JPH0767705B2

JPH0767705B2 - 複合構造体の表面形状の改良方法

Info

Publication number: JPH0767705B2
Application number: JP4036975A
Authority: JP
Inventors: ハロルド・フラズィー・ギルス，ジュニア
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1995-07-26
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: JPH05261743A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複合構造体の製造方法に
係り、特に、滑らかな表面プロフィ―ルの複合構造体の
製造方法に係る。

【０００２】

【従来の技術】ガラス繊維で強化された複合製品が金属
のシ―トパネルから形成された部品の代替品となるため
には、そのような複合製品は、引張強さ、曲げ強さおよ
び衝撃強さのような適当な機械的性質を示さなければな
らないし、少なくとも一面に欠陥のない滑らかな表面を
もっていなければならない。強化された熱可塑性樹脂複
合材を車両のボディ―部品として使用するのに適してい
るかどうか現在検討が続けられている。ガラス繊維で強
化された複合材料で代替する候補として、自動車のフ―
ドやトランクのような広くて薄いボディ―部品として現
在使われている金属シ―トが考えられる。

【０００３】一般に、そのようなガラス繊維で強化され
た複合ボディ―部品を製造するには、積層構造体が形成
されるように望みの量と構造にアレンジされた熱可塑性
樹脂‐繊維マットの層を用意し、その積層体を熱可塑性
樹脂系に応じて約２００〜約３７５℃の範囲の温度に加
熱し、この積層体に約５〜約８０ポンド／平方インチ
（lb／in²）の範囲の圧力をかけて複合材料のブランク
を形成し、この複合材ブランクをフロ―成形または圧縮
成形によって成形して所望の車両用ボディ―部品を形成
する。このようなプロセスによって製造された複合材料
は車両用ボディ―部品として要求される機械的・曲げ強
さをもってはいるが、自動車用外板用途に合致する条件
を満たすのに同様に必要とされる欠陥のない高品質の滑
らかな表面仕上げを現存する複合構造体と加工技術で得
ることは困難である。複合材を製造・圧縮成形するため
の現存する方法に関する概論としては、１９８６年１０
月の「サイエンティフィック・アメリカン(Scientific
American）」、第２５５巻、第４号、第１９２〜２０３
頁のチュ―(Chou, T.)らによる「複合材(Composite
s)」、ならびに１９８６年１１月の「プラスチック技術
(Plastics Technology）」、第３２巻、第１１号、第６
１〜５頁のクロ―ン(Krone, J.R.）とウォ―カ―(Walke
r, J.H.)による「熱可塑性先進複合材の加工(Processin
g Thermoplastic Advanced Composites)」を参照された
い。

【０００４】通常のフロ―成形法では、複合材ブランク
を常用のオ―ブンで対流または赤外輻射によって熱可塑
性樹脂に応じて約２００〜約３７５℃の範囲の温度に加
熱する。オ―ブン中での初期加熱の間に繊維が脹らんで
複合材表面に樹脂に乏しいコ―ティング層が生じる。ま
た、この繊維の脹らみによりロフト（バルキー性）、す
なわち樹脂表面層中への繊維の移動が生じる。

【０００５】オ―ブン加熱の後複合材はモ―ルドに移さ
れ、約１０００〜約５０００lb／in²の範囲の圧力をか
けて成形される。このときのモ―ルド表面温度は約５５
〜１５０℃である。複合材をオ―ブンからモ―ルドに移
す間、複合材表面が冷え、表面の樹脂がガラスに富む粗
い表面を伴う状態に「凍りつく」。この表面における樹
脂の「凍結」により、成形プロセスの間樹脂の自由流動
が妨げられ、その結果新たに形成される表面領域と元の
表面領域との間に粗い境界が生じる。さらに、成形プロ
セスの間に高温の樹脂がいくらか複合材の芯から表面へ
動くとはいっても、得られる複合材表面の樹脂の充填状
態は部分的でしかない。このような樹脂が部分的に充填
された表面、特にロフトした繊維の回りとその付近は表
面粗さの主因である。

【０００６】この表面の粗さの問題は、結晶質熱可塑性
樹脂の複合材の場合、結晶質の熱可塑性樹脂が冷却の際
にかなり収縮し、そのため複合材の表面に繊維が突出さ
れることになるので特にやっかいである。

【０００７】

【発明の目的】本発明の目的は、結晶質熱可塑性樹脂を
含有する複合材の表面粗さを低減させる方法を提供する
ことである。

【０００８】

【発明の概要】本発明は滑らかな表面をもつ結晶質熱可
塑性樹脂複合材物品の製造方法に係る。本発明の方法で
は、繊維束や繊維マットではなくて個別（バラバラ）の
繊維を使用し、かつ高温のモ―ルドインサ―トを使用す
る。

【０００９】

【詳細な説明】本発明の方法は、（ｉ）結晶質熱可塑性
物質中にランダムに分散した個別の強化用繊維のウェブ
を作成し、（ii）（ａ）結晶質熱可塑性物質の融解温度
より高い温度において加圧下でウェブを圧縮した後
（ｂ）熱可塑性物質の融解温度より低い温度にウェブを
冷却することによって、強化された熱可塑性複合シ―ト
を作成し、(iii）前記熱可塑性物質の熱変形温度より低
い温度の２つのモ―ルドハ―フ（半金型）の間で前記複
合シ―トを圧縮成形するという工程を含んでおり、さら
に、圧縮成形の間にシ―トと隣接するモ―ルドハ―フと
の間にモ―ルドインサ―トを配置し、そのモ―ルドイン
サ―トの温度を熱可塑性樹脂の融解温度より高い温度に
する。

【００１０】本発明の方法においては個別（バラバラ）
の繊維と加熱されたモ―ルドインサ―トとを組合せて使
用することによって、（ｉ）高温のモ―ルドインサ―ト
プレ―トおよび繊維マットまたは繊維束を使用して作成
された複合材、あるいは（ii）加熱されたインサ―トを
使用しないで個別の繊維から作成された複合材のいずれ
よりも改良された表面特性を有する複合シ―トが得られ
る。

【００１１】本発明で使用するのに適した熱可塑性材料
としては結晶質の熱可塑性樹脂がある。結晶質の樹脂は
はっきりした融点をもち、通常は不透明である。結晶質
の樹脂の中には、ナイロン６のような結晶質ポリアミ
ド、ブチレングリコ―ルとテレフタル酸から誘導された
ポリブチレンテレフタレ―トのような結晶質ポリエステ
ル、ビスフェノ―ルＡポリカ―ボネ―トとポリブチレン
テレフタレ―トとのブレンド、ならびに、ナイロン６、
ポリフェニレンエ―テルおよびクエン酸のようなジカル
ボン酸を混和して得られる結晶性組成物がある。他の多
くの結晶質樹脂が周知である。

【００１２】使用する強化用繊維は個別のバラバラの繊
維であり、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維およ
びアラミド繊維より成る群の中から選択されたものが好
ましい。これらの繊維は２５０〜７５０ミルから選択さ
れた長さと５〜３０ミクロンから選択された直径を有す
るものが好ましい。繊維束や繊維マットは本発明の方法
にはふさわしくない。好ましい繊維はガラスフィラメン
トである。

【００１３】強化用繊維と結晶質熱可塑性粉末からなる
ウェブは、水および界面活性剤分散プロセスで得られた
ものが好ましい。ウェブを製造するのに適した方法は、
ガトワ―ド(Gatward）らの米国特許第３，７１６，４４
９号（援用する）に記載されている。可塑性粒子と強化
用繊維の不織繊維ウェブを作成するには、水、界面活性
剤、可塑性粉末および強化用繊維の水性発泡分散液を混
合し、この分散液から液体を除去してウェブを形成す
る。

【００１４】複合シ―ト（複合材ブランクともいう）を
製造するには、前記ウェブを熱可塑性樹脂の融解温度よ
り高い温度において加圧下で圧密化する。

【００１５】次いで、複合物品（複合構造体ともいう）
を製造するには、複合シ―トを融解温度より高い温度に
予熱した後、この予熱したシ―トを熱可塑性樹脂の熱変
形温度より低い温度にした２つのモ―ルドハ―フの間で
圧縮成形する。モ―ルドハ―フの温度は１００〜２００
°Ｆが好ましい。滑らかな表面を得るには、圧縮成形の
直前に、加熱されたモ―ルドインサ―トをシ―トの表面
とそれに近接するモ―ルドハ―フとの間に配置する。こ
のモ―ルドインサ―トは、圧縮成形中最初は熱可塑性物
質の融解温度より高い温度である。モ―ルドインサ―ト
は、たとえば４０〜２５０ミル、好ましくは６０〜１２
５ミル、最も好ましくは１００ミルの厚さをもった薄い
金属インサ―トであり、滑らかなクラスＡの仕上げ面を
もっており、最終部品の形状をしている。インサ―トは
外部熱源により、成形する材料に応じて４００〜７００
°Ｆ、好ましくは５００〜６００°Ｆに加熱する。高温
のモ―ルドインサ―トを予熱した複合材ブランクと共に
モ―ルド内に配置し、モ―ルド内でプレスする。モ―ル
ドハ―フは、複合材と金属インサ―トから同時に熱を除
去するヒ―トシンクとして機能する。複合材が充分に冷
却されて樹脂のガラス転移温度より低くなったとき、イ
ンサ―トと得られた複合物品とを取出し、インサ―トは
次のサイクルに向けて加熱する。本発明の方法を用いて
作成した複合物品は高温のモ―ルドインサ―トの表面品
質をそのままもっており、表面の気孔、ブランク境界、
ガラス突起および繊維端が減少している。

【００１６】高温のモ―ルドインサ―トは本発明以前か
ら使用されていたが、繊維束や繊維マットの複合材を使
用したときには複合材の表面におけるガラスの突出の問
題があった。本出願人は、水／界面活性剤分散プロセス
によって作成されたウェブから得られた圧密化シ―ト中
に均一かつ微細に分散したガラスフィラメントと樹脂を
用いる場合、結晶質の樹脂とホットプレ―ト成形技術を
使用すると優れた表面プロフィ―ルが得られることを発
見した。個別の繊維が分散した複合材を使用すると繊維
束に伴う表面プロフィ―ルの問題が大幅に軽減される。
すなわち、熱スタンピングプロセスにおける複合材の冷
却中に結晶質樹脂の結晶化が起こるが、１５０〜２００
ミクロンの繊維束とは異なりフィラメントの直径は１０
〜１５ミクロンであるので、その回りで収縮が起きても
表面のガラスの突出が減少し、その結果優れた表面の滑
らかさが得られるのである。

【００１７】また、本発明の複合材に繊維を含まない熱
可塑性樹脂からなる外側キャップ層を設けて、圧縮成形
された複合物品の表面の滑らかさをさらに改良すること
もできる。

【００１８】

【実施例の記載】以下の実施例で本発明を例示するが、
これらの実施例は本発明の範囲を限定するものではな
い。

【００１９】実施例１〜１２の複合材を得るために、６
５重量部のナイロン６、３５重量部のポリフェニレンエ
―テル、５重量部の耐衝撃性ポリスチレンおよび１重量
部のクエン酸からなるブレンドのプラスチック粉末を用
いた。使用したガラス繊維はバンドルやマットではなく
バラバラのガラス繊維であった。これらのプラスチック
粉末とガラス繊維から水／界面活性剤分散プロセスを使
用してウェブを製造した。次にこのウェブを加熱・加圧
下で圧密化してシ―トを作成した。その後いくつかのシ
―トは外側キャップ層で覆った。これらのシ―トを５０
０°Ｆに予熱した後、５５０°Ｆに予熱した高温のモ―
ルドインサ―トプレ―トを用いて圧縮成形した。この５
５０°Ｆという温度は使用したプラスチックの融解温度
より高い。モ―ルドハ―フは１００°Ｆに保った。

【００２０】実施例１は、３０重量％のガラスと７０重
量％のプラスチックからなるウェブから圧密化し、各々
がナイロン６／ポリフェニレンエ―テル／耐衝撃性ポリ
スチレン／クエン酸の６５／３５／５／１ブレンドから
なる２枚のフィルム（キャップ層。それぞれ10ミル）で
両面を覆ったシ―トである。実施例２と３のシ―トは実
施例１と同じ構造である。実施例４のシ―トは実施例３
と同じ構造であるが、キャップ層をもたない。

【００２１】実施例５〜８は、３５重量％のガラスと６
５重量％の樹脂を含有するウェブから圧密化したシ―ト
である。実施例５〜７のシ―トは両面をそれぞれ１０ミ
ルのフィルムからなる２つのキャップ層で覆った。実施
例８のシ―トはキャップ層をもたない。使用したフィル
ムとプラスチック粉末は実施例１と同じである。

【００２２】実施例９〜１２は４０重量％のガラスと６
０重量％の樹脂を含有するウェブから圧密化したシ―ト
である。実施例９〜１１は両面をフィルムのキャップ層
で覆った。実施例９〜１２で使用した樹脂とフィルムは
実施例１と同じである。

【００２３】比較例Ａは、７０重量％の樹脂ブレンドと
３０重量％の微細なガラス繊維マットから作成して高温
のモ―ルドプレ―トインサ―トを用いて成形した。

【００２４】ウェブは５８０°Ｆ、３０ポンド／平方イ
ンチの圧力で圧密化した。キャップは５８０°Ｆ、３０
ポンド／平方インチでシ―トに積層した。実施例１〜１
２の表面は比較例Ａよりずっと滑らかであったことに注
意されたい。

【００２５】

【表１】表１実施例粗さ（マイクロインチ）Ａ２９．４１９．８２９．８３９．０４８．４５９．０６９．２７１０．８８１４．８９１０．０１０８．４１１１４．０１２１５．０粗さは粗度プロフィ―ルの算術平均偏差であり、評価し
た長さ以内での算術平均線から粗度プロフィ―ルまでの
絶対距離の算術平均である。熱スタンピングの間高温の
鋼製モ―ルドインサ―トプレ―トを使用した。この高温
モ―ルドインサ―トプレ―トは５５０°Ｆに加熱した。
モ―ルドハ―フは１００°Ｆであった。成形プロセスで
は、シ―トを５５０°Ｆに予熱し、このシ―トのひとつ
の表面上に高温のインサ―トプレ―トを配し、シ―トと
プレ―トをモ―ルドに入れ、モ―ルドハ―フを閉じてシ
―トを熱スタンピングする。

【００２６】実施例１３〜１７はポリブチレンテレフタ
レ―ト／ビスフェノ―ルＡポリカ―ボネ―ト（６５／３
５重量％）を含むガラス繊維強化熱可塑性樹脂に関す
る。実施例１３〜１５では、３０重量％の微細なガラス
繊維マットと７０重量％の熱可塑性樹脂を含有する複合
材を使用した。実施例１６と１７では、３０重量％の粗
い繊維マットと７０重量％の熱可塑性樹脂を含有する複
合材を使用した。実施例１４〜１７は、５００〜６００
°Ｆの温度のホットプレ―トインサ―トを使用して作成
した。成形プロセスでは、シ―トを５００°Ｆに予熱
し、高温のインサ―トプレ―トをシ―トのひとつの表面
上に配し、シ―トとプレ―トをモ―ルド内に入れ、モ―
ルドハ―フを閉じてシ―トを熱成形する。実施例１５と
１７では１０ミルのＰＢＴ／ＰＣフィルムからなるキャ
ップで覆った。

【００２７】実施例１８〜２０は、プラスチック粉末と
長さ約１／２インチの個別のガラス繊維フィラメントの
水／界面活性剤分散法を用いて得られた、３０重量％の
微細なガラス繊維と７０重量％のＰＢＴ／ＰＣ（６５／
３５）樹脂からなる複合材に関する。実施例１８ではキ
ャップをしなかった。実施例１９では圧密化の際にキャ
ップを設けた。実施例２０では圧縮成形の際にキャップ
を設けた。実施例１８〜２０では高温のモ―ルドインサ
―トプレ―トを使用して成形した。

【００２８】

【表２】表２実施例粗さ（マイクロインチ）フィルムキャップ１３３３．６なし１４２０．２なし１５１６．６あり１６５０．０なし１７３５．０あり１８９．２なし１９８．０あり２０７．２ありランダムに分散したバラバラの繊維と高温のモ―ルドイ
ンサ―トプレ―トを使用した実施例１８は、粗いマット
や微細な繊維マットを用いて作成した複合材と比較し
て、表面粗さがたった９．２しかないことに注意すべき
である。最終物品に塗装を施したい場合、作成する複合
材はキャップ付きとして、塗装中繊維に沿って複合材中
に染込んで塗装ベ―キングサイクルでの蒸発中に塗装表
面下でふくれを形成するような塗料溶剤を最小に抑えな
ければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２９Ｋ 69:00 105:06 309:08 Ｂ２９Ｌ 31:30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）結晶質樹脂粉末マトリックス中に
ランダムに分散した個別のガラス繊維からなるウェブを
製造し、（ｂ）前記ウェブを前記樹脂の融解温度より高い温度で
圧密化して強化された熱可塑性複合材とし、（ｃ）（ｉ）前記複合材を前記樹脂の融解温度より高い
温度に加熱し、（ii）斯く予熱された前記複合材の表面に近接して、前
記樹脂の融解温度より高い温度に予熱されたモールドイ
ンサートプレートを配置し、（iii)前記樹脂の融解温度より高い温度に予熱された前
記複合材およびプレートを、前記樹脂の熱変形温度より
低い温度の２つのモールドハーフの間で圧縮し、且つ、（iv）前記複合材及びモールドインサートプレートから
熱を除去する、ことによって前記複合材をスタンピングすることからな
る、滑らかな表面の、繊維強化結晶質熱可塑性複合物品
の製造方法。
【請求項２】前記複合材の表面に近接して配置された
前記プレートの温度が５００〜６００°Ｆである、請求
項１記載の方法。
【請求項３】前記樹脂がポリブチレンテレフタレート
とビスフェノールＡポリカーボネートとのブレンドであ
る、請求項２記載の方法。
【請求項４】前記プレートが鋼である、請求項２記載
の方法。
【請求項５】前記プレートが約１００ミルの厚さであ
る、請求項４記載の方法。
【請求項６】前記繊維の直径が５〜３０ミクロンであ
り、前記繊維の長さが０．２５〜０．７５インチであ
る、請求項１記載の方法。
【請求項７】前記繊維の直径が１０〜１５ミクロンの
中から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項８】前記繊維が前記複合材中の樹脂とガラス
繊維の総重量を基準にして３０〜４０重量％の量で存在
する、請求項１記載の方法。