JPH04135828A - 成形加工方法 - 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） 本発明は繊維強化材料の成形加工に際し、生産性、品質
に優れた高音波成形加工方法に関する。

（従来の技術） 近年１強化繊維を各種マトリックス樹脂により結合して
なる繊維強化材成形品は、その優れた特性、例えは、高
強度、高剛性、低比重、高耐疲労性などを有しているこ
とから１幅広い用途か期待され工業的に重要な材料とし
て注目されている。

−ａに、これら強化繊維をマトリ・ノクス樹脂で結合し
た繊維強化材成形品を得る場合、強化繊維とマトリック
ス樹脂をあらかじめ混合しておいたプリプレグを中間成
形材料に使用して金型にセットして加熱融解固化させて
成形品をえることが、一般的に行われている。

しかしなから、プリプレグを金型にセットする際には、
一般的に金型は室温であり、金型から取り出す時にも室
温であるので、金型の昇温、冷却に無駄なエネルギーと
時間を要していた。

そこで、複合材料だけを選択的に加熱する試みがなされ
ている（例えば、特開平１−２１６７２０号公報）。

しかしながら、この方法によれば、既に溶融−体止した
複合材料の高音波照射源側の表面のみを賦形するような
単純な形を賦形することしか出来なかった （発明が解決しようとする課題） このように、複雑な形を短時間で効率良く成形する方法
はこれまで見出だされておらず、この開発が強く望まれ
ていた。

本発明は、かかる要望に対して、成形生産性に優れ、か
つ複雑な形を成形する方法の提供を目的として成された
ものである９本発明者は、あらがしめ強化繊維とマトリ
ックス樹脂を混合した柔軟性混合体に音波エネルギーを
照射して成形加工する研究を鋭意重ねた結果、本発明に
至った。

（課題を解決するための手段） 本発明は、あらかじめ強化繊維とマトリックス樹脂を混
合した柔軟性混合体に高音波加熱により加熱融解賦形成
形することを特徴とする成形加工方法である。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明においては、あらかじめ強化繊維とマトリ・・ｌ
クス樹脂を混合した柔軟性混合体が用いられる。高音波
エネルギーが気中して強化繊維が集中的に破断しないよ
うに、型にフイ・ソトしてエネルギーが分散するように
柔軟性のある混合体が用いられる。さらに強化繊維にあ
らかじめマトリックス樹脂を混合して高音波エネルギー
の加熱により溶融一体止する９本発明は、この様なあら
かじめ強化繊維とマトリックス強化繊維とマトリックス
樹脂を混合した柔軟性混合体について適用するものであ
る。

本発明でいう柔軟性とは、半径１ｍｍのコーナーを有す
る９０度の角度の壁に混合体を添わせた時、強化繊維が
破断しないような柔軟性をいう。

具体的には、強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂をａ−浸
させた混合体１強化繊維に粉末状の熱硬化性樹脂、熱可
塑性樹脂をまぶした混合体、強化繊維に繊維状の熱可塑
性樹脂を混合した混合体１強化繊維の単糸上にフィルム
状の熱可塑性樹脂を柔軟性を失わないようにコートした
混合体等が列挙できる。

好ましくは、強化繊維に繊維状の熱可塑性樹脂を混合し
た混合体が用いられる。更に好ましくは、強化長ｍ維を
一方向に引き揃えたシート、平織、朱子織などの織物状
シートに熱可塑性樹脂繊維を混合交絡させた混合体が用
いられる。特に好ましくは、一方向強化連続繊維混合体
（以下ＵＤ混合体と略する）は成形品に必要な方向の強
度、剛性を効果的に与えるので用いられる。

本発明でいう強化繊維とは、繊維強化材料に用いられる
すべての繊維をいうが１例えば、炭素繊維、ガラス繊維
、アラミド繊維、炭化ゲイ素繊維、ボロン繊維、金属繊
維、ポリベンゾチアゾール繊維、ポリベンゾオキサゾー
ル繊維、アルミナ繊維などの繊維が挙げられる 好ましくは、強度、弾性率が複合材にしたときに高くな
るので、！！撚の連続フィラメント等が使用される。

本発明では、更に、熱可塑性樹脂繊維を加熱溶融させる
工程においても実質的に熔融せず、冷却同化後も強化機
能を示す繊維であれば熱可塑性樹脂繊維を強化繊維とし
て用いることもできる９例えば、液晶性熱可塑性樹脂繊
維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリビニルアルコー
ル繊維等を挙けることかできる。更に、レーヨン繊維な
どのセルロース系繊維も用いられ得る。

更に、上記繊維の中に気相法炭素短繊維、チタン酸カリ
ウム短繊維等のウィスカーを含有、配列させ強化効果を
高めたものも用いることができる好ｔしくは、上記繊維
の中でも弾性率３０００ｋｇ　／　ｍ　ｍ　’以上の繊
維が用いられ、特に好酸しくは、弾性率５０００ｋｇ／
ｍｍ”以上で、かつ、強度が１００ｋｇ／′ｍｍ”以上
の機械的引っ張り強度を示すものか、良い。

特に好ましくは、炭素繊維、アラミド繊維、カラス繊維
が軽くて高強度であるということから用いられる。

これらの強化繊維が、加熱溶融時の含浸を容易にするた
め、柔軟性を失わないよう単繊維表面に、単繊維同士が
、融着しないよう熱可塑性樹脂でコーチインクされてい
ることは特に好ましい。

本発明でいうマトリックス樹脂のうち、熱可塑性樹脂と
は、例えば、ポリオレフィン類、熱可塑性ポリエステル
類、熱可塑性ポリアミド類、アクリル樹脂類、ポリオキ
シメチレン、ポリカーボネート、ポリフェニしンエーテ
ル、ポリスチレン類、ポリフェニレンサルファイド、ポ
リエーテル・工−テルゲトン、ポリエーテルゲトン、ポ
リエーテルイミド、ポリエーテルす！レフオン、ポリエ
ーテルニトリル、熱可塑性ポリアミドイミド、フッ素樹
脂類など−のポリで一類または、これらのコポリマー類
などの公知の熱可塑性樹脂を挙けることができる。これ
らはアロイになっていても良いし。

熱硬化性樹脂が物性を著しく損なわない形で混合して使
用されても良い。

本発明でいう熱硬化性樹脂とは、加熱により分子が架橋
、重合して硬化する樹脂をいう。

具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン
樹脂、−ユリア樹脂、ビスマレイミド樹脂、イミド樹脂
、ウレタン欄脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン
樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタし一ト樹脂、キシレン
樹脂等が挙けちれる。

そして、マトリ・ソクス樹脂の存在量は繊維強化材料を
１００容量％とすると、ボイド率か５９６以下になるた
めには少なくとも２０容量％以上か好ましく、特に好ま
しくはボイド率が１　％以下にするために３０容量％以
上存在することか良い。

更に、高強度、高弾性な繊維強化材料として用いられる
ためには、９５容量９６以下（強化繊維は５容量％以上
）てあり、７０容量％以丁（強化繊維は３０容量％以上
）か好ましく、５５容量％以下（強化繊維は４５容量？
６以上）は、高強度、高弾性率のものが得られるのでと
くに好ましい。

しかし、着色、粘着性、酸化防止、表面のみに樹脂をリ
ッチにさせて平滑性を上げる。含浸速度を上げる等の目
的のために、ＴＰフィルム、熱硬化性樹脂、既に強化繊
維の表面にコーｔ・された樹脂等のマトリックスを併用
する場合にはこの限りではない 本発明においては、剛性、流動性１着色、酸化防止、潤
滑性、層間接着強度、その他の性能を上げるために、無
機、有機フィラー、ウィスカー願料、可塑剤等を必要に
応じて１種以上を含有させても良い。

特に強化繊維と直角方向の強度、弾性率を強化するため
に、気相法炭素短繊維、チタン酸カリウムウィスカー、
炭化珪素ウィスカー等のウィスカーを含有させたものは
好ましい。

本発明でいう、混合とは、強化繊維とマトリ・ソクス樹
脂と立体的に混合した状態である。好ましくは、強化繊
維の中にマトリックス樹脂が大部分か侵入する形で混合
していることである。

本発明でいう高音波加熱とは、振動数か１００Ｈｚ以上
の周波数を持った機械的振動エネルギーを照射して物体
を加熱する方法である。振動数が１００Ｈｚ未満の音波
であれは、振動を４蔽することか困難になり、工業的な
手段としては、不適当である。好ましくは、遮蔽が容易
で、騒音として感しにくい１０ｋＨｚ以上の周波数を持
つ超音波が良い。

高出力の高音波をあらかじめ強化繊維とでトリ・ノクス
樹脂を混合した柔軟性混合体に照射することにより、混
合体が選択的に加熱され、短時間に加熱溶融させること
ができるものである。

またさらに、予想外の効果として、振動エネルギーを照
射することにより、強化繊維とマトリックス樹脂の混合
物の流動性が著しく高くなり、複雑な形状の空間に流動
することができるようになり、その結果？！雑な形の成
形品を容易に得ることができるようになった。

またさらに、一般に繊維強化材料は、熱膨張率が小さく
、高温で融解固化して、冷却して取り出すときに、型材
の収縮率が高く、その結果、成形品がメス型に圧着され
て非常に取り出しにくい現象があるが、本発明によれば
、繊維強化材料のみが選択的に加熱されるので、型の寸
法再現性お上び、型からの脱型が非常に容易になること
か判りた。

本発明では、高音波照射源面の対抗面の型材として熱伝
導率が５Ｋｃａｌ／’ｍ・ｈ・ｄｅｇ以下の材料を使用
することか好ましい、照射源面の側においては、エネル
ギーが繊維強化材料に充分に供給され溶融一体止するが
、対抗面においては、熱が放散され、溶融か不十分にな
るためである。

勿論のことであるか、対抗面の型材にも直接高音波エネ
ルギーを注入する場合にはこの限りではない。

具体的には、セラミックス、高耐熱性樹脂等が使用され
る。

さらに、好ましくは、熱伝導率がＩＫｃａｌ、・ｍ　ｈ
・ｄｅｇ以下の物質を介在させても良い。

具体的には空気を介在させた金属箔、ポリマーフィルム
、コーティングされたポリマーフィルム、ポリマー粉末
等があ番すられる。これらは、成形品の脱型時に付着す
るケースがあり、このことを予期した物質を選択するこ
とが好ましい。

そし、てこのケースで好ましい方法としては、金属にテ
フロン樹脂をコーティングしたものが、成形品との脱型
が容易で、型が暖まり過ぎた場合の冷却を速度調整する
ことが容易なので挙けられる。

またさらに別の手段として、あらかじめ対抗面に該当す
る型の表面を、赤外線加熱、高周波誘導加熱、火炎照射
加熱等の手段により、温度を上げることにより溶融一体
止した成形品を得ることかできる。

（作用） 以上説明したように、柔軟性のある混合体を用いる事に
より、高音波エネルギーを効率良く繊維強化材料に照射
でき、音波エネルギーを用いることにより繊維強化材料
を選択的に加熱することが容易にできるようになる。更
に、繊維と流動性樹脂の混合物に機械的振動を付与する
ことにより著しく流動性を高める事ができる。また更に
１選択的に繊維強化材料を加熱することができ、型がほ
とんど熱膨張しないので、成形品をメス型から容易に取
り出せ、型の室温における寸法再現性に優れた成形加工
方法を提供するものである。

（実施例） 以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。但
し、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるもの
ではない。

実施例１ ナイロン６．６重合体（旭化成工業株式会社製しオナ重
合体）を溶融紡糸して、７７０子ニール、／’　７７０
フイラメントのマルチフィラメントを得た。このマルチ
フィラメントを多数本累めて、小野打製作所製り型ギロ
チン武力・Ｉターにて、５ｍｍの長さに切断して、ナイ
ロン樹脂短繊維を得た。

次いで、この短繊維を水に投入し、目付６４ｇ／ｍ２の
抄造シートをえた。

次ぎに、ＰＡＮ系炭素炭素繊維旭化成カーホンファイバ
ー株式会社製、ハイカーボロン６Ｋｆ糸単繊維数６００
０本、３６００デニール、引っ張り強度＋　４００　ｋ
　ｇ／ｍｍ２、引っ張り弾性率；２３ｔｏｎ、／ｍｍ２
、直径ニアμ）の強化長繊維束を３′７５本引き揃えて
、目付３００　ｇ、／　ｍ　”になるように、５０ｃｍ
の幅にすきまなくならべたノートを上記の抄造シートの
上に置いた。ついで最初に作った抄造シートと同し様に
してこのシートの上に、目付６４ｇ／ｍ２のシートを作
成してサンドイッチ状にした。

次いでこのウェブに高圧水を当てて処理すると、ナイロ
ン樹脂繊維が強化長繊維束に埋め込まれ、ナイロン樹脂
繊維同志および強化長繊維に絡まって一体となった柔軟
性があり、シート状の強化長繊維束と熱可塑性重合体繊
維が混合されて一体となっていることを特徴とする柔軟
性混合体が得られた。（詳細は特願昭６３−３１．５０
９１の実施例１に記載） このあらかじめ強化繊維とマトリックス樹脂を混合した
この柔軟性混合体は、半径１ｍｍの丸みをもつ９０度の
コーナーに添わせたところ、充分に柔軟であり１強化繊
維の破断もなく容易にフィ、ソトしな、ついでこの混合
体を５　ｃ　ｒｎ　Ｘ　５　ｃ　ｍに切断して５　ｃ　
ｍ　’＜　５　ｃ　ｍの広さで、深さ１ｃｍの箱型の形
状であり、その中央部に半径１ｃｍの半球か１叉だ形の
メス型にセットした。なおこのメス型は、５ＬＩＳ３０
４のステンレス製で、テフロン樹脂をコーティングした
ものであった。なおテフロン樹脂の熱伝導率は、０．２
２Ｋｃａ　ｌ、’ｍ、ｈ・ｄｅｇてあった・ 次に、４８　ｍ　ｍ　＞、４８ｍｍの大きさで、中央部
に半径８　ｍ　ｍの半球か飛ひ出した形状で高さ９ｍｍ
の所から５０ｍｍＸ５０ｍの太さになるオス型を超音波
溶着機（超音波工業（株〉製：型式％式％ け、５　ｋ　ｇ　、／”　ｃ　ｍ　２の加圧下で１５ｋ
Ｈｚの振動数の高音波を、３．６ｋＷの出力で２０秒間
照射し、その後加圧下で３０秒間医圧冷却した。

そして、オス型を引き抜いたところ、オス型に高さ１ｃ
ｍの箱型の成形品か付着してきたが、容易に成形品を収
り外す事かて′きた９さらにこの成形品を詳細に観察し
たか、均−乙こ溶融した成形品であることが判った。さ
らに、この箱型の寸法を室温で測定したら、５ｃｍＸ５
ｃｍ’＜１ｃｍの値を正確に示し、室温における金型の
寸法再現性にすぐれていることか判った。

比較例１ 実施例１において、高音波加熱するかわりに、金型全仕
分ヒーターで加熱して冷却固化させて成形することを試
みた。室温であらかじめ強化繊維とマトリ・ノクス樹脂
を混合した柔軟性混合体をセットして、１０ｋｗの出力
のヒーターで加熱されたホットプレスにセットして、３
００°Ｃになるまで’５　ｋ　ｇ、／’ｃ　ｍ　’の圧
力で圧着させなから昇温させな。なお、樹脂が空気によ
り酸化されないように窒素でパージしなから行った。こ
の時の所要時間は１５分であり、さらに３分溶融含浸賦
形させたのち、冷却プレスに金型を移動させて、室温に
冷却させたところ、２０分を要した１次いてオス型を引
き抜き、成形品を取り出そうとしたか、メス型に強固に
固着していることか判った。そこで。

メス型の底のほうから押し出しピンを用いて、成形品を
取り出そうとしたが、強固に固着しており、無理に押し
たため、ビンのあたる部分が一部分破壊されたものしか
取り出せなかった。さらにこの成形品は、溶融混合物か
充分に流動出来なかったためか、高さ１ｃｍの縁に溶融
混合物が充分に充填されておらず、わずかに５ｍｍの高
さにしか成形されていなかった。そして、室温における
寸法を測定したところ、底面の大きさが５０．２ｍｍＸ
５０．２ｍｍの大きさになっており、実用の成形品の寸
法を再現するにはこの数値を見込んだ金型の寸法にしな
ければならないことが判った。

比較例２ 炭素繊維を平行に並べ、その上下に、ナイロン６．６の
シートを挟み、ホットプレスにより、溶融合浸させて冷
却して硬いプリプレグを作った。

（炭素繊維、樹脂は全く同じ種類のものを使用し、単位
面積当たりの重量も、４２８　ｇ　／　ｍ　２に揃えた
。）この硬いプリプレグをあらかじめ強化繊維とマトリ
ックス樹脂を混合した柔軟性混合体の替わりに、使用し
てあとは実施例１と同様にして成形しようとしたところ
、中央部の半球状の突起が割れる音がしたので、取り外
してみたら、中央部部分の強化繊維が破断しているのが
観察された。

そこで、破断しないように、圧力を小さくして、高音波
を照射したが、エネルギーがプリプレグに伝達されず、
加熱されないことが判った。なお、この硬いプリプレグ
は、半径１ｍｍの丸みを持つ９０度のコーナーに、無理
に添わせようとしたら、強化繊維が破断した。

実施例２ 実施例１において、Ｓ　Ｕ　Ｓ　３０４の替わりに、マ
シーナブルセラミックス（三井鉱山（株）製；マセライ
ト）を使用してメス型を作成した。なおこのセラミック
スの熱伝導率は、１．８Ｋｃａ１７′ｍ　ｈ　ｄｅｇて
あった。この型はテフロン樹脂をコーティングしなかっ
たが、実施例１と同様にして成形加工すると、全く同じ
様に成形てきることが判った。

比較例３ 実施例１において、テフロン樹脂をコーティングしない
で５ＬＩ３３０４をそのままむき出しにして使用し、あ
とは、実施例１と同様にして成形加工を行った。成形品
の底を観察しなら、メス型に接している面は、真っ白に
なっており、顕微鏡で断面を観察したらボイドが多量に
生成していることか判った。なおＳ　ＬＩ　５３０４の
熱伝導率は、１３．０Ｋｃａ１７ｍ・ｈ−ｄｅｇであっ
た。

実施例３ 比較例３において、あらかじめ強化繊維とマトリックス
樹脂を混合した柔軟性混合体をセットする前に、メス型
をあらかじめ、赤外線加熱ヒーター（真空理工（株）製
；ゴールドイメージ炉）で表面を加熱しておき、ついで
実施例１と同様にして成形加工をおこなったところ、ボ
イドのない均一な成形品が得られた。

（発明の効果） 本発明の成形加工方法によれば、単純な形状の柔軟性混
合体から複雑な形状の成形品を短時間に、しかも型から
簡単に取り出せ、型の形状を再現して生産でき、工業的
価値の高い技術を提供するものである。

特許出願人　　　旭化成工零株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）あらかじめ強化繊維とマトリックス樹脂を混合し
   た柔軟性混合体を、高音波加熱により加熱融解賦形成形
   することを特徴とする成形加工方法
2. （２）型材が主に高音波照射源面と対抗面からなり、該
   対抗面型材の熱伝導率が５（Ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・ｄｅｇ
   ）以下の物質で構成することを特徴とする第一項記載の
   成形加工方法
3. （３）高音波照射源面の対抗面の型材をあらかじめ予熱
   してから高音波加熱加工することを特徴とする第一項お
   よび第二項記載の成形加工方法