JP4432563B2

JP4432563B2 - Ｆｒｐの製造方法

Info

Publication number: JP4432563B2
Application number: JP2004084313A
Authority: JP
Inventors: 浩司小谷; 一章北岡; 真澄溝端
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005271248A

Description

本発明は、真空Resin Transfer Molding（以下、ＲＴＭと言う。）成形法による繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと言う。）の製造方法の改良に関し、詳しくは、樹脂のショートパスを防止して、樹脂の未含浸部の発生を無くし、成形体の品質の安定性を高めることが可能なＦＲＰの製造方法に関する。

周知のように、ＦＲＰは軽量で高い機械特性を発揮できる材料であり、各種分野に使用されている。ＦＲＰの代表的な製造方法の一つとして、真空ＲＴＭ成形方法が知られている。真空ＲＴＭ成形方法は、型内に少なくとも強化繊維基材からなるプリフォームを配置し、その型のキャビティ内を減圧して、樹脂を減圧されたキャビティ内圧力と外部圧力との差圧を利用してキャビティ内に注入し、注入した樹脂を強化繊維基材に含浸させた後、樹脂を硬化させ、硬化後に脱型してＦＲＰを得る方法である。真空ＲＴＭ法には、上下セットになった金型を使う成形方法と、下金型の上にプリフォームを設置し、フィルムやゴムシートのようなバッグ材で覆って成形する方法等がある。

特許文献１では、型内にプリフォームとその上に樹脂拡散媒体を配置し、プリフォームと連通した樹脂注入口と減圧吸引口を設置して、それら全体をバッグ材で覆って減圧して、樹脂を注入して硬化させる方法が開示されている。しかしながら、この方法のみでは、プリフォーム全体に樹脂が含浸するのに時間がかかる場合、例えばプリフォームの厚みが厚い場合などには、注入された樹脂がプリフォーム全体に含浸する前に、正規の樹脂含浸経路から外れて、例えばバッグ材のしわのようなキャビティ内の隙間をショートパスして減圧吸引口に到達して、減圧吸引経路を塞ぐ問題が生じる。その場合、プリフォームの減圧吸引を充分に行うことが出来なくなり、強化繊維内を通過する樹脂の流速が維持されず、樹脂の未含浸部を残す問題があった。

特許文献２では、真空ＲＴＭ成形法の改良方法として、成形部全体を加熱することにより高品位なＦＲＰが製造できる方法が開示されている。すなわち、加熱により樹脂の粘度が下がり、プリフォームへの樹脂の含浸が改善して、高品位な成形品が得られる方法である。しかしながら、樹脂の粘度が下がると、樹脂のショートパスがより起こりやすくなる場合があった。

特許文献３では、バッグ材を使用した真空ＲＴＭ成形法の改良として、プリフォームをバッグする通常のシングルバッグの上に、さらにダブルバギングをして、その中を減圧吸引することにより、シングルバッグ内にエアーのリークが無いようにするという技術が開示されている。しかしながら、この方法においても、先述の通り、プリフォームから減圧吸引口に樹脂がショートパスする問題が依然としてあった。
米国特許第４，９０２，２１５号明細書特開２００３−４８２２３号公報（図２）米国特許出願公開第２００２／００２２４２２号明細書

本発明の課題は、ＦＲＰの製造方法における上記従来技術の問題点を解決し、注入樹脂の減圧吸引口側への樹脂のショートパスを防止することにより、樹脂を正規の樹脂流路で正規の流量で流動させて、成形品における未含浸樹脂部の発生を防止することが可能なＦＲＰ製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を達成するために、少なくとも次の（Ａ）〜（Ｅ）の工程からなることを特徴とするＦＲＰの製造方法。

（Ａ）強化繊維基材からなるプリフォーム、減圧吸引口および樹脂注入口を成形型の上に設置するセット工程。

（Ｂ）前記プリフォームに接触し、かつ前記減圧吸引口にも接触するように通気材料を配置し、次に前記減圧吸引口全体と通気材料の少なくとも一部を気密材料でシールして覆う吸引部の密閉工程。

（Ｃ）前記成形型上のプリフォーム、減圧吸引口、樹脂注入口、通気材料および前記吸引部を覆う成形部の全体を、バッグ材でシールし、覆って密閉する成形部全体の密閉工程。

（Ｄ）前記バッグ材でシールして覆われた成形部全体を、減圧吸引口から吸引により減圧する減圧工程。

（Ｅ）前記樹脂注入口から樹脂を注入し、前記強化繊維基材に樹脂を含浸させてから、樹脂をキュアさせる樹脂の含浸・キュア工程。

本発明に係るＦＲＰの製造方法によれば、プリフォームと減圧吸引口と通気材料で繋ぎ、それを気密材料で覆うので、正規流路からショートパスする樹脂に起因する吸引口の真空度低下を防ぐことができる。よって、ＦＲＰ製成形体における樹脂未含浸部の発生を防止することができ、品質を安定させることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態を一実施例の図面を参照しながら工程順に説明する。

図１は本発明の製造方法に係る第１の実施の形態を説明するための真空ＲＴＭ装置の断面図であり、プリフォーム２内を減圧しつつ、樹脂ポット５内の樹脂を注入している様子を示している。図２は図１に示している真空ＲＴＭ装置の平面図である。
１．セット工程
図１において、まず、表面に離型剤が塗布された片面型１上にプリフォーム２を配置する。プリフォーム２は少なくとも強化繊維基材から構成されている。プリフォーム２の強化繊維基材は、厚い方が後記５の含浸・キュア工程で説明する板厚方向への含浸時間がより長くなるので、本発明の特徴が発揮できる。

プリフォーム２を構成する強化繊維基材としては、特に限定されないが、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを用いることができる。また、プリフォーム２の断面形状は、例えば矩形、Ｃ型、Ｉ型、Ｌ型、Ｚ型、Ｔ型、またはハット型のように複雑形状であるほど、よりキャビティ内に隙間が出来やすく、本発明の特徴が発揮できる。樹脂を素早く、かつまんべんなくプリフォーム２内に流動させる必要性から、プリフォーム２上に離型性のあるピールプライ１５と樹脂拡散媒体３を配置することが好ましい。ピールプライ１５は、硬化後に樹脂拡散媒体３が硬化板から容易に離型できれば特に材質を限定するものではなく、例えばナイロン製織布を使用することが好ましい。樹脂拡散媒体３としては、樹脂流動抵抗がプリフォーム２より低ければ特に限定するものではないが、例えば網目状のシートや樹脂流路としての溝を付けた平板を使用することが好ましい。必要に応じて樹脂拡散媒体３の上に押圧板を設置しても良い。

次に、プリフォーム２に樹脂を注入する注入口４とプリフォーム２を減圧する吸引口６を配置する。図１に示すように、樹脂拡散媒体３の左側に樹脂の注入口４を配置する。樹脂の注入口４は、図２に示すように、プリフォーム２の幅方向に拡散しやすいように開口している型材を使用することが好ましく、例えばアルミ製のＣチャンネルを使用することができる。また、プリフォーム２の幅方向に樹脂を流動させる溝を片面型１に加工しても良い。樹脂ポット５は樹脂注入口４の近くに設置して、注入ライン１６で連通させる。注入ライン１６は特に限定するものでは無いが、圧力損失を小さくするためには、内径が大きい方が好ましい。

一方、プリフォーム２の右側には、左側の一部をプリフォーム２と接触させ、右側を吸引口６と連通させて減圧吸引できるように通気材料７を配置する。減圧吸引口６は減圧吸引ライン１１で真空トラップ１２、真空ポンプ１３の順に連通させる。減圧吸引口６は、前記の４と同様に、下部が開口していれば良い。

通気材料７は、プリフォーム２の減圧吸引が可能であれば、特に形態を限定するものではない。少なくとも一部がプリフォーム２と接触していれば良く、プリフォームの端部全体に渡って配置することもできる。

通気材料７の材質としては、特に限定するものでは無いが、有機繊維布帛、無機繊維布帛、メッシュ材などを使用することができる。例えば、目付が低いガラス繊維織物あるいはマット材、合成繊維の不織布のような通気抵抗が低い材料が減圧吸引をする点からは好ましい。もしくは樹脂拡散媒体３として使用される網状のシート材が樹脂拡散抵抗、通気抵抗が低い点で好ましい形態である。もしくは、通気抵抗・流動抵抗が大きい材料を用いて、後述の５の含浸・キュア工程で、樹脂がプリフォーム全体に含浸した後、通気材料に到達した時に、減圧吸引口までの通気材料内を低流速で流動させて、プリフォーム内の樹脂圧を安定させることもできる。例えば、前記プリフォームを構成する繊維強化基材の一部を通気材料として扱うことも本発明の実施の態様である。
２．減圧吸引口６の密閉工程
次に、減圧吸引口６と、通気材料７の少なくともプリフォーム２と接触していない部分を囲んでシール材８ａを配置し、気密材料９でシール材８ａのところで減圧吸引口６と通気材料７を覆う。気密材料９としては、樹脂を透過しない機能があれば、特に限定はしないが、バッグ材１０で使用するような気密性の高いフィルム材が、形状の追従性を持っている点から好ましい。気密性の高い樹脂製のシート、例えば、弾性シート、テフロン（登録商標）シートなどを使用しても良い。また、形状の追従性は無いが、金属性や樹脂製の加工品を使用しても良い。

シール材８ａとしては、粘着性のテープや弾性体のシールを利用しても良いし、よりシール性を高めるためにはシーラントテープを使用することが好ましい。また、それらを機能的に使い分けて、２種類以上のシールを使用することも可能である。

また、気密材料９として、例えばポリエチレン製の粘着テープなどのテープ材を使用することにより、テープの端部でシール材８ａの機能を兼ねて、全体を密閉することが作業の簡略化の点で好ましい。また、減圧吸引口６を、例えば気密材料９と同じような開口部が広い形状にして、気密材料９の機能を合わせ持たせるようにしても良く、例えば、金属製、あるいは、ナイロンやポリエチレンなどの機密性のある樹脂材料でできたパイプ材、チャンネル材を使用して、周囲をシール材８ａで密閉することもできる。または、シリコンなどの弾性材料を用いて、減圧吸引口６、気密材料９の機能に加えて、シール材８ａの機能を合わせ持った形態とすることも可能である。

図１に示すように、シール材８ａは、プリフォーム２の右側の側面に配置する方が、プリフォーム２の右側の強化繊維の毛羽やフィルムの隙間を通るショートパスを防止することができるため、より好ましい。また、図１に示す構造とした場合には、シール材８ａが通気材料７の隙間を埋めて、吸引減圧経路を塞ぐことを防止するために、気密材料をシールと通気材料の間に配置するか、シールの下に気密材料を配置することがより好ましい。

本工程で、減圧吸引口６と通気材料７が、後述の成形部全体のバギング工程３で形成されるバッグ内のキャビティから完全に遮断され、プリフォーム２とのみ減圧吸引・樹脂流動流路として繋がる構造となる。
３．成形部全体のバギング工程
次に、前記工程まででセットした成形部全体の周りにシーラント８ｂを配置して、バッグ材１０で全体を覆う。バッグ材１０は気密性、可撓性の高い材料であれば特に限定はしないが、例えば、ナイロン製のフィルム材などを使用すると良い。
４．減圧工程
次に吸引側のバルブ１４ａを開き、減圧吸引口６よりバッグ内を減圧する。成形体内に空気を残存させないためには、１０ｔｏｒｒ以下まで減圧することが好ましい。なお、バッグ内への空気のリークを防止するために、１重目のバッグをさらにダブルバギングしてキャビティ内を減圧しても良い。
５．樹脂の含浸・キュア工程
次に注入側のバルブ１４ｂを開放して、樹脂ポット５の樹脂が、大気圧とプリフォーム２内の真空度の差圧により樹脂注入口４から流入する。樹脂はまず注入口４の全長方向（プリフォーム２の幅方向）に充填して、その次に図の矢印の方向に樹脂拡散媒体３内を拡散する。ここで、従来技術の場合には、拡散媒体３内を拡散した後に、樹脂のフローフロントが、例えばバッグ材１０のしわ、あるいはプリフォーム２側面の繊維毛羽のようなキャビティ内の隙間があると、これらは一般的に流動抵抗がプリフォーム２より低いため、正規の樹脂の含浸経路から外れ波線矢印で示す経路１０６を通り、減圧吸引口６にショートパスする結果、減圧吸引口６を塞いで、減圧吸引口６側の真空度が低下する問題があった。そのことにより、プリフォーム２内の含浸速度が遅くなり、最終的に未含浸部を残す場合があった。

しかるに、本発明の方法では、樹脂のショートパスを気密材料９で防止するため、減圧吸引口６側の真空度が維持されて、拡散媒体３内の樹脂はプリフォーム２内をフローフロント１０１，１０２，１０３の順に正規の経路を正規の流量で含浸することが可能となり、成形体の未含浸部の発生を防止することができる。

なお、使用する樹脂としては、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂が、成形性、コストの面で好ましい。

プリフォーム２への樹脂含浸が完了したら、注入側のバルブ１４ｂを閉鎖する。吸引側のバルブ１４ａについては、揮発性のガスを抜きたい場合や成形体の繊維体積含有率を上げたい場合には開放させたままで良いが、表面の平滑性が必要な場合は閉止しても良い。次に、必要に応じて成形部の温度を硬化温度まで上げて、成形体を固化させる。

本発明により、すなわち、減圧吸引側をシールして樹脂のショートパスを防止することにより、減圧吸引口６側の真空度が維持されるため、樹脂は正規経路を含浸して、成形体に未含浸部の無いＦＲＰを製造することが可能となった。

実施例１
図１において、まず、表面に離型材が塗布されたアルミニューム製の平型１上に、東レ株式会社製の一方向炭素繊維織物（“トレカ”Ｔ８００Ｓ×１９０ｇ／ｍ²目付、サイズ３００ｍｍ×１００ｍｍ）を３２ｐｌｙ積層させたプリフォーム２を配置した。次に、プリフォーム２上に離型性のあるピールプライ１５（ナイロン製のタフタ）と樹脂拡散媒体３として＃４００メッシュのポリプロピレン製網状体を配置した。

次に樹脂拡散媒体３の左側にアルミ製のＣチャンネル材の開口部を下にした樹脂の注入口４を配置した。樹脂ポット５は樹脂注入口４の近くに設置して、ナイロン製の内径φ６ｍｍの注入チューブ１６で連通させた。一方、右側には、左端部の２０ｍｍ分をプリフォーム２の型側に敷いた＃４００メッシュのポリプロピレン製網状体を通気材料７として配置し、通気材料７の右側にアルミ製のＣチャンネル材の開口部を下にした減圧吸引口６を配置した。減圧吸引口６は、ナイロン製の内径φ６ｍｍのチューブを使用した減圧吸引ライン１１で真空トラップ１２と真空ポンプ１３と連通させた。

次に、減圧吸引口６と、通気材料７のプリフォーム２と接触していない部分を囲んで、プリフォーム２の右側の側面に沿ってシール材８ａを配置して、気密材料９としてナイロン製フィルムを用いて、シール材８ａから減圧吸引口６と通気材料７の一部を覆った。

上記工程で、減圧吸引口６と通気材料７がバッグ内のキャビティから遮断されて、プリフォーム２とのみ繋がる構造となった。

次に、前記工程まででセットした成形部の周りにシーラント８ｂを配置して、バッグ材１０としてナイロン製フィルムで全体を覆った。吸引側のバルブ１４ａを開き、減圧吸引口よりバッグ内を１ｔｏｒｒまで減圧した。

次にプリフォーム２の温度を６０℃まで加熱した後、注入側のバルブ１４ｂを開放して、樹脂ポット５の樹脂を樹脂注入口４より注入した。樹脂は東レ製ＲＴＭ用エポキシ樹脂ＴＲ−Ａ３６を使用した。樹脂は瞬時に樹脂注入口４に充填され、樹脂拡散媒体３内を５分あまりで拡散した後、プリフォーム２の板厚方向に含浸して、３０分で通気材料７にプリフォーム２からの樹脂の流出（到達）を確認した。樹脂がプリフォーム２全体に含浸を完了したため、注入側のバルブ１４ｂを閉鎖した。

次に、吸引側のバルブ１４ａは開放させたまま、プリフォーム２の温度を１３０℃まで上昇させて、プリフォーム２内の樹脂を硬化させた。樹脂の硬化を確認した後に、成形品を脱型した。脱型した成形品は、樹脂の未含浸部のない良品が得られた。

本発明の製造方法の第１実施例に係る真空ＲＴＭ装置の断面図であり、プリフォーム２内を減圧しつつ、樹脂ポット５内の樹脂を注入している様子を示したものである。図１の真空ＲＴＭ装置の平面図である。

符号の説明

１：型
２：プリフォーム
３：樹脂拡散媒体
４：注入口
５：樹脂ポット
６：吸引口
７：通気材料
８ａ：シール材（吸引側を密閉するシール）
８ｂ：シーラント
９：気密材料
１０：バッグ材
１１：吸引ライン
１２：真空トラップ
１３：真空ポンプ
１４ａ：吸引側バルブ
１４ｂ：注入側バルブ
１５：ピールプライ
１６：注入ライン
１０１：フローフロント１
１０２：フローフロント２
１０３：フローフロント３
１０６：ショートパス経路

Claims

少なくとも次の（Ａ）〜（Ｅ）の工程からなることを特徴とするＦＲＰの製造方法。
（Ａ）強化繊維基材からなるプリフォーム、減圧吸引口および樹脂注入口を成形型の上に設置するセット工程。
（Ｂ）前記プリフォームに接触し、かつ前記減圧吸引口にも接触するように通気材料を配置し、次に前記減圧吸引口全体と通気材料の少なくとも一部を気密材料でシールして覆う吸引部の密閉工程。
（Ｃ）前記成形型上のプリフォーム、減圧吸引口、樹脂注入口、通気材料および前記吸引部を覆う成形部の全体を、バッグ材でシールし、覆って密閉する成形部全体の密閉工程。
（Ｄ）前記バッグ材でシールして覆われた成形部全体を、減圧吸引口から吸引により減圧する減圧工程。
（Ｅ）前記樹脂注入口から樹脂を注入し、前記強化繊維基材に樹脂を含浸させてから、樹脂をキュアさせる樹脂の含浸・キュア工程。
前記通気材料として、有機繊維布帛、無機繊維布帛、メッシュ材、樹脂の拡散媒体、または前記プリフォームを構成する繊維強化基材の一部を用いることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰの製造方法。
前記プリフォームの、少なくとも前記通気材料が接触する側面にシール材を配置することを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰの製造方法。
前記気密材料が、前記シール材と前記通気材料の間に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰの製造方法。
プリフォームの断面形状として、矩形、Ｃ型、Ｉ型、Ｌ型、Ｚ型、Ｔ型、またはハット型のものを用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰの製造方法。