JP2006347134A

JP2006347134A - 繊維強化樹脂積層体及び繊維強化樹脂積層体の製造方法

Info

Publication number: JP2006347134A
Application number: JP2005179686A
Authority: JP
Inventors: Seiya Kato; 晴也加藤; Yasushi Kageyama; 裕史影山; Shinya Kawamura; 信也河村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】２次元形状だけでなく３次元形状も可能な、軽量で高強度の繊維強化樹脂積層体、及び該繊維強化樹脂積層体を高精度に、安価に効率よく製造する方法を提供する。
【解決手段】コア材と、該コア材の表面上に配置された強化繊維基材を含む樹脂層とを有し、該コア材と該強化繊維基材を含む樹脂層が、該樹脂層に含まれる樹脂と同一組成を有し常温で固体の粉体樹脂からなる樹脂バインダーで一体に接着されている繊維強化樹脂積層体。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂積層体及びその製造方法に関し、特に２次元形状だけでなく３次元形状も可能な、軽量で高強度の繊維強化樹脂積層体に関するとともに、該繊維強化樹脂積層体を高精度に、安価に効率よく製造する方法に関する。

軽量で高強度な素材として、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が各種産業分野で注目されており、中でも炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が、その優れた機械特性等から注目されている。

このＦＲＰは、比較的大型の部材に成形する場合には、ＦＲＰからなる樹脂層と軽量のコア材との組合せ構造、とくにコア材の両面にＦＲＰからなる樹脂層を配置したサンドイッチ構造を採ることがある。このような構成により、大型でありながら軽量で、必要な強度、剛性を備えたＦＲＰ構造体が得られる。

下記特許文献１には、繊維強化プラスチック製の表面板とハニカムコアとが、確実に接着され、過剰接着や重量偏り等の発生も、回避され、簡単容易に製造が行われる、ハニカムパネルの製造方法を提案することを目的として、液状の樹脂が付着，含浸，複合された繊維強化プラスチック層を、不織布等の規制吸収膜材を介して、ハニカムコアの両開口端面に配設し、芯材たるハニカムコアと、繊維強化プラスチック層製の表面板との間を、樹脂にて接着せしめ、全体を所定形状に成形する際に、繊維強化プラスチック層の樹脂は、規制吸収膜材にてしみ出しが規制されると共に、規制吸収膜材にも浸透，吸収され、かつ規制吸収膜材によりハニカムコアへの付着量が調整されることが開示されている。この先行技術ではバインダーとして液状樹脂が用いられている。

このように、従来、繊維基材とコア材を液状接着剤（ペースト状接着剤）やフィルム接着剤で接着している。このため、以下のような問題点があった。

ペースト状接着剤を用いる場合には、
（１）接着剤膜厚の制御が難しい。（部分的な膜厚増加、デバルク時の膜厚制御等が難しい）
（２）加熱時に立ち面から垂れる。
（３）ＦＲＰに使用されているバインダーとの相性が悪い場合がある。
これらは、ペースト状接着剤は常温で液体であるため、加熱時に流動しやすく、膜厚制御が難しいことに因る。
フィルム接着剤を用いる場合には、
（４）３次元形状への追従性が悪い。
（５）部分的な膜厚調整が難しい。（部分的な膜厚増加、デバルク時の膜厚制御等が難しい）
（６）産業廃棄物（離型紙）がでる。
これは、フィルム接着剤は、膜厚は一定に管理されているが、形状自由度がなく３次元形状に対して追従性が悪いこと、また、離型紙に積層された状態で用いざるを得ないことに因る。

特開２００３−２０５５５９号公報

本発明は、２次元形状だけでなく３次元形状も可能な、軽量で高強度の繊維強化樹脂積層体を提供するとともに、該繊維強化樹脂積層体を接着層の膜厚管理が容易で、低コストで効率よく製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、繊維基材とコア材の接着において液状接着剤（ペースト状接着剤）やフィルム接着剤の使用を避けることで上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は繊維強化樹脂積層体の発明であり、コア材と、該コア材の表面上に配置された強化繊維基材を含む樹脂層とを有し、該コア材と該強化繊維基材を含む樹脂層が、該樹脂層に含まれる樹脂と同一組成を有し常温で固体の粉体樹脂からなる樹脂バインダーで一体に接着されていることを特徴とする。

本発明の繊維強化樹脂積層体を構成する強化繊維基材としては、一般に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）と呼ばれているものを広く用いることができる。この中で、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、及びセラミック繊維から選択される１種以上の強化繊維で強化された各種高分子又は高分子組成物が好ましく例示される。ここで、強化繊維で強化される高分子としては、各種高分子、特にエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性高分子が用いられる。これらの中で、エポキシ樹脂が好ましく例示される。

本発明の繊維強化樹脂積層体の構造は、コア材と、該コア材の表面上に配置された強化繊維基材を含む樹脂層とを有するものであれば特に限定されない。具体的には、
（１）強化繊維基材を含む樹脂層がコア材の片面に配置された構造、
（２）強化繊維基材を含む樹脂層がコア材の両面に配置された構造（サンドイッチ構造）、
（３）コア材と強化繊維基材を含む樹脂層が交互に複数層配置された構造、
がある。サンドイッチ構造としては、強化繊維基材（ＦＲＰ層）がコア材の両面に配置されたサンドイッチ構造、あるいは強化繊維基材がコア材の全周にわたって配置された構造とすることができる。

このように、本発明の繊維強化樹脂積層体の構造は、コア材と、該コア材の表面上に配置された強化繊維基材を含む樹脂層とを有するものであれば特に限定されないが、これらの積層順の適当な位置にその他の層が挿入されていてもよい。その他の層として、例えば、アルミニウム板や鉄板よりなるインサートプレートを用いることができ、これはボルトなどによる部品取付けの際に用いることができる。この場合の好ましい積層順は、コア材／インサートプレート／接着層／強化繊維基材の順である。

本発明の繊維強化樹脂積層体を構成するコア材としては、公知の種々の構造のものを広く用いることができる。この中で、
（１）一般にハニカムパネルと呼ばれているコア材がハニカム構造体である構造、
（２）コア材が発泡体である構造、
（３）コア材がソリッド状である構造、
が好ましく例示される。

本発明の繊維強化樹脂積層体の全体形状は特に限定されず、２次元形状である場合はもちろん、３次元形状である場合も含まれる。３次元形状には曲面形状である場合も含まれる。

第２に、本発明は、上記の繊維強化樹脂積層体の製造方法の発明であり、コア材と強化繊維基材を含む樹脂層の間に、該樹脂層に含まれる樹脂と同一組成を有し常温で固体の粉体樹脂からなる樹脂バインダーを介して、該コア材の表面上に該強化繊維基材を含む樹脂層を配置する工程と、これら積層体を加熱して、該コア材と該強化繊維基材を含む樹脂層を該樹脂バインダーを介して一体に接着する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の製造方法においては、特別な型を用いずに、コア材自身に型と同等の形態保持機能をもたせて成形することが可能である。また、型を用いて、型面上又は型内に、上記コア材、樹脂バインダー、強化繊維基材を含む樹脂層を配置して一発成形することもできる。具体的には、前記粉体樹脂からなる樹脂バインダーを介して、コア材の表面上に強化繊維基材を含む樹脂層を配置する工程の後、これら全体をバッグフイルムで覆い、バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にする工程を設け、次の加熱・接着工程を行うことが好ましい。これにより、樹脂層に含まれる樹脂と、該樹脂と同一組成を有し常温で固体の粉体樹脂からなる樹脂バインダーが十分に一体化することができる。

本発明の繊維強化樹脂積層体の製造方法において用いられる、強化繊維基材、及び繊維強化基材の樹脂については上記と同様である。

本発明の繊維強化樹脂積層体の製造方法においては、粉体樹脂からなる樹脂バインダーを用いることから、接着層の膜厚管理が容易なことが特徴である。具体的には、粉体樹脂からなる樹脂バインダーを膜厚０．０５〜０．３ｍｍで塗布することが好ましく、０．１〜０．２ｍｍで塗布することがより好ましい。

本発明の繊維強化樹脂積層体の製造方法における、繊維強化樹脂積層体の積層構造、コア材の種類、全体形状等については上記と同様である。

第３に、本発明は、上記の繊維強化樹脂積層体の用途に関する発明である。本発明の繊維強化樹脂積層体は各種用途に適用され、特に制限されない。具体的には、
（１）形状の自由度が高く、軽量で、強度等に優れた自動車用部品、航空機用部品、船舶用部品等の輸送機器用構造材料、
（２）耐衝撃強度に優れたパーソナルコンピューターの筐体・カバー等の電気・電子機器用筐体材料、
（３）振動吸収性、騒音吸収性、断熱性、強度、耐熱性等に優れた建築・土木用構造材料、
（４）形状の自由度が高く、強度等に優れたスキー板等のスポーツ用具用構造材料、
が挙げられる。

本発明の繊維強化樹脂積層体は、形状の自由度が高く、２次元形状だけでなく３次元形状も可能な、軽量で高強度の繊維強化樹脂積層体であり、本発明の繊維強化樹脂積層体の製造方法は、接着層の膜厚管理が容易で、低コストで効率よく製造することが可能であり、比較的大型の積層体でも容易に製造可能である。これらのことから、輸送機器用構造材料、電気・電子機器用筐体材料、建築・土木用構造材料、スポーツ用具用構造材料に広く用いることが可能である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。本発明に係る繊維強化樹脂積層体は、コア材と、コア材の表面上に配置された強化繊維基材を含む樹脂層と、これらの間に配置された粉体の樹脂バインダー層とを有し、これらが一体に成形されたものである。

図１に、本発明の繊維強化樹脂積層体の一例の断面を模式的に示す。図１の繊維強化樹脂積層体は、強化繊維基材を含む樹脂層がコア材の両面に配置された構造（サンドイッチ構造）である。コア材はハニカム構造であり、軽量で強度に優れている。強化繊維基材を含む樹脂層は、カーボンファイバーにエポキシ樹脂を含浸させたものである。接着層を構成する粉体樹脂は、強化繊維基材を含む樹脂層と同様にエポキシ樹脂の粉体である。強化繊維基材を含む樹脂層に使用されている樹脂バインダーと同じ粉体樹脂が接着剤として使用されている点が特徴である。これは、バインダー樹脂と接着剤が異なる場合、相性が悪いと接着力が出ないことに因る。また、常温で液体の接着剤の場合では、塗布した後に流れ落ちることがあり、膜厚をキープできない点を、常温で粉体である接着剤を用いることで解決している。また、フィルム形状の接着剤の場合、形状の追従性が悪く、しわが出来たところにエアが噛んでしまったり、部分的に必要以上の膜厚になったりするが、これも、常温で粉体である接着剤を用いることで解決している。膜厚は、０．０５〜０．３ｍｍが最適であり、接着剤が厚すぎたり、薄すぎたりの場合、接着剤本来の接着力を発揮することができず、接着力が低下する。

図２に、本発明の繊維強化樹脂積層体を、全体をバッグフイルムで覆い、バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にする工程を設けて製造するバッグフィルム法の手順の一例を示す。（１）強化繊維基材としてカーボンファイバーを含むエポキシ樹脂層の表面に、同じくエポキシ樹脂の粉体を接着層として塗布する。（２）その上に、アルミニウムハニカムのコア材を載置するとともに、全体をベース板上に載置する、（３）これら全体をバッグフイルムで覆い、バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にする工程を設け、引き続きこの状態で加熱・接着工程を行い硬化させる。図２は、繊維強化樹脂積層体が平面形状の場合を示すが、平面形状に限らないことは言うまでも無い。

本発明において、コア材の形状や大きさは、実質的に自由な形状や大きさに設定できる。また、バッグフイルムを用いる真空バッグ法では、形状的な制約が全くないから、複雑な形状のＦＲＰサンドイッチ構造体であっても容易に一発成形できる。

本発明で用いる強化繊維基材を含む樹脂層の強化繊維としては、炭素繊維の織物、マット、ストランドや、ガラス繊維の織物、マット、ロービングを単独あるいは混合して使用することが好ましい。特に軽量化効果を最大限に発揮するためには炭素繊維の使用が好ましい。そして、その炭素繊維も、炭素繊維糸１本のフィラメント数が通常の１０，０００本未満のものではなく、１０，０００〜３００，０００本の範囲、より好ましくは５０，０００〜１５０，０００本の範囲にあるトウ状の炭素繊維フィラメント糸を使用する方が、樹脂の含浸性、強化繊維基材としての取扱い性、さらには強化繊維基材の経済性において、より優れるため、好ましい。またＦＲＰ構造体の表面に炭素繊維の織物を配置すると、表面の意匠性が高められ、より好ましい。また、必要に応じて、あるいは要求される機械特性等に応じて、強化繊維の層を複数層に積層して強化繊維基材を形成し、その強化繊維基材に樹脂を含浸する。積層する強化繊維層には、一方向に引き揃えた繊維層や織物層を適宜積層でき、その繊維配向方向も、要求される強度の方向に応じて適宜選択できる。

強化繊維基材を含む樹脂層（ＦＲＰ）の樹脂であり、且つ粉体樹脂である樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が、取扱い性、成形性、コスト等の点で好ましい。ただし、ポリアミド樹脂やＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の混合樹脂も使用可能である。

コア材としては、ハニカム構造体、発泡体、金属板や木材等を使用でき、軽量化の点でハニカム構造体や発泡体が好ましい。

発泡体の材質としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、シリコンなどを用い、その比重は０．０２から０．２の間で選択することが好ましい。比重が０．０２未満のものを用いると、十分な強度が得られなくなる恐れが生じる。また、比重が０．２を超えると、強度は高くなるが、重量が嵩み軽量化という目的に反するものになってしまう。また、コア材としてハニカム材を用いる場合、ハニカム材の材質としてはアルミハニカム、アラミドハニカムなどがあり、必要とされる強度等によりその材質、寸法を選択することができる。

以下、本発明の実施例と比較例を示す。

カーボンファイバー基材として３Ｋ綾織のカーボンファイバーシートに樹脂としてビスフェノールＡジグリシジルエーテルを塗布したものを用いた。粉体樹脂として同じくビスフェノールＡジグリシジルエーテルを用いた。コア材としてバルサを用いた。これらを、図３に示すように、カーボンファイバー基材２枚でコア材をサンドイッチした試験片を作製した。粉体樹脂硬化条件は、１８０℃×３０ｍｉｎであった。

得られた繊維強化樹脂積層体を、ＡＳＴＭＤ１７８１に準じて、コア材とカーボン基材との剥離強度を測定した。結果を下記表１に示す。

比較のために、粉体樹脂であるビスフェノールＡジグリシジルエーテルに代えて、表１に示す各種接着剤を用いて、同様に試験片を作製した。

結果を下記表１に示す。

表１の結果より、本発明は、ペースト接着剤、フィルム接着剤と同等の接着力があることが分かる。また、接着層の膜厚制御等の作業性に優れていることも分かる。

本発明の繊維強化樹脂積層体は、輸送機器用構造材料、電気・電子機器用筐体材料、建築・土木用構造材料、スポーツ用具用構造材料に広く用いることが可能である。

本発明の繊維強化樹脂積層体の一例の断面を模式的に示す。本発明の繊維強化樹脂積層体を、全体をバッグフイルムで覆い、バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にする工程を設けて製造するバッグフイルム法の手順の一例を示す。カーボンファイバー基材２枚でコア材をサンドイッチした試験片の形状を示す。

Claims

コア材と、該コア材の表面上に配置された強化繊維基材を含む樹脂層とを有し、該コア材と該強化繊維基材を含む樹脂層が、該樹脂層に含まれる樹脂と同一組成を有し常温で固体の粉体樹脂からなる樹脂バインダーで一体に接着されていることを特徴とする繊維強化樹脂積層体。
前記強化繊維基材が炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、及びセラミック繊維から選択される１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂積層体。
前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂積層体。
前記強化繊維基材を含む樹脂層が前記コア材の片面に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
前記強化繊維基材を含む樹脂層が前記コア材の両面に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
前記コア材と前記強化繊維基材を含む樹脂層が交互に複数層配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
前記コア材がハニカム構造体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
前記コア材が発泡体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
前記コア材がソリッド状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
２次元形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
３次元形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体。
曲面形状であることを特徴とする請求項１１に記載の繊維強化樹脂積層体。
コア材と強化繊維基材を含む樹脂層の間に、該樹脂層に含まれる樹脂と同一組成を有し常温で固体の粉体樹脂からなる樹脂バインダーを介して、該コア材の表面上に該強化繊維基材を含む樹脂層を配置する工程と、これら積層体を加熱して、該コア材と該強化繊維基材を含む樹脂層を該樹脂バインダーを介して一体に接着する工程とを有することを特徴とする繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記粉体樹脂からなる樹脂バインダーを介して、コア材の表面上に強化繊維基材を含む樹脂層を配置する工程の後、これら全体をバッグフイルムで覆い、バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にする工程を設け、次の加熱・接着工程を行うことを特徴とする請求項１３に記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記強化繊維基材が炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、及びセラミック繊維から選択される１種以上であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記粉体樹脂からなる樹脂バインダーを膜厚０．０５〜０．３ｍｍで塗布することを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記強化繊維基材を含む樹脂層を前記コア材の片面に配置することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記強化繊維基材を含む樹脂層を前記コア材の両面に配置することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記コア材と前記強化繊維基材を含む樹脂層を交互に複数層配置することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記コア材がハニカム構造体であることを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記コア材が発泡体であることを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記コア材がソリッド状であることを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記繊維強化樹脂積層体を２次元形状に成形することを特徴とする請求項１３乃至２３のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記繊維強化樹脂積層体を３次元形状に成形することを特徴とする請求項１３乃至２３のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
前記繊維強化樹脂積層体を曲面状に成形することを特徴とする請求項２５に記載の繊維強化樹脂積層体の製造方法。
請求項１乃至１２のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体からなる輸送機器用構造材料。
請求項１乃至１２のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体からなる電気機器用筐体材料。
請求項１乃至１２のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体からなる建築・土木用構造材料。
請求項１乃至１２のいずれかに記載の繊維強化樹脂積層体からなるスポーツ用具用構造材料。