JP2022170769A - 繊維強化樹脂材料及びその製造方法並びに繊維強化樹脂構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】より割れ難い繊維強化樹脂材料及びその製造方法並びに繊維強化樹脂構造体を提供する。【解決手段】本繊維強化樹脂材料1は、繊維集合層12と熱可塑性樹脂層11とが交互に位置した積層構造を有する繊維強化樹脂材料であって、繊維集合層12は、表面に熱可塑性樹脂粒子が付着した連続繊維の集合物であり、繊維強化樹脂材料は、一面側1bが他面側1aより高伸度である。本繊維強化樹脂構造体は、本繊維強化樹脂材料からなる。本繊維強化樹脂材料の製造方法は、繊維集合層となる連続繊維のシート状物と、熱可塑性樹脂層となる樹脂シートと、を積層構造が得られるように積層する積層工程と、積層工程を経て得られた積層物を積層方向へ加熱圧縮する熱圧工程と、を備える。【選択図】図1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 第23回化学工学会学生発表会において発表した事項のウェブサイトの掲載 ウェブサイトの掲載日:令和3年2月15日
本発明は、繊維強化樹脂材料及びその製造方法並びに繊維強化樹脂構造体に関する。更に詳しくは、熱可塑性樹脂を利用した繊維強化樹脂材料及びその製造方法並びに繊維強化樹脂構造体に関する。
従来、繊維強化プラスチック等と称される複合材料が知られる。一般に、繊維強化プラスチックは、ガラス繊維不織布等の繊維集合体をコア材とし、このコア材をマトリックス材である樹脂(マトリックス樹脂)で被覆後、硬化して得られる。この際、マトリックス樹脂には、熱硬化性樹脂が多く採用される。未硬化状態における流動性に優れた樹脂が多く、コア材内部へ含浸させ易いという観点から選択される。しかしながら、熱硬化性樹脂は、硬化されると脆性が大きくなり、割れ易いという欠点を有することになる。このため、より割れ難い繊維強化樹脂材料及び繊維強化樹脂構造体が求められる。このような観点から、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を採用することが期待されている。
これらの観点からは、耐衝撃性に優れた熱可塑性樹脂として下記特許文献1~2が知られている。また、耐衝撃性に優れた熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化材料として下記特許文献3が知られている。更に、強化繊維とマトリックス樹脂との親和性を向上させる技術として下記特許文献4~5が知られている。
特開2013-147646号公報 国際公開2018-021569号パンフレット 特開2018-123284号公報 特開2017-82060号公報 国際公開2017-150702号パンフレット
上記特許文献1は、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂及び相容化剤を溶融混錬してなる熱可塑性樹脂組成物において、ポリアミド樹脂として、所定の植物由来ポリアミド樹脂を採用することで優れた耐衝撃性を発揮できることを開示している。
上記特許文献2は、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂及び相容化剤を溶融混錬してなる熱可塑性樹脂組成物において、ポリオレフィン樹脂としてMnが350,000以上であるもの、ポリアミド樹脂として主鎖中の隣り合ったアミド結合同士に挟まれた炭化水素基の直鎖炭素数が5以下である構造を有するもの、を採用することにより、優れた耐衝撃性を発揮できることを開示している。
上記特許文献3は、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂及び相容化剤を溶融混錬してなる熱可塑性樹脂組成物をマトリックス樹脂として採用することにより、割れ難い繊維強化材料及び構造体が得られることを開示している。
上記特許文献4及び5は、炭素繊維強化プラスチックにおいて、表面に熱可塑性樹脂粒子を吸着した炭素繊維を採用することにより、熱可塑性樹脂との界面接着性を向上できることを開示している。
上記特許文献3の技術により、割れ難い繊維強化材料及び構造体は得られるものの、更に優れた強度特性を有する材料が求められている。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、従来に比べて、より割れ難い繊維強化樹脂材料及びその製造方法並びに繊維強化樹脂構造体を提供することを目的とする。
即ち、本発明は以下に示される。
[1]本発明の繊維強化樹脂材料は、繊維集合層と熱可塑性樹脂層とが交互に位置した積層構造を有する繊維強化樹脂材料であって、
前記繊維集合層は、表面に熱可塑性樹脂粒子が付着した連続繊維の集合物であり、
本繊維強化樹脂材料は、一面側が他面側より高伸度であることを要旨とする。
[2]本発明の繊維強化樹脂材料では、前記一面側に位置する前記熱可塑性樹脂層と、前記他面側に位置する前記熱可塑性樹脂層とを異なるものにできる。
[3]本発明の繊維強化樹脂材料では、前記一面側に位置する前記熱可塑性樹脂層を構成する熱可塑性樹脂を、ポリアミド及びポリオレフィンを含んだ複合樹脂にすることができる。
[4]本発明の繊維強化樹脂材料では、前記一面側の繊維含有率と、前記他面側の繊維含有率とを異なるものにできる。
[5]本発明の繊維強化樹脂材料では、前記連続繊維を炭素繊維にすることができる。
[6]本発明の繊維強化樹脂材料では、前記熱可塑性樹脂粒子を構成する熱可塑性樹脂がポリアミドを含むものとすることができる。
[7]本発明の繊維強化樹脂構造体は、本発明の繊維強化樹脂材料からなることを要旨とする。
[8]本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法は、前記繊維集合層となる前記連続繊維のシート状物と、前記熱可塑性樹脂層となる樹脂シートと、を前記積層構造が得られるように積層する積層工程と、
前記積層工程を経て得られた積層物を積層方向へ加熱圧縮する熱圧工程と、を備えることを要旨とする。
本発明の繊維強化樹脂材料及び繊維強化樹脂構造体によれば、従来に比べて、より優れた割れ難さを得ることができる。とりわけ、曲げ応力と曲げ弾性率とを高度に並立させることができる。
本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法によれば、従来に比べて、より優れた割れ難さを有する繊維強化樹脂材料及び繊維強化樹脂構造体を得ることができる。
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
繊維強化樹脂材料の一態様(a)及び他態様(b)を説明する説明図である。 連続繊維の説明図である。 繊維強化樹脂材料の製造方法の概要を説明する説明図である。 繊維強化樹脂材料の一態様(積層構造E及びF)の製造方法の説明図である。 図4に続く繊維強化樹脂材料の一態様の製造方法の説明図である。 実験例で用いた維強化樹脂材料の説明図である。 実験例で用いた積層構造Aを有する維強化樹脂材料の説明図である。 実験例で用いた積層構造Bを有する維強化樹脂材料の説明図である。 実験例で用いた積層構造Cを有する維強化樹脂材料の説明図である。 実験例で用いた積層構造Dを有する維強化樹脂材料の説明図である。
ここで示される事項は、例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
[1]繊維強化樹脂材料
本発明の繊維強化樹脂材料(1)は、繊維集合層(12)と熱可塑性樹脂層(11)とが交互に位置した積層構造を有する繊維強化樹脂材料(1)である。また、上記繊維集合層(12)は、表面に熱可塑性樹脂粒子(122)が付着した連続繊維(121)の集合物である。更に、本発明の繊維強化樹脂材料(1)は、一面側(1b)が他面側(1a)より高伸度である(図1及び図2参照)。
上記「繊維集合層(12)」(図1参照)は、連続繊維121の集合物である。繊維集合層12は、連続繊維等の繊維のみからなってもよいが、連続繊維同士を結着する結着樹脂を伴ってもよい(プリプレグ)。
結着樹脂は、後述する熱可塑性樹脂層を構成する熱可塑性樹脂と同じ樹脂であってもよいし、異なる樹脂であってもよい。更に、異なる樹脂である場合、熱可塑性樹脂層を構成する熱可塑性樹脂と成分樹脂(例えば、ポリアミド、ポリオレフィン等)が共通した結着樹脂(共通した成分樹脂を有する結着樹脂)でもよいし、共通する成分樹脂を有さない結着樹脂であってもよい。
繊維集合層12が、結着樹脂を含まないものである場合、本繊維強化樹脂材料1では、隣接された熱可塑性樹脂層11が繊維集合層12内に含浸されたものとすることができる。熱可塑性樹脂層11の含浸により、繊維集合層12と熱可塑性樹脂層11とが強固に一体化され、本繊維強化樹脂材料1の機械特性をより向上させることができる。とりわけ、連続繊維121の表面には、熱可塑性樹脂粒子122が付着されているため、熱可塑性樹脂層11との親和性に優れる。そのため、熱可塑性樹脂層11を溶融流動させて含浸させると、熱可塑性樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂が繊維集合層12内により侵入し易くすることができる。
尚、繊維集合層12内に熱可塑性樹脂層11が含浸された場合、本繊維強化樹脂材料1では、結果的に、熱可塑性樹脂が含浸された繊維集合層12と、含浸されずに残存された熱可塑性樹脂層11と、が交互に位置した積層構造が得られることになるが、この積層構造も結果的に、繊維集合層12と熱可塑性樹脂層11とが交互に位置した積層構造といえる。
上記「連続繊維(121)」(図2参照)は、繊維集合層12及びその構成繊維である。繊維集合層12及びその構成繊維である連続繊維121は、繊維強化樹脂材料1内において補強材となる。繊維集合層12は、連続繊維121が集合されて形成される。連続繊維121は、繊維長が長い(長繊維)ことを意味する。具体的には、連続繊維121の繊維長は15mm以上とすることができる。繊維長が15mm以上であることにより、連続繊維同士の交差を増大させることができるため、繊維集合層12の引裂き強度を高めることができる。更に、繊維長は50mm以上が好ましく、100mm以上がより好ましく、500mm以上が更に好ましい。最大繊維長は限定されないが、例えば、本繊維強化樹脂材料からなる構造体では、その一端から他端まで一連に連続された繊維を含むことができる。この場合、最大繊維長は、例えば、1×10mm以下とすることができる。
尚、繊維集合層は、連続繊維以外に、繊維長が短い非連続繊維(短繊維)を含むことができる。非連続繊維を含む場合のその含有量限定されないが、例えば、繊維集合層を構成する繊維全体を100質量%とした場合に、50質量%未満が好ましく、25質量%以下がより好ましく、5質量%以下が特に好ましい。また、非連続繊維の繊維長は限定されないが、15mm未満とすることができる。
また、繊維集合層12内において、どのように集合されていてもよい。即ち、例えば、連続繊維は引き揃えられることによって集合されていてもよいし、織布のように製織されて集合されていてもよいし、編布のように製編されて集合されていてもよいし、不織布のように製織されずに集合されていてもよい。また、繊維集合層は、連続繊維が層状に配置された連続繊維層の1層のみからなってよいし、2層以上の連続繊維層から構成されてもよい。
繊維集合層12の層厚は限定されないが、例えば、0.01μm以上5000μm以下とすることができ、0.1μm以上1000μm以下とすることができ、1μm以上500μm以下とすることができ、5μm以上250μm以下とすることができる。繊維集合層の目付は限定されないが、例えば、0.1g/m以上100000g/m以下とすることができる。
尚、繊維集合層12の層厚は、走査型電子顕微鏡観察で測定できる。より具体的には、繊維強化樹脂材料の積層方向の断面を拡大した静止画像内において、任意の10ヶ所の厚さを実測し、その平均値を当該層厚とすることができる。
連続繊維121を構成する材料は限定されず、無機材料を用いてもよく、有機材料を用いてもよく、これらを併用してもよい。
無機繊維としては、炭素繊維、活性炭繊維、ガラス繊維、セラミック繊維(ケイ酸塩、チタン酸塩、アルミナ等)、金属繊維、ボロン繊維などが挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
有機繊維としては、天然繊維、合成繊維等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。このうち、合成繊維としては、合成樹脂を繊維形状に賦形した繊維が挙げられる。このような合成樹脂製繊維としては、ポリアミド樹脂繊維(脂肪族ポリアミド(ナイロン繊維など)、芳香族ポリアミド(アラミド繊維、商品名「ケブラー」など)等)、ポリエステル樹脂繊維(脂肪族ポリエステル、芳香族ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリエチレンナフタレート繊維など)等)、ポリオレフィン樹脂繊維(高分子量ポリオレフィン(商品名「ダイニーマ」など)等)、ポリベンズアゾール樹脂繊維(ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維(商品名「ザイロン」など)等)が挙げられる。
また、連続繊維121は、より高い引張強さを有する繊維であることが好ましく、例えば、JIS L1015による引張強さにおいて7cN/dtex以上(通常50cN/dtex)を有する繊維が好ましい。
更に、繊維の形態は限定されず、スパンヤーンであってもよく、フィラメントヤーンであってもよく、これらを併用してもよい。更に、モノフィラメントを用いてもよく、マルチフィラメントを用いてもよく、これらを併用してもよい。
本繊維強化樹脂材料では、上述のなかでも、特に炭素繊維を利用する場合にとりわけ優れた性能を有することができる。
炭素繊維の種類は限定されず、PAN(ポリアクリロニトリル)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
炭素繊維束(トウ)を構成する炭素繊維の本数は限定されず、例えば、1000本以上とすることができる。この本数は、更に、1000本以上50000本以下とすることができ、更に1500本以上40000本以下とすることができ、更に2000本以上30000本以下とすることができる。
炭素繊維の太さは限定されないが、例えば、平均直径を1000nm以上30000nm以下、更には1000nm以上10000nm以下とすることができる。
尚、炭素繊維の表面には、サイジング剤が付着されていてもよいが、熱可塑性樹脂粒子の付着性を向上させる観点からは、サイジング剤は付着されていないことが好ましい。炭素繊維の表面にサイジング剤が付着されている場合、サイジング除去剤(例えば、アセトン、2-ブタノン(メチルエチルケトン)、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、ジクロロエタン等)を用いて除去することが好ましい。
上記「熱可塑性樹脂粒子(122)」(以下、単に「樹脂粒子」ともいう、図2参照)は、繊維集合層12を構成する連続繊維121の表面に付着された粒子である。繊維表面に樹脂粒子122が付着されることで、熱可塑性樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂との親和性を向上させることができる。即ち、繊維集合層12と熱可塑性樹脂層11との一体化をより強固にすることができ、これらの異材料間における破壊起点を低減させることができる。これにより、熱可塑性樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂として、伸度の高い樹脂を利用する場合に、高伸度な熱可塑性樹脂と連続繊維121との界面離間をより効果的に低減することができ、樹脂の高伸度性な性質をより高度に活用することができる。
連続繊維121に対する樹脂粒子122の付着はどのような方法を用いてもよいが、例えば、連続繊維121が電気導電性の繊維、特に炭素繊維である場合には、特開2017-82060号公報の開示及び国際公開2017-150702号パンフレットの開示を用いて行うことができる。即ち、例えば、(1)樹脂粒子、非イオン性界面活性剤、電解質及び水を含有するコロイド溶液、又は、(2)樹脂粒子、ラジカル重合開始剤、及び水を含有するコロイド溶液に、連続繊維を浸漬しつつ、連続繊維を正極又は負極として電圧を印加して電気泳動を行うことにより、連続繊維に樹脂粒子を付着させることができる。
樹脂粒子122の大きさは限定されないが、平均粒径として、例えば、0.02μm以上0.5μm以下とすることができる。更に、連続繊維121への吸着性向上の観点から、0.02μm以上5μm以下とすることができ、0.02μm以上1μm以下とすることができ、0.02μm以上0.5μm以下とすることができる。
そして、樹脂粒子122は、例えば、炭素繊維表面の30~100面積%、更には60~99面積%に付着させることができる。
尚、樹脂粒子122の平均粒径は、走査型電子顕微鏡観察で測定できる。より具体的には、走査型電子顕微鏡を用いて拡大した静止画像内において、連続繊維121に付着している任意の20個の樹脂粒子の最大径を実測し、その平均値を当該平均粒径とすることができる。
連続繊維121に付着された樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂の種類は限定されず、どのような熱可塑性樹脂を用いてもよい。この熱可塑性樹脂としては、後述する熱可塑性樹脂層を構成する熱可塑性樹脂として例示するものを同様に利用できる。但し、樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂と、熱可塑性樹脂層を構成する熱可塑性樹脂と、は同じであってもよく、異なってもよい。
また、異なる場合、両者は親和性を有してもよく、親和性を有さなくてもよいが、より高い親和性を有することが、本繊維強化樹脂材料の機械特性向上の観点から好ましい。具体的には、樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂と、熱可塑性樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂と、が同種の熱可塑性樹脂であるか、又は、成分樹脂として同種の樹脂を含むことが好ましい。同種の熱可塑性樹脂である場合としては、ポリアミド同士である場合、ポリオレフィン同士である場合、ポリエステル同士である場合等が挙げられる。また、成分樹脂として同種の樹脂を含む場合としては、熱可塑性樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂がポリオレフィンとポリアミドとこれらに対する相容化剤との溶融混錬物である場合に、樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン及び/又はポリアミドを含む場合が挙げられる。
上記「熱可塑性樹脂層(11)」(以下、単に「樹脂層」ともいう、図1参照)は、当該層を構成する樹脂分が熱可塑性樹脂の層である。樹脂層は、樹脂分のみからなってもよいが、樹脂分以外にフィラー等の他成分を含有できる。他成分については後述する。
樹脂層11の厚さは限定されないが、5000μm以下であることが好ましい。樹脂層11は、繊維集合層12間に位置する層であり、繊維補強されない層である。このため、層厚は小さい方が好ましい。樹脂層11の層厚が小さいことで、本繊維強化樹脂材料1における繊維含有率を大きくでき、機械特性を向上させることができる。具体的には、0.1μm以上2000μm以下とすることができ、0.2μm以上500μm以下とすることができ、0.3μm以上250μm以下とすることができ、0.4μm以上190μm以下とすることができる。
尚、樹脂層11の層厚は、走査型電子顕微鏡観察で測定できる。より具体的には、繊維強化樹脂材料の積層方向の断面を拡大した静止画像内において、任意の10ヶ所の厚さを実測し、その平均値を当該層厚とすることができる。
樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂の種類は限定されず、例えば、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリカーボネート、アクリル樹脂、フッ素含有熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、更には、これらの熱可塑性樹脂の2種以上を含む樹脂アロイ(複合樹脂)が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
上述のうち、ポリアミド(以下、単に「PA」と略記することがある)の種類は限定されないが、例えば、PA6、PA66、PA11、PA610、PA612、PA614、PA12、PA6T、PA6I、PA9T、PAM5T、PA1010、PA1012、PA10T、PAMXD6、PA6T/66、PA6T/6I、PA6T/6I/66、PA6T/2M-5T、PA9T/2M-8T等が挙げられる。これらのポリアミドは、1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
また、本繊維強化樹脂材料では、汎用性、耐衝撃性、加工性等の観点からは、上述の各ポリアミドのなかでも、PA6、PA66等を選択できる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。また、環境性(カーボンニュートラル)及び持続可能性の観点からは、上述の各ポリアミドのなかでも、植物由来ポリアミド(植物由来の単量体を用いたポリアミド)を選択できる。植物由来ポリアミドとしては、PA11、PA610、PA612、PA614、PA1010、PA1012、PA10T等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
ポリアミドの分子量は限定されず、例えば、5,000以上100,000以下とすることができ、7,500以上50,000以下が好ましく、10,000以上50,000以下がより好ましい。尚、この分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算の重量平均分子量である。
上述のうち、ポリオレフィン(以下、単に「PO」と略記することがある)の種類は限定されず、POには、オレフィンの単独重合体(ホモポリマー)及び/又はオレフィンの共重合体(コポリマー)が含まれる。また、POを構成するオレフィンは限定されず、エチレン、プロピレン、1-ブテン、3-メチル-1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、1-オクテン等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。即ち、ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1-ブテン、ポリ1-ヘキセン、ポリ4-メチル-1-ペンテン等が挙げられる。これら重合体は1種のみで用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記のうち、ポリエチレンには、エチレン単独重合体、及び、エチレンと他のオレフィンとの共重合体が含まれる。このうち、エチレン・1-ブテン共重合体、エチレン・1-へキセン共重合体、エチレン・1-オクテン共重合体、エチレン・4-メチル-1-ペンテン共重合体等が挙げられる(但し、全構成単位数のうちの50%以上がエチレンに由来する)。
また、ポリプロピレンには、プロピレン単独重合体、及び、プロピレンと他のオレフィンとの共重合体が含まれる。このうち、プロピレンと他のオレフィンとの共重合体を構成する、他のオレフィンとしては、前述の各種オレフィン(但し、プロピレンを除く)が挙げられる。また、プロピレンと他のオレフィンとの共重合体は、ランダム共重合体であってもよく、ブロック共重合体であってもよい。尚、プロピレンと他のオレフィンとの共重合体は、全構成単位数のうちの50%以上がプロピレンに由来する。
尚、ここでいうPOは、PAに対して親和性を有さないPOであり、且つ、PAに対して反応し得る反応性基を有さないPOである。この点において、PA及びPOに対する相容化剤と異なる。
また、POの分子量は限定されず、例えば、10000以上700000以下とすることができ、100000以上600000以下とすることができ、200000以上550000以下とすることができる。
この分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算の重量平均分子量である。また、ポリオレフィンとしてホモポリマーを用いる場合、重量平均分子量の値は、各々数平均分子量の値へ読み換えることができる。
上述のうち、ポリエステルとしては、例えば、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等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。上述のうち、アクリル樹脂としては、例えば、PMMA、ABS、AS等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。上述のうち、フッ素含有熱可塑性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
上述のうち、2種以上の熱可塑性樹脂を含んだ樹脂アロイは限定されず、どのような熱可塑性樹脂の組合せであってもよいが、耐衝撃性、伸度、加工性の観点から、ポリアミドとポリオレフィンとを含んだ複合樹脂(熱可塑性樹脂)を選択できる。ポリアミドとポリオレフィンとを含んだ複合樹脂は、(1)特開2013-147646号公報に開示された複合樹脂、(2)国際公開2018-021569号パンフレットに開示された複合樹脂、(3)特開2018-123284号公報に開示された複合樹脂を用いることができる。
より詳しくは、上記(1)特開2013-147646号公報に開示された複合樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、及び相容化剤を溶融混練してなり、ポリアミド樹脂は、PA11、PA610、PA614、PA1010及びPA10Tのうちの少なくとも一種の植物由来ポリアミド樹脂であり、相容化剤は、酸変性されたオレフィン系熱可塑性エラストマーであり、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂及び相容化剤の合計100質量%に対して、ポリアミド樹脂の含有量が1質量%以上80質量%以下であり、ポリオレフィン樹脂の含有量が5質量%以上75質量%以下であり、相容化剤の含有量が1質量%以上30質量%以下である熱可塑性樹脂である。
また、上記(2)国際公開2018-021569号パンフレットに開示された複合樹脂は、ポリオレフィン樹脂と、ポリアミド樹脂と、ポリアミド樹脂に対する反応性基を有する変性エラストマー(即ち、相容化剤)と、を配合してなる熱可塑性樹脂組成物であって、ポリオレフィン樹脂は、数平均分子量が350000以上であり、ポリアミド樹脂は、主鎖中の隣り合ったアミド結合同士に挟まれた炭化水素基の直鎖炭素数が5以下である構造を有する熱可塑性樹脂である。
更に、上記(3)特開2018-123284号公報に開示された複合樹脂は、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、及び、ポリアミド樹脂に対する反応性基を有する変性エラストマー(相容化剤)を配合してなる熱可塑性樹脂である。
これらの複合樹脂で用いるポリアミドとしては、前述したポリアミドを利用できる。また、これらの複合樹脂で用いるポリオレフィンとしては、前述したポリオレフィンを利用できる。更に、これらの複合樹脂で用いる相容化剤としては、下記に示す相容化剤を利用できる。
相容化剤は、ポリアミド樹脂に対する反応性基を有した変性エラストマーである。この変性エラストマーは、更に、ポリアミドに対しては、上述の反応性基を利用して親和性を示すと同時に、別途、ポリオレフィンに対しても親和性を示すエラストマーであることが好ましい。即ち、変性エラストマーは、ポリアミドに対する反応性基を有し、ポリオレフィン及びポリアミドの双方に対して相容性を有する相容化剤であることが好ましい。
尚、変性エラストマーは、複合樹脂内において、未反応の変性エラストマーとして含まれてもよく、ポリアミドとの反応物として含まれてもよく、これらの両方の形態で含まれてもよい。
相容化剤が有する反応性基としては、酸無水物基(-CO-O-OC-)、カルボキシル基(-COOH)、エポキシ基{-CO(2つの炭素原子と1つの酸素原子とからなる三員環構造)}、オキサゾリン基(-CNO)及びイソシアネート基(-NCO)等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
反応性基は、変性前のエラストマー(未変性エラストマー)に対して、変性により導入することができる。具体的には、エラストマーの酸変性物、エラストマーのエポキシ変性物、及び、エラストマーのオキサゾリン変性物等が挙げられる。これらのなかでも、エラストマーの酸変性物が好ましく、更には、酸無水物又はカルボン酸によるエラストマーの変性物であることがより好ましい。
変性エラストマーは、分子の側鎖又は末端に、酸無水物基又はカルボキシル基を有することが特に好ましい。酸変性量は特に限定されず、例えば、1分子の変性エラストマーに含まれる酸無水物基又はカルボキシル基の数は、1以上であることが好ましく、より好ましくは2以上50以下、更に好ましくは3以上30以下、特に好ましくは5以上20以下である。
これらの変性エラストマーは、1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
変性前のエラストマーとしては、例えば、オレフィン系エラストマーやスチレン系エラストマー等が挙げられる。ポリレフィンに対する相容性の観点から、特に、オレフィン系エラストマーが好ましい。
オレフィン系エラストマーとしては、炭素数が3~8のα-オレフィンに由来する構造単位を含むα-オレフィン系共重合体であることが好ましく、エチレン・α-オレフィン共重合体、α-オレフィン共重合体、α-オレフィン・非共役ジエン共重合体、又は、エチレン・α-オレフィン・非共役ジエン共重合体とすることができる。これらのうち、エチレン・α-オレフィン共重合体、α-オレフィン共重合体、及びエチレン・α-オレフィン・非共役ジエン共重合体が特に好ましい。
尚、非共役ジエンとしては、1,4-ペンタジエン、1,4-ヘキサジエン、1,5-ヘキサジエン、1,6-ヘキサジエン等の直鎖の非環状ジエン化合物;5-メチル-1,4-ヘキサジエン、3,7-ジメチル-1,6-オクタジエン、5,7-ジメチルオクタ-1,6-ジエン、3,7-ジメチル-1,7-オクタジエン、7-メチルオクタ-1,6-ジエン、ジヒドロミルセン等の分岐連鎖の非環状ジエン化合物;テトラヒドロインデン、メチルテトラヒドロインデン、ジシクロペンタジエン、ビシクロ[2.2.1]-ヘプタ-2,5-ジエン、5-メチレン-2-ノルボルネン、5-エチリデン-2-ノルボルネン、5-プロペニル-2-ノルボルネン、5-イソプロピリデン-2-ノルボルネン、5-シクロヘキシリデン-2-ノルボルネン、5-ビニル-2-ノルボルネン等の脂環式ジエン化合物等が挙げられる。
具体的なオレフィンエラストマーとしては、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・1-ブテン共重合体、エチレン・1-ペンテン共重合体、エチレン・1-ヘキセン共重合体、エチレン・1-オクテン共重合体、プロピレン・1-ブテン共重合体、プロピレン・1-ペンテン共重合体、プロピレン・1-ヘキセン共重合体、プロピレン・1-オクテン共重合体等が挙げられる。これらのうち、エチレン・プロピレン共重合体、エチレン・1-ブテン共重合体及びエチレン・1-オクテン共重合体が好ましい。
また、スチレン系エラストマー(即ち、スチレン骨格を有するスチレン系熱可塑性エラストマー)としては、芳香族ビニル化合物と、共役ジエン化合物とのブロック共重合体及びその水素添加物が挙げられる。
芳香族ビニル化合物としては、スチレン、α-メチルスチレン、p-メチルスチレン、p-tert-ブチルスチレン等のアルキルスチレン;p-メトキシスチレン、ビニルナフタレン等が挙げられる。
また、共役ジエン化合物としては、ブタジエン、イソプレン、1,3-ペンタジエン、メチルペンタジエン、フェニルブタジエン、3,4-ジメチル-1,3-ヘキサジエン、4,5-ジエチル-1,3-オクタジエン等が挙げられる。
具体的なスチレン系エラストマーとしては、スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体(SBS)、スチレン・イソプレン・スチレン共重合体(SIS)、スチレン・エチレン/ブチレン・スチレン共重合体(SEBS)、スチレン・エチレン/プロピレン・スチレン共重合体(SEPS)等が挙げられる。
酸変性用の酸無水物としては、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水シトラコン酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ブテニル無水コハク酸等が挙げられる。これらのうち、無水マレイン酸、無水フタル酸及び無水イタコン酸が好ましい。
また、カルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸等が挙げられる。
複合樹脂における相容化剤としては、上述の各種変性エラストマーのなかでも、酸無水物変性されたエラストマーが好ましく、特に無水マレイン酸変性されたエラストマーが好ましく、更には、炭素数が3~8のα-オレフィンに由来する構造単位を含むα-オレフィン系共重合体の酸変性物が好ましい。具体的には、エチレン若しくはプロピレンと炭素数3~8のα-オレフィンとの共重合体を骨格としたオレフィン系熱可塑性エラストマーが好ましく、より具体的には、無水マレイン酸変性エチレン・プロピレン共重合体、無水マレイン酸変性エチレン・1-ブテン共重合体、無水マレイン酸変性エチレン・1-ヘキセン共重合体及び無水マレイン酸変性エチレン・1-オクテン共重合体等の、無水マレイン酸により変性されたエラストマーが好ましい。具体的には、三井化学株式会社製のα-オレフィンコポリマー「タフマーシリーズ」(商品名)やダウケミカル社製の「AMPLIFYシリーズ」(商品名)等を用いることができる。
変性エラストマーの分子量は特に限定されないが、例えば、10000以上500000以下とすることができ、20000以上500000以下が好ましく、30000以上300000以下がより好ましい。
尚、変性エラストマーの分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算の重量平均分子量である。
また、樹脂層11は、上述した熱可塑性樹脂以外にも、必要に応じて他成分を含有できる。他成分としては、各種添加剤が挙げられる。即ち、例えば、造核剤、酸化防止剤、熱安定剤、耐候剤、光安定剤、可塑剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、難燃剤、スリップ剤、アンチブロッキング剤、防曇剤、滑剤、顔料、染料、分散剤、銅害防止剤、中和剤、気泡防止剤、ウェルド強度改良剤、天然油、合成油、ワックス等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
造核剤及び補強フィラーとしては、タルク、シリカ、クレー、モンモリロナイト、カオリン等のケイ酸塩;炭酸カルシウム、炭酸リチウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩;アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛等の金属酸化物;アルミニウム、鉄、銀、銅等の金属;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の水酸化物;硫酸バリウム等の硫化物;木炭、竹炭等の炭化物;チタン酸カリウム、チタン酸バリウム等のチタン化物;セルロースミクロフィブリル、酢酸セルロース等のセルロース類;フラーレン等のカーボン類等が挙げられる。
酸化防止剤としては、フェノール系化合物、有機ホスファイト系化合物、チオエーテル系化合物等が挙げられる。
熱安定剤としては、ヒンダードアミン系化合物等が挙げられる。
紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン系化合物、ベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾエート系化合物等が挙げられる。
帯電防止剤としては、ノニオン系化合物、カチオン系化合物、アニオン系化合物等が挙げられる。
難燃剤としては、ハロゲン系化合物、リン系化合物(窒素含有リン酸塩化合物、リン酸エステル等)、窒素系化合物(グアニジン、トリアジン、メラミン又はこれらの誘導体等)、無機化合物(金属水酸化物等)、ホウ素系化合物、シリコーン系化合物、硫黄系化合物、赤リン系化合物等が挙げられる。
難燃助剤としては、アンチモン化合物、亜鉛化合物、ビスマス化合物、水酸化マグネシウム、粘土質珪酸塩等が挙げられる。
上記「積層構造」は、繊維集合層12と樹脂層11とが交互に位置した構造である。この積層構造は、本繊維強化樹脂材料1の製造時には、繊維集合層12となる連続繊維のシート状物12’と、熱可塑性樹脂層11となる樹脂シート11’と、を交互に積層することによって形成される。より具体的には、例えば、交互に積層したこれらのシートの積層物1’を、その積層方向へ加熱及び加圧を行い、積層物1’を圧縮し、シート同士を一体化させることで、本繊維強化樹脂材料1を得ることができる。このような操作により、熱可塑性樹脂と繊維集合層12とが強固に一体化されて、全体として1層化された繊維強化樹脂材料1を得ることができる。
即ち、例えば、繊維集合層12が、結着樹脂を含まないものである場合、上述の操作を行うと、樹脂層11は、繊維集合層12内に含浸されることとなる。そして、樹脂層11が繊維集合層12内に含浸されると、本繊維強化樹脂材料1には、結果的に、熱可塑性樹脂が含浸された繊維集合層12と、繊維集合層12内へは含浸されず、2つの繊維集合層12間に残存された熱可塑性樹脂からなる樹脂層11と、が交互に位置した積層構造が形成されることとなる。
一方、繊維集合層12が、結着樹脂を含むものである場合、繊維集合層12内への樹脂層の含浸はより少なくなるか、或は、含浸されないことになる。即ち、上述の操作を行うと、樹脂層11は、繊維集合層12内に含浸されず又は軽度に含浸されることとなる。結果的に、熱可塑性樹脂が軽度に含浸された又は含浸されていない繊維集合層12と、繊維集合層12内へは含浸されず、2つの繊維集合層間に残存された熱可塑性樹脂からなる樹脂層11と、が交互に位置した積層構造が形成されることとなる。
本繊維強化樹脂材料内における各層の層厚は前述の通りである。また、積層構造が有する層数は限定されないが、例えば、2層以上100000層以下とすることができ、3層以上10000層以下とすることができ、4層以上1000層以下とすることができ、5層以上100層以下とすることができる。
尚、本繊維強化樹脂材料は、上述の積層構造のみからなってもよいが、非積層構造を含んでもよい。非積層構造は、例えば、樹脂層の10倍以上の厚さを有する熱可塑性樹脂のみからなる部位等が挙げられる。しかしながら、本繊維強化樹脂材料は、積層構造のみからなることによって、より優れた機械特性を発揮できると考えられる。
また、本繊維強化樹脂材料は、一面側1bが他面側1aより高伸度である。このように一面側1bと他面側1aとの伸度が異なるのは、本繊維強化樹脂材料1が積層構造を有するためといえる。即ち、積層構造を有するため、各層に構成差を与えることができ、結果として、一面側1bと他面側1aとの伸度を異ならせることができる。
そして、積層構造において、伸度が大きい層域は、軟質であり、最大強度が相対的に小さくなる。その反対に、伸度が小さい層域は、硬質であり、最大強度が相対的に大きくなる。このため、相対的に伸度が高い層域を一面側1bに配し、相対的に伸度が低い層域を他面側1aに配すると、一面側1bが他面側1aより高伸度になり、最大応力到達後に徐々に応力が低下するという機械特性を付与できる。即ち、繊維強化樹脂材料1に対して靭性を付与できると考えられる。
また、この最大応力到達後に徐々に応力が低下するという機械特性は、本繊維強化樹脂材料1において、一面側1bが他面側1aより高伸度であるという特性を傾斜して有する場合に特に優れる。傾斜して有するとは、即ち、一面側1bから他面側1aへ向かって伸度が概略「大→小」と並んでいることを意味する。より具体的には、「大→大→小」でもよいし、「大→小→小」でもよいし、「大→大→小→小」、「大→大→大→小」、「大→小→小→小」等であってもよく、更には、「大→中→小」でもよいし、「大→中→小→小」、「大→大→中→小」、「大→中→小→小」等であってもよい。いずれにしても、一面側1aから他面側1bへ向かって伸度が次第に減少する形態であればよい。
尚、本繊維強化樹脂材料1では、例えば、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂の種類によって伸度を変化させる場合、繊維集合層12と樹脂層11とが交互に位置するため、例えば、一面側1bから他面側1aへ向かって、層毎に伸度を測定すると「小(繊維集合層)→大(樹脂層)→小(繊維集合層)→中(樹脂層)→小(繊維集合層)→....」等のような並びになり得る。これは繊維集合層12の方が、樹脂層11よりも伸度が低くなるからであるが、このような並びであっても、変化主体である樹脂層11の伸度は変遷して減少されているため、傾斜しているといえる。
このように、本繊維強化樹脂材料1において、一面側1bが他面側1aより高伸度にする、換言すれば、一面側1bに伸度が大きい層域を配し、他面側1aに伸度が小さい層域を配する構成は限定されず、どのような構成によって形成してもよい。例えば、下記(1)及び(2)のようにして形成できる。これら(1)及び(2)以外の他の構成で形成してもよく、これらの伸度を異ならせる構成は1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
(1)一面側1bに位置する熱可塑性樹脂層11と、他面側1aに位置する熱可塑性樹脂層11とが異なることによって、一面側1aと他面側1bとの伸度を異ならせることができる(図1a参照)。
(2)一面側1bの繊維含有率と、他面側1aの繊維含有率とが異なることによって、一面側1bと他面側1aとの伸度を異ならせることができる(図1b参照)。
上述のうち、(1)一面側1bに位置する熱可塑性樹脂層11と、他面側1aに位置する熱可塑性樹脂層1aとが異なるという構成を用いて、一面側1bの伸度を、他面側1aの伸度より大きくするには、相対的に伸度が大きい熱可塑性樹脂を一面側1bに配し、相対的に伸度が小さい熱可塑性樹脂を他面側1aに配することで実現できる。
更に具体的に示せば、前述した熱可塑性樹脂のうち、一面側1bに位置する熱可塑性樹脂として、ポリアミドとポリオレフィンとの複合樹脂(ポリアミドと比較して高伸度である)を利用し、他面側1aに位置する熱可塑性樹脂として、ポリアミド(複合樹脂と比較して高強度である)を利用することで実現できる。
また、この組み合わせでは、複合樹脂はポリアミドを含有ことから、ポリアミドとの優れた親和性を発揮できる。このため、これら2種の熱可塑性樹脂を利用しても、両者が接する境界域における剥離を抑制できると考えられる。加えて、連続繊維121に付着される樹脂粒子122として、例えば、ポリアミド粒子を選択した場合、連続繊維121と複合樹脂との親和性を向上させ、連続繊維121とポリアミドとの親和性を向上させることができる。
即ち、上述の構成であれば、繊維集合層12と樹脂層11(複合樹脂を用いた樹脂層と、ポリアミドを用いた樹脂層)とを強固に結合させることができるとともに、複合樹脂を用いた樹脂層11と、ポリアミドを用いた樹脂層11とも、強固に結合させることができ、得られる本繊維強化樹脂材料1の一体性を向上させることができる。これにより、複数の異なる材料から構成されながらも、全体として一体の材料として機能させることができる。そのうえで、一面側1bが他面側1aより高伸度であることにより、優れた靭性を発揮させることができる。
上述のうち、(2)一面側1bの繊維含有率と、他面側1aの繊維含有率とが異なるという構成を用いて、一面側1bの伸度を、他面側1aの伸度より大きくするには、相対的に繊維含有率が低い繊維集合層12を一面側1bに配し、相対的に繊維含有率が高い繊維集合層12を他面側1aに配することで実現できる。
このような繊維含有率が低い繊維集合層は、熱可塑性樹脂内に含まれる連続繊維量が相対的に少ない(密度が低い)繊維集合層であるため、熱可塑性樹脂の性質がより強く発現される層となる。即ち、連続繊維の量が少ないことで、伸度が高い繊維集合層となる。一方、繊維含有率が高い繊維集合層は、熱可塑性樹脂内に含まれる連続繊維量が相対的に多い(密度が高い)繊維集合層であるため、熱可塑性樹脂の性質がより発現され難い層となる。即ち、連続繊維の量が多いことで、伸度が低い繊維集合層となる。
また、上記(2)の構成の場合、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂は限定されない。例えば、連続繊維121に付着される樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂をポリオレフィンとし、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂を同様に、ポリオレフィンとすることで両者の親和性を向上させることができる。また、連続繊維121に付着される樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂をポリアミドとし、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂を同様に、ポリアミドとすることで両者の親和性を向上させることができる。更に、連続繊維121に付着される樹脂粒子122を構成する熱可塑性樹脂をポリアミドとし、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂をポリアミドとポリオレフィンとの複合樹脂とすることで両者の親和性を向上させることができる。
これら上述の構成であれば、繊維集合層12と樹脂層11とを強固に結合させることができ、得られる本繊維強化樹脂材料1の一体性を向上させることができる。これにより、複数の異なる材料から構成されながらも、全体として一体の材料として機能させることができる。そのうえで、一面側1bが他面側1aより高伸度であることにより、優れた靭性を発揮させることができる。
尚、本繊維強化樹脂材料において、一面側1bが他面側1aより高伸度であることは、本繊維強化樹脂材料1を、その厚さ中央において、2層に分割し、一面側層と他面側層との同じ厚さにおける破断伸度を測定することで判定される。また、破断伸度は、オートグラフを用いて、一面側層と他面側層との試験片厚さ及び試験片長さを同じにし、同じ引張速度で引張試験を行い、試験片の破断点の伸度として測定される。
また、例えば、上記(1)の構成により、物性傾斜を有する繊維強化樹脂材料を形成する場合であって、樹脂層11に用いる熱可塑性樹脂として、ポリアミドとポリオレフィンとの複合樹脂とポリアミドとの2種を利用する場合、複合樹脂を用いた樹脂層とポリアミドを用いた樹脂層との界面はより少ない方が好ましい。このような観点からは、複合樹脂を用いた樹脂層11と繊維集合層12とを交互に積層した積層部21と、ポリアミドを用いた樹脂層11と繊維集合層12とを交互に積層した積層部22と、の2つの積層部21、22が一体化された2層構造の繊維強化樹脂材料1とすることができる。
このような繊維強化樹脂材料1では、一面側1bを他面側1aよりも高伸度にしつつ、伸度の傾斜を実現できる。加えて、異なる熱可塑性樹脂同士が接する界面を実質1つの界面にまで軽減することができる。このため、特に優れた機械特性を得ることができる。具体的には顕著に高い曲げ応力と曲げ弾性率とを並立させることができる。更には、顕著に高い曲げ応力と曲げ弾性率と破壊歪とを並立させることができる。
上述した2つの積層部21、22が一体化された2層構造の繊維強化樹脂材料1は、一面側1bの積層部21が、他面側1aの積層部22よりも高伸度となる。これら2つの積層部21、22は、互いに同じ厚さであってもよく、異なる厚さであってもよいが、異なる場合により高い曲げ応力を実現できる。更には、一面側1bの積層部21の厚さが、他面側1aの積層部22の厚さよりも厚い場合により高い曲げ応力を実現できる。より具体的には、一面側1bの積層部21の厚さをD(mm)とし、他面側1aの積層部22の厚さをD(mm)とした場合に、0.5<D/D<1.0の範囲において、特に優れた曲げ応力を実現できる。この厚さ比は、更に、0.55≦D/D≦0.95が好ましく、0.60≦D/D≦0.90がより好ましく、0.65≦D/D≦0.85が更に好ましい。
尚、本繊維強化樹脂材料は、繊維集合層12、樹脂層11及び積層構造以外の他層を有さなくてもよいし、有してもよい。他層としては、意匠層、接合層(他材料との接合に利用される層)等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく2種以上を併用してもよい。
本繊維強化樹脂材料1の使用態様は限定されず、例えば、一面側1b(相対的に高伸度な側)及び他面側1a(相対的に低伸度な側)のうちのいずれの側を衝撃入力サイドとして利用してもよい。これらのうちでは、他面側1a(相対的に低伸度な側)を衝撃入力サイドとして利用することにより、一面側1b(相対的に高伸度な側)を衝撃入力サイドとして利用する場合と比較して、飛躍的に高い機械特性を発揮させることができる。とりわけ、顕著に高い靭性を発揮させることができる。具体的には、一面側1b(相対的に高伸度な側)を衝撃入力サイドとして利用した場合の曲げ応力に対して、他面側1a(相対的に低伸度な側)を衝撃入力サイドとして利用した場合の曲げ弾性率は維持しつつ、曲げ応力を150%以上(更に175%以上300%以下、更に200%以上260%以下)向上させることが可能である。
また、本繊維強化樹脂材料の形状及び大きさ等が限定されず、必要に応じて適宜の形状及び大きさにすることができる。
例えば、後述する実施例にも示す通り、本繊維強化樹脂材料として、連続繊維121として炭素繊維を選択し、樹脂粒子122としてポリアミドを選択し、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂として、前述した複合樹脂とポリアミド(特にポリアミド6)とを選択し、複合樹脂からなる厚さ10~250μmの樹脂シート(211)6層と、ポリアミドからなる厚さ50~150μmの樹脂シート(221)6層と、炭素繊維である連続繊維121からなるシート状物212、222と、を用いて、炭素繊維含有率が20~60体積%となる積層構造を有する繊維強化樹脂材料1を得た場合、曲げ応力300MPa以上(更に350MPa以上650MPa以下、更に450MPa以上600MPa以下)、曲げ弾性率30GPa以上(更に35GPa以上65GPa以下、更に40GPa以上55GPa以下)、破壊歪3mm%以上(更に3.5mm%以上6.0mm%以下、更に3.8mm%以上5.7mm%以下)の繊維強化樹脂材料を得ることができる。
尚、複合樹脂としては、(1)植物由来PAと相容化剤(特に酸変性オレフィン系エラストマー)との溶融混錬物と、ポリオレフィンとの複合樹脂であって、POを母相とした相構造を有する複合樹脂を選択することができる。この複合樹脂では、植物由来PAとPOと相容化剤との合計を100質量%とした場合に、植物由来PAを10質量%以上40質量%以下(更には15質量%以上35質量%以下)、POを40質量%以上75質量%以下(更には45質量%以上70質量%以下)、相容化剤を5質量%以上35質量%以下(更には10質量%以上30質量%以下)で用いることができる。
また、(2)PA6と相容化剤(特に酸変性オレフィン系エラストマー)との溶融混錬物と、数平均分子量が350000以上(更には450000以上)のポリオレフィンとの複合樹脂を選択することができる。この複合樹脂では、PA6とPOと相容化剤との合計を100質量%とした場合に、PA6を15質量%以上65質量%以下(更には35質量%以上55質量%以下)、POを15質量%以上65質量%以下(更には20質量%以上45質量%以下)、相容化剤を5質量%以上35質量%以下(更には10質量%以上30質量%以下)で用いることができる。
更に、(3)PAと相容化剤(特に酸変性オレフィン系エラストマー)との溶融混錬物と、ポリオレフィンとの複合樹脂であって、PAを母相とした相とPOを母相とした相との両方が存在する共連続相構造を有する複合樹脂を選択することができる。この複合樹脂では、PAとPOと相容化剤との合計を100質量%とした場合に、PAを15質量%以上70質量%以下(更には35質量%以上65質量%以下)、POを15質量%以上65質量%以下(更には20質量%以上50質量%以下)、相容化剤を5質量%以上35質量%以下(更には7質量%以上30質量%以下)で用いることができる。
[2]繊維強化樹脂材料の製造方法
前述した繊維強化樹脂材料は、どのように製造してもよいが、積層工程と熱圧工程とを備える方法により製造することができる。
このうち、積層工程は、繊維集合層12となる連続繊維121のシート状物12’と、熱可塑性樹脂層11となる樹脂シート11’と、を積層構造が得られるように積層する工程である。
また、熱圧工程は、積層工程を経て得られた積層物1’を積層方向へ加熱圧縮する工程である(図3参照)。
上記「シート状物(12’)」は、繊維集合層12となるシート状のものであって、連続繊維121をシート状に集合したものである。連続繊維121については前述の通りであり、実質的には、繊維強化樹脂材料1となる前後において変化されない。また、シート状物12’において、連続繊維121は、どのように集合されていてもよい。即ち、例えば、連続繊維121は引き揃えられることによって集合されていてもよいし、織布のように製織されて集合されていてもよいし、編布のように製編されて集合されていてもよいし、不織布のように製織されずに集合されていてもよい。また、シート状物は、連続繊維が層状に配置された連続繊維層の1層のみからなってよいし、2層以上の連続繊維層から構成されてもよい。
上記「樹脂シート(11’)」は、熱可塑性樹脂層11の樹脂分である熱可塑性樹脂が含まれたシート状のものである。この樹脂シート11’を構成する熱可塑性樹脂については前述の通りであり、実質的には、繊維強化樹脂材料となる前後において変化されない。
積層工程において、シート状物12’と樹脂シート11’とは、目的とする積層構造が得られるように積層すればよい。但し、この積層時には、目的とする積層構造が1回の熱圧工程によって得られるよう積層してもよいが、2回以上の熱圧工程を介して得られるよう積層することもできる。即ち、例えば、一面側1bの積層構造を形成した第2積層物22’と、他面側1aの積層構造を形成した第1積層物21’と、形成し、これらの各々を別々に加熱圧縮して、第2積層構造22’と第1積層構造21’とを得たうえで、これらの更に積層したうえで、得られた積層物を加熱圧縮して、目的とする繊維強化樹脂材料1を得ることもできる。即ち、このように分割積層しながら、最終的に一体化させて繊維強化樹脂材料1を得ることができる。
また、各積層時には、熱圧工程以前にシート同士が離間されないように、シート同士を接着する接着剤等を介在させてもよいし、介在させなくてもよい。
また、熱圧工程で付与する加熱温度及び加圧圧力は限定されず、用いる熱可塑性樹脂の種類により適宜の範囲にすることができる。例えば、樹脂粒子122としてポリアミドを選択し、樹脂層11を構成する熱可塑性樹脂として、前述した複合樹脂とポリアミドとを選択する場合、加熱温度は、140℃以上270℃以下とすることができ、160℃以上260℃以下とすることができ、180℃以上250℃以下とすることができる。また、加圧圧力は、0MPaを超えて9.81MPa以下とすることができ、0MPaを超えて9.0MPa以下とすることができ、0MPaを超えて7.0MPa以下とすることができる。
また、1枚の繊維強化樹脂材料1を得るに際して、複数回の熱圧工程を課す場合には、各々工程における加熱温度及び加圧圧力は、同じであってもよく異なってもよい。
[3]繊維強化樹脂構造体
本発明の繊維強化樹脂構造体は、前述した繊維強化樹脂材料からなる。この繊維強化樹脂構造体は、繊維強化樹脂成形体といい換えることができる。
本繊維強化樹脂構造体の用途は特に限定されないが、例えば、自動車、鉄道車両、船舶及び飛行機等の外装材、内装材、構造材(ボディシェル、車体、航空機用胴体)及び衝撃吸収材等として用いることができる。これらのうち自動車用品としては、自動車用外装材、自動車用内装材、自動車用構造材、自動車用衝撃吸収材、エンジンルーム内部品等が挙げられる。
具体的には、バンパー、スポイラー、カウリング、フロントグリル、ガーニッシュ、ボンネット、トランクリッド、カウルルーバー、フェンダーパネル、ロッカーモール、ドアパネル、ルーフパネル、インストルメントパネル、センタークラスター、ドアトリム、クオータートリム、ルーフライニング、ピラーガーニッシュ、デッキトリム、トノボード、パッケージトレイ、ダッシュボード、コンソールボックス、キッキングプレート、スイッチベース、シートバックボード、シートフレーム、アームレスト、サンバイザ、インテークマニホールド、エンジンヘッドカバー、エンジンアンダーカバー、オイルフィルターハウジング、車載用電子部品(ECU、TVモニター等)のハウジング、エアフィルターボックス、ラッシュボックス等のエネルギー吸収体、フロントエンドモジュール等のボディシェル構成部品などが挙げられる。
更に、例えば、建築物及び家具等の内装材、外装材及び構造材等が挙げられる。即ち、ドア表装材、ドア構造材、各種家具(机、椅子、棚、箪笥等)の表装材、構造材、更には、ユニットバス、浄化槽などとすることができる。その他、包装体、収容体(トレイ等)、保護用部材及びパーティション部材等として用いることもできる。また、家電製品(薄型TV、冷蔵庫、洗濯機、掃除機、携帯電話、携帯ゲーム機、ノート型パソコン等)の筐体及び構造体などの成形体とすることもできる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
[1]使用材料について
(1-1)シート状物WPA6(PA6粒子)
連続繊維121としてPA6粒子が付着された炭素繊維を用いた。基炭素繊維として東邦テナックス社製の品名「HTS40」(24K)を用いた。この基炭素繊維の表面のサイジング材を除去した後、下記に示すコロイド液に浸漬して30秒間、30Vで電気泳動を行い、PA6粒子122が、基炭素繊維表面の約30~100面積%に付着された連続繊維121のシート状物WPA6(12’)を得た。
コロイド液:PA6粒子(平均粒径12μm)750mg、水75g、界面活性剤(ドデシル硫酸ナトリウム・SDS)400mg、塩化カリウム50mgを含んだ液体。
(1-2)シート状物WPMMA(PMMA粒子)
連続繊維121としてPMMA粒子が付着された炭素繊維を用いた。基炭素繊維として東邦テナックス社製の品名「HTS40」(24K)を用いた。この基炭素繊維の表面のサイジング材を除去した後、下記に示すコロイド液に浸漬して30秒間、30Vで電気泳動を行い、PMMA粒子122が、基炭素繊維表面の約30~100面積%に付着された連続繊維121のシート状物WPMMA(12’)を得た。
コロイド液:PMMA粒子(平均粒径0.25μm)750mg、水75g、界面活性剤(ドデシル硫酸ナトリウム・SDS)400mg、塩化カリウム50mgを含んだ液体。
(1-3)シート状物WNON(樹脂粒子なし)
連続繊維として樹脂粒子が付着されていない炭素繊維を用いた。基炭素繊維として東邦テナックス社製の品名「HTS40」(24K)を用いた。この炭素繊維を引き揃えて並べて、シート状物WNON(12’)として用いた。
(1-4)PA6を用いた樹脂シート
樹脂シートSPA6:PA6(東レ株式会社製、品名「CM1001」)ペレットを熱プレスにより厚さ70~110μmに成形したシート(11’)。
(1-5)複合材料C1を用いた樹脂シート
複合材料C1:PPとPA11と相容化剤とのPP母相を有する複合材料(トヨタ紡織株式会社製)、具体的には、ポリプロピレン(重量平均分子量320000のホモポリマー)と、PA11(アルケマ社製、品名「リルサン BMN O」、重量平均分子量18000)と、相容化剤(無水マレイン酸変性エチレン・ブテン共重合体、三井化学株式会社製、品名「タフマー MH7020」)と、を質量割合55%:25%:20%で溶融混錬した複合材料(PA11及び相容化剤の溶融混錬物とPPとの溶融混錬物)。
樹脂シートS1C1:複合材料C1を厚さ50μmに成形したシート(11’)。
樹脂シートS2C1:複合材料C1を厚さ160μmに成形したシート(11’)。
樹脂シートS3C1:複合材料C1を厚さ200μmに成形したシート(11’)。
(1-6)複合材料C2を用いた樹脂シート
複合材料C2:PPとPA6と相容化剤とのPP及びPAの両母相(共連続相)を有する複合材料(トヨタ紡織株式会社製)、具体的には、ポリプロピレン(重量平均分子量320000のホモポリマー)と、PA6(重量平均分子量18000)と、相容化剤(無水マレイン酸変性エチレン・ブテン共重合体、三井化学株式会社製、品名「タフマー MH7020」)と、を質量割合32.5%:42.5%:25%で溶融混錬した複合材料(PA6及び相容化剤の溶融混錬物とPPとの溶融混錬物)。
樹脂シートSC2:複合材料C2を厚さ160μmに成形したシート(11’)。
(1-7)複合材料C3を用いた樹脂シート
複合材料C3:PPとPA6と相容化剤とのPA母相を有する複合材料(トヨタ紡織株式会社製)、具体的には、ポリプロピレン(重量平均分子量520000のホモポリマー)と、PA6(重量平均分子量18000)と、相容化剤(無水マレイン酸変性エチレン・ブテン共重合体、三井化学株式会社製、品名「タフマー MH7020」)と、を質量割合32.5%:42.5%:25%で溶融混錬した複合材料(PA6及び相容化剤の溶融混錬物とPPとの溶融混錬物)。
樹脂シートSC3:複合材料C3を厚さ160μmに成形したシート(11’)。
(1-8)TPUを用いた樹脂シート
熱可塑性ポリウレタンエラストマー樹脂:大倉工業株式会社製、品名「シルクロン ET80」。
樹脂シートSTPU:TPUを厚さ150μmに成形したシート(11’)。
[2]繊維強化樹脂材料の作製
(1-1)積層構造Aを有する繊維強化樹脂材料
図7(c)の積層構造A(比較例の積層構造)となるよう、図7(a)~(b)の通り、4枚の樹脂シートSPA6、8枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例1及び2の積層構造Aを有する繊維強化樹脂材料を得た(図7参照)。
(1-2)積層構造Bを有する繊維強化樹脂材料
図8(c)の積層構造B(比較例の積層構造)となるよう、図8(a)~(b)の通り、4枚の樹脂シートSPA6、8枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例3及び4の積層構造Bを有する繊維強化樹脂材料を得た(図8参照)。
(1-3)積層構造Cを有する繊維強化樹脂材料
図9(c)の積層構造C(比較例の積層構造)となるよう、図9(a)~(b)の通り、4枚の樹脂シートSPA6、8枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例5~8の積層構造Cを有する繊維強化樹脂材料を得た(図9参照)。
(1-4)積層構造Dを有する繊維強化樹脂材料
図10(c)の積層構造D(比較例の積層構造)となるよう、図10(a)~(b)の通り、4枚の樹脂シートSPA6、8枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例9及び10の積層構造Dを有する繊維強化樹脂材料を得た(図10参照)。
(1-5)積層構造Eを有する繊維強化樹脂材料
図6(e)の積層構造Eとなるよう、4枚の樹脂シートSPA6、8枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例11及び12の積層構造E(実施例の積層構造)を有する繊維強化樹脂材料を得た(図6e参照)。
図5(b)の積層構造Eとなるよう、6枚の樹脂シートSPA6、6枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例13及び14の積層構造E(実施例の積層構造)を有する繊維強化樹脂材料を得た(図4及び図5参照)。
尚、実際には、図4(a)に示す通り、6枚の樹脂シートSPA6(211)と5枚のシート状物WPA6(212)とを交互に積層して得られた第1積層物を加熱圧縮して第1積層構造21’を得る。更に、図4(b)に示す通り、6枚の樹脂シートS2c2(221)と5枚のシート状物WPA6(222)とを交互に積層して得られた第2積層物を加熱圧縮して第2積層構造22’を得る。その後、図5(a)に示す通り、第1積層構造21’と第2積層構造22’とを積層して更に加熱圧縮して、積層構造Eを有する繊維強化樹脂材料1を得る。この積層構造Eを有する繊維強化樹脂材料1を、単純化して表すと図5(b)のように、一面側1bに第2積層構造22が位置し、他面側1aの第1積層構造21が位置された繊維強化樹脂材料1となる。
(1-6)積層構造Fを有する繊維強化樹脂材料
図5(b)を上下反転させた積層構造Fとなるよう、6枚の樹脂シートSPA6、6枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例15及び16の積層構造F(実施例の積層構造)を有する繊維強化樹脂材料を得た(図4及び図5参照)。
Figure 2022170769000002
(1-7)積層構造Eを有する繊維強化樹脂材料
図5(b)の積層構造Eとなるよう、表2に示す1~6枚の樹脂シートSPA6、表2に示す6~11枚の樹脂シートS2c1、10枚のシート状物WPA6を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行い、実験例11~14及び実験例19~26の積層構造E(実施例の積層構造)を有する繊維強化樹脂材料を得た(図4、図5及び図6参照)。尚、図4及び図5は、樹脂シートSPA6を6枚、樹脂シートS2C1を6枚、各々用いた例を示している。
また、同様の作製方法により、12枚の樹脂シートS2c1及び10枚のシート状物WPA6を用いた実験例17~18(比較例の積層構造)の繊維強化樹脂材料を得た。
Figure 2022170769000003
(1-8)積層構造Gを有する繊維強化樹脂材料
表3に示す各樹脂シート、表3に示す各シート状物を積層した後、温度230℃且つ圧力0.3~5.0MPaの条件で加熱及び加圧を行って実験例29~50の積層構造G(比較例の積層構造)を有する繊維強化樹脂材料を得た。
Figure 2022170769000004
(3)曲げ弾性率
JIS K7074に準じて、試験片(幅12mm、厚さ2.4mm、長さ100mm)を支点間距離80mm、曲げ速度5mm/分にて、3点曲げ試験を行い、曲げ応力、曲げ弾性率及び破壊歪を測定し、各々表1~3に示した。
前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述及び図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的及び例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料及び実施例を参照したが、本発明をここに掲げる開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。
1;繊維強化樹脂材料、1’;繊維強化樹脂材料となる積層物、
1a:他面、1b;一面、
11;熱可塑性樹脂層、11’;樹脂シート、
12;繊維集合層、12’;シート状物、
121;連続繊維(基連続繊維)、122;樹脂粒子、
21、22;積層部、21’、22’;積層部となる積層物、
211;樹脂シート、
212;シート状物。

Claims (8)

  1. 繊維集合層と熱可塑性樹脂層とが交互に位置した積層構造を有する繊維強化樹脂材料であって、
    前記繊維集合層は、表面に熱可塑性樹脂粒子が付着した連続繊維の集合物であり、
    本繊維強化樹脂材料は、一面側が他面側より高伸度であることを特徴とする繊維強化樹脂材料。
  2. 前記一面側に位置する前記熱可塑性樹脂層と、前記他面側に位置する前記熱可塑性樹脂層とが異なる請求項1に記載の繊維強化樹脂材料。
  3. 前記一面側に位置する前記熱可塑性樹脂層を構成する熱可塑性樹脂が、ポリアミド及びポリオレフィンを含んだ複合樹脂である請求項2に記載の繊維強化樹脂材料。
  4. 前記一面側の繊維含有率と、前記他面側の繊維含有率とが異なる請求項1乃至3のうちのいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
  5. 前記連続繊維が、炭素繊維である請求項1乃至4のうちのいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
  6. 前記熱可塑性樹脂粒子を構成する熱可塑性樹脂がポリアミドを含む請求項1乃至5のうちのいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
  7. 請求項1乃至6のうちのいずれかに記載の繊維強化樹脂材料からなることを特徴とする繊維強化樹脂構造体。
  8. 請求項1乃至6のうちのいずれかに記載の繊維強化樹脂材料の製造方法であって、
    前記繊維集合層となる前記連続繊維のシート状物と、前記熱可塑性樹脂層となる樹脂シートと、を前記積層構造が得られるように積層する積層工程と、
    前記積層工程を経て得られた積層物を積層方向へ加熱圧縮する熱圧工程と、を備えることを特徴とする繊維強化樹脂材料の製造方法。
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