JPH04259515A - 構造体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽量で機械的強度に優
れた建築資材、機械部品、バンパーバックアップビーム
、ドアービーム、シートシェル等の自動車部品等の各種
分野で利用可能な繊維強化熱可塑性プラスチック（以下
ＦＲＴＰと略す）構造体に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】熱可塑性樹脂と連続繊維補強
材を用いて製造された成形材料を、その熱可塑性樹脂の
溶融温度以上に加熱して流動性を付与した後、溶融温度
以下に保温した金型内に投入した後直ちに金型を閉じ冷
却と賦形を同時に行いＦＲＴＰを製造する技術がいわゆ
るスタンピング成形法として知られている。

【０００３】この様な材料を使用したスタンピング成形
では樹脂の流動に従って補強繊維の配列が乱れ強度むら
が発生したり、樹脂の流動に繊維が追従せずに補強繊維
の存在しない部分が発生したりする。この様な場合、そ
の部分の強度が弱くなり、破壊し易くなり構造材料とし
て使用する場合の問題点の一つにあげられている。

【０００４】この様な欠点を補う為に、そのような部分
の板厚を増したりすることが行われる。しかしながらこ
の様な、部分的な補強では使用する材料の量に比べ強度
向上効果は大きくない。プラスチックの強度を向上させ
る別の手法としては、リブ構造を活用する設計上のやり
方がある。ところが上述したスタンピング用の成形材料
はリブの先端まで充填するほど流動性が無いのでこの様
な設計上の技法が使用できない。

【０００５】本発明は、上記問題に鑑み成されたもので
、その目的は、スタンピング成形で繊維含有量の少なく
て強度の弱い部分の強度を補い強度のムラが少ない信頼
性のあるＦＲＴＰ構造体を提供することにある。

【０００６】

【問題を解決するための手段】上記目的達成のため本発
明に係るＦＲＴＰ構造体は、次のような構成をとること
に特徴を有する。

【０００７】即ち、本発明は繊維強化プラスチック構造
体において、強度特性に優れた補強体と、流動性に優れ
た熱可塑性成形材料を組み合わせたことを特徴とする構
造体であり、具体的には、熱可塑性樹脂と繊維状補強材
を用いて製造された成形材料を用いて成形され任意の形
状を有する成形体において、一方向に配列してなる繊維
又は織布に熱可塑性樹脂を含浸してなるシート状薄板又
はこれらのシート状薄板を積層した積層体からなる補強
体と、流動性に優れた熱可塑性成形材料とを組み合わせ
たことを特徴とする繊維強化プラスチック構造体である
。

【０００８】本発明の好ましい実施態様は、■補強体が
一方向に引き揃えて配列した繊維または織布に熱可塑性
樹脂を含浸させた繊維含有率３０〜９０重量％のシート
状薄板、又はこのシート状薄板を用いて得られた積層板
であること、■熱可塑性成形材料が長さ０．１〜１００
ｍｍの繊維状補強材を１０〜８０重量％含有している熱
可塑性樹脂であること、又は■使用する補強繊維に樹脂
との密着性を向上させるために、その繊維の表面が使用
する熱可塑性樹脂に対応した処理剤で表面処理されてい
ること、を各々特徴とする。

【０００９】

【発明の詳細な開示】本発明の構造体は、各種機械の構
造に用いられるものであり、鋼材でいえば、等辺山形鋼
、工字鋼、溝形鋼、Ｈ形鋼の様な断面形状を持ったもの
を想定している。

【００１０】一方向に配列した繊維または織布に熱可塑
性樹脂を含浸させたシート上薄板に用いられる熱可塑性
樹脂としては、例えばポリスチレン、ポリプロピレン、
ポリエチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂（ポ
リアクリロニトリル・ポリスチレン・ポリアクリル酸エ
ステル）、ポリメチルメタクリレートナイロン、ポリア
セタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレ
ート、ポリフェニレンオキシド、フッ素樹脂、ポリフェ
ニレンスルフィドポリスルフォン、ポリエーテルサルフ
ォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケト
ン、ポリイミド、ポリアリレート等がある。

【００１１】一方向に配列した繊維または織布に熱可塑
性樹脂を含浸させたシート状薄板に用いられる繊維とし
ては、例えばガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維
、炭化ケイ素繊維等が代表的なものである。

【００１２】一方向に配列した繊維に熱可塑性樹脂を含
浸してなるシート状薄板は、通常太さ３〜２５μｍのモ
ノフィラメントを２００〜１２０００本集束したヤーン
もしくはロービングを、所定本数一方向に並べたものに
熱可塑性樹脂を含浸させたものを用いる。

【００１３】織布状繊維に熱可塑性樹脂を含浸してなる
シート状薄板は、太さ３〜２５μｍのモノフィラメント
を２００〜１２０００本集束した織布用のヤーンを、織
布幅２５ｍｍ当り５〜８０本打ち込んで織った織布状繊
維に熱可塑性樹脂を含浸させたものを用いる。織布状繊
維の織り方は平織り、朱子織り、バイアス織り及び綾織
りなどがあり、いずれのものも使用することが出来る。

【００１４】シート状薄板の繊維として使用するガラス
繊維は、シラン系、チタネート系、ジルコニウム系のカ
ップリング剤で処理し、樹脂との密着性を向上させたも
のを用いる。

【００１５】ガラス繊維の場合のカップリング剤は、組
み合わせる樹脂に応じて最適なものを選ぶ必要があり以
下その具体例を列挙する。

【００１６】ナイロン樹脂であれば、γ−アミノプロピ
ル−トリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−
γ−アミノプロピル−トリメトキシシラン等を使用する
。

【００１７】ポリカーボネート樹脂であれば、γ−アミ
ノプロピル−トリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエ
チル）−γ−アミノプロピル−トリメトキシシラン等を
使用する。

【００１８】ポリエチレンテレフタレートまたは、ポリ
ブチレンテレフタレート、であれば、β−（３，４−エ
ポキシシクロヘキシル）エチル−トリメトキシシラン、
γ−グリシドキシ−プロピルトリメトキシシラン、γ−
アミノプロピル−トリメトキシシラン等を使用する。

【００１９】ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチ
レン、ＡＳ樹脂またはＡＢＳ樹脂であれば、ビニルトリ
メトキシシラン、ビニル−トリス−（２−メトキシエト
キシ）シラン、γ−メタクリロキシ−プロピルトリメト
キシシラン等を使用する。

【００２０】ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレン
スルフィド、ポリスルフォン、ポリエーテルサルフォン
、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、
ポリイミド、ポリアリレート、フッ素樹脂であれば、上
述したカップリング剤も当然使用出来るが、その外に、
Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチル
ジメトキシシラン、γ−クロロプロピルメチルジメトキ
シシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン
、ｐ−アミノフェニルトリエトキシシラン等を使用でき
る。

【００２１】ガラス繊維以外の場合は、アミン硬化型の
エポキシ樹脂をカップリング剤として処理する場合が多
く、その具体例としてはビスフェノール−Ａ−エピクロ
ルヒドリン樹脂、エポキシノボラック樹脂、脂環式エポ
キシ樹脂、脂肪族エポキシ樹脂、グリシジルエステル型
樹脂を使用することが出来る。

【００２２】カップリング剤を繊維表面に施す方法は以
下の通りである。

【００２３】即ち、集束剤を除去した繊維に、カップリ
ング剤を０．１〜３重量％溶解した液を、浸漬、噴霧、
塗布等の手段により完全に含浸させる。

【００２４】このカップリング剤溶液を含んだ繊維を６
０〜１２０℃で乾燥し、カップリング剤を繊維表面に反
応させる。乾燥時間は溶媒が揮散してしまう時間で充分
で１５〜２０分位である。

【００２５】カップリング剤を溶解する溶媒は、使用す
る表面処理剤に応じて、ｐＨ２．０〜１２．０位に調整
した水を用いる場合と、エタノール、トルエン、アセト
ン、キシレン等の有機溶剤を単独で、或は混合して使用
する場合とがある。

【００２６】熱可塑性樹脂を一方向に引き揃えた補強繊
維または、織布状補強繊維に含浸させて薄板とする方法
としては種々の手段があるが、最も一般的な方法は以下
の通りである。

【００２７】１つは、溶剤に可溶な樹脂であれば、その
樹脂を溶液化して補強繊維に含浸させ、その後脱泡しな
がら溶媒を除去し、薄板とする方法である。

【００２８】更に１つは、樹脂を加熱溶融して補強繊維
に含浸し、脱泡し、冷却して薄板とする方法である。

【００２９】この様にして製造した薄板は、繊維と熱可
塑性樹脂の密着性に優れており、繊維含有率も３０〜９
０％と要求に応じて変えることができ、厚みも０．１〜
１．０ｍｍと薄く製造することが出来るが、ガラス含有
率は５０〜９０％で、厚さ０．１〜０．６ｍｍである。

【００３０】本発明に使用する成形材料の熱可塑性樹脂
としては例えばポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエ
チレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂（ポリアク
リロニトリル・ポリスチレン・ポリアクリル酸エステル
）、ポリメチルメタクリレートナイロン、ポリアセター
ル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、
ポリフェニレンオキシド、フッ素樹脂、ポリフェニレン
スルフィド、ポリスルフォンポリエーテルサルフォン、
ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポ
リイミド、ポリアリレート等がある。

【００３１】本発明に使用する成形材料の繊維状補強体
としては、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、
炭化ケイ素繊維等が代表的なものである。繊維状補強体
の形態としては、長繊維を３〜１００ｍｍに切断したチ
ョップドストランド状のものが一般的である。これらの
繊維に組み合わせる樹脂に応じた表面処理を行うが、そ
の方法は一方向に配列してなる薄板の製造の所で前述し
たのと同様な方法で行うことが出来る。

【００３２】熱可塑性樹脂と繊維状補強体とを一体化し
て成形材料にする方法は、以下の通りである。１つは、
長さ３〜６ｍｍに切断したチョップドストランドと熱可
塑性樹脂を所定の比率に混合分散させた後、押出機によ
り混練しながら円柱状、あるいは板状に押し出して成形
材料とするものである。この様にして製造した成形材料
はガラス含有率は１０〜７０重量％で円柱状であればそ
の直径は２〜５０ｍｍ、板状であれば厚みは１〜５０ｍ
ｍ程度である。別の方法としては、一方向に引き揃えて
配列した繊維に熱可塑性樹脂を所定量含浸させたシート
状薄板を繊維と直角方向に巾２〜１０ｍｍに裂いたテー
プ状材料を長さ３〜１００ｍｍに切断したものか、一方
向に引き揃えて配列した繊維に熱可塑性樹脂を所定量含
浸させた棒状材料を繊維と方向に長さ巾２〜１００ｍｍ
に切断したものを平面状に均一に分散させた後、熱可塑
性樹脂が溶融する温度に加熱した金型もしくは炉に投入
して板状に賦形して成形材料とするものである。この様
にして作成した成形材料のガラス含有率は１０〜９０％
で厚みは１〜２０ｍｍである。

【００３３】成形材料を金型で成形して製品とする場合
、製品の重量は、金型間の空間により規制されるし、金
型の表面積と成形材料の流動性の関係から投入する成形
材料の面積の最小値も規制されるので、成形材料を成形
する際に、金型内に投入する重量と成形材料の面積のバ
ランスを考慮しなければならない。成形材料の厚みが厚
くなればなるほど、面積は小さくなり、金型に充填しな
くなる可能性が高くなるので、板状成形材料の場合厚み
は、３０ｍｍ以下が、円柱状材料の場合直径５０ｍｍ以
下が望ましい。また、成形材料の流動性を妨げないこと
からガラス繊維含有率は５０重量％以下が望ましい。 次に、上述の様にして得られた、シート状薄板またはそ
の積層体からなる補強体と、熱可塑性樹脂と繊維状補強
体からなる成形材料を同時に成形する。

【００３４】その成形法としては、前記積層体をオーブ
ン中でその流動可能温度以上に加熱した後、その積層体
を、その樹脂のガラス転移温度が３０℃以上のものであ
れば少なくともそのガラス転移温度以下に加熱されたプ
レス金型中に投入し、樹脂のガラス転移温度が３０℃未
満であれば常温のプレス金型中に投入し、金型を短時間
で圧締し賦形、脱泡及び冷却を同時に行う、いわゆるス
タンピング成形を用いることが出来る。

【００３５】その他の成形法としては、積層体をプレス
に装着した金型中で樹脂の流動可能温度以上に加熱しな
がら、成形物表面積１ｃｍ２　当り１〜３００ｋｇ／ｃ
ｍ２　の圧力で、１０秒〜６０分間加圧し、樹脂のガラ
ス転移温度以下に冷却してから脱型する、いわゆるプレ
ス成形法、あるいは、真空下で樹脂流動可能温度以上に
加熱した後、２０ｋｇ／ｃｍ２　以下の圧力で賦形、脱
泡後、ガラス転移温度以下に冷却してから脱型する、い
わゆるオートクレーブ成形法などを用いることが出来る
。

【００３６】樹脂の流動可能温度としては、例えばポリ
スチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＡＳ樹脂、
ＡＢＳ樹脂、ＡＳＡ樹脂（ポリアクリロニトリル・ポリ
スチレン・ポリアクリル酸エステル）、ポリメチルメタ
クリレートナイロン、ポリアセタールであれば２１０℃
、ポリエチレンテレフタレート、フッ素樹脂であれば２
３０℃、ポリフェニレンオキシドであれば２５０℃、ポ
リカーボネートであれば２７０℃、ポリフェニレンスル
フィド、ポリスルフォンであれば３２０℃、ポリエーテ
ルサルフォンであれば３６０℃、ポリエーテルエーテル
ケトンであれば３９０℃、ポリイミド、ポリアリレート
であれば３９０℃である。

【００３７】成形材料と補強体を一体化する組み合わせ
方としては、■補強体を成形材料の表面、裏面のいずれ
か一方もしくは両方に配置させる場合と■補強体を成形
材料の間に挟んで成形材料の中心部分に配置させる方法
とが考えられるが、材料力学的見地からは、高強度の材
料を表面に配置させることにより飛躍的に物性を向上さ
せることが可能であることが認められており、本発明で
も■の補強体を成形材料の表面に配置させることにより
一体化を行うことが好ましい。

【００３８】

【実施例】以下本発明を実施例及び比較例により更に詳
細に説明する。

【００３９】本発明の実施例に使用する一方向に配列し
た繊維を用いたシート状薄板は表面処理剤を処理した、
単繊維を集束したヤーンを、ヤーン１本当たり１Ｋｇの
張力をかけて、１００本を引き揃えて巾は２００ｍｍの
シートとして引っ張りながら、特開昭６１−２２９５３
５号に記載されている様に、熱可塑性樹脂に接触させて
、熱ロールで樹脂で樹脂をしごきながら含浸し製造した
。

【００４０】また、織布を使用したシート状薄板は１０
０本を引き揃えたヤーンのかわりに、巾は２００ｍｍの
織布を１００Ｋｇの張力で引っぱりながら、前述したの
と同様の方法で製造した。

【００４１】薄板に使用した、マトリックス樹脂、表面
処理剤、繊維及び繊維の含有率を表１に示す。

【００４２】実施例および比較例で使用する金型から得
られるＣ型チャンネル成形品の形状を図１に示した。

【００４３】また、以下の実施例及び比較例に使用する
熱可塑性樹脂と繊維状補強体から成る成形材料は、表２
に示した熱可塑性樹脂と繊維状補強体の組み合わせのも
のを使用した。

【００４４】成形材料１〜４は以下に記述する方法で調
整した。

【００４５】即ち、本発明の実施例の冒頭で前述したよ
うにして製造した一方向に配列した繊維を用いたシート
状薄板を巾５ｍｍで繊維方向に裂いてテープ状とし、こ
のテープを所定の長さに切断し、この切断された短冊状
材料を平面上に均一の厚さに分散させた後２７０℃に加
熱した長さ１０００ｍｍ巾１００ｍｍの彫り込み金型中
に投入して、金型を締めて４０ｋｇ／ｃｍ２　の成形圧
力で１０分間加圧した後８０℃以下に冷却した後金型か
ら脱型して長さ１０００ｍｍ巾１００ｍｍ厚さ２０ｍｍ
の成形材料を得た。

【００４６】成形材料５はγ−アミノプロピルトリメト
キシシランを０．３重量処理したガラス繊維を長さ３ｍ
ｍに切断したもの３０重量部と、樹脂７０重量部をミキ
サーで混合した後、押出機の先に取り付けた巾１００ｍ
ｍ厚み２０ｍｍのシート形成型を通して押し出して金型
上に供給した。この成形材料の繊維長さは材料の一部を
焼却して樹脂除いた後、得られた繊維の長さを計測して
その平均を繊維とした。

【００４７】成形材料６は、宇部日東化成株式会社から
「アズデル」の商品名で販売されているものを使用した
。「アズデル」に使用されている熱可塑性樹脂はポリプ
ロピレンであり、ガラス繊維含有率は、４０ｗｔ％であ
る。

【００４８】実施例１ 薄板Ａを長さ１０００ｍｍに１２枚切断し、これを積み
重ねて巾２００ｍｍ長さ１０００ｍｍの積層体とした。 この積層体を温度２００℃に加熱した長さ１０００ｍｍ
巾２０５ｍｍの彫り込み型内に投入し、型締めをし４０
トンの圧力で１０分間加圧した後８０℃まで冷却後脱型
し、厚さ２．２ｍｍの補強体を得た。この積層板の上に
成形材料−１をそれぞれの縦及び横の中心線が一致する
ように重ねスタンピング成形の材料とした。

【００４９】スタンピング成形は以下の手順で行い構造
体を得た。すなわち、温度２００℃に保った予熱装置中
でスタンピング成形材料を７分間加熱後取り出し、６０
℃に保温された図１に示した形状の構造体が成形出来る
金型中に成形材料がリブ側になるように投入し、１０秒
以内に金型を閉じ、６０秒間４００トンの圧力で加圧後
脱型した。この構造体を表３に示した条件で両端固定の
３点曲げ試験を行い破断荷重を求めた。

【００５０】破断荷重及びリブへの充填状態の観察結果
を表４に示した。

【００５１】実施例２ 薄板Ａを長さ１０００ｍｍに１２枚切断し、これを積み
重ねて巾２００ｍｍ長さ１０００ｍｍの補強体とし、金
型に投入して積層板としない以外は実施例１と同様に構
造体をスタンピング成形により得た。実施例１と同様に
曲げ試験を行い破断荷重及びリブへの充填状態の観察結
果を表４に示した。

【００５２】実施例３ 薄板Ａの代わりに薄板Ｂを使う以外は実施例１と同様に
して構造体を得た。実施例１と同様に曲げ試験を行い破
断荷重及びリブへの充填状態の観察結果を表４に示した
。

【００５３】実施例４ 薄板Ａの代わりに薄板Ｃ、成形材料１の代わりに成形材
料２を使う以外は実施例１と同様にして構造体を得た。 実施例１と同様に曲げ試験を行い破断荷重及びリブへの
充填状態の観察結果を表４に示した。

【００５４】実施例５ 薄板Ａの代わりに薄板Ｄ、成形材料１の代わりに成形材
料３を使う以外は実施例１と同様にして構造体を得た。 実施例１と同様に曲げ試験を行い破断荷重及びリブへの
充填状態の観察結果を表４に示した。

【００５５】実施例６ 薄板Ａの代わりに薄板Ｅ、成形材料１の代わりに成形材
料４を使う以外は実施例１と同様にして構造体を得た。 実施例１と同様に曲げ試験を行い破断荷重及びリブへの
充填状態の観察結果を表４に示した。

【００５６】実施例７ 薄板Ａを実施例１と同様な方法で積層板とし、温度２０
０℃に保った予熱装置中で３分間予熱する。成形材料５
を押出機の先に取り付けた巾１００ｍｍ厚み２０ｍｍの
シート形成型を通して押し出して６０℃に加熱した構造
体金型上に供給し、直ちに予熱した薄板を成形材料５の
上に移動し、実施例１と同様な条件でスタンピング成形
を行い、構造体を得た。実施例１と同様に曲げ試験を行
い破断荷重及びリブへの充填状態の観察結果を表４に示
した。

【００５７】比較例１ 成形材料６を長さ１０００ｍｍ巾１５０ｍｍに２枚切断
し、これを重ね合わせて２００℃の予熱装置中で１０分
間加熱後、６０℃に保温され構造体が成形出来る金型中
に成形材料６を投入し、１０秒以内に金型を閉じ、６０
秒間４００トンの圧力で加圧後脱型した。

【００５８】実施例１と同様に曲げ試験を行い破断荷重
及リブへの充填状態の観察結果を表４に示した。

【００５９】

【表１】

【００６０】

【表２】

【００６１】

【表３】

【００６２】

【表４】

【００６３】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれば
高強度のＦＲＴＰを構造体を成形することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例および比較例で成形した構造体成形品の
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。

【符号の説明】

１　　　　補強材料薄板 ２　　　　成形材料 ３　　　　薄板の繊維配列方向 １１　　構造体 １２　　補強用リブ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維強化プラスチック構造体において、強
   度特性に優れた補強体と、流動性に優れた熱可塑性成形
   材料を組み合わせたことを特徴とする構造体。
2. 【請求項２】補強体が一方向に引き揃えて配列した繊維
   または織布に熱可塑性樹脂を含浸させた繊維含有率３０
   〜９０重量％のシート状薄板、又はこのシート状薄板を
   用いて得られた積層板であることを特徴とする請求項１
   記載の構造体。
3. 【請求項３】熱可塑性成形材料が長さ０．１〜１００ｍ
   ｍの繊維状補強材を１０〜８０重量％含有している熱可
   塑性樹脂であることを特徴とする請求項１又は２記載の
   構造体。
4. 【請求項４】請求項１、２又は３記載の構造体において
   使用する補強繊維に樹脂との密着性を向上させるために
   、その繊維の表面が使用する熱可塑性樹脂に対応した処
   理剤で表面処理されていることを特徴とする構造体。