(57)【要約】【課題】製造が容易でありながら、面方向での物性のバラツキが少なくかつ低コストで製造することのできるＦＲＰシートの製造方法を提供する。【解決手段】ＦＲＰシートの製造方法は、熱可塑性樹脂と強化繊維により構成される繊維強化熱可塑性樹脂組成物をスクリュー型押出機を用いてストランドとして押し出す工程と、押し出されたストランドを所要長にカットする工程と、カットしたストランドを成形型内に配置する行程と、成形型内に配置されたストランドを加熱加圧して所定形状に成形する工程、とを少なくとも備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰシートの製造方法であって、
熱可塑性樹脂と強化繊維により構成される繊維強化熱可塑性樹脂組成物をスクリュー型押出機を用いてストランドとして押し出す工程と、
押し出されたストランドを所要長にカットする工程と、
カットしたストランドを成形型内に配置する行程と、および、
成形型内に配置されたストランドを加熱加圧して所定形状に成形する工程、とを少なくとも備えることを特徴とするＦＲＰシートの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＦＲＰシートの製造方法であって、前記ストランドとして押し出す工程を、スクリュー型押出機のスクリュー回転数３０〜２００ｒｐｍ、スクリューの混練長が１００〜４５０ｍｍ、かつ、使用する樹脂の融点以上の温度で、行うことを特徴とするＦＲＰシートの製造方法。
【請求項３】
型内に配置する行程において、カットしたストランドを型内に方向性を持たないランダム配置とすることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰシートの製造方法。
【請求項４】
型内に配置する行程において、カットしたストランドを型内に方向性を持たせて配置することを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰシートの製造方法。
【請求項５】
熱可塑性樹脂がポリアミド６であり、強化繊維である炭素繊維の体積含有率が２０〜３０Ｖｏｌ％である繊維強化熱可塑性樹脂組成物を用いることを特徴とする請求項ないし４のいずれか一項に記載のＦＲＰシートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰシートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性樹脂と強化繊維とにより構成された繊維強化熱可塑性樹脂組成物を加熱溶融して一体化した材料（プリプレグ）を用いて所定形状のＦＲＰシートを製造することは知られている。プリプレグを調整する方法も多く提案されており、例えば、特許文献１では一方向に配列した炭素繊維ストランドのシート状物の両面に、ＰＡ６フィルムを配置し、シート状物をフィルムで挟んだサンドイッチ状の積層体を２３０〜２６０℃に加熱して、ＰＡ６フィルムをシート状物に溶融含浸させるようにしている。特許文献２では、ガラス繊維ストランドを溶融ポリプロピレン中に導入し、溶融含浸を行った後、ノズルから所要の速度で引き抜くことで得られた長繊維強化熱可塑性樹脂基材を短基材にカットし、得られた短基材を金型中に散布して加熱加圧することで長繊維強化熱可塑性樹脂シートを得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０２０９１０号公報
【特許文献２】特開２０００−１４１５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のように、強化繊維のシート状物を熱可塑性樹脂フィルムで挟んだサンドイッチ状の積層体を加熱し、熱可塑性樹脂を強化繊維の隙間に溶融含浸させる方法は、強化繊維の隙間に樹脂が流れ込むことでシート状に製造されるが、厚さが安定し、強化繊維間に樹脂が均一に分散したものを製造するためには、強化繊維を上下面で加圧して拘束する必要がある。そのために、高品質のシートを得ようとすると、樹脂が流れ込む空間が小さくなり、単位体積当たりの強化繊維の含有率が高いものとなる。そのために、製造コストが高騰するのを避けられない。また、一方向に配列した炭素繊維ストランドのシート状物を得る工程、その両面に熱可塑性樹脂フィルムで挟んでサンドイッチ状の積層体とする工程など、手間のかかる工程を必要とする。
【０００５】
特許文献２の方法で得られる長繊維強化熱可塑性樹脂基材中には、長さの長い強化繊維が樹脂中に方向性をもって埋入しており、それをカットした短基材においても、その中に強化繊維が方向性をもって埋入している。そのために、それら短基材を型内に入れて流動成形すると、流動性が十分でなく、強化繊維と樹脂との分離が起こりやすく、得られるＦＲＰシートに著しく物性の低い部分が生じやすい。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、製造が容易でありながら、面方向での物性のバラツキが少なくかつ低コストで製造することのできる、ＦＲＰシートの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明者らは多くの実験を繰り返し行うことにより、適宜長の強化繊維とマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂とを、従来知られた一軸あるいは多軸のスクリュー型押出機に投入し、該スクリュー型押出機からストランド状に押し出される樹脂と強化繊維の混合物であるストランドを基材として用いることにより、上記課題を解決したＦＲＰシートが得られることを知見して、本発明をなすに到った。
【０００８】
本発明によるＦＲＰシートの製造方法は、熱可塑性樹脂と強化繊維により構成される繊維強化熱可塑性樹脂組成物をスクリュー型押出機を用いてストランドとして押し出す工程と、押し出されたストランドを所要長にカットする工程と、カットしたストランドを成形型内に配置する行程と、および、成形型内に配置されたストランドを加熱加圧して所定形状に成形する工程、とを少なくとも備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂中に強化繊維が混入した基材を得るために、従来樹脂成形の技術分野で用いられているスクリュー型押出機を用いている。そのために、熱可塑性樹脂と強化繊維とを容易にかつ均一に混合することができると共に、熱可塑性樹脂と強化繊維の種類や物性値などに応じて、その投入量、押出機内での樹脂温度、スクリュー回転数、スクリューの混練長などを適宜設定することで、両者が所望に混合した基材をストランドとして得ることができる。それにより、製造コストの低減が可能となる。また、押し出されたストランド内には、所望に裁断され解繊がなされた強化繊維が不連続状に存在しており、樹脂と強化繊維とが分離し難くなっている。そのために、強化繊維の低い含有率で、所望の強度を備えたＦＲＰシートを得ることも可能となる。一例として、強化繊維の体積含有率が１０〜５０Ｖｏｌ％であっても、自動車用部品として必要な強度を備えたＦＲＰシートを得ることができる。
【００１０】
スクリュー型押出機から押し出されたストランドは、所要の長さにカットされる。カット後のストランドの長さは、得ようとするＦＲＰシートに求められる物性値に応じて、適宜設定する。好ましくは、２０〜４０ｍｍ程度である。また、押出機から押し出されたストランドの直径も、得ようとするＦＲＰシートに求められる物性値に応じて、適宜選定する。好ましくは、２〜１０ｍｍ程度である。好ましくは、ストランドのアスペトク比は２以上である。もちろん、押し出されてくるストランドを１００〜２００ｍｍの長さでカットしてもよく、後記するように、そのような長さの長いストランドを方向性をもって成形型内に配列するようにしてもよい。
【００１１】
得られたストランドは、従来法と同様に、所要の型内に配置され、型内に配置されたストランドを加熱加圧することで、所定形状のＦＲＰシートとされる。
【００１２】
本発明のＦＲＰシートの製造方法において、前記型内にストランドを配置する行程では、ストランドを型内に方向性を持たないランダムな配置としてもよく、ストランドを型内に方向性を持たせて配置するようにしてもよい。本発明においては、ストランドは棒状であり、上記のいずれの配置態様も容易に実施することができる。前者では、物性に方向性のないＦＲＰシートを得ることができ、後者では、所望の方向に高い物性を示すＦＲＰシートを得ることができる。長さの長いストランドを用いることにより、方向性を持たせて配置することは容易となる。いずれであっても、前記したように、ストランド内には、カットされ解繊された強化繊維が方向性のない状態で不連続に存在していることから、型内での加熱加圧成形時に高い流動性を示すことができ、ＦＲＰシートに局所的な強度低下が生じるのも確実に回避することができる。
【００１３】
本発明のＦＲＰシートの製造方法では、前記のように従来知られた樹脂成形用の押出機を用いて熱可塑性樹脂と強化繊維との混合基材を形成する。そのために、溶融混合時の押出機側の条件を適宜調整することで、使用する熱可塑性樹脂と強化繊維の種類や組み合わせに最適な溶融押出し条件を適宜選定することが容易となる。溶融押出しテストを行うことで、押出機側の所望の条件を容易に確定することができる。したがって、本発明においては、熱可塑性樹脂および強化繊維として、多くの種類の中から適宜選択して用いることが可能となる。
【００１４】
例として、熱可塑性樹脂としては、含浸性、コスト、物性の点からポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスチレン系樹脂が好適であり、特にポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂が好適である。ポリオレフィン系樹脂としては、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等が好ましい。ポリアミド系樹脂としては、例えばナイロン６．６、ナイロン６、ナイロン１２、ＭＸＤナイロン等が好ましい。ポリエステル系樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましい。これらの樹脂には、着色剤、変性剤、酸化防止剤等の添加剤を混合して用いてもよい。また、本発明に用いる強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セラミック繊維等を単独あるいは併用して使用することができる。中でも軽量化の観点から炭素繊維が好ましい。
【００１５】
ＦＲＰシートの製造方法の一つの具体的態様では、前記ストランドとして押し出す工程を、スクリュー型押出機のスクリュー回転数３０〜２００ｒｐｍ、スクリューの混練長が１００〜４５０ｍｍ、かつ、使用する樹脂の融点以上の温度で、行うことを特徴とする。この場合に、熱可塑性樹脂がポリアミド６であり、強化繊維である炭素繊維の体積含有率が２０〜３０Ｖｏｌ％である繊維強化熱可塑性樹脂組成物を用いることはより好ましい。
【００１６】
これにより、曲げ応力、曲げ弾性率、流動倍率に優れたＦＲＰシートが得られる。この場合、より好ましくは、ストランド径は２〜１０ｍｍ、ストランドのアスペクト比は２以上である。
【００１７】
ストランド押し出し時のスクリュー回転数が３０ｒｐｍ未満だと生産速度が遅くなり適切でなく、２００ｒｐｍを超えると繊維破断により物性低下が生じるので好ましくない。スクリューの混練長が１００ｍｍ未満だと繊維解繊や分散が不足するので好ましくなく、４５０ｍｍを超えると繊維破断により物性低下が生じるので好ましくない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、製造が容易でありながら、面方向での物性のバラツキが少なくかつ低コストで製造することのできる、ＦＲＰシートの製造方法が提供される。
【実施例】
【００１９】
以下、実施例と比較例によって、本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
［実施例１］
〈原料〉束状炭素繊維が芯、熱可塑性樹脂が鞘である繊維強化ペレットとして、トレカ長繊維ペレット、ＴＬＰ１０６０（東レ社製）を用いた。ペレットの炭素繊維量は３０ｗｔ％（２１Ｖｏｌ％）、ベース樹脂はＰＡ６、繊維長は６ｍｍ、直径３ｍｍである。
〈製作工程１〉２軸混練押出機のサイドフィード部分より繊維強化ペレットを投入した。２軸混練押出機内での樹脂温度が３００℃、スクリュー回転数が１００ｒｐｍとなるように、２軸混練押出機を制御した。なお、２軸混練押出機の有効スクリュー混練長は２００ｍｍである。２軸混練押出機から直径１．５ｍｍのストランドを採取し、長さ３０ｍｍでカットして、ストランドとした。
【００２１】
〈製作工程２〉カットしたストランドを金型に投入してランダムに積み重ね、ステンレス板で挟んで２８０℃に加熱した。金型温度１５０℃、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの金型に前記２８０℃に加熱した材料を投入後、加圧力４５０ｋＮで厚さ２ｍｍまで加熱加圧した後、１分間冷却して、実施例品１とした。
【００２２】
［実施例２〜４］
表１に示すように、ストランド径、スクリュー長、スクリュー回転数を変えて、実施例１と同様にして、実施例品２、３、４を作った。
【００２３】
［実施例５］
〈原料〉実施例１と同じものを用いた。
〈製作工程１〉２軸混練押出機のサイドフィード部分より繊維強化ペレットを投入した。２軸混練押出機内での樹脂温度が３００℃、スクリュー回転数が１００ｒｐｍとなるように、２軸混練押出機を制御した。なお、２軸混練押出機の有効スクリュー混練長は２００ｍｍである。２軸混練押出機から直径７．０ｍｍの連続したストランドを採取し、１５０ｍｍの長さにカットした。
【００２４】
〈製作工程２〉１５０ｍｍの長さにカットした長さの長いストランドを同じ方向に配列させた状態金型に投入して積み重ね、ステンレス板で挟んで２８０℃に加熱した。金型温度１５０℃、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの金型に前記２８０℃に加熱した材料を投入後、加圧力４５０ｋＮで厚さ２ｍｍまで加熱加圧した後、１分間冷却して実施例品５とした。
【００２５】
［実施例６，７］
表１に示すように、スクリュー長、スクリュー回転数を変えて、実施例５と同様にして、実施例品６、７を作った。
【００２６】
［比較例］
［比較例１］
実施例１で用いた原料をそのまま金型に投入してランダムに積み重ね、ステンレス板で挟んで２８０℃に加熱した。金型温度１５０℃、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの金型に前記２８０℃に加熱した材料を投入後、加圧力４５０ｋＮで厚さ２ｍｍまで加熱加圧した後、１分間冷却して、比較例品１とした。
【００２７】
［比較例２］
ストランド径を７ｍｍ、スクリュー長を１５００ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして比較例品２とした。
【００２８】
【表１】
2014141582.tif 000002
【００２９】
〈強度評価〉
実施例品１〜７，比較例品１，２について、作製した１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍの材料から、曲げ試験片（１００ｍｍ×２５ｍｍ×２ｍｍ）を切り出し、ＪＩＳ Ｋ ７０７４に従い、３点曲げ試験を行った。そのときの曲げ応力および曲げ弾性率を表１に示した。
【００３０】
〈流動性評価〉
実施例品１〜７，比較例品１，２について、作製した１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２ｍｍの材料から、試験片（１０６ｍｍ×１０６ｍｍ×２ｍｍ）を切り出した。試験片を２枚重ねた後、２８０℃に加熱、金型温度１５０℃、加重１６８ｋＮ（７．５ＭＰａ）で加圧した。（加圧後面積／初期面積)×１００を流動倍率（％）として評価した。その結果を表１に示した。
【００３１】
［評価］
比較例品１と比べて、実施例品１〜４は、強化繊維の体積含有率が２０Ｖｏｌ％と少ないにもかかわらず、曲げ応力および曲げ弾性率は大きくなっている。これは、熱可塑性樹脂と強化繊維とをスクリュー型押出機を用いて混練し押し出したことにより、強化繊維の分散と解繊が進んだ結果と推測される。
【００３２】
また、比較例品２と比べても、実施例品１〜４は、曲げ応力および曲げ弾性率は大きくなっている。これは、比較例品２ではスクリュー長が１５００ｍｍと長く、繊維破断が生じた結果と推測される。
【００３３】
また、実施例品１は、実施例品２〜４と比較して、曲げ応力および曲げ弾性率の値、流動倍率が小さくなっているが、これは、ストランド径が１．５ｍｍと他と比較して小さく、そのために、押出機出口のダイで、より大きな剪断応力が発生し、炭素繊維が折れて短くなったためと推測される。
【００３４】
また、実施例品５〜７は、実施例品１〜４と比較して、曲げ応力および曲げ弾性率の値が大きくなっている。これは、ストランドがランダムでなく方向性をもって配列したものを加熱加圧した結果であると推測される。