JP2019123164A - プレス成形方法 - Google Patents
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Abstract
Description
射出成形等における金型の加熱方法としては、例えば、蒸気等の金型内部を循環する加熱媒体を用いて金型を加熱する方法が知られている(特許文献1)。
[1]
樹脂と連続強化繊維とを含む樹脂複合材料を金型キャビティ内に配置した状態で、金型キャビティ内に温度150℃以上の蒸気を導入し、前記蒸気により前記樹脂を溶融する工程、及び
プレス成形する工程、
を含むことを特徴とするプレス成形方法。
[2]
前記金型キャビティに、前記蒸気の導入口及び導出口が設けられた、[1]に記載のプレス成形方法。
[3]
前記金型のパーティングラインにシール機構が設けられた、[1]又は[2]に記載のプレス成形方法。
[4]
金型への蒸気導入路及び/又は金型からの蒸気導出路の内面に、熱伝導率が100W・m-1・K-1以下である層が設けられた、[1]〜[3]のいずれかに記載のプレス成形方法。
[5]
金型のキャビティ面に、熱伝導率が100W・m-1・K-1以下である層が設けられた、[1]〜[4]のいずれかに記載のプレス成形方法。
[6]
金型のキャビティ面に、熱伝導率が200W・m-1・K-1以上の鋼材からなる、厚み0.1〜5mmの層が設けられた、[1]〜[5]のいずれかに記載のプレス成形方法。
[7]
前記樹脂が、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリエーテルイミド、及び熱可塑性フッ素系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性樹脂である、[1]〜[6]のいずれかに記載のプレス成形方法。
[8]
前記連続強化繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール系繊維、液晶ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、金属繊維、及びセラミック繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種である、[1]〜[7]のいずれかに記載のプレス成形方法。
本実施形態のプレス成形方法は、更に、射出等の工程を含んでいてもよい。
本明細書において、樹脂と連続強化繊維とを含む樹脂複合材料を金型キャビティ内に配置した状態で、金型キャビティ内に温度150℃以上の蒸気を導入し、前記蒸気により前記樹脂を溶融する工程を「蒸気導入工程」、プレス成形する工程を「プレス成形工程」と称する場合がある。
本発明のプレス成形方法によれば、蒸気を金型キャビティ内に導入して、キャビティ内の樹脂複合材料を蒸気で直接加熱するため、金型キャビティ面に接する部分のみならず樹脂複合材料全体を効率よく加熱し、且つ均一の温度に加熱することができる。さらに、複数の樹脂複合材料をキャビティ内に配置した場合に、各樹脂複合材料間にも蒸気を入れることができる。さらに、樹脂複合材料中に空隙が存在する場合、樹脂複合材料中に蒸気を入れることもできる。そのため、キャビティ内を短時間で均一な温度とすることができ、外観に優れた成形品を得ることができる。
また、樹脂複合材料を直接加熱できるため、加熱にかかる時間を低減でき、成形サイクル時間を短くすることができる。
また、樹脂複合材料を事前に温める等の工程を設けることなく、樹脂複合材料の加熱とプレスとを同じ金型内で行えるため、成形サイクル時間を短くすることができる。
まず、蒸気導入工程で配置する樹脂複合材料、及び金型について説明する。
上記樹脂複合材料は、樹脂と連続強化繊維とを含み、さらに集束剤、結束剤、離型剤、可塑剤、強化繊維表面処理剤、難燃剤、潤滑剤等の他の成分を含んでいてもよい。
上記樹脂としては、熱可塑性樹脂が挙げられ、例えば、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;ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46等のポリアミド系樹脂;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、ポリトリメチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂;ポリオキシメチレン等のポリアセタール系樹脂;ポリカーボネート系樹脂;ポリエーテルケトン;ポリエーテルエーテルケトン;ポリエーテルスルフォン;ポリフェニレンサルファイド;熱可塑性ポリエーテルイミド;テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等の熱可塑性フッ素系樹脂、及びこれらを変性させた変性熱可塑性樹脂等が挙げられる。中でも、結晶性樹脂が好ましく、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリエーテルイミド、及び熱可塑性フッ素系樹脂からなる群から選らばれる少なくとも1種が好ましく、機械的物性、汎用性の観点から、ポリオレフィン系樹脂、変性ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、及びポリエステル系樹脂がより好ましく、熱的物性の観点を加えると、ポリアミド系樹脂及びポリエステル系樹脂が更に好ましい。また、繰り返し荷重負荷に対する耐久性の観点から、ポリアミド系樹脂がより更に好ましく、ポリアミド66を好適に用いることができる。
その他のポリエステル系樹脂の詳細に関しては、適宜特開2015−101794号公報に記載のものを用いることができる。
ポリアミドとしては、1種を単独で用いてもよく、2種以上の混合物として用いてもよい。
その他の上記のラクタム、ジアミン(単量体)、ジカルボン酸(単量体)の詳細に関しては、適宜特開2015−101794号公報に記載のものを用いることができる。
上記連続強化繊維としては、通常の繊維強化複合材料として使用されるものを用いることができ、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール系繊維、液晶ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、金属繊維、セラミックス繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種等があげられる。中でも、機械的特性、熱的特性、汎用性の観点から、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維が好ましく、経済性の面からは、ガラス繊維が好ましい。
上記連続強化繊維は、一種を単独で又は複数を組み合わせて用いることができる。
ガラス繊維及びガラス繊維に用いる集束剤の種類については、特に制限はなく公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、特開2015−101794号公報に記載のものを用いることができる。
炭素繊維に用いる集束剤の種類については、特に制限はなく公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、特開2015−101794号公報に記載のものを用いることができる。
また、連続強化繊維の繊度は、取扱い性の観点から、1,000〜30,000dtexであることが好ましい。
上記樹脂複合材料としては、連続強化繊維と樹脂繊維とからなる組紐、連続強化繊維に樹脂をコーティングしたコーティング糸、又は連続強化繊維に樹脂を含浸させた含浸糸等であってもよし、これらの糸を編んだ布であってもよい。中でも、蒸気が樹脂複合材料内に連続強化繊維内に入りやすく、樹脂複合材料を一層効率よくかつ均一の温度に加熱することができる観点から、混繊糸を織った織物、混繊糸を組んだ組物、混繊糸を編んだ編物であることが好ましい。
その他、混繊法の詳細については、適宜特開2015−101794号公報に記載の方法を用いることができる。
本実施形態のプレス成形法によれば、蒸気を金型キャビティ内に導入するため、導入された蒸気が複数の樹脂複合材料間、連続強化繊維内に入り、樹脂複合材料を、効率よくかつ均一の温度に加熱することができる。
本実施形態のプレス成形方法によれば、樹脂複合材料が厚い場合でも、金型内で樹脂複合材料を均一に加熱することができる。
なお、金型キャビティに上記樹脂複合材料を複数重ねて配置する場合、樹脂複合材料の合計厚みが上記範囲であることが好ましい。
上記金型としては、例えば、上金型と下金型とを含む金型が挙げられる。金型には、他の構成部品、温度調節機構、温度計、圧力計、ベント機能等が備えられていてもよい。
図1Aは、上金型2と下金型3とが開いた状態の金型1である。上金型2の凸部と下金型3の凹部との間には、樹脂複合材料4等の成形原料を配置する金型キャビティ7がある。
図1Bは、上金型2を下して、導入口5及び導出口6を除き、金型キャビティ7を密閉した状態の金型1である。
導入口5及び導出口6を設ける位置としては、特に限定されないが、例えば、上金型2上方から平面視した時に、複合材料を挟んで対向する位置に導入口5と導出口6とを設けてもよい。例えば、上金型の平面視形状が略四角形である場合、複合材料を挟んで対向する辺の一部に導入口5と導出口6とを設けてもよい。
図2は、導入口5及び導出口6を除き、金型キャビティ7を密閉した状態の金型1である。上金型2と下金型3との間に、シール材10を挟み、導入口5から導入した蒸気が、金型キャビティ7を通り、導出口6から排出される隙間を形成している。また、蒸気を導入した後、プレスをすることで、シール材10がつぶれ、導入口5及び導出口6が密閉され、金型キャビティ7内に配置した樹脂複合材料をプレス成形することができる。上金型2及び/又は下金型3には、プレス時にシール材10が収まるざぐりが設けられていてもよい。なお、図示していないが、金型キャビティ7内には、樹脂複合材料4が配置されていることが好ましい。
上金型及び/又は下金型の、金型キャビティ面は、平面、凹凸面、波形面、これらの組み合わせ、等の形状であってもよい。本実施形態のプレス成形方法によれば、金型キャビティ内を均一な温度とできるため、金型キャビティ面の形状によらず外観に優れた成形品を得ることができる。
上記熱伝導率が低い面は、例えば、鉄、ステンレス等の金属、PTFE等の樹脂からなる層を設ける、拡散接合、接着、機械的結合、塗布等により形成することができる。
なお、本明細書において、熱伝導率とは、JIS H7801により測定される値をいう。
上記熱伝導率が高い面は、例えば、アルミ等の金属からなる層を、拡散接合、接着、機械的結合等により形成して設けることができる。例えば、金型のキャビティ面は、熱伝導率が200W・m-1・K-1以上である鋼材からなる厚み0.1〜5mmの層であってもよい。
上記金型キャビティ面は、上記熱伝導率が低い面と、上記熱伝導率が高い面とが設けられていてもよい。
特に、金型キャビティ面は、内面が熱伝導率の高い面であり、該熱伝導率の高い面を熱伝導率が低い層で覆う構造であることが好ましい。
また、導入口及び導出口は、1つであってもよいし、複数であってもよい。金型キャビティ内に蒸気を効率よく分布させる観点から、導入口が導出口より多くてもよい。
また、導入口及び導出口は、プレス工程時に閉鎖できることが好ましい。
上記熱伝導率が低い面は、例えば、鉄、ステンレス等の金属、PTFE等の樹脂からなる層を、拡散接合、接着、機械的結合、塗布等により形成して設けることができる。
上記導出口の断面積としては、金型キャビティ外に効率よく蒸気を排出できる観点から、10〜15000mm2であることが好ましく、より好ましくは30〜10000mm2である。
なお、導入口の断面積、及び導出口の断面積とは、蒸気導入工程時の金型キャビティと接する口の断面の面積をいう。断面積は、蒸気流動方向に対して垂直な面の面積としてもよい。
金型キャビティの断面積に対する導出口の断面積の割合(導出口の断面積/金型キャビティの断面積)としては、金型キャビティ内で樹脂がより効率よく蒸気によって溶融できる観点から、0.5〜10であることが好ましく、より好ましくは1〜9である。
なお、金型キャビティの断面積とは、金型キャビティの樹脂複合材料を配置する部分の、上金型のキャビティ面及び下金型のキャビティ面と略垂直に切ったキャビティ断面の面積をいう。断面積は、蒸気流動方向に対して垂直な面の面積としてもよい。
上記熱伝導率が低い面は、例えば、鉄、ステンレス等の金属、PTFE等の樹脂からなる層を、拡散接合、接着、機械的結合、塗布等により形成して設けることができる。
図1Aは、樹脂複合材料4を金型キャビティ7内に配置した状態の図である。配置する上記樹脂複合材料4は、上金型のキャビティ面と下金型のキャビティ面とが向かい合う面方向、又は該面方向に直交する方向に積層して、複数配置してもよい。
蒸気導入工程において、連続強化繊維は、溶融してもよいし、しなくてもよい。中でも、強度に優れる成形体が得られる観点から、連続強化繊維は溶融しないことが好ましい。
上記蒸気導入工程では、樹脂複合材料を金型キャビティ内に配置した状態で、金型キャビティ内に蒸気を導入する。蒸気の導入は、金型が開いた状態であってもよいし、金型が閉じた状態であってもよい。中でも、樹脂を効率よく溶融できる観点から、金型が閉じた状態で蒸気を導入することが好ましい。ここで、金型が閉じた状態とは、導入口及び導出口を除き、金型キャビティを密閉した状態である。
中でも、酸素濃度が低いために樹脂複合材料の酸化劣化が起こりにくく、樹脂複合材料の水による加水分解が起こりにくくなり、強度や外観に優れた成形品が得られやすいという観点から、過熱水蒸気が好ましい。
中でも、上記連続強化繊維を溶融することなく上記樹脂を効率よく溶融して一層強度に優れた成形体を得る観点から、上記樹脂の溶融開始温度以上、上記連続強化繊維の溶融開始温度未満であることが好ましく、「上記樹脂の溶融開始温度+20℃」以上「上記連続強化繊維の溶融開始温度−100℃」以下であることがより好ましい。
なお、蒸気の温度とは、金型キャビティ内における温度をいう。また、樹脂の溶融開始温度とは、金型キャビティ内で樹脂が溶融し始める温度をいい、例えば、JIS K7121に準拠して、示差熱分析試験、示差走査熱量測定などにより測定することができる。
なお、蒸気の圧力とは、導入する蒸気の圧力をいう。
蒸気導入工程とプレス成形工程との間には、他の工程を設けてもよいが、上記蒸気導入工程に連続して、プレス成形工程を行うことが好ましい。
図1Cは、上金型2と下金型3とを型締めして、樹脂複合材料4をプレスしている状態の図である。プレス時に、成形品の外観の観点から、導入口5及び導入口6は塞がれていることが好ましい。
なお、プレス時の温度とは、プレス時の金型キャビティ内の温度をいう。
本実施形態のプレス成形方法で得られる成形品の形状は特に限定されず、板状、球状、多角柱状、多角錐状、略円柱状、略円錐状等が挙げられ、各種用途によって、様々な形状として良い。
2 上金型
3 下金型
4 樹脂複合材料
5 導入口
6 導出口
7 金型キャビティ
8 蒸気導入路
9 蒸気導出路
Claims (8)
- 樹脂と連続強化繊維とを含む樹脂複合材料を金型キャビティ内に配置した状態で、金型キャビティ内に温度150℃以上の蒸気を導入し、前記蒸気により前記樹脂を溶融する工程、及び
プレス成形する工程、
を含むことを特徴とするプレス成形方法。 - 前記金型キャビティに、前記蒸気の導入口及び導出口が設けられた、請求項1に記載のプレス成形方法。
- 前記金型のパーティングラインにシール機構が設けられた、請求項1又は2に記載のプレス成形方法。
- 金型への蒸気導入路及び/又は金型からの蒸気導出路の内面に、熱伝導率が100W・m-1・K-1以下である層が設けられた、請求項1〜3のいずれか一項に記載のプレス成形方法。
- 金型のキャビティ面に、熱伝導率が100W・m-1・K-1以下である層が設けられた、請求項1〜4のいずれか一項に記載のプレス成形方法。
- 金型のキャビティ面に、熱伝導率が200W・m-1・K-1以上の鋼材からなる、厚み0.1〜5mmの層が設けられた、請求項1〜5のいずれか一項に記載のプレス成形方法。
- 前記樹脂が、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリエーテルイミド、及び熱可塑性フッ素系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性樹脂である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のプレス成形方法。
- 前記連続強化繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール系繊維、液晶ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、金属繊維、及びセラミック繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のプレス成形方法。
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