JP6564530B2 - 繊維強化樹脂成形体およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、繊維強化樹脂成形体およびその製造方法に関する。
従来から、複合材料の一種であるＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）を含んで構成される繊維強化樹脂成形体が公知である（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、表皮層を形成する２層の炭素繊維層の間に不織布からなるコア層が挟持されて積層体をなし、この積層体に含浸用樹脂を含浸して硬化した炭素繊維複合材料成形体が記載されている。
特許第４６１５３９８号公報
前述の炭素繊維複合材料成形体では、表皮層とコア層とは樹脂によって結合されるだけであるので、表皮層とコア層との結合力が小さく、荷重が炭素繊維複合材料成形体に入力された際に、表皮層とコア層とが層間で剥離する可能性がある。
そこで、本発明は、表皮層とコア層との結合力を高めることにより、表皮層とコア層とが剥離することを抑制することを目的とする。
本発明の第１の態様は、不織布および不織布に含浸された含浸樹脂を含むコア層と、繊維および繊維を被覆するマトリックス樹脂を含む一対の表皮層と、備える繊維強化樹脂成形体である。表皮層は、コア層側の面に形成され、繊維の一部がマトリックス樹脂から露出する凹部を有し、凹部に、不織布および含浸樹脂の一部が入り込んでいる。
本発明の第２の態様は、繊維強化樹脂成形体の製造方法である。この製造方法は、表皮層のコア層側の面に、繊維の一部がマトリックス樹脂から露出する凹部を形成する工程と、一対の表皮層の間に不織布を配置するとともに、不織布および含浸樹脂の一部を凹部に入り込ませ、その状態で表皮層とコア層とを結合する工程と、を備える。
本発明によれば、表皮層とコア層との結合力を高めることにより、表皮層とコア層とが剥離することを抑制することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の分解斜視図である。 図２は、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の断面図である。 図３Ａは、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図３Ｂは、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図３Ｃは、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図３Ｄは、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図３Ｅは、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図４Ａは、本発明の他の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図４Ｂは、本発明の他の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図４Ｃは、本発明の他の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図４Ｄは、本発明の他の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。 図４Ｅは、本発明の他の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体の製造方法の説明図である。
以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。
本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０を、図１から図３に基づいて説明する。
繊維強化樹脂成形体１０は、例えば、フード（ボンネット）、ドアパネル、バンパー、トランクリッド、リアゲート、フェンダパネル、サイドボディパネル、ルーフパネルなどの車両用構成部材に適用することができる。また、繊維強化樹脂成形体１０は、車両用構成部材に限定されず、各種構成部材に適用することが可能である。
図１および図２に示すように、繊維強化樹脂成形体１０は、コア層１１と、コア層１１の両面に結合された一対の表皮層１２，１２と、備える。
コア層１１は、不織布１３と、不織布１３に含浸された含浸樹脂１４とを含んで構成される不織布層である。コア層１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ〜１０．０ｍｍ程度の厚さとされる。不織布１３は、例えば、綿、レーヨン、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、アラミド繊維など、公知の繊維により形成される。含浸樹脂１４は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂により形成される。また、含浸樹脂１４は、例えば、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂などの熱可塑性樹脂により形成されてもよい。
表皮層１２は、繊維１５と、繊維１５を被覆するマトリックス樹脂１６とを含んで構成される繊維層である。すなわち、表皮層１２は、いわゆるＦＲＰ（繊維強化樹脂）と称されるものである。表皮層１２の厚さは、例えば、０．４ｍｍ〜５．０ｍｍ程度の厚さとされる。繊維１５は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維（ケブラー繊維）など、種々の繊維により形成される。マトリックス樹脂１６は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂により形成される。また、マトリックス樹脂１６は、例えば、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂などの熱可塑性樹脂により形成されてもよい。
コア層１１の含浸樹脂１４と表皮層１２のマトリックス樹脂１６とは、同じ種類のものであってもよく、異なる種類のものであってもよい。コア層１１と表皮層１２との結合力を高めるという観点からは、コア層１１の含浸樹脂１４と表皮層１２のマトリックス樹脂１６とは親和性の高い樹脂であることが好ましい。
表皮層１２は、コア層１１側の面１７に形成され、繊維１５の一部がマトリックス樹脂１６から露出する複数の凹部１８を有する。そして、各凹部１８に不織布１３および含浸樹脂１４の一部が入り込んでいる状態で、表皮層１２のマトリックス樹脂１６とコア層１１の含浸樹脂１４とが結合（接着）されている。このため、繊維強化樹脂成形体１０は、コア層１１と表皮層１２との結合部１９に形成され、不織布１３と繊維１５とが混在する複数の混在領域２０を備えている。
凹部１８および混在領域２０は、図１から分かるように、表皮層１２の面内の縦方向および横方向に間隔をおいて配設されている。凹部１８および混在領域２０は、図示例では等間隔で配設されているが、これに限定はされず、等間隔で配設されていなくてもよい。
また、表皮層１２の面内方向（面と平行な方向）における凹部１８および混在領域２０の位置は、図２から分かるように、一対の表皮層１２，１２の一方と他方とでコア層１１に対して非対称である。すなわち、凹部１８および混在領域２０は、一対の表皮層１２，１２の一方と他方とで異なる箇所に配設されている。しかしながら、これに限定はされず、表皮層１２の面内方向における凹部１８および混在領域２０の位置は、一対の表皮層１２，１２の一方と他方とでコア層１１に対して対称であってもよい。
次に、本実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０の製造方法を説明する。
１．ワックスの塗布
まず、図３Ａに示すように、繊維１５のシートまたは束にワックス２１を点在するように塗布し、塗布したワックス２１を硬化させて固める。
ワックス２１としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの熱可塑性樹脂を使用することが可能である。ポリエチレンおよびポリプロピレンは比較的融点が低いので、これらポリエチレンおよびポリプロピレンをワックス２１として使用する場合、マトリックス樹脂１６の注入温度はポリエチレンおよびポリプロピレンの融点以下にする必要がある。
２．マトリックス樹脂の型内への注入
次に、図３Ｂに示すように、繊維１５を型内に配置し、当該型内にマトリックス樹脂１６を注入して、繊維１５にマトリックス樹脂１６を含浸させる。そして、含浸させたマトリックス樹脂１６を硬化させて固めて、表皮層１２を作製する。
３．ワックスの除去
次に、図３Ｃに示すように、ワックス２１を温水または溶剤によって溶かすことにより、表皮層１２に凹部１８を形成する。
すなわち、本実施形態では、凹部１８を表皮層１２に形成する方法には、ロストワックス製法を用いている。
４．積層
次に、図３Ｄに示すように、一対の表皮層１２，１２の間に不織布１３を積層して、積層体２２を作製する。
５．含浸樹脂の型内への注入
次に、図３Ｅに示すように、積層体２２を型内に配置し、当該型内に含浸樹脂１４を注入して、不織布１３に含浸樹脂１４を含浸させる。この含浸樹脂１４を型内に注入する工程において、各凹部１８に不織布１３および含浸樹脂１４の一部を入り込ませ、ワックス２１の除去により露出した繊維１５に不織布１３を絡ませる。そして、含浸樹脂１４を硬化させて固めて、繊維強化樹脂成形体１０を作製する。
すなわち、本実施形態では、積層体２２を成形する方法には、ＲＴＭ成形法（Resin Transfer Molding）を用いている。
以下に、本実施形態による作用効果を説明する。
（１）本実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０は、不織布１３および不織布１３に含浸された含浸樹脂１４を含むコア層１１と、繊維１５および繊維１５を被覆するマトリックス樹脂１６を含み、コア層１１の両面に結合された一対の表皮層１２，１２と、備える。表皮層１２は、コア層１１側の面１７に形成され、繊維１５の一部がマトリックス樹脂１６から露出する凹部１８を有し、凹部１８に、不織布１３および含浸樹脂１４の一部が入り込んでいる。
本実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０では、各凹部１８に不織布１３および含浸樹脂１４の一部が入り込んでいる状態で、表皮層１２のマトリックス樹脂１６とコア層１１の含浸樹脂１４とが結合されている。すなわち、コア層１１と表皮層１２との結合部１９に、不織布１３と繊維１５とが混在する混在領域２０が形成されている。このため、表皮層１２とコア層１１との結合力を高めることができ、荷重が繊維強化樹脂成形体１０に入力されても、表皮層１２とコア層１１とが層間で剥離する可能性を低減することができる。
したがって、本実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０によれば、表皮層１２とコア層１１との結合力を高めることにより、表皮層１２とコア層１１とが剥離することを抑制することが可能である。
（２）表皮層１２の面内方向における凹部１８の位置は、一対の表皮層１２，１２の一方と他方とでコア層１１に対して非対称である。
これにより、不織布１３と繊維１５とが混在する混在領域２０の表皮層１２の面内方向における位置を一対の表皮層１２，１２の一方と他方とでずらすことができ、不織布１３の密度の低い箇所がコア層１１に生じることを抑制することが可能である。
（３）本実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０の製造方法は、表皮層１２のコア層１１側の面１７に、繊維１５の一部がマトリックス樹脂１６から露出する凹部１８を形成する工程（第１工程）と、一対の表皮層１２，１２の間に不織布１３を配置するとともに、不織布１３および含浸樹脂１４の一部を凹部１８に入り込ませ、その状態で表皮層１２とコア層１１とを結合する工程（第２工程）と、を備える。
これにより、各凹部１８に不織布１３および含浸樹脂１４の一部が入り込んでいる状態で、表皮層１２のマトリックス樹脂１６とコア層１１の含浸樹脂１４とが結合される。すなわち、コア層１１と表皮層１２との結合部１９に、不織布１３と繊維１５とが混在する混在領域２０が形成される。このため、表皮層１２とコア層１１との結合力を高めることができ、荷重が繊維強化樹脂成形体１０に入力されても、表皮層１２とコア層１１とが層間で剥離する可能性を低減することができる。
したがって、本実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０の製造方法によれば、表皮層１２とコア層１１との結合力を高めることにより、表皮層１２とコア層１１とが剥離することを抑制することが可能である。
（４）凹部１８をロストワックス製法により形成する。
これにより、凹部１８を表皮層１２に精度よく形成することが可能である。
［他の実施形態］
次に、他の実施形態に係る繊維強化樹脂成形体１０の製造方法を図４に基づいて説明する。
１．ワックスの塗布
まず、図４Ａに示すように、繊維１５のシートまたは束にワックス２１を点在するように塗布し、塗布したワックス２１を硬化させて固める。
２．マトリックス樹脂の型内への注入
次に、図４Ｂに示すように、繊維１５を型内に配置し、当該型内にマトリックス樹脂１６を注入して、繊維１５にマトリックス樹脂１６を含浸させる。そして、含浸させたマトリックス樹脂１６を硬化させて固めて、表皮層１２を作製する。
３．ワックスの除去
次に、図４Ｃに示すように、ワックス２１を温水または溶剤によって溶かすことにより、表皮層１２に凹部１８を形成する。
４．積層
次に、図４Ｄに示すように、一対の表皮層１２，１２の間に、不織布入り接着剤（含浸樹脂１４が予め含浸された不織布１３）を積層して、積層体２３を作製する。
５．繊維強化樹脂成形体の成形
次に、図４Ｅに示すように、積層体２３を型内に配置し、当該型内で繊維強化樹脂成形体１０を成形する。この繊維強化樹脂成形体１０を型内で成形する工程において、各凹部１８に不織布１３および含浸樹脂１４の一部を入り込ませ、ワックス２１の除去により露出した繊維１５に不織布１３を絡ませる。そして、含浸樹脂１４を硬化させて固めて、繊維強化樹脂成形体１０を作製する。
この実施形態では、繊維強化樹脂成形体１０を成形する方法には、ホットプレス成形法やオートクレーブ成形法を用いることが可能である。
このような繊維強化樹脂成形体１０の製造方法によっても、表皮層１２とコア層１１との結合力を高めることにより、表皮層１２とコア層１１とが剥離することを抑制することが可能である。
以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
１０ 繊維強化樹脂成形体
１１ コア層
１２ 表皮層
１３ 不織布
１４ 含浸樹脂
１５ 繊維
１６ マトリックス樹脂
１７ コア層側の面
１８ 凹部
１９ 結合部
２０ 混在領域

Claims (4)

  1. 不織布および前記不織布に含浸された含浸樹脂を含むコア層と、
    繊維および前記繊維を被覆するマトリックス樹脂を含み、前記コア層の両面に結合された一対の表皮層と、備え、
    前記表皮層は、前記コア層側の面に形成され、前記繊維の一部が前記マトリックス樹脂から露出する凹部を有し、
    前記凹部に、前記不織布および前記含浸樹脂の一部が入り込んでいる
    ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体。
  2. 前記表皮層の面内方向における前記凹部の位置は、前記一対の表皮層の一方と他方とで前記コア層に対して非対称である
    ことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂成形体。
  3. 不織布および前記不織布に含浸された含浸樹脂を含むコア層と、繊維および前記繊維を被覆するマトリックス樹脂を含み、前記コア層の両面に結合された一対の表皮層と、備える繊維強化樹脂成形体を製造する方法であって、
    前記表皮層の前記コア層側の面に、前記繊維の一部が前記マトリックス樹脂から露出する凹部を形成する工程と、
    前記一対の表皮層の間に前記不織布を配置するとともに、前記不織布および前記含浸樹脂の一部を前記凹部に入り込ませ、その状態で前記表皮層と前記コア層とを結合する工程と、を備える
    ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体の製造方法。
  4. 前記凹部をロストワックス製法により形成する
    ことを特徴とする請求項３に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。
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