JP6871892B2 - Manufacturing method of core-sheath composite fiber and core-sheath composite fiber - Google Patents
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Description
本発明は、芯鞘複合繊維および芯鞘複合繊維の製造方法に関する。 The present invention relates to a core-sheath composite fiber and a method for producing a core-sheath composite fiber.
芯鞘複合繊維とは、糸状の芯材と、該芯材を鞘のようにくるむ鞘材とからなる複合構造の繊維であり、性質の異なる芯材と鞘材とを組み合わせることで、単一構造の繊維では実現し難い様々な効果を発揮するものである。芯鞘複合繊維はフィルター等の織物の素材としてはもちろん、合成樹脂部品の補強材料等、様々な分野で活用されている。 The core-sheath composite fiber is a fiber having a composite structure composed of a thread-like core material and a sheath material that wraps the core material like a sheath. By combining the core material and the sheath material having different properties, a single core material is used. It exerts various effects that are difficult to achieve with structural fibers. Core-sheath composite fibers are used not only as materials for woven fabrics such as filters, but also in various fields such as reinforcing materials for synthetic resin parts.
特許文献1には、鞘成分としての高密度ポリエチレンと芯成分としてのポリエステルとからなる複合繊維であって、鞘成分の溶融温度は110〜180℃であり、芯成分の溶融温度は240〜270℃であり、高温加圧によって鞘成分が溶融して補強繊維と融着することで三次元的な多孔性のネットワーク構造を形成する自動車用の天井材が開示されている。 Patent Document 1 describes a composite fiber composed of high-density polyethylene as a sheath component and polyester as a core component, in which the melting temperature of the sheath component is 110 to 180 ° C. and the melting temperature of the core component is 240 to 270. A ceiling material for an automobile is disclosed, which forms a three-dimensional porous network structure by melting the sheath component by high-temperature pressurization and fusing with the reinforcing fiber at ° C.
このような芯鞘複合繊維には、該芯鞘複合繊維の芯材同士を融着させてカバーを成形し、該カバーを対象の外側表皮に融着させることで対象の剛度を向上する、補強の用途が考えられる。芯鞘複合繊維で作成したカバーは、内部に多数の芯材が通っているため、単なる樹脂シートで作成したカバーよりも高い剛性が期待できる。しかし、このような補強の用途で従来の芯鞘複合繊維を利用しようとすると、以下のような問題が発生する。 In such a core-sheath composite fiber, the core materials of the core-sheath composite fiber are fused to each other to form a cover, and the cover is fused to the outer skin of the target to improve the rigidity of the target. Can be used for. Since a cover made of core-sheath composite fiber has a large number of core materials passing through it, it can be expected to have higher rigidity than a cover made of a simple resin sheet. However, when the conventional core-sheath composite fiber is used for such reinforcement, the following problems occur.
鞘材と芯材の融点が近ければ、鞘材を溶融させるに際して芯材まで一緒に溶融させてしまう失敗が起こりやすくなり、芯鞘複合繊維をコンポジットやシート等に成形することが困難になる。特許文献1の発明には、鞘材および芯材それぞれの融点の範囲については開示されているが、鞘材と芯材部の融点差が何℃以上であるべきかについては開示していない。開示された融点の範囲から算出した融点差は60℃〜160℃であるが、最大値の160℃であってもコンポジット等を簡便に成形するにはやや不足である。 If the melting points of the sheath material and the core material are close to each other, it is easy for the core material to be melted together when the sheath material is melted, and it becomes difficult to form the core-sheath composite fiber into a composite or a sheet. The invention of Patent Document 1 discloses the range of melting points of the sheath material and the core material, but does not disclose how much the temperature difference between the sheath material and the core material should be. The melting point difference calculated from the disclosed melting point range is 60 ° C. to 160 ° C., but even the maximum value of 160 ° C. is slightly insufficient for easily molding a composite or the like.
さらに大きな問題として、芯材と鞘材の融点の乖離に伴う芯鞘複合繊維の強度低下が挙げられる。
強度が高く、補強材料として優れた芯鞘複合繊維を実現するためには、芯材と鞘材が強固に接着していることが必要である。しかし、コンポジット等の成形性向上のために鞘材と芯材の融点差を大きくすれば、一方で芯材と鞘材との分離が発生しやすくなる。特許文献1の発明はこの芯と鞘の分離による強度低下に対処していないため、補強の用途で使用するには強度が不足していると考えられる。
このような状況を踏まえ、本発明は、コンポジット等の成形が容易であり、かつ強度にも優れた芯鞘複合繊維を提供することを課題とする。
An even bigger problem is the decrease in strength of the core-sheath composite fiber due to the difference in melting points between the core material and the sheath material.
In order to realize a core-sheath composite fiber having high strength and excellent as a reinforcing material, it is necessary that the core material and the sheath material are firmly adhered to each other. However, if the melting point difference between the sheath material and the core material is increased in order to improve the moldability of the composite or the like, on the other hand, the core material and the sheath material are likely to be separated. Since the invention of Patent Document 1 does not deal with the decrease in strength due to the separation of the core and the sheath, it is considered that the strength is insufficient for use in the purpose of reinforcement.
In view of such a situation, it is an object of the present invention to provide a core-sheath composite fiber which is easy to form a composite or the like and has excellent strength.
本発明の芯鞘複合繊維は、芯材の主成分がポリアミドであり、鞘材の主成分は不飽和官能基が付与された変性ポリエチレンであり、前記芯材の融点が、前記鞘材の融点よりも180℃以上高いことを特徴とする。 In the core-sheath composite fiber of the present invention, the main component of the core material is polyamide, the main component of the sheath material is modified polyethylene to which an unsaturated functional group is added, and the melting point of the core material is the melting point of the sheath material. It is characterized by being 180 ° C or more higher than that.
本発明によればコンポジット等の成形が容易であり、かつ強度にも優れた芯鞘複合繊維を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a core-sheath composite fiber that can be easily formed into a composite or the like and has excellent strength.
次に、本発明の実施形態に係る芯鞘構造糸について説明する。
なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
Next, the core-sheath structure yarn according to the embodiment of the present invention will be described.
The present invention is not limited to the following embodiments.
<芯鞘構造>
図1Aに本実施形態の芯鞘複合繊維10を輪切りにした横断面図を、図1Bに本実施形態の芯鞘複合繊維10を長辺方向に切った縦断面図を示す。
本実施形態の芯鞘複合繊維10は、芯材11と、芯材11をくるむ鞘材12とから成り、押出成形によって製造される。本実施形態の芯材11と鞘材12は共に丸断面の外径を持つ。なお、芯材の外径はこのような丸断面に限定されることはなく、例えば複数の突起を有する異型断面であってもよい。
<Core sheath structure>
FIG. 1A shows a cross-sectional view of the core-sheath
The core-sheath
図1Aのような、長さ方向に垂直に輪切りにした横断面における芯材11と鞘材12の比率は、99:1〜1:99であることが好ましく、90:10〜10:90であることがより好ましい。芯材の割合を増加させることにより剛性を向上させることができる。一方、鞘材の割合を増加させることにより接着性を向上させることができる。
The ratio of the
芯鞘複合繊維10は、偏芯構造を取ることもできるが、図1のように芯材11が鞘材12の略中央に配置される方が望ましい。芯材11を鞘材12の略中央に配置することにより、芯鞘複合繊維10からコンポジット100(図3参照)等を成形する際に、鞘材12からの芯材11の露出を抑制することができる。芯材11の露出の抑制により、鞘材12同士を強固に結着させ、コンポジット100等を強固に成形することができる。
The core-sheath
<芯鞘複合繊維の剛性>
芯鞘複合繊維10の用途としては、例えば自動車等の燃料タンク等の補強が考えられる。このような燃料タンク等の外側表皮には、ポリエチレンが多く用いられる。よって、芯鞘複合繊維10と外側表皮との融着性を向上するために、鞘材12にポリエチレンを含有させることが考えられる。
<Rigidity of core-sheath composite fiber>
As an application of the core-sheath
しかし、ポリエチレンは一般に他の物質と結合を作りづらい物質であり、芯材11とポリエチレンを含有する鞘材12とを強固に接着させることは難しい。よって、芯材11へポリエチレンを使用すると、芯材11と鞘材12の分離により芯鞘複合繊維10の剛性が低下する恐れがある。特に、芯鞘複合繊維10からコンポジット100(図3参照)等を成形する際、成形を容易にするために芯材11と鞘材12の融点差を大きくすると、芯材11と鞘材12との分離が起こりやすくなるため、上記剛性の低下がより問題となる。なお、このコンポジット100の成形については後述する。
However, polyethylene is generally a substance that is difficult to form a bond with other substances, and it is difficult to firmly bond the
そこで、本研究者らは、ポリエチレンに不飽和官能基を付加した変性ポリエチレンを鞘材12に使用することにより、当該官能基と鞘材12との間に水素結合を形成することで、芯材11と鞘材12の融点差が大きく、かつ、剛性も高い芯鞘複合繊維10を実現することを試みた。
Therefore, the present researchers used modified polyethylene in which an unsaturated functional group was added to polyethylene for the
図2に芯鞘複合繊維10の剛性測定実験に使用する装置の概略図を示す。
実施例として、芯材11にポリアミドを用い、鞘材12にマレイン酸変性ポリエチレンを用いた芯鞘複合繊維10を使用する。比較例として、芯材11にポリアミドを用い、鞘材12にポリエチレンを用いた芯鞘複合繊維を使用する。
FIG. 2 shows a schematic view of an apparatus used for a rigidity measurement experiment of the core-sheath
As an example, a core-sheath
両芯鞘複合繊維10を図2のように2つのローラー2上に固定し、上方から下方に向けて、つまり図中の矢印の方向に向けて0.5Nの力を加えて、芯鞘複合繊維10に発生した伸びによる変位を測定し比較する。
The core-sheath
測定の結果、比較例の芯鞘複合繊維10の変位は2.140mmであった。一方、実施例の芯鞘複合繊維10の変位は1.762mmであった。両者の比較により、無変性ポリエチレンを鞘材12に使用した比較例の芯鞘複合繊維10よりも、マレイン酸変性ポリエチレンを鞘材12に使用した実施例の芯鞘複合繊維10の方が、剛性が17%向上することが判明した。
As a result of the measurement, the displacement of the core-
以上により、芯鞘複合繊維10の芯材11の主成分はポリアミドとし、鞘材12の主成分は変性ポリエチレンとする。なお、芯材11の主成分とは、芯材11の成分全体に対して40質量%以上含有されることをいう。鞘材12の主成分とは、鞘材12の成分全体に対して40質量%以上含有されることをいう。
As described above, the main component of the
<芯鞘複合繊維の材料>
芯材11と鞘材12の融点差は170℃以上であり、180℃以上であることが好ましい。
融点差が170℃以上あれば、鞘材12を溶融させる際に芯材11も溶融させてしまうという失敗が起こりづらくなり、芯鞘複合繊維10からコンポジット100(図3参照)等を成形することが容易になる。なお、コンポジット100の成形については後述する。
したがって、芯材11の主成分のポリアミドと、鞘材12の主成分の変性ポリエステルは、両者の融点差が170℃以上になるような組み合わせで選択する。
<Material of core-sheath composite fiber>
The melting point difference between the
If the melting point difference is 170 ° C. or higher, the failure of melting the
Therefore, the polyamide as the main component of the
以下、芯材と鞘材の成分それぞれについて詳細を記載する。
(芯材)
本実施形態の芯材11の主成分であるポリアミドは、鞘材12の主成分である変性ポリエチレンとの融点差が170℃以上となるものであれば、特に限定されないが、補強材として使用する観点から高い剛性を備えることが好ましい。ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド6、ポリアミド12、ポリアミド66などを使用することができる。
Details of each of the components of the core material and the sheath material will be described below.
(Core material)
The polyamide, which is the main component of the
(鞘材)
本実施形態の鞘材12の主成分である変性ポリエチレンは、融着させる対象である燃料タンク等のブロー成形において溶融することができ、かつ、芯材11の主成分であるポリアミドとの融点差が170℃以上となる融点を有し、さらに当該ポリアミドと水素結合を形成できるものであれば、特に限定されない。
(Sheath material)
The modified polyethylene, which is the main component of the
変性ポリエチレンを得る方法としては、例えば、グラフト変性が挙げられる。これは、ポリエチレンの炭素−水素結合を開裂させて発生させた炭素ラジカルに、不飽和官能基を付与する方法である。炭素ラジカルは、電子線や電離放射線の照射や、有機、無機過酸化物等のラジカル発生剤の使用等により発生させることができる。
変性に用いる官能基は、カルボキシル基、アミノ基、水酸基及びシラノール基等から選ぶことができる。これら官能基の中でも水酸基が好ましく、カルボキシル基がより好ましい。
Examples of the method for obtaining modified polyethylene include graft modification. This is a method of imparting an unsaturated functional group to a carbon radical generated by cleaving a carbon-hydrogen bond of polyethylene. Carbon radicals can be generated by irradiation with electron beams or ionizing radiation, or by using radical generators such as organic and inorganic peroxides.
The functional group used for the modification can be selected from a carboxyl group, an amino group, a hydroxyl group, a silanol group and the like. Among these functional groups, a hydroxyl group is preferable, and a carboxyl group is more preferable.
前記官能基を含む構造単位としては、例えば、不飽和カルボン酸又はその誘導体、水酸基含有エチレン性不飽和化合物、アミノ基含有エチレン性不飽和化合物、ビニル基含有有機ケイ素化合物などの化合物に由来する構造単位が挙げられる。これら構造単位の中でも水酸基含有エチレン性不飽和化合物が好ましく、不飽和カルボン酸又はその誘導体がより好ましい。
不飽和カルボン酸又はその誘導体としては、カルボン酸基を1以上有する不飽和化合物、カルボン酸基を有する化合物とアルキルアルコールとのエステル、無水カルボン酸基を1以上有する不飽和化合物等を挙げることができる。
The structural unit containing the functional group includes, for example, a structure derived from a compound such as an unsaturated carboxylic acid or a derivative thereof, a hydroxyl group-containing ethylenically unsaturated compound, an amino group-containing ethylenically unsaturated compound, or a vinyl group-containing organic silicon compound. The unit is mentioned. Among these structural units, a hydroxyl group-containing ethylenically unsaturated compound is preferable, and an unsaturated carboxylic acid or a derivative thereof is more preferable.
Examples of the unsaturated carboxylic acid or a derivative thereof include an unsaturated compound having one or more carboxylic acid groups, an ester of a compound having a carboxylic acid group and an alkyl alcohol, and an unsaturated compound having one or more anhydrous carboxylic acid groups. it can.
不飽和カルボン酸としては、例えばアクリル酸、マレイン酸、フマル酸、テトラヒドロフタル酸、イタコン酸、シトラコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、ナジック酸〔商標〕(エンドシス−ビシクロ[2.2.1]ヘプト−5−エン−2,3−ジカルボン酸)等が挙げられる。
不飽和カルボン酸の誘導体としては、例えばマレイミド、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、マレイン酸モノメチル、マレイン酸ジメチル、グリシジルマレエート等が挙げられる。
Examples of unsaturated carboxylic acids include acrylic acid, maleic acid, fumaric acid, tetrahydrophthalic acid, itaconic acid, citraconic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, and nadic acid [trademark] (endosys-bicyclo [2.2.1] hept -5-ene-2,3-dicarboxylic acid) and the like.
Examples of the unsaturated carboxylic acid derivative include maleimide, maleic anhydride, citraconic anhydride, monomethyl maleate, dimethyl maleate, and glycidyl maleate.
これらの不飽和カルボン酸及び/又はその誘導体は、1種単独で使用することもできるし、2種以上を組み合せて使用することもでき、中でもアクリル酸が好ましく、無水マレイン酸が反応性が高い点でより好ましい。 These unsaturated carboxylic acids and / or their derivatives can be used alone or in combination of two or more, with acrylic acid being preferred and maleic anhydride having high reactivity. More preferable in terms of points.
<コンポジット成形>
図3に、複数の芯鞘複合繊維10からなるコンポジット100の概略図を示す。
図3上図のように複数本の芯鞘複合繊維10を並べて束にし、加熱により鞘材12を溶融させた後、コールドプレスにより成形させることにより、図3下図のように、多角形の断面を有するコンポジット100とすることができる。
このように芯鞘複合繊維10をコンポジット100に加工すると、芯鞘複合繊維10のままであるより、シート101(図4A参照)に加工するのが容易である。
<Composite molding>
FIG. 3 shows a schematic view of a composite 100 composed of a plurality of core-
FIG. 3 As shown in the upper figure of FIG. 3, a plurality of core-
When the core-
加熱の方法は特に限定されず、IR(赤外線)ヒータ、熱風加熱、熱板加熱等が考えられるが、中でも、安価で簡便であるという点でIRヒータや熱風加熱が好ましい。 The heating method is not particularly limited, and IR (infrared) heater, hot air heating, hot plate heating, and the like can be considered. Among them, an IR heater and hot air heating are preferable because they are inexpensive and simple.
IRヒータや熱風加熱は、安価な反面、熱源からの距離の違いにより温度差が発生しやすく温度管理が困難である。しかし、本実施形態の芯鞘複合繊維10であれば、芯材11と鞘材12の融点差が170℃以上あるため、熱源から遠い鞘材12が溶融するまで加熱を続けると熱源近くの鞘材12の温度が必要以上に高くなってしまう場合であっても、芯材11が溶融しづらい。よって、本発明の芯鞘複合繊維10は安価なIRヒータや熱風加熱でもって、精密な温度管理を要することなくコストを抑えて簡便にコンポジット100を形成することができる。
Although IR heaters and hot air heating are inexpensive, temperature differences are likely to occur due to differences in distance from the heat source, making temperature control difficult. However, in the case of the core-
<シート成形>
図4Aに、複数の芯鞘複合繊維10からなるシート101の概略図を、図4Bにシート101の断面の拡大図を示す。
複数本の芯鞘複合繊維10、またはコンポジット100を並べて、加熱により鞘材12同士を溶融させ融着させることにより、図4Aのようにシート101とすることができる。図4Bのように、シート101の断面では、溶融し融着した変性ポリエチレンの中に複数の芯材が並び、単なる樹脂シートよりも高い強度を実現している。
<Sheet molding>
FIG. 4A shows a schematic view of a
A
このようなシート101は、芯鞘複合繊維10のままであるより、燃料タンク等の外側表皮に密着させるカバー102に加工するのが容易である。一般に、燃料タンク等は複雑な形状を有しており、燃料タンク等の外側と同一の形状を有しこれに密着可能なカバー102を作成するためには、加工性の高さが重要となる。
Such a
<燃料タンクとカバーの融着>
図5に、燃料タンクを芯鞘複合繊維10からなるカバーで補強する例を示す斜視図を示す。
燃料タンクは、タンク本体Tと、2つのカバー102とから構成される。なお、図5では、タンク本体Tと、カバー102とが分離しているが、実際には、タンク本体Tと上下のカバー102とは、以下の工程で融着される。
<Fusion of fuel tank and cover>
FIG. 5 is a perspective view showing an example in which the fuel tank is reinforced with a cover made of core-
The fuel tank is composed of a tank body T and two
図6〜8に、ブロー成形を行う装置の概略図を示す。
まず、図6に示すように、カバー102の配置に先立ち、エア吸引装置が、吸引孔44からエアの吸引を開始する(破線矢印)。その後、金型42の内側に予め成形済みのカバー102が配置される。カバー102は、成形されるタンク本体Tの外形と同じ形状を有し、金型42に嵌合した状態となっている。
6 to 8 show a schematic view of an apparatus for performing blow molding.
First, as shown in FIG. 6, the air suction device starts sucking air from the
次に、図7に示すように、融解状態のパリソンPがダイス41から、例えば、筒状に吐出される。この吐出とともに、左右の金型42が吐出されているパリソンPを挟み込む。さらに、この挟み込みと同時に、エアピン43を介して、パリソンP内部に圧縮エアが供給され(実線矢印)、ブロー成形が行われる。これにより、パリソンPが膨張し、膨張したパリソンPはカバー102に押し付けられる(図8参照)。
Next, as shown in FIG. 7, the melted parison P is discharged from the
パリソンPと、カバー102とが接すると、パリソンPの熱によって、カバー102のうち、パリソンPに接する部分が融解する。この結果、タンク本体T(パリソンP)と、カバー102とが融着する。なお、パリソンPの温度は、160℃〜190℃であることが好ましく、180℃〜190℃であることがより好ましい。
When the parison P and the
10 芯鞘複合繊維
11 芯材
12 鞘材
100 コンポジット
101 シート
102 カバー
2 ローラー
41 ダイス
42 金型
43 エアピン
44 吸引孔(金型に開けられた孔、固定機構)
P パリソン(ポリエチレンに代表される熱可塑性樹脂)
T タンク本体
10 Core-
P parison (thermoplastic resin typified by polyethylene)
T tank body
Claims (6)
鞘材の主成分は不飽和官能基が付与された変性ポリエチレンであり、
前記芯材の融点が、前記鞘材の融点よりも180℃以上高いことを特徴とする芯鞘複合繊維。 The main component of the core material is polyamide,
The main component of the sheath material is modified polyethylene with unsaturated functional groups.
A core-sheath composite fiber characterized in that the melting point of the core material is 180 ° C. or more higher than the melting point of the sheath material.
鞘材の主成分は不飽和官能基が付与された変性ポリエチレンであり、
前記芯材の融点が、前記鞘材の融点よりも180℃以上高い芯鞘複合繊維のコンポジットであり、
前記芯材は断面円形状で複数本含まれ、
全体の断面形状が多角形であることを特徴とするコンポジット。 The main component of the core material is polyamide,
The main component of the sheath material is modified polyethylene with unsaturated functional groups.
A composite of core-sheath composite fibers in which the melting point of the core material is 180 ° C. or higher higher than the melting point of the sheath material.
The core material has a circular cross section and includes a plurality of core materials.
A composite characterized in that the overall cross-sectional shape is polygonal.
前記鞘材を溶融させた前記芯鞘複合繊維の束をコールドプレスにより押し出して、断面形状が多角形のコンポジットに成形する工程とを含むことを特徴とするコンポジットの製造方法。 The core-sheath composite fiber is formed by configuring the core material containing polyamide as the main component so that the melting point of the core material containing unsaturated functional groups is 180 ° C. or more higher than the melting point of the sheath material containing modified polyethylene as the main component. Process and
A method for producing a composite , which comprises a step of extruding a bundle of the core-sheath composite fibers in which the sheath material is melted by a cold press to form a composite having a polygonal cross section.
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