JP2858896B2 - 繊維強化ポリアミド樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

繊維強化ポリアミド樹脂組成物の製造方法

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【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は繊維強化ポリアミド樹脂組成物の製造方法に
関し、とりわけ、補強繊維との接着が強固で優れた機械
的強度の成形品の原材料となる組成物を生産性よく製造
できる方法に関する。
《発明の背景》 各種の補強繊維と熱可塑性樹脂との複合材は、軽量
性,高強度性,耐腐食性などから、種々のものが電気部
品,自動車部品等に用いられている。
これらの用途に使用される繊維強化樹脂組成物は大別
して、溶融押出機中で短繊維状のガラス繊維と熱可塑性
樹脂とを溶融混練して細棒状に押出し、これを所定のペ
レット状にカットする短繊維強化ペレットと、長繊維状
の補強繊維に溶融状、あるいは溶媒に溶解した溶液状の
熱可塑性樹脂を含浸した後、所定長にカットした長繊維
強化ペレットが公知である。
しかし、短繊維強化ペレットにおいては、ペレット製
造過程での補強繊維の切断および、射出成形時等の押出
機中での再切断等で補強繊維は短いものとなって、長繊
維強化ペレットに比べて補強効果が低いという欠点があ
った。一方、長繊維強化ペレットにおいては、長繊維状
補強繊維への溶融状熱可塑性樹脂の含浸が難しいこと
や、溶液での含浸では溶媒の除去が困難である、あるい
は補強繊維との接着強度も十分でないなどの問題があっ
た。
これらの問題、とりわけ補強繊維への含浸の改良とし
て、H.Ishida and G.Rotter,“RIM−pultrusion of the
rmoplastic matrix composite,"SPI 43rd Ann.Conf.,6
−E(1988)には、補強繊維に二つの低粘度の反応性液
状モノマーを混合室で混合した後、含浸する繊維強化ナ
イロン6のRIM引抜成形方法が開示されている。
しかし、この文献に開示されている方法においては、
二液を混合した後のポケットライフが比較的短かく、混
合部から含浸部への移送過程の制約あるいは含浸部への
供給のバランスの問題や重合速度が遅く、生産性が低
い、さらには、重合工程での金型での詰まりや引抜抵抗
の増大などの問題点を有している。
そこで、本発明者らは、これらの問題点を解決できる
繊維強化ポリアミド樹脂組成物の製造方法につき鋭意研
究して本発明を完成した。
《発明の構成》 上記問題点を克服できる本発明の方法は、アニオン重
合触媒,活性化剤をそれぞれ添加した2つの液状ラクタ
ム類を連続的に混合しながら長繊維状の補強繊維に含浸
し、直ちに溶融熱可塑性樹脂で被覆した後、加熱槽にて
被覆内部のラクタム類をアニオン重合し、さらに被覆層
を剥離除去するかあるいは剥離除去することなく所定の
長さに切断することを特徴としている。
本発明の方法に使用されるラクタム類の具体例として
は、γ−ブチロラクタム,δ−バレロラクタム,ε−カ
プロラクタム,ω−エナントラクタム,ω−ウンデカノ
ラクタムが挙げられる。これらのラクタム類は単独で使
用してもよく、2種以上を併用してもよい。
アニオン重合触媒としては、公知のラクタム類のアル
カリ重合法において使用される化合物はすべて用いるこ
とができる。その具体例としては、アルカリ金属,アル
カリ土類金属,これらの水素化物,酸化物,水酸化物,
炭酸塩,アルキル化物又はアルコキシド,グリニャール
化合物,ソジウムナフタレン、さらに上記金属化合物と
ラクタム類との反応生成物、例えばナトリウムラクタ
ム,カリウムラクタム,ラクタムマグネシウムブロマイ
ドが挙げられる。これらのアニオン重合触媒は、ラクタ
ム類に対して0.1〜3mol%、好ましくは0.3〜2.5mol%を
加熱して液状とされたモノマー状のラクタム類に添加し
て混合する(以下アニオン重合触媒とラクタム類との混
合液をA液と称す。) また活性化剤についても、公知のラクタム類のアルカ
リ重合法において使用される化合物をすべて用いること
ができる。その具体例としてはN−アシルラクタム,有
機イソシアネート,酸塩化物,酸無水物,エステル,尿
素誘導体,カルボイミド及びケテンが挙げられるが反応
開始温度及びポットライフを考慮してその種類および量
を決定し、これを同じく液状のラクタム類に添加する
(以下活性化剤とラクタム類との混合液をB液と称
す。)。上記A液及びB液は予め別のタンクで準備され
る。このとき、ラクタム類は、融点以上に加温して液状
で触媒及び活性化剤を混合すると、空気中の水分あるい
は活性ガスが重合禁止作用を生起することもあるので、
タンクは、不活性ガス、例えば窒素ガス等の雰囲気とし
ておくことが望ましい。
上記A液及びB液は所定比率で混合しながら含浸室中
に供給するが、含浸室には補強繊維としてガラス繊維,
炭素繊維などの無機繊維や、芳香族ポリアミド(ケブラ
ー繊維),ビニロン,ポリエステルなどの有機繊維を連
続的に走行させて、該補強繊維中に上記混合液(以降反
応液と称す。)を含浸する。なお、ラクタム液のアニオ
ン重合においては水分が影響するので、芳香族ポリアミ
ド繊維等の吸湿性のものは乾燥する必要がある。含浸時
の反応液の粘度は、モノマーであるラクタム類が融点以
上に加温されて融解液となっている為に極めて低く、補
強繊維にすばやく良好に含浸できる。例えばラクタム類
をε−カプロラクタムとした場合、融点が69℃以上なの
で80℃程度に加温して液状とするが、その溶融粘度は10
センチポイズ程度と含浸液としては極めて低い粘度であ
る。
補強繊維に反応液を含浸した後、熱可塑性樹脂によっ
て被覆されるが、該熱可塑性樹脂は事後において内部の
反応液を重合する際の温度を考慮して、少なくとも120
℃以上の軟化点を有するもので、反応液に対する耐性を
有し、溶融押出しが可能で、かつ、ガスバリヤー性を有
するものから選択して使用されるが、好適なものとして
ポリプロピレン樹脂,ポリエステル樹脂,ふっ素系の樹
脂等の事後において剥離が可能なもの及び被覆層も一体
として使用可能なものとしてポリアミド樹脂等が挙げら
れる。
被覆に際しては、少なくとも80℃程度の温度に保持さ
れたニップルに、反応液が含浸された補強繊維を案内
し、該ニップルの先端側で、被覆ヘッド部から前記の熱
可塑性樹脂を被覆後の外径よりも大なる径のダイから押
出して引落とし状態であるいは被覆後の外径に近似した
径のダイから引落とすことなく、その外周を継目なく被
覆し、引落し状態での被覆においては要すればダイ出口
と被覆終了点とに形成される円錐状等の被覆コーン内周
側においては、不活性ガス例えば窒素ガスの流入と減圧
とを同時に行なって空気等の排除をはかってもよい。
熱可塑性樹脂による被覆層を直ちに冷却した後あるい
は冷却することなく、これに連続してあるいは後に、加
熱された重合室中に導いて被覆層内部の反応液をアニオ
ン重合させるが、このためには概ね120℃以上の温度で
数10分程度保持すればよい。
《作 用》 本発明の繊維強化ポリアミド樹脂組成物の製造方法
は、活性化剤を添加して比較的低温でアニオン重合で
き、かつポットライフが少なくとも5分以上のラクタム
類を組成とし、これを補強繊維に含浸した後、この外周
を熱可塑性樹脂で被覆しているので、以後の重合におい
て従来のRIM引抜成形のごとく金型中で重合させながら
引抜く必要がなく、引取抵抗を著しく低減できるととも
に、重合雰囲気中の不活性ガス置換等も要せず、装置
上、取扱い上きわめて簡易である。
また、被覆を有しているため上記熱可塑性樹脂被覆に
連続して重合することなく、未重合状態で引取って、こ
れを多数本まとめてバッチ式で重合することや、上記被
覆後に比較的短い重合槽に導き、反転ローラーガイドを
介して複数回重合槽に通して所要重合時間とできるな
ど、装置の利用効率を高められる。
《実 施 例》 以下本発明につき好適な実施例により説明する。
実施例1. 80℃に加温され、モノマーとしてのε−カプロラクタ
ムに対してアニオン重合触媒として2mol%の金属Naで細
片状で添加して混合したA液が入ったタンク1と、同じ
く80℃に加温され、活性化剤として1mol%のN−アセチ
ルカプロラクタムを添加したB液が入ったタンク2とを
準備した。タンク1,2の下部に混合部3を設け、混合部
3でA液及びB液を1:1で混合して反応液を作成した。
混合部の下部に接続された含浸室4に作成された反応液
を連続的に供給し、この含浸室4中に乾燥処理されたガ
ラス繊維ロービング5を導いて、ガラス繊維中に混合さ
れた反応液を含浸した。
含浸室4の周囲は80℃に保持し、窒素ガス雰囲気と
し、含浸室4の入口には、内径2mmの補強繊維案内孔6
を設け、溶液の含浸部7は長さ500mm,内径が10→3mmに
絞られた円錐状とし、さらに反応液の逆流及び滞留がな
いよう曲管構造のものを用いた(第2図参照)。
この含浸部7の出口側は、内径3mmの案内部9を有
し、パイプ10に接続された温水によって60℃に保持され
たニップル11に接続されている。
前記のガラス繊維ロービング5へ含浸させるときの反
応液の粘度は10.5センチポイズであった。上記ニップル
11に導かれた反応液が含浸された補強繊維12の外周に外
径10mm,内径8mmの円環状ダイ13から溶融状のふっ化エチ
レンプロピレン共重合樹脂を押出して、被覆層14を形成
させつつ、引落し状態で3m/分の速度で被覆した。
このとき被覆層14の内部15は、図示省略するパイプか
ら窒素ガスを流入して窒素ガス雰囲気とするとともにパ
イプ16を減圧装置に接続することによって含浸状補強繊
維12と熱可塑性樹脂被覆層14との密着性を向上させた。
以上の工程で得られた熱可塑性樹脂被覆は、直ちに冷
却水槽17に導いて、表面の熱可塑性樹脂被覆層14を冷却
した後、170〜200℃に制御された、長さ30mの重合槽18
中で反応液を連続的に硬化し、冷却水槽19中で水冷した
後、引取機20で引取り、剥離装置21で表面の熱可塑性樹
脂被覆層14を除去し、内部の重合された繊維強化ナイロ
ン6樹脂線条物を約5mmにカットしてペレット化した。
この組成物を80℃で12時間乾燥した後、スクリュー径
が16mm、L/Dが28の射出成形機に供給して13.5×120mm、
厚み3mmの曲げ試験片及び幅13mm、厚み2.4mmダンベル形
状165mmの引張試験片をそれぞれ成形して、その物性を
下記の条件で測定した。
比較のためガラス繊維含有率が27vol%の市販のナイ
ロン6樹脂による成形物の物性も併せて測定した。
引張強度:成形したダンベル状試験片を把握長115m
m、引張速度5mm/分で定速伸長型試験機(島津製作所製
オートグラフ TS−2000)で測定した。
曲げ強度:上記の所定形状の試験片を支点間距離50m
m、荷重速度5mm/分で定速伸長型試験機(ミネベア製TCM
5000C)で測定した。
曲げ弾性率:上記曲げ強度試験における荷重−歪曲線
の初期歪時の勾配から算出した。
アイゾット衝撃強さ(ノッチ付):成形品を規定の衝
撃試験形状に加工後、東洋精機製万能衝撃試験機にて測
定した。
これらの結果をまとめて第1表に示す。
実施例2 この実施例で用いたダイは、実施例1に使用した第2
図のダイヘッド30に代えて、第3図に示す如き非引落し
タイプのダイ30aであり、ニップル11の先端部が熱可塑
性樹脂の吐出される被覆部分まで延長した構造のものを
使用して、ナイロン6樹脂(宇部興産製:1022B)により
押出被覆し、その他は実施例1と同様にして内部のラク
タムを重合固化し、引続いてペレット化した。
得られたペレット状組成物は、重合固化したナイロン
6樹脂と被覆層のナイロン6樹脂とが接着した状態で被
覆層の剥離は困難なものであった。
しかし、被覆層のナイロン6樹脂をもマトリックス樹
脂として使用できるものであり、ガラス繊維の体積含有
率は15%であったが、これを用いて実施例1と同様に射
出成形して物性を測定したところ、ガラス繊維含有率に
見合った物性のものが得られ充分実用できるものであっ
た。
《効 果》 本発明の製造方法によれば、アニオン重合可能な反応
液を補強繊維に含浸し、その外周を継目なく熱可塑性樹
脂によって被覆しているので、反応液のポットライフが
短い場合は、重合時間は少なくて済むものの含浸工程
や、引抜重合工程でトラブルが多発し易く、ポットライ
フが長いと、引抜重合の金型の長さを長くする必要があ
るなどの背反する従来の問題を解決して、装置上および
取扱上容易に繊維強化ポリアミド樹脂組成物を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の製造方法の1態様を示す説明図、第2
図は第1図の要部詳細説明図、第3図は本発明の他の実
施例に用いたダイの説明図である。 4……含浸室 5……ガラス繊維ロービング(補強繊維) 14……被覆層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B29B 9/06 B29B 9/14 C08L 77/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アニオン重合触媒を添加した液状のラクタ
    ム類と活性化剤を添加した液状のラクタム類とを所定比
    率で混合しながら含浸室に供給し、該含浸室中で連続的
    に供給される長繊維状の補強繊維に前記ラクタム類の混
    合液を含浸し、引続いて管状のニップルを介して溶融押
    出機の被覆ヘッド部に導き、この含浸補強繊維の外周に
    軟化点が少なくとも120℃以上の熱可塑性樹脂を溶融押
    出して継目なく被覆層を形成した後、加熱された重合室
    中に導いて被覆層内部のラクタム類をアニオン重合さ
    せ、しかる後表面の被覆層を剥離除去するかあるいは剥
    離除去することなく所定の長さに切断してなることを特
    徴とする繊維強化ポリアミド樹脂組成物の製造方法。
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