CN109867814B - 纤维复合材料及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纤维复合材料及其生产方法。纤维复合材料(10)包括包含植物纤维(21)和超高强度伸长纤维(23)的混合纤维(20)；以及与混合纤维(20)相互粘结的热塑性树脂(30)。超高强度伸长纤维(23)的拉伸模量为4000MPa以上且大于热塑性树脂(30)的拉伸模量，并且其拉伸断裂伸长率大于植物纤维(21)的拉伸断裂伸长率。因此，在保持纤维复合材料的刚性的同时可以改进耐冲击性。

Description

纤维复合材料及其生产方法
技术领域
本公开涉及纤维复合材料及其生产方法。
背景技术
已知有植物纤维复合材料的生产方法，所述植物纤维复合材料包括与热塑性树脂粘结在一起的植物纤维。在这样的植物纤维复合材料中，使用包含酸改性热塑性树脂的热塑性树脂。利用这样的植物纤维复合材料的生产方法，可以减轻得到良好机械特性所必需的纤维面积重量并可得到轻量化植物纤维复合材料。这类方法的实例公开于日本专利申请公开No.2009-234129中。
发明内容
纤维复合材料的要求越来越高且以高标准要求各种性能。为了进一步减轻包含植物纤维的纤维复合材料如上述植物纤维复合材料的重量，已要求在保持纤维复合材料的刚性的同时改进耐冲击性的技术。
本技术的目的在于提供在保持纤维复合材料的刚性的同时改进耐冲击性的技术。
本发明人关注了以下效果。在植物纤维与热塑性树脂的粘结性(bindingproperty)良好的纤维复合材料中，植物纤维的高拉伸模量有助于改进纤维复合材料的刚性，却降低了纤维复合材料的耐冲击性。此外，本发明人认为在这样的纤维复合材料中，植物纤维与热塑性树脂的粘结性良好，因而没有有效地利用拉伸断裂标称应变(nominaltensile strain at break)大于植物纤维的拉伸断裂伸长率的热塑性树脂的伸长特性，且纤维复合材料的拉伸断裂伸长率被限制到接近于植物纤维的拉伸断裂伸长率的水平。本发明人已积极地研究并得到了本文所述的技术。
根据本文所述的技术的纤维复合材料包括包含植物纤维和超高强度伸长纤维的混合纤维，以及与混合纤维相互粘结的热塑性树脂。超高强度伸长纤维的拉伸模量为4000MPa以上且大于热塑性树脂的拉伸模量，并且其拉伸断裂伸长率大于植物纤维的拉伸断裂伸长率。
根据这样的包含植物纤维的纤维复合材料，可以保持高刚性，如果植物纤维断裂，则具有较大的拉伸断裂伸长率的超高强度伸长纤维随着热塑性树脂的伸长而伸长，因此，纤维复合材料的拉伸断裂伸长率增加。因而，在保持刚性和改进拉伸断裂伸长率这两个相反的目的的同时得到具有良好耐冲击性的纤维复合材料。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维的拉伸断裂伸长率可为在热塑性树脂的拉伸断裂标称应变±5％的范围内。
超高强度伸长纤维可具有大于(热塑性树脂的拉伸断裂标称应变-5％)的值的拉伸断裂伸长率。因此，与拉伸断裂伸长率小于(热塑性树脂的拉伸断裂标称应变-5％)的值的超高强度伸长纤维相比，超高强度伸长纤维随着热塑性树脂的伸长而被有效地伸长。因此，得到具有如此构成的纤维复合材料。超高强度伸长纤维可具有小于(热塑性树脂的拉伸断裂标称应变+5％)的值的拉伸断裂伸长率。因此，超高强度伸长纤维可具有有效的拉伸断裂伸长率且优选增加纤维复合材料的拉伸模量。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维的量可为30重量％以下，基于100重量％的混合纤维和热塑性树脂的总量。
为了保持包含植物纤维的纤维复合材料的轻量化和高刚性的性能，不优选减少纤维复合材料中植物纤维的量。因此，在以30重量％以上的量包含超高强度伸长纤维的纤维复合材料中，热塑性树脂的量必然减少。然而，如果纤维复合材料中热塑性树脂的量减少，则混合纤维不会与热塑性树脂相互间有效地粘结且纤维复合材料的成形性劣化。作为本发明人积极研究的结果，发现即使超高强度伸长纤维的量为30重量％以下也可获得具有有效的耐冲击性的纤维复合材料。在以30重量％以下的量包含超高强度伸长纤维的构成下，开发了包含有效量的植物纤维和热塑性树脂的纤维复合材料。即，根据上述构成，可以在保持良好成形性的同时获得具有轻量化和高刚性的性能以及优异的耐冲击性的纤维复合材料。
在上述纤维复合材料中，热塑性树脂可包含酸改性热塑性树脂。
根据该构成，与仅包含热塑性树脂而不含有酸改性热塑性树脂的纤维复合材料相比，改进热塑性树脂与植物纤维的粘结性并适当地改进纤维复合材料的刚性。此外，如果热塑性树脂与植物纤维的粘结性高，纤维复合材料的拉伸断裂伸长率会降低。然而，由于纤维复合材料包含超高强度伸长纤维，纤维复合材料的拉伸断裂伸长率不太可能降低。因此，在改进耐冲击性的同时适当地保持纤维复合材料的刚性。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维的量可小于植物纤维的量且为植物纤维的量的60％以下。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维的量可为2重量％以上，基于100重量％的混合纤维和热塑性树脂的总量。根据该构成，在改进耐冲击性的同时适当地保持纤维复合材料的刚性。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维具有比热塑性树脂的熔融温度高的熔融温度或可具有比热塑性树脂的熔融温度高的分解温度。根据该构成，成形性和模塑性(molding property)良好。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维的拉伸断裂伸长率为4％以上。根据该构成，改进耐冲击性。
在上述纤维复合材料中，超高强度伸长纤维可由超高强度聚酯纤维、芳族聚酰胺纤维和脂肪族聚酰胺纤维之一制成。
上述纤维复合材料的生产方法包括将植物纤维、超高强度伸长纤维和包含热塑性树脂的热塑性树脂纤维混合并得到纤维垫(fiber mat)，在使超高强度伸长纤维保持在纤维的状态的加热温度下加热纤维垫，所述加热温度为使热塑性树脂纤维熔融的温度或更高的温度。
根据该纤维复合材料的生产方法，利用不包含超高强度伸长纤维的纤维复合材料的常规生产方法。在纤维垫形成工序中，添加超高强度伸长纤维并与植物纤维和热塑性树脂纤维混合，适当地设定加热工序中的加热温度以便可以生产纤维复合材料。因此，以与现有方法相同的生产步骤数和类似的设备可以获得耐冲击性优于常规方法生产的产品的纤维复合材料。进一步地，没有必要包含在常规生产方法的后一步骤中的诸如在产品上贴附防散射膜等附加步骤来改进耐冲击性。结果，可以在不增加生产步骤数的情况下生产具有优异耐冲击性的纤维复合材料。
根据本文所述的技术，提供在保持纤维复合材料的刚性的同时改进耐冲击性的技术。
附图说明
图1为说明纤维复合材料的典型视图。
图2为说明纤维垫形成工序的侧视图。
图3A为说明加热板和加热板之间的纤维垫的侧视图。
图3B为说明压模(die)和压模之间的预制板(pre-board)的侧视图。
图3C为说明压模和压模之间的纤维复合材料的侧视图。
图4为根据比较例和实施例说明纤维复合材料的拉伸模量、拉伸断裂伸长率、夏比冲击韧度和耐冲击性的表。
附图标记说明
10：纤维复合材料，11：纤维垫，20：混合纤维，21：植物纤维，23：超高强度伸长纤维，30：热塑性树脂，31：热塑性树脂纤维
具体实施方式
将参考图1至4描述本技术的一个实施方案。在该实施方案部分中，将描述用于车辆内部组件的纤维复合材料10。具有优异的耐冲击性的纤维复合材料10有效地用于安装在车辆驾驶员旁边的车辆门饰板或安装在驾驶员前侧的仪表板。
如图1所示，纤维复合材料10包含混合纤维20和与混合纤维20粘结的热塑性树脂30。混合纤维20包括植物纤维21和超高强度伸长纤维23。纤维复合材料10具有包含作为母料的热塑性树脂30和作为增强纤维的混合纤维20的纤维增强树脂的结构。纤维复合材料10具有利用加压成形而成形的板形状。植物纤维21和超高强度伸长纤维23缠在一起并具有实质上沿着纤维复合材料10的板形的板面延伸的取向。除非另有说明，纤维复合材料10的拉伸性利用基于JIS K7161的试验法测量。除非另有说明，纤维自身的拉伸性利用基于JISL1013的试验法测量。下文中，将描述作为纤维复合材料10的母料的热塑性树脂30、植物纤维21、和超高强度伸长纤维23。
热塑性树脂30不特别限制，只要其为热塑性的即可，并可使用各种热塑性树脂。热塑性树脂的实例包括聚烯烃、聚酯树脂、聚苯乙烯、使用甲基丙烯酸酯和/或丙烯酸酯得到的丙烯酸系树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚缩醛树脂、和ABS树脂等。这些中，聚烯烃的实例包括聚丙烯、聚乙烯、和乙烯-丙烯共聚物(乙烯-丙烯嵌段共聚物、乙烯-丙烯无规共聚物)等。聚酯树脂的实例包括脂肪族聚酯树脂如聚乳酸、聚己内酯和聚琥珀酸丁二醇酯，芳族聚酯树脂如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯，等等。可使用一种热塑性树脂或可组合使用它们中的两种以上。
在本实施方案中，热塑性树脂30为具有热塑性且含有酸改性热塑性树脂的树脂。除酸改性热塑性树脂以外的其它热塑性树脂称为非酸改性热塑性树脂。酸改性热塑性树脂为其中通过酸改性引入酸改性基团的热塑性树脂。引入热塑性树脂的酸改性基团不特别限定且通常为羧酸酐残基(-CO-O-OC-)和/或羧酸残基(-COOH)。酸改性基团可通过任意化合物引入，且所述化合物包括马来酸酐、衣康酸酐、琥珀酸酐、戊二酸酐、己二酸酐、马来酸、衣康酸、富马酸、丙烯酸、和甲基丙烯酸等。该化合物可单独或以其两种以上组合使用。其中，优选马来酸酐和衣康酸酐，特别优选马来酸酐。
此外，作为酸改性热塑性树脂的骨架的热塑性树脂没有特别限制，且可使用各种热塑性树脂。热塑性树脂的实例包括聚烯烃、聚酯树脂、聚苯乙烯、使用甲基丙烯酸酯和/或丙烯酸酯得到的丙烯酸系树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂、聚缩醛树脂和ABS树脂等。其中，聚烯烃的实例包括聚丙烯、聚乙烯、和乙烯-丙烯无规共聚物等。聚酯树脂的实例包括脂肪族聚酯树脂如聚乳酸、聚己内酯和聚琥珀酸丁二醇酯，芳族聚酯树脂如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯等。
作为酸改性热塑性树脂的骨架的热塑性树脂与非酸改性热塑性树脂可以相同(均相)或不同(多相)。优选它们二者相同，且为聚烯烃。聚烯烃容易使用并能够改进生产性。另外，可获得高挠性和优异的成形性。在聚烯烃中，优选聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、以及聚丙烯与聚乙烯的混合树脂(合金)。作为非酸改性热塑性树脂，特别优选聚丙烯和上述混合树脂。作为酸改性热塑性树脂的骨架热塑性树脂，特别优选聚丙烯。
酸改性热塑性树脂的含量优选15重量％以下(通常0.3重量％以上)，基于100重量％的热塑性树脂30的总量。当其量在该范围内时，纤维可顺利地纺丝，以及与非酸改性热塑性树脂的组合使用可有效地改进将得到的成形品(纤维复合材料10)的机械特性。该酸改性热塑性树脂的量优选在0.5重量％至15重量％的范围内，更优选1重量％至10重量％，尤其是2重量％至7重量％，特别是3重量％至7重量％。分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。
在该实施方案中，热塑性树脂30包括聚丙烯(下文中，称作非酸改性PP)和马来酸酐改性聚丙烯(下文中，称作酸改性PP)。热塑性树脂30具有约1000MPa至1800MPa的拉伸模量和约20％的拉伸断裂标称应变。
在纤维复合材料10中，植物纤维21的量在30重量％至95重量％的范围内，基于100重量％的混合纤维20和热塑性树脂30的总量。在该范围内，纤维复合材料10中可获得优异的成形性，纤维复合材料10可轻量化并保持良好的刚性。植物纤维21的量优选在40重量％至85重量％的范围内，基于100重量％的混合纤维20和热塑性树脂30的总量，特别是在45重量％至75重量％的范围内。分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。
植物纤维21为源自植物的纤维。植物纤维可为从各种植物如洋麻、黄麻(jutehemp)、马尼拉麻、剑麻(sisal hemp)、雁皮(gampi)、结香(Mitsumata)、楮(Kozo)、香蕉、菠萝、椰子、玉米、甘蔗、甘蔗渣、棕榈、纸莎草、芦苇草、针茅纤维、萨拜草(Sabi grass)、燕麦、水稻、竹、各种针叶树(日本香柏(Japanese cedar)和日本扁柏(Japanese cypress)等)、阔叶树、和棉花等中得到的纤维。植物纤维可单独或以其两种以上组合使用。其中，优选洋麻。洋麻是生长非常快速的一年生草本植物，并且具有优异的二氧化碳吸收性使得其可以有助于减少空气中二氧化碳的量，因此有效利用森林资源等。用作植物纤维的植物的区段没有特别限制，只要该区段包含构成植物的区段即可，例如非木质部分、茎部分、根部分、叶部分和木质部分。此外，可仅使用其特定的区段，也可使用具有两个部分或更多部分的不同区段。
植物纤维21的平均纤维长度和平均纤维直径等没有特别限制。其平均纤维长度优选10mm以上。当植物纤维21的平均纤维长度在该范围内时，混合纤维20(植物纤维21和超高强度伸长纤维23)容易纤维混杂(fiber-mixed)(特别地，容易形成纤维的缠结)并与稍后将描述的热塑性树脂纤维31容易地混合。所得纤维复合材料10可发挥优异的机械特性。平均纤维长度更优选在10mm至150mm的范围内、进一步优选20mm至100mm、特别是30mm至80mm。分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。平均纤维长度为按照JIS L1015的直接法通过一个接一个地随机挑取单根纤维并在不拉伸的情况下用直尺实际测量每个单根纤维的纤维长度的、总计200根纤维的平均值。
热塑性树脂纤维的平均纤维直径优选1mm以下。当热塑性树脂纤维的平均纤维直径在该范围内时，所得纤维复合材料10可发挥优异的机械特性。其平均纤维直径更优选在0.01mm至1mm的范围内，进一步优选0.05mm至0.7mm，特别优选0.07mm至0.5mm。另外，分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。纤维直径为通过在测量其长度的纤维纵向的中点处使用光学显微镜测量纤维直径得到的值(t)。
植物纤维21的拉伸模量优选在10000MPa至40000MPa的范围内，且大于稍后将描述的热塑性树脂30的拉伸模量。纤维复合材料的拉伸模量通常由纤维复合材料中包含的各组分的拉伸模量乘以相应组分的体积率而得的值的合计值表示。因此，具有与热塑性树脂30相比较高的拉伸模量的植物纤维21有助于改进纤维复合材料10的拉伸模量。另一方面，植物纤维21的拉伸断裂伸长率为约2.5％，植物纤维21具有小于热塑性树脂30的拉伸断裂标称应变的拉伸断裂伸长率。
在纤维复合材料10中，超高强度伸长纤维23的量为30重量％以下，基于100重量％的混合纤维20和热塑性树脂30的总量。考虑到纤维复合材料10的轻量化和模塑性，超高强度伸长纤维23的量的上限值优选30重量％以下，进一步优选25重量％以下。超高强度伸长纤维23的量优选在满足有效耐冲击性的范围内尽可能地小。如果超高强度伸长纤维23的量可为20重量％以下或15重量％以下，可获得有效耐冲击性。作为本发明人积极研究的结果，以少量的超高强度伸长纤维23可改进纤维复合材料10的夏比冲击韧度。因此，纤维复合材料10中超高强度伸长纤维23的量的下限值不特别限定。例如，如果超高强度伸长纤维23的量为2重量％以上，纤维复合材料10适当地用于车辆内部组件。发现了如果超高强度伸长纤维23的量为约1.8重量％，则包含酸改性PP的纤维复合材料10发挥与仅包含非酸改性PP的纤维复合材料(比较例2)类似的耐冲击性。因此，考虑到保持包含酸改性热塑性树脂的纤维复合材料的刚性和有效耐冲击性，可以优选超高强度伸长纤维23的量为约2重量％以上。此外，考虑到纤维复合材料10的轻量化和耐冲击性，超高强度伸长纤维23的量的下限值优选为5重量％以上，进一步优选9重量％以上。超高强度伸长纤维23的量优选小于植物纤维21的量且优选为植物纤维21的含量的60％以下。
超高强度伸长纤维23具有大于热塑性树脂30的拉伸模量且为4000MPa以上。超高强度伸长纤维23的拉伸断裂伸长率大于植物纤维21的。超高强度伸长纤维23可为无机纤维或有机纤维，只要其具有在上述范围内的拉伸模量和拉伸断裂伸长率即可。优选使用合成树脂、特别是热塑性树脂纤维。在考虑作为母料的热塑性树脂30的拉伸断裂标称应变和拉伸模量的同时，可有效地良好平衡地设计热塑性树脂纤维的拉伸断裂伸长率和拉伸模量。考虑到成形性或模塑性，超高强度伸长纤维23可优选具有比热塑性树脂30的熔融温度高的熔融温度。即，超高强度伸长纤维23在热塑性树脂30的熔融温度下不熔融。高温下不熔融的超高强度伸长纤维23可优选具有比热塑性树脂30的熔融温度高的分解温度。
超高强度伸长纤维23的实例包括超高强度聚酯纤维(例如超高强度聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，下文中，称作PET纤维)、芳族聚酰胺纤维(例如间位芳纶纤维(meta-aramidfiber))、脂肪族聚酰胺纤维(例如尼龙66、尼龙6和尼龙46)。具有比脂肪族聚酰胺纤维高的耐热性的芳族聚酰胺纤维更优选作为聚酰胺纤维的实例。考虑到纤维复合材料10的生产性，与聚酰胺纤维相比，尤其更优选使用通常比聚酰胺纤维廉价的PET纤维。拉伸模量高于非强化型聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂(拉伸模量为约3000MPa至3700MPa)的超高强度纤维优选用作PET纤维。这样的具有高拉伸模量的超高强度纤维可用于安全气囊或安全带。
超高强度伸长纤维23的平均纤维长度和平均纤维直径等不特别限定。其平均纤维长度优选10mm以上。当超高强度伸长纤维23的平均纤维长度在该范围内时，混合纤维20(植物纤维21和超高强度伸长纤维23)容易纤维混杂(特别地，容易形成纤维的缠结)并与稍后将描述的热塑性树脂纤维31容易地混合。所得纤维复合材料10可发挥优异的机械特性。平均纤维长度更优选在10mm至150mm的范围内，进一步优选20mm至100mm，特别优选30mm至70mm。分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。超高强度伸长纤维的平均纤维直优选为1mm以下。当超高强度伸长纤维的平均纤维直径在该范围内时，所得纤维复合材料10可发挥优异的机械特性。其平均纤维直径更优选在0.01mm至1mm的范围内，进一步优选0.05mm至0.7mm，特别是0.07mm至0.5mm。分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。平均纤维长度和平均纤维直径的测量方法与用于植物纤维的那些方法相同。
超高强度伸长纤维23的细度不特别限制。其细度优选在1dtex至100dtex的范围内。当细度在该范围内时，超高强度伸长纤维可容易地与植物纤维混合，且两种纤维可更均匀地分散并包含在纤维混合工序中得到的纤维混合物中。细度更优选在1dtex至50dtex的范围内，进一步优选1dtex至20dtex，特别是3dtex至10dtex。分别在这些优选的范围内可得到进一步卓越的优势。
超高强度伸长纤维23的拉伸模量在约4000MPa至20000MPa的范围内，进一步优选约8000MPa至20000MPa，特别是约12000MPa至20000MPa。超高强度伸长纤维23的拉伸模量的上限值不特别限定。由于纤维复合材料10的拉伸模量通过植物纤维21有效地确保，所以在考虑到与超高强度伸长纤维23的拉伸断裂伸长率的平衡的同时，超高强度伸长纤维23的拉伸模量可设定为大于热塑性树脂30的拉伸模量且小于植物纤维21的拉伸模量的值。例如，这样的值可为大于热塑性树脂30的拉伸模量且小于植物纤维21的拉伸模量的中间值。
超高强度伸长纤维23的拉伸断裂伸长率优选4％以上，进一步优选10％以上，尤其是优选15％以上。当超高强度伸长纤维23的拉伸断裂伸长率在该范围内时，适当地改进纤维复合材料10的拉伸断裂伸长率并最终适当地改进耐冲击性。超高强度伸长纤维23的拉伸断裂伸长率在热塑性树脂30的拉伸断裂标称应变±5％的范围内。在该范围内，超高强度伸长纤维23随着在热塑性树脂30的屈服点处的伸长而被伸长，因此，纤维复合材料10的拉伸断裂伸长率极大增加。
接下来，将描述纤维复合材料10的生产方法。纤维复合材料10的生产方法包括纤维垫形成工序和加热工序。在纤维垫形成工序中，将植物纤维21、超高强度伸长纤维23和由热塑性树脂30制成的热塑性树脂纤维31进行纤维混杂从而得到纤维垫11。在加热工序中，在热塑性树脂纤维31的熔融温度以上且使超高强度伸长纤维23可以保持其纤维状态的特定温度下加热纤维垫11。利用公知方法生产的纤维或商购可得的纤维可用于各植物纤维21、超高强度伸长纤维23和热塑性树脂纤维31。热塑性树脂纤维31的平均纤维长度和平均纤维直径、以及细度与超高强度伸长纤维23的那些类似。
纤维混杂意指将植物纤维21、超高强度伸长纤维23和热塑性树脂纤维31的纤维混杂以便得到纤维混合物如垫状物。纤维混杂方法不特别限定且可使用各种方法。在本方法中，通常使用干式法或湿式法。其中，优选干式法。本方法中，优选能够更简单生产的干式法来代替湿式法(例如浸渍法)，由于本方法使用具有吸水性的植物纤维21，因而需要先进的干式法。干式法的实例包括气流成网法和梳理法等。下文中，将描述利用梳理法的纤维垫形成工序。
如图2所示，在纤维垫形成工序中，植物纤维21、超高强度伸长纤维23和热塑性树脂纤维31以特定的混合比混合并置于纤维供给部41中。将植物纤维21、超高强度伸长纤维23和热塑性树脂纤维31各自从纤维供给部41连续供给至梳理装置43并成形为网状物。然后，将网状物用缠结手段(针刺装置)45进行缠结，用切割器47切割并得到纤维垫11。根据本文所述的技术，纤维复合材料10包括超高强度伸长纤维23来增加耐冲击性。根据该构成，现有技术的用于生产纤维复合材料的梳理装置43可用于形成纤维垫11。
纤维垫11的密度、纤维面积重量、厚度和其它特征不特别限定。一般而言，密度为0.3g/cm3以下，通常为0.05g/cm3以上，纤维面积重量在400至3,000g/m2的范围内，并优选600至2,000g/m2，厚度为10mm以上，通常为50mm以下，优选10至30mm，更优选15至40mm。密度为根据JIS K 7112(塑料和非泡沫塑料的密度和比重的测定方法的标准)测量的值。纤维面积重量为在10％含水量下每1m2的重量。
在加热工序中，包含在纤维垫11中的热塑性树脂纤维31熔融，包含植物纤维21和超高强度伸长纤维23的混合纤维20与熔融的热塑性树脂30相互粘结。如果PET纤维用作超高强度伸长纤维23，将加热工序中的加热温度设为比PET纤维的熔融温度低的温度。加热温度优选设为熔融温度减5℃或更低的温度，更优选设为熔融温度减10℃或更低的温度，以保持PET纤维的拉伸模量。如果包含在热塑性树脂纤维31中的热塑性树脂30由聚丙烯和马来酸酐改性聚丙烯制成，加热温度优选设为170℃至240℃的范围，更优选设为200℃至210℃的范围。
在加热工序中，可只进行加热，但压缩优选同时进行(热压成形法)或在加热后进行(冷压成形法)。与不进行压缩工序的情况相比，压缩工序可借助于热塑性树脂30使混合纤维20相互更强地粘结。压缩用压力不特别限制且优选在1MPa至10MPa的范围内，更优选1MPa至5MPa。另外，当提供压缩工序时，可同时进行成形。换言之，材料可通过使用压缩用模制压模(mold die)(稍后将描述的加热板51、51和压模54、55)成形为板状和其它形状。当将材料模制为板状时，产品可在不加工的情况下使用。模制板可通过最终成形工序进一步加工来获得板状预制板13作为最终形态。在该情况中，更具体地，该方法将包括其中将材料模制为预制板的初步成形工序，和将材料成形为最终形状的最终成形工序。下文中，将描述在冷压成形法下的加热工序。
如图3A所示，将纤维垫11置于加热板51、51之间并通过加热板51、51加热压缩，得到预制板13。预制板13中的热塑性树脂30熔融。如图3B所示，将包括熔融热塑性树脂30的预制板13置于成型装置53的压模54和压模55之间并关闭压模54和55。因此，纤维垫11通过压模54和压模55加压以使纤维垫11中的热塑性树脂30冷却并凝固。接着，如图3C所示，纤维垫11成形为由压模54和55限定的型腔(cavity)的形状并得到具有型腔形状的纤维复合材料10。
接下来，将描述本文所述的技术的操作和有利效果。根据本文所述的技术，包括植物纤维21的纤维复合材料10保持高刚性，如果植物纤维21断裂，则具有较大拉伸断裂伸长率的超高强度伸长纤维23随着热塑性树脂30的伸长而伸长，并因此增加纤维复合材料10的拉伸断裂伸长率。因而，在保持刚性并改进拉伸断裂伸长率这两个相反的目的的同时，得到具有良好耐冲击性的纤维复合材料。
在本文所述的技术中，超高强度伸长纤维23的拉伸断裂伸长率在热塑性树脂30的拉伸断裂标称应变±5％的范围内。超高强度伸长纤维23可具有大于(热塑性树脂的拉伸断裂标称应变-5％)的值的拉伸断裂伸长率。因此，与拉伸断裂伸长率小于(热塑性树脂的拉伸断裂标称应变-5％)的值的超高强度伸长纤维相比，超高强度伸长纤维23随着热塑性树脂30的伸长而被有效地伸长。因此，得到具有如此构成的纤维复合材料10。超高强度伸长纤维23可具有小于(热塑性树脂的拉伸断裂标称应变+5％)的值的拉伸断裂伸长率。因此，超高强度伸长纤维23可具有有效的拉伸断裂伸长率且优选增加纤维复合材料10的拉伸模量。
在本技术中，超高强度伸长纤维23的量为30重量％以下，基于100重量％的混合纤维20和热塑性树脂30的总量。并不优选减少纤维复合材料10中植物纤维21的量来保持包括植物纤维21的纤维复合材料10的轻量化和高刚性的性能。因此，在以30重量％以上的量包括超高强度伸长纤维23的纤维复合材料中，热塑性树脂30的量必须减少。然而，如果纤维复合材料10中热塑性树脂30的量减少，混合纤维20会无法与热塑性树脂30相互有效地粘结，且纤维复合材料10的成形性劣化。作为本发明人积极研究的结果，发现了即使超高强度伸长纤维23的量为30重量％以下也可以得到具有有效耐冲击性的纤维复合材料10。在以30重量％以下的量包括超高强度伸长纤维23的构成下，开发了包括有效量的植物纤维21和热塑性树脂30的纤维复合材料10。即，根据上述构成，在保持良好的成形性的同时可以得到具有轻量化和高刚性的性能以及优异的耐冲击性的纤维复合材料10。
在本技术中，热塑性树脂含有酸改性热塑性树脂。因此，与仅包括热塑性树脂而不含有酸改性热塑性树脂的纤维复合材料相比，改进热塑性树脂30和植物纤维21的粘结性并适当地改进纤维复合材料10的刚性。此外，如果热塑性树脂30和植物纤维21的粘结性高，则可降低纤维复合材料10的拉伸断裂伸长率。然而，由于纤维复合材料10包括超高强度伸长纤维23，纤维复合材料10的拉伸断裂伸长率不太可能降低。因此，在改进耐冲击性的同时适当地保持纤维复合材料10的刚性。
根据本技术的纤维复合材料10的生产方法，利用不包含超高强度伸长纤维23的纤维复合材料的常规生产方法。在纤维垫形成工序中，添加超高强度伸长纤维23并与植物纤维21和热塑性树脂纤维31混合，适当地设定加热工序中的加热温度以便可以生产纤维复合材料10。因此，以与现有方法相同的生产步骤数和类似的设备可以获得耐冲击性优于常规方法生产的产品的纤维复合材料10。进一步地，没有必要包含在常规生产方法的后续步骤中的诸如在产品上贴附防散射膜等附加步骤来改进耐冲击性。结果，可以在不增加生产步骤数的情况下生产具有优异耐冲击性的纤维复合材料10。
[实施例]
下文中，将使用实施例详细描述本技术。然而，本技术不限于各实施例。
(1)实施例1至5
具有不同量的超高强度伸长纤维的纤维复合材料的生产
将50重量％的洋麻纤维、5重量％至25重量％的超高强度伸长纤维、和余量的热塑性树脂纤维混合在一起，假设超高强度伸长纤维和热塑性树脂纤维的总量定义为100重量％，用梳理法生产纤维垫。使用平均纤维长度为70mm的洋麻纤维。使用细度6.6dtex和平均纤维长度51mm的超高强度伸长纤维，使用以下的PET纤维(实施例1至4)或间位芳纶纤维(实施例5)作为超高强度伸长纤维。使用细度6.6dtex和平均纤维长度51mm的热塑性树脂纤维，并使用含有热塑性树脂的热塑性树脂纤维，所述热塑性树脂含有以下非酸改性PP(47.5重量％)和酸改性PP(2.5重量％)。实施例1至5中各纤维的含量比示于图4的表中。
超高强度伸长纤维
PET纤维：拉伸模量为10000MPa，拉伸断裂伸长率为18％，熔融温度为260℃
间位芳纶纤维：拉伸模量为8800MPa，拉伸断裂伸长率为40％，分解温度为415℃
热塑性树脂
非酸改性PP：产品名“NOVATEC SA01”，由Japan Propylene Corp.制造
酸改性PP：产品名“UMEX 1001”，由Sanyo Chemical Ind.,Ltd.制造
将(1)中得到的纤维垫在235℃的加热板之间加热压缩直至纤维垫的内部温度达到210℃。因此，得到预制板，并且在内部温度达到25℃之前，在使用成型装置冷却60秒的同时将所得的包括熔融状态的热塑性树脂的预制板加压。因此，得到纤维面积重量1.5kg/m2和厚度约2.5mm的纤维复合材料板。
(2)比较例1和2
不含超高强度伸长纤维的纤维复合材料的生产
在比较例1中，除了不混合超高强度伸长纤维以外，以与上述(1)中的那些相同的方式生产纤维复合材料。在比较例2中，除了不混合超高强度伸长纤维且通过仅使用非酸改性PP而不含有酸改性PP得到热塑性树脂以外，以与上述(1)中的那些相同的方式生产纤维复合材料。
(3)根据实施例1至5与比较例1和2的纤维复合材料的拉伸模量和拉伸断裂伸长率的测量
对于上述(1)和(2)中得到的纤维复合材料，根据JIS K 7161测量拉伸模量和拉伸断裂伸长率。测量结果示于图4的表中。
(4)根据实施例1至5与比较例1和2的纤维复合材料的夏比冲击韧度的测量
对于上述(1)和(2)中得到的纤维复合材料，根据JIS K 7111-1测量夏比冲击韧度。测量结果示于图4的表中。在夏比冲击韧度的测量中，使用具有缺口的试验片(A型)并利用边缘试验法(edge wise test method)测量冲击。
(5)实施例1至5与比较例1和2的耐冲击性的评价
接下来，参考以下水平评价上述(1)和(2)中得到的纤维复合材料的耐冲击性，评价结果示于图4的表中。
优：夏比冲击韧度为30kJ/m2以上
良：夏比冲击韧度为25kJ/m2以上且小于30kJ/m2
不差：夏比冲击韧度为20kJ/m2以上且小于25kJ/m2
差：夏比冲击韧度小于20kJ/m2
(6)观察
证实了，与热塑性树脂中不包括酸改性PP的比较例2相比，在热塑性树脂中包括酸改性PP的比较例1中拉伸模量改进、拉伸断裂伸长率降低且夏比冲击韧度降低。可以认为这样的结果是由于以下原因而获得的。由于酸改性PP与洋麻纤维的粘结性优于非酸改性PP与洋麻纤维的粘结性，与比较例2相比，比较例1中热塑性树脂与洋麻纤维的粘结性改进。受力时的伸长率是耐冲击性的重要指标。与比较例2相比，在比较例1中，纤维复合材料的拉伸断裂伸长率很有可能受到洋麻纤维的拉伸断裂伸长率的限制，纤维复合材料断裂而没有有效地利用热塑性树脂的拉伸断裂标称应变。因此，认为夏比冲击韧度降低。
另一方面，在实施例1至实施例4中，纤维复合材料含有PET纤维作为超高强度伸长纤维。因此，证实与比较例1相比极大地改进了拉伸断裂伸长率且改进了夏比冲击韧度。特别是如在实施例3和实施例4中，如果PET纤维的含量为15重量％以上，证实了拉伸断裂伸长率和夏比冲击韧度大幅改进。具体地，拉伸断裂伸长率为比较例1的十倍以上，夏比冲击韧度为比较例1的约3.5倍以上。另外，即使PET纤维的含量相对小例如实施例1中的约5重量％，也证实了夏比冲击韧度为比较例1的两倍以上。根据本文所述的技术，证实了在减少热塑性树脂的量而不降低纤维复合材料的成形性的同时可以有效地改进纤维复合材料的耐冲击性。
与比较例1相比，在含有间位芳纶纤维作为超高强度伸长纤维的实施例5中，与实施例1至4类似地极大地改进了拉伸断裂伸长率。证实相应改进了夏比冲击韧度。即，超高强度伸长纤维不限于特定材料，而是可为各种纤维，并且证实了纤维复合材料的耐冲击性可使用各种纤维作为超高强度伸长纤维来改进。
<其它实施方案>
本文所述的技术不限于参考附图描述的上述实施方案。以下实施方案可包括在技术范围内。
(1)热塑性树脂可以不包括酸改性热塑性树脂。即使在这样的构成中，由于纤维复合材料包括超高强度伸长纤维，所以耐冲击性改进。
(2)超高强度伸长纤维的拉伸断裂伸长率可以根据热塑性树脂的拉伸断裂标称应变或植物纤维的拉伸断裂伸长率适当设定。
(3)除了上述实施方案以外，可适当地改变植物纤维、超高强度伸长纤维和热塑性树脂各自的量。纤维复合材料可进一步包括除上述以外的组分。
(4)除了上述实施方案以外，纤维复合材料可使用各种材料用各种方法生产。
(5)纤维复合材料除车辆组件以外还可广泛用于建筑构件。尤其是，纤维复合材料优选用于汽车、铁道车辆、船舶和航空器等的内饰材料、外饰材料、结构材料。其中，包括汽车用内饰材料、汽车用仪表板、汽车用外饰材料等的汽车用品是有利的。具体实例为门基材、后窗台、支柱装饰、开关座、后围侧板、扶手用芯材、汽车用门饰板、座椅结构材料(seat-structured material)、座椅靠背板、顶棚材料(ceiling material)、控制台盒、汽车用仪表板(dashboard)、各种仪表盘、层面饰板(deck trim)、保险杠、扰流板、和整流罩等。包括建筑物和家具等的内饰材料、外饰材料和结构材料的其它实例是合适的。即，包括门表面材料、门结构材料、用于各种家具(桌、椅、架和柜等)的表面材料和结构材料。另外，可包括包装体、容器(托盘等)、保护用构件和分隔(partition)用构件等。

Claims (8)

1.一种纤维复合材料，其包括：
包含植物纤维和超高强度伸长纤维的混合纤维；以及
与所述混合纤维相互粘结的热塑性树脂，其中，
所述超高强度伸长纤维的拉伸模量为4000MPa以上且大于所述热塑性树脂的拉伸模量，并且其拉伸断裂伸长率大于所述植物纤维的拉伸断裂伸长率，
所述超高强度伸长纤维由超高强度聚酯纤维、或脂肪族聚酰胺纤维制成，
所述热塑性树脂包含酸改性热塑性树脂和非酸改性树脂。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料，其中所述超高强度伸长纤维的拉伸断裂伸长率为在所述热塑性树脂的拉伸断裂标称应变±5％的范围内。
3.根据权利要求1和权利要求2之一所述的纤维复合材料，其中所述超高强度伸长纤维的量为30重量％以下，基于100重量％的所述混合纤维和所述热塑性树脂的总量。
4.根据权利要求1或2所述的纤维复合材料，其中所述超高强度伸长纤维的量小于所述植物纤维的量且为所述植物纤维的量的60％以下。
5.根据权利要求3所述的纤维复合材料，其中所述超高强度伸长纤维的量为2重量％以上，基于100重量％的所述混合纤维和所述热塑性树脂的总量。
6.根据权利要求1或2所述的纤维复合材料，其中所述超高强度伸长纤维具有比所述热塑性树脂的熔融温度高的熔融温度、或具有比所述热塑性树脂的熔融温度高的分解温度。
7.根据权利要求1或2所述的纤维复合材料，其中所述超高强度伸长纤维的拉伸断裂伸长率为4％以上。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的纤维复合材料的生产方法，所述方法包括：
将所述植物纤维、所述超高强度伸长纤维和包含所述热塑性树脂的热塑性树脂纤维混合并得到纤维垫；和
在使所述超高强度伸长纤维保持在纤维的状态的加热温度下加热所述纤维垫，所述加热温度为使所述热塑性树脂纤维熔融的温度或更高的温度。
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