JPH081799A - 繊維強化樹脂成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】雌雄一対からなる金型のキャビティクリアラン
スが最終製品厚よりも広く、かつ密閉状態にあるキャビ
ティ空間に熱可塑性樹脂粉末と強化用繊維が分散混合し
ている状態で、キャビティクリアランスが最終製品厚に
なるまで金型を閉じて型締することからなる繊維強化樹
脂成形体の製造方法 【効果】導電性の付与が容易であり、しかも通気性を付
与することも可能な繊維強化樹脂成形体を、予め熱可塑
性樹脂と強化用繊維を溶融混練することなく、また熱可
塑性樹脂と強化繊維から予めシート状物を製造すること
もなく、少ない工程で、低コストで、効率的に製造する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化樹脂成形体の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＯＡ機器、家電製品、航空機、自動車な
どの各種部品、内装材、外板その他コンクリート型枠用
せき板などの広い分野で、軽量、高剛性、高強度などの
点から、熱可塑性樹脂を基材とする繊維強化樹脂成形体
が使用されていることはよく知られている。

【０００３】従来、このような繊維強化樹脂成形体は、
強化用繊維と溶融状の熱可塑性樹脂を予め混練したのち
金型に射出充填する射出成形法や、予め強化繊維とマト
リックス樹脂の混合物のシート状物を製造し、これを適
当な形状に裁断したのち金型に充填し、加圧成形するス
タンパブル成形法などにより製造されている。しかし、
射出成形法による場合には、溶融状熱可塑性樹脂と強化
用繊維との混練時に強化用繊維が短く切断され、強化効
果が低下するという問題があった。また、スタンパブル
成形法で使用するシート状物は、樹脂粉末と不連続強化
繊維を水中分散し、ウェブを形成させたのちシート状物
とする抄紙法（特公平１−３７５０３号）や、樹脂と不
連続強化繊維をコンパウンドロール等の圧力を利用して
一体化する方法（特開平４−２１６９０５号）などによ
り製造されるが、これらの方法は装置が大規模化した
り、水分の乾燥工程を必要とするなど製造コストが高く
なり、実用上の大きな問題となっていた。

【０００４】また、繊維強化樹脂をＯＡ機器用ハウジン
グなどに使用する場合には電磁波シールド性（以下、Ｅ
ＭＩシールド性という）が要求されるため、成形体の表
面に導電性塗料を塗布したり、メッキによる導電性の付
与、導電性繊維を含有するシートの使用等の方法がとら
れてきたが、これらの方法は工程数の増加や加工コスト
が上昇するという問題があった。また、特殊な例とし
て、通気性を有する樹脂製コンクリート型枠用せき板が
要望されているが、その有効な製造方法が見出されてい
ないという現状にある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
本発明者らはかかる諸問題を解決し、強化繊維とマトリ
ックス樹脂とからなるシート状物を予め製造することも
なく、また予め溶融混練した強化繊維含有熱可塑性樹脂
を使用することなく、しかも、射出圧の高い成形装置を
使用することなく、強化繊維の切断が少なく、導電性の
付与も容易でしかも通気性を付与することも可能な繊維
強化樹脂成形体の製造方法について検討の結果、密閉さ
れたキャビティ空間中の強化繊維および熱可塑性樹脂粉
末の分散混合物を型締するという全く新しい成形法を見
出し、本発明に至った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、雌
雄一対からなる金型のキャビティクリアランスが最終製
品厚よりも広く、かつ密閉状態にあるキャビティ空間に
熱可塑性樹脂粉末と強化用繊維が分散混合している状態
で、キャビティクリアランスが最終製品厚になるまで金
型を閉じて型締することを特徴とする繊維強化樹脂成形
体の製造方法を提供するものである。

【０００７】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて用いられる強化用繊維は、従来より成形体強化の
目的で使用されているものであれば特に限定されず、例
えば炭素繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、アルミ
ナ繊維、シリコンカーバイド繊維、シリカ繊維、ボロン
繊維などの無機繊維、芳香族ポリアミド繊維、芳香族ポ
リエステル繊維、高強度ポリエチレン繊維などの有機繊
維が挙げられ、これらはそれぞれを単独で使用してもよ
いし、２種以上を同時に用いてもよい。

【０００８】このような強化用繊維を使用するにあた
り、繊維長さが長すぎると分散性が悪くなり、また短す
ぎると強化効果が発現しにくくなる傾向があるため、強
化効果を最大限に発揮しつつ、混合、成形加工を容易に
するには、繊維の数平均繊維長が１〜５０ｍｍの範囲、
特に２〜２５ｍｍの範囲にあることが好ましい。繊維径
については、従来より公知の通常の繊維径であれば特に
限定されない。

【０００９】また、ＥＭＩシールド性を付与する場合
に、強化用繊維とともに使用される導電性繊維として
は、銅繊維、ステンレス繊維、アルミニウム繊維などの
金属繊維や繊維の表面に金属が被覆された金属被覆繊維
などが使用される。金属被覆繊維の基材となる繊維とし
ては上記した強化用繊維が挙げられるが、繊維自体も導
電性を有する炭素繊維が好ましく使用される。金属被覆
の方法としては、無電界メッキ法、溶融金属への浸漬付
着法、化学蒸着法などの公知の方法が挙げられる。被覆
金属の種類としては銅、ニッケル、金、銀、クロム、亜
鉛などが例示され、これらの内、銅およびニッケルが性
能やコスト面から好ましく使用される。このような導電
性繊維を使用する場合、繊維長さが長すぎると分散性が
悪くなり、また短すぎるとＥＭＩシールド効果が発現し
にくくなる傾向があるため、ＥＭＩシールド効果を最大
限に発揮しつつ、混合、成形加工を容易にするには、繊
維の数平均繊維長が１〜５０ｍｍの範囲にあることが好
ましい。

【００１０】本発明に適用される熱可塑性樹脂は、成形
体の基材樹脂として利用可能であれば特に限定されず、
たとえばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ
塩化ビニール樹脂、ポリメタクリレート樹脂、ＡＢＳ樹
脂、フッソ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル
樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン６、ナイロン６，６、
ナイロン６，１０、ナイロン６，１１、ナイロン６，１
２、ナイロン１１、ナイロン１２など）、ポリフェニレ
ンサルファイド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリエーテ
ルスルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、
ポリフェニレンオキシド樹脂などが挙げられ、これらは
各樹脂の単独で用いてもよいし、必要に応じて２種以上
を組み合わせて用いてもよい。また、これらの樹脂は、
必要に応じて可塑剤、紫外線劣化防止剤、充填材などの
各種の改質剤、添加剤を含んでいてもよい。樹脂の形態
としては常温下で固体、かつ粉末状であることが好まし
く、該粉末の数平均粒子径は強化用繊維との混合、分散
を均一ならしめるために、５μｍ以上、１ｍｍ以下、好
ましくは１０〜５００μｍの範囲である。

【００１１】強化用繊維および導電性繊維（以下、これ
らを総称して繊維と称すことがある）の使用量は特に限
定されないが、繊維の使用量が少なすぎると強化効果の
発現が十分でなく、使用量が多すぎても成形時の樹脂の
流れが阻害されて成形性が悪くなり、得られた成形品の
表面の外観が悪くなる傾向にあるため、通常は、繊維と
して強化用繊維のみを用いるか、強化用繊維とともに導
電性繊維を用いるかを問わず、全繊維の使用量として樹
脂粉末に対して３〜５０容量％である。また、強化用繊
維とともに導電性繊維を使用する場合の導電性繊維の使
用量は、それが少なすぎると導電性の向上効果が十分で
ないためにＥＭＩシールド性の向上が計れず、多すぎる
と重量増加やコスト高を招くため、強化用繊維と樹脂粉
末の合計体積に対して、２〜１０容量％となる範囲であ
ることが好適である。

【００１２】本発明で使用される分散用の気体は特に限
定されないが、安全性、経済性などの点から空気や窒素
が好ましく使用される。かかる気体は繊維と樹脂粉末を
分散、混合するために高速流として使用されるが、流速
が遅すぎても、また速すぎても繊維と樹脂粉末が十分に
分散、混合できなかったり、繊維と樹脂粉末の混合物を
密閉状態にあるキャビティ空間で均一に分散させること
が困難となるため、気体の流速は通常５０〜１０００ｍ
／秒程度、特に、１００〜５００ｍ／秒の範囲であるこ
とが好ましい。気体の使用量は、繊維と樹脂粉末との分
散を効率よく行なうために、１気圧下においてキャビテ
ィ空間の２容量倍以上が好ましい。

【００１３】ここで、樹脂粉末および強化用繊維のキャ
ビティ空間内での分散、混合とは、これらがキャビティ
空間内に分散状態で浮遊している状態を意味し、これら
の全部がキャビティ空間内に浮遊していることが好まし
いが、必ずしも全部が完全なる浮遊状態にある必要はな
く、これらの内の１０重量％以下程度の量であれば沈降
してキャビティ面に接していてもよい。

【００１４】次に、繊維強化樹脂成形体の製造方法につ
いて述べる。本発明の製造方法は、雌雄一対からなる金
型のキャビティクリアランスが最終製品厚よりも広く、
かつ密閉状態にあるキャビティ空間に熱可塑性樹脂粉末
と強化用繊維が分散混合している状態で、キャビティク
リアランスが最終製品厚になるまで金型を閉じて型締、
賦形する方法である。ここで、密閉状態にあるキャビテ
ィ空間に熱可塑性樹脂粉末と強化用繊維を分散混合させ
る方法として、第１の例としては、開放状態にある雌雄
両金型（１、２）間に熱可塑性樹脂粉末（３）および強
化用繊維（４）の所要量をそれぞれ供給し（図１）、金
型をキャビティ空間（５）が密閉状態となる程度にまで
閉じた（図２）のち、気体供給路（６）から高速の気体
（７）を供給して、その高速気体流で両者を分散、混合
する（図３）方法が挙げられ、第２の例としては、キャ
ビティに連通する気体供給路（６）に高速で気体（７）
を供給しつつ、熱可塑性樹脂粉末（３）および強化用繊
維（４）を該供給路に連結するそれぞれの貯留槽（８、
９）から供給し、気体供給路中で熱可塑性樹脂粉末と強
化用繊維を分散、混合させつつ、予め密閉状態としたキ
ャビティ空間に、気体とともに搬送する方法（図５）が
挙げられる。

【００１５】上記例のいずれの場合であっても、樹脂粉
末と繊維とを気体の高速流で密閉状態のキャビティ空間
に分散、混合させるには、両者が分散、混合して安定に
存在するための、混合前のこれらの真の体積よりも広い
キャビティ空間が必要であり、かかる密閉状態にあるキ
ャビティ空間の容積は、通常、樹脂粉末と繊維との真の
体積の合計の３０倍以上、特に１００倍以上であること
が好ましい。

【００１６】このような、密閉されたキャビティ空間中
に樹脂粉末と繊維が分散、混合している状態で金型を閉
じ、キャビティクリアランスが最終製品厚になるまで混
合物を加圧、賦形（図４）して成形体を得ることができ
る。このときの賦形加工は一般のホットプレス成形、ス
タンピング成形等の条件に従って行なうことができる。
ホットプレス成形による場合には、キャビティ面が樹脂
の溶融温度以上となるように金型を加熱し、型締時にキ
ャビティ中の熱可塑性樹脂粉末を加熱軟化または一部溶
融させて型締圧により繊維と一体化させるため、樹脂粉
末と繊維を分散混合するために用いる気体の温度は特に
限定されないが、高温特に樹脂の溶融温度以上の高温の
気体を用いて樹脂粉末を予熱することにより、加工時間
を短縮することができる。スタンピング成形による場合
には、使用する樹脂の溶融温度より高温の気体を用い
て、樹脂粉末と繊維を分散、混合しつつ樹脂粉末を溶融
し、この状態で型締、賦形することにより成形体を得る
ことができる。このときの気体の温度は、樹脂粉末を気
体の熱で溶融させる必要があるため、使用する樹脂の溶
融温度より５０℃以上、特に１００℃以上であることが
好ましい。このとき、キャビティ空間中に分散、混合し
ている状態で個々の樹脂粉末が完全に溶融している必要
はなく、型締時に樹脂が溶融する程度であればよい。

【００１７】上記した方法において、使用する気体の温
度、樹脂粉末と繊維が分散混合している時間等を調整し
て、樹脂粉末と繊維を分散、混合させつつ樹脂粉末の表
面の一部または全部を溶融させ、金型を閉じる際の型締
圧を調整することにより、樹脂粉末同士および樹脂粉末
と繊維が樹脂粉末の表面部分で接合した、連通気孔を有
する繊維強化樹脂成形体を製造することもできる。

【００１８】

【発明の効果】本発明の製造法によれば、導電性の付与
が容易であり、しかも通気性を付与することも可能な繊
維強化樹脂成形体を、あらかじめ熱可塑性樹脂と強化繊
維を溶融混練することなく、また熱可塑性樹脂と強化繊
維から予めシート状物を製造することもなく、少ない工
程で、低コストで、効率的に製造することができる。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明がこれによって限定されるものでない
ことはいうまでもない。

【００２０】実施例１ 開放状態にある雌雄両金型の雄金型面上に、６ｍｍ長に
切断された収束されていない炭素繊維（住化ハーキュレ
ス社製、ＡＳー４）２０ｇを置き、さらにその上にポリ
カーボネート樹脂粉末（住友ダウ社製、標準グレード３
００−２２、平均粒径４０μｍ）８０ｇを置いた（図
１）のち、金型をキャビティ空間が密閉状態となるまで
閉じた。（図２） このときのキャビティは縦２００ｍｍ、横４００ｍｍ、
上金型面と下金型面との間（キャビティクリアランス）
は３００ｍｍであった。キャビティ面が２７０℃になる
ように金型を加熱するとともに、雌金型に設けたキャビ
ティ空間に面する吹き出しノズル径が６．５ｍｍの気体
供給路より空気を高速（空気圧６ｋｇ／ｃｍ² 、流速３
００ｍ／秒）で１０秒間（空気量：２３０リットル）キ
ャビティ空間に吹き込み、キャビティ内で樹脂粉末と繊
維を分散、混合させた。（図３） 次に、雌型を降下させ、プレス圧力８０ｋｇ／ｃｍ² で
３０秒間加圧した（図４）のち、金型に冷却水を流して
１４０℃まで冷却し、雌型を上昇させて型を開き、縦２
００ｍｍ、横４００ｍｍ、厚さ１ｍｍの成形体を取り出
した。得られた成形体は、繊維と樹脂とが均一に混合さ
れており、表面の粗度もRaで約０．１と非常に平滑な表
面であった。この成形体から１５×６０×１ｍｍのテス
トピースを切り出し、スパン４０ｍｍ、曲げ速度５ｍｍ
／分の条件で曲げ試験を行なって、表１に示す結果を得
た。また、この成形体から２００×２００×１ｍｍのテ
ストピースを切り出し、アドバンテスト法によるＥＭＩ
シールド特性の測定を行なって、表１に示す結果を得
た。

【００２１】実施例２ 実施例１で用いたと同じ炭素繊維１７ｇおよびニッケル
コート炭素繊維（東邦レーヨン社製、ベスファイト・Ｍ
Ｃ、ニッケル膜厚：０．２５μｍ）３ｇの混合物を繊維
成分として使用する以外は、実施例１と同様の方法で、
縦２００ｍｍ、横４００ｍｍ、厚さ１ｍｍの成形体を得
た。得られた成形体について実施例１と同様の方法で曲
げ試験およびＥＭＩシールド特性の測定を行ない、表１
に示す結果を得た。

【００２２】

【００２３】実施例３ 実施例１で用いたと同様の金型を使用し、キャビティク
リアランスが３００ｍｍでキャビティ空間が密閉状態と
なるように金型を閉じ、金型キャビティ面が１２０℃と
なるように予熱した。実施例１で用いたと同じ炭素繊維
２０ｇおよびポリカーボネート樹脂粉末８０ｇを、６０
０℃に加熱された空気が吹き込まれている直径５０ｍｍ
の気体供給路に添加供給しながら、上記キャビティ空間
に２０秒間で送り込んだ。（図５） このときの、気体供給路のキャビティに面している吹き
出しノズル径は６．５ｍｍであり、ノズル出口での材料
混合気体の流速は２６０ｍ／秒であった。次に、雌型を
降下させ、プレス圧力３００ｋｇ／ｃｍ² で３０秒間加
圧した（図５）のち、金型を冷却し、雌型を上昇させて
型を開き、縦２００ｍｍ、横４００ｍｍ、厚さ１ｍｍの
成形体を得た。得られた成形体について実施例１と同様
の方法で曲げ試験を行ない、次の結果を得た。 曲げ強度 ： ２１ｋｇ／ｍｍ² 曲げ弾性率：１３４０ｋｇ／ｍｍ²

【００２４】実施例４ 開放状態にある雌雄両金型の雄金型面上に、実施例１で
用いたと同じ炭素繊維２５ｇおよびＡＢＳ樹脂粉末（住
友ダウ社製、ＳＫＤ２２０、平均粒径１５０μｍ）７５
ｇを置き、金型をキャビティ空間が密閉状態となるまで
閉じた。このときのキャビティは縦２００ｍｍ、横４０
０ｍｍ、上金型面と下金型面との間（キャビティクリア
ランス）は２００ｍｍであった。キャビティ面が１００
℃になるように金型を加熱するとともに、雌金型に設け
たキャビティ空間に面する吹き出しノズル径が６．５ｍ
ｍの気体供給路より、５００℃に加熱した空気（空気圧
４ｋｇ／ｃｍ² 、ノズル出口での流速３００ｍ／秒）を
キャビティ空間に３０秒間吹き込み、キャビティ内で樹
脂粉末と繊維を分散、混合させた。次に、キャビティク
リアランスが１．５ｍｍになるまで雌金型を降下させて
型締し、この状態で３０秒間保持したのち金型を開いて
縦２００ｍｍ、横４００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの成形体
を取り出した。得られた成形体は、空隙率３０％で連通
気孔を有しており、実施例１と同様の方法で曲げ試験を
行なったところ、次の結果を得た。 曲げ強度 ： １４ｋｇ／ｍｍ² 曲げ弾性率：１０２０ｋｇ／ｍｍ²

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法において、開放状態の金型間に樹
脂粉末および繊維を載置した状態の概略図である。

【図２】本発明の方法において、キャビティ空間が密閉
状態となるまで金型を閉じたときの状態図である。

【図３】本発明の方法において、密閉状態のキャビティ
空間に高速で気体を供給して材料を分散、混合したとき
の状態図である。

【図４】本発明の方法において、キャビティ空間に材料
が分散、混合している状態でで型締したときの概略図で
ある。

【図５】本発明の方法において、樹脂粉末および繊維を
高速流の気体とともに、密閉されたキャビティ空間に供
給するときの概略図である。

【符号の説明】

１：雌金型 ２：雄金型 ３：熱可塑性樹脂粉末 ４：強化用繊維 ５：キャビティ空間 ６：気体供給路 ７：気体 ８：熱可塑性樹脂
粉末貯留槽 ９：強化用繊維貯留槽 １０：空気抜き孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｋ 105:00 105:12 505:00

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】雌雄一対からなる金型のキャビティクリア
   ランスが最終製品厚よりも広く、かつ密閉状態にあるキ
   ャビティ空間に熱可塑性樹脂粉末と強化用繊維が分散混
   合している状態で、キャビティクリアランスが最終製品
   厚になるまで金型を閉じて型締することを特徴とする繊
   維強化樹脂成形体の製造方法。
2. 【請求項２】金型面上に熱可塑性樹脂粉末および強化用
   繊維が載置されている密閉状態にあるキャビティ空間
   に、気体を高速で導入し、キャビティ空間内で熱可塑性
   樹脂粉末と強化用繊維を分散混合することを特徴とする
   請求項１に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
3. 【請求項３】熱可塑性樹脂粉末と強化用繊維を気体の高
   速流で分散混合しつつ、密閉状態にあるキャビティ空間
   内に導入することを特徴とする請求項１に記載の繊維強
   化樹脂成形体の製造方法。
4. 【請求項４】気体の温度が熱可塑性樹脂の溶融温度より
   も高温である請求項２または３に記載の繊維強化樹脂成
   形体の製造方法。
5. 【請求項５】強化用繊維の割合が、熱可塑性樹脂粉末に
   対して体積比で３〜５０％である請求項１に記載の繊維
   強化樹脂成形体の製造方法。
6. 【請求項６】導電性繊維を強化繊維の一部として含む請
   求項１に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
7. 【請求項７】導電性繊維の使用量が、強化用繊維および
   樹脂の合計体積に対して２〜１０容量％である請求項６
   に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
8. 【請求項８】導電性繊維が、金属繊維または／および金
   属被覆繊維である請求項６に記載の繊維強化樹脂成形体
   の製造方法。