JP2015051592A - 繊維強化部材の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】加圧成形法と射出成形法を組み合わせて、平均繊維長が長く強化繊維の含有率の高い繊維強化部材を効率的に成形することができ、自動車の車体構成部品や電気機器の筐体構成部品などを高生産性で製造することができる繊維強化部材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る繊維強化部材の製造方法は、下金型10に熱可塑性樹脂の溶融体511を形成し、この溶融体上に強化繊維Bからなるマット状素材513を載置し、下金型10に加圧用上金型20を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部51を成形する工程１と、加圧用上金型20を開き、下金型10に射出成形用上金型30を閉じて射出成形金型を形成した後に射出成形を行って付加部55を形成し、その付加部55が本体部51に複合された繊維強化部材を成形する工程２を有してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の車体構成部品や電気機器の筐体構成部品などの成形に好適に使用される加圧成形法と射出成形法を組み合わせて成形する繊維強化部材の製造方法に関する。
繊維強化樹脂は、比強度、成形性などに優れ、その適用分野が拡大している。大量生産が期待される一般の自動車の車体構成部品や電気機器の筐体構成部品などへの繊維強化樹脂の適用が検討されている。
繊維強化樹脂の一般自動車部品や電気機器部品への適用においては、熱可塑性樹脂をマトリックスとしたガラス繊維又は炭素繊維による繊維強化樹脂の開発が進められており、成形品中に含まれる強化繊維の繊維長を長くすること、強化繊維の含有率を高めることが求められている。例えば、特許文献１に、繊維強化熱可塑性樹脂組成物の射出成形品であって、成形品中の強化用繊維長さ1.5〜5.0mmの重量平均分布が1〜50%である自動車外装部品が提案されている。そして、成形品中の強化用繊維は、繊維長1.5〜5.0mmの重量平均分布が1〜50%、好ましくは5〜50%であり、自動車外装部品に使用される組成物は、熱可塑性樹脂40〜99重量%および強化用繊維60〜1重量%から得られ、好ましくは熱可塑性樹脂50〜75%、強化用繊維50〜25%であるとされる。
このような繊維強化樹脂からなる一般自動車部品や電気機器部品は、平板状部に各種部品の取付用ボスやリブなどが設けられた形状をしており、一般に本体部を形成する平板状部は薄肉で大面積であり、ボスやリブなどの付加部を形成する部分は複雑な形状をしているものが多い。このため、長繊維の強化繊維を高体積含有率で含有させることができ、等方性で強度の高い繊維強樹脂性部品の製造に好適に使用される加圧成形法と、複雑な形状物の大量生産に好適に使用される射出成形法を組み合わせた製造方法が提案されている。
例えば、特許文献２に、不連続の強化繊維と樹脂を有してなる基材を積層してプリフォームを作製する工程（Ｉ）、下記チャージ率が100%より大きなプリフォームを金型に配置してプレス成形する工程（II）、工程（II）で得られた面状成形体を射出成形の金型にインサートした後に熱可塑性樹脂を射出成形して一体化する工程（III）を有してなる一体化成形品の製造方法が提案されている。この製造方法によると、不連続な強化繊維と樹脂から成る面状成形体を一次成形体とし、射出成形で熱可塑樹脂と一体化することにより、高い力学的特性および複雑形状を有する熱可塑性樹脂成形体を容易に得ることができるとされる。
特許文献３には、熱可塑性樹脂からなる透過シート及びその熱可塑性樹脂フィラメントを強化繊維束に織り込んだ織物シートをそれぞれ予備成形金型内で余熱・加圧して予備成形し、それらを一体成形金型内に重ね合わせて熱加圧成形して、それらが一体化した加飾予備成形品を成形した後、前記加飾予備成形品を射出成型用金型内にセットし、裏面側に前記熱可塑性樹脂と同質の熱可塑樹脂を射出成形して織物加飾樹脂製品を成形する織物加飾樹脂製品の成形方法が提案されている。この成形方法によれば、軽量で高剛性の車体構成部品（例えばカウルなど）として好適に使用される織物加飾樹脂製品を、織物シートがもつ強度と意匠性をそのまま保持し、トリミング作業や取付具の後付け作業等の工程を一切削除して経済的に成形できるとされる。
特開2005-298664号公 特開2010-253938号公報 特開2009-51080号公報
特許文献２又は３に提案された方法は、先ず強化繊維からなるシート状のプリプレグを作製した後に、このプリプレグを積層、又はプリプレグと樹脂シートを積層したものを加圧成形して本体部を成形し、この成形された予備成形体を射出成形金型に移して射出成形する方法が採用される。このため、工程数が多くなり、エネルギー効率もよくなく、高生産性の射出成形法の利点が生かされていないという問題がある。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、加圧成形法と射出成形法を組み合わせて、平均繊維長が長く強化繊維の含有率の高い繊維強化部材を効率的に成形することができ、自動車の車体構成部品や電気機器の筐体構成部品などを高生産性で製造することができる繊維強化部材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る繊維強化部材の製造方法は、下金型に熱可塑性樹脂の溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維Bからなるマット状素材を載置し、前記下金型に加圧用上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部を成形する工程１と、前記加圧用上金型を開き、前記下金型に射出成形用上金型を閉じて射出成形金型を形成した後に射出成形を行って付加部を形成し、その付加部が前記本体部に複合された繊維強化部材を成形する工程２を有してなる。
上記発明において、溶融体は、熱可塑性樹脂のみからなるもの、または強化繊維Aを含有する熱可塑性樹脂からなるものとすることができる。そして、成形された繊維強化部材に含まれる強化繊維Aは、平均繊維長が0.1〜25mmであるものとすることができる。また、成形された繊維強化部材に含まれる強化繊維Bは、平均繊維長が1〜100mmであるものとすることができる。
また、繊維強化部材に含まれる強化繊維Bと強化繊維Aの合計体積含有率は10〜70%とすることができる。
付加部は、平均繊維長が0.1〜25mmの強化繊維Mを体積含有率で0〜50%含有するものとすることができる。そして、付加部としては、本体部に形成された凸状部、ボス、リブ、ヒンジ、フランジ、ツメ又は側壁などの本体部から突出した形状のものを成形することができる。
溶融体は、可塑化吐出機から供給される強化繊維Aを含有した熱可塑性樹脂の塗布により形成するのがよい。
また、本発明に係る繊維強化部材の製造方法は、下金型に熱可塑性樹脂の溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維からなるマット状素材を載置し、前記下金型に上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部を成形する工程１と、前記成形された本体部を前記下及び上金型から離型した後に、これを射出成形金型に配設して射出成形を行って付加部を形成し、その付加部が前記本体部に複合された繊維強化部材を製造する工程２を有してなるものであってもよい。
本発明によれば、平均繊維長が長く強化繊維の含有率の高い繊維強化樹脂を効率的に成形することができ、自動車の車体構成部品や電気機器の筐体構成部品などを高生産性で製造することができる。
本発明により成形される繊維強化部材を示す図面である。（ａ）は平面図、（ｂ）は模式化した断面図である。 本発明に係る繊維強化部材の製造工程を示す図面である。 付加部の各例を示す図面である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。図１は、本発明により成形される繊維強化部材を示す。本発明は、図１（ｂ）に示すように、薄肉で広い面積の平板状の本体部51と、この本体部51の表面に凸状に形成される付加部55を有する繊維強化部材50の成形に好適に使用される製造方法である。
本発明に係る製造方法は、下金型に熱可塑性樹脂の溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維Bからなるマット状素材を載置し、前記下金型に加圧用上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部を成形する工程１と、前記加圧用上金型を開き、前記下金型に射出成形用上金型を閉じて射出成形金型を形成した後に射出成形を行って付加部を形成し、その付加部が前記本体部に複合された繊維強化部材を成形する工程２により実施することができる。
すなわち、本製造方法は、先ず、図２（ａ）に示すように、下金型10に熱可塑性樹脂の溶融体511を形成し、この溶融体511の上に強化繊維Bからなるマット状素材513を載置し、下金型10に加圧用上金型20を閉じて押圧し含浸処理を行う。そして、下金型10及び加圧用上金型20の冷却を行う。
本製造方法において、熱可塑性樹脂は、特に限定されず、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなど各種の熱可塑性樹脂を使用することができる。
強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維などを使用することができるが、軽量化及び強度の点からは炭素繊維が好ましい。強化繊維Bは、本発明に係る繊維強化部材50の基材となるものであり、上述のようにマット状のものが使用される。マット状とは、繊維束をマット、織物、織布にしたものをいい、所望の繊維長、繊維密度の強化繊維からなるものを容易に入手することができる。このマット状の強化繊維Bからなるマット状素材513を溶融体511の上に載置し、加圧用上金型20を押圧して熱可塑性樹脂を含浸させる。マット状素材513を構成する強化繊維Ｂは、この押圧・含浸処理中およびそれ以降において流動したり、切断されることがほとんどないので、所望の平均繊維長を有する繊維強化部材50を容易に製造することができる。繊維強化部材50に含まれる強化繊維Bの平均繊維長を1〜100mmにすることができる。
強化繊維Bは、強化繊維のみからなるものを使用することができ、強化繊維の回りに熱可塑性樹脂をコーティングしたもの、糸、粉体またはシート状の熱可塑性樹脂を間に含んだもの等を使用することができる。上記の含浸処理は、この熱可塑性樹脂のコーティングなどにより容易になり、また促進されるようにすることができる。なお、強化繊維Bの迅速な加熱を図るために、コーティングなどによる熱可塑性樹脂の含有量は、強化繊維の30vol%以下が望ましい。
溶融体511は、熱可塑性樹脂のみからなるものであってもよく、または強化繊維Aを含有する熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。強化繊維Aを含有する熱可塑性樹脂を使用すると、この強化繊維Aを強化繊維Ｂに混在させることができ、繊維強化部材50の強化繊維の含有率を高くすることができる。本発明においては、繊維強化部材50の本体部51に含まれる強化繊維Bと強化繊維Aの合計体積含有率を10〜70%にすることができる。
溶融体511は、押出機から供給される強化繊維Aを含有した熱可塑性樹脂の塗布により形成するのがよい。特にロービング状の強化繊維を供給し、スクリューによりその強化繊維を分断しさらに熱可塑性樹脂と混練を行いつつ分断された強化繊維をさらに切断することができる二軸押出機を使用するのがよい。これにより、所望の長繊維の強化繊維Aが熱可塑性樹脂に含有された溶融体511を形成することができる。そして、繊維強化部材50の本体部51に含まれる強化繊維Aの平均繊維長を0.1〜25mmにすることができる。また、強化繊維Aを含有した高温状態の熱可塑性樹脂を供給することができるので、エネルギー効率の高い生産を行うことができる。なお、強化繊維Bと強化繊維Aは、その構成するフィラメントの材質、サイズ等が同一のもの、あるいは異なる（例えば、フィラメントの材質が同じでサイズが異なる）ものとすることができる。また、押出機は射出機であってもよく、本発明は広く可塑化吐出機に使用することができる。
繊維強化部材50の強度向上を図るためには、繊維強化部材50に含まれる強化繊維Aは、平均繊維長が1〜15mmが好ましく、6〜10mmがより好ましい。また、繊維強化部材50に含まれる強化繊維Aの体積含有率は、20〜70%が好ましく、30〜70%がより好ましい。
上述のように、含浸処理の後は下金型10及び加圧用上金型20の冷却が行われる。下金型10及び加圧用上金型20の冷却により固体状の本体部50が成形される。固体状の本体部50が成形されると、加圧用上金型20を開き、図２（ｂ）に示すように射出成形用上金型20を配設し、この射出成形用上金型30を下金型10に閉じて射出成形金型を形成する。そして、射出成形を行って、図２（ｃ）に示すように付加部55を形成し、その付加部55が本体部51に複合された繊維強化部材50を成形する。なお、射出成形により本体部51に積層された又は一体になったランナー機能部559、スプルー560が形成される。スプルー559は切除されて繊維強化部材50が成形される。本例の下金型10は、凹凸の無い平面状になっているが、凹凸の有るものであってもよい。
本発明においては、射出成形は本体部50が固化した状態になってから行われる、すなわち、本体部50の強化繊維に含浸した熱可塑性樹脂がすでに固化した状態になってから行われるので、強化繊維の配向や偏りの問題が無い。本発明により、プリプレグを積層、又はプリプレグと樹脂シートを積層したものを加熱して加圧成形するような従来のインサート成形法に係る問題を解決することができる。
この射出成形に供される樹脂は、熱可塑性樹脂又は強化繊維Mを含有する熱可塑性樹脂を使用することができる。この熱可塑性樹脂は、溶融体511を形成する熱可塑性樹脂と同一のもの又は異なるものを使用することができる。そして、強化繊維Mは、強化繊維B又は強化繊維Aと同一の素材（フィラメントの材質、サイズ）を使用することができる。また、強化繊維Mは、強化繊維B又は強化繊維Aと異なる素材を使用することができる。
付加部55に含まれる強化繊維Mは、平均繊維長が0.1〜25mmとすることができ、体積含有率は0〜50%とすることができる。そして、付加部55に含まれる強化繊維Mの体積含有率は、10〜40%が好ましい。
射出成形により形成される付加部55には、図３（図１）に示すように、ボス553、リブ554、ヒンジ555、フランジ556、ツメ557、側壁558などが含まれる。また、付加部には、上述のランナー機能部558も含まれるが、上記の範疇に含まれない広い意味で凸形状の凸状部が含まれる。
上記繊維強化部材の製造方法においては、工程１により形成された本体部51は、冷却によりその形状が固定化されれば次の工程２を行うことをできる。このため、本体部51は未だ加熱状態にあるときに工程２を行うことができるので、生産性及びエネルギー効率の高い繊維強化部材50の製造を行うことができる。
また、本繊維強化部材の製造方法においては、上述のように本体部51の成形において強化繊維からなるマット状素材に含浸処理を行うので、積層されたプリプレグを加熱・加圧成形する方法とは異なり、形状的な制限が少ない。このため、縁周壁の形状又はサイズ、断面形状又は肉厚など本体部51の形状設計において、比較的自由な設計を行うことができる。また、マット状素材又は溶融体を形成する強化繊維や熱可塑性樹脂の材質、形態（平均繊維長、密度、コーティング処理等）又は含有量などを適宜選択することにより、含浸処理を促進させ、また、平均繊維長が長く高い含有量の強化繊維を含む繊維強化部材を成形することができる。
以上、本繊維強化部材の製造方法について説明した。本発明に係る繊維強化部材の製造方法は、上記の実施形態に限らない。例えば、繊維強化部材50の付加部55を成形するのに、上記下金型10と射出成形用上金型30から構成される射出成形金型よりも、新たな射出成形金型で射出成形を行うのが好ましい場合がある。本発明は、このような場合でも適用することができる。すなわち、本発明に係る繊維強化部材の製造方法は、下金型に熱可塑性樹脂の溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維からなるマット状素材を載置し、前記下金型に上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部を成形する工程１と、前記成形された本体部を前記下及び上金型から離型した後に、これを射出成形金型に配設して射出成形を行って付加部を形成し、その付加部が前記本体部に複合された繊維強化部材を製造する工程２により実施される方法であってもよい。この製造方法においても、本体部51は未だ加熱状態にあるときに工程２を行うことができるので、生産性及びエネルギー効率の高い繊維強化部材50の製造を行うことができる。
また、本発明に係る繊維強化部材の製造方法は、上記工程１と工程２を必ずしもその順序に行うものでなくてもよい。すなわち、先ず、下金型に射出成形用上金型を閉じて射出成形金型を形成した後に射出成形を行って付加部を形成し、次に、前記射出成形により形成された付加部を冷却して固化させた後、射出成形用上金型を開き、前記下金型に熱可塑性樹脂を塗布して前記付加部が突出した溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維Bからなるマット状素材を載置した後、前記下金型に加圧用上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して前記付加部が突出した繊維強化部材を成形する繊維強化部材の製造方法であってもよい。
10 下金型
20 加圧用上金型
30 射出成形用上金型
50 繊維強化部材
51 本体部
511 溶融体
513 マット状素材
55 付加部
553 ボス
554 リブ
555 ヒンジ
556 フランジ
557 ツメ
558 側壁
559 ランナー機能部
560 スプルー

Claims (9)

  1. 下金型に熱可塑性樹脂の溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維Bからなるマット状素材を載置し、前記下金型に加圧用上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部を成形する工程１と、
    前記加圧用上金型を開き、前記下金型に射出成形用上金型を閉じて射出成形金型を形成した後に射出成形を行って付加部を形成し、その付加部が前記本体部に複合された繊維強化部材を成形する工程２を有してなる製造方法。
  2. 溶融体は、熱可塑性樹脂のみからなるもの、または強化繊維Aを含有する熱可塑性樹脂からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化部材の製造方法。
  3. 繊維強化部材に含まれる強化繊維Aは、平均繊維長が0.1〜25mmであることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化部材の製造方法。
  4. 繊維強化部材に含まれる強化繊維Bは、平均繊維長が1〜100mmであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の繊維強化部材の製造方法。
  5. 繊維強化部材に含まれる強化繊維Bと強化繊維Aの合計体積含有率は10〜70%であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の繊維強化部材の製造方法。
  6. 付加部は、平均繊維長が0.1〜25mmの強化繊維Mを体積含有率で0〜50%含有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載する繊維強化部材の製造方法。
  7. 付加部は、本体部に形成された凸状部、ボス、リブ、ヒンジ、フランジ、ツメ又は側壁形状のものであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載する繊維強化部材の製造方法。
  8. 溶融体は、可塑化吐出機から供給される強化繊維Aを含有した熱可塑性樹脂の塗布により形成されることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載する繊維強化部材の製造方法。
  9. 下金型に熱可塑性樹脂の溶融体を形成し、この溶融体上に強化繊維からなるマット状素材を載置し、前記下金型に上金型を閉じて押圧し含浸処理を行った後、これを冷却・固化して繊維強化樹脂からなる本体部を成形する工程１と、
    前記成形された本体部を前記下及び上金型から離型した後に、これを射出成形金型に配設して射出成形を行って付加部を形成し、その付加部が前記本体部に複合された繊維強化部材を製造する工程２を有してなる製造方法。
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