JP3882274B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット用の成形材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットの成形材料に関し、特に深絞り成形する必要がある型や複雑形状の型を使用して成形体を製造するための樹脂含浸シ−ト、及びその原料であるクロス又は組布の形態の繊維補強材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
補強繊維と熱可塑性樹脂が組合わされた繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット用の成形材料には、繊維補強材がクロス又は組布の形態であるものと、チョップドストランドの形態のものの２種類に大別される。そして、繊維補強材と熱可塑性樹脂を同時に金型に入れ加熱し、溶融含浸する成形する方法があるが、溶融含浸に時間がかかるため、予め補強繊維のクロス若しくは組布又はチョップドストランドマットに熱可塑性樹脂を含浸させた樹脂含浸シ−トを加熱軟化させ、金型でプレス成形する方法が一般的に行われている。それらの繊維補強材を用いて樹脂含浸シ−ト材料を製造する方法には、（１）補強繊維からなるクロス又は組布を熱可塑性樹脂フィルムとともに積層し加熱プレスする方法、（２）熱可塑性樹脂繊維と補強繊維とを交織又は混織したものを、加熱プレスする方法、（３）補強繊維のチョップをマット形態にしたものを熱可塑性樹脂フイルムと積層し加熱含浸したものを加熱プレスする方法、（４）熱可塑性樹脂繊維のチョップを補強繊維のチョップといっしよに散布しマット形態にしたものを加熱プレスする方法、に大別できる。これらの樹脂含浸シ−トを用いて成形体を作製するには、樹脂含浸シートを加熱炉で樹脂の軟化点以上に加熱し軟化させ、型に入れてプレスし、望む形状に成形する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの成形用の樹脂含浸シート材料には、補強繊維がクロスの形態で入っているものは成形品中に含まれる繊維の含有量を高くすることが出来るので強度が強く、特に繊維方向の強度は優れている。しかしながら、補強繊維のみからなるクロスと熱可塑製樹脂フィルムを用いて溶融含浸した樹脂含浸シ−トは織物の経糸と緯糸の重なる織り目部分への樹脂含浸が不十分になりやすい。また、織物の性質上、織り目のずれが許される狭い範囲しか糸が移動することが出来ない。そのため、樹脂含浸シ−トを加熱しマトリックス樹脂を軟化させ立体形状に成形するには限度があり、深絞りや複雑形状のものはしわが出来たり、型になじまないため所望の形状が得られないという問題がある。
【０００４】
一方補強繊維が短く切断されたチョップドストランドの形態で使用しているタイプの樹脂含浸シ−トは加熱してマトリックス樹脂を軟化させ立体形状に成形する場合、軟化した樹脂含浸シ−ト中のチョップドストランドは繊維長が数ｍｍ−数１０ｍｍ程度で比較的短いので成型プレスの加圧による樹脂の流れに従って移動することが出来るので、深絞りや複雑形状の成形に適している。しかしこのタイプの樹脂含浸シ−トは成形品中の補強繊維の含有量を通常５０重量％以上に増加させることができないため、強度の必要な成形品には使用出来なかった。
【０００５】
そのため、材料中の繊維の含有量を高くすることが出来るので成形体の強度を上げる事ができるというクロスタイプの繊維補強材を使用した成形材料の特徴と、成形材料中の繊維が成形中に樹脂の流れと共に移動することができるため深絞りが出来るというチョップドストランドタイプの繊維補強材を使用した成形材料の特徴を合せ持った繊維強化熱可塑性樹脂成形用の樹脂含浸シートの開発が望まれていた。この課題を解決するため、特願平８−９４６９０号に熱可塑性樹脂被覆補強繊維束の補強繊維の一部を切断したものを使用して、製織あるいは製紐した材料が出願されている。しかしながら、この熱可塑性樹脂で被覆し補強繊維束のみを部分的に切断した熱可塑性樹脂被覆補強繊維束は補強繊維束を切断した部分の剛性がなく、その部分で折れ曲りやすく、織機で製織するときトラブルが起きやすくなっていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々検討の結果、熱可塑性樹脂被覆補強繊維束（以後、被覆繊維束という）をクロス又は組布の形態にした後、このクロス又は組布の樹脂の被覆は残し補強繊維束をのみを切断することによって、この課題を解決したものである。
すなわち、本発明における繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット用成形材料としての繊維補強材は、補強繊維束の表面を熱可塑性樹脂で被覆し、この補強繊維束の表面に被覆樹脂層を形成した熱可塑性樹脂被覆補強繊維束からなるクロス又は組布の形態の繊維補強材であって、この補強繊維束は間隔をおいて切断されており、この被覆樹脂層は切断されていないことを特徴とする。なお、補強繊維束の補強繊維はガラス繊維又は炭素繊維であることが好ましい。この繊維補強材は、熱可塑性樹脂押出し機の先端に付けたコーティングダイスの中央部より補強繊維束を供給し、補強繊維束を取巻くように熱可塑性樹脂をチューブ状に押出し、補強繊維束表面を熱可塑性樹脂で被覆し、補強繊維束表面に被覆樹脂層を形成した熱可塑性樹脂被覆補強繊維束を得て、次いで、熱可塑性樹脂被覆補強繊維束からなるクロス又は組布を得て、次いで、このクロス又は組布を、台又はロールと、刃物の間に挟み、押圧することにより、被覆樹脂層を切断せず、補強繊維束を間隔をおいて切断することによって得ることができる。また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット用成形材料としての樹脂含浸シートは、上述の繊維補強材を加熱加圧し、熱可塑性樹脂を補強繊維束に含浸させ得ることができる。
本発明において、クロスは経糸と緯糸からなる織物で織りあがったのち、ヒ−トセットしても良い。組布（そふ）とは被覆繊維束を経糸層及び緯糸層、経糸の層とこれに±６０度の角度で交わる２層、又は経糸層及び緯糸層とこれに±４５度の角度で交わる２層、に分け経緯積層機により積層し加熱し交点を融着させたものである。本発明において、被覆繊維束とは、補強用繊維束の表面を熱可塑性樹脂で被覆したものである。
【０００７】
被覆とは、補強繊維束に熱可塑性樹脂が含浸すると剛性がでて取扱いに問題が起きるので、出来るだけ含浸しないよう、また出来るだけ締まった形状になるよう表面を覆ったものであり、エアジェットル−ム、ウオ−タ−ジエットル−ム、レピア織機、２軸、３軸、４軸組布を製造する経緯積層機で織ることが出来る程度の柔軟性を有する。この被覆繊維束の製造方法は、熱可塑性樹脂押出し機の先端に付けたコ−ティングダイス中央部より補強繊維束を供給しその繊維束を取巻くようにマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂をチュ−ブ状に押出し補強繊維束を被覆するものである。
【０００８】
樹脂の量は、被覆繊維束に完全含浸したときを基準として７５−３０体積％の範囲であることが望ましいが、成形体の用途に合わせて任意に選択することができる。樹脂の量が７５体積％より大きくなると樹脂の含有率が多く、成形体の機械的強度が不十分となる。しかし、使用出来ないとか、成形できないということではなく成形体の強度が低く、使用する必要性が少ないということである。また成形品中に含まれる補強繊維の含有量が多いほどその機械的物性は優れたものになるが、樹脂の量が３０体積％未満になると均一なコ−ティングが困難であると共に、形成された被膜が薄く、製織時に剥離などのトラブルが生じる恐れがある、また樹脂量が少ないので成形体の完全含浸が出来なくなり、強度、製品の均一性などに問題がおきるためである。
【０００９】
被覆用の熱可塑性樹脂としては、ナイロン６、ナイロン１２、ナイロン６６、芳香族ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレ−ト、ポリブチレンテレフタレ−トなどのポリエステル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ボリカーボネート樹脂、ボリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、又はポリエーテルエーテルケトン樹脂等があげられるが、特に限定されるものではなく、被覆繊維束が織機にかけることが出来る程度の柔軟性を持てば良い。またこれら熱可塑性樹脂を２種類以上併用して用いても良い。補強繊維束とは、通常熱可塑性樹脂の補強に用いられるＥガラス、Ａガラス、Ｔガラス、Ｃガラスなどのガラス繊維、炭素繊維など被覆樹脂の伸びより小さい伸びの繊維が使用される。繊維束を構成する繊維はフィラメント数が１００−１５０００本、好ましくは１０００−１２０００本、繊維径が３−２７μｍ、好ましくは７−２０μｍの範囲のものが用いられる。また、上記補強繊維は、一種類の繊維のみを使用するもの、または、これらを組み合わせたもの、例えば、ガラス繊維でのＥ−ガラスとＴ−ガラスとの組み合わせや、Ｅガラスと炭素繊維の組み合わせ等複数種の補強繊維を組み合わせたものでもよい。このように強度、物性の違う繊維を別々の方向に揃えてクロス又は組布とすることにより強度に方向性を持たせることも可能である。クロスの織り方は必要に応じ平織り、朱子織りなど公知の織り組織を用途にあわせて選択する。
【００１０】
このような、材料から製造したクロス又は組布を本発明の目的である成形時に繊維が移動することができるようにするには、成形する前に補強繊維を切断することが必要である。主として補強繊維束のみからなる従来のクロス又は組布は、繊維を図１のように２０−５０ｍｍに切断するとばらばらになり、切断したものは取扱い出来なかった。しかしながら、本発明によれば補強繊維は切断されるが被覆樹脂層は切断されていないので、クロス又は組布の形状を保ち取扱いが可能である。取扱いが可能となったため、補強繊維を切断したクロス又は組布でもそのまま型に入れて加熱しプレス成形することが出来るようになった。また、補強繊維を切断した複数のクロス若しくは組布、又はクロスと組布を組み合わせて積層したものを加熱プレスし、樹脂含浸シ−トとすることも出来るようになった。
【００１１】
被覆繊維束の被覆樹脂層を切断しないで、補強繊維束のみを切断するには、（１）平滑な台の上に被覆繊維束からなるクロス若しくは組布を置き、刃物を植えた平板で加圧することにより切断する方法、（２）刃物を植えた平板の上に被覆繊維束からなるクロス若しくは組布を置き、鉄ロ−ルの間を通すことにより切断する方法、（３）被覆繊維束からなるクロス若しくは組布を多数の円盤状刃物で加圧しながら連続的に補強繊維を切断する方法、がある。
しかしながら、その製造条件は補強繊維の種類、構成するフィラメント数、被覆樹脂の種類若しくは厚みなどにより、又は刃物尖端の形状、刃にかける圧力、若しくは刃の当る下板の種類で変わるので基準となる範囲の限定は困難で、試行錯誤により適当な圧力や下板の弾力性を選定する必要がある。カットダイスタンプ法による一例をあげれば、鉄製の平滑な台上に置いたロックウエル硬度１２０、厚さ２ｍｍのＰＥＴ樹脂シ−トの下板の上にクロス又は組布を置き、刃物用炭素鋼の刃先の角度が４３度の両刃の刃物で、先端部の鋭い刃をやや丸く研磨したものを使用し、カット時の圧力は刃物の線圧として０．０５−３．０ｋｇ／ｃｍ、好ましくは０．１−２．０ｋｇ／ｃｍ程度の力をかけることにより補強繊維束を切断できる。このようにして、切断したクロス又は組布を順次位置をずらし補強繊維のみを切断する。また、賦形する形状に応じて変形量の多いことが要求される部分の繊維長を調節したり、変形する部分だけ補強繊維をカットするなど、カット刃の配列を変更して対応することも可能である。またカットするパタ−ン形状も直線の千鳥配列、３角、４角、長方形、６角形、若しくはジグザグ形など、又はこれらの組合わせの繰返しにより、クロス又は組布を構成する補強繊維束が通常１０−１００ｍｍぐらいの間隔で切断される。
【００１２】
この様に補強繊維束が切断された材料を使用して、成形品にする方法は、従来から行われている公知の繊維強化熱可塑性樹脂の成形方法を使用することができる。たとえば、クロス又は組布を数枚重ね、加熱し樹脂を溶融して、プレスにより樹脂を補強繊維束の内部に含浸させた樹脂含浸シ−トにして、成形するときは、この樹脂含浸シ−トを再加熱し柔軟にした後、プレスの金型により望む形状に成形する方法や、加熱した金型に積層したクロス若しくは組布の形態の繊維補強材を予熱して入れ、金型によりプレス成形する方法、などがある。
【００１３】
【作用】
被覆繊維束は、繊維束の周囲を熱可塑性樹脂で被覆しているため被覆繊維束を使用したクロスや組布を使用した成形体は、織交点の含浸不良による欠陥が少ない事が知られている。しかしながら、クロスは織り目により繊維束の移動が制約され従来のクロスを使用した樹脂含浸シ−ト同様、半球程度の深絞りが限度であった。また組布は織り目が存在しないのでクロスよりはるかに複雑で深絞り成形のものに対応できる。しかしながら、構成する繊維束の周囲の熱可塑性樹脂が加熱により溶融したとき繊維束は自由に移動できるため移動量が大きいところと小さいところが集中して現れ、成形体の形状によっては強度むらが大きくなる事がある。また補強繊維束自体は伸びないので自ずから成形品の形状には制約があった。この被覆繊維束からなるクロスや組布の補強繊維束を部分的に切断することにより、加熱溶融しプレス成形するときクロスや組布を構成する繊維の移動が、小さいブロック単位で行わる。そのため、連続繊維のみからなるものに比べて、繊維束が切断部分から移動することができるので、深絞り成形、複雑形状の成形が可能になり、連続繊維の様に歪みが集中しないので、強度のむらも減少する。例えば波板状の成形体で、波板の溝に平行に１−３ｃｍ幅に２−５ｃｍピッチで千鳥状に切断すると切断方向と直角方向のみに部分的に伸び全体の伸びを吸収するので、切断部分の強度低下が一か所に集中しない、また複数の材料を積層するため繊維の非連続部分も一か所に集中しないようにすることができるため全体の強度低下はほとんど無いという利点を持つことが容易に理解できる。また組布においては繊維束が切断されているため、繊維の移動量が分散し深絞りしたときの強度むらを最小限に押さえることができる。
【００１４】
【実施例】
実施例１
ＧＦロービング（Ｅ−ＧＦ）ＲＳ５７ＰＲ４８１（日東紡績製）繊維径１４μｍ、フィラメント本数１４６０本、５７０ＴＥＸを使用し、ポリアミド樹脂アミランＣＭ１０１７（東レ製）を被覆樹脂として使用した。押出機先端に図２に示すダイスを取り付け、その中心にＧＦロ−ビングを通し、ダイスの出口端部から樹脂を吐出し、樹脂で被覆した。押出機温度２８０℃で、ＧＦ体積含有率５０体積％の被覆繊維束を巻き取った。巻き取られた被覆繊維束は約３ｍｍの幅を持っていた。この被覆繊維束をレピア織機で製織し、織密度（２５ｍｍ）タテ×ヨコが８．０×８．０本の平織りクロスを得た。次いで、２５ｍｍ×２５ｍｍの格子状に刃を配列したダイを用いて、圧力０．５ｋｇ／ｃｍ2 で押圧し、ガラス繊維をカットしたが被覆樹脂は切断されていない。以上のようにして、本発明の熱可塑性樹脂被覆した不連続ガラス繊維クロスの繊維補強材を得た。この繊維補強材を切断箇所が重ならないようずらして４枚重ね、温度２７０℃に加熱したプレスで２０ｋｇ／ｃｍ2で加圧し、厚さ１．２ｍｍのナイロン樹脂含浸シ−トを得た。この樹脂含浸シ−トを遠赤外線オ−ブンで２８０℃に加熱し、予め１５０℃に予熱した、高さ６ｃｍ、内径のＲ＝６０ｍｍ、波のピッチ１２２．４ｍｍの波型の金型に入れてプレスし、厚さ１．２ｍｍの成形体を製造した。含浸状態は良好で、外観、強度ともに問題はなかった。
【００１５】
【比較例１】
実施例１において、被覆繊維束の補強繊維束を切断しないで、その他は実施例１と同様にして波型成形体を製造した。繊維が金型に沿って移動しにくいので、高さが５ｃｍの成形体となり所定の形状に成形できなかった。
【００１６】
【発明の効果】
本発明により、樹脂被覆繊維束のクロス又は組布の補強繊維束のみを切断することが出来るようになったので、含浸性に優れ、しかも強度があり、複雑な形状や深絞りの必要な形状の成形体を製造することができる繊維強化熱可塑性樹脂コンポジットの成形材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱可塑性樹脂被覆繊維束からなるクロスの切断例。
【図２】補強繊維束を被覆する装置の例。
【符号の説明】
１、熱可塑性樹脂被覆補強繊維束
２、補強繊維束切断位置
３、被覆用熱可塑性樹脂
４、繊維束ガイド
５、押出機よりの樹脂入り口

Claims (4)

1. 補強繊維束の表面を熱可塑性樹脂で被覆し、該補強繊維束の表面に被覆樹脂層を形成した熱可塑性樹脂被覆補強繊維束からなるクロス又は組布の形態の繊維補強材であって、
   前記補強繊維束は間隔をおいて切断されており、前記被覆樹脂層は切断されていないことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット用の繊維補強材。
2. 前記補強繊維束の補強繊維がガラス繊維又は炭素繊維である請求項１に記載の繊維補強材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の繊維補強材を加熱加圧し、前記熱可塑性樹脂を前記補強繊維束に含浸させる、繊維強化熱可塑性樹脂コンポジット用の樹脂含浸シートの製造方法。
4. 熱可塑性樹脂押出し機の先端に付けたコーティングダイスの中央部より補強繊維束を供給し、該補強繊維束を取巻くように該熱可塑性樹脂をチューブ状に押出し、該補強繊維束の表面を該熱可塑性樹脂で被覆し、該補強繊維束の表面に被覆樹脂層を形成した熱可塑性樹脂被覆補強繊維束を得て、
   次いで、前記熱可塑性樹脂被覆補強繊維束からなるクロス又は組布を得て、
   次いで、前記クロス又は前記組布を、台又はロールと、刃物の間に挟み、押圧することにより、前記被覆樹脂層を切断せず、前記補強繊維束を間隔をおいて切断することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂コンポジト用の繊維補強材の製造方法。

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