JP6238785B2 - 射出成形装置および繊維強化樹脂成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形装置および繊維強化樹脂成形体の製造方法に関する。

繊維強化樹脂成形体は、ガラス繊維等の繊維強化材を内部に含む熱可塑性樹脂ペレット（以下、繊維強化樹脂ペレットと言う）を射出成形することにより製造されるのが一般的である。特許文献１は、繊維強化樹脂ペレットを材料乾燥装置で事前に加熱し、加熱された繊維強化樹脂ペレットを射出成形装置の射出シリンダ内に供給して射出することにより繊維強化樹脂成形体を製造する射出成形方法を開示する。特許文献１に記載の射出成形方法によれば、繊維強化樹脂ペレットの事前加熱により樹脂成分の可塑化が促進されるため、射出シリンダ内での射出スクリューの回転により射出シリンダ内の溶融樹脂に作用するせん断力が低下する。溶融樹脂に作用するせん断力が低下することにより、溶融樹脂中に分散した繊維強化材の折損が防止される。

特開２００３−１８１８７７号公報

（発明が解決しようとする課題）
繊維強化樹脂ペレットを製造するためには、繊維強化材を予め樹脂成分に含浸させる工程が必要である。このような含浸工程を経由して製造される繊維強化樹脂ペレットのコストは非常に高く、それに伴い繊維強化樹脂ペレットを使って成形した繊維強化樹脂成形体の製造コストも高い。よって、繊維強化樹脂ペレットを用いることなく繊維強化樹脂成形体を製造することができるように構成された射出成形装置、及びその製造方法が望まれる。

本発明は、繊維強化樹脂ペレットを用いることなく、安価に繊維強化樹脂成形体を製造することができるように構成された射出成形装置及び繊維強化樹脂成形体の製造方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂ペレット（Ｒ）及び、所定の長さの複数の繊維強化材が束ねられて形成された繊維束（Ｓ）が内部に供給される射出シリンダ（２）と、射出シリンダ内に回転可能に配設された射出スクリュー（３）と、樹脂ペレットを加熱する加熱装置（４２）と、加熱装置によって加熱された樹脂ペレットを射出シリンダ内に供給する樹脂供給装置（４１）と、繊維束を射出シリンダ内に供給する繊維供給装置（５）と、を備える射出成形装置であって、樹脂供給装置は、射出シリンダに取付けられ、射出シリンダ内に連通する樹脂供給空間を有し、樹脂供給空間内に樹脂ペレットが供給されるように構成され、加熱装置は、樹脂供給空間内に供給された樹脂ペレットを軟化させるように構成され、繊維供給装置は、非加熱状態の繊維束を射出シリンダ内に供給するように構成され、樹脂供給装置から樹脂供給空間内で軟化した状態の樹脂ペレットが、繊維供給装置から非加熱状態の繊維束が、射出シリンダ内に供給される、射出成形装置を提供する。

また、本発明は、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂ペレット（Ｒ）を加熱し、加熱された樹脂ペレットを射出シリンダ（２）内に供給する樹脂供給工程と、所定の長さの複数の繊維強化材が束ねられて形成された繊維束（Ｓ）を単位時間当たりに一定の割合で射出シリンダ内に供給する繊維供給工程と、射出シリンダ内の樹脂ペレットを溶融させるとともに、射出シリンダ内に配設された射出スクリュー（３）を回転駆動させることによって溶融樹脂と射出シリンダ内の繊維束とを混合して、溶融樹脂中に繊維強化材が分散されてなる溶融樹脂複合体を形成する溶融樹脂複合体形成工程と、射出スクリューを前進駆動させることによって溶融樹脂複合体を射出する射出工程と、を含む繊維強化樹脂成形体の製造方法であって、樹脂供給工程では、射出シリンダに取り付けられた樹脂供給装置内に形成される樹脂供給空間内で加熱により樹脂ペレットを軟化させ、軟化した状態の樹脂ペレットを射出シリンダ内に供給し、繊維供給工程では、非加熱状態の繊維束を射出シリンダ内に供給する、繊維強化樹脂成形体の製造方法を提供する。

この場合、溶融樹脂複合体形成工程は、溶融樹脂を射出シリンダ内の繊維束に含浸させる工程と、溶融樹脂が含浸した繊維束を解束する工程と、繊維束の解束により解れた繊維強化材を溶融樹脂中に分散させることにより溶融樹脂複合体を形成する工程とを含むのがよい。ここで、「解束」とは、繊維束がバラバラの繊維強化材に解れることを意味する。また、「樹脂ペレット」には繊維強化材が含まれていない。

本発明によれば、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂ペレットと繊維束がそれぞれ射出シリンダ内に供給される。射出シリンダ内に供給された樹脂ペレットは射出シリンダ内で混練されるとともに溶融して溶融樹脂を形成する。また、射出スクリューの回転駆動により射出シリンダ内に供給された繊維束と溶融樹脂が混合されるとともに射出スクリューの回転によるせん断力で繊維束が解束される。斯かる解束により繊維強化材が溶融樹脂中に分散されて溶融樹脂複合体が形成される。そして、溶融樹脂複合体が射出スクリューの前進駆動により射出されることによって繊維強化樹脂成形体が製造される。このようにして、繊維強化樹脂ペレットを用いることなく安価に繊維強化樹脂成形体を製造することができる。

また、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂ペレットは射出シリンダに供給される前に加熱装置により加熱されているので、射出シリンダに供給される前の樹脂ペレットは既に柔らかい。そのため射出シリンダ内に供給された樹脂ペレットは、射出シリンダ内での射出スクリューの回転によるせん断及び射出シリンダから与えられる熱によって速やかに溶融して低粘度の溶融樹脂を形成する。そして、低粘度の溶融樹脂が射出シリンダ内の繊維束に速やかに且つ容易に含浸する。繊維束に含浸した低粘度の溶融樹脂が繊維束を構成する複数の繊維強化材の隙間に入り込むことにより、繊維強化材間の接着力が弱められ、繊維束が解れ易くされる。したがって、射出スクリューの回転による僅かなせん断力の作用によって繊維束は容易に解束する。つまり、本発明によれば、射出シリンダ内の溶融樹脂の粘度を低下させることを目的として樹脂ペレットを事前に加熱装置によって加熱する。そして、粘度が低下した溶融樹脂を射出シリンダ内で繊維束に含浸させることによって、繊維束の解束を促進させる。その結果、成形品に繊維束が残存することを防止できるとともに、繊維束の解束により生じた個々の繊維強化材を樹脂中に均一分散させることができる。

なお、樹脂ペレットと繊維束が同じ供給装置（例えばホッパ）から射出シリンダ内に供給され、且つ、加熱装置が供給装置内で樹脂ペレットを加熱するように射出成形装置が構成されている場合、樹脂ペレットとともに繊維束も加熱装置により加熱されてしまう。繊維束は通常は接着剤により複数の繊維強化材が束ねられて形成されているため、繊維束が供給装置内で加熱された場合、繊維強化材を束ねている接着剤が溶ける。このため例えば供給装置の出口付近に溶融した接着剤が付着し、付着した接着剤に繊維強化材、繊維束、樹脂ペレットが付着する。そして、これらがブリッジを形成して射出シリンダ内への材料の供給を阻害する。このような不具合の発生を防止するためには、樹脂ペレットを射出シリンダに供給するための樹脂供給装置と、繊維束を射出シリンダに供給するための繊維供給装置とを別々に射出シリンダに取付けるとよい。

本発明においては、加熱装置の加熱方式は問わない。熱風乾燥、除湿乾燥、真空乾燥等のいずれの加熱方式により樹脂供給空間内の樹脂ペレットを加熱してもよい。また、樹脂供給装置としてホッパドライヤを用いても良い。

また、加熱装置により樹脂ペレットが加熱されるタイミングは、樹脂ペレットが射出シリンダ内に供給される前であればどのようなタイミングであってもよい。例えば、樹脂供給装置に供給される前の樹脂ペレットが加熱装置により加熱されていてもよいし、樹脂供給装置内で樹脂ペレットが加熱されていてもよい。また、樹脂供給装置が樹脂ペレットの搬送機構（例えばフィードスクリュー等）を備える場合、その搬送機構により搬送されている樹脂ペレットを加熱装置により加熱するように加熱装置を構成してもよい。この場合において、樹脂供給装置は、射出シリンダに取付けられ、射出シリンダ内に連通する樹脂供給空間（４１ｃ）を有し、樹脂供給空間内に樹脂ペレットが供給されるように構成されており、加熱装置は樹脂供給空間内に供給された樹脂ペレットを加熱するように構成されるとよい。

また、本発明においては、射出スクリューの圧縮比が、１．０以上であり且つ２．０以下であるのがよい。射出シリンダ内の射出スクリューの圧縮比を１．０〜２．０程度の低圧縮比に設定することにより、射出シリンダ内での射出スクリューの回転により射出シリンダ内の繊維強化材に作用するせん断力が小さくされる。よって、強いせん断力による繊維強化材の折損を抑制することができる。なお、上述したように繊維束が溶融樹脂の含浸で解れやすくなっているため、射出スクリューの回転により繊維束に作用するせん断力が小さくても、十分に繊維束は解束される。

また、加熱装置は、樹脂ペレットが樹脂供給装置内で溶融しないように樹脂ペレットを加熱するのがよい。この場合、加熱装置による樹脂ペレットの加熱温度の上限温度Ｔｕ［℃］が、樹脂ペレットの主成分を構成する熱可塑性樹脂の融点をＴｍ［℃］としたとき、Ｔｍ−２０［℃］で表わされるとよい。つまり、加熱装置による樹脂ペレットの加熱温度は、加熱する樹脂ペレットの主成分樹脂の融点よりも２０℃以上低い温度であるのがよい。また、非晶性樹脂が樹脂ペレットの主成分樹脂である場合、樹脂ペレットの加熱温度の上限温度Ｔｕは、その非晶性樹脂の熱変形温度Ｔｄ＋３０℃であるとよい。

樹脂ペレットの加熱温度が樹脂ペレットの主成分樹脂の融点付近の温度である場合、或いは、樹脂ペレットの主成分樹脂が非晶性樹脂である場合において樹脂ペレットの加熱温度がその非晶性樹脂の熱変形温度Ｔｄ＋３０℃を越えている場合、樹脂ペレットが溶融し、樹脂供給装置の内壁面に溶融樹脂が付着する。このため付着した溶融樹脂が樹脂供給装置から射出シリンダへの樹脂ペレットの供給を阻害する。これに対し、樹脂ペレットの加熱温度が主成分樹脂の融点よりも２０℃以上低ければ、或いは、樹脂ペレットの主成分樹脂が非晶性樹脂である場合において樹脂ペレットの加熱温度がその非晶性樹脂の熱変形温度Ｔｄ＋３０℃以下であれば、このような不具合の発生を防止できる。

また、上記溶融樹脂複合体形成工程は、溶融樹脂を射出シリンダ内の繊維束に含浸させる際に樹脂ペレットの粘度がＭＦＲ２０［ｇ／１０ｍｉｎ］以上の粘度となるように樹脂ペレットを溶融する工程をさらに含むとよい。これによれば、射出シリンダ内に供給された樹脂ペレットが溶融して形成された溶融樹脂の粘度がＭＦＲ２０［ｇ／１０ｍｉｎ．］以上の低粘度であれば、射出シリンダ内で速やかに繊維束内に溶融樹脂を含浸させることができる。なお、本実施形態におけるＭＦＲ（メルトマスフローレート）の値は、メルトフローインデクサーを用い、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｋ７２１０の規定に準拠して測定した数値である。

また、樹脂ペレットの主成分がポリプロピレンである場合、加熱装置は、樹脂ペレットを１００℃以上であり且つ１４０℃以下の温度に加熱するのがよい。これによれば、加熱装置による樹脂ペレットの加熱温度を上記範囲に設定することにより、樹脂供給装置内での樹脂ペレットの溶融を防止できるとともに、射出シリンダ内に供給されたときには樹脂ペレットが速やかに溶融して繊維束に含浸する。このため繊維束の解束が促進されて、繊維強化材が溶融樹脂中に均一に分散する。

なお、樹脂ペレットの主成分がポリプロピレンである場合、ポリプロピレンのホモポリマー（ホモＰＰ）にブロックコポリマー（ブロックＰＰ）が適量ブレンドされているのがよい。ホモＰＰにブロックＰＰを含ませることにより成形体の耐衝撃性が向上する。

本発明の実施形態に係る射出成形装置を示す概略図である。 成形体に含まれるガラス繊維束の平均個数を示すグラフである。 成形体に含まれるガラス繊維の平均長さを示すグラフである。 成形体の引張強さを示すグラフである。 成形体の曲げ弾性率を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る射出成形装置を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る射出成形装置１は、射出シリンダ２と、射出スクリュー３と、ホッパドライヤ４と、ガラス繊維供給ホッパ５と、駆動ユニット６と、ヒータ７とを備える。なお、図１において、型締装置、射出シリンダ２の動作制御装置等の付帯設備の構成は公知であるので省略されている。

射出シリンダ２は筒状部材でありその内部には円柱状の内部空間が形成される。射出シリンダ２内には、後述する樹脂ペレットＲ及びガラス繊維束Ｓが供給される。また、射出シリンダ２内に射出スクリュー３が射出シリンダ２と同軸的に収容される。射出シリンダ２の先端（図１において左端）にはノズル２ａが取付けられ、このノズル２ａから射出シリンダ２内の溶融樹脂が金型ＭＯに向けて射出される。射出された溶融樹脂は金型ＭＯ内のキャビティに充填される。溶融樹脂がキャビティ内で冷却されることにより、樹脂成形体が製造される。

射出シリンダ２の外周にヒータ７が取付けられる。ヒータ７を作動させることにより射出シリンダ２が加熱される。射出シリンダ２が加熱されることにより、射出シリンダ２内の樹脂やガラス繊維が加熱される。なお、射出シリンダ２の適所に温度センサが設置されており、この温度センサにより検出された温度情報が図示しないヒータ制御装置に入力される。ヒータ制御装置は、検出温度が設定温度に一致するようにヒータ７の動作を制御する。

射出シリンダ２内に配設された射出スクリュー３の基端に駆動ユニット６が連結される。駆動ユニット６が駆動することにより射出スクリュー３が射出シリンダ２内で回転する。つまり、射出スクリュー３は射出シリンダ２内に回転可能に配設される。また、射出スクリュー３は、不図示の油圧機構等によって、射出シリンダ２内を前進駆動及び後退駆動することができるように構成されている。

射出スクリュー３は、本実施形態ではフルフライトスクリューである。ただし、通常のフルフライトスクリューの圧縮比は２．５程度であるのに対し、本実施形態で用いる射出スクリュー３の圧縮比は、１．０以上であり２．０以下である。つまり、本実施形態で用いる射出スクリュー３は、通常の射出スクリューよりも圧縮比の低い低圧縮スクリューである。

図１に示すように、ホッパドライヤ４及びガラス繊維供給ホッパ５が射出シリンダ２の上部に取り付けられる。ホッパドライヤ４は、樹脂供給装置である樹脂供給ホッパ４１と、加熱装置４２とを備える。樹脂供給ホッパ４１は樹脂ペレットＲを受け入れることができるような容器形状をなし、内部に樹脂供給空間４１ｃが形成される。樹脂供給空間４１ｃは、樹脂出口通路４１ｂを経由して射出シリンダ２内に連通する。また、樹脂供給ホッパ４１の上部に樹脂供給口４１ａが形成される。樹脂供給口４１ａから樹脂ペレットＲが樹脂供給ホッパ４１の樹脂供給空間４１ｃ内に供給される。

樹脂供給ホッパ４１に供給される樹脂ペレットＲは球状でも良いし円柱状でも良い。また、樹脂ペレットＲを構成する主要な樹脂成分は、一般的に射出成形に利用される熱可塑性樹脂（汎用樹脂、エンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックを含む）であればどのようなものでもよい。本実施形態では、主成分が汎用樹脂であるポリプロピレン樹脂の樹脂ペレットを用いた。この場合、ポリプロピレンのホモポリマー（ホモＰＰ）にブロックコポリマー（ブロックＰＰ）を所定量ブレンドしたポリプロピレン樹脂ペレットを用いることができる。ホモＰＰにブロックＰＰを適量ブレンドすることにより、ブロックＰＰ中のＥＰＲ（エチレン・プロピレンゴム）の作用によって成形品の耐衝撃性が向上する。なお、樹脂ペレットＲには、主成分樹脂以外の成分、例えば樹脂改質剤、着色剤、光安定剤等の添加剤が含まれていても良い。ただしガラス繊維等の繊維強化材は含まれない。したがって、樹脂ペレットＲは安価である。

加熱装置４２は、ブロワと、電気ヒータと、温度制御装置とを備える。加熱装置４２は、ブロワにより取り込まれた外気を電気ヒータに通過させることによって熱風を生成するように構成される。加熱装置４２で生成された熱風は、加熱装置４２と樹脂供給ホッパ４１とを連結する通路４３を通って樹脂供給ホッパ４１内の樹脂供給空間４１ｃ内に送り込まれる。樹脂供給空間４１ｃ内に熱風が送り込まれることによって、樹脂供給空間４１ｃ内に供給された樹脂ペレットＲが加熱される。なお、樹脂供給空間４１ｃ内に温度センサが設けられており、温度センサにより樹脂供給空間４１ｃ内の温度が検出される。検出された温度情報が温度制御装置に入力される。温度制御装置は、樹脂供給空間４１ｃ内の温度が設定温度に一致するように、電気ヒータへの通電量を制御する。

上述したように、本実施形態では、主成分がポリプロピレン樹脂である樹脂ペレットＲを樹脂供給空間４１ｃ内に供給している。この場合、加熱装置４２によって、樹脂供給空間４１ｃの温度が１００℃から１４０℃の範囲内の温度となるように、すなわち樹脂ペレットＲが１００℃〜１４０℃に加熱されるように、加熱空間の加熱温度が調節される。樹脂ペレットＲの加熱温度の上限は、樹脂ペレットＲの主成分を構成するポリプロピレン樹脂の融点に依存する。具体的には、樹脂ペレットＲの加熱温度の上限温度Ｔｕ［℃］は、樹脂ペレットＲの主成分を構成するポリプロピレン樹脂の融点をＴｍ（＝１６０）［℃］としたとき、Ｔｍ−２０（＝１４０）［℃］で表わされる。つまり、加熱装置４２による樹脂ペレットＲの加熱温度は、加熱する樹脂ペレットＲの主成分樹脂の融点よりも２０℃以上低い温度である。樹脂ペレットＲの加熱温度が１４０℃以下であれば、加熱された樹脂ペレットＲが樹脂供給ホッパ４１内で溶融することはない。また、加熱温度が低すぎても加熱による効果が得られない。よって、樹脂ペレットＲの加熱温度は１００℃以上であり且つ１４０℃以下であるのがよい。

樹脂供給ホッパ４１の下部に樹脂出口通路４１ｂが形成される。樹脂出口通路４１ｂを経由して、加熱された樹脂供給空間４１ｃ内の樹脂ペレットＲが射出シリンダ２に供給される。なお、樹脂供給ホッパ４１には定量供給装置（図示省略）が組み込まれていて、この定量供給装置が作動することによって、単位時間当たりに一定量の樹脂ペレットＲが樹脂供給空間４１ｃから射出シリンダ２内に供給される。

ガラス繊維供給ホッパ５はホッパドライヤ４に併設される。ガラス繊維供給ホッパ５には電気ヒータ等の加熱手段が設けられていない。ガラス繊維供給ホッパ５は、ガラス繊維束（ガラス繊維チョップドストランド）Ｓを受け入れることができるような容器形状をなし、内部にガラス繊維供給空間５ｃが形成される。ガラス繊維供給空間５ｃは、ガラス繊維出口通路５ｂを経由して射出シリンダ２内に連通する。また、ガラス繊維供給ホッパ５の上部にガラス繊維供給口５ａが形成される。ガラス繊維供給口５ａからガラス繊維束Ｓがガラス繊維供給ホッパ５のガラス繊維供給空間５ｃ内に供給される。

本実施形態において、ガラス繊維供給空間５ｃ内に供給されるガラス繊維束Ｓは、所定の長さ（例えば繊維長１０ｍｍ）の複数のガラス繊維（繊維強化材）が接着剤により束状に結合されてなるガラス繊維の集合体である。１つのガラス繊維束Ｓが約３０００本のガラス繊維及びこれらを接着するための接着剤により構成される。

ガラス繊維供給ホッパ５の下部にガラス繊維出口通路５ｂが形成される。ガラス繊維出口通路５ｂを経由して、ガラス繊維供給空間５ｃ内のガラス繊維束Ｓが射出シリンダ２内に供給される。なお、ガラス繊維供給ホッパ５には定量供給装置（図示省略）が組み込まれていて、この定量供給装置が作動することによって、単位時間当たりに一定量のガラス繊維束Ｓがガラス繊維供給空間５ｃから射出シリンダ２内に供給される。

また、本実施形態においては、図１に示すように、樹脂出口通路４１ｂとガラス繊維出口通路５ｂは合流する。したがって、樹脂出口通路４１ｂ内の樹脂とガラス繊維出口通路５ｂ内のガラス繊維束Ｓは合流する。その後、合流後の樹脂ペレットＲとガラス繊維束Ｓはともに共通通路８を経由して射出シリンダ２内に供給される。

上記構成の射出成形装置１を用いてガラス繊維強化樹脂成形体を射出成形するためには、まず、射出シリンダ２の外周に取付けられているヒータ７を作動させて、射出シリンダ２内の温度を、内部の樹脂が溶融するような所望の温度に加熱する。また、駆動ユニット６を駆動させて射出シリンダ２内で射出スクリュー３を回転させる。

また、ホッパドライヤ４の樹脂供給ホッパ４１の樹脂供給空間４１ｃ内に樹脂ペレットＲを供給する。そして、加熱装置４２により樹脂供給空間４１ｃ内の樹脂ペレットＲを加熱する。この場合において、樹脂供給空間４１ｃの加熱温度が１００℃〜１４０℃、例えば１２０℃となるように制御される。

加熱装置４２によって樹脂供給空間４１ｃ内で所定の温度（例えば１２０℃）まで加熱された樹脂ペレットＲは、樹脂出口通路４１ｂ及び共通通路８を経由して射出シリンダ２内に供給される（樹脂供給工程）。このとき定量供給装置によって、単位時間当たりにおける射出シリンダ２内への樹脂ペレットＲの供給量が一定になるように、樹脂ペレットＲが樹脂供給ホッパ４１から排出される。

また、ガラス繊維供給ホッパ５のガラス繊維供給空間５ｃ内にガラス繊維束Ｓを供給する。供給されたガラス繊維束Ｓは、ガラス繊維出口通路５ｂ及び共通通路８を経由して、射出シリンダ２内に供給される（繊維供給工程）。このとき定量供給装置によって、単位時間当たりにおける射出シリンダ２内へのガラス繊維束Ｓの供給量が一定になるように、ガラス繊維束Ｓがガラス繊維供給ホッパ５から排出される。なお、上記したようにガラス繊維供給ホッパ５には電気ヒータ等の加熱手段が設けられていない。従って、ガラス繊維供給ホッパ５から非加熱状態のガラス繊維束Ｓが排出される。

ホッパドライヤ４の樹脂供給ホッパ４１から排出された樹脂ペレットＲとガラス繊維供給ホッパ５から排出されたガラス繊維束Ｓは共通通路８で合流し、共通通路８から射出シリンダ２内に供給される。射出シリンダ２内に供給された樹脂ペレットＲ及びガラス繊維束Ｓは、射出シリンダ２内の射出スクリュー３の基端部分に落下する。なお、公知のように、射出スクリュー３には、その基端側から先端側にかけて、フィードゾーン、コンプレッションゾーン、メータリングゾーンが形成されている。各ホッパからの樹脂ペレットＲ及びガラス繊維束Ｓは、射出スクリュー３のフィードゾーンに落下する。

射出シリンダ２内にて射出スクリュー３の基端部分（フィードゾーン）に落下した樹脂ペレットＲ及びガラス繊維束Ｓは、射出スクリュー３の回転により射出スクリュー３の基端側から先端側に向かって移送される。移送の過程で樹脂ペレットＲが射出シリンダ２から熱を受けて溶融するとともに、射出スクリュー３の回転駆動により溶融樹脂とガラス繊維束Ｓが混合される。そして、溶融樹脂が射出シリンダ２内でガラス繊維束Ｓに含浸する。溶融樹脂が含浸したガラス繊維束Ｓが射出スクリュー３の回転駆動によるせん断力を受けることにより、ガラス繊維束Ｓが解束される。ガラス繊維束Ｓの解束によりばらばらにされた個々のガラス繊維は溶融樹脂中に分散する。これにより、溶融樹脂及びガラス繊維を備え、溶融樹脂中にガラス繊維が分散されてなる溶融樹脂複合体が射出シリンダ２内に形成される（溶融樹脂複合体形成工程）。

射出シリンダ２内の溶融樹脂複合体は、射出スクリュー３の回転により射出スクリュー３の先端側に送り出される。そして、ノズル２ａと射出スクリュー３の先端との間に送られた溶融樹脂複合体が、射出スクリュー３の前進駆動によって、金型ＭＯのキャビティ内に射出される（射出工程）。このようにしてガラス繊維強化樹脂成形体が製造される。

本実施形態では、上記のように、ガラス繊維強化樹脂ペレットを用いずに、樹脂ペレットＲとガラス繊維束Ｓを用いて安価にガラス繊維強化樹脂成形体を製造することができる。また、樹脂ペレットＲもガラス繊維束Ｓも市販されている。よって、市販の樹脂ペレット及びガラス繊維束を用いることにより、より安価にガラス繊維強化樹脂成形体を製造することができる。

ガラス繊維は、通常は、可搬性及び取り扱い性を考慮して、ガラス繊維束（ガラス繊維チョップドストランド）という態様で市販される。本実施形態で用いるガラス繊維束Ｓは上述したように約３０００本のガラス繊維が接着剤で接着されることにより構成される。このような構成のガラス繊維束を射出シリンダ内に供給した場合、射出シリンダ内のガラス繊維束は射出スクリューの回転によるせん断力の作用により解束されるが、ガラス繊維間の接着力が強い場合には簡単には解束せず、そのため成形品内にガラス繊維束が残存する場合がある。成形品内にガラス繊維束が残存する場合、成形品の強度低下及び外観不良を引き起こす。このため、成形品内にはガラス繊維束が残存しないのがよい。

この場合、射出スクリューの圧縮比を大きくすれば、射出スクリューの回転によるせん断力が増大するためにガラス繊維束の解束が促進される。しかしながら、射出スクリューの圧縮比を大きくすることによりガラス繊維束の解束は促進されるものの、ガラス繊維自体に大きなせん断力が作用してガラス繊維が折損される。このためガラス繊維の繊維長に依存する成形体の物性（剛性、強度、耐衝撃性等）が著しく低下する。よって、射出スクリューの圧縮比を大きくすることはできない。

本実施形態では、ガラス繊維束Ｓの解束を促進するために、射出シリンダ２に供給される前の樹脂ペレットＲが加熱装置４２で事前に加熱される。このため、射出シリンダ２に供給される前に樹脂ペレットＲの軟化（低粘度化）が進行する。そして、射出シリンダ２内で射出スクリュー３の回転により樹脂ペレットがさらに混練され、樹脂の粘度がより低下して樹脂が溶融する。この場合、溶融樹脂が射出シリンダ２内にて繊維束に含浸する際、具体的には射出シリンダ２内の樹脂が射出スクリュー３のコンプレッションゾーンに移送される前に、ＭＦＲ２０［ｇ／ｍｉｎ．］で表わされる粘度よりも低い粘度となるように、樹脂ペレットＲが溶融される。

射出シリンダ２内で低粘度化された溶融樹脂は、射出シリンダ２内のガラス繊維束Ｓに含浸する。この場合、含浸する溶融樹脂の粘度が低いため、溶融樹脂がガラス繊維束Ｓを構成するガラス繊維とガラス繊維との間の隙間に容易に浸透する。このようなガラス繊維間への溶融樹脂の浸透作用によりガラス繊維同士の接着力が弱められる。つまり、ガラス繊維が解れ易くされる。したがって、僅かなせん断力の付与によりガラス繊維束Ｓが解束される。こうしてガラス繊維束Ｓの解束が促進される。

ガラス繊維束Ｓの解束が促進されることにより、ガラス繊維を成形品中に均一に分散させることができるとともに、成形品中にガラス繊維束Ｓが残存することが防止される。このため製品性能を維持することができるとともに、外観不良を低減することができる。また、僅かなせん断力をガラス繊維束Ｓに与えることによってガラス繊維束Ｓを解束させることができるので、射出スクリュー３の圧縮比を低めに設定することができる。本実施形態では、射出スクリュー３の圧縮比が１．０以上であり且つ２．０以下の範囲で設定される。このため射出スクリュー３の回転せん断力がガラス繊維に作用することによるガラス繊維の折損を抑えることができる。この場合、上述したようにガラス繊維束Ｓが低粘度の溶融樹脂の含浸で解れ易くなっているため、射出スクリュー３の回転によるせん断力が小さくても十分にガラス繊維束Ｓは解束される。

また、本実施形態によれば、射出シリンダ２に供給される前に樹脂ペレットＲを事前加熱することによって、樹脂ペレットＲは射出シリンダ２内に供給された直後に溶融するとともに射出シリンダ２内のガラス繊維束Ｓに速やかに含浸する。また、上述したように射出スクリュー３の圧縮比は低いので、射出スクリュー３の回転によるせん断力も低い。つまり、弱いせん断力がガラス繊維束Ｓに作用する。このため十分にガラス繊維束Ｓが解束されるとともに、解束により生じる個々のガラス繊維の折損を十分に抑制することができる。

樹脂ペレットの事前加熱が成形品に及ぼす影響（効果）を検証するため、図１に示すような射出成形装置１を用い、以下のようにして本実施形態に係る成形体（成形体１）及び比較のための成形体（成形体２）を作製した。そして、両者に含まれるガラス繊維束の個数、ガラス繊維長、及び、両者の物性（引張強さ、曲げ弾性率）を測定した。

＜成形体１（実施例）の作製＞
まず、ポリプロピレン樹脂を主成分とする樹脂ペレットＲをホッパドライヤ４の樹脂供給ホッパ４１に供給し、加熱装置４２を作動させて樹脂ペレットＲを樹脂供給ホッパ４１内で事前に加熱した。樹脂供給空間４１ｃの加熱温度は１２０℃、加熱時間は２時間である。なお、ポリプロピレン樹脂とガラス繊維とのバインダーとしての改質剤（無水マレイン酸変性ポリプロピレン）が予め樹脂ペレットＲ中に乾式混合（ドライブレンド）されている。また、ガラス繊維供給ホッパ５にガラス繊維束Ｓを供給した。ガラス繊維束Ｓは事前加熱されない。

ホッパドライヤ４で事前に加熱された樹脂ペレットＲを一定の供給速度で射出シリンダ２に供給するとともに、ガラス繊維供給ホッパ５内の非加熱状態のガラス繊維束Ｓを一定の供給速度で射出シリンダ２に供給した。射出シリンダ２内に供給された樹脂ペレットＲは、射出スクリュー３の回転により混練され、速やかに溶融される。この場合において、射出スクリュー３のコンプレッションゾーンに移送される前の溶融樹脂の粘度は約６０［ｇ／１０ｍｉｎ．］であった。また、射出スクリュー３の回転により溶融樹脂とガラス繊維束Ｓとを混合させるとともにガラス繊維束Ｓを解束させ、解束により解れたガラス繊維を溶融樹脂中に分散させて溶融樹脂複合体を形成した。そして、射出シリンダ２内の溶融樹脂複合体を金型ＭＯのキャビティに射出することにより成形体１を作製した。

＜成形体２（比較例）の作製＞
成形体１の作製に用いられた樹脂ペレットＲを事前に加熱することなく一定の供給速度で射出シリンダ２に供給するとともに、非加熱状態のガラス繊維束Ｓを一定の供給速度で射出シリンダ２内に供給した。射出シリンダ２内に供給された樹脂ペレットＲは、射出スクリュー３の回転により混練されて、溶融される。また、射出シリンダ２内での射出スクリュー３の回転により溶融樹脂とガラス繊維束Ｓとを混合させるとともにガラス繊維束Ｓを解束させ、解束により解れたガラス繊維を溶融樹脂中に分散させて溶融樹脂複合体を形成した。そして、射出シリンダ２内の溶融樹脂複合体を金型ＭＯのキャビティに射出することにより成形体２を作製した。

なお、成形体１の作製時及び成形体２の作製時におけるその他の成形条件（射出シリンダの温度条件、射出スクリューの形状、射出スクリューの回転数等、成形体の形状）は同一である。

＜成形体の外観評価＞
作製した成形体１及び成形体２の外観品質を評価した。外観評価にあたり、作製した成形体１及び成形体２の外観に現れているガラス繊維束の個数をカウントした。カウントした個数が少ないほど外観品質が良いと評価し、多いほど外観品質が悪いと評価した。

図２は、成形体に含まれるガラス繊維束の平均個数を示すグラフである。図２に示すように、成形体２（比較例）に含まれるガラス繊維束の平均個数は１０個であるのに対し、成形体１（実施例）に含まれるガラス繊維束の平均個数は４個である。このことから、成形体１（実施例）の外観品質が向上することがわかる。

＜成形体に含まれるガラス繊維長の評価＞
また、作製した成形体１及び成形体２の樹脂部分を燃焼により除去してガラス繊維を抽出し、抽出したガラス繊維の繊維長を測定した。そして、成形体１内のガラス繊維の平均繊維長と成形体２内のガラス繊維の平均繊維長とを比較した。

図３は、成形体に含まれるガラス繊維の平均長さを示すグラフである。図３に示すように、成形体２（比較例）に含まれるガラス繊維の平均長さは１．０６ｍｍであるのに対し、成形体１（実施例）に含まれるガラス繊維の平均長さは１．２３ｍｍである。このことから、成形体１（実施例）においては、成形過程におけるガラス繊維の折損が抑制されることがわかる。

＜成形体の物性評価＞
また、ＪＩＳ Ｋ７１６２ １Ａに準拠したダンベル片を成形体１及び成形体２として作製し、作製したダンベル片を用いて引張強さ及び曲げ弾性率を測定した。

図４、図５は、成形体の引張強さ及び曲げ弾性率を示すグラフである。図４及び図５に示すように、引張強さ、曲げ弾性率共に、成形体２（比較例）よりも成形体１（実施例）の方が優れる。このことから、成形体１（実施例）においては、繊維長さに依存する物性を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、樹脂ペレットＲとガラス繊維束Ｓがそれぞれ射出シリンダ２に供給され、射出シリンダ２内で樹脂ペレットＲが溶融されるとともに溶融樹脂中にガラス繊維が分散されて溶融樹脂複合体が形成される。そして、射出シリンダ２内の溶融樹脂複合体が射出されることによって繊維強化樹脂成形体が成形される。このようにして、繊維強化樹脂ペレットを用いることなく安価に繊維強化樹脂成形体を製造することができる。

また、樹脂ペレットＲが射出シリンダ２に供給される前に樹脂供給ホッパ４１内で加熱装置４２により加熱されるため、射出シリンダ２内に供給された樹脂ペレットＲは速やかに溶融して低粘度の溶融樹脂を形成する。そして、低粘度の溶融樹脂が射出シリンダ２内のガラス繊維束Ｓに含浸してガラス繊維を解すことによりガラス繊維間の接着力が弱められる。よって、射出スクリュー３の回転による僅かなせん断力の作用により容易にガラス繊維束Ｓが解束される。その結果、ガラス繊維束Ｓの解束により生じた個々のガラス繊維が溶融樹脂中に均一分散される。よって、成形品の物性の低下及び外観不良等の不具合の発生を防止することができる。

また、射出スクリューの圧縮比が、１．０以上であり且つ２．０以下であるので、射出シリンダ２内での射出スクリュー３の回転により溶融樹脂及びガラス繊維束Ｓに作用するせん断力を小さくすることができる。よって、射出シリンダ２内でのガラス繊維の過剰な折損を抑制することができる。

また、加熱装置４２によって、樹脂供給ホッパ４１の樹脂供給空間４１ｃ内に供給された樹脂ペレットＲが、その主成分を構成するポリプロピレン樹脂の融点（１６０℃〜１６５℃）よりも２０℃以上低い温度、具体的には１２０℃に加熱される。このため、加熱した樹脂ペレットＲが樹脂供給ホッパ４１内で溶融することはない。よって、樹脂供給ホッパ４１の内壁面に溶融樹脂が付着するような事態の発生を防止することができ、斯かる事態の発生に起因する不具合の発生、例えば樹脂供給ホッパ４１から射出シリンダ２への樹脂ペレットＲの供給を阻害するといった不具合の発生を防止できる。

また、加熱装置４２により樹脂ペレットＲを１００℃〜１４０℃、好ましくは１１０℃〜１４０℃、より好ましくは、１２０℃〜１４０℃に加熱することにより、樹脂供給ホッパ４１内での樹脂ペレットＲの溶融を防止できるとともに、樹脂ペレットＲが射出シリンダ２内に供給された後に樹脂ペレットＲが速やかに溶融する。このため、射出シリンダ２内にて速やかに溶融樹脂をガラス繊維束Ｓに含浸させることができる。その結果、ガラス繊維束の解束が促進され、ガラス繊維を溶融樹脂中に均一に分散させることができる。

また、上記実施形態によれば、樹脂出口通路４１ｂとガラス繊維出口通路５ｂが合流して１本の共通通路８にされ、供給通路８から樹脂ペレットＲとガラス繊維束Ｓが混ざり合って射出シリンダ２内に供給される。このようにして樹脂ペレットＲとガラス繊維束Ｓが混ざり合って射出シリンダ２内に供給されるため、射出シリンダ２内でより速やかに溶融樹脂をガラス繊維束Ｓに含浸させることができる。

また、上記実施形態によれば、射出シリンダ２内で溶融樹脂を射出シリンダ２内の繊維束に含浸させる際、具体的には射出シリンダ２内の射出スクリュー３のコンプレッションゾーンに移送される前の段階で、樹脂ペレットの粘度がＭＦＲ２０［ｇ／１０ｍｉｎ］以上の粘度となるように前記樹脂ペレットが溶融される。従って、射出シリンダ２内で速やかに繊維束内に溶融樹脂を含浸させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態では、樹脂ペレットＲの主成分としてポリプロピレン樹脂を用いた例を示したが、射出成形に利用できる熱可塑性樹脂であれば、その種類を問わない。また、上記実施形態では、繊維強化材としてガラス繊維を用いる例を示したが、それ以外の繊維強化材、例えば炭素繊維等を用いても良い。また、溶融樹脂複合体をプレス装置の下型に供給し、プレス装置の上形を閉鎖して成形（例えばスタンピング成形）を行う場合についても、本発明の射出成形装置を溶融樹脂複合体の供給に用いることができる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１…射出成形装置、２…射出シリンダ、２ａ…ノズル、３…射出スクリュー、４…ホッパドライヤ、４１…樹脂供給ホッパ（樹脂供給装置）、４１ａ…樹脂供給口、４１ｂ…樹脂出口通路、４１ｃ…樹脂供給空間、４２…加熱装置、４３…通路、５…ガラス繊維供給ホッパ（繊維供給装置）、５ａ…ガラス繊維供給口、５ｂ…ガラス繊維出口通路、５ｃ…ガラス繊維供給空間、６…駆動ユニット、７…ヒータ、８…共通通路、Ｒ…樹脂ペレット、Ｓ…ガラス繊維束

Claims (10)

1. 熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂ペレット及び、所定の長さの複数の繊維強化材が束ねられて形成された繊維束が内部に供給される射出シリンダと、
   前記射出シリンダ内に回転可能に配設された射出スクリューと、
   前記樹脂ペレットを加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置によって加熱された前記樹脂ペレットを前記射出シリンダ内に供給する樹脂供給装置と、
   前記繊維束を前記射出シリンダ内に供給する繊維供給装置と、
   を備える射出成形装置であって、
   前記樹脂供給装置は、前記射出シリンダに取付けられ、前記射出シリンダ内に連通する樹脂供給空間を有し、前記樹脂供給空間内に前記樹脂ペレットが供給されるように構成され、
   前記加熱装置は、前記樹脂供給空間内に供給された前記樹脂ペレットを軟化させるように構成され、
   前記繊維供給装置は、非加熱状態の前記繊維束を前記射出シリンダ内に供給するように構成され、
   前記樹脂供給装置から前記樹脂供給空間内で軟化した状態の前記樹脂ペレットが、前記繊維供給装置から非加熱状態の前記繊維束が、前記射出シリンダ内に供給される、射出成形装置。
2. 請求項１に記載の射出成形装置において、
   前記樹脂供給装置と前記繊維供給装置は、前記射出シリンダに別々に取り付けられる、射出成形装置。
3. 請求項１又は２に記載の射出成形装置において、
   前記繊維供給装置には、単位時間当たりに一定量の繊維束を前記射出シリンダ内に供給する定量供給装置が組み込まれている、射出成形装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の射出成形装置において、
   前記射出スクリューの圧縮比が、１．０以上であり且つ２．０以下である、射出成形装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の射出成形装置において、
   前記加熱装置は、樹脂ペレットが前記樹脂供給装置内で溶融しないように樹脂ペレットを加熱する、射出成形装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の射出成形装置において、
   前記加熱装置による前記樹脂ペレットの加熱温度の上限温度Ｔｕ［℃］が、樹脂ペレットの主成分を構成する熱可塑性樹脂の融点をＴｍ［℃］としたとき、Ｔｍ−２０［℃］で表わされる、射出成形装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の射出成形装置において、
   前記樹脂ペレットの主成分がポリプロピレンであり、
   前記加熱装置は、前記樹脂ペレットを１００℃以上であり且つ１４０℃以下の温度に加熱する、射出成形装置。
8. 熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂ペレットを加熱し、加熱された前記樹脂ペレットを射出シリンダ内に供給する樹脂供給工程と、
   所定の長さの複数の繊維強化材が束ねられて形成された繊維束を単位時間当たりに一定の割合で前記射出シリンダ内に供給する繊維供給工程と、
   前記射出シリンダ内の前記樹脂ペレットを溶融させるとともに、前記射出シリンダ内に配設された射出スクリューを回転駆動させることによって前記溶融樹脂と前記射出シリンダ内の前記繊維束とを混合して、前記溶融樹脂中に前記繊維強化材が分散されてなる溶融樹脂複合体を形成する溶融樹脂複合体形成工程と、
   前記射出スクリューを前進駆動させることによって前記溶融樹脂複合体を射出する射出工程と、
   を含む、繊維強化樹脂成形体の製造方法であって、
   前記樹脂供給工程では、前記射出シリンダに取り付けられた樹脂供給装置内に形成される樹脂供給空間内で加熱により前記樹脂ペレットを軟化させ、軟化した状態の前記樹脂ペレットを前記射出シリンダ内に供給し、
   前記繊維供給工程では、非加熱状態の前記繊維束を前記射出シリンダ内に供給する、
   繊維強化樹脂成形体の製造方法。
9. 請求項８に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法において、
   前記溶融樹脂複合体形成工程は、
   前記溶融樹脂を前記射出シリンダ内の前記繊維束に含浸させる工程と、前記溶融樹脂が含浸した前記繊維束を解束する工程と、前記繊維束の解束により解れた繊維強化材を前記溶融樹脂中に分散させることにより前記溶融樹脂複合体を形成する工程とを含む、繊維強化樹脂成形体の製造方法。
10. 請求項９に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法において、
    前記溶融樹脂複合体形成工程は、前記溶融樹脂を前記射出シリンダ内の前記繊維束に含浸させる際に前記樹脂ペレットの粘度がＭＦＲ２０［ｇ／１０ｍｉｎ］以上の粘度となるように前記樹脂ペレットを溶融する工程をさらに含む、繊維強化樹脂成形体の製造方法。
    

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