CN109228408A - 纤维强化的树脂基材或树脂成形体的制造方法以及该制造方法中使用的塑化吐出机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够有效地进行热塑性树脂向强化纤维素材的浸渗并且生产率和经济性高的纤维强化的树脂基材、树脂成形体的制造方法以及该制造方法中使用的挤出机。本发明的制造方法为制造使热塑性树脂浸渗于强化纤维素材而得到的纤维强化的树脂基材或树脂成形体的方法，其中，在所述热塑性树脂的熔体上载置所述强化纤维素材并对其进行加压，使所述熔融树脂浸渗于所述强化纤维素材，然后，对浸渗有所述熔融树脂的强化纤维素材进行冷却、固化。

Description

纤维强化的树脂基材或树脂成形体的制造方法以及该制造方 法中使用的塑化吐出机
本申请是申请号为201480005526.7(国际申请号为PCT/JP2014/051138)、中国国家阶段进入日为2015年7月21日(国际申请日为2014年1月21日)、发明名称为“纤维强化的树脂基材或树脂成形体的制造方法以及该制造方法中使用的塑化吐出机”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及在加压的基础上使热塑性树脂浸渗于强化纤维素材的纤维强化的树脂基材或树脂成形体的制造方法以及该制造方法中使用的塑化吐出机。
背景技术
将树脂进行纤维强化而得到的纤维强化树脂轻量且具有高强度，被用于各种体育用品、建筑资材、飞机等，其用途还扩大到特殊汽车部件等，但其在重视经济性、量产性的普通汽车部件等中的应用没有进展。但是，伴随着要求减轻环境负荷的社会形势的变化，汽车轻量化技术的开发成为重要课题，在期待大量使用纤维强化树脂的普通汽车部件中的应用备受关注。
纤维强化树脂中，考虑到大量生产、操作的容易性、生产率高、用途的扩大性等，在强化纤维束、强化纤维织物等强化纤维素材中浸渗有热塑性树脂的纤维强化树脂备受关注。但是，热塑性树脂的粘度高，因此，不易使其浸渗于强化纤维素材，存在难以均匀浸渗或者气泡残留等问题，提出了用于解决该问题的各种方案。
例如，在专利文献1中提出了一种片状预浸料的制造方法，其中，将减压后的密封部、能够控制温度的连接部及积存有熔融树脂的模头连接成一排，将由多个连续强化纤维构成的带状强化纤维束从密封部端的导入口插通连接部及模头内的熔融树脂，并从模头端拉出。根据该制造方法，树脂均匀且良好地浸渗，浸渗时间短。
在专利文献2中提出了一种纤维强化树脂片的制造方法，其为通过将片状的强化纤维基材和热塑性树脂导入一对辊间并在使该一对辊旋转的同时使熔融的上述热塑性树脂浸渗于上述强化纤维基材来制造纤维强化树脂片的方法，其中，作为上述一对辊，使用金属制的主辊和金属制的压辊，通过将上述压辊按压于上述主辊，使上述压辊的周面以上述压辊的周面模仿上述主辊的周面形状的方式变形，同时使上述热塑性树脂浸渗于上述强化纤维基材。根据该制造方法，能够使面压而非线压作用于要浸渗的热塑性树脂，因此，没有加压不均，能够进行均匀且良好的浸渗。
在专利文献3中提出了一种纤维强化热塑性树脂的制造方法，其具有：配置工序，在由包含长纤维的强化纤维构成的强化纤维片的一个面上配置由热塑性树脂构成的热塑性树脂层，在上述强化纤维片的另一个面上配置由在上述热塑性树脂熔融的温度下不熔融的材料构成的网状片，得到层叠物；以及浸渗工序，在上述热塑性树脂熔融、上述网状片不熔融的温度下对上述层叠物进行加热并加压，使上述热塑性树脂浸渗于上述强化纤维片和上述网状片。根据该制造方法，使热塑性树脂层变厚，减少空隙，并且能够使多余的热塑性树脂迁移到网状片，因此，纤维含有率高、强度优良，能够抑制因所含有的热塑性树脂量多而引起的纤维蛇行，而且，能够得到孔隙等空隙少且浸渗性也良好的纤维强化热塑性树脂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-16857号公报
专利文献2：日本特开2012-110935号公报
专利文献3：日本特开2011-224866号公报
发明内容
发明所要解决的问题
热塑性树脂的粘度具有温度依赖性，因此，对于热塑性树脂向强化纤维素材的浸渗而言，温度管理是重要的。但是，仅控制温度是不充分的，为了促进浸渗而利用真空、加压。一般而言，如果考虑设备的规模、作业性等，则与专利文献1中提出的制造方法那样利用真空的方法相比，专利文献2或3中记载的利用加压的方法更优良。
专利文献1记载的方法限定于强化纤维在一个方向上连续的绞线、预浸料等树脂基材的制造，存在必须另行进行树脂成形体的制造的问题。专利文献2中提出的制造方法能够使面压而非线压作用于要浸渗的热塑性树脂，但利用压辊的周面的弹性形变来使面压起作用，不易使均匀的面压作用于充分的范围。另一方面，专利文献3中记载的制造方法利用加热加压机、双层皮带进行加压，因此能够对充分的范围均匀地加压。但是，专利文献3中记载的制造方法必须先将以固体状供给的热塑性树脂层均匀地熔融，在设备或作业性方面存在问题，而且必须是网状片，因此担心成形体的形状受到限制。
本发明是鉴于这样的现有问题而完成的，其目的在于提供能够有效地进行热塑性树脂向强化纤维素材的浸渗、并且生产率和经济性高的纤维强化的树脂基材或树脂成形体的制造方法以及该制造方法中使用的塑化吐出机。
用于解决问题的方法
本发明的制造树脂基材或树脂成形体的方法为制造使热塑性树脂浸渗于强化纤维素材而得到的纤维强化的树脂基材或树脂成形体的方法，其中，在所述热塑性树脂的熔体上载置所述强化纤维素材，对所述强化纤维素材进行加压，使熔融的所述热塑性树脂浸渗于所述强化纤维素材，然后，对浸渗有熔融的所述热塑性树脂的强化纤维素材进行冷却、固化。
在上述发明中，热塑性树脂的熔体可以为涂膜，在对载置在热塑性树脂的熔体上的强化纤维素材进行加压时，优选以使树脂压力作用于该强化纤维素材的侧面的方式进行加压。
另外，在对强化纤维素材进行加压时，优选通过设置有排气用的凹凸或槽的加压体来进行。
强化纤维素材可以通过将相同种类或不同种类的素材层叠而形成，其材质可以由碳纤维形成。
上述树脂基材或树脂成形体可以优选利用塑化吐出机来制造，该塑化吐出机具有：保持上述熔体的接受构件、通过设置有排气用的凹凸或槽的加压体对强化纤维素材进行加压的加压装置以及形成所述熔体的T型模头。
上述塑化吐出机中，加压装置优选具有与加压体的排气用的凹凸部或槽部连通的真空装置。另外，优选具有对强化纤维素材进行加热的加热装置。
另外，本发明的制造纤维强化的树脂基材或树脂成形体的方法如下实施：在由含有强化纤维的热塑性树脂得到的熔体上载置强化纤维素材，对所述强化纤维素材进行加压，使熔融的所述热塑性树脂浸渗于所述强化纤维素材，然后，对浸渗有熔融的所述热塑性树脂的强化纤维素材进行冷却、固化，从而能够制造层叠纤维含有率高的层而形成的树脂基材或树脂成形体。
发明效果
根据本发明，能够提供能够有效地进行热塑性树脂向强化纤维素材的浸渗、并且生产率和经济性高的纤维强化的树脂基材、树脂成形体的制造方法以及该制造方法中使用的塑化吐出机。
附图说明
图1是本发明的制造树脂基材或树脂成形体的方法的说明图。
图2是使树脂压力作用于强化纤维素材的侧面而使其浸渗的例子的说明图。
图3是使树脂压力作用于强化纤维素材的侧面而使其浸渗的另一例子的说明图，图3(a)示出上模的移动前的状态，图3(b)示出上模与下模抵接后的状态。
图4是利用真空装置将从强化纤维素材排出的空气进行排气的装置的说明图。
图5是能够使树脂压力作用于强化纤维素材的侧面而使其浸渗的具有真空装置的模具的示意图。
图6(a)及图6(b)是制造层叠有纤维含有率高的层的树脂基材或树脂成形体的方法的说明图。
具体实施方式
以下，基于附图对具体实施方式进行说明。图1是本发明的制造树脂基材或树脂成形体的方法的说明图。本发明的制造树脂基材或树脂成形体的方法是制造使热塑性树脂浸渗于强化纤维素材而得到的纤维强化的树脂基材或树脂成形体的方法。例如，如图1所示，首先，将强化纤维素材1载置到热塑性树脂熔融而成的熔体2上，利用上模4从强化纤维素材1的上表面进行加压，使熔体2浸渗于强化纤维素材1。接着，对该浸渗后的强化纤维素材1进行冷却、固化，由此制造热塑性树脂浸渗而进行了纤维强化的树脂基材或树脂成形体。
强化纤维素材1可以使用强化纤维束、强化纤维织物等，其形态没有特别限制。另外，强化纤维素材1可以通过将相同种类或不同种类的素材层叠而形成。强化纤维素材1的材质可以包含碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维等各种纤维，没有特别限定。但是，本发明适合用于由在熔融的热塑性树脂接触时其热被迅速吸走而难以浸渗这样的具有高热传导率的碳纤维等构成的强化纤维素材1。
碳纤维通常加工成外径为4～10μm的单纤维1000根(1k)以上、例如1k～24k进行捆扎而成为线状的形式(绞线、强化纤维束)。然后，强化纤维束配置为经线和纬线而加工成强化纤维织物，或者切断成预定长度而加工成短切纤维等。本发明可以使用这样的碳纤维的强化纤维束、强化纤维织物或短切纤维、或者将纤维开松并层叠而得到的毡状的纤维作为强化纤维素材1。
本发明中，热塑性树脂没有特别限定。例如，可以使用聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚苯乙烯类树脂、聚碳酸酯类树脂等各种树脂、或者各种等级的热塑性树脂。
如图1所示，热塑性树脂的熔体2可以利用将熔融的热塑性树脂涂覆于下模3上而得到的涂膜来形成。另外，如图2所示，熔体2可以通过在设置于下模3的熔融浴5上涂布熔融热塑性树脂来形成。在利用涂膜形成熔体2的情况下，可以优选形成厚度为0.05mm～20mm的熔体2。另外，熔体2的厚度也可以为20mm～100mm。
本发明中，首先，在这样的熔体2上载置强化纤维素材1。熔体2具有粘性，因此，强化纤维素材1成为大体上被放在熔体2的预定位置的状态。接着，利用上模4对强化纤维素材1进行加压。强化纤维素材1的加压可以进行到强化纤维素材1完全浸渗熔体2为止。加压力可以设定为0.1～15Mpa。加压力通常为1～10MPa，考虑强化纤维素材1的弹性模量而设定为所需的压力。另外，对强化纤维素材1的加压的范围、加压的方向或者加压的模式(加压速度、时间、加压力和温度)可以根据作为对象的强化纤维素材1、热塑性树脂而变化。需要说明的是，加压中，可以在使熔体2浸渗于强化纤维素材1的过程中的阶段或者浸渗后的冷却、固化的阶段，进行减压或泄压。
在强化纤维素材1的加压中，形成了熔体2的熔融树脂从强化纤维素材1的底面部向上方浸渗，随着浸渗的进行，强化纤维素材1中残留的空气与熔融树脂置换而被排出到外部。熔体2向水平方向上的移动少。通过这样的加压，熔体2均匀地浸渗于强化纤维素材1中，能够有效地排除强化纤维素材1中含有的空气。
为了促进熔融树脂向强化纤维素材1的浸渗和空气的排出，优选使用图2所示的形成于熔融浴5上的熔体2。在强化纤维素材1的加压中，可以使树脂压力作用于强化纤维素材1的侧面，从而促进熔融树脂向强化纤维素材1的浸渗和空气的排出。
另外，根据图3(a)及图3(b)所示的方法，也可以使树脂压力作用于强化纤维素材1的侧面。即，在本例中，在上模4设置有侧边框7，侧边框7在通常时候与上模4一起上下移动(图3(a))，侧边框7的下表面与下模抵接后，利用侧边框7和下模3形成熔融浴5(图3(b))。因此，在下模3上涂覆熔融热塑性树脂而形成熔体2，使上模4下降而对强化纤维素材1进行加压，由此，能够使树脂压力作用于强化纤维素材1的侧面并且使热塑性树脂浸渗。需要说明的是，也可以是与图3(a)及图3(b)所示的模具不同而在下模侧具有侧边框7的形态的模具结构。
强化纤维素材1的加压优选利用具有排气用的凹凸或槽的加压体来进行。由此，能够有效地排出强化纤维素材1中残留的空气。例如，如图4所示，可以通过设置在上模4的凸部8对强化纤维素材1进行加压。在本例的情况下，凸部8形成了加压体。加压体可以由在上模4设置有凹部或槽等的结构形成，也可以不与上模4成为一体而是另外的结构。另外，也可以使用金属丝网作为加压体。
加压体中可以设置与该排气用的凹凸或槽连通的真空装置。例如，在图4所示的例子中，设置有与凸部8之间的空间连通的真空装置9。利用该真空装置9，能够有效地对从强化纤维素材1排出的空气进行排气。
根据图5所示的具有真空装置9的模具，能够有效地从强化纤维素材1排出空气，并且，能够在使树脂压力作用于强化纤维素材1的侧面的同时进行浸渗。在图5中，利用下模3和由弹簧16支撑的滑动模15形成熔融浴5，利用上模4、下模3、滑动模15及填料17形成真空空间。在利用真空装置9抽真空的同时，使上模4下降而对强化纤维素材1加压，进行熔体2的浸渗，由此，能够制造致密且高品质的树脂基材或树脂成形体。
在通过熔融热塑性树脂的涂覆形成熔体2的情况下，优选利用具有T型模头的塑化吐出机来进行。T型模头能够适当地控制供给的树脂的容量或者供给到下模3的上表面的树脂的厚度，能够容易且迅速地形成所需要的熔体2。塑化吐出机可以是能够对树脂进行塑化并吐出的装置，可以使用例如挤出机、注塑机、柱塞机等。
载置在通过T型模头形成的熔体2上的强化纤维素材1的温度优选设定为从T型模头吐出口吐出的熔融树脂的吐出温度的-100℃以上且+100℃以下。通过将强化纤维素材1维持于该范围的温度，即使强化纤维素材1是碳纤维这样热传导率高的纤维，也能够抑制由于熔体2的温度降低而难以浸渗的情况。热塑性树脂的粘度相对于温度呈对数变化，因此，强化纤维素材1的温度管理是重要的。例如，强化纤维素材1的温度优选设定为热塑性树脂的热变形温度以上。由此，与强化纤维素材1接触的热塑性树脂的粘度上升得到抑制，能够抑制热塑性树脂的浸渗性能的降低。
为了将强化纤维素材1的温度保持适当，优选设置有对强化纤维素材1进行加热的装置。加热装置优选利用远红外线加热的装置、利用感应加热的装置或者利用激光加热的装置等。由此，能够有效地对强化纤维素材1进行加热。也可以利用设置在上下模的加热装置将强化纤维素材1加热至预定温度，但模具的热容量大，并且需要对浸渗有树脂的强化纤维素材1进行冷却，因此，为了有效地进行冷却，优选另外设置对强化纤维素材1进行加热的加热装置。需要说明的是，强化纤维素材1的加热可以设定为在将强化纤维素材1载置到熔体2上之前、或者直到载置后合上模具而开始加压为止。另外，强化纤维素材1的加热范围、加热装置的安装位置等可以适当决定。
将浸渗有由上述热塑性树脂构成的熔体2的强化纤维素材1冷却而进行固化。然后，制造纤维强化的树脂基材或树脂成形体。
以上，根据本发明，能够有效地进行热塑性树脂向强化纤维素材的浸渗以及强化纤维素材中残留的空气的排出，能够制造均质且高强度的纤维强化的树脂基材或树脂成形体。需要说明的是，树脂成形体是指利用上述方法或以下说明的方法成形并直接作为成形体使用的材料。树脂基材是指将其作为素材而进行成形、加工的材料。
本发明不限于上述实施例。本发明中，根据以下的方法能够制造纤维含有率高的树脂基材或树脂成形体。即，该方法使用在熔体中预先含有强化纤维的材料。如图6(a)及图6(b)所示，在由含有强化纤维的热塑性树脂构成的熔体21上载置强化纤维素材1，对该强化纤维素材1进行加压，使熔体21所具有的熔融树脂浸渗于强化纤维素材1，然后，对上述浸渗后的强化纤维素材1进行冷却、固化。
关于熔体21中含有的纤维，例如在碳纤维的情况下，使用长度为0.5mm～30mm的短纤维。含有这样的碳纤维的熔体21可以利用塑化吐出机供给碳纤维的体积含有率(Vf)为约40％以下的熔体。熔体21中含有的碳纤维在加压中与热塑性树脂一同浸渗于强化纤维素材1，因此，根据本发明，能够制造层叠纤维含有率高的层而形成的纤维强化的树脂基材或树脂成形体。在本发明中，在碳纤维的情况下，纤维含有率高的层的纤维含有率可以设定为Vf＝30％～60％。
另外，本发明中，在使用图6(a)所示的下模3的情况下，能够制造平板状的树脂基材或树脂成形体。在使用图6(b)所示的下模31的情况下，能够制造带肋的形状等复杂形状的树脂基材或树脂成形体。
另外，本发明中，熔体不一定是涂布在下模的上表面的形态。例如，也可以是涂布在树脂制或金属制的板等预定的接受构件上的形态。而且，该接受构件可以与成形后的树脂基材或树脂成形体成为一体而构成产品的一部分。
实施例
(实施例1)
使用图6(a)所示的模具和具有T型模头的塑化吐出机进行树脂基材的成形试验。强化纤维素材通过层叠10张纵10cm×横15cm×厚度0.2cm的毡而得到。关于毡，使用将碳纤维切成15mm长度并在开松分散后层叠而得到的毡。热塑性树脂使用聚酰胺树脂。在将上下模温度加热到280℃后，使将含有20体积％纤维长度为8mm的碳纤维的颗粒熔融而得的树脂在280℃下熔融，将上述树脂涂布到加热后的下模上，然后，在加压机的加压力为6MPa、加压机的加压时间为3分钟的条件下进行加压而进行成形。通过上述成形试验，得到树脂成形体的厚度为1.6mm、碳纤维体积含有率38％、弯曲强度480MPa、弯曲弹性模量29GPa的在碳纤维中浸渗有树脂的良好的树脂成形体。
(实施例2)
使用图3所示的模具和具有T型模头的塑化吐出机进行树脂基材的成形试验。强化纤维素材通过层叠15张纵10cm×横15cm×厚度0.2cm的毡而得到。关于毡，使用将碳纤维切成15mm长度并在开松分散后层叠而得到的毡。热塑性树脂使用聚酰胺树脂。在将上下模温度加热到280℃后，使其在280℃下熔融，将上述树脂涂布到加热后的下模上，然后，在加压机的加压力为6MPa、加压机的加压时间为3分钟的条件下进行加压而进行成形。通过上述成形试验，得到树脂成形体的厚度为1.6mm、碳纤维体积含有率48％、弯曲强度540MPa、弯曲弹性模量33GPa的在碳纤维中浸渗有树脂的良好的树脂成形体。
(实施例3)
使用图6(a)所示的模具和具有T型模头的塑化吐出机进行树脂基材的成形试验。强化纤维素材通过层叠10张纵10cm×横15cm×厚度0.2cm的毡而得到。关于毡，使用将碳纤维切成15mm长度并在开松分散后层叠而得到的毡。热塑性树脂使用聚酰胺树脂。在将上下模温度加热到280℃后，使将含有20体积％纤维长度为8mm的碳纤维的颗粒熔融而得的树脂在280℃下熔融，将上述树脂涂布到加热后的下模上，然后，在加压机的加压力为6MPa、加压机的加压时间为3分钟的条件下进行加压而进行成形。通过上述成形试验，得到毡部的碳纤维体积含有率平均为50％、涂布部的碳纤维含有率平均为30％的在碳纤维中浸渗有树脂的良好的树脂成形体。
将上述通过实施例1～3的成形试验得到的树脂成形体的特性总结于表1中。弯曲试验依照JIS K7074。
[表1]
参照特定的实施方式对本发明详细地进行了说明，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变更和修正。本申请基于2013年1月21日提出的日本专利申请(日本特愿2013-008834)，将其内容作为参考并入本说明书中。
标号说明
1 强化纤维素材
2 熔体
3 下模
4 上模
5 熔融浴
7 侧边框
8 凸部
9 真空装置
15 滑动模
16 弹簧
17 填料
21 熔体
31 下模

Claims (5)

1.一种制造树脂基材或树脂成形体的方法，其为制造使热塑性树脂浸渗于由碳纤维形成的强化纤维素材而得到的碳纤维体积含有率为30％～60％的纤维强化的树脂基材或树脂成形体的方法，其中，
使所述热塑性树脂的熔体含有0.5mm～30mm的碳纤维的短纤维且使碳纤维的体积含有率为40％以下，在所述热塑性树脂的熔体上载置所述强化纤维素材，对所述强化纤维素材进行加压，使熔融的所述热塑性树脂浸渗于所述强化纤维素材，然后，对浸渗有熔融的所述热塑性树脂的强化纤维素材进行冷却、固化。
2.根据权利要求1所述的制造树脂基材或树脂成形体的方法，其中，所述热塑性树脂的熔体为涂膜。
3.根据权利要求1或2所述的制造树脂基材或树脂成形体的方法，其中，在对载置在所述热塑性树脂的熔体上的强化纤维素材进行加压时，以使树脂压力作用于所述强化纤维素材的侧面的方式进行加压。
4.根据权利要求1所述的制造树脂基材或树脂成形体的方法，其中，所述强化纤维素材的加压通过设置有排气用的凹凸或槽的加压体来进行。
5.一种方法，在由含有强化纤维的热塑性树脂得到的熔体上载置由碳纤维形成的强化纤维素材，使所述热塑性树脂的熔体含有0.5mm～30mm的碳纤维的短纤维且使碳纤维的体积含有率为40％以下，对所述强化纤维素材进行加压，使熔融的所述热塑性树脂浸渗于所述强化纤维素材，然后，对浸渗有熔融的所述热塑性树脂的强化纤维素材进行冷却、固化，从而制造层叠碳纤维体积含有率为30％～60％的层而形成的纤维强化的树脂基材或树脂成形体。
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