JP2014172241A - 繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形におけるプレス圧を適切に抑えつつ、リブ等の立設部分を備えた所望の３次元形状を有する成形体を容易にかつ確実に成形でき、しかも、その立設部分とその他の部分との境界部においても強化繊維による十分な補強効果を発現させることが可能な繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】プレスによって成形され、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する成形体において、該成形体が、強化繊維がランダムに配向された第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層とその少なくとも片面に積層され第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層とから構成され、立設部分において第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断されているとともに、第１の強化繊維層が、面形状形成部分と立設部分の内部との間で連続して延在していることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体、およびその製造方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法に関し、とくに、リブ等の立設部分を有する場合にあっても立設部分が容易にかつ確実に所望の形状や強度に成形され得る繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法に関する。

繊維強化熱可塑性樹脂成形体を成形する場合、所望の形状に成形するために、強化繊維と熱可塑性樹脂からなる成形用基材の良好な流動性が求められるが、良好な流動性を得るために、基材を所定枚数以上積層して成形に供する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

しかし、とくに成形体がリブ等の立設部分を有する場合には、強化繊維束をリブ形成部分内に充填させることにより成形されるか、もしくはマット状の強化繊維が成形の際にリブ形成部分内に充填されることにより成形される。前者の場合には、例えばプレス成形等が難しい場合が多いので、プレス成形等により成形を行う場合には、通常、不連続な強化繊維がランダムに配置された熱可塑性樹脂基材を成形に用いる。

例えば図５に示すように、成形型１０１内に、ランダムに配置された強化繊維１０２と熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂１０３とからなる成形用基材１０４が配置され、これを成形型１０１によりプレス成形し、プレス成形時に、リブ形成部１０５内に基材１０４が流動されて充填される。

ところが、図５に示したような成形方法では、リブ形成部１０５内で望ましくない強化繊維の配向が発生して、強化繊維による強度向上効果が所望の方向に発現されない場合が生じるおそれがある。また、リブ形成部１０５内に強化繊維が十分に充填されなかったり、樹脂リッチな部分が発生したり、強化繊維を含む樹脂が存在しない部分が発生したりするおそれもある。このような部分が発生すると、所定強度のリブの成形が困難になり、場合によっては、所定形状のリブの成形まで困難になる。このような問題の発生を回避するために、プレス圧を極めて高く設定する方法が考えられるが、プレス能力が決まっている成形装置では、そのような方法ではうまく対応できないことがある。

一方、特許文献２には、リブ形成部とその他の形成部分とを予め別の成形型で成形しておき、両者をプレス加工することで一体化する技術が開示されている。しかしこの方法では、それぞれ予め成形された部材がプレス加工により一体化されるので、一体化された両部材の境界部分ではその部分に内在する強化繊維に切れ目や界面が存在しやすくなり、とくにリブ部分の根元部位では強化繊維による十分な補強効果が得られないおそれがある。また、プレス加工前には一旦両部材を予め成形しておくため、プレス加工時に両部材間にわたって素材の比較的大きな流動が生じにくくなり、通常一般の成形体全体をプレス成形して一体成形する場合に発現される成形用素材自体の優れた流動性を利用しにくくなる。そのため、所望の３次元形状への成形を容易に行うことが困難になる場合がある。

特開平５−３１８４７３号公報 特開２０１２−１４８４４３号公報

そこで本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、プレス成形におけるプレス圧を適切に抑えつつ、リブ等の立設部分を備えた所望の３次元形状を有する成形体を容易にかつ確実に成形でき、しかも、その立設部分とその他の部分との境界部においても強化繊維による十分な補強効果を発現させて成形体全体として高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造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成形体は、プレスによって成形され、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体において、該成形体が、強化繊維がランダムに配向された強化繊維層を有する繊維強化熱可塑性樹脂層から構成され、該繊維強化熱可塑性樹脂層の前記強化繊維層が、前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在していることを特徴とするものからなる（第１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体）。ここで、強化繊維層を構成する個々の強化繊維は、流動性を良好に保つために、後述の如く所定長さの不連続繊維でよいが、それらによって構成される強化繊維層が、上記面形状形成部分と上記立設部分の内部との間で連続して延在していることが重要である（以下の別の形態においても同じである）。

このような本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体においては、成形体を構成する繊維強化熱可塑性樹脂層の強化繊維層が、面形状形成部分と立設部分の内部との間で（つまり、面形状形成部分と立設部分の内部とにわたって）連続して延在しているので、面形状形成部分と立設部分との間に実質的に強化繊維層の境界部が存在せず、この部分も他部分と同様、強化繊維の存在により十分に補強されることになる。したがって、全体として高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体が実現される。

上記本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、少なくとも２層以上の繊維強化熱可塑性樹脂層の積層構造を有する形態とすることが好ましい。すなわち、複数の繊維強化熱可塑性樹脂層の強化繊維層が、面形状形成部分と立設部分の内部との間で連続して延在している構成とされることにより、立設部分やそれと面形状形成部分との境界部分の、さらには成形体全体としてのより高い機械特性が確保される。

上記本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体においては、上記強化繊維層を構成する強化繊維としてはとくに限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれかから選ばれる１つ以上である形態を採用できる。

また、上記強化繊維層を構成する強化繊維の繊維長としては、例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましい。このような範囲の繊維長としておくことにより、プレス成形の際の良好な流動性が確保され、強化繊維による優れた補強効果を得つつ、良好な成形性が得られる。

また、もう一つの本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、プレスによって成形され、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体において、該成形体が、強化繊維がランダムに配向された第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層と該第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の少なくとも片面に積層され第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層とから構成され、前記立設部分において前記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断されているとともに、前記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の前記第１の強化繊維層が、前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在していることを特徴とするものからなる（第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体）。

すなわち、前述の第１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体では、１種の繊維強化熱可塑性樹脂層から構成されていたが、上記本発明に係る第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体では、その繊維強化熱可塑性樹脂層を第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層として用い、その上に積層された第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層を用いて構成され、プレス成形時に立設部分においてその第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断されて、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の第１の強化繊維層が、面形状形成部分と立設部分の内部との間で（つまり、面形状形成部分と立設部分の内部とにわたって）連続して延在している形態の成形体とされる。換言すれば、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の表面に積層されていた比較的弱い第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が立設部分において破断されて、その破断部分を通して、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の第１の強化繊維層が、面形状形成部分と立設部分の内部との間で連続して延在している形態である。このような形態では、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断されるまでは、第１、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の積層構成により、最終成形前の所望の形態がより確実に維持され、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断されたときに、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層がその破断部分を通して容易に立設部分の内部へと流動されることになるので、目標とするプレス成形がより容易に行われ、かつ、破断部分と立設部分の位置が対応しているので、最終成形形状もより容易にかつ正確に目標とする形状に成形されることになる。さらに、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の破断により、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の立設部分の内部への流動も容易化されているので、プレス成形におけるプレス圧の抑制も可能となっている。その結果、所望の３次元形状で所望の補強形態を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体が一層容易にかつ確実に得られることになる。

上記本発明に係る第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体においては、上記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の引張強度が上記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の引張強度の０．３倍以上１倍未満であることが好ましい。０．３倍未満では、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の破断前の第１、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の積層形態の維持が難しくなるおそれがあり、１倍以上であると、確実に第２の繊維強化熱可塑性樹脂層に所定の破断を発生させることが難しくなるおそれがある。

また、上記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の厚みが第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の厚みの０．０１倍〜０．５倍の範囲にあることが好ましい。第２の繊維強化熱可塑性樹脂層は、自身の破断前の第１、第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の積層形態の維持の役割を担うとともに、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層に比べ確実に先に破断することが要求されるので、上記の範囲の厚みが適切である。上記厚みが０．０１倍未満であると、積層形態の維持が難しくなるおそれがあり、０．５倍を超えると、確実に第２の繊維強化熱可塑性樹脂層に所定の破断を発生させることが難しくなるおそれがある。

また、この第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体においても、上記第２の強化繊維層を構成する強化繊維としてはとくに限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれかから選ばれる１つ以上である形態を採用できる。

また、前述の第１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体と同様、上記第１の強化繊維層を構成する強化繊維の繊維長としては、例えば１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましい。このような範囲の繊維長としておくことにより、プレス成形の際の立設部分内への良好な流動性が確保され、強化繊維による優れた補強効果を得つつ、良好な成形性が得られる。

また、上記第２の強化繊維層を構成する強化繊維の繊維長についても、０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましい。このような範囲の繊維長としておくことにより、全体として円滑な成形が可能になる。

上記のような第１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、次のような方法によって製造できる。すなわち、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法は、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体をプレスによって成形する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法において、強化繊維がランダムに配向された強化繊維層を有する繊維強化熱可塑性樹脂層を、下型と昇降可能な上型とからなるプレス成形型内に配置するとともに加熱溶融させ、しかる後に、前記上型を下降させて、前記繊維強化熱可塑性樹脂層の前記強化繊維層が前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在するようにプレス成形を行うことを特徴とする方法からなる（第１の製造方法）。

また、上記第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、次のような方法によって製造できる。すなわち、本発明に係るもう一つの繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法は、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体をプレスによって成形する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法において、強化繊維がランダムに配向された第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層と該第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の少なくとも片面に積層され第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層とを、下型と昇降可能な上型とからなるプレス成形型内に配置するとともに加熱溶融させ、しかる後に、前記上型を下降させて、前記立設部分において前記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断され、かつ、前記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の前記第１の強化繊維層が前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在するようにプレス成形を行うことを特徴とする方法からなる（第２の製造方法）。

このように、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法によれば、リブ等の立設部分を備えた３次元形状を有する成形体を、その立設部分とその他の部分との境界部においても強化繊維による十分な補強効果を発現させて成形体全体として高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体として容易に成形できる。

とくに上記第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法によれば、プレス成形におけるプレス圧を適切に小さく抑えつつ、リブ等の立設部分を備えた３次元形状を有する成形体を、その立設部分とその他の部分との境界部においても強化繊維による十分な補強効果を発現させ、成形体全体としても高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体としてより容易にかつより確実に成形することができる。

本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法を示す概略構成図である。 図１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法における成形動作を順に示した概略構成図である。 本発明の別の実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法を示す概略構成図である。 図２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法における成形動作を順に示した概略構成図である。 従来の繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法を示す概略構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１、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成形体およびその製造方法を示している。図において、１はプレス成形型３の下型、２は上型を示しており、プレス成形型３の上型２は、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分としてのリブ部分を成形するためのリブ形成部４を有している。所定の繊維長（例えば、前述の１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にある繊維長）の強化繊維がランダムに配向された強化繊維層を有する繊維強化熱可塑性樹脂層５が、プレス成形型３内に配置される（図２（Ａ））するとともに加熱溶融され、しかる後に、上型１が下降、加圧されてプレス成形が行われる（図２（Ｂ））。このとき、図１にも示すように、繊維強化熱可塑性樹脂層５の上記強化繊維層が、面形状形成部分６と上記立設部分としてのリブ形成部４の内部との間で連続して延在するようにプレス成形が行われて、リブを備えた目標とする３次元形状を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体７（第１の繊維強化熱可塑性樹脂成形体）が成形される（第１の製造方法）。

図３、図４は、本発明の別の実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法を示している。図において、下型１、上型２、プレス成形型３、立設部分としてのリブ形成部４の構成は、実質的に上述の実施態様と同じである。本実施態様では、所定の繊維長（例えば、前述の１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にある繊維長）の強化繊維がランダムに配向された第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層（図１、図２に示した繊維強化熱可塑性樹脂層５と実質的に同じもの）と該第１の繊維強化熱可塑性樹脂層５の少なくとも片面に（図示例では片面に）積層され第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層１１とが、プレス成形型３内に配置される（図４（Ａ））するとともに加熱溶融され、しかる後に、上型１が下降、加圧されてプレス成形が行われる（図４（Ｂ））。このとき、図３にも示すように、上記立設部分において第２の繊維強化熱可塑性樹脂層１１が破断され、その破断部分を通して第１の繊維強化熱可塑性樹脂層５がリブ形成部４の内部へと押し込まれて充填され、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層５の上記第１の強化繊維層が面形状形成部分６と上記立設部分としてのリブ形成部４の内部との間で連続して延在するようにプレス成形が行われて、リブを備えた目標とする３次元形状を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体１２（第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体）が成形される（第２の製造方法）。

上記稜実施態様においては、リブを備えた３次元形状を有する成形体７，１２が、そのリブ形成部４と面形状形成部分６との境界部においても強化繊維層が連続して延在されているので、強化繊維による十分な補強効果が発現され、成形体全体として高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体７，１２が容易にかつ確実に成形される。

とくに上記第２の繊維強化熱可塑性樹脂成形体１２に係る実施態様では、プレス成形時に第２の繊維強化熱可塑性樹脂層１１が破断され、その破断部分を通して第１の繊維強化熱可塑性樹脂層５がリブ形成部４の内部へと押し込まれて充填されるので、第１の繊維強化熱可塑性樹脂層５は最適な位置にてリブ形成部４の内部へ充填されやすくなり、プレス成形におけるプレス圧が適切に小さく抑えられ、所望の成形がより容易化される。そして、リブを備えた３次元形状を有する成形体１２において、リブ形成部４と面形状形成部分６との境界部において強化繊維層が連続して延在されているので、強化繊維による十分な補強効果が発現され、成形体全体としても高い機械特性が発現されて、目標とする高い機械特性の繊維強化熱可塑性樹脂成形体１２が、一層容易にかつより確実に成形される。

本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体およびその製造方法は、リブ等の立設部を有しプレス成形されるあらゆる繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造に適用できる。

１ 下型
２ 上型
３ プレス成形型
４ 立設部分としてのリブ形成部
５ 繊維強化熱可塑性樹脂層（第１の繊維強化熱可塑性樹脂層）
６ 面形状形成部分
７、１２ 繊維強化熱可塑性樹脂成形体
１１ 第２の繊維強化熱可塑性樹脂層

Claims (12)

1. プレスによって成形され、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体において、該成形体が、強化繊維がランダムに配向された強化繊維層を有する繊維強化熱可塑性樹脂層から構成され、該繊維強化熱可塑性樹脂層の前記強化繊維層が、前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在していることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
2. 前記繊維強化熱可塑性樹脂成形体が少なくとも２層以上の繊維強化熱可塑性樹脂層の積層構造を有する、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
3. 前記強化繊維層を構成する強化繊維が炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれかから選ばれる１つ以上である、請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
4. 前記強化繊維層を構成する強化繊維の繊維長が１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にある、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
5. プレスによって成形され、面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体において、該成形体が、強化繊維がランダムに配向された第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層と該第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の少なくとも片面に積層され第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層とから構成され、前記立設部分において前記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断されているとともに、前記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の前記第１の強化繊維層が、前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在していることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
6. 前記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の引張強度が前記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の引張強度の０．３倍以上１倍未満である、請求項５に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
7. 前記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層の厚みが前記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の厚みの０．０１倍〜０．５倍の範囲にある、請求項５または６に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
8. 前記第２の強化繊維層を構成する強化繊維が炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれかから選ばれる１つ以上である、請求項５〜７のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
9. 前記第１の強化繊維層を構成する強化繊維の繊維長が１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にある、請求項５〜８のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
10. 前記第２の強化繊維層を構成する強化繊維の繊維長が０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にある、請求項５〜９のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
11. 面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体をプレスによって成形する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法において、強化繊維がランダムに配向された強化繊維層を有する繊維強化熱可塑性樹脂層を、下型と昇降可能な上型とからなるプレス成形型内に配置するとともに加熱溶融させ、しかる後に、前記上型を下降させて、前記繊維強化熱可塑性樹脂層の前記強化繊維層が前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在するようにプレス成形を行うことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
12. 面形状形成部分から面外方向に立ち上がる少なくとも一つの立設部分を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体をプレスによって成形する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法において、強化繊維がランダムに配向された第１の強化繊維層を有する第１の繊維強化熱可塑性樹脂層と該第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の少なくとも片面に積層され第２の強化繊維層を有する第２の繊維強化熱可塑性樹脂層とを、下型と昇降可能な上型とからなるプレス成形型内に配置するとともに加熱溶融させ、しかる後に、前記上型を下降させて、前記立設部分において前記第２の繊維強化熱可塑性樹脂層が破断され、かつ、前記第１の繊維強化熱可塑性樹脂層の前記第１の強化繊維層が前記面形状形成部分と前記立設部分の内部との間で連続して延在するようにプレス成形を行うことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。

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