JP6776735B2 - 繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシートの製造方法 - Google Patents
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Description
[1] 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する不織布マットと、前記不織布マットに隣接する、強化繊維を含有する強化繊維シートと、を含む積層体が加熱処理されて形成されたシートであって、前記強化繊維シートに含有される強化繊維は、前記不織布マットに含有される強化繊維よりも平均繊維長が長いことを特徴とする、繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシート。
[2] 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する1つまたは複数の不織布マットと、強化繊維を含有する1つまたは複数の強化繊維シートとを、少なくとも1つの前記不織布マットと少なくとも1つの前記強化繊維シートとが隣接するように含む積層体が加熱処理されて形成されたシートであって、前記強化繊維シートに含有される強化繊維は、前記不織布マットに含有される強化繊維よりも平均繊維長が長いことを特徴とする、繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシート。
[3] 前記不織布マットは、エアレイド法で形成されたエアレイドウェブであることを特徴とする[1]または[2]に記載の繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシート。
[4] 前記強化繊維シートは、前記エアレイド法において前記エアレイドウェブの搬送に用いられたキャリアシートであることを特徴とする[3]に記載の繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシート。
[5] 前記不織布マットは、熱融着性樹脂をさらに含むことを特徴とする、[1]から[4]のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシート。
[6] 前記強化繊維シートは、不織布であることを特徴とする[1]から[5]のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシート。
[7] [1]から[6]のいずれかに記載の強化熱可塑性プラスチック作製用プレシートの単体または積層体を成形加工して得られた繊維強化熱可塑性プラスチック成形品。
[8] 強化繊維からなる繊維集束体を切断したチョップドファイバーを、空気流および/または機械的シェアによって解繊して解繊チョップドファイバーを得る解繊工程と、前記解繊チョップドファイバーと熱可塑性樹脂と熱融着性樹脂とを混合してウェブ原料を得る混合工程と、前記ウェブ原料からウェブを得るウェブ形成工程と、前記解繊チョップドファイバーよりも平均繊維長の長い強化繊維を含有するシート状物上の前記ウェブを加熱処理して、前記解繊チョップドファイバーおよび前記熱可塑性樹脂を前記熱融着性樹脂によって結着させる結着工程と、を有する、繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシートの製造方法。
[9] 前記ウェブ形成工程は、前記ウェブを前記シート状物上に配置することを含むことを特徴とする[8]に記載の製造方法。
[10] 前記強化繊維をカード機によりシート状にし次いでニードルパンチにより絡めることによって前記シート状物を形成する工程をさらに含むことを特徴とする[8]または[9]に記載の製造方法。
本発明の繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシートは、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する不織布マットと、不織布マットに隣接する強化繊維シートと、を含む積層体が加熱処理されて形成されたシートであって、強化繊維シートに含有される強化繊維は、不織布マットに含有される強化繊維よりも平均繊維長が長いシートである。
本発明のプレシートの層構成として、不織布マットと強化繊維シートとが積層された構成が含まれる。また、本発明のプレシートの層構成として、複数の不織布マットの積層体の少なくとも1つの表面に強化繊維シートが積層された構成が含まれる。複数の不織布マットの層間には強化繊維シートが配置されていてもよい。また、本発明のプレシートの層構成として、複数の強化繊維シートの積層体の少なくとも1つの表面に不織布マットが積層された構成が含まれる。複数の強化繊維シートの層間には不織布マットが配置されていてもよい。
(1)強化繊維シートと不織布マットとが積層された構成。
(2)強化繊維シートと不織布マットと強化繊維シートとがこの順で積層された構成。
(3)強化繊維シートと不織布マットと不織布マットとがこの順で積層された構成。
(4)強化繊維シートと強化繊維シートと不織布マットとがこの順で積層された構成。
(5)不織布マットと強化繊維シートと不織布マットとがこの順で積層された構成。
(6)上述の(1)〜(5)に示す構成の任意の組み合わせ。
(7)上述の(1)〜(6)に示す構成に対し、1つまたは複数の強化繊維シートまたは不織布マットが表面または構成間に積層された構成。
本発明の不織布マットおよび強化繊維シートに適用可能な強化繊維としては、炭素繊維(ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系異方性炭素繊維等)、無機繊維(ガラス繊維、バサルト繊維、チタン酸カリウムウィスカ等)、有機繊維(アラミド繊維等)などが挙げられる。
ここで、チョップドファイバーとは、繊維集束体が切断された短繊維のことである。また、繊維集束体とは、数百本から数千本の強化繊維が、水または樹脂等の結束剤によって集束したものである。また、解繊チョップドファイバーとは、チョップドファイバーを解繊することによって得られた多数本のファイバーである。
熱可塑性樹脂は、適当な温度に加熱すると軟化して可塑性を持ち、冷却すると固化する性質を有する。本発明において、熱可塑性樹脂は、繊維強化熱可塑性プラスチックにおけるマトリクス樹脂となる。
必要に応じて配合されていてもよい本発明における熱融着性樹脂は、その融点とプレシート作製工程における加熱処理温度との関係によって、プレシート作製時に溶融して強化繊維と熱可塑性樹脂とを結着させることができるバインダ樹脂である。また、熱融着性樹脂は、繊維強化熱可塑性プラスチックにおけるマトリクス樹脂としても機能し得る。このように、本発明において、熱可塑性樹脂および熱融着性樹脂はいずれも、繊維強化熱可塑性プラスチックにおけるマトリクス樹脂になり得るが、以下、本明細書中において単に「マトリクス樹脂」というときは、熱可塑性樹脂を指すものとする。
上述の熱可塑性樹脂および熱融着性樹脂は、複合化されて複合体を形成していてもよい。
プレシートが熱融着性樹脂を含まない場合、プレシートにおける、強化繊維の含有質量Aと、マトリクス樹脂となる熱可塑性樹脂の含有質量Bと、の比率A/Bは、例えば10/90〜90/10であることができ、20/80〜80/20であることができる。比率A/Bが前記範囲にあると、プレシートから得られる繊維強化熱可塑性プラスチックの機械的物性を充分に高めることができる。
プレシートの坪量は40〜4000g/m2であることが好ましく、100〜3000g/m2であることがより好ましく、200〜3000g/m2であることがさらに好ましい。プレシートの坪量が前記下限値以上であれば、成形品を製造する際の熱プレス工程において、プレシートの積層枚数を減らすことができ、作業を簡略化できる。一方、プレシートの坪量が前記上限値以下であれば、プレシートを容易に得ることができる。
本発明のプレシートは、互いに隣接するように配置された不織布マットと強化繊維シートとを含む。不織布マットおよび強化繊維シートは共に強化繊維を含み、強化繊維シートにおける強化繊維の平均繊維長は不織布マットの平均繊維長より長い。このような不織布マットと強化繊維シートとが加熱処理により複合化された構成を含む本発明のプレシートは、平均繊維長の短い強化繊維を含む不織布マットにより強度と良好な成形性とが付与され、また、平均繊維長の長い強化繊維を含む強化繊維シートにより、さらなる高い強度が付与される。したがって、本発明によれば、不織布マット単体では得られなかった耐衝撃性に優れたプレシートおよび繊維強化熱可塑性プラスチック成形品を得ることができる。
本発明のプレシートの製造方法は、不織布マットの形成と、強化繊維シートの形成とを含む。
次に、エアレイド法を用いた実施形態のプレシートの製造方法について詳細に説明する。本実施形態のプレシートの製造方法は、解繊工程と混合工程とウェブ形成工程と結着工程とを有する。各工程について、以下に説明する。
解繊工程は、チョップドファイバーを空気流および/または機械的シェアによって解繊して、解繊チョップドファイバーを得る工程である。
混合工程は、解繊チョップドファイバーと、熱可塑性樹脂と、熱融着性樹脂と、を混合してウェブ原料を得る工程である。必要に応じて添加する難燃剤等の助剤は、この混合工程において添加することができる。
ウェブ形成工程は、ウェブ原料からウェブを形成する工程である。本実施形態ではエアレイド法を採用してエアレイドウェブを得る。ここで、エアレイド法とは、空気流を利用して繊維を3次元的にランダムに堆積させてウェブを形成する方法である。
結着方式は、ケミカルボンド方式、サーマルボンド方式、マルチボンド方式より選択される。いずれの方式を選択しても構わないが、強化繊維との結着性という観点からサーマルボンド方式を使用する場合が多い。サーマルボンド方式による結着工程は、エアレイドウェブを加熱処理して、解繊チョップドファイバー同士を熱融着性樹脂によって結着させる工程である。
<プレシートの製造>
チョップ状のPAN系炭素繊維(繊維径7μm、繊維長13mm)を、旋回流式ジェット気流解繊装置を用いて解繊処理して、解繊チョップドファイバー(CF)を得た。解繊機での処理風速は45m/分であり、装置内に設けたバッフルにより乱流とした。
上記プレシートAとBを20cm×20cmに裁断し、これにより得た裁断片を強化繊維シートと不織布マットとが交互に配置されるように各1枚積層し、縦横20cm×20cm、深さ1mmの開口部を有するステンレス製の金型内に配置した。次いで、前記金型を熱プレス機にセットし、温度をマトリクス樹脂の融点+30℃に設定し、圧力2MPaで3分間予備プレスし、さらに5MPaに加圧して10分間プレス処理した。その後、5MPaで冷却して、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック成形品1を得た。得られた成形品は厚さ0.96mm、密度1.35g/cm3であった。
第1のキャリアシートとして、解繊チョップドファイバー(繊維長50mm)をカード機にてシート状にして次いでニードルパンチで絡めることによって製造した強化繊維シート(坪量300g/m2)を使用した以外は、実施例1のプレシートBと同様にして坪量800g/m2のプレシートCを得た。つまり、プレシートCは、プレシートBと強化繊維シートの坪量の点で異なる。また、第1のキャリアシートとしてティッシュを用いてプレシートを作製した後、第1のキャリアシートを剥がした以外は、実施例1のプレシートBと同様にして500g/m2プレシートDを得た。つまり、プレシートDは、プレシートBと強化繊維シートの有無の点で異なり、不織布マットのみからなる。
解繊チョップドファイバー(繊維長13mm)と、6ナイロン繊維(繊度3.3dtex、繊維長4mm、融点225℃)と、芯鞘型の熱融着性複合繊維(PET/PET複合芯鞘繊維、芯部融点260℃、鞘部融点130℃、繊度2.2dtex、繊維長5mm)とを、45/45/10の割合(質量比)に変更した以外は実施例2のプレシートDと同様にして500g/m2のプレシートEを得た。
得られたプレシートEを20cm×20cmに裁断し、これにより得た裁断片を3枚積層した以外は、実施例1と同様にして、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック成形品3を得た。得られた成形品は厚さ0.96mm、密度1.35g/cm3であった。
第1のキャリアシートおよび第2のキャリアシートとして、解繊チョップドファイバー(繊維長13mm)をカード機にてシート状にして次いでニードルパンチで絡めることによって製造した強化繊維シート(坪量100g/m2)を使用した以外は、実施例1のプレシートAと同様にしてプレシートFを、プレシートBと同様にしてプレシートGを得た。
得られた成形品について、下記の方法により曲げ弾性率および曲げ強度、ならびに耐衝撃性を測定した。測定結果を図1の表に示す。
ダイヤモンドカッターを用いて、得られた成形品を幅15mm、長さ100mmに裁断して、試験片を作製した。その試験片について、厚みを測定した後、JIS K7074に記載の「炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法」に従い、3点曲げ試験を、速度5mm/分、支点間距離80mmの条件で行って、曲げ弾性率および曲げ強度を測定した。曲げ弾性率および曲げ強度の値は、成形品の剛性を判断する指標とした。数値が大きいほど、剛性が高く良好な成形品であると評価した。
ダイヤモンドカッターを用いて、得られた成形品を幅10mm、長さ100mmに裁断して、試験片を作製した。その試験片について、厚みを測定した後、JIS K7111−1に記載の「プラスチックのシャルピー衝撃試験」により耐衝撃性を測定した。数値が大きいほど、耐衝撃性は良好で衝撃に対して強いと評価した。
実施例1および2のプレシートから得た成形品は、不織布マットのみからなる比較例1、および強化繊維シートに含まれる炭素繊維の繊維長が相対的に短い比較例2と比べて、耐衝撃性に優れており、また、曲げ弾性率および曲げ強度は同等レベルであった。
30 繊維混合物供給手段
41 第1のキャリアシート
51 第2のキャリアシート
A エアレイドウェブ
Claims (2)
- 強化繊維からなる繊維集束体を切断したチョップドファイバーを、空気流および/または機械的シェアによって解繊して解繊チョップドファイバーを得る解繊工程と、
前記解繊チョップドファイバーと熱可塑性樹脂と熱融着性樹脂とを混合してウェブ原料を得る混合工程と、
前記ウェブ原料からウェブを得るウェブ形成工程と、
前記解繊チョップドファイバーよりも平均繊維長の長い強化繊維を含有するシート状物上の前記ウェブを加熱処理して、前記解繊チョップドファイバーおよび前記熱可塑性樹脂を前記熱融着性樹脂によって結着させる結着工程と、
を有し、
前記ウェブ形成工程は、前記ウェブを前記シート状物上に配置することを含み、
前記ウェブと、前記ウェブに隣接する前記シート状物とを含有する、繊維強化熱可塑性プラスチック作製用プレシートの製造方法。 - 前記強化繊維をカード機によりシート状にし次いでニードルパンチにより絡めることによって前記シート状物を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
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