WO2020246622A1 - 熱可塑性繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
熱可塑性繊維強化樹脂をプレス成形して寸法精度の高い繊維強化樹脂成形品が得られる方法を提供する。 熱可塑性繊維強化樹脂の１枚のプリプレグ３、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ０．２～５．０ｍｍの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、上金型１及び下金型４の温度を１７０～２７０℃にする工程と、前記プリプレグを、前記上金型と前記下金型との間に配置する工程と、前記プリプレグに荷重をかけることにより、前記プリプレグを変形させる工程と、前記上金型と前記下金型の温度を、１分あたり５～５０℃の速さで温度を低下させる工程と、前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含む、方法。
Description
本発明は、プリプレグをプレス加工することにより、熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法に関する。
近年、環境問題から、自動車業界や航空業界等において燃費向上への取り組みが進められている。その中で、車体や機体の軽量化のため、金属から繊維強化樹脂への代替が期待されていて、注目が大きくなっている。
繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であり、繊維強化樹脂は、これら樹脂で繊維を強化したものである。繊維強化樹脂は、加熱により成形や賦型が可能で、高い生産性を有し、溶着等の二次加工が容易であり、電気絶縁性を有し、また腐食せずリサイクル性にも優れる等の特徴から様々な分野で広く使用されている。
また、繊維として炭素繊維を使った炭素繊維強化樹脂は、軽量であり、高強度高剛性であることから、前述の自動車業界や航空業界をはじめ、船舶業界や宇宙分野、風力発電やスポーツ用品等、幅広い分野で適用研究が行われ既に使用されている。
繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であり、繊維強化樹脂は、これら樹脂で繊維を強化したものである。繊維強化樹脂は、加熱により成形や賦型が可能で、高い生産性を有し、溶着等の二次加工が容易であり、電気絶縁性を有し、また腐食せずリサイクル性にも優れる等の特徴から様々な分野で広く使用されている。
また、繊維として炭素繊維を使った炭素繊維強化樹脂は、軽量であり、高強度高剛性であることから、前述の自動車業界や航空業界をはじめ、船舶業界や宇宙分野、風力発電やスポーツ用品等、幅広い分野で適用研究が行われ既に使用されている。
繊維強化樹脂の成形品の一例としては、ガラスクロス、炭素繊維のような繊維状補強材に、硬化剤や接着剤などの添加物を混合したエポキシ、フェノール、ポリエステルなどの熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱又は乾燥して半硬化状態にしたプリプレグを加熱及び加圧により硬化させる。
繊維強化樹脂の加工は、オートクレーブ成形、オーブン成形、プレス成形、ＲＴＭ／ＶａＲＴＭ法、引き抜き成形、フィラメントワイディング、シートワインディングなどがあるが、この中でも、生産性が高く、良質な繊維強化樹脂成形品が得られるという観点から、プレス成形が望ましいとされている。
繊維強化樹脂の加工は、オートクレーブ成形、オーブン成形、プレス成形、ＲＴＭ／ＶａＲＴＭ法、引き抜き成形、フィラメントワイディング、シートワインディングなどがあるが、この中でも、生産性が高く、良質な繊維強化樹脂成形品が得られるという観点から、プレス成形が望ましいとされている。
しかし、繊維強化樹脂は、金属に比べ展延性が小さく、鉄などの金属と同じようなスピードでプレス成形すると、切れたり、皺が発生したりする。また、成形するためにプリプレグに熱をかけすぎると、樹脂粘度が低下しすぎて、樹脂が溶融し、きれいな成形品を形成することができず、また、熱をかけないと粘度が低下しないため、成形不良となってしまうという問題があった。
このような問題に対し、プリプレグの樹脂組成物の流動性を調整する方法として、特許文献１では、「５０乃至９０重量部の固体エポキシ樹脂と１０乃至５０重量部の液体エポキシ樹脂との混合エポキシ樹脂と、ゴムと、硬化剤と、を含み、該ゴムは該混合エポキシ樹脂１００重量部に対して５乃至６０重量部配合され、該硬化剤は該混合エポキシ樹脂１００重量部に対して１乃至１００重量部配合されている」プリプレグ用樹脂組成物が開示されている（特許文献１：特開２００５－２１３３５２号公報）。
また、特許文献２には、「常温における保存安定性に優れ、比較的低温、かつ短い時間で加熱硬化することができ、硬化樹脂が高い耐熱性を有するエポキシ樹脂組成物を用いたプリプレグ、加熱加圧硬化時における樹脂の過剰な流動を抑制することができる」プレス成形、特にハイサイクルプレス成形に好適な強化繊維とエポキシ樹脂組成物からなるプリプレグが開示されている（特許文献２：特許第５６８２８３７号公報）。
上記、特許文献１や特許文献２に開示されるプリプレグは、プリプレグの樹脂組成物の構成により樹脂の流動性を調整するものであり、開示されている構成の樹脂組成物の場合に限り効果が発揮される。すなわち、上記構成以外の樹脂組成物を使ったプリプレグ（例えば、一般的な組成のプリプレグ）については問題は解決しない。近年、様々な分野で使われる繊維強化樹脂成形品には、その用途や形状、大きさ、そして要求されるコスト等により、必ずしも上記のような限定された樹脂組成物を使うことは出来ず、増加するニーズに対応するプレス成形のすべてに適用することは困難である。
さらに、特許文献１及び２は、いずれも熱硬化性樹脂のプリプレグのものであり、熱可塑性樹脂についての言及はない。
そこで、本発明は、品質、作業効率を下げることのない生産性の高い熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形方法を提供することを目的とする。
さらに、特許文献１及び２は、いずれも熱硬化性樹脂のプリプレグのものであり、熱可塑性樹脂についての言及はない。
そこで、本発明は、品質、作業効率を下げることのない生産性の高い熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形方法を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、繊維強化樹脂をプレス成形して完成度の高い繊維強化樹脂成形品を得られる方法を見出した。すなわち、本発明は以下を包含する。
［１］ 熱可塑性繊維強化樹脂の１枚のプリプレグ、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ０．２～５．０ｍｍの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、上金型と下金型を加熱し、前記上金型及び前記下金型の温度を１７０～２７０℃にする工程と、前記プリプレグを、上金型と下金型との間に配置する工程と、前記上金型を降下させ、前記上金型及び前記下金型が１７０～２７０℃の温度の範囲で、前記プリプレグに前記上金型と前記下金型とで荷重をかけることにより、前記プリプレグを変形させる工程と、前記上金型と前記下金型の温度を、１分あたり５～５０℃の速さで温度を低下させる工程と、前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含む、方法。
［２］ 前記熱可塑性繊維強化樹脂が、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、テフロン（登録商標）、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル又はこれらの組み合わせの繊維強化樹脂である、［１］に記載の方法。
［３］ 前記上金型が下死点の位置で、前記プリプレグの厚さ１ｍｍあたり０．３～２分の間、前記上金型及び前記下金型の温度を１７０～２７０℃に保持する工程をさらに含む、［１］又は［２］に記載の方法。
［１］ 熱可塑性繊維強化樹脂の１枚のプリプレグ、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ０．２～５．０ｍｍの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、上金型と下金型を加熱し、前記上金型及び前記下金型の温度を１７０～２７０℃にする工程と、前記プリプレグを、上金型と下金型との間に配置する工程と、前記上金型を降下させ、前記上金型及び前記下金型が１７０～２７０℃の温度の範囲で、前記プリプレグに前記上金型と前記下金型とで荷重をかけることにより、前記プリプレグを変形させる工程と、前記上金型と前記下金型の温度を、１分あたり５～５０℃の速さで温度を低下させる工程と、前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含む、方法。
［２］ 前記熱可塑性繊維強化樹脂が、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、テフロン（登録商標）、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル又はこれらの組み合わせの繊維強化樹脂である、［１］に記載の方法。
［３］ 前記上金型が下死点の位置で、前記プリプレグの厚さ１ｍｍあたり０．３～２分の間、前記上金型及び前記下金型の温度を１７０～２７０℃に保持する工程をさらに含む、［１］又は［２］に記載の方法。
本発明は、適切な温度管理と適切な圧力管理により熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形を実施することができ、正確性の高い熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造することができる。
本発明を実施するための形態を、実施例の図に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではなく、当業者に周知された範囲で適宜設計変更等することが可能である。
本明細書において、繊維強化樹脂成形品とは、繊維束、例えば、カーボンファイバー、ガラスファイバー等の繊維束を熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で含浸・乾燥させたプリプレグを加熱及び冷却により硬化させて得られる成形品であり、熱可塑性繊維強化樹脂成型品とは、上記繊維強化樹脂成型品のうち、樹脂が熱可塑性の樹脂で構成されたものをいう。
また、本発明では、熱可塑性繊維強化樹脂成型品は、熱可塑性樹脂及びそれらの一種を含む樹脂組成物で構成される。
また、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、テフロン（登録商標）、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル（ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等）、ポリエステル又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、また、複数混合して用いてもよい。
本明細書において、繊維強化樹脂成形品とは、繊維束、例えば、カーボンファイバー、ガラスファイバー等の繊維束を熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂で含浸・乾燥させたプリプレグを加熱及び冷却により硬化させて得られる成形品であり、熱可塑性繊維強化樹脂成型品とは、上記繊維強化樹脂成型品のうち、樹脂が熱可塑性の樹脂で構成されたものをいう。
また、本発明では、熱可塑性繊維強化樹脂成型品は、熱可塑性樹脂及びそれらの一種を含む樹脂組成物で構成される。
また、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、テフロン（登録商標）、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル（ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等）、ポリエステル又はこれらの組み合わせ等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、また、複数混合して用いてもよい。
［熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形について］
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形は、熱可塑性繊維強化樹脂のプリプレグ３をプレス成形して、熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する。
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂成形品のプレスによる製造するための装置は、図１に示すように、上方に配置される凹形状の上金型１と、上金型１と対をなす凸形状の下金型４とを含む。
上金型１の凹形状は、プリプレグ３を成形するための雌型であり、下金型４の凸形状は上金型１に対する雄型である。また、上金型１は、上金型１を昇温させるためのヒーター２を備え、下金型４には、下金型４を昇温させるためのヒーター５を備える。
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂のプレス成形は、熱可塑性繊維強化樹脂のプリプレグ３をプレス成形して、熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する。
本発明にかかる熱可塑性繊維強化樹脂成形品のプレスによる製造するための装置は、図１に示すように、上方に配置される凹形状の上金型１と、上金型１と対をなす凸形状の下金型４とを含む。
上金型１の凹形状は、プリプレグ３を成形するための雌型であり、下金型４の凸形状は上金型１に対する雄型である。また、上金型１は、上金型１を昇温させるためのヒーター２を備え、下金型４には、下金型４を昇温させるためのヒーター５を備える。
本発明のプレス成形方法は、図１～図３の製造工程図に示すように、上金型１と下金型４を加熱し、上金型１及び下金型４の温度を１７０～２７０℃にする工程と、プリプレグ３を、上金型１と下金型４との間に配置する工程（ａ工程 図１）と、上金型１を降下させ、上金型１及び下金型４の温度が１７０～２７０℃の範囲で、プリプレグ３に上金型１と下金型４とで荷重をかけることにより前記プリプレグを変形させる工程（ｂ工程 図２）と、上金型１と下金型４の温度を、１分あたり１０～５０℃の速さで温度を低下させる工程（ｄ工程 図２）と、上金型１及び下金型４が十分冷却したのち、上金型１を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品３Ａを取り出す工程（ｅ工程 図３）と、を含む。必要により、上金型１が下死点の位置で、プリプレグ３の厚さ１ｍｍあたり０．３～２分の間、上金型１及び下金型４の温度を１７０～２７０℃に保持する工程（ｃ工程 図２）をさらに含む。ここでは、保持する工程を組み込んだ方法について、説明する。
なお、本実施例においてプリプレグ３は、炭素繊維とポリプロピレンからなる熱可塑性繊維強化樹脂プリプレグを用いているが、特に限定されるものではない。
また、本実施例は、プリプレグは三菱ケミカル製（綾織り、１枚あたり０．２３ｍｍ）を使用し、完成後の熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが１．６ｍｍになるように複数枚積層して実施した。なお、本明細書に開示の技術は、熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが０．２～５．０ｍｍの厚さまで使用可能であり、プリプレグの積層枚数により完成品の厚さを調整することができる。さらには、プリプレグを積層する際に、プリプレグとプリプレグの間に接着剤及び／又は接着剤樹脂シートを配置して、プリプレグの積層強度を高める（プリプレグ同士を剥がれにくくする）こともできる。接着剤樹脂シートとして、例えば、アクリル系接着剤や、アクリル系接着剤樹脂シートを使用することができ、積層するすべてのプリプレグとプリプレグの間に配置してもよいし、プリプレグとプリプレグの間のうち、必要な箇所のみ接着剤樹脂シートを配置してもよい。
なお、本実施例においてプリプレグ３は、炭素繊維とポリプロピレンからなる熱可塑性繊維強化樹脂プリプレグを用いているが、特に限定されるものではない。
また、本実施例は、プリプレグは三菱ケミカル製（綾織り、１枚あたり０．２３ｍｍ）を使用し、完成後の熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが１．６ｍｍになるように複数枚積層して実施した。なお、本明細書に開示の技術は、熱可塑性繊維強化樹脂成型品の厚さが０．２～５．０ｍｍの厚さまで使用可能であり、プリプレグの積層枚数により完成品の厚さを調整することができる。さらには、プリプレグを積層する際に、プリプレグとプリプレグの間に接着剤及び／又は接着剤樹脂シートを配置して、プリプレグの積層強度を高める（プリプレグ同士を剥がれにくくする）こともできる。接着剤樹脂シートとして、例えば、アクリル系接着剤や、アクリル系接着剤樹脂シートを使用することができ、積層するすべてのプリプレグとプリプレグの間に配置してもよいし、プリプレグとプリプレグの間のうち、必要な箇所のみ接着剤樹脂シートを配置してもよい。
本発明の特徴は、プレス工程において、適切な温度と圧力を設定する。まず、プリプレグ３を配置する前に、上金型１と下金型４とをそれぞれ加熱する。加熱による各金型の昇温速度は、特に限定されるものではなく、好ましくは５～４０℃／分、より好ましくは１０～３０℃／分である。
上金型１と下金型４が設定した温度に到達したら、その温度で保持する。成型するための温度は、本実施例では２３０℃である。この保持温度は、成型するための温度に近傍の温度であり、後に配置するプリプレグ３が、上金型１と下金型４との間で樹脂が軟化し、賦形できる温度である。成型温度及び保持温度は、例えば、プリプレグ３の熱可塑性樹脂融点の温度から熱可塑性樹脂融点＋１００℃の範囲であり、一例では、熱可塑性樹脂融点の温度から熱可塑性樹脂融点＋７０℃である。成型温度又は保持温度が高すぎると、熱可塑性繊維強化樹脂成型品の焼けや光沢不良の原因となり、保持温度が低すぎると樹脂の流動性が悪くなるため、ひずみや白化の原因となる。
次に、プリプレグ３を下金型４に配置する（工程ａ）。このとき、図４では、（１）の位置である。図４の（１）の時点では、金型がプリプレグに接触しておらず、実質的に圧力はかかっていない。
プリプレグ３を配置した後、上金型１及び下金型４の温度を保持しながら、上金型１を下降する。まもなく、上金型１がプリプレグ３に接し（図４では、（２）の位置）、さらに上金型１が下死点まで降下する（工程ｃ）。上金型１が下死点に達し、荷重は最大値となる（図４では、（３）の位置）。
上金型１が下死点に達した後、荷重及び温度をその状態で所定の時間保持する。下死点における保持時間は、主にプリプレグ３の厚さによって、調整される。通常、保持時間は、プリプレグ３の厚さ１ｍｍあたり０．３～２分の間である。本実施例では、１．６ｍｍの熱可塑性繊維強化樹脂成形体３Ａを製造するために、約２分間保持する。保持するより好ましい時間は、保持時間が短いと、材料全体に熱が伝わらないため、所望の形状が得られにくい。特に、角の成形が不十分である。また、保持時間が長すぎると、樹脂の流動性と色調が変化する。
上金型１が下死点における荷重は、特に限定されるものではなく、８００～１５００ＫＮが好ましく、９００～１４００ＫＮがより好ましい。
上金型１が下死点の位置で、温度及び荷重を保持した後、金型（上金型１と下金型４）温度を所定の速度で低下させる（図４の（４）の位置）。具体的には、降下速度の上限は、通常５０℃／分以下、より好ましくは４０℃／分以下である。また、降下速度の下限は、通常５℃／分以上、好ましくは１０℃／分以上である。熱可塑性繊維強化樹脂成型品を本発明のようにプレスで形成する場合は、完成品の表面仕上がりおよび内面強度に影響を及ぼすため、温度の降下速度が非常に重要である。降下速度が高い場合は、ボイド、ひけ、フローマークが発生する恐れがある。また、降下速度が低すぎると、焼け、光沢不良の原因となる。適切な降下速度であれば、上記のような問題が発生せず、残留応力の発生も抑制することができる。
上記速度で温度を下げ、熱可塑性樹脂が固まる温度まで低下したとき、上金型１の加圧を停止し（図４の（５）の位置）、上金型１を元の位置になるように上昇させ（工程ｅ）、上金型１から熱可塑性繊維強化樹脂成形体３Ａを脱型し、プレス成形を終了する。
連続的にプレスを行う場合、金型温度は室温に戻す必要はなく、例えば、６０～９０℃であってもよい。ある程度高い温度であれば、再加熱する時間を短縮し、必要とするエネルギーを減少させることができる。
上記プレスにより、金属に比べてプレス加工が難しい熱可塑性繊維強化樹脂のプレス加工を実施することができる。
１：上金型
２：上金型のヒーター
３：プリプレグ
３Ａ：熱可塑性繊維強化樹脂成形体
４：下金型
５：下金型のヒーター
２：上金型のヒーター
３：プリプレグ
３Ａ：熱可塑性繊維強化樹脂成形体
４：下金型
５：下金型のヒーター
Claims (2)
- 熱可塑性繊維強化樹脂の１枚のプリプレグ、積層させた複数枚のプリプレグ、又はプリプレグの間に接着剤又は接着剤樹脂シートを配置して積層させた複数枚のプリプレグをプレスすることにより、厚さ０．２～５．０ｍｍの熱可塑性繊維強化樹脂成形品を製造する方法であって、
上金型と下金型を加熱し、前記上金型及び前記下金型の温度を１７０～２７０℃にする工程と、
前記プリプレグを、前記上金型と前記下金型との間に配置する工程と、
前記上金型を降下させ、前記上金型及び前記下金型が１７０～２７０℃の温度の範囲で、前記プリプレグに前記上金型と前記下金型とで荷重をかけ、さらに荷重を増大させながら、前記プリプレグを変形させ、下死点では荷重が最大になっている工程と、
前記上金型が下死点の位置で、前記プリプレグの厚さ１ｍｍあたり０．３～２分の間、前記上金型及び前記下金型の温度を１７０～２７０℃に保持する工程と、
前記上金型と前記下金型の温度を、１分あたり５～５０℃の速さで温度を低下させる工程と、
前記上金型及び前記下金型が十分冷却したのち、前記上金型を上昇させて熱可塑性繊維強化樹脂成形品を取り出す工程とを含み、
前記熱可塑性繊維強化樹脂の繊維は炭素の繊維束の状態である、方法。 - 前記熱可塑性繊維強化樹脂が、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、テフロン（登録商標）、アクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリエステル又はこれらの組み合わせの繊維強化樹脂である、請求項１に記載の方法。
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