(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角部分（１７）又は末端部分（１９）の少なくともいずれかの断面プロファイルを有するとともに長手方向に伸びる繊維強化熱可塑性樹脂線状プロファイル構造物の連続的押出方法であって、当該方法が、融解熱可塑性樹脂材料を受容する入口とその下流に位置し前記断面プロファイルに対応する形状を有する出口とを有する押出機（３１）内に熱可塑性樹脂材料を供給して、融解された熱可塑性樹脂の流れを加圧下で流動させ、前記流れの中に所定の間隔をおいて離れた位置に複数の繊維束（２１）を導入して角部分（１７）又は末端部分（１９）に繊維束が存在するように線状プロファイルに間隔をおいて離れた箇所で繊維強化材（２１）を提供し、これにより前記強化繊維束が前記プロファイル内の所定箇所で長手方向に伸びるようにすることからなり、前記押出機（３１）には、前記所定の位置に繊維束（２１）を位置づけるための手段が供給原料の流れを横切るように装着されており、当該方法が、全断面積を繊維の断面積と比較して計算したときに、材料の全体積％に対する繊維の体積％が繊維１５体積％未満となるように実施され、前記熱可塑性樹脂材料が前記繊維束の材料の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有しており、その結果熱可塑性樹脂材料が繊維束の回りに収縮して圧縮応力を引き起こしこれにより繊維束を把持して所定位置に保持し、供給原料の流れを横切るように装着された前記手段が複数の開口（４３）を有する部材（４１）と各開口内に位置する案内管（６１）とを有しており、押出時に繊維束（２１）を案内管（６１）に供給する、連続的押出方法。
【請求項２】
前記樹脂が溶融粘度の低い結晶性樹脂である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記繊維がガラス、炭素、金属およびポリアミドポリマーからなる群から選ばれる材料からなる請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記繊維束が撚った連続繊維からなるかまたは密に隣接させた連続繊維からなる請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記構造物が２，０００ｌｂｓ／ｉｎ2（１３．７８ＭＰａ）を越える圧力で押し出される請求項１記載の方法。
【請求項６】
全断面積を繊維の断面積と比較して計算したときに、材料の全体積％に対する繊維の体積％が繊維１０体積％未満である請求項１記載の方法。
【請求項７】
全断面積を繊維の断面積と比較して計算したときに、材料の全体積％に対する繊維の体積％が繊維１〜５体積％である請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は連続した強化繊維を有する熱可塑性樹脂線状プロファイル構造物の連続的押出方法に係わる。
発明の背景
熱可塑性樹脂は強度を増大しそしてＣＴＥを減少するために長い間繊維で強化されている。これは一般に繊維の樹脂マトリックス中での分散を良好にしそして繊維と樹脂マトリックスとの間のウエットアウトを良好にするために樹脂を繊維とコンパウンドしてなされてきた。残念ながら、このプロセスによると繊維の長さのかなりの摩損が生ずる。最終物品への射出成形の間にも更に繊維の長さの摩損が起きうる。樹脂マトリックスの強化には長い繊維特に連続した繊維がずっと効率が良いが、繊維を成形段階の間に導入すると繊維の長さ／直径比が低くなりその結果こわさが高く衝撃強さが低くなる。
【０００２】
Ｏ’Ｃｏｎｎｅｒ等の米国特許第４，８８３，５５２号明細書には引抜成形方法および装置が記載されている。代表的な引抜成形においては、ガラス繊維ロービングをクリールから引き抜きそして液体ポリエステル樹脂浴中に通してロービングを樹脂で含浸している。樹脂で含浸されたロービングは加熱されたダイ中で最終的な成形および硬化にかけられる。この方法ではロービングが装置中を引き通されるように硬化ダイの後に引抜具が置かれている。この特許に開示されているように、熱可塑性樹脂がマトリックス材料に使用されている場合には、引抜成形法の使用は困難を伴っている。そこに開示された方法によれば、クリールから連続繊維ロービングがスラリー浴中を通されて樹脂粒子で含浸された後に樹脂粒子を連続熱可塑性樹脂マトリックスに融解するダイ中に通される。
【０００３】
繊維束の引抜成形は連続した繊維強化樹脂マトリックスを提供するが、形状、速度および樹脂の選択で厳しい制約を受ける。個々の繊維に浸み込むためには軟化された樹脂は極端に低い粘度である必要がある。繊維の表面が確実に樹脂に露出されるように繊維を極めて注意深く扱う必要がある。この低粘度の要求は約６対１またはそれより大きな非常に大きな繊維対樹脂比を使用することが必要とされる。更に、殆どの低粘度樹脂は熱硬化性のタイプであり、硬化するためには同伴後に長時間オーブン中に滞留する必要がある。これらの要因は熱可塑性樹脂の押出に比べて引抜成形を非常に遅いプロセスにしている。引抜成形の利点は単一方向のこわさおよび強度が非常に高いことであるが、後成形可能性、溶接可能性またはリサイクル可能性がない。この方法は梯子のレールおよびラング（ｗｒｕｎｇｓ）、軽量構造“Ｉ”ビームおよび非常に高いモジュラスおよび単一方向強度が傑出しているようなその他の用途のような製品の製造に使用される。
【０００４】
Ｓｃｈｏｃｋらの米国特許第４，４９２，０６３号明細書には合成樹脂で含浸されそして異形押出体に結合された強化繊維を有する熱可塑性樹脂材料からなる突合せ溶接式窓枠用の異形押出ストリップが記載されている。その結合材は後の熱処理の間に樹脂の硬化が引き起こされるタイプのものである。架橋性の結合材が記載されている。その後の溶接特性がこのストリップを突合せ溶接するために使用される。
【０００５】
Ｈａｗｌｅｙの米国特許第４，４３９，３８７号明細書には繊維を先ず押出により密に束ねられたコア中に埋設し、次いでこのコアを最終物品中に埋設した複合構造体が記載されている。
従って、向上されたこわさ、引張強さおよび寸法安定性を与える改善された線状構造体、並びに熱可塑性樹脂押出成形物品中に連続した強化繊維を導入する改善された方法、を提供することが望まれている。
【０００６】
発明の要約
本発明の目的は低い容量％で強化繊維を有する熱可塑性樹脂線状プロファイル構造物の連続的押出方法を提供することである。
更に、本発明の目的は構造物を強化するために連続した埋設繊維を有する熱可塑性樹脂線状プロファイル構造物の連続的押出方法を提供することである。
【０００７】
本発明は、角部分（１７）又は末端部分（１９）の少なくともいずれかの断面プロファイルを有するとともに長手方向に伸びる繊維強化熱可塑性樹脂線状プロファイル構造物の連続的押出方法であって、当該方法が、融解熱可塑性樹脂材料を受容する入口とその下流に位置し前記断面プロファイルに対応する形状を有する出口とを有する押出機（３１）内に熱可塑性樹脂材料を供給して、融解された熱可塑性樹脂の流れを加圧下で流動させ、前記流れの中に所定の間隔をおいて離れた位置に複数の繊維束（２１）を導入して角部分（１７）又は末端部分（１９）に繊維束が存在するように線状プロファイルに間隔をおいて離れた箇所で繊維強化材（２１）を提供し、これにより前記強化繊維束が前記プロファイル内の所定箇所で長手方向に伸びるようにすることからなり、前記押出機（３１）には、前記所定の位置に繊維束（２１）を位置づけるための手段が供給原料の流れを横切るように装着されており、当該方法が、全断面積を繊維の断面積と比較して計算したときに、材料の全体積％に対する繊維の体積％が繊維１５体積％未満となるように実施され、前記熱可塑性樹脂材料が前記繊維束の材料の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有しており、その結果熱可塑性樹脂材料が繊維束の回りに収縮して圧縮応力を引き起こしこれにより繊維束を把持して所定位置に保持し、供給原料の流れを横切るように装着された前記手段が複数の開口（４３）を有する部材（４１）と各開口内に位置する案内管（６１）とを有しており、押出時に繊維束（２１）を案内管（６１）に供給する、連続的押出方法である。
本発明によれば、軸方向に伸びそして複数の離散された連続した繊維束を有する熱可塑性樹脂線状プロファイル押出構造物にして、前記繊維束は前記樹脂に直接接触しかつ長手方向に前記構造物のほぼ全長に沿って伸びており、しかも前記押出プロファイルを強化するために間隔をおいて離されている、ような構造物の連続的押出方法が提供される。好ましくは、繊維束は離散しており、個々の連続繊維は例えば撚られたりまたは密に隣接されたりして接触しており、その結果個々の繊維が樹脂と接触しそして樹脂との直接接触により所定位置に保持されている。本発明の構造物の連続的押出方法は溶融粘度の低い結晶性ポリマーのベース樹脂に対して特に適している。
【０００８】
また、本発明によれば、長手方向に伸びる予定の断面プロファイルを有するタイプの繊維強化熱可塑性樹脂の線状プロファイル構造物を連続的に押し出す方法も提供される。この方法は、融解された熱可塑性樹脂材料を受容するための入口および所望の前記断面プロファイルに対応する形状を有する出口を備えたダイに融解された熱可塑性樹脂材料を供給することからなる。出口は入口の下流に位置づけられこれにより融解された熱可塑性樹脂の流れは加圧下で前記入口から前記出口に流動する。線状プロファイルに間隔をおいて離れた箇所で繊維強化材を提供するために前記流れの中に予定の間隔をおいて離れた位置において複数の繊維束を導入する。これにより強化繊維束はプロファイル内の予定箇所で長手方向に伸びる。
【０００９】
好適な実施の態様の記述
線状の押出物品は用途に応じて種々の断面形状を有する。図１は中央に伸びる壁部分１１と、垂直に伸びるフランジの形態の懸垂した壁部分１３および１５を有する線状の押出構造物の断面図を示している。例示した線状プロファイルは少なくとも一つの壁部分の交差部を含み、角部分１７および末端部分１９を有する断面プロファイルを形成している。断面が湾曲した断面を含みうることも意図されている。この線状構造物は建物内の開口に対するフレームとして使用することが望ましい。例えば窓ガラスやドアのような静止したまたは移動性のパネルを保持するために溝形タイプの構造物が利用できる。
【００１０】
プロファイル構造物に使用できる熱可塑性樹脂材料はプロファイルが建築製品に変換されたときに使用されるであろう地理的地域に対して適しているかあるいはこの地域に対する建築コードに依拠して決めるべきである。好ましくは、この熱可塑性樹脂材料は高温熱可塑性樹脂例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリカーボネート／ＡＢＳブレンド、コ−ポリカーボネート−ポリエステル、アクリル−スチレン−アクリロニトリル（ＡＳＡ）、アクリロニトリル−（エチレン−プロピレンジアミン変性）−スチレン（ＡＥＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）あるいはこれらのブレンドのようなポリアルキレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミドのブレンド（ＮＯＲＹＬ  ＧＴＸ：Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙからの登録商標名）、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレートおよび耐衝撃性改良剤のブレンド（ＸＥＮＯＹ：Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙからの登録商標名）、ポリカーボネート／ＰＢＴ／ＰＥＴ等、あるいはこれらと他の添加剤例えば充填剤、耐衝撃性改良剤、顔料、安定剤、補強剤等とのブレンドである。ＰＶＣも使用できることが意図されている。
【００１１】
好ましくは材料は溶融粘度の低い結晶性のポリマーである。溶融粘度が低いポリマーを使う場合には、異形押出に対して十分な溶融強度を持たない可能性のあるこのポリマーの溶融物を支持するために繊維が使用できる。ポリアミドとポリエステルが好ましい。本発明に有用なポリアミドは当業界で周知である。ポリアミドの特定の例にはポリアミド−６、ポリアミド−６，６、ポリアミド−１１、ポリアミド−１２、ポリアミド−６，３、ポリアミド−６，４、ポリアミド６，１０およびポリアミド−６，１２並びにテレフタル酸および／またはイソフタル酸とトリメチルヘキサメチレンジアミンとから調製されたポリアミド、アジピン酸とｍ−キシリレンジアミンとから調製されたポリアミド、アジピン酸、アゼライン酸および２，２−ビス−（ｐ−アミノシクロヘキシル）プロパンから調製されたポリアミド、テレフタル酸と４，４′−ジアミノジシクロヘキシルメタンから調製されたポリアミドである。上記のポリアミドまたはそのプレポリマーそれぞれの二種以上の混合物またはコポリマーもまた本発明の範囲に入る。
【００１２】
適当なポリエステル成分には２−約１０個の炭素原子を含有する脂肪族または環式脂肪族ジオールまたはこれらの混合物と少なくとも一種の芳香族ジカルボン酸から誘導されたポリエステルのような結晶性ポリエステルが包含される。好ましいポリエステルは脂肪族ジオールおよび芳香族ジカルボン酸から誘導され、次の一般式
0004173921.tif 000002
（式中、ｎは２−６の整数であり、Ｒは芳香族ジカルボン酸から誘導された脱カルボキシル化された残基であるＣ6 −Ｃ20のアリール基である）で表される反復単位を有するポリエステルである。
【００１３】
構造物は長手方向軸に沿り構造物のほぼ全長に沿って長手方向に伸びる離散された連続した撚られた繊維束２１を複数含んでいる。繊維２１は角部分１７または末端部分１９の少なくとも一つに隣接してその内側に位置づけられている。それぞれの繊維束２１はプロファイルの長手方向の剛性を向上するために位置づけられている。好ましくは、複数の繊維束２１が、ねじり応力並びに曲げ応力に抵抗するように例えば角あるいは末端の箇所の間隔をおいて離された箇所に位置づけられる。構造物が外部からの力を受けたとき、湾曲運動が埋設された繊維を伸ばす傾向がある。この繊維の伸びは繊維上の引張により抵抗を受け、これにより構造物の強度が向上する。
【００１４】
好ましくは熱可塑性樹脂材料が繊維材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）より大きい熱膨張係数を有しており、その結果熱可塑性樹脂材料が繊維材料の回りに収縮して圧縮応力を引き起こし、この圧縮応力により繊維材料が把持されて所定位置に保持される。押し出された熱可塑性樹脂材料はそれぞれの繊維束２１に直接接触しその結果結合材または接着剤を必要とすることなく繊維は所定位置に保持される。繊維は初期には圧縮下にあるので、樹脂が繊維のこの圧縮を克服するに十分な程度に伸びるまで樹脂は殆ど強化を示さない。この時点で、繊維の引張強さおよび伸びが働きだして繊維が破断するまで歪みに対する応答を支配する。繊維束が使用されると、衝撃を和らげるために、繊維束全体が一時に破断せずに、繊維束内の繊維がランダムに破断する傾向がある。
【００１５】
繊維に対して好ましい材料はガラス、グラファイトまたは炭素、金属材料特に線引きされる導電性金属およびアミド基−ＣＯＮＨの存在で特徴づけられるポリアミドポリマーである。本発明に好適なポリアミドはポリアミド−６；６，６；１１；および１２であり、最も好ましいのはポリアミド−６，６である。引張強さが極めて高くそして伸びに対する抵抗が極めて大きいことからＤｕ  Ｐｏｎｔｄｅ  ＮｅｍｏｕｒｓのＫｅｖｌａｒ（登録商標）ポリアミド繊維が好ましい。熱可塑性樹脂マトリックスより有意に低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する好適な繊維は、熱可塑性樹脂が冷却されると圧縮下におかれる。
【００１６】
更に、従来の窓およびドアに対する熱可塑性樹脂構造物に比べて本発明のプロファイルまたは構造物の剛性からして、匹敵する剛性を得るためにより少ない熱可塑性樹脂材料の使用で足りる。また、押出の難しい短いガラス繊維を使用したような従来の強化技術は必要とされない。壁部分が強化されているために材料を少なくすることができ、しかも匹敵する剛性並びにねじりあるいは座屈に対する抵抗性を維持している。
【００１７】
材料の全体積％に対する繊維の体積％は好ましくは繊維約１５容量％未満であり、より好ましくは繊維約１０容量％未満であり、最も好ましくは繊維１−５容量％である。この容量％は全断面積を繊維の断面積と比較して計算できる。本発明によれば、少ない容量％の繊維強化剤で最終の線状物品の剛性が大いに向上する。
【００１８】
図２は標準の押出成形機械を例示している。押出機３１はハウジング３３を有し、このハウジング３３はバレル部分３７の内部で軸に沿って回転するように装着された螺旋状スクリュー３５を備えた中央開口を有している。この開口の一端には、押し出す材料をスクリュー３５の後部に供給するためにホッパー（図示せず）が使用される。スクリュー３５の上に装着された螺旋状ねじ山３９は材料をスクリュー３５の後部から前部へ移動するように位置づけられている。材料または供給原料がスクリュー３５に沿って搬送されるとき、材料はスクリュー３５の回転により引き起こされる摩擦力により加熱される。電気抵抗ヒーターのような外部加熱源を準備して供給原料を加熱することができることも意図されるところである。
【００１９】
バレルの前端においてスクリューの前端から隔てて、ゲートまたはブレーカープレート４１を供給原料の流れを横切るように装着する。ゲート４１は図３および図４により詳しく例示されている。ゲートは予定の半径方向箇所においてそれぞれの繊維束２１を位置づけるための手段として役立つ。図４に例示されているように、ゲートには供給原料を通過させるための複数の開口４３が含まれている。ゲート４１は供給原料を混合しそして加熱するのに貢献する背圧を発生する働きをしそしてまた供給原料から不純物を濾過する役割もする。
【００２０】
ハウジング３３の前端上にダイ本体４５が装着される。この装着はダイ本体上のフランジをハウジング３３上のフランジにボルト付けまたは締め付けることにより慣用的になしうる。図２に示されているように、ゲート４１はハウジング３３とダイ本体４５の間の凹所４７内の所定位置に装着される。ダイ本体４５は供給原料を絞る中央および軸方向に整列されたテーパ開口を含んでいる。ダイの出口では、ダイプレートが押し出される線状プロファイルの所望の断面形状をした開口を有している。押出機内の圧力は典型的には２，０００ｌｂｓ／ｉｎ2を越え、好ましくは３，０００−２，０００ｌｂｓ／ｉｎ2である。
【００２１】
本発明によれば、繊維束４９を、前記角部分あるいは前記末端部分の少なくとも１個所に繊維強化材を提供するための予定の位置において押出機３１内の中央開口内における流動する融解された供給原料の流路内に導入し、これにより前記繊維強化材をプロファイル内の予定の半径方向個所において長手方向に伸ばす。図２に例示されているように、繊維供給開口５１がダイ本体４５とハウジング３３の中間のフランジ域を通って伸びている。図３に示されているように、繊維２１はそれぞれの案内管６１およびセラミックブッシングまたはインサート６９を通して供給され、このインサート６９は繊維が開口５１を通して供給されるときに管６１への摩耗を減少する働きをする。好ましくはステンレス鋼金属製である案内管６１は繊維束４９を供給するための方向を押出機内の材料の流れを横切る方向からこの材料の流れに沿った方向へ方向変換する。それぞれの繊維束を線状押出物の強化のために半径方向に向けて適当に配置するため、ゲート４１の外側周辺面を通って半径方向に伸びる開口５１はゲート４１の内側の６３で曲がって伸びそしてストレート部分６５に沿って軸方向に伸びる。ストレート部分６５はゲート４１内の軸方向に伸びる開口または穴５１との摩擦係合により所定位置に保持されている。穴６７を大きめの寸法とすることにより管６５の回りにポリマー融解物が流れるようにできる。穴６７は線状押出物内に繊維を位置づけるために所望の半径方向に整列されている。繊維束４９を融解された樹脂中に円滑に移行するため、オリフィスを有するセラミックインサート６９を管６１の末端に装着して繊維を融解樹脂の流れの中に案内する。セラミックインサート６９のオリフィスの直径は、それぞれの繊維束２１がそれぞれの管６１を自由に出ることができるように十分大きいが、しかしダイ３１内で加圧下にある樹脂が管６１内に流れ込むのを防ぐよう十分小さい。繊維２１が管６１から引き出される効果が押出機内の圧力に対向し融解した樹脂が管内に流入するのに抵抗する。案内管６１の出口は、繊維束がダイ内の開口の断面プロファイル内の適当な位置に強化を与えるよう適当に整列されるように、位置づけられている。強化に対して好適な位置は角部分および末端部分であるが、しかし大いにこれは設計により特異である。
【００２２】
この方法によれば、熱可塑性樹脂はホッパーに供給原料として導入される。この材料はスクリューによりバレル内を搬送されそして加熱されて融解混合物を形成する。繊維束は繊維のリールから案内管を通して押出機内の適当な位置で融解混合物内に連続的に供給される。繊維が管の出口に近づきそして融解物と接触すると、圧力は大気圧から５，０００ｐｓｉ程度でありうる融解された供給原料の圧力まで急激に上昇する。この急激な圧縮により空気の全てが管内に強制的に戻され、これにより密に圧縮された繊維束が残され、繊維束の表面のみが融解物に曝される。繊維束はプロファイルの強化に適した位置および配列で管を出る。融解物がダイ開口を出ると、熱可塑性樹脂の融解混合物は冷却しそして繊維束の回りに収縮して、繊維を緊密に把持する。繊維束の中心にある繊維は何等樹脂とは接触していない可能性があり、従って破断時にプルアウトして、熱可塑性樹脂内に封入された繊維束の表面にある繊維とは異なる降伏点を与える可能性がある。
【００２３】
Ｄａｖｉｓ  Ｓｔａｎｄａｒｄ単軸スクリュー押出機を使用し、ガラス繊維束および２つの異なる繊維番手のＫｅｖｌａｒ（登録商標）コードを、ＣＹＣＯＬＡＣ（登録商標）のＡＢＳ樹脂、Ｌｅｘａｎ（登録商標）のポリカーボネート樹脂およびＶａｌｏｘ（登録商標）のＰＢＴ樹脂（これら全ての樹脂はＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている）内に６個までの個所に使用し、２４までの個々の繊維束をプロファイル押出物内に設置して、この方法を試験したところ、優れた結果が得られた。この試験では、繊維強化材の重量％は約２−約６％であったが、これらの重量％における容量％を計算すると約１−約３容量％であった。繊維は適当な個所で金属管およびセラミックインサートを通された。使用したプロファイルの一つは図１に例示されている。繊維は押出の進行と共に連続して融解物中に引き抜かれたが、ポリマー融解物の供給管内への逆流は実際には何等示されなかった。また、上記試験の際には、複数の開口例えば４つの開口を有するセラミックインサートを使用し、この結果として密に隣接されているが間隔をおいて離されている複数の繊維を一個所に利用することができる。繊維を通すことは難しくそして時間を消費するので、プレートの一つの部分が、繊維を位置づけるのに利用されそして繊維を開口を通して案内する助けとなるテーパ開口を有している、スプリット・ブレーカー・プレートを利用することができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】線状に押し出された物体の断面図である。
【図２】図１に断面図で示した線状の押出物品を製造するために使用できる装置である押出機械の断面の略図である。
【図３】図２に示される繊維位置づけ部材の部分断面図である。
【図４】図３に示される繊維位置づけ部材の側部立面図である。
【符号の説明】
１１：中央に伸びる壁部分
１３および１５：懸垂した壁部分
１７：角部分
１９：末端部分
２１：繊維束
３１：押出機
３３：ハウジング
３５：スクリュー
３７：バレル
４１：ゲート
４３：供給原料を通過させるための開口
５１：繊維供給開口
６１：繊維束案内管
６３：湾曲変移部
６５：ストレート部分
６７：穴
６９：セラミックインサート
【図１】
0004173921.tif 000003
【図２】
0004173921.tif 000004
【図３】
0004173921.tif 000005
【図４】
0004173921.tif 000006