JP2023128465A - 繊維強化樹脂製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的長繊維が残存する繊維強化樹脂を簡単な操作とで製造する装置の提供【解決手段】原料供給部、第１スクリュ部、ミキシング部(混練部)、第２スクリュ部からなり、前記ミキシング部直後に強化用繊維材供給するための開口部を備え、第２スクリュ部のスクリュを、２条以上の多条形状とするとともに、回転軸方向に沿って複数の切り欠きを形成した繊維強化樹脂製造装置【選択図】図２

Description

本発明は、ベント式射出成形機を用いる繊維強化樹脂の製造装置に関する。特に、ガラス繊維や炭素繊維の一部を長繊維のまま残し、樹脂に均一に分散した繊維強化樹脂の製造装置に関する。

射出成形において、成形品の物理的特性を向上させるため、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維や各種添加物を樹脂に含有させることは以前から知られている。

樹脂に繊維材を含有させる方法として、繊維束に溶融樹脂を含浸させ、これを冷却固化して切断し、繊維束が混入したペレットを製造する方法（特許文献１）や、押出機へ直接繊維材を供給する方法が知られているが、前者の方法で得られたペレットがその後の射出成形工程で繊維と樹脂が分離してしまうという問題があった。
後者の場合、繊維材を原料樹脂ペレットとともにホッパから押出成形機の混練部に投入し、樹脂を溶融するとともに繊維材を樹脂中に分散させれば、樹脂中に繊維材が均質に分散されるので、この繊維が均質の分散した樹脂をペレットとし、これを原料に射出成形して繊維強化製品を製造することが、一般的に広く採用されている。

しかし、長尺の繊維材を使用しても樹脂との混練過程で、大きな圧力や剪断力が加わるため、繊維切断により必要以上に繊維材の短小化が進み、かかるペレットを使用して得られた製品の強度が上がらないという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献１では、繊維材の供給を押出成形機のサイドフィード用供給口又はベント穴部から供給するようにして、繊維強化樹脂ペレットを製造している。
この方法によれば、押出機の上流から供給される溶融樹脂に対し前記繊維材が混合されるので、繊維材への大きな剪断力の付加が避けられ、繊維切断が軽減されるとしている。

さらに、このような長繊維を含有する原料ペレットを使用して射出成形により製品を製造するには、射出成形機で混練・溶融工程を経る必要があり、できるだけ繊維が切断しな
いようにするため、スクリュの形状を改良する方法が提案されている(特許文献２，３)。

以上のような改良技術により、比較的長繊維を含有する繊維強化樹脂による射出成形品を製造することができるようになった。
しかし、この従来方法では、射出工程のほかに、ペレット化工程が不可欠で、しかも夫々の工程で樹脂を溶融するので、コストが大きくなるといった問題があった。

これらの問題を解決するため、特許文献４では、ベントアップが発生し難いベント式射出成形機を使用し、ベント口から繊維材を供給し、上流から溶融樹脂に混合させることにより、比較的長い繊維が均質に分散した繊維強化樹脂からなる成形品を直接、安定的に製造できる技術が開示されている。

しかし、かかる技術においても、繊維を樹脂中に均一に分散させるには十分攪拌する必要があり繊維の細断化は避けられなかった。

特開２０１０－６５４号公報 特開平０８－３１８５６１号公報 特開２００５－１６９６４６号公報 特許第５６４９２４４号

本発明の目的は、上記従来技術における問題を解決し、簡単な装置で比較的長尺な繊維が残存し、且つ樹脂中に均一に分散した繊維強化樹脂の製造装置を提供することである。

本発明の概要は以下のとおりである。
〔１〕原料供給部、第１スクリュ部、ミキシング部(混練部)、第２スクリュ部からなり、前記ミキシング部直後に強化用繊維材供給するための開口部を備え、第２スクリュ部のスクリュを、２条以上の多条形状とするとともに、回転軸方向に沿って複数の切り欠きを形成した繊維強化樹脂製造装置。
〔２〕前記切り欠きは、前記回転軸の方向に所定角度ずつずれて形成されている〔１〕の繊維強化樹脂製造装置。
〔３〕前記切り欠きは、前記回転軸の方向と交わる断面において回転軸と対称の位置に二つずつ形成されている〔１〕又は〔２〕の繊維強化樹脂製造装置。
〔４〕前記切り欠きは前記回転軸の方向に向けて、回転方向に９０度ずつずれて形成されている〔１〕ないし〔３〕の何れかの繊維強化樹脂製造装置。
〔５〕前記切り欠きは前記回転軸の方向に沿って少なくとも一部が間引かれて形成されている〔１〕ないし〔４〕の何れかの繊維強化樹脂製造装置。

本発明によれば、樹脂を繊維が混合される第２スクリュ部のスクリュに切り欠きを形成したので、樹脂に添加された繊維の一部は、この切り欠きを短絡し、細断化されるのが防止される。

本発明のスクリュに形成される「切り欠き」は、スクリュ羽根の先端部から切り欠き部を設けてもよく、スクリュ羽根に開口部を設けてもよい。また、切り欠き部の深さは、スクリュ羽根の高さの１／４から羽根の高さと同等、その幅は切り欠き部の深さに対して１／２から２．５培程度が好ましく、切り欠き部の開口面積があまり大きいとスクリュによる移送力が低下し、ベントアップしやすくなり、あまり小さいと切り欠き部を短絡する繊維の量が少なくなるので本発明の効果が十分達成できなくなる。

本発明の切り欠き部をスクリュの回転軸の方向に所定角度ずつずれて形成することにより、スクリュの重量バランスが取れるためスクリュの回転に伴う軸ブレを提言し、安定的に運転することができる。

また、本発明の切り欠き部をスクリュの回転軸の方向と交わる断面において回転軸と対称の位置に二つずつ形成することにより、切り欠き部を短絡する繊維の量を増やすことができ、切り欠き部が点対称の位置に新在するので、マトリクス中に点在する繊維の切り欠き部までの平均距離が短くなる。

また、本発明の切り欠き部をスクリュの回転軸の方向に向けて９０度ずつずれて形成することにより、マトリクス中の繊維が回転方向に沿って分散することに加え、切り欠きに向けて回転方向と逆向きに分散するので、マトリクス中の繊維の分散性が向上する。

さらに、本発明の切り欠き部をスクリュの回転軸の方向に沿って少なくとも一部を間引いて形成すれば、一部に形成された切り欠きを通じて繊維を短絡させることにより、繊維長の細断を抑制しつつ、切り欠きのないところで確実に繊維とマトリクス樹脂の混錬を行うことで、繊維のマトリクス樹脂中の分散性を高めることができる。

以上、説明したように、本発明によれば、装置も操作も簡単な繊維強化樹脂製造装置で、比較的長繊維が残存する繊維が均一に分散し、強度が向上した繊維強化樹脂を得ることができる。

本発明に使用する繊維強化樹脂製造装置の全体図 本発明で使用する切り欠きを形成した第２スクリュ（ＴＹＰＥ１）の斜視図 本発明で使用する切り欠きを形成した第２スクリュ（ＴＹＰＥ２）の斜視図 本発明で使用する切り欠きを形成した第２スクリュ（ＴＹＰＥ３）の斜視図 本発明で使用する切り欠きを形成した第２スクリュ（ＴＹＰＥ１～３）の側面図

１ 原料供給装置
２ シリンダ
３ スクリュ
４ 第１ステージ
５ 第２ステージ
６ 一条ねじ部
７ ミキシング部
８ 多条ねじ部
９ ベント部兼繊維材供給部
１０ ヒータ
１１ ホッパ
１２ スクリュフィーダ
１３ シリンダの原料供給部
１４ モニター
１５ 繊維材
１６ 切り欠き

以下、本発明の繊維強化樹脂製造装置の実施例を図面に沿って説明するが、本発明はこれに限定されないことは、本件発明の趣旨から明らかである。

図１は、繊維強化樹脂製造装置の全体図で、原料供給装置１、シリンダ部２からなり、シリンダ部２には加熱用ヒータ１０が装着されている。
シリンダ２内にはスクリュ３が配され、スクリュ３は、一条ねじ部６とミキシング部７からなる第１ステージ４と２条以上の多条ねじ部からなる第２ステージを有し、第２ステージには溶融樹脂中の揮発成分を揮散させるベント部９が設けられ、さらに、第２ステージのスクリュ３には、後述する切り欠き１６が形成されている。

繊維強化樹脂製造装置の原料供給装置１は、ホッパ１１、供給量を調整可能なスクリュフィーダ１２、シリンダ内の原料供給部１３の原料供給状態を視認可能なモニター１４からなる。図１中の丸枠内は、モニター１４がシリンダ内の原料供給部１３の原料供給状態を表示している画面を示す。

ホッパ１１内の原料樹脂ペレットは、スクリュフィーダ１２により供給量を制御されてシリンダ２の原料供給部１３に落下する。この原料供給部１３における原料ペレットの供給状態は、供給装置内に設けられた撮像手段により撮影し、モニター１４により、常時、視認が可能となっている。

原料ペレットの供給量は、上記丸枠内のモニター画面が表示するように、原料供給部１３のスクリュ３上に落下したペレットが原料供給部１３に常時少量滞留している状態となるように調整する。このように原料ペレットの供給量を調整することにより、シリンダ内には、常時、必要最小限の原料が存在することとなり、シリンダの第１ステージ内の圧力が安定する。

上記原料ペレットの供給量の調整は、操作者がモニターを視認しながら手動で行うこともできるが、モニター画面の解析ソフトを利用し自働的に供給量を調整することも可能である。

第１ステージ４の一条ねじ部６は従来どおりのスクリュデザインでよく、ミキシング部７も、従来周知のダルメージ型、バリヤ型、サブフライト型、ウェーブ型などを採用することができる。

第２ステージ５のスクリュ３は、２条以上の多条ねじ部８とする。
一方、条数を大きくしすぎても個々のねじ溝が狭くなり、溝側壁との樹脂の摩擦抵抗が大きくなり、繊維の切断が生じるなどの問題が生じるため、好ましくは５条以下である。

第２ステージ５のスクリュ部のピッチ幅を第１ステージ４のスクリュ部のピッチ幅より小さくすることで、第１ステージ４からの溶融樹脂を、ベント部で滞留させることなくスムーズに移送させることができる。
第２ステージ５のスクリュ部のピッチ幅は、スクリュ軸の直径Ｄの１．１～１．３が好ましく、第１ステージ４のスクリュ部のピッチ幅の１．２～１．６程度とすることが好ましい。１．６倍を超えるとねじ溝の側壁と溶融樹脂との摩擦が大きくなり好ましくない。

第２ステージ５のスクリュ３には、図２～５に示されるような切り欠き１６が形成されている。図２～４は、３条の第２ステージ５スクリュ３の斜視図で、図２（TYPE１）は、切り欠き１６が対称位置に９０度ずらせて２か所形成した例であり、図３（TYPE２）は、切り欠き１６が対称位置に９０度ずらせて１か所形成した例であり、図４（TYPE３）は、切り欠き１６が定位置に間引いて形成した例である。

図５は、２条の第２ステージ５スクリュ３（TYPE１～３）の側面図で、図に示した位置における断面図により、各TYPEの切り欠きの位置関係を示している。

Claims (5)

1. 原料供給部、第１スクリュ部、ミキシング部(混練部)、第２スクリュ部からなり、前記ミキシング部直後に強化用繊維材供給するための開口部を備え、第２スクリュ部のスクリュを、２条以上の多条形状とするとともに、回転軸方向に沿って複数の切り欠きを形成した繊維強化樹脂製造装置。
2. 前記切り欠きは前記回転軸の方向に所定角度ずつずれている請求項１記載の繊維強化樹脂製造装置。
3. 前記切り欠きは前記回転軸の方向と交わる断面において回転軸と対称の位置に二つずつ形成した請求項１又は２記載の繊維強化樹脂製造装置。
4. 前記切り欠きは前記回転軸の方向に沿って、回転方向に９０度ずつずれている請求項１ないし３の何れかに記載の繊維強化樹脂製造装置。
5. 前記切り欠きは前記回転軸の方向に沿って少なくとも一部が間引かれている請求項１ないし４の何れかに記載の繊維強化樹脂製造装置。
   

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