(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリュー(22)の先端にミキシングヘッド(24)を具備させたフルフライトスクリューであって、圧縮比を４以下とすると共に、スクリュー(22)の基端部から先端部にかけて３分された、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾーン(222) およびメータリングゾーン(223)の夫々の長さの比が１．５〜２．５：０．８〜１．５：１であり、スクリュー(22)の長さ(L) とスクリュー(22)の径(D) との比（Ｌ／Ｄ）が２０以上で、且つ、スクリュー(22)のフライト間ピッチがスクリュー(22)の径(D) に対して１〜１．３倍である繊維強化熱可塑性樹脂混練用フルフライトスクリュー。
【請求項２】
請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂混練用フルフライトスクリューを具備したスクリュー式射出機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、強化繊維含有熱可塑性樹脂組成物を成型もしくは造粒するのに適した射出機や押出機等に使用される繊維強化熱可塑性樹脂混練用のフルフライトスクリューに関するものである。
【０００２】
【従来技術及び課題】
繊維強化樹脂を成型する場合、従来は、熱可塑性樹脂中に強化繊維素材を含有せしめた繊維強化樹脂ペレットを用い、シリンダー内のスクリューを回転させることにより熱可塑性樹脂と繊維を溶融混練して成型部に射出する通常のスクリュー式射出機（以下、単に射出機という）によって、成型装置の金型内に溶融状の強化繊維含有熱可塑性樹脂組成物を射出供給していた。
【０００３】
この方法は、強化繊維を含有していない通常の樹脂を成型装置の金型内に射出供給して樹脂製品を得る場合と同様にして繊維強化樹脂製品が得られるという利点があり、かかる目的で使用される繊維強化樹脂ペレットとしては、長繊維強化樹脂ペレットと短繊維強化樹脂ペレットが知られている。
前者の長繊維強化樹脂ペレットは、ロービング繊維の周りを樹脂で被覆したものを所定の長さに切断したものであって、ペレットの長さと同じ長さの繊維を含有しているが、樹脂と繊維が混練されていないためにペレット中に繊維が分散しておらず、これを通常の射出機によって成型装置の金型内に射出供給して製品を成型した場合には、射出機内で繊維を分散させるために強い剪断力を受けるため、ペレット状態での繊維長は長くても射出時には繊維長が短くなって、成形品中の繊維長さも短くなるという問題がある。
【０００４】
一方、後者の短繊維強化樹脂ペレットは、押出機中で繊維と樹脂が予め混練されてペレット化しているために、繊維の分散性は良好であるが、繊維長が極端に短くなり、これを通常の射出機によって成型装置の金型内に射出供給して製品を成型した場合には、成形品中の繊維の分散性は良好であるが、繊維長が短く、補強効果に乏しいという問題がある。
【０００５】
また、他の方法として、繊維と樹脂の夫々を射出機に直接供給する方法も知られている。
ところが、最近のこの種射出機では、混練の速度を高めることが主眼におかれ、スクリューとしてダブルフライトスクリューが採用される。また、フルフライトスクリューを採用するものでも、前記目的の為に圧縮比を高め、見かけ剪断速度を大きくする傾向となっている。
【０００６】
この種の射出機を用いて、上記方法により繊維強化樹脂製品を成型した場合、溶融樹脂と繊維成分の混練が促進されるものの、この促進された混練の際に、強化繊維が切断され易く、射出成型された繊維強化樹脂製品内の含有繊維長さが短く、この含有繊維による強化が不十分であった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、例えば、押出機を用いて繊維強化樹脂ペレットを製造する場合に、繊維長が長く、しかも、強化繊維の分散性も良好な繊維強化樹脂ペレットを製造したり、上記したシリンダー内のスクリューを回転させることにより熱可塑性樹脂と繊維を溶融混練して成型部に射出するスクリュー式射出機を用いて、強化繊維と熱可塑性樹脂を溶融混練し、成型部に射出供給して繊維強化樹脂製品を製造する場合に、含有繊維長さをできるだけ長く維持し、かつ繊維の分散性を良好ならしめるための繊維強化熱可塑性樹脂混練用のスクリューの改良をその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の技術的手段は、『スクリュー(22)の先端にミキシングヘッド(24)を具備させたフルフライトスクリューであって、圧縮比を４以下とすると共に、スクリュー(22)の基端部から先端部にかけて３分された、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾーン(222) およびメータリングゾーン(223)の夫々の長さの比が１．５〜２．５：０．８〜１．５：１であり、スクリュー(22)の長さ(L) とスクリュー(22)の径(D) との比（Ｌ／Ｄ）が２０以上で、且つ、スクリュー(22)のフライト間ピッチがスクリュー(22)の径(D) に対して１〜１．３倍である繊維強化熱可塑性樹脂混練用フルフライトスクリュー』である。
上記繊維強化熱可塑性樹脂混練用フルフライトスクリューは、シリンダー内のスクリュー(22)を回転させ、これにより熱可塑性樹脂を溶融混練させて成型部に射出するスクリュー式射出機に採用することができる。
【０００８】
【作用】
上記技術的手段は次のように作用する。
スクリュー(22)の上流端に投入された熱可塑性樹脂と強化繊維とは、前記スクリュー(22)のフィードゾーン(221)、コンプレッションゾーン(222)、メータリングゾーン(223)をこの順序で移動して、樹脂ペレットが溶融されると共に強化繊維と混練される。
【０００９】
なお、強化繊維は熱可塑性樹脂ペレット中に内包させる必要はなく、熱可塑性樹脂と強化繊維とを別個に射出機の材料投入口から投入するようにしても良いし、強化繊維と予め溶融した熱可塑性樹脂を別個または同時に材料投入口から投入するようにしてもよい。
このものでは、スクリュー(22)の先端にミキシングヘッド(24)具備させたので、スクリュー(22)の先端に続く貯留部に達した溶融樹脂と強化繊維との混練体の強化繊維の分散性が不十分であっても、前記ミキシングヘッド(24)を通過する間に前記分散性が向上するが、この部分での分散性促進工程では、強化繊維が殆ど切断されない。
そして、このスクリュー(22)による圧縮比を４以下としたことから、前記強化繊維の切断機会が少なくなる。
【００１０】
また、スクリュー(22)の基端部から先端部にかけて３分された、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾーン(222) およびメータリングゾーン(223) のそれぞれの長さの比が１．５〜２．５：０．８〜１．５：１であり、スクリュー(22)の長さ（Ｌ）とスクリュー(22)の径（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が２０以上に設定されるので、フィードゾーン(221) の長さが比較的長く設定されているから、溶融の為のゾーンに於ける加圧及び剪断作用が少なくなる。従って、この工程での強化繊維の切断機会が一層すくなくなるから、溶融樹脂中の強化繊維を長い状態に維持できるという効果が一層向上する。
【００１１】
さらに、スクリュー(22)のフライト間ピッチがスクリュー(22)の径（Ｄ）に対して１〜１．３倍』に設定されるので、フライト間ピッチが広いために剪断のかかる時間が少なくなり、繊維長をより長く維持することが可能となる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂混錬用フルフライトスクリューによれば、スクリュー(22)部での強化繊維の切断機会が少なくなるから、繊維強化樹脂ペレット製造のための押出機用として用いた場合には、繊維長が長く、繊維の分散性も良好な繊維強化樹脂ペレットを得ることが可能となり、また射出機用として用いた場合には、射出時の溶融樹脂中の強化繊維長さが長く、分散性も良好な状態に維持することができる。
また、スクリュー(22)の先端にミキシングヘッド(24)を具備させたので、このミキシングヘッド(24)の部分で溶融樹脂中への強化繊維の分散性が促進されるから、スクリュー(22)に於ける混練作用を低下させる条件に設定しても、溶融樹脂中への強化繊維の分散性が確保出来ることとなる。
【００１３】
【実施例】
次に、上記した本発明の実施例を図面に従って詳述する。
図１に示す本発明の実施例のスクリュー式射出機(2) は、公知の一般的なスクリュー式の射出機と基本的には同じである。
また、スクリュー式射出機(2) 内のスクリュー(22)としてはフルフライトスクリューが採用され、先端にはチェックリング機構を具備するミキシングヘッド(24)が取り付けられている。スクリュー(22)の上流端の上方に樹脂投入口(21)が設けられ、これにホッパーが連設されている。
【００１４】
前記スクリュー(22)は、基端部から先端部にかけて、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾーン(222) 、メータリングゾーン(223) の３つのゾーンにこの順序で３分され、それぞれの長さの比はメータリングゾーン(223)の長さを基準にしてフィードゾーン(221)の長さが１．５〜２．５倍、好ましくは１．８〜２．３倍、コンプレッションゾーン(222)の長さが１．５〜０．８倍、好ましくは０．９〜１．３倍である。
【００１５】
また、これら各ゾーンの合計長さであるスクリュー(22)の長さ（Ｌ）は、スクリュー(22)の径（Ｄ）に対して２０倍またはそれ以上の長さに設定されることが好ましく、スクリュー(22)のフライトピッチはスクリュー(22)の径(D) に対して１〜１．３倍に設定されることが好ましい。そして、このスクリュー(22)の圧縮比は４以下、好ましくは３以下、特に２以下に設定されることが好ましく、また見掛けの剪断速度は１００ｓｅｃ−１以下、好ましくは５０ｓｅｃ−１以下に設定されることが好ましい。
【００１６】
この例においては、フィードゾーン(221) の溝深さは３２．８ｍｍに、メータリングゾーン(223) の溝深さは１９．３ｍｍに、コンプレッションゾーン(222) の溝深さはフィードゾーンの溝深さからメータリングゾーン(223)の溝深さになるようにテーパー状に設定され、Ｌ／Ｄは２５に、フィードゾーン(221) 、コンプレッションゾーン(222) 、メータリングゾーン(223) の各ゾーンの長さの比は２：１：１となるように設定されている。また、スクリュー(22)の径(D) は１４０ｍｍ、スクリュー(22)のフライトピッチは前記スクリュー(22)の径(D) の１．２倍に設定されている。
【００１７】
ここで、上記圧縮比は次式で与えられる。
圧縮比＝フィードゾーン(221)の溝深さ／メータリングゾーン(223)の溝深さ
また、みかけの剪断速度は次式で与えられる。
みかけ剪断速度＝πＤｎ／６０Ｈ
ただし、Ｄ：スクリュー(22)の直径(mm)
ｎ：スクリュー(22)の回転数(r.p.m) ， Ｈ：溝深さ(mm)
なお、前記スクリュー(22)はスクリュー駆動装置(25)により回転駆動されると共に、所定のタイミングで軸線方向に往復移動される。
【００１８】
ミキシングヘッド(24)は、スクリュー(22)の先端に続く貯留部に貯留された溶融樹脂と強化繊維との混練体を通過させると、多数の通過経路の交差と分離がくり返されて射出口に達するもので、前記通過経路の交差、分離のくり返しの間に溶融樹脂中への強化繊維の分散が促進されるものである。
上記構成の射出機を用いて、強化繊維（ガラス繊維）含有ポリプロピレン樹脂ペレット（商品名：セルストラン）を使用し、溶融状の強化繊維含有熱可塑性樹脂を成型部に射出供給して圧縮成型した場合、得られた製品中の強化繊維の平均長さは、従来の通常のフルフライトスクリューを採用した射出機を用いて同様に圧縮成型した場合の製品中の強化繊維の平均長さに比して、１．５〜２倍程度長く、大幅に繊維長さが長く維持される。
【００１９】
特に、上記スクリュー(22)と上記ミキシングヘッド(24)との組み合わせの場合、スクリュー(22)の先端に続く貯留部に達した溶融樹脂と強化繊維との混練体の強化繊維の分散性が不十分であっても、前記ミキシングヘッド(24)を通過する間に前記分散性が向上するが、この部分での分散性促進工程では、強化繊維が殆ど切断されないことが判明した。これにより、上記結果が得られたものと考えられる。
【００２０】
上記方法に変えて、樹脂投入口(21)の上方に熱可塑性樹脂投入部と強化繊維投入部とを別個に設けて、夫々を同時に投入する方法によって製作しても良い。
［実施例２］
図２、図３に示す実施例は、溶融押出機(1) から押し出された溶融樹脂を、上記実施例１のスクリュー式射出機(2) のスクリュー(22)上流端に樹脂投入口(21)から投入するようにしたものであり、前記溶融押出機(1) の溶融樹脂の吐出口(11)の近傍上方には長尺強化繊維(F) を一定長さの強化繊維(F1)(F1)に裁断する為のロービングカッター(3) が設けられる。そして前記強化繊維(F1)(F1)の落下経路が前記吐出口(11)から吐出され溶融樹脂が垂れ下がるように流下して投入される経路（以下、単に流下経路という）の上流端部で合流するように、前記ロービングカッター(3) の配設位置が設定されている。
【００２１】
以下前記装置各部について詳述する。
［溶融押出機(1) について］
溶融押出機(1) は、加熱筒(10)内にスクリュー(12)を設けたもので、前記スクリュー(12)の基端部の上方に開口させた供給口(13)からペレット状又はパウダー状の熱可塑性樹脂が投入される。
【００２２】
前記スクリュー(12)は回転駆動装置(121) によって回転されて供給口(13)より投入された熱可塑性樹脂を溶融押出機(1) の先端に設けた吐出口(11)に送り出す。この間に前記熱可塑性樹脂が加熱筒(10)からの加熱とスクリュー(12)の剪断作用による発熱とによって溶融される。
なお、前記吐出口(11)は、図３のように、水平方向に長い扁平な矩形状に設定されており、この断面形状の吐出口(11)からの単位時間当たりの吐出量は、スクリュー(12)の回転速度によって決定される。また、総吐出量は、スクリュー(12)の総回転量によって決定される。
【００２３】
また、前記吐出口(11)とスクリュー(12)との間には、シャットオフバルブ(16)が挿入されており、溶融樹脂の吐出時には、このシャットオフバルブ(16)は開放しており、溶融樹脂の吐出停止時に閉鎖される。
さらに、前記吐出口(11)とスクリュー式射出機(2) の上記樹脂投入口(21)との間には筒状の保護筒(14)が設けられ、この保護筒(14)の上端には、ロート状の投入口部(15)が形成され、この投入口部(15)の上方にロービングカッター(3) が配置されている。なお、前記保護筒(14)の断面の大きさは、吐出口(11)から吐出される溶融樹脂の断面よりも大きく設定されており、前記溶融樹脂と保護筒(14)の内面とは接触しない。
［ロービングカッター(3) について］
ロービングカッター(3) は、リールに巻き取られた多数本の長尺強化繊維(L)(L)を扁平に広げた状態で送り出すフィードロール(31)(31)と、これの出口側に設け且前記長尺強化繊維(L)(L)の移送幅よりも長いカッティングロール(32)とからなり、このカッティングロール(32)は、下方のフィードロール(31)に対して回転状態で対接する複数の刃を具備し、前記刃とフィードロール(31)とによって長尺強化繊維(F) が一定長さの強化繊維(F1)(F1)に裁断されるものである。従って、前記フィードロール(31)(31)による長尺強化繊維(F)(F)の移送幅に応じた範囲（前記移送幅よりもよりも少し広い範囲）に、強化繊維(F1)(F1)が分散して落下する。
【００２４】
そして、前記強化繊維(F1)(F1)の落下方向が上記投入口部(15)に向かうように、前記カッティングロール(32)の配設位置及び回転方向が設定されている。また、強化繊維(F1)(F1)の落下範囲と上記吐出口(11)から吐出されて流下する溶融樹脂(61)の幅とは略一致させている。
なお、前記カッティングロール(32)による切断長さはカッティングロール(32)に植設した刃の配列ピッチによって決定され、強化繊維(L1)の長さは３ｍｍ〜２０ｍｍに設定される。
【００２５】
この実施例では、長尺強化繊維(F) としては、1100tex のロービングガラス繊維の９本をフィードロール(31)(31)間に送り込み、繊維長１５ｍｍに裁断する様にしている。また、カッティングロール(32)からの強化繊維(F1)(F1)の落下量は３Kg/minに設定している。
［射出動作について］
上記実施例の装置による強化繊維含有熱可塑性樹脂の射出動作を以下に説明する。
【００２６】
上記装置を始動させると、溶融押出機(1) に熱可塑性樹脂（例えばポリプロリレン樹脂）が投入されて、溶融樹脂が吐出口(11)から吐出され始めるとロービングカッター(3) が始動し、溶融樹脂の吐出口(11)からの流下域に強化繊維(F1)(F1)が混入される。
この実施例のポリプロピレン樹脂とガラス繊維の場合、既述の１０Kg/minの供給速度で、ガラス繊維充填率３０WT％にしている。
【００２７】
そして、同時にスクリュー式射出機(2) の運転が開始されて、スクリュー駆動装置(25)及び往復駆動源(40)が駆動状態となる。これにより、投入口(21)に投入された溶融樹脂はスクリュー(22)によって先端側に移送される。この移送の間に強化繊維と溶融樹脂との混練が更に促進される。
なお、この時の圧縮比は４以下に設定され、みかけの剪断速度は１００sec−１以下に設定されていることから、従来のものに比べて、強化繊維の切断の度合いが少ない。
【００２８】
そして、スクリュー(22)によって移送される溶融樹脂の量が増えると、スクリュー(22)の先端側に溶融樹脂が貯留され、この貯留量に応じてスクリュー(22)が後退する。この貯留量が繊維強化樹脂製品の樹脂量との関係で決定される設定量になると、スクリュー駆動装置(25)による回転が停止されて、その後、スクリュー駆動装置(25)によりスクリュー(22)が軸線方向に押し出されて、成型金型内に前記貯留樹脂が射出される。
【００２９】
前記スクリュー(22)の回転停止と同時に回転駆動装置(121) の回転が停止され、ロービングカッター(3) の運転が停止される。従って、スクリュー(22)の停止状態で、溶融樹脂と強化繊維との混合体が投入口(21)に投入される動作が停止される。
なお、通常、溶融押出機(1) 内では、スクリューフィーダ(12)の回転を停止しても、吐出口(11)からの溶融樹脂の吐出動作が即座には停止されにくい。そこで、上記実施例のものでは、図２に示すように、保護筒(14)内に溶融樹脂の流下を遮断する為のシャッター(5) を設け、溶融押出機(1) の吐出口(11)の上流側近傍に設けたシャットオフバルブ(16)と同期的に作動させるようにしている。
【００３０】
そこで、溶融樹脂投入時には、前記シャットオフバルブ(16)及びシャッター(5) を開放し、スクリュー(22)の停止時に前記シャットオフバルブ(16)及びシャッター(5) を閉じる構成としてある。従って、スクリュー(22)の停止時に余分な、溶融樹脂が投入される不都合が解消される。
そして、溶融樹脂投入動作終了後に上記射出動作が終了して、スクリュー(22)が初期位置に復帰すると、シャットオフバルブ(16)及びシャッター(5) を開放して上記した一連の動作が繰り返されることとなる。
【００３１】
上記実施例の溶融押出機(1) の吐出口(11)は扁平な矩形状に設定されて、強化繊維(F1)(F1)の落下範囲と前記吐出口(11)から吐出される溶融樹脂の横幅とは略一致させているから、前記溶融樹脂に対して強化繊維(F1)(F1)が均一に分配付着されることとなる。したがって、上記一連の動作によって成型された繊維強化樹脂製品内の強化繊維の分散も均一になる。
【００３２】
因に、上記実施例のように、ポリプロピレン樹脂とガラス繊維の繊維強化樹脂製品を製造するものとし、１０Kg/minの供給速度、スクリュー(22)のフィードゾーン(221) の溝深さは３２．８ｍｍ、コンプレッションゾーン(222) の溝深さは３２．８ｍｍから１９．３ｍｍへのテーパー、メータリングゾーン(223) の溝深さは１９．３ｍｍに設定したフルフライトスクリューを採用し、圧縮比は１．７、みかけの剪断速度を５０ｓｅｃ−１に設定した、条件で成型したものでは、繊維強化樹脂製品内の平均強化繊維長さは３．５ｍｍ以上で、この強化繊維の分散度合いも良好であった。この場合の平均強化繊維長さは既述従来の方法によるものよりも長く、しかも、分散性も大幅に向上している。
【００３３】
尚、上記実施例では、本発明のフルフライトスクリューを射出機に採用する場合を例に説明したが、押出機にも利用出来ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の説明図
【図２】  上記射出機を用いた射出装置の他の例の説明図
【図３】  溶融押出機(1) の吐出口(11)とロービングカッター(3) との関係を示す正面図
【符号の説明】
(2) ・・・スクリュー射出機
(21)・・・樹脂投入口
(22)・・・スクリュー
(L1)・・・強化繊維
【図１】
0003786981.tif 000002
【図２】
0003786981.tif 000003
【図３】
0003786981.tif 000004