JP2934017B2 - 繊維強化樹脂製品の製造方法及びその装置 - Google Patents

繊維強化樹脂製品の製造方法及びその装置

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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29BPREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B9/00Making granules
    • B29B9/12Making granules characterised by structure or composition
    • B29B9/14Making granules characterised by structure or composition fibre-reinforced

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は繊維強化樹脂予備成形品または樹脂製品の製
造方法及びその製造装置に関する発明であって、この樹
脂組成物は耐クリープ性、耐衝撃性に優れており、自動
車、健材ならびに産業資材等の分野の部品の原料として
有用なものである。
[従来の技術] 産業資材分野の用途に用いられるプラスチックにおい
て、耐クリープ性、耐衝撃性を要求される際には、繊維
強化プラスチックが用いられ、この製造方法としては、
繊維束をプルトルージョン法で樹脂を被覆する製造法あ
るいはマット状繊維に樹脂を含浸する方法が採用されて
いる。
プルトルージョン法により樹脂を被覆するためには、
製造上の制約から製造される製品に装入される繊維束
(単繊維の数百本ないし数千本の繊維の束)をわずかに
数個に分けた小繊維束として使わざるを得ず、繊維が各
小繊維束中の各単繊維に対してまで被覆が充分に行なわ
れ難い問題があった。その結果として、強化のための繊
維のマトリックス樹脂中への分散が不均一で樹脂との間
の接着が不充分となり、強化プラスチック全体の剛性や
引張り強度への補強繊維の寄与が低く、強化不足となり
易い欠点があった。
このため、各単繊維間への樹脂の浸透を図るためマト
リックスとなる樹脂の分子量を下げ、例えばポリプロピ
レンではMFR(230℃)で30g〜100g/10分、ポリアミドで
は250℃,5Kg荷重で40〜50g/10分の如く溶融粘度を低く
して小繊維束中への浸透性を改良し、不充分ではあるが
この問題の解決を図っている。
しかしながら、マトリックス樹脂の分子量を下げるこ
とは、樹脂の小繊維束への浸透の問題は改善されるとし
てもなお不充分であるだけでなく、製品のクリープ強度
及び耐衝撃強度を著しく低下させ、材料の信頼性を損な
うことを招いている。
また、後者のマット状繊維に樹脂を含浸する場合に
も、同様にマット状繊維に対する樹脂の浸透を図り、結
果として補強効果を改善するには、樹脂の分子量を下げ
る溶融粘度の低下を必要とし、上記と同様の未解決の問
題を抱えている。
[発明が解決しようとする課題] 本発明では、繊維強化プラスチックの耐クリープ性と
耐衝撃性の改善を図るため、各単繊維に対する樹脂の被
覆をより完全にすると共に、従来使われているマトリッ
クス樹脂の分子量より高い分子量の材料を用いられるよ
うに製造工程を工夫した長繊維含有樹脂予備成形品また
は樹脂製品の製造方法及びその製造装置の開発を目的と
する。
[課題を解決するための手段] 本発明は、長繊維に熱可塑性樹脂を含浸させるため、
溶融した熱可塑性樹脂と共に長繊維束を引き出しながら
両者を同時に押出し、その直後加熱ロールにより樹脂で
被覆された繊維束を圧延することを特徴とする繊維強化
熱可塑性樹脂予備成形品の製造方法に関するものであ
り、また長繊維に熱可塑性樹脂を含浸させるため、溶融
した熱可塑性樹脂と共に長繊維束を引き出しながら両者
を同時に押出し、その直後加熱ロールにより樹脂で被覆
された繊維束を圧延し、サイザーにより形状を整え、所
定の長さに切断してペレットあるいは型材とすることを
特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製品の製造法に関する
ものであり、更に長繊維に熱可塑性樹脂被覆を行なうた
めのダイスを設けた押出機、該ダイスに近接して設置し
た加熱圧延ロール、サイザー、冷却器、引取機およびカ
ッターの順に直列に構成された繊維強化熱可塑性樹脂製
品の製造装置に関するものである。
本発明において長繊維束とは、ガラス繊維、炭素繊
維、アラミド繊維、ポリイミド繊維などのモノフィラメ
ントの数百本ないし数千本からなる束を意味する。
モノフィラメントとしては、補強効果があればよく、
限定されるわけではないがその繊度としては5〜20ミク
ロン程度が普通に用いられる。
以下、最もポピュラーに使用されるガラス繊維を代表
として本発明を説明する。
マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂としては、繊
維強化の効果は繊維との接着性があれば大抵の樹脂にそ
の効果がある。一般にはポリプロピレン(以下、PPとい
う。)、ポリアミド、ポリエステル等の樹脂が普通に用
いられる。長繊維との接着性を高めるため、長繊維をシ
ランカップリング剤、あるいはチタンカップリング剤で
前処理するとか、ポリプロピレンに無水マレイン酸変性
ポリオレフィン樹脂を少量ブレンドしたものを用いるこ
と等の手段を講ずることも出来る。
なお、製品の用途によっては長繊維と熱可塑性樹脂の
特殊な組み合わせ、例えば軽量で耐食性を必要とする場
合アラミド繊維とエンジニアリングプラスチック等も考
えられるが、この場合は繊維の配向度を乱さない加工温
度の樹脂を組み合わせることが必要となる。
本発明の製造方法では、溶融樹脂含有繊維束がダイス
を出た後で加熱ロールにより圧延され、繊維束の中まで
溶融体が混練りされ含浸するので、従来の単にプルトル
ージョンダイスの長さ(繊維束供給口からその出口まで
の距離)とダイスの径Dの比(L/D)を著しく短くする
ことができ、生産性、設備設置のスペース等を効率よく
改善できる。本発明においてダイスのL/Dは100〜300位
が好ましく用いることができる。
長繊維束と溶融した樹脂の同時押出は、電線被覆ダイ
スまたはプルトルージョン法ダイス等のダイスを設けた
押出機を用いると良い。
加熱ロールはダイスに近接して設け、溶融している樹
脂の冷却、固化が避けられる距離に設置する必要があ
る。ここで圧延されて、長繊維束中へ樹脂の含浸を更に
進める。
圧延ロールは加熱されており、材料がPPのときMFRが4
0g/10分以下の比較的高分子量の場合は160℃から250℃
程度の範囲内であり、またMFRが40〜200g/10分位の低分
子量の場合では140℃〜190℃の範囲のごとく低温で良
い。
この加熱ロールの温度は使用するマトリックス樹脂の
種類、特に融点や流れ特性によって適切な温度は変わる
ものであることがいうまでもない。
加熱ロールは固定ロールとフリーロールとの接触によ
る圧力の指標として線圧で表示することが望ましい。
線圧はニップさせた際に押し付けたフリーロールの重
さをロールが接触した長さ(cm)で割った値で、例えば
約3mmの径の小繊維束8束であるときは加圧力が5〜20k
gの範囲が望ましい。
このように長繊維束の間へ樹脂の含浸をした後、任意
の断面形状のサイザーを通すこともできる。
また、加熱ロール及びサイザーを複数組直列に設け、
長繊維束と溶融樹脂の練り効果を高め、長繊維束中へ樹
脂の含浸の均一性、逆に言えばマトリックス樹脂中への
繊維の分散を高めることができる。
加熱ロールは2本ロール、3本ロール等いずれも使用
できる。
サイザーを通った長繊維束−溶融樹脂ストランドは冷
却器、例えば冷却水槽を通して冷却し、引取機で引き取
り、ついでカッターでペレットに対応する任意の長さに
切断する。
[作 用] 電線被覆ダイズまたはプルトルージョンダイスから押
し出された長繊維束−溶融樹脂ストランドは溶融樹脂が
高粘度融体であるため、たとえプルトルージョン法によ
り小繊維束に分割供給されていてもマトリックス樹脂中
への繊維の分散は不充分である。
本発明ではこの問題を前記ダイズに近接した加熱ロー
ルを通すことにより練り効果を高め、この分散を大きく
改善したものである。また、加熱ロールとサイザーのセ
ットを複数組直列に設置することによりこの練り効果を
更に高めることができるものである。この場合第1段の
サイザーは第2段の加熱ロールに供給し、練り効果が高
まる形状であればよく、このことは最終段のサイザーが
ペレットに合わせた形状を必要とすることは別である。
このようにダイスに近接して加熱ロール、サイザー、
冷却器、引取機、カッターを直列に設けた装置を開発す
ると共に、この装置を用いることによりマトリックス樹
脂中への繊維の分散を大きく改善したものである。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。
(実施例1) 押出機(1)へPP(ホモポリプロピレン、MFR 10g/10
分)を供給する。樹脂は250℃で押出機より押し出さ
れ、L/Dが100のダイス(3)に送られる。一方、繊維束
供給装置(10)から直径13ミクロンのガラスフィラメン
ト2500本からなる長繊維の繊維束8束が供給され、これ
は小繊維束として前記ダイス(3)に供給され、同時に
溶融樹脂と共に長繊維−溶融樹脂ストランド(2)とし
て引き出される。
減速付ギヤ−モーターで駆動されている固定ロール
(5)、(6)及びフリーロール(4)からなる加熱ロ
ールは190℃に加熱され、フリーロールの線圧は8束の
合計に対し10Kgf/cmに調節されており、この間を長繊維
−溶融樹脂ストランドを通過させて圧延を行なう。この
圧延されたストランドを樹脂の溶融温度以上に加熱され
たサイザー(11)を通して断面円形のストランドとし、
冷却水を満たした冷却水槽(7)を通してストランドの
樹脂を冷却硬化し、引取機(8)で6m/minの速度で引き
取り、13mmの長さにカッター(9)で切断し繊維強化熱
可塑性樹脂組成物のペレットを得た。
このペレットを用いてプレス成形し、JIS K 7113によ
りサンプルを試験したところ、引張速度は1300Kg/cm2
あった。
(実施例2) PPのMFRを15g/10分、加熱ロールの温度を215℃とした
以外は実施例1と同じ操作を行なった。
引っ張り強度は1050Kg/cm2であった。
(比較例1) MFRが60g/10分のPPを用い、加熱ロールを通さずにサ
イザーを通して、引取速度が4m/minの速度で冷却槽を経
てカッターに供給し、実施例と同じ13mmの長さのペレッ
トに切断した。
このペレットを実施例1と同様にサンプル調整し、引
取強度を測定したところ、980Kg/cm2であった。引取速
度を5m/minとすると、この引張速度は690Kg/cm2に低下
し、引取速度の上昇は練り効果に悪影響を及ぼし、生産
性を向上させると、製品の物性の低下が避けられないこ
とが確認された。
(比較例2) 加熱ロールを通さずに、ダイスにより直接にサイザー
を通し、続いて冷却水槽で冷却後ペレットに切断した以
外はすべて実施例1と同一の条件でペレットを製造し
た。
引張速度を測定すると500Kg/cm2であった。
以上の実施例、比較例から、同一の分子量(MFR)の
樹脂であっても練り効果が不充分であると引張強度は半
分以下に低下すること、高分子量の樹脂と低分子量の樹
脂では同一の練り(繊維の分散度)では高分子量の組成
物が物性として優れていること、また低分子量の樹脂の
方が加熱ロールを使用しない従来法では物性値の良い樹
脂組成物が得られること、生産性の向上は物性値の低下
を招くことが判る。
[発明の効果] 本発明の長繊維強化樹脂予備成形品または樹脂製品の
製造法は、ダイスに近接して加熱ロールを設け、長繊維
−溶融樹脂ストランドを圧延することにより、マトリッ
クス樹脂中に長繊維を均一に分散することが出来、樹脂
組成物の耐クリープ性、耐衝撃性、引張強度を著しく改
善できることをもたらすことができる。
なお、長繊維束中への溶融樹脂の含浸が従来法の長繊
維−溶融樹脂ストランドに対して反覆施工出来るので、
従来法に比して高分子量の樹脂を使用しても良好な分散
が期待できること、またストランドの引取速度をスピー
ドアップしても物性の低下がない等優れた方法である。
また、本発明の製造装置は上記の長繊維強化樹脂組成
物製造に適した装置であって、各種の繊維、各種の樹脂
からなる繊維強化樹脂予備成形品または樹脂製品の製造
方法に使用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は長繊維樹脂被覆装置の一例である。 (1)押出機 (2)長繊維−溶融樹脂ストランド (3)ダイス (4)フリーロール、(5),(6)固定ロール (7)冷却水槽、(8)引取機 (9)カッター、(10)繊維束供給装置 (11)サイザー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B29B 11/16 B29B 15/08 - 15/14 C08J 5/24 B29C 70/00 - 70/88

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】長繊維に熱可塑性樹脂を含浸させるため、
    溶融した熱可塑性樹脂と共に長繊維束を引き出しながら
    両者を同時に押出し、その直後加熱ロールにより樹脂で
    被覆された繊維束を圧延することを特徴とする繊維強化
    熱可塑性樹脂予備成形品の製造方法。
  2. 【請求項2】長繊維に熱可塑性樹脂を含浸させるため、
    溶融した熱可塑性樹脂と共に長繊維束を引き出しながら
    両者を同時に押出し、その直後加熱ロールにより樹脂で
    被覆された繊維束を圧延し、次いでサイザーにより形状
    を整え、所定の長さに切断してペレットまたは型材とす
    ることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製品の製造
    法。
  3. 【請求項3】長繊維に熱可塑性樹脂被覆を行なうための
    ダイスを設けた押出機、該ダイスに近接して設置した加
    熱圧延ロール、サイザー、冷却器、引取機およびカッタ
    ーの順に直列に構成された繊維強化熱可塑性樹脂製品の
    製造装置。
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