WO2021153366A1 - 炭素繊維とガラス繊維を含むコールドプレス成形体、およびその製造方法 - Google Patents

炭素繊維とガラス繊維を含むコールドプレス成形体、およびその製造方法 Download PDF

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cold
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横溝 穂高
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    • C08J2377/00Characterised by the use of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Derivatives of such polymers
    • C08J2377/02Polyamides derived from omega-amino carboxylic acids or from lactams thereof

Definitions

  • the present invention relates to a cold pressed molded product containing carbon fiber and glass fiber.
  • Carbon fiber or glass fiber especially fiber reinforced plastic using the former as a reinforcing material in recent years, because it has excellent wear resistance, electromagnetic shielding properties, X-ray transmission, and is lighter than metal materials and ceramic materials. Is widely used in automobiles, sports / leisure, aviation / space, and general industrial applications.
  • Patent Document 1 describes a laminated structure using carbon fiber and glass fiber as a material compounding technique for weight reduction, reduction of material cost, and improvement of mechanical properties.
  • the surface material and the core material can have different roles, and it is possible to secure excellent strength and high rigidity per unit weight.
  • Such a hybrid material has a feature of improving the bending strength and bending elastic modulus of a beam or a flat plate by slightly changing the elastic modulus between the surface layer and the core layer, and a CFRP / GFRP / CFRP laminated structure is typical. It can be said that it is a hybrid structure.
  • Patent Document 2 describes a molded product formed by laminating a thermoplastic resin layer reinforced with glass fibers and a thermoplastic resin reinforced with carbon fibers.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-43412
  • Patent Document 2 International Publication No. 2018/052008 Pamphlet
  • the glass fiber reinforced resin base material which is an intermediate layer, is intended to laminate molded products having a complicated shape, and the fastening stability of the molded product has been studied. do not have. Further, since the carbon fiber base material described in Patent Document 1 is prepared by a papermaking method and impregnated with a thermoplastic resin, the springback at the time of molding is too large.
  • an object of the present invention is to adjust the volume in the end region (flow region), preferably the volume resistance, by using discontinuous carbon fiber and discontinuous glass fiber, thereby excellent in bonding strength and bonding stability. It is to provide a cold press molded body.
  • Va is the volume of the material A contained in the molded product.
  • Vb is the volume of the material B contained in the molded product.
  • Va flow is the volume of the flow region A occupied by the material A in the in-plane flow region of the molded product.
  • Vb flow is the volume of the flow region B occupied by the material B in the in-plane flow region of the molded product.
  • the flow region is a region formed by flowing the material A and the material B in the in-plane direction of the molded product when cold pressed.
  • Va is the volume of the material A contained in the molded product.
  • Vb is the volume of the material B contained in the molded product.
  • Va flow is the volume of the flow region A occupied by the material A in the in-plane flow region of the molded product.
  • Vb flow is the volume of the flow region B occupied by the material B in the in-plane flow region of the molded product.
  • the non-fluid region is a region of the cold press molded product sandwiched between the surfaces where the material A or the material B first contacts the molding die.
  • thermoplastic resin a and the thermoplastic resin b are the same resin.
  • the volume resistivity of the end region can be adjusted by using the discontinuous carbon fiber and the discontinuous glass fiber, and the bonding strength and the bonding stability of the cold press molded body when bolted can be improved. ..
  • FIG. 5 is a schematic view in which an insertion hole is provided in a flow region of a cold-pressed molded product in the present invention and fastened to another member using a metal bolt.
  • the schematic diagram which shows an example of a cold press molded article.
  • Carbon fibers in general The carbon fibers used in the present invention are generally polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, petroleum / coal pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, cellulose-based carbon fibers, lignin-based carbon fibers, and phenol-based carbon fibers. Carbon fibers and the like are known, but in the present invention, any of these carbon fibers can be preferably used. Among them, in the present invention, it is preferable to use polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber because of its excellent tensile strength.
  • Carbon fiber sizing agent The carbon fiber used in the present invention may have a sizing agent attached to its surface.
  • the type of the sizing agent can be appropriately selected according to the type of carbon fiber and the type of the thermoplastic resin used for the material A, and in particular, It is not limited. 3. 3. Fiber diameter of carbon fiber
  • the fiber diameter of the single yarn of carbon fiber used in the present invention (generally, the single yarn may be called a filament) may be appropriately determined according to the type of carbon fiber, and is particularly limited. It is not something that is done.
  • the average fiber diameter is usually preferably in the range of 3 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably in the range of 4 ⁇ m to 12 ⁇ m, and even more preferably in the range of 5 ⁇ m to 8 ⁇ m.
  • the carbon fiber When the carbon fiber is in the form of a fiber bundle, it refers to the diameter of the carbon fiber (single yarn) constituting the fiber bundle, not the diameter of the fiber bundle.
  • the average fiber diameter of carbon fibers can be measured, for example, by the method described in JIS R7607: 2000. 4.
  • Weight average fiber length LwA of discontinuous carbon fiber The material A in the present invention contains carbon fibers having a weight average fiber length of LwA.
  • the weight average fiber length LwA is 1 mm or more and 100 mm or less, preferably 1 mm or more and 100 mm or less, more preferably 3 mm or more and 80 mm or less, and further preferably 5 mm or more and 60 mm or less.
  • LwA is 100 mm or less, the fluidity of the material A is unlikely to decrease, and a cold press molded product having a desired shape can be easily obtained. Further, when LwA is 1 mm or more, the mechanical strength of the obtained cold press molded product is unlikely to decrease, which is preferable.
  • carbon fibers having different fiber lengths may be used in combination.
  • the carbon fibers used in the present invention may have a single peak in the weight average fiber length distribution, or may have a plurality of peaks.
  • the carbon fibers contained in the injection-molded article or the extrusion-molded article are generally those that have undergone a sufficient kneading step to uniformly disperse the carbon fibers in the injection (extruded) molded article.
  • the weight average fiber length is less than 1 mm. 5.
  • Method for Measuring Weight Average Fiber Length of Carbon Fibers is the fiber length of 100 fibers randomly selected from a molding material (or molded body), using a nogisu or the like.
  • Glass fiber 1. 1. Average Fiber Diameter The average fiber diameter of the glass fiber is preferably 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably 5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the weight average fiber length of discontinuous glass fiber is preferably 0.1 mm to 100 mm, more preferably 0.1 mm to 70 mm, further preferably 0.1 mm to 50 mm, and 0. 1 mm to 50 mm is particularly preferable.
  • the weight average fiber length of the glass fiber is 1 mm or less because the fluidity is excellent.
  • the longer the glass fiber the more excellent the mechanical properties of the structural material can be obtained.
  • discontinuous glass fibers having different fiber lengths may be used in combination.
  • the discontinuous glass fiber used in the present invention may have a single peak in the weight average fiber length distribution, or may have a plurality of peaks.
  • the weight average fiber length and the number average fiber length of the discontinuous glass fiber can be measured in the same manner as in the above formulas (1) and (2).
  • the specific measurement method when the fiber length LwB of the discontinuous glass fiber is less than 1 mm will be described later.
  • 3. 3. Sizing agent As for the sizing agent used for the glass fiber of the material B, a preferable one can be appropriately used as in the case of carbon fiber. [Fiber volume ratio (Vf)]
  • the fiber volume ratio (Vf) of each of the material A containing discontinuous carbon fibers and the material B containing discontinuous glass fibers can be calculated by the following formula (3).
  • Fiber volume ratio (Vf) 100 x fiber volume / (fiber volume + thermoplastic resin volume) Equation (3)
  • the carbon fiber volume ratio in the material A is not particularly limited, but the carbon fiber volume ratio (Vf) is preferably 10 Vol% to 60 Vol%, more preferably 20 Vol% to 50 Vol%, and 25 Vol% to 45 Vol%. % Is even more preferable.
  • the volume ratio of the glass fiber in the material B is not particularly limited, but is preferably 10 Vol% to 60 Vol%, and more preferably 30 Vol% to 50 Vol. [Fiber break elongation]
  • the breaking elongation (maximum elongation rate (%)) of the glass fiber is preferably 1% to 10%, more preferably 2% to 6%.
  • the carbon fiber is a discontinuous fiber having a fiber length of 5 mm or more, and includes a carbon fiber a1 having a fiber bundle of less than 0.3 mm and a carbon fiber bundle a2 having a bundle width of 0.3 mm or more and 3.0 mm or less. Is preferable.
  • the volume ratio of the carbon fiber bundle a2 to the carbon fibers contained in the material A is preferably 5 Vol% or more and less than 95 Vol%, and more preferably 10 Vol% or more and less than 90 Vol%. 2.
  • the carbon fibers are preferably dispersed in the in-plane direction.
  • the in-plane direction is a direction orthogonal to the plate thickness direction of the molded body, and means an indefinite direction of parallel surfaces orthogonal to the plate thickness direction.
  • the carbon fibers are randomly dispersed in the in-plane direction in the two-dimensional direction.
  • two-dimensionally randomly dispersed means that the carbon fibers are randomly oriented in the in-plane direction of the molded product, not in a specific direction such as one direction, and have a specific direction as a whole. It refers to the state in which it is arranged in the seat surface without being shown.
  • the material A obtained by using the discontinuous fibers dispersed randomly in two dimensions is a substantially isotropic material having no in-plane anisotropy.
  • the degree of orientation of the two-dimensional random is evaluated by obtaining the ratio of the tensile elastic moduli in two directions orthogonal to each other.
  • the (E ⁇ ) ratio obtained by dividing the larger value of the measured tensile elastic modulus by the smaller one is 5 or less, more preferably 2 or less, still more preferably. If it is 1.5 or less, it can be evaluated that the carbon fibers are dispersed randomly in two dimensions. Since the molded product has a shape, as a method for evaluating the two-dimensional random dispersion in the in-plane direction, it is preferable to heat the molded product to a temperature higher than the softening temperature to return it to a flat plate shape and solidify it.
  • the glass fibers are preferably dispersed in the in-plane direction.
  • the in-plane direction is a direction orthogonal to the plate thickness direction of the molded body, and means an indefinite direction of parallel surfaces orthogonal to the plate thickness direction.
  • the glass fibers are randomly dispersed in the in-plane direction in the two-dimensional direction.
  • two-dimensionally randomly dispersed means that the glass fibers are randomly oriented in the in-plane direction of the molded body, not in a specific direction such as one direction, and have a specific direction as a whole. It refers to the state in which it is arranged in the seat surface without being shown.
  • the material B obtained by using the discontinuous fibers dispersed randomly in two dimensions is a substantially isotropic material B having no in-plane anisotropy.
  • the degree of orientation of the two-dimensional random is evaluated by obtaining the ratio of the tensile elastic moduli in two directions orthogonal to each other.
  • the (E ⁇ ) ratio obtained by dividing the larger value of the measured tensile elastic modulus by the smaller one is 5 or less, more preferably 2 or less, still more preferably. If it is 1.5 or less, it can be evaluated that the glass fibers are dispersed randomly in two dimensions.
  • the thermoplastic resin a and the thermoplastic resin b (thermoplastic matrix resin) used in the present invention are not particularly limited, and those having a desired softening point or melting point can be appropriately selected and used.
  • the thermoplastic resin a resin having a softening point in the range of 180 ° C. to 350 ° C. is usually used, but the thermoplastic resin is not limited thereto.
  • Thermoplastic resins include polyolefin resins, polystyrene resins, polyamide resins, polyester resins, polyacetal resins (polyoxymethylene resins), polycarbonate resins, (meth) acrylic resins, polyarylate resins, polyphenylene ether resins, polyimide resins, and polyether nitriles.
  • examples thereof include resins, phenoxy resins, polyphenylene sulfide resins, polysulfone resins, polyketone resins, polyether ketone resins, thermoplastic urethane resins, fluororesins, and thermoplastic polybenzoimidazole resins.
  • thermoplastic resin used for the material A or the material B of the present invention may be only one type or two or more types.
  • Examples of the mode in which two or more types of thermoplastic resins are used in combination include a mode in which thermoplastic resins having different softening points or melting points are used in combination, a mode in which thermoplastic resins having different average molecular weights are used in combination, and the like. Can be done, but this is not the case.
  • thermoplastic resin a contained in the material A and the thermoplastic resin b contained in the material B are of the same type.
  • the material A or material B used in the present invention includes various fibrous or non-fibrous fillers of organic fibers or inorganic fibers, flame retardants, UV resistant agents, stabilizers, and mold releasers, as long as the object of the present invention is not impaired. Additives such as agents, pigments, softeners, plasticizers, surfactants, hollow glass beads and the like may be included.
  • the method for producing the material A is not particularly limited, and for example, a material containing carbon fibers and a thermoplastic resin can be produced by the method described in US Pat. No. 8,946,342.
  • the material A is isotropic, and the method for producing the material A is described in US Pat. No. 8,946,342.
  • the material A contains carbon fibers having a weight average fiber length of 1 mm to 100 mm (particularly carbon fibers).
  • the thermoplastic resin becomes plastic during preheating, the material A expands due to the springback of the carbon fibers and the bulk density changes.
  • the springback amount is a value obtained by dividing the plate thickness of the material A after preheating by the plate thickness of the material A before preheating.
  • the amount of springback tends to increase when the carbon fiber bundle contained in the material A becomes highly open (single yarn rich) or the fiber length becomes long.
  • the springback amount of the material A is preferably more than 1.0 and less than 14.0. If the amount of springback of the material A is less than 14.0, the material A is less likely to protrude from the mold when the material A is charged into the mold. In particular, when molding a molded product having a hat-shaped cross section as shown in FIG. 5, it is preferable that the amount of springback is small.
  • the preferable springback amount of the material A in the present invention is more than 1.0 and 7.0 or less, more preferably more than 1.0 and 5.0 or less, and further preferably more than 1.0 and 3.0 or less. Even more preferably, it is more than 1.0 and 2.5 or less.
  • [Material B] 1.
  • Kneaded pellets The method for producing the material B used in the present invention is not particularly limited, and the pellets obtained by kneading using glass fiber and a thermoplastic resin can be used as the material B.
  • the LFT-D kneading material material B can also be produced by the Long Fiber Thermoplastic Direct compound (LFT-D) method.
  • the LFT-D method reinforcing fibers are put into a kneader together with a thermoplastic resin, and the reinforcing fibers are cut into an appropriate length by the shearing force of a screw while the thermoplastic resin is melt-kneaded (thermoplastic).
  • a composite material of resin and reinforcing fiber, hereinafter sometimes referred to as "compound") is made. This compound can be used as the material B.
  • the LFT-D method is a method for obtaining a molded product by press-molding the compound before it cools.
  • D-LFT Insight into a rapid growing technology according to Protect-Tech Hnolgo.
  • D kneading material can be produced.
  • a plate-shaped material containing glass fiber and a thermoplastic resin can be produced by the same manufacturing method as that of the above-mentioned material A (for example, the method described in US Pat. No. 8,946,342), and this is used as the material B. Is also good.
  • the material A and the material B are cold-press molded to form a molded product. Therefore, the material A and the material B in the present invention preferably have a flat plate shape. On the other hand, the molded body is shaped into a three-dimensional shape.
  • press molding using a cold press is particularly preferable.
  • a thermoplastic reinforcing fiber composite material heated to a first predetermined temperature hereinafter, may be collectively referred to as a general term for the material A and the material B
  • a molding mold set to a second predetermined temperature After putting it in, pressurize and cool it.
  • the first predetermined temperature is equal to or higher than the melting point
  • the second predetermined temperature is lower than the melting point.
  • the first predetermined temperature is equal to or higher than the glass transition temperature
  • the second predetermined temperature is lower than the glass transition temperature.
  • the first predetermined temperature is determined based on the higher melting point or glass transition temperature of the resin, and the lower melting point or glass transition temperature of the resin is used.
  • a second predetermined temperature is determined as a reference.
  • the cold press method includes at least the following steps A-1) to A-2).
  • Step A-1) A step of heating the thermoplastic reinforcing fiber composite material to a melting point or higher and a decomposition temperature or lower when the thermoplastic resin is crystalline, and a glass transition temperature or higher and a decomposition temperature or lower when the thermoplastic resin is amorphous.
  • Step A-2) The temperature of the thermoplastic reinforcing fiber composite material heated in the above step A-1) is adjusted to below the melting point when the thermoplastic resin is crystalline and below the glass transition temperature when the thermoplastic resin is amorphous.
  • step A-2 the shape of the cavity of the molding die is preliminarily shaped by using a molding die different from the molding die used in step A-2). There is a shaping process and so on.
  • step A-2) is a step of applying pressure to the thermoplastic reinforcing fiber composite material to obtain a molded product having a desired shape.
  • the molding pressure at this time is not particularly limited, but the projected area of the molding cavity cavity is not particularly limited. It is preferably less than 20 MPa, more preferably 10 MPa or less.
  • the projected area charge rate at the time of cold press molding in the present invention is not particularly limited, but the calculation method of the projected area charge rate is shown below.
  • Projected area Charge rate (%) 100 x Material projected area (mm 2 ) / Molded cavity projected area (mm 2 )
  • the projected area of the material is the projected area of all the arranged materials (including the material A and the material B) in the punching direction
  • the molded cavity projected area is the projected area of the molding mold in the punching direction.
  • fiber turbulence is likely to occur, and conversely, in the non-fluid region, fiber orientation turbulence is unlikely to occur.
  • the non-flow region is maintained in the in-plane direction.
  • the fibers are oriented in the three-dimensional direction, and it is difficult to maintain the dispersion in the in-plane direction.
  • the molded product is not painted, the color difference of the resin on the surface of the molded product may be observed. In the non-fluid region, the surface of the material becomes the surface of the molded product as it is.
  • the surface of the material is prone to resin decomposition due to heating before cold pressing.
  • the surface of the molded product in the flow region is formed by flowing the resin inside the material.
  • the resin inside the material is less likely to decompose due to heating before cold pressing. Therefore, there is a difference in the color of the surface of the molded product between the fluid region and the non-fluid region.
  • FIG. 3B is a schematic view in which material A and material B are laminated in the order of A / B / A and cold-pressed to flow-mold.
  • the temperature of the molding die is equal to or lower than the softening temperature of the thermoplastic resin. Therefore, the material A (301) is placed on the lower molding die (305) at the same time.
  • the thermoplastic resin solidifies and becomes a non-fluid surface.
  • the molding die (304) descends and comes into contact with the material A (301), the thermoplastic resin solidifies at the same time as the contact and becomes a non-fluid surface. That is, the non-fluid region is a region sandwiched by the surfaces (non-fluid surfaces) in which the material A or the material B first comes into contact with the molding molds (molding upper mold and molding lower mold).
  • the inside of the material is maintained above the plasticization temperature, and as the press pressure rises, the material A and the material B flow to form a cold press molded product while forming a flow region.
  • the initially charged range is the non-fluid region (313), and the other regions are the fluid regions (314). That is, the flow region is a region formed by the flow of the material A and the material B in the in-plane direction of the molded product when cold pressed. When the projected area charge rate is less than 100%, the flow region forms the end of the cold press part.
  • the laminated structure of FIGS. 3A and 3B is set to A / B / A for convenience, but the present invention is not limited thereto.
  • Flow area A and flow area B in the flow area In the in-plane flow region of the cold press molded product, the region occupied by the material A is defined as the flow region A, and the region occupied by the material B is defined as the flow region B.
  • the material A (301) and the material B (302) are arranged and simultaneously pressed to obtain a flow region A (311) and a flow region B (312). be able to.
  • the easily flowing material B flows before the material A.
  • the ratio of the material B becomes relatively large in the flow region, and the volume ratio Va flow / Vb of the material A and the material B in the flow region is compared with the volume ratio Va / Vb of the material A and the material B contained in the molded body.
  • the flow becomes smaller. That is, Va / Vb> Va flow / Vb flow is satisfied.
  • Va / Vb> Va flow / Vb flow the volume resistivity in the flow region becomes relatively large, so that the problem of electrolytic corrosion is effective when an insertion hole is provided in the flow region and a metal bolt is inserted. It can be suppressed and the fastening stability can be improved. More preferably, Va / Vb> Va flow / Vb flow ⁇ 10, and even more preferably Va / Vb> Va flow / Vb flow ⁇ 20.
  • the volume ratio of the flow region A and the flow region B is Va flow / Vb flow ⁇ 1.0.
  • Va flow / Vb flow ⁇ 1.0 means that the material B has a larger volume ratio than the material A in the flow region.
  • Va flow / Vb flow ⁇ 1.0 the volume resistivity in the flow region becomes relatively large, so that the problem of electrolytic corrosion is effective when an insertion hole is provided in the flow region and a metal bolt is inserted. It can be suppressed and the fastening stability can be improved. More preferably, Va flow / Vb flow ⁇ 0.8, even more preferably Va flow / Vb flow ⁇ 0.5, and even more preferably Va flow / Vb flow ⁇ 0.3.
  • the flow region may be only the material B.
  • Va flow / Vb flow 0.
  • the volume of the material A is the volume of the material A contained in the cold pressed molded product
  • the volume of the material B is the volume of the material B contained in the cold pressed molded product.
  • Va and Vb are all the volumes of the material A or the material B contained in the cold press molded product regardless of the flow region and the non-fluid region.
  • Va: Vb which is the ratio of the volume Va of the material A and the volume Vb of the material B contained in the cold press molded product of the present invention, is (1) From the viewpoint of improving fluidity, it is preferably 10:90 to 50:50, and more preferably 20:80 to 40:60.
  • the material A can be used to form the main portion of the cold pressed compact, and only the required portions (eg, edges, details, etc.) can be formed using the highly fluid material B.
  • the material A and the material B are heated, the heated material A and the material B are laminated, and pressed at the same time in the molding die.
  • the laminated structure There is no limitation on the laminated structure, and it is possible to use a molding material having a multilayer structure such as A / B, A / B / A, B / A / B, A / B / A / B, and A / B / A / B / A. can.
  • a and B means a layer of each material.
  • other multilayer structures not described here may be used.
  • the material A and the material B but also the material C may be used as another material to obtain A / B / C / A or the like.
  • the material A When the material A is present on both sides and the material B is present in the intermediate layer in the A / B / A configuration, the material A is easily cooled and does not easily flow because it contains carbon fibers. Since the material B, which is the intermediate layer, is harder to cool than the carbon fiber, it is easy to flow.
  • the cold press molded product in which the material A and the material B are laminated does not need to have the material A and the material B laminated in all the regions of the cold press molded product, and in some cases, the material A and the material B are laminated. It suffices if the material A and the material B are laminated. For example, all the ends of the cold press molded product may be made of the material B.
  • the volume resistivity of the flow region is preferably 1.0 ⁇ 10 12 ⁇ ⁇ m or more, and more preferably 1.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ m or more. When the volume resistivity is in this range, electrolytic corrosion can be effectively prevented when the metal bolt is inserted into the flow region.
  • the flow region contains a large amount of material B having a high volume resistivity, electrolytic corrosion can be suppressed. That is, it may be a fastened body in which an insertion hole is provided in the flow region of the cold press molded body in the present invention, a metal bolt is inserted, and the molded body is fastened to the member to be fastened.
  • the plate-shaped material A and the material B are laminated, cold-pressed using the upper molding die and the lower molding die, and the material B flows in the in-plane direction of the material A. It is preferable that the surface is rolled and manufactured. The rolled surface means that the material flows on the extended surface in the in-plane direction of the plate-shaped molding material. It should be noted that cold pressing in the molding die to flow and extend the material B in the in-plane direction of the material A means that at least the material B flows and extends. At this time, the material A may or may not flow.
  • cold press molding is a molding method in which a plate-shaped material is heated, and the heated material is sandwiched between molding molds and pressed to obtain a molded product having a desired shape.
  • the matrix resin contained in the material is a thermoplastic resin, the material flows during cold press molding, so that a molded product having a complicated shape can be easily manufactured.
  • the reinforcing fiber contained in the material is a thermoplastic carbon fiber composite material which is a carbon fiber
  • the orientation of the carbon fibers in the carbon fiber reinforced thermoplastic composite material is adjusted, excessive flow will cause the carbon fiber orientation to be disturbed, improving the performance of the resulting cold press molded product. There may be a problem that the purpose of is not fully achieved.
  • thermoplastic composite material (material A) reinforced with carbon fibers is required to be devised so that a cold press molded product having a desired shape can be obtained without much flow.
  • the material A to be provided is cut out from the raw material base material (composite material containing carbon fiber and thermoplastic resin), it can be cut into a pattern (also referred to as “pattern cut”).
  • the cold-press molded product preferably the end corner in a cold-press molded product having in-plane end corners
  • the material B containing the glass fiber is a material that flows more easily than the material A containing the carbon fiber, so that the occurrence of chipping can be suppressed by flowing to the end of the molding die in press molding. Because.
  • the weight average fiber length LwB of the discontinuous glass fiber contained in the material B is 0.1 mm or more because the generation of burrs at the ends can be suppressed.
  • the shape of the cold press molded product produced by the present invention is not particularly limited.
  • the cold press molded product produced by the present invention preferably has at least one flat surface portion having at least one thickness (plate thickness), and has a T-shaped, L-shaped, U-shaped cross section. It may have a hat type (hat shape) and a three-dimensional shape including these, and may further have an uneven shape (for example, ribs, bosses, etc.). Examples of the cold press molded product produced by the present invention are shown in FIGS. 5 to 12.
  • the flow area is shaded and the insertion hole is (502).
  • Minimum wall thickness it is preferable that the minimum wall thickness of the flowing region is thinner than the minimum wall thickness of the non-flow region. By reducing the wall thickness of the flow region, it is possible to shorten the tightening allowance of the bolt when fastening it to another member with a metal bolt.
  • the minimum wall thickness of the flow region thinner than the minimum wall thickness of the non-flow region.
  • the upper and lower molds are lower than the softening point of the thermoplastic resin of the heated material A and B, and the material flows and the thermoplastic resin solidifies at the same time, so that the flow region has a certain thickness. You will need it.
  • the minimum wall thickness of the flowing region can be made thinner than that of the non-flowing region.
  • the raw materials used in the following production examples and examples are as follows.
  • the decomposition temperature is a measurement result by thermogravimetric analysis.
  • E glass fiber RS110QL-483 manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.
  • the number average fiber length LnB and the weight average fiber length LwB were obtained in the same manner as in the above formulas (1) and (2).
  • 2.3 Observation of the molded product The cross section of the flow region was observed with a microscope, and the area ratio of the material A and the material B was measured. This was observed at a total of 10 places, and the average was taken as the volume ratio of the flow region A and the flow region B.
  • the cross section of the entire molded body was also observed in the same manner as in the above-mentioned flow region, and the volume ratio of the material A and the material B was calculated.
  • the volume resistivity of the flow region of the molded body obtained in Examples and Comparative Examples is 30 mm from the flow end (the flow region forms the end of the molded body). , Measured according to JIS-K6911 (1995), which is a measurement standard.
  • Example 1 Manufacturing of material A
  • the carbon fiber "Tenax" (registered trademark) UTS50-24K (average fiber diameter 7 ⁇ m, number of single fibers 24,000) cut to a fiber length of 20 mm is used, and Unitika stock is used as the resin.
  • a composite material of carbon fibers and nylon 6 resin in which carbon fibers were randomly oriented in two dimensions was prepared based on the method described in US Pat. No. 8,946,342.
  • the obtained composite material was heated at 2.0 MPa for 5 minutes in a press apparatus heated to 260 ° C. to obtain a plate-shaped material A having an average thickness of 1.0 mm, a width of 100 mm and a length of 160 mm.
  • the carbon fiber volume ratio (Vf) was 35%
  • the fiber length of the carbon fibers was a constant length
  • the weight average fiber length was 20 mm.
  • the material B (pellets) was laminated so as to be 1.25 times the volume ratio of the material A (2 sheets). That is, the material B was laminated so as to have material A (volume ratio: 100) / material B (volume ratio: 250) / material A (volume ratio: 100).
  • the upper mold is lowered and pressed at a pressing pressure of 20 MPa (time from the start of pressurization to reaching 20 MPa for 1 second) for 1 minute, and the material A and the material B are pressed at the same time to form the shapes shown in FIGS. 1 and 2.
  • Cold press molded product (width 100 mm ⁇ length 200 mm) was manufactured.
  • the projected area charge rate of the material to the molded body is 80%.
  • 201 in FIG. 2 and 1301 in FIG. 13 are regions formed by flowing (length 40 mm), and 1302 is a non-fluid region (region in which the material is first charged) (length 160 mm). The results are shown in Table 1.
  • Example 2 Molded in the same manner as in Example 1 except that the fiber volume ratio (Vf) of the glass fibers contained in the material B was 30% and the input volume of the material B (pellets) was equal to the volume of the material A (2 sheets). Created a body. That is, the material B was laminated so as to have material A (volume ratio: 100) / material B (volume ratio: 200) / material A (volume ratio: 100). The results are shown in Table 1.
  • Example 3 Example 2 except that the carbon fiber volume ratio (Vf) of the carbon fibers contained in the material A was 25%, the thickness of the material A was 0.7 mm, and the glass fiber volume ratio (Vf) of the material B was 40%.
  • a molded product was prepared in the same manner as in the above. The results are shown in Table 1.
  • Example 4 A molded product was prepared in the same manner as in Example 2 except that the material B was prepared as follows. The results are shown in Table 1.
  • PA6 is melted by a twin-screw kneading extruder, and the melted PA6 is guided to a twin-screw kneading extruder, and glass fiber (E glass fiber; RS110QL-843 manufactured by Nitto Spinning Co., Ltd., roving) is drawn into the melted PA6 and kneaded.
  • glass fiber E glass fiber; RS110QL-843 manufactured by Nitto Spinning Co., Ltd., roving
  • Table 1 shows the weight average fiber length and the fiber volume ratio of the glass fibers contained in this compound.
  • Example 5 (Material A) Prepared in the same manner as in Example 1.
  • the obtained composite material was heated at 2.0 MPa for 5 minutes in a press apparatus heated to 260 ° C. to obtain a plate-shaped material B having an average thickness of 2.0 mm, a width of 100 mm and a length of 160 mm. That is, the size of the material B is the same as that of the material A except for the thickness.
  • the analysis results of the glass fiber contained in the material B are shown in Table 2.
  • a cold press molded product was prepared in the same manner as in Example 2. That is, the material B was laminated so as to have material A (volume ratio: 100) / material B (volume ratio: 200) / material A (volume ratio: 100). The results are shown in Table 2.
  • Example 6 and 7 The fiber volume ratios (Vf) of the glass fibers contained in the material B were set to 45% and 50%, respectively. Further, a molded product was prepared in the same manner as in Example 5 except that the lengths of the material A and the material B were 170 mm, the length was extended by 10 mm, and the press molding was performed so that the charge rate was 85%. The results are shown in Table 2. [Example 8] A molded product was prepared in the same manner as in Example 6 except that the weight average fiber length of the glass fibers contained in the material B was set to 8 mm. The results are shown in Table 2.
  • Example 9 A molded product was prepared in the same manner as in Example 6 except that the fiber volume ratio (Vf) of the carbon fibers contained in the material A was set to 25%. The results are shown in Table 2.
  • the fiber volume ratio (Vf) of the carbon fibers contained in the material A is 35%
  • the fiber volume ratio (Vf) contained in the material B is 40%
  • the thickness of the material B is 3 mm
  • the lamination pattern is A / B.
  • a molded body was prepared in the same manner as in Example 9 except that the material B was arranged so as to be in contact with the lower mold. That is, the volume ratio of the material A and the material B is material A (volume ratio: 100) / material B (volume ratio: 300). The results are shown in Table 2.
  • Example 1 A molded product was prepared in the same manner as in Example 6 except that the material B was not used and the material A was prepared with a thickness of 3 mm. The results are shown in Table 2.
  • Comparative Example 2 Prepare a thickness of material A of 1.7 mm and a thickness of material B of 0.5 mm, and set the volume ratio of material A and material B to material A (volume ratio: 170) / material B (volume ratio: 50) / material A. Press molding was performed in the same manner as in Example 6 except that (volume ratio: 170) was set. Since the material B (intermediate layer) is thinner than the material A, the flow in the central portion is small, and most of the flow portion is formed of the material A.
  • Example 11 A crack of 10 mm or more occurred in the in-plane direction.
  • Example 11 1.
  • Preparation of Material A As the carbon fiber, carbon fiber "Tenax" (registered trademark) STS40-24K (average fiber diameter 7 ⁇ m, number of single fibers 24,000) cut to a fiber length of 20 mm is used, and a resin is used.
  • a material a composite material of carbon fibers and nylon 6 resin in which carbon fibers were randomly oriented two-dimensionally was prepared based on the method described in US Pat. No. 8,946,342 using nylon 6 resin A1030 manufactured by Unitica. The obtained composite material was heated at 2.0 MPa for 5 minutes in a press apparatus heated to 260 ° C. to obtain a flat plate-like material having an average thickness of 1.0 mm, 390 mm ⁇ 340 mm.
  • Example 12 A molded product was produced in the same manner as in Example 11 except that the thickness of the material A was 1.0 mm, the thickness of the material B was 2.0 mm, and the material A / material B / material A was used. The results are shown in Table 3. [Example 13] The thickness of the material A was 0.7 mm, the thickness of the material B was 1.5 mm, and the material B'was prepared as follows. A molded product was produced in the same manner as in Example 11 except that the moldings were laminated so as to be Material A / Material B'/ Material A / Material B. The material B'was laminated in a volume having a thickness of 1.25 mm when a flat plate was formed. The results are shown in Table 3.
  • Example 3 A molded product was prepared in the same manner as in Example 11 except that only the material A was used and two pieces of the material A were laminated (material A / material A) to prepare a molded product. The results are shown in Table 3.
  • the method for manufacturing a cold-pressed molded article of the present invention is used for various components, for example, structural members of automobiles, various electric appliances, frames and housings of machines, and all other parts where shock absorption is desired, particularly preferably as automobile parts. It can be used in the production of available cold press moldings.

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Abstract

不連続炭素繊維と不連続ガラス繊維を用いて端部領域(流動領域)における体積、好ましくは体積抵抗率を調整することで、接合強度や接合安定性にも優れる、コールドプレス成形体を提供する。

Description

炭素繊維とガラス繊維を含むコールドプレス成形体、およびその製造方法
 本発明は、炭素繊維とガラス繊維を含むコールドプレス成形体に関する。
 炭素繊維やガラス繊維を強化材として使用した複合材料は、引張強度・引張弾性率が高く、線膨張係数が小さいので寸法安定性に優れることおよび、耐熱性、耐薬品性、耐疲労特性、耐摩耗性、電磁波シールド性、X線透過性にも優れ、そして金属材料やセラミック材料に比較して軽量であることから、炭素繊維またはガラス繊維、特に近年は前者を強化材として使用した繊維強化プラスチックは、自動車、スポーツ・レジャー、航空・宇宙、一般産業用途に幅広く採用されている。
 例えば特許文献1には、軽量化、材料費低減、機械的特性の向上のため材料の複合化技術として炭素繊維とガラス繊維を用いた積層構造が記載されている。サンドイッチ構造を持つ異種材料を用いた場合、表面材と芯材とで、それぞれ異なる役割を持たせたることが可能となり、単位重量当たりの優れた強さと高い剛性を確保することが可能となる。このようなハイブリッド材は表面層とコア層との弾性率を少し変えることで梁や平板の曲げ強さや曲げ弾性率を向上させる特徴を持ち、CFRP/GFRP/CFRPの積層構造などは典型的なハイブリッド構造といえる。
 特許文献2では、ガラス繊維で強化された熱可塑性樹脂層と、炭素繊維で強化された熱可塑性樹脂を積層させて成形した成形体が記載されている。
 (特許文献1)特開2018-43412号公報
 (特許文献2)国際公開2018/052080号パンフレット
 しかしながら、特許文献1に記載の発明において、中間層であるガラス繊維強化樹脂基材は、複雑な形状の成形品を積層させることを目的としており、成形体の締結安定性についての検討はされていない。また、特許文献1に記載の炭素繊維基材は、抄紙法で準備して熱可塑性樹脂を含浸させているため成形時のスプリングバックが大きすぎる。
 また、特許文献2に記載の発明では、流動部分におけるガラス繊維と炭素繊維の比率については検討されておらず、締結安定性は未だに十分でない。更に、カード機に投入し、解繊混合しているため、炭素繊維樹脂層は、ほとんど流動しない。
 そこで本発明の目的は、不連続炭素繊維と不連続ガラス繊維を用いて端部領域(流動領域)における体積、好ましくは体積抵抗率を調整することで、接合強度や接合安定性にも優れる、コールドプレス成形体を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
[1]重量平均繊維長LwAが1mm以上100mm以下の不連続炭素繊維、及び熱可塑性樹脂aを含む材料Aと、
不連続ガラス繊維、及び熱可塑性樹脂bを含む材料Bとが積層されたコールドプレス成形体であって、
Va/Vb>Vaflow/Vbflowを満たすコールドプレス成形体。
ただし、
Vaは成形体に含まれる材料Aの体積であり、
Vbは成形体に含まれる材料Bの体積であり、
Vaflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Aが占める流動領域Aの体積であり、
Vbflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Bが占める流動領域Bの体積であり、
流動領域とは、コールドプレスした際に、成形体の面内方向へ材料A及び材料Bが流動して形成された領域である。
[2]流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入した、[1]に記載のコールドプレス成形体。
[3]流動領域の体積抵抗率が1.0×1012Ω・m以上である、[2]又は[2]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
[4]熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが同じ樹脂である、[1]乃至[3]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
[5]不連続ガラス繊維の重量平均繊維長LwBが、0.1mm以上100mm以下である、[1]乃至[4]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
[6]Va/Vb>(Vaflow/Vbflow)×10を満たす、[1]乃至[5]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
[7]重量平均繊維長LwAが1mm以上100mm以下の不連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂aを含む板状の材料Aと、
不連続ガラス繊維及び熱可塑性樹脂bを含む材料Bとを積層し、
成形型内でコールドプレスして材料Aの面内方向に前記材料Bを流動して延面し、
コールドプレス成形体を製造する方法であって、
Va/Vb>Vaflow/Vbflowを満たすコールドプレス成形体の製造方法。
ただし、
Vaは成形体に含まれる材料Aの体積であり、
Vbは成形体に含まれる材料Bの体積であり、
Vaflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Aが占める流動領域Aの体積であり、
Vbflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Bが占める流動領域Bの体積である。
[8]非流動領域の最小肉厚よりも、流動領域の最小肉厚の方が薄い、[7]に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
ただし、非流動領域とは、材料A又は材料Bが成形型に最初に接触する面で挟まれたコールドプレス成形体の領域である。
[9]材料Aのスプリングバック量が1.0超14.0未満である、[7]又は[8]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
[10]
流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入した、[7]乃至[9]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
[11]流動領域の体積抵抗率が1.0×1012Ω・m以上である、[7]乃至[10]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
[12]熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが同じ樹脂である、[7]乃至[11]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
[13]不連続ガラス繊維の重量平均繊維長LwBが、0.1mm以上100mm以下である、[7]乃至[12]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
[14]Va/Vb>(Vaflow/Vbflow)×10を満たす、[7]乃至[13]のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
 本発明によれば、不連続炭素繊維、及び不連続ガラス繊維を用いて端部領域の体積抵抗率を調整でき、ボルト締結させたときのコールドプレス成形体の接合強度及び接合安定性を向上できる。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
図1における、「101-101’」の断面図である。
コールドプレス成形体の一例の製造方法を示した模式図である。
コールドプレス成形体の一例の製造方法を示した模式図である。
本発明におけるコールドプレス成形体の流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを用いて他の部材と締結させた模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体の模式図。
本発明におけるコールドプレス成形体を製造する際に、材料が流動する方向を示した模式図。
落錘試験の模式図。
コールドプレス成形体の一例を示す模式図。
[炭素繊維]
1.炭素繊維全般
 本発明に用いられる炭素繊維としては、一般的にポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維などが知られているが、本発明においてはこれらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができる。なかでも、本発明においては引張強度に優れる点でポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維を用いることが好ましい。
2.炭素繊維のサイジング剤
 本発明に用いられる炭素繊維は、表面にサイジング剤が付着しているものであってもよい。サイジング剤が付着している炭素繊維を用いる場合、当該サイジング剤の種類は、炭素繊維の種類、及び、材料Aに用いる熱可塑性樹脂の種類に応じて適宜選択することができるものであり、特に限定されるものではない。
3.炭素繊維の繊維直径
 本発明に用いられる炭素繊維の単糸(一般的に、単糸はフィラメントと呼ぶ場合がある)の繊維直径は、炭素繊維の種類に応じて適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。平均繊維直径は、通常、3μm~50μmの範囲内であることが好ましく、4μm~12μmの範囲内であることがより好ましく、5μm~8μmの範囲内であることがさらに好ましい。炭素繊維が繊維束状である場合は、繊維束の径ではなく、繊維束を構成する炭素繊維(単糸)の直径を指す。炭素繊維の平均繊維直径は、例えば、JIS R7607:2000に記載された方法によって測定することができる。
4.不連続炭素繊維の重量平均繊維長LwA
 本発明における材料Aは重量平均繊維長LwAの炭素繊維を含む。
 重量平均繊維長LwAは、1mm以上100mmm以下であるが、1mm以上100mm以下であることが好ましく、3mm以上80mm以下であることがより好ましく、5mm以上60mm以下であることが更に好ましい。LwAが100mm以下であれば、材料Aの流動性が低下しにくく、所望の形状のコールドプレス成形体を得られやすい。また、LwAが1mm以上の場合、得られるコールドプレス成形体の機械強度が低下しにくく、好ましい。
 本発明においては繊維長が互いに異なる炭素繊維を併用してもよい。換言すると、本発明に用いられる炭素繊維は、重量平均繊維長の分布において単一のピークを有するものであってもよく、あるいは複数のピークを有するものであってもよい。なお、射出成形体や押出成形体に含まれる炭素繊維は、炭素繊維を射出(押出)成形体中で均一に炭素繊維を分散させるために十分な混練工程を経たものは一般的に炭素繊維の重量平均繊維長は1mm未満となる。
5.炭素繊維の重量平均繊維長の測定方法
 一般的に、炭素繊維の平均繊維長は、例えば、成形材料(又は成形体)から無作為に抽出した100本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて1mm単位まで測定し、下記式(1)に基づいて求めることができる。平均繊維長の測定は、重量平均繊維長で測定できる。個々の炭素繊維の繊維長をLi、測定本数をjとすると、数平均繊維長と重量平均繊維長とは、以下の式(1)、(2)により求められる
 Ln=ΣLi/j ・・・式(1)
 Lw=(ΣLi )/(ΣLi)・・・式(2)
繊維長が一定長の場合は数平均繊維長と重量平均繊維長は同じ値になる。
[ガラス繊維]
1.平均繊維直径
 ガラス繊維の平均繊維直径は、1μm~50μmが好ましく、5μm~20μmがより好ましい。平均繊維径が小さすぎると熱可塑性樹脂の繊維への含浸性が困難となり、大きすぎると成形性や加工性に悪影響をもたらす。
2.不連続ガラス繊維の重量平均繊維長
 本発明で用いるガラス繊維の重量平均繊維長は、0.1mm~100mmが好ましく、0.1mm~70mmがより好ましく、0.1mm~50mmがさらに好ましく、0.1mm~50mmが特に好ましい。
 ガラス繊維の重量平均繊維長を1mm以下とすれば、流動性にすぐれるため好ましい。反対に、ガラス繊維が長いほど機械物性に優れた構造材が得られる。
 本発明においては繊維長が互いに異なる不連続ガラス繊維を併用してもよい。換言すると、本発明に用いられる不連続ガラス繊維は、重量平均繊維長の分布において単一のピークを有するものであってもよく、あるいは複数のピークを有するものであってもよい。
 不連続ガラス繊維の重量平均繊維長及び数平均繊維長は、上述の式(1)、(2)と同じように測定可能である。なお、不連続ガラス繊維の繊維長LwBが1mm未満の場合の具体的な測定方法については後述する。
3.サイジング剤
 材料Bのガラス繊維に用いるサイジング剤についても、炭素繊維と同様に適宜、好ましいものを用いることが出来る。
[繊維体積割合(Vf)]
 不連続炭素繊維を含んだ材料Aと、不連続ガラス繊維を含んだ材料Bのそれぞれについて、繊維体積割合(Vf)は、下記式(3)で求めることができる。
繊維体積割合(Vf)=100×繊維体積/(繊維体積+熱可塑性樹脂体積) 式(3)
 材料Aにおける炭素繊維体積割合に特に限定は無いが、炭素繊維体積割合(Vf)は、10Vol%~60Vol%であることが好ましく、20Vol%~50Vol%であることがより好ましく、25Vol%~45Vol%であればさらに好ましい。
 材料Bにおけるガラス繊維体積割合に特に限定は無いが、10Vol%~60Vol%であれば好ましく、30Vol%~50Volであれば更に好ましい。
[繊維の破断伸度]
 ガラス繊維の破断伸度(最大伸び率(%))は1%~10%が好ましく、より好ましくは2%~6%がより好ましい。伸度がこの範囲のガラス繊維を含んだ材料Bを用いることで、炭素繊維のみを用いた(材料Aのみを用いた)成形体よりも、耐衝撃性が向上する。
[材料Aに含まれる炭素繊維の形態]
1.束形態
 炭素繊維は繊維長が5mm以上の不連続繊維であって、繊維束0.3mm未満の炭素繊維a1と、束幅0.3mm以上3.0mm以下の炭素繊維束a2とを含んでいることが好ましい。材料Aに含まれる炭素繊維に対する炭素繊維束a2の体積割合は、5Vol%以上95Vol%未満が好ましく、10Vol%以上90Vol%未満がより好ましい。
2.分散
 材料Aにおいて、炭素繊維は面内方向に分散していることが好ましい。面内方向とは、成形体の板厚方向に直交する方向であり、板厚方向に直交する平行な面の不定の方向を意味している。
 更に、炭素繊維は面内方向に2次元方向にランダムに分散していることが好ましい。 ここで、2次元ランダムに分散しているとは、炭素繊維が、成形体の面内方向において一方向のような特定方向ではなく無秩序に配向しており、全体的には特定の方向性を示すことなくシート面内に配置されている状態を言う。この2次元ランダムに分散している不連続繊維を用いて得られる材料Aは、面内に異方性を有しない、実質的に等方性の材料である。  
 なお、2次元ランダムの配向度は、互いに直交する二方向の引張弾性率の比を求めることで評価する。材料Aの任意の方向、及びこれと直交する方向について、それぞれ測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った(Eδ)比が5以下、より好ましくは2以下、更に好ましくは1.5以下であれば、炭素繊維が2次元ランダムに分散していると評価できる。成形体は形状を有しているため、面内方向への2次元ランダム分散の評価方法としては、軟化温度以上に加熱して平板形状に戻して固化すると良い。その後、試験片を切り出して引張弾性率を求めると、2次元方向のランダム分散状態を確認できる。
[材料Bに含まれるガラス繊維の繊維形態]
 材料Bにおいて、ガラス繊維は面内方向に分散していることが好ましい。面内方向とは、成形体の板厚方向に直交する方向であり、板厚方向に直交する平行な面の不定の方向を意味している。
 更に、ガラス繊維は面内方向に2次元方向にランダムに分散していることが好ましい。   
 ここで、2次元ランダムに分散しているとは、ガラス繊維が、成形体の面内方向において一方向のような特定方向ではなく無秩序に配向しており、全体的には特定の方向性を示すことなくシート面内に配置されている状態を言う。この2次元ランダムに分散している不連続繊維を用いて得られる材料Bは、面内に異方性を有しない、実質的に等方性の材料Bである。  
 なお、2次元ランダムの配向度は、互いに直交する二方向の引張弾性率の比を求めることで評価する。材料Bの任意の方向、及びこれと直交する方向について、それぞれ測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った(Eδ)比が5以下、より好ましくは2以下、更に好ましくは1.5以下であれば、ガラス繊維が2次元ランダムに分散していると評価できる。
[熱可塑性樹脂]
 本発明に用いられる熱可塑性樹脂a、及び熱可塑性樹脂b(熱可塑性のマトリクス樹脂)は特に限定されるものではなく、所望の軟化点又は融点を有するものを適宜選択して用いることができる。熱可塑性樹脂としては、通常、軟化点が180℃~350℃の範囲内のものが用いられるが、これに限定されるものではない。
 熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂(ポリオキシメチレン樹脂)、ポリカーボネート樹脂、(メタ)アクリル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂フッ素系樹脂、熱可塑性ポリベンゾイミダゾール樹脂等を挙げることができる。
 本発明の材料A、又は材料Bに用いられる熱可塑性樹脂は1種類のみであってもよく、2種類以上であってもよい。2種類以上の熱可塑性樹脂を併用する態様としては、例えば、相互に軟化点又は融点が異なる熱可塑性樹脂を併用する態様や、相互に平均分子量が異なる熱可塑性樹脂を併用する態様等を挙げることができるが、この限りではない。
 また、材料Aに含まれる熱可塑性樹脂aと、材料Bに含まれる熱可塑性樹脂bと同種の熱可塑性樹脂であることが好ましい。
[その他の剤]
 本発明で用いる材料A又は材料Bには、本発明の目的を損なわない範囲で、有機繊維または無機繊維の各種繊維状または非繊維状のフィラー、難燃剤、耐UV剤、安定剤、離型剤、顔料、軟化剤、可塑剤、界面活性剤、中空ガラスビーズ等の添加剤を含んでいてもよい。
[材料A]
 材料Aの製造方法に特に限定は無いが、例えば米国特許第8946342号に記載された方法により、炭素繊維と熱可塑性樹脂を含んだ材料を作成することができる。好ましくは、材料Aは等方性のある材料が好ましく、その製造方法は米国特許第8946342号に記載されている。
[材料Aのスプリングバック量]
 材料Aを用いてコールドプレス成形するためには、材料Aを所定の温度に予熱・加熱して軟化・溶融する必要があり、重量平均繊維長1mm~100mmの炭素繊維を含む(とりわけ炭素繊維が堆積したマット状態のものを含む場合)材料Aは予熱時に熱可塑性樹脂が可塑状態になると炭素繊維のスプリングバックにより膨張し嵩密度が変化する。予熱時に嵩密度が変化すると、材料Aがポーラスとなり表面積が増大するとともに材料Aの内部まで空気が流入し熱可塑性樹脂の熱分解が促進される。ここで、スプリングバック量とは、予熱後の材料Aの板厚を、予熱前の材料Aの板厚で割った値である。
 材料Aに含まれる炭素繊維束が高開繊(単糸リッチ)になったり、繊維長が長くなったりするとスプリングバック量は大きくなる傾向にある。
 本発明では、材料Aのスプリングバック量は1.0超14.0未満であることが好ましい。材料Aのスプリングバック量が14.0未満であれば、前記成形型に材料Aをチャージする際に、成形型から材料Aがはみ出しにくくなる。特に、図5のように、断面ハット形状の成形体を成形する場合、スプリングバック量が小さい方が好ましい。
 本発明における材料Aの好ましいスプリングバック量は1.0超7.0以下であり、より好ましくは1.0超5.0以下であり、更に好ましくは1.0超3.0以下であり、より一層好ましくは1.0超2.5以下である。
[材料B]
1.混練ペレット
 本発明に用いられる材料Bの製造方法に特に限定はなく、ガラス繊維と熱可塑性樹脂を用いて混練し、得られたペレットを材料Bとすることができる。
2.LFT-D混練材
 材料Bは、Long Fiber Thermoplastic Direct in line Compound(LFT-D)法によっても作製できる。
 LFT-D法は、熱可塑性樹脂と共に強化繊維を混練機に投入し、熱可塑性樹脂を溶融混練しながらスクリューのせん断力により強化繊維を適度な長さに切ったLFT-D混練材(熱可塑性樹脂と強化繊維の複合材、以下「コンパウンド」ということがある。)を作る。材料Bとして、このコンパウンドを利用できる。なお、LFT-D法は、このコンパウンドが冷めないうちにプレス成形することで、成形品を得る工法である。
 より詳しくは、「In-line compounding and molding of long-fiber reinforced thermoplastics(D-LFT):Insight into a rapid growing tec hnology.ANTEC2004 Conference Proceedingsp.3500」に記載のLFT-D製造方法に準じてLFT-D混練材を製造することができる。
3.その他
 上述の材料Aと同様の製造方法(例えば米国特許第8946342号に記載された方法)により、ガラス繊維と熱可塑性樹脂を含んだ板状の材料を作成することができ、これを材料Bとしても良い。
[材料とコールドプレス成形体の関係]
 本発明において、材料A、材料Bは、コールドプレス成形されて成形体となる。したがって、本発明における材料A、材料Bは平板形状が好ましい。一方、成形体は賦形されて3次元形状となる。
 熱可塑性樹脂を用いてコールドプレスした場合、成形前後で強化繊維の形態はほぼ維持されるため、成形体に含まれる炭素繊維やガラス繊維の形態を分析すれば、材料A、材料Bの炭素繊維やガラス繊維の形態がどのようなものであったか分かる。特に、コールドプレスする際に、材料を流動させずに成形した場合(非流動成形)、繊維形態はほぼ変わらない。
[プレス成形]
 本発明では、材料Aと材料Bを加熱し、加熱された材料Aと材料Bとを、成形型内で同時にプレスしてコールドプレス成形体を製造すると良い。
[コールドプレス]
 一般的に、強化繊維と熱可塑性樹脂を含んだ材料のプレス成形(圧縮成形と呼ぶこともある)は、ホットプレス成形とコールドプレス成形に分類することができる。
 本発明においては、とりわけコールドプレスを用いたプレス成形が好ましい。コールドプレス法は、例えば、第1の所定温度に加熱した熱可塑性強化繊維複合材料(以下、材料A及び材料Bの総称として呼ぶ場合がある)を第2の所定温度に設定された成形型内に投入した後、加圧・冷却を行う。
 具体的には、熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが同じ種類であってそれが、結晶性である場合、第1の所定温度は融点以上であり、第2の所定温度は融点未満である。熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが同じ種類であって、それが非晶性である場合、第1の所定温度はガラス転移温度以上であり、第2の所定温度はガラス転移温度未満である。
 熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが異なる樹脂である場合は、樹脂の融点又はガラス転移温度の高い方を基準に、第1の所定温度を定め、樹脂の融点又はガラス転移温度の低い方を基準に、第2の所定温度を決定する。
 すなわち、コールドプレス法は、少なくとも以下の工程A-1)~A-2)を含んでいる。
 工程A-1)熱可塑性強化繊維複合材料を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上分解温度以下、非晶性の場合はガラス転移温度以上分解温度以下に加温する工程。
 工程A-2)上記工程A-1)で加温された熱可塑性強化繊維複合材料を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満に温度調節された成形型に配置し、加圧する工程。これらの工程を行うことで、熱可塑性強化繊維複合材料の成形を完結させることができる(コールドプレス成形体を製造することができる)。
 上記の各工程は、上記の順番で行う必要があるが、各工程間に他の工程を含んでもよい。他の工程とは、例えば、工程A-2)の前に、工程A-2)で利用される成形型と別の賦形型を利用して、成形型のキャビティの形状に予め賦形する賦形工程等がある。また、工程A-2)は、熱可塑性強化繊維複合材料に圧力を加えて所望形状の成形体を得る工程であるが、このときの成形圧力については特に限定はしないが、成形型キャビティ投影面積に対して20MPa未満が好ましく、10MPa以下であるとより好ましい。また、当然のことであるが、プレス成形時に種々の工程を上記の工程間に入れてもよく、例えば真空にしながらプレス成形する真空プレス成形を用いてもよい。
[投影面積チャージ率]
 本発明におけるコールドプレス成形する際の投影面積チャージ率に特に限定は無いが、以下に投影面積チャージ率の計算方法を示す。
 投影面積チャージ率(%)=100×材料の投影面積(mm)/成形型キャビティ投影面積(mm
 ここで、材料の投影面積とは配置した(材料Aと材料Bを含む)全ての材料の抜き方向への投影面積であり、成形型キャビティ投影面積とは抜き方向への成形型の投影面積である。
[流動領域と非流動領域]
 投影面積チャージ率を100%未満でコールドプレスして成形体を製造した場合、流動領域と非流動領域は、それぞれ領域が明確に区別できる。流動領域と非流動領域は、繊維配向状態を見ると、容易に判断できる。流動領域は繊維の乱れが発生しやすく、反対に非流動領域は繊維の配向乱れは発生しにくい。例えば、材料Aや材料Bに含まれる炭素繊維とガラス繊維が面内方向に分散している場合、非流動領域は面内方向への分散が維持される。一方、流動領域は3次元方向へ繊維が配向し、面内方向への分散が維持されにくい。更に、成形体が塗装されていない場合、成形体の表面での樹脂の色違いを観察しても良い。非流動領域においては、材料の表面がそのまま成形体の表面となる。材料表面はコールドプレス前の加熱により樹脂分解が生じやすい。一方、流動領域の成形体表面は、材料内部の樹脂が流動して形成される。材料内部の樹脂は、コールドプレス前の加熱による樹脂分解が少ない。そのため、流動領域と非流動領域では成形体表面の色に差が出る。
 図3Bは、材料Aと材料BをA/B/Aの順で積層し、コールドプレスして流動成形させた模式図である。
 図3A、図3Bのようにコールドプレスした場合、成形型の温度が熱可塑性樹脂の軟化温度以下の状態であるため、材料A(301)を成形下型(305)に載置したと同時に、熱可塑性樹脂が固化して非流動面となる。同様に、成形上型(304)が下降して材料A(301)に接触したときも、接触したと同時に熱可塑性樹脂が固化し、非流動面となる。すなわち、非流動領域とは、材料A又は材料Bが成形型(成形上型と成形下型)に最初に接触する面(非流動面)で挟まれた領域である。
 一方、材料の内部は可塑化温度以上を維持しており、プレス圧力の上昇により、材料A及び材料Bが流動し、流動領域を形成しながらコールドプレス成形体となる。図3A、図3Bで示したように、最初にチャージした範囲が非流動領域(313)となり、その他の領域は流動領域(314)となる。すなわち、流動領域とは、コールドプレスした際に、成形体の面内方向へ材料A及び材料Bが流動して形成された領域である。投影面積チャージ率を100%未満で成形した場合、流動領域はコールドプレス成形体の端部を形成する。
 なお、コールドプレスした後、端部などをトリミングしたり、2次加工したりすることで流動領域の体積が減少する場合であっても、トリミングや2次加工後のコールドプレス成形体に含まれる流動領域を観察する。
 また、流動領域と非流動領域を説明するために、便宜的に図3A、図3Bの積層構成をA/B/Aにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。
[流動領域における流動領域Aと流動領域B]
 コールドプレス成形体の面内方向の流動領域において、材料Aが占める領域を流動領域Aとし、材料Bが占める領域を流動領域Bとする。
 コールドプレス成形体は、例えば、図3Aに示されるように材料A(301)と材料B(302)を配置して同時プレスすることで、流動領域A(311)と流動領域B(312)得ることができる。図3Bのようにプレスした場合、流動しやすい材料Bが材料Aよりも先に流動する。そうすると、流動領域では材料Bの割合が比較的大きくなり、成形体に含まれる材料Aと材料Bの体積比Va/Vbに比べて、流動領域における材料Aと材料Bの体積比Vaflow/Vbflowは小さくなる。すなわち、Va/Vb>Vaflow/Vbflowを満たす。Va/Vb>Vaflow/Vbflowであると、流動領域における体積抵抗率が比較的大きくなるため、流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入したときに電蝕の問題を効果的に抑制でき、締結安定性を向上できる。より好ましくはVa/Vb>Vaflow/Vbflow×10であり、更に好ましくはVa/Vb>Vaflow/Vbflow×20である。
 より具体的には、コールドプレス成形体の少なくとも一つの面内方向の流動領域において、流動領域Aと流動領域Bとの体積比率がVaflow/Vbflow<1.0である。Vaflow/Vbflow<1.0は、流動領域においては、材料Bが材料Aよりも体積比率が大きいことを意味する。Vaflow/Vbflow<1.0であると、流動領域における体積抵抗率が比較的大きくなるため、流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入したときに電蝕の問題を効果的に抑制でき、締結安定性を向上できる。より好ましくはVaflow/Vbflow<0.8であり、更に好ましくはVaflow/Vbflow<0.5であり、より一層好ましくはVaflow/Vbflow<0.3である。流動領域は、材料Bのみであってもよい。流動領域が材料Bのみである場合、Vaflow/Vbflow=0となる。
[材料Aの体積Vaと、材料Bの体積Vb]
 本発明において、材料Aの体積とは、コールドプレス成形体に含まれる材料Aの体積であり、材料Bの体積とは、コールドプレス成形体に含まれる材料Bの体積である。VaやVbは、流動領域と非流動領域に関係なく、コールドプレス成形体に含まれる材料A、又は材料Bの全ての体積である。
 コールドプレスした後、端部などをトリミングしたり、2次加工することで材料A、又は材料Bの体積が減少したりする場合、トリミングや2次加工後のコールドプレス成形体に含まれる材料A、材料Bの体積を計測する。
[材料Aの体積Vaと、材料Bの体積Vbの比]
 本発明のコールドプレス成形体に含まれる材料Aの体積Vaと材料Bの体積Vbの比であるVa:Vbは、
(1)流動性向上の観点では、10:90~50:50であることが好ましく、20:80~40:60であることが更に好ましい。例えば、材料Aを用いてコールドプレス成形体の主要な部分を形成し、必要な部分(例えば端部や細部など)のみ流動性が高い材料Bを用いて形成することができる。
(2)軽量化向上の観点では、50:50~90:10であることが好ましく、60:40~80:20であることが好ましい。
[材料の積層構成]
 本発明において、材料Aと材料Bとを加熱し、加熱された材料Aと材料Bとを積層して、成形型内で同時にプレスすることが好ましい。積層構成に限定は無く、A/B、A/B/A、B/A/B、A/B/A/B、A/B/A/B/Aといった多層構造の成形材料にすることができる。ここで、単に「A」「B」と記載しているのは、各材料の層を意味する。なお、言うまでもなく、ここで記載していない他の多層構造としてもよい。また材料Aと材料Bだけでなく、その他の材料として材料Cを用いてA/B/C/Aなどとしても良い。
 材料Aが両面に存在し、材料Bが中間層に存在するA/B/Aの構成であった場合、材料Aは炭素繊維が含まれているため冷えやすく流れにくい。中間層である材料Bは炭素繊維に比べて冷えにくいため、流動しやすい。
 なお、本発明において、材料Aと材料Bとが積層されたコールドプレス成形体とは、コールドプレス成形体の全ての領域において材料Aと材料Bとが積層されている必要はなく、一部において材料Aと材料Bが積層されていれば良い。例えば、コールドプレス成形体の端部が全て材料Bで形成されていても良い。
[体積抵抗率]
 流動領域の体積抵抗率は1.0×1012Ω・m以上であることが好ましく、1.0×1013Ω・m以上であればより好ましい。体積抵抗率がこの範囲であれば、金属ボルトを流動領域に挿入させたときに、効果的に電蝕を防止できる。
[金属製のボルトの挿入]
 流動領域には、挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入することが好ましい。本発明において、流動領域に体積抵抗率が高い材料Bが多く含まれているため、電蝕を抑制することができる。 すなわち、本発明におけるコールドプレス成形体の流動領域に挿入穴を設けて、金属製のボルトを挿入し、被締結部材と締結した締結体であっても良い。
[面内方向への延面]
 本発明のコールドプレス成形体の製造は、板状の材料Aと材料Bとを積層し、成形上型と成形下型を用いてコールドプレスし、材料Aの面内方向に前記材料Bを流動して延面して製造することが好ましい。延面とは、板状の成形材料の面内方向の延長面上へ材料が流動することを言う。なお、成形型内でコールドプレスして材料Aの面内方向に前記材料Bを流動して延面するとは、少なくとも材料Bが流動して延面することを意味する。このとき、材料Aは流動しても、流動しなくても良い。
 一般的に、コールドプレス成形は、板状の材料を加熱し、加熱された材料を成形型で挟んで加圧することにより、所望の形状の成形体を得る成形方法である。材料に含まれるマトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である場合は、コールドプレス成形の際に材料が流動するため、複雑な形状の成形体も容易に製造することができる。
 しかしながら、材料に含まれる強化繊維が炭素繊維である熱可塑性炭素繊維複合材料である場合は、炭素繊維の繊維長が長いほど流動しにくくなるし、例えばコールドプレス成形体の性能の向上を目的として、炭素繊維で強化された熱可塑性複合材料中の炭素繊維の配向方向を調整している場合は、流動させ過ぎると炭素繊維の配向方向に乱れが生じ、得られるコールドプレス成形体の性能の向上の目的が十分に達成できないといった問題も起こり得る。
 反対に、材料Aをあまり流動させない場合、複雑形状のコールドプレス成形体を製造するのは難しくなる。そこで、炭素繊維で強化された熱可塑性複合材料(材料A)は、あまり流動させなくても所望の形状のコールドプレス成形体を得ることができるような工夫が求められており、例えばプレス成形に供する材料Aを、原料基材(炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む複合材料)から切り出す際に、パターン状にカットする(「パターンカット」ともいう)こともできる。
 また、コールドプレス成形体の少なくとも1つの面内方向の端部(面内方向の末端の角部を有するコールドプレス成形体においては望ましくは末端の角部)を材料Bのみで形成することで、当該端部の欠けの発生を抑制することができる(すなわち寸法安定性に優れる)。これは炭素繊維が含まれた材料Aよりも、ガラス繊維が含まれた材料Bの方が流動しやすい材料であるため、プレス成形において成形型の端まで流動することで欠けの発生を抑制できるためである。
 また、材料Bに含まれる不連続ガラス繊維の重量平均繊維長LwBを0.1mm以上とすれば、端部のバリの発生も抑制できるため好ましい。
[コールドプレス成形体の形状]
 本発明により製造されるコールドプレス成形体の形状は特に限定されない。本発明により製造されるコールドプレス成形体は、少なくとも1つの厚さ(板厚)を有する少なくとも1つの平面部を有することが好ましく、断面形状がT字型、L字型、コの字型、ハット型(ハット形状)およびこれらを含む三次元形状のものであってもよく、さらに凹凸形状(例えばリブ、ボスなど)を有していてもよい。
本発明により製造されるコールドプレス成形体の例を図5~図12に示す。それぞれの図面中で、流動領域を斜線で示し、挿入穴を(502)を示す。
[最小肉厚]
 本発明において、非流動領域の最小肉厚よりも、流動領域の最小肉厚の方が薄いことが好ましい。流動領域の肉厚を薄くすることによって、金属製のボルトで他の部材と締結する際に、ボルトの締め代を短くすることができる。
 一般的に、材料Aのみを用いてコールドプレスを用いた場合、流動領域の最小肉厚を、非流動領域の最小肉厚よりも薄くするのは難しい。成形上型と下型は、加熱された材料A及び材料Bの熱可塑性樹脂の軟化点よりも低く、材料が流動すると同時に熱可塑性樹脂の固化が進んでしまうため、流動領域にある程度の厚みが必要となる。本発明においては、流動しやすい材料Bを材料Aとともに用いることで、非流動領域よりも流動領域の最小肉厚をより薄くできる。
 以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
1.以下の製造例、実施例で用いた原料は以下の通りである。なお、分解温度は、熱重量分析による測定結果である。
(1)炭素繊維(PAN系炭素繊維)
帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”(登録商標)UTS50-24K(平均繊維径7μm、繊維束幅10mm、密度1.78g/cm3 )
(2)ガラス繊維
 チョップドストランドガラス繊維;日東紡績株式会社製CS3PE-451S
 Eガラス繊維;日東紡績株式会社製RS110QL-483
(3)ポリアミド6:以下、PA6と略する場合がある。
結晶性樹脂、融点225℃、分解温度(空気中)300℃。
2.評価方法
2.1 強化繊維体積割合(Vf)の分析
 材料A、材料Bを切り出し、500℃×1時間、炉内にて熱可塑性樹脂を燃焼除去し、処理前後の試料の質量を秤量することによって強化繊維と熱可塑性樹脂の質量を算出した。次に、各成分の比重を用いて、強化繊維と熱可塑性樹脂の体積割合を算出した。
 Vf=100×強化繊維体積/(強化繊維体積+熱可塑性樹脂体積)
2.2 重量平均繊維長の分析
 材料A、材料Bに含まれる強化繊維の重量平均繊維長の測定は、予め500℃×1時間程度、炉内にて熱可塑性樹脂を除去して測定する。
2.2.1 材料Aに含まれる炭素繊維
 材料Aに含まれる熱可塑性樹脂を除去した後、無作為に抽出した炭素繊維100本の長さをノギスで1mm単位まで測定して記録し、測定した全ての炭素繊維の長さ(Li、ここでi=1~100の整数)から、前述の式(2)により重量平均繊維長(LwA )を求めた。
2.2.2 材料Bに含まれるガラス繊維B
 重量平均繊維長が1mm以上のものは上記2.2.1の方法で測定し、重量平均繊維長1mm以下のものについて2.2.2の方法で測定した。
熱可塑性樹脂を除去した後、得られたガラス繊維を界面活性剤入りの水に投入し、超音波振動により充分に撹拌させた。撹拌された分散液を計量スプーンによりランダムに採取し評価用サンプルを得て、ニレコ社製画像解析装置Luzex APにて繊維数3000本の長さを計測した。
 ガラス繊維長の測定値を用いて、前述の式(1)、(2)と同様により数平均繊維長LnB 、重量平均繊維長LwB を求めた。
2.3 成形体の観察
 流動領域の断面を顕微鏡で観察し、材料Aと材料Bの面積割合を測定した。これを合計10カ所で観察し、平均したものを流動領域Aと流動領域Bの体積割合とした。成形体全体の断面も上記流動領域と同様に観察し、材料Aと材料Bの体積割合を算出した。
2.4 電蝕の評価
 実施例、比較例で作成した成形体を2枚準備し、流動領域に直径5mmの挿入穴をそれぞれ設け、ここに金属製(SUS304)のボルトを差し込んで締結した。
金属ボルトを差し込んだ部分以外の表面は、気密性、防水性を示すアクリル粘着剤が塗られたPE製のテープで覆い、複合サイクル試験(CCT試験)を行った。CCT試験では、以下の工程を組み合わせて1サイクル(計24時間)とした。
・湿潤工程:40℃、相対湿度(RH)95%
・塩水工程:5wt%の塩水噴霧、35℃、RH90%
・乾燥工程:60℃、RH30%
 すなわち、CCT試験では、先ず、金属製のボルトを差し込んだ成形体をPP板に載置し、両面テープで固定した。そして、各実施例、比較例の成形体に対しては、上記のサイクルを150回行った。金属ボルトを挿入した領域の外観を目視で観察した。
 Excellent:腐食が殆ど進行していない。
 Good:腐食がやや進行する。
 Poor:腐食が激しく進行する。
2.5 衝撃吸収能の評価(落錘試験)
 得られた成形体を幅100mm×長さ200mmに切り出し、図14に示す様に支点間距離100mmの間で成形体に鋼球が当たるよう成形体を上側に固定し、荷重500gの鋼球を4mの高さから、固定した成形体に落下させ、成形体の破損状態を目視にて確認した。
 Excellent:成形体として形状を保持する。
 Good: 衝撃を受けた裏面に膨れが観察される。
 Poor:衝撃を受けた裏面にクラックが観察される。
2.6 体積抵抗率
 実施例、比較例で得られた成形体の流動領域の体積抵抗率は、流動末端(流動領域が成形体の末端を形成している)から30mmの範囲でサンプルを切り出し、測定規格であるJIS―K6911(1995)に従って測定した。
[実施例1]
(材料Aの製造)
 炭素繊維として、繊維長20mmにカットした帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”(登録商標)UTS50-24K(平均繊維径7μm、単繊維数24,000本)を使用し、樹脂として、ユニチカ株式会社製のナイロン6樹脂A1030を用いて、米国特許第8946342号に記載された方法に基づき二次元ランダムに炭素繊維が配向した炭素繊維およびナイロン6樹脂の複合材料を作成した。得られた複合材料を260℃に加熱したプレス装置にて、2.0MPaにて5分間加熱し、平均厚み1.0mm、幅100mm×長さ160mmの板状の材料Aを得た。板状の原料基材に含まれる炭素繊維の解析を行ったところ、炭素繊維体積割合(Vf)は35%、炭素繊維の繊維長は一定長であり、重量平均繊維長は20mmであった。
(材料Bの製造)
 PA6を計量した後、シリンダー設定温度をPA6の融点+60℃、排圧10MPa、スクリュー回転数を160rpmに設定した株式会社日本製鋼所製TEX30型2軸押出機(L/D=45)のメインフィーダーより供給し、溶融混練を行った。次いで、PA6に対して、ガラス繊維の体積割合(Vf)が表1に示す割合となるように、ガラス繊維(CS3PE-451S)をサイドフィーダーから2軸押出機に供給し、溶融混練を行ったのち、ストランド状に取り出し、冷却後カッターで造粒しポリアミド樹脂組成物ペレットを得た。
(コールドプレス成形体の作成)
 材料Aと材料Bを120℃の熱風乾燥機で4時間乾燥した後、赤外線加熱機により290℃まで昇温し、材料A/材料B/材料Aの順で積層し、図13のように材料Aと材料Bを150℃に設定した成形下型に配置した。
 積層する際、材料B(ペレット)は、材料A(2枚)の体積割合に対して1.25倍になるように積層した。すなわち、材料A(体積割合:100)/材料B(体積割合:250)/材料A(体積割合:100)となるように、材料Bを積層させた。
 上型を下降させ、プレス圧力20MPa(加圧開始から、20MPaに達するまでの時間1秒)、で1分間加圧して、材料Aと材料Bを同時にプレスし、図1、図2に示す形状のコールドプレス成形体(幅100mm×長さ200mm)を製造した。
 断面観察したところ、流動領域において、材料Aから形成された流動領域Aと、材料Bから形成された流動領域Bが存在していた。
 材料Aは幅100mm×長さ160mmで準備し、材料B(ペレット)は材料Aに挟んで成形したので、成形体に対する材料の投影面積チャージ率は80%である。また、図2の201、図13の1301が流動させて成形した領域であり(長さ40mm)、1302が非流動領域(最初に材料をチャージした領域)である(長さ160mm)。結果を表1に示す。
 念のため、投入量とコールドプレス成形体における材料Aと材料Bの量が一致していることを説明する。
<投入量>
 材料A(体積割合:100)/材料B(体積割合:250)/材料A(体積割合:100)であるため、材料A÷材料B=200÷250=0.8である。
<コールドプレス成形体>
 材料A=非流動領域×80%+流動領域×20%
    =55×80%+3×20% = 44.6
 材料B=非流動領域×80%+流動領域×20%
    =45×80%+97×20% = 55.4
よって、材料A÷材料B=44.6÷55.4 ≒ 0.8となる。
[実施例2]
 材料Bに含まれるガラス繊維の繊維体積割合(Vf)を30%、材料B(ペレット)の投入体積を材料A(2枚)の体積と等しくとしたこと以外は、実施例1と同様に成形体を作成した。すなわち、材料A(体積割合:100)/材料B(体積割合:200)/材料A(体積割合:100)となるように、材料Bを積層させた。結果を表1に示す。
[実施例3]
 材料Aに含まれる炭素繊維の炭素繊維体積割合(Vf)を25%とし、材料Aの厚みを0.7mm、材料Bのガラス繊維体積割合(Vf)を40%としたこと以外は実施例2と同様に成形体を作成した。結果を表1に示す。
[実施例4]
 材料Bを以下のように準備したこと以外は、実施例2と同様に成形体を作成した。結果を表1に示す。
 PA6を2軸混練押出機にて溶融させ、さらに溶融したPA6を2軸混練押出機に導き、そこへガラス繊維(Eガラス繊維;日東紡績株式会社製RS110QL-483、ロービング)を引き入れ混練することでコンパウンドを準備し、これを材料Bとした。このコンパウンドに含まれていたガラス繊維の、重量平均繊維長、繊維体積割合は表1に示す。
 コールドプレスする際には実施例2と同様に、材料A(体積割合:100)/材料B(体積割合:200)/材料A(体積割合:100)となるように、材料Bを積層させた。
[実施例5]
(材料A)
 実施例1と同様に準備した。
(材料B)
 ガラス繊維として、Eガラス繊維;日東紡績株式会社製RS110QL-483、ロービングを使用し、樹脂として、ユニチカ株式会社製のナイロン6樹脂A1030を用いて、米国特許第8946342号に記載された方法に基づき二次元ランダムにガラス繊維が配向したガラス繊維およびナイロン6樹脂の複合材料を作成した。得られた複合材料を260℃に加熱したプレス装置にて、2.0MPaにて5分間加熱し、平均厚み2.0mm、幅100mm×長さ160mmの板状の材料Bを得た。すなわち厚み以外、材料Bの大きさは材料Aと同様である。材料Bに含まれるガラス繊維の解析結果は表2に示す。
(コールドプレス成形体の作成)
 実施例2と同様にコールドプレス成形体を作成した。すなわち、材料A(体積割合:100)/材料B(体積割合:200)/材料A(体積割合:100)となるように、材料Bを積層させた。結果を表2に示す。
[実施例6、7]
 材料Bに含まれるガラス繊維の繊維体積割合(Vf)をそれぞれ45%、50%とした。また、材料Aと材料Bの長さを170mmとして10mm伸ばし、チャージ率85%となるようにプレス成形を行った以外は、実施例5と同様に成形体を作成した。結果を表2に示す。
[実施例8]
 材料Bに含まれるガラス繊維の重量平均繊維長を8mmとしたこと以外は、実施例6と同様に成形体を作成した。結果を表2に示す。
[実施例9]
 材料Aに含まれる炭素繊維の繊維体積割合(Vf)を25%としたこと以外は、実施例6と同様に成形体を作成した。結果を表2に示す。
[実施例10]
 材料Aに含まれる炭素繊維の繊維体積割合(Vf)を35%とし、材料Bに含まれる繊維体積割合(Vf)を40%とし、材料Bの厚みを3mmとして積層パターンをA/Bとし、材料Bを下型に接するように配置したこと以外は、実施例9と同様に成形体を作成した。すなわち、材料Aと材料Bの体積比は材料A(体積割合:100)/材料B(体積割合:300)である。結果を表2に示す。
[比較例1]
 材料Bは使用せず、材料Aを厚み3mmで準備したこと以外は、実施例6と同様に成形体を作成した。結果を表2に示す。
[比較例2]
 材料Aの厚みを1.7mm、材料Bの厚みを0.5mmと準備し、材料Aと材料Bの体積比を材料A(体積割合:170)/材料B(体積割合:50)/材料A(体積割合:170)としたこと以外は、実施例6と同様にプレス成形を行った。材料Aに比べて材料B(中間層)が薄いため、中央部の流動が少なく、流動部の多くが材料Aで形成された。この結果、Va/Vb<Vaflow/Vbflowとなり、電蝕評価がpoorとなった。結果を表2に示す。
[落錘試験]
 実施例11~実施例14、比較例3で得られた成形体を用いて落錘試験を行った。試験条件は錘体質量を16kgとし、115J、135Jの衝撃が加わるように高さ調整をして、衝撃を受けた面とは反対側を観察し、以下の評価を行った。
 A+:クラックなし
 A:クラックは無いが、膨らみが観察された。
 B:面内方向に10mm未満のクラックが発生した。
 C:面内方向に10mm以上のクラックが発生した。
[実施例11]
1.材料Aの準備
 炭素繊維として、繊維長20mmにカットした東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”(登録商標)STS40-24K(平均繊維径7μm、単繊維数24,000本)を使用し、樹脂として、ユニチカ社製のナイロン6樹脂A1030を用いて、米国特許第8946342号に記載された方法に基づき二次元ランダムに炭素繊維が配向した炭素繊維およびナイロン6樹脂の複合材料を作成した。得られた複合材料を260℃に加熱したプレス装置にて、2.0MPaにて5分間加熱し、平均厚み1.0mm、390mm×340mmの平板板状の材料を得た。
 平板板状の材料に含まれる炭素繊維の解析を行ったところ、炭素繊維体積割合(Vf)は35%、炭素繊維の繊維長は一定長であり、重量平均繊維長は20mmであった。
1.2 材料Bの準備
 ガラス繊維として、Eガラス繊維;日東紡績株式会社製RS110QL-483、ロービングを使用し、樹脂としてユニチカ社製のナイロン6樹脂A1030を用いて、米国特許第8946342号に記載された方法に基づき二次元ランダムにガラス繊維が配向したガラス繊維およびナイロン6樹脂の複合材料を作成した。得られた複合材料を260℃に加熱したプレス装置にて、2.0MPaにて5分間加熱し、平均厚み1.5mm、390mm×340mmの平板板状の材料(2枚)を得た。材料に含まれるガラス繊維の解析を行ったところ、ガラス繊維体積割合(Vf)は45%、ガラス繊維の繊維長は一定長であり、重量平均繊維長は20mmであった。
2.コールドプレス
 材料Aと材料Bを120℃の熱風乾燥機で4時間乾燥した後、材料B/材料A/材料Bの順で積層して、赤外線加熱機により290℃まで昇温し、プレス圧力20MPaで1分間加圧して、材料Aと材料Bを同時にプレスし、図15に記載のコールドプレス成形体を製造した。波打ち方向(図15のY軸方向)と、波打ち方向と直行方向(図15のX軸方向)の長さは、それぞれ400mmと350mmであった。
 結果を表3に示す。
[実施例12]
 材料Aの厚みを1.0mm、材料Bの厚みを2.0mmとし、材料A/材料B/材料Aとしたこと以外は、実施例11と同様にして成形体を作成した。結果を表3に示す。
[実施例13]
 材料Aの厚みを0.7mm、材料Bの厚みを1.5mmとし、更に材料B’を以下のように準備した。これを、材料A/材料B’/材料A/材料Bとなるように積層したこと以外は、実施例11と同様にして成形体を作成した。材料B’は、仮に平板を形作った場合、厚さ1.25mmとなるような体積で、積層させた。結果を表3に示す。
 (材料B’の製造)
 PA6を計量した後、シリンダー設定温度をPA6の融点+60℃、排圧10MPa、スクリュー回転数を160rpmに設定した株式会社日本製鋼所製TEX30型2軸押出機(L/D=45)のメインフィーダーより供給し、溶融混練を行った。次いで、PA6に対して、ガラス繊維の体積割合(Vf)が表3に示す割合となるように、ガラス繊維(CS3PE-451S)をサイドフィーダーから2軸押出機に供給し、溶融混練を行ったのち、ストランド状に取り出し、冷却後カッターで造粒しポリアミド樹脂組成物ペレットを得た。
[比較例3]
 材料Aのみを用い、材料Aを2枚積層(材料A/材料A)して成形体を作成したこと以外は、実施例11と同様にして成形体を作成した。結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 本発明のコールドプレス成形体の製造方法は、各種構成部材、例えば自動車の構造部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等、衝撃吸収が望まれるあらゆる部位、特に好ましくは、自動車部品として利用できるコールドプレス成形体の製造に用いることができる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
101-101’ 図2の断面観察線
102 流動領域を示す範囲
103 非流動領域を示す範囲
201 流動領域を示す範囲
202 非流動領域を示す範囲
301 材料A
302 材料B
303 未チャージ領域
304 成形上型
305 成形下型
306 チャージ領域(非流動領域となる)
311 流動領域A(材料Aが流動して形成した領域)
312 流動領域B(材料Bが流動して形成した領域)
313 非流動領域
314 流動領域
401 流動領域A
402 流動領域B
403 他の部材
501 流動領域
502 挿入穴
1301 未チャージ領域(流動領域)
1302 チャージ領域(非流動領域)
1401 成形体
1402 クランプ
1403 鋼球

Claims (14)

  1.  重量平均繊維長LwAが1mm以上100mm以下の不連続炭素繊維、及び熱可塑性樹脂aを含む材料Aと、
     不連続ガラス繊維、及び熱可塑性樹脂bを含む材料Bとが積層されたコールドプレス成形体であって、
     Va/Vb>Vaflow/Vbflowを満たすコールドプレス成形体。
    ただし、
     Vaは成形体に含まれる材料Aの体積であり、
     Vbは成形体に含まれる材料Bの体積であり、
     Vaflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Aが占める流動領域Aの体積であり、
     Vbflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Bが占める流動領域Bの体積であり、
     流動領域とは、コールドプレスした際に、成形体の面内方向へ材料A及び材料Bが流動して形成された領域である。
  2.  流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入した、請求項1に記載のコールドプレス成形体。
  3.  流動領域の体積抵抗率が1.0×1012Ω・m以上である、請求項1又は2のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
  4.  熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが同じ樹脂である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
  5.  不連続ガラス繊維の重量平均繊維長LwBが、0.1mm以上100mm以下である、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
  6.  Va/Vb>(Vaflow/Vbflow)×10を満たす、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体。
  7.  重量平均繊維長LwAが1mm以上100mm以下の不連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂aを含む板状の材料Aと、
     不連続ガラス繊維及び熱可塑性樹脂bを含む材料Bとを積層し、
    成形型内でコールドプレスして材料Aの面内方向に前記材料Bを流動して延面し、
     コールドプレス成形体を製造する方法であって、
    Va/Vb>Vaflow/Vbflowを満たすコールドプレス成形体の製造方法。
    ただし、
     Vaは成形体に含まれる材料Aの体積であり、
     Vbは成形体に含まれる材料Bの体積であり、
     Vaflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Aが占める流動領域Aの体積であり、
     Vbflowは成形体の面内方向の流動領域における、材料Bが占める流動領域Bの体積である。
  8.  非流動領域の最小肉厚よりも、流動領域の最小肉厚の方が薄い、請求項7に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
     ただし、非流動領域とは、材料A又は材料Bが成形型に最初に接触する面で挟まれたコールドプレス成形体の領域である。
  9.  材料Aのスプリングバック量が1.0超14.0未満である、請求項7又は8のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
  10.  流動領域に挿入穴を設けて金属製のボルトを挿入した、請求項7乃至9のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
  11.  流動領域の体積抵抗率が1.0×1012Ω・m以上である、請求項7乃至10のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
  12.  熱可塑性樹脂aと熱可塑性樹脂bが同じ樹脂である、請求項7乃至11のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
  13.  不連続ガラス繊維の重量平均繊維長LwBが、0.1mm以上100mm以下である、請求項7乃至12のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
  14.  Va/Vb>(Vaflow/Vbflow)×10を満たす、請求項7乃至13のいずれか1項に記載のコールドプレス成形体の製造方法。
     
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