JPH08156055A

JPH08156055A - 繊維強化熱可塑性樹脂混練用スクリュー

Info

Publication number: JPH08156055A
Application number: JP6295250A
Authority: JP
Inventors: Masato Matsumoto; 正人松本; Takeo Kitayama; 威夫北山
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1994-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 1996-06-18
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: JP3786981B2

Abstract

(57)【要約】【目的】スクリュー式射出機や押出機等の繊維強化熱可
塑性樹脂混練用スクリュー於いて、強化繊維と熱可塑性
樹脂とを射出機に投入して、繊維強化樹脂製品を射出成
型する場合に、含有繊維長さを出来るだけ長く維持した
状態で射出成型できるようにすること。【構成】スクリューをフルフライトスクリューとし、こ
のスクリューによる圧縮比を４以下とすると共に、見か
け剪断速度を１００ｓｅｃ^-1以下としたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強化繊維含有熱可塑性
樹脂組成物を成型もしくは造粒するのに適した射出機や
押出機等に使用される繊維強化熱可塑性樹脂混練用のフ
ルフライトスクリューに関するものである。

【０００２】

【従来技術及び課題】繊維強化樹脂を成型する場合、従
来は、熱可塑性樹脂中に強化繊維素材を含有せしめた繊
維強化樹脂ペレットを用い、シリンダー内のスクリュー
を回転させることにより熱可塑性樹脂と繊維を溶融混練
して成型部に射出する通常のスクリュー式射出機（以
下、単に射出機という）によって、成型装置の金型内に
溶融状の強化繊維含有熱可塑性樹脂組成物を射出供給し
ていた。

【０００３】この方法は、強化繊維を含有していない通
常の樹脂を成型装置の金型内に射出供給して樹脂製品を
得る場合と同様にして繊維強化樹脂製品が得られるとい
う利点があり、かかる目的で使用される繊維強化樹脂ペ
レットとしては、長繊維強化樹脂ペレットと短繊維強化
樹脂ペレットが知られている。前者の長繊維強化樹脂ペ
レットは、ロービング繊維の周りを樹脂で被覆したもの
を所定の長さに切断したものであって、ペレットの長さ
と同じ長さの繊維を含有しているが、樹脂と繊維が混練
されていないためにペレット中に繊維が分散しておら
ず、これを通常の射出機によって成型装置の金型内に射
出供給して製品を成型した場合には、射出機内で繊維を
分散させるために強い剪断力を受けるため、ペレット状
態での繊維長は長くても射出時には繊維長が短くなっ
て、成形品中の繊維長さも短くなるという問題がある。

【０００４】一方、後者の短繊維強化樹脂ペレットは、
押出機中で繊維と樹脂が予め混練されてペレット化して
いるために、繊維の分散性は良好であるが、繊維長が極
端に短くなり、これを通常の射出機によって成型装置の
金型内に射出供給して製品を成型した場合には、成形品
中の繊維の分散性は良好であるが、繊維長が短く、補強
効果に乏しいという問題がある。

【０００５】また、他の方法として、繊維と樹脂の夫々
を射出機に直接供給する方法も知られている。ところ
が、最近のこの種射出機では、混練の速度を高めること
が主眼におかれ、スクリューとしてダブルフライトスク
リューが採用される。また、フルフライトスクリューを
採用するものでも、前記目的の為に圧縮比を高め、見か
け剪断速度を大きくする傾向となっている。

【０００６】この種の射出機を用いて、上記方法により
繊維強化樹脂製品を成型した場合、溶融樹脂と繊維成分
の混練が促進されるものの、この促進された混練の際
に、強化繊維が切断され易く、射出成型された繊維強化
樹脂製品内の含有繊維長さが短く、この含有繊維による
強化が不十分であった。本発明はかかる点に鑑みてなさ
れたものであり、例えば、押出機を用いて繊維強化樹脂
ペレットを製造する場合に、繊維長が長く、しかも、強
化繊維の分散性も良好な繊維強化樹脂ペレットを製造し
たり、上記したシリンダー内のスクリューを回転させる
ことにより熱可塑性樹脂と繊維を溶融混練して成型部に
射出するスクリュー式射出機を用いて、強化繊維と熱可
塑性樹脂を溶融混練し、成型部に射出供給して繊維強化
樹脂製品を製造する場合に、含有繊維長さをできるだけ
長く維持し、かつ繊維の分散性を良好ならしめるための
繊維強化熱可塑性樹脂混練用のスクリューの改良をその
課題とする。

【０００７】［請求項１の発明］

【０００８】

【技術的手段】上記課題を解決するための本発明の技術
的手段は、『スクリューをフルフライトスクリューと
し、このスクリューによる圧縮比を４以下とすると共
に、見かけ剪断速度を１００ｓｅｃ^-1以下とした』こと
である。

【０００９】

【作用】上記技術的手段は次のように作用する。繊維強
化熱可塑性樹脂混練用のスクリューをフルフライトスク
リューとしたことから、このスクリューの上流端に投入
された熱可塑性樹脂と強化繊維とは、前記スクリューの
フィードゾーン、コンプレッションゾーン、メタリング
ゾーンをこの順序で移動して、樹脂ペレットが溶融され
ると共に強化繊維と混練される。

【００１０】そして、このスクリューによる圧縮比を４
以下とすると共に、見かけ剪断速度を１００ｓｅｃ^-1以
下としたことから、前記強化繊維の切断機会が少なくな
る。なお、強化繊維は熱可塑性樹脂ペレット中に内包さ
せる必要はなく、熱可塑性樹脂と強化繊維とを別個に射
出機の材料投入口から投入するようにしても良いし、強
化繊維と予め溶融した熱可塑性樹脂を別個または同時に
材料投入口から投入するようにしてもよい。

【００１１】

【効果】スクリュー部での強化繊維の切断機会が少なく
なるから、繊維強化樹脂ペレット製造のための押出機用
として用いた場合には、繊維長が長く、繊維の分散性も
良好な繊維強化樹脂ペレットを得ることが可能となり、
また射出機用として用いた場合には、射出時の溶融樹脂
中の強化繊維長さが長く、分散性も良好な状態に維持す
ることができる。

【００１２】［その他の発明］請求項２に定義されるよ
うに、『スクリューの其端部から先端部にかけて３分さ
れた、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾーン
(222) およびメタリングゾーン(223) のそれぞれの長さ
の比が１．５〜２．５：０．８〜１．５：１であり、ス
クリューの長さ（Ｌ）とスクリュー径（Ｄ）の比（Ｌ／
Ｄ）が２０以上』に設定された繊維強化熱可塑性樹脂混
練用のスクリューでは、フィードゾーン(221) の長さが
比較的長く設定されているから、溶融の為のゾーンに於
ける加圧及び剪断作用が少なくなる。従って、この工程
での強化繊維の切断機会が一層すくなくなるから、請求
項１の効果、特に、溶融樹脂中の強化繊維を長い状態に
維持できるという効果が一層向上する。

【００１３】請求項３に定義されるように、『スクリュ
ーのフライト間ピッチがスクリュー径（Ｄ）に対して１
〜１．３倍』に設定されたスクリューでは、フライト間
ピッチが広いために剪断のかかる時間が少なくなり、繊
維長をより長く維持することが可能となる。請求項４に
定義されるように、『スクリューの先端にミキシングヘ
ッド(24)を具備させた』ものでは、このミキシングヘッ
ド(24)の部分で溶融樹脂中への強化繊維の分散性が促進
されるから、スクリューに於ける混練作用を低下させる
条件に設定しても、溶融樹脂中への強化繊維の分散性が
確保出来ることとなる。

【００１４】

【実施例】次に、上記した本発明の実施例を図面に従っ
て詳述する。図１に示す本発明の実施例のスクリュー式
射出機(2) は、公知の一般的なスクリュー式の射出機と
基本的には同じである。また、スクリュー式射出機(2)
内のスクリュー(22)としてはフルフライトスクリューが
採用され、先端にはチェックリング機構を具備するミキ
シングヘッド(24)が取り付けられている。スクリュー(2
2)の上流端の上方に樹脂投入口(21)が設けられ、これに
ホッパーが連設されている。

【００１５】前記スクリュー(22)は、其端部から先端部
にかけて、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾ
ーン(222) 、メタリングゾーン(223) の３つのゾーンに
この順序で３分され、それぞれの長さの比はメタリング
ゾーンの長さを基準にしてフィードゾーンの長さが１．
５〜２．５倍、好ましくは１．８〜２．３倍、コンプレ
ッションゾーンの長さが１．５〜０．８倍、好ましくは
０．９〜１．３倍である。

【００１６】また、これら各ゾーンの合計長さであるス
クリュー長さ（Ｌ）は、スクリュー径（Ｄ）に対して２
０倍またはそれ以上の長さに設定されることが好まし
く、スクリューフライトピッチはスクリュー径(D) に対
して１〜１．３倍に設定されることが好ましい。そし
て、このスクリュー(22)の圧縮比は４以下、好ましくは
３以下、特に２以下に設定されることが好ましく、また
見掛けの剪断速度は１００ｓｅｃ^-1以下、好ましくは５
０ｓｅｃ^-1以下に設定されることが好ましい。

【００１７】この例においては、フィードゾーン(221)
の溝深さは３２．８ｍｍに、メタリングゾーン(223) の
溝深さは１９．３ｍｍに、コンプレッションゾーン(22
2) の溝深さはフィードゾーンの溝深さからメタリング
ゾーンの溝深さになるようにテーパー状に設定され、Ｌ
／Ｄは２５に、フィードゾーン(221) 、コンプレッショ
ンゾーン(222) 、メタリングゾーン(223) の各ゾーンの
長さの比は２：１：１となるように設定されている。ま
た、スクリュー径(D) は１４０ｍｍ、スクリューフライ
トピッチは前記スクリュー径(D) の１．２倍に設定され
ている。

【００１８】ここで、上記圧縮比は次式で与えられる圧縮比＝フィードゾーンの溝深さ／メタリングゾーンの
溝深さまた、みかけの剪断速度は次式で与えられる。みかけ剪断速度＝πＤｎ／６０Ｈただし、Ｄ：スクリュー(22)の直径(mm) ｎ：スクリュー(22)の回転数(r.p.m) ，Ｈ：溝深さ(m
m) なお、前記スクリュー(22)はスクリュー駆動装置(25)に
より回転駆動されると共に、所定のタイミングで軸線方
向に往復移動される。

【００１９】ミキシングヘッド(24)は、スクリュー(22)
の先端に続く貯留部に貯留された溶融樹脂と強化繊維と
の混練体を通過させると、多数の通過経路の交差と分離
がくり返されて射出口に達するもので、前記通過経路の
交差、分離のくり返しの間に溶融樹脂中への強化繊維の
分散が促進されるものである。上記構成の射出機を用い
て、強化繊維（ガラス繊維）含有ポリプロピレン樹脂ペ
レット（商品名：セルストラン）を使用し、溶融状の強
化繊維含有熱可塑性樹脂を成型部に射出供給して圧縮成
型した場合、得られた製品中の強化繊維の平均長さは、
従来の通常のフルフライトスクリューを採用した射出機
を用いて同様に圧縮成型した場合の製品中の強化繊維の
平均長さに比して、１．５〜２倍程度長く、大幅に繊維
長さが長く維持される。

【００２０】特に、上記スクリュー(22)と上記ミキシン
グヘッド(24)との組み合わせの場合、スクリュー(22)の
先端に続く貯留部に達した溶融樹脂と強化繊維との混練
体の強化繊維の分散性が不十分であっても、前記ミキシ
ングヘッド(24)を通過する間に前記分散性が向上する
が、この部分での分散性促進工程では、強化繊維が殆ど
切断されないことが判明した。これにより、上記結果が
得られたものと考えられる。

【００２１】上記方法に変えて、樹脂投入口(22)の上方
に熱可塑性樹脂投入部と強化繊維投入部とを別個に設け
て、夫々を同時に投入する方法によって製作しても良
い。［実施例２］図２、図３に示す実施例は、溶融押出機
(1) から押し出された溶融樹脂を、上記実施例１のスク
リュー式射出機(2) のスクリュー上流端に樹脂投入口(2
1)から投入するようにしたものであり、前記溶融押出機
(1) の溶融樹脂の吐出口(11)の近傍上方には長尺強化繊
維(F) を一定長さの強化繊維(F₁)(F₁)に裁断する為のロ
ービングカッター(3) が設けられる。そして前記強化繊
維(F₁)(F₁)の落下経路が前記吐出口(11)から吐出され溶
融樹脂が垂れ下がるように流下して投入される経路（以
下、単に流下経路という）の上流端部で合流するよう
に、前記ロービングカッター(3) の配設位置が設定され
ている。

【００２２】以下前記装置各部について詳述する。［溶融押出機(1) について］溶融押出機(1) は、加熱筒
(10)内にスクリュー(12)を設けたもので、前記スクリュ
ー(12)の基端部の上方に開口させた供給口(13)からペレ
ット状又はパウダー状の熱可塑性樹脂が投入される。

【００２３】前記スクリュー(12)は回転駆動装置(121)
によって回転されて供給口(13)より投入された熱可塑性
樹脂を溶融押出機(1) の先端に設けた吐出口(11)に送り
出す。この間に前記熱可塑性樹脂が加熱筒(10)からの加
熱とスクリュー(12)の剪断作用による発熱とによって溶
融される。なお、前記吐出口(11)は、図３のように、水
平方向に長い扁平な矩形状に設定されており、この断面
形状の吐出口(11)からの単位時間当たりの吐出量は、ス
クリュー(12)の回転速度によって決定される。また、総
吐出量は、スクリュー(12)の総回転量によって決定され
る。

【００２４】また、前記吐出口(11)とスクリュー(12)と
の間には、シャットオフバルブ(16)が挿入されており、
溶融樹脂の吐出時には、このシャットオフバルブ(16)は
開放しており、溶融樹脂の吐出停止時に閉鎖される。さ
らに、前記吐出口(11)とスクリュー式射出機(2) の上記
樹脂投入口(21)との間には筒状の保護筒(14)が設けら
れ、この保護筒(14)の上端には、ロート状の投入口部(1
5)が形成され、この投入口部(15)の上方にロービングカ
ッター(3) が配置されている。なお、前記保護筒(14)の
断面の大きさは、吐出口(11)から吐出される溶融樹脂の
断面よりも大きく設定されており、前記溶融樹脂と保護
筒(14)の内面とは接触しない。［ロービングカッター(3) について］ロービングカッタ
ー(3) は、リールに巻き取られた多数本の長尺強化繊維
(L)(L)を扁平に広げた状態で送り出すフィードロール(3
1)(31)と、これの出口側に設け且前記長尺強化繊維(L)
(L)の移送幅よりも長いカッティングロール(32)とから
なり、このカッティングロール(32)は、下方のフィード
ロール(31)に対して回転状態で対接する複数の刃を具備
し、前記刃とフィードロール(31)とによって長尺強化繊
維(F) が一定長さの強化繊維(F₁)(F₁)に裁断されるもの
である。従って、前記フィードロール(31)(31)による長
尺強化繊維(F)(F)の移送幅に応じた範囲（前記移送幅よ
りもよりも少し広い範囲）に、強化繊維(F₁)(F₁)が分散
して落下する。

【００２５】そして、前記強化繊維(F₁)(F₁)の落下方向
が上記投入口部(15)に向かうように、前記カッティング
ロール(32)の配設位置及び回転方向が設定されている。
また、強化繊維(F₁)(F₁)の落下範囲と上記吐出口(11)か
ら吐出されて流下する溶融樹脂(61)の幅とは略一致させ
ている。なお、前記カッティングロール(32)による切断
長さはカッティングロール(32)に植設した刃の配列ピッ
チによって決定され、強化繊維(L₁)の長さは３ｍｍ〜２
０ｍｍに設定される。

【００２６】この実施例では、長尺強化繊維(F) として
は、1100tex のロービングガラス繊維の９本をフィード
ロール(31)(31)間に送り込み、繊維長１５ｍｍに裁断す
る様にしている。また、カッティングロール(32)からの
強化繊維(F₁)(F₁)の落下量は３Kg/minに設定している。［射出動作について］上記実施例の装置による強化繊維
含有熱可塑性樹脂の射出動作を以下に説明する。

【００２７】上記装置を始動させると、溶融押出機(1)
に熱可塑性樹脂（例えばポリプロリレン樹脂）が投入さ
れて、溶融樹脂が吐出口(11)から吐出され始めるとロー
ビングカッター(3) が始動し、溶融樹脂の吐出口(11)か
らの流下域に強化繊維(F₁)(F ₁)が混入される。この実施
例のポリプロピレン樹脂とガラス繊維の場合、既述の１
０Kg/minの供給速度で、ガラス繊維充填率３０WT％にし
ている。

【００２８】そして、同時にスクリュー式射出機(2) の
運転が開始されて、スクリュー駆動装置(25)及び往復駆
動源(40)が駆動状態となる。これにより、投入口(21)に
投入された溶融樹脂はスクリュー(22)によって先端側に
移送される。この移送の間に強化繊維と溶融樹脂との混
練が更に促進される。なお、この時の圧縮比は４以下に
設定され、みかけの剪断速度は１００sec^-1以下に設定
されていることから、従来のものに比べて、強化繊維の
切断の度合いが少ない。

【００２９】そして、スクリュー(22)によって移送され
る溶融樹脂の量が増えると、スクリュー(22)の先端側に
溶融樹脂が貯留され、この貯留量に応じてスクリュー(2
2)が後退する。この貯留量が繊維強化樹脂製品の樹脂量
との関係で決定される設定量になると、スクリュー駆動
装置(25)による回転が停止されて、その後、スクリュー
駆動装置(25)によりスクリュー(22)が軸線方向に押し出
されて、成型金型内に前記貯留樹脂が射出される。

【００３０】前記スクリュー(22)の回転停止と同時に回
転駆動装置(121) の回転が停止され、ロービングカッタ
ー(3) の運転が停止される。従って、スクリュー(22)の
停止状態で、溶融樹脂と強化繊維との混合体が投入口(2
1)に投入される動作が停止される。なお、通常、溶融押
出機(1) 内では、スクリューフィーダ(12)の回転を停止
しても、吐出口(11)からの溶融樹脂の吐出動作が即座に
は停止されにくい。そこで、上記実施例のものでは、図
２に示すように、保護筒(14)内に溶融樹脂の流下を遮断
する為のシャッター(5) を設け、溶融押出機(1) の吐出
口(11)の上流側近傍に設けたシャットオフバルブ(16)と
同期的に作動させるようにしている。

【００３１】そこで、溶融樹脂投入時には、前記シャッ
トオフバルブ(16)及びシャッター(5) を開放し、スクリ
ュー(22)の停止時に前記シャットオフバルブ(16)及びシ
ャッター(5) を閉じる構成としてある。従って、スクリ
ュー(22)の停止時に余分な、溶融樹脂が投入される不都
合が解消される。そして、溶融樹脂投入動作終了後に上
記射出動作が終了して、スクリュー(22)が初期位置に復
帰すると、シャットオフバルブ(16)及びシャッター(5)
を開放して上記した一連の動作が繰り返されることとな
る。

【００３２】上記実施例の溶融押出機(1) の吐出口(11)
は扁平な矩形状に設定されて、強化繊維(F₁)(F₁)の落下
範囲と前記吐出口(11)から吐出される溶融樹脂の横幅と
は略一致させているから、前記溶融樹脂に対して強化繊
維(F₁)(F₁)が均一に分配付着されることとなる。したが
って、上記一連の動作によって成型された繊維強化樹脂
製品内の強化繊維の分散も均一になる。

【００３３】因に、上記実施例のように、ポリプロピレ
ン樹脂とガラス繊維の繊維強化樹脂製品を製造するもの
とし、１０Kg/minの供給速度、スクリュー(22)のフィー
ドゾーン(221) の溝深さは３２．８ｍｍ、コンプレッシ
ョンゾーン(222) の溝深さは３２．８ｍｍから１９．３
ｍｍへのテーパー、メタリングゾーン(223) の溝深さは
１９．３ｍｍに設定したフルフライトスクリューを採用
し、圧縮比は１．７、みかけの剪断速度を５０ｓｅｃ^-1
に設定した、条件で成型したものでは、繊維強化樹脂製
品内の平均強化繊維長さは３．５ｍｍ以上で、この強化
繊維の分散度合いも良好であった。この場合の平均強化
繊維長さは既述従来の方法によるものよりも長く、しか
も、分散性も大幅に向上している。

【００３４】尚、上記実施例では、本発明のスクリュー
を射出機に採用する場合を例に説明したが、押出機にも
利用出来ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の説明図

【図２】上記射出機を用いた射出装置の他の例の説明図

【図３】溶融押出機(1) の吐出口(11)とロービングカッ
ター(3) との関係を示す正面図

【符号の説明】

(2) ・・・スクリュー射出機 (21)・・・樹脂投入口 (22)・・・スクリュー (L₁)・・・強化繊維

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２９Ｋ 105:08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フルフライトスクリューであって、圧縮
比を４以下とすると共に、見かけ剪断速度を１００ｓｅ
ｃ^-1以下とした繊維強化熱可塑性樹脂混練用スクリュ
ー。
【請求項２】スクリューの其端部から先端部にかけて
３分された、フィードゾーン(221) 、コンプレッション
ゾーン(222) およびメタリングゾーン(223)の夫々の長
さの比が１．５〜２．５：０．８〜１．５：１であり、
スクリューの長さ(L) とスクリュー径(D) の比（Ｌ／
Ｄ）が２０以上である請求項１に記載の繊維強化熱可塑
性樹脂混練用スクリュー。
【請求項３】スクリューのフライト間ピッチがスクリ
ュー径(D) に対して１〜１．３倍である請求項１又は２
に記載の繊維強化熱可塑性樹脂混練用スクリュー。
【請求項４】スクリューの先端にミキシングヘッド(2
4)を具備させた請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強
化熱可塑性樹脂混練用スクリュー。
【請求項５】シリンダー内のスクリューを回転させ、
これにより熱可塑性樹脂を溶融混練させて成型部に射出
するスクリュー式射出機におけるスクリューである請求
項１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂混練
用スクリュー。