JP5993132B2 - 多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビーム - Google Patents

Description

本発明は多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビームに係り、より詳しくはガラス纎維の配列を差別化して衝突性能を改善した多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビームに関する。

一般に、車両のバンパーの内部には、バンパーの耐久性を向上させる目的でバンパーバックビーム（ｂａｃｋ ｂｅａｍ）が備えられており、このバンパーバックビームはステイ（ｓｔａｙ）を介して車体に固定される。
バンパーバックビームの素材は、スチール素材とＧＭＴ（Ｇｌａｓｓ Ｍａｔ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）に代表されるプラスチック素材に大別される。
スチール素材のバックビームは多様な形状に製造可能で設計の自由度が高い、一方で、素材の重量が重いため車体の軽量化及び燃費の改善に悪影響を及ぼし、アメリカ高速道路安全保険協会（Ｉｎｓｕｒａｎｃｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｓａｆｅｔｙ：ＩＩＨＳ）の低速衝突試験の規定を満足させにくいという欠点を持つ。

一方、ＧＭＴ及びその他のプラスチックバックビームは冷延鋼板と同等の強度を持つガラス纎維と樹脂との複合材料で、車体の軽量化に寄与し、衝突エネルギーの吸収性に優れ、アメリカ高速道路安全保険協会（ＩＩＨＳ）で規定した低速衝突試験規定おいて満足な結果を得ることができる一方で、ラウンド型デザインの具現化が難しいため、設計自由度が落ちるという欠点を持つ。
代表的なプラスチック複合材料であるＧＭＴは汎用樹脂であるポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）樹脂とガラス繊維マット（Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｍａｔ）とでなる板状の複合素材で、Ｔ−Ｄｉｅを通じて押し出される溶融状態のポリプロピレンとガラス纎維マットが直接結合されるため、樹脂との複合力に優れ、ガラス自体の強度がマット上に補強されることで、既存のプラスチック素材より優れた強度を示し、プラスチック固有の特性である軽量性、熱可塑性樹脂による高生産性、リサイクル性（Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ）などに優れた特徴を持つ（例えば、特許文献１、２参照）。

図１にダブルベルトプレスによって製造される代表的な２種類のＧＭＴの断面図を示した。図１（ａ）は、方向性のないポリプロピレン樹脂１０がランダムガラス纎維マット（Ｒａｎｄｏｍ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｍａｔ）１１に加熱含浸されて製造されたタイプのＧＭＴ１２であり、図１（ｂ）は、ポリプロピレン樹脂１０が一方向に配列された方向性ガラス纎維（Ｕｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｍａｔ）１３に加熱含浸されて製造されたタイプのＧＭＴ１４である。ＧＭＴ１２及び１４は、それぞれの用途の特性に合わせて使用される。
プラスチック材のバンパーバックビームとして一番多く使われるＧＭＴの場合、ラミネート法による製造の際、ガラス繊維と樹脂含浸剤の間で不完全なパッキングが起き、複合力が低下し、成形の際に流れ現象が生じてガラス繊維の方向性が不安定になるため、配列の分散現象が発生する問題点がある。特に、ガラス配列の分散現象は衝突エネルギーの均一な吸収性能を低下させて重要な品質低下を招く問題点がある。

近年、バンパーバックビームの複合素材として開発されたＷＬＦＴ（Ｗｅａｖｉｎｇ Ｌｏｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）は連続繊維強化熱可塑性物質（ＣＦＴ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）と長纎維熱可塑性物質（ＬＦＴ：Ｌｏｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）がプレス接合で製造されたものである。しかし、このＷＬＦＴの場合には、高温でのプレス接合の際に連続纎維の間に長纎維または短繊維が浸透して、連続纎維によって発現される高強度特性が低下する問題点がある。

特開平０７−１６４５４６号公報 特開２００７−２９０５８５号公報

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、高強度物性をそのまま維持しながら、衝突性能の均一な分散を達成する多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビームを提供することにある。

上記の目的を達成するためになされた本発明の多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビームは、ガラス熱可塑性樹脂で製造されるプラスチック材の高強度バンパーバックビームにおいて、長纎維または短繊維と熱可塑性樹脂が複合された第１繊維樹脂層及び連続纎維と熱可塑性樹脂が複合された第２繊維樹脂層とからなり、第１繊維樹脂層と第２繊維樹脂層が加熱接合されるとき、その接合面を通じて第１繊維樹脂層の長纎維または短繊維が第２繊維樹脂層の連続纎維の間に浸透することを防止するように製造されたことを特徴とする。

第１繊維樹脂層と第２繊維樹脂層との間の接合面には、樹脂膜層をさらに含み、第１、第２繊維樹脂層を接合させて層間剥離を防止し、第１繊維樹脂層の長纎維または短繊維が第２繊維樹脂層の連続纎維の間に浸透することを防止することが好ましい。
また、第１繊維樹脂層が車両の外部に位置して衝突面をなし、第２繊維樹脂層は第１繊維樹脂層の内側面に接着されて設置されたことが好ましい。
また、第２繊維樹脂層の車高方向の断面長はバンパーバックビームの車高方向の全断面長に相当する第１繊維樹脂層の車高方向の断面長の５０％以上であることが好ましい。
また、第２繊維樹脂層は両端が車体固定用ステイに直接結合され、第１繊維樹脂層はその内側面に接着された第２繊維樹脂層の両端を包み込む構造であることが好ましい。

本発明によれば、上記のとおり構成された多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビームは、連続纎維樹脂層が独立して層状に位置するので、高強度の物性を維持することができる。
また、長纎維または短繊維が連続纎維の間に浸透することがないため、成形の際に連続纎維の繊維配列がそのまま維持されて衝突エネルギーの均一な吸収性能が向上する。
また、連続纎維と接合される長纎維または短繊維を活用して形状の自由度を従来の材料と同等の水準に維持することができる。

一般ＧＭＴの製造過程と製品構成を示す断面図である。（ａ）は、方向性のないポリプロピレン樹脂がランダムガラス纎維マットに加熱含浸されて製造されたタイプのＧＭＴであり、（ｂ）は、ポリプロピレン樹脂が一方向に配列された方向性ガラス纎維に加熱含浸されて製造されたタイプのＧＭＴである。 本発明による高強度プラスチックバックビームの斜視図である。 本発明による高強度プラスチックバックビームの断面斜視図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の好適な一実施例をより詳細に説明する。

図２に本発明による高強度プラスチックバックビームの斜視図を示した。
本発明はガラス繊維と熱可塑性樹脂で製造されるプラスチック材の高強度バンパーバックビームであり、長纎維または短繊維と熱可塑性樹脂が複合されてなる第１繊維樹脂層２０及び連続纎維と熱可塑性樹脂が複合されてなる第２繊維樹脂層３０で構成される。
長纎維、短繊維、連続纎維はいずれもガラス繊維であることが好ましいが、その外に同一用途に使用可能な他の纎維材料も使うことができる。熱可塑性樹脂は従来からＧＭＴなどの複合材料に多く使われた汎用樹脂であるポリプロピレン樹脂（ＰＰ）を使うことが好ましいが、その外に同一用途に使用可能な他の熱可塑性樹脂も使用することができる。

第１繊維樹脂層２０は長纎維または短繊維が熱可塑性樹脂の含浸などの方法で複合されたものである。長纎維と短繊維はその長さを絶対的に区分する基準はないが、短繊維（ｓｔａｐｌｅ ｆｉｂｅｒ）の場合は概して２．５〜３．８ｃｍ以下の繊維長を有する繊維を意味し、長纎維（ｆｉｌａｍｅｎｔ）の場合は相対的に短繊維より細くて長い纎維を意味する。ガラス繊維は溶融ガラスを纎維状に長く抜き出す人造鉱物纎維であるので、その用途に応じて長纎維と短繊維を自由に製造することができる。ガラス短繊維にはガラスフィラメントやグラスウールなどがあり、ガラス長纎維は白金ポット内でとかしたガラスをポットの底に形成された孔を通じて押し出す方法で多く製造される。

この長纎維と短繊維はガラス繊維の特性上高温によく耐える特性があるので、第１繊維樹脂層２０と第２繊維樹脂層３０を重ね合わせた状態で、樹脂の溶融温度まで加熱されれば、樹脂の流れ現象によって流動し、第２繊維樹脂層３０の連続纎維の間に長纎維または短繊維が浸透する。このように長纎維と短繊維が流動して連続纎維の間に浸透すると、各繊維樹脂層の独立した配列が維持できなくなり、高強度特性を低下させることになる。本発明はこのような問題点を解決するために、長纎維または短繊維が含まれた第１繊維樹脂層２０と連続纎維が含まれた第２繊維樹脂層３０が常に独立して区分するものである。

一方、第２繊維樹脂層３０は連続纎維に熱可塑性樹脂の含浸などの方法で複合させたものである。ガラス繊維は、溶融したガラスを纎維状に長く抜き出す人造鉱物纎維で、最も安定した連続纎維に相当する。本発明においては、連続纎維をバックビームに加わる最大荷重の作用方向を考慮して最大強度を示す形態に配列した後、ポリプロピレンなどの樹脂と複合させ、クラックの発生及びその伝播を防止し、バンパーバックビームが要求する高強度特性を達成するものである。
この際、連続纎維が高強度特性を示すためには、連続纎維の配列が安定に維持される必要がある。このために、第１繊維樹脂層２０と第２繊維樹脂層３０が加熱接合されるときに長纎維または短繊維が接合面を通じて連続纎維の間に浸透することを防止することで、連続纎維を含む第２繊維樹脂層３０が常に独立して存在することが重要である。

連続纎維の第２繊維樹脂層３０を独立して存在させる方法は、大別して加熱接合工程条件を制御する方法と、第１繊維樹脂層２０と第２繊維樹脂層３０の間に高温で安定的な別途の樹脂膜層４０をさらに接着させる方法とがある。
まず、加熱接合工程条件を制御する方法は、熱可塑性樹脂の物性を考慮して長纎維または長纎維の流れ現象が発生しない温度範囲で第１繊維樹脂層２０と第２繊維樹脂層３０を加熱接合させることにより、長纎維または短繊維が連続纎維の間に浸透することを防止する方法である。この方法は別の手段を使わずに連続纎維の独立性を維持することができる利点はあるが、樹脂の物性やガラス繊維の特性によってその適用に限界がある。

図３は本発明による高強度プラスチックバックビームの断面斜視図である。図３に示したとおり、第１繊維樹脂層２０と第２繊維樹脂層３０の間に別の樹脂膜層４０を接着させて層間分離を防止する方法がある。この方法は、連続纎維配列の独立性を完全に維持するだけでなく、接着性に優れた樹脂膜により層間の付着力を一層強固にし、衝突発生の際の層間剥離現象を防止することができる。樹脂膜層４０は、ポリプロピレンを含むことが好ましいが、本発明で要求する接着性などの物性を満足させるものであればいずれの樹脂でも使用が可能である。
また、第１繊維樹脂層２０が外部に位置して衝突面をなし、第２繊維樹脂層３０は第１繊維樹脂層２０の内側面に接着された形態に構成することが好ましい。より詳細には、図３に示したとおり、相対的に短い長さを有する長纎維または短繊維が均一に分散され、衝突エネルギー吸収性能に優れた第１繊維樹脂層２０が外部に装着されて直接的な衝突面をなし、連続纎維が特定方向に均一に配列されて高強度の物性を示す第２繊維樹脂層３０が第１繊維樹脂層２０の内側面に装着されることにより、外部衝撃によってバックビームが変形しないように支持することができる。

また、図３に示したとおり、第２繊維樹脂層３０の断面長（Ｌ２）はバンパーバックビームの全断面長にあたる第１繊維樹脂層の断面長（Ｌ１）の５０％以上に構成されることが好ましい。第２繊維樹脂層３０の断面長が５０％未満では、衝突の際にバックビームが変形して構造的安全性を低下させる恐れがある。
また、図２に示したとおり、第２繊維樹脂層３０は、両端が車体固定用ステイ５０に直接結合され、第１繊維樹脂層２０はその内側面に接着された第２繊維樹脂層３０の両端を包み込む構造に構成されたものが好ましい。このため、第１繊維樹脂層２０の全長は、第２繊維樹脂層３０の全長（Ｌ３）より長く成型されるのがよい。連続纎維が配列された第２繊維樹脂層３０の両端が車体に結合されることが高強度物性を発現するのに有利であり、長纎維または短繊維が含まれた第１繊維樹脂層２０が第２繊維樹脂層３０の両端を包み込むことにより、いずれの方向からの外部衝突に対しても優れた衝突エネルギー吸収性能を発揮する。

以上、本発明の具体的な実施例について説明したが、本発明は前記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内で多様な形態への変更実施が可能である。

本発明は、ガラス纎維の配列を差別化して衝突性能を改善した多重ガラス纎維接合式高強度バックビームであり、多くの車両に適用可能である。

１０ 方向性のないポリプロピレン樹脂
１１ ランダムガラス纎維マット
１２ （無方向性タイプの）ＧＭＴ
１３ 方向性ガラス纎維
１４ （方向性タイプの）ＧＭＴ
２０ 第１繊維樹脂層
３０ 第２繊維樹脂層
４０ 樹脂膜層
５０ 車体固定用ステイ
Ｌ１ 第１繊維樹脂層の断面長
Ｌ２ 第２繊維樹脂層の断面長
Ｌ３ 第２繊維樹脂層の全長

Claims (4)

1. ガラス繊維強化熱可塑性樹脂で製造されるプラスチック製の高強度バンパーバックビームにおいて、
   長纎維または短繊維と熱可塑性樹脂が複合された第１繊維樹脂層（２０）及び連続纎維と熱可塑性樹脂が複合された第２繊維樹脂層（３０）からなり、
   前記第１繊維樹脂層（２０）と第２繊維樹脂層（３０）とはそれぞれが独立して層状に位置し、
   前記第１繊維樹脂層（２０）と第２繊維樹脂層（３０）との間の接合面には、樹脂膜層（４０）をさらに含むことを特徴とする多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビーム。
2. 前記第１繊維樹脂層（２０）が車両の外部に位置して衝突面をなし、前記第２繊維樹脂層（３０）は前記第１繊維樹脂層（２０）の内側面に接着されて設置されたことを特徴とする請求項１に記載の多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビーム。
3. 前記第２繊維樹脂層（３０）の車高方向の断面長（Ｌ２）はバンパーバックビームの車高方向の全断面長に相当する前記第１繊維樹脂層の車高方向の断面長（Ｌ１）の５０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビーム。
4. 前記第２繊維樹脂層（３０）は両端が車体固定用ステイ（５０）に直接結合され、前記第１繊維樹脂層（２０）はその内側面に接着された前記第２繊維樹脂層（３０）の両端を包み込む構造であることを特徴とする請求項２に記載の多重ガラス纎維接合式高強度プラスチックバックビーム。
   

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