JP3266933B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂成形材料の製造方法 - Google Patents

繊維強化熱可塑性樹脂成形材料の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂
成形材料の製造方法に関するものであり、その成形体は
自動車用部品、ボンベやタンクなどの構造材等広い分野
での利用が可能である。
【0002】
【従来の技術】樹脂成形材料は、軽量で且つ安価である
ことなどから自動車用部品などに広く用いられてきた。
従来そのマトリックス樹脂としては熱硬化性樹脂が主に
用いられてきたが、製造工程のサイクルタイムが長くコ
ストダウンが困難で大量生産に向かない等の欠点があっ
た。その為近年、上記の欠点を解消した材料として、繊
維強化熱可塑性樹脂成形材料が注目されている。
【0003】繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法と
してはプルトルージヨン法が一般的である。図1に一般
的なプルトルージヨン法に用いられる装置の概略図を示
す。図中5は含浸ダイ、4は強化繊維を示す。繊維束は
含浸ダイ5を通って樹脂含浸され、冷却ローラで冷却さ
れつつ引取られる。しかし、このような単純なプルトル
ージヨン法では、樹脂は含浸ダイ中で繊維束に付着する
だけであり、充分な含浸状態が得られなかった。これ
は、熱可塑性樹脂は熱硬化性樹脂とは異なり、溶融時の
粘度が非常に高いため繊維材料単糸間への含浸が困難で
あり、また繊維と樹脂との濡れ性が悪いからである。
【0004】そこで含浸性を改良する技術がいくつか提
唱されている。(1) 予め溶液またはエマルジョンの状態
で含浸させる予備含浸方法。これは環境衛生上及びエネ
ルギーロス上の問題があり、実用上好ましくない。(2)
予め樹脂を粉末化して繊維束の単繊維間に吸着、分散さ
せた後に溶融含浸させる方法(特開昭52-7823 号公報、
特公昭47-36467号公報等)。この方法は樹脂の粉末化工
程、含浸工程に伴う各種設備が必要であり、また工程が
複雑になることから、経済面、効率面で問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、含浸
状態の優れた繊維強化熱可塑性樹脂成形材料を安価で効
率よく、しかも高速度で製造する方法を提供しようとす
るものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明は、溶融した熱可塑性樹脂中に繊維束を
連続的に供給して含浸させる繊維強化樹脂成形材料の製
造方法において、前記繊維束に前記溶融した熱可塑性樹
脂を含浸させる工程が、(a)該繊維束を略単繊維まで開
繊させる工程、(b)開繊状態に保持された繊維を、前記
熱可塑性樹脂の溶融温度をT℃としたとき、T±60℃
の範囲で加熱する予備加熱工程、(c)開繊状態を保持し
つつ強化繊維を樹脂逆流防止スリットに通過させる工
程、および(d)開繊繊維通過路内を10〜60m/分の
速度で通過させながら、該繊維束に該溶融した熱可塑性
樹脂を含浸させる工程、を含むところに要旨を有してい
る。
【0007】
【作用】本発明者等は、粘性の高い熱可塑性樹脂溶融物
を補強繊維の各単糸間に一様に流入、含浸させる手段に
ついて種々検討した結果、物理的な力、例えばエア開繊
で繊維束を開繊し、その開繊状態を保持しつつ繊維の表
面処理剤が揮散しない温度に予備加熱した単繊維間に溶
融樹脂を流入、含浸させれば良いことを解明し、本発明
の完成に至った。
【0008】本発明で用いる開繊方法としては、特に限
定されずエア開繊、ロール開繊、バー開繊が挙げられる
が、ガスにより繊維の加熱も行なえるのでエア開繊が好
ましい。本発明で用いる強化繊維としては、特に限定さ
れないが、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊
維、金属繊維、セラミックス繊維などが挙げられる。中
でもガラス繊維が特に好ましい。これらの繊維には、使
用する熱可塑性樹脂との接着性を良くするための表面処
理がなされていることが好ましい。
【0009】また、熱可塑性樹脂としては、ポリアミ
ド,ポリエステル,ポリアリレート,ポリサルフォン,
ポリアリーレンスルフィド,ポリエーテルサルフォン,
ポリエーテルイミド,ポリアミドイミド,ポリエーテル
ケトン,ポリカーボネート,ポリオレフィン,ポリアセ
タール,ポリスチレン等が挙げられるが、中でも特にポ
リオレフィンが好ましい。
【0010】以下図面に従って本発明を説明する。尚、
図2〜6はあくまで本発明の製造方法に用いられる装置
を例示するものであって、本発明を制限する性質のもの
ではない。図2は本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形材
料の製造方法に用いる製造装置の一例を示すものであ
る。強化繊維4は開繊ノズル8中に導かれ、加熱ヒータ
9により加熱された圧縮ガス9′によって開繊される。
ここで圧縮ガス9′は空気でもよいが、溶融樹脂の酸化
劣化を防止する為に例えば窒素、Ar等の不活性ガスを
用いることが好ましい。また加熱ヒータ9は、圧縮ガス
9′を加熱することによってノズル内で予め強化繊維を
溶融樹脂の温度近傍まで加熱して、強化繊維と溶融樹脂
3′との濡れ性を高めるために設ける。この時の予備加
熱温度は、繊維の表面処理剤を揮散させずしかも樹脂の
温度近傍にする必要があるので、用いる樹脂の溶融温度
をT℃とするとT±60℃の範囲にすべきである。このよ
うに、繊維の表面処理剤を揮散させないので、繊維と熱
可塑性樹脂との接着が良好となる。また繊維束の予熱
は、開繊繊維束が溶融した熱可塑性樹脂と接触する際
に、熱可塑性樹脂の温度の低下を最小限に抑えることが
できるため、繊維と樹脂のなじみが良く、濡れ性(繊維
束への樹脂含浸性)を向上させる効果もある。しかしあ
まり高温にすると、熱可塑性樹脂が劣化し分解する危険
があるため、過度に高温の繊維が接触するのは好ましく
ない。開繊ノズル8で開繊され予備加熱された強化繊維
4は、温度・張力調整器7を通過して含浸ダイ5に導入
される。この時温度・張力調整器7を通過する強化繊維
4は、開繊されて広がった状態を保持する為に予め設定
された繊維束の幅が与えられる。この時の繊維束の幅は
使用する繊維の単糸径や集束本数によって異なり、特に
制限されないが、例えば575tex(単糸径13μm、集束本
数1600本)であれば0.5〜1.5cm程度の範囲であることが
望ましい。これは、幅が狭すぎると短繊維同士が密に詰
まったままの状態となり、短繊維間への樹脂の含浸が難
しくなり、また広すぎると単繊維間の距離が大きすぎて
繊維と樹脂とが不均一になりやすく、繊維による補強効
果が上がりにくい為である。開繊された強化繊維4は、
更に、溶融樹脂3′の温度近傍にして濡れ性を高めるた
め、予め設定された温度に加熱されて含浸ダイ5に導入
される。この時、強化繊維4の温度は上記と同様T±60
℃の範囲が望ましい。この様にして開繊状態を保ったま
ま横方向に広げられ、更に温度調整がなされた強化繊維
を含浸ダイに導くことにより、溶融樹脂が充分に強化繊
維の単繊維間に浸透できるようになる。
【0011】図3〜5に含浸ダイ5の一例の詳細を示
す。前記のように開繊され加熱処理された強化繊維4が
導入ノズル10のスリット状に加工した樹脂逆流防止スリ
ット15を通過した後、溶融樹脂3′が強化繊維4の上下
または左右方向に均等に配置されたスリット状注入口か
ら高圧力で供給される。この導入ノズル10の中の樹脂逆
流防止スリット15は、高圧力下における溶融樹脂の逆流
を防止するために設ける。かくして、開繊繊維通過路16
内では圧力を保持しつつ、溶融樹脂3′が逆流を起こす
ことなく10〜60 m/minの速度で通過して含浸することが
可能になった。尚この時、開繊繊維通過路内16の圧力
は5〜60 kg/cm2 の範囲が好ましい。圧力が低いと溶融
樹脂の単繊維間への分散・含浸が不十分であり、圧力が
高すぎると含浸ダイ5の構造設備上コストロスにつなが
るからである。
【0012】更に溶融樹脂供給部11を通過した強化繊維
4は、含浸時間調整部12において含浸時間が調整され、
出口賦形ノズル13で所望の形状に賦形後、引取ローラ6
で引取られ繊維強化熱可塑性樹脂成形材料14となる。こ
の時含浸時間調整部12では、その長さを繊維束の太さ、
樹脂の粘度、成形速度等の条件に応じて変えることによ
って含浸時間を調整する。
【0013】図6に本発明の製造方法に用いられる装置
のうち含浸ダイの別の例を示す。図3〜5の含浸ダイと
は出口賦形ノズル13の形状が異なり、また繊維束を集束
させるための集束ガイド17を有する点で異なる。図3〜
5の装置の出口賦形ノズル13は平板状で、平板,帯状の
成形材料が得られるのに対し、図6の装置では、集束ガ
イド17で集束された繊維強化樹脂が円形状の出口賦形ノ
ズル13によって賦形され、線状の成形材料が得られる。
尚、出口賦形ノズルが円形の場合、開繊繊維通過路16の
幅は特に限定されず、開繊された補強繊維の巾より広げ
ればよい。しかしながらあまり幅が広いと集束ガイド17
との抵抗が大きくなり樹脂を含浸した繊維が切断される
恐れがある。
【0014】かくして開繊して横へ拡げられ、予備加熱
を受けた強化繊維に、充分な含浸圧力と含浸時間を与え
られた溶融樹脂を含浸させることにより、含浸性が良好
な繊維強化熱可塑性樹脂材料を効率よく製造できるよう
になった。以下実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明
するが、下記実施例は本発明を制限するものではなく、
前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは
全て本発明の技術的範囲に包含される。
【0015】
【実施例】図2及び図3〜5に示した装置を用い、強化
繊維として単糸径13μm、集束本数1600本のガラス繊維
を、熱可塑性樹脂としてナイロン6またはポリプロピレ
ンを用いて、下記の条件で繊維強化熱可塑性樹脂成形材
料を製造した。 ・ガラス繊維の銘柄:日本電気硝子株式会社製「Eガラ
ス」、575tex(単糸径13μm、集束本数1600本)、1150
tex(単糸径17μm、集束本数2000本)、変性オレフィ
ン系表面処理剤 ・ナイロン6:東洋紡績株式会社製「東洋紡ナイロン」
(RV:2.2) ・ポリプロピレン:三井東圧化学株式会社製「ノーブレ
ン」(MFI:60g/10min)、マレイン酸変性0.3%
【0016】実施例1 ・強化繊維束の単糸数 …1600本 ・強化繊維の供給速度 …20m/min ・開繊繊維通過路内圧力 …50kg/cm2 ・樹脂逆流防止スリット幅…6mm 得られた成形材料の空気含有率を密度法で測定したとこ
ろ5%と低い値であった。また樹脂と強化繊維の含浸性
も均一良好で、製造中の強化繊維の切断もみられなかっ
た。
【0017】実施例2〜3 表1に示す原料及び条件以外は実施例1と同様にして繊
維強化熱可塑性樹脂成形材料を製造した。空気含有率の
測定結果を表1に示す。 比較例1 表1に示す原料及び条件以外は実施例1と同様にして、
繊維強化熱可塑性樹脂成形材料を製造し、空気含有率を
測定した。結果を表1に示す。
【0018】
【表1】
【0019】表1から明らかなように、本発明の規定要
件を満たす実施例1〜3では、空気含有率が少なく、樹
脂含浸性の良好な繊維強化熱可塑性樹脂成形材料が得ら
れた。これに対し、比較例1では空気含有率が高く樹脂
含浸性が劣っていることが判明した。
【0020】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
含浸性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂を安価で効率よ
く、しかも高速度で製造することができるようになっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のプルトルージヨン成形に用いられる装置
の一例を示す概略図である。
【図2】本発明の製造方法に用いられる装置の一例を示
す概略図である。
【図3】本発明の製造方法に用いられる装置のうち、含
浸ダイの一例を示す側面図である。
【図4】図3と同じ含浸ダイの一例を示す平面図であ
る。
【図5】図3と同じ含浸ダイの一例を示す斜視図であ
る。
【図6】本発明の製造方法に用いられる装置のうち、含
浸ダイの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
1 押出し機本体 2 原料チップホッパー 3,3′ 溶融樹脂 4 強化繊維 5 含浸ダイ 6 引取ローラ 7 温度・張力調整器 8 開繊ノズル 9 加熱ヒータ 9′ 圧縮ガス 10 強化繊維導入ノズル 11 溶融樹脂供給部 12 含浸時間調整部 13 出口賦形ノズル 14 繊維強化樹脂成形材料 15 樹脂逆流防止スリット 16 開繊繊維通過路 17 集束ガイド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B29B 11/16 B29B 15/08 - 15/14

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 溶融した熱可塑性樹脂中に繊維束を連続
    的に供給して含浸させる繊維強化樹脂成形材料の製造方
    法において、前記繊維束に前記溶融した熱可塑性樹脂を
    含浸させる工程が、(a)該繊維束を略単繊維まで開繊さ
    せる工程、(b)開繊状態に保持された繊維を、前記熱可
    塑性樹脂の溶融温度をT℃としたとき、T±60℃の
    囲で加熱する予備加熱工程、(c)開繊状態を保持しつつ
    強化繊維を樹脂逆流防止スリットに通過させる工程、お
    よび(d)開繊繊維通過路内を10〜60m/分の速度で
    通過させながら、該繊維束に該溶融した熱可塑性樹脂を
    含浸させる工程、を含むことを特徴とする繊維強化熱可
    塑性樹脂成形材料の製造方法。
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WO2014157575A1 (ja) * 2013-03-28 2014-10-02 日本ゼオン株式会社 含浸物製造装置、プリプレグ製造装置、含浸物の製造方法、及びプリプレグの製造方法
DE102018201347A1 (de) * 2018-01-30 2019-08-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche

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