JP6504192B2

JP6504192B2 - 繊維強化樹脂成形品の製造方法

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Publication number: JP6504192B2
Application number: JP2017064567A
Authority: JP
Inventors: 健二森脇; 小川　淳一; 淳一小川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2018167409A

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、強化用繊維を含有する樹脂ペレットの混練時や成形時にその強化用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。

特開２０１０−７７４０７号公報

強化用繊維としてカーボン繊維を用いた繊維強化樹脂成形品は、ガラス繊維を用いた繊維強化樹脂成形品よりも曲げ弾性率が高いことから、高い剛性が要求される製品への適用が期待される。しかし、カーボン繊維強化樹脂成形品は、ガラス繊維強化樹脂成形品に比べて耐衝撃性に劣り、耐衝撃性が要求される製品への適用には不利である。

そこで、本発明は、高剛性で且つ耐衝撃性に優れた繊維強化樹脂成形品を得ることを課題とする。

本発明者は、強化用繊維としてカーボン繊維とガラス繊維を併用した繊維強化樹脂成形品の研究した。その研究において、カーボン繊維とガラス繊維の配合比率を様々に変えて得られる繊維強化樹脂成形品の強度及び耐衝撃性を調べた結果、ガラス繊維の少量配合により耐衝撃性が大きく向上することを見出した。

ここに開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、
上記カーボン繊維樹脂ペレット及び上記ガラス繊維樹脂ペレット各々が含有する繊維の重量平均長さは１０ｍｍ以上であり、
上記成形材料における上記カーボン繊維と上記ガラス繊維を合わせた含有率を２０質量％以上５０％質量以下とし、
上記カーボン繊維と上記ガラス繊維の総量に占める上記ガラス繊維の割合を５質量％以上１５質量％以下とし、
上記射出成形に、スクリューの長さＬと径Ｄの比Ｌ／Ｄが２２以上であり、圧縮比が１．６以上１．８以下である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。

これにより、高強度で且つ耐衝撃性が高い繊維強化樹脂成形品が得られる。ガラス繊維の少量の配合（カーボン繊維及びガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合が５質量％以上１５質量％以下）によって耐衝撃性が大きく向上する点に大きな特徴がある。また、ガラス繊維の配合量が少ないから、強化用繊維をカーボン繊維のみとするケースからの強度の低下が抑えられ、カーボン繊維の配合量が相対的に低下するにも拘わらず、比較的高い強度が維持される。

ここに、圧縮比を小さくしたことにより、射出成形機の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と認められる。

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と認められる。

Ｌ／Ｄを２２以上として射出成形機の供給部を長くしたことにより、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たと認められる。

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。

本発明によれば、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が含有する繊維の重量平均長さを１０ｍｍ以上とし、成形材料におけるカーボン繊維とガラス繊維を合わせた含有率を２０質量％以上５０％質量以下とし、カーボン繊維とガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合を５質量％以上１５質量％以下とし、射出成形に、スクリューの長さＬと径Ｄの比Ｌ／Ｄが２２以上であり、圧縮比が１．６以上１．８以下である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から、高強度で且つ耐衝撃性が高い繊維強化樹脂成形品を得ることができる。

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。繊維強化樹脂成形品のＭＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ弾性率とのガラス繊維配合割合との関係を示すグラフ図。繊維強化樹脂成形品のＭＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ強度とのガラス繊維配合割合との関係を示すグラフ図。繊維強化樹脂成形品のＴＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ弾性率とのガラス繊維配合割合との関係を示すグラフ図。繊維強化樹脂成形品のＴＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ強度とのガラス繊維配合割合との関係を示すグラフ図。

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（長繊維ペレット）、並びに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（長繊維ペレット）を用いる。当該２種のペレットの長さは１０ｍｍ以上とする。長繊維ペレットである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は各々が含有する繊維の長さがペレット長さと同じであるから、当該繊維の重量平均長さは１０ｍｍ以上となる。ペレット長さは１５ｍｍ以下（当該繊維の重量平均長さは１５ｍｍ以下）であることが好ましい。

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には、ＭＦＲ（温度２３０℃，荷重２．１６ｋｇ）が９ｇ／１０分以上６５ｇ／１０分以下である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及びガラス繊維樹脂ペレットは、当該成形材料１７におけるカーボン繊維とガラス繊維を合わせた含有率が２０質量％以上５０％質量以下（好ましくは３０質量％以上５０％質量以下）となり、カーボン繊維とガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合が５質量％以上１５質量％以下となるように混合してホッパ３に投入する。

−カーボン繊維とガラス繊維の総量に占めるガラス繊維の割合が成形品の強度及び耐衝撃性に及ぼす影響−
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によって、カーボン繊維の配合割合が異なる複数種の成形材料を調製した。各成形材料のカーボン繊維とガラス繊維を合わせた含有率はいずれも４０質量％とした。それら成形材料による繊維強化樹脂成形品のＭＤ（金型内を溶融樹脂が流れる方向）及びＴＤ（ＭＤの直角方向）各々のパンクチャーエネルギー吸収量、曲げ弾性率及び曲げ強度を測定した。

カーボン繊維樹脂ペレットとしては、カーボン長繊維／ＰＰ＝４０／６０質量比のダイセル社製PP-CF40-11(L8)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＝４０／６０質量比の日本ポリプロ社製ＬＲ２４Ａを用いた。それら樹脂ペレットの物性を表１に示す。

射出成形機としては、表２に示す低せん断型スクリューのものを用いた。

測定結果を図４乃至図７に示す。なお、図４乃至図７において、「パンクチャーＥ」は「パンチャーエネルギー」の略号、「ＣＦ」は「カーボン繊維」の略号を、「ＧＦ」は「ガラス繊維」の略号である。

図４（ＭＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ弾性率）及び図５（ＭＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ強度）をみると、ガラス繊維の配合割合の増加に伴って、曲げ弾性率及び曲げ強度が略直線的に低下している。但し、ガラス繊維の配合割合が５質量％以上１５質量％以下であるときは、ガラス繊維配合量零からの曲げ弾性率及び曲げ強度の低下率が５％未満であり、ガラス繊維の添加に拘わらず、高い強度が維持されていることがわかる。

これに対して、耐衝撃性はガラス繊維の少量の配合で大きく向上している。すなわち、ガラス繊維の配合割合が５質量％以上になると、ガラス繊維配合量零であるときに比べて、耐衝撃性が約１．４倍向上している。ガラス繊維の配合割合が２０質量を超えると、その配合割合の増加に伴う耐衝撃性の向上は緩慢になっている。

次に、図６（ＴＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ弾性率）をみると、ＴＤでの曲げ弾性率は、ガラス繊維配合割合の増加に伴って緩やかに低下している。ガラス繊維の配合割合が１５質量になっても、ガラス繊維配合量零からの曲げ弾性率の低下率は数％に過ぎない。図７（ＴＤでのパンクチャーエネルギー吸収量及び曲げ強度）をみると、ＴＤでの曲げ強度は、ガラス繊維の配合割合を増やしても、ほとんど変わらないという結果になっている。ＴＤでのガラス繊維の配合割合の増加に伴う耐衝撃性の変化はＭＤでのケースと略同じ特性になっている。

以上の結果から、ガラス繊維の少量配合で繊維強化樹脂成形品の強度を大きく低下させることなく、その耐衝撃性を大きく高めることができることがわかる。

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２０を大きくしたため、該流路２０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。

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

Claims

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、
上記カーボン繊維樹脂ペレット及び上記ガラス繊維樹脂ペレット各々が含有する繊維の重量平均長さは１０ｍｍ以上であり、
上記成形材料における上記カーボン繊維と上記ガラス繊維を合わせた含有率を２０質量％以上５０％質量以下とし、
上記カーボン繊維と上記ガラス繊維の総量に占める上記ガラス繊維の割合を５質量％以上１５質量％以下とし、
上記射出成形に、スクリューの長さＬと径Ｄの比Ｌ／Ｄが２２以上であり、圧縮比が１．６以上１．８以下である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。
請求項１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。