JP2015074674A - ガラス繊維補強部材及び熱可塑性樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な機械的強度を有するとともに、収縮率の異方性の小さく、寸法精度の高い熱可塑性樹脂成形体を得ることが可能なガラス繊維補強材料と、該ガラス繊維補強材料を用いた熱可塑性樹脂成形体を提供する。
【解決手段】ガラス繊維補強材料は、平均繊維長が１００〜２００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が１０質量％以下、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が２質量％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス繊維補強部材と、該ガラス繊維補強部材を含有する熱可塑性樹脂成形体に関する。

一般に、熱可塑性樹脂成形体は、熱可塑性樹脂の引張強度、衝撃強度等の機械的強度を高めることを目的として、補強材料で複合化された熱可塑性樹脂である。補強材料としては、ガラス繊維を３ｍｍ程度に切断したチョップドストランドが幅広く使用されている。

熱可塑性樹脂成形体は、成形装置にチョップドストランドと熱可塑性樹脂を供給し、これらに熱を加えながら混合した混合体を金型内等に押し出し、冷却することにより得られる。この際、大部分のチョップドストランドの長手方向が押し出し方向に向いてしまう。大部分のチョップドストランドの長手方向が、一方向に向いていると、チョップドストランドの向いている方向と、その方向に対して垂直な方向において混合体の熱収縮率の差が大きくなってしまい（収縮率の異方性が大きくなり）、結果として寸法精度が低下する。

この問題を解決するために、例えば、補強材料として、長さが１ｍｍ以下のガラスフレークを用いることが行われている。

また、特許文献１には、扁平な断面形状を有するガラス繊維の粉砕物を補強材料として用いることにより、収縮率の異方性が小さく、寸法精度の高い成型品が得られることが開示されている。更に、特許文献２には、ガラス繊維強化樹脂組成物において、繊維長が短いガラス繊維の割合を増やすことにより、寸法精度の高い液晶性樹脂組成物が得られることが開示されている。

特開平７−１８１８６号公報 特開平６−２４０１１５号公報

しかしながら、ガラスフレークは、形状が鱗片状であるため、熱可塑性樹脂と混合させる際に、ガラスフレークが粉砕されてしまい、熱可塑性樹脂成形体の機械的強度を向上させる効果が低かった。また、特許文献１に開示されたように、扁平な断面形状を有するガラス繊維の粉砕物を補強材料として用いたとしても、満足するような寸法精度が得られなかった。また、特許文献２に開示されたように、繊維長が短いガラス繊維の割合を増やした場合、高い寸法精度は得られるものの、機械的強度が不十分であった。

本発明は上述したような問題点に鑑み、十分な機械的強度を有するとともに、収縮率の異方性が小さく、寸法精度の高い熱可塑性樹脂成形体を得ることが可能なガラス繊維補強材料と、該ガラス繊維補強材料を用いた熱可塑性樹脂成形体を提供することを課題とする。

本発明者らは、これらの課題について鋭意努力を重ねた結果、平均繊維長、繊維長が長いガラス繊維の割合、及び繊維長が短いガラス繊維の割合を所定の範囲内とすることにより、上記の問題を解決できることを初めて見いだし、ここにその内容を提示するものである。

すなわち、本発明のガラス繊維補強材料は、平均繊維長が１００〜２００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が１０質量％以下、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が２質量％以下であることを特徴とする。

また、本発明の熱可塑性樹脂成形体は、上記に記載のガラス繊維補強材料と、熱可塑性樹脂とを含有することを特徴とする。

以上に示した本発明により、十分な機械的強度を有するとともに、収縮率の異方性が小さく、寸法精度の高い熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。

金型を水平方向に沿って切断した断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

本発明のガラス繊維補強材料は、平均繊維長が１００〜２００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が１０質量％以下、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が２質量％以下である。

本発明のガラス繊維補強材料は、平均繊維長が１００〜２００μｍであるため、十分な機械的強度を有するとともに、収縮率の異方性が小さく、寸法精度の高い熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。平均繊維長が１００μｍ未満であると、機械的強度が低くなり、熱可塑性樹脂成形体として使用可能な機械的強度を保てなくなる。一方、平均繊維長が２００μｍよりも大きいと、収縮率の異方性が大きくなり、寸法精度が低下する。なお、平均繊維長は、１３０〜１５０μｍであることが好ましい。

また、平均繊維長が１００〜２００μｍであっても、繊維長が短いガラス繊維の含有割合が多いと、機械的強度が低くなり、熱可塑性樹脂成形体として使用可能な機械的強度を保てなくなる。そこで、本発明のガラス繊維補強材料は、５０μｍ以下の繊維長の含有割合を１０質量％以下とした。このように、機械的強度の低下を招く要因である、５０μｍ以下の繊維長の含有割合を制限することにより、十分な機械的強度を有する熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。なお、５０μｍ以下の繊維長の含有割合は、７質量％以下であることが好ましい。

また、平均繊維長が１００〜２００μｍであっても、繊維長が長いガラス繊維の含有割合が多いと、収縮率の異方性が大きくなり、寸法精度が低下する。そこで、本発明のガラス繊維補強材料は、３００μｍ以上の繊維長の含有割合を２質量％以下とした。収縮率の異方性を大きくし、寸法精度を低下させる要因である、３００μｍ以上の繊維長の含有割合を制限することにより、収縮率の異方性が小さく、寸法精度の高い熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。なお、３００μｍ以上の繊維長の含有割合は、１質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。

なお、平均繊維長は、光学顕微鏡を用いて測定した５００本のガラス繊維の繊維長の相加平均である。また、５０μｍ以下及び３００μｍ以上の繊維長の含有割合は、それぞれ任意に選んだ５００本のガラス繊維の総質量に対する、５０μｍ以下の繊維長、及び３００μｍ以上の繊維長のガラス繊維の総質量の百分率である。

本発明のガラス繊維補強材料は以下の工程により得ることができる。

まず、溶融ガラスを白金製のブッシングの底部に設けられた多数のノズルから引き出すことによって成形数十から数千本のガラス繊維モノフィラメントを得る。次に、ガラス繊維モノフィラメントに、シランカップリング剤、潤滑剤、帯電防止剤、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の被膜形成能を有する樹脂、難燃剤、溶媒等を含むガラス繊維集束剤を、アプリケーターによって塗布し、そして、ガラス繊維モノフィラメントを束ねて、ガラス繊維ストランドを得る。ガラス繊維ストランドは、一旦コレットに巻き取られてケーキとなる。ガラス繊維ストランドはケーキから引き出され、カッターにより切断する。そして、切断されたガラス繊維ストランドを、フレットミル、ジェットミル、ボールミル等の粉砕機によって粉砕し、篩い等により分級することにより、本発明のガラス繊維補強材料が得られる。

次に、本発明の熱可塑性樹脂成形体について説明する。
本発明の熱可塑性樹脂成形体は、本発明のガラス繊維補強材料と、熱可塑性樹脂とを含有するものである。

本発明の熱可塑性樹脂成形体の製造方法は特に限定されるものではないが例えば、以下の方法による溶融混練法を適用することができる。
溶融混練法とは、熱可塑性樹脂及びガラス繊維補強材料を装置に連続的に供給し、混合しながら加熱した混合体を、２軸押し出し機により押し出すことにより熱可塑性樹脂成形体を製造する方法である。

溶融混練法により熱可塑性樹脂成形体を製造する装置は、熱可塑性樹脂及びガラス繊維補強材料を個別に投入する原料投入手段、熱可塑性樹脂を溶融する溶融手段、溶融した熱可塑性樹脂とガラス繊維補強材料とを混合する混合手段、溶融した熱可塑性樹脂とガラス繊維補強材料との混合体を、２軸押し出し機によって押し出す押し出し手段を備える。

熱可塑性樹脂に対するガラス繊維補強材料の混合割合が、熱可塑性樹脂１００質量部に対して、ガラス繊維補強材料１０〜６０質量部であると、熱可塑性樹脂とガラス繊維補強材料を均一に混合することができ、機械的強度の高い熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。

熱可塑性樹脂としては、ポリエステル系樹脂、フェノキシ系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、ポリブタジエン樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ＰＰＥ樹脂、ＰＰＳ樹脂、またはフッ素樹脂等が挙げられる。

本発明の熱可塑性樹脂成形体は、本発明の目的が損なわれない範囲で、各種添加成分、例えば酸化防止剤、核剤、可塑剤、離型剤、難燃剤、顔料、カーボンブラック及び帯電防止剤などの添加剤や、炭素繊維、無機フィラー、合成繊維などの、ガラス繊維補強材料以外の補強材料を適量含有してよい。

以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
まず、Ｅガラスのガラス組成となるように秤量、調合したガラス原料を加熱溶融し、得られた溶融ガラスを、白金製のブッシングに形成された多数のノズルから引き出して平均直径が１０μｍのガラス繊維モノフィラメントを作製した。続けて、シランカップリング剤とウレタンエマルジョンからなるガラス繊維集束剤を、アプリケーターでガラス繊維モノフィラメントに塗布し、４０００本のガラス繊維モノフィラメントを１本のガラス繊維ストランドとして集束させ、コレットに巻き取った。
その後、巻き取られたガラス繊維ストランドを引出し、カッターにより、任意の長さに切断した。そして、切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が１５０μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が８質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が１質量％となるガラス繊維補強材料を得た。
次に、上記のガラス繊維補強材料３０質量％と、液晶ポリマー樹脂ペレット（Ｌ３０４シリーズ、東レ株式会社製）７０質量％を、成形機に供給し、加熱しながらガラス繊維補強材料と液晶ポリマー樹脂ペレットを溶融混合する。そして、得られたガラス繊維補強材料と液晶ポリマー樹脂ペレットの混合体を、射出成形機により試験成形体を作製した。
なお、射出成形機は、図１に示すような金型１に混合体を射出し、金型１は、混合体が充填される立方体の空間Ｓを有しており、射出成形機から流しこまれた混合体が、混合体供給口Ｋから金型１の空間Ｓに供給される。ここで、空間Ｓは、混合体が供給される方向である押し出し方向長さＬが５０ｍｍ、幅方向長さＷが５０ｍｍ、高さ方向長さＨ（図示せず）が５０ｍｍである。

（実施例２）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が１００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が８質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が１質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（実施例３）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が２００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が８質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が１質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（実施例４）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が１５０μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が３質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が１質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（比較例１）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が１５０μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が８質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が３質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（比較例２）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が１００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が１５質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が０質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（比較例３）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が２００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が８質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が３質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（比較例４）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が８０μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が３０質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が０質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（比較例５）
切断したガラス繊維ストランドをフレットミルにより粉砕し、篩いにより分級することで、平均繊維長が２５０μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が２質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が４０質量％となるガラス繊維補強材料を得たこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。

（比較例６）
長さが３ｍｍのチョップドストランドを補強材料として用いたこと以外は、実施例１と同一の条件で試験成形体を作製した。なお、チョップドストランドは、平均繊維長が３０００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が０質量％、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が１００質量％であった。

このようにして作製した試験成形体について、引張強度、アイゾット衝撃強度、押し出し方向と押し出し方向と垂直な方向との収縮率差を測定した。なお、引張強度は、ＡＳＴＭ Ｄ−６３８に準じ、アイゾット衝撃強度は、ＡＳＴＭＤ−２５６に準じて測定した。

収縮率差は、以下のように測定した。
まず、試験成形体における、金型１の押し出し方向長さ、幅方向長さ、高さ方向長さに対応する長さを求める。
そして、金型における押し出し方向長さＬ（５０ｍｍ）に対する、Ｌと試験成形体の押し出し方向長さに対応する長さの差の百分率を、押し出し方向の収縮率Ａとする。
同様に、金型における幅方向長さＷと高さ方向長さＨの平均値Ｘ（５０ｍｍ）に対する、Ｘと、試験成形体の幅方向長さと高さ方向長さに対応する長さの平均値Ｙの差（Ｘ−Ｙ）の百分率を、押し出し方向と垂直な方向の収縮率Ｂとする。
収縮率差は、押し出し方向の収縮率Ａと、押し出し方向と垂直な方向の収縮率Ｂとの差の絶対値（｜Ａ−Ｂ｜）である。収縮率差が小さいほど、収縮率の異方性が小さいことを表す。

実施例及び比較例で得られた評価結果を表１、２に示す。

表１に示すように、実施例１〜４では引張強度が１１７ＭＰａ以上、アイゾット衝撃強度が８３ＭＰａ以上であり、十分な機械的強度を有するとともに、収縮率差が０．７９％以下であり、収縮率の異方性が十分に小さかった。
一方、表２に示すように、比較例１、３、５、６は、収縮率差が０．８５％以上であり、収縮率の異方性が大きかった。また、比較例２、４は引張強度が１１４ＭＰａ以下、アイゾット衝撃強度が８０ＭＰａであり、機械的強度が低かった。

１ 金型
Ｓ 空間
Ｋ 混合体供給口

Claims (2)

1. 平均繊維長が１００〜２００μｍであり、５０μｍ以下の繊維長の含有割合が１０質量％以下、３００μｍ以上の繊維長の含有割合が２質量％以下であることを特徴とするガラス繊維補強材料。
2. 請求項１に記載のガラス繊維補強材料と、熱可塑性樹脂とを含有することを特徴とする熱可塑性樹脂成形体。