JP2022038508A - 繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価で大型なオートクレーブを使用せず、簡易な機器により、均質で、高い強度を有する繊維強化樹脂成形品を製造することができる製造方法を提供する。【解決手段】該製造方法は、以下の工程を含む。強化用繊維とマトリクス樹脂とを含有するプリプレグと、少なくとも１つの熱膨張性を有する樹脂製の中実の加圧材とを積層して形成される積層体を、金属製のバスタブ型の下枠に挿入して、積層体の上に上枠を被せて枠を組む工程と、下枠と上枠を加熱して加圧材を膨張させて、プリプレグを加圧することにより成形する工程。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂成形品の製造方法に関する。

樹脂原料に炭素繊維やグラスファイバーなどの繊維を混合することで、樹脂成形品の強度が向上する。繊維強化された樹脂成形品の製造方法としては、例えば、プレス成形法、オートクレーブ法が挙げられる。

オートクレーブ法においては、プリプレグを、製造する成形品に対応する金型の上に配置し、金型とプリプレグを気密性が高いバッグに入れる。次に、そのバッグごとオートクレーブに入れてバッグ内を減圧して、金型とプリプレグを密着させながら、オートクレーブ内を加熱、加圧する。このようにして、プリプレグ中の樹脂を硬化させて繊維強化樹脂成形品を得る。

このように、オートクレーブ法は、高圧力で加圧成形するため、プリプレグ中の樹脂をより強く圧縮することができる。従って、均質で強度の高い成形品の製造を実現することができる。

しかし、オートクレーブは高価で大型の機器であるため、設置のためには高い費用と広いスペースが必要となる。また、オートクレーブは、内部を高圧力にする機器であるため、外形に対して内部容積が小さい。従って、製造できる製品のサイズ、数量が限られる。このような問題点に鑑み、オートクレーブを使用しない成形方法が、検討されている。

オートクレーブを使用しない成形方法として、例えば、プレス成形法（ＲＴＭ法）が挙げられる。ＲＴＭ法は、先ず、プリプレグを、製造する樹脂成形品の形状に対応する雌雄一対の金型の間に配置し、キャビティに樹脂成分を注入する。次に、配置された金型をバッグに入れて、バッグをオーブンに入れる。次に、バッグ内を真空吸引しながら、加熱して樹脂を硬化させる。このようにして、繊維強化樹脂成形品を得る。

ＲＴＭ法は、オートクレーブのような大型な機器を使用する必要がなく、簡易且つ安価に成形品を製造できる。また、少量ではあるが、量産が可能である。しかし、ＲＴＭ法の場合、バッグ内を真空吸引して加圧するのみであるから、大気圧によって型に圧力を加えるだけである。従って、オートクレーブ法で得られるような、均質で高い強度を有する成形品を製造することは難しい。

このような観点から、オートクレーブを使用することなく、成形型とプリプレグに高い圧力をかけて繊維強化樹脂成形品を製造する方法が開示されている。

特許文献１では、成形型の少なくとも一方を形状記憶合金で作成し、成形型の熱膨張差を利用して材料を加圧成形する、成形品の製造方法が開示されている。特許文献２では、高膨張材を外皮材で密閉した冶具と、複合材成形体の形状寸法を規定する型枠およびそれを固定する冶具から構成される複合材加圧成形冶具と、該治具を使用する複合材成形体の製造方法が開示されている。特許文献３では、膨張性を有した中空体の周囲にコア材を配置、コア材の周囲にプリプレグを積層して被覆、キャビティ内において中空体を膨張させ加圧、プリプレグを加熱し硬化させ、コア材の周囲に強化繊維樹脂を成形する方法が開示されている。

特開平０３－１３２３１９号公報 特開平０８－０５２８１２号公報 特開２００８－２３８５６６号公報

しかしながら、これらの製造方法では、形状記憶合金製の型、外皮材、中空の膨張材といった特殊な部材を使用することため、製造コストが高くなるといった問題があった。

従って本発明は、高価で大型なオートクレーブを使用せず、簡易な機器を使用して、均質で、高い強度を有する繊維強化樹脂成形品を製造することができる製造方法を提供することにある。

本発明の繊維強化樹脂成形品の製造方法は、以下の過程を含む。
強化用繊維とマトリクス樹脂とを含有するプリプレグと、少なくとも１つの熱膨張性を有する樹脂製の中実の加圧材とを積層して形成される積層体を、金属製のバスタブ型の下枠に挿入して、積層体の上に上枠を被せて枠を組む工程、
前記下枠と前記上枠を加熱して前記加圧材を膨張させて、前記プリプレグを加圧することにより成形する工程。

上枠に成形用の上型が形成されており、加圧材に成形用の下枠が形成されていることが好ましい。

積層体を、第１の加圧材、プリプレグ、第２の加圧材を積層して形成することが好ましい。ここで、第１の加圧材に成形用の下型、第２の加圧材は成形用の上型が形成されている。

積層体と下枠との間に保温材を設置することが好ましい。

下枠として、外側容器と内側容器を有し、外側容器と内側容器の間に保温材が充填されている下枠を使用することが好ましい。

加圧材として、加圧方向の厚さは、中央部より、縁部の方が大きい加圧材を使用することが好ましい。

強化用繊維は炭素繊維であることが好ましい。

本発明の繊維強化樹脂成形品の製造方法によれば、高価で大型なオートクレーブを使用せず、簡易な機器により、均質で、高い強度を有する繊維強化樹脂成形品を製造することができる。

本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の製造方法の流れ図。 本発明の実施の形態１に係る製造方法の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態１の変形例に係る製造方法の他の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態１に係る製造方法を実施したときの、枠の温度とプリプレグに係る圧力と経時変化を現すグラフ。 本発明の実施の形態２に係る製造方法の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態３に係る製造方法の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態３に係る製造方法の他の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態３に係る製造方法の他の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態３の変形例に係る製造方法の他の１例を示す概略図。 本発明の実施の形態４に係る製造方法の他の１例を示す概略図。

本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の製造方法について、図を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。

［実施の形態１］
本発明による繊維強化樹脂成形品の製造は、図１に示すとおり、（１）積層体挿入、（２）成形、（３）冷却、（４）製品取り出しの順に行われる。

１．積層体挿入
図２に示すように、プリプレグ１と、樹脂製の加圧材２とを積層して形成される積層体を、金属製のバスタブ型の下枠３に挿入して、積層体の上に上枠を被せて枠を組む。

プリプレグ１は、強化用繊維とマトリクス樹脂とを含有するシート状の材料である。

強化用繊維は、プリプレグ１中で一方向に並んでいても、平織、綾織、朱子織などの織物状で存在していても、無秩序に分散していてもよい。

強化用繊維としては、成形時の加熱温度で劣化しない繊維であれば特に限定されず、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンシート、セルロースナノファイバー、ガラス繊維、鉱物繊維などが挙げられる。中でも、得られる繊維強化樹脂成形品の強度の点で、炭素繊維が好ましい。強化用繊維のサイズは特に限定されないが、例えば繊維長が数百ｎｍ以上数ｍｍ以下の繊維を用いることができる。

強化用繊維は、一種単独で又は複数種を組み合わせて用いることができる。

マトリクス樹脂は、成形前においては柔軟性を有し、成形時には熱によりで結着できる樹脂であれば特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の半硬化樹脂や、ポリ塩化ビニリデン系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＮ系共重合体系樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。

マトリクス樹脂は、プリプレグ１中において、繊維と繊維の間、繊維の周囲にマトリクス（母材）として存在する。

プリプレグ１としては、市販されているものを用いることができる。プリプレグは、強化用繊維に熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱又は乾燥して半硬化状態にした樹脂のシート、または、強化用繊維に溶融した熱可塑性樹脂を含浸させ、その熱可塑性樹脂を固化したシートである。例えば、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）の熱硬化性樹脂プリプレグとして東レ株式会社のトレカ（登録商標）、ＣＦＲＰの熱可塑性樹脂プリプレグとして日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社のＴＥＰｒｅｇ（登録商標）の各種プリプレグを用いることができる。プリプレグ１の厚みは特に限定されないが、例えば０．０７ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。

プリプレグ１の積層数は適宜選択することができ、単層であっても複層であってもよい。

加圧材２は、内部に空間がない中実の樹脂製であり、熱膨張性を有し、後述する成形時の加熱により膨張して、プリプレグ１を加圧する。成形時において、プリプレグ１を確実に加圧するため、加圧材２は、後述する下枠に隙間なく収納される寸法であることが好ましい。

加圧材２として使用する樹脂材料は、プリプレグ１へ加える適切な加熱温度と圧力を考慮し、下枠３と上枠４の材質と共に、適宜選択する。これについては後述する。

下枠３と上枠４は、熱伝導性が高いこと、成形時の圧力に対する強度を有することが必要であるので、アルミニウム、ステンレス等の金属製とする。また、下枠３の形状は、図２に示すように、バスタブ型である。上枠４は、下枠３と共にプリプレグ１を加圧するために使用されるため、プリプレグ１と加圧材２の積層体に接触するようにして被せられる。

２．成形
前工程において、下枠３と上枠４により組まれた枠の内部を真空吸引すると同時に、下枠３と上枠４を加熱して成形する。

真空吸引することにより、プリプレグ１は、外側（図２、３中のプリプレグ１より上側）からは、大気圧の他に、下枠３と上枠４の膨張により加圧されると同時に、内側（同じくプリプレグ１より下側）からは、加圧材２の膨張により加圧される。また、加熱によって、マトリクス樹脂が溶融、硬化する際に発生するガスを吸引して、枠内から除去し、製造不良の発生を抑制することができる。

具体的な成形の方法は特に制限されない。例えば、以下に述べる真空バッグ法を使用すると、下枠３、上枠４を特に機密性を高くする構造とする必要もなく、製造コストを低く抑えることができる。
（１）枠全体を図示されていない気密性が高い袋に入れ、その袋ごと図示されていないオーブンに入れる。
（２）袋内を減圧して上枠４とプリプレグ１と加圧材２を密着させながら加熱し、プリプレグ１中のマトリクス樹脂を硬化させる。成形時の圧力、加熱温度、加熱・加圧時間は、プリプレグ１の物性に合わせて適宜調整する。

ここで、プリプレグ１にかかる圧力は、加熱温度と加圧材２と上枠４の材質により調整することができる。
加圧材２と上枠４についてそれぞれ、下記式により熱応力σを算出する。
σ＝αＴ_０Ｅ
ここで、
σ：熱応力
α：線膨張率（物質ごとの固有値）
Ｔ_０：温度差
Ｅ：ヤング率（物質ごとの固有値）
上記式により算出された加圧材２と上枠４それぞれの熱応力と、大気圧との和がプリプレグ１にかかる圧力となる。

３．冷却
加熱終了後、枠とその内部の積層体を自然冷却する。自然冷却により、図４に示すように、枠の温度は低下するが、加圧材２の温度は枠の温度に比べ低下が緩やかである。よって、加圧材２は、膨張状態を保つ。この効果により、加圧状態が長く続き、加圧材の膨張に必要な加熱時間を短縮することができる。

４．成形品の取り出し
加圧材２の膨張がピークを越え、温度と圧力が低下したら、枠内の真空吸引を停止し、繊維強化樹脂成形品を取り出す。繊維強化樹脂成形品の取り出し時期は特に制限されることはないが、枠内の温度が常温まで低下した時点が好ましい。

このように、実施の形態１により、高価で大型なオートクレーブを使用せず、簡易な装置により、強度が高い繊維強化樹脂成形品を製造することができる。

図２に示すように、上枠４として平板を使用し、ブロック型の加圧材２を使用すると、平板状の繊維強化樹脂成形品が得られる。また、図３に示すように、成形用の下型枠が形成された加圧材２と、上型が形成された上枠４を使用することにより、立体形状を有する繊維強化樹脂成形品１０を製造することができる。具体的には、図３（ａ）に示すように、下型枠が形成された加圧材２とプリプレグ１を積層して形成される積層体を下枠３に挿入する。次に、前述した方法により成形することにより、図３（ｂ）に示すように、立体的な形状を有する繊維強化樹脂成形品１０が得られる。

［実施の形態２］
実施の形態２にかかる繊維強化樹脂成形品の製造方法においては、図５に示すように、第１の加圧材２ａ、プリプレグ１、第２の加圧材２ｂを積層して積層体を形成する。実施の形態２においては、第１の加圧材２ａには成形用の下型、第２の加圧材２ｂには成形用の上型が形成されている。従って、加工が容易な樹脂に型を加工するため、高価な金型を必要とせず、製造コストを低く抑えることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３にかかる繊維強化樹脂成形品の製造方法においては、図６から８に示すように、下枠３と積層体の間に保温材５を設置する。図６に示す例では、下枠３の側面に保温材５が設置されているが、図７に示すように、下枠３の底面にも保温材５を設置してもよい。保温材５により、加熱終了後、下枠３を自然冷却する際、内部の加圧材２は、下枠３の温度変化の影響を受けずに、加熱時の温度を保持できる。よって、加圧材２の膨張をより長い時間、継続させることができ、成形品の強度や均質さをより高くすることができる。

保温材の材料は、成形時の熱に耐え得るものであれば、特に制限されることはない。保温材の材料の例としては、ガラス繊維、ウレタンフォーム等が挙げられる。

図６、７に示すように、上枠４として平板を使用し、ブロック型の加圧材２を使用すると、平板状の繊維強化樹脂成形品が得られる。図８に示すように、上型が形成された上枠４、成形用の下枠が形成された加圧材２を使用することにより、立体的な形状を有する繊維強化樹脂成形品１０を製造することができる。

［変形例１］
変形例１においては、図９に示すように、保温材５が設置された下枠３に、下型が形成されている第１の加圧材２ａ、上枠が形成された第２の加圧材２ｂを使用する。変形例１により、立体的な形状を有する繊維強化樹脂成形品１０を製造することができる。変形例１の場合、保温材５は、第２の加圧材２ｂと上枠４との間にも設置されている。変形例１の場合、実施の形態３の効果と共に、実施の形態２と同様の効果を奏する。

［実施の形態４］
実施の形態４に係る製造方法においては、図１０に示すような、外側容器３ａと内側容器３ｂを有する下枠３’を使用する。外側容器３ａと内側容器３ｂの間に保温材５が充填されている。実施の形態４は、実施の形態３と同様の効果を奏する。

図１０に示すように、上枠４として平板を使用し、ブロック型の加圧材２を使用すると、平板状の繊維強化樹脂成形品が得られる。立体的な形状を有する繊維強化樹脂成形品を製造する場合は、上枠４に成形用の上型を形成させ、加圧材２に成形用の下枠を形成させる。また、図示されていないが、実施の形態２のように、下枠３’に、第１の加圧材、プリプレグ１、第２の加圧材２ｂの順に積層された積層体を挿入してもよい。更にこの場合、変形例１のように、加圧材２ｂと上枠４との間に保温材を設置してもよい。

［実施の形態５］
実施の形態５においては、図示されないが、加圧材２として、加圧方向の厚さが、中央部より縁部の方が大きい加圧材を使用する。加圧材２の縁部では、加圧時の圧力の一部が逃されることがあり、加圧不足が生じる恐れがある。そこで、上述した形状の加圧材２を使用することにより、加圧材２の縁部における加圧不足を抑制することができる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ プリプレグ
２ 加圧材
２ａ 加圧材
２ｂ 加圧材
３ 下枠
３’ 下枠
３ａ 外側容器
３ｂ 内側容器
４ 上枠
５ 保温材
１０ 繊維強化樹脂成形品

Claims (7)

1. 強化用繊維とマトリクス樹脂とを含有するプリプレグと、少なくとも１つの熱膨張性を有する樹脂製の中実の加圧材とを積層して形成される積層体を、金属製のバスタブ型の下枠に挿入して、前記積層体の上に上枠を被せて枠を組む工程と、
   前記下枠と前記上枠を加熱して前記加圧材を膨張させて、前記プリプレグを加圧することにより成形する工程とを含む、
   繊維強化樹脂成形品の製造方法。
2. 前記上枠に成形用の上型が形成されており、前記加圧材に成形用の下枠が形成されている、請求項１に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。
3. 前記積層体を、第１の加圧材、前記プリプレグ、第２の加圧材を積層して形成し、前記第１の加圧材に成形用の下型、前記第２の加圧材は成形用の上型が形成されている、請求項１に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。
4. 前記積層体と前記下枠との間に保温材を設置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。
5. 前記下枠として、外側容器と内側容器を有し、前記外側容器と前記内側容器の間に保温材が充填されている下枠を使用する、請求項１から３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。
6. 前記加圧材として、加圧方向の厚さは、中央部より、縁部の方が大きい加圧材を使用する、請求項１から５のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。
7. 前記強化用繊維は炭素繊維である、請求項１から６のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。

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