JP2018167409A - Method of producing fiber-reinforced resin mold article - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は繊維強化樹脂成形品の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a fiber-reinforced resin molded product.
カーボン繊維は軽量で且つ高剛性を有するため繊維強化樹脂成形品の強化用繊維として用いられている。このような繊維強化樹脂成形品は射出成形で製造することができるが、強化用繊維を含有する樹脂ペレットの混練時や成形時にその強化用繊維が折損することが知られている。この折損により、得られる繊維強化樹脂成形品の物性(強度、弾性、導電性等)が低くなる。 Since carbon fibers are light and have high rigidity, they are used as reinforcing fibers for fiber-reinforced resin molded products. Such a fiber reinforced resin molded product can be manufactured by injection molding, but it is known that the reinforcing fiber breaks when kneading or molding the resin pellet containing the reinforcing fiber. Due to this breakage, the physical properties (strength, elasticity, conductivity, etc.) of the obtained fiber-reinforced resin molded product are lowered.
これに対して、特許文献1には、混練や成形等の製造過程におけるカーボン繊維の折損を抑制するために、特定の結晶サイズを有する特定の結晶構造の柔軟性を有するカーボン繊維を用いることが記載されている。また、同文献には、必要に応じて、カーボン繊維に加えてガラス繊維をペレットに加えてもよいことが記載されている。
On the other hand, in
強化用繊維としてカーボン繊維を用いた繊維強化樹脂成形品は、ガラス繊維を用いた繊維強化樹脂成形品よりも曲げ弾性率が高いことから、高い剛性が要求される製品への適用が期待される。しかし、カーボン繊維強化樹脂成形品は、ガラス繊維強化樹脂成形品に比べて耐衝撃性に劣り、耐衝撃性が要求される製品への適用には不利である。 Fiber reinforced resin molded products using carbon fibers as reinforcing fibers have higher flexural modulus than fiber reinforced resin molded products using glass fibers, and are expected to be applied to products that require high rigidity. . However, carbon fiber reinforced resin molded products are inferior in impact resistance compared to glass fiber reinforced resin molded products, and are disadvantageous for application to products that require impact resistance.
そこで、本発明は、高剛性で且つ耐衝撃性に優れた繊維強化樹脂成形品を得ることを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to obtain the fiber reinforced resin molded product which is highly rigid and excellent in impact resistance.
本発明者は、強化用繊維としてカーボン繊維とガラス繊維を併用した繊維強化樹脂成形品の研究した。その研究において、カーボン繊維とガラス繊維の配合比率を様々に変えて得られる繊維強化樹脂成形品の強度及び耐衝撃性を調べた結果、ガラス繊維の少量配合により耐衝撃性が大きく向上することを見出した。 The present inventor has studied a fiber-reinforced resin molded article using both carbon fiber and glass fiber as reinforcing fiber. In the research, as a result of examining the strength and impact resistance of fiber reinforced resin molded products obtained by changing the blending ratio of carbon fiber and glass fiber, it was found that impact resistance was greatly improved by blending a small amount of glass fiber. I found it.
ここに開示する繊維強化樹脂成形品の製造方法は、カーボン繊維を含有するカーボン繊維樹脂ペレットと、ガラス繊維を含有するガラス繊維樹脂ペレットとを含む成形材料を用いた射出成形による繊維強化樹脂成形品の製造方法であって、
上記カーボン繊維樹脂ペレット及び上記ガラス繊維樹脂ペレット各々が含有する繊維の重量平均長さは10mm以上であり、
上記成形材料における上記カーボン繊維と上記ガラス繊維を合わせた含有率を20質量%以上50%質量以下とし、
上記カーボン繊維と上記ガラス繊維の総量に占める上記ガラス繊維の割合を5質量%以上15質量%以下とし、
上記射出成形に、スクリューの長さLと径Dの比L/Dが22以上であり、圧縮比が1.6以上1.8以下であるシングルフライトの低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いることを特徴とする。
The manufacturing method of the fiber reinforced resin molded article disclosed here is a fiber reinforced resin molded article by injection molding using a molding material including carbon fiber resin pellets containing carbon fibers and glass fiber resin pellets containing glass fibers. A manufacturing method of
The weight average length of the fibers contained in each of the carbon fiber resin pellets and the glass fiber resin pellets is 10 mm or more,
The total content of the carbon fiber and the glass fiber in the molding material is 20% by mass to 50% by mass,
The ratio of the glass fiber to the total amount of the carbon fiber and the glass fiber is 5 mass% or more and 15 mass% or less,
An injection molding machine provided with a single flight low shear type screw having a ratio L / D of a screw length L to a diameter D of 22 or more and a compression ratio of 1.6 to 1.8. It is characterized by using.
これにより、高強度で且つ耐衝撃性が高い繊維強化樹脂成形品が得られる。ガラス繊維の少量の配合(カーボン繊維及びガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合が5質量%以上15質量%以下)によって耐衝撃性が大きく向上する点に大きな特徴がある。また、ガラス繊維の配合量が少ないから、強化用繊維をカーボン繊維のみとするケースからの強度の低下が抑えられ、カーボン繊維の配合量が相対的に低下するにも拘わらず、比較的高い強度が維持される。 Thereby, a fiber reinforced resin molded article having high strength and high impact resistance can be obtained. A great feature is that the impact resistance is greatly improved by a small amount of glass fiber (the ratio of the glass fiber to the total amount of the carbon fiber and the glass fiber is 5 mass% or more and 15 mass% or less). In addition, since the amount of glass fiber is small, a decrease in strength from the case where the reinforcing fiber is only carbon fiber is suppressed, and the strength is relatively high despite the relative decrease in the amount of carbon fiber. Is maintained.
ここに、圧縮比を小さくしたことにより、射出成形機の圧縮部で成形材料に加わるせん断力が小さくなり、カーボン繊維及びガラス繊維が受けるダメージが少なくなったと認められる。 Here, it is recognized that by reducing the compression ratio, the shearing force applied to the molding material in the compression part of the injection molding machine is reduced, and the damage received by the carbon fibers and glass fibers is reduced.
シングルフライトの採用により、カーボン繊維及びガラス繊維に大きな力が加わる成形材料のフライト乗越えが少なくなり、また、狭いフライト間での成形材料のせん断が抑制され、その結果、カーボン繊維及びガラス繊維の折損が抑制されたと認められる。 By adopting a single flight, the flight of the molding material that applies a large force to the carbon fiber and glass fiber is reduced, and the shear of the molding material between the narrow flights is suppressed, resulting in breakage of the carbon fiber and glass fiber. Is recognized as being suppressed.
L/Dを22以上として射出成形機の供給部を長くしたことにより、カーボン繊維及びガラス繊維の折損を抑制しながら、樹脂ペレットの可塑化及び解繊性を向上させることができたと認められる。 It is recognized that plasticization and defibration of the resin pellets could be improved while suppressing breakage of the carbon fiber and glass fiber by increasing the supply part of the injection molding machine with L / D being 22 or more.
上記射出成形機の逆流防止リングは上記スクリューと共に回転する共回り型であることが好ましい。これにより、スクリューヘッドと逆流防止リングとの間で成形材料に強いせん断力が加わることが防止され、カーボン繊維及びガラス繊維の折損防止に有利になる。 The backflow prevention ring of the injection molding machine is preferably a co-rotating type that rotates together with the screw. This prevents a strong shearing force from being applied to the molding material between the screw head and the backflow prevention ring, which is advantageous for preventing breakage of the carbon fibers and glass fibers.
本発明によれば、カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレット各々が含有する繊維の重量平均長さを10mm以上とし、成形材料におけるカーボン繊維とガラス繊維を合わせた含有率を20質量%以上50%質量以下とし、カーボン繊維とガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合を5質量%以上15質量%以下とし、射出成形に、スクリューの長さLと径Dの比L/Dが22以上であり、圧縮比が1.6以上1.8以下であるシングルフライトの低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いるから、高強度で且つ耐衝撃性が高い繊維強化樹脂成形品を得ることができる。 According to the present invention, the weight average length of the fibers contained in each of the carbon fiber resin pellets and the glass fiber resin pellets is 10 mm or more, and the combined content of the carbon fibers and the glass fibers in the molding material is 20% by mass or more and 50%. The ratio of the glass fiber to the total amount of the carbon fiber and the glass fiber is 5 mass% or more and 15 mass% or less, and the ratio L / D of the screw length L to the diameter D is 22 or more in the injection molding. Since an injection molding machine equipped with a single flight low shear type screw having a compression ratio of 1.6 or more and 1.8 or less is used, a fiber-reinforced resin molded product having high strength and high impact resistance can be obtained. .
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its application, or its use.
<射出成形機>
図1に示す射出成形機において、1は加熱シリンダ、2は加熱シリンダ1内に回転可能にかつ進退自在に配置された低せん断型スクリューである。射出成形機は、図示は省略しているが、スクリュー2を回転駆動する油圧モータ及びスクリュー2を進退駆動する射出シリンダを備えている。
<Injection molding machine>
In the injection molding machine shown in FIG. 1,
加熱シリンダ1の基端側には成形材料を投入するホッパ3が設けられ、加熱シリンダ1の先端には射出ノズル4が設けられている。加熱シリンダ1の外周には外部ヒータ5としてのバンドヒータが巻かれている。射出ノズル4は繊維強化樹脂成形品を成形する金型6のランナー7に接続されている。金型6はランナー7を有する固定型6aと可動型6bとによって構成されている。固定型6aと可動型6bによってキャビティ8が形成されている。
A hopper 3 for feeding a molding material is provided on the proximal end side of the
スクリュー2は、スクリュー本体11と、スクリュー本体11の先端に結合されたスクリューヘッド12とを備えている。スクリュー本体11は、フライト13が1条で形成されているシングルフライト型である。スクリュー本体11の長さ(材料供給口13からスクリュー先端までの長さ)Lとスクリュー本体11の直径Dの比L/Dは22以上である。L/D比の上限は例えば30程度とすればよい。
The
スクリュー本体11は、基端側(上流側)から先端側(下流側)に向かって順に供給部14、圧縮部15及び計量部16を備えている。供給部14は、直径Dの10倍以上15倍以下の長さを有する。図2に示すように、供給部14のスクリュー溝深さ(フライト13の高さ)dは供給部14の全長にわたって一定であり、その溝深さdは成形材料17のいずれのペレット長さよりも大きい。ホッパ3から供給部14に供給された成形材料17は、外部ヒータ5の熱を受けて軟化しながら、スクリュー2の回転によって、フライト13で区切られた空間内を圧縮部15に向かって送られる。
The
圧縮部15はスクリュー溝深さが漸減する区間である。成形材料17は、圧縮部15において、スクリュー2の回転によって圧縮されて大きなせん断力と熱を受けて可塑化して溶融し、溶融樹脂として計量部16に送られる。計量部16は、溶融樹脂をスクリュー2の前方の樹脂溜め部に貯えられるように、スクリュー溝深さが小さく形成されている。
The
スクリュー2の圧縮比(供給部14と計量部16の溝部の1ピッチ当たりの体積の比)は1.6以上1.8以下である。 The compression ratio of the screw 2 (the ratio of the volume per pitch of the grooves of the supply unit 14 and the metering unit 16) is 1.6 or more and 1.8 or less.
図3に示すように、スクリューヘッド12の背部には共回り構造の逆流防止リング18が設けられている。逆流防止リング18は、スクリュー本体11とスクリューヘッド12とを結合する結合軸19に隙間を存して進退自在に嵌められている。スクリューヘッド12の基端部外周には、当該ヘッド12の基端面に開口した溝21が周方向に間隔をおいて形成されており、この溝21に逆流防止リング18より前方に突出した突起22が係合している。この係合により、逆流防止リング18は、スクリュー2と共に回転するようになっている。
As shown in FIG. 3, a
<繊維強化樹脂成形品の成形>
−成形材料について−
繊維強化樹脂成形品の成形においては、成形材料17として、ペレット長さ方向に延びるカーボン繊維束に樹脂を含浸してなるカーボン繊維樹脂ペレット(長繊維ペレット)、並びにペレット長さ方向に延びるガラス繊維束に樹脂を含浸してなるガラス繊維樹脂ペレット(長繊維ペレット)を用いる。当該2種のペレットの長さは10mm以上とする。長繊維ペレットであるカーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレットは各々が含有する繊維の長さがペレット長さと同じであるから、当該繊維の重量平均長さは10mm以上となる。ペレット長さは15mm以下(当該繊維の重量平均長さは15mm以下)であることが好ましい。
<Molding of fiber reinforced resin molded products>
-About molding materials-
In the molding of a fiber reinforced resin molded product, as the molding material 17, carbon fiber resin pellets (long fiber pellets) formed by impregnating a carbon fiber bundle extending in the pellet length direction and glass fibers extending in the pellet length direction are used. Glass fiber resin pellets (long fiber pellets) formed by impregnating a bundle with resin are used. The length of the two kinds of pellets is 10 mm or more. Carbon fiber resin pellets and glass fiber resin pellets, which are long fiber pellets, have the same length as the pellet length, and therefore the weight average length of the fibers is 10 mm or more. The pellet length is preferably 15 mm or less (the weight average length of the fibers is 15 mm or less).
上記カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレット各々のマトリックス樹脂には、MFR(温度230℃,荷重2.16kg)が9g/10分以上65g/10分以下であるPP(ポリプロピレン)を採用することが好ましい。 PP (polypropylene) having an MFR (temperature 230 ° C., load 2.16 kg) of 9 g / 10 min to 65 g / 10 min may be adopted as the matrix resin for each of the carbon fiber resin pellets and glass fiber resin pellets. preferable.
上記カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレットは、当該成形材料17におけるカーボン繊維とガラス繊維を合わせた含有率が20質量%以上50%質量以下(好ましくは30質量%以上50%質量以下)となり、カーボン繊維とガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合が5質量%以上15質量%以下となるように混合してホッパ3に投入する。 The carbon fiber resin pellets and glass fiber resin pellets have a combined content of carbon fibers and glass fibers in the molding material 17 of 20% by mass to 50% by mass (preferably 30% by mass to 50% by mass), Mixing is performed so that the ratio of the glass fiber to the total amount of the carbon fiber and the glass fiber is 5% by mass or more and 15% by mass or less, and the mixture is put into the hopper 3.
−カーボン繊維とガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合が成形品の強度及び耐衝撃性に及ぼす影響−
カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレットによって、カーボン繊維の配合割合が異なる複数種の成形材料を調製した。各成形材料のカーボン繊維とガラス繊維を合わせた含有率はいずれも40質量%とした。それら成形材料による繊維強化樹脂成形品のMD(金型内を溶融樹脂が流れる方向)及びTD(MDの直角方向)各々のパンクチャーエネルギー吸収量、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。
-Effect of the ratio of glass fiber to the total amount of carbon fiber and glass fiber on the strength and impact resistance of molded products-
A plurality of types of molding materials having different carbon fiber blending ratios were prepared using carbon fiber resin pellets and glass fiber resin pellets. The total content of carbon fibers and glass fibers in each molding material was 40% by mass. Puncture energy absorption amount, bending elastic modulus and bending strength of MD (direction in which the molten resin flows in the mold) and TD (direction perpendicular to MD) of the fiber reinforced resin molded products by these molding materials were measured.
カーボン繊維樹脂ペレットとしては、カーボン長繊維/PP=40/60質量比のダイセル社製PP-CF40-11(L8)を用い、ガラス繊維樹脂ペレットとしては、ガラス長繊維/PP=40/60質量比の日本ポリプロ社製LR24Aを用いた。それら樹脂ペレットの物性を表1に示す。 As carbon fiber resin pellets, PP-CF40-11 (L8) manufactured by Daicel with a carbon long fiber / PP = 40/60 mass ratio was used, and as glass fiber resin pellets, glass long fiber / PP = 40/60 mass was used. LR24A manufactured by Nippon Polypro Co., Ltd. was used. Table 1 shows the physical properties of these resin pellets.
射出成形機としては、表2に示す低せん断型スクリューのものを用いた。 As the injection molding machine, a low shear type screw shown in Table 2 was used.
測定結果を図4乃至図7に示す。なお、図4乃至図7において、「パンクチャーE」は「パンチャーエネルギー」の略号、「CF」は「カーボン繊維」の略号を、「GF」は「ガラス繊維」の略号である。 The measurement results are shown in FIGS. 4 to 7, “puncture E” is an abbreviation for “puncher energy”, “CF” is an abbreviation for “carbon fiber”, and “GF” is an abbreviation for “glass fiber”.
図4(MDでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ弾性率)及び図5(MDでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ強度)をみると、ガラス繊維の配合割合の増加に伴って、曲げ弾性率及び曲げ強度が略直線的に低下している。但し、ガラス繊維の配合割合が5質量%以上15質量%以下であるときは、ガラス繊維配合量零からの曲げ弾性率及び曲げ強度の低下率が5%未満であり、ガラス繊維の添加に拘わらず、高い強度が維持されていることがわかる。 When FIG. 4 (MD puncture energy absorption amount and bending elastic modulus) and FIG. 5 (MD puncture energy absorption amount and bending strength) are seen, the bending elastic modulus increases with the increase in the glass fiber content. In addition, the bending strength decreases substantially linearly. However, when the blending ratio of the glass fiber is 5% by mass or more and 15% by mass or less, the bending elastic modulus and the bending strength decrease rate from zero glass fiber blending amount are less than 5%, regardless of the addition of the glass fiber. It can be seen that high strength is maintained.
これに対して、耐衝撃性はガラス繊維の少量の配合で大きく向上している。すなわち、ガラス繊維の配合割合が5質量%以上になると、ガラス繊維配合量零であるときに比べて、耐衝撃性が約1.4倍向上している。ガラス繊維の配合割合が20質量を超えると、その配合割合の増加に伴う耐衝撃性の向上は緩慢になっている。 On the other hand, impact resistance is greatly improved with a small amount of glass fiber. That is, when the glass fiber content is 5% by mass or more, the impact resistance is improved by about 1.4 times compared to when the glass fiber content is zero. When the blending ratio of the glass fiber exceeds 20 masses, the improvement in impact resistance accompanying the increase in the blending ratio is slow.
次に、図6(TDでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ弾性率)をみると、TDでの曲げ弾性率は、ガラス繊維配合割合の増加に伴って緩やかに低下している。ガラス繊維の配合割合が15質量になっても、ガラス繊維配合量零からの曲げ弾性率の低下率は数%に過ぎない。図7(TDでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ強度)をみると、TDでの曲げ強度は、ガラス繊維の配合割合を増やしても、ほとんど変わらないという結果になっている。TDでのガラス繊維の配合割合の増加に伴う耐衝撃性の変化はMDでのケースと略同じ特性になっている。 Next, looking at FIG. 6 (puncture energy absorption amount and bending elastic modulus at TD), the bending elastic modulus at TD gradually decreases as the glass fiber blending ratio increases. Even when the blending ratio of the glass fiber is 15 masses, the rate of decrease in the flexural modulus from zero glass fiber blending amount is only a few percent. Looking at FIG. 7 (Puncture energy absorption amount and bending strength at TD), the bending strength at TD is almost the same even when the blending ratio of glass fiber is increased. The change in impact resistance associated with the increase in the glass fiber blending ratio in TD has substantially the same characteristics as in the MD case.
以上の結果から、ガラス繊維の少量配合で繊維強化樹脂成形品の強度を大きく低下させることなく、その耐衝撃性を大きく高めることができることがわかる。 From the above results, it can be seen that the impact resistance can be greatly increased without greatly reducing the strength of the fiber-reinforced resin molded product by adding a small amount of glass fiber.
ここに、低せん断型スクリュー採用の効果は次のとおりである。シングルフライト13の採用により、カーボン繊維及びガラス繊維に大きな力が加わる成形材料のフライト乗越えが少なくなる。また、狭いフライト間でカーボン繊維及びガラス繊維に大きな力が加わることが防止される。圧縮比を小さくしたことにより、圧縮部で成形材料に加わるせん断力が小さくなり、カーボン繊維及びガラス繊維が受けるダメージが少なくなる。供給部14の溝深さdを大きくしたことにより、樹脂ペレットがスクリューに食い込む際のカーボン繊維及びガラス繊維の折損が抑制される。解繊を促進するミキシングヘッドがないため、カーボン繊維及びガラス繊維に強いダメージを与えることがない。L/D比が大きいため(供給部14が長いため)、カーボン繊維及びガラス繊維に強いダメージを与えることなく解繊が進む。逆流防止リング18がスクリューに共回りするため、カーボン繊維及びガラス繊維がスクリューヘッド12と逆流防止リング18の間の流路を通過するときに受けるダメージが小さくなる。スクリューヘッド12と逆流防止リング18の間の流路20を大きくしたため、該流路20を成形材料が通過し易くなり、カーボン繊維及びガラス繊維が受けるダメージが小さくなる。
Here, the effect of adopting the low shear type screw is as follows. By adopting the
1 加熱シリンダ
2 スクリュー
11 スクリュー本体
12 スクリューヘッド
14 供給部
15 圧縮部
16 計量部
17 成形材料
18 逆流防止リング
DESCRIPTION OF
Claims (2)
上記カーボン繊維樹脂ペレット及び上記ガラス繊維樹脂ペレット各々が含有する繊維の重量平均長さは10mm以上であり、
上記成形材料における上記カーボン繊維と上記ガラス繊維を合わせた含有率を20質量%以上50%質量以下とし、
上記カーボン繊維と上記ガラス繊維の総量に占める上記ガラス繊維の割合を5質量%以上15質量%以下とし、
上記射出成形に、スクリューの長さLと径Dの比L/Dが22以上であり、圧縮比が1.6以上1.8以下であるシングルフライトの低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。 A method for producing a fiber-reinforced resin molded article by injection molding using a molding material comprising carbon fiber resin pellets containing carbon fibers and glass fiber resin pellets containing glass fibers,
The weight average length of the fibers contained in each of the carbon fiber resin pellets and the glass fiber resin pellets is 10 mm or more,
The total content of the carbon fiber and the glass fiber in the molding material is 20% by mass to 50% by mass,
The ratio of the glass fiber to the total amount of the carbon fiber and the glass fiber is 5 mass% or more and 15 mass% or less,
An injection molding machine provided with a single flight low shear type screw having a ratio L / D of a screw length L to a diameter D of 22 or more and a compression ratio of 1.6 to 1.8. A method for producing a fiber-reinforced resin molded product, comprising using
上記射出成形機の逆流防止リングが上記スクリューと共に回転する共回り型であることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。 In claim 1,
A method for producing a fiber-reinforced resin molded product, wherein the backflow prevention ring of the injection molding machine is a co-rotating type that rotates together with the screw.
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