JP2018192679A - 繊維強化樹脂成形品の成形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強化繊維基材が射出成形品に一体に複合化された三次元形状の繊維強化樹脂成形品を成形することができる繊維強化樹脂成形品の成形方法を提供する。【解決手段】本発明は、射出成形金型に、樹脂が半含浸した強化繊維基材をインサートして樹脂を射出し、前記強化繊維基材が前記樹脂に完全含浸されるとともに、表面又は表裏面に一体に成形されてなる繊維強化樹脂成形品の成形方法である。ここに、半含浸とは、強化繊維基材の見かけ密度ρが目標見かけ密度ρcの50％〜2％に樹脂を含浸させること。完全含浸とは、樹脂成形品の見かけ密度ρが、目標見かけ密度ρcの95%以上であること。目標見かけ密度ρcとは、まったく空隙がないとした強化繊維基材の密度を意味し、強化繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrとすると、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。【選択図】図１
Description
本発明は、射出成形品に強化繊維基材が複合化された繊維強化樹脂成形品の成形方法に関する。
近年、物品の軽量化や機械強度の向上を目的として、炭素繊維などからなる強化繊維基材に樹脂を含浸させて複合化した繊維強化樹脂が広く利用され、大量生産が期待される航空機部品や自動車部品への適用が進められている。航空機部品や自動車部品への適用を進めるには、三次元形状の複雑な形状であっても成形できるような賦形性が求められる。このような要求に対し、樹脂を含浸させた強化繊維基材を成形金型にインサートしたうえで射出成形し、樹脂の表面、表裏面、または一部分に強化繊維基材が一体に複合化された繊維強化樹脂成形品又はその成形方法が提案されている。
特許文献１に、成形金型内にシート状インサートを配設する工程と、成形金型内に成形樹脂を射出する射出工程と、成形金型の一部又は全体を、型閉め圧縮する圧縮工程を行い、シート状インサートと成形樹脂を一体化する成形体の製造方法であって、前記シート状インサートは少なくとも２枚用いて、圧縮動作をする両型面付近に夫々に配設し、これらのシート状インサートに挟まれた空間に前記成形樹脂が射出される成形体の製造方法が提案されている。この製造方法によれば、多くの工数をかけなくても、成形体に高機能を付与するシートを一体化した機械的強度の高い連続繊維強化樹脂成形体を得ることができるとされる。
特許文献２には、金型内に、熱可塑性樹脂（A）を含有するインサート材を配置した状態で、溶融状態の熱可塑性樹脂（B）を供給して成形する成形体の製造方法であって、前記インサート材上に接着樹脂が配置された材料（X）上に、前記材料（Ｘ）が前記熱可塑性樹脂（A）の軟化温度以上に加熱された状態で、溶融状態の熱可塑性樹脂（B）を供給した後、又は供給しながら金型を閉じ、前記インサート材を賦形しつつ成形する、成形体の製造方法が提案されている。この製造方法によれば、インサート材部分と射出成形部分との境界面の接着強度の高い成形体を高生産性・低コストで製造できるとされる。
特許文献３に、強化繊維を含有し、熱可塑性樹脂からなるシート材を熱成形して仮賦形する工程１と、該工程１によって仮賦形されたシート材を、金型へインサートする工程２と、金型へインサートされたシート材を加熱冷却成形して、該シート材を金型形状に追従させる工程３と、前記シート材の全面又は一部に熱可塑性樹脂を射出成形し、前記シート材と熱可塑性樹脂成形体が一体に融着された複合体を形成する工程４と、を含む複合体の製造方法が提案されている。この製造方法によると、シート材を熱成形によって仮賦形してから金型表面に貼り付け、加熱冷却して金型形状に追従させた後に射出成形するので、寸法精度が高く、外観や手触り感が良好な複合材を提供することができるとされる。
特許文献１に記載の成形体の製造方法は、シート状の連続強化繊維を表裏面に密着させた繊維強化樹脂成形品を得ることができるが、三次元形状の繊維強化樹脂成形品を成形することは困難である。一方、特許文献２に記載の成形体の製造方法又は特許文献３に記載の複合体の製造方法は、三次元形状の繊維強化樹脂成形品を成形することができるので好ましい。しかし、特許文献２に記載の成形体の製造方法は、強化繊維基材と射出成形品との境界部分に接着剤相当のものを設けなければならないという問題がある。特許文献３に記載の複合体の製造方法は、強化繊維基材を仮賦形し成形加工した後に射出成形加工をしなければならないという問題がある。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、射出成形において特別の操作又は工程を要することなく、強化繊維基材が射出成形品に一体に複合化された三次元形状の繊維強化樹脂成形品を成形することができる繊維強化樹脂成形品の成形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樹脂成形品の成形方法は、射出成形金型に、樹脂が半含浸した強化繊維基材をインサートして樹脂を射出し、前記強化繊維基材が前記樹脂に完全含浸されるとともに、表面又は表裏面に一体に成形されてなる繊維強化樹脂成形品の成形方法である。ここに、半含浸とは、強化繊維基材の見かけ密度ρが目標見かけ密度ρcの50％〜2％に樹脂を含浸させること。完全含浸とは、樹脂成形品の見かけ密度ρが、目標見かけ密度ρcの95%以上であること。目標見かけ密度ρcとは、まったく空隙がなく樹脂が含浸した強化繊維基材の密度を意味し、強化繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrとすると、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。
上記発明において、樹脂は、補強用途又は機能付与用途のために添加する充填材を含有する樹脂を含むものとすることができる。
また、強化繊維基材は、その端部が射出成形金型のキャビティ壁部で保持されるようになっているものとすることができる。
また、繊維強化樹脂成形品は、三次元形状に成形加工されてなるものとすることができ、その表面又は表裏面の一部に強化繊維基材が一体に成形されてなるものとすることができる。
本発明によれば、射出成形において特別の操作又は工程を要することなく、強化繊維基材が射出成形品に一体に複合化された三次元形状の繊維強化樹脂成形品を成形することができる。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明に係る繊維強化樹脂成形品の成形方法は、射出成形金型に、樹脂が半含浸した強化繊維基材をインサートして樹脂を射出し、前記強化繊維基材が前記樹脂に完全含浸されるとともに、表面又は表裏面に一体に成形されてなる繊維強化樹脂成形品の成形方法である。
例えば、図１に示すように、下金型11と上金型15からなる射出成形金型10のキャビティCに樹脂が半含浸した強化繊維基材20（20A、20B）をインサートし、射出成形機30より樹脂を供給して射出成形する。これにより、完全含浸されてなる強化繊維基材に表裏面が強化された強化層52（52A、52B）と、芯部が樹脂部51からなる三次元形状の繊維強化樹脂成形品を成形することができる。ここに、半含浸とは、強化繊維基材の見かけ密度ρが目標見かけ密度ρcの50％〜2％に樹脂を含浸させること。完全含浸とは、樹脂成形品の見かけ密度ρが、目標見かけ密度ρcの95%以上であること。目標見かけ密度ρcとは、まったく空隙がなく樹脂が含浸した強化繊維基材の密度を意味し、強化繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrとすると、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。この目標見かけ密度ρcは、上記計算式が示すように、樹脂を含浸させてなる強化繊維基材がこれを構成する強化繊維と樹脂で完全に占められ、空隙（ボイド）などがないとした最も高い計算上の密度に相当している。このため、本発明においてはこの最も高い計算上の密度、すなわち目標見かけ密度ρcを目標値とし、どの程度含浸が進んでいるかの判断指標としている。
図１に示す例は、半含浸した強化繊維基材20を２枚インサートした例を示す。この場合は図１（ｂ）に示す形態の繊維強化樹脂成形品50を成形することができる。すなわち、図１の場合は、射出ゲートに隣接して設置される強化繊維基材20はゲート穴形状の樹脂注入口26が設けられ、射出成形機30からの樹脂がその樹脂注入口26から２枚の強化繊維基材20の隙間に流入する（図１（ａ））。これにより、樹脂51の両面に強化層52A、強化層52Bが形成されて一体化した繊維強化樹脂成形品50を得ることができる（図１（ｂ））。なお、図１の例は、繊維強化樹脂成形品50が凹みを有するため、強化繊維基材20は、キャビティCの断面より大きいものがインサートされ、彎曲状になっている。
本繊維強化樹脂成形品の成形方法は、上述のように、樹脂が半含浸した強化繊維基材をインサートする。この樹脂が半含浸状態の強化繊維基材は、強化繊維基材に樹脂粉体を静電付着させ、これを加熱し含浸させて作製することができる。すなわち、先ず、樹脂粉体を強化繊維基材に静電付着させる。この樹脂粉体は、マクロ的に観察すれば強化繊維基材の表面に均一の厚さ、均一の分布で付着している。しかしながら、ミクロ的に観察すれば、図２（ａ）に示すように、束になった多数の強化繊維2から形成される強化繊維基材1の表面は、樹脂粉体5が一層又は複層に付着した部分があり、あるいは樹脂粉体5が付着していない部分がある。このような状態は、強化繊維基材1を形成する強化繊維2の外径とその強化繊維基材1の嵩密度に基づいて、強化繊維基材1の繊維体積含有率が所定の値になるように、所定の平均粒径の樹脂粉体5を、強化繊維基材1に静電付着させることによって生じさせることができる。
次に、樹脂粉体5が付着した強化繊維基材1を樹脂粉体5のガラス転移点又は融点以上に加熱する。この樹脂粉体5が付着した強化繊維基材1の加圧は行わない。このため、図２（ｂ）に示すように強化繊維基材1に付着している樹脂粉体5は、加熱操作において、強化繊維基材1の表面で溶融するが、前述のミクロ的な付着状況に応じた分布を保って強化繊維２に付着した樹脂6が形成される。しかし、強化繊維基材1の表面全体を被うようなフィルム状の溶融層は形成されない。そして、溶融した樹脂は、その表面張力によりその表面積を縮小し、強化繊維基材1の表面に溶融樹脂の存在しない未含浸部7を形成する。また、溶融した樹脂は、強化繊維2の間をぬって強化繊維基材1の内部の空隙部に含浸するものもある。この樹脂の溶融・含浸のための温度と時間は、強化繊維基材1及び樹脂粉体5に合わせて適宜最適な条件が選ばれる。
表１は、上記方法により樹脂が半含浸した強化繊維基材を作製し、その吸水率を測定した結果を示す。半含浸した強化繊維基材を所定の大きさ（150mm×105mm）に切り出して重量測定を行った後、水に浸したまま真空（-100kPa）乾燥機に入れて3時間放置し、その後水から取り出して水滴を拭き取り、再度重量測定を行った。吸水率は、吸水率＝（（浸漬後の重量−浸漬前の重量）/浸漬前の重量）×100（%）により求めた。表１によると、吸水率は、強化繊維基材の繊維含有率Vfが高いほど高くなる傾向がある。本試験において吸水率の平均値は40.6％であり、この半含浸した強化繊維基材は高い空隙率を有していることが分かる。
本発明において、強化繊維基材とは、強化繊維を用い一方向に配列した、若しくは織物状の強化繊維からなるもの、または、二次元若しくは三次元的にランダムに配向した不連続状の強化繊維からなるものをいう。強化繊維は、炭素繊維が好ましく、炭素繊維からなる強化繊維基材10の目付は、40〜250g/m2であるのがよい。40g/m2より小さい目付では、得られる繊維強化樹脂中間材一枚当たりの強化繊維の総量が少なく、繊維強化樹脂成形品を成形するさいに必要な繊維強化樹脂中間材の枚数が無用に多くなり実用的ではない。250g/m2より大きい目付では、加熱時に溶融した樹脂が、強化繊維の間をぬって強化繊維基材中の空隙部に含浸される工程に長時間を要すため実用的ではない。なお、強化繊維は、ガラス繊維又は天然繊維、アラミド繊維、炭化珪素（SiC）繊維、スチール繊維又はアルミ繊維であってもよく、これらの繊維からなる強化繊維基材においても、それぞれに適切な目付範囲が決められる。
樹脂粉体は、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、スチレン・アクリロニトリル・ブタジエン共重合体（ABS）、ポリカーボネート（PC）、ポリスルホン（PSU）、ポリエーテルスルホン（PES）、ポリアミドイミド（PAI）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリアミド系樹脂（PA６，PA11,PA66）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）等の樹脂粉体を使用することができる。また、上記のような熱可塑性樹脂の粉体に限らずフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の粉体であってもよい。
本発明において樹脂粉体は、強化繊維（単繊維）の直径の1/2〜30倍の平均粒径を有する粉体を使用することができる。この平均粒径は、使用する樹脂の密度、粘度、繊維の外径、および最終の繊維体積含有率に合せて適宜選定される。このような平均粒径の樹脂粉体は、強化繊維基材に静電付着させ易いという利点がある。上述のように、本発明においては、樹脂を強化繊維基材に付着させるのに樹脂粉体を用いており、樹脂粉体を静電付着により強化繊維基材に付着させている。このため、本発明においては、樹脂粉体の強化繊維基材への付着をマクロ的に調製することができる。樹脂粉体の静電付着は、樹脂粉体を空気に混合した状態で帯電させ、樹脂粉体の強化繊維基材への付着直前にさらに高電圧をかけることにより行うことができる。なお、樹脂粉体は、含浸という観点からは平均粒径が小さいものが好ましいが、単価が高くなるという点では不利になる。一方、樹脂粉体の静電付着状態を制御し外面に開口した空隙を有する強化繊維基材を成形するには、樹脂粉体の平均粒径が大きい方が好ましい。
インサートする強化繊維基材は、その形状についてシート状のものに限定されない。例えば、図３（ａ）は、表面部に縁取り状の強化層53、裏面部に層状の強化層52を有する繊維強化樹脂成形品の例である。かかる繊維強化樹脂成形品は、テープ状の強化繊維基材とシート状の強化繊維基材をインサートすることによって成形することができる。図３（ｂ）は、表面部に設けられるリブ55が図３（ａ）の場合と異なり、リブ55は棒状をしている。このような棒状のリブ55は補強リブとして使用される。
また、繊維強化樹脂成形品に設けられる強化層は、その表面部、裏面部に限定されない。図３（ｃ）に示すように、強化層52が繊維強化樹脂成形品の芯部に設けられたものを成形することができる。かかる繊維強化樹脂成形品は、先ずゲート側金型側に強化繊維基材20を設置した状態で１回目の射出を行って冷却固化し、その後、ゲート側金型に対向する金型を後退し、２回目の射出を行うことにより成形することができる。
本発明において、インサートする強化繊維基材は、キャビティCにおいて上下左右に移動しないようになっていればよい。例えば、図４に示すように、強化繊維基材20にアーム25を形成し、その端部で射出成形金型のキャビティ壁部に強化繊維基材20が保持されるようにすることができる。上記図１、図３に示す強化繊維基材20についても同様である。図３（ｂ）に示す棒状の強化繊維基材20をインサートする場合は、その端面部がゲート側金型に保持されるようになっていればよい。
射出成形する樹脂と強化繊維基材に半含浸させる樹脂は、同等材質の樹脂が使用される。また、樹脂は、補強用途又は機能付与用途のために添加される充填材を含有する樹脂を使用することができる。かかる充填材は、表２に示す素材について各種形状の充填材を添加することができる。例えば、繊維状のガラス繊維、炭素繊維、天然繊維は、補強用途の充填材として使用される。平板状又はフレーク状のタルクは、補強用途の充填材として使用される。平板状又はフレーク状のマイカは、補強用途又は制振性を向上させる機能性付与用途の充填材として使用される。球状のカーボンブラックは、導電性を向上させる機能性付与用途の充填材として使用される。球状のガラスビーズは、光散乱・反射の機能を付与する充填材として使用される。粉末状のアルミナは、熱線輻射機能を付与する充填材として使用される。
1 強化繊維基材
2 強化繊維
5 樹脂粉体
6 付着した樹脂
7 未含浸部
10 射出成形金型
11 下金型
15 上金型
20、20A、20B 樹脂が半含浸した強化繊維基材
25 アーム
26 樹脂注入口
30 射出成形機
50 繊維強化樹脂成形品
51 樹脂部
52、52A、52B 強化層
53 強化層
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11 下金型
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30 射出成形機
50 繊維強化樹脂成形品
51 樹脂部
52、52A、52B 強化層
53 強化層
55 リブ
Claims (5)
- 射出成形金型に、樹脂が半含浸した強化繊維基材をインサートして樹脂を射出し、前記強化繊維基材が前記樹脂に完全含浸されるとともに、表面又は表裏面に一体に成形されてなる繊維強化樹脂成形品の成形方法。
ここに、半含浸とは、強化繊維基材の見かけ密度ρが目標見かけ密度ρcの50％〜2％に樹脂を含浸させること。完全含浸とは、樹脂成形品の見かけ密度ρが、目標見かけ密度ρcの95%以上であること。目標見かけ密度ρcとは、まったく空隙がなく樹脂が含浸した強化繊維基材の密度を意味し、強化繊維の繊維体積含有率Vf及び密度ρf、樹脂の樹脂体積含有率Vr及び密度ρrとすると、ρc=Vr×ρr＋Vf×ρfである。 - 樹脂は、補強用途又は機能付与用途のために添加する充填材を含有する樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂成形品の成形方法。
- 強化繊維基材は、その端部が射出成形金型のキャビティ壁部で保持されるようにインサートされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂成形品の成形方法。
- 繊維強化樹脂成形品は、三次元形状に成形加工されてなる請求項１〜３の何れか一項に記載の繊維強化樹脂成形品の成形方法。
- 繊維強化樹脂成形品は、その表面又は表裏面の一部に強化繊維基材が一体に成形されてなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂成形品の成形方法。
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