JP6442385B2

JP6442385B2 - 混練装置

Info

Publication number: JP6442385B2
Application number: JP2015191067A
Authority: JP
Inventors: 修平廣田; 賢一蓬莱; 絵津子秋本
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: JP2017064977A

Description

本発明は、混練装置に関し、より特定的には、樹脂と繊維とを混練する混練装置に関する。

近年、熱可塑性樹脂等の樹脂と炭素繊維等の繊維とを混合した複合材料を製造する成形方法として、ＬＦＴ−Ｄ（Long Fiber Thermoplastics -Direct）法が採用されている。ＬＦＴ−Ｄ法により複合材料を製造する方法は、例えば特開２０１３−１７３３３０号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１には、押出し装置に連続繊維と熱可塑性樹脂材とを導入し、押出し装置内に配置されたスクリューの回転によって、連続繊維材を裁断しながら熱可塑性樹脂材と混練して混練材料を生成し、この混練材料を押出し装置から押出して成形型内に充填し、成形型内の混練材料をプレス加工して繊維強化樹脂材を製造する方法が開示されている。特許文献１の製造方法は、押出し装置内に配置されたスクリューの回転速度を調整し、連続繊維材を裁断して形成され、かつ熱可塑性樹脂材と混練される繊維材の繊維長を調整して繊維強化樹脂材の内部に繊維長分布を形成している。

特開２０１３−１７３３３０号公報

上記特許文献１では、スクリューの回転速度を調整して繊維長を調整している。このため、樹脂に混練される繊維の繊維長を短くするためには、スクリューの回転速度を高くする必要がある。スクリューの回転速度を高くすると、せん断応力が強くなるため、押出機に導入された繊維の束を構成する複数本（例えば１万２千本以上）の繊維のそれぞれがばらける（開繊される）。一方、樹脂に混練される繊維の繊維長を長くするためには、スクリューの回転速度を低くする必要がある。しかしながら、スクリューの回転速度を低くすると、複合材料を製造する効率が悪い。また、押出し機に導入された複数本の繊維は開繊されず、繊維の束を構成する繊維の少なくとも一部が樹脂中に束のままで含有されること（未開繊）になる。未開繊の繊維の束には樹脂が含浸しにくいため、複合材料としての特性が著しく低下する。このため、樹脂に含有される繊維の繊維長が長く、かつ繊維の含浸性の高い複合材料を効率よく製造することができないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、複合材料に含有される繊維の繊維長が長く、かつ繊維の含浸性を向上する複合材料を効率よく製造する混練装置を提供することを課題とする。

本発明者は、樹脂と繊維とが混合された複合材料において、弾性率、強度、耐衝撃性などの特性は、図８に示すように、複合材料に含有される繊維の繊維長に大きく依存することに着目した。さらに、繊維長の長い繊維と樹脂とが混合された複合材料を製造するためにプレス成形などのＬＦＴ−Ｄ法を採用した場合であっても、スクリューの回転により繊維が短く裁断されてしまい、繊維長の長い繊維を含有する複合材料を実現することは困難であるという課題と、スクリューの回転速度を低くして繊維長の長い繊維を含有する複合材料を実現できたとしても複合材料中に繊維束が残りやすく含浸性に問題があるという課題とに着目した。そこで、本発明者がこれらの課題を解決するために鋭意研究した結果、複合材料の排出口を有するダイの上流側に堰体を配置し、堰体の開口部の形状を鋭意工夫することによって、樹脂と繊維とを含有する複合材料中の繊維長さを長くし、かつ繊維の分散性を向上できることを見出した。

すなわち、本発明の混練装置は、樹脂と複数本の連続した繊維とを導入し、繊維を裁断しながら樹脂と繊維とを混練して複合材料を製造する混練装置であって、回転することによって樹脂と繊維とを混練するスクリューを有する２本の混練軸と、複合材料を排出する排出口を有するダイと、このダイに対してスクリュー側に配置された堰体とを備え、堰体は、２本の混練軸のスクリューのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部を複数有している。

本発明の混練装置によれば、堰体は２本の混練軸のスクリューのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部を複数有しているので、スクリューの推進力を樹脂及び繊維に効率的に伝えることができる。このため、堰体の手前（下流側）で、かつスクリューが回転しない領域（堰体とスクリューとの間の充満部）に、繊維と樹脂との混練物を充満することができるので、この領域の混練物に適度な圧力を加えることができる。これにより、混練物中の未開繊の繊維を開繊することができる。このため、複数本の繊維のそれぞれに樹脂の含浸を促進できるので、含浸率を向上できる。

また、２本の混練軸によって繊維が短く裁断されないようなスクリューパターンを採用することができるので、堰体の開口部を通過し、排出口から排出される複合材料に含有される繊維の繊維長を長くすることができる。

さらに、本発明の混練装置は、堰体とスクリューとの間の充満部よりも上流側では、樹脂及び繊維の充満率が低いので、スクリューの回転速度の影響を低減できる。つまり、複合材料中の繊維長さを長くするためのスクリューの回転速度の依存度が低い。このため、効率を向上して複合材料を製造できる。

以上より、本発明の混練装置は、複合材料に含有される繊維の繊維長が長く、かつ繊維の含浸性を向上する複合材料を効率よく製造することができる。

本発明の混練装置において好ましくは、開口部の外側輪郭線は、ダイ側に位置するスクリューの山に沿った円弧である。

これにより、スクリューの推進力をより効率的に伝えることができるので、堰体とスクリューとの間の充満部における混練物の充満率を安定させることができる。このため、未開繊を効果的に防止できるので、繊維の含浸性をより向上できる。

本発明の混練装置において好ましくは、開口部の内側輪郭線は、ダイ側に位置するスクリューの谷に沿った円弧である。

本発明の混練装置において好ましくは、堰体は、２本の混練軸の軸端部のそれぞれを挿通させることにより軸端部を支持する貫通孔をさらに有している。

これにより、スクリューの軸端部を堰体で支持できるので、せん断応力を低減するように隙間を設計するなど、繊維が短く裁断されないようなスクリューパターンをより採用しやすくなる。このため、複合材料に含有される繊維の繊維長を容易に長くすることができる。

本発明の混練装置において好ましくは、第１混練機と、第２混練機とを備え、第１混練機は、２本の混練軸とダイと堰体とを含み、第２混練機は、第１混練機に導入される樹脂を、第１混練機内での繊維との混練に先立って、溶融する。

これにより、第１混練機で繊維が混合される前の樹脂を溶融し、第２混練機で繊維と溶融樹脂とを混練することができる。このため、第１混練機では樹脂の混練に適したスクリューの回転速度を設定することができ、第２混練機では樹脂と繊維との混練に適したスクリューの回転速度を設定することができる。したがって、繊維長が長く、かつ繊維の含浸性を向上する複合材料をより効率よく製造することができる。

本発明の混練装置において好ましくは、開口部のそれぞれは、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の外側輪郭線を有している。

これにより、未開繊を防止するとともに、２０〜３０ｍｍ程度の繊維長の繊維と樹脂とを含有する複合材料を容易に製造することができる。この複合材料は、図８に示すように、耐衝撃性などの特性を向上できるとともに、成形性が良好である。

本発明の混練装置において好ましくは、混練軸の先端が堰体の下流側に位置する場合には、堰体の直前に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積に対する開口部の面積割合は、４８％以上６９％以下である。また、本発明の混練装置において好ましくは、混練軸の先端が堰体の上流側に位置する場合には、堰体の直前に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積に対する開口部の面積割合は、３５％以上５０％以下である。

これにより、繊維長が長く、かつ繊維の含浸性を向上する繊維を含有する複合材料を容易にかつ効率よく製造できる。

本発明の混練装置において好ましくは、開口部は、２本の混練軸のそれぞれの軸を中心として２つ以上ずつ形成されている。

このように、堰体がスクリューの回転方向に沿う４つ以上の円弧状の開口部を有していると、繊維長が長く、かつ繊維の分散性を向上する繊維を含有する複合材料を容易に製造できる。

本発明の混練装置によれば、繊維長が長く、かつ繊維の分散性を向上する複合材料を製造することができる。

本発明の実施の形態における混練装置の模式図である。本発明の実施の形態における混練装置の堰体近傍を概略的に示し、図３の矢印指示線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。本発明の実施の形態における混練装置を構成する堰体を概略的に示す正面図である。本発明の実施の形態における混練装置を構成する堰体の１つの開口部と１つの貫通孔とを概略的に示す正面図である。本発明の実施の形態における混練装置の堰体近傍を概略的に示し、図１の矢印指示線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。本発明の実施の形態における混練装置を構成する堰体の変形例を概略的に示す正面図である。本発明の実施の形態における混練装置の堰体近傍の混練物の状態を概略的に示し、図２に対応する断面図である。樹脂と繊維とを含有する複合材料において、繊維長による特性を示すグラフである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。また、本明細書において、原料が導入される方（図１における左側）を上流側とし、混練された材料を排出する方（図１における右側）を下流側とする。

図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態の混練装置１について説明する。図１に示すように、本発明の実施の形態の混練装置１は、樹脂と複数本の連続した繊維の束とを導入し、繊維を裁断しながら開繊させ、樹脂と繊維とを混練して複合材料を製造する混練装置である。

混練装置１は、第１混練機１０と、第２混練機２０と、繊維供給部３０とを備えている。第１混練機１０は、樹脂と繊維とを混練する。第２混練機２０は、第１混練機に導入される樹脂を、第１混練機１０内での繊維との混練に先立って、混練する。繊維供給部３０は、第１混練機１０に繊維を供給する。

第１混練機１０は、スクリュー１１ａを有する混練軸１１と、シリンダー１２と、駆動部１３と、堰体１４と、ダイ１５とを含んでいる。第１混練機１０は、互いに並列に配置された２本の混練軸１１を含んだ２軸混練機である。

混練軸１１は、スクリュー１１ａと、回転軸１１ｂとを有している。２本の回転軸１１ｂは、軸方向に相互に回転可能に配設されており、互いの回転方向は同じであってもよく、異なっていてもよい。

スクリュー１１ａは、回転することによって樹脂と繊維とを混練する。このスクリュー１１ａは、２本の回転軸１１ｂに組み込まれている。スクリュー１１ａは、混練軸１１において上流側の端部と下流側の端部に配置されていれば特に限定されず、スクリュー１１ａのみが回転軸１１ｂに組み込まれていてもよく、中間部にはパドルが組み込まれていてもよい。なお、スクリュー（パドルを含む場合にはスクリュー及びパドル）は、回転軸１１ｂと別部材であってもよく、回転軸１１ｂと一体成形されていてもよい。スクリュー１１ａには、山（フライト）と谷（溝）とが形成されている。

この２本の混練軸１１を内部に収容するようにシリンダー１２が設けられている。シリンダー１２と混練軸１１との隙間は、樹脂及び／または繊維が通過する流路となる。シリンダー１２は、第２混練機２０から供給される樹脂を第１混練機１０内に導入するための樹脂供給口１２ａと、繊維供給部３０から供給される複数本の連続した繊維を第１混練機１０内に導入するための繊維供給口１２ｂとを有している。繊維供給口１２ｂには、導入される連続した繊維を切断するためのカットフライトスクリューなどの切断部が設けられてもよいが、本実施の形態では切断部は省略されており、繊維供給部３０から導入される連続した繊維をそのまま第１混練機１０内へ送る。

本実施の形態の混練軸１１において、混練軸１１の直径（Ｄ）に対する樹脂供給口１２ａ下から先端までの長さ（Ｌ）の有効長（Ｌ／Ｄ）は、例えば、４以上１５以下であり、６以上１３以下であることが好ましい。

混練軸１１の一方（上流側）の軸端には、混練軸１１にトルクを分配する減速機１３ｂを経由して駆動部１３が接続されている。減速機１３ｂは、混練軸１１を所定の回転速度で回転させる。

混練軸１１の他方（下流側）の軸端側には、堰体１４が接続されている。堰体１４は、ブレーカープレートと中間軸受とを兼用でき、混練物の流路に設けられている。堰体１４は、混練物の流路と交差する方向に延びるように配置されるので、混練物に背圧を与える。堰体１４は、例えば金属製、具体的には特殊高力黄銅で、混練物が通過する開口部にはＣｒＮ等の耐摩耗処理が施されており、図２及び図３に示すように平板円状である。

堰体１４は、２本の混練軸１１のスクリュー１１ａのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部１４ａを複数有している。このように、開口部１４ａは、混練軸１１ごとに対応して設けられている。

開口部１４ａは、混練軸１１の回転軸１１ｂを中心とした円弧状である。図４に示すように、開口部１４ａのそれぞれは、周縁として、外側輪郭線１４ａ１と、内側輪郭線１４ａ２と、側部輪郭線１４ａ３とで構成されている。外側輪郭線１４ａ１及び内側輪郭線１４ａ２は、同心円弧である。側部輪郭線１４ａ３は、外側輪郭線１４ａ１と内側輪郭線１４ａ２の一端同士及び他端同士を結んでいる。

図２に示すように、開口部１４ａの外側輪郭線１４ａ１は、ダイ１５側に位置するスクリュー１１ａの山１１ａ１に沿った円弧であり、開口部１４ａの内側輪郭線１４ａ２は、ダイ１５側に位置するスクリュー１１ａの谷１１ａ２に沿った円弧である。つまり、開口部１４ａの外側輪郭線１４ａ１は、ダイ１５側から見て、下流のスクリュー１１ａの山１１ａ１と重なり合い、開口部１４ａの内側輪郭線１４ａ２は、ダイ１５側から見て、下流のスクリュー１１ａの谷１１ａ２と重なり合う。混練軸１１とシリンダー１２との間の流路において、スクリュー１１ａの山１１ａ１と谷１１ａ２との間を移動する樹脂及び繊維は、スクリュー１１ａの回転による影響が大きく、他の領域よりも速度が速い。スクリュー１１ａの回転方向に沿って樹脂及び繊維が移動するので、外側輪郭線１４ａ１がスクリュー１１ａの山１１ａ１に沿った円弧であり、内側輪郭線１４ａ２がスクリュー１１ａの谷１１ａ２に沿った円弧であると、スクリュー１１ａの推進力を混練物に効率的に伝達することができる。

開口部１４ａのそれぞれの外側輪郭線１４ａ１の長さは、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましく、２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることがより好ましい。この場合、未開繊の繊維の通過を防止できる。

図２及び図３に示すように、堰体１４は、混練軸１１の下流側の軸端部を挿通させることにより軸端部を支持する貫通孔１４ｂをさらに有している。貫通孔１４ｂに混練軸１１の軸端部が嵌合される場合には、堰体１４は耐摩耗性の材料で形成される。耐摩耗性の材料は、例えば、特殊高力黄銅などの銅系材料である。このように、混練軸１１を２点支持することで、スクリュー１１ａと胴体とが撓みにより接することを防止し、スクリューフライドの厚みを小さく、パドル−パドル間の隙間を大きくする等が可能になり、せん断による繊維の折損を防止できる。

なお、貫通孔１４ｂは省略されてもよい。この場合には、混練軸１１の下流側の軸端は、堰体１４よりも下流側に位置する。つまり、堰体１４は、ダイ１５と混練軸１１との間に配置される。

混練軸１１の先端が堰体１４の下流側に位置する場合には、図５に示すように、堰体１４の直前（上流側）に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積Ｓ１に対する堰体１４の開口部１４ａの面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）は、４８％以上６９％以下であることが好ましく、５２％以上５８％以下であることがより好ましい。混練軸１１の先端が堰体１４の上流側に位置する場合には、堰体１４の直前（上流側）に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積Ｓ１に対する堰体１４の開口部１４ａの面積Ｓ２の割合（Ｓ２／Ｓ１）は、３５％以上５０％以下であることが好ましく、３８％以上４２％以下であることがより好ましい。（Ｓ２／Ｓ１）の上限がこの範囲であると、未開繊を効果的に防止でき、（Ｓ２／Ｓ１）の下限がこの範囲であると、圧力損失を低減できるので、繊維の折損を防止できる。なお、堰体１４の直前に位置する樹脂及び繊維の流路の横断面積Ｓ１とは、シリンダー１２の内周面１２ｃ（図２及び図３参照）を堰体１４に投影した面積から、堰体１４においてダイ１５と反対側の面に接する混練軸１１の面積Ｓ３を引いた値である。混練軸１１の先端が堰体１４の上流側に位置する場合には、堰体１４においてダイ１５と反対側の面に接する混練軸１１の面積は０である。開口部１４ａの面積Ｓ２は、複数の開口部１４ａの合計の面積である。

図３及び図５に示すように、本実施の形態の開口部１４ａは、２本の混練軸１１を中心として、それぞれ２つずつ形成されている。つまり、１本の混練軸１１に対してスクリュー１１ａの回転方向に沿う円弧状の開口部が２つ形成されているので、堰体１４は４つの開口部１４ａを有している。図３及び図５では、開口部１４ａは、混練軸１１を挟んで上下に１つずつ形成されている。また、２本の混練軸１１が対向する領域には開口部１４ａが形成されていないので、堰体１４の強度を維持できる。

開口部１４ａの個数は、スクリュー１１ａの大きさにより任意に選択できる。例えば、スクリュー１１ａが図３よりも大きい場合には、例えば、図６に示すように、２本の混練軸１１を中心として、それぞれ４つずつ形成されている。

この堰体１４においてスクリュー１１ａと反対側には、ダイ１５が設けられている。ダイ１５は、複合材料を排出する排出口１５ａを有している。

図１に示すように、上述した第１混練機１０のシリンダー１２の樹脂供給口１２ａに導入される樹脂を第２混練機２０内で予め溶融する。第２混練機２０は、スクリュー２１ａを有する混練軸２１と、シリンダー２２と、駆動部２３ａと、減速機２３ｂと、ホッパー２４とを含んでいる。第２混練機２０は、１本の混練軸２１を有する単軸混練機であってもよく、複数本の混練軸２１を含む多軸混練機であってもよい。混練軸２１は、スクリュー２１ａのみが回転軸２１ｂに組み込まれていてもよく、中間部にスクリューに代えてパドルが組み込まれていてもよい。スクリュー（パドルを含む場合にはスクリュー及びパドル）は、回転軸２１ｂと別部材であってもよく、回転軸２１ｂと一体成形されていてもよい。シリンダー２２は、溶融された樹脂を第１混練機１０に供給する排出口２２ａを有している。駆動部２３ａ及び減速機２３ｂは、混練軸２１を所定の回転速度で回転させる。ホッパー２４は、混練軸２１とシリンダー２２との間で混練される樹脂原料５０を受ける。

上述した第１混練機１０のシリンダー１２の繊維供給口１２ｂに導入される繊維原料４０を、繊維供給部３０は供給する。繊維供給部３０は、図１に示すように、複数本の連続する繊維の束が巻回された繊維原料４０を載置する載置部３１を含んでいる。載置部３１は、繊維原料４０から繊維の束の先端を取り出し、第１混練機１０のシリンダー１２の繊維供給口１２ｂに導入するための第１及び第２案内部３１ａ、３１ｂを有している。繊維供給口１２ｂに繊維の束が巻回された繊維原料４０が複数配置されている場合には、第１案内部３１ａには、複数本の繊維原料の繊維の束の先端のそれぞれが通されて、集合される。第１案内部３１ａは、繊維を通すための孔部が形成された板状部材を備えた案内板であってもよい。また、載置部３１は、第１案内部３１ａを通った連続した繊維を第１混練機１０の繊維供給口１２ｂに導くための第２案内部３１ｂをさらに有していてもよい。第２案内部３１ｂは、例えば載置部３１の上端から突出させるロール状部材であり、繊維の束に張力を加えるとともに繊維の束がほどけないようにしている。

続いて、図１〜図５に示す本実施の形態の混練装置１を用いて、複合材料を製造する方法について説明する。

図１に示すように、まず、第２混練機２０に導入される樹脂原料５０を溶融する。具体的には、スクリューフィーダより第２混練機２０のホッパー２４を経由して樹脂原料５０を供給する。樹脂原料５０は、例えば、ペレット状である。樹脂原料５０は、複数の種類の樹脂を用いてもよく、添加剤などを含んでいてもよい。樹脂原料５０は、熱可塑性樹脂である。駆動部２３ａ及び減速機２３ｂを用いて混練軸２１を所定の回転速度で回転させ、混練軸２１によりシリンダー２２内の樹脂原料５０を混練する。

また、複数本の連続した繊維原料４０を準備する。複数本とは、例えば１万２千本以上であり、２万４千本以上であってもよく、５万本以上であってもよい。本実施の形態では、繊維原料４０として、１万２千本以上の繊維の束（ロービング）とし、この繊維の束を複数束準備する。繊維は、例えば炭素繊維、ガラス繊維などである。具体的には、複数本の連続した繊維が巻回された繊維原料４０を繊維供給部３０の載置部３１に載置し、繊維原料４０の先端部を第１案内部３１ａに通し、第２案内部３１ｂに支持させる。

次に、第１混練機１０に、第２混練機２０で混練した樹脂と、繊維供給部３０で準備した複数本の連続した繊維とを導入する。この工程では、第２混練機２０の排出口２２ａから排出される溶融された樹脂を、第１混練機１０の樹脂供給口１２ａに導入する。また、繊維供給部３０の第１案内部３１ａ及び第２案内部３１ｂから導かれる複数本の繊維の先端部を、第１混練機１０の繊維供給口１２ｂに導入する。本実施の形態では、第１混練機１０に導入される連続する繊維は、樹脂を予備含浸させながら、第１混練機１０内の任意の位置で強い切断・せん断応力を与えて切断する。

次に、繊維を裁断しながら樹脂と繊維とを混練することで複合材料を製造する。この工程では、例えば以下のように行う。

駆動部１３を用いて回転軸１１ｂを回転させることにより、混練軸１１を所定の回転速度で回転させる。混練軸１１のスクリュー１１ａ（パドルを含む場合はスクリュー１１ａ及びパドル）の回転によって、混練軸１１とシリンダー１２との間に形成される流路を移動する樹脂及び繊維に圧力が加えられるので、繊維を裁断しながら、樹脂と繊維とを混練する。

第１混練機１０の混練軸１１の回転速度と、搭載するスクリュー１１ａの相当直径により繊維１束当たりの供給量を決定する。また、必要とする繊維量に応じて投入する繊維の本数を決定する。目標とする繊維長に応じて第１混練機１０内が適切な圧力分布になるようにスクリュー１１ａが構成される。つまり、スクリュー１１ａの回転によって繊維が短く裁断されないように混練軸１１の回転速度を設定する。また、第１混練機１０の混練軸１１の回転速度は、第２混練機２０の混練軸２１の回転速度よりも遅い。この場合、第２混練機２０で樹脂をよく練って、第１混練機１０で繊維を樹脂に絡めることができる。

図７に示すように、スクリュー１１ａの回転に伴って、混練軸１１とシリンダー１２との間の流路を移動した混練物Ｋは、最下流に位置するスクリュー１１ａと堰体１４との間に充満され、スクリュー１１ａが回転しない領域で適度な背圧が加えられるので、ショートパスした未開繊の繊維をばらばらにできる。このため、開繊された繊維に、樹脂を含浸させることができる。また、充満部で開繊された繊維は、樹脂中に分散されるので、混練物を均質化することができる。この混練物は、堰体１４の開口部１４ａを通過し、低い圧力下（例えば１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）でダイ１５の排出口１５ａから排出される。堰体１４の開口部１４ａの円弧の長さと開口率とを調整することにより、過剰に長い未開繊の繊維の束の排出を抑制できる。上記工程を実施することにより、衝撃・強度・剛性に優れた複合材料を容易に製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態の混練装置１によれば、堰体１４は２本の混練軸１１のスクリュー１１ａのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部１４ａを複数有している。開口部１４ａは周方向に長いので、圧力損失を低減し、スクリュー１１ａの推進力を効率的に伝えることができる。このため、第１混練機１０内の圧力分布を調整し、堰体１４の手前でスクリュー１１ａの回転しない充満部の繊維と樹脂とを混練した混練物に適度な抵抗を加えることができるので、複数本の繊維の束をばらばらにすることができる。このため、開繊した複数本の繊維のそれぞれに樹脂を含浸しやすいので、含浸率を向上できる。このように、堰体１４手前の充満部にスクリュー１１ａを設けず、圧力で開繊を促進するので、第１混練機１０内の上流側の配列の自由度が大きくなり、スクリュー１１ａの回転速度の影響が極めて小さい。このため、回転速度によらず、繊維の折損を防止できるので、長い繊維長を維持できる。また、高い製造効率の回転速度で複合材料を製造できる。したがって、本実施の形態の混練装置１は、繊維長が長く、かつ繊維の含浸性を向上する複合材料を効率よく製造することができる。

したがって、本実施の形態の混練装置１を用いることにより、例えば、平均２０ｍｍ以上最大３０ｍｍ以下のシャープな繊維長分布を有する繊維と樹脂とが混練された複合材料を製造することができる。このような複合材料は、図８に示すように、弾性率、強度及び耐衝撃性が高い。繊維長が２０ｍｍ以上であると、衝撃破壊特性を向上でき、繊維長が３０ｍｍ以下であると、成形性が良好である。このため、本実施の形態の混練装置１により製造された複合材料は、自動車の用途に好適に用いることができる。

なお、本実施の形態では、樹脂を混練するための第１混練機１０と、この第１混練機１０で混練された樹脂と繊維とを混練する第２混練機２０とを備える２段式の混練装置１を例に挙げて説明したが、本発明の混練装置は２段式に限定されない。例えば、ペレット状の樹脂原料を上流側に導入し、シリンダー内において樹脂が溶融される領域に繊維を導入することで、１段式の混練装置を実現することもできる。

本実施例では、２本の混練軸のスクリューのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部を複数有する堰体を備える混練装置の効果について調べた。

（実施例１）
図１〜図５に示す第１混練機１０と第２混練機２０と繊維供給部３０とを備えている実施例１の混練装置１を準備した。まず、第１混練機１０について説明する。２本の混練軸１１は、スクリュー１１ａのみが回転軸１１ｂに組み込まれていた。有効長（Ｌ／Ｄ）は１０であった。堰体１４は、図３に示すように、２本の混練軸１１のスクリュー１１ａのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部１４ａを４つ有していた。開口部１４ａの外側輪郭線１４ａ１は、ダイ１５側に位置するスクリュー１１ａの山１１ａ１に沿った円弧であり、３８ｍｍであった。開口部１４ａの内側輪郭線１４ａ２は、ダイ１５側に位置するスクリュー１１ａの谷に沿った円弧であり、３２ｍｍであった。堰体１４には、２つの貫通孔１４ｂが形成されており、貫通孔１４ｂのそれぞれに混練軸１１のそれぞれの軸端部が挿通されて、堰体１４によって軸端部が支持されていた。

第２混練機２０は、２本の混練軸２１を備えていた。２本の混練軸２１のそれぞれは、回転軸２１ｂに、上流側の端部と下流側の端部にはスクリューが組み込まれ、中間部には繊維を切断するパドルが組み込まれていた。

このような混練装置１を用いて、以下のように、樹脂と繊維とを含有する複合材料を製造した。

繊維原料４０として、２万４千本の連続した炭素繊維が巻回されたロービングを準備した。この繊維原料４０を、繊維供給部３０の載置部３１に、４つ載置した。それぞれの繊維原料４０の先端部を第１案内部３１ａに通し、第２案内部３１ｂで支持させて、第１混練機１０の繊維供給口１２ｂに導入した。

また、樹脂原料５０として、ポリアミド樹脂のペレットを準備した。この樹脂原料を第２混練機２０のホッパー２４に導入し、駆動部２３により混練軸２１を回転させて、混練した。この混練軸２１の回転速度は、２００ｒｐｍであった。第２混練機２０で混練して溶融した樹脂を、第１混練機１０の樹脂供給口１２ａに導入した。

第１混練機１０において、駆動部１３により混練軸１１を回転させて、樹脂と繊維とを混練した。この混練軸１１の回転速度は、１５０ｒｐｍであった。

混練軸１１で混練された混練物は堰体１４の開口部１４ａを通り、ダイ１５の排出口１５ａから複合材料が排出された。これにより、実施例１の複合材料を製造した。

（比較例１）
比較例１の混練装置は、基本的には実施例１の混練装置１と同様であったが、堰体１４が省略されていた点において異なっていた。比較例１の混練装置を用いて、比較例１の複合材料を製造した。

（評価方法）
実施例１及び比較例１の混練装置により製造された複合材料に含有される繊維の繊維長、繊維の含浸性及び引張強度について調べた。

繊維の長さは、以下のように測定した。樹脂をギ酸で溶解した後洗浄し、繊維を取り出した。取り出した繊維を分散させた後、１０００本を抽出して、各々の長さを画像処理して計測した。

繊維の含浸性は、板上に成形した複合材料を５００℃で１２時間加熱して、樹脂成分を除去した。繊維の配向分散状態を目視で観察した。また、同様の条件で成形した複合材料を、０°、９０°、４５°、１３５°方向に切出し、引張強度を測定した。

（評価結果）
実施例１の複合材料の平均繊維長は２２ｍｍであり、十分開繊されており、引張強度は、２３０ＭＰａであり、高い特性を有していた。一方、比較例１の複合材料の平均繊維長は２６ｍｍであり、開繊が十分でなく、引張強度は９０ＭＰａであり、欠陥が多かった。

このことから、第１混練機１０で繊維が短く裁断されないように回転速度を調整したとしても、実施例１の堰体１４を備えていなければ、複数本の繊維の束を開繊することができないことがわかった。

以上より、２本の混練軸のスクリューのそれぞれの回転方向に沿う円弧状の開口部を複数有する堰体を備える混練装置によれば、複合材料に含有される繊維の繊維長が長く、かつ繊維の含浸性を向上でき、かつ効率よく製造できることを確認した。

今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１混練装置、１０第１混練機、１１，２１混練軸、１１ａ１山、１１ａ２谷、１１ａ，２１ａスクリュー、１１ｂ，２１ｂ回転軸、１２，２２シリンダー、１２ａ樹脂供給口、１２ｂ繊維供給口、１２ｃ内周面、１３，２３駆動部、１４堰体、１４ａ開口部、１４ａ１外側輪郭線、１４ａ２内側輪郭線、１４ａ３側部輪郭線、１４ｂ貫通孔、１５ダイ、１５ａ，２２ａ排出口、２０第２混練機、２４ホッパー、３０繊維供給部、３１載置部、３１ａ第１案内部、３１ｂ第２案内部、４０繊維原料Ｋ混練物。

Claims

樹脂と複数本の連続した繊維とを導入し、前記繊維を裁断しながら前記樹脂と前記繊維とを混練して複合材料を製造する混練装置であって、
前記樹脂を導入するための樹脂供給口と、前記繊維を導入するための繊維供給口とを有する先端開口のシリンダと、
前記シリンダ内を回転することによって前記樹脂と前記繊維とを混練するスクリューを有する２本の混練軸と、
前記シリンダの先端部に配置され、前記スクリューの回転によって前記シリンダの先端部に向かって移動した前記複合材料を外部に排出する排出口を有するダイと、
前記シリンダの先端部と前記ダイとの間に配置され、前記混練軸のスクリューのうち、前記複合材料の流れに関して最下流に位置する部分との間に前記複合材料を充満させる充満部を形成する堰体とを備え、
前記堰体は、前記２本の混練軸のスクリューのそれぞれの回転軸線を中心とする円に沿う円弧状の開口部を複数有する、混練装置。
前記堰体の円弧状開口部の外側輪郭線は、前記スクリューの山の頂点に接する円に沿った円弧である、請求項１に記載の混練装置。
前記堰体の円弧状開口部の内側輪郭線は、前記スクリューの谷に接する円に沿った円弧である、請求項１または２に記載の混練装置。
第１混練機と、第２混練機とを備え、
前記第１混練機は、前記シリンダと前記２本の混練軸と前記ダイと前記堰体とを含み、
前記第２混練機は、前記第１混練機に導入される前記樹脂を、前記第１混練機内での前記繊維との混練に先立って、溶融する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の混練装置。
前記開口部のそれぞれは、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の長さの外側輪郭線を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の混練装置。
前記堰体は、前記２本の混練軸の軸端部のそれぞれを挿通させることにより前記軸端部を支持する貫通孔をさらに有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の混練装置。
前記堰体の直前に位置する前記樹脂及び前記繊維の流路の横断面積に対する前記開口部の面積割合は、４８％以上６９%以下である、請求項６に記載の混練装置。
前記開口部は、前記２本の混練軸のそれぞれを中心として２つ以上ずつ形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の混練装置。