JPH0768544A - 繊維束に樹脂を含浸する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂に補強用繊
維を混入させるに際し、単繊維を損傷させずに繊維束を
より完全に分散させるための手段の開発。 【構成】 引抜き成形方法に繊維束２に樹脂を含浸させ
る方法において、繊維束２をそれに使用しているバイン
ダーの融点以上に加熱した繊維束開繊装置３で充分に開
繊した後、樹脂含浸装置４において樹脂を含浸させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は補強用繊維束に合成樹脂
を被覆または含浸（本明細書ではこれら両者を含浸とい
う。）させ、繊維強化樹脂組成物を製造する際、繊維束
を効率よく開繊する方法に関する。このようにして得ら
れた繊維強化樹脂組成物は高剛性、高耐衝撃性、耐クリ
ープ性が要求される自動車部品、建材あるいは産業資材
分野の部品に利用される。

【０００２】

【従来の技術】従来合成樹脂強化に用いられる繊維は、
モノフィラメントを集束した形で取り扱われるが、これ
らが工程の途中で分散して作業性の低下の防止あるいは
フィラメント相互の摩擦等でフィラメントの損傷を防止
する目的で、モノフィラメントを数十〜数千本を少量の
集束剤またはサイジング剤と呼ぶバインダーで集束した
ストランドや、更にこのストランドを数十本単位でまと
めたロービング（これらを繊維束という。）の形にして
用いられる。

【０００３】この繊維束に合成樹脂を含浸させる場合、
繊維束の間隙（厳密には個々のモノフィラメントの周
囲）に樹脂を充分浸透させることが製品の品質向上のた
めに必要不可欠の条件となる。

【０００４】熱硬化性樹脂の場合、該含浸工程で使用す
る樹脂粘度は、プレポリマーを用いるため比較的小さ
く、一般的に含浸性は良好であるが、これが熱可塑性樹
脂の場合は溶融された樹脂の粘度が熱硬化性樹脂プレポ
リマーに比べ遥かに高く、このための多くの手段が提案
されている。

【０００５】中でも繊維の粉砕を避ける必要があるとき
は、繊維束を連続的に含浸装置に導入し、同時に供給さ
れる樹脂により含浸し、引き出し、これを切断して成形
材料とする電線被覆類似の引抜き成形法またはプルトル
ージョン法が主として用いられている。

【０００６】この引抜き成形方法またはプルトルージョ
ン法は、装置、工程とも簡単であり、製造工程中に繊維
の粉砕を伴わず、成形材料中の繊維の長さを任意に選択
できるため補強効果を高くすることが容易である。しか
し、繊維束の開繊が充分に行われないことが多いため凝
集を生じ易く、マトリックス樹脂がモノフィラメント間
に充分含浸せず、分散の悪い製品となる傾向があった。

【０００７】特に補強効果を高めるため繊維の配合量を
増すことは一層凝集性を高め、そのため本来補強される
べき製品の強度が低下したり、製品の外部にフィラメン
トが飛び出して外観を悪化させたり、極端な場合は繊維
の束がペレットから抜け落ちたりして補強性能、外観、
安全性、衛生性において問題を有していた。

【０００８】このため樹脂の含浸工程に繊維束の開繊を
はかるため、ロールあるいはバー等各種の開繊装置を組
み込んだ含浸装置の提案がされてきた。しかし、これら
の方法ではバインダーの影響で繊維束の開繊が妨げられ
たり、繊維束の製造工程で発生する部分的な撚りやねじ
れ（一般的に言うキンクの状態）が開繊を妨げる。特に
繊維束の前処理段階で繊維束の撚り、ねじれが解消され
ず、そのまま含浸工程まで持ち込まれると、含浸性が部
分的に低下したり、繊維配列が完全に一方向にそろって
いない、即ちねじれが残っているため、製品上の欠陥と
なる場合がある。このような状況下において繊維束の個
々のフィラメントの整列、開繊を高めるためには繊維束
の張力を高めたり、繊維束と接触するバー、ロール表面
を増やす手段を採ることが行われるが、このような手段
は繊維束自体の損傷が増大し、結果的にはフィラメント
が切断しうる状況となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は繊維束に合成
樹脂を含浸させ、高剛性、高耐衝撃性、耐クリープ性の
すぐれた繊維強化樹脂組成物を製造するに際し、繊維束
の張力を高めず、繊維束自体の損傷をもたらさない効果
的な樹脂の含浸法の開発を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、繊維束に樹脂
を引抜き成形方法により含浸する方法において、樹脂含
浸前に繊維束を、使用されている集束剤またはサイジン
グ剤の融点以上に加熱した状態で開繊装置により開繊
し、次いで樹脂を含浸することを特徴とする繊維束に樹
脂を含浸する方法により前記の目的を達成できることを
見いだした。この際、固定された複数本の段差バーの間
を順次通過させて開繊する方式の開繊装置を用いること
により、更に繊維束を効率的に開繊できることを見いだ
した。

【００１１】本発明における合成樹脂とは、補強用繊維
に合成樹脂を含浸して用いる熱硬化性（プレポリマー）
および熱可塑性のいずれであっても良い。特に、溶融粘
度が高く含浸が困難とされる熱可塑性樹脂においてその
効果が発揮できる。

【００１２】本発明に使用できる熱可塑性樹脂としては
押出機で可塑化可能であれば特に制限する理由はない
が、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレ
ン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレ
フタレート等が挙げられる。またこれらの樹脂のブレン
ド物および各種フィラーを充填した樹脂組成物であって
も構わない。更に周知の技術として繊維との親和性を持
たせた変性樹脂の使用は特に好ましい。樹脂の溶融粘度
は特に制限はないが、好ましくは剪断速度１０²ｓｅｃ
^-1での粘度が１０¹ 〜１０⁴ ｐｏｉｓｅ程度である。

【００１３】また本発明に用いられる補強用繊維の種類
としては、Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス等のガラス繊維、ピ
ッチ系、ポリアクリロニトリル系等の炭素繊維、また芳
香族ポリアミド繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維等の
セラミック系繊維、また金属繊維が、またマトリックス
樹脂がポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリスチレ
ン等のごとく比較的低温で可塑化可能な樹脂であるとき
は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維も使
用でき、これら単独あるいは複合して用いられる。な
お、繊維の太さ、表面処理剤、集束剤の種類、量などに
ついては通常用いられているものと同じであれば使用で
きる。集束剤の融点は通常７０〜２００℃である。繊維
強化樹脂組成物中の補強用繊維の配合量は特に制限され
るものではないが、一般的にいって使用目的、樹脂の種
類、繊維の種類等により若干の差はあるが、１０重量％
から８０重量％程度である。

【００１４】なお、本発明によって得られる繊維強化樹
脂組成物の形態としては、ダイス出口の形状を変えるこ
とにより任意の形状、例えば棒状、シート状、樋状、Ｌ
字状等限定されるものではないが、通常は１０〜５０ｍ
ｍの長さに切断した成形用材料ペレットとして好適に用
いられる。

【００１５】以下、本発明を図面を用いて説明する。図
１は熱可塑性樹脂を用いる場合の繊維束に樹脂を含浸す
る場合を示す。繊維束を巻いたボビン１により張力を調
整されて引き出された繊維束２は使用されている集束剤
またはサイジング剤の融点以上で、これらの分解が生じ
て変色、物性低下が生じない温度範囲であり、通常は融
点より１００℃は高くない範囲に加熱された繊維束開繊
装置３において、各々のフィラメントを開繊される。

【００１６】次いで充分に開繊された繊維束は含浸装置
４において押出機またはギヤポンプ等から供給される溶
融樹脂に含浸され、該樹脂含浸繊維束は賦形装置５によ
り樹脂含浸量を調節されると共に任意の断面形状に賦形
され、冷却装置６において形状が固定される。冷却され
た繊維強化樹脂組成物は引取装置７を経て切断装置８に
より適当な長さに切断され、製品となる。

【００１７】繊維束開繊装置３の開繊する方式としては
繊維束が充分開繊できるものであれば使用できるが、構
造の簡便さ、操作の容易性からテンションバー方式が好
ましい。この方式によるときは繊維束の各フィラメント
は整列、開繊されるため供給される樹脂に良く含浸され
ることになる。

【００１８】開繊装置３内のテンションバーは自在にそ
の位置を変えられる構造のものが望ましく、繊維束に係
る張力と開繊効果を吟味した上で、繊維束とテンション
バーの接触角を変えるようにテンションバー相互の位置
関係を変更する。テンションバーの形状は一般的に言え
ば、直径２０ｍｍ以上の円柱状のものであって、その表
面は面粗度の小さいものである。更に複数の繊維束を並
列させて処理する場合は、バーの表面にガイド状の溝を
設けることも可能である。

【００１９】またテンションバーの本数は通常３本以上
で、繊維束の損傷が発生しない本数以下とするのが好ま
しい。更にテンションバーの材質は、加熱温度に耐えら
れるもので、表面硬度が高く、耐摩耗性を有するものが
望ましく、例えばステンレス鋼等の硬質鋼やその表面に
硬質メッキやセラミック溶射したものである。

【００２０】開繊装置と別に設けられた、またはそれと
一体に設けられた樹脂含浸装置４は、段差ロール等を備
えた室内に樹脂を供給すると共に、開繊した繊維束を該
段差ロールを交互に通す公知の装置を用いることができ
る。含浸後は各繊維束を賦形装置５で一体にし、断面が
円形、角形等任意の形状に賦形する。

【００２１】図２および図３にテンションバー方式の繊
維束開繊装置の例を示す。繊維束開繊装置３における繊
維束の加熱方法は任意の手段がとれるが、加熱効率の高
い方法が望ましい。いずれも繊維束２は断熱処理された
加熱槽９内部にて複数のテンションバー１１に張力下通
すことで開繊、整列、および脱撚が達成される。図２で
は加熱方法として加熱槽９の内部にセラミックヒーター
１２を装着し、その輻射熱で直接繊維束を加熱するもの
である。

【００２２】一方、図３の繊維束開繊装置は加熱槽９内
に熱風の出入口１３、１４を設け、槽内での熱風循環に
て加熱する方法である。テンションバー１１に直接熱入
力して繊維束を加熱することも可能である。しかし繊維
束の均一な加熱のためには温風循環方法が望ましい。

【００２３】繊維束の加熱温度については、繊維束の表
面処理剤、特に集束剤の融点以上にすべきであり、該温
度では繊維束の開繊性、および脱撚は比較的小さい張力
で達成できる上、繊維束自体の損傷も少なくなる。

【００２４】繊維束の含浸工程前における加熱は、繊維
束の開繊効率を改善するだけでなく、フィラメントを予
熱することになり、この結果樹脂を含浸する工程での樹
脂とフィラメントの濡れ性（含浸性）を高める効果も有
しており、加熱槽９内部の温度はこのことを勘案して決
めるべきであるが、繊維束の表面処理剤が変質をする温
度や繊維束のフィラメント材質の軟化温度以下にする必
要があるのは言うまでもない。

【００２５】

【作用】本発明は、従来の樹脂の含浸が繊維束の開繊と
合成樹脂の含浸の２つの操作を一つの工程で行われてい
たのを、これをそれぞれ分離すると共に、繊維束の開繊
操作を繊維束の集束に使用されているバインダーの融点
以上の温度に行うことにより開繊操作を確実に行った点
にある。

【００２６】このため繊維束の製造の際のフィラメント
の部分的な撚りやねじれがあっても、溶融樹脂などの付
着による妨害がなく、バインダーの影響もないため開繊
が順調に行うことができ、テンションバー上に繊維束の
フィラメントがうまく整列するように開繊することが可
能となる。

【００２７】このため、含浸装置において溶融樹脂は充
分に開繊された繊維束上に供給されるため、全体に対し
均等に含浸することが可能となった。

【００２８】

【実施例】径１６μｍのＥ−ガラス繊維（２２００番
手、集束本数４０００本）の繊維束を用い、図３に示さ
れている温風循環方式の繊維束開繊装置の効果を検討し
た。

【００２９】繊維束開繊装置の構造としては、加熱室長
さ３ｍ、風量１００リットル／分の加熱槽の内部に径３
０ｍｍのテンションバー４本を配置した。配置位置は互
いのバーの間隔を８０ｍｍとし、繊維束とバーの接触角
は約８０度とした。加熱温度は１７０℃とした。（繊維
束集束剤の融点は１４０℃）

【００３０】上記繊維束を開繊装置に毎分１５ｍの速度
で通したときの繊維束の開繊状態は加熱槽の出口にて観
察したところ、平均の開繊幅は２２ｍｍで、繊維束の撚
りはほとんど解消されていた。ちなみにこのときの繊維
束の張力は２ｋｇｆであった。

【００３１】次に含浸状態を見るために本開繊装置に繊
維束を通した直後に、ＪＩＳ Ｋ−７２１０の表１；試
験条件１４（試験温度２３０℃、試験荷重２．１６ｋｇ
ｆ）のメルトフローレートが３０ｇ／１０分のホモポリ
プロピレンを押出機より連続的に供給しているクロスヘ
ッドダイに該開繊された繊維束を通し、溶融樹脂を含浸
させ、径３ｍｍのロッド状の成形体を得た。その含浸状
態はロッドを１５ｃｍの長さに切り、そのロッドを縦に
して切断面をインク液に浸漬し、インクの上昇高さで判
定した。樹脂が完全に含浸していない部分は毛細管現象
でインクが浸透する。従ってインクの上昇が大きいほど
含浸状態が悪いことを示す。試験の結果上昇高さは平均
して３ｍｍであった。

【００３２】（比較例）実施例と同様に繊維束を開繊装
置に通したが、加熱は実施しなかった。開繊装置出口で
の繊維束の開繊状態は平均開繊幅が１７ｍｍであり、そ
の変動は大きく、所々繊維束の撚りが見られた。また同
様にポリプロピレンで含浸した後の含浸状態を観察した
ところ、インク上昇高さは平均して１０ｍｍであった。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、引抜き成形法またはプルトル
ージョン法により繊維束に溶融熱可塑性樹脂または熱硬
化性樹脂プレポリマーに含浸させるに際して、使用され
ている繊維束のバインダーの融点より高温度に加熱、開
繊した後で樹脂を含浸することにあり、繊維の粉砕化を
避け、繊維束の張力を高めずに容易に開繊できるため、
繊維の損傷を伴わずに良い含浸性が得られることにあ
る。

【００３４】このため製造された繊維強化樹脂は、補強
用繊維が損傷されていないため、高剛性、高耐衝撃性、
高耐クリープ性の樹脂組成物が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る繊維束に樹脂を含浸する装置の一
例である。

【図２】本発明に係る繊維束開繊装置の一例の断面図で
ある。

【図３】本発明に係る繊維束開繊装置の他の例の断面図
である。

【符号の説明】

１ ボビン ２ 繊維束 ３ 繊維束開繊装置 ４ 樹脂含浸装置 ５ 賦形装置 ６ 冷却装置 ７ 引取装置 ８ 切断装置 ９ 加熱槽 １０ ガイドロール １１ テンションバー １２ セラミックヒーター １３ 熱風入口 １４ 熱風出口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維束に樹脂を引抜き成形方法により含
   浸する方法において、樹脂含浸前に繊維束を、使用され
   ている集束剤またはサイジング剤の融点以上に加熱した
   状態で開繊装置により開繊し、次いで樹脂を含浸するこ
   とを特徴とする繊維束に樹脂を含浸する方法。
2. 【請求項２】 固定された複数本の段差バーの間を順次
   通過させて、開繊する方式の開繊装置である請求項１記
   載の繊維束に樹脂を含浸する方法。