JP2014046631A - 射出成形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 強化繊維の過剰な折損が抑えられるような射出成形装置を提供すること。
【解決手段】 射出成形装置1は、炭素長繊維集合体Sをマイクロ波加熱器32で加熱する加熱槽30と、熱可塑性樹脂及び加熱された炭素長繊維集合体Sが供給される射出シリンダ10と、射出シリンダ10内に回転可能に配設され、熱可塑性樹脂を圧縮・混練する溶融スクリュー部21と、射出シリンダ10内に配設されるとともに溶融スクリュー部21と一体回転するように溶融スクリュー部21の先端に接続され、炭素長繊維集合体を解繊する分散搬送スクリュー部22と、熱可塑性樹脂を射出シリンダ10と溶融スクリュー部21との間の空間内に供給する主ホッパ51と、炭素長繊維集合体Sを射出シリンダ10と分散搬送スクリュー部22との間の空間内に供給する副ホッパ52と、を備える。また、分散搬送スクリュー部22は無圧縮スクリューである。
【選択図】 図1
【解決手段】 射出成形装置1は、炭素長繊維集合体Sをマイクロ波加熱器32で加熱する加熱槽30と、熱可塑性樹脂及び加熱された炭素長繊維集合体Sが供給される射出シリンダ10と、射出シリンダ10内に回転可能に配設され、熱可塑性樹脂を圧縮・混練する溶融スクリュー部21と、射出シリンダ10内に配設されるとともに溶融スクリュー部21と一体回転するように溶融スクリュー部21の先端に接続され、炭素長繊維集合体を解繊する分散搬送スクリュー部22と、熱可塑性樹脂を射出シリンダ10と溶融スクリュー部21との間の空間内に供給する主ホッパ51と、炭素長繊維集合体Sを射出シリンダ10と分散搬送スクリュー部22との間の空間内に供給する副ホッパ52と、を備える。また、分散搬送スクリュー部22は無圧縮スクリューである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、射出成形装置に関する。
樹脂射出成形品の強度を向上させるために、炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維が含まれた溶融樹脂を射出成形する技術が開発されている。
特許文献1は、二軸押出機を用いてストランド状の強化繊維(複数本の強化繊維がサイジング剤で結合された強化繊維集合体)と熱可塑性樹脂とを混練した後に混練物を射出シリンダに供給して射出成形する射出成形装置を開示する。この射出成形装置によれば、二軸押出機内にストランド状の強化繊維と熱可塑性樹脂に加え、アスペクト比が1〜5、平均粒径が10μm以下の粒状固形物が添加される。粒状固形物が潤滑剤の役割を果たすことにより二軸押出機内及び射出シリンダ内での強化繊維の過剰な折損が抑制される。
特許文献2は、強化繊維と樹脂とを含む複合成形材料(繊維強化ペレット)を熱風等で予備加熱した後に射出成形するよう構成された射出成形装置を開示する。予備加熱により繊維強化ペレットが軟化するので、繊維強化ペレット中の強化繊維の折損が抑制される。
(発明が解決しようとする課題)
図7は、樹脂中に含まれる強化繊維の繊維長と、その強化繊維が含有された樹脂成形材料の材料特性(剛性、強度、耐衝撃性)との関係を表すグラフである。図7において、横軸が強化繊維の繊維長、縦軸が樹脂成形材料の材料特性の大きさを表す。図7に示すように、強化繊維の繊維長が長くなればなるほど、剛性(modulus)、強度(strength)、耐衝撃性(impact resistance)といった材料特性が向上することがわかる。
図7は、樹脂中に含まれる強化繊維の繊維長と、その強化繊維が含有された樹脂成形材料の材料特性(剛性、強度、耐衝撃性)との関係を表すグラフである。図7において、横軸が強化繊維の繊維長、縦軸が樹脂成形材料の材料特性の大きさを表す。図7に示すように、強化繊維の繊維長が長くなればなるほど、剛性(modulus)、強度(strength)、耐衝撃性(impact resistance)といった材料特性が向上することがわかる。
強化繊維が含まれる樹脂を、射出シリンダ内で通常の圧縮比(圧縮比=2.0〜4.0)を有するフルフライトスクリューを用いて混練した場合、フルフライトスクリューと射出シリンダとの間のクリアランスを通過する強化繊維に作用するせん断力により強化繊維が過剰に折損される。例えば、射出シリンダに供給される前の強化繊維の長さ(繊維長)が10mmであった場合、射出される樹脂中に含まれる強化繊維の繊維長は1〜2mmである。スクリューの圧縮比、溝深さ等のスクリューデザインの改良、あるいは、上記特許文献1に記載のような潤滑性固形粒子の添加、上記特許文献2に記載のような予備加熱等によって、強化繊維の折損の度合いは多少は改善される。しかし、スクリューの回転によるせん断力が強化繊維の折損に及ぼす影響が多大であるため、上記したような改善策を施しても、繊維長がせいぜい2〜3mm程度に延びるにすぎない。
本発明は、射出成形時に樹脂中に含まれる強化繊維の過剰な折損が抑えられるよう構成される射出成形装置を提供することを目的とする。
(課題を解決するための手段)
本発明は、複数本の強化繊維がサイジング剤により結合されてなる強化繊維集合体を加熱する加熱装置と、熱可塑性樹脂及び前記加熱装置で加熱された強化繊維集合体が供給される射出シリンダと、前記射出シリンダ内に回転可能に配設され、前記射出シリンダ内に供給される熱可塑性樹脂を前記射出シリンダ内で圧縮するとともに混練する第1スクリューと、前記射出シリンダ内に配設されるとともに前記第1スクリューと一体回転するように前記第1スクリューの先端に接続され、前記射出シリンダ内に供給される強化繊維集合体を解繊するとともに解繊された強化繊維を熱可塑性樹脂中に分散させる第2スクリューと、熱可塑性樹脂を、前記射出シリンダ内の空間であって前記第1スクリューとの間の空間内に供給する樹脂供給部と、前記加熱装置で加熱された強化繊維集合体を、前記射出シリンダ内の空間であって前記第2スクリューとの間の空間内に供給する強化繊維供給部と、を備え、前記第2スクリューは、それが前記射出シリンダ内で回転することによって強化繊維に作用するせん断力により強化繊維が過剰に折損されないような低圧縮比を有する低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューである、射出成形装置を提供する。この場合において、熱可塑性樹脂と加熱装置で加熱された強化繊維集合体は、別々のホッパを用いて射出シリンダの異なる位置から射出シリンダ内に供給されるとよい。
本発明は、複数本の強化繊維がサイジング剤により結合されてなる強化繊維集合体を加熱する加熱装置と、熱可塑性樹脂及び前記加熱装置で加熱された強化繊維集合体が供給される射出シリンダと、前記射出シリンダ内に回転可能に配設され、前記射出シリンダ内に供給される熱可塑性樹脂を前記射出シリンダ内で圧縮するとともに混練する第1スクリューと、前記射出シリンダ内に配設されるとともに前記第1スクリューと一体回転するように前記第1スクリューの先端に接続され、前記射出シリンダ内に供給される強化繊維集合体を解繊するとともに解繊された強化繊維を熱可塑性樹脂中に分散させる第2スクリューと、熱可塑性樹脂を、前記射出シリンダ内の空間であって前記第1スクリューとの間の空間内に供給する樹脂供給部と、前記加熱装置で加熱された強化繊維集合体を、前記射出シリンダ内の空間であって前記第2スクリューとの間の空間内に供給する強化繊維供給部と、を備え、前記第2スクリューは、それが前記射出シリンダ内で回転することによって強化繊維に作用するせん断力により強化繊維が過剰に折損されないような低圧縮比を有する低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューである、射出成形装置を提供する。この場合において、熱可塑性樹脂と加熱装置で加熱された強化繊維集合体は、別々のホッパを用いて射出シリンダの異なる位置から射出シリンダ内に供給されるとよい。
本発明によれば、樹脂供給部から熱可塑性樹脂が、強化繊維供給部から加熱された強化繊維集合体が、それぞれ射出シリンダ内に供給される。樹脂供給部から射出シリンダ内に供給された熱可塑性樹脂は第1スクリューにより射出シリンダ内で圧縮・混練され、さらに射出シリンダに加えられる熱により溶融される。そして、溶融状態の熱可塑性樹脂が第1スクリューから第2スクリューに送られる。一方、強化繊維供給部から射出シリンダ内に供給された強化繊維集合体は、第1スクリューの先端に接続された第2スクリューにより解繊(解束)されるとともに、第1スクリューから送られてくる溶融した熱可塑性樹脂中に分散される。ここで、射出シリンダに供給される強化繊維集合体は加熱装置により既に加熱されている。この加熱により強化繊維同士を結合するサイジング剤も加熱される。サイジング剤は一般に樹脂で形成されており、加熱により軟化・溶融する。したがって、射出シリンダに供給される強化繊維集合体中の強化繊維同士の結合力は、サイジング剤の加熱による軟化・溶融により、既に弱められている。そのため第2スクリューの回転力を受けることによって強化繊維集合体は容易に解繊される。また、解繊された各強化繊維は第2スクリューのみを通過する。第2スクリューが射出シリンダ内で回転することによって、射出シリンダとの間のクリアランス(特に射出シリンダの内壁と第2スクリューの羽根の外周壁との間のクリアランス)を通過する強化繊維にせん断力が作用する。本発明においては、第2スクリューが低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューであり、それが射出シリンダ内で回転した場合に強化繊維に作用するせん断力が比較的小さい。このためせん断力が強化繊維に作用しても強化繊維が過剰に折損されない。よって、射出される樹脂中に含まれる強化繊維の過剰な折損が抑えられる。このように、本発明によって、射出成形時に樹脂中に含まれる強化繊維の過剰な折損が抑えられるよう構成される射出成形装置が提供される。
上記発明において、「強化繊維の過剰な折損」とは、射出シリンダ内に供給された強化繊維の長さが初期長さ(射出シリンダに供給される時の長さ)の4割未満の長さに折損されることを意味する。例えば、射出シリンダ内に供給される前の強化繊維の長さが10mmであり、射出シリンダから射出された樹脂中の強化繊維の長さが4mm未満にされた場合に、射出シリンダ内でのスクリューの回転により強化繊維に作用されるせん断力により「強化繊維の過剰な折損」が生じたと定義される。
また、上記発明において、無圧縮スクリューとは圧縮比が1.0のスクリューである。低圧縮スクリューとは、圧縮比が1.0に近いスクリューである。本発明における第2スクリューの圧縮比は、第2スクリューが射出シリンダ内で回転することにより射出シリンダと第2スクリューとの間のクリアランスを通過する強化繊維に作用するせん断力で強化繊維が過剰に折損されない程度に低い圧縮比である。この場合、第2スクリューの圧縮比が1.0〜2.0であるのがよい。つまり第2スクリューの圧縮比が2.0以下であるのがよい。圧縮比が2.0以下であれば、射出シリンダと第2スクリューとの間を通過する強化繊維に作用するせん断力が小さく、そのため強化繊維が過剰に折損されない。
第2スクリューのL/Dは、強化繊維が溶融樹脂中に十分に分散され、且つ、強化繊維が過剰に折損されない程度の値であるのがよい。第2スクリューのL/Dは10〜15であるのがよい。L/Dが10未満であると、強化繊維が溶融樹脂中に十分に混練(分散)されない。一方、L/Dが15よりも大きい場合、強化繊維が射出シリンダと第2スクリューとの間を通過する時間が長期化するため混練中に強化繊維が過剰に折損されるおそれがある。
強化繊維集合体は、複数の強化繊維がサイジング剤(収束剤)により結合し、これらが束ねられた強化繊維の集合体である。この場合、射出シリンダに供給される強化繊維集合体は、強化繊維の長手方向に沿って所定の長さに切断されたチョップドストランド状の強化繊維集合体であるのがよい。例えば長さが10mm程度のチョップドストランド状の強化繊維集合体であっても良い。また、加熱装置で加熱される強化繊維集合体は、上記したチョップドストランド状の強化繊維集合体であっても良いし、複数本の非常に長い強化繊維がサイジング剤により結合されているロービング材でも良い。ロービング材である場合、加熱後に所定の長さにロービング材を切断してチョップドストランド状の強化繊維集合体に成形し、こうして成形したチョップドストランド状の強化繊維集合体を射出シリンダに供給するとよい。
加熱装置は、強化繊維集合体を加熱することができるものであればどのような加熱方法を採用したものであってもよいが、短時間で強化繊維集合体を加熱できるのがよい。特に、強化繊維集合体中の強化繊維及び/またはサイジング剤が吸収する波長を有する電磁波を出力し、強化繊維集合体中の強化繊維及び/またはサイジング剤に電磁波を吸収させることにより強化繊維集合体を瞬時に加熱する電磁波加熱装置を用いると良い。電磁波加熱装置から出力される電磁波の波長は、用いられる強化繊維集合体やサイジング剤の材料特性に応じて決定することができる。例えば複数の炭素長繊維がサイジング剤で結合された強化繊維集合体を用いる場合、300MHz〜3THzの周波数(波長1m〜100μm)のマイクロ波を出力するマイクロ波加熱器が好ましく用いられる。加熱装置は、強化繊維集合体中の強化繊維を加熱してもよい。この場合、強化繊維の熱がサイジング剤に伝達されることによりサイジング剤が加熱する。また、強化繊維同士を結合しているサイジング剤を直接加熱してもよい。例えばサイジング剤が極性を有する物質で形成されている場合、サイジング剤を加熱することができる周波数を持つ電磁波を出力する電磁波加熱装置を用いることができる。
また、本発明は、熱可塑性樹脂中に複数本の強化繊維が含有された繊維強化ペレット中の前記強化繊維を選択的に加熱する選択的加熱装置と、前記選択的加熱装置で加熱された前記繊維強化ペレットが供給される射出シリンダと、前記射出シリンダ内に回転可能に配設され、前記射出シリンダ内に供給される前記繊維強化ペレットを混練する射出スクリューと、を備え、前記射出スクリューは、それが前記射出シリンダ内で回転することによって強化繊維に作用するせん断力により強化繊維が過剰に折損されないような低圧縮比を有する低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューである、射出成形装置を提供する。
上記発明によれば、熱可塑性樹脂中に複数本の強化繊維が含有された繊維強化ペレット中の強化繊維が、選択的加熱装置で選択的に加熱される。加熱された強化繊維の熱が樹脂部分に伝達されることにより樹脂部分が加熱されて溶融する。繊維強化ペレットの内側部分(中央部)を構成する樹脂には強化繊維からの熱が素早く伝達されるので、軟化の進行が早い。しかし、繊維強化ペレットの外側部分(表面部)を構成する樹脂には熱が伝達され難いので、軟化の進行が遅い。このため、選択的加熱装置で加熱された繊維強化ペレットの内部は溶融状態であるものの、外部(表面)は未溶融状態である。
上記のような内部溶融状態の繊維強化ペレットが射出シリンダ内に供給される。このとき繊維強化ペレットは、その外側部分を構成する樹脂が溶融していない固化状態であるため、射出シリンダへの供給口にへばりつくことなくスムーズに射出シリンダ内に供給される。供給された繊維強化ペレットは射出シリンダ内にて射出スクリューにより混練される。射出スクリューは低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューであるので、通常のスクリューと比較して混練性に劣るが、繊維強化ペレットの内部が既に溶融状態であるので、低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューを用いた場合であっても樹脂が十分に混練される。混練された樹脂は射出シリンダからの熱によって十分に溶融するとともに、樹脂中に強化繊維が均一に分散される。また、射出スクリューが低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューであるので、射出スクリューが射出シリンダ内で回転することによって射出スクリューと射出シリンダとの間を通過する強化繊維に作用するせん断力が比較的小さい。そのため強化繊維が過剰に折損されることを抑えることができる。
射出スクリューの圧縮比は1.0〜2.0であるのがよい。つまり射出スクリューの圧縮比が2.0以下であるのがよい。圧縮比が2以下であれば、射出シリンダと射出スクリューとの間を通過する強化繊維に作用するせん断力が小さく、そのため強化繊維が過剰に折損されない。また、射出スクリューのL/Dは15〜20であるのがよい。L/Dが15以下であると、強化繊維が樹脂中に十分に混練(分散)されない。一方、L/Dが20よりも大きい場合、せん断力が加えられている時間が長いために混練中に強化繊維が過剰に折損されるおそれがある。
選択的加熱装置は、繊維強化ペレット中の強化繊維を選択的に加熱することができるもの、すなわち繊維強化ペレット中の強化繊維を加熱し、樹脂を加熱しないものであればどのような加熱方法を採用したものであってもよいが、短時間で強化繊維を加熱できるものであるのがよい。特に、繊維強化ペレット中の強化繊維が吸収する波長を有する電磁波を出力し、強化繊維に電磁波を吸収させることにより強化繊維を選択的に且つ瞬時に加熱する電磁波加熱装置を採用すると良い。電磁波加熱装置から出力される電磁波の波長は、用いられる強化繊維に応じて決定することができる。例えば強化繊維が炭素繊維である場合、300MHz〜3THzの周波数(波長1m〜100μm)のマイクロ波を出力するマイクロ波加熱器が好ましく用いられる。逆に言えば、選択的加熱装置で選択的に加熱される強化繊維が好ましく用いられる。また、繊維強化ペレット中の複数の強化繊維がサイジング剤により結合されている場合は、サイジング剤も強化繊維に含まれるものとする。すなわち、加熱装置は、複数の強化繊維を結合しているサイジング剤を選択的に加熱してもよい。
この場合、繊維強化ペレット中の樹脂成分は無極性であるのがよい。特に、繊維強化ペレット中の樹脂の主成分は、ポリプロピレン(PP)樹脂であるのがよい。PP樹脂は無極性であるので、電磁波加熱装置により加熱され難い。このため電磁波加熱装置を用いて繊維強化ペレット中の強化繊維(例えば炭素長繊維)を選択的に加熱することができる。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る射出成形装置を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態に係る射出成形装置1は、射出シリンダ10と、射出シリンダ10内に配設された2段スクリュー20と、加熱槽30とを備える。なお、図1において、型締装置、射出シリンダ10の加熱ヒータ、動作制御装置、温度制御装置等は省略されている。
以下、本発明の第1実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る射出成形装置を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態に係る射出成形装置1は、射出シリンダ10と、射出シリンダ10内に配設された2段スクリュー20と、加熱槽30とを備える。なお、図1において、型締装置、射出シリンダ10の加熱ヒータ、動作制御装置、温度制御装置等は省略されている。
射出シリンダ10は所定の軸方向に向かって延びるように構成され、その内部には円柱状の空間が形成される。射出シリンダ10の先端(図1において左端)にはノズル11が取付けられていて、このノズル11から射出シリンダ10内の溶融樹脂が金型MOに向けて射出される。射出された溶融樹脂は金型MO内のキャビティに充填される。なお、射出シリンダ10の外周には図示しない加熱ヒータが取付けられていて、この加熱ヒータを作動させて射出シリンダ10を加熱させることにより、射出シリンダ10内の溶融樹脂の温度を所望の温度に設定することができる。
2段スクリュー20は、射出シリンダ10内にて射出シリンダ10の軸方向に沿って回転可能に配設される。2段スクリュー20の後端(図1において右端)に駆動ユニット41が接続される。駆動ユニット41は例えば電動モータを備え、2段スクリュー20を軸周り回転させるための駆動力を発生する。
図2は、2段スクリュー20の一例を示す側面図である。図2に示すように、2段スクリュー20は溶融スクリュー部(第1スクリュー)21と分散搬送スクリュー部(第2スクリュー)22とを有する。分散搬送スクリュー部22は溶融スクリュー部21の先端(図2において左端)に接続される。溶融スクリュー部21の後端(図2において右端)が駆動ユニット41に接続される。なお、溶融スクリュー部21と分散搬送スクリュー部22は一体的に成形されていてもよいし、それぞれ別々に作製され、その後に組み付けられていてもよい。
溶融スクリュー部21として、本実施形態では通常のフルフライトスクリューが用いられる。溶融スクリュー部21には、その後端から先端にかけて、供給部(フィードゾーン)21a、圧縮部(コンプレッションゾーン)21b、計量部(メータリングゾーン)21cが形成される。供給部21aは圧縮部21bの後方に位置し、圧縮部21bは計量部21cの後方に位置する。本実施形態において溶融スクリュー部21の圧縮比は2.0〜4.0であり、L/Dは16〜25である。
分散搬送スクリュー部22は上述のように溶融スクリュー部21の先端にその後端が接続されており、溶融スクリュー部21と同軸配置され、溶融スクリュー部21と一体的に回転する。本実施形態において分散搬送スクリュー部22の圧縮比は1.0である。すなわち分散搬送スクリュー部22は無圧縮スクリューである。また、分散搬送スクリュー部22のL/Dは10〜15である。分散搬送スクリュー部22は、圧縮比が2.0以下の低圧縮スクリューでもよい。
図1に示すように、射出シリンダ10の上部に主ホッパ(樹脂供給部)51及び副ホッパ(強化繊維供給部)52が配設される。副ホッパ52の射出シリンダ10への配設位置は、主ホッパ51の射出シリンダ10への配設位置よりも前方(図1において左方)位置である。両ホッパ51,52には上部開口及び下部開口が形成されていて、下部開口を通じてホッパ51,52内の空間が射出シリンダ10内の空間に連通する。主ホッパ51の上部開口から熱可塑性樹脂のペレット(以下、樹脂ペレット)Rが投入される。樹脂ペレットRの主成分は本実施形態ではポリプロピレン(PP)樹脂である。
副ホッパ52の図1において上方に加熱槽30が配設される。この加熱槽30には副ホッパ52及びチョップドストランド供給ホッパ53が接続される。副ホッパ52の上部開口を通じて副ホッパ52の内部空間が加熱槽30に連通する。また、チョップドストランド供給ホッパ53には上部開口及び下部開口が形成されていて、下部開口を通じてチョップドストランド供給ホッパ53内の空間が加熱槽30内に連通する。チョップドストランド供給ホッパ53の上部開口からチョップドストランド状の炭素長繊維(強化繊維)の集合体(以下、炭素長繊維集合体Sと呼ぶ)が供給される。「チョップドストランド状の炭素長繊維の集合体」とは、非常に微小な径(例えば7μm)及び所定の長さ(例えば10mm)の複数本の炭素長繊維がサイジング剤(収束剤)により結合されることによって形成された炭素長繊維の集合体である。本実施形態では、約1万2千本〜2万4千本の炭素長繊維がサイジング剤により結合されて束ねられたチョップドストランド状の炭素長繊維集合体Sを用いた。この炭素長繊維集合体Sの幅は約10mm程度であり、各炭素長繊維の繊維長は約10mm程度である。このような炭素長繊維集合体Sが、チョップドストランド供給ホッパ53に投入される。
図3は、加熱槽30の内部構成を示す概略図である。図3に示すように、加熱槽30は、内部に空間が形成されたケース31と、ケース31内に設けられたマイクロ波加熱器(加熱装置)32及びベルトコンベア33とを備える。ケース31の上壁の図3において右寄りの部分に開口31aが形成され、この開口31aにチョップドストランド供給ホッパ53の下部開口が接続される。また、ケース31の下壁の図3において左寄りの部分に開口31bが形成され、この開口31bに副ホッパ52の上部開口が接続される。
マイクロ波加熱器32はケース31の上壁に取付けられていて、所定の波長のマイクロ波を下方に向けて出力(出射)する。このマイクロ波加熱器32の下方にベルトコンベア33が設けられる。ベルトコンベア33は、基台K上に回転可能に支持された駆動プーリ33aおよび従動プーリ33bと、駆動プーリ33aと従動プーリ33bとに巻き回された搬送ベルト33cとを備える。駆動プーリ33aには図示しない駆動装置が接続されており、駆動装置が駆動することにより駆動プーリ33aが回転する。駆動プーリ33aの回転によって搬送ベルト33cが図3において反時計周りに回転する。搬送ベルト33cの上側部分に載置された搬送物が、搬送ベルト33cの回転に伴って搬送される。
次に、上記構成の射出成形装置1を用いた射出成形方法について説明する。
まず、射出シリンダ10の外周に取付けられている図示しない加熱ヒータを作動させて、射出シリンダ10内の温度を所望の温度に加熱する。また、加熱槽30内のベルトコンベア33を駆動させる。
また、複数の樹脂ペレットRを主ホッパ51に投入するとともに、複数の炭素長繊維集合体Sをチョップドストランド供給ホッパ53に投入する。主ホッパ51に投入された樹脂ペレットRは射出シリンダ10内に供給される。ここで、図1に良く示すように、主ホッパ51の下部開口は、射出シリンダ10内に配置された2段スクリュー20の溶融スクリュー部21の供給部21aに面している。したがって、樹脂ペレットRは射出シリンダ10と供給部21aとの間の空間に供給される。射出シリンダ10と供給部21aとの間の空間に供給された樹脂ペレットRは熱により溶融される。また、駆動ユニット41の駆動によって2段スクリュー20が回転することにより樹脂ペレットRが溶融スクリュー部21の前方側(図1において左方側)に移動する。そして、圧縮部21bに導入され、ここで圧縮・混練される。さらに溶融樹脂は圧縮部21bから計量部21cに導入される。そして、計量部21cから分散搬送スクリュー部22に送られる。
チョップドストランド供給ホッパ53に投入された炭素長繊維集合体Sは、チョップドストランド供給ホッパ53の下部開口から加熱槽30に供給される。図3に良く示すように、チョップドストランド供給ホッパ53の下部開口はベルトコンベア33の搬送ベルト33cの上側部分に面している。したがって、加熱槽30内に供給された炭素長繊維集合体Sは搬送ベルト33c上に落下し、搬送ベルト33cに搬送される。
搬送ベルト33cに搬送されている炭素長繊維集合体Sにマイクロ波加熱器32からマイクロ波が出力される。本実施形態において、マイクロ波加熱器32は、炭素長繊維集合体S中の炭素長繊維が吸収することができる波長1m〜100μm(周波数:300MHz〜3THz)の電磁波を図3において下方に出力(出射)する。炭素長繊維集合体S中の炭素長繊維はマイクロ波加熱器32から出力されたマイクロ波を吸収することによって瞬時に加熱される。つまり、炭素長繊維集合体Sはベルトコンベア33で搬送されながら(移動しながら)加熱される。炭素長繊維集合体S中の炭素長繊維が加熱されることにより、その熱が複数の炭素長繊維を結合しているサイジング剤に伝達される。これによりサイジング剤が加熱される。あるいは、炭素長繊維集合体S中のサイジング剤が極性を持つ樹脂により形成されている場合、マイクロ波加熱器32はサイジング剤が吸収することができる波長を持つ電磁波を炭素長繊維集合体Sに照射するように構成されていても良い。この場合、サイジング剤自体がマイクロ波を吸収することによって加熱される。
炭素長繊維集合体S中のサイジング剤は、加熱されることにより軟化・溶融する。サイジング剤の軟化・溶融により、各炭素長繊維同士の結合力が弱められる。このようにして炭素長繊維同士の結合力が弱められた炭素長繊維集合体Sがベルトコンベア33で搬送され、やがてベルトコンベア33から落下する。ベルトコンベア33からの落下地点の直下には副ホッパ52が位置している。したがって、炭素長繊維集合体Sが副ホッパ52にその上部開口から投入される。
副ホッパ52に投入された炭素長繊維集合体Sは、副ホッパ52の下部開口から射出シリンダ10内に供給される。ここで、図3からわかるように、副ホッパ52の下部開口は、射出シリンダ10内に配設された2段スクリュー20の分散搬送スクリュー部22の後端部付近(溶融スクリュー部21寄りの部分)に面している。したがって、炭素長繊維集合体Sは射出シリンダ10と分散搬送スクリュー部22との間の空間に供給される。
射出シリンダ10と分散搬送スクリュー部22との間の空間に供給された炭素長繊維集合体Sは、分散搬送スクリュー部22の回転力によって解繊される。上記のように炭素長繊維集合体S中のサイジング剤は加熱により軟化・溶融されており、炭素長繊維集合体Sの各炭素長繊維の結合力が弱くされている。したがって、分散搬送スクリュー部22の回転によって炭素長繊維集合体Sに僅かな力が加えられるだけで、炭素長繊維集合体Sが容易に解繊される。解繊された炭素長繊維は、溶融スクリュー部21から分散搬送スクリュー部22に送られてくる溶融樹脂に混ざり合い、溶融樹脂中に分散される。
射出シリンダ10に供給された炭素長繊維集合体Sは2段スクリュー20のうち分散搬送スクリュー部22のみを通過する。この分散搬送スクリュー部22は圧縮比が1.0の無圧縮スクリューであるため、炭素長繊維が含まれた溶融樹脂が射出シリンダ10と分散搬送スクリュー部22との間のクリアランスを通過する際に溶融樹脂及び炭素長繊維に作用するせん断力が小さい。したがって、せん断力による炭素長繊維の分断が極力抑えられる。すなわち、炭素長繊維の過剰な折損が抑えられる。このように過剰な折損が抑えられた比較的長い炭素長繊維を含む溶融樹脂が、ノズル11から射出される。
ノズル11から射出された溶融樹脂(ドローリング樹脂)から炭素長繊維を取り出して、その長さを測定したところ、その平均長さは8.5mmであった。なお、炭素長繊維の配合量は40wt%とした。射出シリンダ10に供給される前の炭素長繊維の繊維長(すなわち炭素長繊維集合体Sを構成する炭素長繊維の繊維長)は約10mmであるから、射出シリンダ10に供給される前の炭素長繊維の繊維長に対するドローリング樹脂中の炭素長繊維の繊維長の比率(繊維長比率)は約85%である。また、比較のため、同一の樹脂ペレット(ポリプロピレン樹脂)及び炭素長繊維集合体Sを用い、通常のフルフライトスクリューを用いて主ホッパから樹脂ペレットと共に炭素長繊維集合体Sを射出シリンダ10内に供給した場合、ドローリング樹脂中の炭素長繊維の平均長さは1.4mmであった。したがって、この場合における繊維長比率は約14%である。このことから、本実施形態の射出成形装置1を用いることにより、従来の炭素長繊維の長さよりもはるかに長い炭素長繊維が含まれた溶融樹脂を射出できることがわかった。
(変形例)
上記第1実施形態では、マイクロ波加熱器32でチョップドストランド状の炭素長繊維集合体Sを加熱する例を示したが、ロービング状の炭素長繊維集合体を加熱するように構成しても良い。図4は、ロービング状の炭素長繊維集合体Lをマイクロ波加熱器32で加熱する例を示す図である。この場合、加熱槽30’は、ケース31と、マイクロ波加熱器32と、各搬送用ローラ34と、切断装置35とを備える。炭素長繊維集合体Lはコイル36から加熱槽30’内に供給される。
上記第1実施形態では、マイクロ波加熱器32でチョップドストランド状の炭素長繊維集合体Sを加熱する例を示したが、ロービング状の炭素長繊維集合体を加熱するように構成しても良い。図4は、ロービング状の炭素長繊維集合体Lをマイクロ波加熱器32で加熱する例を示す図である。この場合、加熱槽30’は、ケース31と、マイクロ波加熱器32と、各搬送用ローラ34と、切断装置35とを備える。炭素長繊維集合体Lはコイル36から加熱槽30’内に供給される。
加熱槽30’内に供給された炭素長繊維集合体Lは、ケース31内の適所に取付けられている搬送用ローラ34に導かれて切断装置35に供給される。また、切断装置35に供給されるまでの間に、ケース31内に配設されているマイクロ波加熱器32によって炭素長繊維集合体L中の炭素長繊維が瞬時に加熱される。炭素長繊維の加熱に伴い、その熱が炭素長繊維集合体L中のサイジング剤に伝わってサイジング剤も加熱され、サイジング剤が軟化・溶融する。サイジング剤の軟化・溶融により炭素長繊維同士の結合力が弱められた炭素長繊維集合体Lが、切断装置35に供給される。
切断装置35は切断カッター351とベルトコンベア352とを有する。切断装置35に供給された炭素長繊維集合体Lはベルトコンベア352上を移動する。そして、ベルトコンベア352上の炭素長繊維集合体Lが切断カッター351で適当な長さに切断される。これによりチョップドストランド状の炭素長繊維集合体Sが成形される。成形された炭素長繊維集合体Sが、ベルトコンベア352から副ホッパ52に向けて落下する。そして、第1実施形態と同様に副ホッパ52から射出シリンダ10内に供給される。
射出シリンダ10に供給された炭素長繊維集合体Sは、分散搬送スクリュー部22の回転力によって解繊される。上記のように炭素長繊維集合体S中のサイジング剤は加熱槽30’内での加熱により軟化・溶融されており、炭素長繊維集合体Sの各炭素長繊維の結合力が弱くされている。したがって、分散搬送スクリュー部22の回転によって炭素長繊維集合体Sに僅かな力が加えられるだけで、炭素長繊維集合体Sが容易に解繊される。解繊された炭素長繊維は、溶融スクリュー部21から分散搬送スクリュー部22に導入されてくる溶融樹脂に混ざり合い、溶融樹脂中に分散される。そして、ノズル11から射出される。
以上のように、本実施形態の射出成形装置1は、複数本の炭素長繊維がサイジング剤により結合されてなる炭素長繊維集合体を加熱するマイクロ波加熱器32と、熱可塑性樹脂及びマイクロ波加熱器32で加熱された炭素長繊維集合体が供給される射出シリンダ10と、射出シリンダ10内に回転可能に配設され、射出シリンダ10内に供給される熱可塑性樹脂を射出シリンダ10内で圧縮するとともに混練する溶融スクリュー部21と、射出シリンダ10内に配設されるとともに溶融スクリュー部21と一体回転するように溶融スクリュー部21の先端に接続され、射出シリンダ10内に供給される炭素長繊維集合体を解繊するとともに解繊された炭素長繊維を熱可塑性樹脂中に分散させる分散搬送スクリュー部22と、熱可塑性樹脂を、射出シリンダ10内の空間であって溶融スクリュー部21の供給部21aとの間の空間内に供給する主ホッパ51と、マイクロ波加熱器32で加熱された炭素長繊維集合体を、射出シリンダ10内の空間であって分散搬送スクリュー部22との間の空間内に供給する副ホッパ52と、を備える。また、分散搬送スクリュー部22は圧縮比1.0の無圧縮スクリューである。
本実施形態によれば、主ホッパ51から熱可塑性樹脂が、副ホッパ52から加熱された炭素長繊維集合体が、それぞれ射出シリンダ10内供給される。主ホッパ51から射出シリンダ10内に供給された熱可塑性樹脂は溶融スクリュー部21により圧縮・混練され、さらに加熱ヒータにより射出シリンダ10に加えられる熱により溶融される。そして、溶融状態の熱可塑性樹脂が溶融スクリュー部21から分散搬送スクリュー部22に送られる。一方、副ホッパ52から射出シリンダ10内に供給された炭素長繊維集合体は、溶融スクリュー部21の先端に接続された分散搬送スクリュー部22により解繊(解束)されるとともに、溶融スクリュー部21から送られてくる溶融した熱可塑性樹脂中に分散される。ここで、射出シリンダ10に供給される炭素長繊維集合体はマイクロ波加熱器32により既に加熱されている。この加熱により炭素長繊維同士を結合するサイジング剤も加熱される。サイジング剤は一般に樹脂で形成されており、加熱により軟化・溶融する。したがって、射出シリンダ10に供給される炭素長繊維集合体S中の炭素長繊維同士の結合力は、サイジング剤の加熱による軟化・溶融により、既に弱められている。そのため分散搬送スクリュー部22の回転力を受けることによって炭素長繊維集合体は容易に解繊される。また、解繊された炭素長長繊維は分散搬送スクリュー部22のみを通過する。分散搬送スクリュー部22が射出シリンダ10内で回転することによって、射出シリンダ10との間のクリアランス(特に射出シリンダ10の内壁と分散搬送スクリュー部22の羽根の外周壁との間のクリアランス)を通過する溶融樹脂及び炭素長繊維にせん断力が作用するが、分散搬送スクリュー部22が無圧縮スクリューであるのでせん断力は比較的小さい。そのためせん断力が炭素長繊維に加えられても炭素長繊維は過剰に折損されない。よって、射出される樹脂中に含まれる炭素長繊維の過剰な折損が抑えられる。
また、分散搬送スクリュー部22のL/Dは10〜15であって、通常のフルフライトスクリューのL/D(16〜25)に比べて小さい。このため混練中に強化繊維が過剰に折損されることが防止される。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図5は、本実施形態に係る射出成形装置を示す概略図である。図5に示すように、本実施形態に係る射出成形装置2は、射出シリンダ60と、射出シリンダ60内に配設された射出スクリュー70と、加熱槽80とを備える。なお、図5において、型締装置、射出シリンダ60の加熱ヒータ、動作制御装置、温度制御装置等は省略されている。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図5は、本実施形態に係る射出成形装置を示す概略図である。図5に示すように、本実施形態に係る射出成形装置2は、射出シリンダ60と、射出シリンダ60内に配設された射出スクリュー70と、加熱槽80とを備える。なお、図5において、型締装置、射出シリンダ60の加熱ヒータ、動作制御装置、温度制御装置等は省略されている。
射出シリンダ60は所定の軸方向に向かって延びるように構成され、その内部には円柱状の空間が形成される。射出シリンダ60の先端(図5において左端)にはノズル11が取付けられていて、このノズル11から射出シリンダ60内の溶融樹脂が金型MOに向けて射出される。射出された溶融樹脂は金型MO内のキャビティに充填される。なお、射出シリンダ60の外周には図示しない加熱ヒータが取付けられていて、この加熱ヒータを駆動させることにより射出シリンダ60内の溶融樹脂の温度を所望の温度に設定することができる。
射出スクリュー70は、射出シリンダ60内にて射出シリンダ60の軸方向に沿って回転可能に配設される。射出スクリュー70の後端(図5において右端)に駆動ユニット41が接続される。駆動ユニット41は例えば電動モータを備え、射出スクリュー70を軸周り回転させるための駆動力を発生する。射出スクリュー70は無圧縮スクリュー(圧縮比=1.0)であり、L/Dは15〜20である。なお、射出スクリュー70は、圧縮比が2.0以下の低圧縮スクリューでもよい。
加熱槽80は、内部に空間が形成されたケース81と、マイクロ波加熱器(選択的加熱装置)82と、ベルトコンベア83とを備える。ケース81に主ホッパ54及び連結管90が接続される。主ホッパ54は上部開口及び下部開口を有し、ケース81の上壁の図5において右寄りの部分に形成された開口81aにその下部開口が接続される。連結管90も上部開口及び下部開口を有し、ケース31の下壁の図5において左寄りの部分に形成された開口81bにその上部開口が接続される。
主ホッパ54には樹脂中に炭素長繊維が含有された樹脂ペレット(以下、炭素長繊維強化ペレットと呼ぶ)RFが投入される。図6は、炭素長繊維強化ペレットRFを模式的に示す図であり、図6(a)が斜視図、図6(b)が平面図(上面図)である。図6に示すように、この炭素長繊維強化ペレットRFは、ポリプロピレン樹脂を主成分とする円柱状の樹脂部REと、樹脂部REの内部に埋め込まれた複数の炭素長繊維Fとを備える樹脂−強化繊維複合体である。また、図6(b)からわかるように、炭素長繊維Fは、樹脂部REの内側部分(炭素長繊維強化ペレットRFを平面方向から見た場合における径方向内方寄りの部分)に密集するように樹脂部RE中に設けられている。各炭素長繊維Fは、サイジング剤等で結合された状態で樹脂部RE内に埋め込まれていても良い。
マイクロ波加熱器82及びベルトコンベア83はケース81内に配設される。マイクロ波加熱器82はケース81の上壁に取付けられていて、マイクロ波を下方に向けて出力する。このマイクロ波加熱器82の下方にベルトコンベア83が設けられる。ベルトコンベア83は、基台K上に回転可能に支持された駆動プーリ83aおよび従動プーリ83bと、駆動プーリ83aと従動プーリ83bとに巻き回された搬送ベルト83cとを備える。駆動プーリ83aには図示しない駆動装置が接続されており、駆動装置が駆動することにより駆動プーリ83aが回転する。駆動プーリ83aの回転によって搬送ベルト83cが図5において反時計周りに回転する。搬送ベルト83cの上側部分に載置された搬送物が、搬送ベルト83cの回転に伴って搬送される。
次に、上記構成の射出成形装置2を用いた射出成形方法について説明する。
まず、射出シリンダ60の外周に取付けられている図示しない加熱ヒータを駆動させて、射出シリンダ60内の温度を所望の温度に加熱する。また、加熱槽80内のベルトコンベア83を駆動させる。
また、炭素長繊維強化ペレットRFを主ホッパ54に投入する。主ホッパ54に投入された炭素長繊維強化ペレットRFは、主ホッパ54の下部開口から加熱槽80に供給される。図5に良く示すように、主ホッパ54の下部開口はベルトコンベア83の搬送ベルト83cの上側部分に面している。したがって、加熱槽80内に供給された炭素長繊維強化ペレットRFは搬送ベルト83c上に落下し、搬送ベルト83cに搬送される。
搬送ベルト83cに搬送されている炭素長繊維強化ペレットRFにマイクロ波加熱器82から出力されるマイクロ波が照射される。本実施形態において、マイクロ波加熱器32は、炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維Fが吸収する波長1m〜100μm(周波数:300MHz〜3THzの周波数)の電磁波を図5において下方に出力(照射)する。炭素長繊維強化ペレットRFの樹脂部REに埋め込まれている炭素長繊維Fはマイクロ波加熱器32から出力されたマイクロ波を吸収することによって瞬時に加熱される。炭素長繊維Fが加熱されることにより、その熱が炭素長繊維Fの周りの樹脂に伝達される。これにより樹脂部REが加熱される。また、炭素長繊維Fがサイジング剤等で結合されている場合には、炭素長繊維Fからの熱でサイジング剤も加熱される。
マイクロ波加熱器82によって炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維Fは加熱されるが、極性を持たないポリプロピレン樹脂からなる樹脂部REは加熱されない。つまり、マイクロ波加熱器82は、炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維F(あるいはサイジング剤)を選択的に加熱する。また、炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維Fは、樹脂部REの内側付近(中央付近)に密集しているため、炭素長繊維Fからの熱を受けて樹脂部REがその内側から発熱する。したがって、樹脂部REの内側は加熱により軟化・溶融されるが、外側(表面側)は熱の伝わりが悪いため軟化が進行しない。よって、炭素長繊維強化ペレットRFは、その内側部分にて溶融状態であるが、その外側部分では硬い。このため炭素長繊維強化ペレットRFは、その形状を維持したまま、ベルトコンベア83上を移動する。また、樹脂部REの内側付近に密集していた炭素長繊維Fが樹脂部RE内で移動して、樹脂部RE中に均等に広がる。
ベルトコンベア83上の炭素長繊維強化ペレットRFはやがてベルトコンベア83から落下する。ベルトコンベア83からの落下地点の直下に連結管90が位置している。したがって、炭素長繊維強化ペレットRFは連結管90に導入され、この連結管90を経て射出シリンダ60内に供給される。この場合において、連結管90の下部開口は、射出シリンダ60内の射出スクリュー70の後端部付近に面している。したがって、連結管90から炭素長繊維強化ペレットRFが射出シリンダ60内の空間であって射出シリンダ60と射出スクリュー70の後端部付近との間の空間に供給される。このとき炭素長繊維強化ペレットRFは、その外側部分を構成する樹脂部REが溶融していない固化状態であるため、射出シリンダ60の供給口にへばりつくことなくスムーズに射出シリンダ60内に供給される
射出シリンダ60内に供給された炭素長繊維強化ペレットRFは射出スクリュー70の回転によって混練される。ここで、射出スクリュー70は圧縮比が1.0の無圧縮スクリューであり、樹脂を混練・圧縮する能力が小さいが、射出スクリュー70に供給された時点で炭素長繊維強化ペレットRFの内側部分が軟化・溶融しているので、このような無圧縮スクリューである射出スクリュー70から受ける回転力によっても炭素長繊維強化ペレットRFが容易に混練される。そして、射出シリンダ60からの熱により樹脂が溶融するとともに炭素長繊維Fが溶融樹脂中に均一に分散される。また、炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維F同士がサイジング剤等で結合されている場合は、サイジング剤も炭素長繊維Fからの熱を受けることで軟化・溶融しているので、炭素長繊維F同士の結合力が弱められている。したがって、射出スクリュー70の回転により炭素長繊維強化ペレットRF内の炭素長繊維Fが容易に解繊される。そして、解繊された炭素長繊維Fが溶融樹脂中に均一に分散される。このように均一に分散された炭素長繊維Fを含む溶融樹脂が、ノズル11から射出される。さらに、射出スクリュー70は圧縮比1.0の無圧縮スクリューであり、射出スクリュー70が射出シリンダ60内で回転することにより射出スクリュー70と射出シリンダ60との間を通過する溶融樹脂及び炭素長繊維に作用するせん断力が比較的小さい。そのため溶融樹脂中に分散した炭素長繊維Fがせん断力により過剰に折損されることを抑えることができる。
以上のように、本実施形態の射出成形装置2は、ポリプロピレン樹脂を主成分とする樹脂部RE中に複数本の炭素長繊維Fが含有された炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維Fを選択的に加熱するマイクロ波加熱器82と、マイクロ波加熱器82で加熱された炭素長繊維強化ペレットRFが供給される射出シリンダ60と、射出シリンダ60内に回転可能に配設され、射出シリンダ60内に供給される炭素長繊維強化ペレットRFを混練する射出スクリュー70と、を備える。また、射出スクリュー70は、圧縮比1.0の無圧縮スクリューである。
本実施形態によれば、樹脂部RE中に複数本の炭素長繊維Fが内部に埋め込まれた炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維Fをマイクロ波加熱器82で選択的に加熱することにより、内部溶融状態であるように炭素長繊維強化ペレットRFを加熱することができる。また、内部溶融状態の炭素長繊維強化ペレットRFが射出シリンダ60に供給されるので、射出スクリュー70が無圧縮スクリューであっても十分に樹脂を混練することができるとともに、樹脂中に炭素長繊維Fを均一に分散することができる。また、射出スクリュー70が無圧縮スクリューであるため、溶融樹脂及び炭素長繊維に作用するせん断力が比較的小さい。そのため炭素長繊維Fがせん断力で過剰に折損されることを抑えることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記第1実施形態では分散搬送スクリュー部22が無圧縮スクリューであるが、圧縮比が1.0〜2.0の範囲の低圧縮スクリューでもよい。上記範囲の圧縮比であれば、炭素長繊維の過剰な折損が抑えられる。また、上記第2実施形態では射出スクリュー70が無圧縮スクリューであるが、圧縮比が1.0〜2.0の範囲の低圧縮スクリューでもよい。上記範囲の圧縮比であれば、炭素長繊維の過剰な折損が抑えられる。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態では、炭素長繊維集合体Sがベルトコンベア33,83で搬送(移動)されながら加熱される例を示したが、それ以外の搬送装置(例えば回転ドラム式、スクリュー式、ミキシング式、流動乾燥式)で搬送されながら加熱されてもよい。なお、第1実施形態において、炭素長繊維集合体Sをマイクロ波加熱器32で加熱するときに、炭素長繊維集合体Sが重なっていると、炭素長繊維集合体S同士で導通してスパークが発生し、炎を上げて燃え、炭素長繊維集合体Sに焼けが発生することが確認された。したがって、炭素長繊維集合体Sを加熱する際には、炭素長繊維集合体S同士が重ならないように適度な間隔(例えば10mm程度の間隔)をあけて各炭素長繊維集合体Sを移動させながら加熱すると良い。
また、上記第1実施形態では、炭素長繊維集合体S,Lをマイクロ波加熱器で加熱する例を示したが、炭素長繊維集合体S,L中の炭素長繊維の結合力が弱められるような加熱方式であれば、どのような加熱方式でもよい。例えば熱風加熱でも良い。ただし、瞬時に炭素長繊維集合体S,Lを加熱するためには、マイクロ波加熱器のような電磁波加熱器が好ましい。この場合、電磁波の波長は、加熱される炭素長繊維あるいはサイジング剤に応じて設定すればよい。
また、上記第2実施形態では、炭素長繊維強化ペレットRF中の炭素長繊維Fを加熱するためにマイクロ波加熱器を用いているが、用いる強化繊維やサイジング剤に応じて、これらに最も吸収される波長の電磁波を出射する加熱器(例えば近赤外線を出射する加熱器(ハロゲンランプ等)や遠赤外線を出射する加熱器(例えばセラミックヒータ等))を利用すればよい。また、選択的に炭素長繊維Fやサイジング剤を加熱できるものであれば、電磁波加熱器でなくても良い。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態では、強化繊維として炭素長繊維を用いたが、それ以外の強化繊維、例えばガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維を用いても良い。この場合、これらの繊維を加熱するために、加熱器として熱風加熱器、遠赤外線加熱器を用いると良い。また、繊維の分散性を向上させるために、スクリュー先端にマドック、ダルメージ、ピンタイプ等のミキシングエレメントを設けても良い。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。
1,2…射出成形装置、10,60…射出シリンダ、20…2段スクリュー、21…溶融スクリュー部(第1スクリュー)、21a…供給部、21b…圧縮部、21c…計量部、22…分散搬送スクリュー部(第2スクリュー)、30,80…加熱槽、32,82…マイクロ波加熱器(加熱装置)、33,83…ベルトコンベア、35…切断装置、41…駆動ユニット、51…主ホッパ(樹脂供給部)、52…副ホッパ(強化繊維供給部)、53…チョップドストランド供給ホッパ、54…主ホッパ、70…射出スクリュー、S,L…炭素長繊維集合体、R…樹脂ペレット、RF…炭素長繊維強化ペレット、RE…樹脂部、F…炭素長繊維
Claims (6)
- 複数本の強化繊維がサイジング剤により結合されてなる強化繊維集合体を加熱する加熱装置と、
熱可塑性樹脂及び前記加熱装置で加熱された強化繊維集合体が供給される射出シリンダと、
前記射出シリンダ内に回転可能に配設され、前記射出シリンダ内に供給される熱可塑性樹脂を前記射出シリンダ内で圧縮するとともに混練する第1スクリューと、
前記射出シリンダ内に配設されるとともに前記第1スクリューと一体回転するように前記第1スクリューの先端に接続され、前記射出シリンダ内に供給される強化繊維集合体を解繊するとともに解繊された強化繊維を熱可塑性樹脂中に分散させる第2スクリューと、
熱可塑性樹脂を、前記射出シリンダ内の空間であって前記第1スクリューとの間の空間内に供給する樹脂供給部と、
前記加熱装置で加熱された強化繊維集合体を、前記射出シリンダ内の空間であって前記第2スクリューとの間の空間内に供給する強化繊維供給部と、を備え、
前記第2スクリューは、それが前記射出シリンダ内で回転することによって強化繊維に作用するせん断力により強化繊維が過剰に折損されないような低圧縮比を有する低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューである、射出成形装置。 - 請求項1に記載の射出成形装置において、
前記第2スクリューの圧縮比が1.0〜2.0である、射出成形装置。 - 請求項1または2に記載の射出成形装置において、
前記第2スクリューのL/Dの範囲が10〜15の間の範囲である、射出成形装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の射出成形装置において、
前記加熱装置は、前記強化繊維または前記サイジング剤が吸収する波長を有する電磁波を出力する電磁波加熱装置である、射出成形装置。 - 熱可塑性樹脂中に複数本の強化繊維が含有された繊維強化ペレット中の前記強化繊維を選択的に加熱する選択的加熱装置と、
前記選択的加熱装置で加熱された前記繊維強化ペレットが供給される射出シリンダと、
前記射出シリンダ内に回転可能に配設され、前記射出シリンダ内に供給される前記繊維強化ペレットを混練する射出スクリューと、を備え、
前記射出スクリューは、それが前記射出シリンダ内で回転することによって強化繊維に作用するせん断力により強化繊維が過剰に折損されないような低圧縮比を有する低圧縮スクリューまたは無圧縮スクリューである、射出成形装置。 - 請求項5に記載の射出成形装置において、
前記選択的加熱装置は、前記強化繊維が吸収する波長を有する電磁波を出力する電磁波加熱装置である、射出成形装置。
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