JP4429087B2

JP4429087B2 - 繊維強化樹脂ペレットの製造方法

Info

Publication number: JP4429087B2
Application number: JP2004172643A
Authority: JP
Inventors: 学野村
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: JP2005349697A

Description

本発明は、繊維強化樹脂ペレットの製造方法に関する。さらに詳しくは、強化繊維に扁平状の断面を有する繊維を使用した長繊維強化樹脂ペレットの製造方法に関する。

繊維で補強を図った繊維強化樹脂は、様々な用途で使用されていることから、成形用マスターバッチとして、繊維を多く含む繊維強化樹脂ペレットの開発がなされている（例えば、特許文献１−４、非特許文献１参照。）。

ところで、繊維強化樹脂の特性を、より有効に発揮させるためには、繊維は長い方が良い場合が多いため、長繊維を含む樹脂ペレットの開発が進められている。
長繊維強化樹脂ペレットを製造する方法は幾つか提案されている。最も一般的に用いられている方法は、繊維束をダイス内に導き、その中で溶融した熱可塑性樹脂を繊維束に含浸させる方法である。

この製造方法は、設備等が安価である等の利点がある。しかしながら、溶融粘度の高い樹脂を、繊維束の中に含浸させるのは困難であった。そのため、引抜き速度（引き取り速度）等を抑えて製造する必要があり、生産効率が悪かった。また、希釈樹脂とのブレンド時や運搬時に、繊維強化樹脂ペレットから繊維の一部が引抜け、毛玉になったり、作業者の皮膚を刺激する等の問題があった。

また、長繊維ペレットを用いた成形品は、短繊維ペレットを用いた成形品と比較すると、衝撃強度が高い、高温化での強度が高い等の利点が存在する。
しかしながら、短繊維ペレットと比較すると、流動性が劣る、成形時に繊維が折れるため、期待した程の効果が現れない、流動長の長いものは逆に繊維が配向し反り変形が発生する、リブ、ボス等の立ち壁の強度は短繊維よりも劣る等の欠点も有していた。

特開２００３−８２２２８号公報特開平１０−２１９０２６号公報特開平８−２０６９４号公報特開平７−３０９９９９号公報成形加工第１５巻第９号６１２（２００３）

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、生産速度を向上でき、さらに、成形時における強化繊維の分散性がよく、ペレットからの繊維の欠落も抑制できる繊維強化樹脂ペレットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、この課題を解決するには、製造装置の工夫だけでは困難と判断し、使用する材料について鋭意検討した。その結果、扁平状の断面を有する繊維からなる繊維束を使用することにより、繊維束の中に溶融樹脂が容易に含浸できることを見出し、従来問題とされていた多くの課題が飛躍的に改善できることを見出した。
本発明によれば、以下に示す繊維強化樹脂ペレットの製造方法及び繊維強化樹脂ペレットが提供される。

１．繊維を束ねた繊維束と溶融樹脂をダイスに供給し、ダイス内で繊維束と溶融樹脂とを接触させて繊維束に溶融樹脂を含浸させる工程と、前記溶融樹脂を含浸させた繊維束をダイスから引き出し、冷却、切断する工程と、を有する繊維強化樹脂ペレットの製造方法において、前記繊維として、繊維断面の長径と短径の比（長径／短径）が２．５〜６である繊維を使用することを特徴とする繊維強化樹脂ペレットの製造方法。
２．前記繊維の断面の短径が３〜１５μｍであり、長径が７．５〜９０μｍである１に記載の繊維強化樹脂ペレットの製造方法。

３．前記溶融樹脂が、ポリプロピレン又はポリアミドである１又は２に記載の繊維強化樹脂ペレットの製造方法。
４．前記繊維が、ガラス繊維、カーボン繊維又は有機繊維である１〜３のいずれかに記載の繊維強化樹脂ペレットの製造方法。
５．上記１〜４のいずれかに記載の製造方法で作製した繊維強化樹脂ペレットであって、前記ペレット内の強化繊維がペレットの長手方向と略平行に並列している繊維強化樹脂ペレット。
６．上記５の繊維強化樹脂ペレットを使用した成形品。

本発明の繊維強化樹脂ペレットの製造方法では、繊維束に対する樹脂の含浸性が優れているため、繊維束の引出し速度（生産速度）を大幅に向上できる。また、従来は樹脂の含浸性を高めるため、ロッド（含浸バー）等で繊維に強い力を加える必要があることから、繊維の一部が切断し、これがダイス内で堆積し、詰まりを起こしていた。このため、連続生産性に課題を有していたが、本発明では、含浸性が良好なため、繊維にかかる力を大幅に低減させることができ、生産の連続安定性が飛躍的に向上できる。

本発明の繊維強化樹脂ペレットを用いた成形体は、従来の長繊維強化樹脂ペレットを用いて成形したものと比較し、成形中の長繊維の破断が少なくなるので、強度が優れている。また、流動性にも優れ、製品外観が良好である。さらに、寸法安定性にも優れ、リブやボス等の立ち壁がある部分の強度も大幅に向上できる。

以下、本発明の繊維強化樹脂ペレットの製造方法について説明する。
図１は、本発明の繊維強化樹脂ペレットを製造する製造装置全体の概略図である。尚、本発明の製造方法は、図１に示す製造装置に限定されることはなく、その他、公知の製造装置に適用できる。

図１において、１０は溶融樹脂を繊維束Ｆ１に含浸させるダイス、２０はダイス１０へ熱可塑性溶融樹脂を供給する押出機、３０はダイス１０から引き出された樹脂含浸繊維束Ｆ２を冷却するための冷却手段、４０は繊維束の引き出しロール、５０は引き出された樹脂含浸繊維束を切断して繊維強化樹脂ペレットとするペレタイザである。
図２は、ダイス１０の縦断面図である。ダイス１０の内部には、繊維束を開繊するための含浸バー１１が複数設けられている。

続いて、この製造装置による繊維強化樹脂ペレットの製造工程について説明する。
繊維強化樹脂ペレット繊維束Ｆは、引出しロール４０に引き取られることにより、繊維束Ｆのロール（図示せず）から繰り出され、ダイス１０、冷却手段３０を通過してペレタイザ５０に供給される。

繊維束Ｆは、テンションロール（図示せず）で一定の張力を与えられた状態でダイス１０に引き込まれ、押出機２０から供給された溶融樹脂と接触する。この際、繊維束Ｆは含浸バー１１によって開繊され、溶融樹脂を含浸する。ダイス１０で溶融樹脂を含浸した繊維束Ｆ２は、冷却手段３０を通過することによって固化し、引き出しロール４０を通過しペレタイザ５０に導入される。ここで、繊維束Ｆ２を所望の長さに切断し、繊維強化樹脂ペレットを得る。

本発明においては、繊維束として、扁平断面形状を有する繊維からなる繊維束を使用する。このような繊維束を使用すると、ダイス１０内において、溶融樹脂が繊維束に容易に含浸される。このため、従来は繊維束の引き出し速度を抑えることで樹脂を含浸させていたが、本発明では、引き出し速度を上げて製造しても充分に樹脂が含浸した繊維束を得ることができるので、ペレットの生産速度を向上することができる。
また、従来は溶融樹脂の含浸性を高めるため、含浸バー等で繊維に強い力を加えていた。このため、繊維の一部が切断し、切断した繊維がダイス内で堆積し、詰まりを起こしていたため、連続生産性が悪かった。本発明では、含浸性が良好なため、繊維にかかる力を大幅に低減させることができるので、連続安定性を飛躍的に向上できる。

尚、扁平断面形状を有する繊維は、繊維の断面の長径／短径の比が、２．５〜６であることが好ましく、特に、３〜６であることが好ましい。長径／短径の比が２．５未満では、含浸の改良効果が少なく、６よりも大きいものは、繊維そのものの生産安定性が悪くなり、製造が困難である。

本発明において、繊維の断面の短径は３〜１５μｍであることが好ましく、特に、５〜１０μｍであることが好ましい。３μｍ未満では、樹脂の含浸が悪くなるおそれがあり、１５μｍを超えると、得られたペレットを用いた成形体の外観及び機械的強度が低下するおそれがある。
また、長径は７．５〜９０μｍであることが好ましく、特に、１５〜６０μｍであることが好ましい。７．５μｍ未満では、含浸が悪くなるおそれがあり、９０μｍを超えると、得られたペレットを用いた成形体の外観及び機械的強度が低下するおそれがある。

本発明で使用する強化繊維としては、上記形状を有する公知のものが使用できるが、例えば、ガラス繊維、カーボン繊維、有機繊維等が好ましく使用できる。
繊維束（ロービング)を構成する繊維の本数は１００〜２０００本が好ましく、４００〜１２００本とすることが特に好ましい。

溶融樹脂としては、公知の熱可塑性樹脂から適宜選択して使用でき、１種単独で使用しても、また、２種以上の樹脂を混合して使用してもよい。熱可塑性樹脂の中でも、ポリプロピレン又はポリアミドが好ましい。

上記の方法で製造した繊維強化樹脂ペレットを配合して製造した樹脂成形品は、従来の長繊維強化樹脂ペレットを用いて成形したものに比較し、成形中における長繊維の破断が少なくなるため強度に優れている。
また、流動性にも優れているため、成形品の外観が従来の長繊維強化樹脂ペレットを用いたものに比較し良好である。
さらに、強化繊維が成形品で均一に分散し、かつ繊維の断面方向にもアスベスト比があるため、寸法安定性にも優れ、リブやボス等の立ち壁がある部分の強度も大幅に向上できる。

本発明の繊維強化樹脂ペレットでは、強化繊維がペレットの長手方向と略平行に並列していることが好ましい。ここで、略平行とは、強化繊維の方向と、ペレット長の方向とが実質的に平行であることを意味し、本発明では、これらの方向が完全に平行な場合だけでなく、ペレット中に、これらの方向が平行でない部分を一部含む場合も含まれる。

また、繊維強化樹脂ペレットに占める強化繊維の量は４０〜７０重量％であることが好ましく、ペレットの長さは６〜１５ｍｍであることが好ましい。

［繊維強化樹脂ペレット］
実施例１
表１に示す短径及び長径を有するガラス繊維（ＧＦ）よりなる繊維束（ロービング）を用い、図１に示す製造装置によって繊維強化樹脂ペレットを製造した。
溶融樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ：ＭＩ＝１００）を９９ｗｔ％と、マレイン酸グラフトポリプロピレン（マレイン酸付加量５ｗｔ％、出光石油化学社製、商品名：Ｈ−１１００Ｐ）を１ｗｔ％とをドライブレンドしたものを使用した。この樹脂を押出機にて溶融させ（２５０℃)、ダイス内に連続供給した。
ダイス内に設置した含浸バー間に繊維束を通すことにより、溶融樹脂を含浸させた後、繊維束を引出し、冷却後、長さ１２ｍｍに切断し、繊維強化樹脂ペレットを得た。ペレットの直径は２．５ｍｍであった。尚、各例において、ペレットに占めるＧＦの含有量が約６０ｗｔ％になるように調整した。
表１に示すように、繊維束の引出速度を変えてペレットを製造し、得られた樹脂ペレット及び生産性について、以下の評価を行なった。

（１）含浸性
製造したペレットを水溶性の赤インク中に投入した後、これを取り出し水洗いし、断面を観測した。溶融樹脂の繊維束に対する含浸の悪いものは、隙間にインクが浸透圧で入り込み、水洗しても赤色が残るため、樹脂の含浸性を評価することができる。
（２）繊維の抜け
ペレットをタンブラーに入れ、回転速度を３０ｒｐｍとし、１５分間回転させ、抜けたＧＦによる毛玉の状況等を評価することでＧＦの抜けの程度を調べた。
（３）連続生産性
樹脂ペレットを２４時間連続運転にて製造し、生産安定性を評価した。
これらの結果を表１に示す。

実施例２比較例１，２
表１に示すＧＦを使用し、同表に示す引き出し速度で製造した他は、実施例１と同様にして、繊維強化樹脂ペレットを製造し、評価した。結果を表１に示す。

実施例３比較例３
表２に示す断面形状の炭素繊維（ＣＦ）よりなる繊維束を使用し、同表に示す引き出し速度で製造した他は、実施例１と同様にして、繊維強化樹脂ペレットを製造した。得られたペレットについて、ペレットの状況及び繊維の抜けを評価した。結果を表２に示す。

実施例４比較例４
表３に示す断面形状のＧＦよりなる繊維束を、溶融樹脂として、ポリアミド６（宇部興産社製、グレード：１０１３Ｂ）を使用し、表３に示す引き出し速度で製造した他は、実施例１と同様にして、繊維強化樹脂ペレットを製造した。
得られたペレットについて、樹脂の含浸性及び繊維の抜けを評価した。結果を表３に示す。

［繊維強化樹脂ペレットを使用した成形品］
上記の例で製造した繊維強化樹脂ペレットを使用して、成形品を作製し、評価した。評価方法は以下の通りである。
（１）引張強度
ＪＩＳＫ７１１３に準拠して評価を行った。
（２）アイゾット衝撃強度
ノッチを入れた試験片を、ＪＩＳＫ７１１０に準拠して評価した。
（３）表面外観
作製した平板について、目視により外観を評価した。
（４）収縮率比（ＴＤ／ＭＤ）
１５０×１５０×２ｍｍの試料について、金型の寸法と、成形後室温で４８時間放置した後の成形品の寸法をノギスにより測定することで、ＭＤ，ＴＤの収縮率を求め、ＴＤ／ＭＤの収縮率差を計算した。
尚、ＭＤは樹脂の流れと平行の方向を意味し、ＴＤはＭＤと直行する方向を意味する。
（５）反り量
１５０×１５０×２ｍｍの試料を平面に置いたときの、平面から試料中央部までの距離（平面から試料中央部が形成する凸部の頂点までの垂直距離）を反り量とした。
（６）成形品内部におけるＧＦの平均繊維長
成形品の一部を切り出し、６００℃の電気炉で灰化後、ＧＦを取り出し２０倍の顕微鏡で写真撮影をした後、約１０００本の繊維長さを求め、重量平均繊維長を求めた。

実施例５比較例５，６
表４に示すように、実施例１−２、比較例１−１、比較例２−１で製造した樹脂ペレットを用い、成形品に占めるＧＦの量が３０ｗｔ％になるように、このペレットとポリプロピレン（ＰＰ：ＭＩ＝３０）とをドライブレンドした後、射出成形機にて試験片を作製した。このときの成形温度は２５０℃とした。
得られた試験片について、引張試験、アイゾッド衝撃試験、外観及びＴＤ／ＭＤの収縮率の比、及び反りを評価した。
これらの結果を表４に示す。

実施例６比較例７
表４に示すように、実施例３−２、比較例３−１で製造した長繊維ペレットとＰＰとを、成形品に占めるＣＦ量が２０％になるようにブレンドし、実施例５と同様に射出成形した。このときの成形温度は２５０℃とした。
得られた試験片の評価結果及び平板の反りの評価結果を表４に示す。

実施例７比較例８
表５に示すように、実施例４−２及び比較例４−１で製造した長繊維ペレットとポリアミド６（宇部興産製、グレード：１０１３Ｂ）とを、成形品に占めるＧＦ量が３０％になるようにブレンドし実施例５と同様に射出成形した。このときの成形温度は２６０℃とした。
得られた試験片の評価結果及び平板の反りの評価結果を表５に示す。

本発明の繊維強化樹脂ペレットの製造方法では、繊維束に対する樹脂の含浸性が優れているため、繊維束の引出し速度（生産速度）を大幅に向上できる。また、開繊のために繊維にかける力を大幅に低減させることができるので、ダイス内における繊維の切断・詰まりを抑制でき、連続生産性が飛躍的に向上できる。従って、繊維強化樹脂ペレットの製造方法として極めて優れている。

また、本発明の繊維強化樹脂ペレットを用いた成形体は、従来の長繊維強化樹脂ペレットを用いて成形したものと比較し、成形中の長繊維の破断が少なくなり、強度に優れる。また流動性にも優れ、製品外観が良好である。
また、寸法安定性にも優れ、さらに、リブやボス等の立ち壁がある部分の強度も大幅に向上できる。
従って、例えば、自動車部品（フロントエンド、ファンシェラウド、クーリングファン、エンジンアンダーカバー、エンジンカバー、ラジエターボックス、サイドドア、バックドアインナー、バックドアアウター、外板、ルーフレール、ドアハンドル、ラゲージボックス、ホイールカバー、ハンドル）、二輪・自動車部品（ラゲージボックス、ハンドル、ホイール）、住宅関連部品（温水洗浄便座部品、浴室部品、椅子の脚、バルブ類、メーターボックス）、電動工具部品、草刈り機ハンドル、ホースジョイント等に使用される繊維強化樹脂として好適である。

繊維強化樹脂ペレットの製造装置全体を示す概略図である。ダイスの縦断面図である。

符号の説明

１０ダイス
１１含浸バー
２０押出機
３０冷却手段
４０引き出しロール
５０ペレタイザ
Ｆ１繊維束

Claims

繊維を束ねた繊維束と溶融樹脂をダイスに供給し、ダイス内で繊維束と溶融樹脂とを接触させて繊維束に溶融樹脂を含浸させる工程と、
前記溶融樹脂を含浸させた繊維束をダイスから引き出し、冷却、切断する工程と、を有する繊維強化樹脂ペレットの製造方法において、
前記繊維が、ガラス繊維、カーボン繊維又は有機繊維であり、繊維断面の短径が３〜１５μｍであり、長径が７．５〜９０μｍであって、前記長径と短径の比（長径／短径）が２．５〜６である繊維であり、
前記溶融樹脂がポリプロピレン又はポリアミドであり、
前記繊維束の引出し速度が３０〜５０ｍ／分である繊維強化樹脂ペレットの製造方法。