繊維強化熱可塑性樹脂製歯車
【課題】機械的強度が強く、長期間の疲労にも耐え、しかも製造方法が容易で生産コストの経済的な樹脂製歯車を提供する。
【解決手段】繊維強化熱可塑性樹脂製歯車において、歯の部分に重量平均繊維長が０．５ｍｍ以上である強化繊維を配向させる。また、強化繊維がガラス繊維、玄武岩繊維又は炭素繊維から選ばれた少なくとも１つの繊維を含み、熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂又はポリウレタン樹脂から選ばれた少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする。
【解決手段】繊維強化熱可塑性樹脂製歯車において、歯の部分に重量平均繊維長が０．５ｍｍ以上である強化繊維を配向させる。また、強化繊維がガラス繊維、玄武岩繊維又は炭素繊維から選ばれた少なくとも１つの繊維を含み、熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂又はポリウレタン樹脂から選ばれた少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維強化された熱可塑性樹脂製歯車に関する。
【背景技術】
【０００２】
長繊維強化熱可塑性樹脂は樹脂の強度を金属に近づける特徴を有し、今までに多種にわたる成形品に応用されてきている。金属から熱可塑性樹脂へ素材を変更することで、大幅な軽量化が実現され、更には金属加工と異なって、熱可塑性樹脂は射出成形により大量生産が可能で製造コストも劇的に軽減できる。しかし、繊維で強化されることで強度は向上するが、それだけではまだ不十分である。特許文献―１には射出成形時に２方向から射出することで、樹脂が合流するところにウエルドが発生し、そこでは強化繊維が配向し、驚異的な強度が実現されるとある。しかし、歯車のような複雑な構造を有する成形品にはその技術を応用することは難しい。
【０００３】
また、特許文献―２には、繊維強化された熱可塑性樹脂による歯車が提案されているが、特に繊維に配向を持たせるような思想は提案されていない。歯車はその使用方法からも容易に想定されるが、歯の部分には長期間にわたる疲労がかかり、樹脂製歯車の応用範囲は非常に限られたものである。
【特許文献１】特開２００３−２００４５２号公報
【特許文献２】特開平８−２４４１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、機械的強度が強く、長期間の疲労にも耐え、しかも製造方法が容易で生産コストの経済的な樹脂製歯車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、樹脂製歯車の歯の部分に強化繊維を配向させることで、繊維強化熱可塑性樹脂製歯車の機械的強度が向上し、更には長期間の疲労にも耐えることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
従って、本発明は、歯の部分において重量平均繊維長が０．５ｍｍ以上である強化繊維が配向している繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供することにある。
【０００７】
また本発明は、強化繊維がガラス繊維、玄武岩繊維又は炭素繊維から選ばれた少なくとも１つの繊維を含むことを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供する。
【０００８】
更に本発明は、熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂又はポリウレタン樹脂から選ばれた少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車提供する。
【０００９】
また更に本発明は、長さ３〜５０ｍｍの強化繊維が長さ方向に配列し、繊維含量が５重量％以上、７０重量％未満である長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを少なくとも含む樹脂組成物を射出成形により成形された前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供する。
【００１０】
また本発明は更に、射出成形において歯車の歯の先端に樹脂だめを設けて射出成形することを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車提供する。
【００１１】
更に本発明は、歯の中央部分に窪みを有することを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車によれば、機械的強度の高い、しかも長期間の使用に耐えうる金属に代わる樹脂製歯車を経済的に大量生産することを可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明において、強化繊維を包含するマトリックス樹脂としては、一般に市販されている樹脂であれば全て使用可能である。しかし成形加工上の取扱いや繊維強化樹脂ペレットの製造における取扱い易さの点で、熱可塑性樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂として更に好ましいものとしては、長繊維強化樹脂の場合を考慮した場合には、射出成形グレードとして市販されているものの中でも、比較的溶融粘度が低い方が本発明の効果をより大きく発揮する。その理由は、マトリックス樹脂の溶融粘度が高いと、成形時において可塑化される際の剪断や、金型内での樹脂の流動により生じる剪断によって、強化繊維が折損しやすくなり、機械的強度の向上が著しく抑制され、強化繊維の配向制御の効果が大きく損なわれることである。
【００１４】
上記熱可塑性樹脂としては、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリル、ナイロン等のホモポリマー、コポリマーまたはホモポリマーとコポリマーの混合物であるもの、アクリロニトリル−スチレン共重合体樹脂(ＡＳ樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ樹脂）等のアロイ樹脂、或いは上記熱可塑性樹脂とアロイ樹脂の混合物が挙げられる。
【００１５】
本発明において、成形品である歯車に使用する繊維強化熱可塑性樹脂ペレットに含まれる強化繊維としては、樹脂の強化を目的とした充填材であって本発明に適したものであれば、全て使用可能であり、あらゆる公知の強化繊維またはそれに相当するものが使用できる。強化繊維としては、具体的には、ガラス、炭素、玄武岩、シリコンカーバイド、ボロン等の無機繊維；ステンレス等の金属繊維；アラミド、レーヨン、ナイロン、セルロース等の有機繊維；チタン酸カリウィスカー、シリコンカーバイドウィスカー、グラファイトウィスカー、窒化シリコンウィスカー、アルミナ−酸化ホウ素ウィスカー、酸化亜鉛ウィスカー等のウィスカー等からなる群から選ばれた少なくとも一種が挙げられる。強化繊維としては、少なくともマトリックス樹脂よりも高弾性のものを選択し、マトリックス樹脂の剛性を強化する働きの大きい繊維が好ましい。すなわちガラス、炭素及び玄武岩繊維が特に好ましい。これらの繊維は混合して使用することも可能である。
【００１６】
本発明において、強化繊維は、材質にもよるが、直径が０．１〜５０μｍ、好ましくは５〜３０μｍ、さらに好ましくは７〜２０μｍである。本発明において、成形用のペレットに含まれる強化繊維は、ペレット長さにもよるが、ペレット長よりも長くなることはなく、平均長さが０．１〜１００ｍｍ、好ましくは１〜５０ｍｍ、さらに好ましくは３〜３０ｍｍである。
【００１７】
ガラス繊維の種類としては、Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス、Ｃ−ガラス、ＡＲ−ガラス、Ｔ−ガラス、Ｄ−ガラス及びＲ−ガラス等の市販品が挙げられる。繊維強化熱可塑性樹脂のペレットを製造する場合には、ガラス繊維は、通常、複数のフィラメントを集めた束を、コイル状に巻きとった、いわゆるガラスロービングの形態をしたもの、ガラスロービングを所望の長さにカッティングした、チョップドストランドタイプのものとして利用できる。ガラス繊維径は、３〜４０μｍのものが適している。３μｍ未満では、ガラス含有量が多い場合、相対的にガラス繊維数が増すため樹脂の含浸が困難となり、４０μｍを超えると成形品の表面外観が著しく悪化する。最適なガラス繊維径は９〜２０μｍである。
【００１８】
ガラス繊維はカップリング剤を含む表面処理剤で表面処理されていてもよい。カップリング剤としてはアミノシラン、エポキシシラン、アミドシラン、アジドシラン、アクリルシランのようなシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤及びこれらの混合物が利用できる。これらの内、アミノシランとエポキシシランが好ましく、特にアミノシランカップリング剤が好ましい。複数のフィラメントを集めて束にするために使用するバインダーの種類も、特に限定されず、従来公知のものも含めて適切なものが使用できる。
【００１９】
本発明に使用される炭素繊維としては、サイジング剤で処理されたものが好ましい。サイジング剤で表面処理された炭素繊維の素材としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が挙げられ、好ましくはＰＡＮ系である。 炭素繊維は、多数の単糸が集束されたロービング状のものが市販されており、太さ、数、及び長さには特に制限はないが、一般に単糸径で７．５μｍ以下、好ましくは６μｍ以下、さらに好ましくは５．５μｍ以下のものが利用できる。 炭素繊維は、一般に、各種マトリックス樹脂との複合強化材料として利用され、マトリックス樹脂との接着性を良好にするために、電解処理や活性ガスによる気相表面処理などの表面活性化処理により表面にヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基などの官能基が導入されているものが好ましい。
【００２０】
本発明で用いられるサイジング剤で表面処理された炭素繊維としては、ストランド強度が好ましくは３５０kgf/mm２（３４３０ＭＰａ）以上、より好ましくは４００kgf/mm２（３９２０ＭＰａ）以上、さらに好ましくは４５０kgf/ mm２（４４１０ＭＰａ）以上であり、また、弾性率が２２tf/ mm２（２１６０００ＭＰａ）以上、好ましくは２４tf/ mm２（２３５０００ＭＰａ）以上、より好ましくは２８tf/ mm２（２７５０００ＭＰａ）以上のものが使用できる。
【００２１】
本発明に係る炭素繊維のサイジング剤として、複数のエポキシ基を有する脂肪族化合物を用いることができる。 上記脂肪族化合物とは、非環式直鎖状飽和炭化水素、分岐状飽和炭化水素、非環式直鎖状不飽和炭化水素、分岐状不飽和炭化水素、または上記炭化水素の炭素原子（ＣＨ３，ＣＨ２，ＣＨ，Ｃ）を酸素原子（Ｏ）、窒素原子（ＮＨ，Ｎ）、硫黄原子（ＳＯ３Ｈ、ＳＨ）、カルボニル原子団（ＣＯ）に置き換えた鎖状構造の化合物をいう。 また、本発明では、複数エポキシ基を有する脂肪族化合物において、２個のエポキシ基間を結ぶ鎖状構造を構成する炭素原子、複素原子（酸素原子、窒素原子等）の総数のうち最も大きい原子鎖を最長原子鎖といい、最長原子鎖を構成する原子の総数を最長原子鎖の原子数という。なお、最長原子鎖を構成する原子に結合した水素等の原子の数は総数に含めない。 側鎖の構造については特に限定するものではないが、サイジング剤化合物の分子間架橋の密度が大きくなりすぎないように抑えるために、架橋点となりにくい構造が好ましい。 サイジング剤化合物の有するエポキシ基が２つ未満であると、炭素繊維とマトリックス樹脂との橋渡しを有効に行うことができない。従ってエポキシ基の数は、炭素繊維とマトリックス樹脂との橋渡しを有効に行うために２個以上であることが好ましい。一方、エポキシ基の数が多すぎると、サイジング剤化合物の分子間架橋の密度が大きくなり、脆性なサイジング層となって結果としてコンポジットの引張強度が低下してしまうため、好ましくは６個以下、より好ましくは４個以下、さらに好ましくは２個が良い。さらにこの２個のエポキシ基が最長原子鎖の両末端にあるのがより好ましい。すなわち最長原子鎖の両末端にエポキシ基があることにより局所的な架橋密度が高くなることを防ぐので、コンポジット引張強度にとって好ましい。
【００２２】
エポキシ基の構造としては反応性の高いグリシジル基が好ましい。かかる脂肪族化合物の分子量は、樹脂粘度が低すぎる、あるいは高すぎることにより集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、８０以上３２００以下が好ましく、１００以上１５００以下がより好ましく、２００以上１０００以下がさらに好ましい。
【００２３】
本発明における複数エポキシ基を有する脂肪族化合物の具体例としては、例えば、ジグリシジルエーテル化合物では、エチレングリコールジグリシジルエーテル及びポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類、プロピレングリコールジグリシジルエーテル及びポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル類、１，４−ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ポリテトラメチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリアルキレングリコールジグリシジルエーテル類等が挙げられる。また、ポリグリシジルエーテル化合物では、グリセロールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル類、ソルビトールポリグリシジルエーテル類、アラビトールポリグリシジルエーテル類、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル類、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル類、脂肪族多価アルコールのポリグリシジルエーテル類等が挙げられる。
【００２４】
好ましくは、反応性の高いグリシジル基を有する脂肪族のポリグリシジルエーテル化合物である。更に好ましくは、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル類、アルカンジオールジグリシジルエーテル類等が好ましい。 複数のエポキシ基を有する脂肪族化合物において、最長原子鎖の原子数が２０以上であることが好ましい。すなわち該原子数が２０未満ではサイジング層内の架橋密度が高くなるために靭性の低い構造になりやすく、結果としてコンポジット引張強度が発現しにくい場合がある。それに対して最長原子鎖の原子数が大きいとサイジング層が柔軟で靭性の高い構造になりやすいので結果としてコンポジット引張強度が向上しやすく、特に脆い樹脂での引張強度が高いという特長を有するので、より好ましくは最長原子鎖の原子数で２５以上、さらに好ましくは３０以上がよい。ただし最長原子鎖の原子数は大きいほど柔軟な構造になるが、長すぎると折れ曲がって官能基を封鎖してしまい、結果として炭素繊維と樹脂との接着力が低下してしまう場合があるので好ましくは、原子数で２００以下、より好ましくは１００以下がよい。 脂肪族化合物に環状脂肪族骨格を含む場合には、エポキシ基が環状骨格から十分離れていれば、具体的は、原子数で６以上あれば用いることができる。 本発明においては、エポキシ基と芳香環の間の原子数が６以上であるエポキシ基を複数有する芳香族化合物もサイジング剤として用いることができる。エポキシ基と芳香環の間の原子数とは、エポキシ基と芳香環の間を結ぶ鎖状構造を構成する炭素原子、複素原子（酸素原子、窒素原子等）、カルボニル原子団の総数をいう。この場合の直鎖状構造としては前記した鎖状構造と同様のものである。
【００２５】
サイジング剤としてエポキシ基と芳香環との間の原子数が６に満たないと、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に剛直で立体的に大きな化合物を介在させることになるため、炭素繊維の最表面に存在する表面官能基との反応性が向上せず、その結果コンポジットの横方向特性の向上が望めない。
【００２６】
アルキリデン基で繋がれた二つのフェノール環、即ちビスフェノールＡ部またはＦ部は、マトリックス樹脂との相溶性を向上させる効果と耐毛羽性を向上させる効果がある。エポキシ基と芳香環の間の原子数が６以上である複数エポキシ基を有する芳香族化合物の骨格が縮合多環芳香族化合物であってもよい。縮合多環芳香族化合物の骨格としては、例えばナフタレン、アントラセン、フェナントレン、クリセン、ピレン、ナフタセン、トリフェニレン、１，２−ベンズアントラセン、ベンゾピレン等が挙げられる。好ましくは、骨格の小さいナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレンである。 複数エポキシ基を有する縮合多環芳香族化合物のエポキシ当量は、接着性の向上効果を十分なものとする観点から、１５０〜３５０、さらには２００〜３００が好ましい。複数エポキシ基を有する縮合多環芳香族化合物の分子量は、樹脂粘度が高くなって集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、４００〜８００、さらには４００〜６００が好ましい。
【００２７】
本発明において、サイジング剤にはエピコート８２８、エピコート８３４といった分子量の小さいビスフェノール型エポキシ化合物、直鎖状低分子量エポキシ化合物、ポリエチレングリコール、ポリウレタン、ポリエステル乳化剤あるいは界面活性剤など他の成分を粘度調整、耐擦過性向上、耐毛羽性向上、集束性向上、高次加工性向上等の目的で加えてもよい。 さらに、ブタジエンニトリルゴム等のゴム、あるいはエポキシ末端ブタジエンニトリルゴムのようなエラストマー性のある直鎖状エポキシ変性化合物等を添加しても問題はない。このようなサイジング剤（ｓ）で表面処理された炭素繊維としては、市販品として、トレカＴ７００ＳＣ−２４０００−５０Ｃなどのトレカ（登録商標、東レ（株）社製）などが挙げられる。
【００２８】
また、本発明で使用する玄武岩繊維は、熱可塑性樹脂との接着性改良のために各種表面処理剤により処理したものが好ましい。
【００２９】
表面処理剤としてはシランカップリング剤が好ましく、シランカップリング剤としては、分子中にエポキシ基、ビニル基、アミノ基、メタクリル基、アクリル基、及び直鎖アルキル基のいずれか１つを有するシランカップリング剤などが使用できる。シランカップリング剤は１種でも良く、２種以上を混合して用いることもできる。シランカップリング剤の中でも、特に、分子中にエポキシ基、アミノ基、直鎖アルキル基を有するエポキシシラン系、アミノシラン系、直鎖アルキルシラン系が好適である。エポキシシラン系シランカップリング剤のエポキシ基としては、グリシジル基、脂環式エポキシ基等が好適であり、かかるシランカップリング剤としては、日本ユニカー（株）製Ａ−１８６、Ａ−１８７、ＡＺ−６１３７、ＡＺ−６１６５（以上、商品名）等が具体的に挙げられる。アミノシラン系シランカップリング剤としては、１級アミン、２級アミン或いはその双方を有するものが挙げられ、日本ユニカー（株）製Ａ−１１００、Ａ−１１１０、Ａ−１１２０、Ｙ−９６６９、Ａ−１１６０（以上、商品名）等が具体的に挙げられる。また、直鎖アルキルシラン系としては、ヘキシル基、オクチル基、デシル基を有するものが挙げられ、日本ユニカー（株）製ＡＺ−６１７１、ＡＺ−６１７７（以上、商品名）、信越シリコーン（株）製ＫＢＭ−３１０３Ｃ（商品名）等が具体的に挙げられる。中でもアミノシラン系が好ましい。特に、γ−アミノプロピルトリアルコキシシランは好適である。
【００３０】
本発明に使用される長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットのマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂であれば全ての樹脂が使用可能である。例えば、一般用ポリスチレン、耐衝撃性ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂等のポリスチレン系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等の熱可塑性ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル、塩素化ポリプロピレン等のハロゲン含有ポリオレフィン樹脂、６−ナイロン、６，６−ナイロン、４，６−ナイロン、１１−ナイロン、１２−ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエチルアクリレート樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂等のポリアクリル系樹脂、ポリスルホン酸系樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、液晶性芳香族ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等の汎用樹脂からスーパーエンプラまで全ての熱可塑性樹脂及びこれらの２種類以上からなるアロイ樹脂が使用可能である。アロイを形成する樹脂は、ここに挙げた熱可塑性樹脂に限定されるものではなく、周知の他の熱可塑性樹脂及びそれらの２種類以上のアロイ樹脂が使用可能である。
【００３１】
特に本発明の適用が好ましい熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド樹脂を挙げることができる。ポリオレフィン系樹脂として好ましいものは、マレイン酸等で変性されたポリオレフィン（酸変性量０．００１〜１重量％）である。かかる酸変性ポリオレフィンは、ポリオレフィンと酸変性ポリオレフィンをブレンドすることにより酸変性量を上記範囲に調整したものであってもよい。このような酸変性ポリオレフィンは、機械的物性の向上により効果的である。
【００３２】
ポリアミド樹脂としてはラクタムを開環重合させた６−ナイロン、１２−ナイロン、アミノカルボン酸を重縮合させた１１−ナイロン、ジアミンとジカルボン酸の重縮合体である４，６−ナイロン、６，６−ナイロン、６，１０−ナイロン、６，１２−ナイロン、ＭＸＤなどが挙げられる。中でも６−ナイロン、６，６−ナイロンが好ましい。
【００３３】
本発明の長繊維強化樹脂ペレットは、強化用連続繊維を引きながら熱可塑性樹脂を繊維に含浸させる引き抜き成形法により得られる。例えば、上記熱可塑性樹脂に必要に応じて樹脂添加剤を加えて、連続繊維をクロスヘッドダイを通して引きながら、熱可塑性樹脂を押出機から溶融状態でクロスヘッドダイに供給して強化用連続繊維に、熱可塑性樹脂を含浸させ、溶融含浸物を加熱し、冷却後、引き抜き方向と直角に切断して得られるので、該ペレットの長さ方向に強化繊維が同一長さで平行配列している。引き抜き成形は、基本的には連続した強化用繊維束を引きながら樹脂を含浸するものであり、上記クロスヘッドの中を繊維束を通しながら押出機等からクロスヘッドに樹脂を供給し含浸する方法の他に、樹脂のエマルジョン、サスペンジョンあるいは溶液を入れた含浸浴の中を繊維束を通し含浸する方法、樹脂の粉末を繊維束に吹きつけるか粉末を入れた槽の中を繊維束を通し繊維に樹脂粉末を付着させたのち樹脂を溶融し含浸する方法等が知られており、本発明ではいずれも利用できる。特に好ましいのはクロスヘッド方法である。また、これらの引き抜き成形における樹脂の含浸操作は１段で行うのが一般的であるが、これを２段以上に分けてもよく、さらに含浸方法を異にして行ってもかまわない。
【００３４】
強化繊維に、熱可塑性樹脂を含浸させる比率は、樹脂と強化繊維の合計中の強化繊維の重量比率が５重量％以上、７０重量％未満、好ましくは１０重量％以上、６５重量％未満、さらに好ましくは１５重量％以上、６０重量％未満である。 強化繊維の比率が上記範囲より少なすぎると複合材料としての所望の機械的物性が得られず、７０重量％以上では、樹脂の含浸が十分ではなく、繊維の毛羽立ち、ペレットの破損などが起こり、成形品の強度を維持することができない。
【００３５】
一般的な成形方法及び成形装置では、材料を可塑化する際にスクリュの回転によって生じる剪断が大きく、繊維を折損させてしまう確率が大きいため、使用可能ではあるが、あまり好ましくない。従って成形機メーカー各社の長繊維強化熱可塑性樹脂用に開発した可塑化システムを持つ成形機を用いる事が好ましい。また、繊維長を保護する成形条件としては、マトリックス樹脂に対して強化繊維を添加していない（非強化の）状態で成形する際の一般的可塑化温度より１０〜３０℃高めの温度設定とするなど、可塑化による剪断を低減する事が望ましい。更に金型及び／又はダイの設計においては、特に限定されるものではないが、樹脂の流路はその断面を出来得る限り広く設計し、また樹脂流路の形状についても検討した上で、圧力損失の低減された設計を施す事が繊維長を保護する上で望ましい。
【００３６】
ここで、長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを構成する熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂の場合、射出成形時の射出成形機シリンダー温度を３２０〜３４０℃に設定し、長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを構成する熱可塑性樹脂が酸変性ポリオレフィン樹脂の場合、射出成形時の射出成形機シリンダー温度を２８０〜３００℃に設定するのが好ましい。射出成形時の成形温度（シリンダー温度）を通常より高めに設定することにより、繊維と熱可塑性樹脂がより強固に結合し、射出成形後の成形品の機械的物性が著しく向上する。
【００３７】
歯車の射出成形において、樹脂だめを設けるときはすべての歯先に樹脂だめが必要である。樹脂だめの大きさは歯先に繊維が配向する大きさであることが必要である。歯の形状や大きさによって適正な値は異なる。概ね、歯先の体積の５〜２００％である。あまり小さいと繊維の配向は充分ではないし、２００％を超えると樹脂だめが邪魔になり成形が困難になる。また、必要以上に大きいとその部分は成形後削除するため、経済的ではない。樹脂だめを設ける目的は繊維の配向を充分にとるためであり、歯の体積の概ね５〜２００％の範囲でテストしながら金型を設計する必要がある。
【００３８】
また、歯に設ける窪みについては、歯の部分の面積の５〜５０％程度である。好ましくは、１０〜４５％、特に好ましくは１５〜４０％程度である。面積が５％未満では繊維の配向が充分ではなく、そのため機械的強度などは不十分である。面積が５０％を超えると、歯の部分の強度が下がることになる。また、窪みは歯の片面でもよいが両面に設けることが好ましい。窪みの大きさは歯車の歯の部分の厚みの１〜３０％であり、好ましくは２〜２５％、特に好ましくは４〜２０％である。この数値は両面に窪みを設けた場合の片面の深さを示すものであり、片面だけに窪みを設ける場合は、前記した数値の２倍となる。窪みの深さが１％未満では、繊維の配向が不十分であり、窪みの深さが３０％を超えると歯の強度が低下する。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
製造例１ ナイロン６６とガラス繊維のペレット
ガラス繊維は表面処理されたもので、径７μの繊維が２４０００本の連続繊維束を使用した。連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、ナイロン６６樹脂をクロスヘッドに接続された押出機から供給して、溶融状態（３２０℃）でガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、細断し、ガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのペレットを得た。
【００４１】
製造例２ ポリプロピレン（ＰＰ）とガラス繊維のペレット
ガラス繊維は表面処理されたもので、径７μの繊維が２４０００本の連続繊維束を使用した。含浸する樹脂はポリプロピレンと酸変性ポリプロピレン（マレイン酸１．０重量％変性）を重量比９５：５で混合したもの（樹脂全体に対する酸変性量０．０５重量％）を使用した。
【００４２】
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、酸基含有ポリオレフィン系樹脂をクロスヘッドに接続された押出機から供給して、溶融状態（２８０℃）でガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、細断し、ガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのペレットを得た。
【００４３】
製造例３ ポリプロピレンと玄武岩繊維のペレット
玄武岩繊維は、径１３μmの繊維が３７２０本の単位でγ―アミノプロピルトリアルコキシシラン（１重量％水溶液を使用）により表面処理をされたものを使用した。含浸する樹脂はポリプロピレンと酸変性ポリプロピレン（マレイン酸１．０重量％変性）を重量比９５：５で混合したもの（樹脂全体に対する酸変性量０．０５重量％）を使用した。
【００４４】
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、玄武岩繊維ロービングを引きながら、酸基含有ポリオレフィン系樹脂をクロスヘッドに接続された押出機から供給して、溶融状態（２８０℃）で玄武岩繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、細断し、玄武岩繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのペレットを得た。
（射出成形）
装置：（株）日本製鋼所製、Ｊ−１５０ＥII
（荷重試験）
試験装置：島津精密万能試験機 オートグラフＡＧ−２０００Ｇ（島津製作所株式会社製）
試験速度：３ｍｍ／ｍｉｎ
荷重の試験の状態は図１に示した。
（繊維長測定方法；重量平均繊維長）
成形品から約５ｇの試料を切出し、６５０℃で灰化して繊維を取り出す。取り出した繊維の一部（約１０００本）から重量平均繊維長を求めた。
（繊維の配向評価）
製作された歯車の歯の部分を繊維配向と直角に切断した試験片を６５０℃の電気炉で３時間焼成し、目視にて判定した。
【００４５】
実施例１
製造例１で作成したガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのナイロン６６樹脂ペレットを原料として、シリンダー温度３２０〜３４０℃、金型温度８０℃に設定した射出成形機（（株）日本製鋼所製、Ｊ−１５０ＥＩＩ）にて、外径（歯先から歯先までの外径）１２０ｍｍ、厚み１５ｍｍ、歯数１２の歯車（図２記載）をセンター部分に２箇所のゲートから射出成形した。歯先には樹脂だめそれぞれ１２箇所設定された金型を使用して、成形後の成形品は図３に示した歯先（歯の体積は約３０００ｍｍ３で、樹脂だめの容量は歯の体積の３０％である１０００ｍｍ３とした。ただし、窪みはないものである。）となり、成形品を冷却後に樹脂だめ部分は削除研磨してテスト使用した。
【００４６】
実施例２
製造例１で作成したガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのナイロン６６樹脂ペレットを原料として、シリンダー温度３２０〜３４０℃、金型温度８０℃に設定した射出成形機（（株）日本製鋼所製、Ｊ−１５０ＥＩＩ）にて、外径（歯先から歯先までの外径）１２０ｍｍ、厚み１５ｍｍ、歯数１２の歯車（図２記載）をセンター部分に２箇所のゲートから射出成形した。歯の部分は窪みが成形されるように凸部分が設定された金型を使用して、成形後の成形品は図４に示したように歯先部分にそれぞれ窪み部分を持った歯先となり、歯及び窪みの大きさは面積で５３ｍｍ２であり、歯の部分の面積（２１０ｍｍ２）の２５％であった。窪みの深さは概ね均一で２．５ｍｍであった。
【００４７】
実施例３
製造例２で作成したガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのポリプロピレン樹脂ペレットを原料として、射出成形機のシリンダー温度を２８０〜３００℃とした以外は実施例２と同様にして実施して、歯先に窪みを有する歯車を得た。
実施例４
製造例３で作成した玄武岩繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのポリプロピレン樹脂ペレットを原料として、射出成形機のシリンダー温度を２８０〜３００℃とした以外は実施例２と同様にして実施して、歯先に窪みを有する歯車を得た。
比較例１
樹脂だめや歯の部分の窪みもない金型を使用した以外は、実施例１と同様な操作を実施した。
比較例２
樹脂だめや歯の部分の窪みもない金型を使用した以外は、実施例３と同様な操作を実施した。
比較例３
樹脂だめや歯の部分の窪みもない金型を使用した以外は、実施例４と同様な操作を実施した。
【００４８】
評価結果
（耐久試験）
テストは歯車の耐久性を評価できるように、既存コンベアーの金属歯車の１つを前記実施例及び比較例で得られた樹脂製歯車に交換して３日間の連続運転を実施した後に歯車の状態を目視により評価した。実施例で得られた歯車は何れも損傷は見られなかったが、比較例の歯車は何れも歯の部分に数箇所の亀裂が生じていた。
また、実施例１、２、３、４で得られた歯車の樹脂に含まれる繊維長を測定した結果は表１に示した。
（機械物性評価）
それぞれの実施例、比較例で得られた歯車を図４に示したような荷重評価試験を実施した結果を表１に示した。
【００４９】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】歯車の荷重試験を示す図である。
【図２】成形された歯車の図である。
【図３】歯車の歯に樹脂だめがついた歯車の１部分を示す。
【図４】窪みを持った歯を図示した。
【符号の説明】
【００５１】
１ 荷重試験機の架台
２ 歯車の１部分の歯を荷重測定のために削除したもの
３ 樹脂だめを有する射出成形後の歯車の部分図
４ 窪みの立面図
５ 窪みの側面図
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維強化された熱可塑性樹脂製歯車に関する。
【背景技術】
【０００２】
長繊維強化熱可塑性樹脂は樹脂の強度を金属に近づける特徴を有し、今までに多種にわたる成形品に応用されてきている。金属から熱可塑性樹脂へ素材を変更することで、大幅な軽量化が実現され、更には金属加工と異なって、熱可塑性樹脂は射出成形により大量生産が可能で製造コストも劇的に軽減できる。しかし、繊維で強化されることで強度は向上するが、それだけではまだ不十分である。特許文献―１には射出成形時に２方向から射出することで、樹脂が合流するところにウエルドが発生し、そこでは強化繊維が配向し、驚異的な強度が実現されるとある。しかし、歯車のような複雑な構造を有する成形品にはその技術を応用することは難しい。
【０００３】
また、特許文献―２には、繊維強化された熱可塑性樹脂による歯車が提案されているが、特に繊維に配向を持たせるような思想は提案されていない。歯車はその使用方法からも容易に想定されるが、歯の部分には長期間にわたる疲労がかかり、樹脂製歯車の応用範囲は非常に限られたものである。
【特許文献１】特開２００３−２００４５２号公報
【特許文献２】特開平８−２４４１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、機械的強度が強く、長期間の疲労にも耐え、しかも製造方法が容易で生産コストの経済的な樹脂製歯車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、樹脂製歯車の歯の部分に強化繊維を配向させることで、繊維強化熱可塑性樹脂製歯車の機械的強度が向上し、更には長期間の疲労にも耐えることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
従って、本発明は、歯の部分において重量平均繊維長が０．５ｍｍ以上である強化繊維が配向している繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供することにある。
【０００７】
また本発明は、強化繊維がガラス繊維、玄武岩繊維又は炭素繊維から選ばれた少なくとも１つの繊維を含むことを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供する。
【０００８】
更に本発明は、熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂又はポリウレタン樹脂から選ばれた少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車提供する。
【０００９】
また更に本発明は、長さ３〜５０ｍｍの強化繊維が長さ方向に配列し、繊維含量が５重量％以上、７０重量％未満である長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを少なくとも含む樹脂組成物を射出成形により成形された前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供する。
【００１０】
また本発明は更に、射出成形において歯車の歯の先端に樹脂だめを設けて射出成形することを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車提供する。
【００１１】
更に本発明は、歯の中央部分に窪みを有することを特徴とする前記記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車によれば、機械的強度の高い、しかも長期間の使用に耐えうる金属に代わる樹脂製歯車を経済的に大量生産することを可能とした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明において、強化繊維を包含するマトリックス樹脂としては、一般に市販されている樹脂であれば全て使用可能である。しかし成形加工上の取扱いや繊維強化樹脂ペレットの製造における取扱い易さの点で、熱可塑性樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂として更に好ましいものとしては、長繊維強化樹脂の場合を考慮した場合には、射出成形グレードとして市販されているものの中でも、比較的溶融粘度が低い方が本発明の効果をより大きく発揮する。その理由は、マトリックス樹脂の溶融粘度が高いと、成形時において可塑化される際の剪断や、金型内での樹脂の流動により生じる剪断によって、強化繊維が折損しやすくなり、機械的強度の向上が著しく抑制され、強化繊維の配向制御の効果が大きく損なわれることである。
【００１４】
上記熱可塑性樹脂としては、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリル、ナイロン等のホモポリマー、コポリマーまたはホモポリマーとコポリマーの混合物であるもの、アクリロニトリル−スチレン共重合体樹脂(ＡＳ樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂（ＡＢＳ樹脂）等のアロイ樹脂、或いは上記熱可塑性樹脂とアロイ樹脂の混合物が挙げられる。
【００１５】
本発明において、成形品である歯車に使用する繊維強化熱可塑性樹脂ペレットに含まれる強化繊維としては、樹脂の強化を目的とした充填材であって本発明に適したものであれば、全て使用可能であり、あらゆる公知の強化繊維またはそれに相当するものが使用できる。強化繊維としては、具体的には、ガラス、炭素、玄武岩、シリコンカーバイド、ボロン等の無機繊維；ステンレス等の金属繊維；アラミド、レーヨン、ナイロン、セルロース等の有機繊維；チタン酸カリウィスカー、シリコンカーバイドウィスカー、グラファイトウィスカー、窒化シリコンウィスカー、アルミナ−酸化ホウ素ウィスカー、酸化亜鉛ウィスカー等のウィスカー等からなる群から選ばれた少なくとも一種が挙げられる。強化繊維としては、少なくともマトリックス樹脂よりも高弾性のものを選択し、マトリックス樹脂の剛性を強化する働きの大きい繊維が好ましい。すなわちガラス、炭素及び玄武岩繊維が特に好ましい。これらの繊維は混合して使用することも可能である。
【００１６】
本発明において、強化繊維は、材質にもよるが、直径が０．１〜５０μｍ、好ましくは５〜３０μｍ、さらに好ましくは７〜２０μｍである。本発明において、成形用のペレットに含まれる強化繊維は、ペレット長さにもよるが、ペレット長よりも長くなることはなく、平均長さが０．１〜１００ｍｍ、好ましくは１〜５０ｍｍ、さらに好ましくは３〜３０ｍｍである。
【００１７】
ガラス繊維の種類としては、Ｅ−ガラス、Ｓ−ガラス、Ｃ−ガラス、ＡＲ−ガラス、Ｔ−ガラス、Ｄ−ガラス及びＲ−ガラス等の市販品が挙げられる。繊維強化熱可塑性樹脂のペレットを製造する場合には、ガラス繊維は、通常、複数のフィラメントを集めた束を、コイル状に巻きとった、いわゆるガラスロービングの形態をしたもの、ガラスロービングを所望の長さにカッティングした、チョップドストランドタイプのものとして利用できる。ガラス繊維径は、３〜４０μｍのものが適している。３μｍ未満では、ガラス含有量が多い場合、相対的にガラス繊維数が増すため樹脂の含浸が困難となり、４０μｍを超えると成形品の表面外観が著しく悪化する。最適なガラス繊維径は９〜２０μｍである。
【００１８】
ガラス繊維はカップリング剤を含む表面処理剤で表面処理されていてもよい。カップリング剤としてはアミノシラン、エポキシシラン、アミドシラン、アジドシラン、アクリルシランのようなシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤及びこれらの混合物が利用できる。これらの内、アミノシランとエポキシシランが好ましく、特にアミノシランカップリング剤が好ましい。複数のフィラメントを集めて束にするために使用するバインダーの種類も、特に限定されず、従来公知のものも含めて適切なものが使用できる。
【００１９】
本発明に使用される炭素繊維としては、サイジング剤で処理されたものが好ましい。サイジング剤で表面処理された炭素繊維の素材としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が挙げられ、好ましくはＰＡＮ系である。 炭素繊維は、多数の単糸が集束されたロービング状のものが市販されており、太さ、数、及び長さには特に制限はないが、一般に単糸径で７．５μｍ以下、好ましくは６μｍ以下、さらに好ましくは５．５μｍ以下のものが利用できる。 炭素繊維は、一般に、各種マトリックス樹脂との複合強化材料として利用され、マトリックス樹脂との接着性を良好にするために、電解処理や活性ガスによる気相表面処理などの表面活性化処理により表面にヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基などの官能基が導入されているものが好ましい。
【００２０】
本発明で用いられるサイジング剤で表面処理された炭素繊維としては、ストランド強度が好ましくは３５０kgf/mm２（３４３０ＭＰａ）以上、より好ましくは４００kgf/mm２（３９２０ＭＰａ）以上、さらに好ましくは４５０kgf/ mm２（４４１０ＭＰａ）以上であり、また、弾性率が２２tf/ mm２（２１６０００ＭＰａ）以上、好ましくは２４tf/ mm２（２３５０００ＭＰａ）以上、より好ましくは２８tf/ mm２（２７５０００ＭＰａ）以上のものが使用できる。
【００２１】
本発明に係る炭素繊維のサイジング剤として、複数のエポキシ基を有する脂肪族化合物を用いることができる。 上記脂肪族化合物とは、非環式直鎖状飽和炭化水素、分岐状飽和炭化水素、非環式直鎖状不飽和炭化水素、分岐状不飽和炭化水素、または上記炭化水素の炭素原子（ＣＨ３，ＣＨ２，ＣＨ，Ｃ）を酸素原子（Ｏ）、窒素原子（ＮＨ，Ｎ）、硫黄原子（ＳＯ３Ｈ、ＳＨ）、カルボニル原子団（ＣＯ）に置き換えた鎖状構造の化合物をいう。 また、本発明では、複数エポキシ基を有する脂肪族化合物において、２個のエポキシ基間を結ぶ鎖状構造を構成する炭素原子、複素原子（酸素原子、窒素原子等）の総数のうち最も大きい原子鎖を最長原子鎖といい、最長原子鎖を構成する原子の総数を最長原子鎖の原子数という。なお、最長原子鎖を構成する原子に結合した水素等の原子の数は総数に含めない。 側鎖の構造については特に限定するものではないが、サイジング剤化合物の分子間架橋の密度が大きくなりすぎないように抑えるために、架橋点となりにくい構造が好ましい。 サイジング剤化合物の有するエポキシ基が２つ未満であると、炭素繊維とマトリックス樹脂との橋渡しを有効に行うことができない。従ってエポキシ基の数は、炭素繊維とマトリックス樹脂との橋渡しを有効に行うために２個以上であることが好ましい。一方、エポキシ基の数が多すぎると、サイジング剤化合物の分子間架橋の密度が大きくなり、脆性なサイジング層となって結果としてコンポジットの引張強度が低下してしまうため、好ましくは６個以下、より好ましくは４個以下、さらに好ましくは２個が良い。さらにこの２個のエポキシ基が最長原子鎖の両末端にあるのがより好ましい。すなわち最長原子鎖の両末端にエポキシ基があることにより局所的な架橋密度が高くなることを防ぐので、コンポジット引張強度にとって好ましい。
【００２２】
エポキシ基の構造としては反応性の高いグリシジル基が好ましい。かかる脂肪族化合物の分子量は、樹脂粘度が低すぎる、あるいは高すぎることにより集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、８０以上３２００以下が好ましく、１００以上１５００以下がより好ましく、２００以上１０００以下がさらに好ましい。
【００２３】
本発明における複数エポキシ基を有する脂肪族化合物の具体例としては、例えば、ジグリシジルエーテル化合物では、エチレングリコールジグリシジルエーテル及びポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類、プロピレングリコールジグリシジルエーテル及びポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル類、１，４−ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ポリテトラメチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリアルキレングリコールジグリシジルエーテル類等が挙げられる。また、ポリグリシジルエーテル化合物では、グリセロールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル類、ソルビトールポリグリシジルエーテル類、アラビトールポリグリシジルエーテル類、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル類、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル類、脂肪族多価アルコールのポリグリシジルエーテル類等が挙げられる。
【００２４】
好ましくは、反応性の高いグリシジル基を有する脂肪族のポリグリシジルエーテル化合物である。更に好ましくは、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル類、アルカンジオールジグリシジルエーテル類等が好ましい。 複数のエポキシ基を有する脂肪族化合物において、最長原子鎖の原子数が２０以上であることが好ましい。すなわち該原子数が２０未満ではサイジング層内の架橋密度が高くなるために靭性の低い構造になりやすく、結果としてコンポジット引張強度が発現しにくい場合がある。それに対して最長原子鎖の原子数が大きいとサイジング層が柔軟で靭性の高い構造になりやすいので結果としてコンポジット引張強度が向上しやすく、特に脆い樹脂での引張強度が高いという特長を有するので、より好ましくは最長原子鎖の原子数で２５以上、さらに好ましくは３０以上がよい。ただし最長原子鎖の原子数は大きいほど柔軟な構造になるが、長すぎると折れ曲がって官能基を封鎖してしまい、結果として炭素繊維と樹脂との接着力が低下してしまう場合があるので好ましくは、原子数で２００以下、より好ましくは１００以下がよい。 脂肪族化合物に環状脂肪族骨格を含む場合には、エポキシ基が環状骨格から十分離れていれば、具体的は、原子数で６以上あれば用いることができる。 本発明においては、エポキシ基と芳香環の間の原子数が６以上であるエポキシ基を複数有する芳香族化合物もサイジング剤として用いることができる。エポキシ基と芳香環の間の原子数とは、エポキシ基と芳香環の間を結ぶ鎖状構造を構成する炭素原子、複素原子（酸素原子、窒素原子等）、カルボニル原子団の総数をいう。この場合の直鎖状構造としては前記した鎖状構造と同様のものである。
【００２５】
サイジング剤としてエポキシ基と芳香環との間の原子数が６に満たないと、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に剛直で立体的に大きな化合物を介在させることになるため、炭素繊維の最表面に存在する表面官能基との反応性が向上せず、その結果コンポジットの横方向特性の向上が望めない。
【００２６】
アルキリデン基で繋がれた二つのフェノール環、即ちビスフェノールＡ部またはＦ部は、マトリックス樹脂との相溶性を向上させる効果と耐毛羽性を向上させる効果がある。エポキシ基と芳香環の間の原子数が６以上である複数エポキシ基を有する芳香族化合物の骨格が縮合多環芳香族化合物であってもよい。縮合多環芳香族化合物の骨格としては、例えばナフタレン、アントラセン、フェナントレン、クリセン、ピレン、ナフタセン、トリフェニレン、１，２−ベンズアントラセン、ベンゾピレン等が挙げられる。好ましくは、骨格の小さいナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレンである。 複数エポキシ基を有する縮合多環芳香族化合物のエポキシ当量は、接着性の向上効果を十分なものとする観点から、１５０〜３５０、さらには２００〜３００が好ましい。複数エポキシ基を有する縮合多環芳香族化合物の分子量は、樹脂粘度が高くなって集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、４００〜８００、さらには４００〜６００が好ましい。
【００２７】
本発明において、サイジング剤にはエピコート８２８、エピコート８３４といった分子量の小さいビスフェノール型エポキシ化合物、直鎖状低分子量エポキシ化合物、ポリエチレングリコール、ポリウレタン、ポリエステル乳化剤あるいは界面活性剤など他の成分を粘度調整、耐擦過性向上、耐毛羽性向上、集束性向上、高次加工性向上等の目的で加えてもよい。 さらに、ブタジエンニトリルゴム等のゴム、あるいはエポキシ末端ブタジエンニトリルゴムのようなエラストマー性のある直鎖状エポキシ変性化合物等を添加しても問題はない。このようなサイジング剤（ｓ）で表面処理された炭素繊維としては、市販品として、トレカＴ７００ＳＣ−２４０００−５０Ｃなどのトレカ（登録商標、東レ（株）社製）などが挙げられる。
【００２８】
また、本発明で使用する玄武岩繊維は、熱可塑性樹脂との接着性改良のために各種表面処理剤により処理したものが好ましい。
【００２９】
表面処理剤としてはシランカップリング剤が好ましく、シランカップリング剤としては、分子中にエポキシ基、ビニル基、アミノ基、メタクリル基、アクリル基、及び直鎖アルキル基のいずれか１つを有するシランカップリング剤などが使用できる。シランカップリング剤は１種でも良く、２種以上を混合して用いることもできる。シランカップリング剤の中でも、特に、分子中にエポキシ基、アミノ基、直鎖アルキル基を有するエポキシシラン系、アミノシラン系、直鎖アルキルシラン系が好適である。エポキシシラン系シランカップリング剤のエポキシ基としては、グリシジル基、脂環式エポキシ基等が好適であり、かかるシランカップリング剤としては、日本ユニカー（株）製Ａ−１８６、Ａ−１８７、ＡＺ−６１３７、ＡＺ−６１６５（以上、商品名）等が具体的に挙げられる。アミノシラン系シランカップリング剤としては、１級アミン、２級アミン或いはその双方を有するものが挙げられ、日本ユニカー（株）製Ａ−１１００、Ａ−１１１０、Ａ−１１２０、Ｙ−９６６９、Ａ−１１６０（以上、商品名）等が具体的に挙げられる。また、直鎖アルキルシラン系としては、ヘキシル基、オクチル基、デシル基を有するものが挙げられ、日本ユニカー（株）製ＡＺ−６１７１、ＡＺ−６１７７（以上、商品名）、信越シリコーン（株）製ＫＢＭ−３１０３Ｃ（商品名）等が具体的に挙げられる。中でもアミノシラン系が好ましい。特に、γ−アミノプロピルトリアルコキシシランは好適である。
【００３０】
本発明に使用される長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットのマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂であれば全ての樹脂が使用可能である。例えば、一般用ポリスチレン、耐衝撃性ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂等のポリスチレン系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等の熱可塑性ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル、塩素化ポリプロピレン等のハロゲン含有ポリオレフィン樹脂、６−ナイロン、６，６−ナイロン、４，６−ナイロン、１１−ナイロン、１２−ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリエチルアクリレート樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂等のポリアクリル系樹脂、ポリスルホン酸系樹脂、ポリフェニルエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、液晶性芳香族ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等の汎用樹脂からスーパーエンプラまで全ての熱可塑性樹脂及びこれらの２種類以上からなるアロイ樹脂が使用可能である。アロイを形成する樹脂は、ここに挙げた熱可塑性樹脂に限定されるものではなく、周知の他の熱可塑性樹脂及びそれらの２種類以上のアロイ樹脂が使用可能である。
【００３１】
特に本発明の適用が好ましい熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド樹脂を挙げることができる。ポリオレフィン系樹脂として好ましいものは、マレイン酸等で変性されたポリオレフィン（酸変性量０．００１〜１重量％）である。かかる酸変性ポリオレフィンは、ポリオレフィンと酸変性ポリオレフィンをブレンドすることにより酸変性量を上記範囲に調整したものであってもよい。このような酸変性ポリオレフィンは、機械的物性の向上により効果的である。
【００３２】
ポリアミド樹脂としてはラクタムを開環重合させた６−ナイロン、１２−ナイロン、アミノカルボン酸を重縮合させた１１−ナイロン、ジアミンとジカルボン酸の重縮合体である４，６−ナイロン、６，６−ナイロン、６，１０−ナイロン、６，１２−ナイロン、ＭＸＤなどが挙げられる。中でも６−ナイロン、６，６−ナイロンが好ましい。
【００３３】
本発明の長繊維強化樹脂ペレットは、強化用連続繊維を引きながら熱可塑性樹脂を繊維に含浸させる引き抜き成形法により得られる。例えば、上記熱可塑性樹脂に必要に応じて樹脂添加剤を加えて、連続繊維をクロスヘッドダイを通して引きながら、熱可塑性樹脂を押出機から溶融状態でクロスヘッドダイに供給して強化用連続繊維に、熱可塑性樹脂を含浸させ、溶融含浸物を加熱し、冷却後、引き抜き方向と直角に切断して得られるので、該ペレットの長さ方向に強化繊維が同一長さで平行配列している。引き抜き成形は、基本的には連続した強化用繊維束を引きながら樹脂を含浸するものであり、上記クロスヘッドの中を繊維束を通しながら押出機等からクロスヘッドに樹脂を供給し含浸する方法の他に、樹脂のエマルジョン、サスペンジョンあるいは溶液を入れた含浸浴の中を繊維束を通し含浸する方法、樹脂の粉末を繊維束に吹きつけるか粉末を入れた槽の中を繊維束を通し繊維に樹脂粉末を付着させたのち樹脂を溶融し含浸する方法等が知られており、本発明ではいずれも利用できる。特に好ましいのはクロスヘッド方法である。また、これらの引き抜き成形における樹脂の含浸操作は１段で行うのが一般的であるが、これを２段以上に分けてもよく、さらに含浸方法を異にして行ってもかまわない。
【００３４】
強化繊維に、熱可塑性樹脂を含浸させる比率は、樹脂と強化繊維の合計中の強化繊維の重量比率が５重量％以上、７０重量％未満、好ましくは１０重量％以上、６５重量％未満、さらに好ましくは１５重量％以上、６０重量％未満である。 強化繊維の比率が上記範囲より少なすぎると複合材料としての所望の機械的物性が得られず、７０重量％以上では、樹脂の含浸が十分ではなく、繊維の毛羽立ち、ペレットの破損などが起こり、成形品の強度を維持することができない。
【００３５】
一般的な成形方法及び成形装置では、材料を可塑化する際にスクリュの回転によって生じる剪断が大きく、繊維を折損させてしまう確率が大きいため、使用可能ではあるが、あまり好ましくない。従って成形機メーカー各社の長繊維強化熱可塑性樹脂用に開発した可塑化システムを持つ成形機を用いる事が好ましい。また、繊維長を保護する成形条件としては、マトリックス樹脂に対して強化繊維を添加していない（非強化の）状態で成形する際の一般的可塑化温度より１０〜３０℃高めの温度設定とするなど、可塑化による剪断を低減する事が望ましい。更に金型及び／又はダイの設計においては、特に限定されるものではないが、樹脂の流路はその断面を出来得る限り広く設計し、また樹脂流路の形状についても検討した上で、圧力損失の低減された設計を施す事が繊維長を保護する上で望ましい。
【００３６】
ここで、長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを構成する熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂の場合、射出成形時の射出成形機シリンダー温度を３２０〜３４０℃に設定し、長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを構成する熱可塑性樹脂が酸変性ポリオレフィン樹脂の場合、射出成形時の射出成形機シリンダー温度を２８０〜３００℃に設定するのが好ましい。射出成形時の成形温度（シリンダー温度）を通常より高めに設定することにより、繊維と熱可塑性樹脂がより強固に結合し、射出成形後の成形品の機械的物性が著しく向上する。
【００３７】
歯車の射出成形において、樹脂だめを設けるときはすべての歯先に樹脂だめが必要である。樹脂だめの大きさは歯先に繊維が配向する大きさであることが必要である。歯の形状や大きさによって適正な値は異なる。概ね、歯先の体積の５〜２００％である。あまり小さいと繊維の配向は充分ではないし、２００％を超えると樹脂だめが邪魔になり成形が困難になる。また、必要以上に大きいとその部分は成形後削除するため、経済的ではない。樹脂だめを設ける目的は繊維の配向を充分にとるためであり、歯の体積の概ね５〜２００％の範囲でテストしながら金型を設計する必要がある。
【００３８】
また、歯に設ける窪みについては、歯の部分の面積の５〜５０％程度である。好ましくは、１０〜４５％、特に好ましくは１５〜４０％程度である。面積が５％未満では繊維の配向が充分ではなく、そのため機械的強度などは不十分である。面積が５０％を超えると、歯の部分の強度が下がることになる。また、窪みは歯の片面でもよいが両面に設けることが好ましい。窪みの大きさは歯車の歯の部分の厚みの１〜３０％であり、好ましくは２〜２５％、特に好ましくは４〜２０％である。この数値は両面に窪みを設けた場合の片面の深さを示すものであり、片面だけに窪みを設ける場合は、前記した数値の２倍となる。窪みの深さが１％未満では、繊維の配向が不十分であり、窪みの深さが３０％を超えると歯の強度が低下する。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
製造例１ ナイロン６６とガラス繊維のペレット
ガラス繊維は表面処理されたもので、径７μの繊維が２４０００本の連続繊維束を使用した。連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、ナイロン６６樹脂をクロスヘッドに接続された押出機から供給して、溶融状態（３２０℃）でガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、細断し、ガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのペレットを得た。
【００４１】
製造例２ ポリプロピレン（ＰＰ）とガラス繊維のペレット
ガラス繊維は表面処理されたもので、径７μの繊維が２４０００本の連続繊維束を使用した。含浸する樹脂はポリプロピレンと酸変性ポリプロピレン（マレイン酸１．０重量％変性）を重量比９５：５で混合したもの（樹脂全体に対する酸変性量０．０５重量％）を使用した。
【００４２】
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、酸基含有ポリオレフィン系樹脂をクロスヘッドに接続された押出機から供給して、溶融状態（２８０℃）でガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、細断し、ガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのペレットを得た。
【００４３】
製造例３ ポリプロピレンと玄武岩繊維のペレット
玄武岩繊維は、径１３μmの繊維が３７２０本の単位でγ―アミノプロピルトリアルコキシシラン（１重量％水溶液を使用）により表面処理をされたものを使用した。含浸する樹脂はポリプロピレンと酸変性ポリプロピレン（マレイン酸１．０重量％変性）を重量比９５：５で混合したもの（樹脂全体に対する酸変性量０．０５重量％）を使用した。
【００４４】
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、玄武岩繊維ロービングを引きながら、酸基含有ポリオレフィン系樹脂をクロスヘッドに接続された押出機から供給して、溶融状態（２８０℃）で玄武岩繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、細断し、玄武岩繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのペレットを得た。
（射出成形）
装置：（株）日本製鋼所製、Ｊ−１５０ＥII
（荷重試験）
試験装置：島津精密万能試験機 オートグラフＡＧ−２０００Ｇ（島津製作所株式会社製）
試験速度：３ｍｍ／ｍｉｎ
荷重の試験の状態は図１に示した。
（繊維長測定方法；重量平均繊維長）
成形品から約５ｇの試料を切出し、６５０℃で灰化して繊維を取り出す。取り出した繊維の一部（約１０００本）から重量平均繊維長を求めた。
（繊維の配向評価）
製作された歯車の歯の部分を繊維配向と直角に切断した試験片を６５０℃の電気炉で３時間焼成し、目視にて判定した。
【００４５】
実施例１
製造例１で作成したガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのナイロン６６樹脂ペレットを原料として、シリンダー温度３２０〜３４０℃、金型温度８０℃に設定した射出成形機（（株）日本製鋼所製、Ｊ−１５０ＥＩＩ）にて、外径（歯先から歯先までの外径）１２０ｍｍ、厚み１５ｍｍ、歯数１２の歯車（図２記載）をセンター部分に２箇所のゲートから射出成形した。歯先には樹脂だめそれぞれ１２箇所設定された金型を使用して、成形後の成形品は図３に示した歯先（歯の体積は約３０００ｍｍ３で、樹脂だめの容量は歯の体積の３０％である１０００ｍｍ３とした。ただし、窪みはないものである。）となり、成形品を冷却後に樹脂だめ部分は削除研磨してテスト使用した。
【００４６】
実施例２
製造例１で作成したガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのナイロン６６樹脂ペレットを原料として、シリンダー温度３２０〜３４０℃、金型温度８０℃に設定した射出成形機（（株）日本製鋼所製、Ｊ−１５０ＥＩＩ）にて、外径（歯先から歯先までの外径）１２０ｍｍ、厚み１５ｍｍ、歯数１２の歯車（図２記載）をセンター部分に２箇所のゲートから射出成形した。歯の部分は窪みが成形されるように凸部分が設定された金型を使用して、成形後の成形品は図４に示したように歯先部分にそれぞれ窪み部分を持った歯先となり、歯及び窪みの大きさは面積で５３ｍｍ２であり、歯の部分の面積（２１０ｍｍ２）の２５％であった。窪みの深さは概ね均一で２．５ｍｍであった。
【００４７】
実施例３
製造例２で作成したガラス繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのポリプロピレン樹脂ペレットを原料として、射出成形機のシリンダー温度を２８０〜３００℃とした以外は実施例２と同様にして実施して、歯先に窪みを有する歯車を得た。
実施例４
製造例３で作成した玄武岩繊維含有量４０重量％、長さ１１ｍｍのポリプロピレン樹脂ペレットを原料として、射出成形機のシリンダー温度を２８０〜３００℃とした以外は実施例２と同様にして実施して、歯先に窪みを有する歯車を得た。
比較例１
樹脂だめや歯の部分の窪みもない金型を使用した以外は、実施例１と同様な操作を実施した。
比較例２
樹脂だめや歯の部分の窪みもない金型を使用した以外は、実施例３と同様な操作を実施した。
比較例３
樹脂だめや歯の部分の窪みもない金型を使用した以外は、実施例４と同様な操作を実施した。
【００４８】
評価結果
（耐久試験）
テストは歯車の耐久性を評価できるように、既存コンベアーの金属歯車の１つを前記実施例及び比較例で得られた樹脂製歯車に交換して３日間の連続運転を実施した後に歯車の状態を目視により評価した。実施例で得られた歯車は何れも損傷は見られなかったが、比較例の歯車は何れも歯の部分に数箇所の亀裂が生じていた。
また、実施例１、２、３、４で得られた歯車の樹脂に含まれる繊維長を測定した結果は表１に示した。
（機械物性評価）
それぞれの実施例、比較例で得られた歯車を図４に示したような荷重評価試験を実施した結果を表１に示した。
【００４９】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】歯車の荷重試験を示す図である。
【図２】成形された歯車の図である。
【図３】歯車の歯に樹脂だめがついた歯車の１部分を示す。
【図４】窪みを持った歯を図示した。
【符号の説明】
【００５１】
１ 荷重試験機の架台
２ 歯車の１部分の歯を荷重測定のために削除したもの
３ 樹脂だめを有する射出成形後の歯車の部分図
４ 窪みの立面図
５ 窪みの側面図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯の部分において重量平均繊維長が０．５ｍｍ以上である強化繊維が配向している繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項２】
強化繊維がガラス繊維、玄武岩繊維又は炭素繊維から選ばれた少なくとも１つの繊維を含むことを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項３】
熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂又はポリウレタン樹脂から選ばれた少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項４】
長さ３〜５０ｍｍの強化繊維が長さ方向に配列し、繊維含量が５重量％以上、７０重量％未満である長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを少なくとも含む樹脂組成物を射出成形により成形された請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項５】
射出成形において歯車の歯の先端に樹脂だめを設けて射出成形することを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項６】
歯の中央部分に窪みを有することを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項１】
歯の部分において重量平均繊維長が０．５ｍｍ以上である強化繊維が配向している繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項２】
強化繊維がガラス繊維、玄武岩繊維又は炭素繊維から選ばれた少なくとも１つの繊維を含むことを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項３】
熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂又はポリウレタン樹脂から選ばれた少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項４】
長さ３〜５０ｍｍの強化繊維が長さ方向に配列し、繊維含量が５重量％以上、７０重量％未満である長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを少なくとも含む樹脂組成物を射出成形により成形された請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項５】
射出成形において歯車の歯の先端に樹脂だめを設けて射出成形することを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【請求項６】
歯の中央部分に窪みを有することを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性樹脂製歯車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−８４０４（Ｐ２００８−８４０４Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７９５３１（Ｐ２００６−１７９５３１）
【出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（５０１０４１５２８）ダイセルポリマー株式会社 (144)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（５０１０４１５２８）ダイセルポリマー株式会社 (144)
【Ｆターム（参考）】
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