JP7113596B2 - 繊維樹脂複合体の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維樹脂複合体に係り、更に詳細には、強化繊維シートに樹脂を含浸させて機械的強度を向上させた繊維樹脂複合体、および該繊維樹脂複合体の成形方法に関する。

繊維樹脂複合体（ＦＲＰ）は、炭素繊維（ＣＦ）やガラス繊維（ＧＦ）にマトリックス樹脂が含浸したものであり、軽量でありながら剛性や強度が高いため、金属に代わる材料として自動車や航空機などに広く用いられている。

上記繊維樹脂複合体は、強化繊維が連続した長繊維であることで機械的強度を向上させることができ、連続繊維の強化シートが好ましく用いられる。

しかし、強化シートに含浸させたモノマーを重合してマトリックス樹脂にする場合は、マトリックス樹脂が強化シート全体に含浸した繊維樹脂複合体を得ることができるが重合反応に時間がかかってしまう。

また、マトリックス樹脂として溶融させた熱可塑性樹脂を用いる場合であっても、従来の方法では、熱可塑性樹脂の溶融粘度が高く、強化シートへの含浸に時間がかかるため、機械的強度が高い繊維樹脂複合体を短時間で作製することは困難である。

特許文献１の特許第５７２１６９８号公報には、金型をわずかに開いた状態で熱可塑樹脂を射出した後、金型を移動させて圧縮することで不織布シートに熱可塑樹脂を含浸させる射出圧縮成形法が記載されている。

そして、上記射出圧縮成形法によれば、射出時の圧力を低くすることができ、また、熱可塑性樹脂の融点よりも低い温度に金型を加熱することで、金型加熱に伴う費用を抑えつつ、金型加熱による樹脂の流動性向上できる旨が開示されている。

特許第５７２１６９８号公報

しかしながら、従来の射出圧縮成形法では、熱可塑樹脂の溶融粘度が高く、金型を移動させて圧縮するため、圧縮圧により不織布シートの厚みのバラツキや繊維折損が生じることがある。また、圧縮時に熱可塑樹脂の硬化が始まって金型形状が転写されない等、品質の安定性や寸法の精度が低く、高品質な高強度の繊維樹脂複合体の成形が困難である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械的強度が高い繊維樹脂複合体を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、金型を熱可塑性樹脂の融点以上に加熱し、短繊維及び熱可塑性樹脂を含有する射出材を射出して強化繊維シートに含浸させることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の繊維樹脂複合体の成形方法は、強化繊維シートを金型内に配置する配置工程と、型締めした金型に射出材を射出し、上記強化繊維シートの繊維間に熱可塑性樹脂を射出圧によって含浸させる成形工程と、を備える。
そして、上記強化繊維シートが織布であり、
上記射出材が、熱可塑性樹脂と長さが１００～１０００μｍの短繊維を含有するものであり、
上記成形工程が、上記射出材及び金型を熱可塑性樹脂の融点より高い温度に加熱し、強化繊維シートの繊維間に熱可塑性樹脂を含浸させて成形し、
上記強化繊維シートの繊維間の少なくとも一部に短繊維を含有し、リブが上記熱可塑性樹脂と上記短繊維を含有した繊維樹脂複合体を成形することを特徴とする。

本発明によれば、金型を熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に加熱し、熱可塑性樹脂と短繊維を含有する射出材を射出して強化繊維シートに含浸させることとしたため、熱可塑性樹脂が含浸した強化繊維シートの繊維間の少なくとも一部に短繊維が存在し、機械的強度が高い繊維樹脂複合体を提供することができる。

繊維樹脂複合体の成形方法の配置工程を説明する概略図である。 繊維樹脂複合体の成形方法の成形工程を説明する概略図である。 金型の温度と強化繊維シートへの射出材の含浸距離との関係を示すグラフである。 金型を３００℃に加熱したときの射出圧力と強化繊維シートへの射出材の含浸距離との関係を示すグラフである。 本発明の繊維樹脂複合体の一例を示す概略断面図である。 実施例の繊維樹脂複合体と比較例の繊維樹脂複合体の強度を示すグラフである。

本発明の繊維樹脂複合体は、強化繊維シートの繊維間に熱可塑性樹脂が含浸したものであり、さらに、強化繊維シートの繊維間の少なくとも一部に短繊維を含有するものである。

まず、本発明の繊維樹脂複合体の成形方法について説明する。
上記繊維樹脂複合体は、射出圧力によって強化繊維シートの繊維間に射出材を含浸させる射出成形法により成形することができる。

本発明の射出成形法は、図１に示す、強化繊維シート２を金型５内に配置する配置工程と、図２に示す、型締めした金型のキャビティ内に射出材６を射出し、上記強化繊維シート２の繊維間に熱可塑性樹脂を射出圧によって含浸させる成形工程と、を備える。

従来の射出成形法では、金型の温度が熱可塑性樹脂の融点以下であり、金型の温度が低いため、射出材が金型や金型内の強化繊維に触れることで、射出材から熱が奪われて粘度が上昇し流動性が低下しまう。

したがって、射出圧によって熱可塑性樹脂を強化繊維シートの繊維間に充分含浸させることができず、強化繊維同士を強固に結合できないため、所望の厚さの高強度の繊維樹脂複合体を成形することは困難であった。

本発明においては、射出材中の熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に金型を加熱することで、金型のキャビティに射出された射出材の粘度上昇を防止できる。

さらに、射出材が熱可塑性樹脂よりも熱伝導率が高い短繊維を含むため、熱可塑性樹脂のみの射出材よりも熱伝導率が高く、金型からの熱が射出材の内部まで伝わって粘度上昇が防止され、射出材が均一に流動する。
したがって、射出材が強化繊維シートの繊維間に充分含浸し、強化繊維同士を強固に結合することができる。

上記熱可塑性樹脂の融点は、示差走査熱量分析装置を用いて測定できる。
具体的には、昇温速度５℃／ｍｉｎで熱可塑性樹脂を融解させた後、降温温度５℃／ｍｉｎで室温まで冷却した後、さらに昇温速度５℃／ｍｉｎで昇温して、二回目の昇温過程におけるＤＳＣ曲線の最大吸熱ピークを熱可塑性樹脂の融点とした。

金型の加熱は、金型全体の温度が均一になるように加熱することが好ましいが、金型の形状等により、均一に加熱することが困難である場合は、キャビティの最も高い箇所が、射出材中の熱可塑性樹脂が熱分解開始温度よりも低く、最も低い箇所が熱可塑性樹脂の融点よりも高くなるように行う。

上記金型に後述する強化繊維シートを配置して型締めを行う。このとき、上記強化繊維シートは、予め加熱しておくことが好ましい。強化繊維シートを加熱しておくことでタクトタイムを短縮できる。

そして、加熱した金型内に、射出材を所定の射出圧力で射出し保圧して、強化繊維シート間に射出材を含浸させ、冷却して射出材が硬化した後、離型して繊維樹脂複合体を取り出す。

＜強化繊維シート＞
上記強化繊維シートとしては、強化繊維の織布や不織布を使用することができるが、強化繊維シートは織布であることが好ましい。強化繊維シートが、連続した長い繊維が規則的に配向したものであると、強化繊維同士の相互作用が強く働き機械的強度が向上する。 上記織布の織り方としては、平織、綾織、朱子織等が挙げられる。

上記強化繊維シートの繊維体積含有率（Ｖｆ）は、５０～６０％であることが好ましい。Ｖｆが上記範囲であることで、構造部材として使用可能な、高強度の繊維樹脂複合体を得ることができる。

上記強化繊維としては、例えば、ＰＡＮプリカーサ（ポリアクリロニトリル繊維）を原料としたＰＡＮ系炭素繊維、コールタールを原料としたピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維を挙げることができ、これらは、必要に応じて、異なる種類の炭素繊維を組み合わせて使用してもよい。

＜射出材＞
本発明の射出材は、熱可塑性樹脂と短繊維を含有する。
上記熱可塑性樹脂としては、温度上昇により溶融粘度が低下し、かつ熱分解温度が高い樹脂を使用することができ、例えば、ナイロン６、ナイロン６６等の合成ポリアミド樹脂を使用できる。
また、上記短繊維としては、上記強化繊維シートの繊維と同様の繊維を使用することができる。

上記射出材は、短繊維を５体積％～２０体積％含むことが好ましい。短繊維の含有量が上記範囲であることで、射出材の熱伝導性の向上と流動性とを両立させることができ、射出材を金型内に射出充填することで、強化繊維シートの繊維間に含浸させることができる。

上記射出材中の短繊維の含有量があまり多いと、射出材の粘度が上昇して射出性・含浸性が低下することがある。具体的には、上記射出材の粘度は５０Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。
なお、金型内の射出材の粘度を測定することは困難であるため、予め、射出材の温度と粘度との関係を求めておくことで、金型内における射出材の粘度を把握することができる。

上記短繊維の長さは、射出材を射出できれば特に制限はないが、溶融した熱可塑性樹脂との混練により繊維が切断されるため、実際的には１００μｍ～１０００μｍ程度である。

上記合成ポリアミド樹脂の融点は、一般的に２２０℃～２３０℃、熱分解開始温度は、３２０～３５０℃であり、熱可塑性樹脂として合成ポリアミド樹脂を用いる場合は、金型を２４０℃～３００℃に加熱して成形する。

ここで、以下の条件における金型の温度と強化繊維シートへの射出材の含浸距離との関係を図３に示す。

ナイロン６中に炭素繊維を２０体積％含む射出材を、射出圧力５０Ｍｐａで射出して１８０秒間保圧し、厚さ１．９ｍｍ、繊維体積含有率（Ｖｆ）が５０％である平織の炭素繊維強化シートに含浸させた。上記射出材の２４０℃での粘度は、４７．１Ｐａ・ｓであった。

図３から、金型の温度を射出材中の熱可塑性樹脂の融点以上にすることで、射出材の含浸距離が急激に長くなり、構造部材として必要とされる板厚が１．５ｍｍ以上の繊維樹脂複合体を実用的なタクトタイムで成形できることがわかる。

また、金型の温度上昇に伴って射出材の含浸距離も伸びており、熱分解開始温度より低い３００℃では１．９ｍｍまで含浸させることができることがわかる。さらに保圧時間を長くすることで、より長い距離を含浸させることが可能であった。

また、金型を３００℃に加熱したときの射出圧力と強化繊維シートへの射出材の含浸距離との関係を図４に示す。
図４から、１０ＭＰａの射出圧で板厚が１．５ｍｍ以上の繊維樹脂複合体を成形することができ、従来の射出成形法と同程度の射出圧力で成形可能であることがわかる。

＜繊維樹脂複合体＞
上記本発明の成形方法で成形した繊維樹脂複合体１は、図５に示すように、射出材６中の短繊維３が強化繊維シートの繊維間に侵入しており、強化繊維シート２の繊維間の少なくとも一部に短繊維３を含有する。
したがって、上記短繊維３がアンカーとなって、強化繊維シート２間のズレや、強化繊維シートと熱可塑性樹脂との界面離を防止するため、高い機械的強度を有する。

また、射出材中の短繊維は、射出圧によって強化繊維シートの内部に侵入するが強化繊維シートに引っ掛かって堆積するため、本発明の繊維樹脂複合体は、射出方向、すなわち強化繊維シートの厚さ方向に短繊維の含有率が漸減している。

上記繊維樹脂複合体１は、リブ４を設けることができる。本発明の繊維樹脂複合体１は、熱可塑性樹脂と短繊維を含有する射出材６を用いるものであり、上記リブ４が熱可塑性樹脂と短繊維３を含有するため、リブ自体の強度が高く、繊維樹脂複合体の強度をさらに向上させることができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
厚さ１．９ｍｍ、繊維体積含有率（Ｖｆ）が５０％の平織の炭素繊維強化シートを金型内に配置し、型締めして金型及び射出材を３００℃に加熱した。
ナイロン６と炭素繊維を２０体積％含む射出材を、射出圧力５０ＭＰａで射出して１８０秒間保圧した後、金型を冷却してハット形状の繊維樹脂複合体を成形した。

この繊維樹脂複合体は、炭素繊維強化シートの全体にナイロン６が含浸しており、炭素繊維強化シートが露出している箇所はなかった。

［比較例１］
金型の温度を１８０℃にする他は実施例１と同様にしてハット形状の繊維樹脂複合体を成形した。
この繊維樹脂複合体は、ナイロン６の含浸距離が１０２７μｍであり、炭素繊維強化シートが露出していた。

実施例１及び比較例１の繊維樹脂複合体に対して、以下の条件で点曲げ試験を行った。 評価結果を図６に示す。

＜試験条件＞
試験機 ：万能試験機（島津製作所社製：ＡＧ－Ｘ ｐｌｕｓ）
試験方法 ：３点曲げ試験
試験速度 ：５ｍｍ／ｍｉｎ
スパン ：６００ｍｍ

比較例１では、強化繊維シートの繊維間への熱可塑性樹脂の含浸が充分でなく、強化繊維シートが剥がれ易く強度が低かったが、実施例１の繊維樹脂複合体では、強化繊維シートの繊維間全体に熱可塑性樹脂が含浸しており、機械的強度が飛躍的に向上した。

１ 繊維樹脂複合体
２ 強化繊維シート
３ 短繊維
４ リブ
５ 金型
６ 射出材

Claims (9)

1. 強化繊維シートを金型内に配置する配置工程と、
   型締めした金型に射出材を射出し、上記強化繊維シートの繊維間に熱可塑性樹脂を射出圧によって含浸させる成形工程と、を備え、
   上記強化繊維シートが織布であり、
   上記射出材が、熱可塑性樹脂と長さが１００～１０００μｍの短繊維を含有するものであり、
   上記成形工程が、上記金型を上記熱可塑性樹脂の融点より高い温度に加熱し、強化繊維シートの繊維間に熱可塑性樹脂を含浸させて成形し、
   上記強化繊維シートの繊維間の少なくとも一部に短繊維を含有し、リブが上記熱可塑性樹脂と上記短繊維を含有した繊維樹脂複合体を成形することを特徴とする繊維樹脂複合体の成形方法。
2. 上記繊維樹脂複合体が、
   繊維樹脂複合体の厚さ方向に、上記熱可塑性樹脂と上記短繊維とを含有する部位と、上記強化繊維シートの繊維間に上記熱可塑性樹脂が含浸した部位とを有し、
   上記熱可塑性樹脂と上記短繊維とを含有する部位に上記リブが形成され、
   上記熱可塑性樹脂と上記短繊維とを含有する部位の面方向の幅が、上記リブの幅よりも大きいものであることを特徴とする請求項１に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
3. 上記リブが、短繊維を５体積％～２０体積％含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
4. 上記熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
5. 上記強化繊維シートの厚さが１．５ｍｍ～１．９ｍｍであり、繊維体積含有率（Ｖｆ）が５０～６０％であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つの項に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
6. 上記強化繊維シートと上記短繊維とが、炭素繊維から成ることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つの項に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
7. 上記熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂であり、金型の温度が２４０℃～３００℃であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１つの項に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
8. 上記射出圧が、１０ＭＰａ～５０ＭＰａであることを特徴とする請求項１～７のいずれか１つの項に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。
9. 上記射出材の粘度が、５０Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１つの項に記載の繊維樹脂複合体の成形方法。

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