JP2020128101A - 圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束 - Google Patents

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Abstract

【課題】面衝撃強度が高い成形品が得られる樹脂含浸繊維束の提供。【解決手段】（Ａ）繊維材料の束100質量部に対して（Ｂ）熱可塑性樹脂25〜300質量部が含浸されて一体化された圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束であり、前記樹脂含浸繊維束が、幅方向の断面形状が長軸と短軸（長軸長さ＞短軸長さ）を有する扁平形状のものであり、前記長軸の平均長さ（D1）が0.5〜2.0ｍｍであり、前記長軸の平均長さ（D1）と前記短軸の平均長さ（D2）から求められる平均扁平比（D1／D2）が1.2〜8.0であり、前記樹脂含浸繊維束の長さ（L）が11〜50ｍｍであり、ＬとD1の比（L／D1）が10〜50であり、嵩密度が0.1〜0.4ｇ／ｃｍ3であり、前記圧縮成形品が、（Ｂ）成分に含まれている熱可塑性樹脂を除いた熱可塑性樹脂を使用しないで成形されるものである、圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束。【選択図】なし

Description

本発明は、熱可塑性樹脂と補強繊維を含む樹脂含浸繊維束、圧縮成形品およびその製造方法に関する。
熱可塑性樹脂と補強繊維からなるペレットを射出成形することで、成形品を得る方法が汎用されている。
しかし、射出成形法を適用すると、射出成形の過程で補強繊維が折れて短くなってしまい、補強効果が低下するという問題がある。
特許文献１、２では、射出成形法に替えてプレス成形法を適用する発明が記載されている。
特許文献１には、幅０．２〜５ｍｍおよび長さ１０〜１５０ｍｍの一方向長繊維強化熱可塑性樹脂（以下Ｌ−ＦＲＴＰという）からなる線材がランダムに配向され、該線材同士の接点が固着しており、目付け量３０〜５００ｇ／ｍ2で、開口部を有し、厚さが０．１〜１ｍｍであるＬ−ＦＲＴＰシートと、さらに前記Ｌ−ＦＲＴＰシートが特定の母材の少なくとも片面または内部に配されている複合成形体の発明が記載されている（特許請求の範囲）。
発明の効果の欄（段落番号００５１）には、Ｌ−ＦＲＴＰシートの面剛性が向上できることが記載されている。
Ｌ−ＦＲＴＰの断面形状は円形または楕円形であり、断面の長径／短径が３以下であると記載されている（段落番号００１６）が、実施例で使用されているものは円形のみであり（実施例１）、楕円のものは使用されていないことから、発明の効果を得るためには、断面が円形のものが好ましいことが開示されていることになる。
特許文献２には、長繊維強化熱可塑性樹脂線状成形材料と、長繊維強化熱可塑性樹脂成形品の製造方法の発明が記載されている（特許請求の範囲）。
長繊維強化熱可塑性樹脂線状成形材料の断面形状については、「（ａ）円形又は楕円形に近い断面形状を有する。これにより、線状成形材料を三次元的に配向して散布することが容易となり、このように散布されたものをプレス成形すると、強化繊維が三次元的に配向したシート材料又は成形品を得ることができる（段落番号００２８）」と記載されているが、実施例、参考例および比較例には断面形状の記載はないため、特許文献１の発明と同様に円形のものであると考えられる。
特許第３６３１９９４号公報 特許第４７４３５９２号公報
本発明は、面衝撃強度の高い成形品が得られる樹脂含浸繊維束と、前記樹脂含浸繊維束から得られる圧縮成形品およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、
（Ａ）繊維材料の束１００質量部に対して（Ｂ）熱可塑性樹脂２５〜３００質量部が含浸されて一体化された樹脂含浸繊維束であり、
前記樹脂含浸繊維束が、幅方向の断面形状が長軸と短軸（長軸長さ＞短軸長さ）を有する扁平形状のものであり、
前記長軸の平均長さ（Ｄ１）が０．５〜２．０ｍｍであり、
前記長軸の平均長さ（Ｄ１）と前記短軸の平均長さ（Ｄ２）から求められる平均扁平比（Ｄ１／Ｄ２）が１．２〜８．０であり、
前記樹脂含浸繊維束の長さ（Ｌ）が１１〜５０ｍｍであり、前記Ｌと前記Ｄ１の比（Ｌ／Ｄ１）が１０〜５０であり、
嵩密度が０．１〜０．４ｇ／ｃｍ3である、樹脂含浸繊維束、それから得られる圧縮成
形品、前記圧縮成形品の製造方法を提供する。
本発明の樹脂含浸繊維束から得られた圧縮成形品は、特に面衝撃強度が高い。
また本発明の圧縮成形品の製造方法は、非接触型ヒーターによる予備加熱工程とその後の圧縮工程を組み合わせているため、得られた圧縮成形品の密度の調整が容易になる。
＜樹脂含浸繊維束＞
（Ａ）成分の繊維材料の束で使用する繊維材料は、炭素繊維、ガラス繊維。アラミド繊維から選ばれるものが好ましいが、これらに制限されるものではない。
繊維材料の束の本数は、樹脂含浸繊維束の外径（長軸長さおよび短軸長さ）を考慮して調整するものであり、例えば、１００〜３００００本の範囲から選択することができる。
（Ｂ）成分の熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂（ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド１２など）、オレフィン樹脂（ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、酸変性ポリプロピレンなど）、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなど）、熱可塑性ウレタン樹脂（ＴＰＵ）、ポリオキシメチレン樹脂（ＰＯＭ）、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリカーボネート樹脂とＡＢＳ樹脂のアロイなどから選ばれるものを用いることができる。
（Ｂ）成分の熱可塑性樹脂は、２種以上からなるアロイも用いることができ、その場合には、適当な相溶化剤も含有することができる。
（Ａ）成分の繊維材料の束と（Ｂ）成分の熱可塑性樹脂の含有割合は、（Ａ）成分１００質量部に対して（Ｂ）成分２５〜３００質量部であり、好ましくは３０〜１５０質量部であり、より好ましくは４０〜１００質量部である。
樹脂含浸繊維束は、用途に応じて、公知の樹脂用添加剤を含有することができる。樹脂用添加剤としては、難燃剤、熱安定剤、光安定剤、着色剤、酸化防止剤、帯電防止剤、滑剤などを挙げることができる。
樹脂含浸繊維束は、幅方向の断面形状が長軸と短軸（長軸長さ＞短軸長さ）を有する扁平形状のものである。
樹脂含浸繊維束の長軸の平均長さ（Ｄ１）は０．５〜２．０ｍｍであり、０．５〜１．５ｍｍが好ましい。
樹脂含浸繊維束の長軸の平均長さ（Ｄ１）と短軸の平均長さ（Ｄ２）から求められる平均扁平比（Ｄ１／Ｄ２）は１．２〜８．０であり、１．５〜５．０が好ましい。
樹脂含浸繊維束の長さ（Ｌ）は１１〜５０ｍｍであり、１５〜４０ｍｍが好ましい。
ＬとＤ１の比（Ｌ／Ｄ１）は１０〜５０であり、２０〜５０が好ましい。
樹脂含浸繊維束は、嵩密度が０．１〜０．４ｇ／ｃｍ3であり、０．１〜０．３ｇ／ｃｍ3が好ましく、０．１〜０．２ｇ／ｃｍ3がさらに好ましい。
樹脂含浸繊維束は、幅方向の断面形状が楕円形であるものと、楕円形でないものを含むものである。
幅方向の断面形状が楕円形であるものは、全ての面が曲面のものであるが、幅方向の断面形状が楕円形でないものは、一部面が平面からなるものであり、例えば、短軸に面している面の全部または一部が平面のものである。
樹脂含浸繊維束の長軸が同じであるとき、短軸の長さが小さいもの（平面を有しているもの）の方が、狭い隙間に入り込み易くなるため好ましい。
樹脂含浸繊維束の製造方法はクロスヘッドダイを使用した方法が公知であり、例えば、特開２０１３−１０７９７９号公報（製造例１の樹脂含浸ガラス長繊維束の製造）、特開２０１３−１２１９８８号公報（製造例１の樹脂含浸ガラス長繊維束の製造）、特開２０１２−５２０９３号公報（実施例１〜９）、特開２０１２−１３１１０４号公報（製造例１の樹脂含浸ガラス長繊維束の製造、製造例２の樹脂含浸炭素繊維長繊維束の製造）、特開２０１２−１３１９１８号公報（製造例１の樹脂含浸炭素繊維束の製造、製造例２の樹脂含浸ガラス繊維束の製造）、特開２０１１−１６２９０５号公報（実施例１）、特開２００４−１４９９０号公報（実施例１〜７）に記載の方法に準じて製造することができる。
樹脂含浸繊維束を上記した扁平比のものにするには、クロスヘッドダイの出口形状を調整する方法、クロスヘッドダイの出口から出た後、冷却する前の段階にて、上下に配置した２本のローラー（整形ロール）間を通す方法などを適用することができる。
＜圧縮成形品＞
本発明の圧縮成形品は、樹脂含浸繊維束の所要量がランダムに配置された状態で、接触している樹脂含浸繊維束同士が互いに融着された状態のものである。
樹脂含浸繊維束の所要量とは、目的とする圧縮成形品の大きさ（容積）と密度に応じて使用する樹脂含浸繊維束の総本数である。
樹脂含浸繊維束の所要量は、基準となる圧縮成形品の大きさ（容積）と密度を決めておき、それに必要な樹脂含浸繊維束の総本数を予め試作して求めておくことで算出することができる。
目的とする圧縮成形品の大きさ（容積）と密度は、用途に応じて決めることができる。
本発明の圧縮成形品は、
（I）樹脂含浸繊維束の所要量が、面方向のみにランダムに配置された状態（二次元に配置された状態）で、接触している樹脂含浸繊維束同士が互いに融着された形態のもの、 （II）樹脂含浸繊維束の所要量が、面方向および前記面方向に対して斜め方向になるようにランダムに配置された状態（三次元に配置された状態）で、接触している前記樹脂含浸繊維束同士が互いに融着された形態のもの、などにすることができる。
本発明の樹脂含浸繊維束は、扁平比が１．２〜８．０の範囲のものであることから、断面が円形またはそれに近い楕円と比べると、上記（I）の形態および（II）の形態のいずれにおいても、近接する樹脂含浸繊維束同士が接触し易くなり、接触面積も大きくなる。このため、加熱雰囲気に置かれたとき、樹脂含浸繊維束同士が融着し易くなる。
さらに本発明の樹脂含浸繊維束は、扁平比が１．２〜８．０の範囲のものであることから、断面が円形またはそれに近い楕円と比べると、（II）の形態になりやすくなるので好ましい。例えば、樹脂含浸繊維束間に隙間があるとき、円形のものでは前記隙間には入り込み難いが、扁平形状のものであれば前記隙間に入り込み易くなるため、三次元配置が用にできるようになる。
特に本発明の樹脂含浸繊維束が平面を有しているものを使用すると、さらに（II）の形態になりやすくなるので好ましい。
本発明の圧縮成形品は、厚みが１．５〜１０ｍｍ、密度が１．１０〜１．８０ｇ／ｃｍ3であるものが好ましい。
本発明の圧縮成形品は、平面形状だけでなく、曲面形状を有するものも含まれる。
本発明の圧縮成形品は、特に面衝撃強度が高いため、平板形状品にしたとき、使用寿命を大幅に延長することができる。
＜圧縮成形品の製造方法＞
本発明の圧縮成形品の製造方法を説明する。
最初の工程にて、加熱容器内に所要量の樹脂含浸繊維束をランダムに投入する。前記樹脂含浸繊維束は嵩密度が０．１〜０．４ｇ／ｃｍ3と小さいため、加熱容器内に投入した樹脂含浸繊維束の厚みは偏りが小さく、ほぼ均一にすることができる。
なお、必要に応じて加熱容器に対して振動を加えることで、投入後の樹脂含浸繊維束の厚みをならすようにすることができる。
前記振動を加えるときは、加熱容器に対して上下方向、左右方向、上下および左右方向の３通りの方法を適用できるが、より短時間で樹脂含浸繊維束の厚みを調整できるため、上下方向、または上下および左右方向に振動を加える方法が好ましい。
次の工程にて、非接触型ヒーターにて、前記加熱容器内の前記樹脂含浸繊維束を予備加熱する。
非接触型ヒーターとしては、熱源として赤外線、近赤外線、誘導加熱（ＩＨ）および熱風から選択されるものが好ましい。
予備加熱は、加熱容器内に投入した樹脂含浸繊維束同士が融着して、全体が動かない程度に一体化されるまで実施する。
前工程で使用した樹脂含浸繊維束は嵩密度が０．１〜０．４ｇ／ｃｍ3と小さく、樹脂含浸繊維束間に隙間が多く存在しているため、非接触型ヒーターを使用した場合であっても、加熱容器内の樹脂含浸繊維束全体に対して熱が速やかに行き渡ることから、短時間の処理で一体化させることができる。
次の工程にて、予備加熱後の前記樹脂含浸繊維束を加熱しながら圧縮して圧縮成形品を得る。
この圧縮工程では、前工程で得られた樹脂含浸繊維束の一体化物をプレス用金型に入れた後で加熱しながら圧縮する。
圧縮時の加熱温度は、樹脂含浸繊維束に含まれている熱可塑性樹脂の軟化点より低い温度であり、予備加熱温度よりも低いことが好ましい。
圧縮工程では、成形サイクル時間を短くさせたり、表面外観を高めたりするために、ヒートアンドクール成形法を適用することもできる。
ヒートアンドクール成形法は、圧縮成形前に金型温度を急速に高温にした状態で成形した後、急激に冷却する方法である。
また、圧縮成形後の成形品に対して再度上記した予備加熱処理をした後、再度圧縮成形することにより、成形品中の繊維の分散性が向上されて、成形品の均一性が高められることから、さらに安定した製品（成形品中における繊維の分散性が良いことから、成形品の機械的性質などが安定する）を得ることもできる。
圧縮成形品の厚みが１．５〜１０ｍｍで、密度が１．１０〜１．８０ｇ／ｃｍ3になるようにする。
実施例１（樹脂含浸ガラス繊維束の製造）
（Ａ）成分のガラス長繊維からなる集束剤で束ねられた繊維束（ガラス繊維１：直径１
３μmのガラス繊維約１６００本の束）をクロスヘッドダイに通した。
そのとき、クロスヘッドダイには、別の２軸押出機（シリンダー温度２９０℃）から（Ｂ）成分のポリプロピレン（ＰＭＢ０２Ａ，サンアロマー（株）製）の溶融物を供給してガラス長繊維束に含浸させた。
その後、クロスヘッドダイ出口の賦形ノズルで賦形し、整形ロールで形を整えた後、ペレタイザーにより所定長さに切断し、表１に示す樹脂含浸繊維束を得た。
このようにして得た樹脂含浸繊維束を切断して確認したところ、ガラス長繊維が長さ方向にほぼ平行になっており、中心部まで樹脂が含浸されていた。
長軸の平均長さ（Ｄ１）と短軸の平均長さ（Ｄ２）の計測は、次の方法により実施した。
１０本の樹脂含浸ガラス繊維束を取り出し、走査型電子顕微鏡を使用して、断面（端面）の長軸長さと短軸長さを測定して平均値を求めた。具体的には、断面と交差する直線で断面の外周部と直線の２つの交点の長さが最も長くなるものを長軸とし、長軸と垂直に交わる直線でその直線と断面の外周部との２つの交点の長さで最も長くなるものを短軸とした。
（嵩密度の測定法）
０．１％の精度で秤量した約２００ｇの樹脂含浸ガラス繊維束（質量ｍ）を圧密せずに乾いた１０００ｍｌメスシリンダー（最小目盛単位：２ｍｌ）に静かに入れ、タップしない（ゆるみ）状態でのゆるみかさ体積（ｖ0）を最小目盛単位まで読み取とった。その後、ｍ／ｖ0から嵩密度（ｇ／ｃｍ3）を求めた。
実施例１、２、比較例１、参考例１
上記した樹脂含浸ガラス繊維束約１５０ｇを用意して、ステンレス製の平底容器内に高さ１５〜２０ｃｍの位置からほぼ均一厚さになるように投入した。
その後、炉（日本碍子（株）製のインプラスタイン炉Ｎ７ＧＳ；熱源として赤外線ヒーターを備えている）中にて、２００℃で１００秒の加熱（非接触型加熱）を計３回実施した。この加熱処理によって、平底容器内の含浸ガラス繊維束は、ポリプロピレン同士が融着されて一体化されていた。
その後、樹脂含浸ガラス繊維束の一体化物をプレス機（三友（株）製のSTI-1.6-220VF）により１０秒間プレスした（プレス温度１７０℃，プレス圧２ｔ）。
その後、室温まで冷却して、平面形状が長方形の圧縮成形体（縦２００ｍｍ、横２００ｍｍ，厚み２ｍｍ、密度１．５０ｇ／ｃｍ3）を得た。
（面衝撃強度の測定法）
落錘衝撃試験
測定機器：グラフィックインパクトテスターＢ型（東洋精機製作所製）
仕様：ストライカー径＝φ12.7mm
サンプルホルダー径＝φ76mm
落下高さ：80cm
ウエイト質量：6.5kg
測定温度；23℃
測定サンプル：１００ｍｍ角に切削したサンプル
測定は、測定サンプルの中心に衝撃を加えて実施した。
実施例１、２と比較例１の対比から、本発明の樹脂含浸繊維束を使用し、本発明の製造方法を適用して得られた圧縮成形品は、面衝撃強度が優れていた。
本発明の樹脂含浸繊維束から得られた圧縮成形品は、薄くて高い面衝撃強度を有しているため、自動車部品、機械部品、建築材料、家庭用および業務用の食器やトレイ、各種日用品、安全靴部品などに利用することができる。

Claims (3)

  1. （Ａ）繊維材料の束１００質量部に対して（Ｂ）熱可塑性樹脂２５〜３００質量部が含浸されて一体化された圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束であり、
    前記樹脂含浸繊維束が、幅方向の断面形状が長軸と短軸（長軸長さ＞短軸長さ）を有する扁平形状のものであり、
    前記長軸の平均長さ（Ｄ１）が０．５〜２．０ｍｍであり、
    前記長軸の平均長さ（Ｄ１）と前記短軸の平均長さ（Ｄ２）から求められる平均扁平比（Ｄ１／Ｄ２）が１．２〜８．０であり、
    前記樹脂含浸繊維束の長さ（Ｌ）が１１〜５０ｍｍであり、前記Ｌと前記Ｄ１の比（Ｌ／Ｄ１）が１０〜５０であり、
    嵩密度が０．１〜０．４ｇ／ｃｍ3であり、
    前記圧縮成形品が、（Ｂ）成分に含まれている熱可塑性樹脂を除いた熱可塑性樹脂を使用しないで成形されるものである、圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束。
  2. 前記平均扁平比（Ｄ１／Ｄ２）が１．５〜５．０、Ｌ／Ｄ１が２０〜５０、嵩密度が０．１〜０．３ｇ／ｃｍ3である、請求項１記載の圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束。
  3. （Ａ）成分の繊維材料が、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維から選ばれるものである、請求項１または２記載の圧縮成形品用の樹脂含浸繊維束。
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