JP3211019B2 - 縮小流動による樹脂成形品及びその成形方法 - Google Patents

縮小流動による樹脂成形品及びその成形方法

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    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
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  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、繊維を混入させること
により強化された樹脂成形品及びその成形方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】樹脂成形品は軽量化するのに有利である
と共に、錆による腐食の心配がないので水と接する箇所
で好適に使用できる反面、樹脂単独では引張破壊強度お
よび曲げ破壊強度に乏しい欠点がある。そこで、樹脂内
に繊維を混入せしめることによって強度を高める技術が
一般に知られており、多くの樹脂成形品に、そのような
樹脂組成物を使用したものが実用化されている。このよ
うな繊維の混入による強化は、繊維とマトリックス樹脂
の密着、繊維の強度、繊維の伸び及び繊維の配向によっ
て大きく左右されるといっても過言でない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来はその繊
維の配向の問題に関しての考慮がなく、強度が不足した
場合一般的にはリブによる補強あるいは肉厚の増加等で
対処する事が多かった。そのため材料の持っている性能
を十分に発揮した高い強度の製品が得られなかった。ま
た、その原因解明もされていないのが実情であった。特
に、樹脂流動方向に対し直交する断面積の異なる部位を
連設するキャビティに、繊維を含有する熱可塑性合成樹
脂組成物を射出して得られる樹脂成形品については、相
対的に断面積が小さい部位の、相対的に大きい部位との
連設部分が、構造的に弱く破壊が起こりやすかった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、含有された繊
維の作用を解明し、それによって繊維の含有効果を有効
に利用して引張り破壊強度及び曲げ破壊強度をより向上
させ、品質の安定化を図ることに成功した成形方法であ
る。詳しくは、繊維を含有する熱可塑性合成樹脂組成物
を射出するゲートを、樹脂流動方向に対し直交する断面
積が相対的に大きい部位のキャビティに設けるととも
に、前記断面積が大きい部位の面に、相対的に断面積が
小さい部位のキャビティを連設する樹脂成形品であっ
て、樹脂流動方向へ構造的に強化しようとする部分であ
る付け根部に縮小流動を発生させ、樹脂流動方向へ縮小
流動部分の繊維配向を大きく変化させる縮小流動による
樹脂成形品である。特に、望ましくは、前記繊維を成形
品中で重量平均繊維長0.3mm 以上とするものである。ま
た、樹脂流動方向に対し直交する断面積の異なる部位を
連設するキャビティに、繊維を含有する熱可塑性合成樹
脂組成物を射出する樹脂成形品の成形方法において、相
対的に断面積が大きい部位のキャビティに充填後、前記
キャビティに連設する相対的に断面積が小さい部位のキ
ャビティに充填する工程からなり、樹脂流動方向に強化
しようとする部分である付け根部に縮小流動を発生さ
せ、樹脂流動方向へ縮小流動部分の繊維配向を大きく変
化させる縮小流動による樹脂成形品の成形方法である。
【0005】
【作用】繊維が流動方向に平行に強く配向されることに
より、その方向に対する引張強度及び曲げ強度を大幅に
向上させることができる。更に、繊維を長くする技術を
併用することにより、強化繊維の配向度合いを増加させ
強度を更に高めることができ、その繊維は成形品中で重
量平均繊維長0.3mm 以上がより好ましい。
【0006】
【実施例】本発明に係る樹脂製成形品及びその成形方
法、金型構造を図面に基づいて説明する。図1及び図2
は、樹脂製円柱状試験片の固定型と可動型からなる射出
成形用金型の、正面、側面及びゲートで切断する平面を
まとめて例示したものである。1は成形機のノズルに接
続されるスプルー、4は製造しようとする製品部キャビ
ティ、2はスプルー1から製品部キャビティ4に向け溶
融樹脂を流す為のランナー、3はランナー2から製品部
キャビティ4に樹脂を流入させる為のゲートである。他
に金型には、図示しないが成形品、ランナーを突き出す
為のエジェクター及び金型の冷却温調を行う為の冷却回
路が設置されている。各部材の寸法は、スプルー1は先
端部でφ4mm、根本部でφ8mm、ランナー2はφ8
mmの円形断面形状、ゲート3はφ4mmの円形断面形
状とする。図1は厚肉部4B側の1点ゲート3から厚肉
部4Bを経て薄肉部4Aまで、図2は薄肉部4A側の1
点ゲート3から薄肉部4Aを経て厚肉部4Bまで、溶融
樹脂を充填させる構造となっている。図3及び図4は、
樹脂製円筒状試験片の固定型と可動型からなる射出成形
用金型を例示したもので、5は成形機のノズルに接続さ
れるスプルーでもあるダイレクトゲート、6は製造しよ
うとする成形品の製品部キャビティの構造となってい
る。成形品を突き出す為のエジェクター、金型の冷却温
調を行う為の冷却回路は図示されてはいないが金型には
設置されている。スプルーは先端部でφ4mm、根本部
でφ8mmの円形断面形状とする。図3及び図4は、樹
脂流動方向に対し直交するキャビティの断面積が相対的
に大きい部分にゲートを設定し、溶融樹脂を、ゲートか
ら断面積が相対的に大きい部分を経て、相対的に小さい
部分に充填させる点で共通するが、図3は、円筒部分8
の肉厚が図4のものと比較して小さく、負荷のかかる肉
薄の部分7において縮小流動を生じる構造を示し、図4
は円筒部分8の肉厚が図3のものと比較して大きく、負
荷のかかる部分7において縮小流動を生じない構造を示
す点で相違している。
【0007】熱可塑性合成樹脂組成としては、一般に繊
維強化熱可塑性樹脂として知られているものがいずれも
使用できるが、ガラス繊維やカーボン繊維、合成繊維な
どの長繊維に、押出し機で溶融した熱可塑性プラスチッ
クを含浸させ、適当な長さに切断してペレット化したも
のが好適に使用される。この熱可塑性合成樹脂組成物
は、長繊維の折損を最低限に留めるため、圧縮比が小さ
く、深溝のスクリューを備え、ノズルの大きな射出装置
を使用することが望ましく、逆流防止弁を備えたものが
好ましい。
【0008】この様な樹脂組成物を用いて前記射出成形
金型により、周知の射出手段によって樹脂製円柱状試験
片及び樹脂製円筒状試験片の射出成形品を成形する。円
柱状試験片の射出工程に於いては、図1の様に厚肉部に
相当する部位4Bに設けられたゲート3から製品部キャ
ビティ内に溶融樹脂を充填した場合、厚肉部4Bから薄
肉部4A側に向け、図中の矢印で溶融樹脂の流動を示す
ように、縮小流動する事により、厚肉部4Bを連設する
薄肉部4Aの付け根部4Cにおける溶融樹脂中の繊維は
流動方向、つまり円柱軸と平行な方向に強く配向する。
溶融樹脂中の重量平均繊維長が長い場合はこの傾向がよ
り顕著となり、荷重に対し大きな強度向上をもたらす事
になる。又逆に図2の様に薄肉部に相当する部位4Aに
設けられたゲート3から製品部キャビティ内に溶融樹脂
を充填した場合、薄肉部4Aから厚肉部4B側に向け拡
大流動する事により、薄肉部4Aを連設する厚肉部4B
の付け根部4Cにおける溶融樹脂中の繊維は流動直角方
向、つまり円柱軸と直角になる方向に強く配向するため
荷重に対して不利な配向となる。また、円筒状試験片の
射出行程に於いては、図3の曲げの荷重のかかる円筒部
分7は縮小流動となり、この部分の繊維配向は流動方向
に強く配向し、曲げ応力に対して大きな強度向上をもた
らすが、図4のように縮小流動にならないような構造に
なると、強度は弱くなる。なお図中の矢印は溶融樹脂の
流動を示したものである。
【0009】<実験例1>樹脂性円柱状試験片で、短繊
維を含有する樹脂と長繊維を含有する樹脂により縮小流
動を起こした場合と拡大流動を起こした場合の引張破壊
強度と重量平均繊維長の比較を試みた。実験は前記実施
例の装置の図1及び図2の金型を使用し、射出成形品4
を得た。実験例1の成形条件、実験条件及び実験結果は
下記表1から表4に示す。ここで使用した熱可塑性合成
樹脂組成物は、いずれもポリアミド66をマトリックス
としガラス繊維を50重量%含有させた短繊維強化樹脂
材料と長繊維強化樹脂材料(ペレット長12.7mm)
である。
【0010】
【表1】 尚成形機は株式会社大隈鉄工所製のOKM150を使用
した。
【0011】
【表2】 尚、株式会社島津製作所製 万能試験機DSS−500
0を使用した。
【0012】
【表3】
【0013】
【表4】
【0014】破壊は全て付け根部4Cから起きており、
試験片の構造の中では最も弱い。そして、以上の結果よ
り、同じ付け根部であっても、ゲート位置が厚肉部4B
側の場合と薄肉部側4Aの場合とでは、縮小流動を起こ
すゲート位置が厚肉部4B側の場合の方が、引張破壊荷
重を1割程向上できることが確認された。そして、その
効果は、長繊維強化樹脂が成形品中で重量平均繊維長0.
3mm 以上の場合が好適である。また、このような成形品
の成形方法は、樹脂流動方向に対し直交する断面積の異
なる部位を連設するキャビティに、繊維を含有する熱可
塑性合成樹脂組成物を射出する樹脂成形品の成形方法で
あって、相対的に断面積が大きい部位のキャビティ4B
に射出する工程と、前記キャビティ4Bに連設する相対
的に断面積が小さい部位のキャビティ4Aに、連続的に
充填する工程とからなるものであり、この成形方法によ
り、樹脂流動方向へ構造的に強化しようとする部分であ
る付け根部4Cに縮小流動を発生させ、樹脂流動方向へ
縮小流動部分の繊維配向を大きく変化させることができ
る。
【0015】<実験例2>次に樹脂製円筒状試験片に
て、キャビティの断面積が相対的に大きい部分にゲート
を設定し、円筒部の厚肉部分8Aと厚肉部分8Bとの違
いによる成形品の曲げトルクの比較評価を行った。実験
は前記実施例の装置の図3及び図4の金型を使用し、曲
げの荷重のかかる円筒部分7において縮小流動を生じる
もの(図3)及び縮小流動を生じないもの(図4)の射
出成形品を得た。成形条件、実験条件及び実験結果を下
記表5から表7に示す。ここで使用した熱可塑性合成樹
脂組成物は、ポリプロピレンをマトリックスとしガラス
繊維を40重量%含有させた長繊維強化樹脂材料(ペレ
ット長12.7mm)である。
【0016】
【表5】 尚成形機は株式会社大隈鉄工所製のOKM150を使用
した。
【0017】
【表6】 尚、株式会社島津製作所製 万能試験機IS−5000
を使用した。
【0018】
【表7】
【0019】以上の結果より、樹脂流動方向に対し直交
するキャビティの断面積が相対的に大きい厚肉部分にゲ
ートを設定し、図4に示す形状のような厚肉部分8Bに
隣接する円筒部分7が薄肉形状であっても、一点鎖線で
示す先端部Lが厚肉部分8Bから円筒部分7に充填が始
まる時点で厚肉部分8Bの側面方向への充填が終わら
ず、流動が発生している場合は、円筒部分7において縮
小流動が起きず、繊維配向の改善及び強度向上の効果が
得られないことが確認された。
【0020】本実施例及び実験例はポリアミド、ポリプ
ロピレンについて説明したが、他の熱可塑性合成樹脂組
成物、例えばPBT.PET.ポリアセタール、ポリウ
レタン等でも数値の違いはあるにしろ同様の結果が確認
され、本発明で使用される熱可塑性合成樹脂、繊維の種
類は自由に選択できる。
【0021】なお、上記実施例では、断面積が相対的に
大きい部位のキャビティと、相対的に断面積が小さい部
位のキャビティを直接に連設しているが、他の実施例と
して両方のキャビティの対向する大小の面をテーパー形
状の部材で間接的に連接し、大きい部位から徐々に断面
積が減少する場合や、小さい部位の断面の形状が大きい
部位のそれより細長く、連接する際部分的に大きい部位
の断面より小さい部位の断面が突出する場合があり、ゲ
ートから構造を強くしようとする部位までの距離と、そ
こまでの大きい部位のキャビティの容積とにより縮小流
動の発生を適宜設定できる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、溶融樹脂の縮小流動を
取り入れることにより、繊維が流動方向に強く配向さ
れ、その方向に対する引張強度及び曲げ強度を大幅に向
上させることができる。更に、繊維を長くする技術を併
用することにより、強化繊維の配向度合いを増加させ強
度を更に高めることができ、また、その繊維は成形品中
で重量平均繊維長 0.3mm以上がより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るゲートを厚肉部側に1箇所設け
た樹脂製円柱状試験片用金型で、実験例1で採用の基本
構造説明図である。
【図2】 ゲートを薄肉部側に1箇所設けた樹脂製円柱
状試験片用金型で、実験例1で採用の基本構造説明図で
ある。
【図3】 本発明に係る円筒部分7が縮小流動を起こす
樹脂製円筒状試験片金型で、実験例2で採用の基本構造
説明図である。
【図4】 円筒部分7が縮小流動を起こさない樹脂製円
筒状試験片金型で、実験例2で採用の基本構造説明図で
ある。
【図5】 図3、4の成形品の曲げ試験の様子を示した
説明図である。
【符号の説明】
1…スプルー、2…ランナー、3…ゲート、4…円柱状
試験片キャビティ、4A…円柱状試験片薄肉部、4B…
円柱状試験片厚肉部、4C…付け根部、5…スプルー、
6…円筒状試験片キャビティ、7…曲げの負荷のかかる
円筒部分、8A,8B…円筒部厚肉部分、9…円筒部薄
肉部分、10…固定用治具、11…ハンドル、L…流動
パターン、F…荷重。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−293534(JP,A) 特開 平8−142217(JP,A) 特開 昭61−220827(JP,A) 特開 平8−142218(JP,A) 特開 平6−285911(JP,A) 特開 平6−270218(JP,A) 特開 平6−134810(JP,A) 特開 平6−91707(JP,A) 特開 平5−285990(JP,A) 特開 平6−31778(JP,A) 特開 平5−318517(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B29C 45/00 - 45/84 B29D 23/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 繊維を含有する熱可塑性合成樹脂組成物
    を射出するゲート(3)を、樹脂流動方向に対し直交する
    断面積が相対的に大きい部位のキャビティ(4B)に設ける
    とともに、前記断面積が大きい部位の面に、相対的に断
    面積が小さい部位のキャビティ(4A)を連設する樹脂成形
    品であって、樹脂流動方向へ構造的に強化しようとする
    部分である付け根部(4C)に縮小流動を発生させ、樹脂流
    動方向へ縮小流動部分の繊維配向を大きく変化させるこ
    とを特徴とする縮小流動による樹脂成形品。
  2. 【請求項2】前記繊維を成形品中で重量平均繊維長0.3m
    m 以上とする請求項1の樹脂成形品。
  3. 【請求項3】 樹脂流動方向に対し直交する断面積の異
    なる部位を連設するキャビティに、繊維を含有する熱可
    塑性合成樹脂組成物を射出する樹脂成形品の成形方法に
    おいて、 相対的に断面積が大きい部位のキャビティ(4B)に射出す
    る工程と、前記キャビティ(4B)に連設する相対的に断面
    積が小さい部位のキャビティ(4A)に、連続的に充填する
    工程とからなり、樹脂流動方向へ構造的に強化しようと
    する部分である付け根部(4C)に縮小流動を発生させ、樹
    脂流動方向へ縮小流動部分の繊維配向を大きく変化させ
    ることを特徴とする縮小流動による樹脂成形品の成形方
    法。
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