JPS589738B2 - 成形用繊維入り組成物の製造方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は繊維補強樹脂複合材料のための成形用繊維入
り組成物を製造する装置および方法、特に不連続な繊維
に乾脈粉末樹脂を含浸または混合する装置および方法に
関する。

繊維補強樹脂複合材料は、特定の特性および性質を得る
ために、樹脂母材とその中に幾例学的に配列されている
繊維との集成体である。

この複合材料の総合的な性質は、多くの変数に依存する
。

例えば、繊維や母材の量および種類、繊維の配向および
分布、複合方法および仕上り複合製品を製作するのに用
いられる処理方法等多くの変数に依存する。

厚さおよび輪郭が相当に大きく、かつ、変動する複合材
製品を形成するのに用いられる過程においては、彌後の
機械加工の必要性を無くすために、不連続な繊維を含有
する樹脂成形物を利用するのが好ましい。

従来の方法においては、繊維束または粗糸を液体樹脂組
成物中に通して、乾燥し細断して、樹脂被覆されたばら
の繊維セグメント塊を得ていた。

しかしながら繊維の湿潤樹脂含浸操作を行うには母材樹
脂を溶解するための適当な溶剤が利用可能であることが
要求される。

さらに液体樹脂を含浸させた繊維セグメントもしくは断
片のうちには固定的に結合し合う繊維セグメントがあり
、そのために仕上り製品の強さを最適化するためには追
加の繊維分離過程が必要とされる。

また湿潤含浸においては多くの場合樹脂浴の液面高さの
維持や該浴の適度な粘性を維持するための加熱ならびに
偶後の乾燥が必要とされる。

しかし、不連続な繊維に乾燥樹脂粉末を乾式含浸したり
、混合することにも同様に困難が生ずる．粉末樹脂と繊
維はタンブラや混合器内で混合することができる。

しかしながらこのような装置においては、繊維が個々の
束の状態に留まる傾向があって、粉末樹脂の浸入に抵抗
を示し、そのために混合物は不均質になる。

このような混合方法によって製造される成形用組成物は
必然的に連続した生産方式ではなく、バッチ方式で生産
されることになる。

連続した繊維束に乾燥樹脂を付着するためには一般に現
場加熱して繊維と樹脂との間に粘着結合を生ぜしめる必
要がある。

しかしながらこの様な加熱は望ましくもないしまた実際
的でもない。

さらにこのような方法では均等な繊維一樹脂分布が得ら
れない。

さらに溶剤での溶解および加熱のような予備処理により
使用しうる材料に制限が加えられたり、あるいはまた最
終的な複合材の所望の性質に悪影響を及ぼすことがあり
得る。

本発明は現場調整処理の必要を伴なうことなく、不連続
な繊維に乾燥粉末樹脂を含浸するための新規な方法およ
び装置を提供しようとするものである。

本発明の好ましい具体例においては、細断された繊維束
から得られた不連続な繊維が流動化されて、空気圧によ
り流れ加速装置を通し搬送される。

加速された流動化繊維は大径の混合室内に搬入されて分
散される。

この混合室と通流関係で配置されている樹脂充填ホッパ
から計量された樹脂が混合室内に注入また噴射されて、
それにより流動化繊維は粉末樹脂と混合せしめられる。

第２の流れ加速装置が設けられており、この装置は繊維
が上記混合室内に搬入される流速よりも大きな流速で今
や粉末樹脂を含浸されている流動化された繊維を引き出
す。

その結果混合室の出口には大きな乱流が生じかつ僅かで
はあるが負圧が生ずる。

第２の流れ加速装置は樹脂を含浸された繊維を集結化し
て加速しそして混合物を分離タンク内に吐き出す。

この分離タンクから流動化ガス媒体が排気されて、樹脂
含浸繊維が集められる。

本発明の新規な種々な特徴は特許請求の範囲の項に記述
されている。

しかしながら本発明の思想、動作上の利点ならびに本発
明によって達成される種々な作用効果に関し、一層明確
な理解を得るために、本発明の好ましい具体例が示され
ている添付図面を参照し、詳細に説明する。

第１Ａ図および第２図には本発明を実施するのに好まし
い形態の装置の構成が示されている。

概略的に述べると連続した繊維束（トウ）１０がスプー
ル１１に巻回されており、該スプール１１から調節自在
の切断もしくは細断装置（チョツパ）１２に延びている
。

細断装置１２は繊維束１０をスプール１１から引出す周
知の手段と連続した繊維束１０を不連続なセグメントも
しくは断片に細断（チョップ）するための手段とを備え
ている。

細断された繊維（チョップドファイバ）２０はエジエク
タまたはベンチュリのような第１の流れ加速装置２１に
よって出口導管１３を介して細断装置１２から引出され
る。

流れ加速装置２１は出口導管１３に接続された吸引口２
２と、吐出し口２３と、圧力供給ポート２４とを有して
いる。

圧力供給ポート２４は、例えば圧縮空気のような駆動ガ
ス流体の圧力源（図示せず）に接続されている。

吐出し口２４は混合室３０と密封された流体通流関係で
配置されている。

混合室３０には大径胴部３２に取付けられた全体的に末
広がり状のデイフユーザ人口３１が設けられており、そ
して該大径胴部３２には、そえに続いて全体的に先細状
の出口３３が設けられている。

胴部３２の壁には、貫通開口３４が形成されている。

先細状の出口部３３の端は第２の流れ加速装置４１の吸
引口４２と流体流通関係で並置されている。

該第２の流れ加速装置４１は、吐出し口４３および駆動
流体圧力源（図示せず）に接続された圧力供給ポート４
４を備えている。

流れ加速装置４１の吐出し口４３はろ過通気千段５１を
備えた分離タンク５０に通じている。

好ましくは、ホツパ６０のような受容器が図示のように
混合室３０の上部に配置されている。

このホツパ６０は出口６１を介して混合室の胴部３２の
壁に形成された開口３４に接続されている，ホツパ６０
はスクリュ・コンベヤ６３を介して、それよりも大きな
貯蔵ホツパ６２に接続するのが好ましい。

スクリュ・コンベヤ６３は駆動モータ６５のような周知
の手段によって駆動される。

振動装置のような攪拌装置６４が貯蔵ホッパ６２に接続
されており、貯蔵ホツパ６２からその中に蓄積されてい
る粉末樹脂７０を中断することなく連続的に流下させる
。

動作において、連続した繊維束１０はスプール１１から
細断装置１２内へと引出されて、不連続な細断繊維２０
に切断もしくは細断される。

切断された繊維２０は圧力供給ポート２４を介して供給
される高圧流体の流れの駆動力により第１の流れ加速装
置２１内に発生される吸引作用によって細断装置１２か
ら引出される。

好ましい具体例においては、駆動流体は気体特に空気で
ある。

駆動流体は細断された繊維を連行し流動化し、そして細
断繊維の流動化された流れを混合室３０内に放出する。

流動化された繊維が末広状のデイフユーザ入口部３１を
通して搬送される際にその速度は減少され、繊維はラン
ダムに即ち無規則的に膨脹されて流体の乱流内で完全に
分散される。

貯蔵ホツパ６２に予め装入されている粉末樹脂７０は上
記操作と併行してスクリュ・コンベヤ６３に供給され、
該スクリュ・コンベヤ６３は粉末樹脂をホツパ６０に搬
送する。

粉末樹脂７０はホツパ６０から計量されて混合室３０内
に供給され、分散された繊維と親密に混合される。

かくして、樹脂を含浸せしめられた繊維の連続した流れ
が、第２の流れ加速装置４１によって先細状の出口３３
を介し混合室３０から引出される。

好ましい具体例においては、第１および第２の流れ加速
装置２１および２４は、混合室３０内の周辺に僅かな程
度の負圧を維持するように選択され、配列され且つ作動
される。

気送される樹脂含浸繊維は、混合室３０から引出される
際第２の流れ加速装置４１によってさらに加速されて、
しかる後に分離タンク５０に排出される。

分離タンクは混合物即ち樹脂含浸繊維の速度を減衰して
、樹脂含浸繊維がタンク内に沈殿するようなサイズに設
計されている。

搬送用流体は、ろ過通気手段５１を通って逃げる。

樹脂含浸繊維、換言すれば繊維で補強された樹脂組成物
は、分離タンク５０から取出されて、佃後の処理、例え
ばステイジングや成形のような処理を受ける。

上述の動作によれば、第１の加速装置２１から混合室３
０内に放出される際に、細断された繊維塊２０は効果的
に膨脹されて解きほぐされ、それにより個々の繊維の表
面が混合室３０内に落人する粉末樹脂７０に露呈される
。

胴部３２内での再循環および螺旋状の運動によって、繊
維と樹脂との混合ならびに相互付着がさらに促進される
。

好ましい具体例においては、貯蔵ホツパ６２内で、粉末
樹脂７０を攪拌して樹脂が粘着結合したり塊状になった
りするのを阻屯すると共に、樹脂粉末のブリッジを破砕
し貯蔵ホツパ６２からの樹脂の流出を幇助するために攪
拌装置６４を使用する。

繊維質の成形用組成物を製造するための装置の別の好ま
しい具体例が第３図および第４図に示されている。

第３図において、貯蔵ホツパ６２内に貯蔵されている粉
末樹脂７０は、直接、スクリュ・コンベヤ６３によって
混合室３０内に搬送される。

第４図に示すように、繊維束１０はスプール１１から引
出されて遊びローラー４を介し、細断装置１２へと導ひ
かれる。

繊維束１０は細断装置１２内で不連続な細断片２０に切
断されて、細断装置の下側に位置する先細状の導管１５
内に吐出される。

先細状の導管１５は、第１の流れ加速装置２１の吸引入
口ポート２２と流体通流関係で配置されている。

駆動流体（図示せぜ）は、細断された繊維を連行して、
該繊維２０を混合室３０内に放出する。

この混合室３０は、第３図および第４図に示すように垂
直方向に配位されている。

第２の加速装置４１が、混合室３０の先細状出口３３か
ら樹脂含浸繊維を引出して分離タンク５０内に放出する
。

第３図及び第４図にはこれらの図に示した構造の混合室
３０内で発生される乱流３５が略示されている。

デイフユーザ部（末広がり状部）の入口３１の半角（円
錐の頂角の１／２）は、第１の流れ加速装置２１の吐出
し側の流れ構造形態（円錐体）に対して、該デイフユー
ザの円錐体の外周部に低圧領域が発生されるような寸法
で設計するのが好ましい，例えば、加速装置２１の吐出
し円錐部が約７度の半角を有する場合には、デイフユー
ザ部の入口３１の半角即ちテーパ角を約３０度にすれば
、図示のものに類似した螺旋状の流れパターンが創生さ
れる。

この場合、流れパターンは次のようになる。

即ち、流れ加速装置２１から吐出された繊維が室３０内
で拡散されて、混合物（樹脂含浸繊維の一部分が反対の
流れ方向で螺旋状に再循環せしめられるようなパターン
である。

流動化された混合物は第２の流れ加速装置４１によって
引出される。

この第２の流れ加速装置もしくは空気流増幅装置を通す
ことによって繊維一樹脂混合物はさらに膨大にされて、
分離タンク５０内に吐出される１この分離タンク内には
円錐形の流れ分配用邪摩板５２を設け、それにより樹脂
含浸繊維を均等に分配することができる。

混合室３０を垂直方向に配位することにより、水平方向
の配位と比べて一層効果的な混合が得られることが判明
した。

水平方向の配位の場合には粉末樹脂が混合室の内側壁に
付着する傾向がある．次に、本発明を実施例について説
明する。

実施例 この実施例では米国マサチューセッツ州ローエル（Ｌｏ
ｗｅｌｌ）所在のスタックポーレ・カーボン・カンパ−
（Ｓｔａｃｋｐｏｌｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ
）の子会社であるスタックポール・ファイバー・カンパ
ニー（Ｓｔａｃｋｐｏｌｅ Ｆｉｂｅｒｓ Ｃｏｍｐａ
ｎｙ）よって商品名ＰＡＮＥＸ３０Ｃで市販されている
グラファイト繊維の連続した束を用いた。

この束は１６０，０００本の個々の単繊維から成り、各
単繊維は７ないし９ミクロンの直径を有するものであっ
た。

オクラホマ州バードレスビル（Ｂａｒｔｌｅｓｖｉｌｌ
ｅ）所在のフイリツプス・ペトロリウム・カンパニー（
Ｐｈｉ１１ｉｐｓ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｍｐａｎ
ｙ）によって市販されている粉末ポリフエニレンスルフ
イド（ＰＰＳ）樹脂を用いた。

この粉末樹脂は５ミクロンの平均粒径を有するものであ
った。

このＰＰＳ樹脂は高い融点（ｓｓｏ’Ｆ）を有しており
、確認されている限りでは４００°Ｆ以下の融点の溶剤
を含有していない。

このグラファイト繊維束は、Ｆｉｎｎ−ＦｒａｍＭｏｄ
ｅｌ８０チョツパ（細断機）で毎分約１６，２ｍ（５４
フィート）の速度でスプールから機械的に引出して２．
５４ｃｒ（１インチ）の長さに細断した。

細断された繊維束はオーヒオ州シンシナティ所在のボル
テツク・コーポレーション（ＶｏｒｔｅｃＣｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎ）により製作されているＴＲＡＮＳＶＥＣＴ
ＯＲ ＡＩＲ型流れ増幅装置（第１加速装置）により細
断器から空気圧で取り出して空気圧で混合室に搬送する
際に空気圧で流動化し、物理的に膨張せしめた。

このＴＲＡＮＳＶＥＣＴＯＲＡＩＲ型の加速装置におい
ては、業者の発行した文献から、流動化された繊維は約
毎秒３３０ｍ（１１００フィート）まで加速されると考
えられる。

粉末ＰＰＳ樹脂はＶｉｂａｒａｓｃｒｅｗ Ｍｏｄｅｌ
ＳＣＲ−２０型の粉末供給装置を介して真上に設けられ
たホーパから計量して直接混合室に供給した。

細断された繊維を分離し、空気流でバラバラにしそして
空気乱流によって生ずる渦流により混合室内で連続的に
粉末樹脂と混合させた。

混合物は第２のＴＲＡＮＳＶＥＣＴＯＲ ＡＩＲ型空気
流増隅装置によって混合室の底部から引き出した。

かくして得られた成形用混合物を第２の流れ加速装置に
よってさらに加速し、次いで大きなろ過器即ちフィルタ
を有する分離タンク内に放出した。

ここで流れは減速され、それにより樹脂含浸繊維はタン
クの底部に沈澱し、他方搬送用空気媒体はフィルタを通
して排気した。

繊維および樹脂の供給量は、繊維一樹脂混合物中、繊維
含量が３６．６４重量係を有する成形用組成物が得られ
るように調整した。

ここに開示した実施例では成形用組成物を製造するのに
グラファイトおよびファイバグラス繊維を実際に用いた
。

１束内の繊維の数および繊維の直径はそれ程重量な因子
ではない。

３０００ないし１６０００本の単繊維を有する束を用い
ても同等な満足な結果が得られた。

粉末樹脂は個々の単繊維を囲繞して該単繊維に付着する
ように充分に微細であるべきである。

８５ないし１００％の範囲内の高い相対湿度では繊維は
結合し合ってその分離に抵抗を示す（分離しにくい）こ
とが判った．種々な粉末樹脂の混合物も利用したが、同
様に満足な結果が得られた。

ここに述べた方法は従来知られている乾式含浸タンブリ
ング（動転）または攪乱方法と比較して製造時間を短縮
し、かつ樹脂被覆の品質および均質性を改良することが
判った。

この成形用組成物の改良された被覆および均質性のおか
げで、内部欠陥のほとんど無い比較的高強度の成形製品
を製造することができる。

またここに開示した方法は連続プロセスでもまたバッチ
・プロセスのいずれでも実施することができよう。

本発明の方法によって形成された繊維質成形用組成物は
均質な繊維および樹脂分布を示す。

成形用組成物の樹脂と繊維間の粘着結合は彌後の処理を
要することなく長期間に渡って維持される。

なおここで使用した乾燥粉末樹脂は粘着状態に無い点に
注意されたい。

樹脂に対する繊維の百分率は強さ、衝撃抵抗、表面仕上
げその他特定の複合物用途で必要とされる性質を最適化
するように変更することができる３本明細書で用いた用
語「流動化する」およびそれに類する表現は、繊維また
は樹脂またはその双方の細片または粒子が気体媒質によ
って搬送される運動を意味するものと理解されたい。

液相でのこのような細片または粒状物質の移送は本発明
の範囲外である。

また「流体通流関係」という用語はこのような関係に配
列された要素間において、流体または流動化された物質
が通過できるような関係にあることを意味するものと理
解されたい。

当業考には明らかなように、本発明の範囲から逸脱する
ことなく、ここに例として述べた装置の構造および配列
に関し種々な変更や変換を行なうことができる。

例えば混合室の胴部は円筒形とすることができ、その場
合には混合室のデイフユーザ入口部および先細の出口部
もほぼ円錐形または漏斗状とすることができる。

またこの胴部は矩形または正方形の側壁を有するものと
することができ、その場合にはデイフユーザ入口部およ
び先細の出口部も相応のテーバーのついた矩形または正
方形の部材とすることができる。

また特定の型式の流れ加速装置をここで述べたが他の同
等の機能を行なうことができる流動化手段を用いること
が可能であることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って繊維質成形用組成物を形成する
ための装置を略示する前立面図、第１Ａ図は第１図の１
部分の拡大図、第２図は第１図に示した装置の側立面図
、第３図は本発明に従って繊維質成形組成物を形成する
ための装置の別の具体例を略示する前立面図であって、
装置の或る構成要素内における流れパターンを図示しそ
して第４図は第３図に示した装置の側立面図である。 １０・・・繊維束、１１・・・スプール、１２・・・細
断装置、２０・・・繊維、２１、４１・・・流れ加速装
置、１３・・・出口導管、２１、４２・・・吸引口、２
３、４３・・・吐出し口、２４・・・圧力供給ポート、
３０．．混合室、３２・・・胴部、３３、６１・・・出
口、３４・・・貫通開口、３１・・・デイフユーザ入口
部、６０・・・ホッパ、５１・・・ろ過通気手段、５０
・・・分離タンク、６３・・．スクリュ・コンベア、６
２・・・貯蔵ホッパ、７０・・・粉末樹脂、５２・・．
邪魔板、６４・・・攪拌装置、１４・・・遊びローラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 繊維補強樹脂複合材料のための成形用繊維入り組成
   物を製造する方法において、流動化された繊維を流れ加
   速装置を通して搬送する段階と、該流動化繊維を分散す
   る段階と、該流動化繊維を混合室内に通し、そして該混
   合室内に乾燥粉末樹脂を導入することによって前記流動
   化繊維に粉末樹脂を含浸させる段階とから成る成形用繊
   維入り組成物製造方法。 ２ 前記樹脂含浸流動化繊維を流れ加速装置に通す段階
   を含む特許請求の範囲第１項に記載の方法，３ 前記混
   合室の少くとも１部分が負圧で作動されるようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の方法。 ４ 連続した繊維束を不連続な繊維に細断する段階を含
   む特許請求の範囲第１項または第３項に記載の方法。 ５ 前記繊維を空気圧により流動化することを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項に記載の方法。 ６ 樹脂含浸繊維を流動化用媒体から分離する段階を含
   む特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 前記繊維としてグラファイト繊維を使用することを
   特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ８ 前記樹脂がポリフエニレンスルフィド樹脂である特
   許請求の範囲第７項に記載の方法。 ９ 流動化された繊維を粉末樹脂で含没するための装置
   において、前記流動化繊維を搬送する流れ加速装置と、
   該流れ加速装置に流体流通関係で設けられた混合室と、
   前記流動化繊維を前記流れ加速装置から前記混合室内へ
   分散するための手段と、前記混合室と連通している粉末
   樹脂の供給源を収容した容器と、計量された流量の前記
   樹脂を前記混合室内に注入するための手段とから成る、
   流動化繊維に粉末樹脂を含浸するための装置。 １０ 前記樹脂含浸繊維を前記混合室から取り出すため
   に、前記混合室と流体流通関係で設けられた第２の流れ
   加速装置を備えている特許請求の範囲第９項に記載の装
   置。 １１ 前記混合室内で流動化樹脂を減速し、分散するた
   めの前記手段は、前記第１の流れ加速装置からの吐出し
   流を受けるように前記混合室に対して配置されたほぼ末
   広がり状のデイフユーザ入口部を備えたものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の装置。 １２ 前記混合室がほぼ円筒形であってそして前記デイ
   フユーザ部がほぼ円錐形である特許請求の範囲第１１項
   に記載の装置。 １３ 前記混合室がさらに前記第２の流れ加速装置と流
   体通流関係で並置されたほぼ円錐形の出口部を備えてい
   る特許請求の範囲第１２項記載の装置。