JP4330364B2

JP4330364B2 - 樹脂トランスファー成形法

Info

Publication number: JP4330364B2
Application number: JP2003093474A
Authority: JP
Inventors: 徹金子; 禎孝梅元; 清人佐々木
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Toho Rayon Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004299178A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不織布又はチョップドマット内を介して繊維積層体に樹脂を供給することにより樹脂の拡散速度を向上させる樹脂トランスファー成形法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂トランスファー成形法は、熱硬化性樹脂を用いる成形法の一種で、型のキャビティーに樹脂を注入して硬化させることにより成形品（複合材料）を得る。
【０００３】
樹脂を注入する型としては一般的に剛性の高い金型が用いられる。大型の成形品の製造を目的とする場合には型の一部を柔軟性を有するバギングフィルムに置き換えて成形が行われている。
【０００４】
樹脂トランスファー成形法を用いて複合材料の成形を行うには、繊維強化材等（成形材料）を型に敷設した後、型のキャビティーに樹脂を注入して繊維強化材に樹脂を含浸させ硬化させる。
【０００５】
樹脂の注入は、金型や成型品に無理な圧力がかからないため真空アシストを用いた低圧封入成形法が用いられる。この方法を用いて金型が形成するキャビティーに樹脂を注入する場合には型が変形しないので容易に樹脂の注入を行うことができる。しかしながら、型とバギングフィルムで繊維強化材を密封して成形を行う場合には、型とバギングフィルム間を減圧にすると、バギングフィルムが繊維強化材に密着して樹脂の流路を塞ぐので樹脂の拡散が妨げられる。樹脂の拡散が妨げられると樹脂の注入に長時間を要し、これは成形品が大型になるほど顕著になる。
【０００６】
このため、バギングフィルムを用いて複合材料を製造する場合、樹脂が拡散しやすいように通常樹脂拡散媒体（メディア）が用いられている。樹脂拡散媒体はメッシュ状のシートであり、繊維強化材を型に敷設した後繊維強化材上に重ねて敷設されるが、成形後は成形品の軽量化のため通常は取り除かれ廃棄される。このように、樹脂拡散媒体は樹脂を効率よく拡散させるために必要であるものの、成形後に取り除く必要があることから成形品の製造コストが高くなる。またそれ自体が廃棄物となるため環境問題の観点からも問題がある。
【０００７】
また、樹脂拡散媒体を用いずに樹脂の拡散を向上させる従来の技術としては、ポリウレタン等の発泡体やバルサ材からなるコア材の表面に溝を設けた樹脂トランスファー成形法（特許文献１及び２）がある。この方法は表面に溝のネットワークをもつコア材を繊維強化材で被覆した部品を複数用いて目的とする成形品の形状に配列した後、コア材の溝に樹脂を供給して繊維強化材に含浸させて一体化させ、最終成形品を得るものである。
【０００８】
しかし、この方法では、コア材の厚さを３ｍｍ以下とすることは困難であり、更に厚さ３ｍｍ以下のコア材の表面に溝を形成することは非常に困難である。
【０００９】
後述する本発明は、樹脂の拡散を向上させる目的で不織布又はチョップドマットを繊維強化材間に挿入しており、これらの文献にはこの概念は全く記載されていない。
【００１０】
【特許文献１】
特表２０００−５０１６５９号公報（第２１頁、図１）
【特許文献２】
特表２００１−５１０７４８号公報（第１１頁、段落番号（００１７））
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、成形後に廃棄が必要な樹脂拡散媒体を使用することなく樹脂を効率よく拡散することができる樹脂トランスファー成形法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、溝加工を行ったコア材を用いる方法より厚さが薄い成形品が得られ、更に同じ厚さの成形材料を全て繊維強化材を用いた成形品と比較して同程度の強度を有する成形品を安価に製造することができる樹脂トランスファー成形法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は鋭意研究の結果、厚さ３ｍｍ以下の不織布又はチョップドマットを繊維強化材の間に挿入することにより樹脂を効率よく拡散させることができ、しかも少ない繊維強化材で高強度の成形品を安価に製造できることを見出した。
【００１４】
上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。
【００１５】
〔１〕型に敷設した繊維積層体上にバギングフィルムを重ねて当該バギングフィルム周縁を型に気密にシールしてバギングフィルムと型との間を排気し、樹脂を繊維積層体に注入する樹脂トランスファー成形法であって、繊維積層体が厚さ３ｍｍ以下の不織布又はチョップドマットの両面に繊維強化材を積重してなることを特徴とする樹脂トランスファー成形法。
【００１６】
〔２〕不織布又はチョップドマットに樹脂を注入した後バギングフィルムを繊維強化材方向に加圧して繊維強化材に樹脂を含浸させる〔１〕に記載の樹脂トランスファー成形法。
【００１７】
〔３〕繊維強化材が織物である〔１〕に記載の樹脂トランスファー成形法。
【００１８】
〔４〕繊維強化材が不織布又はチョップドマットに対して互いに面対称である〔１〕に記載の樹脂トランスファー成形法。
【００１９】
〔５〕不織布又はチョップドマットの嵩密度が０．０５〜０．５ｇ／ｃｍ³である〔１〕に記載の樹脂トランスファー成形法。
【００２０】
〔６〕不織布又はチョップドマットの繊維体積含有率Ｖｆが５〜３０％であって、繊維強化材の繊維体積含有率Ｖｆが３０〜６０％である〔１〕に記載の樹脂トランスファー成形法。
【００２１】
〔７〕注入時の樹脂の粘度が０．０１〜１Ｐａ・ｓである〔１〕に記載の樹脂トランスファー成形法。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の樹脂トランスファー成形法は、図１（ａ）に示すように、厚さ３ｍｍ以下の不織布又はチョップドマット１１の両面に繊維強化材９、１３を積重した繊維積層体１を用いることを特徴とする。
【００２３】
繊維強化材の材料としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の通常の繊維強化材に用いる材料が使用できる。中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。
【００２４】
繊維強化材としてはいずれの織形式のものを用いても良いが、両面の繊維強化材は互いに不織布又はチョップドマットに対して面対称となるように組み合わせて使用することが好ましい。繊維強化材を面対称とすることにより、成形品とした際に成形品の反りを防止できる。
【００２５】
不織布又はチョップドマットに対して面対称とすることができる織物としては、例えば、平織物、綾織物、朱子織物、一方向織物、多軸織物等を挙げることができる。
【００２６】
なお、一方向織物とは、平行に並んだ繊維強化材の束（ストランド）をナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等で編んだ織物をいう。多軸織物とは、一方向に引き揃えたシート状の繊維強化材を角度を変えて積層し、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等で編んだ織物をいう。
【００２７】
多軸織物の一例の概略図を図２に示す。この例では多軸織物３０は、繊維の引き揃えた方向が順に０°、＋４５°、−４５°、＋４５°、０°になっている。多軸織物３０は、このように積層した５層の繊維強化材を厚さ方向にステッチしてなる。
【００２８】
不織布又はチョップドマットに対して面対称となる多軸織物の組み合わせの例としては、例えば〔０／−４５〕及び〔−４５／０〕、〔０／＋４５／−４５〕及び〔−４５／＋４５／０〕、〔０／＋４５／−４５／９０〕及び〔９０／−４５／＋４５／０〕等を挙げることができる。一方向に引き揃えた繊維強化材を積層する角度は０°、±４５°、９０°に限定されず、任意の角度とすることができる。
【００２９】
多軸織物の厚さは、成形品の用途により適宜選択するものであるが、通常０．２〜３ｍｍが好ましい。
【００３０】
繊維積層体１を構成する不織布又はチョップドマット１１としては、樹脂トランスファー成形法において樹脂を注入した場合に繊維強化材より樹脂を拡散する速度が速いものであれば制限なく用いることができる。
【００３１】
本発明においてチョップドマットとは、繊維束（ストランド）を長さ（２０〜２００ｍｍ）に切断し、ランダム方向に分散させて均一な厚みに積層し、結合剤を用いて繊維束同士を結合させたシート状物をいう。不織布とは、所定長を有する繊維（フィラメント）を一定方向又はランダムに集積して均一な厚みとし、繊維同士の絡まりや、接着樹脂による接着、熱融着繊維による熱融着等を利用してシート状に保形した布をいう。なお、本発明においては抄紙したペーパーも不織布に含むものとする。
【００３２】
不織布又はチョップドマットの材料としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の通常の繊維強化材に用いる材料が使用できる。中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。
【００３３】
不織布又はチョップドマットの厚さは３ｍｍ以下とするが、０．２〜３ｍｍとすることが好ましい。厚さが３ｍｍを超えると必要となる樹脂量が多く、成形品の重量も重くなる。
【００３４】
また、不織布又はチョップドマットの嵩密度は０．０５〜０．５ｇ／ｃｍ³が好ましい。嵩密度が０．０５ｇ／ｃｍ³未満の不織布又はチョップドマットの製造は困難であり、０．５ｇ／ｃｍ³を超えると樹脂の拡散速度が低下する傾向がある。
【００３５】
本発明で用いる繊維積層体は、不織布又はチョップドマットの繊維体積含有率Ｖｆを５〜３０％、繊維強化材の繊維体積含有率Ｖｆを３０〜６０％とすることが好ましい。各繊維体積含有率をこの範囲とすることにより、繊維積層体に注入した樹脂は不織布又はチョップドマットを浸透して短時間で繊維積層体全体に拡散する。
【００３６】
繊維積層体は、不織布又はチョップドマットの両面に繊維強化材を積重したものをそのまま用いても良いが、これらの材料を積重後ステッチし、一体化したものを用いても良い。また、繊維積層体は不織布又はチョップドマットの両面に繊維強化材を一枚ずつ積重しても良いし、複数の繊維強化材を積重しても良い。
【００３７】
不織布又はチョップドマットに積重する繊維強化材の厚さは片面につき０．２〜３ｍｍとすることが好ましい。
【００３８】
以下、図１を参照して本発明の樹脂トランスファー成形法について説明する。
【００３９】
まず離型処理した型３上に、繊維積層体１を敷設する。繊維積層体１は、不織布又はチョップドマット１１の両面に繊維強化材９及び１３を積重してなる。
【００４０】
敷設した繊維積層体１上にバギングフィルム７を重ねて配置し、バギングフィルム７の周縁をシーラント５を用いて型３と気密にシールし、密封する（図１（ａ））。シーラント及びこれを用いるシール方法自体は公知のものである。
【００４１】
バギングフィルム７を用いて繊維積層体１を密封した後、型３とバギングフィルム７間の気体を排気して減圧にする（図１（ｂ））。次いで、バギングフィルムの一端に形成した樹脂注入口から樹脂を注入する。注入した樹脂は不織布又はチョップドマット１１を通ってバギングフィルムの他端側に形成した樹脂排出口に向かって移動しながら繊維積層体全体に拡散する。
【００４２】
樹脂の注入は、低い射出圧力で樹脂を注入することができるため必要により真空アシストを用いた低圧封入成形法を用いることが好ましい。
【００４３】
その後、繊維積層体１全体に含浸した樹脂と、繊維積層体の表面を覆う樹脂１５を室温硬化させる（図１（ｃ））。
【００４４】
樹脂の硬化に加熱が必要な場合には、オーブン等を用いて繊維積層体１を型３及びバギングフィルム７ごと加熱する。加熱を行う際には、型３とバギングフィルム７間の気体を排気しながら行うことが好ましい。
【００４５】
なお、不織布又はチョップドマットに樹脂を注入した後、効率よく樹脂を繊維積層体全体に含浸させるためバギングフィルム７の外部側から繊維積層体１側に向かって加圧しても良い。この場合、加圧圧力は０．０５〜０．５ＭＰａとすることが好ましい。
【００４６】
また、成形品を取出す際の離型性を高める目的で、必要により繊維積層体上にピールクロス等を重ねてもよい。
【００４７】
本発明の樹脂トランスファー成形法で用いる樹脂としては、通常成形品の製造に用いる熱硬化性樹脂が使用できる。具体的には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂を予備重合した樹脂等が挙げられ、本発明においてはこれらの樹脂の混合物を使用することもできる。繊維強化複合材料を用途とする場合には、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたエポキシ樹脂組成物、ビニルエステル樹脂組成物が好ましい。これらの熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤等が含まれていてもよい。
【００４８】
熱硬化性樹脂は加熱等により樹脂注入時の粘度が０．０１〜１Ｐａ・ｓに減少するものが好ましい。
【００４９】
本発明は樹脂の拡散に優れた不織布又はチョップドマットを樹脂拡散媒体として用い、この樹脂拡散媒体を繊維強化材とともに一体成形し成形品とするものである。従来、一体成形を行って成形品の一部となる材料を用いて樹脂の拡散速度を高める方法として、溝又は貫通孔を形成したコア材を繊維強化材に挿入する方法が用いられている。しかしながら、コア材は厚さ３ｍｍ以下とすることは困難であり、更に厚さ３ｍｍ以下のコア材の表面に溝を形成することは非常に困難である。
【００５０】
一般に、成形品を梁のような曲げの力が掛かる構造材として使用する場合、成形品の厚さ方向に対する中心部は成形品全体の強度を受け持つ割合が低く、中心部に高強度、高弾性率の材料を用いる必要性が低い。このため、同じ厚さの成形材料を全て繊維強化材とする場合と比較して、強度、弾性率は低いが安価な不織布又はチョップドマットを厚さ３ｍｍ以下で強化繊維材間に挿入した本発明の繊維積層体を用いても成形品の曲げ強度、曲げ弾性率にほとんど影響しない。換言すれば、少ない繊維強化材であっても不織布又はチョップドマットを挿入することにより成形品の厚みが増し、成形品の曲げ強度、曲げ弾性率を高めることができる。従って、本発明によれば、安価に、曲げ強度、曲げ弾性率の高い成形品を製造することができる。
【００５１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【００５２】
実施例
東邦テナックス社製炭素繊維織物（一方向織物）Ｗ−３１０１を５０×５０ｃｍにカットし、離型処理したアルミ板の上に[０／９０]方向に２枚積層した。その上に５０×５０ｃｍにカットした東邦テナックス社製炭素繊維ペーパーＢＰ−１１００Ａ−ＥＰ（１００ｇ／ｍ²）を１枚積層し、更にその上に [０／９０]方向に５０×５０ｃｍにカットした炭素繊維織物Ｗ−３１０１を２枚積層した。その後、アルミ板にシーラントテープと樹脂注入用ホースおよび樹脂排出用ホースを配置し、積層材料全体をバギングフィルムで覆いシールした。樹脂注入用ホースの口を閉じ、樹脂排出用ホースから真空ポンプで排気し、バック内を真空にした状態で、アルミ板を５０℃に加温した。
【００５３】
その後、５０℃に加温したエピコート８０７（ジャパンエポキシレジン社製）を１００質量部、５０℃に加温したアデカハードナーＥＨ−４６１（旭電化工業社製）４５質量部を混合した混合液を５０℃雰囲気下で樹脂注入用ホースから積層材料に注入し、混合液を硬化させ本発明品を得た。得られた成形物の厚みは１．６ｍｍｔで、樹脂欠けのない良好な品物であった。
【００５４】
同様にして、比較品として積層材料に全て炭素繊維織物Ｗ−３１０１を[０／９０]方向に８枚積層した同じ厚み（１．６ｍｍｔ）の成形物を製造し、本発明品と比較品について曲げ強度、曲げ弾性率を測定した。結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】

【００５６】
本発明品は繊維強化材の使用量が比較品の５０％であるにもかかわらず、比較品のおよそ９０％の曲げ強度・弾性率を有していた。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の樹脂トランスファー成形法は、樹脂の拡散速度を高める不織布又はチョップドマットを繊維強化材間に挿入した繊維積層体を用いているため樹脂の拡散が良好で、成形後に廃棄が必要な樹脂拡散媒体を使用しないので廃棄物が生じない。また、不織布又はチョップドマットの厚さが３ｍｍ以下であるので、従来の溝加工を行ったコア材を用いる方法より厚さが薄い成形品を得ることができる。更に、成形材料を全て繊維強化材を用いて製造した同じ厚さの成形品と比較して、同程度の曲げ強度、曲げ弾性率を有する成形品を安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の樹脂トランスファー成形法の一例を示すフロー図で、（ａ）は繊維積層体をバギングフィルムと型との間にシールした状態を示す断面図、（ｂ）はバギングフィルムと型との間を減圧した状態を示す断面図、（ｃ）は繊維積層体に樹脂を含浸させた状態を示す断面図である。
【図２】本発明に用いられる多軸織物の一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１繊維積層体
３型
５シーラント
７バギングフィルム
９、１３繊維強化材
１１不織布又はチョップドマット
１５樹脂
３０多軸織物

Claims

型に敷設した繊維積層体上にバギングフィルムを重ねて当該バギングフィルム周縁を型に気密にシールしてバギングフィルムと型との間を排気し、樹脂拡散媒体を使用することなく樹脂を繊維積層体に注入する樹脂トランスファー成形法であって、繊維積層体が、繊維体積含有率Ｖｆ５〜３０％、厚さ０．２〜３ｍｍの炭素繊維からなる不織布又はチョップドマットの両面に、繊維体積含有率Ｖｆ３０〜６０％、厚さ０．２〜３ｍｍの炭素繊維からなる繊維強化材を積重してなり、樹脂の注入時の粘度が０．０１〜１Ｐａ・ｓである樹脂トランスファー成形法。
不織布又はチョップドマットに樹脂を注入した後バギングフィルムを繊維強化材方向に加圧して繊維強化材に樹脂を含浸させる請求項１に記載の樹脂トランスファー成形法。
繊維強化材が織物である請求項１に記載の樹脂トランスファー成形法。
繊維強化材が平織物、綾織物、朱子織物、一方向織物、又は多軸織物である請求項１に記載の樹脂トランスファー成形法。
繊維強化材が不織布又はチョップドマットに対して互いに面対称である請求項１に記載の樹脂トランスファー成形法。
不織布又はチョップドマットの嵩密度が０．０５〜０．５ｇ／ｃｍ^３である請求項１に記載の樹脂トランスファー成形法。