特許 7385488 繊維含有シートの製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-11-14

(45)【発行日】2023-11-22

(54)【発明の名称】繊維含有シートの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 48/21 20190101AFI20231115BHJP

   C08J 3/075 20060101ALI20231115BHJP

   C08L 101/00 20060101ALI20231115BHJP

   C08K 7/02 20060101ALI20231115BHJP

   B32B 27/04 20060101ALI20231115BHJP

   B29K 23/00 20060101ALN20231115BHJP

   B29K 105/12 20060101ALN20231115BHJP

   B29L 9/00 20060101ALN20231115BHJP

【ＦＩ】

B29C48/21

C08J3/075 CEP

C08L101/00

C08K7/02

B32B27/04 Z

B29K23:00

B29K105:12

B29L9:00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020022080

(22)【出願日】2020-02-13

(65)【公開番号】P2021126807

(43)【公開日】2021-09-02

【審査請求日】2022-12-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000005119

【氏名又は名称】日立造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001298

【氏名又は名称】弁理士法人森本国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤岡 修司

(72)【発明者】

【氏名】小崎 修司

(72)【発明者】

【氏名】鈴川 正紘

【審査官】▲高▼橋 理絵

(56)【参考文献】

【文献】特開昭４８－０２２１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１６１７８０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表２００２－５１１８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２９０３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０３１７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２８５９４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ４８／００－４８／９６

Ｃ０８Ｊ ５／００－ ５／２２

Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｔダイを用いて樹脂をシート状に押出成形するに際し、コア層を形成するための第１の樹脂と、コア層の両面における両スキン層を形成するための第２の樹脂とが積層した状態でＴダイからの押出成形を行い、そのときに、コア層を成形するための第１の樹脂と、両スキン層を成形するための第２の樹脂として、互いに相溶性を有しない樹脂を用いるとともに、第１の樹脂として繊維材料を含んだものを用い、かつ第２の樹脂として繊維材料を含んでいないものを用いることを特徴とする繊維含有シートの製造方法。

【請求項2】

一体の積層状態で得られた成形体から、少なくとも一方のスキン層を剥離させることを特徴とする請求項１記載の繊維含有シートの製造方法。

【請求項3】

得られた成形体からのスキン層の剥離は行わずに、コア層と両スキン層とを一体のままとすることを特徴とする請求項１記載の繊維含有シートの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は繊維含有シートの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂中に炭素繊維やガラス繊維などの繊維材料を含んだプラスチック複合材料を成形した場合に、その繊維が成形体の流れ方向（ＭＤ）に沿って配向してしまうことがある。この配向の発生は、特にＴダイを用いたシート状の押出成形品において特徴的である。ＭＤに沿って配向することで、その成形されたシートは、ＭＤに沿った方向の強度が向上する。このような、繊維材料を含んだプラスチック複合材料をＴダイを用いて成形する技術は、例えば特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平０８－２６９２１０号公報（請求項６など）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、このような方法で成形されＭＤに沿って配向したシートは、上述のようにＭＤに沿った方向の強度が高くなる半面、ＭＤに対して垂直な方向（ＴＤ）の強度が著しく低下してしまうという傾向がある。

【0005】

その対策として、ＭＤに沿って配向した複数のシートを、互いに角度を変えながら積み上げ、熱プレス加工により一体化することで、全方向に強度のあるシートを得ることが行われている。しかし、このような手法では、そのための特殊な技術や、そのための成形時間や、そのためのコストが必要である。

【0006】

そこで本発明は、このような問題点を解決して、配向が抑制された繊維含有シートを容易かつ確実に得ることができるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的を達成するために本発明の繊維含有シートの製造方法は、Ｔダイを用いて樹脂をシート状に押出成形するに際し、コア層を形成するための第１の樹脂と、コア層の両面における両スキン層を形成するための第２の樹脂とが積層した状態でＴダイからの押出成形を行い、そのときに、コア層を成形するための第１の樹脂と、両スキン層を成形するための第２の樹脂として、互いに相溶性を有しない樹脂を用いるとともに、第１の樹脂として繊維材料を含んだものを用い、かつ第２の樹脂として繊維材料を含んでいないものを用いることを特徴とする。

【0008】

すなわち、本発明は、樹脂中に繊維を含有した複合材料において樹脂中の繊維が配向してしまう原因は、溶融状態の樹脂と繊維とが混合状態でＴダイ内を流れ、最終的にＴダイ内でシート状に展張される際に、流路の壁面の抵抗によって繊維がＭＤに沿った方向に向いてしまい配向が生じるという知見にもとづいてなされたものである。本発明によれば、Ｔダイを用いた押出成形に際して、コア層の両面にスキン層を配置するとともに、コア層は繊維材料を含んだ樹脂にて成形し、両スキン層は繊維材料を含んでいない樹脂にて成形するため、コア層の繊維材料を含んだ樹脂はＴダイの流路の壁面に接しないようにしてＴダイから押し出されることになり、このため繊維の配向が抑えられた状態でシート状に成形されることになる。

【0009】

本発明の繊維含有シートの製造方法によれば、コア層の第１の樹脂と両スキン層の第２の樹脂とを互いに剥離可能な状態で一体に成形することが好適である。このようにすれば、成形後にスキン層をコア層から剥離させることで、配向が抑制された繊維含有樹脂が表面に露出したシートを得ることができる。

【0011】

本発明の繊維含有シートの製造方法によれば、一体の積層状態で得られた成形体から、少なくとも一方のスキン層を剥離させることで、配向が抑制された繊維含有樹脂が表面に露出したシートを容易に得ることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によると、配向が抑制された繊維含有シートを容易かつ確実に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態の繊維含有シートの要部の断面構造を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態の繊維含有シートの製造方法に用いることができるＴダイの構成例を示す図である。

【図3】実施例２におけるコア層の表面の拡大画像と比較例１の成形体の表面の拡大画像とを対比して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図２に示すＴダイの詳細な構造について説明する。図示のＴダイ１１は、ダイ１２とフィードブロック１３とが互いに接合されて一体化されたものである。

【0019】

フィードブロック１３には、コア層のための溶融状態の繊維含有樹脂材料を供給する第１の経路１４と、スキン層のための溶融状態の樹脂材料を供給する一対の第２の経路１５、１５とが設けられている。１６は合流部で、各経路１４、１５、１５からの溶融状態の樹脂材料が合流される。このとき、第１の経路１４からのコア層のための溶融状態の繊維含有樹脂材料の両側に、第２の経路１５からのスキン層のための溶融状態の樹脂材料がそれぞれ供給される。その結果、これらの溶融状態の樹脂材料は３層の状態でダイ１２に送られる。

【0020】

ダイ１２は幅狭のノズル１８を有し、このノズル１８が図２の紙面に垂直な方向に長尺に形成されることで、ダイ１２から樹脂をシート状に押し出して、シート状の成形体を得ることができるように構成されている。１９はフィードブロック１３から送られてきた樹脂のための案内路、２０はマニホルドである。マニホルド２０は、案内路１９からの溶融状態の樹脂材料のための流路を図２の紙面に垂直な方向に広げ、それによって上述の図２の紙面に垂直な方向に長尺のノズル１８に十分な量の樹脂を供給できるように構成されている。

【0021】

図示のＴダイ１１では、樹脂材料は合流部１６の前で図２の紙面と垂直な方向に一度広げられ（例えば幅１００ｍｍ程度に）、合流部１６で積層が行われた後、ダイ１２のマニホルド２０において再度広げられる。このような構成とすることで、コア層が薄く形成された状態で樹脂流路の壁面に接触することを防ぐことができ、このため後述の配向抑制効果に加えて、さらに配向を抑制することができる。

【0022】

本発明の製造方法において、Ｔダイ１１としては上記の構成のものに限られず、コア層の両面にスキン層を配した積層構造のシートを押し出すことができるものであれば、任意の構成のものを使用することができる。

【0023】

たとえば、図２には示されていないが、図２に示す上述の２段階で広げるような成形ではなく、第１の経路１４と第２の経路１５、１５とにおいて樹脂材料をそれぞれ製品幅まで広げた後に積層させるようなＴダイでも、本発明の製造方法を実施することが可能である。この場合に、幅を広げた後の樹脂材料の合流部をマニホルド２０の直後に設けてあるとよい。このようなＴダイを用いて本発明の方法を実施した場合は、シートの配向性は多少劣るものの、シート厚みを精度良く制御した状態で製造することができる。

【0024】

本発明によれば、図２に示される構成のＴダイ１１を用い、フィードブロック１３における第１の経路１４にコア層のための溶融状態の繊維含有樹脂材料を系外から送り込み、また一対の第２の経路１５、１５には、スキン層のための溶融状態の樹脂材料を系外から送り込む。すると、これらの樹脂材料は、上述のように、Ｔダイ１１のノズル１８から積層状態のシート状に押し出される。

【0025】

図１は、Ｔダイ１１から押し出された樹脂がその後に冷却固化されることにより形成されたシート状の成形体の要部の断面構造を示す。２５はコア層である。２６、２６は、スキン層であって、コア層２５の両面に接した状態でそれぞれ形成されている。

【0026】

コア層２５は、樹脂２７中に繊維材料２８を含んだ構成である。これに対してスキン層２６、２６は、樹脂中に繊維材料を含んでいない構成である。

【0027】

コア層２５を形成する樹脂としては、溶融状態でＴダイ１１から押し出すことができるものであれば良く、任意の熱可塑性樹脂を好適に用いることができる。たとえば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ乳酸、ポリ塩化ビニル、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドなどを挙げることができる。繊維材料２８は、主として樹脂２７を強化するために添加されるもので、その目的を達成することができる限り、任意のものを好適に用いることができる。たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、高強度の樹脂繊維、セルロース繊維などを挙げることができる。

【0028】

上述のようにスキン層２６、２６はコア層２５の両面に接した状態でそれぞれ形成されているが、スキン層２６、２６を構成する樹脂としては、コア層２５を構成する樹脂と相溶性を有しない樹脂、あるいはコア層２５を構成する樹脂と相溶性を有する樹脂を挙げることができる。スキン層２６、２６を構成する樹脂が、コア層２５を構成する樹脂と相溶性を有しない樹脂である場合は、図１において仮想線で示すように、製造されたシート状の成形体の表面から少なくとも一方のスキン層２６、２６を剥離させて、この成形体をコア層２５だけによって構成することができる。これに対し、スキン層２６、２６を構成する樹脂が、コア層２５を構成する樹脂と相溶性を有する樹脂である場合は、図１において実線で示すように、コア層２５とスキン層２６、２６とが剥離不能に一体化された構成の成形体とすることができる。

【0029】

相溶性を有する樹脂の組み合わせの例としては、たとえばコア層２５を構成する樹脂とスキン層２６、２６を構成する樹脂とがいずれもポリプロピレンであるような、両者が同種の樹脂である場合を挙げることができる。相溶性を有しない樹脂の組み合わせとしては、たとえばコア層２５を構成する樹脂がポリプロピレン、スキン層２６、２６を構成する樹脂が高密度ポリエチレンである場合や、コア層２５を構成する樹脂がポリプロピレン、スキン層２６、２６を構成する樹脂がポリカーボネートである場合などを挙げることができる。

【0030】

図１に示される成形体を成形するときには、図２に示されるＴダイ１１において、スキン層２６、２６を構成する樹脂どうしの間にコア層２５を構成する樹脂を挟み込んだうえで、このＴダイ１１からこれらの樹脂を押出成形することになる。このため、スキン層２６、２６を構成する樹脂はＴダイ１１における樹脂流路の壁面に接することになるが、コア層２５を構成する樹脂は、Ｔダイ１１における樹脂流路の壁面に接することなく、このＴダイ１１から押し出される。このため、コア層２５を構成する樹脂は、樹脂流路の壁面の抵抗を受けることが無く、したがってコア層２５の表面およびその近傍において繊維材料２８に配向が生じることを抑制した状態で、成形体としてのコア層２５を形成することができる。

【0031】

スキン層２６、２６は、コア層２５を構成する樹脂が溶融状態でＴダイ１１における樹脂流路に沿って流動するときに、この樹脂が樹脂流路の壁面に接触することを防止するものである。このため、その機能を果たすために必要な最小限の厚みを有していれば足りる。たとえば、スキン層２６の厚みは１０μｍ以上あれば効果を発揮するといえるが、１０～５０μｍの間では層間乱れ(フローマーク)が生じるという問題や繊維材料２８の配向が抑制されないという問題がある。従ってスキン層の厚みは５０μｍ以上が良い。コア層２５と一対のスキン層２６、２６との合計厚みは、成形品の用途に合わせて適宜に設定することができる。

【0032】

上述のように、スキン層２６、２６は、コア層２５を構成する樹脂が溶融状態でＴダイ１１における樹脂流路に沿って流動するときに、この樹脂が樹脂流路の壁面に接触することを防止するものであれば足りる。このためスキン層２６、２６には繊維材料が含まれていないことが原則であるが、コア層２５において繊維材料に配向が生じることを防止できるのである限り、スキン層２６、２６に多少の繊維材料が含まれていても差し支えない。本発明においてスキン層２６、２６が樹脂中に繊維材料を含んでいないとは、広くこのような場合まで含むことを意味するものである。

【実施例】

【0033】

以下の実施例、比較例において、各物性の測定は、次のようにして行った。

【0034】

（１）配向の程度
コア層用とスキン層用との２台の押出機（日立造船社製：ＨＭＴ５７、ＳＨＴ６５）から吐出された溶融樹脂をフィードブロック(日立造船社製：ＦＢ３)内で積層し、Ｔダイ(日立造船社製：ＴＦＳ１０２Ｆ)内で幅１０２０ｍｍに展張した後、シート成形機(日立造船社製：ＧＯＭＰ１２０.３)のロールで狭圧し、固化することで成形した。この成形されたものを長さ１ｍに裁断し、そのシートの中から３０ｍｍ角に切り抜いた断片の表面を光学顕微鏡(キーエンス社製：ＶＨＸ-９００)にて観察して、配向を目視により確認した。

【0035】

（２）コア層とスキン層との剥離性
スキン層の一部にカッターナイフなどの鋭利な刃物で切り込みを入れ、それによってきっかけを与えたところの一方側のスキン層の部分と他方側のスキン層の部分とを人手でつかみ、両者を別々の方向に引っ張ることで引き剥がすという手法により、剥離性の確認を行った。

【0036】

（実施例１）
コア層を構成するための材料としては、カーボンファイバを３０質量％含有するポリプロプレン樹脂（三菱ケミカル社製、品名・品番：パイロフィル ＰＰ－Ｃ－３０）を用い、また両スキン層を構成するための材料としては、ポリプロピレン樹脂（日本ポリプロ社製、品番：ＥＡ９）を用いた。そして、図２に示した構造のＴダイを用いて、厚さ０．７ｍｍ、幅１００２ｍｍのシート状の成形体を押出成形法により製造した。両スキン層とコア層との厚みの比は、スキン層：コア層：スキン層＝１：６：１とした。

【0037】

得られた成形体は、コア層とスキン層と画強固に一体化されており、上述の手法によって両者を剥離させることはできなかった。スキン層の表面上からコア層の表面を顕微鏡観察したところ、カーボンファイバの配向に目立った方向性は認められず、カーボンファイバはランダムに配向していると言えるものであった。

【0038】

実施例１についての製造条件と物性の測定結果とを表１に示す。

【0039】

【表1】

【0040】

（実施例２～４）
実施例１と比べて、その製造条件を表１に示すように変更した。それ以外は実施例１と同じとした。

【0041】

実施例２～４についての製造条件と物性の測定結果とを表１に示す。

【0042】

（実施例５）
実施例４と比べて、スキン層を構成するための材料を、コア層を構成するための樹脂との相溶性を有しない高密度ポリエチレン（日本ポリプロ社製、品番：ＨＦ３１３）に変更した。そして、それ以外は実施例４と同様とした。

【0043】

実施例５についての製造条件と物性の測定結果とを表１に示す。

【0044】

（実施例６）
実施例３と比べて、スキン層を構成するための材料を次のように変更した。すなわち、上述のポリプロピレンと高密度ポリエチレンとを、質量比で、ポリプロピレン：高密度ポリエチレン＝２：１となるように配合した材料を、スキン層を構成するための材料として用いた。そして、それ以外は実施例３と同様とした。

【0045】

実施例６についての製造条件と物性の測定結果とを表１に示す。

【0046】

（実施例７）
実施例３と比べて、スキン層を構成するための材料をポリカーボネート樹脂（三菱エンジニアリングプラスチックス社製、品番：Ｅ－２０００）に変更した。そして、それ以外は実施例３と同様とした。

【0047】

実施例７についての製造条件と物性の測定結果とを表１に示す。

【0048】

（比較例１）
実施例１で用いたコア層を構成するための材料だけを使用して、スキン層を有しないシート状の成形体を得た。

【0049】

比較例１についての製造条件と物性の測定結果とを表１に示す。

【0050】

表１に示すように、実施例１～７のシート状の成形体は、いずれもカーボンファイバの配向に目立った方向性は認められず、カーボンファイバはランダムに配向していた。これに対し比較例１は、スキン層を構成するための材料を用いずに成形したため、成形体における樹脂中のカーボンファイバは、ＭＤに沿った方向に強く配向していた。図３は、実施例２と比較例１とのコア層の表面の拡大画像を示す。図の上側が実施例２の画像、下側が比較例１の画像である。この画像から、比較例１ではカーボンファイバが明らかな方向性を有しているのに対し、実施例２ではカーボンファイバが目立った方向性を有さずにランダムに配向していることを確認することができる。

【0051】

実施例１～４、６は、コア層を構成するための材料とスキン層を構成するための材料とが同種のものであり、互いに相溶性を有するものであったため、スキン層とコア層とが強固に一体化したものであった。一方、実施例５および７は、コア層を構成するための材料とスキン層を構成するための材料とが異種のものであり、互いに相溶性を有しないものであったため、成形後にスキン層をコア層から容易に剥離させることができた。これにより、樹脂中に繊維材料を含有した材料だけによってシート状の成形体を構成することができた。

【符号の説明】

【0052】

２５ コア層
２６ スキン層
２７ 樹脂
２８ 繊維材料

【図1】

【図2】

【図3】