JP2009024057A - 複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット、および、成型体 - Google Patents

Abstract

【課題】高温度での成形に用いることが可能であり、高い剛性および高い耐衝撃性を有する成型体が得られる複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットの提供。
【解決手段】複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを、有機繊維と無機繊維の２種以上を含む強化繊維と、熱可塑性樹脂とで構成した。強化繊維の有機繊維および無機繊維の重量比率を、有機繊維／無機繊維＝１／１〜１／１０に設定し、熱可塑性樹脂および前記強化繊維の比率を、熱可塑性樹脂／強化繊維＝９５／５〜６０／４０に設定した。強化繊維を、ペレットの長手方向に略整列状態で存在させ、さらに１０〜２００回／ｍの範囲で撚られた状態で熱可塑性樹脂中に存在させた。
【選択図】なし

Description

本発明は、繊維強化樹脂成形材料として用いられる複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット、および、これを成形して得られる成型体に関し、より詳細には、強化繊維として特定の有機繊維と無機繊維を含み、射出成形、射出圧縮成型などの成形原料として使用することにより、高い剛性を維持した上で耐衝撃性が非常に優れた成型体が得られる複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット、および、成型体に関する。

従来、複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットとして、熱可塑性樹脂に天然植物繊維と合成樹脂繊維を複合化して、比較的耐衝撃性を高めた構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のものは、天然植物繊維自体の強度が低く十分な衝撃改良効果が出せず、かつ、熱可塑性樹脂との複合化工程が２００℃近辺の加工温度であるため天然植物繊維自体が酸化劣化し脆弱になることなどの理由により、強化繊維として満足のいく性能向上が図れないことを、天然植物繊維をポリエステル繊維などと複合繊維化することで高耐衝撃化し、射出成形などによる成型体の耐衝撃性を上げる構成が採られている。

特開２００２−６０５０２号公報

しかしながら、特許文献１のような構成では、合成樹脂繊維を含んでいるため、汎用プラスチックの強化繊維として用いることができるが、３００℃に近い高温度での加工が必要な例えばエンジニアリングプラスチックへ適用できないおそれがあるという問題が一例として挙げられる。

本発明の目的は、かかる問題を解決するためになされたものであり、高温度での成形に用いることが可能であり、高い剛性および高い耐衝撃性を有する成型体が得られる複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット、および、成型体を提供することである。

本発明者らは、かかる課題を解決するために鋭意研究したところ、切断することが非常に困難なため、その特徴を活かして防弾チョッキ素材などの織物中心に使用され、熱可塑性樹脂との複合化に適さないポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ）やアラミド繊維などの有機繊維を、特定の引抜成形方法を用いて炭素繊維などの１種以上の無機繊維および熱可塑性樹脂と組み合わせることにより、３００℃に近い高温での加工に用いることが可能な複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットが得られることを見出した。
具体的には、有機繊維および無機繊維の重量比率を、有機繊維／無機繊維＞１／１とした場合、無機繊維の配合比率が小さくなり剛性強度が不十分となり、有機繊維／無機繊維＜１／１０とした場合、有機繊維の配合比率が小さくなることによって耐衝撃性の改良効果が現れにくくなることを見出した。
また、有機繊維および無機繊維を含む強化繊維と、熱可塑性樹脂との比率を、熱可塑性樹脂／強化繊維＞９５／５とした場合、強化繊維の配合量が少ないため補強効果が不十分となり、熱可塑性樹脂／強化繊維＜６０／４０とした場合、繊維量が多くなることによって流動性が低下し成形加工性に問題が生じることを見出した。
さらに、強化繊維と熱可塑性樹脂からなる複合材ストランドを撚った状態とする際、撚り回数が９回／ｍ以下の場合、有機繊維の切断不良が発生しペレットが連珠となり、２０１回／ｍ以上の場合、繊維が絞られすぎて、成形時の繊維解繊が悪くなり効率的な繊維補強ができなくなることを見出した。
そして、このような条件で製造された複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットは、３００℃に近い高温での加工に用いることができることを見出した。さらに、この複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形して得られる成型体が、高い剛性および高い耐衝撃性を有することを見出した。
これらの知見に基づいて、本発明を完成した。

すなわち、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットは、強化繊維として有機繊維と無機繊維の２種以上を含む複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットにおいて、前記強化繊維の有機繊維および無機繊維の重量比率は、有機繊維／無機繊維＝１／１〜１／１０であり、熱可塑性樹脂および前記強化繊維の比率は、熱可塑性樹脂／強化繊維＝９５／５〜６０／４０であり、前記強化繊維は、ペレットの長手方向に略整列状態で存在し、さらに１０〜２００回／ｍの範囲で撚られた状態で前記熱可塑性樹脂と共に存在していることを特徴とする。

この発明によれば、有機繊維／無機繊維＝１／１〜１／１０としているので、十分な剛性強度を得ることができるとともに、耐衝撃性を高くすることができる。また、熱可塑性樹脂／強化繊維＝９５／５〜６０／４０としているので、十分な補強効果を得ることができるとともに、成形加工性の低下を抑制することができる。さらに、ペレットの長手方向に略整列した状態で存在させるとともに、１０〜２００回／ｍの範囲で複合材ストランドとして撚った状態としているので、ペレットが連珠になるのを抑制できるとともに、効率的に繊維補強することができる。そして、このような条件で複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを製造するので、２００℃に近い温度で加工される汎用プラスチックに加え、３００℃に近い高温での加工されるエンジニアリングプラスチックに用いることが可能となる。さらに、この複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形することにより、高い剛性および高い耐衝撃性を有する成型体が得られる。

また、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットでは、前記無機繊維は、炭素繊維またはガラス繊維から選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。

この発明によれば、無機繊維として、炭素繊維またはガラス繊維から選ばれる少なくとも１種を含む構成を適用している。
このため、熱可塑性樹脂を効率的に補強でき、高強度、高剛性の複合材料とすることができる。

さらに、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットでは、前記有機繊維は、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であることが好ましい。

この発明によれば、有機繊維として、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ）を適用している。
このため、成型体の破壊に対する耐性が向上し、耐衝撃性を著しく向上させることができる。

また、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットでは、前記有機繊維は、アラミド繊維であることが好ましい。

この発明によれば、有機繊維として、アラミド繊維を適用している。
このため、成型体の破壊に対する耐性が向上し、耐衝撃性を著しく向上させることができる。

本発明の成型体は、上述した複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形して得られたことを特徴とする。

この発明によれば、射出成形、射出圧縮成形などの３００℃に近い温度でも成形可能で、高い剛性および高い耐衝撃性を有する成型体が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について詳述する。

本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットは、汎用樹脂はもとより３００℃に近い高温度での加工が必要なエンジニアリングプラスチックへ適用することができ、射出成形、射出圧縮成形などの各種成形の成形原料に使用できる。
また、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットからなる成型体は、高い剛性を維持した上で非常に優れた耐衝撃性を有している。

〔複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットの構成〕
本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットは、少なくとも強化繊維と、熱可塑性樹脂と、を含んで構成されている。

本発明に用いられる強化繊維は、有機繊維と無機繊維の２種以上を含む構成を有している。
有機繊維としては、特に制限されないが、切断することが非常に困難なため、熱可塑性樹脂との複合化に適さないとされていたポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（以下、ＰＢＯと称す）、アラミド繊維を用いることができる。
無機繊維としては、特に制限されないが、炭素繊維またはガラス繊維から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。つまり、炭素繊維、ガラス繊維をそれぞれ単体として用いてもよいし、複合繊維として用いてもよい。
そして、上述した有機繊維および無機繊維の重量比率は、有機繊維／無機繊維＝１／１〜１／１０であることが好ましい。
有機繊維／無機繊維＞１／１とした場合、剛性強度が不十分となってしまう。また、有機繊維／無機繊維＜１／１０とした場合、耐衝撃性の改良効果が現れにくくなってしまう。

本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、ポリプロピレン、ポリアミド樹脂、ポリアリーレンスルフィド樹脂を用いることができる。
そして、熱可塑性樹脂および上述の強化繊維の比率は、熱可塑性樹脂／強化繊維＝９５／５〜６０／４０であることが好ましい。
熱可塑性樹脂／強化繊維＞９５／５とした場合、補強効果が不十分となってしまう。また、熱可塑性樹脂／強化繊維＜６０／４０とした場合、成形加工性に問題が生じてしまう。

そして、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットは、上述の強化繊維がペレットの長手方向に略整列した状態で存在し、かつ、撚られた状態で熱可塑性樹脂と共に存在するような条件で引抜成形することにより、製造される。
ここで、撚り回数は、１０〜２００回／ｍの範囲内が好ましい。
撚り回数が９回／ｍ以下の場合、ペレットが連珠となってしまう。２０１回／ｍ以上の場合、効率的な繊維補強ができなくなってしまう。

このように複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを製造することにより、従来、高い剛性を有するが熱可塑性樹脂との複合化に適さないとされていたＰＢＯやアラミド繊維などの有機繊維を、熱可塑性樹脂に含ませることが可能となる。そして、この複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを用いて成形することにより、無機繊維を含ませるだけでは達し得なかった高い剛性、および、高い耐衝撃性を有する成型体を得られる。

〔複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットの作用効果〕
上述したように、上記実施形態では、複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを、有機繊維と無機繊維の２種以上を含む強化繊維と、熱可塑性樹脂とで構成している。そして、強化繊維の有機繊維および無機繊維の重量比率を、有機繊維／無機繊維＝１／１〜１／１０に設定し、熱可塑性樹脂および前記強化繊維の比率を、熱可塑性樹脂／強化繊維＝９５／５〜６０／４０に設定している。さらに、強化繊維を、ペレットの長手方向に略整列状態で存在させ、さらに１０〜２００回／ｍの範囲で撚られた状態としている。
このため、十分な剛性強度を得ることができるとともに、耐衝撃性を高くできる。さらに、十分な補強効果を得ることができるとともに、成形加工性の低下を抑制できる。そして、ペレットが連珠になるのを抑制でき、効率的な繊維補強を実現できる。

また、無機繊維として、炭素繊維またはガラス繊維から選ばれる少なくとも１種を含む構成を適用することにより、熱可塑性樹脂を効率的に補強でき、高強度、高剛性の複合材料とすることができる。

そして、有機繊維として、ＰＢＯを適用することにより、成型体の破壊に対する耐性が向上し、耐衝撃性を著しく向上させることができる。

また、有機繊維として、アラミド繊維を適用することにより、成型体の破壊に対する耐性が向上し、耐衝撃性を著しく向上させることができる。

そして、本発明の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形することにより、射出成形、射出圧縮成形などの３００℃に近い温度でも成形可能であり、高い剛性および高い耐衝撃性を有する成型体を得ることができる。

〔実施形態の変形例〕
なお、以上に説明した態様は、本発明の一態様を示したものであって、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。

すなわち、無機繊維として、炭素繊維、ガラス繊維の他に、アルミナ、炭化珪素などのセラミックファイバー、玄武岩を熔解紡糸したバサルトファイバー、ステンレス繊維、アルミ繊維などを用いてもよい。
また、有機繊維として、ＰＢＯ繊維、アラミド繊維の他に、メタ系アラミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ＰＰＳ繊維、ＰＥＩ繊維、ＰＥＥＫ繊維などを用いてもよい。

次に、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明する。
なお、本発明は、これらの実施例などの記載内容に何ら制限されるものではない。また、複合繊維強化熱可塑性樹脂を、ペレットと略して称す。

［実施例１，２、比較例１，２のペレットの構成］
（ペレットの材料）
実施例１，２、比較例１，２のペレットの材料として、以下のものを用いた。
・ポリカーボネート（熱可塑性樹脂）
出光興産株式会社製 ＦＮ２６００
・ポリアミド６（熱可塑性樹脂）
東洋紡績株式会社 Ｔ８０２
・炭素繊維
三菱レイヨン株式会社製 ＴＲ５０
・ガラス繊維
日東紡績株式会社製 ＱＲ６０−４８３
・アラミド繊維
東レデュポン株式会社製 Ｋ４９ ３１６０−１３３３
・ポリジフェニルビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）
東洋紡績株式会社 ザイロン

（ペレットの作製方法）
上述した材料を、以下の表１に示す配合割合で配合して、実施例１，２、比較例１，２のペレットを作製した。

〈実施例１のペレット作製方法〉
ポリカーボネートをマトリックス樹脂として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維を、ポリカーボネート／炭素繊維／ガラス繊維／アラミド繊維の重量比が８３／８／６／３となるように、３０回／ｍ撚り数を掛けながら引き抜き成形を実施した。これにより、長手方向の長さが６ｍｍで連珠がない良好な形状のペレットを得た。
この実施例１のペレットは、有機繊維／無機繊維の重量比率が１／４．７（＝３／１４）、熱可塑性樹脂／強化繊維の比率が８３／１７であり、本発明の要件を満たす条件で作製されている。

〈実施例２のペレット作製方法〉
ポリアミド６をマトリックス樹脂として、炭素繊維、ポリジフェニルビスオキサゾール繊維を、ポリアミド６／炭素繊維／ポリジフェニルビスオキサゾール繊維の重量比が９２．５／５／２．５となるように、３０回／ｍ撚り数を掛けながら引き抜き成形を実施した。これにより、長手方向の長さが１０ｍｍで連珠がない良好な形状のペレットを得た。
この実施例２のペレットは、有機繊維／無機繊維の重量比率が１／２（＝２．５／５）、熱可塑性樹脂／強化繊維の比率が９２．５／７．５であり、本発明の要件を満たす条件で作製されている。

〈比較例１のペレット作製方法〉
ポリカーボネートをマトリックス樹脂として、炭素繊維、ガラス繊維を、ポリカーボネート／炭素繊維／ガラス繊維の重量比が８６／８／６となるように、３０回／ｍ撚り数を掛けながら引き抜き成形を実施した。これにより、長手方向の長さが６ｍｍで連珠がない良好な形状のペレットを得た。
この比較例１のペレットは、有機繊維／無機繊維の重量比率が０／１４、熱可塑性樹脂／強化繊維の比率が８６／１４であり、本発明の要件を満たさない条件で作製されている。

〈比較例２のペレット作製方法〉
ポリアミド６をマトリックス樹脂として、炭素繊維を、ポリカーボネート／炭素繊維の重量比が９５／５となるように、３０回／ｍ撚り数を掛けながら引き抜き成形を実施した。これにより、長手方向の長さが１０ｍｍで連珠がない良好な形状のペレットを得た。
この比較例２のペレットは、有機繊維／無機繊維の重量比率が０／５、熱可塑性樹脂／強化繊維の比率が９５／５であり、本発明の要件を満たさない条件で作製されている。

［性能試験方法］
（曲げ特性試験）
日精樹脂工業製ＦＥ１２０Ｓ、および、実施例１，２、比較例１，２のペレットを用いて、曲げ試験片（厚さ：３．２ｍｍ、幅：１２．７ｍｍ、長さ：１２７ｍｍ）を射出成形で作製した。そして、東洋精機製作所製ベンドグラフを使用して、ＡＳＴＭのＤ７９０に準拠し、室温、曲げ速度５ｍｍ／ｍｉｎにおける曲げ強度、弾性率を求めた。

（アイゾット試験）
日精樹脂工業製ＦＥ１２０Ｓ、および、実施例１，２、比較例１，２のペレットを用いて、アイゾット試験片（厚さ：３．２ｍｍ、幅：１２．７ｍｍ）を射出成形で作製した。さらに、この試験片をノッチ加工した。そして、東洋精機製作所製アイゾット衝撃試験機を使用して、ＡＳＴＭのＤ２５６に準拠し、２３℃でアイゾット衝撃強度を求めた。

これらの結果を表１に示す。

［性能評価結果］
表１に示すように、曲げ強度は、実施例１，２では共に２１０ＭＰａ、比較例１，２ではそれぞれ２０５，２１０ＭＰａとなることが確認できた。また、曲げ弾性率は、実施例１，２では共に７５００ＭＰａ、比較例１，２では共に７４００ＭＰａとなることが確認できた。
アイゾット衝撃強度は、実施例１，２ではそれぞれ２０，２５Ｊ／ｍ^２となり、比較例１，２ではそれぞれ１０，１２Ｊ／ｍ^２となることが確認できた。
これらのことから、本発明の要件を満たしたペレットを用いることにより、曲げ強度、曲げ弾性率が高い成型体が得られることが確認できた。
特に、本発明の要件を満たす条件でペレットに有機繊維を含めることにより、有機繊維を含めない構成と比べてアイゾット衝撃強度が高い成型体が得られることが確認できた。

本発明は、高い剛性および高い耐衝撃性を有する成型体が得られる複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット、および、成型体に使用できる。

Claims (5)

1. 強化繊維として有機繊維と無機繊維の２種以上を含む複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットにおいて、
   前記強化繊維の有機繊維および無機繊維の重量比率は、有機繊維／無機繊維＝１／１〜１／１０であり、
   熱可塑性樹脂および前記強化繊維の比率は、熱可塑性樹脂／強化繊維＝９５／５〜６０／４０であり、
   前記強化繊維は、ペレットの長手方向に略整列状態で存在し、さらに１０〜２００回／ｍの範囲で撚られた状態で前記熱可塑性樹脂と共に存在している
   ことを特徴とする複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット。
2. 請求項１に記載の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットであって、
   前記無機繊維は、炭素繊維またはガラス繊維から選ばれる少なくとも１種を含む
   ことを特徴とする複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット。
3. 請求項１または請求項２に記載の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットであって、
   前記有機繊維は、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維である
   ことを特徴とする複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット。
4. 請求項１または請求項２に記載の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットであって、
   前記有機繊維は、アラミド繊維である
   ことを特徴とする複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレット。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の複合繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを成形して得られた
   ことを特徴とする成型体。