JP2003326609A - 繊維強化熱可塑性樹脂製線状ないしはロッド状複合材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 産業廃棄、焼却の残灰廃棄等においても環境
への影響が小さい繊維強化複合材を提供すること。 【解決手段】 繊維強化熱可塑性樹脂製の線状複合材
は、鞘成分と芯成分とを備え、鞘成分の融点が前記芯成
分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯
型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の融点以上で、前
記芯成分の融点以下の温度で、延伸しつつ前記鞘成分を
融合させたものである。この線状複合材４は、偏平な形
状に形成され、引張強度が４．０ＣＮ/ｄｔｅｘ以上に
なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、農業用、漁業用、
土木・建築資材用(パイプ)、ケーブル用、産業資材用の
繊維強化熱可塑性樹脂製の複合材料に関し、特に、ガラ
ス長繊維を補強材として使用しない、廃棄、焼却、リサ
イクル使用に好適で安価な繊維強化熱可塑性樹脂製線状
ないしはロッド状複合材とその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、繊
維強化合成樹脂製の長尺複合材といえば、実用物性重視
の点からガラス長繊維、芳香族ポリアミド繊維等のスー
パー繊維を補強材とし、不飽和ポリエステル樹脂、ある
いは熱可塑性樹脂をマトリックス材料として固めた棒
状、パイプ状などの長尺複合材が知られている。

【０００３】しかし、このような構成の繊維強化合成樹
脂製複合材には、産業廃棄時の環境汚染、焼却時の残灰
廃棄等において問題があった。また、ＰＥＴ、ナイロン
など単体繊維の高温・高倍率延伸、緩和アニール処理し
た高強度グレード繊維などを補強材とし、それより融点
の低い熱可塑性樹脂、或いは、繊維で溶融複合した複合
材料も考案されている。

【０００４】ところが、このような複合材料では、溶融
樹脂を補強繊維間に均等に分散溶融させるためには、繊
維集束時に繊維束を細く、多分散させるなどのファイン
な操作が必要となり、作業性とコストアップが問題とな
っていた。

【０００５】一方、この均等分散問題を解決するため
に、予め補強繊維の融点より低融点のマトリックス樹脂
を、当該補強繊維の表面或いは表面の一部に複合させて
溶融紡糸或いは更に延伸した複合長繊維を集束し、溶融
固化する考案もなされている。

【０００６】しかしながら、従来の繊維強化合成樹脂製
の複合材は、各種形状への加工時のフレキシビリティー
を優先するがゆえに、複合長繊維の延伸製造過程で、補
強繊維が充分に高強度化する程度の温度、倍率が掛けら
れていないのが現状であり、複合材として実用に耐え得
る物性が達成されず、物性用途が限られた範囲にとどま
っていた。

【０００７】本発明者らは、この様な従来技術の課題を
それぞれ鋭意検討し、廃棄、焼却、リサイクル、コス
ト、物性の点でバランスの取れた複合材を案出するに至
った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、鞘成分と芯成
分とを備え、前記鞘成分の融点が前記芯成分の融点より
２０℃以上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯型複合紡糸繊
維を集束し、前記鞘成分の融点以上で、前記芯成分の融
点以下の温度で、延伸しつつ前記鞘成分を融合させた繊
維強化熱可塑性樹脂製の線状複合材であって、前記線状
複合材は、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上である
ことを特徴とする。

【０００９】前記鞘芯型複合紡糸繊維は、前記芯成分の
樹脂がポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、
ナイロンから選択することができる。

【００１０】また、本発明は、前記繊維強化熱可塑性樹
脂製線状複合材を複数本集合し、前記鞘成分樹脂の融点
以上で、前記芯成分の融点以下の温度で熱賦形しつつ融
合させて長尺ロッド状としたことを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明は、鞘成分と芯成分とを備
え、前記鞘成分の融点が前記芯成分の融点より２０℃以
上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束
し、前記鞘成分の融点以上で、前記芯成分の融点以下の
温度で、延伸しつつ前記鞘成分を融合して、引張強度が
４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上の長尺線状材とすることを特
徴とする。

【００１２】また、本発明は、鞘成分の融点が芯成分の
融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂よりなる芯鞘型複
合紡糸繊維を集束し、鞘成分の融点以上、芯成分の融点
以下の温度で延伸しつつ鞘成分を融合して引張強度が
４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上の線状複合材を得、しかる
後、さらにこの線状複合材を熱賦形して所定断面形状の
ロッド状複合材とすることを特徴とする。

【００１３】本発明の複合材は、ＰＰ、ＰＥＴ、ナイロ
ン等の汎用樹脂繊維を芯成分ないしは補強材とし、マト
リックス樹脂を鞘成分として複合紡糸した繊維を基本構
成としているが、周知の通り、これらの熱可塑性汎用樹
脂繊維単体の引張物性を向上させるためには、延伸過程
で分子鎖をなるべく繊維方向に配向し、併せて結晶化を
促進する必要がある。

【００１４】その為に繊維樹脂の融点に比較的近い高温
度で、高倍率延伸し、ＰＥＴにおいては、更に高温のア
ニール、或いは、緩和処理、ナイロンにおいても高温の
緩和アニール処理が必要である。

【００１５】一方、本発明のマトリックス樹脂となる複
合繊維の鞘成分樹脂は、所望の複合材形状への熱賦形、
加工性、コストの点で芯成分樹脂の融点より２０℃以上
低い融点を有する熱可塑性樹脂であれば限定するもので
はないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・
ブテン１等のαオレフインの２元、３元共重合ＰＰ等の
ポリオレフィン樹脂が好適である。

【００１６】ところが、ＰＰ、ＰＥＴ、ナイロンを芯成
分とし、前記ポリオレフィン樹脂を鞘成分とした複合紡
糸繊維では、複合材としての補強繊維である芯成分繊維
を実用上充分な繊維物性とするためには、前述の通り、
高温下での高倍率延伸、或いは、その後の高温アニール
処理が必要であり、この様な温度では、好適な鞘成分樹
脂が溶融してしまう。

【００１７】そこで、本発明では、芯・補強繊維を高物
性化するために、延伸時にあえて鞘成分のマトリックス
樹脂が、溶融する高温度を掛けて延伸することにした。

【００１８】これは、延伸後、所望の形に熱賦形、或い
は、更に集合し、大きな形に熱賦形する上では、最終的
な複合材物性に影響が及ばないという発想の元に以下の
実証試験でこれを確認した。

【００１９】すなわち、延伸時，アニール時に、鞘成分
のマトリックス成分をあえて溶融する高温度で高倍率延
伸する実証試験と、延伸，アニール時に鞘成分のマトリ
ックス成分を溶融させない温度で、延伸トラブルが発生
しない範囲内の高倍率で延伸する実施試験とを行い、こ
れらを比較検討した結果、鞘成分が溶融し、更に高倍率
延伸を掛けても鞘成分の溶融に伴う延伸トラブルがまっ
たく発生しないことを確認した。

【００２０】また、鞘成分を溶融しない場合に比べて延
伸倍率が上がり、更に、これら融合複合材と未融合繊維
束とを、複合材として賦形する温度、即ち鞘成分マトリ
ックス樹脂が溶融する温度で熱処理しても融合複合材を
使ったものの引張強力がまったく低下せず、一方未融合
繊維束を使ったものは、引張強力が半減することを見出
したのである。

【００２１】これは未融合繊維の溶融前の引張強力に
は、鞘成分樹脂の延伸、分子配向による強力効果が大き
いが、一旦溶融してしまえばその効果は、殆どない程度
まで低下してしまうこと。

【００２２】延伸融合複合材では、その効果は延伸時に
既に消失してしまっているが、反面、高温・高倍率延伸
による芯成分繊維の強度アップ効果が大きく、また再度
鞘成分を溶融しても既に鞘成分樹脂が溶融・低配向状態
にあるため、強力変化が非常に小さいためである。

【００２３】

【発明の実施形態】以下に、本発明の実施の形態につい
て、詳細に説明する。 (実施例１)芯成分１のＰＰ樹脂としてＭＩ=２０のアイ
ソタクチックポリプロピレンを使用し、また、鞘成分２
のＰＥ樹脂としてＭＩ=１４の高密度ポリエチレンを使
用し、定法の複合紡糸設備、芯鞘型複合紡糸ノズル（５
０Ｈ）を用い、芯／鞘断面比＝６/４で、２００℃で紡
糸し、単糸繊度：４４４ｄｔｅｘの、図１に断面形状を
示す未延伸糸３を得た。

【００２４】引き続き、この紡糸未延伸糸３の５０フィ
ラメントを集束し、大気圧下、水蒸気加熱（１００℃）
及び１５５℃(絶対圧：５５９ｋＰa)の飽和水蒸気圧下
の２段で、全延伸倍率２０倍のローラー延伸を行い、延
伸と共にＰＥで繊維間を融合したトータル繊度１，１１
０ｄｔｅｘ、フィラメント数：５０（理論ＰＰ単繊維繊
度：１３．０ｄｔｅｘ）の扁平状に、鞘成分２のＰＥ樹
脂で融合させた、図２に断面形状を示すようになＰＰ繊
維強化長尺線状複合材４を作製した。このＰＰ繊維強化
長尺線状複合材４の引張強度は、５．１ｃＮ/ｄｔｅｘ
であった。

【００２５】次に、前記長尺線状複合材４を用い、図３
に示すような円形断面に熱賦形した長尺ロッド状複合材
５を作製した。このロッド状複合材５は、長尺線状複合
材４を、２１本集束し（トータル繊度２３，３１０ｄｔ
ｅｘ）、１４０℃に加熱した円形集合ダイス、１４０℃
に加熱した熱風雰囲気チューブ、冷却円形ダイスを順次
通過させ、見かけの直径約２ｍｍの円形断面ロッド（目
付：２．３３ｇ/ｍ）としたものであり、このロッドの
引張強力は、１．１３ｋＮであった。

【００２６】（実施例２）芯成分１ａ／鞘成分２ａの断
面比を５/５とした以外は、実施例１と同じ条件で、未
延伸糸３ａを得た後に、扁平状にＰＥ融合したＰＰ繊維
強化長尺線状複合材４ａ（理論ＰＰ単繊維繊度：１０．
９ｄｔｅｘ）を作製した。このＰＰ繊維強化長尺線状複
合材４ａの引張強度は、４．０ｃＮ/ｄｔｅｘであっ
た。

【００２７】次に、実施例１と同じ条件で見かけの直径
約２ｍｍの円形断面の長尺ロッド状複合材５ａ（目付：
２．３４ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は
０．９２ｋＮであった。

【００２８】（比較例１）紡糸ノズル数を３３３Ｈ、紡
糸温度を２１０℃以外は、実施例１と同じ条件で単糸繊
度：１３３ｄｔｅｘの未延伸糸を得た。引き続きこの紡
糸未延伸糸（３３３フィラメント）を集束し、大気圧
下、水蒸気加熱（１００℃）により延伸倍率７倍でロー
ラー延伸し、トータル繊度７，８５９ｄｔｅｘ、フィラ
メント数：３３３のＰＰ/ＰＥ延伸トウを作製した。こ
の延伸トウの引張強度は、４．１ｃＮ/ｄｔｅｘであっ
た。

【００２９】次に、前記延伸トウを使い、集束本数を３
本とした以外は実施例１と同じ条件で見かけの直径約２
ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．３６ｇ/ｍ）を作製
した。このロッドの引張強力は０．５５ｋＮであり、同
じ外形及び目付である実施例１、２のロッドより劣って
いた。

【００３０】（実施例３）芯成分１ｂの樹脂として定法
の固相重合法で分子量調整した固有粘度（ＩＶ）１．２
２のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用し、
鞘成分２ｂの樹脂にＰＥを用い、紡糸温度を２９５℃と
した以外は、実施例１と同じ条件で紡糸し、単糸繊度：
１６７ｄｔｅｘの未延伸糸３ｂを得た。

【００３１】引き続き実施例１と同様に延伸後、２００
℃熱風加熱による３％緩和処理を行い、トータル延伸倍
率を７．５倍として、鞘成分２ｂのＰＥ樹脂で融合させ
た扁平状のＰＥＴ繊維強化長尺線状複合材４ｂ（理論Ｐ
ＥＴ単繊維繊度：１５．２ｄｔｅｘ）を作製した。この
ＰＥＴ繊維強化長尺線状複合材４ｂの引張強度は、５．
０ｃＮ/ｄｔｅｘであった。

【００３２】次に、ＰＥＴ繊維強化長尺線状複合材４ｂ
の集束本数を２６本とした以外は、実施例１と同じ条件
で見かけの直径約２ｍｍの円形断面の長尺ロッド状複合
材５ｂ（目付：２．８９ｇ/ｍ）を作製した。このロッ
ドの引張強力は、１．４１ｋＮであった。

【００３３】（比較例２）紡糸ノズル数を１２５Ｈにし
た以外は、実施例３と同じ条件で単糸繊度：１００ｄｔ
ｅｘの未延伸糸を得た。引き続きこの紡糸未延伸糸（１
２５フィラメント）を集束し、大気圧下、水蒸気加熱
（１００℃）により延伸倍率５．５倍でローラー延伸
し、トータル繊度２，７００ｄｔｅｘ、フィラメント
数：１２５のＰＥＴ/ＰＥ延伸トウを作製した。この引
張強度は、４．３ｃＮ/ｄｔｅｘであった。

【００３４】次に、前記延伸トウを使い、集束本数を１
１本とした以外は、実施例１と同じ条件で見かけの直径
約２ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．９７ｇ/ｍ）を
作製した。このロッドの引張強力は０．８３ｋＮであ
り、同じ外形及び目付である実施例３のロッドより劣っ
ていた。

【００３５】（実施例４）芯成分１ｃの成分樹脂として
硫酸相対粘度（ＲＶ）２．７のナイロン６６（ＰＡ６
６）を使用し、鞘成分２ｃの樹脂にＰＥを用い、紡糸温
度を２９０℃とした以外は、実施例１と同じ条件で紡糸
し、単糸繊度：１２８ｄｔｅｘの未延伸糸３ｃを得た。

【００３６】引き続き実施例１と同様に延伸後、２００
℃熱風加熱による６％緩和処理を行い、トータル延伸倍
率を６．０倍の扁平状にＰＥ融合したナイロン６６繊維
強化長尺線状複合材４ｃ（理論ＰＡ６６単繊維繊度：１
４．２ｄｔｅｘ）を作製した。この繊維強化長尺線状複
合材４ｃの引張強度は、５．４ｃＮ/ｄｔｅｘであっ
た。

【００３７】次に、集束本数を２３本とした以外は、実
施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面の
長尺ロッド状複合材５ｃ（目付：２．５５ｇ/ｍ）を作
製した。このロッドの引張強力は１．３１ｋＮであっ
た。

【００３８】（比較例３）紡糸ノズル数を１２５Ｈにし
た以外は、実施例４と同じ条件で単糸繊度：８３ｄｔｅ
ｘの未延伸糸を得た。引き続きこの紡糸未延伸糸（１２
５フィラメント）を集束し、大気圧下、水蒸気加熱（１
００℃）により延伸倍率４．３倍でローラー延伸し、ト
ータル繊度２，９５０ｄｔｅｘ、フィラメント数：１２
５のナイロン６６/ＰＥ延伸トウを作製した。この延伸
トウの引張強度は４．４ｃＮ/ｄｔｅｘであった。

【００３９】次に、前記延伸トウを使い、集束本数を９
本とした以外は、実施例１と同じ条件で見かけの直径約
２ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．６６ｇ/ｍ）を作
製した。このロッドの引張強力は０．７１ｋＮであり、
同じ外形及び目付である実施例４のロッドより劣ってい
た。

【００４０】以上の実施例および比較例の製造条件など
を以下の表１および表２にまとめて示している。

【００４１】

【表１】

【表２】

【００４２】上記実施例で示した本発明の繊維強化熱可
塑性樹脂製長尺線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃは、必
要に応じて公知の着色剤、耐候剤、難燃剤等の各種添加
剤を添加することができる。

【００４３】また、線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃを
所望の形態に熱賦形する際においては、公知の複合材で
実施されているＰＥ等の熱可塑性樹脂による表面被覆を
することができる。

【００４４】また、パイプ等においては、中芯パイプに
は、線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃの剛性を、複合材
トータル繊度を調整する事によって調整したものを、平
行配列、撚り掛け、或いはフィラメントワインド加工等
によって導入することができる。

【００４５】前記パイプ等への複合材導入時の加工にお
いて、線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃの剛性が大きす
ぎると加工が円滑に行われにくいことがあるが、これら
の加工を円滑に行うためには、複合材１本のトータル繊
度を概ね１，２００ｄｔｅｘ未満とすることが望まし
い。

【００４６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる繊維強化熱可塑性樹脂製線状ないしはロッド状複合
材は、ガラス繊維、アラミド繊維等を使用していないの
で、産業廃棄、焼却の残灰廃棄等においても環境への影
響が小さい材料である。

【００４７】また、汎用繊維を高倍率延伸した補強材で
あるため、引張強度、剛性において従来の熱可塑性複合
材に対して各段に優れているとともに、経済性にも優れ
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製線状複
合材に用いる紡糸未延伸糸の一例を示す断面図である。

【図２】本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製線状複
合材の一実施例を示す要部断面図である。

【図３】本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製ロッド
状複合材の一実施例を示す要部断面である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 芯成分 ２，２ａ，２ｂ，２ｃ 鞘成分 ３，３ａ，３ｂ，３ｃ 紡糸未延伸糸 ４，４ａ，４ｂ，４ｃ 繊維強化熱可塑性樹脂製線
状複合材 ５，５ａ，５ｂ，５ｃ 繊維強化熱可塑性樹脂製ロ
ッド状複合材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鞘成分と芯成分とを備え、前記鞘成分の
   融点が前記芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹
   脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の
   融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で、延伸しつ
   つ前記鞘成分を融合させた繊維強化熱可塑性樹脂製の線
   状複合材であって、 前記線状複合材は、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以
   上であることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製線状
   複合材。
2. 【請求項２】 前記鞘芯型複合紡糸繊維は、前記芯成分
   の樹脂がポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレー
   ト、ナイロンから選択されることを特徴とする請求項１
   記載の繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の繊維強化熱可塑性
   樹脂製線状複合材を複数本集合し、前記鞘成分樹脂の融
   点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で熱賦形しつつ
   融合させて長尺ロッド状としたことを特徴とする繊維強
   化熱可塑性樹脂製ロッド状複合材。
4. 【請求項４】 鞘成分と芯成分とを備え、前記鞘成分の
   融点が前記芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹
   脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の
   融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で、延伸しつ
   つ前記鞘成分を融合して、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔ
   ｅｘ以上の長尺線状材とすることを特徴とする繊維強化
   熱可塑性樹脂製線状複合材の製造方法。
5. 【請求項５】 鞘成分の融点が芯成分の融点より２０℃
   以上低い熱可塑性樹脂よりなる芯鞘型複合紡糸繊維を集
   束し、鞘成分の融点以上、芯成分の融点以下の温度で延
   伸しつつ鞘成分を融合して引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔ
   ｅｘ以上の線状複合材を得、しかる後、さらにこの線状
   複合材を熱賦形して所定断面形状のロッド状複合材とす
   ることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製ロッド状複
   合材の製造方法。