特許 6796935 棒状成形体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6796935

(24)【登録日】2020年11月19日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】棒状成形体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 45/27 20060101AFI20201130BHJP

   C08K 7/02 20060101ALI20201130BHJP

   C08L 101/00 20060101ALI20201130BHJP

   C08J 5/04 20060101ALI20201130BHJP

   B29K 77/00 20060101ALN20201130BHJP

   B29K 81/00 20060101ALN20201130BHJP

   B29K 105/06 20060101ALN20201130BHJP

   B29L 1/00 20060101ALN20201130BHJP

【ＦＩ】

   B29C45/27

   C08K7/02

   C08L101/00

   C08J5/04CER

   C08J5/04CEZ

   B29K77:00

   B29K81:00

   B29K105:06

   B29L1:00

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-30887(P2016-30887)

(22)【出願日】2016年2月22日

(65)【公開番号】特開2017-24388(P2017-24388A)

(43)【公開日】2017年2月2日

【審査請求日】2018年12月5日

(31)【優先権主張番号】特願2015-143074(P2015-143074)

(32)【優先日】2015年7月17日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】501041528

【氏名又は名称】ダイセルポリマー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087642

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100098408

【弁理士】

【氏名又は名称】義経 和昌

(72)【発明者】

【氏名】高坂 繁行

(72)【発明者】

【氏名】島田 隆広

【審査官】 山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１３６２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１４２２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０８２５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ４５／００−４５／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

繊維状充填剤を含む熱可塑性樹脂組成物を金型内に射出成形する工程を有している棒状成形体の製造方法であって、
繊維状充填剤を含む熱可塑性樹脂組成物が、繊維状充填材の束に樹脂を含浸させたものを６〜３０ｍｍの範囲で切断した樹脂含浸繊維束を含んでいるものであり、
前記棒状成形体が、外径が均一な部分を含む、幅方向の断面形状が円形または多角形のものであり、
前記棒状成形体の寸法と金型に熱可塑性樹脂を射出するときのゲートの寸法が、下記式（I）〜（IV）の関係を満たしている、棒状成形体の製造方法。
８≦Ｄ≦Ｌ （I）
１≦Ｌ／Ｄ≦２０ （II）
Ｓ／１０≦ＳＧ≦Ｓ （III）
Ｄ／１０≦ＮＧ≦４ （IV）
［式中の記号の意味は、次の通りである。
Ｓ：棒状成形体の断面積（ｍｍ²）であり、前記棒状成形体が均一外径のときは前記均一外径部分の断面積であり、前記棒状成形体が頭部とねじ山を有するボルトであるときは、前記ネジ山部分の断面積である。
Ｄ：棒状成形体の断面形状が円形のときの直径（ｍｍ）、または棒状成形体の断面形状が多角形のときの内接円の直径（ｍｍ）
Ｌ：棒状成形体の長さ（ｍｍ）
ＳＧ：ゲート総面積（ｍｍ²）
ＮＧ：ゲート数］

【請求項2】

前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ポリエステル、ＰＰＳ、スチレン系樹脂から選ばれるものであり、繊維状充填材が、ガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維、無機繊維（ガラス繊維を除く）から選ばれるものである、請求項１記載の棒状成形体の製造方法。

【請求項3】

前記棒状成形体に含有されている繊維の重量平均繊維長が０．８ｍｍ以上である、請求項１または２記載の棒状成形体の製造方法。

【請求項4】

前記棒状成形体が、幅方向の断面が円形であり、周面にねじ山を有しているものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の棒状成形体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、棒状成形体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂製のボルトは軽量化の点で有利であるが、金属と比べると強度の点で十分ではないため、樹脂に繊維状充填材を配合することで強度が高められている。
樹脂製のボルトのような棒状成形体中に繊維状充填材を配合して強度を高めようとするときは、繊維が長さ方向に配向された状態で含有されていることが重要になる。
しかし、通常の射出成形法を適用したときは、棒状成形体の表層部分は繊維が長さ方向に配向されるが、中心部はランダムに存在するため、全体としての配向度が低く、十分な強度を付与することができない。

【0003】

特許文献１、２には、特定の固定型と可動型の組み合わせからなる金型を使用して射出成形することで、繊維が軸方向と平行に配向された樹脂製ボルトとその製造方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７−２９３５３４号公報

【特許文献2】特開平７−２９３５３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、長軸方向への繊維状充填材の配向度が高い棒状成形体が得られる棒状成形体の製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、繊維状充填剤を含む熱可塑性樹脂組成物を金型内に射出成形する工程を有している棒状成形体の製造方法であって、
前記棒状成形体が、外径が均一な部分を含む、幅方向の断面形状が円形または多角形のものであり、
前記棒状成形体の寸法と金型に熱可塑性樹脂を射出するときのゲートの寸法が、下記式（I）〜（IV）の関係を満たしており、前記棒状成形体中に含まれている繊維の重量繊維長（Ｉｗ）が０．５ｍｍ以上である、棒状成形体の製造方法。
８≦Ｄ≦Ｌ （I）
１≦Ｌ／Ｄ≦２０ （II）
Ｓ／１０≦ＳＧ≦Ｓ （III）
Ｄ／１０≦ＮＧ≦４ （IV）
［式中の記号の意味は、次の通りである。
Ｓ：棒状成形体の断面積（ｍｍ²）
Ｄ：棒状成形体の断面形状が円形のときの直径（ｍｍ）、または棒状成形体の断面形状が多角形のときの内接円の直径（ｍｍ）
Ｌ：棒状成形体の長さ（ｍｍ）
ＳＧ：ゲート総面積（ｍｍ²）
ＮＧ：ゲート数］

【発明の効果】

【0007】

本発明の製造方法によれば、長軸方向への繊維状充填材の配向度が高く、曲げ強度が高い棒状成形体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】（ａ）は本発明の製造方法で得られる棒状成形体の斜視図、（ｂ）は（ａ）の一底面図。

【図2】（ａ）は本発明の製造方法で得られる別実施形態の棒状成形体の斜視図、（ｂ）は（ａ）の一底面図。

【図3】（ａ）は本発明の製造方法で得られるさらに別実施形態の棒状成形体の斜視図、（ｂ）は（ａ）の一底面図。

【図4】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法で使用する、金型内のキャビティに通じるゲートの平面図。

【図5】（ａ）は、本発明の製造方法により得られる長ねじボルトの斜視図、（ｂ）は、本発明の製造方法により得られる全ねじ六角ボルトの斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の棒状成形体の製造方法により製造することができる棒状成形体は、外径が均一な部分を含んでおり、幅方向の断面形状が円形、楕円形、多角形などのものであり、多角形は正多角形でもよいし、正多角形でなくてもよい。
棒状成形体は、長さ方向全体の外径が均一なものでもよいし、一部に外径の大きな部分または外径の小さな部分を含んでいるものでもよい。前記の外径の大きな部分または外径の小さな部分は、棒状成形体の一端部または両端部にあってもよいし、棒状成形体の中間部分にあってもよい。

【0010】

＜繊維状充填材を含む熱可塑性樹脂組成物＞
本発明の製造方法で使用する熱可塑性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂と繊維状充填材、および必要に応じて公知の樹脂用添加剤を含有するものである。
熱可塑性樹脂は特に制限されるものではなく、用途に応じて選択することができるものであり、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプレンなどのポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ＰＢＴなどのポリエステル、ＰＰＳ、ＡＢＳ樹脂などのスチレン系樹脂、および各種ポリマーアロイなどから選択することができる。

【0011】

繊維状充填材は特に制限されるものではなく、用途に応じて選択することができるものであり、ガラス繊維、炭素繊維、無機繊維（ガラス繊維を除く）、有機繊維、金属繊維などから選択することができる。
繊維状充填材の含有量は、熱可塑性樹脂１００質量部に対して１０〜６０質量部が好ましい。

【0012】

公知の添加剤としては、離型剤、帯電防止剤、難燃剤、着色剤、可塑剤、軟化剤、分散剤、安定化剤（ヒンダードフェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、硫黄系酸化防止剤などの酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定化剤など）、アンチブロッキング剤、結晶核成長剤、充填剤（シリカやタルクなどの粒状充填剤など）、滑剤などを挙げることができる。

【0013】

本発明で用いる繊維状充填剤を含む樹脂組成物は、繊維状充填材の束に熱可塑性樹脂を含浸させたものを６〜５０ｍｍの範囲で切断した樹脂含浸繊維束を含むものが好ましい。
前記樹脂含浸繊維束は、繊維状充填材を長さ方向に揃えた状態で束ね、前記繊維状充填材の束に熱可塑性樹脂を溶融させた状態で含浸させ一体化した後に６〜３０ｍｍの長さに切断したものが好ましい。
前記樹脂含浸繊維束に含まれる繊維状充填材の長さは、樹脂含浸繊維束の長さと同一である。
前記樹脂含浸繊維束の直径は、０．８〜３ｍｍの範囲であることが好ましい。

【0014】

樹脂含浸繊維束に含まれる繊維状充填材は、繊維径（単糸径）６〜３０μｍのものを使用することができる。
繊維束を構成する繊維の本数は、繊維の種類により繊維径が異なるため、繊維の種類に応じて選択することができる。
例えば、繊維状充填材としてガラス繊維（繊維径１７μm）を使用したとき、１００〜３００００本が好ましく、より好ましくは５００〜２００００本、さらに好ましくは１０００〜１００００本程度である。
また例えば、繊維状充填材として炭素繊維（繊維径７μm）を使用したとき、１０００〜４００００本が好ましく、より好ましくは５０００〜３５０００本、さらに好ましくは１００００〜３００００本程度である。

【0015】

樹脂含浸繊維束は、ダイスを用いた周知の製造方法により製造することができ、例えば、特開平６−３１３０５０号公報の段落番号７、特開２００７−１７６２２７号公報の段落番号２３のほか、特公平６−２３４４号公報（樹脂被覆長繊維束の製造方法並びに成形方法）、特開平６−１１４８３２号公報（繊維強化熱可塑性樹脂構造体およびその製造法）、特開平６−２９３０２３号公報（長繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法）、特開平７−２０５３１７号公報（繊維束の取り出し方法および長繊維強化樹脂構造物の製造方法）、特開平７−２１６１０４号公報（長繊維強化樹脂構造物の製造方法）、特開平７−２５１４３７号公報（長繊維強化熱可塑性複合材料の製造方法および製造装置）、特開平８−１１８４９０号公報（クロスヘッドダイおよび長繊維強化樹脂構造物の製造方法）等に記載の製造方法を適用することができる。
また樹脂含浸繊維束としては、ダイセルポリマー（株）から販売されている、各種熱可塑性樹脂と、ガラス繊維、カーボン繊維、ステンレス繊維、アラミド繊維などの繊維状充填材を含むプラストロン（登録商標）シリーズを使用することもできる。

【0016】

＜棒状成形体の製造方法＞
本発明の棒状成形体の製造方法は、繊維状充填材を含む熱可塑性樹脂組成物（上記の樹脂含浸繊維束）を使用して、公知の射出成形法を適用して製造するとき、前記棒状成形体の寸法と金型に熱可塑性樹脂を射出するときのゲートの寸法が、下記式（I）〜（IV）の関係を満たすようにする。

【0017】

８≦Ｄ≦Ｌ （I）
１≦Ｌ／Ｄ≦２０ （II）
Ｓ／１０≦ＳＧ≦Ｓ （III）
Ｄ／１０≦ＮＧ≦４ （IV）
［式中の記号の意味は、次の通りである。
Ｓ：棒状成形体の断面積（ｍｍ²）であり、前記棒状成形体が均一外径のときは前記均一外径部分の断面積であり、前記棒状成形体が頭部とねじ山を有するボルトであるときは、前記ネジ山部分の断面積である。
Ｄ：棒状成形体の断面形状が円形のときの直径（ｍｍ）、または棒状成形体の断面形状が多角形のときの内接円の直径（ｍｍ）
Ｌ：棒状成形体の長さ（ｍｍ）
ＳＧ：ゲート総面積（ｍｍ²）
ＮＧ：ゲート数］

【0018】

上記式中のＳ、Ｄ、Ｌについて説明する。
本発明の製造方法で得られる棒状成形体は、図１〜図３に示すように外径が均一のもののほか、図５（ｂ）に示すように一部に外径の大きな部分を含んでいるものであり、幅方向の断面形状は円形（図１、図５）または多角形（図２、図３））のものである。
幅方向の断面形状が多角形のときは、正三角形（図２）、正方形（図３）、正五角形、正六角形、正八角形などである。

【0019】

図１（ａ）、（ｂ）に示す棒状成形体１は、長さＬの円柱であり、底面２、３は円形で、直径Ｄである。
図２（ａ）、（ｂ）に示す棒状成形体１１は、長さＬの三角柱であり、底面１２、１３は正三角形で、内接円の直径がＤである。
図３（ａ）、（ｂ）に示す棒状成形体２１は、長さＬの四角柱であり、底面２２、２３は正四角形で、内接円の直径がＤである。

【0020】

上記式中のＳＧ、ＮＧについて説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、金型内のキャビティに通じる部分に２つのゲート３１、３２、３つのゲート３１〜３３、４つのゲート３１〜３４を有している状態が示されている。
ＳＧは、複数のゲートの合計面積である。
ＮＧは１〜４であり、図４では、ＮＧは２、３または４である。
ゲートの形状は特に制限されるものではないが、円形または楕円形が好ましいが、円形がより好ましい。
ゲートの配置状態は、ゲート同士が間隔をおいて配置されていればよい。
図４（ａ）に示すようにゲートが２つのときは、中心Ｏを通る同一直線（直径）上に２つの円形ゲート３１、３２の中心が位置するように配置されていることが好ましい。
また２つの円形ゲート３１、３２は、中心Ｏからの半径がｒであるとき、０．１ｒ〜０．９ｒの範囲に形成されていることが好ましい。

【0021】

図４（ｂ）に示すようにゲートが３つのときは、中心Ｏを基点として、３つの円形ゲートの中心と中心Ｏを結ぶ３本の線の長さが同一であり、中心Ｏと３本の線の角度が同一（１２０ー）になるように配置されていることが好ましい。
また３つの円形ゲート３１〜３３は、中心Ｏからの半径がｒであるとき、０．１ｒ〜０．９ｒの範囲に形成されていることが好ましい。

【0022】

図４（ｃ）に示すようにゲートが４つのときは、中心Ｏを基点として、４つの円形ゲートの中心と中心Ｏを結ぶ４本の線の長さが同一であり、中心Ｏと４本の線の角度が同一（９０度）になるように配置されていることが好ましい。
また４つの円形ゲート３１〜３４は、中心Ｏからの半径がｒであるとき、０．１ｒ〜０．９ｒの範囲に形成されていることが好ましい。

【0023】

本発明の製造方法では、上記式（I）〜（IV）を満たしていれば、射出成形時における射出圧力、射出速度、保持圧力、背圧、金型温度などは、繊維状充填材を含む公知の熱可塑性樹脂組成物を使用するときと同条件で実施することができる。

【0024】

本発明の製造方法を適用することによって、棒状成形体の長さ方向への繊維状充填材の配向度を高めることができる。
ここで「配向度」は、棒状成形体に含まれている繊維状充填材中、長さ方向に配向されている繊維状充填材の割合（質量％）であり、本発明においては、前記配向度は棒状成形体の曲げ強度で評価する。
同寸法の棒状成形体であれば、長さ方向に配向されている繊維状充填材量が多いほど、曲げ強度が大きくなる。

【0025】

また本発明の製造方法を適用することによって、含有されている繊維の重量繊維長（Ｉｗ）が０．５ｍｍ以上、好ましくは０．８ｍｍ以上である棒状成形体を得ることができる。棒状成形体内部に残存する繊維長が短くなると長さ方向に配向し難くなるため、曲げ強度が小さくなる。

【0026】

＜ボルトの製造方法＞
上記した本発明の棒状成形体の製造方法を適用することで、一部に外径の大きな部分を含んでいる、図５（ａ）に示すような長ねじボルト、図５（ｂ）に示すような全ねじ六角ボルトなどのボルトのほか、木ねじなどを製造することができる。
図５（ａ）に示す長ねじボルト４０は、周面の全体にねじ山４１を有しており、内部には繊維状充填材が長軸方向に配向された状態で含有されている。なお、Ｄは底面４２の直径である。
図５（ｂ）に示す全ねじ六角ボルト４５は、頭部４７の下から周面の全体にねじ山４６を有しており、少なくともねじ山４６が形成されている内部には、繊維状充填材が状軸方向に配向された状態で含有されている。なお、Ｄは底面４８の直径である。

【実施例】

【0027】

（１）重量繊維長（重量平均繊維長）
実施例および比較例で得た棒状成形体について、特開２０１３−１２１９８８号公報の段落番号００６３に記載の下記の方法により測定した。
棒状成形品から約３ｇの試料を切出し、６５０℃で加熱して灰化させて繊維を取り出した。取り出した繊維の一部（５００本）から重量平均繊維長を求めた。計算式は、特開２００６−２７４０６１号公報の〔００４４〕、〔００４５〕を使用した。

【0028】

（２）曲げ強度
実施例および比較例で得た棒状成形体について、下記条件にて曲げ強度を測定した。
測定機器：オートグラフＡＧ２０００（（株）島津製作所製）
試験速度：２ｍｍ／ｍｉｎ
支点間距離：４０ｍｍ

【0029】

実施例１、比較例１〜５
実施例１、比較例１、２は、熱可塑性樹脂組成物として、ポリアミドＭＸＤ６を５０質量％とガラス長繊維５０質量％からなる樹脂含浸繊維束（プラストロンＭＸＤ−ＧＦ５０−０２；直径２．８ｍｍ、長さ９ｍｍの円柱形状；ダイセルポリマー（株））を使用した。
プラストロンＭＸＤ−ＧＦ５０−０２の長さと含有されているガラス繊維長さは同じである。
比較例３〜５は、熱可塑性樹脂組成物として、ポリアミドＭＸＤ５０質量％とガラス短繊維５０質量％からなる円柱状ペレット（プラストロンＭＸＤ−ＳＧＦ５０；直径２．０ｍｍ、長さ４ｍｍの円柱形状；ダイセルポリマー（株））を使用した。

【0030】

実施例１、比較例１〜５の各組成物を使用して、次の条件で射出成形して、直径（Ｄ）１２ｍｍ、長さ（Ｌ）８０ｍｍの丸棒を得た。得られた丸棒の残存繊維長と曲げ強度を測定した。結果を表１に示す。〇は式（I）〜式（IV）を満たしていること、・は式（I）〜式（IV）を満たしていないことを示している。
（射出成形条件）
射出成形機：日本製鋼所のＪ１５０ＥII
シリンダー温度：２８０℃
背圧：２ＭＰａ
金型温度：１６０℃

【0031】

【表1】

【0032】

実施例１と比較例１は、同じ組成物を使用したが、比較例１が式（III）を満たしていないため、残存繊維長が短くなっており、この残存繊維長の違いが配向度の違いになり、曲げ強度の違いになったものと認められる。
実施例１と比較例２は、比較例２の方が残存繊維長は長いが、比較例２が式（IV）を満たしていないことが配向度の違いになり、曲げ強度の違いになったものと認められる。
比較例３〜５は、短繊維を使用しているため、残存繊維長が短く、配向度が低くなったため、曲げ強度も小さくなっている。

【0033】

実施例２、比較例６、７
実施例２、比較例６、７は、熱可塑性樹脂組成物として、ポリアミドＭＸＤ６を６０質量％と炭素長繊維４０質量％からなる樹脂含浸繊維束（プラストロンＰＡＸ−ＧＦ４０−０２；直径２．２ｍｍ、長さ９ｍｍの円柱形状；ダイセルポリマー（株））を使用した。
プラストロンＰＡＸ−ＧＦ４０−０２の長さと含有されている炭素繊維長さは同じである。

【0034】

実施例２、比較例６、７の各組成物を使用して、下記の条件で射出成形して、直径（Ｄ）１２ｍｍ、長さ（Ｌ）８０ｍｍの丸棒を得た。得られた丸棒の残存繊維長と曲げ強度を測定した。結果を表２に示す。〇は式（I）〜式（IV）を満たしていること、・は式（I）〜式（IV）を満たしていないことを示している。
（射出成形条件）
射出成形機：日本製鋼所のＪ１５０ＥII
シリンダー温度：２８０℃
背圧：２ＭＰａ
金型温度：１６０℃

【0035】

【表2】

【0036】

実施例２と比較例６は、同じ組成物を使用したが、比較例６が式（III）を満たしていないため、残存繊維長が短くなっており、この残存繊維長の違いが配向度の違いになり、曲げ強度の違いになったものと認められる。
実施例２と比較例７は、比較例７の方が残存繊維長は長いが、比較例７が式（IV）を満たしていないことが配向度の違いになり、曲げ強度の違いになったものと認められる。

【0037】

実施例３、比較例８、９
実施例３、比較例８、９は、熱可塑性樹脂組成物として、ＰＰＳ５０質量％とガラス長繊維５０質量％からなる樹脂含浸繊維束（プラストロンＰＰＳ−ＧＦ４０−０１；直径２．２ｍｍ、長さ９ｍｍの円柱形状；ダイセルポリマー（株））を使用した。
プラストロンＰＰＳ−ＧＦ４０−０１の長さと含有されている炭素繊維長さは同じである。

【0038】

実施例３、比較例８、９の各組成物を使用して、下記の条件で射出成形して、直径（Ｄ）１２ｍｍ、長さ（Ｌ）８０ｍｍの丸棒を得た。得られた丸棒の残存繊維長と曲げ強度を測定した。結果を表３に示す。〇は式（I）〜式（IV）を満たしていること、・は式（I）〜式（IV）を満たしていないことを示している。
（射出成形条件）
射出成形機：日本製鋼所のＪ１５０ＥII
シリンダー温度：３２０℃
背圧：２ＭＰａ
金型温度：１７０℃

【0039】

【表3】

【0040】

実施例３と比較例８は、同じ組成物を使用したが、比較例８が式（III）を満たしていないため、残存繊維長が短くなっており、この残存繊維長の違いが配向度の違いになり、曲げ強度の違いになったものと認められる。
実施例３と比較例９は、比較例９の方が残存繊維長は長いが、比較例９が式（IV）を満たしていないことが配向度の違いになり、曲げ強度の違いになったものと認められる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明の棒状成形体の製造方法で得られた棒状成形体は、各種ピン、各種木ねじ（皿頭または丸頭）、長ねじボルト、六角ボルト、全ねじ六角ボルトなどのボルトとして使用することができる。

【符号の説明】

【0042】

１、１１、２１ 棒状成形体
３１、３２ ゲート
４０、４５ ボルト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】