JP4482719B2 - ガラスチョップドストランドマット及びそれを用いた自動車成形天井材 - Google Patents

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Description

本発明は、ガラス繊維強化プラスチック(以下、GFRPという)の補強材や自動車成形天井材料等の発泡ポリウレタンの補強材として使用されるガラスチョップドストランドマット及びそれを用いた成形材に関する。
ガラスチョップドストランドマットは、多数本のガラスフィラメント表面に付着量が0.1〜2重量%程度となるよう集束剤を塗布し、これらを集束することによって得られたガラスストランドを所定長に切断し、ガラスチョップドストランドの多数本を、均等無秩序にシート状に堆積した後、その上から結合剤として、粉末ポリエステル樹脂を散布し、次いでこれらの粉末ポリエステル樹脂を加熱溶融してからプレス成形して冷却固化するか、あるいはシート状堆積物に樹脂を乳化したエマルジョンを塗布後に乾燥することによって製造される。通常、ガラスチョップドストランドマットを製造する場合、例えば、単繊維直径11μm、ストランド番手が45テックス(テックスは長さ1000m当たりのグラム単位での重量)のガラスストランドを約50mm長に切断し、目付が300〜900g/m2となるように均等無秩序に堆積し、粉末ポリエステル樹脂付着量が1〜6質量%となるように散布して加熱溶融後に冷却固化するか、あるいは樹脂乳化エマルジョン付着量が1〜6質量%となるように塗布し、乾燥して各ガラスストランド同士を接着する方法が採用されている。
ガラスチョップドストランドマットは、浴槽、浄化槽等のGFRP成形品の補強材として用いられ、主にハンドレイアップ法と呼ばれる不飽和ポリエステル樹脂を含浸して成形する方法に多用されてきた。しかし、近年では、これまで段ボールやフェルト等で成形されていた自動車成形天井材の代替として、発泡ポリウレタンシートの両表面にガラスチョップドストランドマットを接着することによって、その剛性や寸法安定性を向上させたものが開発されている。
ところで自動車成形天井材には、剛性、寸法安定性、断熱性、遮音性等の特性が必要とされるが、これ以外にも、自動車全体の重量を軽減することを目的として、単位面積当たりの重量が軽いことが要求される。またガラスチョップドストランドマットを発泡ポリウレタンシートと接着する際、フェノール、メラミン、イソシアネート等の接着剤を使用するが、接着剤がガラスチョップドストランドマットの裏面まで浸透しないと、成形された自動車成形天井材の剛性が不足するという問題や、接着後に、マットからガラスチョップドストランドが剥がれ落ちるという問題があるため、必ずマット裏面まで接着剤を浸透させる必要がある。
成形天井材重量を軽減し、かつ接着剤の浸透性を向上させるためには、ガラスチョップドストランドマットの目付を小さくすれば良いが、目付が小さくなるほど、ガラスチョップドストランドマットのストランド分布が不均一な状態となってマットの引張強度が低下し、マットを巻き芯に巻き取った後、その外層から引っ張ってほどき出す時にその途中で破断する危険性が高くなり、作業性が大幅に低下するという問題がある。
また、軽量のガラス繊維補強材としては、直径が15〜24μm程度のガラスフィラメント(単繊維)を50〜100本程度束ね、連続繊維状態で堆積させたガラスコンティニアスストランドマットや、直径が6〜13μmのガラスフィラメントを数十本から数百本束ね、長さ3〜25mmに切断したガラスチョップドストランドを白水中でモノフィラメントに分散し、抄紙したガラスペーパーが知られている。しかしガラスコンティニアスストランドマットは、その製造効率が低く、その上高価であるという問題があり、またガラスペーパーは、ガラス繊維がモノフィラメント状態であるため、補強効果が小さく、自動車成形天井材としては剛性が不足するという問題がある。
チョップドストランドマットについて、その強度を向上しようという改善はこれまでにも種々行われてきており、特許文献1には、ニードルパンチング処理に適応することができる圧縮強度と曲げ強度を合わせ持つ繊維複合体についての発明が提示された。また、特許文献2には、ガラスチョップドストランドの形態を規定することによって、搬送コンベヤからの崩落を防ぐだけの強度を実現することができる旨の発明が行われている。さらに特許文献3では、強熱減量値を大きくすることによって引張強度を150kgf以上に大きくすることができるという発明が開示されている。
特開平5−24781号公報 特開平6−93546号公報 特開2003−175777号公報
自動車成形天井材には、単繊維直径10〜14μm、ストランド平均番手20〜40テックスのガラスストランドを約50mmの長さに切断し、目付が300〜900g/m2となるように均等無秩序に堆積し、粉末ポリエステル樹脂を、付着量8〜16質量%となるように散布し、次いで加熱溶融して冷却固化するか、あるいは樹脂を乳化したエマルジョンを、付着量が6〜10質量%となるよう塗布して乾燥し、各ガラスチョップドストランド同士を接着して得られるガラスチョップドストランドマットが使用されてきた。
発泡ポリウレタンシートの両表面にチョップドストランドマットが接着された構造を有する自動車用天井材では、一方の面に目付が50〜250g/m2のチョップドストランドマットが使用されるようになってきた。このようなマットでは、ガラスチョップドストランドにフェノール、メラミン、イソシアネート等の接着剤を塗布する際には、ガラスチョップドストランドの分散状態に問題がある等の原因のため、マットが部分的に断裂しやすくなる危険性があった。そしてこのような状態で接着剤を塗布したチョップドストランドマットを表皮(自動車の室内側)、ガラスチョップドストランドマット、発泡ポリウレタンシート、ガラスチョップドストランドマット及び保護シート(自動車の天井側)の順に重ねるため、ロールからマットを引き出す際にマットが断裂する、即ち、千切れる場合があるという問題点があった。
また、前記したマットでは、ガラスチョップドストランドマットにフェノール、メラミン、イソシアネート等の接着剤を含浸させ、表皮(自動車の室内側)、ガラスチョップドストランドマット、発泡ポリウレタンシート、ガラスチョップドストランドマット及び保護シート(自動車の天井側)の順に重ね、成形天井の形状にプレス成形した際、ガラス目と呼ばれるガラスチョップドストランドの形状が表皮に浮き出る現象が発生する場合がある。そして、近年、このような現象は、特にコストダウンを目的として表皮に目付け50g/m2以下の薄い不織布が使用されるようになり、顕著になってきた。また、プレス成形時にガラスチョップドストランドが引き伸ばされ、ガラス繊維の非常に少ない箇所が生じ、発泡ポリウレタンシートと表皮が直接接触することによって、アバタ状の模様となる問題点があった。このような問題については、ガラスチョップドストランドを使用した天井材を深絞り成形する際に、特に高い発生率となることが確認されてきた。
本発明は、上記事情に鑑み行われたものであり、GFRP成形品となった後の必要な剛性を確保した上で、ロールから引き出した際にマットが部分的に損傷するのを防止し、あるいはガラスチョップドストランドの形状が成形品の表面に浮き出るガラス目を防止し、さらに自動車成形天井材をプレス成形した際、ガラスチョップドストランドマットが局所的に引き伸ばされることによって発泡ポリウレタンシートと表皮が直接接触することによるアバタ状模様の発生が十分に抑制されたガラスチョップドストランドマットと、それを使用する自動車成形天井材を提供することを課題とする。
本発明者等は、上記目的を達成すべく、種々の実験を行い、目付が50〜150g/m2で、平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成され、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値と標準偏差、マット長手方向の引張強さの平均値を規定することによって、自動車成形天井材が所望の強度を実現し、ガラス目やアバタ状模様の発生が抑止できることを見出し、本発明を提出するに至った。
すなわち、本発明のガラスチョップドストランドマットは、平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成されてなり、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であることを特徴とする。
ここで、ガラスチョップドストランドの目付が50〜150g/m2に限定した理由は、以下のようなものである。目付は単位面積当たりのガラスチョップドストランドの質量を表すものであるが、目付が50g/m2より小さいと、ガラスチョップドストランドマットに穴あきが発生し易くなり、アバタ状の模様が生じやすくなるので本発明には適さない。また、50g/m2より小さいとガラスチョップドストランドマットのストランド分布が不均一な状態となってマットの引張強度が低下し、マットを巻き芯に巻き取った後、その外層から引っ張ってほどき出す時にその途中で破断する危険性が高くなり、作業性が大幅に低下するという問題もある。一方で目付が150g/m2より大きいと、自動車成形天井材の重量を軽減し、接着剤の浸透性を向上させるという目的の達成が危ぶまれることになる。
また、ガラスチョップドストランドの平均ストランド番手を10〜20テックスと限定したのは、平均ストランド番手が10テックスより小さいガラスストランドを得るためには、ストランド1本当たりのガラスフィラメントの集束本数を少なくする必要があるが、このようなガラスストランドを製造する場合に、紡糸時に使用するブッシングのホール数を少なくするか、より多くのストランドに分糸する必要がある。そのために、ブッシングのホール数を小さくすると、1ブッシング当たりの生産量が低下し、材料コストの上昇につながるため好ましくない。また、分糸数を増加させると紡糸時にストランドが切断しやすくなり、材料コストの上昇につながることになる。またストランド番手が小さくなるとストランドが軟らかくなり、自動車成形天井材に必要な剛性が得られなくなるという問題もある。一方、平均ストランド番手が20テックスより大きくなると、ストランドの巾が広くなり、ストランドが硬くなって自動車成形天井の表皮にガラス目が発生するため好ましくない。
また、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であるとは、次のような理由によるものである。
マット幅方向の引張強さを限定した理由は、マット幅方向の引張強さが150Nを超える値であったり、標準偏差が50Nより大きい数値であると、全体あるいは部分的にマットの引張強さが強くなる。このようなチョップドストランドマットをプレス成形した際にチョップドストランドマットが充分に成形型に追随しない状態となる場合があり、部分的にチョップドストランドマットが破れる、あるいは引き伸ばされることによって、発泡ポリウレタンシートと表皮とが直接接触し、アバタ状の模様ができるため本発明には適さない。
さらに、マット長手方向の引張強さが100N未満であると、ガラスチョップドストランドマットにフェノール、メラミン、イソシアネート等の接着剤を塗布する際や、接着剤を塗布したチョップドストランドマットを表皮(自動車の室内側)、ガラスチョップドストランドマット、発泡ポリウレタンシート、ガラスチョップドストランドマット及び保護シート(自動車の天井側)の順に重ね合わるためにロールから引き出す際に、マットがちぎれることがあるため本発明には適さない。
そして、上記のような構成のガラスチョップドストランドマットを実現するには、結合剤のマット幅方向における散布状態が均等になるように調整した状態で散布することが重要であり、これによって、幅方向のガラス繊維結合強度を所望範囲の値に調整することが可能となり、その結果として前記した所望の特徴を有し、しかもマット幅方向の引張強度の標準偏差も所望範囲の数値もを実現することが可能となるものである。
なお、本発明に係るガラスチョップドストランド同士を結合させるための結合剤としては、粉末ポリエステル樹脂に限定されず、その形態は、繊維状、シート状、フィルム状等であっても良く、またポリエステル以外に、ポリプロピレン、酢酸ビニル、アクリル、PET等の樹脂素材も使用可能である。
また、結合材の散布状態を調整する具体的な方法としては、例えば、結合剤をマットに含浸する方法として単純な浸漬等による方法を採用する場合であっても、マットの上方より所定量の結合剤を供給ノズル等から流量を調整して供給する等の方法を併用することによって、最終的な含有量のばらつきを解消することができる。
そして、結合剤が均等に散布されたかどうかを調査する手段の一つとしては、例えば強熱減量を計測することが考えられ、例えばJIS R3420(1999)により計測することで評価することが可能である。
ガラス繊維目付を50〜150g/m2の範囲内とするためには、マットを成形する際のガラスチョップドストランドの分布むらを極力少なくすることによって達成することができ、その評価法としてはガラスチョップドストランドマットの任意の位置に長さ300mm×幅150mmの矩形面を切り出して質量を計測し、その計測値が設定値±30%以内となるようにチョップドストランドの散布状態を調整することによって、ストランドの均等な分布状態を実現することができるものである。
そしてこの計測についての具体的な手順は、次のようになる。まず、このマットを構成するチョップドストランドの分布を調整するための方法としては、ストランドをカッター等で切断した後に、チョップドストランドをチャンバー内で搬送コンベア上に分散させ、マット状に堆積する際の気流を制御することにより、チョップドストランドが均等な分布状態となるように工夫を行ってもよい。あるいは一旦散布され、マット状に堆積したチョップドストランドに適切な所定周波数の振動を付与したり、所望の流速のエアーを噴射する等、必要となる箇所に適切な処置を施すことで、ガラスチョップドストランドの分散状態を改善する方法を採用し、ガラスチョップドストランドの分布状態の調整を行うことも可能である。
また、本発明の自動車成形天井材は、平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成され、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であるガラスチョップドストランドマットが、発泡ポリウレタンシートの表皮側に接着されてなることを特徴とする。
ここで、平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成され、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であるガラスチョップドストランドマットが、発泡ポリウレタンシートの表皮側に接着されてなるとは、前記したような限定条件を満たすガラスチョップドストランドマットが、発泡ポリウレタンシートの表皮側に接着された自動車成形天井材であることを意味している。
マットをポリウレタンシートの表皮側に接着する接着剤としては、所望の性能を実現することのできるものであれば、どのようなものを採用してもよく、その接着方法についても接着強度に支障の生じないものであれば、特に限定せずに使用することができるものである。
(1)以上のように、本発明のガラスチョップドストランドマットは、平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成されてなり、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であるため、強度面での不安がなく、しかも自動車成形天井材として成形した後にガラス目等の概観状の問題の発生する危険性が小さい優れた品位を有するものである。
(2)また、本発明の自動車成形天井材は、平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成され、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であるガラスチョップドストランドマットが、発泡ポリウレタンシートの表皮側に接着されてなるため、大型自動車成形天井材、あるいは深絞り成形や複雑な形状を有する自動車成形天井材として利用でき、汎用性が高く軽量な構成材料であって、優れた性能を安価に実現することができるものである。
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて本発明のガラスチョップドストランドマットとそれを使用する自動車用天井材について詳細に説明する。なお、図1は、ガラスチョップドストランドマットの製造工程を示す説明図である。
まず、Eガラス材質のガラス繊維を1200本のノズルを有する白金製ブッシングから直径11.6μmのガラスフィラメントとして成形する。この際、ガラスフィラメントには、集束剤(固形分50質量%のポリ酢酸ビニルエマルジョンを6質量%、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランを0.3質量%、第4級アンモニウム塩を0.5質量%、イオン交換水を93.2質量%で構成されたもの)を付着量が0.4質量%となるように塗布し、その後カーボン製のシューによって18分糸して巻き取り、ガラスケーキを得、所定時間乾燥した。
この乾燥されたケーキの内層からガラスストランド10を解舒し、チャンバー11の天井部分に取り付けられた複数個の切断機12に送り込み、長さ50mmに切断した。この時、1200本のフィラメントからなるストランドは18本に分割された状態になる。各切断機12は、カッターローラー12aとゴムローラー12bから構成され、互いに回転するカッターローラー12aとゴムローラー12bの間にガラスストランド10が送り込まれることによって切断される。
チャンバー11の底部には、第1の搬送コンベア13が配置され、長さ50mmに切断されたガラスストランド10は、第1の搬送コンベア13の上で均一になるように分散され、シート状に堆積されてからチャンバー11の外へ搬送され、次の第2の搬送コンベア14に搬送された。第2の搬送コンベア14上で移動するガラスチョップドストランド上には、散布機15によって粉末ポリエステル樹脂(花王株式会社製ニュートラック514)が、所定の付着量(%)となるように均一になるように調整した状態で散布された。そして、ガラスチョップドストランドと樹脂が分散された状態を維持しつつ第3の搬送コンベア16に搬送された。第3の搬送コンベア16の途中には、加熱炉17が配置され、粉末ポリエステル樹脂が散布されたガラスチョップドストランドのシート状堆積物が、加熱炉17中に移動して所定温度で加熱されることによって、粉末ポリエステル樹脂が軟化、溶融した。次いでこのガラスチョップドストランドを、加熱炉17の外部に移動させ、水冷ロール18の間を通して冷却、プレスを行った。これにより溶融していた粉末ポリエステル樹脂が固化されて、ガラスチョップドストランドマット19(目付100g/m2)が作製され、その後、巻き取り機20によって巻き取られた。
こうして得られたガラスチョップドストランドマット19を使用して自動車天井材を作製する場合について説明する。まず、ガラスチョップドストランドマット19にイソシアネート系の接着剤を含浸させた後、表皮(自動車の室内側)、ガラスチョップドストランドマット、発泡ポリウレタンシート、別のガラスチョップドストランドマット及び保護シート(自動車の天井側)の順に重ね合わせ、周囲に超硬刃を取り付けた成形天井の形状をしたプレス型に入れた状態でプレス成形を行う。次いで、所定の形状とすると同時に周囲をトリミングして整える。
次いで、図2に示したように、目付け50〜150g/m2のマットMのマット長手方向Lとマット幅方向Hの引張強さをJIS R3420 付属書13の方法により計測した。ここでの測定回数は50回とした。
強熱減量についてもJIS R3420記載の方法によって計測した。また、マット幅方向の性能を比較するため、実施例1、2及び比較例6のチョップドストランドマットから、図2に示すようにマットの幅方向Hに1列に長さ300mm×幅150mmを切りだし結合剤のマット幅方向散布量を調査したところ、実施例1、2はそれぞれ2.5g/m2、3.5g/m2の差であったが、比較例6の差は5.7g/m2と大きいものであった。
また、1000枚の自動車天井材について、その表皮側にガラス目やアバタ状の模様の数量及びその状態について目視観察によって熟練者が検査を行った。以上の結果を表1に表す。
表1から明らかなように、実施例である試料No.1〜5のガラスチョップドストランドマットは、いずれもマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その標準偏差が50N以下、マット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、自動車成形天井材とした後の目視観察のガラス目やアバタ模様による不良率が0.3%以下であって、非常に低かった。
それに対し、比較例である試料No.6とNo.7の各ガラスチョップドストランドマットは、自動車成形天井材成形材に成形した状態でガラス目やアバタ模様による不良率が2%、2.5%と大きい値となった。
なおガラスチョップドストランドマット中のストランド番手(テックス)の測定は、チョップドストランドマットを620℃で30分間焼却した後、チョップドストランドマットを構成するストランド50本を抜き取り、その長さL(mm)を測定した後、感量が0.1mg以下の秤を用いて質量W(g)を測定し、次式により算出することができる。この式は、ストランド長1000mの重量を表すため、単位をmm(ミリメートル)からm(メートル)に換算するものとなっている。
(数1)
ストランド番手(tex)=(W×1000000)÷(L×50)
以上のように、本発明のガラスチョップドストランドマットと自動車成形天井材は、強度的な問題を生じさせることなく軽量化が可能であり、外観品位についてもガラス目やアバタ模様の認められることのない優れた品位を有するものであることが明瞭になった。
本発明のガラスチョップドストランドマットの製造工程を示す説明図。 本発明のガラスチョップドストランドマットの説明図。
符号の説明
10 ガラスストランド
11 チャンバー
12 切断機
13 第1の搬送コンベア
14 第2の搬送コンベア
15 散布機
16 第3の搬送コンベア
17 加熱炉
18 水冷ロール
19、M ガラスチョップドストランドマット
20 巻き取り機
L ガラスチョップドストランドマットの長手方向
H ガラスチョップドストランドマットの幅方向

Claims (2)

  1. 平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成されてなり、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であることを特徴とするガラスチョップドストランドマット。
  2. 平均ストランド番手が10〜20テックスのガラスチョップドストランドから構成され、目付が50〜150g/mであり、JIS R3420(1999)付属書13に従う引張破断試験におけるマット幅方向の引張強さの平均値が150N以下で、その引張強さの標準偏差が50N以下であり、かつマット長手方向の引張強さの平均値が100N以上であり、長さ300mm×幅150mmの切り出した矩形面の質量が±30%以内であるガラスチョップドストランドマットが、発泡ポリウレタンシートの表皮側に接着されてなることを特徴とする自動車成形天井材。
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