JP5032244B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この解繊物がフィードホッパー内壁に付着し蓄積すると、混練装置へ原料の安定的な供給ができなくなったり、付着物の塊が落下することにより、繊維状強化材と熱可塑性樹脂との密着性が低下しストランド切れを起こしたり、長時間安定した運転ができなくなり不良品が発生しやすくなることが分かった。また、この現象は、繊維状強化材を多量に含有する、具体的には、樹脂組成物中に30重量%以上含有する繊維強化熱可塑性樹脂組成物を製造する場合に、顕著にみられることも判明した。
本発明のフィードホッパーは、繊維状強化材供給口、熱可塑性樹脂成分供給口および混練装置への材料投入口を備え、前記繊維状強化材供給口には、投入された繊維状強化材を混練装置への材料投入口方向に向かってガイドする繊維状強化材供給ガイドが設けられており、該繊維状強化材供給ガイドはフィードホッパー内壁に沿って、混練装置への材料投入口方向に傾斜して配置された繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパーであって、
該フィードホッパーは、その上部は円形状に形成された開口部を有しており、かつ該上部開口部と混練装置への材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位と、上部開口部と混練装置への材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が緩やかな部位とを有する偏心円錐形状を有しており、
前記繊維状強化材供給口と前記熱可塑性樹脂成分供給口とを、フィードホッパーの上部開口部の中心を挟んで対向する位置に配置して、前記フィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位に熱可塑性樹脂成分供給口が配置され、前記フィードホッパー内壁の傾斜が緩やかな部位に繊維状強化材供給口が配置されている構成からなる。
本発明におけるフィードホッパーは、繊維状強化材供給口(以下、「繊維状強化材」を単に「強化材」、「繊維状強化材供給口」を単に「強化材供給口」ということがある)および熱可塑性樹脂成分供給口(以下、「熱可塑性樹脂成分」を単に「樹脂成分」、「熱可塑性樹脂成分供給口」を単に「樹脂成分供給口」ということがある)を有し、該フィードホッパー下部に押出機スクリュー部への材料投入口(以下、単に「材料投入口」ということがある)を有するフィードホッパーであって、さらに、フィードホッパー内に繊維状強化材供給ガイド(以下、単に「強化材供給ガイド」ということがある)を設けたものである。該強化材供給ガイドは強化材供給口に接続されていることが好ましい。フィードホッパーの形状は、その上部の開口部(以下、「上部開口部」又は「フィードホッパー開口部」ということがある)が円形であり、該上部開口部と材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位と、該上部開口部と材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が緩やかである部位とを有する偏心円錐形を成すものが好ましい。また、該上部開口部には蓋部を有するものがより好ましく、強化材供給口、樹脂成分供給口および強化材供給ガイドは、該蓋部に設けられていることが、さらに好ましい。
繊維状強化材供給ガイド:
図1は、本発明におけるフィードホッパーを、押出機の上流側から下流側に向かって見た図である。図1において、1はフィードホッパー(以下、「フィードホッパー1」という)、2はフィードホッパー蓋部、3はフィードホッパー下部の材料投入口(以下、「材料投入口3」という)、31はバイブレーター、4は樹脂成分供給口(以下、「樹脂成分供給口4」という)、5は強化材供給口(以下、「強化材供給口5」という)、6は強化材供給ガイド(以下、「強化材供給ガイド6」という)をそれぞれ示す。尚、図示しないが、蓋部2には、材料投入口へ原料が供給される際のエアーの巻き込みを抑制し、より安定した原料供給ができるようにするために、排気口が設けられていることが好ましい。
図2は、本発明におけるフィードホッパーの上部開口部を上から見た図であり、材料投入口3、樹脂成分供給口4および強化材供給口5の配置状態の一例である。図2において、aは樹脂成分供給口4の中心(以下、「中心a」という)を、bは強化材供給口5の中心(以下、「中心b」という)を、oはフィードホッパー開口部の中心(以下、「中心o」という)を示す。図2に示す態様では、フィードホッパー下部の材料投入口3は、中心oより押出機下流側(図面上側)に配置されている。また、樹脂成分供給口4は、押出機上流側(図面下側)に材料投入口3と略並列する位置に配置されており、強化材供給口5は、フィードホッパーの中心oを挟んで樹脂成分供給口4と対向する側に配置されている。このような配置に限らず、別の実施形態としては、例えば、材料投入口3、樹脂成分供給口4および強化材供給口5は、フィードホッパー開口部の中心oを挟んで左右対称に置き換えて配置することもできる。また、別の実施形態としては、材料投入口3が押出機上流側に位置し、樹脂成分供給口4が押出機下流側に配置することもできる。さらにまた、樹脂成分供給口4を、材料投入口3の鉛直線上に配置してもよいが、原料供給がより安定的に行われる点から、樹脂成分供給口4は、材料投入口3の鉛直線上に配置されていないことが好ましい。
本発明におけるフィードホッパーは、その上部開口部が円形であり、該上部開口部と材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位と、上部開口部と材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が緩やかである部位とを有する偏心円錐形を成す形状が好ましい。前記のフィードホッパー開口部と材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位に樹脂成分供給口が配置され、上部開口部と材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が緩やかな部位に強化材供給口および強化材供給ガイドが配置されていることがより好ましい。本発明においては、フィードホッパーが後記(1)〜(3)の要件を満たす形状であることがさらに好ましい。
(2)強化材供給口の中心を通る鉛直線と、該鉛直線とフィードホッパー内壁との交点と偏心円錐形の仮想頂点とを通る直線とで成す角度が20〜50度である。
(3)偏心円錐形の仮想頂点を通る鉛直線と、材料投入口を挟んで樹脂成分供給口または強化材供給口と対向する側のフィードホッパー内壁とで成す角度が20度以下である。
本発明においては、前記(1)〜(3)に定める角度(それぞれ、「角度1」、「角度2」、「角度3」とする)が、角度3<角度1<角度2であることが、最も好ましい。
本発明においては、図2において、フィードホッパー開口部の中心oと偏心円錐形の仮想頂点xとを通る直線で切断したC−C’断面において、材料投入口3の開口上端点c5とフィードホッパー開口部の上端点C1を結ぶ直線で示される部分がフィードホッパー内壁の傾斜角度が最も緩やかであり、材料投入口3の開口上端点c6とフィードホッパー開口部の上端点C2を結ぶ直線で示される部分がフィードホッパー内壁の傾斜角度が最も急峻であることが最も好ましい。
また、本発明における混練装置としては、作業性、製造安定性の点から単軸または多軸のスクリュー式押出機が好ましい。
本発明においては、これらの熱可塑性樹脂をフレーク状又は粉状で使用した場合に、特に本発明の効果が発揮される。
実施例に使用した混練装置は、以下のフィードホッパーを備えた二軸のスクリュー式押出機である。フィードホッパーは、樹脂成分供給口の中心を通る鉛直線と、該鉛直線とフィードホッパー内壁との交点と偏心円錐形の仮想頂点とを結ぶ直線とで成す角度(図3に示す角度αに相当)が略35度であり、強化材供給口の中心を通る鉛直線と、該鉛直線とフィードホッパー内壁との交点と偏心円錐形の仮想頂点とを結ぶ直線とで成す角度(図4に示す角度βに相当)が略45度であり、偏心円錐形の仮想頂点を通る鉛直線と、材料投入口を挟んで樹脂成分供給口と対向する側のフィードホッパー内壁とで成す角度(図3に示す角度γに相当)が略12度であり、偏心円錐形の仮想頂点を通る鉛直線と、材料投入口を挟んで強化材供給口と対向する側のフィードホッパー内壁とで成す角度(図4に示す角度δに相当)が略8度であり、強化材供給口に接続した強化材供給ガイドを有する。また、フィードホッパー上部開口部に蓋部を有し、樹脂成分供給口および強化材供給口は、蓋部に設けられている。押出機としては、二軸の混練スクリューを有する押出機を使用し、該押出機には、強化材をサイドフィードできるサイドフィーダーを設置した。
(1)フィードホッパー付着状況
後記の条件で、実施例1〜3および比較例1〜3の繊維強化樹脂組成物の製造中に、フィードホッパー内壁を目視観察し、以下の3段階で評価した。
○:フィードホッパー内壁に付着物や堆積物が殆どない
△:フィードホッパー内壁に少量の付着物や堆積物がある
×:フィードホッパー内壁に多量の付着物や蓄積物がある
(2)運転状況
後記の条件で、実施例1〜3および比較例1〜3の繊維強化樹脂組成物製造中の運転状況について、以下の3段階で評価した。
○:材料のフィード状態が良く、ストランド切れや製造中断の頻度が極めて少ない
△:材料のフィード状態が悪く、ストランド切れや製造中断の頻度が多い
×:材料のフィード状態が非常に悪く、ストランド切れや製造中断の頻度が著しく多い
(3)製品歩留まり
後記の条件で、実施例1〜3および比較例1〜3の繊維強化樹脂組成物を連続して10時間製造し、製造が安定してから得られた良品ペレットの割合を、製品の歩留まりとして評価した。
実施例1
前記のフィードホッパーを備えた混練押出装置を用いて、バレル設定温度230〜270℃、スクリュー設定回転数480rpmの条件下、フレーク状のポリカーボネート樹脂100重量部に対して、難燃剤を15重量部、ポリテトラフルオロエチレンを1重量部配合してなるポリカーボネート樹脂成分を、樹脂成分供給装置から225kg/hでフィードホッパーに供給すると共に、ガラス繊維チョップドストランド(ガラス繊維径13μm、ガラス繊維長3mm)を繊維状強化材供給装置から90kg/hで連続的に供給し、さらに、ガラスフレークを押出機途中に設けたサイドフィーダーから135kg/hでサイドフィードして加熱下に混練し、押出機先端部に付設したノズルから紐状(ストランド)に押出し、水冷却、切断してペレット化し、繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物を製造した。この時の吐出量は450kg/hであった。樹脂組成物製造中における、上記(1)〜(3)の評価結果を表1に示した。
バレル設定温度230〜310℃、スクリュー設定回転数450rpmの条件下、実施例1と同様のフレーク状のポリカーボネート樹脂成分を、樹脂成分供給装置から420kg/hでフィードホッパーに供給すると共に、ガラス繊維チョップドストランド(ガラス繊維径13μm、ガラス繊維長3mm)を繊維状強化材供給装置から90kg/hで連続的に供給し、さらに、ガラスフレークを押出機途中に設けたサイドフィーダーから90kg/hでサイドフィードして加熱下に混練し、押出機先端部に付設したノズルから紐状(ストランド)に押出し、水冷却、切断してペレット化し、繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物を製造した。この時の吐出量は600kg/hであった。樹脂組成物製造中における、上記(1)〜(3)の評価結果を表2に示した。
バレル設定温度230〜320℃、スクリュー設定回転数450rpmの条件下、実施例1と同様のフレーク状のポリカーボネート樹脂成分を、樹脂成分供給装置から240kg/hでフィードホッパーに供給すると共に、炭素繊維(炭素繊維径7μm、炭素繊維長6mm)を繊維状強化材供給装置から40kg/hで連続的に供給し、さらに、ガラス繊維チョップドストランドを押出機途中に設けたサイドフィーダーから120kg/hでサイドフィードして加熱下に混練し、押出機先端部に付設したノズルから紐状(ストランド)に押出し、水冷却、切断してペレット化し、繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物を製造した。この時の吐出量は400kg/hであった。樹脂組成物製造中における、上記(1)〜(3)の評価結果を表3に示した。
樹脂成分供給口および強化材供給口を備え、強化材供給口ガイドを有していない、従来一般に使用される円錐形のフィードホッパーを備えた混練押出装置を使用した以外は、実施例1と同様の方法で繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物を製造した。樹脂組成物製造中における、上記(1)〜(3)の評価結果を表1に示した。
樹脂成分供給口および強化材供給口を備え、強化材供給口ガイドを有していない、従来一般に使用される円錐形のフィードホッパーを備えた混練押出装置を使用した以外は、実施例2と同様の方法で繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物を製造した。樹脂組成物製造中における、上記(1)〜(3)の評価結果を表2に示した。
樹脂成分供給口および強化材供給口を備え、強化材供給口ガイドを有していない、従来一般に使用される円錐形のフィードホッパーを備えた混練押出装置を使用した以外は、実施例3と同様の方法で繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物を製造した。樹脂組成物製造中における、上記(1)〜(3)の評価結果を表3に示した。
一方、通常一般に使用されるフィードホッパーを備えた混練押出装置を使用した比較例1では、製造開始から30分後にはフィードホッパー内壁にガラス繊維の解繊物や樹脂成分の付着およびこれらの蓄積物が認められた。付着物や堆積物を除去しながら運転を続行したが、短時間のうちに再びガラス繊維の解繊物や樹脂成分の付着や蓄積が生じ、ストランド切れが頻繁に発生し、長時間連続して安定した運転ができなかった。また、不良品の発生も多く、製品歩留まりが77%と非常に悪かった。
比較例2では、製造開始から45分後にはフィードホッパー内壁にガラス繊維の解繊物や樹脂成分の付着およびこれらの蓄積物が認められた。付着物や堆積物を除去しながら運転を続行したが、短時間のうちに再びガラス繊維の解繊物や樹脂成分の付着や蓄積が生じ、ストランド切れが発生し、長時間連続して安定した運転ができなかった。また、不良品発生頻度も高く、製品歩留まりは80%と悪かった。
比較例3では、押出開始から約30分後にはフィードホッパー内壁に炭素繊維の解繊物や樹脂成分の付着およびこれらの蓄積物が認められた。付着物や堆積物を除去しながら運転を続行したが、短時間のうちに再び炭素繊維の解繊物や樹脂成分の付着や蓄積が生じ、ストランド切れが頻繁に発生し、長時間連続して安定した運転ができなかった。また、不良品発生頻度も高く、製品歩留まりが75%と非常に悪かった。
2:フィードホッパー蓋部
3:材料投入口
31:バイブレーター
4:樹脂成分供給口
5:強化材供給口
6:強化材供給ガイド
a:樹脂成分供給口の中心
b:強化材供給口の中心
o:フィードホッパー上部開口部の中心
x:偏心円錐形フィードホッパーの仮想頂点
A−A’:中心aと仮想頂点xを通る直線
B−B’:中心bと仮想頂点xを通る直線
C−C’:中心oと仮想頂点xを通る直線
X:中心aを通る鉛直線
Y:中心bを通る鉛直線
Z:仮想頂点xを通る鉛直線
a1:A−A’断面における鉛直線Xとフィードホッパー内壁との交点
b1:B−B’断面における鉛直線Yとフィードホッパー内壁との交点
c1:A−A’断面における材料投入口上端点
c2:A−A’断面における材料投入口上端点
c3:B−B’断面における材料投入口上端点
c4:B−B’断面における材料投入口上端点
c5:C−C’断面における材料投入口上端点
c6:C−C’断面における材料投入口上端点
A1:A−A’断面におけるフィードホッパー上部開口部上端点
A2:A−A’断面におけるフィードホッパー上部開口部上端点
B1:B−B’断面におけるフィードホッパー上部開口部上端点
B2:B−B’断面におけるフィードホッパー上部開口部上端点
C1:C−C’断面におけるフィードホッパー上部開口部上端点
C2:C−C’断面におけるフィードホッパー上部開口部上端点
α:鉛直線Xと、交点a1と仮想頂点xとを通る直線とで成す角
β:鉛直線Yと、交点b1と仮想頂点xとを通る直線とで成す角
γ:鉛直線Zと、材料投入口上端点c2と仮想頂点xを通る直線とで成す角
δ:鉛直線Zと、材料投入口上端点c4と仮想頂点xを通る直線とで成す角
30:ノズル
40:樹脂成分供給機
50:強化材供給機
60:混練スクリュー部
Claims (11)
- 繊維状強化材供給口、熱可塑性樹脂成分供給口および混練装置への材料投入口を備え、前記繊維状強化材供給口には、投入された繊維状強化材を混練装置への材料投入口方向に向かってガイドする繊維状強化材供給ガイドが設けられており、該繊維状強化材供給ガイドはフィードホッパー内壁に沿って、混練装置への材料投入口方向に傾斜して配置された繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパーであって、
該フィードホッパーは、その上部は円形状に形成された開口部を有しており、かつ該上部開口部と混練装置への材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位と、上部開口部と混練装置への材料投入口とを結ぶフィードホッパー内壁の傾斜が緩やかな部位とを有する偏心円錐形状を有しており、
前記繊維状強化材供給口と前記熱可塑性樹脂成分供給口とを、フィードホッパーの上部開口部の中心を挟んで対向する位置に配置して、前記フィードホッパー内壁の傾斜が急峻である部位に熱可塑性樹脂成分供給口が配置され、前記フィードホッパー内壁の傾斜が緩やかな部位に繊維状強化材供給口が配置されていることを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパー。 - 前記の熱可塑性樹脂成分供給口の中心を通る鉛直線と、該鉛直線とフィードホッパー内壁との交点と偏心円錐形の仮想頂点を通る直線とで成す角度(角度1)が45度以下である、請求項1記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパー。
- 前記の繊維状強化材供給口の中心を通る鉛直線と、該鉛直線とフィードホッパー内壁との交点と偏心円錐形の仮想頂点を通る直線とで成す角度(角度2)が20〜50度である、請求項1記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパー。
- 偏心円錐形の仮想頂点を通る鉛直線と、混練装置への材料投入口を挟んで熱可塑性樹脂成分供給口または繊維状強化材供給口と対向する側のフィードホッパー内壁とで成す角度(角度3)が20度以下である請求項1記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパー。
- 前記角度1、角度2及び角度3は、角度3<角度1<角度2の関係を有する、請求項1記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパー。
- 混練装置が、単軸又は多軸のスクリュー式押出機である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物製造用のフィードホッパー。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のフィードホッパーを備えた押出機を用い、繊維状強化材と熱可塑性樹脂成分とを個別にフィードホッパーに供給し、混練装置内で繊維状強化材と熱可塑性樹脂成分とを加熱下に混練、複合化することを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 繊維強化熱可塑性樹脂組成物中の繊維状強化材の含有量が30重量%以上である、請求項7記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 繊維状強化材がガラス繊維または炭素繊維である、請求項7または8に記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 熱可塑性樹脂成分が、添加剤として、少なくとも安息角45度以上の粉体を含有してなる、請求項7〜9のいずれか1項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 安息角45度以上の粉体がポリテトラフルオロエチレンである、請求項10に記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
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