JP6013935B2

JP6013935B2 - 射出成形工程の間に繊維の配列を制御する方法及び装置

Info

Publication number: JP6013935B2
Application number: JP2013030834A
Authority: JP
Inventors: エヌ．ガンディウメシュ
Original assignee: トヨタモーターエンジニアリングアンドマニュファクチャリングノースアメリカ，インコーポレイティド
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014004820A; US20130341837A1; US9409329B2

Description

本発明は、繊維強化ポリマー製品の射出成形に関し、詳細には金型キャビティにおいて強化繊維の好ましい配列を形成するための電場の使用に関する。

成形ポリマー（プラスチック）製品を強化するためにアスペクト比の高い繊維を用いることがよく知られている。この強化繊維はガラス又はポリマーであってよく、所定の繊維長さの分布を形成する「切断」工程の生成物であることが多い。

繊維は溶融状態のポリマーに混合され、その後この混合物は、製品中の強化繊維の配列もしくは配向に特に注意をはらうことなくダイもしくは金型キャビティに流される。これは成形製品の物性に大きな変化を与える。

本発明によれば、金型キャビティに繊維及びポリマー媒体を導入する際に、射出成形ポリマー製品中のガラスもしくは他の繊維のような強化繊維の配向もしくは「配列」が制御される。これは、射出工程の間に製品の輪郭を規定する金型キャビティ又はこのキャビティに接続されている流入路のような、成形装置の少なくとも１以上の部位に高電圧電場を加えることにより達成される。この電場は、金型キャビティの充填直後の短いセットアップ期間の間保持される。その後、この電場は除かれ、金型キャビティが開かれ、製品が取り出される。

以下に詳細に説明する実施態様において、強化繊維は長さが約４〜７ｍｍであるガラスであり、電場は電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶである。典型的な製品において、充填時間は３０秒〜２分もしくは３分のオーダーである。

本発明の他の利点、特徴、並びに操作方法及び構造の関連する要素の機能等は以下の詳細な説明及び添付する図面を考慮することによりさらに明らかとなるであろう。

スクリュータイプ射出機を用いる成形装置の略図である。金型キャビティの２つの部位にいかに電場を加えるかを示す成形装置の一部の略図である。ラムタイプ射出機を用いる製品射出もしくは回収工程の略図である。本発明の実施態様を行うために用いられる方法のフローチャートである。

図１を参照し、金型１０は互いにかみ合う左側部材１０Ａ及び右側部材１０Ｂを有し、これらは金型キャビティ１２を、そして射出成形される製品３０の輪郭を規定する。スプルー１４は、プラスチック／繊維源１８に接続された射出機１６により導入されるガラス強化繊維と溶融プラスチックの混合物用の流入路を規定する。射出工程は、射出機１６の一部であるスクリュー２０により行われる。上記のように、繊維はガラス又はポリマー、又は非導電性材料であってよい。

図２に示すように、金型キャビティは２つの別個の細長い部分を有する製品を規定している。第１の部分は、対称的にスプルー領域１４から反対方向にかつ水平方向に延びており、第２の部分は第１の部分の遠位末端における部材により規定されている。第１の一組の電極２４は、金型キャビティの第１の細長い部位の両側に配置され、回路２２により高電圧源に接続されている。第２の一組の電極２８は、回路２６において高電圧源に接続され、成形される製品３０の第２の細長い部位の両側に配置されている。この場合、電極は平坦でありかつ互いに平行であるが、他の配置も用いてよい。平坦な電極は、成形製品の細長い部位に平行な方向に直線状の平行な繊維配列を与えるが、放射状の配列のような他の配列方向を形成してもよい。これは円形の外周電極とより小さな中心電極の組み合わせによって達成される。射出機１６は、溶融ポリマー／繊維混合物を金型キャビティに射出するために用いられ、その間、高電圧源から電極２４及び２８により金型キャビティ部分を横切って電場が加えられる。３０秒〜約３０分のセットアップ時間の後、金型部分１０Ａ及び１０Ｂは分離され、射出圧力が解放されて部材３０が取り出される。各細長い部位において１組のみの電極を示しているが、さらなる電極を用いて異なる結果を達成してもよいことは理解されるであろう。

図４を参照し、本発明の方法の個々の工程を説明する。

工程３２において、長さが約４〜７ｍｍのガラス強化繊維を適当な射出可能なポリマー、例えばポリエチレン、ポリプロピレンもしくは他の熱可塑性樹脂に混合する。工程３４において、金型キャビティのサイズ、繊維の種類及びサイズ、及び溶融ポリマーマトリックスの粘度に応じて、電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶの高電圧ＤＣを、図２の例に示すように、キャビティの周囲に配置された電極により金型キャビティの少なくとも一部に加える。これは金型キャビティに対していかに電極を配置するかの一例に過ぎないことは理解されるであろう。電場は、工程３６で示されるような、ポリマー／繊維混合物が金型キャビティに射出される際に加えられる。当業者は、電場の強度が、溶融マトリックスポリマーの粘度及び繊維の種類及びサイズを含む多くのファクターに依存していることを理解するであろう。

３０秒〜２−３分のセットアップ時間（この間、電場は連続的に加えられている）の後、工程３８に示すように電場が除かれる。工程４０において、図３のように金型が開かれ、部材が取り出される。

繊維長さの選択及びこの繊維長さの分布は、本願と同時出願に記載の方法を用いることにより最適にされる。

本発明をもっとも実際的かつ好ましい態様について説明したが、本発明はこの態様に限定されず、添付する請求の範囲の範囲内に含まれる様々な変形を含む。本発明の実施態様の一部を以下の項目［１］−［１２］に記載する。
［１］
射出成形されたポリマー製品中の強化繊維の配列を制御する方法であって、以下の工程：
成形装置の少なくとも１つの領域に電場を加えること、その後
加えている電場を維持しながら、実質的に配列されていない強化繊維を含む流動ポリマーを成形装置に射出すること、
を含む方法。
［２］
前記成形装置が金型キャビティであり、前記方法が、強化繊維を含む流動ポリマーの射出後のセットアップ期間の間、加えられた電場を維持する追加工程を含む、項目１記載の方法。
［３］
前記電場が約３０秒〜３分の間維持される、項目２記載の方法。
［４］
前記強化繊維が、電導性の低いポリマーもしくはガラス製である、項目１記載の方法。
［５］
ポリマー中の前記繊維の平均長さが約４〜７ｍｍである、項目４記載の方法。
［６］
前記電場がＤＣであり、この電場の強さが、電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶである、項目１記載の方法。
［７］
金型キャビティが少なくとも１つの細長い部分を有し、この細長い部分を横切って電場が加えられる、項目１記載の方法。
［８］
射出成形により繊維強化ポリマーで作られている製品を形成するための金型、及び
成形工程の間に所定の方向に繊維強化ポリマー中の繊維の少なくとも一部を配列させることができる強度及び方向に、金型の少なくとも１つの部位に電場を加えるための電極
を含む組立体。
［９］
前記電極が、ＤＣ電場を加えるように配列されている、項目８記載の組立体。
［１０］
前記電極が、電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶの電場強度を与えるよう配列されている、項目９記載の組立体。
［１１］
前記繊維が非導電性材料製である、項目８記載の組立体。
［１２］
前記繊維がガラス製である、項目１１記載の組立体。

Claims

射出成形されたポリマー製品中の強化繊維の配列を制御する方法であって、以下の工程：
成形装置の少なくとも１つの領域にＤＣ電場を加えること、その後
加えているＤＣ電場を維持しながら、実質的に配列されていない非導電性強化繊維を含む流動ポリマーを成形装置に射出し、成形装置の細長い部位に平行な方向に直線状の平行な配列で前記非電導性強化繊維を配向させること、
を含み、前記強化繊維の平均長さが約４〜７ｍｍである、方法。
前記成形装置が金型キャビティを規定し、前記方法が、前記金型キャビティに流動ポリマーの射出後のセットアップ期間の間、加えられた電場を維持する追加工程を含む、請求項１記載の方法。
前記電場が約３０秒〜３分のセットアップ期間の間維持される、請求項２記載の方法。
前記強化繊維が、非電導性ポリマーもしくはガラスを含む、請求項１記載の方法。
前記ＤＣ電場が、電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶの電場の強さを有する、請求項１記載の方法。
少なくとも１つの細長い部分を有する射出成形されたポリマー製品中の強化繊維の配列を制御する方法であって、以下の工程：
ａ．成形キャビティの細長い部位を横切ってＤＣ電場を加えること、
ｂ．加えているＤＣ電場を維持しながら、実質的に配列されていない非導電性強化繊維とポリマーの流動混合物を前記成型キャビティに射出し、前記成形キャビティの細長い部位に平行な方向に直線状の平行な配列で前記非電導性強化繊維を配向させること、及び
ｃ．流動混合物の射出後、セットアップ期間の間、電場を連続的に加えること、
を含み、前記ＤＣ電場が、電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶの電場の強さを有する、方法。
前記セットアップ期間が約３０秒〜３分である、請求項６記載の方法。
前記強化繊維が、非電導性ポリマーもしくはガラスを含む、請求項６記載の方法。
前記強化繊維の平均長さが約４〜７ｍｍである、請求項６記載の方法。
射出成形法において非導電性強化繊維を配向させる方法であって、以下の工程：
射出可能なポリマーと、平均長さが約４〜７ｍｍである実質的に配列されていない非導電性強化繊維の混合物を調製すること、
成形装置の細長い部位の両側に配置した１対の電極を横切って高電圧ＤＣ電場を加えること、ここでこの高電圧ＤＣ電場の強さは、電極長さ１ｍｍあたり約１〜５ｋＶであり、
高電圧ＤＣ電場を加え続けながら、前記細長い部位に前記混合物を射出し、前記細長い部位に平行な方向に直線状の平行な配列で、前記細長い部位に隣接して配置された非導電性強化繊維を配向させること、
前記混合物の射出後、約３０秒〜３分のセットアップ期間の間、前記高電圧ＤＣ電場を維持してポリマー製品を形成すること、及び
高電圧ＤＣ電場を止め、ポリマー製品を取り出すこと
を含む方法。