CN104903076A - 中空成型品的成型方法及纤维增强塑料的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种由纤维增强塑料构成的中空成型品的成型方法，其为成型由纤维增强塑料构成的中空成型品的方法，所述方法包括下述工序：第1形成工序，将发泡材料进行预成型来制作芯轴，在所述芯轴上配置加压用皮囊，形成1次层合体，所述芯轴具有相对于成型品外形偏离一定量的形状；第2形成工序，一边用编织机对增强纤维进行织造一边将其层合在所述1次层合体的外周，形成2次层合体；配置工序，将所述2次层合体配置在成型模具内；注入工序，向成型模具内注入树脂；一体化工序，一边向已配置在成型模具内的2次层合体的加压用皮囊内赋予压力，一边通过加热将增强纤维和树脂一体化；和除去工序，从一体化后的成型品中除去1次层合体。

Description

中空成型品的成型方法及纤维增强塑料的制造方法

技术领域

本发明涉及成型由纤维增强塑料构成的中空成型品的方法。

背景技术

纤维增强塑料为轻质、高刚度，且强度特性优异，被使用在很多领域中。在网球拍、高尔夫球杆、钓竿、自行车车架等中，为了同时实现轻质性和高刚度，使用了中空的纤维增强塑料成型品。用于制造该中空成型品的成型方法中包括内压成型法。

内压成型法是如下方法：在成型模具内将材料配置成筒状，从配置的材料的内侧赋予压力，在材料与成型模具密合的状态下进行加热使其成型。

专利文献1公开了使用预浸料坯成型截面为异形的中空成型品的一个例子。专利文献1中，将预浸料坯卷绕在截面为圆形的芯轴上，然后将芯轴抽出，制成预浸料坯的中空材料，在预浸料坯的中空材料中的空心部分插入压力袋，将插入有压力袋的中空材料配置在模具(其具有与中空成型品的异形状相对应的形状，其中配置有用于补充异形部的预浸料坯)内，然后，通过内压成型法进行成型，由此获得了异形截面的中空成型品。

此外，专利文献2公开了通过树脂传递模塑成型法(以下记为RTM)以表面无针孔、外观设计性良好的方式成型中空成型品的方法。该方法中，将增强材料卷绕在用于赋予内压的内压保持体上，设置在具有树脂注入口和排气口的模具内，向模具和内压保持体之间注入由成型物的纤维体积含有率(Vf)算出的量的树脂，然后，缓缓施加内压，在排气口看到树脂时，将排气口堵上，将内压升高至规定压力，由此获得了中空成型品。

专利文献1：日本特开2006-123475号公报

专利文献2：日本专利第4052486号公报

发明内容

然而，就专利文献1所公开的方法而言，由于将预浸料坯卷在截面为圆形的芯轴上，因此要卷成规定的厚度会耗费大量时间。此外，将芯轴抽出时，有可能在预浸料坯上产生皱纹，并且由于将抽出芯轴作为前提，因此成型弯曲的中空成型品是困难的。此外，由于芯轴的截面为圆形，因此制成的中空成型品大体为圆筒形状，由于配置用于补充异形部的预浸料坯，因此壁厚变得显著不均匀。进而，由于利用预浸料坯进行成型，所以在表面产生许多凹坑，表面外观设计性不好，需要进行涂装时，在基底处理等方面耗费大量时间。

此外，就专利文献2所公开的方法而言，虽然该文献中没有直接记载，但是若空心部的截面形状为圆形，则存在通过改进增强材料的卷绕方法能够成型为同样壁厚的可能性，另一方面，在空心部的截面形状为异形的情况下，使内压保持体膨胀时，内压保持体从与增强材料内壁的距离近的部位接触，相接触的部位的增强材料的位置不动，因此，内压保持体无法将与增强材料内壁的距离远的部位切断，可能产生富含树脂的部分、凹坑等外观不好的部位。此外，为制造大量成型品而反复进行成型时，内压保持体与异形截面接触的方式随着每个成型品而变化，成型品的品质也可能产生偏差。进而，在专利文献2的实施例中，为了从气泡中除去空气从而提高外观，需要将作为重物的模具竖立的操作。此外，由于在将内压升高至规定压力之前向模具内注入树脂，所以树脂在模具内的流路没有限制，成为容易发生树脂先包围在预成型体周围的状态，尚存在树脂先流过预成型体外周部、空气被捕集在制品内的担忧。若空气被捕集在制品内，变得容易产生树脂未含浸部、凹坑，并且，成型品上可能产生表面品质不够良好的部位。

本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的课题在于提供一种即使中空成型品的截面为异形、或为具有弯曲部的形状，也能以大致相等的壁厚、稳定的品质，表面外观设计性良好且容易地成型轻质·高刚度的纤维增强塑料制中空成型品的方法。

为了解决上述问题，本发明涉及的中空成型品的成型方法是成型由纤维增强塑料构成的中空成型品的方法，其包括下述工序：第1形成工序，将发泡材料进行预成型来制作芯轴，在所述芯轴上配置加压用皮囊，形成1次层合体，所述芯轴具有相对于成型品外形偏离(offset)的形状；第2形成工序，一边用编织机将增强纤维织造成编织基材一边将其层合在所述1次层合体的外周，形成2次层合体；配置工序，将所述2次层合体配置在成型模具内；注入工序，向成型模具内注入树脂；一体化工序，一边向已配置在成型模具内的2次层合体的加压用皮囊内赋予压力，一边通过加热将增强纤维和树脂一体化；和除去工序，从一体化后的成型品中除去1次层合体。

此外，为了解决上述问题，在本发明涉及的纤维增强塑料的制造方法中，采用上述中空成型品的成型方法。

根据本发明的成型方法，即使中空成型品的截面为异形、或为具有弯曲部的形状，也能够以大致相等的壁厚，表面外观设计性良好且容易地成型轻质·高刚度的纤维增强塑料制中空成型品。

此外，根据本发明的成型方法，在应当进行成型的纤维增强塑料制中空成型品的整个领域内，能够抑制空气的卷入从而使得注入的树脂良好地含浸于预成型体的增强纤维基材，获得几乎没有树脂未含浸部和凹坑的纤维增强塑料制中空成型品。

进而，根据本发明的成型方法，在中空RTM成型中，能够将用在非制品部的树脂量抑制在必要的最小限度。

附图说明

图1是表示本发明的方法中使用的、预成型后的发泡材料形状的一个例子的立体图。

图2是表示本发明的方法中使用的、预成型后的发泡材料形状的一个例子的上面图。

图3是表示本发明的方法中使用的、预成型后的发泡材料形状的一个例子的截面图。

图4是表示本发明的方法中使用的1次层合体的一个例子的截面图。

图5是表示本发明的方法中使用的2次层合体的一个例子的截面图。

图6是本发明的方法中使用的成型模具的模式图。

图7是本发明的方法中使用的管的配置模式图。

图8是本发明的方法中使用的芯轴形状的一个例子及其配置图。

图9是本发明的方法中使用的芯轴形状的一个例子及其配置图。

图10是表示本发明的方法中使用的模具内的层合体的一个例子的截面图。

图11是表示本发明的方法中使用的模具内的层合体的一个例子的截面图。

图12是表示本发明的方法中使用的模具内的层合体的一个例子的截面图。

图13是表示本发明的方法中使用的模具内的层合体的一个例子的截面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。

图1示出本发明中使用的芯轴的一个例子。图1(a)是长度方向上截面相同的情况，图1(b)是长度方向上截面有所改变的情况。芯轴可通过将发泡材料进行预成型来制作。作为用于芯轴的发泡材料的材质，可举出聚氨酯、丙烯酸、苯乙烯等树脂，但从易于将1次层合体从中空成型品中除去、成本低的观点考虑，优选由苯乙烯制作的发泡苯乙烯。发泡苯乙烯在加热至某温度以上时收缩量变大，因此，即使中空成型品的形状为在中途弯曲的形状、或在中空成型品长度方向上的中间部分存在截面形状稍大的部分，也能够将芯轴除去。图2示出一个例子。图2是相对于芯轴长度方向从上侧观察的图。图2(a)是成型品在中途弯曲的形状的情况，图2(b)是中间部分的截面形状较大的情况。此外，由于发泡苯乙烯制的芯轴也能被丙酮等有机溶剂溶解，所以可在下文所述的除去工序中容易地除去。作为发泡材料的发泡倍率，由于在形成2次层合体时利用编织机进行层合，所以作为芯轴需要有充分的刚度，因此，优选30倍以下的发泡倍率，更优选10～30倍的发泡倍率。

芯轴具有相对于成型品外形(制品外形)偏离的形状，优选为相对于制品外形偏离了将层合的编织基材厚度与加压用皮囊厚度加和而得的厚度t以上的形状。其原因是，为偏离了小于厚度t的程度的形状时，存在编织基材咬入成型模具间、将增强纤维切断的可能性。此外，优选使偏离量为在编织基材厚度和加压用皮囊厚度的基础上再加上3mm的量以下。其原因是，以超过该量的程度偏离时，存在下述情况：无论对加压用皮囊施加多么大的压力，也不能实现编织基材支撑、将编织基材充分地按压在模具上，在编织基材和模具之间产生空隙，在下文所述的含浸工序中被含浸的树脂积存在空隙中，从而形成富含树脂的部位。但是，在制作2次层合体的第2形成工序以外的工序中，在2次层合体的一部分区域补加编织基材以进行增强时，即使偏离上述偏离程度以上的量也没有问题。

此外，使芯轴的截面为异形截面时的一个例子示于图3。可采用(a)椭圆形状、(b)接近三角形的形状、(c)泪滴形状等各种截面形状。需要说明的是，本发明中，异形是指非圆形。

在芯轴上配置有加压用皮囊的1次层合体的截面的一个例子示于图4。加压用皮囊发挥将成型时赋予到皮囊内的压力传递至增强纤维的作用，作为其材质，可优选使用容易变形、脱模性良好的有机硅橡胶、聚酰胺类的树脂膜等。为有机硅橡胶时(例如图4(a))优选为0.5～2mm的厚度，为树脂膜时(例如图4(b))优选为50μm～150μm的厚度。关于形状，为有机硅橡胶时，只要能够伸缩从而容易地遵循芯轴的外形，并且通过施加内压可将增强纤维按压在成型模具上，则为任意形状均可；为树脂膜时，只要周长为制品周长以上即可，对于有机硅橡胶、树脂膜二者而言，从成本的观点考虑，均优选为可连续成型的近圆筒形状。将加压用皮囊在芯轴长度方向的端部闭合时，为树脂膜的情况下，可通过通常采用的热封等将加压用皮囊的端部热熔合。此外，为有机硅橡胶的情况下，可例如使用扎带将端部闭合。

接下来，一边将增强纤维利用编织机织造成编织基材一边将其层合在1次层合体的外周，形成2次层合体。所谓编织基材，是指将增强纤维用编织机进行织造而得的筒状纤维基材。作为增强纤维，例如可使用碳纤维、玻璃纤维等无机纤维、芳族聚酰胺纤维(Kevlarfiber)、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维等有机纤维。作为增强纤维，从轻质性和刚度方面考虑，特别优选碳纤维。使用编织机时，可一边调整增强纤维的编织角度一边层合编织基材，除中空成型品的长度方向端部以外在增强纤维上没有断开的部位，因此，获得更轻质且更高刚度、更高强度的筒状成型品成为可能。

此外，根据需要，也可以层合复数层的编织基材。图5示出层合有2层编织基材的2次层合体32的截面的一个例子。40是第1层，41是第2层。此外，即使在芯轴形状为截面形状沿长度方向变化的情况下，在层合增强纤维时，通过在截面周长较长时增大编织角度，在截面周长较小时减小编织角度，能够控制编织疏密程度，由此可制作间隙小的编织基材。此外，与人工层合预浸料坯的情况相比，也能够将工序所需要的时间抑制在三分之一以下。

接下来，将得到的2次层合体32配置在图6所示的成型模具的模腔60中。图6仅示出下模50，但上模51也具有与下模50对应的形状。为了对成型模具进行加热，可以在成型模具自身装入加热器(未图示)、用于加热介质的管(未图示)，也可以将成型模具配置在具有热源的加压机上，此外，模具自身也可以安装在加压机上。成型模具在配置有加压用皮囊的开口端部的部位90具备使压缩空气不会泄漏的密封结构(未图示)，同时使模腔60为真空，并且，具备用于排出树脂的流路70，真空泵(未图示)介由排出管与流路70的最前端连接。此外，在加压用皮囊的另一个端部附近具备可向模腔内注入树脂的流路80，可将树脂注入模腔的树脂罐(未图示)介由注入管(未图示)连接在流路80的最前端。此外，虽未做图示，但是沿模具外周还具有通常被设置的、使树脂不向成型模具外泄漏的密封结构。需要说明的是，为了使模腔60为真空，可以从流路80抽真空。

合上成型模具后，配置在具有热源的加压机上，通过加压将成型模具固定。加压机的热源预先设定为树脂固化温度即可，在加压的同时对成型模具进行加热。接下来，利用真空泵将成型模具的模腔60内抽真空。成型模具达到某规定温度时，从树脂罐向模腔60供给树脂。需要说明的是，作为被注入模腔中、用作纤维增强塑料的基体的树脂，通常可使用环氧树脂等热固性树脂。

沿模腔的长度方向的、成型模具的厚度(上下)方向的截面模式图示于图10～13。在卷绕有加压用皮囊22的芯轴10的外侧，配置有编织基材40、41。此处，图10是沿图6中的模腔60的长度方向的、成型模具的厚度(上下)方向的截面模式图，在卷绕有加压用皮囊22的芯轴10的外侧，以偏离量大致恒定的方式配置有编织基材40、41。如图10所示，通过相对于芯轴长度方向以偏离量大致恒定的方式进行配置，树脂的流路被限制，树脂效率良好地流动，提高对于编织基材40、41的含浸性成为可能，故而优选。

除了使偏离量恒定以外，还在成型模具内的至少一部分区域形成就由芯轴的形状、编织基材的厚度变化(基材投入量的增减)、模具的模腔构成的树脂流路的流路截面积而言从树脂注入侧朝向树脂排出侧减少偏离量的结构，由此在模具内形成树脂的流动阻力高的区域(高流动阻力区)，注入的树脂良好地含浸于预成型体的增强纤维基材，可获得几乎不存在树脂未含浸部和凹坑的纤维增强塑料制中空成型品。

作为上述那样的例子，如图11所示，通过使用相对于芯轴10的中空成型品外形的偏离量从树脂注入侧朝向树脂排出侧减少那样的锥形的芯轴，能够在模具内形成树脂高流动阻力区。此外，如图12所示，中空成型品的外部形状为锥形时，不必使芯轴的形状为锥形，即使使用实质上为一定截面形状的芯轴，通过制成模具的模腔的截面积从树脂注入侧朝向树脂排出侧缩小的结构，也能够获得与图11的情况相同的效果。如图13所示，通过使中空成型品厚度方向上的编织基材40、41的厚度(基材投入量的增减)从树脂注入侧朝向树脂排出侧增加，也能够在模具内形成树脂高流动阻力区。此外，通过组合上述各图案，也能够制成就树脂的流路截面积而言从树脂注入侧朝向树脂排出侧减少偏离量的结构。

此外，注入树脂时，如图7所示，优选与成型模具连接的排出管100悬在处于成型模具的上方的上侧。更具体而言，更优选位于较上模51的模腔的最高位置而言更靠上侧的位置。这样使得残留在模腔内的空气、注入的树脂所含有的微量空气被挤出至排出管的前端，因此能够制成外观良好的中空成型品。即，即使不施行像专利文献2那样将模具竖立的操作，也能够制成具有足够良好的外观的中空成型品。

然后，若向加压用皮囊内导入规定压力的压缩空气，则大体均匀的压力作用于增强纤维，增强纤维被推压至成型模具的内壁。由于是具有相对于成型品的外形偏离的形状的芯轴，所以缠在芯轴上的加压皮囊也发生遵循上述形状的膨胀过程，力均匀地作用于增强纤维，因此即使为异形截面，也几乎不会形成壁厚不均匀的部位或富含树脂的部位。

此外，作为供给的树脂量，在已与成型模具连接的排出管上设置用于堵住树脂的排出的夹子、用树脂填满到该夹子位置110为止的量是优选的。此外，由于此时加压用皮囊尚未膨胀，因此通过使用芯轴，就将模具内填满所需要的树脂量而言，可减少与芯轴体积同等的树脂量。作为夹子位置，从可提高树脂的利用率的方面考虑，优选排出管的最大限度地接近成型模具的位置。在模腔60内填满树脂的状态下向加压用皮囊内导入压缩空气时，对增强纤维整体施以大致相等的压力，即使残留有少量气泡，通过压力将该气泡挤破从而使气泡缩小也是可能的。

进而，向加压用皮囊内导入压缩空气后，打开排出管的夹子110，将树脂排出规定量直至成型品成为设想的重量，由此能够制成具有较高的纤维体积含有率(高Vf)的中空成型品。排出的树脂量可根据目标重量、目标刚度等来确定。树脂注入结束后，通过加热规定的时间，使得树脂固化，增强纤维与树脂一体化。树脂的固化结束后，从加压机中取出成型模具，打开成型模具。从成型模具中取出纤维增强塑料制中空成型品，从内部除去1次层合体，由此可得到中空成型品。利用该成型方法，即使截面为异形、或为具有弯曲部的形状，也能以大致相等的壁厚，表面外观设计性良好且容易地成型轻质·高刚度的纤维增强塑料制中空成型品。

图8示出了本发明的中空成型品的成型方法的其他实施方式中使用的复数个2次层合体的配置状态。为了明确表示，图8中仅图示了芯轴形状。如上文所述进行操作，制作至少2个2次层合体，如图8所示，将2个2次层合体以在整个长度方向上相互接触的方式配置于成型模具，由此可得到内部具有肋的中空成型品。

图9示出了本发明的中空成型品的成型方法的其他实施方式中使用的复数个2次层合体的配置状态。为了明确表示，图9中也仅图示了芯轴形状。如上文所述进行操作，制作至少2个2次层合体，如图9所示，将2个2次层合体以使其长度方向上的一部分相互接触的方式配置于成型模具，由此能够制作分岔为两股的中空成型品。此外，优选地，在图8、图9的复数个2次层合体的相接触的部分，根据需要以包进复数个2次层合体的方式缠上碳纤维等增强纤维基材以进行增强。仅相接触的部分接合时，针对欲要将2个2次层合体剥下的方向的力的耐性较弱，因此，配置利用编织机制作的筒状基材，或者用碳纤维织物等增强纤维基材进行增强，由此能够制成具有更稳定的强度的中空成型品。

如上所述，本发明的成型方法适合于制作即使具有异形截面且为三维地具有弯曲部那样的形状、也为轻质且高刚度的中空成型品，但并不限于此，即使截面为简单的形状也能采用本发明的成型方法。

实施例

以下，通过实施例更进一步地详细说明本发明。

一边使用编织机将碳纤维(东丽株式会社制“Torayca”(注册商标)T300-6K)织造成编织基材40、41，一边将其层合在1次层合体30(其中，在加压用皮囊22(材质：聚酰胺6，厚度＝60μm)中装有发泡苯乙烯10(发泡倍率30倍))的周围，形成2次层合体32。

将2次层合体32配置在成型模具的模腔60中，利用预先已将热盘设定为80℃的加压机将成型模具50、51合模，将成型模具内60、70、80、90抽真空。

确认到成型模具50、51达到80℃后，将排出管100夹住，将含有100重量份环氧树脂和1重量份酸酐固化剂的液态环氧树脂组合物供给至模腔60。

向加压用皮囊22内导入0.5MPa的压缩空气后，打开排出管的夹子110，排出与加压皮囊的膨胀体积(增大量)相等的量的树脂后，再将排出管100夹住，在以树脂压力0.45MPa进行加压的状态下加热30分钟，由此使树脂固化。使得增强纤维与树脂一体化。

树脂的固化结束后，从加压机中取出成型模具50、51，打开成型模具51，从成型模具50中取出纤维增强塑料制中空成型品，从内部除去1次层合体30，由此得到中空成型品。

由实施例的结果可知，通过本发明，能够将用于非制品部分的树脂量抑制在必要的最小限度，可获得壁厚大致相等、表面外观设计性良好、且几乎不存在树脂未含浸部和凹坑的纤维增强塑料制中空成型品。

附图标记说明

10，11，12，13，14，15，16，17…芯轴

20，21，22…加压用皮囊

30，31…1次层合体

32…2次层合体

40，41…编织基材

50，51…成型模具

60…模腔

70，80…流路

90…加压用皮囊开口端部

100…排出管

110…夹子位置

Claims (13)

1.一种中空成型品的成型方法，其为成型由纤维增强塑料构成的中空成型品的方法，所述成型方法包括下述工序：

第1形成工序，将发泡材料进行预成型来制作芯轴，在所述芯轴上配置加压用皮囊，形成1次层合体，所述芯轴具有相对于成型品外形偏离的形状；

第2形成工序，一边用编织机将增强纤维织造成编织基材一边将其层合在所述1次层合体的外周，形成2次层合体；

配置工序，将所述2次层合体配置在成型模具内；

注入工序，向成型模具内注入树脂；

一体化工序，一边向已配置在成型模具内的2次层合体的加压用皮囊内赋予压力，一边通过加热将增强纤维和树脂一体化；和

除去工序，从一体化后的成型品中除去1次层合体。

2.如权利要求1所述的中空成型品的成型方法，其中，成型模具与排出管相连接，所述排出管可以将树脂从成型模具内排出，在所述注入工序中，将所述排出管的至少一部分配置在高于成型模具的位置。

3.如权利要求1或2所述的中空成型品的成型方法，其中，成型模具与排出管相连接，所述排出管可以将树脂从成型模具内排出，并且具有用于拦住树脂排出的夹子，在所述注入工序中，注入的树脂量是用树脂实质地填满至排出管的夹子位置的树脂量。

4.如权利要求1～3中任一项所述的中空成型品的成型方法，其中，在所述一体化工序中，将树脂排出直至成型品成为设想的重量。

5.如权利要求1～4中任一项所述的中空成型品的成型方法，其中，发泡材料为发泡苯乙烯。

6.如权利要求1～5中任一项所述的中空成型品的成型方法，其中，制作至少2个所述2次层合体，在所述配置工序中，将所述2次层合体以在整个长度方向上相互接触的方式配置在成型模具内。

7.如权利要求1～5中任一项所述的中空成型品的成型方法，其中，制作至少2个所述2次层合体，在所述配置工序中，将所述2次层合体以其长度方向的一部分相互接触的方式配置在成型模具内。

8.如权利要求6或7所述的中空成型品的成型方法，其中，用增强纤维基材对制作的复数个2次层合体的相互接触部分的至少一部分进行增强。

9.如权利要求1～8中任一项所述的中空成型品的成型方法,其中，芯轴相对于成型品外形的偏离量是恒定的。

10.如权利要求1～8中任一项所述的中空成型品的成型方法，其中，在成型模具内的至少一部分区域，芯轴相对于成型品外形的偏离量具有从树脂注入侧向树脂排出侧减少的构成。

11.如权利要求10所述的中空成型品的成型方法，其中，在成型模具内的至少一部分区域，成型模具内的中空成型品厚度方向上的编织基材的厚度具有从树脂注入侧向树脂排出侧增加的构成。

12.如权利要求10所述的中空成型品的成型方法，其中，在成型模具内的至少一部分区域，模具的模腔的截面积具有从树脂注入侧向树脂排出侧缩小的结构。

13.一种纤维增强塑料的制造方法，其中，采用了权利要求1～12中任一项所述的中空成型品的成型方法。