JP6022414B2 - 繊維強化樹脂中間体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、押出機又は射出機により吐出された強化繊維と熱可塑性樹脂の混練物の成形加工に供される繊維強化樹脂中間体の製造方法に係り、成形加工及びハンドリングに好適な状態に維持された繊維強化樹脂中間体の製造方法に関する。

繊維強化樹脂は、軽量であるとともに機械的強度に優れるため、その適用範囲が拡大している。特に、航空機や自動車等においてはその軽量化を目的として、繊維強化樹脂の航空機又は自動車部品への適用範囲が拡大している。

自動車部品への繊維強化樹脂の適用には、経済性、量産性など効率的な生産が求められる。例えば、特許文献１に、押出機によりチョップドストランド状態の強化繊維と粒状固形物及び熱可塑性樹脂とを押し出してペレットを成形し、このペレットを射出成形機に投入して射出成形する方法、また、押出機に強化繊維のロービング原反と粒状固形物及び熱可塑性樹脂とを投入し、強化繊維が切断・解繊され溶融熱可塑性樹脂に均一に分散した混練物を押し出し、これを押出機に直結された射出機により射出成形する方法などが提案されている。

特許文献２に、型開された下型に対して材料供給装置から溶融材料を供給し、その後に下型と上型を閉鎖して前記溶融材料を圧縮する圧縮成形方法において、プレス装置の加圧位置を含み一側および他側方向へ移動可能な下型と、前記下型の移動方向と交差方向に移動可能な材料供給装置とを備え、前記一側および他側方向への下型の移動と、前記下型の移動方向と交差方向への材料供給装置の移動を同時または交互に実行して溶融材料を供給し、前記下型をプレス装置の加圧位置に固定し、プレス装置の上型を下降させて、溶融材料を圧縮する圧縮成形方法が提案されている。この方法によれば、材料供給装置の構造を複雑化させることなく、下型の所望の位置に溶融材料を供給することができるとされる。

特許文献３に、所定長さの強化繊維と熱可塑性樹脂を単軸スクリュ押出機により押し出し、先ずこれをマッチドモールドの第１の半モールド（下型）に堆積させ、次にこの下型をマッチドモールドの第２の半モールド（上型）を有する圧縮機の下面に移送した後に、前記下型及び上型により圧縮成形する方法が提案されている。この方法によれば、極めて低圧で引張り強度や曲げ強度の異方性の少ない成形体を製造することができるとされる。

特開2009-242616号公報 特許第5093825号公報 特表2007-530326号公報

強化繊維が溶融熱可塑性樹脂に分散した混練物は、押出機又は射出機により成形することができる。そして、この混練物を射出機により射出成形し又は圧縮機により圧縮成形することによって成形体を製造することができる。特許文献１又は２に記載された加工方法は、押出機と射出機とが一体の構成になった加工装置を使用するので、成形体を高生産効率で製造することができる。しかしながら、押出機と射出機とが一体になっているので加工設備全体が大型化するという問題、また、形状的又は材質的に多様な成形体を加工する方法としては好ましくないという問題がある。

一方、特許文献３に記載の加工方法は、押出機と圧縮機とが分離された形態になっているが、実際は下型に堆積させた混練物を上型が設けられた圧縮機まで移送し、上型を押圧して圧縮成形するという方法であり、特許文献２に記載の方法に類似している。そして、特許文献３に記載の加工方法は、特許文献２に記載の加工方法に比較して、さらに大規模な設備を要し、生産効率が劣るとう問題がある。

また、特許文献３に記載の方法においては、下型に堆積させた混練物は、所望の最終的な成形体の溶融したニアネットシェイプになっているとされるが、押出機から吐出された直後の混練物は、強化繊維が三次元的に配向しているためスプリングバックにより数倍以上に膨張し嵩張った不定形形状になる傾向がある。このため、実際には、この混練物の取扱い（ハンドリング）や金型の所定位置に混練物を所定の大きさで載置するのは必ずしも容易ではない。混練物を金型の所定位置に載置するために混練物の縁部を切断しなければならないという場合があり、切断刃が摩耗しやすいという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、押出機又は射出機から吐出された混練物を、次の成形加工に供することができ、加工可能な程度の高温状態に維持されるとともにハンドリングが容易な繊維強化樹脂中間体を提供することを目的とする。また、この繊維強化樹脂中間体を用いた成形体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る繊維強化樹脂中間体の製造方法は、押出機又は射出機により溶融した熱可塑性樹脂と強化繊維を0.01MPa〜30MPaの加圧下で混練した後、その押出機又は射出機から大気圧下又は減圧下に開放された混練物を所定厚ｔに押圧・冷却して繊維強化樹脂中間体を製造する方法であって、前記混練物は、大気圧下又は減圧下に開放されて加圧下の体積の1.5倍以上になるものであり、前記繊維強化樹脂中間体は、その表面部の熱可塑性樹脂が固化し、内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持されてなる。

上記発明において、繊維強化樹脂中間体の表面部の凹凸は、所定厚ｔの1/2以下であるものとすることができる。

また、混練物の押圧・冷却は、混練されてなる繊維強化樹脂中間体素材が、その内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持され、その厚さが所定厚ｔの±20%の範囲にあるときに行うのがよい。

また、強化繊維は、炭素繊維からなり、繊維長が1〜100mmであるものとすることができる。

上記繊維強化樹脂中間体を圧縮成形することにより、自動車部品等の繊維強化樹脂成形体を高生産性で製造することができる。

本発明によれば、押出機又は射出機による混練物の生産サイクルに関係なく、次の成形加工に供することができる繊維強化樹脂中間体を提供することができる。この繊維強化樹脂中間体を圧縮成形することにより、繊維強化樹脂成形体を高生産効率で製造することができる。

本発明に係る繊維強化樹脂中間体の製造方法を説明する模式図である。 繊維強化樹脂中間体のハンドリングを説明する模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係る繊維強化樹脂中間体の製造方法を説明する模式図である。本繊維強化樹脂中間体の製造方法は、押出機又は射出機により溶融した熱可塑性樹脂と強化繊維を加圧下で混練した後、その押出機又は射出機から大気圧下又は減圧下に開放された混練物を所定厚ｔに押圧・冷却して繊維強化樹脂中間体を製造する方法である。すなわち、図１に示すように、押出機1（又は射出機）から吐出され、吐出された大気圧下又は減圧下において押出機1の加圧下における体積の1.5倍以上の体積になった混練物5を、所定の間隔（所定厚ｔ）に保持された冷却ロール3により押圧し、混練物5の表面部の熱可塑性樹脂が固化し、内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持されてなるもの（繊維強化樹脂中間体51）を製造する方法である。

押出機1は、公知の押出機を使用することができる。押出機1において熱可塑性樹脂と強化繊維は、0.01MPa〜30Mpaの加圧下で混練される。強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維などであり、特に限定されないが、本繊維強化樹脂中間体の製造方法は、強化繊維が炭素繊維のものに好適に使用することができる。強化繊維が炭素繊維である場合、その繊維長が1〜100mm、特に3〜60mmの繊維強化樹脂中間体の製造に好適に使用することができる。このような炭素繊維を含有する混練物は、自動車部品等の繊維強化樹脂成形体の成形に好適に使用され、炭素繊維のスプリングバックによる膨張率が大きいからである。

加圧下の混練物は、押出機1から大気圧下又は減圧下に吐出されると数倍の体積に膨張する。例えば、重量平均長が25mm、体積含有率が20％の炭素繊維と熱可塑性樹脂（ポリアミド）の混練物をダイ吐出口の高さが12mmの押出機から押し出した混練物5は、大気圧下で36mmになり、その凹凸は約20mmであった。本繊維強化樹脂中間体の製造方法は、このような混練物5を押圧・冷却する。押圧・冷却は、図１に示すように回転する冷却ロールを使用することができる。しかしながら、これに限定されず、射出機のように混練物が一定長のものであれば、混練物を平面板で挟み込んで押圧・冷却する形態のものであってもよい。

混練物5は押圧・冷却される。例えば、所定厚ｔ（30mm）に押圧・冷却される。このように成形された繊維強化樹脂中間体51は、表面部の熱可塑性樹脂が固化し、内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持されていた。この繊維強化樹脂中間体51の表面部の凹凸は15mm以内であった。混練物5は、繊維強化樹脂中間体51の表面部の凹凸が所定厚ｔの1/2以下にように押圧・冷却するのがよい。これにより繊維強化樹脂中間体51のハンドリングが容易になり、これを金型の所定位置に容易に載置することができる。

繊維強化樹脂中間体51の成形における混練物の押圧・冷却加工は、押出機又は射出機により混練されてなる繊維強化樹脂中間体素材（混練物）が、その内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持され、その厚さが所定厚ｔの±20%の範囲にあるときに行うのがよい。このような状態の混練物は、表面部の熱可塑性樹脂の固化により強化繊維のスプリングバックが抑えられており、また、内部の熱可塑性樹脂は溶融状態にあって次の成形加工が可能な状態にあるからである。繊維強化樹脂中間体51は自重で変形や分断されるようなものでなくハンドリング可能なものであればよい。このような繊維強化樹脂中間体51の表面部の固化層の厚さ、温度、あるいは、内部の溶融層の厚さ、温度等は、繊維強化樹脂中間体51の形状や材質に応じて適宜最適な条件が選ばれる。

この繊維強化樹脂中間体51は、図２に示すように操作アーム4で取り扱うことができる。また、容易かつ迅速に繊維強化樹脂中間体51を取り扱うことができ、成形型の所定部分に容易に載置することができ、繊維強化樹脂中間体51を高生産性で圧縮成形をすることができる。繊維強化樹脂中間体51の圧縮成形において、その製法等は特に限定されないが、この繊維強化樹脂中間体51を圧縮成形する場合は、圧縮成形する直前に固化した中間体の表面部分を、赤外線ヒータなどを利用して再加熱することができる。再加熱は、加圧した際に繊維強化樹脂中間体51が割れることなく流動可能な状態まで軟化させるのが好ましい。このような再加熱を行っても、繊維強化樹脂中間体51は、すでにその表面が加圧されて材質的に均一化されているので、再加熱によって軟化しスプリングバックが生じても、その表面は比較的滑らかで凹凸の激しい不規則面になりにくいという効果がある。

以上、本発明に係る繊維強化樹脂中間体について説明した。本繊維強化樹脂中間体を押出機により成形する場合は、連続的に押し出された混練物を刃物等による剪断のほか、水圧、レーザなどにより切断することができる。炭素繊維を含有する繊維強化樹脂中間体を成形する場合は、例えば、高低差やコンベアの移動速度の差を利用して押し出された混練物を引きちぎるように切断するのがよい。混練物は嵩密度が低く、刃物による切断は、容易でなく、また、刃物の摩耗が激しいので好ましくない。

1 押出機
11 ダイ吐出口
3 冷却ロール
4 操作アーム
5 混練物
51 繊維強化樹脂中間体

Claims (5)

1. 押出機又は射出機により溶融した熱可塑性樹脂と強化繊維を0.01MPa〜30MPaの加圧下で混練した後、その押出機又は射出機から大気圧下又は減圧下に開放された混練物を所定厚ｔに押圧・冷却して繊維強化樹脂中間体を製造する方法であって、
   前記混練物は、大気圧下又は減圧下に開放されて加圧下の体積の1.5倍以上になるものであり、
   前記繊維強化樹脂中間体は、その表面部の熱可塑性樹脂が固化し、内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持されてなる繊維強化樹脂中間体の製造方法。
2. 繊維強化樹脂中間体の表面部の凹凸は、所定厚ｔの1/2以下であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂中間体の製造方法。
3. 混練物の押圧・冷却は、混練されてなる繊維強化樹脂中間体素材が、その内部の熱可塑性樹脂が溶融状態に保持され、その厚さが所定厚ｔの±20%の範囲にあるときに行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂中間体の製造方法。
4. 強化繊維は、炭素繊維からなり、繊維長が1〜100mmであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の繊維強化樹脂中間体の製造方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の繊維強化樹脂中間体を用いて圧縮成形し、繊維強化樹脂成形体を製造する方法。

Images