JP3309913B2 - 熱可塑性複合材料の製造方法 - Google Patents

熱可塑性複合材料の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱可塑性複合材料を使
用して高品質な成形体を得るための製造方法に関し、更
に詳しくは熱可塑性複合材料を成形する際の樹脂流出に
よって生じる成形品の厚さの変動、およびそれに起因す
る成形品中の強化繊維の含有率の変動を最小限にとどめ
ることを目的とした熱可塑性複合材料の製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】熱可塑性複合材料の成形材料は、大きく
次の2つの形態に分類することができる。すなわち、
(1)予めマトリックスである熱可塑性樹脂を強化繊維
に含浸させ、テ−プ状やシ−ト状の成形材料(以下プリ
プレグと称する)として提供されるものと、(2)強化
繊維と熱可塑性樹脂繊維あるいは熱可塑性樹脂粉末を含
んでおり、成形と同時に熱可塑性樹脂を強化繊維に含浸
させるもの(以下ノンプリプレグと称する)がある。前
者は、予め熱可塑性樹脂が含浸されているため、それ自
身が板のように堅くタック性もないため、型に沿いにく
い、積層しにくい等の問題を有している。後者は、マト
リックスとなる熱可塑性繊維あるいは粉末が未含浸状態
であるので、それ自身は柔らかく型への馴染みもよく賦
形性に優れているのが特徴である。
【0003】これらの熱可塑性複合材料の成形方法とし
ては、成形材料の形態により様々な成形方法が考え出さ
れているが、成形型の形態により大きく分類すると、密
閉型(雄型と雌型による嵌合型)と開放型(雄型あるい
は雌型のどちらか一方のみを使用する所謂オ−プンモ−
ルド型)に大別することができる。開放型を用いて上述
したプリプレグを成形する場合、タック性がなく、型に
沿いにくいため、一旦2枚のダイヤフラムに挟み、その
まま赤外線等でマトリックスの融点以上の温度にまで加
熱した後、圧縮空気等の圧力で開放型に押し付けて賦形
する方法がある。一方、開放型を用いてノンプリプレグ
を成形する場合、ノンプリプレグはドレ−プ性を有する
ので成形材料を型に沿わせて置いておき、ダイヤフラム
を介して同様に圧縮空気等の圧力で開放型に押し付け
て、加熱しつつ賦形する方法が一般的である。プリプレ
グの内、一般にスタンパブルシ−トと言われているシ−
ト状の成形材料は、赤外線等でマトリックスの融点以上
の温度にまで加熱した後、密閉型を用いてスタンピング
成形される。一方、ノンプリプレグの場合は、密閉型に
成形材料を供給し、溶融・含浸した後、冷却・固化し成
形品を得る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】開放型を用いて熱可塑
性複合材料を成形する場合、成形材料の形態によらず圧
縮空気等の圧力で成形材料を型に押し付けるためのダイ
ヤフラムが必要となる。このダイヤフラムの材料として
は、成形材料のマトリックスである熱可塑性樹脂の融点
または軟化点、あるいはそれに近い温度に耐えると同時
に、立体形状を成形する場合は大変形が可能な耐熱性膜
材料が必要である。この耐熱性膜材料としては、ポリエ
−テルエ−テルケトン、ポリエ−テルスルフォン、ポリ
イミド等のフィルムがあるが高価である上、繰り返し使
用することが困難であるという問題点がある。
【0005】この問題点に対して密閉型の場合、ダイヤ
フラムを使用しなくてよいという利点がある。しかしな
がら、密閉型を用いて熱可塑性複合材料を成形する場
合、溶融した熱可塑性樹脂が型の嵌合部より流出しやす
い。密閉型の場合、型の全周について、熱可塑性樹脂の
流出を防止できるような嵌合精度を得ることは非常に困
難である。このため、成形品の厚さが変動し、それに伴
い設定した成形品中の強化繊維の含有率が変動すること
により、設計した通りの成形品が得られ難く、品質が一
定の熱可塑性複合材料を得ることが困難であるという問
題点がある。
【0006】特に、一方向強化材の成形において、強化
繊維の配向を乱すことなく極めて直線性に優れた一方向
強化材を得ようとする場合には、成形材料に強化繊維の
軸方向に張力を掛けることが必要となり、必然的に成形
型の構造が繊維軸方向に開放した構造とならざるを得な
い。この場合、成形圧力が高い程、また、成形時間が長
い程、溶融した熱可塑性樹脂の流出は著しく増加し、設
計した通りの一方向強化材を得ることは極めて困難とな
る。
【0007】スタンピング成形の場合は、一般に型の温
度がマトリックスである熱可塑性樹脂の融点以下の温度
であるため、スタンピング成形中に熱可塑性樹脂の粘度
が急速に上昇する。したがって、嵌合精度がそれほど厳
しくなくても容易に樹脂流出を食い止めることができ
る。それでも、嵌合精度は通常0.03〜0.05mm
とされており、溶融状態の樹脂流出を食い止めることが
いかに困難かが判る。また、スタンピング成形時の圧力
は100〜200kg/cm2と非常に高圧力である。
したがって、本発明の成形型は、スタンピング成形用の
型は対象としない。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、熱可塑性樹脂
を強化繊維に含浸させて熱可塑性複合材料を製造する方
法において、成形型が上型と下型により構成されてお
り、該上型と下型で形成されるキャビティの少なくとも
一部が開放されており、かつ前記開放されたキャビティ
の端部に、上型および下型の各々の成形面に続いて冷却
フィンが設置されている成形型を用いることにより、流
出した熱可塑性樹脂を固化させることを特徴とする熱可
塑性複合材料の製造方法である
【0009】以下、本発明を図を用いて詳細に説明す
る。図1は本発明の熱可塑性複合材料用の成形型の一例
である。本発明の熱可塑性複合材料用の成形型は上型1
と下型2から構成され、上型1と下型2の間の成形空間
であるキャビティ3の形状は平面でもよいが、半球状、
箱状等の立体形状でもよく、これらに限定されるもので
はない。キャビティ3は少なくとも一部が開放されてお
り、より好ましくは、全周が開放されていることが望ま
しい。開放されていない部分がある場合は、その嵌合精
度は0.01〜0.04mm、より好ましくは0.01
〜0.03mmであることが望ましい。
【0010】上型および下型の材質は、通常は炭素鋼や
ダイス鋼等の金属を用いるがこれらに限定されるもので
はなく、むしろ成形条件、加熱方法や生産個数により適
切な型材料を選択すべきである。型の加熱をプレス成形
機の熱盤あるいは型に設けたヒ−タや熱媒配管等により
行う場合、または、成形温度や成形圧力が比較的高い範
囲で行う場合は、型の材料として上述のような金属を用
いることが好ましい。生産個数がそれほど多くない場合
は、アルミニウム等の加工が容易な材料がコストの点で
有利である。
【0011】一方、抵抗線や電磁誘電加熱等の手段によ
り成形材料自身を発熱させる場合、型材料は断熱性材料
である必要がある。このような断熱性材料の例として、
セラミックス等の無機材料、エポキシ樹脂、フェノ−ル
樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエ−テルエ−テルケトン、
ポリエ−テルスルフォン、ポリエ−テルイミド、ポリイ
ミド等の熱可塑性樹脂等を挙げることができるが、これ
らに限定されるものではない。これらの樹脂に、より高
い強度や断熱性を付与するために、強化材や充填剤を入
れることが好ましい。型材料に熱可塑性樹脂を用いる場
合は、当然のことながら成形する熱可塑性複合材料のマ
トリックス樹脂の融点あるいは軟化点より、充分に高い
融点あるいは軟化点を有する熱可塑性樹脂を用いること
が必要である。
【0012】成形型のキャビティ3の開放された部分に
設置されている冷却フィン4は、各々、上型1および下
型2の成形面に続いて設置されていることが必要であ
る。冷却フィン4の形状および寸法は、冷却効率を考慮
し上型1および下型2の形状、寸法、材質、使用温度等
により決定することが望ましい。冷却フィン4は上型1
および下型2と一体であってもよいが、より冷却効率を
高くするためには、冷却フィン4と上型1および下型2
の間にセラミックス等の断熱材料5を設けることが好ま
しい。また、冷却フィン4の内部に冷却水や冷媒の配管
を設けたり、冷却フィン4の表面積を大きくすること等
を行なうことで、冷却効率をさらに向上させることがで
きる。冷却フィン4の材料としては、例えば炭素鋼、ス
テンレス鋼、ダイス鋼、アルミニウム等の熱伝達率の大
きい金属が望ましいが、これらに限定されるものではな
い。
【0013】
【作用】本発明の方法で用いられる成形型は、上型と下
型により形成されるキャビティの少なくとも一部が開放
されているために、嵌合部分が少なくて済む。また、成
形型の開放されたキャビティの端部に、上型および下型
の各々の成形面に続いて冷却フィンが設置されているこ
とにより、この冷却フィンによって、溶融した熱可塑性
樹脂が冷却・固化され、その固化した熱可塑性樹脂が成
形品の樹脂流出を防止することが出来るのである
【0014】
【発明の効果】本発明の方法で用いられる成形型は、上
型と下型とから構成されているので、開放型のように耐
熱性膜材料を必要としない。また、前記成形型は上型と
下型で形成されるキャビティの少なくとも一部が開放さ
れているので、従来の密閉型における嵌合精度を得るた
めの型製作の困難さが減少する。
【0015】さらに、前記成形型の開放されたキャビテ
ィの端部に、上型および下型の各々の成形面に続いて冷
却フィンが設置されているので、その冷却フィンの冷却
効果により、溶融した熱可塑性樹脂が固化するので、樹
脂の流出を防止することができる。従って、成形する際
の樹脂流出によって生じる成形品の厚さの変動、および
それに起因する成形品中の強化繊維の含有率の変動を最
小限にとどめることができる。加えて、固化した樹脂が
理想的な密閉状態をつくり出すので、成形圧力が充分に
行き渡り、空隙率が小さく、表面が平滑で艶のある成形
品が得られる。
【0016】
【実施例】以下に本発明を実施例を用いて具体的に説明
するが本発明これらに何ら限定されるものではな
い。なお、実施例における空隙率はJIS K7053
に準じて測定し、成形品表面性は目視により評価した。
【0017】実施例1 加熱と冷却の可能なプレス成形機で、一方向強化型の熱
可塑性複合材料を圧縮成形した。その際に本発明の熱可
塑性複合材料用の成形型として両端部を開放した型を使
用した。なお、成形型の材質はダイス鋼であり、嵌合部
分の精度は0.04mmであった。
【0018】材料は、ガラス繊維(55重量%)とポリ
エチレンテレフタレ−ト繊維(45重量%)とを一方向
に引き揃えたものである。この材料を、樹脂の流出がな
いと仮定し、成形品の厚さが2.33mmになる分量だ
け枠に巻き付け、型に投入した。成形条件は、型の表面
温度を275℃、成形圧力を1MPa、成形時間を5、
10、20、30minとした。得られた結果を表1に
示した。なお、この成形時間は型の昇温時間と冷却時間
を含んでいない。
【0019】
【表1】
【0020】実施例2 実施例1と同様に一方向強化型の熱可塑性複合材料を成
形した。その際に本発明の熱可塑性複合材料用成形型と
してダイス鋼を使用し、周囲全ての端部を開放した型を
使用した。熱可塑性複合材料ならびに成形条件は、実施
例1と全く同様にして成形を行なった。得られた結果を
表1に示した。実施例1および実施例2では成形型のキ
ャビティが開放されており,その開放された部分に成形
面に続いて冷却フィンが設置されているので、溶融した
熱可塑性樹脂がキャビティの開放された方向に流動し、
そこで冷却フィンの冷却効果によって固化した結果、熱
可塑性樹脂の流出が最小限に抑えられている。従って、
繊維含有率の変動も小さい。
【0021】また、空隙率は実施例1、2では成形時間
が長くなると小さくなった。更に、実施例2は実施例1
と比較して空隙率が小さくなっている。これは、開放さ
れた部分で熱可塑性樹脂が固化することにより密閉性は
理想的な状態となるので、圧力が充分に行き渡り空隙が
圧縮され小さくなったためである。
【0022】比較例1 実施例1、2と同様に一方向強化型の熱可塑性複合材料
を成形した。その際に従来の端部が開放されていない、
即ち、密閉型のダイス鋼製の成形型を用いた。なお、嵌
合部分の精度は0.04mmであった。
【0023】熱可塑性複合材料ならびに成形条件は、実
施例1、2と全く同様にして成形を行なった。得られた
結果を表1に示した。この表1の結果から判るように、
成形時間に対する成形品の厚さの変化は、比較例1、実
施例1、実施例2の順に小さくなっており、比較例1で
はその変化量が極めて大きくなっている。さらに、得ら
れた成形品の表面性は、実施例1、2では平滑で艶があ
るが、比較例ではある程度の平滑性は得られるものの艶
は少なく、特に端部にはガラス繊維に沿って凹凸が多く
みられ、所々にガラス繊維が表面に浮いている部分が確
認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に従う一実施例の成形型を示す斜視図
である。
【符号の説明】
1 上型 2 下型 3 キャビティ 4 冷却フィン 5 断熱材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI // B29K 105:08 B29C 67/14 J (56)参考文献 特開 昭50−33262(JP,A) 特開 昭63−13735(JP,A) 特開 平3−256724(JP,A) 特開 平4−305437(JP,A) 特開 平2−162019(JP,A) 特開 昭59−133017(JP,A) 実開 昭57−88518(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B29C 33/02 B29C 33/38 B29C 43/36 B29C 43/52 B29C 70/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱可塑性樹脂を強化繊維に含浸させて熱可
    塑性複合材料を製造する方法において、成形型が上型と
    下型により構成されており、該上型と下型で形成される
    キャビティの少なくとも一部が開放されており、かつ前
    記開放されたキャビティの端部に、上型および下型の各
    々の成形面に続いて冷却フィンが設置されている成形型
    を用いることにより、流出した熱可塑性樹脂を固化させ
    ることを特徴とする熱可塑性複合材料の製造方法
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