JP4084955B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂製線状ないしはロッド状複合材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、農業用、漁業用、土木・建築資材用(パイプ)、ケーブル用、産業資材用の繊維強化熱可塑性樹脂製の複合材料に関し、特に、ガラス長繊維を補強材として使用しない、廃棄、焼却、リサイクル使用に好適で安価な繊維強化熱可塑性樹脂製線状ないしはロッド状複合材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
従来、繊維強化合成樹脂製の長尺複合材といえば、実用物性重視の点からガラス長繊維、芳香族ポリアミド繊維等のスーパー繊維を補強材とし、不飽和ポリエステル樹脂、あるいは熱可塑性樹脂をマトリックス材料として固めた棒状、パイプ状などの長尺複合材が知られている。
【０００３】
しかし、このような構成の繊維強化合成樹脂製複合材には、産業廃棄時の環境汚染、焼却時の残灰廃棄等において問題があった。また、ＰＥＴ、ナイロンなど単体繊維の高温・高倍率延伸、緩和アニール処理した高強度グレード繊維などを補強材とし、それより融点の低い熱可塑性樹脂、或いは、繊維で溶融複合した複合材料も考案されている。
【０００４】
ところが、このような複合材料では、溶融樹脂を補強繊維間に均等に分散溶融させるためには、繊維集束時に繊維束を細く、多分散させるなどのファインな操作が必要となり、作業性とコストアップが問題となっていた。
【０００５】
一方、この均等分散問題を解決するために、予め補強繊維の融点より低融点のマトリックス樹脂を、当該補強繊維の表面或いは表面の一部に複合させて溶融紡糸或いは更に延伸した複合長繊維を集束し、溶融固化する考案もなされている。
【０００６】
しかしながら、従来の繊維強化合成樹脂製の複合材は、各種形状への加工時のフレキシビリティーを優先するがゆえに、複合長繊維の延伸製造過程で、補強繊維が充分に高強度化する程度の温度、倍率が掛けられていないのが現状であり、複合材として実用に耐え得る物性が達成されず、物性用途が限られた範囲にとどまっていた。
【０００７】
本発明者らは、この様な従来技術の課題をそれぞれ鋭意検討し、廃棄、焼却、リサイクル、コスト、物性の点でバランスの取れた複合材を案出するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、鞘成分と芯成分とを備え、前記鞘成分の融点が前記芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で、大気圧下で水蒸気加熱しながら延伸した後、飽和水蒸気圧下で延伸しつつ前記鞘成分を融合させた繊維強化熱可塑性樹脂製の線状複合材であって、前記線状複合材は、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上であることを特徴とする。
【０００９】
前記鞘芯型複合紡糸繊維は、前記芯成分の樹脂がポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロンから選択することができる。
【００１０】
また、本発明は、前記繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材を複数本集合し、前記鞘成分樹脂の融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で熱賦形しつつ融合させて長尺ロッド状としたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明は、鞘成分と芯成分とを備え、前記鞘成分の融点が前記芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で、大気圧下で水蒸気加熱しながら延伸した後、飽和水蒸気圧下で延伸しつつ前記鞘成分を融合して、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上の長尺線状材とすることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、鞘成分の融点が芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂よりなる芯鞘型複合紡糸繊維を集束し、鞘成分の融点以上、芯成分の融点以下の温度で、大気圧下で水蒸気加熱しながら延伸した後、飽和水蒸気圧下で延伸しつつ前記鞘成分を融合して引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上の線状複合材を得、しかる後、さらにこの線状複合材を熱賦形して所定断面形状のロッド状複合材とすることを特徴とする。
【００１３】
本発明の複合材は、ＰＰ、ＰＥＴ、ナイロン等の汎用樹脂繊維を芯成分ないしは補強材とし、マトリックス樹脂を鞘成分として複合紡糸した繊維を基本構成としているが、周知の通り、これらの熱可塑性汎用樹脂繊維単体の引張物性を向上させるためには、延伸過程で分子鎖をなるべく繊維方向に配向し、併せて結晶化を促進する必要がある。
【００１４】
その為に繊維樹脂の融点に比較的近い高温度で、高倍率延伸し、ＰＥＴにおいては、更に高温のアニール、或いは、緩和処理、ナイロンにおいても高温の緩和アニール処理が必要である。
【００１５】
一方、本発明のマトリックス樹脂となる複合繊維の鞘成分樹脂は、所望の複合材形状への熱賦形、加工性、コストの点で芯成分樹脂の融点より２０℃以上低い融点を有する熱可塑性樹脂であれば限定するものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン・ブテン１等のαオレフインの２元、３元共重合ＰＰ等のポリオレフィン樹脂が好適である。
【００１６】
ところが、ＰＰ、ＰＥＴ、ナイロンを芯成分とし、前記ポリオレフィン樹脂を鞘成分とした複合紡糸繊維では、複合材としての補強繊維である芯成分繊維を実用上充分な繊維物性とするためには、前述の通り、高温下での高倍率延伸、或いは、その後の高温アニール処理が必要であり、この様な温度では、好適な鞘成分樹脂が溶融してしまう。
【００１７】
そこで、本発明では、芯・補強繊維を高物性化するために、延伸時にあえて鞘成分のマトリックス樹脂が、溶融する高温度を掛けて延伸することにした。
【００１８】
これは、延伸後、所望の形に熱賦形、或いは、更に集合し、大きな形に熱賦形する上では、最終的な複合材物性に影響が及ばないという発想の元に以下の実証試験でこれを確認した。
【００１９】
すなわち、延伸時，アニール時に、鞘成分のマトリックス成分をあえて溶融する高温度で高倍率延伸する実証試験と、延伸，アニール時に鞘成分のマトリックス成分を溶融させない温度で、延伸トラブルが発生しない範囲内の高倍率で延伸する実施試験とを行い、これらを比較検討した結果、鞘成分が溶融し、更に高倍率延伸を掛けても鞘成分の溶融に伴う延伸トラブルがまったく発生しないことを確認した。
【００２０】
また、鞘成分を溶融しない場合に比べて延伸倍率が上がり、更に、これら融合複合材と未融合繊維束とを、複合材として賦形する温度、即ち鞘成分マトリックス樹脂が溶融する温度で熱処理しても融合複合材を使ったものの引張強力がまったく低下せず、一方未融合繊維束を使ったものは、引張強力が半減することを見出したのである。
【００２１】
これは未融合繊維の溶融前の引張強力には、鞘成分樹脂の延伸、分子配向による強力効果が大きいが、一旦溶融してしまえばその効果は、殆どない程度まで低下してしまうこと。
【００２２】
延伸融合複合材では、その効果は延伸時に既に消失してしまっているが、反面、高温・高倍率延伸による芯成分繊維の強度アップ効果が大きく、また再度鞘成分を溶融しても既に鞘成分樹脂が溶融・低配向状態にあるため、強力変化が非常に小さいためである。
【００２３】
【発明の実施形態】
以下に、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
(実施例１)
芯成分１のＰＰ樹脂としてＭＩ=２０のアイソタクチックポリプロピレンを使用し、また、鞘成分２のＰＥ樹脂としてＭＩ=１４の高密度ポリエチレンを使用し、定法の複合紡糸設備、芯鞘型複合紡糸ノズル（５０Ｈ）を用い、芯／鞘断面比＝６/４で、２００℃で紡糸し、単糸繊度：４４４ｄｔｅｘの、図１に断面形状を示す未延伸糸３を得た。
【００２４】
引き続き、この紡糸未延伸糸３の５０フィラメントを集束し、大気圧下、水蒸気加熱（１００℃）及び１５５℃(絶対圧：５５９ｋＰa)の飽和水蒸気圧下の２段で、全延伸倍率２０倍のローラー延伸を行い、延伸と共にＰＥで繊維間を融合したトータル繊度１，１１０ｄｔｅｘ、フィラメント数：５０（理論ＰＰ単繊維繊度：１３．０ｄｔｅｘ）の扁平状に、鞘成分２のＰＥ樹脂で融合させた、図２に断面形状を示すようになＰＰ繊維強化長尺線状複合材４を作製した。このＰＰ繊維強化長尺線状複合材４の引張強度は、５．１ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００２５】
次に、前記長尺線状複合材４を用い、図３に示すような円形断面に熱賦形した長尺ロッド状複合材５を作製した。このロッド状複合材５は、長尺線状複合材４を、２１本集束し（トータル繊度２３，３１０ｄｔｅｘ）、１４０℃に加熱した円形集合ダイス、１４０℃に加熱した熱風雰囲気チューブ、冷却円形ダイスを順次通過させ、見かけの直径約２ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．３３ｇ/ｍ）としたものであり、このロッドの引張強力は、１．１３ｋＮであった。
【００２６】
（実施例２）
芯成分１ａ／鞘成分２ａの断面比を５/５とした以外は、実施例１と同じ条件で、未延伸糸３ａを得た後に、扁平状にＰＥ融合したＰＰ繊維強化長尺線状複合材４ａ（理論ＰＰ単繊維繊度：１０．９ｄｔｅｘ）を作製した。このＰＰ繊維強化長尺線状複合材４ａの引張強度は、４．０ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００２７】
次に、実施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面の長尺ロッド状複合材５ａ（目付：２．３４ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は０．９２ｋＮであった。
【００２８】
（比較例１）
紡糸ノズル数を３３３Ｈ、紡糸温度を２１０℃以外は、実施例１と同じ条件で単糸繊度：１３３ｄｔｅｘの未延伸糸を得た。引き続きこの紡糸未延伸糸（３３３フィラメント）を集束し、大気圧下、水蒸気加熱（１００℃）により延伸倍率７倍でローラー延伸し、トータル繊度７，８５９ｄｔｅｘ、フィラメント数：３３３のＰＰ/ＰＥ延伸トウを作製した。この延伸トウの引張強度は、４．１ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００２９】
次に、前記延伸トウを使い、集束本数を３本とした以外は実施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．３６ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は０．５５ｋＮであり、同じ外形及び目付である実施例１、２のロッドより劣っていた。
【００３０】
（実施例３）
芯成分１ｂの樹脂として定法の固相重合法で分子量調整した固有粘度（ＩＶ）１．２２のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用し、鞘成分２ｂの樹脂にＰＥを用い、紡糸温度を２９５℃とした以外は、実施例１と同じ条件で紡糸し、単糸繊度：１６７ｄｔｅｘの未延伸糸３ｂを得た。
【００３１】
引き続き実施例１と同様に延伸後、２００℃熱風加熱による３％緩和処理を行い、トータル延伸倍率を７．５倍として、鞘成分２ｂのＰＥ樹脂で融合させた扁平状のＰＥＴ繊維強化長尺線状複合材４ｂ（理論ＰＥＴ単繊維繊度：１５．２ｄｔｅｘ）を作製した。このＰＥＴ繊維強化長尺線状複合材４ｂの引張強度は、５．０ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００３２】
次に、ＰＥＴ繊維強化長尺線状複合材４ｂの集束本数を２６本とした以外は、実施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面の長尺ロッド状複合材５ｂ（目付：２．８９ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は、１．４１ｋＮであった。
【００３３】
（比較例２）
紡糸ノズル数を１２５Ｈにした以外は、実施例３と同じ条件で単糸繊度：１００ｄｔｅｘの未延伸糸を得た。引き続きこの紡糸未延伸糸（１２５フィラメント）を集束し、大気圧下、水蒸気加熱（１００℃）により延伸倍率５．５倍でローラー延伸し、トータル繊度２，７００ｄｔｅｘ、フィラメント数：１２５のＰＥＴ/ＰＥ延伸トウを作製した。この引張強度は、４．３ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００３４】
次に、前記延伸トウを使い、集束本数を１１本とした以外は、実施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．９７ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は０．８３ｋＮであり、同じ外形及び目付である実施例３のロッドより劣っていた。
【００３５】
（実施例４）
芯成分１ｃの成分樹脂として硫酸相対粘度（ＲＶ）２．７のナイロン６６（ＰＡ６６）を使用し、鞘成分２ｃの樹脂にＰＥを用い、紡糸温度を２９０℃とした以外は、実施例１と同じ条件で紡糸し、単糸繊度：１２８ｄｔｅｘの未延伸糸３ｃを得た。
【００３６】
引き続き実施例１と同様に延伸後、２００℃熱風加熱による６％緩和処理を行い、トータル延伸倍率を６．０倍の扁平状にＰＥ融合したナイロン６６繊維強化長尺線状複合材４ｃ（理論ＰＡ６６単繊維繊度：１４．２ｄｔｅｘ）を作製した。この繊維強化長尺線状複合材４ｃの引張強度は、５．４ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００３７】
次に、集束本数を２３本とした以外は、実施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面の長尺ロッド状複合材５ｃ（目付：２．５５ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は１．３１ｋＮであった。
【００３８】
（比較例３）
紡糸ノズル数を１２５Ｈにした以外は、実施例４と同じ条件で単糸繊度：８３ｄｔｅｘの未延伸糸を得た。引き続きこの紡糸未延伸糸（１２５フィラメント）を集束し、大気圧下、水蒸気加熱（１００℃）により延伸倍率４．３倍でローラー延伸し、トータル繊度２，９５０ｄｔｅｘ、フィラメント数：１２５のナイロン６６/ＰＥ延伸トウを作製した。この延伸トウの引張強度は４．４ｃＮ/ｄｔｅｘであった。
【００３９】
次に、前記延伸トウを使い、集束本数を９本とした以外は、実施例１と同じ条件で見かけの直径約２ｍｍの円形断面ロッド（目付：２．６６ｇ/ｍ）を作製した。このロッドの引張強力は０．７１ｋＮであり、同じ外形及び目付である実施例４のロッドより劣っていた。
【００４０】
以上の実施例および比較例の製造条件などを以下の表１および表２にまとめて示している。
【００４１】
【表１】

【表２】

【００４２】
上記実施例で示した本発明の繊維強化熱可塑性樹脂製長尺線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃは、必要に応じて公知の着色剤、耐候剤、難燃剤等の各種添加剤を添加することができる。
【００４３】
また、線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃを所望の形態に熱賦形する際においては、公知の複合材で実施されているＰＥ等の熱可塑性樹脂による表面被覆をすることができる。
【００４４】
また、パイプ等においては、中芯パイプには、線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃの剛性を、複合材トータル繊度を調整する事によって調整したものを、平行配列、撚り掛け、或いはフィラメントワインド加工等によって導入することができる。
【００４５】
前記パイプ等への複合材導入時の加工において、線状複合材４，４ａ，４ｂ，４ｃの剛性が大きすぎると加工が円滑に行われにくいことがあるが、これらの加工を円滑に行うためには、複合材１本のトータル繊度を概ね１，２００ｄｔｅｘ未満とすることが望ましい。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製線状ないしはロッド状複合材は、ガラス繊維、アラミド繊維等を使用していないので、産業廃棄、焼却の残灰廃棄等においても環境への影響が小さい材料である。
【００４７】
また、汎用繊維を高倍率延伸した補強材であるため、引張強度、剛性において従来の熱可塑性複合材に対して各段に優れているとともに、経済性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材に用いる紡糸未延伸糸の一例を示す断面図である。
【図２】本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材の一実施例を示す要部断面図である。
【図３】本発明にかかる繊維強化熱可塑性樹脂製ロッド状複合材の一実施例を示す要部断面である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ 芯成分
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 鞘成分
３，３ａ，３ｂ，３ｃ 紡糸未延伸糸
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材
５，５ａ，５ｂ，５ｃ 繊維強化熱可塑性樹脂製ロッド状複合材

Claims (5)

1. 鞘成分と芯成分とを備え、前記鞘成分の融点が前記芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で、大気圧下で水蒸気加熱しながら延伸した後、飽和水蒸気圧下で延伸しつつ前記鞘成分を融合させた繊維強化熱可塑性樹脂製の線状複合材であって、
   前記線状複合材は、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上であることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材。
2. 前記鞘芯型複合紡糸繊維は、前記芯成分の樹脂がポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロンから選択されることを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材。
3. 請求項１又は２記載の繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材を複数本集合し、前記鞘成分樹脂の融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で熱賦形しつつ融合させて長尺ロッド状としたことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製ロッド状複合材。
4. 鞘成分と芯成分とを備え、前記鞘成分の融点が前記芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂からなる鞘芯型複合紡糸繊維を集束し、前記鞘成分の融点以上で、前記芯成分の融点以下の温度で、大気圧下で水蒸気加熱しながら延伸した後、飽和水蒸気圧下で延伸しつつ前記鞘成分を融合して、引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上の長尺線状材とすることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製線状複合材の製造方法。
5. 鞘成分の融点が芯成分の融点より２０℃以上低い熱可塑性樹脂よりなる芯鞘型複合紡糸繊維を集束し、鞘成分の融点以上、芯成分の融点以下の温度で、大気圧下で水蒸気加熱しながら延伸した後、飽和水蒸気圧下で延伸しつつ鞘成分を融合して引張強度が４．０ｃＮ/ｄｔｅｘ以上の線状複合材を得、しかる後、さらにこの線状複合材を熱賦形して所定断面形状のロッド状複合材とすることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製ロッド状複合材の製造方法。

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