JP4310680B2

JP4310680B2 - 衝撃吸収体の製造方法

Info

Publication number: JP4310680B2
Application number: JP2003010881A
Authority: JP
Inventors: 幹也林原
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP2004223743A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的な産業資材として好適な繊維強化熱可塑性樹脂複合材に関するものであり、特に、振動や衝撃を吸収するための構造材に適用することができる部材を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化樹脂複合材（以下、ＦＲＰと称す）は炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維やアラミド系繊維や高分子量ポリエチレン繊維などの有機繊維を強化材として、マトリックスと呼称される樹脂を強化したものである。このＦＲＰはマトリックスに適用する樹脂にエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂などの熱硬化性樹脂を適用した繊維強化熱硬化性樹脂複合材料（以下、ＦＲＴＳと称す）とポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートなどのエステル系樹脂、それに、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィルドなどの熱可塑性樹脂を適用した繊維強化熱可塑性樹脂複合材（ＦＲＴＰと称す）に大別が可能である。
従来、ＦＲＰ製の衝撃吸収材としては、特開昭５９−８４６６７号公報、特開昭６３−７８７３４号公報、特開平０４−１５３３２号公報、特開平０６−３０００６８号公報などに見られるように自動車のバンパー部分に円筒状の衝撃吸収材をエネルギー吸収部材として取り付けたものが知られている。この部材は衝撃エネルギーを良好に吸収すること以外に、軽量、高剛性であることが要求されている。従って、ＦＲＰ製のものは金属材料と比較して軽量であり、選択する強化繊維とその方向性を考慮することで剛性も遜色ないものが得られるので好適である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
衝撃吸収材が衝突時に効率よく衝撃吸収できるように強化繊維の方向性に変化を与える以外に様々な工夫が凝らされてきた。
衝撃エネルギーを受けた部材の破壊が一気に起こらず、逐次に破壊進展するように、特開平０８−２１９２１５号公報などでは荷重の作用端側に破壊の開始点となるテーパ部を形成している。また、特開平０８−１７０６７５号公報などではＶ字型の切り欠きを形成している。しかし、このような場合、一度、衝撃吸収材を成形した後、後加工を施したりする必要があり、汎用性に欠ける。
また、特開平０１−１０４６２５号公報、特開平０７−２１７６８９号公報などでは積層したＦＲＰ層間に別の樹脂層を設けたり、局所的に異物を混入して破壊進展が漸次、行なわれるようにしている。これらの方法は先ほどに比較すると後加工を施すことがなく、成形時に積層や混入などの対応が可能である。しかし、フィルムなどによる積層ではその層が厚くなりすぎて、基本的な剛性が低下し、また、その層が連続的に存在すると一気に破壊進展が進み、衝撃吸収の効率が低下する。また、局所的に異物を混入するにしても、混入させる方法が困難である。
上記以外に、特開平０３−２０８６２３号公報、特開平０４−１５２１２８号公報、特開平０５−３２１４４号公報、特開平０５−３２１４５号公報などのように衝撃吸収材の形状で凹凸を設けたり、肉厚を変化させることで多くの変形が行なわれるようにするものが挙げられるが、成形が煩雑になる。
以上のように、基本的な剛性を充足すると共に、エネルギー吸収を効率的に行ない、しかも、容易に成形できる衝撃吸収材は認められなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は更に鋭意検討を行なった結果、基本的な剛性を充足すると共に、エネルギー吸収を効率的に行ない、しかも、容易に成形できる衝撃吸収材を見出した。
即ち、本発明は下記の構成からなる。
１．開繊された強化繊維及び／又は該強化繊維の布帛を連続的に引取り、溶融、或いは軟化した熱可塑性樹脂中に通過させ、局部的に熱可塑性樹脂が吐出されないスリットを有するダイを用いて該強化繊維の単糸表面を該樹脂で実質的に覆うと同時に引取方向及び／又は引取方向に対して垂直方向（横方向）に含浸状態が異なるようにして得た糸状及び／又はシート状物を最終成形品の形状にし、該熱可塑性樹脂の溶融温度近傍まで加熱した後、冷却することで一体化することによって衝撃吸収体を製造する方法であって、強化繊維として用いた炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の含浸状態の低い部分が点在した衝撃吸収体であることを特徴とする衝撃吸収体の製造方法。
【０００５】
本発明に用いる強化繊維は金属繊維、ガラス繊維、炭素繊維などの無機繊維が挙げられる。また、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）繊維、ＰＥＩ繊維、ＰＡＩ繊維などのスーパーエンプラを用いた有機繊維や高強度、高耐熱性、高弾性率の繊維として最近、知られるポリパラフェニレンテレフタルアミド（パラアラミド）繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール（ＰＢＴ）、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）等のポリベンザゾール（ＰＢＺ）繊維などの新規な有機繊維が挙げられる。また、ポリノボルネン、シクロペンテン、シクロブテンなどのシクロオレフィン系樹脂に見られる新規な樹脂から得られた繊維を適用することも可能である。更に、竹などの植物から得られる繊維など、衝撃吸収材の設計が許される範囲で天然繊維なども適用は可能である。但し、強度と弾性率、ならびに軽量の観点から高強度、高弾性率で密度の低い繊維の適用が良く、好ましくは炭素繊維が、更にはエンプラやスーパーエンプラよりなる有機繊維が組合わされたものが好適である。
【０００６】
適用する強化繊維の力学特性は衝撃吸収材の設計にもよるが、基本的には高強度、高弾性率であることが望ましい。従って、強化繊維の体積含有率を考慮する必要があるが、少なくとも１５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、弾性率が５００ｃＮ／ｄｔｅｘであり、更には２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、弾性率が８００ｃＮ／ｄｔｅｘである繊維を用いることが好ましい。なお、該強化繊維には必要に応じて、後述の熱可塑性樹脂の含浸状態と接着性を向上させるため、処理剤を付与したりコロナ処理、プラズマ処理、ケミカルエッチング処理などの処理を施すことが望まれる。
【０００７】
本発明に用いる熱可塑性樹脂は、一般に耐熱性が１００℃以上あり、強度が４９ＭＰａ以上、曲げ弾性率が２．４ＧＰａ以上あるエンジニアリングプラスチック（エンプラ）と呼称されるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）などが挙げられるが、自動車などへの適用を考えると、１５０℃以上の高温で長期間使用可能な樹脂をスーパーエンプラと呼称されるものが望ましい。このスーパーエンプラはポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などの非晶性のものやポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂、ならびに、溶融時に液晶性を示す液晶ポリエステル（ＬＣＰ）などの結晶性のものが挙げられる。しかし、先に記したように自動車などへの適用を考えると、密度の低いものが望ましく、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などのオレフィン系樹脂が、更にはその中でも耐熱性のあるポリメチルペンテンやポリノルボルネン、シクロペンテン、シクロブテンなどのシクロオレフィン系樹脂が望ましい。
【０００８】
更にはソフトセグメントとして分子量３００〜５０００のポリエ−テル系グリコ−ル、ポリエステル系グリコ−ル、ポリカ−ボネ−ト系グリコ−ル等をブロック共重合したポリエステル系熱可塑性弾性樹脂、ポリアミド系熱可塑性弾性樹脂、ポリウレタン系熱可塑性弾性樹脂なども適用することができ、これらの熱可塑性樹脂群の中から２種類以上混合して使用することも可能である。
【０００９】
また、これらの熱可塑性樹脂についても強化繊維との接着性を向上させる処理剤などを付与することが望ましく、更に、熱劣化防止、酸化劣化防止、難燃性付与などのため、種々の添加剤も必要に応じて適用する。
【００１０】
一般にＦＲＰの理論的特性値Ｘc は、強化繊維とベースとなる樹脂の特性値（ＸｆとＸｍ）と強化繊維とマトリックスの体積含有率（ＶｆとＶｍ）から、次式で求められる。
Ｘc ＝Ｘf Ｖf ＋Ｘm Ｖm
また、強化繊維間で樹脂が未含浸であるボイド（空隙）率は次式によって求められる。
Ｖｖ＝１−（Ｖf ＋Ｖm）
なお、一般にＸf ＞Ｘmであるので、これらの式から、Ｘc は繊維含有率Ｖf をできるだけ高めること、含浸状態を向上させてボイドを少なくすることが特性Ｘc向上に必要であることが分かる。従って、基本的には、強化繊維、及び／又は、強化繊維よりなる布帛は充分に開繊され、更に、該強化繊維の表面が熱可塑性樹脂により実質的に覆われる必要がある。そして、敢えて、局所的に含浸状態を調整することで破壊開始点と変形の制御を行なうことで、衝撃吸収を効率的に行なうことができる。
そのため、好ましくは、強化繊維をエア開繊や、バー開繊などの手法を用いて予め、及び／又は連続的に開繊した後、強化繊維にテンションを賦与しながら樹脂を吐出するスリットが適宜、配置された曲面ダイに接触させることが必要である。これにより曲面ダイに強化繊維が接触することで、該強化繊維がより、均一に開繊され、しかも、該スリットから吐出した樹脂が適宜、強化繊維に含浸できる。また、その直後に樹脂浴を設置し、該樹脂浴を通過させた後に樹脂が含浸した強化繊維をダイスから引き抜き、成形材料として糸状、及び／又は、シート状物を得ることが必要である。なお、ダイスの形状は丸断面や矩形断面、異形断面などの適用も考えらる。また、ここで該熱可塑性樹脂が溶融した状態で、連続的に巻取ることで円管や矩形管などの成形品を直接、得ることも可能である。
【００１１】
また、上記のようにして得た糸条、あるいは、シート状物を最終成形品の形状に体積、または、積層し、該熱可塑性樹脂の溶融温度近傍まで加熱した後、冷却することで一体化することで衝撃吸収体が得られる。
【００１２】
【実施例】
以下に本発明の実施例、ならびに、本文中、及び、実施例中の評価方法について記述する。
（１）複合材料の繊維含有率、密度、空洞率
ＪＩＳＫ７０７５「炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験方法」、ならびに、ＪＩＳＫ７０５２「ガラス繊維強化プラスチックの繊維含有率測定方法」に準拠して、繊維含有率、密度、空洞率を求めた。
（２）含浸状態
任意に選択した複合材の断面を光学顕微鏡で観察し、強化繊維周囲長の５０％以上が樹脂と接触した状態の該強化繊維の含有量で示すものである。なお、ここでは７０％以上を良、７０％未満のものを不良とした。
（３）力学特性（引張試験物性）
ＪＩＳＲ７６０１「炭素繊維試験方法」に準拠して、引張強度（破壊強さ）と引張弾性率を求めた。
（４）衝撃試験
幅５ｍｍ×厚５ｍｍ×長さ４０ｍｍの試料について、長さ方向を鉛直にして、平坦な場所に設置（下端の長さ方向１０ｍｍを治具で固定）し、上端に約２００Ｊ（円柱状錘１２ｋｇ）の衝撃エネルギーを与え、試料の破壊形態を観察した。
（実施例１）
市販の炭素繊維（強度６３００ＭＰａ、弾性率２９５ＧＰａ）を開繊バーにて充分開繊した後、マレイン酸変性を行なったポリプロピレン樹脂が吐出するスリットの局所的にない曲面ダイ、ならびに、樹脂浴を通過させた後、ダイから引抜き、実施例１のテープ状物を得た。
（比較例１）
市販の炭素繊維（強度６３００ＭＰａ、弾性率２９５ＧＰａ）を開繊バーにて充分開繊した後、マレイン酸変性を行なったポリプロピレン樹脂がスリット全面から吐出すること以外は実施例１と同様に曲面ダイ、ならびに、樹脂浴を通過させた後、ダイから引抜き、比較例１のテープ状物を得た。
なお、上記の実施例、ならびに、比較例に適用した工程の概略図を図１に、また、曲面ダイのスリット部の概略図を図２に示す。なお、スリットで局部的に樹脂が吐出されない部分は、本実施例では１ヶ所であるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて、その数や寸法を設定することが可能である。また、材料の緒言と物性を表１に示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
実施例１は本発明の衝撃吸収材に適用できるテープ状物であり、比較例１は一般に適用されるテープ状物である。
何れも、図１に例示される含浸方法により得たものであるが、強化繊維を充分に開繊させているので含浸状態が良好である。しかし、含浸状態を確認する際の断面写真に於いて、実施例１は比較例１に対して、特にテープ状物幅方向における中央部分で空間が多く認められ、その結果として空隙率も高く、また、密度も少し小さい。しかし、実施例１のテープ状物は比較例１に対して実質的には遜色なく、高い弾性率と強度を有している。
（実施例２）
実施例１のテープ状物を弛まないように一方向に並べたものをプレス成形機（成形温度２３５℃×圧力０．１ＭＰａ×１ｍｉｎ）で圧縮成形し、幅２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの一方向強化材を得た。
（比較例２）
テープ状物が比較例１で得たものであること以外、実施例２と同様にテープ状物を弛まないように一方向に並べたものをプレス成形機（成形温度２３５℃×圧力０．１ＭＰａ×１ｍｉｎ）で圧縮成形し、幅２０ｍｍ、厚さ５ｍｍの一方向強化材を得た。
【００１５】
実施例２、並びに、比較例２から長さ方向が強化繊維の方向になるよう幅５ｍｍ×厚５ｍｍ×長さ４０ｍｍの試料を切出し、衝撃試験を行なった。
その結果、実施例２は上端から１０ｍｍ以上、完全に圧壊している部位があり、試料全般に強化繊維方向の亀裂進展が認められた。一方、比較例２は上端から約３ｍｍに完全に圧壊している部位があり、強化繊維方向の亀裂進展はあまり認められなかった。
これは本発明に該当する実施例２の試料は曲面ダイのスリットで局部的に樹脂が吐出されない部分を有するテープ状物を用いているため、含浸状態が低い部分が点在し、衝撃を受けた際にその部位から亀裂進展があり、破壊エネルギーを効率的に吸収したためと考えた。
【００１６】
以上のように強化繊維に対する熱可塑性樹脂の含浸状態が異なる２種以上の糸条、及び／又は、シート状物を組合わせたものを該熱可塑性樹脂の溶融温度近傍まで加熱した後、冷却することで一体化した衝撃吸収体は、基本的な力学物性を有し、更に、衝撃吸収を行なうと同時に、煩雑な工程なしに得られるものである。
このような複合材は一般的な産業資材として好適であり、特に、振動や衝撃を吸収するための構造材に適用することができる
【００１７】
【発明の効果】
本発明によると、基本的な力学物性を有し、更に衝撃吸収を行なうと同時に、煩雑な工程なしに衝撃吸収体が得られることを可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に適用する例の実施で適用する装置の概略図である。
【図２】(a)、(b)ともに本発明に適用する例の実施で適用する装置における曲面ダイのスリット部の概略図である。
【符号の説明】
１予備開繊ローラー
２曲面ダイ
２−ａ．スリット（局所停止）
２−ｂ．スリット（全通）
３直線ダイ
４引取ローラー
５樹脂の圧入方向
６糸道

Claims

開繊された強化繊維及び／又は該強化繊維の布帛を連続的に引取り、溶融、或いは軟化した熱可塑性樹脂中に通過させ、局部的に熱可塑性樹脂が吐出されないスリットを有するダイを用いて該強化繊維の単糸表面を該樹脂で実質的に覆うと同時に引取方向及び／又は引取方向に対して垂直方向（横方向）に含浸状態が異なるようにして得た糸状及び／又はシート状物を最終成形品の形状にし、該熱可塑性樹脂の溶融温度近傍まで加熱した後、冷却することで一体化することによって衝撃吸収体を製造する方法であって、強化繊維として用いた炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の含浸状態の低い部分がボイド（空隙）で点在した衝撃吸収体であることを特徴とする衝撃吸収体の製造方法。