JP2626012B2 - 繊維強化熱可塑性コンポジット成形体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、射出成形や押出成形等に用いることので
きるペレット状の繊維強化熱可塑性コンポジット成形体
に関するものである。

［従来の技術および発明が解決しようとする課題］ 繊維強化エンジニアリングプラスチック等の繊維強化
熱可塑性コンポジットは、射出成形を中心に着実に市場
が成長しており、今や極めて重要な工業用材料になって
きている。しかしながら、このような従来の射出成形品
において、ガラス繊維等の補強繊維はその長さが1mm以
下であり、金属材料と置換えるには、耐衝撃性や耐疲労
性等の物性が不十分であった。

この発明の目的は、マトリックスポリマー中の補強繊
維の長さがより長く、しかもマトリックスポリマー中に
均一に分散させることによって、従来よりも耐衝撃性お
よび耐疲労性等を向上させた繊維強化熱可塑性コンポジ
ット成形体を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］ この発明の繊維強化熱可塑性コンポジット成形体は、
熱可塑性ポリマーをマトリックスとし、30重量％以上の
平行に配列した補強繊維を含み、繊維配列方向の長さが
３〜60mmであるペレット状の成形体であって、混合分散
率が20％以上で、ミクロボイド密度指数が５以上で、マ
クロボイド密度指数が80以下であることを特徴としてい
る。

この発明で用いられる補強繊維は、典型的にはガラス
繊維やカーボン繊維で代表される連続的な繊維である。
またこの発明で用いられる熱可塑性ポリマーは、たとえ
ばポリプロピレン、ナイロン６、ナイロン66、ポリブチ
レンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポ
リフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリエ
ーテルエーテルケトン等があるが、これらのポリマーに
限定されるものではない。

この発明において、補強繊維の含有量を30重量％以上
としているのは、補強繊維の含有量がこれよりも少ない
と、耐衝撃性や耐疲労性等の物性が相対的に低くなり、
この発明の効果が十分に発揮されないからである。

この発明において、コンポジット成形体の長さは、３
〜60mmである。マトリックスポリマー中の補強繊維の長
さを長くして耐衝撃性等の物性を高めるためには、ペレ
ット状成形体の長さは少なくとも3mm以上であることが
必要である。また、成形時におけるペレット状成形体の
スクリューへの供給性の点からは、60mm以下であること
が必要であり、好ましくは20mm以下である。

この明細書中において混合分散率とは、成形体の断面
を顕微鏡で観察し、倍率200倍の視野において観察され
る全補強繊維の数量をＮとし、熱可塑性ポリマーと接し
ている補強繊維の数をｎとし、n/N×100の値をXiとし
て、５つの視野におけるXiの平均値をいう。この発明に
おいて混合分散率を20％以上としているのは、これ以下
になると成形体表面に補強繊維が現われ、表面の平滑性
が著しく低下するとともに、物性強度が低くなるからで
ある。

この明細書においてミクロボイド密度指数とは、成形
体の断面を顕微鏡で観察し、倍率200倍の視野において
観察され得るボイドのうち、最大径が５μｍ以下のボイ
ドの視野における単位面積あたりの数をn_iとし、10視野
における合計値 をいう。この発明においてミクロボイド密度指数を５以
上としているのは、この値以上になると急速に成形品中
における補強繊維の長さが保たれやすくなるからであ
る。これは、多量のミクロボイドの存在によって、ペレ
ット状成形体の長手方向の曲げ弾性率が低下し、撓みや
すくなって、スリューの入口からメルトゾーンまでのペ
レット状成形体中の補強繊維の折損が減少するからと思
われる。

この発明においてマクロボイド密度指数とは、成形体
の断面を顕微鏡で観察し、倍率20倍の視野において観察
され得るボイドのうち、最大径が100μｍ以上のボイド
の視野の単位面積あたりの数をN_iとし、10視野での合計
値ΣN_iをいう。この発明においてマクロボイド密度指数
は80以下であり、さらに好ましくは60以下である。マク
ロボイド密度指数を80以下としているのは、マクロボイ
ド密度指数がこの値よりも大きくなると、成形品中にお
けるいわゆるボイド発生率が急速に高まり、このボイド
が破壊発生源となり曲げ強度が著しく低下してしまうか
らである。

以下に、この発明の繊維強化熱可塑性コンポジット成
形体を製造する方法の一例について説明する。この方法
では、熱可塑性ポリマー繊維と補強繊維とを混繊した糸
を用い、この混繊糸を熱可塑性ポリマー繊維が溶融流動
する以上の温度にまで加熱した状態でロール圧縮するこ
とによって、熱可塑性ポリマーを補強繊維に含浸し一体
化させる。混繊糸を得る方法としては、補強繊維と熱可
塑性ポリマー繊維とを引き揃えて静電気的に開繊させつ
つ、両者の単繊維同志を絡合させる方法や、両者の繊維
を引き揃えて空気噴出乱流中を通過させ開繊絡合させる
方法等が挙げられる。

第１図は、ロール圧縮する方法を説明するための正面
図である。第１図に示すように、ロール１は直径の大き
な大径部３を有しており、ロール２は直径の小さな小径
部４を有している。大径部３が小径部４と嵌まり合うよ
うにロール１およびロール２が位置しており、大径部３
と小径部４との間に形成される隙間に、混繊糸５が挿入
されている。ロール１およびロール２は加熱されてお
り、これによって混繊糸５は熱可塑性ポリマー繊維が溶
融流動する温度以上に加熱されている。混繊糸５は、大
径部３および小径部４の間を通り、適当な圧力で圧縮さ
れながら押出される。このようなロール圧縮は、１対の
ロールのみならず、複数対のロールを通して圧縮しマク
ロボイド率を低下させてもよい。また、ベルト等を介し
てロール圧縮してもよい。

第２図および第３図は、この発明の繊維強化熱可塑性
コンポジット成形体を製造する方法の他の例を示す図面
であり、第２図は凸部を有したプレート６と該凸部が嵌
まる溝を有したプレート７とを示す正面図であり、第３
図は第２図に示す凸部を有するプレート６を示す斜視図
である。熱可塑性ポリマー繊維と補強繊維との混繊糸10
を、プレート６の凸部８と、プレート７の溝９との間に
形成された隙間に通し、熱可塑性ポリマー繊維の溶融流
動する温度以上まで加熱した状態で混繊糸10を引き抜き
ながら、補強繊維に熱可塑性ポリマーを含浸して一体化
する。このとき、凸部８と溝９との間で一定の圧力で混
繊糸を圧縮しながら引抜く。

上記のロール圧縮法および引抜き成形法において、混
繊糸を加熱圧着してポリマーを含浸し一体化したロッド
状態の成形物は、次に、ロール、ベルトまたはプレート
等により冷却しながら圧縮することが好ましい。これ
は、冷却に伴なって生じるポリマーの体積収縮に応じて
ロッド状の成形体を圧縮し、マクロボイド率を低減させ
るためである。得られたロッド状の成形体は、３〜60mm
の長さにカットして、ペレット状成形体にする。

ペレット状成形体において混合分散率を高める有効な
方法は、混繊糸の断面における熱可塑性ポリマー繊維と
補強繊維との混合の均一性を高めておくことである。ま
た、マクロボイド密度指数を80以下にするための有効な
方法は、混繊糸の混合の均一性を高めるとともに、ロー
ル圧縮や引抜き工程において、混繊糸中に含有している
空気を圧縮によって系外に有効に排出することである。
これを実現するためには、混繊率を10％以上にすること
が好ましい。この明細書でいう混繊率は、次式で示され
るものである。

ここでＮは補強繊維の総本数を示し、NcXは補強繊維
がいくつかの群（グループ）に分割されているときのそ
のグループの個数を示し、Ｘは群の中における特定な１
個の群内のフィラメント数を示している。上記の式にお
いて100×（Ｎ−Ｘ）/N−１は、混繊状態を意味し、Ｘ
が小さいほど混繊状態が良好である。また、NcX/N/X
は、重みである。

ミクロボイド密度指数を５以上に保つ有効な方法は、
溶融した熱可塑性ポリマー繊維を補強繊維のまわりに含
浸させる際に、圧縮応力をかけて保持する時間をあまり
長くしないことである。一般には、150秒以下であり、
特に好ましくは50秒以下である。

たとえば、特公昭63−37694号公報に開示されている
ような補強繊維束にポリマーの融液を含浸させる従来の
方法では、この発明のように、混合分散率20％、ミクロ
ボイド密度指数５以上、マクロボイド密度指数80以上の
ペレット状成形体を安定して得ることは極めて困難であ
る。混合分散率を20％以上に上げ、マクロボイド密度指
数を80以下にしようとして、含浸時間を長くすれば、こ
のような従来の方法では、必然的にミクロボイド密度指
数が５以下に低下してしまう傾向が強いからである。

これに対して、上述したような方法により、混繊糸を
用いてロール圧縮法や引抜き成形法で成形した場合に
は、混繊度が、あるレベル以上、たとえば混繊度が少な
くとも10％以上の場合、ミクロボイド密度指数が５以上
になるようにポリマー含浸を行なうと、必然的に混合分
散率が急上昇し、マクロボイド密度指数も80以下にな
る。このため、この発明のコンポジット成形体を比較的
容易にかつ安定して作製することができる。

この発明では、以上のようにして得られるロッド状の
成形体を長さ３〜60mmに切断している。ロッド状成形体
の厚みは、1.5mm以下にしておくことが好ましい。この
ような厚みにすることにより、成形機中でスクリューに
くい込んだ後マトリックスが溶融するまでの間、補強繊
維の折損を減少させることができる。

［発明の効果］ この発明の繊維強化熱可塑性コンポジット成形体を用
いて射出成形やあるいは押出成形をすると、成形後の成
形品の中に含まれる補強繊維の長さが従来の繊維強化熱
可塑性コンポジット成形体に比べてはるかに長くなる。
このため、成形品の物性も、従来の繊維強化エンプラ等
に比べて一段と優れたものになる。特に、耐衝撃性、耐
疲労性、高温における弾性率等が著しく上昇する。ま
た、曲げ弾性率や曲げ強度等も向上する。このため、こ
の発明の繊維強化熱可塑性コンポジット成形体を用いれ
ば、従来は金属代替が不可能であった用途にも適用させ
ることができる。

［実施例］ 実験Ａ 単糸の直径が12μｍの表面処理剤が施されているＥガ
ラス繊維5250デニールの連続糸１本と、単糸の直径が18
μｍのポリエチレンテレフタレート繊維の2270デニール
の連続糸１本とを組合わせて混繊した。混繊の方法とし
て、タスラン法を用い、ポリエチレンテレフタレート繊
維をガラス繊維に対し、0.3％オーバフィードして供給
し、流体圧力は5.0kg/cm²、混繊加工速度は100m/分で行
なった。得られた混繊糸の混繊率は45％であった。

この混繊糸６本を12m/分の速度で連続的に張力下で加
熱空気流中で230℃まで昇温し、その後加熱したN₂ガス
雰囲気中で遠赤外線ヒータでさらに280℃まで昇温させ
てポリエチレンテレフタレート繊維を溶融させた。その
後引続いて、第１図に示すような２対の加熱ローラ（ロ
ール溝幅2.5mm）を用いて圧縮し、４対の冷却したロー
ラで圧縮しながら冷却して、厚み1.1mm、幅2.5mmの長方
形のロッド状の成形体とし、さらにこのロッド状の成形
体を長さ10.0mmの長さに切断してペレット状成形体とし
た。得られた成形体の混合分散率は70％、ミクロボイド
密度指数は12、マクロボイド密度指数は６であった（実
施例１）。

上記と同様の混繊糸を12本用いて、上記と同じ条件下
で処理することによって、厚み2.2mm、幅2.5mmの長方形
のロッド状成形体を作製し、これを上記と同様に長さ1
0.0mmの長さに切断してペレット状成形体を得た。得ら
れた成形体の混合分散率は73％、ミクロボイド密度指数
は13、マクロボイド密度指数は15であった（実施例
２）。

上記の実施例１と同様に、混繊糸６本を用いてロッド
状の成形体を作製したが、加熱ロールを10対とし、速度
を0.3m/分として、圧縮圧力をかけて保持する時間を実
施例１よりも長くした状態で、ロッド状成形体を作製し
た。このロッド状成形体の厚みは1.1mm、幅2.5mmであ
り、これを長さ10.0mmに切断してペレット状成形体とし
た。得られた成形体の混合分散率は85％、ミクロボイド
密度指数は３、マクロボイド密度指数は２であった（比
較例１）。

以上の実施例１および２ならびに比較例１の成形体
を、ポリエチレンテレフタレート繊維と同一の原料のポ
リエチレンテレフタレートポリマーから得られた直径2.
5mm、長さ8.0mmのペレット状成形体と、重量比で1:1.33
の割合でペレット状態のままで混合し、100tの型締力の
射出成形機で、標準ダンベルの成形品を成形した。

また、比較として、従来法により作製したペレット状
成形体を作製した。すなわち、ガラス繊維とポリエチレ
ンテレフタレートポリマーとを重量比0.3:0.7の割合で
混合し、通常の方法でペレタイズして、直径2.5mm、長
さ8.0mmのペレット状成形体を得た。これを、上記と同
様の100t型締力の射出成形機を用いて、上記と同じ標準
ダンベルの成形品を成形した（比較例２）。

いずれの場合も、金型温度は120℃とし、金型中に２
分間保持した。

得られた成形品の曲げ弾性率、ノッチ付き衝撃強度を
それぞれJIS K7055およびJIS K7111に準拠して測定し
た。また、10⁶サイクルの繰返し疲労テスト後の曲げ強
度値を求め、疲労強度として示した。さらに、成形品中
のガラス繊維の長さを測定し、表１に併せて示した。

この発明に従う実施例１および実施例２の成形品は、
いずれも優れた物性強度を示し、また成形品中のガラス
繊維の長さも長いことが確認された。

実験Ｂ 単糸の直径が12μｍである、ナイロン６用表面処理剤
が施されたＥガラス繊維の2625デニールの連続糸１本
と、単糸の直径が16μｍである、ナイロン66繊維の6125
デニールの連続糸１本とを組合わせて混繊した。混繊は
上記の実験Ａと同一の条件で行なった。得られた混繊糸
の混繊率は42％であった。この混繊糸６本を用いて、上
記の実施例１と同一の条件でロッド状成形体を作製し、
このロッド状成形体を長さ10.0mmで切断して、厚み1.1m
m、幅2.5mmのペレット状成形体を得た。このペレット状
成形体の混合分散率は66％、ミクロボイド密度指数は1
7、マクロボイド密度指数は40であった（実施例３）。

比較として、実施例３と同一のガラス繊維と同一のナ
イロンポリマーとを、0.3:0.7の重量比で混合し、通常
のコンパウンド条件でペレタイズして、直径2.5mm、長
さ8.0mmのペレット状成形体を得た（比較例３）。

これらの実施例３および比較例３の成形体を、上記の
実施例１と同一の条件で射出成形して標準ダンベル成形
品を作製した。温度20℃、相対湿度50％におけるこれら
の成形品の曲げ弾性率およびノッチ付衝撃強度を表２に
示す。

表２からも明らかなように、この発明に従う実施例３
の成形品は、曲げ弾性率およびノッチ付衝撃強度におい
て、従来品である比較例３よりも高いことが確認され
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の繊維強化熱可塑性コンポジット成
形体の製造に用いることのできる１対のローラを示す正
面図である。第２図は、この発明の繊維強化熱可塑性コ
ンポジット成形体の製造に用いることのできる１対のプ
レートを示す正面図である。第３図は、第２図に示す凸
部を有するプレートを示す斜視図である。 図において、１はロール、２はロール、３は大径部、４
は小径部、５は混繊糸、６はプレート、７はプレート、
８は凸部、９は溝、10は混繊糸を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱可塑性ポリマーをマトリックスとし、30
   重量％以上の平行に配列した補強繊維を含み、繊維配列
   方向の長さが３〜60mmであるペレット状の成形体であっ
   て、 明細書中に規定する混合分散率が20％以上で、明細書中
   に規定するミクロボイド密度指数が５以上で、明細書中
   に規定するマクロボイド密度指数が80以下であることを
   特徴とする、繊維強化熱可塑性コンポジット成形体。