JP6066331B2

JP6066331B2 - 繊維強化樹脂の製造方法

Info

Publication number: JP6066331B2
Application number: JP2013508705A
Authority: JP
Inventors: 晃之助山本; 誠司辻; 将士北川
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: US20150014883A1; KR101974677B1; WO2013122207A1; EP2815864A4; CN104105584A; KR20140127797A; JPWO2013122207A1; EP2815864A1; CN104105584B

Description

本発明は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastic）の製造方法に関し、とくに、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入して強化繊維基材中に含浸させる繊維強化樹脂の製造方法の改良に関する。

複数の型からなる成形型のキャビティ部に配置された強化繊維基材、とくに表面積の大きい強化繊維基材にＦＲＰ成形用のマトリックス樹脂を含浸させるに際し、成形時間の短縮、製造コストの低減、生産性の向上等をはかるために、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された複数の注入口からほぼ同時に樹脂を注入して、強化繊維基材中に、とくにその厚み方向に含浸させる、いわゆる多点注入法を採用したＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法が知られている(例えば、特許文献１)。また、成形品の表面品位を向上するために、成形型内に配置される強化繊維基材の少なくとも片面に、樹脂拡散媒体を有する表層部を設け、強化繊維基材の表面の面方向に迅速に樹脂が広がるようにしたＲＴＭ法（例えば、特許文献２)や、強化繊維基材の少なくとも片側の表層部内にランダムマット層を介在させ、とくに意匠面側にボイドやピンホールが生じないようにして表面品位を向上するようにしたＲＴＭ法（例えば、特許文献３)も知られているが、これら特許文献２、３では、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入する形態については、何ら言及されていない。

上記の如く、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入する方法、とくに多点注入法には、成形時間の短縮、製造コストの低減、優れた生産性の維持等をはかることができるという利点があるが、従来の方法では以下のような問題を生じるおそれがある。

すなわち、例えば図５に示すように、上型１０１と下型１０２からなる成形型１０３内に配置された強化繊維基材１０４(例えば、複数枚の強化繊維材が積層された強化繊維基材)に対し、強化繊維基材１０４の表面に対面する方向に開設された注入口１０５から樹脂を注入する場合（１０６は、図の紙面と垂直の方向に配列された強化繊維束を例示している）、図６に示すように、注入樹脂１０７により、とくに注入樹脂１０７の初期流動による衝突(衝突部１０８)により、強化繊維基材１０４の表層部位が押し下げられ、強化繊維基材１０４の表面が凹んでこの表面部位が樹脂リッチ部分あるいは樹脂のみの部分に形成されてしまうことがある。また、このとき、強化繊維基材１０４の表層部における内部の強化繊維束１０６の配列に乱れが生じるおそれもある。さらに、樹脂注入完了後においても、例えば図７に示すように、上記注入口１０５直下の成形品１０９の表面を形成する部位に樹脂のみの層１１０があると、樹脂注入完了後の表面１１１から、樹脂の硬化収縮により表面１１１が凹んで樹脂硬化収縮後の表面１１２となってしまい、成形品１０９の意匠性を悪化させるおそれがある。特に板厚の厚い成形品（例えば、１．６ｍｍ以上）や繊維体積含有率の低い成形品（例えば、５０％以下）では樹脂の絶対量が多いので、凹みが顕著になりやすい。そして、特に多点注入法を使ったＲＴＭ成形では、上記のような注入口直下の強化繊維基材押し下げによる樹脂リッチ部分の形成箇所が多くなり、表面の意匠性を悪化させる原因となりやすい。

また、もう一つの注入口直下の意匠性が悪くなりやすい原因として、注入口直下の注入口から開放された部分以降では成形品形成のために注入後の樹脂を硬化させてゆきたいが、注入口内部では、樹脂の硬化を抑制して注入されるべき樹脂の円滑な流動を維持する目的で、相対的に低温に制御するため、結果的に注入口直下部分で樹脂の温度が低くなりがちであり、この部分に硬化収縮が集まりやすいことが挙げられる。

特開２００５−２４６９０２号公報特開２００７−２６９０１５号公報特開２００５−２３２６０１号公報

本発明の課題は、上記のような従来方法における問題点に着目し、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入する方法において、特に多点注入法において、強化繊維基材側に改良を加えることにより、注入樹脂による強化繊維基材の表面の押し下げを抑制し、表面の樹脂層を軽減して、優れた生産性を維持しつつ成形品の表面の意匠性を向上することが可能な繊維強化樹脂の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化樹脂の製造方法は、成形型内に配置された強化繊維基材に対し、該強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入して該強化繊維基材中に含浸させる繊維強化樹脂の製造方法において、前記注入口の直下に位置する強化繊維基材部分を厚み方向に少なくとも部分的に予め除去しておくことにより成形型内の強化繊維基材中に注入樹脂通過用空間を形成し、前記注入口から注入された樹脂を、前記注入樹脂通過用空間内に注入し、そこから該注入樹脂通過用空間を形成している前記強化繊維基材の前記予め除去した部分の外周面を通して前記強化繊維基材の面内方向へ含浸させることを特徴とする方法からなる。また、該空間部は樹脂注入直後の急峻な圧力上昇を抑制し、さらには該成形型内に導入された直後の樹脂の温度を金型温度と馴染ませる効果もある。

このような本発明に係る繊維強化樹脂の製造方法においては、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入するに際し、該注入口直下の強化繊維基材側に、注入口の直下に位置する強化繊維基材部分を厚み方向に少なくとも部分的に予め除去しておくことにより、穴等からなる注入樹脂通過用空間を形成し、該注入樹脂通過用空間を通して注入樹脂を強化繊維基材中に強化繊維基材の面内方向へ含浸させる。該注入樹脂通過用空間の存在により、注入口から注入されてきた樹脂は先ず注入樹脂通過用空間内へと注入され、そこから該注入樹脂通過用空間を形成している前記強化繊維基材の前記予め除去した部分の外周面を通して、強化繊維基材中に強化繊維基材の面内方向へと含浸されることになるので、注入口から注入された直後の樹脂の強化繊維基材表面への初期衝突は無くなる、ないしは緩和され、該衝突により生じていた強化繊維基材表面の押し下げが抑制され、表面の凹みが抑制されて、この部分の表面の樹脂層が軽減される。この樹脂層の軽減により、樹脂の硬化収縮が抑制される。また、表面の凹みが抑制されるため、強化繊維基材の表層部中の強化繊維の配列の乱れも抑制される。さらには、金型内に樹脂が完全充填されたのち、前記注入樹脂通過用空間は樹脂材料のみで充填されているため、周辺の強化繊維基材部分に含浸した樹脂が硬化収縮するとき樹脂供給源となる。その結果、成形される成形品の表面品位が大幅に向上され、意匠性が向上される。

また、本発明において、上記注入樹脂通過用空間は、強化繊維基材を厚み方向に少なくとも部分的に形成されていればよいが、つまり、強化繊維基材の注入口側表面からある深さまで形成されていればよいが、強化繊維基材を厚み方向に貫通して形成されていることがより好ましい。このような構成においては、注入口から注入された樹脂は、加速中の初期流動の樹脂が強化繊維基材には直接衝突せずに、貫通した注入樹脂通過用空間内を通過して注入口が設置された型とは反対側の型の内面に衝突されるようになる。型の内面への衝突によって注入樹脂の勢いが削がれ、しかる後に樹脂が強化繊維基材中に含浸されていく。したがって、樹脂の強化繊維基材表面への初期衝突により生じていた強化繊維基材表面の押し下げが一層抑制され、表面の凹みが一層抑制されて、この部分の表面の樹脂層が一層軽減され、この部分の樹脂の硬化収縮が一層抑制される。また、表面の凹みが一層抑制されるため、強化繊維基材の表層部中の強化繊維の配列の乱れも一層抑制される。その結果、成形される成形品の表面品位がより大幅に向上され、意匠性がより向上される。

本発明における上記注入樹脂通過用空間の強化繊維基材の表面方向における面積としては、上記注入口の成形型内への開口面積以上である形態、上記注入口の成形型内への開口面積よりも小さい形態のいずれも採用可能である。注入口からの樹脂注入速度や、多点注入の場合の隣接注入口部分同士間の互いの影響の度合等を考慮して適宜選択すればよい。

また、本発明に係る繊維強化樹脂の製造方法は、とくに多点注入される場合の成形品の意匠性向上に大きな効果が期待できる。つまり、注入口が複数開設されている場合にとくに有効であり、その場合にあっては、とくに有効と考えられる少なくとも一つの注入口に対して、望ましくは複数の注入口に対して、上記注入樹脂通過用空間が形成されればよい。

また、本発明に係る繊維強化樹脂の製造方法は、上記強化繊維基材が、積層された複数枚の強化繊維基材の形態である場合にも適用でき、それら積層された複数枚の強化繊維基材に対し上記注入樹脂通過用空間が形成されればよい。

このような積層された複数枚の強化繊維基材形態の場合、該複数枚の強化繊維基材に対し、強化繊維基材よりも樹脂の流動性が高い中間層が配置され、該中間層の一部は上記注入樹脂通過用空間に面していることが好ましい。すなわち、中間層に表層側よりも樹脂流動性の良い材料を配置する構成である。この流動性は、一般的にダルシー則を使ったパーミアビリティで定義され、実験により求めることができる。この中間層に流動性の良い材料を配置する構成では、注入樹脂通過用空間から中間層内に流入した樹脂は、その両側に積層されている強化繊維基材層内よりも速く層内を流動するので、中間層内を流動している樹脂の一部が中間層から表層側へと基材厚み方向に流動し、中間層から基材表面側への樹脂流れを形成する。この基材表面側への樹脂流れは、複数枚の強化繊維基材の積層体の表層側を成形型の内面に押しつけようとし、この押しつけにより基材表層側の樹脂リッチ部分はさらに低減されることになり、一層優れた成形品表面の意匠性を期待することが可能になる。

また、本発明においては、上記成形型が両面型からなる場合、キャビティの厚みとしては、予め定めた所定の厚みに設定されることが好ましい。ここで予め定めた所定の厚みとは、実質的に、目標とする成形品厚みである。本発明方法では、上述の如く注入口直下部分に凹みが発生しにくくなるので、樹脂が含浸される直前の強化繊維基材の形態においても、樹脂が含浸された後の形態においても、表面に凹みのない目標とする形状が維持されやすくなり、キャビティの厚みを単純に目標とする所定の成形品厚みに設定しておけば、樹脂注入時の強化繊維基材形態、樹脂注入、硬化後成形品形態の両方が、所望の形態に保たれることになる。

また、本発明においては、上記注入樹脂通過用空間を通して注入樹脂が強化繊維基材中に含浸される構成であるため、上記注入樹脂通過用空間内に送られた樹脂は硬化成形後にも残ることになる。しかし、とくに面積が大きく、比較的複雑な形状の成形品の場合には、製品の製品範囲内位置に穴等の成形後にカットオフされることが要求される部位が存在することが多い。そのような場合には、上記注入樹脂通過用空間を、容易に、成形すべき製品の製品範囲内位置に形成することができ、例えば、成形すべき製品の製品範囲内位置でかつ成形後にカットオフされるべき部位に形成することができ、硬化樹脂が残存した成形後の注入樹脂通過用空間やその周囲部は、必要に応じて除去すればよく、そのまま残存させても問題ない場合には、そのまま残すこともできる。

また、本発明は注入口直下の樹脂粘度低減、それに伴う注入圧力の低減にも効果が期待できるため定圧吐出ポンプよりも定量吐出ポンプを用いた注入成形に用いることが好ましい。前記定量吐出ポンプとはギヤポンプ、アキシャルピストンポンプ、サーボモータを搭載したプランジャーポンプなどポンプ回転数や変位で流量を調整して吐出するタイプのポンプである。このようなポンプ群は流量一定吐出能力に優れる一方で、強化繊維基材内のように流動抵抗が大きいものの内部を流れる際に、背圧の立ち上がりが急峻になる懸念があり、注入圧力の低減を図ることができる本発明の効果が大きく好ましい。

さらには、本発明は複数の注入口を有する製造方法に好適に用いることができる。例えば、複数の注入口直下を有する金型において、前記注入口直下のキャビティ厚みや強化繊維積層体の繊維体積含有率を等しくすることは難しく、比較的流れ易い注入口があると流動パターンがくずれて、それに伴う不具合が発生することがある。該流動パターンがくずれる不具合を改善するために、金型自体を加工調整する方法が挙げられるが、金型のサイズが大きい場合には容易ではない。一方で、本発明は現場で容易に加工できる。

このように、本発明に係る繊維強化樹脂の製造方法によれば、注入口直下の強化繊維基材部位に注入樹脂通過用空間を形成しておくことにより、注入樹脂による強化繊維基材表面の押し下げを抑制でき、表面の樹脂層を軽減して、優れた生産性を維持しつつ成形品の表面の意匠性を向上することが可能になる。

本発明の一実施態様に係る繊維強化樹脂の製造方法を示す注入口近傍の概略構成図である。図１の方法を多点注入法に適用した一例を示す成形型の概略透視平面図である。本発明の別の実施態様に係る繊維強化樹脂の製造方法を示す注入口近傍の概略構成図である。本発明のさらに別の実施態様に係る繊維強化樹脂の製造方法を示す注入口近傍の概略構成図である。従来の繊維強化樹脂の製造方法の樹脂注入開始前の状態の一例を示す注入口近傍の概略構成図である。図５の方法における樹脂注入開始直後の状態の一例を示す注入口近傍の概略構成図である。図５の方法における樹脂注入後樹脂を硬化させた場合の一例を示す注入口近傍の概略構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る繊維強化樹脂の製造方法を示している。上型１と下型２からなる成形型３内に、例えば複数の強化繊維材の積層体からなる強化繊維基材４が配置され、強化繊維基材４の一表面に対面する方向に上型１に開設された注入口５から、成形すべき繊維強化樹脂のマトリックス樹脂となる樹脂が注入され、注入された樹脂が強化繊維基材４中に含浸される。注入口５の直下に位置する強化繊維基材部分が厚み方向に少なくとも部分的に予め除去されることにより、成形型３内の強化繊維基材４中に注入樹脂通過用空間６が形成される。本実施態様では、注入樹脂通過用空間６は、強化繊維基材４を厚み方向に貫通して形成されている。注入口５から注入された樹脂７は、この注入樹脂通過用空間６を通して強化繊維基材４中に含浸される。本実施態様では、注入樹脂通過用空間６が強化繊維基材４を貫通して形成されているので、注入口５から注入された樹脂７は、注入された直後の初期流動において強化繊維基材４には直接衝突せず、下型２の内面に衝突し（衝突部８）、注入樹脂７の勢いが削がれる。注入口５から注入樹脂通過用空間６内に注入された樹脂７は、注入樹脂通過用空間６から強化繊維基材４中に強化繊維基材４の面内方向へと、樹脂流れ９で示すように含浸されていく。

上記方法においては、注入口５直下の強化繊維基材４に、貫通穴形態の注入樹脂通過用空間６が形成されており、注入口５から注入されてきた樹脂７は先ず注入樹脂通過用空間６内へと注入され、そこから強化繊維基材４中に含浸されることになるので、注入口５からの注入直後の樹脂の強化繊維基材４表面への初期衝突は無くなり、該衝突により生じていた強化繊維基材４表面の押し下げが抑制され、表面の凹みの発生が抑制される。また、注入樹脂通過用空間６が貫通穴形態に形成されているので、上述の如く、注入樹脂７は下型２の内面に衝突し、その勢いが削がれる。この点からも、強化繊維基材４表面の押し下げがより抑制され、表面の凹みの発生がより抑制される。したがって、この部分の表面には樹脂リッチの層や樹脂のみの層が実質的に形成されない。そのため、この部分で樹脂層が形成されていた場合の従来方法における樹脂の硬化収縮が抑制される。また、表面の凹みが抑制されるので、強化繊維基材４の表層部中の図５に示したような強化繊維の配列の乱れも抑制される。これら表面の凹みの発生抑制、樹脂の硬化収縮の抑制、強化繊維の配列の乱れ抑制の結果、成形される成形品の表面品位が大幅に向上され、その意匠性が大幅に向上される。

上記のような方法は、前述の如く、とくに多点注入の場合に有効である。図２に、図１の方法を多点注入法に適用した場合の一例を示す。１１は成形型を、１２は成形の際のシールラインを示しており、１３が、キャビティ内で成形される製品の外形を示している。このキャビティ内に強化繊維基材が配置されて樹脂の注入、繊維強化樹脂の成形が行われるが、成形型１１の適当な位置に、強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口１４が複数設けられ、本例では、キャビティ内を吸引により減圧して樹脂を注入するために、注入口１４とは別の適当な位置に吸引口１５が複数設けられている。すべての注入口１４に対して、図１に示したのと同等の注入樹脂通過用空間が形成されていることが好ましいが、必要な注入口１４に対してのみ注入樹脂通過用空間が形成されていてもよいし、特定の注入口１４に対しては樹脂通過用空間を形成せずに残りの注入口１４に対してのみ注入樹脂通過用空間が形成される形態としてもよい。このように多点注入の場合に本発明が適用されることにより、従来法では複数発生するおそれのあった表面の凹みの発生や樹脂の硬化収縮、強化繊維の配列の乱れが抑制され、成形品の表面品位が大幅に向上され、その意匠性が大幅に向上される。

また、図２に示した例においては、成形品の範囲内の特定の注入口周りに相当する部分にカットオフ部分１６が設定されており、カットオフ部分１６内は成形後に成形品から除去されてその除去後の空間部分が付加部品の取付や他部材との取り合いに利用されるようになっている。したがって、このカットオフ部分１６の範囲内に注入樹脂通過用空間が形成されていれば、該注入樹脂通過用空間内に残存した成形後の樹脂のみからなる部分は、カットオフに伴って成形品から除去されることになる。もちろん、樹脂のみからなる部分が残存していてもよい場合には、そのまま残せばよい。いずれの成形形態を採用するかは、成形品の要求仕様に応じて決めればよい。

図３は、本発明の別の実施態様に係る繊維強化樹脂の製造方法を示している。本実施態様においては、複数の強化繊維材の積層体からなる強化繊維基材２１中に、強化繊維基材２１よりも樹脂の流動性が高い中間層２２が配置されている。このような流動性が高い中間層２２が配置された形態では、注入樹脂通過用空間６内に注入された樹脂７は、注入樹脂通過用空間６からは強化繊維基材２１内と中間層２２内の両方に流入されるが(樹脂流れ２３、２４)、中間層２２内に流入した樹脂２４は、その両側に積層されている強化繊維基材２１の層内よりも速く層内を流動するので、中間層２２内を流動している樹脂の一部が中間層２２から基材の表層側へと基材厚み方向に流動し、中間層２２から基材表面側への樹脂流れ２５を形成する。この基材表面側への樹脂流れ２５は、複数枚の強化繊維基材の積層体の表層側を成形型３の内面に押しつけようとするので、この押しつけにより基材表層側の樹脂リッチ部分は広い範囲にわたって低減されることになり、一層優れた成形品表面の意匠性が実現される。その他の構成、作用、効果は、前述の図１に示した実施態様に準じる。

図４は、本発明のさらに別の実施態様に係る繊維強化樹脂の製造方法を示している。本実施態様においては、非意匠面側３１と意匠面側３２を有する成形において、該意匠面側３２に強化繊維基材３３を連続層として残すことで、意匠面側の品位（クロス目）を保ったまま、本発明の効果を奏することができ好ましい。上記連続層の枚数としては所望の品位を得るために適宜選択することができるが、積層構成についてなんら限定するものではない。その他の構成、作用、効果は、前述の図１に示した実施態様に準じる。

なお、本発明においては、使用される強化繊維基材の強化繊維はとくに限定されず、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維、さらにはこれら強化繊維を組み合わせた基材を使用できる。また、基材の形態も、織物や一方向に強化繊維を配列したもの、それらの積層体等、任意の形態を適用できる。さらに、繊維強化樹脂のマトリックス樹脂についてもとくに限定されず、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも適用できるが、樹脂の硬化収縮が生じやすい場合に、さらには多点注入法を使用する場合に、本発明はとくに有効である。

本発明は、実質的にあらゆる繊維強化樹脂の製造に適用でき、とくに成形品の表面に良好な意匠性が要求される場合に好適である。

１上型
２下型
３成形型
４、２１強化繊維基材
５注入口
６注入樹脂通過用空間
７注入樹脂
８衝突部
９、２３強化繊維基材中への樹脂流れ
１１成形型
１２シールライン
１３成形される製品の外形
１４注入口
１５吸引口
１６カットオフ部分
２２中間層
２４中間層内への樹脂流れ
２５中間層から基材表面側への樹脂流れ
３１非意匠面側
３２意匠面側
３３強化繊維基材の連続層

Claims

成形型内に配置された強化繊維基材に対し、該強化繊維基材の表面に対面する方向に開設された注入口から樹脂を注入して該強化繊維基材中に含浸させる繊維強化樹脂の製造方法において、前記注入口の直下に位置する強化繊維基材部分を厚み方向に少なくとも部分的に予め除去しておくことにより成形型内の強化繊維基材中に注入樹脂通過用空間を形成し、前記注入口から注入された樹脂を、前記注入樹脂通過用空間内に注入し、そこから該注入樹脂通過用空間を形成している前記強化繊維基材の前記予め除去した部分の外周面を通して前記強化繊維基材の面内方向へ含浸させることを特徴とする、繊維強化樹脂の製造方法。
前記注入樹脂通過用空間が、前記強化繊維基材を厚み方向に貫通して形成されている、請求項１に記載の繊維強化樹脂の製造方法。
前記注入樹脂通過用空間の前記強化繊維基材の表面方向における面積が、前記注入口の成形型内への開口面積以上である、請求項１または２に記載の繊維強化樹脂の製造方法。
前記注入樹脂通過用空間の前記強化繊維基材の表面方向における面積が、前記注入口の成形型内への開口面積よりも小さい、請求項１または２に記載の繊維強化樹脂の製造方法。
前記注入口が複数開設されており、少なくとも一つの注入口に対して前記注入樹脂通過用空間が形成される、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂の製造方法。
積層された複数枚の強化繊維基材に対し前記注入樹脂通過用空間が形成される、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化樹脂の製造方法。
複数枚の強化繊維基材に対し、強化繊維基材よりも樹脂の流動性が高い中間層が配置され、該中間層の一部は前記注入樹脂通過用空間に面している、請求項６に記載の繊維強化樹脂の製造方法。
前記成形型が両面型からなり、キャビティの厚みが予め定めた所定の厚みに設定される、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化樹脂の製造方法。
前記注入樹脂通過用空間が、成形すべき製品の製品範囲内位置に形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の繊維強化樹脂の製造方法。
前記強化繊維基材中に樹脂を含浸させる方法が定量吐出方法である、請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化樹脂の製造方法。