JP2019136878A - Composite body of carbon fiber-reinforced thermoplastic plastic and metal shaped material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車部品や建築部材などの部品に使用される炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと金属素形材との複合体に関するものである。 The present invention relates to a composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic used for parts such as automobile parts and building members and a metal shape material.
自動車用部品のうち、衝突時の変形抑制や走行時の剛性を保つことが必要な骨格部品に関しては、高強度鋼板が使用されている。また、燃費向上などの理由から比較的密度が低いアルミニウム合金も使用されるようになってきた。このうち、高強度鋼板は、降伏応力や引張強さが高くて全伸びが低いために複雑な加工を行うことは難しく、曲げ加工などの比較的単純な加工が施される部品に適用が限定されている。また、様々な合金元素を含んでいるため、溶融溶接や抵抗溶接時に高温割れが発生しやすく適用できる部品範囲がせまいという問題がある。アルミニウム合金の場合は、車体の軽量化に寄与できるものの引張強さが鉄鋼材料よりも低いために部品の剛性を確保する理由から厚板化する必要がある。しかし、高熱伝導性能であるため溶接によって厚板化することは難しいため、押出し加工する場合が多く、これによって部品形状が限定されるという問題がある。 Among automotive parts, high-strength steel sheets are used for skeletal parts that need to suppress deformation during a collision and maintain rigidity during travel. Also, aluminum alloys having a relatively low density have come to be used for reasons such as improving fuel efficiency. Among these, high-strength steel sheets are difficult to perform complex processing because of high yield stress and tensile strength and low total elongation, and are limited to parts that are subjected to relatively simple processing such as bending. Has been. Moreover, since various alloy elements are included, there is a problem that a hot-crack is likely to occur at the time of fusion welding or resistance welding, and a range of parts that can be applied is narrow. In the case of an aluminum alloy, although it can contribute to the weight reduction of the vehicle body, the tensile strength is lower than that of the steel material. Therefore, it is necessary to increase the thickness for securing the rigidity of the parts. However, because of its high heat conduction performance, it is difficult to make a thick plate by welding, so there are many cases in which extrusion processing is performed, and this causes a problem that the part shape is limited.
建築部材に関しては、耐震性向上の観点から、特に屋根部材の軽量化が求められている。しかし、屋根部材は積雪や台風に対する剛性を確保する必要があり、その剛性確保が優先的に行われているため鉄鋼材料の適用が多く、軽量化を達成するまでには至っていない。 Regarding building members, in particular, weight reduction of roof members is required from the viewpoint of improving earthquake resistance. However, it is necessary for the roof member to ensure rigidity against snow and typhoons. Since the rigidity is preferentially secured, many steel materials are applied, and weight reduction has not yet been achieved.
上記の問題に対して近年では、炭素繊維強化プラスチックが部品に用いられており、特に自動車用部品への適用が広がっている。この炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維を様々な形態で織り込んで布状とし、それをプラスチックで包含させて板状やコイル状にしたものであり、炭素繊維による高剛性化と軽量化が図れるという利点がある。しかし、鉄鋼材料や非鉄材料を素材とした部品との接合に関しては、抵抗溶接や溶融溶接、かしめ接合などの塑性変形タイプの機械的接合が困難であるため、下穴を設けてボルト締結したり、接着剤による接合となる。しかし、ボルト締結では、下穴加工により織り込んだ炭素繊維が分断されて炭素繊維強化プラスチックを素材とした部品の強度が低下するという問題がある。また、接着剤による接合では、長時間の乾燥が必要なため生産効率が低下するという問題がある。 In recent years, carbon fiber reinforced plastics have been used for parts in response to the above problems, and in particular, application to automobile parts has spread. This carbon fiber reinforced plastic is made by weaving carbon fiber in various forms to form a cloth, which is covered with plastic to form a plate or coil, and can be made to be highly rigid and lightweight by carbon fiber. There are advantages. However, for joints with parts made of steel or non-ferrous materials, plastic deformation type mechanical joining such as resistance welding, fusion welding, and caulking joining is difficult. It becomes joining with an adhesive. However, in bolt fastening, there is a problem in that the strength of a part made of carbon fiber reinforced plastic is reduced by dividing the carbon fiber woven by the pilot hole processing. In addition, bonding with an adhesive has a problem that production efficiency is lowered because long-time drying is required.
本発明は、上記の炭素繊維強化プラスチックを扱う上での問題を解決するため、炭素繊維強化プラスチックと塗装金属素形材との複合体として塗装金属素形材部分で他の部品と接合すれば、炭素繊維強化プラスチックの強度低下を招くことなく効率的に製造できることを見出して完成したものである。ここで塗装金属素形材とは、鉄鋼材料や非鉄材料などの金属全般が素材であり、形状は限定されず、板状やコイル状、加工製品などが該当する。 In order to solve the problem in handling the above-mentioned carbon fiber reinforced plastic, the present invention is a composite of a carbon fiber reinforced plastic and a painted metal shape material, and is joined to other parts at the painted metal shape portion. The present inventors have found that carbon fiber reinforced plastic can be efficiently produced without causing a decrease in strength. Here, the painted metal shape material is a general metal such as a steel material or a non-ferrous material, and the shape is not limited, and includes a plate shape, a coil shape, a processed product, and the like.
前記の複合体を製造する方法としては、特許文献1に示すように金属材の表面粗さを大きくした後に熱融着し、金属材とプラスチックをアンカー効果によって接合する方法が提案されている。しかし、この方法では、素材の表面粗さを大きくしても加工した後に表面の凹凸寸法が変化するため、加工後でなければ適用することができず、おのずと製造工程が増えてしまうという問題がある。
As a method for producing the composite, as shown in
本発明は、従来方法の問題を解消して炭素繊維強化プラスチックと塗装金属素形材との複合体を実現している。本発明の炭素繊維強化プラスチックと塗装金属素形材との複合体は、炭素繊維強化プラスチックに炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを用い、それと鉄鋼材料などを素材とした塗装金属素形材を接合した複合体である。 The present invention solves the problems of the conventional method and realizes a composite of carbon fiber reinforced plastic and painted metal shape material. The composite of a carbon fiber reinforced plastic and a painted metal shape material according to the present invention is a composite in which a carbon fiber reinforced thermoplastic is used as a carbon fiber reinforced plastic and a painted metal shape material made of steel or the like is joined. Is the body.
炭素繊維強化熱可塑性プラスチックは、加熱することでプラスチック部分が軟質化するため、この軟質化状態にすることで絞り加工などの塑性加工を実現することができるとともに、金属素形材の表面に接合用処理層を設ければ熱融着も可能となる。つまりは、特許文献1のような金属素形材の表面に凹凸を付与する工程を省略することができる。
上記のような特徴を持つ本発明の内容は以下の通りである。
(1)炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材を有する複合体であって、塗装金属素形材の表面に有機樹脂層を被覆している炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
(2)塗装金属素形材の表面に被覆されている有機樹脂層が酸変性ポリプロピレンを含むことを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
(3)塗装金属素形材の表面に被覆されている有機樹脂層がポリカーボネートユニット含有ポリウレタン樹脂を含むことを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
(4)塗装金属素形材は鉄鋼材料または非鉄金属である炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
(5)塗装金属素形材と炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの少なくともどちらか一方が加工された形状でことを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
(6)塗装金属素形材と炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの少なくともどちらか一方が平板形状であることを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
(7)炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと、表面に有機樹脂層を被覆している塗装金属素形材と、ホットメルトフィルムを有する複合体であって、ホットメルトフィルムが炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの樹脂層と塗装金属素形材表面の有機樹脂層に融着していることを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体。
Carbon fiber reinforced thermoplastics soften the plastic part when heated, so plasticizing such as drawing can be realized by joining this softened state, and bonding to the surface of the metal shape material If the treatment layer is provided, heat fusion can be performed. That is, the process of providing irregularities on the surface of the metal shaped material as in
The contents of the present invention having the above-described features are as follows.
(1) A composite having carbon fiber reinforced thermoplastic and painted metal shape material, wherein the surface of the painted metal shape material is covered with an organic resin layer and the carbon fiber reinforced thermoplastic plastic and painted metal shape. Composite with material.
(2) A composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic and a painted metal shape material, wherein the organic resin layer coated on the surface of the painted metal shape material contains acid-modified polypropylene.
(3) A composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic and a painted metal shape material, wherein the organic resin layer coated on the surface of the painted metal shape material contains a polycarbonate unit-containing polyurethane resin.
(4) The composite material of carbon fiber reinforced thermoplastic plastic, which is a steel material or non-ferrous metal, and a painted metal material.
(5) A composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic and a painted metal shaped material characterized in that at least one of a painted metal shaped material and a carbon fiber reinforced thermoplastic is processed.
(6) A composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic and a painted metal material, wherein at least one of the painted metal material and the carbon fiber reinforced thermoplastic is in a flat plate shape.
(7) A composite having a carbon fiber reinforced thermoplastic plastic, a coated metal base material having a surface coated with an organic resin layer, and a hot melt film, wherein the hot melt film is made of carbon fiber reinforced thermoplastic. A composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic and a painted metal material, characterized in that the resin layer is fused to an organic resin layer on the surface of the painted metal material.
本発明によれば、様々な種類の塗装金属素形材が接合されていても、その密着性に優れた炭素繊維強化熱可塑性プラスチックと塗装金属素形材との複合体が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if various kinds of coating metal shape materials are joined, the composite of the carbon fiber reinforced thermoplastic plastic and the coating metal shape material excellent in the adhesiveness is provided.
1.複合体
本発明の複合体は、一方面あるいは両面に有機樹脂層を形成した塗装金属素形材と炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを塗装金属素形材の樹脂層と炭素繊維強化プラスチックの樹脂層とで接合している。
1. Composite The composite of the present invention comprises a coated metal base material having an organic resin layer formed on one or both sides, a carbon fiber reinforced thermoplastic resin, a resin layer of the painted metal base material, and a resin layer of the carbon fiber reinforced plastic. It is joined with.
図1は、本発明の複合体の一例である。複合体1は、図1に示したように、塗装金属素形材2、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3を有する。塗装金属素形材2は、金属素形材4と有機樹脂層5を有する。複合体1では、有機樹脂層5と炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの樹脂層が融着することで接合している。
FIG. 1 is an example of the composite of the present invention. As shown in FIG. 1, the
図2は、本発明の複合体のその他の例である。複合体1は、図2に示したように、塗装金属素形材2、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3を有しているが、塗装金属素形材2の有機樹脂層5と炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3の樹脂層の間にホットメルトフィルム6を挿入し、ホットメルトフィルム6と塗装金属素形材2の有機樹脂層5と炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3の樹脂層が融着することで接合している。
FIG. 2 is another example of the composite of the present invention. As shown in FIG. 2, the
2.塗装金属素形材
本発明の塗装金属素形材2は、金属素形材4と有機樹脂層5を含む。有機樹脂層5は、金属素形材4の表面に形成されている。また、塗装金属素形材2の形状は、特に限定されず、平板や絞り形状などの加工形状でも良い。金属素形材4表面への有機樹脂層5の被覆方法も、特に限定されず、ロールコート法やカーテンフロー法、スピンコート法、スプレー法、浸漬引き上げ法などを適用できる。
2. Painted Metal Shape Material A painted
金属素形材4の材質は、金属であれば特に限定されない。例えば、亜鉛めっき鋼板、Zn−Al合金めっき鋼板、Zn−Al−Mg合金めっき鋼板、Zn−Al−Mg−Si合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、ステンレス鋼板、特殊鋼などの鉄鋼材料やアルミニウム合金や銅合金、マグネシウム合金、チタンなどの非鉄金属材料が含まれる。
The material of the
3.有機樹脂層
有機樹脂層5は、有機樹脂を含有する層であり、塗装金属素形材2と炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3との密着性を向上させる。有機樹脂層5は、金属素形材4の表面に形成されている。有機樹脂層5が炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3の樹脂層に融着することで強固に密着される。
3. Organic Resin Layer The
有機樹脂層5の有機樹脂の種類は、金属素形材4と水素結合する官能基(水素結合性官能基)を有し、ホットメルトフィルム6に対する融着性を有するものであれば、特に限定されない。前記の水素結合性官能基の例には、カルボキシル基およびアミノ基が含まれる。水素接合性官能基を有し、ホットメルトフィルム6との融着性も有する樹脂としては、酸変性ポリプロピレン系樹脂やポリカーボネートユニット含有ポリウレタン樹脂があり、これらは特に融着性が高い。また、その他にポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などが含まれる。これらの樹脂は、単独で使用しても良いし、2種以上を組み合わせて使用しても良い。
The type of organic resin of the
4.炭素繊維強化熱可塑性プラスチック
炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3は、炭素繊維と熱可塑性プラスチックを混合して固形化したものである。炭素繊維としては、連続状態となっている長繊維と一定長さに切断した短繊維がある。特に連続状態の長繊維は、一方向のみに繊維を揃えた布状タイプと縦方向と横方向で繊維を交差させた織物タイプで使用される。これらのタイプは、板状だけでなく絞り形状などの加工形状としても良い。また、熱可塑性プラスチックとしては、熱可塑性能があれば、特に限定されない。例えば、酸変性ポリプロピレン系樹脂やポリカーボネートユニット含有ポリウレタン樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリスチレン系樹脂などが含まれる。これらの樹脂は、単独で使用しても良いし、2種以上を組み合わせて使用しても良い。
4). Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Plastic Carbon fiber reinforced
5.ホットメルトフィルム
ホットメルトフィルム6の種類は、熱可塑性樹脂組成物の延伸または押出し成形などの既存方法で作製され、加熱により溶融して種々の部材と接合力を発現する成分で構成されるフィルムまたはシート状のものであれば、特に限定されない。例えば、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系などが適用できる。
5). Hot-melt film The type of hot-
1.塗装金属素形材の作製
(1)金属素形材
金属素形材4として、片面当りのめっき付着量が45g/m2の溶融Zn−6質量%Al−3質量%Mg合金めっき鋼板を使用した。このめっき鋼板の基材は、冷間圧延鋼板(SPCC)である。また、この金属素形材4の寸法は、幅100mm、長さ200mm、板厚1.6mmである。
1. Preparation of painted metal shape material (1) Metal shape material As the
(2)有機樹脂塗料の調製
有機樹脂のエマルジョン、ポリエチレンワックスおよび架橋剤を水に添加して不揮発成分が20質量%の有機樹脂塗料を調製した。有機樹脂のエマルジョンには、ウレタン系樹脂のエマルジョン、ポリプロピレン系樹脂のエマルジョン(アデカボンタイターHUX−386:株式会社ADEKA)を用いた。ウレタン系樹脂のエマルジョンには、市販のポリカーボネートユニットを含有するポリウレタン樹脂のエマルジョンを用いた。ポリプロピレン系樹脂のエマルジョンには、市販の酸変性ポリプロピレン樹脂エマルジョン(ハードレンNZ−1005:東洋紡株式会社)を用いた。
(2) Preparation of organic resin paint Organic resin emulsion, polyethylene wax and crosslinking agent were added to water to prepare an organic resin paint having a nonvolatile component of 20% by mass. As the organic resin emulsion, an urethane resin emulsion and a polypropylene resin emulsion (Adekabon titer HUX-386: ADEKA Corporation) were used. For the urethane resin emulsion, a polyurethane resin emulsion containing a commercially available polycarbonate unit was used. A commercially available acid-modified polypropylene resin emulsion (Hardlen NZ-1005: Toyobo Co., Ltd.) was used for the polypropylene resin emulsion.
(3)有機樹脂層の形成
前記の金属素形材4を液温40℃、pH12のアルカリ脱脂水溶液(SD−270:日本ペイント株式会社)に1分間浸漬して、表面を脱脂した。次いで、脱脂した金属素形材4の表面に上記(2)で調製した有機樹脂塗料をロールコーターで塗布し、到達温度が150℃となるように熱風乾燥機で乾燥させて、有機樹脂層5を形成した。有機樹脂層5の付着量は、有機樹脂塗料の種類に係わらず約1.2g/m2であった。こうして、塗装金属素形材2を得た。
(3) Formation of Organic Resin Layer The surface of the
2.炭素繊維強化熱可塑性プラスチック
(1)炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの種類
炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3としては、織物タイプの炭素繊維に上記「1.(2)」の有機樹脂塗料と同じ有機樹脂を混合して固化した平板形状のものを用意した。寸法は、幅100mm、長さ200mm、厚さ1mmである。また、長さ10mmの短繊維を上記「1.(2)」の有機樹脂塗料と同じ有機樹脂に混合したものも用意した。
2. Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics (1) Types of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics Carbon fiber reinforced
3.塗装金属素形材と炭素繊維強化熱可塑性プラスチックとの接合方法
(1)熱融着方法
上記の「2.(1)」の織物タイプの炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3を上記「1.」の塗装金属素形材2の長手方向の一端側の幅100mm、長さ30mmの領域に設置し、加熱した金型で加圧して接合した。熱融着条件は、加圧力が1MPa、温度が150℃、加熱後の金型保持時間が5秒である。また、上下の金型寸法は、幅120mm、長さ50mm、高さ20mmの矩形状である。
3. Bonding Method of Painted Metal Shape and Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic (1) Thermal Fusion Method The above-mentioned “2. (1)” woven fabric type carbon fiber reinforced
(2)射出成形方法
射出成形金型に上記「1.」の塗装金属素形材2を挿入し、120℃で溶融している短繊維と有機樹脂を混合している炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3を射出成形金型のキャビテイーに射出した。キャビテイーの形状は、幅100mm、長さ200mm、厚さ4mmである。塗装金属素形材2の長手方向の一端側の幅100mm、長さ30mmの領域に塗装金属素形材2と炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3との接合領域を形成した。射出成形条件としては、圧力が50MPa、速度が10mm/s、射出後の保持時間が10秒である。
(2) Injection molding method Carbon fiber reinforced thermoplastic plastic in which the coated metal shaped
4.ホットメルトフィルムの種類
ホットメルトフィルム6としては、ポリウレタン系で厚さが70μm、融点が110℃のSHM107−PUR(シーダム株式会社)と、ポリプロピレン系で厚さが40μm、融点が139℃のアドマーQE060(三井化学東セロ株式会社)を用いた。
4). Types of Hot Melt Films As the
5.接合力の評価方法
表1に上記の「1.」〜「4.」で作製した複合体1を示す。比較例としては、有機樹脂層5を被覆していない金属素形材4を用いて炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3を接合したものとした。各々の複合体1の接合力は、塗装金属素形材2と炭素繊維強化熱可塑性プラスチック3を把持し、互いに逆向きに速度100mm/分で引っ張り、破断したときの強度を測定した。強度が1.0kN未満は「×」、強度が1.0kN以上を「○」とし、「○」を合格とした。
5). Evaluation Method of Bonding Force Table 1 shows the composite 1 produced in the above “1.” to “4.”. As a comparative example, a carbon fiber reinforced
上記「5.」で評価した接合力の結果も表1に示した。本発明の複合体1は、何れも十分な接合強度を示して合格であったが、比較例の複合体は強度1.0kN未満で不合格であった。
Table 1 also shows the results of the bonding force evaluated in the above “5.”. The
本発明の複合体は、優れた接合力を有していることから、自動車部品や建築部材などの軽量化や剛性が求められる部品に好適である。 Since the composite of the present invention has an excellent bonding force, it is suitable for parts that require weight reduction and rigidity such as automobile parts and building members.
1・・・複合体
2・・・塗装金属素形材
3・・・炭素繊維強化熱可塑性プラスチック
4・・・金属素形材
5・・・有機樹脂層
6・・・ホットメルトフィルム
DESCRIPTION OF
Claims (7)
A composite comprising a carbon fiber reinforced thermoplastic, a coated metal base material having a surface coated with an organic resin layer, and a hot melt film, the hot melt film comprising a carbon fiber reinforced thermoplastic resin layer A composite of a carbon fiber reinforced thermoplastic and a painted metal shape material, which is fused to an organic resin layer on the surface of the painted metal shape material.
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