JP3241435B2

JP3241435B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂複合材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP3241435B2
Application number: JP16467992A
Authority: JP
Inventors: 良誠高橋; 俊明北洞
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH06817A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱可塑性樹脂をマトリッ
クスとする繊維強化複合材料および成形材料に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】従来、熱硬化性樹脂をマトリックスとする
繊維強化複合材料が各種の成形材料等に主に使用されて
いた。しかし、靭性、貯蔵性、リサイクル性の観点から
熱可塑性樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材料が
注目され、近年盛んに開発されている。しかしながら、
熱可塑性樹脂は一般に溶融粘度が高く、強化繊維への含
浸が困難であるため、種々の方法が開発されつつある。
例えば、熱可塑性樹脂を繊維化し、強化繊維と均一に混
合した混繊糸法や、熱可塑性樹脂粉末を、強化繊維間に
分散させる方法がある。しかし、これらの場合、成形時
に熱可塑性樹脂を溶融含浸させる必要があり、比較的、
成形時間が長く、成形圧力を高くする必要が生じる。

【０００３】一方、直接溶融熱可塑性樹脂で含浸する方
法も種々開発されている。この場合、樹脂を押出機で溶
融し、ダイに供給し、その中で強化繊維に含浸させるた
め、ダイの中に突起を設けたり、あるいは、ピンを設け
それに強化繊維を沿わせ、しごいて含浸させる方法があ
る。しかし、溶融樹脂の粘度が高いため含浸した繊維強
化複合材料の引き取り張力が高くなり、生産速度の向上
が困難となる。そのため、熱可塑性樹脂の溶融粘度を低
下させ含浸を容易にすると同時に引き取り張力を低くす
る方法等が併用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の、ダイ内含浸に
おいて、マトリックスに難燃剤、帯電防止剤、離型剤、
潤滑剤、結晶化促進剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱
安定剤、顔料等の添加剤を加え種々のグレードを揃える
には、また、強化繊維の含有率を変えたグレードを揃え
るには、押出機及びダイの洗浄または、ダイの交換や、
ダイ出口の賦形ダイの交換が必要となり、稼動率が低下
し生産性が悪化する。一方、溶融粘度を低下させた場合
には、含浸が容易になり、生産性も向上するが、得られ
た繊維強化複合材料としての物性が低下しやすい問題点
がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
鋭意研究した結果、本発明を完成するに至った。すなわ
ち本発明は、連続強化繊維に第１の熱可塑性樹脂を含浸
した、偏平率５以上のテープ状繊維強化熱可塑性樹脂複
合材料を１本以上集束したものを、第１の熱可塑性樹脂
と実質的に同一の第２の熱可塑性樹脂により被覆一体化
することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂複合材料で
あり、また、前記繊維強化熱可塑性樹脂複合材料におい
て、第１の熱可塑性樹脂の分子量が第２の熱可塑性樹脂
の分子量より低いことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹
脂複合材料であり、さらに、前記繊維強化熱可塑性樹脂
複合材料において、第１の熱可塑性樹脂には特に添加剤
を含まず、第２の熱可塑性樹脂中に添加剤を含むことを
特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。さら
に連続強化繊維に第１の熱可塑性樹脂を含浸し、偏平率
５以上のテープ状繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を製造
し、そのテープを１本以上集束した後、第１の熱可塑性
樹脂と実質的に同一の第２の熱可塑性樹脂により被覆一
体化することを特徴とする前記の繊維強化熱可塑性樹脂
複合材料の製造方法である。

【０００６】以下本発明を詳細に述べる。本発明に用い
られる強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラ
ミド繊維、セラミックス繊維、金属繊維、ポリベンゾチ
アゾールやポリベンゾオキサゾールなどから成る複素環
含有ポリマーから得られる繊維等の連続繊維が挙げら
れ、これらを、２種以上併用して用いてもよく、さらに
は、用いる熱可塑性樹脂との接着を良くするための表面
処理がなされていることが好ましい。また、これらの強
化繊維の本数は、１ストランドあたり、５０〜２０００
０本、好ましくは２００〜１２０００本である。一方、
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、およびその共重合体や変性体を含むポリオレフィン
系、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２等のポリ
アミド系、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレン
テレフタレート等のポリエステル系、ポリカーボネー
ト、熱可塑性ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリ
フェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン等が挙げ
られる。補強繊維および熱可塑性樹脂は特にこれらに限
定されない。

【０００７】連続強化繊維に第１の熱可塑性樹脂を含浸
する方法は、公知の種々の方法を用いることができる。
例えば、図１に示すような凸状ダイと直線ダイを組み合
わせた例が効率的な含浸に有効である。この場合、連続
的に強化繊維を凸状ダイに供給し、凸状ダイで強化繊維
に部分的に樹脂を含浸させ、その後直線ダイで更に含浸
をさせるものである。またその後に、さらに含浸を良く
するための、ロール等の圧縮手段等を設けても良い。こ
の場合の含浸状態は良好なほうが好ましいが、完全でな
くとも良い。含浸状態の評価としては、得られた含浸物
を１０mm程度の長さに切断し、水に浸漬し、浸漬前後の
重量増加比で評価するのが簡便で好ましい。この評価法
で測定した値を空隙率と呼び、その値が１５％以下が好
ましく、より好ましくは８％以下である。この値が１５
％をはるかに越えると、最終的に得られる複合材料の物
性が低く好ましくない。１５％前後であれば、第２の熱
可塑性樹脂で被覆一体化する際に若干含浸が向上し、問
題のないレベルになる。このように含浸した繊維強化熱
可塑性樹脂複合材料は、偏平率５以上のテープ状が良
い。この様な形状であれば、取扱い性、含浸性に優れる
からである。とくに、巻取りが容易であり、保存時にス
ペース効率が良いと共に次工程に供しやすくなる。ここ
で、偏平率とは、テープの幅／厚さである。また、テー
プの幅は好ましくは１〜３０mm、より好ましくは２〜１
５mmである。この偏平率、および幅の範囲をはずれると
巻取りが困難となるか、もしくは、巻取り量が制限さ
れ、次工程での第２の熱可塑性樹脂の被覆一体化が効率
良く行いにくい。さらに、このテープ状繊維強化熱可塑
性樹脂複合材料の強化繊維含有率は、好ましくは５０〜
８０体積％、より好ましくは６０〜７５体積％である。
ここでの繊維含有率は高い方が好ましく、後の第２の熱
可塑性樹脂の被覆一体化により、容易に所望の繊維含有
率とすることができる。このテープ状繊維強化熱可塑性
樹脂複合材料の強化繊維含有率が５０体積％より少ない
と、後の第２の熱可塑性樹脂の被覆一体化により、強化
繊維含有率の変更の自由度が減り、全体として強化繊維
含有率の低い物しか得られない。一方、８０体積％を超
えると、強化繊維を均一に含浸できず良いものが得られ
ない。一方、第１の熱可塑性樹脂は第２の熱可塑性樹脂
より分子量が低く、すなわち溶融粘度が低く含浸性に優
れるのが好ましい。また、第１の熱可塑性樹脂は、強化
繊維との接着性に優れるように、変性された物を用いる
こともできる。例えば、熱可塑性樹脂として、ポリプロ
ピレンを用いる場合、第１の熱可塑性樹脂はポリプロピ
レンをマレイン酸変性した物を用い、一方、第２の熱可
塑性樹脂に第１のポリプロピレンより分子量が高く、す
なわち溶融粘度が高く、ホモのポリプロピレンを用いる
様な場合をも含む。さらに第２の熱可塑性樹脂には、目
的に応じて難燃剤、帯電防止剤、離型剤、潤滑剤、結晶
化促進剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、顔料
等の添加剤を加えることができる。この場合、第１の熱
可塑性樹脂には添加剤を特に含まないのが好ましい。な
ぜならば、あらかじめ第１の熱可塑性樹脂で含浸した、
同一グレードのテープ状繊維強化熱可塑性樹脂複合材料
を高速度で生産し、ストックを持っておき、第２の熱可
塑性樹脂を被覆一体化することにより各種の機能を付与
した繊維強化熱可塑性複合材料を高速度で効率よく生産
することができるからである。

【０００８】このような、第２の熱可塑性樹脂を、第１
の熱可塑性樹脂で含浸したテープ状繊維強化熱可塑性樹
脂複合材料に被覆一体化する手段としては、例えば、通
常の押出機の先端に電線被覆用のダイを取付け、該ダイ
にテープを１本、好ましくは２本以上、所望本数集束さ
せたテープ状繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を供給し、
第２の熱可塑性樹脂で被覆一体化する方法が挙げられ
る。ここで、テープの集束本数は所望断面積にあうよう
供給することが好ましい。この際、第２の熱可塑性樹脂
の量と最終繊維含有率を考慮して、断面積を決定する必
要がある。最終繊維含有率は、該ダイの出口賦形ノズル
の断面積でコントロールでき、また、最終形状も、丸、
角、異形等出口賦形ノズルの形状でコントロールでき
る。この様に被覆一体化する工程は、含浸工程に比べは
るかに簡便であり、かつその加工速度は非常に速く行う
ことが可能である。また、ここで得られた複合材料の空
隙率は、好ましくは１０％以下、より好ましくは８％以
下である。このようにして得られた繊維強化熱可塑性樹
脂複合材料は、例えば、コンクリート補強筋や、ジオグ
リッド、テンションメンバー等に用いることができ、一
方、５〜１００mm程度に切断して射出成形や、圧縮成形
の材料としても供することができる。

【０００９】

【作用】本発明によれば、例えば第１の熱可塑性樹脂で
含浸したテープ状繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を同一
グレード、すなわち添加剤を特に含まない樹脂を用い
て、繊維含有率が５０〜８０体積％の高いものを大量に
生産しストックしておく。これにより、含浸ダイでの樹
脂切り替えや、繊維含有率切り替えをすることなく、多
目的・多品種の繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の生産が
効率よくおこなえる。しかも、この工程において、完全
含浸していなくても良く、そのため、比較的生産速度を
向上させ易い。また、テープ状であるため、巻取ること
が可能であり、次工程に供し易くかつ、保管に場所をと
らない。その後、上記テープを第２の熱可塑性樹脂で被
覆一体化する際に添加剤を加えることやまた、繊維含有
率を変えることが簡便に行え、多種のグレードに対応で
きる。また、付随効果として、得られた複合材料表面の
毛羽等をなくし、表面性をよくすることが可能である。
しかも、この工程は被覆一体化するためであるので、加
工速度を飛躍的に向上させることが可能である。さらに
は、この工程において、賦形ダイを通過させることによ
り、多少なりとも含浸が向上すると同時に、得られる複
合材料中の強化繊維の分散も良好となる。ただし、これ
らは、被覆一体化の加工速度、被覆ダイ内の圧力等に依
存するものであり、要求される複合材料の特性に合わせ
て条件を決定するのが好ましい。

【００１０】さらに、本発明では、第１の熱可塑性樹脂
として分子量の低い、すなわち、溶融粘度の低い樹脂を
用いることができると同時に、強化繊維との接着性に優
れる樹脂を用いることができる。このことにより、含浸
をよりすばやく行うことが可能となり、含浸工程の生産
速度を向上できる。さらに、強化繊維との接着性も優れ
る。しかも、第１の熱可塑性樹脂より高分子量の、第２
の熱可塑性樹脂により被覆一体化するため、複合材料と
しての物性を満足のゆくレベルに保つことが可能であ
る。

【００１１】

【効果】本発明によれば、種々の機能を有する繊維強化
熱可塑性樹脂を高速度で効率よく生産することができ、
特に多品種、少ロットの生産に極めて迅速に対応でき
る。また、各々の工程が比較的高生産速度で行えるの
で、全体としての効率の向上が行える。さらに、得られ
た複合材料としての物性も高いものが得られる。

【００１２】

【実施例１】強化繊維として、単糸径１７μ、フィラメ
ント本数２０００本、１１５０テックスであり、アミノ
シラン及び、変性オレフィン処理が施されたガラス繊維
を用いた。第１の熱可塑性樹脂として、０．２重量％マ
レイン酸変性されたポリプロピレンを用いた。このポリ
プロピレンの、メルト・フロー・インデックス（ＭＦ
Ｉ）は６０ｇ／１０分（ＡＳＴＭＤ−１２３８）であ
る。上記ガラス繊維ストランド１本を図１及び図２に示
すようなダイを用いて含浸し、幅３．８mm、厚さ０．２
mm、繊維含有率６０体積％、のテープを６０ｍ／分の速
度で製造し巻取った。得られたテープの偏平率は１９、
空隙率は８％であった。第２の熱可塑性樹脂として、第
１の熱可塑性樹脂より高分子量のホモのポリプロピレン
（ＭＦＩ＝１０ｇ／１０分）を用い、図３に示すような
電線被覆用ダイを用いて、上記テープを２本被覆一体化
し、繊維含有率２０体積％（４０重量％）の直径約２．
５mmの棒状体を得た。被覆一体化の加工速度は１５０ｍ
／分で行い、得られた複合材料の空隙率は５％であっ
た。この棒を１０mm長さに切断しペレットを得た。この
ペレットを射出成形に供した。成形機は型締め力１００
トン、スクリュー直径３２mm、Ｌ／Ｄが２１．６、圧縮
比（深さ比）が２．２６を用いた。得られた成形品をＡ
ＳＴＭに従い評価を行った。アイゾット衝撃値は４８kg
・cm／cmであった。

【００１３】

【実施例２】実施例１で得られたテープにおいて、第２
の熱可塑性樹脂として０．２重量％カーボンブラックを
ドライブレンドしたＭＦＩ＝１０ｇ／１０分のポリプロ
ピレンを用い実施例１と同様に被覆一体化した。実施例
１と同様に射出成形を行ったところ成形品に色斑はなか
った。

【００１４】

【比較例１】実施例１と同様にしテープの代わりに偏平
率１．０直径１mmの線材を得た。しかし、この線材は巻
くことが困難なため、多量に製造しストックすることが
不可能であった。

【００１５】

【比較例２】実施例１のガラス繊維を２本、含浸ダイの
中に直径１０mmのピンを３本セットしたダイに通し、含
浸を行った。熱可塑性樹脂として、０．２重量％マレイ
ン酸変性されたＭＦＩ＝１０ｇ／１０分のポリプロピレ
ンを用いた。製造速度は１０ｍ／分が限界であり、これ
以上速度を上げるとガラス繊維が切断した。製造速度を
１０ｍ／分とし、強化繊維含有率を２０体積％（４０重
量％）になるようにし、直径２．５mmの棒状複合材料を
得た、この複合材料の空隙率は１７％であり表面にかな
りの毛羽がみられた。これを長さ１０mmに切断し、実施
例１と同様に射出成形を行い評価した。しかし、成形時
に毛羽によりホッパーにてブリッジを形成し成形しにく
く、また計量時間（可塑化時間）に実施例１の約２倍の
２５秒所要した。得られた成形品のアイゾット衝撃値
は、３２kg・cm／cmであった。

【００１６】

【比較例３】比較例２の樹脂をＭＦＩ＝６０ｇ／１０分
にした以外は比較例２と同様に行った。製造速度は２０
ｍ／分まで可能であった。得られた複合材料の空隙率は
６％であった。表面の毛羽は比較例２よりかなり少な
く、射出成形は問題なくできた。得られた成形品のアイ
ゾット衝撃値は３０kg・cm／cmであった。

【００１７】

【比較例４】実施例１において、第１の樹脂をＭＦＩ＝
１０ｇ／１０分の０．２重量％マレイン酸変性されたポ
リプロピレンを用い、第２の樹脂としてＭＦＩ＝６０ｇ
／１０分のホモのポリプロピレンを用いた以外、実施例
１と同様に行なった。テープでの空隙率は１９％であ
り、丸棒の複合材料の空隙率は１６％であった。射出成
形の結果は、アイゾット衝撃値で２７kg・cm／cmであっ
た。これは、含浸が悪いため、射出成形時のスクリュウ
によりガラス繊維が破損したためと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の熱可塑性樹脂を含浸するダイの
形態を示す一実施例の略式図である。

【図２】本発明の第１の熱可塑性樹脂を含浸する工程の
一実施例の各装置の略式図である。

【図３】本発明の第２の熱可塑性樹脂でテープを被覆一
体化する工程の一実施例の各装置の略式図である。

【図４】本発明の複合材料の概略をしめす断面模式図で
ある。

【符号の説明】

１含浸ダイ２凸状ダイ３直線ダイ４出口ノズルブロック５樹脂吐出口６出口ノズル７押出機８強化繊維ボビン９開繊バー１０圧縮冷却ニップロール１１引き取り機１２ワインダー１３ガイドロール１４第１の熱可塑性樹脂で含浸されたテープ１５第１の熱可塑性樹脂で含浸されたテープを巻いた
もの１６第２の熱可塑性樹脂でテープを被覆一体化するダ
イ１７冷却用水槽１８ペレタイザー１９ペレット２０強化繊維３０熱可塑性複合材料４０第１の熱可塑性樹脂５０第２の熱可塑性樹脂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29B 11/16 B29B 15/08 - 15/14 B29C 70/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】連続強化繊維に直接溶融含浸法にて第１の
熱可塑性樹脂を含浸した、扁平率５以上のテープ状繊維
強化熱可塑性樹脂複合材料を１本以上集束したものを、
第1の熱可塑性樹脂と実質的に同一の第２の熱可塑性樹
脂により被覆一体化することを特徴とする繊維強化熱可
塑性樹脂複合材料。
【請求項２】第１の熱可塑性樹脂の分子量が第２の熱
可塑性樹脂の分子量より低いことを特徴とする請求項１
記載の繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項３】第１の熱可塑性樹脂には特に添加剤を含ま
ず、第２の熱可塑性樹脂中に添加剤を含むことを特徴と
する請求項１又は２記載の繊維強化熱可塑性樹脂複合材
料。
【請求項４】連続強化繊維に第１の熱可塑性樹脂を含浸
し、扁平率５以上のテープ状繊維強化熱可塑性樹脂複合
材料を製造し、そのテープを１本以上集束した後、第１
の熱可塑性樹脂と実質的に同一の第２の熱可塑性樹脂に
より被覆一体化することを特徴とする請求項１〜３いず
れか１項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造
方法。