JP5979426B2 - シートモールディングコンパウンド - Google Patents

Description

本発明は、シートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣ）において、ガラス繊維（以下、ＧＦ）と炭素繊維（以下、ＣＦ）をブレンド比、トウサイズ、カット長さ等を適切に設定して併用することで、ＧＦとＣＦとのブレンド品でＣＦ１００％品と同等の物性を発現するシートモールディングコンパウンドに関するものである。

ＳＭＣは、金型内で加熱加圧されると、補強繊維と樹脂組成物とが一体として流動してキャビティを充填するので、部分的に肉厚の異なるもの、リブ・ボスを有するものなど各種形状の成形品を得るのに有利な中間材料である。

一方、ＳＭＣ中の強化繊維として、炭素繊維だけを用いた場合には、流動性に優れるため賦形の自由度が高いと共に成形品の剛性が高く、例えば自動車等産業用部材に検討されているが、炭素繊維の価格が高いため、実用化されにくい問題があった。

例えば特許文献１には、炭素繊維束の分散状態を最適化すれば、レジントランスファーモールディング法（ＲＴＭ）により性能の高い成形品が得られることが示されているが、ＲＴＭ法の成形サイクルはオートクレーブ法よりは短いものの、繊維強化材の積層等に時間が必要であり、賦形性も短繊維材料より低いため、複雑な形状を持つ産業用途部材の量産方法としてはプレス成形より劣る。

また特許文献２には、炭素繊維を使用したシートモールディングコンパウンドについての記載があるが、コストを低減するための方法は提案されていない。

特開２００８−１７４６０５号公報 特開２００６−１４４１６８号公報

本発明の課題は、安価で、実用性に優れるＳＭＣを提供することである。

本発明は、炭素繊維とガラス繊維と樹脂組成物からなるシートモールディングコンパウンドであって、
シートモールディングコンパウンドに含まれる全ての繊維の体積の合計が、シートモールディングコンパウンドの体積の３５〜５５％、炭素繊維トウの総体積とガラス繊維ストランドの総体積の比が、４５／５５〜８０／２０であり、
炭素繊維トウの長さが５〜６０ｍｍ、炭素繊維トウの目付けが５０〜１６００ｍｇ／ｍ、
ガラス繊維ストランドの長さが５〜６０ｍｍ、ガラス繊維ストランドの目付けが４０〜１０００ｍｇ／ｍ、
１本の炭素繊維トウと１本のガラス繊維ストランドの体積比（炭素繊維トウの単位体積／ガラス繊維ストランドの単位体積）が１０以下であるシートモールディングコンパウンドである。なお、単位体積は、１本の炭素繊維トウまたは、１本のガラス繊維ストランドの体積をその質量で割って求めた値、目付は、カット後の１本の炭素繊維トウまたは、１本のガラス繊維ストランドの質量を、長さで割って求めた値、体積は、１本の炭素繊維トウまたは、１本のガラス繊維ストランドの質量をそれぞれの比重で割って求めた値である。

本発明によれば、各繊維の長さ、目付け、両繊維の体積比を適切に設定することで、ガラス繊維と炭素繊維の混合品で構成されるＳＭＣであっても、炭素繊維だけで構成されるＳＭＣと同等の物性を発現させることができるものである。

ＳＭＣマシーンの略図を示す。

本発明によれば、炭素繊維トウとガラス繊維ストランドと樹脂組成物からなるシートモールディングコンパウンドであって、
シートモールディングコンパウンドに含まれる全ての繊維の体積の合計が、シートモールディングコンパウンドの体積の３５〜５５％、炭素繊維トウの総体積とガラス繊維ストランドの総体積の比が、４５／５５〜８０／２０であり、
炭素繊維トウの長さが５〜６０ｍｍ、目付けが５０〜１６００ｍｇ／ｍ、
ガラス繊維ストランドの長さが５〜６０ｍｍ、目付けが４０〜１０００ｍｇ／ｍ、
１本の炭素繊維トウと１本のガラス繊維ストランドの体積比（炭素繊維トウの単位体積／ガラス繊維ストランドの単位体積）が１０以下であるシートモールディングコンパウンドであることが必要である。

本発明のＳＭＣを構成するシートモールディングコンパウンドに含まれる全ての繊維の体積の合計が、シートモールディングコンパウンドの体積の３５〜５５％であれば、樹脂組成物を十分に繊維に含浸させることができ、プレス成形時に良好な流動性が得られるとともに成形物に十分な機械的特性が得られるので好ましい。
炭素繊維トウの総体積とガラス繊維ストランドの総体積の比が、４５／５５〜８０／２０であれば、ガラス繊維と炭素繊維を合わせた繊維強化材から製造された成形物が同じ体積の炭素繊維のみから製造された成形物と同等な機械的特性が得られるので好ましい。
炭素繊維トウの長さが、５〜６０ｍｍの範囲であれば、プレス成形時に良好な流動性が得られるとともに成形物に十分な機械的特性が得られるので好ましい。

さらに、本発明のＳＭＣを構成する炭素繊維トウの目付が、５０〜１６００ｍｇ／ｍであれば、より均一で高物性の成形品が得られるので好ましい。

本発明のＳＭＣを構成するガラス繊維ストランドの長さが、５〜６０ｍｍの範囲であれば、炭素繊維の場合と同様に、プレス成形時に良好な流動性が得られるとともに成形物に十分な機械的特性が得られるので好ましい。

さらに、本発明のＳＭＣを構成するガラス繊維ストランドの目付が、４０〜１６００ｍｇ／ｍであれば、炭素繊維の場合と同様により均一で高物性の成形品が得られる。

本発明のＳＭＣを構成する１本の炭素繊維トウと１本のガラス繊維ストランドの体積比（炭素繊維トウの単位体積／ガラス繊維ストランドの単位体積）が１０以下であると、炭素繊維トウとガラス繊維ストランドを混合した時の分散性が良く、機械的物性がより均一な成形品が得られるので好ましい。

本発明で使用される樹脂組成物は、ＳＭＣを製造する際に、製造に適した粘度を発現し、さらに必要に応じてＳＭＣを取り扱う際に取り扱い性の良好な粘度まで増粘する性質を有する樹脂であればどれでも使用できる。

本発明で使用される樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物が好ましく用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。強化繊維として炭素繊維を用いる場合は、炭素繊維との接着性の点からエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂を用いることがさらに好ましい。

熱硬化性樹脂の含有量は、特に制限されないが、重合性単量体や増粘剤、下記の各種添加剤を配合した樹脂組成物として、樹脂組成物の質量含有率がＳＭＣ中３０〜７０質量％の範囲が好ましい。熱硬化性樹脂の含有量が３０質量％以上では樹脂組成物の炭素繊維への含浸具合が良好となり、７０質量％以下では樹脂成形品の機械強度が良好となる傾向にある。さらに、樹脂組成物の含有量は、良好な含浸性を得るために３５質量％以上がより好ましく、４０質量％以上が特に好ましい。また、樹脂組成物の含有量は成形品の機械強度の点から６５質量％以下がより好ましく、６０質量％以下が特に好ましい。

重合性単量体の種類と熱硬化性樹脂の種類の組み合わせは、使用する熱硬化性樹脂に適した重合性単量体を使用する限り特に制限されず、例えば上に示したビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂の場合はスチレン系または（メタ）アクリル系単量体またはそれらの混合系等の重合性単量体が好適で、エポキシ樹脂の場合はエポキシ基を含有するモノマーが好適であり、１種または複数の重合性単量体を任意に組み合わせて使用することができる。
増粘剤は使用する熱硬化性樹脂に適した公知のものから選ぶことができる。酸化マグネシウムや酸化カルシウム等の金属酸化物やＭＤＩやその変性物等のイソシアネート類、有機過酸過物等を使用する方法が一般的である。

本発明のＳＭＣには、炭素繊維と樹脂組成物のほかに、必要により無機充填剤、重合開始剤、重合禁止剤、顔料、内部離型剤等も使用することができる。

無機充填剤の種類は、特に制限は無く、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、シリカ、溶融シリカ、硫酸バリウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、リン酸カルシウム、タルク、マイカ、クレー、ガラスパウダー等の公知の材料を使用することができ、これらは２種以上を併用することができる。

無機充填剤の含有量は軽量化の点から必要最小限の添加にすることが望ましく、０％でも構わない。

硬化剤の種類は、特に制限は無い。使用する樹脂組成物に適した公知の硬化剤から選ぶことができる。例えばビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂を用いる場合には一般的な有機化酸化物が好ましく、エポキシ樹脂の場合はアミン系や酸無水物系の硬化剤が好ましい。

内部離型剤は、特に制限は無い。例えばステアリン酸亜鉛等の脂肪酸金属塩や、ジアルキルスルホコハク酸ナトリウム等の界面活性剤など公知の材料を使用することができる。

本発明のＳＭＣの製造方法は、特に制限はなく、例えば、樹脂組成物および他の添加物を、図１に示されるようなＳＭＣマシーン等の公知の装置を用いて炭素繊維に含浸させ、その後に１０〜５０℃の温度で数日間熟成し、増粘させることで製造することができる。

図１に示されるようなＳＭＣマシーンを用いる場合は、樹脂組成物は炭素繊維への含浸が可能でありかつキャリアフィルム２の脇から液ダレが起こらないような粘度であることが好ましい。また、熟成後の粘度はキャリアフィルムを容易に剥がすことができるような粘度に増粘していることが好ましい。

以下、実施例によって、本発明のＳＭＣをより具体的に説明するが、本発明のＳＭＣは実施例に限定されるものではない。実施例で用いた強化繊維、樹脂原料、および各物性の測定方法を、次に示す。

＜強化繊維＞
・炭素繊維トウ１ 三菱レイヨン社製 ＴＲ５０Ｓ：フィラメント数１２０００本、トウ目付け ８００ｍｇ／ｍ
・炭素繊維トウ２ 三菱レイヨン社製 ＴＲ５０Ｓ：フィラメント数４８０００本、トウ目付け １０００ｍｇ／ｍ
・炭素繊維トウ３ 三菱レイヨン社製 ＴＲ５０Ｓ：フィラメント数２４０００本、トウ目付け １６００ｍｇ／ｍ
・炭素繊維トウ４ 三菱レイヨン社製 ＴＲ５０Ｓ：フィラメント数６０００本、トウ目付け ４００ｍｇ／ｍ
・炭素繊維トウ５ 三菱レイヨン社製 ＴＲ５０Ｓ：フィラメント数３０００本、繊維目付け ２００ｍｇ／ｍ

・ガラス繊維ロービング１ 日東紡社製 ＲＳ ４６０ Ａ−７８２ ロービング目付け ４８６０ｍｇ／ｍ、カット長：２５．４ｍｍ

＜樹脂組成物＞
表１に示した樹脂等をその配合量で加え、混合撹拌し、樹脂組成物を得た。

（実施例１）
製造するシートモールディングコンパウンドの目付けが、３１００ｇ／ｍ^２になるように、樹脂組成物を所定量フィルム上に塗布し、その塗布面に炭素繊維トウ１を２５．４ｍｍ長にカットしたものと、ガラス繊維ロービング１を４０本のストランド（ガラス繊維ストランド１、目付：１２１．５ｍｇ／ｍ）に分割し、さらに２５．４ｍｍ長にカットしたものを、体積比が、５０／５０となるように混合して散布した後、同様のコンパウンドが塗布されたフィルムで上面を覆って閉じた。ついで、全体を含浸ローラーにかけて同コンパウンドを炭素繊維に含浸させ、引き続きシート状にして巻き取り、２５℃で４日間熟成させ、シートモールディングコンパウンドを得た。
ＳＭＣの組成：
樹脂組成物 ４２．０質量％
炭素繊維トウ１ ２３．８質量％
ガラス繊維ストランド１ ３４．２質量％

（実施例２、３、比較例１〜３）
炭素繊維トウ１とガラス繊維ストランド１の体積比を、表２に記載されているように変更して、用いる以外は実施例１と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。

（実施例４〜８、比較例４，５）
繊維質量含有率を表３のとおりとする以外は実施例２と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。

（実施例９，１０、比較例６，７）
炭素繊維トウのトウサイズを表４のとおりとする以外は実施例２と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。

（実施例１１，１２、比較例８，９）
ガラス繊維ロービング１からの分割本数を２本、５本、４０本、６０本に変更して、ストランド目付を表５のとおりとする以外は実施例２と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。

（比較例１０〜１２）
炭素繊維トウのトウサイズ、炭素繊維トウ目付を表６のとおりとする以外は比較例８と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。

（実施例１３〜１５、比較例１３）
炭素繊維トウのカット長さを表７のとおりとする以外は実施例２と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。

（実施例１６〜１８、比較例１４）
ガラス繊維ストランドのカット長さを表８のとおりとする以外は実施例２と同様にしてシートモールディングコンパウンドを得た。
シートモールディングコンパウンドの成形は、一般的なプレス成形法に基づいて実施した。１４０℃に温調された鋼材製の３０ｃｍ角の平板金型を用い、２ｍｍ厚みの成形板を成形した。シートモールディングコンパウンドは一辺が２０〜２７ｃｍの範囲の正方形を切り出し、所定枚数を積層することで所定量になるように切り出し使用した。成形圧力は８ＭＰａ、成形時間は５分で成形した。
成形板から曲げ試験ＡＳＴＭ Ｄ７９０、引っ張り試験はＡＳＴＭＤ３０３９に規定された切片を切り出し、機械的特性を評価した。

１…樹脂組成物
２…キャリアフィルム
３…コーター
４…強化繊維
５…チョッパー
６…含浸ロール
７…巻き取りロール

Claims (1)

1. 炭素繊維トウとガラス繊維ストランドと樹脂組成物からなるシートモールディングコンパウンドであって、
   シートモールディングコンパウンドに含まれる全ての繊維の体積の合計が、シートモールディングコンパウンドの体積の３５〜５５％、炭素繊維トウの総体積とガラス繊維ストランドの総体積の比が、４５／５５〜８０／２０であり、
   炭素繊維トウの長さが５〜６０ｍｍ、炭素繊維トウの目付けが５０〜１６００ｍｇ／ｍ、
   ガラス繊維ストランドの長さが５〜６０ｍｍ、ガラス繊維ストランド目付けが４０〜１０００ｍｇ／ｍ、
   １本の炭素繊維トウと１本のガラス繊維ストランドの単位体積比（炭素繊維トウ単位体積／ガラス繊維ストランド単位体積）が１０以下であるシートモールディングコンパウンド。