JPH09286036A

JPH09286036A - 樹脂成形品

Info

Publication number: JPH09286036A
Application number: JP8122808A
Authority: JP
Inventors: Soichi Ishibashi; 壮一石橋; Tetsuyuki Kyono; 哲幸京野; Masayoshi Yamagiwa; 昌好山極
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】長繊維補強効果による高い物性と、短繊維補
強と同等の成形性を兼ね備えた、長繊維を含む樹脂成形
品を提供する。【解決手段】強化繊維を含む樹脂成形品の繊維長分布
を、単位ｍｍとして２母数ワイブル分布により近似した
とき、分布の形状母数α、尺度母数βが、１＜α＜３、
０．２３＜β＜３の範囲にあることを特徴とする樹脂成
形品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、長繊維を含む樹脂
成形品に関する。更に詳しくは、比較的長い不連続の強
化繊維で補強された樹脂を用い、射出成形などの方法
で、繊維長がある特定の範囲に分布するよう最適化した
樹脂成形品に関する。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化熱可塑性樹脂成形用素材とし
て、短繊維を強化材として熱可塑性樹脂に練りこんだペ
レットが射出成形用に広く用いられている。この材料は
溶融時の流動性が比較的優れ、成形性は良いが、繊維長
が短いため、これによって成形を行っても十分な補強効
果が得られない。

【０００３】この欠点を補うため、ペレットの長さ方向
に比較的長い繊維が配列した、いわゆる長繊維ペレット
が近年になって用いられるようになってきた。このよう
な長繊維ペレットを用いて成形を行うと、長繊維が残る
ため、強度、剛性、耐衝撃性に優れた成形品を得ること
ができるとされている。しかしながら、かかる長繊維ペ
レットを従来から知られている射出成形技術により成形
すると、成形時に繊維が折損し、その結果、その成形品
には長繊維による強化の特徴が失われて、短繊維強化に
よる成形品と物性がほとんど変わらないという問題があ
った。

【０００４】成形機のスクリューの形状や、成形条件を
最適化することにより、長繊維を比較的多く残す検討も
なされているが、長繊維が多く残存すると、今度は材料
溶融時の流動性が著しく低下し、薄肉の成形品を得よう
とする場合に非常に高い射出圧力が必要になるなどの問
題が生じ、たとえ成形が可能であっても残留応力の問題
から成形品に大きな反りなどが生ずることが多い。たと
えば特開平６−９７６９５号公報には、ある範囲の長さ
をもつ繊維の含有量を規定した成形品が記されている
が、全体的な繊維長分布が全く説明されておらず、この
ように比較的長い繊維の含有量が単に多いだけの場合に
は、成形性が非常に悪いものにならざるをえない。すな
わち、優れた生産性と、高い物性とを兼ね備えた長繊維
を含む樹脂成形品は今まで存在しなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、長繊
維補強効果による高い物性と、短繊維補強の場合と同等
の成形性とを兼ね備えた、長繊維を含む樹脂成形品を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の樹脂成形品は、強化繊維を含む樹脂成形品
の繊維長分布を、単位をｍｍとして２母数ワイブル分布
により近似したとき、分布の形状母数α、尺度母数β
が、１＜α＜３０．２３＜β＜３の範囲にあることを特徴とするものからなる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明する
繊維強化樹脂成形品において、強化繊維の繊維長は長け
れば長いほど強度、剛性、耐衝撃性などに優れるが、成
形品中の繊維長を例えば長さ６ｍｍといった一定のもの
のみで構成するのは、射出成形など生産性に優れた方法
を利用する限り、現実には困難である。これは、スクリ
ュー混練や成形時の流動の際に高い剪断力が作用し、繊
維が折損するためである。例えば繊維長６ｍｍの長繊維
ペレットを用いた場合などでも、最終成形品では０．１
〜０．３ｍｍ程度まで繊維が折損することは珍しくな
い。この場合は長繊維強化の特徴が失われて、短繊維強
化ペレットによる成形品と物性がほとんど変わらない結
果となってしまう。一方、成形時のスクリュー混練を極
端に弱くすると、混練による強化繊維折損は抑制される
が、その反面、長繊維の分散不良による極端な流動性低
下が起こり、成形が困難となったり、非常に高い射出圧
力を要するため、成形品に残留応力が生じやすく大きな
反りなどの発生を招く。この傾向は特に薄肉の成形品、
例えば、薄肉が要求される電気・電子機器用部材の場合
に顕著となる。

【０００８】われわれは鋭意検討した結果、成形品中の
繊維長分布の形状が成形品の物性と成形性を強く特徴づ
けることを見いだした。繊維長分布の形状は比較的複雑
であり、単純な左右対称の正規分布を用いて考察するこ
とは適切でない。通常よく用いられる重量平均繊維長、
数平均繊維長等も正規分布を前提としており、現実の繊
維長分布を正確に表現しているパラメーターとはいえな
い。繊維長分布を表現するのに適切な分布関数として２
母数ワイブル分布が挙げられる。２母数ワイブル分布の
確率密度関数は次式数１で表される。

【０００９】

【数１】

【００１０】繊維長分布をあてはめた場合は、ｘが成形
品中の繊維長（単位：ｍｍ）を、ｆ（ｘ）が確率密度
（繊維長の頻度）を、それぞれ示す。２つの母数は、通
常、形状母数αと尺度母数βと呼ばれ、線形推定法など
により容易に求められる。ワイブル分布は正規分布など
と異なり、分布形状が左右非対称で比較的広く変化可能
な他、ｘが正の値のみをとるため、繊維長分布を取り扱
うのに適している。成形品よりマトリックス樹脂を除去
し、内部の強化繊維の長さを複数本測定して、離散値と
して測定された成形品中の繊維長を連続関数として２母
数ワイブル分布関数で表現すれば容易に分布形状を規定
できる。

【００１１】われわれは、繊維長分布の形状が、横軸に
強化繊維の長さ、縦軸に確率密度（繊維長の頻度）をと
った場合、強化繊維の長さが短いものから長いものへ、
特定の分布を持ち、かつ、この分布形状が繊維長の短い
方から長い方へなだらかに尾を引くような形状となって
いる場合に、成形性と成形品物性のバランスに優れるこ
とを明らかにした。このような分布形状は２母数ワイブ
ル分布で表現した場合、１＜α＜３および０．２３＜β
＜３の範囲である。より望ましくは、１．２＜α＜２お
よび０．２５＜β＜１の範囲である。図１に２母数ワイ
ブル分布の分布形状を示す。横軸は繊維長ｘを尺度母数
βで正規化してあり、縦軸は確率密度関数の値である。
αが１より小さいと短い繊維ばかりの多い成形品となる
ため物性が低くなり、３より大きいと、分布のばらつき
が小さくなり、また正規分布の近い左右対称の分布とな
り、成形性と成形品物性のバランスが悪くなる。βが
０．２３より小さいと繊維長が短く物性が低くなり、３
より大きいと繊維長が長すぎて成形性が悪化する。

【００１２】次にワイブル分布の母数推定法について説
明する。成形品よりマトリックス樹脂を除去し繊維を取
り出すには、マトリックス樹脂を強化繊維がダメージを
受けない程度の高温で焼きとばす方法の他、マトリクス
樹脂の種類によってはマトリックス樹脂を溶解させる溶
剤を用いることができる。取り出した繊維は、顕微鏡に
より拡大し、少なくとも３００本、望ましくは５００本
以上についてその長さを単位ｍｍで測定する。測定した
繊維長の有限数の離散値から、例えば複合材料学会誌、
第１３巻、第３号（１９８７年）、１３５〜１４３頁に
記載されている線形推定法により、形状母数αと尺度母
数βを容易に求めることが可能である。ワイブル分布に
関する説明も上述の文献に記載されている。

【００１３】繊維長分布を前述の範囲に制御するために
は、射出成形の場合、ペレットに含まれる繊維長、成形
機のスクリュー形状、および成形条件、成形金型の形状
などを考慮して設計する必要がある。

【００１４】材料面では、特公昭６３−３７６９４号公
報に示されるような、強化繊維がペレットの長手方向に
一方向に配列し、ペレットと同じ長さの繊維が含まれて
いる、いわゆる長繊維ペレットの他、実開昭６０−６２
９１２号公報に示されるような、連続した強化繊維束の
周りに熱可塑性樹脂を被覆してある長さに切断したコー
ディドペレット、さらに特開平７−８０８３４号公報に
示されるような、ある繊維分布の強化繊維が分布したペ
レットなどを、成形品に残存する繊維長分布に応じて適
宜使い分けて使用することができる。

【００１５】強化繊維がペレットの長手方向に一方向に
配列しているペレットは、ペレットの長さが強化繊維と
等しいため、使用するペレットは長い方が成形品に長い
繊維が残存しやすい。ただし、あまりペレットが長すぎ
ると成形機のスクリューかみ込み不良等を生じやすい。

【００１６】スクリュー形状としては、フライト深さ、
スクリューの長さ（Ｌ）／径（Ｄ）の比、スクリューの
圧縮比などが繊維長との関係が深い。フライト深さは深
い方が、圧縮比は小さい方が、繊維長が長く残存する傾
向にある。

【００１７】成形条件としては、スクリュー回転数、背
圧、射出速度（スクリュー前進速度）などが繊維長に関
係する。特に背圧は計量不良が生じない程度に低い方が
繊維長が残存しやすい。これらのパラメータを組み合わ
せることにより、望みの繊維長分布を得ることができ
る。

【００１８】本発明における成形性と成形品物性とのバ
ランスに優れるという効果は、成形品厚みの最小部分
が、０．５〜２ｍｍの範囲にある成形品で最もよく発揮
される。厚みが０．５ｍｍより小さいと、たとえ本発明
によっても材料流動性が不足して成形が困難になり、厚
みが２ｍｍ以上であると、低剛性、低耐衝撃性の短繊維
強化成形品でも要求性能を満たすことが可能となり、成
形も容易となるので本発明の特長が出にくくなる。さら
に望ましくは、成形品の厚みは０．８〜１．５ｍｍが適
している。このような薄肉成形が要求されるものとして
は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話に使用さ
れるような筐体や、パーソナルコンピュータの内部でキ
ーボードを支持する部材であるキーボード支持体に代表
されるような電気・電子機器用部材が挙げられる。図２
に例として筐体成形品を示す。図に示す筐体は枠部１、
リブ２、ボス部３を有している。また、このような電気
・電子機器用部材では、強化繊維に、導電性を有する炭
素繊維を使用した場合に、電磁波シールド性が付与され
るためより望ましい。

【００１９】本成形用材料に用いる強化繊維は、とくに
限定されない。炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊
維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維等の高
強度、高弾性率繊維等が使用できる。強化繊維は、破断
伸びが大きい方が、射出成形時のスクリュー混練によっ
てせん断力がかかっても折損しにくくなる傾向がある。

【００２０】繊維の中では、炭素繊維が力学的特性の向
上効果に優れており、導電性であるが故に電磁波シール
ド性を発揮するため好ましい。電磁波シールド性は電気
・電子機器用部材用途で必要となる特性である。より望
ましくは、混練時に折損することが少ない破断伸び１％
以上のＰＡＮ系炭素繊維が適している。

【００２１】本成形用材料に用いる熱可塑性樹脂は、特
に限定されない。ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６
６等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレ
ン等）、ポリフェニレンサルファイド、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、ポリカー
ボネート、ポリスチレン、ＡＢＳ、液晶ポリエステル
や、アクリロニトリルとスチレンの共重合体等を用いる
ことができる。また、ナイロン６とナイロン６６との共
重合ナイロンのような共重合体や、ＡＢＳとポリカーボ
ネートのアロイのようにこれらを混合したものであって
もよい。さらに、得たい成形品の要求特性に応じて、熱
可塑性樹脂に難燃性改良剤や、相溶化剤、耐候性改良
剤、その他酸化防止剤、熱安定化剤、紫外線吸収剤、可
塑剤、着色剤、導電性フィラー等を添加しておくことが
できる。

【００２２】特に適した樹脂系として、ポリアミド、ポ
リカーボネート、ＡＢＳ、ポリブチレンテレフタレー
ト、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルの
いずれか、または、これらを２種以上を混合、共重合さ
せたものが挙げられる。ポリアミド、ポリカーボネー
ト、ＡＢＳ、ポリブチレンテレフタレートは、耐衝撃性
などに優れ、電気・電子機器用部材用途に用いるのに優
れている。ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエス
テルは、比較的低粘度で流動性が優れるにもかかわら
ず、高い物性を有するという特徴を持っており、薄肉の
成形品を得るのに適している。

【００２３】本発明における成形品の具体例として、例
えば、パーソナルコンピュータの筐体、キーボード支持
体、携帯用電話機の筐体、ヘッドフォンステレオの筐体
またはラジオカセットレコーダの筐体等の電子・電気機
器用部材が挙げられる。

【００２４】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。実施例１炭素繊維（東レ株式会社製“トレカ”Ｔ３００、引張強
度３，５３０ＭＰａ、引張弾性率２３０ＧＰａ、破断伸
び１．５％、単糸数６，０００本）に、ＰＰＳ樹脂（東
レ株式会社製“トレリナ”Ｍ２８８８）を押出被覆後、
長さ６ｍｍにカットして、炭素繊維の含有量が３０重量
％のペレットを得た。

【００２５】このペレットを材料として、スクリュー径
５０ｍｍ、スクリュー圧縮比１．８、型締め力２２０ｔ
の射出成形機で、１８０ｍｍ×２５０ｍｍ×３０ｍｍの
大きさ、１ｍｍの厚みを有する弁当箱状の成形品を得
た。なお、その時の成形条件は、スクリュー回転数３０
ｒｐｍ、シリンダー温度３５０℃、射出圧力（樹脂圧
力）１９０ＭＰａ、背圧０ＭＰａ、金型温度１００℃と
した。

【００２６】この成形品を電気炉に入れ、マトリックス
樹脂を焼きとばした後、残存した繊維を顕微鏡により拡
大し、繊維５００本についてその長さ（単位：ｍｍ）を
測定した。測定した繊維長の離散値から線形推定法によ
りワイブル分布の形状母数αと尺度母数βを求めた。得
られた値はαが１．６、βが０．３５であった。材料は
金型の末端まで完全に充填し、良好な成形品が得られ
た。成形品の平面部の一部を短冊状に切り出して曲げ強
度、曲げ弾性率を測定したところ、それぞれ１５５ＭＰ
ａ、１４．５ＧＰａであった。

【００２７】実施例２炭素繊維（東レ株式会社製“トレカ”Ｔ７００Ｓ、引張
強度４，９００ＭＰａ、引張弾性率２３０ＧＰａ、破断
伸び２．１％、単糸数１２，０００本）に、ＰＰＳ樹脂
（東レ株式会社製“トレリナ”Ｍ２８８８）を押出被覆
後、長さ６ｍｍにカットして、炭素繊維の含有量が３０
重量％のペレットを得た。このペレットを材料として、
他の成形条件などは、実施例１と同条件で成形、評価を
行った。

【００２８】得られたワイブル分布の母数の値はαが
１．６、βが０．３５であった。材料は金型の末端まで
完全に充填し、良好な成形品が得られた。成形品の平面
部の一部を短冊状に切り出して曲げ強度、曲げ弾性率を
測定したところ、それぞれ１７０ＭＰａ、１６ＧＰａで
あった。

【００２９】比較例１成形機のスクリューとして圧縮比２．２のものを使用
し、成形条件として背圧を１ＭＰａとした他は実施例１
と同材料、同条件で成形を行った。材料は金型の末端ま
で完全に充填し、良好な成形品が得られた。成形品中の
繊維長分布を示すワイブル分布の母数の値は、αが１．
９、βが０．１５であった。成形品の平面部の一部を短
冊状に切り出して曲げ強度、曲げ弾性率を測定したとこ
ろ、それぞれ１４０ＭＰａ、１１ＧＰａであった。

【００３０】比較例２ペレットの長さを１２ｍｍとし、成形機のスクリューと
して圧縮比１．５のものを使用した他は実施例２と同材
料、同条件で成形を行った。材料は金型の末端まで充填
せず、いわゆるショートショットの状態となった。成形
品中の繊維長分布を示すワイブル分布の母数の値は、α
が３．５、βが３．２であった。成形品はショートショ
ットの上、表面に繊維が露出し、ボイドも多い状態だっ
たので、力学的特性は測定しなかった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、長繊維補強による高い
物性と、短繊維補強の場合と同様の良好な成形性の、二
つの特徴がバランスしていることにより、工業的に優れ
た、長繊維を含む樹脂成形品を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で活用するワイブル分布の分布形状を示
す図である。

【図２】本発明による電気・電子機器用部材の例を示す
概略斜視図である。

【符号の説明】

１枠部２リブ３ボス部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２９Ｌ 31:34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強化繊維を含む樹脂成形品の繊維長分布
を、単位をｍｍとして２母数ワイブル分布により近似し
たとき、分布の形状母数α、尺度母数βが、１＜α＜３０．２３＜β＜３の範囲にあることを特徴とする樹脂成形品。
【請求項２】最小厚みが０．５〜２ｍｍの範囲にあ
る、請求項１の樹脂成形品。
【請求項３】強化繊維が炭素繊維である、請求項１ま
たは２の樹脂成形品。
【請求項４】樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項１な
いし３のいずれかに記載の樹脂成形品。
【請求項５】熱可塑性樹脂が、ポリアミド、ポリカー
ボネート、ＡＢＳ、ポリブチレンテレフタレート、ポリ
フェニレンサルファイドおよび液晶ポリエステルから選
ばれた少なくとも１種である、請求項４の樹脂成形品。
【請求項６】熱可塑性樹脂が、ポリアミド、ポリカー
ボネート、ＡＢＳ、ポリブチレンテレフタレート、ポリ
フェニレンサルファイドおよび液晶ポリエステルから選
ばれた２種以上の混合体または共重合体である、請求項
４の樹脂成形品。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載の樹
脂成形品を有する電気・電子機器用部材。
【請求項８】パーソナルコンピュータの筐体、キーボ
ード支持体、携帯用電話機の筐体、ヘッドフォンステレ
オの筐体またはラジオカセットレコーダの筐体である、
請求項７の電気・電子機器用部材。