JP2017007266A - Pultrusion manufacturing equipment of fiber-reinforced polyamide composite material, and pultrusion manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置及び引抜製造方法に関する。 The present invention relates to a drawing manufacturing apparatus and a drawing manufacturing method for a fiber-reinforced polyamide composite material.
熱硬化性樹脂の繊維強化プラスチック(FRP)材の連続製造方法として、例えば、特許文献1に開示されているような引抜成形法が知られている。常温で液体状態であって粘度が高くない未硬化の熱硬化性樹脂を用いているので、繊維に含浸し易く、容易に連続成形することが可能である。
一方、熱可塑性樹脂の繊維強化プラスチック(FRP)材の連続製造方法として、特許文献2では、重合性ラクタム混合液に炭素繊維等からなる強化材料を含浸させ、除さい装置により過剰なマトリックス材料を掬い取った後、加熱装置を通過させることにより加熱して重合させる、繊維強化複合材料の引抜成形法が開示されている。
As a continuous manufacturing method of a fiber reinforced plastic (FRP) material of a thermosetting resin, for example, a pultrusion method disclosed in
On the other hand, as a continuous production method of a fiber reinforced plastic (FRP) material of a thermoplastic resin, in Patent Document 2, a polymerizable lactam mixed liquid is impregnated with a reinforcing material made of carbon fiber or the like, and an excess matrix material is removed by a removing device. A pultrusion method of a fiber reinforced composite material is disclosed in which after scooping and heating and polymerizing by passing through a heating device.
ところが、特許文献2に開示された繊維強化複合材料の引抜成形法では、繊維との含浸も不十分となり易く、加熱装置で重合した樹脂が高粘性となって詰まり易く、安定した連続成形が難しかった。 However, in the fiber reinforced composite material pultrusion method disclosed in Patent Document 2, the impregnation with the fibers tends to be insufficient, the resin polymerized by the heating device becomes highly viscous and easily clogged, and stable continuous molding is difficult. It was.
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、安定的な連続製造が可能な繊維強化熱可塑性ポリアミド複合材料の引抜製造装置及び引抜製造方法を提供する。 This invention is made | formed in view of the said situation, and provides the drawing manufacturing apparatus and drawing manufacturing method of the fiber reinforced thermoplastic polyamide composite material in which stable continuous manufacture is possible.
発明者らは、重合性ラクタム混合液を繊維強化材料に含浸させ、重合させて繊維強化複合材料を製造するに際して、該重合性ラクタム混合液の収容タンクの底部に排出部及び排出制御部を設けるまたは、強化繊維はそのままの状態で保持し、収容タンクだけを90度以上に傾けて排出することにより、安定的な連続製造が可能となることを見出し、本発明を完成した。 The inventors provide a discharge unit and a discharge control unit at the bottom of the storage tank of the polymerizable lactam mixed liquid when the fiber reinforced material is impregnated into the fiber reinforced material and polymerized to produce a fiber reinforced composite material. Alternatively, the present inventors have found that stable continuous production becomes possible by holding the reinforcing fibers as they are and tilting and discharging only the storage tank at 90 degrees or more, thereby completing the present invention.
すなわち、本発明は、ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒を混合する混合器と、該混合器で得られた重合性ラクタム混合液を繊維材料に含浸させ、重合させる収容タンクと、該収容タンクから導かれる繊維強化複合材料を連続的に引き抜く引抜装置と、を備え、前記収容タンクの底部に、排出部及び排出制御部が設けられているまたは、収容タンクを傾けて排出する機構が設けられていることを特徴とする繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置を提供する。 That is, the present invention comprises a mixer for mixing a lactam monomer, an activator and a polymerization catalyst, a storage tank for impregnating a polymerizable lactam mixture obtained in the mixer into a fiber material and polymerizing the mixture, and the storage tank. A drawing device that continuously pulls out the fiber-reinforced composite material to be guided, and a discharge unit and a discharge control unit are provided at the bottom of the storage tank, or a mechanism for tilting and discharging the storage tank is provided. An apparatus for drawing and manufacturing a fiber-reinforced polyamide composite material is provided.
本発明の引抜製造装置においては、前記混合器が、ラクタムモノマー及び活性剤の混合液Aと、ラクタムモノマー及び重合触媒の混合液Bと、を混合することが好ましい。 In the drawing production apparatus of the present invention, it is preferable that the mixer mixes a mixture A of lactam monomer and activator and a mixture B of lactam monomer and polymerization catalyst.
本発明の引抜製造装置においては、前記混合器及び前記収容タンクが、不活性ガス雰囲気下又は真空中にて運転できるように筐体で覆われていることが好ましい。 In the drawing manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the mixer and the storage tank are covered with a casing so as to be operated in an inert gas atmosphere or in a vacuum.
本発明の引抜製造装置においては、前記繊維材料を前記収容タンク中の前記重合性ラクタム混合液に潜らせる部材を備えることが好ましい。 In the drawing manufacturing apparatus of this invention, it is preferable to provide the member which makes the said fiber material immerse in the said polymeric lactam liquid mixture in the said storage tank.
また、本発明は、ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒を混合して得られた重合性ラクタム混合液を収容タンクに注ぎ、該収容タンク中で該重合性ラクタム混合液を繊維材料に含浸させ、該収容タンクから導かれる繊維強化複合材料を連続的に引き抜く際において、前記収容タンクの底部に設けられている排出部から、前記ラクタムモノマーの余剰重合体を排出する、または、前記収容タンクを傾けることにより余剰重合体を排出することを特徴とする繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造方法を提供する。 Further, the present invention is a method of pouring a polymerizable lactam mixture obtained by mixing a lactam monomer, an activator and a polymerization catalyst into a storage tank, impregnating the polymerizable lactam mixture into a fiber material in the storage tank, When the fiber-reinforced composite material guided from the storage tank is continuously pulled out, the excess polymer of the lactam monomer is discharged from the discharge portion provided at the bottom of the storage tank, or the storage tank is tilted. A method for drawing out a fiber-reinforced polyamide composite material, characterized in that the excess polymer is discharged by the above.
本発明の引抜製造方法においては、前記重合性ラクタム混合液が、ラクタムモノマー及び活性剤の混合液Aと、ラクタムモノマー及び重合触媒の混合液Bと、を混合して得られたものであることが好ましい。 In the drawing production method of the present invention, the polymerizable lactam mixture is obtained by mixing the lactam monomer and activator mixture A and the lactam monomer and polymerization catalyst mixture B. Is preferred.
本発明の引抜製造装置及び引抜製造方法により、繊維強化ポリアミド複合材料の安定的な連続製造が可能となる。 The drawing production apparatus and the drawing production method of the present invention enable stable continuous production of a fiber-reinforced polyamide composite material.
以下、本発明に係る繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置及び引抜製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上実際の引抜製造装置とは異ならせて示している場合がある。また、以下の説明において例示される材料、条件等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, a drawing manufacturing apparatus and a drawing manufacturing method of a fiber reinforced polyamide composite material according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The drawings used in the following description may be shown differently from an actual drawing manufacturing apparatus for the sake of convenience in order to make the characteristics easy to understand. In addition, the materials, conditions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not necessarily limited thereto, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention. .
本発明の一実施形態として、図1に示す繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置1は、ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒を混合する混合器10と、混合器10で得られた重合性ラクタム混合液15を繊維材料30に含浸させ、重合させる収容タンク20と、収容タンク20から導かれる繊維強化複合材料31を連続的に引き抜く引抜装置40と、を備え、収容タンク20の底部に、排出部21及び排出制御部22が設けられている。
As one embodiment of the present invention, a fiber reinforced polyamide composite drawing and producing
また、本発明に係る繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造方法は、図1に示す引抜製造装置1により実現することができ、ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒を混合して得られた重合性ラクタム混合液15を、収容タンク20に注ぎ、収容タンク20中で重合性ラクタム混合液15を繊維材料30に含浸させ、収容タンク20から導かれる繊維強化ポリアミド複合材料31を連続的に引き抜く際において、収容タンク20の底部に設けられている排出部21から、前記ラクタムモノマーの余剰重合体を排出する、あるいは強化材料30はそのままの状態で保持し、収容タンク20を90度以上傾ける機構により余剰重合体を排出する。
Moreover, the drawing manufacturing method of the fiber reinforced polyamide composite material according to the present invention can be realized by the
ラクタムモノマーとしては、γ−ブチロラクタム(融点:25℃)、δ−バレロラクタム(融点:−13℃)、ε−カプロラクタム(融点:68℃)などが挙げられる。
活性剤としては、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソシアネートとブロックトイソシアネート;イソフタロイルビスカプロラクタム、テトラフタロイルビス−カプロラクタム;ジメチルフタレート−ポリエチレングリコールのようなエステル;ビス酸塩化物と組合せたポリオール又はポリジエンのプレポリマー;ホスゲンをカプロラクタムと反応させて得たカルボニルビスカプロラクタムなどが挙げられる。
重合触媒としては、カプロラクタムのアルカリ金属アダクト、例えばナトリウムカプロラクタメート、カリウムカプロラクタメート及びリチウムカプロラクタメート;臭化マグネシウムを付加したアルミニウム又はマグネシウムカプロラクタム;アルコキシドなどが挙げられる。
Examples of the lactam monomer include γ-butyrolactam (melting point: 25 ° C.), δ-valerolactam (melting point: −13 ° C.), ε-caprolactam (melting point: 68 ° C.), and the like.
Activators include hexamethylene diisocyanate, isocyanate and blocked isocyanate; isophthaloyl biscaprolactam, tetraphthaloyl bis-caprolactam; esters such as dimethylphthalate-polyethylene glycol; polyol or polydiene pre-combination in combination with bisacid chloride. Polymer: Carbonyl biscaprolactam obtained by reacting phosgene with caprolactam, etc. are mentioned.
Examples of the polymerization catalyst include caprolactam alkali metal adducts such as sodium caprolactamate, potassium caprolactamate and lithium caprolactamate; aluminum added with magnesium bromide or magnesium caprolactam; alkoxide and the like.
ここで、混合器10は、ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒を混合するが、撹拌羽による撹拌混合であってもよく、スタティックミキサーに配置したミキシングヘッドで撹拌混合させるものであってもよい。
Here, although the
また、繊維材料としては、ガラス、炭素、金属、燐酸塩、セラミック又は重合体の繊維であってよく、そして重合性ラクタム混合液成分の繊維材料への結合を促進する糊又は塗料を含有してもよい。また、繊維材料の形態として、フィラメント、ファイバー、ストランド、編織マット、不織マット、その他の形態で使用することができる。 In addition, the fiber material may be glass, carbon, metal, phosphate, ceramic or polymer fiber, and contains a paste or paint that promotes bonding of the polymerizable lactam mixture component to the fiber material. Also good. Further, the fiber material can be used in the form of filament, fiber, strand, woven mat, non-woven mat, and other forms.
混合器10は、ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒を直接混合するものであってもよいが、図1に示すように、混合タンク11にて調製されたラクタムモノマー及び活性剤の混合液Aと、混合タンク12にて調製されたラクタムモノマー及び重合触媒の混合液Bと、を混合するものであってもよい。
The
ラクタムモノマーが、常温で固体である場合、融点以上の温度に加熱溶融して混合する。ラクタムモノマー、活性剤及び重合触媒が溶融混合すると重合が始まってしまい、混合器10で過度に重合して粘度が高くなってしまうと、収容タンク20に送液された後、繊維材料30へ均質に満遍なく含浸させることが難しくなってしまう。ラクタムモノマー及び活性剤の混合液Aの活性剤濃度、ラクタムモノマー及び重合触媒の混合液Bの重合触媒濃度、混合器10の温度等の条件を適切に制御することにより、重合性ラクタム混合液15を繊維材料30へ均質に満遍なく含浸させることが可能となる。
When the lactam monomer is solid at room temperature, it is heated and melted to a temperature equal to or higher than the melting point and mixed. When the lactam monomer, the activator and the polymerization catalyst are melt-mixed, the polymerization starts, and when the viscosity is increased due to excessive polymerization in the
好適なラクタムモノマー及び活性剤の混合液Aの活性剤濃度は、0.1〜50質量%であり、より好ましくは、0.5〜30質量%である。
好適なラクタムモノマー及び重合触媒の混合液Bの重合触媒濃度は、0.1〜50質量%であり、より好ましくは、0.5〜30質量%である。
好適な混合器10の温度は、70〜120℃である。
The active agent concentration of a suitable mixture A of lactam monomer and active agent is 0.1 to 50% by mass, more preferably 0.5 to 30% by mass.
The polymerization catalyst concentration of a suitable mixture B of lactam monomer and polymerization catalyst is 0.1 to 50% by mass, more preferably 0.5 to 30% by mass.
A
収容タンク20中に混合器10で得られた重合性ラクタム混合液15を、送液ポンプにより送液する。そして、収容タンク20において、混合器10で得られた重合性ラクタム混合液15を繊維材料30に含浸させ、重合を開始させる。
The polymerizable lactam
ここで、繊維材料30を収容タンク20中の重合性ラクタム混合液15に潜らせる際には、繊維材料30を重合性ラクタム混合液15に垂れ下げるようにして引いてもよいし、図1に示すように、収容タンク20が、繊維材料30を収容タンク20中の重合性ラクタム混合液15に強制的に潜らせる部材32を備えてもよい。部材32としては、重合性ラクタム混合液15に浸されるローラや、棒材であってもよく、収容タンクの蓋の部分を重合性ラクタム混合液15に浸されるように突起状に加工したものでもよい。
Here, when the
収容タンク20の底部には、含浸されなかった余分なナイロン重合体を排出槽23に排出する排出部21及び排出制御部22が設けられている。あるいは、強化材料30はそのままで収容タンク20を90度以上傾けて、余剰重合体を排出する機構を有していてもよい。排出部21及び排出制御部22として、排出ポンプ21及び排出制御装置22を備えてもよく、単なる排出口22及び排出弁22であってもよい。収容タンク20の底部に排出部21及び排出制御部22が設けられていることにより、過剰に重合したナイロン重合体が引抜装置40に導かれるまでに詰まってしまうことを防止することができる。また、常に、収容タンク20中の重合性ラクタム混合液15を新鮮なものに保持して、繊維材料30へ均質に満遍なく含浸させることが可能となる。また、収容タンク20を傾けた場合に繊維材料30が動かないようにする機構を有していてもよい。
At the bottom of the
特許文献2に開示された装置では、除さい装置により過剰なマトリックス材料を掬い取っているが、掬い取られるマトリックス材料は比較的未反応で粘性の小さなものである。そのため、過剰に重合してしまったマトリックス材料が加熱装置・引抜装置に送り込まれ、詰まりを生じやすい。本発明に係る繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置1では、収容タンク20の底部に排出部21及び排出制御部22が設けられている、または、収容タンクを傾けることで余剰重合体を排出することにより、繊維強化ポリアミド複合材料の安定的な連続製造が可能となる。
In the device disclosed in Patent Document 2, excess matrix material is scooped up by a scrubber, but the scavenged matrix material is relatively unreacted and has a low viscosity. Therefore, the matrix material that has been excessively polymerized is sent to the heating device / pulling-out device and is likely to be clogged. In the fiber reinforced polyamide composite material drawing and
図1に示す繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置1において、混合器10及び収容タンク20は、不活性ガス雰囲気下又は真空中にて運転できるように図示しない筐体で覆われており、乾燥窒素ガスを送り込むことのできるガス吸入口及びガス排出口が設けられている。更に、筐体内はシリカゲル、塩化カルシウム等の乾燥剤・除湿剤を設けることができるようになっている。混合器10及び収容タンク20が、筐体で覆われていることにより、不活性ガス雰囲気下又は真空中にて運転でき、重合時に空気中の水分の影響を取り除くことができる。
In the fiber reinforced polyamide composite material
図1に示す引抜製造装置1により、繊維強化ポリアミド複合材料の安定的な連続製造が可能となり、板材やチャンネル材、丸棒材、ストランド材等への連続成形も可能となり、ストランド材に成形した後切断することによりペレット材への成形や薄板状に成形し積層後に加熱圧縮成形することも可能となる。このように引抜製造装置1により、連続成形された繊維強化ポリアミド複合材料は中間材料として各種の軽量構造の部材に応用が可能となる。
The drawing
以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
図1に示す引抜製造装置1を用いて、繊維強化ポリアミド複合材料の連続引抜製造を行った。引抜製造装置1のうち、混合器10及び収容タンク20は、図示しない透明筐体で覆われており、乾燥窒素ガス雰囲気下で除湿されている。
混合タンク11にて、加熱溶融させたε−カプロラクタム及び活性剤ヘキサメチレンジイソシアネートを混合して活性剤濃度2質量%の混合液Aを調製し、混合タンク12にて、加熱溶融させたε−カプロラクタムモノマー及び重合触媒ε‐カプロラクタム・ナトリウム塩を混合して重合触媒濃度16質量%の混合液Bを調製した。混合タンク11及び混合タンク12並びに供給ラインの温度は69℃以上に維持して、ε‐カプロラクタムモノマーを溶融状態に保った。
[Example 1]
Using the drawing
In the
次いで、溶融した2種類の混合液A及び混合液Bを、送液ポンプにて、それぞれ、10〜30g/minにて混合器10に送液し、これらを撹拌混合して重合性ラクタム混合液15を調製し、収容タンク20に注いだ。ここで、混合器10の温度は融点以上、収容タンク20の温度も融点以上であり、混合器10及び収容タンク20にて重合が開始しているが、重合が進みすぎないように、温度管理、及び送液流速度管理が重要である。
繊維材料30として、例えばガラスロービング(日東紡(株)製 RS230 QR−483)を使用し、5〜50cm/minにて収容タンク20中の重合性ラクタム混合液15中に潜らせて、浸漬させた。
Next, the two types of molten mixture A and mixture B are fed to the
For example, glass roving (RS230 QR-483 manufactured by Nittobo Co., Ltd.) is used as the
混合器10及び収容タンク20にて予備重合され、繊維材料30に含浸された重合性ラクタム混合液15が、更に、重合用金型を備えた加熱装置50にて重合され、繊維強化ポリアミド複合材料31となる。加熱装置50での加熱温度は140〜200℃である。ガラス繊維の熱伝導率が低いため重合用金型内に熱電対を挿入し、実際の温度を測定した。
繊維強化ポリアミド複合材料31は、加熱装置50を経て引抜装置40により引き抜かれる。加熱装置50は温度制御可能な重合用金型を備えており、繊維強化ポリアミド複合材料31を連続的に成形可能となっている。
The
The fiber reinforced
ここで、収容タンク20内では、重合性ラクタム混合液が適度に重合し、かつ、繊維材料30を潜らせることにより均質に満遍なく含浸させることができる。また、収容タンク20には、含浸されなかった余分な重合体を排出するために収容タンク20を傾ける機構、または排出口21が設けられており、排出弁22によりこの排出量を制御することができる。
これにより、安定して連続的な繊維強化ポリアミド複合材料31の製造が可能となった。
Here, in the
As a result, a stable and continuous fiber-reinforced
得られた繊維強化ポリアミド複合材料31の繊維体積含有率は約40%であり、未反応モノマー残存率は、1.8%であった。
なお、未反応モノマーは水に可溶であることから、未反応モノマー残存率は、次の手順により算出した。
(1)60℃で24時間乾燥し初期重量M0を計測。
(2)80℃の温水に72時間浸漬。
(3)60℃で72時間乾燥し、抽出後質量M1を計測。
(4)次式により、未反応モノマー残存率を算出。
未反応モノマー残存率=(M0−M1)/M0
The obtained fiber reinforced
Since the unreacted monomer is soluble in water, the unreacted monomer remaining rate was calculated by the following procedure.
(1) Dry at 60 ° C. for 24 hours and measure initial weight M 0 .
(2) Immerse in warm water at 80 ° C. for 72 hours.
(3) at 60 ° C. and dried for 72 hours, measured after extraction mass M 1.
(4) The unreacted monomer residual ratio is calculated by the following formula.
Unreacted monomer residual ratio = (M 0 −M 1 ) / M 0
また、得られた繊維強化ポリアミド複合材料31について、JIS K7165に準拠した引張試験およびJIS K7017に準拠した曲げ試験の評価を行ったところ、引張強度955MPa、引張弾性率32GPa、曲げ強度979MPa、曲げ弾性率28GPaであった。
Further, the obtained fiber reinforced
1 引抜製造装置
10 混合器
11 混合タンク
12 混合タンク
15 重合性ラクタム混合液
20 収容タンク
21 排出部
22 排出制御部
30 繊維材料
31 繊維強化ポリアミド複合材料
40 引抜装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該混合器で得られた重合性ラクタム混合液を繊維材料に含浸させ、重合させる収容タンクと、
該収容タンクから導かれる繊維強化複合材料を連続的に引き抜く引抜装置と、を備え、
前記収容タンクの底部に、排出部及び排出制御部が設けられていること、または、収容タンクを傾けて排出する機構が設けられていることを特徴とする繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造装置。 A mixer for mixing lactam monomer, activator and polymerization catalyst;
A storage tank for impregnating and polymerizing the polymerizable lactam mixture obtained in the mixer;
A drawing device for continuously drawing the fiber-reinforced composite material guided from the storage tank,
An apparatus for drawing and manufacturing a fiber-reinforced polyamide composite material, wherein a discharge portion and a discharge control portion are provided at the bottom of the storage tank, or a mechanism for discharging the storage tank by tilting is provided.
該収容タンク中で該重合性ラクタム混合液を繊維材料に含浸させ、該収容タンクから導かれる繊維強化複合材料を連続的に引き抜く際において、
前記収容タンクの底部に設けられている排出部から、前記ラクタムモノマーの余剰重合体を排出する、または、前記収容タンクを傾けることにより余剰重合体を排出することを特徴とする繊維強化ポリアミド複合材料の引抜製造方法。 Pour polymerizable lactam mixture obtained by mixing lactam monomer, activator and polymerization catalyst into the storage tank,
When the fiber material is impregnated with the polymerizable lactam mixed solution in the storage tank, and the fiber-reinforced composite material guided from the storage tank is continuously pulled out,
A fiber-reinforced polyamide composite material, wherein the excess polymer of the lactam monomer is discharged from a discharge part provided at the bottom of the storage tank, or the excess polymer is discharged by tilting the storage tank. Drawing manufacturing method.
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