JPWO2017110528A1 - 構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本発明の第1の態様に係る構造体について説明する。
工程[2]:構造体前駆体を加熱された状態で厚み調整をすることにより膨張させる工程。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
構造体の質量Wsを測定した後、構造体を空気中500℃で30分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Wfを測定し、次式により算出した。
ρf:強化繊維の密度(g/cm3)
ρr:樹脂の密度(g/cm3)
構造体から試験片を切り出し、ISO178法(1993)に従い曲げ弾性率を測定した。試験片は、任意の方向を0°方向とした場合に+45°、−45°、90°方向の4方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数n=5とし、算術平均値を曲げ弾性率Ecとした。測定装置としては“インストロン(登録商標)”5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)を使用した。得られた結果より次式により、構造体の比曲げ弾性率を算出した。
構造体から幅25mmの小片を切り出し、エポキシ樹脂に包埋した上で、シート厚み方向の垂直断面が観察面となるように研磨して試料を作製した。試料をレーザー顕微鏡(キーエンス(株)製、VK−9510)で400倍に拡大し、繊維断面形状の観察を行った。観察画像を汎用画像解析ソフトウェア上に展開し、ソフトウェアに組み込まれたプログラムを利用して観察画像中に見える個々の繊維断面を抽出し、繊維断面に内接する楕円を設け、繊維断面の形状を近似した(以降、繊維楕円と呼ぶ)。さらに、繊維楕円の長軸長さα/短軸長さβで表されるアスペクト比が20以上の繊維楕円に対し、面方向Xと繊維楕円の長軸方向とのなす角を求めた。構造体の異なる部位から抽出した観察試料について上記操作を繰り返すことにより、計600本の強化繊維について配向角度を測定し、その算術平均値を強化繊維の配向角度θfとして求めた。
構造体から試験片を切り出し、JIS K7222(2005)を参考にして構造体の見かけ比重を測定した。試験片の寸法は縦100mm、横100mmとした。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Vを算出した。また、切り出した試験片の質量Mを電子天秤で測定した。得られた質量M及び体積Vを次式に代入することにより構造体の比重ρを算出した。
構造体から縦10mm、横10mmに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製 S−4800型)により観察し、構造体の表面から、等間隔に10箇所を1000倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Aaを求めた。さらに、空隙の面積Aaを画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、5枚の試験片でそれぞれ10箇所ずつ撮影した合計50箇所の空隙率から算術平均により求めた。なお、構造体において、表面から厚み方向の中点位置までの空隙率と残りの部分の空隙率とが異なる場合を判断するために、前記等間隔に撮影した10箇所において、各々の空隙の体積含有率を算出し、空隙の体積含有率が0体積%以上、10体積%未満の範囲内にあるものと、空隙の体積含有率が10体積%以上、99体積%以下のものとに分別して求めた。
構造体を縦10mm、横10mmに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製 S−4800型)により観察し、任意の10箇所を3000倍の倍率で撮影した。得られた画像の強化繊維の断面がカットされた任意の50ヶ所から、強化繊維に被覆している樹脂の被覆厚さを測定した。強化繊維を被覆した樹脂の厚みとしては、かかる50ヶ所の測定結果の算術平均値を用いた。
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数12,000本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
比重:1.8
引張強度:4600MPa
引張弾性率:220GPa
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数12,000本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
比重:1.8
引張強度:4100MPa
引張弾性率:420GPa
未変性ポリプロピレン樹脂(プライムポリマー(株)製“プライムポリプロ”(登録商標)J105G)80質量%と、酸変性ポリプロピレン樹脂(三井化学(株)製“アドマー”QB510)20質量%とからなる目付100g/m2の樹脂シートを作製した。得られた樹脂シートの特性を表1に示す。
ナイロン6樹脂(東レ(株)製“アミラン”(登録商標)CM1021T)からなる目付124g/m2の樹脂フィルムを作製した。得られた樹脂フィルムの特性を表1に示す。
ポリカーボネート樹脂(三菱エンジニアリングプラスチック(株)製“ユーピロン”(登録商標)H−4000)からなる目付132g/m2の樹脂フィルムを作製した。得られた樹脂フィルムの特性を表1に示す。
ポリフェニレンサルファイド樹脂(東レ(株)製“トレリナ”(登録商標)M2888)からなる目付147g/m2の樹脂不織布を作製した。得られた樹脂不織布の特性を表1に示す。
エポキシ樹脂として、エポトートYD128(東都化成(株)製)を40質量部、エポトートYD128G(東都化成(株)製)を20質量部、エピコート1001(ジャパンエポキシレジン(株)製)を20質量部、エピコート1009(ジャパンエポキシレジン(株)製)を20質量部、硬化剤としてDICY7(ジャパンエポキシレジン(株)製、ジシアンジアミド)4質量部、DCMU99(保土ヶ谷化学(株)製、3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア)3質量部、その他添加剤としてビニレックK(チッソ(株)製、ポリビニルホルマール)5質量部を配合した。これからナイフコーターを用いて目付132g/m2の樹脂フィルムを作製した。得られた樹脂フィルムの特性を表1に示す。
炭素繊維1を長さ5mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。チョップド炭素繊維を開綿機に投入して当初の太さの強化繊維束がほとんど存在しない、綿状の強化繊維集合体を得た。この強化繊維集合体を直径600mmのシリンダーロールを有するカーディング装置に投入し、強化繊維からなるシート状のウエブを形成した。このときのシリンダーロールの回転数は320rpm、ドッファーの速度は13m/分であった。このウエブを重ねて強化繊維マット1を得た。得られた強化繊維マット1の特性を表2に示す。
炭素繊維1をカートリッジカッターで3mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤(ナカライテクス(株)製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(商品名))とからなる濃度0.1質量%の分散液を作製し、この分散液とチョップド炭素繊維とを用いて図6に示す強化繊維マットの製造装置を用いて、強化繊維マットを製造した。図6に示す製造装置は、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径1000mmの円筒形状の容器、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部(傾斜角30°)を備えている。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維及び分散液(分散媒体)を投入可能である。抄紙槽が、底部に幅500mmの抄紙面を有するメッシュコンベアを備える槽である点、及び炭素繊維基材(抄紙基材)を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を0.05質量%として行った。抄紙した炭素繊維基材は200℃の乾燥炉で30分間乾燥し、強化繊維マット2を得た。得られた目付は50g/m2であった。得られた強化繊維マット2の特性を表2に示す。
炭素繊維1をカートリッジカッターで6mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た以外は、強化繊維マット2と同様にして強化繊維マット3を得た。得られた強化繊維マット3の特性を表2に示す。
炭素繊維1をカートリッジカッターで12mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た以外は、強化繊維マット2と同様にして強化繊維マット4を得た。得られた強化繊維マット4の特性を表2に示す。
炭素繊維1をカートリッジカッターで25mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。得られたチョップド炭素繊維を80cm高さから自由落下させて、チョップド炭素繊維がランダムに分布した強化繊維マット5を得た。得られた強化繊維マット5の特性を表2に示す。
炭素繊維2をカートリッジカッターで6mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た以外は、強化繊維マット2と同様にして強化繊維マット6を得た。得られた強化繊維マット6の特性を表2に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、以下の工程(I)〜(V)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表3に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(IV)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(V)金型を開いて構造体を取り出す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製し、工程(III)における金属スペーサーの厚みを3.4mmから5.6mmに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
樹脂シートをPP樹脂からPA樹脂に代えて、工程(I)における予熱温度を230℃から260℃に代えた。他、工程(IV)におけるキャビティ温度を50℃から60℃に代え、工程(III)における金属スペーサーの厚みを3.4mmから3.3mmに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
樹脂シートをPP樹脂からPPS樹脂に代えて、工程(I)における予熱温度を230℃から300℃に代えた。工程(IV)におけるキャビティ温度を50℃から150℃に代え、工程(III)における金属スペーサーの厚みを3.4mmから2.9mmに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
樹脂シートをPP樹脂からPC樹脂に代えて、工程(I)における予熱温度を230℃から300℃に代えて、工程(IV)におけるキャビティ温度を50℃から80℃に代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
強化繊維マットを強化繊維マット3から強化繊維マット6に代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
樹脂シートをPP樹脂からエポキシ樹脂に代えて、実施例1と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(V)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表3に示す。
(II)次いで、3MPaの圧力を付与してさらに20秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが3.3mmとなるように調整する。
(IV)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を30℃まで冷却する。
(V)金型を開いて構造体を取り出す。
強化繊維マットを強化繊維マット3から強化繊維マット2に代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
強化繊維マットを強化繊維マット3から強化繊維マット4に代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
強化繊維マットを強化繊維マット3から強化繊維マット1に代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
工程(III)における金属スペーサーの厚みを3.4mmから20.2mmに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表3に示す。
実施例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例1と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表3に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが1.2mmのスペーサーを挿入し、5秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
実施例1と同様の強化繊維マットおよび樹脂シートを用いて、実施例1と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表3に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが2.0mmの金属スペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
実施例1と同様の強化繊維マットおよび樹脂シートを用いて、実施例1と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表3に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端から中心にかけて等間隔に厚みが2.3mmの金属スペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、金型キャビティを解放して、工程(III)において、金属スペーサーの接触していない部分の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、実施例1における工程(III)において金属スペーサーを用いなかった以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
強化繊維マット3を70枚積み重ね、それをPP樹脂にて挟み込んで積層物を作製した。次いで、実施例1における工程(III)において、金属スペーサーを厚み3.4mmから厚み3.2mmに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、実施例1における工程(III)において金属スペーサーを厚み3.4mmから厚み1.4mmに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、実施例1における工程(I)〜(V)を経ることにより構造体を得た以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット5を用いた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
実施例1における工程(I)、(III)のみを経た成形体を金型から取り出して空冷することに代えた以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
実施例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例1と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体の特性を表4に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが1.8mmのスペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
本実施例が、構造体の厚みStが条件式:St≧Lf2・(1−cos(θf))を満足することにより、比曲げ弾性率と曲げ弾性率の絶対値とのバランスに優れることが明確である。さらに、樹脂種を変更した実施例4、5、6、8についても同様のことが言える。一方、比較例1においては、強化繊維マットと樹脂を実施例1と同様にしたが、空隙が無いことにより、比曲げ弾性率を満足できなかった。比較例2においては、樹脂及び空隙の体積割合を調整したが、強化繊維マットの体積割合とのバランスが悪く、曲げ弾性率が低いものとなった。強化繊維の周囲への樹脂による被覆が形成されなかったためと推察する。比較例3においては、曲げ弾性率が低いものとなった。これは、略モノフィラメント状ではない強化繊維を使用したためであり、比較例4において構造体の厚みを変更したが改善されることはなかった。比較例5においては、強化繊維の繊維長を短くしたため、条件式:St≧Lf2・(1−cos(θf))を満足できなかった。これにより、曲げ弾性率の絶対値を満足することができなかった。比較例6においては、強化繊維の周囲を樹脂が被覆せず、強化繊維の交差する点に樹脂が局在化したため、強化繊維、樹脂、及び空隙の含有量は満足したが、曲げ弾性率の絶対値が低く、結果として、比曲げ弾性率の値を満足できなかった。比較例7においては、表面に高い比重、中心部分に低い比重の領域を設け、その厚み割合は、両表面と中心とが1:1の関係となった。比較例7の曲げ特性を評価したが、構造体の表面の空隙を有する領域と中心の空隙を有する領域との厚み割合のバランスが悪いため、中心部分の高い空隙率を有する層の特性が支配的となり、所望の特性を得ることができなかった。
次に、本発明の第2の態様に係る構造体について説明する。
工程[2]:構造体前駆体を加熱された状態で厚み調整をすることにより膨張させる工程。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
構造体の質量Wsを測定した後、構造体を空気中500℃で30分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Wfを測定し、次式により算出した。
ρf:強化繊維の密度(g/cm3)
ρr:樹脂の密度(g/cm3)
構造体から試験片を切り出し、ISO178法(1993)に従い、構造体全体の曲げ弾性率を測定した。さらに、第1部分と第2部分については、カッターを用いて切り分け、各々についても、同様に曲げ弾性率を測定した。これらの試験片は、任意の方向を0°方向とした場合に+45°、−45°、90°方向の4方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数n=5とし、算術平均値を曲げ弾性率Ecとした。測定装置としては“インストロン(登録商標)”5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)を使用した。得られた結果より次式により、構造体の比曲げ弾性率を算出した。
構造体から幅25mmの小片を切り出し、エポキシ樹脂に包埋した上で、シート厚み方向の垂直断面が観察面となるように研磨して試料を作製した。試料をレーザー顕微鏡(キーエンス(株)製、VK−9510)で400倍に拡大し、繊維断面形状の観察を行った。観察画像を汎用画像解析ソフトウェア上に展開し、ソフトウェアに組み込まれたプログラムを利用して観察画像中に見える個々の繊維断面を抽出し、繊維断面に内接する楕円を設け、繊維断面の形状を近似した(以降、繊維楕円と呼ぶ)。さらに、繊維楕円の長軸長さα/短軸長さβで表されるアスペクト比が20以上の繊維楕円に対し、面方向Xと繊維楕円の長軸方向とのなす角を求めた。構造体の異なる部位から抽出した観察試料について上記操作を繰り返すことにより、計600本の強化繊維について配向角度を測定し、その算術平均値を強化繊維の配向角度θfとして求めた。
構造体から試験片を切り出し、JIS K7222(2005)を参考にして構造体の見かけ比重を測定した。試験片の寸法は縦100mm、横100mmとした。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Vを算出した。また、切り出した試験片の質量Mを電子天秤で測定した。得られた質量M及び体積Vを次式に代入することにより構造体の比重ρを算出した。
構造体から縦10mm、横10mmに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製 S−4800型)により観察し、構造体の表面から、等間隔に10箇所を1000倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Aaを求めた。さらに、空隙の面積Aaを画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、5枚の試験片でそれぞれ10箇所ずつ撮影した合計50箇所の空隙率から算術平均により求めた。
構造体を縦10mm、横10mmに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製 S−4800型)により観察し、任意の10箇所を3000倍の倍率で撮影した。得られた画像の強化繊維の断面がカットされた任意の50ヶ所から、強化繊維に被覆している樹脂の被覆厚さを測定した。強化繊維を被覆した樹脂の厚みとしては、かかる50ヶ所の測定結果の算術平均値を用いた。
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数12,000本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
比重:1.8
引張強度:4600MPa
引張弾性率:220GPa
未変性ポリプロピレン樹脂(プライムポリマー(株)製“プライムポリプロ”(登録商標)J105G)80質量%と、酸変性ポリプロピレン樹脂(三井化学(株)製“アドマー”QB510)20質量%とからなる目付100g/m2の樹脂シートを作製した。得られた樹脂シートの特性を表1に示す。
ナイロン6樹脂(東レ(株)製“アミラン”(登録商標)CM1021T)からなる目付124g/m2の樹脂フィルムを作製した。得られた樹脂フィルムの特性を表1に示す。
ポリカーボネート樹脂(三菱エンジニアリングプラスチック(株)製“ユーピロン”(登録商標)H−4000)からなる目付132g/m2の樹脂フィルムを作製した。得られた樹脂フィルムの特性を表1に示す。
ポリフェニレンサルファイド樹脂(東レ(株)製“トレリナ”(登録商標)M2888)からなる目付147g/m2の樹脂不織布を作製した。得られた樹脂不織布の特性を表1に示す。
エポキシ樹脂として、エポトートYD128(東都化成(株)製)を40質量部、エポトートYD128G(東都化成(株)製)を20質量部、エピコート1001(ジャパンエポキシレジン(株)製)を20質量部、エピコート1009(ジャパンエポキシレジン(株)製)を20質量部、硬化剤としてDICY7(ジャパンエポキシレジン(株)製、ジシアンジアミド)4質量部、DCMU99(保土ヶ谷化学(株)製、3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア)3質量部、その他添加剤としてビニレックK(チッソ(株)製、ポリビニルホルマール)5質量部を配合した。これからナイフコーターを用いて目付132g/m2の樹脂フィルムを作製した。得られた樹脂フィルムの特性を表1に示す。
炭素繊維1をカートリッジカッターで6mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤(ナカライテクス(株)製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(商品名))とからなる濃度0.1質量%の分散液を作製し、この分散液とチョップド炭素繊維とを用いて図6に示す強化繊維マットの製造装置を用いて、強化繊維マットを製造した。図6に示す製造装置は、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径1000mmの円筒形状の容器、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部(傾斜角30°)を備えている。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維及び分散液(分散媒体)を投入可能である。抄紙槽が、底部に幅500mmの抄紙面を有するメッシュコンベアを備える槽である点、及び炭素繊維基材(抄紙基材)を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を0.05質量%として行った。抄紙した炭素繊維基材は200℃の乾燥炉で30分間乾燥し、強化繊維マット3を得た。得られた目付は50g/m2であった。得られた強化繊維マット3の特性を表2に示す。
炭素繊維1をカートリッジカッターで25mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。得られたチョップド炭素繊維を80cm高さから自由落下させて、チョップド炭素繊維がランダムに分布した強化繊維マット5を得た。得られた強化繊維マット5の特性を表2に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、以下の工程(I)〜(V)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表5に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(IV)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(V)金型を開いて構造体を取り出す。
参考例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、参考例1と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表5に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが1.2mmのスペーサーを挿入し、5秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
参考例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例21と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表5に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが2.0mmの金属スペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
参考例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例21と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表5に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端から中心にかけて等間隔に厚みが2.3mmの金属スペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、金型キャビティを解放して、工程(III)において、金属スペーサーの接触していない部分の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
樹脂シートをPP樹脂からPA樹脂に代えて、工程(I)における予熱温度を230℃から260℃に代えた。他、工程(IV)におけるキャビティ温度を50℃から60℃に代え、工程(III)における金属スペーサーの厚みを変更した以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表5に示す。
樹脂シートをPP樹脂からPPS樹脂に代えて、工程(I)における予熱温度を230℃から300℃に代えた。工程(IV)におけるキャビティ温度を50℃から150℃に代え、工程(III)における金属スペーサーの厚みを変更した以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表5に示す。
樹脂シートをPP樹脂からPC樹脂に代えて、工程(I)における予熱温度を230℃から300℃に代えて、工程(IV)におけるキャビティ温度を50℃から80℃に代えた以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表5に示す。
樹脂シートをPP樹脂からエポキシ樹脂に代えて、実施例21と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表5に示す。
(II)次いで、3MPaの圧力を付与してさらに20秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが1.2mmのスペーサーを挿入し、5秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、実施例21における工程(III)において金属スペーサーを用いなかった以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
強化繊維マット3を70枚積層積み重ね、それをPP樹脂にて挟み込んで積層物を作製した。次いで、実施例21における工程(III)において、金属スペーサーを厚み3.4mmから厚み3.2mmに代えた以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、実施例21における工程(III)において金属スペーサーを厚み3.4mmから厚み1.4mmに代えた以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット3、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を作製した。次いで、実施例21における工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
強化繊維マットとして強化繊維マット5を用いた以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
実施例21における工程(I)、(III)のみを経た成形体を金型から取り出して空冷することに代えた以外は、実施例21と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
実施例21と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例21と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体の特性を表6に示す。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが1.8mmのスペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが3.4mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
本実施例が、構造体の厚みStが条件式:St≧Lf2・(1−cos(θf))を満足することにより、比曲げ弾性率と曲げ弾性率の絶対値とのバランスに優れることが明確である。さらに、樹脂種を変更した実施例24、25、26についても同様のことが言える。一方、比較例11においては、強化繊維マットと樹脂を実施例21と同様にしたが、空隙が無いことにより、比曲げ弾性率を満足できなかった。比較例12においては、樹脂及び空隙の体積割合を調整したが、強化繊維マットの体積割合とのバランスが悪く、曲げ弾性率が低いものとなった。強化繊維の周囲への樹脂による被覆が形成されなかったためと推察する。比較例13においては、曲げ弾性率が低いものとなった。これは、略モノフィラメント状ではない強化繊維を使用したためであり、比較例14において構造体の厚みを変更したが改善されることはなかった。比較例15においては、強化繊維の繊維長を短くしたため、条件式:St≧Lf2・(1−cos(θf))を満足できなかった。これにより、曲げ弾性率の絶対値を満足することができなかった。比較例16においては、強化繊維の周囲を樹脂が被覆せず、強化繊維の交差する点に樹脂が局在化したため、強化繊維、樹脂、及び空隙の含有量は満足したが、曲げ弾性率の絶対値が低く、結果として、比曲げ弾性率の値を満足できなかった。比較例17においては、表面に高い比重、中心部分に低い比重の領域を設け、その厚み割合は、両表面と中心とが1:1の関係となった。比較例17の曲げ特性を評価したが、構造体の表面の空隙を有する領域と中心の空隙を有する領域との厚み割合のバランスが悪いため、中心部分の高い空隙率を有する層の特性が支配的となり、所望の特性を得ることができなかった。
2 樹脂
3 強化繊維
4 空隙
Claims (15)
- 樹脂と強化繊維と空隙からなる構造体であって、
前記樹脂の体積含有率が2.5体積%以上、85体積%以下の範囲内にあり、
前記強化繊維の体積含有率が0.5体積%以上、55体積%以下の範囲内にあり、
前記空隙が10体積%以上、99体積%以下の範囲内の割合で前記構造体中に含有され、
前記強化繊維の長さをLf、前記構造体の断面方向における前記強化繊維の配向角度をθfとしたとき、前記構造体の厚みStが条件式:St≧Lf2・(1−cos(θf))を満足し、
前記構造体の曲げ弾性率をEc、前記構造体の比重をρとしたとき、Ec1/3・ρ−1として表される前記構造体の比曲げ弾性率が3以上、20以下の範囲内にあり、且つ、前記構造体の曲げ弾性率Ecが3GPa以上である
ことを特徴とする構造体。 - 樹脂と強化繊維と空隙からなる構造体であって、
前記樹脂の体積含有率が2.5体積%以上、85体積%以下の範囲内にあり、
前記強化繊維の体積含有率が0.5体積%以上、55体積%以下の範囲内にあり、
前記空隙が10体積%以上、99体積%以下の範囲内の割合で前記構造体中に含有され、
前記強化繊維の長さをLf、前記構造体の断面方向における前記強化繊維の配向角度をθfとしたとき、前記構造体の厚みStが条件式:St≧Lf2・(1−cos(θf))を満足し、
前記構造体の曲げ弾性率をEc、前記構造体の比重をρとしたとき、Ec1/3・ρ−1により表される前記構造体の第1部分における比曲げ弾性率が1以上、3未満の範囲内にあり、前記構造体の前記第1部分と異なる第2部分における比曲げ弾性率が3以上、20以下の範囲内にある
ことを特徴とする構造体。 - 前記構造体の曲げ弾性率Ecが6GPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の構造体。
- 前記構造体の前記第2部分の曲げ弾性率Ecが6GPa以上であることを特徴とする請求項2に記載の構造体。
- 前記構造体の前記第1部分及び前記第2部分が前記構造体の厚み方向の異なる位置に存在することを特徴とする請求項2又は4に記載の構造体。
- 前記構造体の前記第1部分及び前記第2部分が前記構造体の面方向の異なる位置に存在することを特徴とする請求項2又は4に記載の構造体。
- 前記構造体の比重ρが0.9g/cm3以下であることを特徴とする請求項1〜6のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記構造体の表面から厚み方向の中点位置までの30%以内の部分における空隙率が0体積%以上、10体積%未満の範囲内にあり、残りの部分の空隙率が10体積%以上、99体積%以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1〜7のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記強化繊維は前記樹脂に被覆されており、前記樹脂の厚みが1μm以上、15μm以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1〜8のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記強化繊維が、不連続であり、略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることを特徴とする請求項1〜9のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記構造体中における前記強化繊維の配向角度θfが3°以上であることを特徴とする請求項1〜10のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記強化繊維の質量平均繊維長が1mm以上、15mm以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1〜11のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項1〜12のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記樹脂が少なくとも1種類以上の熱可塑性樹脂を含むことを特徴とする請求項1〜13のうち、いずれか1項に記載の構造体。
- 前記樹脂が少なくとも1種類以上の熱硬化性樹脂を含むことを特徴とする請求項1〜13のうち、いずれか1項に記載の構造体。
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