JP6561629B2 - 繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
(i)繊維強化複合材料が少なくとも1つの屈曲部を有する。
(ii)該成形温度が130〜180℃であり、加圧時間が0.5〜20分である。
(iii)離型フィルム(C)の熱収縮率が下記式(1)および式(2)を満たす。
0< Ta ≦20・・・式(1)
1≦ Ta−Tb ≦20・・・式(2)
Ta:該成形温度と同じ温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)
Tb:該成形温度よりも30℃低い温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)。
(i)繊維強化複合材料が少なくとも1つの屈曲部を有する。
(ii)該成形温度が130〜180℃であり、加圧時間が0.5〜20分である。
(iii)離型フィルム(C)の熱収縮率が下記式(1)および式(2)を満たす。
0< Ta ≦20・・・式(1)
1≦ Ta−Tb ≦20・・・式(2)
Ta:該成形温度と同じ温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)
Tb:該成形温度よりも30℃低い温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)。
0< Ta ≦20・・・式(1)
1≦ Ta−Tb ≦20・・・式(2)
Ta:成形温度と同じ温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)
Tb:成形温度よりも30℃低い温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)。
R=Rsd/Rave・・・式(3)
Ra:前記屈曲部で区切られる各面における算術平均粗さ
Rave:前記Raから求めた算術平均値
Rsd:前記Raから求めた標準偏差。
本発明において、離型フィルム(C)は、表層(I)/基材層(II)/表層(I)の順に積層した多層フィルム、又は、表層(I)/基材層(II)の順に積層した多層フィルムであり、表層(I)は、ポリプロピレンを主成分として、表面自由エネルギーが15mN/m以上28mN/m未満の層であることが好ましい。
本発明において、繊維強化基材が含む熱硬化性樹脂(B)としては、特に限定されないが、ハイサイクル性と、得られる繊維強化複合材料の力学特性の観点からエポキシ樹脂が好ましい。
本発明において、繊維強化基材が含む強化繊維(A)としては、特に限定されないが、得られる繊維強化複合材料の軽量性と力学特性の観点から炭素繊維が好ましい。
本発明において、繊維強化基材は、強化繊維(A)と熱硬化性樹脂(B)とを含みさえすれば特に限定されず、強化繊維(A)と熱硬化性樹脂(B)とを含むプリプレグが好適に用いられるが、その中でも強化繊維(A)と熱硬化性樹脂(B)とを含むプリプレグを2枚以上積層させた積層体であることが好ましい。
本発明において、繊維強化複合材料は、強化繊維(A)と熱硬化性樹脂(B)とを含む繊維強化基材を、離型フィルム(C)で挟んだ複合体とし、該複合体を成形温度に加熱した金型に挟んで加圧することで、熱硬化性樹脂(B)を硬化させることで製造できる。ここで複合体を得るために、繊維強化基材を離型フィルム(C)で挟む方法としては、例えば、2枚の離型フィルム(C)を用意し、これらを繊維強化基材の両面にそれぞれ配し、次いでこれらを積層する方法や、1枚の大きな離型フィルム(C)を用意し、繊維強化基材をその上に配置し、次いで繊維強化基材が配置されていない部分の離型フィルム(C)を折り返すことで、繊維強化基材を1枚の離型フィルム(C)によって挟む方法、または、離型フィルム(C)の上で2枚以上のプリプレグを積層することで繊維強化基材を形成し、次いでこの繊維強化基材の上に別の離型フィルム(C)を積層させることで2枚の離型フィルム(C)で挟む方法が例示できる。複合体をあらかじめ作製しておき、これを金型に挟んで加圧する工程と脱型する工程を繰り返すことで繊維強化複合材料をハイサイクルで成形できるため好ましい。
離型フィルム(C)について、熱機械分析装置(TMA/SS6000:セイコーインスツル(株)社製)を用いて、下記温度プログラムにて一定荷重下におけるフィルムのMD方向およびTD方向の収縮曲線をそれぞれ求めた。得られた収縮曲線から所定の温度時における熱収縮率を読み取った。
温度プログラム 30℃→(5℃/分)→180℃
荷重 2gf
サンプルサイズ サンプル長15mm×幅4mm
(測定したい方向をサンプル長側に合わせる)。
得られた繊維強化複合材料において、以下の3段階で外観品位を評価し、goodを合格とした。
good:繊維強化複合材料の屈曲部上および面部にシワ状の外観不良が見られなかった。
bad:繊維強化複合材料の屈曲部上にシワ状の外観不良が見られ、面部にはシワ状の外観不良は見られなかった。
worse:繊維強化複合材料の屈曲部上および面部にシワ状の外観不良が見られた。
得られた繊維強化複合材料において、表面粗さ計(HANDYSURF E−35B:(株)東京精密計測社製)を用いて、JIS−B−0601:2001に基づき、カットオフ値:0.80、評価長さ:4.0mmにて行い、算術平均粗さRa(μm)を求めた。算術平均粗さは、屈曲部で区切られる各面のそれぞれにおいて測定し、次いでこれらの測定値を用いて算術平均値(Rave)と標準偏差(Rsd)を求めた。さらにRaveとRsdを用いて式(3)により、バラつきRを求めた。
R=Rsd/Rave・・・式(3)。
測定液として、水、エチレングリコ−ル、ホルムアミド、及びヨウ化メチレンの4種類の液体を用い、協和界面化学(株)製接触角計CA−D型を用いて、各液体のフィルム表面に対する静的接触角を求めた。なお、静的接触角は、各液体をフィルム表面に滴下後、30秒後に測定した。各々の液体について得られた接触角と測定液の表面張力の各成分を下式にそれぞれ代入し4つの式からなる連立方程式をγSd ,γSp,γShについて解いた。
但し、γS =γSd +γSp +γSh
γL =γLd +γLp +γLh
γS 、γSd 、γSp 、γSh はそれぞれフィルム表面の表面自由エネルギー、分散力成分、極性力成分、水素結合成分を、またγL 、γLd 、γLp、γLhは用いた測定液のそれぞれ表面自由エネルギー、分散力成分、極性力成分、水素結合成分を表わすものとる。ここで、用いた各液体の表面張力は、Panzer(J.Panzer,J.Colloid Interface Sci.,44,142(1973)によって提案された値を用いた。
基材層(II)用の原料として結晶性PP(以下、ポリプロピレンをPPと略す。)((株)プライムポリマー製、TF850H、MFR:2.9g/10分、アイソタクチック指数:96%)85質量部と、炭酸カルシウム80質量%とポリプロピレン20質量%をコンパウンドしたマスター原料(三共精粉(株)製、2480K、炭酸カルシウム粒子:6μm)15質量部とをドライブレンドして基材層(II)用の単軸の溶融押出機に供給し、表層(I)用の原料として、結晶性PP((株)プライムポリマー製、TF850H、MFR:2.9g/10分、アイソタクチック指数:96%)を表層(I)用の単軸の溶融押出機に供給し、240℃で溶融押出を行い、60μmカットの焼結フィルターで異物を除去後、3層積層用のフィードブロック型の表層(I)/基材層(II)/表層(I)複合Tダイにて1/58/1の厚み比で積層し、30℃に表面温度を制御したキャストドラムに吐出してキャストシートを得た。ついで、複数のセラミックロールを用いて125℃に予熱を行いフィルムのMD方向に4.6倍延伸を行った。次にテンター式延伸機に端部をクリップで把持させて導入し、165℃で3秒間予熱後、160℃で8.0倍に延伸した。続く熱処理工程で、TD方向に10%の弛緩を与えながら160℃で熱処理を行ない、その後130℃で冷却工程を経てテンターの外側へ導き、フィルム端部のクリップ解放し、フィルムをコアに巻き取り、厚み30μmのポリプロピレンフィルムを得た。得られたポリプロピレンフィルムの表面自由エネルギーは26.5mN/mであり、算術平均粗さRaは430nmであった。
基材層(II)用の原料として結晶性PP((株)プライムポリマー製、TF850H、MFR:2.9g/10分、アイソタクチック指数:96%)93.3質量部と、炭酸カルシウム80質量%とポリプロピレン20質量%をコンパウンドしたマスター原料(三共精粉(株)製、2480K、炭酸カルシウム粒子:6μm)6.7質量部とをドライブレンドして基材層(II)用の単軸の溶融押出機に供給し、表層(I)用の原料として、結晶性PP((株)プライムポリマー製、TF850H、MFR:2.9g/10分、アイソタクチック指数:96%)を表層(I)用の単軸の溶融押出機に供給し、240℃で溶融押出を行い、60μmカットの焼結フィルターで異物を除去後、フィードブロック型の基材層(II)/表層(I)複合Tダイにて8/1の厚み比で積層し、30℃に表面温度を制御したキャストドラムに吐出してキャストシートを得た。このとき、基材層(II)がキャストドラムに接地する面とした。ついで、複数のセラミックロールを用いて125℃に予熱を行いフィルムのMD方向に4.6倍延伸を行った。次にテンター式延伸機に端部をクリップで把持させて導入し、165℃で3秒間予熱後、160℃で8.0倍に延伸した。続く熱処理工程で、TD方向に0%の弛緩を与えながら160℃で熱処理を行ない、その後130℃で冷却工程を経てテンターの外側へ導き、フィルム端部のクリップ解放し、フィルムをコアに巻き取り、厚み19μmのポリプロピレンフィルムを得た。得られたポリプロピレンフィルムの表層(I)の表面自由エネルギーは25.3mN/mであり、表層(I)の算術平均粗さRaは255nmであった。
市販のフィルムとして、ポリフッ化ビニル樹脂フィルム“Tedlar”(登録商標) TTR20SG4を使用した。フィルム厚みは50μm、算術平均粗さは100nmで、フィラーが確認できない透明なフィルムであった。
熱硬化性樹脂(B)として、“エピコート”828を20質量部、“エピコート”834を20質量部、“エピコート”1001を25質量部、(以上、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エピコート”154を35質量部(フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン(株)製)、アミン系硬化剤としてDICY7(ジシアンジアミド、ジャパンエポキシレジン(株)製)を4質量部、リン系化合物として“ノーバレッド”120(登録商標、平均粒径25μm、リン含有量85%)を3質量部、硬化促進剤として“オミキュア”(登録商標)24(2,4−トルエンビス(ジメチルウレア)を5質量部、熱可塑性樹脂として“ビニレック”K(登録商標)(ポリビニルホルマール、チッソ(株)製)を5質量部、を以下に示す手順でニーダーで混合し、ポリビニルホルマールが均一に溶解したエポキシ樹脂組成物を得た。
参考例4で調製したエポキシ樹脂組成物をリバースロールコータを用いて離型紙上に塗布してエポキシ樹脂フィルムを作製した。エポキシ樹脂フィルムの単位面積あたりの樹脂量は、25g/m2とした。
参考例5で作製したプリプレグを[0/90]2sの構成で積層し、厚さ0.8mmの繊維強化基材を得た。
参考例6で得られた繊維強化基材を、2枚の参考例1で得られた離型フィルム(C)で挟んだ複合体とし、次いでこの複合体を150℃の成形温度に加熱した金型に挟み、加圧時間5分、加圧圧力2MPaの条件で成形し、繊維強化複合材料を作製した。なお、金型には、厚み0.8mmの箱形状(図1の形状で面部(a)および面部(c)が10mm×100mmの長方形、かつ面部(b)および面部(d)が10mm×200mmの長方形、かつ面部(e)が100mm×200mmの長方形であって、各屈曲部の曲率半径が5mm)の製品キャビティを有するものを用いた。成形条件および評価結果を表1に記載した。
成形温度を140℃に代えた以外は、実施例1と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
成形温度を120℃に代えた以外は、実施例1と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
離型フィルム(C)を参考例2のフィルムに代えて、参考例2のフィルムの表層(I)が繊維強化基材側になるように複合体を形成させた以外は、実施例1と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
成形温度を140℃に代えた以外は、実施例3と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
成形温度を120℃に代えた以外は、実施例3と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
離型フィルム(C)に代えて、参考例3のフィルムを用い、2枚の参考例3のフィルムで繊維強化基材を挟んだ複合体とした以外は、実施例1と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
成形温度を140℃に代えた以外は、比較例3と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
成形温度を120℃に代えた以外は、比較例3と同様の方法で成形し、繊維強化複合材料を作製した。成形条件および評価結果を表1に記載した。
2 屈曲部におけるR部の曲率半径
3 屈曲部
4 面部
5 頂点
Claims (10)
- 強化繊維(A)と熱硬化性樹脂(B)とを含む繊維強化基材を、離型フィルム(C)で挟んだ複合体とし、該複合体を成形温度に加熱した金型に挟んで加圧することで、熱硬化性樹脂(B)を硬化させる繊維強化複合材料の製造方法であって、
下記(i)〜(iv)を満たすことを特徴とする、繊維強化複合材料の製造方法。
(i)繊維強化複合材料が少なくとも1つの屈曲部を有する。
(ii)該成形温度が130〜180℃であり、加圧時間が0.5〜20分である。
(iii)離型フィルム(C)の熱収縮率が下記式(1)および式(2)を満たす。
0< Ta ≦20・・・式(1)
1≦ Ta−Tb ≦20・・・式(2)
Ta:該成形温度と同じ温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)
Tb:該成形温度よりも30℃低い温度で、熱機械分析装置を用いて測定した離型フィルム(C)の熱収縮率(%)
(iv)離型フィルム(C)が、表層(I)/基材層(II)/表層(I)の順に積層した多層フィルム、又は、表層(I)/基材層(II)の順に積層した多層フィルムであって、表層(I)は、ポリプロピレンを主成分として、表面自由エネルギーが15mN/m以上28mN/m未満の層であり、基材層(II)はポリプロピレン100質量部と粒子状フィラー(E)1〜20質量部を含む層である。 - 前記屈曲部におけるR部の曲率半径が20mm以下である、請求項1に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記屈曲部の個数が3個以上である、請求項1または2のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記屈曲部で区切られる3面から構成される頂点を有する請求項3に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 式(3)によって計算されるバラつきRが0〜0.2である、請求項1〜4のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
R=Rsd/Rave・・・式(3)
Ra:前記屈曲部で区切られる各面における算術平均粗さ
Rave:前記Raから求めた算術平均値
Rsd:前記Raから求めた標準偏差 - 離型フィルム(C)全体の厚みにおける表層(I)の合計の厚みの割合が25%以下である、請求項1〜5のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記繊維強化基材が、強化繊維(A)と熱硬化性樹脂(B)とを含むプリプレグを2枚以上積層させた積層体である、請求項1〜6のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 強化繊維(A)が炭素繊維である、請求項1〜7のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 熱硬化性樹脂(B)がエポキシ樹脂である、請求項1〜8のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
- 前記加圧時の圧力が0.1〜10MPaであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
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