JP2018192730A - 繊維強化樹脂部材及び該繊維強化樹脂部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状にも成形可能な高い機械的強度を有する繊維強化樹脂部材を提供すること。【解決手段】本発明の繊維強化部材は、複雑形状部と単純形状部とを有する。そして、繊維強化樹脂部材の厚さ方向に裏打ち層、繊維強化層を順に有し、上記繊維強化層の平均繊維長を単純形状部よりも複雑形状部を短くしており、所望の形状に形成可能な高い機械的強度を有する繊維強化樹脂部材を提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂部材に係り、更に詳細には、高い機械的強度を有し、所望の形状に形成可能な繊維強化樹脂部材及び該繊維強化樹脂部材の製造方法に関する。

繊維強化樹脂部材の機械的強度を高くするために、連続した長い強化繊維が用いられる。しかし、射出成形法による成形は、スクリューを用いた混練が必要で、混練中に繊維が短くせん断されるため、強化繊維を長くすることができず、機械的強度を向上させるには限界がある。

特許文献１の特開２０１２−７１５９５号公報には、金型のキャビティ内に、強化繊維と熱可塑性樹脂から成る予備成形体を配置し、上記キャビティの残りの空間に不連続強化繊維を含有する溶融熱可塑性樹脂を射出し、さらに上記キャビティを所定の容積に圧縮させる成形方法が開示されている。

そして、上記成形方法によれば、上記予備成形体には不連続強化繊維よりも長い繊維を使用できる旨が記載されている。

特開２０１２−７１５９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものにあっては、単一の予備成形体を用いるものであるため、成形できる形状がハット形状等、単純な形状に限られ、複雑な形状の成形品を形成することは困難である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複雑な形状であっても所望の形状に形成可能な高い機械的強度を有する繊維強化樹脂部材を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、成形品の形状の複雑さに応じて、含有する繊維長が異なる複数の予備成形体（以下、プリプレグということがある。）を用いることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の繊維強化部材は、複雑形状部と単純形状部とを有する。
そして、繊維強化樹脂部材の厚さ方向に裏打ち層、繊維強化層を順に有し、上記繊維強化層の平均繊維長が、単純形状部よりも複雑形状部で短いことを特徴とする。

また、本発明の繊維強化樹脂部材の製造方法は、複雑形状部と単純形状部とを有する繊維強化樹脂部材を製造する方法であり、
強化繊維と樹脂とを含むプリプレグを金型に配置する配置工程と、上記プリプレグをプレスして上記金型の内面に押し付け、型締めした金型内に樹脂を射出して裏打ちする成形工程と、を有する。
そして、上記配置工程が、平均繊維長が異なる複数のプリプレグを配置する処理であり、平均繊維長が長いプリプレグを単純形状部に配置し、平均繊維長が短いプリプレグを複雑形状部に配置することを特徴とする。

本発明によれば、複雑形状部の繊維長を単純形状部の繊維長よりも短くすることとしたため、所望の形状に形成可能な高い機械的強度を有する繊維強化樹脂部材を提供することができる。
また、平均繊維長が長いプリプレグを単純形状部に配置し、平均繊維長が短いプリプレグを複雑形状部に配置することとしため、高強度の繊維強化樹脂部材を所望の形状に成形できる。

本発明の繊維強化樹脂部材の一例を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 配置工程を説明する図である。 成形工程を説明する図である。

本発明の繊維強化樹脂部材について詳細に説明する。図１に本発明の繊維強化樹脂部材の斜視図を示す。

上記繊維強化樹脂部材１は、図１に示すように、複雑形状部１２と単純形状部１１とを有するものであり、その断面は、図２に示すように、繊維強化樹脂部材の厚さ方向に裏打ち層３、繊維強化層２を順に有し、上記繊維強化層が樹脂を含む裏打ち層で補強されている。

本発明において複雑形状部とは、プリプレグ中の繊維を折り曲げて金型に追従させることが困難な部位であり、繊維強化層の厚さ等にもよるが、例えば６０°以上の急峻な角度で折り曲げられた繊維強化層の山折り線Ｙや谷折り線Ｖと、これら折り線の交点Ｘとで、繊維強化樹脂部材の外形が形成されている部位をいう。また、単純形状部とは、プリプレグ中の繊維を折り曲げて金型に追従させることが容易な部位であり、上記山折り線Ｙや谷折り線Ｖが交差していない部位をいう。

＜繊維強化層＞
上記繊維強化層２ａ，２ｂは、繊維強化樹脂部材１の表面側にあって、その表面が繊維強化樹脂部材の外観を形成するものであり、樹脂中に強化繊維を含む層である。

上記繊維強化層の強化繊維は、単純形状部１１よりも複雑形状部１２の平均繊維長が短い。上記単純形状部の強化繊維が長いものであることで、繊維強化樹脂部材の機械的強度を向上できる。
そして、複雑形状部１２の強化繊維が単純形状部１１の強化繊維よりも短いことで、成形時に金型で折り曲げられても、強化繊維同士がずれることが可能である。したがって、複雑な形状であっても金型の形状に追従して、折り曲げによる応力が一点に集中しないため、強化繊維間に隙間が生じ難く裏打ち層の樹脂が繊維強化層を通りぬけて表面に露出することが防止される。

上記単純形状部の繊維強化層２ａは、織布や一方向材等の強化繊維を含むことが好ましい。強化繊維が、規則的に配向した連続した長い繊維であると、長い強化繊維内で荷重を分散できるので機械的強度が向上する。

また、複雑形状部の繊維強化層２ｂは、ＬＦＴ−Ｄ法で作製されたプリプレグに含まれる強化繊維や、不織布等ランダム配向の強化繊維を含むことが好ましい。
複雑形状部の強化繊維は、金型の複雑な形状に追従する必要があり、強化繊維がランダム配向であることであらゆる角度方向の折り曲げ対してずれ易くなり、規則的に配向した強化繊維に比して複雑形状を形成することができる。

ここで、ＬＦＴ−Ｄ（Ｌｏｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ − Ｄｉｒｅｃｔ）法とは、連続繊維と熱可塑性樹脂を押出し装置に導入し、押出し装置のスクリューを回転させて、上記連続繊維を裁断しながら熱可塑性樹脂と混練した混練材を押し出し、その後プレス成形する方法をいう。

上記複雑形状部の強化繊維の繊維長は、形状の複雑さや繊維強化層の厚さ等にもよるが、３ｍｍを超え３０ｍｍ以下であることが好ましい。上記範囲の長さであることで、金型への追従性と機械的強度とを両立できる。

また、上記複雑形状部の繊維強化層２ｂは、単純形状部の繊維強化層２ａの繊維含有率よりも繊維含有率が低いことが好ましい。強化繊維が疎であることで金型への追従性が向上する。

さらに、上記複雑形状部の繊維強化層２ｂは、単純形状部の繊維強化層２ａよりも厚いことが好ましい。繊維強化層が厚いことで裏打ち層の樹脂の通り抜けを防止できる。

上記繊維強化層２は、複雑形状部の繊維と単純形状部の繊維が、上記複雑形状部１２と上記単純形状部１１との境界で重なっていることが好ましい。複雑形状部の繊維と単純形状部の繊維が重なっていることで、繊維の連続性が途切れず、強度低下を防止できる。
上記繊維の重なり幅は、繊維強化樹脂部材の使用目的やその形状等にもよるが、３０ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましい。

上記強化繊維としては、炭素繊維やガラス繊維を使用することができる。上記炭素繊維としては、特に制限はなく、ＰＡＮプリカーサ（ポリアクリロニトリル繊維）を原料としたＰＡＮ系炭素繊維、コールタールを原料としたピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維のいずれを使用してもよく、必要に応じて、異なる種類の炭素繊維を組み合わせて使用してもよい。

上記樹脂としては、熱可塑性樹脂を使用することができ、例えば、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、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のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等を挙げることができ、なかでも、ナイロン６は成形性に優れ、好ましく使用できる。

上記繊維強化層は、熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂中に強化繊維を含むプリプレグを用いて形成できる。

＜裏打ち層＞
上記裏打ち層３は、繊維強化樹脂部材１の裏面側から繊維強化層同士を樹脂で接合して、繊維強化樹脂部材の機械的強度を向上させる層である。

裏打ち層３を構成する樹脂としては、繊維強化層２と同様の熱可塑性樹脂を使用することができるが、繊維強化層２に使用した樹脂種と同じ樹脂種を使用することが好ましい。

また、裏打ち層３を構成する樹脂は、強化繊維を含むことができる。裏打ち層中の強化繊維の長さは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。強化繊維の長さが３ｍｍを超えると射出し難くなって、ボイド等の成形欠陥が生じ易く、強度低下や外観不良の原因となることがある。

上記裏打ち層３は、必要に応じてリブ３１等の補強形状を有することができる。上記補強形状を設ける位置は、特に制限はないが、上記繊維強化層の複雑形状部の繊維と、単純形状部の繊維とが重なった境界部に補強形状を有することが好ましい。

上記境界部では、繊維強化層が厚くなって、裏打ち層を形成する際に樹脂が流れ難くなることがあるが、境界部に補強形状を有することで、金型の補強形状を形成する箇所を介して金型全体に樹脂を充填させることができる。

＜繊維強化樹脂部材＞
本発明の繊維強化樹脂部材は、成形性と機械的強度とを両立させたものであり、強化繊維が長い繊維のみである従来の繊維強化樹脂部材と同様に使用することができ、ねじ止めピン止め、融着等により、他部材との接合も可能である。

他部材と接合して用いる場合は、他部材との接合部を単純形状部１１、すなわち、平均繊維長が長い部位に接合部４を設けることが好ましい。単純形状部１１で接合することで、高い機械的強度が得られる。

＜繊維強化樹脂部材の製造方法＞
上記繊維強化樹脂部材は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを金型でプレスして成形するプレス成形工法と、金型内に溶融した熱可塑性樹脂を射出して成形する射出成形工法とを合わせたハイブリット射出プレス成形工法で作製できる。

具体的には、プリプレグ５を金型７に配置する配置工程と、プリプレグ５を金型７でプレスし、さらに、樹脂を含む射出材６を射出して裏打ちする成形工程とを有する。

上記配置工程は、図３に示すように、プリプレグ中の含浸樹脂の融点付近に予熱したプリプレグ５を金型７に配置する工程であり、本発明においては、単純形状部を形成する箇所には平均繊維長が長い強化繊維を含むプリプレグを配置し、複雑形状部を形成する箇所には平均繊維長が短い強化繊維を含むプリプレグを配置する。

上記平均繊維長が短い強化繊維を含むプリプレグとして、切れ込みやコーナーカットを有するものを使用できる。上記プリプレグの切れ込みを金型の角部に配置することで、金型への追従性を向上させることができる。

上記成形工程は、図４に示すように、プリプレグ５が配置された金型７を閉じてプレスし、上記プリプレグ５を金型７の形状に追従させ、さらに、金型内に射出材６（裏打ち材）を図４中、矢印で示す方向に射出して、金型内の隙間に射出材を充填して裏打ちし、成形工程する工程である。

このとき、金型内のプリプレグ５は射出材６によって金型に押さえつけられて、成形品の寸法精度が向上する。その後、金型が冷え樹脂が固化したら、金型を開け離形して成形品を取り出す。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
炭素繊維の織布にナイロン６が含浸したプリプレグＡ、および、ナイロン６中に炭素繊維を含むＬＦＴ−Ｄ法で作製したプリプレグＢを２６０℃に予熱した。

上記プリプレグＡを金型の中央に配置し、上記プリプレグＡとの重なりが５０ｍｍとなるようにプリプレグＢを金型の両端に配置した。

金型を閉じてプリプレグをプレスし、プリプレグを金型の形状に追従させた。さらに 炭素繊維を含むナイロン６のペレットを溶融させた射出材（裏打ち材）を、 金型の隙間に射出して、プリプレグを金型に押し付けて裏打ちした。

金型冷却後、離形して図１に示す形状の繊維強化樹脂部材を得た。
この繊維強化樹脂部材は、単純形状部の強化繊維の平均繊維長は１２００ｍｍ、複雑形状部の強化繊維の平均繊維長は１０ｍｍ、裏打ち層の強化繊維の平均繊維長は０．２ｍｍであった。また、裏打ち材が繊維強化層を通り抜けて表側に露出した箇所はなかった。

［比較例１］
プリプレグＢを用いずに、プリプレグＡのみを用いて成形する他は実施例１と同様にして繊維強化樹脂部材を得た。
比較例１の繊維強化樹脂部材は、表側の５０％で裏打ち材が表面に露出していた。

比較例１では、プリプレグのプレス時に金型の角形状への追従性が悪く、強化繊維と強化繊維との間が裂けて隙間ができ、裏打ちした射出材がその隙間を通り抜けて表面に露出したと考えられる。

１ 繊維強化樹脂部材
１１ 単純形状部
１２ 複雑形状部
２ａ 繊維強化層
２ｂ 繊維強化層
３ 裏打ち層
３１ リブ
４ 他部品との接合部
５ プリプレグ
６ 射出材（裏打ち材）
７ 金型
Ｙ 山折り線
Ｖ 谷折り線
Ｘ 交点

Claims (8)

1. 複雑形状部と単純形状部とを有する繊維強化樹脂部材であって、
   繊維強化樹脂部材の厚さ方向に裏打ち層、繊維強化層を順に有し、
   上記繊維強化層の強化繊維の平均繊維長が、単純形状部よりも複雑形状部で短いことを特徴とする繊維強化樹脂部材。
2. 上記単純形状部の繊維強化層が織布及び／又は一方向材の強化繊維を含み、
   上記複雑形状部の繊維強化層がランダム配向の強化繊維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部材。
3. 上記複雑形状部の繊維含有率が、上記単純形状部の繊維含有率よりも低い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部材。
4. 上記複雑形状部の繊維強化層の厚さが、上記単純形状部の繊維強化層よりも厚いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の繊維強化樹脂部材。
5. 上記複雑形状部と上記単純形状部との境界において複雑形状部の強化繊維と単純形状部の強化繊維とが重なっており、
   上記裏打ち層が、強化繊維が重なった境界部にリブを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の繊維強化樹脂部材。
6. 上記単純形状部に他部材との接合部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の繊維強化樹脂部材
7. 複雑形状部と単純形状部とを有する繊維強化樹脂部材の製造方法であって、
   強化繊維と樹脂とを含むプリプレグを金型に配置する配置工程と、
   上記プリプレグをプレスして上記金型に押し付け、金型内に樹脂を射出して裏打ちする成形工程と、を有し、
   上記配置工程が、強化繊維の平均繊維長が異なる複数のプリプレグを配置する処理であり、
   強化繊維の平均繊維長が長いプリプレグを単純形状部に配置し、強化繊維の平均繊維長が短いプリプレグを複雑形状部に配置することを特徴とする繊維強化樹脂部材の製造方法。
8. 上記強化繊維の平均繊維長が短いプリプレグが、切れ込み及び／又はコーナーカットを有するものであり、
   上記配置工程が、上記切れ込み及び／又はコーナーカットを金型の角部に配置する処理を含むことを特徴とする請求項７に記載の繊維強化樹脂部材の製造方法。

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