JPH03261513A - 補強用繊維成形体およびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マトリックス樹脂と混合して繊維強化プラス
チックを得る上で有用な補強用繊維成形体およびその製
造方法に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課ｊ￥ｉ］成形
用樹脂の機械的性質、成形時における寸法安定性などを
改善するため、繊維強化プラスチックにおいては、炭素
繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミド繊維などの補強繊
維が広く使用されている。特に炭素繊維は、樹脂に導電
性又は摺動性を付与するためにも使用されている。

これらの補強繊維と樹脂とを複合化した繊維強化プラス
チツク組成物は、次のような方法により製造されている
。

■７００〜１５００　ｒｐｍ／分程度の高速回転ミキサ
ーを用いて、ペレット状または粉状のマトリックス樹脂
と、平均繊維長１〜１０ｗ＋ｍ程度の綿状の補強繊維と
を均一に予備混合した後、押出機を用いて加熱、加圧下
で均一に混練しつつ、混線物を直径２〜３　ｍｍの糸状
に連続的に押し出して冷却し、長さ３〜５　ｍｍに切断
する方法。

■補強繊維として、高収束化した３〜６　ｍｍのストラ
ンドまたは１　ｍｍ以下のミルドファイバーを用いる場
合には、これらの繊維をマトリックス樹脂と予備混合す
ることなく、押出機の２ケ所の投入口より、マトリック
ス樹脂とストランド又はミルドファイバーとをそれぞれ
定量的に投入し、前記■と同様にして糸状物を切断する
方法。

また繊維強化プラスチツク組成物の切断は、ホットカッ
ト法、すなわち、上記■■の方法において、押出機より
、連続的に押し出された糸状物を、直接任意な長さに切
断した後、冷却する方法によっても行なわれている。

このような補強繊維とプラスチックとの複合化において
、補強繊維による効果を強く発現させるためには、マト
リックス樹脂中に、繊維長の大きな補強繊維を存在させ
る必要がある。

しかしながら、これらの方法■■では、押出機による混
練工程で補強繊維に大きな剪断力が作用するので、補強
繊維が切断される。特に、前記■の方法において、ペレ
ット状樹脂と綿状補強繊維とを高速回転により予備混合
する場合には、予備混合工程で補強繊維が極端に短く切
断されるだけでなく、さらに混線工程で補強繊維が切断
される。

従って、繊維長の大きな補強繊維をマトリックス樹脂中
に存在させることが困難であり、補強効果が低下する。

また前記■の方法においては、予備混合時の補強繊維が
嵩の高い綿状であるため、１回の予備混合時に混合可能
な繊維量に限界がある。従って、多量の強化繊維を混合
できず、加工コストが高くなる。

さらには、前記■■の方法においては、綿状の補強繊維
やミルドファイバーの取り扱い時に、粉塵が発生し、作
業環境を悪くする。

一方、繊維強化プラスチツク組成物中に存在する補強繊
維の繊維長を大きくするためには、■押出機による剪断
力を小さくして補強繊維とマトリックス樹脂とを混練す
る方法、■繊維長の大きな補強繊維を押出機にフィード
する方法が考えられる。しかしながら、前記■の方法で
は、補強繊維をマトリックス樹脂中に均一に混合分散さ
せるのが困難であり、繊維強化プラスチック組成物の機
械的強度などが低下する。また前記■の方法では、繊維
長が大きくなるにつれて繊維の嵩が太きくなるので、押
出機に補強繊維を円滑にフィードするのが困難である。

従って、本発明の目的は、取扱いが容易であり、マトリ
ックス樹脂中に繊維長の大きな補強繊維を存在させ、優
れた補強性を付与できる補強用繊維成形体を提供するこ
とにある。

また本発明の他の目的は、上記の如き優れた特性を有す
る補強用繊維成形体の製造方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ね
た結果、補強繊維と少量の樹脂とを含むシート状成形体
を切断したチップ状繊維成形体と、マトリックス樹脂と
を押出機により混練する場合には、補強繊維の切断が抑
制され、従来の問題点を大幅に軽減又は実質的に！消し
うろことを見いだし、本発明を完成した。すなわち、本
発明は、少なくとも補強繊維と樹脂とを含む成形体てあ
って、樹脂の含有量が５〜３０重量％である補強用繊維
成形体を提供する。

また本発明は、少なくとも７０〜９５重量％の補強繊維
と５〜３０重量％の樹脂とを混合する混合工程と、混合
物を加熱加圧し、冷却して成形する成形工程と、成形体
を切断する切断工程とを含む補強用繊維成形体の製造方
法を提供する。

本発明の繊維成形体に含まれる補強繊維は、マトリック
ス樹脂を補強する繊維であれば特に制限されない。補強
繊維としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル
、ビニロン、ナイロン、芳香族ポリアミドなどからなる
有機繊維；炭素繊維、ガラス繊維、シリカ繊維、アルミ
ニウムシリケート繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、ジ
ルコニア繊維、チタン酸カリウム繊維、炭化ケイ素繊維
などの無機繊維；タングステン、モリブデン、耐熱ニッ
ケル合金、鋼、ベリリウムなどからなる金属繊維；アル
ミナ、酸化ベリリウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素、窒化
ケイ素、クロム、銅、鉄、ニッケルなどからなるホイス
カーなどが挙げられる。

これらの中で、芳香族ポリアミド繊維、無機繊維（特に
炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維）、ホイスカーが好
ましい。またチタン酸カリウム繊維は、繊維成形体の白
色度を高める上で有用である。

これらの補強繊維は一種又は二種以上混合して使用゛で
きる。

繊維成形体に含まれる補強繊維の長さはマトリックス樹
脂との混合により補強性を損わない範囲で設定できるが
、通常、平均繊維長０．５〜５　ｍｍ、好ましくは１〜
３　ｍｍ程度である。

樹脂は、前記補強繊維と接着可能であり、かつマトリッ
クス樹脂との混合により得られる繊維強化プラスチック
に悪影響を及ぼさない限り、その種類を問わない。樹脂
としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなと
のポリオレフィン；アクリル系樹脂：スチレン系樹脂；
ポリアミド；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレ
ンテレフタレートなどのポリエステル；ポリカーボネー
ト；ポリ塩化ビニル；ポリアセタール；フッ素樹脂；ポ
リフェニレンサルファイド；ポリアミドイミド；ポリエ
ーテルエーテルケトン；アクリロニトリル−ブタジェン
−スチレン共重合体、ポリビニールアルコール、ポリウ
レタン等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹
脂、ポリイミド、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂などが
挙げられる。

樹脂は、マトリックス樹脂との親和性の高い樹脂、特に
マトリックス樹脂と同種の樹脂であるのが好ましい。こ
れらの樹脂は、一種又は二種以上混合して使用できる。

樹脂の形状は、粉状、粒状、繊維状であってもよく、前
記補強繊維を被覆するためには溶液又は分散液でもよい
。熱可塑性樹脂の好ましい形状は、粉状、粒状または繊
維状である。またエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の場
合には、溶液又は分散液を用いるのが好ましい。

補強繊維と樹脂との割合は、補強繊維の種類および樹脂
の形態によって変化するが、樹脂含有量は、通常、５〜
３０重量％、好ましくは７．５〜３０重量％程度である
。より具体的には、炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維の
場合には、補強繊維８０重量部に対して樹脂１３〜２５
重量部、ガラス繊維の場合には、補強繊維８０重量部に
対して樹脂７〜１３重量部程度が好ましい。樹脂の含有
量が５重量％未満である場合には、成形体としての一体
性が損われると共に、切断の際または取扱い時に粉化し
易く、形状維持が困難となる。また３０重量％を越える
場合には、マトリックス樹脂への迅速な分散が損われる
場合がある。

なお、本発明の繊維成形体は、カーボンブラック、導電
性カーボンブラック、メソカーボンマイクロビーズなど
の炭素質材料；着色剤；炭酸カルシウム、硫酸バリウム
、アルミナ、タルク、カオリンなどの充填剤などを含ん
でいてもよい。

本発明の繊維成形体は、補強繊維が少量の樹脂で接合し
ており、組織が粗な多孔質である。繊維成形体の嵩密度
は、生産性や作業性の点から、通常、０　、　１〜０　
、　５　ｇ　／　ｍ”程度が好ましい。

繊維成形体の大きさは、押出機へのフィード性、マトリ
ックス樹脂との混合性を損わない範囲で決定できる。繊
維成形体は、チップ状であるのが好ましく、その大きさ
は、通常、１〜１０ｍｍＸ１〜１０ｍｍで厚さ０．１〜
３ｍｍ−、好ましくは２〜５　ｍｍ×５〜１０ｍｍで厚
さ０．５〜３　ｍｍ程度である。このような大きさの繊
維成形体は、押出機へのフィード性、取扱い性に優れて
いる。

このような繊維成形体を押出機にフィードしてマトリッ
クス樹脂と混練する場合には、次のような効果が生じる
。

（Ａ）補強用繊維成形体には、平均繊維長の大きな補強
繊維が含まれていると共に、補強繊維は少量の樹脂で接
合している。このような補強用繊維成形体をマトリック
ス樹脂と押出機で混練すると、補強繊維はマトリックス
樹脂中に容易に分散する。

従って、従来のように、補強繊維とマトリックス樹脂と
を押出機で直接混練する場合と異なり、補強繊維の切断
を抑制でき、存在する繊維長の大きな補強繊維により、
補強性に優れた繊維強化プラスチツク組成物が得られる
。特に従来の繊維強化プラスチツク組成物と比較して、
補強繊維の含有量が少なくても、高い補強性を付与でき
る。さらに、炭素繊維などの導電性補強繊維を用いる場
合には、繊維強化プラスチツク組成物中の繊維の含有量
が少なくても、高い導電性などを付与できる。

（Ｂ）樹脂で補強繊維が接合しているので、従来の綿状
繊維に比べて、輸送保管が容易であるだけでなく、かつ
粉塵の発生が少なくなり、作業環境が改善される。

本発明の補強用繊維成形体は、例えば、図に示されるよ
うに、補強繊維と樹脂とを混合する混合工程（１）と、
混合物を加熱加圧し、冷却して成形する成形工程（２）
と、成形体を切断する切断工程（３）を経ることにより
製造できる。

上記混合工程（１）で混合する補強繊維の繊維長は、切
断工程（３）で繊維長を調整できるので、特に制限され
ないが、混合性の点から、１〜１００　ｍｍ程度の綿状
であるのが好ましい。補強繊維に、少量の樹脂でストラ
ンド状に収束した繊維を混合することは任意である。補
強繊維と樹脂との混合割合は、前記補強用繊維成形体に
対応する割合、すなわち、補強繊維７０〜９５重量％、
補強繊維５〜３０重量％である。

補強繊維と樹脂との混合は、慣用の混合機を用いて行な
うことができる。例えば、粉末状又は粒状の樹脂を混合
する場合には、高速回転ミキサーを使用すればよく、繊
維状樹脂を混合する場合には、紡績用カードも使用でき
る。

成形工程（２）で、補強繊維と樹脂との混合物を加熱加
圧し、冷却することにより、樹脂により補強繊維が接合
した成形体が得られる。なお、混合物の加熱は、通常、
樹脂の軟化点以上の温度で行なわれる。成形工程（２）
では、混合物を直方体などの種々の形状に成形できるが
、切断工程（３）での切断性を高めるため、シート状に
成形するのが好ましい。なお、成形工程（２）で得られ
た成形体には、ランダムに配向した補強繊維が存在する
。

成形工程（２）で成形した混合物を、加圧冷却した後、
切断工程（３）に供することにより、ランダム配向し、
かつ所定の平均繊維長に切断された補強繊維を含む本発
明の補強用繊維成形体を得る。成形体中の補強繊維の繊
維長は、切断幅を調整することにより制御できる。好ま
しい切断幅は、前記繊維成形体の大きさに対応する幅で
ある。切断工程（３）では、慣用の切断機、例えば、ロ
ールカッターペレタイザーなどが使用できる。

このようにして得られた補強用繊維成形体をマトリック
ス樹脂と押出機で混練することにより、補強性に優れた
繊維強化プラスチツク組成物が得られる。

なお、本発明の好ましい態様は次の通りである。

（ａ）補強繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、芳香族ポリ
アミド繊維、ボロン繊維、ホイスカーからなる群から選
択された少なくとも一種の繊維である補強用繊維成形体
。

（ｂ）樹脂が、粉末状、粒状、繊維状、または補強繊維
を被覆した樹脂であり、かつ接着能を有する補強用繊維
成形体。

（Ｃ）補強繊維の平均繊維長が０．５〜５舶、好ましく
は１〜３　ｍｍ程度である補強用繊維成形体。

（ｄ）嵩密度が０．　１〜０．　５　ｇ／　ｍ’である
補強用繊維成形体。

（ｅ）チップ状である補強用繊維成形体。

（ｒ）大きさが、１〜１０　ｍｍ　Ｘ　１〜１０　ｍｍ
、厚みＯ８１〜３　ｍｍである補強用繊維成形体。

［発明の効果］ 本発明の補強用繊維成形体は、補強繊維と少量の樹脂と
を含むので、取扱い及びマトリックス樹脂への分散が容
易であり、マトリックス樹脂に優れた補強性を付与でき
る。

また本発明の補強用繊維成形体の製造方法では、補強繊
維と樹脂とを混合工程、成形工程及び切断工程に供すれ
ばよいので、上記の如き優れた特性を有する補強用繊維
成形体を生産性よく製造できる。

［実施例］ 以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する
。

実施例１ 平均繊維長６　ｍｍのピッチ系炭素繊維（■ドナツク製
、商品名Ｓ−２３２）８０重量部と、１００メツシユの
粒状ポリプロピレン２０重量部を、混合機（■カワタ製
、スーパーミサキ−５ＭＶ−２０）を用いて、回転数１
３５　Ｏｒｐｍ／分の条件で５分間混合した。混合物を
大きさ３５０Ｘ３５０Ｘ５　ｍｍの鋼板に挾み、２３０
℃に加熱した後、３７トン水冷式冷却プレス機を用いて
、ゲージ圧１４０　ｋｇ　／　ｃｊの条件で加圧冷却し
、大きさ３３０Ｘ３３０Ｘ１．５ｍｍのシート状成形体
を得た。

次いで、シート状成形体を、ロールカッターで、幅６　
ｍｍに切断した後、ペレタイザー（いすず化工機■製）
にて、長さ３　ｍｍに切断し、６Ｘ３Ｘ１゜５　ｍｍの
繊維成形体を得た。

繊維成形体中の炭素繊維の平均繊維長は１．５価であっ
た。

そして、実施例１で得られた繊維成形体１５重量部、ポ
リプロピレン７４重量部、タルク１１重量部とを押出機
にて混練し、繊維強化プラスチツク組成物を調製した。

次いて、繊維強化プラスチツク組成物を、射出成形機に
て射出成形し、試験片を作製した。

なお、前記繊維成形体はポリプロピレンを２０重量％含
有するため、得られた試験片の炭素繊維の含有量は１２
重量％である。

比較例１ 補強繊維を用いることなく、ポリプロピレン８９重量部
及びタルク１１重量部を押出機で混練し、得られたプラ
スチック組成物を、実施例１と同様にして、射出成形し
、試験片を得た。

比較例２ ポリプロピレン７４重量部、ピッチ系炭素繊維ミルドフ
ァイバー（■ドナツク製、商品名Ｓ−２４４）１５重量
部、タルク１１重量部を押出機で混練し、得られた繊維
強化プラスチツク組成物を、実施例１と同様にして、射
出成形し、試験片を得た。

そして、実施例１、比較例１及び比較例２で得られた試
験片の機械的強度及び体積抵抗値を測定した。繊維強化
プラスチツク組成物中の炭素繊維の含有量と共に、得ら
れた結果を表に示す。

（以下、余白） 表より、実施例で得られた繊維強化プラスチックは、炭
素繊維の含有量が少ないにも拘らず、機械的強度が大き
く、電気抵抗が小さい。

実施例２ 繊維長６　ｍｍのピッチ系炭素繊維（クレハ化学側製、
商品名Ｃ−１０６５）と実施例１で用いた粒状ポリプロ
ピレンを用いる以外、実施例１と同様にして繊維成形体
を得た。

繊維成形体中の炭素繊維の平均繊維長は１．９＋ｎｍて
あった。

実施例３ 実施例１で用いたピッチ系炭素繊維を６５重量部、ガラ
ス繊維（繊維径６μｍ１繊維長３．６ｍｍ）を６５重量
部、粉末状ナイロン６を２０重量部用い、２５０℃で加
熱する以外、実施例１と同様にして、繊維成形体を得た
。

繊維成形体中の炭素繊維の平均繊維長は１．２印、ガラ
ス繊維の平均繊維長は２．５＋ｎｍであった。

実施例４ 実施例１で用いたピッチ系炭素繊維４０重量部と、芳香
族ポリアミド繊維（デュポン・東し・ケプラー■製、商
品名ケブラー２９−９７９バルブ）４０重量部、実施例
１で用いた粒状ポリプロピレン２０重量部を用いる以外
、実施ｆ！４１と同様にして、繊維酸形体を得た。

繊維成形体中の炭素繊維の平均繊維長は１．３−であっ
た。なお、芳香族ポリアミド繊維には、繊維切れが見ら
れなかった。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の補強用繊維成形体の製造方法を示す工程図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　少なくとも補強繊維と樹脂とを含む成形体であって
   、樹脂の含有量が５〜３０重量％であることを特徴とす
   る補強用繊維成形体。 ２　少なくとも７０〜９５重量％の補強繊維と５〜３０
   重量％の樹脂とを混合する混合工程と、混合物を加熱加
   圧して成形する成形工程と、成形体を切断する切断工程
   とを含むことを特徴とする補強用繊維成形体の製造方法
   。 ３　成形工程で、混合物をシート状に成形する請求項２
   記載の補強用繊維成形体の製造方法。