JP7131390B2 - 一体化成形体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)と、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)とが一体化した一体化成形体であり、
補強基材(a)の長軸方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内であり、
補強基材(a)が射出成形体(b)のウェルドラインの一部又は全部を覆って射出成形体(b)と一体化している、一体化成形体。
(2) 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)と、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)とが一体化した一体化成形体であり、
補強基材(a)と射出成形体(b)との接合強度が7MPa以上であり、
一体化成形体における補強基材(a)の厚みのバラツキが10%以内であり、
補強基材(a)が射出成形体(b)のウェルドラインの一部又は全部を覆って射出成形体(b)と一体化している、一体化成形体。
(3) 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)を金型内に配置し、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)のウェルドラインに補強基材(a)を一体化する一体化成形体の製造方法であり、
補強基材(a)は、金型内に配置した際の補強基材(a)の長さ方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内である、一体化成形体の製造方法。
(4) 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)を、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)のウェルドラインに一体化する一体化成形体の製造方法であり、
補強基材(a)は、該補強基材(a)を射出成形体(b)にレイアップした際の補強基材(a)の長さ方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内である、一体化成形体の製造方法。
本発明の一体化成形体は、不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)が、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)のウェルドラインの一部又は全部を覆うように該射出成形体と一体化してなる。ここで、「覆う」とは、射出成形体(b)のウェルドラインの幅方向に亘って補強基材(a)がウェルドラインをカバーしていることをいい、該ウェルドラインの「一部又は全部」とは、長さ方向の一部または全部のことをいう。
不連続繊維(a1)の繊維長の測定方法としては、例えば、補強基材(a)の樹脂のみを溶解させ、残った不連続繊維(a1)を濾別して顕微鏡観察により測定する方法がある(溶解法)。樹脂を溶解する溶剤がない場合には、不連続繊維(a1)が酸化減量しない温度範囲において樹脂のみを焼き飛ばし、不連続繊維(a1)を分別して顕微鏡観察により測定する方法(焼き飛ばし法)などがある。測定は不連続繊維(a1)を無作為に400本選び出し、その長さを1μm単位まで光学顕微鏡にて測定し、繊維長とその割合を測定することができる。
本発明において、サイジング剤を不連続繊維(b1)に付与する手段としては、例えばローラーを介して不連続繊維(b1)をサイジング剤が含まれる液に浸漬させる方法、サイジング剤を霧状にして不連続繊維(b1)に吹き付ける方法などが挙げられる。この際、不連続繊維(b1)に対するサイジング剤の付着量がより均一となるように、サイジング剤を溶媒で希釈したり、付与する際の温度、糸条張力などをコントロールしたりすることが好ましい。サイジング剤を希釈する溶媒は、水、メタノール、エタノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、アセトン等が挙げられるが、製造工程における取扱いが容易で防災の観点から水が好ましい。かかる溶媒は、サイジング剤を不連続繊維(b1)に付与した後加熱により蒸発させて除去される。また、水に不溶、もしくは難溶の化合物をサイジング剤として用いる場合には、乳化剤または界面活性剤を添加し、水分散して用いることが好ましい。乳化剤または界面活性剤としては、アニオン系乳化剤、カチオン系乳化剤、ノニオン系乳化剤等を用いることができる。これらの中でも相互作用の小さいノニオン系乳化剤を用いることがサイジング剤の効果を阻害しにくく好ましい。
ここで、Nは、測定本数(400本)
質量平均繊維長Lw=(ΣLi2)/(ΣLi)。
α=Σ(αi)/100
αi:測定した配向角度(i=1,2,3、・・・、100)
そして、10個の領域における「不連続繊維(a1)の配向角度(α)」の値から、最大値(αmax)と最小値(αmin)を特定し、それらから「配向角度の差」を次のように算出する。
配向角度の差(°)=αmax-αmin
αmax=補強基材の長軸方向を10等分した領域の各々において測定した繊維の配向角度(α)の最大値
αmin=補強基材の長軸方向を10等分した領域の各々において測定した繊維の配向角度(α)の最小値。
厚みバラツキ(%)=((t2(mm)-t3(mm))/t1(mm))/100。
Ea≠Ebwの場合
中立補強基材割合=(Ebw-√(Ea×Ebw))/(Ebw-Ea)
Ea=Ebwの場合
中立補強基材割合=0.5
Ea:補強基材(a)の曲げ弾性率(ウェルドラインの幅方向)
Ebw:射出成形体(b)のウェルドラインの曲げ弾性率(ウェルドラインの幅方向)
Ta/Tが中立補強基材割合よりも大きくなると、補強基材厚みが増すことによる補強効果の向上が小さく、徒に補強基材(a)の厚みを増加させることとなる。また、射出成形体(b)を補強基材(a)と一体化成形する時に、ウェルドラインに相当する位置での樹脂流動性が十分でなく、良好な成形体を得ることが難しい。同様の観点からTa/Tは中立補強基材割合の0.9以下がより好ましい。
具体的に、補強基材(a)は、曲げ強度が200MPa以上であることが好ましい。より好ましくは、300MPa以上である。そして、射出成形体(b)も、非ウェルドライン部における曲げ強度が200MPa以上であることが好ましい。より好ましくは、300MPa以上である。かかる曲げ強度の下限については、特に制限はない。射出成形体(b)の曲げ強度、さらにはそれに併せて補強基材(a)の曲げ強度が200MPa以上であると、一体化成形体に荷重が加わっても破壊しにくいため、好ましい。
1≦Wa/5√T≦10
Wa:補強基材(a)の幅
T:一体化成形体のウェルドライン部の厚み
上記の関係を満たすことで、ウェルドラインの補強と成形体の軽量化および成形性を両立できるため好ましい。より好ましくは、2≦Wa/5√T≦5である。
(i)補強基材(a)を金型内に配置(レイアップ)する場合には、補強基材(a)として、金型内に配置した際の補強基材(a)の長さ方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内であるものを用いる。こうすることで、補強基材(a)を金型内にレイアップした時、金型と接していない補強基材(a)の面積の比率を5%以下にでき、上記したような一体化成形体を得ることができる。また、
(ii)補強基材(a)を直接、射出成形体(b)にレイアップする場合には、補強基材(a)として、射出成形体(b)にレイアップした際の補強基材(a)の長さ方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内であるものを用いる。こうすることで、補強基材(a)を射出成形体(b)にレイアップした時、射出成形体(b)と接していない補強基材(a)の面積を5%以下にでき、上記したような一体化成形体を得ることができる。
Sa(%)=(|Sb-Sc|/Sb)×100
言い換えれば、ここで言うSbは、用いる補強基材(a)を金型にインサートした際に、貼り付け可能な最大の面積であり、通常はノギスや定規を用いてインサート前の補強基材(a)の寸法から求めることができる。Scは、表面に塗料を塗布した補強基材(a)を射出成形金型内に貼り付けた後に取り外し、ノギスや定規を用いて射出成形金型内に転写した塗料の寸法から求めることができる。
Sd(%)=(|Se-Sf|/Se)×100
補強基材(a)を射出成形体(b)にレイアップした時の、射出成形体(b)と接していない補強基材(a)の面積の比率が5%以下であることで、力学特性に優れた一体化成形体が得られる。かかる観点から、射出成形体(b)にレイアップした時の、射出成形体(b)と接していない補強基材(a)の面積の比率は2%以下であることがより好ましい。
以上のように製造することが可能な本発明の一体化成形体は、射出成形の利点である複雑成形体を生産性良く成形できるメリットを持ちながら、射出成形体の課題であるウェルドラインの強度、剛性を改良できることから、例えば、自動車部品、航空機部品、電気・電子部品、オフィスオートメーション機器、建築部材、家電機器、医療機器、各種容器、日用品、生活雑貨および衛生用品など各種用途に利用することができる。具体的な用途としては、自動車用アンダーフード部品、自動車用内装部品、自動車用外装部品、自動車用コネクター、電気・電子部品、建築部材、機械部品、容器・食器類が挙げられる。
補強基材の任意の5箇所を切り出し、それら切り出した補強基材それぞれについて、質量Wa1を測定したのち、該補強基材を空気中600℃で1時間加熱し、樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Wa2を測定し、次式により算出した。5箇所において測定した繊維質量含有率Wafの平均値をもって補強基材中の強化繊維の繊維質量含有率とした。
・Waf(%)=100×Wa2/Wa1
(2)補強基材の厚みTa
補強基材の同一面において2点X、Yを直線距離XYが最も長くなるように決定し、該直線XYを10等分した際の両端XYを除く各分割点において厚みを測定し、その平均値をもって補強基材の厚みTa(mm)とした。
任意の5箇所から正方形(100mm角)の補強基材を切り出し、切り出した補強基材のそれぞれについて質量Wa3を測定し、次式より嵩密度を算出し、その平均値を採用した。
・補強基材の嵩密度=Wa3(g)/(10(cm)×10(cm)×Ta(cm))
Ta:補強基材の厚み(cm)
なお、100mm角を切り出せない場合は、切り出せる最大の正方形を切り出し、次式により嵩密度を算出する。
補強基材の嵩密度=Wa3(g)/(切り出した正方形の補強基材の面積(cm2)×Ta(cm))
(4)補強基材の曲げ強度σa、曲げ弾性率Ea
厚み1mm未満の補強基材については、厚み1.1mmの箱型形状のキャビティを有するスタンピング成形金型内に、積層した補強基材厚みが金型のキャビティ厚みよりも厚くなるように、補強基材を積層した。次いで、金型を閉じ、成形圧力30MPaで加圧し、2分間保持した後、金型を開き、脱型し、試験用成形板(補強基材)を作製した。該試験用成形板から試験片を切り出し、ISO178法(1993)に従い曲げ特性を測定した。任意の方向を0°方向とした場合に0°、+45°、-45°、90°の4方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数n=5で、曲げ強度および曲げ弾性率を測定し、それらの平均値を曲げ強度σaおよび曲げ弾性率Eaとして採用した。ただし、連続繊維を用いた補強基材に関しては、試験用成形板の作製の際は、繊維方向を揃えて積層し、繊維方向を0°方向とした。測定装置としては“インストロン(登録商標)”5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)を使用した。
厚み1mm未満の補強基材については、厚み1.1mmの箱型形状のキャビティを有するスタンピング成形金型内に、積層した補強基材厚みが金型のキャビティ厚みよりも厚くなるように、補強基材を積層した。次いで、金型を閉じ、成形圧力30MPaで加圧し、2分間保持した後、金型を開き、脱型し、試験用成形板(補強基材)を作製した。該試験用成形板から試験片を切り出し、ISO11359-2(1999)に準拠して補強基材の線膨張係数を測定した。試験片は、任意の方向を0°方向とした場合に0°、+45°、-45°、90°の4方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数n=5で線膨張係数を測定し、その平均値を線膨張係数Caとして採用した。ただし、連続繊維を用いた補強基材に関しては、試験用成形板の作製の際は、繊維方向を揃えて積層し、繊維方向を0°方向とした。
前項に従って測定された0°、+45°、-45°、90°の線膨張係数のうち、最大値をCaMax、最小値をCaMinとした。
補強基材の曲げ強度σaをもとに以下の基準で判定した。
A:強度250MPa以上
B:強度200MPa以上250MPa未満
C:強度150MPa以上200MPa未満
D:強度150MPa未満
(9)補強基材の曲げ弾性率の判定
補強基材の曲げ弾性率Eaをもとに以下の基準で判定した。
A:弾性率15GPa以上
B:弾性率10GPa以上15GPa未満
C:弾性率5GPa以上10GPa未満
D:弾性率5GPa未満。
補強基材の線膨張係数Caをもとに以下の基準で判定した。
A:線膨張係数7×10-6/K以下
B:線膨張係数7×10-6/Kより大きく10×10-6/K以下
C:線膨張係数10×10-6/Kより大きく20×10-6/K以下
D:線膨張係数20×10-6/Kより大きい。
補強基材の曲げ強度σa、曲げ弾性率Ea、線膨張係数Caの各特性について、面内バラツキをもとに以下の基準で判定した。
A:最大値が最小値の1.3倍以下
B:最大値が最小値の1.3倍よりも大きく2倍以下
C:最大値が最小値の2倍よりも大きい。
図2のように、一体化成形体から試験片を切り出し、ISO178法(1993)に従い曲げ特性を測定した。試験片は、ウェルドライン部が中央に位置するように切り出した。測定数はn=5とし、平均値を曲げ強度σcおよび曲げ弾性率Ecとした。測定装置としては“インストロン(登録商標)”5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)を使用した。
前項に従って測定された一体化成形体の曲げ強度σcをもとに以下の基準で判定した。
A:強度250MPa以上
B:強度200MPa以上250MPa未満
C:強度150MPa以上200MPa未満
D:強度150MPa未満。
前々項に従って測定された一体化成形体の曲げ弾性率Ecをもとに以下の基準で判定した。
A:弾性率15GPa以上
B:弾性率10GPa以上15GPa未満
C:弾性率5GPa以上10GPa未満
D:弾性率5GPa未満。
図2に示すように補強基材と射出成形体とが一体化した部分を試験片(図3(a))として切り出し、次いで、図3(b)に示すような測定装置の治具に、接着剤(スリーボンド1782、株式会社スリーボンド製)を塗布し、23±5℃、50±5%RHで4時間放置した後に、前記試験片を接着させ固定した。次に、引張試験を25℃の雰囲気温度で行った。 このとき、試験開始前に、少なくとも5分間、試験片に引張試験の負荷がかからない状態を維持し、また、試験片に熱電対を配置して、雰囲気温度と同等になったことを確認した後に、引張試験を行った。引張試験は、引張速度1.27mm/分にて、両者の接着面から90°方向に引っ張って行い、その最大荷重を接合面積で除した値を接合強度(単位:MPa)とした。試料数はn=5として、その平均を採った。測定装置としては“インストロン(登録商標)”5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)を使用した。
前項に従って測定された接合強度をもとに以下の基準で判定し、A,Bを合格とした。
A:接合強度10MPa以上または射出成形体母材破壊
B:接合強度7MPa以上10MPa未満
C:接合強度7MPa未満。
図2に示すように一体化成形体から補強基材と射出成形体とが一体化した部分を切り出し、エポキシ樹脂に包埋した上で、図4に示すように切断面が観察面となるよう研磨して試験片を作製した。前記試験片をレーザー顕微鏡(キーエンス(株)製、VK-9510)で200倍に拡大し、補強基材厚みの観察を行った。観察画像を汎用画像解析ソフト上に展開し、ソフトに組み込まれたプログラムを利用して観察画像中に見える補強基材の平均厚みt1、最大厚みt2および最小厚みt3を測定し、次式より一体化成形体における補強基材の厚みバラツキ(%)を算出した。なお、補強基材の平均厚みt1は、観察画像中の補強基材断面を幅方向に10等分した際の両端を除く各分割点において厚みを測定し、その平均値をもって補強基材の平均厚みt1とした。
厚みバラツキ(%)=((t2(mm)-t3(mm))/t1(mm))/100。
前項に従って測定された補強基材の厚みバラツキをもとに以下の基準で判定し、A,Bを合格とした。
A:厚みバラツキ5%未満
B:厚みバラツキ5%以上10%以内
C:厚みバラツキ10%超。
図1のように、補強基材のインサート範囲S0に対する、補強基材のインサート範囲S0内に存在する一体化後の補強基材の面積S1を測定することによって、インサート範囲に対する補強基材の面積変化率Sを次式により算出した。
S(面積%)=(|S1―S0|/S0)×100
ここで言う補強基材のインサート範囲S0とは、射出成形体と補強基材の一体化をねらっている範囲であり、図1においては太枠で示される。射出成形体との一体化時に補強基材が射出樹脂に埋もれたり、インサート範囲から補強基材の位置がずれたりすると、インサート範囲に対する補強基材の面積変化率Sは大きくなる。
前項に従って測定された補強基材の面積変化率Sをもとに以下の基準で判定した。
A:補強基材の面積変化率が3%以下
B:補強基材の面積変化率が3%よりも大きく5%以下
C:補強基材の面積変化率が5%よりも大きく10%以下
D:補強基材の面積変化率が10%よりも大きい。
補強基材を金型内にレイアップした時の、該金型と接していない補強基材の面積比率Saは、インサート時の補強基材における、射出成形金型に貼り付けられる側の表面積Sbに対する、Sbから射出成形によって実際射出成形金型に貼り付いた補強基材の表面積Scを除いた面積の比として、次式により算出した。
Sa(%)=(|Sb-Sc|/Sb)×100
A:0%以上、2%以下
B:2%より大きく、5%以下
C:5%より大きく、20%以下
D:20%より大きい。
補強基材を射出成形体にレイアップした時の、該射出成形体と接していない補強基材の面積比率Sdは、補強基材の面積Seから、補強基材を一体化成形体から剥がした後の、射出成形体に残る接着痕の面積Sfを除いた面積と、補強基材の面積Seとの比として、次式により算出した。
Sd(%)=(|Se-Sf|/Se)×100
A:0%以上、2%以下
B:2%より大きく、5%以下
C:5%より大きく、20%以下
D:20%より大きい。
まず、各領域における不連続繊維(a1)の配向角度(α)を算出した。
α=Σ(αi)/100
αi:測定した配向角度(i=1,2,3、・・・、100)
そして、10個の領域における「不連続繊維(a1)の配向角度(α)」から最大値(αmax)と最小値(αmin)とを特定し、それらから配向角度の差を次のように算出した。
・繊維の配向角度(α)の差(°)=αmax-αmin
αmax:補強基材(a)の長軸方向を10等分に区分した領域の各々において算出した前記配向角度(α)のうちの最大値
αmin:補強基材(a)の長軸方向を10等分に区分した領域の各々において算出した前記配向角度(α)のうちの最小値。
前項に従って測定された繊維の配向角度(α)の差をもとに以下の基準で判定した。
A:配向角度(α)の差が10°以下
B:配向角度(α)の差が10°より大きく、15°以下
C:配向角度(α)の差が15°より大きく、20°以下
D:配向角度(α)の差が20より大きい。
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、表面酸化処理を行い、総単糸数12,000本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
比重:1.8
引張強度:4600MPa
引張弾性率:220GPa
[炭素繊維2]
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、表面酸化処理を行い、総単糸数12,000本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
比重:1.8
引張強度:4100MPa
引張弾性率:420GPa
[炭素繊維3]
東レ(株)製、トレカT800SC-24000
単繊維径:5μm
比重:1.8
引張強度:5880MPa
引張弾性率:294GPa
[ガラス繊維]
日東紡製、商品名 PF-E001。
炭素繊維1をカートリッジカッターで6mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤(ナカライテスク(株)製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(商品名))からなる濃度0.1質量%の分散液を作成し、この分散液と上記チョップド炭素繊維から、抄紙基材の製造装置を用いて、抄紙基材を製造した。該製造装置は、抄紙槽と、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径1000mmの円筒形状の容器と、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部(傾斜角30°)とを備えているものであった。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維および分散液(分散媒体)を投入可能である。抄紙槽は底部に幅500mmの抄紙面を有するメッシュコンベアを備え、炭素繊維基材(抄紙基材)を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を0.05質量%としておこなった。抄紙した炭素繊維基材は200℃の乾燥炉で30分間乾燥した。得られた炭素繊維基材の幅は500mm、長さは500mm、目付は50g/m2であった。
炭素繊維基材に含浸させるナイロン6樹脂フィルムの目付を、繊維質量含有率が52%となるように調整したこと以外は、補強基材1と同様にして補強基材2を作製した。補強基材の特性を表1-1に示す。繊維質量含有率が増加したため、弾性率の高い基材となった。
炭素繊維基材に含浸させるナイロン6樹脂フィルムの目付を、繊維質量含有率が15%となるように調整したこと以外は、補強基材1と同様にして補強基材3を作製した。補強基材の特性を表1-1に示す。繊維質量含有率が低下したため、弾性率が低く、線膨張係数が大きい基材となった。
補強基材1の炭素繊維基材と、東レ(株)製、A900(PPS樹脂)の各々のフィルムの厚みが同じフィルム2枚を用いて、フィルム/炭素繊維基材/フィルムとなるように積層し、プレス成形により、300℃の温度で5MPaの圧力を2分間かけて炭素繊維基材にPPS樹脂が含浸した補強基材4を作製した。補強基材の特性を表1-1に示す。
補強基材1の炭素繊維基材と、未変性ポリプロピレン樹脂(プライムポリマー(株)製“プライムポリプロ”J105G)50質量%と酸変性ポリプロピレン樹脂(三井化学(株)製“アドマー”QB510)50質量%とを混練した樹脂から作製した、各々のフィルムの厚みが同じフィルム2枚とを用いて、フィルム/炭素繊維基材/フィルムとなるように積層し、プレス成形により、230℃の温度で5MPaの圧力を2分間かけて炭素繊維基材にPP樹脂が含浸した補強基材5を作製した。補強基材の特性を表1-1に示す。
チョップド炭素繊維のかわりに、ガラス繊維をカートリッジカッターで6mmにカットした、チョップドガラス繊維を用いた以外は、補強基材1と同様にして補強基材6を得た。補強基材の特性を表1-2に示す。強化繊維として、ガラス繊維を用いたため、強度・弾性率は低く、線膨張係数は大きい基材となった。
チョップド炭素繊維1のかわりに、炭素繊維2をカートリッジカッターで6mmにカットしたチョップド炭素繊維を用いた以外は、補強基材2と同様にして補強基材7を作製した。補強基材の特性を表1-2に示す。弾性率の高い繊維を用いたため、弾性率の高い基材となった。
一方向に延びる炭素繊維3を広幅化した炭素繊維基材と、繊維質量含有率が60%となるように使用量を調整した、各々のフィルムの厚みが同じナイロン6樹脂フィルム2枚とを、フィルム/炭素繊維基材/フィルムとなるように積層し、プレス成形により、250℃の温度で5MPaの圧力を2分間かけて、一方向連続炭素繊維にナイロン6樹脂が含浸した補強基材8を作製した。補強基材の特性を表1-2に示す。一方向に繊維が連続しているため、特性に異方性を有する基材となった。
炭素繊維基材と樹脂フィルムを積層する際、炭素繊維基材3枚と、各々のフィルムの厚みが同じナイロン6樹脂フィルム6枚とを、下方からフィルム/炭素繊維基材/フィルム/フィルム/炭素繊維基材/フィルム/フィルム/炭素繊維基材/フィルムとなるように積層したこと以外は、補強基材1と同様にして補強基材9を作製した。補強基材の特性を表1-2に示す。積層枚数を増加させたため、分厚い基材となった。
予備賦型した基材として、補強基材8を3枚積層し、プレス成形により、250℃で5MPa、2分間かけて加熱融着させた補強基材10を作製した。補強基材の特性を表1-2に示す。一方向に繊維が連続しているため、特性に異方性を有する基材となった。
予備賦型した基材として、補強基材2を2枚積層し、プレス成形により、250℃で5MPa、2分間かけて加熱融着させた補強基材11を作製した。補強基材の特性を表1-2に示す。
東レ(株)製、TLP1060(長繊維炭素繊維/ナイロン樹脂)
[射出樹脂2]
東レ(株)製、A630T-30V(短繊維炭素繊維/PPS樹脂)
[射出樹脂3]
東レ(株)製、TLP8169(長繊維炭素繊維/PP樹脂)
[射出樹脂4]
東レ(株)製、CM1007(非強化ナイロン樹脂)。
補強基材1を150mm×30mmにカットした。カットした補強基材を、縦150mm×横150mm×厚さ1mmのキャビティを持つ射出成形金型の、ウェルドラインが生じると考えられる中央部に、一体化後に補強基材がウェルドラインを覆って沿うようにインサートした。射出樹脂1をシリンダー温度260℃、金型温度80℃で射出成形して、補強基材と射出成形体が一体化した一体化成形体を作製した。補強基材1は射出成形体のウェルドラインの幅方向において、30mmの距離にわたって射出成形体と一体化していた。得られた一体化成形体においては補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、補強基材の厚みバラツキは少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。さらに、得られた一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。なお、得られた一体化成形体は図2に示すような形態であった。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。
補強基材1の代わりに、補強基材2を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。得られた一体化成形体の補強基材においては、補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、補強基材2の厚みが小さいため、射出樹脂の流動を妨げることなく、そして、一体化成形体における補強基材の厚みバラツキも少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。さらに、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。
補強基材1の代わりに、補強基材3を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。得られた一体化成形体の補強基材においては、補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、補強基材3の弾性率が低いため、一体化成形体のウェルドライン部の弾性率は低いが、一体化成形体における補強基材の厚みバラツキは少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。
補強基材1の代わりに補強基材4を、射出樹脂1の代わりに射出樹脂2を用い、射出成形時のシリンダー温度を330℃、金型温度を150℃に代えた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。得られた一体化成形体においては、補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、補強基材の樹脂と射出樹脂とがPPS樹脂であるため、補強基材4は射出成形金型へのレイアップ時の寸法変化が小さく、一体化成形体における補強基材の厚みバラツキも少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。さらに、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。
補強基材1の代わりに補強基材5を、射出樹脂1の代わりに射出樹脂3を用い、射出成形時のシリンダー温度を230℃、金型温度を60℃に代えた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。得られた一体化成形体においては、補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、補強基材の樹脂と射出樹脂とがPP樹脂であるものの、得られた一体化成形体においては補強基材の厚みバラツキが少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。さらに、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。
補強基材1の代わりに、補強基材6を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。補強基材に用いた強化繊維がガラス繊維であるため、得られた一体化成形体におけるウェルドライン部の力学特性は低いものの、一体化成形体において補強基材のよれは見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、補強基材の厚みバラツキは少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。
補強基材1の代わりに、補強基材7を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-1に記載した。得られた一体化成形体においては、補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。また、弾性率の高い炭素繊維を補強基材の強化繊維(不連続繊維)として用いたため、一体化成形体におけるウェルドライン部の力学特性は優れていた。さらに、一体化成形体における補強基材の厚みバラツキは少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。
補強基材をインサートしない点以外は、実施例1と同様にして、射出成形体を作製した。射出成形体の評価結果は表2-2に記載した。射出材として使用した繊維強化樹脂の力学特性は優れているが、補強基材により補強されていないウェルドライン部の力学特性は非常に低いものであった。
補強基材をインサートせず、射出樹脂1の代わりに射出樹脂4を用いた点以外は、実施例1と同様にして、射出成形体を作製した。射出成形体の評価結果は表2-2に記載した。射出材として非強化樹脂を用いた場合も、補強基材により補強されていないウェルドライン部の力学特性は非常に低いものであった。
補強基材1の代わりに、補強基材8を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表2-2に記載した。ただし、補強基材は、補強基材の長手方向が繊維方向となるようにカットした。補強基材には、強化繊維として一方向連続炭素繊維を用いたが、補強基材の繊維がウェルドラインに沿って並んだため、ウェルドライン部では、補強効果が得られず、ウェルドラインを補強していない射出成形体と同等の力学特性であった。また、補強基材8は繊維方向と垂直方向の線膨張係数が大きく、曲げ弾性率が低く、異方性があるため、金型内にレイアップし、加熱したときの補強基材の寸法変化が大きく、結果として金型と接していない基材の面積が大きくなった。得られた一体化成形体においては、補強基材のよれが大きく、補強基材の繊維自体も乱れ、品位の低い成形体となった。さらに、一体化成形体における補強基材の厚みバラツキも大きかった。
補強基材1の代わりに、補強基材9を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体の作製を試みた。しかし、補強基材9の厚みが厚く、キャビティの中央まで射出樹脂が流動せず、未充填となり、一体化成形体は得られなかった。
補強基材1の代わりに、補強基材10を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体の作製を試みた。しかし、補強基材10は異方性があるため、金型内にレイアップし、加熱したときに、該補強基材の寸法変化が大きく、金型と接していない面積が大きくなった。また、補強基材10は厚みが厚く、キャビティの中央まで射出樹脂が流動せず、未充填となり、一体化成形体は得られなかった。
補強基材1を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-1に記載した。補強基材の幅を小さくしても、実施例1と同様、品位、厚みバラツキ、接合強度、ウェルドライン部の力学特性の良い成形体が作製できた。
補強基材2を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例2と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-1に記載した。補強基材の幅を小さくしても、実施例2と同様、品位、厚みバラツキ、接合強度、ウェルドライン部の力学特性の良い成形体が作製できた。インサートした補強基材量を削減でき、ウェルドラインの補強と軽量化の両立の観点からも、一体化成形体は優れていた。
補強基材3を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例3と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-1に記載した。補強基材3の曲げ弾性率が低く、線膨張係数が大きいため、補強基材の幅を小さくすると、実施例3に比べて一体化後の補強基材に多少のよれおよび厚みバラツキが見られた。また接合強度にも多少の低下が見られた。
補強基材4を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例4と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-1に記載した。補強基材の幅を小さくしても、補強基材4は、射出成形時の寸法変化が小さく、実施例4と同様、品位、厚みバラツキ、接合強度、ウェルドライン部の力学特性の良い成形体が作製できた。
補強基材5を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例5と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-1に記載した。補強基材の幅を小さくしても、実施例5と同様、品位、厚みバラツキ、接合強度、ウェルドライン部の力学特性の良い成形体が作製できた。
補強基材7を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例7と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-1に記載した。補強基材の幅を小さくしても、実施例7と同様、品位、厚みバラツキ、接合強度、ウェルドライン部の力学特性の良い成形体が作製できた。インサートした補強基材量を削減でき、ウェルド補強と軽量化の両立の観点からも、優れた一体化成形体といえるものであった。
補強基材6を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例6と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-2に記載した。補強基材6の力学特性が低く、線膨張係数が大きいため、補強基材の幅を小さくすると、一体化後の補強基材に厚みバラツキが見られた。また接合強度に多少の低下が見られた。
補強基材8を150mm×15mmにカットしたこと以外は、比較例3と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-2に記載した。補強基材の幅を小さくすると、一体化後の補強基材によれが見られた。また補強基材の厚みバラツキが大きくなり、接合強度の低下が見られた。
補強基材9を150mm×15mmにカットしたこと以外は、比較例4と同様にして、一体化成形体の作製を試みた。しかし、比較例4と同様、補強基材の厚みが厚く、キャビティの中央まで射出樹脂が流動せず、射出樹脂が未充填となり、一体化成形体は得られなかった。
補強基材1の代わりに、補強基材11を用いた点以外は、実施例1と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-2に記載した。補強基材2を予備賦型により加熱成形していたために補強基材11として射出樹脂の流動が妨げられる、ということはなく、得られた一体化成形体は、補強基材のよれも見られず、品位の良いものであった。また、予備賦型時に、補強基材に多少の厚みバラツキが生じたものの、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。さらに、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。
補強基材11を150mm×15mmにカットしたこと以外は、実施例15と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-2に記載した。補強基材2を予備賦型により加熱成形していたために補強基材11として射出樹脂の流動が妨げられる、ということはなく、得られた一体化成形体は、補強基材のよれも見られず、品位の良いものであった。また、予備賦型時に補強基材に多少の厚みバラツキが生じたものの、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた成形体が作製できた。さらに、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。
縦150mm×横190mm×厚さ1mmの平板部と、ボス、リブが存在する高さ10mmの立ち壁(R=2.5)とから構成される箱型射出成形金型を用意するとともに、補強基材1を170mm×30mmにカットした。カットした補強基材を、ヒーターで加熱し、箱型射出成形金型のキャビティ内のウェルドラインが生じると考えられる位置にインサートし、射出樹脂1をシリンダー温度260℃、金型温度80℃で射出成形して、補強基材と射出成形体が一体化した一体化成形体を作製した。補強基材1は、賦形性に優れ、射出成形体のウェルドラインの幅方向において、30mmの距離にわたって、立ち壁部まで射出成形体と一体化していた。得られた一体化成形体においては、補強基材の厚みバラツキが少なく、補強基材のよれも見られず、品位の良い成形体が作製できた。さらに、補強基材と射出成形体の接合強度にも優れていた。また、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性も優れていた。得られた一体化成形体の模式図を図5に示す。一体化成形体の評価結果は表3-2に記載した。
補強基材1の代わりに、補強基材8を用いた点以外は、実施例17と同様にして、一体化成形体を作製した。一体化成形体の評価結果は表3-2に記載した。補強基材8は、異方性があり、ヒーターで加熱をすると、補強基材がよれ、金型に沿わせてレイアップすることが困難であった。一体化成形体においても、補強基材に大きなよれが見られ、厚みのバラツキも大きかった。
まず、射出樹脂1を、縦150mm×横150mm×厚さ1mmのキャビティを持つ射出成形金型を用いて射出成形して、中央部にウェルドラインが存在する射出成形体を得た。その後、150mm×30mmにカットした補強基材1をヒーターで加熱して、射出成形体のウェルドラインに沿って一体化させ、補強基材と射出成形体とが一体化した一体化成形体を作製した。補強基材1は射出成形体のウェルドラインの幅方向において、30mmの距離にわたって射出成形体と一体化していた。得られた一体化成形体においては、補強基材のよれは見られず、厚みバラツキも少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた、品位の良い成形体が作製できた。また、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。一体化成形体の評価結果は表4に記載した。
まず、縦150mm×横190mm×厚さ1mmの平板部と、ボス、リブが存在する、高さ10mmの立ち壁(R=2.5)とから構成される箱型射出成形金型を準備した。射出樹脂1を、該箱型射出成形金型を用いて射出成形して、中央部にウェルドラインが存在する箱型射出成形体を得た。その後、170mm×30mmにカットした補強基材1をヒーターで加熱して、射出成形体のウェルドラインに沿って一体化させ、補強基材と射出成形体とが一体化した一体化成形体を作製した。補強基材1は、賦形性に優れ、射出成形体のウェルドラインの幅方向において、30mmの距離にわたって、立ち壁部まで射出成形体と一体化していた。得られた一体化成形体においては、補強基材のよれは見られず、厚みバラツキも少なく、補強基材と射出成形体の接合強度に優れた、品位の良い成形体が作製できた。また、一体化成形体のウェルドライン部の力学特性は優れていた。一体化成形体の評価結果は表4に記載した。
補強基材1の代わりに、補強基材8を用いた点以外は、実施例18と同様にして、一体化成形体を作製した。補強基材8は、異方性があり、ヒーターで加熱をすると、補強基材がよれ、射出成形体のウェルドラインに沿わせてレイアップすることが困難であった。
補強基材1の代わりに、補強基材8を用いた点以外は、実施例19と同様にして、一体化成形体を作製した。補強基材8は、異方性があり、ヒーターで加熱をすると、補強基材がよれ、射出成形体のウェルドラインに沿わせてレイアップすることが困難であった。また、補強基材8の賦形性が低く、箱型射出成形体の立ち壁のR部において、補強基材と射出成形体とが一体化できていない部分が存在した。
2.補強基材のインサート範囲S0内に存在する、一体化後の補強基材の面積S1
3.補強基材
4.射出成形体
5.ウェルドライン
6.試験片カット範囲
7a、7b.測定治具
8.リブ
9.ボス
10.試験片
Claims (14)
- 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)と、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)とが、界面を形成するように一体化した一体化成形体であり、
補強基材(a)の厚みが0.03mm以上0.25mm以下であり、
補強基材(a)の長軸方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内であり、
補強基材(a)が射出成形体(b)のウェルドラインの一部又は全部を覆って射出成形体(b)と一体化している、一体化成形体。 - 補強基材(a)と射出成形体(b)との接合強度が7MPa以上であり、
一体化成形体における補強基材(a)の厚みのバラツキが10%以内である、請求項1に記載の一体化成形体。 - 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)と、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)とが、界面を形成するように一体化した一体化成形体であり、
補強基材(a)の厚みが0.03mm以上0.25mm以下であり、
補強基材(a)と射出成形体(b)との接合強度が7MPa以上であり、
一体化成形体における補強基材(a)の厚みのバラツキが10%以内であり、
補強基材(a)が射出成形体(b)のウェルドラインの一部又は全部を覆って射出成形体(b)と一体化している、一体化成形体。 - 補強基材(a)が、実質的に等方性を示し、線膨張係数が7×10-6/K以下である、請求項1~3いずれかに記載の一体化成形体。
- 補強基材(a)の曲げ弾性率が10GPa以上である、請求項1~4いずれかに記載の一体化成形体。
- 補強基材(a)がテープ状である、請求項1~5いずれかに記載の一体化成形体。
- 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)を金型内に配置し、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)のウェルドラインに、界面を形成するように補強基材(a)を一体化する一体化成形体の製造方法であり、
補強基材(a)の厚みが0.03mm以上0.25mm以下であり、
補強基材(a)は、金型内に配置した際の補強基材(a)の長さ方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内である、一体化成形体の製造方法。 - 補強基材(a)を金型内に配置した時、金型と接していない補強基材の面積の比率が5%以下である、請求項7に記載の一体化成形体の製造方法。
- 補強基材(a)を予備賦型した後、金型にインサートして成形する、請求項7または8に記載の一体化成形体の製造方法。
- 不連続繊維(a1)と樹脂(a2)とを有する補強基材(a)を、不連続繊維(b1)と樹脂(b2)とを有する射出成形体(b)のウェルドラインに、界面を形成するように一体化する一体化成形体の製造方法であり、
補強基材(a)の厚みが0.03mm以上0.25mm以下であり、
補強基材(a)は、該補強基材(a)を射出成形体(b)にレイアップした際の補強基材(a)の長さ方向を10等分に区分した領域の各々における不連続繊維(a1)の配向角度の差が10°以内である、一体化成形体の製造方法。 - 補強基材(a)を射出成形体(b)にレイアップした時、射出成形体(b)と接していない補強基材の面積の比率が5%以下である、請求項10に記載の一体化成形体の製造方法。
- 補強基材(a)が、実質的に等方性を示し、線膨張係数が7×10-6/K以下である、請求項7~11いずれかに記載の一体化成形品の製造方法。
- 補強基材(a)の曲げ弾性率が10GPa以上である、請求項7~12いずれかに記載の一体化成形体の製造方法。
- 補強基材(a)がテープ状である、請求項7~13いずれかに記載の一体化成形体の製造方法。
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