JP2020114676A - 繊維含有粒状樹脂構造物及び繊維強化樹脂硬化物 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年5月24日に日本に出願された特願2016−103407号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1) 樹脂と繊維とを含む、粒状の樹脂構造物であって、前記樹脂中に前記繊維が開繊された状態で分散するとともに、当該樹脂構造物の平均密度が、0.20〜1.00(g/cm3)の範囲である、繊維含有粒状樹脂構造物。
(2) 樹脂と繊維とを含む、粒状の樹脂構造物であって、前記樹脂中に前記繊維が開繊された状態で分散するとともに、当該樹脂構造物の平均嵩密度が、0.15〜0.60(g/cm3)の範囲である、繊維含有粒状樹脂構造物。
(3) 樹脂と繊維とを含む、粒状の樹脂構造物であって、前記樹脂中に前記繊維が開繊された状態で分散するとともに、当該樹脂構造物の平均密度が、0.20〜1.00(g/cm3)の範囲であり、平均嵩密度が、0.15〜0.60(g/cm3)の範囲である、繊維含有粒状樹脂構造物。
(5) 前記樹脂中の前記繊維の含有量が、20〜80質量%の範囲である、前項1乃至4のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(6) 当該樹脂構造物の平均粒子径が、1〜15mmの範囲である、前項1乃至5のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(7) 当該樹脂構造物が、強制造粒物である、前項1乃至6のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(8) 当該樹脂構造物が、押出造粒物である、前項7に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(9) 当該樹脂構造物が、単軸押出造粒物である、前項8に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(10) 当該粒状樹脂構造物を断面視した際に、前記繊維の面積分率が、10〜35%の範囲である、前項1乃至9のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(11) 前記樹脂が、熱硬化性樹脂である、前項1乃至10のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(12) 前記樹脂が、熱可塑性樹脂である、前項1乃至10のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
(14) 前記吐出口の直径が、3〜20(mm)の範囲である、前項13に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
(15) 前記第1工程を、射出成形機の射出ユニットを用いて行う、前項13又は14に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
(16) 前記第1工程を、押出機を用いて行う、前項13又は14に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
(17) 前記第1工程を、単軸押出機を用いて行う、前項16に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
(18) 前記押出機が、1以上の前記吐出口を有する、前項16又は17に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
(19) 前記第1工程において、平均長さが3mm以上50mm以下の繊維の束を樹脂で固めたペレット、又は前記ペレットを固めた集合物を溶融する、前項13乃至18のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
(20) 前記第2工程において、前記吐出口から吐出された直後に切り離して、粒状の樹脂構造物を得る、前項13乃至19のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法。
前記樹脂中の前記繊維の分散状態を示すフラクタル値が、0.3〜1.0の範囲であり、前記樹脂中の前記繊維の配向状態を示す配向テンソル値の標準偏差が、0.01〜0.24の範囲である、繊維強化樹脂硬化物。
前記樹脂中の前記繊維の分散状態を示すフラクタル値が、0.3〜1.0の範囲であり、前記樹脂中の前記繊維の配向状態を示す配向テンソル値の標準偏差が、0.01〜0.24の範囲である、繊維強化樹脂成形品。
(繊維含有粒状樹脂構造物)
先ず、本発明を適用した第1の実施形態である繊維含有粒状樹脂構造物(以下、単に「樹脂構造物」という)について説明する。図1は、本発明を適用した第1の実施形態である樹脂構造物が集合した状態を示す写真である。また、図2は、本実施形態の樹脂構造物の構成を説明するための模式図である。
本実施形態の樹脂構造物Sに適用する樹脂としては、室温において、固体状、液体状、半固体状等のいかなる形態であってもよい。なお、計量時の取扱い性の観点から、樹脂構造物Sとして用いる際に固体状であることが好ましい。
R5は、好ましくはメチレン基、芳香環およびエーテル結合(−O−)が任意の順序で結合した主鎖を有する炭化水素基であり、より好ましくは主鎖中において任意の順序で結合するメチレン基、芳香環およびエーテル結合の合計数が15個以下の炭化水素基である。
なお、主鎖の途中には、置換基および/または側鎖が結合していても良く、その具体例としては、例えば、炭素数3個以下の炭化水素基、マレイミド基、フェニル基等が挙げられる。
本実施形態の樹脂構造物S中に含まれる繊維の平均長さ(平均繊維長)は、1mm以上15mm以下であるのが好ましく、2mm以上10mm以下であるのがより好ましく、2mm以上8mm以下であることがより更に好ましい。これにより、最終的に得られる硬化物等の機械的強度をさらに優れたものとすることができる。さらに、平均繊維長が前記下限値以上の場合、硬化物等の形状安定性や耐衝撃性がより向上する。また、平均繊維長が前記上限値以下の場合には、硬化物等の成形時における樹脂構造物Sの流動性がより好ましいものとなり、圧縮強さや曲げ強さがより向上する。
(1)電気炉を用いて構造物全体を550℃で加熱し、樹脂を気化させた後、繊維のみを取り出す。
(2)顕微鏡を用いて繊維の長さを測定する(繊維の測定本数:1サンプルにつき500本)。
(3)測定した繊維長から、重量平均繊維長を算出する。
これらの中でも、繊維の断面形状は、特に、略円形または扁平形であるのが好ましい。これにより、硬化物等の表面の平滑性を向上することができる。また、硬化物等の成形時の取扱性がより向上し、その成形性がさらに良好となる。
予め表面処理を施すことにより、繊維は、樹脂構造物S中や、後述する硬化物等中での分散性を高めることや、樹脂との密着力を高めること等ができる。
樹脂構造物Sは、さらに、必要に応じて、硬化剤、硬化助剤、充填材、離型剤、顔料、増感剤、酸増殖剤、可塑剤、難燃剤、安定剤、酸化防止剤および帯電防止剤等を含んでいてもよい。
具体的には、100(cm3)の容器を用いて、シュートを通して自由落下させて、タップせずに重量を測定し、上記重量を容器の体積で除した値として求めることができる。
次に、本実施形態の樹脂構造物Sの製造方法の一例について、説明する。図3は、本発明を適用した第1の実施形態である繊維含有粒状樹脂構造物の製造方法を説明するための模式図である。
準備工程では、樹脂構造物Sを製造する際に原料として用いるペレットを準備する。具体的には、先ず、図3に示すように、長繊維の束を樹脂で固めたペレットPを成形する。
ここで、ペレットPは、上述した樹脂構造物Sで説明した樹脂、繊維、及びその他の成分を含んで、概略構成されている。
第1の工程では、準備工程で成形したペレットPを加熱し、樹脂を溶融して、溶融した樹脂中に繊維が開繊した状態で分散する樹脂組成物の溶融混合物を得る。本実施形態では、図3に示すように、射出成形機の射出ユニット10を用いて溶融混合することにより、ペレットPに含まれる繊維の開繊と繊維の分散を促進させる。
次に、第2の工程では、ノズル12の先端に設けられた吐出口12aから溶融混合物を押し出す。具体的には、シリンダー11内においてスクリュー13が回転することにより、溶融混合物に対してノズル12方向に向かう応力がかかる。
次に、本実施形態の繊維強化樹脂硬化物の構成について説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂硬化物は、上述した樹脂構造物Sのうち、樹脂として熱硬化性樹脂を含むものを原料として製造したものである。すなわち、本実施形態の繊維強化樹脂硬化物は、熱硬化性樹脂と、上記樹脂中に開繊された状態で分散する繊維とを含む粒状の繊維含有樹脂構造物を硬化したものである。
(1)先ず、X線CTを用いて測定したデータから得られる二次元画像を二値化する。
(2)次に、二次元画像の全体を、X方向及びY方向のそれぞれがn等分(6≦n≦82)となるように分割する。これにより、画像全体をn2個のボックスに分割する。
(3)次に、各n値において各ボックス内の繊維面積率を算出し、この繊維面積率の平均値(a)と標準偏差(σ)とから、変動係数(Cv(n)=σ/a)を算出する。
(4)次に、x軸にn値の逆数「1/n」、y軸に変動係数「(Cv(n)」とした両対数のグラフにおいて各n値についてプロットし、得られた近似直線の傾きに「−1」を乗じた値をフラクタル次元(D)値とする。
フラクタル次元(D)値が大きいほど、樹脂中の繊維の分散性が高いと評価することができる。
(1)先ず、X線CTを用いて測定したデータから、三次元モデルを再構成する。
(2)三次元モデルについて、繊維と樹脂を二値化し分離する。
(3)繊維方向テンソル(Txx,Tyy,Tzz)を算出する。なお、Txx,Tyy,Tzzは、それぞれ、X軸、Y軸、Z軸方向の配向テンソルを示す。また、Txx+Tyy+Tzz=1となる。各々の配向テンソル値が0.33のとき、ランダム配向していると評価することができる。
(4)解析範囲内の合計データ数が2000程度のTxx,Tyy,Tzzから標準偏差を算出する。
本実施形態の繊維強化樹脂硬化物は、成形材料として熱硬化性樹脂を含む樹脂構造物Sを用いた、一般的な圧縮成形等によって製造することができる。
具体的には、先ず、成形材料である樹脂構造物Sを予備加熱する。予備加熱としては、熱風循環乾燥機や赤外線ヒータも利用されるが、高周波予熱が最も効果的である。樹脂の種類や使用量に応じて適宜選択することが好ましい。
硬化後、成形品を金型から取り出すことにより、本実施形態の繊維強化樹脂硬化物が得られる。
次に、本実施形態の繊維強化樹脂成形品の構成について説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂成形品は、上述した樹脂構造物Sのうち、樹脂として熱可塑性樹脂を含むものを原料として製造したものである。すなわち、本実施形態の繊維強化樹脂成形品は、熱可塑性樹脂と、上記樹脂中に開繊された状態で分散する繊維とを含む粒状の繊維含有樹脂構造物を成形(賦形)したものである。
次に、本発明を適用した第2の実施形態について説明する。具体的には、第2実施形態は、上述した第1実施形態とは、樹脂構造物Sの製造方法が異なるものである。したがって、樹脂構造物Sの製造方法について詳細に説明するとともに、その他共通する内容については説明を省略する。
第1の工程では、準備工程で成形したペレットPを加熱し、樹脂を溶融して、溶融した樹脂中に繊維が開繊した状態で分散する樹脂組成物の溶融混合物を得る。本実施形態では、図4に示すように、単軸押出機20を用いて溶融混合することにより、上述した第1実施形態における射出成形機の射出ユニット10と同様に、ペレットPに含まれる繊維の開繊と繊維の分散を促進させる。
次に、第2の工程では、ダイス22の先端に設けられた複数の吐出口22aから溶融混合物を押し出す。具体的には、バレル21内においてスクリュー23が回転することにより、溶融混合物に対してダイス22方向に向かう応力がかかる。
以下のようにして、ペレットaを調製した。
まず、繊維の原繊維としてのシランカップリング剤により表面処理が施されたガラス繊維(Eガラス、PPG社製ガラス繊維ロービング1084、平均径:15μm)を用意した。
以下のようにして、ペレットbを調製した。
繊維の原繊維としてのシランカップリング剤により表面処理が施されたガラス繊維(Eガラス、PPG社製ガラス繊維ロービング1084、平均径:15μm)を用意した。
(実施例1)
得られたペレットaを射出成形機の射出ユニットに投入して110℃にて加熱することで樹脂を溶融し、スクリュー周速70mm/secで繊維を開繊して、溶融混合物を得た。次いで、得られた溶融混合物を射出成形機の射出ユニットのノズル先端の吐出口(φ10mm)から吐出し、吐出口の直径に対して110〜200%の範囲内に膨張した後に吐出口から切り離すことによって、実施例1の繊維含有粒状樹脂構造物を得た。
得られたペレットaを単軸押出機に投入して加熱することで樹脂を110℃で溶融し、スクリュー周速70mm/secで繊維を開繊して、溶融混合物を得た。次いで、得られた溶融混合物を単軸押出機のダイス先端の吐出口から吐出し、吐出口の直径に対して110〜200%の範囲内に膨張した後に吐出口から切り離すことによって、繊維含有粒状樹脂構造物を得た。実施例2で使用された単軸押出機のダイス先端の吐出口直径は10mm、実施例3で使用された単軸押出機のダイス先端の吐出口直径は7mm、実施例4で使用された単軸押出機のダイス先端の吐出口直径は5mmであった。なお、膨張後に吐出口から切り離すまでの時間をかえることによって、実施例2〜4の繊維含有粒状樹脂構造物を得た。
ペレットaの代わりにペレットbを用いた以外は、実施例2と同様にして、繊維含有粒状樹脂構造物を得た。
得られたペレットa、及び実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物について、それぞれ下記の評価を行った。なお、評価結果は、下記の表1に示す。
得られたペレットa、及び実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物の平均密度は、「JIS Z8807」に規定の幾何学的測定による密度および比重の測定方法に従って、測定した。
得られたペレットa、及び実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物の平均嵩密度は、粉体特性評価装置(ホソカワミクロン社製、「パウダーテスタPT−X型」等)を用いて測定した。具体的には、100(cm3)の容器を用いて、シュートを通して自由落下させて、タップせずに重量を測定し、上記重量を容器の体積で除した値として求めた。
得られたペレットa中、及び実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物中に含まれる繊維の平均長さ(平均繊維長)は、以下の(1)〜(3)の手順によって、算出した。
(1)電気炉を用いて構造物全体を550℃で加熱し、樹脂を気化させた後、繊維のみを取り出した。
(2)顕微鏡を用いて繊維の長さを測定した(繊維の測定本数:1サンプルにつき500本)。
(3)測定した繊維長から、重量平均繊維長を算出した。
得られたペレットa、及び実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物を断面視した際の、繊維の面積分率の測定は、X線CT装置(ヤマト科学製、「TDM1000−II」等)を用いて測定した。具体的には、X線CTで測定した断面像から繊維の面積を抽出して、その面積分率を求めた。
実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物の平均粒子径は、JIS Z8815のふるい分け試験方法によって求めた。また、平均粒子径は、粒度分布における積算値50%での粒子径(累積分布におけるメジアン径)とした。
(実施例1〜5)
作製した繊維含有粒状樹脂構造物を100℃程度で予熱した後に秤取して金型に投入し、圧縮成形機を用いて加圧し加熱硬化せしめ、長さ100mm×幅100mm×厚み4mmの硬化物を得た。硬化条件は、金型温度170〜180℃、成形圧力20〜30MPa、硬化時間3分であった。
なお、実施例1〜5の繊維含有粒状樹脂構造物を用いて作製した硬化物を、それぞれ実施例1〜5の硬化物とした。
得られたペレットaを直接金型に投入し、圧縮成形機を用いて加圧し加熱硬化せしめ、長さ100mm×幅100mm×厚み4mmの硬化物を得た。硬化条件は、金型温度170〜180℃、成形圧力20〜30MPa、硬化時間3分であった。
このようにして得られた硬化物を、比較例1の硬化物とした。
樹脂としてフェノール樹脂(住友ベークライト株式会社製、商品名スミライトレジンPR−51470、重量平均分子量:2800:フェノールノボラック樹脂)36.0質量部と、硬化剤としてヘキサメチレンテトラミン6.0質量部及び酸化マグネシウム1.0質量部と、離型剤としてステアリン酸カルシウム1.0質量部と、顔料としてカーボンブラック1.0質量部と、ガラス繊維としてガラスチョップドストランド(日東紡績社製、CS3E479、数平均繊維径11μm、数平均繊維長3mm)55質量部とを混合して、樹脂混合物cを得た。次いで、得られた樹脂混合物cを、回転速度の異なる加熱ロールで混練し、シート状に冷却したものを粉砕することにより、顆粒状の成形材料を得た。なお、加熱ロールの混練条件は、回転速度は高速側/低速側=20/14rpm、温度は高速側/低速側=90/20℃、混練時間は5〜10分間とした。
このようにして得られた成形材料の平均密度、平均嵩密度、及び平均繊維長を、前記の方法により決定した。
このようにして得られた硬化物を、比較例2の硬化物とした。
実施例1〜5及び比較例1〜2の硬化物について、それぞれ下記の評価を行った。なお、評価結果は、下記の表1に示す。
各試験例の試験片の中央部から、長さ10mm×幅10mm×厚み4mmのサイズを有する部分を切り出して、圧縮強さを測定するための試験片とした。この試験片の圧縮強さを、ISO 604に準拠して測定した。
各試験例の試験片の中央部から、長さ80mm×幅10mm×厚み4mmのサイズを有する部分を切り出して、曲げ強さを測定するための試験片とした。この試験片の曲げ強さを、ISO 178に準拠して測定した。
各試験例の試験片の中央部から、長さ80mm×幅10mm×厚み4mmのサイズを有する部分を切り出して、シャルピー衝撃値を測定するための試験片とした。この試験片のシャルピー衝撃値を、ISO 179に準拠して測定した。
各試験例の試験片の中央部から、長さ5mm×幅10mm×厚み4mmのサイズを有する部分を切り出して、フラクタル値を測定するための試験片とした。この試験片のフラクタル値(フラクタル次元(D)値)は、具体的には以下の(1)〜(4)の手順によって算出した。
(1)先ず、X線CTを用いて測定したデータから得られる二次元画像を二値化した。
(2)次に、二次元画像の全体を、X方向及びY方向のそれぞれがn等分(n=6、12、16、25、36、41、82)となるように分割した。これにより、画像全体をn2個のボックスに分割した。
(3)次に、各n値において各ボックス内の繊維面積率を算出し、この繊維面積率の平均値(a)と標準偏差(σ)とから、変動係数(Cv(n)=σ/a)を算出した。
(4)次に、x軸にn値の逆数「1/n」、y軸に変動係数「(Cv(n)」とした両対数のグラフにおいて各n値についてプロットし、得られた近似直線の傾きに「−1」を乗じた値をフラクタル次元(D)値とした。
各試験例の試験片の中央部から、長さ5mm×幅10mm×厚み4mmのサイズを有する部分を切り出して、配向テンソル値の標準偏差を測定するための試験片とした。この試験片の配向テンソル値の標準偏差は、具体的には以下の(1)〜(4)の手順によって算出した。
(1)先ず、X線CTを用いて測定したデータから、三次元モデルを再構成した。
(2)三次元モデルについて、繊維と樹脂を二値化し分離した。
(3)繊維方向テンソル(Txx,Tyy,Tzz)を算出した。
(4)解析範囲内の合計データ数が2000程度のTxx,Tyy,Tzzから標準偏差を算出した。
さらに、平均繊維長に対する硬化物の圧縮強さ、曲げ強さ、及びシャルピー衝撃強さの比について、実施例1〜5と比較例1とを比較すると、比較例1よりも実施例1〜5の方が顕著に大きな値であった。
2 繊維
10 射出成形機の射出ユニット
11 シリンダー
12 ノズル
12a 吐出口
13 スクリュー
14 投入口
15 ヒータ
20 単軸押出機
21 バレル
22 ダイス
22a 吐出口
23 スクリュー
24 投入口
S 樹脂構造物(繊維含有粒状樹脂構造物)
P ペレット
Claims (6)
- 樹脂と繊維とを含む、粒状の樹脂構造物であって、
前記樹脂中に前記繊維が開繊された状態で分散するとともに、
当該樹脂構造物の平均密度が、0.38g/cm3〜0.57g/cm3の範囲であり、平均嵩密度が、0.25g/cm3〜0.35g/cm3の範囲であり、
前記樹脂は、フェノールノボラック樹脂を含むフェノール樹脂であり、
前記繊維は、シラン系カップリング剤で処理されたガラス繊維であり、
前記繊維の平均長さは、3.8mm〜4.6mmであり、
前記樹脂中の前記繊維の含有量が、40質量%以上70質量%以下の範囲であり、
前記粒状の樹脂構造物の平均粒子径が、6.0mm〜11.6mmの範囲である、繊維含有粒状樹脂構造物。 - 当該樹脂構造物が、強制造粒物である、請求項1に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
- 当該樹脂構造物が、押出造粒物である、請求項2に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
- 当該樹脂構造物が、単軸押出造粒物である、請求項3に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
- 当該粒状樹脂構造物を断面視した際に、前記繊維の面積分率が、20.7%〜25.4%の範囲である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の繊維含有粒状樹脂構造物を硬化した繊維強化樹脂硬化物であって、
前記樹脂中の前記繊維の分散状態を示すフラクタル値が、0.40〜0.45の範囲であり、
前記樹脂中の前記繊維の配向状態を示す配向テンソル値の標準偏差が、0.13〜0.15の範囲である、繊維強化樹脂硬化物。
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