JP7112646B2

JP7112646B2 - 素形体作成方法および素形体作成装置

Info

Publication number: JP7112646B2
Application number: JP2018068700A
Authority: JP
Inventors: 裕介井上; 諒樹加藤
Original assignee: Nippon Gasket Co Ltd
Current assignee: Nippon Gasket Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019178458A

Description

本発明は素形体作成方法および素形体作成装置に関し、詳しくは補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合した混合液を抄造するとともにこれを加熱・加圧して素形体を作成する素形体作成方法および素形体作成装置に関する。

従来、補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合した混合液を作成し、当該混合液から補強繊維と樹脂粉末とを抄き取って抄造し、得られた抄造シートを加熱・加圧成形することでシート状の繊維強化樹脂を作成する方法が知られている（特許文献１）。
上記抄造シートについては、水平に設けた網状の抄網の上方に、上記補強繊維と樹脂粉末とによる混合液を投入し、その後上記抄網において補強繊維を抄き取ったら、その後脱水や乾燥を行うことで得ることができる（特許文献２）。
さらに、このような抄造法を用いて立体的な繊維強化樹脂を作成する場合には、上記抄造シートを所要の形状に切断し、切断した抄造シートを複数枚積層させ、さらに当該積層した抄造シートを加熱・加圧して、抄造シートに含まれる樹脂が架橋する前の状態とした素形体を作成し、当該素形体をさらに加熱・加圧することで製品としての繊維強化樹脂を成形する方法が知られている（特許文献３）。

特開２００６－３４２４３７号公報特開２００１－１２３３８６号公報特開２０１２－５２６５０号公報

しかしながら、上述したような立体的な素形体を作成するには、上記抄造シートを所要の形状に切断し、当該切断した抄造シートを板厚方向に積層させ、さらに積層した抄造シートを加熱・加圧する工程が必要であり、その作業が煩雑であるという問題があった。
また、上記抄造シートに炭素繊維などの剛性の高い繊維を用いた場合、抄造シートを積層する際に当該繊維の剛性によって抄造シートが膨張することがあり、このため上記素形体の形状が定まらない等の問題があった。
このような問題に鑑み、本発明は上記素形体をより効率的に作成することが可能な素形体作成方法および素形体作成装置を提供するものである。

すなわち請求項１の発明にかかる素形体作成方法は、補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合して混合液を作成し、上記混合液から補強繊維と樹脂粉末とを抄き取って抄造し、さらにこれを加熱・加圧して素形体を作成する素形体作成方法であって、
上記混合液を収容可能な抄造槽の内部に、その上面に立体形状が形成されるとともに上方から下方に貫通する排水口が設けられた下型と、当該下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型とを設け、
上記下型の上部に上記混合液を投入したら、上記上型を下降させるとともに、上記下型に設けた排水口より上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記素形体と略同形状の成形空間が形成されると、上記上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記成形空間内に２００～５００℃の過熱蒸気を１０～１２０秒供給して補強繊維及び樹脂を加熱して、成形空間内の外周側に位置する樹脂を熱架橋しない程度に硬化させることにより素形体を作成することを特徴としている。
また請求項３の発明にかかる素形体作成装置は、補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合した混合液を供給する供給手段と、上記混合液を収容可能な抄造槽と、上記抄造槽の内部に設けられてその上面に立体形状が形成された下型と、当該下型の上方から下方に貫通して設けられた排水口を開閉する開閉手段と、上記下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型と、当該上型を昇降させる昇降手段と、上記上型と下型との間に形成される上記素形体と略同形状の成形空間を加熱する加熱手段とを備え、
上記供給手段が上記下型の上部に上記混合液を投入すると、上記昇降手段が上型を下降させるとともに、上記開閉手段が上記下型の排水口を開放して上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記成形空間が形成されると、上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記加熱手段が上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱することを特徴としている。

上記発明によれば、上面を立体的に形成した下型と、下面を立体的に形成した上型とにより、上記上型を下降させながら上記下型に設けた排水口から混合液中の水分を排出することで、下型と上型との間に形成された素形体と同形状の成形空間の内部に、補強繊維と樹脂とを抄き取ることができる。
さらに、上記上型と下型との間で補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱することで、上記樹脂が硬化して素形体となるため、抄造シートの切断や積層といった作業を行うことなく素形体を得ることができ、また作成した素形体が補強繊維の剛性によって膨張することもない。

本実施例にかかる繊維強化樹脂の製造工程を説明する図。素形体作成工程および素形体作成装置を説明する図。素形体作成工程および素形体作成装置を説明する図。

以下図示実施例について説明すると、図１は繊維強化樹脂１の製造工程を説明するフローであり、混合分散工程、本発明にかかる素形体作成工程、加熱・加圧成形工程とによって構成されている。
簡単に説明すると、上記混合分散工程では、補強繊維と樹脂粉末とを水に混合して混合液Ｌを作成し、上記素形体作成工程では、本発明にかかる素形体作成装置２を用いることで混合液Ｌから上記補強繊維と樹脂とを抄き取り、さらにこれを加熱して立体形状からなる素形体３を作成する。
そして加熱・加圧成形工程では、上記立体形状を有した素形体３を成形装置４に投入し、上記素形体３に含まれる樹脂を熱架橋させながら加圧圧縮することで、製品としての上記繊維強化樹脂１を作成するものとなっている。
本実施例では、上記素形体作成工程において立体的な形状を有した素形体３を効率的に作成することが可能となっており、従来のような抄造シートの作成や切断、これらの積層を行うなどの作業が不要となっている。
また本実施例で作成する繊維強化樹脂１は、例えば自動車の内装材に使用することができ、フェノール樹脂といった熱硬化性樹脂と、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、セラミック繊維といった補強繊維とが配合されたものとなっている。

上記混合分散工程では、貯水槽５に水とともに所定の原材料をそれぞれ所定の割合で投入し、これを撹拌して所定濃度の混合液Ｌを作成するようになっている。
本実施例で製造する繊維強化樹脂１の原材料の一例としては、以下のものを用いることができる。
（１）フェノール樹脂粉末・・～６０ｗｔ％以下
（２）炭素繊維（補強繊維）・・・３０～７０ｗｔ％
（３）ガラス繊維（補強繊維）・・３０～７０ｗｔ％
（４）カーボンパウダー・・・・・２０～３０ｗｔ％
上記原材料の割合は、水と混合する前の原材料全体に占める割合となっており、このうち上記補強繊維としては上記記載のうち（２）（３）のいずれか一方を使用し、また（４）のカーボンパウダーについては使用する場合の割合を示しており、全く使用しないことも可能である。
ここで、上記炭素繊維（例えばクレカチョップ（株式会社クレハの登録商標）繊維）は、細径のフィラメントを約６ｍｍ長にカットしたものを用いた。また、ガラス繊維は、約９μｍ径のロービングを約３～６ｍｍ長にカットしたものを用いている。
そして水の投入量（１００ｗｔ％）に対し、上記原材料の合計重量が約０．１～２ｗｔ％となるように計量し、当該原材料を上記貯水槽５内に水と共に投入してその後撹拌する。
その際、上記原材料の合計重量に対し０．０８ｗｔ％の非イオン界面活性剤（例えば、住友精化社製の商品名「ＰＥＯ－ＰＦ」でポリエチレンオキサイドを主成分とする）を添加する。
この低濃度（０．０８ｗｔ％）の非イオン界面活性剤は高分子凝集剤として機能し、該非イオン界面活性剤の機能により、上記フェノール樹脂粉末が繊維表面に付着した状態で炭素繊維が柔らかい栗毬状に絡まり、約１０～１５ｍｍ径のスラリーＳとして水中に浮遊し安定に分散し、これにより上記混合液Ｌが得られることとなる。

図２、図３は、上記素形体作成工程および当該工程で使用する素形体作成装置２を示す図である。
素形体作成装置２は、上記混合液Ｌを供給する供給手段１１と、上記混合液Ｌが投入される抄造槽１２と、上記抄造槽１２の内部に設けられた下型１３と、当該下型１３の上方から下方に貫通して設けられた排水口１３ａと、上記下型１３の上方に昇降可能に設けられた上型１４と、当該上型１４を昇降させる昇降手段１５と、上記上型１４と下型１３との間に形成される成形空間Ｆ内の補強繊維および樹脂を加熱する加熱手段１６とを備えている。
上記抄造槽１２は筒状を有し、上記供給手段１１が投入した混合液Ｌを貯溜することが可能となっているとともに、その底部には上記混合液Ｌより取り除かれた水分を排出するための排液通路１２ａが設けられている。

上記下型１３は、その側面が上記抄造槽１２の内面に密着するように設けられたＦＲＰ等からなる樹脂部１３Ａと、当該樹脂部１３Ａの上部に載置された金属製の金網１３Ｂとから構成され、上記樹脂部１３Ａの上面および上記金網１３Ｂは作成する素形体３の形状に合わせて立体形状を有している。
また上記樹脂部１３Ａには、その上面から下面に貫通するように複数の排水口１３ａが設けられており、上記下型１３の上部に貯溜された混合液Ｌの水分を通過させて、下型１３の下方の排液通路１２ａへと排出するようになっている。
上記金網１３Ｂとしては例えば約６０メッシュのステンレス鋼からなる網体を用いることができ、上記金網１３Ｂは当該樹脂部１３Ａの上面に沿って略同形状の立体的に成形されている。
さらに、下型１３の下方には上記排水口１３ａを開閉する開閉手段１７が設けられており、当該開閉手段１７が閉鎖された状態で上記抄造槽１２に混合液Ｌを投入すると、当該混合液Ｌを上記下型１３の上部まで貯溜させることが可能となっている。
この状態で上記開閉手段１７を開放すると、上記下型１３の上方に貯溜された混合液Ｌの水分が上記金網１３Ｂの編目および樹脂部１３Ａの排水口１３ａを介して下型１３の下方へと排出され、一方上記混合液Ｌに含まれる補強繊維は上記金網１３Ｂによって抄き取られて下型１３の上方に樹脂と共に残留するようになっている。
上記開閉手段１７としては、上記排水口１３ａの位置に貫通孔を備えた板状の部材と、当該板状部材をスライドさせる移動手段（図示せず）とを備えた構成が考えられ、この構成の場合、上記移動手段によって上記貫通孔を上記排水口１３ａの位置からずらすことで、排水口１３ａを閉鎖することができ、貫通孔を上記排水口１３ａに一致させることで、排水口１３ａを開放することができる。

上記上型１４は、その側面が上記抄造槽１２の内面に密着し、上記昇降手段１５によって昇降する際に、上型１４と抄造槽１２との間からの混合液Ｌの漏れが防止されるようになっている。
上記上型１４は樹脂製で、その下面は素形体３の形状に合わせて立体的に形成され、上記上型１４が上記下型１３に最接近した下死点では、上型１４と下型１３との間に上記素形体３と同形状の成形空間Ｆが形成されるようになっている。
また上記下型１３の上部には上方に向けて位置決め用のピン１３ｂが設けられ、これに対し上型１４には当該ピン１３ｂが貫通する位置決め孔１４ａが穿設されており、上記位置決めピン１３ｂを上記位置決め孔１４ａに挿入した状態で、上型１４が下降するようになっている。
上記昇降手段１５は上記上型１４を昇降させるとともに、上記上型１４を下死点に位置させた際には、当該上型１４と下型１３との間で混合液Ｌの上記補強繊維と樹脂とを加圧するようになっている。

上記加熱手段１６は、上記上型１４と下型１３との間に形成された成形空間Ｆ内に位置する補強繊維と樹脂とを加熱し、これにより少なくとも成形空間Ｆの外周側に位置する樹脂を部分的に硬化させて、これにより上記素形体３の形状を維持させるようになっている。
加熱手段１６としては、例えば２００～５００℃に加熱された蒸気を供給する過熱蒸気供給手段を用いることができ、図示しないが、当該過熱蒸気の噴出孔を上記成形空間Ｆを囲繞するように複数備えている。
そして、上記加熱手段１６が上記成形空間Ｆ内の補強繊維と樹脂とを上記過熱蒸気により１０～１２０秒程度加熱することで、成形空間Ｆの外周側に位置する樹脂が熱架橋されない程度に加熱されて硬化し、上記素形体３が得られるようになっている。
なお、上記加熱手段１６としては、過熱蒸気に代えて加熱空気を供給する加熱空気供給手段や、抄造槽１２の外周に密着してその内部の成形空間Ｆに伝熱により加熱を行うヒーターユニットを用いることが考えられる。

上記構成を有する素形体作成装置２を用いた素形体作成方法について説明する。
最初に、図２に示すように上記上型１４は上方に位置しており、この状態で上記供給手段１１が上記貯水槽５で作成した補強繊維と樹脂とを含んだ混合液Ｌを抄造槽１２に投入する。
このとき、上記下型１３に設けられた排水口１３ａの開閉手段１７は閉鎖されており、このため投入された混合液Ｌは下型１３の上方に貯溜されてゆき、当該混合液Ｌの水面が下型１３の上端部よも上方に位置するまで、混合液Ｌの投入を行う。
その際、下型１３の上方において次第に混合液Ｌの収受量が増えていくと、抄造槽１２内を落下する落下流の勢いで渦巻流が生じ、上記スラリー中の補強繊維が上下左右３次元のあらゆる方向にランダムに向いて相互に絡まっていく。

所定量の混合液Ｌが抄造槽１２に投入されると、図３に示すように上記昇降手段１５が上型１４を下降させ、これと同時に上記下型１３に設けられた排水口１３ａが開閉手段１７によって開放される。
上型１４が下降するに従い、混合液Ｌ中の補強繊維は上記下型１３の金網１３Ｂによって抄き取られ、上記樹脂が補強繊維に絡まった状態で下型１３の上方に残存する。
一方、上型１４が下降するに従い、混合液Ｌ中の水分は上記下型１３の排水口１３ａから上記排液通路１２ａを介して外部に排出され、補強繊維および樹脂から脱水を行うことができる。
上記上型１４が下死点に到達すると、上型１４と下型１３との間には素形体３と同じ形状の成形空間Ｆが形成され、また昇降手段１５は上型１４を例えば１．０ＭＰａ程度の圧力で加圧した状態を保持し、これにより上記成形空間Ｆ内の補強繊維および樹脂が加圧され、さらに脱水を行うことができる。
そして、補強繊維および樹脂を加圧した状態で上記加熱手段１６が作動し、成形空間Ｆに収容された補強繊維および樹脂が加熱され、例えば２００～５００℃の過熱蒸気を１０～１２０秒程度成形空間Ｆに向けて供給することで、成形空間Ｆに収容された樹脂のうち、当該成形空間Ｆの外周側に位置した樹脂を熱架橋しない程度に硬化させる。

成形空間Ｆの外周側の樹脂が硬化することで、上記成形空間Ｆの内部で上記素形体３が作成されたこととなり、その後上記上型１４を上昇させるとともに、上記抄造槽１２の内部から上記素形体３を取り出すことができる。
このようにして得られた素形体３は、その外周に位置する樹脂が硬化していることから、その形状を維持したまま持ち運ぶことが可能となり、後工程で使用する成形装置４に投入することができる。
また取り出された素形体３は、当該素形体３中の補強繊維が膨張しようとしても、硬化した樹脂によって膨張が阻止されるため、素形体３の形状が維持されるようになっている。
なお、作成する素形体３の形状によっては、上記上型１４を複数回昇降させ、上型１４が上方に位置している間に混合液Ｌを再度投入して、成形空間Ｆ内に所定量の補強繊維および樹脂が収容されるようにしてもよい。

このようにして得られた素形体３については、図１に示す加熱・加圧成形工程において成形装置４に投入され、その後当該成形装置４が素形体３を加熱・加圧圧縮することで、製品としての繊維強化樹脂１を得ることができる。
上記成形装置４を構成する下型４ａと上型４ｂとの間には、製品としての繊維強化樹脂１の形状に合わせて立体的な形状が形成されており、上記素形体３は上記下型４ａに載置されることとなる。
その後、上記素形体３を図示しない加熱手段によって加熱して、当該素形体３に含まれる樹脂を溶融させながら、上記上型４ｂを下降させて下型４ａとの間で加圧圧縮することで、上記樹脂が熱架橋されて上記素形体３が上記繊維強化樹脂１へと成形されるようになっている。
なお、この成形工程や上記成形装置４は、上記特許文献３に記載されたものと同様、抄造シートを複数枚積層させて作成した素形体３を繊維強化樹脂１へと成形する工程と同じであるため、これ以上の詳細な説明については省略する。

上記実施例によれば、上記素形体作成工程において上記素形体作成装置２を用いることで、補強繊維と樹脂とを含んだ混合液Ｌから一度に立体的な形状を有する素形体３を作成することが可能となっている。
つまり、上記特許文献３のように、抄造シートを所定の形状に切断し、当該切断した抄造シートを積層させ、積層させた抄造シートを加熱・加圧して立体的な素形体３を作成する必要がなくなり、素形体３を効率的に作成することが可能となった。
また、特許文献３のように抄造シートを積層させる場合、抄造シートに炭素繊維などの剛性の高い補強繊維が含まれていると、抄造シートに含まれる樹脂は硬化していないことから、一度圧縮した抄造シートが膨張してしまうこととなる（スプリングバック）。
したがって、例えば積層させた抄造シートを素形体３に成形するための加熱・加圧装置に投入する際に、抄造シートの膨張によって上記加熱・加圧装置への投入がしにくくなるという問題があった。

なお、図３に示すように、上記上型１４に上下に貫通する排水口１４ｂを設けて、上記上型１４を下降させる際に混合液中の水分を上記排水口１４ｂより上型１４の上方に排出し、上記抄造槽１２の上方に排出手段としてのポンプ１８を設けて、上記上型１４の上方に排出された水分を排出するようにしてもよい。
また、上記実施例において、上記下型１３は樹脂部１３Ａおよび当該樹脂部１３Ａの上部に載置した金網１３Ｂとによって構成されているが、素形体の形状によっては十分な剛性を有する金網だけで構成してもよい。
また、本実施例を説明する図において、上記下型の上面の立体形状と上型の下面の立体形状は同形状となっているが、当然ながら異なる形状を有していてもよい。

１繊維強化樹脂２素形体作成装置
３素形体４成形装置
１１供給手段１２抄造槽
１３下型１３ａ排水口
１４上型１５昇降手段
１６加熱手段１７開閉手段
Ｌ混合液Ｆ成形空間

Claims

補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合して混合液を作成し、上記混合液から補強繊維と樹脂粉末とを抄き取って抄造し、さらにこれを加熱・加圧して素形体を作成する素形体作成方法であって、
上記混合液を収容可能な抄造槽の内部に、その上面に立体形状が形成されるとともに上方から下方に貫通する排水口が設けられた下型と、当該下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型とを設け、
上記下型の上部に上記混合液を投入したら、上記上型を下降させるとともに、上記下型に設けた排水口より上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記素形体と略同形状の成形空間が形成されると、上記上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記成形空間内に２００～５００℃の過熱蒸気を１０～１２０秒供給して補強繊維及び樹脂を加熱して、成形空間内の外周側に位置する樹脂を熱架橋しない程度に硬化させることにより素形体を作成することを特徴とする素形体作成方法。
上記上型を下降させて下型との間で上記混合液中の補強繊維と樹脂とを加圧したら、上型を上昇させて上記混合液を再度投入し、その後再度上型を下降させることを特徴とする請求項１に記載の素形体作成方法。
補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合した混合液を供給する供給手段と、上記混合液を収容可能な抄造槽と、上記抄造槽の内部に設けられてその上面に立体形状が形成された下型と、当該下型の上方から下方に貫通して設けられた排水口を開閉する開閉手段と、上記下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型と、当該上型を昇降させる昇降手段と、上記上型と下型との間に形成される上記素形体と略同形状の成形空間を加熱する加熱手段とを備え、
上記供給手段が上記下型の上部に上記混合液を投入すると、上記昇降手段が上型を下降させるとともに、上記開閉手段が上記下型の排水口を開放して上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記成形空間が形成されると、上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記加熱手段が上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱することを特徴とする素形体作成装置。
上記上型に、上方から下方にかけて貫通する排水口を設け、
さらに上記排水口より上型の上部に排出された水分を上記抄造槽より除去する排水手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の素形体作成装置。