JP2013253215A - 長繊維強化ポリアミド樹脂成形品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 強化繊維40〜80質量%とポリアミド6系樹脂60〜20質量%を含有し、小角X線散乱から求めた長周期分布のピーク値が、8.75nm〜15.0nmであり、かつ広角X線回折の最大散乱強度を示す面間隔が0.43nm〜0.45nmであることを特徴とする長繊維強化ポリアミド樹脂成形品、または、10℃/分の昇温速度で測定したヒートフロー曲線が195℃から225℃の間で多重ピークを示し、かつ2番目に大きな吸熱を示すピーク温度が200℃〜215℃の範囲に存在するように、制御して得られる特定構成の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
【選択図】なし
Description
また、強化繊維の折損を避けるために、成形時のせん断応力が低い圧縮成形についても検討された。しかし、強化繊維が長くなると繊維のからみ合いが起こり、流動性が著しく低下して、大型成形品や細いリブやボス構造を有する成形品は、欠肉が起こり良好な成形品が得られなかった。
繊維の絡み合いが起こらないように、繊維のロービングを単繊維状に開繊した後、ポリアミド樹脂を含浸して、強化繊維とポリアミド樹脂からなる一軸のテープ状プリプレグを予備成形した後、加熱圧縮成形する方法も開示された(例えば、非特許文献3参照)。しかし、一般のポリアミド樹脂の場合、繊維束への含浸性がおとり、ボイド含有が多くなり、強度や剛性が期待値とはかけ離れた複合材となり構造材の要求には未達であった。
このように樹脂を変えることや組み合わせによる改善は進んだが、汎用的なポリアミド6系の結晶性を制御して物性を改善することについては全く開示されていなかった。
物性改善を目的として、ガラス繊維表面を温度可変走査型粘弾性顕微鏡により測定した力学的緩和を表す位相差のピークが120℃から200℃の間に存在するグラフト化ポリアミド樹脂層で被覆することで振動疲労特性が改善されることが開示されている(特許文献8)。この温度範囲に力学分散を起こす分子構造成分を導入すると疲労性改善に有効であり、対応する分子構造としてグラフト構造を開示している。しかし、本願で開示する実質的に線上のポリアミド6系の樹脂が、195℃以上で変化する高次構造である結晶構造やその制御による強度と靭性のバランス性の改善に関する技術は全く開示されていない。
工業的ニーズに近い性能を有する繊維強化複合材には、高強度でかつ破壊強さと破壊ひずみのバランスがよく、その積が尺度となる靭性の高い複合材料成形品開発の強い要求があった。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
1.強化繊維40〜80質量%とポリアミド6系樹脂60〜20質量%を含有し、小角X線散乱から求めた長周期分布のピーク値が、8.75nm〜15.0nmであり、かつ広角X線回折の最大散乱強度を示す面間隔が0.43nm〜0.45nmであることを特徴とする長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
2.強化繊維40〜80質量%とポリアミド6系樹脂60〜20質量%を含有し、10℃/分の昇温速度で測定したヒートフロー曲線が195℃から225℃の間で2つ以上の多重吸熱ピークを示し、かつ2番目に大きな吸熱を示すピーク温度が200℃〜215℃の範囲に存在することを特徴とする長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
3.繊維軸方向の曲げ強さと破壊ひずみの積が15MPa以上であることを特徴とする、強化繊維が一方向に配向した1.または2.に記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
4.成形品の面上任意の方向の曲げ強さと破壊ひずみの積が5MPa以上であることを特徴とする、強化繊維が面内ランダムに配向した1.または2.に記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
5.表面温度が165℃〜200℃である金型を使用してスタンピング成形することを特徴とする、1.〜4.のいずれかに記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品の製造方法。
6.スタンピング成形を行い、次いで、165℃〜200℃で1分〜300分間熱処理することを特徴とする1.〜4.のいずれかに記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品の製造方法。
本発明により得られた長繊維強化ポリアミド樹脂複合材料を成形して得られる成形品は、自動車のフレーム部品や機械器具の構造部材やスポーツ器具などに使用される。
本発明の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品には、強化繊維が40〜80質量%、好ましくは、50〜70質量%含有する。40質量%未満では、構造材として本発明の目的とする強度や弾性率の要求に未達となることや、結晶性が抑制された母相では離型性が劣り、好ましくない。また、80質量%を超えると。樹脂含浸性や成形時の流れ性が極度に低下するので好ましくない。
本発明に使用される強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、PBO繊維などが上げられる。高強度・高弾性率の面から、特に炭素繊維、ガラス繊維が好ましく、炭素繊維が本発明の効果を発現させる上で特に好ましい。
本発明に使用される強化長繊維の繊維長は、7.5mm以上であれば特に限定されないが、25mm以上、特に30mm以上が好ましい。高い機械的性質、特に高い耐衝撃性が必要な場合は、長い方が好ましい。また高い流動性が必要な場合は、短い方が好ましい。本発明の効果が特に発揮する強度と成形性の両立が必要な場合には、15mm〜70mm、好ましくは25〜50mmの強化繊維が使用される。
ポリアミド6の結晶形態において、広角X線回折の最も高い回折強度から観測される面間隔が0.43nm〜0.45nmであれば〈200〉面が成長したα型が主であると判断される。また長周期は、小角X線散乱強度がピークを示す散乱角から算定される。
特に210℃を超えると、長周期は過大となり、融点は多重ピークを示さず、ヒートフローの大きな単一ピークとなり、破壊強度や破壊ひずみが低下し、好ましくない。該熱処理を施す場合の成形品は、前述の165℃〜200℃の表面温度の金型を使用したスタンピング成形品でもよいし、また100℃〜170℃の表面温度の金型を使用した圧縮成形品でもよい。該熱処理の方法としては、金型で繊維強化樹脂を賦形冷却後脱型して得られた成形品を、熱風オーブン中や遠赤外線や近赤外線で熱処理する方法等が挙げられる。
本発明の繊維強化成形品の製造法は特に限定されない。例えば、構成するポリアミド樹脂の最も高い融点以上に温度調節されたスクリュータイプ押出機のホッパーにポリアミド樹脂および/またはポリアミド樹脂共重合体を所定割合に予備混合して供給する。溶融樹脂をギアポンプの回転数にて計量して、樹脂の融点以上に温度調節された含浸用押出機の上流に供給する。一方、ロービング状の強化繊維を拡張開繊し、含浸用押出機の下流に供給する。下流先端に開口部を絞ったスリットダイを備えた含浸用押出機中で樹脂圧により、強化繊維ロービングに樹脂を含浸・脱泡する。下流開口部から吐出されたテープ状の強化繊維とポリアミド6樹脂からなる複合材料を冷却してかせに巻き取る。さらに、このテープ状複合材料を20mm以上にカットすることや、テープ状複合材料をカットせずに織物状に織って成形用に提供される。また押出機下流の出口ダイにロービング状強化繊維を供給して、繊維の送り速度と樹脂の吐出量を調節して、所定の繊維含有率からなるストランド状の強化繊維の樹脂被覆材を得る。このストランドを冷却してかせに巻き取る。このストランドを20mm以上にカットするか、織物状に織って、プリプレグを得る。得られたプリプレグを、場合により赤外線加熱や高周波加熱やハロゲン電球加熱して、所定温度に調節した金型に供給してスタンピング成形して得られる。
(実施例1〜5と7〜10、比較例1〜6のUD板)
ポリアミド6系樹脂ペレットを100℃にて17時間真空乾燥後、シリンダー温度を280℃に温度制御した2軸押し出し機(日本製鋼所製TEX30)のホッパーに投入し、溶融し、時間当たり一定質量部を押出した。一方、表1に示した強化繊維のロービングを100質量部になる速度で拡張開繊して押出機のダイヘッドに供給した。幅10mm・厚さ0.2mmのダイから含浸被覆されたテープ状プリプレグを引き抜いて固化した後、枷に巻き取った。
テープ状プリプレグを、繊維軸を1方向に揃えて、間隔200mm,幅150mmの枷に巻き取り12層重ねた。これをIRヒータにより、280℃に予熱した後、表1に示した所定温度に調節された200mm×150mm×2mmの金型にセットして、5分間30MPa圧縮保持した。金型を圧縮成形機から取り出した。30分放冷後、金型を開き、厚さ約2mmの、繊維が一軸配向した平板(UD平板)を得た。なお実施例3、4と比較例3については得られた平板を熱風オーブン中で、表1、2に記載の条件で熱処理をした。
(実施例6のRS平板)
また、回転刃をセットとしたテープカッターを使用して、枷に巻き取ったテープ状プリプレグを長さ40mmにカットして短冊を得た。得られた短冊を200mm×150mm×10mmのキャビティ中にランダムに散布し、その上に195mm×145mm×6mmのステンレス板2枚を載せ、上下版共280℃に温度調節したハンドプレスにセットした。3分後から上下版の間隔を狭めていき20秒後に3MPaの圧力を2分掛けた後、キャビティにステンレス板を載荷した状態で取り出した後、表面温度が80℃になるまで放冷し、繊維が擬似等方性に配向したプリプレグシートを取り出した。
得られたプリプレグシートをIRヒータにより、280℃に予熱した後、表1に示した所定温度に調節された200mm×150mm×2mmの金型にセットして、5分間30MPa圧縮保持した。金型を圧縮成形機から取り出した。30分放冷後、金型を開き、厚さ約2mmの平板(RS平板)を得た。
(試験用テストピース)
実施例1〜4と7〜10、比較例1〜4と6については得られたUD平板の中央部から、繊維軸方向に10mm×100mmに5本切り出し0度方向曲げ試験用テストピースを得た。また実施例5の平板から、繊維軸と直交する方向に10mm×100mmに5本切り出し、90度曲げ試験用テストピースを得た。
また得られた実施例6のRS板の中央部から、10mm×100mmに5本切り出し、曲げ試験用テストピースを得た。
試験結果を表1と表2に示した。
上述の曲げ試験片の中央部から長さ15mmを切り出し、広角X線回折装置(理学電機社製RINT2500)を使用し、40kV200mAを負荷したCuKαのX線を入射し、回折角2θが10度から40度の間の回折強度分布を1度/分にて測定した。この範囲で回折強度がピークを示す回折角θから次式のブラッグの条件によりその面間隔dを求めた。
2dsin θ=nλ
ここで、λはX線の波長、nは任意の整数である。
(2)長周期
広角X線回折と同様に試料片を作製し、小角X線散乱装置(理学電機社製NANOView-IP)を使用し、40kV30mAの出力でCuをターゲットにしたX線を入射し、639.4mmのカメラ長にて散乱強度の散乱角分布を観測した。方位角360度に渡って平均化したプロファイルにおいて、エア散乱の補正を行わず散乱強度がピークを示す散乱角から長周期を算定した。
(3)ポリアミド6系樹脂の融解多重ピーク温度
上述の曲げ試験片テストピースの表層から試料10mgをDSC用サンプル容器に採取し、SEIKO INSTRUMENTS製SSC5200型DSCを使用して、ISO11357−3に準拠し、窒素40ml/min流動下で室温より300℃まで10℃/minで昇温し、ヒートフロー曲線を温度に対して記録した。ヒートフロー曲線に現れる多重のピーク温度を打ち出した。また140℃と240℃のヒートフロー曲線を結ぶ基線からのヒートフロー曲線の高さを多重ピークの大きさとした。195℃〜225℃間に現れるピーク温度をヒートフローの大きさの順序に整理し、Tm1,Tm2,Tm3とした。特に、成形温度の効果が大きいヒートフローが2番目に大きいピーク温度Tm2に着目した。
(4)曲げ強さ
スタンピング成形して得られた平板から、所定の位置から切削して得た曲げテストピースを、100℃に温度調節した真空乾燥機にて17時間乾燥後、デシケータ中で23℃にて48時間保管後、ISO178に準拠した3点曲げ試験機(オリエンテック社製テンシロン4L型)を使用して、スパン長80mm、クロスヘッド速度1mm/minによる曲げ試験を行ない、次式により、〇度方向曲げ強度を算出した。
σ=3PL/ 2bd2
ここで、σ:曲げ強度(MPa)、L:スパン長(m)、b:幅(m)、d:厚さ(m)、P:最大荷重(N)
(5)破壊ひずみ
曲げ強度の試験で得られた破壊時のたわみ量δから次式により、破壊ひずみεを算定した。
ε=6dδ/ L2
PA−A:PA6(東洋紡績製、相対粘度2.5)
PA−B:PA6/66=モル比95/5(東洋紡績製、相対粘度2.5)
PA−C:PA6/66=モル比75/25(東洋紡績製、相対粘度2.5)
炭素繊維:帝人社製東邦テナックス IMS40 6000フィラメント)
ガラス繊維:日本電気硝子(株)製、ER2310−431N、4000フィラメント)
本発明により得られた長繊維強化ポリアミド樹脂成形品は、自動車のフレーム部品や機械器具の構造部材やスポーツ器具などに使用される。
Claims (6)
- 強化繊維40〜80質量%とポリアミド6系樹脂60〜20質量%を含有し、小角X線散乱から求めた長周期分布のピーク値が、8.75nm〜15.0nmであり、かつ広角X線回折の最大散乱強度を示す面間隔が0.43nm〜0.45nmであることを特徴とする長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
- 強化繊維40〜80質量%とポリアミド6系樹脂60〜20質量%を含有し、10℃/分の昇温速度で測定したヒートフロー曲線が195℃から225℃の間で2つ以上の多重吸熱ピークを示し、かつ2番目に大きな吸熱を示すピーク温度が200℃〜215℃の範囲に存在することを特徴とする長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
- 繊維軸方向の曲げ強さと破壊ひずみの積が15MPa以上であることを特徴とする、強化繊維が一方向に配向した請求項1または2に記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
- 成形品の面上任意の方向の曲げ強さと破壊ひずみの積が5MPa以上であることを特徴とする、強化繊維が面内ランダムに配向した請求項1または2に記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品。
- 表面温度が165℃〜200℃である金型を使用してスタンピング成形することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品の製造方法。
- スタンピング成形を行い、次いで、165℃〜200℃で1分〜300分間熱処理することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の長繊維強化ポリアミド樹脂成形品の製造方法。
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