JP6821354B2 - 二軸押出機 - Google Patents

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本発明は、熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維を混練し、繊維長が長くかつ所定長さの強化繊維を含む繊維強化樹脂組成物を成形することができる二軸押出機に関する。
繊維強化樹脂は、比強度、成形性などに優れ、その適用分野が拡大している。大量生産が期待される自動車部品においては、繊維強化樹脂の特殊自動車や特定部品への適用から次第にその範囲が拡大し、一般自動車部品への適用促進が求められている。そして、一般自動車部品などに使用される繊維強化樹脂において、強化繊維の繊維長を長くすること、強化繊維の含有率を高めることが好ましいとされる。
例えば、特許文献１に、繊維強化熱可塑性樹脂組成物の射出成形品であって、成形品中の強化用繊維長さ1.5〜5.0mmの重量平均分布が2〜50％である自動車アンダーフード構造部成形品が提案されている。この自動車アンダーフード構造部成形品は、必要な最低限度の繊維長を含み、成形性、ウエルド強度に優れ、機械的強度に優れているとされる。
また、強化繊維の繊維長を長くし、強化繊維の含有率を高めるための方法又は装置が種々提案されている。例えば、特許文献２に、補強繊維と粒状固形物とを混入した熱可塑性樹脂で射出成形された樹脂射出成形品であって、上記粒状固形物は、アスペクト比が1〜5、平均粒径が10μm以下、配合量が0.5〜5重量%に設定されている樹脂射出成形品が提案されている。そして、ポリプロピレン又はポリアミド樹脂をマトリックスとし、強化繊維としてガラス繊維又は炭素繊維を使用した繊維強化樹脂成形品を３つの方法で作製した実施例が示されている。第１の方法は、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維のロービングから加工したペレットを用いて射出成形する方法である。第２の方法は、チョップドストランド状態の強化繊維とマトリックス樹脂を二軸押出機で溶融混練して押出し、ペレタイザーでカットして成形したチョップ状ペレットを用いて射出成形する方法である。第３の方法は、二軸押出機にマトリックス樹脂と強化繊維のロービングを投入しつつ溶融混練して押出し、そのままこれを射出成形機する方法である。試験結果によると、射出成形品における強化繊維の重量平均繊維長は、第３の方法、第２の方法、第１の方法と順に長くなっていることが示されている。
特許文献３に、熱可塑性樹脂と連続した強化繊維を二軸押出機で溶融混練することにより製造される繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法であって、該強化繊維の供給位置を超えた下流側に連続した強化繊維を切断し強化繊維長を制御するＡ部と、Ａ部の下流側に切断された強化繊維を分散させるＢ部を有する二軸押出機を用い、該二軸押出機中の熱可塑性樹脂が溶融状態にある位置より強化繊維を供給し、連続した強化繊維をＡ部で切断し、切断された強化繊維をＢ部で分散させた繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法が提案されている。この製造方法においては、強化繊維を切断し強化繊維長を制御するために、Ａ部がスクリュー軸方向と同方向に強化繊維を切断するための刃を有する形状のパーツで構成され、Ｂ部がスクリューフライト上に切り欠き部を有する形状のスクリューパーツで構成されるものがよい。Ａ部においては、スクリューに巻き付きながら前進してきた連続した強化繊維がA部を構成するパーツ同士の噛合いにより切断され、当該組成物中の繊維長が制御される。その強化繊維の繊維長は、Ａ部の刃の数、刃と刃の間隔、パーツ数等によって決定されるとされる。
特許文献４に、溶融した熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維がスクリュによりシリンダ内の輸送部、混練部及び後輸送部に順次搬送され、前記熱可塑性樹脂中に前記強化繊維が解繊・切断され分散・混練されてなる繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機であって、前記シリンダのシリンダくびれ部から混練部に垂下する突出部材が設けられた二軸押出機が提案されている。この二軸押出機によれば、突出部材が所定の長さ以上の強化繊維を絡めてその切断を促進するので、繊維強化樹脂組成物の強化繊維の繊維長を長くかつ所定範囲にすることができ、均質な特性を有する繊維強化樹脂組成物を効率的に製造することができるとされる。
特開2005-255733号公報 特開2009-242616号公報 特開2005-225051号公報 特開2016-87896号公報
特許文献１に示されているように、強化繊維の長さと含有量は、繊維強化樹脂組成物の機械的強度や成形性に影響を与える要因である。このため、強化繊維の所望の長さと含有量を有する繊維強化樹脂組成物を得るために、特許文献２〜４に示すような種々の方法が提案されている。
二軸押出機にマトリックス樹脂と強化繊維のロービングを投入しつつ溶融混練して押出す方法は、特許文献２に示すように必ずしも長い強化繊維が分散した繊維強化樹脂組成物を得ることができないが、強化繊維を切断する手段として二軸押出機は好ましい。また二軸押出機によりマトリックス樹脂と強化繊維のロービングを投入しつつ溶融混練する方法は、生産効率が高く好ましい方法である。しかしながら、特許文献３に記載の製造方法においては、強化繊維の繊維長は、Ａ部の刃の数、刃と刃の間隔、パーツ数等によって決定されると記載されているが、その具体的な内容は明確でない。また、特許文献３に記載の製造方法は、A部のスクリュを強化繊維を切断するための刃を有するパーツで構成するとされるが、その具体的な内容は明確でない。一方、切断を抑え繊維長を長くしようとすると所定の繊維長を越える強化繊維が増大するから、特許文献４に記載の二軸押出機はこのような長繊維を突出部材に絡めて切断を促進するとされるが、充分に切断が行われなくその絡まった強化繊維がそのまま繊維強化樹脂組成物に混在する恐れがある。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、二軸押出機に熱可塑性樹脂と強化繊維のロービングを供給して繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機であって、繊維長が長くかつ所定範囲の長さの強化繊維を含有し、均質な特性を有する繊維強化樹脂組成物を製造することができる二軸押出機を提供することを目的とする。
本発明に係る二軸押出機は、熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維を投入し、その強化繊維が解繊・切断されて前記熱可塑性樹脂中に分散・混練されてなる繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機であって、シリンダの内面からスクリュに対向して突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレードと、そのブレードと前記スクリュとの隙間をほぼ前記強化繊維の外径程度に調整する高さ調整手段と、を有してなる。
上記発明において、二軸押出機は、さらにブレードの上流側にトーピードスクリュとこのトーピードスクリュに対向するようにシリンダのシリンダくびれ部から垂下する突出部材とを有するのがよい。
また、上記発明において、トーピードスクリュと突出部材は、フルフライトスクリュの中間部に設けることができ、また、フルフライトスクリュと逆フライトスクリュの接合部に設けることができる。
また、本発明に係る二軸押出機は、シリンダの内面からスクリュに対向して突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレードを有する二軸押出機であって、前記ブレードは、前記スクリュとの隙間が調整可能になっているものとすることができる。そして、ブレードの長さは、シリンダの内径Dに対し1D以上とすることができる。
上記二軸押出機に使用されるシリンダは有用性が高い。すなわち、シリンダの内面からシリンダ軸の直角方向に突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレードを有する二軸押出機用シリンダは、強化繊維の切断促進のみならず混練物の混練調整をする場合にも使用することができる。そして、このシリンダにおいてブレードは、シリンダの内面から突出する高さを調整する高さ調整手段を有するものであるのがよい。
本発明に係る二軸押出機によれば、突出部材に絡めた強化繊維を確実に切断することができ、不要に長く切断不十分な強化繊維の混在を防止することができる。このため、繊維長が長くかつ所定範囲の長さの強化繊維を含有し、均質な特性を有する繊維強化樹脂組成物を効率的に製造することができる。
本発明に係る二軸押出機の主要部断面を示し、図１（ａ）は縦断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のAA断面を示す横断面図である。 ブレード、突出部材及びトーピードスクリュを有する二軸押出機の主要部の断面図である。 ブレードの長さ、ブレードの個数又は突出部材の個数が異なる例の二軸押出機の主要部の断面図である。 ブレード及び突出部材に対向するスクリュエレメントがフルフライトスクリュと逆フライトスクリュの二軸押出機の主要部の断面図である。
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、本発明に係る二軸押出機の主要部断面を示す。図１（ａ）は縦断面図で、図１（ｂ）は横断面図である。本発明に係る二軸押出機は、熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維を投入し、その強化繊維が解繊・切断されて前記熱可塑性樹脂中に分散・混練されてなる繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機として使用される。本二軸押出機10は、図１に示すように、シリンダ11の内面11aからスクリュ20に対向して突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレード15を有している。そして、そのブレード15とスクリュ20との隙間をほぼ本二軸押出機に投入されるロービング状の強化繊維の外径程度に調整する高さ調整手段16とを有している。
本二軸押出機10は、上記の様にシリンダ11に高さ調整手段16を有するブレード15が設けられていることに特徴を有す。このブレード15は、シリンダ11に組み込まれるブレードケース13に設けられている。ブレード15は、板状でスクリュ20の軸方向を向き、スクリュ20に対向してシリンダ11の内面11aから突出している。ブレード15の長さは、スクリュ20のブレード15に対向するスクリュエレメント21の１ピッチ以上であるのがよい。そして、ブレード15とそのスクリュエレメント21との隙間は高さ調整手段16により調整することができるようになっている。その隙間は、二軸押出機10に投入されるロービング状の強化繊維の外径程度であるのがよい。これにより、シリンダ内をスクリュ20により搬送される強化繊維は、ブレード15とスクリュエレメント21により開繊・切断される。
高さ調整手段16は、シリンダ11の内面11aからのブレード15の突出量を微細に調整できるものであればよく、図１に示すようにネジ161とナット162から構成することができる。ネジ161は、ブレード15に固定されており、ナット162の回転によりブレード15が上下動する。ブレード15の位置が固定されればナット162は回止めがされる。なお、投入されるロービング状の強化繊維がほぼ一定である場合などは、ブレード15のシリンダ11の内面11aからの突出量をほぼ一定にすることができ、高さ調整手段16を設けなくすることもできる。
強化繊維の開繊・切断をさらに促進するために、突出部材17をブレード15の上流側に設けることができる（図２（ａ））。突出部材17は、図２（ｂ）に示すように、シリンダくびれ部からスクリュ20に対向するように設けられている。この突出部材17は、搬送されてきた強化繊維と熱可塑性樹脂との混練物に乱れを生じさせ、所定以上の長さの強化繊維を突出部材17に絡めて止めることができる。これにより、強化繊維は、突出部材17の下流側のブレード15とスクリュエレメント21により解繊・切断され、強化繊維の切断が促進される。そして、不要に長く切断不十分な強化繊維の発生が防止される。
突出部材17の形状及び垂下する突出長さは、二軸押出機10によって成形される繊維強化樹脂組成物中の強化繊維の長さ範囲をどのようにするかに応じて適時選択される。突出部材17がシリンダ11の内面11aから垂下する突出長さは、調整できるようになっているのがよい。突出部材17の垂下する突出長さの調整を容易に行うようにするには、突出部材17に対向するスクリュエレメントをトーピードスクリュ23にするのがよい。なお、トーピードスクリュとは、外径部がフライトのない短径からなるスクリュエレメントをいう。
また、強化繊維の解繊・切断の程度は、ブレード15の長さやブレード15の個数、突出部材17の個数によって調整することができる。例えば、図３（ａ）に示すようにブレード15の長さがスクリュエレメント21の数ピッチに亘るブレード15を設けることができる。この場合は、強化繊維の切断箇所が増えるので強化繊維の切断が促進される。かかる長いブレード15を設ける場合は、突出部材17は、ブレード15の前端部分に相当するシリンダくびれ部に設けることができる。
ブレード15と突出部材17との構成は、図３（ｂ）又は図３（ｃ）に示す構成にすることができる。かかる２以上のブレード15、または２以上の突出部材17を設けることによって、強化繊維の解繊・切断を促進させることができる。図３（ｂ）は、スクリュ20のブレード15Aに対応する位置にブレード15Bが対になるように設けられている。図３（ｃ）は、スクリュ20のブレード15Aに対応する位置にブレード15Bが対になって設けられ、さらに、ブレードケース13の上下に対称にブレード15C、ブレード15Dが設けられている。
ブレード15と突出部材17は、上述のように搬送されてきた強化繊維をスクリュ20と協働して開繊し、切断する。ブレード15又は突出部材17に対向するスクリュ20のスクリュエレメント21は、図１〜３に示すようにフルフライトスクリュとすることができ、また、図４に示すようにフルフライトスクリュ211と逆フライトスクリュ212の結合部分に突出部材17及びトーピードスクリュ23が配設されるようにすることができる。また、逆フライトスクリュ212を設けることにより強化繊維の開繊・切断が促進される。
以上、本発明について説明した。本発明は、二軸押出機を使用して強化繊維の繊維長を長くかつ所定範囲にすることができ、また所定の長さ以上の強化繊維が含まれない繊維強化樹脂組成物を好適に製造することができる。また、本二軸押出機に係るシリンダ11は、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレード15を有しており、ブレード15とスクリュ20（スクリュエレメント21）との隙間を調整し、混練物の混練状態や混練度などを調整することが可能である。かかる場合は、混練調整に適したブレード15の形状、これに対向するスクリュエレメントの種類や形状が選択される。
10 二軸押出機
11 シリンダ
13 ブレードケース
15 ブレード
16 高さ調整手段
161 ネジ
162 ナット
17 突出部材
20 スクリュ
21 スクリュエレメント
211 フルフライトスクリュ
212 逆フライトスクリュ
23 トーピードスクリュ

Claims (8)

  1. 熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維を投入し、その強化繊維が解繊・切断されて前記熱可塑性樹脂中に分散・混練されてなる繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機であって、
    シリンダの内面からスクリュに対向して突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレードと、そのブレードと前記スクリュとの隙間をほぼ前記強化繊維の外径程度に調整する高さ調整手段と、を有する二軸押出機。
  2. さらに、ブレードの上流側に、トーピードスクリュとこのトーピードスクリュに対向するようにシリンダのシリンダくびれ部から垂下する突出部材とを設けた請求項１に記載の二軸押出機。
  3. トーピードスクリュと突出部材は、フルフライトスクリュの中間部に設けられてなる請求項２に記載の二軸押出機。
  4. トーピードスクリュと突出部材は、フルフライトスクリュと逆フライトスクリュの接合部に設けられてなる請求項２に記載の二軸押出機。
  5. シリンダの内面からスクリュに対向して突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレードを有する二軸押出機であって、
    前記ブレードは、前記スクリュとの隙間が調整可能になっている二軸押出機。
  6. ブレードの長さは、シリンダの内径Dに対し1D以上である請求項５に記載の二軸押出機。
  7. シリンダの内面からシリンダ軸の直角方向に突出する、長さ方向がシリンダ軸方向に向いた板状のブレードを有する二軸押出機用シリンダ。
  8. ブレードは、シリンダの内面から突出する高さを調整する高さ調整手段を有する請求項７に記載の二軸押出機用シリンダ。
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