CN103328191A - 纤维强化树脂材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够制造构成连续纤维增强材料的连续纤维所希望的取向得到保证，进而其适当部位利用具备所希望的物性(抗拉强度等)的连续纤维增强材料加强了的高强度纤维强化树脂材料的制造方法。是使用成形模具制造纤维强化树脂材料的方法，该成形模具的上模和下模合模会划出型腔，具备形成于下模内部并与所述型腔连通的沟部、在沟部内滑动自由地配置的芯子、和向上推芯子的上推单元，由下述步骤构成：将连续纤维增强材料配置在芯子上的第1步骤；和通过以下方式制造纤维强化树脂材料的第2步骤，向型腔内填充软化或熔融了的基质树脂，利用上推单元向上推芯子，在基质树脂内埋入连续纤维增强材料，从而制造出在固化了的基质树脂内埋设有连续纤维增强材料的纤维强化树脂材料。
Description
技术领域
本发明涉及纤维强化树脂材料的制造方法。
背景技术
在树脂中混入强化用纤维材料而成的纤维强化树脂材料(纤维强化塑料(FRP))，由于重量轻且强度高，已经在汽车产业、建设产业、航空产业等各产业领域使用。
例如在汽车产业中，尝试着对支柱、摇臂、底板等的车辆骨架结构构件、门外侧面板、罩等的要求外观设计属性的非结构构件应用上述纤维强化树脂材料，以谋求车辆的强度保证并且实现其轻量化，制造低燃料费、环境友好型车辆。
该纤维强化树脂材料的成形方法涉及多种方法，例如可以举出应用了片状成型复合法(SMC法)的方法作为其一例。
为了应用该SMC法在纤维强化树脂材料中特别要求强度的构件部位的表面配置例如单一方向的连续纤维增强材料(UD材料)，可以通过将该连续纤维增强材料暂时安装在上下模具的型腔面，向型腔内注射熔融树脂，或者通过将利用预热而预赋型了的熔融树脂的块和/或片配置在型腔内进行压制，来制造在其表面埋设有UD材料的纤维强化树脂材料。
但是，当这样在型腔面暂时安放UD材料在型腔内进行成形时，在该成形时构成UD材料的连续纤维变得散乱，其取向混乱，存在不能够期待所希望的强度的课题。在此，作为蜿蜒量(偏移量)的测定评价法的一例，将图8a的蜿蜒前的状态的单一方向的连续纤维F如图8b那样蜿蜒时的纤维的偏移量，沿着最初的纤维的取向方向的垂直方向进行测定而评价(蜿蜒量为tmm)。并且根据某一见解可知，连续纤维蜿蜒、其角度偏移3度时 UD材料的物性(抗拉强度)降低10%左右，偏移12度时降低50%左右。
因此，在专利文献1中，公开了下述发明，在表面将要设置单一方向的连续纤维增强材料的部位和其以外的部位的边界设置凹部(为了形成该凹部而在型腔面具有凸部)，由此抑制构成连续纤维增强材料的连续纤维的取向偏移。
但是，专利文献1公开的成形品，上述边界成为型腔凹部的薄厚，此处成为外力作用时应力集中的部位，因而具有容易成为断裂起点的课题。
此外，在该成形过程中，暂时设置在上模的型腔面的连续纤维增强材料在合模时容易落下，因而也具有难以得到在表面埋设有连续纤维增强材料的成形品的课题。
现有技术文献
专利文献1：日本特开平5-85179号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题完成的，其目的在于提供一种纤维强化树脂材料的制造方法，该制造方法能够使用成形模具，制造出附加了连续纤维增强材料所希望的物性的高强度纤维强化树脂材料，所述成形模具能够消除构成连续纤维增强材料的连续纤维的取向偏移，并且不需要在埋设连续纤维增强材料的部位和其以外的部位的边界设置会成为结构脆弱部分的凹部，能够形成保证了连续纤维增强材料所希望的物性(抗拉强度等)的纤维强化树脂材料。
为了达到上述目的，本发明的纤维强化树脂材料的制造方法是使用成形模具制造纤维强化树脂材料的方法，上述成形模具的下模和上模合模会划出型腔，具备形成于下模的内部并与上述型腔连通的沟部、在沟部内滑动自由地配置的芯子、和向上推芯子的上推单元，该制造方法由下述步骤构成：将连续纤维增强材料配置在芯子上的第1步骤；和制造纤维强化树脂材料的第2步骤，上述纤维强化树脂材料是通过向型腔内填充软化或熔融了的基质树脂，利用上推单元向上推芯子，在基质树脂内埋入连续纤维 增强材料，在固化了的基质树脂内埋设连续纤维增强材料而成的。
在本发明的制造方法中使用的成形模具，是在构成该模具的下模上形成面对型腔的沟部，在下模的内部滑动自由地设置芯子，在芯子上载置连续纤维增强材料，并能够将其向型腔内上推的成形模具，其能够将连续纤维增强材料挤压到填充于型腔内的树脂内。
在本发明的制造方法的第1步骤中，连续纤维增强材料配置在芯子上。
在此，向上推芯子的上推单元，有伺服电动机等的驱动器和通过该驱动器的工作上下地往复运动的进给机构、通过油压缸或气缸中的流体压力、磁致伸缩驱动器、超磁致伸缩驱动器进行往复运动的活塞杆等，其实施方式多种多样地存在。
另外，也可以是多个凹部设置在下模的适当部位，在每个凹部内装有芯子，多个芯子被上推单元上推，将多个连续纤维增强材料埋设于在型腔内铺展开的热塑性树脂内的形态。
在下模和上模合模划出型腔的状态下，在下模的凹部表面配置有连续纤维增强材料，在第2步骤中，填充软化或熔融了的热塑性树脂。
在此，所谓“填充”，包括向型腔内注射熔融树脂，和将熔融树脂的块和/或片(通过预热形成的预赋型体)配置在型腔内这两者，在后者的情况、其后通过例如将上模挤压到下模进行压制成形，来成形型腔形状的树脂构件。
再者，填充的热塑性树脂内也可以不连续地含有短纤维和/或长纤维，在制造的纤维强化树脂材料是车辆的骨架结构构件的情况，一般填充含有纤维材料的热塑性树脂。
通过使用本发明的成形模具，可以向型腔内填充软化或熔融了的热塑性树脂，当热塑性树脂在型腔内铺展开后，使上推单元工作、上推连续纤维增强材料，进而将其挤压到在型腔内铺展开了的热塑性树脂内。
热塑性树脂的所谓“软化或熔融”，在热塑性树脂由非晶性塑料构成的情况下，对于超过其玻璃化转变温度Tg的状态应用“软化”，在热塑性树脂为结晶性塑料的情况下，对于超过其熔点Tm的状态应用“熔融”。
作为结晶度极低、或不能成为结晶状态的非晶性塑料，可以举出聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ABS树脂、热塑性环氧树脂等。另一方面，作为分子链有规则地排列的结晶区域的量的比率高的塑料、即结晶度高的结晶性塑料，可以举出聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA：尼龙6、尼龙66等)、聚缩醛(POM)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
另外，作为连续纤维增强材料，可以举出仅由连续纤维形成的增强材料、以及在基质树脂内含有连续纤维的增强材料(预浸材料)。此外，该连续纤维增强材料可以是例如JIS中规定的、超过50mm的纤维材料(连续纤维)在基质树脂内单一方向地取向的单一方向材料(UD材料)，也可以是拟似各向同性材料(多轴叠层材料、或由经线和纬线构成的织物等)。作为该连续纤维，可以举出硼、氧化铝、碳化硅、氮化硅、锆等陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维之类的无机纤维、铜、钢、铝、不锈钢等金属纤维、聚酰胺、聚酯等有机纤维的任一种或两种以上的混合材料。
载置于芯子上的连续纤维增强材料，在软化或熔融了的热塑性树脂在型腔内铺展开的过程中没有任何被打乱，因此，构成连续纤维增强材料的连续纤维的取向能够维持所希望的取向。
并且，通过将由维持了所希望的取向的连续纤维构成的连续纤维增强材料挤压到软化或熔融了的热塑性树脂内，能够在例如热塑性树脂内埋设具有维持了所希望取向的连续纤维的连续纤维增强材料。
在此，为了在热塑性树脂的填充时更进一步地保证位于型腔下方的位置的连续纤维增强材料的连续纤维的取向维持，也可以采取以下措施，在该连续纤维增强材料的表面事先附着由与填充的热塑性树脂相同的材料的热塑性树脂构成的片。另外，还可以是能够实现以下实施方式的成形模具：设置有划分出型腔和沟部、并且在下模内滑动自由地设置的极薄的防护板，在热塑性树脂的填充时利用该防护板使下方的连续纤维增强材料避开填充的热塑性树脂，在热塑性树脂在型腔内充分铺展开了的阶段，滑动防护板使连续纤维增强材料面对热塑性树脂，并使上推单元工作将连续纤维增强 材料埋入热塑性树脂内。
另外，也可以在构成成形模具的上模或下模中内置加热单元。
根据该实施方式，在型腔内配置热塑性树脂的块和/或片并合模后，使加热单元工作能够使该块和/或片软化或熔融。
例如在所希望的一个部位或多个部位埋设连续纤维增强材料、作为基质树脂的热塑性树脂固化形成的纤维强化树脂材料，成为可维持形成连续纤维增强材料的连续纤维所希望的取向，进而保证了连续纤维增强材料所希望的物性(抗拉强度等)的高强度纤维强化树脂材料。该纤维强化树脂材料，当然可以应用于支柱、摇臂、底板等的要求强度的车辆骨架结构构件，还可以应用于门外侧面板、罩等的要求外观设计属性的非结构构件等。
根据本发明的纤维强化树脂材料的制造方法，能够保证构成连续纤维增强材料的连续纤维所希望的取向，该连续纤维增强材料产生纤维强化树脂材料的强度提高，进而能够制造所希望部位利用具有所希望的物性(抗拉强度等)的连续纤维增强材料强化了的高强度的纤维强化树脂材料。
由以上的说明可以理解，根据本发明的纤维强化树脂材料的制造方法，通过使成形模具的下模具备面向型腔的沟部和在该沟部内滑动自由的芯子，在热塑性树脂在型腔内铺展开后使芯子滑动，将载置于芯子上的连续纤维增强材料埋入热塑性树脂内，从而能够保证构成连续纤维增强材料的连续纤维所希望的取向，进而能够制造一种高强度的纤维强化树脂材料，其适当部位被具备所希望的物性(抗拉强度等)的连续纤维增强材料强度加强。
附图说明
图1是表示在本发明的制造方法中使用的成形模具的一实施方式的模式图，是表示构成成形模具的上模和下模开模的状态图。
图2(a)是表示连续纤维增强材料的一实施方式的立体图，(b)是表示连续纤维增强材料的另一实施方式的立体图。
图3是说明在型腔内装有熔融了的热塑性树脂的块的状态图。
图4是说明将上模向下模挤压，在型腔内热塑性树脂被摊开的状态图。
图5是说明向上推芯子将连续纤维增强材料埋入热塑性树脂内的状态图。
图6是表示制造出的纤维强化树脂材料的一实施方式的立体图。
图7是表示成形模具的另一实施方式的模式图。
图8是表示连续纤维蜿蜒时的蜿蜒量(偏移量)的测定评价法的一例的模式图，(a)是表示蜿蜒前的状态的图，(b)是表示蜿蜒后的状态的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的纤维强化树脂材料的制造方法的实施方式。再者，图1、3、4、5按顺序成为纤维强化树脂材料的制造方法的流程图。
图1是表示在本发明的制造方法中使用的成形模具的一实施方式的模式图，是表示构成成形模具的上模和下模开模的状态图。
图示的成形模具10由上模2和下模1构成，两者合模后能够划出型腔K。
在下模1形成有与型腔K连通的沟部1a，在该沟部1a内滑动自由地配置有芯子3，该芯子3能够被上推单元4向上方的型腔K侧上推。
图示的上推单元4由伺服电动机41和通过该伺服电动机41的驱动而能够旋转的转轴42构成，根据转轴3的旋转、芯子3如同进给螺杆那样能够自由升降。
再者，上推单元不限定于图示例，也可以为由油压缸、气缸、磁致伸缩驱动器、超磁致伸缩驱动器等驱动器和通过这些驱动器往复运动的活塞杆构成，在该活塞杆上固定芯子的方式。
另外，沟部1a的沟深，是使得在连续纤维增强材料W1载置于芯子3上的状态下，连续纤维增强材料W1的上表面位于型腔K的假想下表面(图中的单点划线)下方δ的位置的沟深。这样通过使连续纤维增强材料W1在沟部1a内落入型腔K的假想下表面下方而被载置，能够防止在型腔K内 填充的软化或者熔融了的热塑性树脂在型腔K内铺展开时，该热塑性树脂与连续纤维增强材料W1接触，从而能够防止连续纤维的取向混乱。
载置于芯子3上的连续纤维增强材料W1是埋设于填充到型腔K内的热塑性树脂内，使最终得到的纤维强化树脂材料的适当部位强度加强的增强材料，其形态有如图2a所示的连续纤维Wb在基质树脂Wa内沿单一方向取向的单一方向材料(UD材料)、拟似各向同性材料(0度方向的方向材料和90度方向的方向材料、±45度方向的方向材料、0度、90度、±45度方向的方向材料等多个方向材料层叠而成的多轴叠层材料，以及由经线和纬线构成的织物材料等)等的预浸材料，此外还有仅由连续纤维构成的单一方向材料、拟似各向同性材料等。
另外，作为连续纤维增强材料的另一实施方式，如图2b所示，也可以是在图2a所示的连续纤维增强材料W1的上表面，附着由与填充的热塑性树脂相同材料的热塑性树脂构成的片Wa’而成的材料。通过使连续纤维增强材料W1在其上表面具备片Wa’，可以更进一步保证向型腔K内填充热塑性树脂时的连续纤维Wb的取向保持。
再者，作为应用的连续纤维，可以举出硼、氧化铝、碳化硅、氮化硅、锆等的陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维之类无机纤维、铜、钢、铝、不锈钢等的金属纤维、聚酰胺、聚酯等有机纤维中的任一种或两种以上的混合材料。
在如图1所示、在芯子3上载置连续纤维增强材料W1(步骤S1)后，接着如图3所示，向型腔K内填充软化或熔融了的热塑性树脂W2’。
该填充有将软化或熔融了的热塑性树脂W2’向型腔K内注射的方法、将软化或熔融了的热塑性树脂W2’的块或片放入型腔K内，接着挤压上模2进行压制的方法等。
此外，成形模具10也可以是内置未图示的远红外线加热器等加热单元的模具，该情况下，在将固态的热塑性树脂放入型腔K内后使加热单元工作，可以在型腔K内将热塑性树脂软化或熔融。
填充的热塑性树脂涉及多种，在热塑性树脂由非晶性塑料构成的情况 下，填充超过其玻璃化转变点Tg而软化的树脂，在热塑性树脂为结晶性塑料的情况下，填充超过其熔点Tm而熔融了的树脂。
作为应用的非晶性塑料，可以举出聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ABS树脂、热塑性环氧树脂等，作为结晶性塑料，可以举出聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA：尼龙6、尼龙66等)、聚缩醛(POM)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
填充的热塑性树脂，在最终得到的纤维强化树脂是支柱、摇臂、底板等要求强度的车辆骨架结构构件的情况下，成为含有以上例示的纤维材料的短纤维和/或长纤维的纤维树脂材料。
如图2所示，在软化或熔融了的热塑性树脂W2’被放入型腔K内的状态下，在连续纤维增强材料W1的上表面和热塑性树脂W2’之间形成间隙S，抑制了两者的接触。
接着，如图4所示，通过利用未图示的驱动单元将上模2向下模1侧挤压(X1方向)，软化或熔融了的热塑性树脂W2’在型腔K内铺展开。再者，即使在这样热塑性树脂W2’在型腔K内铺展开的状态下，在其与连续纤维增强材料W1之间仍然存在间隙S’，可抑制两者的干扰，连续纤维Wb的取向不会混乱。
热塑性树脂W2’在型腔K内充分地铺展开后，如图5所示，使伺服电动机41工作从而使转轴42旋转(X2方向)，与转轴42的旋转相应地芯子3上升(X3方向)，将载置于芯子3上的连续纤维增强材料W1埋入热塑性树脂W2’内。
热塑性树脂W2’固化，将合模状态的成形模具10开模并将成形品脱模，由此就可以制造图6所示的、在由热塑性树脂构成的基质树脂Wc内埋设有短纤维或长纤维等纤维材料Wd而成的纤维强化树脂构件的一部分中埋设有连续纤维增强材料W1的纤维强化树脂材料W(步骤S2)。
图示的纤维强化树脂材料W是车辆的骨架结构构件的一部分用连续纤维增强材料W1加强了的材料，在上述制造过程中通过该连续纤维Wb保证了所希望的取向，而成为保证了连续纤维增强材料W1所希望的物性 的高强度纤维强化树脂材料。
另外，作为在本发明的制造方法中使用的成形模具，也可以应用图7所示的另一实施方式。
图示的成形模具10A是以下实施方式的成形模具，在下模1中具备由防护板52和使其滑动的汽缸机构51构成的遮蔽单元5，在热塑性树脂的填充时防护板52划出型腔K和沟部1a，使连续纤维增强材料W1避开填充的热塑性树脂，在热塑性树脂在型腔K内充分铺展开了的阶段，使汽缸机构51工作，防护板52滑动(X4方向)，从而使连续纤维增强材料W1面对热塑性树脂，使上推单元4工作将连续纤维增强材料W1埋入热塑性树脂内。
[验证构成连续纤维增强材料的连续纤维的蜿蜒量的实验及其结果]
本发明者等进行了以下实验：通过使用了上述具备芯子的成形模具的本发明的制造方法制造纤维强化树脂材料(实施例)，并且使用不具备芯子的以往的成形模具制造纤维强化树脂材料(比较例)，测定埋设于两者的纤维强化树脂材料内的连续纤维增强材料的连续纤维的蜿蜒量。
在该实验中，连续纤维增强材料使用在聚丙烯的基质树脂内含有24k的碳纤维的UD材料(预浸材料)，在将其预先用远红外线加热器以200～250℃左右预热1～10分钟左右后载置于成形模具内。
接着，向成形模具内填充以140～150℃熔融了的聚丙烯(スミストラン(住友化学(株)制))，成形实施例和比较例的纤维强化树脂材料。
在成形模具内，以20MPa以上压制连续纤维增强材料，以10MPa以上压制熔融基质树脂。
测定了实施例和比较例两者的连续纤维增强材料的连续纤维的蜿蜒量的结果，比较例的连续纤维的蜿蜒量为5～10mm，与此相对，实施例的连续纤维的蜿蜒量停留在0.5～1mm的范围，连续纤维的蜿蜒量格外地降低，证实了改善到可以评价为大致没有蜿蜒的程度。
以上，使用附图详述了本发明的实施方式，但具体的构成不受限于该实施方式，即使有在不脱离本发明的要旨的范围的设计变更等，它们也包 括在本发明中。
附图标记说明
1...下模、1a...沟部、2...上模、3...芯子、4...上推单元、41...伺服电动机、42...转轴、5...遮蔽单元、51...汽缸机构、52...防护板、10、10A...成形模具、W...纤维强化树脂材料、W1...连续纤维增强材料(UD材料)、Wa...基质树脂(热塑性树脂)、Wa’...防护板、Wb...连续纤维、W2...树脂构件、W2’...熔融了的热塑性树脂、Wc...基质树脂、Wd...不连续纤维(短纤维、长纤维) 。
Claims (3)
1.一种纤维强化树脂材料的制造方法，是使用下模和上模合模后会划分出型腔的成形模具来制造纤维强化树脂材料的方法，所述成形模具具备：形成于下模内部、并与所述型腔连通的沟部，在沟部内滑动自由地配置的芯子，和向上推芯子的上推单元，
该制造方法包含下述第1步骤和第2步骤，
第1步骤：将连续纤维增强材料配置在芯子上；
第2步骤：向型腔内填充软化或熔融了的基质树脂，用上推单元向上推芯子，使连续纤维增强材料埋入基质树脂内，从而制造出在固化了的基质树脂内埋设有连续纤维增强材料的纤维强化树脂材料。
2.根据权利要求1所述的纤维强化树脂材料的制造方法，所述连续纤维增强材料由以下增强材料中的任一种构成：
仅由连续纤维形成的增强材料，或者
在基质树脂内含有连续纤维而成的增强材料。
3.根据权利要求1或2所述的纤维强化树脂材料的制造方法，在所述基质树脂内含有短纤维或长纤维。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150211 |