JP6715086B2

JP6715086B2 - 繊維強化樹脂成形品およびその製造方法

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Publication number: JP6715086B2
Application number: JP2016106281A
Authority: JP
Inventors: 大久保　洋志; 洋志大久保
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: JP2017209941A

Description

本発明は、繊維強化樹脂成形品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品が公知である（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、プラスチック製自動車外板用部材に、熱硬化型エポキシ変性ポリエステル樹脂または二液ポリオール硬化型ポリウレタン樹脂７０〜８５重量％およびカーボンブラック１５〜３０重量％からなる密着用塗料を塗装し、その上に、ウェットオンウェット方式で、上記密着用塗料の樹脂と同じ樹脂５５〜７６重量％、サンディング性向上用顔料４〜１０重量％および塗膜補強用顔料２０〜３５重量％からなり且つ上記サンディング性向上用顔料に対する塗膜補強用顔料の比が３〜６であるサンディング用塗料を塗装し、乾燥後表面をサンディングして、その上に上塗塗装を行うことを特徴とするプラスチック製自動車外板の塗装方法が記載されている。

特公昭６３−３６６７号公報特開平６−８８９８７号公報

しかしながら、前述のプラスチック製自動車外板用部材では、表面を平滑にサンディングする作業に時間を要するため、作業効率が悪く、製造コストの増大を招くという問題がある。

そこで、本発明は、繊維強化樹脂成形品を成形する際に表面にヒケ（凹み）が発生することを抑制することにより、表面のサンディング作業を簡素化することのできる繊維強化樹脂成形品を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、繊維層と、繊維層表面の凹凸の凹部に形成され、微細粒子により構成される微細粒子層と、繊維層および微細粒子層に含浸されるマトリックス樹脂と、を備える繊維強化樹脂成形品である。凹部における単位体積当たりのマトリックス樹脂の量は、凹凸の凸部における単位体積当たりのマトリックス樹脂の量よりも少ない。

本発明の第２の態様は、繊維強化樹脂成形品の製造方法である。この製造方法は、繊維層の表面に微細粒子を配置する工程と、微細粒子が配置された繊維層に振動を与える工程と、繊維層および微細粒子にマトリックス樹脂を含浸させる工程と、を備える。

本発明によれば、繊維強化樹脂成形品を成形する際に表面にヒケが発生することを抑制することにより、繊維強化樹脂成形品の表面を削る作業を簡素化することができる。

本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の表層を拡大して示す断面図である。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。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。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。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。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。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。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。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。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５ＡのＡ部拡大図である。図５ＡのＢ部拡大図である。図５ＡのＣ部拡大図である。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。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。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。

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品を、図１から図６に基づいて説明する。

繊維強化樹脂成形品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、繊維強化樹脂成形品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に示すように、繊維強化樹脂成形品１０は、繊維１１の束により構成される繊維層１２と、繊維層１２表面の凹凸の凹部１３に形成され、微細粒子１５により構成される微細粒子層１８と、繊維層１２および微細粒子層１８に含浸されるマトリックス樹脂１９と、を備える。

繊維層１２を構成する繊維１１は、特に限定されず、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維など、種々の繊維を用いることができる。また、炭素繊維としては、特に限定されず、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維を用いることができる。

繊維層１２の形態は、特に限定されず、織物や一方向シートなどを採用することが可能である。繊維層１２は、その表面に微細な凹凸を有しており、繊維層１２の面内方向（面と平行な方向）に凹部１３と凸部１４とが繰り返し形成される。凹部１３の最大深さは、例えば０．３ｍｍ程度である。

マトリックス樹脂１９は、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂など公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。

微細粒子１５は、マトリックス樹脂１９よりも熱収縮しにくい材料により形成される。また、微細粒子１５は、繊維層１２に静電気により付着するものである。微細粒子１５の粒子径は、凹部１３の最大深さよりも小さい。微細粒子１５は、例えば、炭素粒子（カーボンブラック）を用いることができる。

凹部１３（図１に符号２０で示す箇所）における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量（樹脂量）は、凸部１４先端よりも繊維層１２の面外方向外側（図１に符号２１で示す箇所）における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量よりも少ない。すなわち、凹部１３における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量は、凸部１４における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量よりも少ない。換言すると、凹部１３におけるマトリックス樹脂１９中の微細粒子１５の含有量は、凸部１４におけるマトリックス樹脂１９中の微細粒子１５の含有量よりも多い。凹部１３におけるマトリックス樹脂１９中の微細粒子１５の含有量は、例えば１５重量％〜３０重量％程度である。

次に、本実施形態に係る繊維強化樹脂成形品１０の製造方法を説明する。

繊維強化樹脂成形品１０を製造する方法には、例えばＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形やＰＣＭ（Prepreg Compression Molding）成形を用いることができる。

［ＲＴＭ成形の場合］
１．プリ成型
繊維層１２をプリ成型用の成形型（下型および上型）２２，２３内に入れて、プリ成形品２４を成型する。

まず、図２に示すように、微細粒子１５を静電気によって繊維層１２の表面に付着させる。微細粒子１５を静電気によって繊維層１２の表面に付着させることにより、微細粒子１５を繊維層１２表面に凹凸に倣ってほぼ均一に配置することができる。微細粒子１５を静電気によって繊維層１２の表面に付着させた状態で、バインダにより微細粒子１５を繊維層１２に仮固着する。すなわち、繊維層１２の表面または微細粒子１５にバインダを付加しておく。

そして、繊維層１２を成形型２２，２３内に入れ、成形型２２，２３内で繊維層１２を押し固める。

成形型２２，２３内で繊維層１２を押し固める際に、例えば成形型２２，２３に振動Ｖを与えることにより、凸部１４に位置する微細粒子１５が繊維層１２表面の凹凸の凹部１３に移動される。これにより、微細粒子１５によって凹部１３がほぼ埋まり、凹部１３内の空隙が減少する。このため、繊維層１２表面の凹凸が平坦化される。

図３Ａに示すように、繊維層１２の表面と成形型２２の内表面とを近づけていき、図３Ｂに示すように、成形型２２，２３に振動Ｖを与えながら、繊維層１２の表面と成形型２２の内表面とを押し付ける。図３Ｃに示すように、振動Ｖによって微細粒子１５の凹部１３内への移動が起きる。この際の振動Ｖは、繊維層１２の面内方向の振動成分の大きさが繊維層１２の面外方向の振動成分の大きさよりも大きいものとすることが好ましい。

成形型２２，２３内で繊維層１２を押し固めた後に、プリ成形品２４を成形型２２，２３から取り出し、バインダにより微細粒子１５を繊維層１２に固着する。すなわち、微細粒子１５にバインダを付加する。

２．本成型
プリ成形品２４を本成型用の成形型２５内に入れて、繊維強化樹脂成形品１０を成型する。

まず、図４Ａに示すように、プリ成形品２４を成形型２５内に入れ、図４Ｂに示すように、型締めを行う。

そして、図４Ｃに示すように、樹脂注入口からマトリックス樹脂１９を成形型２５内に注入し、プリ成形品２４にマトリックス樹脂１９を含浸させる。

図４Ｄに示すように、マトリックス樹脂１９の硬化後に、繊維強化樹脂成形品１０を成形型２５から取り出す。

凹部１３が微細粒子１５によりほぼ埋められていることから、凹部１３における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量が減少し、凹部１３におけるマトリックス樹脂１９の熱収縮量が低減する。このため、繊維強化樹脂成形品１０の表面の凹凸を低減することができる。

マトリックス樹脂１９の熱収縮による繊維強化樹脂成形品１０の表面の凹み量を０．０３ｍｍ程度とすれば、塗装による繊維強化樹脂成形品１０の表面の平滑性は十分に得られる。

［ＰＣＭ成形の場合］
１．プリプレグシートの製造
以下、繊維層１２の最外層（表層）を構成するプリプレグシート２６を製造する手順を説明する。繊維層１２の最外層以外の層を構成するプリプレグシートは、公知の方法で製造することが可能である。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、凹凸を有する繊維１１の表面に、微細粒子１５を振りかける。微細粒子１５を繊維１１の表面に振りかける際には、微細粒子１５を静電気によって繊維層１２の表面に付着させるようにしてもよい。微細粒子１５を静電気によって繊維層１２の表面に付着させることにより、微細粒子１５を繊維層１２表面に凹凸に倣ってほぼ均一に配置することができる。

その後、図５Ａおよび図５Ｃに示すように、例えば製造装置（コンベア）に振動Ｖを与えることにより、凸部１４に位置する微細粒子１５を繊維層１２表面の凹凸の凹部１３に移動させる。これにより、微細粒子１５によって凹部１３がほぼ埋まり、凹部１３内の空隙が減少する。このため、繊維層１２表面の凹凸が平坦化される。この際の振動Ｖは、繊維層１２の面内方向の振動成分の大きさが繊維層１２の面外方向の振動成分の大きさよりも大きいものとすることが好ましい。

その後、図５Ａおよび図５Ｄに示すように、バインダ２７を繊維１１および微細粒子１５に付与して、バインダ２７により微細粒子１５を繊維層１２に固着し、さらに、繊維１１および微細粒子１５にマトリックス樹脂１９を含浸させる。繊維１１および微細粒子１５にマトリックス樹脂１９を含浸させて成るプリプレグシート２６は、ラミネートフィルム２８が貼り付けられ、さらに、ローラ２９により圧縮される。

プリプレグシート２６の製造工程を成型工程にインライン化する場合は、ラミネートフィルム２８を使用しなくてもよい。その場合は、マトリックス樹脂１９や微細粒子１５に接触する製造装置の部位（ローラ２９など）は、マトリックス樹脂１９や微細粒子１５が付着しない材料を用いることが好ましい。

２．成型
前述のプリプレグシート２６を最外層として繊維層１２を積層し、繊維強化樹脂成形品１０を成型する。

まず、図６Ａに示すように、繊維層１２をプレス成型用の成形型３０内に入れ、図６Ｂに示すように、型締めを行い、さらに、プレス成型を行う。

図６Ｃに示すように、マトリックス樹脂１９の硬化後に、繊維強化樹脂成形品１０を成形型３０から取り出す。

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品１０は、繊維１１の束により構成される繊維層１２と、繊維層１２表面の凹凸の凹部１３に形成され、微細粒子１５により構成される微細粒子層１８と、繊維層１２および微細粒子層１８に含浸されるマトリックス樹脂１９と、を備える。凹部１３における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量は、凹凸の凸部１４における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量よりも少ない。

凹部１３が微細粒子１５により埋められることから、凹部１３における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量が減少し、凹部１３におけるマトリックス樹脂１９の熱収縮量が低減する。このため、繊維強化樹脂成形品１０を成形する際に表面にヒケが発生することを抑制することにより、繊維強化樹脂成形品１０の表面を削る作業を簡素化することができる。

（２）微細粒子１５の粒子径は、凹部１３の最大深さよりも小さい。

このようにすることにより、微細粒子１５により凹部１３内だけを埋めることができ、凸部１４における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量は減少させることなく、凹部１３における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量を減少させ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品１０の製造方法は、繊維層１２の表面に微細粒子１５を配置する工程と、微細粒子１５を配置した繊維層１２に振動を与える工程と、繊維層１２および微細粒子１５にマトリックス樹脂１９を含浸させる工程と、を備える。

凹部１３を微細粒子１５により埋められることから、凹部１３における単位体積当たりのマトリックス樹脂１９の量が減少し、凹部１３におけるマトリックス樹脂１９の熱収縮量が低減する。このため、繊維強化樹脂成形品１０を成形する際に表面にヒケが発生することを抑制することにより、繊維強化樹脂成形品１０の表面を削る作業を簡素化することができる。

（４）微細粒子１５は、マトリックス樹脂１９よりも熱収縮しにくい材料により形成される。

このようにすることにより、繊維強化樹脂成形品１０の成型時に繊維層１２を加圧や加熱した際に、凹部１３内の微細粒子１５が熱収縮してしまうことを抑制することができる。

（５）振動Ｖは、繊維層１２の面内方向の振動成分の大きさが繊維層１２の面外方向の振動成分の大きさよりも大きい。

このようにすることにより、凹部１３に既に位置している微細粒子１５は維持し、凸部１４に位置する微細粒子１５を凹部１３に移動させることが可能である。

ところで、本発明の繊維強化樹脂成形品およびその製造方法は前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。

例えば、前述の実施形態では、繊維強化樹脂成形品の上下一対の表層のうち、一方のみに「微細粒子層」を形成する例を示したが、これに限定されず、上下一対の表層の両方に「微細粒子層」を形成するようにしてもよい。

１０繊維強化樹脂成形品
１１繊維
１２繊維層
１３凹部
１４凸部
１５微細粒子
１６短繊維
１８微細粒子層
１９マトリックス樹脂

Claims

繊維の束により構成される繊維層と、前記繊維層表面の凹凸の凹部に形成され、微細粒子により構成される微細粒子層と、前記繊維層および前記微細粒子層に含浸されるマトリックス樹脂と、を備え、前記凹部における単位体積当たりの前記マトリックス樹脂の量は、前記凹凸の凸部における単位体積当たりの前記マトリックス樹脂の量よりも少ない繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、
前記繊維層の表面に前記微細粒子を配置する工程と、
前記微細粒子が配置された前記繊維層に振動を与える工程と、
前記繊維層および前記微細粒子に前記マトリックス樹脂を含浸させる工程と、を備える
ことを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
前記微細粒子は、前記マトリックス樹脂よりも熱収縮しにくい材料により形成され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品の製造方法。
前記振動は、前記繊維層の面内方向の振動成分の大きさが前記繊維層の面外方向の振動成分の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。