JP2023092000A - 繊維強化樹脂発泡体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維強化樹脂発泡体の断熱性能を確保しつつその機械的強度を十分に高める。【解決手段】繊維強化樹脂発泡体の製造方法は、発泡剤を含有したマトリックス樹脂(2)と強化繊維3との混合体であるプリプレグ材(10)を用意する第1の工程と、引抜方向に貫通するキャビティCを有する金型(32)にプリプレグ材(10)を導入し、かつ当該金型(32)内で発泡剤を発泡させてマトリックス樹脂(2)を膨張させることにより、キャビティCに対応した断面形状を有する繊維強化樹脂発泡体(20)を成形する第2の工程とを含む。第2の工程では、キャビティCの入口部C1においてプリプレグ材(10)とキャビティCの壁面との間に隙間が生じる状態でプリプレグ材(10)を金型(53)に導入するとともに、キャビティCの途中から発泡剤が発泡してマトリックス樹脂(2)が膨張するようにプリプレグ材(10)を加熱する。【選択図】図4
Description
本発明は、発泡樹脂と強化繊維とを含む繊維強化樹脂発泡体を引抜き成形により製造する方法に関する。
下記特許文献1に示される繊維強化樹脂発泡体が公知である。この繊維強化樹脂発泡体は、熱可塑性樹脂発泡体からなる芯材層と、芯材層の外周面を覆うように当該芯材層の表面に融着された繊維強化熱可塑性樹脂からなる表皮層とを備える。
上記特許文献1に記載の繊維強化樹脂発泡体は、強化繊維を含む表皮層と発泡性の芯材層との2層構造であるので、断熱性能と機械的強度とを両立できる可能性がある。しかしながら、上記特許文献1では、強化繊維が存在する層が表皮層(成形品の外周面)に限られるので、機械的強度の向上に限界があり、改善の余地があった。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、繊維強化樹脂発泡体の断熱性能を確保しつつその機械的強度を十分に高めることが可能な製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するためのものとして、本発明は、発泡樹脂と強化繊維とを含む繊維強化樹脂発泡体を引抜き成形により製造する方法であって、発泡剤を含有したマトリックス樹脂と強化繊維との混合体であるプリプレグ材を用意する第1の工程と、引抜方向に貫通するキャビティを有する金型に前記プリプレグ材を導入し、かつ当該金型内で前記発泡剤を発泡させて前記マトリックス樹脂を膨張させることにより、前記キャビティに対応した断面形状を有する前記繊維強化樹脂発泡体を成形する第2の工程とを含み、前記第2の工程では、前記キャビティの入口部において前記プリプレグ材と前記キャビティの壁面との間に隙間が生じる状態で前記プリプレグ材を前記金型に導入するとともに、前記キャビティの途中から前記発泡剤が発泡して前記マトリックス樹脂が膨張するように前記プリプレグ材を加熱する、ことを特徴とするものである(請求項1)。
本発明によれば、発泡剤を含むマトリックス樹脂と強化繊維とが混合されたプリプレグ材が金型に導入され、かつ当該金型のキャビティ内で発泡剤が発泡するように加熱が行われるので、発泡により膨張したマトリックス樹脂と強化繊維とを含む繊維強化樹脂発泡体を安定的に成形することができる。また、キャビティの断面形状に応じた適宜の形状に複合成形品を成形できるとともに、その内部の適宜の位置に配置される強化繊維を用いて複合成形品の機械的強度を十分に高めることができる。
しかも、プリプレグ材をキャビティの入口部に導入する際に当該キャビティの壁面とプリプレグ材との間に隙間が設けられるので、加熱による発泡剤の発泡に伴って、プリプレグ材とキャビティの壁面との隙間を埋めるようにマトリックス樹脂を膨張させることができる。これにより、マトリックス樹脂の高倍率での膨張が可能になるので、繊維強化樹脂発泡体の空隙率を高めてその断熱性能を良好に確保することができる。
好ましくは、前記第1の工程では、前記金型に導入可能な複数の前記プリプレグ材を用意し、前記第2の工程では、前記キャビティの入口部において複数の前記プリプレグ材が前記引抜方向に直交する方向に互いに離間する状態で当該プリプレグ材を前記金型に導入する(請求項2)。
この構成では、プリプレグ材同士の間並びにプリプレグ材とキャビティの壁面との間の各隙間を埋めるようにマトリックス樹脂を膨張させることができる。これにより、マトリックス樹脂を十分な倍率で膨張させて繊維強化樹脂発泡体の空隙率を高めることができる。また、繊維強化樹脂発泡体の内部に十分な量の強化繊維を配置できるので、繊維強化樹脂発泡体の機械的強度を効果的に向上させることができる。
好ましくは、前記第1の工程では、前記発泡剤を含有した樹脂フィルムに前記強化繊維が同一方向に配向された状態で含浸された複数のUDテープを、前記プリプレグ材として用意する(請求項3)。
この構成によれば、複数のテープ状のプリプレグ材(UDテープ)から繊維強化樹脂発泡体を適切に成形することができる。
好ましくは、前記UDテープは、厚み方向に重なる一対の前記樹脂フィルムと、両樹脂フィルムの間に含浸状態で配置された前記強化繊維とを含む(請求項4)。
この構成によれば、強化繊維を挟んで厚み方向に重なり合った各樹脂フィルムが、内部の発泡剤の発泡によって主に強化繊維から離れる方向(外方)に膨張するので、樹脂フィルムの膨張が強化繊維によって阻害され難く、樹脂フィルムの膨張がスムーズに行われる。これにより、樹脂フィルム(マトリックス樹脂)を十分な倍率で膨張させて繊維強化樹脂発泡体の空隙率を高めることができる。
前記第1の工程では、前記発泡剤を含む液状の樹脂を前記強化繊維に含浸させたものを前記プリプレグ材として用意してもよい(請求項5)。
この構成によれば、強化繊維に対する樹脂の含浸と、含浸後の強化繊維の金型への導入とを、一連のラインに沿って連続的に行うことができ、繊維強化樹脂発泡体を効率よく成形することができる。
以上説明したように、本発明の製造方法によれば、繊維強化樹脂発泡体の断熱性能を確保しつつその機械的強度を十分に高めることができる。
(1)第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態に係る繊維強化樹脂発泡体の製造方法の概略手順を示すフローチャートである。本実施形態において製造される繊維強化樹脂発泡体は、後述する図5に示すように、発泡樹脂からなる基材21と当該基材21内に配置された強化繊維3とを含む複合成形品20である。この複合成形品20(繊維強化樹脂発泡体)を製造する図1の方法は、UDシート1(図2)を準備する工程S1と、UDシート1から複数のUDテープ10(図3)を切り出す工程S2と、複数のUDテープ10を引抜き成形に供する工程S3とを含む。各工程の詳細は次のとおりである。
図1は、本発明の第1実施形態に係る繊維強化樹脂発泡体の製造方法の概略手順を示すフローチャートである。本実施形態において製造される繊維強化樹脂発泡体は、後述する図5に示すように、発泡樹脂からなる基材21と当該基材21内に配置された強化繊維3とを含む複合成形品20である。この複合成形品20(繊維強化樹脂発泡体)を製造する図1の方法は、UDシート1(図2)を準備する工程S1と、UDシート1から複数のUDテープ10(図3)を切り出す工程S2と、複数のUDテープ10を引抜き成形に供する工程S3とを含む。各工程の詳細は次のとおりである。
[UDシート]
工程S1は、図2に示すUDシート1を準備する準備工程である。この準備工程S1において準備されるUDシート1は、厚み方向に重なる一対の樹脂フィルム2と、一対の樹脂フィルム2の間に含浸状態で配置された強化繊維3とを含む繊維強化樹脂シート(FRTPシート)である。
工程S1は、図2に示すUDシート1を準備する準備工程である。この準備工程S1において準備されるUDシート1は、厚み方向に重なる一対の樹脂フィルム2と、一対の樹脂フィルム2の間に含浸状態で配置された強化繊維3とを含む繊維強化樹脂シート(FRTPシート)である。
各樹脂フィルム2は、一定の幅および厚みを有する熱可塑性樹脂製の長尺シートである。各樹脂フィルム2には、多数の発泡剤4が混入されている。このような樹脂フィルム2は、例えば発泡剤4が混入された熱可塑性樹脂をシート状に押出成形することで成形し得る。
樹脂フィルム2の材料である熱可塑性樹脂、つまりUDシート1のマトリックス樹脂としては、例えば、ポリアミド(特にPA6,PA9T,PA12)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体(ABS)、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリイミド、ポリアリレート、フッ素樹脂、液晶ポリマー、熱可塑性エポキシ樹脂のいずれかを用いることができる。あるいは、これらの熱可塑性樹脂を2種類以上混合したポリマーアロイを樹脂フィルム2の材料として用いてもよい。
樹脂フィルム2に混入される発泡剤4は、加熱により分解してガス化(発泡)する熱分解型の発泡剤である。発泡剤は、有機系または無機系の熱分解型発泡剤のいずれでもよい。有機系の熱分解型発泡剤としては、例えば、ADCA(アゾジカーボンアミド)、DPT(N,N’-ジニトロペンタメチレンテトラミン)、OBSH(4,4’-オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド)のいずれかもしくはその組合せを用いることができる。無機系の熱分解型発泡剤としては、炭酸水素塩、炭酸塩、炭酸水素塩と有機酸塩の組合せ等を用いることができる。
強化繊維3は、樹脂フィルム2の長手方向と一致する方向に配向された状態で各樹脂フィルム2に含浸されている。強化繊維3としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミックス繊維のいずれかもしくはその組合せを用いることができる。中でも炭素繊維は、成形品の強度および耐食性等を向上させる上で有利である。炭素繊維としては、強度が特に高いPAN(ポリアクリロニトリル)系の炭素繊維を用いることが好ましい。
以上のような構造のUDシート1は、例えば次のような方法で製造することができる。
まず、強化繊維の束である繊維束を押し広げて開繊することにより、全体として薄い帯状を呈するように横並びに配された多数の連続した強化繊維3を得る。次に、この開繊後の強化繊維3を一方の樹脂フィルム2の片面に長手方向に沿って配置するとともに、加熱ローラ等を用いて加圧および加熱する。すなわち、一方の樹脂フィルム2の片面に、横並び状態の連続した強化繊維3を同一方向に配向した状態で含浸させる。同様に、他方の樹脂フィルム2の片面にも、横並び状態の連続した強化繊維3を同一方向(樹脂フィルム2の長手方向)に配向した状態で含浸させる。そして、一方の樹脂フィルム2と他方の樹脂フィルム2とを、それぞれの強化繊維3の含浸面が対向する状態で重ね合わせ、加熱および加圧する。これにより、一方および他方の樹脂フィルム2の間に、両者を互いに結合する溶着層2aが形成される。すなわち、溶着層2aを介して結合された一対の樹脂フィルム2の間に強化繊維3が含浸されたUDシート1が形成される。各樹脂フィルム2にはそれぞれ多数の発泡剤4が含有されている。
なお、UDシート1を製造する方法は上記のものに限られず、例えば、厚み方向に対向配置される樹脂フィルム2の間に開繊後の強化繊維3を配置して加熱および加圧を行うといった方法でもよい。
[UDテープの切り出し]
工程S2は、上記準備工程S1により準備されたUDシート1からUDテープ10を切り出すテープ切出し工程である。このテープ切出し工程S2では、図3に示すように、UDシート1に対し長手方向に延びる複数の切込みQ1を形成することにより、UDシート1から複数のUDテープ10を切り出す。具体的に、テープ切出し工程S2では、UDシート1を長手方向に送り出しながら、その送り経路の途中の位置P1からカッティングを施すことにより、長手方向に延びる多数の切込みQ1をUDシート1に形成する。これにより、UDシート1が幅方向に分断され、所定の幅を有しかつ長手方向に長尺な複数のUDテープ10が形成される。
工程S2は、上記準備工程S1により準備されたUDシート1からUDテープ10を切り出すテープ切出し工程である。このテープ切出し工程S2では、図3に示すように、UDシート1に対し長手方向に延びる複数の切込みQ1を形成することにより、UDシート1から複数のUDテープ10を切り出す。具体的に、テープ切出し工程S2では、UDシート1を長手方向に送り出しながら、その送り経路の途中の位置P1からカッティングを施すことにより、長手方向に延びる多数の切込みQ1をUDシート1に形成する。これにより、UDシート1が幅方向に分断され、所定の幅を有しかつ長手方向に長尺な複数のUDテープ10が形成される。
上記のとおり、UDテープ10は、UDシート1から切り出されたテープであるから、その構造はUDシート1のものと同様である。すなわち、UDテープ10は、発泡剤4を含有した一対の樹脂フィルム2と、両樹脂フィルム2の間に含浸状態で配置された強化繊維3とを有する。なお、UDテープ10は、本発明における「プリプレグ材」に相当し、UDテープ10の樹脂フィルム2は、本発明における「マトリックス樹脂」に相当する。
[引抜き成形]
工程S3は、上記テープ切出し工程S2により形成された複数のUDテープ10から、図4に示す引抜き装置30を用いて複合成形品20を連続成形する引抜き工程である。具体的に、この引抜き工程S3では、引抜き装置30を用いた連続成形により、一定の断面形状を有する複合成形品20を成形する。
工程S3は、上記テープ切出し工程S2により形成された複数のUDテープ10から、図4に示す引抜き装置30を用いて複合成形品20を連続成形する引抜き工程である。具体的に、この引抜き工程S3では、引抜き装置30を用いた連続成形により、一定の断面形状を有する複合成形品20を成形する。
引抜き装置30は、その引抜き方向の上流側(図では左側)から順に、テープ送出機31、成形ダイ32、引取機33、および切断機34を備える。テープ送出機31は、複数のUDテープ10を成形ダイ32に向けて下流側に送り出す装置である。成形ダイ32は、テープ送出機31から送出されたUDテープ10を受け入れて加熱および加圧を行う金型であり、受け入れたUDテープ10を所定断面形状の複合成形品20に変化させた上で下流側に排出する。引取機33は、成形ダイ32から排出された複合成形品20を引き取ってさらに下流側に送り出す装置である。切断機34は、引取機33から送出された複合成形品20を切断して所定長さにカットする装置である。
テープ送出機31は、UDテープ10が巻き付けられた複数の送出ローラ41と、送出ローラ41の回転により送り出されたUDテープ10が下流側の所期位置に向かうようにUDテープ10を案内する図外のガイドローラとを備える。複数のUDテープ10は、互いに間隔を空けながら、成形ダイ32における後述するキャビティCの入口部C1へと案内される。
成形ダイ32は、引抜き方向に貫通するキャビティCを有する金型である。キャビティCは、複合成形品20に対応する断面形状を有する空間である。本実施形態では、断面略矩形の複合成形品20(図5)が成形されるものとする。このため、キャビティCは、当該複合成形品20に対応する矩形状の断面を有する。また、キャビティCの幅寸法(紙面に直交する方向の寸法)は、UDテープ10の幅寸法と略同一である。言い換えると、上述したテープ切出し工程S2では、キャビティCの幅寸法と略同一の幅を有するUDテープ10が得られるようにUDシート1がカットされる。
キャビティCの上流側の端部である入口部C1には、複数のスペーサ42が配置されている。各スペーサ42は、例えば、紙面に直交する成形ダイ32の幅方向に延びる棒材であり、互いに離間した状態で上下方向に並ぶように配置されている。複数のUDテープ10は、隣接するスペーサ42同士の間、またはスペーサ42とキャビティCの壁面との間にそれぞれ導入される。すなわち、複数のUDテープ10は、互いに離間した状態(スペーサ42を挟んだ状態)でキャビティCの入口部C1に導入される。また、最も上側のスペーサ42の上を通るUDテープ10は、キャビティCの上側の壁面と隙間を空けつつ入口部C1に導入される。同様に、最も下側のスペーサ42の下を通るUDテープ10は、キャビティCの下側の壁面と隙間を空けつつ入口部C1に導入される。言い換えると、複数のUDテープ10は、キャビティCの入口部C1の壁面に対し隙間を空けつつ互いに離間した状態で入口部C1に導入される。
成形ダイ32は、加熱部43および冷却部44を備える。加熱部43および冷却部44は、上流側からこの順に隣接して配置され、一定断面の連続したキャビティCを内部に画成する。すなわち、加熱部43は、キャビティCの上流側の一部を画成する金型であり、冷却部44は、キャビティCの下流側の一部を画成する金型である。加熱部43には、その内部を加熱するための図略の加熱装置が内蔵されている。また、冷却部44には、その内部を冷却するための図略の冷却装置が内蔵されている。
加熱部43は、UDテープ10の樹脂フィルム2に含有される発泡剤4の温度が所定の発泡温度(発泡剤4がガス化する温度)以上にまで上昇するようにUDテープ10を加熱する。これにより、キャビティCの途中から発泡剤4が発泡し、当該発泡により樹脂フィルム2が膨張する。図4において、キャビティCの入口部C1から少し下流側に離れた位置から樹脂フィルム2の厚みが徐々に増大するのは、当該樹脂フィルム2の膨張を表している。樹脂フィルム2は、隣接するUDテープ10の樹脂フィルム2同士が接触して一体化するまで膨張する。また、最も上側および下側のUDテープ10の樹脂フィルム2は、キャビティCの上下の壁面に到達するまで膨張する。
冷却部44は、上記のような樹脂フィルム2の膨張が完了する位置(樹脂フィルム2同士が一体化する位置)よりも下流側に配置されている。冷却部44は、膨張完了後の樹脂フィルム2の温度がその材料(熱可塑性樹脂)の軟化温度未満に低下するまで当該樹脂フィルム2を冷却する。
キャビティC(成形ダイ32)に導入された複数のUDテープ10は、上記のような発泡剤4の発泡による樹脂フィルム2の膨張を経て、キャビティCに対応した断面を有する複合成形品20へと変化する。図5に示すように、複合成形品20は、断面略矩形の成形品であり、基材21と、当該基材21に内包された強化繊維3とを有する。基材21は、各UDテープ10の膨張した樹脂フィルム2が一体化したものであり、発泡剤4の発泡により生じる多数の空洞を有する多孔質樹脂から構成される。強化繊維3は、基材21の内部において長手方向に連続し、かつ複数の高さに分散した状態で基材21に内包されている。強化繊維3が配置される高さは、キャビティCの入口部C1に対する各UDテープ10の導入位置に対応している。このように、複合成形品20は、発泡樹脂からなる基材21とその内部に充填された強化繊維3とを含む繊維強化樹脂発泡体である。
引取機33は、複数対のローラ45と、上下方向に対応配置されかつローラ45に掛け回された一対の無端ベルト46とを備える。ローラ45は、無端ベルト46を介して複合成形品20を上下から挟み込んだ状態で回転することにより、成形ダイ32から排出された複合成形品20をさらに下流側に送り出す。
切断機34は、引取機33から送出された複合成形品20を受け入れる搬送部47と、搬送部47の上に配置されたカッター48とを備える。複合成形品20は、カッター48によって所定長さにカットされた後に、搬送部47によって下流側に搬出される。
[作用効果]
以上説明したように、本発明の第1実施形態では、発泡剤4を含有した樹脂フィルム2と強化繊維3とを含む複数のUDテープ10が用意されるとともに、用意された複数のUDテープ10を成形ダイ32のキャビティCに導入しつつ加熱する等の処理を経て、キャビティCに対応した断面形状を有する複合成形品20(繊維強化樹脂発泡体)が成形される。このような構成によれば、複合成形品20に良好な断熱性能を付与しつつその機械的強度を十分に高めることができるという利点がある。
以上説明したように、本発明の第1実施形態では、発泡剤4を含有した樹脂フィルム2と強化繊維3とを含む複数のUDテープ10が用意されるとともに、用意された複数のUDテープ10を成形ダイ32のキャビティCに導入しつつ加熱する等の処理を経て、キャビティCに対応した断面形状を有する複合成形品20(繊維強化樹脂発泡体)が成形される。このような構成によれば、複合成形品20に良好な断熱性能を付与しつつその機械的強度を十分に高めることができるという利点がある。
すなわち、第1実施形態では、予め樹脂フィルム2と強化繊維3とが混合したUDテープ10(プリプレグ材)が成形ダイ32に導入され、かつ当該成形ダイ32のキャビティC内で発泡剤4が発泡するように加熱が行われるので、発泡により膨張した樹脂フィルム2と強化繊維3とを含む繊維強化樹脂発泡体としての複合成形品20を安定的に成形することができる。また、キャビティCの断面形状やUDテープ10の配置を変更すれば、複合成形品20の形状を変更できかつその内部の強化繊維3の配置を変更できるので、種々の形状および特性を有する複合成形品20を成形することができる。言い換えると、第1実施形態の製造方法によれば、複合成形品20の形状自由度を確保しつつ、その内部の適宜の位置に配置される強化繊維3を用いて複合成形品20の機械的強度を十分に高めることができる。
特に、第1実施形態では、複数のUDテープ10が上下方向(換言すれば引抜き方向に直交する方向)に互いに離間した状態でキャビティCの入口部C1に導入されるとともに、当該入口部C1への導入時にキャビティCの上下の壁面とUDテープ10との間に隙間が設けられるので、加熱による発泡剤4の発泡に伴って、UDテープ10同士の間並びにUDテープ10とキャビティCの壁面との間の各隙間を埋めるように樹脂フィルム2を膨張させることができる。これにより、樹脂フィルム2の高倍率での膨張が可能になるので、複合成形品20の空隙率を高めてその断熱性能を良好に確保することができる。
また、第1実施形態では、UDテープ10として、厚み方向に重なる一対の樹脂フィルム2と両樹脂フィルム2の間に含浸状態で配置された強化繊維3とを含むものが用いられるので、樹脂フィルム2を発泡により効率よく膨張させることができ、複合成形品20の空隙率を高めることができる。すなわち、図6に矢印で示すように、強化繊維3を挟んで厚み方向に重なり合った各樹脂フィルム2が、内部の発泡剤4の発泡によって主に強化繊維3から離れる方向(外方)に膨張するので、樹脂フィルム2の膨張が強化繊維3によって阻害され難く、樹脂フィルム2の膨張がスムーズに行われる。これにより、樹脂フィルム2を十分な倍率で膨張させて複合成形品20の空隙率を高めることができる。
(2)第2実施形態
上記第1実施形態では、予め樹脂フィルム2と強化繊維3とが混合したUDテープ10をプリプレグ材として成形ダイ32に導入したが、成形ダイよりも上流側において強化繊維に樹脂を含浸させ、その含浸直後のものをプリプレグ材として成形ダイに導入してもよい。その一例を本発明の第2実施形態として説明する。
上記第1実施形態では、予め樹脂フィルム2と強化繊維3とが混合したUDテープ10をプリプレグ材として成形ダイ32に導入したが、成形ダイよりも上流側において強化繊維に樹脂を含浸させ、その含浸直後のものをプリプレグ材として成形ダイに導入してもよい。その一例を本発明の第2実施形態として説明する。
図7は、第2実施形態の製造方法において用いられる引抜き装置50の概略構成を示す図である。本図に示される引抜き装置50は、その引抜き方向の上流側(図では左側)から順に、繊維送出機51、樹脂含浸槽52、成形ダイ53、引取機54、および切断機55を備える。
繊維送出機51は、強化繊維3を樹脂含浸槽52に向けて下流側に送り出す装置である。繊維送出機51は、強化繊維3が巻き付けられた複数の送出ローラ61と、送出ローラ61の回転により送り出された強化繊維3を1箇所に集約するガイドローラ62とを備える。本実施形態において、送出ローラ61から送出される強化繊維3は、強化繊維の束である繊維束を押し広げて開繊したものであり、全体として薄い帯状を呈するように横並びに配された多数の連続した強化繊維である。言い換えると、送出ローラ61から送出されるのは、その送出方向(引抜き方向)に沿って延びる連続した多数の強化繊維3を横並びに配した極薄の繊維シートである。以下では、これを開繊繊維シート3Aという。複数の送出ローラ61から送出された各開繊繊維シート3Aは、ガイドローラ62のところで厚み方向に積み重ねられ、厚みを増した繊維シート3Bとして纏められる。このように、繊維送出機51は、開繊繊維シート3Aを下流側に送出しつつ積層し、開繊繊維シート3Aよりも厚みの大きい繊維シート3Bとして樹脂含浸槽52へ供給する。
樹脂含浸槽52は、繊維シート3Bに樹脂を含浸させるための槽である。樹脂含浸槽52の内部には、液状の樹脂である含浸樹脂70が貯留されている。繊維送出機51から送出された繊維シート3Bは、含浸樹脂70の中に導入され、これによって繊維シート3Bに含浸樹脂70が含浸される。含浸樹脂70が含浸された繊維シート3Bは、ガイドローラ63等を通じて樹脂含浸槽52の外部へと導出される。
樹脂含浸槽52から導出された繊維シート3Bは、含浸樹脂70が含浸された強化繊維であって、以下ではこれをプリプレグシート3Cという。プリプレグシート3Cは、引抜き方向に連続する強化繊維3と、当該強化繊維3に含浸された含浸樹脂70とを含み、本発明における「プリプレグ材」に相当する。
樹脂含浸槽52に貯留される含浸樹脂70の材料、つまりプリプレグシート3Cのマトリックス樹脂として、本実施形態では、発泡剤4が混入された熱硬化性樹脂を使用する。発泡剤4は、加熱により分解してガス化(発泡)する熱分解型発泡剤であり、先の第1実施形態で用いた発泡剤4と同様のものである。熱硬化性樹脂としては、ポリウレタン、熱硬化性エポキシ樹脂、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、メラミン樹脂、およびフェノール樹脂のいずれかもしくはその組合せを用いることができる。
成形ダイ53は、繊維送出機51から樹脂含浸槽52を介して供給されたプリプレグシート3Cを受け入れて加熱および加圧を行う金型であり、受け入れたプリプレグシート3Cを所定断面形状の複合成形品80に変化させた上で下流側に排出する。成形ダイ53は、引抜き方向に貫通するキャビティCを有する。プリプレグシート3Cは、キャビティCの壁面(上下の壁面)との間に隙間を空けつつキャビティCの入口部C1に導入される。言い換えると、繊維送出機51は、キャビティCの入口部C1においてプリプレグシート3CとキャビティCの壁面との間に隙間が生じるように、入口部C1の上下方向の中間位置にプリプレグシート3Cを導入する。
キャビティCの入口部C1の近傍には、プリプレグシート3Cの導入と同期して離型フィルムFを供給する複数のローラ64が配置されている。離型フィルムFは、成形ダイ53からの離型を容易化するための樹脂フィルムまたは金属箔である。各ローラ64は、キャビティCの壁面が離型フィルムFで覆われるように当該離型フィルムFを成形ダイ53に供給する。
成形ダイ53は、図略の加熱装置を内蔵している。この加熱装置は、プリプレグシート3Cの含浸樹脂70に含有される発泡剤4の温度が所定の発泡温度以上にまで上昇するようにプリプレグシート3Cを加熱する。これにより、キャビティCの途中から発泡剤4が発泡し、当該発泡により含浸樹脂70が膨張する。図7において、キャビティCの入口部C1から少し下流側に離れた位置から含浸樹脂70の厚みが徐々に増大するのは、当該含浸樹脂70の膨張を表している。含浸樹脂70は、キャビティCの上下の壁面に到達するまで膨張する。
また、成形ダイ53に内蔵された上記加熱装置は、少なくとも成形ダイ53の下流部において、含浸樹脂70の温度がその材料(熱硬化性樹脂)の硬化温度を超えるまで含浸樹脂70を加熱する。
キャビティC(成形ダイ53)に導入されたプリプレグシート3Cは、上記のような発泡剤4の発泡による含浸樹脂70の膨張を経て、キャビティCに対応した断面を有する複合成形品80へと変化する。複合成形品80は、基材81と、当該基材81に内包された強化繊維3とを有する。基材81は、膨張した含浸樹脂70が熱硬化しつつ一体化したものであり、発泡剤4の発泡により生じる多数の空洞を有する多孔質樹脂から構成される。強化繊維3は、基材81の上下方向中間部において長手方向に連続するように配置されている。
引取機54は、成形ダイ53から排出された複合成形品80を引き取ってさらに下流側に送り出す装置である。引取機54は、先の第1実施形態の引取機33と同様の構造であり、複数対のローラ65と、上下方向に対応配置されかつローラ65に掛け回された一対の無端ベルト66とを備える。
切断機55は、引取機54から送出された複合成形品80を切断して所定長さにカットする装置である。切断機55は、先の第1実施形態の切断機34と同様の構造であり、引取機54から送出された複合成形品80を受け入れる搬送部67と、搬送部67の上に配置されたカッター68とを備える。
以上説明したように、本発明の第2実施形態では、発泡剤4を含む液状の含浸樹脂70を強化繊維3(繊維シート3B)に含浸させたプリプレグシート3Cが成形ダイ53に導入され、かつ当該成形ダイ53のキャビティC内で発泡剤4が発泡するように加熱が行われるので、発泡により膨張した含浸樹脂70と強化繊維3とを含む繊維強化樹脂発泡体としての複合成形品80を安定的に成形することができる。また、キャビティCの断面形状に応じた適宜の形状に複合成形品80を成形できるとともに、その内部の適宜の位置に配置される強化繊維3を用いて複合成形品80の機械的強度を十分に高めることができる。
しかも、プリプレグシート3Cを入口部C1に導入する際にキャビティCの壁面とプリプレグシート3Cとの間に隙間が設けられるので、加熱による発泡剤4の発泡に伴って、プリプレグシート3CとキャビティCの壁面との隙間を埋めるように含浸樹脂70を膨張させることができる。これにより、含浸樹脂70の高倍率での膨張が可能になるので、複合成形品80の空隙率を高めてその断熱性能を良好に確保することができる。
また、第2実施形態では、強化繊維3に対する含浸樹脂70の含浸と、含浸後の強化繊維3(プリプレグシート3C)の成形ダイ53への導入とを、一連のラインに沿って連続的に行うことができるので、複合成形品80を効率よく成形することができる。
(3)変形例
上記第1実施形態では、熱可塑性樹脂製の樹脂フィルム2に強化繊維3が含浸されたUDテープ10、換言すれば熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグ材を、成形ダイ32を用いた引抜き成形に供することにより、繊維強化樹脂発泡体としての複合成形品20を成形したが、熱可塑性樹脂ではなく熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグ材から同様の方法で繊維強化樹脂発泡体を成形することも可能である。
上記第1実施形態では、熱可塑性樹脂製の樹脂フィルム2に強化繊維3が含浸されたUDテープ10、換言すれば熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグ材を、成形ダイ32を用いた引抜き成形に供することにより、繊維強化樹脂発泡体としての複合成形品20を成形したが、熱可塑性樹脂ではなく熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグ材から同様の方法で繊維強化樹脂発泡体を成形することも可能である。
上記第2実施形態では、樹脂含浸槽52に貯留された熱硬化性の含浸樹脂70に繊維シート3B(強化繊維3)を導入することで形成されたプリプレグシート3C、換言すれば熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグ材を、成形ダイ53を用いた引抜き成形に供することにより、繊維強化樹脂発泡体としての複合成形品80を成形したが、熱硬化性樹脂ではなく熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグ材から同様の方法で繊維強化樹脂発泡体を成形することも可能である。
上記第2実施形態では、繊維束を押し広げて開繊した開繊繊維シート3Aを複数の送出ローラ61から送出しつつ厚み方向に積み重ねて得られる繊維シート3Bを樹脂含浸槽52に導入したが、未開繊の繊維束を樹脂含浸槽52に導入することも可能である。この場合、複合成形品(繊維強化樹脂発泡体)の幅寸法を確保するために必要に応じて、複数の送出ローラから送出された未開繊の繊維束を幅方向に並べつつ樹脂含浸槽52に導入するようにしてもよい。
上記第2実施形態では、発泡剤4が混入された液状の含浸樹脂70を樹脂含浸槽52に貯留しておき、この貯留された含浸樹脂70に繊維シート3B(強化繊維3)を導入することにより、繊維シート3Bに含浸樹脂70が含浸されたプリプレグシート3Cを形成したが、プリプレグシート3Cを形成する方法はこれに限られない。例えば、図8に示すように、発泡剤4が混入された液状の含浸樹脂70をホッパー57から吐出して繊維シート3Bの上面に供給することにより、繊維シート3Bに含浸樹脂70を含浸させ、これによってプリプレグシート3C’を形成してもよい。
上記第1実施形態では、UDテープ10(プリプレグ材)中の発泡剤4を発泡させるための加熱と、UDテープ10から所定断面形状の複合成形品20(繊維強化樹脂発泡体)を得るための引抜き成形とを、共通の成形ダイ32を用いて行ったが、成形ダイの上流側に別途加熱炉を設けてもよい。すなわち、加熱炉を用いてUDテープ10を予備的に加熱した上で、加熱後のUDテープ10をさらに成形ダイを用いて加熱および成形してもよい。この場合、発泡剤4の発泡が開始するまでUDテープ10を加熱炉で加熱してもよい。これにより、樹脂フィルム2がある程度膨張した上で成形ダイに導入されるとともに、成形ダイにおいて仕上げの膨張が行われることになる。なお、上記第2実施形態でも同様に、成形ダイの上流側に加熱炉を設けることが可能である。
2 樹脂フィルム(マトリックス樹脂)
3 強化繊維
10 UDテープ(プリプレグ材)
20 複合成形品(繊維強化樹脂発泡体)
32 成形ダイ(金型)
C キャビティ
C1 (キャビティの)入口部
3C プリプレグシート(プリプレグ材)
53 成形ダイ(金型)
70 含浸樹脂(液状の樹脂)
80 複合成形品(繊維強化樹脂発泡体)
3 強化繊維
10 UDテープ(プリプレグ材)
20 複合成形品(繊維強化樹脂発泡体)
32 成形ダイ(金型)
C キャビティ
C1 (キャビティの)入口部
3C プリプレグシート(プリプレグ材)
53 成形ダイ(金型)
70 含浸樹脂(液状の樹脂)
80 複合成形品(繊維強化樹脂発泡体)
Claims (5)
- 発泡樹脂と強化繊維とを含む繊維強化樹脂発泡体を引抜き成形により製造する方法であって、
発泡剤を含有したマトリックス樹脂と強化繊維との混合体であるプリプレグ材を用意する第1の工程と、
引抜方向に貫通するキャビティを有する金型に前記プリプレグ材を導入し、かつ当該金型内で前記発泡剤を発泡させて前記マトリックス樹脂を膨張させることにより、前記キャビティに対応した断面形状を有する前記繊維強化樹脂発泡体を成形する第2の工程とを含み、
前記第2の工程では、前記キャビティの入口部において前記プリプレグ材と前記キャビティの壁面との間に隙間が生じる状態で前記プリプレグ材を前記金型に導入するとともに、前記キャビティの途中から前記発泡剤が発泡して前記マトリックス樹脂が膨張するように前記プリプレグ材を加熱する、ことを特徴とする繊維強化樹脂発泡体の製造方法。 - 請求項1に記載の繊維強化樹脂発泡体の製造方法において、
前記第1の工程では、前記金型に導入可能な複数の前記プリプレグ材を用意し、
前記第2の工程では、前記キャビティの入口部において複数の前記プリプレグ材が前記引抜方向に直交する方向に互いに離間する状態で当該プリプレグ材を前記金型に導入する、ことを特徴とする繊維強化樹脂発泡体の製造方法。 - 請求項2に記載の繊維強化樹脂発泡体の製造方法において、
前記第1の工程では、前記発泡剤を含有した樹脂フィルムに前記強化繊維が同一方向に配向された状態で含浸された複数のUDテープを、前記プリプレグ材として用意する、ことを特徴とする繊維強化樹脂発泡体の製造方法。 - 請求項3に記載の繊維強化樹脂発泡体の製造方法において、
前記UDテープは、厚み方向に重なる一対の前記樹脂フィルムと、両樹脂フィルムの間に含浸状態で配置された前記強化繊維とを含む、ことを特徴とする繊維強化樹脂発泡体の製造方法。 - 請求項1または2に記載の繊維強化樹脂発泡体の製造方法において、
前記第1の工程では、前記発泡剤を含む液状の樹脂を前記強化繊維に含浸させたものを前記プリプレグ材として用意する、ことを特徴とする繊維強化樹脂発泡体の製造方法。
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