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 - Google Patents
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Description
【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/cm2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/cm2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JIS T8101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/cm2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/cm2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/cm2で充分であり、従来の成形圧力1200kg/cm2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。JIS T8101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/cm2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/cm2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/cm2、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、JIS T8101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 (4)
- 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/cm2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/cm2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。
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