JP6567255B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂成形体 - Google Patents

Description

機械的特性と、突起部（リブ、ボス等）を有する複雑形状部材の成形性に優れた、連続繊維強化熱可塑性複合材料と非連続繊維強化熱可塑性複合材料からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体に関する。

近年、種々の分野において、部品の材質を金属から樹脂へと変更することが検討されている。なかでも剛性、耐衝撃性などの点から、強化繊維によって補強された繊維強化樹脂を金属に代えることが試みられている。
繊維強化樹脂には、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂が用いられた繊維強化熱可塑性樹脂があり、例えば自動車等の車両分野においては、エンジン周りに使用されるフレーム材や、バンパービームなどへの適用が検討されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。

単純なシート形状である部材の場合は、強化繊維を直線的に配した織物、一方向（ＵＤ）材で成形出来、高い機械的強度が確保できるが、用途に応じた、限定空間内に配される複雑形状の繊維強化熱可塑性樹脂成形体を成形する場合には、織物、ＵＤ材単体では流動性が悪く、複雑形状に追従出来ない問題がある。この問題を解決するため、強化繊維長が短く、流動性の良いインジェクション材料等で、リブ、ボス等の突起部を埋め、複雑形状部にも材料を充填することで一体化を図る検討が試みられている。しかしながら、流動性の低い織物、ＵＤ材層と、流動性の高い短繊維強化樹脂層との界面接着性は低く、変形により剥離破壊を起こし易く、十分な機械的強度を有する繊維強化樹脂成形体は得られていなかった。

特開平５−９３０１号公報 特開平６−３１３２９２号公報 特開平７−８８８４０号公報 特開平９−２１６２２５号公報 国際公開第０９／１４２２９１号パンフレット

本発明は、前記した課題を解決するもので、機械的特性と成形性に優れた、連続繊維強化熱可塑性複合材料と非連続繊維強化熱可塑性複合材料からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供するものである。

複雑形状に材料を充填し得る成形流動性を確保しつつ、高い機械的強度を得るため、本発明では以下の手段を取る。
すなわち本発明は、以下の通りである。
［１］ 基材部と、根元の厚さが２ｍｍ〜３０ｍｍ、高さが５ｍｍ〜１５０ｍｍの突起部を有する成形体であって、該成形体は、連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる部材Ａと、非連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる部材Ｂから構成され、部材Ｂが突起部の先端部に充填されており、突起部内への部材Ａの流れ込み深さが０．５ｍｍ以上である事を特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
［２］ 前記部材Ｂが、長さ５ｍｍ〜１００ｍｍ、幅４ｍｍ〜６０ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの薄膜片のテープ状物から構成され、含有される強化繊維と熱可塑性樹脂との質量比が８５／１５〜３０／７０である［１］に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
［３］ 前記部材Ａの連続強化繊維がクロス材であり、部材Ａが該クロス材を２〜１０層含む積層体である［１］または［２］に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。

本発明によれば、機械的特性と、リブ、ボス等の複雑形状部への成形流動性に優れた、連続繊維強化熱可塑性複合材料と非連続繊維強化熱可塑性複合材料からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供することが出来る。また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、連続繊維強化熱可塑性複合材料と非連続繊維強化熱可塑性複合材料の界面での剥離破壊が起こり難い特徴も有する。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の断面の概略図である。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、基材部と突起部を有する成形体である。
また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、連続強化繊維を含む部材Ａと非連続強化繊維を含む部材Ｂとから構成される。連続繊維によって高い剛性と機械的特性を確保しつつ、寸法安定等を狙って配された突起部には成形流動性の良い非連続繊維を含む部材Ｂが充填され、トータルの機械的特性を向上させる事が可能になる。
突起部形状を有する金型内に、部材Ａは基材部側、部材Ｂは突起部側に配されて一体成形され、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体が得られる。基材部の両側に突起部を有する成形体の場合は、部材Ａの両側に部材Ｂが配されて一体成形される。金型内に配される部材Ａ、部材Ｂはともにシート形状であることが好ましい。

基材部の大きさは、特に限定されない。下記で説明する部材Ａの構成から、厚みが０．４ｍｍ〜６ｍｍの平板状であることが好ましい。平板状である場合の平板の端は、突起部より３０ｃｍ以内である事が好ましい。

突起部の形状は、特に限定されない。角柱形状、円柱形状、それらが先端に行くほど小さくなるテーパー形状であっても良い。
突起部の根元の厚さは２ｍｍ〜３０ｍｍ、高さは５ｍｍ〜１５０ｍｍである。突起部が多角形の角柱である場合、根元の厚さは多角形の最小の辺の長さを指し、突起部が円柱の場合、根元の厚さは円の直径を指す。

突起部の根元の厚さが２ｍｍ〜３０ｍｍである場合、部材Ａの突起部への流れ込みによる部材Ｂとの一体化が図られ易く、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の機械的強度を高める事が可能となる。２ｍｍ未満である場合、部材Ａの突起部への流れ込みによる部材Ｂとの一体化が十分に行われず好ましくない。逆に３０ｍｍを超える場合、不必要に重量が重くなるので好ましくない。故に、より好ましい範囲は３ｍｍ〜２０ｍｍである。
また突起部の高さが、５ｍｍ未満である場合、機械的特性が向上されにくく、１５０ｍｍを超える場合、不必要に重量が重くなり、さらに部材Ｂ自体の充填性が損なわれるため好ましくない。より好ましい範囲は、１０ｍｍ〜８０ｍｍである。

突起部は、１個でも複数個でも構わない。複数個の場合、隣り合う突起部間の距離は、最短距離で１５ｍｍ以上であることが好ましい。

また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、基材部（突起部の根元を結んだ接線）から０．５ｍｍ以上の深さまで、連続強化繊維を含む部材Ａが突起部内に入り込んだ構成を成す。部材Ａが突起部内に入り込んだ深さを、本明細書では流れ込み深さと称する。その測定法は、下記の実施例の項に記載するが、部材Ａの流れ込み深さは、実質は部材Ａの連続繊維の流れ込み深さを指す。また、図１に本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の断面（突起部の根元の厚さが分かる部分）の概略図を示す。
ここが本発明のポイントとなる部分であるが、通常、流動し難い連続繊維を含む部材Ａを突起部の窪みに嵌め込む事で、界面の擦過による強化繊維内への樹脂含浸の促進と連続強化繊維のクリンプ形状に伴う一体感が生まれ、剥離破壊を起こしにくくなり、優れた機械的特性を発現する事が可能になる。
手段としては、特に限定されるものでは無いが、突起部に面した連続強化繊維を含む部材Ａが成形時に流動し得る布帛サイズ、布帛構造、成形圧力を適宜選定する事で突起物内に充填させる事が可能となる。
連続強化繊維を含む部材Ａの突起部への流れ込み深さは、大きければ大きいほど一体化が図られ剥離破壊は起きにくくなるが、流動性の低い材料の押し込み量（流れ込み深さ）にも限界がある。故に、流れ込み深さの好ましい範囲は、０．８ｍｍ〜３０ｍｍの範囲である。

部材Ａ、部材Ｂに用いられる強化繊維は特に限定されないが、代表例としては、炭素繊維、炭化珪素繊維、ガラス繊維などの無機繊維、ボロン繊維などの金属繊維、アラミド繊維などの有機繊維が挙げられる。コスト、ならびに得られる成形品の弾性率および機械的強度の点から、ガラス繊維、炭素繊維などが特に好ましい。

部材Ａ、部材Ｂに用いられる繊維強化熱可塑性樹脂を構成する熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、代表例としては、ポリアミド６、ポリアミド１２、ポリアミド６６、ポリアミド４６などのポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂などが挙げられる。また、これら各樹脂の変性体を用いてもよいし、複数種の樹脂をブレンドして用いてもよい。また、熱可塑性樹脂は各種添加剤、フィラー、着色剤等を含んでいてもよい。これら成分は、合計量で熱可塑性樹脂中、５質量％以下が好ましい。

繊維強化熱可塑性樹脂成形体に用いられる非連続強化繊維を含む部材Ｂは、長さ５ｍｍ〜１００ｍｍ、幅４ｍｍ〜６０ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの薄膜片のテープ状物の樹脂を溶融し一体化させた部材からなり、含有される強化繊維と熱可塑性樹脂との質量比（強化繊維／熱可塑性樹脂）が８５／１５〜３０／７０である事が好ましい。上記のようにして得られたテープ状物を金型内でランダムにばら撒き、積層された状態のまま、加熱プレスを行い、樹脂を溶融させた後、冷却プレスを行い、所定の厚みのシート部材Ｂを得て、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体に供することが好ましい。
部材Ｂを構成するテープ状物は、連続繊維を開繊後、連続的に樹脂含浸させ、賦形ローラーで潰し冷却固化させ、テープ状としたものをカットして得る事が出来る。

テープの厚みが０．０５ｍｍ未満であると生産効率が悪く、０．４ｍｍを超えると樹脂含浸性が不足する傾向となる。より好ましくは０．０７ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内である。また幅は４ｍｍ未満、若しくは、６０ｍｍを超えると生産効率が悪くなる。より好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲である。長さに関しても５ｍｍ未満、若しくは１００ｍｍを超える場合、生産性が悪くなり好ましくない。より好ましくは１０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内である。また幅と長さが同じサイズに近いと異方性が無くなり、ランダマイズされ易いのでより好ましい。含有される強化繊維の質量比も８５％を超えると、樹脂含浸性が不十分となり破壊の基点となり易く、３０％未満の場合、強化繊維補強効果が得られにくくなるので好ましくない。強化繊維と熱可塑性樹脂のより好ましい質量比の範囲は、８０／２０〜５０／５０である。以上の構成によって、高い成形流動性と機械的特性が確保される。
この強化繊維と熱可塑性樹脂との質量比は、下記で説明する部材Ａでも同様である。

また、部材Ａは連続強化繊維と熱可塑性樹脂から構成されるが、連続強化繊維としては、クロス材が好適に使用され、その織り方としては、例えば、平織、綾織、朱子織、三軸織等が例示される。また高い剛性を確保するためには、連続繊維のクリンプ量を出来るだけ少なくする必要がある。その目的で、織り構造を取らないＵＤ材（一方向材）も適宜使用され得る。
部材Ａは、このようなクロス材やＵＤ材と、上記の熱可塑性樹脂から得られる。

また連続繊維を含む部材Ａは、２〜１０層のクロス材やＵＤ材を含む積層体から構成される事が好ましい。突起部に近い層が突起部に流れ込みクリンプを形成する事で一体感を保持しつつ、突起部から遠い層の部材Ａが繊維の直進性を保ち剛性を確保する事が可能になる。部材Ａの積層数は、ターゲット部材の構造、厚みによって異なるが、３〜７層が好ましい。この際、熱可塑性樹脂は、フィルム状、若しくはパウダー状のものを用い、クロス材やＵＤ材を間に挟み、加熱溶融して部材Ａとすることが好ましい。つまり、フィルム状若しくはパウダー状の熱可塑性樹脂層とクロス材やＵＤ材の層を交互に積層する構成が好ましい。

このような繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、例えば、フロントサブフレーム、リアサブフレーム、フロントピラー、センターピラー、サイドメンバー、クロスメンバー、サイドシル、ルーフレール、プロペラシャフトなどの自動車部品や、海底油田用のパイプ、電線ケーブルコア、印刷機用ロール・パイプ、ロボットフォーク、航空機の一次構造材、二次構造材などに好適に使用される。

以下、実施例を挙げて具体的に本発明を説明するが、これらの実施例により制限されるものではない。
尚、実施例中に記載する連続強化繊維を含むシート部材Ｂの突起部（リブ部）の流れ込み深さは、成形品をジグソーで切断後、その断面を観察する事で求めた。具体的には、突起部の接線を結んだ線上に定規を当て、そこに直角定規を当て、連続強化繊維が突起部に流れ込んだ長さを測る事で流れ込み深さを求めた。

（実施例１）
連続ガラス繊維（日本電気硝子（株）製、ＥＲ２３１０−４３１Ｎ、２３１０Ｔｅｘ、４０００ｆ）を開繊後、熱可塑性樹脂としてポリアミド６（東洋紡（株）製、Ａ２５００、融点２２０℃）を用い、２７０℃の樹脂槽を通し、樹脂を連続的に含浸させ、その後、賦形ローラーで潰し冷却固化させた後、カッティングし、ガラス繊維７０質量部にポリアミド樹脂３０質量部が含浸されてなる、幅１５ｍｍ、長さ３５ｍｍ、厚み０．１ｍｍのテープ状の予備成形体（テープ状物）を作製した。
この予備成形体を金型内でランダムにばら撒き積層された状態のまま、２６０℃の温度で加熱プレスを行い、樹脂を溶融させた後、１５０℃の金型内で冷却プレスを行い、３ｍｍ厚のシート部材Ｂを得た。
また同じ連続ガラス繊維（日本電気硝子（株）製、ＥＲ２３１０−４３１Ｎ、２３１０Ｔｅｘ、４０００ｆ）を用い平織りによる織物を作製後、金型内でポリアミド６フィルムと交互に、ポリアミド６フィルムが５層、間にガラス繊維織物が４層入る様に積層し、２６０℃の加熱プレスで樹脂を溶融後、１５０℃の冷却プレスでガラス繊維７５質量部にポリアミド樹脂２５質量部が含浸されてなる２ｍｍ厚のシート部材Ａを得た。
その後、非連続強化繊維を含むシート部材Ｂと、連続強化繊維を含むシート部材Ａとを、それぞれ２４０ｍｍ角の大きさに切り出して重ね、遠赤外線ヒーターで材料温度が２６０℃となるまで加熱後、根元の厚みが４ｍｍ、高さが３０ｍｍ、幅が８０ｍｍのリブ形状を持つ外形が２５０ｍｍ角の金型に、非連続強化繊維を含むシート部材Ｂがリブ側となる様にチャージ後、１５０℃の冷却プレスにて、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。連続強化繊維を含むシート部材Ａのリブ部への流れ込み深さは、１．５ｍｍであった。
その後、リブ部が丁度、曲げ物性測定の中心部に来る様、３５ｍｍの幅で試料を切り出し、リブ部の裏側から荷重を加える形で曲げ強度を測定した所、界面での剥離破壊もなく、曲げ強度は６１０ＭＰａ、曲げ弾性率は２０ＧＰａと非常に良好であった。

（実施例２）
実施例１で得られた非連続強化繊維を含む部材Ｂと連続強化繊維を含む部材Ａとを、それぞれ４８０ｍｍ角の大きさに切り出し、実施例１と同様に赤外線ヒーターで表面温度が２６０℃となるまで加熱後、根元の厚みが４ｍｍ、高さが３０ｍｍ、幅が２００ｍｍのリブを持つ外形が５００ｍｍ角の金型に、非連続強化繊維を含むシート部材Ｂがリブ側となる様にチャージし、１５０℃の冷却プレスにて成形後、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。連続強化繊維を含むシート部材Ａのリブ部の流れ込み深さは、１．２ｍｍであった。
尚、連続強化繊維を含むシート部材Ａのリブ部の流れ込み量は、シートサイズを変える事による流動特性差でコントロールした。
その後、リブ部が丁度、曲げ物性測定の中心部に来る様、３５ｍｍの幅で試料を切り出し、リブ部の裏側から荷重を加える形で曲げ強度を測定した所、界面での剥離破壊もなく、曲げ強度は５９０ＭＰａ、曲げ弾性率は２０ＧＰａと非常に良好であった。

（比較例１）
実施例１で得られた非連続強化繊維を含む部材Ｂと連続強化繊維を含む部材Ａとを、それぞれ６８０ｍｍ角の大きさに切り出し、実施例１と同様に赤外線ヒーターで表面温度が２６０℃となるまで加熱後、根元の厚みが４ｍｍ、高さが３０ｍｍ、幅が２００ｍｍのリブを持つ外形が７００ｍｍ角の金型に、非連続強化繊維を含むシート部材Ｂがリブ側となる様にチャージし、１５０℃の冷却プレスにて成形後、繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。連続強化繊維を含むシート部材Ａのリブ部の流れ込み深さは、０．２ｍｍであった。
尚、連続強化繊維を含むシート部材Ａのリブ部の流れ込み量は、シートサイズを変える事による流動特性差でコントロールした。
その後、リブ部が丁度、曲げ物性測定の中心部に来る様、３５ｍｍの幅で試料を切り出し、リブ部の裏側から荷重を加える形で曲げ強度を測定した所、界面での剥離破壊が起き、曲げ強度は４９０ＭＰａ、曲げ弾性率は１９ＧＰａと低くなった。

（比較例２）
実施例１で得られた非連続強化繊維を含む部材Ｂを２４０ｍｍ角の大きさに切り出し、実施例１と同様に赤外線ヒーターで表面温度が２６０℃となるまで加熱後、根元の厚みが４ｍｍ、高さが３０ｍｍ、幅が８０ｍｍのリブを持つ外形が２５０ｍｍ角の金型にチャージし、１５０℃の冷却プレスにて成形後、連続強化繊維の無い繊維強化熱可塑性樹脂成形体を得た。
その後、リブ部が丁度、曲げ物性測定の中心部に来る様、３５ｍｍの幅で試料を切り出し、リブ部の裏側から荷重を加える形で曲げ強度を測定した所、曲げ強度は４６０ＭＰａ、曲げ弾性率は１８ＧＰａと低くなった。

本発明により、機械的特性と、突起部等の複雑形状部への成形流動性に優れた、連続繊維強化熱可塑性複合材料と非連続繊維強化熱可塑性複合材料からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形体を提供することが出来る。また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂成形体は、連続繊維強化熱可塑性複合材料と非連続繊維強化熱可塑性複合材料の界面での剥離破壊が起こり難い特徴も有することから、産業界へ寄与することができる。

１ 基材部
２ 突起部
３ 連続強化繊維
４ 非連続強化繊維
５ 流れ込み深さ
６ 突起部の根元の厚さ
７ 突起部の高さ

Claims (3)

1. 基材部と、根元の厚さが２ｍｍ〜３０ｍｍ、高さが５ｍｍ〜１５０ｍｍの突起部を有する成形体であって、該成形体は、連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる部材Ａと、非連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる部材Ｂから構成され、部材Ｂが突起部の先端部に充填されており、突起部内への部材Ａの流れ込み深さが０．５ｍｍ以上である事を特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
2. 前記部材Ｂが、長さ５ｍｍ〜１００ｍｍ、幅４ｍｍ〜６０ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍの薄膜片のテープ状物から構成され、含有される強化繊維と熱可塑性樹脂との質量比が８５／１５〜３０／７０である請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。
3. 前記部材Ａの連続強化繊維がクロス材であり、部材Ａが該クロス材を２〜１０層含む積層体である請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体。