JP2011131422A - 長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドを製造する際に、強化繊維束の内部に熱可塑性樹脂を良好に含浸させて、強化繊維の分散性に優れたストランドの製造装置及びその製造方法。
【解決手段】長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置は、強化繊維束２に含浸される熱可塑性の第１樹脂７ｂを溶融状態で貯留する第１樹脂槽と、第１樹脂槽での含浸に先立って含浸され且つ第１樹脂７ｂより溶融粘度が低く設定されている第２樹脂７ａを溶融状態で貯留する第２樹脂槽とを備え、第１樹脂槽と第２樹脂槽とは隔壁２０により隔てられており、隔壁２０には強化繊維束２を第２樹脂槽から第１樹脂槽へと抜き出す抜出口２１が設けられ、強化繊維束２を、第２樹脂槽から抜出口２１を経由し第１樹脂槽へと引き抜くことで、第２樹脂７ａが含浸した強化繊維束２に第１樹脂７ｂを含浸する。
【選択図】図１

Description

本発明は、長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置及び製造方法、さらに詳しくは強化繊維束の内部に熱可塑性樹脂を良好に含浸させることのできる長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置及び製造方法に関するものである。

繊維強化熱可塑性樹脂（ＦＲＴＰ）は、軽量で高強度であるため、車両や船舶の外装などによく用いられている。特に、繊維強化熱可塑性樹脂の中でも繊維長の長い強化繊維が含有されている長繊維強化熱可塑性樹脂（ＬＦＲＴＰ）は、耐衝撃性や剛性に優れているので、近年は自動車のバンパーやボディに多用されるようになってきている。
このような長繊維強化熱可塑性樹脂の成形に用いられるストランドは、溶融された熱可塑性樹脂浴中にガラスロービングなどの強化繊維束を通過させ、強化繊維束を熱可塑性樹脂浴中から引き抜くことにより、強化繊維束に熱可塑性樹脂が含浸されたものとして形成される。

ところが、溶融された熱可塑性樹脂の溶融粘度が高い場合は、複数の強化繊維を束ねた強化繊維束の内部にまで樹脂が含浸されない場合がある。このように内部に樹脂が十分に含浸されていないストランドは樹脂が含浸しきれなかった部分が空隙として残りやすく、ストランドやこのストランドを所定長さに切断してなるペレットを溶融する際に強化繊維が十分に分散しなくなったり、成型品に気泡が入って成型品の機械的物性や外観を大きく損なうという問題がある。

そこで、例えば特許文献１のように、強化繊維束を溶融粘度が高い樹脂に含浸させる前に、強化繊維束を溶融粘度が低い樹脂に含浸させて強化繊維束の内部に一旦樹脂を十分に含浸させ、その後に溶融粘度が高い樹脂を被覆してストランドを製造する技術が提案されている。

特許第３７７４９５９号公報

ところで、上述した特許文献１には、溶融粘度が異なる複数の樹脂を相次いで強化繊維束に被覆する方法として、例えば押出機及びダイを用いたコーティング方法やロールまたはバーなどを用いたコーティング方法などが挙げられている。
しかし、特許文献１のコーティング方法は、あくまでも樹脂を強化繊維束に被覆する方法を例示するに過ぎないものであり、実際の現場においてどのようなコーティング装置を用いてどのような手順で複数の樹脂を連続して強化繊維束にコーティングすればよいのかを示すものではない。すなわち、特許文献１の開示内容のみでは、製造現場で溶融粘度が異なる複数の樹脂を相次いで強化繊維束に被覆することは困難であると言わざるを得ない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、強化繊維束の内部に熱可塑性樹脂を良好に含浸させて、強化繊維の分散性に優れ且つ気泡のないストランドを実際に製造することができる長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明に係る長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置は、強化繊維束に含浸される熱可塑性の第１樹脂を溶融状態で貯留する第１樹脂槽と、前記第１樹脂槽での含浸に先立って前記強化繊維束に含浸され且つ前記第１樹脂より溶融粘度が低く設定されている第２樹脂を溶融状態で貯留する第２樹脂槽とを備え、前記第１樹脂槽と第２樹脂槽とは隔壁により隔てられており、前記隔壁には強化繊維束を第２樹脂槽から第１樹脂槽へと抜き出す抜出口が設けられ、前記強化繊維束を第２樹脂槽から抜出口を経由し第１樹脂槽へと引き抜くことで前記第２樹脂が含浸した強化繊維束に第１樹脂を含浸させる構成とされていることを特徴とするものである。

このようにすれば、強化繊維束が第２樹脂槽から抜出口を経由して第１樹脂槽へ引き出されるに際して、強化繊維束は外気（空気）に接触することなく、迅速で直接的且つ連続的に熱可塑性樹脂の含浸処理が続行されることになる。すなわち、第２樹脂槽で強化繊維束に含浸した第２樹脂が固化する前に、強化繊維束は第１樹脂槽に入ることになる。
そして、強化繊維束が第１樹脂槽内を通過する際には、第２樹脂槽で含浸された第２樹脂に対して第１樹脂槽で含浸される第１樹脂が置き換わるか、又は第２樹脂と第１樹脂とが混合・積層する状態となり、結果として、含浸させたい第１樹脂が強化繊維束の内部まで（芯まで）浸透しやすくなる。このように本発明では、強化繊維束の内部にまで熱可塑性樹脂が確実且つ良好に含浸しており、且つ強化繊維の分散性に優れており、また気泡が含まれていないようになった良質のストランドやペレットを製造できる装置を、具体的且つ実現可能なものとして提供することができる。

また、上述の装置構成であれば、例えば、含浸させたい熱可塑性樹脂を貯留する樹脂槽に対し、隔壁を設けて第１樹脂槽と第２樹脂槽とに区画すると共に、この隔壁に対し、強化繊維束を第２樹脂槽から抜き出すための抜出口を設けるだけでも実施することができるため、設備構成が複雑になったり製造コストが高騰したりする心配もない。
なお、前記抜出口は、第２樹脂槽から第１樹脂槽へと強化繊維束が引き出されるときに当該強化繊維束をしごいて気泡を押し出し可能にする口径で形成されているものとするのが好適である。

このようにすれば、強化繊維束が第２樹脂槽から抜出口を経由して第１樹脂槽へ引き出される際に、強化繊維束がしごかれて気泡が押し出されるようになるので、しごかれた強化繊維束の内部に第２樹脂だけでなく、第１樹脂も十分にしみ込んで、行き渡るようになる。そのため、樹脂が含浸しきれなかった部分が空隙として残ることがなく、一層効果的である。

なお、前記隔壁は、槽間での熱移動を抑制する断熱部材で構成されて、前記第１樹脂槽と第２樹脂槽が互いに異なる温度で樹脂を保持できるようになっているのが好ましい。
このようにすれば、第１樹脂槽の保持温度と第２樹脂槽の保持温度とを変更することで同じ種類の樹脂を互いに溶融粘度が異なる第１樹脂と第２樹脂として用いることができ、さまざまな種類の樹脂を用いて多様な繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを製造することが可能となる。

また、本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造方法は、上述した製造装置を用いて、長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドを製造する長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造方法であって、前記第１樹脂槽と第２樹脂槽とを隔壁を用いて隔てると共に、当該隔壁に強化繊維束が通過可能な抜出口を形成しておき、前記第２樹脂槽で第２樹脂が含浸した強化繊維束を前記抜出口を経由して第１樹脂槽へと直接引き抜くことで、前記第２樹脂が含浸した強化繊維束に第１樹脂を含浸させることを特徴とするものである。

本発明に係る長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置及び製造方法を用いれば、強化繊維束の内部に熱可塑性樹脂を良好に含浸させて、強化繊維の分散性に優れ且つ気泡のないストランドやペレットを実際に製造することができる。

長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造工程を模式的に示した側面図である。 図１のＡ部拡大図である。 強化繊維束に溶融樹脂が含浸した様子を示した断面図であって（ａ）は図２のＢ−Ｂ線断面図に相当させてあり（ｂ）は図２のＣ−Ｃ線断面図に相当させてある。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１及び図２は、本発明に係る長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置１を模式的に示している。
この製造装置１は、ガラス繊維などの長繊維（フィラメント）を２０００〜３０００本集めて外径１〜２ｍｍ程度の紐状束にした上で、この紐状束の内部及び外側にポリプロピレン（ＰＰ）等の集束剤を含浸及び塗布することで、ペレットの元となる強化繊維束２（ストランド）を製造するものである。

製造装置１は、集束剤が塗布される前の強化繊維束２がボビン３に巻き取られた状態の回巻体４を、一つ又は複数（図例では３つ）保持するストック部５と、このストック部５から強化繊維束２を連続的に送り出すフィード部６と、このフィード部６によって送り出される強化繊維束２に熱可塑性の溶融樹脂７を含浸させる（集束剤が塗布する）樹脂含浸部８とを有している。さらに、製造装置１は、樹脂含浸部８から取り出される長繊維強化樹脂ストランド９に対して適宜処理を施す後処理部１０とを有している。

この後処理部１０には、例えば長繊維強化樹脂ストランド９を冷却し、含浸状態となった樹脂の硬化を促す水槽１２や、長繊維強化樹脂ストランド９に撚りをかける撚りローラ装置１３、長繊維強化樹脂ストランド９を所定長さに切断するペレタイザ１４などが含まれている。
製造装置１に備えられた樹脂含浸部８は、強化繊維束２の移送方向を向く長い筒状となっており、この樹脂含浸部８内には熱可塑性の溶融樹脂７が貯留されている。強化繊維束２が筒状の樹脂含浸部８内を通過することで、熱可塑性の溶融樹脂７が含浸・塗布される。

樹脂含浸部８の入口（強化繊維束２の移送方向において上流側）には、強化繊維束２を通過可能な入口孔２７が形成されており、この入口孔２７を介して、強化繊維束２は樹脂含浸部８内に入ってゆく。樹脂含浸部８の出口にはダイノズル１１が設けられており、取り出される長繊維強化樹脂ストランド９を所定断面径（太さ）に整形させるようになっている。樹脂含浸部８内であって出口と入口の間には、搬送ロールが設けられ、強化繊維束２は搬送ロールに掛け廻されつつ、出口から入口へと移送される。

さらに、本発明に係る長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置１では、図２に拡大して示すように、樹脂含浸部８が第２樹脂槽１５と第１樹脂槽１６とを有したものとされている。強化繊維束２の送り方向に対して、第２樹脂槽１５の方が上流側で、第１樹脂槽１６の方が下流側となるように配置されている。ゆえに、強化繊維束２は、第２樹脂槽１５を通った後に第１樹脂槽１６を通過するようになる。

第２樹脂槽１５には熱可塑性の第２樹脂７ａが溶融状態で貯留され、第１樹脂槽１６には熱可塑性の第１樹脂７ｂが溶融状態で貯留されている。具体的には、第２樹脂槽１５には熱可塑性の第２樹脂７ａを供給される第２樹脂供給口２５ａが設けられ、この第２樹脂供給口２５ａには、当該第２樹脂供給口２５ａに第２樹脂７ａを送り出す送り出し装置２６ａが設けられている。第１樹脂槽１６には熱可塑性の第１樹脂７ｂが供給される第１樹脂供給口２５ｂが設けられ、この第１樹脂供給口２５ｂには、当該第１樹脂供給口２５ｂに第１樹脂７ｂを送り出す送り出し装置２６ｂが設けられている。

これら第２樹脂槽１５内の第２樹脂７ａと第１樹脂槽１６内の第１樹脂７ｂとは、例えば樹脂の種類を異ならせるなどにより、第２樹脂７ａの溶融粘度が第１樹脂７ｂの溶融粘度よりも低くなる関係に設定されている。
第２樹脂７ａの溶融粘度を第１樹脂７ｂの溶融粘度よりも低くする手法としては、第２樹脂７ａに第１樹脂７ｂの樹脂より同じ溶融温度でも溶融粘度が低くなるような種類の熱可塑性樹脂を用いてもよいし、また第２樹脂槽１５内の温度（樹脂の貯留温度）を第１樹脂槽１６内より高温にすれば同じ種類の熱可塑性樹脂でも溶融粘度を変化させることができる。また、例えば熱可塑性樹脂が同じＰＰであっても、第２樹脂７ａに低分子量のもの、第１樹脂７ｂに高分子量のものを用いれば、第２樹脂７ａの溶融粘度を第１樹脂７ｂの溶融粘度よりも低くすることができる。

さて、この実施形態では、筒状に形成された樹脂含浸部８の内部に、当該樹脂含浸８を上流側と下流側とに隔てる隔壁２０を設けることにより、第２樹脂槽１５と第１樹脂槽１６とが隣接して設けられるものとなっている。即ち、第２樹脂槽１５と第１樹脂槽１６とは両槽間に間隔を置かずに直接的に併設されたものとなっている。なお、二つの槽を連結してその連結間にできる壁を隔壁２０にする構造としてもよいし、一つの槽内に隔壁２０を設けることでその槽内を二つの槽に仕切るような構造としてもよい。この場合、第２樹脂槽１５と第１樹脂槽１６とを隔てる隔壁２０として、両槽間での熱移動を抑制する断熱部材により形成しておき、第２樹脂槽１５と第１樹脂槽１６とが、各別に異なる温度で溶融樹脂を保持できるようにするのが好適である。

この隔壁２０には両槽内間を相互連通させる抜出口２１が設けられている。従って、この抜出口２１により、第２樹脂槽１５内の強化繊維束２を第１樹脂槽１６内へと抜き出すことができる。なお、この抜出口２１が設けられる位置は、第２樹脂槽１５及び第１樹脂槽１６の各槽内において、共に溶融樹脂（第２樹脂７ａ、第１樹脂７ｂ）が貯留される深さ範囲内とすることが必要である。尤も、第２樹脂槽１５及び第１樹脂槽１６の両槽内において、溶融樹脂が常時充満される仕様とするのであれば、抜出口２１の位置は隔壁２０のどの位置でもよい。

この抜出口２１は、第２樹脂槽１５から第１樹脂槽１６への強化繊維束２の通過を許すものの、第１樹脂槽１６〜第２樹脂槽１５間の樹脂の移動（浸入）を規制する大きさとされている。すなわち、抜出口２１の内径は強化繊維束２の径を略同じとされている。なお、抜出口２１は、通過時に強化繊維束２をしごいて気泡を押し出し可能にするような口径で形成されていてもよい。とはいえ、具体的に抜出口２１の口径をどの程度のサイズにするかは、強化繊維束２の太さや引張強度、強化繊維束２の送り速度、第２樹脂７ａの粘度などの種々様々な条件によって変動し得るが、例えば外径１ｍｍφの強化繊維束２の場合であれば抜出口２１は口径１ｍｍφ〜３ｍｍφ程度に形成すればよい。

以下、このような構成を具備して成る本発明の製造装置１により、長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドを製造する際の状況、言い換えれば本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造方法を説明する。
まずは、製造装置１のストック部５に保持された一つ又は複数の回巻体４から、フィード部６が強化繊維束２を連続的に引き出し、この強化繊維束２を樹脂含浸部８の入口孔２７を介して樹脂含浸部８内へと送り込む。樹脂含浸部８では、強化繊維束２は最初に第２樹脂槽１５内を通過し、次に隔壁２０の抜出口２１を経由して第１樹脂槽１６内を通過するようになる。強化繊維束２は、フィード部６により連続的に送り出されているため、第２樹脂槽１５を通過した強化繊維束２は連続的に第２樹脂７ａが含浸され、第２樹脂７ａが含浸した強化繊維束２は抜出口２１を通過した後、第２樹脂槽１６の第１樹脂７ｂに含浸されることになる。

これにより強化繊維束２には、第２樹脂槽１５内では低粘度の第２樹脂７ａが含浸し（図３（ａ）参照）、第１樹脂槽１６内では、第２樹脂７ａよりも高粘度の第１樹脂７ｂが含浸し且つ繊維束の周りを被覆するようになる（図３（ｂ）参照）。
そして、第１樹脂槽１６に設けられたダイノズル１１から所定断面径（太さ）を有した長繊維強化樹脂ストランド９として取り出され、この長繊維強化樹脂ストランド９が、後処理部１０において水槽１２での冷却、撚りローラ装置１３による撚りの付与、ペレタイザ１４による所定長さごとの切断などを受けることとなり、最終的に長繊維強化熱可塑性樹脂ペレット３０として製造されることとなる。

この製造過程にあって、樹脂含浸部８では、強化繊維束２が第２樹脂槽１５から抜出口２１を経由して第１樹脂槽１６へと引き出されるに際し、強化繊維束２は外気（空気）に接触することなく、迅速で直接的且つ連続的に熱可塑性樹脂の含浸処理が続行されることになる。すなわち、第２樹脂槽１５で強化繊維束２に含浸した第２樹脂７ａが固化する前に、強化繊維束２は第１樹脂槽１６に入ることになる。

そして、強化繊維束２が第１樹脂槽１６内を通過する際には、第２樹脂槽１５で含浸された第２樹脂７ａに対して第１樹脂槽１６で含浸される第１樹脂７ｂが置き換わるか、又は第２樹脂７ａと第１樹脂７ｂとが混合・積層する状態となり、結果として、含浸させたい第１樹脂７ｂが強化繊維束２の内部まで（芯まで）浸透しやすくなる。
しかも、第２樹脂槽１５中で強化繊維束２に気泡が含まれていたとしても、強化繊維束２が第２樹脂槽１５から第１樹脂槽１６へ引き出される際に抜出口２１によってしごかれるので、この気泡が繊維束外へと押し出され、強化繊維束２内には第２樹脂７ａだけでなく第１樹脂７ｂも十分にしみ込んで行き渡るようになる。

それゆえ、強化繊維束２には溶融樹脂の含浸不良に伴う空隙が残ることはなく、強化繊維束２の内部にまで熱可塑性樹脂（第１樹脂７ｂ）を良好に含浸させることができ、強化繊維２３（図３中に示す）の分散性に優れ且つ気泡のないペレット３０を製造することができる。また、第２樹脂槽１５の第２樹脂７ａと第１樹脂槽１６の第１樹脂７ｂがともに強化繊維束２へ含浸するため、ペレット３０としての最終的な樹脂含有率を上げることができる。

なお、この樹脂含浸部８では、強化繊維束２への含浸性や密着性を向上させるために添加剤（例えば、マレイン酸変性ＰＰなど）を入れることができる。この場合、添加剤は、第２樹脂槽１５の第２樹脂７ａにのみ添加すればよい。このようにすることで、使用する添加剤の総量を抑制できる利点がある。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施の形態に応じて適宜変更可能である。

１ 製造装置
２ 強化繊維束
７ａ 第２樹脂
７ｂ 第１樹脂
１５ 第１樹脂槽
１６ 第２樹脂槽
２０ 隔壁
２１ 抜出口
３０ ペレット

Claims (4)

1. 強化繊維束に含浸される熱可塑性の第１樹脂を溶融状態で貯留する第１樹脂槽と、前記第１樹脂槽での含浸に先立って前記強化繊維束に含浸され且つ前記第１樹脂より溶融粘度が低く設定されている第２樹脂を溶融状態で貯留する第２樹脂槽とを備え、
   前記第１樹脂槽と第２樹脂槽とは隔壁により隔てられており、前記隔壁には強化繊維束を第２樹脂槽から第１樹脂槽へと抜き出す抜出口が設けられ、
   前記強化繊維束を、第２樹脂槽から抜出口を経由し第１樹脂槽へと引き抜くことで、前記第２樹脂が含浸した強化繊維束に第１樹脂を含浸させる構成とされていることを特徴とする長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置。
2. 前記抜出口は、第２樹脂槽から第１樹脂槽へと強化繊維束が引き出されるときに当該強化繊維束をしごいて気泡を押し出し可能にする口径で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置。
3. 前記隔壁は、槽間での熱移動を抑制する断熱部材で構成されて、前記第１樹脂槽と第２樹脂槽が互いに異なる温度で樹脂を保持できるようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された製造装置を用いて、長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドを製造する長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造方法であって、
   前記第１樹脂槽と第２樹脂槽とを隔壁を用いて隔てると共に、当該隔壁に強化繊維束が通過可能な抜出口を形成しておき、
   前記第２樹脂槽で第２樹脂が含浸した強化繊維束を前記抜出口を経由して第１樹脂槽へと直接引き抜くことで、前記第２樹脂が含浸した強化繊維束に第１樹脂を含浸させることを特徴とする長繊維強化熱可塑性樹脂ストランドの製造方法。

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