值。将该测定反复进行5次,求出其平均值。
[丝线径的测定方法]
在卷取机的近前以90度的角度按照呈双螺杆的方式设置2台线径测量仪(KEYENCE制造、LS-906M)。以15分钟、16次/秒的间隔的条件对运转中的线径进行15分钟测定,其出其平均值。每次更换纸管反复进行该测定,求出其平均值。
[树脂压的测定方法]
将树脂温度压力计(理化工业制造、CZ-200P)设置在模头与挤出机的加热筒的连结部。对于运转中的树脂压力以10次/秒的间隔测定15分钟,求出其平均值。每次更换纸管反复进行该测定,求出其平均值。
[连续增强纤维]
使用附着有1.0质量%的下述集束剂a、细度685dtex、平均单丝径为9.2μm、单丝数400根的玻璃纤维作为连续增强纤维(A)。卷取形态为纱线,拉伸强度为2025MPa。
使用附着有1.0质量%的下述集束剂a、细度2900dtex、平均单丝径为13.5μm、单丝数800根的玻璃纤维作为连续增强纤维(B)。卷取形态为粗纱。拉伸强度为1673MPa。
使用附着有1.0质量%的下述集束剂a、细度12000dtex、平均单丝径为17μm、单丝数1200根的玻璃纤维作为连续增强纤维(C)。卷取形态为粗纱。
[集束剂a的组成(固体成分换算)]
·硅烷偶联剂:γ-氨基丙基三乙氧基硅烷0.6质量%[商品名:KBE-903(信越化学工业株式会社制)]
·润滑剂:蜡0.1质量%[商品名:巴西棕榈蜡(株式会社加藤洋行制)]
·成束剂:丙烯酸/马来酸共聚物盐5质量%[商品名:Aqualic TL(日本触媒株式会社制)]
[复合丝制造装置以及复合丝的制造方法]
使用具有图1-10、1-11所示结构的伊藤忠Systech制造的纱线涂布装置(Trawon挤出机+SAHM卷绕机)。关于丝的送出,在使用纱线的情况下将卷线轴固定于装置附带的支架并以从外侧取出的方式直接送出,在使用粗纱的情况下设置于粗纱专用的支架并以从内侧取出的方式将丝向上方送出。将丝送出后,使用多个连续增强纤维引导装置对丝进行引导,然后按照丝通过模头的孔A和孔B的中心的方式利用模头近前的连续增强纤维引导装置进行微调整。在刚接触冷却水后、刚离开冷却器后、卷取机的近前设置多个连续增强纤维引导装置,且按照从模头近前的连续增强纤维引导装置起至模头、冷却、卷取为止丝呈直线的方式进行配置。挤出机相对于丝呈90度的角度进行设置,按照在模头的内部熔融的树脂与连续增强纤维以微加压的状态进行接触的方式、并按照与连续增强纤维接触的部分比树脂的导入部分小的方式使用施加有挤压的模头,对挤出机的挤出速度进行微调整。冷却使用水浴,冷却后利用空气吹走水分。张力控制装置设置在卷线轴与连续增强纤维引导装置之间、以及模头近前的连续增强纤维引导装置之前,在使张力稳定的同时使增强纤维致密。需要说明的是,张力控制装置使用板片弹簧方式,连续增强纤维引导装置使用圆形的环状引导器,连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质使用汤浅丝道工业制造的YM-85DP。另外,在运转前使用数字测力计(Imada制造、ZTS-50)对张力控制装置的张力进行调整。
[实施例1-1]
在以下的条件下制作复合丝。
本例中,不使用线径测量仪和树脂温度压力计。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(A)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:3根
孔A的内径:0.60mm
孔B的内径:0.60mm
孔AB间的距离:2.0mm
树脂挤出速度:40rpm
卷取速度:500m/分钟
模头的温度(料筒出口和孔A、孔B的温度):300℃
挤出机的料筒部的设定温度:300℃
丝张力:0.2N
[运转步骤]
使连续增强纤维通过孔A、孔B后,在树脂供给装置不运转的状态下仅使卷取机以卷取速度50m/分钟运转。确认到卷取正常进行后,将热塑性树脂材料投入到树脂供给装置的进料斗中,以树脂挤出速度25rpm使其运转。确认树脂在连续增强纤维上的包覆后,打开水浴的冷却水阀,开始进行强制冷却。然后将卷取速度以200m/分钟的上升速度提高至包覆条件中所述的卷取速度。此时按照连续增强纤维不露出的方式在调整树脂挤出速度的同时升高至包覆条件中所述的树脂挤出速度为止。将热塑性树脂涂布增强纤维复合丝卷绕在纸管上,每10,000m更换纸管。
在连续增强纤维无切断地进行了50,000m连续运转的情况下,调整树脂的挤出速度同时提高卷取速度来进行生产率(能够运转的速度)的确认。将即使调整挤出速度也发生了连续增强纤维露出的情况或断线时的最大卷取速度作为能够运转的速度。在实施例1-2~7中也同样地制作出了复合丝。
使用所得到的复合丝如上所述制作出成型体。以下的实施例、比较例中也同样地制作了成型体。
[实施例1-2]
[包覆条件]
除了使孔A的内径为0.55mm以外,与实施例1-1同样地制作复合丝。
[实施例1-3]
[包覆条件]
除了使丝张力为1.0N以外,与实施例1-2同样地制作复合丝。
[实施例1-4]
[包覆条件]
除了使模头的温度为280℃、使料筒部的温度为280℃以外,与实施例1-3同样地制作复合丝。
[实施例1-5]
[包覆条件]
除了使树脂挤出速度为50rpm以外,与实施例1-4同样地制作复合丝。
[实施例1-6]
[包覆条件]
除了将连续增强纤维引导装置的形状变更为U形槽型的轴承辊、将连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质变更为汤浅丝道工业制造的YM-85C来减少动摩擦力以外,与实施例1-5同样地制作复合丝。
[实施例1-7]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(B)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
喷嘴孔A的内径:0.55mm
喷嘴孔B的内径:0.70mm
孔AB间的距离:2.0mm
树脂挤出速度:79rpm
卷取速度:400m/分钟
模头的温度:280℃
料筒部的温度:280℃
丝张力:1.7N
将连续增强纤维引导装置的形状变更为H形槽型的轴承辊,将连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质变更为汤浅丝道工业制造的YM-85C,减少动摩擦力。
[比较例1-1]
按照上述专利文献3(日本特开平8-336879号公报)的实施例1-1,使喷嘴的孔径为0.9mm、连续增强纤维(A)为2根、模头温度为290℃、料筒温度为250℃来制作复合丝。使丝的速度为200m/分钟,按照连续增强纤维与树脂的体积比例为40:60的方式来调整吐出量。
[比较例1-2]
使用AIKI公司制造的涂布机。喷嘴的孔径使用0.9mm。将2根连续增强纤维(A)倾斜地固定。按照从丝的送出起至模头、冷却、卷取为止丝呈直线的方式进行配置,在模头的近前、刚与冷却水接触后、刚离开冷却器后、卷取机的近前设置丝的引导器。挤出机相对于丝成90度的角度进行设置。冷却使用水浴,冷却后利用空气吹走水分。设丝的速度为200m/分钟,利用卷取机进行控制。挤出在280~295℃进行。按照在模头的内部熔融的树脂与连续增强纤维以微加压的状态进行接触的方式、并按照与连续增强纤维接触的部分比树脂的导入部分小的方式使用施加有挤压的模头,对挤出机的挤出速度进行微调整。本例中,不使用张力控制装置。
将由以上的实施例、比较例得到的复合丝的物性、使用这些复合丝制造出的成型体的拉伸强度、含浸率等示于下述表1-1。
Figure BDA0002611520890000631
实施例1-1~1-7中,连续增强纤维利用树脂实质地进行了包覆,未观察到增强纤维的露出。另外,无断线地完成了50,000m连续运转。
实施例1-2中,将喷嘴孔AB的内径变更为适合于增强纤维的直径。由此,与实施例1-1相比,致密指数提高。
实施例1-3中,对增强纤维赋予了适当的张力。由此,与实施例1-2相比,表面粗糙度、致密指数以及生产率提高。
实施例1-4中,降低树脂温度来变更树脂的粘度。由此,与实施例1-3相比,纤维含量提高,但有树脂不足的倾向,因此表面粗糙度、致密指数降低。
实施例1-5中,调整了树脂的吐出量。由此,与实施例1-4相比,表面粗糙度、致密指数提高。
实施例1-6中,变更了连续增强纤维引导装置的形状以及连续增强纤维与连续增强纤维引导装置以及张力控制装置的接触部的材质。由此,与实施例1-5相比,纤维含量的变动和生产率提高。
实施例1-7中,连续增强纤维利用树脂实质地进行了包覆,未观察到增强纤维的露出。另外,无断线地完成了50,000m连续运转。
比较例1-1中,包覆不均匀,观察到了增强纤维的露出。另外,在运转长度2000m时发生了断线,因而中止运转。
比较例1-2中,连续增强纤维利用树脂实质地进行了包覆,未观察到增强纤维的露出,但在运转长度4,000m时发生了断线,因而中止运转。
另外,实施例1-6~7中,表面粗糙度小、作为丝的处理性优异,因此能够高速地进行织造,进而一次也不停止地进行了针织物的编织。另一方面,比较例1-1~2中为增强纤维的周围利用热塑性树脂进行了包覆的结构,但由于表面粗糙,因而无法如实施例1-6~7那样高速地进行织造。另外,在织造或编织时会发生钩挂、或者包覆树脂层破损而使内部的增强纤维露出。
[实施例1-10-1]
在以下的条件下制作复合丝。
本例中,使用线径测量仪和树脂温度压力计。需要说明的是,张力控制装置使用旭化成工程制造的粉末离合器方式,连续增强纤维引导装置使用H形槽型的轴承辊,连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质使用汤浅丝道工业制造的YM-85C。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(B)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.65mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:200m/分钟
模头的温度(料筒出口以及孔A、孔B的温度):290℃
挤出机的料筒部的设定温度:290℃
丝张力:5.0N
使连续增强纤维通过孔A、孔B后,在树脂供给装置不运转的状态下仅使卷取机以卷取速度50m/分钟运转。确认到卷取正常进行后,将热塑性树脂材料投入到树脂供给装置的进料斗中,以树脂挤出速度25rpm使其运转。确认树脂在连续增强纤维上的包覆后,打开水浴的冷却水阀,开始进行强制冷却。然后将卷取速度以200m/分钟的上升速度提高至包覆条件中所述的卷取速度。此时按照连续增强纤维不露出的方式调整树脂挤出速度。按照按照包覆条件中记载的下降率来调整树脂挤出速度,连续运转100,000m。将热塑性树脂涂布增强纤维复合丝卷绕在纸管上,每10,000m更换纸管。另外,连续增强纤维的材料用尽时,暂时停止运转,将连续增强纤维更换成新的卷线轴。此时,按照暂时停止时间为10分钟以下的方式进行更换。在以下的实施例1-10-1~11中也同样地制作复合丝。
在以下的实施例1-20-1~12中,使用这样得到的复合丝制作机织物。另外,使用这样得到的机织物制作成型体。
[实施例1-10-2]
[包覆条件]
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:290℃
针对模头与挤出机的加热筒的连结部,与模头和挤出机的加热筒分开地独立进行温度控制,除了施加这样的改造以外,与实施例1-10-1同样地制作复合丝。
[实施例1-10-3]
[包覆条件]
除了使张力为20N以外,与实施例1-10-2同样地制作复合丝。
[实施例1-10-4]
[包覆条件]
除了使卷取速度为400m/分钟以外,与实施例1-10-2同样地制作复合丝。
[实施例1-10-5]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(C)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
喷嘴孔A的内径:1.20mm
喷嘴孔B的内径:1.30mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:100m/分钟
模头的温度:290℃
料筒部的温度:290℃
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:290℃
丝张力:7.5N
[实施例1-10-6]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(B)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PE(旭化成株式会社制SuntecJ240)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.65mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:200m/分钟
模头的温度:160℃
料筒部的温度:160℃
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:160℃
丝张力:5.0N
[实施例1-10-7]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(B)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PP(PRIME POLYMER制J708UG)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.70mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:200m/分钟
模头的温度:190℃
料筒部的温度:190℃
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:190℃
丝张力:5.0N
[实施例1-10-8]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(B)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
ABS(旭化成株式会社制STYLAC 190F)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.70mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:200m/分钟
模头的温度:230℃
料筒部的温度:230℃
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:230℃
丝张力:5.0N
[实施例1-10-9]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
连续增强纤维(B)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
改性PPE(旭化成株式会社制Xyron 500H)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.70mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:200m/分钟
模头的温度:290℃
料筒部的温度:290℃
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:290℃
丝张力:5.0N
[实施例1-10-10]
在下述条件下制作复合丝。
[使用材料]
[连续增强纤维]
碳纤维(台湾塑料制TAIRYFIL T-C33 1.5k)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.50mm
孔B的内径:0.60mm
孔AB间的距离:2.0mm
下降率:10%以下
卷取速度:200m/分钟
模头的温度:290℃
料筒部的温度:290℃
模头与挤出机的加热筒的连结部的温度:290℃
丝张力:5.0N
[实施例1-10-11]
在下述条件下制作复合丝。
使用Rai Hsing Plastics Machinery Works制涂布机,将0.50mm的喷嘴安装在模头的入口侧,将0.70mm的喷嘴安装在模头的出口侧。将2根连续增强纤维(A)的辊固定于装置附带的支架上,使各丝通过装置附带的全部丝引导器后,将丝安装在卷取机上。冷却使用水浴,将水浴的温度设定为20℃,冷却后利用空气吹走水分。设丝的速度为200m/分钟,利用卷取机进行控制。挤出在290℃进行,按照下降率为50%以上的方式利用设置在卷取机近前的KEYENCE公司制造的CCD型数字激光传感器IG-010确认线径,通过对挤出机的挤出速度进行微调整。本例中,在支架与模头之间设置板片弹簧式的张力控制装置,按照丝张力为0.5N的方式进行调整。使2根连续增强纤维(A)同时运转,制作2组8,000m的复合丝。
将实施例1-10-1~11中得到的复合丝的制造条件、物性等示于下述表1-2,将使用这些复合丝织造的机织物的物性示于下述表1-3。
Figure BDA0002611520890000711
Figure BDA0002611520890000721
实施例1-10-1~10中,连续增强纤维利用树脂实质地进行了包覆,未观察到增强纤维的露出,无断线地完成了100,000m连续运转。
实施例1-10-1中,通过利用增强纤维赋予了高张力,与实施例1-7相比,致密指数上升。另外观察到纤维含量的变动大。特别是第1个卷线轴与最后的第10个卷线轴的纤维含量之差大。对装置进行拆分清扫,结果在模头与挤出机的加热筒的连结部的一部分观察到了固化的树脂。
实施例1-10-2中,针对模头与挤出机的加热筒的连结部,施加了与模头和挤出机的加热筒分开地独立进行温度控制的改造。通过该改造改善了模头与挤出机的加热筒的连结部的树脂流动,与实施例1-10-1相比,纤维含量的变动减小,进而第1个卷线轴与最后的第10个卷线轴的纤维含量之差减小。
实施例1-10-3中,利用增强纤维赋予了高张力,与实施例1-10-2相比,表面粗糙度、长范围表面粗糙度、致密指数未观察到较大差异。
实施例1-10-4中,为了提高生产率,使线速度为高速,与实施例1-10-2相比,表面粗糙度、长范围表面粗糙度、致密指数未观察到较大差异。
实施例1-10-5中,为了提高生产率,使增强纤维的细度变粗,与实施例1-10-2相比,致密指数上升。另外,表面粗糙度、长范围表面粗糙度未观察到较大差异。
实施例1-10-6中,使包覆树脂为PE,与实施例1-10-2相比,致密指数上升。另外,表面粗糙度未观察到较大差异,但长范围表面粗糙度减少。
实施例1-10-7中,使包覆树脂为PP,与实施例1-10-2相比,致密指数上升。另外,表面粗糙度、长范围表面粗糙度未观察到较大差异。
实施例1-10-8中,使包覆树脂为ABS,与实施例1-10-2相比,致密指数减少。另外,表面粗糙度未观察到较大差异,但长范围表面粗糙度减少。
实施例1-10-9中,使包覆树脂为改性PPE,与实施例1-10-2相比,致密指数稍微减少。另外,表面粗糙度未观察到较大差异,但长范围表面粗糙度稍微增加。
实施例1-10-10中,为了高强度化,使增强纤维为碳纤维,与实施例1-10-2相比,表面粗糙度、致密指数稍微减少。另外,表面粗糙度、长范围表面粗糙度未观察到较大差异。
实施例1-10-11中,下降率高,热塑性树脂涂布增强纤维复合丝表面凹凸增大,表面粗糙度、长范围表面粗糙度增大。
将由实施例1-7或实施例1-10-2得到的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝用于经丝和纬丝来织造出机织物。根据表1-3所示的目的和希望得到的特性,可以以任意的机织组织、织密度进行织造。
[实施例2-1]
在以下的条件下制作复合丝。
本例中,不使用线径测量仪和树脂温度压力计。需要说明的是,张力控制装置使用板片弹簧方式,连续增强纤维引导装置使用U形槽型的轴承辊,连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质使用汤浅丝道工业制造的YM-85C。
[连续增强纤维]
连续增强纤维(A)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:3根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.60mm
孔AB间的距离:2.0mm
树脂挤出速度:50rpm
卷取速度:500m/分钟
模头的温度(料筒出口以及孔A、孔B的温度):280℃
挤出机的料筒部的设定温度:280℃
丝张力:1.0N
所使用的玻璃纤维的强度为2025MPa。
使用这样得到的复合丝,利用上述方法制作机织物。
使用所得到的机织物,按照上述制造方法1~3分别制作成型体1~3。
[实施例2-2]
使用连续增强纤维(B),将喷嘴变更为孔A的内径0.55mm、孔B的内径0.70mm并且将连续增强纤维引导装置的形状变更为H形槽型的轴承辊,将连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质变更为汤浅丝道工业制造YM-85C,除此以外与实施例2-1同样地制作成型体。所使用的玻璃纤维的强度为1673MPa。
[实施例2-3]
除了进行下述变更以外,与实施例2-1同样地制作复合丝、成型体。
玻璃纤维束的根数:2根
孔A的内径:0.5mm
孔B的内径:0.6mm
树脂挤出速度:22rpm
卷取速度:200m/分钟
丝张力:0.8N
[比较例2-1]
使用2根未实施交织处理的聚酰胺66纤维[商品名:Leona(注册商标)470/144BAU(旭化成株式会社制)、细度470dtex、单丝数144根]、2根连续增强纤维(A),将两者并丝、拉齐后,实质上垂直地供给至流体交织喷嘴,在下述条件下进行流体交织,得到复合丝条。
·流体交织喷嘴:京瓷KC-AJI-L(1.5mm径、推进型)
·空气压:2kg/cm2
·加工速度:30m/分钟
使用该复合丝,调整密度使其达到600g/m2,采用4-4斜织得到机织物。
[比较例2-2]
以上述专利文献3(日本特开平8-336879号公报)的实施例1为参考,使连续增强纤维(A)为2根、模头温度为290℃、料筒温度为250℃来制作复合丝。按照连续增强纤维与树脂的体积比例为40:60的方式调整吐出量。
使用该复合丝,利用上述方法制作机织物和连续增强纤维树脂成型体。在所得到的复合丝的表面存在玻璃纤维露出的部位。
使用该复合丝,调整密度使其达到600g/m2,采用4-4斜织得到机织物。
[比较例2-3]
使用AIKI公司制造的涂布机。将2根连续增强纤维(A)的卷倾斜地固定。按照从丝的送出起至模头、冷却、卷取为止丝呈直线的方式进行配置,在模头的近前、刚与冷却水接触后、刚离开冷却器后、卷取机的近前设置丝的引导器。挤出机相对于丝呈90度的角度进行设置。冷却使用水浴,冷却后利用空气吹走水分。使丝的速度为200m/分钟,利用卷取机进行控制。挤出在280~295℃进行。按照在模头的内部熔融的树脂与连续增强纤维以微加压的状态进行接触的方式、并按照与连续增强纤维接触的部分比树脂的导入部分小的方式使用施加有挤压的模头,对挤出机的挤出速度进行微调整。本例中,未使用张力控制装置。
[比较例2-4]
使丝的速度为50m/分钟、挤出温度为300℃,挤出机的挤出速度微调整成较低,利用与比较例2-3相同的方法制作成型体。
将实施例2-1~2-3、比较例2-1~2-4中得到的复合丝、成型体的各种物性等示于下述表2-1。
[表2-1]
Figure BDA0002611520890000761
实施例2-1~2-3中,由于致密指数低,因此即使是成型体1这样的短时间的成型时间也能够快速地含浸。另外,由于增强纤维与热塑性树脂未粘接,因而织造工序、成型工序中的增强纤维的损伤少,因此在如成型体2、成型体3这样的以长时间成型进行含浸的状态下,显示出较高的强度表现率。特别是在成型体3这样的树脂流动且Vf发生较大变化的状况下,强度表现率未发生降低。
比较例2-1中,在混纤工序、织造工序中存在增强纤维的损伤,并且增强纤维以分布广的状态存在,因此含浸率、强度表现率低。比较例2-2~2-4中为将增强纤维的周围利用热塑性树脂包覆而成的结构,但增强纤维以分布广、不致密的状态存在,因此含浸性差。
[实施例3-1]
在以下的条件下制作复合丝。
本例中,不使用线径测量仪和树脂温度压力计。需要说明的是,张力控制装置使用板片弹簧方式,连续增强纤维引导装置使用U形槽型的轴承辊,连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质使用汤浅丝道工业制造的YM-85C。
[连续增强纤维]
连续增强纤维(A)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
PA66(旭化成株式会社制1402S-011)
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:3根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.60mm
孔AB间的距离:2.0mm
树脂挤出速度:50rpm
卷取速度:500m/分钟
模头的温度(料筒出口以及孔A、孔B的温度):280℃
挤出机的料筒部的设定温度:280℃
丝张力:1.0N
[实施例3-2]
使用连续增强纤维(B),将喷嘴变更为孔A的内径0.55mm、孔B的内径0.70mm、并将连续增强纤维引导装置的形状变更为H槽型的轴承辊,将连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质变更为汤浅丝道工业制造的YM-85C,除此以外与实施例3-1同样地制作成型体。
[实施例3-3]
除了进行下述变更以外,与实施例3-1同样地制作复合丝、成型体。
玻璃纤维束的根数:2根
孔A的内径:0.5mm
孔B的内径:0.6mm
树脂挤出速度:21rpm
卷取速度:200m/分钟
丝张力:1.0N
[比较例3-1]
使用2根未实施交织处理的聚酰胺66纤维[商品名:Leona(注册商标)470/144BAU(旭化成株式会社制)、细度470dtex、单丝数144根]、2根连续增强纤维(A),将两者并丝、拉齐后,实质上垂直地供给至流体交织喷嘴,在下述条件下进行流体交织,得到复合丝条。
·流体交织喷嘴:京瓷KC-AJI-L(1.5mm径、推进型)
·空气压:2kg/cm2
·加工速度:30m/分钟
使用该复合丝,调整密度使其达到600g/m2,采用4-4斜织得到机织物。
[比较例3-2]
以上述专利文献3(日本特开平8-336879号公报)的实施例1为参考,使连续增强纤维(A)为2根、模头温度为290℃、料筒温度为250℃来制作复合丝。按照连续增强纤维与树脂的体积比例为40:60的方式调整吐出量。
使用该复合丝,利用上述的方法制作机织物和连续增强纤维树脂成型体。
在所得到的复合丝的表面存在玻璃纤维露出的部位。
使用该复合丝,调整密度使其达到600g/m2,采用4-4斜织得到机织物。
[比较例3-3]
使用AIKI公司制造的涂布机。将2根连续增强纤维(A)的卷倾斜地固定。按照从丝的送出起至模头、冷却、卷取为止丝呈直线的方式进行配置,在模头的近前、刚与冷却水接触后、刚离开冷却器后、卷取机的近前设置丝的引导器。模头的内部的孔的孔径使用0.7mm。挤出机相对于丝呈90度的角度进行设置。冷却使用水浴,冷却后利用空气吹走水分。设丝的速度为200m/分钟,利用卷取机进行控制。挤出在280~295℃进行。按照在模头的内部熔融的树脂与连续增强纤维以微加压的状态进行接触的方式、并按照与连续增强纤维接触的部分比树脂的导入部分小的方式使用施加有挤压的模头,对挤出机的挤出速度进行微调整。本例与实施例3-1的区别在于模头的喷嘴结构、对于丝的孔径、不使用张力控制装置这几点。
[比较例3-4]
使丝的速度为50m/分钟、挤出温度为300℃,将挤出机的挤出速度微调整为较低,利用与比较例3-3相同的方法制作成型体。
[表3-1]
Figure BDA0002611520890000791
实施例3-1~3-3中,由于表面粗糙度小,因此作为丝的处理性优异,由此能够高速地进行织造,此时丝的损伤小且表现出高强度。偏心率越小,织造时的稳定性越提高,因此具有高速织造性优异的倾向。另外,由于增强纤维与热塑性树脂不进行粘接,因此织造工序、成型工序中的增强纤维的损伤少,由此在如成型体2、成型体3这样的以长时间成型进行含浸的状态下,显示出较高的强度表现率。特别是在成型体3这样的树脂流动且Vf发生较大变化的状况下,强度表现率未发生降低。
比较例3-1中,在混纤工序、织造工序中存在增强纤维的损伤,另外,由于表面的平滑性差,因此不适合高速织造。比较例3-2~3-4中为将增强纤维的周围利用热塑性树脂包覆而成的结构,但表面粗糙,增强纤维与树脂粘接,从而在织造时发生钩挂、或内部的增强纤维损伤而无法表现出高强度。
[实施例4-1]
在以下的条件下制作复合丝。
本例中,不使用线径测量仪和树脂温度压力计。需要说明的是,张力控制装置使用板片弹簧方式,连续增强纤维引导装置使用U形槽型的轴承辊,连续增强纤维与连续增强纤维引导装置和张力控制装置的接触部的材质使用汤浅丝道工业制造的YM-85C。
[连续增强纤维]
连续增强纤维(A)
[热塑性树脂(包覆树脂)]
(预)混合树脂
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:3根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.60mm
孔AB间的距离:2.0mm
树脂挤出速度:50rpm
卷取速度:500m/分钟
模头的温度(料筒出口以及孔A、孔B的温度):280℃
挤出机的料筒部的设定温度:280℃
丝张力:1.0N
使用这样得到的复合丝,利用上述方法制作机织物。
使用所得到的机织物按照上述制造方法1、2分别制作成型体1、2。
[实施例4-2]
将PA66的粒料和共聚PA6/12的粒料分别按照以重量计为8:1的方式在即将投入前进行混合(干混),供给至挤出机中,除此以外与实施例4-1同样地制作出复合丝、成型体。
[参考例4-1]
除了单独使用PA66以外,与实施例4-1同样地制作出复合丝、成型体。
[表4-1]
Figure BDA0002611520890000811
已知在PA66与PA6/12混合的实施例4-1和实施例4-2中,短时间的含浸性和强度表现率优异。由于实施例4-1与实施例4-2之差几近于无,因此也可知,若树脂的混合状态相同,则混合方法的依赖性小。
在以下的实施例5-1~5-7、比较例5-1~5-4中,使用下述材料、方法。
[连续增强纤维]
玻璃布:WFR 350 100BS6(日东纺株式会社)
碳纤维布帛:制造附着有2.8质量%聚乙烯吡咯烷酮、细度8000dtex、单丝数12000根的碳纤维,然后使用剑杆织机进行织造(平织)。
[热塑性树脂]
聚酰胺66:Leona1300S(旭化成株式会社)熔点265℃、熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差(Tm-Tc)=53℃
聚酰胺6/12:Grilon C CF6S(EMS Chemie Japan株式会社)熔点130℃
聚酰胺6:Grilon BS/2natural(EMS Chemie Japan株式会社)熔点225℃
聚酰胺6I:LeonaR16024(旭化成株式会社)玻璃化转变温度:130℃
聚酰胺6T/6I:东洋纺株式会社试生产产品
聚乙烯(PE):SuntecJ240(旭化成株式会社)熔点:125℃
[热塑性树脂膜]
通过将上述热塑性树脂的混合物进行T模挤出并使用成型机(株式会社创研制)进行成型而得到。热塑性树脂膜的厚度为100μm。
[连续纤维增强树脂成型体的制造方法]
作为成型机,使用最大合模力50吨的油压成型机(株式会社Shoji)。准备用于得到平板型的连续纤维增强树脂(长200mm、宽100mm、厚2mm)的凹坑结构的模具。将上述热塑性树脂膜和玻璃布根据模具形状切断,重叠规定片数,设置在模具内。
将成型机内温度加热至330℃,接着以合模力5MPa合模,进行压缩成型。成型时间为达到聚酰胺66的熔点265℃后1分钟,将模具骤冷后打开模具,取出成型体。成型中的最大温度为275℃。
[实施例5-1]
使用将PA66和PA6/12以重量比8:1干混得到的物质来制造热塑性树脂膜。该膜的厚度为100μm。将该膜11片与玻璃布10片交替层积,进行成型。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6/12均匀分散在PA66中。
[实施例5-2]
除了使用PA6来代替PA6/12以外,与实施例1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6均匀地分散在PA66中。
[实施例5-3]
除了使用PE来代替PA6/12以外,与实施例5-1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PE均匀地分散在PA66中。
[实施例5-4]
除了使用PA6I来代替PA6/12以外,与实施例5-1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6I均匀地分散在PA66中。
[实施例5-5]
除了将PA66与PA6/12以重量比5:4进行干混以外,与实施例5-1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6/12均匀地分散在PA66中。
[实施例5-6]
使用双螺杆挤出机(TEM26SS、东芝机械)将PA66和PA6/12以投料比(重量比)8:1预先混炼并使用所得到的物质制造热塑性树脂膜,除此以外与实施例5-1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6/12均匀地分散在PA66中。
[实施例5-7]
除了使用碳纤维布帛来代替玻璃布以外,与实施例5-1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6/12均匀地分散在PA66中。
[实施例5-8]
将PA66和PA6/12以重量比8:1进行干混后供给至挤出机中,按照连续增强纤维与树脂的体积比例为50:50的方式调整吐出量,除此以外与实施例5-1同样地制造复合丝、成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA6/12均匀地分散在PA66中。
[比较例5-1]
除了仅使用PA66来制造膜以外,与实施例5-1同样地制造出连续纤维增强树脂成型体。
[比较例5-2]
除了使用PA6T/6I来代替PA6/12以外,与实施例5-1同样地制造出连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内以及极界面区域内,PA6T/6I皆均匀地分散在PA66中。
[比较例5-3]
将玻璃布切成19.5cm×9.5cm,浸渍在利用纯水调整为30质量%的聚酰胺乳液(Sepolsion PA200、住友精化株式会社)的溶液中,然后利用80℃的热风循环干燥机干燥1小时,制备复合材料。所得到的复合材料中的作为聚酰胺乳液的固体成分的PA6/12在玻璃布上的附着量为6质量%。然后与PA66的膜层积,与实施例1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。该例中,PA6/12没有均匀地分散在PA66中,仅存在于极界面区域内。
[比较例5-4]
除了将PA66和PA6/12以重量比1:8进行干混以外,与实施例5-1同样地制造连续纤维增强树脂成型体。在与玻璃纤维的极界面区域以外的树脂区域内,PA66均匀地分散在PA6/12中。
将实施例5-1~5-7、比较例5-1~5-4的结果示于下述表5-1。
Figure BDA0002611520890000841
根据表5-1,本实施方式的连续纤维增强树脂成型体中,如实施例5-1~5-7所示,在与该连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根该连续增强纤维与该热塑性树脂之间的极界面中,在距离该连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的树脂(副树脂)的占有比例高于该主树脂的占有比例,在该周边外侧区域以外的树脂区域内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的各副树脂均匀地分散或混合,因此显示出了高拉伸应力、弯曲应力、弯曲模量、高温下的拉伸应力。另一方面,如比较例5-1所示,若热塑性树脂为一种,则增强纤维与热塑性树脂的粘接不充分,拉伸应力、弯曲应力、弯曲模量、高温下的拉伸应力降低。另外,如比较例5-2、5-4所示,即使热塑性树脂为两种以上,在距离连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)的占有比例高于副树脂的占有比例时,增强纤维与热塑性树脂的粘接不充分,拉伸应力、弯曲应力、弯曲模量、高温下的拉伸应力降低。另外,如比较例5-3所示,在距离连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域内,该2种以上的热塑性树脂中,即使存在以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的副树脂,由于在该周边外侧区域以外的树脂区域内该副树脂未均匀分散或混合,因此高温下的拉伸应力也降低。
以下对实施例6-1~6-5、比较例6-1、6-2中使用的方法等进行说明。
[复合丝制造装置以及复合丝的制造方法]
使用图1-10、1-11所示的装置。关于丝的送出,在使用纱线的情况下将辊固定并直接送出,在使用纱饼的情况下,进行转动取出。按照从丝的送出起至模头、冷却、卷取为止丝呈直线的方式进行配置,在模头前放置板片弹簧式的张力器使张力稳定、同时使增强纤维致密。在模头的近前、刚与冷却水接触后、刚离开冷却器后、卷取机的近前设置丝的引导器。挤出机相对于丝呈90度的角度进行设置。冷却使用水浴,冷却后利用空气吹走水分。使丝的速度为200m/分钟,利用卷取机进行控制。挤出在280~295℃进行。按照在模头的内部熔融的树脂与连续增强纤维以微加压的状态进行接触的方式、并按照与连续增强纤维接触的部分比树脂的导入部分小的方式使用施加有挤压的模头,对挤出机的挤出速度进行微调整。
需要说明的是,上述的复合丝制造装置以及复合丝的制造方法应用于下述的实施例6-1~6-5、比较例6-1、6-2。
[机织物的制造方法]
使用剑杆织机(DORNIER公司制造、DORNIER RAPIER WEAVING MACHINE P1),使用上述复合丝条作为经丝、纬丝,使经丝密度为6根/5mm、纬丝密度为6根/5mm,织造4-4斜织的机织物。
需要说明的是,上述的机织物的制造方法应用于下述实施例6-1~6-3、6-5、比较例6-1、6-2。
[连续增强纤维树脂成型体的制造方法]
[机织物的压缩(压制)成型工序]
作为成型机,使用最大合模力300吨的东芝机械制(S100V-8A)。
准备用于得到箱型的连续增强纤维树脂成型体(长150mm、宽200mm、高50mm、厚度3mm)的模具。
作为模具,准备侧壁的角度不同的3种模具。实施例1所使用的模具中,成型品的基盘部与侧壁的角度为100°。实施例2所使用的模具中,成型品的基盘部与侧壁的角度为110°。并且,实施例3所使用的模具中,成型品的基盘部与侧壁的角度为90°。
准备8片剪裁成与各模具相应的形状的机织物。
进行使模具型腔在180℃至300℃之间反复升温、降温的冷热循环,针对剪裁的机织物,在模具型腔面达到200℃时打开模具,将机织物置于模具的规定位置,关闭模具至剪裁的机织物与模具接触为止,将模具型腔升温至280℃之后,将模具温度升温至300℃,同时以合模压240MPa进行合模,接着进行冷却至模具型腔面达到180℃为止。在模具型腔达到180℃时将模具打开,将成型品脱模并取出。
本方法中,在合模压为240MPa之后,在将模具加热、冷却的步骤中,熔点以上的时间为1分钟。
[成型品的评价]
作为箱型的成型品的评价,对基盘部的连续增强纤维进行外观上的观察来评价连续增强纤维的直线性。另外,关于连续增强纤维的连续性,基盘部和侧壁部的观察使用下述的X射线CT扫描(岛津制作所制inspeXio SMX-90CT Plus)对连续增强纤维进行观察,评价连续性。关于成型品,如图6-4所示,从成型品的侧壁部切出2处样品进行观察。
将所使用的复合丝、成型基材的形态、成型体的物性等示于下述表6-1。
[实施例6-1]
使用3根连续增强纤维(A)来制作复合丝。
手动变更树脂的挤出速度,按照连续增强纤维与树脂的体积比例为50:50的方式进行运转。
将上述得到的复合丝用于经丝和纬丝,使用剑杆织机(DORNIER公司制造、DORNIERRAPIER WEAVING MACHINE P1)采用4-4斜织按照基重600g/m2的方式进行织造。
使用所织造的基材制作箱型的成型品。使用成型品的基盘部与侧壁的角度为100°的模具,利用上述方法制作连续增强纤维树脂成型体。
作为评价,成型体的拉伸强度是从基盘部切出试验片进行测定的。增强纤维的卷缩率是从所织造的基材中取出试验片进行测定的。增强纤维的直线率是对立体成型品的侧壁部的直线率进行测定得到的结果。
[实施例6-2]
除了使用成型品的基盘部与侧壁的角度为110°的模具以外,与实施例6-1同样地制作连续纤维树脂成型体。
[实施例6-3]
除了使用成型品的基盘部与侧壁的角度为90°的模具以外,与实施例6-1同样地制作连续纤维树脂成型体。
[实施例6-4]
除了压缩成型中所使用的机织物的组织为缎纹织以外,与实施例6-1同样地实施。
[实施例6-5]
除了使用连续增强纤维(B)以外,与实施例6-1同样地实施。
[比较例6-1]
使用2根未实施交织处理的聚酰胺66纤维[商品名:Leona(注册商标)470/144BAU(旭化成纤维株式会社制)、细度470dtex、单丝数144根]、3根连续增强纤维(A),将两者并丝、拉齐后,实质上垂直地供给至流体交织喷嘴,在下述条件下进行流体交织,得到复合丝条。
·流体交织喷嘴:京瓷KC-AJI-L(1.5mm径、推进型)
·空气压:2kg/cm2
·加工速度:30m/分钟
使用该复合丝,通过上述方法制作机织物和连续增强纤维树脂成型体。所使用的机织物的组织、模具以及成型方法与实施例6-1相同。
[比较例6-2]
以上述专利文献3(日本特开平8-336879号公报)的实施例1为参考,使连续增强纤维(A)为2根、模头温度为290℃、料筒温度为250℃来制作复合丝。按照连续增强纤维与树脂的体积比例为50:50的方式调整吐出量。
使用该复合丝,通过上述的方法制作机织物和连续增强纤维树脂成型体。所使用的机织物的组织、模具以及成型方法与实施例6-1相同。
将实施例6-1~6-5、比较例6-1、6-2的评价结果示于下述表1。
需要说明的是,表6-1中,“-”是指,由于连续增强纤维利用树脂的包覆量(分母)为0,因此无法计算。
[表6-1]
Figure BDA0002611520890000881
实施例6-1、6-2的成型品中,均得到了即使在成型品的角部增强纤维也几乎不断裂的成型品,强度均优异。
实施例6-3中,由于角部的角度小,因此与实施例6-1、6-2的成型品相比,发生了连续纤维的断裂,但外观上优异。
实施例6-4中,得到了与实施例6-1相比在成型品的角部更未发生增强纤维的断裂的成型品。
实施例6-5中,与实施例6-4同样地得到了与实施例6-1相比在成型品的角部更未发生增强纤维的断裂的成型品。
比较例6-1中使用的混纤丝中,由于连续增强纤维露出,因此复合丝的强度低,成型体的拉伸强度也低,并且在成型品的角部发生了增强纤维的断裂。
比较例6-2中,由于包覆得不均匀,因此在复合丝制造时以及机织物加工时存在连续增强纤维的损伤,经加压成型的成型体的强度也降低。进而,在成型品中,在角部也发生了增强纤维的断裂。
下面对实施例7-1~7-4、比较例7-1~7-3中使用的方法等进行说明。
[连续增强纤维树脂成型体的制造方法]
作为成型机使用最大合模力300吨的东芝机械制(S100V-8A)。
准备用于得到箱型的连续增强纤维树脂成型体(长150mm、宽200mm、高50mm、厚3mm)的模具。
模具的基盘部与侧壁的角度为100°。
准备8片剪裁成与模具相应的形状的机织物。
进行使模具型腔在180℃至300℃之间反复升温、降温的冷热循环,针对剪裁的机织物,在模具型腔面达到200℃时打开模具,将机织物置于模具的规定位置,关闭模具至剪裁的机织物与模具接触为止,将模具型腔升温至280℃之后,将模具温度升温至300℃,同时以合模压240MPa进行合模,接着进行冷却至模具型腔面达到180℃为止。在模具型腔达到180℃时将模具打开,将成型品脱模并取出。作为加热时间,将熔点以上为1分钟的成型作为[1分钟成型],将熔点以上为10分钟的成型作为[10分钟成型]。
[实施例7-1]
使用连续增强纤维(A)制作复合丝。
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:3根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.60mm
孔AB间的距离:2.0mm
卷取速度:600m/分钟
模头的温度(料筒出口以及孔A、孔B的温度):280℃
挤出机的料筒部的设定温度:280℃
丝张力:1.0N
手动变更树脂的挤出速度,按照连续增强纤维与树脂的体积比例为50:50的方式进行运转。将上述得到的复合丝用于经丝和纬丝,使用剑杆织机(DORNIER公司制造、DORNIER RAPIER WEAVING MACHINE P1)采用4-4斜织按照基重达到600g/m2进行织造。
使用所织造的基材制作箱型的成型品。使用成型品的基盘部与侧壁的角度为100°的模具,通过上述方法制作连续增强纤维树脂成型体。
作为评价,从基盘部切出试验片来测定成型体的拉伸强度。
[实施例7-2]
使用连续增强纤维(B),使孔B的内径为0.70mm,除此以外与实施例7-1同样地实施。
[实施例7-3]
使用双螺杆挤出机(TEM26SS),将PA66与共聚PA6/12以重量比8:1的比例进行混合,得到粒料。使挤出机的转速为200rpm、吐出量为15kg/hr、挤出温度为270℃。从模具前的真空排气口将体系内排成真空。除了使用该粒料以外,与实施例7-1同样地实施。
[实施例7-4]
将8片剪裁成与模具相应的形状的机织物重叠,利用中红外线加热器加热至机织物的表面温度达到300℃为止,加热20秒后插入到模具中,除此以外与实施例7-1同样地实施。
[比较例7-1]
使用2根未实施交织处理的聚酰胺66纤维[商品名:Leona(注册商标)470/144BAU(旭化成株式会社制)、细度470dtex、单丝数144根]、3根连续增强纤维(A),将两者并丝、拉齐后,实质上垂直地供给至流体交织喷嘴,在下述条件下进行流体交织,得到复合丝条。
·流体交织喷嘴:京瓷KC-AJI-L(1.5mm径、推进型)
·空气压:2kg/cm2
·加工速度:30m/分钟
使用该复合丝,通过上述方法制作机织物和连续增强纤维树脂成型体。所使用的机织物的组织、模具以及成型方法与实施例7-1相同。
[比较例7-2]
以上述专利文献3(日本特开平8-336879号公报)的实施例1为参考,使连续增强纤维(A)为2根、模头温度为290℃、料筒温度为250℃,制作复合丝。按照连续增强纤维与树脂的体积比例达到50:50的方式调整吐出量。
使用该复合丝,通过上述方法制作机织物和连续增强纤维树脂成型体。所使用的机织物的组织、模具以及成型方法与实施例7-1相同。
[比较例7-3]
使用与比较例7-1同样的机织物,在与实施例7-4的方法同样地将机织物插入到模具中之前进行预加热,实施成型。
将实施例7-1~7-4、比较例7-1~7-3的[1分钟成型]和[10分钟成型]的评价结果示于下述表7-1。
[表7-1]
Figure BDA0002611520890000911
下面对实施例8-1~8-3、比较例8-1、8-2中使用的方法等进行说明。
[连续增强纤维]
使用附着有1.0质量%的下述集束剂a、细度2900dtex、单丝径13.4μm、单丝数800根的玻璃纤维作为连续增强纤维(A)。卷取的形态为粗纱。强度为1673MPa。
[编带的制造方法]
作为拉拔成型用的中间基材,可以使用单根和多根的复合丝。作为拉拔成型中使用的优选中间基材的形态,从拉拔成型时的强度和形状的方面出发,使用编带。
本实施方式中的编带是指3单元以上的纤维交替地交叉而形成绳,在交叉的时刻各纤维的交叉角度倾斜,作为编结方法,有方编结、平编结、圆编结等。
交叉角度根据所需要的物性适宜地设定即可,没有特别限定。在编带的长度方向需要高强度的情况下,将交叉角度设定得较小即可,例如可以设定为0~60度、优选为10~45度、进一步优选为10~30度。另外,在编带的周向需要高强度的情况下,将交叉角度设定得较大即可,例如可以设定为15~90度、优选为30~80度、进一步优选为45~80度。用于得到编带的方法没有特别限定,可以使用能够制造根据用途、目的选择的适当的编带的公知的方法、装置。
作为本实施方式的方法中使用的编带,只要包含本实施方式中的复合丝就没有特别限定,由此可制成继承复合丝的特性的编带。
本实施方式的方法中使用的复合丝中,由于连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂包覆,因此在编带制作时连续增强纤维不直接接触,因此非常不容易引起纤维的一部分或全部断裂的情况。
另外,编带的形态来自制绳中所使用的装置,不仅可以为绳状,还可以举出H型和L型的结构、作为多轴编结物的多轴结构等,并不限于绳状的形态。
[连续增强纤维树脂成型体的制造方法]
[拉拔成型]
图8-1为拉拔成型的流程图,也是拉拔成型机的示意图。复合丝送出部可以为分批式,但在考虑生产率的情况下,可以按照能够连续地供给成型基材的方式、或者根据所制造的最终产品在其中设置编结机或编织机。预加热部不是必须的,可根据需要设置,作为加热方法,优选利用可进行非接触加热的红外线加热或辐射加热。预加热的温度优选为熔点以下且接近熔点。导入至加热熔融赋形部的复合丝在具有锥形(θ)的加热模具的内部进行加热,热塑性树脂发生熔融,含浸在连续增强纤维中并且通过连续增强纤维。插入到加热熔融部中的成型基材的填充率优选为100~150%、更优选为100~130%、进一步优选为103~110%。需要说明的是,填充率被定义为相对于模具出口截面积的中间材料(成型基材)的总面积,是成型时的重要参数。填充率小于100%时,未对赋形部的树脂充分地施加压力,因此树脂未能含浸在连续增强纤维中。反之,若填充率过高,则可能存在材料无法插入、施加过量的负荷、材料发生断裂等不良情况。
拉拔速度受到装置尺寸的较大影响,因此按照所得到的成型体可得到充分强度的方式使树脂含浸在增强纤维中即可,优选为0.1~300mm/s、更优选为1~100mm/s、进一步优选为2~30mm/s。
[实施例8-1]
使用图8-1所示的拉拔成型机(L2=200mm),使用连续增强纤维(A),在下述条件下制作Vf=50%的复合丝。
[包覆条件]
玻璃纤维束的根数:1根
孔A的内径:0.55mm
孔B的内径:0.65mm
孔AB间的距离:2.0mm
卷取速度:600m/分钟
使15根上述制作的复合丝通过图8-2所示的加热熔融赋形部内的加热模具内,制作直径2mm的圆棒。锥形部的θ为3度,拉拔速度为1mm/s。
[实施例8-2]
利用图8-1所示的拉拔成型机且在复合丝送出部安装编结机来制作中空圆筒形状的圆编编结物。使用图8-3所示的加热熔融赋形部内的加热模具,在该编带的中心部设置芯棒,制作中空管状物的拉拔成型体。成型管的外径为18mm、内径为15mm、厚度为1.5mm、锥形部的θ为3度、拉拔速度为1mm/s。
[实施例8-3]
使用双螺杆挤出机(TEM26SS),将包覆用树脂PA66与共聚PA6/12以重量比8:1的比例进行混合,得到粒料。使挤出机的转速为200rpm、吐出量为15kg/hr、挤出温度为270℃。从模具前的真空排气口将体系内排成真空。使用该粒料,使拉拔速度为3mm/s,除此以外与实施例8-2同样地实施。
[比较例8-1]
使用下述混纤丝来代替复合丝,与实施例8-1同样地进行拉拔成型,制作圆棒。以拉拔速度1mm/s进行,但在拉拔中途圆棒断裂。
[混纤丝]
使用2根未实施交织处理的聚酰胺66纤维[商品名:Leona(注册商标)470/144BAU(旭化成株式会社制)、细度470dtex、单丝数144根]、2根连续增强纤维(A),将两者并丝、拉齐后,实质上垂直地供给至流体交织喷嘴,在下述条件下进行流体交织,得到复合丝条。
·流体交织喷嘴:京瓷KC-AJI-L(1.5mm径、推进型)
·空气压:2kg/cm2
·加工速度:30m/分钟
[比较例8-2]
使用上述混纤丝来代替复合丝,与实施例8-2同样地进行拉拔成型,制作中空管状物成型体。以拉拔速度1mm/s进行,但在拉拔中途中空管断裂。
实施例8-1、8-2、8-3中,连续增强纤维被树脂完全包覆,在复合丝的制造工序中未发生连续增强纤维的损伤,加工性也优异。关于拉拔成型速度,在实施例8-1、8-2中为1mm/s,但即使在实施例8-3中提高至3mm/s,也没有问题地进行了成型,而在比较例8-1、8-2的成型中,即使拉拔成型速度为1mm/s,成型品在成型中也发生了断裂。另外,在实施例8-1、8-2、8-3中制作的成型体中,测定了树脂对增强纤维的含浸率,结果均为99%以上、为良好,同时得到了弯曲强度400MPa以上、弯曲模量30GPa以上的结果。与之相对,比较例8-1、8-2的成型体中,含浸率低、为97%和98%,仅得到了弯曲强度200MPa以下、弯曲模量20GPa以下的值。
工业实用性
利用本发明涉及的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法制造的复合丝中,由于作为复丝的连续增强纤维的束以特定的致密状态被热塑性树脂包覆,因此成型时的树脂含浸性优异,将其用作成型材料时,即使进行短时间的成型也能够制造出高物性的成型品,并且,关于包围着作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周的热塑性树脂的包覆,尽管与位于连续增强纤维的束的最外侧的连续增强纤维相接,但并未与该纤维粘接或者是以极弱的力进行的粘接,因此作为丝条的柔软性优异,织造、编织中的处理性也优异。此外,若采用本发明涉及的方法,则能够以高速度制造作为成型基材的复合丝,因此生产率显著提高。由此,本发明的复合丝的制造方法能够适宜地用于在树脂中添加增强纤维、例如玻璃纤维等增强材料的复合成型体的制造中。
另外,本发明涉及的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝由于表面粗糙度小,因此在织物等中间材料的加工中作为丝的处理性和中间材料本身的处理性优异,由于将作为复丝的连续增强纤维的束以特定的致密状态被热塑性树脂包覆,因此成型时的树脂含浸性优异,将其用作成型材料时,即使进行短时间的成型也能够制造出高物性的成型品。另外,本发明涉及的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝中,关于包围着作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周的热塑性树脂的包覆,尽管与位于连续增强纤维的束的最外侧的连续增强纤维相接,但并未与该纤维粘接或者是以极弱的力进行的粘接,因此作为丝条的柔软性优异,织造、编织中的处理性也优异。因此,本发明的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝以及包含该复合丝的成型体能够适宜地用作各种机械或汽车等的结构部件等要求高水平的机械物性的材料的增强材料。
另外,本实施方式的连续纤维增强树脂成型体能够作为各种机械或汽车等的结构部件等要求高水平的机械物性的材料的增强材料、并且作为与热塑性树脂组合物的复合成型体材料而用于产业上。
另外,根据本实施方式的具有三维形状的复合材料成型体的制造方法,在成型时的树脂含浸性优异,即使在短时间的成型中也能够制造出高物性的成型品,进而通过使用作为丝条的柔软性优异、织造、编织中的处理性也优异的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,可利用包括拉拔成型法在内的特定方法制造出连续增强纤维的束不杂乱、特别是角部处的强度高、外观、强度优异的具有三维形状的复合材料成型体,并且可利用包括拉拔成型法在内的特定方法高速地制造出具有高含浸率的复合材料成型体。因此,本发明在各种机械、汽车等的结构部件等要求高水平的机械物性的材料的增强材料的制造中能够适宜地应用。
符号的说明
r 大致圆形截面的连续增强纤维的半径
1 在与连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根该连续增强纤维与该热塑性树脂之间的极界面中,在距离该连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域
2 连续增强纤维
3 2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)以外的树脂(副树脂)
4 2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂(主树脂)

Claims (39)

1.一种热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,设该复合丝的截面处的该连续增强纤维的合计面积为A(μm2)、并且设该复合丝中的该连续增强纤维的束的占有面积为B(μm2)时,由下述式表示的致密指数为0.45以上,
致密指数=A/B。
2.一种复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的单丝状的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该复合丝的表面粗糙度为0.25μm以下。
3.如权利要求1或2所述的复合丝,其中,该复合丝的偏心率为12%以下,所述偏心率为将所述复合丝的任意截面处的复合丝的面积重心与该复合丝中的连续增强纤维的束的面积重心的距离除以复合丝的当量圆半径而得到的值。
4.一种复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该热塑性树脂由2种以上的树脂构成。
5.如权利要求1~4中任一项所述的复合丝,其是将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝,其特征在于,该热塑性树脂由2种以上的树脂构成。
6.如权利要求5所述的复合丝,其中,所述热塑性树脂形成微相分离结构。
7.如权利要求4~6中任一项所述的复合丝,其中,作为大于50重量%的主成分的热塑性树脂的熔点与作为副成分的热塑性树脂的熔点之差为20℃~170℃。
8.如权利要求1~7中任一项所述的复合丝,其中,在所述连续增强纤维的束的内部实质上不存在该热塑性树脂。
9.一种卷丝体,其由权利要求1~8中任一项所述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝构成。
10.一种布帛,其由权利要求1~8中任一项所述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝构成。
11.一种编带,其是权利要求1~8中任一项所述的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的编带。
12.一种热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的制造方法,其包括下述工序:
准备热塑性树脂供给装置的工序,该装置在其前端具备模头,该模头具备孔A以及孔B,该孔B的开孔面积与该孔A的开孔面积相同或更大,并且该孔B与该孔A呈同心圆状配置;
包覆工序,使作为复丝的连续增强纤维的束以规定的张力通过所述孔A和所述孔B,并且在规定的压力下从该孔B供给来自所述热塑性树脂供给装置的熔融热塑性树脂,利用该热塑性树脂包覆该连续增强纤维的束的外周;以及
冷却卷取工序,将利用熔融热塑性树脂进行了包覆的连续增强纤维的束冷却,对其进行卷取。
13.如权利要求12所述的方法,其中,所述连续增强纤维为玻璃纤维或碳纤维。
14.如权利要求12或13所述的方法,其中,在所述连续增强纤维的束的通过方向上,使所述模头中的孔A的出口端与孔B的入口端之间的距离为规定值,从而使该模头内存在规定容量的熔融树脂积存物。
15.如权利要求12~14中任一项所述的方法,其中,所述孔A的截面积相对于所述连续增强纤维最紧密填充时的所述连续增强纤维的束的截面积为101%~1000%。
16.如权利要求12~15中任一项所述的方法,其中,所述孔B的截面积相对于所述孔A的截面积为100%~1000%。
17.如权利要求12~16中任一项所述的方法,其中,所述连续增强纤维的所述规定的张力为0.01N~100N。
18.如权利要求12~17中任一项所述的方法,其中,通过张力控制装置对所述规定的张力进行调整,所述张力控制装置在所述连续增强纤维的束的通过方向上配置于所述孔A的前面。
19.如权利要求12~18中任一项所述的方法,其中,通过引导装置将所述增强纤维的束引导至所述孔A中,所述引导装置在所述连续增强纤维的束的通过方向上配置于所述孔A的前面。
20.如权利要求12~19中任一项所述的方法,其中,所述热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的下降率为0%~50%。
21.如权利要求12~20中任一项所述的方法,其中,所述孔B的表面温度比所述热塑性树脂的熔点高0℃~100℃。
22.如权利要求12~21中任一项所述的方法,其中,所述模头或者该模头与热塑性树脂供给装置之间的树脂压为0.01MPa~50MPa。
23.如权利要求12~22中任一项所述的方法,其中,通过以下的运转开始步骤开始运转:
(1)使连续增强纤维的束以800m/分钟以下的速度通过所述孔A和孔B;
(2)以涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出的吐出量从所述孔B供给热塑性树脂;
(3)确认在连续增强纤维的束的外周包覆了树脂后,一边调整热塑性树脂的吐出量一边提高作为最终生成物的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝的卷取速度(m/分钟),以使得涂布后的增强纤维复合丝的连续增强纤维不会露出。
24.如权利要求23所述的方法,其中,所述运转开始步骤在所述(3)的步骤之后进一步包括下述步骤:
(4)开始强制冷却。
25.如权利要求4~8中任一项所述的复合丝的制造方法,其中,该方法包括下述工序:
准备作为复丝的连续增强纤维的束的工序;
准备2种以上的热塑性树脂混合而成的树脂粒料的工序;以及
将所述树脂粒料供给至熔融挤出机中,将熔融的热塑性树脂混合物包覆在所述连续增强纤维的束的外周的工序。
26.如权利要求4~8中任一项所述的复合丝的制造方法,其中,该方法包括下述工序:
准备作为复丝的连续增强纤维的束的工序;
准备2种以上的热塑性树脂的各树脂粒料的工序;以及
将所述2种以上的各树脂粒料干混后供给至熔融挤出机中,将熔融的热塑性树脂混合物包覆在所述连续增强纤维的束的外周的工序。
27.一种连续纤维增强树脂成型体,其含有大致圆形截面的连续增强纤维和2种以上的热塑性树脂,其特征在于,
在与该连续增强纤维的长度方向正交的截面中的1根该连续增强纤维与该热塑性树脂之间的极界面中,在距离该连续增强纤维的周边部为1根该连续增强纤维的半径的十分之一的周边外侧区域内,该2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂的占有比例高于该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的占有比例,在该周边外侧区域以外的树脂区域内,该2种以上的热塑性树脂中该以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂以外的树脂均匀地分散或混合。
28.如权利要求27所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,所述2种以上的热塑性树脂中,以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂为熔点最高的树脂。
29.如权利要求27或28所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,所述2种以上的热塑性树脂的混合物的熔点与所述2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的熔点实质上相同。
30.如权利要求27~29中任一项所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,所述2种以上的热塑性树脂的混合物的升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差小于所述2种以上的热塑性树脂中以树脂区域的整体计占有比例最高的树脂的升温熔解峰值温度与降温结晶峰值温度之差。
31.如权利要求27~30中任一项所述的连续纤维增强树脂成型体,其中,树脂含浸率为99%以上。
32.一种具有三维形状的复合材料成型体的制造方法,其包括下述工序:
使用将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝作为成型基材的工序。
33.一种复合材料成型体的制造方法,其包括下述工序:
对于将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝和/或该复合丝的织物,将其在常温下作为成型基材插入到模具内、或者作为预先加热过的成型基材插入到模具内的工序;
根据需要在插入成型基材后使用来自该模具的热源以外的手段进行预加热的工序;
升温-关闭工序,将该模具关闭后将该模具的型腔面升温至该热塑性树脂的流动温度以上,或者将该模具的型腔面升温至该热塑性树脂的流动温度以上之后将该模具关闭;
冷却-脱模工序,将该模具的型腔面冷却至该热塑性树脂的流动温度以下,接着打开该模具,将成型品脱模。
34.一种复合材料成型体的拉拔成型方法,其包括下述工序:
准备成型基材的工序,该成型基材从由将作为复丝的连续增强纤维的束的整个外周利用热塑性树脂进行了包覆的热塑性树脂涂布增强纤维复合丝以及该复合丝的机织物、针织物和编带组成的组中选择;以及
成型工序,使该成型基材依次通过该热塑性树脂的流动温度以上的加热熔融赋形部内的加热模具、以及低于该流动温度的冷却固化部内的冷却模具,得到成型体。
35.如权利要求32所述的方法,其中,所述复合材料成型体中的连续增强纤维束的直线率为90%以上。
36.如权利要求32或35所述的方法,其中,所述具有三维形状的复合材料成型体具有具备基盘部和立壁部的结构。
37.如权利要求32、35以及36中任一项所述的方法,其中,所述立壁部是位于所述基盘部的端部的侧壁部,设该基盘部与该侧壁部所形成的内角为D°、设跨越该基盘部和该侧壁部的连续增强纤维的连续性为E%时,满足E(%)>2D(°)-150、且D(°)≧90°。
38.如权利要求33所述的方法,其中,所述升温工序中的热塑性树脂的流动温度以上的时间(T分钟)与所述复合材料成型体中的该热塑性树脂的含浸率(I≦100%)满足下述式(2):
含浸率(I)>0.2×T+97.4···式(2)。
39.如权利要求34所述的方法,其中,所述成型基材为编带,在所述成型工序中,在该编带的中心部设置芯棒。
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