JPH06198688A - 樹脂成形品およびその製造方法 - Google Patents
樹脂成形品およびその製造方法Info
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Abstract
長繊維強化材を有する樹脂原料を溶融させて成形するに
際し、繊維強化材の折損を著しく抑え、優れた機械物性
を有する成形品を製造する方法を提供する。 【構成】 スクリュを有する加熱筒内で繊維強化材を含
有する原料樹脂を溶融してスクリュ前方に蓄積させ、次
いで前記スクリュまたは別に設けられるプランジャーに
より前記蓄積溶融樹脂を加熱筒より排出させて成形品を
製造する方法において、前記蓄積中の溶融樹脂圧を実質
的にゼロとするように前記スクリュまたはプランジャー
の後退動作を制御することによる樹脂成形品の製造方
法。原料樹脂として、繊維長が5〜100mmの範囲に
あり平行配列をなしている繊維強化材を含有するものに
対して特に有効である。
Description
繊維強化プラスチックに比べ長い重量平均繊維長(以
下、単に「平均繊維長」と略す)の繊維強化材を含む樹
脂成形品の製造方法に関する。さらに詳しくは、比較的
長い繊維長を有する繊維強化材を含む原料樹脂をスクリ
ュを有する加熱筒内で溶融樹脂圧が実質的にゼロである
特定の条件下で溶融させることによる、比較的長い平均
繊維長の繊維強化材を含む成形品の製造方法に関する。
改良する目的でガラス繊維などの繊維強化材を使用する
技術は以前より広く知られている。この場合に成形品に
含まれる繊維強化材の平均繊維長としては、特殊な成形
法によるものを除き、通常0.1〜0.3mm程度のも
のであった。近年、ガラス繊維やカーボン繊維などの長
繊維に押出機で溶融したポリアミド樹脂やポリエステル
樹脂などの熱可塑性プラスチックを含浸させ、必要とす
る長さに切断してペレット化し、これを繊維強化材の折
損を抑えながら溶融させて成形し、高剛性、高引張強
度、高耐衝撃性などに優れた成形品を得る技術が知られ
るようになった。
長繊維強化材を含量する樹脂原料ペレットを例えば通常
の射出成形法で成形しても、繊維強化材の折損が著し
く、長繊維を使用する利点が十分生かせられなかった。
射出成形法において繊維強化材の折損を抑制する対策と
しては、成形機のスクリュ径を大きくする、スクリュを
深溝にする、スクリュのL/D(長さと直径の比)を小
さくする、ノズル径を大きくする、圧縮比を小さくする
などが挙げられるが、これらを工夫しても繊維強化材の
折損抑制には限界があった。その結果、例えば長さ10
mm程度のガラス繊維を有する原料樹脂を成形しても、
成形品では平均繊維長2〜3mm程度になり、同じく5
0mmと長くしても、成形品では5〜7mm程度が限度
であり、平均繊維長10mmや20mm程度の長いガラ
ス繊維を有する成形品は得られなかった。
とのできる成形法としては、いわゆるスタンパブル成形
法がある。これは長繊維強化材のシートに溶融樹脂を含
浸させてマット状物とし、これを加熱軟化させ、金型で
目的形状に成形するものである。この方法では繊維強化
材の折損は少なく、長繊維の特性が生かせるので優れた
機械物性を有する成形品が得られるものの、複雑な形状
には成形しにくいこと、繊維強化材の流れにくい成形品
の端部では機械物性が低下すること、さらには生産効率
が低いことなどの問題があった。
な長繊維強化樹脂成形品に関する技術の現状に鑑み、射
出成形機などスクリュを有する加熱筒内で長繊維強化材
を有する樹脂原料を溶融させて成形するに際し、繊維強
化材の折損を著しく抑え、優れた機械物性を有する成形
品を製造する方法について鋭意検討した。その結果、試
みにスクリュ前方に取り付けられるノズルなどの溶融樹
脂の排出障害物を全て取り除いて得られる溶融樹脂を用
いて各種成形法により成形し、成形品中の繊維強化材の
繊維長を調べたところ、繊維強化材の折損が著しく抑え
られ、前記スタンパブルシート法に匹敵する物性を有す
る成形品が得られること、これにより繊維強化材の主な
折損が溶融樹脂の成形時ではなく加熱筒内の溶融樹脂の
蓄積時(可塑化混練時)の樹脂圧が高いときに起こり易
いこと、従って溶融樹脂圧を実質的にゼロとすることに
より繊維強化材の折損を著しく抑制できることを見出し
た。この事実に基づき、更に研究を重ねた結果、溶融樹
脂蓄積時の樹脂圧はスクリュやプランジャーの後退動作
を制御することにより実質的にゼロとすることが出来る
ことから、これを利用することにより本発明を完成させ
ることが出来た。
熱筒内でのスクリュの樹脂送り動作によって該スクリュ
前方に蓄えられる溶融樹脂圧を検出するとともに、前記
スクリュの回転駆動手段に加わる負荷を検出し、これら
両検出信号を演算装置で演算し、この演算装置からの演
算信号でスクリュ後退駆動手段を駆動することにより前
記スクリュを、前記溶融樹脂圧とスクリュの後退抵抗力
とに左右されない後退速度で、直接後退させることを特
徴とする射出成形機の可塑化制御方法が記載されてい
る。しかし、この文献記載の発明は、可塑化される樹脂
温度や溶融、混練状態を安定化させることを目的とする
ものであり、本発明の目的とする繊維強化材の折損抑制
について、さらにはその結果得られる機械的強度などに
優れる本発明の樹脂成形品の製造方法については、何等
示唆されていない。
内で繊維強化材を含有する原料樹脂を溶融してスクリュ
前方に蓄積させ、次いで前記スクリュまたは別に設けら
れるプランジャーにより前記蓄積溶融樹脂を加熱筒より
排出させて成形品を製造する方法において、前記蓄積中
の溶融樹脂圧を実質的にゼロとするように前記スクリュ
またはプランジャーの後退動作を制御することを特徴と
する樹脂成形品の製造方法に関する。以下、本発明を詳
しく説明する。
て熱可塑性樹脂であるが、熱硬化させる前の可塑化可能
段階にある熱硬化性樹脂を用いることも可能である。熱
可塑性樹脂としては、ナイロン6、ナイロン66、ナイ
ロン610、ナイロン9、ナイロン11、ナイロン12
などのポリアミド類、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類、ポリ
エチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン類、ポ
リスチレンやABSなどのスチレン系樹脂、ポリウレタ
ン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレ
ンサルファイド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素系樹
脂などを例示することが出来る。また熱硬化性樹脂とし
ては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メ
ラミン樹脂、キシレン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂な
どを例示することが出来る。
ス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウム繊維、スチール繊
維、アラミド繊維などを例示することが出来るが、折損
し易いガラス繊維を用いる場合が特に好ましい。また後
記のように、これらの繊維強化材は通常のプラスチック
類の強化に用いられるものよりも長繊維の状態で本発明
の使用に供するのが好ましい。
樹脂としては特に限定されないが、本発明の方法は原料
樹脂に含有される繊維強化材が長い場合に特に有効であ
り、通常、前述の長繊維状の強化材に前記樹脂を溶融状
態で含浸させ、適当な長さに切断したペレットが用いら
れる。このペレットには、繊維強化材が通常平行に配列
している。このようなペレットの製造法は、熱硬化性樹
脂を用いた強化プラスチックの連続成形法の一つである
引き抜き成形と原理的には同じであり、すでに公知であ
る。この場合、本発明で得られる成形品中の繊維強化材
の平均繊維長は、前記切断長さ以上にはなり得ない。従
って、前記ペレットの切断長さはスクリュへの供給など
に支障の無い範囲内で、長い方が好ましい。通常5mm
以上、好ましくは20mm以上、特に好ましくは50m
m以上とする。また上限は特に制限はないが、好ましく
は100mm以下である。
有量としては、用いる樹脂や得られる成形品の物性、用
途などによって適宜選択することが出来るが、樹脂と繊
維強化材の合計に対して通常10〜80重量%の範囲で
あることが好ましく、20〜60重量%の範囲にあるこ
とが特に好ましい。なお、原料樹脂には繊維強化材のほ
かに、本発明の効果を阻害しない範囲で、必要に応じて
他の充填剤、各種安定剤、顔料などが配合されていても
良い。
形品の製造方法について、射出成形機を例にして図面を
用いて説明する。図1はインラインスクリュ方式と呼ば
れる射出成形機である。図1において、先端にノズル
4、側面にヒーター3の付いた加熱筒1内にスクリュ2
が設けられている。前記スクリュ2はモーター9により
回転かつ往復自在に設けられている。加熱筒1の後部に
は一対の油圧シリンダー10が設けられており、ポート
14〜17から油圧配管18により油圧制御系および油
圧ポンプモーター22に接続されている。油圧で往復す
るピストン13のロッド8には前記スクリュ2がスラス
トベアリング11を介して軸支されている。加熱筒1に
設けられたホッパー6より原料樹脂ペレット7が供給さ
れ、加熱されて溶融状態となってスクリュ2によりノズ
ル4の方向に送られ、スクリュ2の前方の溶融樹脂溜め
5に蓄積される。従来の射出成形法においては溶融樹脂
が蓄積される間は、スクリュによる剪断作用により樹脂
の混練程度を高め、脱気促進、密度向上などの理由か
ら、蓄積する溶融樹脂圧により次第に後退するスクリュ
2によりピストン13が後退し、それに伴いポート15
および17から排出される油にリリーフ弁19、流量制
御弁20で制限を加えて背圧を掛けていた。この背圧に
抗して溶融樹脂が蓄積されると共に樹脂圧が高まり、蓄
積量が所定量に達すると、スクリュ2をノズル4の方向
に移動させ、溶融樹脂を溶融樹脂溜め5からノズルを経
由して加熱筒外に設けられる図示しない成形金型内に射
出されるようになっている。その際にはピストン13を
ノズル4の方向に移動させるため、ポート15および1
7より送油し、シリンダー10内の油はポート14およ
び16からチェック弁24を経由し、切替弁28により
開放させる。
において、繊維強化材の折損を可能な限り抑えるため、
前記の溶融した原料樹脂がスクリュ前方の溶融樹脂溜め
5に蓄積されている間、溶融樹脂圧を実質的にゼロとす
るように前記スクリュの後退動作を制御する。このため
通常、蓄積される溶融樹脂の樹脂圧は樹脂圧センサ31
により検出され、その信号が演算制御装置30より制御
信号として制御回路29を経由し、流量制御弁26、リ
リーフ弁27に発せられるようにしている。ポート15
および17から油圧を開放し、さらにリリーフ弁19に
より背圧をゼロとしても、スクリュの後退には摩擦抵抗
などがあるので、それだけでは溶融樹脂圧をゼロとする
ことが出来ない。従って樹脂圧をゼロとするには、通常
背圧をマイナス、すなわち強制的にスクリュを後退させ
なければならない。そのため通常、前記のように溶融樹
脂圧を測定し、その測定値に基づいた演算制御装置30
からの制御信号により、切替弁28、リリーフ弁27、
流量制御弁26を制御し、チェック弁25を経由してポ
ート14および16へ送油し、スクリュを制御しながら
後退させることが必要となる。このようにスクリュ2の
後退動作を制御することにより溶融樹脂の蓄積中の樹脂
圧を実質的にゼロとすることが出来る。なお、本発明で
「実質的にゼロ」とは、必ずしも樹脂圧がゼロである場
合を指すだけでなく、前記のような制御操作により得ら
れる樹脂圧ゼロの近傍の圧力範囲をも含む。樹脂圧を実
質的にゼロとすることにより、原料樹脂中の繊維強化材
の折損を最小限に抑えて溶融樹脂を溶融樹脂溜め5に蓄
積することが出来る。
のホッパー6方向への逆流を防ぐため、スクリュ2の前
部に逆流防止リング33が設けられる。これにより溶融
樹脂が加熱筒内を何度も往復することが避けられ、繊維
強化材の折損が一層抑えられる。また使用されるスクリ
ュのL/Dは12〜18の範囲にあることが好ましく、
スクリュの溝深さはフィード部が8〜20mm、メータ
リング部が5〜15mmの範囲にあることが好ましい。
さらに圧縮比は1.2〜1.8であることが好ましい。
溶融樹脂溜め5に面し、樹脂圧を正しく反映する個所が
選ばれる。ノズル4に通じる細管32の個所が選ばれる
こともある。また前記のような樹脂圧センサなどを用い
た制御を行うことが好ましいものの、使用原料樹脂や溶
融条件が決まれば、樹脂圧を測定しないでも経験的に得
られた所定の背圧制御パターンを採用することにより樹
脂圧を実質ゼロに制御することが可能となる。このよう
な場合は樹脂圧センサ31を使用することが必ずしも必
須ではない。同様に樹脂圧がゼロになるように背圧の制
御が正しくなされているかどうかは、成形品中の繊維強
化材の平均繊維長を調べることにより行うことも可能で
ある。
ように射出成形ではノズルと接続された成形金型に射出
され、成形品を得ることが出来る。前記のように繊維強
化材の折損は溶融樹脂の蓄積中の可塑化時において、溶
融樹脂にかかる剪断力に影響を与える溶融樹脂圧力が大
きな要因である。本発明においては、溶融蓄積後の排出
過程、およびその後の成形過程については特に制限され
ない。このような成形過程としては、前に例示した射出
成形法のほか射出溶融圧縮法、溶融圧縮法、さらにはブ
ロー成形法を例示することが出来る。
明を適用した場合を示したものである。図2において、
図1と同様にホッパー56から供給される原料樹脂57
はヒーター53を有する加熱筒51内で加熱され、モー
ター58により駆動するスクリュ52により加熱筒65
内の溶融樹脂溜め55に蓄積されるが、溶融樹脂の排出
はスクリュ52によらず、シリンダー59内のピストン
60と一体のプランジャー81によって行われる。また
溶融樹脂の蓄積中の樹脂圧により後退するのは、図1で
はスクリュ2自体であるのに対し、図2ではピストン6
0およびプランジャー81である点が異なるのみであ
る。図2の下方に示す制御系の説明は装置番号が異なる
ものの図1におけるものと同じである。つまり図2にお
いては、溶融樹脂溜め55の樹脂圧を実質的にゼロとす
るためのプランジャー81にかかる背圧を図1と同様に
制御する。なお溶融樹脂の排出は、シャットオフバルブ
82またはそれと同等の機能を有する機構によりスクリ
ュ52側への流路を閉じて行われる。また、樹脂圧セン
サは79のほか、80の位置に取り付けても良い。
またはプランジャー81の後退動作を制御する方法とし
て油圧を用いる場合を中心に説明したが、油圧の代わり
に電動力を用いることも可能である。
維強化材の平均繊維長を5mm以上とすることが可能で
あり、原料樹脂中の繊維強化材の繊維長によっては10
mm以上、さらには20mm以上とすることも可能であ
る。また本発明を採用することにより原料樹脂中の繊維
強化材の(平均)繊維長に対する成形品中の繊維強化材
の平均繊維長の比(繊維長保持率)を通常20%以上、
特には30%以上とすることが出来る。これにより従来
スタンパブルシート法によって得られていた程度の優れ
た機械的物性を有する成形品、とくに複雑形状を有する
成形品が容易に得られるようになった。
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。
形装置(スクリュ直径50mm、L/D15、圧縮比
1.5、溝深さ10mm)を用いて、ガラス繊維40重
量%含有ポリプロピレン樹脂ペレット(ペレット長およ
びガラス繊維の繊維長48mm)の溶融試験を行い、溶
融処理後の平均繊維長を通常のインラインスクリュ方式
の射出成形機による溶融混練の場合と比較した。この結
果を表1に示す。
長の測定法)成形品(溶融させた樹脂)を600℃で灰
化処理後、約100mgをサンプリングして、光学フロ
ファイルプロジェクター上に投影し、十字線にかかった
繊維について長さを実測した。繊維長分布および重量平
均繊維長はこれに基づいて算出した。
脂成形品の製造方法により、蓄積中の溶融樹脂圧を実質
的にゼロにして含繊維樹脂ペレットを溶融させることに
より、原料ペレット中のガラス繊維の繊維長により近い
平均繊維長に保持させることができる。
較例1で可塑化(溶融)した樹脂材料を100×200
×3mmの平板状試験金型内にセットし、圧縮加圧して
成形したものを幅12.5mm、長さ100mmに切り
出し、アイゾット衝撃物性を調べた。また80mm角、
厚さ3mmの平板試験片を使用し、インストロン社製試
験機で面衝撃物性を測定した。結果を表2に示す。
造方法により溶融させ、成形して得られた樹脂成形品
は、従来の射出成形機を用いて溶融させた場合に比べ優
れた機械的強度を有するものであり、スタンパブル成形
法により得られる成形品に匹敵するものである。
原料樹脂ペレットに含まれる繊維強化材の溶融混練(可
塑化)時における折損を著しく抑えることができ、得ら
れる成形品の機械物性を著しく向上させることが出来る
こととなった。
の射出成形機の一例である。
形機の一例である。
Claims (7)
- 【請求項1】 スクリュを有する加熱筒内で繊維強化材
を含有する原料樹脂を溶融してスクリュ前方に蓄積さ
せ、次いで前記スクリュまたは別に設けられるプランジ
ャーにより前記蓄積溶融樹脂を加熱筒より排出させて成
形品を製造する方法において、前記蓄積中の溶融樹脂圧
を実質的にゼロとするように前記スクリュまたはプラン
ジャーの後退動作を制御することを特徴とする樹脂成形
品の製造方法。 - 【請求項2】 樹脂成形品中の繊維強化材の重量平均繊
維長を5mm以上とすることを特徴とする請求項1記載
の樹脂成形品の製造方法。 - 【請求項3】 樹脂成形品中の繊維強化材の含有量が樹
脂との合計量に対し10〜80重量%であることを特徴
とする請求項1記載の樹脂成形品の製造方法。 - 【請求項4】 原料樹脂がペレット状であり、かつそれ
に含まれる繊維強化材の繊維長が5〜100mmの範囲
にあり平行配列をなしていることを特徴とする請求項1
記載の樹脂成形品の製造方法。 - 【請求項5】 繊維強化材がガラス繊維であることを特
徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の樹脂成形
品の製造方法。 - 【請求項6】 蓄積溶融樹脂を加熱筒より排出させ、射
出成形、射出溶融圧縮成形、溶融圧縮成形およびブロー
成形から選ばれる成形法により成形することを特徴とす
る請求項1ないし5のいずれかに記載の樹脂成形品の製
造方法。 - 【請求項7】 請求項1ないし6のいずれかに記載の樹
脂成形品の製造方法により製造された成形品。
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JP36108792A JP3666510B2 (ja) | 1992-12-29 | 1992-12-29 | 樹脂成形品およびその製造方法 |
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JP3666510B2 JP3666510B2 (ja) | 2005-06-29 |
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ID=18472146
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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