JP7042172B2 - 樹脂複合体 - Google Patents
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Description
この種の繊維強化樹脂材としては、短繊維を樹脂中に分散させたタイプのものや、織布などの繊維基材に樹脂を含浸させたタイプのものが知られている。
この種の樹脂複合体は、表面が硬質で平滑性に優れた繊維強化樹脂層で形成され、繊維強化樹脂層の内部に軽量性に優れた樹脂発泡体が備えられることから強度と軽量性との両方が求められるような用途に広く用いられている。
このような樹脂複合体に関し、例えば、下記特許文献1(実施例など参照)には、炭素繊維が一方向に引き揃えられている繊維シートを基材としたUDプリプレグを複数枚重ね合せて樹脂発泡体上に繊維強化樹脂層を形成することが記載されている。
樹脂発泡体で構成された芯材と、
該芯材を覆う繊維強化樹脂層と、を備え、
繊維基材及び該繊維基材に含浸された樹脂を有するシート状の繊維強化樹脂材によって前記繊維強化樹脂層が構成されており、
一つの前記繊維強化樹脂材又は複数積層された前記繊維強化樹脂材で前記繊維強化樹脂層が構成されている樹脂複合体であって、
表層部を構成する繊維強化樹脂材の繊維基材がマルチフィラメント糸で構成された織布であり、且つ、前記マルチフィラメント糸がガラス繊維で構成されており、
該繊維強化樹脂材で構成されている表面は、隣り合う前記マルチフィラメント糸の間の凹部に前記樹脂が充填されて平滑面となっており、
前記表面に直交し、且つ、前記マルチフィラメント糸の長さ方向に直交する平面で切断した前記繊維強化樹脂層の断面においては、前記表面に直交する方向での前記マルチフィラメント糸の第1の直径(D1:μm)が前記表面に平行する方向での前記マルチフィラメント糸の第2の直径(D2:μm)よりも短く、前記断面で前記第1の直径(D1:μm)と、前記マルチフィラメント糸のピッチ(P:μm)とを求めた際に下記関係式(1)及び(2)の両方を満たしている樹脂複合体を提供する。
5 ≦ 〔P×D1/1000〕 ≦ 50 ・・・(1)
20≦ D1 ≦ 70 ・・・(2)
まず、本実施形態に係る樹脂複合体について図1を参照しつつ説明する。
即ち、サンドウィッチパネル100は、一方の表面100aを構成する第1の繊維強化樹脂層2aと、他方の表面100bを構成する第2の繊維強化樹脂層2bとを備えている。
本実施形態においては、前記芯材1の一面側及び他面側には、それぞれ複数枚の繊維強化樹脂材20が積層されている。
即ち、本実施形態の繊維強化樹脂層2は、積層構造を有している。
以下においては、第1の繊維強化樹脂層2aについて説明し、第2の繊維強化樹脂層2bについては説明を繰り返さない。
第1の繊維強化樹脂層2aは、サンドウィッチパネル100の表層部に配されてサンドウィッチパネル100の一方の表面100aを構成する繊維強化樹脂材21と、前記芯材1に最も近く、前記表面100aから最も離れた位置に配されている繊維強化樹脂材26とが、種類を異ならせている。
即ち、これらは繊維基材及び該繊維基材に含浸された樹脂を有する点において共通しているが、これらは前記繊維基材の種類が異なる。
より詳しくは、前記繊維強化樹脂層2は、一方向に引き揃えられた炭素繊維で構成されている繊維シート(以下「カーボンUD」ともいう)に熱硬化性の樹脂が含浸された繊維強化樹脂材23,24,25,26で構成された層を4層備え、ガラス繊維で構成された織布21a,22a(以下「ガラスクロス」ともいう)に熱硬化性の樹脂が含浸された繊維強化樹脂材21,22で構成された層を2層備えている。
即ち、本実施形態の繊維強化樹脂層2aは、6層構造を有している。
カーボンUDを備えた第2の繊維強化樹脂材23,24,25,26は、炭素繊維が引き揃えられている方向が互いに45度ずれた状態で積層されて前記芯材側の4層を構成し、ガラスクロスを備えた第1の繊維強化樹脂材21,22は、サンドウィッチパネル100の表面側の2層を構成している。
そのため、ガラスクロスを備えた繊維強化樹脂材21で表面100aが構成された本実施形態のパネル100は、表面状態が比較的調整容易であり、美麗な外観を有するものとなり得る。
一方で炭素繊維は、ガラス繊維に比べて軽量で剛性に優れる。
従って、カーボンUDを備えた繊維強化樹脂材26が芯材1に最も近い箇所に配されている本実施形態のパネル100は、前記繊維強化樹脂材26や、これに続く3層によって芯材1の表面の凹凸が外観に影響することを抑制することができる。
しかもガラスクロスを備えた繊維強化樹脂材21と芯材1との間にカーボンUDを備えた4つの繊維強化樹脂材23,24,25,26が配されることで本実施形態のパネル100には、優れた軽量性が発揮され得る。
また、プリプレグシート自体が繊維間に空気を含んでいるような場合もある。
そして、このような空気が接着工程後の繊維強化樹脂層2に気泡(ボイド)となって残留する場合がある。
そのため、サンドウィッチパネル100は、表面100aに存在するボイド数が少ないことが好ましい。
また、上記のようなボイド数の少ない表面100aを得るためには、この樹脂21bが溜まっている領域(糸間の凹部)の深さを浅くすることが有効である。
このことにより、接着工程におけるボイドの破泡が促され、最終的に繊維強化樹脂層2にボイドが残留する確率を低減することができる。
第1の直径(D1)は、30μm以上であることがより好ましく、35μm以上であることが特に好ましい。
第1の直径(D1)は、60μm以下であることがより好ましく、50μm以下であることが特に好ましい。
尚、第2の直径(D2)については特に限定されるものではないが、本実施形態においては、通常、100μm以上、1000μm以下である。
また、下記の式(A)で表される扁平率は、通常、80%以上95%以下である。
該扁平率は、85%以上であることが好ましく、86%以上であることがより好ましく、87%以上であることが特に好ましい。
扁平率(%)={1-(D1/D2)}×100(%) ・・・(A)
該断面の観察は、画像解析機能を有するマイクロスコープなどによって行うことができる。
例えば、第1の直径(D1)は、上記のような断面において無作為に1つのマルチフィラメント糸を特定し、該マルチフィラメント糸を構成するフィラメントの中で表面100aに最も近いものと遠いものとをさらに特定し、表面100aに最も近いフィラメントの上端から表面100aから最も遠いフィラメントの下端までの距離を深さ方向Yに沿って測定することで求めることができる。
第2の直径(D2)についても、マルチフィラメント糸の最も右側のフィラメントの右端と最も左側のフィラメントの左端との距離を平面方向Xに沿って測定することで求めることができる。
第1の直径(D1)や第2の直径(D2)は数本(例えば、10本)のマルチフィラメント糸に対して上記のような測定を行った結果を平均した平均値として求めることができる。
尚、経糸21a1と緯糸21a2との間に径や扁平率に違いがある場合は、それぞれ個別に断面観察を行って第1の直径(D1)や第2の直径(D2)を測定すればよい。
5 ≦ 〔P×D1/1000〕 ≦ 50 ・・・(1)
20≦ D1 ≦ 70 ・・・(2)
上記の式(1)に係る項(P×D1/1000)の値は、48以下であることが好ましく、45以下であることがより好ましく、40以下であることがさらに好ましい。
5 ≦ (A/P) ≦ 100 ・・・・(3)
前記割合(A/P)は、75以下であることがより好ましく、50以下であることが特に好ましく、28以下であることがとりわけ好ましい。
なお、前記面積(A)についても前記のようなマイクロスコープでの断面観察によって求めることができる。
尚、経糸21a1のピッチ(P)や経糸間の前記面積(A)を求める場合、緯糸21a2よりも表面側に位置するものどうしで測定してもよい。
例えば、ガラスクロスが平織の場合、緯糸21a2よりも表面側に位置する経糸21a1のすぐ隣りは、緯糸21a2の下側に配された状態のものとなるため、これらについてピッチ(P)や面積(A)を測定しようとすると正確性を確保しにくい。
そのため、このような場合は、1本飛ばして緯糸21a2よりも表面側に位置する2本の経糸21a1の中心間距離を測定し、これを2ピッチ分の長さとして計測してもよい。
前記面積(A)についても同じである。
ガラスクロスが朱子織や綾織である場合も同じである。
即ち、本実施形態での前記ピッチ(P)は、通常、100μm以上、1000μm以下である。
前記ピッチ(P)は、250μm以上であることがより好ましく、300μm以上であることがさらに好ましい。
前記ピッチ(P)は、900μm以下であることがより好ましく、750μm以下であることがさらに好ましい。
また、前記面積(A)は、18000μm2以下であることが好ましく、15000μm2以下であることがより好ましく、10000μm2以下であることがさらに好ましく、5000μm2以下であることがとりわけ好ましい。
尚、前記面積(A)の下限値は、通常、1000μm2以上の値となる。
そのため、芯材1に用いる樹脂発泡体は、高い圧縮強度を有することが好ましい。
前記樹脂発泡体は、ポリエステル系樹脂発泡体、(メタ)アクリル酸エステルを主成分としたアクリル系樹脂発泡体、スチレン-(メタ)アクリル酸エステル-無水マレイン酸共重合体樹脂発泡体、及び、ポリスチレン系樹脂発泡体などの内の何れかであることが好ましい。
即ち、前記樹脂発泡体は、サーキュラーダイやフラットダイから押出発泡されてなる押出発泡シートや、サイジングダイ(ロングノーズダイ)から押出発泡されてなる押出発泡ボードや押出発泡ロッドであってもよい。
前記樹脂発泡体は、型内発泡成形によって得られる発泡体であってもよい。
即ち、前記樹脂発泡体は、樹脂発泡ビーズどうしを成形型内で熱融着させてなるビーズ発泡成形体であっても、発泡剤を含む樹脂組成物からなる塊状物を成形型内で発泡させた塊状発泡成形体であってもよい。
前記樹脂発泡体は、樹脂発泡シートであるかビーズ発泡成形体であるかの何れかであることが好ましい。
なかでも前記樹脂発泡体は、ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡シートであることが好ましい。
また、前記樹脂発泡体は、ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡ビーズによって構成されているビーズ発泡成形体であることが好ましい。
即ち、見掛け密度は、原則的には次のようにして求めることができる。
(見掛け密度測定方法)
100cm3以上の試験片を材料の元のセル構造を変えない様に切断し、その質量を測定し、次式により算出することができる。
密度(g/cm3)=試験片質量(g)/試験片体積(cm3)
尚、測定用試験片は、成形が施された後、72時間以上経過した試料から切り取り、温度23±2℃、湿度50±5%の雰囲気条件に16時間以上放置したものとする。
例えば、本実施形態の芯材1は、前記の通り板状形状を有するものであるが、該芯材1として用いる樹脂発泡体は、芯材1の形状に対応した成形型を使って形成されたものであっても、芯材1よりも厚い塊状の樹脂発泡体をスライス加工して作製されたものであってもよい。
従って、本実施形態のサンドウィッチパネル100は、前記繊維強化樹脂材(プリプレグシート)と前記樹脂発泡体とを加熱加圧条件下で接着させる接着工程を備えた方法によって製造される。
このような加熱成形では繊維強化樹脂材に含浸されている樹脂を製品外となる領域に流動させ、それに伴って空気を製品外に追い出してボイドの形成を抑制することが好ましい。
特に、樹脂発泡体がビーズ発泡成形体である場合、成形型に設けられている蒸気孔などに対応した微小突起が表面に数多く形成されているため、炭素繊維に乱れが生じ易い。
そこで、上記のように炭素繊維で構成された繊維シートが備えられた前記繊維強化樹脂材を接着フィルムを介して前記樹脂発泡体に接着させると、接着フィルムが緩衝材として機能し、炭素繊維に乱れを生じ難くさせることができる。
樹脂発泡体で構成された芯材と、
該芯材を覆う繊維強化樹脂層と、を備え、
繊維基材及び該繊維基材に含浸された樹脂を有するシート状の繊維強化樹脂材によって前記繊維強化樹脂層が構成されており、
一つの前記繊維強化樹脂材又は複数積層された前記繊維強化樹脂材で前記繊維強化樹脂層が構成されている樹脂複合体であって、
表層部を構成する繊維強化樹脂材の繊維基材がマルチフィラメント糸で構成された織布であり、且つ、前記マルチフィラメント糸がガラス繊維で構成されており、
該繊維強化樹脂材で構成されている表面は、隣り合う前記マルチフィラメント糸の間の凹部に前記樹脂が充填されて平滑面となっており、
前記表面に直交し、且つ、前記マルチフィラメント糸の長さ方向に直交する平面で切断した前記繊維強化樹脂層の断面においては、前記表面に直交する方向での前記マルチフィラメント糸の第1の直径(D1:μm)が前記表面に平行する方向での前記マルチフィラメント糸の第2の直径(D2:μm)よりも短く、前記断面で前記第1の直径(D1:μm)と、前記マルチフィラメント糸のピッチ(P:μm)とを求めた際に下記関係式(1)及び(2)の両方を満たしている。
5 ≦ 〔P×D1/1000〕 ≦ 50 ・・・(1)
20≦ D1 ≦ 70 ・・・(2)
そして、このような樹脂溜りは、ボイドの存在箇所となり得る。
即ち、本実施形態では、式(1)、(2)に示した要件の両方が満たされることでボイドの発生が抑制されている。
そのため、本実施形態の樹脂複合体は、ボイドが少なく外観が美麗なものとさせ得る。
このことにより本実施形態の樹脂複合体では、ボイドの発生がより確実に抑制され得る。
また、本実施形態の樹脂複合体は、前記樹脂発泡体が、ビーズ発泡成形体であってもよい。
このことによって樹脂発泡体に高い圧縮強度を発揮させたり、高い耐熱性を発揮させたりすることが容易になるため、上記のような要件を備えた樹脂複合体では、ボイドの発生がより確実に抑制され得る。
そして、本実施形態の樹脂複合体は、前記織布を有する前記繊維強化樹脂材によって構成された層を最も表層側に有し、該層と前記芯材との間には、前記繊維強化樹脂材とは異なる第2の繊維強化樹脂材によって構成された別の層が備えられており、前記第2の繊維強化樹脂材の繊維基材が炭素繊維で構成されていてもよい。
このことによって本実施形態の樹脂複合体は、軽量化が図られ得る。
このことによって樹脂発泡体に高い圧縮強度を発揮させ易くなるため、上記のような要件を備えた樹脂複合体では、ボイドの発生がより確実に抑制され得る。
例えば、本実施形態においては第1の繊維強化樹脂層2aの構造と第2の繊維強化樹脂層2bの構造とを共通させているが、これらは異なっていてもよい。
また、本実施形態では樹脂複合体がサンドウィッチパネルである場合を例にしているが本発明での樹脂複合体の形態はサンドウィッチパネルに限定されない。
即ち、本発明は、上記例示に何等限定されるものではない。
ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡ビーズによって構成されている板状のビーズ発泡成形体(見掛け密度:0.11g/cm3)を作製した。
繊維基材としてガラスクロス(平織、開繊加工品)が用いられた厚さ約0.1mmのプリプレグシート(以下「プリプレグシート(1-1)」という)とカーボンUD)が用いられた厚さ約0.1mmのプリプレグシート(以下「プリプレグシート(2)」ともいう)とを用意した。
ビーズ発泡成形体の両面にそれぞれ内側から順に4枚のプリプレグシート(2)(カーボンUD)と1枚のプリプレグシート(1-1)(ガラスクロス)とを積層して予備成形体を作製した。
この予備成形体を2MPaの圧力で熱プレスし、片面5枚ずつ、合計10枚の繊維強化樹脂材と、樹脂発泡体とを接着させて実施例1の樹脂複合体を得た。
ガラスクロスを構成するマルチフィラメント糸の長さ方向と直交する平面に沿って樹脂複合体を切断し、繊維強化樹脂層の断面をマイクロスコープ(KEYENCE,VHX-1000)で観察した。
マルチフィラメント糸の切り口を観察し、第1の直径(D1)と第2の直径(D2)とを測定した。
また、測定結果から扁平率[{1-(D1/D2)}×100]を算出した。
さらに、図3に示すような断面において、糸の2ピッチ分の長さ(2P:μm)と、樹脂の充填されている領域の面積(2A:μm2)とを求めた。
これらにより〔P×D1/1000〕 の値や、〔A/P〕の値を算出した。
より詳しくは、断面に関する測定は、下記のようにして実施した。
マイクロスコープ(KEYENCE,VHX-1000)にて×500倍で断面を観察した。
得られた観察画像より、面積計測の多角形モードで測定範囲を決定し面積算出した。
なお、測定は任意で3箇所×4サンプルにて実施し、それらの平均値を算出した。
ガラスクロスが繊維基材として用いられたプリプレグシートを下記表1に示したものに変更したこと以外は実施例1と同様に樹脂複合体を作製し、実施例1と同様に断面についての各種測定を行った。
なお、それぞれの樹脂複合体で用いた芯材は以下の通り。
・樹脂発泡体A:
ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡ビーズによって構成されているビーズ発泡成形体(表中での略号「PET_B」)
見掛け密度0.11g/cm3
・樹脂発泡体B:
ポリエチレンテレフタレート樹脂発泡シート(押出発泡成形体、表中での略号「PET_S」)
見掛け密度が0.34g/cm3
・樹脂発泡体C:
アクリル系樹脂発泡体(塊状発泡成形体、表中での略号「MMA」)
見掛け密度0.11g/cm3
・樹脂発泡体D:
スチレン-(メタ)アクリル酸エステル-無水マレイン酸共重合体樹脂発泡ビーズによって構成されているビーズ発泡成形体(表中での略号「SMM」)
見掛け密度0.10g/cm3
各実施例、比較例の樹脂複合体については、以下のようにして「表面品質」を測定した。
樹脂複合体の表面に真球状微粒子ポリマーであるテクポリマー(積水化成品工業、MBX-8、粒径:8μm)をまぶし、ボイド部に粒子が押し込まれるようにウエス等でなじませた。ボイド部に残存する粒子以外はウエス等で除去した。マイクロスコープ(KEYENCE,VHX-1000)にて×20倍で樹脂複合体の表面を観察し、色抽出によりボイド部を判別し、ボイド数を自動計測した。(ボイド部には白色粒子があり、ボイド部以外は黒色であるため色差による判別可能)
判定1:50mm×50mmの面積内のボイド数が101個以上。
判定2:50mm×50mmの面積内のボイド数が51-100個。
判定3:50mm×50mmの面積内のボイド数が6-50個。
判定4:50mm×50mmの面積内のボイド数が0-5個。
そして、評価結果が「判定3」か「判定4」のときは、表面品質についての判定を「○」として、「判定1」か「判定2」のときは表面品質についての判定を「×」とした。
2:繊維強化樹脂層
20(21,22,23,24,25,26):繊維強化樹脂材
21a,22a:織布(ガラスクロス)
21b:樹脂
100:サンドウィッチパネル(樹脂複合体)
100a:表面
X:平面方向
Y:深さ方向
Claims (6)
- 樹脂発泡体で構成された芯材と、
該芯材を覆う繊維強化樹脂層と、を備え、
繊維基材及び該繊維基材に含浸された樹脂を有するシート状の繊維強化樹脂材によって前記繊維強化樹脂層が構成されており、
一つの前記繊維強化樹脂材又は複数積層された前記繊維強化樹脂材で前記繊維強化樹脂層が構成されている樹脂複合体であって、
表層部を構成する繊維強化樹脂材の繊維基材がマルチフィラメント糸で構成された織布であり、且つ、前記マルチフィラメント糸がガラス繊維で構成されており、
該繊維強化樹脂材で構成されている表面は、隣り合う前記マルチフィラメント糸の間の凹部に前記樹脂が充填されて平滑面となっており、
前記表面に直交し、且つ、前記マルチフィラメント糸の長さ方向に直交する平面で切断した前記繊維強化樹脂層の断面においては、前記表面に直交する方向での前記マルチフィラメント糸の第1の直径(D1:μm)が前記表面に平行する方向での前記マルチフィラメント糸の第2の直径(D2:μm)よりも短く、前記断面で前記第1の直径(D1:μm)と、前記第2の直径(D 2 :μm)と、前記マルチフィラメント糸のピッチ(P:μm)とを求めた際に、前記第2の直径(D2:μm)が100μm以上1000μm以下となっており、且つ、下記関係式(1)及び(2)の両方を満たしている樹脂複合体。
5 ≦ 〔P×D1/1000〕 ≦ 50 ・・・(1)
20≦ D1 ≦ 70 ・・・(2)
- 前記マルチフィラメント糸が開繊加工糸である請求項1記載の樹脂複合体。
- 前記樹脂発泡体が樹脂発泡シートである請求項1又は2記載の樹脂複合体。
- 前記樹脂発泡体がビーズ発泡成形体である請求項1又は2記載の樹脂複合体。
- 前記繊維強化樹脂層は、積層構造を有し、
前記織布を有する前記繊維強化樹脂材によって構成された層を最も表層側に有し、
該層と前記芯材との間には、前記繊維強化樹脂材とは異なる第2の繊維強化樹脂材によって構成された別の層が備えられており、
前記第2の繊維強化樹脂材の繊維基材が炭素繊維で構成されている請求項1乃至4の何れか1項に記載の樹脂複合体。 - 前記樹脂発泡体の見掛け密度が0.01g/cm3以上0.7g/cm3以下である請求項1乃至5の何れか1項に記載の樹脂複合体。
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