DE69524915T2 - Mischvorrichtung und Verfahren zum Zuführen von faserverstärkte Kunststoffschmelze mit Gebrauch dieser Vorrichtung - Google Patents
Mischvorrichtung und Verfahren zum Zuführen von faserverstärkte Kunststoffschmelze mit Gebrauch dieser VorrichtungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Zuführen einer Verstärkungsfasern enthaltenden Harzschmelze und ein Verfahren zum Zuführen einer Verstärkungsfasern enthaltenden Harzschmelze mittels der Vorrichtung gemäß den Präambeln der unabhängigen Ansprüche. Eine derartige Vorrichtung und ein Verfahren ist in JP-A-60141519 offenbart, welche die Grundlage dieser Präambeln darstellt.
- Spritzgießen von faserverstärktem Harz wurde bisher unter Anwendung von faserverstärkten Harzpellets, welche Harz und Verstärkungsfasern enthalten, mittels einer gewöhnlichen Schneckenspritzgußmaschine durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden faserverstärkte Harzpellet in der Spritzmaschine geschmolzen, die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern durch die Drehung der Schnecke geknetet, und das geschmolzene Knetprodukt in dem Spitzenbereich der Spritzgußmaschine gespeichert. Wenn die Menge des gespeicherten Produkts eine eingestellte Menge erreicht, wird das geschmolzene, Knetprodukt in den Hohlraum der Form gespritzt. Bei dem vorstehenden Verfahren wird jedoch die Länge der Verstärkungsfasern in dem geschmolzenen Knetprodukt und den in geformten Artikeln zu kurz und ist, wie hierin später erläutert, unzureichend.
- Als in dem vorstehenden Verfahren verwendete faserverstärkte Harzpellets sind lange faserverstärkte Harzpellets und kurze faserverstärkte Harzpellets bekannt. Die langen faserverstärkten Harzpellets werden durch Beschichtung von Glasseidenfasern mit Harz und Zerschneiden der Fasern zusammen mit dem beschichteten Harz in eine vorbestimmte Länge hergestellt. Die langen faserverstärkten Harzpellets enthalten Verstärkungsfasern mit derselben Länge wie die Länge der Pellets (üblicherweise etwa 3 mm), wobei aber die Verstärkungsfasern in dem Pellet nicht in der Form einer Verteilung vorliegen. Daher werden, wenn die Pellets durch Einspritzen dieser in eine Form unter Verwendung einer herkömmlichen Schneckenspitzgrußmaschine geformt werden, die Pellets zum Schmelzen des Harzes in der Spritzgußmaschine geknetet, und demzufolge werden die Verstärkungsfasern während des Knetens zerschnitten und werden kurz. Daher sind die Fasern auch in dem geformten Artikeln kurz und dieses ist nicht zufriedenstellend.
- Ferner wurden als ein weiteres herkömmliches Verfahren, ein Verfahren vorgeschlagen, in welchem Verstärkungsfasern in die Harzschmelze in der Schneckenspritzgußmaschine eingeführt werden (Japanische Patentoffenlegung (Kokai) Nr. 153714/1990 und 286617/1922).
- Bei den vorstehenden herkömmlichen Verfahren sind jedoch die Verstärkungsfasern, welche gleichmäßig zugeführt werden können in ihrer Länge beschränkt und die Länge der Verstärkungsfasern nach der Formung ist immer noch unzureichend. Ferner ist der Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in dem Harz ebenfalls unzureichend, so daß eine Schwankung des Füllgrads der Verstärkungsfasern in den Artikeln bewirkt wird.
- Als ein weiteres herkömmliches Verfahren, ist ein Verfahren, in welchem Fasern und ein Harzmaterial (in nicht geschmolzenem Zustand) jeweils direkt in eine Spritzgußmaschine eingeführt werden, bekannt (Japanische Patentoffenlegung (Kokai) Nr. 8278/1994).
- Jedoch ist es auch bei diesem herkömmlichen Verfahren schwierig, die Fasern in einer langen Abmessung zu erhalten, und die Faserlänge kann nur auf etwa 400 bis 500 um gehalten werden, was immer noch unzureichend ist.
- DE-A-43 26 662 offenbart eine Vorrichtung, welche eine Schneckeneinheit zum Extrudieren eines thermoplastischen Harzes mit langen Fasern aufweist, wobei die Breite des Ringspaltes mindestens 10-mal so groß ist wie der Durchmesser der Faserformungsvorrichtung.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Erhalt eines faserverstärkten Harzartikels mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern zu erhalten, wobei eine Faserlänge länger als in dem herkömmlichen Verfahren selbst dann erhalten bleibt, wenn faserverstärkte Harzpellets verwendet werden, oder den Erhalt von faserverstärkten Harzartikeln und faserverstärkten Harzpellets zu ermöglichen, welche einen sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern mit langen Verstärkungsfasern aufweisen, welcher bisher nicht mit herkömmlichen Verfahren erreicht werden konnte.
- Ferner besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Erhalt faserverstärkter Harzartikel und faserverstärkter Harzpellets zu ermöglichen, welche lange Verstärkungsfasern enthalten, welche bisher nicht durch herkömmliche Verfahren erreicht werden konnten und eine hohe Vergleichmäßigung des Verteilungszustands der Verstärkungsfasern in diesen Artikeln oder Pellets zu ermöglichen.
- Die vorliegenden Erfinder führten verschiedene intensive Untersuchungen in dem Versuch, die vorstehenden Aufgaben zu lösen, durch und als Ergebnis ihrer Untersuchungen fanden sie heraus, daß die vorstehenden Aufgaben gelöst werden können, indem der Knetvorgang der Schneckeneinheit unter den Bedingungen eines Kompressionsverhältnisses von 4 oder darunter und einer scheinbaren Scherungsrate von 100 s&supmin;¹ oder darunter durchgeführt wird, was bisher für das Erreichen einer effizienten Schmelzung (Plastifizierung) der faserverstärkten Harzpellets oder der Harzmaterialien und einer gleichmäßigen Verteilung der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze als schwierig betrachtet wurde, da es herkömmlicherweise als besonders wichtig erachtet wurde, die Knetgeschwindigkeit zu erhöhen.
- Die vorliegenden Erfinder fanden auch heraus, daß die Verwendung von sehr langen Verstärkungsfasern, welche bei dem herkömmlichen Verfahren schwierig zu verwenden waren, möglich wird, indem zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern an einer Harzschmelze anhaften kann, welche aufgrund von Schwerkraft in einen offenen Raum fließt und dann die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern der Schneckeneinheit zugeführt werden.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
- Eine Schneckeneinheit weist einen Zylinder mit einer Zuführungsöffnung, die auf der Seite eines ersten Endabschnittes davon angeordnet ist, und einen Auslaß, der auf der Seite eines zweiten Endabschnittes davon angeordnet ist (der zweite Endabschnitt liegt dem ersten Endabschnitt gegenüber), eine in dem Zylinder eingesetzte Schnecke und eine Antriebseinheit, die mit der Schnecke verbunden ist, auf, wobei ein Kompressionsverhältnis in der Schneckeneinheit bei 4 oder darunter liegt, eine scheinbare Scherungsrate in der Schneckeneinheit bei 100 s&supmin;¹ oder darunter liegt, und die Schneckeneinheit ferner eine Zylinderheizung aufweist, um den Zylinder auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
- Die Schnecke in der Schneckeneinheit kann einen Mischkopf an ihrer Spitze aufweisen.
- Die Schneckeneinheit weist ferner einen Mischer auf, welcher über der Zuführungsöffnung positioniert ist, welcher einen Harzschmelzeeinlaß und einen Einlaß für Verstärkungsfasern aufweist, welcher einen Raum ausbildet, durch welchen von dem Verstärkungsfasereinlaß zugeführte Verstärkungsfasern aufgrund der Schwerkraft zusammen mit einer vom Harzschmelzeeinlaß aus zugeführten Harzschmelze nach unten fließen und dann die Verstärkungsfasern und die Harzschmelze der Zuführungsöffnung zugeführt werden, und in welchem zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern an der Harzschmelze anhaftet, welche aufgrund von Schwerkraft in einen offenen Raum hinunterfließt.
- Ferner zieht man es bei der Schneckeneinheit vor, daß eine Öffnungsbreite der Zuführungsöffnung (die Öffnungsbreite ist eine Länge in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Zylinders) gleich oder größer als der Innendurchmesser des Zylinders ist; und daß ein Ausführungsraum, welcher sich bis unterhalb einer horizontalen Ebene erstreckt, welche die Mittelachse der Schnecke quert, zwischen einer Außenumfangsfläche der Schnecke und einer Zylinderinnenwand, welche sich zu einer Zylinderseitenwand fortsetzt, welche die Zuführungsöffnung definiert, ausgebildet ist (die Seitenwand befindet sich an der Seite, wo ein Außenumfangsteil der Schnecke, welcher kurzzeitig von einer Zylinderinnenfläche an der Zuführungsöffnung hinterlassen wird, sich wieder der Zylinderinnenfläche annähert, während sich die Schnecke dreht).
- Ferner kann die Schneckeneinheit eine Schubstange aufweisen, die entlang einer Zylinderseitenwand angeordnet ist, welche die Zuführungsöffnung definiert (die Seitenwand ist parallel zu der Längsrichtung des Zylinders) und eine Seitenfläche besitzt, die einer Außenumfangsoberfläche der Schnecke gegenüberliegt; und einen Stangenantriebsmechanismus, welcher die Druckstange nach oben und unten hin und herbewegt.
- Da in der Schneckeneinheit das Kompressionsverhältnis auf 4 oder darunter und die scheinbare Scherungsrate auf einen sehr niedrigen Bereich von 100 s&supmin;¹ oder darunter eingestellt ist, ist die Chance, daß die Verstärkungsfasern beim Kneten zerschnitten werden, sehr klein und der Anteil der kleingeschnittenen Verstärkungsfasern in dem sich ergebenden gekneteten Produkt ist sehr niedrig. Daher werden bei der Schneckeneinheit der vorliegenden Erfindung faserverstärkte Harzartikel und faserverstärkte Harzpellets mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern erhalten, wobei die Faserlänge der Verstärkungsfasern länger als in den herkömmlichen Verfahren gehalten wird. Ein Kompressionsverhältnis 4 oder darunter und eine scheinbare Scherungsrate von 100 s&supmin;¹ oder darunter sind die Bedingungen, unter welchen es bisher als schwierig erachtet wurde, die faserverstärkten Harzpellets oder die Harzmaterialien zu schmelzen und sehr gleichmäßig die Verstärkungsfasern in der Harzschmelze zu verteilen, da es herkömmlicherweise für besonders wichtig erachtet wurde, die Knetgeschwindigkeit zu erhöhen.
- Eine Schneckenvorrichtung weist auf:
- einen Schmelzextruder mit einem Zylinderraum, welcher einen an der Seite eines ersten Abschnittes davon vorgesehenen Harzmaterialeinlaß besitzt und einen Harzschmelzeauslaß, der auf der Seite eines zweiten Abschnittes davon vorgesehen ist (der zweite Endabschnitt liegt dem ersten Endabschnitt gegenüber), und eine in dem Zylinderraum angeordnete Extrudereinrichtung, eine mit der Extrudereinrichtung verbundene Antriebseinrichtung und eine Zylinderraumheizung zum Heizen des Zylinderraums;
- eine einen Zylinder aufweisende Schneckeneinheit mit einer Zuführungsöffnung, die auf der Seite eines ersten Endabschnittes davon vorgesehen und unter dem Harzschmelzeauslaß angeordnet ist, und mit einem Auslaß, der auf der Seite eines zweiten Endabschnittes davon angeordnet ist (der zweite Endabschnitt liegt dem ersten Endabschnitt gegenüber), eine in dem Zylinder angeordnete Schnecke, eine mit der Schnecke verbundene Antriebseinheit, und eine Zylinderheizung um den Zylinder auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten; und
- einen Mischer, welcher zwischen dem Harzschmelzeauslaß und der Zuführungsöffnung angeordnet ist, welcher einen Verstärkungsfasereinlaß aufweist, welcher einen Raum definiert, durch welchen von dem Verstärkungsfasereinlaß zugeführte Verstärkungsfasern aufgrund der Schwerkraft zusammen mit einer von dem Harzschmelzeauslaß extrudierten Harzschmelze nach unten fließen und dann die Verstärkungsfasern und die Harzschmelze der Zuführungsöffnung zugeführt werden, und in welchem mindestens ein Teil der Verstärkungsfasern an der Harzschmelze anhaftet, welche aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum nach unten fließt.
- Die Schnecke in der Schneckeneinheit der Schneckenvorrichtung kann einen Mischkopf an der Spitze aufweisen.
- In der Schneckenvorrichtung wird bevorzugt ein Kompressionsverhältnis von 4 oder darunter und eine scheinbare Scherungsrate von 100 s&supmin;¹ oder darunter in der Schneckeneinheit angewendet. Ferner wird es bevorzugt, daß die scheinbare Scherungsrate und das Kompressionsverhältnis in der Schneckeneinheit kleiner als diejenigen in dem Schmelzextruder sind.
- In der Schneckenvorrichtung kann der Mischer ferner einen Faserschneider aufweisen, um lange Verstärkungsfasern zu schneiden, um Verstärkungsfasern mit einer vorgegebenen Länge zu erhalten und dann die Fasern in einem verstreuten Zustand in den Verstärkungsfasereinlaß zu geben (der Faserschneider ist überhalb des Verstärkungsfasereinlasses angeordnet).
- Die Schneckenvorrichtung kann ferner einen Akkumulator aufweisen, welcher zwischen dem Schmelzextruder und dem Mischer angeordnet ist und einen Akkumulatoreinlaß aufweist, der mit dem Harzschmelzeauslaß verbunden ist und einem Akkumulatorauslaß der mit dem Mischer verbunden ist.
- Ferner zieht man es bei der Schneckeneinheit vor, daß eine Öffnungsbreite der Zuführungsöffnung (die Öffnungsbreite ist eine Länge in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Zylinders) gleich oder größer als der Innendurchmesser des Zylinders ist; und daß ein Ausführungsraum, welcher sich bis unterhalb einer horizontalen Ebene erstreckt, welche die Mittelachse der Schnecke quert, zwischen einer Außenumfangsfläche der Schnecke und einer Zylinderinnenwand, welche sich zu einer Zylinderseitenwand fortsetzt, welche die Zuführungsöffnung definiert, ausgebildet ist (die Seitenwand befindet sich an der Seite, wo ein Außenumfangsteil der Schnecke, welcher kurzzeitig von einer Zylinderinnenfläche an der Zuführungsöffnung hinterlassen wird, sich wieder der Zylinderinnenfläche annähert, während sich die Schnecke dreht).
- Ferner kann die Schneckeneinheit eine Schubstange aufweisen, die entlang einer Zylinderseitenwand angeordnet ist, welche die Zuführungsöffnung definiert (die Seitenwand ist parallel zu der Längsrichtung des Zylinders) und eine Seitenfläche besitzt, die einer Außenumfangsoberfläche der Schnecke gegenüberliegt; und einen Stangenantriebsmechanismus, welcher die Druckstange nach oben und unten hin- und herbewegt.
- Wenn die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern der Schneckeneinheit in einem solchen Zustand zugeführt werden, daß zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern an der Harzschmelze anhaftet, welche aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum nach unten fließt, tritt keine Trennung des Harzes und der Verstärkungsfasern in der Nähe der Zuführungsöffnung auf, welche auftreten würde, wenn die Verstärkungsfasern lediglich in die Harzschmelze in der Schneckeneinheit eingeführt würden, oder wenn die Verstärkungsfasern und das Harzmaterial lediglich von der Zuführungsöffnung der Schneckeneinheit aus eingeführt werden. Insbesondere wenn Verstärkungsfasern mit hoher volumenbezogener Dichte zugeführt werden, werden die Verstärkungsfasern gleichmäßig zwischen dem Zylinder und dem Schneckenkanal in der Nähe der Einführungsöffnung zerschnitten und somit werden die Öffnung zerschnitten und somit werden die Verstärkungsfasern der Schneckeneinheit stabil zugeführt.
- Da ferner die Verstärkungsfasern auf dem Einführungsweg der Harzschmelze an der Harzschmelze anhaften (oder daran verteilt werden), nämlich auf dem Weg der Harzschmelze, welche aufgrund der Schwerkraft absackt und von dem Auslaß des Schmelzextruders herunterfließt, wirkt kaum eine zu große externe Kraft auf die Verstärkungsfasern ein, wenn die Verstärkungsfasern in der Harzschmelze verteilt werden und demzufolge brechen die Verstärkungsfasern kaum bei dem anschließenden Knetschritt.
- Daher können sehr lange Verstärkungsfasern (beispielsweise solche von etwa 5 bis 30 mm), welche bisher schwierig zu verwenden waren, verwendet werden und zusätzlich kann ein Bruch (Zerschneiden) der Verstärkungsfasern zum Zeitpunkt des Knetens in der Schneckeneinheit verhindert werden.
- Ferner können erfindungsgemäß, da zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern bereits im Voraus an der Harzschmelze außerhalb der Schneckeneinheit anhaftet und diese in diesem Zustand in die Schneckeneinheit eingeführt werden, die Verstärkungsfasern bereits in der Harzschmelze in einen gewissen Maße zu dem Zeitpunkt verteilt sein, wenn die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern die Schneckeneinheit erreicht haben. Daher kann ein guter Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze leicht durch den anschließenden Knetvorgang ohne Ausübung starker Scherungskräfte erreicht werden. Ferner kann das Verteilungsverhältnis der Harzkomponente und der Verstärkungsfaserkomponente über den gesamten geschmolzenen Knetprodukt gleichmäßig sein.
- Zusätzlich ist es, da keine Plastifizierung des Harzes in der Schneckeneinheit erforderlich ist, nicht notwendig, eine starke Scherungskraft zum Schmelzen des Harzes auszuüben, und die Scherungsrate und das Kompressionsverhältnis für den Knetvorgang in der Schneckeneinheit können unabhängig von diesen in dem Schmelzextruder eingestellt werden. Daher kann durch Einstellung der Scherungsrate und des Kompressionsverhältnisses auf sehr niedrige Werte, die Möglichkeit eines Bruches der Verstärkungsfasern in der Schneckeneinheit verringert werden und die Verstärkungsfasern können mit der längeren Länge erhalten bleiben.
- Somit können faserverstärkte Harzartikel und faserverstärkte Harzpellets, welche lange Verstärkungsfasern (z. B. solche von etwa 1,5 bis 3,5 mm Länge) und in einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern aufweisen, erhalten werden, welche bisher nicht erhalten werden konnten. Da der Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in dem geschmolzenen Knetprodukt, welches durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, ausreichend ist und außerdem die Verstärkungsfasern lang sind, weisen die durch das Formen des geschmolzenen Knetprodukts erzielten faserverstärkten Artikel überlegene mechanische Festigkeiten, wie z. B. Schlagfestigkeit und Biegefestigkeit auf.
- Die Mischeinheit der vorliegenden Erfindung weist auf:
- einen Schmelzextruder mit einem Zylinderraum, welcher einen an der Seite eines ersten Abschnittes davon vorgesehenen Harzmaterialeinlaß besitzt und einen Harzschmelzeauslaß, der auf der Seite eines zweiten Abschnittes davon vorgesehen ist (der zweite Endabschnitt liegt dem ersten Endabschnitt gegenüber), und eine in dem Zylinderraum angeordnete Extrudereinrichtung, eine mit der Extrudereinrichtung verbundene Antriebseinrichtung und eine Zylinderraumheizung zum Heizen des Zylinderraums; und
- einen Mischer, welcher mit dem Harzschmelzeauslaß verbunden ist, welcher einen Verstärkungsfasereinlaß aufweist, welcher einen Raum definiert, durch welchen von dem Verstärkungsfasereinlaß zugeführte Verstärkungsfasern aufgrund der Schwerkraft zusammen mit einer von dem Harzschmelzeauslaß extrudierten Harzschmelze nach unten fließen und in welchem mindestens ein Teil der Verstärkungsfasern an der Harzschmelze anhaftet, welche aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum nach unten fließt.
- Anhand der Mischeinheit der vorliegenden Erfindung haftet zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern effizient an der Harzschmelze an, welche aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum nach unten fließt. Zusätzlich kann, wenn die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern in diesem Zustand in eine Schneckeneinheit oder dergleichen eingeführt werden, ein Bruch (Zerschneiden) der Verstärkungsfasern in der Einheit verhindert werden, und gleichzeitig können sehr lange Verstärkungsfasern verwendet werden. Daher können durch Anwendung der Mischeinrichtung der vorliegenden Erfindung einfach und effizient faserverstärkte Harzartikel und faserverstärkte Harzpellets erzielt werden, welche bisher nicht erzielt werden konnten.
- Das Verfahren zum Zuführen einer Verstärkungsfasern enthaltenden Harzschmelze der vorliegenden Erfindung weist die Schritte auf:
- einen Schritt der Anhaftung zumindest eines Teils der Verstärkungsfasern an einer Harzschmelze, welche aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum außerhalb der Schneckeneinheit nach unten fließt;
- einen Schritt der Zuführung der Harzschmelze und der Verstärkungsfasern zu einer Zuführungsöffnung der Schneckeneinheit in einem solchen Zustand, daß zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern an der Harzschmelze anhaftet; und
- einen Knetschritt der Harzschmelze und der Verstärkungsfasern mittels einer Schnecke der Schneckeneinheit und Zuführen des sich ergebenden Verstärkungsfasern enthaltenen Harzschmelze aus einem Auslaß der Schneckeneinheit.
- Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, daß die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern von der Schnecke mit einem Kompressionsverhältnis von 4 oder kleiner und einen scheinbaren Scherungsrate von 100 s&supmin;¹ oder kleiner geknetet werden. Ferner kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Schritt einer Extrusion der Harzschmelze aus einem Harzschmelzeauslaß eines Schmelzextruders umfassen.
- Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Schritt zum Schneiden langer Verstärkungsfasern aufweisen, um Verstärkungsfasern mit einer vorgegebenen Länge mittels eines Faserschneiders und direktes Zuführung der Verstärkungsfasern in einem verstreuten Zustand aus dem Faserschneider zu erhalten.
- Wenn die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern der Schneckeneinheit in einem solchen Zustand zugeführt werden, daß zumindest ein Teil der Verstärkungsfaser an der Harzschmelze anhaftet, welche aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum, wie vorstehend erwähnt, nach unten fließt, tritt keine Trennung zwischen dem Harz und den Verstärkungsfasern um die Zuführungsöffnung herum auf, und die Verstärkungsfasern können wie vorstehend erläutert stabil zugeführt werden. Ferner wird kaum eine übermäßig große externe Kraft auf die Verstärkungsfasern zum Zeitpunkt der Verteilung der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze ausgeübt, und somit werden die Verstärkungsfasern bei diesem Schritt kaum gebrochen. Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht ein guter Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze durch Kneten erreicht werden, und daneben kann das Verteilungsverhältnis der Harzkomponente und der Verstärkungsfaserkomponente über das gesamte geknetete Produkt gleichmäßig sein.
- Ferner wird nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, die Verwendung langer Verstärkungsfasern (z. B. solcher von etwa 5 bis 30 mm), welche bisher schwierig zu verwenden waren, möglich und zusätzlich kann der Bruch der Verstärkungsfasern während des Knetvorgangs in der Schneckeneinheit verhindert werden. Demzufolge können faserverstärkte Artikel und faserverstärkte Harzpellets erhalten werden, welche lange Verstärkungsfasern enthalten (z. B. solche von etwa 1,5 bis 3,5 mm) und welche einen sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern aufweisen, welcher bisher nicht erreicht werden konnte.
- Die vorliegende Erfindung wird aus der hierin nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständig verständlich, welche nur zur Veranschaulichung dargestellt sind und somit nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu betrachten sind.
- Ferner wird der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung aus der hierin nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es dürfte sich jedoch verstehen, daß die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, nur zur Veranschaulichung gegeben sind, da verschiedene Veränderungen und Modifikationen innerhalb der Erfindungsidee und des Schutzumfangs der Erfindung für den Fachmann auf diesem Gebiet aus dieser detaillierten Beschreibung ersichtlich sind. In den Zeichnungen ist:
- Fig. 1 eine chematische Schnittansicht eines Beispiels einer Schneckeneinheit.
- Fig. 2 eine Schrägansicht eines Beispiels eines Mischkopfes, welcher teilweise aufgeschnitten dargestellt ist.
- Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Schneckeneinheit.
- Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Beispiels einer Schneckenvorrichtung.
- Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Schneckenvorrichtung.
- Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines Beispiels des erfindungsgemäßen Mischers.
- Fig. 7 eine Frontschnittansicht, welche eine Beziehung zwischen dem Harzschmelzeauslaß des Schmelzextruders und dem Glasseidenstrangschneiders in Fig. 5 darstellt.
- Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Mischers.
- Fig. 9 eine Schnittansicht des Mischers von Fig. 8, entlang der Linie X-X von Fig. 8.
- Fig. 10 eine schematische Schnittansicht noch eines weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Mischers.
- Fig. 11 eine Schnittansicht des in Fig. 10 dargestellten Mischers, entlang der Linie Y-Y von Fig. 10.
- Fig. 12 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Mischers.
- Fig. 13 eine Schnittansicht eines Beispiels der Zuführungsöffnung einer Schneckeneinheit in einer Schneckenvorrichtung.
- Fig. 14 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels der Zuführungsöffnung einer Schneckeneinheit in einer Schneckenvorrichtung.
- Fig. 15 ein Flußdiagramm, welches ein Beispiel des Betriebs einer Schneckenvorrichtung darstellt.
- Fig. 16 eine schematische Schnittansicht noch eines weiteren Beispiels einer Schneckenvorrichtung.
- Die vorliegende Erfindung wird nun in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Diese Zeichnungen stellen ein Beispiel der vorliegenden Erfindung dar, wobei die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die in diesen Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Zeichnungen werden dieselben Abschnitte oder entsprechende Abschnitte mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
- Zuerst wird die Schneckeneinheit erläutert.
- Gemäß Darstellung in Fig. 1 ist die Schneckeneinheit 1 mit einem Zylinder 100, einer Schnecke 110, die in eine in dem Zylinder 100 in dessen Längsrichtung ausgebildete Kammer 101 eingesetzt ist, einer mit der Schnecke 110 verbundenen Antriebseinheit 120, und einer Zylinderheizung 130 versehen, welche an der Außenumfangsoberfläche des Zylinders 100 angeordnet ist. Der Zylinder 100 weist eine Zuführungsöffnung (Einlaß) 102, die an einer ersten Endabschnittsseite 100a angeordnet ist, und einem Auslaß 103, der an einer zweiten Endabschnittsseite 100b vorgesehen ist, (der zweite Endabschnitt 100b liegt dem ersten Endabschnitt 100a gegenüber) auf, und die Zuführungsöffnung 102 und der Auslaß 103 stehen miteinander über die Kammer 101 in Verbindung. Die Einführungsöffnung 102 öffnet sich nach oben und ein Trichter 104 ist mit der Einlaßöffnung 102 verbunden.
- Die in Fig. 1 dargestellte Schneckeneinheit 1 ist eine Einschnecken-Einspritzmaschine, welche mit nur einer Schnecke 110 ausgestattet ist, und eine Antriebseinheit 120 weist einen Motor 121 zum Drehen der Schnecke 110 und der Druckeinheit 122 (z. B. einen hydraulischen Zylinder) auf, um die Schnecke 110 in ihrer Längsrichtung zu dem zweiten Endabschnitt 100b zu drücken. Demzufolge ist die Schnecke 110 eine sich hin und her bewegende Schnecke, welche rotierend von dem Motor 121 über ein Getriebe 123 angetrieben wird, welches an ihrem Basisendabschnitt 110a vorgesehen ist, und wird in der Richtung des doppelköpfigen Pfeils 111 durch die Druckeinheit 120 zu einem gegebenen Zeitpunkt hin und her bewegt. Als Schnecke 110 wird eine eingängige und vollständig durchgängige Schnecke verwendet und ein Mischkopf 140 mit einem Rückschlagringmechanismus ist an dem Spitzenabschnitt 110b der Schnecke 110 vorgesehen.
- Ferner hält die Zylinderheizung 130 die Temperatur des Zylinders auf einer vorgegebenen Temperatur (welche optional abhängig von der gewünschten Harzviskosität usw. ausgewählt wird, und so, daß keine Verschlechterung des Harzes durch eine Oxidation in einem Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Harzes oder darüber bewirkt wird).
- In der Schneckeneinheit ist das Kompressionsverhältnis auf 4 oder darunter, bevorzugt 3 oder darunter, insbesondere 2 oder darunter eingestellt und die scheinbare Scherungsrate ist auf 100 s-1 oder darunter, bevorzugt 50 s&supmin;¹ oder darunter eingestellt. Die Erfinder haben herausgefunden, daß dann, wenn das Kompressionsverhältnis größer 4 und die scheinbare Scherungsrate größer als 100 s&supmin;¹ ist, die Verstärkungsfasern zur Bildung von Spulen bei dem Knetvorgang tendieren, was die Möglichkeit eines Bruchs der Fasern erhöht, und hier eine Grenze bei der Verringerung des Bruches der Verstärkungsfasern liegt.
- Die Schnecke 110 ist in die drei Zonen einer Zuführungszone 113, einer Kompressionszone 114 und einer Dosierungszone 115 in dieser Reihenfolge von dem Basisendabschnitt 100a zu dem Spitzenabschnitt 110b hin unterteilt. D. h., die Schnecke 110 weist die Zuführungszone 113 mit einer ersten Schneckenkanaltiefe, die Kompressionszone 114, welche mit der Zuführungszone 113 in Verbindung steht und eine Schneckenkanaltiefe aufweist, welche sich von der ersten Schneckenkanaltiefe zu einer zweiten Schneckenkanaltiefe verändert, welche kleiner als die erste Kanaltiefe ist, und die Dosierungszone 115 auf, welche mit der Kompressionszone 114 verbunden ist und die zweite Schneckenkanaltiefe aufweist.
- Das Kompressionsverhältnis der Schnecke 110 ist durch die nachstehende Formel definiert:
- (Kompressionsverhältnis) = (Kanaltiefe der Zuführungszone 113)/(Kanaltiefe der Dosierungszone 115)
- Die scheinbare Scherungsrate ist durch die nachstehende Formel definiert:
- Scheinbare Scherungsrate ist = πDn/60H
- D: Durchmesser der Schnecke 110 (mm)
- n: Drehzahl der Schnecke 110 (U/min)
- H: Die minimale Kanaltiefe der Schnecke 110 (mm)
- Das Verhältnis der Länge der Zuführungszone 113, das der Verdichtungszone 114 und das der Dosierungszone 115 ist wie folgt eingestellt: Die Länge der Zuführungszone 113 ist das 1,5- bis 2,5-fache, bevorzugt 1,8- bis 2,3-fache der Länge der Dosierungszone 115, und die Länge der Kompressionszone 114 ist das 0,8- bis 1,5-fache, bevorzugt 0,9- bis 1,3-fache de Länge der Dosierungszone 115. Wenn das Längenverhältnis wie vorstehend erwähnt eingestellt ist, wird den Harzpellets oder dergleichen ausreichend Wärme von der Zylinderheizung 130 gegeben, und der Druck und die Scherungswirkung, welche in der Zone angewendet werden, wo die Harzpellets oder dergleichen geschmolzen werden, nehmen ab, so daß ein Brechen der Verstärkungsfasern wirksam verhindert wird. Ferner ist die Schneckenlänge (L), welche die Gesamtlänge der entsprechenden Zonen ist, bevorzugt auf ein 20-faches oder mehr des Schneckendurchmessers (D) eingestellt, und die Schneckensteigung ist bevorzugt auf das 1- bis 1,3-fache des Schneckendurchmessers (D) eingestellt. Somit ist die Periode, während welcher die Scherungskraft auf das Harz und die Verstärkungsfasern ausgeübt wird, relativ kurz und ein Bruch der Verstärkungsfasern wird dadurch weiter verringert.
- Beispielsweise beträgt die Kanaltiefe der Zuführungszone 113 32,8 mm und die Kanaltiefe der Dosierungszone 115 19,3 mm, und die Kompressionszone 114 ist in der Form eines Konus ausgeführt, so daß sich die Kanaltiefe von der Kanaltiefe der Zuführungszone 113 (32,8 mm) zu der Kanaltiefe der Dosierungszone 115 (19,3 mm) verändert. Der Schneckendurchmesser (D) ist auf 140 mm eingestellt und die Schneckensteigung ist auf das 1,2-fache des Schneckendurchmessers (D) eingestellt, so daß das Verhältnis (L/D) der Schneckenlänge (L) und des Durchmessers (D) 25 beträgt und das Verhältnis der Längen der Zuführungszone 113, der Kompressionszone 114 und der Dosierungszone 115 2 : 1 : 1 beträgt. In diesem Falle ist das Kompressionsverhältnis der Schnecke 110 auf 1,7 eingestellt und die scheinbare Scherungsrate ist auf 50 s&supmin;¹ eingestellt.
- Ein Beispiel eines Mischkopfes 140 ist in Fig. 2 dargestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Mischkopf 2 weist einen Rotor 141 mit mehreren halbkugelförmigen Hohlräumen 142 auf seiner Oberfläche und einen sich frei bewegenden Mischring 143 mit mehreren säulenartigen Durchtrittslöchern 144 und mit der Funktion eines Rückschlagrings auf. Der Mischkopf ist mit der Spitze 110b der Schnecke 110 verbunden, welche in den Zylinder 100 über den Ventilsitz 145 eingeführt ist. Der Mischkopf 140 weist viele Durchtritte auf, in welchen das Kreuzen und Trennen des Harzes wiederholt wird. Während das Harzschmelze und Verstärkungsfasern aufweisende Knetprodukt, welches in dem Speicherabschnitt 105 zwischen der Spitze der Schnecke 110 (Spitze des Mischkopfes 140) und dem zweiten Endabschnitt 100b des Zylinders 100 zu speichern ist, die Durchtritte passiert, wird die Verteilung der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze effektiv beschleunigt.
- Anschließend wird der Betrieb der Schneckeneinheit 1 der vorliegenden Erfindung erläutert.
- Wenn sich der Motor der Schneckeneinheit 1 im Antriebszustand befindet, während beispielsweise Verstärkungsfasern (Glasfasern) enthaltende (nicht dargestellte) Polypropylen- Harzpellets, welche in die Zuführungsöffnung 102 eingeführt wurden, zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 transportiert. In diesem Beispiel bewegen sich, da die Schnecke 110 eine vollständig durchgängige Schnecke ist, die Harzpellets durch die Zuführungszone 113, die Kompressionszone 114 und die Dosierungszone 115 der Schnecke 110 in dieser Reihenfolge. Während dieser Bewegung der Pellets werden die Harzpellets aufgrund der Erwärmung durch die Zylinderheizung 130 und die Wärmeerzeugung (Reibungswärme) durch die Scherungswirkung und ferner durch das Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze durch die Schnecken 110 geschmolzen (plastifiziert).
- Da in der Schneckeneinheit 1 das Verdichtungsverhältnis durch die Schnecke 110 auf 4 oder darunter und ferner die scheinbare Scherungsrate auf 100 s&supmin;¹ eingestellt ist, nimmt die Möglichkeit eines Bruches der Verstärkungsfasern während des Knetvorgangs ab und der Bruchanteil der Verstärkungsfaser in dem Knetprodukt nimmt ebenfalls ab. Die Bedingungen eines Kompressionsverhältnisses von 4 oder darunter und eine scheinbare Scherungsrate von 100 s&supmin;¹ oder darunter sind die Bereiche, in welchem es bisher als schwierig erachtet wurde, faserverstärkte Harzpellets oder Harzmaterial zu schmelzen und die Verstärkungsfasern in der Harzschmelze sehr gleichmäßig zu verteilen, da es herkömmlicherweise als besonders wichtig angesehen wurde, die Knetgeschwindigkeit zu erhöhen.
- Ferner wird, da wie vorstehend erwähnt, die Länge der Zuführungszone 113 im Bezug auf die Länge der Kompressionszone 114 und der Dosierungszone 115 länger als in herkömmlichen Einheiten eingestellt ist, den Harzpellets genügend Wärme durch die Zylinderheizung 130 zugeführt und weniger Druck- und Scherungswirkung auf die Zone ausgeübt, in welcher die Harzpellets oder dergleichen geschmolzen werden. Demzufolge verringert sich die Möglichkeit eines Bruchs der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze weiter, und die Verstärkungsfasern können in einem Zustand längerer Länge gehalten werden. Da das Kompressionsverhältnis und die scheinbare Scherungsrate in der Schneckeneinheit kleiner als in herkömmlichen Verfahren sind, ist die Wärmeerzeugung aufgrund der Scherungswirkung relativ klein. Daher ist es wichtig, daß die Zuführung von Wärme zu den Harzpellets oder dergleichen von der Zylinderheizung 130 in ausreichendem Maße in der Zuführungszone 113 durchgeführt wird.
- Ferner ist, da wie vorstehend erwähnt, die Schneckengangsteigung weiter als in herkömmlichen Einheiten eingestellt ist, die Periode, während welcher Scherungskräfte auf das Harz und die Verstärkungsfasern ausgeübt werden, relativ kurz, wodurch die Verstärkungsfasern in der Harzschmelze in dem längeren Zustand gehalten werden können.
- Ferner wird, wenn die Schnecke 110 mit dem vorstehend erwähnten Mischkopf 140 daran angebaut verwendet wird, selbst dann wenn der Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in dem geschmolzenen Knetprodukt, welches die Spitze 110b der Schnecke 110 erreicht unzureichend ist, der Verteilungszustand während das geschmolzene Knetprodukt den Mischkopf 140 passiert verbessert, aber die Verstärkungsfasern während dieser Periode kaum gebrochen. Daher kann sogar dann, wenn das Kompressionsverhältnis und die scheinbare Scherungsrate in der Schneckeneinheit 1 auf einen niedrigeren Pegel eingestellt werden, die Verteilbarkeit der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze sichergestellt werden und die Verstärkungsfasern in der Harzschmelze in einem Zustand größerer Länge gehalten werden.
- Wenn der Transport der Harzschmelze durch die Schnecke 110 fortschreitet, wird die die Verstärkungsfasern enthaltene Harzschmelze in dem Speicherabschnitt 105, welcher an der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 vorhanden ist, gespeichert und die Schnecke 110 (und der Mischkopf 140) bewegen sich abhängig von der Speichermenge nach hinten. Wenn diese Speichermenge einen Anteil erreicht, der bezogen auf die Menge des Harzes, welches den faserverstärkten Harzartikel bilden soll, festgelegt ist, wird die Rotation der Schnecke 110 durch den Motor 121 gestoppt. Anschließend wird die Schnecke 110 in der Längsrichtung durch die Preßeinheit 122 gedrückt und die in dem Speicherbereich 105 gespeicherte Verstärkungsfasern enthaltende Harzschmelze aus dem Auslaß 103 in den Formhohlraum 150 eines Formenpaares 151 eingespritzt, das mit der Formpreßeinheit 152 verbunden sind.
- Wenn der Einspritzvorgang durch die Schneckeneinheit 1 abgeschlossen ist und die Schnecke 110 zu dem Ausgangszustand zurückkehrt, wird ein Ablauf der vorstehenden Operationen wieder wiederholt.
- Wenn die Schneckeneinheit 1 mit der vorstehenden Konstruktion (Schneckeneinspritzmaschine) verwendet wird, wird ein geschmolzenes Verstärkungsfasern enthaltendes thermoplastisches Harz druckgeformt, indem beispielsweise Verstärkungsfasern-(Glasfasern) enthaltende Polypropylen-Harzpellets (Handelsbezeichnung: SELSTRAN, hergestellt von Poly Plastics Co., Ltd.) in den Formhohlraum 150 einer Spritzgießmaschine eingespritzt werden, wobei die mittlere Länge der Verstärkungsfasern in dem sich ergebenden Artikel etwa 1,5 bis 2 mal so lang ist wie der Mittelwert der Verstärkungsfasern in dem Artikel, der durch eine ähnliche Ausführung eines Formvorgangs unter Verwendung einer herkömmlichen Schneckeneinspritzmaschine erhalten wird, in welcher eine herkömmliche üblicherweise voll durchgängige Schnecke verwendet wird. Somit können erfindungsgemäß die Fasern in dem wesentlich längeren Zustand gehalten werden. Die verschiedenen Zustände in der vorstehenden herkömmlichen Schneckeninjektionsmaschine sind wie folgt:
- Kompressionsverhältnis 4,3
- Scheinbare Scherrate 160 s&supmin;¹
- Vorhandensein eines Mischkopfes: nein
- In der Schneckeneinheit 1 dieses Beispiels wird eine voll durchgängige Schnecke mit einem Kompressionsverhältnis von 4 oder weniger und einer Scherungsrate von 100 s&supmin;¹ oder weniger als Schnecke 110 verwendet. Durch die Verwendung einer derartigen Schnecke, kann der Bruch der Verstärkungsfasern in dem Schneckenteil im Vergleich zu dem Fall, wo eine herkömmliche Schneckeninjektionsmaschine mit anderen vollständig durchgängigen Schnecken oder doppelgängigen Schnecken verwendet wird, verhindert werden. In den neueren Schneckenspritzgießmaschinen wird eine Erhöhung der Knetgeschwindigkeit als wichtig betrachtet, und doppelgängige Schnecken oder untergängige Schnecken werden im allgemeinen als Schnecke verwendet, und voll durchgängige Schnecken werden nur gelegentlich verwendet. In einem Fall, in welchem faserverstärkte Harzartikel unter Verwendung herkömmlicher Schneckeninjektionsmaschinen geformt werden, welche eine solche voll durchgängige Schnecke und ein Kompressionsverhältnis von mehr als 4 und eine scheinbare Scherungsrate von mehr als 100 s&supmin;¹ aufweisen, brechen die Verstärkungsfasern wahrscheinlich zu dem Zeitpunkt des Knetvorgangs der Harzschmelze und der Fasern, und die in den sich ergebenden faserverstärkten Harzartikeln enthaltenen Verstärkungsfasern sind kurz und die Festigkeit der Artikel ist unzureichend.
- Eine Ausführungsform unter Verwendung der faserverstärkten Harzpellets welche in der Schneckeneinheit 1 verwendet werden, ist hauptsächlich hierin vorstehend erläutert, wobei aber die Verstärkungsfasern nicht in den thermoplastischen Harzpellets eingeschlossen sein müssen und das thermoplastische Harzmaterial und die Verstärkungsfasern getrennt von der Zuführungsöffnung 102 aus eingeführt werden können. In dem Falle einer getrennten Einführung des thermoplastischen Harzmaterial und der Verstärkungsfasern wird das thermoplastische Harzmaterial ebenfalls während des Transports zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 geschmolzen (plastifiziert) und durch gleichzeitiges Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze durch die Schnecke 110 weitertransportiert. Somit wird es wie in dem vorstehenden Beispiel möglich, faserverstärkte Harzartikel mit sehr gleichmäßigem Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Erzielung einer langen Faserlänge zu erhalten.
- Ferner können die Verstärkungsfasern und das zuvor geschmolzene thermoplastische Harz in die Schneckeneinheit 1 getrennt oder gleichzeitig von der Zuführungsöffnung 102 aus eingeführt werden. In diesem Falle findet nur das Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze durch die Schnecke 110 in der Schneckeneinheit 1 statt, und daher können das Verdichtungsverhältnis und die scheinbare Scherungsrate weiter reduziert werden als in dem vorstehenden Beispiel, und es wird möglich, faserverstärkte Harzartikel mit sehr gleichmäßigem Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Beibehaltung einer noch längeren Faserlänge als in dem vorstehenden Beispiel zu erhalten.
- Ferner wird es in dem Falle einer nachstehend erwähnten Schneckenvorrichtung, wenn der erfindungsgemäße Mischer usw. verwendet wird möglich, sehr lange Verstärkungsfasern zu verwenden, welche bisher schwierig zu verwenden waren und somit wird es möglich, faserverstärkte Harzartikel mit sehr gleichmäßigem Verteilungszustand der Verstärkungsfasern zu erhalten, welche längere Fasern enthalten, welche bis jetzt nicht erzielt werden konnten.
- In dem vorstehenden Beispiel erfolgte eine Erläuterung für den Fall, in welchem die Schneckeneinheit 1 eine Schneckeneinspritzmaschine ist, aber die Schneckeneinheit 1 kann ein Schneckenextruder gemäß Darstellung in Fig. 3 sein. Der in Fig. 3 dargestellte Schneckenextruder ist ein Einschnecken-Extruder, welcher mit nur einer Schnecke 110 ausgestattet ist, und ist derselbe wie die in Fig. 1 dargestellte Schneckeneinspritzmaschine mit der Ausnahme, daß die Antriebseinheit 120 keine Druckeinheit 122 aufweist und die Schnecke 11 keine hin und her bewegliche Schnecke ist. Wenn das thermoplastische Harzmaterial und die Verstärkungsfasern dem in Fig. 3 dargestellten Schneckenextruder 1 getrennt zugeführt werden, wird das thermoplastische Harzmaterial ebenfalls geschmolzen (plastifiziert), während es zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 transportiert wird und gleichzeitig das Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze durch die Schnecken 110 erfolgt. Somit wird es möglich, faserverstärkte Harzpellets usw. mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Beibehaltung der größeren Faserlänge als in den herkömmlichen Techniken zu erhalten. Ferner findet, wenn die Verstärkungsfasern und das zuvor geschmolzene thermoplastische Harz in den in Fig. 3 dargestellten Schneckenextruder eingeführt werden, nur das Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze durch die Schnecke 110 in der Schneckeneinheit 1 statt, weshalb das Kompressionsverhältnis und die scheinbare Scherungsrate weiter reduziert werden können als in dem vorstehenden Beispiel und es möglich wird faserverstärkte Harzpellets, usw. mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Beibehaltung der längeren Faserlänge als in dem vorstehenden Beispiel zu erhalten. Ferner wird es in dem Falle der nachstehend erläuterten Schneckenvorrichtung, wenn der erfindungsgemäße Mischer usw. verwendet wird, möglich, sehr lange Verstärkungsfasern zu verwenden, welche bisher schwierig zu verwenden waren, und somit wird es möglich, faserverstärkte Harzpellets usw. mit sehr gleichmäßigem Verteilungszustand der Verstärkungsfasern, mit längeren Fasern zu erhalten, welche bis jetzt nicht erhalten werden konnten.
- Im folgenden wird die Schneckenvorrichtung, die Mischeinheit und das Verfahren für die Zuführung der Verstärkungsfasern enthaltenden Harzschmelze erläutert.
- Fig. 4 ist eine schematische Gesamtansicht eines Beispiels der Schneckenvorrichtung. Die in Fig. 4 dargestellte Schneckenvorrichtung weist die Schneckeneinheit 1, welche ähnlich der in Fig. 1 ist, einen Schmelzextruder 2, einen Akkumulator 3 und Mischer 4 auf. Die aus dem Schmelzextruder 2 extrudierte Harzschmelze wird in dem Mischer 4 über den Akkumulator 3 eingeführt. In dem Mischer 4 haftet zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern an der Harzschmelze an, welches aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum nach unten fließt, und die Harzschmelze und die Verstärkungsfasern werden in diesem Zustand von der Zuführungsöffnung 102 der Schneckeneinheit 1 aus eingeführt. Der Schmelzextruder 2, der Akkumulator 3 und der Mischer 4 in der in Fig. 4 dargestellten Schneckenvorrichtung sind ebenfalls ein Beispiel der Mischeinheit der vorliegenden Erfindung.
- Jeder Teil der Schneckenvorrichtung wird nachstehend im Detail erläutert.
- Der Schmelzextruder 2 weist einen Zylinderraum (Heizzylinder) 200, eine Extrusionsschnecke 210, die in Kammer 201 eingesetzt ist, die in den Zylinderraum 200 in der Längsrichtung ausgebildet ist, eine mit der Extrusionsschnecke 210 verbundene Antriebseinrichtung 220 und eine Zylinderraumheizung 230 auf, die an der Außenumfangsoberfläche des Zylinderraums 200 angeordnet ist. Der Zylinderraum 200 weist einen Harzmaterialeinlaß (Zuführungsöffnung) 202 auf, der an der Seite eines ersten Endabschnittes 200a angeordnet ist, und eine Harzschmelzeauslaß 203, der auf der Seite eines zweiten Endabschnittes 200b angeordnet ist (der zweite Endabschnitt 200b liegt dem ersten Endabschnitt 200a gegenüber), und der Harzmaterialeinlaß 202 und der Harzschmelzeauslaß 203 stehen miteinander über die Kammer 201 in Verbindung. Der Harzmaterialeinlaß 202 öffnet sich nach oben und ein Trichter 204 ist an dem Harzmaterialeinlaß 202 befestigt. Thermoplastisches Harzmaterial 240 in Pellet- oder Pulverform wird von dem Harzmaterialeinlaß 202 aus eingeführt.
- Der in Fig. 4 dargestellte Schmelzextuder 2 ist ein Einschnecken-Extruder, der nur mit einer Schnecke 210 ausgestattet ist, und eine Antriebseinrichtung 220 weist einen Motor (Rotationsantriebseinheit) 221 zum Drehen der Extrusionsschnecke 210 auf. Daher wird die Extrusionsschnecke 210 durch den Motor 221 über das Getriebe 222 gedreht, das auf der Seite des Basisendabschnittes 210a angeordnet ist.
- Die Zylinderraumheizung 230 heizt den Zylinderraum 200 so, daß der Zylinderraum eine vorgegebene Temperatur erreicht (welche optional abhängig von der gewünschten Harzviskosität usw. ausgewählt wird, und so, daß keine Verschlechterung des Harzes durch eine Oxidation in einem Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Harzes oder darüber bewirkt wird).
- Daher wird die Extrusionsschnecke 210 durch den Motor 221 gedreht und transportiert das aus dem Harzmaterialeinlaß 202 eingeführte Harzmaterial zu der Seite der Spitze 200b des Schmelzextruders 2. Während dieser Periode wird das eingeführte Harzmaterial 240 durch die Erwärmung durch die Zylinderraumheizung 230 und die Erzeugung von Wärme (Reibungswärme) aufgrund der Scherungswirkung geschmolzen (plastifiziert) und aus dem Harzschmelzeauslaß 203 als Harzschmelze 241 ausgegeben.
- Die Ausgabemenge (pro Zeiteinheit) der von dem Harzschmelzeauslaß 203 ausgegebenen Harzschmelze 241 wird von der Rotationsdrehzahl der Schnecke 210 bestimmt. Die Gesamtausgabemenge wird durch die Gesamtanzahl der Umdrehungen der Schnecke 210 bestimmt.
- In Fig. 3 ist der Akkumulator 3 mit dem Schmelzextruder 2 verbunden. Der Akkumulator 3 weist einen Akkumulatorzylinderraum 300, einen Kolben 310, der in eine Akkumulatorkammer 301 eingesetzt ist, die in dem Zylinderraum 300 in dessen Längsrichtung ausgebildet ist, eine mit dem Kolben 310 verbundene Kolbenantriebseinrichtung 320 und eine Akkumulatorzylinderraumheizung 330 auf, welcher an der Außenumfangsoberfläche des Zylinderraums 300 angeordnet ist. Der Akkumulatorzylinderraum 300 weist einen Akkumulatoreinlaß 302, welcher mit dem Harzschmelzeauslaß 203 verbunden ist, und einen Akkumulatorauslaß 203 auf. Der Einlaß 302 und der Auslaß 303 stehen miteinander über die Kammer 301 in Verbindung.
- Die Akkumulatorzylinderraumheizung 230 hält den Akkumulatorzylinderraum 300 auf einer vorgegebenen Temperatur (welche optional abhängig von der gewünschten Harzviskosität usw. ausgewählt wird, und so, daß keine Verschlechterung des Harzes durch eine Oxidation in einem Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Harzes oder darüber bewirkt wird).
- In einem Falle, in welchem die Schneckenvorrichtung den Akkumulator 3 aufweist, kann der Schmelzextruder 2 kontinuierlich unabhängig von dem Betrieb der Schneckeneinheit 1 arbeiten, und die Harzschmelze 241, die kontinuierlich von dem Schmelzextruder 2 extrudiert wird, wird zwischenzeitlich in dem Akkumulator 3 gespeichert. Wenn die Menge des gespeicherten Harzschmelze 241 eine vorgegebene Menge erreicht, wird die Harzschmelze 241 in einer Menge sehr nahe der vorgegebenen Menge aus dem Akkumulatorauslaß 303 durch die Vorwärtsbewegung eines Kolbens 310 extrudiert.
- Wenn der Akkumulator 3 mit dem Auslaß 203 des Schmelzextruders 203 auf diese Weise verbunden ist, kann die Zuführungsrate der Harzschmelze 241 ziemlich gleichmäßig durchgeführt werden. In der Schneckenvorrichtung kann gemäß Darstellung in Fig. 5 auch kein Akkumulator 3 verwendet werden, wobei es aber in diesem Falle bevorzugt wird, ein Abschaltventil 250 vorzusehen, welches in der Richtung des doppelköpfigen Pfeils 251 an dem Harzschmelzeauslaß 203 beweglich ist. Das Abschaltventil 250 wird geöffnet oder geschlossen, wenn die Harzschmelze 241 ausgegeben oder die Ausgabe beendet wird.
- Fig. 6 stellt ein Beispiel des Mischers der vorliegenden Erfindung dar, der in geeigneter Weise in der Schneckenvorrichtung verwendet wird.
- Der in Fig. 6 dargestellte Mischer weist eine Düse 400, verbunden mit dem Akkumulator 3, eine an dem Außenumfang der Düse 400 angeordnete Düsenheizung 410 und ein Walzenpaar 420 auf, das unterhalb der Düse 400 angeordnet ist. Die Düse 400 weist eine erste Öffnung 401 auf, welche als ein Einlaß für die Harzschmelze dient, eine zweite Öffnung 402, die an ihrer Unterseite vorgesehen ist und mit der ersten Öffnung 401 über einen Harzkanal 403 verbunden ist (die zweite Öffnung ist ein Ringloch), eine dritte Öffnung 404, welche als Verstärkungsfasereinlaß dient, und eine vierte Öffnung 405 auf, welche innerhalb der zweiten Öffnung 402 vorgesehen ist und mit der dritten Öffnung 404 über den Faserkanal 406 in Verbindung steht.
- Die Düsenheizung 410 hält die Temperatur der Düse 400 auf einer vorgegebenen Temperatur (welche optional abhängig von der gewünschten Harzviskosität usw. ausgewählt wird, und so, daß keine Verschlechterung des Harzes durch eine Oxidation in einem Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Harzes oder darüber bewirkt wird). Ferner ist ein Motor 421 zum Drehen der Walzen mit den Walzen 420 verbunden und ein Kühlwasserrohr 422 zum Kühlen der Walzen ist zu den Walzen 420 hin verlegt.
- Ferner weist der Mischer einen Harzschneider 430, um die ringförmige Harzschmelze 241, welche aus der Düse 400 extrudiert wird und nach unten strömt, abzuschneiden (der Harzschneider 430 ist zwischen der Unterseite der Düse 400 und den Walzen 420 angeordnet), einen Trichter 440 zum Einführen von Verstärkungsfasern 450 in den Verstärkungsfasereinlaß 404, und ein Ventil 460 für die Einstellung des Drucks der Harzschmelze 241, welche den Harzkanal 403 passiert, auf.
- In dem in Fig. 6 dargestellten Mischer 4 wird die von dem Akkumulator 3 über die erste Öffnung 402 zugeführte Harzschmelze 241 in die ringförmige (schlauchförmige) Form extrudiert und fließt aus der zweiten Öffnung 402 nach unten. Andererseits passieren die über die dritte Öffnung 404 zugeführten Verstärkungsfasern die vierte Öffnung 404 und fallen in den Innenbereich der ringförmig Harzschmelze 241.
- Daher haftet zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern 450 an der Innenoberfläche der ringförmigen Harzschmelze 241 an, welche durch die Schwerkraft in einen offenen Raum fließt. Ferner wird die ringförmige Harzschmelze 241 leicht mit den innerhalb der ringförmigen Harzschmelze 241 enthaltenen Verstärkungsfasern 450 zusammengedrückt, um eine lagenartige Harzschmelze 242 zu erhalten, zwischen welchen die Verstärkungsfasern eingeschlossen sind.
- Auf diese Weise werden die Verstärkungsfasern 450 sicherer in der Harzschmelze 241 verteilt (angeheftet). Somit wird sogar dann, wenn die Verstärkungsfasern 450 lang sind, eine Trennung des Harzes und der Verstärkungsfasern in dem Bereich der Zuführungsöffnung 102 verhindert, und die Verstärkungsfasern werden gleichmäßig und stabil der Schneckeneinheit 1 zugeführt. Daher wird es möglich, lange Verstärkungsfasern zu verwenden, welche bisher schwierig zu verwenden waren, und ferner wird der Bruch der Verstärkungsfasern im Verlauf des Knetvorgangs in der Schneckeneinheit 101 verhindert und ein gleichmäßiger Verteilungszustand der Verstärkungsfasern kann leicht erreicht werden.
- Ferner können, wenn die Verstärkungsfasern 450 und die Harzschmelze 241 der Schneckeneinheit 1 als lagenartige Harzschmelze 242, zwischen welchen, wie vorstehend erwähnt, die Verstärkungsfasern eingeschlossen sind, zugeführt werden, der Einschluß von Luft in der Harzschmelze 241 in der Schneckeneinheit 1 ausreichend verhindert und hohlraumfreie Artikel mit weiteren verbesserten Eigenschaften erzielt werden.
- Des weiteren ist gemäß Darstellung in Fig. 4 der Mischer 4 in diesem Beispiel ferner mit einem Faserschneider (Glasseidenstrangschneider) 5 zum Schneiden der langen Verstärkungsfasern vorgesehen um Verstärkungsfasern mit einer vorgegebenen Länge zu erhalten und dann die Verstärkungsfasern in einem verstreuten Zustand in den Verstärkungsfasereinlaß 404 einzuführen (der Glasseidenstrangschneider 5 ist oberhalb des Trichters 440 angeordnet).
- Der Glasseidenstrangschneider 5 weist ein Zuführungswalzenpaar 500 zum Zuführen vieler zusammenhängender Längen von Verstärkungsfasern (langer Verstärkungsfasern) 451, welche auf eine Spindel 452 in einem flach verteilten Zustand aufgewickelt sind, und eine Schneidewalze 501, die auf der Auslaßseite der Zuführungswalzen 500 angeordnet ist und eine größere Breite als die Zuführungsbreite der Verstärkungsfasern 451 besitzt, auf. Die Schneidwalze 501 weist mehrere Klingen 502 auf, welche kurzzeitig und rotierend die untere Zuführungswalze berühren, und die langen Verstärkungsfasern 451 werden auf Verstärkungsfasern 450 mit einer konstanten Länge durch die Klingen 502 und die Zuführungswalze 500 zugeschnitten. Daher werden die Verstärkungsfasern 450 in dem Bereich der Zuführungsbreite der langen Verstärkungsfasern 451 durch die Zuführungswalzen 500 (mit einem etwas größerem Bereich als die Zuführungsbreite) verteilt und fallengelassen.
- Die Position und Rotationsrichtung der Schneidwalze 501 sind so eingestellt, daß die Fallrichtung der Verstärkungsfasern 450 auf den Trichter 440 und den Verstärkungsfasereinlaß 404 zielt.
- Die Länge der Verstärkungsfasern 450 wird durch das Anordnungsraster der Klingen 502 bestimmt, welche auf der Schneidwalze 501 befestigt sind und üblicherweise in dem Bereich von 3 bis 30 mm eingestellt sind. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß die Länge kommerziell erhältlichen Verstärkungsfasern (Stücke) üblicherweise 3 mm beträgt, und daß Verstärkungsfasern 450 mit verschiedenen anderen Längen als denen der kommerziell erhältlichen Fasern einfach und effizient erhalten werden können, indem der vorstehend erwähnte Glasseidenstrangschneider 5 verwendet wird. Zusätzlich kann, wenn die Verstärkungsfasern 450 direkt dem Mischer 4 von dem Glasseidenstrangschneider 5 aus zugeführt werden, eine Zusammenballung der Verstärkungsfasern 450 verhindert werden. Daher werden die durch den Glasseidenstrangschneider 5 auf eine konstante Länge zugeschnittenen Verstärkungsfasern 450 in dem verstreuten Zustand der Harzschmelze 241 zugeführt, welches nach unten fließt, und der Grad der Verteilung (Vergleichmäßigung) der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze wird weiter verbessert.
- In der Schneckenvorrichtung ist es möglich, sehr lange Verstärkungsfasern zu verwenden, welche wie vorstehend erwähnt bisher schwierig zu verwenden waren, und außerdem tendiert die Länge der Verstärkungsfasern bei den sich ergebenden Fasern zu einer größeren Länge, wenn die längeren Verstärkungsfasern verwendet werden. Daher ist die Länge der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Verstärkungsfasern 450 bevorzugt 5 bis 30 mm, besonders bevorzugt 13 bis 25 mm.
- Beispielsweise werden bei einer Verwendung von Glasseidenfasern von 1100 tex (g/m) als Verstärkungsfasern 451 neun von den Fasern zwischen einem Zuführungswalzenpaar 500 zugeführt und von der Schneidwalze 501 geschnitten, und somit können Verstärkungsfasern 450 mit einer Länge von 15 mm erhalten werden. Die Zuführungsgeschwindigkeit der Verstärkungsfasern 450 von der Schneidwalze 501 ist beispielsweise auf 3 kg/min. eingestellt.
- In dem vorstehenden Beispiel werden die Verstärkungsfasern 450, welche aus dem Glasseidenstrangschneider 5 fallen, direkt mit der Harzschmelze 241 in Kontakt gebracht, welche aus dem Harzschmelzeauslaß 203 durch die Düse 400 austritt, wobei aber die zuvor geschnittenen Verstärkungsfasern 450 dem Flußkanal der Harzschmelze 241 durch einen Rüttelförderer usw. verteilt (zugeführt) werden können.
- Ferner können entweder in dem Falle einer direkten Zuführung der von dem Glasseidenstrangschneider 5 geschnittenen Verstärkungsfasern 450 oder einer Zuführung dieser unter Verwendung eines Rüttelförderers usw., Mischer gemäß Darstellung in Fig. 5 und 7, Fig. 8 und 9, Fig. 10 und 11 und Fig. 12 verwendet werden, um zumindest einen Teil der Verstärkungsfasern 450 mit der Harzschmelze 241 in Kontakt zu bringen.
- In dem in Fig. 5 und 7 dargestellten Mischer 4 ist die Düse 400 nicht mit dem Harzschmelzeauslaß 203 verbunden, welcher direkt als Harzschmelzeeinlaß des Mischers dient und eine streifenförmige Harzschmelze 241 wird direkt aus einem horizontal langen und flachen rechteckigen Auslaß 203 extrudiert und fällt durch die Schwerkraft nach unten.
- Ferner ist ein zylindrisches Schutzrohr 106 zwischen dem Auslaß 203 und dem Einlaß 102 der Schneckeneinheit 1 vorgesehen und eine trichterförmige Zuführung 440 (welche als Verstärkungsfasereinlaß des Mischers dient) ist an dem oberen Ende des Schutzrohrs 106 ausgebildet. Der Glasseidenstrangschneider 5 ist über dem Trichter 440 angeordnet. Die Abmessung des horizontalen Querschnitts des Schutzrohrs 106 ist größer als der Querschnitt der Harzschmelze 241 eingestellt, und das Schutzrohr 106 ist in einer solchen Weise angeordnet, daß die Innenoberfläche nicht mit der Harzschmelze 241 in Kontakt kommt.
- Die Position des Glasseidenstrangschneiders 5 ist so eingestellt, daß sich der Fallkanal der Verstärkungsfasern 450 mit dem oberen Strömungsabschnitt (in der Nähe des Auslasses 203) des Kanals der Harzschmelze 241, welche aus dem Auslaß 203 ausgegeben wird, zusammenfällt und dort hängt und herunterfließt (hierin nachstehend lediglich als "Abfluß- bzw. Abführkanal" bezeichnet) verbindet. Ferner ist er so eingestellt, daß der Fallbereich der Verstärkungsfasern 450 nahezu mit der Breite der Harzschmelze 241 übereinstimmt, welche von dem Auslaß 203 ausgegeben wird und nach unten fließt.
- In dem in Fig. 5 und 7 dargestellten Mischer 4, ist ein Verschluß 470, welcher geöffnet und verschlossen werden kann, für ein kurzzeitiges Stoppen und Zuführen der Harzschmelz 241 und der Verstärkungsfasern 450 in der Mitte des Schutzrohrs 106 vorgesehen. Ein derartiger Verschluß 470 kann in der Nähe des Auslasses 203 vorgesehen sein, und wenn eine Düse 400 vorgesehen ist, kann der Verschluß 470 in der Düse vorgesehen sein.
- Wenn das Anhaften der Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 in einer solchen Weise ausgeführt wird, daß die Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 in der Nähe des Auslasses 203 des Schmelzextruders, wie vorstehend darstellt, verteilt werden, steigt auch die Möglichkeit eines Kontaktes der Verstärkungsfasern 450 mit der Harzschmelze 241 während die Harzschmelze 241 aus dem Auslaß 203 nach unten fließt und in die Zuführungsöffnung 102 der Schneckeneinheit 1 eingeführt wird, weshalb die Verteilung (Anhaftung) der Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 in diesen Abführkanal beschleunigt und demzufolge eine gleichmäßige Verteilung der Verstärkungsfasern 450 beschleunigt wird.
- In dem in Fig. 8 und 9 dargestellten Mischer 4 ist eine Düse 400 zur Verbindung mit dem Auslaß 203 des Schmelzextruders 2 vorgesehen, und ein ringförmiger Auslaß (Öffnung) 402 ist auf der Unterseite der Düse 400 ausgebildet. Insbesondere weist die Düse 400 eine erste Öffnung 401, welche als Harzschmelzeeinlaß dient, wobei die zweite Öffnung (der Auslaß) 402 mit der ersten Öffnung 401 über einen Harzkanal 403 in Verbindung steht, eine dritte Öffnung 404, welche als Verstärkungsfasereinlaß dient und eine vierte Öffnung 405 auf, die im Inneren der zweiten Öffnung 404 angeordnet ist und mit dem Verstärkungsfasereinlaß über einen Faserkanal 406 in Verbindung steht. Der Aufbau ist so, daß die Harzschmelze 241 in der Form eines Schlauches nach unten aus dem Auslaß 402 ausgegeben wird, ein Durchtrittsloch (Faserkanal) 406, welches nach unten und oben innerhalb des Raums durchtritt, von dem ringförmigen Auslaß 402 in der Düse 400 gebildet wird, und eine trichterförmige Einführung 440 vorgesehen ist, welche mit der oberen Öffnung (Verstärkungsfasereinlaß 404) des Durchtrittslochs 406 verbunden ist. Ein Glasseidenstrangschneider 5 (welcher eine Rüttelzuführungseinrichtung sein kann) ist oberhalb des Einlasses 404 angeordnet, und die von dem Glasseidenstrangschneider 5 geschnittenen Fasern 450 fallen in das Durchtrittsloch 406. Die zylindrische (schlauchförmige) Harzschmelze 241, innerhalb welcher zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern 450 daran anhaftet (verteilt) wird, wird in die Zuführungsöffnung 102 eingeführt.
- In diesem Falle wird die Harzschmelze 241 in die Zuführungsöffnung 102 in einem solchen Zustand eingeführt, daß das Harz die Verstärkungsfasern 450 abdeckt und das die Verstärkungsfasern 450 ausreichend gleichmäßig während der Periode verteilt werden, während welcher die Harzschmelze 241, an welcher ein Teil der Verstärkungsfasern 450 anhaftet in die Zuführungsöffnung 102 eingeführt wird bis das Harz die Dosierungszone 115 der Schnecke 110 erreicht und somit die Verteilung der Verstärkungsfasern 450 in der Harzschmelze 241 weiter verbessert wird.
- Wenn, wie vorstehend erwähnt, die Harzschmelze 241 in der Form eines Schlauchs herunterfließen kann und die Verstärkungsfasern 450 von dem oberen Ende des schlauchförmigen Flusses in den Bereich des schlauchförmigen Flusses fallengelassen werden und sich dadurch die Fasern 450 in der Harzschmelze verteilen (anhaften), vergrößert sich der Kontaktbereich zwischen den Verstärkungsfasern 450 und der Harzschmelze 241 merklich im Vergleich zu dem Fall, wenn die Harzschmelze in der Form eines einfachen Stabes nach unten fließt, und der Grad der Verteilung (Anhaftung) der Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 wird verbessert.
- In dem in Fig. 10 und 11 dargestellten Mischer ist eine Düse 400 vorgesehen, welche mit dem Auslaß 203 des Schmelzextruders 3 verbunden ist, und ein rechteckiger Auslaß (Öffnung) 402 ist auf der Unterseite der Düse 400 ausgebildet.
- Insbesondere weist die Düse 400 eine erste Öffnung 401 auf, welche als der Harzschmelzeeinlaß dient und eine zweite Öffnung (den Auslaß) 402, welche mit der ersten Öffnung 401 über einen Harzkanal 403 in Verbindung steht.
- Ferner weist der Mischer eine Rutsche 441 zum Zuführen der von dem Fasereinlaß zugeführten Verstärkungsfasern 450 auf, um die von der Düse 400 extrudierte Harzschmelze 241 zu umgeben. In diesem Falle wird eine streifenförmig Harzschmelze 241 mit einer vorgegebenen Breite von dem Auslaß 402 ausgegeben und strömt bzw. fließt nach unten. Der horizontale Querschnitt des Schutzrohrs 106 liegt in der Form eines Rechtecks ähnliche dem Querschnitt der Harzschmelze 241 vor und eine Rutsche 441 mit einer Querbreite, welche dieselbe wie die der Flußbreite der Harzschmelze 241 ist, ist an einer Seitenwand des Schutzrohrs 106 vorgesehen (die Seitenwand liegt der flachen Seite der nach unten fließenden Harzschmelze 241 gegenüber). Zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern 450, die von der Rutsche 441 abgestoßen und in die Nähe der Harzschmelze 241 geführt werden, haften an der Harzschmelze 241 an. In diesem Falle kann die Dicke der streifenförmigen Harzschmelze 241 leicht gesteuert werden, und dieses ist dahingehend vorteilhaft, daß die Fläche der Harzschmelze 241, gegen welche die Verstärkungsfasern 450 stoßen kann (in Kontakt kommt), abhängig von der Menge der zugeführten Verstärkungsfasern 450 verändert werden kann.
- Wenn, wie vorstehend erwähnt, die Harzschmelze 241 in der Form eines Streifens nach unten fließen kann und die Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 in der Form eines Streifens verteilt (anhaftet) werden, vergrößert sich der Kontaktbereich zwischen den Verstärkungsfasern 450 und der Harzschmelze im Vergleich zu dem Fall, wenn die Harzschmelze in der Form eines einfachen Stabes nach unten fließt, und das Maß der Verteilung (Anhaftung) der Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 wird verbessert.
- In dem in Fig. 12 dargestellten Mischer 4 ist eine Düse 400 mit einem Auslaß (Öffnung) 402, welcher viele kleine an der Unterseite vorgesehene Löcher aufweist, mit dem Harzschmelzeauslaß 203 des Schmelzextruders 2 verbunden angeordnet. Insbesondere weist die Düse 400 eine erste Öffnung 401, welche als Harzschmelzeeinlaß dient, und eine zweite Öffnung (den Auslaß) 402 auf, die mit der ersten Öffnung 401 über einen Harzkanal 403 in Verbindung steht. Ferner weist der Mischer 4 eine Rutsche 441 zur Führung der vom Verstärkungsfasereinlaß zugeführten Verstärkungsfasern in der Weise auf, daß sie die von der Düse 400 extrudierte Harzschmelze 241 umgeben. Aus diesem Auslaß 402 fließt die Harzschmelze 241 in der Form vieler Stäbe oder Schnüre mit einem vorgegeben Abstand zwischen den Stäben oder Schnüren nach unten. In diesem Falle nimmt der Bereich der Harzschmelze 241, gegen welchen die Verstärkungsfasern 450 stoßen können, zu und die Gleichförmigkeit der Verteilung (Anhaftung) der Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 kann weiter verbessert werden.
- Der Auslaß (Öffnung) 402 dieser Düsen 400 kann sich an der Seitenfläche der Düse 400 öffnen, ist aber bevorzugt an der Unterseite der Düse ausgebildet. Insbesondere dann, wenn die Harzschmelze 241 in der Schlauchform oder in der Form vieler Stäbe oder Schnüren aus dem an dem Boden der Düse 400 ausgebildeten Auslaß 402 nach unten fließen kann, nimmt, da es keine Möglichkeit gibt, daß die Harzschmelze 241, welche nach unten fließt, sich gegenseitig berühren kann, die Möglichkeit eines Kontaktes zwischen den Verstärkungsfasern 450 und der Harzschmelze 241 weiter zu und die Verteilung (Anhaftung) der Verstärkungsfasern 450 an der Harzschmelze 241 wird ohne weiteres gleichmäßig.
- Gemäß Darstellung in Fig. 4 ist die Schneckeneinheit 1 mit einem Zylinder 100, einer Schnecke 110, die in eine in dem Zylinder 100 in dessen Längsrichtung ausgebildete Kammer 101 eingesetzt ist, einer mit der Schnecke 110 verbundenen Antriebseinheit 120, und einer Zylinderheizung 130 versehen, welche an der Außenumfangsoberfläche des Zylinders 100 angeordnet ist. Der Zylinder 100 weist eine Zuführungsöffnung (Einlaß) 102, die an einer ersten Endabschnittsseite 100a angeordnet ist, und einem Auslaß 103, der an einer zweiten Endabschnittsseite 100b vorgesehen ist, (der zweite Endabschnitt 100b liegt dem ersten Endabschnitt 100a gegenüber) auf, und die Zuführungsöffnung 102 und der Auslaß 103 stehen miteinander über die Kammer 101 in Verbindung. Die Einführungsöffnung 102 öffnet sich nach oben und ist unterhalb des Mischers 4 angeordnet, und ein Schutzrohr 106 ist mit der Speiseöffnung 102 verbunden.
- Die in Fig. 4 dargestellte Schneckeneinheit 1 ist eine Einschnecken-Einspritzmaschine, welche mit nur einer Schnecke 110 ausgestattet ist, und eine Antriebseinheit 120 weist einen Motor 121 zum Drehen der Schnecke 110 und der Druckeinheit 122 (z. B. einen hydraulischen Zylinder) auf, um die Schnecke 110 in ihrer Längsrichtung zu dem zweiten Endabschnitt 100b zu drücken. Demzufolge ist die Schnecke 110 eine sich und her bewegende Schnecke, welche rotierend von dem Motor 121 über ein Getriebe 123 angetrieben wird, welches an ihrem Basisendabschnitt 110a vorgesehen ist, und wird in der Richtung des doppelköpfigen Pfeils 111 durch die Druckeinheit 120 zu einem gegebenen Zeitpunkt hin und her bewegt. Als Schnecke 110 wird eine eingängige und vollständig durchgängige Schnecke verwendet und ein Mischkopf 140 mit einem Rückschlagringmechanismus ist an dem Spitzenabschnitt 110b der Schnecke 110 vorgesehen.
- Ferner hält die Zylinderheizung 130 die Temperatur des Zylinders auf einer vorgegebenen Temperatur (welche optional abhängig von der gewünschten Harzviskosität usw. ausgewählt wird, und so, daß keine Verschlechterung des Harzes durch eine Oxidation in einem Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Harzes oder darüber bewirkt wird).
- In der Schneckeneinheit ist das Kompressionsverhältnis auf 4 oder darunter, bevorzugt 3 oder darunter, insbesondere 2 oder darunter eingestellt und die scheinbare Scherungsrate ist auf 100 s-1 oder darunter, bevorzugt 50 s&supmin;¹ oder darunter eingestellt. Die Erfinder haben herausgefunden, daß dann, wenn das Kompressionsverhältnis größer 4 und die scheinbare Scherungsrate größer als 100 s&supmin;¹ ist, die Verstärkungsfasern zur Bildung von Spulen bei dem Knetvorgang tendieren, was die Möglichkeit eines Bruchs der Fasern erhöht, und hier eine Grenze bei der Verringerung des Bruches der Verstärkungsfasern liegt.
- Ferner kann, da eine Plastifizierung des Harzes in der Schneckeneinheit 1 nicht erforderlich ist, die Scherungsrate und das Kompressionsverhältnis für den Knetvorgang in der Schneckeneinheit 1 unabhängig und ohne Berücksichtigung der Werte in dem Schmelzextruder 2 auf niedrige Werte eingestellt werden. Daher werden die scheinbare Scherungsrate und das Kompressionsverhältnis in der Schneckeneinheit 1 niedriger als die im Schmelzextruder 2 eingestellt. Demzufolge nimmt die Möglichkeit eines Bruchs der Verstärkungsfasern in der Schneckeneinheit 1 ab, und somit können die Verstärkungsfasern ihre große Länge behalten.
- Die Schnecke 110 ist in die drei Zonen einer Zuführungszone 113, einer Kompressionszone 114 und einer Dosierungszone 115 in dieser Reihenfolge von dem Basisendabschnitt 100a zu dem Spitzenabschnitt 110b hin unterteilt. D. h., die Schnecke 110 weist die Zuführungszone 113 mit einer ersten Schneckenkanaltiefe, die Kompressionszone 114, welche mit der Zuführungszone 113 in Verbindung steht und eine Schneckenkanaltiefe aufweist, welche sich von der ersten Schneckenkanaltiefe zu einer zweiten Schneckenkanaltiefe verändert, welche kleiner als die erste Kanaltiefe ist, und die Dosierungszone 115 auf, welche mit der Kompressionszone 114 verbunden ist und die zweite Schneckenkanaltiefe aufweist.
- Das Kompressionsverhältnis der erfindungsgemäßen Schnecke 110 ist durch die nachstehende Formel definiert:
- (Kompressionsverhältnis) ist = (Kanaltiefe der Zuführungszone 113)/(Kanaltiefe der Dosierungszone 115).
- Die scheinbare Scherungsrate ist durch die nachstehende Formel definiert:
- Scheinbare Scherungsrate ist = πDn/60H
- D: Durchmesser der Schnecke 110 (mm)
- n: Drehzahl der Schnecke 110 (U/min)
- H: Die minimale Kanaltiefe der Schnecke 110 (mm)
- Das Verhältnis der Länge der Zuführungszone 113, das der Verdichtungszone 114 und das der Dosierungszone 115 ist wie folgt eingestellt: Die Länge der Zuführungszone 113 ist das 1,5- bis 2,5-fache, bevorzugt 1,8- bis 2,3-fache der Länge der Dosierungszone 115, und die Länge der Kompressionszone 114 ist das 0,8- bis 1,5-fache, bevorzugt 0,9- bis 1,3-fache der Länge der Dosierungszone 115. Wenn das Längenverhältnis wie vorstehend erwähnt eingestellt ist, wird den Harzpellets oder dergleichen ausreichend Wärme von der Zylinderheizung 130 gegeben, und der Druck und die Scherungswirkung, welche in der Zone angewendet werden, wo die Harzpellets oder dergleichen geschmolzen werden, nehmen ab, so daß ein Brechen der Verstärkungsfasern wirksamer verhindert wird. Ferner ist die Schneckenlänge (L), welche die Gesamtlänge der entsprechenden Zonen ist, bevorzugt auf ein 20-faches oder mehr des Schneckendurchmessers (D) eingestellt, und die Schneckensteigung ist bevorzugt auf das 1- bis 1,3-fache des Schneckendurchmessers (D) eingestellt. Somit ist die Periode, während welcher die Scherungskraft auf das Harz und die Verstärkungsfasern ausgeübt wird, relativ kurz und ein Bruch der Verstärkungsfasern wird dadurch weiter verringert.
- Beispielsweise beträgt die Kanaltiefe der Zuführungszone 113 32,8 mm und die Kanaltiefe der Dosierungszone 115 19,3 mm, und die Kompressionszone 114 ist in der Form eines Konus ausgeführt, so daß sich die Kanaltiefe von der Kanaltiefe der Zuführungszone 113 (32,8 mm) zu der Kanaltiefe der Dosierungszone 115 (19,3 mm) verändert. Der Schneckendurchmesser (D) ist auf 140 mm eingestellt und die Schneckensteigung ist auf das 1,2-fache des Schneckendurchmessers (D) eingestellt, so daß das Verhältnis (L/D) der Schneckenlänge (L) und des Durchmessers (D) 25 beträgt und das Verhältnis der Längen der Zuführungszone 113, der Kompressionszone 114 und der Dosierungszone 115 2 : 1 : 1 beträgt. In diesem Falle ist das Kompressionsverhältnis der Schnecke 110 auf 1,7 eingestellt und die scheinbare Scherungsrate ist auf 50 s&supmin;¹ eingestellt.
- Ein Beispiel eines auf die vorliegende Erfindung anwendbaren Mischkopfes 140 ist in Fig. 2 dargestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Mischkopf 2 weist einen Rotor 141 mit mehreren halbkugelförmigen Hohlräumen 142 auf seiner Oberfläche und einen sich frei bewegenden Mischring 143 mit mehreren säulenartigen Durchtrittslöchern 144 und mit der Funktion eines Rückschlagrings auf. Der Mischkopf ist mit der Spitze 110b der Schnecke 110 verbunden, welche in den Zylinder 100 über den Ventilsitz 145 eingeführt ist. Der Mischkopf 140 weist viele Durchtritte auf, in welchen das Kreuzen und Trennen des Harzes wiederholt wird. Während das Harzschmelze und Verstärkungsfasern aufweisende Knetprodukt, welches in dem Speicherabschnitt 105 zwischen der Spitze der Schnecke 110 (Spitze des Mischkopfes 140) und dem zweiten Endabschnitt 100b des Zylinders 100 zu speichern ist, die Durchtritte passiert, wird die Verteilung der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze effektiv beschleunigt.
- Des weiteren weist gemäß Darstellung in Fig. 13 und 14 die Schneckeneinheit 1 dieses Beispiels ferner eine Druckstange 160 auf, welche entlang der Zylinderseitenwand 102a oder 102b angeordnet ist (die Seitenwände 102a und 102b verlaufen parallel zu der Längsrichtung des Zylinders), welche die Zuführungsöffnung 102 definiert und eine Seite 161 aufweist, die der Außenumfangsseite 116 der Schnecke gegenüber liegt; und einen Stangenantriebsmechanismus 162, welcher die Druckstange 160 nach und unten (dargestellt durch den Pfeil 163) hin- und herbewegt.
- Ferner ist gemäß Darstellung in Fig. 13 und 14 in der Schneckeneinheit 1 dieses Beispiels ein Einführungsraum 108, welcher sich bis unter die horizontale Ebene 118 erstreckt, welche die zentrale Achse 117 der Schnecke schneidet, zwischen der Außenumfangsseite 116 der Schnecke und der Zylinderinnenseite (geneigte Seitenwand) 107a, welche sich zu der Seitenwand 102a fortsetzt, welche die Zuführungsöffnung 102 definiert, auf dem Zylinder 100 ausgebildet {die Seitenwand 102a ist diejenige, auf der Seite (welche nachstehend als "Schneideseite" bezeichnet wird), zu welcher sich ein Abschnitt der Außenumfangsseite 116, welche kurzzeitig von der Zylinderinnenseite 107 an der Zuführungsöffnung 102 hinterlassen wurde, wieder der Zylinderinnenseite 107 annähert, während die Schnecke 110 sich dreht}. Diese Zuführungsöffnung 102 weist einen rechteckigen horizontalen Querschnitt auf und die Größe der Öffnung (welche eine Breite in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Zylinders 100 ist) ist gleich oder größer als der Innendurchmesser des Zylinders 100.
- Insbesondere ist gemäß Darstellung in Fig. 13 und 14 die Druckstange 116, welche (gemäß Darstellung durch den Pfeil 163) durch eine Reziprok-Antriebsquelle 162 hin und her bewegt wird und eine Spitze 161 aufweist, die bei der Form (Kreisbogen), die der Außenumfangsoberfläche 116 der Schnecke entspricht, ausgebildet ist, bei der Zuführungsöffnung 102 vorgesehen, welche in dem Zylinder 100 der Schneckeneinheit 1 vorgesehen ist. Die Druckstange 160 ist entlang dem Umfang 102a (Fig. 13) auf der Schneideseite der Zuführungsöffnung 102 oder des Umfangs 102b (Fig. 14) dem Umfang 102a gegenüberliegend angeordnet.
- Demzufolge werden, wenn die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450 in die Schnecke 110 unter Drehung von der Zuführungsöffnung 102 aus eingeführt werden und die Druckstange 160 durch die Reziprok-Antriebsquelle 162 hin- und her bewegt wird, die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450, welche auf der Oberfläche 116 der Schnecke festgehalten werden, unter Zwang durch die Druckstange 160 in den Kanal 119 der Schnecke gedrückt.
- Ferner ist in dem Hohlabschnitt (Zylinderinnenfläche) 107 der die Schnecke 110 lagert, in der Nähe der Zuführungsöffnung 102 ein vergrößerter Hohlraumabschnitt (Einführungsraum) 108 ausgebildet, und dieser vergrößerte Hohlraumabschnitt 108 ist in einem Bereich an der Innenfläche 107 auf der Schneideseite des Hohlraumabschnittes bevorzugt nach oben bis unter die Achsenmitte 117 der Schnecke ausgebildet. Die Querschnittsform des vergrößerten Hohlraumabschnittes 108 ist auf die Form festgelegt, welche sich von dem Abschnitt der Zylinderinnenfläche nach außen erstreckt, an welchem der vergrößerte Hohlabschnitt 108 nicht ausgebildet ist. Die Querschnittsform des vergrößerten Hohlraumabschnittes 108 in der Richtung senkrecht zur Achsenmitte 117 der Schnecke ist auf die Form eines Kreisbogens festgelegt und wird allmählich und nach unten gerichtet kleiner.
- Wenn die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450 in den Kanal 119 der Schnecke durch das Drücken der Stange 160 gedrückt werden, zu der Innenfläche 107a der Schnittseite bewegt werden, werden sie sanft in den vergrößerten Hohlabschnitt 108 gedrückt und danach zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke durch die Rotation der Schnecke 110 transportiert. Ferner werden insbesondere in dem in Fig. 13 dargestellten Fall die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450, die durch die Druckstange 160 eingedrückt werden, sanfter in den vergrößerten Hohlraum 108 an der Schneideseite gedrückt, und danach zu der Spitze 110b der Schnecke durch die Rotation der Schnecke 110 transportiert.
- Die Oberkante der Zylinderinnenfläche 107a, welche den vergrößerten Hohlabschnitt 108 definiert, ist sanft zu der Unterkante des Umfangs 102a, welcher die Zuführungsöffnung 102 definiert fortgesetzt. Die reziproke Antriebsquelle 162 kann diejenige sein, welche die Druckstange 160 vibrierend bewegt.
- Durch die Verwendung der mit der Druckstange 160 und dem Einführungsraum 108 versehenen vorstehenden Schneckeneinheit 1 werden die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450, welche in die Zuführungsöffnung 102 eingeführt werden, sicher sanft und stabil in den Transportraum für den Knetvorgang eingeführt, welcher zwischen der Zylinderinnenfläche und der Schneckenaußenfläche ausgebildet ist, ohne eine Trennung durch den Führungsvorgang des Einführungsraumes 108 und durch den Druckvorgang der Druckstange 160 zu bewirken. Daher wird die Verteilbarkeit der Verstärkungsfasern in den geformten Artikeln weiter verbessert und zusätzlich die Füllrate der Fasern weiter stabilisiert. Ferner kann, da die noch längeren Verstärkungsfasern verwendet werden können, die Länge der Verstärkungsfasern in dem geformten Artikel noch länger gehalten werden und auch die Verteilbarkeit kann in einem besseren Zustand gehalten werden und die Füllrate der Fasern kann ebenfalls stabilisiert werden.
- Im folgenden wird der Betrieb der Schneckeneinheit 1 erläutert.
- Wenn sich der Motor 21 und der Stangenantriebsmechanismus 162 der Schneckeneinheit 1 im Antriebszustand befinden, werden die in die Zuführungsöffnung 102 von dem Mischer 4 eingeführte Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450 zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 transportiert. In diesem Beispiel bewegen sich, da die Schnecke 110 eine vollständig durchgängige Schnecke ist, die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450 durch die Zuführungszone 113, die Kompressionszone 114 und die Dosierungszone 115 der Schnecke 110 in dieser Reihenfolge. Während dieser Bewegung der Pellets wird die Harzschmelze 241 aufgrund der Erwärmung durch die Zylinderheizung 130 und die Wärmeerzeugung (Reibungswärme) durch die Scherungswirkung in dem geschmolzenen (plastifizierten) Zustand gehalten und ferner erfolgt das Kneten der Verstärkungsfasern 450 und der Harzschmelze 241 durch die Schnecke 110.
- Da in der Schneckeneinheit 1 das Verdichtungsverhältnis durch die Schnecke 110 auf 4 oder darunter und ferner die scheinbare Scherungsrate auf 100 s&supmin;¹ eingestellt ist, nimmt die Möglichkeit eines Bruches der Verstärkungsfasern während des Knetvorgangs ab und der Bruchanteil der Verstärkungsfasern in dem Knetprodukt nimmt ebenfalls ab. Zusätzlich kann, da die Scherungsrate und das Kompressionsverhältnis in der Schneckeneinheit auf sehr niedrige Werte unabhängig von denen in dem Schmelzextruder 2 eingestellt sind, die Chance, daß die Verstärkungsfasern beim Kneten zerschnitten werden, weiter verringert werden, und die Verstärkungsfasern können auf der noch größeren Länge gehalten werden.
- Ferner wird, wenn die Schnecke 110 mit dem vorstehend erwähnten Mischkopf 140 daran angebaut verwendet wird, selbst dann, wenn der Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in dem geschmolzenen Knetprodukt, welches die Spitze 110b der Schnecke 110 erreicht, unzureichend ist, der Verteilungszustand verbessert, während das geschmolzene Knetprodukt den Mischkopf 140 passiert, aber die Verstärkungsfasern während dieser Periode kaum gebrochen. Daher kann sogar dann, wenn das Kompressionsverhältnis und die scheinbare Scherungsrate in der Schneckeneinheit 1 auf einen niedrigeren Pegel eingestellt werden, die Verteilbarkeit der Verstärkungsfasern in der Harzschmelze sichergestellt werden und die Verstärkungsfasern in der Harzschmelze in einem Zustand größerer Länge gehalten werden.
- Wenn der Transport der Harzschmelze durch die Schnecke 110 fortschreitet, wird die die Verstärkungsfasern enthaltene Harzschmelze in dem Speicherabschnitt 105, welcher an der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 vorhanden ist, gespeichert und die Schnecke 110 (und der Mischkopf 140) bewegen sich abhängig von der Speichermenge nach hinten. Wenn diese Speichermenge einen Anteil erreicht, der bezogen auf die Menge des Harzes, welches den faserverstärkten Harzartikel bilden soll, festgelegt ist, wird die Rotation der Schnecke 110 durch den Motor 121 gestoppt. Anschließend wird die Schnecke 110 in der Längsrichtung durch die Preßeinheit 122 gedrückt und die in dem Speicherbereich 105 gespeicherte Verstärkungsfasern enthaltende Harzschmelze aus dem Auslaß 103 in den Formhohlraum 150 eines Formenpaares 151 eingespritzt, das mit der Formpreßeinheit 152 verbunden sind.
- Wenn der Einspritzvorgang durch die Schneckeneinheit 1 abgeschlossen ist und die Schnecke 110 in den Ausgangszustand zurückkehrt, wird eine Serie der vorstehenden Operationen wiederholt.
- Wenn unter Verwendung der Schneckenvorrichtung (Schneckeneinspritzvorrichtung) mit dem vorstehenden Aufbau, eine Verstärkungsfasern enthaltende thermoplastische Harzschmelze, welche beispielsweise Polypropylenharz und eine Glasfaser aufweist, druckgeformt wird, indem diese in einen Formhohlraum 150 der Einspritzformmaschine unter den vorstehenden verschiedenen Bedingungen (Zuführungsrate: 10 kg/min) eingespritzt wird, beträgt ein gemittelte Länge der Verstärkungsfasern in dem sich ergebenden faserverstärkten Harzartikel 3,5 mm oder mehr und der Verteilungszustand ist gut (sehr gleichmäßig). Die gemittelte Länge der Verstärkungsfasern ist in diesem Falle extrem länger als die durch herkömmliche Verfahren erzielte und der Verteilungszustand ist ebenfalls verbessert.
- Im folgenden wird der Betriebsablauf (die Schritte zur Formung faserverstärkter Harzartikel) der in Fig. 5 dargestellten Schneckenvorrichtung im Detail in Verbindung mit dem in Fig. 15 dargestellten Flußdiagramm beschrieben. Dieser Betriebsablauf wird von einer Computersteuerung gesteuert.
- Wenn die vorstehende Vorrichtung gestartet wird, wird ein thermoplastisches Harzmaterial (z. B. Polypropylen-Harzmaterial) in den Schmelzextruder 2 eingeführt, und wenn die Ausgabe der Harzschmelze aus dem Auslaß 203 beginnt, beginnt der Glasseidenstrangschneider 5 zu arbeiten und Verstärkungsfasern 450 werden über die Fläche der aus dem Auslaß 203 nach unten strömenden Harzschmelze verteilt und haften an der Harzschmelze 241 an (Schritt 81). Wenn beispielsweise ein Polypropylenharz als thermoplastisches Harz und Glasfasern für die Verstärkungsfasern verwendet werden, wird die Zuführungsrate der Glasfasern auf 10 kg/min. und die Füllrate der Glasfasern in der Harzschmelze auf 30 Gewichtsprozent eingestellt.
- Gleichzeitig wird der Betrieb der Schneckeneinheit 1 gestartet und die Schneckenantriebseinheit 120 und die reziproke Antriebsquelle 162 befinden sich im Antriebszustand. Somit werden die Harzschmelze 241 und die Verstärkungsfasern 450, welche in die Zuführungsöffnung 102 eingeführt werden, zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 transportiert. Während der Dauer dieses Transports erfolgt das Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze.
- Da in diesem Falle das Kompressionsverhältnis der Schnecke 110 auf 4 oder darunter und die scheinbare Scherungsrate auf 100 s&supmin;¹ oder darunter eingestellt ist, ist der Bruchanteil der Verstärkungsfasern niedriger als bei den herkömmlichen Verfahren.
- Wenn der Transport der Harzschmelze und der Fasern durch die Schnecke 110 fortschreitet, werden diese auf der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110 gespeichert und die Schnecke 110 bewegt sich abhängig von der Speichermenge von diesen nach hinten. Wenn diese Speichermenge eine vorbestimmte Menge im Bezug auf die Menge des Harzes erreicht, welche den faserverstärkten Artikel bildet, wird die Rotation durch die Schneckenantriebseinheit 120 gestoppt (Schritt 82) und danach die Schnecke 110 in der Längsrichtung durch die Schneckenantriebseinheit 120 gedrückt, um die gespeicherte Verstärkungsfasern enthaltende Harzschmelze in eine (nicht dargestellte) Form zu pressen (Schritt 83).
- Gleichzeitig mit dem Stopp der Rotation der Schnecke 110 wird die Rotation der Rotationsantriebseinheit 220 gestoppt und der Betrieb des Glasseidenstrangschneiders 5 gestoppt. Demzufolge wird in dem Stoppzustand der Schnecke 110 die Einführung der Harzschmelze 241 und der Verstärkungsfasern 450 in die Zuführungsöffnung 102 gestoppt.
- Normalerweise kann selbst dann, wenn die Rotation der Schnecke 210 in dem Schmelzextruder gestoppt wird, die Ausgabe der Harzschmelze 241 aus dem Auslaß 203 nur mit Schwierigkeiten sofort gestoppt werden. Daher ist gemäß Darstellung in Fig. 5 der Verschluß 470 zum Abfangen des Flusses der Harzschmelze 241 in dem Schutzrohr 106 vorgesehen, so daß dieser synchron mit dem Abschaltventil 250, welches am Auslaß 203 des Schmelzextruders vorgesehen ist, betätigt werden kann.
- Zum Zeitpunkt der Einführung der Harzschmelze 241, werden das Abschaltventil 250 und der Verschluß 470 geöffnet (Schritte 80, 84) und wenn die Schnecke 110 gestoppt wird, wird das Abschaltventil 250 und der Verschluß 470 geschlossen (Schritt 821). Mit einer derartigen Konstruktion ist es möglich, das Problem zu lösen, daß überschüssige Harzschmelze 241 und Verstärkungsfasern 450 von der Zuführungsöffnung 102 aus eingeführt werden, während die Schnecke 110 gestoppt ist.
- Wenn der Einspritzvorgang durch die Schneckeneinheit 1 abgeschlossen ist und die Schnecke 110 in den Ausgangszustand zurückkehrt, werden das Abschaltventil 250 und der Verschluß 470 geöffnet und eine Reihenfolge der vorstehend erwähnten Operationen wiederholt.
- In dem Falle, bei dem der Auslaß 203 des Schmelzextruders 2 auf eine flache rechteckige Form eingestellt ist und der Fallbereich der Verstärkungsfasern 450 nahezu mit der Seitenbreite der aus Auslaß 203 ausgegebenen Harzschmelze 241 übereinstimmt, werden die Verstärkungsfasern 450 gleichmäßig auf der Harzschmelze 241 verteilt (haften an). Daher sind die Verstärkungsfasern ebenfalls gleichmäßig in dem faserverstärkten Harzartikel verteilt, welcher durch eine Folge der vorstehenden Operationen geformt wird.
- Wenn gemäß Darstellung in Fig. 4 ein Akkumulator 3 mit dem Schmelzextruder 2 verbunden ist, kann der Schmelzextruder 2 kontinuierlich unabhängig von dem Betrieb der Schneckeneinheit 1 arbeiten. Wenn die Ausgabe der Harzschmelze 241 aus dem Auslaß des Akkumulators beginnt, startet der Glasseidenstrangschneider 5 seinen Betrieb und die Verstärkungsfasern 450 werden auf die Fläche der nach unten strömenden Harzschmelze 241 verteilt (haften an). Die nachstehenden Operationen sind dieselben wie die vorstehenden.
- In dem vorstehenden Beispiel erfolgte die Erläuterung hauptsächlich für den Fall, bei dem die Schneckenvorrichtung eine Schneckeneinspritzvorrichtung ist, wobei die Schneckenvorrichtung jedoch auch eine Schneckenextrusionsvorrichtung gemäß Darstellung in Fig. 16 sein kann. Die in Fig. 16 dargestellte Schneckenextrusionsvorrichtung ist dieselbe wie die in Fig. 4 dargestellte Injektionsvorrichtung mit der Ausnahme, daß die erstere nur einen Einschnecken-Extruder aufweist, der mit nur einer Schnecke 110 versehen ist, daß die Antriebseinheit 120 nicht mit einer Druckeinheit 122 versehen ist, daß die Schnecke 110 keine sich hin und herbewegende Schnecke ist, und daß eine Düse 153 mit der Spitze 100b des Zylinders 100 verbunden ist. Wenn ein thermoplastisches Harz und Verstärkungsfasern der in Fig. 16 dargestellten Schneckenextrusionsvorrichtung zugeführt werden, erfolgt ebenfalls ein Kneten der Verstärkungsfaser und der Harzschmelze durch die Schnecke 110 unter Erhalt des geschmolzenen (plastifizierten) Zustand des thermoplastischen Harzes während des Transports zu der Seite der Spitze 110b der Schnecke 110. Da nur das Kneten der Verstärkungsfasern und der Harzschmelze durch die Schnecke 110 in der Schneckeneinheit 1 stattfindet, wird es möglich, das Verdichtungsverhältnis und die scheinbare Scherungsrate niedriger als die im Schlmelzextruder2 zu machen, und es wird möglich, faserverstärkte Harzpellets usw. mit einem sehr gleichmäßigem Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Beibehaltung langer Faserlängen zu erhalten. Ferner wird es möglich, sehr lange Faserlängen zu verwenden, welche bisher schwierig zu verwenden waren und faserverstärkte Harzpellets usw. mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Beibehaltung der langen Fasern zu erzielen, welche bisher durch die herkömmlichen Verfahren nicht erzielt werden konnten.
- Mit der Schneckeneinheit (Schneckeneinspritzmaschine, Schneckenextruder) wird es möglich, faserverstärkte Harzartikel mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern unter Beibehaltung einer längeren Faserlänge als der in herkömmlichen Verfahren zu erzielen, selbst wenn faserverstärkte Harzpellets verwendet werden, und ferner ist es möglich, faserverstärkte Harzpellets mit einem sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern mit langen Verstärkungsfasern zu erzielen, welche durch die herkömmlichen Verfahren bisher nicht erzielt werden konnten.
- Ferner wird es durch die Verwendung der Mischeinheit und des Verfahrens (Einspritzverfahrens, Extrusionsverfahrens) der vorliegenden Erfindung zum Zuführen einer Verstärkungsfasern enthaltenden thermoplastischen Harzschmelze möglich, faserverstärkte Harzartikel und faserverstärkte Harzpellets zu erzielen, welche bisher nicht durch die herkömmlichen Verfahren bisher erzielt werden konnten, und ferner wird es möglich einen sehr gleichmäßigen Verteilungszustand der Verstärkungsfasern in diesen Artikeln und Pellets zu erzielen.
- Demzufolge ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, faserverstärkte Harzartikel zu erhalten, welche insbesondere für solche nützlich sind, welche eine hohe Stoßfestigkeit erfordern, wie z. B. Paneele für die Betonformung, da die Länge der Verstärkungsfasern in dem Verstärkungsfasern enthaltenden Harzartikel lang genug ist, um eine ausreichende Festigkeit und insbesondere Stoßfestigkeit zu erzielen.
Claims (15)
1. Mischeinheit, mit:
einem Schmelzextruder (2), welcher einen Zylinderraum
(200), welcher einen Harzmaterialeinlaß (202) besitzt,
welcher an einer ersten Endabschnittsseite (200a) davon
angeordnet ist und einen Harzschmelzeauslaß (203), der an
einer zweiten Endabschnittsseite (200b) angeordnet ist,
wobei der zweite Endabschnitt (200b) dem ersten
Endabschnitt (200a) gegenüberliegt, eine Extrudereinrichtung,
die innerhalb des Zylinderraums (200) angeordnet ist,
eine Antriebseinheit (220), die mit der Extrudereinheit
verbunden ist, und eine Zylinderraumheizung (230) zum
Heizen des Zylinderraums (200) aufweist; und
einen Mischer (4), welcher mit dem Harzschmelzeauslaß
(203) verbunden ist, welcher einen
Verstärkungsfasereinlaß (404) besitzt, welcher einen Raum ausbildet, durch
welchen Verstärkungsfasern, welche von dem
Verstärkungsfasereinlaß (404) aus eingeführt werden, aufgrund der
Schwerkraft zusammen mit der aus dem Harzschmelzeauslaß
extrudierten Harzschmelze fließen, und dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Mischer zumindest ein Teil der
Verstärkungsfasern an der Harzschmelze anhaftet, die
aufgrund der Schwerkraft in einen offenen Raum fließt.
2. Mischeinheit nach Anspruch 1, wobei der Mischer (4)
ferner aufweist:
eine Düse (400), welche mit einer ersten Öffnung
(401) versehen ist, die mit Harzschmelzeauslaß (203)
verbunden ist, und mit einer zweiten Öffnung (402) welche an
einer Boden- oder Seitenfläche davon angeordnet ist und
mit der ersten Öffnung (401) über einen Harzkanal (403)
in Verbindung steht, wobei die zweite Öffnung (402) mindestens
eine Öffnung ist, die aus einer aus einem
rechteckigen Loch, einem ringförmigen Loch bestehenden Gruppe
kleiner Löcher ausgewählt ist; und
eine Rutsche zum Führen der vom dem
Verstärkungsfasereinlaß aus zugeführten Verstärkungsfasern so, daß sie
die von der Düse (400) extrudierte und nach unten
fließende Harzschmelze umgeben.
3. Mischeinheit nach Anspruch 1, wobei der Mischer (4)
ferner eine Düse (400), welche mit einer ersten Öffnung
(401), die mit dem Harzschmelzeauslaß (203) verbunden
ist, eine zweite Öffnung (402), die an einem Boden davon
vorgesehen ist und mit der ersten Öffnung (401) über
einen Harzkanal (403) in Verbindung steht, wobei die zweite
Öffnung (402) ein ringförmiges Loch ist, eine dritte
Öffnung (404), welche als der Verstärkungsfasereinlaß (404)
funktioniert, und eine vierte Öffnung (405) aufweist,
welche im Inneren der zweiten Öffnung (402) vorgesehen
ist und mit dem Verstärkungsfasereinlaß (404) über einen
Faserkanal (406) in Verbindung steht.
4. Mischeinheit nach Anspruch 1, wobei der Mischer (4)
ferner aufweist:
eine Düse (400), versehen mit einer ersten Öffnung
(401), welche mit dem Harzschmelzeauslaß (203) verbunden
ist, einer zweiten Öffnung (402), welche in ihrem Boden
vorgesehen ist und mit der ersten Öffnung (401) über
einen Harzkanal (403) in Verbindung steht, wobei die zweite
Öffnung (402) ein ringförmiges Loch ist, einer dritten
Öffnung (404), welche als der Verstärkungsfasereinlaß
(404) funktioniert, und einer vierten Öffnung (406),
welche im Inneren der zweiten Öffnung (402) angeordnet ist
und mit dem Verstärkungsfasereinlaß (404) über einen
Faserkanal (406) in Verbindung steht;
eine Düsenheizung (410), um die Düse (400) auf einer
gegebenen Temperatur zu halten; und
ein Walzenpaar (420), welches unter der zweiten (402)
und vierten (405) Öffnung angeordnet ist und eine
ringförmige Harzschmelze, welche aus der Düse (400)
extrudiert wird und nach unten fließt, zusammen mit
Verstärkungsfasern, welche sich innerhalb der ringförmigen
Harzschmelze befinden zusammendrückt, um eine lagenartige
Harzschmelze zu erhalten, welche die Verstärkungsfasern
dazwischen eingeschlossen hat.
5. Mischeinheit nach Anspruch 4, wobei der Mischer (4)
ferner aufweist:
einen Harzschneider (430) der zwischen der Düse (400)
und den Walzen (420) angeordnet ist, um die aus der Düse
extrudierte und nach unten fließende ringförmige
Harzschmelze abzuschneiden;
einen Trichter (440), um die Verstärkungsfasern (450)
zu dem Verstärkungsfasereinlaß (404) zu führen; und
ein Ventil (460) zum Einstellen eines Druckes der
Harzschmelze, welche durch den Harzkanal (403) in die
Düse (400) fließt.
6. Mischeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der
Mischer (4) ferner einen Faserschneider (5) zum Schneiden
langer Verstärkungsfasern aufweist, um Verstärkungsfasern
mit einer vorgegebenen Länge zu erhalten und dann die
Verstärkungsfasern in einem verstreuten Zustand in den
Verstärkungsfasereinlaß (404) einzugeben, wobei der
Faserschneider (5) über dem Verstärkungsfasereinlaß (404)
angeordnet ist.
7. Mischeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der
Schmelzextruder (2) ein Einschnecken-Extruder mit einer
Extrusionsschnecke (210) ist und die Antriebseinrichtung
(220) einen Motor (221) zum Drehen der Extrusionsschnecke
(210) aufweist.
8. Mischeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche
ferner einen Akkumulator (3) aufweist, der zwischen dem
Schmelzextruder (2) und dem Mischer (4) angeordnet ist
und einen Akkumulatoreinlaß (302) besitzt, der mit dem
Harzschmelzeauslaß (203) verbunden ist, und einen
Akkumulatorauslaß (303), der mit dem Mischer (4) verbunden ist.
9. Verfahren zum Zuführen einer Verstärkungsfaser
enthaltenden Harzschmelze (241) mittels einer Schneckeneinheit (1)
dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt zum Anhaften
zumindest eines Teils der Verstärkungsfasern (450) an der
Harzschmelze (241), welche aufgrund der Schwerkraft in
der Mischeinheit gemäß Anspruch 1 nach unten fließt,
einen Schritt zum Zuführen der Verstärkungsfasern (450) und
der Harzschmelze (241), an welcher zumindest ein Teil der
Verstärkungsfasern (450) anhaftet, zu einer
Zuführungsöffnung der Schneckeneinheit; einen Schritt zum Kneten
der Harzschmelze und der Verstärkungsfasern durch eine
Schnecke der Schneckeneinheit und zum Zuführen der sich
ergebenden Verstärkungsfaser enthaltenden Harzschmelze
aus einem Auslaß der Schneckeneinheit aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiter einen Schritt
zum Schneiden langer Verstärkungsfasern mittels eines
Faserschneiders, um Verstärkungsfasern (450) mit einer
vorgegebenen Länge zu erhalten, und zum direkten Zuführen
der Verstärkungsfasern in einem verstreuten Zustand aus
dem Faserschneider aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Harzschmelze
(241) in einer Form eines Streifens nach unten fließen
kann und zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern (450)
an der Harzschmelze (241) in einem Bereich davon, welcher
nach unten fließt, anhaften kann.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Harzschmelze
(241) in einer Form einer Gruppe von Schnüren oder Stäben
mit einem Raum dazwischen nach unten fließen kann und
zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern an der
Harzschmelze (241) in einem Bereich davon, welcher nach unten
fließt, anhaftet.
13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Harzschmelze
(241) in einer Form eines Schlauches nach unten fließen
kann und zumindest ein Teil der Verstärkungsfasern (450)
an der Harzschmelze (241) anhaftet, während die
Verstärkungsfasern aufgrund der Schwerkraft im Inneren der
schlauchförmigen Harzschmelze nach unten fallen.
14. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Harzschmelze
(241) in einer Form eines Schlauches nach unten fließen
kann, die Verstärkungsfasern (450) aufgrund der
Schwerkraft in das Innere der schlauchförmigen Harzschmelze
fallen, die schlauchförmige Harzschmelze zusammen mit den
Verstärkungsfasern, welche sich innerhalb der
schlauchförmigen Harzschmelze befinden, zusammengepreßt wird, um
eine lagenartige Harzschmelze zu erhalten, welche die
Verstärkungsfasern (450) zwischen den Harzschmelzelagen
eingeschlossen hat, und die sich ergebende lagenartige
Harzschmelze der Zuführungsöffnung der Schneckeneinheit
zugeführt wird.
15. System mit der Mischeinheit gemäß einem der Ansprüche 1
bis 8 und einer Schneckenvorrichtung mit einer
Schneckeneinheit (1).
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