JP2871005B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットの製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、熱可塑性樹脂よりなるマトリックス中に強
化繊維の混入された繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット
を、簡単な設備および工程で製造し得る様に改善された
方法に関するものである。

［従来の技術］ 熱可塑性樹脂にガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊
維を混入させた繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットは、
耐熱性においてやや不足するものの、加熱加圧するだけ
で任意の形状に成形することができ、且つ後加工が容易
で矯正加工も容易であるといった利点を有しているとこ
ろから、それほど高温に曝されることのない成形体の材
料としてはかなり広い範囲に亘って実用化されている。

ところで繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得る方法とし
ては、マトリックスとなる熱可塑性樹脂を加熱溶融さ
せてこれに強化繊維を分散し射出成形する方法、あるい
は強化繊維に熱可塑性樹脂の溶融物を含浸させてコボ
ジットとし、これを圧縮成形あるいはコンタクト成形等
によって最終形状に成形加工する方法等が採用されてい
る。しかし上記の方法では、強化繊維による射出ノズ
ル等の摩耗が著しく、且つ強化繊維がノズルやスプール
等に詰まって成形不良を起こすという問題があり、現在
では上記の方法が主流となっている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の方法が実施する場合、最も重要となるのは、
コンポジットの製造過程で強化繊維に対して熱可塑性樹
脂を如何にうまく含浸させるか、ということである。も
し含浸不良のコンポジットを使用すると、該含浸不良部
がボイドとなって欠陥商品となる。そこでオートクレー
プ成形法等を採用して高圧下に加熱して含浸させる方法
が採用されている。ところが、この方法では大規模な耐
圧設備が必要になるばかりでなく、含浸の為の昇温およ
び含浸後の冷却に長時間を要し生産性も低い。

本発明は上記の様な従来の技術の欠点に鑑みてなされ
たものであって、その目的は大規模な設備を要すること
なく簡単な開放型でボイド欠陥のない繊維強化熱可塑性
樹脂コンボジットを効率良く製造することのできる方法
を提供しようとするものである。

［課題を解決するため手段］ 上記課題を解決することできた本発明製法の構成は、
強化繊維と熱可塑性樹脂繊維を含み、強化繊維の配合量
が60％以下である混合体を、加熱・冷却媒体を導入でき
る熱媒室を備えた開放金型内へ挿入し、該熱媒室に加熱
媒体を導入することにより、上記混合体を、該混合体中
の上記熱可塑性樹脂繊維が溶融する条件以上に加熱しな
がら圧縮し、次いで圧縮下で上記熱媒室内へ冷却媒体を
導入して混合体を冷却して繊維強化熱可塑性樹脂コンポ
ジット製造するところに要旨を有している。このとき、
上記圧縮手段として圧力調整可能なピストンを使用すれ
ば、成形をより簡単な設備で迅速且つ簡便に行うことが
できるので好ましい。

［作用］ 本発明では強化繊維と熱可塑性樹脂繊維を含む混合体
を原料として使用する。この混合体は、後述する如く両
繊維がたとえば混繊等によって相互に均一に混合された
ものであり、一方の繊維が局部的に偏在することがな
く、且つ取扱い工程で一方の繊維が部分的に片寄る恐れ
がない。従ってこの混合体を、加熱・冷却媒体を導入で
きる熱媒室を備えた開放金型内へ挿入し、該熱媒室に加
熱媒体を導入することによって、上記混合体を、上記熱
可塑性樹脂繊維を溶融する温度以上に加熱して該繊維を
溶融させ、同時に適度に圧縮力を加えると、繊維間に存
在していた空気は逐次外側へ押し出されつつ混合体はう
まく圧縮される。その結果、熱可塑性樹脂溶融物をマト
リックスとし、これに強化繊維が均一に分布した圧縮混
合体を得ることができる。次いで、圧縮下で上記熱媒室
内へ冷却媒体を導入して該混合体を冷却固化させるボイ
ド欠陥のない繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットが得ら
れる。従って従来例の如くオートクレープの様な高耐圧
性の設備を使用しなくても、開放型を利用した簡単な加
熱圧縮処理でボイド欠陥のないコンポジットを容易に製
造することができる。ちなみに、強化繊維を粉粒状もし
くはブロック状の熱可塑性樹脂と混合したものでは、強
化繊維と熱可塑性樹脂の均一な混合体が得られ難く、熱
可塑性樹脂が部分的に偏在することになって、熱可塑性
樹脂の少ない部分でボイド欠陥を生じ易くなる。

本発明で用いられる開放型の構成は特に限定されない
が、その一例を示すと第1,2図に示す通りである。即ち
第１図は開放型１の見取り図、第２図は第１図における
II−II線断面相当図であり、ガラスウールや鋳物砂等か
らなる断熱材２の上面側に、成形加工部を構成する溝３
を形成すると共に、その表面全体を覆う様にA1等からな
る表皮層４が設けられている。そして溝部３における表
皮層４の下面側には熱媒室５が設けられており、該熱媒
室５にスチームや熱風等の熱媒体を流すことによって成
形加工部を加熱し、また熱媒を冷媒に切り換えることに
よって成形加工部を冷却し得る様に構成されている。こ
の場合、熱媒と冷媒を繰り換して切換え供給する構成と
すれば、一層高密度でボイド欠陥の少ないものが得られ
るので好ましい。図中６は熱媒の給・排管、７は圧縮加
工時に利用されるエアー抜き管を示す。

本発明を実施するに当たっては、第３図に示す如く溝
３内に強化繊維と熱可塑性戦域からなる混合体Ｃを装入
し、熱媒室５に加熱流体を流して、混合体Ｃを熱可塑性
樹脂繊維の溶融温度以上に加熱しつつ、開放型１の上方
から、溝３内にビストンＰを嵌入して圧縮し同時にエア
ー抜き管７から内部の空気を吸引排出させる。この加熱
により、混合体Ｃ中の熱可塑性樹脂繊維が溶融すると共
に、圧縮とエアー抜きによって混合体Ｃは圧縮成形され
る。このとき混合体を強化繊維の繊維軸方向に引きそろ
えて嵌入すれば、一段と可撓性の優れた圧縮成形体が得
られるので好ましい。

そして圧縮成形後熱媒室５の流体を冷媒に切り換えて
冷却すると、熱可塑性樹脂をマトリックスとしこの中に
強化繊維が均一に分布した繊維強化熱可塑性樹脂コンポ
ジットを得ることができる。

尚第１〜３図の例では、熱媒室５を設けて加熱する例
を示したが、これに代えて管状の熱媒流路や抵抗線加熱
源等を設けて加熱し、冷却空気流路を設けて冷却する方
法を採用することもでき、またエアー抜き管７の代わり
にピストンＰの圧縮面にエアー抜き孔を設けることも有
効である。また表皮層４は、溶融した熱可塑性樹脂が断
熱材２内に浸入するのを阻止するための遮断層として設
けられるものであり、加熱・圧縮加工時の熱および圧力
に耐えるものであればどの様な素材を用いてもよく、A1
のほか薄肉の鉄板その他の金属材を用いることもでき、
更には合成樹脂に金属粉やセラミックス粉等を混入して
耐熱性および耐圧性を高めた複合材料をコーティングす
ることによって表皮層４を形成することも可能である。
尚この表皮層４は、加熱もしくは冷却が迅速に行われる
様熱伝導率の高い素材によって形成することが望まれ
る。

次に本発明で使用される強化繊維としては、炭素繊
維、ガラス繊維、金属繊維、ウイスカー等の無機質繊維
が最も一般的であるが、アラミド繊維等の有機質繊維を
使用することも勿論可能であり、これらは単独で使用し
得るほか必要により２種以上を併用することもできる。
繊維の形態も長繊維、短繊維の如何を問うものではな
く、最終成形対の要求特性に応じて適宜選定すればよい
が、強化効果を高めるうえでより好ましいのは長繊維で
ある。また熱可塑性樹脂繊維の種類も特に制限されない
が、代表的なものとしてはポリプロピレン等のポリオレ
フィン繊維；ナイロン６やナイロン66等のポリアミド繊
維；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフ
タレート、全芳香族系ポリエステル等のポリエステル繊
維：ポリカーボネート樹脂；ポリエーテルスルホン、ポ
リエーテルイミド、ポリエーテルケトン等の変性ポリエ
ーテル系繊維等が例示され、これは未延伸系、半延伸
系、延伸系の如何を問わない。しかし本発明を実施する
うえで特に好ましいのは、下記説明によって定義される
昇温最高熱収縮率が15％以下を示すもおである。しか
し、昇温最高熱収縮率の大きい熱可塑性樹脂繊維を使用
すると、加熱圧縮時の収縮力によって強化戦域が屈曲
し、その強化効果を低下させる恐れがあるからである。

（昇温最高熱収縮率） JIS Ｌ 1013で規定される乾燥熱収縮率Ｂ法により
測定される散を意味する。即ち試料に初荷重をかけ、正
確に500mmを計って２点を打つ。次いで初荷重をとり去
り、これを所定温度に保たれた乾燥機中に吊り下げて30
分間放置してから取り出して、室温にまで冷却した後、
再び初荷重をかけて２点間の長さを測定し、次式によっ
て乾燥出縮率を算出する（試験回数は夫々５回）。

（は収縮後の２点間長さ） 乾燥機温度を種々変えて上記の乾熱収縮率を測定して
温度と乾熱収縮率の関係を求め、乾熱収縮率の最高値を
昇温最高熱収縮率とする。

上記強化繊維と熱可塑性樹脂繊維との混合体は、長繊
維同士、短織維同士あるいは長繊維と短繊維を混合した
もののすべてを包含するが、最も好ましいのは上記両繊
維を単繊維レベルで混合したものである。具体的には両
繊維の連続フィラメンオを開織して重ね合わせ、撹乱流
体中を通すことによって繊維したもの、あるいは両繊維
を索切紡績によって混紡したもの等が好ましいものとし
て例示される。これらの混合体は、更に織・編物、多軸
積層編布、一軸配列集合体等、様々の形態で使用され
る。

但し本発明においては、混合体中に占める強化繊維の
量が60容積％以上であるものを使用しなければならず、
且つ下記式によって定義される混繊率が10％以上である
混繊糸を使用するのがよい。

但し、Ｎは強化繊維の総本数を示し、NcXは強化繊維
が幾つかのグループに分割されているときの該グループ
の個数、Ｘはグループの中のある特定グループの１つに
含まれるフィラメント数を示す。

は混繊状態を意味し、Ｘが小さいほど混繊状態は良好で
ある。

は混繊糸の重さである。

混合体中に占める強化繊維の量が60容積％を超える
と、熱可塑性樹脂繊維の絶対量が不足することとなって
十分な溶融収縮力が得られなくなり、空隙欠陥が残る原
因となるので、こうした問題を回避するには強化繊維の
混合体全体に占める量を60容積％以下に抑えなければな
らない。

また混繊率が10％以上であるものは、強化繊維と熱可
塑性樹脂繊維が十分均一に混繊されたものであり、加熱
・圧縮工程で熱可塑性樹脂繊維が混合体内部の全域で溶
融してマトリックスとなり、空隙欠陥のないコンポジッ
トを容易に得ることができる。しかし混繊率が10％未満
であるものでは、熱可塑性樹脂繊維の絶対量が不足する
ため特に繊維量の少ない部分がマトリックス不足とな
り、空隙欠陥を生じる恐れが出てくる。

尚本発明で使用される混合体は、前述の如く強化繊維
と熱可塑性樹脂繊維を必須成分として含むものであり、
必要によっては更に適量の粉末充填材が混入されたもの
であっても勿論かまわない。但し粉末充填材を併用する
場合は、該粉末充填材を均一に分散させるため、該充填
材をいずれかの繊維に静電付着等により付着させておく
ことが望まれる。

［実施例］ 実施例１ 第４図に示す如く格子状の溝３を有する開放型１を用
いて実験を行なった。但し溝３の幅は5mm、深さは20m
m、隣り合う溝中心間の長さは20mmとした。第５図は溝
３部分の１つの縦断面図相当図であり、ガラスウールか
らなる断熱材２の表面に表皮層４としてA1板が被覆さ
れ、溝３の奥部背面側には熱媒室５を形成し、加熱空気
または冷却空気を供給し得る様い構成すると共に、溝３
の奥部側壁にはエアー抜き用の細孔７を設けた。そし
て、該開放型１の上方により、溝３に嵌合する形状のピ
ストン８を嵌入し加熱・加圧する構成のものを用いた。

強化繊維としてガラス繊維ロービング（直径:13μ
ｍ）、熱可塑性樹脂繊維としてポリエチレンテレフタレ
ート未延伸長繊維（直径:15μｍ、昇温最高熱収縮率:2
％、軟化点:100℃）を使用し、これらを容積比で前者4
0:後者60となる様に混繊し、混繊率が35％で10200デニ
ールの混繊糸を得た。これを長手方向に引きそろえて第
4,5図に示した開放型の溝３内に溝に沿う様に挿入・堆
積した。次いでエアー抜き用細孔７から吸引しつつ熱媒
室５に加熱空気を吹込み、溝３内の壁温度が280℃とな
る様に加熱し、同時にピストン８を降下させて5Kg/cm²
の圧力で圧縮した。この状態で15分間保持した後、加熱
空気を常温（22℃）の冷却空気に切り換えて10分間冷却
し、厚さが4.5mmの格子状繊維強化熱可塑性樹脂コンポ
ジットを得た。該コンポジットのボイド率は0.9％と非
常に小さな値を示した。

実施例２ 第4,5図で用いた開放型に代えて、加熱源として電気
抵抗線ヒータを用い、熱媒室５は冷却用としてそのまま
残した開放型を使用し、他は実施例１と全て同様にして
格子状の繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットを成形し
た。得られた成形体のボイド率は0.7％であり、実施例
１で得た成形体よりも良好なものであった。

実施例３ ガラス繊維とポリエチレンテルフタレート未延伸繊維
の使用量比率を容積引で67:33とした他は実施例１と同
様にして、混繊率が33％の混繊糸（10150デニール）を
得た。この混繊糸を用いて以下実施例１と同じ条件で加
熱加圧成形を行なったところ、得られた整形体のボイド
率は6.7％と非常に大きく、空隙欠陥を有するものであ
った。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、その効果を要約
すると次の通りである。

簡易な開放型を使用し、小さな圧縮力でコンポジット
を製造することができる。

成形材料は繊維の集合体であり、形の固定されたもの
ではなく自由に形状を変えることができるから、どの様
な形状の開放型にも装入することができ、任意の形状の
コンポジットを得ることができる。

熱可塑性樹脂繊維は加熱により溶融し、隣り合って混
在する強化繊維の接合剤として作用しつつ、内部の空気
を押し出すので、ボイド欠陥のない均一な密度のコンポ
ジットを容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第1,2図は本発明で使用される開放型を例示するもので
第１図は見取り図、第２図は第１図におけるII−II線断
面相当図、第３図は該開放型を用いた加熱・加圧加工例
を示す断面説明図である。第4,5図は実施例で用いた開
放型を示すもので第４図は平面図、第５図は一部縦断面
説明図である。 １……開放型、２……断熱材 ３……溝、４……表皮層 ５……熱媒室、７……エアー抜き管 Ｐ……ピストン

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】強化繊維と熱可塑性樹脂繊維を含み、強化
   繊維の配合量が60％以下である混合体を、加熱・冷却媒
   体を導入できる熱媒室を備えた開放金型内へ挿入し、該
   熱媒室に加熱媒体を導入することにより、上記混合体
   を、該混合体中の上記熱可塑性樹脂繊維が溶融する条件
   以上に加熱しながら圧縮し、次いで圧縮下で上記熱媒室
   内へ冷却媒体を導入して混合体を冷却することを特徴と
   する繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットの製法。
2. 【請求項２】前記混合体の圧縮を、圧力調整可能なピス
   トンによって行う請求項１に記載の製法。