CN102470583A - 纤维增强复合材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纤维增强复合材料的制造方法，其特征在于，具备：将由增强纤维制成的无纺布N设置于模具(12)内的工序(a)；和在将可动模具(12)朝向固定模具(11)移动而合模后，向模具内注射热塑性树脂而得到由无纺布N和热塑性树脂构成的成型品的工序(b)。如果作为工序(b)中的注射成型，应用注射压缩成型，则可以提高所得的纤维增强复合材料的机械强度。

Description

纤维增强复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及一种由增强纤维形成的无纺布和热塑性树脂复合化而成的材料的制造方法。
背景技术
为了实现汽车部件的轻型化，碳材料的利用得到推进，由包含碳纤维等增强纤维的织物薄片与热塑性树脂构成的复合材料广为人知。例如在专利文献1中，公开有如下的方法，即，在透明或半透明的热塑性树脂中层叠含有由碳纤维和/或合成纤维形成的织物薄片，制成在强度、设计性、成型性方面优异的织物加饰树脂产品。热塑性树脂与热固化性树脂相比对于缩短成型生产节拍(tact)是有效的，然而由于熔融粘度高，因此向织物薄片浸渗的速度极慢，因而无法缩短作为整体的成型周期。
所以，迄今为止在借助注射进行的树脂向织物薄片中的浸渗中，使用粘度低的热固化性树脂，然而这仅限于也包括汽车在内的比较高价的用途中。
专利文献
专利文献1：日本特开2009-51080号公报
与像专利文献1那样向织物薄片中浸渗热塑性树脂不同，已知有使用由包含增强纤维的热塑性树脂制成的颗粒来进行注射成型的技术。但是，该方式中，所含的增强纤维在注射成型时，特别是在将颗粒熔融的塑化工序中会因在螺杆内受到强烈的剪切力而折损。由此，对于成型品内的增强纤维而言，与颗粒状态时相比，注射成型后的纤维长度变得极短。所以，使用了基于该方式的热塑性树脂的纤维增强复合材料与使用了作为连续纤维的织物薄片的复合材料相比，机械强度低，因此用途受到限制。
发明内容
本发明是基于此种技术问题而完成的，其目的在于，在缩短注射成型周期的同时，提高使用了热塑性树脂的纤维增强复合材料的机械强度。
基于该目的完成的本发明的纤维增强复合材料的制造方法的特征在于，具备：将由增强纤维制成的无纺布设置于模具内的工序(a)、和向模具内注射热塑性树脂而得到由无纺布和热塑性树脂形成的成型品的工序(b)，作为工序(b)中的注射成型，进行注射压缩成型。
本发明的纤维增强复合材料的制造方法中，对于由增强纤维制成的无纺布注射成型热塑性树脂。由于无纺布与织物薄片相比纤维间的间隙多，因此熔融了的热塑性树脂的浸渗较容易，所以与对织物薄片进行注射成型相比，增强纤维与树脂的接触面积增大，可以体现出高强度。另外，如果借助对无纺布注射热塑性树脂的方法，则与使用含有增强纤维的颗粒的方法相比，可以将成型后的增强纤维的长度维持得较长。这是因为，后者中增强纤维在螺杆内受到强烈的剪切力，而在本发明的情况下，由于在模具内设置有无纺布，因此在螺杆内不存在增强纤维，不会有受到剪切力的情况。
本发明与使用含有增强纤维的颗粒的方法相比，具有可以减少构成无纺布的增强纤维的折损的效果，而为了使该效果更为明显，作为工序(b)中的注射成型，进行注射压缩成型。注射压缩成型具有注射时的压力低的特征，而利用本发明可以显现出减少增强纤维的折损这样的由注射压缩成型带来的新的效果。
在本发明的纤维增强复合材料的制造方法中，优选在工序(a)中将模具或无纺布加热之后，进行工序(b)的注射成型。为了提高利用本发明得到的纤维增强复合材料的机械强度，最好在注射时实现构成无纺布的纤维与热塑性树脂的亲和性、浸润性、密合性的提高。为此，本发明中，推荐在开始注射之前加热模具或无纺布。
另外，在本发明的纤维增强复合材料的制造方法中，优选在工序(a)中将模具的至少一部分加热之后，进行工序(b)的注射成型。例如，如果在将无纺布配置于可动模具内的状态下加热可动模具，则在被注射填充的高温的熔融树脂接触到模具或无纺布时，可以由模具或无纺布夺去热而抑制树脂的粘度上升。这样，就可以提高构成无纺布的纤维与热塑性树脂之间的亲和性、浸润性，促进熔融树脂向无纺布的纤维间渗透，并且可以提高树脂与纤维的密合性，提高利用注射压缩成型得到的纤维增强复合材料的机械强度。另一方面，如果在将无纺布配置于可动模具内的状态下加热固定模具，则形成于固定模具及固定模板中的树脂流入路也会受到加热。这样，与没有加热树脂流路的情况相比，进入模具空腔内后的热塑性树脂的流动性提高，在无纺布与热塑性树脂接触时，由树脂对无纺布施加的剪切力受到抑制，可以减少无纺布中的纤维的剥离、散乱、以及伴随着散乱产生的纤维的折损或成型品的厚度不均。由于在仅加热构成模具的可动模具及固定模具中的一方的情况下，也可以获得如上所述的效果，因此本发明不仅包含加热整个模具的方式，而且还包含加热模具的至少一部分的方式。另外，所加热的模具无论是仅为设置有无纺布的模具，还是仅为与设置有无纺布的模具相面对的模具，或者是设置有无纺布的模具和与设置有无纺布的模具相面对的模具双方都可以。在加热设置有无纺布的模具的情况下，可以将与模具接触的无纺布也一起加热，对于获得如上所述的效果是有效的。另外，在设置无纺布的模具中为了设置无纺布而形成特殊的结构的情况下，在难以设置加热用的特殊结构等情况下，也可以仅在未设置无纺布的模具中设置加热用的结构。该情况下，不仅可以利用与无纺布相面对的模具的空腔表面的加热，而且还可以利用来自与无纺布相面对的模具的辐射热将无纺布加热。
另外，在成型品中因冷却时的收缩程度不同的树脂与无纺布密合，而在成型品中产生翘曲等成型不佳的情况下，可以按照在没有无纺布的一侧的空腔表面温度、与具备无纺布的一侧的空腔表面温度中赋予差别的方式，相对于设有无纺布的一侧的模具或未设置无纺布的一侧的模具，在相反一侧的模具中赋予温差而加热到高温，还可以在加热速度中赋予差别。该情况下，由于在具有无纺布的一侧的成型品表面与没有无纺布的一侧的成型品表面可以独立地控制固化时的树脂是收缩量、或收缩速度，因此对于成型品的翘曲不佳的消除是有效的。
如果要进一步说明，则所加热的部位无论是仅为设置有无纺布的部位，还是仅为没有设置无纺布的部位都可以，或者也可以与无纺布的设置部位无关地是整个空腔。该情况下，就将与无纺布接触的树脂温度维持为高温而言，优选所加热的部位包含相对于设置有无纺布的部位来说的注射填充流的上游侧。
此外，也可以将所加热的部位分割为多个区块地设置，在各部设置温差地加热，还可以将各区块有条理地或者随机地带有时间差地加热。另外，在加热后的冷却方法中，也可以与加热方法相同地独立地控制固定模具或可动模具、或者设置有无纺布的一侧的模具或没有设置无纺布的一侧的模具、或者各加热区块的冷却时刻或冷却速度。
如上所述，加热方法及冷却方法并不限于上述说明，利用任何方法都可以将模具或无纺布加热或冷却。
作为提高构成无纺布的纤维与热塑性树脂之间的亲和性的其他途径，本发明还优选作为工序(b)中的注射成型，应用注射发泡成型。此时，也可以在注射发泡成型中组合进行模具或无纺布的加热的成型。
本发明中，作为构成无纺布的增强纤维，优选碳纤维或玻璃纤维，最优选碳纤维。
根据本发明的纤维增强复合材料的制造方法，由于无纺布与织物薄片相比，容易浸渗熔融了的热塑性树脂，因此与对织物薄片进行注射成型相比，增强纤维与树脂的接触面积变大，另外，与将以往的含有增强纤维的颗粒注射成型而得的纤维增强复合材料相比，可以将成型后的增强纤维的长度维持得较长，因此可以获得高机械强度。
附图说明
图1是表示注射成型机的主要部分概况的剖面图。
图2是表示使向模具空腔内突出的销钉贯穿来固定无纺布的方法的图，(a)、(b)表示开模(待机)状态，(c)表示合模状态。另外，(a)是(b)的A-A向视剖面图，(b)是从空腔侧看到的可动模具的俯视图，(c)是与(a)相同的部位的剖面图。
图3是说明使用了主动调温的注射成型的步骤的图。
图4是表示使用三维预成型模具将无纺布预成型的样子的剖面图。
图5是表示对第一实施例中得到的纤维增强复合材料(比较例2、实施例1)进行了重均纤维长度及抗拉强度的评价的结果的曲线图。
图6是针对第一实施例中得到的纤维增强复合材料表示相对于压缩量来说的厚度不均、重均纤维长度的关系的曲线图。
图7是表示第二实施例的相对于压缩速度、注射成型来说的重均纤维长度的关系的曲线图。
图8是表示第三实施例的各种成型与所得的纤维增强复合材料的抗拉强度的关系的曲线图。
其中，10…注射成型机，11…固定模具，12…可动模具，13…空腔，17…注射缸体，20…固定机构，22…固定销钉，23…作动柱，30…三维预成型机，32…预成型模具
具体实施方式
本发明的纤维增强复合材料的制造方法的特征在于，具备：将由增强纤维制成的无纺布设置于模具内的工序(a)、和向模具内注射热塑性树脂而得到由无纺布和热塑性树脂形成的成型品的工序(b)。下面，在对利用本发明制造的纤维增强复合材料进行说明后，依照工序(a)、工序(b)的顺序，在参照附图的同时对实施方式进行说明。
[纤维增强复合材料]
本发明的纤维增强复合材料包括以增强纤维制成的无纺布(以下有时简称为无纺布)、和热塑性树脂。纤维增强复合材料具体来说如后所述，是通过将热塑性树脂向无纺布注射成型而得到的材料，所谓无纺布，正如众所周知的那样，是指将纤维不加织造地缠绕而成的薄片状的材料，在内部存在与外部连通的多个空穴。在注射成型时熔融了的热塑性树脂渗透而将无纺布的空穴内充满，也应该称作纤维增强复合材料的基质，使热塑性树脂的机械强度提高。本发明使用无纺布是因为，利用注射成型使热塑性树脂向内部渗透比织物更容易，而且由于纤维的取向方向是不定方向的，因此没有强度特性的取向依赖性。此外为了充分地体现出机械强度的提高，充分地确保热塑性树脂向无纺布的渗透性、以及无纺布与热塑性树脂的亲和性是重要的。如后所述，本发明的制造方法还提供特别与这一点相对应的途径。
由于热塑性树脂将无纺布的空穴内充满，因此纤维强化复合材料中的热塑性树脂所占的比率比无纺布少。其中，如果热塑性树脂所占的比率过少(无纺布所占的比率过多)，则无法用热塑性树脂将空穴充分地充满，从而会有无法充分地确保亲和性的情况。另外，如果热塑性树脂所占的比率过多(无纺布所占的比率过少)，则由于未被无纺布强化的部分增加，因此会有无法充分地获得强度提高效果的情况。根据以上的观点，优选将无纺布相对于热塑性树脂的体积比设为10～60％左右。而且认为，这里所说的无纺布的体积不包含空穴的部分。
<无纺布>
本发明中所用的无纺布由增强纤维制成。作为增强纤维，可以使用碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳族聚酰胺纤维，然而其中优选使用碳纤维、玻璃纤维。而且，所谓碳纤维，正如众所周知的那样，是将有机系的纤维碳化而得的纤维状物质，是指碳化度为90～98％以上的材料，而对于具体的材质本发明并不过问。另外，所谓玻璃纤维，正如众所周知的那样，是指将以硅酸盐为主成分的玻璃熔融、加工而制成纤维状的材料，而对于它的具体的材质本发明并不过问。
增强纤维的尺寸没有特别限定，而对于纤维的径尺寸(直径，以下相同)，优选为1～20μm，纤维的长度优选选自3～100mm的范围，作为纵横比(aspect ratio)优选设为100以上。如果纤维直径过细，则无纺布的制造过程中的处置就会困难，容易产生折损等，另外成本也会明显地提高，此外，如果纤维直径过粗，则由于与热塑性树脂的接触面积减少，因此无法体现出所需的强度。另外，如果纤维长度过短，则强度降低，如果纤维长度过长，则会成为成本上升的要因。而且，构成无纺布的增强纤维的纤维直径及纤维长度不需要是同一种，也可以将多种(直径、长度)的纤维混合而构成无纺布。
无纺布的目付量(每单位面积的纤维量)没有特别限定，然而优选选自40～500m2的范围中。如果目付量过小，则显示不出所要求的强度特性，另外，如果目付量过大，则会使重量增加、树脂向增强材料的纤维间的渗透性变差。
本发明中所用的无纺布并不限于目付量在厚度方向均等的材料，可以设为不均等。例如，如果使表背两层的目付量比中间层的目付量更大，则可以提高作为纤维增强复合材料的弯曲刚性。例如，将表背两层的目付量设为100g/m2，将中间层的目付量设为20g/cm2。通过像这样使目付量倾斜，在获得必需的机械强度时，可以使中间层的纤维量为最小必需限度，因此可以抑制成本及重量增加。另外，通过增大无纺布的厚度方向的一侧的目付量，减小另一侧的目付量，还可以制造在表背面刚性等物性不同的纤维增强复合材料。而且，此种倾斜目付量的操作既可以用一片无纺布来实现，也可以通过层叠多片无纺布来实现。
<热塑性树脂>
作为本发明中所用的热塑性树脂，只要从聚烯烃、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等聚丙烯酸酯系聚合物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、多芳基化合物、聚酯碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺等公知的材质中选择即可。
作为原料的热塑性树脂并不限于仅由树脂构成的情况，也可以使用含有增强纤维的热塑性树脂。例如，既可以将含有增强纤维的颗粒与热塑性树脂混合，也可以仅将含有增强纤维的颗粒作为原料。
[注射成型工序(a)]
图1中表示出注射成型机10的主要部分概况，如图所示，注射成型机10在固定模板14中安装有固定模具11，与固定模具11相面对的可动模具12安装于可动模板15中。在可动模具12中与固定模具11相面对的一面侧设有空腔13。在固定模具11的背面侧，配置有注射缸体17，其具备与形成于固定模具11及固定模板14中的树脂流入路16的入口抵接的喷嘴18。
在注射成型之前，将由增强纤维制成的无纺布N设置于可动模具12的空腔13内的给定位置。设置于给定位置的无纺布N需要按照在合模时或注射成型进行中不引起位置偏移的方式固定。作为无纺布N的固定方法，可以考虑使用粘合剂贴附于模具上、或者经由设于模具中的透气孔对无纺布N进行真空抽吸的做法。另外，也可以使向模具空腔内突出的销钉贯穿而固定无纺布N。下面，对于固定无纺布N的方法，将参照图2进行说明。但是，图2所示的无纺布N的固定方法只不过是一例而已，当然也可以采用其他的方法。
如图2所示，可动模具12具备将无纺布N固定于空腔13的给定位置的固定机构20。固定机构20被可以沿前后方向(可动模具12的移动方向)来回移动地收容于设在可动模具12的内部的收容空间19内。固定机构20由平板状的基座21、从基座21中立设的4根固定销钉22、和从基座21的四角立设的作动柱23构成。固定机构20在图2(a)、(b)所示的待机状态下，以使固定销钉22的头端可以将无纺布N贯穿的方式向空腔13中突出，并且作动柱23的头端从可动模具12的前端面突出。在该待机状态下，通过由4根固定销钉22扎刺无纺布N，而将无纺布N定位于空腔13内。
在将无纺布N定位后，使可动模具12朝向固定模具11地关闭模具。一旦使可动模具12前进到可动模具12的前端面与固定模具11接触的注射位置，就会因作动柱23的头端与固定模具11接触，而将固定机构20向后方压入。伴随着该动作，固定销钉22将其头端后退到轻微地扎刺无纺布N的程度。形成该状态后就开始注射成型。
[注射成型工序(b)]
热塑性树脂的注射基本上只要依照常法进行即可，而本发明推荐使用注射压缩成型。
<注射压缩成型>
注射压缩成型是如下的方法，即，在利用开模装置或者利用模具内树脂压力，以注射压缩中所必需的给定的模具的打开量e进行开模的状态下，施行注射动作，在从注射开始到注射结束的期间，通过将可动模具12朝向固定模具11移动打开量e，而将空腔13内的塑化了的熔融树脂压缩。注射压缩成型在注射时将空腔轻微地扩大，在不费力地进行树脂的填充后，对成型品施加压力，因此可以推进模具压力的均匀化，从而可以获得低变形且没有翘曲或裂纹的成型品。本发明通过对无纺布应用注射压缩成型，而发现与以往所知的效果不同的效果。虽然该效果具体来说将在后述的第一实施例中阐明，然而注射压缩成型因注射时的树脂的压力低(例如为2～50MPa，优选为2～30MPa，更优选为2～20MPa)，而可以抑制在树脂的注射时构成无纺布的增强纤维折损。另外，注射压缩成型中由于树脂流动的上游(门部)与空腔末端部的压力差小(例如为30MPa以下，优选为20MPa以下，更优选为10MPa以下)，因此即使在空腔末端部也可以提高树脂压力。其结果是，即使在无纺布的末端部也可以提高树脂的渗透压，可以提高树脂与碳纤维的密合度。该新效果的发现在确保纤维增强复合材料的机械强度上极为重要。
根据本发明人等的研究，所得的纤维增强复合材料的厚度的不均随着注射压缩成型的压缩量而变动。另外，因树脂的注射而在构成无纺布的增强纤维中产生折损的情况如前所述，而相对于最初的纤维长度来说的成型后的纤维长度随着注射压缩成型的压缩量而变动。如后述的第一实施例中所示，随着压缩量变大，复合材料的厚度的不均变大，而另一方面，对于注射后的纤维长度则在压缩量为2mm时出现峰。根据以上情况，本发明中在应用注射压缩成型的情况下，优选将压缩量设为1～3mm左右。
另外，对于注射压缩成型的压缩速度，存在越慢则成型后的纤维长度越长的趋势，而如果还考虑注射成型周期，则优选设定为5～15mm/sec的范围。
<预热(加热)>
为了提高纤维增强复合材料的机械强度，优选在注射时实现热塑性树脂向无纺布中的渗透性、以及构成无纺布的纤维与热塑性树脂的亲和性、浸润性的提高。这里所说的渗透性是指熔融了的热塑性树脂向无纺布中的空穴渗透，另外，所谓亲和是指渗透了的树脂与纤维溶合在一起。另外，所谓浸润是与前述的亲和同类的用语，然而以树脂与纤维表面的接触角的大小来评价，该接触角小时则浸润性高。为此，本发明中，优选在开始注射前加热无纺布或模具。将该加热称作预热。
预热的温度最好根据所用的热塑性树脂的熔点，在该熔点以上的范围中选择，然而即使在熔点以下也可以获得效果。如果对几个热塑性树脂加以例示，则熔点为255±10℃左右的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)的加热温度优选为120℃以上，更优选为170℃以上。熔点为210±5℃左右的PA6(聚酰胺6)的加热温度优选为100℃以上，更优选为130℃以上。另外，熔点为165±10℃左右的PP(聚丙烯)的加热温度优选为80℃以上，更优选为100℃以上。
预热优选在将无纺布设置于模具的给定位置的状态下进行，然而也可以将在注射成型机的外部进行了预热的无纺布设置于模具的给定位置。但是，在外部进行预热的情况下，为了避免温度降低需要将预热了的无纺布保温，还需要另外的进行预热的设备，由于此等制约，因此优选在设置于模具中的状态下进行预热。
在将无纺布设置于模具中的状态下进行预热时，例如可以向无纺布或模具吹送热风。另外，在构成无纺布的增强纤维是碳纤维的情况下，可以使涡电流作用于无纺布而进行感应加热，也可以通过对无纺布通电而进行电阻加热。此外，还可以在模具(可动模具12)内设置制冷剂流路，通过向该制冷剂流路供给加热介质而将无纺布加热。另外，为了加热模具也可以使用将电加热器等嵌装在模具内部的方法。在模具的加热中，也可以使用加压热水或水蒸气、感应加热，然而优选借助电加热器的加热。
在加热无纺布的情况下，在夹隔着模具进行加热时，由于热容量大的模具也受到加热，因此对于防止无纺布的温度降低是有效的。该加热方法可以利用由本申请人提供的设于注射成型机中的主动调温系统(例如月刊Plastic Age 2008年2月号)很容易地实现。主动调温系统(以下简称为主动调温)也可以还将冷却介质向制冷剂流路供给。
基于图3对使用了主动调温的注射成型的步骤进行说明。
在将无纺布设置于模具的空腔内后，使主动调温侧动作，向制冷剂流路供给加热介质而加热模具。通过加热模具，而将无纺布加热到所需的温度。其间，与注射有关的动作被设为待机状态。而且，加热模具的时刻不受限定，为了缩短成型周期，也可以在设置无纺布之前就开始模具的加热。
一旦无纺布被加热到给定的温度而结束预热，即关闭模具(合模)，向模具的空腔内注射热塑性树脂，并且在注射结束后也进行给定时间的保压(注射+保压)。其间，主动调温侧因在另行设置的旁路流路内流过制冷剂，而不进行向模具的制冷剂的供给。而且，一旦预热结束，主动调温侧即将所供给的介质切换为冷却介质。
一旦保压结束，注射侧即转移到冷却工序(冷却)。主动调温侧通过向模具的制冷剂流路中供给冷却介质，而将成型了的复合材料强制性地冷却。
如上所述，通过利用主动调温，可以有效地连续进行从对无纺布施加预热的工序到冷却的工序。而且，虽然在这里对于注射压缩成型并没有提及，然而如果将主动调温的抑制树脂的熔融粘度上升而提高压力传播的效果和直到注射压缩成型的成型品末端都可以实现压缩压力(树脂压力)的负载的效果组合，则对于使树脂渗透到无纺布末端来说当然是有效的。
以上的预热除了实现前述的渗透性及亲和性的提高以外，还可以用于进行无纺布的模压加工。例如，在想要得到具有圆弧状截面的复合材料的情况下，优选在将无纺布预先模压加工(预成型)为圆弧状后，进行注射成型。进行预成型时，在将无纺布N固定于图4所示的三维预成型机30中的状态下加热无纺布N。三维预成型机30具备模板31、和从模板31中突出的具有半圆柱状截面的预成型模具32，在模板31及预成型模具32中设有通气路33。通气路33在预成型模具32内将通气路33的一端与真空泵34连接，而将另一端向预成型模具32的表面开口，因此通过使真空泵34动作，就可以将无纺布N向预成型模具32的表面抽吸。在将无纺布N抽吸、固定的状态下，通过向无纺布N吹送热风、或直接加热预成型模具32，就可以进行预成型。
而且，虽然图4以在注射成型机外设置三维预成型机30为前提，然而也可以通过利用主动调温而在注射成型机中进行预成型。
<发泡成型>
本发明出于实现渗透性及亲和性的提高、使纤维增强复合材料高强度化的目的，优选取代预热，或者与预热同时地进行注射发泡成型。
作为进行注射发泡成型的方法，已知有向作为原料的热塑性树脂颗粒中混合偶氮二甲酰胺或碳酸氢钠、柠檬酸等热分解型的化学发泡剂的化学发泡法、和在注射成型机的缸体的中途注入气体状或超临界状态的物理发泡剂的物理发泡方法，而本发明可以适用两者。
本发明中，通过应用注射发泡成型可以期待以下的作用、效果。
在无纺布表面与弯曲的增强纤维相仿地存在凹凸。由于具有凹凸，因此热塑性树脂难以从无纺布表面渗入内部，然而由于即使在树脂的流动末端部也可以利用发泡压力使树脂强制性地渗入无纺布内，因此可以实现渗透性及亲和性的提高。
另外，通过将注射出的树脂低粘度化，而促进树脂向无纺布内的渗入，提高树脂相对于无纺布的锚定效果。所以，无纺布与树脂的密合强度提高，有助于纤维增强复合材料的强度提高。
此外，当进行注射发泡成型时，通过降低所注射的树脂的粘度来实现低压注射，在树脂的填充时抑制相对于无纺布的给定位置的偏离、在无纺布中的褶皱的产生。而且，虽然在这里对于模具或无纺布的加热没有提及，然而通过将因进行模具或无纺布的加热而带来的对树脂的熔融粘度上升的抑制效果与注射发泡成型的树脂的粘度降低效果组合，自然会促进树脂向无纺布内的渗入，进一步提高树脂相对于无纺布的锚定效果。
虽然以上对本发明的实施方式进行了说明，然而可以在本发明的主旨的范围内适当地加以变更。例如，通过在无纺布的厚度方向设置多个贯穿孔，就可以期待能够提高热塑性树脂对于无纺布的密合强度的效果。也可以取代贯穿孔，而在无纺布的表面设置突起。
下面，基于具体的实施例对本发明进行说明。
[第一实施例]
在以下所示的试验条件下，将碳纤维无纺布设置于注射成型机的模具内而进行注射成型，制作出在碳纤维无纺布中浸渗了热塑性树脂的复合材料。而且，将未使用碳纤维无纺布而仅将树脂注射成型的例子设为比较例1。另外，对于注射成型，还在表1所示的条件下(压缩量、压缩速度、压缩开始螺杆位置)，进行了应用注射压缩成型的例子。而且，表1的压缩开始螺杆位置比率由下面的式(1)定义。
对于所得的复合材料，进行了成型品厚度分布、成型品厚度不均、重均纤维长度及抗拉强度的评价。将结果表示于表2、图5及图6中。而且，重均纤维长度是在将复合材料的热塑性树脂利用加热除去后随机地抽出700～1000根碳纤维而求出的。
压缩开始螺杆位置比率＝1-(压缩开始位置/注射开始位置)…(1)
[试验条件]
成型机：三菱重工Plastic Technology制注射成型机450MEII-50
模具：要素试验用平板模具(180×600mm、厚2.0mm)、中央直接门
碳纤维无纺布：碳纤维无纺布、目付量：200g/m2、150×400mm
玻璃无纺布：玻璃纤维无纺布、目付量：200g/m2、150×400mm
树脂：PA6Toray制CM1017(热塑性树脂)
模具温度：80℃
[表1]
Figure BDA0000133140520000131
[表2]
Figure BDA0000133140520000132
根据表2、图5及图6所示的结果，判明以下的结论。
通过利用注射成型将热塑性树脂向碳纤维无纺布浸渗，与热塑性树脂相比可以大幅度提高抗拉强度。
另外，通过应用注射压缩成型，与通常的注射成型相比可以提高复合材料的抗拉强度。这是基于利用注射压缩成型得到的复合材料的碳纤维的长度比注射压缩成型的长度更长。也就是说，由于包括注射压缩成型在内，在注射成型时对纤维无纺布施加压力，因此在构成无纺布的碳纤维当中存在因折损而比最初短的。但是，由于注射压缩成型与通常的压缩相比成型时的压力低(例如为2～50MPa，优选为2～30MPa，更优选为2～20MPa)，因此碳纤维的折损的程度比通常的注射成型轻微。其结果是，复合材料中的碳纤维的长度比利用普通注射得到的长度长，抗拉强度高。
此外，如图6所示，复合材料的厚度的不均及重均纤维长度随着注射压缩成型的压缩量而变动。也就是说，随着压缩量变大，复合材料的厚度的不均变大。另一方面，对于重均纤维长度，在2mm的压缩量时出现峰。根据该结果，在高精度地制作高强度的复合材料的情况下，优选将压缩量设定为1～3mm左右。而且，对于在压缩量中如上所述地出现峰，可以解释为是由于使纤维折损的作用随着压缩量而不同。也就是说，当压缩量变大时，因压缩动作时的树脂的变形量变大，纤维就会折损，然而当压缩量变小时，随着树脂流动的流路就会变窄，树脂的流动速度变快，产生大的剪切应力而将纤维折损。
[第二实施例]
除了将注射压缩成型中的压缩速度、注射成型中的注射速度设为表3所示的值以外，与第一实施例的注射压缩成型相同地制作出复合材料。对所得的复合材料进行了与第一实施例相同的评价。将其结果表示于表4及图7中。
[表3]
Figure BDA0000133140520000151
[表4]
当压缩速度变快时，纤维长度有变短的趋势。在试验过的条件(压缩速度)当中，在10mm/s时重均纤维长度最长。
另外，对于由注射速度带来的重均纤维长度的影响，在70cc/sec和100cc/sec中没有看到明显差别。
[第三实施例]
为了获得构成无纺布的纤维与热塑性树脂之间的亲和性提高，对无纺布的预热效果进行了研究。
除了在表5所示的条件下在开始注射成型之前将碳纤维无纺布加热(预热)或进行发泡成型以外，与第一实施例的注射压缩成型相同地制作出复合材料。对所得的复合材料进行了与第一实施例相同的评价。将其结果表示于表6及图8中。
而且，发泡成型是如下的成型，即，将2wt％的化学发泡剂(碳酸氢钠系化学发泡剂、永和化成制发泡剂、EE205D)与热塑性树脂原料混合而投入注射成型机的料斗，用螺杆进行塑化混合，穿过注射成型机的喷嘴，向模具内注射。另外，对于预热，以将设置于模具内的给定位置的碳纤维无纺布用热风加热的方法、和利用前述的主动调温夹隔着模具加热的方法两种方法来进行。
Figure BDA0000133140520000171
[表6]
Figure BDA0000133140520000181
其结果是，确认通过在进行注射成型之前进行无纺布的预热，抗拉强度提高。但是，作为预热的方法，主动调温的一方除了可以提高预热温度以外，还会将模具本身加热而使之变热，因此碳纤维无纺布的温度很难降低。由此可以理解，在碳纤维无纺布与热塑性树脂之间的亲和性更高的状态下进行注射成型，利用主动调温得到的复合材料的抗拉强度高。另外，通过应用发泡成型，也可以提高碳纤维无纺布与热塑性树脂的亲和性，提高复合材料的抗拉强度。特别是，将主动调温与发泡成型组合了的例子(实施例15)由于热塑性树脂容易流动，并且难以变冷，因此厚度不均变小，抗拉强度也很高。
[第四实施例]
如表7所示，将玻璃纤维无纺布与第一实施例的注射压缩成型相同地制作出复合材料。对所得的复合材料，进行了与第一实施例相同的评价。将其结果表示于表8中，而在与碳纤维相同地使用了玻璃纤维的无纺布中，也确认了复合材料的强度提高。
[表7]
Figure BDA0000133140520000182
[表8]
Figure BDA0000133140520000191
[第五实施例]
对模具温度与树脂的流动性的关系进行了研究。
除了在模具温度达到表9所示的温度后进行注射压缩成型以外，与第一实施例的实施例2相同地制作出复合材料。对所得的复合材料，与第一实施例相同地测定了抗拉强度。将其结果表示于表9中。而且，第五实施例中，仅进行模具加热，未进行热风加热。
[表9]
Figure BDA0000133140520000192
如表9所示，当模具温度升高时，复合材料的强度即提高。由此可以确认，为了获得高强度的复合材料，有效的做法是在将模具加热到给定温度的状态下进行注射压缩成型。
表9中还表示出注射压力(注射熔融了的热塑性树脂时的填充结束时(末端压力为0)的对空腔的入口施加的压力)，而模具温度越高，则可以用越低的注射压力来进行注射压缩成型。也就是说，可以确认，通过加热模具，树脂的流动性提高。可以认为，因树脂的流动性提高，重均纤维长度变长，其结果是，复合材料的强度提高。另外，在成型品的外观上，具有光泽，可以获得高外观品质。这可以认为是因为，因树脂向无纺布内浸润而使树脂渗透到无纺布的外表面，进入模具与无纺布之间而将无纺布表面覆盖，并且模具表面本身为高温，因此成型品外表面的模具转印性提高。
所用的热塑性树脂(PA6Toray制CM1017)的熔点为225℃。如果考虑到当模具温度达到120℃以上时注射压力就会降低，则优选将模具温度如下所示地设定。
热塑性树脂的熔点-75℃≤模具温度
但是，当模具温度过高时，熔融树脂的劣化就会加剧，因此优选将模具温度的上限如下所示地设定。
模具温度≤热塑性树脂的熔点+50℃
更优选的模具温度的范围如下所示。
热塑性树脂的熔点-50℃≤模具温度≤热塑性树脂的熔点+50℃
另外，如果比较实施例19(模具温度为180℃)和实施例20(模具温度为210℃)，则两者的抗拉强度的值相同。为了在抑制与模具加热相伴产生的费用的同时，享受由模具加热带来的树脂的流动性提高的效果，更优选将模具温度的范围如下所示地设定。
热塑性树脂的熔点-50℃≤模具温度≤热塑性树脂的熔点
[第六实施例]
实施例13、15、17～20中，利用主动调温来加热固定模具和设置无纺布的可动模具双方。与之不同，第六实施例中，确认了仅加热固定模具及可动模具中的任意一方时的效果。而且，第六实施例中，仅进行模具加热，未进行热风加热。
除了在仅将固定模具及可动模具中的任意一方加热后进行注射压缩成型以外，与第三实施例的实施例15(有发泡成型)或实施例13(无发泡成型)相同地制作出复合材料。对所得的复合材料进行了与第一实施例相同的评价。将其结果表示于表10中。
[表10]
Figure BDA0000133140520000211
如表10所示，在仅将固定模具及可动模具中的任意一方加热后进行注射压缩成型的情况下，也可以获得与加热固定模具及可动模具双方时相同的效果。

Claims (5)

1.一种纤维增强复合材料的制造方法，其特征在于，具备：
将由增强纤维制成的无纺布设置于模具内的工序(a)、和
向所述模具内注射热塑性树脂而得到由所述无纺布和所述热塑性树脂形成的成型品的工序(b)，
其中作为所述工序(b)中的基于所述注射的成型，进行注射压缩成型。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造方法，其中，在所述工序(a)中将所述无纺布加热之后，进行所述工序(b)的注射成型。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造方法，其中，在所述工序(a)中将所述模具的至少一部分加热之后，进行所述工序(b)的注射成型。
4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造方法，其中，作为所述工序(b)中的所述注射成型，进行注射发泡成型。
5.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造方法，其中，所述增强纤维由碳纤维或玻璃纤维构成。
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