JP2014166712A - ベント式射出成形機のベント口より長繊維及び／又は各種添加物を直接投入する樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置で長繊維及び／又は添加物を含む樹脂成形品を製造する方法を提供すること。
【解決手段】ベントアップし難いベント式射出成形機のベント口から強化用繊維材及び／又は各種添加物を供給することを特徴とする樹脂成形体の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ベント式射出成形機を用いる樹脂成形品の製造方法に関する。特に、炭素繊維や各種添加物を原料樹脂と直接混練し、樹脂に分散した射出成形品を製造する方法に関する。

射出成形において、成形品の物理的特性を向上させるため、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維や各種添加物を樹脂に含有させることは以前から知られている。

樹脂に繊維材を含有させる方法として、繊維束に溶融樹脂を含浸させ、これを冷却固化して切断し、繊維束が混入したペレットを製造する方法(特許文献１)や、押出機へ直接繊維材を供給する方法が知られているが、前者の方法で得られたペレットがその後の射出成形工程で繊維と樹脂が分離してしまうという問題があった。
後者の場合、繊維材を原料樹脂ペレットとともにホッパから押出成形機の混練部に投入し、樹脂を溶融するとともに繊維材を樹脂中に分散させれば、樹脂中に繊維材が均質に分散されるので、この繊維が均質の分散した樹脂をペレットとし、これを原料に射出成形して繊維強化製品を製造することが、一般的に広く採用されている。

しかし、長尺の繊維材を使用しても樹脂との混練過程で、大きな圧力や剪断力が加わるため、繊維切断により必要以上に繊維材の短小化が進み、かかるペレットを使用して得られた製品の強度が上がらないという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献２では、繊維材の供給を押出成形機のサイドフィード用供給口又はベント穴部から供給するようにして、繊維強化樹脂ペレットを製造している。
この方法によれば、押出機の上流から供給される溶融樹脂に対し前記繊維材が混合されるので、繊維材への大きな剪断力の付加が避けられ、少なくとも１ｍｍ以上の繊維長を維持できるとしている。

さらに、このような長繊維を含有する原料ペレットを使用して射出成形により製品を製造するには、射出成形機で混練・溶融工程を経る必要があり、できるだけ繊維が切断しないようにするため、スクリュの形状を改良する方法が提案されている(特許文献３，４)。

以上のような改良技術により、比較的長繊維を含有する繊維強化樹脂による射出成形品を製造することができるようになった。
しかし、この従来方法では、射出工程のほかに、ペレット化工程が不可欠で、しかも夫々の工程で樹脂を溶融するので、コストが大きくなるといった問題があった。

この問題を解決した装置が非特許文献１で提案されている。この装置は、射出成形機と混練機を一体化したもので、連続的に操作される混練機と、回分的に操作される射出成形機の供給量の違いをバッファで吸収するようにしたものである。
この装置を使用すれば、原料は通常の樹脂ペレットと繊維束で済み、繊維入りペレットを使用した場合と比べ材料コストは約半分となるとしている。
しかし、この装置は、射出成形機と混練機を一体化したものなので、装置が大型となり、操作も複雑となるという問題がある。

また、樹脂に種々の機能を付加させるため各種添加物が使用されるが、高圧や高温により容易に劣化してしまう添加物については、劣化を抑えて樹脂に均一に配合させることは難しく、マトリックス樹脂と嵩密度が異なる場合も、ホッパからの投入では均一に分散させるのが難しかった。

特開昭５９−６２１１４号公報 特開２０１０−６５４号公報 特開平０８−３１８５６１号公報 特開２００５−１６９６４６号公報

Automotive Technology 2010年3月、90-95頁

本発明の目的は、上記従来技術における種々の問題を解決し、簡単な装置で長繊維や高圧高温で劣化し易い添加物などを含む樹脂成形品を製造する方法を提供することである。

上記非特許文献１に記載された装置が、射出成形部と混練部を別体構造とした理由は、回分式に射出操作が行われる射出成形機では、シリンダ内の圧力変動が大きく、シリンダ中間部に繊維材を供給する開口を設けると、該開口から溶融樹脂が溢流する、いわゆるベントアップが生じ易いので、繊維材の供給口を設けるために、ベントアップの生じ難い混練部を設けざるを得なかったためと考えられる。

ベント口は、樹脂に含まれる水分などの揮発分を分離除去するもので、射出成形機にベント口が設けられれば、原料樹脂ペレットを予め乾燥する工程が省略できるというメリットがあるため、本発明者の一人は、スクリュの形状及び原料供給部を改良したベントアップが発生し難いベント式射出成形機を別途提案した（特願２０１２−２５５５２３）。

そして、本発明者らは、このようなベントアップが発生し難いベント式射出成形機を使用すれば、ベント口から繊維材を供給し、上流から溶融樹脂に混合させることにより、繊維強化樹脂からなる成形品を直接、安定的に製造できるのではないかと考え、上述したベント式射出成形機を使用して実際に実施してみたところ、比較的長い繊維が均質に分散した成形品が得られることが確認でき、本発明に至った。
さらに、各種添加物をこのベント口から投入しても樹脂中に均一に配合されることも確認できた。

図２，３に示されるように、射出成形機のベント口より繊維束を供給すると、スクリュの回転により溶融樹脂中に繊維束が吸引され、溶融樹脂と混合される。このとき繊維束は、適度に分断され溶融樹脂中に分散される。
射出工程ではスクリュの回転が停止するが、繊維束も、それ以上吸引されずに静止状態となり、射出工程が終了し、スクリュが回転すると繊維束も再び溶融樹脂中に吸引されるので、樹脂中の繊維の分散状態は、市販の繊維強化樹脂ペレットと同様、均質に保たれる（図４参照）。

本件発明の実施の態様は以下のとおりである。
（１）ベントアップし難いベント式射出成形機のベント口から強化用繊維材及び／又は添加物を供給することを特徴とする樹脂成形体の製造方法。
（２）強化用繊維材が長尺の炭素繊維である（１）の樹脂成形体の製造方法。
（３）ベントアップし難いベント式射出成形機が、原料供給部、第１ステージ、ミキシング部、第２ステージからなり、前記ミキシング部直後にベント部を備えたベント式射出成形機用可塑化ユニットにおいて、第２ステージを３条以上の多条形状としたベント式射出成形機用可塑化ユニットであることを特徴とする（１）又は（２）の樹脂成形体の製造方法。
（４）ベントアップし難いベント式射出成形機の原料供給部が、原料供給部のモニタ手段と原料供給量の調整手段を備え、原料供給部のシリンダ内に常に少量の原料が滞留する程度に原料の供給量を調整することを特徴とすることを特徴とする（１）ないし（３）の何れかに記載の樹脂成形体の製造方法。

本発明でいうベントアップし難いベント式射出成形機としては、前記本発明者の一人が別途発明した、原料供給部、第１ステージ、ミキシング部(混練部)、第２ステージからなり、前記ミキシング部直後にベント部を備えたベント式射出成形機用可塑化ユニットにおいて、第２ステージを３条以上の多条形状としたベント式射出成形機、及び／または原料供給部が、原料供給部のモニター手段と原料供給量の調整手段を備え、原料供給部のシリンダ内に常に少量の原料が滞留する程度に原料の供給量を調整することが可能な射出成形機が好適に例示できるが、本発明で使用する射出成形機は、ベントアップが生じ難ければよいのであって、これらの射出成形機に限定されないことはいうまでもない。

本発明で使用されるマトリックス樹脂や強化用繊維材は、成形品の用途に応じて適宜、選択できる。好ましいマトリックス樹脂としては、ポリカーボネート、ＡＢＳ，ポリ乳酸、ナイロンなどが挙げられる。

本発明で使用される各種添加物としては、粉末状、粒状、液状のいずれのものでもよく、着色材、増量材、難燃剤など、樹脂中に配合される全ての添加物が適用可能である。

以上、説明したように、本発明によれば、射出成形機から、直接、繊維強化された成形品を製造することができるので、装置も操作も簡単である。
また、混練部では過度の圧力や剪断力が加わらないため、繊維が必要以上に分断されず、比較的長繊維のまま維持されるので、強度の優れた繊維強化成形品を製造することができる。
さらに、各種添加物をベント口より投入できれば、ホッパより投入した場合と比べ高圧や高温に晒される時間が少なくて済むので、特に高圧や高温で劣化し易い添加物の場合は有利である。
また、各種添加物はマトリックス樹脂が溶融状態で投入されるので、分散効果も飛躍的に向上し、ダルメージの後に投入するので、フライトのねじ山部への残留物が激減し、添加物として着色剤を使用した場合、色抜けがよくなる。特に、従来取り扱いが難しかった嵩比重の異なる添加物の分散や、分解までの耐熱温度や耐熱時間の異なる添加物には絶大な効果が期待できる。

本発明に使用するベント式射出成形機の可塑化ユニットの全体図 本発明で長繊維をベント式射出成形機のベント口に投入する様子を撮影した写真 本発明で長繊維を投入するベント式射出成形機のベント口付近を撮影した写真 樹脂成形品を溶媒で溶解し、成型品中に含まれる炭素繊維の分散状態を撮影した写真と、市販の繊維含有樹脂ペレット中に含まれる炭素繊維の分散状態を撮影した写真（マトリックス樹脂：６ナイロン）

１ 原料供給装置
２ シリンダ
３ スクリュ
４ 第１ステージ
５ 第２ステージ
６ 一条ねじ部
７ ミキシング部
８ 多条ねじ部
９ ベント部兼繊維材供給部
１０ ヒータ
１１ ホッパ
１２ スクリュフィーダ
１３ シリンダの原料供給部
１４ モニター
１５ 繊維材

＜ベントアップし難いベント式射出成形機＞
以下、本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法に好適に使用できるベントアップし難いベント式射出成形機の実施例を図面に沿って説明するが、本発明はこれに限定されず、何らかのベントアップ抑制手段が付加されたベント式射出成形機であればよいことは、本件発明の趣旨から明らかである。

図１は、ベントアップし難いベント式射出成形機における可塑化ユニットの全体図で、原料供給装置１、シリンダ部２からなり、シリンダ部２には加熱用ヒータ１０が装着されている。
シリンダ２内にはスクリュ３が配され、スクリュ３は、一条ねじ部６とミキシング部７からなる第１ステージ４と３条以上の多条ねじ部からなる第２ステージを有し、第２ステージには溶融樹脂中の揮発成分を揮散させるベント部９が設けられている。

ベントアップし難いベント式射出成形機における可塑化ユニットの原料供給装置１は、ホッパ１１、供給量を調整可能なスクリュフィーダ１２、シリンダ内の原料供給部１３の原料供給状態を視認可能なモニター１４からなる。図１中の丸枠内は、モニター１４がシリンダ内の原料供給部１３の原料供給状態を表示している画面を示す。

ホッパ１１内の原料樹脂ペレットは、スクリュフィーダ１２により供給量を制御されてシリンダ２の原料供給部１３に落下する。この原料供給部１３における原料ペレットの供給状態は、供給装置内に設けられた撮像手段により撮影し、モニター１４により、常時、視認が可能となっている。

原料ペレットの供給量は、上記丸枠内のモニター画面が表示するように、原料供給部１３のスクリュ３上に落下したペレットが原料供給部１３に常時少量滞留している状態となるように調整する。このように原料ペレットの供給量を調整することにより、シリンダ内には、常時、必要最小限の原料が存在することとなり、シリンダの第１ステージ内の圧力が安定する。

上記原料ペレットの供給量の調整は、操作者がモニターを視認しながら手動で行うこともできるが、モニター画面の解析ソフトを利用し自働的に供給量を調整することも可能である。

第１ステージ４の一条ねじ部６は従来どおりのスクリュデザインでよく、ミキシング部７も、従来周知のダルメージ型、バリヤ型、サブフライト型、ウェーブ型などを採用することができる。

第２ステージ５のスクリュ３は、３条以上の多条ねじ部８とする。２条では、繊維材と溶融樹脂との混練が充分できず、あまり条数を大きくしすぎても個々のねじ溝が狭くなり、溝側壁との樹脂の摩擦抵抗が大きくなり、繊維の切断が生じるなどの問題が生じるため、好ましくは５条以下である。

第２ステージ５のスクリュ部のピッチ幅を第１ステージ４のスクリュ部のピッチ幅より大きくすることで、第１ステージ４からの溶融樹脂を、ベント部で滞留させることなくスムーズに移送させることができる。
第２ステージ５のスクリュ部のピッチ幅は、スクリュ軸の直径Ｄの１．１〜１．３が好ましく、第１ステージ４のスクリュ部のピッチ幅の１．２〜１．６程度とすることが好ましい。１．６倍を超えるとねじ溝の側壁と溶融樹脂との摩擦が大きくなり好ましくない。

＜繊維強化樹脂成形品の製造＞
上記の射出成形機（Ｌ／Ｄ＝２５．７、１８ｔ）を使用し、樹脂ペレットをホッパから、繊維材として７μｍφ×１２，０００本の炭素繊維束をベント口から供給し(図２，３参照)、繊維強化樹脂成形品を製造した。
マトリックス樹脂としては、ポリカーボネート（ユーピロン Ｓ−３０００ 三菱エンジニアリングプラスチック）、ＡＢＳ樹脂（スタイラック １２１ 旭化成）、ナイロン（ＴＹ−１０２ＮＤ 東洋紡）、ポリ乳酸（ＰＬＡ−３００１−ＤＫ ユニチカ）を使用し、７μｍφ炭素繊維としては、ＴＯＨＯ製、東レ製、三菱製を使用した。
何れの樹脂を使用しても、製品中の繊維は大部分が数百ｍｍで、製品全てに繊維材が均質に分散しており、市販の繊維含有ペレットと差異はなかった。マトリックス樹脂としてナイロンを使用した製品を溶剤で溶解し、内部の炭素繊維の状態を撮影した写真を図４に示す。

本発明の樹脂成形体の製造方法によれば、比較的長い繊維が均質に分散された繊維強化樹脂成形品を低コストで製造することが可能となる。また、各種添加物、特に高圧や高温で劣化し易い添加物、かさ密度の違いから均一な混合が困難であった添加物を効率よく樹脂に配合させることができる。

Claims (4)

1. ベントアップし難いベント式射出成形機のベント口から強化用繊維材及び／又は添加物を供給することを特徴とする樹脂成形体の製造方法。
2. 強化用繊維材が長尺の炭素繊維である請求項１記載の樹脂成形体の製造方法。
3. ベントアップし難いベント式射出成形機が、原料供給部、第１ステージ、ミキシング部、第２ステージからなり、前記ミキシング部直後にベント部を備えたベント式射出成形機用可塑化ユニットにおいて、第２ステージを３条以上の多条形状としたベント式射出成形機用可塑化ユニットであることを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂成形体の製造方法。
4. ベントアップし難いベント式射出成形機の原料供給部が、原料供給部のモニター手段と原料供給量の調整手段を備え、原料供給部のシリンダ内に常に少量の原料が滞留する程度に原料の供給量を調整することを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の樹脂成形体の製造方法。