JPH09510157A - 溶融含浸法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 円弧の線における弧状支持体表面（２）の上に繊維束を摺動させると共に、束中へ溶融もしくは液体のポリマーを表面における複数のスロット（４）を介して注入し、各スロットが束に対し横断方向である、繊維強化されたポリマー材料の製造方法につき開示する。この方法は比較的高い生産速度および低資本にて効果的な材料の含浸を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 溶融含浸法 本発明は、特に繊維強化された樹脂材料を製造するための溶融含浸法に関する ものである。 繊維強化された樹脂材料は高い強度を有するが軽量であり、したがって多くの 工業における極めて望ましい建材である。 この種の材料の製造方法が欧州特許出願公告明細書第０１６７３０３号に記載 されており、ここでは繊維束を弧状表面を有する加熱された押出ヘッドの上に摺 動させると共に溶融した熱可塑性ポリマーを弧状表面におけるスロットから繊維 束を構成するフィラメント列に対し横断方向に繊維束中へ注入する。 この方法を比較的粘性の材料に用いると、押出されたポリマーが繊維束を押出 ヘッドの表面から押し放す傾向を有して束中へ浸透せず、したがって個々の繊維 を被覆しないという顕著な操作上の問題が生ずる。ポリマー（濡れた）で包囲さ れない繊維は複合材料の機械的性質に貢献しない。他の処理工程にて繊維の濡れ を向上させうるが、これはしばしば繊維長さの低下を生ぜしめ、したがって繊維 の強化効率を低下させる。押出ヘッドに対する繊維圧力を増大させることにより 前記問題を解決する試みは、押出ヘッドに対する許容しえない高摩擦をもたらす 。 本発明は、円弧の線における弧状支持体表面の上に繊維束を摺動させると共に 、束中へ溶融もしくは液体のポリマーを注入する各工程からなる繊維強化された ポリマー材料の製造方法を提供し、この方法はポリマーを表面における複数のス ロットを介して注入し、各スロットが束に対し実質的に横断方向であることを特 徴とする。 本発明の方法は材料の驚くほど効果的な含浸を可能にする。たとえば、維束に おける個々の繊維がポリマーにより包囲されるよう確保する。したがって、従来 技術よりも一層均一な材料を製造することができる。 さらに、この方法を用いて比較的高い生産速度および低資本にて繊維強化され たポリマー樹脂材料を作成することができる。 本発明の方法を一層詳細に説明すれば、繊維束を弧状表面の上に摺動させる。 弧状表面の使用は、繊維における軸方向張力を支持体表面方向への繊維の半径方 向力に変換させることができる。この半径方向の力は繊維における軸方向予備緊 張と、表面に対する繊維の接触角度と、表面の曲率とにより影響を受ける。これ らパラメータにて、面形状を所定の引出成形速度、繊維透過性およびポリマー粘 度につき最適化させることができる。 弧状支持体は、たとえば支持体が円筒状であれば支持体の表面により与えるこ とができる。或いは、弧状セクションもしくはトレンチを支持体に切り込んで設 けることもできる。支持体の残部は、一緒に使用すべき他の装置と連携させうる 任意適する形状とすることができる。たとえば、押出機上に装着することができ る。側壁部を表面から上方向に延ばして、そこを通過する繊維束の取扱いを容易 化させると共にポリマーが繊維束の下から側方に逃げないよう防止することが好 適である。 溶融もしくは液体のポリマー、典型的には熱可塑性ポリマー（ただし熱硬化性 樹脂も使用することができる）を含浸器具の弧状表面における複数のスロットに 圧入する。これらスロットは繊維整列および束移動の方向に対し実質的に横断方 向である。さもないと、繊維はスロット内に絡まるからである。弧状表面には少 なくとも２個のスロットを存在させるが、好ましくはそれ以上、たとえば少なく とも８個もしくは１２個である。スロットの個数はたとえば含浸させるべき束の 厚さと、使用ポリマーの粘度と、所要の引出成形速度とに依存する。ポリマーは 器具の表面とガラス繊維との間に膜を形成する。このポリマー膜は同時に処理を 円滑にすると共にガラス繊維を含浸する。繊維は一方の側から含浸されるので、 空気が繊維束の他方の側から排除されて複合材のボイド含有量を減少させる。ポ リマー膜の厚さは重要なパラメータである。膜が薄過ぎれば、繊維は器具表面に 接触して器具表面と繊維との間に摩擦力をもたらし、もはや繊維の含浸が生じな くなる。膜が厚過ぎればポリマーは繊維を押し放して繊維束以外の箇所を流過し 、複合材に過剰量のボイドを形成する。典型的な膜厚さは０．０５〜１ｍｍの範 囲である。 繊維が器具表面におけるスロットを通過する際、所定量のポリマーがスロット を介し供給されて所定厚さの膜を形成する。この膜厚さは上記したように限定さ れ、高粘度ポリマーの場合は従来技術の方法により操作する際に繊維束における 全フィラメントを濡らすような多量のポリマーを含有しない。器具の表面にした がいポリマーは繊維束中に圧入されて、含浸の程度を増大させると共にポリマー の膜厚さを減少させる。膜厚さが０まで減少して繊維が器具表面に接触するより 充分前に、ポリマーを器具などにおける他のスロットにより繊維束が充分含浸さ れるまで膜に添加する。比較的低粘度のポリマー、すなわち５０Ｐａ．ｓもしく はそれ以下（１０³〜１０⁴Ｐａ．ｓの剪断応力および操作温度）の場合、繊維束 に対するポリマーの移動速度は器具における１個のスロットおよび小さい接触面 積にて充分となるよう高くしうる。しかしながら、比較的高粘度のポリマー、す なわち１００Ｐａ．ｓもしくはそれ以上（１０³〜１０⁴Ｐａ．ｓの剪断応力およ び操作温度）の場合は、この方法がもはや経済上魅力的でなくなる程度まで引出 成形速度を減少させる必要がある。本発明の方法は、５０未満の相対粘度（適す るＡＳＴＭ法により測定）を有する熱可塑性ポリマーにつき特に適している。 スロット間の間隔は等しくする必要はない。初期の含浸は、この方法の終了時 における含浸よりもずっと急速に生ずる。最初に繊維が到達する各スロットは相 対的に近接させねばならず、２個のスロット間の間隔を徐々に増大させる。 さらに、含浸の程度は弧状表面積とスロット面積との比率にも依存する。この 比は典型的には５〜２０の範囲である。束に対し横断方向における各スロットの 長さは、弧状表面を通過する束の幅によって選択される。明かに、束の１部のみ （たとえば中間部）のみを含浸するのは不満足である。 束に沿った方向における各スロットの幅は主としてポリマーの粘度に依存する 。たとえばスロットを狭くし過ぎて閉塞を生ぜしめてはならない。しかしながら 、時に狭いスロットは、たとえばポリプロピレンのような或る種のポリマーの剪 断減粘を生ぜしめる。一般に、より多数であるがより細いスロットは、より少数 であるがより幅広のスロットよりも好適である。典型的なスロット幅は０．２〜 １．５ｍｍの範囲、好ましくは高粘度ポリマーにつき０．２〜０．５ｍｍである 。 典型的にはスロットに、たとえば熱可塑性ポリマーが使用されていれば加熱し うる押出機によりポリマーを供給する。押出機は、たとえば支持体における孔部 を介し複数のスロットに連通する。 弧状表面におけるスロットを介したポリマーの供給は含浸させるべき繊維束の 下にポリマーの膜（接触領域にわたり延在する）を形成する傾向を有する。この 膜は繊維束と弧状表面との間の摩擦力を実際的に排除する。したがって、一般に 繊維に損傷をもたらすと共に処理速度を制限するような張力が束内に蓄積しない 。 含浸の程度は、繊維束を弧状表面の上に広げることにより表面における繊維束 の厚さを減少させて向上される。繊維束の厚さの減少は、ポリマーが通過せねば ならない長さ（すなわち含浸通路）を短縮する。好適な束厚さは５〜２５本のフ ィラメントの範囲である。 発明の方法に使用するのに適した装置は、好適にはインライン含浸法、たとえ ば形材の引出形成またはフィラメント巻付けに使用すべく小さく設計することが できる。 適する強化用繊維の例はガラス、炭素およびアラミド繊維である。これら繊維 を含浸するための適する熱可塑性ポリマーの例はたとえばポリエチレンおよびポ リプロピレンのようなポリオレフィン、たとえばポリエチレンテレフタレート（ ＰＥＴ）のようなポリエステルおよびポリケトンを包含する。熱硬化性ポリマー 、たとえばフェノール樹脂およびエポキシ樹脂も使用することができる。 以下、添付図面を参照して実施例により本発明を一層詳細に説明する。 第１図は本発明の方法に使用するのに適する装置の部分斜視図であり、 第２図は表面を通過する繊維束を含む使用時の第１図による装置の部分断面図 である。 第１図を参照して支持体１は弧状表面２を備え、この表面は支持体におけるト レンチの形状の側壁部３を有する。複数のスロット４を弧状表面に設け、これを 介してポリマーを繊維束中へ注入する。典型的には、支持体を押出機（図示せず ）に接続し、この押出機によりポリマーを支持体における中央孔部５に供給し、 この孔部をスロット４に接続させる。 第２図を参照して、維束６を方向７にて弧状表面２に通過させる。ポリマーを 流路８を介し繊維束中へ注入し、次いで流路には押出機に接続された中央孔部５ を介しポリマーを供給する。流路８から流出するポリマーは繊維束６と弧状表面 ２との間の接触領域にわたりポリマーの膜９を形成し、これはそれらの間の摩擦 を減少させる。 以下、実施例により本発明を説明する。実施例 適するサイジングを有する２４００テックスのガラス繊維を、この方法により ポリプロピレン マトリックスで含浸させる。ポリプロピレンは２５ｇ／１０ｍ ｉｎのメルトフローインデックス（ＭＦＩ）と２．１の相対粘度（０．３重量％ 濃度におけるデカリン溶液にてＡＳＴＭ Ｄ １６０１−８６により測定）とを 有する。ガラス繊維を、１図に示したように押出ダイの上で引張る。繊維の方向 に対し横断方向の弧状表面の幅は１４ｍｍである。繊維束を表面の全幅にわたり 広げ、繊維束の厚さを約７本のフィラメントまで減少させる。弧状表面の半径は ２５ｍｍであり、表面に対する繊維の接触角度は１００°である。表面には１１ 個のスロットを存在させると共に繊維方向に沿ったスロット間の間隔を増大させ る。各スロットの幅は０．３５ｍｍである。繊維束における軸方向張力は約８０ Ｎである。押出ダイを押出機上に装着して、ポリプロピレンを２５０℃まで加熱 すると共に２バールの圧力にて用具に供給する。次いで、含浸された繊維を円形 加熱ダイに通過させてロッドを生ぜしめ、これを射出成形用ペレットまで細断す ることができる。引出形成速度は２０ｍ／ｍｉｎである。 試験試料をペレットから射出成形し、その引張特性および曲げ特性を測定する 。測定した引張強さは１０５ＭＰａであり、曲げ強さは１９５ＭＰａであり、曲 げモジュラスは９．３ＧＰａであった。 以上、図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明の範囲を逸脱するこ となく、多くの改変をなしうることが当業者には了解されよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１月２９日 【補正内容】 補正明細書 溶融含浸法 本発明は、特に織維強化された樹脂材料を製造するための溶融含浸法に関する ものである。 繊維強化された樹脂材料は高い強度を有するが軽量であり、したがって多くの 工業における極めて望ましい建材である。 この種の材料の製造方法が欧州特許出願公告明細書第０１６７３０３号に記載 されており、ここでは繊維束を弧状表面を有する加熱された押出ヘッドの上に摺 動させると共に溶融した熱可塑性ポリマーを弧状表面におけるスロットから繊維 束を構成するフィラメント列に対し横断方向に繊維束中へ注入する。 この方法を比較的粘性の材料に用いると、押出されたポリマーが繊維束を押出 ヘッドの表面から押し放す傾向を有して束中へ浸透せず、したがって個々の繊維 を被覆しないという顕著な操作上の問題が生ずる。ポリマー（濡れた）で包囲さ れない繊維は複合材料の機械的性質に貢献しない。他の処理工程にて繊維の濡れ を向上させうるが、これはしばしば繊維長さの低下を生ぜしめ、したがって繊維 の強化効率を低下させる。押出ヘッドに対する繊維圧力を増大させることにより 前記問題を解決する試みは、押出ヘッドに対する許容しえない高摩擦をもたらす 。 欧州特許出願公開明細書第第３９７５０６号には、欧州特許出願公告明細書第 １６７３０３号とは異なる方法が開示されている。前記方法は、弧状表面の反対 側にある２個のスリット様供給開口あるいは２個よりも多くの前記開口の存在下 に行うものであるが、２個以上のスリット様開口を有することによる技術的効果 を何等開示するものではない。 本発明は、円弧の線における弧状支持体表面の上に繊維束を摺動させると共に 、束中へ溶融もしくは液体のポリマーを注入する各工程からなる繊維強化された ポリマー材料の製造方法を提供し、この方法はポリマーを表面における複数のス ロットを介して注入し、各スロットが束に対し実質的に横断方向であることを特 徴とする。 本発明の方法は材料の驚くほど効果的な含浸を可能にする。たとえば、維束に おける個々の繊維がポリマーにより包囲されるよう確保する。したがって、従来 技術よりも一層均一な材料を製造することができる。 さらに、この方法を用いて比較的高い生産速度および低資本にて繊維強化され たポリマー樹脂材料を作成することができる。 本発明の方法を一層詳細に説明すれば、繊維束を弧状表面の上に摺動させる。 弧状表面の使用は、繊維における軸方向張力を支持体表面方向への繊維の半径方 向力に変換させることができる。この半径方向の力は繊維における軸方向予備緊 張と、表面に対する繊維の接触角度と、表面の曲率とにより影響を受ける。これ らパラメータにて、面形状を所定の引出成形速度、繊維透過性およびポリマー粘 度につき最適化させることができる。 弧状支持体は、たとえば支持体が円筒状であれば支持体の表面により与えるこ とができる。或いは、弧状セクションもしくはトレンチを支持体に切り込んで設 けることもできる。支持体の残部は、一緒に使用すべき他の装置と連携させうる 任意適する形状とすることができる。たとえば、押出機上に装着することができ る。側壁部を表面から上方向に延ばして、そこを通過する繊維束の取扱いを容易 化させると共にポリマーが繊維束の下から側方に逃げないよう防止することが好 適である。 溶融もしくは液体のポリマー、典型的には熱可塑性ポリマー（ただし熱硬化性 樹脂も使用することができる）を含浸器具の弧状表面における複数のスロットに 圧入する。これらスロットは繊維整列および束移動の方向に対し実質的に横断方 向である。さもないと、繊維はスロット内に絡まるからである。弧状表面には少 なくとも８個のスロットを存在させるが、好ましくはそれ以上、たとえば少なく とも１２個である。スロットの個数はたとえば含浸させるべき束の厚さと、使用 ポリマーの粘度と、所要の引出成形速度とに依存する。 適する強化用繊維の例はガラス、炭素およびアラミド繊維である。これら繊維 を含浸するための適する熱可塑性ポリマーの例はたとえばポリエチレンおよびポ リプロピレンのようなポリオレフィン、たとえばポリエチレンテレフタレート（ ＰＥＴ）のようなポリエステルおよびポリケトンを包含する。熱硬化性ポリマー 、たとえばフェノール樹脂およびエポキシ樹脂も使用することができる。 以下、添付図面を参照して実施例により本発明を一層詳細に説明する。 第１図は本発明の方法に使用するのに適する装置の部分斜視図であり、 第２図は表面を通過する繊維束を含む使用時の第１図による装置の部分断面図 である。 第１図を参照して支持体１は弧状表面２を備え、この表面は支持体におけるト レンチの形状の側壁部３を有する。少なくとも８個のスロット４を弧状表面に設 け、これを介してポリマーを繊維束中へ注入する。典型的には、支持体を押出機 （図示せず）に接続し、この押出機によりポリマーを支持体における中央孔部５ に供給し、この孔部をスロット４に接続させる。 第２図を参照して、維束６を方向７にて弧状表面２に通過させる。ポリマーを 流路８を介し繊維束中へ注入し、次いで流路には押出機に接続された中央孔部５ を介しポリマーを供給する。流路８から流出するポリマーは繊維束６と弧状表面 ２との間の接触領域にわたりポリマーの膜９を形成し、これはそれらの間の摩擦 を減少させる。 以下、実施例により本発明を説明する。実施例 適するサイジングを有する２４００テックスのガラス繊維を、この方法により ポリプロピレン マトリックスで含浸させる。ポリプロピレンは２５ｇ／１０ｍ ｉｎのメルトフローインデックス（ＭＦＩ）と２．１の相対粘度（０．３重量％ 濃度におけるデカリン溶液にてＡＳＴＭ Ｄ １６０１−８６により測定）とを 有する。 補正請求の範囲 １． 円弧の線にて弧状支持体表面（２）を備えた押出ダイの上に繊維束（６） を摺動させると共に、束中へ溶融もしくは液体のポリマーを注入する工程からな る繊維強化されたポリマー材料の製造方法において、ポリマーを弧状表面（２） における少なくとも８個のスロット（４）を介して注入し、各スロットが束（６ ）に対し実質的に横断方向であることを特徴とする繊維強化されたポリマー材料 の製造方法。 ２． 少なくとも１２個の横断スロット（４）を弧状支持体表面（２）に存在さ せる請求の範囲第１項に記載の方法。 ３． 順次のスロット（４）間における間隔が束移動の方向（７）に増大する請 求の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ４． 繊維束（６）に沿った方向にて各スロット（４）の幅が０．２〜１．５ｍ ｍの範囲である請求の範囲第１〜３項のいずれか一項に記載の方法。 ５． ポリマーの相対粘度が５０未満である請求の範囲第１〜４項のいずれか一 項に記載の方法。 ６． ポリマーがポリオレフィン、ポリエステルおよびポリケトンから選択され た熱可塑性ポリマーである請求の範囲第１〜５項のいずれか一項に記載の方法。 ７． 半径方向流路（８）を介して弧状外表面におけるスロット（４）と連通す る軸方向孔部（５）を備えてなり、少なくとも８個の前記スロットが存在するこ とを特徴とする請求の範囲第１〜６項のいずれか一項の方法に使用するのに適し た押出ダイ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 円弧の線にて弧状支持体表面（２）を備えた押出ダイの上に繊維束を摺動 させると共に、束中へ溶融もしくは液体のポリマーを注入する工程からなる繊維 強化されたポリマー材料の製造方法において、ポリマーを弧状表面における複数 のスロット（４）を介して注入し、各スロットが束に対し実質的に横断方向であ ることを特徴とする繊維強化されたポリマー材料の製造方法。 ２． 少なくとも８個の横断スロット（４）を弧状支持体表面（２）に存在させ る請求の範囲第１項に記載の方法。 ３． 順次のスロット間における間隔が束移動の方向に増大する請求の範囲第１ 項または第２項に記載の方法。 ４． 繊維束に沿った方向にて各スロットの幅が０．２〜１．５ｍｍの範囲であ る請求の範囲第１〜３項のいずれか一項に記載の方法。 ５． ポリマーの相対粘度が５０未満である請求の範囲第１〜４項のいずれか一 項に記載の方法。 ６． ポリマーがポリオレフィン、ポリエステルおよびポリケトンから選択され た熱可塑性ポリマーである請求の範囲第１〜５項のいずれか一項に記載の方法。 ７． 請求の範囲第１〜６項のいずれか一項に記載の方法により製造される繊維 強化されたポリマー材料。 ８． 半径方向流路（８）を介して弧状外表面におけるスロット（４）と連通す る軸方向孔部（５）を備えてなり、複数の前記スロットが存在することを特徴と する請求の範囲第１〜７項のいずれか一項の方法に使用するのに適した押出ダイ 。