JP6378665B2 - プリプレグ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数枚積層した炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに圧力をかけてプリプレグの成形品を製造するプリプレグ製造方法に関するものである。

プリプレグの製造方法としてプレス成型法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
これは、通常，炭素繊維を含んだプリプレグを所定の大きさに切断し、樹脂を含浸させて複数のプリプレグを積層したものを上下の金型間に入れて予熱した後、金型で加圧・加熱することでプリプレグ成形品を得るものである。

特開２０１５−７８２６０号公報

しかしながら、特に炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＣＦＲＴＰ）のプリプレグ（樹脂含浸量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれる）はタック性（粘着性）がないため、複数のプリプレグを積層するときにすべりが生じて固定が上手くいかないといった問題を有していた。このように特に第一層と金型間、各層間の固定が上手くいかないと、成形品を品質良好の状態で製造することは難しい。
また、金型の大きさ等が制限されるため、大型の部品等の製品を成形することは非常に困難であった。

そこで、本発明の目的とするところは、品質性能に優れたプリプレグを製造する方法を提供することにある。
また、他の目的は、大型成形品を品質良好の状態で製造するものである。

上記の目的を達成するために、本発明のプリプレグ製造方法は、複数枚積層した炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５０）に圧力をかけてプリプレグの成形品を製造するプリプレグ製造方法であって、
減圧可能な容器（１）に多孔質材からなる型（２）をセットして前記容器（１）の開口部を塞ぐ第一工程と、
前記型（２）の上に、加熱時には容易に分解し気体になる程度に分解温度の低い接着剤（Ｍ）が上下両面に塗布され、かつ上下に貫通する複数の穴（１１）が開けられてなる両面テープ（１０）を貼り付ける第二工程と、
前記両面テープ（１０）の上に第一層目の前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５１）を貼り付け、第二層目以降の前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５２，５３，５４，５５）を直下に位置する前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５１，５２，５３，５４）に融着させて貼り付け積層する第三工程と、
前記型（２）上に前記両面テープ（１０）を介して積層された前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５０）を、赤外線を透過可能なフィルム（Ｆ）で覆う第四工程と、
前記容器（１）を減圧し真空状態にして前記型（２）と前記フィルム（Ｆ）の間で圧力をかけるとともに、前記フィルム（Ｆ）越しに赤外線を前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５０）に照射加熱して溶融させ、前記接着剤（Ｍ）から発生するガスを前記両面テープ（１０）に開けられた複数の穴（１１）及び前記型（２）を通して前記容器（１）外に排出させる第五工程を有することを特徴とする。

なお、本発明でいうプリプレグには炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５０）に対する樹脂含浸量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれることを意味する。

また、本発明は、前記第二層目以降の前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５２，５３，５４，５５）を直下に位置する前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（５１，５２，５３，５４）に融着させて貼り付ける際には、超音波振動子，レーザー，及び赤外線ヒーター（３０）のうちいずれか一つを使用することを特徴とする。

なお、括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に記載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、容器を減圧して、型とフィルムの間で圧力をかけるとともにフィルム越しに赤外線を積層された炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに照射加熱すると、炭素繊維強化熱可塑性プラスチックは溶融し型に沿って変形して成形される。この加熱時に接着剤から発生するガスは両面テープに開けられた複数の穴及び多孔質材からなる型を通して容器外に排出させられるので、完成品としてボイドが少なく品質性能に優れたプリプレグの成形品が得られる。

また、型に対しては両面テープを利用して炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの第一層目を貼り付け、第二層目以降については、例えば、超音波振動子，レーザー，及び赤外線ヒーターを使用して上下に互いに仮融着させるので、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＣＦＲＴＰ）のプリプレグ（樹脂含浸量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれる）のようにタック性（粘着性）がないものであっても、すべりを防止して安定した状態で上手く積層させることができる。

また、本発明によれば、型にセットされた複数の炭素繊維強化熱可塑性プラスチックをフィルムで覆い容器を減圧することができるものであればよいので、熱プレスで成形する方式のものと比較して大きさに制限がなく、大型の部品等の製品でも容易に成形することが可能である。

なお、本発明のプリプレグ製造方法のように、容器を減圧にして両面テープの上下に塗布された接着剤から発生するガスを容器外に排出しながら、安定した状態で積層された炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに圧力をかけてプリプレグの成形品を製造する技術は従来より知られていない。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造方法を示す部分断面図である。 図１の両面テープを示すもので、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 図２の両面テープの上に、第一層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチックが貼り付けられる様子を示すもので、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 図３の第一層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの上に、第二層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチックが貼り付けられる様子を示すもので、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施形態に係る別のプリプレグ製造方法を示すもので、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。

図１乃至図４を参照して本発明の実施形態に係るプリプレグ製造方法について説明する。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造方法は、複数枚積層した炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＵＤプリプレグ）５０に圧力をかけてプリプレグの成形品を製造するものであって、次に示すような、第一工程〜第五工程を有している。

（第一工程）
この第一工程では、図１に示すように、容器１の上部に設けられた開口部を多孔質材（ポーラス材）からなる型２をセットすることでその開口部を塞ぐものである。
容器１は減圧可能なように下部には連通管１ａを介して真空ポンプＰが設けられ、容器１内の気体を容器１の外部に排出して容器１内を真空状態にすることができるようになっている。
なお、プリプレグの成形品は型２の形状に沿って成形されるものであり、ここでは型２として上部が平担なものを使用したが曲面状のものを使用することもできる。

（第二工程）
次に第二工程では、型２の上に両面テープ１０を貼り付けるものである。
両面テープ１０の上下両面には、図２に示すように、加熱時には高耐熱ポリイミドのみ残り、それ自身は容易に分解し気体になる程度に分解温度の低いエポキシ系の接着剤Ｍが塗布され、しかも両面テープ１０には上下に貫通する複数の穴（空気穴）１１が等間隔で開けられている。

（第三工程）
次に第三工程では、図３に示すように、両面テープ１０の上に第一層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＵＤプリプレグ）５１を貼り付け、図４に示すように、第二層目以降の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＵＤプリプレグ）５２，５３，５４，５５については、それらの直下に位置する炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５１，５２，５３，５４に融着させることにより貼り付けて積層していくものである（本実施形態では５枚積層したものを例示した）。
特に炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０はタック性（粘着性）がなく複数枚を積層させることは困難であるため、第一層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５１については、その直下に位置する両面テープ１０の粘着性を利用して貼り付け、第二層目以降の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５２，５３，５４，５５については、それらの直下に位置する炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５１，５２，５３，５４に融着させてすべりなく固定するようにしたものである。

この融着には、超音波振動子，レーザー，あるいは赤外線ヒーター３０を使用して行うことができるが、本実施形態では、図１に示すように、容器１の上方に赤外線ヒーター３０を設けて赤外線を上方から下方に向けて照射するようにして上下に互いに仮融着させている。また、そのときの照射温度は放射温度計３１によって監視している。
すなわち、第一層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５１の上に第二層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５２を重ねて赤外線ヒーター３０を使用して赤外線を照射することで互いに上下を融着させ、次に、第二層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５２の上に第三層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５３を重ねて赤外線ヒーター３０を使用して赤外線を照射することで互いに上下を融着させ、次に、第三層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５３の上に第四層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５４を重ねて赤外線ヒーター３０を使用して赤外線を照射することで互いに上下を融着させ、そして、第四層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５４の上に第五層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５５を重ねて赤外線ヒーター３０を使用して赤外線を照射することで互いに上下を融着させる。
なお、ここでは、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０の五層構成にしているが、ｎ層構成にする場合には、同様の作業をｎ回行う。
熱可塑性プリプレグは炭素繊維と熱可塑性樹脂が一体化したものであるので、赤外線や超音波等により簡易かつ瞬時に互いに融着させることが可能である。

（第四工程）
次に第四工程では、図１に示すように、型２上に両面テープ１０を介して積層された炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０を、赤外線を透過可能なフィルムＦで覆って密封するものである。
フィルムＦは、特にこれに限定されるわけではないが、高耐熱性をもったポリイミドからなるフィルムであり、フィルムＦの周辺は容器１の上面に設けられたＯリング４０を間にして一層密着性を高めるようにしている。

（第五工程）
そして、最後に第五工程では、真空ポンプＰを介して容器１内を減圧することで真空状態にして型２とフィルムＦの間で圧力をかけるとともに、赤外線ヒーター３０を介してフィルムＦ越しに赤外線を炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０に照射し加熱することで積層した炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０を溶融させる。
そして、このとき接着剤Ｍから発生するガスを両面テープ１０に開けられた複数の穴１１及び型２を通して容器１外に排出させるようにしている。
このようにして、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０は型２に沿って変形しプリプレグの完成品が成形される。

このような製造方法によれば、容器１を減圧し型２とフィルムＦの間で圧力をかけるとともにフィルムＦ越しに赤外線を積層された炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０に照射加熱する時に接着剤Ｍから発生するガスは両面テープ１０に開けられた複数の穴１１及び多孔質材からなる型２を通して容器１外に排出させられるので、完成品としてボイドが少なく品質性能に優れたプリプレグの成形品が得られる。

また、型２に対しては両面テープ１０を利用して炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０の第一層目５１を貼り付け、第二層目５２〜５５以降については、赤外線ヒーター３０を使用して上下に互いに融着させるので、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（ＣＦＲＴＰ）のプリプレグ（樹脂含浸量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれる）のようにタック性（粘着性）がないものであっても、すべりを防止して安定した状態で上手く積層させることができる。

また、型２にセットされた複数の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５０をフィルムＦで覆い容器１を減圧することができるものであればよいので、熱プレスで成形する方式のものと比較して大きさに制限がなく、大型の部品等の製品でも容易に成形することが可能である。
また、両面テープ１０の上下に塗布される接着剤Ｍとして、分解時には高耐熱ポリイミドに分解して気体になるエポキシ系のものを使用するので、加熱処理時に接着剤Ｍから発生するガスが容器１外に排出されるとポリイミドだけになり、加熱処理後の両面テープ１０は離型紙になり容易に離型することが可能になる。

なお、接着剤Ｍが塗布された両面テープ１０の上下両面に離型紙２０を貼り付けるようにしてもよい。
これによれば、図５に示すように、両面テープ１０の上面側に貼り付けられた離型紙２０を剥いで、第一層目の炭素繊維強化熱可塑性プラスチック５１を両面テープ１０に対して貼り付けるだけでよいので作業が簡単であり、型が曲面であっても容易に追従させることができる。

１ 容器
１ａ 連通管
２ 型
１０ 両面テープ
１１ 穴
２０ 離型紙
３０ 赤外線ヒーター
３１ 放射温度計
４０ Ｏリング
５０（５１〜５５） 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック
Ｆ フィルム
Ｍ 接着剤
Ｐ 真空ポンプ

Claims (2)

1. 複数枚積層した炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに圧力をかけてプリプレグの成形品を製造するプリプレグ製造方法であって、
   減圧可能な容器に多孔質材からなる型をセットして前記容器の開口部を塞ぐ第一工程と、
   前記型の上に、加熱時には容易に分解し気体になる程度に分解温度の低い接着剤が上下両面に塗布され、かつ上下に貫通する複数の穴が開けられてなる両面テープを貼り付ける第二工程と、
   前記両面テープの上に第一層目の前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを貼り付け、第二層目以降の前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを直下に位置する前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに融着させて貼り付け積層する第三工程と、
   前記型上に前記両面テープを介して積層された前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを、赤外線を透過可能なフィルムで覆う第四工程と、
   前記容器を減圧し真空状態にして前記型と前記フィルムの間で圧力をかけるとともに、前記フィルム越しに赤外線を前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに照射加熱して溶融させ、前記接着剤から発生するガスを前記両面テープに開けられた複数の穴及び前記型を通して前記容器外に排出させる第五工程を有することを特徴とするプリプレグ製造方法。
2. 前記第二層目以降の前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを直下に位置する前記炭素繊維強化熱可塑性プラスチックに融着させて貼り付ける際には、超音波振動子，レーザー，及び赤外線ヒーターのうちいずれか一つを使用することを特徴とする請求項１に記載のプリプレグ製造方法。