JP6641592B2 - 繊維強化プラスチックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性のベース樹脂が連続長繊維の強化繊維束層に含浸されてなる繊維強化プラスチックの製造方法に関する。

近年、連続長繊維の強化繊維束層に含浸されてなる繊維強化プラスチックの自動車部品や工作機械部品等への適用が検討されている。例えば炭素繊維層を含有する繊維強化プラスチックとして、熱硬化性樹脂を使用したいわゆるＣＦＲＴＳ材（Carbon Fiber Reinforced Thermosets）に比べて加工性や経済性に優れた、熱可塑性樹脂を用いたＣＦＲＴＰ材（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics）が普及しつつある。

例えば、特許文献１は、炭素繊維をテンション調整用ロールで張った状態でクロスヘッド金型内に連続的に送り、当該繊維を熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂で連続的に被覆することによって繊維強化プラスチック製テープを製造することを開示している。

特開２０１３−１０４０５６号公報

熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて量産性やリサイクル性に優れる反面、溶融粘度が高く強化繊維束層に含浸することが難しい。そのため、繊維体積含有率（Ｖｆ：Volume fraction of fiber）が低く、一般的に強度・剛性が劣る傾向にある。そこで、強化繊維束層に十分に含浸させるために低分子量のベース樹脂が使用されることが多い。
しかしながら、低分子量の樹脂では機械的強度の向上に限界がある。一方、機械的強度の向上を優先して高分子量の樹脂を使用すると、従来の手法では強化繊維束層に良好に含浸できず、内部に未含浸領域やボイドが発生して物性低下の要因となる。従来の手法の一例として、例えば、特許文献１に記載のように、繊維強化プラスチック製テープの積層物を１ＭＰａ程度の圧力で押圧する手法があるが、この程度の圧力では、高分子量の樹脂を十分に含浸できるとは言えない。

そこで、高加圧で高分子量の樹脂を含浸させることが考えられるが、背反として、加圧時に高粘度の樹脂が流動し、強化繊維束のうねりが発生するおそれがある。
本発明の目的は、連続長繊維のうねりの発生を抑制しつつ、高分子量の樹脂を高い繊維体積含有率（高Ｖｆ）で強化繊維束層に含浸させることができる繊維強化プラスチックの製造方法を提供することである。

本発明の繊維強化プラスチック（３０）の製造方法は、２００００以上の数平均分子量Ｍｎを有する熱可塑性のベース樹脂（２）が連続長繊維（２５）の強化繊維束層（３）に含浸されてなる繊維強化プラスチックの製造方法であって、前記強化繊維束層および前記ベース樹脂を下型（６）の底面（１４）上に積層配置する工程と、前記強化繊維束層および前記ベース樹脂を前記下型に対応する上型（５）で圧縮することによって、過剰な前記ベース樹脂（２２）を前記強化繊維束層に対して垂直方向に前記下型から排出する工程とを含む（請求項１）。

本発明の繊維強化プラスチックの製造方法では、前記下型は、前記底面に垂直な壁部（１５）を有し、前記上型を前記下型にインロー嵌合することによって、前記過剰なベース樹脂を前記壁部に沿って前記下型から排出してもよい（請求項２）。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法では、前記下型の壁部には、前記底面に垂直な溝部（１７）が選択的に形成されていてもよい（請求項３）。

本発明の繊維強化プラスチックの製造方法では、前記上型として、前記下型にインロー嵌合したときに前記壁部の全周にわたって３０μｍ〜１００μｍのクリアランス（２３）を形成できる上型を使用してもよい（請求項４）。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法では、ＪＩＳ Ｋ ７２１０に準拠して測定される前記ベース樹脂のメルトフローレート（ＭＦＲ）が１０ｇ／１０ｍｉｎ未満であり、このベース樹脂の加圧時のメルトフローレート（ＭＦＲ）が１００ｇ／１０ｍｉｎ以上となる条件で、前記強化繊維束層および前記ベース樹脂を前記上型で加圧してもよい（請求項５）。

なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

この方法によれば、圧縮時に過剰なベース樹脂が強化繊維束層の面内から水平方向に流れ出るが、その流れ出る樹脂の下型からの排出方向を強化繊維束層に対して垂直方向にすることによって、強化繊維束層の面内における樹脂の流れを抑制することができる。そのため、２００００以上の高い分子量のベース樹脂を高い圧力で含浸させても、強化繊維束層の各連続長繊維のうねりの発生を抑制することができる。したがって、上型による圧縮時の温度および圧力を調節して圧縮時のベース樹脂の流動性を適切に制御することによって、高分子量の樹脂を高い繊維体積含有率（高Ｖｆ）で強化繊維束層に含浸させることができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチックの製造方法を説明するための図である。 図２は、前記製造方法に使用される上型の模式的な斜視図である。 図３は、前記製造方法に使用される下型の模式的な斜視図である。 図４は、溝部の形成位置を説明するための模式的な図である。 図５は、上型と下型との間のクリアランスの形状を説明するための模式的な図である。 図６は、上型による圧縮時の圧力と溶融樹脂のＭＦＲとの関係を示すグラフである。 図７は、繊維強化プラスチックの曲げ強さを樹脂の種類および圧縮条件ごとに示す図である。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック３０の製造方法を説明するための図である。図２は、その製造方法に使用される上型５の模式的な斜視図である。図３は、その製造方法に使用される下型６の模式的な斜視図である。
繊維強化プラスチック３０を製造するには、まず、図１Ａに示すように、プレス成形機（図示せず）の金型１に、本発明のベース樹脂の一例としての樹脂シート２および本発明の強化繊維束層の一例としての連続長繊維シート３を用いて積層体４が設置される。

樹脂シート２の原料としては、２００００以上の数平均分子量Ｍｎを有する熱可塑性樹脂が使用され、例えば、当該数平均分子量Ｍｎを有するポリアミド樹脂が挙げられる。より具体的には、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１２、ＰＡ６１２、ＰＡ６１０、ＰＡ１１等の脂肪族ポリアミド、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＰＡ等の芳香族ポリアミド等のポリアミド系樹脂が挙げられる。また、樹脂シート２の原料の圧縮前のメルトフローレート（ＭＦＲ）は、１０ｇ／１０ｍｉｎ未満（例えば２．０ｇ／１０ｍｉｎ〜８．０ｇ／１０ｍｉｎ）である。

連続長繊維シート３を構成する連続長繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が挙げられる。また、連続長繊維の形態としては、連続長繊維を経糸（たていと）と緯糸（よこいと）に交互に配向（織る）させたクロス材であってもよいし、連続長繊維を一方向に配向させたＵＤ（Uni Direction）材であってもよい。また、クロス材の織り方としては、平織、綾織、朱子織、からみ織、模紗織、斜紋織等、一般的に知られている織り方が挙げられるが、樹脂を含浸できるものであればこれらに限られない。これらのうち、好ましくは、炭素繊維が使用され、より好ましくは、炭素繊維のＵＤ材（つまり、炭素繊維ＵＤ）が使用される。

ここで、図２および図３を参照して、金型１の構造を詳細に説明する。金型１は、上型５および下型６を含む。
上型５は、図２に示すように、下型６との対向面７に選択的に突出した凸部８を有している。凸部８は、この実施形態では、直方体形状に形成されており、頂面９および頂面９を取り囲む壁部１０を有している。凸部８の各部の寸法は、例えば、幅Ｗ１＝７５ｍｍ程度、長さＬ１＝１５５ｍｍ程度および高さＨ１＝１０ｍｍ程度である。また、対向面７において、凸部８の周囲にはガイドピンブッシュ１１が形成されている。例えば、凸部８の各角部に一つずつ対応するように、合計４つのガイドピンブッシュ１１が形成されている。

下型６は、図３に示すように、上型５との対向面１２に選択的に窪んだ凹部１３を有している。凹部１３は、凸部８に対応する形状に形成されており、この実施形態では、直方体形状に形成されている。凹部１３は、底面１４および底面１４を取り囲む壁部１５を有している。底面１４および壁部１５は、上型５および下型６を互いに嵌合したときに、それぞれ、上型５の頂面９および壁部１０に対向する面である。凹部１３の各部の寸法は、凸部８の寸法に比べて若干大きくされており、例えば、幅Ｗ２＝７５ｍｍ程度、長さＬ２＝１５５ｍｍ程度および高さＨ２＝１１ｍｍ程度である。

下型６には、さらに、複数の溝部１６が形成されている。溝部１６は、例えば１ｍｍ〜３ｍｍの径で形成されており、凹部１３の底面１４に対して垂直方向に沿って壁部１５に形成された第１溝部１７と、壁部１５から下型６の外面１９に延び、当該外面１９で開放された第２溝部１８とを含み、これらが互いに連通している。第１溝部１７は、凹部１３の深さ方向途中部から形成されていてもよいが、好ましくは、底面１４から凹部１３の開口端まで形成されている。

また、各溝部１６の形成位置は、特に制限されない。すなわち、溝部１６は、図４に示すように、凹部１３の角部に形成されていてもよく（破線で示された溝部１６）、壁部１５の長さ（幅）方向における中央領域（角部から一定の間隔を空けた位置）に形成されていてもよい（実線で示された溝部１６）。ただし、連続長繊維シート３がＵＤ材である場合には、連続長繊維シート３を構成する連続長繊維２５の配向方向に沿う壁部１５の中央領域に形成されていることが好ましい。これにより、後述する工程（図５参照）でクリアランス２３から溝部１６に向かう流れが生じても、連続長繊維２５の端部が溝部１６の近傍にないことから、排出される溶融樹脂２２の流れに連続長繊維２５が引き込まれることを防止することができる。これにより、連続長繊維２５がうねることを抑制することができる。

また、対向面１２において凹部１３の周囲には、エアベント２０およびガイドピン２１が形成されている。
エアベント２０は、壁部１５から下型６の外面１９に延びている点では第２溝部１８と共通しているが、エアベント２０の凹部１３側端部には第１溝部１７のような溝が形成されておらず、エアベント２０は溝部１６とは独立して形成されている。

ガイドピン２１は、ガイドピンブッシュ１１に嵌合されるものであり、例えば、凹部１３の各角部に一つずつ対応するように、合計４つ形成されている。
図１Ａを再び参照して、積層体４の形成工程では、複数枚の樹脂シート２および連続長繊維シート３が、下型６の凹部１３の底面１４上に交互に積層される。樹脂シート２および連続長繊維シート３の積層枚数は、目的とする繊維強化プラスチック３０に応じて調整される。また、樹脂シート２の量は、目的とする繊維強化プラスチック３０の製造に必要な量よりも多く（例えば、当該必要量の１０５％〜１５０％）する。

次に、ガイドピン２１とガイドピンブッシュ１１とを位置合わせし、図１Ｂに示すように、上型５を下型６にインロー嵌合することによって、積層体４が圧縮される。このときの圧縮条件（上型５による加圧条件：圧力、（金型）温度）は、圧縮によって流動する樹脂シート２由来の溶融樹脂２２のメルトフローレート（ＭＦＲ）が１００ｇ／１０ｍｉｎ以上（例えば１１０ｇ／１０ｍｉｎ〜３００ｇ／１０ｍｉｎ）となる条件に設定される。このＭＦＲは、樹脂シート２本来のＭＦＲではなく、樹脂シート２が溶融し、その溶融樹脂２２の流動性を示すものである。より具体的な圧縮条件は、樹脂シート２の種類や数平均分子量Ｍｎによって異なるが、数平均分子量Ｍｎが大きいほど溶融粘度が高いので、より良好に連続長繊維シート３に含浸させるために、圧力および温度ともに高める必要がある。

例えば、数平均分子量Ｍｎが２００００〜３００００のＰＡ６６の場合は２ＭＰａおよび２８０℃以上とし、数平均分子量Ｍｎが４００００〜６００００のＰＡ６６の場合は５ＭＰａおよび２８０℃以上とし、数平均分子量Ｍｎが６００００以上のＰＡ６６の場合は８ＭＰａおよび２８０℃以上とすればよい。ただし、これらの一例はあくまでも目安であり、個々の圧縮工程に応じて圧力および温度を制御することによって、溶融樹脂２２のＭＦＲを１００ｇ／１０ｍｉｎ以上に変化させればよい。

この圧縮工程では、前述のように凹部１３の各部の寸法が凸部８の寸法に比べて若干大きい程度であるから、図５に示すように、凹部１３の壁部１５の全周にわたって、当該壁部１５と凸部８の壁部１０との間に小さいクリアランス２３が形成される。クリアランス２３は、例えば３０μｍ〜１００μｍである。このように小さいクリアランス２３を形成することで、樹脂シート２および連続長繊維シート３の表面に沿う方向への溶融樹脂２２の逃げ場を制限して金型１内の内圧を高めることができるので、溶融樹脂２２に対して外方からも圧力を加えることができる。これにより、連続長繊維シート３に対して溶融樹脂２２を良好に含浸させることができる。

そして、クリアランス２３に押し出された過剰な溶融樹脂２２は、図１Ｃおよび図５（矢印２４参照）に示すように、クリアランス２３から第１溝部１７および第２溝部１８を通って外部に排出される。
この後、積層体４が金型１から取り外されることによって、繊維強化プラスチック３０が得られる。

以上の方法によれば、上型５による圧縮時に過剰な溶融樹脂２２が連続長繊維シート３の面内から水平方向に流れ出るが、その流れ出る溶融樹脂２２の下型６からの排出流路を連続長繊維シート３に対して垂直方向に形成された第１溝部１７とすることによって、連続長繊維シート３の面内における溶融樹脂２２の流れを抑制することができる。さらに、上型５と下型６とのクリアランス２３を小さくして溶融樹脂２２の逃げ場を制限することで、連続長繊維シート３の面内から流れ出た溶融樹脂２２を第１溝部１７に優先的に流し、溶融樹脂２２を垂直方向に良好に排出することができる。

これにより、２００００以上の高い分子量の樹脂シート２（ベース樹脂）を高い圧力で含浸させても、連続長繊維シート３の各連続長繊維のうねりの発生を抑制することができる。したがって、上型５による圧縮時の温度および圧力を調節して溶融樹脂２２の流動性（ＭＦＲ）を１００ｇ／１０ｍｉｎ以上に制御することによって、高分子量の溶融樹脂２２を高い繊維体積含有率（高Ｖｆ）で連続長繊維シート３に含浸させることができる。

したがって、上記の方法によれば、例えば、数平均分子量Ｍｎが２００００以上のベース樹脂に６０％以上（例えば６０％〜７５％）の体積割合で連続長繊維を含む繊維強化プラスチック３０を得ることができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は他の形態で実施することもできる。
本発明の繊維強化プラスチックは、車両部品の他、例えば、鉄道車両、船舶、航空機、ユニットバス、浄化槽、プリント基板、遊具、スキー板等、各種分野で使用される部品や本体に使用することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

以下では、圧縮条件（圧力、（金型）温度）を変化させることによって、その圧縮によって溶融する樹脂のＭＦＲがどのように変化するかを調べた。
まず、旭化成社製のポリアミド６６（１４０２Ｓ：Ｍｎ＝２３０００、１５０２Ｓ：Ｍｎ＝３１０００、１７０２Ｓ：Ｍｎ＝４００００）それぞれについて、高い繊維体積含有率（高Ｖｆ）にするために好ましい溶融樹脂のＭＦＲの目安を１１０ｇ／１０ｍｉｎ以上と設定した。そして、様々な加圧条件（温度および圧力）における各ポリアミド６６のＭＦＲをフローメーターで測定した。結果を図６に示す。

図６に示すように、ポリアミド６６の加圧温度および圧力を調節すれば、ポリアミド６６の数平均分子量Ｍｎに関わらず、溶融樹脂のＭＦＲを１１０ｇ／１０ｍｉｎ以上にできることが分かった。例えば、１４０２Ｓでは２８０℃、３ＭＰａの条件、１５０２Ｓでは２８０℃、７ＭＰａの条件、１７０２Ｓでは２８０℃、１３ＭＰａの条件であれば、それぞれ、確実に１１０ｇ／１０ｍｉｎ以上のＭＦＲを得ることができる。

次に、ポリアミド６６（旭化成社製）の樹脂フィルム６０μｍ（必要量に対して１１０％）と、炭素繊維シート（ＳＨＩＮＤＯ社製 Ｎ１５０ＣＢ）とを交互に積層し、図２および図３に示した上型５および下型６を使用して圧縮工程を１０分間実行した。加圧条件については、図６のＡ〜Ｆで示した条件を採用した。
そして、得られた繊維強化プラスチックシートのサンプルの曲げ強さ（ＪＩＳ Ｋ ７１７１準拠）を測定したところ、図７に示す結果を得た。すなわち、サンプルＡ〜Ｆのうち、溶融樹脂のＭＦＲが１１０ｇ／１０ｍｉｎ以上であったＡ，Ｂ，ＣおよびＦについては、１０００ＭＰａ以上の優れた曲げ強さを実現できた。

サンプルＦについては、その他の機械的強度として引張強さおよび引張弾性率（共にＪＩＳ Ｋ ７１６１準拠）を測定した。結果は、引張強さが１１６０ＭＰａであり、引張弾性率が７３ＧＰａであり、いずれも実用上十分な値であった。また、サンプルＦの単位体積当たりに占める炭素繊維の体積割合（繊維体積含有率（Ｖｆ））を測定したところ６３．５％であり、高Ｖｆの炭素繊維強化シートを達成できた。

さらに、サンプルＦの断面を観察したが、ボイドや炭素繊維のうねりは発生していなかった。つまり、サンプルＦのように８ＭＰａという高い圧力条件での圧縮によっても、炭素繊維のうねりは発生していなかった。

２…樹脂シート、３…連続長繊維シート、５…上型、６…下型、１４…底面、１５…壁部、１７…第１溝部、２２…溶融樹脂、２３…クリアランス、３０…繊維強化プラスチック

Claims (5)

1. ２００００以上の数平均分子量Ｍｎを有する熱可塑性のベース樹脂が連続長繊維の強化繊維束層に含浸されてなる繊維強化プラスチックの製造方法であって、
   前記強化繊維束層および前記ベース樹脂を下型の底面上に積層配置する工程と、
   前記強化繊維束層および前記ベース樹脂を前記下型に対応する上型で圧縮することによって、過剰な前記ベース樹脂を前記強化繊維束層に対して垂直方向に前記下型から排出する工程とを含む、繊維強化プラスチックの製造方法。
2. 前記下型は、前記底面に垂直な壁部を有し、
   前記上型を前記下型にインロー嵌合することによって、前記過剰なベース樹脂を前記壁部に沿って前記下型から排出する、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
3. 前記下型の壁部には、前記底面に垂直な溝部が選択的に形成されている、請求項２に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
4. 前記上型として、前記下型にインロー嵌合したときに前記壁部の全周にわたって３０μｍ〜１００μｍのクリアランスを形成できる上型を使用する、請求項２または３に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
5. ＪＩＳ Ｋ ７２１０に準拠して測定される前記ベース樹脂のメルトフローレート（ＭＦＲ）が１０ｇ／１０ｍｉｎ未満であり、このベース樹脂の加圧時のメルトフローレート（ＭＦＲ）が１００ｇ／１０ｍｉｎ以上となる条件で、前記強化繊維束層および前記ベース樹脂を前記上型で加圧する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。

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