JP6931850B2 - 繊維強化樹脂成形体 - Google Patents

Description

本発明は繊維強化樹脂成形体に関し、特に、熱可塑性を有する繊維強化複合材料を用いた繊維強化樹脂成形体に関する。

強化繊維とマトリックス樹脂とを含む繊維強化複合材料は、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れ、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有する。このことなどから、航空機や自動車の部材、建材、スポーツ用品の部材、電子・電気機器用筐体などの用途において注目され、その需要は年々高まりつつある。

繊維強化樹脂成形体の筺体への適用方法としては、筺体全体を繊維強化樹脂成形体で作製する方法や、下記特許文献１に記載のように繊維強化樹脂成形体と熱可塑性樹脂とを一体化する方法などが知られている。

下記特許文献１に記載の技術は、電磁波シールド特性および薄肉・軽量化を達成するための高強度・高弾性率を有する連続繊維の炭素繊維層と、ボス、リブを含む複雑な形状を薄肉流動性の良い樹脂で形成した樹脂層とを一体化することにより、従来品より軽量で優れた性能を持つ電気・電子機器用筐体とするものである。

詳細には、特許文献１には、炭素繊維織物または一方向にシート状に並べた炭素連続繊維に樹脂を含浸した材料をプレス成形した構成のＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化樹脂）からなる第１層と、樹脂もしくは補強用短繊維を含む樹脂により射出成形、またはトランスファ成形してなる第２層とを、接着剤もしくは接着テープにより貼合せた構造が記載されている。

特開平９−４６０８２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、炭素繊維織物または一方向にシート状に並べた炭素連続繊維を補強材とするＦＲＰからなる第１層と、樹脂もしくは補強用短繊維を含む樹脂からなる第２層との間で、層間剥離や、物性的な違いによる成型後の熱収縮率の差にもとづく変形を起こし易いという課題を有している。また、炭素繊維など高価な材料を使用しており、コストが高いという課題も有している。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、射出成型による部材の一体化が可能な繊維強化樹脂積層シートを使用することにより、この繊維強化樹脂積層シートと一体化されるべき熱可塑性樹脂成形体との接合部で親和性があるようにするとともに、一体化により得られる繊維強化樹脂成形体において、ソリやヒケなどの変形を生じないようにすることを目的とする。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、
繊維強化樹脂積層シートと、
前記繊維強化樹脂積層シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成された熱可塑性樹脂成形体と、
前記繊維強化樹脂積層シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成されるとともに、前記繊維強化樹脂積層シートと熱可塑性樹脂成形体との間に配置されてこれら繊維強化樹脂積層シートと熱可塑性樹脂成形体とを互いに接合させている熱可塑性樹脂層と、を有し、
繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層との間の第１の境界部の面積が、熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との間の第２の境界部の面積より大きい、
ことを特徴とする。

本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法は、
繊維強化樹脂成形体を製造するに際し、
繊維強化樹脂シートと、前記繊維強化樹脂シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成された熱可塑性樹脂成形体とを成型用の型の内部に配置し、
前記成型用の型の内部における繊維強化術シートと熱可塑性樹脂成型体との間の空間に、前記繊維強化樹脂シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂を供給して熱可塑性樹脂層を形成することで、
この熱可塑性樹脂層によって、前記繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂成形体とを互いに接合させ、
そのときに、繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層との間の第１の境界部の面積を、熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との間の第２の境界部の面積より大きくする、
ことを特徴とする。

本発明によれば、繊維強化樹脂シートを射出成形で熱可塑性樹脂成形体と良好に一体化することができる。しかも、そのときに、射出成形により形成される熱可塑性樹脂層を最小限にすることができ、成形後の繊維強化樹脂成形体の収縮量を最小限にすることが出来るため、繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との境界部で発生するソリ・ヒケなどの変形を防止することができる。また、繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との境界部で発生するソリ・ヒケなどの変形を防止することができることから、従来方法よりも繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層との境界部の面積を広くすることが出来き、強化繊維樹脂シートと熱可塑性樹脂成形体との接合力を大きくすることが出来る。

本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体の一構成例の主要部を示す側断面図 本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体の成形装置の一構成例の主要部を示す側断面図 本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体を構成する繊維強化樹脂積層シートと熱可塑性樹脂成形体との断面図 本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体の成形装置の一構成例に繊維強化樹脂積層シートと熱可塑性樹脂成形体とを配置した時の主要部側断面図 本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体の成形装置の一構成例について型締めをした時の主要部の側断面図 本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体の一構成例の部分拡大断面図 本発明の実施の形態２における繊維強化樹脂成形体の一構成例の主要部を示す側断面図 本発明の実施の形態３における繊維強化樹脂成形体の一構成例の主要部を示す側断面図

以下、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。但し、同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。また、図面は、理解し易くするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示す。また、図示された各構成要素の厚み、長さ等は図面作成の都合上から、実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で示す各構成要素の形状や寸法等は一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の繊維強化樹脂成形体の一構成例の主要部を示す側断面図である。図１に示される繊維強化樹脂成形体の主要部は、繊維強化樹脂シートとしての繊維強化樹脂積層シート１と、熱可塑性樹脂成形体２とを、熱可塑性樹脂層３にて接合した構成である。繊維強化樹脂積層シート１は、ポリプロピレンを主成分とする樹脂シート１ａと、芯鞘複合繊維を含む糸で構成されている織物層１ｂとを含む。織物層１ｂを構成する芯鞘複合繊維は、芯成分がポリプロピレンにて構成され、マトリックス樹脂である鞘成分が前記芯成分より低融点のポリオレフィン成分にて構成されている。樹脂シート１ａと織物層１ｂとは、それぞれ適当数を積層することができる。図示の例では、樹脂シート１ａと織物層１ｂとが交互に２層ずつ積層されている。

上記から明らかなように、また図示されているように、熱可塑性樹脂層３は、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２との間に挟まれた形で設けられている。繊維強化樹脂積層シート１において、熱可塑性樹脂層３に接する面は、織物層１ｂによって構成されている。

熱可塑性樹脂成形体２および熱可塑性樹脂層３は、いずれも、繊維強化樹脂積層シート１を構成するポリプロピレンおよび、または低融点のポリオレフィン成分と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成されている。また、熱可塑性樹脂層３と繊維強化樹脂積層シート１との境界部４は、熱可塑性樹脂層３と熱可塑性樹脂成形体２との境界部５よりも大きな面積で形成されている。

ここで、「親和性が高い樹脂」とは、互いにつながりやすい樹脂すなわち互いに密着しやすい樹脂であると定義される。詳細には、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、スチレン系樹脂などが、「親和性が高い樹脂」に該当する。より詳細には、上述のように繊維強化樹脂積層シート１の樹脂シート１ａがポリプロピレンを主成分とする場合には、ポリプロピレン、低密度ポリエチレン、ポリエステルなどの樹脂が「親和性が高い樹脂」に該当する。

図２は、本発明の実施の形態１の繊維強化樹脂成形体のための成形装置の一構成例の主要部を示す側断面図である。図２において、固定側金型１０は凹状のキャビティ形成面１０ａを有し、可動側金型１１は凹状のキャビティ形成面１１ａおよび１１ｂを有する。可動側金型１１の凹状のキャビティ形成面１１ａおよび１１ｂは、固定側金型１０の凹状のキャビティ形成面１０ａと共に、成形品を成形するための成形空間を形成する。可動側金型１１は、キャビティ形成面１１ｂにて構成される成形空間に連通するゲート１１ｃを備える。

図３は、本発明の実施の形態１における繊維強化樹脂成形体を構成するための繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２の断面図を示す。繊維強化樹脂積層シート１はシートそのままの平面状態のものであるか、またはシートに予め予備成形を行って所望の形状に変形させたものである。熱可塑性樹脂成形体２は、予め別途成形された、リブ・ボス等の形状を有する成形体である。

図４は、図２に示される成形装置に繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２とを配置したときの様子を示す。詳細には、固定側金型１０のキャビティ形成面１０ａにて形成される成形空間には繊維強化樹脂積層シート１を配置し、可動側金型１１のキャビティ形成面１１ａにて形成される成形空間には熱可塑性樹脂成形体２を配置する。

図５は、図４の状態から次に成形装置の型締めを行ったときの様子を示す。このとき、可動側金型１１のキャビティ形成面１１ｂにて形成される成形空間が、密閉された空間として存在する。すなわち、この成形空間は、固定側金型１０に配置された繊維強化樹脂積層シート１と、可動側金型１１に配置された熱可塑性樹脂成形体２と、キャビティ形成面１１ｂとによって形成された空間である。

そして、この成形空間へ、繊維強化樹脂積層シート１のポリプロピレンまたは低融点のポリオレフィン成分と親和性が高い樹脂または同一の樹脂をゲート１１ｃから射出成形することにより、図１に示される熱可塑性樹脂層３を形成する。熱可塑性樹脂層３が形成される際に、図１に示される熱可塑性樹脂層３と繊維強化樹脂積層シート１との境界部４では、熱可塑性樹脂層３を構成する樹脂が、繊維強化樹脂積層シート１のポリプロピレンおよび、または低融点のポリオレフィン成分と親和性の高い樹脂または同一の樹脂であるため、相互の樹脂が溶融して、熱可塑性樹脂層３の樹脂が、繊維強化樹脂積層シート１においてこの熱可塑性樹脂層３に接している織物層１ｂの中に入り込んだ状態で、境界部４を形成する。

図６は、熱可塑性樹脂層３によって繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２とが一体化された状態を示す。繊維強化樹脂積層シート１の織物層１ｂは芯鞘複合繊維を含む糸６で構成されているが、芯鞘複合繊維における芯成分よりも低融点の鞘成分が熱処理を受けて溶融固化することで、マトリックス樹脂７が形成されている。図示のように、熱可塑性樹脂層３と繊維強化樹脂積層シート１との境界部４では、熱可塑性樹脂層３を構成する樹脂の一部が繊維強化樹脂積層シート１の織物層１ｂの中に入り込んでいる。これによって、境界部４は凸凹形状になっている。

熱可塑性樹脂層３と熱可塑性樹脂成形体２とは、上述のように、いずれも、繊維強化樹脂積層シート１を構成するポリプロピレンおよび、または低融点のポリオレフィン成分と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成されている。すなわち互いに接合性の良好な樹脂にて構成されている。このため、熱可塑性樹脂成形体２と射出成形された熱可塑性樹脂層３との境界部５は、良好な接着状態が達成されている。

以上によれば、繊維強化樹脂積層シート１を射出成形で熱可塑性樹脂成形体２と一体化する方法において、射出成形により注入する熱可塑性樹脂層３の樹脂量を従来よりも少なく、最小限にすることができ、したがって成形後の繊維強化樹脂成形体の収縮量を最小限にすることができる。このため、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂層３と熱可塑性樹脂成形体２との境界部４、５で発生するソリ・ヒケなどの変形を防止することができる。また、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂層３と熱可塑性樹脂成形体２との境界部４、５で発生するソリ・ヒケなどの変形を防止することができることから、従来方法よりも強化繊維樹脂シート１と熱可塑性樹脂層３との境界部４の面積を広くすることができ、このため繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２との接合力を大きくすることができる。

また、熱可塑性樹脂層３と熱可塑性樹脂成形体２との境界部５の面積よりも熱可塑性樹脂層３と繊維強化樹脂積層シート１の境界部４の面積を大きくすることで、接合強度が大きくなる。

また、熱可塑性樹脂層３と繊維強化樹脂積層シート１との境界部４が図６に示すように凸凹形状になることで、境界部４の接合強度が大きくなる。

念のために接明すると、境界部５の面積とは、熱可塑性樹脂層３と熱可塑性樹脂成形体２との接触部の面積のことであり、境界部４の面積とは、熱可塑性樹脂層３と繊維強化樹脂積層シート１との接触部の面積のことである。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図７を参照して、前述した実施の形態１と異なる点を主に説明する。図７は、本発明の実施の形態２における繊維強化樹脂成形体の一構成例の主要部を示す側断面図である。ここでは、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２とを接合する役割を果たす熱可塑性樹脂層３が、繊維強化樹脂積層シート１の端部１ｅを覆うように一体化した構成となっている。

かかる構成によれば、熱可塑性樹脂層３が、繊維強化樹脂積層シート１の端部１ｅを覆う部分においては、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂層３との境界の隙間を完全になくすことができ、美観性を向上できるとともに、異物混入等の隙間があることによる不具合を解消できる。さらに、繊維強化樹脂積層シート１の端部１ｅの積層密着力を向上することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８を参照して、前述した実施の形態１と異なる点について主に説明する。図８は本発明の実施の形態３における繊維強化樹脂成形体の一構成例の主要部を示す側断面図である。ここでは、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２とを接合する役割を果たす熱可塑性樹脂層３が、繊維強化樹脂積層シート１の端部１ｅを覆うとともに、この端部１ｅに連なるところの、繊維強化樹脂積層シート１における熱可塑性樹脂成形体２が配置している面とは反対側の面の少なくとも一部を覆った状態で、一体化した構成されている。

かかる構成によれば、繊維強化樹脂積層シート１と熱可塑性樹脂成形体２とを接着剤等で一体化する方法では構成することができない、繊維強化樹脂積層シート１に対するアンダーカット形状も形成することができる。

なお、以上説明した実施の形態１から３は、適宜組み合わせることが可能である。

本発明にかかる熱可塑性樹脂成形体は、細かく複雑な形状を有していたり、高い剛性を有していたりするボス・リブ形状を一体で形成することができる。このため、軽量・薄型・高剛性が必要とされる様々な成形品に有用である。

１ 繊維強化樹脂積層シート（繊維強化樹脂シート）
１ａ ポリプロピレンを主成分とする樹脂シート
１ｂ 織物層
１ｅ 端部
２ 熱可塑性樹脂成形体
３ 熱可塑性樹脂層
４ 境界部
５ 境界部
６ 芯鞘複合繊維
７ マトリックス樹脂
１０ 可動側金型
１０ａ キャビティ形成面
１１ 固定側金型
１１ａ キャビティ形成面
１１ｂ キャビティ形成面

Claims (6)

1. 繊維強化樹脂成形体であって、
   繊維強化樹脂シートと、
   前記繊維強化樹脂シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成された熱可塑性樹脂成形体と、
   前記繊維強化樹脂シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成されるとともに、前記繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂成形体との間に配置されてこれら繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂成形体とを互いに接合させている熱可塑性樹脂層と、
   を有し、
   繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層との間の第１の境界部の面積が、熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との間の第２の境界部の面積より大きい、
   ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体。
2. 繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層との間の第１の境界部と、熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との間の第２の境界部とは、いずれも、境界部を構成する相互の樹脂どうしが溶融一体化していることを特徴とする請求項１記載の繊維強化樹脂成形体。
3. 繊維強化樹脂シートの端面が熱可塑性樹脂層にて覆われていることを特徴とする請求項１または２記載の繊維強化樹脂成形体。
4. 繊維強化樹脂シートの端面と、繊維強化樹脂シートにおける熱可塑性樹脂成形体が配置されている面とは反対側の面の少なくとも一部とが、熱可塑性樹脂層にて覆われていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の繊維強化樹脂成形体。
5. 繊維強化樹脂シートはマトリックス樹脂と強化繊維とを含み、前記マトリックス樹脂は強化繊維よりも融点が低いことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の繊維強化樹脂成形体。
6. 繊維強化樹脂成形体を製造するに際し、
   繊維強化樹脂シートと、前記繊維強化樹脂シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂にて構成された熱可塑性樹脂成形体とを成型用の型の内部に配置し、
   前記成型用の型の内部における繊維強化術シートと熱可塑性樹脂成型体との間の空間に、前記繊維強化樹脂シートを構成する樹脂と親和性が高い樹脂または同一の樹脂を供給して熱可塑性樹脂層を形成することで、
   この熱可塑性樹脂層によって、前記繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂成形体とを互いに接合させ、
   そのときに、繊維強化樹脂シートと熱可塑性樹脂層との間の第１の境界部の面積を、熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂成形体との間の第２の境界部の面積より大きくする、
   ことを特徴とする繊維強化樹脂成形体の製造方法。

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