JP2017105082A - 押込装置及び混練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂と繊維との混練の効率を向上する押込装置及び混練装置押込装置及び混練装置を提供する。【解決手段】本発明の押込装置（３０）は、不連続繊維が導入されるケーシングと、このケーシング内に配置されたスクリューとを備えている。スクリューのピッチは、上流側から下流側に向けて減少している。また、ケーシングには、ケーシング内を減圧する減圧ポンプと接続する排気口が形成されている。本発明の混練装置（１）は、押込装置（３）に接続されたシリンダー（１２）と、このシリンダー（１２）内に配置され、押込装置（３０）から導入される繊維と、樹脂とを混練する混練軸（１１）とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、押込装置及び混練装置に関し、より特定的には、繊維と樹脂とを混練する混練装置に接続される押込装置及び混練装置に関する。

繊維と樹脂とを混練して複合材料を製造する混練装置には、混練装置の前に繊維が導入される押込装置が接続される場合がある（例えば特許第５３７３９８７号公報（特許文献１））。特許文献１には、繊維状の副原料を貯めるホッパーと、繊維状の副原料を加熱する加熱手段と、ホッパー内の繊維状の副原料を溶融混練機に搬送する水平方向搬送手段と、この水平方向搬送手段に接続された垂直方向搬送手段とを備える、繊維状の副原料投入装置が開示されている。特許文献１の副原料投入装置は、副原料を加熱してから溶融した熱可塑性樹脂を投入することができるので、副原料投入時の副原料及び熱可塑性樹脂の温度差を小さくすることができるため、熱可塑性樹脂中に副原料を均一に分散することができることが開示されている。

特許第５３７３９８７号公報

本発明者は、混練装置内に投入する繊維が不連続に切断されている時、多くの量の繊維を混練装置内へ投入することが困難であるため、複合材料を効率よく製造できないという課題に着目した。上記特許文献１の副原料投入装置を用いることにより、繊維長の短い繊維を樹脂に混合しやすくなるものの、まだ改良の余地が残されている。

本発明は、上記問題点に鑑み、複合材料の製造効率を向上する押込装置及び混練装置を提供することを課題とする。

本発明者は、環境負荷を低減することを目的として、樹脂と混練する繊維として、リサイクルされた繊維を用いることを考えた。リサイクルされた繊維は、巻回された連続繊維と異なり、繊維長の短い不連続繊維である。不連続繊維を混練機内に多くの量を投入できないという問題は、不連続繊維の嵩密度が低いため、混練装置内に導入しにくいことに起因しているという着想を得た。そこで、本発明者は、不連続繊維の嵩密度を高めるために鋭意検討し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の一の局面における押込装置は、繊維と樹脂とを混練する混練装置に接続される押込装置であって、不連続繊維が導入されるケーシングと、このケーシング内に配置されたスクリューとを備え、スクリューのピッチは、上流側から下流側に向けて減少している。

本発明の一の局面における押込装置によれば、スクリューのピッチが上流側から下流側に向けて減少しているので、スクリューの１リードあたりの搬送容積を順次低減することにより、効率的な機械減容を可能としている。これにより、混練装置との接続領域（混練装置における不連続繊維の導入部）に向けて不連続繊維の嵩密度を高めることができる。したがって、混練装置における不連続繊維の導入部から、多くの量の不連続繊維を混練装置内に導入できるので、複合材料の製造効率を向上することができる。

また、本発明の他の局面における押込装置は、繊維と樹脂とを混練する混練装置に接続される押込装置であって、不連続繊維が導入されるケーシングと、このケーシング内に配置されたスクリューとを備え、ケーシングには、ケーシング内を減圧する減圧ポンプと接続する排気口が形成されている。

本発明の他の局面における押込装置によれば、ケーシングの排気口に減圧ポンプを接続することにより、不連続繊維が導入されたケーシング内を効率的に減圧することができる。このため、押込装置内に供給された不連続繊維中の空気を取り除くことができるので、不連続繊維の嵩密度を高めることができる。したがって、混練装置における不連続繊維の導入部から、多くの量の不連続繊維を混練装置内に導入できるので、複合材料の製造効率を向上することができる。

本発明の他の局面における押込装置において好ましくは、スクリューのピッチは、上流側から下流側に向けて減少している。

これにより、混練装置における不連続繊維の導入部に向けて不連続繊維の嵩密度をさらに高めることができるので、複合材料の製造効率をより向上することができる。

本発明の他の局面における押込装置において好ましくは、排気口を被覆する金属製のフィルタをさらに備えている。

これにより、ケーシング内を減圧する際に、不連続繊維がケーシング外に漏れることを防止できる。

本発明の他の局面おける押込装置においてより好ましくは、ケーシングとスクリューとの間にフィルタが配置され、フィルタは焼結金網である。

これにより、スクリューとの摩擦を低減できるとともに、ケーシングの役割を担うこともできる。

本発明の一の局面及び他の局面の押込装置において好ましくは、スクリューの外径は、上流側から下流側に向けて減少している。

これにより、混練装置における不連続繊維の導入部に向けて不連続繊維の嵩密度をさらに高めることができるので、樹脂と繊維との混練による複合材料の製造効率をより向上することができる。

本発明の一の局面及び他の局面の押込装置において好ましくは、スクリューの上流側の端部には、切り欠きが形成されている。

これにより、不連続繊維の一部は切り欠きを通過して下流側に移動できるので、押込装置内において不連続繊維の嵩密度を高める効率を向上することができる。このため、樹脂と繊維との混練による複合材料の製造効率をより向上することができる。

本発明の混練装置は、本発明の一の局面または他の局面における押込装置と、この押込装置に接続されたシリンダーと、このシリンダー内に配置され、押込装置から導入される繊維と、樹脂とを混練する混練軸とを備えている。

本発明の混練装置によれば、押込装置で嵩密度が高くなった不連続繊維を導入できるので、多くの量の不連続繊維を混練装置内に導入できる。このため、混練軸によって、樹脂と繊維との混練による複合材料の製造効率を向上することができる。

本発明の混練装置において好ましくは、混練軸は、押込装置から繊維を導入する導入部よりも下流側に配置されたパドルをさらに有している。

パドルにより、シリンダー内においてパドル周辺の樹脂の充満率を高めることができるので、樹脂中における不連続繊維の分散性を高めることができる。また、充満率を高めることにより、パドルとシリンダーとの隙間を樹脂でシールすることができるので、押込装置から繊維が導入される導入部からパドルまでの間を効率的に減圧できるため、押込装置内において不連続繊維の嵩密度を効率的に高めることができる。

本発明の押込装置及び混練装置によれば、複合材料の製造効率を向上することができる。

本発明の実施の形態における混練装置の模式図である。 本発明の実施の形態における押込装置の模式図である。 本発明の実施の形態における混練装置の堰体近傍を概略的に示し、図４の矢印指示線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態における混練装置を構成する堰体を概略的に示す正面図である。 本発明の実施の形態における混練装置の堰体近傍を概略的に示し、図１の矢印指示線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。 本発明の実施の形態における押込装置を構成するスクリュー及び回転軸の上面図である。 本発明の実施の形態における混練装置の混練の状態を概略的に示し、図１の第１混練機に対応する断面図である。 樹脂と繊維とを含有する複合材料において、繊維長による特性を示すグラフである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。また、本明細書において、原料が導入される方（図１における右側、図２における上側）を上流側とし、原料が排出される方（図１における左側、図２における下側）を下流側とする。

図１〜図７を参照して、本発明の一実施形態の混練装置１及び押込装置３０について説明する。図１に示すように、本発明の実施の形態の混練装置１は、樹脂と繊維とを混練して、複合材料を製造する装置であり、詳細には、連続繊維と不連続繊維と樹脂とを混練して、複合材料を製造する装置である。また、図２に示すように、本発明の実施の形態の押込装置３０は、混練装置１の第１混練機１０に接続される装置であって、不連続繊維の嵩密度を高める機構を有する装置である。

連続繊維とは、連続した長い繊維であり、繊維が巻回された繊維原料である。連続繊維は、例えば、複数本（例えば１万２千本以上）の繊維の束が巻回されたロービングである。不連続繊維とは、短く切断された繊維であり、リサイクルされた繊維であることが好ましい。不連続繊維は、例えば、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などから再利用された繊維であり、０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度の長さを有している。不連続繊維は、短繊維であるので、連続繊維に比べて、嵩密度が低く、混練装置１内に持ち込む空気が多い。

連続繊維及び不連続繊維の材料は特に限定されず、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維などを用いることができる。連続繊維と不連続繊維とは、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよいが、異なる材料であることが好ましい。本実施の形態では、連続繊維としてコスト面及び耐衝撃性で有利なガラス繊維を用い、不連続繊維として剛性（弾性率）で有利な炭素繊維を用いている。詳細には、連続繊維はガラス繊維のロービングであり、不連続繊維はリサイクルされた炭素繊維である。

混練装置１は、第１混練機１０と、第２混練機２０と、押込装置３０と、連続繊維供給部４０とを備えている。第１混練機１０は、樹脂と、不連続繊維と、連続繊維とを混練する。第２混練機２０は、第１混練機１０に導入される樹脂を、第１混練機１０内での繊維との混練に先立って、混練・溶融する。押込装置３０は、第１混練機１０内での樹脂との混練に先立って、第１混練機１０に導入される不連続繊維の嵩密度を高めて、第１混練機１０に供給する。連続繊維供給部４０は、第１混練機１０に連続繊維を供給する。

＜第１混練機＞
第１混練機１０は、混練軸１１と、シリンダー１２と、駆動部１３ａと、減速機１３ｂと、堰体１４と、ダイ１５とを含んでいる。

混練軸１１は、樹脂と繊維とを混練し、スクリュー１１ａと、パドル１１ｂと、回転軸１１ｃとを有している。第１混練機１０は、１本の混練軸１１を有する単軸混練機であってもよく、複数本の混練軸１１を含む多軸混練機であってもよいが、本実施の形態では、互いに並列に配置された２本の混練軸１１を含んだ２軸混練機としている。２本の回転軸１１ｃは、軸方向に相互に回転可能に配設されており、互いの回転方向は同じであってもよく、異なっていてもよい。

この回転軸１１ｃに、スクリュー１１ａ及びパドル１１ｂが組み込まれている。スクリュー１１ａは、混練軸１１における上流側の端部と下流側の端部に配置され、パドル１１ｂは、混練軸１１における中間部に配置されている。スクリュー１１ａ及びパドル１１ｂは、回転することによって樹脂と繊維とを混練する。スクリュー１１ａは推進する機能が高く、パドル１１ｂは混練する機能が高い。スクリュー１１ａ及びパドル１１ｂは、回転軸１１ｃと別部材であってもよく、回転軸１１ｃと一体成形されていてもよい。スクリュー１１ａには、山（フライト）と谷（溝）とが形成されている。

なお、回転軸１１ｃには、スクリュー１１ａのみが配置されていてもよいが、中間部にパドル１１ｂが配置されていることにより、その周辺の樹脂充満率を高めることができるので、繊維の分散性を高めることができる。この観点から、パドル１１ｂは、ヘリカルパドル及び／またはニーディングパドルであることが好ましく、不連続繊維導入部１２ｂよりも下流側に配置されていることが好ましい。

パドル１１ｂは、ヘリカルパドル及びニーディングパドル（ニーディングディスク）の両方を含んでいてもよく、ヘリカルパドルのみであってもよく、ニーディングパドルのみであってもよく、他のパドルをさらに含んでいてもよい。ただし、充満率を高めることにより、パドル１１ｂとシリンダー１２との隙間を樹脂でシールすることができるので、押込装置３０から不連続繊維が導入される不連続繊維導入部１２ｂからパドル１１ｂまでの間を効率的に減圧できるため、パドル１１ｂの上流に位置する押込装置３０内に第１混練機１０から空気が流れ込むことを防止できる。この観点から、パドル１１ｂは、シリンダー１２との隙間が小さいものが好適に用いられ、例えば、シリンダー１２と対向する部分が延在方向に延びる平面である（螺旋形状のものを除く）ものが好ましい。このようなパドルとして、ニーディングパドルが挙げられる。このため、パドル１１ｂは、ニーディングパドルを含んでいることが好ましく、複数のニーディングパドルを含んでいることがより好ましい。

この２本の混練軸１１を内部に収容するようにシリンダー１２が設けられている。シリンダー１２と混練軸１１との隙間は、樹脂及び／または繊維が通過する流路となる。シリンダー１２は、第２混練機２０から供給される樹脂を第１混練機１０内に導入するための樹脂導入部１２ａと、押込装置３０から供給される不連続繊維を第１混練機１０内に導入するための不連続繊維導入部１２ｂ（第２導入部）と、連続繊維供給部４０から供給される複数本の連続した繊維を第１混練機１０内に導入するための連続繊維導入部１２ｃ（第１導入部）とを有している。連続繊維導入部１２ｃには、連続繊維を切断するためのカットフライトスクリューなどの切断部が設けられてもよいが、本実施の形態では切断部は省略されており、連続繊維供給部４０から導入される連続した繊維をそのまま第１混練機１０内へ送る。

不連続繊維導入部１２ｂは、連続繊維導入部１２ｃよりも上流側に位置している。また、不連続繊維導入部１２ｂの下流にはパドル１１ｂが配置されており、不連続繊維が樹脂に均一に分散されることを促進している。連続繊維導入部１２ｃは、パドル１１ｂの下流に配置されており、連続繊維が短く切断されることを抑制している。

本実施の形態の混練軸１１において、混練軸１１の直径（Ｄ）に対する樹脂導入部１２ａ下から先端までの長さ（Ｌ）の有効長（Ｌ／Ｄ）は、例えば、４以上１５以下であり、６以上１３以下であることが好ましい。

混練軸１１の一方（上流側）の軸端には、混練軸１１にトルクを分配する減速機１３ｂを経由して駆動部１３ａが接続されている。減速機１３ｂは、混練軸１１を所定の回転速度で同期させて回転させる。

混練軸１１の他方（下流側）の軸端側には、堰体１４が接続されている。堰体１４は、ブレーカープレートと中間軸受とを兼用でき、混練物の流路に設けられている。堰体１４は、混練物の流路と交差する方向に延びるように配置されるので、混練物に背圧を与える。堰体１４は、例えば金属製、具体的には特殊高力黄銅で、混練物が通過する開口部にはＣｒＮ等の耐摩耗処理が施されており、図３〜図５に示すように平板円状である。

図４及び図５に示すように、堰体１４は、２本の混練軸１１のスクリュー１１ａのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部１４ａを複数有している。このように、開口部１４ａは、混練軸１１ごとに対応して設けられている。

開口部１４ａは、混練軸１１の回転軸１１ｃを中心とした円弧状である。図４に示すように、開口部１４ａのそれぞれは、周縁として、外側輪郭線１４ａ１と、内側輪郭線１４ａ２と、側部輪郭線１４ａ３とで構成されている。外側輪郭線１４ａ１及び内側輪郭線１４ａ２は、同心円弧である。側部輪郭線１４ａ３は、外側輪郭線１４ａ１と内側輪郭線１４ａ２の一端同士及び他端同士を結んでいる。

図３に示すように、開口部１４ａの外側輪郭線１４ａ１は、ダイ１５側に位置するスクリュー１１ａの山１１ａ１に沿った円弧であり、開口部１４ａの内側輪郭線１４ａ２は、ダイ１５側に位置するスクリュー１１ａの谷１１ａ２に沿った円弧である。つまり、開口部１４ａの外側輪郭線１４ａ１は、ダイ１５側から見て、下流のスクリュー１１ａの山１１ａ１と重なり合い、開口部１４ａの内側輪郭線１４ａ２は、ダイ１５側から見て、下流のスクリュー１１ａの谷１１ａ２と重なり合う。混練軸１１とシリンダー１２との間の流路において、スクリュー１１ａの山１１ａ１と谷１１ａ２との間を移動する樹脂及び繊維は、スクリュー１１ａの回転による影響が大きく、他の領域よりも速度が速い。スクリュー１１ａの回転方向に沿って樹脂及び繊維が移動するので、外側輪郭線１４ａ１がスクリュー１１ａの山１１ａ１に沿った円弧であり、内側輪郭線１４ａ２がスクリュー１１ａの谷１１ａ２に沿った円弧であると、スクリュー１１ａの推進力を混練物に効率的に伝達することができる。

開口部１４ａのそれぞれの外側輪郭線１４ａ１の長さは、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましく、２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることがより好ましい。この場合、連続繊維の未開繊の繊維の通過を防止できる。

図３及び図４に示すように、堰体１４は、混練軸１１の下流側の軸端部を挿通させることにより軸端部を支持する貫通孔１４ｂをさらに有している。貫通孔１４ｂに混練軸１１の軸端部が嵌合される場合には、堰体１４は耐摩耗性の材料で形成される。耐摩耗性の材料は、例えば、特殊高力黄銅などの銅系材料である。このように、混練軸１１を２点支持することで、スクリュー１１ａと胴体とが撓みにより接することを防止し、スクリューフライトの厚みを小さく、パドル−パドル間の隙間を大きくする等が可能になり、せん断による繊維の折損を防止できる。

なお、貫通孔１４ｂは省略されてもよい。この場合には、混練軸１１の下流側の軸端は、堰体１４よりも上流側に位置する。つまり、堰体１４は、ダイ１５と混練軸１１との間に配置される。

混練軸１１の先端が堰体１４の下流側に位置する場合には、図５に示すように、堰体１４の直前（上流側）に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積Ｓ１に対する堰体１４の開口部１４ａの面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）は、４８％以上６９％以下であることが好ましく、５２％以上５８％以下であることがより好ましい。混練軸１１の先端が堰体１４の上流側に位置する場合には、堰体１４の直前（上流側）に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積Ｓ１に対する堰体１４の開口部１４ａの面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）は、３５％以上５０％以下であることが好ましく、３８％以上４２％以下であることがより好ましい。（Ｓ２／Ｓ１）の上限がこの範囲であると、未開繊を効果的に防止でき、（Ｓ２／Ｓ１）の下限がこの範囲であると、圧力損失を低減できるので、繊維の折損を防止できる。なお、堰体１４の直前に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積Ｓ１とは、シリンダー１２の内周面１２ｄ（図３及び図４参照）を堰体１４に投影した面積から、堰体１４においてダイ１５と反対側の面に接する混練軸１１の面積Ｓ３を引いた値である。混練軸１１の先端が堰体１４の上流側に位置する場合には、堰体１４においてダイ１５と反対側の面に接する混練軸１１の面積は０である。開口部１４ａの面積Ｓ２は、複数の開口部１４ａの合計の面積である。

図４及び図５に示すように、本実施の形態の開口部１４ａは、２本の混練軸１１を中心として、それぞれ２つずつ形成されているが、開口部１４ａの個数は、スクリュー１１ａの大きさにより任意に選択できる。例えば、スクリュー１１ａが図４よりも大きい場合には、例えば、２本の混練軸１１を中心として、それぞれ４つ以上ずつ形成されていてもよい。

図１及び図３に示すように、この堰体１４においてスクリュー１１ａと反対側には、ダイ１５が設けられている。ダイ１５は、複合材料を排出する排出口１５ａを有している。

＜第２混練機＞
図１に示すように、上述した第１混練機１０のシリンダー１２の樹脂導入部１２ａに導入される樹脂を第２混練機２０内で予め溶融する。第２混練機２０は、スクリュー２１ａを有する混練軸２１と、シリンダー２２と、駆動部２３ａと、減速機２３ｂと、ホッパー２４とを含んでいる。第２混練機２０は、１本の混練軸２１を有する単軸混練機であってもよく、複数本の混練軸２１を含む多軸混練機であってもよい。混練軸２１は、スクリュー２１ａのみが回転軸２１ｂに組み込まれていてもよく、中間部にスクリューに代えてパドルが組み込まれていてもよい。スクリュー（パドルを含む場合にはスクリュー及びパドル）は、回転軸２１ｂと別部材であってもよく、回転軸２１ｂと一体成形されていてもよい。シリンダー２２は、溶融された樹脂を第１混練機１０に供給する排出口２２ａを有している。駆動部２３ａ及び減速機２３ｂは、混練軸２１を所定の回転速度で回転させる。ホッパー２４は、混練軸２１とシリンダー２２との間で混練される樹脂原料５０を受ける。

＜押込装置＞
図１に示すように、第１混練機１０のシリンダー１２の不連続繊維導入部１２ｂに導入される不連続繊維を、押込装置３０は供給する。つまり、押込装置３０は、第１混練機１０の不連続繊維導入部１２ｂと連通するように接続される。押込装置３０は、第１混練機１０に着脱可能に構成されている。

図２に示すように、押込装置３０は、搬送部３１と、ケーシング３２と、回転軸３３と、スクリュー３４と、フィルタ３５と、駆動部３６と、減速機３７とを含んでいる。

搬送部３１は、不連続繊維をケーシング３２に搬送する。この搬送部３１には、ケーシング３２が接続されており、ケーシング３２には不連続繊維が導入される。ケーシング３２内には、回転軸３３が不連続繊維の移動方向に沿って延在するように配置されている。

この回転軸３３には、スクリュー３４が組み込まれている。スクリュー３４は、回転軸３３と別部材であってもよく、回転軸３３と一体成形されていてもよい。

スクリュー３４には、山（フライト）と谷（溝）とが形成されている。スクリュー３４の最上端は、ケーシング３２の不連続繊維が導入される搬送部３１との接続部分よりも下方に位置している。

スクリュー３４のピッチＰ１〜Ｐ５は、上流側から下流側に向けて減少している。ここで、「減少している」とは、上流側から下流側に向けて（不連続繊維の移動する方向に）、スクリュー３４のピッチＰ１〜Ｐ５が常に同じまたは減少しており、かつ最上流のピッチよりも最下流のピッチが小さいことを意味する。つまり、「減少している」とは、上流側から下流側に向けて増加している部分が含まれていない。また、スクリュー３４のピッチＰ１〜Ｐ５とは、上流側から下流側に向けた方向において、山の一周分の長さである。例えば、ピッチＰ１、Ｐ２は６０ｍｍで、ピッチＰ３〜Ｐ５は４０ｍｍである。

スクリュー３４の外径は、上流側から下流側に向けて減少している。ここで、「減少している」とは、上流側から下流側に向けて（不連続繊維の移動する方向に）、スクリュー３４の外径が常に同じまたは減少しており、かつ最上流に位置する外径よりも最下流に位置する外径が小さいことを意味する。つまり、「減少している」とは、上流側から下流側に向けて増加している部分が含まれていない。

また、図６に示すように、スクリュー３４の上流側の端部には、切り欠き３４ａが形成されている。本実施の形態では、スクリュー３４の最上流に位置する１ピッチにおいて、４箇所に切り欠き３４ａが形成されている。ケーシング３２内に導入された不連続繊維は、嵩密度が小さいので、切り欠き３４ａを通過して下流に向けて効率的に移動するので、搬送部３１で多くの量の不連続繊維をケーシング３２内に導入することができ、単位時間当たりの処理量を高めることができる。

図２に示すように、ケーシング３２には、ケーシング３２内を減圧する減圧ポンプＰと接続する排気口３２ａが形成されている。この排気口３２ａを被覆するように、フィルタ３５が設けられている。フィルタ３５により、ケーシング３２内の不連続繊維がケーシング３２の外部に排出されることを防止できる。本実施の形態では、ケーシング３２とスクリュー３４との間にフィルタ３５が配置されている。ケーシング３２とスクリュー３４との隙間を微小にすることが好ましく、この場合、フィルタ３５が金属製であると摩擦を低減できる。この観点から、フィルタ３５は、焼結金網であることが好ましい。また、フィルタ３５が焼結金網であると、焼結金網はケーシング３２の役割も担う。

減圧ポンプＰは、押込装置３０に着脱可能に接続される。減圧ポンプＰは、ケーシング３２の内部の圧力を低減できれば特に限定されないが、真空ポンプを用いることが好ましい。

また、ケーシング３２には、嵩密度が高められた不連続繊維を第１混練機１０に排出するための排出口３２ｂが形成されている。排出口３２ｂは、スクリュー３４の下流に設けられている。

回転軸３３におけるスクリュー３４と反対側の軸端には、回転軸３３にトルクを分配する減速機３７を経由して駆動部３６が接続されている。駆動部３６及び減速機３７は、回転軸３３を所定の回転速度で回転させる。

＜連続繊維供給部＞
図１に示すように、第１混練機１０のシリンダー１２の連続繊維導入部１２ｃに導入される連続繊維を、連続繊維供給部４０は供給する。連続繊維供給部４０は、複数本の連続する繊維の束が巻回された繊維原料４１を載置する載置部４２を含んでいる。載置部４２は、繊維原料４１から繊維の束の先端を取り出し、第１混練機１０のシリンダー１２の連続繊維導入部１２ｃに導入するための第１及び第２案内部４２ａ、４２ｂを有している。繊維の束が巻回された繊維原料４１が複数配置されている場合には、第１案内部４２ａには、複数本の繊維原料の繊維の束の先端のそれぞれが通されて、集合される。第１案内部４２ａは、繊維を通すための孔部が形成された板状部材を備えた案内板であってもよい。また、載置部４２は、第１案内部４２ａを通った連続した繊維を第１混練機１０の連続繊維導入部１２ｃに導くための第２案内部４２ｂをさらに有していてもよい。第２案内部４２ｂは、例えば載置部４２の上端から突出させるロール状部材であり、繊維の束に張力を加えるとともに繊維の束がほどけないようにしている。

続いて、図１〜図５に示す本実施の形態の混練装置１を用いて、複合材料を製造する方法について説明する。最初に、図２に示す押込装置３０において不連続繊維の嵩密度を高める方法について説明する。

まず、不連続繊維を準備する。不連続繊維として、例えば、リサイクルされた炭素繊維を準備する。図２に示すように、この不連続繊維を搬送部３１に載置し、ケーシング３２内に不連続繊維を搬送する。

駆動部３６及び減速機３７を用いて回転軸３３を所定の回転速度で回転させることにより、スクリュー３４を回転させる。ケーシング３２内に導入された不連続繊維は、スクリュー３４のピッチＰ１〜Ｐ５が上流側から下流側に向けて減少しているので、不連続繊維中の空気を取り除くことにより、第１混練機１０との接続領域（押込装置３０の排出口３２ｂ及び第１混練機における不連続繊維導入部１２ｂ）に向けて効率的に不連続繊維の嵩密度を高めることができる。

また、ケーシング３２の排気口３２ａに減圧ポンプＰを接続し、減圧ポンプＰを起動させる。これにより、不連続繊維が導入されたケーシング３２内を減圧できるので、不連続繊維中の空気を取り除くことにより、不連続繊維の嵩密度を効率的に高めることができる。また、排気口３２ａを被覆するフィルタ３５により、ケーシング３２の内部に導入された不連続繊維が外部に漏れることを防止できる。また、フィルタ３５がケーシング３２とスクリュー３４との間に配置された焼結金網であれば、ケーシングの役割を担うとともに、摩擦を低減できる。

本実施の形態では、図６に示すように、スクリュー３４の上流側の端部には、切り欠き３４ａが形成されている。このため、不連続繊維の一部は切り欠き３４ａを通過して下流側に移動できる（図２では、不連続繊維の一部を下方に落下させる）ので、不連続繊維の推進が促進されるため不連続繊維の嵩密度を高める効率を向上することができる。

このように、押込装置３０に導入された不連続繊維が、スクリュー３４により下流に向けて推進されて排出口３２ｂに到達すると、不連続繊維中の空気が抜けて、嵩密度を高めることができる。このため、第１混練機１０における不連続繊維導入部１２ｂから、多くの量の不連続繊維を第１混練機１０内に導入できる。したがって、第１混練機１０において、樹脂と不連続繊維との混練による複合材料の製造効率を向上することができる。

また、連続繊維を準備する。連続繊維は、複数本の連続した繊維原料４１であり、複数本とは、例えば１万２千本以上であり、２万４千本以上であってもよく、５万本以上であってもよい。本実施の形態では、繊維原料４１として、１万２千本以上の繊維の束（ロービング）とし、この繊維の束を複数束準備する。連続繊維は、例えばガラス繊維である。具体的には、複数本の連続した繊維が巻回された繊維原料４１を連続繊維供給部４０の載置部４２に載置し、繊維原料４１の先端部を第１案内部４２ａに通し、第２案内部４２ｂに支持させる。

また、図１に示すように、第２混練機２０に導入される樹脂原料５０を溶融する。具体的には、スクリューフィーダより第２混練機２０のホッパー２４を経由して樹脂原料５０を供給する。樹脂原料５０は、例えば、ペレット状である。樹脂原料５０は、複数の種類の樹脂を用いてもよく、添加剤などを含んでいてもよい。樹脂原料５０は、熱可塑性樹脂である。駆動部２３ａ及び減速機２３ｂを用いて混練軸２１を所定の回転速度で回転させ、混練軸２１によりシリンダー２２内の樹脂原料５０を混練する。

次に、第１混練機１０に、第２混練機２０で混練した樹脂と、押込装置３０から供給される不連続繊維と、連続繊維供給部４０から供給される連続繊維とを導入する。この工程では、第２混練機２０の排出口２２ａから排出される溶融された樹脂を、第１混練機１０の樹脂導入部１２ａに導入する。また、押込装置３０の排出口３２ｂから排出された嵩密度が高くなった不連続繊維を、不連続繊維導入部１２ｂに導入する。また、連続繊維供給部４０の第１案内部４２ａ及び第２案内部４２ｂから導かれる複数本の連続繊維の先端部を、第１混練機１０の連続繊維導入部１２ｃに導入する。

次に、不連続繊維と、連続繊維と、樹脂とを混練することで、複合材料を製造する。この工程では、例えば以下のように行う。

第１混練機１０の混練軸１１の回転速度と、搭載するスクリュー１１ａの相当直径により連続繊維及び不連続繊維の供給量を決定する。目標とする繊維長に応じて第１混練機１０内が適切な圧力分布になるように、スクリュー１１ａ及びパドル１１ｂを配置する。

駆動部１３ａを用いて回転軸１１ｃを回転させることにより、混練軸１１を所定の回転速度で回転させる。なお、第１混練機１０の混練軸１１の回転速度は、第２混練機２０の混練軸２１の回転速度よりも遅い。この場合、第２混練機２０で樹脂をよく練って、第１混練機１０で繊維を樹脂に絡めることができる。

不連続繊維を連続繊維よりも上流側の位置から導入しているので、まず、第２混練機２０から供給された溶融樹脂と、押込装置３０から供給された不連続繊維とが混練される。混練軸１１は不連続繊維導入部１２ｂよりも下流側にパドル１１ｂが配置されているため、図７に示すように、パドル１１ｂでその周辺の樹脂の充満率を高めることができるので、樹脂中に不連続繊維を分散させて、不連続繊維のそれぞれに樹脂を含浸できる。その状態で連続繊維供給部４０から連続繊維が導入され、樹脂と不連続繊維と連続繊維とが混練される。不連続繊維を連続繊維よりも上流側の位置から導入することにより、不連続繊維を樹脂中に分散するために堰体１４手前で充満率を下げる必要がないので、単位時間当たりの処理量を高めることができる。

また、パドル１１ｂはスクリュー１１ａに比べて混練の機能が高いので、充満率を高めることにより、パドル１１ｂとシリンダー１２との隙間を樹脂でシールすることができるので、パドル１１ｂの周辺を減圧域にすることができる。このため、下流側に位置する第１混練機１０から押込装置３０に空気が流れ込むことを防止できるので、押込装置３０内の減圧状態を効率的に維持できる。したがって、押込装置３０内において不連続繊維の嵩密度を効率的に高めることができるので、単位時間当たりの処理量を高めることができる。

樹脂中に不連続繊維が分散された状態で、連続繊維が混練される。混練軸１１の回転によって、混練軸１１とシリンダー１２との間に形成される流路を移動する樹脂、不連続繊維及び連続繊維に圧力が加えながら、樹脂と不連続繊維と連続繊維とを混練する。

スクリュー１１ａの回転に伴って、混練軸１１とシリンダー１２との間の流路を移動した混練物は、図７に示すように、最下流に位置するスクリュー１１ａと堰体１４との間に充満され、スクリュー１１ａが回転しない領域で適度な背圧が加えられるので、連続繊維のショートパスした未開繊の繊維をばらばらにできる。このため、開繊された繊維に、樹脂を含浸させることができる。また、充満部で開繊された繊維は、樹脂中に分散されるので、混練物を均質化することができる。なお、堰体１４の開口部１４ａの円弧の長さと開口率とを調整することにより、過剰に長い未開繊の繊維の束の排出を抑制できる。

この混練物は、堰体１４の開口部１４ａを通過し、低い圧力下（例えば１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）でダイ１５の排出口１５ａから排出される。上記工程を実施することにより、樹脂と繊維とが混練された複合材料を製造できる。

本実施の形態の混練装置１は、２本の混練軸１１のスクリュー１１ａのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部１４ａを複数有する堰体１４を備えている。開口部１４ａは周方向に長いので、圧力損失を低減し、スクリュー１１ａの推進力を効率的に伝えることができる。このため、第１混練機１０内の圧力分布を調整し、堰体１４の手前でスクリュー１１ａの回転しない充満部の繊維と樹脂とを混練した混練物に適度な抵抗を加えることができるので、連続繊維の複数本の繊維の束をばらばらにすることができる。このため、開繊した複数本の繊維のそれぞれに樹脂を含浸しやすいので、含浸率を向上できる。このように、堰体１４手前の充満部にスクリュー１１ａを設けず、圧力で開繊を促進するので、第１混練機１０内の上流側の配列の自由度が大きくなり、スクリュー１１ａの回転速度の影響が極めて小さい。このため、回転速度によらず、繊維の折損を防止できるので、長い繊維長を維持できる。したがって、複合材料に含有される連続繊維由来の繊維の繊維長を、例えば、１０ｍｍ以上３０ｍｍ程度と長くすることができる。

本実施の形態の混練装置１及び混練方法によれば、連続繊維と不連続繊維とを混練装置に導入している。このため、複合材料に含有される不連続繊維由来の繊維の繊維長が短くても、連続繊維由来の繊維の繊維長が長いので、耐衝撃性、強度等の特性を補うことができる。したがって、不連続繊維を用いても、高い特性を有する複合材料を製造することができる。

このため、不連続繊維としてリサイクル繊維を用いることができるので、本実施の形態の混練装置１及び混練方法は、環境負荷を低減することができる。

以上より、本実施の形態の混練装置１及び混練方法は、不連続繊維を用いても、高い特性を有する複合材料を製造できる。このため、本実施の形態の混練装置１及び混練方法により製造された複合材料は、自動車の用途などに好適に用いることができる。

ここで、本実施の形態では、樹脂を混練するための第２混練機２０と、この第２混練機２０で混練された樹脂と繊維とを混練する第１混練機１０とを備える２段式の混練装置１を例に挙げて説明したが、本発明の混練装置は２段式に限定されない。例えば、ペレット状の樹脂原料を上流側に導入し、シリンダー内において樹脂が溶融される領域に繊維を導入することで、１段式の混練装置を実現することもできる。

また、本実施の形態では、複合材料に含有される連続繊維由来の繊維の繊維長を長くするために、開口部１４ａを有する堰体１４で調整しているが、特に限定されず、他の手段で調整してもよい。このため、本発明の混練装置は、堰体１４が省略されていてもよい。

また、本実施の形態では、樹脂に混練される繊維原料として、連続繊維と不連続繊維とを例に挙げて説明したが、本発明の混練装置は、押込装置３０から供給される不連続繊維のみが導入されてもよい。

また、本実施の形態の押込装置３０は、スクリュー３４のピッチが上流側から下流側に向けて減少しており、かつ、ケーシング３２内を減圧する減圧ポンプと接続する排気口３２ｂが形成されているが、本発明の押込装置は、いずれか一方のみの構成を備えていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 混練装置、１０ 第１混練機、１１，２１ 混練軸、１１ａ１ 山、１１ａ２ 谷、１１ａ，２１ａ，３４ スクリュー、１１ｂ パドル、１１ｃ，２１ｂ，３３ 回転軸、１２，２２ シリンダー、１２ａ 樹脂導入部、１２ｂ 不連続繊維導入部、１２ｃ 連続繊維導入部、１２ｄ内周面、１３ａ，２３ａ，３６ 駆動部、１３ｂ，２３ｂ，３７ 減速機、１４ 堰体、１４ａ 開口部、１４ａ１ 外側輪郭線、１４ａ２ 内側輪郭線、１４ａ３ 側部輪郭線、１４ｂ 貫通孔、１５ ダイ、１５ａ，２２ａ，３２ｂ 排出口、２０ 第２混練機、２４ ホッパー、３０ 押込装置、３１ 搬送部、３２ ケーシング、３２ａ 排気口、３５ フィルタ、４０ 連続繊維供給部、４１ 繊維原料、４２ 載置部、４２ａ 第１案内部、４２ａ 第２案内部、５０ 樹脂原料、Ｐ 減圧ポンプ、Ｐ１〜Ｐ５ ピッチ。

Claims (8)

1. 繊維と樹脂とを混練する混練装置に接続される押込装置であって、
   不連続繊維が導入されるケーシングと、
   前記ケーシング内に配置されたスクリューとを備え、
   前記スクリューのピッチは、上流側から下流側に向けて減少している、押込装置。
2. 繊維と樹脂とを混練する混練装置に接続される押込装置であって、
   不連続繊維が導入されるケーシングと、
   前記ケーシング内に配置されたスクリューとを備え、
   前記ケーシングには、前記ケーシング内を減圧する減圧ポンプと接続する排気口が形成されている、押込装置。
3. 前記スクリューのピッチは、上流側から下流側に向けて減少している、請求項２に記載の押込装置。
4. 前記排気口を被覆する金属製のフィルタをさらに備える、請求項２または３に記載の押込装置。
5. 前記スクリューの外径は、上流側から下流側に向けて減少している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の押込装置。
6. 前記スクリューの上流側の端部には、切り欠きが形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の押込装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の押込装置と、
   前記押込装置に接続されたシリンダーと、
   前記シリンダー内に配置され、前記押込装置から導入される繊維と、樹脂とを混練する混練軸とを備える、混練装置。
8. 前記混練軸は、前記押込装置から繊維を導入する導入部よりも下流側に配置されたパドルをさらに有する、請求項７に記載の混練装置。
   

Images