JPH0259327A - 樹脂成形物の連続製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野〕 本発明は、ｌｌＪ［ストランド、シートまたは織物のよ
うな強化繊維束集合体に熱可塑性樹脂を含浸させ、次い
で熱可塑性樹脂を加熱溶融させることによって、実質的
に均一構造の繊維強化熱可塑性樹脂成形物を連続製造す
る方法に関するものである。

本発明によりＩＦＩられる製品は、１畳れた耐衝撃性や
機械的性質を有する繊維強化複合材料を与え、該複合材
料は、宇宙航空機分野や一般産業分野に広く使用される
。

〔従来技術〕

繊維強化樹脂複合材料は、高い比強度、比弾性率を有し
ており、軽Ｍ高強力材料として長−繊維、短繊維の強化
繊維と各種のマトリックス樹脂と複合化され、航空宇宙
、船舶、車両等の輸送機器、オートメートジョン１Ｌス
ポーツ・レジャー用品等の先端産業分野の機能部材とし
て広く使用されている。このような繊維強化樹脂複合材
料のマトリックス樹脂としては、従来、不飽和ポリエス
テル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性
樹脂が使用されてきた。

しかし、近年、これらのマトリックス樹脂が脆く耐衝撃
性に劣るという欠点が指摘され、より高いタフネスを有
するマトリックス樹脂が要求されるようになり、耐衝撃
性に優れる熱可塑性樹脂を繊維強化樹脂複合材料のマト
リックス樹脂として用いることに目が向けられるように
なってきた。

熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として用いれば、賦形
時に一旦溶融するだけで簡単に成形ができ、加工性に優
れ、より低コストの複合材成形品を得ることも可能であ
る。従って、性能とコストの両面から、熱可塑性樹脂を
マトリックス樹脂に用いた繊維強化樹脂複合材料に研究
の主眼が移りつつある。

熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするＩＩＭ強化樹脂
複合材料の成形物を連続的に得る場合、熱可塑性樹脂を
加熱溶融し強化繊維と一体化する以前に強化繊維に熱可
塑性樹脂を複合させる必要がある。この際、熱可塑性樹
脂を強化繊維のフラメント間に均一に複合させることが
良好な成形物を得るために重要である。強化ｔａ維に熱
可塑性樹脂を複合させる方法としては、下記の方法があ
る。

（１）熱可塑性樹脂を溶剤に溶した溶液中を強化繊維を
通過さける方法（特公昭４９−１２１８７１号公報） （２）溶融している熱可塑性樹脂中に強化繊維を通過さ
せる方法 （３）粉末状熱可塑性樹脂の流動床中に強化繊維を通過
させる方法（特公昭５２−３９８２号公報）（４）強化
繊維と熱可塑性樹脂のｕＡＭｉを交織したハイブリット
ヤーンを用いる方法（特開昭６０−２０９０３３号公報
、同　６０−２０９０３４　＠公報）（従来技術におけ
る問題点） しかし、前記（１）の方法は溶剤に溶ける樹脂に限定さ
れる、（２）の方法は溶融時の樹脂粘度が高いため樹脂
付着量の調整が難しい、（４）の方法は一度、熱可塑性
樹脂を繊維にするという加工工程を経るため、製造工程
が複雑化し、コスト高になる問題がある。

方、（３）の方法は熱可塑性樹脂粉末を強化８Ｍ束に付
着させた後、加熱、一体止させるため、樹脂含浸性の良
い成形物を連続的に得る手段として比較的有効であると
考えられるが、（イ）熱可塑性樹脂の付着量を調整する
のが難しい、（ロ）繊維の開繊性を良くし、樹脂の付着
性を高める工夫が必要である等の問題があり、今のとこ
ろ、樹脂含有率のコントロールが難しく、粉末状熱可塑
性樹脂の繊維束内部への侵入も容易でないため、微視的
にみた場合、Ｉ！維と熱可塑性樹脂が均一に分散してな
く、ムラの多い成形物しか１りられないのが現状であっ
た。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の如ぎ欠点を克服した繊維強化熱
可塑性樹脂成形物の改良された製造方法を提供するもの
である。本発明により、高い性能を有する繊維強化熱可
塑性樹脂成形物を供給することが可能である。

このような本発明の目的は、熱可塑性樹脂粉末を液体に
懸濁さけたサスペンションに強化繊維束集合体を浸漬せ
しめ、熱可塑性樹脂粉末を該繊維束集合体に含浸させた
後、熱可塑性樹脂のガラス転移温度又は融点以上に加熱
された金型中を通過させ、熱可塑性樹脂を溶融させた後
、冷却して一体化さけることで達成される。

〔発明の構成及び作用〕

本発明は、下記の通りである。

（１）熱可塑性樹脂粉末を液体に懸濁させたサスペンシ
ョンに強化繊維束集合体を浸漬せしめ、熱可塑性樹脂粉
末を該繊維束集合体に含浸させた後、熱可塑性樹脂のガ
ラス転移温度又は融点以上に加熱された金型中を通過さ
せ、熱可塑性樹脂を溶融させた後、冷却して一体化させ
ることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形物の連続
製造方法。

本発明の好適な実施態様は次の通りである。

〈ａ〉　２種以上の熱可塑性樹脂粉末を液体に分散させ
たサスペンションに強化繊維束集合体を浸漬せしめるこ
とを特徴とする請求求項（１）記載の繊維強化熱可塑性
樹脂成形物の連続製造方法。

（ｂ）強化繊維が炭素１！維であることを特徴とする前
記請求項（１）記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形物の連
続製造方法。

本発明によれば、強化繊維束集合体に均一に且つ含浸性
良く内部まで熱可塑性樹脂を含浸させ、品質の良好な成
形物を１ｑることが可能であり、このようにして１ｑら
れた繊維強化複合材料は機械的特性に優れるものである
。

本発明で用いられる強化繊維束とは、ロービング、ヤー
ン、トウという名称で知られているものを含んでおり、
このような繊維束としては炭素繊維、ガラス繊維、アラ
ミドｍ維等があるが、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、
チタン繊維、ボロン繊維等の無機繊維や、ステンレス繊
維等の金属繊維を用いることもできる。

これらのｍ帷は、樹脂と繊維の接着性を高めるため、表
面処理が施され、また、使用する熱可塑性樹脂に合せて
シラン系やチタン系のカップリング剤等の表面処理剤を
塗布してもよい。

強化繊維束が、例えば炭素繊維の場合、均一に且つ含浸
性良（内部まで熱可塑性ｍ脂を付着させることが可能で
あり、これにより得られる炭素繊維複合材料も機械的特
性に優れている。

一般には、強度＋００ｋｇｆ／　ｍｍ’以上、弾性率１
０×１０’　ｋｇｆ　／　ｖｎ’以上の炭素繊維束が用
いられ、このものは、樹脂と繊維の接着性を高めるため
表面処理し、開繊されたものが使用される。表面処理は
、電解酸化法（米国特許第４，４０１，５３３号明細古
参照）、硝Ｍ等を用いる薬液酸化法（特公昭４７−２７
，０００号公報参照）によって行なうことができる。

本発明で用いられる強化繊維束集合体は、通常、フィラ
メント数的１２，０００〜約１０，０００，０００本の
束であって、シート、織物、組み紐等の形状にて使用さ
れる。

本発明に用いられる熱可塑性樹脂は、結晶性又は非品性
の熱可塑性樹脂であって、好ましくは、溶融温度又はガ
ラス転移温度が１５０℃以上の熱可塑性樹脂である。

好ましい熱可塑性樹脂の例は、ポリスルボン、ポリエー
テルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエー
テルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、
芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリア
リレーンオキシド、熱可塑性ポリイミド等である。

これらの熱可塑性樹脂は、単独又は二種以上の組み合わ
せで使用することができ、これにより、−層優れた成形
性、物理的性質を有する複合材料を１ｑることができる
。

溶融粘度の高い熱可塑性樹脂に、溶融粘度の低い異種の
熱可塑性樹脂を混合して用いることにより、溶融温度を
低下させ、流動特性を向上させて、低い成形圧力で成形
が可能となる。

このように、用いる熱可塑性樹脂の種類や組み合わせに
よって、良好な成形性、そして、それから１９られる複
合材料に対し優れた特性を与えることができる。

本発明において、熱可塑性樹脂は粉末であることが必要
である。非粉末の場合は、本発明の目的が達成できない
。強化繊維束集合体への良好な付着性を考慮すると、熱
可塑性樹脂粉末の粒径は５０μ信以下、特に１０μｍ以
下が好ましい。

取扱性の点からは、１μｍを下回らないのがよい。

熱可塑性樹脂粉末を分散させるための液体（分散媒）は
、例えば水、アルコール類、ケトン類、ハロゲン化炭化
水素類又はこれらの混合液である。

アルコールとしては、エタノール、メチルロルンルブ等
が、ケトンとしては、アセトン、メチルエチルケ１〜ン
等が、ハロゲン化合物としては、塩化メチレン、ジクロ
ロエタン等が挙げられる。

アルコール類、ケトン類、ハロゲン化炭化水素類は、特
に炭素ｕＡ雑のような強化繊維束を良好に開繊させるゆ
えに、熱可塑性樹脂の低ａｍサスペンションで均一に付
着させるうえで好ましい。

例えば、アセトンのようなケトン類は、熱可塑性樹脂ポ
リエーテルエーテルケトンを炭素繊維のような強化Ｉｌ
雑束に付着させる観点から好ましい分散媒である。

サスペンションの熱可塑性樹脂濃度〔熱可塑性樹脂重ｆ
ｆｉ／（分散媒重量＋熱可塑性樹脂重量）ｘ　１００）
は、熱可塑性樹脂粉末市を調整づる観点から、１〜５０
重量％、好ましくは１〜３０重間％、より好ましくは５
〜１５重量％である。　熱可塑性樹脂サスペンションの
温度は、分散状態を良好に保つ適度な範囲でよく、用い
られる熱可塑性樹脂の！！ｊＷＡ、　ａ度によって異な
るが、通常は、５〜５０℃、好ましくは５〜３０℃、よ
り好ましくは１５〜３０℃である。

浸漬時間は、熱可塑性樹脂の付着量によって調整される
。また、後述するような電気的処理を行う場合は１１通
Ｍｉｌｋ、電流によっても調整され、通常は、５〜１８
０秒間分散液に浸漬することによって行なわれる。

強化ＲｊＡ維束の浸漬は、分散媒に浸漬している間に、
毛羽立たないよう、弛まない程度に張力下において行な
うのがよい。強化繊維束に熱可塑性樹脂粉末を含浸させ
るには、熱可塑性樹脂粉末の分散液に強化繊維束を浸漬
するか、又は、強化繊維束と該分散液とを交流的に接触
させることにより行なうことができる。

このような処理により強化繊維束は表面に１０〜７０重
間％（繊維と熱可塑性樹脂の絶層に対して）の熱可塑性
樹脂を保持しているが、複合材料製造の点からみた場合
２０〜５０重間％が好ましい。

このように熱可塑性樹脂を保持しているところの強化繊
維束は、金型内に導入される前に、通常、熱可塑性樹脂
が反応又は分解しない温度以下で乾燥される。一般には
、８０〜２００℃にて１〜２０分間行なわれる。分散液
の塔長は通常３０ｃｍより良いものが用いられる。

熱可塑性樹脂粉末の付着した強化繊維束は、熱可塑性樹
脂のガラス転移温度又は溶融渇麿より低くない温度に加
熱された金型を通すことで熱可塑性樹脂は溶融し、繊維
と熱可塑性樹脂とは均質一体止し、次いで冷却すること
により、繊維強化熱可塑性樹脂成形物を得ることができ
る。

ここに使用される金型は、該繊維集合体の初期詰まり、
切断防止のため金型入口をチーパル状に加工することが
望ましい。また、金型の断面形状は、その大きさ及び形
に規制はなく、形は一般に円形、楕円形、三角、四角、
Ｈ型又は、より複雑形状の形が用いられる。一体止され
た繊維強化熱可塑性樹脂成形物の断面形状により任意に
選定できる。

繊維強化熱可塑性樹脂成形物に用いられている熱可塑性
樹脂が結晶性樹脂であって、冷却速度によって結晶化度
及び結晶粒度が彩管される場合は、成形後に、使用熱可
塑性樹脂に適した冷却速度に調整し、結晶化度及び結晶
粒度を調整することが好ましい。例えば、熱可塑性樹脂
がポリエーテルエーテルケトンの場合は、３６０〜４０
０℃の金型内を１〜３０分間滞留させた後、１〜ｂ い。

本発明の製品は、目的に応じ再度加熱、加圧し製品とす
ることができる。また、種類の異なる複数の強化ＩＩＮ
束を同時に金型内に導入し加熱して成形することもでき
る。

本発明によると、強化繊維束に熱可塑性樹脂を効果的に
含浸することができ、強化繊維と熱可塑性樹脂の均一な
含浸を行なうことができる。

その結果、加熱溶融による熱可塑性樹脂の含浸ムラが少
なく、熱可塑性樹脂と繊維との接着性に優れ、製品とし
た場合に良好な機械的特性と外力によって過度に開繊す
る場合がある。この場合、取扱いが困難であること、製
品製造時用糸切によって毛羽が多発すること、及び、そ
れに伴ない作業性が悪化して得られた製品が単糸切れに
よる毛羽を含み外観及び品質の点で不可であることが欠
点である。

一方、集束剤によって集束された強化繊維束は、これを
使用した場合、繊維の開繊が不充分なため、高品質の製
品を得るうえでは効果的でないことがあった。その理由
は、集束剤による繊維間の開繊性が不充分で、熱可塑性
樹脂（粉末）の強化繊維間への侵入が効果的に行なえな
いため、良好な製品が得られないからである。

このような問題を解決するためには、集束剤を用いると
よい。

集束剤の種類は、用いる強化！１雑束や用途によって異
なり、一般には、のり剤、デンプン、エポキシ樹脂のよ
うな各種合成樹脂化合物、高級脂肪族化合物、シリコー
ン系化合物、チタン系化合物等を含む。

これらの集束剤は、強化繊維束に対して、通常０．５〜
ｂ、ｏｒｉｆｆｉ％、好ましくは０．５〜２．０市ｆｐ
％の範囲にて用いられる。

好ましい分散媒は、＃Ｊｉ！ｉしたように、水、アルコ
ール類、ケ１ヘン類、ハロゲン化炭化水素類又はこれら
の混合液である。

アルコ−ルとしては、エタノール、メチルセルソルブ等
が、ケトンとしては、アセ１−ン、チメルエヂルケトン
等が、ハロゲン化合物とじては、塩化メチレン、ジクロ
ロエタン等が挙げられる。これらの集束剤を溶解する能
力のある媒体は、集束剤の種類、量又は浴の温度によっ
てその種類、混合量が選択される。

本発明に用いられる熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂の分
散に用いられる媒体に膨潤又は溶解しないものである。

本発明の効果を更に高めるため、炭素繊維のような導電
性のある強化繊維束を用いる場合、強化繊維束を熱可塑
性樹脂粉末の分散液に浸漬し、両省の間に直流電流を通
して熱可塑性樹脂粉末を強化繊維束に付着させることが
できる。

この際の熱可塑性樹脂粉末サスペンション中の熱可塑性
樹脂の濃度は、熱可塑性樹脂の種類、通電する電圧によ
って異なり、また、濃度は適宜決定される。

電流は直流であり、該４ｊＡＭ束を陰極又は陽極とし、
ナスペンションを陽極又は陰極として処理を行なうのが
、熱可塑性樹脂を均一に含浸させるうえで好ましい。

通電する際の電圧は、使用する強化繊維束の種類や分散
液の電気抵抗によって異なるが、少なくとも　１ボルト
以上が好ましい。電流密度はストランドを構成し、旦つ
入浴位置から１１Ｉ１以内の浴中にある単繊維の単位表
面積当たりの電流密度が少なくとｔ）１ｍＡ／ｍ’ある
ことが好ましい。より好ましい範囲は０．０１〜５Ａ／
ｍ’である。

〔発明の効果〕

本発明によると強化繊維束で構成された繊維ストランド
、シート又は織物に均−且つ含浸性良く内部にまで熱可
塑性樹脂を含浸させることが可能であり、品質の良好な
繊維強化熱可塑性樹脂成形物が１ｑられる。その結果、
これを金型内に誘導し加熱溶融によって得られた連続成
形物は、樹脂の付着ムラが少なく、樹脂と繊維の接ｎ性
に優れた特性を示す。また、本発明では、強化繊維束へ
の樹脂の付着から成形まで、連続工程の中で処理が行な
えるため、コスト低減にもつながる。

〔実施例及び比較例〕

実施例１〜９ 第１表に示す熱可塑性樹脂粉末を分散媒に懸濁し、ｉｇ
１度調整されたサスペンションを準備する。このサスペ
ンションを第１図に示す浴中に入れた後、第１表に示す
種類の強化繊維束を、第１表に示すように所定の本数平
行に配列し、シート状強化繊維束とした後、これを浴中
に通した。

樹脂粉末を所定の付着量でシート状強化繊維束に付着さ
せた後、１５０℃にて１０分間乾燥させ、次いで、第１
表に示す温度に設定した第２図に示す形状の金型を通過
させ加熱含浸させることにより、一体化し、円形断面を
有する一方向繊維強化熱可塑性樹脂艮尺成形物を連続的
に成形した。

１りられた成形物の状態及び成形物の断面の金属顕微鏡
によるＷＡ察結果を、それぞれ第１表及び第３図に示す
。１ｑられた成形物は、長さ方向に反りのないものであ
り、繊維間にボイドのないものであった。

比較例１〜５ 第２表に示す熱可塑性樹脂粉末をアルコール等の分散媒
を用いず、乾燥させたままの状態で第１図に示す浴中に
入れた後、実施例１〜２で用いたと同じシート状強化Ｉ
ｌ！雑束を所定の本数配列させ、浴中を通した。強化繊
維束に樹脂付着後、実施例１〜２と同様に、第２表に示
す温度に設定した第２図に示す形状の金型を通過させ加
熱含浸させることにより、一体化し、円形断面を有する
一方向８８強化熱可塑性樹脂長尺成形物を連続的に成形
した。

得られた成形物の状態及び成形物の断面の金属顕微鏡に
よる観察結果を、それぞれ第２表及び第４図に示す。１
ｑられた成形物は、第２表及び第４図に示すように実施
例と異なり長さ方向に反りがあり、複合材料内部にボイ
ドが多く、成形物の表面には部分的な単繊維切れを起こ
しているものもあった。

実施例１０〜１７ 第３表に示す秤類と濃度の熱可塑性樹脂粉末第１図に示
す浴中に入れた後、実施例１〜２で用いたと同じシート
状強化繊維束を所定の本数配列させ、浴中を通した。強
化繊維束に樹脂付着後、実施例１〜２と同様に、第３表
に示す温度に設定した第２図に示す形状の金型を通過さ
せ加熱含浸させることにより、一体化し、円形′断面を
有する一方向繊維強化熱可塑性樹脂長尺成形物を連続的
に成形した。

得られた成形物は、長さ方向に反りのないものであり、
繊維間にボイドのないものであった。

比較例６〜８ 第３表に示す熱可塑性樹脂粉末をアルコール等の分散媒
を用いず、乾燥させたままの状態で第１図に示す浴中に
入れた後、実施例１〜２で用いたと同じシート状強化繊
維束を所定の本数配列させ、浴中に通した。強化繊維束
に樹脂付着後、実施例１〜２と同様に、第３表に示す温
度に設定した第２図に示す形状の金型を通過させ加熱含
浸させることにより、一体化し、円形断面を有する一方
向繊維強化熱可塑性樹脂長尺成形物を連続的に成形した
。

得られた成形物は、実施例と異なり長さ方向に反りがあ
り、複合材料内部にボイドが多く、成形物の表面には部
分的な単繊維切れを起こしているものもあった。

実施例１８〜１９及び比較例９〜１６ ポリエーテルエーテルケトン樹脂粉末（住友化学二粒子
径５μｍ）を炭素繊維に付着さぼる方法として、第４表
に示す方法で、集束剤なしの炭素ＩＩＮ束及びエボシ樹
脂を主成分とする集束剤（付着１！ｔ　１．０重量％）
で集束した炭素繊維束（単繊維直径７μｍ１強度４２０
ｋｇｆ／　ｎｕｎ’　、弾性率２４，５００ｋｏｒ　／
ｍｍ’　、６０００７　イラメント束）をそれぞれ処理
した。この工程で発生した毛羽の量（Ｆｕｚｚ）及び工
程トラブル発生件数は、第４表に示す通りであった。第
４表の中で、ｒｕｎＮｏ、９．１０が実施例１７．１８
であり、ｒｕｎＮｏ、１〜８は比較例９〜１６である。

第４表の結果によれば、熱可塑性樹脂粉末サスペンショ
ンを用い、集束剤で集束した炭素ＩＮ！維束を用いた実
施例の方が比較例に比し、毛羽が少なく、工程がより安
定していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法において使用するｇｉ置の概念図
を示したものである。 第２図は、第１図の装置に用いられる金型の一例を示し
たちのである。 たものである。 第４図は、比較例によって作製された熱可塑性樹脂成形
物の断面を示したらのである。 符号の説明 ｉ：４１帷束、２：テンション調整機、３：櫛ガイド、
４ニガイドローラー　　５：サスベンジョン樹脂浴、Ｏ
：ナスベンジョン樹脂液、７：分繊ガイド、８：金型、
９：引取線、１０：カッタ、１１：成形物、１２：テー
パ一部、１３：温度制御装置、１４：マトリックス樹脂
、１５：強化繊維、１６：ボイド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱可塑性樹脂粉末を液体に懸濁させたサスペンシ
   ョンに強化繊維束集合体を浸漬せしめ、熱可塑性樹脂粉
   末を該繊維束集合体に含浸させた後、熱可塑性樹脂のガ
   ラス転移温度又は融点以上に加熱された金型中を通過さ
   せ、熱可塑性樹脂を溶融させた後、冷却して一体化させ
   ることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形物の連続
   製造方法。