JP2014188954A - 繊維強化熱可塑性樹脂構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑形状、特にスチフナ構造を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体に着目し、プレス成形により効率よくスチフナ構造を有する成形体を容易に確実に成形でき、しかも、成形後の成形品において形状に反りのない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】不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む第１の材料と、面内方向に異方性を有する連続繊維を含む第２の材料とからなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体であって、前記第１の材料がフランジ部と立設部からなるスチフナ構造を有しており、前記フランジ部と立設部との稜線と実質的に直交方向に前記第２の材料の連続繊維の配向方向が配置され、第１の材料の前記立設部における立設方向と反対側の面に第２の材料を配置し、加熱加圧により一体化されてなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
【選択図】図１

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、スチフナ構造を有する場合であっても、反りのない状態で容易にかつ確実に成形され得る繊維強化熱可塑性樹脂成形体に関する。

強化繊維に樹脂を含浸した繊維強化樹脂成形体を用いたスチフナ構造を有する成形体は、軽量、高剛性といった性質を有することから自動車部材への提案がされている（例えば、特許文献１）。 特許文献１は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を一体成形した大型部材に関するものである。この大型部材の全部または一部には、連続繊維と熱硬化樹脂との組み合わせが用いられおり、連続繊維の賦形（プリフォーム化）や樹脂含浸の短時間化等、成形サイクル短縮に取り組んでいるものの、生産台数の多い自動車車体や一般産業分野への適用は、現時点ではまだ課題が多く残されている。

このような生産台数の多い部品へ繊維強化樹脂成形体の適用に際しては、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸した繊維強化熱可塑性樹脂成形体をプレス成形する方法が検討されている。また、スチフナ構造のような複雑形状を成形する際には、不連続な強化繊維がランダムに分散した熱可塑性樹脂を用いることで容易に成形される。

しかし、不連続繊維で強化した熱可塑性樹脂を用いた基材を使用してスチフナ構造を有する成形品を作製した際には、成形品に反りが発生することが知られている。

繊維強化樹脂成形体で発生する反りを制御する方法として、連続繊維を含む繊維層と不織布層との組合せによる異方性を活用し、自発的な湾曲を形成する方法が知られている（例えば、特許文献２）。

しかし、発生する反りを抑制する方法としては、成形条件の調整による改善が一般的であり、特許文献２に記載された自発的な湾曲を形成させる発明をそのまま適用することはできず、これまで十分な解決策が提示されていなかった。

特開２０１２−６６７７３号公報 特開平５−９６６３８号公報

本発明の課題は、複雑形状、特にスチフナ構造を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体に着目し、プレス成形により効率よくスチフナ構造を有する成形体を容易に確実に成形でき、しかも、成形後の成形品において形状に反りのない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。

上記目的を達成するために、本発明に係る不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む第１の材料と面内方向に異方性を有する連続繊維を含む第２の材料とからなる不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形体であって、前記第１の材料がフランジ部と立設部からなるスチフナ構造を有しており、前記フランジ部と立設部との稜線と実質的に直交方向に前記第２の材料の連続繊維の配向方向が配置され、第１の材料の前記立設部における立設方向と反対側の面に第２の材料を配置し、加熱加圧により一体化されてなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供する。

このような本発明に係る不連続繊維強化熱可塑性樹脂成形体においては、上記した本発明で特定した形態を満たすことにより、後述の実施例の結果に示すように、それを用いた成形体が反りを発生せずに作製することができる。

上記本発明にかかる第２の材料を構成する強化繊維の形態としては、強化繊維が一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸させた繊維強化熱可塑性樹脂であることが好ましい。

また、上記不連続繊維熱可塑性樹脂成形体においては、第１の材料および／または第２の材料を構成する強化繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも１種類から選ばれることが好ましい。

また、上記第１の材料を構成する強化繊維の繊維長としては、１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲であることが好ましい。

また、上記第１の材料の強化繊維の含有量が２５〜７５重量％であることが好ましい。

上記第２の材料の厚みが第１の部材の厚みの０．１倍から０．５倍の範囲にあることが好ましい。

また、上記第２の材料の繊維方向の線膨張係数が第１の材料の線膨張係数の０．１倍以下であることが好ましい。

このような本発明に係る繊維強化熱可塑樹脂成形体の製造方法においては、不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む第１の材料と、面内方向に異方性を有する連続繊維を含む第２の材料からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、前記第１の材料がフランジ部と立設部からなるスチフナ構造を有しており、前記フランジ部と立設部との稜線と第２の材料の連続繊維の繊維配向とが実質的に直交するように配置した状態で加熱炉内にて加熱溶融させた後／又は型内に設置し加熱溶融させた後、プレス成形することを特徴とする繊維強化熱可塑樹脂成形体の製造方法により効率よく製造できる。

本発明によれば、プレス成形により効率よくスチフナ構造を有する成形体を容易に確実に成形でき、しかも、成形後の成形品において形状に反りのない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の製造プロセスの一例（ａ）〜（ｃ）を示す模式図である。 従来の繊維強化熱可塑樹脂成形体の製造プロセス一例（ａ）〜（ｃ）を示す模式図である。 本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体におけるスチフナ構造を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体の一例を示す。 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における繊維強化熱可塑性樹脂成形体の横断面の一例を示す。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに詳細に説明する。

本発明で用いられる第１の材料は、後述する強化繊維マットに熱可塑性樹脂を含浸させたシート状物であり、強化繊維がランダム配向したものである。

強化繊維としては、例えば、アルミニウム、黄銅、ステンレスなどの金属繊維や、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維や、黒鉛繊維や、ガラスなどの絶縁性繊維や、アラミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレン樹脂などの有機繊維や、シリコンカーバイト、シリコンナイトライドなどの無機繊維が挙げられる。また、これらの繊維に表面処理が施されているものであっても良い。表面処理としては、導電体として金属の被着処理のほかに、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理などがある。また、これらの強化繊維は１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。

中でも、比強度、比剛性、軽量性や導電性のバランスの観点から、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましく、とりわけ高強度部品を実現できる点でポリアクリロニトリル系炭素繊維が好適に用いられる。

強化繊維の形態としては、不連続繊維が分散したマット形態が好ましく、とくに強化繊維マットを、比較的薄いマット層に形成し（例えば、０．５ｍｍ以下のマット層に形成し）、かつ、望ましくは、成形すべき繊維強化樹脂成形体に応じて最適な配向度（例えば、ＪＩＳ Ｋ７１７１（２００８）に基づく曲げ強度の縦横比が１．１以下）を有するマット層に形成することが好ましい。そのためには例えば強化繊維マットは、カーディング法で製造されることが好ましい。また、カーディング法で製造すると、強化繊維の主な配向方向を特定の方向に制御することが可能になるので（換言すれば、強化繊維の配向方向に意図的に異方性を持たせることが可能になるので）、成形すべき繊維強化樹脂成形体に応じて最適な配向度を有するマット層に形成することが可能になる。

第１の材料に用いる強化繊維マット中の強化繊維の数平均繊維長としては、１０〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましい。数平均繊維長が１０ｍｍ未満では、繊維同士の絡み度合が低くなるため、マットの作製が困難になる恐れがある。逆に、数平均繊維長が１００ｍｍを超えると、不連続強化繊維のランダムな分散が難しくなるおそれがあり、構造体品質の均一性が損なわれるおそれがある。

本発明に使用される熱可塑性樹脂としては例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、液晶ポリエステル樹脂等のポリエステルや、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリブチレン樹脂等のポリオレフィンや、スチレン系樹脂の他、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリメチレンメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、変性ＰＰＥ樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリスルホン（ＰＳＵ）樹脂、変性ＰＳＵ樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリケトン（ＰＫ）樹脂、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）樹脂、ポリアリレート（ＰＡＲ）樹脂、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）樹脂、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂、更にポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリブタジエン系樹脂、ポリイソプレン系樹脂、フッ素系樹脂等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体、変性体、および２種類以上ブレンドした樹脂などであってもよい。とりわけ、耐熱性、耐薬品性の観点からはＰＰＳ樹脂が、成形品外観、寸法安定性の観点からはポリカーボネート樹脂やスチレン系樹脂が、成形品の強度、耐衝撃性の観点からはポリアミド樹脂がより好ましく用いられる。更に第１の材料と第２の材料は同種の樹脂であっても異種の樹脂であってもよいが、接着性の観点からは同種の樹脂であることが好ましい。

強化繊維マットに熱可塑性樹脂を含浸させる方法としては、樹脂を加熱溶融して、繊維強化材に含浸させる方法（溶融含浸法）、粉末状の樹脂を流動床法や懸濁法によって繊維強化材に塗布・融着させる方法（パウダー法）、樹脂を溶液化し、繊維強化材に含浸後溶媒を除去する方法（溶液含浸法）等いずれの方法を用いても良いが、溶融含浸法を用いることが好ましい。また、強化繊維マットに熱可塑性樹脂を含浸させる際、強化繊維マットは積層させてもよい。

第１の材料に用いる強化繊維の含有量が２５〜７５重量％であり、熱可塑性樹脂が７５〜２５重量％あることが好ましく、強化繊維の含有量が３０〜５０重量％、熱可塑性樹脂が７０〜５０重量％であることがより好ましい。強化繊維の含有量が２５重量％未満であると強化繊維の効果が得られず、７５重量％を超えると、熱可塑性樹脂が強化繊維マット全体に均一に含浸することが困難になり、製品の剛性が発現しない場合がある。

次に、第２の材料について説明する。第２の材料は、面内方向に異方性を有する連続繊維を含むものからなり、具体的には、連続繊維が異方性を発揮するように配向させた強化繊維マットに熱可塑性樹脂を含浸させたシート状物である。

第２の材料に使用される強化繊維の素材としては、前述した第１の材料における強化繊維と同様の思想により選定することができる。ただし、強化繊維の形態としては、面内方向にＪＩＳ Ｋ７１７１（２００８）に基づく曲げ強度の縦横比が１．２以上あることが好ましく、さらに好ましくは、連続繊維を一方向にひき揃えた繊維強化熱可塑性樹脂成形体が好ましい。

第１の材料と第２の材料は同じ種類の強化繊維であってもよいし、異なる強化繊維であってもよいが、強度、軽量性とのバランスとの観点から同種類の強化繊維を用いることが好ましい。

第２の材料は、第１の材料単体での反り発生の抑制効果を発現させるため、基材厚みは第１の材料に対して０．１倍から０．５倍が好ましく、さらには、０．１倍から０．３倍が好ましい。０．１倍未満では第２の材料自身の剛性が小さいために第１の材料の反りに追随し、反りの抑制効果が得られず、０．５倍を超えると第２の材料の剛性が大きくなり、第２の材料の収縮により反対方向に反りが発現する場合がある。

第２の材料は強化繊維が２５〜７５重量％であり、熱可塑性樹脂が７５〜２５重量％あることが好ましく、強化繊維が３０〜５０重量％、熱可塑性樹脂が７０〜５０重量％であることがより好ましい。強化繊維が２５重量％未満であると強化繊維の効果が得られず、７５重量％を超えると、熱可塑性樹脂を均一に含浸させることが困難になり、製品の剛性が発現しない場合がある。

本発明の第２の材料は、反りを抑制する効果としての用途を想定すると、繊維方向の線膨張係数が第１の材料の０．１倍以下であることが好ましい。０．１倍を超えると、収縮差が小さいために反りを抑えることが難しい。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、本発明の前記第１の材料がフランジ部と立設部からなるスチフナ構造を有しており、立設開始部の稜線と直交方向に第２の材料の繊維の配向方向が配置され、加熱加圧して一体化されてなるものである。

本発明におけるスチフナ構造は特に規定されるものでないが、図３のようなフランジ部から一方向に立設部が形成されている略ハット形横断面形状を有する場合に材料の収縮により反りが発生する。図４のように略ハット形横断面形状が連続して存在する場合に特に反りが大きくなる。

第２の材料は繊維の配向方向が立設の開始部の稜線と直交するように第１の材料の立設方向と反対側の面に配置される。第１の材料の立設方向と反対側に第２の材料を配置することにより、第２の材料の剛性により成形体の反りが抑えられる。成形体の複数方向に反りが発生する場合は第２の材料は反りの発生する向きに合わせて複数方向に配置されてもよい。

次に、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法について説明する。

第１の材料と第２の材料は遠赤外線ヒーターや加熱板、高温オーブン、誘電加熱などに例示される加熱装置で加熱される。加熱は金型内で行なわれてもよいし、金型外で加熱装置を用いて加熱を行なってもよいが、金型外で加熱装置を用いて行なう方が成形時間の短縮化が可能であり好ましい。

第１の材料と第２の材料は同じ加熱装置を用いて同時に加熱されてもよいし、それぞれ別の加熱装置を用いて加熱されてもよい。同じ加熱装置を使用して加熱される場合は第２の材料は第１の材料上に積層して加熱してもよいし、積層せずに加熱してもよいが、成形品全体の厚み方向の温度斑を小さくするためには積層せずに加熱することが好ましい。

材料の加熱に要する加熱時間、加熱温度は使用されるマトリックス樹脂によって異なり指定されるものではないが、マトリックス樹脂の融点から分解温度の範囲で加熱されることが好ましい。

加熱された第１の材料と第２の材料は人手または搬送装置を用いて金型内に搬送される。第２の材料の第１の材料上への積層は金型内で行なってよいし、搬送する際に行なってもよいが、基材を目標とする位置に正確に配置するためには金型内で積層されることが好ましい。搬送は可能な限りすばやく行なわれることが好ましく、３０秒以下の搬送時間であればプレス時のマトリックス温度が冷却されておらず好ましい。

図１の各図は、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法のプロセスを示す概略図である。図１（ａ）は、成形型２内に第１の材料と第２の材料を配置する状態を示した図であり、第２の材料が下金型２−ｂに設けられたスチフナ構造の金型面に配置し、その上側に第１の材料を積層する。第１の材料と第２の材料の加熱は、あらかじめ加熱炉内にて加熱してもよく、または成形型内に設置してから加熱してもよい。

次に図１（ｂ）に示すように、金型内に配置された第１の材料と第２の材料はプレス機によって型閉・加圧され、第１の材料と第２の材料がスチフナ形状に賦形される。材料に付与される圧力は５〜３０ＭＰａが流動性とプレス能力の点から好ましく、５〜２０ＭＰａがさらに好ましい。５ＭＰａ未満では基材の流動が十分に達成されず、３０ＭＰａを超えると使用されるプレス機のサイズが大きくなり好ましくない。

加圧後、図１（ｃ）に示すように、型内で賦形された第１の材料と第２の材料が冷却固化した後、型を開放し繊維強化熱可塑性樹脂成形体５を得る。

本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体およびその製造方法は、軽量性と高い機械特
性がされるあらゆる繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造に適用可能であり、とくに、比較
的大型大面積の構造体に好適である。

１：第１の材料
２：金型
２−ａ：上金型
２−ｂ：下金型
３：繊維強化熱可塑性樹脂成形体
４：第２の材料
５：繊維強化熱可塑性樹脂成形体
６：繊維強化熱可塑性樹脂成形体

Claims (8)

1. 不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む第１の材料と、面内方向に異方性を有する連続繊維を含む第２の材料とからなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体であって、前記第１の材料がフランジ部と立設部からなるスチフナ構造を有しており、前記フランジ部と立設部との稜線と実質的に直交方向に前記第２の材料の連続繊維の配向方向が配置され、第１の材料の前記立設部における立設方向と反対側の面に第２の材料を配置し、加熱加圧により一体化されてなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
2. 前記第２の材料が、一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸させた繊維強化熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑樹脂成形体。
3. 前記第１の材料および／または第２の材料を構成する強化繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも１種類から選ばれることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
4. 前記第１の材料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. 前記第１の材料における強化繊維の含有量が２５〜７５重量％である請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
6. 前記第２の材料の厚みが第１の部材の厚みの０．１倍から０．５倍の範囲にある請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
7. 前記第２の材料の繊維方向における線膨張係数が第１の材料の線膨張係数の０．１倍以下である請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
8. 不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む第１の材料と、面内方向に異方性を有する連続繊維を含む第２の材料からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、前記第１の材料がフランジ部と立設部からなるスチフナ構造を有しており、前記フランジ部と立設部との稜線と第２の材料の連続繊維の繊維配向とが実質的に直交するように配置し、加熱炉内にて加熱溶融させた後／又は型内に設置し加熱溶融させた後、プレス成形する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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