JP2016011367A

JP2016011367A - 積層基材

Info

Publication number: JP2016011367A
Application number: JP2014133678A
Authority: JP
Inventors: 崇寛林; Takahiro Hayashi; 高橋　厚; Atsushi Takahashi; 厚高橋; 章亘佐々木; Akinobu Sasaki
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-01-21

Abstract

【課題】本発明は、得られる成形品が力学物性に優れ、その力学物性のばらつきが小さく、曲げ部分を有する成形品においても、十分に基材が充填されていて、成形品の表面が良好となる積層基材を提供することである。
【解決手段】一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、積層基材全体の厚さ方向の中心１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｘ％が８０〜１００％の割合であって、表層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｙ％がＸ％未満であって、裏層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｚ％がＸ％未満であることを特徴する積層基材。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタンピング成形時の賦形性に優れ、短時間で成形可能であり、かつ成形後の成形品が外観が良好であり、構造材に適用可能な優れた力学物性、低ばらつき性を有することを特徴とする中間基材ある積層基材に関する。構造部材として機械強度を維持し、例えば航空機部材、自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化熱可塑性樹脂の中間基材である積層基材に関する。

繊維強化熱可塑性樹脂の成形方法としては、プリプレグと称される連続した強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸せしめた基材を積層し、その積層基材を加熱した後、プレス等で加圧することにより目的の形状に賦形するスタンピング成形が最も一般的に行われている。これにより得られた繊維強化は、連続した強化繊維を用いているので優れた力学物性を有する。また連続した強化繊維は規則的に配列することで、必要とする力学物性に設計することが可能であり、力学物性のばらつきも小さい。しかしながら、連続した強化繊維からなる基材をリブ、ボス等の複雑な形状を形成することは難しく、主として積層基材を折り曲げたような比較的単純な形状の部材に限られる。積層基材を折り曲げたような比較的単純な形状の場合でも、曲げ部分（コーナー部分）に十分に基材が充填されない問題や、成形品の表面がガサガサになるなど外観不良の問題があった。

この問題を解決するために狭い幅のテープ状のプリプレグを一定の長さに切断したチップ状のプリプレグを平面上に分散させることにより、スタンピング成形性にすぐれた流動性のよいシートを得る方法が開示されている（例えば、特許文献１）。この様なシートは、成形流動性に優れ、曲げ部分にも十分に材料が充填されるが、強化繊維が切断されているので機械特性の低下が大きいという問題があった。

特開平０７−１６４４３９号公報

本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決しようとするものであって、連続した強化繊維を含む積層基材であって、曲げ部分にも十分に材料が充填され、成形品の表面外観が良好であって、構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性を有しながら、力学特性のばらつきが低く、賦形性に優れていて、短時間で成形可能である積層基材を提供することを課題とする。

本発明は、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、積層基材全体の厚さ方向の中心１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｘ％が８０〜１００％の割合であって、表層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｙ％がＸ％未満であって、裏層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｚ％がＸ％未満であることを特徴する積層基材である。

本発明によれば、連続した強化繊維を含む積層基材であっても、曲げ部分にも十分に材料が充填され、成形品の表面外観が良好に保つことができ、また短時間で成形可能である。また、そのように成形された成形品は、構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性を有しながら、力学特性のばらつきが低い。

本発明の実施例で用いた金型を示す図である。

本本発明は、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、積層基材全体の厚さ方向の中心１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｘ％が８０〜１００％の割合であって、表層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｙ％がＸ％未満であって、裏層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｚ％がＸ％未満であることを特徴する積層基材により解決するものである。その測定方法としては、積層基材の断面をＳＥＭ等により観察し、まず、厚さ方向の中心部分の１／３を同定し、その部分の強化繊維の方向を確認し、この領域において強化繊維が同一方向に並んでいる割合を算出できる。同様に、表層側や裏層側の領域において、強化繊維が同一方向に並んでいる割合を算出できる。同じ厚みのプリプレグを使用する場合には、積層基材の厚さ方向の中心の１／３、表層側１／３、裏層側１／３を占めるプリプレグの強化繊維の方向の情報から、それぞれの領域において繊維方向が同一である割合を算出することもできる。

この積層基材において、積層基材中心１／３に位置する同繊維方向層の最大値Ｘ％を８０〜１００％とすることによりこの領域が成形時に同一方向に流動する。また、表層側１／３及び裏層側１／３に位置する同繊維方向層の割合の最大値それぞれＹ％、Ｚ％をＸ％未満とすることにより、この領域が成形時に過度に同一方向に流動することを抑制することができる。これにより、積層基材の表層、裏層において繊維蛇行を抑制しつつ、所望の厚みに成形することが可能であり、また、小さいＲのコーナー部等にも材料が充填することができるため、外観的及び機械特性的にも優れた成形品を得ることができる。

本発明の積層基材に含まれるプリプレグに用いることができる強化繊維としては、強化繊維の種類は特に限定されず、無機繊維、有機繊維、金属繊維、またはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる。無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などが挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステルなどが挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維を挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、最終成形物の強度等の機械特性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。また、強化繊維の平均繊維直径は、１〜５０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがさらに好ましい。

本発明の積層基材に含まれるプリプレグには熱可塑性樹脂を用いることが必要である。すなわち、不連続な強化繊維を用いた繊維強化熱可塑性樹脂の場合、強化繊維端部どうしを連結するように破壊するため、一般的に熱硬化性樹脂よりも靱性値が高い熱可塑性樹脂を用いることで、強度、特に衝撃性が向上する。さらに熱可塑性樹脂は化学反応を伴うことなく冷却固化して形状を決定するので、短時間成形が可能であり、生産性に優れる。このような熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン、ポリエステル（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等）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルや、アクリロニトリルとスチレンの共重合体等を用いることができる。また、これらの混合物を用いてもよい。さらに、ナイロン６とナイロン６６との共重合ナイロンのように共重合したものであってもよい。また、得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、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もできる。

比重が小さく、また融点が低く加工しやすいという観点から、プリプレグに含まれる熱可塑性樹脂としてはポリプロピレン樹脂および／または変性ポリプロピレンが好ましい。また、強度や剛性といった機械的物性が優れているという観点から、プリプレグに含まれる熱可塑性樹脂としてはポリアミド樹脂が好ましい。

本発明の積層基材に含まれるプリプレグの厚みは、積層構成の自由度を考慮すると０．５ｍｍ以下が好ましく、プリプレグの生産性と積層回数の低減を考慮すると０．０５ｍｍ以上が好ましい。プリプレグは同じ方向に複数枚重ねて、厚くして使用しても良い。

本発明の積層基材に含まれるプリプレグは、繊維体積含有率Ｖｆが６０％以下であれば、十分な機械特性を得ることができるので好ましい。Ｖｆの値が低いほど流動性は向上するが、Ｖｆの値が２０％未満では構造材に必要な力学特性は得られない。流動性と力学特性の関係を鑑みると、２０％以上４５％以下が好ましい。かかるＶｆ値は、ＪＩＳＫ７０７５に基づき測定できる。

本発明に用いられる金型はシアエッヂのような食切り構造がない金型が適しており、狙いの成形体厚みになった場合に、金型のある部分で荷重を受止める構造が好ましい。また本発明の成形時には、積層材の端部にバネ等により適切な張力が掛かり、シワが入らないように型内に配置されるのが好ましい。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグとして、表面から裏面に貫通する切込を有するプリプレグを使用しても良い。リブやボスといった複雑形状を有する成形品を成形する場合には、強化繊維を横切る方向にプリプレグの表面から裏面に貫通する切込を有するプリプレグを用いることが好適である。切込の形状は直線状であっても良いし、直線状以外の形状であっても良い。切込形状として曲線を用いることで、同一切込角度と同一繊維長でありながら、１ｍ^２あたりの切込長の総和ｌａを大きくすることができる。この場合高い力学物性を維持しつつスタンピング成形性の向上が期待できるので好ましい。

本発明においては、同一積層体においてプリプレグの表面から裏面に貫通する切込の無いプリプレグやプリプレグの表面から裏面に貫通する切込の有るプリプレグの両方を用いても良い。

本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、プリプレグどうしが接着されていることが、取扱いを容易にする点で好ましい。

本発明で行う工程は加熱プレスと冷却プレスを組み合わせた加熱冷却プレスや高周波等を用いた急速加熱冷却プレスが望ましい。

以下に本発明の積層基材に用いることができるプリプレグの製造方法の一態様を説明するが、本発明はこれによって特に制限されるものではない。

本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、例えばフィルム状とした熱可塑性樹脂を二枚準備し、その二枚の間に強化繊維をシート状に並べた強化繊維シートを挟み込み、加熱及び加圧を行うことにより得ることができる。より具体的には、２枚の熱可塑性樹脂からなるフィルムを送り出す、２つのロールから二枚のフィルムを送り出すとともに、強化繊維シートのロールから供給される強化繊維シートを二枚のフィルムの間に挟み込ませた後に、加熱及び加圧する。加熱及び加圧する手段としては、公知のものを用いることができ、二個以上の熱ロールを利用したり、予熱装置と熱ロールの対を複数使用したりするなどの多段階の工程を要するものであってもよい。ここで、フィルムを構成する熱可塑性樹脂は一種類ある必要はなく、別の種類の熱可塑性樹脂からなるフィルムを、上記のような装置を用いてさらに積層させてもよい。

上記加熱温度は、熱可塑性樹脂の種類にもよるが、通常、１００〜４００℃であることが好ましい。一方、加圧時の圧力は、通常０．１〜１０ＭＰａであることが好ましい。この範囲であれば、プリプレグに含まれる強化繊維の間に、熱可塑性樹脂を含浸させることができるので好ましい。また、本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、市販されているプリプレグを用いることもできる。

次工程では、上記のようにして得られたプリプレグを積層して積層基材を作成する。この際取扱いの容易さから超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）でスポット溶接して積層基材とすることもできる。また、本発明の積層基材は、プリプレグを８〜９６層となるように積層することが好ましい。

次工程では、上記のようにして得られた積層基材を加熱冷却プレスして一体化した積層基材を成形する。具体的に本工程は、例えば前記積層基材を金型内に配置して、加熱及び加圧することにより行うことができる。

前記加熱においては、積層基材に含まれる熱可塑性樹脂の種類にもよるが、１００〜４００℃で加熱することが好ましく、さらに好ましくは１５０〜３５０℃で加熱することが好ましい。また、前記加熱に先立って、予備加熱を行ってもよい。予備加熱については、通常１５０〜４００℃、好ましくは２００〜３８０℃で加熱することが好ましい。

前記加圧において積層基材にかける圧力としては、好ましくは０．１〜１０ＭＰａであり、より好ましくは０．２〜２ＭＰａである。この圧力については、プレス力を積層基材の面積で除した値とする。

上記加熱及び加圧する時間は、０．１〜３０分間であることが好ましく、さらに好ましくは０．５〜１０分間である。また、加熱及び加圧の後に設ける冷却時間は、０．５〜３０分間であることが好ましい。本発明にかかる一体化した積層基材の厚さは、０．５〜１０ｍｍであることが好ましい。

このような積層基材は、赤外線ヒーター等で予熱をして金型載せて、スタンピング成形することによる所望の形状に成形することができる。積層基材は、金型の流動性の観点から、樹脂の融点或いはガラス転移温度以上に加熱することが好ましく、さらに樹脂の融点＋１０（℃）以上或いはガラス転移温度＋１０（℃）以上に加熱することがより好ましい。

スタンピング成形に用いる金型については、積層基材の表層や裏層の流動を抑制する観点から、上金型、下金型とも、樹脂の融点或いはガラス転移温度以下に保つことが好ましい。さらに樹脂の融点―１０（℃）以下或いはガラス転移温度−１０（℃）以下に保つことがより好ましい。積層基材の表層を上金型に接触させ、積層基材の裏層を下金型に接触させることで、積層基材の中心部分よりも早く表層や裏層を冷却することができるので、好ましい。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、実施例に記載の発明に限定されるものではない。

（実施例１）
炭素繊維（三菱レイヨン製、製品名：パイロフィルＴＲ−５０Ｓ１５Ｌ）を、強化繊維の方向が一方向となるように平面状に引き揃えて目付が１５６ｇ／ｍ^２である強化繊維シートとした。この強化繊維シートの両面を、酸変性ポリプロピレン樹脂製のフィルム（酸変性ポリプロピレン樹脂：三菱化学製、製品名：モディックＰ９５８、融点：１６５℃、目付：３６．４ｇ／ｍ^２）で挟み、カレンダロールを通して、熱可塑性樹脂を強化繊維シートに含浸し、繊維体積含有率（Ｖｆ）が５２％、厚さが、０．１６ｍｍのプリプレグを得た。

このようにして得られたプリプレグ１５層を表１に示す（Ａ）の積層構成で重ね、超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）でスポット溶接して積層基材を作成した。

このようにして得た積層基材を加熱プレスにて１９０℃、０．３ＭＰａの条件で１０分間保持し、次いで冷却プレスにて、８０℃，１．１ＭＰａの条件で１分間保持することで厚みが約２．５ｍｍの成形板を得た。

このようにして得られた積層板を図１ような９０℃に温度調整したハットセクション形状金型に、予め２２０℃に加熱した材料を配置し、１０ＭＰa、１分の条件でプレス成形した。
コーナー部形状の半径が３ｍｍ（Ｒ３と記載）にも関わらず材料が充填し、さらに天面部分も外観に優れた成形体が得られた。コーナー部にも材料が充填し外観に優れていた。

（実施例２〜７）
実施例１と同様にして積層構成を表１のようにして実施したところ、コーナー部に材料が充填し、天面部分の外観に優れた成形体を得られた。

（比較例１〜５）
積層構成を表１のようにして実施した以外は実施例１と同様な操作を実施した。コーナー部に材料が充填せず、外観に優れた成形体を得られなかった。

（実施例８）
プリプレグ作成時の熱可塑性樹脂フィルムとしてポリアミド６樹脂（宇部興産社製、１０１３Ｂ、融点：２２５℃）のフィルムを使用し、積層基材の加熱プレスの温度を２５０℃にし、プレス成形前の材料の予熱温度を２７０℃とし、金型の温度を１３０℃に調整した以外は実施例１と同様な操作を実施し、ハットセクション形状品を得た。コーナー部形状がＲ３にも関わらず材料が充填し、さらに天面部分も外観に優れた成形体が得られた。コーナー部にも材料が充填し外観に優れていた。

（実施例９〜１１）
実施例８と同様にして積層構成を表２のようにして実施したところ、コーナー部に材料が充填し、天面部分の外観に優れた成形体を得られた。

（比較例６〜８）
積層構成を表２のようにして実施した以外は実施例８と同様な操作を実施した。コーナー部に材料が充填せず、外観に優れた成形体を得られなかった。

Claims

一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、積層基材全体の厚さ方向の中心１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｘ％が８０〜１００％の割合であって、表層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｙ％がＸ％未満であって、裏層側の１／３の領域において同繊維方向に並んだ領域の割合の最大値Ｚ％がＸ％未満であることを特徴する積層基材。
熱可塑性樹脂がポリプロピレン系樹脂、および／またはポリアミド系樹脂であることを特徴とする請求項１記載の積層基材
強化繊維が炭素繊維である請求項１または２記載の積層基材
請求項１〜３記載の積層基材で成形した繊維強化熱可塑性樹脂成形体
積層基材を熱可塑性樹脂の融点或いはガラス転移温度以上に加熱し、その加熱された積層基材を、熱可塑性樹脂の融点或いはガラス転移温度以下に保たれた金型に運搬し、積層基材の裏層側を下金型の表面に接触させ、積層基材の表層側を上金型の表面に接触させ、圧縮成形することを特徴とする積層基材の成形方法。