JP2021160312A - 繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】補強層の中に含まれる気泡を抑制することができる繊維強化樹脂成形品の製造方法を提供する。【解決手段】プリフォームと型２０の面の少なくとも一部との間に間隙ができるようにプリフォームを前記型に設置する工程と、前記型内でプリフォームの外周部に対して樹脂を供給する工程と、前記型の少なくとも一部をプリフォームに対して近づけて押圧しながら真空脱気を行う工程と、を含む、繊維強化樹脂成形品の製造方法。【選択図】図６

Description

本開示は、樹脂が含浸された繊維層によって補強された成形品（繊維強化樹脂成形品）の製造方法に関する。

例えば、燃料電池車用高圧タンクは、当該高圧タンクの内部空間を形成するライナを有し、このライナに対してその外周に樹脂が含浸された繊維層からなる補強層が配置されることにより高い強度を実現している。また、燃料電池車用高圧タンクに限らず、高い強度を実現するため、補強層を配置して繊維強化樹脂成形品とすることがある。

このような繊維強化樹脂成形品を作製には、ライナに繊維を巻き付けて繊維層を形成したプリフォームを準備し、繊維層に硬化前の樹脂を含浸させて硬化することで補強層とするＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）という方法がある。

特許文献１には、ＲＴＭによる高圧タンクの製造方法が開示され、ここには高圧タンクの内部空間を形成するライナの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを金型内に配置し、この金型内に配置されたプリフォームに向けて樹脂を射出しながら、プリフォームの中心軸線を回転中心にしてプリフォームを金型内で周方向に回転させることで樹脂を繊維層に含浸することが開示されている。

特開２０１９−０５６４１５号公報

このようなＲＴＭでは、樹脂の流動中に巻き込んだ空気や樹脂の硬化中に発生したガスが気泡となることがあり、気泡を多く含んだまま樹脂が硬化すると繊維強化樹脂成形品の品質を低下させてしまう虞がある。

本開示は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、補強層の中に含まれる気泡を抑制することができる繊維強化樹脂成形品の製造方法を提供することを主目的とする。

本願は、プリフォームと型の面の少なくとも一部との間に間隙ができるようにプリフォームを型に設置する工程と、型内でプリフォームの外周部に対して樹脂を供給する工程と、型の少なくとも一部をプリフォームに対して近づけて押圧しながら真空脱気を行う工程と、を含む、繊維強化樹脂成形品の製造方法を開示する。

本開示の製造方法によれば、型の少なくとも一部をプリフォームに近づけて押圧しながら真空脱気を行うことで、集まった空気やガスを除去することが可能となるため、タンクの品質を向上させることができる。

図１（ａ）は型２０及びプリフォーム１０を説明する分解図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図１（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図２（ａ）は型２０にプリフォーム１０が配置された１つの姿勢を説明する図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図２（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図３（ａ）は型２０にプリフォーム１０が配置された他の姿勢を説明する図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図３（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図４は高圧タンク（繊維強化樹脂成形体）の製造方法Ｓ１０の流れを説明する図である。 図５は型への設置の工程Ｓ１１、及び脱気の工程Ｓ１２について説明する図である。 図６は樹脂組成物の供給の工程Ｓ１３について説明する図である。 図７（ａ）、図７（ｂ）は締め付け状態への変更の工程Ｓ１４について説明する図である。 図８（ａ）、図８（ｂ）は加圧部材による加圧・脱気の工程Ｓ１５について説明する図である。

［含浸装置］
図１乃至図３には、含浸対象であるプリフォーム１０、及び、プリフォーム１０に樹脂を含浸させるための型２０を概略的に示した。図１乃至図３、及び以降に示す図では、型２０は切断面（ハッチングを付している。）、プリフォーム１０は断面ではなく表面で表し、プリフォーム１０の内側の形態は破線で表している。
図１は型２０、及び、プリフォーム１０を分解して表した図である。図１（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図１（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図１（ａ）のＡ−Ａ’に沿った切断面である。
図２はプリフォーム１０が型２０に設置された一場面を表す図である。図２（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図２（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図２（ａ）のＢ−Ｂ’に沿った切断面である。
図３はプリフォーム１０が型２０に設置された他の場面を表す図で、後述する加圧部材２２が後退した場面を表す図である。図３（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図３（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図３（ａ）のＣ−Ｃ’に沿った切断面である。

以下の説明からもわかるように、本開示は、プリフォームに具備された繊維層に対して樹脂組成物を含浸させ、その後に硬化させることで補強層を形成する、いわゆるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）による繊維強化樹脂成形品に関連するものである。

＜プリフォーム＞
プリフォームは、最終的に高圧タンク等の繊維強化樹脂成形品となる中間部材である。以下、繊維強化樹脂成形品の１つの態様として高圧タンクを例に説明をする。本形態は高圧タンクの中でも燃料電池車用の高圧タンクである。
図１乃至図３からわかるように、プリフォーム１０は、少なくともライナ１１及び繊維層１２を有して構成されている。

ライナ１１は、高圧タンクの内部空間を区画する中空の筒状部材である。ライナはその内部空間に収容されたものを漏らすことなく保持することができる材料で構成されていればよく、材料は公知のものを用いることができるが、例えばナイロン樹脂、ポリエチレン系の合成樹脂からなるもの、及び、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属等からなるものである。
ライナ１１の厚さは特に限定されるものではないが、０．５ｍｍ乃至１．０ｍｍであることが好ましい。

繊維層１２は、ライナ１１の外表面に繊維が所定の厚さにまで何層にも亘って巻き付けられた層である。繊維層１２の厚さは必要な強度により決められるため特に限定されることはないが、１０ｍｍ乃至３０ｍｍ程度の厚さとされている。特に燃料電池車用高圧タンクは、強度確保のために繊維層を厚く形成する必要であり、繊維層への樹脂の含浸という観点から含浸時の圧力が高くなる。
繊維層の繊維は炭素繊維が用いられおり、詳しくは炭素繊維が束となって所定の断面形状（例えば長方形断面）を有する帯状の炭素繊維束である。このような炭素繊維束がライナ１１の外表面に巻き付けられることで繊維層が形成されている。また、ライナ１１の外表面への繊維（束）の巻き付けは、例えばフィラメントワインディング法等により行われる。

このようなプリフォーム１０の繊維層１２に対して樹脂を含浸し、その外周にさらにガラス繊維による保護層を形成することにより、高圧タンクとなる。

＜型＞
型２０はプリフォーム１０の繊維層１２に対して樹脂を含浸するための型であり、本形態では上型２１及び下型２５を有して構成されている。上型２１と下型２５とが重なることで、型２０の内側にプリフォーム１０の形状に沿った内部空間が形成される。この内部空間は密閉された空間を形成することできる。

本形態で上型２１は、図２（ａ）、図２（ｂ）に直線矢印で示したように下型２５に対して相対的に移動することができる。これによりプリフォーム１０の型２０への設置、型２０からの離脱（離型）をすることができる他、プリフォーム１０に対して圧力を負荷するように移動させ、及び、この負荷された圧力を除荷するような移動も可能とされている。

さらに本形態で上型２１は、設置されるプリフォーム１０に対して進行及び後退するように移動可能な加圧部材２２が備えられている。すなわち上型２１の一部が移動することができるように構成されている。
加圧部材２２は、そのプリフォーム１０側の面２２ａは、プリフォーム１０の形状に沿った形状を有している。従って、加圧部材２２は図２（ａ）、図２（ｂ）からわかるように、加圧部材２２がプリフォーム１０側に進行した状態では面２２ａが上型１０の他の面と面一となり、プリフォーム１０の外形に沿って配置される。この時、面２２ａとは反対側の面２２ｂは、上型２１の他の部位に対して間隙２２ｃが形成されている。従って、加圧部材２２は、図３（ａ）、図３（ｂ）に示したように、この間隙２２ｃを埋め、面２２ｂが上型２１の他の部位に接触するように移動し、加圧部材２２がプリフォーム１０に対して後退する姿勢とすることができる。このときには、上型２１と下型２５とが連結されていても加圧部材２２の面２２ａとプリフォーム１０との間に間隙が形成される。
また、加圧部材２２は面２２ａ側と面２２ｂ側とが連通する間隙２２ｄを有して上型２１に配置されている。

加圧部材２２の大きさは特に限定されることはないが、図２（ａ）に表れているように、プリフォーム１０の筒状の軸線方向には、加圧部材２２は、プリフォーム１０の外周が軸線に沿って平行である部分と同じ大きさであることが好ましい。また図２（ｂ）に表れているように、プリフォーム１０の筒状の軸線方向に直交する方向には、加圧部材２２はプリフォーム１０の直径よりも小さいことが好ましい。

また、型２０には、外部から通じる流路２０ａ、流路２０ｂ、及び流路２０ｃが設けられている。これら流路はそれぞれ次のようなものである。
流路２０ａは図１（ｂ）、図２（ｂ）、及び、図３（ｂ）に表れており、樹脂組成物用の流路である。この流路２０ａから硬化前の樹脂組成物が繊維層１２に向けて供給される。従って、流路２０ａは型２０の外部から、型２０に設置されたプリフォーム１０の繊維層１２に達する。また、本形態では流路２０ａは上型２１に設けられている。
流路２０ｂは図１（ａ）、図２（ａ）、及び、図３（ａ）に表れており、真空脱気用の流路である。この流路２０ｂから繊維層１２、及びその周辺の空気等が真空引きされる。従って、流路２０ｂは型２０の外部から、型２０に設置されたプリフォーム１０の繊維層１２に達する。また、本形態では流路２０ｂは下型２５に設けられている。
流路２０ｃは、図１乃至図３の各図に表れており、加圧部材真空脱気用の流路である。従って流路２０ｃは、図２（ａ）からよくわかるように、加圧部材２２がプリフォーム１０に対して進行した姿勢にある時に、型２０の外部から間隙２２ｃに通じている。

また、型２０は不図示の温度制御装置により、その温度を所望の温度に保持することができるように構成されている。

型２０に用いられる材料は特に限定されることはないが、通常の通り金属が好ましく用いられ、型２０はいわゆる金型である。

＜その他＞
含浸装置には、上記それぞれの流路に対して対応する機器が配置される。すなわち、流路２０ａに対しては含浸する樹脂組成物を供給する機器が接続され、流路２０ｂ、及び流路２０ｃには真空ポンプが接続される。それぞれに機器の具体的仕様は特に限定されることはなく、公知ものを用いることができる。

［高圧タンクの製造方法］
次に、高圧タンクの製造方法について説明する。型は上記型２０を用いて説明する。ただし、本発明は型２０の利用に限定されるものではない。

図４には繊維強化樹脂成形物の製造方法の１つの例にかかる高圧タンクの製造方法Ｓ１０の流れを示した。図４からわかるように、本形態にかかる高圧タンクの製造方法Ｓ１０は、型への設置の工程Ｓ１１、脱気の工程Ｓ１２、樹脂組成物の供給の工程Ｓ１３、締め付け状態への変更の工程Ｓ１４、加圧部材による加圧・脱気の工程Ｓ１５、樹脂組成物の供給停止の工程Ｓ１６、及び、離型の工程Ｓ１７を含んでいる。以下、各工程について説明する。

＜型への設置の工程Ｓ１１＞
型への設置の工程Ｓ１１（「工程Ｓ１１」と記載することがある。）では、図５に示したように、型２０にプリフォーム１０を設置して型２０を除荷状態とする。すなわち、型２０の内側にプリフォーム１０を設置し、このとき、上型２１とプリフォーム１０との間隙が、下型２５とプリフォーム１０との間隙よりも大きくなるように、上型２１を下型２５から離隔するようにして配置するとともに、加圧部材２２はプリフォーム１０に対して後退した位置とされる。当該除荷状態においても型２０の内側は密閉空間とされた状態であり、後の工程における脱気や樹脂組成物を漏れないように供給することが可能である。

より具体的には、本形態では、上型２１が下型２５から完全に離隔され、下型２５の上面が完全に露出して開かれた状態でプリフォーム１０を下型２５へ設置する。次に、下型２５及びここに設置されたプリフォーム１０に対して被せるように上型２１を配置する。そして、上型２１を上記のように下型２５に対して離隔するように配置する。このとき、加圧部材２２はプリフォーム１０に対して後退した位置である。

＜脱気の工程Ｓ１２＞
脱気の工程Ｓ１２（「工程Ｓ１２」と記載することがある。）では、工程Ｓ１１によるプリフォーム１０及び型２０の状態を得た後、真空脱気を行いプリフォーム１０の外周部における空気を取り去る。

より具体的に本形態では、工程Ｓ１１によるプリフォーム１０及び型２０の状態を得た後、図５に示したように流路２０ｂから真空ポンプにより脱気を行う。

真空脱気により、含浸する樹脂組成物の繊維層への浸透をより円滑に行うことができる。また、これによっても含浸樹脂への気泡の巻き込み防止に関し一定の効果を奏するものとなる。

＜樹脂組成物の供給の工程Ｓ１３＞
樹脂組成物の供給の工程Ｓ１３（「工程Ｓ１３」と記載することがある。）では、硬化前の樹脂組成物を、工程Ｓ１２で得た状態の型２０に配置されたプリフォーム１０の繊維層１２対して供給する。

より具体的に本形態では、図６に示したように流路２０ａに対して、樹脂組成物を供給する機器から硬化前の樹脂組成物が供給され、樹脂組成物は、プリフォーム１０の繊維層１２の外周に達する。この樹脂組成物は含浸に必要な圧力を有して供給され、これにより樹脂組成物が繊維層１２に浸透する。
このとき、型２０は工程Ｓ１２で得た状態とされ、上型２１とプリフォーム１０との間に間隙が設けられ（加圧部材２２の後退の姿勢に伴い形成された空間も含む。）、プリフォーム１０への圧力が抑えられており、樹脂組成物が流動するに際して抵抗を抑えることができる。このため、供給された樹脂組成物は、上型２１とプリフォーム１０との間全体に亘って均一性高く円滑に充填される。

樹脂組成物は、流動性のある状態で繊維層に到達及び浸透し、その後何らかの方法により硬化することで繊維層の強度を高めることができるものであれば特に限定されることはない。これには例えば熱により硬化する熱硬化樹脂が挙げられ、例えばアミン系又は無水物系の硬化促進剤、及び、ゴム系の強化剤を含むエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等がある。この他にも、エポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤を混ぜることにより硬化する樹脂組成物を挙げることができる。これによれば、主剤と硬化剤とを混ぜてから硬化するまでの間にこの混合物である樹脂組成物を繊維層に到達及び浸透させることで、自動的に硬化する。

＜締め付け状態へ変更の工程Ｓ１４＞
締め付け状態への変更の工程Ｓ１４（「工程Ｓ１４」と記載することがある。）では、上型２１と下型２２とを近づけるように移動させ、図７（ａ）、図７（ｂ）に示したように型２０を締め付け状態とする。締め付け状態では、プリフォーム１０が型２０に設置された状態で、上型２１と下型２２とが完全に接続され、締め付けられた状態である。なお、この締め付け状態においても、含浸前のプリフォーム１０の繊維層１２と、上型２１及び下型２２の面との間には若干の間隙ができるような寸法であることが好ましい。この間隙は、樹脂組成物の含浸によって、含浸後の繊維層１２の体積が含浸前の体積よりも大きくなることを考慮したものである。締め付け状態におけるこの間隙は上型２１とプリフォーム１０及び下型２２とプリフォーム１０で同じである。

ただし、本工程Ｓ１４では、加圧部材２２の姿勢は維持し、加圧部材２２はプリフォーム１０に対する後退した姿勢のままとする。

この工程Ｓ１４により、樹脂組成物が型２０から受ける圧力が増大し、樹脂組成物の含浸が促進される。
本形態では図７（ａ）、図７（ｂ）に直線矢印で示したように、上型２１を下型２２に近づけることにより行われる。
なお、当該工程Ｓ１４では、まだ樹脂組成物の供給を維持している。

＜加圧部材による加圧・脱気の工程Ｓ１５＞
加圧部材による加圧・脱気の工程Ｓ１５（「工程Ｓ１５」と記載することがある。）では、図８（ａ）、図８（ｂ）に示したように、加圧部材２２をプリフォーム１０に向けて進行するように移動させ、面２２ａを上型２１の他の面に面一をなるようにする。
さらに、これと同時に流路２０ｃ及び、これに連通した間隙２２ｃに対して真空脱気を行う。

工程Ｓ１３で樹脂組成物を供給し、工程Ｓ１４で締め付け状態に変更する工程の中で、溶融した樹脂が合流するとき（ウエルド）等で巻き込んだ空気や、樹脂が硬化する過程で発生するガスにより、樹脂内に気泡が含まれることが多い。このような気泡は硬化した樹脂に残ることはもちろん、型２０内の真空度を下げて樹脂の含浸を阻害することにもなる。一方、このような気泡は、樹脂組成物の流動の末端（表面）や型の上面付近に集まることが多い。
これに対して工程Ｓ１５で加圧部材２２をプリフォーム１０に近づけて加圧することで、これら気泡がつぶされ、その空気やガスが加圧部材２２に形成された間隙２２ｄを通り、間隙２２ｃに達し、すぐに流路２０ｃから脱気される。なお、工程Ｓ１５では、樹脂組成物は流動性を有してはいるものの、所定の粘性を有するに至っており、間隙２２ｄに樹脂組成物が大きく入り込むことはない。

なお、型内に圧力センサを設置して、圧力挙動をフィードバック制御しながら加圧部材２２を移動させて樹脂組成物の流動挙動を制御しながら含浸させることも可能である。

＜樹脂組成物の供給停止の工程Ｓ１６＞
樹脂組成物の供給停止の工程Ｓ１６（「工程Ｓ１６」と記載することがある。）では、工程Ｓ１５で樹脂組成物が繊維層１２に十分含浸し、所望の供給量が満たされたときに、樹脂組成物の供給を停止する。そして樹脂組成物の硬化を待つ。

＜離型の工程Ｓ１７＞
離型の工程Ｓ１７（「工程Ｓ１７」と記載することがある。）では、工程Ｓ１６で樹脂組成物が硬化していることを得て、樹脂が含浸されたプリフォーム１０を型２０から離脱する。
本形態では型２０の上型２１を下型２２から離脱し、開放状態とすることで離型を行う。

［効果、その他］
以上の各工程を含む製造方法、そのための型により、樹脂が含浸されたプリフォーム１０が得られる。この樹脂が含浸されたプリフォーム１０に対してさらに樹脂が含浸されたガラス繊維による層が形成されるなどして高圧タンクとすることができる。

本開示によれば、気泡の発生に対して脱気しながら気泡を加圧圧縮することができ、型内の真空度の低下を抑制して含浸性を高めることができるとともに、補強層への気泡の残留も抑制することが可能となり、品質の高い繊維強化樹脂成形体を得ることができる。また、脱気と含浸とを同時に進行させることが可能であるため効率の良く繊維強化樹脂成形体を生産することができる。

１０ プリフォーム
１１ ライナ
１２ 繊維層
２０ 型
２１ 上型
２２ 加圧部材
２５ 下型

Claims (1)

1. プリフォームと型の面の少なくとも一部との間に間隙ができるように前記プリフォームを前記型に設置する工程と、
   前記型内で前記プリフォームの外周部に対して樹脂を供給する工程と、
   前記型の少なくとも一部を前記プリフォームに対して近づけて押圧しながら真空脱気を行う工程と、を含む、繊維強化樹脂成形品の製造方法。

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