JP2016064607A - 繊維強化樹脂成形体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂と強化繊維を混練し、混練物を成形型に充填して繊維強化樹脂成形体を製造する製造方法に関し、物性ばらつきの少ない繊維強化樹脂成形体を製造することのできる繊維強化樹脂成形体の製造方法を提供する。【解決手段】溶融した熱可塑性樹脂と、強化繊維の束ＦＢが開繊されてなる開繊済み強化繊維Ｆ１と、を混練機１０で混練して混練物Ｍを製造し、混練物Ｍを成形型３０内に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造する繊維強化樹脂成形体の製造方法である。【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂と強化繊維を混練し、混練物を成形型に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造する製造方法に関するものである。
樹脂に強化繊維が混入されてなる繊維強化樹脂成形体（繊維強化プラスチック（FRP））は、軽量かつ高強度であることから、自動車産業や建設産業、航空産業など、様々な産業分野で使用されている。
たとえば自動車産業においては、ピラーやロッカー、床下フロアなどの車両の骨格構造部材や、フードパネルなどの意匠性が要求される非構造部材に上記繊維強化樹脂成形体が適用され、車両の強度保証を図りながらその軽量化を実現し、低燃費で環境フレンドリーな車両を製造する試みがおこなわれている。
上記する繊維強化樹脂成形体の製造方法は多岐に亘るが、その一つの方法として、二軸押出機等の混練機を使用して、樹脂ペレットを混練機の樹脂溶融ゾーンに投入して樹脂を溶融させて押出し、強化繊維の束を混練機の混練ゾーンに投入して溶融樹脂と混練して混練物を製造し、製造された混練物を成形型に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造する方法がある。
混練機に投入される強化繊維としてはカーボンファイバーやガラスファイバーなどが挙げられるが、取扱い性、製造効率の観点から、12K(12000本)、24K(24000本)、50K(50000本)といった本数の各繊維（モノフィラメント）が集束剤で束状にされたロービングがそのままの状態で混練機に投入され、混練機にて切断され、溶融樹脂と混練されて混練物が製造されるのが一般的である。
ここで、特許文献１においても、二軸押出機に樹脂（熱可塑性樹脂）と強化繊維のロービングを投入し、二軸押出機のスクリューの回転によって強化繊維を切断しながら熱可塑性樹脂と混練して混練物を製造する繊維強化樹脂の製造装置が開示されている。
このように束状の強化繊維を混練機に投入して繊維強化樹脂成形体用の混練物を製造することにより、取扱い容易な強化繊維に何らの加工も施さないことから製造効率は向上する。しかしながら、強化繊維が束状になっているために束の内側と外側で混練機から受ける外力が大きく異なり、その結果、混練機にて折損された強化繊維の繊維長に幅広い分布が生じ、たとえば、繊維長が1mm以下のものから25mm以上のものまでの大きな繊維長分布が生じてしまう。繊維長に大きな分布のある混練物から成形された繊維強化樹脂成形体は、物性ばらつきを有し、強度分布のある低品質な成形体となってしまう。
米国特許第６７７６５９６号明細書
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、樹脂と強化繊維を混練し、混練物を成形型に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造する製造方法に関し、物性ばらつきの少ない繊維強化樹脂成形体を製造することのできる繊維強化樹脂成形体の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法は、溶融した熱可塑性樹脂と、強化繊維の束が開繊されてなる開繊済み強化繊維と、を混練機で混練して混練物を製造し、該混練物を成形型内に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造するものである。
本発明の製造方法は、強化繊維の束、すなわち強化繊維のロービングを混練機に投入する代わりに、この強化繊維の束を開繊し、開繊済み強化繊維を混練機に投入して混練物を製造するものであり、混練機に開繊済み強化繊維を投入することにより、それぞれの繊維に作用する混練機からの外力（切断力）が可及的に均一になり、このことによって切断後の各繊維の長さが可及的に均一になる。したがって混入される繊維の繊維長分布が少ない混練物を得ることができ、物性ばらつきの少ない繊維強化樹脂成形体を製造することができるものである。なお、「開繊」とは、強化繊維束を連続して幅広く薄い状態にする工程である。開繊によって厚み方向の繊維本数が少なくなるため、繊維束内への樹脂の含浸が容易かつ均一になる。
ここで、混練機としては、スクリューを内蔵した二軸式の混練機（混練押出機）などが適用できる。
また、強化繊維の束の開繊方法としては種々の方法があり、丸棒で繊維束をしごく方法や、水流や高圧空気流を当てて各繊維をばらけさせる方法、超音波振動で加振してばらけさせる方法等があるが、開繊ローラを備えた開繊装置を適用するのが製作効率の観点、開繊幅や開繊厚に関する高精度な制御の観点から好ましい。
また、適用する熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂やナイロン(PA)等の結晶性プラスチック、ポリカーボネート(PC)や熱可塑性エポキシ等の非結晶性プラスチックなどを挙げることができる。
さらに、適用される強化繊維としては、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、セラミック繊維、金属繊維、有機繊維のいずれか一種からなる単一素材繊維、もしくはこれらのうちの二種以上からなる混合素材繊維が挙げられる。
混練物を成形する成形方法としては、プレス成形、射出成形、射出圧縮成形など、多様な成形方法が適用できる。したがって、「混練物を成形型内に載置もしくは充填して」に関し、混練物をプレス成形する場合は混練物を成形型内に載置することになり、混練物を射出成型等する場合は混練物を成形型内に充填することになる。
また、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法の好ましい実施の形態は、開繊済み強化繊維をさらに切断して切断済み強化繊維を製作し、該切断済み強化繊維を混練機に投入して混練物を製造するものである。
開繊済み強化繊維をさらに切断して切断済み強化繊維を製作し、この切断済み強化繊維を混練機に投入することにより、繊維長分布をより一層低減することができ、繊維長分布のない混練物を製造することも可能になる。
また、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法の好ましい実施の形態は、混練機には上流側に位置して熱可塑性樹脂を投入する樹脂投入口と、該樹脂投入口の下流側に位置して強化繊維を投入する繊維投入口と、混練物が押し出される押出口と、が備えてあり、少なくとも樹脂投入口と繊維投入口の間に溶融した熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスを脱気する脱気口が設けられているものである。
開繊され、さらに切断された強化繊維（たとえばカーボンファイバー）は、その直径が6〜7μm程度とごく細になり得ることから、熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスの気流によって、繊維投入口への切断済み強化繊維の提供が阻害される惧れがある。
そこで、樹脂投入口と繊維投入口の間に溶融した熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスを脱気する脱気口を設けておくことにより、脱気口の下流側にある繊維投入口に対して切断済み強化繊維を効果的に提供することができる。
ここで、「少なくとも樹脂投入口と繊維投入口の間に溶融した熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスを脱気する脱気口が設けられている」とは、樹脂投入口と繊維投入口の間に脱気口が設けられている形態のほかに、たとえば繊維投入口の下流側にも脱気口が設けられている形態などを包含する意味である。
さらに、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法の好ましい実施の形態は、繊維投入口への切断済み強化繊維の投入を支援する投入支援機構として、混練機に吸引部が設けられている、もしくは、繊維投入口の近傍において繊維投入口側への気流を生成する気流生成部が設けられているものである。
少なくとも繊維投入口の上流側に脱気口を設けておくことによって、熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスの気流による切断済み強化繊維の投入阻害は解消されるが、本実施の形態では、繊維投入口への切断済み強化繊維を支援するべく、混練機もしくはその近傍に投入支援機構を設けておくものである。
投入支援機構の実施の形態としては、混練機の繊維投入口付近に吸引部を設けておき、この吸引部にて切断済み強化繊維を吸引して繊維投入口に切断済み強化繊維を導入する形態が挙げられる。また、他の形態として、繊維投入口の近傍に送風機等の気流生成部を設けておき、気流生成部で生成された気流によって繊維投入口に切断済み強化繊維を導入する形態を挙げることができる。
以上の説明から理解できるように、本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法によれば、混練機に開繊済み強化繊維を投入して混練物を製造し、この混練物を成形型内に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造することにより、混練機に投入された開繊済み強化繊維に作用する混練機からの外力（切断力）が開繊済み強化繊維の全域で可及的に均一になり、このことによって切断後の各繊維の長さが可及的に均一になり、混入される繊維の繊維長分布が少ない混練物を得ることができ、物性ばらつきの少ない繊維強化樹脂成形体を製造することができる。
強化繊維の束を開繊し、開繊済み強化繊維を製作している状況を説明した模式図である。 （ａ）、（ｂ）の順に、開繊済み強化繊維を使用する本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態１を説明した模式図である。 （ａ）、（ｂ）の順に、切断済み強化繊維を使用する本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態２を説明した模式図である。 従来の製造方法によって得られた繊維強化樹脂成形体から採取された強化繊維の写真図である。 本発明の製造方法によって得られた繊維強化樹脂成形体から採取された強化繊維の写真図である。 （ａ）は曲げ試験片の切り出し部位を説明した写真図であり、（ｂ）は曲げ試験による各試験片の曲げ強度を示すとともに実施例および比較例における各試験片の曲げ強度における標準偏差を示す図であり、（ｃ）は曲げ試験による各試験片の曲げ弾性率を示すとともに実施例および比較例における各試験片の曲げ弾性率における標準偏差を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態１，２を説明する。なお、図示する製造方法では、成形機としてプレス成形機を適用しているが、混練物の成形は、プレス成形以外にも、射出成形や射出圧縮成形を適用することもでき、これらの成形方法を適用する際にはそれぞれの成形方法に適した成形機（成形装置）が適用されることになる。また、図示する製造方法では、混練機から押し出された混練物をロボットハンドで成形機に搬送する形態を示しているが、混練機と成形機を繋ぐ搬送ローラで混練物を搬送する形態や、人手で搬送する形態などであってもよいことは勿論のことである。
（繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態１）
図１は強化繊維の束を開繊し、開繊済み強化繊維を製作している状況を説明した模式図であり、図２（ａ）、図２（ｂ）はその順に、開繊済み強化繊維を使用する本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態１を説明した模式図である。
まず、図１で示すように、強化繊維の束ＦＢを不図示の開繊装置を適用して開繊し、所定の開繊幅および開繊厚を有する開繊済み強化繊維Ｆ１を製作する。
ここで、適用する強化繊維としては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維（PAN系、ピッチ系の双方が適用可能）、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種からなる単一素材繊維、もしくはこれらのうちの二種以上からなる混合素材繊維が挙げられる。
次に、図２（ａ）で示す混練機１０を適用して熱可塑性樹脂と強化繊維の混練物Ｍを製造する。
図示する混練機１０は、本体１１の内部にスクリュー１２が内蔵され、最上流側に樹脂投入口１３（ホッパー）が備えてあり、最下流側に押出口１４が備えてある。
樹脂投入口１３の下流側には溶融した熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスを脱気する二つの脱気口１６，１７が設けてあり（それぞれの脱気方向Ｙ１，Ｙ２）、脱気口１６，１７の間に繊維投入口１５が設けてある。
樹脂投入口１３には、熱可塑性樹脂の樹脂ペレットＪが投入される（Ｘ１方向）。
ここで、適用される熱可塑性樹脂としては、結晶性プラスチック、非結晶性プラスチックのいずれを適用してもよく、結晶性プラスチックとしては、ポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）、ナイロン（PA：ナイロン6、ナイロン66など）、ポリアセタール（POM）、ポリエチレンテレフタレート（PET）などを挙げることができ、非結晶性プラスチックとしては、ポリスチレン（PS）、ポリカーボネート(PC)、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、ABS樹脂、熱可塑性エポキシなどを挙げることができる。
樹脂投入口１３から投入された樹脂ペレットＪは、本体１１内で加熱溶融され、スクリュー１２にて混練されて下流側へ運ばれる（Ｚ方向）。
溶融した熱可塑性樹脂からは既述するように揮発ガスが発生するが、この揮発ガスは脱気口１６，１７から排気されるため（Ｙ１方向、Ｙ２方向）、この揮発ガスの上昇気流によって繊維投入口１５への開繊済み強化繊維Ｆ１の提供が阻害されるといった問題は生じない。
繊維投入口１５から投入された（Ｘ２方向）開繊済み強化繊維Ｆ１はスクリュー１２にて切断され、溶融した熱可塑性樹脂と混練されて押出口１４へ押し出され、押出口１４を介して混練物Ｍが製造される。
次に、図２ｂで示すように、押し出された混練物Ｍは、混練機１０の押出口１４の側方に配設されたロボットハンド２０にて把持され、ロボットハンド２０の側方に配設された成形機３０に搬送される（Ｗ１方向）。
成形機３０はプレス成型機であり、構成部材である下型３２に混練物Ｍを載置し、パンチ３１を押し込んで（Ｗ２方向）混練物Ｍをプレスすることにより、所望形状の繊維強化樹脂成形体が製造される。
図示する実施の形態１の製造方法によれば、混練機１０に開繊済み強化繊維Ｆ１を投入して混練物Ｍを製造し、この混練物Ｍを成形機３０内に載置して繊維強化樹脂成形体を製造することにより、混練機１０に投入された開繊済み強化繊維Ｆ１に作用する混練機１０からの外力（切断力）が強化繊維全域で可及的に均一になり、このことによって切断後の各繊維の長さが可及的に均一になり、混入される繊維の繊維長分布が小さい混練物Ｍを得ることができる。そのため、物性ばらつきが少なく、品質に優れた繊維強化樹脂成形体を製造することができる。
（繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態２）
図３（ａ）、図３（ｂ）はその順に、切断済み強化繊維を使用する本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態２を説明した模式図である。
実施の形態２にかかる製造方法では、混練機１０の繊維投入口１５の上方において、強化繊維の投入支援機構である、ファンから構成された気流生成機５０が配設されている。さらに、気流生成機５０の上方において、開繊済み強化繊維Ｆ１を切断する切断機４０が配設されている。
回転する（Ｘ３方向）切断機４０に開繊済み強化繊維Ｆ１を通すことにより（Ｘ４方向）、繊維長が可及的均一に揃った切断済み強化繊維Ｆ２が製作される。そして、製作された切断済み強化繊維Ｆ２は繊維投入口１５側へ落下する。
一方、切断機４０の下方には、切断済み強化繊維Ｆ２を繊維投入口１５へ導入するのを支援する投入支援機構として、ファンから構成された気流生成機５０が配設されており、気流生成機５０の回転によって（Ｘ５方向）繊維投入口１５側へ向かう気流を生成し、この気流によって切断済み強化繊維Ｆ２を繊維投入口１５に効果的に導入することができる（Ｘ６方向）。
このように、開繊済み強化繊維Ｆ１をさらに切断して切断済み強化繊維Ｆ２を製作し、この切断済み強化繊維Ｆ２を混練機１０に投入することにより、繊維長分布をより一層低減することができ、繊維長分布のない混練物Ｍを製造することが可能になる。
製造された混練物Ｍは実施の形態１にかかる製造方法と同様、ロボットハンド２０にて成形機３０に搬送され、ここでプレス成形が実施されて繊維強化樹脂成形体が製造される。
図示する実施の形態２の製造方法によれば、開繊済み強化繊維Ｆ１をさらに切断して繊維長が揃った切断済み強化繊維Ｆ２が混練機１０に投入されて混練物Ｍが製造され、この混練物Ｍにて繊維強化樹脂成形体が製造されることから、実施の形態１にかかる製造方法よりもさらに物性ばらつきが少なく、より一層品質に優れた繊維強化樹脂成形体を製造することができる。
（試作された繊維強化樹脂成形体における強化繊維の繊維長分布に関する実験、および、曲げ強度に関する実験とそれらの結果）
本発明者等は、従来の製造方法（比較例）と本発明の製造方法（実施例）にてそれぞれ繊維強化樹脂成形体を製作し、それぞれの製造方法で製作された繊維強化樹脂成形体から強化繊維を取り出し、繊維長ごとの質量%を測定して双方の繊維長分布の相違を検証した。さらに、実施例と比較例によって製造された繊維強化樹脂成形体から複数の試験片を切り出し、曲げ試験を実施して各試験片の曲げ強度と曲げ弾性率を測定するとともに、標準偏差を求め、強度ばらつきの相違を検証した。
ここで、「従来の製造方法」とは、強化繊維の束を開繊することなく混練機に投入し、溶融した熱可塑性樹脂と混練して混練物を製造し、製造された混練物をプレス成形して繊維強化樹脂成形体を製造する方法であり、「本発明の製造方法」とは、強化繊維の束を開繊して開繊済み強化繊維を製作し、開繊済み強化繊維を混練機に投入し、溶融した熱可塑性樹脂と混練して混練物を製造し、製造された混練物をプレス成形して繊維強化樹脂成形体を製造する方法である。
図４、図５はそれぞれ、従来の製造方法、本発明の製造方法によって得られた繊維強化樹脂成形体から採取された強化繊維の写真図である。
図４より、従来の製造方法で製造された繊維強化樹脂成形体における強化繊維においては、5mm未満の強化繊維や25mmを超える強化繊維があるなど、大きな繊維長分布があることが分かる。
これに対し、図５より、本発明の製造方法で製造された繊維強化樹脂成形体における強化繊維においては、5mm未満の強化繊維や25mmを超える強化繊維は存在せず、95質量%以上は5〜10mmの繊維長の強化繊維となっており、繊維長分布が極めて小さいことが分かる。
また、図６（ａ）は曲げ試験片の切り出し部位を説明した写真図であり、図６（ｂ）は曲げ試験による各試験片の曲げ強度を示すとともに実施例および比較例における各試験片の曲げ強度における標準偏差を示す図であり、図６（ｃ）は曲げ試験による各試験片の曲げ弾性率を示すとともに実施例および比較例における各試験片の曲げ弾性率における標準偏差を示す図である。
ここで、試作された繊維強化樹脂成形体に関し、熱可塑性樹脂にはPA6を適用し、カーボンファイバーからなる強化繊維を適用している。比較例にかかる試験片は、未開繊の強化繊維の束（サイズが50K(50000本/束)）を適用し、平板(400mm×400mm×厚さ4mm)の繊維強化樹脂成形体から、長さ80mm、幅15mmの試験片を比較例、実施例ともにそれぞれ7本ずつ切り出し、曲げ強度を評価した。
図６（ｂ）、図６（ｃ）より、比較例の試験片に比して、実施例の試験片の曲げ強度、曲げ弾性率はいずれも増加しており、さらに、曲げ強度と曲げ弾性率の標準偏差はいずれも大きく低減しており（曲げ試験では60%程度、曲げ弾性率では40%程度）、強度ばらつきが大きく低減していることが分かる。
このように強度が増加し、かつ強度ばらつきが低下している理由は、強化繊維の束を開繊してなる開繊済み強化繊維と熱可塑性樹脂を混練して繊維強化樹脂成形体を製造したことに依拠しているものと考えられる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１０…混練機（二軸押出機）、１１…本体、１２…スクリュー、１３…樹脂投入口（ホッパー）、１４…押出口、１５…繊維投入口、１６，１７…脱気口、２０…ロボットハンド、３０…成形機（成形型）、３１…パンチ、３２…下型、４０…切断機、５０…気流生成機（投入支援機構、気流生成部、ファン）、ＦＢ…強化繊維の束、Ｆ１…開繊済み強化繊維、Ｆ２…切断済み強化繊維、Ｊ…樹脂ペレット、Ｍ…混練物

Claims (4)

  1. 溶融した熱可塑性樹脂と、強化繊維の束が開繊されてなる開繊済み強化繊維と、を混練機で混練して混練物を製造し、該混練物を成形型内に載置もしくは充填して繊維強化樹脂成形体を製造する繊維強化樹脂成形体の製造方法。
  2. 開繊済み強化繊維をさらに切断して切断済み強化繊維を製作し、該切断済み強化繊維を混練機に投入して混練物を製造する請求項１に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
  3. 混練機には上流側に位置して熱可塑性樹脂を投入する樹脂投入口と、該樹脂投入口の下流側に位置して強化繊維を投入する繊維投入口と、混練物が押し出される押出口と、が備えてあり、
    少なくとも樹脂投入口と繊維投入口の間に溶融した熱可塑性樹脂から生じる揮発ガスを脱気する脱気口が設けられている請求項２に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
  4. 繊維投入口への切断済み強化繊維の投入を支援する投入支援機構として、混練機に吸引部が設けられている、もしくは、繊維投入口の近傍において繊維投入口側への気流を生成する気流生成部が設けられている請求項２または３に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
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