JP2009196236A - 熱可塑性樹脂成形体の製造方法及び熱可塑性樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度や外観形状が改善された繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供することが可能な繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】キャビティを形成するキャビティ面を有する一対の金型のうち、少なくとも片方の金型のキャビティ面を加熱手段により加熱する加熱工程と、少なくともこの加熱工程により加熱された前記金型のキャビティ面と対向する位置に、多孔性シートを配置して熱可塑性樹脂を供給する供給工程と、供給された前記熱可塑性樹脂を冷却する冷却工程と、を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱可塑性樹脂成形体の製造方法及びこの製造方法により得られる熱可塑性樹脂成形体に関する。具体的には多孔性シートを含浸する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法に関する。

多孔性シートが含浸されている繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、自動車外板パネル、自動車用構造材、バッテリートレイ等の自動車部品、アクセス・ブロア等の建築用材料等、幅広く用いられている。この繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法としては、短繊維を含有した短繊維含有ペレットを用いて射出成形等の一般的成形法に得る方法や、多孔性繊維質シートを金型内に置き、溶融樹脂を繊維質シートの間に供給し、樹脂供給圧力又はプレス圧力により、繊維質シートの表面まで溶融樹脂を浸透させ成形する方法等が挙げられる（特許文献１参照）。
特開平０２−２０９２１２号公報

しかしながら、いずれの方法により繊維強化熱可塑性樹脂成形体の機械的強度や外観形状については更なる改良が求められている。
以上の課題に鑑み、本発明では機械的強度や外観形状が改善された繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供することが可能な繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、下記の構成を採用することにより本発明の目的を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には以下のようなものを提供する。

すなわち、本発明は、キャビティを形成するキャビティ面を有する一対の金型のうち、少なくとも片方の金型のキャビティ面を加熱手段により加熱する加熱工程と、
少なくともこの加熱工程により加熱された前記金型のキャビティ面と対向する位置に、多孔性シートを配置して熱可塑性樹脂を供給する供給工程と、
供給された前記熱可塑性樹脂を冷却する冷却工程と、を有する熱可塑性樹脂成形体の製造方法及びこの製造方法により得られる繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供するものである。

本発明によれば、機械的強度や外観形状が改善された繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供することが可能である。

繊維強化熱可塑性樹脂成形体（以下、単に成形体という）は、加熱工程と、供給工程と、冷却工程と、を有する。以下詳細に説明する。
［加熱工程］
加熱工程は、キャビティを形成するキャビティ面を有する一対の金型のうち、少なくとも片方の金型のキャビティ面を加熱手段により加熱する工程である。
加熱工程を設けることにより、後の供給工程により供給された熱可塑性樹脂が急激に冷却されてしまうことを防止することが可能となる。これにより外観形状が良好な成形体を提供することが可能となる。

加熱方法としては、金型内部に形成された金属管に熱水やスチーム等の熱媒を通して加熱する方法や、ヒータが内部に組み込まれた金型を用いて加熱する方法、金型の外部に加熱手段を設けて加熱する方法等が挙げられる。このうち、成形品外観に転写されるキャビティ面を直接加熱できるという理由で金型の外部に加熱手段を設けて加熱する方法を用いることが好ましい。また、加熱手段としては、電気ヒータ、高周波誘導加熱等が挙げられる。このうち所望の位置を容易に短時間で加熱することが可能な高周波誘導加熱が可能な加熱コイルを用いて加熱することがより好ましい。
キャビティ面の加熱は、一対の金型のうちの少なくとも片方の金型のキャビティ面であればよいが、両方の金型のキャビティ面を加熱してもよい。

キャビティ面を加熱する温度は、使用する熱可塑性樹脂の種類によって異なるが、キャビティ内に熱可塑性樹脂を供給する時点において、加熱前と比べて２０℃以上高い温度であることが好ましく、供給される熱可塑性樹脂の荷重たわみ温度以上、当該荷重たわみ温度よりも５０℃高い温度以下であることが好ましい。例えば、熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを使用した場合、加熱温度は８０℃〜１４０℃であることが好ましい。このため、キャビティ面の表面を加熱した後、加熱コイルを金型外に退避させ、溶融状熱可塑性樹脂を供給するまでの間の温度低下を見込んだ温度になるように加熱する必要がある。なお、この荷重たわみ温度は、ＪＩＳ Ｋ７１９１−２のＢ法に従い測定することができる。
また、加熱時間は使用する高周波誘導加熱装置の加熱能力によって異なるが、１秒〜６０秒であることが好ましく、１秒〜４０秒であることがより好ましい。加熱時間が長くなると生産性が低下してしまうことがある。

以下、本発明に係る成形体の製造方法を図を用いて詳細に説明する。図中、同じ部材は同じ符号を示し、その説明は省略する。
図１は本発明で好ましく使用される金型を示した図である。金型１０は、加熱手段として高周波誘導加熱を用いた場合に好ましく使用されるものである。雌型２０及び雄型３０の雌雄一対からなり、雌型２０と雄型３０を閉じた状態で、その内部にキャビティ４０が形成される。

雄型３０は、キャビティ４０を形成するキャビティ面３１と反対側の面には、当該キャビティ面３１を加熱又は冷却するための複数の温度調節通路３１０が形成され、この温度調節通路３１０には、熱交換媒体供給装置（図示せず）が接続されている。そしてそのキャビティ面３１には、溶融状熱可塑性樹脂をキャビティ４０内に供給するための樹脂供給ゲート３２０が少なくとも１つ設けられている。この樹脂供給ゲート３２０は、雄型３０に形成された樹脂供給通路３２に連通している。また、樹脂供給通路３２には、熱可塑性樹脂を溶融し所定量だけ射出することのできる射出装置５０の射出ノズルが接続されることで、キャビティ４０内に溶融状熱可塑性樹脂を供給することができる。

一方雌型２０は、キャビティ４０を形成するキャビティ面２１に電鋳層２１０を備えている。そしてこの電鋳層２１０の裏面、即ちキャビティ面２１と反対側の面には、複数の金属管２２０が電鋳層２１０と当接するように配接されている。これらの金属管２２０は熱交換媒体供給装置（図示せず）に接続されている。そして金属管２２０の管内部には、熱交換媒体供給装置から供給された熱媒体又は冷却媒体からなる熱交換媒体が流通する流路が形成されている。
なお、金属管２２０は、例えば銅のように熱伝導性の高い金属材料から形成されるものである。本実施形態に係る雌型２０は、流路の形成に金属管２２０が用いられているので、取り回しの自由度があり、所望の位置に流路を容易に形成することができる。

また、雌型２０には、電鋳層２１０の裏面及び金属管２２０を覆うように、断熱部材２２が設けられている。この断熱部材２２は、例えば熱伝導性の低いエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂材料、セメント等のセラミックス等からなり、雌型２０のキャビティ面２１の加熱時においては、加熱手段からの熱が、雌型２０全体に伝熱することを抑制し、効率的に電鋳層２１０表面（キャビティ面２１）を加熱することができる。また、冷却時においては、電鋳層２１０からの熱を効率的に金属管２２０に向けて伝熱させることができ、効率的に電鋳層２１０（キャビティ面２１）を冷却することができる。

また、この図のように雌型２０には、この断熱部材２２を外側から覆うように枠部材２３が設けられている。この枠部材２３は、電鋳層２１０、金属管２２０及び断熱部材２２を保持するものであり、その材質は、電鋳層２１０、金属管２２０及び断熱部材２２を保持することができれば特に制限されない。
なお、電鋳層２１０の裏面側に配設した金属管２２０を用いて流路を形成する以外に、金属板や断熱部材を備えていない金属部材の雌型２０の内部に一体的に形成された温度調節通路を用いて流路を形成してもよい。

以上の雌型２０及び雄型３０からなる一対の金型１０は、雄型３０をプレス装置（図示せず）の固定盤に固定し、雌型２を可動盤に固定し、駆動装置により可動盤を固定盤の方向に移動することで型締めをすることができる。なお、雌型２０を固定盤に固定し、雄型３０を可動盤に固定してもよく、また、固定盤を可動盤に変更して、雌型２０及び雄型３０を双方とも可動できるようにしてもよい。

次いで、加熱手順について説明する。図２（ａ）に記載されているように、開放状態にある金型間に加熱手段６０を外部から挿入する。本実施形態における加熱手段６０は、高周波電磁誘導加熱が可能な加熱コイル６１と搬送装置６２から構成されている。そして、図１（ｂ）に記載されているように、加熱コイル６１を雌型２０のキャビティ面２１に近づけるように移動させて、高周波電磁誘導により雌型２０のキャビティ面２１を加熱する。
加熱コイル６１により加熱する範囲は、キャビティ面２１の全面であっても一部であっても構わないが、得られる成形体の表面外観を改善するという観点から、少なくとも多孔性シートが配される位置に対向する面を含む範囲を加熱する必要がある。
本実施形態ではキャビティ面３１の加熱は行われていないが、上記と同様の方法によりキャビティ面３１の加熱を行ってもよい。その場合、キャビティ面２１及び３１は同時に加熱されることが好ましい。

加熱されるキャビティ面２１の温度は、キャビティ４０内に溶融状熱可塑性樹脂を供給する時点において、加熱前と比べて２０℃以上高い温度であることが好ましく、供給される熱可塑性樹脂の荷重たわみ温度以上、荷重たわみ温度よりも５０℃高い温度以下であることが好ましい。

なお、加熱コイル６１は、キャビティ面２１を均一に加熱するために、加熱コイル６１を形成する銅管を、キャビティ面２１の形状に対応する形状とすることが好ましい。また、加熱コイル６１を電気ヒータ等の加熱手段に変更することも可能である。

［供給工程］
供給工程は、少なくとも上記加熱工程により加熱された前記金型のキャビティ面と対向する位置に、多孔性シートを配置して熱可塑性樹脂を供給する工程である。
多孔性シートを配置して熱可塑性樹脂を供給することにより、得られる成形体の機械的強度をより向上させることが可能となる。

熱可塑性樹脂の供給方法は、通常行われている供給方法を用いてもよい。例えば、図３（ａ）に示されるように、加熱された雌型２０及び雄型３０を閉じてキャビティ４０を形成し、これら雌雄一対の金型１０で形成するキャビティ４０内に、雄型３０に形成された樹脂供給通路３２を介して、樹脂供給ゲート３２０から溶融状の熱可塑性樹脂５１を供給していく方法が挙げられる。
その際、雄型３０のキャビティ面３１の上には多孔性シート３３０が載置されている。この多孔性シート３３０は、雄型３０と雌型２０のそれぞれキャビティ面２１，３１に対向する位置に複数枚載置されていることが好ましい。多孔性シート３３０を複数枚載置することにより得られる成形体の機械的強度をより向上させることが可能となる。その際、雄型３０のキャビティ面３１に対向する多孔性シート３３０の樹脂供給ゲート３２０と当接する位置には孔が設けられていることが好ましい。

各樹脂供給ゲート３２０から供給された溶融状の熱可塑性樹脂５１は、まず、樹脂供給圧力により、雌型２０のキャビティ面２１に対向する多孔性シート３３０を押し上げる。そしてキャビティ４０の中に充填される。キャビティ面２１は予め加熱されているため、供給された溶融状の熱可塑性樹脂５１は、冷却されることなく、それぞれの多孔性シート３３０の空隙を通り抜け表面に滲み出すことが可能となる。その結果、得られる成形体に外観不良が発生することを抑制することができる。

ここで、本発明における「多孔性シート」とは、ガラス繊維、カーボン繊維等の繊維からなるシートをいう。
多孔性シートを形成する繊維は、単繊維が直径１μｍ〜５０μｍ、好ましくは３μｍ〜４０μｍ、繊維長１００ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ〜５０ｍｍの繊維であれば特に限定されるものではない。また単繊維及び数十本から数百本の単繊維を集束剤で集束した集束繊維のいずれも使用することができる。具体的には、ガラス繊維、カーボン繊維、ステンレス繊維等の無機繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維等の有機繊維及び無機、有機繊維、及びこれらの混合物が挙げられる。中でも成形体の機械的強度の観点から、ガラス繊維を用いることが好ましい。また、多孔性シートの厚さは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。多孔性シートを複数枚用いる場合には、全体の厚さが１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜９ｍｍであることがより好ましい。
多孔性シートの製造方法としては、化学的または物理的な方法で結合させる方法が挙げられる。例えば、繊維同士を熱や接着剤により接着する方法や、高圧水流を用いて繊維同士を絡ませる方法が挙げられる。

［型締め工程］
本発明では、供給工程の後に金型を型締めする型締め工程を更に有していてもよい。このときの型締圧力により、多孔性シートの熱可塑性樹脂への浸漬度を高めることが可能となる。また型締めを行うことにより、射出圧力や型締め圧力を低圧化することができ、装置を小型化することが可能となる。また、得られる成形体の外観形状をより向上させることが可能となる。
具体的には、溶融状熱可塑性樹脂５１の供給を開始した時点でのキャビティ４０は、目的の成形体厚さよりも大きなクリアランスとし、供給開始後に成形体厚みとなるように雌型２０を下降させて型締めを行う（図３（ｂ）参照）。

この型締めを行うタイミングは、溶融状熱可塑性樹脂５１を供給中又は供給が完了した後のいずれでもよいが、供給完了後に型締めを行う場合には、供給完了後速やかに型締めを開始することが好ましい。なお、図中では図に向かって縦方向に型締めする例を示しているが、型締め方向は縦方向であっても横方向であってもよい。また、熱可塑性樹脂成形体の用途や形状によっては、キャビティ４０のクリアランスは、熱可塑性樹脂成形体の厚さと略同一寸法に調整した状態で溶融状熱可塑性樹脂５１を供給してもよい。
さらに、溶融状熱可塑性樹脂５１の供給を開始した時点では、目的の成形体の厚さよりも小さなクリアランスとし、供給量に応じてクリアランスが大きくなるように雌型２０を上昇させてもよい。このとき、クリアランスが成形体厚みよりも大きくなった場合には、成形体厚みとなるように再度型締めを行えばよい。

［冷却工程］
冷却工程は上記供給工程により供給された前記熱可塑性樹脂を冷却する冷却工程である。
各キャビティ面２１，３１の具体的な冷却方法としては、図３（ｂ）に記載の雌型２０内に設けられた金属管２２０及び雄型３０内に形成された温度調節通路３１０内に、例えば水のような冷却媒体を流通させて、キャビティ面２１，３１をそれぞれ冷却する方法が挙げられる。
なお、冷却時間としては、成形体を取り出したときに、変形しない温度となっていることが好ましい。具体的には、１秒〜６０秒であることが好ましく、１秒〜４０秒であることがより好ましい。冷却時間を上記の範囲とすることにより生産性の低下を防止することが可能となる。

上記のような工程を経た後は装置の可動盤を動かし、キャビティを開き、中から得られた成形体を取り出す。
以上の工程により本発明に係る成形体を得ることが可能となる。

ここで、本発明に係る製造方法において使用可能な熱可塑性樹脂としては、圧縮成形、射出成形、押出成形等で通常使用される熱可塑性樹脂が挙げられる。このような樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエンブロック共重合体、ポリスチレン、ナイロン等のポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリル樹脂、スチレン−ブタジエンブロック共重合体等の一般的な熱可塑性樹脂、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）等の熱可塑性エラストマー、これらの混合物、及びこれらを用いたポリマーアロイ等が挙げられる。

また、これらの熱可塑性樹脂は、必要に応じて通常使用される無機、有機フィラー等の充填材等を含有していてもよい。また、通常使用される各種の顔料、滑材、帯電防止剤、安定剤等の各種添加剤を含有していてもよい。

本発明に係る方法により得られた成形体は、自動車外板パネル、自動車用構造材、バッテリートレイ等の自動車部品、アクセス・ブロア等の建築用材料等に好適に用いることが可能である。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、実施例中の成形品の試験法は、以下の通りである。
曲げ試験:ＡＳＴＭ Ｄ７９０に従って測定した。
Ｉｚｏｄ試験：ＡＳＴＭ Ｄ２５６に従って測定した。
成形品の表面外観：目視により、成形品表面のガラス繊維の露出度合いを評価し、露出がほとんどない場合を○、露出がいくらかある場合を△、露出が多く見られる場合を×とした。

［実施例１］
横供給の射出部をもつ、１００トンの型締力を有する竪型プレス成形機を使用し、成形テストを実施した。金型は雄型、雌型から成り、雄型の中央部に直径５ｍｍの溶融樹脂の直接金型内供給口をもつ、製品肉厚２．５ｍｍ、製品寸法８００ｍｍ長さ×６００ｍｍ巾のトランクリッドの型を用いた。
多孔性繊維質シートとしては、ガラス長繊維を集束したロービングを方向性がないように重ねあわせてシートとした日本バイリーン株式会社製ＶＨ−４２６０を用いた。この繊維質シートを２０枚重ね（厚さ８．４ｍｍ）、下側１０枚（厚さ４．２ｍｍ）の繊維質シートの、金型の溶融樹脂供給口の位置に直径２０ｍｍの穴を作成し、雄金型上に載置した。そして、雌型キャビティの中央部付近（溶融状熱可塑性樹脂の合流部付近）を含む幅４００ｍｍの範囲を、高周波発信周波数２０ｋＨｚ、出力５０ｋＷの高周波誘導加熱装置を用いて、１３０℃の加熱コイルにより加熱した。加熱後の金型の温度は、雌型が１３０℃であり、雄型が５０℃であった。
その後、繊維質シートの穴を通して繊維質シートの層間に溶融した熱可塑性樹脂（住友化学（株）製、住友ノーブレンＡＸ５６８（ポリプロピレン樹脂、メルトフローインデックス６５ｇ／１０分）１００重量部に住友ノーブレンＭＰＥ３３１を５重量部加えたもの）を供給し、成形を行った。得られた成形体の外観や物性の評価結果を以下に示す。

［比較例１］
加熱工程を行わずに、雄型及び雌型の金型温度を５０℃とした以外は実施例１と同一条件で成形し、外観、成形品の物性を実施例で得られた成形品と比較評価した。その結果を以下に示す。

［比較例２］
金型温度を９０℃とした以外は実施例１と同一条件で成形し、外観、成形品物の性を実施例で得られた成形品と比較評価した。その結果を以下に示す。

本発明に係る成形体の製造方法で好ましく使用される金型の断面を示した図である。 加熱工程の手順を示した図である。 供給工程において、熱可塑性樹脂の供給開始から供給完了までの様子を示した図である。

符号の説明

１０ 金型
２０ 雌型
２１、３１ キャビティ面
２２ 断熱部材
２３ 枠部材
２１０ 金属板
２２０ 金属管
３０ 雄型
３２ 樹脂供給通路
３１０ 温度調節通路
３２０ 樹脂供給ゲート
３３０ 多孔性シート
４０ キャビティ
５０ 射出装置
５１ 溶融状熱可塑性樹脂
６０ 加熱手段
６１ 加熱コイル
６２ 搬送装置

Claims (5)

1. キャビティを形成するキャビティ面を有する一対の金型のうち、少なくとも片方の金型のキャビティ面を加熱手段により加熱する加熱工程と、
   少なくともこの加熱工程により加熱された前記金型のキャビティ面と対向する位置に、多孔性シートを配置して熱可塑性樹脂を供給する供給工程と、
   供給された前記熱可塑性樹脂を冷却する冷却工程と、を有する熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
2. 前記供給工程において、前記加熱工程により加熱された前記金型のキャビティ面の温度は、前記熱可塑性樹脂荷重たわみ温度以上、前記熱可塑性樹脂荷重たわみ温度よりも５０℃高い温度以下である請求項１に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
3. 前記供給工程において、前記多孔性シートは複数枚重ねて配置されるものであり、前記熱可塑性樹脂は、各多孔性シートの間から供給されるものである請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
4. 前記供給工程の後に前記一対の金型を型締めする型締め工程を更に有する請求項１から３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
5. 請求項１から４いずれかに記載の方法により得られる熱可塑性樹脂成形体。

Images