JP7849788B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法、特に、溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を連続的に供給し、それを混練することにより繊維強化熱可塑性樹脂を製造する製造装置及び製造方法に関する。

このような繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法としては、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載される第１素材は、繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂と呼ばれ、一般には製造工程が複雑で時間がかかる繊維強化熱可塑性樹脂を短時間で連続的に製造できるとして注目されている。この第１素材を製造する製造装置及び製造方法は、例えば２軸のスクリュー羽根を備えた混練（混錬）送出装置の内容物搬送方向上流側の端部に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給する。

この混練送出装置には、複数のボビンから引き出した複数の繊維、例えば炭素繊維も同じ側の端部に連続供給される。この混練送出装置に連続的に供給される繊維は、装置内のスクリュー羽根の推力で引き込まれながらスクリュー羽根によって切断され、その後、そのスクリュー羽根によって溶融状態の熱可塑性樹脂と混練される。比較的長い繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂は、例えば混練送出装置の内容物搬送方向下流側の端部から送出され、保温された状態、すなわち溶融状態に維持されてプレス装置の型内に装入され、高速プレス成形されて樹脂成形品が製造される。

さらに、上記特許文献１では、繊維強化熱可塑性樹脂全体としての物理的特性を向上させるために、第１素材とは別に製造した繊維強化熱可塑性樹脂（第２素材）を繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂（第１素材）に混合することが開示されている。この第２素材は、熱可塑性樹脂が含浸された繊維が切断されたものである。また、下記特許文献２には、所定長さに切断された炭素繊維束を５～４０質量％の配合量で熱可塑性樹脂に配合した熱可塑性樹脂組成物が開示されている。この先行技術文献では、炭素繊維束の切断にはロータリーカッターが使用されている。

特開２０１９－１４７３７４号公報 特開２００４－１１０３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載される繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂、すなわち上記第１素材の製造装置及び製造方法では、連続的に供給される（切断前の）繊維はスクリュー羽根によって切断されるだけであり、切断後の繊維長さを一様にすることも、長さの制御を行うことも困難である。したがって、その繊維強化熱可塑性樹脂の素材としての強度（耐久力）や剛性等を示す力学物性を特定したり、また安定化したりすることが困難である。

また、連続繊維が供給された後、繊維がスクリュー羽根によって切断されるタイミングにもバラツキが生じ、熱可塑性樹脂と繊維の混練状態も一様化しないものとなる。熱可塑性樹脂と繊維の混練状態が一様でないと、樹脂内における繊維の分散性が変化し、やはり繊維強化熱可塑性樹脂としての力学物性を特定することが困難である。なお、分散は、散らばり、又は、散っていることを意味するので、「分散性」は散らばりの度合いとして用いる。

すなわち、従来の繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法では、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を得ることが困難である。

また、上記特許文献１で開示されている第２素材は、上記第１素材とは別に製造された繊維強化熱可塑性樹脂であり、先に製造されている第１素材である繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に追加的に混合されている。この第２素材は、熱可塑性樹脂が含浸された繊維が切断されたものであることから、切断長さは調整可能であると考えられるが、第１素材とは別の製造工程が必要であり、製造工程全体の流れの一連性を妨げている。また、製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性の特定や安定性が得られないなどの課題も残されている。

また、上記特許文献２に記載される熱可塑性樹脂組成物、すなわち繊維強化熱可塑性樹脂を繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に適用すると、ロータリーカッターによる炭素繊維束の切断では、刃先の劣化によって繊維が毛羽立ったり、製造可能な繊維強化熱可塑性樹脂の製造量に対して切断される繊維の量が不足したりするおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に且つ確実に得ることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、前記繊維分散部の下段位置に設けられ、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構と、前記繊維導入機構により導入された被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え、前記繊維導入機構は、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構であり、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、分散されて落下した前記被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え、前記繊維分散部は、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラを含み、該プロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部と、集束された繊維の束を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、前記落下した被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備えたことを特徴とする。

また、上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の他の構成は、前記繊維供給部による繊維供給速度及び繊維切断部による繊維切断タイミングの少なくとも一方を制御することによって前記切断される繊維の長さを調整可能としたことを特徴とする。

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記切断される繊維の長さを３ｍｍ以上１００ｍｍ未満としたことを特徴とする。

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維切断部の前段に、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部を備えたことを特徴とする。

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維集束部は、前記集束機構として、所定の大きさの開口部に前記複数の繊維を挿通して集束する繊維絞り機構及び軸線が交差する複数のローラの間に形成された隙間に前記複数の繊維を挿通して集束する交差ローラ機構の少なくとも一方を備えることを特徴とする。

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維切断部の下段位置には、前記被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部を備えたことを特徴とする。

上記繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の更なる構成は、前記繊維分散部の下段位置には、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構を備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え、前記繊維送給ステップは、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構により行われ、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え、前記繊維分散ステップにて、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明の一態様の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法は、混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、前記集束された繊維の束を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、供給される繊維をレーザを用いて切断することから、比較的容易な制御により被切断繊維の長さ調整（一定の長さに調整することなど）を的確に行うことができる。したがって、熱可塑性樹脂に供給される繊維の長さを一様にすることができると共に、その被切断繊維の熱可塑性樹脂への送給位置が一定化されることなどから被切断繊維と熱可塑性樹脂の混練状態も一様にすることができる。これにより、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に且つ確実に得ることができる。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法の一実施の形態を示す製造装置の概略構成図である。 図１の製造装置の繊維絞り機構の一例を示す説明図である。 図１の製造装置の交差ローラ機構の一例を示す説明図である。 図１の製造装置の繊維切断部の概略構成図である。 図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率（累積値）の関係の説明図である。 従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率（累積値）の関係の説明図である。 図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。 従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。 図１の製造装置並びに従来の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂の引張弾性率と引張強度の関係を示す説明図である。

以下に、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置及び製造方法の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、この実施の形態の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置の概略構成図である。この製造装置は、溶融状態の熱可塑性樹脂と一定の長さに切断された繊維を混練して送出するための混練送出装置（混練送出部）１を備えて構成される。なお、本明細書では、混練は「混錬」の意味を含む。

この例では、混練送出装置１として、１軸のスクリューコンベヤ１０が用いられる。この実施の形態のスクリューコンベヤ１０は、内容物を加熱溶融可能なものである。スクリューコンベヤ１０は、回転される螺旋形連続型スクリュー羽根１１の推力で内容物を攪拌・混合しながら搬送し、端部から送出する。この実施の形態の混練送出装置１では、内容物は図の右方から左方に搬送される。この混練送出装置１では、スクリューコンベヤ１０の図示右端部、すなわち内容物搬送方向上流側の端部にホッパ１２が設けられ、このホッパ１２によってペレットＰの状態の熱可塑性樹脂Ｍがスクリューコンベヤ１０の右端部に供給される。予め加熱溶融した熱可塑性樹脂Ｍをスクリューコンベヤ１０に供給することも可能である。スクリューコンベヤ１０の収容器の内部には、加熱溶融された溶融状態の熱可塑性樹脂Ｍ（以下、溶融熱可塑性樹脂ともいう）がほぼ充満されて図の左方に搬送され、スクリューコンベヤ１０の図示左端部、すなわち内容物搬送方向下流側の端部から送出される。

なお、この実施の形態では、後述するように、スクリューコンベヤ１０のスクリュー羽根１１の回転速度は比較的小さく設定されている。また、スクリュー羽根１１は、繊維を切断する機能を有さず、繊維の折損を低減する形状に設定されている。また、混練送出装置１には、多軸のスクリュー羽根１１を有するスクリューコンベヤ１０の他、混練、（搬送、）送出といった同様の機能を有する種々の装置が適用可能である。

熱可塑性樹脂Ｍには、ポリアミド６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド６６、ポリアミド６１０、ポリアミド６Ｔ、ポリアミド６Ｉ、ポリアミド９Ｔ、ポリアミドＭ５Ｔなどのポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリル樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエステル、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、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミドなどが繊維強化熱可塑性樹脂のマトリクス樹脂として適用可能である。

このスクリューコンベヤ１０からなる混練送出装置１の溶融熱可塑性樹脂供給位置より下流側には、一定の長さに切断された繊維を溶融熱可塑性樹脂Ｍに供給する被切断繊維供給装置１３が設けられている。この被切断繊維供給装置１３は、高さ方向の中間部に、所定容積の収容部５０が設けられている。この被切断繊維供給装置１３は、収容部５０の上部領域に複数の繊維Ｆを同時に且つ連続的に供給する繊維供給部２と、その連続的に供給される複数の繊維Ｆを収容部５０の上部領域にて集束する繊維集束部３と、その集束された複数の繊維Ｆを収容部５０の上部空間領域にてレーザによって一定の長さで切断する繊維切断部４と、その切断された複数の繊維Ｆを収容部５０内にて分散させる繊維分散部５と、その分散された複数の切断後の繊維Ｆを収容部５０の下方にて混練送出装置１内の溶融熱可塑性樹脂Ｍに送給する繊維送給部６を備えて構成される。したがって、混練送出装置１からは、一定の長さに切断された繊維Ｆが溶融熱可塑性樹脂Ｍに混練された繊維強化熱可塑性樹脂が送出される。なお、繊維供給部２における繊維Ｆの連続的な供給とは、切断前の繊維Ｆを繊維伸長方向に連続して供給することを意味し、切断済みの繊維を時間的に連続して供給することではない。

繊維供給部２は、複数のボビン（リール、ロール）２０に巻き取られている繊維Ｆをそれぞれ引き出し、それら複数の繊維Ｆをガイドローラ２１などでガイドしながら１カ所に集中し、集中された複数の繊維Ｆを繊維集束部３へと供給する。したがって、この繊維供給部２からは、複数の繊維Ｆが同時に且つ連続して供給される。供給される繊維Ｆは、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、金属繊維、植物繊維などが適用可能であるが、代表的には炭素繊維である。ボビン２０に巻き取られている繊維Ｆの形態は、ストランド、ロービング、撚糸のような連続繊維であってもよい。連続繊維の長さとしては３０ｍ～１５０００ｍが例示される。なお、この例では、１ボビンあたり１２０００本巻き取られている直径７μｍの炭素繊維が計４８個のボビンから同時に巻き出され、１カ所に集中して供給されている。繊維Ｆの供給速度は、一例として、１０ｍ／分である。

繊維集束部３は、後述するレーザによる切断効率を向上することを目的として、繊維供給部２から供給されてくる複数の繊維Ｆを小さな面積の範囲に集中する。「集束」は、光学的には、多くの光線が一点に集まることを意味するが、この実施の形態では、前述のように多数の繊維Ｆが狭い範囲に集中されることから用語「集束」を用いた。この繊維集束部３は、連続的に供給される複数の繊維Ｆを繊維伸長方向と交差する方向に集束する集束機構３０を有する。

図２は、集束機構３０の一例として適用される繊維絞り機構３１の斜視図である。この繊維絞り機構３１は、所定の大きさの開口部３１ａに複数の繊維Ｆを挿通することによりそれらの繊維Ｆを集束するものである。この例の繊維絞り機構３１は、パンチの受け型であるダイのような形状で、中央部に断面円形の貫通穴が開口部３１ａとして形成されている。この貫通穴からなる開口部３１ａに、図の上方から下方に複数の繊維Ｆを挿通する。この開口部３１ａは、繊維差し込み側である上部が上方から下方に向けて先細りとなる円錐台面を有し、その下方に、内径が一定の円柱形状の貫通穴が連続形成されている。したがって、この開口部３１ａに複数の繊維Ｆを上方から下方に挿通すると、上部の円錐台面によってそれらの繊維Ｆが絞られて集束され、その状態で下部の円柱形状貫通穴から送り出される。

図３は、集束機構３０の他の例として適用される交差ローラ機構３２の斜視図である。この交差ローラ機構３２は、軸線が交差する複数のローラ３２ａの間に形成された隙間３２ｂに複数の繊維Ｆを挿通して集束するものである。この例では、回転可能なローラ３２ａを用い、回転軸線が水平で比較的小さな所定間隔で配設される２本一対の平行なローラ３２ａを、回転軸線が互いに直交するように上下に二対配設して交差ローラ機構３２が構成される。この交差ローラ機構３２では、平面視で井桁状に配設された４本のローラ３２ａの間の隙間３２ｂに図の上方から下方に複数の繊維Ｆが挿通され、この隙間３２ｂによって複数の繊維Ｆが集束され、その状態で下方に送り出される。ローラ３２ａは、駆動力で回転駆動されるものでも、挿通される繊維Ｆと共に従動回転されるものでもよい。また、ローラ３２ａは、必ずしも回転しなくてもよい。

繊維集束部３の集束機構３０には、繊維絞り機構３１及び交差ローラ機構３２の何れか一方だけを用いてもよいし、双方を用いてもよい。一例として、図１では、交差ローラ機構３２のみを集束機構として採用しているが、この下方に繊維絞り機構３１を配設することもできる。前述のように、この繊維集束部３によって繊維伸長方向と交差する方向に集束された（集束されている）繊維Ｆは、レーザで切断される。その際、繊維絞り機構３１の開口部３１ａの内径を交差ローラ機構３２による繊維Ｆの集束体の外径より大きく設定しておくことで、上方の交差ローラ機構３２と下方の繊維絞り機構３１の間で、後述のレーザを繊維伸長方向と交差（直交）する方向に走査して繊維Ｆを切断することも可能である。また、この繊維集束部３と繊維切断部４の間には、複数の繊維Ｆを集束状態に維持して搬送する搬送ローラなどの図示しない搬送機構を介装してもよい。

この実施の形態の繊維切断部４は、レーザを出力するレーザ出力装置４１と、出力されたレーザを走査するレーザ走査装置４２を備えて構成される。これらの装置には、既存の装置が適用可能である。図４には、この実施の形態の繊維切断部４の概略構成を示す。この繊維切断部４では、集束された（集束されている）複数の繊維Ｆに対し、レーザ走査装置４２によってレーザを繊維伸長方向と交差（直交）する方向に走査して繊維Ｆを切断する。レーザによる切断は、金属製薄板などの切断が注目されているが、金属と異なり、炭素繊維などの繊維Ｆは短時間の照射で切断可能である。その結果、この繊維切断部４では、レーザを大きな走査速度で繊維伸長方向と交差（直交）する方向に走査して短時間で繊維Ｆを切断することができる。一例として、５ｍ／秒の走査速度で集束された上記の複数の繊維Ｆを切断することができる。このレーザの走査速度は、後述するように、他の操業条件と同様に、調整（制御）可能である。

この実施の形態では、切断される繊維Ｆの長さを非接触型長さ測定器４３で測定し、所望の長さが達成されるようにレーザの走査タイミングと走査速度をフィードバック制御できるように構成した。推察されるように、切断される繊維Ｆの長さは、レーザの走査タイミングだけでなく、繊維供給部２からの繊維Ｆの供給速度によっても調整（制御）することができる。したがって、一例として、集束された複数の繊維Ｆを確実に切断するためにレーザの走査速度が規制されるような場合には、レーザの走査タイミングだけでなく、繊維Ｆの供給速度を協調制御する必要が生じる。この実施の形態では、後述するように、切断される繊維Ｆの長さを種々に変更するためにも、こうした協調制御が達成可能な構成とした。

繊維分散部５は、切断された複数の繊維Ｆが分散されるための所定の容積を確保する収容部５０を備えて構成される。そして、この収容部５０内でプロペラ５１を回転して切断された繊維Ｆ（以下、被切断繊維Ｆともいう）を分散させる。この実施の形態では、繊維切断部４で切断されて収容部５０内下方に落下する繊維Ｆに対し、水平方向に対向させた２個一対のプロペラ５１で被切断繊維Ｆの束がばらされるように構成した。このような他の装置としては、スクリューファンなどが挙げられる。また、プロペラ５１やスクリューファン、ブロワなどによって生じる気流によって被切断繊維Ｆを舞い飛ばして分散することもできる。

後述するように、この実施の形態では、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内に混練される被切断繊維Ｆの分散性を可及的に一様にすることが目標とされている。図４では、切断された繊維Ｆをイメージとして強調して示しているが、切断直後の被切断繊維Ｆは、比較的、集束した状態にある。このように比較的集束した状態の被切断繊維Ｆを溶融熱可塑性樹脂Ｍに送給するよりも、その前段階で被切断繊維Ｆを分散してから送給した方が、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での被切断繊維Ｆの分散性が向上する。

繊維送給部６は、収容部５０内で分散している被切断繊維Ｆを混練送出装置１の収容器内の溶融熱可塑性樹脂Ｍに送給するものである。この実施の形態では、分散している被切断繊維Ｆを嵩密度を大きくしながら溶融熱可塑性樹脂Ｍ内に強制的に導入する繊維導入機構６１を用いた。切断された炭素繊維などの被切断繊維Ｆは軽量であり、しかも収容部５０内で分散している状態であることから、自然落下した被切断繊維Ｆの嵩密度が小さい場合がある。後述するように、被切断繊維Ｆの嵩密度が小さいと、溶融熱可塑性樹脂Ｍの内部に混練するのが困難な場合がある。そこで、この実施の形態では、分散して落下する被切断繊維Ｆをスクリュー型搬送機構などの繊維導入機構６１で捕捉し、スクリュー羽根６１ａによる推力で被切断繊維Ｆの嵩密度を大きくしながら強制的に溶融熱可塑性樹脂Ｍ内に導入する。被切断繊維Ｆの嵩密度を大きくすることで、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内への混練性を向上することが可能となる。被切断繊維Ｆを混練送出装置１側に吸引するために、混練送出装置１側を負圧にするように構成してもよい。

この繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置は、制御室７内に配置された制御装置８によって制御される。前述の繊維供給部２、繊維切断部４、繊維分散部５、繊維送給部６を始め、混練送出装置１やホッパ１２の駆動部には、個々に制御部（制御盤）が配置されている。制御室７内の制御装置８は、大型製造設備におけるプロセスコンピュータのように、個々の制御部を統括して制御する役割を担う。この制御装置８によって、前述した繊維切断部４と繊維供給部２の協調制御が司られる。また、この制御装置８に設けられた入出力装置９によって、例えば、被切断繊維Ｆの長さや溶融熱可塑性樹脂Ｍへの送給量、繊維強化熱可塑性樹脂の製造速度、すなわちスクリューコンベヤ１０の搬送速度などを調整（制御）できる構成としている。

被切断繊維Ｆが炭素繊維である場合、溶融熱可塑性樹脂Ｍに混練される被切断繊維Ｆの適切な長さは数ｃｍ（３ｍｍ以上１００ｍｍ未満）である。被切断繊維Ｆの長さが短いと、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での分散性が向上し、樹脂成形体の剛性が向上する。一方、被切断繊維Ｆの長さが長いと、溶融熱可塑性樹脂Ｍへの混練性が向上し、樹脂成形体の強度が向上する。

前述のように、この実施の形態の製造装置では、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での被切断繊維Ｆの分散性を向上して可及的に一様にすることを１つの目的とする。繊維Ｆの材質や太さが同一である場合、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での被切断繊維Ｆの分散性が一様であれば、樹脂成形体の力学物性は、被切断繊維Ｆの長さに依存する。この実施の形態の製造装置では、繊維供給部２の繊維供給速度や繊維切断部４の繊維切断タイミングを調整することにより、短時間に被切断繊維Ｆの長さを変更することができる。したがって、一例として、溶融熱可塑性樹脂Ｍに混練される被切断繊維Ｆの長さをロット（ショット）毎、例えば２～３ロット毎に変更して、種々の力学物性が達成可能な繊維強化熱可塑性樹脂を取得することも可能である。

また、刃物などによって繊維Ｆを機械的に切断するのと異なり、レーザによる繊維Ｆの切断は、刃先の経時劣化などに伴う切断性能の変化がない。前述のように、非常に細い繊維Ｆでは、刃物の刃先が劣化すると、切断性能が著しく低下し、例えば繊維Ｆが毛羽立って絡み合い、塊（だま）になりやすい。このように被切断繊維Ｆが絡み合った塊になると、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での被切断繊維Ｆの分散性が低下してしまう。これに対し、切断性能が低下しないレーザによる繊維Ｆの切断では、被切断繊維Ｆの毛羽立ちが抑制され、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での分散性が安定する。

また、この実施の形態の製造装置では、前述のように、混練送出装置１であるスクリューコンベヤ１０のスクリュー羽根１１の回転速度を比較的小さく設定している。従来の２軸型のスクリューコンベヤでは、連続供給される繊維Ｆをスクリュー羽根によって切断するために、スクリュー羽根の回転速度を比較的大きく設定していた。これに対し、この実施の形態のスクリューコンベヤ１０では、スクリュー羽根１１の役割が溶融熱可塑性樹脂Ｍと被切断繊維Ｆの混練（搬送を含む）に特化されるので、スクリュー羽根１１の回転速度を小さくして被切断繊維Ｆがそれ以上切断されないようにしている。同様の理由から、従来、２軸型だったスクリューコンベヤを、逆に被切断繊維Ｆが切断されないように１軸のスクリューコンベヤ１０とすることができ、これにより省スペース化が図られる。また、従来の混練送出装置としてのスクリューコンベヤでは、場合によっては、スクリュー羽根に繊維切断機能を特別に付与する必要があるが、この実施の形態のスクリュー羽根１１には、そうした機能を付与する必要はない。

図５は、図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率の関係の説明図であり、図６は、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の繊維長と体積分率の関係の説明図である。何れの図でも、繊維長の小さい方からの体積分率を累積値で表している。図５の繊維強化熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂に混練される被切断繊維Ｆの長さが一定の範囲に且つ一様に分布し、このことにより前述のように溶融熱可塑性樹脂Ｍへの分散性と混練性が向上し、結果として、樹脂成形品の剛性と強度を両立すると考えられる。これに対して、図６の繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂は、樹脂成形品の強度に殆ど寄与しない極短い繊維長のものが多いことに加え、長い被切断繊維Ｆが残存することによって応力が集中してしまう繊維の束を生成し、この繊維の束が樹脂成形品の破断の起点となると考えられる。

図７は、図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。また、図８は、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に含有される繊維の状態を示す説明図である。図は、何れもＸ線ＣＴ写真である。ここでも、図１の製造装置では、熱可塑性樹脂に混練される被切断繊維Ｆの長さが一定の範囲に且つ一様に分布している。これらの図から明らかなように、図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂内の繊維の長さのバラつきが小さく、長すぎる繊維もないため、繊維の束が見られない。これに対し、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂内には繊維の束（繊維束）が散見される。この繊維の束の部分で応力が集中し、樹脂成形品の破断の起点となりやすい。

図９は、図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂（実施例）並びに従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂（比較例）の引張弾性率と引張強度の関係を示す説明図である。前述のように、また同図に示すように、図１の製造装置で製造された繊維強化熱可塑性樹脂は、従来の製造装置で製造された繊維連続投入式繊維強化熱可塑性樹脂に比べて、引張弾性率（剛性）も引張強度も向上している。

このように、この実施の形態の繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法及び製造装置では、連続的に供給される複数の繊維Ｆは、収容部５０の上部空間領域にて、繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断される。レーザは、高速で走査しても繊維Ｆを切断することができるので、レーザの走査速度を大きく設定することで、連続供給される複数の繊維Ｆを確実に且つ速やかに一定の長さに切断することができる。また、繊維Ｆを刃物によって機械的に切断するのと異なり、レーザによる繊維Ｆの切断性能が経時的に劣化することもない。すなわち、連続供給される複数の繊維Ｆを、確実に安定して且つ迅速に一定の長さに切断することができる。そして、切断された繊維Ｆを混練送出装置１内の溶融状態の熱可塑性樹脂Ｍに送給し、その後、混練してから送出することにより、熱可塑性樹脂Ｍと切断後の繊維Ｆの混練状態を一様なものとすることができる。したがって、一定の長さに切断された繊維Ｆが分散状態で溶融状態の熱可塑性樹脂Ｍに送給され、それが一定の混練状態で送出されることから、熱可塑性樹脂Ｍ内における繊維Ｆの分散性も向上する。その結果、所望の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を連続的に且つ確実に得ることができる。

また、供給される繊維Ｆの繊維供給速度及び繊維切断タイミングの少なくとも一方を制御することによって切断される繊維Ｆの長さを調整することができる。そして、このように長さの異なる繊維Ｆを溶融状態の熱可塑性樹脂Ｍに混練することにより、繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性を変更することができる。したがって、種々の力学物性の繊維強化熱可塑性樹脂を確実に且つ容易に得ることができる。

また、切断される繊維Ｆの長さを３ｍｍ以上１００ｍｍ未満とすることにより、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内での分散性と溶融熱可塑性樹脂Ｍへの混練性が向上し、結果として、樹脂成形体の剛性と強度を両立することができる。

また、繊維切断部４に供給される前に、集束機構３０によって連続的に供給される複数の繊維Ｆを集束することにより、繊維切断部４のレーザによる繊維Ｆの切断所用時間を短縮することができる。その結果、切断される繊維Ｆの長さをより一層一様なものとすることができる。

また、繊維集束部３は、所定の大きさの開口部３１ａに複数の繊維Ｆを挿通して集束する繊維絞り機構３１、及び、軸線が交差する複数のローラ３２ａの間に形成された隙間３２ｂに複数の繊維を挿通して集束する交差ローラ機構３２の少なくとも一方を備える。これらは、比較的容易な構成で、連続供給される複数の繊維Ｆを繊維伸長方向と交差する方向に確実に収束することができる。

また、繊維切断部４で切断された被切断繊維Ｆは、収容部５０内にて、プロペラ５１による物理的な攪拌や、気流によって分散される。このように切断後の繊維Ｆを予め分散させておくことにより、一定の長さに切断された繊維Ｆが分散状態で溶融状態の熱可塑性樹脂Ｍに送給され、混練後の熱可塑性樹脂Ｍ内における繊維Ｆの分散性がより一層向上する。

また、切断された繊維Ｆは軽量であり、しかも所定の容積の収容部５０内にて分散されているので、例えば、自由落下によって溶融状態の熱可塑性樹脂Ｍ内に安定送給することが困難な場合もある。この分散状態にある軽量の被切断繊維Ｆを繊維導入機構６１によって捕捉して熱可塑性樹脂Ｍに強制的に導入することにより、熱可塑性樹脂Ｍ内への繊維導入量を安定させることが可能となり、これにより繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性を安定化することができる。また、繊維導入機構６１によって被切断繊維Ｆの嵩密度を大きくすることにより、溶融熱可塑性樹脂Ｍ内への混練性を向上することができる。

以上、実施の形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法及びその装置について説明したが、本件発明は、上記実施の形態で述べた構成に限定されるものではなく、本件発明の要旨の範囲内で種々変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、集束された（集束されている）複数の繊維Ｆの全数をレーザによって切断しているが、例えば、レーザの繊維伸長方向と交差（直交）する方向への走査を繊維束の途中までとすることも可能である。また、レーザの出力を抑制して、繊維束のレーザ照射側の部分だけを切断することも可能である。そして、このような制御を行えば、切断される繊維Ｆに長いものと短いものを混在させることもできる。被切断繊維Ｆに長いものが混在されることで、被切断繊維Ｆの溶融熱可塑性樹脂Ｍへの導入性が向上する。これは、被切断繊維Ｆが繊維導入機構６１で溶融熱可塑性樹脂Ｍ内に導入される際、長い被切断繊維Ｆの方がスクリュー羽根６１ａに巻き込まれやすく、これに引きずられるようにして短い被切断繊維Ｆも樹脂内に搬送されるからである。また、制御された長さの被切断繊維Ｆを混在させることにより、繊維強化熱可塑性樹脂の力学物性を向上させることも可能となる。

１ 混練送出装置（混練送出部）
２ 繊維供給部
３ 繊維集束部
４ 繊維切断部
５ 繊維分散部
６ 繊維送給部
３０ 集束機構
３１ 繊維絞り機構
３１ａ 開口部
３２ 交差ローラ機構
３２ａ ローラ
３２ｂ 隙間
４２ レーザ走査装置
５０ 収容部
５１ プロペラ
６１ 繊維導入機構
Ｆ 繊維
Ｍ 熱可塑性樹脂

Claims (12)

1. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
   所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、
   前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、
   前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、
   前記繊維分散部の下段位置に設けられ、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構と、
   前記繊維導入機構により導入された被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え、
   前記繊維導入機構は、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構であり、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
2. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
   所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、
   前記連続的に供給される前記複数の繊維を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、
   前記繊維切断部の下段位置に設けられ、被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部と、
   分散されて落下した前記被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備え、
   前記繊維分散部は、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラを含み、該プロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
3. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置において、
   所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を連続的に供給する繊維供給部と、
   前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部と、
   集束された繊維の束を繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断して前記収容部内下方に落下させる繊維切断部と、
   前記落下した被切断繊維と前記溶融状態の熱可塑性樹脂とを混練して送出する混練送出部と、を備えたことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
4. 前記繊維切断部の前段に、前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
5. 前記繊維集束部は、前記集束機構として、所定の大きさの開口部に前記複数の繊維を挿通して集束する繊維絞り機構及び軸線が交差する複数のローラの間に形成された隙間に前記複数の繊維を挿通して集束する交差ローラ機構の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
6. 前記繊維切断部の下段位置には、前記被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
7. 前記繊維分散部の下段位置には、前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維導入機構を備えることを特徴とする請求項２又は６に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
8. 前記繊維供給部による繊維供給速度及び繊維切断部による繊維切断タイミングの少なくとも一方を制御することによって前記切断される繊維の長さを調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
9. 前記切断される繊維の長さを３ｍｍ以上１００ｍｍ未満としたことを特徴とする請求項８に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の製造装置。
10. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
    所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、
    前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、
    前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、
    前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、
    前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、
    前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え、
    前記繊維送給ステップは、軸周りに回転するスクリュー羽根を有するスクリュー型搬送機構により行われ、前記スクリュー羽根によって前記被切断繊維を捕捉して嵩密度を大きくすると共に、前記スクリュー羽根による推力により前記被切断繊維を強制的に導入することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。
11. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
    所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、
    前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、
    前記集束された前記複数の繊維を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、
    前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、
    前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、
    前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備え、
    前記繊維分散ステップにて、前記被切断繊維の落下領域内に配置されたプロペラの回転によって前記被切断繊維を撹拌することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。
12. 混練送出装置内に収容された溶融状態の熱可塑性樹脂に所定長さの繊維を供給し、それを混練することにより前記繊維が混練された繊維強化熱可塑性樹脂を製造する繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法において、
    所定容積の収容部の上部領域に複数の繊維を同時に且つ連続的に供給する繊維供給ステップと、
    前記連続的に供給される前記複数の繊維を集束機構によって集束する繊維集束ステップと、
    前記集束された繊維の束を前記収容部内の上部空間領域にて繊維伸長方向と交差する方向に走査されるレーザによって、前記繊維の束の途中まで一定の長さで切断し、前記収容部内下方に落下させる繊維切断ステップと、
    前記切断されて落下してきた被切断繊維を物理的な攪拌又は気流によって前記収容部内にて分散させる繊維分散ステップと、
    前記分散された被切断繊維を嵩密度を大きくしながら前記溶融状態の熱可塑性樹脂に強制的に導入する繊維送給ステップと、
    前記被切断繊維が送給された前記溶融状態の熱可塑性樹脂を混練して送出する混練送出ステップと、を備えたことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法。