JPH0414436A - 配向した繊維を有する繊維強化熱可塑性プラスチックシートおよびその製造法 - 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〕 この発明は、配向した繊維を有する成形用繊維強化熱可
塑性プラスチックシートおよびその製造法に関するもの
である。

（従来の技術〕 従来の成形用繊維強化熱可塑性プラスチックシートとし
て、ガラス繊維、炭素繊維などの強化繊維の連続束（ロ
ービング）を多数一方向に引き揃えたシート状繊維集合
体に熱可塑性樹脂を含浸して強化熱可塑性シートとした
ものが知られている（特開昭５９−１４９２４号公報）
。また、一方向に引き揃えたロービングの層と、無配向
の繊維層を積層組合せたものに熱可塑性樹脂を含浸して
強化熱可塑性シートとしたものも知られている（特開昭
６２２４０５１４号公報、特開昭６４−８１８２６号公
報など）。

〔発明が解決しようとする課題］ これらは、熱可塑性樹脂が含浸しにくいという問題点が
あった。すなわち、連続繊維束であるロービングを多数
本シート状に引き揃えた繊維集合体は、繊維が高密度に
集合しているため、熱可塑性樹脂、例えばポリエチレン
、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリエ
ステルなどのように溶融粘度の高い樹脂では含浸するの
が困難であった。そのため、強化繊維による複合効果が
発揮できにくく強度が出にくかった。また、圧縮成形時
の材料流動性が低いという問題もあった。

すなわち、連続繊維が張力をかけられた状態で熱可塑性
シート内にあるため、スタンピング成形の際、特に繊維
配向と平行の方向の材料流動性が低かった。

本発明の目的は熱可塑性樹脂の含浸が容易で、十分な一
方向強度および垂直方向強度を有し、成形時の流動性が
良好な繊維強化熱可塑性プラスチックシートを提供する
ことにある。

本発明の他の目的は特定方向の繊維配向性、樹脂含浸性
および目付量を有する繊維不織布に熱可塑性樹脂を含浸
した繊維強化熱可塑性プラスチックシートを製造する方
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 本発明は上記目的を達成するべくなされたものであり、
繊維の３０〜９５％が一方向に、そして７０〜５％がラ
ンダム方向に配向しており、１０ｋｇｆ／ａｆｌの圧力
で加圧したときの空間率が０．４〜０．９である不織布
に熱可塑性樹脂が含浸してなる成形用繊維強化熱可塑性
プラスチックシートによってかかる目的を達成したもの
である。この繊維強化熱可塑性プラスチックシートは非
連続繊維を互いに隣接していて回転速度の異なる複数本
の表面にスパイクを有するドラム間を移行せしめ、その
際、各ドラムの回転速度を制御して３０〜９５％の繊維
がドラムの回転方向に配向し、残りの７０〜５％の繊維
がランダム方向に配向し、かつ１０　ｋｇ　ｆ　／　ｃ
ＴＭの圧力で加圧したときの空間率が０．４〜０．９の
不織布を形成させ、該不織布に熱可塑性樹脂を含浸させ
ることを特徴とする成形用繊維強化熱可塑性プラスチッ
クシートの製造方法によって製造することができる。

原料として使用する繊維は、数十本から数千本の単繊維
が集束された安価な非連続繊維束（チョツプドストラン
ド）か、連続繊維を予め任意の長さにカットして用いる
。繊維の長さは繊維強化熱可塑性プラスチックシートお
よびその成形体の機械的強度に大きく影響を与えるため
非常に重要であるが、−ａ的には６〜１００■の長さ、
好ましくは１３〜５０ｍｍの長さが製造工程上および機
械的強度−ト適当である。繊維は通常高弾性率を有する
ものであり、これはプラスチックシートの用途によって
選択されるほか樹脂を加熱・加圧する工程に耐える耐熱
性を有することも必要である。繊維の例としてガラス繊
維、炭素繊維、金属繊維、アラミド繊維等を挙げること
ができる。例示した高弾性率繊維は一般に剛直であり、
不織布を形成するのに必要な繊維同志のからみ合いが乏
しいため、必要に応じて例えば、ポリプロピレンやポリ
エステルなどの合成繊維を加えてもよい。この非連続繊
維束は未開繊のまま使用してもよいが一部を開繊させて
おくことが好ましい。開繊の程度は一部がモノフィラメ
ント迄開繊された程度がよい。未開繊のものの割合が５
０重量％以上、好ましくは５０〜９０重量％程度が適当
である。不織布中において繊維の３０〜９５重量％が一
方向に配向し、そして残りの７０〜５重量％がランダム
方向に配向（無配向）している。ただし、この場合、一
方向配向成分とは厳密に平行な成分だけでなく、実用上
有効な範囲（通常±５°）で略平行であればよい。

次に、不織布の空間率ｅは１０ｋｇｆ／ｃｎの圧力で加
圧したとき０．４〜０．９である。

繊維不織布の空間率ｅと溶融樹脂の含浸速度Ｖの間には
次式の関係がある。

（Ｄａｒｃｙの法則） ■二含浸速度（ｃｍ／ｓ） ｈ：不織布の厚さ（ｃｍ） △Ｐ：圧力（Ｐａ） η：樹脂粘度（Ｐａ）　＝　（１０ｐｏｉｓｅ）ｋ：透
過係数（ｄ） ｋ　ΔＰ　・・・・・・（１） Ｖ″″　　ηｈ （Ｋｏｚｅｎｙ　−Ｃａｒｍｅｎの式）ｄ：不織布の細
孔断面積（ｃｌｌｌ） ｅ：不織布の空間率 に＝ｄ８°　・・・・・・（２） １８０（１−ｅ）” 即ち、空間率の増加と共に樹脂の含浸速度Ｖは増加する
。ところで、不織布の厚さは加えられる圧力に大きく依
存するため、通常の熱可塑性樹脂の溶融含浸を行う際の
代表的圧力を１０ｋｇｆ／ｃｆｆｌとし、この圧力を加
えたときの不織布の空間率ｅを次のようにして求めるこ
とができる。先ず、総重量Ａ〔ｇ］、面積Ｓ（ｃＩｌｌ
）を測定しである任意の厚さの繊維不織布を上下に常盤
を有する加圧装置にセットし、この不織布に均一に１０
　ｋｇ　ｆ　／　ｃＩｌｌの圧力を加え、不織布の厚さ
が変化しなくなるまで（通常約５分）同じ圧力を加え続
ける。次に、圧縮された状態の不織布の厚さｔ（ｃｍ）
と面積Ｓ”（ｃＩｌｌ）　　（通常初期面積Ｓと同じ）
を測定する。その結果、空間率ｅは次式で求められる。

ｖｌ：繊維の真の体積〔Ｃボ〕＝Ａ／σσ：繊維の比重 ｖ２：圧縮時の不織布の見掛は体積（ｃｆｆｌ）≠ｔ　
ｘｓ’ 発明者らは熱可塑性樹脂を十分含浸させるためには、不
織布の空間率は０．４以上必要であり、また空間率が０
．９をこえると不織布内に気泡が残りやすくなることを
見出した。

不織布中に含浸される熱可塑性樹脂は繊維強化熱可塑性
プラスチックシートの用途等によって適宜選択されるが
、例としてポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、エ
チレン−プロピレン共重合体樹脂、エチレン−酢酸ビニ
ル共重合体樹脂、エチレン−アクリル酸エステル共重合
体樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹
脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化
ビニリデン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹
脂、ポリアセタール樹脂、メタクリル樹脂、これらを含
むブレンド樹脂などを挙げることができる。

繊維強化熱可塑性プラスチックシートにおける熱可塑性
樹脂の含有率は４０〜９５容積％程度、好ましくは５０
〜９０容積％程度が適当である。

本発明の配向した繊維を有する繊維強化熱可塑性プラス
チックシートは次のように製造することができる。

６〜１００ｍｍの長さにカットされた非連続繊維束をそ
のままの状態で、又は繊維が著しく損傷されない範囲で
任意の程度開繊した状態で、表面にスパイクを有する回
転するドラム状シリンダーに定量的に供給する。

非連続繊維束の開繊を行う最も代表的な方法は、乾式不
織布製造装置の一つとして普及している開繊機、ビータ
−あるいはプレンダーと呼ばれる装置を使用する方法で
ある。他の方法としては、いわゆるヘンシェルミキサー
などを用いてもよい。

また、繊維束を回転する羽根を有する送綿機などを通じ
て空気と共に空送するだけでもある程度開繊することが
できる。

非連続繊維束を表面にスパイクを有するドラム状シリン
ダーに定量的に供給する方法は乾式の不織布製造技術を
そのまま適用することができる。

表面にスパイクを有するドラム（スパイクドラム）とし
ては、不織布業界で普及しているカード機に装着されて
いるものをそのまま使用することができる。カード機で
は一般にはフィードされた繊維を表面にスパイクを有す
る回転するドラム状シリンダーに接触させる。スパイク
はちょうどくしが髪をすくように繊維を不織布状に整え
る。回転するシリンダー上で整えられた繊維は最終的に
はドツファ−と呼ばれる隣接する他のスノでイクヲ有す
るドラムに移され、次の工程へと移送されて行く。スパ
イクの形状は、いわゆるメタリ・ツクワイヤー（のこぎ
り刃状）、針布（針状）と呼ばれるものが一般的である
。

ドラム表面に突出している長さは数飾〜ＩＣｌ１１程度
である。スパイクの植設数は一般にポイント数十〜数百
本へｎｃｈ”程度である。カード機では目的とする不織
布に応じて、上記のシリンダー及びドツファ−の他にテ
ーカイン、ウォーカー、ストリッパーなどの回転するド
ラムを付設することができる。

構成繊維の一部が一方向に配向した不織布は互いに隣接
して回転する上記の表面にスパイクを有する複数のドラ
ムの回転数を互いに変えることによって形成することが
できる。一方向（ドラムの回転方向）に配向している繊
維の割合は使用する繊維の種類、すなわち材質、繊維長
、繊維径等と繊維の混合状態及び開繊度、使用するドラ
ムのスパイクの形状、本数等と回転速度、繊維のフィー
ド速度等によって変化する。換言すれば、使用する繊維
と装置が定まっていれば繊維のフィード速度と各ドラム
の回転速度を制御することによって、一方向に配向して
いる繊維の割合を制御することができる。そこで、使用
する繊維と装置について予めフィード速度と各ドラムの
回転数を変えて各条件ごとに形成される不織布中の一方
向に配向している繊維の割合を求めておいて、このデー
タに基づいて運転を行なえばよい。スパイクドラムの本
数は最低で２本あればよく、通常２〜１０本程度、多く
の場合は２〜５本程度を連設して使用する。

一般に後段のスパイクドラムの回転速度が前段のスパイ
クドラムより速ければ速い程、一方向に配向している繊
維の割合が増し、連設されるスパイクドラムの本数が多
くなる程、その状態が増長される。なお、後段のスパイ
クドラムの回転数は前段のスパイクドラムより速くなく
とも繊維の一部は回転方向に配向される。一方向に配合
している繊維の割合を測定する方法は、直接目視により
測定するのが一般的であるが、他の方法としては、不織
布の拡大写真をコンピューターによる画像処理を行って
定量することもできる。

形成される不織布の空間率は繊維の種類と配向性のほか
、開繊度も影響し、しかも開繊は不織布形成時において
もスパイクドラム通過等によって進行する。しかし、使
用する繊維と装置が定まれば繊維のフィード速度と各ド
ラムの回転速度に応じて形成される不織布の空間率はほ
ぼ一定値になるから、予めこれらの条件ごとに不織布の
空間率を求めておいてこのデータに基づいて運転を行な
えばよい。

カード機を使って作製できる不織布は通常ガラス繊維の
場合で日付量が数ｇ／ｒｒｆ〜数十ｇ／％、多くても１
００　ｇ　／ｒｄである。従って、任意の日付量の不織
布を作製するためにはカード機を複数白亜べて、各カー
ド機から排出される不織布を多段に積層する方法、−台
のカード機で作製した不織布をロール状に巻取り、この
ロールを複数本準備した後、各々のロールから不織布を
繰り出しながら積層する方法、上記の方法の組合せなど
が考えられる。

こうして形成される不織布の積層体は、ニードルバンチ
などの機械的手段で接合を行い、不織布強度を向上させ
ることができるが、これらの加工は加工後の不織布の空
間率ｅが０．４〜０．９の範囲外にならないよう配慮す
る必要がある。また、不織布積層体をバインダーによっ
て接合することもできる。

一方、本発明においては簡略化されたプロセスにより任
意の目付量の配向された不織布を得ることができる。−
台のカード機から取り出された長尺の不織布をその長尺
方向と平行に移動するコンベア上に折り重ね、繊維の配
向が乱れないように任意の目付量にする。折り重ねる方
法は該コンベア上にその走行方向に前段に往復動する装
置を設けて、そこから長尺の不織布を繰り出せばよい。

この装置にはコンベア、リール等のウェブ繰出し機能を
有するものを用いればよい。この折り重ね積層不織布を
ニードルパンチなどの加工により接合した不織布とする
。これにより、−台のカード機で最小の工程とスペース
で任意の目付量の不織布を繊維の配向を乱すことなく得
ることができる。

上記の各不織布又は不織布積層体に熱可塑性樹脂を溶融
樹脂、フィルム、ペレット、パウダー溶液のいずれかの
形態で供給し、加熱加圧して含浸させ、この後冷却加圧
してシート状にする。

こうして得られた繊維強化熱可塑性プラスチックシート
はそのまま成形用に使用してもよく、他のシートとの積
層物を形成して使用することもできる。

本発明のシートは、繊維の配向方向の高い強度および良
好な成形性を利用して様々な用途に使用される。例えば
、自動車用ではバンパービーム、板バネなどの強度、構
造部材の他、ドアインナーシートフレームなどにも使用
できる。建材用の補強部材、構造部材または家電製品の
構造部材などにも好適に使用される。

〔作用］ 連続した繊維束（ロービング）を引き揃えてシート状に
ならべ、この繊維集合体に熱可塑性樹脂を含浸した繊維
強化熱可塑性プラスチックシートは、繊維のほぼ１００
％が一方向に配しており、配向方向の強度は高いが、他
の方向、特に配向の垂直方向に対する強度が極めて低い
。また、この熱可−塑性強化プラスチックシートを樹脂
の融点以上に加熱した後、金型内で圧縮成形（ホットフ
ロースタンピング）する際、連続繊維の配向が拘束とな
って特に配向と平行方向に材料が流動するのを妨げる。

上記の問題は、強化繊維として非連続繊維を使用し、一
方向に配向した繊維成分を繊維の３０〜９５％にするこ
とにより解決される。配向成分が３０％未満では無配向
のものとの強度的有意差がなく、９５％以上では上記と
同様の問題を生ずる。

引き揃えられた連続繊維束は、繊維が高密度に集合して
おり、熱可塑性樹脂のように溶融粘度の高い樹脂が含浸
しにくい。これは繊維集合体の空間率ｅが低いことを意
味する。

上記問題は、繊維束を一部開繊し、かつ無配向成分を生
じさせることにより、空間率ｅを０．４〜０．９の範囲
にすることにより解決される。

〔実施例〕

実施例１ 繊維長５０ｍｍ、繊維径１１ｎ、集束本数１３５本のチ
ョツプドストランドガラス繊維（ｒＦＥＳ−５０−１２
５０」、富士ファイバーグラス■製）を開繊機（「スー
パーブレンダーＮＤＷＧ〜２０」、地上機械■製）に投
入して繊維束を予備開繊した。この予備開繊ガラス繊維
１を第１図に示すようなカード機（「カード機６０−Ｍ
３２Ｊ　、地上機械■製）に定量的に投入した。

このカード機は径が８０６閣φのシリンダーロール２．
５２２ｍｍφのドツファ−ロール３及び２２９胴φのテ
ーカインロール４の３本のスパイクロールを有し、さら
に径１２７ｍａφのウォーカーロールと径７８閣φのス
トリッパーロール各５本づつ（いずれも図示されていな
い、）が付設されている。

ガラス繊維の供給量は約３０ｋｇ／ｈｒとし、ドツファ
−ロール３からの不織布の取り出し速度を約１５ｍｐｍ
にして、目付ｉｔ２２ｇ／ボの不織布５を得た。このガ
ラス繊維不織布を繊維の配向方向を同じにして２３枚積
層した後、上下から各々５本／Ｃ１１Ｎのピッチでニー
ドルパンチ加工した。

このガラス繊維不織布は目付量約５００　ｇ　／　ｒｄ
で、一方向に配向している繊維が約６０％あり、加圧時
の空間率ｅは０．７５であった。この不織布４枚にＭｌ
が１０ｇ／１０分のポリプロピレンよりなる厚み１５０
μｌのフィルム（ｒＦ−１５０１１４、日本石油化学■
製）を所定枚数上下から積ね２００°Ｃに加熱したプレ
スにて１０　ｋｇ　ｆ　／　ｃｄの圧力で５分、次に常
温のプレスにて１０ｋｇｆ／ｃ艷の圧力で５分圧縮して
厚み４ＩＩＩＩ１１１ガラス繊維含有率４０重量％の繊
維強化熱可塑性樹脂シートを得た。

このシートの配向方向および配向と垂直方向の機械的強
度を表１に示す。

また、このシートの断面の模式図を第２図に示す。熱可
塑性樹脂６はガラス繊維不織布５に十分含浸しており、
シート中の気泡の残留はなかった。

実施例２ 実施例１で用いたものと同じガラス繊維８０重量部とポ
リプロピレン繊維２０重量部を実施例１と同じ開繊機に
て処理して予備開繊すると同時に両繊維を均一に混合し
た。この混合物を同社自動ポツパーフィーダ（地上機械
■製）にて実施例１と同シカード機に３０ｋｇ／ｈｒの
速度で定量的に供給した。

トンファーロール４からの取り出し速度を２５ｍｐｍに
して目付量１３ｇ／　％の不織布５を得た。

この不織布を第３図に示すように地上機械■製「ウェブ
レイヤーＩＫＨ−３０Ｊ　７にて繊維の配向方向と平行
に移動するコンベア８上折り重ねながら送り出した。ウ
ェブクロスレイヤーには繊維配向と平行方向に前後する
ヘッド９がついている。コンベア８の速度を調節して不
繊布の厚み方向に２９枚の不織布が積層されるように折
り重ね、この折重体１０に上下から各々５本／ｃＩｆｌ
のピッチのニードルパンチを行った。得られた不織布は
目付量が３７５ｇ／ｄ（内３００ｇ／ｃｉｌｌがガラス
繊維）、配向している繊維が約８０％、そして加圧時の
不織布空間率ｅが０．７５であった。

以下、実施例１と同様にして厚み４ｍ、ガラス繊維含有
率４０重量％の繊維強化熱可塑性樹脂シートを得、機械
的強度を調べた結果を表１に示す。

比較例１ 一方向に引き揃えたロービング３００ｇ／　％とランダ
ムのチョツプドストランドマット３００ｇ／　ｒｄを貼
合せたガラス繊維マット（「ラミマットＬＭ３０３に八
−１０４Ｊ　、日東紡績■製）と厚み１５０ｐのポリプ
ロピレンフィルム（ｒＦ−１５０８，、日本石油化学■
製）の所定枚数を引き揃えたロービングの方向を同一に
して交互に積層し、実施例１と同様の方法で厚み４ｍｍ
、ガラス繊維含有率４０重量％のシートを得た。ガラス
繊維マットの空間率ｅは０．３５、繊維の配向成分は約
５０％であった。

得られたシートの機械的強度を表１に示す。またこのシ
ートの断面の模式図を第４図に示す。熱可塑性樹脂６は
ガラス繊維７７日０内に十分含浸しておらず、樹脂と繊
維の各層が一体とならずに分離していた。

表１から明らかなように、本発明による繊維強化熱可塑
性プラスチツクシートは、樹脂の含浸が十分達成され、
特に含浸の影響が著顕にあられれる曲げ強さ、曲げ弾性
率が高い。また、配向と垂直方向の強度も、比較例のよ
うなランダム繊維マントがなくとも高いレベルにある。

表１ 〔発明の効果〕 本発明によれば、熱可塑性樹脂の含浸が容易で十分な一
方向強度および垂直方向強度を有し、成形時の流動性が
良好な繊維強化プラスチツクシートが得られる。また、
特定方向への繊維配向性、任意の樹脂含浸性および目付
蓋を有する繊維不織布に熱可塑性樹脂を含浸した繊維強
化熱可塑性プラスチックシートを製造する方法が提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例で使用された繊維不織布製
造装置の概略を示す側面図である。 第２図は、本発明の一実施例による繊維強化熱可塑性プ
ラスチックシートの一例の断面模式図である。 第３図は、本発明の一実施例で使用された繊維不繊布の
積層装置の概略を示す側面図である。 第４図は、繊維強化熱可塑性プラスチックシートの比較
例の断面模式図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）構成繊維の３０〜９５％が一方向に、そして７０
   〜５％がランダム方向に配向しており、１０ｋｇｆ／ｃ
   ｍ＾２の圧力で加圧したときの空間率が０．４〜０．９
   である不織布に熱可塑性樹脂が含浸してなる成形用繊維
   強化熱可塑性プラスチックシート
2. （２）請求項（１）に記載の繊維強化熱可塑性プラスチ
   ックシートを含有する積層体
3. （３）未開繊又は開繊された非連続繊維を互いに隣接し
   ていて回転速度の異なる複数本の表面にスパイクを有す
   るドラム間を移行せしめ、その際、各ドラムの回転速度
   を制御して３０〜９５％の繊維がドラムの回転方向に配
   向し、残りの７０〜５％の繊維がランダム方向に配向し
   、かつ１０ｋｇｆ／ｃｍ＾２の圧力で加圧したときの空
   間率が０．４〜０．９の不織布を形成させ、該不織布に
   熱可塑性樹脂を含浸させることを特徴とする成形用繊維
   強化熱可塑性プラスチックシートの製造方法
4. （４）請求項（３）において形成された不織布を複数枚
   積重ねて接合し、該接合積層体に熱可塑性樹脂を含浸さ
   せることを特徴とする成形用繊維強化熱可塑性プラスチ
   ックシートの製造方法
5. （５）請求項（３）において形成された長尺の不織布を
   該長尺方向に前後に往復動する装置より繰出し、該往復
   動装置の下方には前記長尺方向に走行するコンベアを配
   設して該コンベア上に前記不織布の折重体を形成し、こ
   の折重体を所定折重数ごとに接合し、該接合積層体に熱
   可塑性樹脂を含浸させることを特徴とする成形用繊維強
   化熱可塑性プラスチックシートの製造方法