(57)【要約】【課題】繊維強化樹脂の製造に際し、繊維長と分散性を両立し、軽量性と力学特性に優れた成形品を製造可能とする。【解決手段】繊維強化樹脂の製造方法は、二本のスクリュ１６が同方向に回転する二軸混練押出機１２を用い、溶融した熱可塑性樹脂２０に不連続繊維２２を混ぜて繊維入り樹脂３６を得る繊維強化樹脂の製造方法であって、繊維入り樹脂３６の流れを分岐及び合流させる分岐流発生工程Ｓ１と、分岐流発生工程Ｓ１の下流の低混練工程Ｓ２と、低混練工程Ｓ２の下流で、繊維入り樹脂３６を低混練工程Ｓ２よりも強く混ぜる高混練工程Ｓ３と、を有し、低混練工程Ｓ２では、分岐流発生工程Ｓ１で生じた流動構造、あるいは高混練工程Ｓ３によって形成される流動構造を利用して、低せん断力で繊維入り樹脂３６を分岐流発生工程Ｓ１よりも緩やかに混ぜる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二本のスクリュが同方向に回転する二軸混練押出機を用い、溶融した熱可塑性樹脂に不連続繊維を混ぜて繊維入り樹脂を得る繊維強化樹脂の製造方法であって、
前記繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させる分岐流発生工程と、
前記分岐流発生工程の下流の低混練工程と、
前記低混練工程の下流で、前記繊維入り樹脂を前記低混練工程よりも強く混ぜる高混練工程と、を有し、
前記低混練工程では、前記分岐流発生工程で生じた流動構造、あるいは前記高混練工程によって形成される流動構造を利用して、低せん断力で前記繊維入り樹脂を前記分岐流発生工程よりも緩やかに混ぜる繊維強化樹脂の製造方法。
【請求項２】
前記分岐流発生工程では、複数の略楕円状断面形状の板状部からなり前記スクリュの周方向に長径の角度位置をずらしたニーディングディスクにより、前記繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させ、
前記低混練工程では、前記ニーディングディスクの前記長径よりも小さい直径を有する円筒部により前記繊維入り樹脂を混ぜ、
前記高混練工程では、前記ニーディングディスク、又はフライト部に切欠きが複数設けられた切欠きスクリュにより前記繊維入り樹脂を混ぜ、
前記分岐流発生工程、前記低混練工程及び前記高混練工程を、前記スクリュの軸方向に沿って順に行う請求項１に記載の繊維強化樹脂の製造方法。
【請求項３】
二本のスクリュが同方向に回転する二軸混練押出機と、
前記二軸混練押出機に設けられ、溶融した熱可塑性樹脂に不連続繊維を混ぜる混練部と、を有し、
前記混練部は、前記不連続繊維が前記熱可塑性樹脂に混ぜられた繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させる分岐流発生部と、前記分岐流発生部の下流に隣接して設けられた低混練部と、前記低混練部の下流に隣接して設けられ、前記繊維入り樹脂を前記低混練部より強く混ぜる高混練部と、を有し、
前記低混練部は、前記分岐流発生部で生じた流動構造、あるいは前記高混練部の存在によって形成される流動構造を利用して、低せん断力で前記繊維入り樹脂を前記分岐流発生部よりも緩やかに混ぜる繊維強化樹脂の製造装置。
【請求項４】
前記分岐流発生部は、複数の略楕円状断面形状の板状部からなるニーディングディスクを用い、各々の前記板状部の長径の角度位置を前記スクリュの周方向にずらして構成され、
前記低混練部は、前記長径よりも小さい直径を有する円筒部を用いて構成され、
前記高混練部は、前記ニーディングディスク、又はフライト部に切欠きが複数設けられた切欠きスクリュを用いて構成され、
前記分岐流発生部、前記低混練部及び前記高混練部が、前記スクリュの軸方向に沿って上流側から下流に向かって順に配置されている請求項３に記載の繊維強化樹脂の製造装置。
【請求項５】
前記分岐流発生部及び前記高混練部では、前記ニーディングディスクの各々５枚の前記板状部が前記スクリュの軸方向に並べられると共に、各々の前記長径の角度位置が、前記スクリュのねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされており、
前記分岐流発生部の軸長は、前記長径の０．５倍であり、
前記円筒部の直径は、前記長径の０．６倍であり、
前記低混練部の軸長は、前記長径の０．２５倍である請求項４に記載の繊維強化樹脂の製造装置。
【請求項６】
前記分岐流発生部では、前記ニーディングディスクの５枚の前記板状部が前記スクリュの軸方向に並べられると共に、各々の前記長径の角度位置が、前記スクリュのねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされており、
前記分岐流発生部の軸長は、前記長径の０．５倍であり、
前記円筒部の直径は前記長径の０．６倍であり、
前記低混練部の軸長は前記長径の０．２５倍であり、
前記高混練部は、螺旋の巻き方向が前記スクリュのねじ山の巻き方向と逆とされた一条の前記フライト部を有する切欠きスクリュを有して構成され、
前記切欠きスクリュの前記切欠きは、前記フライト部にリードあたり１１箇所設けられ、
前記切欠きスクリュの直径は、前記長径と等しく、
前記高混練部の軸長は、前記長径と等しい請求項４に記載の繊維強化樹脂の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂の製造方法及び繊維強化樹脂の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２には、繊維強化樹脂組成物の製造に使用される二軸押出機が開示されている。特許文献１には、更に繊維強化樹脂組成物の製造方法が開示されている。これらの技術は、連続繊維の束（ロービング）を二軸押出機に直接引き込む二軸混練方式において、樹脂搬送部のフライトスクリュとバレル間のクリアランスＳｃをスクリュ間のクリアランスＳｓよりも広くすることでロービングの糸切れを防止している。また、搬送部と混練部の間に円筒部（トーピード）からなる弛緩部を設けることにより、弛緩部と混練部でロービングを所望の長さに切断し混練している。弛緩部においては、バレルから突起部材を吐出させることで、繊維の切断と混練を促進させている。
【０００３】
特許文献３には、スクリュ式二軸混練押出機用スクリュが開示されている。この技術では、フライト部の複数箇所に切欠き部を形成した１個あるいは複数個のスクリュピース（切欠きスクリュ）を混練部に組み込んで構成することにより、消費エネルギーを低く、樹脂温度を低く、繊維分散の良い製品が得られるとされている。
【０００４】
特許文献４には、ガラス繊維強化熱可塑性樹脂組成物ペレットの製造方法が開示されている。この技術では、熱可塑性樹脂とガラス繊維束の混練において、特定の形状を有するスクリュエレメントと特定の混練条件を用いることにより、ガラス繊維束の解繊性を向上させている。特定のスクリュエレメントとは、円弧状の切欠きが形成されたフライト部を有する一条の逆送りスクリュエレメントである。
【０００５】
特許文献５には、熱可塑性樹脂組成物の製造方法が開示されている。この技術では、繊維等の添加材を含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法において、複数の混練ゾーンとベント（脱気）ゾーンを組み合わせている。混練ゾーンでは、ニーディングディスク、切欠きスクリュの少なくとも１種類以上のエレメントを有するスクリュ構成としている。これにより、押出効率と分散性を向上させている。
【０００６】
特許文献６には、二軸押出機のスクリュにおいて、スクリュ形状を櫛歯等のインボリュート形状とすることにより、スクリュ同士が一定距離を空けて緊密に噛み合いながら回転するようにした構造が開示されている。
【０００７】
特許文献７には、高分子とセルロース繊維を混練するための二軸押出機が開示されている。この技術では、混練部のスクリュ構成が、順送り要素、逆送り要素を一つ以上と、混練要素を二つ以上配置するものとされている。これにより、繊維の破断が少なく、繊維と樹脂との混合が均一になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−３９８７９号公報
【特許文献２】特開２０１６−８７８９６号公報
【特許文献３】特開２００２−１２０２７１号公報
【特許文献４】特開２０１２−２１３９９７号公報
【特許文献５】特開２０１５−１１０３２９号公報
【特許文献６】欧州特許出願公開第１４５１００２号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第１０７５３７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
繊維強化樹脂からなる成形品では、繊維長と分散性が成形品の力学特性に大きく影響し、繊維が長く、分散性が高いものほど力学特性が向上する。二軸押出機を用いた繊維と樹脂の混練工程では、スクリュ回転によって溶融樹脂と繊維が混練される過程で繊維が過度に破断する、あるいは繊維破断の抑制を優先するあまりに分散性が低下することが課題となっている。
【００１０】
特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、強化繊維のロービングを二軸押出機に直接引き込み、ロービングを切断し熱可塑性樹脂と混練する構造を有している。円筒部はロービングを弛緩させ、切断を容易にする目的で用いられる。しかしながら、円筒部の上流には流れの分岐及び合流を促進させるものがないため、円筒部による不連続繊維（チョップド繊維）の混練性能は小さい。更に、流れを乱す目的で、円筒部の領域にバレルから突起物を設けることが提案されているが、そのためにはバレル内壁を加工し、部材を挿入する必要がある。したがって、製造コスト、メンテナンス性の課題や、予期せぬ故障の懸念がある。
【００１１】
次に、特許文献３に記載の技術は、切欠きスクリュを使用することによって、動力の低減や繊維の分散性の向上をねらったものである。しかしながら、繊維長と分散性を両立するための具体的な方策（スクリュの組み合わせ）は示されておらず、繊維長と分散性の両立はできない。
【００１２】
特許文献４に記載の技術は、切欠きスクリュの利用によって繊維束の解繊性の向上をねらったものであるが、繊維長と分散性を両立するための具体的な方策は示されておらず、特許文献３と同様に、繊維長と分散性の両立はできない。
【００１３】
特許文献５に記載の技術は、ニーディングディスクや切欠きディスクを混練ゾーンで使用することで繊維の分散性の向上をねらったものであるが、特許文献３及び特許文献４と同様に、繊維長と分散性の両立はできない。
【００１４】
特許文献６に記載の技術では、スクリュ形状が櫛歯等のインボリュート形状とされているが、スクリュ間で強いせん断応力が発生し、繊維の分散性が向上しても、繊維が過度に破断する可能性がある。
【００１５】
特許文献７に記載の技術では、混練部のスクリュ構成として、順送り要素、逆送り要素を一つ以上と、混練要素を二つ以上配置するものとされているが、繊維長と分散性を両立するための具体的なスクリュの組合せは示されていない。
【００１６】
本発明は、繊維強化樹脂の製造に際し、繊維長と分散性を両立し、軽量性と力学特性に優れた成形品を製造可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の態様に係る繊維強化樹脂の製造方法は、二本のスクリュが同方向に回転する二軸混練押出機を用い、溶融した熱可塑性樹脂に不連続繊維を混ぜて繊維入り樹脂を得る繊維強化樹脂の製造方法であって、前記繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させる分岐流発生工程と、前記分岐流発生工程の下流の低混練工程と、前記低混練工程の下流で、前記繊維入り樹脂を前記低混練工程よりも強く混ぜる高混練工程と、を有し、前記低混練工程では、前記分岐流発生工程で生じた流動構造、あるいは前記高混練工程によって形成される流動構造を利用して、低せん断力で前記繊維入り樹脂を前記分岐流発生工程よりも緩やかに混ぜる。
【００１８】
この繊維強化樹脂の製造方法では、二本のスクリュが同方向に回転する二軸混練押出機を用い、溶融した熱可塑性樹脂に不連続繊維を混ぜて繊維入り樹脂を得る。そのための工程として、分岐流発生工程と、低混練工程と、高混練工程とがある。分岐流発生工程、低混練工程及び高混練工程を組み合わせることによって、低混練工程では、その上流の分岐流発生工程のスクリュによって発生した分岐及び合流を伴う流動構造、あるいは、低混練工程の下流の高混練工程でのスクリュとの流れの干渉により発生する流動構造等、それ単独では生じない混練に適した流動構造が得られる。加えて、低混練工程では、流動場のせん断力が低い状態が維持され、その下流の高混練工程における混練が促進される。その結果、混練工程の全体の長さを短縮することが可能となり、繊維長と分散性を向上させることができる。
【００１９】
第２の態様は、第１の態様に係る繊維強化樹脂の製造方法において、前記分岐流発生工程では、複数の略楕円状断面形状の板状部からなり前記スクリュの周方向に長径の角度位置をずらしたニーディングディスクにより、前記繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させ、前記低混練工程では、前記ニーディングディスクの前記長径よりも小さい直径を有する円筒部により前記繊維入り樹脂を混ぜ、前記高混練工程では、前記ニーディングディスク、又はフライト部に切欠きが複数設けられた切欠きスクリュにより前記繊維入り樹脂を混ぜ、前記分岐流発生工程、前記低混練工程及び前記高混練工程を、前記スクリュの軸方向に沿って順に行う。
【００２０】
この繊維強化樹脂の製造方法では、分岐流発生工程において、ニーディングディスクにより繊維入り樹脂の流れを分岐させたり合流させたりする。ニーディングディスクは複数の略楕円状断面形状の板状部からなり、該板状部がスクリュの周方向に長径の角度位置をずらして配置されている。このニーディングディスクにより、繊維入り樹脂に流動構造を生じさせる。分岐流発生工程において、ニーディングディスクのような扁平なスクリュ構造を用いることにより、当該部位を不連続繊維が通過する時間と不連続繊維が受けるせん断力を低減し、分岐流発生工程での繊維破断を抑制することができる。
【００２１】
低混練工程では、円筒部により繊維入り樹脂を混ぜる。この低混練工程では、円筒部の直径が板状部の長径よりも小さく、スクリュのケーシングと円筒部との空間が広いことにより、流動場のせん断力が小さい状態が維持される。
【００２２】
高混練工程では、ニーディングディスク、又はフライト部に切欠きが複数設けられた切欠きスクリュにより繊維入り樹脂を混ぜる。このとき、繊維入り樹脂を低混練工程よりも強く混ぜるので、熱可塑性樹脂と不連続繊維が効率的に混練される。
【００２３】
第３の態様に係る繊維強化樹脂の製造装置は、二本のスクリュが同方向に回転する二軸混練押出機と、前記二軸混練押出機に設けられ、溶融した熱可塑性樹脂に不連続繊維を混ぜると、を有し、前記混練部は、前記不連続繊維が前記熱可塑性樹脂に混ぜられた繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させる分岐流発生部と、前記分岐流発生部の下流に隣接して設けられ、前記分岐流発生部で生じた流動構造を利用して前記繊維入り樹脂を前記分岐流発生部よりも緩やかに混ぜる低混練部と、前記低混練部の下流に隣接して設けられ、前記繊維入り樹脂を前記低混練部より強く混ぜる高混練部と、を有する。
【００２４】
この繊維強化樹脂の製造装置では、二本のスクリュが同方向に回転する二軸混練押出機を用い、溶融した熱可塑性樹脂に不連続繊維を混ぜて繊維入り樹脂を得る。そのために、繊維強化樹脂の製造装置は、分岐流発生部と、低混練部と、高混練部とを有している。分岐流発生部、低混練部及び高混練部を組み合わせることによって、低混練部では、その上流の分岐流発生部のスクリュによって発生した分岐及び合流を伴う流動構造、あるいは、低混練部の下流の高混練部でのスクリュとの流れの干渉により発生する流動構造等、それ単独では生じない混練に適した流動構造が得られる。加えて、低混練部では、流動場のせん断力が低い状態が維持され、その下流の高混練部における混練が促進される。その結果、混練部の全体の長さを短縮することが可能となり、繊維長と分散性を向上させることができる。
【００２５】
第４の態様は、第３の態様に係る繊維強化樹脂の製造装置において、前記分岐流発生部は、複数の略楕円状断面形状の板状部からなるニーディングディスクを複数用い、各々の前記板状部の長径の角度位置を前記スクリュの周方向にずらして構成され、前記低混練部は、前記長径よりも小さい直径を有する円筒部を用いて構成され、前記高混練部は、前記ニーディングディスク、又はフライト部に切欠きが複数設けられた切欠きスクリュを用いて構成され、前記分岐流発生部、前記低混練部及び前記高混練部が、前記スクリュの軸方向に沿って上流側から下流に向かって順に配置されている。
【００２６】
この繊維強化樹脂の製造装置では、分岐流発生部において、ニーディングディスクにより繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させる。ニーディングディスクは複数の略楕円状断面形状の板状部からなり、該板状部がスクリュの周方向に長径の角度位置をずらして配置されている。このニーディングディスクにより、繊維入り樹脂に流動構造を生じさせることができる。分岐流発生部において、ニーディングディスクのような扁平なスクリュ構造を用いることにより、当該部位を不連続繊維が通過する時間と不連続繊維が受けるせん断力を低減し、分岐流発生部での繊維破断を抑制することができる。
【００２７】
低混練部では、円筒部により繊維入り樹脂が混ぜられる。この低混練部では、円筒部の直径が板状部の長径よりも小さく、スクリュのケーシングと円筒部との空間が広いことにより、流動場のせん断力が小さい状態が維持される。
【００２８】
高混練部では、ニーディングディスク、又はフライト部に切欠きが複数設けられた切欠きスクリュにより繊維入り樹脂が混ぜられる。このとき、繊維入り樹脂は、低混練部よりも強く混ぜられるので、熱可塑性樹脂と不連続繊維が効率的に混練される。
【００２９】
第５の態様は、第４の態様に係る繊維強化樹脂の製造装置において、前記分岐流発生部及び前記高混練部では、前記ニーディングディスクの各々５枚の前記板状部が前記スクリュの軸方向に並べられると共に、各々の前記長径の角度位置が、前記スクリュのねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされており、前記分岐流発生部の軸長は、前記長径の０．５倍であり、前記円筒部の直径は、前記長径の０．６倍であり、前記低混練部の軸長は、前記長径の０．２５倍である。
【００３０】
この繊維強化樹脂の製造装置では、分岐流発生部及び高混練部において、各々５枚の板状部がスクリュの軸方向に並べられている。各々の板状部の長径の角度位置は、スクリュのねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされている。また、分岐流発生部の軸長は長径の０．５倍である。これにより、分岐流発生部において、繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させ、繊維入り樹脂に流動構造を生じさせることができる。
【００３１】
また、低混練部の円筒部の直径は、長径の０．６倍であり、低混練部の軸長は長径の０．２５倍である。これにより、分岐流発生部で生じた流動構造が低混練部で維持され易く、繊維の低せん断状態を保ち易い。
【００３２】
更に、高混練部において、５枚の板状部からなるニーディングディスクにより、繊維入り樹脂を低混練部よりも強く混ぜるので、熱可塑性樹脂と不連続繊維が効率的に混練される。
【００３３】
第６の態様は、第４の態様に係る繊維強化樹脂の製造装置において、前記分岐流発生部では、前記ニーディングディスクの５枚の前記板状部が前記スクリュの軸方向に並べられると共に、各々の前記長径の角度位置が、前記スクリュのねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされており、前記分岐流発生部の軸長は、前記長径の０．５倍であり、前記円筒部の直径は前記長径の０．６倍であり、前記低混練部の軸長は前記長径の０．２５倍であり、前記高混練部は、螺旋の巻き方向が前記スクリュのねじ山の巻き方向と逆とされた一条の前記フライト部を有する切欠きスクリュを有して構成され、前記切欠きスクリュの前記切欠きは、前記フライト部にリードあたり１１箇所設けられ、前記切欠きスクリュの直径は、前記長径と等しく、前記高混練部の軸長は、前記長径と等しい。
【００３４】
この繊維強化樹脂の製造装置では、分岐流発生部において、５枚の板状部がスクリュの軸方向に並べられている。各々の板状部の長径の角度位置は、スクリュのねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされている。また、分岐流発生部の軸長は、長径の０．５倍である。これにより、分岐流発生部において、繊維入り樹脂の流れを分岐及び合流させ、繊維入り樹脂に流動構造を生じさせることができる。
【００３５】
また、低混練部の円筒部の直径は長径の０．６倍であり、低混練部の軸長は長径の０．２５倍である。このように、円筒部の直径が板状部の長径よりも小さく、スクリュのケーシングと円筒部との空間が広いことにより、流動場のせん断力が小さい状態が維持される。
【００３６】
更に、高混練部において、切欠きスクリュにより、繊維入り樹脂を低混練部よりも強く混ぜるので、熱可塑性樹脂と不連続繊維が効率的に混練される。切欠きスクリュは、螺旋の巻き方向がスクリュのねじ山の巻き方向と逆とされた一条のフライト部を有している。切欠きスクリュの切欠きは、フライト部にリードあたり１１箇所設けられ、切欠きスクリュの直径は、長径と等しく、高混練部の軸長は、長径と等しい。この切欠きスクリュにより、繊維入り樹脂を低混練部よりも強く混ぜることで、熱可塑性樹脂と不連続繊維が効率的に混練される。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、繊維強化樹脂の製造に際し、繊維長と分散性を両立し、軽量性と力学特性に優れた成形品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態に係る繊維強化樹脂の製造装置の概略を示す断面図である。
【図２】スクリュにおいて、分岐流発生部がニーディングディスクで構成され、低混練部が円筒部で構成され、高混練部が切欠きスクリュで構成された例を示す部分拡大斜視図である。
【図３】スクリュにおいて、分岐流発生部及び高混練部がニーディングディスクで構成され、低混練部が円筒部で構成された例を示す部分拡大斜視図である。
【図４】図２の平面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の各断面位置での流動指標の分布を示す断面図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は、図４の各断面位置でのせん断速度の分布を示す断面図である。
【図７】試験例における重量平均繊維長を示す線図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は、試験例において得られた繊維入り樹脂のストランドの断面を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
【００４０】
［繊維強化樹脂の製造装置］
図１において、本実施形態に係る繊維強化樹脂の製造装置１０は、二軸混練押出機１２と、混練部の一例としての第２混練部２４とを有している。
【００４１】
二軸混練押出機１２は、二本のスクリュ１６が同方向に回転する構造を有している。また、二軸混練押出機１２には、第１混練部１４と、第２混練部２４とが設けられている。二本のスクリュ１６は、シリンダ１８内に並列に配置されている。また、図２から図４に示されるように、スクリュ１６は、例えば右ねじの構成を有している。これにより、スクリュ１６を左回転させることにより、後述する熱可塑性樹脂２０や不連続繊維２２をシリンダ１８内の上流側から下流側（矢印Ａ方向）へ搬送することが可能となっている。
【００４２】
シリンダ１８には、樹脂投入口２６、繊維投入口２８、脱気口３０が上流側から順に設けられている。樹脂投入口２６は、熱可塑性樹脂２０のペレットが投入される部位である。繊維投入口２８は、不連続繊維２２（チョップド繊維）が投入される部位である。脱気口３０は、シリンダ１８内を真空脱気するために設けられている。
【００４３】
第１混練部１４は、樹脂投入口２６と繊維投入口２８の間の区間に設けられている。第２混練部２４は、繊維投入口２８と脱気口３０との間の区間に設けられている。
【００４４】
第１混練部１４では、樹脂投入口２６から投入された熱可塑性樹脂２０の溶融及び混練が行われる。この第１混練部１４については、公知の構造を適用できるので、詳細な説明を省略する。
【００４５】
第２混練部２４は、分岐流発生部３１と、低混練部３２と、高混練部３３と、を有している。分岐流発生部３１、低混練部３２及び高混練部３３は、スクリュ１６の軸方向に沿って上流側から下流に向かって、矢印Ａ方向に順に配置されている。なお、第２混練部２４は、スクリュ１６に一体成形されていてもよいし、接合や締結等の手段を用いて、部品から組み立てられてスクリュ１６と一体化されるものであってもよい。
【００４６】
分岐流発生部３１は、不連続繊維２２（図１）が熱可塑性樹脂２０（図１）に混ぜられた繊維入り樹脂３６の流れを分岐及び合流させる部位である（図５（Ｂ），図６（Ｂ））。分岐流発生部３１は、複数の略楕円状断面形状の板状部３４Ａからなるニーディングディスク３４を用い、板状部３４Ａの長径の角度位置をスクリュ１６の周方向にずらして構成されている。
【００４７】
具体的には、図２、図４に示される例では、分岐流発生部３１において、５枚の板状部３４Ａがスクリュ１６の軸方向に並べられてニーディングディスク３４を構成している。また、各々の板状部３４Ａの長径の角度位置が、スクリュ１６のねじ山の巻き方向に沿って、例えば４５°ずつずらされている。換言すれば、スクリュ１６が右ねじの場合、各々の板状部３４Ａの長径の角度位置は、矢印Ａ方向に向かって右回りに４５°ずつずらされている。
【００４８】
分岐流発生部３１の軸長は、板状部３４Ａの長径の例えば０．５倍である。この軸長は、具体的にはスクリュ１６の軸方向における分岐流発生部３１の全体の長さである。
【００４９】
低混練部３２は、分岐流発生部３１の下流に隣接して設けられ、分岐流発生部３１で生じた流動構造を利用して繊維入り樹脂３６を分岐流発生部３１よりも緩やかに混ぜる部位である（図５（Ｃ），図６（Ｃ））。この低混練部３２は、例えばニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径よりも小さい直径を有する円筒部３８を用いて構成されている。円筒部３８の直径は、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径の例えば０．６倍である。低混練部３２の軸長は、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径の例えば０．２５倍である。この軸長は、具体的にはスクリュ１６の軸方向における低混練部３２の全体の長さである。
【００５０】
高混練部３３は、低混練部３２の下流に隣接して設けられ、繊維入り樹脂３６を低混練部３２より強く混ぜる部位である（図５（Ｄ），図６（Ｄ））。この高混練部３３は、例えば、フライト部４０に切欠き４０Ａが複数設けられた切欠きスクリュ４２を用いて構成されている。
【００５１】
この切欠きスクリュ４２は、一条のフライト部４０を有している。フライト部４０の螺旋の巻き方向は、スクリュ１６のねじ山の巻き方向と逆とされている。つまり、スクリュ１６が右ねじの場合、フライト部４０は左ねじに構成されている。換言すれば、スクリュ１６の螺旋を順方向とすると、フライト部４０の螺旋は逆方向である。
【００５２】
切欠きスクリュ４２の切欠き４０Ａは、フライト部４０にリードあたり例えば１１箇所設けられている。切欠き４０Ａは、例えば円弧状であるが、他の形状であってもよい。切欠きスクリュ４２の直径は、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径と等しい。この直径とは、切欠き４０Ａを除くフライト部４０の外径である。高混練部３３の軸長は、例えば、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径と等しい。この軸長は、具体的にはスクリュ１６の軸方向における高混練部３３の全体の長さである。
【００５３】
なお、高混練部３３は、切欠きスクリュ４２を用いるものに限られない。図３に示される例では、高混練部３３において、切欠きスクリュ４２の代わりに、５枚の板状部４４Ａがスクリュ１６の軸方向に並べられてニーディングディスク４４を構成している。各々の板状部４４Ａの長径の角度位置は、分岐流発生部３１におけるニーディングディスク３４の板状部３４Ａと同様に、スクリュ１６のねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされている。
【００５４】
（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１において、本実施形態に係る繊維強化樹脂の製造装置１０では、二本のスクリュ１６が同方向に回転する二軸混練押出機１２を用い、溶融した熱可塑性樹脂２０に不連続繊維２２を混ぜて繊維入り樹脂３６を得る。ここで、一例として、不連続繊維２２は炭素繊維、熱可塑性樹脂２０はポリアミド６、スクリュ１６の回転速度は６０〜２００ｒｐｍ、二軸混練押出機１２による繊維入り樹脂３６の吐出量は５〜１０ｋｇ／ｈ、繊維入り樹脂３６の繊維含有率は２０ｗｔ％である。
【００５５】
繊維強化樹脂の製造装置１０は、二軸混練押出機１２に、分岐流発生部３１と、低混練部３２と、高混練部３３とを有している。分岐流発生部３１、低混練部３２及び高混練部３３を組み合わせることによって、低混練部３２では、その上流の分岐流発生部３１のスクリュによって発生した分岐及び合流を伴う流動構造、あるいは、低混練部３２の下流の高混練部３３でのスクリュとの流れの干渉により発生する流動構造等、それ単独では生じない混練に適した流動構造が得られる。加えて、低混練部３２では、流動場のせん断力が低い状態が維持され、その下流の高混練部３３における混練が促進される。その結果、第２混練部２４の全体の長さを短縮することが可能となり、繊維長と分散性を向上させることができる。
【００５６】
具体的には、分岐流発生部３１においては、ニーディングディスク３４により繊維入り樹脂３６の流れを分岐させたり合流させたりする。ニーディングディスク３４は略楕円状断面形状の複数の板状部３４Ａからなり、該板状部３４Ａがスクリュ１６の周方向に長径の角度位置をずらして配置されている。また、板状部３４Ａの長径の角度位置は、スクリュ１６のねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされている。また、分岐流発生部３１の軸長は長径の０．５倍である。分岐流発生部３１において、ニーディングディスク３４のような扁平なスクリュ構造を用いることにより、当該部位を不連続繊維２２が通過する時間と不連続繊維２２が受けるせん断力を低減し、分岐流発生部３１での繊維破断を抑制することができる。
【００５７】
この流動構造が下流まで維持されることにより、低混練部３２では繊維の低せん断状態を保ちつつ熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２が一旦緩やかに混ざる。この低混練部３２では、円筒部３８により繊維入り樹脂３６が混ぜられる。この低混練部３２では、円筒部３８の直径がニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径よりも小さい。また、低混練部３２の円筒部の直径は、長径の０．６倍であり、低混練部３２の軸長は長径の０．２５倍である。スクリュ１６のシリンダ１８（ケーシング）と円筒部３８との空間が広いことにより、流動場のせん断力が小さい状態が維持され、繊維の低せん断状態を保ち易い。
【００５８】
低混練部３２の下流の高混練部３３では、繊維入り樹脂３６を低混練部３２よりも強く混ぜるので、熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２が効率的に混練される。この高混練部３３では、フライト部４０に切欠き４０Ａが複数設けられた切欠きスクリュ４２により繊維入り樹脂３６が混ぜられる。切欠きスクリュ４２は、螺旋の巻き方向がスクリュ１６のねじ山の巻き方向と逆とされた一条のフライト部４０を有している。切欠きスクリュ４２の切欠きは、フライト部４０にリードあたり１１箇所設けられ、切欠きスクリュ４２の直径は、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径と等しく、高混練部３３の軸長は、該長径と等しい。繊維入り樹脂３６は、低混練部３２で緩やかに混ぜられた後に、この切欠きスクリュ４２により低混練部３２よりも強く混ぜられるので、熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２が効率的に混練される。
【００５９】
なお、図３に示される例では、高混練部３３において、ニーディングディスク３４における５枚の板状部３４Ａにより、繊維入り樹脂３６を低混練部３２よりも強く混ぜるので、熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２が効率的に混練される。
【００６０】
繊維長と分散性は、スクリュ１６の回転数、押出量、温度などの混練条件に依存するほか、スクリュ１６の構成にも大きく依存する。繊維入り樹脂３６の流動場は、分岐流発生部３１、低混練部３２及び高混練部３３で、それぞれ適切な混練手段を選択し、これらを組み合わせることで発現する効果である。本実施形態では、過度な不連続繊維２２の破断を抑制しつつ、不連続繊維２２を熱可塑性樹脂２０に高分散させることのできる二軸混練押出機１２のスクリュ１６の構成を実現することによって、繊維強化樹脂の製造に際し、繊維長と分散性を両立し、軽量性と力学特性に優れた成形品を提供することが可能となる。
【００６１】
［繊維強化樹脂の製造方法］
繊維強化樹脂の製造方法は、二本のスクリュ１６が同方向に回転する二軸混練押出機１２を用い、溶融した熱可塑性樹脂２０に不連続繊維２２を混ぜて繊維入り樹脂３６を得る繊維強化樹脂の製造方法であって、繊維入り樹脂３６の流れを分岐及び合流させる分岐流発生工程Ｓ１と、分岐流発生工程Ｓ１の下流の低混練工程Ｓ２と、低混練工程Ｓ２の下流で、繊維入り樹脂３６を低混練工程Ｓ２よりも強く混ぜる高混練工程Ｓ３と、を有し、低混練工程Ｓ２では、分岐流発生工程Ｓ１で生じた流動構造、あるいは高混練工程Ｓ３によって形成される流動構造を利用して、低せん断力で繊維入り樹脂３６を分岐流発生工程Ｓ１よりも緩やかに混ぜる。
【００６２】
分岐流発生工程Ｓ１では、複数の略楕円状断面形状の板状部３４Ａからなりスクリュ１６の周方向に該板状部３４Ａの長径の角度位置をずらしたニーディングディスク３４により、繊維入り樹脂３６の流れを分岐及び合流させる。低混練工程Ｓ２では、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径よりも小さい直径を有する円筒部３８により繊維入り樹脂３６を混ぜる。高混練工程Ｓ３では、ニーディングディスク３４、又はフライト部４０に切欠き４０Ａが複数設けられた切欠きスクリュ４２により繊維入り樹脂３６を混ぜる。
【００６３】
分岐流発生工程Ｓ１、低混練工程Ｓ２及び高混練工程Ｓ３を、スクリュ１６の軸方向に沿って順に行う。
【００６４】
（樹脂流動場の試験例）
上記スクリュ１６の構成における樹脂流動場を、数値シミュレーションにて確認した。
【００６５】
スクリュ１６の外径は約３０ｍｍとし、スクリュ１６の回転速度は６０ｒｐｍとした。繊維入り樹脂３６の押出量は、約５ｋｇ／ｈとする。粘度は、不連続繊維２２としての炭素繊維が２０ｗｔ％含有されたポリアミド６６相当とし、樹脂温度は２８０℃の一様とした。計算領域は、第２混練部２４を中心として、上流側と下流側に搬送用のフルフライトのスクリュ１６が２セグメントずつ配置された領域とし、軸方向には周期条件を課して計算した。第２混練部２４の構成は、図２に示されるものとした。
【００６６】
流体の基礎方程式は、非圧縮性流体の連続の式とＮａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ方程式であり、粘度のせん断速度依存性にはＣｒｏｓｓモデルを用いた。空間方向の離散化には、コロケーション格子法、時間方向の離散化にはＣｒａｎｋ−Ｎｉｃｏｌｓｏｎ法を用い、速度場と圧力場のカップリングにはＳＭＡＣ法を用いた。
【００６７】
図４に示される各断面位置における流動場の可視化結果として、流動指標の分布を図５に、せん断速度の分布を図６に示す。ここで、流動指標には、変形速度テンソルＤの第二、第三不変量から求まる式（１）の指標を用いた。
【００６８】
β＝３√６ｄｅｔ  Ｄ／（Ｄ：Ｄ）３／２              ・・・（１）
【００６９】
本指標は、流動形態を示す指標として知られており、β＝１のとき一軸伸長流、β＝−１のとき二軸伸長流（一軸圧縮流）、β＝０のとき平面流、が支配的であることを表す。｜β｜＝１に近い値の領域ほど、３次元的な流れの分岐と合流が生じており、樹脂の位置交換作用が高い、すなわち分散性が高いことを示す。
【００７０】
図５では、色が濃いほど、混練の度合いが大きいことを示している。また、図６では、色が濃いほど、せん断速度が大きいことを示している。図５（Ｂ）の分岐流発生部３１（ニーディングディスク３４）では、粗大な流動構造（伸長流）が確認され、流れの分岐と合流が生じていることがわかる。また、図５（Ｄ）の高混練部３３（切欠きスクリュ４２）では流動構造が微細化し、滞留中の熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２が高い頻度で分岐・合流することで混練性能が高いことがわかる。一方、図５（Ｃ）の低混練部３２（円筒部３８）では、βの値が高い領域が現れており、図５（Ｂ）の分岐流発生部３１で生じた流動構造が、低混練部３２でも維持されていることがわかる。また、高混練部３３の直前の低混練部３２では、高混練部３３の切欠きスクリュ４２の存在に起因した流動構造も確認される（図示せず）。一方、図６（Ｃ）より、この領域は他に比べてせん断速度が低いことから、繊維に過度な負担を掛けずに、緩やかに混練が行われることがわかる。
【００７１】
以上より、本実施形態は、熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２を効率的に混練できる流動構造と特性を有していることが確認された。
【００７２】
（混練試験）
次に、混練試験にて本実施形態の効果を確認した。
【００７３】
二軸混練押出機には、株式会社日本製鋼所製のＴＥＸ３０を用いた。スクリュ１６の全長は、スクリュ１６の直径の４５．５倍である。熱可塑性樹脂２０と不連続繊維２２は、それぞれ図１の樹脂投入口２６と繊維投入口２８に設置した重量式ホッパーから投入される。第２混練部２４の下流の脱気口３０から真空脱気を行う。混練された繊維入り樹脂３６は、最下流に設置したダイから二本のストランド（図示せず）として吐出される。ストランドは、冷却バスで冷却された後、ストランドカッターによって２ｍｍ長にカットされる。バレル温度は２６０℃とした。熱可塑性樹脂２０としてポリアミド６を用い、不連続繊維２２として炭素繊維（チョップド繊維、カット長６ｍｍ）を用いた。繊維入り樹脂３６における不連続繊維２２の配合率は、２０ｗｔ％とした。押出量は５ｋｇ／ｈ、スクリュ１６の回転速度は６０〜２００ｒｐｍとした。
【００７４】
また、第２混練部２４の構成として、図２の構成を実施例１とし、図３の構成を実施例２とした。また、これらの実施例に対する比較例１、比較例２を設定し、同様に試験を行い、繊維長と分散性を評価した。
【００７５】
・比較例１
切欠きスクリュ４２（Ｌ／Ｄ＝１．０）を３個
・比較例２
スクリュ１６のフライト部のみ（第２混練部なし）
ここで、Ｄ、Ｌは、各々の部位におけるスクリュエレメントの外径と軸長を示す。
【００７６】
図７に、吐出後のストランドについて、重量平均繊維長を比較した結果を示す。繊維長は、ストランドをエアー雰囲気中５００℃で加熱（灼残）して抽出した炭素繊維をゼラチン水溶液に分散させ、画像計測した。図７より、いずれの構成も低回転数の条件ほど繊維長が増加するが、比較例２（フライトのみ）ならびに実施例１、実施例２では繊維長が増加していることがわかる。
【００７７】
図８に、スクリュ１６の回転速度６０ｒｐｍ、押出量５ｋｇ／ｈの混練条件について、各構成で得られたストランドの断面を光学顕微鏡で観察した結果を示す。搬送用のフライトのみで構成された比較例２では、繊維が偏在している様子が確認され、分散性が不十分であることがわかる。また脱気不足によるボイドも確認される。これに対し、提案構成のうち、特に実施例２は比較例１に近い良好な分散状態が得られている。以上の繊維長と分散性の評価結果より、実施例１、実施例２の構成が、繊維長と分散性を両立できるスクリュ構成であると結論付けられる。
【００７８】
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【００７９】
例えば、不連続繊維２２は炭素繊維、熱可塑性樹脂２０はポリアミド６、スクリュ１６の回転速度は６０〜２００ｒｐｍ、二軸混練押出機１２による繊維入り樹脂３６の吐出量は５〜１０ｋｇ／ｈ、繊維入り樹脂３６の繊維含有率は２０ｗｔ％であるものとしたが、各条件はこれに限られず、他の条件を用いてもよい。
【００８０】
また、ニーディングディスク３４，４４の個数は１個に限られない。ニーディングディスク３４，４４における板状部３４Ａ，４４Ａの枚数は５枚に限定されない。ニーディングディスク３４，４４における板状部３４Ａの長径の角度位置がねじ山の巻き方向に沿って４５°ずつずらされているものとしたが、角度はこれに限られない。更に、分岐流発生部３１の軸長が、ニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径の０．５倍とであり、円筒部３８の直径が該長径の０．６倍であり、低混練部３の軸長が該長径の０．２５倍であるものとしたが、各々の寸法はこれらに限定されない。
【００８１】
切欠きスクリュ４２の個数は１個に限られない。切欠きスクリュ４２の切欠き４０Ａが、フライト部４０にリードあたり１１箇所設けられ、切欠きスクリュ４２の直径がニーディングディスク３４における板状部３４Ａの長径と等しく、高混練部３３の軸長が該長径と等しいものとしたが、各々寸法はこれらに限定されない。
【符号の説明】
【００８２】
１０    繊維強化樹脂の製造装置
１２    二軸混練押出機
１４    第１混練部
１６    スクリュ
２０    熱可塑性樹脂
２２    不連続繊維
２４    第２混練部（混練部）
３１    分岐流発生部
３２    低混練部
３３    高混練部
３４    ニーディングディスク
３４Ａ  板状部
３６    繊維入り樹脂
３８    円筒部
４０    フライト部
４０Ａ  切欠き
４２    切欠きスクリュ
４４    ニーディングディスク
４４Ａ  板状部
Ｓ１    分岐流発生工程
Ｓ２    低混練工程
Ｓ３    高混練工程
【図１】
2020116812.tif 000003
【図２】
2020116812.tif 000004
【図３】
2020116812.tif 000005
【図４】
2020116812.tif 000006
【図５】
2020116812.tif 000007
【図６】
2020116812.tif 000008
【図７】
2020116812.tif 000009
【図８】
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