TW202338451A - 一體化成形品及一體化成形品的製造方法、框架結構、飛翔體 - Google Patents

一體化成形品及一體化成形品的製造方法、框架結構、飛翔體 Download PDF

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Abstract

本發明的課題在於生產性良好且以牢固的接合狀態製作將具有筒狀部或柱狀部的纖維強化熱硬化性樹脂結構構件與其他樹脂結構構件接合而成的一體化成形品。用於解決所述課題的本發明是一種本質上由纖維強化熱硬化性樹脂形成的、具有筒狀部或柱狀部的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）接合而成的一體化成形品，所述一體化成形品中，所述樹脂結構構件（b）具有與所述結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周面及/或內周面重疊的重疊區域，於該重疊區域的至少一部分中經由熱塑性樹脂而與所述結構構件（a）接合。

Description

一體化成形品及一體化成形品的製造方法
本發明是有關於一種將具有筒狀部或柱狀部的纖維強化熱硬化性樹脂結構構件與其他樹脂結構構件接合而成的一體化成形品。
纖維強化複合材料是力學特性、輕量性優異的材料，以飛機、汽車、產業用機器等的構件為代表被廣泛使用。於此種用途中，有時採用以纖維強化複合材料為主骨架的框架結構。於所述情況下，需要於包含纖維強化複合材料的框架材料的一部分上形成能夠連結或裝卸的構件，但由於此種構件的形狀比較複雜，因此一般藉由射出成形等另行製造，使用接著劑或螺栓固定於框架材料上。例如，於專利文獻1中揭示了一種對纖維強化樹脂製的管的接合部進行螺栓加工並與接合構件機械地接合的方法。另外，於專利文獻2中揭示了一種利用接著劑將碳纖維強化樹脂製的管與接頭接合而成的結構體。 [現有技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開平11-350592號公報 專利文獻2：日本專利特開昭62-295372號公報
[發明所欲解決之課題] 但是，於專利文獻1所記載的方法中，由於管的螺栓加工而有強度下降之虞，並且亦存在由螺栓本身引起的重量增加的課題。另外，關於專利文獻2中揭示的方法，接合狀態依賴於接著劑塗佈的狀態，此成為使接合的可靠性下降的因素，並且亦存在由接著材塗佈引起的重量增加的課題。另外，於任何方法中，均無法避免由於步驟數增多而生產性下降的課題。
本發明的目的在於生產性良好且以牢固的接合狀態製作輕量且剛性高的一體化成形品。 [解決課題之手段]
解決所述課題的本發明為以下內容。
一種一體化成形品，是本質上由纖維強化熱硬化性樹脂形成的、具有筒狀部或柱狀部的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）接合而成，所述一體化成形品中，所述樹脂結構構件（b）具有與所述結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周面及/或內周面重疊的重疊區域，於所述重疊區域的至少一部分中經由熱塑性樹脂而與所述結構構件（a）接合。 [發明的效果]
藉由本發明，可生產性良好地製造輕量且接合狀態穩定的一體化成形品。
以下，對本發明的較佳的實施方式進行說明。
本發明的一體化成形品是本質上由纖維強化熱硬化性樹脂形成且至少一部分具有筒狀部或柱狀部的結構構件（a）與其他樹脂結構構件（b）接合而成的一體化成形品。再者，於本發明中，所謂本質上由某種材料形成，是指含有該材料作為主要成分，典型而言僅包含該材料，但只要不失去發明的效果，則亦可包含其他成分。
本發明中的結構構件（a）的纖維強化熱硬化性樹脂中所含的纖維一般可使用作為強化纖維而使用的纖維。例如可列舉：玻璃纖維、聚丙烯腈系、人造絲系、木質素系、瀝青系的碳纖維（包括石墨纖維）、鈦酸鉀晶鬚、氧化鋅晶鬚、碳酸鈣晶鬚、矽灰石（wollastonite）晶鬚、硼酸鋁晶鬚、芳族聚醯胺纖維、氧化鋁纖維、碳化矽纖維、陶瓷纖維、石棉（asbest）纖維、石膏纖維、金屬纖維等，其中較佳為玻璃纖維、聚丙烯腈系及瀝青系的碳纖維，就輕量性及力學特性的觀點而言，更佳為聚丙烯腈系及瀝青系的碳纖維，特佳為聚丙烯腈系的碳纖維。
就力學特性提高的觀點而言，較佳為結構構件（a）中所含的纖維利用施膠劑進行表面處理。作為施膠劑，可列舉：多官能環氧樹脂、丙烯酸系聚合物、多元醇、聚乙烯亞胺等，具體而言，可列舉：甘油三縮水甘油醚、二甘油聚縮水甘油醚、聚甘油聚縮水甘油醚、山梨糖醇聚縮水甘油醚、阿拉伯糖醇聚縮水甘油醚、三羥甲基丙烷三縮水甘油醚、季戊四醇聚縮水甘油醚等脂肪族多元醇的聚縮水甘油醚、聚丙烯酸、丙烯酸與甲基丙烯酸的共聚物、丙烯酸與馬來酸的共聚物、或該些的兩種以上的混合物、聚乙烯醇、甘油、二甘油、聚甘油、山梨糖醇、阿拉伯糖醇、三羥甲基丙烷、季戊四醇、一分子中包含更多的胺基的聚乙烯亞胺等，該些中，甘油三縮水甘油醚、二甘油聚縮水甘油醚、聚甘油聚縮水甘油醚由於一分子中包含許多反應性高的環氧基且水溶性高，容易向纖維上塗佈，因此於本發明中可較佳地使用。
相對於纖維100質量份，施膠劑較佳為含有0.01質量份～5質量份，更佳為含有0.1質量份～2質量份。
結構構件（a）中所含的纖維較佳為連續纖維。此處，本說明書中的連續纖維是指具有10 mm以上的長度的纖維，只要具有該長度，則未必需要為於整個構件上連續的纖維，亦可於中途被切斷。作為連續纖維的形態，例如可列舉將織入纖維束的交叉織物、長絲、編帶（braid）、長絲束、紡紗等沿一個方向拉齊的形態。另外，亦可併用該些中的兩種以上的強化纖維的形態來形成結構構件（a）。
結構構件（a）較佳為具有將包含纖維強化熱硬化性樹脂的預浸片積層而成形的積層結構的成形體。於預浸片是將強化纖維向一個方向拉齊的形態的情況下，較佳為設為將強化纖維的角度併用大致0°方向、大致±45°方向、大致90°方向等的積層結構，亦可包含上述以外的角度的層結構。
結構構件（a）100質量%中存在的纖維的質量含有率較佳為20質量%～70質量%，更佳為25質量%～70質量%，特佳為30質量%～65質量%。藉由將纖維的質量含有率設為所述範圍，可獲得剛性高且尺寸精度良好的結構構件（a）。
構成結構構件（a）的纖維強化熱硬化性樹脂的熱硬化性樹脂的種類並無特別限制，例如可列舉：不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、環氧樹脂、酚（可溶酚醛型）樹脂、脲-三聚氰胺樹脂、聚醯亞胺樹脂等、或該些的共聚物、改質體、以及將該些的至少兩種摻合而成的樹脂。該些中，以環氧樹脂為主成分的熱硬化性樹脂由於剛性、強度優異，就成形品的力學特性的觀點而言更佳。再者，熱硬化性樹脂中的主成分是指熱硬化性樹脂中的成分比率佔60質量%以上。
另外，纖維強化熱硬化性樹脂中亦可根據用途等含有其他的填充材或添加劑。例如可列舉：彈性體或橡膠成分、無機填充材、阻燃劑、導電性賦予劑、抗菌劑、防蟲劑、防臭劑、防著色劑、脫模劑、防靜電劑、塑化劑、著色劑、顏料、染料、發泡劑、製泡劑、偶合劑等。
於本發明中，結構構件（a）是至少一部分具有筒狀部或柱狀部的構件。此處，所謂柱狀是指於筒狀部中不存在中空的實心形狀。典型而言，結構構件（a）可為整體呈柱狀或筒狀的形狀。或者，結構構件（a）亦可為同時具有筒狀部或柱狀部、及除此以外的形狀部分的形態。進而，於具有筒狀部的情況下，亦可為筒狀部的壁厚發生了變化的壁厚不均的形態。結構構件（a）的筒狀部或柱狀部亦可彎曲。
於結構構件（a）具有筒狀部的情況下，就輕量、剛性高的觀點而言，較佳為相對於與筒狀形態的開口面平行的剖面（以下，於簡稱為結構構件（a）的「剖面」的情況下，是指結構構件（a）的筒狀部中的與筒狀形態的開口面平行的剖面）的直徑而言與開口面垂直的方向上的長度更長的管道狀。於所述情況下，管道狀部的長邊方向上的長度並無特別限制，較佳為0.05 m以上，更佳為0.1 m以上，特佳為0.15 m以上。另外，若假設作為構成無人機等的框架結構的框架材料使用，則較佳為3 m以下，更佳為2 m以下，特佳為1 m以下。結構構件（a）為整體呈筒狀的筒狀體是本發明的較佳態樣，整體呈管道狀的構件、即管（pipe）狀的構件是本發明的特佳的態樣。
結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的剖面形狀並無特別限制，但較佳為圓形或矩形。另外，結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的剖面積較佳為20 mm 2以上，更佳為50 mm 2以上。另外，較佳為300 mm 2以下，更佳為200 mm 2以下。於結構構件（a）為所述剖面積的範圍的情況下，可生產性良好地獲得剛性高的一體化成形品。
結構構件（a）本質上由熱硬化性樹脂形成，但若於外周面及/或內周面的至少一部分、典型而言於與樹脂結構構件（b）接合的部分中，於其表面具有露出的熱塑性樹脂區域，則藉由與樹脂結構構件（b）的熱熔接，可容易地形成結構構件（a）與樹脂結構構件（b）經由熱塑性樹脂接合的狀態、特別是如後述般的於位於較接合邊界面而言更靠結構構件（a）側的結構構件（a）的表面存在熱塑性樹脂的狀態。此種熱塑性樹脂區域典型而言於結構構件（a）的表面設置得薄，其厚度通常為1 μm～300 μm，更佳為50 μm～150 μm。
於結構構件（a）的筒狀部或柱狀部具有圓形剖面且在其外周面存在熱塑性樹脂區域的情況下，較佳為自筒狀部或柱狀部的中心軸到最外層為止的距離La、和自筒狀部或柱狀部的中心軸到熱硬化性樹脂與熱塑性樹脂區域的界面為止的距離Lb滿足下述式（1）的關係。 0.9≦Lb/La≦0.9999   （1） 關於此種熱塑性樹脂區域的形態，只要於結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的內周面或外周面的表面形成有熱塑性樹脂露出的區域，則並無特別限定，例如可例示層狀、點狀、網眼狀、格子狀等。
另外，作為構成此種熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂，較佳為聚烯烴樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺醯亞胺樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚醚酮樹脂、聚醚醚酮樹脂、聚醚酮酮樹脂、聚芳酯樹脂等。
就可獲得高的接合強度的觀點而言，構成熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂的線膨脹係數於60℃至150℃的測定溫度範圍內較佳為60 ppm/℃以上，更佳為70 ppm/以上，且較佳為200 ppm/℃以下，更佳為150 ppm以下。
於在結構構件（a）中存在熱塑性樹脂區域的情況下，就可獲得高的接合強度的觀點而言，較佳為結構構件（a）的熱硬化性樹脂與熱塑性樹脂區域的界面形成凹凸形狀。此處，所謂界面形成凹凸形狀，表示熱硬化性樹脂與熱塑性樹脂區域的邊界面不平坦，而是形成向熱硬化性樹脂側凹陷的形態與向熱塑性樹脂區域側凹陷的形態混合存在的邊界面。此時的凹陷的深度較佳為1 μm～200 μm，更佳為10 μm～100 μm。
於本發明中，結構構件（a）的製造方法並無特別限定。於結構構件（a）為筒狀體的情況下，作為製造方法，可列舉：藉由長絲纏繞法（filament winding method）或片纏繞法等對將含浸有熱硬化性樹脂的強化纖維拉齊後的預浸料等一邊施加規定的張力一邊捲繞於心軸上而賦形後進行硬化的方法；或者藉由使用了賦形模的內壓成形、或壓製成形而賦形後進行硬化的方法等。作為於結構構件（a）的外周面或內周面的至少一部分形成熱塑性樹脂區域的方法，可列舉在所述方法中於最初或最後捲繞至少一層包含熱塑性樹脂的膜並與熱硬化性樹脂一體化地硬化的方法。
本發明中的樹脂結構構件（b）可為本質上由熱塑性樹脂構成的構件。於所述情況下，熱塑性樹脂並無特別限制，例如可列舉：聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯（polyethylene naphthalate，PEN）、聚萘二甲酸丁二酯（polybutylene naphthalate，PBN）、液晶聚酯等聚酯樹脂、聚己醯胺（尼龍（nylon）6）、聚六亞甲基己二醯胺（尼龍66）、聚五亞甲基己二醯胺（尼龍56）、聚六亞甲基癸二醯胺（尼龍610）、聚六亞甲基十二醯胺（尼龍612）、聚十一醯胺（尼龍11）、聚十二醯胺（尼龍12）、聚己醯胺/聚六亞甲基己二醯胺共聚物（尼龍6/66）、聚己醯胺/聚六亞甲基對苯二甲醯胺共聚物（尼龍6/6T）、聚六亞甲基己二醯胺/聚六亞甲基對苯二甲醯胺共聚物（尼龍66/6T）、聚六亞甲己二醯胺/聚六亞甲基間苯二甲醯胺共聚物（尼龍66/6I）、聚六亞甲基己二醯胺/聚六亞甲基間苯二甲醯胺/己醯胺共聚物（尼龍66/6I/6）、聚六亞甲基對苯二甲醯胺/聚六亞甲基間苯二甲醯胺共聚物（尼龍6T/6I）、聚六亞甲基對苯二甲醯胺/聚十二醯胺共聚物（尼龍6T/12）、聚六亞甲己二醯胺/聚六亞甲基對苯二甲醯胺/聚六亞甲基間苯二甲醯胺共聚物（尼龍66/6T/6I）、聚六亞甲基對苯二甲醯胺/聚-2-甲基五亞甲基對苯二甲醯胺共聚物（尼龍6T/M5T）、聚九亞甲基對苯二甲醯胺（尼龍9T）等聚醯胺樹脂、聚碳酸酯樹脂、聚苯硫醚（polyphenylene sulfide，PPS）樹脂、聚縮醛樹脂或聚甲醛（polyoxymethylene）樹脂、聚醯亞胺（polyimide，PI）樹脂、聚醯胺醯亞胺（polyamideimide，PAI）樹脂、聚醚醯亞胺樹脂、聚碸樹脂、聚醚酮（polyetherketone，PEK）樹脂、聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）樹脂、聚醚酮酮（polyetherketoneketone，PEKK）樹脂、聚四氟乙烯樹脂、聚芳酯（polyarylate，PAR）樹脂、以及將該些的至少兩種摻合而成的樹脂等。其中，較佳為聚烯烴樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、PPS樹脂。
另外，就結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的接合強度的觀點而言，於結構構件（a）具有熱塑性樹脂區域的情況下，構成熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂、和樹脂結構構件（b）的與結構構件（a）接合的區域、即後述的重疊區域中存在於樹脂結構構件（b）的表面的熱塑性樹脂較佳為同一種類。
於樹脂結構構件（b）本質上由熱塑性樹脂構成的情況下，樹脂結構構件（b）較佳為接頭、台座或肋中的任一種構件。典型而言，接頭是用於將兩個筒狀部或柱狀部相連、或者改變方向、或者將粗細不同的筒狀部或柱狀部彼此連結、或者使三個以上的筒狀部或柱狀部合流或分支的構件。台座是用於承接並安置筒狀部或柱狀部的構件。另外，肋是用於藉由形成板狀突起來提高筒狀部或柱狀部的強度、剛性的構件。於本發明中，該些筒狀部中的至少一個是具有所述筒狀部的結構構件（a），於較佳的態樣中，該些全部是所述筒狀部。圖1的A～D表示具有代表性的接頭的示意圖，圖2的A～D表示結構構件（a）（筒狀體）與接頭一體化而成的一體化成形品的示意圖，圖3的A～B表示具有代表性的台座的示意圖，圖4的A～B表示結構構件（a）（筒狀體）與台座一體化而成的一體化成形品的示意圖，圖5表示具有代表性的肋的示意圖，圖6的A～B表示結構構件（a）（筒狀體）與肋一體化而成的一體化成形品的示意圖，但各自的結構並不限定於此。
另外，樹脂結構構件（b）亦可為本質上由熱硬化性樹脂構成的構件。於所述情況下，熱硬化性樹脂並無特別限制，與結構構件（a）同樣地，例如可列舉：不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、環氧樹脂、酚（可溶酚醛型）樹脂、脲-三聚氰胺樹脂、聚醯亞胺樹脂等、或該些的共聚物、改質體、以及將該些的至少兩種摻合而成的樹脂。該些中，以環氧樹脂為主成分的熱硬化性樹脂由於剛性、強度優異，就成形品的力學特性的觀點而言更佳。進而，亦可根據用途等含有其他的填充材或添加劑。例如可列舉：彈性體或橡膠成分、無機填充材、阻燃劑、導電性賦予劑、抗菌劑、防蟲劑、防臭劑、防著色劑、脫模劑、防靜電劑、塑化劑、著色劑、顏料、染料、發泡劑、製泡劑、偶合劑等。
於本發明中，於樹脂結構構件（b）本質上由熱硬化性樹脂構成的情況下，樹脂結構構件（b）亦可於其表面的至少一部分具有熱塑性樹脂露出的熱塑性樹脂區域。藉此，結構構件（a）及樹脂結構構件（b）能夠經由熱塑性樹脂區域並藉由熱熔接將兩者接合。於更佳的態樣中，結構構件（a）與樹脂結構構件（b）此兩者具有此種熱塑性樹脂區域，結構構件（a）的熱塑性樹脂區域與樹脂結構構件（b）的熱塑性樹脂區域藉由熱熔接而接合。於結構構件（a）與樹脂結構構件（b）此兩者具有熱塑性樹脂區域的情況下，就兩者的接合強度的觀點而言，結構構件（a）與樹脂結構構件（b）此兩者中構成熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂種類較佳為同一種類。
此種熱塑性樹脂區域典型而言於樹脂結構構件（b）的表面設置得薄，其厚度通常為1 μm～300 μm，更佳為50 μm～150 μm。另外，關於熱塑性樹脂區域的形態，只要於樹脂結構構件（b）的表面形成熱塑性樹脂露出的區域，則並無特別限定，例如可例示層狀、點狀、網眼狀、格子狀等。
於樹脂結構構件（b）本質上由熱硬化性樹脂構成的情況下，樹脂結構構件（b）較佳為筒狀體。典型而言，所謂筒狀體是指長度、直徑、厚度等與結構構件（a）的筒狀部或柱狀部不同的筒狀體。圖7表示具有代表性的筒狀體的示意圖，圖8表示結構構件（a）（第一筒狀體）1與樹脂結構構件（b）（第二筒狀體）2一體化而成的一體化成形品的示意圖，但各自的結構並不限定於此。
於樹脂結構構件（b）本質上由熱硬化性樹脂構成的情況下，由於接合時的熱輸入引起的各構件的形狀變化極小，因此可獲得尺寸精度高的一體化成形品，表示結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的剖面的中心偏移的同心度較佳為0.25 mm以下。同心度可藉由使用電腦數值控制（computer numerical control，CNC）三維測定機對結構構件（a）及樹脂結構構件（b）各自的外徑3點的位置進行測定，並對藉此獲得的中心位置進行比較來測定。
為了提高力學特性，樹脂結構構件（b）亦可含有強化纖維。作為強化纖維，可列舉自與構成所述結構構件（a）的纖維強化熱硬化性樹脂同樣的選擇項中選擇的纖維，但就輕量性及力學特性的觀點而言，較佳為碳纖維。該些纖維亦可實施利用偶合劑的處理、利用施膠劑的處理、添加劑的附著處理等表面處理。
存在於樹脂結構構件（b）100質量%中的纖維的質量含有率較佳為20質量%～70質量%，更佳為25質量%～70質量%，特佳為30質量%～65質量%。藉由將纖維的質量含有率設為所述範圍，可獲得剛性高且尺寸精度良好的樹脂結構構件（b）。
於樹脂結構構件（b）為比較複雜的形狀的情況下，就成形加工性的觀點而言，樹脂結構構件（b）中所含的強化纖維較佳為不連續的強化纖維。於所述情況下，強化纖維的質量平均纖維長度Lw較佳為0.3 mm以上，更佳為0.8 mm以上。質量平均纖維長度越長，強度、剛性的提高效果越高，特別是對於衝擊強度越可獲得顯著的提高效果。質量平均纖維長度Lw的上限較佳為3.0 mm以下，更佳為1.5 mm以下，特佳為1.0 mm以下。藉由設為該範圍的質量平均纖維長度Lw，強度、剛性與加工性的平衡變得良好。本發明的樹脂結構構件（b）的質量平均纖維長度亦可並非全部相同的長度而具有纖維長度的分佈。碳纖維的質量平均纖維長度藉由以下方法求出。即，自樹脂結構構件（b）切出樣品，將該切出的試驗片於樹脂結構構件（b）中所含的熱塑性樹脂可溶的溶劑中浸漬24小時，使樹脂成分溶解。利用顯微鏡以100倍的倍率觀察樹脂成分已溶解的試驗片。於該觀察中，對於視野內的纖維中的任意400根，測定各自的纖維長度Li，並基於下式算出。 質量平均纖維長度Lw＝（ΣLi 2）/（ΣLi）。
於本發明的一體化成形品中，樹脂結構構件（b）具有與結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周部及/或內周部重疊的重疊區域，於重疊區域的至少一部分中，經由熱塑性樹脂並藉由熱熔接而與結構構件（a）接合。所謂樹脂結構構件（b）與結構構件（a）的筒狀部的外周面及/或內周面重疊，是指結構構件（a）的筒狀部的外周面或內周面、或此兩面與樹脂結構構件（b）的至少一部分於面上相接。另外，所謂樹脂結構構件（b）與結構構件（a）的柱狀部的外周面重疊，是指結構構件（a）的柱狀部的外周面與樹脂結構構件（b）的至少一部分於面上相接。而且，所謂重疊區域是指其相接的區域。圖9是將作為樹脂結構構件（b）的接頭2接合於結構構件（a）1的外周面的實施方式，但於該實施方式中，筒狀的樹脂結構構件（b）的內周面以於整周上包圍結構構件（a）的外周面的方式相接。即，樹脂結構構件（b）與結構構件（a）於其整周上重疊。樹脂結構構件（b）亦可不以結構構件（a）的外周面或內周面的整周，而是僅以一部分相接，但為了表現出牢固的接合強度，較佳為以結構構件（a）的筒狀部的周長的50%以上且100%（整周）以下的範圍相接，特佳為以100%（整周）相接並接合而形成閉合剖面。再者，於與結構構件（a）的筒狀部接合的情況下，與外周面、內周面中的哪一個重疊而使樹脂結構構件（b）接合是應根據目標構件來決定的事項，但就生產性的觀點而言，較佳為與結構構件（a）的筒狀部的外周面重疊並接合。另外，一體化成形品亦可包括與外周面重疊並接合的樹脂結構構件（b）、以及與內周面重疊並接合的樹脂結構構件（b）此兩者。
於結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的接合部中，較佳為於位於較接合邊界面而言更靠結構構件（a）側的結構構件（a）的表面存在熱塑性樹脂。此處，所謂於位於較接合邊界面而言更靠結構構件（a）側的結構構件（a）的表面存在熱塑性樹脂的狀態，是指於該接合部的剖面中將形成結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周的線作為接合邊界面且於較其而言更靠結構構件（a）側存在熱塑性樹脂的狀態。
於本發明的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的接合部中，較佳為結構構件（a）中所含的纖維的一部分為跨越構成結構構件（a）的熱硬化性樹脂與熱塑性樹脂區域的狀態，即與結構構件（a）的熱硬化性樹脂及熱塑性樹脂區域此兩者相接。藉由形成此種接合結構，可藉由纖維增強效果形成牢固的接合狀態。
本發明的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的接合強度較佳為7 MPa以上，更佳為10 MPa以上。關於接合強度的上限，並無特別限定，但就可生產性良好地獲得本發明的一體化成形品的觀點而言，較佳為100 MPa以下。
作為一例，本發明的包含結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的一體化成形品可藉由於至少一者的構件被加熱的狀態下使兩者接觸而利用熱熔接將結構構件（a）與樹脂結構構件（b）接合來加以製造。此種熱熔接的方法並無特別限定，可藉由熱板熔接、振動熔接、超音波熔接、遠紅外線加熱熔接、介電加熱熔接、雷射熔接、嵌入成形、外插射出成形等進行一體化。
於樹脂結構構件（b）本質上由熱塑性樹脂構成的情況下，就可生產性良好地製造特別牢固地接合的一體化成形品的方面而言，較佳為嵌入成形。於嵌入成形中，於將結構構件（a）嵌入至射出成形模具內的狀態下進行合模，將樹脂結構構件（b）的熱塑性樹脂以與結構構件（a）的外周部或內周部重疊的方式射出成形，藉此使樹脂結構構件（b）成形並一體化。另外，將至少一者於表面具有熱塑性樹脂區域的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）預先成形後，於具有該熱塑性樹脂區域的結構構件（a）或樹脂結構構件（b）被加熱的狀態下，使所述樹脂結構構件（b）與所述結構構件（a）的外周面或內周面重疊地接觸，藉此可利用熱熔接將所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）接合。作為此種方法，可列舉遠紅外線加熱熔接。於遠紅外線加熱熔接中，可藉由分別預先成形出結構構件（a）及樹脂結構構件（b）後，於對結構構件（a）進行加熱的狀態下使樹脂結構構件（b）以與結構構件（a）的外周部或內周部重疊的方式接觸，進行冷卻、固化來加以製造。結構構件（a）較佳為利用遠紅外線加熱器加熱至樹脂結構構件（b）中所含的熱塑性樹脂熔融、軟化的溫度以上的狀態。
於樹脂結構構件（b）本質上由熱硬化性樹脂構成的情況下，作為一例，一體化成形品可藉由如下方法製造，所述方法是準備於筒狀部或柱狀部的外周面或內周面的至少一部分具有熱塑性樹脂區域的結構構件（a）及/或於表面的至少一部分具有熱塑性樹脂區域的樹脂結構構件（b），於該熱塑性樹脂區域被加熱的狀態下，使所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）於包含該被加熱的熱塑性樹脂區域的區域中重疊地接觸。此種熱熔接的方法並無特別限定，可利用熱板熔接、振動熔接、超音波熔接、遠紅外線加熱熔接、介電加熱熔接、雷射熔接等。此時，較佳為加熱至構成結構構件（a）或樹脂結構構件（b）的熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂軟化的溫度以上，更佳為加熱至熔融的溫度以上。
另外，作為另一例，本發明的一體化成形品亦可藉由如下方法製造，所述方法是於將結構構件（a）及樹脂結構構件（b）以所述樹脂結構構件（b）與所述結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周面及/或內周面重疊的方式嵌入至射出成形模具內的狀態下，於重疊的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）之間進行熱塑性樹脂的射出成形。圖10是於作為第一筒狀體的結構構件（a）1的外周面上經由射出成形後的熱塑性樹脂4接合作為樹脂結構構件（b）的第二筒狀體2的實施方式的示意圖，圖11是其接合部的剖面圖。熱塑性樹脂4只要介於結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周面及/或內周面與樹脂結構構件（b）的表面之間即可，並不限定於該圖。作為此時的射出成形用的熱塑性樹脂種類，可使用與作為構成樹脂結構構件（b）的熱塑性樹脂而於前文所述的樹脂相同的樹脂。另外，為了提高力學特性，射出成形用的熱塑性樹脂亦可含有強化纖維。作為強化纖維，可列舉自與構成所述結構構件（a）的纖維強化熱硬化性樹脂同樣的選擇項中選擇的纖維，但就輕量性及力學特性的觀點而言，較佳為碳纖維。該些纖維亦可實施利用偶合劑的處理、利用施膠劑的處理、添加劑的附著處理等表面處理。
本發明的一體化成形品中可進行連接、合流、分支、安置等的樹脂結構構件（b）被牢固地接合於輕量、剛性高的結構構件（a），因此可適合用作形成框架結構的構件。作為此種結構體，可列舉：產業用機器人的軀體及臂、汽車、摩托車、自行車、飛機、直升機、無人機、船舶、潛水艇等的軀體及臂、建築材料等。特別是，就剛性、輕量性的觀點而言，可較佳地用於飛機、直升機、無人機等飛翔體。就提高飛翔體的性能的觀點而言，更佳為結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的長度為0.05 m以上且3 m以下的一體化成形品。特別是於本體重量為1000 kg以下的比較小型的飛翔體中，由螺栓、緊固件等機械緊固引起的重量增加的影響大，因此可特別適合地使用本發明的一體化成形品。 [實施例]
以下示出實施例來進一步具體說明本發明，但本發明不受實施例記載的任何限定。
（實施例1） 於前端外徑30 mm、錐度（taper）6.0/1000、長度700 mm的經脫模處理的不鏽鋼製心軸上，使用東麗（Toray）（股）製造的「東麗卡預浸料（torayca prepreg）」P3051S-30及P3052S-12，於將心軸長邊方向設為0度軸的情況下，以使P3051S-30為材料角度0度、P3052S-12為材料角度60度的方式積層。進而，於其外側將對共聚聚醯胺樹脂（東麗（Toray）製造的CM4000、聚醯胺6/66/610、熔點150℃）的顆粒進行熱壓而獲得的厚度70 μm的聚醯胺膜捲繞一周後，以3 kg的張力捲繞包裝帶（耐熱性膜帶、寬度10 mm），於150℃的硬化爐中進行30分鐘加熱成形。然後，拔出心軸，去除包裝帶後切斷，獲得厚度為0.5 mm、長度為500 mm的管1。然後，使用設定為氣缸溫度280℃、模具溫度80℃的射出成形機（日本製鋼所製造的J350EIII），於射出成形用模具中嵌入所述管1，使用東麗（Toray）（股）製造的長纖維顆粒（TLP1060），以與管的外周面中自端部起10 mm的區域的外周面接觸的方式對圖1的A所示的接頭進行射出成形，製造如圖2的A所示般的一體化成形品。
關於所獲得的一體化成形品N＝5個，實施使該些以接頭在下方的方式自1.5 m的高度落下並藉由目視確認此時的管與接頭的接合狀態的落下試驗。其結果為，五個中接合部均未發現變化，而維持良好的接合狀態。
關於所獲得的一體化成形品N＝5個，利用夾具握持接頭部分與管，使用英斯特朗（Instron）製造的萬能試驗機，於室溫下以試驗速度0.5 mm/分鐘實施拉伸試驗，結果N＝5平均的接合強度為45 MPa，而為良好的接合狀態。
（實施例2） 與實施例1同樣地獲得管1。繼而，使用設定為氣缸溫度280℃、模具溫度80℃的射出成形機（日本製鋼所製造的J350EIII），使用作為碳纖維強化聚醯胺6的顆粒的東麗（Toray）（股）製造的長纖維顆粒（TLP1060），對圖1的A所示的接頭單獨進行射出成形。使用遠紅外線加熱器將管的端部加熱至表面溫度為230℃後，於管的外周面的自端部起10 mm與接頭的內周面相接的狀態下，立即將接頭以1 MPa的壓力按壓至管15秒，然後冷卻，製造如圖2的A所示般的一體化成形品。
與實施例1同樣地實施一體化成形品的落下試驗，結果為五個中接合部均未發現變化，而維持良好的接合狀態。
與實施例1同樣地評價接合強度，結果為41 MPa，而為良好的接合狀態。
（實施例3） 將對共聚聚醯胺樹脂（東麗（Toray）製造的CM4000、聚醯胺6/66/610、熔點150℃）的顆粒進行熱壓而獲得的厚度70 μm的聚醯胺膜於前端外徑30 mm、錐度6.0/1000、長度700 mm的經脫模處理的不鏽鋼製心軸上捲繞一周後，使用東麗（Toray）（股）製造的「東麗卡預浸料（torayca prepreg）」P3051S-30及P3052S-12，於將心軸長邊方向設為0度軸的情況下，以使P3051S-30為材料角度0度、P3052S-12為材料角度60度的方式積層。進而，於其外側以3 kg的張力捲繞包裝帶（耐熱性膜帶、寬度10 mm），於150℃的硬化爐中進行30分鐘加熱成形。然後，拔出心軸，去除包裝帶後切斷，獲得厚度為0.5 mm、長度為500 mm的管2。
繼而，使用設定為氣缸溫度280℃、模具溫度80℃的射出成形機（日本製鋼所製造的J350EIII），使用作為碳纖維強化聚醯胺6的顆粒的東麗（Toray）（股）製造的長纖維顆粒（TLP1060），對如圖5所示般的肋單獨進行射出成形。
藉由遠紅外線加熱器將管的端部的內周面加熱至表面溫度為230℃後，立即將肋以1 MPa的壓力按壓至加熱後的管的內周面15秒，然後冷卻，製造如圖6所示般的一體化成形品。
關於所獲得的一體化成形品N＝5個，實施使該些以肋接合部在下方的方式自1.5 m的高度落下並藉由目視確認此時的管與肋的接合狀態的落下試驗。其結果為，五個中接合部均未發現變化，而維持良好的接合狀態。
（實施例4） 與實施例1同樣地成形出管1。繼而，將對共聚聚醯胺樹脂（東麗（Toray）製造的CM4000、聚醯胺6/66/610、熔點150℃）的顆粒進行熱壓而獲得的厚度70 μm的聚醯胺膜於前端外徑31 mm、錐度6.0/1000、長度700 mm的經脫模處理的不鏽鋼製心軸上捲繞一周後，使用東麗（Toray）（股）製造的「東麗卡預浸料（torayca prepreg）」P3051S-30及P3052S-12，於將全軸長邊方向設為0度軸的情況下，以使P3051S-30為材料角度0度、P3052S-12為材料角度60度的方式積層。進而，於其外側以3 kg的張力捲繞包裝帶（耐熱性膜帶、寬度10 mm），於150℃的硬化爐中進行30分鐘加熱成形。然後，拔出心軸，去除包裝帶後切斷，獲得厚度為0.5 mm、長度為500 mm的管3。
然後，使用遠紅外線加熱器將管1的端部加熱至表面溫度為230℃後，於管1的外周面的自端部起10 mm與管3的內周面相接的狀態下，立即將管3按壓至管1 15秒，然後冷卻，製造如圖8所示般的一體化成形品。
關於所獲得的一體化成形品N＝5個，實施使該些以管3在下方的方式自1.5 m的高度落下並藉由目視確認此時的接合狀態的落下試驗。其結果為，五個中接合部均未發現變化，而維持良好的接合狀態。
關於所獲得的一體化成形品N＝5個，使用三豐（Mitsutoyo）製造的CNC三維測定機西斯塔阿派斯（CRYSTA Apex）S9108，對管1及管3各自的外徑3點的位置進行測定，對所獲得的中心位置進行比較，並評價同心度，結果同心度為0.16 mm，尺寸精度高。
（實施例5） 與實施例1同樣地成形出管1後，變為不鏽鋼製心軸的前端外徑32 mm，除此以外，與實施例1同樣地成形出管4。
繼而，使用設定為氣缸溫度280℃、模具溫度80℃的射出成形機（日本製鋼所製造的J350EIII），於模具內嵌入管1及管4。此時，於管1的外周面的自端部起10 mm進入管4內部的位置處被嵌入，於管1與管4之間進行作為碳纖維強化聚醯胺6的顆粒的、東麗（Toray）（股）製造的長纖維顆粒（TLP1060）的射出成形，獲得如圖10所示般的一體化成形品。
與實施例4同樣地實施一體化成形品的落下試驗，結果為五個中接合部均未發現變化，而維持良好的接合狀態。
與實施例4同樣地評價一體化成形品的同心度，結果同心度為0.12 mm，尺寸精度高。
（比較例1） 與實施例2同樣地製作管1及接頭。使用二液型環氧接著劑（他卡達（Takadar）化學品製造（股）製造的斯萬邦德（swanbond）4000），將等量比例的二液於室溫下均勻混合後，立即自管1的端部起塗佈於10 mm的外周面，以管1的外周面的自端部起10 mm與接頭的內周面相接的狀態將接頭嵌合於管1並利用虎鉗固定，於25℃下接合24小時，製造一體化成形品。
與實施例1同樣地實施一體化成形品的落下試驗，結果為五個中兩個的接合部發現裂紋。
與實施例1同樣地評價接合強度，結果為5 MPa。
（比較例2） 與實施例4同樣地製作管1及管3。以與比較例1同樣的方法使用二液型環氧接著劑（他卡達（Takadar）化學品製造（股）製造的斯萬邦德（swanbond）4000），製造一體化成形品。
與實施例4同樣地實施一體化成形品的落下試驗，結果為五個中三個的接合部發現裂紋。
與實施例4同樣地評價一體化成形品的同心度，結果同心度為0.92 mm。
1:結構構件（a）（第一筒狀體） 2:樹脂結構構件（b）（接頭、台座、肋或第二筒狀體） 3:重疊區域 4:熱塑性樹脂
圖1是表示作為樹脂結構構件（b）的接頭的例子的示意圖。 圖2是表示將圖1所示的接頭與結構構件（a）接合而成的一體化成形品的例子的示意圖。 圖3是表示作為樹脂結構構件（b）的台座的例子的示意圖。 圖4是表示將圖3所示的台座與結構構件（a）接合而成的一體化成形品的例子的示意圖。 圖5是表示作為樹脂結構構件（b）的肋的例子的示意圖。 圖6是表示將圖5所示的肋與結構構件（a）接合而成的一體化成形品的例子的示意圖。 圖7是表示作為樹脂結構構件（b）的第二筒狀體的例子的示意圖。 圖8是表示將圖7所示的第二筒狀體與結構構件（a）接合而成的一體化成形品的例子的示意圖。 圖9是表示結構構件（a）與樹脂結構構件（b）的接合部的一例的剖面圖。 圖10是表示於結構構件（a）與樹脂結構構件（b）之間嵌入成形熱塑性樹脂而成的一體化成形品的例子的示意圖。 圖11是表示於結構構件（a）與樹脂結構構件（b）之間嵌入成形熱塑性樹脂而成的一體化成形品中接合部的剖面的一例的透視圖。
1:結構構件(a)(第一筒狀體)
2:樹脂結構構件(b)(接頭、台座、肋或第二筒狀體)

Claims (16)

  1. 一種一體化成形品，是本質上由纖維強化熱硬化性樹脂形成的、具有筒狀部或柱狀部的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）接合而成，所述一體化成形品中，所述樹脂結構構件（b）具有與所述結構構件（a）的筒狀部或柱狀部的外周面及/或內周面重疊的重疊區域，於所述重疊區域的至少一部分中經由熱塑性樹脂而與所述結構構件（a）接合。
  2. 如請求項1所述的一體化成形品，其中，於所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）接合的部分中，於位於較接合邊界面而言更靠結構構件（a）側的所述結構構件（a）的表面存在所述熱塑性樹脂。
  3. 如請求項2所述的一體化成形品，其中，所述結構構件（a）的所述筒狀部或柱狀部於其外周面及/或內周面的表面具有露出的熱塑性樹脂區域，所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）經由所述熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂而接合。
  4. 如請求項3所述的一體化成形品，其中，構成所述熱塑性樹脂區域的熱塑性樹脂的線膨脹係數為60 ppm/℃以上且200 ppm/℃以下。
  5. 如請求項3所述的一體化成形品，其中，所述結構構件（a）中所含的纖維為連續纖維，與構成所述結構構件（a）的熱硬化性樹脂及所述熱塑性樹脂區域此兩者相接。
  6. 如請求項3所述的一體化成形品，其中，所述結構構件（a）的筒狀部或柱狀部具有圓形剖面，自所述結構構件（a）的中心軸到最外層為止的距離La及自中心軸到所述熱硬化性樹脂與所述熱塑性樹脂區域的界面為止的距離Lb滿足式（1）的關係： 0.9≦Lb/La≦0.9999   （1）。
  7. 如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品，其中，所述樹脂結構構件（b）是本質上由熱塑性樹脂構成的射出成形構件，或者所述樹脂結構構件（b）是本質上由熱硬化性樹脂構成並且於表面的至少一部分具有熱塑性樹脂區域的構件。
  8. 如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品，其中，所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）的接合強度為7 MPa以上且100 MPa以下。
  9. 如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品，其中，所述樹脂結構構件（b）於所述重疊區域中以所述筒狀部或柱狀部的周長的50%以上且100%以下的範圍接合。
  10. 如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品，其中，所述結構構件（a）是整體呈管道狀的構件。
  11. 如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品，其中，所述樹脂結構構件（b）是本質上由熱塑性樹脂構成的接頭、台座、肋中的任一種。
  12. 如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品，其中，所述樹脂結構構件（b）是本質上由熱硬化性樹脂構成的筒狀體，所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）的同心度為0.25 mm以下。
  13. 一種框架結構，包括如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品。
  14. 一種飛翔體，包括如請求項1至6中任一項所述的一體化成形品。
  15. 如請求項14所述的飛翔體，其中，所述結構構件（a）的長度為0.05 m以上且3 m以下及/或本體重量為1000 kg以下。
  16. 一種一體化成形品的製造方法，製造本質上由纖維強化熱硬化性樹脂形成的、具有筒狀部或柱狀部的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）接合而成的一體化成形品，所述一體化成形品的製造方法中，藉由下述（1）～（3）中的任一種方法，藉由熱熔接將所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）接合： （1）於將所述結構構件（a）嵌入至射出成形模具內的狀態下，將所述樹脂結構構件（b）射出成形為與所述結構構件（a）的外周面及/或內周面重疊； （2）將至少一者於表面具有熱塑性樹脂區域的結構構件（a）與樹脂結構構件（b）預先成形後，於具有所述熱塑性樹脂區域的結構構件（a）或樹脂結構構件（b）被加熱的狀態下，使所述樹脂結構構件（b）與所述結構構件（a）的外周面或內周面重疊地接觸； （3）將所述結構構件（a）及所述樹脂結構構件（b）於以所述樹脂結構構件（b）與所述結構構件（a）的外周面及/或內周面重疊的方式嵌入至射出成形模具內的狀態下，於重疊的所述結構構件（a）與所述樹脂結構構件（b）之間進行熱塑性樹脂的射出成形。
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