JPH06254976A - 繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶融粘度の高い高分子量の熱可塑性樹脂にお
いても、補強用繊維束への分散性が良好であり、引き取
り力が小さくて済み、糸切れの少ない繊維強化熱可塑性
樹脂組成物の製造方法。 【構成】 引き抜き成形法またはプルトルージョン法に
おいてダイボックス内の溶融樹脂の充満状態を飢餓状態
に制御しながら補強用繊維の含浸を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明補強用繊維に熱可塑性樹脂
を被覆（含浸）させる繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製
造方法及びその装置に関する。この樹脂組成物は、高剛
性、高耐衝撃性、耐クリープ性が要求される自動車部
品、建材、ならびに産業資材分野の部品に利用される。

【０００２】

【従来の技術】従来熱可塑性樹脂と補強用繊維を複合し
た組成物からなる成形用材料を製造する方法としては、 （１）適当な長さ（通常３〜６ｍｍ）に切断した繊維
と、粉末または粒状の熱可塑性樹脂を混合し、押出成形
機にて押出し、切断して成形材料を得る方法 （２）熱可塑性樹脂を溶剤に溶解もしくは懸濁し、それ
に長繊維を連続的に浸漬し、溶剤を乾燥除去し、然る
後、これを切断して成形材料を得る方法 （３）繊維を連続的に開始剤を含むモノマーもしくは反
応性を有するオリゴマーに浸漬し、これを加熱重合し
て、然る後これを切断して成形材料を得る方法 （４）樹脂を押出成形機により可塑化溶融し、溶融物の
吐出側に長繊維を連続的に導入し、繊維に溶融樹脂を浸
透させ押出し、これを切断して成形材料とする電線被覆
類似の引き抜き成形法またはプルトルージョン法等が知
られている。

【０００３】（１）の短繊維を使用する方法では繊維の
初期長をあまり大きくすることができないことや押出機
にて混合するときに繊維の粉砕が生じるため繊維による
補強効果が不十分になるという問題点がある。

【０００４】（２）の溶剤を使用する方法では、使用し
た溶剤を回収する必要があり、工程が長くなると同時に
設備が大規模なものとなって、コストへの影響が大きい
欠点がある。

【０００５】（３）のモノマーまたはオリゴマーに浸
漬、重合する方法による場合は、使用可能な熱可塑性樹
脂が限られている点や、重合工程が複雑となり、その制
御が困難であるという欠点を有する。

【０００６】以上の各方法に対し、（４）の引き抜き成
形法またはプルトルージョン法では装置、工程とも簡単
であり、製造工程中に繊維の粉砕を伴わず、成形材料中
の繊維の長さを任意に選択できるため補強効果を高くす
ることが容易である。しかし繊維束の凝集が生じ易く、
マトリックス樹脂が各単繊維間に充分浸透（含浸）せ
ず、分散の悪い製品となる傾向があった。特に補強効果
を増すために繊維の配合量を増すことはこの凝集性を一
層高め、そのため本来補強されるべき製品の強度が低下
したり、製品の外観が悪化したり、極端な場合では繊維
の束がペレットから抜け落ちることさえあり、補強性
能、外観、安全性、衛生性において問題を有していた。

【０００７】この改善のため、例えば特公昭４３−７４
４８、特公昭４３−７４６８、特公昭５２−１０１４
０、特公昭５５−１６８２５においては、クロスヘッド
ダイの工夫により改善する提案がなされているが、繊維
束中の個々のフィラメントに対するマトリックス樹脂の
含浸性と樹脂組成物中での個々の繊維の分散性は未だ不
十分であった。

【０００８】一方、樹脂の含浸性を向上させるため溶融
粘度の低い、つまり低分子量の樹脂を使用したり、低分
子量添加剤を多量に混合し、溶融物の粘度を低下させた
りする方法や、またダイス部の温度を高めに設定し溶融
物の粘度を下げる等の樹脂粘度を下げる方法が知られて
いる。しかしこれらの方法では粘度低下させる幅にも限
界があったり、または熱分解を生起するなどがあり、さ
らに得られた成形材料の物性面、特に耐衝撃性、長期信
頼性に問題が生じていた。

【０００９】また、個々の繊維フィラメントへの樹脂含
浸性を改善するためには、例えば特公昭６３−３７６９
４等においてはスプレッダー等（これはピン、バー、回
転体等の突起物を含む）の利用によって繊維束を拡げ、
個々の繊維が樹脂と接触し易くする方法の提案がされて
いる。

【００１０】しかし、この提案の方法では生産速度を上
げるためにはスプレッダーの数を増やす必要があるが、
これはおのずと高粘性の溶融樹脂と繊維との接触長を長
くすることになり、その結果引き取り抵抗が増し張力が
大きくなるという欠点があった。このことは繊維束が拡
がった状態、つまり開繊している場合及び溶融樹脂の粘
度が高い場合はスプレッダー、ダイ内壁と繊維束との間
に存在する溶融樹脂による剪断抵抗が大きくなることを
意味し、この結果引き取りが困難になるだけでなく、補
強用繊維束中の個々のフィラメントの多数が切断し、こ
れがダイボックスにたまり、製造中断などの原因となる
問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの引き
抜き成形法またはプルトルージョン法を改良したもの
で、溶融粘度の高い高分子量の熱可塑性樹脂も使用可能
であり、特にロービング中の個々のフィラメントのマト
リックスたる溶融熱可塑性樹脂中への分散性の向上と引
き抜き成形法での生産性を改良することを目的とするも
のである。そして最終的には該繊維強化熱可塑性樹脂組
成物を射出成形、圧縮成形等の成形をした場合、機械
的、熱的強度、特に耐クリープ、耐衝撃性、製品の外観
性の優れた繊維強化樹脂成形品の製造を可能とすること
を目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、補強用繊維を
熱可塑性樹脂で被覆（含浸）させる引き抜き成形法また
はプルトルージョン法において、ダイボックス内の溶融
樹脂の充満状態を飢餓状態に制御しながら被覆（含浸）
を行うことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂組成物の
製造方法を開発することにより上記の目的を達成した。

【００１３】本発明に使用できる熱可塑性樹脂としては
押出機で可塑化可能であれば特に制限する理由はない
が、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレ
ン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレ
フタレート等が挙げられる。またこれらの樹脂のブレン
ド物及び各種フィラーを充填した樹脂組成物であっても
構わない。更に周知の技術として繊維との親和性を持た
せた変性樹脂の使用は特に好ましい。樹脂の溶融粘度は
特に制限はないが、好ましくは剪断速度１０² ｓｅｃ^-1
での粘度が１０¹ 〜１０⁴ ｐｏｉｓｅ程度である。

【００１４】また本発明に用いられる補強用繊維の種類
としては、Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス等のガラス繊維、ピ
ッチ系、ポリアクリロニトリル系等の炭素繊維、また芳
香族ポリアミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維等の
セラミック系繊維、また金属繊維が、またマトリックス
樹脂がポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリスチレ
ン等のごとく比較的低温で可塑化可能な樹脂であるとき
は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維も使
用でき、これら単独あるいは複合して用いられる。な
お、繊維の太さ、表面処理剤、集束剤の種類、量などに
ついては通常用いられているものと同じであれば使用で
きる。繊維強化樹脂組成物中の補強用繊維の配合量は特
に制限されるものではないが、一般的にいって使用目
的、樹脂の種類、繊維の種類等により若干の差はある
が、１０重量％から８０重量％程度である。

【００１５】尚、本発明によって得られる繊維強化樹脂
組成物の形態としては、ダイボックス出口ノズルの形状
を変えることにより任意の形状、例えば棒状、シート
状、樋状、Ｌ字状等限定されるものではないが、通常は
１０〜５０ｍｍの長さに切断した成形用材料ペレットと
して好適に用いられる。

【００１６】以下、本発明を図面を用いて説明する。図
１は代表的なダイボックスの構造を示す。あらかじめ張
力を調整され、好ましくは溶融樹脂の融点以上に予熱さ
れた数千本〜数万本のフィラメントからなる補強用繊維
束１は、ダイ導入口４より外部から樹脂の融点以上に加
熱されたダイボックス本体３に引きそろえて供給され
る。

【００１７】その際、補強用繊維束はダイ内部に設置さ
れた開繊装置、例えば開繊バー５上で開繊し、開繊され
た状態で溶融樹脂２と複数回接触することで含浸が達成
される。樹脂を含浸した補強用繊維束はダイ出口に設け
られたノズル６を通過し、余分の樹脂をしぼり取り、樹
脂量をコントロールすると共に任意の形に賦形され、適
当な長さに切断して繊維強化樹脂組成物とする。

【００１８】ダイボックス内の樹脂流動は、主に補強用
繊維束に付着した溶融樹脂が繊維に引きずられる形でノ
ズル側に運ばれ、その過程において開繊バー５と補強用
繊維との間の接触面で主に樹脂の含浸が進行する。また
補強用繊維束により運ばれた余分の樹脂はダイ前部より
蓄積され、樹脂供給量が過多の場合はダイ前部より樹脂
が充満される現象が見られる。

【００１９】従来の引き抜き成形法またはプルトルージ
ョン法においては、図２に示すごとくダイボックス内は
溶融樹脂で完全に満たされた状態で操業されており、こ
のため補強用繊維束はダイボックス内の高粘度の溶融樹
脂の剪断力に対抗して引き取られることになる。特に開
繊装置上においては繊維束が開繊されるため、接触面が
著しく増大し、このため開繊繊維束が溶融樹脂の剪断力
以上の引き取り力で引き取られることが必要となる。

【００２０】この剪断力はダイボックス内の樹脂温度が
低下したとき、溶融粘度の高い樹脂を使用したとき、あ
るいは引き取り速度を速くしたときに一層顕著になる。
このことは補強用繊維に大なる張力が係ることになり、
繊維束中の個々のフィラメントの一部が切断し、ダイボ
ックス内に滞留したり、この滞留繊維の塊が間欠的に押
し出され繊維が飛び出した製品がでるなどの問題が生ず
ることになる。極端な場合にはノズルを閉塞したりして
操業ができなくなるトラブルが発生することもあった。

【００２１】またダイボックス中に溶融樹脂が充満して
いるため、第１段の開繊装置に接触する前に補強用繊維
束は溶融樹脂に囲まれてしまい、開繊装置上での開繊が
不完全になり易いことが挙げられる。

【００２２】これらの問題は図１に示すようにダイボッ
クス内の溶融樹脂の充満度を制御し、ダイボックス内を
飢餓状態（充満溶融樹脂８）に置くことにより解決でき
ることを見いだした。その結果、樹脂による抵抗、つま
り繊維のダメージが減少し、更に開繊装置５でも繊維束
の開繊性も優れ、繊維束に付着した樹脂による含浸もダ
イボックス全般にわたって良好になることが判明した。

【００２３】樹脂充満状態は樹脂の種類、溶融粘度、親
和性等による含浸性、引き取り速度等により異なるが、
ダイボックス内部の全樹脂使用量の２／３以下とするの
が好ましい。但し樹脂付着むら等を防止するためには少
なくともダイボックス出口のノズル部付近は樹脂で常に
充満している状況が必要であるのは言うまでもない。更
に、熱劣化し易い樹脂などにあってはダイボックス内の
空隙部に不活性ガスを注入し、樹脂の分解を抑制する処
置も採ることができる。

【００２４】更に溶融樹脂の充満位置の制御は、例えば
図１〜３に示すようにダイボックス先端部に取りつけら
れた高感度の圧力センサーによって行うことができる。
即ち、ダイボックス先端部においては補強用繊維束と樹
脂の流動抵抗に起因する圧力が発生し、これはダイボッ
クス内の樹脂充満が進むほど大となることが明らかとな
った。但し、この圧力は繊維束の引き取り速度等で変化
するためあらかじめ最適条件での圧力を求める必要があ
る。また圧力値はおおむね５ｋｇｆ／ｃｍ² 以下と非常
に低いため、その検出と制御は計器的な特別な工夫が必
要である。

【００２５】図３はその制御方法の一例を示したもので
ある。例えばダイボックス先端部における溶融樹脂の圧
力を高感度の圧力計７で検知し、これを変換器で１０で
電気的に変換、増幅し、プロセスコントローラー１１に
てレスポンス等の制御処理をする。それをもとに押出機
制御器１２で押出機のモーター１３の回転数を変更し、
ダイ３への樹脂供給量を制御することにより、ダイボッ
クス内の溶融樹脂を飢餓状態に維持しながら繊維強化熱
可塑性樹脂組成物を製造できる。

【００２６】

【作用】本発明においては引き抜き成形法またはプルト
ルージョン法により補強用繊維束をダイボックス中にも
うけられた開繊装置により開繊しながら溶融樹脂を被覆
（含浸）させるに際し、出口付近は常時樹脂で充満して
いることは必要であるが、ダイボックス内の溶融樹脂の
充満度を不完全（飢餓状態）にすることにより、被覆の
均一性）が高まると共に、繊維束の個々のフィラメント
の切断量を大幅に減らすことができることを見いだし
た。

【００２７】即ち、ダイボックス内の溶融樹脂の充満度
と、ダイ内圧力及び補強用繊維束の引き取り力とはほぼ
比例し、意外にも樹脂の含浸性は溶融樹脂充満度と反比
例することを見いだしたことにある。

【００２８】従って、ダイボックス内の溶融樹脂の充満
度をコントロールすることにより、繊維束に対する含浸
性を向上させ、糸切れを防止すると共に引き取り力を低
く抑えることができることであり、そしてこのコントロ
ールの手段としてダイボックス内圧力を検知し、押出機
からの樹脂の供給をコントロールすることにより達成で
きることである。

【００２９】この正確なメカニズムは確認できなかった
が、ダイボックスに供給された補強用繊維束はまず開繊
されてから溶融樹脂に接触するため溶融樹脂との接触す
る初期において好ましい状態での被覆（含浸）が行われ
ると考えられる。それ以降においても溶融樹脂で被覆さ
れた状態（但し、溶融樹脂は充満していない。）の繊維
束は２段以降の開繊装置により開繊され、樹脂による含
浸が行われるが、溶融樹脂が充満していない区間での開
繊作業は効率が良いため、含浸度は充満している場合に
比べて向上するものと推定している。

【００３０】また、ダイボックスに溶融樹脂が完全に充
満していないため、繊維束の引き取りに際し、充満して
いない区間では溶融樹脂の剪断力が不要となり、引き取
り抵抗を低下させ、これが繊維束中の個々のフィラメン
トの切断を低下させているものと推定している。

【００３１】更に溶融樹脂のダイボックス内の充満度
を、ダイボックス先端部に圧力検出器を設けることによ
り容易に制御できることも見いだした。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例にて具体的
に説明する。 （実施例１）補強用繊維として繊維径１６μｍのＥ−ガ
ラス繊維を約４０００本引きそろえ、所定の表面処理と
集束処理を施したロービングを使用した。またマトリッ
クス樹脂としては０．５ｐｈｒの無水マレイン酸で変性
したＭＦＲ＝３０ｇ／１０分のホモポリプロピレンを使
用した。成形装置としては図４に示すような制御方法を
用いた。圧力センサー３として１５ｋｇｆ／ｃｍ² レン
ジの低圧用を使用し、専用の変換器（アンプ）１０を使
用した。またプロセスコントローラー１１により設定圧
力値を保持できるよう比例帯、積分時間調整した。押出
機制御器１２としてインバーターを使用し、押出機モー
ター回転数を制御した。ダイボックス先端部の圧力を引
き取り速度２０ｍ／ｍｉｎ、２．３ｋｇｆ／ｃｍ² とし
たとき、引き取り力は約１８ｋｇｆ、ダイボックス内の
溶融樹脂充満度は約５０％であり、含浸性も良好で、糸
切れもほとんど発生しなかった。直径約３ｍｍのノズル
から押し出した引き抜き成形物を１３ｍｍに切断し、繊
維強化熱可塑性樹脂組成物のペレットを製造した。組成
比は繊維４０重量％、ホモポリプロピレン６０重量％で
ある。次いで該ペレットを樹脂温度２１０℃、金型温度
４０℃の条件で射出成形して試験片を作成、曲げ試験、
引張試験、衝撃試験（アイゾット；ノッチ付き）、引張
クリープ試験を実施し、物性を評価した。

【００３３】 引張試験： ＪＩＳ Ｋ−７０５４（２３℃） 曲げ試験： ＪＩＳ Ｋ−７０５５（２３℃） 衝撃試験（ＩＺＯＤ）： ＪＩＳ Ｋ−７１１０（２３
℃） 引張クリープ： ＪＩＳ Ｋ−７１１５（６０℃、応力
２００ｋｇｆ／ｃｍ²）

【００３４】（実施例２）ＭＦＲ１５ｇ／１０分の無水
マレイン酸変性（変性量０．５ｐｈｒ）ホモプロピレン
を使用して実施例１と同様のガラス繊維ロービングおよ
び装置を使用し、ダイボックス内の溶融樹脂充満度は同
じく５０％程度として成形した。引き取り速度２０ｍ／
ｍｉｎでこの時の引き取り力は２１ｋｇｆと実施例１と
比べやや上昇したものの糸切れ及び樹脂の含浸性は良好
であった。物性評価結果を表１に示す。

【００３５】（比較例）実施例１と同様のガラス繊維ロ
ービング、変性ポリプロピレン及び装置を使用して同じ
条件で成形した。但し、ダイボックス先端部の圧力を７
ｋｇｆ／ｃｍ²としたとき、ダイボックス内は溶融樹脂
で充満しており、引き取り速度を２０ｍ／ｍｉｎで引き
取り力は３０ｋｇｆとなり、糸切れが発生し、成形はや
や困難であった。評価結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、強化繊維を熱可塑性樹
脂に分散させる引き抜き成形法、またはプルトルージョ
ン法において、樹脂の溶融粘度が高くても、また高速で
引き取りを行ってもマトリックス樹脂の繊維への含浸性
が良好で、耐衝撃性、耐クリープ等の機械的性能及び製
品外観の優れた繊維強化熱可塑性樹脂材料を製造する方
法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による引き抜き成形法ダイボックス内の
溶融樹脂充満状況を示す。

【図２】従来法による引き抜き成形法ダイボックス内の
溶融樹脂充満状況を示す。

【図３】本発明の引き抜き成形法制御方法の一例を示
す。

【符号の説明】

１ 強化繊維 ２ 溶融樹脂 ３ ダイ ４ 導入口 ５ 開繊バー ６ ノズル ７ 圧力計 ８ 充満溶融樹脂 ９ 押出機 １０ 変換器 １１ プロセスコントローラー １２ 押出機制御器 １３ モーター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 補強用繊維を熱可塑性樹脂で被覆（含
   浸）させる引き抜き成形法またはプルトルージョン法に
   おいて、ダイボックス内の溶融樹脂の充満状態を飢餓状
   態に制御しながら被覆（含浸）を行うことを特徴とする
   繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
2. 【請求項２】 溶融樹脂供給量を調節し、ダイボックス
   内の樹脂の充満状態をダイボックス空間の２／３以下に
   制御する請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物の
   製造方法。
3. 【請求項３】 樹脂供給量を調節することによりダイボ
   ックス内の圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ² 以下に保持し、ダイ
   ボックス内の溶融樹脂の充満状態を制御する請求項１ま
   たは２記載の繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法。