JP2014076565A - 繊維強化熱可塑樹脂の接合体およびその接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高くかつ安定した接合強度を発現する、繊維強化熱可塑性樹脂の接合体およびその接合方法を提供する。
【解決手段】本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法は、ＦＲＴＰ同士を、熱可塑性樹脂シートを介して接合したものであって、前記ＦＲＴＰと熱可塑性樹脂シートとに用いられているＦＲＴＰが同種の熱可塑性樹脂であり、主に熱可塑性樹脂シートから構成される界面層が５〜５００μｍの厚みを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂の接合体およびその接合方法に関し、とくに、繊維強化熱可塑性樹脂と熱可塑性樹脂シートとを用いた接合体およびその接合方法に関する。

強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂は、その優れた力学特性を活かして航空機、自動車、船舶などの各分野で構造部材等に幅広く利用されている。特に、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いた繊維強化熱硬化性樹脂（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＦＲＰ）においては、構造形成のためには、一旦、マトリックス樹脂を硬化させてＦＲＰを成形した後に、ＦＲＰ同士を接合する必要があった。ＦＲＰを被接合体とした接合方法としては、熱硬化性樹脂接着フィルムを用いる方法が広く知られている。具体的には、既に成形された（熱硬化性樹脂を硬化させた）２つのＦＲＰを積層し、その間に未硬化の熱硬化性樹脂接着フィルムを配置し、オートクレーブやプレス等で加熱・加圧して、接着フィルムの熱硬化性樹脂を硬化して、ＦＲＰ同士を接合するものである。

一方、近年は繊維強化樹脂のマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いた繊維強化熱可塑性樹脂（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＴｈｅｒｍｏＰｌａｓｔｉｃｓ：ＦＲＴＰ）が、その成形時間の短さ（生産性の高さ）、成形後にも賦形が可能なこと、リサイクル性、などの面から注目を浴びている。ＦＲＴＰにおいては、ＦＲＰとは異なりマトリックス樹脂自体が可塑性を有するため、この可塑性を利用して、接着フィルムを用いず、摩擦や超音波振動による発熱や、電気抵抗による発熱により、ＦＲＴＰ同士を被接合体として直接接合する試みがなされてきた（例えば、特許文献１、２）。

しかしながら、ＦＲＴＰ同士を直接接合する場合は、ＦＲＴＰ自身も変形し易いこともあり、接合界面において強化繊維同士が接触し、充分な厚みのマトリックス樹脂層を維持することが困難であった。すなわち、ＦＲＴＰを用いて、ＦＲＰにおける接着フィルムを用いた場合と同様の優れた接合強度を、安定して発現させることが困難であった。

もちろん、ＦＲＴＰに、熱硬化性樹脂接着フィルムを適用してもよいが、その場合はＦＲＴＰのメリットであるリサイクル性を損ねるだけでなく、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂の熱変形温度と、熱硬化性樹脂との硬化温度との選定に制約があった。また、高い接合強度が発現しなかったり接合強度が不安定であったりする問題があった。更に、熱硬化性樹脂でなく、熱可塑性樹脂接着フィルムを適用してもよいが、ＦＲＴＰと同じマトリックス樹脂を用いた場合、溶融する温度が一定であるが故に、ＦＲＴＰ単独で直接接合する場合と同様に、充分な厚みのマトリックス樹脂層を維持することが困難であった。すなわち、ＦＲＴＰを用いて、ＦＲＰにおける接着フィルムを用いた場合と同様の、優れた接合強度を、安定して発現させることが困難であった。

特開２０１２−１２５９４８号公報 特開２０１２− １６８６７号公報

そこで本発明の課題は、繊維強化熱可塑性樹脂を接合する場合に、上記のような従来技術における問題点に着目し、高くかつ安定した接合強度を発現する、ＦＲＴＰの接合体およびその接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂の接合体は、少なくとも２つの繊維強化熱可塑性樹脂を、その間に配置した熱可塑性樹脂シートを介して接合した接合体であって、少なくとも一方の前記繊維強化熱可塑樹脂と熱可塑性樹脂シートとに用いられている熱可塑性樹脂が同種の熱可塑性樹脂であり、主に熱可塑性樹脂シートから構成される界面層が５〜５００μｍの厚みを有している。

本発明の課題である、高くかつ安定した接合強度を発現するためには、主に前記熱可塑性樹脂シートから構成される界面層の厚みを制御することが重要となる。すなわち、界面層が５μｍ未満であっても、５００μｍを超えても、安定した接合強度は得ることが難しい。より好ましくは１０〜４００μｍ、更に好ましくは２０〜３００μｍの範囲である。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂は、数平均の繊維長１ｍｍ以上の強化繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂であることが好ましい。上記繊維強化熱可塑性樹脂は、補強材として使用されることが多いので、あるレベル以上の機械特性（強度や弾性率）の発現が求められることが多いが、そのためには、強化繊維の数平均の繊維長が１ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であれば連続繊維までの採用が可能である。より高い機械特性を得るためには、連続繊維から構成されたものであるのが、更に好ましい。

また繊維配合量としては２０体積％以上７５体積％以下であるのが好ましく、更に好ましくは４５体積％以上６５体積％以下であるのが更に望ましい。

また、本発明においては、上記繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が一方向または複数方向に配列されている形態を採ることができる。不連続繊維、連続繊維にかかわらず、強化繊維が特定方向に配向されていることは、その特定方向の機械特性を効率よく高めているといえる。特に高い機械特性を得たい場合は連続繊維を用い、かつ、一方向に配列されているのがよい。一方、強化繊維が不連続繊維である場合であっても、例えば、樹脂含浸前にカーディング処理を行うことにより、強化繊維の多くを一方向に配向させることが可能である。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維の種類としては特に限定されず、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維などを使用でき、さらには、これら強化繊維の混在形態も採用可能である。しかし、上記繊維強化熱可塑性樹脂は補強材としての役目を期待されることが多いので、高い機械特性を発現することが望ましく、高い機械特性を満足するためには、繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が炭素繊維を含むことが好ましい。

また、本発明に用いられる熱可塑性樹脂の種類としては特に限定されず、例えば、ポリオレフィン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂（ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂等）、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリスチレン樹脂、液晶ポリエステルやアクリロニトリルの共重合体を用いることができる。これらの混合物であってもよい。また、ポリアミド６とポリアミド６６との共重合体のように共重合したものであってもよい。さらに得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良材、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等を添加しておくことができる。

ここで、上記の通り、界面層の厚みを厳密に制御するためには、界面層は、少なくとも熱可塑性樹脂と、その熱可塑性樹脂よりも高い熱変形温度を有する厚み確保材とから構成されているのが好ましい。かかる厚み確保材が存在することにより、接合界面において、充分な厚みの界面層を維持することが容易となり、より優れた接合強度を、安定して発現させることが可能となるのである。

ここで、厚み確保材は、熱可塑性樹脂と、その熱可塑性樹脂よりも高い熱変形温度を有する。熱可塑性樹脂と同じまたは低い熱変形温度であると、接合時のための加熱時に、熱可塑性樹脂と一緒に変形または溶融してしまい、狙いの厚み維持効果が小さくなる。

厚み確保材としては、繊維状物、粒子状物の集合体や、多孔質または空隙を有するフィルム、などが挙げられる。具体的な繊維状物の集合体としては、例えば、不織布、織物、編物などが挙げられる。特に不織布としては、カード法、抄紙法、メルトブロー法などを経て製造することができるが、薄肉な界面層を実現する場合は、抄紙法の不織布が好ましい。一方、厚み確保材として連続繊維の織物を適用すると、界面の厚みをより厳密に制御することが可能となるため、一つの好ましい態様ということができる。

ここで、厚み確保材が繊維状物の集合体である場合、具体的には不織布や織物である場合、厚み確保材は、厚み方向（Ｚ方向）だけでなく、平面方向（Ｘ、Ｙ方向）の形態安定にも貢献し、本発明の課題である、高くかつ安定した接合強度の発現により一層大きく寄与する。逆にいえば、界面層が熱可塑性樹脂シートでのみ形成されていた場合、熱可塑性樹脂シートと、繊維強化熱可塑性樹脂との熱膨張率の大きな差異が、平面・厚み方向に内部応力として存在するが、その内部応力を支えるものがないため、接着強度を損ねる場合がある。繊維状物の集合体である厚み確保材が存在すると、熱可塑性樹脂シートの熱膨張を拘束し、また、上記の内部応力を支えることができるのである。この観点からは、前記厚み確保材は、複数方向に配列した不連続繊維または連続繊維から構成されたものであるのが一層好ましい。もちろん、連続繊維の方が上記効果は高く発現されるため、複数方向に配列した連続繊維から構成されるのが最も好ましい。

なお、厚み確保材は、熱可塑性樹脂と、その熱可塑性樹脂よりも高い熱変形温度を有していれば特に制限はないが、例えば繊維状物としては、上述の強化繊維を用いてもよいし、合成繊維の集合体を用いてもよい。特にガラス繊維は、殆どの熱可塑性樹脂よりも熱変形温度が高く、かつ、安価であるので、最も適した態様の厚み確保材といえる。もちろん、繊維強化熱可塑性樹脂と同じ強化材を用いると、前述の熱膨張率の差を最小限に留めることができるため好ましい態様といえる。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法は、上記の繊維強化熱可塑性樹脂の接合体の製造方法であって、少なくとも前記熱可塑性樹脂シートと、それに接している少なくとも２つの前記繊維強化熱可塑性樹脂を、少なくとも前記熱可塑性樹脂シートを構成する熱可塑性樹脂が、その融点以上になるように加熱し、主に熱可塑性樹脂シートから構成される界面層が５〜５００μｍの厚みとなるように加圧して接合する。

ここで、上記の通り、界面層の厚みを厳密に制御するためには、熱可塑性樹脂シートよりも高い熱変形温度を有する厚み確保材を熱可塑性樹脂シートの内部または少なくとも片表面に配置するのが好ましい。かかる厚み確保材が界面層に存在することにより、充分な厚みの界面層を維持することが容易となり、より優れた接合強度を、安定して発現させることが可能となる。

またここで、前記熱可塑性樹脂シートと前記厚み確保材とが予め一体となった複合シートを用いるのが更に好ましい態様といえる。なお、界面層とは、繊維強化熱可塑性樹脂と接合した後の接合界面の層を指すが、前記複合シートとは、接合前の、予め熱可塑性樹脂シートと厚み確保材が一体化した部材を指す。

ここで、少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の片表面の一部に、少なくとも熱可塑性樹脂シートを予め配置して一体化した予備接合体を形成し、この予備接合体を用いて他方の繊維強化熱可塑性樹脂と接合するのが好ましい。かかる態様であると、熱可塑性樹脂シートの位置決めや、接合時の厚み制御を簡素化することができ、優れた生産性をもって効率よく接合することができる。

また、前記予備接合体が、更に前記厚み確保材を含むのが好ましい。厚み確保材を含ませる方法は特に限定されないが、より好ましくは、少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の片表面の一部に、前記複合シートを予め配置して予備接合体を形成することである。

予備接合体の形成において、繊維強化熱可塑性樹脂と前記熱可塑性樹脂シートとの接合は、例えば両者の少なくとも一部を溶融させて接合してもよいし、前記繊維強化熱可塑性樹脂の製造と同時、若しくは製造しながら前記熱可塑性樹脂シートを前記繊維強化熱可塑性樹脂の表面に配置・接合してもよい。前記前記繊維強化熱可塑性樹脂の製造と同時、若しくは製造しながら、前記熱可塑性樹脂シートを配置・接合できると工程を最小限にすることができるため好ましい。

本発明における予備接合とは、前記繊維強化熱可塑性樹脂の製造時に前記熱可塑性樹脂シートを配置して一体化させる態様や、繊維強化熱可塑性樹脂の製造時に熱可塑性樹脂シートも一緒に製造して繊維強化熱可塑性樹脂の表面の一部に熱可塑性樹脂シートを形成させる態様も本発明では予備接合と呼称する。

ここで、予め接合される熱可塑性樹脂シートの厚みを、成形されるべき接合体の全体厚みや繊維強化熱可塑性樹脂の厚みに対して適切な厚みに設定しておくことにより、極めて容易に、繊維強化熱可塑性樹脂部分を成形されるべき接合体を得ることが可能になる。即ち、優れた生産性が容易に確保される。具体的には、界面層よりも同等以上の厚みを有するのが好ましく、５〜１０００μｍ厚の範囲が好ましい。

本発明の接合方法において、より生産性を高めるためには、前記熱可塑性樹脂シートまたは前記複合シートの加熱方法が通電加熱であるのが好ましい。通電加熱にて加熱すると、前記熱可塑性樹脂シートまたは前記複合シートを選択的に加熱することができ、繊維強化熱可塑性樹脂の熱可塑性樹脂の溶融を最小限に留めることができ、接合界面における強化繊維同士が接触を抑制し、充分な厚みの界面層を維持することが容易となる。

この場合、前記熱可塑性樹脂シートは導通する必要があるが、熱可塑性樹脂単独では導通しないため、導電性を有する厚み確保材を用いるのが好ましい。具体的には、厚み確保材が金属繊維や炭素繊維から構成された導電性繊維から構成されたものであると、導通して通電加熱が可能となる。特に、前記繊維強化熱可塑性樹脂が、一方向に配列した連続の炭素繊維から構成されたものである場合、金属繊維であると繊維強化熱可塑性樹脂にも導通（短絡）して通電加熱が困難になる。そのような場合は、例えば、導電性繊維（例えば、金属繊維や炭素繊維や黒鉛繊維など）を絶縁材料（例えば、熱可塑性樹脂など）により被覆しておくと、短絡を抑制でき、所望の通電加熱を実現することができる。

このように、本発明によれば、繊維強化熱可塑性樹脂の接合において、高くかつ安定した接合強度を発現する接合体を、優れた生産性をもって効率よく製造することができる。

本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂の接合体の概略断面図である。 本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法の概略断面図である。 本発明の一実施態様に係る（ａ）厚み確保材のみを用いた場合、（ｂ）複合シートを用いた場合、それぞれの予備接合体の概略断面図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂の接合体の概略断面図である。図２は、本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法の概略断面図である。図３は、本発明の一実施態様に係る（ａ）厚み確保材のみを用いた場合、（ｂ）複合シートを用いた場合、それぞれの予備接合体の概略断面図である。

図１において、繊維強化熱可塑性樹脂（２、３）の間に、熱可塑性樹脂シートから構成される界面層（４）が存在し、繊維強化熱可塑性樹脂（２、３）が接合されている。

図２において、繊維強化熱可塑性樹脂（２、３）の間に、熱可塑性樹脂シート（５）が配置されている。図３（ａ）において、繊維強化熱可塑性樹脂（３）の片面に、熱可塑性樹脂シート（５）が予備接合された予備接合体（６）が、繊維強化熱可塑性樹脂（２）と対向して配置されている。また、図３（ｂ）において、繊維強化熱可塑性樹脂（３）の片面に、熱可塑性樹脂シート（５）と厚み確保材（７）とからなる複合シート（８）が予備接合された予備接合体（６´）が、繊維強化熱可塑性樹脂（２）と対向して配置されている。図３のように予備接合体（６、６´）を形成すると、熱可塑性樹脂シートの位置決めや、接合時の厚み制御を簡素化することができ、優れた生産性をもって効率よく接合することができ、本発明においてより好ましい態様といえる。

このように接合された接合体（１）は、繊維強化熱可塑性樹脂（２、３）の間に、主に熱可塑性樹脂シートから構成される界面層が５〜５００μｍの厚みを形成することができ、高くかつ安定した接合強度を発現することができるのである。

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂の接合体およびその製造によると、優れた接合強度を、安定して発現させることができるため、かかる接合構造が用いられる部材に好適に適用される。なかでも、輸送機器用の構造部材、準構造部材や、情報機器用のハウジング等の短時間の成形、接合が強く要望される分野に適用されると、本発明の効果を最大限に奏することができるため好ましいといえる。

１ 繊維強化熱可塑性樹脂の接合体
２、３ 繊維強化熱可塑性樹脂
４ 界面層
５ 熱可塑性樹脂シート
６、６´ 予備接合体
７ 厚み確保材
８ 複合シート

Claims (12)

1. 少なくとも２つの繊維強化熱可塑性樹脂を、その間に配置した熱可塑性樹脂シートを介して接合した接合体であって、少なくとも一方の前記繊維強化熱可塑樹脂と熱可塑性樹脂シートとに用いられている熱可塑性樹脂が同種の熱可塑性樹脂であり、主に熱可塑性樹脂シートから構成される界面層が５〜５００μｍの厚みを有している、繊維強化熱可塑性樹脂の接合体。
2. 前記界面層が、少なくとも熱可塑性樹脂と、その熱可塑性樹脂よりも高い熱変形温度を有する厚み確保材とから構成されている、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合体。
3. 前記繊維強化熱可塑性樹脂が、一方向または複数方向に配列した連続繊維から構成されたものであり、前記厚み確保材が複数方向に配列した連続繊維から構成されたものである、請求項１または２に記載の接合体。
4. 前記繊維強化熱可塑性樹脂が、一方向に配列した連続の炭素繊維から構成されたものであり、前記厚み確保材が絶縁材料により被覆された導電性繊維から構成されたものである、請求項３に記載の接合体。
5. 前記繊維強化熱可塑性樹脂が、一方向または複数方向に配列した連続繊維から構成されたものであり、前記厚み確保材が多方向に配向した不連続繊維から構成されたものである、請求項１または２に記載の接合体。
6. 前記繊維強化熱可塑性樹脂が、一方向に配列した連続の炭素繊維から構成されたものであり、前記厚み確保材がガラス繊維から構成されたものである、請求項５に記載の接合体。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合体の製造方法であって、少なくとも熱可塑性樹脂シートと、それに接している少なくとも２つの繊維強化熱可塑性樹脂からなり、少なくとも前記熱可塑性樹脂シートを構成する熱可塑性樹脂が、その融点以上になるように加熱し、主に熱可塑性樹脂シートから構成される界面層が５〜５００μｍの厚みとなるように加圧して接合する、繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
8. 少なくとも一方の繊維強化熱可塑性樹脂の片表面の一部に、少なくとも熱可塑性樹脂シートを予め配置して予備接合体を形成し、この予備接合体を用いて他方の繊維強化熱可塑性樹脂と接合する、請求項７に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
9. 前記予備接合体が、更に前記厚み確保材を含む、請求項７または８に記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
10. 前記熱可塑性樹脂シートと前記厚み確保材とが予め一体となった複合シートを用いる、請求項７〜９のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
11. 前記熱可塑性樹脂シート、または、前記複合シートの厚みが５〜１０００μｍ厚である、請求項７〜１０のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。
12. 前記熱可塑性樹脂シートの加熱方法が通電加熱である、請求項７〜１１のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂の接合方法。

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