JP5059259B2 - 長繊維ペレットおよび長繊維ペレットの製造方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、熱可塑性マトリックス内に強化ステープル・ファイバが螺旋状に配置されているペレット粒子からなる長繊維ペレットに関するものである。さらに、本発明は、熱可塑性繊維および強化繊維からなるステープル・ファイバ混合物から長繊維ペレットを製造する方法であって、ステープル・ファイバ混合物からなる繊維バンドが予熱領域内に供給され、次に加熱ノズル内を引き抜かれてストランドが形成され、およびストランドが回転され且つ冷却により固化されたのちに長繊維ペレットに切断される長繊維ペレットの製造方法に関するものである。最後に、本発明は、予熱領域、加熱ノズル、冷却領域、回転機構およびペレタイザ（造粒機）を備えた、熱可塑性繊維および強化繊維からなるステープル・ファイバ・バンドから長繊維ペレットを製造する装置に関するものである。
【０００２】
短繊維含有ペレットは強化繊維とそれぞれのマトリックス材料との配合により押出機を用いて製造される。強化繊維は押出機にエンドレスに供給されても、または断続して供給されてもよい。スクリューの切断作用により強化繊維の短小化が行われる。同時に強化繊維は溶融ポリマー内に細かく分配され且つマトリックス材料で含浸される。強化繊維はペレット・コア内で一定の配向を有していない。この短繊維ペレットの場合には、強化繊維の繊維長さは一般にペレット長さより短く通常１ｍｍ以下である。
【０００３】
プラスチック加工業においては、軽量高強度繊維強化構造部品の製造のために長繊維ペレットの使用がますます増加してきている。この長繊維ペレットは原理的に種々の方法で製造可能である。従来から確立されている方法は引抜成形法である。この方法の基本は、溶融マトリックス材料を同時に供給して金型内で強化繊維ストランド（ロービング）を連続的に引き抜くことである。理想的な場合には、溶融ポリマーがロービングを含浸し且つ個々のフィラメントが溶融フィルムで被覆される。金型の出口においてストランドはノズル内に供給され、これにより所定の断面が形成される。それに続いてマトリックス材料の冷却および材料ストランドの切断が行われる。このようにして形成されたペレットの繊維長さは繊維が伸長配置されていることによりペレット長さに対応している。
【０００４】
溶融引抜成形法は種々の変更態様において既知であり且つ長繊維ペレットの製造のみならず半製品の製造にも使用される（特開平８−４７９２４号、特開平６−３２０５３６号、米国特許第３９９３７２６号、イギリス特許第１４３９３２７号、特開平６−３１５９３１号）。さらに、プリプレグ加工のための引抜成形法もまた既知である。この特殊な引抜成形法の場合には、溶融ポリマー材料の供給は省略することができる。このための前提は予備含浸強化繊維ロービング（プリプレグ）の使用である。
【０００５】
押出成形法による長繊維ペレットの製造もまた既知である（特開平６−２５４８４７号）。この場合、強化繊維の絡み合わせおよび外装により個々の繊維長さをペレット長さより大きくすることが可能である。しかしながら、押出スクリューの切断作用により大部分の強化繊維はペレット長さより短くなる。
【０００６】
しかしながら、引抜成形法または押出成形法において長繊維ペレットを製造するために、各々の場合に特定の強化繊維形成（ロービングまたは流動性長繊維）が必要である。これはあらゆる強化繊維を用いて必ずしも実現可能ではない。
【０００７】
従来から既知の長繊維ペレット製造法のほかに、さらに長繊維ペレットを繊維バンドから製造する他の方法が開発された（ドイツ特許第１９７１１２４７号）。この方法の原理は、ステープル・ファイバ・バンドから、加熱且つ回転された材料ストランドを形成することであり、材料ストランドは次に冷却され且つペレットに切断可能である。この方法により、ストランドの回転は同じ速さで回転する２つの回転機構を用いて行われる。この方法の欠点は、ストランドの回転が両方の回転機構の間においてのみ一定であることである。２つの回転機構を通過し且つストランドがペレタイザ内にクランプされたのちに、材料の冷却および固化が不十分な場合、ストランドの撚り戻りが発生することがある。これによりペレットの強度および流動性が不利な影響を受けることになる。
【０００８】
良好な流動性を有し、強化繊維の均等分配を可能にし且つペレット・コアの所定の切断長さにおいてできるだけ大きな強化繊維長さを有する長繊維ペレットを提供することが本発明の課題である。さらに、熱可塑性繊維および強化繊維からなるステープル・ファイバ混合物から長繊維ペレットを製造するときにエネルギー消費量が少なくなる方法が提供されるべきである。特に、この方法において、冷却領域を通過したのちにストランドの撚り戻りが回避されるべきである。本発明の他の利点が以下の説明から明らかである。
【０００９】
この課題は、冒頭記載の長繊維ペレットにおいて、本発明により、強化ステープル・ファイバが溶融マトリックス材料と共に粒子の外被領域内に存在し、且つ非溶融熱可塑性ステープル・ファイバと共にコア領域内に存在することにより解決される。このペレットの主な利点は、強化繊維をペレット切断長さより大きい繊維長さでペレット・コア内に装填可能であることにある。ストランドないしペレット・コアがコア領域内まで完全に溶融されないときにおいても、捩りによりペレット・コア繊維長さより大きい繊維長さで強化繊維を装填可能であることが明らかになったことは驚くべきことである。さらに、（外被領域または周縁領域内の）熱可塑性樹脂部分が部分溶融しただけにもかかわらず、強化繊維とマトリックス材料との間の分離が行われないこと、即ち外被およびコアにおいて強化繊維の充填がほぼ同じであることが明らかになった。これにより、のちにペレットを加工する場合、構造部品内の強化繊維の極めて均等な分配を形成することが可能である。熱可塑性ポリマー材料を完全に溶融する必要がなく、ストランドないしペレット・コアの外被のみを溶融すればよいので、本発明による長繊維ペレットの製造のためのエネルギー消費量は押出成形または引抜成形（従来のペレットの製造）の場合よりも少なくなる。
【００１０】
ペレット粒子がストランド切断片であり、および粒子の強化繊維の長さがストランド切断片の長さより大きいことが好ましい。長繊維の長さとストランド切断片の長さとの比はストランドの捩りの関数であり且つ捩りの増加と共に増大する。ペレット粒子の直径は一般に１−１０ｍｍの範囲内に存在する。ペレット粒子内の強化繊維の割合は１０−８０重量％の範囲内に存在してもよい。ペレット粒子内の強化繊維の巻数は広範囲にわたり変化してもよいが、一般に０．１−５の範囲内に存在する。
【００１１】
強化繊維は、天然繊維、合成繊維または鉱物繊維であってもよい。適切な繊維は、例えば亜麻繊維、麻繊維およびジュート繊維並びにガラス繊維、アラミド繊維および炭素繊維である。マトリックスおよび熱可塑性繊維の材料は、特に、ポリプロピレン、ポリエチレンおよびポリアミドから選択されてもよい。
【００１２】
さらにこの課題は、冒頭記載の方法において、本発明により、加熱ノズルから出てくるストランドが最初に冷却され、次に回転され且つ引き抜かれ、それに続いて切断による妨害なしに自由に回転可能である。ドイツ特許第１９７１１２４７号に記載の作業方法とは異なり、ストランドの捩りは、冷却が行われたのち即ち固化したのちに引抜きと同時に行われる。ストランドの捩りは冷却領域を通過して加熱ノズル内まで伝達し且つノズル壁における摩擦により制限される。ペレタイザの構造により、ストランドは切断過程の間においても自由に回転可能であることが保証される。回転機構とペレタイザとの間の領域内におけるストランドの撚り戻り、したがってペレット粒子の流動性および強度の低下もまた回避される。
【００１３】
この方法の好ましい実施態様により、予熱領域において、繊維バンドの熱可塑性繊維部分が外被領域内においてのみ溶融される。これにより、加熱および再冷却に要する時間が少ないので、熱エネルギーが節約されるばかりでなくこの方法は加速される。コアが溶融されないにもかかわらず、この方法においては、捩られた形状における繊維の十分な安定性が達成される。
【００１４】
ストランドの引抜速度に対する回転数の比が１０−１５０回転／ｍの範囲内で作業が行われることが適切である。特にこの比は２０−６０回転／ｍの間に存在する。
【００１５】
繊維バンド内の強化繊維の割合が１０−８０重量％の範囲内特に１５−５０重量％の間に存在することが好ましい。繊維バンド内の平均強化繊維長さが３０−２００ｍｍの範囲内で選択されることが適切である。繊維バンドの繊度は一般に５−３０キロ・テックス（ｋｔｅｘ）の範囲内に存在する。ストランドが１−３０ｍｍの範囲内の長さのペレット粒子に切断され、特にこの長さが１０−３０ｍｍの範囲内に存在することが好ましい。
【００１６】
最後にこの課題は、冒頭記載の装置において、本発明により、ストランドに捩りを与える回転機構が冷却領域の下流側に配置され且つストランドに対する引抜機構として形成され、およびペレタイザが、切断過程の間に、ストランドに対し回転モーメントを与えないか、またはストランドに対し、たかだか残留撚り戻りを与えない程度の回転モーメントを与えるにすぎないことにより解決される。ペレタイザは回転モーメントをほとんど与えることなく切断するように設けられていることが好ましい。撚り戻りを回避することにより、コアの内部まで溶融されないにもかかわらず、強度および流動性に優れたペレットが得られる。ペレタイザは、ストランドを掴み且つ切断する要素が全体として回転機構とほぼ同じ回転数で回転するように作業可能である。
【００１７】
予熱領域がステープル・ファイバ・バンドの外被領域のみに対して設けられていることが適切である。同様に、冷却領域は溶融外被領域の冷却および固化のためにのみ設けられている。
【００１８】
以下に本発明を図面および実施例により詳細に説明する。
図１から、強化繊維１１が切断片内に螺旋状に巻き付けられて配置されていることが明らかであり、この場合、外被領域内で繊維１１は溶融マトリックス材料１２内に埋め込まれている。図２は、断面図において、強化繊維および熱可塑性マトリックス繊維からなるコア１３および溶融マトリックス材料１２内の強化繊維１１からなる外被１４を示す。
【００１９】
図３に示すように、この装置は貯蔵容器１を含み、貯蔵容器１から、熱可塑性組成マトリックス繊維および強化繊維からなる繊維バンド２が引出ローラ３を介して予熱領域４に供給される。予熱領域４において、バンドの外被領域内のマトリックス繊維が溶融される。この場合、内部まで完全溶融する場合よりも少ないエネルギーを必要とするにすぎず、およびストランド速度を加速可能である。予熱領域４を離れたのちに、加熱された材料ストランドは加熱ノズル５内を通過し、加熱ノズル５はストランド断面の補正を行う。次に、マトリックス材料を再冷却し且つ固化するためにストランドは冷却領域６内を通過する。ストランドの回転は冷却領域６の端部において引出および回転複合機構７により行われる。引出および回転複合機構７の中心部品は、この機構の内部に存在するストランドを引き出すための相互回転および捩りのためのストランド軸の周りの回転を与えるローラである。このような複合捩り形成機の構造は繊維工業から既知であり且つ文献に記載されている（Ｗ．Ｗｅｇｅｎｅｒ、「紡糸機の延伸装置」）。
【００２０】
材料ストランドの回転は回転機構７から冷却領域６を通過して加熱ノズル５内まで伝達し且つノズル壁における摩擦により制限される。ストランドはペレタイザ８によりペレット粒子（長繊維ペレット）に切断される。この場合、ペレタイザの構造により、ストランドは切断過程の間においても自由に回転可能であることが保証される。形成されたペレット粒子はコア−外被構造（固化外被／コア内繊維材料）を有している。この装置を用いて、連続工程においてストランドに所定の捩りを与えることができる。
【００２１】
実施例１
１０キロ・テックス（ｋｔｅｘ）のバンド繊度、６０ｍｍの亜麻繊維およびポリプロピレン繊維の平均繊維長さおよび３０重量％の亜麻繊維含有量を有する亜麻繊維およびポリプロピレン繊維からなる繊維バンドが図３に示す装置の予熱領域を介して２５０℃の温度に加熱される。予熱領域を離れたのちに、繊維は、２５０℃に加熱された５ｍｍ直径のノズル内を通過する。ノズルを離れたのちに、繊維ストランドは後続の冷却領域内を通過し且つ冷却領域の端部において引出および回転複合機構により５０回転／ｍの捩れを得る。最後に、材料ストランドはペレタイザにより２０ｍｍの長さを有するペレットに切断される。
【００２２】
実施例２
８キロ・テックス（ｋｔｅｘ）のバンド繊度、４０ｍｍの平均繊維長さおよび２０重量％の麻繊維含有量を有する麻繊維およびポリプロピレン繊維からなる繊維バンドが熱風による予熱領域を介して２３０℃の温度に加熱される。予熱領域を離れたのちに、繊維バンドは、２３０℃に加熱された４ｍｍ直径を有するノズル内を通過する。ノズルを離れたのちに、繊維ストランドは溶融外被領域を固化するために冷却領域内を通過し且つ引出および回転複合機構により３０回転／ｍで回転される。そののちに、ストランドはペレタイザにより１０ｍｍの長さを有するペレットに切断される。
【００２３】
実施例３
４０重量％のガラス繊維含有量、３ｍｍのペレット直径、１０ｍｍの切断長さ、５０回転／ｍの回転を有する本発明によるガラス強化繊維およびポリアミド・マトリックス繊維からなる繊維混合物から長繊維ペレットが射出成形機により加工される。強化繊維の均等分配および螺旋状繊維配置により、大きな強化繊維長さを問題なく供給可能であり且つポリアミド基材内の均等な強化繊維分配を有する構造部品を製造可能である。
【００２４】
実施例４
３０重量％の亜麻繊維含有量、６ｍｍのペレット直径、２５ｍｍの切断長さ、４０回転／ｍの回転を有する亜麻強化繊維およびポリプロピレン・マトリックス繊維の繊維混合物から長繊維ペレットがスクリュー可塑化式射出成形機上で溶融される。それに続いて、可塑化式射出成形機により材料ストランドがプレス内に装入され且つ大きな平面構造部品にプレスされる。螺旋状繊維配置により、大きな強化繊維長さを問題なく供給可能である。さらに、強化繊維の均等分配により、全体プレス部品内に均等な繊維含有量を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は円筒形ストランド切断片の形状のペレット粒子の略側面図を示し、ここで強化繊維は一部のみが示されている。
【図２】 図２は図１に示したペレット粒子の断面図を示す。
【図３】 図３は本発明による長繊維ペレット製造装置の概略図を示す。

Claims (3)

1. 熱可塑性繊維および強化繊維からなるステープル・ファイバ混合物から長繊維ペレットを製造する方法であって、ステープル・ファイバ混合物からなる繊維バンドが予熱領域内に供給され、次に加熱ノズルを介して引き抜かれてストランドが形成され、次にストランドが冷却され、次にストランドが引き出されると同時に回転され、その後、ペレタイザによって長繊維ペレットに切断される長繊維ペレットの製造方法において、
   ストランドは、その外被領域のみが前記予熱領域において溶融され、次いで冷却され、次に引出及び回転機構（７）によって回転され且つ引き抜かれてストランドがその軸線を中心に回転され且つ前記繊維が前記回転による捩れによって螺旋状に配列され、それに続いて、前記引出及び回転機構（７）によって自由に回転されながら出て行くストランドがペレタイザ（８）に送られ、ペレタイザによって妨害を受けることなくペレットに切断されることを特徴とする長繊維ペレットの製造方法。
2. 前記回転が、１０−１５０回転／ｍの範囲の引抜速度に対する回転数の比で行われ、前記繊維バンド内の強化繊維の割合が１０−８０重量％の範囲内であり、繊維バンド内の平均強化繊維長さが３０−２００ｍｍの範囲内で選択され、繊維バンドの繊度が５−３０キロ・テックス（ｋｔｅｘ）の範囲内で選択されることを特徴とする請求項１の方法。
3. 予熱領域（４）、加熱ノズル（５）、冷却領域（６）、回転機構（７）およびペレタイザ（造粒機）（８）を備えた、熱可塑性繊維および強化繊維からなるステープル・ファイバ・バンドから長繊維ペレットを製造する装置において、
   予熱領域（４）がステープル・ファイバ・バンドの外被領域のみが溶融されるように設定されており、
   繊維バンドストランドに捩りを与える回転機構（７）が、冷却領域（６）の下流側に配置され且つストランドに対する回転及び引抜機構として形成されていてストランドをその軸線を中心に捩り、
   回転機構（７）の下流に設けられたペレタイザ（８）が、ストランドを切断する要素を備えており、それによって、ストランドに回転モーメントを与えないか永久的な撚り戻りを与えない程度の回転モーメントを与えながらストランドの切断を行うようになされたことを特徴とする長繊維ペレットの製造装置。

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