JP4464786B2 - 樹脂含浸シートの製造方法および炭素繊維強化プラスチック成形体 - Google Patents
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Description
例えば、板状のボンネットなどをCFRP成形体から形成する場合、繊維長の長い炭素繊維を織った織物に、樹脂を含浸させたシート状のプリプレグを複数重ねて所定形状とし、これを熱処理して製造される。その他、この板状のCFRP成形体に付随するリブやボスなどをCFRP成形体から形成する場合、所定の金型に、繊維長の短い炭素繊維と未硬化の合成樹脂との混合物を、所定の金型に流し込んだ後、圧縮成形すると共に合成樹脂を硬化させることで製造される。
さらに、この得られた樹脂含浸シートを所定に成形し、炭素繊維強化プラスチック成形体を得る場合においても、樹脂含浸シートの粘度が高いため、炭素繊維が分散した状態を維持したまま成形することが可能であり、炭素繊維が好適に分散し、外観も良好である炭素繊維強化プラスチック成形体を得ることができる。すなわち、得られた樹脂含浸シートを適宜な金型で成形する場合、炭素繊維と樹脂が分離し、樹脂のみが優先的に金型の細部注入されることを防止でき、炭素繊維が好適に分散し、外観が良好である炭素繊維強化プラスチック成形体を得ることができる。
参照する図面において、図1は、本実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック成形体(以下、CFRP成形体とする)を示す斜視図である。図2は、本実施形態に係るCFRP成形体の製造方法の工程図である。図3は、CF束への合成樹脂の含浸状況を示す図である。
図1に示すように、CFRP成形体1は、板状の本体5と、本体5に立設したリブ6とを含んで構成されている。CFRP成形体1は、後記するCFRP成形体1の製造方法で説明するように、所定の金型を使用して一体成形(成型)されたものである。したがって、本体5とリブ6の材質は同一である。このようなCFRP成形体1は、補強材としての繊維長の短い複数の炭素繊維束(以下、CF束7とする)と、熱硬化性樹脂が硬化してなるマトリックス(母材、基材とも称される)と、から形成されている。ここで、「繊維長の短いCF」とは、連続していない短繊維の意味である。
CF束7は、CFRP成形体1の全体に亘って、略均一に分散している。すなわち、CF7は、本体5およびリブ6のどちらにおいても、良好に分散している。したがって、CFRP成形体1における炭素の体積分率Vfには、ほとんどバラつきがなく、外観上も、CF束7が分散していない部分は、ほとんど無い。
このようなCF束7は、単繊維(フィラメント)が所定本数(例えば3000本)で束ねられ、所定太さ(例えば2mm以上)の炭素繊維束(ストランド)が、所定長さにて裁断されたものであり、繊維長は短く連続していない。このようなCFは、炭素短繊維とも称される。
なお、CF束7の太さは、CF束の幅と称される場合もある。また、CF束7の長さは、分散性を考慮すると、3mm〜60mmの範囲内であることが好ましく、特に10mm〜30mmの範囲内であることが好ましい。したがって、CF束7を構成する各CFの長さも、この範囲内となる。
マトリックスは、後記するCFRP成形体1の製造方法で説明するように、熱硬化性樹脂13(図3参照)が硬化したものである。
したがって、高価なCFの体積分率(含有率)が5〜50%に抑えられているため、CFRP成形体1は安価となり、その適用範囲は広くなっている。
続いて、CFRP成形体1の製造方法について、図2、図3を参照して説明する。
本実施形態に係るCFRP成形体1の製造方法は、CF束7に、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸してなり、シート状の樹脂含浸シートを得る第A工程(樹脂含浸シートの製造)と、金型を使用して、第A工程により得られた樹脂含浸シートの熱硬化性樹脂を硬化させながら成形し、CFRP成形体1を得る第B工程と、を含んでいる。
樹脂含浸シートを製造する第A工程は、未硬化の熱硬化性樹脂(合成樹脂)に第1増粘剤を添加して、予備増粘させる第1工程と、予備増粘した熱硬化性樹脂に第2増粘剤を添加した後、CF束7に含浸する第2工程と、得られた含浸物を放置することで本増粘させる第3工程と、を含んでいる。
所定の容器に、未硬化の熱硬化性樹脂と、第1増粘剤および反応促進触媒と投入し、予備混合(プリブレンド)する(図2、S101)。なお、第1増粘剤などを添加する前の未硬化の熱硬化性樹脂は、作業性(流動性など)を考慮し、その粘度が4000mPa・s以下であることが好ましく、さらに3000mPa・s以下であることが最も好ましい。
なお、前記所定時間、所定温度は、熱硬化性樹脂、第1増粘剤、反応促進触媒の種類、量などに関係し、予備実験などに基づいて決定することが好ましい。
ここで、第1工程において使用する熱硬化性樹脂について説明する。
熱硬化性樹脂としては、例えば、水酸基などの活性水素を有する化合物(以下、活性水素含有化合物という)から適宜選択して使用できる。活性水素含有化合物としては、具体的に、不飽和ポリエステル樹脂(unsaturated polyester:UP)、ビニルエステル(vinyl ester:VE)樹脂などが挙げられる。
その他、活性水素含有化合物以外での熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂(phenol-formaldehyde resin:PF)、熱硬化性アクリル樹脂などから適宜選択して使用できる。ただし、これらに限定されず、これらの変性物を使用することもできる。
次に、第1増粘剤、後記第2工程に係る第2増粘剤について説明する。
第1増粘剤、第2増粘剤は、未硬化の熱硬化性樹脂と部分的に反応して、増粘させるための薬剤である。このような第1増粘剤、第2増粘剤としては、例えば、ポリイソシアネートを使用することができる。
なお、第1増粘剤と第2増粘剤は、同種、異種のどちらでもよい。また、第1増粘剤、第2増粘剤の添加量は、未硬化の熱硬化性樹脂の量に対して相対的に決定される。
次に、モノイソシアネート化合物について、具体的に説明すると、フェニルイソシアネート、イソシアネートエチルメタクリレート、m−イソプロペニル−α,α−ジメチルベンジルイソシアネートなどを使用できる。
次に、反応促進触媒について説明する。
反応促進触媒は、前記増粘反応を促進させるための触媒であり、例えば、公知のウレタン化触媒を使用することができる。ウレタン化触媒としては、トリエチルアミンなどの3級アミン、オクタン酸錫、ジブチル錫ジラウレートなどの有機酸塩などの有機金属化合物を使用することができる。
ポリイソシアネートのシアネート基(R-N=C=O)は、前記反応促進触媒下にて、前記不飽和ポリエステル樹脂などの化合物の活性水素と部分的に反応し、ウレタン結合(-NH-CO-O-)を形成する。すなわち、前記増粘反応により、部分的にウレタン結合が生成するため、見かけ上架橋されて増粘する。
25℃における粘度が5000mPa・sより低いと、後記第B工程において、金型に流動性の高い樹脂のみが充填されやすくなり、製造されたCFRP成形体1において、CF束7が均一に分散しにくく、一方、25℃における粘度が20000mPa・sより高いと、CF束7に含浸しにくくなるからである。
所定時間経過後、予備増粘させた熱硬化性樹脂に、第2増粘剤を添加し、本混合する(図2、S103)。このとき、第2増粘剤と共に、反応促進触媒を添加してもよい。
次いで、後記実施例で説明するSMC(Sheet molding compound)含浸機などを使用し、第2増粘剤を添加した熱硬化性樹脂を、CF束7に所定の塗布量となるように含浸させる(図2、S104)。
図3に示すように、下塗り用のフィルム11Aと、上塗り用のフィルム11Bとを所定に配置し、上塗り用のドクターブレード12Aおよび下塗り用のドクターブレード12Bの上流側に、前記予備増粘した熱硬化性樹脂13、13(図3では、単に「樹脂」と記載している)をそれぞれ配置する。そして、フィルム11Aに対してドクターブレード12Aを、フィルム11Bに対してドクターブレード12Bを、それぞれ所定高さ位置に設定し、フィルム11A、11Bを下流側で、所定のライン速度で巻き取り、前記予備増粘した熱硬化性樹脂13を所定の塗布量で、フィルム11A、11Bに塗布する。
なお、CF束7でなく、ガラス繊維に樹脂を含浸した樹脂含浸シートは、一般に、SMC(シート・モールディング・コンパウンド)と称される。
続いて、第2工程で得られた樹脂含浸シート21(得られた含浸物)を、フィルム11A、11Bに挟まれたまま、所定温度(例えば40℃)、所定時間(例えば24時間)にて放置する(図2、S105)。この放置において、樹脂含浸シート21に含まれる、第1工程で添加した反応促進触媒下で、未増粘反応の第1増粘剤および第2増粘剤は、未硬化の熱硬化性樹脂13の一部と増粘反応し、樹脂含浸シート21はさらに増粘(本増粘)される。
なお、この第3工程における所定時間、所定温度は、第1工程と同様に、熱硬化性樹脂、第1増粘剤、第2増粘剤、反応促進触媒の種類、量などに関係し、予備実験などに基づいて決定することが好ましい。
続いて、第A工程で得られた樹脂含浸シート21を成形し、CFRP成形体1を得る第B工程について説明する。
なお、この圧縮成形により、樹脂含浸シート21に係る熱硬化性樹脂13は、熱硬化して、CFRP成形体1に係るマトリックスとなる。
なお、以下に述べる実施例1、比較例1〜3では、リブ6およびボス付きで、本体8の厚さが1.4mmのCFRP成形体1(またはGFRP成形体)を作製した場合について説明する。
(1−1)不飽和ポリエステル樹脂A(熱硬化性樹脂)の準備
撹拌機、温度計、不活性ガス導入口、還流管および加熱装置を備えた10Lフラスコ中に、イソフタル酸830g(5.0mol)、プロピレングリコール798g(10.5mol)を仕込み(投入し)、窒素ガス気流下で、200℃にて8時間、反応させた。
得られた不飽和ポリエステル樹脂Aの初期粘度は、2000mPa・s(25℃)であり、適度な流動性を備えていた。したがって、不飽和ポリエステル樹脂Aは、例えば、パイプ内を流通させての搬送は容易であった(後記表1参照)。つまり、不飽和ポリエステル樹脂Aの配管等による搬送性などは良好であり、取り扱い容易であった。
次いで、粘度2000mPa・s(25℃)の不飽和ポリエステル樹脂Aを撹拌しながら、第1増粘剤として、ポリイソシアネート(具体的にはMDI系ポリイソシアネート(コスモネート(登録商標)M−200、三井武田ケミカル社製))を3phr(parts per hundred parts of resin、不飽和ポリエステル樹脂A100質量部に対して3質量部)、反応促進触媒としてオクタン酸錫を0.01phr(不飽和ポリエステル樹脂A100質量部に対して0.01質量部)を添加し、所定に混合(プリブレンド)した。
そして、プリブレンドした不飽和ポリエステル樹脂Aを、40℃で24時間にて放置し、不飽和ポリエステル樹脂Aの一部とポリイソシアネートとを予備増粘させた。24時間後、25℃において粘度9000mPa・sの不飽和ポリエステル樹脂Aを得た。
前記粘度9000mPa・s(25℃)の不飽和ポリエステル樹脂Aに、第2増粘剤として、前記ポリイソシアネートを6.8phr(不飽和ポリエステル樹脂A100質量部に対して6.8質量部)添加し、本混合した。
月島機械社製のSMC(Sheet Molding Compound)含浸機を使用して、室温(25℃)における粘度が9000mPa・sである本混合後の不飽和ポリエステル樹脂Aを、CF束7に含浸し、樹脂含浸シート21を得た。この含浸において、塗布量は1467g/m2、ライン速度は2m/min、塗布幅は440mmとした。
そして、得られた樹脂含浸シート21を、40℃で24時間にて放置して、不飽和ポリエステル樹脂Aとポリイソシアネートとを反応させることで、本増粘した。
次いで、川崎油工社製の圧縮成形機(100tプレス機)を使用し、開口300×300mmの金型キャビティの所定位置に、前記裁断した樹脂含浸シート21を2層で重ね、不飽和ポリエステル樹脂Aを硬化させながら、圧縮成形した。この圧縮成形において、金型温度は120℃、型締め時間(硬化時間、成形時間)は4min、型締め圧力は10MPaとした。
所定時間経過後、離型し、本発明に係るCFRP成形体1(実施例1)を得た。
得られたCFRP成形体1について、本体5の厚さ、全体の密度、CFの体積分率Vf、曲げ強度を測定した。
CFRP成形体1の本体5の厚さは、ミツトヨ社製のシネックスゲージ547−321で測定した。
CFRP成形体1の密度は、電子計り(MIRAGE社製SD−120L)を使用して、CFRP成形体1の空中での重量(空中重量m)と、水中での重量(水中重量m1)とを測定し、アルキメデス法による次の式(1)に従って算出した。
また、これとは別に、硬化した不飽和ポリエステル樹脂AとCFの密度を、それぞれ求めた。
次いで、前記切り出し片を200mLトールビーカに入れ、濃硫酸(大成化学社製、純度95%)を50mL注いだ後、ヒータで加熱して前記切り出し片中の硬化した不飽和ポリエステル樹脂A(マトリックス)を溶解させた。樹脂が完全に溶解した後、過酸化水素水(関東化学社製)を60mL注いだ。その後、アスピレータで吸引しながら、前記切り出し片に含まれていたCFを、計量済のガラスフィルタで分別ろ過した。さらに、分別したCFを蒸留水およびアセトンで洗浄した。
その後、残存したCFをガラスフィルタと共に恒温槽に入れ、100℃、2時間にて乾燥した後、CFとガラスフィルタの合計質量を測定した。
不飽和ホ゜リエステル樹脂Aの質量=[CFRP成形体の質量]−[CFの質量] …(3)
不飽和ホ゜リエステル樹脂Aの体積=[不飽和ホ゜リエステル樹脂Aの質量]/[不飽和ホ゜リエステル樹脂Aの密度] …(5)
次に、曲げ強度の測定について説明する。
「JISK7074:炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法」に準拠して、得られたCFRP成形体1の本体8をダイヤモンドカッタで切り出し、幅15mm×長さ100mmの曲げ試験片を作製した。そして、この曲げ試験片について、曲げ試験機(島津製作所社製オートグラフAG5000E)を使用し、4点曲げ試験を実施し、曲げ強度を測定した。なお、試験速度は5mm/min、下支点のスパンは板厚(CFRP成形体1の本体5の厚さ1.4mm)×40mmに設定した。
また、目視にて、リブ6およびボスへのCFの分散状態を観察した。
(2−1)不飽和ポリエステル樹脂Bの準備
実施例1に係る不飽和ポリエステル樹脂Aの準備に対して、不飽和ポリエステル(不飽和オリゴマー)を架橋するスチレンモノマーを減量することで、不飽和ポリエステル樹脂の初期粘度を高めることを試みた。具体的には、不飽和ポリエステル100質量部に対して、スチレンモノマー33.3質量部、ハイドロキノン0.05質量部を添加、溶解し、不飽和ポリエステル樹脂Bを得た。
なお、その他、スチレンモノマー量を変化させて、生成する不飽和ポリエステル樹脂の粘度のコントロールを試みたが、スチレンモノマー量の変化に対しての不飽和ポリエステル樹脂の粘度変化が大きく、スチレンモノマー量を調整することで、不飽和ポリエステル樹脂の粘度を制御することは、困難であった。
次いで、不飽和ポリエステル樹脂Bに、前記ポリイソシアネートを9.8phr(不飽和ポリエステル樹脂B100質量部に対して9.8質量部)を添加し、混合した。すなわち、比較例1では、ポリイソシアネートの予備混合、予備増粘を行っておらず、オクタン酸錫も使用していない。
その後、実施例1と同様に、CF束7に不飽和ポリエステル樹脂Bを含浸して、比較例2に係る樹脂含浸シートを得た。その他については、実施例1と同様であり、実施例1と同様に各種測定を行った。測定結果を表1に示す。
オクタン酸錫(反応促進触媒)を使用せず、ポリイソシアネートを予備混合(プリブレンド)、予備増粘しなかった以外は、実施例1と同じである。つまり、比較例2では、比較例1と同様に、CF束7に含浸する前に、不飽和ポリエステル樹脂Aを予備増粘させていない。
したがって、室温(25℃)で2000mPa・sの不飽和ポリエステル樹脂Aを、CF束7に含浸した。
そして、実施例1と同様に各種測定を行った。測定結果を表1に示す。
(4−1)熱硬化性樹脂の準備
室温における粘度が2000mPa・sの不飽和ポリエステル樹脂Aに炭酸カルシウムを添加し、マトリックス原料を作製した。配合比は、不飽和ポリエステル樹脂A40質量%、炭酸カルシウム60質量%とした。
実施例1と同様に、月島機械社製のSMC含浸機を使用して、前記(4−1)で作製したマトリックス原料をガラス繊維(GF)に含浸した。ガラス繊維としては、日東紡社製のEガラス(RS480PK−650)を、繊維長25.4mmに裁断したものを使用した。なお、塗布量を1864g/m2に、降下条件を782g/m2に変更した以外は、実施例1と同じである。
その後、実施例1と同様に裁断した後、圧縮成形し、ガラス繊維強化プラスチック成形体(GFRP成形体)を作製した。
そして、実施例1と同様に各種測定を行った。測定結果を表1に示す。
表1の密度から明らかなように、本発明に係る実施例1は、比較例3(GFRP成形体)より密度が低く、軽量であることが確認された。
また、CFの体積分率から明らかなように、ガラス繊維(GF)から炭素繊維(CF)に単に置き換えた比較例2では、1つのCFRP成形体内で、体積分率に10〜40%の範囲内でのバラツキが生じていたが、実施例1でそのバラツキが抑えられていると共に、25%という低い値に設定可能であることが確認された。これにより、実施例1に係る曲げ強度は、比較例1および比較例2に対して大きく向上し、曲げ強度のバラツキを示すCV値も抑えられたことが確認された。特に、比較例3のガラス繊維(GF)を、炭素繊維(CF)に置き換えたにも関わらず、ほとんど曲げ強度は殆ど変化しなかった比較例2に対して、CFが好適に分散した実施例1の曲げ強度は大きく高まった。
さらに、比較例2の外観には、CFが好適に分散しておらず、CFの無い部位が確認されたが、実施例1では、そのような部位は確認されなかった。
さらにまた、比較例2のリブおよびボスには、樹脂のみが充填されたが、実施例1では、リブおよびボスにもCFは良好に充填された。
さらに、比較例1では、実施例1(スチレンモノマー50質量部)に対して、主鎖間を架橋するスチレンモノマー量を33.3質量部に低下させた不飽和ポリエステル樹脂Bを使用したため、比較例1に係るCFRP成形体の曲げ強度は、実施例1より若干低くなった。
5 本体
6 リブ
7 CF束
21 樹脂含浸シート
Claims (5)
- 繊維長が3mm〜60mmの炭素繊維に、不飽和ポリエステル樹脂又はビニルエステル樹脂を含浸してなる樹脂含浸シートの製造方法であって、
未硬化の不飽和ポリエステル樹脂又はビニルエステル樹脂に第1増粘剤を添加した後に、予備増粘させるために放置する第1工程と、
当該予備増粘した不飽和ポリエステル樹脂又はビニルエステル樹脂に第2増粘剤を添加・混合した後、炭素繊維に含浸する第2工程と、
得られた含浸物を増粘させる第3工程と、
を含むことを特徴とする樹脂含浸シートの製造方法。 - 前記第1工程における予備増粘後の未硬化の不飽和ポリエステル樹脂又はビニルエステル樹脂の25℃における粘度は、5000〜20000mPa・sであることを特徴とする請求項1に記載の樹脂含浸シートの製造方法。
- 前記第1増粘剤および第2増粘剤は、ポリイソシアネートを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の樹脂含浸シートの製造方法。
- 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の樹脂含浸シートの製造方法により製造された樹脂含浸シートを成形してなる炭素繊維強化プラスチック成形体。
- 前記炭素繊維の体積分率が、5〜50%であることを特徴とする請求項4に記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
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