JP7469614B2 - 抄造樹脂成型品 - Google Patents

Description

本発明は抄造樹脂成型品に関し、詳しくは熱硬化性樹脂と強化繊維とからなる抄造シートが積層された状態で積層方向に加熱加圧成形されてなるとともに、上記抄造シートの積層方向に直交する方向に貫通した開口穴を備えた抄造樹脂成型品に関する。

従来、熱硬化性樹脂と強化繊維とからなる抄造シートを積層させ、これを積層方向に加熱加圧成形した抄造樹脂成型品が知られ、またこのような抄造樹脂成型品として、上記抄造シートの積層方向に直交する方向に開口穴が穿設されたものも知られている（特許文献１）。
一方、このような上記開口穴を備えた部品として、上記開口穴の内周面に相手部材を挿通させて、開口穴の内周面と当該相手部材の外周面とを密着させてシールを行う構造が知られている。
その際、上記開口穴にテーパ状の導入部を形成して、当該導入部によって上記相手部材を開口穴の内周面へとガイドすることも行われている。

特開平１０－１００１７５号公報

ここで、特許文献１では、抄造樹脂成型品に上記開口穴を形成するために、積層させた抄造シートに予め開口穴に対応する穴を穿設して、これを加熱加圧成形するようになっている。
この方法では、抄造シートに穴を穿設する際に、抄造シート内の強化繊維が切断され、切断された強化繊維が開口穴の内周面に露出してしまうことから、開口穴の内周面の平滑性が保てず、シール面として不適当になる場合がある。
これに対し、上記抄造シートを加熱加圧しながら、軟化した抄造シートに対して開口穴を穿設することにより、強化繊維が内周面に露出してしまうのを防止することが考えられるが、このような方法で開口穴を穿設すると以下のような問題が発生する恐れがある。
まず、抄造樹脂成型品を加熱加圧成型すると、抄造シート内で軟化した樹脂だけが移動し、他の部分に比べて樹脂に対する強化繊維の割合が少ない樹脂リッチ部が形成される場合がある。
この樹脂リッチ部はその他の強化繊維を含んだ部分との境界部分で層間剥離を生じさせやすいことから、当該樹脂リッチ部が上記開口穴のシール部に位置してしまうと、当該樹脂リッチ部と他の部分との間で層間剥離が生じた場合に、当該シール部に亀裂が生じてシール性が確保できないこととなる。
このような問題に鑑み、本発明は開口穴のシール部に破損が生じないようにした抄造樹脂成型品を提供するものである。

すなわち請求項１の発明にかかる抄造樹脂成型品は、熱硬化性樹脂と強化繊維とからなる抄造シートが積層された状態で積層方向に加熱加圧成形されてなるとともに、上記抄造シートの積層方向に直交する方向に貫通した開口穴を備えた抄造樹脂成型品において、
上記開口穴の内周面に、相手部材が密着するように構成されたシール部と、当該シール部に隣接して形成されたテーパ状の導入部とを備え、
上記開口穴における上記導入部とシール部との境界部分よりも上記導入部側に、他の部分に比べて樹脂に対する強化繊維の割合が少ない樹脂リッチ部が形成されていることを特徴としている。

上記発明によれば、樹脂リッチ部を上記開口穴における上記導入部とシール部との境界部分よりも上記導入部側に形成したため、樹脂リッチ部と他の部分との層間剥離が発生してしまった場合であっても、シール部の破損が防止され、シール性を確保することができる。

本発明にかかる抄造樹脂成型品の平面図 上記抄造樹脂成型品の断面模式図 成形装置の構成及び動作を説明する図 成形装置の構成及び動作を説明する図 成形装置の構成及び動作を説明する図 成形装置の構成及び動作を説明する図 樹脂リッチ部がシール部まで形成されている成形品の断面模式図

以下図示実施例について説明すると、図１は本発明にかかる抄造樹脂成型品（以下、成型品１とよぶ）の平面図を、図２は図１のＩＩ―ＩＩ部の模式断面図を示している。
本実施例において、上記抄造樹脂成型品とは、後に詳述するが、熱硬化性樹脂と強化繊維Ｆとを液中に分散させて抄造した抄造シートを積層させ、これを図３～図６に示す成型装置２によって加熱加圧成形したものとなっている。
本実施例の成型品１は所定板厚の部品となっており、その略中央には円形の開口穴３が形成されている。またこの成型品１には、図２に示すように円筒状の相手部材４が上記開口穴３に挿入されるようになっている。
上記相手部材４には、その外周面にリング状のシール部材４ａが設けられており、当該シール部材４ａが成型品１の開口穴３の内周面に形成されたシール部３ａに密着することで、上記成型品１と相手部材４との間のシールが行われるようになっている。
上記相手部材４を本実施例の成型品１に装着する際には、上記相手部材４を成型品１の開口穴３に対して上方から挿入するようになっており、このため上記開口穴３には、当該相手部材４を挿入する側の表面に、テーパ状に拡径する導入部３ｂを形成したものとなっている。
このような構成により、上記相手部材４を上方から開口穴３に挿入すると、上記シール部材４ａが最初に上記導入部３ｂに当接し、その後相手部材４をさらに下方に移動させることで、シール部材４ａが変形しながら上記シール部３ａへとガイドされ、シール部材４ａが開口穴３と相手部材４との間で圧縮された状態で挟持されてシールするようになっている。
なお、上記導入部３ｂの形状としては、図２に示すような断面円弧状に形成されたもののほか、断面直線状の傾斜面として構成してもよい。

そして、本実施例の成型品１における上記導入部３ｂが形成された表面には、上記開口穴３を囲繞する位置に凹部としての無端状の環状溝５が形成されている。
本実施例では、成型品１の板厚を６．６ｍｍ、上記導入部３ｂの板厚方向の寸法を４ｍｍとしており、これに対し上記環状溝５の深さを１．５ｍｍ、幅を２．５ｍｍに設定している。
また上記導入部３ｂの外周縁部と環状溝５の内周縁部までの距離を１ｍｍに設定している。このような寸法とすることで、３～２０ｍｍ程度の強化繊維をからみあった状態で押さえ付けることができ、後述する樹脂リッチ部への強化繊維の移動を規制することができる。逆に、環状溝５と導入部３ｂより１０ｍｍ以上離隔すると、上記押さえ付けの効果が得られず、強化繊維が樹脂リッチ部へと流れやすくなる。
なお、上記寸法は一例であり、成型品１の板厚や導入部３ｂの板厚方向の寸法によって適宜変更可能である。

本実施例の成型品１は、熱硬化性樹脂と強化繊維Ｆとを液中に分散させて抄造した抄造シートを積層させ、これを成型装置２によって加熱加圧成形したものとなっている。
したがって、成形された成型品１の内部では、硬化した熱硬化性樹脂に強化繊維Ｆが含まれた構造を有しており、図２ではこの強化繊維Ｆを模式的に示したものとなっている。
そして本実施例の成形品１を成形する際、抄造シートを積層方向に加熱加圧成形することにより、樹脂内の強化繊維Ｆは積層方向に対して直交する方向、すなわち略水平方向を向くようになっている。

ここで、上記抄造シート中には上記強化繊維Ｆがほぼ均等に分散されており、当該抄造シートを単純に積層方向に加熱加圧成型すると、この強化繊維Ｆの分布が偏ることなく積層方向に圧縮されることとなる。
しかしながら、後述するように本実施例では上記成型装置２によって抄造シートを加熱加圧しながら開口穴３を形成するようになっており、このとき軟化した樹脂の一部が移動して、他の部分に比べて樹脂に対する強化繊維Ｆの割合が少ない樹脂リッチ部Ｒが形成される。
ここで上記樹脂リッチ部Ｒとは、樹脂リッチ部Ｒ以外の他の部分（以下、通常部）における樹脂と強化繊維Ｆとの割合が１：１程度であるのに対し、樹脂と強化繊維Ｆとの割合が２：１～５：１程度である部分のことを指すものとする。

そして本実施例の成型品１は、上記開口穴３の周囲を構成する材料部分において、導入部３ｂとシール部３ａとの境界部分よりも上記導入部３ｂ側に上記樹脂リッチ部Ｒが形成されていることを特徴としている。換言すると、樹脂リッチ部Ｒによって上記シール部３ａが構成されないようになっている。
上記樹脂リッチ部Ｒは、上記通常部との間で層間剥離が生じやすいため、この層間剥離がシール部３ａで発生するとシール部３ａのシール性が低下してしまうという恐れがあった。
そこで本実施例では、樹脂リッチ部Ｒを上記導入部３ｂとシール部３ａとの境界部分よりも上記導入部３ｂ側に形成することで、強化繊維Ｆを含む強度の高い通常部によってシール部３ａを構成し、層間剥離によるシール部３ａの破損を防止するものとなっている。

以下、上記成型品１について詳細に説明すると、まず成型品１を成形するために使用する抄造シートは、混合分散工程、抄造工程、脱水工程、乾燥工程を経て作成することができる。
まず抄造シートの原材料として、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂粉末と、強化繊維Ｆである炭素繊維とを用い、混合分散工程ではこれらを貯水槽に水とともに所定の割合で投入し、これを撹拌して所定濃度の混合液を作成する。
上記混合液を作成する際の濃度としては、上記フェノール樹脂を水と混合する前の原材料全体に対して３０～６０ｗｔ％の割合で使用し、また炭素繊維については３０～６０ｗｔ％の割合で使用する。また必要に応じてＰＡやＰＰ、セルロースなどの有機繊維やガラス等の無機繊維、タルク等の無機充填剤を混合することもできる。

ここで上記強化繊維Ｆとしての炭素繊維としては、繊維長３～１２ｍｍの長繊維と、繊維長０．１～３ｍｍの短繊維とが混合されたものを使用するのが好ましく、その際長繊維と短繊維との割合を４：１～１：１程度の割合で設定するのが望ましい。
なお、上記強化繊維Ｆとしては炭素繊維のほかにガラス繊維等の他の強化繊維Ｆも用いることが可能である。また、上記炭素繊維としてリサイクル炭素繊維を使用しても良く、その場合、安価に成型品１を得ることができる。

次に、上記抄造工程では、従来公知の抄造槽に上記混合液を投入し、上記抄造槽に設けた網によって上記強化繊維Ｆを抄き取りながら水を排水し、上記網の上面に水を多量に含む抄造シートを形成する。
続く脱水工程では、上記抄造工程によって得られた抄造シートを上下から押圧して脱水し、その後の乾燥工程では、上記脱水した抄造シートを加熱して乾燥させる。
このようにして得られた抄造シートを利用して上記成型品１を作成する場合には、成型品１の形状や板厚に応じて複数枚積層させる必要があり、本実施例では複数枚の抄造シートを積層させた状態で熱硬化性樹脂が硬化しない温度で加熱し、これにより一部の樹脂を軟化させて抄造シート同士を接着させて抄造体を作成する。

このようにして抄造体とされた抄造シートＳは、図３～図６に示す成型装置２に投入されて加熱加圧成形される。
上記成型装置２は、地面に設置された下型１１と、当該下型１１に対して上方から降下し、下型１１との間で上記抄造シートＳを加熱しながら加圧する上型１２と、上記上型１２と別体に設けられて上記開口穴３を穿設するポンチからなる工具１３が設けられている。
また上記上型１２および下型１１には図示しないヒータが内蔵されており、これにより抄造シートＳを構成する熱硬化性樹脂を加熱溶融させながら加熱加圧成型するものとなっている。

上記下型１１および上型１２には、それぞれ成形後の成型品１の形状に従って製品面が形成されており、特に上型１２には上記環状溝５を形成するための環状突起１２ａが形成されている。
また上記上型１２における上記開口穴３に対応する位置には、上記開口穴３よりも大径の挿通孔１２ｂが設けられており、当該挿通孔１２ｂの内部を上記工具１３が上下に移動可能となっている。
一方、上記下型１１における上記開口穴３に対応する位置には、上記開口穴３と略同径の逃がし穴１１ａが設けられており、当該逃がし穴１１ａの内部を上記工具１３が上下に移動し、また穿設された抄造シートＳの一部が落下するようになっている。

上記工具１３は上記上型１２と別体に設けられており、抄造シートＳが上型１２と下型１１とによって挟持されると、所要の速度で下降し、剪断力によって抄造シートＳに開口穴３を穿設するものとなっている。
また上記工具１３は、上記開口穴３のシール部４ａと同径に加工された穴加工部１３ａと、当該穴加工部１３ａの上部に形成されて上記開口穴３の導入部３ｂを形成するテーパ部１３ｂとから構成されている。

以下、図３～図６を用いて上記成型装置２の動作を説明する。
まず図３は上記上型１２が上死点に位置した状態を示し、この状態で積層された抄造シートＳを上記下型１１にセットする。この時、抄造シートＳでは、強化繊維が積層方向に対して直交する方向（図示水平方向）、すなわち上型１２による圧縮方向に対して直交する方向を向いた状態となっている。
続いて、上記下型１１および上型１２に設けたヒータが抄造シートＳを内部の熱硬化性樹脂が硬化しない程度の温度で加熱し、これにより抄造シートＳが軟化する。

図４は上記上型１２が下降して、下型１１との間で抄造シートＳを上下から挟持した状態を示している。
このとき抄造シートＳの熱硬化性樹脂が軟化しているため、抄造シートＳは積層方向に圧縮され、これ伴って内部の強化繊維Ｆは積層方向に対して直交する方向を維持したまま圧縮される。
一方、上記上型１２に形成された環状突起１２ａが接触する部分では、抄造シートＳが当該環状突起１２ａによって変形し、抄造シートＳの内部の強化繊維Ｆが押さえつけられるとともに、抄造シートＳの上面に上記環状溝５が形成されることとなる。
またこのとき上記工具１３は上方に待機しており、その先端部は抄造シートＳに接触しておらず、開口穴３の加工は開始されていない。従って、当該開口穴３が形成される部分においても、上記強化繊維Ｆは積層方向に対して直交する方向を維持したままとなっている。
しかしながら、抄造シートＳが上型１２と下型１１とによって圧縮されると、上記軟化した樹脂の一部が上記上型１２の挿通孔１２ｂによって形成される空間へとあふれ出てしまい、上記樹脂リッチ部Ｒが形成されることとなる。
一方、このときあふれ出る樹脂リッチ部Ｒの量は、上記開口穴３の周囲に形成した上記環状溝５を形成する際に強化繊維Fを押さえつけることで制限するようになっており、これにより形成される樹脂リッチ部Ｒ分の大きさを抑えることができる。

そして図５は、上記工具１３が下降して上記開口穴３の形成が行われている途中の状態を示している。
上記上型１２と下型１１とによって抄造シートＳが押圧された状態で、上記工具１３を所定のスピードで下降させると、工具１３によって抄造シートＳが剪断方向の応力を受け、開口穴３に相当する部分が圧縮されながら下型１１に形成された逃がし穴１１ａに向けて変形してゆく。
このとき、抄造シートＳにおける開口穴３に相当する部分では、上記工具１３の側面に付着した熱硬化性樹脂が下方へと引きずられ、これに伴って強化繊維Ｆにおける開口穴３側の端部が下方へと引きずられる。
また上記図４において上記上型１２の挿通孔１２ｂによって形成される空間へとあふれ出た樹脂リッチ部Ｒについても、工具１３に付着した部分が下方へと引きずられることとなる。
このとき、工具１３を所定の下降スピードで下降させることで、開口穴３に相当する部分の強化繊維Ｆは工具１３によって切断されず、工具１３の通過に伴って当該工具１３の周囲を取り囲むように移動する。

そして図６は、上記工具１３が下降端まで下降し、上記開口穴３が穿設された状態を示している。
上記工具１３が下降端まで下降すると、当該工具１３によって抄造シートＳが貫通され、上記穴加工部１３ａによって上記開口穴３のシール部３ａが形成されるとともに、上記テーパ部１３ｂによって上記開口穴３の導入部３ｂが形成されることとなる。
このとき、上記樹脂リッチ部Ｒはテーパ部１３ｂによって押圧されるが、この樹脂リッチ部Ｒは開口穴３におけるシール部３ａと導入部３ｂとの境界部分よりも導入部３ｂ側にとどまるようになっている。
これは上記環状溝５によって当該環状溝５より開口穴３側に流れる樹脂の量が制限されていることに加え、上記工具１３の下降スピードによって調整することが可能である。

このようにして成型装置２による加熱加圧圧縮および開口穴３の成形の後、成形された成型品１は成型装置２より取り出され、上記開口穴３のシール部３ａやその周辺のバリ等を除去するなどの仕上げ工程を行い、また必要に応じて熱硬化性樹脂をさらに架橋反応させるためにアニーリングなどの処理を行う。

このようにして得られた成型品１は、図２に示すように上記開口穴３のシール部３ａには上記強化繊維Ｆが位置しており、上記樹脂リッチ部Ｒは位置しないようになっている。
また抄造シートＳを加熱加圧成型しながら工具１３によって開口穴３を形成したことにより、シール部３ａの内周面に強化繊維Ｆの端部が露出しないようになっており、これによりシール面が滑らかにされてシール性能を得ることが可能となっている。
これに対し、図６は、樹脂リッチ部Ｒが上記シール部３ａまで達してしまった抄造樹脂成型品１の断面図を示している。このような抄造樹脂成型品１では、成形途中に大量の樹脂リッチ部Ｒが形成されてしまい、工具１３がシール部３ａまで樹脂リッチ部Ｒを引き込んでしまった場合や、工具１３の下降速度が速すぎて樹脂リッチ部Ｒを引き込んでしまった場合が考えられる。
このように樹脂リッチ部Ｒがシール部３ａまで達していると、成型品１の使用中に振動等によって樹脂リッチ部Ｒと通常部との境界部分で層間剥離が生じる場合があり、シール部３ａが破損してシール性が悪化する恐れがあった。

本実施例の成型品１では、樹脂リッチ部Ｒと通常部との境界が上記シール部３ａと導入部３ｂとの境界よりも導入部３ｂ側に位置しているため、仮に境界剥離が生じてもシール部３ａが破損することはなく、シール性を維持することができる。
特に、本実施例では開口穴３を囲繞するように環状溝５を形成したことにより、当該環状溝５から開口穴３に向けて樹脂が流れるのを阻止し、樹脂リッチ部Ｒが大きくなりすぎないようにすることができる。
なお、上記環状溝５については、これに代えて上記開口穴３を囲繞するように複数の凹部を所定の間隔で形成するようにしてもよく、この凹部によって環状溝５と同様に樹脂の流入を阻止することができる。
また上記工具１３の下降スピードを制御すれば、環状溝５や凹部自体を省略しても、上記樹脂リッチ部Ｒが上記シール部３ａに到達しないようにすることも可能である。

１ 成型品（抄造樹脂成型品） ２ 成型装置
３ 開口穴 ３ａ シール部
３ｂ 導入部 ４ 相手部材
５ 環状溝（凹部） １１ 下型
１２ 上型 １２ｂ 挿通孔
１３ 工具 １３ｂ テーパ部
Ｆ 強化繊維 Ｒ 樹脂リッチ部
Ｓ 抄造シート

Claims (3)

1. 熱硬化性樹脂と強化繊維とからなる抄造シートが積層された状態で積層方向に加熱加圧成形されてなるとともに、上記抄造シートの積層方向に直交する方向に貫通した開口穴を備えた抄造樹脂成型品において、
   上記開口穴の内周面に、相手部材が密着するように構成されたシール部と、当該シール部に隣接して形成されたテーパ状の導入部とを備え、
   上記開口穴における上記導入部とシール部との境界部分よりも上記導入部側に、他の部分に比べて樹脂に対する強化繊維の割合が少ない樹脂リッチ部が形成されていることを特徴とする抄造樹脂成型品。
2. 上記抄造樹脂成型品における上記導入部が形成された側の表面に、上記開口穴を囲繞する凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の抄造樹脂成型品。
3. 上記凹部が上記開口穴を無端状に囲繞する環状溝であることを特徴とする請求項２に記載の抄造樹脂成型品。

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