JP3317357B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂成形材 - Google Patents

繊維強化熱可塑性樹脂成形材

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/40Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/50Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of indefinite length, e.g. prepregs, sheet moulding compounds [SMC] or cross moulding compounds [XMC]
    • B29C70/52Pultrusion, i.e. forming and compressing by continuously pulling through a die

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樹脂成形材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】熱可塑性樹脂を強化繊維間に含浸した繊
維強化樹脂成形材が種々市販されている。しかし、これ
らは一般的に含浸工程と賦形工程が連続している場合が
多い。このような場合では成形できる成形品の形状が限
定され、生産性効率の面より好ましくなく、また、一般
に熱可塑性樹脂の溶融粘度が高いため必ずしも良好な含
浸性が得られていない。繊維強化樹脂成形材を連続させ
ずに新たな成形品を成形する際においては現在のところ
複雑な含浸・賦形装置が必要となる。また、複雑な含浸
・賦形装置を用いても熱可塑性樹脂の溶融粘度が高いこ
とから必ずしも良好な含浸性が得られていないのが現状
であり、これらは得られる成形品の品質面からまた、生
産性効率の面からも好ましいことではない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記事情を考
慮してなされたものであり、その目的は予め良好な含浸
性を有するテープ状物を用いることにより更に含浸性を
上げ、且つ様々な形状への適用が可能な柔軟性に富んだ
加工性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形材を提供する
ことにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成は、実質的にテープ状物の軸方向に沿っ
て一方向に配列した強化繊維を下記に定義する空隙率8
%以下にまで熱可塑性樹脂で含浸されてなるテープ状物
を1ないし複数本用いて該テープ状物を加熱溶融させた
後、下記の収束比にて該テープ状物を収束して得られる
繊維強化熱可塑性樹脂成形材である。 R≦0.98 R=S1/(S2×N) ここで、R :収束比(−) S1 :繊維強化熱可塑性樹脂成形材の断面積(mm2) S2:テープ状物一本当りの断面積(mm2) N :テープ状物供給本数(−) また、このようにして得られる繊維強化熱可塑性樹脂成
形材の空隙率は5%以下であり、これを用いて棒状、球
状、管状等の形状に賦形し該成形材を直接成形品として
用いることも可能である。また、該成形材をアスペクト
比1.5〜600にカットして他の成形に用いることも
可能である。尚、空隙率は、下記の方法により測定した
ものであり、つまり、テープ状物もしくは繊維強化熱可
塑性樹脂成形材をカットした後水に浸漬しその前後での
重量変化より算出した値である。 測定方法: テープ状物もしくはテープ状物から成形した繊維強化
熱可塑性樹脂成形材を所定の長さ(20〜30mm)に
カットし、まず、水に浸漬する前の重量を測定する(2
〜3g分採取)。次に、ビーカー等に水を入れてお
き、それに上記材料を漬け、真空乾燥機に入れ、常温で
10分真空状態に保つ。もし、テープ状物やテープ状物
から成形した繊維強化熱可塑性樹脂成形材の中に空隙が
あれば、真空に保たれることにより、空隙に水が浸透す
る。その後、水から測定物を取り出し、すみやかに表
面に付着した水分をふき取り、重量を測定する。これ
が、水浸漬後の重量となる。水浸漬後の重量から、水
浸漬前の重量を差し引きく。この重量が、空隙に入った
水の重量である。下記式により空隙率を求める。 空隙率(%)=(水浸漬後の材料の重量−水浸漬前の材料の重量)×100/水 浸漬前のテープ重量
【0005】以下本発明について図面に基づいて詳細に
説明するが、下記図面は本発明を何ら限定するものでは
ない。本発明で用いるテープ状物の構成として、その強
化繊維はガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、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
げられる。また、熱可塑性樹脂としては、ナイロン6、
ナイロン6.6等のポリアミド樹脂、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
テル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレ
フィン樹脂、また、ポリカーボネート、ポリエーテルイ
ミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン
等が挙げられる。強化繊維および熱可塑性樹脂は特に限
定されるものではない。
【0006】テープ状物中の強化繊維の含有率は20〜
80容量%が好ましい。強化繊維が20容量%以下の場
合には強化効果が有効に発揮できず、また80容量%を
越えると強化繊維に樹脂が十分に含浸せず、所望の空隙
率以下にならず好ましくない。
【0007】また、テープ状物空隙率は8%以下であ
り、6%以下が更に好ましい。空隙率が8%より大きい
場合ではテープ状物中の空気が抜け難く、溶融収束後に
得られる繊維強化熱可塑性樹脂成形材中の空隙率が下が
り難く、そのまま成形品として用いる場合や再度他の成
形に用いる場合において物性の低下が発生し好ましくな
い。また、該テープ状物はその断面形状、寸法により何
ら制限されるものではない。
【0008】本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形材を得
るための方法の一例としての概略図を図1に示した。こ
れはクリールからテープ状物を供給し、加熱装置として
赤外線ヒーターによる輻射加熱にてテープ状物を溶融さ
せ、水中で収束・賦形させるものである。この際の加熱
方法としては輻射加熱の代わりに接触加熱、対流加熱を
用いることも可能である。その後適切な簡易な収束・賦
形ダイを用いて賦形する。この際収束・賦形ダイの代わ
りにロールを用いてもよい。
【0009】この際、テープ状物を収束させる際の収束
比が重要となる。その収束比は用いるテープ状物断面積
の総計に対する溶融収束後の繊維強化熱可塑性樹脂成形
材の断面積比で規定され、この比が0.98以上ではテ
ープ状物中もしくはテープ状物間の空気を除去すること
が難しく好ましくない。収束比の調整は例えば図1に示
される収束・賦形ダイ5の入口および出口のノズル系を
適宜設計することにより容易に行うことができる。尚、
収束比の下限は特に限定されないが実用上は0.5程度
以上である。この収束比が1よりも小さいと言うこと
は、前述のようにテープ状物間の空気を除去するだけで
なく、テープ状物中に含まれるボイド(空気)をも除去
する効果があることを示し、テープ状物の空隙率が8%
程度であっても最終的に得られる繊維強化熱可塑性樹脂
成型物の空隙率が5%以下になるという効果を生み出
す。この効果のメカニズムの詳細は不明であるが、もと
もとボイドの少ない物を溶融し、上述のようなノズル等
で絞ることによりノズルの中で樹脂に圧力がかかり、更
にボイドを除去するためと考えられる。また、収束比の
下限が実用上0.5以上であるというのは、テープ状物
が事実上完全な矩形ではなく、楕円、もしくはこれに類
する形状であるため、幅をノギス、厚みをマイクロメー
ターで測定し、矩形を仮定して求めた断面積と異なるた
めと考えられる。
【0010】このようにして溶融収束させたテープ状物
を図1中においては水中にて収束・賦形しているが、こ
の収束・賦形工程は空気中にても可能である。また、図
1のようにして得られた繊維強化熱可塑性樹脂成形材は
そのまま棒状物として用いることが可能であり、また、
得られた棒状物を一定長さにカットし他の成形方法、例
えば射出成形、圧縮成形などに用いることが可能であ
る。
【0011】この際のアスペクト比としては1.5〜6
00が好ましい。1.5以下ではカット時に繊維強化熱
可塑性樹脂成形材の端部が乱れ、例えば射出成形に用い
ると強化繊維の破損が大きく物性低下が発生するため好
ましくない。また、600以上では他の成形法例えば圧
縮成形などに用いる際、金型内への投入時等の取扱性が
低下し好ましくない。
【0012】また、賦形ダイを交換することにより複雑
断面形状のものを作製することも可能である。得られる
繊維強化熱可塑性樹脂成形材の空隙率は5%以下が好ま
しい。5%以上ではそのまま成形品として用いることは
可能ではあるが欠陥等による物性の低下が生じるため好
ましくない。また、再度他の成形に用いる場合において
も強化繊維の破損による物性低下を招くため好ましくな
い。
【0013】また、本発明はフィラメントワインディン
グ、テープレーイング等に適用することも可能である。
この際にはテープ状物を溶融・収束後に適切なマンドレ
ルを設置、もしくはテープレイヤーを設置することによ
り可能となる。
【0014】
【発明の効果】本発明は以上のような構成からなり、予
め含浸されたテープ状物を用いるため含浸性が良好で且
つその賦形は極めてシンプルに行うことができる。更に
その用途も幅広く、様々な形状に適用することが可能で
ある。
【0015】
【実施例】以下に本発明を実施例により説明するが本発
明はこれらに何ら限定されるものではない。 実施例1 単糸直径13μmで1600本のモノフィラメントから
なるE−ガラス繊維に40容量%のポリプロピレンを溶
融含浸法により含浸させた空隙率5%、幅3mm、厚み
0.3mmのテープ状物を用いた。このテープ状物を図1
のように5本供給し15m/min の速度にて上下より赤
外線ヒーターで輻射加熱し溶融させたのち収束比0.8
5となるように水中にて収束・賦形ロールを用いて収束
・賦形し、これを引き取ることにより直径2mmのロッド
状繊維強化熱可塑性樹脂成形材を得た。該棒状物の空隙
率は1.3%であり且つ曲げ強度は105kg/mm2と良
好であった。
【0016】実施例2 実施例1と同様のテープ状物および溶融方法にて収束比
0.90にて賦形ダイをT字型に変更しT字の各辺の幅
1mm、縦横各々1.35mmの繊維強化熱可塑性樹脂成形
材を作製した。得られたT字型棒状物の空隙率は0.2
%と低く、含浸性や賦形性も良好であった。
【0017】実施例3 実施例1と同様の条件にて得られた棒状物を10mmにカ
ットしポリプロピレンペレットと混ぜ、強化繊維容量含
有率を40%とし射出成形した。得られた成形品の曲げ
強度は1900kg/mm2 、アイゾット衝撃値は28.1
kg・cm/cmと良好な機械特性を示した。
【0018】実施例4 実施例1と同様の条件にて得られた棒状物2本を300
mmにカットしマッチドダイ中に供給後プレス機により圧
力を負荷することにより幅10mm、厚み2.5mmの棒を
圧縮成形にて作製した。このときの金型の温度は210
℃、加えた圧力は2kg/cm2 であった。この棒の曲げ強
度は115kg/mm2 と極めて良好であった。
【0019】実施例5 実施例1と同様のテープ状物を用いて図2に示すような
フィラメントワインディングを行い収束比0.95にて
5m/min の速度で巻取った。加熱空気10の温度は2
80℃、マンドレル9および圧力ローラ8に最初に接触
する部分の表面材料温度は210℃であった。なおマン
ドレルは160℃に加熱されている。こうして表面が平
坦で且つ空隙率0.1%と、よく含浸された直径20m
m、長さ100mm、厚み3mmの管状物を得た。
【0020】比較例1 実施例1と同サイズのテープ状物で空隙率のみ10%の
ものを実施例1と同様の方法にて直径2mmの棒状繊維強
化熱可塑性樹脂成形材を得た。該棒状物の空隙率は9.
5%であり且つ曲げ強度は62kg/mm2 と低い物性であ
った。
【0021】比較例2 実施例1と同様のテープ状物および供給本数、溶融方法
・条件にて収束比1.0となるよう賦形ダイを直径約
2.4mmとし棒状物を作製した。得られた棒状物の空隙
率は10.9%であり且つ該ロッド状物の曲げ強度は5
9kg/mm2 と低い物性であった。
【図面の簡単な説明】
【図1】繊維強化熱可塑性樹脂成形材の作製装置概略図
の一例である。
【図2】フィラメントワインディング装置の概略図の一
例である。
【符号の説明】
1 クリール 2 テープ状物 3 ガイド 4 加熱装置 5 収束・賦形ダイ 6 水 浴 7 引き取り機 8 繊維強化熱可塑性樹脂成形材 9 圧力ローラ 10 マンドレル 11 加熱空気
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B29C 70/00 - 70/88 B29B 11/00 - 11/16 B29B 15/00 - 15/14 C08J 5/00 - 5/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】実質的にテープ状物の軸方向に沿って一方
    向に配列した強化繊維が本文中に定義する空隙率8%以
    下にまで熱可塑性樹脂で含浸されてなるテープ状物を1
    ないし複数本用いて該テープ状物を加熱溶融させた後、
    下記の収束比にて該テープ状物を収束して得られること
    を特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形材。 R≦0.98 R=S1 /(S2×N) ここで、R :収束比(−) S1 :繊維強化熱可塑性樹脂成形材の断面積(mm2) S2 :テープ状物一本当りの断面積(mm2) N :テープ状物供給本数(−)
  2. 【請求項2】 繊維強化熱可塑性樹脂成形材の空隙率が
    5%以下であることを特徴とする請求項1記載の繊維強
    化熱可塑性樹脂成形材。
  3. 【請求項3】 繊維強化熱可塑性樹脂成形材が板状、棒
    状、球状、管状等の形状を有することを特徴とする請求
    項1ないし2記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形材。
  4. 【請求項4】 繊維強化熱可塑性樹脂成形材をアスペク
    ト比1.5〜600にカットして得られることを特徴と
    する請求項1ないし2記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形
    材。
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