JP7347496B2 - 成形用基材 - Google Patents

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Description

本発明は、成形用基材に関する。
特開２０１４－４７９７は、成形用複合材を開示している。この成形用複合材は、スキン層とコア層とを積層一体化して構成されている。スキン層は、強化繊維となる長繊維を面状に引き揃えてマトリックス樹脂となる熱可塑性樹脂材料により一体形成されている。
コア層は、面状に分布する短繊維をマトリックス樹脂となる熱可塑性樹脂材料により一体形成されている。
ところで、二次元に配向した強化繊維に樹脂を含浸させてなる基材を三次元形状に賦形すると、少なくともその基材の一部が、強化繊維の配向に平行な面内でせん断変形する。この変形部分では、面内の主応力方向またはこれに近い方向に配向した強化繊維において、それ以外の方向に配向した強化繊維よりも大きな圧縮力または引張力が発生する。そして、せん断変形量がある限度を超えた場合には、上記圧縮力によって強化繊維が座屈したり、上記引張力によって基材表面に皺が生じたりして、成形品の見栄えが悪化する可能性がある。
本発明の目的は、成形品の見栄えの悪化を抑制できる成形用基材を提供することにある。
本発明の一態様は、強化繊維が互いに異なる３つ以上の配向角度で配向した成形用基材である。この基材では、上記３つ以上の配向角度のうち１つまたは２つの配向角度で配向した強化繊維は連続繊維であり、それ以外の配向角度で配向した強化繊維は不連続繊維である。
上記成形用基材によれば、成形品の見栄えの悪化を抑制することができる。
図１は、第１実施形態にかかる成形用基材の分解斜視図である。 図２は、第１実施形態のパターン要素を説明するための図である。 図３は、パターン要素がせん断変形した状態を示す図である。 図４は、成形品の見栄えを悪化させる要因を説明するための図である。 図５は、第１実施形態及びその変形例のパターン要素を示す図である。 図６は、第２実施形態にかかる成形用基材の分解斜視図である。 図７は、第２実施形態及びその変形例のパターン要素を示す図である。
以下、いくつかの実施形態にかかる成形用基材について、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態にかかる成形用基材Ｍ１は、二次元に配向した強化繊維Ｆと、強化繊維Ｆに含浸された樹脂Ｒと、を備えている。基材Ｍ１は、例えば、加熱プレス法、オートクレーブ法、熱成形法など、使用する樹脂Ｒの種類に応じた公知の成形方法で成形することで、所望の三次元形状を有する成形品に成形される。
基材Ｍ１は、図１に示すように、例えば８枚のプリプレグ１～８を積層して形成することができる。各プリプレグ１～８は、一方向に引き揃えられ実質的に互いに平行に配置された強化繊維Ｆに、マトリックス材としての樹脂Ｒを含浸させたシート状の複合材料である。各プリプレグ１～８の厚さは、特に限定されないが、例えば０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度である。
プリプレグ１～８中の強化繊維Ｆは、プリプレグ１～８の積層方向と直交する方向、すなわち基材Ｍ１の厚さ方向と直交する方向（以下、面方向とも称する）に延びている。強化繊維Ｆの種類は、特に限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維などを用いることができる。炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ系）、ピッチ系、セルロース系、炭化水素による気相成長系炭素繊維、黒鉛繊維などを用いることができる。これらの繊維を２種類以上組み合わせて用いてもよい。強化繊維Ｆの繊度、繊維本数、強度、弾性率等は、特に限定されない。各プリプレグ１～８における強化繊維Ｆの体積含有率は、特に限定されないが、成形時の強化繊維Ｆの過剰な流動を抑えつつ樹脂Ｒの適度な含浸状態を確保するべく、例えば３０％～８０％に設定することができる。
マトリックス材としての樹脂Ｒは、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂など公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。
プリプレグ１～８の製法は、特に限定されず、使用する樹脂Ｒの種類等に応じて公知の方法を採用することができる。例えば、樹脂Ｒが熱硬化性樹脂である場合は、熱硬化性樹脂フィルムをシート状の繊維基材に積層成形して含浸させるホットメルト法や、熱硬化性樹脂を適当な溶媒を用いてワニス状にし、これを繊維基材に含浸させる溶剤法などを用いることができる。また、樹脂Ｒが熱可塑性樹脂である場合は、ホットメルト法、溶剤法、パウダー法、樹脂フィルム含浸法、コミングル法などを用いることができる。
８枚のプリプレグ１～８は、図１に示すように、プリプレグ１～８中の強化繊維Ｆが互いに異なる４つの配向角度で配向するように積層されている。プリプレグ１～８は、強化繊維Ｆが、例えば、図１の上から順に０°／４５°／９０°／－４５°／－４５°／９０°／４５°／０°の配向角度で配向して、基材Ｍ１から得られる成形品が面方向において強度的に等方性を備えるように積層することができる。
なお、「配向角度」とは、厚さ方向視における強化繊維Ｆの配向方向の角度である。すなわち、ある基準となる強化繊維Ｆの配向方向の角度を０°とし、この基準に対して、対象とする強化繊維Ｆの配向方向がなす角度である。角度の取り方は、基材Ｍ１の表側（図１の上側）からみたときに、基準の配向方向から反時計回りを正とし、－９０°より大きく９０°以下の角度とする。
また、強化繊維Ｆが「ある配向角度で配向した」状態とは、強化繊維Ｆの繊維配向パラメータｆｐが、０．９５以上である状態をいう。繊維配向パラメータｆｐは、強化繊維Ｆの配向状態を表すパラメータであり、ｆｐ＝１．０のとき、強化繊維Ｆが後述する基準線と平行に配向していることを意味し、ｆｐ＝０．０のとき、強化繊維Ｆが完全にランダムに配向されていることを意味する。
繊維配向パラメータｆｐは、次の方法で求めることができる。まず、基材Ｍ１から、評価対象となる強化繊維Ｆを含む、面方向に平行な面を切り出す。そして、この面を光学顕微鏡等で観察し、所定の測定領域で視認し得るすべての強化繊維Ｆ（繊維数：Ｎ本）の基準線に対する角度θｉを測定する。ここで、角度θｉは、基準線から反時計回りを正とし、－９０°より大きく９０°以下の角度とする。
次に、得られた角度θｉを、次式（１）に代入する。
ｆｐ＝２×Σ（ｃｏｓ２θｉ／Ｎ）－１ ・・・式（１）
ただし、ｉ＝１～Ｎ
基準線の方向は、評価対象となっている所定の測定領域内の強化繊維Ｆに対して、その繊維配向パラメータｆｐに最大値を与えるように選択される。選択された方向は、当該評価対象となっている強化繊維Ｆの配向方向として定義される。
本実施形態では、図１に示すように、４つの配向角度のうち、０°／９０°の配向角度で配向した強化繊維Ｆが連続繊維ＣＦである（２つの配向角度で配向した連続繊維ＣＦ同士の配向角度の差は９０°である）。また、４つの配向角度のうち、０°／９０°以外の４５°／－４５°の配向角度で配向した強化繊維Ｆが不連続繊維ＤＦである。図１における破線が不連続繊維ＤＦを、実線が連続繊維ＣＦを示している。
ここで、「連続繊維ＣＦ」は、強化繊維Ｆを構成するフィラメントの平均繊維長が５００ｍｍ以上の繊維であり、「不連続繊維ＤＦ」は、強化繊維Ｆを構成するフィラメントの平均繊維長が１０ｍｍ以上５００ｍｍ未満の繊維である。平均繊維長は、強化繊維Ｆを構成する各フィラメントの繊維長の二乗の総和を各フィラメントの繊維長の総和で除した値である。各フィラメントの繊維長は、フィラメントのそれぞれの長さを光学顕微鏡等で観察することにより測定することができる。本実施形態における不連続繊維ＤＦのフィラメントの平均繊維長は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定するとよい。好ましくは、１５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、さらに好ましくは、２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。不連続繊維ＤＦの平均繊維長を上記範囲内に設定することにより、基材Ｍ１の優れた賦形性を維持しつつ成形品の強度を良好なものとすることができる。
不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆは、各々の配向角度に対応する方向に引き揃えられ、樹脂Ｒとともに、連続繊維ＣＦである強化繊維Ｆと交差しない層を形成してもよい。例えば、図１に示すように、第２，４，５，７層目のプリプレグ２，４，５，７中の不連続繊維ＤＦは、第１，３，６，８層目のプリプレグ１，３，６，８中の連続繊維ＣＦと交差しない層を形成してもよい。また、互いに異なる配向角度で配向した不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆは、それぞれ別の層を形成してもよい。例えば、図１に示すように、第２，７層目のプリプレグ２，７中の不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆは、第４，５層目のプリプレグ４，５中の不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆと別の層を形成してもよい。
ある配向角度で配向した不連続繊維ＤＦは、例えば、以下の方法で得ることができる。すなわち、一方向に引き揃えられた連続繊維ＣＦに樹脂Ｒを含浸させてなる一方向プリプレグに対し、例えば刃を押し付け、またはレーザー光を照射して、繊維と交差する角度に切込みを入れ、連続繊維ＣＦを分断する方法である。これにより、一方向に引き揃えられ、実質的に互いに平行に配置された不連続繊維ＤＦを得ることができる。各切込みの長さ、切込み同士の間の間隔は、必要とする不連続繊維ＤＦの繊維長等に応じて適宜設定することができる。また、他の方法としては、例えば、予め繊維長を調整された不連続繊維ＤＦと樹脂Ｒとを含む組成物を塑性域で押出成形し、これをシート状に加圧成形することで、不連続繊維ＤＦが一定の方向に配向したプリプレグを得る方法などがある。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
まず、説明の便宜のため、強化繊維Ｆの二次元配向の「パターン要素」を定義する。図２は、４つの配向角度（０°／４５°／９０°／－４５°）で配向した強化繊維Ｆから定義されるパターン要素を説明するための図である。同図においても、破線が不連続繊維ＤＦを、実線が連続繊維ＣＦを示している。いま、４つの配向角度（０°／４５°／９０°／－４５°）のうち任意に３つの配向角度を選択すると、選択した配向角度の組み合わせから２つずつ三角形状のパターン要素を定義できる。例えば、０°／４５°／９０°を選択した場合は、パターン要素として三角形ＡＢＣ及び三角形ＡＣＤを定義できる。また、０°／４５°／－４５°を選択した場合は、パターン要素として三角形ＡＢＥ及び三角形ＣＤＥを定義できる。同様に他のパターン要素として、三角形ＡＢＤ、ＢＣＤ、ＢＣＥ、及びＡＤＥを定義できる。すなわち、二次元に配向した強化繊維Ｆから定義されるパターン要素の最も単純な形状は、選択した３つの配向角度の強化繊維Ｆを辺とし、当該強化繊維Ｆ同士が交わる点を頂点とする三角形である。
（１）４つの配向角度で配向した強化繊維Ｆがすべて連続繊維ＣＦである基材（比較例）が三次元形状に賦形されるとき、各パターン要素は、図３（特にＵ部）に示すように、強化繊維Ｆの配向に平行な面内でせん断変形しようとする。この変形部分では、三角形の角の大きさが変化し、三角形の辺を構成する強化繊維Ｆにおいて圧縮力または引張力が発生する。このため、せん断変形量がある限度を超えた場合には、図４に示すように、圧縮力によって強化繊維Ｆが座屈したり（図４のＶ部参照）、引張力によって基材表面に皺が生じたり（図４のＷ部参照）して、成形品の見栄えが悪化する可能性がある。
これに対し、本実施形態では、４つの配向角度のうち、２つの配向角度（０°／９０°）で配向した強化繊維Ｆは連続繊維ＣＦであり、それ以外の配向角度（４５°／－４５°）で配向した強化繊維Ｆは不連続繊維ＤＦである。このため、いずれのパターン要素の三角形においても、少なくとも一辺が不連続繊維ＤＦから構成されることとなる。不連続繊維ＤＦは、分断された繊維同士が互いに繊維方向に相対移動できるため、連続繊維ＣＦよりも軸力（圧縮力及び引張力）を伝えにくい。従って、パターン要素が面内せん断変形する際に、三角形の頂点すなわち不連続繊維ＤＦとの交点を介して連続繊維ＣＦに作用する力が低減される。このため、成形時、基材Ｍ１が三次元形状に賦形されるときに強化繊維Ｆに生じる軸力が低減され、強化繊維Ｆが座屈したり、基材Ｍ１表面に皺が生じたりすることが抑制される。これにより、成形品の見栄えの悪化が抑制される。また、強化繊維Ｆに生じる軸力が低減されることで、パターン要素の面内せん断変形を拘束する力が低減されるため、基材Ｍ１の賦形性が向上する。
（２）また、本実施形態では、４つの配向角度のうち２つの配向角度で配向した強化繊維Ｆが連続繊維ＣＦであり、それ以外の配向角度で配向した強化繊維Ｆが不連続繊維ＤＦである。このため、１つの配向角度（例えば０°）で配向した強化繊維Ｆのみが連続繊維ＣＦである場合と比較して、基材Ｍ１を成形して得られる成形品の引張強度が向上する。また、連続繊維ＣＦの配向角度の差が９０°であり、その差の絶対値が８５°以上９５°以下の範囲内にあるため、当該範囲外にある場合と比較して、成形品の機械的特性の等方性が向上する。
（３）さらに、本実施形態では、不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆが、各々の配向角度に対応する方向に引き揃えられ、樹脂Ｒとともに、連続繊維ＣＦである強化繊維Ｆと交差しない層を形成している。従って、不連続繊維ＤＦの層が連続繊維ＣＦと交差する場合（例えば２軸織物プリプレグの経糸及び緯糸のうち一方のみに切込みを入れてこれを不連続繊維ＤＦとした場合）と比較し、各々の不連続繊維ＤＦがその繊維方向に移動しやすい。このため、不連続繊維ＤＦから連続繊維ＣＦに作用する力はさらに低減され、基材Ｍ１の賦形性がさらに向上する。
（４）また、本実施形態では、互いに異なる配向角度で配向した不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆが、それぞれ別の層を形成している。つまり、不連続繊維ＤＦが配向角度ごとに別の層に配置される。従って、配向角度が異なる不連続繊維ＤＦが同じ層に配置された場合（例えば２軸織物プリプレグの経糸及び緯糸の両方に切込みを入れてこれらを不連続繊維ＤＦとした場合）と比較し、各々の不連続繊維ＤＦが繊維方向に移動しやすい。このため、基材Ｍ１の賦形性がより一層向上する。
なお、第１実施形態では、連続繊維ＣＦが０°／９０°に配向し、不連続繊維ＤＦが４５°／－４５°に配向していたが、連続繊維ＣＦ及び不連続繊維ＤＦの配向角度の組み合わせは、これに限定されない。例えば、図５のパターンＰ１～Ｐ１０に示すように、４つの配向角度のうちいずれか１つまたは２つの配向角度で配向した強化繊維Ｆを連続繊維ＣＦとし、当該１つまたは２つの配向角度以外の配向角度で配向した強化繊維Ｆを不連続繊維ＤＦとすることができる。図５中、「ＣＦ」は連続繊維ＣＦを表し、「ＤＦ」は不連続繊維ＤＦを表す。「パターン要素」の欄の１列目が、図２の三角形ＡＢＣのパターン要素を、２～４列目が三角形ＡＢＤ、三角形ＡＢＥ、三角形ＡＤＥのパターン要素をそれぞれ例示している。図５から明らかなように、パターンＰ１～Ｐ１０のいずれにおいてもパターン要素の三角形の少なくとも一辺が不連続繊維ＤＦから構成されるため、上記の効果を得ることができる。なお、同図のパターンＰ２は、第１実施形態に相当している。
＜第２実施形態＞
第２実施形態にかかる基材Ｍ２について、図６及び図７を参照して説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成について説明することとし、既に説明した構成と同様の機能を有する構成については、同様の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態にかかる成形用基材Ｍ２は、図６に示すように、例えば６枚のプリプレグ１１～１６を積層して形成することができる。
６枚のプリプレグ１１～１６は、図６に示すように、プリプレグ１１～１６中の強化繊維Ｆが互いに異なる３つの配向角度で配向するように積層されている。プリプレグ１１～１６は、強化繊維Ｆが、例えば、図６の上から順に、０°／６０°／－６０°／－６０°／６０°／０°の配向角度で配向して、基材Ｍ２から得られる成形品が面方向において強度的に等方性を備えるように積層することができる。
本実施形態では、図６に示すように、３つの配向角度のうち、０°／－６０°の配向角度で配向した強化繊維Ｆが連続繊維ＣＦである。また、３つの配向角度のうち、０°／－６０°以外の６０°の配向角度で配向した強化繊維Ｆが不連続繊維ＤＦである。図６における破線が不連続繊維ＤＦを、実線が連続繊維ＣＦを示している。
また、本実施形態においても、不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆは、各々の配向角度に対応する方向に引き揃えられ、樹脂Ｒとともに、連続繊維ＣＦである強化繊維Ｆと交差しない層を形成してもよい。例えば、図６に示すように、第２，５層目のプリプレグ１２，１５中の不連続繊維ＤＦは、第１，３，４，６層目のプリプレグ１１，１３，１４，１６中の連続繊維ＣＦと交差しない層を形成してもよい。また、互いに異なる配向角度で配向した不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆは、それぞれ別の層を形成してもよい。例えば、図６に示すように、第２層目のプリプレグ１２中の不連続繊維ＤＦは、第４層目のプリプレグ１４中の不連続繊維ＤＦと別の層を形成してもよい。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態では、３つの配向角度（０°／６０°／－６０°）に配向した強化繊維Ｆから、正三角形状のパターン要素を定義できる。
本実施形態では、３つの配向角度のうち、２つの配向角度（０°／－６０°）で配向した強化繊維Ｆは連続繊維ＣＦであり、それ以外の配向角度（６０°）で配向した強化繊維Ｆは不連続繊維ＤＦである。このため、パターン要素の三角形の少なくとも一辺は不連続繊維ＤＦから構成される。従って、本実施形態においても、上記（１）の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆが、各々の配向角度に対応する方向に引き揃えられ、樹脂Ｒとともに、連続繊維ＣＦである強化繊維Ｆと交差しない層を形成している。さらに、互いに異なる配向角度で配向した不連続繊維ＤＦである強化繊維Ｆが、それぞれ別の層を形成している。従って、本実施形態においても、上記（３）及び（４）の効果を得ることができる。
なお、第２実施形態では、連続繊維ＣＦが０°／－６０°に配向し、不連続繊維ＤＦが６０°に配向していたが、連続繊維ＣＦ及び不連続繊維ＤＦの配向角度の組み合わせは、これに限定されない。例えば、図７のパターンＰ１１～Ｐ１６に示すように、３つの配向角度のうちいずれか１つまたは２つの配向角度で配向した強化繊維Ｆを連続繊維ＣＦとし、当該１つまたは２つの配向角度以外の配向角度で配向した強化繊維Ｆを不連続繊維ＤＦとすることができる。図７中、「ＣＦ」は連続繊維ＣＦを表し、「ＤＦ」は不連続繊維ＤＦを表す。「パターン要素」の欄は、パターンＰ１１～Ｐ１６の各パターン要素を例示している。図７から明らかなように、パターンＰ１１～Ｐ１６のいずれにおいてもパターン要素の三角形の少なくとも一辺が不連続繊維ＤＦから構成されるため、上記の効果を得ることができる。なお、同図のパターンＰ１２は、第２実施形態に相当している。
以上の説明において、「二次元に配向した強化繊維Ｆ」とは、基材の面方向に配向した強化繊維Ｆを意味する。基材の厚さ方向に配向した強化繊維、及び、ランダムに配向した強化繊維は、「二次元に配向した強化繊維Ｆ」に含まない。「二次元に配向した強化繊維Ｆ」の形態は、特に限定されず、上記のように強化繊維Ｆを一方向に引き揃えてシート状に並べたものの他、２軸織物または３軸織物のように面方向に延びる強化繊維Ｆが互いに交錯している場合を含む。従って、上記実施形態及び変形例にかかる基材Ｍ１，Ｍ２のいずれか１つ以上の層における強化繊維Ｆの形態は、２軸織物または３軸織物であってもよい。２軸織物としては、例えば、平織、綾織、朱子織等の方法で製織した織物が挙げられる。
さらに、基材Ｍ１，Ｍ２の各層の強化繊維Ｆの配向角度の順序は、上記実施形態及び変形例のものに限定されない。例えば、第１実施形態では、図１の上から順に、０°／４５°／９０°／－４５°／－４５°／９０°／４５°／０°であったが、４５°／－４５°／０°／９０°／９０°／－４５°／４５°であってもよい。また、基材Ｍ１，Ｍ２の層数、またはプリプレグの枚数は、上記のものに限らない。さらに、基材Ｍ１，Ｍ２の各層は、成形品が面方向において強度的に異方性を備えるように積層してもよい。また、図５及び図７に示したパターンＰ１～Ｐ１６は、いずれか２以上を組み合わせて採用してもよい。
以上、いくつかの実施形態及び変形例について説明したが、これらの実施形態等は発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎない。発明の技術的範囲は、上記実施形態等で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
成形用基材Ｍ１，Ｍ２は、所望の三次元形状を有する成形品に成形することができる。得られた成形品は、例えば、フード、フロアパネル、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、ルーフパネルなど自動車等車両の構成部材として利用することができる。また、成形品は、航空機、船舶、鉄道車両など輸送機、家庭用電気製品、発電設備、生産機械、住宅機材、家具、レジャー用品などの構成部材として利用することができる。
Ｍ１，Ｍ２ 成形用基材
Ｆ 強化繊維
Ｒ 樹脂
ＣＦ 連続繊維
ＤＦ 不連続繊維

Claims (4)

  1. 二次元に配向した強化繊維と、該強化繊維に含浸された樹脂と、を備えた成形用基材であって、
    前記強化繊維は、互いに異なる３つ以上の配向角度で配向しており、
    前記配向角度のうち１つまたは２つの配向角度で配向した前記強化繊維は連続繊維であり、
    前記１つまたは２つの配向角度以外の配向角度で配向した前記強化繊維は、各繊維が前記成形用基材内において分断された状態で前記１つまたは２つの配向角度以外の配向角度で配向した不連続繊維であり、
    前記連続繊維が形成する全ての層の各々において、前記連続繊維は１つの配向角度で配向されている、成形用基材。
  2. 前記配向角度のうち２つの配向角度で配向した前記強化繊維が連続繊維であり、前記２つの配向角度以外の配向角度で配向した前記強化繊維は不連続繊維であり、前記２つの配向角度の差の絶対値が８５°以上９５°以下である、請求項１に記載の成形用基材。
  3. 前記不連続繊維である強化繊維は、各々の配向角度に対応する方向に引き揃えられ、前記樹脂とともに、前記連続繊維である強化繊維と交差しない層を形成している、請求項１または２に記載の成形用基材。
  4. 互いに異なる配向角度で配向した前記不連続繊維である強化繊維は、それぞれ別の層を形成している、請求項３に記載の成形用基材。
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