JP6796280B2

JP6796280B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法

Info

Publication number: JP6796280B2
Application number: JP2016187254A
Authority: JP
Inventors: 黒田　義人; 義人黒田; 和男鬼頭
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: JP2018051795A

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法に関し、とくに、所望の物性および形状精度を有する成形体を簡便な設備で製造できるようにした繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法に関する。

近年、自動車等の構造部品への繊維強化複合材料の適用が盛んに検討されている。例えば自動車のボンネット部品やルーフ部品は、炭素繊維複合材料などの繊維強化熱硬化性樹脂を用いて、オートクレーブ成形やレジントランスファーモールディング成形などの成形方法で成形されている。

しかし、これらの成形方法は、樹脂の硬化に時間を要するため成形時間が長くなることから、自動車部品の中でも少量生産されるレーシングカーやスーパーカー向けの部品に対して適用されてきたものの、年間数万台以上が生産される量産車向けの部品に対しては成形コストもかかるため適用するのが困難である。

また、繊維強化熱硬化性樹脂は一度硬化させると成形前の樹脂の状態に戻すことが困難であることから、材料のリサイクル性の観点からも量産車向けの部品へ適用するには課題が多いのが実状である。

そこで、これらの課題を解決するため、成形時間が短くリサイクルしやすい繊維強化熱可塑性樹脂を用いた成形体やその成形方法の検討が進められている。

例えば、繊維強化熱可塑性複合材料を雄型または雌型のオープンモールドに積層し、耐熱性バッグ材でオープンモールド全体を覆った後、バッグ材とオープンモールドの間の空気を排出することにより、バッグ材によって繊維強化熱可塑性複合材料をオープンモールドに密着させた状態で、加熱し、成形する加熱真空バッグ成形方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、雄型または雌型のオープン金型を使用するので、成形体の形状精度を向上するのが困難である。また、真空バッグ成形なので大気圧しか負荷されず、ボイド率の高い材料を使う場合には、ボイドが抜け切らず、繊維体積含有率Ｖｆが下り、その分成形体の物性値が低くなってしまうおそれがある。さらに、基材のみを予熱した後にコールドプレスすると、型の隙間から樹脂がフローし、これにともなって強化繊維が乱れることがある。

これに対し、熱可塑性樹脂複合材料を、両面型を用いて成形する方法も知られているが（例えば、特許文献２）、この特許文献２に記載の方法では、成形前の基材全体を鉄製の成形型体で挟持したものを一対の加熱プレス型体の間にセットするため、双方の型体が所望の係合状態とされプレス動作が正しく行われるためには、双方の型体とも高精度であることが要求され、設備費の増加は避け難い。また、使用される成形型体とシール材のみでは、基材の端部の状態が成り行き任せになってしまうので、加熱された際に特にこの基材端部部分で熱可塑性樹脂が望ましくない形態で溶融流動するとともに強化繊維が乱れるおそれがある。

特開２００４−２７６４７１号公報特開２００９−１１３３６９号公報

本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、全体にわたって所望の物性および形状精度を有する成形体を簡便で比較的安価な設備で製造できるようにした繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法は、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体の製造方法であって、成形前の繊維強化熱可塑性樹脂の全体を該熱可塑性樹脂の融点よりも高い融点を有する材料からなる耐熱性バギング材で包んで前記耐熱性バギング材の内部をシール材でシールするバギング・シール工程と、前記繊維強化熱可塑性樹脂を内包した前記耐熱性バギング材の内部の空気を排出して該内部を亜真空状態へと減圧する減圧工程と、前記耐熱性バギング材を前記繊維強化熱可塑性樹脂とともに加熱された金型内に配置し該金型を閉じて加圧する成形工程と、所定時間経過後に冷却する冷却工程と、を含むことを特徴とする方法からなる。

このような本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法においては、成形前の繊維強化熱可塑性樹脂の全体を該熱可塑性樹脂の融点よりも高い融点を有する材料からなる耐熱性バギング材で包んで耐熱性バギング材の内部をシール材でシールするので、成形前の繊維強化熱可塑性樹脂を良好に密閉でき、かつ、減圧工程において繊維強化熱可塑性樹脂を内包した耐熱性バギング材の内部の空気を排出して該内部を亜真空状態へと減圧するので、繊維強化熱可塑性樹脂が耐熱性バギング材に密着した状態で耐熱性バギング材に包まれることになり、該繊維強化熱可塑性樹脂がその熱可塑性樹脂の融点近傍に加熱された際にも、融点に到達した熱可塑性樹脂が余分に流れ出さないようにすることができる。この状態で、耐熱性バギング材と繊維強化熱可塑性樹脂が、両面型からなる加熱された金型内に配置され（この場合、耐熱性バギング材ごとオーブン等で予熱しておいてもよい）、金型が閉じられて加圧され、耐熱性バギング材に内包された繊維強化熱可塑性樹脂が所定の形状に成形される。この加熱、加圧による成形は、両面型からなる金型で行われるので、形状的に高精度な成形が可能であり、しかも成形形状の再現性が良い。また、前述の特許文献２に記載の方法に比べ、金属製の成形型体を介在させることなく、耐熱性バギング材が成形型（プレス型）としての金型内面に密着されることになるので、特許文献２に記載の方法のように成形型体等の精度が要求されることはなく、通常の簡便な金型の使用が可能であり、しかも、バギング材の金型内面への密着なので、金型への追従性も良好であり、高い精度をもって容易に所定形状への成形が可能になる。この成形工程においては、適切な温度に加熱されることが好ましく、例えば、熱可塑性樹脂の融点マイナス５℃〜プラス１０℃程度の温度に加熱されることが好ましい。温度が低すぎると賦形できないことがあるが、熱可塑性樹脂の融点マイナス５℃程度の温度であると、樹脂は可塑化されるが、完全には溶けないので、余分な樹脂フローを防げることになる。このような成形工程を経て、冷却工程において、例えば熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）近傍まで降温、冷却される。これら一連の工程により、少なくとも、耐熱性バギング材に包まれた繊維強化熱可塑性樹脂の、所望の物性および形状精度を有する所望の成形体への成形が、簡便で比較的安価な設備にて、完了される。

上記本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法においては、とくに、上記バギング・シール工程において上記シール材でシールした上記耐熱性バギング材のシール部を、上記成形工程においては上記金型の外部に配置することが好ましく、このようにすることによって、シール部分を金型の外に出しておくことができる。シール部分を金型の外に出しておくことにより、シール部分による成形への悪影響(例えば、前述の特許文献２に記載の方法における基材端部の望ましくない熱可塑性樹脂の溶融流動や強化繊維の乱れ)を防止でき、シール部分以外の成形部分を精度良く金型内面に密着させて、繊維強化熱可塑性樹脂を全体にわたって容易に望ましい形態（所望の物性および所望の形状）へと成形することが可能になる。

また、シール部分を金型の外に出しておくことにより、上記のようなシール部分による成形への悪影響を防止できるとともに、とくに耐熱性のシール材を用いる必要性がなくなり、より簡便で安価な成形が可能になる。ただし、シール材を耐熱性シール材とすれば、金型の外部に配置できない場合にも対応できる、加熱時にも耐熱性バギング材と同等の耐熱性を発揮できる、等の利点が得られる。

また、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法において、上記冷却工程、上記金型を開いて上記耐熱性バギング材を繊維強化熱可塑性樹脂とともに金型から取り出す脱型工程については、次の２つの方法を採り得る。すなわち、第１の方法としての、上記冷却工程においては、上記成形工程の後、上記金型内にて成形された上記繊維強化熱可塑性樹脂を冷却し、該冷却工程の後、上記金型を開いて上記耐熱性バギング材を上記繊維強化熱可塑性樹脂とともに上記金型から取り出す脱型工程を実行する方法と、第２の方法としての、上記成形工程の後、上記金型を開いて上記耐熱性バギング材を上記繊維強化熱可塑性樹脂とともに上記金型から取り出す脱型工程を実行し、脱型された上記耐熱性バギング材と成形された上記繊維強化熱可塑性樹脂を別の冷却型に移して成形された上記繊維強化熱可塑性樹脂を冷却する冷却工程を実行する方法の、いずれの方法も採用し得る。

また、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法においては、上記冷却工程および上記脱型工程の後、上記シール材によるシールを解除し、成形された上記繊維強化熱可塑性樹脂を上記耐熱性バギング材の内部から取り出す成形体取出し工程を有することが好ましい。耐熱性バギング材は、必要に応じて、次の成形に繰り返し使用が可能である。

本発明において、上記繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維としては、とくに限定されず、連続繊維を含む形態、さらには強化繊維として不連続繊維を含む形態、連続繊維と不連続繊維の両方を含む形態、のいずれの形態であってもよい。また、繊維強化熱可塑性樹脂内の強化繊維の配置形態についても、とくに限定されず、強化繊維が一方向に配された形態、複数方向に配された形態、織物や編物の形態にて配された形態、複数層の形態にて配された形態、不織布の形態にて配された形態等、いずれの形態であってもよい。さらに、繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維の種類についても、とくに限定されず、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などのいずれかを含む形態、あるいは複数種の強化繊維の混合形態であってもよい。繊維強化熱可塑性樹脂成形体の高い機械特性が望まれる場合には、とくに強化繊維として炭素繊維を含むことが好ましい。

また、上記繊維強化熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂としても、とくに限定されないが、成形される繊維強化熱可塑性樹脂成形体が例えば自動車用部品である場合には、自動車用部品に要求される強度、剛性、耐熱性の観点から、ポリアミド系樹脂を含むことが好ましい。

このように、本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法によれば、全体にわたって所望の物性および形状精度を有する成形体を簡便で比較的安価な設備で製造できるようになる。また、とくにシール部分を金型の外に出しておくことが可能であることから、シール部分による成形への悪影響を適切に防止でき、シール部分以外の成形部分を容易に高精度に成形することが可能になる。さらに、熱可塑性樹脂を用いていることから、熱硬化性樹脂に比べて成形時間を短縮することができ、リサイクル性にも優れるため、例えば自動車部品の量産に好適である。

本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法における各工程を示す概略構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法を示している。図１（Ａ）に示すように、まず、成形前の繊維強化熱可塑性樹脂１の全体を該熱可塑性樹脂１の融点よりも高い融点を有する材料からなる耐熱性バギング材２で包んで耐熱性バギング材２の内部をシール材３でシールする（バギング・シール工程）。次に、図１（Ｂ）に示すように、繊維強化熱可塑性樹脂１を内包した耐熱性バギング材２の内部の空気を排出して該内部を亜真空状態へと減圧する（減圧工程）。内部の空気は、例えば、該内部と連通されたチューブやパイプを介して真空ポンプ４で排出すればよい。次に、図１（Ｃ）に示すように、耐熱性バギング材２を繊維強化熱可塑性樹脂１とともに加熱された金型５(上型５ａ、下型５ｂ)内に配置し、金型５を閉じて加圧する（成形工程）。この加熱、加圧により、耐熱性バギング材２とともにそれに内包されている繊維強化熱可塑性樹脂１が所定形状（金型５の内面形状）に成形される。加熱は、前述したように、熱可塑性樹脂の融点マイナス５℃〜プラス１０℃程度の温度に加熱することが好ましい。なお、この成形工程においては、真空ポンプ４の作動は継続されてもよいし、シール材３によるシール状態が維持可能であれば、作動を停止してもよい。

図１に示した実施態様においては、成形工程に用いられる金型５が、加熱に加え冷却も行うことができるものに構成されており、上記成形工程における成形が完了した後、所定時間経過後に金型５内において成形された繊維強化熱可塑性樹脂１を冷却する冷却工程を実行する。冷却は、前述したように、例えば熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）近傍まで降温して冷却する。そして、この冷却工程を経た後、図１（Ｄ）に示すように、金型５を開いて耐熱性バギング材２を成形された繊維強化熱可塑性樹脂１とともに金型５から取り出す脱型工程を実行する。上記冷却工程および脱型工程の後、図１（Ｅ）に示すように、シール材３によるシールを解除し、成形された繊維強化熱可塑性樹脂１を耐熱性バギング材２の内部から取り出す（成形体取出し工程）。取出された、成形後の繊維強化熱可塑性樹脂１が、本発明における目標とする繊維強化熱可塑性樹脂成形体となる。

図示は省略するが、上記一連の工程のうち冷却工程については、次のように行うことも可能である。すなわち、上記加熱、加圧による成形工程の後、一旦金型５を開いて耐熱性バギング材２を繊維強化熱可塑性樹脂１とともに金型５から取り出す脱型工程を実行し、脱型された耐熱性バギング材２と成形された繊維強化熱可塑性樹脂１を別の冷却型に移して成形された繊維強化熱可塑性樹脂１を冷却する冷却工程を実行するようにしてもよい。同じ金型５で加熱と冷却を繰り返すと所定温度に到達させるのに時間を要するが、冷却工程用に別の冷却型を用いることにより、型自体の昇温、降温に要する時間を節約でき、成形サイクルの短時間化が可能になるので、この方法は量産品の成形に適している。

上記いずれの冷却工程を採用する場合にも、一成形サイクルに使用された耐熱性バギング材２は、破損しない限り、再使用が可能である。再使用により、一層の低コスト化が可能になる。また、シール材３についても再使用が可能であり、耐熱性バギング材２とシール材３をセットで再使用することも可能である。

このように、耐熱性バギング材２にシール材３を介して内包した繊維強化熱可塑性樹脂１を両面型からなる金型５を用いて成形することにより、簡便な設備で高精度に成形することが可能になる。また、シール材３を金型５外に配置したまま成形できるので、シール材３による成形への悪影響を排除でき、一層高精度の成形が可能になる。また、成形対象としての繊維強化熱可塑性樹脂１の端部部分へのシール材３による影響もないので、繊維強化熱可塑性樹脂１は全体にわたって容易に所望の形状に成形され、それにより成形体の物性についても、成形体全体にわたって容易に所望の物性にすることが可能となる。

本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法は、簡便で比較的安価な設備で、しかも短時間の成形サイクルにて、高精度に全体にわたって所望の物性を有する繊維強化熱可塑性樹脂成形体を成形できるので、例えば自動車部品等の量産品の製造にとくに好適である。

１繊維強化熱可塑性樹脂
２耐熱性バギング材
３シール材
４真空ポンプ
５金型
５ａ上型
５ｂ下型

Claims

繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体の製造方法であって、成形前の繊維強化熱可塑性樹脂の全体を該熱可塑性樹脂の融点よりも高い融点を有する材料からなる耐熱性バギング材で包んで前記耐熱性バギング材の内部をシール材でシールするバギング・シール工程と、前記繊維強化熱可塑性樹脂を内包した前記耐熱性バギング材の内部の空気を排出して該内部を亜真空状態へと減圧する減圧工程と、前記耐熱性バギング材を前記繊維強化熱可塑性樹脂とともに加熱された金型内に配置し該金型を閉じて加圧する成形工程と、所定時間経過後に冷却する冷却工程と、を含み、前記バギング・シール工程において前記シール材でシールした前記耐熱性バギング材のシール部を、前記成形工程においては前記金型の外部に配置することを特徴とする、繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記冷却工程においては、前記成形工程の後、前記金型内にて成形された前記繊維強化熱可塑性樹脂を冷却し、該冷却工程の後、前記金型を開いて前記耐熱性バギング材を前記繊維強化熱可塑性樹脂とともに前記金型から取り出す脱型工程を実行する、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記成形工程の後、前記金型を開いて前記耐熱性バギング材を前記繊維強化熱可塑性樹脂とともに前記金型から取り出す脱型工程を実行し、脱型された前記耐熱性バギング材と成形された前記繊維強化熱可塑性樹脂を別の冷却型に移して成形された前記繊維強化熱可塑性樹脂を冷却する冷却工程を実行する、請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記冷却工程および前記脱型工程の後、前記シール材によるシールを解除し、成形された前記繊維強化熱可塑性樹脂を前記耐熱性バギング材の内部から取り出す成形体取出し工程を有する、請求項２または３に記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維として連続繊維を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維として不連続繊維を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維として炭素繊維を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
前記繊維強化熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂としてポリアミド系樹脂を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂成形体の製造方法。