JP2015024553A

JP2015024553A - 繊維強化樹脂複合材の製造方法

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Publication number: JP2015024553A
Application number: JP2013154974A
Authority: JP
Inventors: 英利四方田; Hidetoshi Yomoda; 竹雄小林; Takeo Kobayasi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: JP6015583B2

Abstract

【課題】コア材１３の表面に強化繊維が含有した樹脂を射出成形して繊維強化樹脂複合材を製造した場合であっても、繊維強化樹脂複合材１０の強度を高めることができる繊維強化樹脂複合材１０の製造方法を提供する。【解決手段】第１の強化繊維を含有した第１の繊維強化樹脂からなるコア材１３と、コア材１３の表面に被覆され、第１の強化繊維よりも繊維長さが長い第２の強化繊維を含有した第２の繊維強化樹脂からなる被覆層１４とを少なくとも含む繊維強化樹脂複合材の製造方法である。被覆層１４が被覆されるコア材１３の表面には、複数の凹部１７が形成されており、コア材１３に被覆層１４を被覆する際には、コア材１３の凹部を除く表面に、２ｍｍ以下の間隙を形成し、間隙に第２の繊維強化樹脂を射出成形することにより、被覆層１４を成形する。【選択図】図１

Description

本発明は、強化繊維を含有した繊維強化樹脂からなる繊維強化樹脂複合材の製造方法に関する。

強化繊維とマトリクス樹脂（以下樹脂）からなる繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、金属材料に比べて軽量であり、かつ、強化繊維を含むため樹脂材料に比べて機械的強度及び弾性率が高いことから、注目されている材料である。

たとえば、特許文献１には、コア材の表面に、強化繊維が含有した樹脂を射出成形して繊維強化樹脂複合材を製造する方法が提案されている。ここでは、コア材の表面から射出領域の表面までの距離を短くすることにより、射出成形される強化繊維の配向を促進させている。

特開２００９−０５１０３３号公報

近年、１ｍｍ以上の長繊維を樹脂に含有させたペレット（繊維強化樹脂）を用いて、射出成形することが盛んに行われている。ここで、射出成形時に、長繊維が補強方向に配向し、配向した長繊維の束が長ければ長いほど連続繊維に近づき、繊維強化樹脂複合材の高強度化を図ることができる。

しかしながら、強化繊維の長さをより長くすると、樹脂の流動中に強化繊維同士が絡まり易くなり、たとえ強化繊維をさらに増量したとしても、絡まった繊維同士が繊維強化樹脂複合材の高強度化に寄与しなくなる。

したがって、たとえば、特許文献１の製造方法の如く、コア材の表面に射出成形を行う際の強化繊維に上述した長繊維を用いた場合には、射出成形時に、長繊維同士が絡まり易く、十分に強度を向上させることができないことがある。

本発明はこのような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コア材の表面に強化繊維が含有した樹脂を射出成形して繊維強化樹脂複合材を製造した場合であっても、繊維強化樹脂複合材の強度を高めることができる繊維強化樹脂複合材の製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、発明者らが鋭意検討を重ねた結果、本発明に係る繊維強化樹脂複合材の製造方法は、第１の強化繊維を含有した第１の繊維強化樹脂からなるコア材と、該コア材の表面に被覆され、前記第１の強化繊維よりも繊維長さが長い第２の強化繊維を含有した第２の繊維強化樹脂からなる被覆層とを少なくとも含む繊維強化樹脂複合材の製造方法であって、前記被覆層が被覆されるコア材の表面には、複数の凹部が形成されており、前記コア材に前記被覆層を被覆する際には、前記コア材の凹部を除く表面に、２ｍｍ以下の間隙を形成し、該間隙に前記第２の繊維強化樹脂を射出成形することにより、前記被覆層を成形することを特徴とする。

本発明によれば、第１の強化繊維よりも長い第２の強化繊維を含有した第２の繊維強化樹脂からなる被覆層を、コア材に被覆することにより、安価なコア材を用いて、コア材よりも強度の高い繊維強化樹脂複合材を製造することができる。

さらに、被覆層が被覆されるコア材の表面には、複数の凹部が形成されており、この表面に沿って第２の繊維強化樹脂が射出成形されるので、射出成形時に第２の強化繊維が凹部に絡まり易く、コア材に強固に連結される。さらに、コア材に被覆層を被覆する際には、コア材の凹部を除く表面に、２ｍｍ以下の間隙を形成し、間隙に第２の繊維強化樹脂を射出成形するので、コア材の表面の被覆層に含まれる第２の強化繊維は絡まり難く、第２の繊維強化樹脂の射出方向（樹脂の流れ方向）に配向され易い。このような結果、被覆層によりコア材の強度を高めることができる。

ここで、成形時に２ｍｍを超える間隙を形成し、この間隙に第２の繊維強化樹脂を射出成形すると、第２の強化繊維同士が絡まりやすくなることがあり、第２の強化繊維による補強効果が薄れてしまう。

本発明によれば、コア材の表面に強化繊維が含有した樹脂を射出成形して繊維強化樹脂複合材を製造した場合であっても、繊維強化樹脂複合材の強度を高めることができる。

本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材の製造方法を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、コア材を基材に配置する状態を説明するための模式的斜視図、（ｂ）は、繊維強化樹脂複合材を製造する際の第２の繊維の繊維流れを説明するための模式的斜視図。図１に示すコア材の変形例を示した模式的斜視図であり、（ａ）は、第１の変形例に係るコア材の模式的斜視図であり、（ｂ）は、第２の変形例に係るコア材の模式的斜視図であり、（ｃ）は、（ａ）、（ｂ）に示す溝形状を示した図。参考例に係る解析のモデルを説明するための図であり、（ａ）は、モデルの斜視図、（ｂ）は、モデルの断面図。（ａ）は、長繊維の割合を示したグラフであり、（ｂ）は、図３に係るモデルを用いた繊維強化樹脂複合材の曲げ弾性率の結果を示したグラフ。（ａ）は、実施例１に係る被覆層のヤング率の結果を示した図であり、（ｂ）は、実施例２に係る被覆層のヤング率の結果を示した図である。

以下に図１および２を参照して、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材の製造方法を説明する。

図１は、本実施形態に係る繊維強化樹脂複合材の製造方法を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、コア材を基材に配置する状態を説明するための模式的斜視図、（ｂ）は、繊維強化樹脂複合材を製造する際の第２の繊維の繊維流れを説明するための模式的斜視図である。

図２は、図１に示すコア材の変形例を示した模式的斜視図であり、（ａ）は、第１の変形例に係るコア材の模式的斜視図であり、（ｂ）は、第２の変形例に係るコア材の模式的斜視図であり、（ｃ）は、（ａ）、（ｂ）に示す溝形状を示した図である。

本実施形態では、図１に示すように、基材１１の補強リブ１２を補強するための繊維強化樹脂複合材１０の製造方法について説明する。基材１１には厚さｔ１ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有した平板部１６に、一方向に沿って形成された複数の補強リブ１２，１２…が配置されている。

各補強リブ１２には、補強用の繊維強化樹脂複合材１０を挿入するための挿入孔１９が形成されている。ここで、本実施形態では、基材１１に繊維強化樹脂複合材１０を配置する際に、挿入孔１９を利用したが、たとえば、基材１１に、溝や切れ込み等を設けて、この切れ込みや溝に対して後述する条件をみたすことを前提に、繊維強化樹脂複合材１０を成形してもよい。

ここで、基材１１は、１ｍｍ以上の繊維長さとなる長繊維を含む繊維強化樹脂などの材料で成形されている。本実施形態では、このように成形された基材１１の挿入孔１９に、予め１ｍｍ未満の短繊維（第１の強化繊維）を含む繊維強化樹脂で成形したコア材１３を配置する。コア材１３の表面のうち後述する被覆層１４が被覆されるコア材１３の表面には、複数の凹部（窪み１５）が形成されている。

本実施形態のコア材１３の表面には、複数の窪み１５が形成されており、窪み１５の開口部分の直径は１〜２ｍｍ、窪みの最大深さは１〜２ｍｍであり、コア材１３の表面にランダムの形成されていることが好ましい。

次に、コア材１３に被覆層１４を被覆する際に、挿入孔１９内において、コア材１３の凹部である窪み１５を除く表面に２ｍｍ以下（好ましくは１ｍｍ以上）の間隙を形成し、間隙に第２の繊維強化樹脂を射出成形することにより被覆層１４を成形する。これにより、被覆層１４の厚さは２ｍｍ以下となる。

第２の繊維強化樹脂は、コア材１３に含まれる第１の強化繊維の繊維長さよりも長い第１の強化繊維（長繊維）と、これらを結合するマトリクス樹脂からなる。コア材１３に含まれる第１の強化繊維（短繊維）よりも長い第２の強化繊維（長繊維）を含有した第２の繊維強化樹脂からなる被覆層１４を、コア材１３に被覆することにより、安価なコア材を用いて、コア材よりも強度の高い繊維強化樹脂複合材１０を製造することができる。

ここで、図１（ｂ）に示すように、被覆層１４が被覆されるコア材１３の表面には、複数の窪み１５が形成されており、この表面に沿って第２の繊維強化樹脂が射出成形されるので、射出成形時に第２の強化繊維が窪み１５に絡まり易く、コア材１３に強固に連結される。

さらに、コア材１３に被覆層１４を被覆する際には、コア材１３の窪み１５を除く表面に、２ｍｍ以下の間隙を形成し、間隙に第２の繊維強化樹脂を射出成形するので、コア材１３の表面の被覆層１４に含まれる第２の強化繊維１７は絡まり難く、第２の繊維強化樹脂の射出方向（樹脂の流れ方向）Ｆに配向され易い。

このような結果、２ｍｍ以下の被覆層１４によりコア材１３の強度を高めることができる。ここで、２ｍｍを超える間隙を形成し、この間隙に第２の繊維強化樹脂を射出成形すると、第２の強化繊維１７，１７同士が絡まりやすくなることがあり、射出方向（樹脂の流れ方向）Ｆに配向され難く、第２の強化繊維による補強効果が薄れてしまう。また、好ましくは、被覆層１４の厚み（すなわち、上述する間隙）は、１ｍｍ以上であることが好ましい。

ここで、第１および第２の強化繊維は、繊維強化樹脂の剛性、強度衝撃性といった機械的特性を強化するための樹脂強化用の繊維をいい、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、天然繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維が挙げられ、特に限定されるものではない。

第１の強化繊維（短繊維）の直径は、７〜２０μｍ、その繊維長さは、０．２〜１ｍｍ未満であることが好ましく、第２の強化繊維（長繊維）の直径は、７〜２０μｍ、その繊維長さは、１〜１１ｍｍ未満であることが好ましい。

また、第１および第２の繊維強化樹脂用に用いられる樹脂は熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂いずれであってもよい。熱可塑性樹脂としては、結晶性熱可塑性樹脂や非結晶性熱可塑性樹脂を使用でき、例えば、ナイロン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、またはＡＢＳ系樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、例えばビニルエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、繊維強化樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等を挙げることができる。特に、第１の繊維強化樹脂および第２の繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、同じ種類の樹脂であることが好ましい。これにより、コア材１３と被覆層１４との結合をより強固なものとすることができる。

たとえば、図１では、コア材１３の凹部として、複数の窪み１５を設けたが、たとえば、図２（ａ），（ｂ）に示すように、コア材１３Ａ，１３Ｂに、第２の繊維強化樹脂の射出方向（樹脂の流れ方向）Ｆに沿った、複数の波型状の凹溝（切れ込み）１５Ａ，１５Ｂであってもよい。具体的には、図２（ａ）に示すように、波型状の凹溝１５Ａは、曲線状の溝を組み合わせてもよく、図２（ｂ）に示すように、波型状の凹溝１５Ｂは、直線状の溝を組み合わせてもよい。

このような型状の凹溝１５Ａ，１５Ｂは、射出方向（樹脂の流れ方向）Ｆと交差する方向に沿って溝の一部が形成されるので、射出成形時に第２の強化繊維が、射出方向（樹脂の流れ方向）Ｆに絡まり易い。また、この際、図２（ｃ）に示すように、凹溝１５Ａ（１５Ｂ）の溝幅Ｗは、１〜２ｍｍ、溝深さＤは、１〜５ｍｍ、傾斜角度（溝勾配）θは、１〜５°の範囲にあることが好ましい。

＜確認試験１＞
図３は、参考例１〜３に係る解析のモデルを説明するための図であり、（ａ）は、モデルの斜視図、（ｂ）は、モデルの断面図である。図４は、（ａ）は、長繊維の割合を示したグラフであり、（ｂ）は、図３に係るモデルを用いた繊維強化樹脂複合材の曲げ弾性率の結果を示したグラフである。

まず、図３（ａ），（ｂ）に示すように、コア材３３と、コア材３３の両面に被覆される被覆層３１，３２からなる繊維強化樹脂複合材（モデル）を作製し、参考例１は、コア材３３、被覆層３１、３２を長繊維からなる繊維強化樹脂とした。参考例２は、コア材３３を短繊維からなる繊維強化樹脂とし、被覆層３１、３２を長繊維からなる繊維強化樹脂とした。参考例３は、コア材３３、被覆層３１、３２を短繊維からなる繊維強化樹脂とした。

コア材および被覆層の強化繊維をガラス繊維とし、マトリクス樹脂をポリプロピレンとし、コア材および被覆層の物性値は、以下の表１に示すとおりである。また、コア材の厚さを６ｍｍ、各被覆層の厚さを２ｍｍとし、繊維強化樹脂複合材の厚さを１０ｍｍとした。

なお、図４（ａ）に示すように、参考例２に示す長繊維の割合を、参考例１の繊維強化樹脂複合材に含まれる長繊維の質量を１としたときに、これに対して２８％としたものである。参考例１〜３の繊維強化樹脂複合材（モデル）に対して、図３（ｂ）に示す式を用いて解析を行った。この結果を、表１および図４（ｂ）に示す。

参考例２の如く、コア材に短繊維を用いた場合であっても、被覆層に長繊維を用いれば、曲げ剛性は６％程度しか低下しない繊維強化樹脂複合材が得られることがわかる。したがった、たとえばコア材に、さらに凹部を設ければ、長繊維が凹部に絡まることにより、繊維強化樹脂複合材の曲げ剛性等の機械的強度をさらに高めることができるといえる。

＜確認試験２＞
確認試験２では、被覆層の繊維強化樹脂の強化繊維をガラス繊維からなる長繊維（繊維長さ１０ｍｍ）とし、マトリクス樹脂をポリプロピレンとし、３００ｍｍ×３００ｍｍ、厚さを１〜５ｍｍに設定して、充填時間２秒として、一辺の中央から繊維強化樹脂を射出し、流れが安定した位置における弾性率（ヤング率）を測定した。

参考例４は、繊維強化樹脂に対するガラス繊維の添加量を１５質量％とし、参考例５は、繊維強化樹脂に対するガラス繊維の添加量を４０質量％として、樹脂流動解析および繊析配向解析をおこなった（Autodesk Simulation Moldflow（ＳＣＳＫ株式会社）のFLOWおよびFIBERを用いて解析）。図５は、（ａ）は、参考例４に係る被覆層のヤング率の結果を示した図であり、（ｂ）は、参考例５に係る被覆層のヤング率の結果を示した図である。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、ガラス繊維の添加量に拘らず、被覆層の厚みを２ｍｍ以下にすれば、被覆層の剛性が向上することがわかる。被覆層の厚みを２ｍｍ以下にすることにより、被覆層に含まれる強化繊維が絡まり難くなり、繊維強化樹脂の射出方向（樹脂の流れ方向）に配向され易いからであると考えられる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行なうことができるものである。

たとえば、本実施形態では、基材の挿入孔内にコア材を配置し、これらの隙間を２ｍｍ以下として、第２の繊維強化樹脂を射出成形して繊維強化樹脂複合材を製造したが、基材の代わりに成形型にコア材を配置し、成形型とコア材との間に２ｍｍ以下の隙間を設けて、第２の繊維強化樹脂を製造してもよい。これによりコア材の表面に、２ｍｍ以下の第２の繊維強化樹脂を被覆層として被覆することができる。

１０…繊維強化樹脂複合材，１１…基材、１２…補強リブ、１３、１３Ａ、１３Ｂ…コア材，１４…被覆層，１５…窪み，１５Ａ、１５Ｂ…凹溝，１７…第２の強化繊維（長繊維），１９…挿入孔、３１、３２…被覆層，３３…コア材

Claims

第１の強化繊維を含有した第１の繊維強化樹脂からなるコア材と、該コア材の表面に被覆され、前記第１の強化繊維よりも繊維長さが長い第２の強化繊維を含有した第２の繊維強化樹脂からなる被覆層とを少なくとも含む繊維強化樹脂複合材の製造方法であって、
前記被覆層が被覆されるコア材の表面には、複数の凹部が形成されており、
前記コア材に前記被覆層を被覆する際には、前記コア材の凹部を除く表面に、２ｍｍ以下の間隙を形成し、該間隙に前記第２の繊維強化樹脂を射出成形することにより、前記被覆層を成形することを特徴とする繊維強化樹脂複合材の製造方法。