JP6301666B2 - 繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は繊維強化樹脂成形品の製造方法に関する。

カーボン繊維は軽量で且つ高剛性を有するため繊維強化樹脂成形品の強化用繊維として用いられている。このような繊維強化樹脂成形品は射出成形で製造することができるが、カーボン繊維を含有する樹脂ペレットの混練時や成形時にそのカーボン繊維が折損することが知られている。この折損により、得られる繊維強化樹脂成形品の物性（強度、弾性、導電性等）が低くなる。

これに対して、特許文献１には、混練や成形等の製造過程におけるカーボン繊維の折損を抑制するために、特定の結晶サイズを有する特定の結晶構造の柔軟性を有するカーボン繊維を用いることが記載されている。また、同文献には、必要に応じて、カーボン繊維に加えてガラス繊維をペレットに加えてもよいことが記載されている。但し、カーボン繊維に対するガラス繊維の添加割合については記載されていない。

特開２０１０−７７４０７号公報

本発明者は、繊維強化樹脂成形材料（ペレット）の射出成形過程における繊維の折損状況を分析した。その結果、射出成形機における成形材料を下流側に移送する供給部、成形材料を圧縮し可塑化する圧縮部、及び成形材料を混練し計量する計量部において、強化繊維の折損が大きく進むこと、つまり、スクリューによる成形材料のせん断が強化繊維の折損の主たる原因であることを確認した。また、カーボン繊維の折損を成形材料面から実験・検討すると、カーボン繊維の折損の抑制にガラス繊維の添加が有効であることを見いだした。

そこで、本発明は、特許文献１に記載の発明のようなカーボン繊維自体の機械的性質の面からその折損に対策するのではなく、原料配合及び射出成形過程におけるせん断という面からカーボン繊維の折損に対策することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、成形材料におけるカーボン繊維とガラス繊維の配合を特定の配合にするとともに、射出成形機に低せん断型スクリューを採用するようにした。

ここに提示する繊維強化樹脂成形品の製造方法は、カーボン繊維を含有するカーボン繊維樹脂ペレットと、ガラス繊維を含有するガラス繊維樹脂ペレットとを含む成形材料を用い、射出成形によって繊維強化樹脂成形品を得る方法であって、
上記成形材料における上記カーボン繊維の含有率を１質量％以上４質量％以下とし、
上記成形材料における上記ガラス繊維の含有率を３０質量％以上５０質量％以下とし、
上記射出成形に、圧縮比が１．６以上１．８以下であり、供給部の溝深さが上記樹脂ペレットのいずれのペレット長さよりも大きいシングルフライトの低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いることを特徴とする。

実験によれば、上記カーボン繊維及びガラス繊維の配合であるとき、上記低せん断型スクリューの採用により、カーボン繊維の折損抑制効果が高くなった。これは次のように考えられる。

１）カーボン繊維の配合量を抑えたことによって、カーボン繊維の凝集（束化）が防止され、そのことが折損抑制に効いた。

２）カーボン繊維の配合量を抑えたことによって、スクリューから成形材料にせん断力が作用するときの成形材料中でのカーボン繊維の逃げ場が相対的に広がり、カーボン繊維がダメージを受けにくくなった。

３）ガラス繊維の配合量が多いことにより、ガラス繊維間にカーボン繊維をせん断から守る空間ができ、ガラス繊維によってカーボン繊維の折損が抑えられた。

４）低せん断型スクリューの採用による以下の５）から７）の効果により、上記３）のガラス繊維がカーボン繊維をせん断から保護する構造が崩れ難くなった。

５）圧縮比を小さくしたことにより、圧縮部で成形材料に加わるせん断力が小さくなり、カーボン繊維及びガラス繊維が受けるダメージが少なくなった。

６）供給部の溝深さを大きくしたことにより、樹脂ペレットがスクリューに食い込む際のカーボン繊維及びガラス繊維の折損が抑制された。

７）シングルフライトの採用により、カーボン繊維及びガラス繊維に大きな力が加わる成形材料のフライト乗越えが少なくなり、また、狭いフライト間での成形材料のせん断が抑制され、その結果、カーボン繊維及びガラス繊維の折損が抑制された。

上記１）から３）の観点から、上記ガラス繊維の含有率を４０質量％以上５０質量％以下とすることがさらに好ましい。

供給部の溝深さは、例えば、成形材料に長繊維強化樹脂ペレットを採用する場合は２０ｍｍ以上とし、成形材料に短繊維強化樹脂ペレットを採用する場合は３ｍｍ以上とし、成形材料に長繊維と短繊維の中間長さの中間繊維を含有する樹脂ペレットを採用する場合は１０ｍｍ以上とすればよい。

また、上記カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレットのマトリックス樹脂はいずれも、ＭＦＲ（温度２３０℃，荷重２．１６ｋｇ）が９ｇ／１０分以上４５ｇ／１０分未満であるＰＰであることが好ましい。これにより、カーボン繊維及びガラス繊維の折損抑制に有利になる。

また、上記スクリューの長さＬと径Ｄの比Ｌ／Ｄを２２以上とすること、すなわち、供給部を長くすることが好ましい。これにより、カーボン繊維及びガラス繊維の折損を抑制しながら、樹脂ペレットの可塑化及び解繊性を向上させることができる。

また、上記射出成形機の逆流防止リングは上記スクリューと共に回転する共回り型であることが好ましい。これにより、スクリューヘッドと逆流防止リングとの間で成形材料に強いせん断力が加わることが防止され、カーボン繊維及びガラス繊維の折損防止に有利になる。

以上のように、本発明によれば、カーボン繊維樹脂ペレットとガラス繊維樹脂ペレットとを含む成形材料を用い、射出成形によって繊維強化樹脂成形品を得る方法において、カーボン繊維の配合量を１質量％以上４質量％以下とし、ガラス繊維の配合量を３０質量％以上５０質量％以下とし、上記射出成形に、圧縮比が１．６以上１．８以下であり、供給部の溝深さが上記樹脂ペレットのいずれのペレット長さよりも大きいシングルフライトの低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いるようにしたから、繊維強化樹脂成形品の製造過程におけるカーボン繊維の折損が抑制され、該繊維強化樹脂成形品の物性の向上に有利になる。

本発明の実施形態に係る射出成形機を示す断面図である。 同射出成形機のスクリューの供給部を拡大して示す側面図である。 同射出成形機の逆流防止リング部分を拡大して示す断面図である。 カーボン繊維含有率４％でのガラス繊維の有無及びスクリューのタイプがカーボン繊維の折損に及ぼす影響を示すグラフ図である。 カーボン繊維含有率９％でのガラス繊維の有無及びスクリューのタイプがカーボン繊維の折損に及ぼす影響を示すグラフ図である。 ガラス繊維含有率を４０％に固定しカーボン繊維含有率を変化させてときのカーボン繊維の折損に及ぼす影響を示すグラフ図である。 カーボン繊維含有率を４％に固定しガラス繊維含有率を変化させてときのカーボン繊維の折損に及ぼす影響を示すグラフ図である。 カーボン繊維が多数のガラス繊維で囲まれている状態（Ａ）及び少数のガラス繊維で囲まれている状態（Ｂ）を示す模式図である。 カーボン繊維が多数のガラス繊維で囲まれている構造の低せん断成形時の状態（Ａ）と高せん断成形時の状態（Ｂ）を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜射出成形機＞
図１に示す射出成形機において、１は加熱シリンダ、２は加熱シリンダ１内に回転可能にかつ進退自在に配置された低せん断型スクリューである。射出成形機は、図示は省略しているが、スクリュー２を回転駆動する油圧モータ及びスクリュー２を進退駆動する射出シリンダを備えている。

加熱シリンダ１の基端側には成形材料を投入するホッパ３が設けられ、加熱シリンダ１の先端には射出ノズル４が設けられている。加熱シリンダ１の外周には外部ヒータ５としてのバンドヒータが巻かれている。射出ノズル４は繊維強化樹脂成形品を成形する金型６のランナー７に接続されている。金型６はランナー７を有する固定型６ａと可動型６ｂとによって構成されている。固定型６ａと可動型６ｂによってキャビティ８が形成されている。

スクリュー２は、スクリュー本体１１と、スクリュー本体１１の先端に結合されたスクリューヘッド１２とを備えている。スクリュー本体１１は、フライト１３が１条で形成されているシングルフライト型である。スクリュー本体１１の長さ（材料供給口１３からスクリュー先端までの長さ）Ｌとスクリュー本体１１の直径Ｄの比Ｌ／Ｄは２２以上である。Ｌ／Ｄ比の上限は例えば３０程度とすればよい。

スクリュー本体１１は、基端側（上流側）から先端側（下流側）に向かって順に供給部１４、圧縮部１５及び計量部１６を備えている。供給部１４は、直径Ｄの１０倍以上１５倍以下の長さを有する。図２に示すように、供給部１４のスクリュー溝深さ（フライト１３の高さ）ｄは供給部１４の全長にわたって一定であり、その溝深さｄは成形材料１７のいずれのペレット長さよりも大きい。ホッパ３から供給部１４に供給された成形材料１７は、外部ヒータ５の熱を受けて軟化しながら、スクリュー２の回転によって、フライト１３で区切られた空間内を圧縮部１５に向かって送られる。

圧縮部１５はスクリュー溝深さが漸減する区間である。成形材料１７は、圧縮部１５において、スクリュー２の回転によって圧縮されて大きなせん断力と熱を受けて可塑化して溶融し、溶融樹脂として計量部１６に送られる。計量部１６は、溶融樹脂をスクリュー２の前方の樹脂溜め部に貯えられるように、スクリュー溝深さが小さく形成されている。

スクリュー２の圧縮比（供給部１４と計量部１６の溝部の１ピッチ当たりの体積の比）は１．６以上１．８以下である。

図３に示すように、スクリューヘッド１２の背部には共回り構造の逆流防止リング１８が設けられている。逆流防止リング１８は、スクリュー本体１１とスクリューヘッド１２とを結合する結合軸１９に隙間を存して進退自在に嵌められている。スクリューヘッド１２の基端部外周には、当該ヘッド１２の基端面に開口した溝２１が周方向に間隔をおいて形成されており、この溝２１に逆流防止リング１８より前方に突出した突起２２が係合している。この係合により、逆流防止リング１８は、スクリュー２と共に回転するようになっている。

＜繊維強化樹脂成形品の成形＞
−成形材料について−
繊維強化樹脂成形品の成形においては、成形材料１７として、ペレット長さ方向に延びるカーボン繊維束に樹脂を含浸してなるカーボン繊維樹脂ペレット、ペレット長さ方向に延びるガラス繊維束に樹脂を含浸してなるガラス繊維樹脂ペレット、強化用繊維を含有しない希釈用樹脂ペレットを用いる。

上記カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレット各々のマトリックス樹脂、並びに希釈用樹脂ペレットには、ＭＦＲ（温度２３０℃，荷重２．１６ｋｇ）が９ｇ／１０分以上４５ｇ／１０分未満であるＰＰ（ポリプロピレン）を採用することが好ましい。

上記カーボン繊維樹脂ペレット、ガラス繊維樹脂ペレット及び希釈用樹脂ペレットは、当該成形材料１７の全量におけるカーボン繊維の含有率が１質量％以上７質量％以下となり、同じくガラス繊維の含有率が３０質量％以上５０質量％以下となるように混合してホッパ３に投入する。

−ガラス繊維の有無及び射出成形機のスクリューのタイプがカーボン繊維の折損に及ぼす影響−
上記カーボン繊維樹脂ペレット、ガラス繊維樹脂ペレット及び希釈用樹脂ペレットによって、カーボン繊維含有率及びガラス繊維含有率が異なる４種類の成形材料を調製した。つまり、カーボン繊維含有率４％×ガラス繊維含有率４０％、カーボン繊維含有率４％×ガラス繊維含有率０％、カーボン繊維含有率９％×ガラス繊維含有率４０％、カーボン繊維含有率９％×ガラス繊維含有率０％の４種類である。

カーボン繊維樹脂ペレットとしては、カーボン長繊維／ＰＰ＝３０／７０質量比の東レ社製ＴＬＰ８１６９を用い、ガラス繊維樹脂ペレットとしては、ガラス長繊維／ＰＰ＝５７／４３質量比の日本ポリプロ社製ＬＲ２６Ｙを用い、希釈用樹脂ペレットとしては、日本ポリプロ社製ＢＣ０６Ｃを採用した。それら樹脂ペレットの物性を表１に示す。

上記４種類の成形材料について、低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いたとき、並びに、通常スクリューを備えた射出成形機を用いたときの、得られた繊維強化樹脂成形品のカーボン繊維の長さを測定した。使用した低せん断型スクリュー及び通常スクリューの諸元は表２に示すとおりである。なお、表２の逆流防止リングの流路とは、図３の例でいえば、逆流防止リング１８とスクリューヘッド１２との間に形成された流路２０の断面積を意味する。

低せん断型スクリュー及び通常スクリューのいずれを採用した射出成形においても、加熱シリンダ温度は２８０℃、金型温度は４０℃、射出圧は１４０ＭＰａ、射出速度は８０ｍｍ／ｓ、背圧は６ＭＰａ、保圧は５０ＭＰａ、計量ストロークは９５ｍｍ、回転速度は５０ｒｐｍとした。カーボン繊維長さの測定結果を表３、図４及び図５に示す。図４はカーボン繊維含有率を４％とした例１〜例４の結果を示し、図５はカーボン繊維含有率を９％とした例５〜例８の結果を示す。図４及び図５において、「ＧＦ４０％」及び「ＧＦ０％」はそれぞれガラス繊維含有率を表す。

図４（カーボン繊維含有率４％）によれば、通常スクリューを用いたときの繊維強化樹脂成形品のカーボン繊維長さはガラス繊維（ＧＦ）の有無で大差ない。一方、低せん断型スクリューを用いたときは、ガラス繊維（ＧＦ）の有無によって得られる繊維強化樹脂成形品のカーボン繊維長さが大きく異なる。ガラス繊維含有率４０％のときのカーボン繊維長さは、ガラス繊維含有率０％のときのカーボン繊維長さよりも長く、且つ通常スクリューを用いたときのカーボン繊維長さよりも長い。つまり、低せん断型スクリューを用いた場合は、ガラス繊維含有率を４０％にすると、カーボン繊維の折損が抑制されるという結果になっている。

図５（カーボン繊維含有率９％）によれば、低せん断型スクリューを用いた方が通常スクリューを用いた場合よりもカーボン繊維長さが長くなっているが、ガラス繊維含有率を４０％としても、カーボン繊維含有率４％のケース（図４）のようなカーボン繊維の折損抑制効果は認められない。

以上から、低せん断型スクリューを用いると、カーボン繊維の折損が抑制されること、そして、カーボン繊維含有率とガラス繊維含有率がカーボン繊維の折損抑制に関わっていることがわかる。

−カーボン繊維含有率及びガラス繊維含有率がカーボン繊維の折損に及ぼす影響−
表２に示す低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用い、成形材料のガラス繊維含有率を４０％に固定してカーボン繊維含有率を変化させたときの、繊維強化樹脂成形品のカーボン繊維長さ及びガラス繊維長さを調べた。但し、ガラス繊維樹脂ペレットには日本ポリプロ社製ＢＣ０６Ｃを採用し、カーボン繊維樹脂ペレットとしては、ダイセル社製プラストロンＰＰ−ＣＦ４０を採用した。

結果を図６に示す。同図によれば、カーボン繊維含有率が変わっても、ガラス繊維長さはあまり変わらない。一方、カーボン繊維長さをみると、カーボン繊維含有率が８％になるまでは該含有率が高くなるほどカーボン繊維長さが短くなる傾向が見られる。

表２に示す低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用い、成形材料のカーボン繊維含有率を４％に固定してガラス繊維含有率を変化させたときのカーボン繊維長さを調べた。但し、ガラス繊維樹脂ペレットには日本ポリプロ社製ＢＣ０６Ｃを採用し、カーボン繊維樹脂ペレットとしては、ダイセル社製プラストロンＰＰ−ＣＦ４０を採用した。結果を図７に示す。同図によれば、ガラス繊維含有率が４０％になるまでは該含有率が高くなるほどカーボン繊維長さが長くなる傾向が見られる。

−考察−
図４乃至図７の結果は次のことを意味していると考えられる。まず、成形材料がスクリューによる供給、圧縮及び計量の各過程でせん断力を受けることに伴ってカーボン繊維にも力が加わる。図８（Ａ）に示すように、カーボン繊維２３の周りにガラス繊維２４が多数存在するときは（図４，図６、図７のカーボン繊維含有率４％×ガラス繊維含有率４０％のケース）、ガラス繊維２４によってカーボン繊維２３をせん断から守る空間ができる。つまり、ガラス繊維２４によってカーボン繊維２３の折損が抑制される。

しかし、図８（Ｂ）に示すように、カーボン繊維２３の周りのガラス繊維２４の本数が少ないとき（図７のカーボン繊維含有率４％×ガラス繊維含有率２０％のケース）は、カーボン繊維２３をせん断から守る空間がガラス繊維２４によって十分に形成されない。そのため、カーボン繊維２３が折損し易い。

図９（Ａ）に示すように、射出成形機が成形材料に与えるせん断力が小さいとき（低せん断型スクリューを採用したとき）は、ガラス繊維２４がカーボン繊維２３をせん断から守る構造が大きく崩れないため、カーボン繊維２３の折損が少なくなる。しかし、図９（Ｂ）に示すように、上記せん断力が大きいとき（通常スクリューを採用したとき）は、ガラス繊維２４がカーボン繊維２４をせん断から守る構造が崩れ易く、そのため、カーボン繊維２３が折損し易くなる。

ここに、低せん断型スクリュー採用の効果は次のとおりである。シングルフライト１３の採用により、カーボン繊維及びガラス繊維に大きな力が加わる成形材料のフライト乗越えが少なくなる。また、狭いフライト間でカーボン繊維及びガラス繊維に大きな力が加わることが防止される。圧縮比を小さくしたことにより、圧縮部で成形材料に加わるせん断力が小さくなり、カーボン繊維及びガラス繊維が受けるダメージが少なくなる。供給部１４の溝深さｄを大きくしたことにより、樹脂ペレットがスクリューに食い込む際のカーボン繊維及びガラス繊維の折損が抑制される。解繊を促進するミキシングヘッドがないため、カーボン繊維及びガラス繊維に強いダメージを与えることがない。Ｌ／Ｄ比が大きいため（供給部１４が長いため）、カーボン繊維及びガラス繊維に強いダメージを与えることなく解繊が進む。逆流防止リング１８がスクリューに共回りするため、カーボン繊維及びガラス繊維がスクリューヘッド１２と逆流防止リング１８の間の流路を通過するときに受けるダメージが小さくなる。スクリューヘッド１２と逆流防止リング１８の間の流路を拡大したため、該流路を成形材料が通過し易くなり、カーボン繊維及びガラス繊維が受けるダメージが小さくなる。

また、図６から、カーボン繊維の折損を抑制するためには、カーボン繊維含有率を１質量％以上４質量％以下にすることが好ましいことがわかる。図７から、カーボン繊維の折損を抑制するためには、ガラス繊維含有率を３０質量％以上５０質量％以下とすること、さらには４０質量％以上５０質量％以下にすることが好ましいことがわかる。

１ 加熱シリンダ
２ スクリュー
１１ スクリュー本体
１２ スクリューヘッド
１４ 供給部
１５ 圧縮部
１６ 計量部
１７ 成形材料
１８ 逆流防止リング
２３ カーボン繊維
２４ ガラス繊維

Claims (5)

1. カーボン繊維を含有するカーボン繊維樹脂ペレットと、ガラス繊維を含有するガラス繊維樹脂ペレットとを含む成形材料を用いた射出成形による繊維強化樹脂成形品の製造方法であって、
   上記成形材料における上記カーボン繊維の含有率を１質量％以上４質量％以下とし、
   上記成形材料における上記ガラス繊維の含有率を３０質量％以上５０質量％以下とし、
   上記射出成形に、圧縮比が１．６以上１．８以下であり、供給部の溝深さが上記樹脂ペレットのいずれのペレット長さよりも大きいシングルフライトの低せん断型スクリューを備えた射出成形機を用いることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
2. 請求項１において、
   上記ガラス繊維の含有率を４０質量％以上５０質量％以下とすることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２において、
   上記カーボン繊維樹脂ペレット及びガラス繊維樹脂ペレットのマトリックス樹脂はいずれも、温度２３０℃及び荷重２．１６ｋｇの条件で測定したＭＦＲが９ｇ／１０分以上４５ｇ／１０分未満であるＰＰであることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   上記スクリューの長さＬと径Ｄの比Ｌ／Ｄが２２以上であることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   上記射出成形機の逆流防止リングが上記スクリューと共に回転する共回り型であることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。

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