JP2017113983A - 繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混練押出機を用いて、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂中に強化繊維が混練した繊維強化熱可塑性樹脂を製造する方法において、ボビンに巻き込まれた強化繊維がスムーズにかつ連続的に混練押出機に供給されるようにし、それにより、安定的に繊維強化熱可塑性樹脂を製造することができるようにした繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法を開示することを課題とする。【解決手段】熱可塑性樹脂１２であるマトリックス樹脂中に開繊した強化繊維４が混練した繊維強化熱可塑性樹脂７を製造する方法において、熱可塑性樹脂１２と同じ樹脂種からなる熱可塑性樹脂シート３と強化繊維４との積層物５を調製し、それをボビン６に巻き込む。ボビン６から積層物５を巻き出して混練押出機２０内に供給する。ボビン６内に巻き込まれた積層物５において、上下に位置する開繊強化繊維４、４の間には熱可塑性樹脂シート３が位置しており、積層物５の巻き出しはスムーズに進行する。【選択図】図１

Description

本発明は繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法に関する。

繊維強化熱可塑性樹脂は知られており、繊維強化熱可塑性樹脂からの成形品は自動車部品等の多くの分野で用いられている。繊維強化熱可塑性樹脂は種々の製造により製造されるが、一例として、特許文献１等に記載のように、マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練押出機に同時に投入し、混練押出機内で加熱しながら両者をスクリューの回転により混練して、混練後に不連続繊維の押出し物（バルク）として混練押出機から押し出しながら排出するようにした製造方法が知られている。押出し後の繊維強化熱可塑性樹脂を金型に供給して成形することで、所望の部品が製造される。

また、強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を用いること、開繊した強化繊維を用いること、また、そのような強化繊維束の開繊方法および装置が特許文献２に記載されている。

ＷＯ２００２／０４３６８６号公報 特開２０１３−１５９８７６号公報

混練押出機を用いて繊維強化熱可塑性樹脂を製造するに際し、マトリックス樹脂に混入する強化繊維として開繊した強化繊維を用いることにより、繊維強化熱可塑性樹脂内での強化繊維の分散状態を改善することが期待できる。本発明者らは、そのために、開繊処理後の強化繊維をボビンに巻き込んでおき、そこから巻き出される開繊強化繊維を、混練押出機内で溶融しているマトリックス樹脂中に投入して、繊維強化熱可塑性樹脂を製造することを行った。しかし、開繊処理後の強化繊維をボビンに巻き込むときに、極細の繊維が下層の強化繊維にめり込んだり、上下の強化繊維間で極細の繊維同士が絡み合うことを経験した。そのために、安定的にボビンから強化繊維をスムーズに巻き出すことが困難となり、強化繊維が予期せずに切れてしまうことも経験した。このことは、開繊しない強化繊維をボビンに巻き込んだ場合にも、程度の差はあるものの、観察できた。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、混練押出機を用いて、熱可塑性樹脂であるマトリックス樹脂中に強化繊維が混練した繊維強化熱可塑性樹脂を製造する方法において、ボビンに巻き込まれた強化繊維がスムーズにかつ連続的に混練押出機に供給されるようにし、それにより、安定的に繊維強化熱可塑性樹脂を製造することができるようにした繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法を開示することを課題とする。

本発明による繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、熱可塑性樹脂であるマトリックス樹脂中に強化繊維が混練した繊維強化熱可塑性樹脂を製造する方法であって、前記マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂と同じ樹脂種からなる熱可塑性樹脂シートと前記強化繊維との積層物を調製する工程と、前記積層物をボビンに巻き込む工程と、前記ボビンから前記積層物を巻き出して前記混練押出機内の前記マトリックス樹脂中に混入する工程と、前記混練押出機内で混練された前記マトリックス樹脂と積層物との混練物を繊維強化熱可塑性樹脂として前記混練押出機から取り出す工程と、を少なくとも有することを特徴とする。

本発明によれば、ボビンに巻き込まれた強化繊維における上位と下位の強化繊維の間には、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂と同じ樹脂種からなる熱可塑性樹脂シートが介在する。そのために、上位と下位の強化繊維は直接に接することはない。それにより、極細の繊維が隣接する強化繊維内にめり込むこともなく、隣接する強化繊維間で極細の繊維同士が絡み合うこともない。その結果、強化繊維のボビンからの巻出しはスムーズに進行し、予期せずに破断してしまうようなことを回避できる。また、介在する熱可塑性樹脂シートも同時に混練押出機に供給されて、マトリックス樹脂に混入するが、その樹脂種はマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂の樹脂種と同じであり、製造される繊維強化熱可塑性樹脂の物性には影響を与えない。さらに、強化繊維と熱可塑性樹脂シートとが接した状態で混練押出機内に供給されるので、混練押出機内における強化繊維内への樹脂の含浸性も向上する。

本発明による繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法を実施するのに好適な混練押出機を備えた成形機の一例を示す概略図。 本発明による繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法で用いられるボビンとそこから巻き出される積層物の態様を説明するための図。

以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。図１は、本発明による繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法を実施するのに好適な混練押出機を備えた成形機の一例を示している。なお、以下の例では、強化繊維として開繊した強化繊維を用いるようにしたが、開繊しない強化繊維を用いる場合にも、同様に本発明は適用される。

この例において、成形機１は、最上流側に、樹脂溶融部として、多軸（または１軸）溶融押出機１０を備える。溶融押出機１０はホッパー１１を有し、該ホッパー１１にはマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂１２および必要に応じて添加剤１３が投入される。熱可塑性樹脂１２の例としては、限定されないが、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリメチル、ポリメタクリレート、アクリル、ポリウレタン、およびこれらの混合物が挙げられる。添加剤１３の例としては、限定されないが、酸化防止剤、紫外線吸収剤、難燃剤などが挙げられる。溶融押出機１０は図示しない加熱装置を備えており、熱可塑性樹脂１２と添加剤１３は加熱装置により加熱されて溶融し出口側に送られる。

溶融押出機１０の出口側には、混練押出部として機能する多軸（または１軸）の混練押出機２０が位置している。混練押出機２０には、溶融押出装置１０から押し出される溶融した熱可塑性樹脂２がマトリックス樹脂として投入される。混練押出機２０には、強化繊維４の投入口２１が備えられており、そこから、熱可塑性樹脂１２と同じ樹脂種（好ましくは全く同じ樹脂）からなる熱可塑性樹脂シート３と開繊強化繊維４との積層物５が投入される。混練押出機２０にも図示しない適宜の加熱装置あるいは保温装置が取り付けられている。

図２は、前記積層物５の一例を示しており、熱可塑性樹脂シート３と開繊強化繊維４との積層物５は、ボビン６に巻き込まれている。熱可塑性樹脂シート３は、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂１２と同じ樹脂からなるシートであり、通常の方法で製造することができる。開繊強化繊維４は、強化繊維の束を通常の方法によって開繊したものであり、例えば、強化繊維を所定本数束ねた繊維束を一方向に引き揃えてシート状に開繊することで製造することができる。あるいは、前記特許文献１に記載されるように、繊維長方向に搬送される繊維束中に流体を通過させることで繊維を撓ませながら幅方向に移動させて開繊するとともに、搬送される繊維束に対して接触部材を接触させながら搬送方向と傾斜する方向に回動させて繊維束の一部を押し込んで緊張状態とした後、緊張状態の繊維束から接触部材を離間させて繊維束を一時的に弛緩状態とするような製造方法で製造することもできる。基礎となる強化繊維としては、限定されないが、例として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維といった強化繊維を上げることができる。

開繊された強化繊維４と別途製造した前記熱可塑性樹脂シート３とを適宜の方法で積層して積層物５とし、それをボビン６に巻き込んだものを調製する。あるいは、開繊強化繊維４を製造するときのベースフィルムとして、製造しようとする繊維強化熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と同じ樹脂種からなるフィルムを使用し、それを直接ボビン６に巻き込むようにしてもよい。

そのようにして調製した積層物５を巻き込んだ１個または複数個のボビン６から積層物５を巻出し、巻き出した積層物５を前記混練押出機２０の投入口２１から、混練押出機２０内に投入する。混練押出機２０内には溶融した熱可塑性樹脂２がスクリューによって押し出されるようにして送られており、投入された積層物５は、溶融して送られる熱可塑性樹脂２の中に混入して混練されるとともに、出口に向かって送り出される。

前記したように、ボビン６に巻き込まれた積層物５において、上下に位置する開繊強化繊維４、４の間には、熱可塑性樹脂シート３が介在しており、上下に位置する開繊強化繊維４、４は直接接触してはいない。そのために、ボビン６からの積層物５の巻出しはスムーズに行われ、途中で予期せずに積層物５が破断するようなことは生じない。また、熱可塑性樹脂シート３はマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂１２と同じ樹脂（あるいは樹脂種）であり、熱可塑性樹脂１２内に溶融しても、製造される繊維強化熱可塑性樹脂の物性に影響を与えることもない。さらに開繊強化繊維４と熱可塑性樹脂シート３は、互いに接した状態で混練押出機２０内に送り込まれるので、混練押出機２０内における開繊強化繊維４内への樹脂の含浸性も向上する。

積層物５において、熱可塑性樹脂シート３に替えて、離型紙を用いても、上下に位置する開繊強化繊維４、４が直接に接触するのは回避することができる。しかし、離型紙は繊維強化熱可塑性樹脂にとっては異物であり、混練押出機２０内に供給するときに、事前に除去することが必要であり、工程が煩雑となるとともに、そのような異物が熱可塑性樹脂２に混入してしまう恐れもあり、好ましくない。

なお、積層物５において、熱可塑性樹脂シート３は、混練物中での開繊強化繊維の体積分率に有意の影響を与えないように、極薄でのもの（例えば数十μｍ程度の厚みのもの）を用いるか、または、予め投入するマトリックス用の熱可塑性樹脂の量を少なくしておき、熱可塑性樹脂シート３の樹脂量が加わることで、繊維強化熱可塑性樹脂における目的の樹脂量となるようにしてもよい。そのいずれかを選択することにより、所期通りの繊維強化熱可塑性樹脂を得ることができる。

上記のようにして混練押出機２０内で混練された熱可塑性樹脂１２と積層物５との混練物は、繊維強化熱可塑性樹脂７として混練押出機２０から取り出される。図１に示した成形機１においては、混練押出機２０の図示しないダイから押し出された繊維強化熱可塑性樹脂７は、トリマー８によって適宜の大きさに切断され、保温機能を備えた搬送装置３０によって固定下型４１と可動上型４２を備えた成形プレス４０に送られて、そこで、所望の製品に成形処理される。

上記のように、本発明による繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法を採用することにより、ボビンに巻き込まれた開繊強化繊維をスムーズにかつ連続的に混練押出機に向けて供給することが可能となり、安定的に繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に製造することができるようになる。また、開繊強化繊維内への樹脂の含浸性も向上するので、繊維強化熱可塑性樹脂の品質も向上する。

なお、上記の説明では、溶融押出機１０で溶融した熱可塑性樹脂２をマトリックス樹脂として混練押出機２０に供給するようにしたが、混練押出機２０が所要の長さを有していて上流側に投入された熱可塑性樹脂を混練押出機内で溶融できるものであれば、溶融押出機１０は省略可能である。また、搬送装置３０および成形プレス４０は、本発明による繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法で製造される繊維強化熱可塑性樹脂７を利用するときの一つの例示であって、他のものに変更可能である。

１…成形機、
２…溶融した熱可塑性樹脂、
３…熱可塑性樹脂シート、
４…開繊強化繊維、
５…積層物、
６…ボビン、
７…繊維強化熱可塑性樹脂、
１０…溶融押出機、
２０…混練押出機、
３０…搬送装置、
４０…成形プレス。

Claims (1)

1. 熱可塑性樹脂であるマトリックス樹脂中に強化繊維が混練した繊維強化熱可塑性樹脂を製造する方法であって、
   前記マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂と同じ樹脂種からなる熱可塑性樹脂シートと前記強化繊維との積層物を調製する工程と、
   前記積層物をボビンに巻き込む工程と、
   前記ボビンから前記積層物を巻き出して混練押出機内の前記マトリックス樹脂中に混入する工程と、
   前記混練押出機内で混練された前記マトリックス樹脂と積層物との混練物を繊維強化熱可塑性樹脂として前記混練押出機から取り出す工程と、
   を少なくとも有することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。

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