JPH02209223A - 繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形用金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は合成樹脂の成形法に係り、特に繊維強化熱可塑
性合成樹脂のホットプレス法による成形方法に関するも
のである。

（従来技術） 近年軽重でしかも高い強度を持つ材料としてガラス繊維
や炭素繊維で強化したいわゆる繊維強化合成樹脂への関
心が高まっている。

従来の繊維強化合成樹脂はエポキシ樹脂、ポリエステル
樹脂等の熱硬化性合成樹脂を基本としたものであり、こ
のような材料を利用しての１つの成形法として、炭素系
長繊維のエポキシ系プリブレグ材を所定形状積層法で積
層後オートクレーブ中で加熱加圧してキュアーさせる方
法がある。

このような成形法は、成形前段階での準備例えば成形体
中のボイド除去の為の処置が必要であったり、或はオー
トクレーブ中でのキュアー時間が４〜５時間と長くかか
り非常に生産能率が悪いものであった。

このため最近は、熱可塑性合成樹脂をベースとした繊維
強化合成樹脂すなわちＦＲＴＰへの関心が高まっている
。

特に最近開発されたＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケ
トン）樹脂は、耐熱性、強靭性、耐薬品性、耐炎性等が
既存のいわゆるエンジニアリングプラスチックと比べて
数段優れていることから、これをベースとしたＦＲＴＰ
が注目されている。

従来のＦＲＴＰの成形は第６図に示す如きホットプレス
成形装置を利用して行われていた。

１は型締用油圧シリンダ−，２は補強板、３は水冷却管
８の配設された隔熱冷却板、４は断熱材、５は加熱冷却
板であり、加熱冷却板５内には水冷却管７及びカートリ
ッジヒータ６が配設されている。

ＰＥＥＫをベース樹脂とし炭素繊維で強化したＦＲＴＰ
の成形に際しては、該成形材料はタック性がないので先
ずバットジヨイントでプリプレグ材のレイアップを行う
。

すなわちプリプレグ材を所定のプライ数レイアップした
後全体がばらばらにならないよう４辺をハンダゴテを用
いてレジシを溶かし圧着さけて接合する。

厚いラミネートを作る場合には、例えば８ブライ程度づ
つに仮止めしたものを必要枚数重ねた後接合する。

前記した如くして所定プライ数レイアップされたプリプ
レグを用いての成形は、第７図に示す如くプリプレグ１
２を離型剤の塗布されたアルミ箔１０を介して２枚のプ
レッシャープレート９にて挟持し、第１図に示すホット
プレス装置に装着し加熱加圧して行う。

尚１１はプレッシャープレート９の四周に配設されるプ
リプレグのはみ出しを防ぐためのピクチャーフレームで
ある。

成形条件は第８図に示す如くであり、先ず４００℃にな
るまで８ブライで５分程度の予熱時間で先ず予熱する。

尚予熱時間はｌ＋１／２Ｐ分（Ｐ・・・プライｒＩ１．
）程度とする。

この予熱に際して若干の圧力（７０ｐｓｉ程度）をかけ
るとガス抜き効果がある。

次いで圧力を２００ｐｓｉ程度として４００°Ｃ５分加
熱した後圧力はそのまま保持して２００℃程度に急冷し
、さらに圧力を３００ｐｓｉ程度として５分間保持し−
サイクルの成形を終わる。

（発明が解決しようとする課題） 前記した成形条件において成形体の温度を４００℃から
２００℃に急冷する際、この冷却速度によってＰＥＥＫ
の如き結晶性合成樹脂の場合は結晶化度が変化し、冷却
速度り月り℃／分以下と遅い場合には結晶化度が高くな
って靭性が低下し、一方冷却速度り００℃／分以上と急
冷すると結晶化度が低下して強度、剛性、耐薬品性等が
低下する。

したがって靭性、強度、耐薬品性等の物性値を使用目的
に応じて最適とするには、冷却速度をコントロールして
結晶化度を最適とする必要があるが、実際にはこれは極
めて難しい。

このため結晶化度をコントロールする方法として、先ず
極めて早い冷却速度で急冷し殆ど結晶化しない状態とし
た後、この成形品を２００〜３００℃で２００分程の再
加熱によるアニールをして最適の物性値の得られる結晶
化度とする方法が採られる。

しかしながら第６図に示した如き水冷却管７に冷却水を
通して加熱冷却板５を冷却して成形体を冷却する方法を
採った場合には、成形温度が４００℃と極めて高いこと
もあって冷却速度は極めて遅くなり結晶化度の低い成形
体を得ることは出来なかった。

したがって当然のことながら、アニールによる結晶化度
のコントロールは不可能で、せっかく特性のすぐれたＰ
ＥＥＫをベース樹脂として利用しても優れた特性のＦＲ
ＴＰ成形体を得ることは出来なかった。

本発明は、前記したような従来技術の課題を解決するた
め、ホットプレス成形法による成形において成形体を急
冷する効果的な方法を提供することを目的に創案された
ものである。

（課題を解決するための手段） すなわち本発明は、金型内に充填された繊維強化熱可塑
性樹脂を加熱ユニットにより加熱された加熱板から伝熱
される均熱板を介して加熱しつつ加圧成形し、成形作業
終了後直ちに前記均熱板に対し冷却ユニットから冷却媒
体を噴射し成形物を急冷することを特徴とし、加えて加
熱板から分離した冷却ユニットを成形作業的には加熱板
から離れた退避位置に冷却作業時には加熱板位置である
冷却作業位置に自動的に位置させ、一方加熱ユニットを
成形作業内には加熱板を加入する加熱作業位置に冷却作
業時には加熱板から離れた退避位置に自動的に位置させ
、冷却ユニットからの冷却媒体の噴射量は成形作業時の
均熱板の温度に応じて自動制御されることを特徴とする
繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形方法である。

（作用） 本発明の構成は前記したようなものであり、その作用は
次の通りである。

先ず、成形作業終了後直ちに均熱板に冷却媒体を噴射し
てこの冷却を行うと、従来の冷却管に冷却媒体を流通さ
せて冷却する場合に比べてはるかに冷却効率が高く急冷
が可能となり、したがってこの均熱板から熱伝導を受け
ている成形体も急冷され、結晶化度の低い成形体が容易
に得られることとなる。

次に、前記した均熱板を急冷するための冷却ユニットを
加熱板から分離し成形作業時には加熱板から離れた退避
位置に位置させると、成形作業時に冷却ユニットも加熱
されてしまうこともなくなり、冷却媒体の噴出が効果的
に行えて均熱板の冷却効率か高まり、同時に加熱板も冷
却ユニット分の体積が減少するので熱容量か小さくなり
、加熱板を加熱する際の熱効率が向上する。

また、冷却ユニットに加えて加熱ユニットをも加熱板か
ら分離し、冷却作業時には加熱板の加熱位置から離れた
退避位置に位置させると、冷却媒体が加熱ユニットに噴
射されてこれが損傷したりする問題が生ずることもなく
なる。

さらに、均熱板を冷却する冷却媒体の噴射量が成形温度
に応じて変化するので、ＰＥＥＫ樹脂のように成形温度
の高い樹脂を成形した場合でも、その成形温度に応じて
冷却媒体の噴射量か多くなって高い冷却速度で冷却する
ことが可能となる。

（実施例） 本発明の成形を行うための成形機について第１図及び第
２図にもとづいて説明する。

第１図に示すように、本発明の成形に利用する成形機は
、その加熱、冷却部を除いては従来のホットプレス装置
と同一であり、１３は型締用油圧シリンダ−１４は断熱
板、１５は加熱板、１７は均熱板、１６はプレッシャー
プレート、１８はプラテンであり、２枚のプレッシャー
プレー！・！７に挟持された成形材のプリプレグ１９が
、加熱された加圧板１５から伝熱された均熱板１６を介
して加熱されっつ型締用油圧シリンダ−１３によって加
圧されて成形されるものである。

前記した成形機の加熱冷却機構の詳細は第２図に示すよ
うなものであり、加熱板１５は凹溝が等間隔で形成され
ており、この凹溝に冷却作業時に冷却ユニットとしての
多数の噴射孔４２を有する冷媒噴射管ユニット２’ｌが
挿入される。

加熱板Ｉ５の凸部にはカートリッジヒーター２７を挿入
するための取付穴が設けられており、ここに挿入された
カートリッジヒーター２７によって加熱板１５が加熱さ
れるが、このカートリッジヒーター２７をユニット化す
れば加熱板Ｉ５に対して装着させたり、ここから離れた
退避位置に移動さけたりを自由に行わせることが可能と
なる。

また加熱板！５は溝部が設けられた分、体積か減少し熱
容量が小さくなっており、当然この加熱に要する熱量は
小さくなる。

加熱板１５はアルミニウム、銅等の熱伝導性の良い材料
にて形成され、この加熱板１５には銀、銅、アルミニウ
ム等の熱伝導性の良い金属、もしくはこれらのクラツド
材で形成された均熱板１６が固着されている。加熱板１
５に対して均熱板１６を配設するのは加熱板１５に溝が
設けられているので加熱板１５からプレッシャープレー
ト１７への伝熱を効果的に行わせるためである。

したがって、加熱板１５に与えられた熱は均熱板１６を
介してプレッシャープレート１７に挟持された成形材料
のプリプレグ１９を加熱することとなる。

加熱板１５の冷媒噴射管ユニット２１が挿入される溝部
には冷媒噴射管ユニット２１が所定位置迄挿入されたか
否かを検出するための位置確認手段としてのリミットス
イッチ２８が装着されている。

冷媒噴射管ユニット２１には、駆動手段としての油圧シ
リンダー２９の油圧シリンダーロッド２２が固着されて
おり、この油圧シリンダー２９の駆動によって、冷媒噴
射管ユニット２Ｉは加熱板１５の溝部に挿入されたり、
或は加熱板１５から離れた退避位置に移動されたりする
。

２６は、冷媒貯蔵用のタンクであり、このタンク２６内
には一般には冷媒としての水が貯蔵されており、ポンプ
２５によって供給管３０を経て冷媒噴射管ユニット２Ｉ
に送られる。

２４は、冷媒の供給量を増減するための流量調節装置、
２３は冷媒の供給を開始したり、或は停止したりするた
めのンヤットオフ弁装置、２０はプレッシャープレート
１７の温度を検知するための熱電対のような温度センサ
ーである。

前記したように構成される成形機を利用し、本発明の成
形作業を行う制御機構について第３図のシステムブロッ
クにもとづいて説明する。

３１は、成形用の型が所定の成形温度に達したか否か、
或は所定の冷却温度迄冷却されたか否かを検知するため
の型温度検知手段であり、実施例の成形機では、プレッ
シャープレート１７に装着された温度センサー２０がこ
れに相当する。

３２は、冷媒噴射管ユニット２１が加熱板１５の溝の所
定の位置迄挿入されたか否かを確認する定位置確認手段
であり、実施例の成形機では加熱板１５の溝部に装着さ
れたリミットスイッチ２８がこれに相当する。

３３は、中央演算処理をするための演算手段、３４は予
め制御プログラムが記憶されたＲＯＭ。

３５はデータを一時的に記憶するためのＲＡＭである。

３６は、型が所定の成形温度に達した後の保持時間を測
定するためのタイマー、３７は加熱ユニットを加熱板１
５に装着したり、或は加熱板１５から離れた退避位置に
移動させｔこすする加熱ユニット駆動手段、３８は冷媒
噴射管ユニッ）２１を加熱板１５の溝部に挿入したり、
或は加熱板１５から離れた退避位置に移動させたりする
噴射管駆動手段である。

噴射管駆動手段３日は実施例の成形機では、油圧シリン
ダー２９として示してあり、加熱ユニット駆動手段３７
としても同様の装置を利用する。

３９は、冷媒を冷媒噴射管ユニット２Ｉに供給するため
のポンプ２５を駆動するためのポンプ駆動手段、４０は
冷媒の供給量を調節する流量調節装置２４の調節弁を冷
媒供給量に応じて設定するための流量調節弁設定手段、
４１は冷媒の供給を開始したり、或は停止したりするシ
ャットオフ弁装置２３の弁の開閉を行うシャットオフ弁
開閉手段である。

次に、以上のように構成される制御機構により制御され
つつ行われる一連の本発明の成形作業について第４図の
流れ図にもとづいて説明する。

成形機に対して成形材料のプリプレグ１９が、プレッシ
ャープレートＩ７に挟持され油圧シリンダー１３によっ
て所定の圧力で加圧してセットされると、カートリッジ
ヒーター２７への通電によって加熱板！５が加熱される
。

勿論、この際には冷媒噴射管ユニット２１は、加熱板１
５の位置から離れた退避位置にある。

加熱板１５の加熱により均熱板１６を介してプレッシャ
ープレートＩ７が加熱されるので、第１ステツプとして
、プレッシャープレート１７か所定の成形温度に達した
か否かを、型温度検知手段３１としての温度センサー２
０で検知する。

プレッシャープレート１７が所定の成形温度に達したこ
とが検知されると、第２ステツプとしてタイマー３６が
作動し、所定の成形時間に達したか否かを測定する。

タイマー３６によって成形時間が所定の時間１′こ達し
たことか検知されると、第３ステツプとして加熱ユニッ
ト２７が加熱板１５から離れた退避位置迄加熱ユニット
駆動手段３７によって後退させられ、第４ステツプとし
て噴射管駆動°手段３８としての油圧シリンダー２９の
駆動により冷媒噴射管ユニット２１を加熱板１５の溝部
に挿入させるため前進させる。

尚加熱ユニット２７を特に加熱板１５から退避させる必
要か無い場合は、第３ステツプは省略される。

第５ステツプとしては、加熱板１５の溝部に挿入された
冷媒噴射管ユニット２１が、所定位置に達したか否かを
定位置確認手段３２とし、てのりミツトスイツチ２８に
よって確認される。

定位置確認手段３２により冷媒噴射管ユニット２１が定
位置迄前進したことが確認されると、第６ステツプとし
てポンプ駆動手段３９によってポンプ２５が駆動される
。

第７ステツプとして、流量調節弁装置２４の流量調節弁
が、型温度検知手段３Ｉとしての温度センサー２０で検
知されたプレッシャープレート１７の成形温度に応じて
、流量調節弁設定手段・４０によって設定される。

流量調節弁が成形温度に応じた所定の流量に設定される
と、第８ステツプとしてシャットオフ弁装置２３のシャ
ットオフ弁が、シャットオフ弁開閉手段４１によって開
かれる。

シャットオフ弁装置２３のシャットオフ弁が開かれると
、冷媒噴射管ユニット２！の噴射孔４２から冷媒として
の水の均熱板１６に対して噴射が開始され、均熱板Ｉ６
を介してプレッシャープレート１７の冷却が行われる。

第９ステツプとして、型温度検知手段３１としての温度
センサー２０によって、プレッシャープレートＩ７が所
定の温度迄冷却されたか否かが検知される。

プレッシャープレート１７が所定の冷却温度に達したこ
とが検知されると、第１Ｏステツプとしてシャットオフ
弁装置２３のシャットオフ弁かシャットオフ弁開閉手段
４１によって閉じられ、冷媒噴射管ユニット２１からの
均熱板Ｉ６に対する冷媒の噴射は停止される。

シャットオフ弁が閉じられ冷媒の噴射が停止されると、
第１１ステツプとして冷媒噴射管ユニット２１は、噴射
管駆動手段３８としての油圧シリンダー２９によって駆
動され、加熱板１５の溝部から離れ退避位置に後退する
。

冷媒噴射管ユニット２１が退避位置に後退すると、退避
位置にあった加熱ユニット２７が加熱ユニット駆動手段
３７によって駆動されて前進し、加熱板１５に装着され
次の成形に備えられる。

尚、第８図に示した如く、成形作業時には油圧シリンダ
ー１３による成形圧力ら成形温度及び冷却温度の型温度
と成形時間とによって制御されているが、この制御も型
温度検知手段３１としての温度センサー２０及びタイマ
ー３６によって行われる。

（効果） 本発明の構成及び作用は前記したようなものであり、そ
の効果を示すものとして、本発明と従来例との冷却速度
の比較を第５図に示す。

この図において、実線で示すａは温度１９．５℃の水を
約１６９．７分の噴射量で均熱板に噴射した本発明の実
施例、点線で示すｂは、加熱板に埋設された冷却管に１
７℃の水を１３９／分の通水量で通水した従来例のプレ
ッシャープレートの温度を測定して得た成形体の冷却カ
ーブが示されている。

この図から明らかな如く、本発明の実施例の冷却速度は
、４００℃−２００℃の間で７２７℃／分と従来例の１
９０℃／分よりもはるかに速く、成形温度が４００℃と
極めて高い場合でも急冷が可能であることを示している
。

本発明が従来例に比べてこのように速い冷却速度が得ら
れるのは、前記したように加熱板に溝を設けているので
熱容量が約１／３程度と少なくなっていること、冷却水
の通水量を３１／分多くできること、冷却が噴射水を利
用したものであるために水蒸気膜を除去した効率の高い
冷却方式であること等によるものである。

前記したような条件でＰＥＥＫ樹脂を成形し結晶化度を
測定したところ、成形体は殆ど結晶化されていないこと
が確認された。

したがってこの結晶化度の低い成形体を再度加熱してア
ニールすることにより適度の結晶化度とすることが容易
に行えた。

以上のように本発明は、ＰＥＥＫ樹脂のような成形温度
の高い結晶性熱可塑性樹脂をベースにした繊維強化熱可
塑性樹脂をも良好な品質状態で成形することのできる成
形法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の成形機を、第３図及び第４
図は本発明の制御機構を、第５図は本発明の効果を、第
６図及び第７図は従来例の成形機を、第８図はＰＥＥＫ
樹脂の成形条件を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）金型内に充填された繊維強化熱可塑性合成樹脂を
   加熱ユニットにより加熱された加熱板から伝熱される均
   熱板を介して加熱しつつ加圧成形し、成形作業終了後直
   ちに前記均熱板に対して冷却ユニットから冷却媒体を噴
   射し成形物を急冷することを特徴とする繊維強化熱可塑
   性合成樹脂の成形方法。
2. （２）加熱板から分離した冷却ユニットを成形作業時に
   位置する加熱板から離れた退避位置と冷却作業時に位置
   する加熱板位置である冷却作業位置とを自動的に往復動
   させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の繊
   維強化熱可塑性合成樹脂の成形方法。
3. （３）加熱板から分離した加熱ユニットを成形作業時に
   位置する加熱板の加熱位置である加熱作業位置と冷却作
   業時に位置する加熱板の加熱位置から離れた退避位置と
   を自動的に往復動させることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形方法。
4. （４）冷却ユニットからの冷却媒体の噴射量が成形作業
   時の均熱板温度に応じて自動的に制御されることを特徴
   とする繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形方法。