(57)【要約】【課題】ロービングとしての強化繊維から繊維強化熱可塑性樹脂を得、成形品を得る方法において強化繊維が均一に分散して強度の高い成形品を得ることができる繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形方法を提供する。【解決手段】  熱可塑性樹脂を溶融し、強化繊維を添加し混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法を対象とする。強化繊維は、複数本の単繊維が撚り合わされてロービング（１９）になって提供されている。本発明は、ロービング（１９）に添加されている集束剤を所定の除去手段（２０）で除去した強化繊維を熱可塑性樹脂に添加するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂を溶融し、複数本の単繊維が撚り合わされてロービングになっている強化繊維を添加し混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法であって、
前記強化繊維は、前記ロービングに添加されている集束剤を所定の除去手段で除去したものを前記熱可塑性樹脂に添加することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の成形方法において、前記除去手段は前記ロービングを加熱して前記集束剤を蒸発させる加熱手段からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成形方法において、前記繊維強化熱可塑性樹脂の混練はシリンダとスクリュとからなる可塑化装置によって実施するようにし、前記可塑化装置において前記熱可塑性樹脂を溶融して前方に送るとき、前記可塑化装置において樹脂圧力を低下させる飢餓区間を設けるようにし、前記強化繊維は前記飢餓区間において添加することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの項に記載の成形方法において、前記強化繊維は予め所定の長さに切断して前記熱可塑性樹脂に添加することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法。
【請求項５】
熱可塑性樹脂と複数本の単繊維が撚り合わされてロービングになっている強化繊維とから繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置であって、
前記成形装置は、所定のシリンダと該シリンダ内に設けられているスクリュとからなる可塑化装置と、ロービングに添加されている集束剤を除去する除去手段と、前記繊維強化熱強化樹脂から成形品を成形する金型とからなり、
前記可塑化装置において、前記熱可塑性樹脂が投入されて溶融されて前方に送られて前記強化繊維が添加されるとき、前記強化繊維は前記除去手段によって前記ロービングから集束剤が除去された後に添加されるようになっていることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置。
【請求項６】
請求項５に記載の成形装置において、前記除去手段は前記ロービングを加熱して前記集束剤を蒸発させる加熱手段からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の成形装置において、前記可塑化装置には溶融した樹脂の圧力が低下する飢餓区間が設けられ、前記強化繊維は前記飢餓区間において添加されるようになっていることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかの項に記載の成形装置において、前記成形装置は所定の切断手段を備え、前記強化繊維は該切断手段によって所定の長さに切断して前記可塑化装置に供給されるようになっていることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂に炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維を所定の割合で混合・混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形方法、および成形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化熱可塑性樹脂によって成形される成形品は強化繊維を含まない樹脂成形品に比して強度が大きく、色々な分野に利用されている。繊維強化熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂の材料である樹脂ペレットと、強化繊維とから射出成形機、押出機等によって製造されるが、強化繊維はいわゆるロービングとして提供されている。つまり炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維はその単繊維が数十〜数百本で集束されてストランドにされ、このようなストランドが数十本撚り合わされて粗糸状にされる。すなわちロービングにされる。強化繊維は、このようなロービングが円柱状のロールに巻かれた状態で提供されている。例えば射出成形機により繊維強化熱可塑性樹脂を得る場合、加熱シリンダとスクリュとからなる射出装置に樹脂ペレットを供給する。樹脂ペレットは溶融してスクリュによって前方に送られる。加熱シリンダの所定の箇所に開口部を設け、該開口部から強化繊維を加熱シリンダ内に供給する。強化繊維は、ロービングを所定長さに切断して加熱シリンダに供給してもいいし、ロービングの状態のままで加熱シリンダに供給してもよい。強化繊維はスクリュの回転によるせん断力で切断されながら樹脂と混合され、繊維強化熱可塑性樹脂が得られる。型締めした金型に繊維強化熱可塑性樹脂を射出し、必要に応じて圧縮成形すると成形品が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−６４６０７号公報
【０００４】
特許文献１には、熱可塑性樹脂と強化繊維とから繊維強化熱可塑性樹脂を製造するとき、ロービングとして提供される強化繊維を開繊して供給する方法が記載されている。この文献によると「開繊」とは、強化繊維束を連続して幅広く薄い状態にする工程であり、具体的な開繊方法としては、強化繊維の束を丸棒でしごいたり、水流や降圧空気流をあてたり、超音波振動で加振してばらけさせたり、あるいは開繊ローラを備えた開繊装置によって実施するようにしている。つまり物理的な力を作用させてロービングの状態で互いに拘束されている強化繊維をばらけさせるようにしている。特許文献１に記載の方法では、このように強化繊維を開繊した後に、これを所定長さに切断して切断済み強化繊維とする。そして例えば射出成形機であれば加熱シリンダに切断済み強化繊維を供給すると、加熱シリンダ内で溶融樹脂と混練して繊維強化熱可塑性樹脂が得られる。開繊せずに強化繊維束の状態で加熱シリンダに投入する従来の方法では、樹脂との混練時に強化繊維に作用する外力が束の外側と内側とで不均一になって強化繊維が折れたり切断し易いが、特許文献１に記載の方法により開繊した強化繊維を供給して樹脂と混練するようにすると強化繊維に作用する外力が一様になるので切断され難くなる。これによって繊維長分布が均一な繊維強化熱可塑性樹脂が得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されている方法は、ロービングとして提供されている強化繊維を開繊して樹脂に供給し混練するようになっているので、強化繊維が束になっている場合に比して樹脂との混練時に強化繊維に作用する外力は均一になる。従って外力の不均一によって切断される強化繊維の割合が少なくなるという優れた効果がある。しかしながら、改善すべき課題も見受けられる。具体的には、繊維強化熱可塑性樹脂において、強化繊維が均一に分散される保証がないという問題がある。ロービングとして提供されている強化繊維は、ロービングにされるときに所定の集束剤、例えばエポキシ系樹脂からなる集束剤が添加されている。炭素繊維、ガラス繊維等は非常に細いのでこれらがばらけないようにするためである。特許文献１に記載の方法で実施している開繊は、単に強化繊維束に物理的な力を作用させてばらけさせているだけであるので集束剤は強化繊維に付着した状態になっている。従って開繊しても単繊維は完全にバラバラにはなっておらず、ある程度の本数がまとまった状態にしかならない。このような強化繊維が樹脂に供給されて混練されると、強化繊維は十分に均一に分散することが保証されない。樹脂中における強化繊維の分散の度合いは、成形される成形品の全体の強度と成形品の異なる部分毎の強度の均一性に影響するが、特許文献１に記載の方法によっては強化繊維が高いレベルで均一に分散することが保証できないので問題がある。
【０００６】
したがって、本発明は、熱可塑性樹脂と、ロービングとして提供される強化繊維とから繊維強化熱可塑性樹脂を得、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る方法であって、樹脂中において強化繊維の均一な分散の度合いが大きい繊維強化熱可塑性樹脂を得ることができ、それによって高い強度の成形品を得ることができる繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形方法および成形装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱可塑性樹脂を溶融し、強化繊維を添加し混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法を対象とする。強化繊維は、複数本の単繊維が撚り合わされてロービングになって提供されている。本発明は、ロービングに添加されている集束剤を所定の除去手段で除去した強化繊維を熱可塑性樹脂に添加するように構成する。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の発明は、熱可塑性樹脂を溶融し、複数本の単繊維が撚り合わされてロービングになっている強化繊維を添加し混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法であって、前記強化繊維は、前記ロービングに添加されている集束剤を所定の除去手段で除去したものを前記熱可塑性樹脂に添加することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の成形方法において、前記除去手段は前記ロービングを加熱して前記集束剤を蒸発させる加熱手段からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法として構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の成形方法において、前記繊維強化熱可塑性樹脂の混練はシリンダとスクリュとからなる可塑化装置によって実施するようにし、前記可塑化装置において前記熱可塑性樹脂を溶融して前方に送るとき、前記可塑化装置において樹脂圧力を低下させる飢餓区間を設けるようにし、前記強化繊維は前記飢餓区間において添加することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法として構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの項に記載の成形方法において、前記強化繊維は予め所定の長さに切断して前記熱可塑性樹脂に添加することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法として構成される。
【０００９】
そして、請求項５に記載の発明は、熱可塑性樹脂と複数本の単繊維が撚り合わされてロービングになっている強化繊維とから繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置であって、前記成形装置は、所定のシリンダと該シリンダ内に設けられているスクリュとからなる可塑化装置と、ロービングに添加されている集束剤を除去する除去手段と、前記繊維強化熱強化樹脂から成形品を成形する金型とからなり、前記可塑化装置において、前記熱可塑性樹脂が投入されて溶融されて前方に送られて前記強化繊維が添加されるとき、前記強化繊維は前記除去手段によって前記ロービングから集束剤が除去された後に添加されるようになっていることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置として構成される。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の成形装置において、前記除去手段は前記ロービングを加熱して前記集束剤を蒸発させる加熱手段からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置として構成される。
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の成形装置において、前記可塑化装置には溶融した樹脂の圧力が低下する飢餓区間が設けられ、前記強化繊維は前記飢餓区間において添加されるようになっていることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置として構成される。
請求項８に記載の発明は、請求項５〜７のいずれかの項に記載の成形装置において、前記成形装置は所定の切断手段を備え、前記強化繊維は該切断手段によって所定の長さに切断して前記可塑化装置に供給されるようになっていることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形品の成形装置として構成される。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によると、熱可塑性樹脂を溶融し、複数本の単繊維が撚り合わされてロービングになっている強化繊維を添加し混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法を対象としている。本発明によると、強化繊維は、ロービングに添加されている集束剤を所定の除去手段で除去したものを熱可塑性樹脂に添加するように構成されている。集束剤は、例えばエポキシ樹脂等からなり強化繊維の単繊維をバラバラにならないようにくっつけており、繊維強化熱可塑性樹脂中で強化繊維が均一にするのを妨げている。本発明はこの集束剤を除去した強化繊維を添加するようにするので、得られる繊維強化熱可塑性樹脂は高いレベルで強化繊維が均一に分散することになる。これによって成形される成形品は均一に強度が発現することになる。他の発明によると、除去手段はロービングを加熱して集束剤を蒸発させる加熱手段からなる。加熱手段はヒータやバーナー等のシンプルな装置から構成することができ、本発明を小コストで実施することができる。他の発明によると、繊維強化熱可塑性樹脂の混練はシリンダとスクリュとからなる可塑化装置によって実施するようにし、可塑化装置において熱可塑性樹脂を溶融して前方に送るとき、可塑化装置において樹脂圧力を低下させる飢餓区間を設けるようにし、強化繊維は飢餓区間において添加するように構成されている。このようにすると強化繊維を容易かつ安定的に熱可塑性樹脂に添加することができる。従って、品質の安定した繊維強化熱可塑性樹脂を得ることができ、品質が高い成形品を成形することができる。他の発明によると、強化繊維は予め所定の長さに切断して熱可塑性樹脂に添加するように構成される。予め切断して供給するので、繊維強化熱可塑性樹脂中において分散される強化繊維は長さのバラツキが少なくなるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る成形装置を示す正面図である。
【図２】ロービングを開いた状態の炭素繊維の写真であり、左は集束剤が付着している炭素繊維を、右は集束剤が除去された炭素繊維をそれぞれ示す写真である。
【図３】繊維強化熱可塑性樹脂から本発明の実施の形態に係る成形方法によって成形された成形品のＸ線写真である。
【図４】繊維強化熱可塑性樹脂から従来の成形方法によって成形された成形品のＸ線写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る成形装置１は、図１に示されているように、熱可塑性樹脂を可塑化すると共に強化繊維を混合して繊維強化熱可塑性樹脂を得る可塑化装置２と、可塑化装置２に強化繊維を供給する強化繊維供給装置３と、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂を圧縮成形して成形品を得る成形用金型４と、この成形用金型４を型締めする型締装置５とから構成されている。
【００１３】
可塑化装置２は、押出機から構成することもできるし、どのような種類の可塑化装置から構成することもできるが、本実施の形態においては射出成形機の射出装置が採用されている。すなわち射出装置は、加熱シリンダ７と、この加熱シリンダ７内で回転方向と軸方向とに駆動されるスクリュ８とからなり、加熱シリンダ７の後方寄りに熱可塑性樹脂が投入されるホッパ１０が設けられ、加熱シリンダ７の前方寄りに強化繊維を投入する強化繊維投入口１１が設けられている。スクリュ８はホッパ１０近傍から所定の位置まで可塑化区間１３になっており、フライト溝はホッパ１０近傍では深く、前方に向かって徐々に浅く形成され可塑化区間１３において樹脂が溶融しながら送られ、そして圧縮されるようになっている。可塑化区間１３の下流にシール区間１４が形成され、その下流に飢餓区間１６が形成されている。飢餓区間１６ではフライト溝が深くなっている。あるいはフライトのピッチが大きくなっている。これによって溶融樹脂の輸送力が大きくなって樹脂圧力が低下するようになっている。本実施の形態においてはこの飢餓区間１６が強化繊維投入口１１に対応しており、強化繊維は低い樹脂圧力の溶融樹脂に添加されるようになっている。飢餓区間１６の下流に樹脂圧力を高めて混練する圧縮区間１７が形成されている。
【００１４】
強化繊維供給装置３は本実施の形態に係る成形装置１において特徴的な装置であり、ロープ状の強化繊維束すなわちロービングがロール状に巻かれている強化繊維ロール１９と、この強化繊維ロール１９から引き出されたロービングが通されて該ロービングに添加されている集束剤を除去するようになっている除去装置２０と、集束剤が除去されてバラバラになった強化繊維を所定長さに切断する切断装置２１とから構成されている。除去装置２０は本発明において重要な装置であり、ロービングから集束剤を除去するようになっていればどのような手段から構成されていてもよい。集束剤は例えばエポキシ系樹脂からなるので、ロービングに有機溶剤のアセトンを噴射して集束剤を除去するような化学的手段から構成してもよい。またはロービングをバーナー等により直接あぶって集束剤を蒸発させるような加熱手段から構成してもよい。本実施の形態においては、除去装置２０として加熱手段の一種である電気炉が採用されている。電気炉には環状の通路２０ａが設けられ、ロービングがこの通路２０ａを通るときに３００〜４５０℃に加熱されて集束剤が蒸発するようになっている。切断装置２１はカッターから構成され、強化繊維を一定の長さに切断する。切断装置２１は強化繊維投入口１１の上方に設けられているので、切断された強化繊維は加熱シリンダ７内に投入されるようになっている。
【００１５】
本実施の形態において成形用金型４は、型開き状態で繊維強化熱可塑性樹脂が射出され、その後圧縮する圧縮成形用の金型からなる。この成形用金型４を型締めする型締装置５はトグル機構によって、あるいは型締シリンダによって型締めするようになっている。成形用金型４には成形品を成形するキャビティが形成されており、成形用金型４の側方に設けられているスプルから樹脂が射出されるようになっている。このスプルに可塑化装置２のノズル２３が当接している。
【００１６】
本実施の形態に係る成形装置１によって、繊維強化熱可塑性樹脂を得、成形品を成形する成形方法を説明する。可塑化装置２すなわち射出装置において加熱シリンダ７を図に示されていないヒータによって加熱し、スクリュ８を回転してホッパ１０から熱可塑性樹脂のペレットを投入する。ペレットは加熱シリンダ７の可塑化区間１３において溶融して次第に圧縮されながら前方に送られる。溶融した樹脂はシール区間１４を経て飢餓区間１６に送られる。これと並行して強化繊維供給装置３から強化繊維を供給する。すなわち強化繊維ロール１９から炭素繊維等の強化繊維からなるロービングが引き出され、除去装置２０において加熱されて集束剤が除去される。図２の左側の写真には集束剤が添加されている強化繊維が示されており、右側の写真には集束剤が除去された強化繊維が示されているが、集束剤が除去されると強化繊維同士がバラバラになる様子が分かる。バラバラになった強化繊維は切断装置２１によって所定の長さに切断され強化繊維投入口１１から投入される。飢餓区間１６では樹脂圧力が小さくなっているので切断された強化繊維は容易に樹脂に添加される。スクリュ８の回転によって混練され、圧縮区間１７を経てスクリュ８の前方に計量される。すなわち繊維強化熱可塑性樹脂が計量される。繊維強化熱可塑性樹脂中において、強化繊維は均一に分散することになる。型締装置５により成形用金型４を若干開いた状態にする。スクリュ８を軸方向に駆動して射出する。そうすると図１に示されているように繊維強化熱可塑性樹脂が所定量だけ成形用金型４のキャビティに射出される。型締装置５を駆動して圧縮成形する。成形品が固化したら成形用金型４を型開きして成形品を取り出す。以下同様にして成形する。
【実施例１】
【００１７】
本実施の形態に係る成形方法を実施すると、強化繊維が高いレベルで均一に樹脂中に分散することを確認するため実験を行った。
実験方法：Ｎｉメッキを施した炭素繊維と通常の炭素繊維とを混合してエポキシ系樹脂からなる集束剤を添加して撚り合わせロービングを得た。Ｎｉメッキを施した炭素繊維は、全炭素繊維に対して２％になるようにした。このようなロービングからなる炭素繊維を使用して本実施の形態に係る成形方法により成形品Ａを成形した。すなわちロービングを３００〜４５０℃に加熱して集束剤を蒸発させ切断して溶融樹脂と混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、これを射出し圧縮成形して成形品を得た。成形品は３００ｍｍ×３００ｍｍ×３ｍｍの平板とした。なお、添加した炭素繊維は繊維強化熱可塑性樹脂に対して３０％の体積になるようにした。一方、ロービングに対して集束剤の除去はしないようにし、他の点は成形品Ａの成形と同様の条件によって成形品Ｂを得た。つまり成形品Ｂは集束剤が付着したままの炭素繊維から成形されたことになる。成形品Ａ、ＢについてＸ線写真を撮り、それぞれ図３、図４の写真を得た。
考察：図３、４の写真において糸状に見える繊維がＮｉメッキされている炭素繊維である。集束剤を除去した炭素繊維を添加して成形した成形品Ａは、図３の写真に示されているように、強化繊維の太さが細い。このことは単繊維同士がバラバラに分散していることを意味している。また写真において強化繊維は黒く、樹脂の部分は白っぽく撮影されるが、成形品Ａは全体として濃淡が均一になっており強化繊維が高いレベルで均一に分散している様子が確認できた。これに対して、集束剤を除去せずに炭素繊維を添加して成形した成形品Ｂは、図４の写真に示されているように、強化繊維の太さが太い。つまり単繊維同士が固まっていて太い状態であることが分かる。つまり分散は不十分である。また成形品Ｂは、全体において濃淡に偏りがあり、強化繊維の分散が不均一になっていることが分かる。この実験により、繊維強化熱可塑性樹脂を得るとき、強化繊維を樹脂に添加するときに、予め強化繊維から集束剤を除去するようにすると、得られる繊維強化熱可塑性樹脂において強化繊維が高いレベルで均一に分散することが確認できた。
【００１８】
本実施の形態に係る成形装置１は色々な変形が可能である。例えば可塑化装置２は、既に説明したように押出機に置き換えることができる。押出機については単軸スクリュからなる単軸押出機から実施することもできるし、２軸スクリュからなる２軸押出機から実施することもできる。押出機によって実施する場合には、繊維強化熱可塑性樹脂を所定量だけ押し出して切断して塊状成形物とし、これを成形用金型４のキャビティに搬送して圧縮成形することになる。可塑化装置２についてはプランジャ式射出装置を使用する変形も可能である。成形方法も変形が可能であり、本実施の形態においては圧縮成形するように説明したが、型締めした成形用金型４に射出するようにしてもよい。他の点について変形も可能である。例えば供給する強化繊維についても変形することができる。炭素繊維に変えてガラス繊維や他の強化繊維を使用することができる。本実施の形態においては強化繊維を強化繊維投入口１１に投入するとき、切断装置２１により切断して投入しているが、切断せずに投入してもよい。切断せずに強化繊維を投入するとスクリュ８の回転によるせん断力で加熱シリンダ７内で強化繊維が切断されることになる。強化繊維投入口１１についても変形が可能であり、サイドフィーダ等を設けて、強化繊維を供給してもよい。そうすると、強化繊維の供給量を容易に一定にできるので熱可塑性樹脂に混練する強化繊維の割合を一定にすることができる。
【符号の説明】
【００１９】
１    成形装置                ２    可塑化装置
３    強化繊維供給装置        ４    成形用金型
５    型締装置                ７    加熱シリンダ
８    スクリュ              １０    ホッパ
１１    強化繊維投入口        １３    可塑化区間
１４    シール区間            １６    飢餓区間
１７    圧縮区間              １９    強化繊維ロール
２０    除去装置              ２１    切断装置
２３    ノズル
【図１】
2019055550.tif 000003
【図２】
2019055550.tif 000004
【図３】
2019055550.tif 000005
【図４】
2019055550.tif 000006