JP2012180414A - 繊維樹脂複合構造体の製造方法および成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】成形体は、繊維片2と、樹脂等からなるマトリックス3と、からなる複合材料で構成されたものである。このような成形体を製造する方法(本発明の成形体の製造方法)は、複合材料で構成された素形体10に対して、繊維片2以外の成分を選択的に除去する加工を施すことにより、素形体10を所定の形状に裁断する工程と、裁断後の素形体10(繊維樹脂複合構造体100)を成形型内で加圧加熱成形し、成形体を得る工程と、を有する。素形体10中の繊維片2以外の成分(マトリックス3)を選択的に除去する加工は、素形体10にウォータージェットWを噴射するウォータージェット加工が好ましく用いられる。
【選択図】図3
Description
(1) 複数の繊維片が樹脂を含むマトリックス中に分散してなる複合材料で構成された繊維樹脂複合構造体を製造する方法であって、
前記複合材料で構成された素形体に対して、前記繊維片以外の成分を選択的に除去する加工を施すことにより、前記素形体を所定の形状に裁断する工程を有することを特徴とする繊維樹脂複合構造体の製造方法。
まず、本発明の成形体の製造方法により製造される成形体について説明する。
成形体1中に含まれる繊維片2は、いかなる材料で構成されたものでもよいが、具体的には、ポリエステル繊維、ポリアリレート繊維、ポリアミド繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、セルロース繊維片のような樹脂繊維片の他、ガラス繊維片、炭素繊維片、金属繊維片、セラミック繊維片、ロックウール、綿繊維片、絹繊維片、木質繊維片等が挙げられ、これらの1種または2種以上を混合したものが用いられる。
樹脂としては、各種熱可塑性樹脂、各種熱硬化性樹脂が挙げられ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド(例:ナイロン6、ナイロン46、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン6−12、ナイロン6−66)、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート(PC)、ポリ−(4−メチルペンテン−1)、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)、アクリロニトリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリシクロヘキサンテレフタレート(PCT)等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド、ポリアセタール(POM)、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレン サルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル(液晶ポリマー)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
成形体1は、前述したように、素形体を裁断する過程を経た後、最終形状に成形されることにより形成されたものである。
加工面近傍や内部に含まれる繊維片2については、引っ張って抜き取ったものあるいは全体が表面に露出しているものを合計100本選び、その平均値を算出することで繊維片2の平均長さが求められる。場合によっては、マトリックス3を溶融または溶解し、繊維片2を抜き取り易くしてもよい。
次に、上述した成形体1の製造方法(本発明の成形体の製造方法)について説明する。
[1]まず、成形体1を切り出すための母材となる素形体10を得る。
以上のようにして、自硬化型の樹脂を、熱溶融型に設定することができる。
この裁断は、素形体10のうち繊維片2以外の成分を選択的に除去する加工方法により裁断する加工(選択的裁断)である。具体的には、例えば、ウォータージェット加工、エアージェット加工、サンドブラスト加工、ショットブラスト加工のような加工媒体を吹き付ける加工方法や、樹脂やその他の成分(マトリックス)のみを溶解させる溶解液に接触させる加工方法、レーザー加工による方法等が用いられる。
以上のようにして機械的特性に優れた成形体1を効率よく製造することができる。
1.歯車の製造
(実施例1)
まず、平均長さ3mm、繊維径12μmのパラ型アラミド繊維の繊維片(帝人テクノプロダクツ(株)製「テクノーラ」)と、平均粒径15μmのフェノール樹脂粉末(住友ベークライト(株)製の、PR−50731、PR−51723、PR−53529を1:1:1の質量比で混合したフェノール樹脂粉末)とを、4:6の質量比で混合し、繊維片の濃度が0.5質量%になるように水に分散させて分散液を調製した。
・水圧 :200MPa
・加工媒体 :水道水のみ
・ノズル口径:100μm
・離間距離 :10mm(噴射ノズルの先端と素形体との距離)
・走査速度 :500mm/分
・加熱温度 :200℃
・加圧力 :30MPa
・成形時間 :10分
平均長さ3mm、繊維径12μmのパラ型アラミド繊維の繊維片(帝人テクノプロダクツ(株)製「テクノーラ」)と、平均長さ3mm、繊維径10μmのメタ型アラミド繊維の繊維片(帝人テクノプロダクツ(株)製「コーネックス」)と、平均粒径15μmのフェノール樹脂粉末(住友ベークライト(株)製の、PR−50731、PR−51723、PR−53529を1:1:1の質量比で混合したフェノール樹脂粉末)とを、2:2:6の質量比で混合し、繊維片の濃度が0.5質量%になるように水に分散させて分散液を調製した。
その後、得られた分散液を用い、実施例1の場合と同様にして平歯車を得た。
平均長さ3mm、繊維径12μmのパラ型アラミド繊維の繊維片(帝人テクノプロダクツ(株)製「テクノーラ」)と、平均長さ6mm、繊維径9μmのガラス繊維の繊維片と、平均粒径15μmのフェノール樹脂粉末(住友ベークライト(株)製の、PR−50731、PR−51723、PR−53529を1:1:1の質量比で混合したフェノール樹脂粉末)とを、4:1:5の質量比で混合し、繊維片の濃度が0.5質量%になるように水に分散させて分散液を調製した。
その後、得られた分散液を用い、実施例1の場合と同様にして平歯車を得た。
繊維片を、平均長さ3mm、繊維径15μmのポリアリレート繊維の繊維片((株)クラレ製「ベクトランHT」)に変更した以外は、実施例1の場合と同様にして平歯車を得た。
ウォータージェット加工における加工媒体として、平均粒径110μmのガーネット粉末(研磨材)を添加した水道水を用いるようにした以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。なお、水道水中のガーネット粉末の濃度は10質量%とした。
ウォータージェット加工における加工媒体として、平均粒径180μmのガーネット粉末(研磨材)を添加した水道水を用いるようにした以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。なお、水道水中のガーネット粉末の濃度は10質量%とした。
ウォータージェット加工に代えてサンドブラスト加工を施すようにした以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。なお、加工条件は、以下の通りである。
・ガス圧 :1MPa
・加工媒体 :空気+窒化ホウ素粉末(平均粒径3μm)
・ノズル口径:300μm
・離間距離 :0.5mm(噴射ノズルの先端と素形体との距離)
まず、平均長さ3mm、繊維径12μmのパラ型アラミド繊維の繊維片(帝人テクノプロダクツ(株)製「テクノーラ」)を、濃度が0.5質量%になるように水に分散させて繊維片分散液を調製した。
縦50mm×横50mm×厚さ1mmの不織布を5枚積層し、これを基材として素形体を製造するようにした以外は、実施例8と同様にして平歯車を得た。
繊維片を、平均長さ6mm、繊維径9μmのガラス繊維の繊維片に変更した以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。
繊維片を、平均長さ6mm、繊維径8μmの炭素繊維の繊維片に変更した以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。
フェノール樹脂粉末に代えてエポキシ樹脂粉末(三菱化学(株)製、YX4000の粉末)を用いるようにした以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。なお、成形温度は150℃とした。
フェノール樹脂粉末に代えてナイロンMC901粉末を用いるようにした以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。なお、成形温度は250℃とした。
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例1と同様にして平歯車を得た。
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例8と同様にして平歯車を得た。
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例10と同様にして平歯車を得た。
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例11と同様にして平歯車を得た。
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例12と同様にして平歯車を得た。
ウォータージェット加工に代えて、打ち抜き型による打ち抜き成形加工を施すようにした以外は、実施例13と同様にして平歯車を得た。
2.1 繊維片の長さおよび単位体積当たりの含有量の評価
各実施例および各比較例で得られた平歯車(以下、「評価用歯車」という。)について、裁断による加工面近傍に含まれる繊維片の平均長さと、加工面近傍より内側に含まれる繊維片の平均長さとを測定した。そして、後者の平均長さを1としたとき、前者の平均長さの相対値を算出した。
各評価用歯車について、以下のようにして疲労強度の評価を行った。
一方、ステンレス鋼(SUS304)で構成された相手歯車を用意し、所定の負荷がかかる回転軸を装着した。負荷(トルク)の大きさは、10N・mとした。また、相手歯車の形状、寸法は、各評価用歯車と同じにした。
各評価用歯車について、以下のようにして加工面の表面強度の評価を行った。
以上、2.1〜2.3の評価結果を表1に示す。
平歯車の歯面の様子を確認するため、各平歯車を厚さが半分になるように切断した。そして、切断面をSEMで観察したところ、実施例の平歯車では、歯面近傍の繊維片の多くは、その一端部が歯面よりも内側に入り込んでいる一方、他端部は歯面に沿って延在している様子が認められた。したがって、このような繊維片は、一端部が歯面より内側に入り込んでいることで確実に固定されている一方、他端部が歯面を覆うように延在していることとなる。このように配置された繊維片が存在することで、実施例の平歯車では、疲労強度および歯面の表面強度が高くなっていると推察される。
2 繊維片
2a 突出部
3 マトリックス
30 樹脂粉
10 素形体
20 成形型
21 キャビティ
100 繊維樹脂複合構造体
S 加工面近傍
C 内部
W ウォータージェット
Claims (9)
- 複数の繊維片が樹脂を含むマトリックス中に分散してなる複合材料で構成された繊維樹脂複合構造体を製造する方法であって、
前記複合材料で構成された素形体に対して、前記繊維片以外の成分を選択的に除去する加工を施すことにより、前記素形体を所定の形状に裁断する工程を有することを特徴とする繊維樹脂複合構造体の製造方法。 - 前記素形体中の前記繊維片以外の成分を選択的に除去する加工は、ウォータージェット加工である請求項1に記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 前記ウォータージェット加工は、媒体として液体のみを用いる加工である請求項2に記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 前記素形体は、前記樹脂の粉末と前記繊維片とを液中に分散させ、抄造することにより製造されたものである請求項1ないし3のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 前記素形体は、前記繊維片を液中に分散させ、抄造することにより基材を製造した後、該基材に前記樹脂を含浸させることにより製造されたものである請求項1ないし3のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 前記樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である請求項1ないし5のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 前記素形体中の前記樹脂は、半硬化状態の熱硬化性樹脂である請求項1ないし5のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 前記繊維片は、樹脂繊維片、ガラス繊維片および炭素繊維片のうちの少なくとも1種である請求項1ないし7のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の繊維樹脂複合構造体の製造方法により得られた繊維樹脂複合構造体を成形型内で成形し、成形体を得ることを特徴とする成形体の製造方法。
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