JP3333448B2 - 長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材及びその製造方法 - Google Patents

長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材及びその製造方法

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JP3333448B2 JP10463098A JP10463098A JP3333448B2 JP 3333448 B2 JP3333448 B2 JP 3333448B2 JP 10463098 A JP10463098 A JP 10463098A JP 10463098 A JP10463098 A JP 10463098A JP 3333448 B2 JP3333448 B2 JP 3333448B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガラス長繊維に熱可塑
性樹脂を含浸させた長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合
基材及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】繊維強化熱可塑性樹脂(FRTP)の成
形材料として、連続ガラス繊維に熱可塑性樹脂の繊維あ
るいは粉体を組み合わせた成形用プリプレグが知られて
いる。しかし、この成形用プリプレグは、一般に後工程
において熱可塑性樹脂を溶融しプレスするときに、樹脂
をガラス繊維に含浸させるものであるため、ガラス繊維
に完全に含浸させることが困難であり、ガラス含有率が
不均一なものとなりやすいという欠点があった。
【0003】一方、連続ガラス繊維に熱可塑性樹脂を溶
融含浸させた複合材が、Long FiberCompound (以下L
FCと略す)として知られており、このLFCの切断物
と樹脂ペレットとを適宜割合で配合し、射出成形機で成
形することにより、FRTPを作ることも行われてい
る。この方法では、LFC中のガラス繊維に予め樹脂が
含浸されているので、成形時における樹脂含浸性も上記
に比べて良好になる。
【0004】LFCの製造方法として、本出願人による
特開平6−23742号には、モノフィラメントの重な
り度が所定値以下であるガラス繊維ストランドを複数本
引き揃えて樹脂含浸用槽に送り込み、溶融した樹脂をガ
ラス繊維に含浸させた後、所定の内径のノズルから引き
抜いて成形する方法が開示されている。
【0005】また、同じく本出願人による特開平6−1
14830号には、ガラス溶融炉から引き出された多数
本のモノフィラメントを、スプリッタにより複数本のガ
ラス繊維ストランドに分けて集束し、これら複数本のガ
ラス繊維ストランドを並列させてスパイラルワイヤーに
より巻き取り、こうして得た回巻体(ケーキ)から引き
出された複数本のガラス繊維ストランドを樹脂含浸用槽
に送り込み、上記と同様にノズルから引き抜き成形する
方法が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
6−23742号に示されるように、複数本のガラス繊
維ストランドを引き揃えて樹脂を含浸させ、ノズルから
引き抜く場合、あるいは特開平6−114830号に示
されるように、スプリット(分繊)したガラス繊維スト
ランドに樹脂を含浸させ、ノズルから引き抜く場合に
は、次のような問題点があった。
【0007】すなわち、図2(a)に示すように、複数
本のガラス繊維ストランドを引き揃えたもの又はスプリ
ット(分繊)したガラス繊維ストランドSは、個々のス
トランドの長さが揃わずに部分的に長くなったものS1
等が生じやすい。このようなストランドSをノズルNに
通して引き抜くとき、同図(b)に示すように、上記長
くなったものS1がノズルNでしごかれてループとな
り、部分的にガラス含有率が著しく高くなり、繊維の切
断が起こってノズルから引き抜くことが困難となる。
【0008】また、図3に示すように、例えば3本のス
トランドS1〜S3をノズルNに通すとき、各ストラン
ドS1〜S3は、ケーキへの巻き取り時等に扁平化し
て、断面が扁平又は楕円に近い形状になる傾向がある。
このため、同図(a)に示すように、各ストランドS1
〜S3が扁平な方向に整列した場合は、ノズルNを通り
易くなるが、同図(b)に示すように、そのうちの1つ
のストランドS3が横になったりすると、ノズルNから
はみ出して入りにくくなり、引き抜きが困難となること
がある。
【0009】このため、従来の方法では、ガラス含有率
を高くしようとすると、ガラス繊維のノズルでの詰まり
が生じやすく、生産性が低下してしまうと共に、得られ
たLFCの外周にささくれ状の毛羽を生じやすいという
問題があった。
【0010】また、従来の方法で得られたLFCは、直
径が太く、剛性が高いため、射出成形時に中心部まで熱
が伝わるのに時間がかかり、ホッパー下付近での機械的
な剪断力を強く受け、結果として繊維がより多く破断
し、残存繊維長が短くなって十分な補強効果が得られな
いという問題があった。
【0011】したがって、本発明の目的は、ガラス含有
率が高く、外周の毛羽が少なく、柔軟性があって、射出
成形時の残存繊維長が長く、十分な補強効果が得られる
ようにした長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材及び
その製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材は、複数本のガラスモノフィラメントをスプリットを
施すことなく集束してなる1本のガラス繊維ストランド
に、熱可塑性樹脂を含浸させて所定長さに切断したもの
からなる長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材であっ
て、 A)平均径が1.0mm以下であり、 B)長さが3〜100mmであり、 C)ガラス含有率が60〜80vol%であり、 D)前記熱可塑性樹脂の含浸率が95%以上であり、 E)切断する前の状態で屈曲させたときの挫屈限界を曲
率で表わしたときに、曲率R≦30D×V(D=平均
径、V=ガラス含有率:vol%/100、R及びDの
単位はmm)であることを特徴とする。
【0013】また、本発明による長繊維ガラス強化熱可
塑性樹脂複合基材の製造方法は、複数本のガラスモノフ
ィラメントをスプリットを施すことなく集束して得られ
た1本のガラス繊維ストランドに、溶融含浸法により熱
可塑性樹脂を含浸させた後、この1本のガラス繊維スト
ランドを一つのノズルから引き抜いて切断することによ
り、 A)平均径が1.0mm以下であり、 B)長さが3〜100mmであり、 C)ガラス含有率が60〜80vol%であり、 D)前記熱可塑性樹脂の含浸率が95%以上であり、 E)切断する前の状態で屈曲させたときの挫屈限界を曲
率で表わしたときに、曲率R≦30D×V(D=平均
径、V=ガラス含有率:vol%/100、R及びDの
単位はmm)である複合基材を得ることを特徴とする。
【0014】本発明によれば、スプリットを施すことな
く集束して得られた1本のガラス繊維ストランドに熱可
塑性樹脂を含浸させた後、一つのノズルから引き抜いて
切断することにより、ガラス含有率を高めてもノズルの
詰まりを防止して連続生産が可能となり、外周に毛羽が
少なく、熱可塑性樹脂の含浸率が高く、しかも柔軟性に
優れた長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材を得るこ
とができる。
【0015】また、得られた長繊維ガラス強化熱可塑性
樹脂複合基材は、前記A〜Eに示した性質を有すること
により、柔軟性に富んでいて、射出成形時における破断
が少なく、残存繊維長が長くなるので、優れた補強効果
が得られる。また、熱可塑性樹脂の含浸率が高いので、
成形品のガラス含有率が均一になりやすく、低圧で迅速
な成形が可能となる。更に、ガラス含有率が高いので、
複合基材と熱可塑性樹脂との配合割合を変えることによ
り、目的に応じた幅広いガラス含有率の成形品を得るこ
とができる。
【0016】本発明においては、前記ガラス繊維ストラ
ンドの集束本数が200〜2000本で、前記ガラスモ
ノフィラメントの平均径が6〜17μmであることが好
ましい。ガラス繊維ストランドの集束本数及びガラスモ
ノフィラメントの平均径を上記の範囲とすることによ
り、前記A〜Eに示した性質を有するものがより得やす
くなる。
【0017】また、前記熱可塑性樹脂としては、ポリオ
レフィン系樹脂もしくはポリアミド系樹脂が好ましく採
用される。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明で使用するガラス繊維スト
ランドは、複数本のガラスモノフィラメントをスプリッ
トを施さずに1本に集束させたものである。このように
スプリットを施さずに集束させた1本のガラス繊維スト
ランドを用いることにより、ストランドどうしの長さの
不揃いによる図2(b)に示したような状態や、ストラ
ンドどうしの位置関係による図3(b)に示したような
状態が起こることがなくなり、ノズルから引き抜くとき
の詰まりが発生せず、ノズルからの引き抜きが容易とな
るので、ガラス含有率を高めることができると共に、毛
羽の少ない外観とすることができる。
【0019】また、ガラス繊維の平均径は6〜17μm
が好ましく、集束本数は200〜2000本が好まし
く、200〜1600本が更に好ましい。集束本数が2
00本未満であると、後工程において多数本の長繊維ガ
ラス強化熱可塑性樹脂複合基材が必要となり、作業が煩
雑となる。一方、2000本を超えると、ガラス繊維ス
トランドが太くなるため、熱可塑性樹脂をモノフィラメ
ント間にまで含浸させることが容易ではなくなると共
に、できあがった長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材も太くなり柔軟性に劣る。
【0020】本発明で使用する熱可塑性樹脂としては、
特に限定はなく一般に市販されている種々ものが使用可
能であるが、特にポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系
樹脂が、ガラス繊維への含浸性、コスト、物性の点から
好適である。ポリオレフィン系樹脂の中ではポリプロピ
レン、ポリアミド系樹脂の中ではナイロン6・6、ナイ
ロン6、ナイロン12、MXDナイロンが特に好まし
い。これらの樹脂には着色剤、変性剤、酸化防止剤等の
添加剤を混合して用いてもさしつかえない。
【0021】上記ガラス繊維ストランドに熱可塑性樹脂
を含浸させる方法としては、上記ガラス繊維ストランド
を樹脂含浸用槽に送り込み、溶融含浸法により樹脂を含
浸させた後、1本のガラス繊維ストランドを一つのノズ
ルから引き抜いて、3〜100mmの長さに切断する方
法を採用することができる。このように1本のガラス繊
維ストランドを一つのノズルから引き抜くことにより、
前記のようにノズルからの引き抜きが容易となり、ガラ
ス含有率を高めることができ、かつ、毛羽の発生を少な
くすることができる。
【0022】こうして得られる長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材の平均径は、1.0mm以下とされる。
平均径が1.0mmを超えると、柔軟性が乏しくなり、
射出成形時に中心部まで熱が伝わるのに時間がかかるた
め、機械的な剪断を強く受けて繊維が破断し、残存繊維
長が短くなるので好ましくない。
【0023】また、長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合
基材の長さは、前記のように3〜100mmとされる。
3mmより短いと、成形品の残存繊維長も短くなるため
好ましくなく、100mmを超えると、通常の射出成形
機ではホッパーからの複合基材の供給が困難となるため
好ましくない。
【0024】また、ガラス含有率は、60〜80vol
%、好ましくは65〜80vol%とされる。60vo
l%未満では、熱可塑性樹脂と組み合わせて希釈成形し
た場合のコストメリットが薄く、80vol%を超える
場合には繊維を包むマトリックスの量が少なすぎ、成形
時にガラス繊維の分散不良を起こしたり、残存繊維長を
長くすることが困難となる。
【0025】更に、複合基材の樹脂含浸率は95%以上
が必要である。これ以下では、得られた成形品の機械的
特性が不均一になり、樹脂が含浸されていない空隙部が
欠陥となりやすいので好ましくない。
【0026】ここで含浸率とは、複合基材の断面を20
0倍の電子顕微鏡で観察し、20μmのメッシュをおい
て、メッシュ中に少しでもボイド(空気の泡)が認めら
れれば、このメッシュをボイド面積として加え、観察し
た全断面積とボイド面積とから以下の数式によって求め
たものである。
【0027】
【数1】{(全断面積−ボイド面積)/全断面積}×1
00(%)
【0028】更にまた、本発明の複合基材は、切断する
前の状態で屈曲させたときの挫屈限界を曲率で表わした
ときに、曲率R≦30D×V(D=平均径、V=ガラス
含有率:vol%/100、R及びDの単位はmm)と
されることが必要である。曲率Rが小さいほど柔軟性に
優れ、射出成形時に破断しにくくなるため、残存繊維長
を長くすることができる。曲率Rが30D×Vを超える
場合には、剛性が高く柔軟性が劣るため、残存繊維長が
短くなり、補強効果が十分に得られない。
【0029】なお、上記曲率Rは、図1に示す方法で測
定した値である。すなわち、まず全長600mmの試験
片(切断する前の複合基材)10と、カラー11とを用
意する。試験片10の両端をカラー11に通してループ
10aを作り、各両端部50mmを引張り試験機のチャ
ック12、13に固定する。そして、チャック12、1
3を移動させて10mm/minの速度で引張り、挫屈
したときのチャック間隔の長さLを測定し、この長さL
からループ10aの長さを計算し、ループ10aの長さ
を2πで割ってRとした。
【0030】
【実施例】実施例1 平均径13μm、集束本数600本のスプリットのかか
っていないガラス繊維ストランドを、MI=40の酸変
性した溶融ポリプロピレン(260℃)中に導入し、溶
融含浸を行った後、内径0.42mmのノズルから50
m/minの速度で引き抜き、ペレタイザーで長さ6m
mにカットした。
【0031】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材の平均径は0.42mm、ガラス含有率
は67vol%、含浸率はボイドが見当たらず、n=5
の平均値で100%であった。
【0032】なお、ガラス含有率の測定は、まず得られ
た長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材を600℃の
電気炉中で加熱して樹脂を焼失させた後、残ったガラス
の重量を測定して、ガラス含有率85wt%の測定値を
得た。この値から樹脂の比重を0.91、ガラス繊維の
比重を2.54としてvol%に換算した。
【0033】また、切断前の複合基材の曲率Rを図1に
示す方法により測定したところ、挫屈時の曲率Rは、n
=5の平均値で6.0mmであり、柔軟性に優れてい
た。
【0034】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材を、MI=40の非強化ポリプロピレン
でガラス含有率が30wt%となるように希釈し、型締
め圧80tの射出成形機でASTM D638、D79
0、D256に準拠した物性測定用試験片を成形した。
【0035】実施例2 MI=40の酸変性した溶融ポリプロピレン(260
℃)中に変えて、MI=40の溶融したナイロン6・6
(320℃)を用いた他は、実施例1と同様にして長繊
維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材を得た。
【0036】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材の平均径は0.42mm、ガラス含有率
は67vol%(測定方法は、樹脂の比重を1.14と
した以外は実施例1と同じ)、含浸率はボイドが見当た
らず、100%であった。また、切断前の複合基材の挫
屈時の曲率Rは6.5mmであった。
【0037】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材を、MI=40の非強化ナイロン6.6
でガラス含有率が30wt%となるように希釈し、型締
め圧80tの射出成形機でASTM D638、D79
0、D256に準拠した物性測定用試験片を成形した。
【0038】比較例1 平均径13μm、集束本数600本のスプリットのかか
っていないガラス繊維ストランドを、3本引き揃えてM
I=40の酸変性した溶融ポリプロピレン(260℃)
中に導入し、溶融含浸を行った後、内径0.73mmの
ノズルから30m/minの速度で引き抜き、ペレタイ
ザーで長さ6mmにカットした。
【0039】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材の表面には所々毛羽が見受けられた。ま
た、得られた長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材の
平均径は0.73mm、ガラス含有率は67vol%
(測定方法は実施例1と同じ)、含浸率は94%であっ
た。また、切断前の複合基材の挫屈時の曲率Rは16.
0mmであり、柔軟性に劣るものであった。
【0040】この長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材を用いて、実施例1と同様な手順で射出成形し、物性
測定用試験片を得た。
【0041】比較例2 平均径13μm、集束本数600本のスプリットのかか
っていないガラス繊維ストランドを、25本引き揃え
て、MI=40の酸変性した溶融ポリプロピレン(26
0℃)中に導入し、溶融含浸を行った後、内径2.2m
mのノズルから3m/minの速度で引き抜き、ペレタ
イザーで長さ6mmにカットした。なお、これ以上引き
抜き速度を上げると、繊維が破断しペレタイザーに導く
ことができず生産性の低いものであった。
【0042】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材の平均径は2.2mm、ガラス含有率は
60.7vol%(測定方法は実施例1と同じ)、含浸
率は93%であった。また、切断前の複合基材の挫屈時
の曲率Rは51.0mmであり、柔軟性に劣るものであ
った。
【0043】この長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材を用いて、実施例1と同様な手順で射出成形し、物性
測定用試験片を得た。
【0044】比較例3 MI=40の酸変性した溶融ポリプロピレン(260
℃)中に変えて、MI=40の溶融したナイロン6・6
(320℃)を用いた他は、比較例2と同様にして長繊
維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材を得た。なお、引き
抜き速度は3m/minが限度であった。
【0045】こうして得られた長繊維ガラス強化熱可塑
性樹脂複合基材の平均径は2.2mm、ガラス含有率は
60.7vol%(測定方法は実施例2と同じ)、含浸
率は93%であった。また、切断前の複合基材の挫屈時
の曲率Rは63.0mmであり、柔軟性に劣るものであ
った。
【0046】この長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材を用いて、実施例2と同様な手順で射出成形し、物性
測定用試験片を得た。
【0047】実施例1、2、比較例1〜3で得た各物性
測定用試験片を用いて、各種物性を測定した結果を表1
に示す。なお、表1には各複合基材の生産性、含浸率、
挫屈時の曲率と、試験片中のガラス繊維分散性、残存繊
維長を合わせて記載した。生産性は、◎…良好、○…普
通、×…悪いの基準で評価し、ガラス繊維分散性は、◎
…目視で確認されず、○…1〜2個、△…3〜5個、×
…6個以上という基準で評価した。また、残存繊維長と
しては、成形試験片を600℃の電気炉中で加熱して、
樹脂を焼失させた後、投影機を用いて、n=200で繊
維長を測定し、その平均値を求めた。
【0048】
【表1】
【0049】上記表1の結果から、樹脂含浸率が高く、
挫屈時の曲率Rが小さい実施例1、2の成形品は、残存
繊維長が長く、繊維分散性が良好で、引張り強度、曲げ
強度等に優れた成形品が得られることがわかる。
【0050】これに対して、複数本のガラス繊維ストラ
ンドを引き揃えて一つのノズルから引く抜いて製造した
複合基材を用いた比較例1〜3の成形品は、対応する実
施例の成形品に比べて、生産性、ガラス繊維の分散性が
悪く、残存繊維長が短く、引張り強度、曲げ強度に劣る
ことがわかる。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の長繊維ガ
ラス強化熱可塑性樹脂複合基材は、ガラス含有率及び樹
脂含浸率が極めて高く、しかも柔軟性に優れているの
で、射出成形等の方法で成形品としたときのガラス繊維
の分散性が良好で、残存繊維長も長くなる。このため、
同じガラス含有率でもより優れた物性の成形品が得ら
れ、希釈成形時のコストメリットも大きいことから、産
業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 曲率Rの試験方法を示す説明図である。
【図2】 従来の長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材の製造方法において、ガラス繊維ストランドをノズル
から引き抜く状態を示す説明図である。
【図3】 従来の長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基
材の製造方法において、ガラス繊維ストランドがノズル
に入るときの状態を示す模式図である。
【符号の説明】 10 熱可塑性樹脂含有ガラス繊維基材の試験片 10a ループ 11 カラー 12、13 チャック S、S1、S2、S3 ガラス繊維ストランド N ノズル
───────────────────────────────────────────────────── 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 C08J 5/04 - 5/10 C08J 5/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数本のガラスモノフィラメントをスプリ
    ットを施すことなく集束してなる1本のガラス繊維スト
    ランドに、熱可塑性樹脂を含浸させて所定長さに切断し
    たものからなる長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材
    であって、 A)平均径が1.0mm以下であり、 B)長さが3〜100mmであり、 C)ガラス含有率が60〜80vol%であり、 D)前記熱可塑性樹脂の含浸率が95%以上であり、 E)切断する前の状態で屈曲させたときの挫屈限界を曲
    率で表わしたときに、曲率R≦30D×V(D=平均
    径、V=ガラス含有率:vol%/100、R及びDの
    単位はmm)であることを特徴とする長繊維ガラス強化
    熱可塑性樹脂複合基材。
  2. 【請求項2】前記ガラス繊維ストランドの集束本数が2
    00〜2000本で、前記ガラスモノフィラメントの平
    均径が6〜17μmである請求項1記載の長繊維ガラス
    強化熱可塑性樹脂複合基材。
  3. 【請求項3】前記熱可塑性樹脂がポリオレフィン系樹脂
    もしくはポリアミド系樹脂である請求項1又は2に記載
    の長繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材。
  4. 【請求項4】複数本のガラスモノフィラメントをスプリ
    ットを施すことなく集束して得られた1本のガラス繊維
    ストランドに、溶融含浸法により熱可塑性樹脂を含浸さ
    せた後、この1本のガラス繊維ストランドを一つのノズ
    ルから引き抜いて切断することにより、 A)平均径が1.0mm以下であり、 B)長さが3〜100mmであり、 C)ガラス含有率が60〜80vol%であり、 D)前記熱可塑性樹脂の含浸率が95%以上であり、 E)切断する前の状態で屈曲させたときの挫屈限界を曲
    率で表わしたときに、曲率R≦30D×V(D=平均
    径、V=ガラス含有率:vol%/100、R及びDの
    単位はmm)である複合基材を得ることを特徴とする長
    繊維ガラス強化熱可塑性樹脂複合基材の製造方法。
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