JP3862978B2

JP3862978B2 - 長繊維強化熱可塑性樹脂からなる安全靴先芯の製造方法

Info

Publication number: JP3862978B2
Application number: JP2001244232A
Authority: JP
Inventors: 嘉治田中; 睦夫広田
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: DE60220221T2; JP2003052409A; CN1309326C; EP1284109A3; KR20030014143A; KR100844624B1; CN1406534A; EP1284109B1; US20030037462A1; TW537871B; EP1284109A2; DE60220221D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、靴、ブーツなどに適用して靴先を構造的に補強し、靴の安全性を高める安全靴先芯の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、安全靴における先芯は、重量物の落下に対する保護のために靴の甲の部分の強度がきわめて重要視されているため、鋼製のものが実用化されていた。しかしながら、鋼製の先芯を用いた安全靴は重量が大きくなるため、着用者の作業性が問題となる。そのため、近年、安全靴の軽量化を図るため、ガラス繊維等の補強用繊維で補強した熱可塑性樹脂製のものが開発されている。
【０００３】
従来、強化繊維含有熱可塑性樹脂製の安全靴先芯は、強化繊維含有熱可塑性樹脂のシート材料からシート成形法により作製されている。すなわち、強化繊維含有熱可塑性樹脂のシート材料を先芯に応じた台形状に切断し、計量を行なう。この際、一定重量にシート切断することは困難であり、重量調整の為に一般に適当な形状に切断した端材を適当な個所に当て、例えば遠赤外炉により加熱して溶融軟化させる。この軟化した状態のシート材料１０を、図９に示すように、成形型１１ｂのキャビティ１２内に配し、図３に示すように、上方からコア１３を降下させ、加圧して加熱下に圧縮成形し、その後、バリ取り等の二次加工を行なって安全靴先芯を製造している。なお、符号１５はエジェクタである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシート成形法によりシート材料を深絞り成形すると、シート材料に大きく引き伸ばされる部分が生じ、その部分では補強材も引き伸ばされるため、強度が低下し、特にスカート部先端中央部に亀裂が発生し易い問題の他、以下のような問題がある。
（１）材料が樹脂と強化繊維によるシート材料のため、コストが高い。
（２）シート化したものを再度、熱溶融による可塑化をしなければならないので、材料の酸化、熱劣化が発生し易い。
（３）シート切断後、熱溶融して成形型へ投入する場合、強制的に折り曲げて入れなければならないので、自動化・合理化が困難である。
（４）シート切断により、材料の歩留まりが低くなり、また熱溶融後、成形型への投入時における位置ズレで製品の不良率が高くなる傾向にあった。
（５）成形型のコア（凸型）、キャビティ（凹型）の形状の違いにより（特に湾曲部）デザイン性が取りにくいことと、型製作や数値データの困難性と工数の増大化により型コストが高くなる。また、図３に示すＺ部でのバリが発生し易い。
（６）シート材料の重量調整のために端材を用いるため、成形品にウエルドの発生が見られたり、先芯の強度の低下やバラツキを生ずるといった問題がある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、前記したような問題がなく、成形品の強度のバラツキや外観不良を生ずることがなく、軽量、均質でしかも高強度の安全靴先芯を製造できる方法を提供することにある。
さらに本発明の目的は、従来のシート切断工程が不要で、自動軽量が容易になり、材料の投入ミスや位置ズレによる不良率の低減化、成形性の向上が図れ、強度のバラツキが少ない高強度の安全靴先芯を高歩留りで製造できる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材を擬似成形型内に入れ、これを加熱下に圧縮することにより可塑化して、可塑化した多数の長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材同士が互いに部分的に接合した状態の、曲面部を備えてなる擬似先芯を一次成形し、得られた擬似先芯を安全靴先芯成形型内に配し、加熱・加圧して安全靴先芯を圧縮成形することを特徴とする安全靴先芯の製造方法が提供される。
好適な態様においては、擬似成形型内における一次成形を０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下、１９０〜２７０℃で行ない、安全靴先芯成形型内における圧縮成形を３００〜８００ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下、７０〜１６０℃で行なう。また、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材は線径０．２〜５ｍｍ、長さ７〜５５ｍｍであることが好ましく、また、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材中の強化繊維がガラス繊維であり、その含有率が３０〜６０ｖｏｌ．％であることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の安全靴先芯の製造方法は、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材を擬似成形型内に入れ、これを加熱下に圧縮することにより可塑化して、可塑化した多数の長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材同士が互いに部分的に接合した状態の、曲面部を備えてなる擬似先芯を一次成形し、得られた擬似先芯を安全靴先芯成形型内に配し、加熱・加圧して安全靴先芯を圧縮成形することを基本的な特徴としている。
【０００８】
すなわち、本発明の安全靴先芯の製造方法は、先芯の製造コストの中で大きなウェートを占める材料を、従来用いられている高価なシート材料から、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットにした点に第一の特徴がある。
長繊維熱可塑性樹脂繊維ペレット材を用いることにより、従来のシート成形法におけるシートカット工程とシートの端材による重量調整を省き、材料の計量を自動化することができる。
次に、第二の特徴は、材料の可塑化において、従来のシート材の溶融軟化と異なり、ペレット材を用いて本型への投入性のベターな擬似先芯成形体を一次成形し、次いで二次成形する点にあり、これによって成形性を格段に向上させることができる。
シート材料の可塑化は、一般的に遠赤外線方式の装置を用いて行なうので高価であり、またシート材料の可塑化に時間がかかった。これに対し、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材は細く、熱伝導が良好であるため短時間に可塑し、擬似先芯成形体を短時間に一次成形できる。また、材料の投入及び重量調整を自動化・機械化できることにより、正確にコントロール可能となり、二次加工においてバリ除去が低減化できる。
【０００９】
このように、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材を用いて先芯を製造することにより、成形時の流動性に優れるため、成形品に外観不良、強度の低下やバラツキを生ずることがなく、また、スカート部においても強化繊維の含有率が高いため、成形後にも均一な高い強度を保持し、軽量でＪＩＳＴ８１０１革製安全靴Ｓ級及びＬ級に規定する圧迫強度に耐える安全靴先芯を製造することができる。
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明の安全靴先芯の製造に当たっては、まず後述するような長繊維強化熱可塑性樹脂ペレット材を自動計量して、図２に示すように擬似先芯成形型１１ａ内に投入し、保形圧力０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ^２で樹脂の溶融・軟化温度、好ましくは約１９０〜２７０℃に加熱し、図1に示すような擬似先芯１（スカート部がない形状で、多数のペレット同士が部分的に接合した状態）を成形する。加熱源としては熱風やヒーターなどが使用でき、また簡易金型を用いて低圧プレス機により成形することができる。なお、保形圧力が１０ｋｇ／ｃｍ^２を超えて高圧になると、ペレット中の強化繊維が破断し易くなるので好ましくない。
【００１１】
次に、得られた擬似先芯１を、図３及び図４に示すように、成形型１１ｂのキャビティ１２内に配し、図３に示すようにコア１３を降下させ、加熱下に加圧して先芯２を圧縮成形した後、エジェクタ１５により図４に示すように成形された先芯２を取り出す。この際の加圧力としては約３００〜８００ｋｇ／ｃｍ^２で充分であり、従来の成形圧力１２００ｋｇ／ｃｍ^２よりも大巾に低減できる。また、型温度としては７０〜１６０℃が適当である。その後、必要に応じてバリ取り等の二次加工を行ない、先芯が得られる。なお、成形型のキャビティ側面が勾配を持っている場合、バリ等の発生が少なくなり、好ましい。
【００１２】
図５及び図６は、本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットを用いて成形した安全靴先芯の一例を示している。先芯２は、使用に際して爪先を覆うように安全靴の爪先部に合ったドーム状の形状を有する。先芯２のドーム状部３の下端縁には内側に向けられたスカート部４が一体に成形されている。先芯の立ち上がり部Ｘと湾曲部Ｙの肉厚は、立ち上がり部Ｘから先端に向けて多少減少した実質的にほぼ同一厚であり、かつ、２〜６ｍｍの範囲内にある。なお、先芯の先端厚みは３．５〜６ｍｍの範囲内にあることが好ましい。先端厚みが３．５ｍｍ未満では強度不足となり、一方、６ｍｍを超えると得られる先芯が重くなるので好ましくない。このように先芯２の立上がり部Ｘと湾曲部Ｙの肉厚寸法をほぼ同等に近い形状にしたことにより、凸部と凹部の曲線部分が相似形状になり、モデル化、図面化及びデザイン化が容易になる。
【００１３】
本発明に用いる長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレツトは、連続強化繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ、一所定長さに切断してなるものであって、好ましくは前記連続強化繊維として、繊維径６〜２５μｍで、かつ、１本当たりの強化繊維集束本数が１２００本以下の強化繊維ストランドを複数本含有させたものである。
長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットに用いる熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ボ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、ポリスチレン、ＡＳ（アクリロニトリルスチレン）樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等が好適に用いられる。これらの熱可塑性樹脂には、必要に応じて、着色剤、改質剤、ガラス繊維以外の充填材等、公知の添加剤を適宜含有させることができ、これらは常法に従い混練使用される。
【００１４】
連続強化繊維としては、繊維径６〜２５μｍで、かつ、１本当たりの繊維集束本数が１２００本以下の繊維ストランド、特にガラス繊維ストランドが複数本用いられる。
ここで、繊維径が６μｍ未満では、強化繊維の生産性が低く、コスト高となるため、実用的ではない。一方、繊維径が２５μｍを超えると、強化繊維の剛直性が増して脆くなるため、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット製造装置の樹脂含浸用金型を通過する際の金型−強化繊維間、あるいは強化繊維同志の摩擦によって繊維が切断され易くなり、製造装置内にも毛羽が発生して生産性に悪影響を及ぼし易い。
【００１５】
また、強化繊維ストランド１本当たりのガラス繊維集束本数が１２００本を超えると、強化繊維ストランド内部へ樹脂が浸透するのに時間がかかり、樹脂の含浸が不良になり易く、樹脂の含浸を良好にしようとすると、含浸用金型内における樹脂との接触時間を長く保つ必要があり、生産性が著しく低下する。また、含浸用金型に長大なものが必要となり、樹脂加熱時間も長くなって樹脂の熱劣化を誘起し易く、最終成形品の外観（特に色調）に悪影響を及ぼし易い。なお、強化繊維ストランド１本当たりの繊維集束本数は、１００〜１０００本であることが好ましく、より好ましくは２００〜８００本である。
【００１６】
１つの繊維ペレツトに含まれる上記強化繊維ストランドの本数は、含浸用金型の大きさ、さらに言えばペレットの直径に合わせて適宜選択すればよいが、一般的には、２〜４０本が好ましく、７〜３５本がさらに好ましい。強化繊維ストランドの本数が４本未満では、樹脂との配合割合の関係でペレツトが小径となるので生産効率が低下し、一方、４０本を超えると、ストランド同志の密着性が不充分となり、ストランド間に空隙を生じ易く、最終成形品にボイド等を生じ易くなる。
【００１７】
さらに、長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレツト中における連続強化繊維の含有率は、３０〜６０ｖｏｌ．％が好ましい。ＪＩＳＴ８１０１革製安全靴Ｓ級で規定される先芯の場合は、４０〜６０ｖｏｌ．％が特に好ましい。連続強化繊維の含有率が３０ｖｏｌ．％未満では、成形に用いるマスターペレツトとしての強化繊維含有率が不足し、一方、６０ｖｏｌ．％を越えると、強化繊維量に対する樹脂量が少なすぎて、強化繊維束への含浸が不充分になり易い。
【００１８】
本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットは、例えば、複数のロービングから引き出される強化繊維ストランドを予熱炉を通過せしめ、樹脂含浸用金型に導入し、この樹脂含浸用金型に押出機より加熱混練された溶融樹脂を送り込み、金型の中で強化繊維ストランドに熱可塑性樹脂を含浸させ、冷却後、ペレタイザーによって所定長さに切断して得られる。なお、ペレツトの線径及び長さについては、特に限定されるものではないが、自動計量化及び可塑化の点からは、線径は０．２〜５ｍｍが適当であり、長さは７〜５５ｍｍが適当である。線径が０．２ｍｍ未満の場合、ペレット自体が軽くなり、自動計量が困難になるので好ましくない。一方、線径が５ｍｍを超えると可塑化時間が長くなる。
【００１９】
こうして得られた長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットは、複数本の強化繊維ストランドが長手方向に沿って引き揃えられ、熱可塑性樹脂で覆われて一体化されており、この熱可塑性樹脂は、強化繊維ストランドの個々の繊維間隙に至るまで均一に含浸され、個々の強化繊維表面が熱可塑性樹脂によって極めて均一に濡れた状態となっている。このため、その後に圧縮成形して得られる成形品中での樹脂−強化繊維の界面接着が良好となり、かつ、強化繊維分布もより均一となることにより、スカート部先端まで強化繊維が均一に行き渡り、良好な強度、外観を持つ安全靴先芯を得ることができる
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットを用いて安全靴の先芯を作製し、物性、強度等の効果を具体的に確認した幾つかの例を実施例として示すが、本発明が下記実施例に限定されるものでないことはもとよりである。
【００２１】
実施例
２０ｍｍ長さにカットした線径約０．５ｍｍの長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット（ポリプロピレン（ＰＰ）中、ガラス繊維を５０ｖｏｌ．％含有）を計量し、擬似成形型内において加熱により可塑化（０．５ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下、２１０℃で０．５分）する一次成形を行ない、曲面部を備えてなる擬似先芯を作製した。これを、先芯成形型（本型）内に配置し、４００ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下、１３５℃で圧縮成形を行ない、先芯を製造した。
【００２２】
比較例
ＰＰ中、２０ｍｍ長さのガラス繊維を４６ｖｏｌ．％含有するガラス繊維強化熱可塑性樹脂の台形状のシート材料（厚さ３．３ｍｍ）を用い、従来のシート成形法（溶融軟化；約３５０℃で３分、圧縮成形；１，２００ｋｇ／ｃｍ^２、１２０℃）により、先芯を製造した。
【００２３】
前記実施例における本型への投入時間は約１〜２秒、不良率は２％以下であったのに対し、比較例のシート成形法の場合、本型への投入時間は約４〜６秒、不良率は４〜８％であった。
次に、成形した先芯について、ＪＩＳＴ８１０１革製安全靴Ｓ級の規定に準じる方法ですき間高さ２２ｍｍ時の強度を測定した（ＪＩＳ基準値は１０２０ｋｇである）。その結果を表１及び図７に示す。
【表１】

表１及び図７に示す結果から明らかなように、比較例の場合には強度が低くバラツキが生じたが、本発明の方法によって得られた先芯は、バラツキもなく安定した高い圧迫強度を示した。
【００２４】
次に、成形した先芯について、図８に示すサンプル採取位置でサンプルを採取し、強化繊維の分布状態を調査した。
その結果、本発明の方法によって得られた先芯ではＡ，Ｂ，Ｃの全ての位置でガラス繊維含有量は５０ｖｏｌ．％で変化なかった。これに対し、比較例の場合、Ａ，Ｂ，Ｃの全ての位置でガラス繊維含有量に変化を生じた。その結果を、下記表２に示す。なお、成形前にこのように強化繊維の分布にバラツキがあると、圧迫強度のバラツキや低下の要因になる。
【表２】

【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、強度のバラツキが少なく、軽量、均質でしかも高強度の安全靴先芯を提供でき、さらに、以下のような効果が得られる。
（１）長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレットを使用することにより、材料コストの低減化が図れ、従来のシート成形法によるシートカット工程が不要となり、且つ、自動計量が容易になり、材料の歩留まりが大幅に改善できる。
（２）計量したペレット材料は擬似先芯成形型で一次成形後、直ちに溶融状態のまま、本成形金型で成形するので、材料の投入ミスや位置ズレによる不良率の低減化、成形性の向上を図れ、また強度のバラツキが少なくなる。
（３）先芯の肉厚寸法をほぼ同等に近くすることにより、凸部と凹部の曲線部分が相似形状になり、モデル化、図面化及びデザイン化が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる擬似先芯の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の擬似先芯成形工程例を示す圧縮成形前の概略部分断面図である。
【図３】本発明の先芯成形工程例を示す圧縮成形時の概略部分断面図である。
【図４】本発明の先芯成形工程例を示す圧縮成形後の概略部分断面図である。
【図５】本発明の安全靴先芯の一例を示す概略斜視図である。
【図６】図５のVI−VI線断面図である。
【図７】実施例及び比較例で作製した先芯の圧迫強度を示すグラフである。
【図８】実施例及び比較例で作製した先芯のサンプル採取位置を示す裏面から見た概略図である。
【図９】成形用シート材料を用いて先芯成形工程例を示す圧縮成形前の概略部分断面図である。
【符号の説明】
１擬似先芯
２先芯
４スカート部
１１ａ擬似先芯成形型
１１ｂ成形型
１２キャビティ
１３コア

Claims

長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材を擬似成形型内に入れ、これを加熱下に圧縮することにより可塑化して、可塑化した多数の長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材同士が互いに部分的に接合した状態の、曲面部を備えてなる擬似先芯を一次成形し、得られた擬似先芯を安全靴先芯成形型内に配し、加熱・加圧して安全靴先芯を圧縮成形することを特徴とする安全靴先芯の製造方法。
擬似成形型内における一次成形を０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下、１９０〜２７０℃で行ない、安全靴先芯成形型内における圧縮成形を３００〜８００ｋｇ／ｃｍ^２の加圧下、７０〜１６０℃で行なうことを特徴とする請求項１に記載の方法。
長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材が線径０．２〜５ｍｍ、長さ７〜５５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
長繊維強化熱可塑性樹脂繊維ペレット材中の強化繊維がガラス繊維であり、含有率が３０〜６０ｖｏｌ．％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。