JP5657021B2 - 車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品 - Google Patents
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Description
本発明は、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂原料を射出成形した車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品に関する。
車両構造部材用または航空機構造部材用に用いられる樹脂成形品には、高い機械的強度が要求される。従って、樹脂成形品の機械特性を向上させるために、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有させることが広く行われている。
そして、強化繊維を含有して高い機械的強度を持つ樹脂成形品としては、強化繊維の重量平均繊維長と数平均繊維長の比が１．１〜３．０の範囲であって、重量平均繊維長が２．０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲である樹脂成形品が従来知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、強化繊維を含有して高い機械的強度を持つ他の樹脂成形品としては、強化繊維としてのガラス繊維を２〜２０容積％含み、次の条件を満たす樹脂成形品も従来知られている（例えば、特許文献２を参照）。
（１）強化繊維の重量平均繊維長が０．８〜１．８ｍｍの範囲である。
（２）長さ２ｍｍ以上のガラス繊維が、全ガラス繊維の２０重量％以下である。
（３）長さ３ｍｍ以上のガラス繊維が、全ガラス繊維の５重量％以下である。
（１）強化繊維の重量平均繊維長が０．８〜１．８ｍｍの範囲である。
（２）長さ２ｍｍ以上のガラス繊維が、全ガラス繊維の２０重量％以下である。
（３）長さ３ｍｍ以上のガラス繊維が、全ガラス繊維の５重量％以下である。
また、強化繊維を含有して高い機械的強度を持つ他の樹脂成形品としては、次の条件を満たす樹脂成形品も従来知られている（例えば、特許文献３を参照）。
（１）強化繊維の含有率が、３０重量％〜９０重量％の範囲である。
（２）強化繊維の重量平均繊維長が、１．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である。
（３）樹脂成形品の最大投影面積が、２００００ｍｍ２以上である。
（４）肉厚２ｍｍ以上の樹脂成形品部分の最大線膨張係数が、５×１０−５Ｋ−１以下である。
（５）樹脂成形品の肉厚２ｍｍ以上の部分の最大線膨張係数／最小線膨張係数の比が、１．８以下である。
（６）射出成形時に使用する金型キャビティが、断面積が１００ｍｍ２以下であって流路長が１５０ｍｍ以下である狭い流路を有する。或いは、金型キャビティには狭い流路は設けられていない。
（１）強化繊維の含有率が、３０重量％〜９０重量％の範囲である。
（２）強化繊維の重量平均繊維長が、１．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である。
（３）樹脂成形品の最大投影面積が、２００００ｍｍ２以上である。
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（５）樹脂成形品の肉厚２ｍｍ以上の部分の最大線膨張係数／最小線膨張係数の比が、１．８以下である。
（６）射出成形時に使用する金型キャビティが、断面積が１００ｍｍ２以下であって流路長が１５０ｍｍ以下である狭い流路を有する。或いは、金型キャビティには狭い流路は設けられていない。
また、強化繊維を含有して高い機械的強度を持つ他の樹脂成形品としては、次の条件を満たし、自動車車体の前部構造体に用いられる、長繊維強化型のポリアミド樹脂も従来知られている（例えば、特許文献４を参照）。
（１）強化繊維の含有率が３０重量％以上である。
（２）強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ〜１５ｍｍである。
（３）肉厚２ｍｍ以上の構造体部分の曲げ弾性率が７ＧＰａ以上であり、曲げ強度が２００ＭＰａ以上である。
（４）ノッチ付きシャルピー衝撃強度が２０ｋＪ／ｍ２以上である。
（１）強化繊維の含有率が３０重量％以上である。
（２）強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ〜１５ｍｍである。
（３）肉厚２ｍｍ以上の構造体部分の曲げ弾性率が７ＧＰａ以上であり、曲げ強度が２００ＭＰａ以上である。
（４）ノッチ付きシャルピー衝撃強度が２０ｋＪ／ｍ２以上である。
また、強化繊維を含有して高い機械的強度を持つ他の樹脂成形品としては、平行繊維によって強化された長さ１０〜１００ｍｍの熱可塑性樹脂ペレットまたはそれを含む樹脂組成物を低剪断力で可塑化し、成形して得られる樹脂成形品であって、次の条件を満たす樹脂成形品も従来知られている（例えば、特許文献５を参照）。
（１）ガラス繊維、カーボン繊維、セラミック繊維、鉱物繊維又は金属繊維からなる長さ５〜１００ｍｍの強化繊維が絡み合った位置関係にある。
（２）成形品重量の１０〜８０％を占める全強化繊維のうち、５０％以上が絡み合い骨格を形成している。
（１）ガラス繊維、カーボン繊維、セラミック繊維、鉱物繊維又は金属繊維からなる長さ５〜１００ｍｍの強化繊維が絡み合った位置関係にある。
（２）成形品重量の１０〜８０％を占める全強化繊維のうち、５０％以上が絡み合い骨格を形成している。
ところで、一般に熱可塑性樹脂を射出成形する際には、スクリュの有する分散不足の問題への対策として、先端部にミキシングと呼ばれる部材が設けられたスクリュが従来提唱されている。このミキシングは、径方向に突出する複数条のフィンが周方向に一定間隔で設けられたものである。このミキシングを備えたスクリュによれば、熱可塑性樹脂中に温度の低い溶融不足の樹脂の塊が存在する場合でも、ミキシングがこの塊を崩して撹拌するため、熱可塑性樹脂中における強化繊維の分散が促進される。
しかし、強化繊維を含有して高い機械的強度を持つ従来の樹脂成形品では、強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍを下回ると、車両構造部材用または航空機構造部材用として用いるには機械的強度が不足する問題が生じる。
一方、強化繊維の重量平均繊維長が３ｍｍを上回ると、射出時に熱可塑性樹脂が流動性に欠けて成形条件幅が狭くなり、不安定な成形となりやすい。また、熱可塑性樹脂が金型内を流動する際に流路の屈曲部などで強化繊維が詰まり、いわゆる滞留や凝集が発生することによって熱可塑性樹脂中における強化繊維の分散性が悪くなる。
一方、強化繊維の重量平均繊維長が３ｍｍを上回ると、射出時に熱可塑性樹脂が流動性に欠けて成形条件幅が狭くなり、不安定な成形となりやすい。また、熱可塑性樹脂が金型内を流動する際に流路の屈曲部などで強化繊維が詰まり、いわゆる滞留や凝集が発生することによって熱可塑性樹脂中における強化繊維の分散性が悪くなる。
また、特許文献１から特許文献５では、樹脂成形品における強化繊維の分散度を評価するために一定の大きさの評価対象領域を樹脂成形品から採取するが、この評価対象領域の大きさに関しては何らの記載も示唆もない。
しかし、評価対象領域の寸法が小さいと（例えば１０ｍｍ四方）、樹脂成形品中に含まれる本数が少ない繊維長の長い強化繊維（例えば３ｍｍ以上）は、当該評価対象領域中には含まれない場合が多い。その結果、評価結果として測定する強化繊維の重量平均繊維長が、実情を反映できていない短繊維長側に偏った値となるおそれがある。
また、評価対象領域の寸法が強化繊維の繊維長よりも小さい場合、熱可塑性樹脂原料に含有される強化繊維に近い長さの強化繊維が樹脂成形品中に残存していても、評価対象領域を採取する際に強化繊維が折損することにより、評価対象領域の寸法より長い強化繊維を確認及び測定することができない問題が生じる。
しかし、評価対象領域の寸法が小さいと（例えば１０ｍｍ四方）、樹脂成形品中に含まれる本数が少ない繊維長の長い強化繊維（例えば３ｍｍ以上）は、当該評価対象領域中には含まれない場合が多い。その結果、評価結果として測定する強化繊維の重量平均繊維長が、実情を反映できていない短繊維長側に偏った値となるおそれがある。
また、評価対象領域の寸法が強化繊維の繊維長よりも小さい場合、熱可塑性樹脂原料に含有される強化繊維に近い長さの強化繊維が樹脂成形品中に残存していても、評価対象領域を採取する際に強化繊維が折損することにより、評価対象領域の寸法より長い強化繊維を確認及び測定することができない問題が生じる。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、強化繊維の重量平均繊維長が適切な範囲内であって、車両構造部材用または航空機構造部材用として用いるために十分な機械的強度を有する樹脂成形品を提供することにある。
本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品は、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂原料を、可塑化して射出成形を行う射出成形機に装備される射出成形用可塑化スクリュであって、回転駆動されるシャフトと、前記シャフトの周面に螺旋状に設けられたフライトと、前記フライトより軸方向先端側に設けられ、前記シャフトの周面から径方向に突出するフィンを周方向に複数条有するミキシングと、を具備し、前記ミキシングは軸方向に複数段設けられ、各段の前記ミキシングが有する前記フィンの条数は、軸方向後端側から軸方向先端側に向かって増加するとともに、前記各フィンの前記シャフトの周面からの突出高さは、前記フライトの前記シャフトの周面からの突出高さより低く設定されたスクリュを用いて射出成形したものである。
樹脂成形品は、強化繊維の含有率が２０重量％以上であり、且つ、長さが、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の強化繊維を含んだ熱可塑性樹脂を原料とし、内部の強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
樹脂成形品は、強化繊維の含有率が２０重量％以上であり、且つ、長さが、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の強化繊維を含んだ熱可塑性樹脂を原料とし、内部の強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
このような構成によれば、強化繊維の含有率が２０重量％以上であり、且つ、前記重量平均繊維長を調べるためにサンプルとして切り出される評価対象領域における強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることにより、車両構造部材または航空機構造部材として金属製部材に代えて使用するのに必要十分な強度を持ち、且つ、薄肉軽量な樹脂成形品とすることができる。また、重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下であるため、成形条件幅を広くできると共に、強化繊維の凝集や分散不良を防止することができる。
また、本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品においては、前記強化繊維の長さが、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であってもよい。
このような構成によれば、強化繊維を、紐状のロービングではなくペレット状のストランドとして供給することができる。これにより、強化繊維の搬送性が良くなるため、射出成形の作業性を良くすることができる。
また、本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品においては、前記評価対象領域が平面視で略正方形であって、その一辺の長さが２０ｍｍ以上であってもよい。
このような構成によれば、樹脂成形品の全体に含有される本数が少ない繊維長の長い強化繊維であっても、評価対象領域中に十分に含まれ得る。従って、樹脂成形品の評価結果として、実情を反映した正確な重量平均繊維長を測定することができる。
また、本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品においては、前記スクリュから射出された熱可塑性樹脂を、前記熱可塑性樹脂の熱変形温度以下の温度に予め温度調整された金型に充填した後、冷却固化させてもよい。
このような構成によれば、長さが２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の強化繊維を含有した熱可塑性樹脂を、強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下となる程度まで可塑化混練することにより、繊維の分散が向上すると共に繊維束の開繊が促進される。従って、金型の温度が熱可塑性樹脂の熱変形温度より低くても、樹脂成形品の表面に強化繊維が露出するのを防止することができる。
また、本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品においては、金型を前記熱可塑性樹脂の熱変形温度以上の温度に予め加熱し、前記スクリュから射出された熱可塑性樹脂を前記金型に充填した後あるいは充填中に、前記金型の加熱を停止した後、前記金型の冷却を開始することにより、熱可塑性樹脂を冷却固化させてもよい。
このような構成によれば、射出された熱可塑性樹脂が金型の表面に接触した際に直ぐに固化が始まらないので、成形品の表面の強化繊維を溶融状態の熱可塑性樹脂が覆い、更に繰り返し精度良く強化繊維の露出を防止することができる。
また、本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品においては、前記熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂が、ポリオレフィン系樹脂またはポリアミド系樹脂であってもよい。
このような構成によれば、低価格な比較的材料を用いても高強度を得ることが出来るので、材料費を低減することによってコストダウンを図ることができる。また、マトリックス樹脂として特にポリアミド系樹脂を採用すると、強化繊維を含有させることによって高温における機械的強度、及び耐熱強度を向上させることができる。
また、本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品においては、前記強化繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、天然繊維のうち少なくとも１種類を含むものであってもよい。
このような構成によれば、薄肉軽量性、高い機械的強度、及びリサイクル性が要求される車両構造部材用あるいは航空機構造部材用として適した樹脂成形品となる。特に強化繊維を炭素繊維または金属繊維とした場合は、軽量化を図ることができるとともに、ボディ部材などの外装部材や電装品を収納するためのカバー等に導電性を与えることができるので、落雷時の大電流から搭乗者や電装品を保護することができる。また、強化繊維として天然繊維を採用し、特にポリ乳酸などの生物由来系樹脂と組み合わせることにより、更に地球環境への負担の少ない成形品を提供することが出来る。
本発明によれば、強化繊維の重量平均繊維長が適切な範囲内であって、車両構造部材用または航空機構造部材用として用いるために十分な機械的強度及び耐熱強度を有する樹脂成形品が得られる。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施形態に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品（以下、単に「樹脂成形品」と略す）について説明する。図１は、実施形態に係る樹脂成形品１００の外観を示す概略斜視図である。
樹脂成形品１００は、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂からなるものであって、一定の大きさの評価対象領域１０１における強化繊維の重量平均繊維長が、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
熱可塑性樹脂は、加熱することにより軟化し冷却することにより固化することを可逆的に繰り返すことが可能な樹脂であって、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、塩化ビニル樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、ナイロン、フッ素樹脂、ポリカーボネート、ポリエステル樹脂、ポリ乳酸などの生物由来系樹脂等を用いることができる。本実施形態では、この熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂すなわち母材を、ポリオレフィン系樹脂またはポリアミド系樹脂としている。
強化繊維は、マトリックス樹脂を強化するために熱可塑性樹脂に混入される繊維である。この強化繊維は、車両構造部材または航空機構造部材として使用するのに十分な強度を確保できるよう、樹脂成形品１００中における含有率を略２０重量％としている。尚、樹脂成形品１００中における強化繊維の含有率は、２０重量％以上であれば任意に変更が可能である。
また、本実施形態では、強化繊維の長さを２ｍｍ以上２０ｍｍ以下としている。従って、強化繊維を、紐状のロービングではなくペレット状のストランドとして供給することができる。これにより、強化繊維の搬送性が良好と良くなるため、射出成形の作業性を良くすることができる。
また、本実施形態では、強化繊維としてガラス繊維または炭素繊維を使用している。これにより、樹脂成形品１００に対し、車両構造部材用あるいは航空機構造部材用として使用するために適した特性、すなわち薄肉軽量性、高い機械的強度、高い耐熱強度、及びリサイクル性を持たせることができる。
また、強化繊維としてガラス繊維や炭素繊維を用いれば、樹脂成形品１００の軽量化を図ることができるとともに、車両や航空機のボディ部材や、電装品を収納するためのカバー等に導電性を与えることができる。これにより、車両や航空機への落雷時に、搭乗者や電装品を大電流から保護することができる。
また、強化繊維としてガラス繊維や炭素繊維を用いれば、樹脂成形品１００の軽量化を図ることができるとともに、車両や航空機のボディ部材や、電装品を収納するためのカバー等に導電性を与えることができる。これにより、車両や航空機への落雷時に、搭乗者や電装品を大電流から保護することができる。
尚、強化繊維としては、本実施形態のガラス繊維及び炭素繊維に代えて、硫酸マグネシウム繊維、チタン酸カリウム繊維、酸化チタン繊維、マグネシウムオキシサルフェート繊維、あるいは有機充填材、有機合成または天然繊維などを使用してもよい。
評価対象領域１０１は、強化繊維の重量平均繊維長を調べるためにサンプルとして切り出すものである。この評価対象領域１０１は、図１に示すように、平面視で略正方形に形成され、その一辺の長さＬは略２０ｍｍ以上であって、その厚みＤｈは樹脂成形品１００の厚みＤｊと略等しくなっている。従って、樹脂成形品１００中に繊維長の長い強化繊維が残存していても、これを十分に収容可能な大きさが評価対象領域１０１に確保されている。これにより、樹脂成形品１００について、実情を反映した正確な重量平均繊維長を測定することができる。
そして、この評価対象領域１０１における強化繊維の重量平均繊維長は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下となっている。これにより、前述のように強化繊維の含有率が２０重量％以上であることと相俟って、樹脂成形品１００が、車両構造部材または航空機構造部材として使用するのに必要十分な強度を有している。また、強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍ以下であるため、成形条件幅を広くできると共に、強化繊維の凝集や分散不良を防止することができる。
次に、本発明の実施形態に係る樹脂成形品１００を射出成形する際に使用する射出成形機１の構成について説明する。図２は、射出成形機１の全体構成を示す模式図である。
射出成形機１は、図２に示すように、内部にキャビティ２が形成された金型ユニット３と、キャビティ２に対して熱可塑性樹脂を射出するための射出ユニット４と、を備える。
金型ユニット３は、図２に示すように、移動不能に設けられた固定金型３１と、この固定金型３１に対して移動可能に設けられた可動金型３２と、可動金型３２の温度を任意に調整するための温度制御装置（不図示）と、を具備している。そして、相対向するように設けられた固定金型３１の凹部と可動金型３２の凸部との間に、キャビティ２が形成されている。
射出ユニット４は、ユニット本体４１と、射出シリンダー４２と、スクリュ１０と、ホッパー４３と、連結軸４４と、モータ４５と、ピストン４６と、油圧配管４７と、を備える。ユニット本体４１の内部には、作動油シリンダー４１１が形成されている。射出シリンダー４２は、ユニット本体４１から延出しており、射出シリンダー４２の先端部は固定金型３１に接続されている。スクリュ１０は射出シリンダー４２の内部に収容されており、ホッパー４３は射出シリンダー４２の上部に設けられている。連結軸４４は、スクリュ１０の後端部に接続されており、モータ４５によって回転駆動される。ピストン４６は、作動油シリンダー４１１の内部に収容され、連結軸４４に固定されている。油圧配管４７は、作動油シリンダー４１１に接続されている。
ここで、図３は、スクリュ１０の外観を示す概略正面図である。スクリュ１０は、シャフト１１と、フライト１２と、ミキシング１３と、小径軸１４と、スクリュチップ１５と、チェックリング１６と、を備えている。
シャフト１１は、図３に示すように、長尺な円筒形状を有し、その先端部からシャフト１１より小径の小径軸１４が軸方向に延びている。そして、この小径軸１４の先端には、略円錐形状のスクリュチップ１５が設けられている。また、チェックリング１６は、リング形状を有し、その内径は小径軸１４より若干大径に形成されている。このチェックリング１６に小径軸１４が挿通されることにより、チェックリング１６は小径軸１４に沿って移動可能となっている。また、フライト１２は、図３に示すように、シャフト１１から径方向に突出し、その周面を螺旋状に巻回するように設けられている。
また、図４及び図５は、シャフト１１の先端部を拡大した図であって、図４は概略斜視図、図５は概略正面図である。尚、図５では説明の便宜上、スクリュチップ１５の図示を省略している。
ミキシング１３は、フライト１２を通過した熱可塑性樹脂中に存在する溶融不足の樹脂の塊を崩して撹拌するためのものである。このミキシング１３は、図３に示すように、シャフト１１の周面におけるフライト１２より軸方向先端側の領域に設けられている。このミキシング１３は、軸方向に沿って３段に設けられ、より詳細には最も先端側に設けられた第１ミキシング１３１、その次に先端側に設けられた第２ミキシング１３２、及び最も後端側に設けられた第３ミキシング１３３、を具備している。
ここで、図６は図５の各部断面を示す図であって、図６（ａ）はＡ−Ａ断面を、図６（ｂ）はＢ−Ｂ断面を、図６（ｃ）はＣ−Ｃ断面をそれぞれ示している。第１ミキシング１３１は、図６（ａ）に示すように、シャフト１１の周面から径方向に突出し、周方向に一定間隔で設けられた１６条の第１フィン１３１ａを有している。この第１フィン１３１ａは、図４に示すように略直方体形状を有し、その長手方向をシャフト１１の軸方向に向けるようにしてシャフト１１の周面にそれぞれ固定されている。そして、１６条の第１フィン１３１ａは、図６（ａ）に示すようにシャフト１１の周面からの突出高さＨ１が全て等しく形成され、且つ、図５に示すようにその突出高さＨ１はフライト１２の突出高さＨｆより低く設定されている。
第２ミキシング１３２は、図６（ｂ）に示すように、シャフト１１の周面から径方向に突出して設けられ、周方向に一定間隔で設けられた１０条の第２フィン１３２ａを有している。この第２フィン１３２ａも、図４に示すように略直方体形状を有し、その長手方向をシャフト１１の軸方向に向けるようにしてシャフト１１の周面にそれぞれ固定されている。また、１０条の第２フィン１３２ａは、図６（ｂ）に示すように、シャフト１１の周面からの突出高さＨ２が全て等しく形成されている。そして、この第２フィン１３２ａの突出高さＨ２は、図５に示すように、第１フィン１３１ａの突出高さＨ１に略等しく、且つ、フライト１２の突出高さＨｆより低く設定されている。
第３ミキシング１３３は、図６（ｃ）に示すように、シャフト１１の周面から径方向に突出して設けられ、周方向に一定間隔で設けられた５条の第３フィン１３３ａを有している。この第３フィン１３３ａも、図４に示すように略直方体形状を有し、その長手方向をシャフト１１の軸方向に向けるようにしてシャフト１１の周面にそれぞれ固定されている。また、５条の第３フィン１３３ａも、図６（ｃ）に示すように、シャフト１１の周面からの突出高さＨ３が全て等しく形成されている。そして、この第３フィン１３３ａの突出高さＨ３は、図５に示すように、第１フィン１３１ａの突出高さＨ１及び第２フィン１３２ａの突出高さＨ２に略等しく、且つ、フライト１２の突出高さＨｆより低く設定されている。
このように、第１ミキシング１３１〜第３ミキシング１３３がそれぞれ有する第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａの条数を、軸方向後端側の第３ミキシング１３３から軸方向先端側の第１ミキシング１３１に向かって増加するように設定している。より詳細には、最も軸方向後端側に位置する第３ミキシング１３３が有する第３フィン１３３ａの条数をＮとした時、次に軸方向後端側に位置する第２ミキシング１３２が有する第２フィン１３２ａの条数を、１．５Ｎより多く且つ２．５Ｎより少ない範囲に設定する。本実施形態では、第３フィン１３３ａを５条（Ｎ＝５）に設定したことにより、第２フィン１３２ａを７．５条（＝１．５Ｎ）より多く且つ１２．５条（＝２．５Ｎ）より少ない範囲である、１０条に設定している。
また、第２ミキシング１３２より更に軸方向先端側に位置する第１ミキシング１３１が有する第１フィン１３１ａの条数を、３Ｎより多く設定する。本実施形態では、第３フィン１３３ａを５条（Ｎ＝５）に設定したことにより、第１フィン１３１ａを１５条（＝３Ｎ）より多い１６条に設定している。
また、図４に示すように、第１フィン１３１ａの谷部からフライト１２の径方向先端部までの径方向距離、すなわち本実施形態におけるフライト１２の突出高さＨｆは、後述する熱可塑性樹脂原料の外径の２倍以上の大きさとなっている。同様に、第２フィン１３２ａの谷部からフライト１２の径方向先端部までの径方向距離、及び第３フィン１３３ａの谷部からフライト１２の径方向先端部までの径方向距離も、本実施形態ではフライト１２の突出高さＨｆと略等しく、後述する熱可塑性樹脂原料の外径の２倍以上の大きさとなっている。
次に、本発明の実施形態に係る射出成形機１を用いて樹脂成形品１００を射出成形する手順、及びその作用効果について説明する。まず、図２に示す射出ユニット４を構成するホッパー４３に対し、前述のような強化繊維を２０重量％だけ含有する固体状の熱可塑性樹脂原料（不図示）が充填される。この状態で、モータ４５が連結軸４４の駆動を開始すると、これに接続されたスクリュ１０が回転を開始する。そして、ホッパー４３から射出シリンダー４２に対して熱可塑性樹脂原料が供給されると、この熱可塑性樹脂原料がフライト１２によって溶融及び可塑化されながら軸方向先端側へ搬送される。
そして、フライト１２を通過して溶融状態となった熱可塑性樹脂は、更に軸方向先端側へ搬送されて第３ミキシング１３３に到達する。ここで、前述のように第３ミキシング１３３が有する第３フィン１３３ａはその条数が５条と少なく、第３フィン１３３ａ同士の間に広い隙間が確保されている。従って、フライト１２を通過した熱可塑性樹脂中に溶融不足の樹脂の塊が存在する場合でも、この塊は第３フィン１３３ａ同士の間の隙間に詰まることなく、この隙間を通過することによって変形され或いは崩される。
その後、溶融不足の樹脂の塊は、第３ミキシング１３３の軸方向下流側に設けられた第２ミキシング１３２に到達する。ここで、第２ミキシング１３２が有する第２フィン１３２ａはその条数が１０条と第３ミキシング１３３より多く、第２フィン１３２ａ同士の間の隙間は第３フィン１３３ａより狭くなっている。従って、溶融不足の樹脂の塊は、この第２フィン１３２ａ同士の間の隙間を通過することによって更に変形され或いは細かく崩される。
更に、溶融不足の樹脂の塊は、第２ミキシング１３２の軸方向下流側に設けられた第１ミキシング１３１に到達する。ここで、第１ミキシング１３１が有する第１フィン１３１ａはその条数が１６条と第２ミキシング１３２より更に多く、第１フィン１３１ａ同士の間の隙間は第２フィン１３２ａより更に狭くなっている。従って、溶融不足の樹脂の塊は、この第１フィン１３１ａ同士の間の隙間を通過することによって更に変形され或いは細かく崩される。このように、第３ミキシング１３３から第２ミキシング１３２を経て第１ミキシング１３１を通過する間に、溶融不足の樹脂の塊が細かく崩されることによって、熱可塑性樹脂中における強化繊維の分散が促進される。
また、前述のように第１ミキシング１３１〜第３ミキシング１３３がそれぞれ有する第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａは、全てその突出高さＨ１〜Ｈ３がフライト１２の突出高さＨｆより低く設定されている。従って、フライト１２の径方向先端部が射出シリンダー４２の内壁面４２１と接触する程度に近接しても、第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａの径方向先端部と射出シリンダー４２の内壁面４２１との間には広い隙間が確保される。これにより、第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａと射出シリンダー４２の内壁面４２１との間に熱可塑性樹脂が入り込んでも、強化繊維が大きなせん断力を受けて過大に折損することを防止することができる。
その後、ミキシング１３を通過した溶融状態の熱可塑性樹脂は、図３に示すチェックリング１６に到達する。この時チェックリング１６は、溶融状態の熱可塑性樹脂によってスクリュチップ１５に押し付けられる。これにより、シャフト１１とチェックリング１６との間に隙間が生じる。溶融状態の熱可塑性樹脂は、このシャフト１１とチェックリング１６との間の隙間と、図４に示すチェックリング１６と小径軸１４との間の隙間（不図示）、及び図１に示すチェックリング１６と射出シリンダー４２との間の隙間を通過し、射出シリンダー４２の先端部に貯留される。
一方、このような射出ユニット４の動作に合わせて、金型ユニット３を構成する可動金型３２は、温度制御装置の制御の下、熱可塑性樹脂の熱変形温度以下の温度に予め温度調整されている。
そして、油圧配管４７から作動油シリンダー４１１に対して作動油（不図示）が供給されると、ピストン４６が作動油シリンダー４１１の内部で金型ユニット３の側へ移動し、これに伴ってスクリュ１０が射出シリンダー４２の内部で軸方向に前進する。この時、スクリュチップ１５に押し付けられていたチェックリング１６が軸方向につまりシャフト１１側に移動し、シャフト１１と当接することによってシャフト１１とチェックリング１６との間の隙間を閉鎖し、溶融状態の熱可塑性樹脂がこの隙間を通ってシャフト１１側に逆流するのを防止する。
これにより、射出シリンダー４２の先端部に貯留された溶融状態の熱可塑性樹脂がスクリュ１０に押圧されて射出され、金型ユニット３のキャビティ２に充填される。このチェックリング１６の軸方向の移動ストロークを強化繊維の所望の重量平均繊維長以上とすることにより、成形品中の残存繊維の重量平均繊維長を所望の長さ以上とすることができる。
これにより、射出シリンダー４２の先端部に貯留された溶融状態の熱可塑性樹脂がスクリュ１０に押圧されて射出され、金型ユニット３のキャビティ２に充填される。このチェックリング１６の軸方向の移動ストロークを強化繊維の所望の重量平均繊維長以上とすることにより、成形品中の残存繊維の重量平均繊維長を所望の長さ以上とすることができる。
その後、この熱可塑性樹脂が冷却固化した後、可動金型３２を固定金型３１から離間させることにより、成形品が取り出される。この時、射出動作は油圧による駆動ではなく、電動モータとボールねじの組み合わせ等による電動駆動であっても支障ない。
尚、熱可塑性樹脂を冷却固化させる際には、前述のように予め熱可塑性樹脂の熱変形温度以上に加熱した金型に対し、熱可塑性樹脂を充填した後に或いは充填中に、金型の加熱を停止した後、金型の冷却を開始するのが好適である。このような手順によれば、射出された熱可塑性樹脂が金型の表面に接触した際に直ぐに固化が始まらないので、成形品の表面の強化繊維を溶融状態の熱可塑性樹脂が覆い、更に繰り返し精度良く強化繊維の露出を防止することができる。
ここで、本発明では、長さが２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の強化繊維を含有した熱可塑性樹脂を、重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下となる程度まで可塑化混練するため、強化繊維の分散が向上すると共に繊維束の開繊が促進される。従って、可動金型３２の温度が熱可塑性樹脂の熱変形温度より低くても、熱可塑性樹脂の温度は十分に上昇し、樹脂成形品１００の表面に強化繊維が露出するのを防止することができる。
尚、第１ミキシング１３１〜第３ミキシング１３３がそれぞれ有する第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａの形状や大きさは、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態に示した第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａは、ミキシング１３の中心軸と平行な方向に設けてあるが、中心軸に対しフライト１２と同方向に傾けて設けても良い。つまり、第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａをフライト１２と同方向に傾けることにより、第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａにおいてもフライト１２と同様に樹脂搬送力を備えることができるので、スクリュ１０から吐出される熱可塑性樹脂の流動抵抗（背圧相当）を低減できる。これにより、スクリュ１０全体としての樹脂吐出能力（可塑化能力）を向上させて、強化繊維がスクリュ１０内で混練および撹拌される時間（可塑化時間）を短縮できるので、強化繊維の折損を抑制することに有効である。また、第１フィン１３１ａ〜第３フィン１３３ａの条数は、軸方向後端側から軸方向先端側に向かって増加し、且つ、前述の関係を満たす範囲内において、任意に変更が可能である。
（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。本出願人は、下記に示す条件を適宜変化させた複数の実施例について、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂を使用して射出成形を行い、実施例毎に成形品の品質を確認した。
次に、本発明の実施例について説明する。本出願人は、下記に示す条件を適宜変化させた複数の実施例について、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂を使用して射出成形を行い、実施例毎に成形品の品質を確認した。
（１）使用した射出成形機：三菱重工プラスチックテクノロジー株式会社製１０５０ｅｍ−１００，スクリュ直径９０ｍｍ
（２）スクリュのタイプ
（ａ）Ｔｙｐｅ１：先端部ミキシング付きシングルフライトスクリュ［図３から図６を参照］
（ｂ）Ｔｙｐｅ２：単純シングルフライトスクリュ［図７（ａ）を参照］（Ｔｙｐｅ３と比較して、軸方向に沿って外径が急激に増加する）
（ｃ）Ｔｙｐｅ３：長繊維含有樹脂成形用緩圧縮型スクリュ［図７（ｂ）を参照］（Ｔｙｐｅ２と比較して、軸方向に沿って外径が緩やかに増加する）
（３）使用した熱可塑性樹脂原料：ポリプロピレン（ＰＰ）
（４）強化繊維：ガラス繊維または炭素繊維
（５）強化繊維の含有率：２０重量％または３０重量％
（６）熱可塑性樹脂原料に含有される強化繊維の繊維長：１０ｍｍ，２０ｍｍ，または２５ｍｍ
（７）成形品の形状：外形１０００ｍｍ×３００ｍｍ×１５ｍｍ
（８）成形温度：２３０℃
（９）熱可塑性樹脂原料の予熱温度：８０℃
（１０）可塑化時背圧：０．５ＭＰａ，５ＭＰａ，２０ＭＰａ
（１１）強化繊維の重量平均繊維長：成形品の任意の場所から８０ｍｍ四方の正方形状の評価対象領域を切り出す。そして、この評価対象領域を熱可塑性樹脂の分解温度以上の温度で所定時間加熱し、樹脂分を灰化除去することによって強化繊維のみとする。その後、強化繊維のみとした評価対象領域を適当な液媒中で分散させ、７００〜１０００本の強化繊維の長さを画像処理などを用いて計測する。そして、計測した個々の強化繊維の長さから、次式を用いることによって重量平均繊維長を算出する。但し、式中のＬｉは計測した強化繊維の繊維長を意味し、Ｑｉは繊維長Ｌｉである強化繊維の本数を意味している。
［重量平均繊維長］＝（ΣＱｉ×Ｌｉ２）／（ΣＱｉ×Ｌｉ）
（１２）強化繊維の分散度：繊維の分散度が悪いと、成形品表面に繊維の束が露出することから、繊維の分散度評価は成形品の外観状態によってＡ，Ｂ，Ｃで評価した。
Ａ：成形品表面に繊維の束の露出が無く、成形品表面の光沢度が高いもの。
Ｂ：成形品表面に繊維の束の露出が無いが、成形品表面の光沢度が低いもの。
Ｃ：成形品表面の少なくとも一部に、繊維の束が露出しているもの。
（２）スクリュのタイプ
（ａ）Ｔｙｐｅ１：先端部ミキシング付きシングルフライトスクリュ［図３から図６を参照］
（ｂ）Ｔｙｐｅ２：単純シングルフライトスクリュ［図７（ａ）を参照］（Ｔｙｐｅ３と比較して、軸方向に沿って外径が急激に増加する）
（ｃ）Ｔｙｐｅ３：長繊維含有樹脂成形用緩圧縮型スクリュ［図７（ｂ）を参照］（Ｔｙｐｅ２と比較して、軸方向に沿って外径が緩やかに増加する）
（３）使用した熱可塑性樹脂原料：ポリプロピレン（ＰＰ）
（４）強化繊維：ガラス繊維または炭素繊維
（５）強化繊維の含有率：２０重量％または３０重量％
（６）熱可塑性樹脂原料に含有される強化繊維の繊維長：１０ｍｍ，２０ｍｍ，または２５ｍｍ
（７）成形品の形状：外形１０００ｍｍ×３００ｍｍ×１５ｍｍ
（８）成形温度：２３０℃
（９）熱可塑性樹脂原料の予熱温度：８０℃
（１０）可塑化時背圧：０．５ＭＰａ，５ＭＰａ，２０ＭＰａ
（１１）強化繊維の重量平均繊維長：成形品の任意の場所から８０ｍｍ四方の正方形状の評価対象領域を切り出す。そして、この評価対象領域を熱可塑性樹脂の分解温度以上の温度で所定時間加熱し、樹脂分を灰化除去することによって強化繊維のみとする。その後、強化繊維のみとした評価対象領域を適当な液媒中で分散させ、７００〜１０００本の強化繊維の長さを画像処理などを用いて計測する。そして、計測した個々の強化繊維の長さから、次式を用いることによって重量平均繊維長を算出する。但し、式中のＬｉは計測した強化繊維の繊維長を意味し、Ｑｉは繊維長Ｌｉである強化繊維の本数を意味している。
［重量平均繊維長］＝（ΣＱｉ×Ｌｉ２）／（ΣＱｉ×Ｌｉ）
（１２）強化繊維の分散度：繊維の分散度が悪いと、成形品表面に繊維の束が露出することから、繊維の分散度評価は成形品の外観状態によってＡ，Ｂ，Ｃで評価した。
Ａ：成形品表面に繊維の束の露出が無く、成形品表面の光沢度が高いもの。
Ｂ：成形品表面に繊維の束の露出が無いが、成形品表面の光沢度が低いもの。
Ｃ：成形品表面の少なくとも一部に、繊維の束が露出しているもの。
ここで、以下の表１及び表２は、各実施例及び比較例についての試験結果を示したものである。
実施例１〜実施例６では、本発明を実施することによって、強化繊維の重量平均繊維長が２．０〜２．８ｍｍであって、本発明に係る重量平均繊維長の範囲である１ｍｍ以上３ｍｍ以下を満たしており、樹脂成形品は十分な強度を得られた。また、この場合、いずれの実施例についても、強化繊維の分散度は良好であり、樹脂成形品の表面における強化繊維の露出も無く、塗装不良も発生しなかった。
比較例１は、スクリュのタイプを変更してミキシングの無い単純シングルフライトスクリュにするとともに、可塑化時の背圧を低くして混練度合いを抑えたものである。この場合、強化繊維の重量平均繊維長は３．８ｍｍであって、本発明に係る重量平均繊維長の範囲である１ｍｍ以上３ｍｍ以下を上回っている。従って、樹脂成形品は、強化繊維の分散度が低く、表面には強化繊維が露出し、塗装不良も発生した。
比較例２は、スクリュのタイプを変更してミキシングの無い単純シングルフライトスクリュにするとともに、スクリュの回転数を低くして可塑化時の混練度合いを抑えたものである。この場合も、強化繊維の重量平均繊維長は３．３ｍｍであって、本発明に係る重量平均繊維長の範囲である１ｍｍ以上３ｍｍ以下を上回っている。従ってこの場合、樹脂成形品は、強化繊維の分散度が低く、表面には強化繊維が露出し、塗装不良も発生した。
比較例３は、スクリュのタイプを変更してミキシングの無い単純シングルフライトスクリュにするとともに、熱可塑性樹脂原料の予熱を行って軟化を促進させることで可塑化時の混練度合いを抑えたものである。この場合、強化繊維の重量平均繊維長は３．４ｍｍであって、本発明に係る重量平均繊維長の範囲である１ｍｍ以上３ｍｍ以下を上回っている。しかしこの場合、樹脂成形品は、強化繊維の分散度が低いものの、表面に強化繊維は露出せず、塗装不良も発生しなかった。
比較例４は、スクリュのタイプを変更して長繊維含有樹脂成形用緩圧縮型スクリュにするとともに、熱可塑性樹脂原料の予熱を行って軟化を促進させることで可塑化時の混練度合いを抑えたものである。この場合、強化繊維の重量平均繊維長は４．５ｍｍであって、本発明に係る重量平均繊維長の範囲である１ｍｍ以上３ｍｍ以下を上回り、比較例中で最も長くなった。従ってこの場合、樹脂成形品は、強化繊維の分散度が低く、表面には強化繊維が露出し、塗装不良も発生した。
ここで、比較例１〜比較例４の結果を比較すれば、強化繊維の重量平均繊維長が長くなると、樹脂成形品の表面における強化繊維の露出の有無にはバラツキが生じ、美観に優れた樹脂成形品を安定して得るのが難しくなることが分かる。
比較例５は、スクリュのタイプは変更することなく、可塑化時の背圧を高くして可塑化時の混練度合いを増大させたものである。この場合、樹脂成形品は、強化繊維の分散度が高く、表面に強化繊維は露出せず、塗装不良も発生しなかった。しかしこの場合、強化繊維の重量平均繊維長は０．５ｍｍであって、機械的強度を向上させるという長繊維特有の効果が得られる１．０ｍｍを下回ったため、樹脂成形品は十分な強度を得られなかった。
本発明に係る車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品は、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂原料を、径方向に突出するミキシングが先端部に設けられたスクリュを用いて射出成形したものである。
そして、樹脂成形品は、強化繊維の含有率が２０重量％以上であり、且つ、一定の大きさの評価対象領域における強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
このような構成によれば、車両構造部材または航空機構造部材として金属製部材に代えて使用するのに必要十分な強度を持ち、且つ、薄肉軽量な樹脂成形品とすることができる。また、重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下であるため、成形条件幅を広くできると共に、強化繊維の凝集や分散不良を防止することができる。
そして、樹脂成形品は、強化繊維の含有率が２０重量％以上であり、且つ、一定の大きさの評価対象領域における強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
このような構成によれば、車両構造部材または航空機構造部材として金属製部材に代えて使用するのに必要十分な強度を持ち、且つ、薄肉軽量な樹脂成形品とすることができる。また、重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下であるため、成形条件幅を広くできると共に、強化繊維の凝集や分散不良を防止することができる。
１ 射出成形機
２ キャビティ
３ 金型ユニット
４ 射出ユニット
１０ 射出成形用可塑化スクリュ
１１ シャフト
１２ フライト
１３ ミキシング
１４ 小径軸
１５ スクリュチップ
１６ チェックリング
３１ 固定金型
３２ 可動金型
４１ ユニット本体
４２ 射出シリンダー
４３ ホッパー
４４ 連結軸
４５ モータ
４６ ピストン
４７ 油圧配管
１００ 樹脂成形品
１０１ 評価対象領域
１３１ 第１ミキシング
１３２ 第２ミキシング
１３３ 第３ミキシング
４１１ 作動油シリンダー
１３１ａ 第１フィン
１３２ａ 第２フィン
１３３ａ 第３フィン
Ｄｈ 厚み
Ｄｊ 厚み
Ｈ１ 突出高さ（第１フィン）
Ｈ２ 突出高さ（第２フィン）
Ｈ３ 突出高さ（第３フィン）
Ｈｆ 突出高さ（フライト）
Ｌ 一辺の長さ
２ キャビティ
３ 金型ユニット
４ 射出ユニット
１０ 射出成形用可塑化スクリュ
１１ シャフト
１２ フライト
１３ ミキシング
１４ 小径軸
１５ スクリュチップ
１６ チェックリング
３１ 固定金型
３２ 可動金型
４１ ユニット本体
４２ 射出シリンダー
４３ ホッパー
４４ 連結軸
４５ モータ
４６ ピストン
４７ 油圧配管
１００ 樹脂成形品
１０１ 評価対象領域
１３１ 第１ミキシング
１３２ 第２ミキシング
１３３ 第３ミキシング
４１１ 作動油シリンダー
１３１ａ 第１フィン
１３２ａ 第２フィン
１３３ａ 第３フィン
Ｄｈ 厚み
Ｄｊ 厚み
Ｈ１ 突出高さ（第１フィン）
Ｈ２ 突出高さ（第２フィン）
Ｈ３ 突出高さ（第３フィン）
Ｈｆ 突出高さ（フライト）
Ｌ 一辺の長さ
Claims (6)
- 強化繊維を含有する熱可塑性樹脂原料を、可塑化して射出成形を行う射出成形機に装備される射出成形用可塑化スクリュであって、
回転駆動されるシャフトと、
前記シャフトの周面に螺旋状に設けられたフライトと、
前記フライトより軸方向先端側に設けられ、前記シャフトの周面から径方向に突出するフィンを周方向に複数条有するミキシングと、を具備し、
前記ミキシングは軸方向に複数段設けられ、
各段の前記ミキシングが有する前記フィンの条数は、軸方向後端側から軸方向先端側に向かって増加するとともに、前記各フィンの前記シャフトの周面からの突出高さは、前記フライトの前記シャフトの周面からの突出高さより低く設定されたスクリュを用いて射出成形した車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品であって、
含有率が２０重量％以上であり、且つ、長さが、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の強化繊維を含んだ熱可塑性樹脂を原料とし、内部の強化繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上３ｍｍ以下である車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。 - 前記重量平均繊維長を調べるためにサンプルとして切り出される評価対象領域が平面視で略正方形であって、その一辺の長さが２０ｍｍ以上である請求項１に記載の車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
- 前記スクリュから射出された熱可塑性樹脂を、前記熱可塑性樹脂の熱変形温度以下の温度に予め温度調整された金型に充填した後、冷却固化させた請求項１又は２に記載の車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
- 金型を前記熱可塑性樹脂の熱変形温度以上の温度に予め加熱し、前記スクリュから射出された熱可塑性樹脂を前記金型に充填した後あるいは充填中に、前記金型の加熱を停止した後、前記金型の冷却を開始することにより、熱可塑性樹脂を冷却固化させた請求項１又は２に記載の車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
- 前記熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂が、ポリオレフィン系樹脂またはポリアミド系樹脂である請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
- 前記強化繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、天然繊維のうち少なくとも１種類を含むものである請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両構造部材用のまたは航空機構造部材用の樹脂成形品。
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- 2010-11-08 WO PCT/JP2010/069810 patent/WO2012063298A1/ja active Application Filing
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