JP6173996B2 - 繊維強化樹脂組成物の製造に使用する二軸押出機 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂とロービングで投入された強化繊維とを混練し、解繊・切断された強化繊維を含有する繊維強化樹脂組成物の製造に使用する二軸押出機に係り、特に、混練部に垂下する突出部材を有する二軸押出機に関する。

繊維強化樹脂は、比強度、成形性などに優れ、その適用分野が拡大している。大量生産が期待される自動車部品においては、特殊自動車や特定部品への繊維強化樹脂の適用から次第にその適用範囲が拡大している。特に、近年の環境問題に関して自動車の軽量化が急がれており、繊維強化樹脂の一般自動車部品への適用促進が求められている。一般自動車部品への繊維強化樹脂の適用においては、熱可塑性樹脂をマトリックスとしたガラス繊維又は炭素繊維による繊維強化樹脂の開発が進められている。

繊維強化樹脂においては、強化繊維の繊維長を長くすること、強化繊維の含有率を高めることが好ましいとされる。例えば、特許文献１に、強度、熱的強度、耐久性、低吸水性、及び耐熱安定性に優れる（A）ポリアミド20〜80質量％と、重量平均繊維長が1〜15mmである（B）強化繊維20〜80質量％とを含む長繊維強化ポリアミド樹脂組成物が提案されている。そして、ガラス繊維ロービングを含浸ダイに導入し二軸押出機から供給したポリアミド樹脂を含浸させた後引き抜き、ペレタイザーでカットして長さ10mmのペレットを作製し、これを用いて射出成形した実施例が記載されている。重量平均繊維長は、ペレット状態で10mmであったものが射出成形した成形品では3.4〜4.75mmであったことが示されている。一方、ポリアミド樹脂とガラス繊維チョップドストランドを二軸押出機に供給して溶融混練し、これを水冷バス中でストランド状に冷却固化した後に長さ3mmのペレットを作製し、これを用いて射出成形した比較例の場合においては、ペレット状態で重量平均繊維長が0.27mmであったものが成形品中では0.23mmであったことが示されている。

特許文献２に、補強繊維と粒状固形物とを混入した熱可塑性樹脂で射出成形された樹脂射出成形品であって、上記粒状固形物は、アスペクト比が1〜5、平均粒径が10μm以下、配合量が0.5〜5重量%に設定されている樹脂射出成形品が提案されている。そして、ポリプロピレン又はポリアミド樹脂をマトリックスとし、強化繊維としてガラス繊維又は炭素繊維を使用した繊維強化樹脂成形品を３つの方法で作製した実施例が示されている。第１の方法は、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維のロービングから加工したペレットを用いて射出成形する方法である。第２の方法は、チョップドストランド状態の強化繊維とマトリックス樹脂を二軸押出機で溶融混練して押出し、ペレタイザーでカットして成形したチョップ状ペレットを用いて射出成形する方法である。第３の方法は、二軸押出機にマトリックス樹脂と強化繊維のロービングを投入しつつ溶融混練して押出し、そのままこれを射出成形機する方法である。試験結果によると、射出成形品における強化繊維の重量平均繊維長は、第三の方法、第二の方法、第一の方法と順に長くなっていることが示されている。

特開2012-172086号公報 特開2009-242616号公報

特許文献１、２によると、強化繊維は、押出機の溶融混練中あるいは射出成形中に折れて短くなることが示されている。そして、強化繊維の繊維長の長い成形品を得る方法として好ましいのは、特許文献２に第一の方法として記載されている方法であることが示されている。すなわち、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維のロービングからペレットを成形し、これを用いて射出成形する方法が好ましいことが示されている。一方、特許文献２によると、二軸押出機にマトリックス樹脂と強化繊維のロービングを投入しつつ溶融混練して押出し、そのままこれを射出成形機する第三の方法は、強化繊維の繊維長が第一の方法よりも短くなることが示されている。

しかしながら、二軸押出機により、強化繊維のロービングをマトリックス樹脂と混練し、解繊・切断して強化繊維がマトリックス樹脂に分散した繊維強化樹脂組成物を成形する方法は、混練状況によりロービングの切断繊維長を調整できる可能性があり、本来的に好ましい方法である。また、この二軸押出機により繊維強化樹脂組成物を成形する方法は、特許文献２に記載する第一の方法よりも生産効率の高い繊維強化樹脂成形品を製造することができる。

本発明は、このような従来の問題点及び要請に鑑み、二軸押出機に熱可塑性樹脂と強化繊維のロービングを供給し、強化繊維の繊維長が長くかつ所定範囲に分散する均質な特性を有する繊維強化樹脂組成物を製造することができる二軸押出機を提供することを目的とする。

本発明に係る二軸押出機は、溶融した熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維がスクリュによりシリンダ内の輸送部、混練部及び後輸送部に順次搬送され、前記熱可塑性樹脂中に前記強化繊維が解繊・切断され分散・混練されてなる繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機であって、前記シリンダのシリンダくびれ部から混練部に垂下する突出部材が設けられてなる。

上記発明において、突出部材が対向するスクリュのスクリュエレメントは、トーピードスクリュとすることができる。

本発明に係る二軸押出機によれば、繊維強化樹脂組成物の強化繊維の繊維長を長くかつ所定範囲にすることができ、均質な特性を有する繊維強化樹脂組成物を効率的に製造することができる。

二軸押出機の縦断面を示す模式図である。 本発明に係る二軸押出機の混練部を示す横断面図である。 実施例の繊維強化樹脂組成物を投影機にセットして透過光下で撮影した写真である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。図１は、二軸押出機の縦断面図である。二軸押出機10は、図１に示すように、シリンダ11の内部にスクリュ12を有し、上流側から下流側に向けて樹脂フィード部13、輸送部14、混練部15及び後輸送部16を有してなる。樹脂フィード部13、輸送部14、混練部15、後輸送部16は、スクリュ12のそれぞれスクリュエレメント12a、12b、12c、12dを有している。溶融した熱可塑性樹脂が樹脂フィード部13で生成され、これに強化繊維を投入する投入口18が設けられている。本発明においては、投入される強化繊維は、ロービング状であるのがよい。ロービングとは、ガラス、炭素繊維などのフィラメントの繊維束で、連続した糸又は紐状の繊維束をいう。ロービング状とは、そのような繊維束の形態をいう。

二軸押出機10において、樹脂フィード部13は、所要の溶融した熱可塑性樹脂を生成する部分である。樹脂フィード部13は、熱可塑性樹脂を投入口23から投入して溶融した熱可塑性樹脂を生成する形態のものであってもよく、また、タンデム押出機のように上流側に連結された第一段の押出機とともに樹脂フィード部13を形成する形態のものであってもよい。輸送部14は、樹脂フィード部13と混練部15との間に設けられる。輸送部14は、投入口18から投入された強化繊維と樹脂フィード部13で生成された溶融熱可塑性樹脂とを混練部15に向けて輸送し混入させる部分である。

二軸押出機10の混練部15は、溶融熱可塑性樹脂とともに輸送されてきた強化繊維のロービングの解繊・切断が促進され、切断された強化繊維が溶融熱可塑性樹脂に分散・混練される部分である。本発明における二軸押出機は、図２に示すように、並列する2本のシリンダの横断面が交わるシリンダくびれ部11bから、混練部15に向けて垂下する突出部材19が設けられている。このシリンダくびれ部11bは、スクリュエレメント12cに沿って搬送されてきた強化繊維31と熱可塑性樹脂との混練物に乱れを生じさせ易い部分である。このため、このシリンダくびれ部11bに設けた突出部材19は、強化繊維31を解繊・切断し、また、所定以上の長さの強化繊維31を絡めてその切断を促進させることができる。

突出部材19の形状及び垂下する長さは、二軸押出機10によって成形される繊維強化樹脂組成物中の強化繊維の長さ範囲をどのようにするかに応じて適時選択される。図２（ｂ）に示すように、突出部材19の垂下する長さｈは、調整できるようになっているのがよい。混練部15に突出部材19を設け、また、突出部材19の垂下する長さｈの調整を容易に行うようにするには、突出部材19に対向するスクリュエレメント12cをトーピードスクリュにするのがよい。なお、トーピードスクリュとは、外径部がフライトのない短径からなるスクリュエレメントをいう。

突出部材19は、円柱形状のものにすることができ、強化繊維の切断を促進するために、扁平な形状とすることができる。突出部材19は、単数又は複数個設けることができる。複数個の突出部材19を設ける場合は、突出部材19は、搬送されてきた強化繊維31と熱可塑性樹脂との混練物に乱れを生じさせ、強化繊維31をこれに絡め、解繊・切断させる作用を発揮させるものであるから、非対称形形態に配設するのがよい。

混練部15のスクリュエレメントは、ニーディングディスク、ギアニーディングディスク、あるいは高い分配性能を有する逆リードフライトスクリュエレメントなどを使用することができる。上記輸送部14のスクリュエレメントの構成と、この混練部15のスクリュエレメントの構成により、繊維強化樹脂組成物の強化繊維の繊維長を長くすることができ、また強化繊維の含有率を高めることができる。強化繊維の繊維長は、1mm以上、1〜100mmの範囲の長さに調整することができる。また、強化繊維は、重量比で40%（体積比で30%）程度まで含有させることができる。

輸送部14のL/Dは３以上にするのがよい。混練部15のL/Dは0.5〜4.0とすることができ、目標とする強化繊維の繊維長に従って適当な値が選択される。混練部15のL/Dが大きいと強化繊維の切断回数が大きくなるので、繊維長は短くなる。強化繊維が適度に切断、分散されたならば、強化繊維を二軸押出機から素早く排出し強化繊維の不要な切断を防止するのがよい。このため、混練部15は二軸押出機10の吐出端部に設けるのがよい。しかしながら、混練された強化繊維組成物の安定した排出を行うために、後輸送部16を設けることができる。この後輸送部16のL/Dは１以上とすることができる。なお、L/Dとは、いわゆるL/D比をいい、二軸押出機の長さLに対するスクリュエレメントの外縁の径Dの比をいう。

図１及び２に示す構成の二軸押出機（株式会社日本製鋼所製二軸押出機Tex44αII）により繊維強化樹脂成形品の作製試験を行った。二軸押出機にポリプロピレン樹脂（PP）と1本当たりガラス繊維の素線14000本を束ねたロービングの60本を投入して混練し、押し出した繊維強化樹脂組成物をプレス成形して直径150mm×厚さ5mmの円盤状の繊維強化樹脂成形品を作製した。二軸押出機は、内径が47mm、シリンダ設定温度が200℃、スクリュ回転数が120rpm、吐出量が100kg/hであった。突出部材は、直径10mmの円柱状で垂下する長さｈは10mmであった。プレス成形は、金型温度が120℃、圧力が1.8MPaであった。比較例として、突出部材を設けていない二軸押出機を使用し、上記と同一条件で繊維強化樹脂成形品を作製した。

繊維強化樹脂成形品（発明例）の繊維密度は、35wt%であった。その発明例の断面写真を図３（ａ）に示す。また、繊維強化樹脂成形品（比較例）の断面写真を図３（ｂ）に示す。図３によると、比較例は解繊が不十分で束状になった長さが10mm以上のものが散在しているのに対し、発明例はそのような解繊が不十分なものはほとんど見当たらず、解繊・切断が進んでいることが分かる。

10 二軸押出機
11 シリンダ
12 スクリュ
13 樹脂フィード部
14 輸送部
15 混練部
16 後輸送部
18 投入口
19 突出部材
23 投入口
25 ベント
31 強化繊維

Claims (2)

1. 溶融した熱可塑性樹脂とロービング状の強化繊維がスクリュによりシリンダ内の輸送部、混練部及び後輸送部に順次搬送され、前記熱可塑性樹脂中に前記強化繊維が解繊・切断され分散・混練されてなる繊維強化樹脂組成物を製造する二軸押出機であって、
   前記シリンダのシリンダくびれ部から混練部に垂下する円柱状又は扁平状の突出部材が設けられた二軸押出機。
2. 突出部材が対向するスクリュのスクリュエレメントは、トーピードスクリュであることを特徴とする請求項１に記載の二軸押出機。

Images