JP2023546261A - 長繊維の熱可塑性材料加工のための方法およびシングルスクリュー押し出しシステム - Google Patents

長繊維の熱可塑性材料加工のための方法およびシングルスクリュー押し出しシステム Download PDF

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Abstract

本開示は、熱可塑性材料のための第1の入口部と、熱可塑性複合材フィード材料のための第2の別個の下流の入口開口部とを備えた押し出し機を使用して、長繊維熱可塑性(LFT)押し出し材料を生産する方法に関し、同様に、押し出しシステムおよびLFTペレットに関する。

Description

本発明は、長繊維熱可塑性(LFT)押し出し材料を生産する方法、長繊維熱可塑性(LFT)材料、およびシングルスクリュー押し出し機に関する。
本発明は、一態様において、長繊維熱可塑性(LFT)材料を作製する方法、とりわけ、LFT押し出し材料(押し出し品)を作製するための方法に関する。LFT材料は、長繊維強化熱可塑性材料と称されることもできる。LFT押し出し材料は、たとえば、車両のドアパネル、インストルメントキャリア、または、フロントエンドのような自動車の中のパーツ、また、電子機器などのような他の分野のパーツなどのような、LFT材料を含む多様な製品を生産するために使用され得る。LFT押し出し材料は、たとえば、LFT製品を形成するための射出成形のための原材料として使用される。LFT押し出し材料は、たとえば、ペレットに切断され、ペレットは、射出成形のために使用される。LFT材料の射出成形は、そのように知られており、フィード材料としてLFTペレットを使用することが多い。そのようなLFTペレットは、たとえば、5mmから15mmの長さになっており、好ましくは、約11mmの長さになっており、たとえば、1~5mmの直径を有している。個々のLFTペレットは、繊維(たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、または天然繊維)および熱可塑性ポリマーを含む。本発明方法は、改善された特性を備えた、および/または、より経済的な方式で、そのようなペレットを作製するために使用され得る。
LFTペレットを作製する現在の例示的な方法は、乾燥した連続的な繊維を使用するワイヤコーティングまたは熱可塑性の引き抜き成形に基づいている。ここで、「乾燥した」は、たとえば、熱可塑性材料の中に、繊維がまだ埋め込まれていないことを示している。たとえば、LFTペレットを作製するためのいくつかの先行技術の方法では、乾燥した繊維は、熱可塑性ポリマーによってワイヤコーティングされる。ワイヤコーティングおよび引き抜き成形は、コーティングされたまたは含浸された繊維のストランドをそれぞれ与え、それらは、たとえば、長さが11mmのペレットへと寸法決めされる(たとえば、切断される)。より長いペレットは、射出成形によって加工するのが困難である。繊維は、連続的であり、ワイヤコーティングおよび引き抜き成形によって取得されるストランドの中で整列されている。そのようなストランドを切断することによって作製される個々のペレットにおいて、繊維は、平行に整列されており、ペレットの長さにわたって平行な配置で延在している。LFTペレットを作製するための現在利用可能な典型的な生産方法では、繊維長さは、ペレット長さに等しい。長繊維が望ましい。その理由は、これが射出成形されたLFTパーツの機械的特性に寄与するからである。LFTストランドまたはペレットを作製するために、引き抜き成形とは異なるような押し出しは、一般的に使用されない。
生産されたLFT材料がLFT物品を作製するためのさらなる製造ステップ(たとえば、LFT射出成形またはさらなる押し出しプロセスなど)に適切である、LFT材料(たとえば、LFTペレット)を作製する方法を提供することが望まれており、本方法は、より経済的であり、および/または、改善された特性を有するLFT材料を与える。
特許文献1は、繊維強化プラスチック組成の生産のための方法を説明しており、そこでは、ダブルスクリュー可塑化押し出し機を備えた装置が使用され、溶融されたプラスチックおよび繊維材料が、可塑化押し出し機の進入開口部において組み合わせられる。
特許文献2は、可塑化押し出し機を使用することによって、繊維強化プラスチックの塊を生産するための方法を説明しており、そこでは、繊維および熱可塑性顆粒および/または長繊維強化リサイクルチップが可塑化され、さらに加工され得る可塑化された材料として引き出される。おおよそ50mm直径の円形エリアおよび最大で200mmまでの長さを有する大きいサイズの長繊維強化リサイクルチップが計量され、加熱されたチューブウォームコンベヤデバイスの中へ添加される様式で導入され、それらが粘着性になる直前のポイントまで予備加熱によって乾燥される。その後に、チップは、可塑化押し出し機の中へ導入される。
米国特許出願公開第2002/0089082号明細書 欧州特許第1 008 435号明細書
本発明は、第1の態様において、長繊維熱可塑性(LFT)押し出し材料を生産する方法であって、
A) 熱可塑性材料を含む第1のフィードストリームを提供するステップと;
B) 熱可塑性複合材(TPC)フィード材料(たとえば、フレークまたはチップ)を含む第2のフィードストリームを提供するステップであって、TPCフィード材料は、部片を含み、好ましくは、部片は、繊維および熱可塑性材料の両方を個別に含む、ステップと、
を含み、
方法は、押し出しシステムにおいて実施される押し出しステップを含み、押し出しシステムは、押し出し機を含み、
押し出し機は、バレルと、シングルスクリューと、出口開口部と、を含み、押し出し方向を有しており、スクリューは、押し出し機の中にチャネルを提供し、
バレルは、第1の入口開口部および第2の入口開口部を備えており、第1の入口開口部および第2の入口開口部は、分離しており、互いに間隔を離して配置されており、第2の入口開口部は、押し出し方向において第1の入口開口部の下流に配置されおり、
押し出しステップは、
C) 前記第1の入口開口部を通して、押し出し機の中の前記チャネルの中へ、前記第1のフィードストリームを供給するステップ、および、前記第1の入口開口部から前記第2の入口開口部へ、前記スクリューによって前記第1のフィードストリームを搬送するステップと;
D) 前記第2の入口開口部を通して、押し出し機の中の前記チャネルの中へ、前記第2のフィードストリームを供給し、それによって、前記押し出し機の第1の混合ゾーンの中の前記チャネルの内側で、前記第1および第2のフィードストリームを組み合わせて混合し、第1の混合材料を与えるステップと;
F) 前記第1の混合材料を含むストリームを、前記出口開口部を通して搬送し、LFT押し出し材料を与えるステップと、
を含む、方法に関する。
本発明は、さらなる態様において、この方法によって取得可能な長繊維熱可塑性(LFT)材料に関する。
本発明は、さらなる態様において、繊維および熱可塑性材料を含むペレットに関し、ペレットは、長さおよび直径を有しており、繊維は、好ましくは、ペレットの長さ方向に配向されており、好ましくは、少なくとも部分的に湾曲しており、好ましくは、ペレットの中の繊維の少なくともいくつかは、ペレットの長さよりも大きい長さを有しており、個々のペレットの中の繊維の少なくともいくつかは、ペレットの長さよりも小さい長さを有している。
本発明は、さらなる態様において、長繊維強化熱可塑性材料を生産するためのシングルスクリュー押し出しシステムに関し、シングルスクリュー押し出しシステムは、押し出し機バレルと、押し出し機バレル内の軸線方向に回転可能な押し出し機スクリューと、出口開口部を含むダイと、を含み、スクリューは、シャフトおよび1つ以上のヘリカルフライトを含み、バレルは、第1の入口部および第2の入口部を含み、第1の入口部、第2の入口部、および出口部は、互いに間隔を離して配置されており、第1の入口部は、第1のフィーダを備えており、第2の入口部は、第2のフィーダを備えている。押し出しシステムは、好ましくは、本方法に適切である。本方法は、好ましくは、押し出しシステムによって実施される。
本発明による例示的な押し出しシステムを概略的に示す図である。 本発明による例示的な方法を概略的に示す図であり、とりわけ、例示的な押し出しステップおよびいくつかの他のステップを示す。 本発明による例示的な方法を概略的に示す図であり、第2のフィードストリームを提供するいくつかの例示的なステップを示す。 比較の方法を概略的に図示する図である。 本発明による例示的な押し出しシステムを概略的に示す図である。 本発明による押し出しシステムの好適なダイヘッドを概略的に示す図である。パネルAは、好適なテーパ付きのダイヘッドを図示しており、パネルBは、真っ直ぐなダイヘッドを図示している。 例示的な押し出し機セットアップを概略的に示す図である。 ヒストグラムを示す図である。
図は、単に例示目的のためのものであり、本発明を限定するものではない。
本発明は、(たとえば、LFT射出成形および/または押し出し成形によって)LFT物品を製造するために適切なLFT材料(たとえば、LFTペレット)が、スクリューを含む押し出し機の中で(好ましくは、シングルスクリュー押し出し機の中で)実施される押し出しステップを使用することによって、有利な方式で作製され得るという賢明な洞察力に広く基づいており、熱可塑性材料は、第1の入口開口部において、押し出し機の中へ、第1のフィードストリームとして供給され、TPCフィード材料(たとえば、TPCチップおよび/またはフレーク)は、下流の第2の開口部において、押し出し機の中へ、第2のフィードストリームとして供給され、TPCフィード材料が熱可塑性材料と配合されるようになっている。これは、驚くべきことに、押し出しプロセスの間の低い繊維摩耗を可能にすることが見出された。
第1および第2のフィードストリームは、互いに異なっている。
本明細書で使用されているような「TPC」という略語は、「熱可塑性複合材(thermoplastic composite)」を表している。
第2のフィードストリームは、TPCフィード材料を含む。TPCフィード材料は、たとえば、TPCチップおよび/もしくはTPCフレーク、ならびに/または、たとえば、TPCペレットを含む。他のTPCフィード材料も可能である。TPCフィード材料は、たとえば、TPC材料の離散的な固体片を含む。TPCフィード材料は、たとえば、TPC材料の固体片のストリームとして提供される。部片は、たとえば、TPCチップおよび/またはTPCフレークを含む。
「LFT」という略語は、「長繊維熱可塑性(long fiber thermoplastic)」を表している。本明細書で使用されているように、長繊維熱可塑性材料は、熱可塑性ポリマーおよび長繊維を含むか、または、それらから実質的になるか、または、さらにはそれらから本質的になる材料を示しており、ここで、ポリマーは、たとえば、生のポリマー、または、添加剤を配合されたポリマーであることが可能である。長繊維は、0.5mmから50mmの、より好ましくは1mmから20mmの、および、最も好ましくは2mmから10mmの典型的な長さを有しており、任意選択で、1.0~100μm、2~50μm、および、最も好ましくは、5~30μmの典型的な直径を有している。LFT材料において、長繊維は、たとえば、熱可塑性ポリマーを含浸された繊維の場合と同様に、たとえば、熱可塑性ポリマーの中に埋め込まれている。例示的な実施形態では、TPCフィード材料は、LFT材料を含み、繊維は、熱可塑性ポリマーの中に埋め込まれている。好ましくは、TPCフィード材料、とりわけ、固体片、とりわけ、好適なチップまたはフレークは、繊維を含み、これらの繊維は、たとえば、0.5mmから50mm、より好ましくは1mmから20mm、および、最も好ましくは2mmから10mmの長さを有しており、任意選択で、1.0~100μm、2~50μm、および、最も好ましくは5~30μmの典型的な直径を有している。
本明細書で使用されているように、熱可塑性複合材(TPC)材料は、熱可塑性ポリマーおよび(乾燥した、含浸された、短い、長い、および連続的な)繊維(または、その混合物)を含むか、または、それらから実質的になるか、または、さらにはそれらから本質的になる材料を示しており、ここで、ポリマーは、たとえば、生のポリマー、または、添加剤を配合されたポリマーであることが可能であり、繊維は、たとえば、乾燥または含浸されており、たとえば、短いもしくは長い、または、連続的であるか、または、そのような繊維のいずれかの混合物である。本明細書で使用されているようなTPCフィード材料は、たとえば、LFTフィード材料である。TPCフィード材料のいくつかの実施形態において、繊維は、たとえば、熱可塑性ポリマーを含浸された繊維の場合に、熱可塑性ポリマーの中に埋め込まれている。
TPCフィード材料は、たとえば、TPC材料の固体片(すなわち、離散的な固体片)のストリームとして提供される。
離散的な固体片は、典型的に、少なくとも1.0mmの少なくとも1つの寸法を有しており、典型的に、少なくとも1.0mmの少なくとも2つの垂直の寸法を有している。離散的な固体片は、好ましくは、繊維および熱可塑性材料を個別に含む。これらの繊維は、好ましくは、少なくとも1.0mmの繊維長さを有している。
第2のフィードストリームは、乾燥した繊維断片または純粋な熱可塑性樹脂の粒子などのような、追加的なコンポーネントを含むことが可能である。
例示的な実施形態では、TPCフィード材料は、少なくとも100μmの厚さを有する、典型的に、50mm未満の厚さを有する、および、少なくとも1mm、少なくとも10mm、または少なくとも100mmの、厚さ方向に対して垂直の方向への最小サイズを有する、TPC材料のフレークを含むことが可能である。TPCフィード材料の離散的な部片は、典型的に、少なくとも1つの寸法において10cm未満のサイズを有している。
TPCフィード材料は、たとえば、TPCフレークおよび/またはTPCチップを含む。そのようなTPCフレークは、より具体的には、たとえば、2mmから40mmの長さ、2mmから40mmの幅、ならびに、長さ未満のおよび/または5.0mm未満の厚さを有しており、たとえば、0.1mmから4.0mmの厚さを有している。TPCチップは、たとえば、2mmから50mmの長さ(L)、2mmから50mmの幅(W)、および、たとえば、0.1L<H<Lの厚さ(H)を有している。TPCフレークは、たとえば、少なくとも10の、たとえば、少なくとも20のアスペクト比L/Hを有している。TPCフレークは、縁部および2つの側部を有しており、たとえば、少なくとも5mmまたは少なくとも10mmの(そのような側部のそれぞれ当たりの)表面積を有している。そのような寸法を有するTPCフレークは、たとえば、LFTフレークである。
TPCフレークは、たとえば、テープから材料を切断または細断することによって取得可能である。TPCチップは、たとえば、CFRT(連続的な繊維強化熱可塑性(Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic))材料を破砕することによって(たとえば、ラミネートを破砕すること、または、TPC材料の使用済みパーツを破砕することなどによって)取得可能である。TPCチップは、たとえば、CFRTシートを作製するプロセスからの生産廃棄物として取得されることもできる。TPCフィード材料(たとえば、フレークおよびチップなど)は、典型的に、繊維含有率に起因して、研磨性がある。
いくつかの実施形態において、TPCフィード材料は、たとえば、サイズ低減された(たとえば、破砕などされた)廃棄材料を含み、その廃棄材料は、TPC材料を含むかまたはTPC材料から構成される。TPCフィード材料は、任意の特定の熱可塑性ポリマーに限定されず、また、特定の繊維状材料にも限定されない。
図1は、本発明による好適な方法および装置の例を概略的に図示している。装置は、押し出しシステム(1)を含み、押し出しシステム(1)は、押し出し機(2)を含む。押し出し機(2)は、バレル(3)と、シングルスクリュー(4)と、を含む。スクリュー(4)は、軸線方向に回転可能である。バレルは、中空の容器であり、典型的に、長さおよび直径を有する円筒形状の容器である。スクリューは、バレルの中に、典型的に、バレルの長さの中に配置されており、円筒形状のシャフト(11)およびフライト(12)(典型的には、1つ以上のヘリカルフライト)を含む。フライトピッチは、単に概略的に示されているに過ぎない。スクリューは、押し出されることになる材料を受け入れるように適合された押し出し機の中のチャネル(8)を提供する。動作時に、押し出されることになる材料は、入口部を通してチャネルの中に受け入れられ、スクリューを回転させることによって、押し出し方向(ED)に出口開口部(5)へ搬送される。材料は、スクリューおよびバレルの剪断作用に起因して、チャネルの中で少なくとも部分的に溶融し、溶融物を形成し、溶融された材料は、典型的にダイの中に提供される出口開口部において、押し出し材料の中へ押し出される。
本発明の方法において、第1のフィード熱可塑性材料(A)は、第1の入口開口部(6)を通してチャネルの中へ供給され、チャネル(8)の中に受け入れられる。第1のフィード材料は、押し出し機を通して下流の第2の入口開口部(7)へ距離(S1)にわたって搬送される。熱可塑性材料は、それが第2の入口開口部(7)(TPCフィード材料(B)が押し出し機の中へ導入される場所)に到着するときに、すでに少なくとも部分的に溶融されており、前記押し出し機(2)の混合ゾーン(9)において、少なくとも部分的に溶融された第1のフィード熱可塑性材料と組み合わせられて混合され、第1の混合材料(C)を与える。
独立した好適な特徴として、押し出し機は、加熱エレメント(10)を含み、加熱エレメント(10)は、スクリューの中に(たとえば、シャフトの中に)配置されている。加熱エレメントは、たとえば、抵抗ヒーターである。加熱エレメントは、チャネル(8)の混合ゾーン(9)において第1の配合材料(C)を選択的に加熱するように適合されている。この局所的な加熱は、押し出し機における摩擦を局所的に低減させ、それによって、有利にはより低い繊維破断率で、第2のフィードストリームのTPCフィード材料(B)と溶融された第1のフィード材料(A)との良好な混合を提供する。結果として生じる配合材料(C)は、ダイ(15)に搬送され、押し出し材料(D)は、出口開口部(5)から受け入れられる。独立した好適な特徴として、ダイ(15)は、図1に示されているように押し出し方向にテーパ付けされている。押し出しシステム(1)は、第1の入口開口部(6)のための第1のフィーダ(16)と、第2の入口開口部(7)のための第2のフィーダ(17)と、をさらに含む。第2のフィーダは、たとえば、詰め込み式フィーダ(crammer feeder)である。第2のフィーダは、たとえば、押し出し機への進入の前にTPCフィード材料を加熱するための加熱エレメント(図示略)を備えている。
とりわけ有利なことには、本発明において使用されるようなTPCフィード材料は、廃棄材料であることが可能である。これは、本方法が、材料を加工する環境に優しい方法であり、TPC原材料が経済的であるという利点を提供する。本発明は、これまで廃棄材料として考えられていた特定の材料をリサイクルする方式を提供する。
そのうえ、本発明のプロセスは、廃棄材料を高品質のリサイクルされるLFT材料に(たとえば、LFT射出成形のために使用され得る高品質のLFTペレットに)変換する非常に洗練された方式を提供する。
非常に好適な実施形態では(しかし、それは、本発明を限定するものではない)、TPCフィード材料は、含浸された繊維層(たとえば、含浸された繊維テープまたはシートなど)の分離された側縁部(たとえば、トリム)を含む。そのようなテープは、連続的な繊維強化材料のための特定の生産方法における中間段階である。材料はまた、たとえば、CFRT材料(たとえば、CFRTシートまたはCFRT物品、たとえば、CFRT自動車部品など)の破砕から生じるチップであることが可能である。
いくつかの実施形態において、本発明によるLFT押し出し材料を作製する方法は、連続的な繊維強化熱可塑性(CFRT)廃棄材料のリサイクルを提供する。いくつかの実施形態において、本発明は、LFT押し出し材料を生産する方法に関し、本方法は、第2のフィードストリームの少なくとも一部としてそのような分離された側縁部を提供するステップを含む。
そのうえ、第2のフィードストリームは、いくつかの実施形態において、CFRT材料およびCFRTパーツ、コンポーネント、および物品を作製するプロセスのリサイクルストリーム、ならびに/または、使用済みCFRT物品からのリサイクルストリームによって、少なくとも部分的に提供される。
好適な実施形態において(それは、決して本発明を限定するものではない)、第2のフィード材料を提供するステップBは、
B1) 乾燥した連続的な繊維を提供するステップと、
B2) 前記繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、縁部を有する含浸された繊維の連続的なシートを与えるステップと、
B3) 前記含浸された繊維の連続的なシートから前記縁部の少なくとも一部を分離し、フレークおよびトリミングされた連続的なシートを与えるステップであって、そのフレークは、分離された縁部片であり、そのフレークは、繊維および熱可塑性材料を個別に含有している、ステップと、
B4) 前記第2のフィードの少なくとも一部として前記フレークを使用するステップと、
B5) 任意選択で、トリミングされた連続的なシートをシートまたはテープにサイジングするステップ、および、任意選択で、シートまたはテープからラミネートを作製するステップと、
を含む。シート、テープ、またはラミネートは、たとえば、モールドの中に設置され、(たとえば、熱による)成形を受け、成形CFRT物品となるようになっている。
図2は、本発明による好適な方法の例を概略的に図示している。この好適な実施形態では(それは、本発明を限定するものではない)、LFT押し出し材料を作製する方法は、図2Aに図示されているように、熱可塑性樹脂(TP)およびTPC材料、たとえば、LFT材料(たとえば、図2Bに図示されているようなストリームA1、A2、A3、A4、ならびに、互いとのおよび/または他のストリームとのこれらの組合せ)を使用する押し出しステップ(205)を含み、LFT押し出し材料ストランドを与え、LFT押し出し材料ストランドは、そのうえ、LFTペレットになるようにサイジングされている(206)(すなわち寸法決めされている、ペレット化されている)。そのうえ、LFTペレットは、任意選択で、射出成形されるかまたは押し出され(207)、LFTパーツを与える。これらのパーツは、たとえば、LFT物品またはLFTコンポーネントである。
この好適な実施形態では、第2のフィード材料を提供するステップは、CFRT材料を作製するためのプロセスを含む(図2B)。プロセスは、連続的な乾燥した繊維(たとえば、ガラス繊維、天然繊維、または炭素繊維)に熱可塑性ポリマー樹脂を含浸させ(201)、含浸された連続的なシートまたはテープ(単一の層シート)を与えるステップを含む。繊維は、たとえば、織布もしくは不織布として、または、一方向性のテープとして提供される。シート(より低い品質の縁部を有する)が、典型的に、これらの縁部を除去するために処理される(202)(たとえば、トリミングされる)。除去される縁部は、切断または細断され、サイズが低減され(202A)、LFTフレーク(A1)として収集される。例示的な実施形態では、TPCフィード材料は、そのようなLFTフレークを押し出しステップに供給することによって提供される。縁部が除去された状態のシートは、依然として連続的なシートであり、CFRT材料(たとえば、CFRTラミネートなど)にラミネートされる(203)。CFRTラミネートは、たとえば、トリミングされ(204)、トリミングされたラミネート(「ブランク」)およびトリミング廃棄物を与える。トリミング廃棄物は、たとえば、TPCフィード材料の少なくとも一部として使用されるLFTチップ(A2)になるようにサイジングされている(たとえば、破砕される)。
CFRT材料は、CFRT物品を与えるための加工(208)のために使用され得る。たとえば、加工(208)は、固体のCFRT材料(たとえば、CFRTブランクなど)をモールドの中に設置して、モールドを閉じることによって材料を成形し、ならびに、熱および/または圧力を使用して材料を成形し、成形されたCFRT物品を与える。成形段階は、典型的に、CFRTシートの製造とは別個に(たとえば、CFRT材料の貯蔵および輸送の後に)行われる。加工(208)からの規格外の物品は、任意選択でTPCフィード材料の少なくとも一部として使用されるチップ(A3)になるようにサイジングされ得る(たとえば、破砕される)。そのうえ、使用済みCFRT物品(たとえば、消費済み物品)は、任意選択でTPCフィード材料の少なくとも一部として使用されるチップ(A4)になるようにサイジングされ得る(209)(たとえば、破砕されるなど)。図示されているTPCフィード材料(A1、A2、A3、およびA4)は、単なる例に過ぎず、決して本発明を限定するものではない。
縁部除去ステップ(202)から(たとえば、縁部トリミングステップから)結果として生じるLFTフレークは、先行技術では廃棄物品として考えられ、たとえば、焼却炉の中で燃やされるか、または、先行技術の方法における研削ステップにおいて研削されてダストにされる。本発明では、LFTフレークは(LFTフレークだけでなく、他のタイプのTPC材料も)、本発明による押し出しステップ(205)のためのTPCフィード材料として使用され、熱可塑性材料を含む別個の第1のフィードストリームと共に第2のフィードストリームとして使用され、LFT押し出し材料(押し出し品)を生産することが可能である。本発明方法は、一般的に、さらに好ましくは、押し出しステップ(205)からのLFT押し出し材料をペレット化し(206)、LFTペレットを与えるステップを含む。これらのペレットは、任意選択で貯蔵および/または輸送され、任意選択で、たとえばLFT射出成形のために、さらに使用され得る。
個々のLFTペレットは、繊維および熱可塑性材料を含む。LFTペレットは、たとえば、LFT射出成形(207)のために使用され得る。LFTペレットを作製するための比較の調製方法は、図示されているように、連続的な繊維および熱可塑性樹脂を組み合わせて(208)連続的なストランドを与えるステップであって、組み合わせるステップは、たとえば、ワイヤコーティングまたは引き抜き成形である、ステップと、ストランドをLFTペレットにサイジングする(209)さらなるステップと、に基づいている。
本発明によるLFTペレットは、LFT射出成形に非常に適切である。そのようなLFT射出成形プロセス(207)において(それは、本発明方法の任意選択のさらなるステップである)、LFTペレットは加熱され、熱可塑性分画(thermoplastic fraction)が溶融し、繊維を含有する溶融物がモールドの中へ射出されるようになっている。モールドが閉じられ、モールドの中の材料が、モールドの中で固化し、射出成形されたLFTパーツを与え、射出成形されたLFTパーツは、成形物品であり、熱可塑性ポリマーおよび繊維を含む。繊維は、望ましくは、成形物品内に比較的長い長さを有している。射出成形されたLFTパーツは、たとえば、自動車部品である。
本発明方法のこの好適な実施形態では、通常のCFRT製造プロセスにおいて本質的に廃棄材料として取得されるTPCフレークおよびTPCチップは、驚くことに、および、非常に有利なことに、高価値製品にリサイクルされる。本発明方法のこの実施形態は、たとえば、フレークもしくはチップを焼却すること、または、フレークもしくはチップを研削してダスト(そのダストは、低コストの充填材として使用され得る)にすることなどのような、現在使用されている方法と比較して非常に有利である。
図3は、本発明によるものではない、LFT物品を作製する比較の方法を概略的に図示している。ここでは、熱可塑性樹脂および連続的な乾燥した繊維が、プロセス(305)(たとえば、引き抜き成形またはワイヤコーティングなど)において組み合わせられ、LFTストランドを与え、LFTストランドは、ペレットへとサイジングされる(たとえば、切断される)(306)。ペレットは、LFT射出成形および/またはLFT押し出し(307)のために使用され得る。
好適な実施形態において、第2のおよび/または任意選択の第3のフィードストリームのTPCフィード材料は、フレーク、チップ、CFRT廃棄物ストリームからの破砕された材料、または、それらの組合せを含み、より好ましくは、第2および第3のフィードストリームのそれぞれの少なくとも90重量%または少なくとも95重量%の量でそれを含む。フレークまたはチップは、好ましくは、TPC材料から構成されており、任意の適切な供給源から取得され得る。
したがって、本発明は、概して、一態様において、長繊維熱可塑性(LFT)押し出し材料(たとえば、押し出し品ストランドまたはペレットなど)を作製する方法に関する。本方法は、熱可塑性材料を含む第1のフィードストリームと、TPCフィード材料を含む別個の第2のフィードストリームと、を提供するステップを含む。第1および第2のフィードストリームは、互いに異なっており、とりわけ、フィードストリームは、異なる化学組成を有している。
第1のフィードストリームは、一般的に、好ましくは、繊維を含有せず、具体的には、好ましくは、熱硬化性のポリマー繊維または非ポリマー繊維を含有せず、または、好ましくは、第1のフィードストリームの合計に対して、合計で5.0重量%未満もしくは1.0重量%未満のそのような繊維を含有する。好ましくは、第1のフィードストリームは、5.0重量%未満の炭素繊維、5.0重量%未満のガラス繊維、および/または、5.0重量%未満の天然繊維を含む。
第1のフィードストリームは、好ましくは、固体材料であり、ペレットの形態で押し出し機の中へ導入される。第1のフィードストリームは、第1のフィードストリームの合計重量に対して、好ましくは、合計で少なくとも80重量%または少なくとも90重量%の熱可塑性ポリマーを含む。第1のフィードストリームは、1つ以上の熱可塑性ポリマーを含むことが可能である。第1のフィードストリームは、好ましくは、少なくとも80重量%の非強化熱可塑性ポリマーを含み、それは、たとえば、バージンポリマー、リサイクルポリマー、または、これらの組合せであることが可能である。
第2のフィードストリームおよび好ましくは使用される第3のフィードストリームのTPCフィード材料は、一般的に、たとえば、TPC材料(好ましくはLFT材料の)のフレークまたはチップを含む。TPCフィード材料は、TPC材料の部片(たとえば、フレークまたはチップなど)を含み、好ましくは、個々の部片は、繊維および熱可塑性材料を含む。好適な実施形態において、少なくとも第2もしくは第3のフィードストリーム、または、その両方は、LFT材料を含み、LFT製品のための長繊維を供給するようになっている。本明細書で議論されているように、TPCフィード材料は、CFRT材料またはCFRT物品もしくはパーツの生産プロセスから取得されるか、あるいは、使用済みCFRT物品またはパーツから取得され得る。CFRT物品は、たとえば、織布、不織布、または、一方向性のCFRT物品である。TPCフィード材料は、たとえば、使用済みLFTパーツおよび物品を破砕することなどによって、たとえば、一般的なLFTパーツおよび物品から(たとえば、LFT射出成形されたパーツおよび物品ならびに/またはLFT押し出しパーツおよび物品などから)取得され得る。TPCフィード材料はまた、LFTパーツおよび物品を作製する方法から、生産廃棄物として取得され得る。
TPCフィード材料は、好ましくはLFTフィード材料として、部片を含み、その部片は、たとえば、少なくとも部分的に含浸された繊維から個別に構成されており、繊維は、熱可塑性ポリマーによって部分的にまたは全体的に含浸されている。TPCフィード材料はまた、他のコンポーネント(たとえば、乾燥した繊維など)を含むことも可能である。
TPCフィード材料は、たとえば、実質的に1つの熱可塑性ポリマーのみを含み、たとえば、TPCフィード材料の熱可塑性分画の少なくとも90重量%は、単一のポリマーである。好ましくは、TPC材料のポリマーまたはポリマーブレンドは、第1のフィード材料のために使用されるポリマーまたはポリマーブレンドと同じポリマーである。
熱可塑性ポリマーは、たとえば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリールエーテルケトン、およびポリエチレンイミンからなる群から選択されるポリマーである。
本明細書で使用されているような「熱可塑性ポリマー」という用語は、少なくともプラスチックポリマーを含み、プラスチックポリマーは、特定の上昇した温度において柔軟になるかまたは成形可能になり、冷却すると固化する。
いくつかの実施形態において(それは、本発明を限定するものではない)、熱可塑性ポリマーは、架橋されておらず、硬化されない。
好ましくは、第1のフィード材料は、TPCフィード材料の少なくとも80重量%のために使用されるものと同じポリマーまたはポリマーブレンドの、合計の第1のフィード材料に基づく少なくとも80重量%を含む。
第2のフィードストリームのTPCフィード材料は、繊維を含み、繊維は、たとえば、ガラス繊維、炭素繊維、および天然繊維からなる群から選択される。好ましくは、天然繊維は、たとえば、麻繊維、亜麻繊維、ジュート繊維、およびセルロース繊維からなる群から選択される。
TPCフィード材料は、追加的な繊維を含むことが可能である。TPCフィード材料は、たとえば、少なくとも20重量%の繊維または少なくとも30重量%の繊維を含み、典型的に、80重量%未満の繊維を含む。TPCフィード材料は、たとえば、30重量%から70重量%の繊維、または、たとえば、50重量%から70重量%の繊維を含む。第2および第3のフィードのTPCフィード材料は、たとえば、少なくとも5絶対パーセントポイントまたは少なくとも10絶対パーセントポイントだけ異なるなど、異なる繊維含有率を有することが可能である。このように、第1、第2、および/または第3のフィードストリームの繊維含有率の変動は、第1、第2、および/または第3のフィードのフィードレートを調節することによって相殺され得る。
本方法は、押し出しシステムにおいて実施される押し出しステップを含む。押し出しシステムは、押し出し機を含み、押し出し機は、バレルを含み、バレルの中にスクリューおよび出口開口部を備えている。出口開口部は、押し出し機の下流端部においてダイの中に提供されている。押し出し機は、出口開口部に向けてスクリューの長さ方向にある押し出し方向を有している。押し出し機は、ツインスクリュー押し出し機とは対照的に、シングルスクリュー押し出し機である。したがって、バレルは、バレルの長さにおけるそれぞれの位置において、せいぜい1つのスクリューを含有している。
スクリューは、押し出し機の中にチャネルを提供する。チャネルは、スクリューのシャフト、フライト、および、バレルの内側壁部との間に提供されるオープンスペースである。バレルは、たとえば、円筒形状の容器である。動作時に、材料は、スクリューの回転作用によって、チャネルを通して押し出し方向に搬送される。
押し出し機は、第1のフィードストリームのための第1の入口部と、第2のフィードストリームのための別個の第2の入口部と、を含む。第1の入口部および第2の入口部は、押し出し方向に互いに間隔を離して配置されている。第2の入口開口部は、押し出し方向において第1の入口開口部の下流に配置されている。第2の入口開口部は、たとえば、スクリュー長さの少なくとも10%または少なくとも20%だけ、および、典型的に、スクリュー長さの90%または80%未満だけ、第1の入口開口部から間隔を離して配置されている。これは、第2のフィードストリーム(とりわけ、TPCフィード材料)と第1のフィードストリームとの良好な混合、および、ダイにおける良好な押し出しを提供する。
第1の入口部は、第1のフィード材料をスクリューに供給するためのバレルの中の第1の開口部を含む。第2の入口部は、第2のフィード材料をスクリューに供給するためのバレルの中の第2の開口部を含む。本発明の方法は、第1の入口部を通して押し出し機の中へ第1のフィード材料を供給するステップと、第2の入口部を通して押し出し機の中へ第2のフィード材料を供給するステップと、を含む。
本方法において、第1のフィードストリームは、第2のフィードストリームのための入口部の上流の位置における入口部を通して、押し出し機の中へ導入される。したがって、第1のフィード材料は、第1の入口部から第2の入口部への少なくともいくらかの距離にわたって、スクリューによって搬送される。そのうえ、スクリューチャネルは、第2のフィードストリームが押し出し機の中へ提供される押し出し機のセクションにおいて、材料によってすでに部分的に充填されているが、完全に充填されているわけではない。したがって、第2の入口部は、押し出し機の中に混合ゾーンを提供し、混合ゾーンにおいて、初期には別個の第1および第2のフィード材料が、前記ゾーンの中に存在しているスクリューの作用によって、互いに組み合わせられて配合される。次いで、配合材料は、チャネルを通して、押し出し機のダイの方向に、スクリューによってさらに搬送され、好ましくは、第3のフィードストリームが、第3の入口開口部を通して追加され、第3の入口開口部は、第2の入口開口部から下流に配置されており、第2の入口開口部から間隔を離して配置されている。ダイにおいて、配合材料は、ダイまたはノズルを通過し、押し出しLFT材料、とりわけ、押し出しストランドを与える。議論されているような搬送ステップは、繊維摩耗を低減させるように、(好ましくは、低い剪断を伴って)スクリューを回転させるステップを含む。
これは、望ましくは、高い繊維分画が、LFT押し出し材料において実現され得、同様に、大きい繊維長さも実現され得るという利点を提供する。
本発明において、第1、第2、および、任意選択の第3の入口開口部は、スクリューも提供されている押し出し方向における所定の位置において(および、バレル長さにおける所定の位置において)、バレルの中の開口部としてそれぞれ提供されている。バレルは、典型的に、長さおよび直径を有する円筒形状の容器である。第1、第2、および、任意選択の第3の入口部は、バレル長さに対して垂直な、前記入口部を通るバレルの断面が前記スクリューも通るような、バレル長さの上のそのような位置にそれぞれ個別に提供されている。
本発明において、第1および第2、ならびに、任意選択の第3の入口開口部を含む押し出し機は、ダイも含有している。したがって、ダイは、典型的に、スクリューと平行に、および、押し出し方向へのスクリューの投影方向に配置されている。ダイは、典型的に、これらの入口部を含有するバレルに装着されているかまたは取り付けられている。
好適な実施形態において、本方法は、少なくとも1つの加熱エレメントによってスクリューの一部を選択的に加熱するステップを含み、その加熱エレメントは、第2の入口開口部の下流における押し出し方向における所定の位置において、スクリューの中に配置されている。加熱エレメントは、たとえば、トレーシングである。局所的な熱供給は、有利には、(そのような加熱を省略した場合と比較して)加熱エレメントに位置付けされているチャネルの中の材料の比較的より低い摩擦を提供し、それは、低減された剪断を提供し、したがって、導入される材料とチャネルの中にすでに存在している材料(たとえば、第1の入口部からの材料)とのより穏やかな混合を提供する。このように繊維の損耗および破損が低減され、長繊維の長さが維持される。
好適な実施形態において、本方法は、TPCフィード材料を含む第3のフィードストリームを提供するステップをさらに含み、押し出し機は、前記第3のフィードストリームのための第3の入口開口部を含む。第3の入口開口部は、第2の入口開口部から間隔を離して下流に配置されている。押し出しステップは、さらに好ましくは、スクリューによって、第1の混合ゾーンから第3の入口開口部へ、第1の配合材料を搬送するステップと;第3の入口開口部を通して、押し出し機の内側のチャネルの中へ、第3のフィードストリームを供給するステップとを含む。このように、本方法は、好ましくは、第1の配合材料を、押し出し機(2)の第2の混合ゾーンの中のチャネルの内側の第3のフィードストリームと組み合わせて混合し、第2の配合材料を与えるステップを含む。本方法は、さらに好ましくは、とりわけ出口開口部を通して(たとえば、ノズルを通して)、第2の配合材料を含むストリームをダイに搬送し、LFT押し出し材料を与えるステップを含む。
図4は、本発明による好適な方法および装置を概略的に図示している。参照番号は、別段の特定がない限り、図1のものと同じである。フライト(12)のピッチは、概略的に図示されている。押し出し機は、TPCフィード材料を含む第3のフィードストリーム(E)のための第3の入口部(13)を含む。このTPCフィード材料は、第2のフィードストリーム(B)と同じまたは異なる組成を有することが可能である。第3の入口開口部(13)は、押し出し機(2)の中のチャネル(8)の中へ第3のフィードストリーム(E)を供給するように構成されている。このように、第1の配合材料(C)は、押し出し機(2)の第2の混合ゾーン(14)の中のチャネル(8)の内側で、第3のフィードストリーム(E)と組み合わせられて配合される。これは、第2の配合材料(F)を与え、そして、第2の配合材料(F)は、ダイ(15)に搬送され、任意選択で、任意選択のさらなる入口開口部を通したさらなるコンポーネントの追加の後に、ダイの出口開口部(5)を通して搬送され、LFT押し出し材料(D)を与える。第3の入口開口部(13)は、フィーダ(18)を備えている。好ましくは、第1、第2、および第3のフィーダ(16、17、18)は、可変のフィードレートで入口開口部の中へフィードを提供するためのドライバーをそれぞれ提供されている。好ましくは、第2および第3のフィーダ(17、18)は、フィード材料の重量測定密度を測定するための重量測定センサーをそれぞれ提供されている。この密度は、フィード材料の繊維含有率を決定するために使用され得る。押し出しシステム(1)は、フィードストリームの繊維含有率の変化を補償するために、重量測定センサーからの情報を使用して、第1、第2、および第3のフィーダ(16、17、18)のフィードレートを調節するためのコントローラ(19)をさらに含み、押し出し材料の制御された繊維含有率を取得するようになっている。これは、有利には、とりわけ、第2および/または第3のフィードが、少なくとも部分的に、本発明方法によってリサイクルされる廃棄材料である場合に、出力材料の繊維重量分画を均質化することを提供する。
第3の入口開口部(13)は、第2の入口開口部(7)から距離(ΔS2)だけ間隔を離して配置されており、それは、効果的な混合を可能にする。第3の入口開口部(13)は、ダイ(15)から距離(ΔS3)だけ間隔を離して配置されており、それは、良好な押し出しを可能にする。
本方法および本発明ペレットの好適な実施形態において、本方法および/またはペレットによって取得される長繊維強化熱可塑性材料は、長繊維強化熱可塑性材料の合計重量に対して20~75重量%(好ましくは、30~60重量%)の繊維を含む。そのような高い繊維分画は、材料から調製される物品およびパーツの良好な機械的特性に寄与する。
好適な実施形態において(それは、本発明を限定するものではない)、第2のフィードストリームの中に含まれる熱可塑性材料は、ガラス転移温度Tおよび溶融温度Tを有する熱可塑性ポリマーを含み、ステップBは、たとえば、前記第2のフィードストリーム材料を所定の温度に加熱することを含み、所定の温度は、i)前記温度Tを上回っており、ii)前記温度Tに等しいかまたはそれよりも低く、好ましくは、Tよりも10.0℃未満低いか、または、最も好ましくは、5.0℃未満低い。加熱は、好ましくは、第2の入口開口部のフィーダの中で行われる。
好適な方法は、前記第2の入口開口部を通して、加熱された第2のフィードストリームを供給するステップをさらに含む。この予備加熱の利点は、より少ない加熱が押し出し機の中で必要とされ、したがって、それは、より少ない摩擦加熱に起因する加熱の低減を補償することである。
第3のフィードストリームが使用されるさらなる好適な実施形態では、第3のフィードストリームは、好ましくは、ガラス転移温度Tおよび溶融温度Tを有する熱可塑性ポリマーを含み、ステップEは、好ましくは、前記第3のフィードストリーム材料を所定の温度に加熱することを含み、所定の温度は、i)前記温度Tを上回っており、ii)前記温度Tに等しいかまたはそれよりも低く、好ましくは、Tよりも10.0℃未満低いか、または、最も好ましくは、5.0℃未満低い。加熱は、好ましくは、第3の入口開口部のフィーダの中で行われる。この予備加熱の利点は、より少ない加熱が押し出し機の中で(たとえば、第3の入口部の混合ゾーンの中などで)必要とされることである。第3のフィードストリームの予備加熱は、好ましくは、第2のフィードストリームの好適な予備加熱と組み合わせられる。
本方法は、任意選択で、LFT押し出し材料(とりわけ、ストランド)をLFTペレットへとペレット化するステップをさらに含む。好ましくは、LFTペレットは、LFT射出成形および/もしくはLFT押し出しに適切であり、ならびに/または、圧縮成形に適切である。
好ましくは、ペレットは、2~25mm(好ましくは、6~15mm)の範囲にある長さを有している。そのような長さを有するペレットは、LFT射出成形にとりわけ適切である。
さらなる態様において、本発明は、押し出しシステムに関する。押し出しシステムは、長繊維強化熱可塑性材料を生産するのに適切である。本方法に関連して議論されているような押し出しシステムのための好適な特徴は、押し出しシステムに等しく適用される。LFT押し出し材料を生産する本発明方法の押し出しステップは、好ましくは、本明細書で説明されているような押し出しシステムの中で実行される。
しかし、押し出しシステムは、そのような使用に制限されない。押し出しシステムは、押し出し機を含み、押し出し機は、押し出し機バレルと、押し出し機バレル内の軸線方向に回転可能な押し出し機スクリューと、出口開口部を含むダイとを含み、スクリューは、シャフトおよび1つ以上のヘリカルフライトを含み、フライトは、たとえば、シャフトの上に装着されるか、または、シャフトと一体になっている。フライトは、押し出されることになる材料を受け入れて搬送するための押し出し機の中のチャネルを提供する。バレルは、第1の入口部および第2の入口部を含み、第1の入口部、第2の入口部、および出口部は、互いに間隔を離して配置されている。第1の入口部は、好ましくは、第1のフィーダを備えている。第2の入口部は、好ましくは、第2のフィーダを備えている。第2のフィーダは、たとえば、詰め込み式フィーダもしくはサイドフィーダであり、または、たとえば、さらなる押し出し機である。第2のフィーダは、好ましくは、第2のフィード材料を加熱するための加熱エレメントを含む。フィードの予備加熱のためのそのような加熱エレメントは、押し出し機における高い剪断の必要性を回避するために有利である。
システムは、第1の開口部を通して押し出し機の中へ(とりわけ、チャネルの中へ)第1のフィードストリームを供給するように構成されており、第2の入口部を通して押し出し機の中へ第2のフィードストリームを供給するように構成されており、第1および第2のフィードストリームは、互いに異なっており、フィードストリームは、好ましくは、本方法に関連して議論されているようなものである。システムは、たとえば、それぞれの入口部への第1および第2のフィードのための別個の供給ラインを含む。本発明による例示的な押し出しシステムは、図1に概略的に図示されている。
好ましくは、第2のフィーダは、第2のフィードストリームの密度を測定するための重量測定センサーを含み、押し出しシステムは、好ましくは、コントローラを含み、コントローラは、第1のフィーダおよび/または第2のフィーダに連結されており、前記重量測定センサーからの信号を使用して、第1のフィーダおよび/または第2のフィーダを制御するようになっている。ある実施形態において、コントローラは、第1および第2のフィーダの両方に連結されている。この実施形態では、第1および第2の入口部は、したがって、互いに通信している。この実施形態では、システムは、制御された添加を提供し、それは、変動する繊維含有率を有する第2および/または第3のフィードストリームの場合であっても、押し出し材料の安定したおよび精密な繊維含有率を可能にする。測定される密度は、繊維含有率を示している。その理由は、典型的に、繊維が、熱可塑性コンポーネントとは異なる(たとえば、より高い)密度を有するからである。本方法は、好ましくは、押し出しステップを実施しながら密度を(たとえば、連続的に)測定するステップを含む。この好適な実施形態は、図4に図示されている。
好ましくは、押し出しシステムは、議論されているように、第3のフィードストリームのための第3の入口開口部をさらに含む。好ましくは、第3の入口開口部は、第3のフィーダを備えている。第3のフィーダは、たとえば、詰め込み式フィーダまたはサイドフィーダである。好ましくは、第3のフィーダは、第3のフィードストリームの密度を測定するためのさらなる重量測定センサーを含む。このセンサーは、また、押し出しシステムの好適なコントローラに連結されている。好ましくは、コントローラは第2および第3のフィーダの前記重量測定センサーからの信号を使用して、第1のフィーダ、第2のフィーダ、および第3のフィーダを制御することを可能にする。重量測定センサーは、第1のフィーダに提供されることもできる。また、他のセンサーも、押し出しシステムの中に提供され、コントローラに連結され得る。そのような好適な実施形態は、図4に図示されている。
押し出しシステムは、出口部から受け入れられた連続的な押し出しストランドを冷却するために、出口部の下流に冷却器をさらに含むことが可能であり、任意選択で、ストランドをペレットに変換するために、冷却器の下流にペレタイザも含む。
好適な実施形態において、スクリューは、加熱エレメントを含む。加熱エレメントは、たとえば、電気ヒーターおよび/またはトレーシングである。加熱エレメントは、たとえば、シャフトの中に位置付けられている。加熱エレメントは、スクリューの一部のみを選択的に加熱するように、とりわけ、長さ方向へのスクリューのセクションのみを加熱するように適合されている。これは、有利には、任意の温度降下を低減させるかまたは回避するために使用され得、または、第2および任意選択の第3の入口開口部による押し出し機の中への材料の導入によって引き起こされる著しい温度降下を少なくとも回避するかもしくは防止する。1つ以上の加熱エレメントは、スクリューの中に提供され得る。いくつかの実施形態において、スクリューは、複数の加熱エレメントを含み、複数の加熱エレメントは、シャフトの中に位置付けされており、スクリューの長さ軸線に沿って間隔を離して配置されている。
本発明の生産方法は、バレルの加熱を含むことが可能である。スクリューの中に位置付けられている好適な加熱エレメントによる好適な局所的な加熱は、たとえば、バレルの加熱に加えて適用される。加熱エレメントは、スクリューの長さ方向への一部のみの選択的な加熱を提供し、たとえば、合計のスクリュー長さの80%未満または50%未満またはさらには20%未満である、長さ方向へのスクリューの一部を加熱することを提供する。
一態様において、本発明は、そのような加熱エレメントを備えたそのようなスクリューにも関する。
スクリュー(好ましくは、そのような加熱エレメントを備える)は、好ましくは、10~40mm、好ましくは、15~30mmのピッチ長さを有しており、および/または、5~30mm、好ましくは15~25mmのチャネル深さを有している。スクリューは、好ましくは、10~30、好ましくは、15~25の直径に対する長さの比を有している。スクリューは、好ましくは、4:1から1:4、好ましくは、3:1から1:1の圧縮比を有している。そのようなスクリューは、好ましくは、シングルスクリューとして本発明の押し出しシステムの中に含まれており、好ましくは、本発明の方法において使用されている。
好ましくは、ダイは、テーパ付きのダイヘッドを含み、ダイヘッドは、任意選択で、加熱手段によって加熱されるように構成されている。テーパ付きのダイヘッドの利点は、繊維破断率が低減され、とりわけ、バレル(および、チャネル)からダイの中への混合材料の移行における繊維破断率が低減されることである。ダイヘッドは、たとえば、テーパ付きになっており、バレルの隣にある上流側において、幅の広い開口部を備え、ノズルを伴う下流側において、幅の狭い開口部を備えている。ダイヘッドは、たとえば、円錐形状にテーパ付きの容器である。有利には、バレルとダイとの間の不連続性が回避される。テーパ付きのダイヘッドは、本発明方法の好適な実施形態においても使用される。
図5は、本発明による押し出しシステムのための、および、本発明による方法のためのダイヘッドを概略的に図示している。パネルAは、好適なテーパ付きのダイヘッドを図示している。パネルBは、より好適ではない真っ直ぐなダイヘッドを図示している。参照番号は、図1のものと同じである。押し出し機(2)は、バレル(3)とノズルまたは出口開口部(5)との間にダイヘッド(20)を含み、ダイヘッドは、パネルAではテーパ付きになっており、パネルBでは真っ直ぐになっている。繊維(21)は、概略的に示されており、同様に、押し出しステップの間のそれらの移動(矢印)も概略的に示されている。パネルAでは、繊維は、パネルBのダイヘッドのものよりも低い繊維摩耗を伴って、テーパ付きのダイヘッドを通してノズルの中へ徐々に給送される。
図6は、顆粒入口部(1)、フレーク/チップ入口部(2)、ダイ(4)、冷却セクション(4)、およびペレタイザ(5)を備えた例示的な押し出し機構成を概略的に図示している。
図7は、50%における長さ(D50)および90%における長さ(D90)を強調している繊維長さ分布ヒストグラムを図示しており、これらの値は、たとえば実施例1において使用されるようなものである。
本発明は、さらなる態様において、本方法によって取得可能なLFT材料に関する。本方法は、不連続的な長繊維を使用して、比較的に長い繊維および比較的に高い繊維分画を有するLFT材料を生産することを可能にする。
たとえば、材料は、ペレットの形態になっており、たとえば、材料は、たとえば、ガラス繊維または炭素繊維によって、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、または少なくとも80%の、初期繊維長さ(I)に対するD90繊維長さの比を有しており、および/または、少なくとも20%の、初期繊維長さ(I)に対するD50繊維長さの比を有している。ここで、D90は、頻度によって、合計の繊維の90%が「含有される」までの(および、それを含む)、繊維長さ分布(ヒストグラム)の中のポイントを示している。たとえば、D90が11mmである場合には、これは、図7に図示されているように、繊維の90%が11mm以下のサイズを有しており、繊維の10%が11mmよりも大きい長さを有していること意味している。D50繊維長さは、それに対応して計算され、繊維の50%は、示されている値よりも小さい長さを有しており、50%は、より大きい長さを有している。
D90(D50)は、カウントされた合計の繊維の90%(50%)が含有されるまでの(および、それを含む)繊維長さを示している。
材料のD90値は、(たとえば、LFT射出成形によって)LFT材料から製造されるLFT物品の(機械的)特性にとって重要である。
個々の繊維の繊維長さは、たとえば、光学的なイメージ分析を使用して決定され得る。
初期繊維長さは、押し出し機に給送されたTCP材料の繊維長さ(入力繊維長さ)、好ましくは、押し出し機に給送されたTCP材料のD50繊維長さ値である。
好適な実施形態において、初期繊維長さは、押し出し機に給送されたTPC部片(たとえば、チップもしくはフレーク、またはTPCペレット)の長さ(最大寸法)(すなわち、とりわけフレークに関して、入力長さ)に等しいものとしてみなされる。TPCペレットは、ペレットのサイズ内の最大長さを有する繊維を備えた熱可塑性ペレットを含む。
例示的な実施形態では、初期繊維長さは、生産されたLFTペレットの長さに等しいものとしてみなされる。したがって、いくつかの実施形態において、LFTペレットは、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、または少なくとも80%の、ペレット長さに対するD90の比を有している。
さらなる態様において、本発明は、繊維および熱可塑性材料を含むペレットに関し、ペレットは、たとえば、本発明の方法によって取得可能な長さおよび直径を有している。ペレットは、たとえば、(実質的に)円筒形状の本体部である。
本発明はまた、たとえば、本発明の方法によって取得可能な長さを有するLFTペレットを提供し、LFTペレットは、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、または少なくとも80%の、ペレット長さに対するD90の比を有しており、ペレット長さは、たとえば、10~20mm、たとえば、12~16mmの範囲にある。ペレットは、好ましくは、本方法に関連して説明されているように、熱可塑性材料および繊維を含む。好ましくは、ペレットは、少なくとも20重量%の繊維含有率を有している。
ある実施形態において、ペレットは、繊維を含み、繊維は、ペレットの長さ方向に配向されており、好ましくは、少なくとも部分的に湾曲している。たとえば、ペレットの直径に対して垂直のペレットの断面において、見ることができる繊維断片は、異方性分布を示すよりもむしろ、ペレットの長さ方向に優先的に配向されている。たとえば、ペレットの直径に対して垂直のペレットの断面において、繊維の湾曲(曲げ)に起因して、繊維全体ではなく、繊維断片が見ることができる。この湾曲は、連続的な乾燥した繊維の引き抜き成形またはワイヤコーティングによって作製されたペレットとの違いを提供する。好適な実施形態において、ペレットの中の繊維は、不連続的になっている。好ましくは、ペレットは、本方法によって取得可能なLFT材料であり、より好ましくは、上記に議論されているように、少なくとも20%のD50/Iの比、および/または、少なくとも50%または少なくとも80%のD90/Iの比を有している。
ある実施形態において、個々のペレットの中の繊維の少なくともいくつかは、ペレットの長さよりも大きい長さを有しており、たとえば、繊維の少なくとも1%(繊維の数による)は、ペレット長さの少なくとも110%または少なくとも120%である長さを有している。より具体的には、好ましくは、繊維の少なくともいくつかは(たとえば、繊維の少なくとも1%(繊維の数による)など)、ペレットの長さの少なくとも50%の長さを有しており、および/または、好ましくは、繊維の少なくともいくつかは(たとえば、繊維の少なくとも1%(繊維の数による)など)、ペレットの長さ方向に配向されていない。好適な実施形態において、ペレットの中の繊維の少なくともいくつかは、ペレットの長さ方向に配向されておらず、ペレットの長さの少なくとも50%である長さを有している。
任意選択で、これらの実施形態でも、繊維のいくつかは、ペレットの長さ方向に配向されており、繊維の少なくともいくつかは、湾曲している。
ある実施形態において、個々のペレットの中の繊維の少なくともいくつかは、ペレットの長さよりも小さい長さ(たとえば、ペレット長さの90%未満など)を有している。たとえば、ペレットにおいて、繊維の少なくとも1%(繊維の数による)は、ペレット長さの90%未満の長さを有することが可能である。より小さい繊維およびより大きい繊維の両方が、連続的な乾燥した繊維の引き抜き成形またはワイヤコーティングを使用して作製されたペレットとの違いを提供する。
繊維長さ分布は、たとえば、マトリックスの除去の後に、たとえば、ペレットを灰化することによって、ならびに/または、ペレットの熱可塑性コンポーネントを溶融および/もしくは溶解することによって、および、繊維の光学的な測定によって、ならびに/または、たとえば、マトリックスの除去なしのX線イメージングなどによって、決定され得る。好ましくは、平均繊維長さ(数の平均による)は、少なくとも1.0mmもしくは少なくとも2.0mmもしくは少なくとも5.0mmであり、および/または、ペレット長さの少なくとも30%もしくは少なくとも50%である。
繊維および熱可塑性ポリマーは、好ましくは、本方法に関連して議論されているようなものである。ペレットは、好ましくは、本発明による方法によって取得可能である。好適な実施形態において、ペレットの中の繊維は、ガラス繊維、天然繊維、および炭素繊維の群から選択される。ペレットの寸法は、好ましくは、本方法に関して議論されているようなものある。
好適な実施形態において、本発明のペレットは、均質な繊維分画を有している。例示的な実施形態では、本発明のペレットは、押し出し材料(ペレット)の典型的には100mm、より典型的には50mm、および、最も典型的には25mmのサンプルに基づいて、ならびに、繊維含有率として重量%繊維に基づいて、標準偏差を平均の繊維含有率値の割合(パーセンテージ)として、平均の繊維含有率の20%未満またはさらには10%未満である繊維含有率の標準偏差を有している。例として、平均の繊維含有率は、たとえば、50重量%であり、標準偏差は、10重量%(50重量%の20%)未満である。
好ましくは、ペレットは、本方法によって取得可能なLFT材料であり、より好ましくは、上記に議論されているように、少なくとも20%のD50/Iの比、および/または、少なくとも50%もしくは少なくとも80%のD90/Iの比を有している。
結論として、本発明は、熱可塑性材料のための第1の入口部と、TPCフィード材料のための第2の別個の下流の入口開口部と、を備えた押し出し機を使用して、長繊維熱可塑性(LFT)押し出し材料を生産する方法に関する。
押し出しシステムに関する選好は、本方法において使用される押し出しシステムにも適用される。本方法において使用される材料に関する選好は、本発明のペレットにも適用される。本発明のペレットに関する選好は、本方法によって取得される製品にも適用される。本明細書で使用されているような「含む(comprising)」という動詞は、記載されているもの以外の他のエレメント(コンポーネント、ステップ、特徴)も追加的に存在する可能性があることを示している。
(実施例)
ここで、本発明は、以下の実施例によって図示されることになり、以下の実施例は、単に例示目的のためのものであり、本発明または特許請求の範囲を限定するものでない。
(実施例1)
押し出し方法が、ガラス繊維(GF)または炭素繊維含有テープ、および、他の熱可塑性複合材(TPC)フィード材料、ならびに、図6に図示されているような押し出し機セットアップMFを使用して、表1に示されているようなペレットを生産するためにさまざまなサンプルに関してテストされた。サンプル#1では、加熱された材料が使用された。
フィード熱可塑性顆粒は、テープ/TPC材料において使用されるものと同じタイプの熱可塑性ポリマー(PPまたはPA6)のものであった。
製品の中の繊維長さは、(頻度によるパーセンテージで)繊維の50%(D50)および90%(D90)のそれぞれが有する最大長さとして表現される(繊維形状長さ分布ヒストグラム;たとえば、ヒストグラムに関して図7を参照)。すなわち、繊維の90%および50%のそれぞれは、カウントされた繊維の合計数によるパーセンテージで、より小さい長さを有している。D90に関して、繊維の10%は、D90値よりも長い繊維長さを有している。これらの長い繊維は、製品(たとえば、ペレット、および、ペレットから製造される物品)の(機械的)特性にとって重要である。
表2は、入力長さIに対する(D50およびD90のそれぞれの)製品繊維長さの比による繊維長さ保持率を示している。
繊維長さは、ペレットを燃やすことによって、ならびに、Fibreshape(商標)ソフトウェアおよびFibreShape Mスキャナーを使用した光学的なイメージ分析によって決定された。テープ出発材料は、テープ方向に整列された連続的な繊維を含有している。テープを切断してフレークにすることは、フレーク長さに等しい初期繊維長さを生み出す。フレーク長さは、入力長さである。それとは対照的に、TPC出発材料(たとえば、繊維マットまたはラミネートまたは織布パーツ/生産廃棄物など)を切断することは、入力繊維長さの広い範囲につながる。
結果は、良好な繊維長さ保持率が実現されたことを実証している。
表1において、ノズル直径は、ダイを指す。入力長さは、初期繊維長さを示しており、本例では、押し出し機に給送されるチップ/フレークの長さを示している。
さまざまな出発材料を用いた参照押し出し機プロセスに関して、D90/I比は、典型的に17%から32%であった。
1 押し出しシステム
2 押し出し機
3 バレル
4 シングルスクリュー
5 出口開口部
6 第1の入口開口部、第1の入口部
7 第2の入口開口部、第2の入口部
8 チャネル
9 混合ゾーン
10 加熱エレメント
11 シャフト
12 フライト
13 第3の入口開口部、第3の入口部
14 第2の混合ゾーン
15 ダイ
16 第1のフィーダ
17 第2のフィーダ
18 第3のフィーダ
19 コントローラ
20 ダイヘッド
21 繊維
A 第1のフィード熱可塑性材料、第1のフィード材料、第1のフィードストリーム
B TPCフィード材料、第2のフィードストリーム
C 第1の配合材料、第1の混合材料
D 押し出し材料
E 第3のフィードストリーム
ED 押し出し方向
F 第2の配合材料
I 初期繊維長さ
ΔS1 距離
ΔS2 距離
ΔS3 距離

Claims (16)

  1. 長繊維熱可塑性(LFT)押し出し材料を生産する方法であって、
    A) 熱可塑性材料を含む第1のフィードストリーム(A)を提供するステップと、
    B) 熱可塑性複合材(TPC)フィード材料を含む第2のフィードストリーム(B)を提供するステップであって、前記TPCフィード材料は、部片、たとえば、フレークまたはチップを含み、前記部片は、繊維および熱可塑性材料の両方を個別に含む、ステップと、
    を含み、
    前記方法は、押し出しシステム(1)において実施される押し出しステップを含み、
    前記押し出しシステム(1)は、押し出し機(2)を含み、
    前記押し出し機(2)は、バレル(3)と、シングルスクリュー(4)と、出口開口部(5)と、を含み、押し出し方向(ED)を有しており、前記スクリュー(4)は、前記押し出し機(2)の中にチャネル(8)を提供し、
    前記バレルは、第1の入口開口部(6)および第2の入口開口部(7)を備えており、前記第1の入口開口部および前記第2の入口開口部は、分離しており、互いに間隔を離して配置されており(S1)、前記第2の入口開口部は、前記押し出し方向において前記第1の入口開口部の下流に配置されており、
    前記押し出しステップは、
    C) 前記第1の入口開口部(6)を通して、前記押し出し機(2)の中の前記チャネル(8)の中へ、前記第1のフィードストリーム(A)を供給するステップ、および、前記第1の入口開口部から前記第2の入口開口部へ、前記スクリューによって前記第1のフィードストリームを搬送するステップと、
    D) 前記第2の入口開口部(7)を通して、前記押し出し機(2)の中の前記チャネル(8)の中へ、前記第2のフィードストリーム(B)を供給し、それによって、前記押し出し機(2)の第1の混合ゾーン(9)の中の前記チャネル(8)の内側で、前記第1および第2のフィードストリームを組み合わせて混合し、第1の配合材料(C)を与えるステップと、
    F) 前記第1の配合材料(C)を含むストリームを、前記出口開口部(5)を通して搬送し、LFT押し出し材料(D)を与えるステップと、
    を含む、方法。
  2. 少なくとも1つの加熱エレメント(10)によって、前記スクリュー(4)の一部を選択的に加熱するステップを含み、前記少なくとも1つの加熱エレメント(10)は、前記第2の入口開口部の下流における前記押し出し方向における所定の位置において、前記スクリューの中に配置されている、請求項1に記載の方法。
  3. E1) TPCフィード材料を含む第3のフィードストリーム(E)を提供するステップであって、前記押し出し機は、前記第3のフィードストリームのための第3の入口開口部(13)を含み、前記第3の入口開口部は、前記第2の入口開口部(7)から間隔を離して下流に配置されている、ステップ
    をさらに含み、前記押し出しステップは、
    E2) 前記スクリューによって前記第1の混合ゾーン(9)から前記第3の入口開口部(13)へ前記第1の配合材料(C)を搬送するステップと、
    E3) 前記第3の入口開口部(13)を通して、前記押し出し機(2)の中の前記チャネル(8)の中へ、前記第3のフィードストリーム(E)を供給し、それによって、前記押し出し機(2)の第2の混合ゾーン(14)の中の前記チャネル(8)の内側で、前記第1の配合材料を第3のフィードストリームと組み合わせて混合し、第2の配合材料(F)を与えるステップと、前記第2の配合材料(F)を含むストリームを、前記出口開口部(5)を通して搬送し、LFT押し出し材料(D)を与えるステップと、
    をさらに含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記TPCフィード材料は、CFRT廃棄物ストリームからのフレークまたはチップまたは破砕された材料を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. ステップBは、
    B1) 乾燥した連続的な繊維を提供するステップと、
    B2) 前記繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、縁部を有する含浸された繊維の連続的なシートを与えるステップと、
    B3) 前記含浸された繊維の連続的なシートから前記縁部の少なくとも一部を分離し、フレークおよびトリミングされた連続的なシートを与えるステップであって、前記フレークは、分離された縁部片であり、前記フレークは、繊維および熱可塑性材料を個別に含有している、ステップと、
    B4) 前記第2のフィードの少なくとも一部として前記フレークを使用するステップと、
    を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記方法によって取得される前記長繊維強化熱可塑性材料は、前記長繊維強化熱可塑性材料の合計重量に対して、20~75重量%の繊維、好ましくは、30~60重量%の繊維を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第2および/または第3のフィードストリームの中に含まれる前記熱可塑性材料は、ガラス転移温度Tおよび溶融温度Tを有する熱可塑性ポリマーを含み、ステップBおよび/またはEは、前記第2および/または第3のフィードストリーム材料を所定の温度に加熱することを含み、前記所定の温度は、
    i) 前記温度Tを上回っており、
    ii) 前記温度Tに等しいかまたはそれよりも低く、好ましくは、Tよりも10.0℃未満低いか、または、最も好ましくは、5.0℃未満低く、
    前記方法は、前記第2または第3の入口開口部を通して、前記加熱された第2および/または第3のフィードストリームを供給するステップを含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記LFT押し出し材料をLFTペレットへとペレット化するステップをさらに含み、前記ペレットは、LFT射出成形および/またはLFT押し出しに適切である、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 請求項1から8のいずれか一項に記載の方法によって取得可能な長繊維熱可塑性(LFT)材料。
  10. 長繊維強化熱可塑性材料を生産するためのシングルスクリュー押し出しシステムであって、押し出し機バレル(3)と、前記押し出し機バレル内の軸線方向に回転可能な押し出し機スクリュー(4)と、出口開口部(5)を含むダイ(15)と、を含み、前記スクリューは、シャフト(11)および1つ以上のヘリカルフライト(12)を含み、前記バレル(3)は、第1の入口部(6)および第2の入口部(7)を含み、前記第1の入口部(6)、第2の入口部(7)、および前記出口部(5)は、互いに間隔を離して配置されており、前記第1の入口部(6)は、第1のフィーダ(16)を備えており、前記第2の入口部(7)は、第2のフィーダ(17)を備えている、シングルスクリュー押し出しシステム。
  11. 前記軸線方向に回転可能な押し出し機スクリュー(4)は、加熱エレメント(10)を含み、前記加熱エレメント(10)は、前記第2の入口部において、または、前記第2の入口部と前記出口部との間のゾーンにおいて、前記スクリューの内側に配置されている、請求項10に記載のシングルスクリュー押し出しシステム。
  12. 前記第1のフィーダは、第1のフィードストリームを第1の入口開口部に供給するように構成されており、前記第2のフィーダは、前記第1のフィードストリームとは異なる第2のフィードストリームを第2の入口開口部に給送するように構成されており、前記第2のフィーダは、詰め込み式フィーダまたはサイドフィーダであり、
    前記第2のフィーダは、前記第2のフィードストリームの密度を測定するための重量測定センサーを含み、前記押し出しシステムは、コントローラを含み、前記コントローラは、前記第1のフィーダおよび前記第2のフィーダに連結されており、前記重量測定センサーからの信号を使用して、前記第1のフィーダおよび前記第2のフィーダを制御するようになっている、請求項10または11に記載のシングルスクリュー押し出しシステム。
  13. 前記ダイ(15)は、テーパ付きのダイヘッドを含み、前記ダイヘッドは、任意選択で、加熱手段によって加熱されるように構成されている、請求項10から12のいずれか一項に記載のシングルスクリュー押し出しシステム。
  14. 繊維および熱可塑性材料を含み、長さおよび直径を有するペレットであって、前記ペレットの中の前記繊維の少なくともいくつかは、前記ペレットの長さ方向に配向されておらず、前記ペレットの前記長さの少なくとも50%である長さを有しており、好ましくは、前記ペレットは、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法によって取得可能であり、好ましくは、前記ペレットは、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、または少なくとも80%の、初期繊維長さ(I)に対するD90繊維長さの比を有している、ペレット。
  15. 前記繊維の少なくともいくつかは、前記ペレットの前記長さ方向に配向されており、前記繊維の少なくともいくつかは、湾曲している、請求項14に記載のペレット。
  16. 少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、または少なくとも80%の、初期繊維長さ(I)に対するD90繊維長さの比を有している、請求項9に記載の長繊維熱可塑性(LFT)材料。
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