JP2020001335A - 樹脂複合体 - Google Patents
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Description
この種の樹脂複合体は、軽量でありながら優れた強度を有しており、例えば、下記特許文献1においては、風車用のブレードとして利用することが記載されている。
上記のような樹脂複合体は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とし、繊維シートに前記マトリックス樹脂を含浸させたシート状の繊維強化樹脂材や、前記マトリックス中に短繊維が分散されているシート状の繊維強化樹脂材を加熱した状態で芯材の表面に貼り合せるような方法で作製されている。
そのため、芯材を構成する樹脂発泡体の発泡倍率を増大させるなどして軽量化を図ろうとすると、繊維強化樹脂材を貼り合せる際に芯材に変形が生じ易くなる。
また、芯材を高発泡倍率の樹脂発泡体で構成すると繊維強化樹脂材を貼り合せる際に繊維強化樹脂材と芯材との界面に作用する圧力が不足してボイドなどの残留を生じてしまうおそれがある。
さらに、芯材を高発泡倍率の樹脂発泡体で構成するとシート材を貼り合せる際に芯材表面の気泡膜を破ってマトリックス樹脂が芯材側に侵入し易くなり、繊維強化樹脂層の表面に樹脂枯れによる外観不良を発生させるおそれもある。
本発明は、このような問題を解決すべくなされたもので、軽量性に優れた外観美麗な樹脂複合体を提供することを課題としている。
したがって、本発明によれば軽量性に優れた外観美麗な樹脂複合体が提供され得る。
図1、2に示すように本実施形態の樹脂複合体1は、樹脂発泡体で構成された芯材2と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂層3とを備えている。
該樹脂複合体1は、前記繊維強化樹脂層3によって前記芯材2が覆われており、前記芯材2は、内部に空洞2aを有している。
本実施形態の樹脂複合体1には、前記芯材2を構成する樹脂発泡体によって周囲を完全に包囲された状態で前記空洞2aが備えられている。
具体的には、本実施形態の樹脂複合体1は、前記中心軸CXに対して直交する平面XPで切断したときの断面形状が円形となるように形成されており、円対称となる形状を有している。
即ち、本実施形態での樹脂複合体1の前記断面形状は、前記中心軸CXと前記平面XPとの交点を中心点Aとした円形である
即ち、前記芯材2の外形は、樹脂複合体1の外形に対して一回り小さく、前記繊維強化樹脂層3の厚み分だけ樹脂複合体1の外形よりも小さい。
該芯材2も前記樹脂複合体1と同様に前記中心軸CXを回転対称軸とした回転対称性を有している。
本実施形態での前記空洞2aは、前記芯材2の中心部に位置する。
本実施形態での前記空洞2aは、前記芯材2の中心軸CXに沿って延びた紡錘形をしている。
該空洞2aも、樹脂複合体1と同様に前記中心軸CXに対して直交する平面XPで切断したときの断面形状が円形となる形状を有している。
前記空洞2aと前記樹脂複合体1との断面形状は、本実施形態においては同心円となっている。
また、前記空洞2aは、前記樹脂複合体1の長手方向中央部に位置している。
即ち、本実施形態での前記空洞2aは、前記樹脂複合体1並びに前記芯材2の中心部に位置している。
本実施形態の前記芯材2は、第1樹脂発泡体21と第2樹脂発泡体22とを含む2以上の樹脂発泡体によって構成されている。
本実施形態における前記芯材2は、前記中心軸CXを含む1つの平面で当該芯材2を切断した際にできる半割状態の2つの樹脂発泡体(21,22)によって構成されている。
言い換えると、前記第2樹脂発泡体22は、前記第1樹脂発泡体21とともに前記芯材2を構成する際に前記第1樹脂発泡体21に貼り合わされる貼合面を有している。
第1樹脂発泡体21の前記貼合面(以下、「第1貼合面21a」ともいう)と第2樹脂発泡体22の前記貼合面(以下、「第2貼合面22a」ともいう)とは、鏡像となる関係を有しており、面接させた際に輪郭が一致する形状となっている。
前記第1樹脂発泡体21は、前記第1貼合面21aがドーナッツ状となっており、中抜き穴を有する楕円形状となっている。
前記第1樹脂発泡体21は、該第1貼合面21aの内側に前記第1凹入面21bを有している。
即ち、前記第1樹脂発泡体21では、中抜き形状となっている前記第1貼合面21aの内周縁が前記第1凹入面21bの外周縁に相当し、前記第1貼合面21aと前記第1凹入面21bとの境界に沿って角部21cが形成されている。
前記第2樹脂発泡体22は、前記第2貼合面22aがドーナッツ状となっており、中抜き穴を有する楕円形状となっている。
前記第2樹脂発泡体22は、該第2貼合面22aの内側に前記第2凹入面22bを有している。
即ち、前記第2樹脂発泡体では、中抜き形状となっている前記第2貼合面22aの内周縁が前記第2凹入面22bの外周縁に相当し、前記第2貼合面22aと前記第2凹入面22bとの境界に沿って角部22cが形成されている。
したがって、前記芯材2を構成した状態での前記第1樹脂発泡体21と前記第2樹脂発泡体22とは、前記第1凹入面21bと前記第2凹入面22bとが連続し、且つ、前記第1凹入面21bと前記第2凹入面22bとが前記空洞2aを画定する壁面となるように貼り合わされている。
即ち、複数の樹脂発泡体は、互いに貼り合せられる貼合面と、該貼合面より凹入した凹入面とを有し、前記貼合面での接合が行われた際に前記凹入面で閉じた空間(空洞)を形成し得るように構成されている。
従って、前記第1貼合面21aと前記第2貼合面22aとの接合部2bには、前記接着剤として特定のものを選択するなどして樹脂発泡体よりも高い強度を発揮させることができる。
前記芯材2を本実施形態のように複数の樹脂発泡体で構成させる場合、この複数の樹脂発泡体どうしが貼り合わされることで形成される接合部2bを前記空洞から放射状に延びる線分を含む平面に沿って形成させることで当該芯材2に高い強度を発揮させることができる。
この場合も、3つの接合部2b1,2b2,2bcが前記空洞2aから3方向に放射状に延びるように形成されるため芯材2に対して加わる力に対抗する抗力を発揮させ易くなる。
本実施形態の前記芯材2は、例えば、図7に示すように断面形状が楕円となるようなものであってもよく、樹脂発泡体の貼合面が中心軸CXに沿った方向だけでなく中心軸CXに直交するように形成されるようにしてもよい。
即ち、前記芯材2は、図7に示すように8つの樹脂発泡体(21,22,23,24,25,26,27,28)によって構成させてもよい。
前記樹脂発泡体は、芯材2を構成した状態での前記凹入面の形状が外向きに膨出した曲面となって、球形や円柱形の空洞2aを形成する方が芯材2を高強度なものとすることができるが、図9に示すように空洞2aが直方体となるよう形状を有していてもよい。
また、図9に示すように、前記芯材2を複数の樹脂発泡体(21,22,・・・)で構成させる場合、第1樹脂発泡体21と第2樹脂発泡体22との形状は共通している必要はなく、それぞれの形状が異なっていてもよい。
そしてこのような効果をより顕著に発揮させる上において、前記複数の樹脂発泡体どうしは、硬質な接着剤によって貼り合わされることが好ましく、エポキシ樹脂などを含む接着剤シートによって貼り合わされることが好ましい。
樹脂発泡体どうしの接着にこのような硬い接着剤シートが用いられると、前記芯材2は、接合部に硬い薄板を配置したような状態となる。
そこで、前記繊維強化樹脂層3の形成前に前記エポキシ樹脂を硬化させて前記接合部を形成させた場合は、例えば、樹脂及び繊維を含むシート状の繊維強化樹脂材によって前記繊維強化樹脂層3を形成すべく前記芯材2の外表面に対して前記繊維強化樹脂材を熱プレスするなどした際に、プレス圧によって該芯材2が変形してしまうことを規制する補強板として前記接合部が機能する。
そのような観点から、例えば、本実施形態の前記芯材2は、単一の樹脂発泡体で形成させて接合部が無い状態のものとしてもよい。
前記芯材2は、発泡剤を含んだ非発泡な粒子や塊状物を成形型内で発泡させるとともに所定形状に賦形する型内発泡成形による成形物や、発泡剤を含んだ一次発泡粒子を成形型内で二次発泡させる型内発泡成形(ビーズ発泡成形)による成形物といった型内発泡成形体とすることができる。
また、前記芯材2は、成形型内に発泡剤を含んだ溶融樹脂を射出成形するような方法で作製される射出成形体としてもよい。
そこで、接合部がない前記芯材2を作製するには、これらを作製する成形型内の中央部にカプセルのような樹脂中空体を配して型内発泡成形や射出成形を実施して前記樹脂中空体によって空洞2aを形成させるようにしてもよい。
前記芯材2は、上記の型内発泡成形体や射出成形体に更なる外形加工を施して作製されてもよい。
該見掛け密度は、0.5g/cm3以下であることが好ましく、0.3g/cm3以下であることがより好ましい。
前記芯材2は、最小肉厚(外表面から前記空洞2aまでの最短距離)が、5mm以上であることが好ましい。
前記最小肉厚は、10mm以上であることがより好ましく、15mm以上であることがさらに好ましい。
前記芯材2を構成する樹脂発泡体の体積(V:cm3)と前記空洞の体積(v:cm3)との合計に占める前記空洞の体積割合(v/(V+v)×100%)は、1%以上であることが好ましく、2%以上であることがより好ましく、5%以上であることがさらに好ましい。
前記体積割合(v/(V+v)×100%)は、35%以下であることが好ましく、25%以下であることがより好ましく、20%以下であることがさらに好ましい。
尚、樹脂発泡体の見掛け密度は、JIS K7222:2005「発泡プラスチック及びゴム−見掛け密度の求め方」記載の方法で測定することができる。
即ち、見掛け密度は、原則的には次のようにして求めることができる。
100cm3以上の試験片を材料の元のセル構造を変えないように切断し、その質量を測定し、次式により算出することができる。
見掛け密度(g/cm3)=試験片質量(g)/試験片体積(cm3)
尚、測定用試験片は、成形が施された後、72時間以上経過した試料から切り取り、温度23±2℃、湿度50±5%の雰囲気条件に16時間以上放置したものとする。
前記繊維強化樹脂層3を形成する繊維強化樹脂材は、強化繊維を短繊維の状態で含むものであってもよく、連続繊維の状態で含むものであってもよい。
前記強化繊維が連続繊維である場合、該連続繊維は織布の経糸及び緯糸を構成していてもよい。
即ち、前記繊維強化樹脂層3を形成するための前記繊維強化樹脂材は、平織物、綾織物、繻子織物などの基材に前記樹脂(マトリックス樹脂)を含浸・担持させたシートとすることができる。
また、前記シートは、一方向に引き揃えられた強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたUD(UniDirectional)などと呼ばれるものであってもよい。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、スチレンブタジエン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂を挙げることができる。
熱硬化性樹脂の場合には、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂などを挙げることができる。
即ち、前記樹脂複合体1は、前記芯材が繊維強化樹脂層によって覆われている領域が全部であっても一部であってもよく、その外表面に前記繊維強化樹脂層3で被覆された被覆領域と、前記繊維強化樹脂層3で被覆されずに芯材2が露出している非被覆領域とを有するものであってもよい。
前記芯材は、複数の樹脂発泡体を貼り合わせて樹脂発泡体による集合体を形成し、内部に前記空洞を有している集合体を形成させることによって作製可能である。
前記集合体としての前記芯材は、第1樹脂発泡体と第2樹脂発泡体とを含む複数の樹脂発泡体を用意し、且つ、前記第1樹脂発泡体として、前記第2樹脂発泡体に貼り合わされる第1貼合面と、該第1貼合面から凹入した第1凹入面とを備えた樹脂発泡体を用意するとともに前記第2樹脂発泡体として、前記第1樹脂発泡体に貼り合わされる第2貼合面と、該第2貼合面から凹入した第2凹入面とを備えた樹脂発泡体を用意し、前記第1凹入面と前記第2凹入面とが連続し、且つ、前記第1凹入面と前記第2凹入面とが前記空洞を画定する壁面となるように前記第1樹脂発泡体と前記第2樹脂発泡体とを貼り合わせることで作製することができる。
即ち、複数の樹脂発泡体を隣り合う樹脂発泡体の貼合面の間に接着剤シートを介挿させた状態で芯材の形状に組立て仮組体を作製するとともに該仮組体の表面にシート状の前記繊維強化樹脂材を貼り合せて予備成形体を作製し、該予備成形体を熱プレスして仮組体を構成している樹脂発泡体どうしを接着剤シートで接着一体化させて芯材を構成させるとともに該芯材の表面に繊維強化樹脂材を接着して繊維強化樹脂層を形成させるような方法でも前記樹脂複合体を作製することが可能である。
そのため、芯材を数の樹脂発泡体で構成させた場合、芯材の外周部では樹脂発泡体どうしを接近させる方向に圧力fが加えられる。
前記芯材は、前記複数の樹脂発泡体どうしが貼り合わされている接合部2bが芯材の中心部に配された前記空洞から放射状に延びる線分を含んだ平面に沿って形成されている。
そして前記接合部2bは、少なくとも芯材2の表層部では前記芯材の外表面と直交する平面に沿ってされている。
そこで該接合部2bでは、貼合面に対して垂直に前記圧力fが加わることになる。
このような態様においては、熱プレスに際して加えられる熱や圧力によって接合部2bで樹脂発泡体どうしにズレが生じることが抑制されることになる。
したがって、本実施形態においては、軽量性に優れた外観美麗な樹脂複合体を容易に得られることになる。
即ち、本発明は、上記例示に何等限定されるものではない。
ガラスクロスにマトリックス樹脂が含浸されている一辺の長さが100mmの正方形をしたシート状の繊維強化樹脂材を2枚用意した。
また、一辺の長さが100mmの正方形をした厚み40mmの板状の樹脂発泡体(以下「発泡ボード」とも称する)を2枚用意した。
なお、該発泡ボードの見掛け密度は、0.135g/cm3であった。
一辺の長さが100mmの正方形をした接着剤シートを間に挟んで2枚の発泡ボードを重ね合せ、さらにその外側にそれぞれ繊維強化樹脂材を重ね合せて下から順に「繊維強化樹脂材/発泡ボード/接着剤シート/発泡ボード/繊維強化樹脂材」の順となるように積層されてなる予備成形体を作製した。
この予備成形体を熱プレスして基準となる樹脂複合体(樹脂複合体#0)を作製した。
一辺の長さが100mmの正方形をした厚み40mmの発泡ボードで、片面中央部に直径35mmで深さ5mmの扁平な円柱状の凹みが形成された発泡ボードを2枚用意した。
ガラスクロス(非開繊加工糸による平織物、目付:209g/m2)にマトリックス樹脂が含浸されている一辺の長さが100mmの正方形をした2枚のシート状の繊維強化樹脂材(平均厚み:0.18mm、樹脂含有量:33質量%、総目付:315g/m2)と、前記凹みに対応する位置に直径35mmの円形の穴が開いた接着剤シートとを用意し「樹脂複合体#0」と同様にして樹脂複合体(樹脂複合体#1)を作製した。
尚、このとき2枚の発泡ボードは、前記凹みが内向きとなるように積層し、中央部に直径35mmで高さ10mm(5mm+5mm)の円柱状の空洞を形成させるように積層した。
空洞の深さや直径を変更して上記の「樹脂複合体#1」と同様に「樹脂複合体#2」〜「樹脂複合体#8」を作製した。
得られた樹脂複合体(#0〜#8)の繊維強化樹脂の表面に微粒子をまぶした後に、ウェスなどを押しつけながら全面を擦り、表面に形成されているボイド中に微粒子を擦り込んだ。
次いで、その表面を乾いた布で軽く拭き取ってボイドが形成されている部分を擦り込んだ微粒子によって顕在化させた。
微粒子が擦り込まれた領域の中から無作為に100mm×100mmの正方形の測定範囲を設定し、該測定範囲内でボイドが形成されている部分の面積を測定した。
具体的には、キーエンス社製形状測定機(型名:VR−3200)を使って前記測定範囲を倍率12倍で観察し、画像連結にて観察画像を得、該観察画像をマイクロスコープ(キーエンス社製:型名VHS−1000)にて観察し、色抽出にて各ボイドの面積を計測した。
得られたボイドの面積に合計値から下記式にて「ボイド率」を算出した。
ボイド率=ボイドの面積の合計値/(100mm×100mm)×100%
そして、ボイド率が2%以下であった場合は、外観評価の結果が特に良好であったと判定し判定結果を「○」とした。
ボイド率が2%を超えていた場合は、外観を更に向上させる余地があると判定し判定結果を「△」とした。
このような外観評価の結果を、軽量化の効果の算出結果とともに下記表に示す。
Claims (5)
- 樹脂発泡体で構成された芯材と、樹脂及び繊維を含む繊維強化樹脂層と、を備え、該繊維強化樹脂層によって前記芯材が覆われており、前記芯材が内部に空洞を有している樹脂複合体。
- 前記芯材は、複数の樹脂発泡体が貼り合わされた集合体で、該集合体の内部に前記空洞を有している請求項1記載の樹脂複合体。
- 少なくとも前記芯材の表層部では、前記複数の樹脂発泡体どうしが貼り合わされている接合部が前記芯材の外表面と直交する平面に沿って形成されている請求項2記載の樹脂複合体。
- 前記複数の樹脂発泡体が第1樹脂発泡体と第2樹脂発泡体とを含み、
前記第1樹脂発泡体には、前記第2樹脂発泡体に貼り合わされている第1貼合面と、該第1貼合面から凹入した第1凹入面とが備えられ、
前記第2樹脂発泡体には、前記第1樹脂発泡体に貼り合わされている第2貼合面と、該第2貼合面から凹入した第2凹入面とが備えられており、
前記第1樹脂発泡体と前記第2樹脂発泡体とは、前記第1凹入面と前記第2凹入面とが連続し、且つ、前記第1凹入面と前記第2凹入面とが前記空洞を画定する壁面となるように貼り合わされている請求項2又は3記載の樹脂複合体。 - 前記複数の樹脂発泡体どうしがエポキシ樹脂を含む接着剤シートで貼り合わされている請求項2乃至4の何れか1項に記載の樹脂複合体。
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