JP3584065B2 - 長繊維強化樹脂構造物の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、長繊維で強化された樹脂構造物を製造する装置及び方法に関する。更に詳しくは、長繊維強化樹脂構造物の製造において、上下に互違いに配置した複数のロールの外周の溝に、溶融樹脂含浸連続繊維束を交互にはめ込んで走行させることにより賦形工程を行なうことを特徴とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱可塑性樹脂を連続繊維で補強した長繊維強化樹脂構造物は、短繊維で補強されたものに比べてはるかに優れた力学的物性を有するため、近年特に期待されている。かかる長繊維強化熱可塑性樹脂構造物は一般に連続した強化用繊維束をクロスヘッド押出機に通して引きながら熱可塑性樹脂を含浸した後、ダイを通して引き抜いたり（ＵＳＰ３，９９３，７２６号明細書）、連続した強化用繊維束を引きながら溶融熱可塑性樹脂に浸漬して濡らした後、ダイを通して引き抜いたり（特開昭５７−１８１８５２号公報）する、いわゆるプルトルージョン法によって製造されており、任意の長さに切断される。中でも、かかる方法によって得られるペレット状長繊維強化樹脂構造物は、射出成形、押出成形、圧縮成形等の公知の成形手段によって容易に目的形状の製品に成形可能であり、物性的にも優れるため、特に注目されている。
【０００３】
図６は、このプルトルージョン法によってペレット状長繊維強化樹脂構造物を製造する従来の装置又は方法の一例を示している。図６において、１はロービングから取り出された繊維束である。２はロールバー、３は溶融熱可塑性樹脂を供給する押出機、４は繊維束１に溶融熱可塑性樹脂を含浸させるクロスヘッドダイ、５は溶融熱可塑性樹脂が含浸された繊維束、６は賦形ダイ、７は引取ロール、８はカッティング手段としてのペレタイザーである。ここで、賦形ダイ６は、クロスヘッドダイ４により溶融熱可塑性樹脂が含浸された連続繊維束５が通過する貫通孔を有し、この貫通孔の形状によりペレット状長繊維強化樹脂構造物の断面形状を目的製品形状に成形する等の機能を有するものである。
【０００４】
すなわち、クロスヘッドダイ４により溶融熱可塑性樹脂が含浸された連続繊維束５は、賦形ダイ６により所定の断面形状、例えばストランド、棒状、リボン状、テープ状、シート状、板状、あるいは特殊形状等に整えられると共に熱可塑性樹脂の含浸が促進ないし均一化される。溶融樹脂含浸連続繊維束５は賦形ダイ６を通過したあと、引取ロール７を用いて引き取られる。引き取られた長繊維強化樹脂構造物は、カッティング手段８で任意の長さに切断され、成形あるいは他の加工に供される。このようにして得られる長繊維強化樹脂構造物には、構造物長と実質的に同じ長さを有し、構造物の長手方向にほぼ平行に配列した強化用の繊維が含まれることとなる。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の長繊維強化樹脂構造物の製造装置あるいは製造方法は、上述のごとく賦形ダイのみにより断面形状の成形を行なう構成であるため、構造物（例えばペレット）の割れや構造物からの繊維の分離等の製品品質の低下を招く成形不良が発生し易かった。それは上記賦形ダイでは、溶融樹脂含浸連続繊維束５を目的製品形状に対応した断面形状の貫通孔に挿通することで成形する。このため、例えば溶融樹脂が断面方向に偏って含浸されていた場合には、偏った側の溶融樹脂が削ぎ落とされて成形されるだけで、反対側には溶融樹脂が不足した凹みが発生し、例えば目的製品形状が円柱形（断面は円形）であるのに、マカロニ状や偏平状の構造物になってしまうことがあった。
【０００６】
また上述のような賦形ダイを使用しているため、特にナチュラルカラーの製品の製造において、ダイに滞留し熱履歴が長くなり焼けによる着色（変色）樹脂や炭化物の発生，混入を招いているという問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、良好な形状で割れや繊維の分離がなく、変色や炭化物の混入が少ない構造物が歩留り良く製造できる長繊維強化樹脂構造物の製造装置及び製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明は、連続繊維束を連続的に引取って走行させつつ、含浸手段でこの連続繊維束に溶融樹脂を含浸させ、含浸手段の後流側に配された賦形手段で前記溶融樹脂含浸連続繊維束の断面外形を目的製品形状に成形し、更に後流側に配されたカッティング手段で引き取られた前記溶融樹脂含浸連続繊維束をカッティングして長繊維強化樹脂構造物を製造する装置において、前記賦形手段として、前記溶融樹脂含浸連続繊維束がはまり込む溝、ここで、該溝は断面が凹半円状の底部を有するＶ字型溝であり、相隣る溝との間が逆Ｖ字型をなす、が多数、互いに平行に外周に形成された複数のロールを、前記溶融樹脂含浸連続繊維束が走行する位置の上下に互違いに配置し、前記溶融樹脂含浸連続繊維束の走行方向から見たときに全てのロールの溝の底部が重なり合って前記目的製品形状を画成するように前記溝の形状及び前記ロールの配置位置を設定したことを特徴とする長繊維強化樹脂構造物の製造装置に関する。
【０００９】
また本発明は、含浸工程で連続繊維束へ溶融樹脂を含浸させ、次いで賦形工程で前記溶融樹脂含浸連続繊維束の断面外形を目的製品形状に成形し、次いで引取工程で前記溶融樹脂含浸連続繊維束を引き取り、更にカッティング工程で引き取られた溶融樹脂含浸連続繊維束をカッティングして長繊維強化樹脂構造物を製造する方法において、前記溶融樹脂含浸連続繊維束がはまり込む溝、ここで、該溝は断面が凹半円状の底部を有するＶ字型溝であり、相隣る溝との間が逆Ｖ字型をなす、が多数、互いに平行に外周に形成された複数のロールを、前記溶融樹脂含浸連続繊維束が走行する位置の上下に互違いに配置し、前記連続繊維束の走行方向から見たときに全てのロールの溝の底部が重なり合って前記目的製品形状を画成するように前記溝の形状及び前記ロールの配置位置を設定し、前記溶融樹脂含浸連続繊維束を交互に各ロールの溝にはめ込んで走行させることにより前記賦形工程を行なうことを特徴とする長繊維強化樹脂構造物の製造方法に関する。
【００１０】
【作用】
本発明の長繊維強化樹脂構造物を製造するために使用できる製造装置の構成例の概略図を図１に示す。図１において、１はロービングから取り出された繊維束である。これは、特に撚りが無い繊維束であることが好ましい。２は開繊工程を行なうロールバー（開繊手段）、３は溶融熱可塑性樹脂を供給する押出機、４は繊維束１に溶融熱可塑性樹脂を含浸させる含浸工程を行なうクロスヘッドダイ（含浸手段）、５は溶融熱可塑性樹脂が含浸された繊維束、６ａは賦形工程の予備成形を行なう賦形ダイ、７は引取り工程のための引取ロール、８はカッティング工程を行なうペレタイザー、１０は本発明の特徴的構成要素であるロール式賦形手段であって本発明の賦形工程を行なう。
【００１１】
ここでロール式賦形手段１０は、この場合図２に示すように、溶融樹脂含浸連続繊維束５が走行する位置の上下に互違いに配置された三つのロール１１ａ，１１ｂ，１１ｃよりなる。各ロールは、溶融樹脂含浸連続繊維束５がはまり込む溝１２が、溶融樹脂含浸連続繊維束５の走行間隔に対応したピッチで外周に複数形成されたもので、通常表面をクロム等でメッキした金属材料よりなる。図２は、一部の溝１２のみを示している。また各ロールは、自転自在に支持されており、図示省略した媒体供給装置から内部に冷媒又は熱媒が供給され溶融樹脂含浸連続繊維束５の温度調節が行なわれるようになっている。
【００１２】
そして、各ロールの溝１２の形状と配置位置は、これらロールを溶融樹脂含浸連続繊維束５の走行方向から見たときに各ロール１１ａ，１１ｂ，１１ｃの溝１２の底部１３が重なり合って目的製品形状を画成するように設定されている。例えば、目的製品形状が円柱状（断面外形は半径Ｒの円）である場合には、図３に示すように溝１２の底部１３が半径Ｒの半円状とされ、三つのロール１１ａ，１１ｂ，１１ｃを溶融樹脂含浸連続繊維束５の走行方向から見たときには、図４の如く各溝１２の底部１３が重なり合って半径Ｒの円形状に見通せるように、各ロールの高さ方向及び軸方向の位置が設定されている。
【００１３】
なおこの場合賦形ダイ６ａは、従来の賦形ダイ６と異なり、溶融樹脂の量の制御や若干の賦形（予備的成形）を行なうための貫通孔（目的製品形状に対して大径なもの）を有するもので、目的製品形状が複雑である等のために上記ロール式賦径手段のみでは良好な成形が困難な場合等に設ける必要があるが、場合によっては図５に示すように削除してもよい。また、二つ以上のロールの溝１２の底部１３により見通せた形状は、円形状に限られず、目的製品形状に応じて楕円形など各種の形状があり得る。目的製品形状としては、例えばストランド、棒状、リボン状、テープ状、シート状、板状、あるいはその他の特殊形状等があり得る。さらに、ロールは少なくとも二つあればよいが、三つ以上設けて成形の確実性等をさらに向上させることも可能である。
【００１４】
また、ここで用いられる繊維束の繊維の種類としては、特に制約はなく、例えばガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、芳香族ポリアミド繊維等の高融点繊維等がいずれも使用できる。これらの繊維は、通常公知の表面処理剤（集束剤）で処理したものが使用されるが、これに限定されない。これらの繊維の中では、得られる長繊維強化樹脂構造物の強度や価格などを考慮すると、ガラス繊維であることが好ましい。また本発明で使用する連続繊維束のテックス数としては通常４４００〜１２０、好ましくは２２００〜７４０の範囲である。
【００１５】
また、繊維束１を開繊する手段として、図１ではロールバーを用いているが、この他の開繊手段、例えば静電気、エアーブロー（エアージェット）、ウオータージェット、テンションバー、ニードルパンチなどを用いてもよい。
【００１６】
また、本発明の含浸工程を行なう含浸手段としてはとくに制限はなく、図１のようにクロスヘッドダイ等の含浸ダイを用いる方法、含浸槽を用いる方法等公知の含浸方法がいずれも採用可能である。中でもクロスヘッドダイ等の含浸ダイを用いる方法が好ましい。
【００１７】
また本発明において、前記含浸に用いられる樹脂としては、通常熱可塑性樹脂であり、結晶性および非晶性の両者を含み、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、ナイロン６１２等のポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、熱可塑性ポリウレタン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、アクリロニトリル・スチレン樹脂等のその他の熱可塑性樹脂およびこれらの組み合わせが使用できる。
【００１８】
次に、上記製造装置の動作、及び上記製造装置により実施される本発明の製造方法の一例をペレット状長繊維強化樹脂構造物の製造を例にとり、図１を用いて説明する。ロービングから取り出された繊維束１は、まずロールバー２により開繊され（開繊工程）、次いで押出機３により供給された溶融樹脂がクロスヘッドダイ４により含浸される（含浸工程）。そして、溶融樹脂が含浸された連続繊維束５は、賦形ダイ６ａによりある程度の予備的成形がされて含浸の促進及び均一化又は過大な量の樹脂の削除等がなされた後、順次各ロール１１ａ，１１ｂ，１１ｃの溝底部１３にはまり込みつつ走行することで所定の断面形状（例えば図４では半径Ｒの円形）に成形され（賦形工程）、引取ロール７により引き取られる（引取工程）。なお図１の引取ロール７では、上下のエンドレスベルトを用いている。そして、引き取られた長繊維強化樹脂構造物は、ペレタイザー８で任意の長さに切断してペレットとされ、成形あるいは他の加工に供される。なお、各ロール１１ａ〜１１ｃには冷媒又は熱媒が通されて、溶融樹脂含浸繊維束５の温度が引取り工程あるいはその後のカッティング工程に最適な温度に調節される。
【００１９】
このペレットには、ペレット長と実質的に同じ長さを有し、ペレットの長手方向にほぼ平行に配列した強化用の繊維が含まれることとなる。そして、このペレットの形状は、従来のような賦形ダイを用いた場合に比し、整ったものとなり、割れや繊維の分離が少ないものとなる。それは上記のようなロールによる成形であると、たとえ溶融樹脂が偏って含浸されていたとしても、連続繊維束の下側と上側が片側づつ溝１２の底部１３で交互に押え付けられるようにして成形（賦形工程）が行なわれるので、偏った溶融樹脂もこの賦形工程で押戻されて均一化され、はみ出した繊維も束に収まることになるためである。また、各ロールは連続繊維束の走行に追従して自転するので、溶融樹脂及び繊維とロール表面との間に走行方向への相対移動による摩擦が発生せず、円滑に成形が行なわれ、樹脂の滞留による変色や炭化物の発生も生じ難い。
【００２０】
なお、上記のようにして得られる長繊維強化樹脂構造物の組成、例えば繊維の含有量については特に制約はないが、得られる構造物の諸物性の面から、２０〜８０重量％（構造物中）が好ましく、特に好ましくは３０〜７０重量％である。
【００２１】
また、本発明によって得られる長繊維強化樹脂構造物には目的に応じて、一般に樹脂に添加される各種の添加物、例えば酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、浸滑剤、可塑剤、離型剤、難燃剤、難燃焼助剤、結晶化促進剤、着色剤、無機充填材や有機充填材等を配合することもできる。
【００２２】
【実施例】
以下実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２３】
（実施例１〜２，比較例１）
図１又は図５に示す装置を用いて、ポリプロピレン５０重量％およびガラス繊維５０重量％からなるポリプロピレン含浸ガラス繊維束を引取速度４ｍ／分で引き取り、これをカッティングして長さ１２ｍｍのペレット状長繊維強化樹脂構造物を製造した。なお、ロール式賦形手段又は賦形ダイの有無、ロールの溝底部の形状，賦形ダイの形状等の条件は、表−１の通りに設定した他は同様に行った。得られたペレットの割れの発生率、分離ガラスの含有量等を表−１に示す。なお、変色ペレット発生率および炭化物混入ペレット発生率は、製品ペレット５Ｋｇ中の変色ペレットおよび炭化物混入ペレットの個数を測定したものである。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融樹脂含浸連続繊維束の賦形工程をロール式賦形手段により行なうことにより、確実かつ円滑な成形が可能となり、良好な形状で割れや繊維の分離がなく、変色や炭化物の混入が少ない長繊維強化樹脂構造物が歩留り良く得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる長繊維強化樹脂構造物の製造装置の一例を示す図である。
【図２】本発明に用いられる長繊維強化樹脂構造物の製造装置の一例におけるロール式賦形手段を示す斜視図である。
【図３】本発明に用いられる長繊維強化樹脂構造物の製造装置の一例におけるロール式賦形手段の各ロールの溝形状を示す拡大図である。
【図４】本発明に用いられる長繊維強化樹脂構造物の製造装置の一例におけるロール式賦形手段を連続繊維束の走行方向から見たときの、溝形状を示す拡大図である。
【図５】本発明に用いられる長繊維強化樹脂構造物の製造装置の他の例を示す図である。
【図６】従来の長繊維強化樹脂構造物の製造装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 連続繊維束
２ ロールバー（開繊手段）
３ 押出機
４ クロスヘッドダイ（含浸手段）
５ 熱可塑性樹脂が含浸された繊維束
６ａ 賦形ダイ
７ 引取ロール
８ ペレタイザー（カッティング手段）
１０ ロール式賦形手段
１１ａ〜１１ｃ ロール
１２ 溝
１３ 溝底部

Claims (3)

1. 連続繊維束を連続的に引取って走行させつつ、含浸手段でこの連続繊維束に溶融樹脂を含浸させ、含浸手段の後流側に配された賦形手段で前記溶融樹脂含浸連続繊維束の断面外形を目的製品形状に成形し、更に後流側に配されたカッティング手段で引き取られた前記溶融樹脂含浸連続繊維束をカッティングして長繊維強化樹脂構造物を製造する装置において、前記賦形手段として、前記溶融樹脂含浸連続繊維束がはまり込む溝、ここで、該溝は断面が凹半円状の底部を有するＶ字型溝であり、相隣る溝との間が逆Ｖ字型をなす、が多数、互いに平行に外周に形成された複数のロールを、前記溶融樹脂含浸連続繊維束が走行する位置の上下に互違いに配置し、前記溶融樹脂含浸連続繊維束の走行方向から見たときに全てのロールの溝の底部が重なり合って前記目的製品形状を画成するように前記溝の形状及び前記ロールの配置位置を設定したことを特徴とする長繊維強化樹脂構造物の製造装置。
2. 含浸工程で連続繊維束へ溶融樹脂を含浸させ、次いで賦形工程で前記溶融樹脂含浸連続繊維束の断面外形を目的製品形状に成形し、次いで引取工程で前記溶融樹脂含浸連続繊維束を引き取り、更にカッティング工程で引き取られた溶融樹脂含浸連続繊維束をカッティングして長繊維強化樹脂構造物を製造する方法において、前記溶融樹脂含浸連続繊維束がはまり込む溝、ここで、該溝は断面が凹半円状の底部を有するＶ字型溝であり、相隣る溝との間が逆Ｖ字型をなす、が多数、互いに平行に外周に形成された複数のロールを、前記溶融樹脂含浸連続繊維束が走行する位置の上下に互違いに配置し、前記連続繊維束の走行方向から見たときに全てのロールの溝の底部が重なり合って前記目的製品形状を画成するように前記溝の形状及び前記ロールの配置位置を設定し、前記溶融樹脂含浸連続繊維束を交互に各ロールの溝にはめ込んで走行させることにより前記賦形工程を行なうことを特徴とする長繊維強化樹脂構造物の製造方法。
3. 前記ロールに冷媒又は熱媒を通すことにより前記溶融樹脂含浸連続繊維束を温度調整することを特徴とする請求項２記載の長繊維強化樹脂構造物の製造方法。

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