JPH0344888B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は強化用繊維を含む重合体成型品を製
造する方法並びにそのように製造された成型品に
関する。 〔従来の技術および発明が解決しようとする課
題〕 強化用繊維を含み、それによつて強さ、剛さお
よび性能特性が改善された重合体成型品を製造す
るのに種々の方法が用いられている。代表的な方
法においては、配合用押出機中で重合体溶融物に
強化用繊維を混入して調製された射出成型可能な
重合体粒子から成型品を得ている。そのような粒
状物には通常ガラス繊維が用いられ、粒状物中の
ガラス繊維の平均長さは通常約0.5mmまたはそれ
以下である。この明細書においてそのような粒状
物を「短ガラス」強化組成物と呼ぶこととする。
上記粒状物中におけるガラス繊維は極めて短いに
もかかわらず、引張強さおよび曲げ弾性率のよう
な性質がかなり向上するため、上記のような強化
重合体粒子は広い用途を持つている。これらの組
成物は生産性が非常に高い射出成型に広く用いら
れている。 上述のようにして得られる生成物は次のような
問題点がある。即ち、強化用繊維が粒状物から形
成される生成物全体に亘つて実質的に均一に分布
するため、成型品の使用中に最大の応力を受ける
特定の領域を選択的に補強することができないこ
とである。換言すれば、この場合には強化用繊維
は有効にまたは経済的に活用されないことにな
る。従つて、強化材単位重量当たりの強化によつ
て達成される剛さまたは強さは最大とはならな
い。同様に、特に炭素繊維のように高価な強化剤
を用いる場合には単位コスト当たりの剛さまたは
強さは最大ではない。 さらに、「短ガラス」充填組成物を射出成型す
ると、繊維は溶融重合体の流動方向に優先的に整
列し、得られる成型品は顕著な異方性を示し、繊
維の配列方向に沿う強さはより大きくなる。この
ような繊維配列法は本質的には、金型中の流動パ
ターンによつて支配されるランダムプロセスであ
つて、得られる成型品の特定の領域を選択的に高
度に補強することはできない。この種の生成品に
生じる別の問題は、強さその他の性質を向上する
ためにガラス繊維含有量を増大するとその加工適
性が低下することである。これは組成物中ガラス
繊維配合量が40重量％を越すと特に顕著となる。
また、配合量の増大による強度の改良には限界が
ある。本発明の組成物によつて達成される高い機
械的特性は従来の「短ガラス」強化組成物から達
成されるものより優れている。 別の従来法に於いては、使用中に最大の応力を
受け易い成型品の特定領域にある程度強化用繊維
を配設することができる。この方法においては、
ガラス繊維、特に長繊維の凝集マツトを金型キヤ
ビテイー中に配置して、金型中に、熱硬化性樹脂
のプレポリマーからなるマトリツクス材料を入れ
硬化せしめた時、得られた成型品中に強化用繊維
が選択的に分布せしめられる。この方法は、金型
中に射出されるマトリツクス材料が十分に低い粘
度を有し、その結果個々の強化用フイラメント間
に浸透してそれらを湿潤せしめ、ひいては最終マ
トリツクス重合体と強化材との間に良好な結合力
が生じるような熱硬化性樹脂に限られる。このよ
うな技術は、金型中に強化用繊維を入れておき、
これに粘性のある熱可塑性重合体溶融物を導入す
ることによつて強化熱可塑性プラスチツク成型品
を製造する方法には適用できない。なぜならば、
重合体溶融物が強化用繊維を十分に湿潤しないば
かりでなく、高圧下に注入された粘度の高い溶融
物によつて補強用繊維がわきへ押しやられるた
め、強化用繊維が最終射出成型品の所望領域に配
設されないことになるからである。 今や、繊維強化材で選択的に強化することによ
り使用中最大の強度が達成される熱可塑性重合体
の射出成型品の製造方法を見出した。 〔課題を解決するための手段〕 本発明に係る強化成型品の製造方法は、強化材
を入れた金型キヤビテイ中で熱可塑性重合体材料
を射出成型することによつて少くとも一つの所定
位置に強化材を有する射出成型品を製造する方法
において、 (イ) 連続して長手方向に線状に伸びる強化用繊維
の実質的に全体が熱可塑性重合体マトリツクス
中に埋没して構成されているインサートであつ
て、金型キヤビテイ中に拘置するに十分な形態
安定性を有する少くとも一つのインサートを予
め成形し、 (ロ) 該予備成形インサートの少くとも一つを金型
中の所定位置におき、次いで、 (ハ) 熱可塑性重合体材料を溶融状態で金型中に注
入し、該熱可塑性重合体材料が上記予備成形イ
ンサートを取囲む状態で成型して上記予備成形
インサートが成型品の一部として所定位置に一
体化されている成型品を得ることを特徴とす
る。 本発明に従えば、成型品が使用中に受ける応力
に関し最大の効果が達成されるように繊維強化材
を成型品中の選択された領域に位置せしめること
が可能になるのみならず、そのような強化成型品
の製造に伴う加工上の問題点が解決される。特
に、溶融粘度100Ns／m²以上の常用される熱可塑
性重合体を用いて生産性の高い射出成型法により
強化成型品を製造することができる。 さらに、本発明に係る熱可塑性重合体射出成型
品は、必要に応じて短繊維強化材を含む熱可塑性
重合体からなる射出成型品であつて、成型品中の
所定位置に、実質的に完全に熱可塑性重合体と接
触しかつ該重合体中に埋没された状態の線状に整
列せる連続繊維からなる少くとも一種の繊維強化
材をさらに含むことを特徴とする。 強化繊維が熱可塑性重合体中に全体的に埋没し
て該重合体に実質的に完全に接触している予備成
形インサートは、従来熱硬化性成型品の製造に用
いられていた繊維マツトとは区別される。従来の
強化用繊維マツトはその繊維をひとまとめに取扱
えるようにするためマツトに重合体バインダーを
含浸せしめることができるが、この重合体含浸マ
ツトはつまみあげた時にその形状がくずれる点で
形態が安定しているとは言えない。これらのマツ
トが硬化せる成型品の一部となつた時に初めて形
体安定性が付与されるに過ぎない。本発明で用い
る予備成形インサートは重合体樹脂を含浸し、重
合体樹脂中に埋没されたものであつて、常温にお
いて形体的に安定なものである。この形体的に安
定な予備成形インサートは必ずしも剛いものであ
る必要はなく、ある場合には、予備成形インサー
トはそれが金型中の所望位置をより一層容易に占
拠し得るように柔軟であることが望ましい。本発
明で使用する予備成形インサートは、好ましく
は、該インサートが室温において層間剪断強さ少
なくとも5MN／m²を有するに十分なマトリツク
ス重合体を含有する強化用繊維のパツケージであ
る。 予備成形インサートの最も重要な特徴は繊維が
実質的完全に熱可塑性重合体と接触することであ
る。予備成形インサートが金型中に配置される時
点において該インサートが上述の最小層間剪断強
さを有することは必須ではない。事実、例えば、
熱軟化せる予備成形インサートを金型インサート
に巻き付けることによつて、金型中に一層容易に
配置されるように予備成形インサートが非常に柔
軟となる温度において該インサートを用いる場合
においては有利である。 成型方法としては、熱可塑性重合体材料を溶融
状態で金型中へ注入する射出成型方法が採られ
る。 本発明方法で使用する予備成形インサートは連
続した強化用繊維から多くの技法により調製する
ことができる。即ち、ガラスフイラメントのよう
なフイラメント束からなる連続ロービングまたは
トウに液状の硬質重合体またはプレポリマーを含
浸せしめることができる。液状の重合体は重合体
の溶液、分散体または溶融体のいずれであつても
よい。液状のプレポリマーは通常、部分的に重合
せる重合体の単量体シロツプ溶液のような部分的
に重合せる重合体である。 本発明で使用する予備成形インサートを調製す
るために繊維に含浸せしめるのに熱可塑性重合体
の溶融体を用いることが必要であるかまたは好ま
しい場合には、重合体に適度な物性を付与するの
に通常要求される分子量範囲を有する重合体から
形成される溶融体を用いると困難に遭遇する。即
ち、常用される高分子量熱可塑性重合体の溶融粘
度は通常100Ns／m²より高い。そのように高粘度
の溶融体を用いて繊維に十分湿潤せしめるのは非
常に困難である。溶融温度を高めることによつて
ある程度溶融粘度を低減することが可能である
が、熱可塑性重合体の分解温度未満では溶融粘度
は十分低減されない。しかしながら、驚くべきこ
とに、繊維を適切に湿潤せしめるのに十分低い溶
融粘度を与えるに十分な低い分子量を有する熱可
塑性重合体を用いて高強度の製品が得られる。 従つて、分解温度未満における溶融粘度が
30Ns／m²未満、好ましくは１〜10Ns／m²である
熱可塑性重合体の溶融体から成形される多数の連
続フイラメントからなるロービングを延伸し（こ
の間にロービングを形成するフイラメントは分離
されるが）、引続きこれらのフイラメントを重合
体含浸レースとすることによつて高強度のレース
が得られる。得られる強化用インサートは本発明
で使用するには好適であつて、特に成型に用いる
重合体材料が通常の高分子量熱可塑性重合体であ
る場合には特に好適である。 本発明で使用するのに適当な他の予備成形イン
サートは、英国特許明細書第1334702号に記載さ
れるような高分子量熱可塑性重合体を含有する繊
維強化インサートである。この英国特許には、ロ
ービング中の連続フイラメントを複数の繊維束に
分け、各繊維束の間に粉末重合体を充填せしめ、
次いで重合体粉末を含浸せるロービングを熱ダイ
または管を通して引張つて、重合体粉末を溶融す
ると共に重合体含浸ロービングを突き固めてレー
スとすることによつて繊維強化インサートを調製
する方法が記載されている。 本発明で使用する強化用連続繊維はガラス繊
維、炭素繊維、ジユートのような天然繊維および
高モジユラス合成重合体繊維の中から選ぶことが
できる。適切な繊維の選択は、コスト、必要とさ
れる物性並びに、重合体繊維の場合には、その繊
維が高温溶融状態にある流動可能な重合体を注入
するという加工条件に耐えるか否かを総合的に考
慮して決めることになろう。 本明細書において「連続した繊維」とは、予備
成形インサートの長手方向に連続して線状に伸び
ている繊維を意味する。 予備成形インサートはその重量に基づき少なく
とも20重量％、特に少なくとも40重量％の繊維を
含むことが望ましい。 予備成形インサートを構成する重合体は、強化
成型品を形成するのに用いられる重合体に依存す
ることになろう。繊維の回りにマトリツクスを形
成する重合体は、成型過程においてそれを混入す
べき重合体に相溶性を示すべきである。２つの重
合体は同一分子量を持つ必要はないが同一組成で
あることが望ましい。 予備成形インサートの形状は、強化成型品を成
形する過程でその中に予備成形インサートを配置
すべき金型に依存するであろう。予備成形インサ
ートは密実なもしくは中空のロツド、ストリツプ
またはシート状として、金型中の任意の所望位置
に配置することができる。熱可塑性重合体から形
成される予備成形インサートの主要な利点は、予
備成形インサートをそのマトリツクス重合体の軟
化点より高い温度に加熱することによつて金型中
に挿入するのに適当な形状とすることができる点
にある。このことは金型中に挿入する予備成形イ
ンサートを設計するうえでかなり自由度が大きい
ことを意味する。予備成形インサートは複雑な形
状を有する要素に加工することができるからであ
る。例えば、適当な形状を有する巻型に可撓性の
あるインサートを巻き付けることによつて、強化
せる巻型で所要領域が補強された成型品を得るこ
とができる。 溶融熱可塑性重合体を予備成形インサートの周
囲に注入して成型する過程では、溶融体を冷却し
た時に最終成型品にかなりの内部歪みを生じ得
る。成型品が少なくとも１つの予備成形インサー
トを含む場合には、収縮力によつて剛いインサー
トに歪みが移り、このインサートが応力を受け
る。このように生じた歪みはかなり大きく、従つ
て、最終成型品を金型からはずすとこの成型品は
歪んだ形状をとり得る。このような問題は、金型
中に配置される複数のインサートに作用する収縮
力が均衝するようにそれらのインサートを金型中
に適切に位置せしめることにより克服できる。従
つて、本発明の好ましい態様においては、使用す
る少くとも一つの予備成形インサートは、溶融熱
可塑性重合体の冷却時に生ずる収縮力の作用方向
に関して対称に配置せしめる。 収縮力に関して予備成形インサートが対称的に
配置されるように金型中に予備成形インサートを
位置せしめる方法は製造すべき成型品の形態およ
び補強を必要とする成型品の領域に依存する。ほ
ぼ一様な断面を有する成型品については予備成形
インサートを成型品の軸の回りに対称に且つ予備
成形インサートが該軸に実質的に平行となるよう
に配置すればよい。より複雑な形状を有する成型
品に対しては、試行錯誤方法によつて歪みのない
成型品を得るに必要な予備成形インサートの形状
を決定する必要があるであろう。 予備成形インサートは種々の方法によつて金型
中の所望位置に配置することができる。成型品の
表面に補強が必要な場合には、両面粘着テープを
用いてまたは表面に接着剤を塗布することによつ
て予備成形インサートを金型内表面に貼着すれば
よい。あるいは、機械的または真空手段によつて
予備成形インサートを金型中に配置することもで
きる。金型が成型品を成型した後に取りはずすべ
き心型を備える場合は、予備成形インサートを心
型に付着または巻き付けることができる。 予備成形インサートの周囲に成型すべき流動可
能な重合体としては、予備成形インサートに付着
するいかなる重合体または重合体ブレンドも用い
ることができる。即ち、流動可能な重合体はいか
なる熱可塑性重合体であつてもよく、この重合体
には安定剤、顔料、加工助剤、難燃剤および充填
材のような常用されるいかなる助剤も必要に応じ
て含むことができる。充填材は粒状非強化型のも
のであつてもよいし、成型品に対し追加的に強化
作用をなすものであつてもよい。特に、長さ２mm
未満の繊維状材料を配合することができ、この短
繊維材料は長繊維を含む選択的に配置された剛い
予備成形インサートによつて達成される強化作用
を補う作用をなす。即ち、予備成形インサートの
周囲に成型するのに適当な材料には「短ガラス」
強化組成物が含まれる。 補強すべき成型品の領域は成型品の最終用途及
び成型品が受ける環境応力に依存して決まる。即
ち、曲げ力を受ける成型品は、曲げ力の適用によ
る応力が働く方向に繊維が配列するように成型品
の表面もしくはその近傍に局所的に補強すること
が望ましい。耐捩り応力が要求される成型品で
は、成型品の外表面近傍を補強することができ、
好ましくは、当業界で知られているフイラメント
巻き付け技法によつて成型品の長手方向軸に対し
約45°の角度で強化材を適用することが望ましい。 常用される「短ガラス」強化組成物を利用する
強化方法を本発明に従つて実施する場合に達成さ
れる他の利点としては、同じ強さを達成するのに
より断面を薄くするかまたは発泡体もしくは中空
断面を利用することによつて成型品中に配合する
プラスチツク材料の使用量を節減できることがあ
げられる。さらに、より価格の安い、性能の低い
プラスチツク材料を用いることもできる。さら
に、金型に注入される２つの重合体の流れの接合
面に生じる溶接ラインが弱いという問題も、成型
品に溶接ラインを架橋する局所的補強を行うこと
により克服できる。短繊維の流動配向に起因する
異方性も本発明を利用することによつて回避また
は軽減することができる。従来の射出成型「短ガ
ラス」補強製品と比較してのさらに他の利点は所
定成型サイクル時間により高い単位剛さが得られ
る点にある。これは、(a)所定強さに対し断面をよ
り薄くできること（冷却時間は厚さの２乗に依存
する）、(b)金型中に射出する材料が充填材未配合
重合体（補強重合体と比較してかなり粘度が低
い）でよいこと、および(c)金型中の予備成形イン
サートが放熱子として作用し、射出せる溶融材料
から熱を受け取ることに基づく。 また、本発明方法に依れば「短ガラス」強化製
品から得られる成型品と比べてより大きな剛性が
得られる。さらに、剛性と靭性とのバランスがと
れているので「短ガラス」製品を用いる場合と比
較してはるかに有利であり、特に、所定の利用ま
たは要求に関し保証された安全性能を有する製品
を設計する場合に著しく有利である。 前述のように本発明の主要な利点の１つは重量
が低く剛性が高い成型品が得られる点にある。現
在、低密度高強度炭素繊維を利用することの利点
はプレミアムスポーツ施設および航空機または宇
宙船部品のようなコストの高い応用分野で活用さ
れているに過ぎない。本発明はそのような繊維を
より経済的に自動車産業のようなより普通の応用
分野での利用を可能にする。 また、本発明は、炭素繊維から製造される製品
を上述のプレミアム応用分野でより経済的に利用
可能ならしめる。例えば、テニスラケツトは現在
英国特許第2015886号に記載される方法によつて
製造されている。この方法では溶融可能な金属合
金コアを用いて中空ラケツトが製造される。即
ち、コアを金型中に置き、コアの回りに炭素繊維
充填ナイロン組成物を射出成型する。次いで、得
られた組体を上記合金の溶融点より高い温度に加
熱することによつて溶融可能なコアを除去する。
最初に重合体含浸ストリツプを調製し、これを金
型中に挿入してラケツトフレームの両面に対する
補強とするか、または合金コアの回りに熱軟化条
件下に巻き付けて必要な剛さを得られるようにす
ることによつて、本発明に従えば炭素繊維を一層
効率よく利用できる。金型中に射出される重合体
は未強化重合体でよい。 以下、本発明を実施例について説明する。 実施例 １ 145mm×12.5mm×6.4mmのキヤビテイを有するタ
ーナー（Turner）803射出成型機（CTA−２−
80S）を用いて一連の射出成型試料を調製した。
予備成形ガラス繊維強化熱可塑性プラスチツクス
トリツプを含む成型品とそのようなストリツプを
含まない同様な成型品とを比較した。成型品中に
強化ストリツプを含有せしめる場合には、両面粘
着テープを用いてキヤビテイの145mm×12.5mm面
にストリツプを配置する方法を採つた。成型品の
組成および試験結果を要約すると下記表の通りで
ある。

【表】

【表】 実施例 ２ 実施例１の手法を繰返して、予備成形インサー
トの成型品に対するひけ低減効果を評価した。実
施例１の試料Ａは顕著なひけを示した。呼称断面
12.5mm×6.4mm（厚さ）のスパンはその中央にお
ける実際の厚さが5.7mmであることが判明した。
同様に、試料Ｂは呼称6.4mm厚に対し強化スパン
の中央における厚さが5.5mmであることが判明し
た。試料ＣおよびＤの真の厚さは呼称6.4mm厚か
らそれほどへだたりはなかつた。 実施例１の試料Ｅ、Ｆ、ＧおよびＨについて上
記と、同じ手法を繰返した。スパンの中央で観測
された現実の厚さはそれぞれ6.2mm、6.1mm、6.4mm
および6.4mmであつた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 強化材を入れた金型キヤビテイ中で熱可塑性
   重合体材料を射出成型することによつて少くとも
   一つの所定位置に強化材を有する射出成型品を製
   造する方法において、 (イ) 連続して長手方向に線状に伸びる強化用繊維
   の実質的に全体が熱可塑性重合体マトリツクス
   中に埋没して構成されているインサートであつ
   て、金型キヤビテイ中に拘置するに十分な形態
   安定性を有する少くとも一つのインサートを予
   め成形し、 (ロ) 該予備成形インサートの少くとも一つを金型
   中の所定位置におき、次いで、 (ハ) 熱可塑性重合体材料を溶融状態で金型中に注
   入し、該熱可塑性重合体材料が上記予備成形イ
   ンサートを取囲む状態で成型して上記予備成形
   インサートが成型品の一部として所定位置に一
   体化されている成型品を得ることを特徴とする
   強化射出成型品の製造方法。 ２ 使用する少くとも一つの予備成形インサート
   は、溶融熱可塑性重合体の冷却時に生ずる収縮の
   作用方向に関して対称に配置せしめる特許請求の
   範囲第１項記載の製造方法。 ３ 室温における層間剪断強さが少くとも
   5MN／m²である予備成形インサートを使用する
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載の製造
   方法。 ４ 予備成形要素を構成する熱可塑性重合体が、
   その分解温度より低い温度において30Ns／m²未
   満の溶融粘度を有する特許請求の範囲第３項記載
   の製造方法。 ５ 必要に応じて短繊維強化材を含む熱可塑性重
   合体からなる射出成型品であつて、成型品中の所
   定位置に、実質的に完全に熱可塑性重合体と接触
   しかつ該重合体中に埋没された状態の線状に整列
   せる連続繊維からなる少くとも一種の繊維強化材
   をさらに含むことを特徴とする熱可塑性重合体射
   出成型品。 ６ 繊維強化材が、成型品の非強化部分を構成す
   る熱可塑性重合体とは別異の熱可塑性重合体中に
   埋没されて直接該重合体で取囲まれている特許請
   求の範囲第５項記載の成型品。 ７ 繊維強化材が、成型品内において、溶融熱可
   塑性重合体から冷却によつて成型する際に生ずる
   収縮力の作用方向に関して対称な位置に配置され
   ている特許請求の範囲第５項または第６項に記載
   の成型品。 ８ 繊維強化材が、分解温度より低い温度におい
   て30Ns／m²未満の溶融粘度を有する熱可塑性重
   合体中に埋没されて直接該重合体で取囲まれてい
   る特許請求の範囲第５項から第７項までのいずれ
   かに記載の成型品。 ９ 成型品の非強化部分を構成する、繊維強化材
   を直接取囲んでいない熱可塑性重合体が100Ns／
   m²以上の溶融粘度を有する特許請求の範囲第６項
   から第８項までのいずれかに記載の成型品。