JP2017144567A - 熱可塑性樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】補強材として用いられる繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維とマトリックス樹脂の線膨張係数の差に起因する座屈や圧壊を防止でき、複雑な形状にも補強材が容易に追従できるようにした熱可塑性樹脂成形体を提供する。【解決手段】一方向に配向された強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化熱可塑性樹脂シート一枚を他の成形体と一体化して得られる熱可塑性樹脂成形体であって、繊維強化熱可塑性樹脂シートが強化繊維の延在方向と交差する方向に延びる切り込みを有しており、切り込みにより強化繊維が分断されていることを特徴とする熱可塑性樹脂成形体。【選択図】図４

Description

本発明は、熱可塑性樹脂成形体に関し、とくに、繊維強化熱可塑性樹脂シートと他の成形体とを一体化して得られる熱可塑性樹脂成形体に関する。

例えば図１、図２に示すように、成形体、例えば射出樹脂成形体１０１を部分的に補強、補剛するために、選択的に少量の連続繊維強化材料１０２を射出成形型内にセットして、射出樹脂成形体１０１と連続繊維強化材料１０２を一体化する成形技術が知られている（例えば、特許文献１）。しかし、このような成形技術においては、補強材として用いられている連続繊維強化材料１０２に連続強化繊維１０３が使用されているので、該連続繊維強化材料１０２における強化繊維１０３とマトリックス樹脂の線膨張係数の差に起因して、例えば図３に示すように、連続繊維強化材料１０２部分に座屈１０４が発生し、場合によってはその部分が圧壊してしまうことがある。

また、連続繊維強化材料には、強化繊維として所定方向に配向された連続強化繊維が使用されているので、複雑な形状への追従性が低いという問題もある。連続繊維強化材料を使用して構造体を補強、補剛する技術として、例えば特許文献２〜５に記載の技術が知られているが、いずれも、高性能かつ高価な製造装置が必要となる。

一方、一方向に引き揃えられた強化繊維とマトリックス樹脂とからなるプリプレグ基材に関して、複雑な形状への成形追従性を向上するために、強化繊維を切り込みにより分断する技術も知られている（例えば、特許文献６）。しかし、特許文献６に開示されているのは、実質的にプリプレグ基材自体に関する技術であり、繊維強化熱可塑性樹脂シートと他の成形体とを一体化して得られる熱可塑性樹脂成形体や、上述したような線膨張係数の差に起因する繊維強化材料の座屈の問題については言及されていない。

また、特許文献７には、一方向に配向してなる補強用繊維に熱可塑性樹脂を含浸してなるシート状プリプレグを複数枚積み重ねて繊維強化熱可塑性プラスチック（ＦＲＴＰ）を製造する方法において、該プリプレグ上に、繊維を横切る方向で、繊維を切断する深さの切れ目を入れる技術が開示されており（請求項１）、この特許文献７には、上記プリプレグの積層体をスタンピング成形法等により予めＦＲＴＰ成形品にして、それを射出成形型内で射出樹脂と一体化する技術についても言及されている（公報第３頁右下欄）。しかしこの射出樹脂との一体化技術には、事前に複数枚のシート状プリプレグからなる積層体をスタンピング成形する工程が必要になるので製造コストが増大するという問題がある。また、複雑な形状の最終成形品を得るためには、複数枚のシート状プリプレグからなる積層体も複雑な形状にスタンピング成形により成形しておくことが求められるが、射出樹脂部とは異なり、プリプレグ積層体を複雑な形状に成形することは一般的に難しい。すなわち、シート状プリプレグからなる積層体は、最終成形品に対する補強材ではなく、最終成形品の主要構成部そのものの構成材となっており、このプリプレグ積層体を複雑な形状に成形することは一般的に難しい。さらに、シート状プリプレグを予め複数枚積層しているので、その積層体と射出樹脂との線膨張係数の差に起因する不具合が発生する可能性があり、その不具合を解消することが困難である。

特表２０１０−５００１９８号公報 特開２０１１−２５１４４３号公報 特開２０１１−２５１４４４号公報 特開２０１１−２５１４４５号公報 特開２０１１−２５１４４６号公報 特開２００８−２０７５４５号公報 特開昭６３−２４７０１２号公報

そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、補強材として用いられる繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維とマトリックス樹脂の線膨張係数の差に起因する座屈や圧壊を防止でき、複雑な形状にも補強材が容易に追従できるようにした熱可塑性樹脂成形体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱可塑性樹脂成形体は、一方向に配向された強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化熱可塑性樹脂シート一枚を他の成形体と一体化して得られる熱可塑性樹脂成形体であって、前記繊維強化熱可塑性樹脂シートが前記強化繊維の延在方向と交差する方向に延びる切り込みを有しており、前記切り込みにより前記強化繊維が分断されていることを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る熱可塑性樹脂成形体においては、補強材として用いられる一枚の繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維が該強化繊維の延在方向と交差する方向に延びる切り込みにより分断されているので、強化繊維が連続強化繊維である場合のマトリックス樹脂との線膨張係数の差に起因する熱膨張量の差が、主としてマトリックス樹脂で自動的に適切に吸収され、該線膨張係数の差に起因する繊維強化熱可塑性樹脂シート部分の座屈や圧壊が未然に防止される。また、繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維が分断されていることにより、しかも、その繊維強化熱可塑性樹脂シートが一枚だけ他の成形体との一体化に用いられることにより、複雑な形状に対する繊維強化熱可塑性樹脂シートの追従性が向上され、他の成形体と一体化する際の成形性も向上される。

上記本発明に係る熱可塑性樹脂成形体において、上記他の成形体としては、例えば、射出成形体を採用できる。他の成形体が射出成形体である場合、その成形体の射出成形動作を利用して上記繊維強化熱可塑性樹脂シートとの一体化が可能である。勿論、予め成形された他の成形体と上記繊維強化熱可塑性樹脂シートを一体化することも可能である。例えば、他の成形体としてのスタンパブルシートの表面に切り込み入りの上記繊維強化熱可塑性樹脂シートを配して一体化した熱可塑性樹脂成形体を例示できる。

また、上記切り込みの内部は、空間のまま残されていてもよいし、上記他の成形体を形成する樹脂が切り込み内まで延在している形態としてもよい。後者の場合には、他の成形体を形成する樹脂、例えば射出樹脂が切り込み内まで延在して切り込み内部を埋めることにより、切り込み内部を含めて熱可塑性樹脂成形体全体がしっかりと接合されている形態とすることができ、望ましい成形体構成を実現可能である。

また、上記他の成形体としては、樹脂のみからなる成形体、例えば、熱可塑性樹脂からなる成形体を使用することもできるし、熱可塑性樹脂と強化繊維からなる他の成形体を使用することもできる。後者の場合、他の成形体における強化繊維は分断されている必要はない。

また、本発明において、上記切り込みは種々の形態を採り得る。例えば、上記切り込みが直線状に延びている形態とすることができる。直線状に延びている形態とすることにより、切り込みの設定や付与が容易に行われる。また、上記切り込みが、上記繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維の延在方向と直交する方向に延びている形態とすることもできるし、上記繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維の延在方向に対し、直交する方向以外の交差角度をもって延びている形態とすることもできる。後者の場合には、例えば、切り込みがハの字状に配置されている形態とすることもできる。

また、上記切り込みは、自身の延在方向に連続的に設けられていてもよいし、断続的に設けられていてもよい。延在方向に断続的に設けられている切り込みの場合には、例えば、該切り込みが、千鳥状に配置されている形態とすることもできる。

また、本発明に係る熱可塑性樹脂成形体においては、上記分断された強化繊維の長さが１０〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましく、より好ましくは、２０〜６０ｍｍの範囲である。強化繊維の長さが１０ｍｍ以上であることにより、繊維強化熱可塑性樹脂シートによる高い補強、補剛効果が確保され、強化繊維の長さが１００ｍｍ以下であることにより、強化繊維とマトリックス樹脂との線膨張係数の差に起因する繊維強化熱可塑性樹脂シート部分の座屈や圧壊が適切に防止される。

また、本発明に係る熱可塑性樹脂成形体においては、繊維強化熱可塑性樹脂シートの全部分で座屈や圧壊を適切に防止し、複雑な形状に対しても繊維強化熱可塑性樹脂シートを良好に追従させるために、上記繊維強化熱可塑性樹脂シートの実質的にすべての強化繊維が上記切り込みによって分断されていることが好ましい。

さらに、本発明に係る熱可塑性樹脂成形体において、上記繊維強化熱可塑性樹脂シートの繊維体積含有率Ｖｆは特に限定されないが、繊維強化熱可塑性樹脂シートが熱可塑性樹脂成形体の補強、補剛を目的としたものであることを考慮すれば、その目的を高いレベルで達成できることが望ましく、この面から、繊維強化熱可塑性樹脂シートの繊維体積含有率Ｖｆは４５〜６５％の範囲にあることが好ましい。

このように、本発明に係る熱可塑性樹脂成形体によれば、切り込みによって繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維を分断することにより、繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維とマトリックス樹脂との線膨張係数の差に起因する繊維強化熱可塑性樹脂シート部分の座屈や圧壊を適切に防止することができ、該繊維強化熱可塑性樹脂シートと他の成形体との一体化により得られる熱可塑性樹脂成形体を良好に補強、補剛できる。

また、補強材としての繊維強化熱可塑性樹脂シートを一枚とし、該繊維強化熱可塑性樹脂シートの強化繊維が分断されていることにより、複雑な形状に対しても繊維強化熱可塑性樹脂シートを良好に追従させることができ、他の成形体と一体化する際の成形性も向上することができる。

従来技術における補強された樹脂成形体の斜視図である。 図１の成形体のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。 図２の部位における座屈発生の様子を示す断面図である。 本発明の一実施態様に係る熱可塑性樹脂成形体の斜視図である。 図４の熱可塑性樹脂成形体のＢ−Ｂ線に沿う一形態例を示す部分断面図である。 図５の部位における座屈の発生が回避される様子を示す断面図である。 図４の熱可塑性樹脂成形体のＢ−Ｂ線に沿う図５とは別の形態例を示す部分断面図である。 切り込みの形態例を示しており、（Ａ）は強化繊維の延在方向と直交する方向に直線状に延びる切り込み、（Ｂ）は強化繊維の延在方向に対し直交する方向以外の交差角度をもって延びる切り込み、（Ｃ）はハの字状に配置された切り込み、（Ｄ）は自身の延在方向に断続的に設けられた切り込み、（Ｅ）は断続的に設けられ千鳥状に配置された切り込みをそれぞれ示している。 複雑な形状を有する他の成形体に繊維強化熱可塑性樹脂シートが一体化された熱可塑性樹脂成形体の一例を示す斜視図である

以下に、本発明の実施の形態について説明する。
図４、図５は、本発明の一実施態様に係る熱可塑性樹脂成形体１を示している。熱可塑性樹脂成形体１は、一方向に配向された強化繊維２と熱可塑性樹脂とからなる一枚の繊維強化熱可塑性樹脂シート３を他の成形体としての射出樹脂成形体４と一体化したものからなる。繊維強化熱可塑性樹脂シート３は、図５に示すように、強化繊維２の延在方向と交差する方向に延びる切り込み５を有しており、切り込み５により強化繊維２が分断されている(図５は分断された強化繊維２を示している)。図５に示す形態例では、切り込み５は空間として形成されている。

このような熱可塑性樹脂成形体１においては、成形体１の補強、補剛の目的で一体化形態にて設けられている繊維強化熱可塑性樹脂シート３の強化繊維２が該強化繊維２の延在方向と交差する方向に延びる切り込み５により分断されているので、強化繊維２が図１〜３に示したような連続強化繊維である場合のマトリックス樹脂との線膨張係数の差に起因する強化繊維とマトリックス樹脂との熱膨張量の差が、主としてマトリックス樹脂で自動的に適切に吸収され、該線膨張係数の差に起因する繊維強化熱可塑性樹脂シート３部分の座屈や圧壊が未然に防止される。つまり、強化繊維とマトリックス樹脂との間に線膨張係数の差が存在しても、図６に示すように、座屈、圧壊が適切に回避された状態６に保たれる。

また、繊維強化熱可塑性樹脂シート３の強化繊維２が分断されていることにより、しかも、補強材として設けられる繊維強化熱可塑性樹脂シート３が一枚であることにより、例えば複雑な形状への成形の場合にあっても、その複雑な形状に対する繊維強化熱可塑性樹脂シート３の追従性が向上され、他の成形体としての射出樹脂成形体４と一体化する際の成形性も大幅に向上される。

さらに、繊維強化熱可塑性樹脂シート３における強化繊維２を分断する切り込み５の内部には、例えば図７に示すように、他の成形体としての射出樹脂成形体４を形成する射出樹脂７が延在、つまり、切り込み５の内部を埋めるように延在されてもよい。このように構成すれば、切り込み５部分でも、その両側部分がしっかりと接合された形態が実現され、熱可塑性樹脂成形体１全体として、局部的に機械特性の急激な低下が回避されつつ、上述したような座屈、圧壊の回避および射出樹脂成形体４と一体化する際の良好な成形性の達成が可能になる。

本発明における上記切り込みは例えば図８（Ａ）〜（Ｅ）に示すように種々の形態を採り得る。図８（Ａ）に示す繊維強化熱可塑性樹脂シート１１の例では、切り込み１２が直線状に延びており、かつ、強化繊維１３の延在方向と直交する方向に延びている。図８（Ｂ）に示す繊維強化熱可塑性樹脂シート２１の例では、切り込み２２が、強化繊維２３の延在方向に対し、直交する方向以外の交差角度θをもって延びている。図８（Ｃ）に示す繊維強化熱可塑性樹脂シート３１の例では、切り込み３２が強化繊維３３の延在方向に対しハの字状に配置されている。図８（Ｄ）に示す繊維強化熱可塑性樹脂シート４１の例では、切り込み４２が自身の延在方向に断続的に設けられており、切り込み４２の部位で強化繊維４３が分断されている。図８（Ｅ）に示す繊維強化熱可塑性樹脂シート５１の例では、いてもよい。断続的に設けられている切り込み５２が千鳥状に配置されており、切り込み５２の部位で強化繊維５３が分断されている。切り込みをハの字状に配置したり、千鳥状に配置したりすることにより、補強シートとしての繊維強化熱可塑性樹脂シートへの切り込みの存在による補強効果への影響を適切に分散させることができ、良好な補強効果と座屈発生防止効果との両立が容易に達成される。

さらに、本発明においては、上記のような切り込みによる強化繊維の分断によって、しかも、補強材として設ける繊維強化熱可塑性樹脂シートを一枚とすることによって、複雑な形状への成形の場合にあっても、その複雑な形状に対する繊維強化熱可塑性樹脂シートの追従性の向上が可能になる。例えば図９に例示するように、複雑な形状を有する他の成形体６２に上記のような切り込みによって強化繊維が分断された一枚の繊維強化熱可塑性樹脂シート６３が一体化された熱可塑性樹脂成形体６１とすることができる。

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂シートと他の成形体とを一体化して得られるあらゆる熱可塑性樹脂成形体に適用でき、とくに、自動車用部品など、大量に生産される成形体に好適なものである。

１ 熱可塑性樹脂成形体
２ 強化繊維
３ 繊維強化熱可塑性樹脂シート
４ 他の成形体としての射出樹脂成形体
５ 切り込み
６ 座屈、圧壊回避状態
７ 射出樹脂
１１、２１、３１、４１、５１、６３ 繊維強化熱可塑性樹脂シート
１２、２２、３２、４２、５２ 切り込み
１３、２３、３３、４３、５３ 強化繊維
６１ 熱可塑性樹脂成形体
６２ 他の成形体

Claims (14)

1. 一方向に配向された強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化熱可塑性樹脂シート一枚を他の成形体と一体化して得られる熱可塑性樹脂成形体であって、前記繊維強化熱可塑性樹脂シートが前記強化繊維の延在方向と交差する方向に延びる切り込みを有しており、前記切り込みにより前記強化繊維が分断されていることを特徴とする熱可塑性樹脂成形体。
2. 前記他の成形体が射出成形体からなる、請求項１に記載の熱可塑性樹脂成形体。
3. 前記他の成形体を形成する樹脂が前記切り込み内まで延在している、請求項１または２に記載の熱可塑性樹脂成形体。
4. 前記他の成形体が熱可塑性樹脂からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
5. 前記他の成形体が熱可塑性樹脂と強化繊維からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
6. 前記切り込みが直線状に延びている、請求項１〜５のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
7. 前記切り込みが、前記繊維強化熱可塑性樹脂シートの前記強化繊維の延在方向と直交する方向に延びている、請求項１〜６のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
8. 前記切り込みが、前記繊維強化熱可塑性樹脂シートの前記強化繊維の延在方向に対し、直交する方向以外の交差角度をもって延びている、請求項１〜６のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
9. 前記切り込みが、ハの字状に配置されている、請求項８に記載の熱可塑性樹脂成形体。
10. 前記切り込みが、自身の延在方向に断続的に設けられている、請求項１〜９のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
11. 前記延在方向に断続的に設けられている切り込みが、千鳥状に配置されている、請求項１０に記載の熱可塑性樹脂成形体。
12. 分断された強化繊維の長さが１０〜１００ｍｍの範囲にある、請求項１〜１１のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
13. 前記繊維強化熱可塑性樹脂シートの実質的にすべての強化繊維が前記切り込みによって分断されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。
14. 前記繊維強化熱可塑性樹脂シートの繊維体積含有率Ｖｆが４５〜６５％の範囲にある、請求項１〜１３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂成形体。

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