TWI738960B - 纖維強化塑膠之製造方法 - Google Patents

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日商東麗股份有限公司
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Abstract

本發明係提供一種在複雜形狀成形時具有高力學特性與高生產性之纖維強化塑膠之製造方法。
一種纖維強化塑膠之製造方法，其係使用帶狀基材A及片狀基材B之纖維強化塑膠之製造方法，該帶狀基材A為具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材，該切痕預浸體a係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件1，該片狀基材B為具有已無規配向過之強化纖維與樹脂的基材，上述製造方法係包含：以形成各個帶狀基材A與其他一片以上帶狀基材A重疊之重疊部及未重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置在模具上之配置步驟(A)；將片狀基材B配置在模具上之配置步驟(B)；及將所配置之帶狀基材A及片狀基材B予以加熱‧加壓的成形步驟。
(條件1)
切痕之平均長度xa與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度ya滿足ya>6.0xa+10。

Description

纖維強化塑膠之製造方法
本發明係關於生產性良好、具有高力學特性之纖維強化塑膠。
包含強化纖維與樹脂之纖維強化塑膠係因為比強度、比彈性率高、力學特性優異、具有耐候性、耐化學藥品性等高機能特性等，而在產業用途上受到矚目，拓展至飛機、宇宙機、汽車、鐵路、船舶、電化製品、運動等構造用途上，其需求正逐年增加。
作為可生產性良好地製造纖維強化塑膠之方法，可列舉出使用使已含浸有樹脂之不連續強化纖維束無規配向之SMC(片狀成型塑料)的壓製成形。然而，不連續強化纖維無規配向而成之纖維強化塑膠係因為常有剛性不足，所以正在開發與連續纖維組合來提高剛性的成形方法(例如，專利文獻1、專利文獻2等)。藉由如此組合，而盡可能地抑制高成本之連續纖維材料的使用，能夠製造因應目的之剛性的纖維強化塑膠。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：特開2013-176876號公報
專利文獻2：特表2013-544310號公報
然而，就如專利文獻1、專利文獻2般之使用連續纖維的補強而言，於成形具有複雜形狀之構件時，會有因強化纖維撐起而產生皺紋、殘留凹凸的情形和發生樹脂欠缺的情形。
因此，本發明之課題係在於提供一種可生產性良好地製造具有優異複雜形狀、顯現出高力學特性之纖維強化塑膠的方法。
本發明係為了要解決上述課題，而提供如下纖維強化塑膠之製造方法。
1)一種纖維強化塑膠之製造方法，其係使用帶狀基材A及片狀基材B之纖維強化塑膠之製造方法，該帶狀基材A為具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材，該切痕預浸體a係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件1，該片狀基材B為具有已無規配向過之強化纖維與樹脂的基材，上述製造方法包含：以形成各個帶狀基材A與其他一片以上帶狀基材A 重疊之重疊部及未重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置在模具上之配置步驟(A)；將片狀基材B配置在模具上之配置步驟(B)；及將所配置之帶狀基材A及片狀基材B予以加熱‧加壓的成形步驟，
(條件1)
切痕之平均長度xa(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度ya(mm)滿足ya>6.0xa+10。
2)一種纖維強化塑膠之製造方法，其係使用帶狀基材A及片狀基材C之纖維強化塑膠之製造方法，該帶狀基材A為具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材，該切痕預浸體a係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件1，該片狀基材C為具有一片以上切痕預浸體c的基材，該切痕預浸體c係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件2，上述製造方法包含：以形成各個帶狀基材A與其他一片以上帶狀基材A重疊之重疊部及未重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置在模具上之配置步驟(A)；將片狀基材C配置在模具上之配置步驟(C)；及 將所配置之帶狀基材A及片狀基材C予以加熱‧加壓的成形步驟。
(條件1)
切痕之平均長度xa(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度ya(mm)滿足ya>6.0xa+10
(條件2)
切痕之平均長度xc(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度yc(mm)滿足yc≦6.0xc+10。
另外，於後述說明中，將記載於1)之發明稱為本發明1，將記載於2)之發明稱為本發明2，將本發明1與本發明2通稱為本發明。
如根據本發明，則可提供一種可生產性良好地製造具有複雜形狀且優異力學特性之纖維強化塑膠的方法。
1‧‧‧帶狀基材A
2‧‧‧片狀基材B
3‧‧‧切痕1
4‧‧‧切痕2
5‧‧‧肋部中央部
圖1係帶狀基材A與片狀基材B之配置例。
圖2係切痕預浸體c之切痕圖案的一例。
圖3係在實施例所製造之纖維強化塑膠形狀之例。
圖4係在實施例所製造之纖維強化塑膠形狀之例。
本發明人等係為了要提供可以生產性良好地 製造具有複雜形狀且顯現出優異力學特性之纖維強化塑膠的纖維強化塑膠之製造方法，而經過仔細檢討。然後，藉由在使用模具之纖維強化塑膠之製造方法中，如後所述般設定為包含配置帶狀基材A之配置步驟(A)、將片狀基材B配置於模具上之配置步驟(B)、及進行加熱加壓之成形步驟的方法，而解決上述問題。藉由將對於複雜形狀之追隨性良好、生產性佳之片狀基材B當作主體材料，同時將補強力學特性之帶狀基材A也設為具有形狀追隨性者，且作成為可快速地配置於模具上之單純形狀，而不會使生產性降低，可提升力學特性。所謂的複雜形狀係指具有三維形狀之形狀。作為形成該三維形狀的要素，可列舉出表面之凹凸和對於基材積層面之面外方向的彎曲度、厚度變化、肋部(rib)、輪轂(boss)等，但並不是限制於該等。又，即便是二維形狀，在投影有構件之正視圖中，於在邊緣處具有5個以上之突起的情形下，視為被包含在複雜形狀者。
本發明之帶狀基材A係指具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材。其中，所謂的切痕預浸體a係指針對具有已單向配向之強化纖維與樹脂之預浸體，插入將強化纖維割斷之複數個切痕而成的預浸體，為滿足後述條件1之預浸體。帶狀基材A係如前所述，為具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材，但較佳的是為具有複數片切痕預浸體a之帶狀的基材。
此處所謂的帶狀係意指具有平行四邊形的形狀，平行四邊形之長邊長度為短邊長度2倍以上的形 狀。惟，各邊不一定要是直線，也可以具有曲線部。在各邊具有曲線部的情形，將連接該邊兩端之線段的長度當作是邊的長度。長邊長度如是短邊長度的2倍以上，則沒有特別限定，但當長邊長度相對於短邊長度為過長時，會有處理作業性變差的情形，故較佳的是長邊長度為短邊長度的100倍以下。
在本發明中，帶狀基材A具有補強屬於主體材料之片狀基材B之力學特性的作用，但在將具有複雜形狀之形狀予以成形時，於使用不具有切痕之單向預浸體的情況下，成形步驟中沿著模具之際，無法完全進行形狀追隨，而當模具與單向預浸體之間產生樹脂堆積、或產生皺紋等時，會無法充分活用力學特性。因此，較佳的是藉由作成為插入切痕而成之切痕預浸體，可使形狀追隨性提高。然而，切痕預浸體會因為切痕的形狀、配置圖案而力學特性有所變化。例如，切痕之長度(以下，會有稱為切痕長度的情形)越短，而以切痕所割斷之強化纖維的長度(以下，會有稱為纖維長度的情形)越長，則來自原有預浸體之力學特性的減少量(knock down)低，而具有高力學特性。
因此，較佳的是本發明之帶狀基材A中的切痕預浸體a係切痕平均長度xa(mm)與以切痕所割斷之強化纖維的平均長度ya(mm)滿足ya>6.0xa+10(以下，稱為條件1)。條件1係意指以切痕平均長度xa越長，則強化纖維的平均長度ya越長為佳，而在強化纖維的平均長度ya較短時，切痕平均長度xa宜較短。在滿足條件1 之中，尤其是ya為20mm以上時，由於顯現出高力學特性，故佳。
另外，本發明之切痕平均長度係意指已插入至切痕預浸體之所有切痕長度的平均值，但實際上測定所有切痕之長度是不切實際的，所以將從使用採用數位顯微鏡等攝影裝置所拍攝到之影像所測定之值所求得之平均值當作是切痕平均長度。切痕的圖案係可透過所得影像上之切痕的端部彼此以線段連接而取得。然後，將線段的長度當作是切痕長度，測定合計10個切痕的長度，將該平均值當作是切痕平均長度。切痕可為直線狀，也可為曲線狀，在切痕為曲線狀時，以將該切痕之端部彼此連接之線段的長度當作是切痕長度。
同樣地，本發明之強化纖維的平均長度也是意指切痕預浸體內之所有強化纖維之長度的平均值，但實際上測定所有強化纖維之長度是不切實際的，所以與切痕平均長度一樣，將從使用採用數位顯微鏡等攝影裝置所拍攝到之影像所測定之值所求得之平均值當作是強化纖維的平均長度。在影像上，關於在強化纖維之配向方向上所分別鄰接之2個切痕，係用線段將切痕端部彼此連接，取得切痕圖案。然後，將於強化纖維之配向方向上平行之線段之間的距離當作是強化纖維的長度，針對合計10個線段，測定強化纖維的長度，將其平均值當作是強化纖維的平均長度。
帶狀基材A係為了要整體性補強屬於主體材料之片狀基材B，而宜使用複數片進行補強，為了要有 效地進行帶狀基材A彼此之應力傳導，較佳的是如圖1所示般，帶狀基材A具有彼此重疊之重疊部與不重疊之非重疊部，同時配置在模具上。也就是說，本發明之配向步驟(A)係以形成各個帶狀基材A與其他一片以上之帶狀基材A重疊之重疊部及沒有重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置於模具上的步驟。
在本發明1所使用之片狀基材B係具有已無規配向之強化纖維與樹脂之基材。作為此類片狀基材B，例如可列舉出如SMC(片狀成型塑料)等之具有10~50mm左右長度之強化纖維束經無規配置過之基材、纖維一根一根經無規配置過之基材等。片狀基材B係可因應屬於成形對象之纖維強化塑膠的體積而適當地進行積層，調整對於模具的加入量。也就是說，本發明之配置步驟(B)係屬將片狀基材B配置在模具上的步驟，而配置步驟(B)所使用之片狀基材B的片數、尺寸係可因應成形對象而適當選擇。
另外，關於實施配置步驟(A)與配置步驟(B)的順序，並無特別限定，哪一個先進行均可。又，也可以同時配置帶狀基材A與片狀基材B，也就是說，可以在一個步驟中同時實施配置步驟(A)與配置步驟(B)。
本發明1之成形步驟係將已配置之帶狀基材A及片狀基材B予以加熱‧加壓的步驟。也就是說，成形步驟係為了要將經由配置步驟(A)與(B)所配置之帶狀基材A及片狀基材B一體化，而進行加熱加壓，製造具有複雜形狀之纖維強化塑膠。於成形步驟中，加熱加壓 的手段係例如可為壓製成形。
本發明2係取代本發明1之片狀基材B而使用片狀基材C的態樣。此處所謂的片狀基材C係指具有一片以上切痕預浸體c之基材。然後，切痕預浸體c係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足後述條件2。片狀基材C係如前所述般，為具有一片以上切痕預浸體c之基材，較佳的是具有複數片切痕預浸體c之基材。作為片狀基材C中之切痕預浸體c的代表性積層構成，可列舉出在將強化纖維之配向方向設為0°時，如[+45°/0°/-45°/90°]2s般之擬似等向積層構成、如[0°/90°]2般之正交(cross-ply)積層構成等，但是並非限定於該等，也可因應用途而任意積層。
切痕預浸體c之切痕圖案係為了要使切痕預浸體具有可填充至具有複雜形狀之模具的各個角落之流動性，而以與視力學特性為重點之切痕預浸體a為相反之切痕圖案為佳。亦即，較佳的是切痕預浸體c係切痕之平均長度xc(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度yc(mm)滿足yc≦6.0xc+10(以下，稱為條件2)。在滿足條件2之中，特別是為了要使流動性提升，而以yc小於20mm為佳。
本發明2係一種包含如下步驟之纖維強化塑膠之製造方法：以形成各個帶狀基材A與其他一片以上帶狀基材A重疊之重疊部及未重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置在模具上之配置步驟(A)；將片 狀基材C配置在模具上之配置步驟(C)；及將所配置之帶狀基材A及片狀基材C予以加熱‧加壓的成形步驟。關於配置步驟(A)，為與在本發明1中所說明者相同的步驟。
此外，本發明2之配置步驟(C)係將片狀基材C配置在模具上的步驟，與配置步驟(B)一樣地，於配置步驟(C)所使用之片狀基材C的片數、尺寸係可因應成形對象而適當選擇。
再者，本發明2之成形步驟係將所配置之帶狀基材A及片狀基材C予以加熱‧加壓的步驟。也就是說，與本發明1之成形步驟相同，就本發明2之成形步驟而言，為了要將經由配置步驟(A)及(C)所配置好之帶狀基材A及片狀基材C予以一體化，係藉由壓製成形，進行加熱加壓，製造具有複雜形狀之纖維強化塑膠。
另外，關於實施配置步驟(A)與配置步驟(C)的順序，並沒有特別限定，哪一個先進行均可。又，也可以同時配置帶狀基材A與片狀基材C，也就是說，也可以在一個步驟中同時實施配置步驟(A)與配置步驟(C)。
本發明1之特徵係包含前述之配置步驟(A)、配置步驟(B)、及成形步驟，又，本發明2之特徵係包含前述之配置步驟(A)、配置步驟(C)、及成形步驟，而在配置步驟(A)、配置步驟(B)、配置步驟(C)中投入至模具的基材並未限制在帶狀基材A、片狀基材B或片狀基材C，亦可因應需要而配置用來提升表面品質之樹脂、塗料等。
片狀基材B與片狀基材C均為具有良好流動性之基材，當重視成本面時，使用片狀基材B之本發明1之製造方法較為有利。另一方面，起因於包含短纖維之纖維強化塑膠表面的微小凹凸係在使用片狀基材C時會較小，所以使用本發明2所得到之纖維強化塑膠在表面品質的觀點上是有利的。因此，較佳的是根據所要求的成本與品質之平衡來選擇哪一個片狀基材，即選擇本發明1或本發明2。或者是說，也可以選擇合併使用片狀基材B與片狀基材C，且用帶狀基材A進行補強的構造。
在本發明中，應用於帶狀基材A、片狀基材B、片狀基材C上之強化纖維，亦即，切痕預浸體a中之強化纖維、片狀基材B中之強化纖維、切痕預浸體c中之強化纖維並未特別限定，可以是玻璃纖維、克維拉纖維、碳纖維、石墨纖維或硼纖維等。也可以在帶狀基材A(切痕預浸體a)、片狀基材B、片狀基材C(切痕預浸體c)上分別使用不同的強化纖維。其中，基於比強度及比彈性率的觀點，以碳纖維為佳。
含浸在強化纖維之樹脂，即切痕預浸體a中之樹脂、片狀基材B中之樹脂、切痕預浸體c中之樹脂並未特別限定，可以是熱塑性樹脂，也可為熱固性樹脂。還可以在帶狀基材A(切痕預浸體a)、片狀基材B、片狀基材C(切痕預浸體c)上使用不同樹脂。
作為熱塑性樹脂，可列舉出例如聚醯胺(PA)、聚縮醛、聚丙烯酸酯、聚碸、ABS、聚酯、丙烯 酸、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)、液晶聚合物、氯乙烯、聚四氟乙烯等之氟系樹脂、矽酮等。
作為熱固性樹脂，可列舉出不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、環氧樹脂、苯并
Figure 107102636-A0202-12-0012-6
樹脂、苯酚樹脂、脲樹脂、三聚氰胺樹脂及聚醯亞胺樹脂等。也可使用該等樹脂之變化例及2種以上之混合物的樹脂。又，該等熱固性樹脂可為因熱而自我硬化的樹脂，也可為包含硬化劑、硬化促進劑等者。依提升耐熱性、力學特性為目的，也可作成為混合有填料者。
關於切痕預浸體a及切痕預浸體c之強化纖維的體積含有率(Vf)，沒有特別限制，可適當選擇，但切痕預浸體a為了要顯現出充分的力學特性，而以Vf=50~65%為佳，切痕預浸體c為了要顯現出充分的流動性，而以Vf=40~60%為佳。構成片狀基材B之SMC等也是一樣，在要顯現出充分流動性的情形下，Vf以低為佳，具體的範圍宜為Vf=30~50%。
關於切痕預浸體a及切痕預浸體c之製造方法，即針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕的方法，係可以是將預浸體壓住貼到刀刃已配置於表面之旋轉刀刃上而加以製造，也可以是使用湯姆森刀刃而將預浸體予以間歇性壓製來加以製造，也可以是使用雷射來加以製造。
在本發明中，切痕預浸體a及切痕預浸體c係以切痕預浸體內之實質上所有強化纖維被切痕所割斷為佳。所謂的實質上所有強化纖維被切痕所割斷係指割斷前之強化纖維(連續纖維)中95%以上之連續纖維被切痕所割斷(以下同)。
作為切痕預浸體內之實質上所有強化纖維是否被切痕所割斷的確認方法，因為測定切痕預浸體全域來加以確認是不切實際的，故取出10mm寬的樣本作為代表，並將長度100mm以上之強化纖維視為連續纖維來作確認。首先，將1層切痕預浸體從任意處切出10mm×10mm的一小片，使其硬化，研磨與強化纖維的配向方向成直角的剖面，獲得該剖面的影像。然後，透過影像處理將強化纖維部與樹脂部二值化，計數剖面中所含強化纖維數(N1)。其次，以強化纖維之配向方向成為200mm的方式，將切痕預浸體切出200mm×10mm，在高溫下燒去樹脂(燒去法)。用來燒去樹脂的溫度係因樹脂種類而不同，例如，環氧樹脂的話，是500℃。接著，從剩餘的強化纖維計數長度100mm以上之強化纖維數(N2)。如果N2為N1的5%以下，則視為割斷前之連續纖維中，95%的連續纖維是以切痕所割斷的。
作為本發明2之較佳態樣，可列舉出：在片狀基材C包含強化纖維之配向方向互相正交之2片切痕預浸體c的情形下，於配置步驟(C)中，可列舉出：2片以上之片狀基材C均以與其他片狀基材C之任意一片以上重疊的方式而配置在模具上的纖維強化塑膠之製造方 法。在作為成形對象之纖維強化塑膠較大時，較佳的是片狀基材C係分割成以手作業而容易處理之小於0.5m2的大小並配置於模具上，但在配置複數片之片狀基材C的配置步驟中，於分開配置片狀基材C時，當形成有流動性片狀基材C彼此接觸之熔合線(weld line)，該處會有力學特性大幅降低之虞。因此，在配置複數片之片狀基材C時，較佳的是至少部分重疊而配置，一邊形成相異片狀基材C彼此的混合區域，一邊製造纖維強化塑膠。所謂的2片以上之片狀基材C均以與其他片狀基材C之任意一片以上重疊係例如可列舉出在片狀基材C為平行四邊形的情形下，片狀基材C的一邊以與其他片狀基材C重疊10~50mm左右的方式進行配置之形態。又，將片狀基材C重疊而配置時，為了使已多向配向之強化纖維包含在混合區域中，使力學特性提升，片狀基材C係以包含強化纖維之配向方向互相正交之2片切痕預浸體c為佳。
作為本發明2之較佳態樣，可列舉出片狀基材C中之切痕預浸體c之切痕平均長度為切痕預浸體a之切痕平均長度之1.5倍以上的態樣。就本發明中所製造之纖維強化塑膠而言，帶狀基材A發揮補強的作用，但片狀基材C也以在可能的範圍內具有高力學特性為佳。為此，可考慮將切痕預浸體a與切痕預浸體c的纖維長度作成為相同程度，並將切痕預浸體c的流動性作成高於切痕預浸體a的方法。此時，即便是在切痕預浸體a滿足條件1，而切痕預浸體c滿足條件2的情形下， 藉由將插入至切痕預浸體c之切痕的平均長度作成為插入至切痕預浸體a之切痕的平均長度的1.5倍以上，則可使切痕預浸體c具有高流動性。更佳的是將插入至切痕預浸體c之切痕的平均長度作成為插入至切痕預浸體a之切痕的平均長度的2.0倍以上。插入至切痕預浸體c之切痕的平均長度上限沒有特別限定，實際上限是插入至切痕預浸體a之切痕的平均長度的100倍。
作為本發明2之較佳態樣，可列舉出如下態樣：於在切痕預浸體c面內之任意處取得半徑5mm圓時，該圓內包含13個以上之切痕。所謂的該圓內包含有切痕係指該圓內包含切痕整體的狀態。為了要使切痕預浸體c的流動性進一步提升，將纖維長度弄短是有效果的，但是滿足條件2也是一樣，藉由使切痕更進一步細細地分散，在流動時也可保有1根1根強化纖維的配向性，不會使力學特性顯著降低而提高流動性。又，藉由將切痕細細地分散，而將一個一個切痕的開口縮小，所得到之纖維強化塑膠的表面品質也會上升。
作為本發明之較佳態樣，可列舉出如下態樣：在片狀基材C中，如圖2所示般，切痕1(元件符號3)與切痕2(元件符號4)插入在切痕預浸體c上，切痕1係與強化纖維之纖維方向所成角度θ1之絕對值為0°≦θ1<10°，切痕之平均長度xc1滿足5mm≦xc1≦50mm，切痕2係與強化纖維之纖維方向所成角度θ2之絕對值為10°<θ2≦45°，切痕之平均長度xc2滿足0.5mm≦xc2<5mm，切痕預浸體c內之實質上所有的強化纖維係被 切痕1或切痕2所割斷，已割斷之強化纖維的長度為0.1~15mm的長度。惟，在切痕1與切痕2之交叉點附近，纖維長度可能短於0.1mm，而就本發明來說，在短於0.1mm之強化纖維係小於切痕預浸體c所含強化纖維整體體積的5%時，視為可無視其存在。
強化纖維長度為0.1~15mm的確認方法係與上述強化纖維之平均長度一樣，可使用數位顯微鏡等，利用所拍攝好的影像來加以確認。於僅由切痕1或切痕2割斷強化纖維的情形，測定鄰接於強化纖維之配向方向之切痕之間的距離L1，針對由切痕1與切痕2所割斷之強化纖維，測定被切痕1與切痕2所夾住之強化纖維長度的最大值L2。關於L1與L2，分別測定10處，如L1及L2為15mm以下，則視為強化纖維長度為0.1~15mm。
為了要力學特性不會明顯降低地提升插入有切痕2之切痕預浸體c的流動性，插入與強化纖維之纖維方向所成角度極為接近0°的切痕1是有效的。在切痕預浸體c中，由於θ1越小，則來自切痕插入前之預浸體的力學特性降低越小，所以藉由將切痕1插入至已有插入切痕2之切痕預浸體c，可以減少來自僅有插入切痕2之切痕預浸體c之力學特性的降低，且增加切痕插入量。藉由增加切痕插入量，因為隔著切痕所鄰接之強化纖維係滑動處增加，故而流動性提升。特佳的是xc1範圍為5mm≦xc1≦10mm。切痕1係即便是與強化纖維平行的切痕也有效果，但特佳的是割斷強化纖維的切痕， 以1°≦θ1<10°為佳。切痕1與切痕2係可在不同步驟時插入，製造切痕預浸體c。
作為本發明之較佳態樣，可列舉出：在配置步驟(A)中，重疊部之面積合計相對於非重疊部之面積合計的比(「重疊部之面積合計」/「非重疊部之面積合計」)為0.05~0.8。當非重疊部的面積過小，作用在帶狀基材A上之荷重彼此變得難以傳達，補強效果變弱。另一方面，當重疊部面積過大時，因為剛性高於片狀基材B或片狀基材C的帶狀基材A無法完全追隨複雜形狀，會有在纖維強化塑膠上發生模糊的情形，所以重要的是以重疊部與非重疊部的面積比例變得適當的方式來將帶狀基材A配置在模具上。再更佳的是重疊部之面積合計相對於非重疊部之面積合計的比為0.1~0.6。
作為本發明之較佳態樣，有如下態樣：以藉由相互重疊而形成重疊部之兩片帶狀基材A中，其一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向與另一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向不同，兩者交叉的方式來配置帶狀基材A。所謂的「兩片帶狀基材A中，其一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向與另一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向不同，兩者交叉」係指在形成重疊部之該兩片切痕預浸體a中，其一切痕預浸體a之強化纖維之配向方向與另一切痕預浸體a之強化纖維之配向方向所成角度中較小角度為5°以上的情形。藉由形成重疊部之該兩片 切痕預浸體a彼此之強化纖維之纖維方向不同，則重疊部之切痕預浸體a彼此的摩擦變大，而於複雜形狀成形時，帶狀基材A的位置也不容易偏離，故佳。
作為本發明之較佳態樣，可列舉出如下態樣：帶狀基材A具有三片以上切痕預浸體a，包含：強化纖維配向在帶狀基材A之長邊方向上的切痕預浸體a；相對於帶狀基材A之長邊方向，強化纖維配向在40~50°的切痕預浸體a；及相對於帶狀基材A之長邊方向，強化纖維配向在-40~-50°的切痕預浸體a。尤其是在得到0.1~1mm等相對厚度較薄的成形品時，會有鄰接在帶狀基材A之厚度方向的片狀基材B或片狀基材C被壓出，產生厚度方向僅由帶狀基材A所構成之處的情形。此處之剛性係在帶狀基材A所含全部切痕預浸體a之強化纖維之配向方向相同時，會產生異向性，而不佳。因此，如有考慮到產生厚度方向僅由帶狀基材A所構成之處的可能性時，宜帶狀基材A本身具有接近等向性之剛性，故較佳的是並非僅包含強化纖維配向在長邊方向上的切痕預浸體a，還至少包含：相對於帶狀基材A之長邊方向，強化纖維配向在40~50°的切痕預浸體a；及相對於帶狀基材A之長邊方向，強化纖維配向在-40~-50°的切痕預浸體a。特佳的是包含：相對於帶狀基材A之長邊方向，配向在+45°與-45°的切痕預浸體a。再者，為了要使帶狀基材A之剛性接近等向性，還可以包含相對於長邊方向而強化纖維配向在90°之切痕預浸體a。切痕預浸體a之積層順序並無特別限定。
[實施例]
以下，根據實施例來進一步具體說明本發明，而本發明並未限定為實施例中所載發明。在本實施例中，以「Torayca(註冊商標)」預浸體片P3052S-15(強化纖維：T700S，熱固性樹脂：2500，強化纖維之體積含有率：58%)(以下，在簡稱為預浸體時，意指此預浸體片)為基底，製造出帶狀基材A、片狀基材B、片狀基材C，如下實施成形性評估1、剛性評估、成形性評估2。所得結果整理於表1中。
<成形性評估1>
使用雙面模具，製造具有圖3(a)之形狀的纖維強化塑膠。在將帶狀基材A配置於模具上之配置步驟(A)中，以形成帶狀基材A彼此重疊之重疊部與未重疊之非重疊部的方式，將：將寬度30mm之帶狀基材A切出成從模具露出的程度，如圖3(b)般，將帶狀基材A彼此交叉並配置者；及平行於纖維強化塑膠之相對兩邊者；配置在預先加熱至140℃的下方模具。
該重疊部之面積合計相對於非重疊部之面積合計的比滿足0.05~0.8。又，藉由相互重疊而形成重疊部之兩片該帶狀基材A中，其一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向與另一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向不同，兩者交叉。
接下來，將厚度有1mm左右之片狀基材B或 片狀基材C切成200mm×200mm，配置於模具。然後，放上預先加熱至140℃的上方模具，使用壓製機，以6MPa的壓力針對200mm×200mm的面積進行加壓，保持30分鐘之後，脫去模具，得到纖維強化塑膠。利用如下4個階段評估所得到纖維強化塑膠的品質。在平坦的桌子上放置纖維強化塑膠，如有邊端浮起1mm以上的地方，視為發生反翹，如有以觸感即可輕易感受得知的階段差，視為發生凹凸。
A：沒有反翹、凹凸，得到良好表面品質。
B：雖有發生反翹，但是沒有凹凸，表面品質良好。
C：在帶狀基材A與片狀基材B或片狀基材C之間發生凹凸。
D：可看到因基材未接觸到模具所產生之樹脂坑洞(resin starve)。
<剛性評估>
就成形性評估1所得到之纖維強化塑膠來說，針對成形性評估1為A或B之纖維強化塑膠，如圖3(c)般，使用力學試驗機，利用具有直徑30mm之半球狀前端之鐵製壓頭以1mm/min之速度壓住貼到纖維強化塑膠之中央，評估剛性。評估方法係使用試驗力成為40N之變位s1、試驗力成為80N之變位s2、纖維強化塑膠之壓頭正下方的厚度h(mm)，將E=40/(h3×(s2-s1))當作是評估指標而獲得。
<成形性評估2>
使用雙面模具，製造具有圖4(a)之形狀的纖維強化塑膠。所使用之雙面模具可將厚1.8mm之十字型肋部立起到最大45mm的高度。在將帶狀基材A配置於模具上之配置步驟(A)中，將寬度10mm之帶狀基材A切出成從模具露出的程度，如圖4(b)般，將帶狀基材A彼此交叉並配置，以形成帶狀基材A彼此重疊之重疊部與未重疊之非重疊部的方式，配置在預先加熱至140℃的下方模具。接下來，將厚度有3mm左右之片狀基材B或片狀基材C切成100mm×100mm，配置於模具。然後，放上預先加熱至140℃的上方模具，使用壓製機，以6MPa的壓力針對100mm×100mm的面積進行加壓，保持20分鐘之後，脫去模具，得到纖維強化塑膠。依如下5個階段評估所得到之肋部中央部(元件符號5的區域)的高度。
S：含有碳纖維之肋部高度為40mm以上。
A：含有碳纖維之肋部高度為30mm以上且小於40mm。
B：含有碳纖維之肋部高度為20mm以上且小於30mm。
C：含有碳纖維之肋部高度為10mm以上且小於20mm。
D：含有碳纖維之肋部高度為小於10mm。
(實施例1)
帶狀基材A係在作成為3層切痕預浸體a，將帶狀基材之長邊方向設為0°時積層為[+45°/0°/-45°]的基材。切痕預浸體a係以切痕長度為1mm，切痕相對於帶狀基材A之長邊方向具有14°之角度，且全部纖維強化 塑膠的平均長度成為25mm的方式，使用刀刃對預浸體插入切痕來加以製造。切痕之平均長度xa為1mm，利用切痕所割斷之強化纖維之平均長度ya為25mm，xa與ya係滿足條件1：ya>6.0xa+10。利用上述燒去法來測定切痕預浸體a內之連續纖維根數，結果為0根，可確認到實質上所有強化纖維被切痕所割斷。
作為片狀基材B，使用從預浸體切出長邊方向25mm、寬度5mm之切股(chopped strand)，將模具中設為70℃，並進行抽真空所製造出的SMC。厚度為1mm。
就成形性評估1而言，係在配置步驟(B)中配置1片之片狀基材B。所得到之纖維強化塑膠係發生些許反翹，但是沒有醒目的成形不良。就剛性評估而言，E為14。在成形性評估2之配置步驟(B)中，積層3片之片狀基材B，於纖維強化塑膠上立起21mm的肋部。
(實施例2)
除了使用片狀基材C取代片狀基材B之外，與實施例1一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。片狀基材C係依[0/90]3之積層構成進行積層，作成厚度0.9mm。切痕預浸體c係以切痕之平均長度1mm，切痕相對於強化纖維之配向方向具有14°之角度，且全部纖維強化塑膠的平均長度成為12.5mm的方式，使用刀刃對預浸體插入切痕來加以製造。切痕之平均長度xc為1mm，以切痕所割斷之強化纖維之平均長度yc為12.5mm，xc與yc係滿足條件2：yc≦6.0xc+10。又，於切痕預浸體c之面 內任意處取得半徑5mm之圓時，該圓內包含有13個以上的切痕。利用上述燒去法測定切痕預浸體c內之連續纖維根數，結果為0根，可確認到實質上所有強化纖維被切痕所割斷。
就成形性評估1而言，係在配置步驟(C)中配置1片之片狀基材C。所得到之纖維強化塑膠係沒有反翹、凹凸，也沒有明顯的成形不良。又，強化纖維之配向混亂度和切痕的開口也小。就剛性評估而言，E係大於實施例1。在成形性評估2的配置步驟(C)中，積層3片之片狀基材C，於纖維強化塑膠上立起35mm的肋部。
(實施例3)
除了以切痕長度3mm、切痕相對於強化纖維之配向方向具有14°的角度、所有強化纖維之平均長度成為25mm的方式，將切痕預浸體c作成為使用刀刃將切痕插入預浸體所製造出的切痕預浸體c之外，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。切痕之平均長度xc為3mm，以切痕所割斷之強化纖維之平均長度yc為25mm，xc與yc係滿足條件2：yc≦6.0xc+10。xc為切痕預浸體a之切痕之平均長度的1.5倍以上。
就成形性評估1而言，所得到之纖維強化塑膠係沒有反翹、凹凸，也沒有明顯的成形不良。強化纖維之配向混亂度和切痕的開口雖看起來大於實施例2，但就剛性評估而言，E係些微大於實施例2。在成形性評估2的配置步驟(C)中，積層3片之片狀基材C，於纖維 強化塑膠上立起25mm的肋部。
(實施例4)
就成形性評估1而言，係在配置步驟(C)中，以端部重疊10mm的方式，配置4片100mm×100mm之片狀基材C，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。成形性評估2並未實施。
就成形性評估1而言，連接處不明顯且可無凹凸地接合。剛性亦為與實施例2同等的值。
(實施例5)
就成形性評估1而言，係在配置步驟(C)中，與實施例4同樣地，準備4片100mm×100mm之片狀基材C，但以端部不重疊的方式進行配置，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。成形性評估2並未實施。
就成形性評估1而言，連接處不明顯且可無凹凸地接合，但是隨著利用壓頭之施壓，產生少量裂痕。
(實施例6)
在實施例2所使用之切痕預浸體c係插入有與強化纖維之纖維方向所成角度θ2之絕對值為10°<θ2≦45°，切痕長度xc2滿足0.5mm≦xc2<5mm的切痕2，而進一步地，以切痕預浸體c中所含強化纖維的50%被切痕1所割斷的方式，使用刀刃將切痕1插入切痕預浸體c，該切痕1係與強化纖維之纖維方向所成角度θ1為2°， 滿足0°≦θ1<10°，切痕之平均長度xc1為20mm，滿足5mm≦xc1≦50mm，相對於強化纖維之纖維方向，依25mm之間隔進行配置的切痕。新製造出之切痕預浸體c中所含強化纖維之平均長度滿足0.1~15mm。利用上述燒去法測定切痕預浸體c內之連續纖維根數，結果為0根，可確認到實質上所有強化纖維被切痕所割斷。使用此切痕預浸體c，與實施例2同樣地進行評估。
就成形性評估1而言，相較於實施例2，更可見到強化纖維的小捲曲，但可沒有反翹、凹凸地成形。就剛性評估而言，為與實施例2同等的結果。就成形性評估2而言，立起高於實施例2之42mm的肋部。
(實施例7)
針對切痕預浸體c，於預浸體上插入切痕長度1mm、纖維長度2mm、與強化纖維之纖維方向所成之角度為60°之非常細的切痕。切痕之平均長度xc為1mm，以切痕所割斷之強化纖維之平均長度yc為2mm，滿足條件2：yc≦6.0xc+10。又，於切痕預浸體c之面內任意處取得半徑5mm之圓時，該圓內包含有13個以上的切痕。除了變更切痕預浸體c之外，與實施例1一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，即便是強化纖維較短，仍可見到保有某種程度之配向性的表面品質，但是強化纖維的混亂度高於實施例2。就剛性評估而言，為低於實施例2的值。就成形性評估2而言，顯示出優異 的流動性，立起高於其他實施例之45mm的肋部。
(實施例8)
除了將帶狀基材A之積層構成作成為[0]3之外，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，沒有明顯的成形不良，但可見到反翹。在厚度方向上沒有見到僅由帶狀基材A所形成之處，但因為帶狀基材A內強化纖維配向於單向上，所以可以輕易地想像到局部異向性變強。剛性評估係顯示出高剛性。就成形性評估2而言，可確認到與實施例2同等的肋部高度。
(比較例1)
除了未施行配置帶狀基材A之配置步驟(A)之外，與實施例1一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，可見到些許反翹，但仍可無明顯缺陷地成形。就剛性評估而言，相較於實施例1，剛性大幅降低。就成形性評估2而言，得到與實施例1同等的肋部高度。
(比較例2)
除了使用在帶狀基材A上未插入切痕之預浸體之外，與實施例1一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，未追隨細凹凸之帶狀基材A撐起，隨處可見樹脂坑洞。未實施成形性評估2。
(比較例3)
除了未施行配置帶狀基材A之配置步驟(A)之外，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，可沒有反翹、明顯缺陷地成形。就剛性評估而言，相較於實施例2，剛性大幅降低。未實施成形性評估2。
(比較例4)
除了構成片狀基材C之切痕預浸體c使用於帶狀基材A上所使用之切痕預浸體a之外，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，未見到樹脂坑洞，但在帶狀基材A與片狀基材C的邊界上產生些許凹凸。就成形性評估2而言，立起11mm的肋部。
(比較例5)
除了未使用帶狀基材A，而使用沒有切痕之預浸體來作為構成片狀基材C之切痕預浸體c之外，與實施例2一樣地進行操作，製造纖維強化塑膠。
就成形性評估1而言，隨處可見樹脂坑洞。就成形性評估2而言，碳纖維未含於肋部中，而樹脂被榨出。
Figure 107102636-A0202-12-0028-1
1‧‧‧帶狀基材A
2‧‧‧片狀基材B

Claims (9)

  1. 一種纖維強化塑膠之製造方法，其係使用帶狀基材A及片狀基材B之纖維強化塑膠之製造方法，該帶狀基材A為具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材，該切痕預浸體a係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件1，該片狀基材B為具有已無規配向過之強化纖維與樹脂的基材，上述製造方法包含：以形成各個帶狀基材A與其他一片以上帶狀基材A重疊之重疊部及未重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置在模具上之配置步驟(A)；將片狀基材B配置在模具上之配置步驟(B)；及將所配置之帶狀基材A及片狀基材B予以加熱‧加壓的成形步驟，(條件1)切痕之平均長度xa(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度ya(mm)滿足ya>6.0xa+10。
  2. 一種纖維強化塑膠之製造方法，其係使用帶狀基材A及片狀基材C之纖維強化塑膠之製造方法，該帶狀基材A為具有一片以上切痕預浸體a之帶狀的基材，該切痕預浸體a係針對具有已單向配向過之強化 纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件1，該片狀基材C為具有一片以上切痕預浸體c的基材，該切痕預浸體c係針對具有已單向配向過之強化纖維與樹脂之預浸體，插入割斷強化纖維之複數個切痕而成的預浸體，滿足如下條件2，上述製造方法包含：以形成各個帶狀基材A與其他一片以上帶狀基材A重疊之重疊部及未重疊之非重疊部的方式，將複數個帶狀基材A配置在模具上之配置步驟(A)；將片狀基材C配置在模具上之配置步驟(C)；及將所配置之帶狀基材A及片狀基材C予以加熱‧加壓的成形步驟，(條件1)切痕之平均長度xa(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度ya(mm)滿足ya>6.0xa+10；(條件2)切痕之平均長度xc(mm)與以切痕所割斷之強化纖維之平均長度yc(mm)滿足yc≦6.0xc+10。
  3. 如請求項2之纖維強化塑膠之製造方法，其中，該片狀基材C包含強化纖維之配向方向互相正交之2片切痕預浸體c，在該配置步驟(C)中，2片以上之片狀基材C均以與其他片狀基材C之任意一片以上重疊的方式而配置 在模具上。
  4. 如請求項2或3之纖維強化塑膠之製造方法，其中，該切痕預浸體c之切痕的平均長度為該切痕預浸體a之切痕的平均長度的1.5倍以上。
  5. 如請求項2或3之纖維強化塑膠之製造方法，其中，於該切痕預浸體c之面內任意處取得半徑5mm之圓時，該圓內包含有13個以上的切痕。
  6. 如請求項2或3之纖維強化塑膠之製造方法，其中，切痕1與切痕2插入至該切痕預浸體c，該切痕1係與強化纖維之纖維方向所成角度θ1之絕對值為0°≦θ1<10°，切痕之平均長度xc1滿足5mm≦xc1≦50mm，該切痕2係與強化纖維之纖維方向所成角度θ2之絕對值為10°<θ2≦45°，切痕之平均長度xc2滿足0.5mm≦xc2<5mm，切痕預浸體c內之實質上所有的強化纖維係被切痕1或切痕2所割斷，已割斷之強化纖維的長度為0.1~15mm的長度。
  7. 如請求項1至3中任一項之纖維強化塑膠之製造方法，其中，在該配置步驟(A)中，該重疊部之面積合計相對於該非重疊部之面積合計的比(「重疊部之面積合計」/「非重疊部之面積合計」)為0.05~0.8。
  8. 如請求項1至3中任一項之纖維強化塑膠之製造方法，其中，藉由相互重疊而形成該重疊部之兩片該帶狀基材A中，其一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸 體a的強化纖維之纖維方向與另一帶狀基材A在重疊部側之切痕預浸體a的強化纖維之纖維方向不同，兩者交叉。
  9. 如請求項1至3中任一項之纖維強化塑膠之製造方法，其中，該帶狀基材A具有三片以上該切痕預浸體a，並包含：強化纖維配向在帶狀基材A之長邊方向上的切痕預浸體a；相對於帶狀基材A之長邊方向，強化纖維配向在40~50°的切痕預浸體a；及相對於帶狀基材A之長邊方向，強化纖維配向在-40~-50°的切痕預浸體a。
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