JP6796934B2 - 棒状成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
樹脂製のボルトのような棒状成形体中に繊維状充填材を配合して強度を高めようとするときは、繊維が長さ方向に配向された状態で含有されていることが重要になる。
しかし、通常の射出成形法を適用したときは、棒状成形体の表層部分は繊維が長さ方向に配向されるが、中心部はランダムに存在するため、全体としての配向度が低く、十分な強度を付与することができない。
前記射出成形機の射出ノズルと前記金型のゲートが、スプールとランナーで接続されているものであり、
前記棒状成形体が、外径が均一な部分を含んでおり、幅方向の断面形状が円形または正多角形のものであり、
前記金型が、前記金型の一つのキャビティ内に熱可塑性樹脂を射出するときのゲートを複数有しているものであり、
前記ランナーが、前記スプールと接続された1本の幹ランナーと、前記1本の幹ランナーから前記金型のゲート数に対応した数だけ分岐された複数の枝ランナーを有しているものであり、
前記複数の枝ランナーのそれぞれが、前記金型の複数のゲートのそれぞれと接続されているものであり、
前記幹ランナーの分岐部分から前記金型の複数のゲートまでの前記複数の枝ランナーの距離が全て同一のものである、棒状成形体の製造方法を提供する。
棒状成形体は、長さ方向全体の外径が均一なものでもよいし、一部に外径の大きな部分または外径の小さな部分を含んでいるものでもよい。前記の外径の大きな部分または外径の小さな部分は、棒状成形体の一端部または両端部にあってもよいし、棒状成形体の中間部分にあってもよい。
本発明の棒状成形体の製造方法により製造することができる棒状成形体としては、図1〜図3に示すようなものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
図1(a)、(b)に示す棒状成形体1は、長さLの円柱であり、底面2、3は円形で、直径Dである。
図2(a)、(b)に示す棒状成形体11は、長さLの三角柱であり、底面12、13は正三角形で、内接円の直径がDである。
図3(a)、(b)に示す棒状成形体21は、長さLの四角柱であり、底面22、23は正四角形で、内接円の直径がDである。
本発明の製造方法で使用する熱可塑性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂と繊維状充填材、および必要に応じて公知の樹脂用添加剤を含有するものである。
熱可塑性樹脂は特に制限されるものではなく、用途に応じて選択することができるものであり、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプレンなどのポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、PBTなどのポリエステル、PPS、ABS樹脂などのスチレン系樹脂、および各種ポリマーアロイなどから選択することができる。
繊維状充填材の含有量は、熱可塑性樹脂100質量部に対して10〜60質量部が好ましい。
前記樹脂含浸繊維束は、繊維状充填材を長さ方向に揃えた状態で束ね、前記繊維状充填材の束に熱可塑性樹脂を溶融させた状態で含浸させ一体化した後に6〜30mmの長さに切断したものが好ましい。
前記樹脂含浸繊維束に含まれる繊維状充填材の長さは、樹脂含浸繊維束の長さと同一である。
前記樹脂含浸繊維束の直径は、0.8〜3mmの範囲であることが好ましい。
繊維束を構成する繊維の本数は、繊維の種類により繊維径が異なるため、繊維の種類に応じて選択することができる。
例えば、繊維状充填材としてガラス繊維(繊維径17μm)を使用したとき、100〜
30000本が好ましく、より好ましくは500〜20000本、さらに好ましくは1000〜10000本程度である。
また例えば、繊維状充填材として炭素繊維(繊維径7μm)を使用したとき、1000〜40000本が好ましく、より好ましくは5000〜35000本、さらに好ましくは10000〜30000本程度である。
また樹脂含浸繊維束としては、ダイセルポリマー(株)から販売されている、各種熱可塑性樹脂と、ガラス繊維、カーボン繊維、ステンレス繊維、アラミド繊維などの繊維状充填材を含むプラストロン(登録商標)シリーズを使用することもできる。
本発明の棒状成形体の製造方法は、上記の繊維状充填材を含む熱可塑性樹脂組成物(好ましくは上記の樹脂含浸繊維束)を使用して、公知の射出成形法を適用して製造する。
射出成形機の射出ノズルと金型のゲートは、スプールとランナーで接続されている。
図4(a)〜(c)は、金型内の一つのキャビティに通じる部分に2つのゲート31、32、3つのゲート31〜33、4つのゲート31〜34を有している状態が示されている。
ゲートの形状は特に制限されるものではないが、円形または楕円形が好ましいが、円形がより好ましい。
ゲートの配置状態は、ゲート同士が間隔(好ましくは等間隔)をおいて配置されていればよい。
また2つの円形ゲート31、32は、中心Oからの半径がrであるとき、0.1r〜0.9rの範囲に形成されていることが好ましい。
また3つの円形ゲート31〜33は、中心Oからの半径がrであるとき、0.1r〜0.9rの範囲に形成されていることが好ましい。
また4つの円形ゲート31〜34は、中心Oからの半径がrであるとき、0.1r〜0.9rの範囲に形成されていることが好ましい。
図5(a)に示すランナー50は、図4(a)に示す2つのゲート31,32を有している二つの金型に対応したものであり、同時に2本の棒状成形体を製造することができる。
図5(a)に示すランナー50は、スプール80に接続された1本の幹ランナー51、幹ランナー51から分岐された、略U字状である1対の枝ランナー53、54と、別の1対の枝ランナー56、57の合計4本の枝ランナーを有している。
図5(a)では、幹ランナー51と1対の枝ランナー53、54は、分岐部52を介して接続され、幹ランナー51と1対の枝ランナー56、57は、分岐部55を介して接続されている。
分岐部52、55がある方が、1対の枝ランナー53、54、1対の枝ランナー56、57に対して均等量の溶融樹脂を同時に分配する機能が高められるため好ましいが、分岐部52、55がなく、幹ランナー51から、1対の枝ランナー53、54と1対の枝ランナー56、57が直接分岐されていてもよい。
1対の枝ランナー53、54は同形状および同寸法であり、分岐部52から枝ランナー53の先端部(先端開口部)53aまでの距離と分岐部52から枝ランナー54の先端部(先端開口部)54aまでの距離は同一である。
1対の枝ランナー56、57は同形状および同寸法であり、分岐部55から枝ランナー56の先端部(先端開口部)56aまでの距離と分岐部55から枝ランナー57の先端部(先端開口部)57aまでの距離は同一である。
図5(b)に示すランナー60は、スプール80に接続された1本の幹ランナー61、幹ランナー61から分岐された、略C字状である1対の枝ランナー63、64と、別の1対の枝ランナー66、67の合計4本の枝ランナーを有している。
図5(b)では、幹ランナー61と1対の枝ランナー63、64は、分岐部62を介して接続され、幹ランナー61と1対の枝ランナー66、67は、分岐部65を介して接続されている。
分岐部62、65がある方が、1対の枝ランナー63、64、1対の枝ランナー66、67に対して均等量の溶融樹脂を同時に分配する機能が高められるため好ましいが、分岐部62、65がなく、幹ランナー61から、1対の枝ランナー63、64と1対の枝ランナー66、67が直接分岐されていてもよい。
1対の枝ランナー63、64は同形状および同寸法であり、分岐部62から枝ランナー63の先端部(先端開口部)63aまでの距離と分岐部62から枝ランナー64の先端部(先端開口部)64aまでの距離は同一である。
1対の枝ランナー66、67は同形状および同寸法であり、分岐部65から枝ランナー66の先端部(先端開口部)66aまでの距離と分岐部65から枝ランナー67の先端部(先端開口部)67aまでの距離は同一である。
また1対の枝ランナーの形状は、図5(a)、(b)に示されたものに限定されず、V字形状などにもすることができる。
図7のランナー70は、スプール80に接続された1本の幹ランナー71、幹ランナー71に接続された1対の枝ランナー72、73と、別の1対の枝ランナー74、75の合計4本の枝ランナー72〜75を有している。
4本の枝ランナー72〜75は同一形状のものであるが、スプール80と幹ランナー61との接続箇所からの距離は、枝ランナー72と枝ランナー73が異なり、枝ランナー74と枝ランナー75が異なっている。
射出成形機のノズルから溶融状態の樹脂を射出したとき、前記溶融状態の樹脂はスプール80を通って幹ランナー51に入り、分岐部52と1対の枝ライナー52、53を通ってゲート31、32から一つの金型のキャビティ(目的とする棒状成形体に対応する形状のキャビティ)に射出される。
このとき、分岐部52から2本の枝ライナー52、53までの距離(先端開口部53a、54a)が全て同一であるから、溶融状態の樹脂は2本の枝ライナー52,53から同時にそれぞれの金型のキャビティ内に射出される。
このため得られた棒状成形体は、長軸方向への繊維状充填材の配向度が高くなり、曲げ強度も大きくなる。
1対の枝ライナー56、57から金型のキャビティ内に射出した場合も同様の効果が得られる。
射出成形機のノズルから溶融状態の樹脂を射出したとき、前記溶融状態の樹脂はスプール80を通って幹ランナー71に入り、そこから1対の枝ライナー72、73を通ってゲート31、32から一つの金型のキャビティに射出され、1対の枝ライナー74、75を通ってゲート31、32から別の金型のキャビティに射出される。
このとき、枝ライナー72と枝ライナー73はスプール80と幹ランナー71との接続箇所からの距離が異なっており、枝ライナー74と枝ライナー75はスプール80と幹ランナー71との接続箇所からの距離が異なっているから、溶融状態の樹脂は僅かな時間差をおいて射出されることになる。
このため得られた棒状成形体は、長軸方向への繊維状充填材の配向度が低くなり、曲げ強度も小さくなる。
幹ランナーは、第1幹ランナーから第n幹ランナーを使用することができ、枝ランナーは、第1枝ランナーから第n枝ランナーを使用することができる。
ここでn数は特に制限されないが、例えば2〜10の範囲にすることができる。
図8の実施形態は、n=3の例である。
第1枝ランナー101は第2a幹ランナー103に接続され、第1枝ランナー102は第2b幹ランナー104に接続されている。第2幹ランナー群は、2本の幹ランナーからなっている。
第2枝ランナー105は第3幹aランナー109に接続され、第2枝ランナー106は第3b幹ランナー110に接続され、第2枝ランナー107は第3c幹ランナー111に接続され、第2枝ランナー108は第3d幹ランナー112に接続されている。第3幹ランナー群は、4本の幹ランナーからなっている。
さらに第3幹aランナー109からは、分岐部130を介して2本の枝ランナー131、132が分岐されており、一つの金型のキャビティに面した2つのゲートに接続される。
さらに第3幹bランナー110からは、分岐部150を介して2本の枝ランナー151、152が分岐されており、一つの金型のキャビティに面した2つのゲートに接続される。
さらに第3幹cランナー111からは、分岐部170を介して2本の枝ランナー171、172が分岐されており、一つの金型のキャビティに面した2つのゲートに接続される。
さらに第3幹dランナー112からは、分岐部190を介して2本の枝ランナー191、192が分岐されており、一つの金型のキャビティに面した2つのゲートに接続される。
図8に示す実施形態では、一度に8個の金型を使用して、8本の棒状成形体を製造することができる。
このようにして幹ランナーと枝ランナーをトーナメント分岐方式で必要回数(n回)繰り返して接続することで、より多くの金型を使用して一度に数多くの棒状成形体を製造することができる。
上記した本発明の棒状成形体の製造方法を適用することで、図6(a)に示すような長ねじボルト、図6(b)に示すような全ねじ六角ボルトなどのボルトのほか、木ねじなどを製造することができる。
図6(a)に示す長ねじボルト40は、周面の全体にねじ山41を有しており、内部には繊維状充填材が長軸方向に配向された状態で含有されている。なお、Dは底面42の直径である。
図6(b)に示す全ねじ六角ボルト45は、頭部47の下から周面の全体にねじ山46を有しており、少なくともねじ山46が形成されている内部には、繊維状充填材が状軸方向に配向された状態で含有されている。なお、Dは底面48の直径である。
本発明の幹ランナーと複数の枝ランナーの組み合わせからなるランナーを使用するときには、ゲートが、金型のキャビティの頭部47に面した部分に位置するような金型を使用して、頭部47から底面48側に向かって樹脂を射出成形する方が、繊維状充填材の長軸方向への配向性が高められるので好ましい。
成形品から約3gの試料を切出し、下記の方法で繊維を取り出した。取り出した繊維の一部(500本)から重量平均繊維長を求めた。計算式は、特開2006−274061号公報の〔0044〕、〔0045〕を使用した。
炭素繊維:硫酸によりPPS樹脂を溶解除去して繊維を取り出した。
ガラス繊維:650℃でPPS樹脂を加熱・灰化させて繊維を取り出した。
実施例および比較例で得た棒状成形体について、下記条件にて引張強度を測定した。
測定機器:オートグラフAG2000((株)島津製作所製)
試験速度:5mm/min
チャック間距離:40mm
実施例1と比較例1は、熱可塑性樹脂組成物としてポリアミドMXD6を50質量%、ガラス長繊維(LGF)50質量%からなる樹脂含浸繊維束(プラストロンPAX−GF50−02;直径1.0mm、長さ9mmの円柱形状;ダイセルポリマー(株))を使用した。
実施例2と比較例2は、熱可塑性樹脂組成物としてポリアミドMXD6を50質量%、炭素長繊維(LCF)50質量%からなる樹脂含浸繊維束(直径1.0mm、長さ9mmのプラストロンPAX−CF40−02;円柱形状;ダイセルポリマー(株))を使用した。
実施例3と比較例3は、熱可塑性樹脂組成物としてPPSを50質量%、ガラス長繊維50質量%からなる樹脂含浸繊維束(直径1.0mm、長さ9mmのプラストロンPPS−GF50−01;円柱形状;ダイセルポリマー(株))を使用した。
いずれの例においても、円柱形状の樹脂含浸繊維束の長さと含有されている繊維長は同じである。
(射出成形条件)
射出成形機:日本製鋼所のJ150EII
シリンダー温度:280℃
背圧:2MPa
金型温度:160℃
実施例1では、繊維状充填剤を含む樹脂材料が二つのゲートから均一に(同時に)射出されたため、棒状成形体の中心軸に沿ってウェルドラインが存在するようになる。
比較例1では、繊維状充填剤を含む樹脂材料が二つのゲートから不均一に(時間差をおいて)射出されたため、棒状成形体の中心軸から偏った位置にウェルドラインが存在するようになる。
このような配向性の違いは、実施例と比較例で使用する枝ランナーの違いによるものである。なお、図5(a)に示すランナーに代えて図5(b)に示すランナーを使用した場合でも、同様の結果が得られた。
このような繊維状充填剤の配向性の違いによって、実施例1と比較例1は、残存繊維長は同じであったが、引張強度には明確な違いがあり、他の実施例2、3と比較例2、3も同様の結果であった。
31、32、33、34 ゲート
40、45 ボルト
50、60 ランナー
51、61 幹ランナー
52、55 分岐部
53、54、56、57 枝ランナー
62、65 分岐部
63、64、66、67 枝ランナー
80 スプール
Claims (5)
- 繊維状充填材を含む熱可塑性樹脂組成物を射出成形機により金型内に射出成形する工程を有している棒状成形体の製造方法であって、
前記繊維状充填材を含む熱可塑性樹脂組成物が、繊維状充填材の束に樹脂が含浸されたものが6〜30mmの範囲で切断された樹脂含浸繊維束を含んでいるものであり、
前記射出成形機の射出ノズルと前記金型のゲートが、スプールとランナーで接続されているものであり、
前記棒状成形体が、外径が均一な部分を含んでおり、幅方向の断面形状が円形または正多角形のものであり、
前記金型が、前記金型の一つのキャビティ内に熱可塑性樹脂を射出するときのゲートを複数有しているものであり、
前記ランナーが、前記スプールと接続された1本の幹ランナーと、前記1本の幹ランナーから前記金型のゲート数に対応した数だけ分岐された複数の枝ランナーと、複数の分岐部を有しているものであり、
1本の幹ランナーと複数の枝ランナーは、1本の幹ランナーから分岐された複数の分岐部を介して、1本の幹ランナーを通る溶融状態の樹脂の流れ方向と複数の分岐部の流れ方向が異なり、前記複数の分岐部を通る溶融状態の樹脂の流れ方向と前記複数の枝ランナーの先端開口部を通る溶融状態の樹脂の流れ方向が同一になるように接続されるものであり、
前記複数の枝ランナーのそれぞれが、前記複数の枝ランナーの先端開口部を通る溶融状態の樹脂の流れ方向と前記金型内の一つのキャビティに通じるゲートの長さ方向が同一になるようにして、前記金型内の一つのキャビティにつながる複数のゲートのそれぞれと接続されているものであり、
前記幹ランナーの複数の分岐部分から前記金型の複数のゲートまでの前記複数の枝ランナーの距離が全て同一のものである、棒状成形体の製造方法。 - 前記幹ランナーと前記枝ランナーが、
1本の第1幹ランナーから複数の第1枝ランナー群が分岐部を介して分岐され、
前記複数の第1枝ランナー群のそれぞれが1本ずつの第2幹ランナーに接続され、
複数本の第2幹ランナーのそれぞれから複数の第2枝ランナー群が分岐部を介して分岐されるトーナメント分岐方式がn回繰り返された接続状態を有しているものであり、
複数本の第n幹ランナーと、前記第n幹ランナーのそれぞれに分岐部を介して接続された複数本の第n枝ランナーを有しており、
前記複数の第n枝ランナーのそれぞれが、前記金型の複数のゲートのそれぞれと接続されているものであり、
前記幹ランナーの分岐部分から前記金型の複数のゲートまでの前記複数の第n枝ランナーの距離が全て同一のものである、請求項1記載の棒状成形体の製造方法。 - 前記金型のゲート数が2〜4であり、前記枝ランナーが前記ゲート数に対応する本数である、請求項1または2記載の棒状成形体の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、ポリエステル、PPS、スチレン系樹脂から選ばれるものであり、繊維状充填材が、ガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維、無機繊維(ガラス繊維を除く)から選ばれるものである、請求項1〜3のいずれか1項記載の棒状成形体の製造方法。
- 前記棒状成形体が、幅方向の断面が円形であり、周面にねじ山を有しているものである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の棒状成形体の製造方法。
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