JP6947530B2

JP6947530B2 - 繊維強化樹脂成形品およびその製造方法

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Publication number: JP6947530B2
Application number: JP2017085970A
Authority: JP
Inventors: 太介脇田
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: JP2018183904A

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、複数本の強化繊維束を含む織物基材の少なくとも一方の表面に樹脂材料が固着された強化繊維織物が記載されている。この強化繊維織物においては、非繊維軸方向引張試験による引張歪みが１％に到達するまでの荷重の最大値が、０．０１〜０．７５Ｎの範囲内にある。また、特許文献１には、強化繊維織物の製造方法が記載されている。この製造方法においては、複数本の強化繊維束を含む織物基材の少なくとも一方の表面に樹脂材料を固着させた後に、該織物基材を構成する複数本の強化繊維束の相対位置に変動を与える。このようにすることで、２本以上の強化繊維束にまたがって固着している樹脂材料を該２本以上の強化繊維束の一部から剥がす。

特開２００７−５６４４１号公報

一般的に、繊維の束により構成される繊維層表面には、凹凸が形成される。この凹凸の凹部が繊維強化樹脂成形品の表面に現れる部分は、その他の部分（凹凸の凸部）に比べて樹脂量が多い所謂樹脂リッチとなるので、マトリックス樹脂の固化に伴うヒケ（凹み）が大きくなる傾向がある。そのため、繊維強化樹脂成形品の表面にヒケが形成され、繊維強化樹脂成形品の外観が損なわれる可能性がある。

そこで、本発明は、繊維強化樹脂成形品の表面にヒケが形成されることを抑制することにより、繊維強化樹脂成形品の外観を向上させ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、熱膨張性マイクロカプセルにより構成される熱膨張性マイクロカプセル層と、繊維層および熱膨張性マイクロカプセル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。凹部における熱膨張性マイクロカプセルの体積密度が、凹凸の凸部における熱膨張性マイクロカプセルの体積密度よりも大きい。

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、繊維層の表面に未膨張の熱膨張性マイクロカプセルを配置する工程と、繊維層にマトリックス樹脂を含浸させる工程と、を備える。前述の製造方法は、熱膨張性マイクロカプセルを加熱して膨張させる工程と、熱膨張性マイクロカプセルを膨張させた状態でマトリックス樹脂を固化させる工程と、をさらに備える。

本発明によれば、繊維強化樹脂成形品の表面にヒケが形成されることを抑制することにより、繊維強化樹脂成形品の外観を向上させることができる。

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品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品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品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品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共に詳述する。

本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂成形品１０を図１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、熱膨張性マイクロカプセル１５により構成される熱膨張性マイクロカプセル層１８と、を備える。繊維強化樹脂成形品１０は、繊維層１２および熱膨張性マイクロカプセル層１８に含浸されるマトリックス樹脂１９をさらに備える。

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。

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、ポリアミド樹脂など、種々の熱硬化性樹脂を用いることができる。なお、マトリックス樹脂１９としては、熱硬化性樹脂に限定されず、種々の熱可塑性樹脂を用いることも可能である。

熱膨張性マイクロカプセル１５は、熱可塑樹脂製の殻（シェル）と、殻に内包された膨張剤（例えば、低沸点炭化水素）とを有して構成される。また、熱膨張性マイクロカプセル１５の粒子径は、凹部１３の最大深さよりも小さい。熱膨張性マイクロカプセル１５は、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。

凹部１３（図１に符号２０で示す箇所）における熱膨張性マイクロカプセル１５の体積密度は、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）における熱膨張性マイクロカプセル１５の体積密度よりも大きい。すなわち、凹部１３における熱膨張性マイクロカプセル１５の体積密度が、凸部１４における熱膨張性マイクロカプセル１５の体積密度よりも大きい。換言すると、凹部１３におけるマトリックス樹脂１９中の熱膨張性マイクロカプセル１５の含有量が、凸部１４におけるマトリックス樹脂１９中の熱膨張性マイクロカプセル１５の含有量よりも多い。

したがって、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（樹脂量）は、凸部１４先端よりも繊維層１２の面外方向外側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。

次に、本実施形態に係る繊維強化樹脂成形品１０の製造方法の一例を説明する。

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）成形を用いることができる。

［ＲＴＭ成形の場合］
１．基材配置
図２Ａに示すように、基材を構成する繊維層１２を成型用の型（下型および上型）２２，２３内に配置する。

２．樹脂注入
図２Ｂに示すように、未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を含有させたマトリックス樹脂１９を、樹脂注入口２４，２５から型２２，２３内に注入する。すなわち、熱膨張性マイクロカプセル１５を含有するマトリックス樹脂１９の型２２，２３内への注入により、未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を繊維層１２の表面に配置すると共に、マトリックス樹脂１９を繊維層１２に含浸させる。なお、未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５の粒径は、例えば、１０μｍ以下である。また、型２２，２３内への注入時のマトリックス樹脂１９の温度は、例えば、８０°である。

本実施形態では、繊維層１２の表面に未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を配置する工程と、繊維層１２にマトリックス樹脂１９を含浸させる工程とを同時に行うが、これに限定はされない。繊維層１２にマトリックス樹脂１９を含浸させる工程の前に、繊維層１２の表面に未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を配置する工程を予め行うようにしてもよい。この場合、繊維層１２の表層には、毛玉状繊維を配置しておくことが考えらえる。毛玉状繊維の保持効果により、マトリックス樹脂１９が流れてきても繊維層１２の表面の熱膨張性マイクロカプセル１５が動き難くすることが可能である。

３．加熱
図２Ｃに示すように、熱膨張性マイクロカプセル１５を加熱して膨張させる。なお、熱膨張性マイクロカプセル１５が膨張する温度（膨張開始温度）は、例えば、１２０°である。その一方で、繊維強化樹脂成形品１０の本成形時の温度（本成形温度）は、例えば、１６０°以下である。また、熱膨張性マイクロカプセル１５の体積膨張率は、例えば、５０倍以下である。

未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を加熱していくと、殻を構成する熱可塑性樹脂の軟化が始まり、殻に内包されている膨張剤（液状の低沸点炭化水素）の気体化（ガス化）も始まる。熱可塑樹脂製の殻が軟化し、殻の中の液状の低沸点炭化水素が気体に変化するため、殻の内圧が上がり、熱膨張性マイクロカプセル１５が膨張する（膨張開始）。熱膨張性マイクロカプセル１５の膨張時は、殻の内圧と殻の張力・殻の外圧とが釣り合って熱膨張性マイクロカプセル１５の膨張状態が保持される（バルーン）。

４．冷却および取出し
熱膨張性マイクロカプセル１５を膨張させた状態でマトリックス樹脂１９を冷却することにより、熱膨張性マイクロカプセル１５を膨張させた状態でマトリックス樹脂１９を固化させる。

そして、図２Ｄに示すように、マトリックス樹脂１９の冷却後（固化後）に、固化させたマトリックス樹脂１９（繊維強化樹脂成形品１０）を型２２，２３から取り出す。

凹部１３の少なくとも一部が熱膨張性マイクロカプセル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。すなわち、繊維層１２表面の凹凸の凹部１３の少なくとも一部を熱膨張性マイクロカプセル１５により埋めることにより、凹部１３の樹脂リッチを低減し、マトリックス樹脂１９の固化に伴うヒケを小さく抑えることが可能である。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。

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、熱膨張性マイクロカプセル１５により構成される熱膨張性マイクロカプセル層１８と、を備える。繊維強化樹脂成形品１０は、繊維層１２および熱膨張性マイクロカプセル層１８に含浸されるマトリックス樹脂１９をさらに備える。凹部１３における熱膨張性マイクロカプセル１５の体積密度が、凹凸の凸部１４における熱膨張性マイクロカプセル１５の体積密度よりも大きい。

凹部１３の少なくとも一部が熱膨張性マイクロカプセル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の外観を向上させることができる。

（２）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の表面に未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を配置する工程と、繊維層１２にマトリックス樹脂１９を含浸させる工程と、を備える。繊維強化樹脂成形品１０の製造方法は、熱膨張性マイクロカプセル１５を加熱して膨張させる工程と、熱膨張性マイクロカプセル１５を膨張させた状態でマトリックス樹脂１９を固化させる工程と、をさらに備える。

（３）繊維層１２を成形用の型２２，２３内に配置し、型２２，２３内に、未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を含有させたマトリックス樹脂１９を注入する。このようにすることにより、繊維層１２の表面に未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を配置する工程と、繊維層１２にマトリックス樹脂１９を含浸させる工程とを同時に行う。

熱膨張性マイクロカプセル１５を未膨張の状態でマトリックス樹脂１９に含有させるため、マトリックス樹脂１９中の熱膨張性マイクロカプセル１５の含有量は少なくて済む。また、熱膨張性マイクロカプセル１５を未膨張の状態でマトリックス樹脂１９に含有させ、未膨張の熱膨張性マイクロカプセル１５を含有させたマトリックス樹脂１９を型２２，２３内に注入するため、マトリックス樹脂１９の流動性を損なうことはない。

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両方に「熱膨張性マイクロカプセル層」を形成する例を示したが、これに限定されず、上下一対の表層のうち、片方のみに「熱膨張性マイクロカプセル層」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熱膨張性マイクロカプセル
１８熱膨張性マイクロカプセル層
１９マトリックス樹脂
２２型（下型）
２３型（上型）

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、熱膨張性マイクロカプセルにより構成される熱膨張性マイクロカプセル層と、
前記繊維層および前記熱膨張性マイクロカプセル層に含浸されるマトリックス樹脂と、を備え、
前記凹部における前記熱膨張性マイクロカプセルの体積密度が、前記凹凸の凸部における前記熱膨張性マイクロカプセルの体積密度よりも大きくなっており、
前記繊維層の表層には毛玉状繊維が配置されている
ことを特徴とする繊維強化樹脂成形品。
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、熱膨張性マイクロカプセルにより構成される熱膨張性マイクロカプセル層と、前記繊維層および前記熱膨張性マイクロカプセル層に含浸されるマトリックス樹脂と、を備え、前記凹部における前記熱膨張性マイクロカプセルの体積密度が、前記凹凸の凸部における前記熱膨張性マイクロカプセルの体積密度よりも大きくなっており、前記繊維層の表層には毛玉状繊維が配置されている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未膨張の前記熱膨張性マイクロカプセルを配置する工程と、
前記繊維層に前記マトリックス樹脂を含浸させる工程と、
前記熱膨張性マイクロカプセルを加熱して膨張させる工程と、
前記熱膨張性マイクロカプセルを膨張させた状態で前記マトリックス樹脂を固化させる工程と、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。
前記繊維層を成形用の型内に配置し、前記型内に、未膨張の前記熱膨張性マイクロカプセルを含有させた前記マトリックス樹脂を注入することにより、前記繊維層の表面に未膨張の前記熱膨張性マイクロカプセルを配置する工程と、前記繊維層に前記マトリックス樹脂を含浸させる工程とを同時に行う請求項２に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。