JPWO2016167349A1 - 繊維強化複合材料成形品及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

繊維強化樹脂基材からなるインサート部分と、該部分と一体に成形される一体成形部分との境界部分における接着強度が高い繊維強化複合材料成形品を得ることを目的とする。強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有し、第1層(23)、第2層(22)及び第3層(21)をこの順に備え、それら各層において、層の厚さ、層内に存在する強化繊維の総体積に対する、繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)の合計体積の割合、繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)の合計体積の割合、繊維体積含有率が特定の範囲に制御されている繊維強化複合材料成形品(1)。

Description

本発明は、繊維強化複合材料成形品及びその製造方法に関する。
本願は、2015年4月17日に、日本に出願された特願2015−084918号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
自動車用部品、コンピュータ用部品等の様々な用途において、強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有し、所定の形状に賦形された繊維強化複合材料が広く用いられている。
該繊維強化複合材料の製造方法としては、例えば、以下の方法が知られている。繊維長50mm程度の強化繊維を用いて形成した圧縮可能な繊維基材を金型内に配置し、熱可塑性樹脂を射出した後に金型内の容積を縮小して、圧縮しつつ繊維基材に熱可塑性樹脂を含浸させて繊維強化複合材料を得る(特許文献1)。該方法によれば、複雑な形状の繊維強化複合材料を製造できる。しかし、該繊維強化複合材料は、熱可塑性樹脂成形品等の別の部材と組み合わせる場合に、それらの境界面の接着強度を充分に高めることが難しい。
また、繊維強化複合材料成形品として、強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有し、所定の形状に賦形された繊維強化複合材料に、熱可塑性樹脂が射出成形されて一体とされた繊維強化複合材料成形品が提案されている。該繊維強化複合材料成形品の製造方法としては、例えば、特許文献2に、インサート成形を用いた以下の方法が開示されている。強化繊維からなる不織布の厚さ方向の一方の側に熱可塑性樹脂(A)が含浸され、もう一方の側は樹脂が含浸されていない繊維強化樹脂シートを金型内に配置する。そして、該繊維強化樹脂シートの強化繊維が露出している側に熱可塑性樹脂(B)を射出し、繊維強化樹脂シートの未含浸部分に熱可塑性樹脂(B)を含浸させつつ一体に成形する。特許文献2には、射出成形部分に強化繊維を含有させることも開示されている。
国際公開第2012/172982号 国際公開第2014/103658号
特許文献2の方法では、熱可塑性樹脂(A)部分と熱可塑性樹脂(B)部分の境界が凹凸形状となることで、そのアンカー効果によって接着強度が高められている。しかし、該方法で得られた繊維強化複合材料成形品においても、インサート部分と射出成形部分の境界部分の接着強度が不充分となることがある。
本発明は、繊維強化樹脂基材からなるインサート部分と、該部分と一体に成形される一体成形部分との境界部分における接着強度が高い繊維強化複合材料成形品、及び該繊維強化複合材料成形品の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、以下の構成を有する。
[1]熱可塑性樹脂(x1)、及び繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)を含む繊維強化樹脂基材(X)と、熱可塑性樹脂(y1)、及び繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)を含む樹脂組成物(Y)とを金型内で一体に成形して繊維強化複合材料成形品を製造する方法であって、
前記繊維強化樹脂基材(X)中に存在する強化繊維の総体積に対する前記強化繊維(x2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、前記繊維強化樹脂基材(X)の繊維体積含有率が15〜50体積%であり、
前記樹脂組成物(Y)中に存在する強化繊維の総体積に対する前記強化繊維(y2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、前記樹脂組成物(Y)の繊維体積含有率が5〜25体積%であり、
前記繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で前記強化繊維(x2)が露出した状態で、前記繊維強化樹脂基材(X)と前記樹脂組成物(Y)とを一体に成形する成形工程を有する、繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[2]前記成形工程の前に、前記強化繊維(x2)が露出していない前記繊維強化樹脂基材(X)を加熱し、該繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で前記強化繊維(x2)を露出させる露出工程を有する、[1]に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[3]前記成形工程において、前記樹脂組成物(Y)を金型内に射出して成形する、[1]又は[2]に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[4]前記金型内に前記繊維強化樹脂基材(X)を配置した状態で、前記金型によって前記繊維強化樹脂基材(X)を賦形しながら、又は賦形した後に前記樹脂組成物(Y)を射出する、[3]に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[5]前記成形工程において、前記繊維強化樹脂基材(X)と前記樹脂組成物(Y)とをプレス成形により一体に成形する、[1]又は[2]に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[6]前記熱可塑性樹脂(x1)の少なくとも一部が繊維状である、[1]〜[5]のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[7]前記繊維強化樹脂基材(X)が、厚さ方向に圧縮可能な繊維強化樹脂基材(X1)である、[1]〜[6]のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
[8]強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有し、第1層、第2層及び第3層をこの順に備える繊維強化複合材料成形品であって、
前記第1層は、層の厚さが300μm以上であり、当該層内に存在する強化繊維の総体積に対する、繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、繊維体積含有率Vf1が15〜50体積%である層であり、
前記第2層は、層の厚さが100〜1500μmであり、当該層内に存在する強化繊維の総体積に対する、前記強化繊維(x2)の合計体積の割合が33体積%超であり、かつ繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)の合計体積の割合が67体積%未満である層であり、
前記第3層は、層の厚さが300μm以上であり、当該層内に存在する強化繊維の総体積に対する、前記強化繊維(y2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、繊維体積含有率Vf3が5〜25体積%である層である、繊維強化複合材料成形品。
[9]前記第1層と前記第3層が前記第2層を介して接続されている、[8]に記載の繊維強化複合材料成形品。
[10]前記第1層の繊維体積含有率Vf1と、前記第2層の繊維体積含有率Vf2と、前記第3層の繊維体積含有率Vf3とが下式(1)の条件を満たす、[8]又は[9]に記載の繊維強化複合材料成形品。
Vf3<Vf2<Vf1 ・・・(1)
本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法によれば、繊維強化樹脂基材からなるインサート部分と、該部分と一体に成形される一体成形部分との境界部分における接着強度が高い繊維強化複合材料成形品を製造することができる。
本発明の繊維強化複合材料成形品においては、繊維強化樹脂基材からなるインサート部分と、該部分と一体に成形される一体成形部分との境界部分における接着強度が高い。
本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明の製造方法で得られる繊維強化複合材料成形品の一例を示した断面図である。 図4の繊維強化複合材料成形品の拡大断面図である。 実施例で使用した金型を示した断面図である。
本明細書において、インサート部分とは、繊維強化複合材料成形品における繊維強化樹脂基材(X)が存在する部分を意味する。一体成形部分とは、樹脂組成物(Y)のみで成形された部分を意味する。繊維強化樹脂基材(X)における強化繊維(x2)の露出部分に樹脂組成物(Y)が充填された部分は、インサート部分とする。
[繊維強化複合材料成形品]
本発明の繊維強化複合材料成形品は、強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有し、第1層、第2層及び第3層をこの順に備える繊維強化複合材料成形品である。
本発明の繊維強化複合材料成形品は、例えば、後述する本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法により製造することができる。本発明の製造方法で製造される繊維強化複合材料成形品は、繊維強化樹脂基材(X)及び樹脂組成物(Y)で形成されたインサート部分と、樹脂組成物(Y)によって該インサート部分と一体に成形された一体成形部分とを備える。第1層及び第2層はインサート部分に存在し、第3層は一体成形部分に存在する。
以下、本発明の繊維強化複合材料成形品の一例を示して説明する。本実施形態の繊維強化複合材料成形品1は、図4及び図5に示すように、繊維強化樹脂基材(X)10が含まれるインサート部分2と、樹脂組成物(Y)12により形成された一体成形部分3とを備えている。また、繊維強化複合材料成形品1においては、インサート部分2及び一体成形部分3により、平板部4と、平板部4の両端から立ち上がる側板部5,5とが形成されている。
繊維強化複合材料成形品1においては、厚さ方向において、インサート部分2から一体成形部分3に向かって、第1層23、第2層22、第3層21が形成されている。第1層23及び第2層22はインサート部分2に存在し、第3層21は一体成形部分3に存在している。
(第1層)
第1層23は、熱可塑性樹脂、及び繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)を含む層である。
熱可塑性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリアミド樹脂(ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12、ナイロンMXD6等)、ポリオレフィン樹脂(低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等)、変性ポリオレフィン樹脂(変性ポリプロピレン樹脂等)、ポリエステル樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、ポリカーボネート樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、液晶ポリエステル樹脂、アクリロニトリルとスチレンの共重合体、ナイロン6とナイロン66の共重合体等が挙げられる。変性ポリオレフィン樹脂としては、例えば、マレイン酸等の酸によりポリオレフィン樹脂を変性した樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
強化繊維(x2)は、繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維である。
強化繊維(x2)としては、繊維強化複合材料成形品において通常使用されているものであれば特に限定されず、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる。無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、繊維強化複合材料成形品の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。強化繊維(x2)としては、1種の強化繊維を単独で使用してもよく、2種以上の強化繊維を併用してもよい。
強化繊維(x2)の繊維長は、繊維長3mm以上100mm未満であり、3〜75mmが好ましく、5〜50mmがより好ましい。強化繊維(x2)の繊維長が下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。強化繊維(x2)の繊維長が上限値以下であれば、製造時の賦形性が優れる。
第1層には、強化繊維(x2)以外の強化繊維が含まれていてもよい。強化繊維(x2)以外の強化繊維としては、特に限定されず、例えば第2層において説明する強化繊維(y2)や繊維長が100mm以上の強化繊維が挙げられる。
第1層の厚さは、300μm以上であり、500μm以上が好ましい。第1層の厚さが下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。第1層の厚さの上限値は、特に限定されず、適宜設定することができ、現実的には、例えば、50mm程度である。
第1層内に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(x2)の合計体積の割合は、67体積%以上であり、75〜100体積%が好ましく、80〜100体積%がより好ましい。繊維長の長い強化繊維が多すぎると賦形性が低下する傾向があり、また繊維長が短い強化繊維が多すぎると繊維強化複合材料成形品の機械物性が低下する傾向がある。前記割合が前記範囲内であれば、賦形性と強度のバランスが良好となる。
第1層における繊維体積含有率Vf1は、15〜50体積%であり、20〜45体積%が好ましく、25〜40体積%がより好ましい。繊維体積含有率Vf1が下限値以上であれば、充分な機械特性を有する繊維強化複合材料成形品が得られる。繊維体積含有率Vf1が上限値以下であれば、製造時の賦形性が充分なものとなる。
(第2層)
第2層22は、熱可塑性樹脂、強化繊維(x2)、及び繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)を含む層である。第2層には、強化繊維(x2)及び強化繊維(y2)以外の強化繊維が含まれていてもよい。
第2層に含まれる熱可塑性樹脂としては、特に限定されず、例えば、第1層に含まれる熱可塑性樹脂として挙げたものと同じものが挙げられる。第2層に含まれる熱可塑性樹脂は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
強化繊維(y2)は、繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維である。強化繊維(y2)の種類としては、強化繊維(x2)で挙げたものと同じものが挙げられる。強化繊維(y2)としては、繊維強化複合材料成形品の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
強化繊維(y2)の繊維長は、0.02mm以上3mm未満であり、0.04〜1.5mmが好ましく、0.07〜1.3mmがより好ましい。強化繊維(y2)の繊維長が下限値以上であれば、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度が高くなる。強化繊維(y2)の繊維長が上限値以下であれば、後述する成形工程において繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)の露出部分に強化繊維(y2)が入り込みやすくなる。これにより、第2層における、製造時の繊維強化樹脂基材(X)において強化繊維(x2)が露出していた部分に相当する部分に、強化繊維(y2)が突き刺さったような状態で含有されやすくなる。そのため、第2層を介した第1層と第3層の接着強度、すなわちインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度が高められる。
第2層の厚さは、100〜1500μmであり、200〜1250μmが好ましく、300〜1000μmがより好ましい。第2層の厚さが下限値以上であれば、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度に優れる。一方、該第2層は前記第1層と比較すると相対的に繊維長は短いために、極端に第2層が厚い場合は、繊維強化複合材料成形品の機械物性の低下が懸念される。しかし、第2層の厚さが上限値以下であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。
第2層内に存在する強化繊維の総体積に対する、強化繊維(x2)の合計体積の割合は、33体積%超であり、36〜64体積%が好ましく、40〜60体積%がより好ましい。
第2層内に存在する強化繊維の総体積に対する、強化繊維(y2)の合計体積の割合は、67体積%未満であり、36〜64体積%が好ましく、40〜60体積%がより好ましい。強化繊維(x2)の合計体積の割合及び強化繊維(y2)の合計体積の割合が上記範囲内であれば、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度に優れる。
第2層における繊維体積含有率Vf2は、8〜42体積%が好ましく、12〜37体積%がより好ましく、15〜33体積%がさらに好ましい。繊維体積含有率Vf2が下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。繊維体積含有率Vf2が上限値以下であれば、第2層において強化繊維(x2)と強化繊維(y2)が互いに絡まりやすく、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度がより優れたものとなる。
(第3層)
第3層21は、熱可塑性樹脂及び強化繊維(y2)を含む層である。第3層には、強化繊維(y2)以外の強化繊維が含まれていてもよい。強化繊維(y2)以外の強化繊維としては、例えば、強化繊維(x2)が挙げられる。
第3層の厚さは、300μm以上であり、500μm以上が好ましい。第3層の厚さが下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。第3層の厚さの上限値は、特に限定されず、適宜設定できる。
第3層内に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合は、67体積%以上であり、75〜100体積%が好ましく、80〜100体積%がより好ましい。繊維長の長い強化繊維が多すぎると、後述する成形工程において繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)の露出部分に強化繊維(y2)が入り込みにくくなる。また繊維長が短い強化繊維が多すぎると、強化繊維(y2)の効果が得られにくくなる。このように、繊維長の長い強化繊維が多すぎても、繊維長が短い強化繊維が多すぎても、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度が低下する傾向がある。前記割合が前記範囲内であれば、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度に優れる。
第3層における繊維体積含有率Vf3は、5〜25体積%であり、8〜22体積%が好ましく、10〜20体積%がより好ましい。繊維体積含有率Vf3が下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。繊維体積含有率Vf3が上限値以下であれば、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度に優れる。
第1層の繊維体積含有率Vf1と、第2層の繊維体積含有率Vf2と、第3層の繊維体積含有率Vf3とは、繊維強化樹脂基材からなるインサート部分と、該部分と一体に成形される一体成形部分との境界部分における接着強度がより高くなる点から、下式(1)の条件を満たすことが好ましい。
Vf3<Vf2<Vf1 ・・・(1)
繊維強化複合材料成形品における第1層、第2層及び第3層は、実施例に記載した方法で決定することができる。本発明の繊維強化複合材料成形品においては、第1層と第3層が第2層を介して接続されていることが好ましい。すなわち、第1層と第2層の間、及び第2層と第3層の間に他の層が存在せず、第1層と第2層と第3層が互いに接して連続的に形成されていることが好ましい。本発明の繊維強化複合材料成形品は、第1層、第2層及び第3層をこの順に備える3層構成であることが特に好ましい。
[繊維強化複合材料成形品の製造方法]
本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法は、熱可塑性樹脂(x1)、及び繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)を含む繊維強化樹脂基材(X)と、熱可塑性樹脂(y1)、及び繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)を含む樹脂組成物(Y)とを金型内で一体に成形して繊維強化複合材料成形品を製造する方法である。本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法を用いれば、前記した本発明の繊維強化複合材料成形品を得ることができる。本発明の製造方法により製造される繊維強化複合材料成形品は、繊維強化樹脂基材(X)で形成されたインサート部分と、インサート部分と一体となった一体成形部分とを備える。
本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法は、繊維強化樹脂基材(X)の少なくとも表面の一部で強化繊維(x2)が露出した状態で、繊維強化樹脂基材(X)と樹脂組成物(Y)とを一体に成形する成形工程を有する。
(繊維強化樹脂基材(X))
繊維強化樹脂基材(X)は、熱可塑性樹脂(x1)、及び強化繊維(x2)を含む基材である。繊維強化樹脂基材(X)としては、例えば、強化繊維(x2)を含む繊維基材に、熱可塑性樹脂(x1)が含浸された基材が挙げられる。また、繊維強化樹脂基材(X)としては、強化繊維(x2)と熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維とからなる繊維基材を用いてもよい。このように、繊維強化樹脂基材(X)においては、熱可塑性樹脂(x1)の少なくとも一部を繊維状としてもよい。該繊維基材の表面において、熱可塑性樹脂(x1)が含浸されず、強化繊維(x2)と繊維状の熱可塑性樹脂(X2)が混在している部分では、強化繊維(x2)が露出している。なお、本発明においては、熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維は強化繊維に含まれないものとする。
繊維基材の態様としては、例えば、多数の強化繊維(x2)や熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維、又は複数の強化繊維(x2)や熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維が束ねられた多数の強化繊維束(ストランド)がシート状にされた不織布が挙げられる。不織布の態様としては、特に限定されず、例えば、チョップドストランドマット、コンティニュアンスストランドマット、抄紙マット、カーディングマット、エアレイドマット等が挙げられる。
熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維は、一般に炭素繊維等の強化繊維(x2)に比べて柔軟である。そのため、強化繊維(x2)と熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維とを組み合わせて用いることで、繊維同士が充分に絡まりやすくなり、また繊維強化樹脂基材(X)の製造時に強化繊維(x2)が破断したり折れたりする不具合が起きにくくなる。強化繊維(x2)と熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維とを組み合わせて用いる場合、基材を形成した後に、熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維の一部又は全部を一旦溶融させてから固化させ、該繊維を形成する熱可塑性樹脂(x1)によって互いの強化繊維(x2)同士を結合させることが好ましい。これにより、繊維強化樹脂基材(X)から強化繊維(x2)がより脱落しにくくなる。
熱可塑性樹脂繊維(x1)としては、特に限定されず、例えば、繊維強化複合材料成形品の説明において挙げた熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂繊維(x1)としては、1種であってもよく、2種以上であってもよい。
熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維の繊維長は、特に限定されず、例えば、1〜100mmとすることができる。熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維には、繊維同士が絡まりやすくなる点から、捲縮が付与されていることが好ましい。熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
繊維強化樹脂基材(X)が熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維を含有する場合、繊維強化樹脂基材(X)中の繊維の総量に対する強化繊維(x2)の割合は、15〜95体積%が好ましく、20〜90体積%がより好ましい。強化繊維(x2)の割合が下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られやすい。強化繊維(x2)の割合が上限値以下であれば、熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維による効果が得られやすい。
熱可塑性樹脂(x1)が含浸された繊維強化樹脂基材(X)としては、強化繊維(x2)のみで形成した繊維基材に熱可塑性樹脂(x1)を含浸させた基材や、強化繊維(x2)と熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維で形成した繊維基材に熱可塑性樹脂(x1)を含浸させた基材等が挙げられる。
繊維強化樹脂基材(X)には、本発明の効果を損なわない範囲であれば、強化繊維(x2)以外の強化繊維が含有されていてもよい。すなわち、繊維強化樹脂基材(X)には、繊維長3mm未満の強化繊維や、繊維長100mm超の強化繊維が含有されていてもよい。
繊維強化樹脂基材(X)には、目的の繊維強化複合材料成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等の添加剤を含有させてもよい。
繊維強化樹脂基材(X)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(x2)の合計体積の割合は、67体積%以上であり、75〜100体積%が好ましく、80〜100体積%がより好ましい。繊維長の長い強化繊維が多すぎると賦形性が低下する傾向があり、また繊維長が短い強化繊維が多すぎると繊維強化複合材料成形品の機械物性が低下する傾向がある。前記割合が前記範囲内であれば、賦形性と強度のバランスが良好となる。
繊維強化樹脂基材(X)の繊維体積含有率は、15〜50体積%であり、20〜45体積%が好ましく、25〜40体積%がより好ましい。繊維強化樹脂基材(X)の繊維体積含有率が下限値以上であれば、充分な機械特性を有する繊維強化複合材料成形品が得られる。繊維強化樹脂基材(X)の繊維体積含有率が上限値以下であれば、製造時の賦形性が充分なものとなる。
成形工程の繊維強化樹脂基材(X)においては、少なくとも表面の一部で強化繊維(x2)を露出させる。強化繊維(x2)が一部露出した繊維強化樹脂基材(X)が金型内に配置された状態で樹脂組成物(Y)を一体に成形することで、樹脂組成物(Y)が露出した部分に容易に充填される。強化繊維(x2)が少なくとも表面の一部で露出した繊維強化樹脂基材(X)としては、特に限定されず、例えば、繊維基材における厚さ方向の一方の側に熱可塑性樹脂(x1)が含浸され、もう一方の側が、樹脂が含浸されていない未含浸部分とされたものが挙げられる。強化繊維(x2)が少なくとも表面の一部で露出した繊維強化樹脂基材(X)としては、強化繊維(x2)と熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維のみで形成した繊維基材であってもよい。
繊維強化樹脂基材(X)としては、厚さ方向に圧縮可能である繊維強化樹脂基材(X1)を用いることが好ましい。これにより、インサート部分と一体成形部分の境界部分における接着強度が高い繊維強化複合材料成形品が得られやすくなる。
本発明において、厚さ方向に圧縮可能な繊維強化樹脂基材とは、23℃において、2MPaで圧縮したときの圧縮率Pが30%以上である繊維強化樹脂基材を意味する。繊維強化樹脂基材(X1)の一部に熱可塑性樹脂(x1)が含浸されている場合の圧縮率Pは、樹脂含浸部分を除いて算出した値、すなわち未含浸部分のみについて測定された値を意味するものとする。
なお、圧縮率は、JIS L1913に準拠した圧縮率Pと定義し、繊維強化樹脂基材(X1)のJIS L1913における初荷重を加えた時の厚さをT、任意の圧力を加えた時の厚さをTとし、P=(T−T)/T×100により算出される。繊維強化樹脂基材(X1)の一部に熱可塑性樹脂(x1)が含浸されている場合の圧縮率は、熱可塑性樹脂(x1)の含浸部分の厚さをTとして、P=(T−T)/(T−T)×100により算出される。熱可塑性樹脂(x1)の含浸部分の厚さTは、繊維強化樹脂基材(X1)の断面を鏡面研磨した後、光学顕微鏡観察により計測することができる。
繊維強化樹脂基材(X1)の圧縮率Pは、30%以上が好ましく、40〜80%がより好ましい。圧縮率Pが下限値以上であれば、インサート部分と一体成形部分の境界部分における接着強度が高く、また樹脂組成物(Y)が繊維強化樹脂基材(X1)の強化繊維(x2)が露出した部分に十分に充填された、機械特性に優れた繊維強化複合材料成形品が得られやすい。一方、極端に圧縮率Pが高いと、繊維強化複合材料成形品におけるインサート部分の繊維強化樹脂基材(X1)由来の存在量が少なくなり、インサート部分の機械特性が低下するおそれがある。しかし、圧縮率Pが上限値以下であれば、インサート部分の機械特性を損なうことなく、機械特性に優れた繊維強化複合材料成形品が得られやすい。
繊維強化樹脂基材(X1)における10MPaで圧縮したときの圧縮率Pは、98%以下が好ましく、45〜97%がより好ましい。圧縮率Pが下限値以上であれば、インサート部分と一体成形部分の境界部分における接着強度が高く、また繊維強化樹脂基材(X1)の強化繊維(x2)が露出した部分に樹脂組成物(Y)が十分に充填された、機械特性に優れた繊維強化複合材料成形品が得られやすい。一方、極端に圧縮率Pが高いと、繊維強化複合材料成形品のインサート部分に、繊維強化樹脂基材(X1)が圧縮前の状態に戻ろうとする残留応力が発生して、繊維強化複合材料成形品にソリや寸法精度の低下が生じるおそれがある。しかし、圧縮率Pが上限値以下であれば、寸法精度に優れる繊維強化複合材料成形品が得られやすい。
繊維強化樹脂基材(X1)の一部に熱可塑性樹脂(x1)が含浸されている場合の圧縮率Pは、樹脂含浸部分を除いて算出した値を意味するものとする。
繊維強化樹脂基材(X1)としては、加熱によるスプリングバックによって膨らむことで、厚さ方向に圧縮可能になる繊維強化樹脂基材(X11)を用いてもよい。繊維強化樹脂基材(X11)は、加熱前は圧縮率Pが70%未満であるが、加熱されることで圧縮率Pが70%以上となるものである。
例えば、一部に熱可塑性樹脂(x1)が含浸された繊維強化樹脂基材(X1)を用いて、金型内で繊維強化樹脂基材(X1)を熱可塑性樹脂(x1)の軟化温度以上に加熱して賦形する場合には、その加熱によって厚さ方向に圧縮可能になる繊維強化樹脂基材(X11)を用いることができる。
繊維強化樹脂基材(X)の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法を採用できる。
強化繊維(x2)、又は、強化繊維(x2)及び熱可塑性樹脂(x1)からなる繊維を組み合わせて用いた不織布からなる繊維基材を製造する方法としては、例えば、エアレイド法、カーディング法、抄紙法等が挙げられる。
不織布からなる繊維基材に熱可塑性樹脂(x1)を含浸させる方法としては、例えば、熱可塑性樹脂(x1)で形成された樹脂フィルムを不織布の一方の面側に積層し、熱可塑性樹脂(x1)を加熱して溶融させつつ、圧縮成形機により加圧して含浸させる方法等が挙げられる。圧縮成形機としては、例えば、ダブルベルトプレス、カレンダーロール等が挙げられる。
[樹脂組成物(Y)]
樹脂組成物(Y)は、熱可塑性樹脂(y1)及び強化繊維(y2)を含む樹脂組成物である。
(熱可塑性樹脂(y1))
熱可塑性樹脂(y1)としては、特に限定されず、例えば、繊維強化複合材料成形品の説明において挙げた熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂(y1)としては、インサート部分と一体成形部分の境界部分における接着強度が高くなる点から、繊維強化樹脂基材(X)に含まれる熱可塑性樹脂繊維(x1)と同じ樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂(y1)としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂組成物(Y)には、強化繊維(y2)以外の強化繊維が含まれていてもよい。例えば、樹脂組成物(Y)には、熱可塑性樹脂(y1)及び強化繊維(y2)とともに、繊維長が0.02mm未満又は3mm超の強化繊維が含まれていてもよい。樹脂組成物(Y)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合は、67体積%以上であり、75〜100体積%が好ましく、80〜100体積%がより好ましい。繊維長の長い強化繊維が多すぎると、繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)の露出部分に強化繊維(y2)が入り込みにくくなる。また繊維長が短い強化繊維が多すぎると、強化繊維(y2)の効果が得られにくくなる。このように、繊維長の長い強化繊維が多すぎても、繊維長が短い強化繊維が多すぎても、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度が低下する傾向がある。前記割合が前記範囲内であれば、インサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度に優れた繊維強化複合材料成形品が得られる。
繊維強化樹脂基材(X)に使用する強化繊維(x2)の繊維長と、樹脂組成物(Y)中の強化繊維(y2)の繊維長に充分に差がある場合、樹脂組成物(Y)中の強化繊維(y2)の前記割合は、繊維強化複合材料成形品の第3層について測定した強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合から推定できる。
樹脂組成物(Y)の繊維体積含有率は、5〜25体積%であり、8〜22体積%が好ましく、10〜20体積%がより好ましい。樹脂組成物(Y)の繊維体積含有率が下限値以上であれば、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られる。樹脂組成物(Y)の繊維体積含有率が上限値以下であれば、繊維強化複合材料成形品のインサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度に優れる。
樹脂組成物(Y)中の強化繊維(y2)の含有量は、熱可塑性樹脂(y1)100質量部に対して、5〜50質量部が好ましく、10〜35質量部がより好ましい。強化繊維(y2)の含有量が下限値以上であれば、インサート部分と一体成形部分の境界部分の接着強度が高い繊維強化複合材料成形品が得られやすい。強化繊維(y2)の含有量が上限値以下であれば、繊維強化樹脂基材(X)における強化繊維(x2)が露出した部分に樹脂組成物(Y)が充填されやすく、機械特性に優れる繊維強化複合材料成形品が得られやすい。
樹脂組成物(Y)は、熱可塑性樹脂(y1)と強化繊維(y2)とを、二軸押出し混練等の公知の手法により混練することにより製造することができる。また、樹脂組成物(Y)として市販品の繊維強化熱可塑性樹脂ペレットを射出成形してもよい。
樹脂組成物(Y)には、目的の繊維強化複合材料成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等の添加剤を配合してもよい。
(成形工程)
成形工程では、金型内に繊維強化樹脂基材(X)が配置され、かつ繊維強化樹脂基材(X)の少なくともその表面の一部で強化繊維(x2)が露出した状態で、繊維強化樹脂基材(X)と樹脂組成物(Y)とを一体に成形する。
本発明においては、強化繊維(x2)が露出していない繊維強化樹脂基材(X)を使用し、成形工程の前に該繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で強化繊維(x2)が露出するように処理してもよい。具体的には、成形工程の前に、強化繊維(x2)が露出していない繊維強化樹脂基材(X)を加熱し、該繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で強化繊維(x2)を露出させる露出工程を行ってもよい。この場合、露出工程は、金型の外で行ってもよく、強化繊維(x2)が露出していない繊維強化樹脂基材(X)を金型内に配置してから行ってもよい。
繊維強化樹脂基材(X)と樹脂組成物(Y)とを一体に成形する方法としては、例えば、射出成形が挙げられる。すなわち、繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で強化繊維(x2)が露出した状態で、金型内に樹脂組成物(Y)を射出し、繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)が露出した部分に樹脂組成物(Y)を含浸させつつ、樹脂組成物(Y)を繊維強化樹脂基材(X)と一体に成形する方法が挙げられる。
射出成形を用いる場合、一般に、射出機内でスクリューの駆動により樹脂組成物が流動する際等に、繊維が折れて繊維長が短くなる傾向がある。そのため、これらの要因で繊維長が短くなることを考慮し、射出機に供給する樹脂組成物における強化繊維の繊維長は、強化繊維(y2)の繊維長よりも長くしておくことが好ましい。射出機に供給する強化繊維の繊維長は、0.1〜10.0mmが好ましく、0.2〜6.0mmがより好ましく、0.3〜3.0mmがさらに好ましい。
また、射出成形を行う金型により、繊維強化樹脂基材(X)を賦形することが好ましい。具体的には、金型内に繊維強化樹脂基材(X)を配置した状態で、繊維強化樹脂基材(X)を賦形しながら、又は賦形した後に樹脂組成物(Y)を射出して成形を行うことが好ましい。これにより、繊維強化樹脂基材(X)を事前に別途賦形しておく必要がなくなるため、生産性が高くなるうえ、コスト面でも有利である。
繊維強化樹脂基材(X)を賦形しながら射出成形を行う態様としては、金型内に繊維強化樹脂基材(X)を配置した状態で、樹脂組成物(Y)を射出しながら金型を閉じる態様、金型内に繊維強化樹脂基材(X)を配置した状態で、樹脂組成物(Y)を射出した後に金型を閉じる態様等が挙げられる。
繊維強化樹脂基材(X)を賦形した後に射出成形を行う態様としては、例えば、金型内に繊維強化樹脂基材(X)を配置した状態で、金型を閉じて繊維強化樹脂基材(X)を賦形した後に樹脂組成物(Y)を射出する態様が挙げられる。
該態様においては、金型を閉じて繊維強化樹脂基材(X)を賦形した後に、一旦金型を開き、その状態で樹脂組成物(Y)を射出し、再度金型を閉めて樹脂組成物(Y)を加圧しつつ繊維強化樹脂基材(X)と一体に成形することが好ましい。これにより、金型内に供給される樹脂組成物(Y)が加圧されやすくなり、繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)の露出部分に樹脂組成物(Y)を充分に含浸させやすくなる。
また、この場合、金型を一旦開くためのエネルギー消費を低減できる点、成形時間の短縮が可能である点、もしくは金型の機械設計を簡略化できる点から、金型を型締めして繊維強化樹脂基材(X)を賦形した後に、樹脂組成物(Y)を射出する際の射出圧によって金型が一旦開かれるようにすることが好ましい。
繊維強化樹脂基材(X)と樹脂組成物(Y)とを一体に成形する方法としては、プレス成形を用いてもよい。すなわち、繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で強化繊維(x2)が露出した状態で、金型内に樹脂組成物(Y)を設置し、プレス成形によって繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)が露出した部分に樹脂組成物(Y)を含浸させつつ、樹脂組成物(Y)を繊維強化樹脂基材(X)と一体に成形する方法を用いてもよい。プレス成形を行う場合も、プレス成形を行う金型により、繊維強化樹脂基材(X)を賦形することが好ましい。
成形工程において、金型内で繊維強化樹脂基材(X)を賦形する際には、繊維強化樹脂基材(X)を熱可塑性樹脂(x1)の軟化温度以上に加熱する。この場合、繊維強化樹脂基材(X)を軟化温度以上に加熱してから金型内に配置してもよく、金型内に配置した後に繊維強化樹脂基材(X)を軟化温度以上に加熱してもよい。繊維強化樹脂基材(X)を加熱する方法は、特に限定されず、例えば、赤外線ヒータ等が挙げられる。
賦形時の繊維強化樹脂基材(X)の温度T(℃)と、熱可塑性樹脂(x1)の軟化温度T(℃)との関係は、T≦Tであり、T+10(℃)≦T≦T+150(℃)が好ましく、T+30(℃)≦T≦T+100(℃)がより好ましい。温度Tが下限値以上であれば、インサート部分と一体成形部分の境界面の接着強度が高い繊維強化複合材料成形品が得られやすく、また成形時間が短くなる。温度Tが高すぎると、型締め後に熱可塑性樹脂(x1)が固化するまでの時間が長くなって生産性が低下したり、熱可塑性樹脂(x1)が熱分解を起こすといった問題が発生するおそれがある。しかし、温度Tが上限値以下であれば、型締め後の熱可塑性樹脂(x1)が固化するまでの時間は問題なく、また熱可塑性樹脂(x1)の熱分解も抑制しやすい。
型締め時の金型温度は、熱可塑性樹脂(y1)及び熱可塑性樹脂(x1)の軟化温度のうち、最も低い軟化温度よりも5℃以上低いことが好ましく、15℃以上低いことがより好ましい。これにより、繊維強化複合材料成形品中の熱可塑性樹脂が十分に冷却固化されるため、金型から繊維強化複合材料成形品を脱型することが容易になる。
以下、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法の一例として、図1に例示した金型100を用いる態様について説明する。
金型100は、上面側に凹部112が形成された下型110と、下方に突き出る凸部122が設けられた上型120とを備える。上型120には、凸部122の下面から樹脂を射出するための樹脂流路124が形成されている。上型120を下型110に近接させて金型100を閉じたときに、金型100内における凹部112と凸部122との間に、目的の繊維強化複合材料成形品の形状と相補的な形状のキャビティが形成されるようになっている。
金型100を用いる製造方法においては、まず、図1に示すように、下型110における凹部112内に、繊維強化樹脂基材(X)10を配置する。繊維強化樹脂基材(X)10は、強化繊維(x2)10aがシート状にされた基材の厚さ方向の一方の側に熱可塑性樹脂(x1)10bが含浸され、もう一方の側が未含浸である強化繊維(x2)の露出部分10cとなっているものである。この例では、露出部分10cが上側を向くように繊維強化樹脂基材(X)10を下型110の凹部112内に配置する。
次いで、赤外線ヒーター等により、繊維強化樹脂基材(X)10を熱可塑性樹脂(x1)10bの軟化温度以上に加熱する。その後、図2に示すように、上型120の樹脂流路124から繊維強化樹脂基材(X)10上に、熱可塑性樹脂(y1)及び強化繊維(y2)を含む樹脂組成物(Y)12を射出する。
次いで、図3に示すように、上型120を下型110に近接させて金型100を閉じ、繊維強化樹脂基材(X)10を賦形しつつ、樹脂組成物(Y)12を繊維強化樹脂基材(X)10の露出部分10cに含浸させながら一体に成形する。熱可塑性樹脂(x1)及び熱可塑性樹脂(y1)が固化した後に金型100を開き、繊維強化複合材料成形品1を取り出す。
この例で得られる繊維強化複合材料成形品1は、図4に示すように、繊維強化樹脂基材(X)10が含まれるインサート部分2と、樹脂組成物(Y)12により形成された一体成形部分3とが一体になっている。また、繊維強化複合材料成形品1においては、インサート部分2及び一体成形部分3により、平板部4と、平板部4の両端から立ち上がる側板部5,5とが形成されている。そして、繊維強化複合材料成形品1の厚さ方向においては、インサート部分2から一体成形部分3に向かって、第1層23、第2層22、第3層21が形成されている。
以上説明したように、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法においては、金型内で、繊維強化樹脂基材(X)の強化繊維(x2)が露出した部分に、熱可塑性樹脂(y1)とともに強化繊維(y2)を含浸させつつ、繊維強化樹脂基材(X)と一体に成形する。そのため、図5にも示してあるように、インサート部分と一体成形部分との境界部分に位置する第2層では、強化繊維(y2)が強化繊維(x2)の間に突き刺さっているような状態で存在する。これにより、インサート部分と一体成形部分との境界部分の接着強度が高くなる。
特に、厚さ方向に圧縮可能な繊維強化樹脂基材(X1)を用いれば、基材中の空隙が大きいために、成形工程において繊維長が0.02〜3.0mmの強化繊維(y2)が強化繊維(x2)の露出部分に入り込みやすく、インサート部分と一体成形部分との境界部分の接着強度を高める効果が充分に得られやすい。
なお、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法は、前記した方法には限定されない。例えば、上方に突き出る凸部が設けられた下型と、下面側に凹部が形成された上型と、を備える金型を用いて繊維強化複合材料成形品を製造する方法であってもよい。
本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法においては、事前に賦形した繊維強化樹脂基材(X)を金型内に配置して樹脂組成物(Y)の射出成形又はプレス成形を行ってもよい。
本発明の製造方法により製造する繊維強化複合材料成形品の形状は、特に限定されない。例えば、一体成形部分にリブ、ボス等を形成してもよい。
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
[製造例A1]
ロータリーカッターを用い、強化繊維(x2)として、炭素繊維(三菱レイヨン社製、パイロフィルTR 50S、比重1.82)を繊維長12mmにカットして、チョップド炭素繊維を作製した。また、熱可塑性樹脂(x1)である酸変性ポリプロピレン樹脂(三菱化学製モディックP958V、MFR50、比重0.91)からなる繊維を繊維長3mmにカットして、チョップドポリプロピレン繊維を作製した。質量濃度0.12%のポリエチレンオキシド水溶液115kgに対し、チョップドポリプロピレン繊維を0.63kgを投入し、撹拌機を用いて十分に撹拌した。続いて、チョップド炭素繊維を0.54kg投入し、10秒間撹拌して、分散液を得た。得られた分散液を100cm角のメッシュ枠に流し込み、ポリエチレンオキシド水溶液をろ過した後、120℃の乾燥機内にて水分を完全に除き、繊維体積含有率が30体積%(繊維質量含有率:46質量%)で目付が1.17kg/mの繊維強化樹脂基材(X−1)を得た。繊維強化樹脂基材(X−1)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(x2)の合計体積の割合が100体積%である。繊維強化樹脂基材(X−1)の比重と目付から算出される理論厚さは1.0mmである。
[製造例A2]
製造例A1で得られた繊維強化樹脂基材(X−1)を30cm角に切り出し、300mm角で深さ15mmの印籠金型内に配置して、200℃まで加熱した後、多段プレス機(神藤金属工業所製圧縮成形機、製品名:SFA−50HH0)で加熱・加圧した。加熱・加圧の条件は、盤面の温度を200℃、圧力を0.2MPa、加熱・加圧の時間を2分間とした。次いで、同一の圧力で室温まで冷却し、厚さ1mmの繊維強化プラスチック板(i)を得た。繊維強化プラスチック板(i)においては、表面に強化繊維(x2)が露出していなかった。
[実施例A1]
図6に例示した金型200と、移動式IRヒーターと、東洋機械金属(株)製の射出成形装置ET−80HR2を用いて繊維強化複合材料成形品を製造した。金型200は、下面側に凹部212が形成された上型210と、上方に突き出る凸部222が設けられた下型220とを備えている。下型220には、凸部222の上面から樹脂を射出するための樹脂流路224が形成されている。上型210を下型220に近接させて金型200を閉じたときに、金型200内における凹部212と凸部222との間に、目的の繊維強化複合材料成形品の形状と相補的な形状のキャビティ(キャビティー厚さ2mm)が形成されるようになっている。
製造例A1で得た繊維強化樹脂基材(X−1)を下型220の凸部222上に設置した。その状態で移動式IRヒーターによって繊維強化樹脂基材(X−1)の表面温度が185℃以上になるまで15秒間加熱し、繊維強化樹脂基材(X−1)の上部のポリプロピレン繊維を溶融させた。金型200を閉じた後、210℃に加熱して溶融状態とした樹脂組成物(Y−1)を、下型220の樹脂流路224から金型200の空間(キャビティー)に射出し、繊維強化樹脂基材(X−1)における下側のポリプロピレン繊維を溶融させながら、強化繊維(x2)の露出部分に樹脂組成物(Y−1)を含浸させて繊維強化樹脂基材(X−1)と一体に成形し、2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−1)を得た。樹脂組成物(Y−1)としては、強化繊維(y2)として炭素繊維(平均繊維長:0.6mm)を含む炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂ペレット(商品名「パイロフィルペレットPP−C− 20A」、三菱レイヨン社製、繊維体積含有率:11体積%(繊維質量含有率:20質量%)、軟化温度:165℃)を使用した。樹脂組成物(Y−1)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合が100体積%である。
[比較例A1]
樹脂組成物(Y−1)の代わりに、強化繊維(y2)を含まない樹脂組成物としてポリプロピレン樹脂(商品名「ノバテックSA06GA」、日本ポリプロ社製、軟化温度:165℃)を用いた以外は、実施例A1と同様にして2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−2)を得た。
[比較例A2]
繊維強化樹脂基材(X−1)の代わりに製造例A2で得られた繊維強化プラスチック板(i)を用い、移動式IRヒーターによる加熱を省いた以外は、実施例A1と同様にして、2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−3)を得た。
[X線CT測定による構成評価:強化複合材料成形品の強化繊維の存在比率の測定法、及び特定の層の強化繊維体積含有率の測定方法]
各例で得た強化複合材料成形品から縦10mm×横10mmのサイズの試験片を切り出した。ただし、強化複合材料成形品の厚さが10mmを超える場合は、厚さが10mm以下となるように、かつ繊維強化樹脂基材(X)で形成された部分と樹脂組成物(Y)で形成された部分の境界部分が残るように、厚さ方向の一方又は両方の表層部分をカットする。
焦点サイズ1μmのX線CT測定機を用いて、試験片をその厚さ方向がZ軸方向となるように設置し、X−Y平面は固定して、Z軸方向に沿って移動させて測定した(X−Y平面の単位面積:10mm×10mm領域で測定)。このとき、測定のドットピッチは、測定精度の観点から1μm以下とした。測定により得られたスキャン画像を、解析ソフトを用いて、3次元表示変換した。画像処理により、強化繊維のみを表示させ、それらの強化繊維を繊維長によって色分けする処理を施した。本実施例では、繊維長100mm以上の強化繊維を黄色、繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維を赤、繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維を青で表示し、0.02mm未満の強化繊維は無視した。
色分けされた各々の強化繊維に対して、繊維の両末端から長さ40μm毎に分断する処理を施した。具体的には、例えば繊維長176μmの強化繊維については、片末端から繊維長が40μm、40μm、16μm、40μm、40μmとなるように分断した。このとき、繊維長が40μm未満となる部分については、必ずその部分が分断前の強化繊維の中央部に位置するように処理した。また、分断数が奇数になる場合は、繊維長が40μm未満となる部分の両側において、繊維長が40μmの部分の数の差が1となるようにした。例えば繊維長が65μmの強化繊維は、任意の片末端から繊維長が40μm、25μmとなるように分断処理を行った。また、繊維長が130μmの強化繊維は、任意の片末端から繊維長が40μm、40μm、10μm、40μとなるように分断処理を行った。ここで、繊維長が20μm以上40μ未満の繊維は切断せずにそのまま残し、分断後の繊維長が20μm未満の部分については削除した。
次いで、分断後の繊維長20μm以上40μm以下の強化繊維を、該強化繊維の長さ方向の中点位置での点表示に変換した。点表示の色は元の強化繊維の色分けと同じ色とした。試験片の測定範囲(10mm×10mm×厚さ方向Hmmの空間)を、強化繊維基材(X)が位置する側から厚さ方向に25μm毎に区切った。つまり、厚さHmmの試験片の場合、該試験片の測定範囲を、厚さ方向において、H×1000÷25個の区間に区切った。区切られた各々の空間において、黄、赤、青のそれぞれの色の点の数の存在割合を算出した。それぞれの点の数の存在割合は、各空間における繊維長100mm以上の強化繊維(黄)、繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)(青)、及び繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)(赤)のそれぞれの体積基準の存在割合と一致する。次いで、試験片において、強化繊維(x2)(青)の割合が67体積%以上の空間を合わせて第1層とし、強化繊維(x2)(青)の割合が33体積%超で強化繊維(y2)(赤)の割合が67体積%未満の空間を合わせて第2層とし、強化繊維(y2)(赤)の割合が67体積%以上の空間を第3層として分類した。第1層、第2層及び第3層がこの順とならないものについては、このような分類は実施しなかった。
次いで、第1層〜第3層について、それぞれ繊維体積含有率Vf1〜Vf3を下式により算出した。
Vf=40μm×(繊維半径)×(繊維半径)×(円周率)×(単位空間に存在する点の数)÷(単位空間の体積)×100
次いで、本発明に規定する条件を満たす第1層〜第3層が形成されていたものを「○(良好)」、それら第1層〜第3層が形成されていなかったものを「×(不良)」と評価した。
[層間せん断強度の測定]
得られた繊維強化複合材料成形品から25.4mm長×6.3mm幅×2mm厚の試験片を切り出し、ASTM D2344に準拠して層間せん断強度(ILSS)を測定した。
実施例A1及び比較例A1、A2の結果を表1に示す。
Figure 2016167349
表1に示すように、本発明に規定する条件を満たす第1層、第2層及び第3層が形成された実施例A1の繊維強化複合材料成形品は、それらの層が形成されていない比較例A1、A2の繊維強化複合材料成形品に比べて、層間せん断強度が高かった。
[製造例B1]
繊維長が50mmの炭素繊維を用い、カーディング法により、強化繊維(x2)として平均繊維長25mmの炭素繊維を含み、目付が300g/mである炭素繊維不織布を製造する。
熱可塑性樹脂(x1)として酸変性ポリプロピレン樹脂(商品名「モディックP958V」、三菱化学社製、軟化温度:165℃)を用いた目付が200g/mのフィルムを炭素繊維不織布の片方の面に配置し、カレンダーロールに複数回通して加熱と加圧を行い、樹脂を炭素繊維不織布に含浸させて厚さ470μmの繊維強化樹脂基材(X1−1)を得る。該繊維強化樹脂基材(X1−1)においては、厚さ方向の熱可塑性樹脂(x1)を含浸させた側と反対側は樹脂が含浸されていない未含浸部分となっており、強化繊維(x2)が露出している。繊維強化樹脂基材(X1−1)における熱可塑性樹脂(x1)が含浸された部分の厚さは330μmであり、未含浸部分の厚さは140μmである。該繊維強化樹脂基材(X1−1)は圧縮可能な基材であり、圧縮率Pが50%であり、圧縮率Pが57%である。繊維強化樹脂基材(X1−1)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合は100体積%である。
[実施例B1]
図1に例示した金型100を用いて、繊維強化複合材料成形品を製造する。
下型110の凹部112内に、製造例B1で得られる繊維強化樹脂基材(X1−1)を、未含浸部分を上にして配置する。次いで、赤外線ヒーターによって前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を210℃に加熱した後、金型100を閉じて、前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を賦型する。
炭素繊維強化ポリプロピレン樹脂ペレット(商品名「パイロフィルペレットPP−C−10A」、三菱レイヨン社製、炭素繊維含有量:10質量%、軟化温度:165℃、平均繊維長:0.6mm)を樹脂組成物(Y−2)とする。樹脂組成物(Y−2)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合は100体積%である。該樹脂組成物(Y−2)を210℃に加熱して溶融状態として、上型120の樹脂流路124から金型100内の空間に射出し、繊維強化樹脂基材(X−1)の強化繊維(x2)の露出部分に含浸させつつ、繊維強化樹脂基材(X−1)と一体に成形し、2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−4)を得る。この繊維強化複合材料成形品(F−4)における強化繊維(y2)である炭素繊維の繊維長は0.2〜0.75mmであり、平均繊維長は0.5mmである。
[実施例B2]
図1に例示した金型100を用いて、繊維強化複合材料成形品を製造する。
熱可塑性樹脂(y1)としてポリプロピレン樹脂(商品名「ノバテックSA06GA」、日本ポリプロ社製、軟化温度:165℃)85質量部と、繊維長が25mmの炭素繊維(商品名「パイロフィル炭素繊維トウTR 50S」、三菱レイヨン社製)15質量部とを二軸押出し混練し、樹脂組成物(Y−3)を得る。この樹脂組成物(Y−3)中における強化繊維(y2)である炭素繊維の平均繊維長は0.75mmである。樹脂組成物(Y−3)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合は100体積%である。
下型110の凹部112内に、製造例B1で得られる繊維強化樹脂基材(X1−1)を、強化繊維(x2)の露出部分を上にして配置する。次いで、赤外線ヒーターによって前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を210℃に加熱した後、金型100が少し開かれている状態で、210℃に加熱して溶融状態とした前記樹脂組成物(Y−3)を、上型120の樹脂流路124から前記繊維強化樹脂基材(X1−1)上に射出する。
次いで、金型100を閉じ、前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を賦型しつつ、前記樹脂組成物(Y−3)を前記繊維強化樹脂基材(X1−1)の強化繊維(x2)の露出部分に含浸させながら繊維強化樹脂基材(X1−1)と一体に成形し、2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−5)を得る。この繊維強化複合材料成形品(F−5)における強化繊維(y2)である炭素繊維の繊維長は0.1〜1.3mmであり、平均繊維長は0.6mmである。
[実施例B3]
図1に例示した金型100を用いて、繊維強化複合材料成形品を製造する。
熱可塑性樹脂(y1)としてポリプロピレン樹脂(商品名「ノバテックSA06GA」、日本ポリプロ社製、軟化温度:165℃)75質量部と、繊維長が25mmの炭素繊維(商品名「パイロフィル炭素繊維トウTR 50S」、三菱レイヨン社製)25質量部とを二軸押出し混練し、樹脂組成物(Y−4)を得る。この樹脂組成物(Y−4)中の強化繊維(y2)である炭素繊維の平均繊維長は0.75mmである。樹脂組成物(Y−4)中に存在する強化繊維の総体積に対する強化繊維(y2)の合計体積の割合は100体積%である。
下型110の凹部112内に、製造例B1で得られる繊維強化樹脂基材(X1−1)を、未含浸部分を上にして配置する。次いで、赤外線ヒーターによって前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を210℃に加熱した後、金型100を閉じて、前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を賦型する。
次いで、金型100を少し開き、その状態で、210℃に加熱して溶融状態とした前記樹脂組成物(Y−4)を、上型120の樹脂流路124から前記繊維強化樹脂基材(X1−1)上に射出する。
次いで、金型100を閉じ、前記繊維強化樹脂基材(X1−1)を賦型しつつ、前記樹脂組成物(Y−4)を前記繊維強化樹脂基材(X1−1)の強化繊維(x2)の露出部分に含浸させながら繊維強化樹脂基材(X1−1)と一体に成形し、2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−6)を得る。この繊維強化複合材料成形品(F−6)における強化繊維(y2)である炭素繊維の繊維長は0.07〜1.3mmであり、平均繊維長は0.6mmである。
[比較例B1]
樹脂組成物(Y−2)の代わりに、強化繊維(y2)を含まない樹脂組成物としてポリプロピレン樹脂(商品名「ノバテックSA06GA」、日本ポリプロ社製、軟化温度:165℃)を用いる以外は、実施例B1と同様にして2mm厚の繊維強化複合材料成形品(F−7)を得る。
[繊維強化複合材料成形品中の強化繊維(y2)の平均繊維長]
繊維強化複合材料成形品中の強化繊維(y2)の平均繊維長は、以下の方法で測定する。繊維強化複合材料成形品をオーブンに入れて500℃で2時間焼成し、樹脂を焼き飛ばした後、得られた灰分を水中に均一に分散させる。その分散水をシャーレに採り、乾燥させた後に光学顕微鏡により観察し、強化繊維(y2)の繊維長を無作為に1000本計測する。そして、下式によりその質量平均値を算出して強化繊維(y2)の平均繊維長とする。
平均繊維長=Σ(Mi×Ni)/Σ(Mi×Ni)
ただし、前記式中、Miは計測される繊維長(mm)であり、Niは繊維長Mi(mm)の強化繊維(y2)の個数である。
[接着強度の評価]
各例における成形体のインサート部分と一体成形部分の境界面での接着強度は、以下のようにして評価する。
繊維強化複合材料成形品から12.7mm幅×120mm長に試験片を切り出し、JIS K7074に準拠した曲げ試験を実施する。その試験から得られるひずみ−応力曲線の最初の応力降伏点が基材破壊であるものを「〇」、インサート部分と一体成形部分の境界面での界面剥離であるものを「×」とする。
評価結果を表2に示す。
Figure 2016167349
表2に示すように、本発明の製造方法を用いて製造する実施例B1〜B3の繊維強化複合材料成形品は、熱可塑性樹脂組成物に強化繊維(y2)を含まない比較例B1の繊維強化複合材料成形品に比べて、インサート部分と一体成形部分の境界部分における接着強度が高い。これは、実施例B1〜B3の繊維強化複合材料成形品では、インサート部分における繊維強化樹脂基材(X)の未含浸部分であった部分に、強化繊維(y2)が突き刺さっているような状態で存在するためであると考えられる。
1 繊維強化複合材料成形品
2 インサート部分
3 一体成形部分
4 平板部
5 側板部
6 境界部分
10 繊維強化樹脂基材(X)
10a 強化繊維(x2)
10b 熱可塑性樹脂(x1)
10c 露出部分
12 樹脂組成物(Y)
12a 熱可塑性樹脂(y1)
12b 強化繊維(y2)
21 第3層
22 第2層
23 第1層
100 金型
110 下型
112 凹部
120 上型
122 凸部
124 樹脂流路

Claims (10)

  1. 熱可塑性樹脂(x1)、及び繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)を含む繊維強化樹脂基材(X)と、熱可塑性樹脂(y1)、及び繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)を含む樹脂組成物(Y)とを金型内で一体に成形して繊維強化複合材料成形品を製造する方法であって、
    前記繊維強化樹脂基材(X)中に存在する強化繊維の総体積に対する前記強化繊維(x2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、前記繊維強化樹脂基材(X)の繊維体積含有率が15〜50体積%であり、
    前記樹脂組成物(Y)中に存在する強化繊維の総体積に対する前記強化繊維(y2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、前記樹脂組成物(Y)の繊維体積含有率が5〜25体積%であり、
    前記繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で前記強化繊維(x2)が露出した状態で、前記繊維強化樹脂基材(X)と前記樹脂組成物(Y)とを一体に成形する成形工程を有する、繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  2. 前記成形工程の前に、前記強化繊維(x2)が露出していない前記繊維強化樹脂基材(X)を加熱し、該繊維強化樹脂基材(X)の表面の少なくとも一部で前記強化繊維(x2)を露出させる露出工程を有する、請求項1に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  3. 前記成形工程において、前記樹脂組成物(Y)を金型内に射出して成形する、請求項1又は2に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  4. 前記金型内に前記繊維強化樹脂基材(X)を配置した状態で、前記金型によって前記繊維強化樹脂基材(X)を賦形しながら、又は賦形した後に前記樹脂組成物(Y)を射出する、請求項3に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  5. 前記成形工程において、前記繊維強化樹脂基材(X)と前記樹脂組成物(Y)とをプレス成形により一体に成形する、請求項1又は2に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  6. 前記熱可塑性樹脂(x1)の少なくとも一部が繊維状である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  7. 前記繊維強化樹脂基材(X)が、厚さ方向に圧縮可能な繊維強化樹脂基材(X1)である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
  8. 強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有し、第1層、第2層及び第3層をこの順に備える繊維強化複合材料成形品であって、
    前記第1層は、層の厚さが300μm以上であり、当該層内に存在する強化繊維の総体積に対する、繊維長3mm以上100mm未満の強化繊維(x2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、繊維体積含有率Vf1が15〜50体積%である層であり、
    前記第2層は、層の厚さが100〜1500μmであり、当該層内に存在する強化繊維の総体積に対する、前記強化繊維(x2)の合計体積の割合が33体積%超であり、かつ繊維長0.02mm以上3mm未満の強化繊維(y2)の合計体積の割合が67体積%未満である層であり、
    前記第3層は、層の厚さが300μm以上であり、当該層内に存在する強化繊維の総体積に対する、前記強化繊維(y2)の合計体積の割合が67体積%以上であり、繊維体積含有率Vf3が5〜25体積%である層である、繊維強化複合材料成形品。
  9. 前記第1層と前記第3層が前記第2層を介して接続されている、請求項8に記載の繊維強化複合材料成形品。
  10. 前記第1層の繊維体積含有率Vf1と、前記第2層の繊維体積含有率Vf2と、前記第3層の繊維体積含有率Vf3とが下式(1)の条件を満たす、請求項8又は9に記載の繊維強化複合材料成形品。
    Vf3<Vf2<Vf1 ・・・(1)
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